KR102093935B1 - 다기능 유연 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

다기능 유연 센서 및 그 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102093935B1
KR102093935B1 KR1020170153021A KR20170153021A KR102093935B1 KR 102093935 B1 KR102093935 B1 KR 102093935B1 KR 1020170153021 A KR1020170153021 A KR 1020170153021A KR 20170153021 A KR20170153021 A KR 20170153021A KR 102093935 B1 KR102093935 B1 KR 102093935B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
liquid crystal
layer
flexible sensor
gate insulating
poly
Prior art date
Application number
KR1020170153021A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190056032A (ko
Inventor
김영규
김화정
송명훈
Original Assignee
경북대학교 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 경북대학교 산학협력단 filed Critical 경북대학교 산학협력단
Priority to KR1020170153021A priority Critical patent/KR102093935B1/ko
Publication of KR20190056032A publication Critical patent/KR20190056032A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102093935B1 publication Critical patent/KR102093935B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/0003—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry for sensing the radiant heat transfer of samples, e.g. emittance meter
    • G01J5/0007—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry for sensing the radiant heat transfer of samples, e.g. emittance meter of wafers or semiconductor substrates, e.g. using Rapid Thermal Processing
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • H01L51/0504—
    • 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

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Thin Film Transistor (AREA)

Abstract

본 발명은 다기능 유연 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 다기능 유연 센서는, 기판; 상기 기판 상에 형성된 게이트 전극; 상기 게이트 전극 상에 형성된 게이트 절연층; 상기 게이트 절연층 상에 형성된 구동층; 상기 구동층 내에 형성된 소스 전극 및 드레인 전극; 및 상기 구동층 상에 형성된 액정층을 포함하는 다기는 유연 센서 및 그 제조방법을 개시한다.

Description

다기능 유연 센서 및 그 제조 방법{MULTIFUNCTION FLEXIBLE SENSOR AND METHOD TPREPARING THE SAME}
본 발명은 다기능 유연 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 물리적 자극, 온도, 광과 같은 자극을 감지할 수 있으면서도 높은 유연성을 제공하는 다기능 유연 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
센서란 센서 외부의 변화를 감지하는 장치 일반을 의미한다. 센서는 인간의 감각을 보완하는 기능을 가지며, 외부 환경의 변화를 정확히 감지하기 위하여 흔히 사용된다. 가령, 일상생활에서 자주 사용되는 센서로 외부의 온도 변화를 감지할 수 있는 온도계가 있다. 비단 온도 변화만이 아니라 가스 누출, 광의 밝기 변화, 인체의 혈압 변화, 전류의 변화 등 다양한 환경 변화를 감지할 수 있으므로, 센서의 활용 범위는 무궁무진하다고 할 수 있다.
센서를 단독으로 사용하는 경우도 있으나, 전자제품의 활용이 일상화된 요즘에는 다양한 유형의 전자기기의 일부로서 사용되는 경우가 더 흔하다고 할 수 있다. 근래 전자기기의 개발 동향은, 스마트폰 또는 웨어러블 스마트 시계 및 옷과 같은 첨단 기기에 다양한 변화 감지가 가능한 센서를 포함하는 방향으로 흘러가고 있다. 가령, 휴대폰에 내장된 적외선 센서를 이용하여 사용자의 혈압변화를 측정하는 방식이 알려져 있다.
다른 한편으로, 최근 첨단장치에 관한 연구지침들은 유연성 및 경량 특성을 갖추기를 요구하고 있다. 특히 플렉서블(Flexible)한 기기에 관한 시장의 기대가 점차 커지는 상황이다. 가령 플렉서블한 기기의 일례로 플렉서블 디스플레이를 생각해본다면, 상기 플렉서블 디스플레이에 포함된 대부분의 소재가 유연성을 갖출 필요가 있으며, 경량화가 필수적이라는 점을 추론할 수 있다. 플렉서블 디스플레이에 사용되는 센서 또한 예외가 아니다.
상용화된 상품은 아니나 미래에 상용화될 것으로 기대되는 제품들에도 유연성을 갖추며 가벼운 센서가 필수적이다. 더 나아가, 다중 감지 기능까지 갖출 것을 요구할 여지가 크다. 가령 로봇용 인공 피부에 사용될 센서의 경우 제 기능을 하기 위해서는 로봇의 외형에 적합하게 변형이 가능해야 하며, 광, 온도, 압력 등의 변화를 모두 한번에 감지할 수 있어야만 한다.
그러나 종래의 센서들은 대부분 무기 화합물을 기반으로 제조되어 상술한 특성들을 갖추기가 용이하지 않았다. 가령, 무기화합물을 기반으로 한 센서들은 대부분은 유연성이 부족하며, 기본적으로 중량이 상당하게 나간다는 문제점이 상존한다. 뿐만 아니라 희귀금속을 사용하는 경우에는 제작에 상당한 비용이 요구되기까지 하였다.
더하여, 종래의 센서들은 복합적인 자극을 일시에 측정하지 못하였다. 가령 외부로부터 광자극을 측정할 수 있는 센서는 외력의 변화에 대해서는 측정할 수 없었다. 따라서 복합적인 자극을 감지하기 위해서는 여러 종류의 센서를 모두 구비할 것이 요구되며, 이는 필연적으로 비용의 상승 및 기기의 중량 증가, 심한 경우 센서의 감지기능이 발휘되는 것을 서로 방해하는 문제까지 초래하였다.
한국등록특허공보 제10-1541888호
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 다기능 유연 센서 및 그 제조 방법을 개시하고 있다. 더 바람직하게는 구부리는 것이 가능하며 외력, 온도 및 광 등과 같이 여러 자극을 동시에 측정할 수 있는 다기능 유연 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판; 상기 기판 상에 형성된 게이트 전극; 상기 게이트 전극 상에 형성된 게이트 절연층; 상기 게이트 절연층 상에 형성된 구동층; 상기 구동층 내에 형성된 소스 전극 및 드레인 전극; 및상기 구동층 상에 형성된 액정층을 포함하는 다기능 유연 센서를 개시하고 있다.
바람직하게는, 상기 구동층은 유기반도체를 포함하며, 상기 구동층은 광 또는 열 또는 물리적 자극, 기체 흐름 중 어느 하나 이상의 자극을 동시에 감지할 수 있다. 더 바람직하게는 상기 구동층은 P3HT, N2200, PDVT-10, PDPPBTT, PBDTTT-C16으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 고분자를 포함한다.
또한, 상기 액정층에 물리적 자극 또는 기체 흐름이 가해지면 상기 액정층에 포함된 액정의 배향이 변화하며, 상기 액정층 내 액정의 배향 변화에 따라 상기 구동층 내의 전류값이 변화한다. 바람직하게는, 상기 액정분자는 고분자 매트릭스 내에 분산되어 있으며, 상기 액정분자는 5CB, 7CB, 80CB, 7CT, 5-OCB으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상이다. 또한, 상기 고분자 매트릭스는 PMMA(폴리메틸메타크릴레이트), PS(폴리스타이렌), PDMS(폴리디메틸실록산), PVP(폴리비닐페놀), PMPS(폴리메틸페닐실록산) 중 어느 하나 이상의 고분자를 포함하는 것이 바람직한다. 상기 액정층은 PDLC(Polymer Dispersed Liquid Crystal)일 수 있다.
더하여, 상기 액정층을 구성하는 고분자 매트릭스 및 상기 고분자 매트릭스 내 분산된 액정의 함유량은 40:20 내지 40:60 중량비일 수 있으며, 바람직하게는 고분자 매트릭스 및 상기 고분자 매트릭스 내 분산된 액정의 함유량은 40:40 중량비일 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 다기능 유연 센서를 제조하는 방법은 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 게이트 전극을 형성하는 단계; 상기 게이트 전극 상에 게이트 절연층을 형성하는 단계; 상기 게이트 절연층 상에 구동층을 형성하는 단계; 상기 구동층 내에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계; 및 상기 구동층 상에 액정층을 형성하는 단계;를 포함한다.
바람직하게는, 상기 게이트 절연층은 제 1 게이트 절연층 및 제 2 게이트 절연층의 이중층으로 형성되며, 상기 구동층은 유기반도체이다. 더 바람직하게는 상기 구동층은 P3HT(poly(3-hexylthiophene)), N2200, PDVT-10, PDPPBTT, PBDTTT-C16으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 고분자를 포함하며 상기 액정층은 5CB, 7CB, 80CB, 7CT, 5-OCB으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 고분자를 포함고, 상기 제 2 게이트 절연층은 PMMA(폴리메틸메타크릴레이트), PS(폴리스타이렌), PDMS(폴리디메틸실록산), PVP(폴리비닐페놀), PMPS(폴리메틸페닐실록산)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 고분자를 포함한다.
본 발명에서 개시하고 있는 다기능 유연 센서는 신호 증폭의 장점을 갖는 유기 전계 효과 트랜지스터와 액정을 결합하여 물리적 자극, 온도 및 광뿐만 아니라 인간 피부에서는 감지하기 어려운 미세한 자극까지 동시에 측정하는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명에서 개시하고 있는 제조 방법은 유기 전계 효과 트랜지스터에 고분자 분산 액정을 결합하여 높은 유연성 및 경량 특성을 가지는 다기능 유연 센서를 상온에서 복잡한 공정을 거칠 필요 없이 적은 비용만으로 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 다기능 유연 센서들의 구조를 간략히 나타낸 단면도이다.
도 2 및 도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다기능 유연 센서에 관하여 편광 광학 현미경(Polarized Optical Microscopy, POM)을 이용하여 관찰한 결과를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다기능 유연센서의 실물을 나타내는 사진이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 다기능 유연 센서의 유연성 및 안정성을 시험한 결과를 나타낸 도면 및 그래프이다.
도 11은 본 발명의 다기능 유연 센서의 기체 흐름에 대한 감지 실험의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 따른 다기능 유연 센서의 구동 영역을 전압 및 기체의 흐름을 상이하게 하여 편광 광학 현미경으로 관측한 결과를 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 다기능 유연 센서에 대하여 물리적 접촉의 강도를 조절하며 그 성능을 테스트한 결과를 나타내는 도면이다.
도 15 내지 도 19는 본 발명의 다기능 유연 센서에 대하여 입사광 조사 강도를 조절하며 그 성능을 테스트한 결과를 나타내는 도면이다.
도 20 내지 도 24는 본 발명의 다기능 유연 센서에 대하여 온도를 조절하며 그 성능을 테스트한 결과를 나타내는 도면이다.
도 25는 본 발명의 다기능 유연 센서에 대하여 다중 감지 성능을 검사하기 위해 두 가지 상이한 자극을 동시에 인가하여 그 성능을 테스트한 결과를 나타내는 도면이다.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해하여야 할 것이다. 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
유기 전계효과 트랜지스터(Organic Field-Effect Transistor, OFET)는 트랜지스터의 채널에 유기 반도체 기술을 사용한 전계효과 트랜지스터이다. 유기 전계효과 트랜지스터는 작은 분자의 진공 증착법이나 중합체의 용액 주형법으로 제조할 수 있다. 유기 전계효과 트랜지스터는 큰면적의 전자제품을 낮은 가격으로 제조하기 위하여 개발된 것이며, 다양한 소자 구조로 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 다기능 유연 센서는, 기판, 상기 기판 상에 형성된 게이트 전극, 상기 게이트 전극 상에 형성된 게이트 절연층, 상기 게이트 절연층 상에 형성된 구동층, 상기 구동층 내에 형성된 소스 전극 및 드레인 전극 및 상기 구동층 상에 형성된 액정층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 다기능 유연 센서들의 구조를 간략히 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하면, 다기능 유연 센서(100a, 100b)는 기판(110), 게이트 전극(120), 게이트 절연층(130), 소스 전극(140), 드레인 전극(150), 구동층(160) 및 액정(170)을 포함한다.
기판(110)은 실리콘과 같은 반도체 기반의 기판, 유리 기판 또는 플라스틱 기판 등으로 제공될 수 있다. 플라스틱 기판은 예시적으로, 폴리이미드(polyimide), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylenenaphthalate), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate)등의 고분자 화합물 내지 이들을 조합함으로써 얻을 수 있다.
상기 기판(110) 상에 형성된 게이트 전극(120)은 도전성 재질로 형성될 수 있다. 상기 게이트 전극(120)은 기판(110) 상에 도전막을 형성하거나, 도전막을 형성한 후 패터닝(Pattering)하여 형성하거나, 또는 패터닝된 마스크로 기판(110)을 덮고 도전막을 형성하는 방법으로 형성할 수 있다. 게이트 전극(120)은 예를 들어, 열 층착(thermal evaporation), 전자빔 증착(E-beam evaporation), 스퍼터링(sputtering), 마이크로 컨택 프린팅(micro contact printing) 또는 나노 임프린팅(nano imprinting) 등의 공정에 의해 형성될 수 있다. 또한, 게이트 전극(120)은 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta) 등의 금속 물질로 형성되거나, 도전성 있는 비금속 물질, 예를 들면 인듐-주석 산화물 등으로 형성될 수 있다.
상기 게이트 전극(120) 상에는 게이트 절연층(130)이 형성된다. 게이트 절연층(130)은 기판(110) 상에서 게이트 전극(120)을 덮도록 형성된다. 게이트 절연층(130)은 예를 들어, 스핀 코팅(spin coating) 방식 또는 디스펜서(dispenser)를 이용한 분사(dispensing) 방식으로 절연성 물질을 형성한 후, 열 경화(heat curing)나 자외선 경화(altraviolet-ray curing) 등의 방식에 의해 경화함으로써 형성될 수 있다. 게이트 절연층(130)은 예를 들어, 메틸메타크릴레이트(methyl methacrylate), 폴리이미드(polyimide), 폴리비닐알콜(polyvinylalcohol), 폴리스티렌(polystyrene)과 같은 물질, 또는 산화알루미늄/폴리스티렌(Al2O3/PS)과 같은 무기물/유기물의 혼성 절연성 물질 등으로 형성될 수 있다.
상기 게이트 절연층(130) 상에는 소스 전극(140) 및 드레인 전극(150)이 형성된다. 소스 전극(140)과 드레인 전극(150)은 서로 이격되어 형성될 수 있다. 소스 전극(140)과 드레인 전극(150)은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 소스 전극(140)과 드레인 전극(150)은 금속, 금속화합물 또는 전도성 유기고분자를 포함할 수 있다. 소스 전극(140)과 드레인 전극(150)은 예를 들어, 금(Au), 은(Ag), 아연(Zn), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 인듐주석산화물(ITO), 카본나노튜브(carbon nano tube), 폴리머 등의 도전성 물질, 페이스트(paste)또는 잉크(ink)를 포함할 수 있다.
또한, 게이트 절연층(130)은 제 1 게이트 절연층(131) 및 제 2 게이트 절연층(132)인 이중층으로 형성될 수 있다. 상기와 같이 이중층으로 형성될 경우, 제 1 게이트 절연층(131)은 P(VDF-TrFE-CFE)(폴리비닐리덴플루오라이드-트리플루오로에틸렌-클로로플루오로에틸렌)로 형성될 수 있으며, 제 2 게이트 절연층(132)은 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), PS(폴리스타이렌), PDMS(폴리디메틸실록산), PVP(폴리비닐페놀), PMPS(폴리메틸페닐실록산)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 고분자를 포함할 수 있다.
상기 게이트 절연층(130) 상에 구동층(160)이 형성된다. 이에 따라, 소스 전극(140)과 드레인 전극(150) 사이에 구동층(160)이 형성되며, 소스 전극(140)과 드레인 전극(150)은 구동층(160)에 전기적으로 연결될 수 있다. 소스 전극(140)과 드레인 전극(150)은 구동층(160)에 직접 접촉하도록 형성될 수도 있고, 도전성을 갖는 하나 이상의 다른 물질을 매개로 간접적으로 구동층(160)에 연결될 수도 있다. 구동층(160)은 소스 전극(140)과 드레인 전극(150)을 덮을 수 있다. 소스 전극(140)과 드레인 전극(150) 간에 전압이 인가되면, 구동층(160) 내에 채널이 형성될 수 있다. 구동층(160)은 유기 반도체층, 무기 반도체층 또는 유무기 혼합 반도체층을 포함할 수 있다 유기 반도체층은 폴리머 활성층을 포함할 수 있다. 구동층(160)을 잘 구부러지고 유연성을 갖는 유기 반도체층으로 형성하면, 본 발명의 실시 예에 따른 다기능 유연 센서(100a, 100b)를 휴머노이드 로봇의 인공 감각 피부로 구현하기에 적합하다.
유기 반도체 층은 예시적으로, P3HT(poly(3-hexylthiophene)), 펜타센(pentacene), 테트라센(tetracene), 안트 라센(anthracene), 나프탈렌(naphthalene), 루브렌(rubrene), 코로넨(coronene), 페릴렌(perylene), 루브렌(rubrene), 프탈로시아닌(phthalocyanine) 혹은 이들의 유도체, 티오펜(thiophene)을 포함하는 공액계 고분자 유도체, N2200(Poly{[N,N′-bis(2-octyldodecyl)-naphthalene-1,4,5,8-bis(dicarboximide)-2,6-diyl]-alt-5,5′-(2,2′-bithiophene)}), PDVT-10(Poly{3,6-dithiophen-2-yl-2,5-di(2-decyltetradecyl)-pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-dione-alt-thienylenevinylene-2,5-yl}), PDPPBTT(Poly{2,2'-(2,5-bis(2-octyldodecyl)-3,6-dioxo-2,3,5,6-tetrahydropyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-diyl)dithieno[3,2-b]thiophene-5,5'-diyl-alt-thiophen-2,5-diyl}), F8T2(poly(9,9-dioctylfluoreneco-bithiophene)), PQT-12(poly(3,3-didodecylquarter-thiophene)) 또는 PBTTT(poly (2,5-bis(3-tetradecylthiophen-2-yl)thieno(3,2-b)thiophene), PBDTTT-C16(Poly[1-(6-{4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]-6-methylbenzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophen-2-yl}), 플루오렌(fluorene)을 포함하는 공액계 고분자 유도체 중 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다.
상기 구동층(160) 상에 액정층(170)이 형성된다. 액정층(170)과 구동층(160)은 서로 간에 분리된 층으로 형성되며, 액정층(170)은 구동층(160)의 상면에 직접 접촉한다. 액정층(170)은 이의 표면상에 가해지는 물리적 자극(physical stimulation) 및 광, 온도 등의 변화에 따라 분자 배향이 변화되는 액정(LC; Liquid Crystal) 분자들을 포함할 수 있다.
또한, 상기 액정층(170)은 고분자 매트릭스 및 상기 고분자 매트릭스의 내부에 분산된 액정 분자를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 고분자 매트릭스는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), PS(폴리스타이렌), PDMS(폴리디메틸실록산), PVP(폴리비닐페놀), PMPS(폴리메틸페닐실록산)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 고분자를 포함할 수 있다.
물리적 자극 및 광, 온도변화 등은 액정층(170)의 표면에 가해지는 자극, 예를 들어, 기체 흐름 접촉, 터치 입력, 압력, 그 밖의 자극일 수 있다. 액정층(170)은 예시적으로, 네마틱(nematic) 액정 분자들 또는 콜레스테릭 액정 분자들을 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로는, 액정층(170)에 포함된 액정분자는 4′-Pentyl-4-biphenylcarbonitrile (5CB), 4'-Heptyl-4-biphenylcarbonitrile (7CB), 4'-Octacontanyl-4-biphenylcarbonitrile (80CB), 7CT, 4′-(Pentyloxy)-4-biphenylcarbonitrile (5-OCB)일 수 있다. 또한, 상기 액정층(170)은 1-(trans-4-Hexylcyclohexyl)-4-isothiocyanatobenzene, 4'-Octyl-4-biphenylcarbonitrile, 4'-(Hexyloxy)-4-biphenylcarbonitrile, 4-(trans-4-Pentylcyclohexyl)benzonitrile, 1-(trans-4-hexylcyclohexyl)-4-isothiocyanatobenzene, 4-(Heptyloxy)benzoic acid, Cholesterylhemisuccinate, Cholesteryloleyl carbonate, Cholesteryl acetate 또는 4-butyl-N-[(4-methoxyphenyl)methylene]-Benzenamine 등을 포함할 수 있다.
특히, 상기 액정층(170)은 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 및 4′-Pentyl-4-biphenylcarbonitrile(5CB)로 구성된 PDLC(Polymer Dispersed Liquid Crystal)로 형성하는 것이 더욱 바람직하다. PDLC는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 매트릭스 내에 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB) 마이크로 도트를 내장하여 제조할 수 있다. 상기와 같이 제조된 PDLC(170)는 200㎛두께의 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 기판(110)을 갖는 유기 전계효과 트랜지스터상에 집적될 수 있다. 상기와 같이 제조된 본 발명인 다기능 유연 센서는 약한 공기(가스) 흐름, 강한 물리적 힘(접촉), 빛 및 열과 같은 각각 다른 객체를 감지할 수 있다.
다기능 유연 센서(100a, 100b)는 물리적 자극에 따른 액정층(170)의 액정 분자들의 집단적 거동과, 구동층(160) 간의 시너지(synergy) 효과에 따른 드레인 전류의 변화를 통해, 인간이 느낄 수 없는 극미세 수준의 물리적 자극을 감지할 수 있다. 구동층(160)을 통해 드레인 전극(150)과 소스 전극(140) 간에 흐르는 전류(이하, '드레인 전류'로 칭할 수 있음) 값은 물리적 자극의 세기에 따라 가변적일 수 있다. 구동층(160)의 유도 전하 밀도는 물리적 자극에 의한 액정층(170)의 분자 배향 변화에 따라 변화할 수 있다. 즉, 액정층(170)에 물리적 자극이 가해지면, 액정층(170)의 액정 분자들의 쌍극자 배향이 집단적으로 변화되고, 그에 따라 액정층(170)과 접촉하는 구동층(160)의 상부 영역에서의 유도 전하 밀도가 증가하여 드레인 전류가 증가할 것이다.
상기와 같이 형성된 다기능 유연 센서(100a, 100b)는 쉽게 구부릴 수 있으므로 어떤 변형도 없이 사람의 손등에 잘 맞을 수 있다.
도 2 및 도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다기능 유연 센서에 관하여 편광 광학 현미경을 이용하여 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 2는 액정층(170)에 가장 적합한 조성을 선택하기 위한 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 및 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB)의 중량비(단위 mg)에 따른 편광 광학 현미경(polarized optical microscopy, POM)의 이미지를 나타낸 도면이다. 편광 각도는 90°로 설정하였다.
도 2를 참고하면, 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB) 마이크로 도트는 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB)의 함량이 증가함에 따라 나타난 반면, 높은 함량에서는 모양이 불규칙적으로 되며 커지는 결과를 볼 수 있다. 따라서, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 및 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB)의 중량비는 40:40이 가장 바람직한 것으로 나타났다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다기능 유연센서의 실물을 나타내는 사진이다. 사람의 손으로 상기 다기능 유연센서를 굽히는 장면을 묘사하고 있다.
도 4 및 도 5는 편광 각도를 바꾸며 편광 광학 현미경을 이용하여 측정한 결과이다.
도 4(a) 및 도 4(c)는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)에 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB)를 첨가하지 않은 다기능 유연센서를 편광 광학 현미경을 이용하여 촬영한 것이다. 특히 도 4(a)는 편광의 각도가 0°일 때의 촬영 결과이고, 도 4(c)는 편광의 각도가 90°일 때의 촬영 결과이다. 한편, 도 4(b) 및 도 4 (d)는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 및 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB)의 중량비를 40:60으로 하여 제조한 다기능 유연센서를 편광 광학 현미경을 이용하여 촬영한 것이다. 특히 도 4(b)는 편광의 각도가 0°일 때의 촬영 결과이고, 도 4(d)는 편광의 각도가 90°일 때의 촬영 결과이다. 측정 결과, 편광 각도가 90°로 바뀌면 직선 편광 조건(편광 각도가 0°일 때)에서 관찰된 무작위 선이 매우 명확하게 나타나게 된다.
도 5는 도 4(d)의 관찰결과를 확대한 것이다. 따라서 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 및 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB)의 중량비를 40:60으로 하고, 편광 각도를 90°로 하여 확대된 편광 광학 현미경 이미지를 나타내고 있다. 도 5에 따르면, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)층에 박혀 있는 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB)의 마이크로 도트의 크기는 대략 30 ㎛로 측정되었다.멀어졌다.
도 6은 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB)의 마이크로 도트가 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)에 완전히 내장되었는지 확인하기 위하여 티슈 페이퍼를 사용하여 습윤 테스트를 한 결과이다.
편광 광학 현미경을 사용하여 형태를 명확하게 측정하기 위하여 ITO 유리 기판을 사용하였다. 도 6의 (a)는 티슈 페이퍼를 접촉시키기 전과 후를 나타낸 결과이다. 도 6의 (a)를 참고하면, 티슈 페이퍼를 접촉시킨 후에도 마이크로 도트의 형태는 변하지 않았다. 또한, 도 6의 (b)에서 나타난 바와 같이, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 성분에 의한 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB)의 마이크로 도트의 캡슐화를 유도한다.
따라서, PDLC 층 위에 놓인 티슈 종이가 습윤 결과를 나타내지 않았기 때문에 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB)의 마이크로 도트가 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)층 내에 내장(embed)되었다는 것이 확인되었다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다기능 유연 센서의 유연성 및 안정성의 결과를 나타내는 도면 및 그래프이다.
도 7은 본 발명인 다기능 유연 센서, 특히, PDLC-i-OFET 장치는 전형적인 p형 트랜지스터의 거동을 나타낸다.
도 7은 도 8의 (a)와 비교하여, PDLC층의 증착에 의한 장치 성능은 약간 낮아졌음을 확인할 수 있다.
드레인 전류(ID)의 포화 거동은 출력 곡선으로부터 측정되었고, 전달 곡선의 드레인 전류는 고정된 드레인 전압(VD)에서의 게이트 전압(VG)에 따라 점진적으로 증가했다.
도 8의 (b)를 참고하면, 다기능 유연 센서, 특히, PDLC-i-OFET 장치의 온-오프 비율 및 홀 이동도는 각각 ca.0.3~1.6×104및 ca.1.3~6.0×10-3㎠/V·s 임을 확인할 수 있다.
도 9는 안정성 테스트로 7일 동안의 접촉 실험 전(도 9의 (a)), 접촉 실험 후(도 9의 (b))에 대한 PDLC층(폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 및 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB)의 중량비는 40:60)의 편광 광학 현미경 측정 결과를 나타낸다. 측정 결과에 따르면, 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB)의 마이크로 도트가 접촉 실험 저장 7일 후에도 파손 없이 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 도메인에 의하여 안전하게 캡슐화 되었음을 확인할 수 있다.
도 10은 간략한 굽힘 테스트로서, 100회 굽힘 사이클 전을 적색, 굽힘 사이클 후를 청색으로 전달 곡선에 표시하였다. 도 10을 참고하면, 100회 굽힘 사이클 후 약간 증가된 드레인 전류는 굽힘 도중 장치(소자)내부의 변연 붕괴(marginal degradation)로 인하여 증가된 오프 전류로 인한 것으로, 한계 편차 내에서 장치 성능이 잘 유지되는 것을 확인할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다기능 유연 센서의 감지 테스트의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11은 다기능 유연 센서, 특히, PDLC-i-OFET 장치의 감지 능력을 증명하기 위하여 매우 약한 가스 흐름으로 감지 테스트를 한 결과이다. 도 11의 (a)를 참고하면, 장치의 드레인 전류는 0.3 sccm 내지 5sccm 범위의 질소 가스 흐름으로 자극시 빠르게 증가됨을 확인할 수 있다. 결과적으로, 드레인 전류는 낮은 강도의 질소 가스 흐름 자극 하에서 평평한(안정적인) 경향을 보였으나, 높은 가스 강도에서 턴 오프되기 직전까지 변화된 기울기도 더 증가하는 것으로 나타났다. 그럼에도 불구하고 도 11의 (b)를 참고하면, 드레인 전류의 순 변화는(△ID)는 질소 가스 강도에 거의 선형적으로 비례하는 것으로 나타났다.
상기의 결과는, PDLC 감지층의 LC 마이크로 도트 내에서의 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB) 분자의 정렬이 질소 가스 흐름의 강도에 체계적으로 민감하다는 것을 의미하며, 다기능 유연 센서, 특히, PDLC-i-OFET 장치의 반응은 플라스틱으로 덮인 완전 액상 LCs를 포함하는 장치보다 훨씬 빨라짐을 확인할 수 있다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다기능 유연 센서의 구동 영역을 전압 및 가스의 흐름을 상이하게 하여 편광 광학 현미경으로 조사한 결과를 나타내는 도면이다.
도 12는 LC 마이크로 노트 내 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB) 정렬의 변화를 확인하기 위해 다기능 유연 센서, 특히, PDLC-i-OFET 장치의 구동 영역을 편광 광학 현미경으로 조사한 결과를 나타내는 도면이다.
LC 마이크로 도트 선의 방향은 소스 전극과 드레인 전극 사이의 구동(channel)길이와 평행하게 제어된다. 장치가 턴 오프될 때(도 12의 (a)), 교차 편광 조건 하에서 구동 영역 내 여러 개의 밝은 타원 유사 마이크로 도트가 측정됨을 확인할 수 있다. 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB) 분자가 완벽한 수직 방향 정렬을 만든다면, 교차 편광 하에서 빛이 거의 투과되지 않을 수 있으므로, 상기 마이크로 스폿(spot)은 양극성 LC 정렬을 갖는 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB) 분자를 함유하는 LC 마이크로 도트에 상응하는 것으로 볼 수 있다.
도 12의 (b)를 참고하면, 전압을 인가하여 장치가 켜질 때, 구동 영역은 교차 편광 조건 하에서, 즉, 투과 빛이 매우 작은 부분의 존재 하에서, 현저하게 어두워짐을 확인할 수 있다. 상기 결과에 따르면, LC 마이크로 도트 내 대부분의 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB) 분자들이 드레인 전압이 인가됨으로 인하여 기본적으로 소스-드레인 방향과 평행하게 정렬되어 있음을 나타낸다. 음의 게이트 전압의 영향을 고려한다면, LC 마이크로 도트 내의 각 시아노-4-펜틸비페닐(5CB) 분자는 구동 영역에서 기울어진 측면 방향을 만들 수 있다.
도 12의 (c)를 참고하면, 구동 영역에 질소 가스를 인가 하였을 때, 밝기가 턴 오프 조건보다 비교적 낮더라도, 구동 영역은 다시 밝아졌지만 무작위로 나타남을 확인할 수 있다. 상기와 같은 결과는, 질소 가스 흐름으로 자극 시 LC 마이크로 도트 내 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB) 분자의 움직임에 기인한 것일 수 있으며, 따라서, 질소 가스 흐름은 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB) 분자의 변화를 유도하는 LC 마이크로 도트를 왜곡시킬 수 있다.
결과적으로, 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB) 분자의 대부분의 음의 쌍극자 말단이 구동층의 표면과 접촉하도록 영향을 받았기 때문에, 드레인 전류가 음의 방향으로 증가할 수 있다.
도 13을 참고하면, 질소 가스 흐름을 제거하면 구동층의 밝기가 다시 어두워지는 것을 확인할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다기능 유연 센서에 대하여 물리적 접촉의 강도를 조절하여 테스트한 결과를 나타내는 도면이다.
도 14는 다기능 유연 센서, 특히, PDLC-i-OFET 장치(VG=-5V및 VD=-1V)에서 PDLC층의 표면에 연필-유사 하중을 인사하여 물리적 접촉 테스트를 수행한 결과를 나타낸다.
도 14의 (a)를 참고하면, 0.6g 부하의 접촉은 2.3초 지연의 존재 하에 음의 방향으로 드레인 전류를 증가시켜 피크 값에 도달한다. 하중 강도(중량)가 증가함에 따라, 피크 전류는 음의 방향으로 점진적으로 증가하였고, 피크의 모양은 가파른 붕괴와 함께 더 날카로워짐을 확인할 수 있다.
상기 결과에 따라, 하기의 네 단계 기전을 제공한다.
(1) 물리적 접촉은 PDLC 층의 마이크로 도트 내 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB) 분자의 S 대 D 방향을 파괴한다.
(2) 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB) 분자의 음의 쌍극자 말단은 구동층에 접한 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB) 분자의 배향을 변화시킨다.
(3) 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB) 분자의 음극 쌍극자 말단은 최대(피크) 드레인 전류에서 2.3초 후 구동층에 가까이 접근한다.
(4) 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB) 분자는 드레인 전류가 붕괴하면 원래 위치, 즉, 물리적 접촉 이전 상태로 정렬을 변화시킨다.
상기의 기전은 마이크로 도트 내 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB) 분자의 엄격한 방향 변화가 일어나더라도 도 12를 참고하면, 확인할 수 있다.
도 14의 (b)를 참고하면, 드레인 전류 변화(△ID)는 물리적 접촉의 강도에 선형적으로 비례함을 확인할 수 있다. 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB) 분자의 정렬 변화는 물리적 접촉의 강도에 선형적으로 의존한다는 것을 반영한다.
도 14의 (c)를 참고하면, 4.8g의 하중이 반복적으로 PDLC 층의 표면에 접촉했을 때, 드레인 전류 변화는 거의 일정함을 확인할 수 있다. 상기 결과는 다기능 유연 센서, 특히, PDLC-i-OFET 장치가 감지에 대하여 상당히 안정성이 있고, 반복적인 접촉 자극에 대하여 상당히 내구성이 있다는 것을 나타낸다.
도 15 내지 도 19는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다기능 유연 센서에 대하여 입사광 조사 강도를 조절하여 테스트한 결과를 나타내는 도면이다.
도 16은 가시광선 550nm 조명하에 다기능 유연 센서, 특히, PDLC-i-OFET 장치의 입사광(PIN)및 게이트 전압(VG)에 따른 출력 곡선을 나타낸다.
도 15의 (a) 및 도 16을 참고하면, VD=-20V 에서의 전달 곡선은 빛의 조도(illumination)에 따라 크게 변한 것을 확인할 수 있다.
도 17은 가시광선 550nm를 이용한 조명하에 다기능 유연 센서, 특히, PDLC-i-OFET 장치의 입사광 세기(PIN)에 대한 문턱 전압(VTH)를 나타낸다.
도 17을 참고하면, 드레인 전류는 입사광 세기(PIN)가 증가함에 따라 점진적으로 증가하고, 문턱 접압은 양의 게이트 전압 영역 쪽으로 크게 이동하는 것을 확인할 수 있다.
상기의 확인 결과는, 다기능 유연 센서, 특히, PDLC-i-OFET 장치가 광센서, 특히, 게이트 전압에 의해 제어되는 광전류 변화로 광 트랜지스터로 동작함을 의미할 수 있다.
도 18은 녹색광(550 nm, PIN=402.4mW/cm2)의 조사 전 및 조사 후의 전달 곡선의 변화로, 도 18의 (a)는 PDLC층이 없는 유기 전계효과 트랜지스터(OFET)의 결과이며, 도 18의 (b)는 PDLC층이 있는 유기 전계효과 트랜지스터(OFET), 즉, 다기능 유연 센서, 특히, PDLC-i-OFET 장치의 결과이다.
도 18을 참고하면, 원래의 구동층보다 PDLC층 내 P3HT의 양이 더 적기 때문에 동일한 입사광 강도에서 PDLC층이 없는 유기 전계효과 트랜지스터와 비교하여, PDLC층이 있는 유기 전계효과 트랜지스터에서 더 낮은 광전류가 측정될 수 있음을 확인할 수 있다.
도 15의 (b)를 참고하면, 입사광 강도에 대한 순 광전류(암 전류를 제외)의 비율에 해당하는, 보정된 응답도(RC)는 더 낮은 입사광 강도에서 더 높으며, 이는 낮은 광 강도에서 감소된 엑시톤 결합을 나타낸다.
또한, 도 19를 참고하면 게이트 및 드레인 전압이 증가함에 따라, 광-생성 전하의 개선된 수집으로 인하여 RC는 점자 증가함을 알 수 있다. 그러나, 본 장치의 RC 값은 PDLC 층 내 LC 및/또는 마이크로 도트에 의한 입사광의 감쇠 및/또는 산란 손실로 인하여, 종래 광트랜지스터에 대해 보고된 것보다 상대적으로 낮음을 확인할 수 있다.
도 20 내지 도 24는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다기능 유연 센서에 대하여 온도를 조절하여 테스트한 결과를 나타내는 도면이다.
도 20 및 도 21을 참고하면, 전달 곡선은 온도 변화에 의해 현저하게 이동함을 알 수 있다. 일반적으로 온도가 증가함에 따라, 문턱 전압 부근의 베이스 전류가 무작위로 변하더라고 높은 게이트 전압에서 전달 곡선의 드레인 전류가 증가하는 것으로 나타남을 확인할 수 있다. 도 22를 참고하면, 상기와 같은 결과는 출력 곡선에서도 확인할 수 있다.
또한, 도 21과 같이, 정공 이동도와 온도가 선형 관계일 때, 온도에 따른 현재의 드레인 전류 변화가 주로 구동층 내의 전하 수송의 변화에 기인할 수 있음을 확인할 수 있다. 참고로, 네마틱은 액정의 가는 분자가 서로의 위치는 불규칙하지만 모두 일정 방향으로 향하고 있는 상태를 나타내는 것이며, 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB)의 네마틱-등방성 전이 온도는 ca. 35°이다.
도 23을 참고하면, PDLC층이 있거나 없는 두 장치 모두 25℃에서 75℃까지의 온도 변화에 의해 전달 곡선에서의 변화를 확인할 수 있다. 그러나, 문턱 전압의 이동 방향은 다르게 나타나는데, 다기능 유연 센서, 특히, PDLC-i-OFET 장치의 PDLC층 내 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB)의 쌍극자 효과에 기인한 것일 수 있다.
도 24는 열원과 다기능 유연 센서, 특히, PDLC-i-OFET 장치 간 거리가 3mm 및 50mm 사이에서 변하도록 제어하여 응답 시간을 조사한 결과를 나타낸다.
도 24의 (a)를 참고하면, VD=-20 V 및 VG=-20V 에서 드레인 전류는 모든 온도에서 열원이 장치의 PDLC층에 접근함에 따라 빠르게 증가하며, 열원을 장치에서 멀어지게 하면 드레인 전류의 빠른 감소가 측정된다.
도 24의 (b)를 참고하면, 접근 온도(TA)의 함수로서 피크 드레인 전류 변화(△ID)는 멱수 법칙 유형 식에 부합하는 것을 확인할 수 있다.
도 25는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다기능 유연 센서에 대하여 다중 감지 성능을 검사하기 위해 두 가지 다른 자극을 동시에 인가하여 테스트한 결과를 나타내는 도면이다.
다중 감지 성능을 검사하기 위해 다기능 유연 센서, 특히, PDLC-i-OFET 센서에 두 가지 다른 자극을 동시에 인가하여 테스트하였다.
도 25의 (a)를 참고하면, 드레인 전류는 10초 동안 5 sccm인 질소 가스 흐름으로 자극 시에 처음 증가한 다음 520nm의 녹색광으로 조사함으로써 더 증가됨을 확인할 수 있다. 녹색광이 턴오프 되자마자 드레인 전류가 상대적으로 천천히 감쇠(decay)되었으며, 잘소 가스 흐름을 턴오프 하자 더 낮아짐을 나타낸다. 녹색광을 턴오프한 후 드레인 전류가 상대적으로 느리게 감소하는 것은 높은 쌍극자 모멘트(유전상수 = ~11)를 갖는 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB) 분자로 인한 PDLC층과 P3HT층(구동층) 사이 계면에서의 대전 효과(charging effect)에 기인할 수 있다.
도 25의 (b)는 온도 및 가스 흐름을 동시에 감지하기 위한 테스트의 결과이다. 70℃의 열원을 인가하면 처음에는 드레인 전류(음, negatively)가 증가하고 다음으로 질소 가스 흐름(5 sccm)을 인가함으로써 약간의 드레인 전류 증가가 측정되었다. 상기 측정 결과는 질소 가스 흐름에 의한 비교적 작은 드레인 전류의 증가는 온도보다 질소 가스 흐름의 약한 기여로 인한 것일 수 있다. 질소 가스 흐름을 끄는 것으로 인하여 드레인 전류를 감소시켰는데, 이는 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB)의 등방성 상(isotropic phase)과 밀접하게 관련된 것일 수 있다. 열원을 제거하면, 드레인 전류가 크게 감소하여 기준선으로 되돌아감을 확인할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시 예에 의해 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시 예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
{실시예}
실시예 1: 다기능 유연 센서의 제조
재료 및 용액
중량 평균 분자량 30kDa 이며 단분산 지수 1.7, 지역규칙성 > 97%인 Rieke Metals(Lincoln, NE, USA)사의 P3HT,
중량 평균 분자량 120kDa 이며 다분산 지수는 2.2인 Sigma-Aldrich(USA)사의 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA),
순도 98%인 Sigma-Aldrich(USA)사의 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB),
폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 및 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB)의 이원 용액은 중량비 (폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) : 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB)= 40:0, 40:10, 40:20, 40:40 및 40:60)를 변화시켜 2-부탄온을 사용하여 준비되었다. 원래의 P(VDF-TrFE-CFE) 용액은 고형 농도 60mg/ml에서 4-메틸-2펜탄온을 사용하여 준비되었다. 스핀코팅에 앞서 상기 용액들을 12시간 동안 실온에서 교반하였다.
P3HT 용액은 고형 농도 15mg/ml에서 톨루엔을 사용하여 준비되었으며, 이는 스핀코팅에 앞서 60℃의 핫플레이트에서 12시간 동안 교반되었다.
박막 및 장치 제조
폴리(에틸렌 나프탈레이트)(PEN) 기판(두께 = 200 μm)은 유연한 센서 장치를 만들기 위해 준비되었다. 폴리(에틸렌 나프탈레이트)(PEN) 기판을 초음파 세척기 내에서 아세톤 및 이소프로필알코올로 30분 간 습식 세척한 후 질소 가스를 불어 건조시켰다. 세척된 폴리(에틸렌 나프탈레이트)(PEN) 기판을 진공 챔버로 이동시킨 후, 섀도우 마스크를 통해 PEN 기판의 한 쪽 면에 100 μm 두께의 알루미늄(Al)층을 증착하여 게이트 전극을 형성하였다. 그 후 P(VDF-TrFE-CFE)층을 알루미늄(Al) 증착 폴리(에틸렌 나프탈레이트)(PEN) 기판 상에 스핀코팅하고 핫플레이트 상에서 120℃에서 30분 간 열 어닐링 하였다. 다음으로 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)층을 P(VDF-TrFE-CFE)층 상에 스핀코팅하고 120℃에서 30분 간 열 어닐링 하였다.
P(VDF-TrFE-CFE)/ 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 이중 층 코팅된 폴리(에틸렌 나프탈레이트)(PEN) 기판을 진공 챔버로 옮기고 소스(S) 및 드레인(D) 전극을 제조하기 위하여 ~1x10-6Torr의 베이스 압력에서 섀도우 마스크를 통해 이중 층의 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 면에 60 nm 두께의 은(Ag)층을 증착하였다. S/D 전극 코팅된 시료를 꺼낸 후 시료의 은(Ag) 코팅 면에 P3HT 구동층을 스핀코팅하고 60℃의 핫플레이트에서 15분 간 소프트 베이킹하였다.
마지막으로 PDLC 감지층을 (폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 및 4-시아노-4-펜틸비페닐(5CB)의 이원 용액을 사용하여 스핀코팅에 의해) P3HT 구동층 상에 형성되었다.
{평가}
박막 및 전극의 두께는 표면 프로파일러(Alpha Step200, Tencor Instruments)를 사용하여 측정되었다. 트랜지스터 특성은 반도체 매개변수 분석기(Model 4200SCS 및 2636B, Keithley)를 사용하여 측정되었다. 질소 가스 흐름 감지 실험은 프로브 스테이션 (PS-CPSN2, MODU-SYSTEMS), 마이크로 가스 제어 모듈 세트(TSC-210 and KRO-4000S, NF System) 및 편광 광학 현미경(FPG-30.2-4.3, CVI Melles-Griot)이 장착된 가정용 센서 측정 시스템을 사용하여 수행되었다.
직접 물리적 접촉 테스트는 연필 유사 하중(0.6 ~ 4.8 g)을 PDLC층에 떨어뜨려 수행되었다(낙하 거리 = 30 mm). 실제 힘은 0.19 N/cm2(0.6g)에서 1.52 N/cm2(4.8g)까지였다. 광감지 성능은 단색화기(CM110, Spectral Products) 및 광원((Tungsten-Halogen lamp, 150 W, ASBN-W, Spectral Products)이 구비된 가정용 광센서 측정 시스템(이는 반도체 매개변수 분석기 단위에 연결된다)을 사용하여 측정되었다.
입사광 강도(PIN)의 정확한 계산을 위해 보정된 Si 광다이오드(818-UV, Newport, USA)를 사용하였다. 하중-유사 열 발생기는 열 감지 실험에 사용되었고 정확한 온도는 온도계(62mini, Fluke)로 보정되었다. 열 발생기와 장치(소자) 간 거리는 이동 레일을 이용하여 50 mm에서 3 mm까지 다양하게 변화되었다.
상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다.
따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100a, 100b: 다기능 유연 센서
110: 기판
120: 게이트 전극
130: 게이트 절연층
131: 제 1 게이트 절연층
132: 제 2 게이트 절연층
140: 소스 전극
150: 드레인 전극
160: 구동층
170: 액정

Claims (16)

  1. 기판(110);
    상기 기판(110) 상에 형성된 게이트 전극(120);
    상기 게이트 전극(120) 상에 형성된 게이트 절연층(130);
    상기 게이트 절연층(130) 상에 유기반도체로 형성된 구동층(160);
    상기 구동층(160) 내에 형성된 소스 전극(140) 및 드레인 전극(150); 및
    상기 구동층(160) 상에 형성되며, 고분자 매트릭스와 액정분자가 혼합된 액정층(170)을 포함하며,
    상기 게이트 절연층(130)은 폴리비닐리덴플루오라이드-트리플루오로에틸렌-클로로플루오로에틸렌을 포함하는 제 1 게이트 절연층(131) 및 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리스타이렌(PS), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리비닐페놀(PVP), 폴리메틸페닐실록산(PMPS)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 고분자를 포함하는 제 2 게이트 절연층(132)의 이중층으로 형성되고,
    상기 구동층(160)은 N2200(Poly{[N,N′-bis(2-octyldodecyl)-naphthalene-1,4,5,8-bis(dicarboximide)-2,6-diyl]-alt-5,5′-(2,2′-bithiophene)}), PDVT-10(Poly{3,6-dithiophen-2-yl-2,5-di(2-decyltetradecyl)-pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-dione-alt-thienylenevinylene-2,5-yl}), PDPPBTT(Poly{2,2'-(2,5-bis(2-octyldodecyl)-3,6-dioxo-2,3,5,6-tetrahydropyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-diyl)dithieno[3,2-b]thiophene-5,5'-diyl-alt-thiophen-2,5-diyl}), PBDTTT-C16(Poly[1-(6-{4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]-6-methylbenzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophen-2-yl})으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상이고,
    상기 액정층(170)에 포함된 액정분자는 7CB(4'-Heptyl-4-biphenylcarbonitrile), 80CB(4'-Octacontanyl-4-biphenylcarbonitrile), 5-OCB(4′-(Pentyloxy)-4-biphenylcarbonitrile)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상으로 형성되어,
    상기 액정층(170)의 표면상에 가해지는 물리적 자극, 기체 흐름, 빛 및 열 중에서 동시에 어느 하나 이상의 자극을 감지하는 것을 특징으로 하는 다기능 유연 센서.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 액정층(170)에 물리적 자극 또는 기체 흐름이 가해지면 상기 액정층(170)의 액정분자의 배향이 변하는 것을 특징으로 하는 다기능 유연 센서.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 액정층(170) 내 액정분자의 배향 변화에 따라 상기 구동층(160) 내의 전류값이 변하는 것을 특징으로 하는 다기능 유연 센서.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 매트릭스는 PMMA(폴리메틸메타크릴레이트), PS(폴리스타이렌), PDMS(폴리디메틸실록산), PVP(폴리비닐페놀), PMPS(폴리메틸페닐실록산) 중 어느 하나 이상의 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 다기능 유연 센서.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 매트릭스 및 상기 액정분자의 상기 액정층(170) 내 함유량은 40:20 내지 40:60 중량비인 것을 특징으로 하는 다기능 유연 센서.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 매트릭스 및 상기 액정분자의 상기 액정층(170) 내 함유량은 40:40 중량비인 것을 특징으로 하는 다기능 유연 센서.
  13. 기판(110)을 준비하는 단계;
    상기 기판(110) 상에 게이트 전극(120)을 형성하는 단계;
    상기 게이트 전극(120) 상에 게이트 절연층(130)을 형성하는 단계;
    상기 게이트 절연층(130) 상에 유기반도체로 구동층(160)을 형성하는 단계;
    상기 구동층(160) 내에 소스 전극(140) 및 드레인 전극(150)을 형성하는 단계; 및
    상기 구동층(160) 상에 고분자와 액정분자를 혼합하여 액정층(170)을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 게이트 절연층(130)은 폴리비닐리덴플루오라이드-트리플루오로에틸렌-클로로플루오로에틸렌을 포함하는 제 1 게이트 절연층(131) 및 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리스타이렌(PS), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리비닐페놀(PVP), 폴리메틸페닐실록산(PMPS)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 고분자를 포함하는 제 2 게이트 절연층(132)의 이중층으로 형성되고,
    상기 구동층(160)은 N2200(Poly{[N,N′-bis(2-octyldodecyl)-naphthalene-1,4,5,8-bis(dicarboximide)-2,6-diyl]-alt-5,5′-(2,2′-bithiophene)}), PDVT-10(Poly{3,6-dithiophen-2-yl-2,5-di(2-decyltetradecyl)-pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-dione-alt-thienylenevinylene-2,5-yl}), PDPPBTT(Poly{2,2'-(2,5-bis(2-octyldodecyl)-3,6-dioxo-2,3,5,6-tetrahydropyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-diyl)dithieno[3,2-b]thiophene-5,5'-diyl-alt-thiophen-2,5-diyl}), PBDTTT-C16(Poly[1-(6-{4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]-6-methylbenzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophen-2-yl})으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상이고,
    상기 액정층(170)에 포함된 액정분자는 7CB(4'-Heptyl-4-biphenylcarbonitrile), 80CB(4'-Octacontanyl-4-biphenylcarbonitrile), 5-OCB(4′-(Pentyloxy)-4-biphenylcarbonitrile)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상으로 형성되어,
    상기 액정층(170)의 표면상에 가해지는 물리적 자극, 기체 흐름, 빛 및 열 중에서 동시에 어느 하나 이상의 자극을 감지하는 것을 특징으로 하는 다기능 유연 센서 제조방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
KR1020170153021A 2017-11-16 2017-11-16 다기능 유연 센서 및 그 제조 방법 KR102093935B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170153021A KR102093935B1 (ko) 2017-11-16 2017-11-16 다기능 유연 센서 및 그 제조 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170153021A KR102093935B1 (ko) 2017-11-16 2017-11-16 다기능 유연 센서 및 그 제조 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190056032A KR20190056032A (ko) 2019-05-24
KR102093935B1 true KR102093935B1 (ko) 2020-03-26

Family

ID=66680029

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170153021A KR102093935B1 (ko) 2017-11-16 2017-11-16 다기능 유연 센서 및 그 제조 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102093935B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113840106A (zh) * 2021-09-23 2021-12-24 浙江清华柔性电子技术研究院 成像装置及成像方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007178256A (ja) * 2005-12-28 2007-07-12 Canon Inc 圧力センサ
KR101541888B1 (ko) * 2014-02-17 2015-08-06 경북대학교 산학협력단 감지 디바이스, 감지 디바이스의 제조 방법 및 물리적 자극 감지 방법

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100998645B1 (ko) * 2008-03-03 2010-12-06 한국과학기술연구원 바이오 센서 소자 및 제조 방법
KR101664981B1 (ko) * 2014-11-04 2016-10-12 엘지디스플레이 주식회사 나노 액정층을 구비하는 표시 소자
KR101828330B1 (ko) * 2015-08-19 2018-02-13 경북대학교 산학협력단 쌍극자 제어층을 포함한 평면 액정-게이트-전계효과 트랜지스터 및 이를 이용한 초감도 촉각센서

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007178256A (ja) * 2005-12-28 2007-07-12 Canon Inc 圧力センサ
KR101541888B1 (ko) * 2014-02-17 2015-08-06 경북대학교 산학협력단 감지 디바이스, 감지 디바이스의 제조 방법 및 물리적 자극 감지 방법

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YANIC, S. Mutlu, et al. OPTOELECTRONICS AND ADVANCED MATERIALS-RAPID COMMUNICATIONS, 2017, 11.1-2: 77-81*
송명훈, Ultrasensitive Multi-Functional Sensors Based on Organic Field-Effect Transistors with Poly(methyl methacrylate) Component, 경북대학교 대학원 : 응용화학공학부 화학공학전공 석사논문, 2017년 2월*

Also Published As

Publication number Publication date
KR20190056032A (ko) 2019-05-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Raghuwanshi et al. Solution-processed organic field-effect transistors with high performance and stability on paper substrates
Liu et al. Advances in flexible organic field-effect transistors and their applications for flexible electronics
Lu et al. Stretchable polymer dielectrics for low-voltage-driven field-effect transistors
Li et al. Solution-processable low-voltage and flexible floating-gate memories based on an n-type polymer semiconductor and high-k polymer gate dielectrics
Tseng et al. Organic transistor memory with a charge storage molecular double-floating-gate monolayer
Song et al. Speed up ferroelectric organic transistor memories by using two-dimensional molecular crystalline semiconductors
Park et al. Control of concentration of nonhydrogen-bonded hydroxyl groups in polymer dielectrics for organic field-effect transistors with operational stability
Cheng et al. Novel organic phototransistor-based nonvolatile memory integrated with UV-sensing/green-emissive aggregation enhanced emission (AEE)-active aromatic polyamide electret layer
Raghuwanshi et al. Solution-processed flexible organic field-effect transistors with biodegradable gelatin as the dielectric layer: an approach toward biodegradable systems
JP2007300112A (ja) フォトトランジスタおよび電子機器
Shen et al. Conformation-induced electrostatic gating of the conduction of spiropyran-coated organic thin-film transistors
Wang et al. Flexible, low-voltage, and n-type infrared organic phototransistors with enhanced photosensitivity via interface trapping effect
Lee et al. Highly sensitive ultraviolet light sensor based on photoactive organic gate dielectrics with an azobenzene derivative
Raveendran et al. Surface-treated poly (dimethylsiloxane) as a gate dielectric in solution-processed organic field-effect transistors
Yang et al. Utilizing the diffusion of fluorinated polymers to modify the semiconductor/dielectric interface in solution-processed conjugated polymer field-effect transistors
Kim et al. Photo-cross-linkable organic–inorganic hybrid gate dielectric for high performance organic thin film transistors
Xu et al. Flexible and highly photosensitive electrolyte-gated organic transistors with ionogel/silver nanowire membranes
Song et al. Flexible thermal sensors based on organic field-effect transistors with polymeric channel/gate-insulating and light-blocking layers
Li et al. Photoerasable organic field-effect transistor memory based on a one-step solution-processed hybrid floating gate layer
Zhao et al. Solution-processed flexible organic ferroelectric phototransistor
Liu et al. High‐performance proximity sensors with nanogroove‐template‐enhanced extended‐gate field‐effect transistor configuration
Raveendran et al. High-performance, transparent solution-processed organic field-effect transistor with low-k elastomeric gate dielectric and liquid crystalline semiconductor: Promises and challenges
Liu et al. Flexible electronics based on organic semiconductors: from patterned assembly to integrated applications
Liu et al. Multifunctional organic phototransistor-based nonvolatile memory achieved by UV/ozone treatment of the Ta2O5 gate dielectric
Zhang et al. Optically programmable circularly polarized photodetector

Legal Events

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