KR101867408B1 - 컨테이너 분자로 기능화된 적층체, 유기 트랜지스터, 그를 포함하는 바이오센서 및 그의 제조방법 - Google Patents

컨테이너 분자로 기능화된 적층체, 유기 트랜지스터, 그를 포함하는 바이오센서 및 그의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101867408B1
KR101867408B1 KR1020170062887A KR20170062887A KR101867408B1 KR 101867408 B1 KR101867408 B1 KR 101867408B1 KR 1020170062887 A KR1020170062887 A KR 1020170062887A KR 20170062887 A KR20170062887 A KR 20170062887A KR 101867408 B1 KR101867408 B1 KR 101867408B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
substituted
unsubstituted
group
organic
layer
Prior art date
Application number
KR1020170062887A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170082996A (ko
Inventor
오준학
김기문
황일하
장문정
김효은
장윤정
Original Assignee
기초과학연구원
포항공과대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 기초과학연구원, 포항공과대학교 산학협력단 filed Critical 기초과학연구원
Priority to KR1020170062887A priority Critical patent/KR101867408B1/ko
Publication of KR20170082996A publication Critical patent/KR20170082996A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101867408B1 publication Critical patent/KR101867408B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/68—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving proteins, peptides or amino acids
    • G01N33/6893—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving proteins, peptides or amino acids related to diseases not provided for elsewhere
    • G01N33/6896—Neurological disorders, e.g. Alzheimer's disease
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/94—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving narcotics or drugs or pharmaceuticals, neurotransmitters or associated receptors
    • H01L51/0541—
    • H01L51/0583—
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K10/00—Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having potential barriers
    • H10K10/20—Organic diodes
    • H10K10/26—Diodes comprising organic-organic junctions
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K10/00—Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having potential barriers
    • H10K10/40—Organic transistors
    • H10K10/46—Field-effect transistors, e.g. organic thin-film transistors [OTFT]
    • H10K10/462—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs]
    • H10K10/464—Lateral top-gate IGFETs comprising only a single gate
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2800/00—Detection or diagnosis of diseases
    • G01N2800/28—Neurological disorders
    • G01N2800/2814—Dementia; Cognitive disorders
    • G01N2800/2821—Alzheimer

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Pharmacology & Pharmacy (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Neurology (AREA)
  • Neurosurgery (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Thin Film Transistor (AREA)

Abstract

기재; 기재 상에 위치하고, 유기 반도체 단분자를 포함하는 유기 활성층; 및 유기 활성층 상에 위치하고, 화학물질 또는 생물학적 활성물질을 감지하는 컨테이너 분자를 포함하는 감지층;을 포함하는 적층체가 제공된다. 본 발명의 유기 트랜지스터를 이용하여 알츠하이머(치매)와 같은 질환과 관련된 신경전달 물질에 대한 민감도가 높고 특정 신경전달 물질에 대한 선택적 민감도가 우수한 바이오 센서로 적용할 수 있다.

Description

컨테이너 분자로 기능화된 적층체, 유기 트랜지스터, 그를 포함하는 바이오센서 및 그의 제조방법{LAMINATE FUNCTIONALIZED WITH CONTAINER MOLECULE, ORGANIC TRANSISTOR, BIOSENSOR COMPRISING THE SAME, AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 컨테이너 분자로 기능화된 적층체, 유기 트랜지스터, 그를 포함하는 바이오센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 유기 반도체 단분자층과 감지층으로 화학물질 또는 생물학적 활성물질을 감지하는 컨테이너 분자를 도입함으로써 바이오센서로 이용할 수 있는 유기 트랜지스터, 그를 포함하는 바이오센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
유기 트랜지스터(organic transistor)형 센서는 무기소자에 비해 높은 유연성, 경량성, 초박형, 대면적화 등의 가능성으로 인해 차세대 전자소자로 많은 관심을 받아왔다. 또한 검출 시 나타나는 전류 신호의 증폭(amplification)으로 인한 높은 민감도로 화학/생물학적 활성 물질을 지속적으로 모니터링 할 수 있는 장점을 갖는다.
또한, 감지물질에 적합한 반도체 분자설계나 소자의 기능화 (functionalization)가 용이하기 때문에 감지물질의 종류에 따른 맞춤형 감지층을 선택적으로 제조할 수 있다. 이와 같은 유기 소재 기반 센서의 실용화를 앞당기기 위해서는 소자의 안정성과 신뢰성을 높이고, 높은 감도와 선택성을 모두 구현할 수 있는 효율적인 방법을 개발할 필요가 있다.
종래에는 인체 등의 질병을 간편하게 분석하는 방법 등에 적용하기 위해. 소자 상에 특정 질병과 관련된 분석 대상 물질을 검출할 수 있는 특정 수용체의 화학적 변형(chemical modification) 또는 효소고정화(enzyme immobilization)를 이용하여 고선택성 유기 트랜지스터 기반 센서를 구현하는 바이오 센서 개발 연구가 진행되고 있다. 그러나 이와 같은 효소기반 바이오 센서는 효소가 센서에 고정화되었을 때 그 안정성에 한계가 있고, 또한 고비용과 복잡한 제작 과정을 갖는 문제점이 있어 널리 상용화되지 못하고 있다.
이러한 문제점을 극복하기 위해서 효소나 매개체를 사용하지 않고, 간단히 화학/생물학적 분석 물질을 측정할 수 있는 새로운 바이오센서의 필요성이 증대되고 있다.
한국공개특허 제10- 2011-0104245호 한국공개특허 제10- 2010-0100083호
본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 내수성이 좋은 유기반도체 단분자와 나노동공을 가지는 합성수용체, 즉 컨테이너 분자로 기능화된 유기반도체를 제조하고, 이를 이용하여 알츠하이머(치매)와 같은 질환과 관련된 신경전달 물질에 대한 민감도가 높고 특정 신경전달 물질에 대한 선택적 민감도가 우수하여 바이오 센서로 적용할 수 있는 유기 트랜지스터를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면,
기재; 상기 기재 상에 위치하고, 유기 반도체 단분자를 포함하는 유기 활성층; 및 상기 유기 활성층 상에 위치하고, 화학물질 또는 생물학적 활성물질을 감지하는 컨테이너 분자를 포함하는 감지층;을 포함하는 적층체가 제공된다.
상기 유기 반도체 단분자가 DDFTTF(5,5'-bis-(7-dodecyl-9H-fluoren-2-yl)-2,2'-bithiophene), 펜타센(pentacene), 안트라센(anthracene), 테트라센(tetracene), 퀴놀린(quinoline), 나프탈렌 다이이미드(naphthalene diimide), 올리고싸이오펜 (oligothiophene), 올리고페닐렌(oligophenylene), 풀러렌(fullerene), FTTF(5,5'-bis(9H-fluoren-2-yl)-2,2'-bithiophene), DHFTTF(5,5'-bis(7-hexyl-9H-fluoren-2-yl)-2,2'-bithiophene), Cu-프탈로시아닌(Cu-Phthalocyanine), 및 Zn-프탈로시아닌(Zn-Phthalocyanine) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 컨테이너 분자가 하기 구조식 1로 표시되고,
[구조식 1]
Figure 112017048480400-pat00001
구조식 1에서,
n은 반복단위의 반복수이고, n은 3 내지 20의 정수 중 어느 하나이고,
R1 및 R2는 같거나 서로 다르고, R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소원자, -OR4, -SR5 또는 -NR6R7이고,
R4 내지 R7은 같거나 서로 다르고, R4 내지 R7은 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 직쇄형 또는 분쇄형 C1 내지 C20 알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 헤테로시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 직쇄형 또는 분쇄형 C2 내지 C20 알케닐기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20 시클로알케닐기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 헤테로시클로알케닐기, 치환 또는 비치환된 직쇄형 또는 분쇄형 C2 내지 C20 알키닐기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C20 아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 헤테로아릴기일 수 있다.
더욱 바람직하게는,
n은 반복단위의 반복수이고, n은 6 또는 7이고,
R1 및 R2는 같거나 서로 다르고, R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소원자, -OR4, -SR5 또는 -NR6R7이고,
R4 내지 R7은 같거나 서로 다르고, R4 내지 R7은 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 직쇄형 또는 분쇄형 C1 내지 C20 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 직쇄형 또는 분쇄형 C2 내지 C20 알케닐기일 수 있다.
상기 화학물질 또는 생물학적 활성물질이 화학 성분 또는 신경전달물질을 포함할 수 있다.
상기 화학 성분이 마약 성분을 포함하고, 상기 신경전달물질이 아세틸콜린을 포함할 수 있다.
상기 기재가 유리, 석영, 알루미나, 탄화규소, 산화마그네슘, 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리스티렌(PS), 폴리이미드(PI), 폴리염화비닐(PVC), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리에틸렌(PE), 실리콘(Si), n-도핑된 실리콘(n-doped Si), p-도핑된 실리콘(p-doped Si), 게르마늄, 갈륨비소(GaAs), 인화인듐(InP), 인듐안티몬(InSb), 인듐비소(InAs), 알루미늄비소(AlAs), 알루미늄안티몬(AlSb), 카드뮴텔루트(CdTe), 아연텔루트(ZnTe), 황화아연(ZnS), 셀레늄화카드뮴(CdSe), 카드뮴안티몬(CdSb) 및 인화갈륨(GaP) 중에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 기재가 게이트 전극일 수 있다.
상기 기재 상에 절연층을 추가로 포함하고, 상기 절연층상에 누적막(built-up film)이 추가로 형성될 수 있다.
상기 누적막이 하기 구조식 2로 표시되는 화합물을 포함하고,
[구조식 2]
Figure 112017048480400-pat00002
구조식 2에서,
R3은 C3 내지 C30 알킬기이고,
X1은 C1 내지 C6 알콕시, F, Cl, Br 또는 I이고,
X2는 H, C1 내지 C6 알콕시, F, Cl, Br 또는 I이고,
X3은 H, C1 내지 C6 알콕시, F, Cl, Br 또는 I인 것을 특징으로 하는 적층체.
본 발명의 다른 하나의 측면에 따르면,
상기 적층체를 포함하는 유기 트랜지스터가 제공된다.
본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면,
기재; 상기 기재 상에 위치하는 게이트 전극; 상기 게이트 전극 상에 위치하는 절연층; 상기 절연층 상에 위치하고, 유기 반도체 단분자를 포함하는 유기 활성층; 상기 유기 활성층 상에 위치하고, 화학물질 또는 생물학적 활성물질을 감지하는 컨테이너 분자를 포함하는 감지층; 및 상기 유기 활성층 상에 위치하는 소스 전극 및 드레인 전극;을 포함하는 유기 트랜지스터가 제공된다.
바람직하게는, 상기 유기 트랜지스터가 상기 유기 활성층 상에 위치하는 부동화(passivation) 층을 추가로 포함할 수 있다.
상기 부동화 층이 산화규소(SiO), 이산화규소(SiO2), 산화 알루미늄(Al2O3), 질화 알루미늄(AlN), 질화규소(Si3N4), 지르코니아(ZrO2), 산화하프늄(HfO2), 산화바륨(BaO), 탄탈륨 옥사이드(Ta2O5), 티타늄옥사이드(TiO), 산화칼슘(CaO) 및 산화칼륨(K2O) 중에서 선택된 1종 이상을 추가로 포함할 수 있다.
상기 기재가 플렉서블 기재일 수 있다.
상기 소스 전극, 드레인 전극, 또는 게이트 전극이 알루미늄, 금, 구리, 니켈, 그래핀, 탄소나노튜브, n-도핑된 실리콘(n-doped Si), p-도핑된 실리콘(p-doped Si), 및 전도성 고분자 중에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면, 유기 트랜지스터를 포함하는 전자소자가 제공된다.
상기 전자소자가 바이오 센서일 수 있다.
본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면,
(a) 게이트 전극 및 절연층이 순차적으로 형성된 기재를 준비하는 단계;
(b) 상기 절연층 상에 유기 반도체 단분자를 포함하는 유기 활성층을 형성하는 단계;
(c) 상기 유기 활성층 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계; 및
(d) 상기 유기 활성층 상에 화학 물질을 감지하는 컨테이너 분자를 포함하는 감지층을 형성하는 단계;를 포함하는 유기 트랜지스터의 제조방법이 제공된다.
단계 (a) 이후, 상기 절연층 상에 누적막(built-up film)을 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 유기 트랜지스터는 내수성이 좋은 유기반도체 단분자와 나노동공을 가지는 합성수용체, 즉 컨테이너 분자로 기능화된 유기반도체를 제조하고, 이를 이용하여 알츠하이머(치매)와 같은 질환과 관련된 신경전달 물질에 대한 민감도가 높고 특정 신경전달 물질에 대한 선택적 민감도가 우수하여 바이오 센서로 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 유기 트랜지스터의 제조방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이다.
도 2는 실시예 1에 따라 제조된 유기 트랜지스터의 적층 구조와 컨테이너 분자 AOCB[6]의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 2에 따라 제조된 플렉서블 유기 트랜지스터의 적층 구조를 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 2에 따라 제조된 플렉서블 유기 트랜지스터의 광학 사진을 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 1에 따라 제조된 유기 트랜지스터의 분석물질에 따른 센싱 민감도 분석결과를 나타낸 것이다.
도 6은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 유기 트랜지스터를 바이오 센서로 사용하여 아세틸콜린 대한 센싱 민감도를 비교한 것이다.
도 7은 밀도범함수이론(density functional theory) 계산결과에 따른 CB[6]-아세틸콜린과 CB[6]-콜린 착물의 최적화된 구조를 나타낸 것이다.
도 8은 아세틸콜린과 콜린의 블렌드 시스템에서 아세틸콜린의 부피 비율(volume ratio)에 따른 센싱 민감도를 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 실시예 2에 따라 제조된 플렉서블 유기 트랜지스터를 바이오센서로 사용한 센싱 결과를 나타낸 것이다.
도 10은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 유기 트랜지스터의 채널층의 AFM 분석 결과를 비교한 것이다.
도 11은 실시예 3에 따라 제조된 유기 트랜지스터의 암페타민과 메스암페타민(필로폰)에 대한 센싱 민감도를 비교한 것이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본원에서 사용한 용어는 단지 특정 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
상기 "치환된"이란 적어도 하나의 수소원자가 중수소, C1 내지 C30 알킬기, C3 내지 C30 시클로알킬기, C2 내지 C30 헤테로시클로알킬기, C1 내지 C30 할로겐화알킬기, C6 내지 C30 아릴기, C1 내지 C30 헤테로아릴기, C1 내지 C30 알콕시기, C2 내지 C30 알케닐기, C2 내지 C30 알키닐기, C6 내지 C30 아릴옥시기, 실릴옥시기(-OSiR1R2R3: R1, R2, 및 R3는 각각 독립적으로 수소원자, C1 내지 C30 알킬기 또는 C6 내지 C30 아릴기), C1 내지 C30 아실기, C2 내지 C30 아실옥시기, C2 내지 C30 헤테로아릴옥시기, C1 내지 C30 술포닐기, C1 내지 C30 알킬티올기, C6 내지 C30 아릴티올기, C1 내지 C30 헤테로시클로티올기, C1 내지 C30 인산아마이드기, 실릴기(-SiR1R2R3: R1, R2, 및 R3는 각각 독립적으로 수소원자, C1 내지 C30 알킬기 또는 C6 내지 C30 아릴기), 아민기-NRR'(여기에서, R 및 R'은 각각 독립적으로, 수소 원자, C1 내지 C30 알킬기, 및 C6 내지 C30 아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 치환기임), 카르복실기, 할로겐기, 시아노기, 니트로기, 아조기, 및 하이드록시기로 이루어진 군에서 선택되는　치환기로 치환된 것을 의미한다.
또한, 상기 치환기 중 인접한 두 개의 치환기가 융합되어 포화 또는 불포화 고리를 형성할 수도 있다.
또한, 상기 "치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기" 또는 "치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기" 등에서의 상기 알킬기 또는 아릴기의 탄소수 범위는 상기 치환기가 치환된 부분을 고려하지 않고 비치환된 것으로 보았을 때의 알킬 부분 또는 아릴 부분을 구성하는 전체 탄소수를 의미하는 것이다. 예컨대, 파라 위치에 부틸기가 치환된 페닐기는 탄소수 4의 부틸기로 치환된 탄소수 6의 아릴기에 해당하는 것을 의미한다.
또한, 상기 "치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 융합된 아릴기" 등에서 상기 융합된 아릴기의 탄소수 범위는 상기 치환기가 치환된 부분을 고려하지 않고 비치환된 것으로 보았을 때 융합되어 부가적으로 새롭게 형성된 아릴 부분을 구성하는 전체 탄소수를 의미하는 것이다.
본 명세서에서 "헤테로"란 별도의 정의가 없는 한, 하나의 작용기 내에 N, O, S 및 P로 이루어진 군에서 선택되는 헤테로 원자를 1 내지 4개 함유하고, 나머지는 탄소인 것을 의미한다.
본 명세서에서 "이들의 조합"이란 별도의 정의가 없는 한, 둘 이상의 치환기가 연결기로 결합되어 있거나, 둘 이상의 치환기가 축합하여 결합되어 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 "수소"란 별도의 정의가 없는 한, 일중수소, 이중수소, 또는 삼중수소를 의미한다.
본 명세서에서 "알킬(alkyl)기", "알케닐(alkenyl)기" 또는 "알키닐(alkynyl)기" 란 별도의 정의가 없는 한, 지방족 탄화수소기를 의미한다.
알킬기는 어떠한 이중결합이나 삼중결합을 포함하고 있지 않은 "포화 알킬(saturated alkyl)기" 일 수 있다.
"알케닐(alkenyl)기"는 적어도 두 개의 탄소원자가 적어도 하나의 탄소-탄소 이중 결합으로 이루어진 작용기를 의미하며, "알키닐(alkynyl)기" 는 적어도 두 개의 탄소원자가 적어도 하나의 탄소-탄소 삼중 결합으로 이루어진 작용기를 의미한다.
"알케닐렌(alkenylene)기"는 상기 알케닐기의 말단 탄소에 결합된 수소 중 어느 하나가 원자가 결합으로 치환된 작용기를 의미하고, "알키닐렌(alkynylene)기" 는 상기 알키닐기의 말단 탄소에 결합된 수소 중 어느 하나가 원자가 결합으로 치환된 작용기를 의미한다.
포화이든 불포화이든 간에 알킬기, 알케닐기, 또는 알키닐기는 분지형, 직쇄형 또는 환형일 수 있다.
알킬기는 C1 내지 C30 알킬기일 수 있다. 보다 구체적으로 C1 내지 C20 알킬기, C1 내지 C10 알킬기 또는 C1 내지 C6 알킬기일 수도 있다.
예를 들어, C1 내지 C4 알킬기는 알킬쇄에 1 내지 4 개의 탄소원자, 즉, 알킬쇄는 메틸, 에틸, 프로필, 이소-프로필, n-부틸, 이소-부틸, sec-부틸 및 t-부틸로 이루어진 군에서 선택됨을 나타낸다.
구체적인 예를 들어 상기 알킬기는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, 부틸기, 이소부틸기, t-부틸기, 펜틸기, 헥실기, 에테닐기, 프로페닐기, 부테닐기, 시클로프로필기, 시클로부틸기, 시클로펜틸기, 시클로헥실기 등을 의미한다.
“아민기”는 아미노기, 아릴아민기, 알킬아민기, 아릴알킬아민기, 또는 알킬아릴아민기를 포함하고, -NRR'로 표현될 수 있고, 여기에서 R 및 R'은 각각 독립적으로, 수소 원자, C1 내지 C30 알킬기, 및 C6 내지 C30 아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 치환기이다.
"시클로알킬(cycloalkyl)기"는 모노시클릭 또는 융합고리 폴리시클릭(즉, 탄소원자들의 인접한 쌍들을 나눠 가지는 고리) 작용기를 포함한다.
"헤테로시클로알킬(heterocycloalkyl)기"는 시클로알킬기 내에 N, O, S 및 P로 이루어진 군에서 선택되는 헤테로원자를 1 내지 4개 함유하고, 나머지는 탄소인 것을 의미한다. 상기 헤테로시클로알킬기가 융합된 고리(fused ring)인 경우, 융합된 고리 중 적어도 하나의 고리가 상기 헤테로 원자를 1 내지 4개 포함할 수 있다.
"방향족(aromatic)기"는 고리 형태인 작용기의 모든 원소가 p-오비탈을 가지고 있으며, 이들 p-오비탈이 공액(conjugation)을 형성하고 있는 작용기를 의미한다. 구체적인 예로 아릴기와 헤테로아릴기가 있다.
"아릴(aryl)기"는 모노시클릭 또는 융합 고리 폴리시클릭(즉, 탄소원자들의 인접한 쌍들을 나눠 가지는 고리) 작용기를 포함한다.
"헤테로아릴(heteroaryl)기"는 아릴기 내에 N, O, S 및 P로 이루어진 군에서 선택되는 헤테로원자를 1 내지 4개 함유하고, 나머지는 탄소인 것을 의미한다. 상기 헤테로아릴기가 융합된 고리(fused ring)인 경우, 융합된 고리 중 적어도 하나의 고리가 상기 헤테로 원자를 1 내지 4개 포함할 수 있다.
아릴기 및 헤테로아릴기에서 고리의 원자수는 탄소수 및 비탄소원자수의 합이다.
이하, 본 발명의 적층체에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 적층체는 기재; 상기 기재 상에 위치하고, 유기 반도체 단분자를 포함하는 유기 활성층; 및 상기 유기 활성층 상에 위치하고, 화학물질 또는 생물학적 활성물질을 감지하는 컨테이너 분자를 포함하는 감지층;을 포함한다.
상기 유기 반도체 단분자는 DDFTTF(5,5'-bis-(7-dodecyl-9H-fluoren-2-yl)-2,2'-bithiophene), 펜타센(pentacene), 안트라센(anthracene), 테트라센(tetracene), 퀴놀린(quinoline), 나프탈렌 다이이미드(naphthalene diimide), 올리고싸이오펜 (oligothiophene), 올리고페닐렌(oligophenylene), 풀러렌(fullerene), FTTF(5,5'-bis(9H-fluoren-2-yl)-2,2'-bithiophene), DHFTTF(5,5'-bis(7-hexyl-9H-fluoren-2-yl)-2,2'-bithiophene), Cu-프탈로시아닌(Cu-Phthalocyanine), Zn-프탈로시아닌(Zn-Phthalocyanine) 등일 수 있다. 바람직하게는 DDFTTF일 수 있으며, 그 구조는 하기 화학식 1과 같다.
[화학식 1]
Figure 112017048480400-pat00003
상기 컨테이너 분자는 아래 구조식 1로 표시될 수 있다.
[구조식 1]
Figure 112017048480400-pat00004
구조식 1에서,
n은 반복단위의 반복수이고, n은 3 내지 20의 정수 중 어느 하나이고,
R1 및 R2는 같거나 서로 다르고, R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소원자, -OR4, -SR5 또는 -NR6R7이고,
R4 내지 R7은 같거나 서로 다르고, R4 내지 R7은 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 직쇄형 또는 분쇄형 C1 내지 C20 알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 헤테로시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 직쇄형 또는 분쇄형 C2 내지 C20 알케닐기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20 시클로알케닐기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 헤테로시클로알케닐기, 치환 또는 비치환된 직쇄형 또는 분쇄형 C2 내지 C20 알키닐기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C20 아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 헤테로아릴기이다.
더욱 바람직하게는, 상기 구조식 1에서,
n은 반복단위의 반복수이고, n은 6 또는 7이고,
R1 및 R2는 같거나 서로 다르고, R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소원자, -OR4, -SR5 또는 -NR6R7이고,
R4 내지 R7은 같거나 서로 다르고, R4 내지 R7은 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 직쇄형 또는 분쇄형 C1 내지 C20 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 직쇄형 또는 분쇄형 C2 내지 C20 알케닐기일 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 구조식 1로 표시되는 컨테이너 분자는 AOCB[6](perallyloxyCB[6], (allyloxy)12CB[6]), AOCB[7] 등 일 수 있다.
예시적으로 상기 AOCB[6]은 하기 화학식 2로 표시된다.
[화학식 2]
Figure 112017048480400-pat00005
화학식 2에서,
R은 프로페닐기이다.
상기 생물학적 활성물질은 신경전달물질(neurotransmitter)일 수 있고, 바람직하게는 아세틸콜린일 수 있다.
상기 화학물질은 인체에 유해한 성분일 수 있으며, 특히 마약 성분을 포함할 수 있다.
신경전달물질이란 뇌를 비롯한 체내의 신경세포의 시냅스(synapse)에서 분비되어 인접한 신경 세포에 정보를 전달하는 일련의 물질을 의미하고, 아미노산류, 아민규, 펩티드류, 지방산류 등의 신경전달물질이 존재한다.
아미노산류로는 아세틸콜린, 글리신, 아스파라진산 등이 있고, 아민류로는 도파민, 아드레날린(에피네프린), 노르아드레날린 등이 있다. 또한, 펩티드류로는 바소프레신, 지방산류로는 히스타민, 세로토닌 등을 들 수 있다.
아세틸콜린은 신경의 말단에서 분비되며, 신경의 자극을 근육에 전달하는 화학물질이다. 운동신경과 부교감신경의 신경말단으로부터 분비되는 전달물질로 알려져 있다. 아세틸콜린이 분비되면 혈압강하, 심장박동 억제, 장관 수축, 골격근 수축 등의 생리작용을 나타낸다. 신경말단에서 분비된 아세틸콜린은 자극의 전달이 끝나면 콜린에스테라아제에　의해 콜린과 아세트산으로 분해된다. 콜린은 콜린아세티라아제의 작용에　따라 효소적으로 합성되어 다시 아세틸콜린이 될 수 있다.
상기 기재는 유리, 석영, 알루미나, 탄화규소, 산화마그네슘, 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리스티렌(PS), 폴리이미드(PI), 폴리염화비닐(PVC), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리에틸렌(PE), 실리콘(Si), n-도핑된 실리콘(n-doped Si), p-도핑된 실리콘(p-doped Si), 게르마늄, 갈륨비소(GaAs), 인화인듐(InP), 인듐안티몬(InSb), 인듐비소(InAs), 알루미늄비소(AlAs), 알루미늄안티몬(AlSb), 카드뮴텔루트(CdTe), 아연텔루트(ZnTe), 황화아연(ZnS), 셀레늄화카드뮴(CdSe), 카드뮴안티몬(CdSb), 인화갈륨(GaP) 등일 수 있다.
상기 기재는 상기 적층체가 유기 트랜지스터로 적용될 때 게이트 전극의 역할을 동시에 수행할 수 있는 것일 수 있다.
상기 기재상에 절연층을 추가로 포함할 수 있다.
상기 절연층 상에는 누적막(built-up film)을 추가로 형성하여 표면 처리함으로써 적층 구조가 용이하게 형성될 수 있도록 한다.
상기 누적막은 하기 구조식 2로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[구조식 2]
Figure 112017048480400-pat00006
구조식 2에서,
R3은 C3 내지 C30 알킬기이고,
X1은 C1 내지 C6 알콕시, F, Cl, Br 또는 I이고,
X2는 H, C1 내지 C6 알콕시, F, Cl, Br 또는 I이고,
X3은 H, C1 내지 C6 알콕시, F, Cl, Br 또는 I이다.
더욱 바람직하게는, 상기 누적막은 n-옥타데실트리메톡시실란 (n-octadecyltrimethoxysilane), n-옥타데실트리클로로실란(n-octadecyltrichlorosilane), 도데실트리메톡시실란(dodecyltrimethoysilane), 도데실트리클로로실란(dodecyltrichlorosilane), n-옥틸트리메톡시실란(n-octyltrimethoxysilane), n-옥틸트리클로로실란(n-octyltrichlorosilane) 등일 수 있다.
본 발명의 유기 트랜지스터는 상기 적층체를 포함한다.
본 발명의 유기 트랜지스터는 바텀-게이트 바텀-컨텍트(bottom-gate bottom-contact), 바텀-게이트 탑-컨텍트(bottom-gate top-contact bottom-contact), 탑-게이트 바텀-컨텍트(top-gate bottom-contact), 탑-게이트 탑-컨텍트(top-gate top-contact), 또는 코-플래너 게이트 (co-planar gate) 형태일 수 있다.
이하 본 발명의 유기 트랜지스터로서 바텀-게이트 탑-컨텍트 형태인 것을 예시하나, 본 발명의 범위가 여기에 한정되지 않으며, 바이오센서로 응용하기 위하여 채널층이 상부로 노출될 수 있는 구조인 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 유기 트랜지스터의 구조에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 유기 트랜지스터는 기재; 상기 기재 상에 위치하는 게이트 전극; 상기 게이트 전극 상에 위치하는 절연층; 상기 절연층 상에 위치하고, 유기 반도체 단분자를 포함하는 유기 활성층; 상기 유기 활성층 상에 위치하고, 화학물질을 감지하는 컨테이너 분자를 포함하는 감지층; 및 상기 유기 활성층 상에 위치하는 소스 전극 및 드레인 전극;을 포함한다.
상기 유기 활성층 상에 위치하는 부동화(passivation) 층을 추가로 포함시켜 트랜지스터의 표면으로부터 유해한 물질을 차단하여 소자의 안정성을 향상시킬 수 있다.
상기 부동화 층은 산화규소(SiO), 이산화규소(SiO2), 산화 알루미늄(Al2O3), 질화 알루미늄(AlN), 질화규소(Si3N4), 지르코니아(ZrO2), 산화하프늄(HfO2), 산화바륨(BaO), 탄탈륨 옥사이드(Ta2O5), 티타늄옥사이드(TiO), 산화칼슘(CaO), 산화칼륨(K2O) 등일 수 있다.
상기 소스 전극, 드레인 전극, 또는 게이트 전극이 알루미늄, 금, 구리, 니켈, 그래핀, 탄소나노튜브, n-도핑된 실리콘(n-doped Si), p-도핑된 실리콘(p-doped Si), 전도성 고분자 등일 수 있다.
상기 유기 활성층과 감지층은 상술한 적층체에서 설명한 바와 동일하므로 구체적인 내용은 그 부분을 참조하기로 한다.
참고로, 본 발명의 유기 트랜지스터와 플렉서블 유기 트랜지스터의 차이점을 살펴보면, 플렉서블한 성질이 없는 경우에는 게이트 전극이 기재의 역할을 동시에 수행하도록 할 수 있다. 일례로, n-도핑된 실리콘 기판은 기판과 게이트 전극의 역할을 동시에 수행할 수 있으나, 본 발명의 범위가 여기에 한정되지 않는다.
또한, 플렉서블 유기 트랜지스터는 플렉서블한 기재를 적용하고 그 위에 얇게 게이트 전극을 별도로 형성하여 플렉서블한 성질을 유지할 수 있다. 일례로 PEN(폴리에틸렌나프탈레이트)를 기판으로 사용하고 그 위에 ITO 게이트 전극을 형성한 것을 사용할 수 있으나 본 발명의 범위가 여기에 한정되지 않는다.
상술한 본 발명의 유기 트랜지스터 또는 플렉서블 유기 트랜지스터는 다양한 전자소자에 적용할 수 있다.
상기 전자소자는 바이오 센서로 적용하는 것이 바람직하다.
예를 들면, 치매 환자의 경우 일반인에 비해 아세틸콜린의 수치가 저하될 수 있다. 바이오 센서의 감지층에 포함되는 컨테이너 분자를 아세틸콜린을 선택적으로 감지하는 물질을 적용하여 아세틸콜린이 감지되는 강도에 따라 치매 여부를 간단히 진단할 수 있도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 유기 트랜지스터의 제조방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이다. 이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 유기 트랜지스터의 제조방법을 설명하도록 한다.
먼저, 게이트 전극 및 절연층이 순차적으로 형성된 기재를 준비한다(단계 a).
이후, 상기 절연층 상에 누적막(built-up film)을 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 누적막에 대한 구체적인 내용은 상술한 적층체의 설명에서와 동일하므로 구체적인 설명은 그 부분을 참조하기로 한다.
다음으로, 상기 절연층 상에 유기 반도체 단분자를 포함하는 유기 활성층을 형성한다(단계 b).
이후, 상기 유기 활성층 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성한다(단계 c).
상기 소스 전극 및 드레인 전극의 형성은 진공 열증착법, 화학기상증착법, 플라즈마 여기 화학기상증착법, 저압 화학기상증착법, 물리기상증착법, 스퍼터링법, 원자층 증착법, 전자빔 증착법, 드롭 개스팅법, 스핀 코팅법, 잉크젯 프린팅법 등의 방법으로 할 수 있다.
마지막으로, 상기 유기 활성층 상에 화학물질 또는 생물학적 활성물질을 감지하는 컨테이너 분자를 포함하는 감지층을 형성한다(단계 d).
상기 감지층의 형성은 진공 열증착법, 드롭 캐스팅법, 스핀 코팅법, 화학기상증착법, 플라즈마 여기 화학기상증착법, 저압 화학기상증착법, 물리기상증착법, 잉크젯 프린팅법 등의 방법으로 수행될 수 있다.
상기 화학물질 또는 생물학적 활성물질에 대한 설명은 상술한 본 발명의 적층체에서의 설명과 동일하므로 구체적인 내용은 그 부분을 참조하기로 한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 그러나, 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것이 아니다.
[실시예]
실시예 1: 유기 트랜지스터 기반 바이오 센서 제조
실시예 1에 따라 제조된 유기 트랜지스터의 적층 구조와 컨테이너 분자 AOCB[6]의 구조를 개략적으로 도 2에 나타내었다. 도 2를 참조하여 실시예 1을 설명하도록 한다.
SiO2가 300nm 두께로 열적으로 성장되어 있는 n타입으로 도핑된 실리콘(Si) 웨이퍼 표면에 3 mM의 trichloroethylene에 녹아있는 n-octadecyltrimethoxysilane (OTS) 용액을 도포하여 OTS self-assembled monolayer(SAMs)을 형성하였다.
상기 OTS-처리된 SiO2/Si을 기판으로 하여, 5.0 x 10-6 Torr 이하의 압력하에서 진공 열증착법으로 유기반도체 단분자 5,5'-bis-(7-dodecyl-9H-fluoren-2-yl)-2,2'-bithiophene(DDFTTF)을 0.1 내지 0.2 Å s-1의 속도로 15 nm 증착하였다. 이 때 기판의 온도는 105℃로 유지하였다. 제조한 DDFTTF 박막은 질소 분위기 하 150℃에서 30분 동안 열처리 하였다.
이후, 금 (Au) 소스/드레인 전극과 SiO 부동화(passivation) 층을 섀도우 마스크를 통해 진공 열증착법으로 DDFTTF 박막 위에 형성하였다.
다음으로, 컨테이너 분자로서 cucurbit[6]uril (CB[6])의 유도체인 perallyloxyCB[6]((allyloxy)12CB[6], AOCB[6])을 용액공정으로 유기반도체 층위에 스핀 코팅함으로써 유기 트랜지스터형 센서 소자를 완성한다. 상기 AOCB[6]은 J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 10186에 기재된 합성방법에 따라 제조하여 사용하였다. 이후, 제조한 AOCB[6] 박막은 질소 분위기 하 150℃에서 30분 동안 열처리 하였다.
실시예 2: 플렉서블 유기 트랜지스터 기반 바이오 센서 제조
실시예 2에 따라 제조된 플렉서블 유기 트랜지스터의 적층 구조를 도 3에 나타내었고, 제조된 플렉서블 유기 트랜지스터의 사진을 도 4에 나타내었다. 도 3 및 도 4를 참조하여 실시예 2를 설명하도록 한다.
플렉서블 유기 트랜지스터 기반 센서는 게이트 전극으로 사용 될 indium tin oxide(ITO) 박막이 코팅되어 있는 polyethylene naphthalate (PEN)을 기판으로 사용하였다. 플렉서블 유기 트랜지스터 기반 센서의 게이트 절연층으로 상기 ITO 박막 상에 알루미늄 옥사이드층 (100 nm)를 라디오주파수 스퍼터링 (radio frequency (RF) magnetron sputtering) 방법으로 형성하였다.
이와 같은 방법으로 제조된 절연층/게이트 전극/기판을 OTS-처리된 SiO2/Si 기판 대신에 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 플렉서블 유기 트랜지스터를 제조하였다.
실시예 3: 유기 트랜지스터 기반 바이오 (마약) 센서 제조
유기 반도체층상에 컨테이너 분자인 AOCB[7]을 스핀 코팅하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 트랜지스터를 제조하였다.
상기 AOCB[7]은 J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 10186에 기재된 합성방법에 따라 제조하여 사용하였다. 구체적으로는 먼저, CB[7]과 라디칼 개시제인 K2S2O8을 물에 녹인 후 85℃에서 12시간 동안 반응시켜 무색의 투명한 용액을 얻었다. 이후, 진공 상태에서 물을 날린 후 DMSO 넣어 고체 상태의 염을 제거하고, 메탄올과 에테르를 넣어 흰색 가루형태의 hydroxy-CB[7] (HOCB[7])을 얻었다. HOCB[7]과 NaH를 DMSO에 녹인 후, Allyl bromide를 첨가하여 12시간 동안 반응시킴으로써 맑은 노란색의 반응 혼합물을 얻었다. 상기 혼합물에 에테르를 넣어 침전을 생성하고, 이를 silica column으로 정제하여 allyloxyCB[7](AOCB[7])을 얻었다.
비교예 1
유기 반도체층상에 컨테이너 분자인 AOCB[6]을 코팅하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 트랜지스터를 제조하였다.
[시험예]
시험예 1: 분석물질에 따른 센싱 민감도 분석
도 5는 실시예 1에 따라 제조된 유기 트랜지스터의 분석물질에 따른 센싱 민감도 분석결과를 나타낸 것이다. 여기서, 센싱 민감도 분석은 액상의 센싱 거동으로 관찰하였으며, 1 × 10 - 12 M 내지 100 × 10 - 3 M의 농도에서 아세틸콜린(ACh+), 콜린(Ch+), 탈이온수(pure DI water)를 작동조건 VDS(드레인-소스전압) = -2 V, VGS(게이트-소스 전압) = -60 V에서 측정하였다.
도 5에 따르면, 실시예 1에 따라 제조된 유기 트랜지스터 바이오 센서는 아세틸콜린과 콜린에 대해서만 반응하였고, 아세틸콜린에 대해서는 1pM 농도에서부터 반응하였고, 콜린에 대해서는 μM 수준 이하에서는 시그널이 감지되지 않았다.
따라서 본 발명의 실시예 1의 바이오 센서는 특히 아세틸콜린에 대해 민감도가 높고 특정의 농도에서 아세틸콜린에 대해 선택적으로 반응할 수 있음을 알 수 있었다.
시험예 2: AOCB [6] 유무에 따른 센싱 민감도 분석
도 6은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 유기 트랜지스터를 바이오 센서로 사용하여 아세틸콜린 대한 센싱 민감도를 비교한 것이다. 이때, 아세틸콜린은 1pM 농도로 하였다.
도 6에 따르면, AOCB[6]로 기능화되지 않은 비교예 1의 유기 트랜지스터는 아세틸콜린에 반응하지 않았으나, AOCB[6]로 기능화된 실시예 1이 유기 트랜지스터는 아세틸콜린에 노출되자 바로 반응하였다.
따라서, 컨테이너 분자 AOCB[6]가 아세틸콜린과의 센싱반응에 관여함을 확인할 수 있었다.
시험예 3: 분석물질에 따른 선택적 센싱 민감도 분석
도 7은 밀도범함수이론(density functional theory) 계산결과에 따른 CB[6]-아세틸콜린 착물(a)과 CB[6]-콜린 착물(b)의 최적화된 구조를 나타낸 것이다. 여기서, 원소별 색깔은 다음과 같이 나타내었다. (C: 회색; O: 빨간색; N: 파란색; H: 흰색)
도 7에 따르면, 실시예 1의 유기 트랜지스터에 기능화된 컨테이너 분자는 AOCB[6]는 아세틸콜린과 콜린 중 아세틸콜린과 반응하여 착물을 형성할 때 콜린에 비해 아세틸콜린과의 착물을 형성하기에 최적화된 구조를 나타냄을 추측할 수 있었다.
도 8은 1 x 10-6 M의 아세틸콜린과 콜린의 블렌드 시스템에서 아세틸콜린의 부피 비율(volume ratio)에 따른 센싱 민감도를 분석한 결과를 나타낸 것이다. 이때, 아세틸콜린:콜린의 부피비는 1:1, 2:1, 3:1로 변화시켰다. 드레인-소스 전압과 게이트-소스 전압은 시험예 1에서와 동일한 조건으로 하였으며, 센싱 시그널은 드레인 전류를 베이스라인 전류로 나눈 값 (I D / I BASE)으로 수집하고 시간에 따른 미분값으로 측정하였다.
도 8에 따르면, 아세틸콜린과 콜린의 블렌드 시스템에서 아세틸콜린의 비율을 증가할수록 센서의 민감도가 향상되는 모습을 나타내었다. 다시 말해, 실시예 1에 따라 제조된 유기 트랜지스터는 아세틸콜린에 대해 높은 선택적 감지특성을 갖는 바이오 센서로서 활용될 수 있음을 보여준다.
시험예 4: 플렉서블 유기 트랜지스터의 센싱 분석
도 9는 실시예 2에 따라 제조된 플렉서블 유기 트랜지스터를 바이오센서로 사용한 센싱 결과를 나타낸 것이다.
도 9에 따르면, 플렉서블 유기 트랜지스터의 경우에도 비교적 낮은 전압 조건에서 1pM 농도의 아세틸콜린에 노출된 후 곧바로 반응하는 것으로 나타났다.
아세틸콜린을 감지할 수 있는 바이오 센서로서 이와 같은 플렉서블한 성질을 갖는 유기 트랜지스터를 응용하여 휴대용 센서를 제조할 수 있음을 알 수 있다.
시험예 5: AFM 이미지
도 10은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 유기트랜지스터의 채널층의 높이 및 상(phase)의 원자힘현미경 (atomic force microscope) 이미지를 나타낸 것이다.
도 10에 따르면, 실시예 1의 적층체는 DDFTTF층을 완벽하게 덮는 기능화된 유기 활성층이 표면에 형성되고, AOCB[6]가 DDFTTF 층에 변화를 가져올 수 있음을 알 수 있었다. 반면에, 비교예 1의 적층체는 표면에 다양한 크기의 그레인과 뚜렷한 그레인 바운더리(grain boundary)가 형성되고, 다소 작은 표면 거칠기와 균일한 박막을 지니는 형태로 DDFTTF층이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
시험예 6: 분석물질에 따른 센싱 민감도 분석
도 11은 실시예 3에 따라 제조된 유기 트랜지스터를 바이오(마약) 센서로 사용하여 여러 종류의 유해 물질(마약)에 대한 센싱 민감도를 비교한 것이다. 이때, 암페타민과 메스암페타민(필로폰)은 1μM 농도로 하였다.
도 11에 따르면, 실시예 3에 따라 제조된 유기 트랜지스터 바이오 센서는 특히 암페타민에 대해 민감도가 높은 것으로 나타났으며, 컨테이너 분자의 종류에 따라 생리작용에 영향을 미치는 특정 성분을 감지할 수 있음을 알 수 있었다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (18)

  1. 기재;
    상기 기재 상에 위치하거나 상기 기재를 포함하는 게이트 전극;
    상기 게이트 전극 상에 위치하는 절연층;
    상기 절연층상에 하기 구조식 2로 표시되는 화합물로 형성된 자기조립단분자층인 누적막(built-up film);
    상기 누적막 상에 위치하고, 유기 반도체 단분자를 포함하는 유기 활성층;
    상기 유기 활성층 상에 위치하고, 화학물질 또는 생물학적 활성물질을 감지하는 컨테이너 분자를 포함하는 감지층; 및
    상기 유기 활성층 상에 위치하는 소스 전극 및 드레인 전극;을 포함하고,
    상기 유기 반도체 단분자는 DDFTTF(5,5'-bis-(7-dodecyl-9H-fluoren-2-yl)-2,2'-bithiophene)이고,
    상기 화학물질이 마약 성분을 포함하고, 상기 생물학적 활성물질이 아세틸콜린을 포함하고,
    상기 컨테이너 분자가 하기 구조식 1로 표시되는 것인 액상측정 바이오센서용 유기 트랜지스터:
    [구조식 1]
    Figure 112017092227981-pat00020

    구조식 1에서,
    n은 반복단위의 반복수이고, n은 3 내지 20의 정수 중 어느 하나이고,
    R1 및 R2는 같거나 서로 다르고, R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소원자, -OR4, -SR5 또는 -NR6R7이고,
    R4 내지 R7은 같거나 서로 다르고, R4 내지 R7은 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 직쇄형 또는 분쇄형 C1 내지 C20 알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 헤테로시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 직쇄형 또는 분쇄형 C2 내지 C20 알케닐기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20 시클로알케닐기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 헤테로시클로알케닐기, 치환 또는 비치환된 직쇄형 또는 분쇄형 C2 내지 C20 알키닐기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C20 아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 헤테로아릴기이고,
    [구조식 2]
    Figure 112017092227981-pat00021

    구조식 2에서,
    R3은 C3 내지 C30 알킬기이고,
    X1은 C1 내지 C6 알콕시, F, Cl, Br 또는 I이고,
    X2는 H, C1 내지 C6 알콕시, F, Cl, Br 또는 I이고,
    X3은 H, C1 내지 C6 알콕시, F, Cl, Br 또는 I이다.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    n은 반복단위의 반복수이고, n은 6 또는 7이고,
    R1 및 R2는 같거나 서로 다르고, R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소원자, -OR4, -SR5 또는 -NR6R7이고,
    R4 내지 R7은 같거나 서로 다르고, R4 내지 R7은 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 직쇄형 또는 분쇄형 C1 내지 C20 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 직쇄형 또는 분쇄형 C2 내지 C20 알케닐기인 것을 특징으로 하는 액상측정 바이오센서용 유기 트랜지스터.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기재가 유리, 석영, 알루미나, 탄화규소, 산화마그네슘, 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리스티렌(PS), 폴리이미드(PI), 폴리염화비닐(PVC), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리에틸렌(PE), 실리콘(Si), n-도핑된 실리콘(n-doped Si), p-도핑된 실리콘(p-doped Si), 게르마늄, 갈륨비소(GaAs), 인화인듐(InP), 인듐안티몬(InSb), 인듐비소(InAs), 알루미늄비소(AlAs), 알루미늄안티몬(AlSb), 카드뮴텔루트(CdTe), 아연텔루트(ZnTe), 황화아연(ZnS), 셀레늄화카드뮴(CdSe), 카드뮴안티몬(CdSb) 및 인화갈륨(GaP) 중에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 액상측정 바이오센서용 유기 트랜지스터.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 액상측정 바이오센서용 유기 트랜지스터가
    상기 유기 활성층 상에 위치하는 부동화(passivation) 층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 액상측정 바이오센서용 유기 트랜지스터.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 부동화 층이 산화규소(SiO), 이산화규소(SiO2), 산화 알루미늄(Al2O3), 질화 알루미늄(AlN), 질화규소(Si3N4), 지르코니아(ZrO2), 산화하프늄(HfO2), 산화바륨(BaO), 탄탈륨 옥사이드(Ta2O5), 티타늄옥사이드(TiO), 산화칼슘(CaO) 및 산화칼륨(K2O) 중에서 선택된 1종 이상을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 액상측정 바이오센서용 유기 트랜지스터.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 기재가 플렉서블 기재인 것을 특징으로 하는 액상측정 바이오센서용 유기 트랜지스터.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 소스 전극, 드레인 전극, 또는 게이트 전극이 알루미늄, 금, 구리, 니켈, 그래핀, 탄소나노튜브, n-도핑된 실리콘(n-doped Si), p-도핑된 실리콘(p-doped Si), 및 전도성 고분자 중에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 액상측정 바이오센서용 유기 트랜지스터.
  16. 제1항의 액상측정 바이오센서용 유기 트랜지스터를 포함하는 액상측정 바이오센서.
  17. (a) 게이트 전극 및 절연층이 순차적으로 형성된 기재를 준비 하는 단계;
    (a’) 상기 절연층 상에 하기 구조식 2로 표시되는 화합물로 형성된 자기조립단분자층인 누적막(built up film)을 형성하는 단계;
    (b) 상기 누적막 상에 유기 반도체 단분자를 포함하는 유기 활성층을 형성하는 단계;
    (c) 상기 유기 활성층 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 유기 활성층 상에 화학물질 또는 생물학적 활성물질을 감지하는 컨테이너 분자를 포함하는 감지층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 유기 반도체 단분자는 DDFTTF(5,5'-bis-(7-dodecyl-9H-fluoren-2-yl)-2,2'-bithiophene)이고,
    상기 화학물질이 마약 성분을 포함하고, 상기 생물학적 활성물질이 아세틸콜린을 포함하고,
    상기 컨테이너 분자가 하기 구조식 1로 표시되는 것인 액상측정 바이오센서용 유기 트랜지스터의 제조방법:
    [구조식 1]
    Figure 112018020944664-pat00022

    구조식 1에서,
    n은 반복단위의 반복수이고, n은 3 내지 20의 정수 중 어느 하나이고,
    R1 및 R2는 같거나 서로 다르고, R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소원자, -OR4, -SR5 또는 -NR6R7이고,
    R4 내지 R7은 같거나 서로 다르고, R4 내지 R7은 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 직쇄형 또는 분쇄형 C1 내지 C20 알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 헤테로시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 직쇄형 또는 분쇄형 C2 내지 C20 알케닐기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20 시클로알케닐기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 헤테로시클로알케닐기, 치환 또는 비치환된 직쇄형 또는 분쇄형 C2 내지 C20 알키닐기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C20 아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 헤테로아릴기이고,
    [구조식 2]
    Figure 112018020944664-pat00023

    구조식 2에서,
    R3은 C3 내지 C30 알킬기이고,
    X1은 C1 내지 C6 알콕시, F, Cl, Br 또는 I이고,
    X2는 H, C1 내지 C6 알콕시, F, Cl, Br 또는 I이고,
    X3은 H, C1 내지 C6 알콕시, F, Cl, Br 또는 I이다.
  18. 삭제
KR1020170062887A 2017-05-22 2017-05-22 컨테이너 분자로 기능화된 적층체, 유기 트랜지스터, 그를 포함하는 바이오센서 및 그의 제조방법 KR101867408B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170062887A KR101867408B1 (ko) 2017-05-22 2017-05-22 컨테이너 분자로 기능화된 적층체, 유기 트랜지스터, 그를 포함하는 바이오센서 및 그의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170062887A KR101867408B1 (ko) 2017-05-22 2017-05-22 컨테이너 분자로 기능화된 적층체, 유기 트랜지스터, 그를 포함하는 바이오센서 및 그의 제조방법

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160002294 Division 2016-01-07

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170082996A KR20170082996A (ko) 2017-07-17
KR101867408B1 true KR101867408B1 (ko) 2018-06-15

Family

ID=59443221

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170062887A KR101867408B1 (ko) 2017-05-22 2017-05-22 컨테이너 분자로 기능화된 적층체, 유기 트랜지스터, 그를 포함하는 바이오센서 및 그의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101867408B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102012638B1 (ko) * 2018-06-19 2019-08-21 재단법인 구미전자정보기술원 치매 진단을 위한 바이오-마커 검출 방법 및 휴대용 장치

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102169913B1 (ko) * 2019-04-18 2020-10-26 포항공과대학교 산학협력단 시냅스 모방 소자 및 이의 제조 방법

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007521487A (ja) * 2003-07-05 2007-08-02 ポステック・ファウンデーション ククルビツリル誘導体が結合した固体基板及びこれを利用したバイオチップ

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101586328B1 (ko) 2009-03-05 2016-01-19 한국생명공학연구원 전계효과트랜지스터 바이오센서를 이용한 변이 ｐ53 단백질의 검출방법
KR20110104245A (ko) 2010-03-16 2011-09-22 주식회사 나노플랫폼 Ｆｅｔ 기반 바이오센서, 이의 제조방법, 및 이를 이용하는 표적 물질 검출방법
KR20210041125A (ko) * 2012-08-09 2021-04-14 메르크 파텐트 게엠베하 유기 반도성 제제

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007521487A (ja) * 2003-07-05 2007-08-02 ポステック・ファウンデーション ククルビツリル誘導体が結合した固体基板及びこれを利用したバイオチップ

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Sokolov et al., "Induced sensitivity and selectivity in thin-film transistor sensors via calixarene layers", ADVANCED MATERIALS, 2010, 22, pp.2349-2353 *
Sokolov et al., "Induced sensitivity and selectivity in thin-film transistor sensors via calixarene layers", ADVANCED MATERIALS, 2010, 22, pp.2349-2353. 1부. *
일본 공표특허공보 특표2007-521487호(2007.08.02.) 1부. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102012638B1 (ko) * 2018-06-19 2019-08-21 재단법인 구미전자정보기술원 치매 진단을 위한 바이오-마커 검출 방법 및 휴대용 장치

Also Published As

Publication number Publication date
KR20170082996A (ko) 2017-07-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Magliulo et al. Printable and flexible electronics: From TFTs to bioelectronic devices
Lee et al. Flexible field-effect transistor-type sensors based on conjugated molecules
Sun et al. Ultrasensitive and reliable organic field-effect transistor-based biosensors in early liver cancer diagnosis
Marszalek et al. Parylene C as a versatile dielectric material for organic field-effect transistors
TWI760377B (zh) 半導體感測器及其製造方法以及複合感測器
Laquindanum et al. Morphological origin of high mobility in pentacene thin-film transistors
Nakao et al. Giant macrocycles composed of thiophene, acetylene, and ethylene building blocks
Jang et al. Highly sensitive and selective biosensors based on organic transistors functionalized with cucurbit [6] uril derivatives
JP6322717B2 (ja) ガスセンサ、有機トランジスタ
US20090267057A1 (en) Organic field-effect transistor for sensing applications
Sun et al. Facile and cost-effective liver cancer diagnosis by water-gated organic field-effect transistors
KR20160033118A (ko) 카본 나노 튜브 복합체, 반도체 소자 및 그것을 사용한 센서
TW200835010A (en) Organic thin film transistor with dual layer electrodes
JP2009152355A (ja) 有機薄膜トランジスタの製造方法、及び有機薄膜トランジスタ
KR20180039066A (ko) 반도체 소자, 그 제조 방법 및 그것을 사용한 센서
KR101867408B1 (ko) 컨테이너 분자로 기능화된 적층체, 유기 트랜지스터, 그를 포함하는 바이오센서 및 그의 제조방법
US20100237885A1 (en) Label-free sensor
Zhang et al. Flexible organic field-effect transistors-based biosensors: progress and perspectives
US10600977B2 (en) Nanopatch graphene composite
Coll et al. Formation of silicon-based molecular electronic structures using flip-chip lamination
Li et al. Tertiary Amines Differentiated from Primary and Secondary Amines by Active Ester‐Functionalized Hexabenzoperylene in Field Effect Transistors
Yusof et al. Evolution of solution-based organic thin-film transistor for healthcare monitoring–from device to circuit integration: A review
JP4429584B2 (ja) 縦型の電界効果トランジスタ
KR20200005789A (ko) 약물센서용 적층체, 유기 트랜지스터, 그를 포함하는 약물센서 및 그의 제조방법
JP4868825B2 (ja) 有機系電界効果トランジスタ

Legal Events

Date Code Title Description
A107 Divisional application of patent
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right