KR102407382B1 - 압전광전자 게이트를 구비하여 광유체 로직 계산을 제공하는 재구성 스위치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압전광전자 게이트를 구비하여 광유체 로직 계산을 제공하는 재구성 스위치에 관한 것으로, 하부 필름층; 상기 하부 필름층 상에 형성되어, 수지층과 상기 수지층 상에 형성되는 나노로드(NR: Nanorod)를 포함하는 감지층; 상기 나노로드 상에 제1, 2 전극으로 분할되어 배치되는 전극층; 및 두 종류의 액체 유기화합물이 각각 유입되는 제1 채널과 제2 채널로 이루어진 Y자형 채널이 형성되고, 상기 Y자형 채널이 상기 분할된 제1, 2 전극의 사이의 공간에 대응되도록 배치되는 상부 필름층을 포함한다.
Description
본 발명의 실시예는 압전광전자 게이트를 구비하여 광유체 로직 계산을 제공하는 재구성 스위치에 관한 것이다.
광학유체 기술을 통해 랩-온-칩(lab-on-a-chip) 또는 마이크로 시스템은 의료진단, 바이오-광학 컴퓨팅, 수처리, 전자 스위치, 영상장치, 광전지, 바이오/화학 센서, 및 통합 센서/액추에이터의 보다 향상된 기능을 제공하고 있다.
휴먼-머신 인터페이스 차세대 애플리케이션을 위한 스마트한 대화형 광유체 툴을 구현하려면, 로직 유닛으로 인코딩되며 직접 전기 정보의 기능을 갖춘 전기기계 자극으로 인터페이스되는 능동적이고 적용 가능한 회로가 필요하다.
반도체-기반 광자 및 전자 로직 게이트의 제어는 전자기계-광유체 통합의 장점을 활용할 수 있는 가장 효과적인 방법을 제공하고 있다. 대부분의 광유체 시스템은 광전 유체역학 조건을 기본으로 하는 지정된 부울 연산자(AND, NAND, NOT, OR, XOR, NOR) 내에서 ON ('1')과 OFF ('0') 사이를 전환하기 위해 생체분자(화학물질)를 사용하는 기본 개념을 보여주고 있다. 또한, 광범위한 유체 피연산자가 필요하므로 동일한 분석물(유체)을 사용하여 여러 로직 게이트를 함께 구성하기가 어려운 문제점이 있다.
한편, 압전/압전-광전자 변형 변조(piezotronic/piezo-phototronic strain modulations)를 통한 게이트의 기계적 트리거링이 사용되고 있으나, 회로가 복잡하며 센서의 화학적 조정성의 영향이 제한되는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명은 전자 아날로그의 다중 연산 성능을 향상시킬 수 있는 인터페이스 압전-광자효과 (PPOF)를 가진 광유체 로직 연산을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 기계적인 구조 변형을 통해 조정 가능한 금속-반도체-금속 인터페이스와 새로운 종류의 광유체 Y-채널 로직 장치 (Y-OF: Y-channel optofluidic device)를 제공하며, 반도체-압전 ZnO 나노로드로 구성한 OR 게이트를 통해 Y-OF 센서를 제어하고, 압축 변형 유도 압전 음극을 통해 광유체 로직 AND를 직접 재구성하여 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 광학-유동-변형 기능과 같은 3가지 메트릭의 인터페이스를 갖춘 압전-광전자 게이트형 광유체 시스템 (PPOF)을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 반도체-금속 인터페이스에서 압전 분극을 유도함으로써, OR 게이트의 광유체 2진 계산과 로직 AND에 대한 본질적인 재구성을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 압전-광전자 작용의 효과적인 제어에 의한 광유체 로직 장치의 시너지 조정을 통해 이중 변조 스위칭 원리를 연구할 수 있는 새로운 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 다중 소스 반응형 재료를 사용하여 압전 시스템과 광유체를 통합하면 단일 플랫폼에서 이중 로직 기능을 이용하여 대화형 광전자 장치에 적합한 스위치를 제공하고자 한다.
전술한 문제를 해결하기 위한 본 실시예에 따른 압전광전자 게이트를 구비하여 광유체 로직 계산을 제공하는 재구성 스위치는 하부 필름층; 상기 하부 필름층 상에 형성되어, 수지층과 상기 수지층 상에 형성되는 나노로드(NR: Nanorod)를 포함하는 감지층; 상기 나노로드 상에 제1, 2 전극으로 분할되어 배치되는 전극층; 및 두 종류의 액체 유기화합물이 각각 유입되는 제1 채널과 제2 채널로 이루어진 Y자형 채널이 형성되고, 상기 Y자형 채널이 상기 분할된 제1, 2 전극의 사이의 공간에 대응되도록 배치되는 상부 필름층;을 포함한다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 하부 필름층은 폴리디메틸실록산(PDMS: Polydimethylsiloxane) 재료의 제1 필름층; 및 상기 제1 필름층 상의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET: Polyethylene Terephthalate) 재료의 제2 필름층;을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 감지층은 광학, 유체 및 변형을 감지하여 신호를 생성할 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 수지층은 이소불화비닐(PVDF) 필름으로 구성되고, 상기 나노로드(NR: Nanorod)는 산화아연(ZnO) 나노로드로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 감지층은 상기 산화아연(ZnO) 나노로드는 상기 이소불화비닐(PVDF) 필름 상에 수열합성법에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 수지층은 상기 이소불화비닐(PVDF) 필름을 아세트산 아연을 이온화하고, 초음파 처리하여 중합시킨 후, 아세트산 아연과 헥사메틸렌테트라민(HMT: hexamethylenetetramine)을 이용해 수열합성 처리하여 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 상부 필름층은 폴리디메틸실록산(PDMS: Polydimethylsiloxane) 재료로 구성되어, 상기 제1 채널과 상기 제2 채널이 하나의 경로로 수렴되어 상기 Y자형 채널을 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 나노로드(NR: Nanorod)는 상기 Y자형 채널을 통과하는 유체와 상호작용하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 전자 아날로그의 다중 연산 성능을 향상시킬 수 있는 인터페이스 압전-광자효과 (PPOF)를 가진 광유체 로직 연산을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 기계적인 구조 변형을 통해 조정 가능한 금속-반도체-금속 인터페이스와 새로운 종류의 광유체 Y-채널 로직 장치 (Y-OF)를 제공하며, 반도체-압전 ZnO 나노로드로 구성한 OR 게이트를 통해 Y-OF 센서를 제어하고, 압축 변형 유도 압전 음극을 통해 광유체 로직 AND를 직접 재구성하여 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 광학-유동-변형 기능과 같은 3가지 메트릭의 인터페이스를 갖춘 압전-광전자 게이트형 광유체 시스템 (PPOF)을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 반도체-금속 인터페이스에서 압전 분극을 유도함으로써, OR 게이트의 광유체 2진 계산과 로직 AND에 대한 본질적인 재구성을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 압전-광전자 작용의 효과적인 제어에 의한 광유체 로직 장치의 시너지 조정을 통해 이중 변조 스위칭 원리를 연구할 수 있는 새로운 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 다중 소스 반응형 재료를 사용하여 압전 시스템과 광유체를 통합하면 단일 플랫폼에서 이중 로직 기능을 이용하여 대화형 광전자 장치에 적합한 스위치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 압전광전자 게이트를 구비하여 광유체 로직 계산을 제공하는 재구성 스위치의 구성 및 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광유체 로직 계산을 제공하는 재구성 스위치의 로직 피연산자로서의 특징 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 광유체 로직 계산을 제공하는 재구성 스위치의 광유체 OR 로직 게이트로의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 광유체 로직 계산을 제공하는 재구성 스위치의 AND 게이트로서 압전-광전자 트리거 전환을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 광유체 로직 계산을 제공하는 재구성 스위치의 압전-광전자 기반 광유체 로직 게이트 (PPOF)의 메카니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광유체 로직 계산을 제공하는 재구성 스위치의 로직 피연산자로서의 특징 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 광유체 로직 계산을 제공하는 재구성 스위치의 광유체 OR 로직 게이트로의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 광유체 로직 계산을 제공하는 재구성 스위치의 AND 게이트로서 압전-광전자 트리거 전환을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 광유체 로직 계산을 제공하는 재구성 스위치의 압전-광전자 기반 광유체 로직 게이트 (PPOF)의 메카니즘을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 본 발명의 일실시예에 대해서 상세히 설명한다. 다만, 실시형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
광유체 나노/마이크로 시스템은 급격한 기술발전을 통해 부울(Boolean) 회로의 구현을 향상시켜, 다중 로직 스위치 연구에 효과적인 광전자의 광범위한 스케일의 통합을 이루었다. 이와 관련하여, 본 발명은 전자 아날로그의 여러 연산을 촉진하기 위해 인터페이스 압전-광자효과 (PPOF)를 가진 광유체 로직 연산을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 기계적으로 유도된 변형 요소를 통해 조정 가능한 금속-반도체-금속 인터페이스와 새로운 종류의 광유체 Y-채널 로직 장치 (Y-OF)를 제공하고, 반도체-압전 ZnO 나노로드에서 OR 게이트의 구성을 통해 Y-OF 센서를 조작하고 압축 변형 (εC, -1%) 유도 압전 음극 (σ-)을 통해 광유체 로직 AND로 직접 재구성하는 방법을 제공하고자 한다.
압전-광전자 개념으로 구현된 광유체 시스템에서 제시된 전략은 동일한 분석물에서 스위칭 가능한 광전류로 OR 및 AND 로직의 다이렉트-온 칩(direct-on chip) 작동을 가능하게 한다. 부울 광전자 게이트 (OR↔AND) 사이의 주요 스마트한 내장 스위칭 기능은 다중 로직 스위치를 하나의 칩으로(on-a-chip) 작동시키기 위한 계단식(cascaded) 로직 회로의 필요성을 줄여준다.
본 발명은 광학-유동-변형 기능과 같은 3가지 메트릭의 인터페이스를 갖춘 압전-광전자 게이트형 광유체 시스템 (PPOF)을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 반도체-금속 인터페이스에서 압전 분극을 유도함으로써, OR 게이트의 광유체 2진 계산과 로직 AND에 대한 본질적인 구성을 제공할 수 있다.
종래에는 압전-광전자 장치와 광유체의 기본 인터페이스는 구성은 용이하지 않았으며 기계-검증 실험 보고가 부족한 실정이며, 조사 및 결과는 실제로 개념의 증명(proof-of-concept) 시에 전통적/기존의 나노 및 마이크로 시스템에서 뛰어나며 즉시 사용 가능한 내장 재구성 가능한 스위칭 장치로 전환할 것으로 기대된다.
따라서, 본 발명에 따르면 압전-광전자 작용의 효과적인 제어를 통해 촉진되는 이중 변조 스위칭 원리를 탐색하기 위해 광유체 로직 장치에서 시너지 조정의 새로운 방법을 제공하고자 한다.
본 발명에 따르면 압전, 반도체 및 광여기 특성 사이에 3 방향 결합을 갖는 수지층(PVDF 기판)에서 자체적으로 성장되는 ZnO 나노로드 (ZnO NR)를 사용하여 MSM 인터페이스의 Y-채널 광유체 로직 게이트를 구현하였다. 휘발성 유기 화합물 (VOC)의 화학적 맞춤은 다중-분할 가능한 2진 피연산자 ('1' 및 '0')의 역할을 하여 광분자 튜닝된 OR 게이트 연산자에 접근한다. -1%의 압축 변형율 (εC)은 ON 및 OFF 게이트 작동 사이를 제어할 뿐만 아니라 광전류에서 상당한 편차를 형성한다. 실제로 속성 주소 지정 AND 게이트 (OR↔AND)를 본질적으로 전환하도록 OR을 재구성한다.
본 발명에 따르면 다중 소스 반응형 재료를 사용하여 압전 시스템과 광유체를 통합하면 단일 플랫폼에서 이중 로직 기능을 이용하여 대화형 광전자 장치에 적합한 스위치를 제공할 수 있다.
- Y 채널 광유체 로직 게이트 설계
본 발명의 일실시예에 따르면, PDMS 그루브 (Y-OF)로 만들어진 Y-자형 채널을 가진 광유체 센서를 설계를 통해, 광유체 로직 계산을 제공하는 재구성 스위치를 구성하였다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 압전광전자 게이트를 구비하여 광유체 로직 계산을 제공하는 재구성 스위치의 구성 및 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 압전광전자 게이트를 구비하여 광유체 로직 계산을 제공하는 재구성 스위치는 하부 필름층, 감지층, 전극측 및 상부 필름층을 포함하여 구성된다.
하부 필름층은 폴리디메틸실록산(PDMS: Polydimethylsiloxane) 재료의 제1 필름층과, 상기 제1 필름층 상의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET: Polyethylene Terephthalate) 재료의 제2 필름층으로 구성될 수 있다.
감지층은 상기 하부 필름층 상에 형성되며, 상기 하부 필름층 상에 형성되어, 수지층과 상기 수지층 상에 형성되는 나노로드(NR: Nanorod)를 포함하여 구성되며, 광학, 유체 및 변형을 감지하여 신호를 생성하는 기능을 한다.
이때, 상기 수지층은 이소불화비닐(PVDF) 필름으로 구성되고, 상기 나노로드(NR: Nanorod)는 산화아연(ZnO) 나노로드로 구성될 수 있으며, 상기 감지층은, 상기 산화아연(ZnO) 나노로드는 상기 이소불화비닐(PVDF) 필름 상에 수열합성법에 의해 형성될 수 있다.
전극층은 상기 나노로드 상에 제1, 2 전극으로 분할되어 배치되며, 상기 전극층은 금(Au) 재료로 구성될 수 있으며, 상기 전극층 상에는 상부 필름층이 배치된다.
이때, 상기 상부 필름층은 두 종류의 액체 유기화합물이 각각 유입되는 제1 채널(CH1)과 제2 채널(CH2)로 이루어진 Y자형 채널이 형성되고, 상기 Y자형 채널이 상기 분할된 제1, 2 전극의 사이의 공간에 대응되도록 배치된다.
보다 구체적으로, 상기 상부 필름층은 폴리디메틸실록산(PDMS: Polydimethylsiloxane) 재료로 구성되어, 상기 제1 채널(CH1)과 상기 제2 채널(CH2)이 하나의 경로로 수렴되어 상기 Y자형 채널을 형성하며, 그에 따라 상기 나노로드(NR: Nanorod)는 상기 Y자형 채널을 통과하는 유체와 상호작용할 수 있다.
이후부터는 본 발명의 일실시예에 따른 압전광전자 게이트를 구비하여 광유체 로직 계산을 제공하는 재구성 스위치의 구성을 보다 구체적인 실시예를 들어 설명하기로 한다.
도 1의 a, b는 압전광전자 게이트를 구비하여 광유체 로직 계산을 제공하는 재구성 스위치의 제조 방법 및 구조를 나타내며, 도 1의 c는 자체(in-situ) 방법을 통해 이온화된 PVDF 필름 (두께, t ~ 50 μm)에서 광전-압전 특성이 부여된 균일하게 성장된 ZnO NR을 나타낸다.
PVDF/ZnO NR은 광학, 유체 및 변형과 같은 3원 소스를 감지하여 광유체 로직 게이트의 압전-광전자 스위칭을 촉진하는 감지층의 역할을 한다. 각 입구 채널(CH1/CH2)의 직경은 1 mm이며(도 1d), PDMS를 통해 돌출되어 유체의 외부 흐름을 가능하게 한다.
도 1의 e는 PDMS/PET/PVDF-ZnO NR/Au/PDMS 채널과 같은 층별 배열을 갖는 완전히 패킹된 장치를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광유체 로직 계산을 제공하는 재구성 스위치의 로직 피연산자로서의 특징 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따르면 광유체 로직 게이트를 수행하기 위하여, 입력 2진 상태 '0' 및 '1'을 결정하기 위해 유체 소스로서 용매의 적합성을 평가하였다. 감지 특성의 분석은 VOC, 예컨대 트리에틸아민(T), 벤젠(B), 아세톤(A), 에탄올(E), 데칸올(D) 및 메탄올(M)을 사용하여 실시된다. 모든 용매는 99%의 분석으로 구매한 분석 등급에서 농도 변화 없이 사용된다. ±1V 내지 Y-OF의 바이어스 전압에서, 24 mW/cm2의 강도 (UV-ON)에서 빛(λ365nm)의 조명은 암전류 (ID ~ 40nA)에서 약 18.36 μA 의 광전류 (IPh)로 증가하는 Au/ZnO/Au 인터페이스에서 오믹 특성(ohmic behavior)을 나타낸다(도 2의 a).
또한, 도 2의 a는 VOC 파라메터들로 인한 인터페이스 전도 경로의 실질적인 변화를 나타내는 VOC 의존 I-V 곡선 (UV-T, UV-B, UV-A, UV-E, UV-D 및 UV-M)을 도시하고 있다. 광전류는 트리에틸아민, 벤젠, 아세톤, 에탄올 및 메탄올 (~ 0.76μA, 0.90μA, 2.05μA, 4.09μA 및 13.12μA)로 감소한다. 반면 데칸올 상호작용은 UV-ON 조건 (IPh ~ 18.36 μA)과의 차이가 덜한 ~ 19.15 μA의 광전류 반응을 생성한다.
도 2의 b는 본 발명에 따른 광전류 반응인 ΔIPh = IPh(VOC)-IPh의 변화로 표현된 VOC의 함수로서 감도를 나타낸다. 로직 입력 소스 (I/P) 역할을 하는 VOC의 적합성은 광전류 계수를 기반으로 최적화되며, 반응이 높은 데칸올은 2진 '1'에 대해 고정되고, 반응이 감소된 기타 용매는 '0'값을 차지한다(도 2의 c).
도 2의 d에는 로직 게이트 (OR 및 AND)로 작동하는 Y-OF의 간단한 개략도가 도시되어 있다.
도 2의 e-g는 광유체 게이트 스위칭에 기반한 압전-광전자 효과를 조사하기 위해 설계된 실험 설정의 이미지를 나타낸다.
-OR 게이트의 시연
본 발명의 일실시예에 따른 광유체 로직 계산을 제공하는 재구성 스위치를 사용하여 OR 게이트를 시연에 따르면, 하기의 수학식 1의 응답률(R%)이 VOC 간의 차이에 따라 두 개의 유체의 2진 조건에 의해 결정된다.
[수학식 1]
R(%) = 
상기 식에서, 
는 유체가 없는 상태에서 광전류 반응이고, 
는 유체가 있는 상태에서 광전류 반응이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 광유체 로직 계산을 제공하는 재구성 스위치의 광유체 OR 로직 게이트로의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3의 a는 ZnO NR에 대한 다양한 VOC 상호작용에 대한 계산된 반응을 나타낸다. 반응이 가장 적은 데칸올은 입력 소스 '1'에 대해 선택되고, 데칸올의 반응에 현저한 차이가 있는 에탄올은 '0' I/P 소스에 대해 고정된다. 바이어스 전압이 ±1V로부터 ±5V로 증가함에 따라 UV-유체 하의 광 반응성 
은 1.11 mA/W (UV-에탄올) 및 3.38 mA/W (UV-데칸올)로 개선된다.
도 3의 b는 빛과 유체 소스의 효과가 결합된 ±5V의 바이어스 전압에서 OR 게이트 작동의 I-V 그래프를 나타낸다. 데칸올 (D) 및 에탄올 (E)과 같은 VOC는 365 nm 조명 하에서 Y-OF(CH1,CH2)의 유입 채널을 통과한다. 로직 피연산자 I/P1 = 1, I/P2=1에 해당하는 두 채널 (CH1=D, CH2=D)에 데칸올이 있는 동안, I-V 플롯은 ~ 81.08 μA의 높은 광전류로 관찰되며 UV-ON에 가깝게 유지된다. 2진 계산에서, UV-D:D는 OR 게이트의 조건 "1:1=1"을 나타낸다. 채널들이 동일하지 않은 VOC (CH1=D, CH2=E)로 작동될 때 I/P1=1, I/P2=0; 광전류는 더 적은 편차 (~ 78.82 μA)로 높게 유지된다. 채널은 유체 피연산자 (CH1=E, CH2=D)와 교환되어 I/P1=0, I/P2=1이 되고, Y-OF는 높은 광전류 (~ 78.37μA)로 유지된다. 따라서 UV-D:E 및 UV-E:D는 "1:0=1" 및 "0:1=1"에서 OR 기능을 논리적으로 결정한다. 유체 공급원으로서 에탄올을 갖는 채널(CH1=E, CH2=E) 둘 다에서 I/P1 =0, I/P2=0을 지칭하고; 광전류는 ~ 26.71 μA의 값에 도달하여 감소한다. 낮은 광전류 반응은 OR 게이트의 조건 "0:0=0"을 보장한다. 도 3의 c에는 상이한 VOC 피연산자 하에서의 Y-OF 광전류의 비교가 도시되어 있다.
보다 구체적으로 정의된 OR 부울 연산은 +5V의 바이어스 전압에서 수행되는 시간-의존 분석(I-t)을 통해 시연된다. 일정한 광전류가 관찰되고 유체 조건이 수행될 때까지 UV-ON 조건은 일정 시간 (~ 190 초) 동안 유지된다. UV-D:D 상태가 활성화되면 광전류가 꾸준히 증가한다. UV-D:E 및 UV-E:D 상태와 마찬가지로 '1' 로직 출력 (O/P)에 해당하는 높은 광전류가 생성된다. UV-E:E 상태가 ON이면 광전류는 '0' 로직 출력을 나타내는 Y-OF 장치에서 생성된 최대 광전류의 50% 미만의 고정 임계값 한도보다 점차적으로 감소한다. 스위칭 특성의 명백한 변화를 분석하기 위해 각 상태는 ~ 200초 동안 유지된다. 유체가 채널로 통과하도록 투입 세트 롤러를 제어하고 입력 조건에 따라 채널을 교환하는 동안 장치에 교란이 발생하여 각 스위칭 조건에 약간의 강하가 관찰될 것이다.
도 3의 e의 진리표는 OR 피연산자 파라메터의 변조를 요약하며 해당 감도(ROR %)는 도 3의 f에 도시되어 있다. 결과는 광화학 감지 메카니즘을 이용하여 광 유동 튜닝에 기반한 부울 연산자 OR 게이트로서 Y-OF 장치의 이상적인 기능을 보장한다.
- 로직 AND에 대해 변형 유도된 본질적인 재구성
동일한 분석물(유체)로 여러 로직 장치를 구현할 때의 현재 요구를 충족시키기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따르면 압전-광전자 개념의 통합을 통해 활성화된 광학 및 유체 파라메터의 추가 변경 없이 AND 기능을 수행하기 위해 제조된 Y-OF를 시연하였다.
도 4는 광유체 로직 계산을 제공하는 재구성 스위치의 AND 게이트로서 압전-광전자 트리거 전환을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 먼저 OR 게이트를 AND 게이트로 직접 전환하기에 적합한 변형(ε) 조건을 결정하였다. 도 4의 a는 장치가 변형될 때 (압축/인장) 광전류의 변화가 있는 I-V 그래프를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 장치에서 압축 변형 (εC)의 발휘는 PVDF/ZnO NR로부터 음의 압전 전위(σ-)의 생성으로 인해 광반응을 감소시켰다. 압전-전하는 장벽 높이가 증가하는 MSM 인터페이스에 축적된다. 인장 변형율(εT)이 있는 경우 MSM 인터페이스에 정렬된 포지티브 압전 전위(σ+)로 인해 광전류가 증가하여 장벽 높이가 감소한다.
장치에 작용하는 변형율(%)은 하기 식을 이용하여 계산된 +0.44%, +1% (인장 조건) 및 -0.44%, -1% (압축 조건)로 계산할 수 있다.
[수학식 2]
상기 수학식 2에서, a 및 l 은 기판의 두께와 길이이며, Dmax는 로드를 사용한 장치의 최대 굽힘 거리이고, Z는 로드에 의해 이동된 실제 거리(로드에 의해 이동된 거리는 클램프 스케일을 사용하여 측정함(도 2의 g))이다.
도 4의 b는 다른 변형 조건에서 광전류 값의 편차를 나타낸다. AND 게이트를 수행하기 위해, -1%의 압축 변형이 전류 반응에서 최대 감소 특성을 나타내므로, 낮은 광전류 값이 게이트 기능을 전환하는데 이용되므로 적합한 변형율로서 바람직하다.
도 4의 c는 Y-OF에서 AND 연산을 나타내는 -1% 변형율의 I-V 도표를 나타낸다. UV-εC-D:D 조건에서, 생성된 광전류는 AND 게이트의 "1:1=1" 연산에 해당하는 높은 전류(~ 70.12 μA)이다. -1% 변형의 영향으로 광전류는 변형되지 않은 상태와 비교하여 감소된 값을 나타낸다. 그러나 '1'의 AND 출력 로직에 대한 임계값 한계를 초과한다. -1% 변형율에서 I/P1=1, I/P2=0 인 I/P1=1, I/P2=0 조건을 수행하면 광전류가 ~ 29.32 μA로 급격히 떨어진다. I/P1=1, I/P2=1이 되도록 UV-εC-D:D 조건에 대해 채널을 반전하면 ~ 26.27 μA의 감소된 광전류로 관련 효과가 관찰된다. 음의 압전 전위를 생성하여 광전류 값을 낮추면 2진 AND 모드 "1:0=0" 및 "0:1=0"에 해당하는 로직 값을 '0'으로 전환할 수 있었다. UV-εC-E:E 에서 AND 게이트의 부울 조건 "0:0=0"에 부합하면 광전류 반응이 ~ 20.06μA로 더욱 감소한다.
도 4의 d는 -1% 변형율에서 광전류와 이에 상응하는 반응계수 (RAND %)를 도시하고 있다. 실시간 AND 게이트 성능은 도 4의 e에 나타낸 바와 같이 시간에 따른 스위칭 분석 (I-t)을 통해 입증되었다. I-V 특성에서 관찰된 바와 같이, 광 반응은 '1' 로직 출력(높음)과 관련된 UV-εC-D:D 상태에서 점차적으로 증가한다.
본 발명의 일실시예에서는 변형율을 유지함으로써 입력계수 UV-εC-E:D, UV-εC-D:E 및 UV-εC-E:E에 해당하는 부울 연산을 시험하였다. '0'로직 출력 (낮음)으로 읽히는 임계값 한계 아래로 떨어지는 반응 감소를 나타낸다. 결과는 도 4의 f 표에 요약되어 있으며 Y-OF를 사용한 특정 AND 게이트 연산이 있다. 체계적인 분석은 빛-유체-변형 유발 메카니즘의 컴파일된 수단에 의해 본질적으로 OR 대 AND 게이트를 재구성하는 압전-광전 효과의 특성을 나타낸다.
- 압전-광전자 게이트 광유체 로직 스위칭의 메카니즘
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 광유체 로직 계산을 제공하는 재구성 스위치의 압전-광전자 기반 광유체 로직 게이트 (PPOF)의 메카니즘을 설명하기 위한 도면으로서, 압전(εC)-광학(λ365 nm)-화학 감지 (VOC)의 결합 효과를 포함하는 로직 장치의 압전-광전자 게이트 광유체 스위칭의 작동이 개략적으로 도시되어 있다.
도 5의 a는 i) 광유체 제어식 OR 게이트 및 ii) AND 부울 연산자로의 대응하는 압전-광전자적 재구성의 로직 다이어그램을 나타낸다.
또한, 도 5의 b에는 OR 로직 체계를 제어하는 실험적 감지 메카니즘이 VOC-ZnO NR 상호작용을 포함하는 Y-OF 파라메트릭 구성을 통해 도시되어 있다. 실온에서와 같이, 어둠에 노출된 ZnO NR은 대기 환경으로부터 O2 분자를 흡수한다
. 
는 전도대에서 전자를 포착하고 자유 전하 운반체를 감소시켜 유체 상호작용에 대한 ZnO 나노로드의 감도를 방해한다. 화학 흡착된 
이온은 열적으로 매우 안정하여 실온에서 제거하기 어렵기 때문에 유체에 노출될 때 장치의 반응성이 떨어진다. UV 소스 하에서, 광생성 전자와 홀 
은 화학 흡착된 
의 광흡수를 유발하고 갇힌 전자를 방출하여 증가된 전류 반응을 생성하면서 자유롭게 이동시킨다
29. 
의 방해 없이, 광학 소스는 광유체 기반 스위칭 특성을 탐구하기 위해 VOC-ZnO NR의 더 나은 상호작용을 촉진한다. 향상된 VOC-ZnO NR 효과를 통해 에탄올과 데칸올을 유체 공급원으로 사용하여 시스템적인 조정을 관찰하였다.
VOC 분자는 표면 전하와 인터페이스 장벽 (분자 게이팅)을 제어하는 순 쌍극자 모멘트를 생성하여 화학적 감지 특성을 가능하게 한다. 도 5의 b (i)는 UV-D:D 조건에서의 결합을 나타낸다. 데칸올의 경우, ZnO NR 표면에 대한 데칸올의 확산성이 낮기 때문에 광전류가 높다. 더 긴 탄화수소 사슬을 갖는 데칸올은 광 생성된 전하 운반체를 포획하는 해리 이온 (
)을 형성하기 어렵다. 또한, 데칸올의 쌍극자 모멘트(1.61 D)는 약한 여기자-쌍극자(exciton-dipole) 상호작용을 촉진하고 이온전달 저항은 MSM 인터페이스의 전기 전도 경로를 지배하지 않는다. 데칸올-ZnO NR 사이의 사슬 길이가 증가하고 쌍극자 효과가 현저히 감소함에 따라, UV-D:D에서의 광전류는 양전하가 감소하여 ZnO NR의 표면전하 분포를 변경시켰기 때문에 높다. 에탄올과 데칸올이 Y-채널의 수렴점에서 만나는 UV-E:D 및 UV-D:E 상태 (도 5b (ii))의 경우, 이종 액상은 서로 다른 두 가지 상이한 VOC의 융합으로 형성된다. 이중 용매의 혼합물은 더 높은 밀도를 갖는 긴사슬 데칸올이 가교된 분자간 쌍극자 (dipole-dipole coupling)로 에탄올을 강하게 캡슐화하는 형태로 존재할 것으로 예상된다. 쌍극자 모멘트의 효과는 ZnO NR-에탄올 사이의 여기자-쌍극자 상호작용의 가능성을 감소시키는 가교 효과에 의해 감소된다. 따라서, MSM 인터페이스에서 광 발생 전하 캐리어의 효과적인 전도를 허용한다. 에탄올 만 존재하는 UV-E:E 조건(도 5b (iii))에서, 
+ 3
)는 Zn-O와 에탄올의 분자 쌍극자 사이에 강한 여기자-쌍극자 상호작용을 일으킨다. 한 쌍의 전자를 가진 에탄올은 여기자와 효과적으로 결합하여 ZnO 표면전하 분포의 변화를 촉진하여 결과적으로 MSM 밴드 굽힘을 증가시킨다. 이것은 표면 상태 효과의 결과로 상호작용하는 분자 쌍극자 및 감소된 음의 표면 전하의 표시로서 광전류를 더 낮은 값으로 이동시킨다. 또한 화학적 감지는 에탄올의 농도(99%)에 따르게 된다. 2 단계 화학흡착 해리 이온을 통해 하전된 종에 기여하는 저농도의 에탄올과 달리
), 물 분자가 적은 고농축 에탄올은 전하 캐리어의 기증을 방해한다. 또한, 액체 에탄올은 ZnO NR 위에 효과적인 차폐 층을 형성한다. 효과적인 차폐 센터는 이온확산 제한 메카니즘을 기반으로 OH- 이온의 확산을 감소시키고 또한 전도대에서 광 생성 전자를 버클링한다. 따라서 에탄올을 사용한 광전류 감소는 여기자-쌍극자 결합 (쌍극자 모멘트, 1.68 D) 및 차폐 센터 형성 (농도 수준)으로부터 체계적으로 기여하는 것을 알 수 있다.
도 5의 c에는 AND의 순차적 로직을 수행하는 압축 변형율(εC)이 -1%인 입증된 고유 재구성 현상이 도시되어 있다. UV-D:D 상태에서의 광전류는 약한 여기자-쌍극자 상호작용으로 인해 높으며 이는 또한 AND 연산 "1:1=1" 을 나타낸다. 한편 적용된 변형은 비대칭 결정 배열로 인해 내부 ZnO 격자 변형을 유도하여 압전-전하 (σ +/σ -) 를 생성한다. 압전 전위의 전하 (±)는 적용된 변형 (인장/압축)의 특성에 따라 달라지며, 여기서 εC는 MSM 인터페이스에서 음의 압전 전위 (σ-)를 생성한다. UV-εC-D:D 조건 (도 5의 c (i))에서, 음의 압전-전하는 여기자를 스크린하여 차례로 여기자-쌍극자 결합을 변경한다. UV-D:D (~ 79.42 μA)에서 UV-εC-D:D(~ 70.12 μA)로의 광전류 이동은 전류 흐름에 영향을 미치는 여기자-쌍극자 결합의 영향이 덜 중요하다는 것을 나타낸다(데칸올이 ZnO 표면 상태에 대한 약한 여기자-쌍극자 충격을 가짐). 따라서, 축적된 압전-전하에 의해 기여되는 공간 전하 영역이 넓어짐에 따라 감소된 광전류가 예상되는데, 이는 장벽 높이를 증가시킨다. 그러나 광전류가 임계값 한계를 초과하면 UV-εC-D:D 는 여전히 로직 "1:1=1"을 고려한다. UV-εC-D:E 및 UV-εC-E:D 조건이 활성화되면 (도 5의 c (ii)), 음의 압전 전위는 여기자-쌍극자 결합을 개선한 여기자의 재분배를 수행한다. 또한, 인터페이스를 통한 광자 전하 전달을 감소시키는 밴드 정렬이 증가함에 따라, 생성된 광전류가 낮아서 출력 상태를 로직 '0'으로 전환한다. UV-εC-E:E 조건(도 5의 c (iii))에서, 여기자-분자 사슬 인터페이스 및 장벽 효과를 향상시키는 데 있어서 여기자 상호작용에 대한 압전위의 상승효과로 인해 광전류가 더 떨어진다. Y-OF를 사용하는 압전-광전자 스위칭 개념을 갖춘 입증된 계단식 광유체 로직 장치는 전자 및 생의학 장치 특성을 형성할 때 지능적이고 적응 가능한 상호작용(광화학적-변형)으로 여러 로직 기능을 수행할 수 있는 다양하고 중요한 메카니즘을 제공할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따르면 로직 게이트 (PPOF)의 광유체 스위칭을 제어하는 통합된 압전-광전자 메카니즘으로서 2진 계산을 수행할 수 있는 유연한 프레임 워크를 제공할 수 있다. VOC, 에탄올(E) 및 데칸올(D) 사이의 상호작용은 부울 피연산자 (I/P) '1'과 '0'을 보완하는 ZnO NR 광전하 캐리어를 화학적으로 자극한다. 입력 상태를 조정함으로써, 측정된 Y-OF의 광전류는 OR 작동을 구성한다. 압축 변형율(εC) -1%를 통한 압전 전위의 통합으로 Y-OF는 본질적으로 로직 AND로 재구성된다. 칩에 복잡한 마이크로/나노 전기-광유체 시스템을 구성하기 위해 광학-유체-변형 개념 이점을 통합하여 하나의 설계(Y-OF)에서 이중 로직 스위칭을 전송한다.
따라서, 본 발명에 따르면 미래형(바이오) 분자 컴퓨터, 2진 작동(화학) 바이오 센서, 바이오 연료전지를 전환하기 위한 전기 화학 변환기, 주소 지정 가능한 로직 메모리 장치, 온-칩 광학 핀셋 및 작동의 모델링을 정교화하는 스마트 신호 반응 시스템 등과 같은 다양한 분야에서 프로그램 가능한 로직 트리거 치료 및 진단 검출 툴을 제공할 수 있다.
이후부터는 본 발명의 일실시예에 따른 압전광전자 게이트를 구비하여 광유체 로직 계산을 제공하는 재구성 스위치의 제조 방법을 설명하기로 한다.
- 감지층의 합성
산화아연 나노로드 (ZnO NR)는 PVDF 필름에서 자체적인(in-situ) 방법으로 수열 공정(hydrothermal process)에 의해 성장된다. PVDF 필름의 이온화는 0.4 g의 아세트산 아연 Zn(CH3COO)2·2H2O (Alfa Aesar) 0.4g을 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF, Alfa Aesar) 4g에 5:3 부피%의 비율을 갖는 N-메틸-2-피롤리돈:아세톤 용매에 용해시켜 Zn2+로 이온화한다. 용액을 1 시간 동안 35%의 진폭으로 초음파 처리한 다음 70 ℃에서 밤새 중합시킨다. 그 후, 이온화된 PVDF 필름은 80 ℃에서 12 시간 동안 Zn(CH3COO)2·2H2O와 헥사메틸렌테트라민(HMT, Alfa Aesar)의 동일한 분자 비로 수열 합성(treated hydrothermally) 처리된다. 마지막으로, PVDF-ZnO NR 필름을 에탄올과 물로 세척하고 70 ℃에서 건조시킨다.
- Y-OF(광유체 로직 계산을 제공하는 재구성 스위치)의 제조
금속-반도체-금속(MSM) 유형의 Y-OF는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 시트에 부착된 PVDF-ZnO NR 필름을 사용하여 설계되었다. MSM 인터페이스는 ZnO NR 위에 금(Au) 전극 스퍼터 증착(고품질 진공, 5x10-3 - 5x10-2 mbar, 20 mA의 증착 전류로 Quorum Q300T D 시스템 사용)을 이용하여 간격 ~ 1mm로 개발되었다. 은(Ag) 페이스트를 사용하여 각각의 금(Au) 전극 상에 2개의 구리(Cu) 와이어가 부착된다. 그 후, Y-형 채널은 유체의 출구 흐름을 형성하기 위해 수렴하는 2 개의 입구 채널 (CH1/CH2)의 경로를 보장하는 폴리디메틸실록산(PDMS, Dow Corning)을 사용하여 제형화된다. Y-형 PDMS 그루브는 채널이 Au 전극 사이의 1mm 간격 영역에 정확하게 놓이도록 PVDF-ZnO NR/Au 위에 조심스럽게 부착된다. 이는 채널을 통과하는 유체가 ZnO NR과 직접 상호 작용하도록 한다. 마지막으로, PET 시트 아래에 또 다른 PDMS 박막으로 채워져 광유체 로직 계산을 제공하는 재구성 스위치 (Y-OF 센서)의 제조가 완료된다. Y-OF의 크기는 1cm x 1cm PVDF-ZnO NR 필름을 포함하며, 3cm x 2cm 크기로 구성될 수 있다.
- 실험 설정
본 발명의 일실시예에 따르면 압전-광전자적으로 조정된 광유체 로직 게이트를 향한 실험적 접근 경로를 매끄럽게 하는 구조를 개발하였다(도 2의 e-g). 각 주사기에 투입 세트 (TS)가 부착된 4개의 주사기(S1, S2, S3 및 S4)로 구성된다. TS의 롤러는 Y-OF 채널로의 유체 흐름을 제어하는 데 사용된다. Y-OF 장치의 배출구 단부는 클램프 베이스에 부착된 스탠드에 견고하게 고정되어 있다. TS 바늘이 채널 (CH1/CH2)에 삽입되는 위치에서 Y-OF의 입구 단부를 자유롭게 움직일 수 있게 한다. 유연한 튜브는 바늘을 채널과 연결하는 지지대로 사용되어 Y-OF 장치가 제한 없이 굽혀질 수 있다. 로드(R)가 클램프에 고정되어 수평으로 움직이면서 장치의 자유 단이 외부 기계적 변형(ε)을 경험할 수 있다. 또한, LED 소스 미터로부터의 광섬유는 장치 영역 근처에 고정되어 있다. 실험은 Y-OF의 성능에 영향을 미치는 주변 광을 배제하는 블랙박스의 존재 하에 수행된다.
- 기기의 사양
한편, 본 발명의 일실시예에 따르면, 가변 주파수 범위(1 kHz ~ 5 MHz)에서 반도체 장치의 1 pA/0.5V ~ 100mA/100V에서 측정된 Agilent-B1500A 인 CV-IV 파라메터 분석기를 사용하여 광전류 측정을 수행하였다. 가변 광 강도를 갖는 365 nm의 파장(λ)에서 작동하는 LED 미터는 Y-OF 특성을 시험하기 위해 UV 소스 조명기로서 사용되었다. 압전 성능은 고 임피던스 전위계 (Keithley 6514)를 사용하여 분석되었다. 유체 UV-Vis 분광 광도계 Lambda25에서 빛의 침투 깊이를 추정하기 위해 PerkinElmer를 각각 사용하였다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
Claims (8)
- 폴리디메틸실록산(PDMS: Polydimethylsiloxane) 재료의 제1 필름층과, 상기 제1 필름층 상의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET: Polyethylene Terephthalate) 재료의 제2 필름층을 포함하는 하부 필름층;
상기 하부 필름층 상에 형성되어, 수지층과 상기 수지층 상에 형성되는 나노로드(NR: Nanorod)를 포함하는 감지층;
상기 나노로드 상에 제1, 2 전극으로 분할되어 배치되는 전극층; 및
두 종류의 액체 유기화합물이 각각 유입되는 제1 채널과 제2 채널로 이루어진 Y자형 채널이 형성되고, 상기 Y자형 채널이 상기 분할된 제1, 2 전극의 사이의 공간에 대응되도록 배치되는 상부 필름층;을 포함하고,
상기 전극층은 금(Au) 재료로 구성되고,
상기 상부 필름층은 폴리디메틸실록산(PDMS: Polydimethylsiloxane) 재료로 구성되어 상기 제1 채널과 상기 제2 채널이 하나의 경로로 수렴되어 상기 Y자형 채널을 형성하고,
상기 나노로드(NR: Nanorod)는 상기 Y자형 채널을 통과하는 유체와 상호작용하는 압전광전자 게이트를 구성하여 광유체 로직 계산을 제공하고,
상기 수지층은 이소불화비닐(PVDF) 필름으로 구성되고,
상기 나노로드(NR: Nanorod)는 산화아연(ZnO) 나노로드로 구성되어,
상기 감지층은 상기 유체의 광학적 및 유체적 변형을 감지하고,
상기 감지층은 상기 산화아연(ZnO) 나노로드는 상기 이소불화비닐(PVDF) 필름 상에 수열합성법에 의해 형성되고,
상기 수지층은 상기 이소불화비닐(PVDF) 필름을 아세트산 아연을 이온화하고, 초음파 처리하여 중합시킨 후, 아세트산 아연과 헥사메틸렌테트라민(HMT: hexamethylenetetramine)을 이용해 수열합성 처리하여 형성하는, 압전광전자 게이트를 구비하여 광유체 로직 계산을 제공하는 재구성 스위치.
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