KR102317490B1 - Organic field effect transistor device comprising hybrid channel layer capable of detecting active oxygen species and active oxygen species detection sensor comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판; 상기 기판 상에 형성되는 게이트전극; 상기 게이트전극 상에 형성되는 절연층; 상기 절연층 상에 형성되는 소스 전극; 상기 절연층 상에 상기 소스 전극과 이격되어 형성되는 드레인 전극; 및 상기 절연층 상에 형성되며, 상기 소스 전극과 상기 드레인 전극 사이에 위치한 하이브리드 채널층;을 포함하고, 상기 하이브리드 채널층은 p형(p-type) 전도성 고분자, 페놀계 화합물 및 할로이사이트 나노클레이를 포함하고, 상기 페놀계 화합물에 포함된 수산화기 중 일부 또는 전부가 외부로 노출되는 것을 특징으로 하는, 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 이를 포함하는 활성산소종 검출 센서에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 생산 공정이 간단하며 추가장비 없이도 염가에 대량생산이 가능함에 따라 양산성이 우수한 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 제공할 수 있다. 또한, 상기 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 본 발명의 활성산소종 검출 센서는 저농도의 활성산소종까지도 반복적이고 연속적으로 측정 가능한 효과가 있다.The present invention is a substrate; a gate electrode formed on the substrate; an insulating layer formed on the gate electrode; a source electrode formed on the insulating layer; a drain electrode formed on the insulating layer to be spaced apart from the source electrode; and a hybrid channel layer formed on the insulating layer and positioned between the source electrode and the drain electrode, wherein the hybrid channel layer includes a p-type conductive polymer, a phenolic compound, and a halloysite nanoclay. It relates to an active oxygen species detection sensor including an organic field effect transistor device, characterized in that part or all of the hydroxyl groups included in the phenolic compound are exposed to the outside. According to the present invention, it is possible to provide an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer having excellent mass productivity because the production process is simple and mass production is possible at low cost without additional equipment. In addition, the reactive oxygen species detection sensor of the present invention including the organic field effect transistor device has an effect that can repeatedly and continuously measure even a low concentration of active oxygen species.
Description
본 발명은 활성산소종의 검출이 가능한 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상기 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서 및 상기 활성산소종 검출 센서를 포함하는 활성산소종 검출 장치에 관한 것이다. The present invention relates to an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer capable of detecting reactive oxygen species, and more particularly, to an active oxygen species detection sensor and the reactive oxygen species detection sensor including the organic field effect transistor device. It relates to a reactive oxygen species detection device comprising a.
기대수명의 지속적인 연장과 함께 삶의 질의 향상에 대한 세간의 관심이 증대되는 추세이다. 구체적으로, 질병 및 노화만이 아니라, 건강 및 미용에 이르기까지 삶의 질에 영향을 미치는 다양한 분야에 대한 탐색 및 기술 개발이 확장되고 있다. 특히, 생화학 및 생명과학의 발전에 힘입어 개인의 건강에 영향을 미치는 다양한 화합물들이 규명되고 있다.With the continuous extension of life expectancy, public interest in improving the quality of life is on the rise. Specifically, not only diseases and aging, but also exploration and technology development in various fields that affect the quality of life, from health and beauty, are expanding. In particular, with the development of biochemistry and life science, various compounds that affect individual health have been identified.
최근의 연구 결과들은 여러 화합물 중 특히 활성산소종이 개인의 건강, 질병, 및 노화 등에 중대한 영향을 미치고 있음을 확인하였다. 과산화수소(H2O2), 초과산화 이온(O2 -), 수산화 라디칼(OH) 등을 포함하는 활성산소종은 불안정한 상태로 존재하기 때문에 화학적 반응성이 매우 높은 것으로 알려져 있다. Recent research results confirmed that among various compounds, reactive oxygen species, in particular, have a significant effect on personal health, disease, and aging. Hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), superoxide ions (O 2 − ), reactive oxygen species including hydroxyl radicals (OH), etc. are known to have very high chemical reactivity because they exist in an unstable state.
이러한 활성산소종이 인체에 정상 수준보다 과량으로 유입되면 세포막을 손상시킬 뿐만 아니라, 세포 내의 DNA, RNA, 지질, 단백질 등의 구조 변화를 초래한다. 심할 경우에는 장기 등에 치명적인 영향을 미칠 수 있는 심잘 질환, 가령 당뇨병, 암, 심장병, 뇌졸중, 동맥경화, 알츠하이머, 파킨스 등을 유발할 수 있는 것으로 밝혀졌다.When these reactive oxygen species are introduced into the human body in excess of the normal level, they not only damage cell membranes, but also cause structural changes in DNA, RNA, lipids, proteins, and the like in cells. In severe cases, it has been found that it can cause heart disease, such as diabetes, cancer, heart disease, stroke, arteriosclerosis, Alzheimer's disease, and Parkinson's, which can have a fatal effect on organs.
활성산소종을 효과적으로 검출하기 위해 휴대 가능한 센서 시스템의 필요성이 증대되고 있으며, 현재까지 활성산소종은 주로 형광, 화학 발광, 전자 스핀 공명 및 전기 화학적 측정 기술을 사용하여 검출되고 있다. 그러나 이러한 검출 방법들은 휴대 가능한 센서 시스템으로 상용화하기 위한 필수조건인 소형화에 다소 어려움이 있다. 또한, 한국등록특허 제10-1683700호는 활성산소종 탐지기능을 갖는 센서를 개시하나, 상기 센서는 독성 있는 물질(Te 등)을 활성산소종의 탐지를 위하여 사용할 뿐만 아니라 고가의 형광물질을 필수로 포함해야 한다는 단점이 있다. In order to effectively detect reactive oxygen species, the need for a portable sensor system is increasing, and up to now, reactive oxygen species have been mainly detected using fluorescence, chemiluminescence, electron spin resonance and electrochemical measurement techniques. However, these detection methods have some difficulties in miniaturization, which is an essential condition for commercialization as a portable sensor system. In addition, Korea Patent No. 10-1683700 discloses a sensor having a reactive oxygen species detection function, but the sensor uses a toxic substance (Te, etc.) for the detection of reactive oxygen species as well as an expensive fluorescent material. It has the disadvantage of having to include
한편, 본 발명자들이 개발한 플라보놀(Flavonol)계 화합물의 수산화기 중 일부 또는 전부가 외부로 노출되게 형성되어 활성산소종과 반응하는 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자에 관한 한국등록특허 제10-2001766호는 활성산소종을 반복적이고 연속적으로 검출할 수 있는 효과가 있으나, 보다 저농도의 활성산소종을 검출할 수 없는 문제점이 존재하였다.On the other hand, Korean Patent Registration No. 10 relating to an organic field effect transistor device including a channel layer in which some or all of the hydroxyl groups of the flavonol-based compound developed by the present inventors are exposed to the outside and reacts with active oxygen species -2001766 has the effect of repeatedly and continuously detecting reactive oxygen species, but there was a problem in that it could not detect a lower concentration of reactive oxygen species.
이에 본 발명자들은 지속적인 연구 결과, 보다 저농도의 활성산소종을 검출할 수 있으면서, 구성이 간단하고 양산성이 우수한 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자 및 이를 포함하는 활성산소종 검출 센서를 개발하였다. Accordingly, as a result of continuous research, the present inventors developed an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer that is simple in configuration and excellent in mass production while being able to detect a lower concentration of active oxygen species, and a reactive oxygen species detection sensor including the same did.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 구성이 간단하고 양산성이 우수한 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터를 제공하는 것을 첫 번째 목적으로 한다. The present invention has been devised to solve the above-described problems, and a first object of the present invention is to provide an organic field effect transistor including a hybrid channel layer having a simple configuration and excellent mass productivity.
더불어, 상기 유기 전계효과 트랜지스터를 포함함으로써 저농도의 활성산소종까지도 검출이 가능한 활성산소종 검출 센서를 제공하는 것을 두 번째 목적으로 한다.In addition, it is a second object to provide a reactive oxygen species detection sensor capable of detecting even a low concentration of active oxygen species by including the organic field effect transistor.
상술한 문제점을 해결하기 위한 수단으로서, 본 명세서는 기판; 상기 기판 상에 형성되는 게이트전극; 상기 게이트전극 상에 형성되는 절연층; 상기 절연층 상에 형성되는 소스 전극; 상기 절연층 상에 상기 소스 전극과 이격되어 형성되는 드레인 전극; 및 상기 절연층 상에 형성되며, 상기 소스 전극과 상기 드레인 전극 사이에 위치한 하이브리드 채널층;을 포함하고, 상기 하이브리드 채널층은 p형(p-type) 전도성 고분자, 페놀계 화합물 및 할로이사이트 나노클레이를 포함하고, 상기 페놀계 화합물에 포함된 수산화기 중 일부 또는 전부가 외부로 노출되는 것을 특징으로 하는, 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 개시한다.As a means for solving the above problems, the present specification provides a substrate; a gate electrode formed on the substrate; an insulating layer formed on the gate electrode; a source electrode formed on the insulating layer; a drain electrode formed on the insulating layer to be spaced apart from the source electrode; and a hybrid channel layer formed on the insulating layer and positioned between the source electrode and the drain electrode, wherein the hybrid channel layer includes a p-type conductive polymer, a phenolic compound, and a halloysite nanoclay. It includes, and discloses an organic field effect transistor device, characterized in that some or all of the hydroxyl groups included in the phenolic compound are exposed to the outside.
여기서, 상기 페놀계 화합물은 수산화기를 둘 이상 포함할 수 있다.Here, the phenol-based compound may include two or more hydroxyl groups.
여기서, 상기 페놀계 화합물은 알킬페놀(Alkylphenol)계 화합물, 벤젠다이올(Benezenediol)계 화합물, 벤젠트리올(Benzenetriol)계 화합물, 페놀글리코사이드(Phenol glycoside)계 화합물, 폴리페놀(Polyphenol)계 화합물, 아미노페놀(Aminophenol)계 화합물, 크레졸(Cresol)계 화합물, 비스페놀(Bisphenol)계 화합물, 및 플라보놀(Flavonol)계 화합물을 포함하는 군에서 선택된 어느 하나 이상의 페놀계 화합물일 수 있다.Here, the phenol-based compound is an alkylphenol-based compound, a benzenediol-based compound, a benzenetriol-based compound, a phenol glycoside-based compound, and a polyphenol-based compound. , aminophenol-based compounds, cresol-based compounds, bisphenol-based compounds, and flavonol-based compounds may be any one or more phenol-based compounds selected from the group consisting of compounds.
여기서, 상기 페놀계 화합물은 카테콜(Catechol) 모이어티를 포함하는 화합물일 수 있다. Here, the phenol-based compound may be a compound including a catechol moiety.
여기서, 상기 페놀계 화합물은 레조르시놀(Resorcinol) 모이어티를 포함하는 화합물일 수 있다.Here, the phenol-based compound may be a compound including a resorcinol moiety.
여기서, 상기 카테콜 모이어티를 포함하는 화합물은 플라보놀(Flavonol)계 화합물로서, 퀘르세틴(Quercetin), 캠페롤(kaempherol), 아피제닌(apigenin), 루테올린(Luteolin), 미리세틴(myricetin), 크리신(chrysin(5,7-dihydroxyflabvone)), 바이칼레인(baicalein (5,6,7-trihydroxyflavone)), 스쿠텔라레인(scutellarein(5,6,7,4'-tetrahydroxyflavone)), 우고닌(wogonin (5,7-dihydroxy-8-methoxyflavone)), 3-히드록시플라본(3-Hydroxyflavone), 아젤레아틴(Azaleatin), 피세틴(Fisetin), 갈랑긴(Galangin), 고시페틴(Gossypetin), 켐페라이드(Kaempferide), 이소람네틴(Isorhamnetin), 모린(Morin), 패취포돌(Pachypodol), 람나진(Rhamnazin), 람네틴(Rhamnetin) 아즈트라갈린(Astragalin), 아잘레인(Azalein), 히페로사이드(Hyperoside), 이소퀘르시틴(Isoquercitin), 캠페리틴(Kaempferitrin), 미리시틴(Myricitrin), 퀘르시틴(Quercitrin), 로비닌(Robinin), 루틴(Rutin), 스피레오사이드(Spiraeoside), 잔토르함민(Xanthorhamnin), 및 아뮤레신(Amurensin)을 포함하는 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.Here, the compound containing the catechol moiety is a flavonol-based compound, quercetin, kaempherol, apigenin, luteolin, myricetin, Chrysin (5,7-dihydroxyflabvone), baicalein (5,6,7-trihydroxyflavone), scutellarein (5,6,7,4'-tetrahydroxyflavone), ugonine ( wogonin (5,7-dihydroxy-8-methoxyflavone)), 3-hydroxyflavone (3-Hydroxyflavone), Azaleatin, Fisetin, Galangin, Gossypetin, Kaempferide, Isorhamnetin, Morin, Pachypodol, Rhamnazin, Rhamnetin, Astragalin, Azalein, Hypero Side (Hyperoside), Isoquercitin (Isoquercitin), Kaempferitrin (Kaempferitrin), Myricitrin (Myricitrin), Quercitin (Quercitrin), Robinin (Robinin), Rutin (Rutin), Spiraeoside (Spiraeoside) , Xanthorhammin (Xanthorhamnin), and may be one comprising any one or more selected from the group comprising amurensin (Amurensin).
여기서, 상기 플라보놀(Flavonol)계 화합물은 아잘레인(Azalein), 히페로사이드(Hyperoside), 이소퀘르시틴(Isoquercitin), 미리시틴(Myricitrin), 퀘르시틴(Quercitrin), 루틴(Rutin), 및 잔토르함민(Xanthorhamnin)을 포함하는 군에서 선택된 어느 하나 이상의 화합물일 수 있다. Here, the flavonol-based compound is azalein, hyperoside, isoquercitin, myricitrin, quercitrin, and rutin. , And it may be any one or more compounds selected from the group comprising xanthorhammin (Xanthorhamnin).
여기서, 상기 하이브리드 채널층에서 상기 p형 전도성 고분자, 상기 페놀계 화합물(31) 및 상기 할로이사이트 나노클레이의 중량비는 10 : 1 : 0.5 내지 10 : 1 : 3인 것일 수 있다.Here, the weight ratio of the p-type conductive polymer, the phenol-based
여기서, 상기 p형 전도성 고분자는 P3HT(poly(3-hexylthiophene)) 또는 PEDOT(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene))인 것일 수 있다.Here, the p-type conductive polymer may be poly(3-hexylthiophene) (P3HT) or poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT).
한편, 본 명세서는 기판; 상기 기판 상에 형성되는 게이트 전극; 상기 게이트 전극 상에 형성되는 절연층; 상기 절연층 상에 형성되는 소스 전극; 상기 절연층 상에 상기 소스 전극과 이격되어 형성되는 드레인 전극; 및 상기 절연층 상에 형성되며, 상기 소스 전극과 상기 드레인 전극 사이에 위치한 하이브리드 채널층;을 포함하고, 상기 하이브리드 채널층은 p형(p-type) 전도성 고분자, 페놀계 화합물 및 할로이사이트 나노클레이를 포함하고, 상기 페놀계 화합물에 포함된 수산화기 중 일부 또는 전부가 외부로 노출된 유기 전계효과 트랜지스터 소자가 둘 이상 병렬적으로 연결된 것을 특징으로 하는, 활성산소종 검출 센서를 추가로 개시한다.On the other hand, the present specification is a substrate; a gate electrode formed on the substrate; an insulating layer formed on the gate electrode; a source electrode formed on the insulating layer; a drain electrode formed on the insulating layer to be spaced apart from the source electrode; and a hybrid channel layer formed on the insulating layer and positioned between the source electrode and the drain electrode, wherein the hybrid channel layer includes a p-type conductive polymer, a phenolic compound, and a halloysite nanoclay. It further discloses an active oxygen species detection sensor, characterized in that two or more organic field effect transistor devices to which some or all of the hydroxyl groups included in the phenolic compound are exposed to the outside are connected in parallel.
한편, 본 명세서는 기판; 상기 기판 상에 형성되는 게이트 전극; 상기 게이트 전극 상에 형성되는 절연층; 상기 절연층 상에 형성되는 소스 전극; 상기 절연층 상에 상기 소스 전극과 이격되어 형성되는 드레인 전극; 및 상기 절연층 상에 형성되며, 상기 소스 전극과 상기 드레인 전극 사이에 위치한 하이브리드 채널층;을 포함하고, 상기 하이브리드 채널층은 p형(p-type) 전도성 고분자, 페놀계 화합물 및 할로이사이트 나노클레이를 포함하고, 상기 페놀계 화합물에 포함된 수산화기 중 일부 또는 전부가 외부로 노출된 유기 전계효과 트랜지스터 소자가 둘 이상 병렬적으로 연결된 활성산소종 검출 센서를 둘 이상 포함하는 것을 특징으로 하는, 활성산소종 검출 장치를 추가로 개시한다.On the other hand, the present specification is a substrate; a gate electrode formed on the substrate; an insulating layer formed on the gate electrode; a source electrode formed on the insulating layer; a drain electrode formed on the insulating layer to be spaced apart from the source electrode; and a hybrid channel layer formed on the insulating layer and positioned between the source electrode and the drain electrode, wherein the hybrid channel layer includes a p-type conductive polymer, a phenolic compound, and a halloysite nanoclay. Including, the organic field effect transistor device to which some or all of the hydroxyl groups contained in the phenolic compound are exposed to the outside, characterized in that it comprises two or more reactive oxygen species detection sensors connected in parallel, active oxygen A species detection device is further disclosed.
상술한 바에 따른 본 발명의 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자는 생산 공정이 간단하며 추가장비 없이도 염가에 대량생산이 가능함에 따라 양산성이 우수한 효과가 있다.The organic field effect transistor device including the hybrid channel layer of the present invention according to the above-described method has a simple production process and excellent mass productivity as it can be mass-produced at low cost without additional equipment.
또한, 상기 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 본 발명의 활성산소종 검출 센서는 저농도의 활성산소종까지도 반복적이고 연속적으로 측정 가능한 효과가 있다.In addition, the reactive oxygen species detection sensor of the present invention including the organic field effect transistor device has an effect that can repeatedly and continuously measure even a low concentration of active oxygen species.
나아가, 상기 활성산소종 검출 센서를 포함하는 본 발명의 활성산소종 검출 장치는 소형화 및 휴대가 가능하여, 편리하며 범용적인 사용이 가능한 효과가 있다.Furthermore, the reactive oxygen species detection device of the present invention including the reactive oxygen species detection sensor can be miniaturized and portable, and has the effect of being convenient and versatile.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자의 구조를 묘사한 모식도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자의 구조와 활성산소종 검출 메커니즘을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자의 구조를 구체적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서에서 중량비에 따른 하이브리드 채널층에 대한 표준화된 광학 밀도 측정 결과를 그래프로 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서에서 중량비에 따른 하이브리드 채널층에 대한 2D GIXD 이미지 측정 결과를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서에서 중량비에 따른 하이브리드 채널층에 대한 1D GIXD 프로파일(profile) 측정 결과를 그래프로 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서에서 중량비에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자의 출력(output) 및 전송(transfer) 특성 결과를 그래프로 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 전계효과 트랜지스터 소자 상의 하이브리드 채널층에서 나노클레이의 중량비의 함수로서 정공 이동도(μh)의 변화와 나노클레이의 중량비의 함수로서 하이브리드 층에서 계산 된 P3HT의 함량을 그래프로 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서와 본 발명의 일 비교예에 따른 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서에서 트랜지스터 소자의 출력(output) 및 전송(transfer) 특성 결과를 그래프로 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서와 본 발명의 일 비교예에 따른 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서에서 트랜지스터 소자의 시간에 따른 드레인 전류 변화를 그래프로 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서에서 0 ~ 10 nM 농도의 과산화물 용액을 포함하는 PBS 스트림을 접촉시켰을 때 나타나는 트랜지스터 소자의 시간에 따른 드레인 전류 변화를 그래프로 도시한 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서의 하이브리드 채널층과 본 발명의 일 비교예에 따른 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서의 채널층에 대한 주사 전자 현미경(SEM) 사진을 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서의 하이브리드 채널층과 본 발명의 일 비교예에 따른 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서의 채널층에 대한 주사 전자 현미경(SEM) 사진을 도시한 것이다.1 is a schematic diagram illustrating the structure of an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer according to an embodiment of the present invention.
2 illustrates a structure of an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer and a mechanism for detecting reactive oxygen species according to an embodiment of the present invention.
3 is a detailed view of the structure of an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing the standardized optical density measurement result for the hybrid channel layer according to the weight ratio in the reactive oxygen species detection sensor including the organic field effect transistor device including the hybrid channel layer according to an embodiment of the present invention. will be.
FIG. 5 is a diagram illustrating 2D GIXD image measurement results for a hybrid channel layer according to a weight ratio in the reactive oxygen species detection sensor including an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing the 1D GIXD profile measurement result for the hybrid channel layer according to the weight ratio in the reactive oxygen species detection sensor including the organic field effect transistor device including the hybrid channel layer according to an embodiment of the present invention; it will be shown
7 is an output of an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer according to a weight ratio in the reactive oxygen species detection sensor including an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer according to an embodiment of the present invention; and a graph showing the result of the transfer (transfer) characteristic.
8 is a graph showing the change in hole mobility (μ h ) as a function of the weight ratio of the nanoclay in the hybrid channel layer on the organic field effect transistor device according to an embodiment of the present invention and the calculated in the hybrid layer as a function of the weight ratio of the nanoclay. It is a graph showing the content of P3HT.
9 is an active oxygen species detection sensor including an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer according to an embodiment of the present invention and an organic field effect transistor device including a channel layer according to a comparative example of the present invention. It is a graph showing the output (output) and transfer (transfer) characteristic results of the transistor device in the reactive oxygen species detection sensor including.
10 is an active oxygen species detection sensor including an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer according to an embodiment of the present invention and an organic field effect transistor device including a channel layer according to a comparative example of the present invention. It is a graph showing the change in drain current with time of the transistor element in the active oxygen species detection sensor including the graph.
11 is a transistor shown when in contact with a PBS stream containing a peroxide solution of 0 to 10 nM concentration in the reactive oxygen species detection sensor including an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer according to an embodiment of the present invention; It is a graph showing the change of drain current with time of the device.
12 is an organic field including a hybrid channel layer of a reactive oxygen species detection sensor including an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer according to an embodiment of the present invention and a channel layer according to a comparative example of the present invention; A scanning electron microscope (SEM) image of the channel layer of the reactive oxygen species detection sensor including the effect transistor device is shown.
13 is an organic field including a hybrid channel layer of a reactive oxygen species detection sensor including an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer according to an embodiment of the present invention and a channel layer according to a comparative example of the present invention; A scanning electron microscope (SEM) image of the channel layer of the reactive oxygen species detection sensor including the effect transistor device is shown.
본 출원에서 사용하는 용어는 단지 특정한 예시를 설명하기 위하여 사용되는 것이다. 때문에 가령 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수여야만 하는 것이 아닌 한, 복수의 표현을 포함한다. 덧붙여, 본 출원에서 사용되는 "포함하다" 또는 "구비하다"등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 명확히 지칭하기 위하여 사용되는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것의 존재를 예비적으로 배제하고자 사용되는 것이 아님에 유의해야 한다.The terms used in this application are only used to describe specific examples. Therefore, for example, a singular expression includes a plural expression unless the context clearly requires it to be singular. In addition, terms such as "comprises" or "comprises" used in the present application are used to clearly indicate that there is a feature, step, function, component, or a combination thereof described in the specification, and other features It should be noted that it is not intended to preliminarily exclude the existence of elements, steps, functions, components, or combinations thereof.
한편, 다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진 것으로 보아야 한다. 따라서, 본 명세서에서 명확하게 정의하지 않는 한, 특정 용어가 과도하게 이상적이거나 형식적인 의미로 해석되어서는 안 된다. Meanwhile, unless otherwise defined, all terms used herein should be regarded as having the same meaning as commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Accordingly, unless explicitly defined herein, certain terms should not be construed in an unduly idealistic or formal sense.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자(1)의 구조를 묘사한 모식도를 도시한 것이다. 도 1을 참조하여, 본 발명의 유기 전계효과 트랜지스터 소자의 구조를 설명하면 다음과 같다. 1 is a schematic diagram illustrating the structure of an organic field
본 명세서는 기판(10); 상기 기판(10) 상에 형성되는 게이트전극(41); 상기 게이트전극(41) 상에 형성되는 절연층(20); 상기 절연층(20) 상에 형성되는 소스전극(42); 상기 절연층(20) 상에 상기 소스 전극(42)과 이격되어 형성되는 드레인 전극(43); 및 상기 절연층(20) 상에 형성되며, 상기 소스 전극(42)과 상기 드레인 전극(43) 사이에 위치한 하이브리드 채널층(30);을 포함하고, 상기 하이브리드 채널층(30)은 p형(p-type) 전도성 고분자, 페놀계 화합물(31) 및 할로이사이트 나노클레이(32)를 포함하고, 상기 페놀계 화합물(31)에 포함된 수산화기 중 일부 또는 전부가 외부로 노출되는 것을 특징으로 하는, 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 개시한다.The present specification includes a
이하에서는 상기 유기 전계효과 트랜지스터 소자의 각 세부 구성요소에 관하여 구체적으로 설명한다. 각각의 구성요소는 예시적으로 서술될 수 있으며, 이와 같은 서술은 경우에 따라 과장되거나 축소된 것일 수 있다.Hereinafter, each detailed component of the organic field effect transistor device will be described in detail. Each component may be described by way of example, and such description may be exaggerated or reduced in some cases.
<기판(10)><Substrate (10)>
기판(10)은 그 일면에 유기 전계효과 트랜지스터 소자의 세부 구성요소들이 순차적으로 적층되므로, 상기 기판(10)은 적층을 위한 최초의 토대로서 기능한다. 본 발명의 기판(10)은 투명하거나 투명하지 않을 수 있으며, 마찬가지로 유연하거나 유연하지 않을 수 있다. Since the detailed components of the organic field effect transistor device are sequentially stacked on one surface of the
기판(10)의 예시로서, 실리콘과 같은 반도체 기반의 기판, 유리 기판, 플라스틱 기판 등을 고려할 수 있다. 특히 플라스틱 기판의 경우에는 유연성과 투과성을 모두 갖춘 기판의 준비가 가능하다. 가령, 상기 기판(10)으로 PET(Polyethylene Terephalate), PEN(Polyethylene Naphthelate), PC(Polycarbonate), PI(Polyimide) 등을 고려할 수 있다. As an example of the
<게이트 전극(41)><
게이트 전극(41)은 상기 기판(10)의 일면 상에 형성된다. 게이트 전극(41)은 주로 도전성 재질로 형성한다. 상기 게이트 전극(41)에 전압이 부가되어 자기장이 형성됨으로써, 상기 게이트 전극(41)으로부터 이격된 소스 전극(42)과 드레인 전극(43) 사이에 전자 내지 정공의 흐름이 유도된다.The
상기 게이트 전극(41)의 제조방법의 예시는 다음과 같다. 상기 게이트 전극(41)은 기판(10) 상에 도전막을 형성하거나, 도전막을 형성한 후 패터닝(Pattering)하여 형성하거나, 또는 패터닝된 마스크로 기판(10)을 덮고 도전막을 형성하는 방법으로 형성할 수 있다. 게이트 전극(41)은 예를 들어, 열 증착(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. An example of a method of manufacturing the
또한, 상기 게이트 전극(41)을 구성하는 물질로 다음과 같은 예시를 고려할 수 있다. 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(ITO), 불소도핑 주석 산화물(fluorine doped tin oxide, FTO)와 인듐 아연 산화물(Indium Zinc Oxide, IZO), 알루미늄 도핑된 아연 산화물(Al-doped Zinc Oxide, AZO), 산화아연(Zinc Oxide, ZnO), 인듐 아연 산화물(Indium Zinc Tin Oxide, IZTO) 또는 이의 혼합물 형성될 수 있다.In addition, the following examples may be considered as a material constituting the
<절연층(20)><
절연층(20)은 상기 게이트 전극(41) 상에 형성된다. 절연층(20)은 상기 게이트 전극(41)을 후술한 소스 전극(42), 드레인 전극(43), 및 채널층(30)과 이격하기 위하여 도입된 층이다. 다만, 그 이격은 오로지 물리적으로 이격된 것일 뿐이며, 게이트 전극(41)에 의하여 형성된 자기장은 절연층(20)을 투과하여 상기 소스 전극(41)과 상기 드레인 전극(43)에 영향을 미칠 수 있어야 한다. 상기 절연층(20)은 상기 게이트 전극(41)이 외부로 노출되지 않도록 상기 게이트 전극(41)의 일면을 완전히 덮도록 형성되는 것이 바람직하다.The insulating
절연층(20)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.The insulating
또한, 절연층(20)은 메틸 메타크릴레이트(methyl methacrylate), 폴리 메틸 메타크릴레이트(poly methyl methacrylate, PMMA), 폴리이미드(polyimide), 폴리비닐알콜(polyvinylalcohol), 폴리스티렌(polystyrene) 등과 같은 물질, 또는 산화알루미늄/폴리스티렌(Al2O3/PS)과 같은 무기물/유기물의 혼성 절연성 물질 등을 포함할 수 있다.In addition, the insulating
<소스 전극(42)과 드레인 전극(43)><
소스 전극(42)과 드레인 전극(43)은 상기 절연층(20) 상에 형성된다. 상기 소스 전극(42)과 상기 드레인 전극(43)은 소정 간격 이격되어 배치되는 것이 바람직하다. 소스 전극(42)은 전자 내지 정공을 공급하는 전극을 의미하며, 드레인 전극(43)은 전자나 정공을 흡수하는 전극을 의미한다. 채널층(30)이 p형(p-type) 전도성 고분자인 경우, 게이트 전극(41)에 (-) 전하가 인가되면 소스 전극(42)은 정공을 제공하고 드레인 전극(43)은 정공을 흡수한다. 반대로 채녈층이 n형 반도체인 경우에는, 게이트 전극(41)에 (+) 전하가 인가되면 소스 전극(42)이 전자를 제공하고 드레인 전극(43)은 전자를 흡수한다.The
상기 소스 전극(42)과 드레인 전극(43)은 열 증착(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.The
소스 전극(42)과 드레인 전극(43)의 예시로서, 구리(Cu), 니켈(Ni), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 금(Au), 텅스텐(W), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 하프늄(Hf), 란타늄(La), 이리듐(Ir) 및 은(Ag)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. As examples of the
또한, 상기 소스 전극(42)과 드레인 전극(43)은 전도성 물질을 더 포함할 수 있다. 가령, 탄소나노튜브, 탄소나노와이어, 은 나노와이어와 같이 물질 자체의 특성 또는 나노디멘션에 의하여 유연성을 가지는 물질이 상기 소스전극(42) 내지 상기 드레인 전극(43)에 더 포함되는 경우에는 전극 자체의 전도성이 증가할 뿐만 아니라 유연성이 추가로 증가할 수 있다.In addition, the
<하이브리드 채널층(30)><
하이브리드 채널층(30)은 상기 소스 전극(42)과 상기 드레인 전극(43)의 사이에 위치한다. 상기 하이브리드 채널층(30)은 상기 소스 전극(42)과 물리적, 전기적으로 연결되며, 상기 드레인 전극(43)과도 마찬가지로 물리적, 전기적으로 연결된다. 소스 전극(42)에서 방출된 전자와 정공이 하이브리드 채널층(30)을 통하여 이동하여 드레인 전극(43)에서 흡수됨으로써 전류가 흐르게 된다. 하이브리드 채널층(30)은 유기 전계효과 트랜지스터 소자의 작동에 있어서 필수적인 구성요소이다. 하이브리드 채널층(30)이 상기 게이트 전극(41)의 자기장 변화에 민감하게 반응할수록, 유기 전계효과 트랜지스터 소자의 성능이 증가된다.The
상기 게이트 전극(41)에 전압이 인가되면, 상기 하이브리드 채널층(30) 중 상기 소스 전극(42)과 상기 드레인 전극(43)의 사이에 위치한 일부에서 반전층이 형성된다. 반전층은 소스 전극(42)과 드레인 전극(43)을 전기적으로 연결하는 층을 의미한다. 상기 반전층의 두께가 두꺼워진다는 것은 소스 전극(42)과 드레인 전극(43) 사이의 전자 내지 정공의 이동이 증가한다는 것을 의미한다.When a voltage is applied to the
특히, 하이브리드 채널층(30)이 p형(p-type) 전도성 고분자인 경우에는, 상술한 바와 같이 상기 반전층을 통하여 정공의 이동이 이루어진다. 이 경우, 상기 반전층의 두께를 증가시키는 방식으로 이하의 두 경우를 고려할 수 있다. 첫 번째는 상기 게이트 전극(41)에 상대적으로 강한 (-) 전하가 위치하도록 하는 것이다. 이는 상기 절연층(20) 중 상기 절연층(20) 및 상기 하이브리드 채널층(30)의 접합면에 강한 (-) 전하가 유도되게 하여, 결과적으로 상기 소스 전극(42)과 상기 드레인 전극(43) 사이의 정공의 흐름이 증가하게 만드는 방식이다.In particular, when the
두 번째는 상기 하이브리드 채널층(30)을 기준으로 상기 게이트 전극(41)의 반대편에 강한 (-) 전하가 위치하도록 하는 것이다. 이는 전자의 방식과 반대로 상기 하이브리드 채널층(30) 중 외부로 노출된 면에 추가로 (-) 전하를 형성하여, 상기 절연층(20)과 상기 하이브리드 채널층(30)의 접합면에만 위치하였던 정공의 흐름을 넓히는 방식이다. 결과적으로 상기 소스 전극(42)과 상기 드레인 전극(43) 사이의 반전층의 두께가 증가하여, 정공의 흐름이 증가하게 된다.The second is to position a strong (-) charge on the opposite side of the
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자의 구조와 활성산소종 검출 메커니즘을 도시한 것이다. 보다 구체적으로, 도 2a는 루틴-할로이사이트 나노클레이 복합체(응집체)의 루틴 분자에서 수산화기(OH)와 활성산소종의 반응을 나타낸 것이고, 도 2b는 상기 반응 결과 생성된 산소 음이온에 의한 정공(hole) 전하의 생성 및 확산을 나타낸 것이고, 도 2c는 PBS 스트림 상에서 활성산소종이 제거된 경우 산소 음이온이 수소 양이온과 결합하여 다시 수산화기(OH)를 형성하는 것을 나타낸 것이다. 도 2에서 S, D 및 G는 각각 소스 전극(42), 드레인 전극(43) 및 게이트 전극(41)을 의미한다.2 illustrates a structure of an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer and a mechanism for detecting reactive oxygen species according to an embodiment of the present invention. More specifically, FIG. 2a shows the reaction of a hydroxyl group (OH) with reactive oxygen species in the rutin molecule of the rutin-haloysite nanoclay complex (aggregate), and FIG. 2b is a hole formed by the oxygen anion generated as a result of the reaction. ) shows the generation and diffusion of charges, and FIG. 2c shows that when reactive oxygen species are removed from the PBS stream, oxygen anions combine with hydrogen cations to form hydroxyl groups (OH) again. In FIG. 2 , S, D, and G denote a
더욱 상세하게는 도 2에서 제일 하단에 위치한 층은 게이트 전극(41)을 의미하며, 상기 게이트 전극(41) 상에 형성된 층은 절연층(20)을 의미한다. 절연층(20) 상에 소스 전극(42)과 드레인 전극(43)이 각각 형성되어 있으며, 상기 소스 전극(42)과 드레인 전극(43)의 사이에 하이브리드 채널층(30)이 형성되어 있다. 달리 표현하면, 상기 소스 전극(42)과 상기 드레인 전극(43)은 서로 이격되어 상기 하이브리드 채널층(30)의 내에 형성되어 있다. In more detail, the lowermost layer in FIG. 2 means the
도 2를 참조하여 본 발명의 유기 전계효과 트랜지스터 소자가 활성산소종을 검출하는 메커니즘을 서술하면 다음과 같다. 활성산소종의 유무와는 별개로 게이트 전극(41)에 일단 (-) 전하가 인가되면, 소스 전극(42)에서 방출된 정공이 드레인 전극(43)에서 흡수된다. 상기 정공의 흐름에 의해 일정한 전류 값이 측정된다. 이 때 상기 하이브리드 채널층(30)의 외부로 노출된 면과 활성산소종이 접촉하면, 상기 하이브리드 채널층(30)에 포함된 페놀계 화합물(31)의 수산화기와 상기 활성산소종 사이의 산-염기 반응이 일어난다. 산염기 반응 결과 과산화수소와 같은 짝산이 생성되며, 상기 하이브리드 채널층(30)에 포함된 페놀계 화합물(31)의 수산화기는 (-) 전하 내지 라디칼을 띠게 된다. 상술한 과정을 거쳐 형성된 (-) 전하 내지 라디칼은 도 2에서와 같이 상기 소스 전극(42)과 상기 드레인 전극(43) 사이의 정공의 추가적인 흐름을 유도하게 되고, 하이브리드 채널층(30)의 전계효과 전하를 증가시켜 드레인 전류 신호를 증가시킨다. A mechanism for detecting reactive oxygen species by the organic field effect transistor device of the present invention will be described with reference to FIG. 2 . Regardless of the presence or absence of reactive oxygen species, once a negative charge is applied to the
이후 PBS 스트림 상에서 활성산소종에 해당하는 과산화물이 제거된 경우 페놀계 화합물(31)에 해당하는 루틴 분자의 산소 음이온은 PBS 스트림 상에서 공급된 수소 양이온과 결합하여 다시 수산화기(OH)를 형성하고, 이에 따라 드레인 전류 신호는 감소한다. 즉, 한 번 탈양성자화된 페놀계 화합물(31)은 다시금 산-염기반응을 진행하여 양성자화될 수 있다. 상기 양성자화에 의하여 수산화기가 회복되면, 추가적인 활성산소종의 검출이 가능하다. 따라서, 가령 양성자성 용매에 활성산소종이 용해된 상태라고 가정하면, 활성산소종의 연속적인 검출도 가능할 것이라는 추측이 가능하다. 더하여, 설령 상기 페놀계 화합물(31)의 수산화기가 모두 탈양성자화 되어 추가적인 활성산소종의 검출이 중단되더라도, 다시금 양성자화하여 검출 능력을 회복하는 것이 용이하다는 사실을 확인할 수 있다.Afterwards, when the peroxide corresponding to the active oxygen species is removed from the PBS stream, the oxygen anion of the rutin molecule corresponding to the
한편, 할로이사이트 나노클레이 분자 자체에 수산화기(OH)가 포함되어 있으나 이는 본 발명에 따른 유기 전계효과 트랜지스터 소자에서 드레인 전류 변화를 일으키지 않는다. 그 이유는 활성산소종에 해당하는 과산화물이 페놀성 수산기와 선택적으로 반응하는 원리에 기인한다. 이처럼 본 발명에 따른 유기 전계효과 트랜지스터 소자에서의 향상된 활성산소종 검출 능력은 하이브리드 채널층(30)에 p형(p-type) 전도성 고분자, 페놀계 화합물(31)과 함께 할로이사이트 나노클레이(32)가 포함됨에 따라 활성산소종과 반응하기 위한 페놀계 화합물(31)이 하이브리드 채널층(30)의 표면 상에 더 많이 존재하기 때문이다.On the other hand, although the halloysite nanoclay molecule itself contains a hydroxyl group (OH), it does not cause a change in drain current in the organic field effect transistor device according to the present invention. The reason is due to the principle that the peroxide corresponding to the reactive oxygen species selectively reacts with the phenolic hydroxyl group. As such, the improved ability to detect active oxygen species in the organic field effect transistor device according to the present invention is a halloysite nanoclay (32) together with a p-type conductive polymer and a phenolic compound (31) in the hybrid channel layer (30). ) because the
상술한 메커니즘을 고려하면, 상기 하이브리드 채널층(30)에 포함된 페놀계 화합물(31)이 탈양성자화 되는 비율이 높아질수록 정공의 추가적인 흐름이 유도되는 폭이 커지게 될 것임을 추론할 수 있다. 따라서, 본 발명의 유기 전계효과 트랜지스터 소자는 단순히 활성산소종의 유무를 확인할 수 있을 뿐만 아니라, 그 측정된 전류 값을 토대로 하여 활성산소종의 농도도 측정할 수 있다. 이 점에 관해서는 추가로 후술한다.Considering the above-described mechanism, it can be inferred that as the rate of deprotonation of the phenol-based
상술한 바를 종합하면, 본 발명의 하이브리드 채널층(30)에 포함되는 페놀계 화합물(31)은 측정대상인 활성산소종과 반응하여 (-) 전하를 띠게 되므로, 본 발명의 하이브리드 채널층(30)은 p형(p-type) 전도성 고분자를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 p형(p-type) 전도성 고분자로서 P3HT(poly(3-hexylthiophene)), PEDOT(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) 등과 같은 폴리티오펜(Polythiophene)계의 고분자를 고려할 수 있다.Summarizing the above, since the
한편, 본 발명의 하이브리드 채널층은 p형(p-type) 전도성 고분자, 페놀계 화합물 및 할로이사이트 나노클레이를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 p형(p-type) 전도성 고분자는 P3HT(poly(3-hexylthiophene)), 상기 페놀계 화합물(31)은 루틴(rutin), 상기 할로사이트 나노클레이는 Al2Si2O5(OH)4·H2O인 것이 보다 바람직하다. 이 때 본 발명의 하이브리드 채널층(30)에서 페놀계 화합물(31)과 할로사이트 나노클레이(32)는 상호 결합하여 복합체 내지 응집체를 형성할 수 있다. Meanwhile, the hybrid channel layer of the present invention may include a p-type conductive polymer, a phenol-based compound, and a halloysite nanoclay. Here, the p-type conductive polymer is poly(3-hexylthiophene) (P3HT), the
또한, 상기 하이브리드 채널층(30)에서 상기 p형 전도성 고분자, 상기 페놀계 화합물(31) 및 상기 할로이사이트 나노클레이(32)의 중량비(P : R : N)는 10 : 1 : 0.5 내지 10 : 1 : 3인 것이 바람직하다. 가령 상기 p형 전도성 고분자, 상기 페놀계 화합물(31) 및 상기 할로이사이트 나노클레이(32)의 중량비(P : R : N)인 10 : 1 : 0.5 보다 상기 할로이사이트 나노클레이의 중량비가 더 낮은 경우 본 발명에 따른 유기 전계효과 트랜지스터 소자에서 활성산소종을 검출할 수 있는 민감도 내지 반응도가 저하되는 문제가 있으며, 반대로 상기 p형 전도성 고분자, 상기 페놀계 화합물(31) 및 상기 할로이사이트 나노클레이(32)의 중량비(P : R : N)인 10 : 1 : 3 보다 상기 할로이사이트 나노클레이의 중량비가 더 높은 경우 본 발명에 따른 유기 전계효과 트랜지스터 소자에서 일부 또는 전부가 외부로 노출되는 페놀계 화합물의 수산화기가 감소되는 문제가 발생하여 결국 활성산소종을 검출할 수 있는 민감도 내지 반응도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 이와 관련하여 구체적인 사항은 하기 실시예 및 실험예에서 후술한다.In addition, in the
한편, 상기 하이브리드 채널층(30)을 상기 절연층(20) 상에 형성하기 위한 방법으로서, 스핀 코팅(Spin coating), 분무 코팅(spray coating), 롤 코팅(roll coating), 딥 코팅(dip coating), 잉크젯 코팅(ink-jet coating) 등을 고려할 수 있다.On the other hand, as a method for forming the
<하이브리드 채널층(30)에 포함된 페놀계 화합물(31)><
하이브리드 채널층(30)에 포함된 페놀계 화합물(31)은 페놀계 화합물(31)에 포함된 수산화기 중 그 일부 또는 전부가 외부로 노출된다. 외부로 노출된 페놀계 화합물(31)은 활성산소종과 화학반응을 진행한다. 활성산소종(Reactive oxygen specices, ROS)는 라디칼 내지 음이온을 포함한 산소종을 의미한다. 활성산소종은 매우 높은 화학적 반응성을 가지고 있으며, 신체 노화의 주원인 물질 중 하나로 지목된다. In the
활성산소종과 상기 페놀계 화합물(31)은 산-염기 반응 내지 라디칼 반응을 진행할 수 있다. 산-염기 반응결과 만들어지는 페놀 음이온과 라디칼 반응 결과 만들어지는 페놀 라디칼은 모두 공명구조에 의해 안정화된다. 특히, 벤젠고리 전체에 음전하 내지 라디칼이 비편재될 수 있으므로 페놀계 화합물(31)은 활성산소종과 높은 반응성을 보인다.The active oxygen species and the phenol-based
상기 하이브리드 채널층(30)에 포함된 페놀계 화합물(31)이 활성산소와 반응하여 (-) 전하를 띠거나 라디칼을 띠게 됨으로써, 상술한 바와 같이 상기 소스 전극(42)과 상기 드레인 전극(43) 사이의 반전층을 넓히게 된다. 따라서, 본 발명의 유기 전계효과 트랜지스터 소자에 포함된 페놀계 화합물(31)이 활성산소와 반응할 경우, 유기 전계효과 트랜지스터 소자에 흐르는 전류 값에 변화가 나타나게 된다. The
부연하자면, 페놀계 화합물(31)이 활성산소종과 반응을 하기 위해서는 페놀계 화합물(31)에 포함된 수산화기 중 일부 또는 전부가 외부로 노출되어 있어야 한다. 페놀계 화합물(31)의 수산화기가 외부로 노출되어 있다는 것은 필연적으로 상기 하이브리드 채널층(30)을 기준으로 상기 페놀계 화합물(31)이 상기 게이트 전극(41)과 반대면에 위치한다는 것을 의미한다. 상술한 경우에, 활성산소종과의 반응은, 고저의 차이는 있으나 항상 전류 값의 변화를 초래한다.In other words, in order for the phenol-based
따라서, 본 명세서는 활성산소종과 반응하는 화합물로서 페놀계 화합물(31)을 고려하고 있으나, 상술한 바와 같은 사상이 단순히 페놀계 화합물(31)에 한정된다고 할 것은 아니다. 활성산소종과 반응하여 음전하 내지는 라디칼을 가질 수 있는 화합물이라면 어떤 화합물이라도 상기 하이브리드 채널층(30)에 포함되어 페놀계 화합물(31)이 포함된 경우와 유사한 효과를 제공할 수 있다. Accordingly, the present specification considers the phenol-based
유사한 효과를 누릴 수 있는 예시로서, 유기산 내지 무기산을 모두 고려할 수 있다. 더욱 구체적으로는 아닐계 화합물 및 그 유도체, 아스코르빈산 및 그 유도체, 나프톨(Naphthol)계 화합물 및 그 유도체, 페넨스로이드(Phenanthrenoid)계 화합물, 실리콘계 화합물 등을 고려할 수 있다. As an example that can enjoy a similar effect, both organic acids and inorganic acids can be considered. More specifically, anil compounds and derivatives thereof, ascorbic acid and derivatives thereof, naphthol compounds and derivatives thereof, phenanthrenoid compounds, silicone compounds, and the like may be considered.
페놀계 화합물(31)의 예시로서, 알킬페놀(Alkylphenol)계 화합물, 벤젠다이올(Benezenediol)계 화합물, 벤젠트리올(Benzenetriol)계 화합물, 페놀글리코사이드(Phenol glycoside)계 화합물, 폴리페놀(Polyphenol)계 화합물, 아미노페놀(Aminophenol)계 화합물, 크레졸(Cresol)계 화합물, 비스페놀(Bisphenol)계 화합물, 플라보놀(Flavonol)계 화합물 등을 고려할 수 있다.As an example of the phenol-based
추가로, 수산화기(Hydroxy)를 둘 이상 포함하는 페놀계 화합물(31)이 단순한 페놀보다 본 발명의 하이브리드 채널층(30)에 포함되는 페놀계 화합물(31)로서 더욱 바람직하다. 이는, 수산화기의 수가 증가할수록 활성산소종과 반응하게 될 확률이 높아지기 때문이다. 다만, 두 개 이상의 수산화기가 서로 오쏘(Ortho)에 위치하는 것이 가장 바람직하며, 그 다음으로 서로 메타(Meta)에 위치하는 것이 바람직하고, 서로 파라(Para)에 위치하는 것은 바람직하지 않을 수 있다.In addition, the
벤젠고리에 치환된 두 개의 수산화기가 서로 오쏘 자리에 위치한 화합물을 카테콜(Catechol)이라고 한다. 카테콜의 수산화기는 활성산소종과 특히 반응성이 높다. 이는 카테콜의 수산화기 중 어느 하나가 활성산소종과 반응하여 얻어지게 되는 음이온 내지 라디칼이 매우 안정하기 때문이다. A compound in which two hydroxyl groups substituted on the benzene ring are positioned at ortho sites with each other is called a catechol. The hydroxyl group of catechol is particularly highly reactive with reactive oxygen species. This is because the anion or radical obtained by reacting any one of the hydroxyl groups of catechol with the reactive oxygen species is very stable.
카테콜 음이온 내지 라디칼은 수산화기가 하나 밖에 없는 페놀의 음이온 내지 라디칼에 비하여 더 안정하며, 그 이유는 아래와 같은 분자 내 수소결합에서 찾을 수 있다. 활성산소종과 카테콜의 반응결과 얻어지게 되는 음이온 내지 라디칼은 오각고리형태의 분자 내 수소결합에 의하여 특히 안정해진다. 그러므로, 화학평형상 카테콜 음이온 내지 라디칼이 생성되는 반응이 더욱 유리하다. 따라서, 카테콜 모이어티(Moiety)를 포함하는 화합물이 본 발명의 하이브리드 채널층(30)에 포함될 경우에는, 페놀이 상기 하이브리드 채널층(30)에 함유된 경우보다 더욱 저농도의 활성산소종 또한 검출이 가능하다. The catechol anion or radical is more stable than the anion or radical of phenol having only one hydroxyl group, and the reason can be found in the hydrogen bond in the molecule as follows. Anions or radicals obtained as a result of the reaction between active oxygen species and catechol are particularly stable due to the hydrogen bonding in the molecule in the form of a pentacyclic ring. Therefore, a reaction in which a catechol anion or radical is generated in chemical equilibrium is more favorable. Therefore, when a compound including a catechol moiety is included in the
상술한 바에 비추어 보았을 때, 본 명세서는 카테콜 모이어티를 함유하고 있는 화합물에 관하여 서술하고 있으나 그렇다 하여 아래의 예시와 같은 화합물을 배제하고 있는 것은 아니다. 가령, 오쏘-아미노페놀(o-aminophenol)계 화합물 및 그 유도체, 오쏘-페닐렌다이아민(o-phenylenediamine)계 화합물 및 그 유도체 등을 상기 카테콜의 대안으로서 고려할 수 있다.In view of the above, the present specification describes a compound containing a catechol moiety, but this does not exclude compounds such as the examples below. For example, ortho-aminophenol-based compounds and derivatives thereof, ortho-phenylenediamine-based compounds and derivatives thereof may be considered as alternatives to the catechol.
벤젠고리에 치환된 두 개의 수산화기가 서로 메타 자리에 위치한 화합물을 레조르시놀(Resorcinol)이라고 한다. 레조르시놀 또한 본 발명의 하이브리드 채널층(30)에 포함되는 페놀계 화합물(31)의 일 예시이다. 레조르시놀은 상기 카테콜과는 다른 물리적 이유에 의하여 활성산소종과의 반응성이 뛰어나다.A compound in which two hydroxyl groups substituted on the benzene ring are meta-located to each other is called resorcinol. Resorcinol is also an example of the
활성산소종이 레조르시놀의 일 수산화기와 반응하여 만들어진 음이온 내지 라디칼은 레조르시놀의 다른 수산화기에 의하여 안정화될 수 있다. 이는 수산화기에 포함된 산소의 전기음성도가 매우 높기 때문이다. 전기음성도가 높은 산소는 유발효과를 통하여 음전하 내지 라디칼을 안정화시킨다. 따라서, 레조르시놀 모이어티(Moiety)를 포함하는 화합물이 본 발명의 하이브리드 채널층(30)에 포함될 경우에는, 페놀이 상기 하이브리드 채널층(30)에 함유된 경우보다 더욱 저농도의 활성산소종 또한 검출이 가능하다. Anions or radicals produced by reacting reactive oxygen species with a hydroxyl group of resorcinol may be stabilized by other hydroxyl groups of resorcinol. This is because the electronegativity of oxygen included in the hydroxyl group is very high. Oxygen with high electronegativity stabilizes negative charges or radicals through an inducer effect. Therefore, when a compound containing a resorcinol moiety is included in the
상술한 바에 비추어 보았을 때, 본 명세서는 레조르시놀 모이어티를 함유하고 있는 화합물에 관하여 서술하고 있으나 그렇다 하여 아래의 예시와 같은 화합물을 배제하고 있는 것은 아니다. 가령, 메타-아미노페놀(m-aminophenol)계 화합물 및 그 유도체, 메타-페닐렌다이아민(m-phenylenediamine)계 화합물 및 그 유도체 등을 상기 레조르시놀의 대안으로서 고려할 수 있다.In view of the above, the present specification describes a compound containing a resorcinol moiety, but this does not exclude compounds such as the examples below. For example, meta-aminophenol-based compounds and derivatives thereof, meta-phenylenediamine-based compounds and derivatives thereof, and the like can be considered as alternatives to resorcinol.
벤젠고리에 치환된 두 개의 수산화기가 서로 파라 자리에 위치한 화합물을 하이드로퀴논(Hydroquinone)이라고 한다. 하이드로퀴논은 상기 카테콜 내지 레조르시놀과는 달리 페놀과 pKa 값이 유사하거나 더 높다. 이는, 활성산소종이 레조르시놀의 일 수산화기와 반응하여 만들어진 음이온 내지 라디칼이 다른 수산화기에 의하여 불안정화될 수 있기 때문이다. 구체적인 불안정화 양상은 공명구조를 통해 유추가 가능하다. A compound in which two hydroxyl groups substituted on the benzene ring are located at the para site is called a hydroquinone. Hydroquinone has a pKa value similar to or higher than that of phenol, unlike catechol or resorcinol. This is because the anions or radicals produced by reacting reactive oxygen species with a hydroxyl group of resorcinol may be destabilized by other hydroxyl groups. The specific destabilization pattern can be inferred through the resonance structure.
다만, 두 개의 수산화기가 모두 활성산소종 반응할 여지가 있다는 점에서 하이드로퀴논 또한 본 발명의 하이브리드 채널층(30)에 포함되는 페놀계 화합물(31)의 일종으로 보는 것이 바람직하다. 하이드로퀴논을 포함함으로써, 페놀을 포함하는 것과 유사한 효과를 향유할 수 있다.However, it is preferable to view hydroquinone as a type of the
상술한 바에 비추어 보았을 때, 본 명세서는 하이드로퀴논 모이어티를 함유하고 있는 화합물에 관하여 서술하고 있으나 그렇다 하여 아래의 예시와 같은 화합물을 배제하고 있는 것은 아니다. 가령, 파라-아미노페놀(p-aminophenol)계 화합물 및 그 유도체, 파라-페닐렌다이아민(p-phenylenediamine)계 화합물 및 그 유도체 등을 상기 하이드로퀴논의 대안으로서 고려할 수 있다.In view of the above, the present specification describes a compound containing a hydroquinone moiety, but this does not exclude compounds such as the examples below. For example, a para-aminophenol (p-aminophenol)-based compound and its derivatives, a para-phenylenediamine-based compound and its derivatives, and the like can be considered as an alternative to the hydroquinone.
또한, 상술한 바와 같이 페놀계 화합물(31)이면 본 발명의 하이브리드 채널층(30)에 포함될 수 있다. 다음은 페놀계 화합물(31)의 일 예시인 플라보놀(Flavonol)계 화합물들이다. 플라보놀계 화합물들은 카테콜 모이어티와 레조르시놀 모이어티를 한 분자 내에 동시에 포함하고 있는 경우가 많으며, 비교적에 저렴한 비용으로 준비가 가능하여, 본 발명의 페놀계의 일 예시로 적합하다.In addition, as described above, the phenol-based
플라보놀계 화합물로서, 퀘르세틴(Quercetin), 캠페롤(kaempherol), 아피제닌(apigenin), 루테올린(Luteolin), 미리세틴(myricetin), 크리신(chrysin(5,7-dihydroxyflabvone)), 바이칼레인(baicalein (5,6,7-trihydroxyflavone)), 스쿠텔라레인(scutellarein(5,6,7,4'-tetrahydroxyflavone)), 우고닌(wogonin (5,7-dihydroxy-8-methoxyflavone)), 3-히드록시플라본(3-Hydroxyflavone), 아젤레아틴(Azaleatin), 피세틴(Fisetin), 갈랑긴(Galangin), 고시페틴(Gossypetin), 켐페라이드(Kaempferide), 이소람네틴(Isorhamnetin), 모린(Morin), 패취포돌(Pachypodol), 람나진(Rhamnazin), 및 람네틴(Rhamnetin)을 본 발명의 채널층(30)에 포함하면 활성산소종의 검출이 가능하다.As a flavonol-based compound, quercetin, kaempherol, apigenin, luteolin, myricetin, chrysin (chrysin(5,7-dihydroxyflabvone)), baicalin (baicalein (5,6,7-trihydroxyflavone)), scutellarein (5,6,7,4'-tetrahydroxyflavone)), wogonin (5,7-dihydroxy-8-methoxyflavone)), 3 -Hydroxyflavone (3-Hydroxyflavone), Azaleatin (Fisetin), Galangin (Galangin), Gossypetin (Gossypetin), Kempferide (Kaempferide), Isorhamnetin (Isorhamnetin), Morin ( Morin), patch podol (Pachypodol), ramnazin (Rhamnazin), and rhamnetin (Rhamnetin) is included in the
특히, 플라보놀계 화합물 중 퀘르세틴(Quercetin), 루테올린(Luteolin), 미리세틴(myricetin), 바이칼레인(baicalein (5,6,7-trihydroxyflavone)), 스쿠텔라레인(scutellarein(5,6,7,4'-tetrahydroxyflavone)), 아젤레아틴(Azaleatin), 피세틴(Fisetin), 고시페틴(Gossypetin), 및 람네틴(Rhamnetin)을 본 발명의 하이브리드 채널층(30)에 포함할 시에는 활성산소종의 검출에 대한 민감성이 증가한다. 상술한 플라보놀계 화합물들은 카테콜 모이어티를 모두 함유하고 있기 때문이다.In particular, among the flavonol compounds, quercetin, luteolin, myricetin, baicalein (5,6,7-trihydroxyflavone), scutellarein (5,6,7) , 4'-tetrahydroxyflavone)), azeleatin, fisetin, gossypetin, and rhamnetin. increased sensitivity to the detection of species. This is because the above-described flavonol-based compounds contain all catechol moieties.
플라보놀계 화합물의 일종인 플라보놀 글리코사이드(Flavonol glycoside)는 플라보놀계 화합물과 당류가 결합된 화합물을 지칭한다. 플라보놀 글리코사이드계 화합물에 포함된 당류는 수산화기(Hydroxyl group)를 다량 함유하고 있으므로, 플라보놀 글리코사이드계 화합물은 일반적으로 응집이 잘 되는 것으로 알려져 있다. Flavonol glycoside, a type of flavonol-based compound, refers to a compound in which a flavonol-based compound and a sugar are combined. Since the saccharides contained in the flavonol glycoside compound contain a large amount of hydroxyl groups, it is generally known that the flavonol glycoside compound is well agglomerated.
본 발명에 있어서, 측정대상인 활성산소종을 검출하기 위해서는 활성산소종과 산-염기 반응 등을 진행하여야 하므로, 활성산소종과 반응하는 자리가 외부로 노출되어 있어야 한다는 제한조건이 있다. 플라보놀 글리코사이드계 화합물은 하이브리드 채널층(30)에 완전히 용해되지 않으며, 자체적인 응집을 통한 일정 두께의 확보가 가능하다. 따라서 활성산소종과의 반응자리의 노출이 용이한 플라보놀 글리코사이드계 화합물이 본 발명의 활성산소종을 검출하는 분자로서 더욱 바람직한 선택지라고 할 수 있다.In the present invention, in order to detect the reactive oxygen species to be measured, acid-base reaction with the reactive oxygen species and the like must be carried out, so there is a limiting condition that a site that reacts with the reactive oxygen species must be exposed to the outside. The flavonol glycoside-based compound is not completely dissolved in the
플라보놀 글리코사이드계 화합물의 예시로서, 본 발명의 하이브리드 체널층(30)은 아즈트라갈린(Astragalin), 아잘레인(Azalein), 히페로사이드(Hyperoside), 이소퀘르시틴(Isoquercitin), 캠페리틴(Kaempferitrin), 미리시틴(Myricitrin), 퀘르시틴(Quercitrin), 로비닌(Robinin), 루틴(Rutin), 스피레오사이드(Spiraeoside), 잔토르함민(Xanthorhamnin), 및 아뮤레신(Amurensin)을 포함하는 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다.As an example of a flavonol glycoside-based compound, the
특히, 상기 플라보놀 글리코사이드계 화합물 중 카테콜 모이어티를 포함하는 아잘레인(Azalein), 히페로사이드(Hyperoside), 이소퀘르시틴(Isoquercitin), 미리시틴(Myricitrin), 퀘르시틴(Quercitrin), 루틴(Rutin), 및 잔토르함민(Xanthorhamnin)을 포함하는 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 포함하는 것이 가장 바람직하다. 한편, 루틴의 경우, 다양한 곡물로부터 추출이 가능하여 생산단가를 현격히 낮출 수 있다는 추가적인 장점이 있다. In particular, Azalein, Hyperoside, Isoquercitin, Myricitrin, Quercitrin including a catechol moiety among the flavonol glycoside compounds ), rutin, and Xanthorhamnin, most preferably comprising at least one compound selected from the group consisting of. On the other hand, in the case of rutin, it is possible to extract from a variety of grains, and there is an additional advantage that the production cost can be significantly lowered.
<하이브리드 채널층(30)에 포함된 할로이사이트 나노클레이(32)><Halloysite nanoclay 32 included in
하이브리드 채널층(30)에 포함된 할로이사이트 나노클레이(32)는 상기 하이브리드 채널층(30) 내에서 페놀계 화합물(31)과 함께 응집체를 형성할 수 있다. The
여기서, 나노클레이는 실리카 사면체(silica tetrahedral) 시트와 알루미나 팔면체(alumina octahedral) 시트의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 한다. 상기 실리카 사면체와 상기 알루미나 팔면체의 구성비에 따라 상기 나노클레이는 다양한 구조가 가능하다. 예를 들어, 상기 나노클레이는 mica, vermiculite, chlorite, montmorillonite (MMT), nontronite, saponite, hectorite 등의 구조를 형성하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. Here, the nanoclay is characterized in that it is composed of a combination of a silica tetrahedral sheet and an alumina octahedral sheet. According to the composition ratio of the silica tetrahedron and the alumina octahedron, various structures of the nanoclay are possible. For example, the nanoclay preferably forms a structure such as mica, vermiculite, chlorite, montmorillonite (MMT), nontronite, saponite, hectorite, but is not limited thereto.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자에서 상기 하이브리드 채널층은 p형(p-type) 전도성 고분자, 페놀계 화합물(31) 및 할로사이트 나노클레이(32)를 포함할 수 있고, 여기서 상기 p형(p-type) 전도성 고분자는 P3HT(poly(3-hexylthiophene)), 상기 페놀계 화합물(31)은 루틴(rutin), 상기 할로사이트 나노클레이는 Al2Si2O5(OH)4·H2O인 것이 바람직하다. 이 때 본 발명의 하이브리드 채널층(30)에서 페놀계 화합물(31)과 할로이사이트 나노클레이(32)는 상호 결합하여 응집체를 형성할 수 있다. 상기 하이브리드 채널층(30)에서 이러한 응집체를 형성함으로써 그 일부 또는 전부가 외부로 노출되는 페놀계 화합물(31)에 포함된 수산화기가 증대되는 효과를 나타낼 수 있고, 그에 따라 활성산소종과 접촉했을 때 상기 활성산소종과 화학반응을 진행하는 페놀계 화합물(31)의 비율이 증대될 수 있다.In an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer according to an embodiment of the present invention, the hybrid channel layer is formed of a p-type conductive polymer, a
즉, 본 발명의 하이브리드 채널층(30)에서 할로이사이트 나노클레이(32)는 페놀계 화합물(31) 예를 들어, 루틴의 하이브리드 채널층(30) 내 더 고른 분포를 유도하고, 루틴 내 수산화기(OH)의 일부 또는 전부를 외부로 노출하도록 유도함에 따라 본 발명의 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자의 성능과 활성산소종 검출 센서의 능력을 향상시킬 수 있다.That is, in the
본 발명의 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자에서 상기 하이브리드 채널층(30)에 포함된 할로이사이트 나노클레이는 나노 입자 크기의 할로이사이트계 물질을 의미하며, 상기 페놀계 화합물(31)과 복합체 내지 응집체를 형성할 수 있는 것이면 충분하다.In the organic field effect transistor device including the hybrid channel layer of the present invention, the halloysite nanoclay included in the
나아가, 본 발명의 하이브리드 채널층(30)에 포함된 할로이사이트 나노클레이(32)는 (Al2-xMgx)(Si4)O10(OH)2Mn+ x/n * mH2O) (단, 0 ≤ x < 2, m > 0, n > 0 이다)의 화학식을 만족하고, 본 발명의 하이브리드 채널층(30)에 포함된 페놀계 화합물(31)과 복합체 내지 응집체를 형성할 수 있는 것이 바람직하다. Furthermore, the
예를 들어, 상기 본 발명의 하이브리드 채널층(30)에 포함된 할로이사이트 나노클레이는 Al2Si2O5(OH)4·H2O인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.For example, the halloysite nanoclay included in the
<본 발명의 활성산소종 검출 센서 및 그 검출 장치><Reactive oxygen species detection sensor and detection device thereof of the present invention>
본 명세서는 추가로 기판(10); 상기 기판(10) 상에 형성되는 게이트 전극(41); 상기 게이트 전극(41) 상에 형성되는 절연층(20); 상기 절연층(20) 상에 형성되는 소스 전극(42); 상기 절연층(20) 상에 상기 소스 전극(42)과 이격되어 형성되는 드레인 전극(43); 및 상기 절연층(20) 상에 형성되며, 상기 소스 전극(42)과 상기 드레인 전극(43) 사이에 위치한 하이브리드 채널층(30);을 포함하고, 상기 하이브리드 채널층(30)은 p형(p-type) 전도성 고분자, 페놀계 화합물(31) 및 할로이사이트 나노클레이(32)를 포함하고, 상기 페놀계 화합물(31)에 포함된 수산화기 중 일부 또는 전부가 외부로 노출된 유기 전계효과 트랜지스터 소자가 둘 이상 병렬적으로 연결된 활성산소종 검출 센서를 개시한다.The specification further describes a
상기 활성산소종의 예시는 O-, O2 -, O3 -, HO-, HO2 -, HO3 -, HO4 -, O2 2-, OH 라디칼, OH2 라디칼 등을 모두 포함한다. 본 발명의 하이브리드 채널층(30)에 함유된 페놀계 화합물(31)과 반응하기 위해서는 라디칼 내지 음이온을 띠는 것만으로 충분하다. Examples of the reactive oxygen species include O - , O 2 - , O 3 - , HO - , HO 2 - , HO 3 - , HO 4 - , O 2 2- , OH radicals, OH 2 radicals, and the like. In order to react with the phenol-based
더하여, 본 발명의 유기 전계효과 트랜지스터 소자는 활성산소종만을 검출할 수 있는 것은 아니다. 상술한 메커니즘을 토대로 검토하였을 때, 본 발명의 하이브리드 채널층(30)에 포함된 페놀계 화합물(31)은 활성산소종에 의해서만 탈양성자화 되는 것이 아님을 알 수 있다. 일반적인 루이스 염기는 모두 본 발명의 유기 전계효과 트랜지스터 소자에 의하여 검출이 가능하다. 루이스 염기라면 페놀계 화합물(31)과 산-염기 반응을 진행할 것이 자명하기 때문이다. 따라서, 본 발명의 유기 전계효과 트랜지스터 소자는 그 측정대상이 무엇인지에 의하여 한정되는 것이 아님을 알 수 있다. In addition, the organic field effect transistor device of the present invention is not capable of detecting only reactive oxygen species. When reviewed based on the above-described mechanism, it can be seen that the
본 발명의 유기 전계효과 트랜지스터 소자는 개별적으로 상술한 활성산소종 등의 검출이 가능하다. 또한, 상기 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 복수 개 연결하여 활성산소종 검출의 정확도를 증가시킬 수 있다. 특히, 복수 개의 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 병렬적으로 연결함으로써 활성산소종의 농도 측정 결과를 한 번에 수집할 수 있다.The organic field effect transistor device of the present invention can individually detect the above-mentioned reactive oxygen species and the like. In addition, by connecting a plurality of the organic field effect transistor device, it is possible to increase the accuracy of detecting reactive oxygen species. In particular, by connecting a plurality of organic field effect transistor devices in parallel, the result of measuring the concentration of active oxygen species can be collected at once.
한편, 본 발명에 따른 활성산소종 검출 센서는 유연성을 갖는 것을 특징으로 한다. 따라서, 상기 활성산소종 검출 센서는 반드시 평면 상에 설치되어야 만 하는 것은 아니며, 곡면 상에도 설치가 가능하다는 추가적인 장점을 가진다. 더불어, 상기 활성산소종 검출 센서가 작동하는 방식과 유연성을 고려하면, 물리적 외력에 의하여 상기 활성산소종 검출 센서의 곡률에 변화가 생기는 경우에도 그 기능 발휘에는 지장이 없을 것임을 추론할 수 있다. On the other hand, the reactive oxygen species detection sensor according to the present invention is characterized in that it has flexibility. Therefore, the reactive oxygen species detection sensor does not necessarily have to be installed on a flat surface, and has an additional advantage that it can be installed on a curved surface. In addition, considering the operation and flexibility of the reactive oxygen species detection sensor, even when the curvature of the reactive oxygen species detection sensor changes due to a physical external force, it can be inferred that there will be no hindrance to its function.
또한, 본 발명의 활성산소종 검출 센서를 성인의 손바닥 보다 작은 크기로 생산할 수 있다. 상기 활성산소종 검출 센서의 크기는 본 발명의 유기 전계효과 트랜지스터 소자의 크기에 의존적이므로, 실제로는 더욱 작게 집적이 가능하다.In addition, the reactive oxygen species detection sensor of the present invention can be produced in a size smaller than the palm of an adult. Since the size of the reactive oxygen species detection sensor is dependent on the size of the organic field effect transistor device of the present invention, it is possible to actually integrate it into a smaller size.
추가로, 본 명세서는 상기 활성산소종 검출 센서를 포함하는 활성산소종 검출 장치를 개시한다. 보다 구체적으로, 본 명세서는 기판(10); 상기 기판(10) 상에 형성되는 게이트 전극(41); 상기 게이트 전극(41) 상에 형성되는 절연층(20); 상기 절연층(20) 상에 형성되는 소스 전극(42); 상기 절연층(20) 상에 상기 소스 전극(42)과 이격되어 형성되는 드레인 전극(43); 및 상기 절연층(20) 상에 형성되며, 상기 소스 전극(42)과 상기 드레인 전극(43) 사이에 위치한 하이브리드 채널층(30);을 포함하고, 상기 하이브리드 채널층(30)은 p형(p-type) 전도성 고분자, 페놀계 화합물(31) 및 할로이사이트 나노클레이(32)를 포함하고, 상기 페놀계 화합물(31)에 포함된 수산화기 중 일부 또는 전부가 외부로 노출된 유기 전계효과 트랜지스터 소자가 둘 이상 병렬적으로 연결된 활성산소종 검출 센서를 둘 이상 포함하는 것을 특징으로 하는, 활성산소종 검출 장치를 추가로 개시한다.In addition, the present specification discloses a reactive oxygen species detection device including the reactive oxygen species detection sensor. More specifically, the present specification includes a
본 발명의 활성산소종 검출 센서의 크기 및 본 발명의 활성산소종 검출 장치가 상기 활성산소종 검출 센서를 필수적 구성요소로 한다는 점을 고려하면, 상기 활성산소종 검출 장치의 소형화 및 휴대가 가능하다는 것을 유추할 수 있다.Considering the size of the reactive oxygen species detection sensor of the present invention and the fact that the reactive oxygen species detection device of the present invention has the reactive oxygen species detection sensor as an essential component, it is possible to miniaturize and carry the reactive oxygen species detection apparatus of the present invention. can be inferred
더불어, 상술한 바와 같이 본 발명의 활성산소종 검출 장치는 비단 활성산소종의 검출뿐만 아니라, 기타 루이스 염기류의 검출을 위하여 사용될 수도 있다. 이는 본 발명의 유기 전계효과 트랜지스터 소자의 작동 방식으로부터 유추된 사실이다.In addition, as described above, the reactive oxygen species detection apparatus of the present invention may be used not only for the detection of reactive oxygen species, but also for the detection of other Lewis bases. This is a fact inferred from the operation mode of the organic field effect transistor device of the present invention.
또한, 본 발명의 활성산소종 검출 장치는 다양한 목적으로 사용될 수 있다. 가령, 의료용, 가정용, 산업용으로 모두 사용이 가능하다. 구체적으로는, 의료용 목적으로서 혈중 활성산소종의 농도를 측정하기 위하여 상기 활성산소종 검출 장치를 활용하는 것이 가능하다. 비슷한 맥락에서, 멸균용 용액 내의 활성산소종 농도를 모니터링 하기 위하여 본 발명의 활성산소종 검출 장치를 활용하는 것이 가능하다.In addition, the reactive oxygen species detection apparatus of the present invention can be used for various purposes. For example, it can be used for medical, home, and industrial purposes. Specifically, it is possible to utilize the reactive oxygen species detection device to measure the concentration of active oxygen species in the blood for medical purposes. In a similar context, it is possible to utilize the reactive oxygen species detection device of the present invention to monitor the concentration of reactive oxygen species in the sterilization solution.
이하, 첨부한 도면 및 실시예들을 참조하여 본 명세서가 청구하는 바에 대하여 더욱 자세히 설명한다. 다만, 본 명세서에서 제시하고 있는 도면 내지 실시예 등은 통상의 기술자에게 의하여 다양한 방식으로 변형되어 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 본 명세서의 기재사항은 본 발명을 특정 개시 형태에 한정되는 것이 아니고 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 내지 대체물을 포함하고 있는 것으로 보아야 한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명을 통상의 기술자로 하여금 더욱 정확하게 이해할 수 있도록 돕기 위하여 제시되는 것으로서 실제보다 과장 되거나 축소되어 도시될 수 있다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings and embodiments will be described in more detail with respect to what the present specification claims. However, the drawings and examples presented in this specification may be modified in various ways by those skilled in the art to have various forms, and the description of the present specification is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form. It should be considered to include all equivalents or substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In addition, the accompanying drawings are presented to help those of ordinary skill in the art to more accurately understand the present invention, and may be exaggerated or reduced than in reality.
{실시예 및 실험예}{Examples and Experimental Examples}
재료 및 용액의 준비Preparation of materials and solutions
할로이사이트 나노클레이(halloysite nanoclay, Al2Si2O5(OH)4·H2O, 이하, '나노클레이'이라 한다), 과산화칼륨(potassium superoxide, KO2), 인산나트륨 이염기(sodium pgosphate dibasic, Na2HPO4), 무수 디메틸 설폭사이드(anhydrous dimethyl sulfoxide, DMSO) 및 인산나트륨 일염기(sodium pgosphate monobasic, NaH2PO4)는 미국 시그마 알드리치(Sigma Aldrich)로부터 구매하였다. 루틴(rutin) 수화물은 Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.에서 공급받았다. P3HT(중량 평균 분자량 = 70 kDa, polydispersity index = 1.7, regioregularity > 97 %) 및 폴리 메틸 메타크릴 레이트(PMMA, 중량 평균 분자량 = 120 kDa, polydispersity index = 2.2)는 미국 Rieke Metals과 미국 시그마 알드리치로부터 입수하였다. 순수한 PMMA 용액의 제조를 위한 용매로서 N-부틸 아세테이트(N-butyl acetate)를 사용 하였다(농도 = 80 mg/ml). Halloysite nanoclay (Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 H2O, hereinafter referred to as 'nanoclay'), potassium superoxide (KO 2 ), sodium pgosphate dibasic, Na 2 HPO 4 ), anhydrous dimethyl sulfoxide (DMSO) and sodium phosphate monobasic (NaH 2 PO 4 ) were purchased from Sigma Aldrich, USA. Rutin hydrate was supplied by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. P3HT (weight average molecular weight = 70 kDa, polydispersity index = 1.7, regioregularity > 97 %) and polymethyl methacrylate (PMMA, weight average molecular weight = 120 kDa, polydispersity index = 2.2) were obtained from Rieke Metals, USA and Sigma-Aldrich, USA. did. N-butyl acetate was used as a solvent for the preparation of a pure PMMA solution (concentration = 80 mg/ml).
P3HT, 루틴 및 할로이사이트 나노클레이를 포함하는 이원 및 삼원 혼합 용액을 톨루엔 중 18 mg/ml의 고체 농도로 제조하였다. P3HT : 루틴 : 나노 클레이 (P : R : N)의 중량비는 P : R : N = 10 : 1 : 0.5, 10 : 1 : 1, 10 : 1 : 2 및 10 : 1 : 3이었다. 모든 용액을 코팅 전에 60 ℃에서 24 시간 동안 연속 교반시켰다. Binary and ternary mixed solutions containing P3HT, rutin and halloysite nanoclay were prepared at a solid concentration of 18 mg/ml in toluene. The weight ratios of P3HT:rutin:nanoclay (P:R:N) were P:R:N = 10:1:0.5, 10:1:1, 10:1:2 and 10:1:3. All solutions were continuously stirred at 60 °C for 24 h before coating.
Na2HPO4 및 NaH2PO4를 탈이온수(deionized water)에 용해시켜 인산 완충액(phosphate buffer solutions, PBS, 5mM, pH7.4)을 제조하였다. DMSO(anhydrous, 1.41 ml)에 KO2(10 mg)를 용해시키고 실온에서 5분 이상동안 초음파 처리하여 활성산소종에 해당하는 과산화물(superoxide, O2 -) 용액(100 mM)을 제조하고, 이를 관류 시스템(perfusion system)에서 5mM PBS 용액에 주입하였다. PBS 용액의 활성산소종에 해당하는 과산화물 농도는 주입량을 세부적으로 조정하여 제어하였다.Na 2 HPO 4 and NaH 2 PO 4 were dissolved in deionized water (phosphate buffer solutions, PBS, 5mM, pH7.4) was prepared. Dissolving KO 2 (10 mg) in DMSO (anhydrous, 1.41 ml) and sonicating for at least 5 minutes at room temperature to prepare a superoxide (O 2 - ) solution (100 mM) corresponding to reactive oxygen species, and this It was injected into 5 mM PBS solution in a perfusion system. The concentration of peroxide corresponding to the reactive oxygen species in the PBS solution was controlled by finely adjusting the injection amount.
검출, 측정 기기 및 방법Detection and measurement instruments and methods
UV / VIS / NIR 분광계(Lambda 750, Perkin Elmer)를 광 흡수 스펙트럼의 측정에 사용하였고, 유기 전계효과 트랜지스터 소자의 각 층의 두께는 표면 프로파일로 미터(surface profilometer, Dektak XT, Bruker)로 확인하였다. 전계 방출 주사 전자 현미경(field-emission scanning electron microscope, FE-SEM, SU 8230, Hitachi) 및 고해상도 광학 현미경(high-resolution optical microscope, SV-55, SOMETECH)을 사용하여 유기 전계효과 트랜지스터 소자에서 하이브리드 채널층의 형태(morphology)를 검사하였다. FE-SEM 기기에 부착된 에너지 분산 분광계(energy dispersive spectrometer, EDS, SU-8230, Hitachi)를 사용하여 요소 매핑(element mapping)을 수행하였다. A UV / VIS / NIR spectrometer (Lambda 750, Perkin Elmer) was used to measure the light absorption spectrum, and the thickness of each layer of the organic field effect transistor device was confirmed with a surface profilometer (Dektak XT, Bruker). . Hybrid channels in organic field-effect transistor devices using a field-emission scanning electron microscope (FE-SEM, SU 8230, Hitachi) and a high-resolution optical microscope (SV-55, SOMETECH) The morphology of the layers was examined. Element mapping was performed using an energy dispersive spectrometer (EDS, SU-8230, Hitachi) attached to an FE-SEM instrument.
유기 전계효과 트랜지스터 소자에서 하이브리드 채널층의 결정질 나노 구조는 싱크로트론 방사 그레이징 입사 X- 선 회절 시스템(synchrotron radiation grazing incidence X-ray diffraction system, GIXD, 파장 = 1.212969 Å, 3C, SAXS-I 빔라인, 포항 가속기 연구소)을 사용하여 측정되었다. 유기 전계효과 트랜지스터 특성은 반도체 파라미터 분석기(semiconductor parameter analyzer, 4200 SCS, 2636B, Keithley)를 사용하여 측정되었다. 활성산소종의 실시간 감지는 특수 액체 흐름 샘플 홀더(specialized liquid-flow sample holder) 및 연동 펌프 시스템(peristaltic pump system, CP-100 Drive, DP-100 Head, Dongseo Science Co. Ltd.)이 장착 된 관류 시스템(home-built perfusion system)을 사용하여 수행되었다. 활성산소종에 해당하는 과산화물 용액을 포함하는 PBS 스트림은 유속(약 0.5 ml / 분)을 조정함으로써 제어되었다.The crystalline nanostructure of the hybrid channel layer in the organic field effect transistor device is a synchrotron radiation grazing incidence X-ray diffraction system (GIXD, wavelength = 1.212969 Å, 3C, SAXS-I beamline, Pohang). Accelerator Laboratories). The organic field effect transistor characteristics were measured using a semiconductor parameter analyzer (4200 SCS, 2636B, Keithley). Real-time detection of reactive oxygen species perfusion equipped with a specialized liquid-flow sample holder and peristaltic pump system (CP-100 Drive, DP-100 Head, Dongseo Science Co. Ltd.) This was performed using a home-built perfusion system. The PBS stream containing the peroxide solution corresponding to the reactive oxygen species was controlled by adjusting the flow rate (about 0.5 ml/min).
실시예 1. P3HT : 루틴 : 나노클레이(P : R : N)의 중량비가 10 : 1 : 0.5인 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서Example 1. Active oxygen species detection sensor including an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer having a weight ratio of P3HT: rutin: nanoclay (P: R: N) of 10: 1: 0.5
인듐 주석 산화물(indium-tin oxide, ITO)이 코팅된 유리(시트 저항 = ~ 10 Ω/cm2)로부터 패턴화된 ITO 전극(1 mm x 30 mm)을 얻기 위해 전형적인 포토 리소그래피 공정(photolithograghy processes)이 적용되었다. 다음으로, 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol, IPA) 및 아세톤(acetone)을 사용하여 초음파 세정기(CPX5800H-E, 에머슨) 내부에서 패턴화된 ITO가 코팅된 유리를 세정하였다. 습식 세정 된 ITO가 코팅된 유리는 불순 유기물을 제거하기 위하여 UVO 시스템(Altech, Korea)을 사용하여 약 20 분 동안 28 mW/cm2의 UV 출력에서 UV-오존(UVO) 처리되었다. 여기서 상기 유리는 본 발명의 유기 전계효과 트랜지스터 소자에서 기판(10)에 해당하고, 상기 ITO는 본 발명의 유기 전계효과 트랜지스터 소자에서 게이트 전극(41)에 해당한다. 상기 기판(10)과 상기 기판(10) 상에 형성된 상기 게이트 전극(41) 상에 PMMA 용액을 회전시켜 스핀 코팅한 후 120 ℃에서 30 분 동안 열 어닐링을 실시하여 절연층(20)을 형성하였다. 여기서 상기 PMMA는 본 발명의 유기 전계효과 트랜지스터 소자에서 절연층(20)에 해당하며, 상기 절연층(20)의 두께는 약 450 nm로 균일하였다. 이후 열 증발 챔버에 로딩한 후, 금속 섀도우 마스크를 사용하여 상기 절연층(20) 상에 소스 전극(42) 및 드레인 전극(43)에 해당하는 은(Ag, 두께 = 60 nm)을 열 증착 공정을 수행하여 증착하였다. 상기 소스 전극(42) 및 드레인 전극(43)의 두께는 각각 60 nm이었다. 다음으로, P3HT, 루틴 및 할로이사이트 나노클레이(halloysite nanoclay, Al2Si2O5(OH)4·H2O)를 10 : 1 : 0.5의 중량비로 포함하는 삼원 혼합 용액을 60 ℃에서 24 시간 동안 연속 교반시킨 후, 상기 절연층(20), 상기 소스 전극(42) 및 상기 드레인 전극(43) 상에 스핀 코팅 공정을 수행하여 하이브리드 채널층(30)을 형성하였다. 이 때 상기 하이브리드 채널층(30)의 사이즈는 70 μm (길이) x 3 mm (폭) 이었다. 이후, 잔류 용매 및 물을 제거하고 활성산소종 검출 능력을 개선시키기 위해 70 ℃에서 15 분 동안 소프트 베이킹하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서(이하, '실시예 1'이라 한다)를 얻었다.Typical photolithography processes to obtain patterned ITO electrodes (1 mm x 30 mm) from indium-tin oxide (ITO) coated glass (sheet resistance = ~ 10 Ω/cm 2 ) This was applied. Next, using isopropyl alcohol (IPA) and acetone (acetone) to clean the patterned ITO-coated glass inside the ultrasonic cleaner (CPX5800H-E, Emerson). The wet-cleaned ITO-coated glass was subjected to UV-ozone (UVO) treatment at a UV output of 28 mW/cm 2 for about 20 minutes using a UVO system (Altech, Korea) to remove impurities. Here, the glass corresponds to the
실시예 2. P3HT : 루틴 : 나노클레이(P : R : N)의 중량비가 10 : 1 : 1인 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서Example 2. Active oxygen species detection sensor including an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer in which the weight ratio of P3HT: rutin: nanoclay (P: R: N) is 10: 1: 1.
실시예 1에 따른 활성산소종 검출 센서에서 하이브리드 채널층(30)을 구성하는 P3HT : 루틴 : 나노클레이의 중량비가 10 : 1 : 1인 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서(이하, '실시예 2'이라 한다)를 얻었다.In the reactive oxygen species detection sensor according to Example 1, except that the weight ratio of P3HT: rutin: nanoclay constituting the
실시예 3. P3HT : 루틴 : 나노클레이(P : R : N)의 중량비가 10 : 1 : 2인 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서Example 3. Active oxygen species detection sensor including an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer having a weight ratio of P3HT: rutin: nanoclay (P: R: N) of 10: 1: 2
실시예 1에 따른 활성산소종 검출 센서에서 하이브리드 채널층(30)을 구성하는 P3HT : 루틴 : 나노클레이의 중량비가 10 : 1 : 2인 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서(이하, '실시예 3'이라 한다)를 얻었다.In the reactive oxygen species detection sensor according to Example 1, except that the weight ratio of P3HT: rutin: nanoclay constituting the
실시예 4. P3HT : 루틴 : 나노클레이(P : R : N)의 중량비가 10 : 1 : 3인 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서Example 4. Active oxygen species detection sensor including an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer having a weight ratio of P3HT: rutin: nanoclay (P: R: N) of 10: 1: 3
실시예 1에 따른 활성산소종 검출 센서에서 하이브리드 채널층(30)을 구성하는 P3HT : 루틴 : 나노클레이의 중량비가 10 : 1 : 3인 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서(이하, '실시예 4'이라 한다)를 얻었다.In the reactive oxygen species detection sensor according to Example 1, except that the weight ratio of P3HT: rutin: nanoclay constituting the
비교예 1. P3HT : 루틴 : 나노클레이(P : R : N)의 중량비가 10 : 1 : 0인 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서Comparative Example 1. Active oxygen species detection sensor including an organic field effect transistor device including a channel layer having a weight ratio of P3HT: rutin: nanoclay (P: R: N) 10: 1: 0
실시예 1에 따른 활성산소종 검출 센서에서 하이브리드 채널층(30)을 구성하는 P3HT : 루틴 : 나노클레이의 중량비가 10 : 1 : 0인 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하여 본 발명의 일 비교예에 따른 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서(이하, '비교예 1'이라 한다)를 얻었다.In the reactive oxygen species detection sensor according to Example 1, except that the weight ratio of P3HT: rutin: nanoclay constituting the
실험예 1. 하이브리드 채널층에 대한 표준화된 광학 밀도 측정 및 결과Experimental Example 1. Standardized Optical Density Measurement and Results for Hybrid Channel Layer
활성산소종에 해당하는 과산화물 용액을 포함하는 PBS 스트림을 실시예 1 내지 4에 따른 활성산소종 검출 센서와 비교예 1에 따른 활성산소종 검출 센서에 접촉시켰다.A PBS stream containing a peroxide solution corresponding to reactive oxygen species was brought into contact with the reactive oxygen species detection sensor according to Examples 1 to 4 and the reactive oxygen species detection sensor according to Comparative Example 1.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자의 구조를 구체적으로 도시한 것이다. 도 3에서 S, D 및 G는 각각 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극을 의미한다. 또한, 도 3의 오른쪽 하단은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자의 실제 형태를 사진으로 촬영한 것이다. 도 3을 참조하면, 전계 유도된 전하(정공, hole)는 절연층(20)에 가까운 하이브리드 채널층(30)의 하부 영역에 존재하며, 활성산소종에 해당하는 과산화물 용액과의 반응에 의해 생성된 전하는 하이브리드 채널층(30)의 상부 영역으로부터 확산 이동할 것으로 추정할 수 있다. 3 is a detailed view of the structure of an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer according to an embodiment of the present invention. In FIG. 3, S, D, and G denote a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode, respectively. In addition, the lower right of FIG. 3 is a photograph of an actual shape of an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3 , electric field-induced charges (holes, holes) exist in the lower region of the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서에서 중량비에 따른 하이브리드 채널층에 대한 표준화된 광학 밀도 측정 결과를 그래프로 도시한 것이다. 보다 구체적으로, 도 4a는 석영에 루틴, 나노클레이 및 P3HT이 각각 코팅된 채널층에 대한 개별적인 광 흡수 스펙트럼 측정 결과를 그래프로 도시한 것이고, 도 4b는 중량비에 따른 하이브리드 채널층에 대한 표준화된 광학 밀도(optical density, OD) 스펙트럼 측정 결과를 그래프로 도시한 것이다. 도 4a를 참조하면, 루틴이 코팅된 채널층과 나노클레이가 코팅된 채널층은 거칠기가 비교적 거칠다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 4b를 참조하면, 상기 활성산소종의 접촉 실험 결과 하이브리드 채널층(30)에서 나노클레이의 중량비에 따라 약 605 nm에서의 광학 밀도가 점진적으로 증가하는 것으로 측정된 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 P3HT 도메인의 상대적인 결정성(crystallinity)이 나노클레이의 존재로 인하여 증가되었음을 의미하며, 이는 도 5 및 도 6에 나타난 바와 같이 (100) 방향에 해당하는 회절 피크가 점진적으로 증가하는 경향성에 의해 뒷받침 되는 것을 확인할 수 있다.4 is a graph showing the standardized optical density measurement result for the hybrid channel layer according to the weight ratio in the reactive oxygen species detection sensor including the organic field effect transistor device including the hybrid channel layer according to an embodiment of the present invention. will be. More specifically, FIG. 4a is a graph showing individual light absorption spectrum measurement results for a channel layer coated with rutin, nanoclay, and P3HT on quartz, respectively, and FIG. 4b is a standardized optics for a hybrid channel layer according to weight ratio. The density (optical density, OD) spectrum measurement result is shown in a graph. Referring to FIG. 4A , it can be seen that the channel layer coated with rutin and the channel layer coated with nanoclay have relatively rough roughness. In addition, referring to FIG. 4B , it can be confirmed that the optical density at about 605 nm was measured to gradually increase according to the weight ratio of the nanoclay in the
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서에서 중량비에 따른 하이브리드 채널층에 대한 2D GIXD 이미지 측정 결과를 도시한 것이다. 도 5에서 'OOP'방향(out-of plane 방향)은 상부(top)를 의미하고, 'IP'방향(in plane 방향)은 하부(bottom)을 의미한다.FIG. 5 is a diagram illustrating 2D GIXD image measurement results for a hybrid channel layer according to a weight ratio in the reactive oxygen species detection sensor including an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer according to an embodiment of the present invention. In FIG. 5 , the 'OOP' direction (out-of plane direction) means top, and the 'IP' direction (in plane direction) means bottom.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서에서 중량비에 따른 하이브리드 채널층에 대한 1D GIXD 프로파일(profile) 측정 결과를 그래프로 도시한 것이다. 도 6에서 'OOP'방향(out-of plane 방향)은 상부(top)를 의미하고, 'IP'방향(in plane 방향)은 하부(bottom)을 의미한다. 보다 구체적으로, 도 6a 및 도 6b는 중량비에 따른 하이브리드 채널층에 대한 1D GIXD 프로파일(profile) 측정 결과를 그래프로 도시한 것이고, 도 6c는 하이브리드 채널층에서 중량비의 함수로서 P3HT 도메인에 대한 IOOP(100) 및 IIP(100) 피크의 변화를 그래프로 도시한 것이다. 도 6a 및 도 6b에서 (100), (200) 및 (300) 피크는 P3HT 도메인의 회절 피크를 나타낸 것이고, 'N' 피크는 나노클레이 도메인의 회절 피크를 나타낸 것이다. 도 5 및 도 6를 참조하면, (100) 방향에 해당하는 회절 피크가 점진적으로 증가하는 경향성을 나타내는 것으로부터 P3HT 도메인의 상대적인 결정성(crystallinity)이 나노클레이의 존재로 인하여 증가되었음을 확인할 수 있다.6 is a graph showing the 1D GIXD profile measurement result for the hybrid channel layer according to the weight ratio in the reactive oxygen species detection sensor including the organic field effect transistor device including the hybrid channel layer according to an embodiment of the present invention; it will be shown In FIG. 6 , the 'OOP' direction (out-of plane direction) means top, and the 'IP' direction (in plane direction) means bottom. More specifically, FIGS. 6A and 6B are graphs showing the 1D GIXD profile measurement results for the hybrid channel layer according to the weight ratio, and FIG. 6C is the I OOP for the P3HT domain as a function of the weight ratio in the hybrid channel layer. Changes in (100) and I IP (100) peaks are graphically shown. 6a and 6b, (100), (200), and (300) peaks represent the diffraction peaks of the P3HT domain, and the 'N' peak represents the diffraction peaks of the nanoclay domain. 5 and 6, from the diffraction peak corresponding to the (100) direction showing a tendency to gradually increase, it can be confirmed that the relative crystallinity of the P3HT domain is increased due to the presence of nanoclay.
실험예 2. 불활성 대기 상태에서 중량비에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자 특성 측정 및 결과Experimental Example 2. Measurement and results of organic field effect transistor device characteristics including hybrid channel layer according to weight ratio in an inert atmosphere
불활성 대기 상태인 어두운 조건에서 실시예 1 내지 4에 따른 활성산소종 검출 센서와 비교예 1에 따른 활성산소종 검출 센서의 기본 트랜지스터 소자의 특성을 측정하였다. 이러한 측정은 아르곤(Ar)이 채워진 샘플 홀더 안에 장치를 장착하여 불활성 대기에서 수행되었고, 측정 결과는 아래 표 1과 같다. 아래 표 1의 측정 값은 드레인 전압(VD) = -30 V일 때 전송 곡선에서 측정한 값이다.The characteristics of the basic transistor elements of the reactive oxygen species detection sensor according to Examples 1 to 4 and the reactive oxygen species detection sensor according to Comparative Example 1 were measured under dark conditions that are inert atmospheres. These measurements were performed in an inert atmosphere by mounting the device in a sample holder filled with argon (Ar), and the measurement results are shown in Table 1 below. The measured values in Table 1 below are the values measured in the transmission curve when the drain voltage (V D ) = -30 V.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서에서 중량비에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자의 출력(output) 및 전송(transfer) 특성 결과를 그래프로 도시한 것이다. 보다 구체적으로, 도 7a는 중량비에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자의 출력(output) 특성 결과를 그래프로 도시한 것이고, 도 7b는 중량비에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자의 전송(transfer) 특성 결과를 그래프로 도시한 것이다. 도 7을 참조하면, 실시예 1 내지 4에 따른 활성산소종 검출 센서와 비교예 1에 따른 활성산소종 검출 센서 모두 불활성 대기 상태의 어두운 조건에서 전형적인 p형 트랜지스터 거동을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 또한, 나노클레이의 중량비가 10 : 1 : 2로 증가함에 따라 출력 곡선에서 동일한 게이트 전압(VG) 및 드레인 전압(VD)에서 드레인 전류(ID)는 점차 증가했으나, 나노클레이의 중량비가 10 : 1 : 3으로 증가함에 따라 출력 곡선에서 동일한 게이트 전압(VG) 및 드레인 전압(VD)에서 드레인 전류(ID)는 감소하였다. 7 is an output of an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer according to a weight ratio in the reactive oxygen species detection sensor including an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer according to an embodiment of the present invention; and a graph showing the result of the transfer (transfer) characteristic. More specifically, FIG. 7A is a graph showing the output characteristic result of an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer according to a weight ratio, and FIG. 7B is an organic field effect including a hybrid channel layer according to a weight ratio. A graph showing the results of the transfer characteristics of the transistor device. Referring to FIG. 7 , it can be seen that both the reactive oxygen species detection sensor according to Examples 1 to 4 and the reactive oxygen species detection sensor according to Comparative Example 1 exhibit typical p-type transistor behavior in a dark condition in an inert atmosphere. Further, the ratio by weight of nanoclay 10: 1, but the drain current (I D) on the same gate voltage (V G) and the drain voltage (V D) at the output curve with the increase to 2 is gradually increased, the ratio by weight of nanoclay The drain current ( ID ) decreased at the same gate voltage (V G ) and drain voltage (V D ) in the output curve as it increased to 10:1:3.
마찬가지로 이와 동일한 경향이 전송 곡선에서도 나타났는데, 나노클레이의 중량비가 10 : 1 : 2로 증가함에 따라 전송 곡선에서 동일한 드레인 전압(VD)에서 드레인 전류(ID)는 점차 증가했으나, 나노클레이의 중량비가 10 : 1 : 3으로 증가함에 따라 전송 곡선에서 동일한 드레인 전압(VD)에서 드레인 전류(ID)는 감소하였다. 출력 및 전송 곡선 모두에서 이러한 결과는 P3HT : 루틴 : 나노클레이의 중량비가 10 : 1 : 2인 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자에서 가장 높은 드레인 전류가 달성될 수 있음을 반영한다. 또한, 온(on)/오프(off) 비율은 P3HT : 루틴 : 나노클레이의 중량비가 10 : 1 : 2인 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자에서 1.07 x 106까지 크게 향상되었다. 상기 하이브리드 채널층에서 P3HT의 양이 나노클레이의 존재에 의해 상대적으로 감소되었기 때문에 상기 온(on)/오프(off) 비율 또한 감소될 것으로 예상되었지만, 정공 이동도(hole mobility)는 P3HT : 루틴 : 나노클레이의 중량비가 10 : 1 : 2인 경우에도 μh = 2.2 x 10-3 cm2/Vs으로 잘 유지되었다.Similarly, the same trend was also observed in the transmission curve. As the weight ratio of the nanoclay increased to 10: 1: 2, the drain current (I D ) at the same drain voltage (V D ) in the transmission curve gradually increased, but the As the weight ratio increased to 10: 1: 3, the drain current (I D ) decreased at the same drain voltage (V D ) in the transmission curve. These results in both output and transfer curves reflect that the highest drain current can be achieved in organic field-effect transistor devices comprising a hybrid channel layer with a weight ratio of P3HT:rutin:nanoclay of 10:1:2. In addition, the on/off ratio was significantly improved to 1.07 x 10 6 in the organic field effect transistor device including the hybrid channel layer in which the weight ratio of P3HT:rutin:nanoclay was 10:1:2. Since the amount of P3HT in the hybrid channel layer was relatively decreased by the presence of nanoclay, the on/off ratio was also expected to decrease, but the hole mobility was P3HT:rutin: Even when the weight ratio of the nanoclay was 10 : 1 : 2, μh = 2.2 x 10 -3 cm 2 /Vs was well maintained.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 전계효과 트랜지스터 소자 상의 하이브리드 채널층에서 나노클레이의 중량비의 함수로서 정공 이동도(μh)의 변화와 나노클레이의 중량비의 함수로서 하이브리드 층에서 계산 된 P3HT의 함량을 그래프로 도시한 것이다. 도 8을 참조하면, 고분자 박막의 결정도에 관한 실험 결과 상기 하이브리드 채널층에서 P3HT : 루틴 : 나노클레이의 중량비가 10 : 1 : 2인 경우, 상기 하이브리드 채널층에서 P3HT의 함량이 감소함에도 불구하고 정공 이동도(hole mobility)는 μh = 2.2 x 10-3 cm2/Vs으로 잘 유지되는 것을 확인할 수 있다. 잘 유지된 정공 이동도는 나노클레이의 중량비와 함께 아웃-오브-플레인(out-of-plane, OOP)에서 증가된 엣지-온 체인 스태킹(edge-on chain stacking)에 의해 설명될 수 있다. 도 6c는 하이브리드 채널층에서 P3HT : 루틴 : 나노클레이의 중량비에 따른 고분자 박막 실험 결과를 그래프로 도시한 것이다. 도 6c를 참조하면, 본 발명의 하이브리드 채널층에서 나노클레이의 함량이 높아질수록 IOOP(100) 값이 증가되는 것을 확인할 수 있다. 상기 하이브리드 채널층에서 나노클레이가 첨가됨에 따라 상대적으로 P3HT의 함량이 줄어들어(IIP(100) 값 감소) 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 전계효과 트랜지스터 소자의 성능이 감소할 것으로 예상되었지만, 실험 결과 정공 이동도가 잘 유지되는 것으로 보아 상기 유기 전계효과 트랜지스터 소자의 성능이 잘 유지되는 것을 확인할 수 있다. 이는 IOOP(100) 값이 증가되는 경향으로부터 본 발명의 하이브리드 채널층에 첨가된 나노클레이에 의해서 상기 하이브리드 채널층의 결정도가 향상되기 때문인 것으로 확인인다. 따라서 본 발명의 하이브리드 채널층에 점진적으로 첨가된 나노클레이로부터 상기 하이브리드 채널층에서 상대적으로 감소된 P3HT의 양에 의한 트랜지스터 소자 성능의 부정적인 영향을 보상할 수 있다. 8 is a graph showing the change in hole mobility (μ h ) as a function of the weight ratio of the nanoclay in the hybrid channel layer on the organic field effect transistor device according to an embodiment of the present invention and the calculated in the hybrid layer as a function of the weight ratio of the nanoclay. It is a graph showing the content of P3HT. Referring to FIG. 8 , as a result of the experiment on the crystallinity of the polymer thin film, when the weight ratio of P3HT : rutin : nanoclay in the hybrid channel layer is 10 : 1 : 2, even though the content of P3HT is decreased in the hybrid channel layer, the hole It can be seen that the hole mobility is well maintained at μh = 2.2 x 10 -3 cm 2 /Vs. The well-maintained hole mobility can be explained by the increased edge-on chain stacking out-of-plane (OOP) with the weight ratio of the nanoclay. 6c is a graph showing the experimental results of the polymer thin film according to the weight ratio of P3HT:rutin:nanoclay in the hybrid channel layer. Referring to FIG. 6c , it can be seen that the I OOP (100) value increases as the content of nanoclay increases in the hybrid channel layer of the present invention. As the nanoclay was added in the hybrid channel layer, the content of P3HT was relatively decreased (I IP (100) value decreased), so it was expected that the performance of the organic field effect transistor device according to an embodiment of the present invention would decrease. As a result, it can be seen that the performance of the organic field effect transistor device is well maintained as the hole mobility is well maintained. It is confirmed that this is because the crystallinity of the hybrid channel layer is improved by the nanoclay added to the hybrid channel layer of the present invention from the tendency of the I OOP (100) value to increase. Therefore, it is possible to compensate for the negative effect on transistor device performance due to the relatively reduced amount of P3HT in the hybrid channel layer from the nanoclay gradually added to the hybrid channel layer of the present invention.
실험예 3. 순수 PBS 용액 상에서 중량비에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자 특성 측정 및 결과Experimental Example 3. Measurement and results of organic field effect transistor device characteristics including hybrid channel layer according to weight ratio in pure PBS solution
활성산소종에 해당하는 과산화물 용액이 없는, 순수 PBS 용액을 실시예 3에 따른 활성산소종 검출 센서와 비교예 1에 따른 활성산소종 검출 센서에 접촉시키고, 기본 트랜지스터 소자의 특성을 측정하였다. 이러한 측정은 관류 시스템(perfusion system)에서 액체 흐름(liquid-flow) 샘플 홀더 내부에 활성산소종 검출 센서를 장착하여 순수 PBS 용액 상에서 수행되었고, 측정 결과는 아래 표 2와 같다. 아래 표 2의 측정 값은 드레인 전압(VD) = -20 V일 때 전송 곡선에서 측정한 값이다.A pure PBS solution without a peroxide solution corresponding to reactive oxygen species was brought into contact with the reactive oxygen species detection sensor according to Example 3 and the reactive oxygen species detection sensor according to Comparative Example 1, and the characteristics of the basic transistor device were measured. This measurement was performed on a pure PBS solution by mounting a reactive oxygen species detection sensor inside a liquid-flow sample holder in a perfusion system, and the measurement results are shown in Table 2 below. The measured values in Table 2 below are the values measured in the transmission curve when the drain voltage (V D ) = -20 V.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서와 본 발명의 일 비교예에 따른 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서에서 트랜지스터 소자의 출력(output) 및 전송(transfer) 특성 결과를 그래프로 도시한 것이다. 보다 구체적으로, 도 9a는 실시예 3에 따른 활성산소종 검출 센서와 비교예 1에 따른 활성산소종 검출 센서에서 트랜지스터 소자의 출력(output) 특성 결과를 그래프로 도시한 것이고, 도 9b는 실시예 3에 따른 활성산소종 검출 센서와 비교예 1에 따른 활성산소종 검출 센서에서 트랜지스터 소자의 전송(transfer) 특성 결과를 그래프로 도시한 것이다. 도 9를 참조하면, 실시예 3에 따른 활성산소종 검출 센서와 비교예 1에 따른 활성산소종 검출 센서 모두 순수 PBS 용액 상에서 실험예 2의 불활성 대기 상태에서의 성능과 비교하여 우수한 출력 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 3에 따른 활성산소종 검출 센서는 비교예 1에 따른 활성산소종 검출 센서에 비하여 여전히 더 높은 드레인 전류를 전달하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 전송 특성 결과에서도 동일한 경향성을 나타내는 것으로 확인되었으며, 이는 드레인 전압(VD) 변화에 따른 드레인 전류(ID)의 명백한 이동을 보여준 것이다. 순수 PBS 용액 상에서의 실시예 3에 따른 활성산소종 검출 센서의 정공 이동도는 μh = 1.9 x 10-3 cm2/Vs로 측정되었으며, 이는 실험예 2의 불활성 대기 상태에서의 정공 이동도 값과 거의 유사하다. 이러한 결과는 본 발명에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서가 PBS 용액 상에서 과산화물 용액과 같은 활성산소종을 검출하기 위한 센서로서 적합하다는 것을 보여준다.9 is an active oxygen species detection sensor including an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer according to an embodiment of the present invention and an organic field effect transistor device including a channel layer according to a comparative example of the present invention. It is a graph showing the output (output) and transfer (transfer) characteristic results of the transistor device in the reactive oxygen species detection sensor including. More specifically, Figure 9a is a graph showing the output (output) characteristic results of the transistor device in the reactive oxygen species detection sensor according to Example 3 and the reactive oxygen species detection sensor according to Comparative Example 1, Figure 9b is in Example The results of the transfer characteristics of the transistor device in the reactive oxygen species detection sensor according to 3 and the reactive oxygen species detection sensor according to Comparative Example 1 are graphed. 9, both the reactive oxygen species detection sensor according to Example 3 and the reactive oxygen species detection sensor according to Comparative Example 1 show excellent output characteristics compared to the performance in the inert atmosphere of Experimental Example 2 on a pure PBS solution that can be checked In addition, it can be seen that the reactive oxygen species detection sensor according to Example 3 still delivers a higher drain current than the reactive oxygen species detection sensor according to Comparative Example 1. This result was confirmed to show the same tendency in the transmission characteristic result, which shows a clear movement of the drain current (I D ) according to the change of the drain voltage (V D ). The hole mobility of the reactive oxygen species detection sensor according to Example 3 on a pure PBS solution was measured as μh = 1.9 x 10 -3 cm 2 /Vs, which was the hole mobility value in the inert atmosphere of Experimental Example 2 and Almost similar. These results show that the reactive oxygen species detection sensor including the organic field effect transistor device including the hybrid channel layer according to the present invention is suitable as a sensor for detecting reactive oxygen species such as a peroxide solution on a PBS solution.
실험예 4. 0.5 mM 농도의 과산화물 용액을 포함하는 PBS 스트림 상에서 중량비에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자 특성 측정 및 결과Experimental Example 4. Measurement and results of organic field effect transistor device including hybrid channel layer according to weight ratio on PBS stream containing 0.5 mM peroxide solution
활성산소종에 해당하는 0.5 mM 농도의 과산화물 용액을 포함하는 PBS 스트림을 실시예 3에 따른 활성산소종 검출 센서와 비교예 1에 따른 활성산소종 검출 센서에 접촉시키고, 기본 트랜지스터 소자의 특성을 측정하였다. 이러한 측정은 관류 시스템(perfusion system)에서 액체 흐름(liquid-flow) 샘플 홀더 내부에 활성산소종 검출 센서를 장착하여 과산화물 용액을 포함하는 PBS 스트림 상에서 수행되었다.A PBS stream containing a 0.5 mM concentration of peroxide solution corresponding to reactive oxygen species was brought into contact with the reactive oxygen species detection sensor according to Example 3 and the reactive oxygen species detection sensor according to Comparative Example 1, and the characteristics of the basic transistor device were measured did. These measurements were performed on a PBS stream containing a peroxide solution by mounting a reactive oxygen species detection sensor inside a liquid-flow sample holder in a perfusion system.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서와 본 발명의 일 비교예에 따른 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서에서 트랜지스터 소자의 시간에 따른 드레인 전류 변화를 그래프로 도시한 것이다. 보다 구체적으로 도 10a의 왼쪽 그래프는 드레인 전압(VD)이 -0.3 V일 때 실시예 3에 따른 활성산소종 검출 센서와 비교예 1에 따른 활성산소종 검출 센서에서 트랜지스터 소자의 시간에 따른 드레인 전류 변화를 그래프로 도시한 것이고, 도 10a의 오른쪽 그래프는 드레인 전압(VD)이 -0.5 V일 때 실시예 3에 따른 활성산소종 검출 센서와 비교예 1에 따른 활성산소종 검출 센서에서 트랜지스터 소자의 시간에 따른 드레인 전류 변화를 그래프로 도시한 것이다. 이 때 과산화물의 농도는 0.5 mM로 고정되었으며, 게이트 전압(VG)은 0 ~ 5 V의 범위에서 수행되었다. 도 10a에서 'O2-ln'은 PBS 스트림 내에 활성산소종에 해당하는 과산화물 용액을 주입한 순간을 나타내며, 'Reaction'은 과산화물과 루틴의 반응으로 인해 반응 피크(신호)가 증가하기 시작한 지점을 가리킨다. 10 is an active oxygen species detection sensor including an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer according to an embodiment of the present invention and an organic field effect transistor device including a channel layer according to a comparative example of the present invention. It is a graph showing the change in drain current with time of the transistor element in the active oxygen species detection sensor including the graph. More specifically, the graph on the left of FIG. 10a shows the drain voltage (V D ) of the transistor according to time in the reactive oxygen species detection sensor according to Example 3 and the active oxygen species detection sensor according to Comparative Example 1 when the drain voltage (V D ) is -0.3 V The current change is shown as a graph, and the graph on the right of FIG. 10a is a transistor in the reactive oxygen species detection sensor according to Example 3 and the active oxygen species detection sensor according to Comparative Example 1 when the drain voltage (V D ) is -0.5 V It is a graph showing the change in drain current with time of the device. At this time, the concentration of the peroxide was fixed to 0.5 mM, and the gate voltage (V G ) was performed in the range of 0 to 5 V. In FIG. 10a, 'O 2 -ln' indicates the moment at which a peroxide solution corresponding to reactive oxygen species is injected into the PBS stream, and 'Reaction' indicates the point at which the reaction peak (signal) starts to increase due to the reaction between peroxide and rutin. points to
또한, 도 10b의 왼쪽 그래프는 드레인 전압(VD)이 -0.3 V일 때 실시예 3에 따른 활성산소종 검출 센서와 비교예 1에 따른 활성산소종 검출 센서에서 트랜지스터 소자의 시간에 따른 드레인 전류의 순 변화량을 게이트 전압의 함수로서 나타낸 것이고, 도 10b의 오른쪽 그래프는 드레인 전압(VD)이 -0.5 V일 때 실시예 3에 따른 활성산소종 검출 센서와 비교예 1에 따른 활성산소종 검출 센서에서 트랜지스터 소자의 시간에 따른 드레인 전류의 순 변화량을 게이트 전압의 함수로서 나타낸 것이다. 도 10b에서 'R2'는 결정 계수로서 각 플롯(plot)에 의해 제공된다.In addition, the left graph of FIG. 10b shows the drain current according to time of the transistor element in the reactive oxygen species detection sensor according to Example 3 and the active oxygen species detection sensor according to Comparative Example 1 when the drain voltage (V D ) is -0.3 V is shown as a function of the gate voltage, and the graph on the right of FIG. 10b shows the reactive oxygen species detection sensor according to Example 3 and the active oxygen species detection according to Comparative Example 1 when the drain voltage (V D ) is -0.5 V The net change of the drain current with time of the transistor element in the sensor is expressed as a function of the gate voltage. In FIG. 10B 'R 2 ' is provided by each plot as a coefficient of determination.
도 10a를 참조하면, 실시예 3 및 비교예 1에 따른 활성산소종 검출 센서 모두 과산화물 용액을 PBS 스트림 내에 주입하고나서 드레인 전압(VD)이 -0.3 V일 때는 약 18 초 경과 후 드레인 전류 값이 증가하기 시작하고, 약 20 초 경과 후 드레인 전류 값이 최대 값이 되며 과산화물 용액이 샘플 챔버를 통과하여 시간이 지남이 따라 드레인 전류 값은 소멸되는 것을 확인할 수 있다. 마찬가지로, 실시예 3 및 비교예 1에 따른 활성산소종 검출 센서 모두 과산화물 용액을 PBS 스트림 내에 주입하고나서 드레인 전압(VD)이 -0.5 V일 때는 약 100 초 경과 후 드레인 전류 값이 증가하기 시작하고, 약 105 초 경과 후 드레인 전류 값이 최대 값이 되며 과산화물 용액이 샘플 챔버를 통과하여 시간이 지남이 따라 드레인 전류 값은 소멸되는 것을 확인할 수 있다. 실시예 3 및 비교예 1에 따른 활성산소종 검출 센서 모두 드레인 전압(VD)이 -0.3 V일 때보다 -0.5 V일 때 더 큰 드레인 전류 신호를 나타내었다. 또한, 실시예 3 및 비교예 1에 따른 활성산소종 검출 센서 모두 드레인 전류 신호는 고정 드레인 전압에서 게이트 전압을 증가시키면서 점차 증가하는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 본 발명에 따른 활성산소종 검출 센서가 드레인 전압 및 게이트 전압을 모두 제어함으로써 감지 전류 신호를 증폭할 수 있는 것을 나타낸다. 또한, 도 10a 및 도 10b의 결과로부터 실시예 3에 따른 활성산소종 검출 센서가 비교예 1에 따른 활성산소종 검출 센서에 비하여 동일한 전압 조건에서 더 높은 드레인 전류 신호를 전달하는 것으로 확인할 수 있고, 이는 활성산소종 검출 센서로서의 기능이 더 뛰어나다는 것을 나타낸다. Referring to FIG. 10A , when the drain voltage (V D ) is -0.3 V after injecting the peroxide solution into the PBS stream for both the reactive oxygen species detection sensors according to Example 3 and Comparative Example 1, the drain current value after about 18 seconds has elapsed It can be seen that the value of the drain current starts to increase, and the drain current value reaches a maximum value after about 20 seconds, and the drain current value disappears over time as the peroxide solution passes through the sample chamber. Similarly, when the drain voltage (V D ) is -0.5 V after injecting the peroxide solution into the PBS stream in both of the reactive oxygen species detection sensors according to Example 3 and Comparative Example 1, the drain current value starts to increase after about 100 seconds elapse And, it can be seen that the drain current value becomes the maximum value after about 105 seconds, and the drain current value disappears over time as the peroxide solution passes through the sample chamber. Both the reactive oxygen species detection sensor according to Example 3 and Comparative Example 1 exhibited a larger drain current signal when the drain voltage (V D ) was -0.5 V than when it was -0.3 V. In addition, it was confirmed that the drain current signal of the reactive oxygen species detection sensor according to Example 3 and Comparative Example 1 gradually increased while increasing the gate voltage at the fixed drain voltage. These results indicate that the reactive oxygen species detection sensor according to the present invention can amplify the sensing current signal by controlling both the drain voltage and the gate voltage. In addition, from the results of FIGS. 10a and 10b, it can be confirmed that the reactive oxygen species detection sensor according to Example 3 delivers a higher drain current signal under the same voltage condition as compared to the active oxygen species detection sensor according to Comparative Example 1, This indicates that the function as a reactive oxygen species detection sensor is better.
실험예 5. 0 ~ 10 nM 농도의 과산화물 용액을 포함하는 PBS 스트림 상에서 중량비에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자 특성 측정 및 결과Experimental Example 5. Measurement of characteristics and results of organic field effect transistor device including hybrid channel layer according to weight ratio on PBS stream containing 0 to 10 nM peroxide solution
활성산소종에 해당하는 0 ~ 10 nM(0, 1, 2, 5 및 10 nM) 농도의 과산화물 용액을 포함하는 PBS 스트림을 실시예 3에 따른 활성산소종 검출 센서와 비교예 1에 따른 활성산소종 검출 센서에 접촉시키고, 기본 트랜지스터 소자의 특성을 측정하였다. 이러한 측정은 관류 시스템(perfusion system)에서 액체 흐름(liquid-flow) 샘플 홀더 내부에 활성산소종 검출 센서를 장착하여 과산화물 용액을 포함하는 PBS 스트림 상에서 수행되었고, 정확도(accuracy), 정밀도(precision) 및 감도(sensitivity)를 포함한 측정 결과는 아래 표 3과 같다. 아래 표 3에서 'CROS'는 PBS 스트림 내 활성산소종에 해당하는 과산화물의 농도를 의미하고, 'Accuracy'는 정확도로서 50 개 이상의 활성산소종 센서에 대한 측정 결과로부터 계산되었다. 또한, 'Sensitivity'는 민감도로서 드레인 전류 값 (│ID│ (nA))과 활성산소종에 해당하는 과산화물 농도의 비율(CROS (nM))을 의미한다.A PBS stream containing a peroxide solution at a concentration of 0 to 10 nM (0, 1, 2, 5 and 10 nM) corresponding to the reactive oxygen species was transferred to the reactive oxygen species detection sensor according to Example 3 and the reactive oxygen species according to Comparative Example 1. A species detection sensor was contacted, and the characteristics of the basic transistor element were measured. These measurements were performed on a PBS stream containing a peroxide solution by mounting a reactive oxygen species detection sensor inside a liquid-flow sample holder in a perfusion system. The measurement results including sensitivity are shown in Table 3 below. In Table 3 below, 'C ROS ' means the concentration of peroxide corresponding to reactive oxygen species in the PBS stream, and 'Accuracy' is an accuracy calculated from the measurement results for more than 50 reactive oxygen species sensors. In addition, the 'Sensitivity' means the drain current value (│ID│ (nA)) and the ratio of active peroxide levels for the oxygen species (ROS C (nM)) as a sensitivity.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서에서 0 ~ 10 nM 농도의 과산화물 용액을 포함하는 PBS 스트림을 접촉시켰을 때 나타나는 트랜지스터 소자의 시간에 따른 드레인 전류 변화를 그래프로 도시한 것이다. 보다 구체적으로 도 11a는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서에서 활성산소종이 불연속적으로 접촉하고, 게이트 전압(VG) = 드레인 전압(VD) = -0.5 V 일 때 과산화물 농도가 0, 1, 2, 5 및 10 nM인 경우에 시간에 따른 드레인 전류(ID) 변화를 그래프로 도시한 것이다. 또한, 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서에서 활성산소종이 연속적으로 접촉하고, 게이트 전압(VG) = 드레인 전압(VD) = -0.5 V 일 때 농도가 0, 1, 2, 5 및 10 nM인 과산화물 용액을 연속 주입할 때 드레인 전류 변화를 그래프로 도시한 것이다. 또한, 도 11c는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서에서 게이트 전압(VG) = 드레인 전압(VD) = -0.5 V 일 때 농도가 0, 1, 2, 5 및 10 nM인 과산화물 용액을 연속적이고 반복적으로 주입할 때 활성산소종 검출 안정성(sensing stability)을 그래프로 도시한 것이다. 각각의 측정이 수행된 후에 약산 용액으로 측정에 사용된 활성산소종 검출 센서를 세척하는 과정을 생략하였다.11 is a transistor shown when in contact with a PBS stream containing a peroxide solution of 0 to 10 nM concentration in the reactive oxygen species detection sensor including an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer according to an embodiment of the present invention; It is a graph showing the change in drain current with time of the device. More specifically, FIG. 11a shows that active oxygen species discontinuously contact the reactive oxygen species detection sensor including an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer according to an embodiment of the present invention, and the gate voltage (V G ) = When the drain voltage (V D ) = -0.5 V and the peroxide concentration is 0, 1, 2, 5, and 10 nM, the drain current ( ID ) change with time in the case of a graph is shown. In addition, FIG. 11b shows that active oxygen species continuously contact in the reactive oxygen species detection sensor including an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer according to an embodiment of the present invention, and gate voltage (V G ) = drain voltage. A graph showing the change in drain current when continuously injecting peroxide solutions with concentrations of 0, 1, 2, 5 and 10 nM when (V D ) = -0.5 V. In addition, Figure 11c is a gate voltage (V G ) = drain voltage (V D ) = -0.5 V in the reactive oxygen species detection sensor including an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer according to an embodiment of the present invention It is a graph showing the sensing stability of reactive oxygen species when continuously and repeatedly injecting peroxide solutions having concentrations of 0, 1, 2, 5 and 10 nM when . After each measurement was performed, the process of washing the reactive oxygen species detection sensor used for measurement with a weak acid solution was omitted.
도 11을 참조하면, 실시예 3에 따른 활성산소종 검출 센서는 PBS 스트림 내 과산화물 용액의 농도가 10 nM에서 1 nM로 감소하여도 드레인 전류 신호가 명확하게 측정되는 것을 확인할 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명의 활성산소종 검출 센서의 작동 메커니즘을 고려하면, 상기 하이브리드 채널층(30)에 포함된 페놀계 화합물(31)이 탈양성자화 되는 비율이 높아질수록 정공의 추가적인 흐름이 유도되는 폭이 커지게 될 것임은 전술하였다. 도 11a를 참조하면, 본 발명의 활성산소종 센서는 활성산소종이 1 nM의 낮은 농도일지라도 검출이 가능함을 확인할 수 있다. 더하여, 활성산소종의 농도가 진해질수록 드레인 전류 값의 변화가 커지는 것으로 나타는 점 또한 주목할 필요가 있다. 이는, 본 발명의 활성산소종 센서가 활성산소종의 농도까지 측정할 수 있다는 것을 의미한다.Referring to FIG. 11 , in the reactive oxygen species detection sensor according to Example 3, it can be confirmed that the drain current signal is clearly measured even when the concentration of the peroxide solution in the PBS stream is decreased from 10 nM to 1 nM. More specifically, considering the operating mechanism of the reactive oxygen species detection sensor of the present invention, the higher the rate at which the
참고적으로 활성산소종의 생체 내 영상화를 위해 반도체성 중합체 나노 입자를 사용하는 화학 발광 방법의 경우 활성산소종을 검출하기 위한 최소 농도는 5 nM ~ 1 μM이고, 전기 화학적 방법은 활성산소종을 검출하기 위한 최소 농다가 2.5 nM인 것에 비추어 본 발명에 따른 활성산소종 검출 센서의 활성산소종 검출 능력을 우수하다는 것을 추정할 수 있다. 도 11에서 드레인 전류 피크의 최대 값의 위치는 과산화물 용액의 농도가 감소함에 따라 점진적으로 짧은 시간으로 이동하였으며, 이는 더 낮은 농도의 과산화물 용액에서 루틴과 활성산소종에 해당하는 과산화물의 반응성이 감소되기 때문인 것으로 추정할 수 있다. 특히 도 11b를 참조하면, 본 발명에 따른 활성산소종 검출 센서는 상이한 농도를 갖는 과산화물 용액이 관류 시스템에 연속적으로 주입될 때 명확한 드레인 전류 신호를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 활성산소종 검출 센서가 활성산소종을 연속적으로 검출하는 능력을 갖추었음을 확인할 수 있다. 특히, 연속적인 측정 과정에서도 비교적 균일하게 배경 값이 유지되는 것을 확인할 수 있으며, 이는 본 발명의 활성산소종 검출 센서의 측정 신뢰도가 높음을 의미한다. For reference, in the case of the chemiluminescence method using semiconducting polymer nanoparticles for in vivo imaging of reactive oxygen species, the minimum concentration for detecting reactive oxygen species is 5 nM ~ 1 μM, and the electrochemical method uses reactive oxygen species. In view of the fact that the minimum concentration for detection is 2.5 nM, it can be estimated that the reactive oxygen species detection sensor according to the present invention is excellent in the reactive oxygen species detection ability. 11, the position of the maximum value of the drain current peak gradually shifted to a shorter time as the concentration of the peroxide solution decreased, which resulted in a decrease in the reactivity of the peroxide corresponding to rutin and reactive oxygen species in the lower concentration of the peroxide solution. It can be presumed that this is because In particular, referring to FIG. 11B , it can be seen that the reactive oxygen species detection sensor according to the present invention exhibits a clear drain current signal when peroxide solutions having different concentrations are continuously injected into the perfusion system. That is, it can be confirmed that the reactive oxygen species detection sensor of the present invention has the ability to continuously detect reactive oxygen species. In particular, it can be confirmed that the background value is maintained relatively uniformly even in the continuous measurement process, which means that the measurement reliability of the reactive oxygen species detection sensor of the present invention is high.
또한, 도 11c를 참조하면, 동일한 농도의 과산화물 용액을 연속적으로 주입할 때 드레인 전류 신호는 상당히 재현 가능한 것을 확인할 수 있고, 이로부터 본 발명에 따른 활성산소종 검출 센서는 활성산소종을 검출하기 위한 효율적인 센서로서 작동될 수 있다는 것을 알 수 있다.In addition, referring to FIG. 11c , it can be seen that the drain current signal is quite reproducible when the peroxide solution of the same concentration is continuously injected, and from this, the reactive oxygen species detection sensor according to the present invention is used for detecting active oxygen species. It can be seen that it can be operated as an efficient sensor.
실험예 5의 결과를 종합하면, 본 발명의 활성산소종 검출 센서는 활성산소종의 반복적이고 연속적인 검출이 가능할 뿐만 아니라, 그 농도 변화에 대해서도 상당한 신뢰도를 가지고 측정할 수 있음을 알 수 있다.Combining the results of Experimental Example 5, it can be seen that the reactive oxygen species detection sensor of the present invention can not only repeatedly and continuously detect reactive oxygen species, but also measure the concentration change with considerable reliability.
실험예 6. 본 발명의 일 실시예에 따른 활성산소종 검출 센서에서 하이브리드 채널층의 형태(morphology) 분석 및 결과Experimental Example 6. Analysis and results of the morphology of the hybrid channel layer in the reactive oxygen species detection sensor according to an embodiment of the present invention
유기 전계효과 트랜지스터 소자에서 P3HT와 루틴을 포함하는 기존의 채널층에 나노클레이를 도입함에 따라 향상된 활성산소종 검출 효과의 원인을 이해하기 위해 주사 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM)을 통해 채널층을 형태 내지 표면을 분석하였다. 본 발명의 일 실시예에 따른 활성산소종 검출 센서에 포함된 하이브리드 채널층, 본 발명의 일 비교예에 따른 활성산소종 검출 센서에 포함된 채널층, 원시 P3HT를 포함하는 채널층 및 P3HT와 나노클레이(Al2Si2O5(OH)4·H2O)를 포함하는 채널층에 대해 SEM 이미지를 촬영하여 나노 및 마이크로 크기의 응집체를 관찰하였다.In order to understand the cause of the improved reactive oxygen species detection effect due to the introduction of nanoclay into the existing channel layer containing P3HT and rutin in organic field effect transistor devices, the channel layer was analyzed using a scanning electron microscope (SEM). The morphology and surface were analyzed. Hybrid channel layer included in the reactive oxygen species detection sensor according to an embodiment of the present invention, the channel layer included in the reactive oxygen species detection sensor according to a comparative example of the present invention, a channel layer including raw P3HT, and P3HT and nano Nano- and micro-sized aggregates were observed by taking an SEM image of the channel layer containing clay (Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 ·H 2 O).
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서의 하이브리드 채널층과 본 발명의 일 비교예에 따른 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서의 채널층에 대한 주사 전자 현미경(SEM) 사진을 도시한 것이다. 보다 구체적으로, 도 12a는 원시 P3HT(P3HT : 루틴 : 나노클레이 = 10 : 0 : 0의 중량비)의 SEM 이미지, 도 12b는 P3HT : 루틴 : 나노클레이 = 10 : 1 : 0의 중량비를 갖는 채널층(비교예 1)의 SEM 이미지, 도 12c는 P3HT : 루틴 : 나노클레이 = 10 : 0 : 2의 중량비를 갖는 채널층의 SEM 이미지, 도 11d는 P3HT : 루틴 : 나노클레이 = 10 : 1 : 2의 중량비를 갖는 하이브리드 채널층(실시예 3)의 SEM 이미지를 도시한 것이다.12 is an organic field including a hybrid channel layer of a reactive oxygen species detection sensor including an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer according to an embodiment of the present invention and a channel layer according to a comparative example of the present invention; A scanning electron microscope (SEM) image of the channel layer of the reactive oxygen species detection sensor including the effect transistor device is shown. More specifically, FIG. 12a is an SEM image of raw P3HT (P3HT: rutin: nanoclay = 10: 0: weight ratio of 10: 0: 0), and FIG. 12 b is a channel layer with a weight ratio of P3HT: rutin: nanoclay = 10: 1: 0. SEM image of (Comparative Example 1), FIG. 12c is an SEM image of a channel layer having a weight ratio of P3HT: rutin: nanoclay = 10: 0: 2, FIG. 11d is P3HT: rutin: nanoclay = 10: 1: 2 The SEM image of the hybrid channel layer (Example 3) having a weight ratio is shown.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서의 하이브리드 채널층과 본 발명의 일 비교예에 따른 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 활성산소종 검출 센서의 채널층에 대한 주사 전자 현미경(SEM) 사진을 도시한 것이다. 보다 구체적으로, 도 13a는 P3HT : 루틴 : 나노클레이 = 10 : 1 : 0의 중량비를 갖는 채널층(비교예 1)에서 루틴 부분에 초첨을 맞춘 SEM 이미지, 도 13b는 P3HT : 루틴 : 나노클레이 = 10 : 0 : 2의 중량비를 갖는 채널층에서 나노클레이 부분에 초점을 맞춘 SEM 이미지, 도 13c는 P3HT : 루틴 : 나노클레이 = 10 : 1 : 2의 중량비를 갖는 하이브리드 채널층(실시예 3)에서 루틴-나노클레이 복합체 부분에 초점을 맞춘 SEM 이미지를 도시한 것이다.13 is an organic field including a hybrid channel layer of a reactive oxygen species detection sensor including an organic field effect transistor device including a hybrid channel layer according to an embodiment of the present invention and a channel layer according to a comparative example of the present invention; A scanning electron microscope (SEM) image of the channel layer of the reactive oxygen species detection sensor including the effect transistor device is shown. More specifically, FIG. 13a is an SEM image focusing on the rutin portion in the channel layer (Comparative Example 1) having a weight ratio of P3HT: rutin: nanoclay = 10: 1: 0, FIG. 13b is P3HT: rutin: nanoclay = SEM image focused on the nanoclay portion in the channel layer having a weight ratio of 10: 0: 2, FIG. 13c is a hybrid channel layer (Example 3) having a weight ratio of P3HT: rutin: nanoclay = 10: 1: 2 The SEM image focused on the rutin-nanoclay complex portion is shown.
도 13a를 참조하면, P3HT : 루틴 : 나노클레이 = 10 : 1 : 0의 중량비를 갖는 채널층(비교예 1)에서 루틴은 평균 크기가 약 100 nm인 큐브(cube)형 결정질 도메인을 형성하는 것으로 확인할 수 있고, 도 13b를 참조하면, P3HT : 루틴 : 나노클레이 = 10 : 0 : 2의 중량비를 갖는 채널층에서 연속상(continuous phase) 응집체를 형성하는 나노클레이를 확인할 수 있다. 또한, 도 13c를 참조하면, P3HT : 루틴 : 나노클레이 = 10 : 1 : 2의 중량비를 갖는 하이브리드 채널층(실시예 3)에서 연속상으로 둘러싸인 큐브형 결정질 도메인을 포함하는 복합 응집체를 형성하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 루틴-나노클레이 복합체가 본 발명에 따른 활성산소종 검출 센서의 하이브리드 채널층에서 형성되었지만 복합체화 과정동안 크기가 1 ~ 3 μm로 커짐에 따른 것이다. 특히 도 13c로부터 본 발명의 하이브리드 채널층(30)에서 나노클레이는 페놀계 화합물(31) 예를 들어, 루틴의 하이브리드 채널층(30) 내 더 고른 분포를 유도하는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 루틴 내 수산화기(OH)의 일부 또는 전부를 외부로 노출하도록 유도함에 따라 본 발명의 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자의 성능과 활성산소종 검출 센서의 능력을 향상시킬 수 있다.13A, in the channel layer (Comparative Example 1) having a weight ratio of P3HT: rutin: nanoclay = 10: 1: 0, rutin forms a cube-shaped crystalline domain having an average size of about 100 nm. It can be confirmed, and referring to FIG. 13b , it can be confirmed that nanoclays forming continuous phase aggregates in the channel layer having a weight ratio of P3HT:rutin:nanoclay=10:0:2 can be confirmed. In addition, referring to FIG. 13C , in the hybrid channel layer (Example 3) having a weight ratio of P3HT: rutin: nanoclay = 10: 1: 2, the formation of a complex aggregate including cube-shaped crystalline domains surrounded by a continuous phase was performed. can be checked These results are due to the fact that although the rutin-nanoclay complex was formed in the hybrid channel layer of the reactive oxygen species detection sensor according to the present invention, the size increased to 1-3 μm during the complexation process. In particular, it can be seen from FIG. 13c that the nanoclay induces a more even distribution in the
상술한 바에 따른 본 발명의 하이브리드 채널층을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터 소자는 생산 공정이 간단하며 추가장비 없이도 염가에 대량생산이 가능함에 따라 양산성이 우수한 효과가 있다.The organic field effect transistor device including the hybrid channel layer of the present invention according to the above-described method has a simple production process and excellent mass productivity as it can be mass-produced at low cost without additional equipment.
또한, 상기 유기 전계효과 트랜지스터 소자를 포함하는 본 발명의 활성산소종 검출 센서는 저농도의 활성산소종까지도 반복적이고 연속적으로 측정 가능한 효과가 있다.In addition, the reactive oxygen species detection sensor of the present invention including the organic field effect transistor device has an effect that can repeatedly and continuously measure even a low concentration of active oxygen species.
나아가, 상기 활성산소종 검출 센서를 포함하는 본 발명의 활성산소종 검출 장치는 소형화 및 휴대가 가능하여, 편리하며 범용적인 사용이 가능한 효과가 있다.Furthermore, the reactive oxygen species detection device of the present invention including the reactive oxygen species detection sensor can be miniaturized and portable, and has the effect of being convenient and versatile.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical spirit of the present invention, and various modifications and variations will be possible without departing from the essential characteristics of the present invention by those skilled in the art to which the present invention pertains.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention, but to explain, and the scope of the technical spirit of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be construed by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.
1 : 유기 전계효과 트랜지스터 소자
10 : 기판
20 : 절연층
30 : 하이브리드 채널층
31 : 페놀계 화합물
32 : 할로이사이트 나노클레이
41 : 게이트 전극
42 : 소스 전극
43 : 드레인 전극1: organic field effect transistor element
10: substrate
20: insulating layer
30: hybrid channel layer
31: phenolic compound
32: halloysite nanoclay
41: gate electrode
42: source electrode
43: drain electrode
Claims (11)
상기 기판 상에 형성되는 게이트전극;
상기 게이트전극 상에 형성되는 절연층;
상기 절연층 상에 형성되는 소스 전극;
상기 절연층 상에 상기 소스 전극과 이격되어 형성되는 드레인 전극; 및
상기 절연층 상에 형성되며, 상기 소스 전극과 상기 드레인 전극 사이에 위치한 하이브리드 채널층;을 포함하고,
상기 하이브리드 채널층은 p형(p-type) 전도성 고분자, 페놀계 화합물 및 할로이사이트 나노클레이를 포함하고,
상기 페놀계 화합물과 상기 할로이사이트 나노클레이는 상기 하이브리드 채널층 내에서 상호 결합하여 연속상(continuous phase)으로 둘러싸인 큐브(cube)형 결정질 도메인을 포함하는 복합 응집체를 형성하고,
상기 페놀계 화합물에 포함된 수산화기 중 일부 또는 전부가 외부로 노출되는 것을 특징으로 하는, 유기 전계효과 트랜지스터 소자.
Board;
a gate electrode formed on the substrate;
an insulating layer formed on the gate electrode;
a source electrode formed on the insulating layer;
a drain electrode formed on the insulating layer to be spaced apart from the source electrode; and
a hybrid channel layer formed on the insulating layer and positioned between the source electrode and the drain electrode;
The hybrid channel layer includes a p-type conductive polymer, a phenolic compound, and a halloysite nanoclay,
The phenolic compound and the halloysite nanoclay are combined with each other in the hybrid channel layer to form a complex aggregate including a cube-shaped crystalline domain surrounded by a continuous phase,
An organic field effect transistor device, characterized in that some or all of the hydroxyl groups included in the phenolic compound are exposed to the outside.
상기 페놀계 화합물은 수산화기를 둘 이상 포함하는 것을 특징으로 하는, 유기 전계효과 트랜지스터 소자.
The method of claim 1,
The phenolic compound is characterized in that it contains two or more hydroxyl groups, an organic field effect transistor device.
상기 페놀계 화합물은 알킬페놀(Alkylphenol)계 화합물, 벤젠다이올(Benezenediol)계 화합물, 벤젠트리올(Benzenetriol)계 화합물, 페놀글리코사이드(Phenol glycoside)계 화합물, 폴리페놀(Polyphenol)계 화합물, 아미노페놀(Aminophenol)계 화합물, 크레졸(Cresol)계 화합물, 비스페놀(Bisphenol)계 화합물, 및 플라보놀(Flavonol)계 화합물을 포함하는 군에서 선택된 어느 하나 이상의 페놀계 화합물인 것을 특징으로 하는, 유기 전계효과 트랜지스터 소자.
The method of claim 1,
The phenol-based compound is an alkylphenol-based compound, a benzenediol-based compound, a benzenetriol-based compound, a phenol glycoside-based compound, a polyphenol-based compound, and an amino Organic field effect, characterized in that at least one phenolic compound selected from the group comprising a phenol-based compound, a cresol-based compound, a bisphenol-based compound, and a flavonol-based compound transistor element.
상기 페놀계 화합물은 카테콜(Catechol) 모이어티를 포함하는 화합물인 것을 특징으로 하는, 유기 전계효과 트랜지스터 소자.
The method of claim 1,
The phenolic compound is an organic field effect transistor device, characterized in that the compound containing a catechol (Catechol) moiety.
상기 페놀계 화합물은 레조르시놀(Resorcinol) 모이어티를 포함하는 화합물인 것을 특징으로 하는, 유기 전계효과 트랜지스터 소자.
The method of claim 1,
The phenolic compound is an organic field effect transistor device, characterized in that the compound containing a resorcinol (Resorcinol) moiety.
상기 카테콜 모이어티를 포함하는 화합물은 플라보놀(Flavonol)계 화합물로서,
퀘르세틴(Quercetin), 캠페롤(kaempherol), 아피제닌(apigenin), 루테올린(Luteolin), 미리세틴(myricetin), 크리신(chrysin(5,7-dihydroxyflabvone)), 바이칼레인(baicalein (5,6,7-trihydroxyflavone)), 스쿠텔라레인(scutellarein(5,6,7,4'-tetrahydroxyflavone)), 우고닌(wogonin (5,7-dihydroxy-8-methoxyflavone)), 3-히드록시플라본(3-Hydroxyflavone), 아젤레아틴(Azaleatin), 피세틴(Fisetin), 갈랑긴(Galangin), 고시페틴(Gossypetin), 켐페라이드(Kaempferide), 이소람네틴(Isorhamnetin), 모린(Morin), 패취포돌(Pachypodol), 람나진(Rhamnazin), 람네틴(Rhamnetin) 아즈트라갈린(Astragalin), 아잘레인(Azalein), 히페로사이드(Hyperoside), 이소퀘르시틴(Isoquercitin), 캠페리틴(Kaempferitrin), 미리시틴(Myricitrin), 퀘르시틴(Quercitrin), 로비닌(Robinin), 루틴(Rutin), 스피레오사이드(Spiraeoside), 잔토르함민(Xanthorhamnin), 및 아뮤레신(Amurensin)을 포함하는 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 유기 전계효과 트랜지스터 소자.
5. The method of claim 4,
The compound containing the catechol moiety is a flavonol-based compound,
Quercetin, kaempherol, apigenin, luteolin, myricetin, chrysin (5,7-dihydroxyflabvone), baicalein (5,6) ,7-trihydroxyflavone), scutellarein (5,6,7,4'-tetrahydroxyflavone), wogonin (5,7-dihydroxy-8-methoxyflavone)), 3-hydroxyflavone (3 -Hydroxyflavone), Azaleatin, Fisetin, Galangin, Gossypetin, Kaempferide, Isorhamnetin, Morin, Patchpodol ( Pachypodol), Rhamnazin, Rhamnetin, Astragalin, Azalein, Hyperoside, Isoquercitin, Kaempferitrin, Myrisi Any selected from the group comprising tin (Myricitrin), quercitrin (Quercitrin), robinin (Robinin), rutin (Rutin), spiraeoside (Spiraeoside), xanthorhammin (Xanthorhamnin), and amurensin (Amurensin) An organic field effect transistor device comprising one or more.
상기 플라보놀(Flavonol)계 화합물은 아잘레인(Azalein), 히페로사이드(Hyperoside), 이소퀘르시틴(Isoquercitin), 미리시틴(Myricitrin), 퀘르시틴(Quercitrin), 루틴(Rutin), 및 잔토르함민(Xanthorhamnin)을 포함하는 군에서 선택된 어느 하나 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는, 유기 전계효과 트랜지스터 소자.
7. The method of claim 6,
The flavonol-based compound is azalein, hyperoside, isoquercitin, myricitrin, quercitrin, rutin, and An organic field effect transistor device, characterized in that any one or more compounds selected from the group comprising Xanthorhamnin.
상기 하이브리드 채널층에서 상기 p형 전도성 고분자, 상기 페놀계 화합물(31) 및 상기 할로이사이트 나노클레이의 중량비는 10 : 1 : 0.5 내지 10 : 1 : 3인 것을 특징으로 하는, 유기 전계효과 트랜지스터 소자.
The method of claim 1,
In the hybrid channel layer, the weight ratio of the p-type conductive polymer, the phenolic compound (31), and the halloysite nanoclay is 10: 1: 0.5 to 10: 1: 3, characterized in that the organic field effect transistor device.
상기 p형 전도성 고분자는 P3HT(poly(3-hexylthiophene)) 또는 PEDOT(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene))인 것을 특징으로 하는, 유기 전계효과 트랜지스터 소자.
The method of claim 1,
The p-type conductive polymer is P3HT (poly(3-hexylthiophene)) or PEDOT (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), characterized in that the organic field effect transistor device.
상기 기판 상에 형성되는 게이트 전극;
상기 게이트 전극 상에 형성되는 절연층;
상기 절연층 상에 형성되는 소스 전극;
상기 절연층 상에 상기 소스 전극과 이격되어 형성되는 드레인 전극; 및
상기 절연층 상에 형성되며, 상기 소스 전극과 상기 드레인 전극 사이에 위치한 하이브리드 채널층;을 포함하고,
상기 하이브리드 채널층은 p형(p-type) 전도성 고분자, 페놀계 화합물 및 할로이사이트 나노클레이를 포함하고,
상기 페놀계 화합물과 상기 할로이사이트 나노클레이는 상기 하이브리드 채널층 내에서 상호 결합하여 연속상(continuous phase)으로 둘러싸인 큐브(cube)형 결정질 도메인을 포함하는 복합 응집체를 형성하고,
상기 페놀계 화합물에 포함된 수산화기 중 일부 또는 전부가 외부로 노출된 유기 전계효과 트랜지스터 소자가 둘 이상 병렬적으로 연결된 것을 특징으로 하는, 활성산소종 검출 센서.
Board;
a gate electrode formed on the substrate;
an insulating layer formed on the gate electrode;
a source electrode formed on the insulating layer;
a drain electrode formed on the insulating layer to be spaced apart from the source electrode; and
a hybrid channel layer formed on the insulating layer and positioned between the source electrode and the drain electrode;
The hybrid channel layer includes a p-type conductive polymer, a phenolic compound, and a halloysite nanoclay,
The phenolic compound and the halloysite nanoclay are combined with each other in the hybrid channel layer to form a complex aggregate including a cube-shaped crystalline domain surrounded by a continuous phase,
An active oxygen species detection sensor, characterized in that two or more organic field effect transistor devices to which some or all of the hydroxyl groups included in the phenolic compound are exposed to the outside are connected in parallel.
상기 기판 상에 형성되는 게이트 전극;
상기 게이트 전극 상에 형성되는 절연층;
상기 절연층 상에 형성되는 소스 전극;
상기 절연층 상에 상기 소스 전극과 이격되어 형성되는 드레인 전극; 및
상기 절연층 상에 형성되며, 상기 소스 전극과 상기 드레인 전극 사이에 위치한 하이브리드 채널층;을 포함하고,
상기 하이브리드 채널층은 p형(p-type) 전도성 고분자, 페놀계 화합물 및 할로이사이트 나노클레이를 포함하고,
상기 페놀계 화합물과 상기 할로이사이트 나노클레이는 상기 하이브리드 채널층 내에서 상호 결합하여 연속상(continuous phase)으로 둘러싸인 큐브(cube)형 결정질 도메인을 포함하는 복합 응집체를 형성하고,
상기 페놀계 화합물에 포함된 수산화기 중 일부 또는 전부가 외부로 노출된 유기 전계효과 트랜지스터 소자가 둘 이상 병렬적으로 연결된 활성산소종 검출 센서를 둘 이상 포함하는 것을 특징으로 하는, 활성산소종 검출 장치.
Board;
a gate electrode formed on the substrate;
an insulating layer formed on the gate electrode;
a source electrode formed on the insulating layer;
a drain electrode formed on the insulating layer to be spaced apart from the source electrode; and
a hybrid channel layer formed on the insulating layer and positioned between the source electrode and the drain electrode;
The hybrid channel layer includes a p-type conductive polymer, a phenolic compound, and a halloysite nanoclay,
The phenolic compound and the halloysite nanoclay are combined with each other in the hybrid channel layer to form a complex aggregate including a cube-shaped crystalline domain surrounded by a continuous phase,
An apparatus for detecting active oxygen species, characterized in that it comprises two or more active oxygen species detection sensors in which two or more organic field effect transistor elements to which some or all of the hydroxyl groups included in the phenolic compound are exposed to the outside are connected in parallel.
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