KR20240029573A - 증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법, 이에 의해 제조된 증가형 모드 트랜지스터 소재, 이를 포함하는 증가형 모드 트랜지스터 및 이를 포함하는 증폭 회로 - Google Patents
증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법, 이에 의해 제조된 증가형 모드 트랜지스터 소재, 이를 포함하는 증가형 모드 트랜지스터 및 이를 포함하는 증폭 회로 Download PDFInfo
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Abstract
증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법, 이에 의해 제조된 증가형 모드 트랜지스터 소재, 이를 포함하는 증가형 모드 트랜지스터 및 이를 포함하는 증폭 회로가 개시된다. 상기 증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법은 PEDOT:PSS를 포함하는 용액과, 상기 PSS의 술폰산(sulfonic acid) 작용기의 탈양성자화(deprotonation)를 가능하게 하는 음이온; 및 상기 PSS의 술포네이트(sulfonate) 작용기와 호프마이스터 상호작용(Hofmeister interaction)을 하는 양이온;을 포함하는 이온성 반응물을 혼합하여 반응시키는 제1 단계; 및 상기 용액에 양친매성 반응물을 혼합하여 반응시키는 제2 단계;를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법, 이에 의해 제조된 증가형 모드 트랜지스터 소재, 이를 포함하는 증가형 모드 트랜지스터 및 이를 포함하는 증폭 회로에 관한 것이다.
생체-통합 전자 장치는 생체 내 목적 세포 또는 목적 장기와 전자적인 정보를 통신할 수 있는 장치이다. 이러한 생체-통합 전자 장치는 목적 세포 또는 목적 장기의 표면에 부착되거나 이식되도록 초박형 또는 프로브-형태로 제조된다. 대부분의 생체-통합 전자 장치는 생체의 움직임에 대하여 성능을 유지하기 위하여 종래의 유기 또는 무기 재료를 이용하여 유연하고 스트레쳐블하게 제조되는 것에 집중되어 왔다.
세포, 조직 및 장기의 본질적인 성질로 인하여, 생체-통합 전자 장치는 수성 미디어(aqueous media)에 통합되어야 한다. 유기 전기화학 트랜지스터(organic elctrochemical transistor; OECTs)는 생체 내에서 특정 이온이나 생체 분자를 교환하며 전류가 조절되는 전자 장치이다. OECT는 생체 시스템의 손상을 줄이기 위해 낮은 전압에서 작동해야 하며, 생체 신호를 높은 신호-대-잡음 비로 증폭하는 것이 필요하다. OECT의 특성 제어를 위해 재료의 물리적 성질 또는 화학적 성질을 변경해야하고, 이를 위해 다양한 첨가물이나 크로스링커가 포함되는데, 전기적 성능의 향상과 생체 적합성 모두를 충족하기 어려운 실정이다.
한편, 기존 OECT의 경우, 양전압 하에서 구동하는데, 양전압을 가하는 경우 산소가 채널층과 반응하여 전도성 고분자의 특성을 저하시키는 문제점이 있다. 이러한 성능 저하를 방지하기 위해, 음전압에서 구동하는 OECT의 개발이 요구된다.
본 발명의 일 목적은 전기적 성능이 향상되고 생체 적합성이 뛰어난 증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법에 의해 제조된 증가형 모드 트랜지스터 소재를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 증가형 모드 트랜지스터 소재를 포함하는 증가형 모드 트랜지스터를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 증가형 모드 트랜지스터를 포함하는 증폭 회로를 제공하는 것이다.
일 측면에서 본 발명은 PEDOT:PSS를 포함하는 용액과, 상기 PSS의 술폰산(sulfonic acid) 작용기의 탈양성자화(deprotonation)를 가능하게 하는 음이온; 및 상기 PSS의 술포네이트(sulfonate) 작용기와 호프마이스터 상호작용(Hofmeister interaction)을 하는 양이온;을 포함하는 이온성 반응물을 혼합하여 반응시키는 제1 단계; 및 상기 용액에 양친매성 반응물을 혼합하여 반응시키는 제2 단계;를 포함하는, 증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 양친매성 반응물은 상기 PEDOT 및 상기 PSS가 구정(spherulite)을 포함하는 결정을 이루도록 할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 이온성 반응물의 음이온은 바이카보네이트(bicarbonate)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 이온성 반응물의 양이온은 콜린(choline)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 단계에서, 상기 PEDOT:PSS와 상기 이온성 반응물은 약 3:1 내지 5:1의 몰비로 혼합하여 반응시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 양친매성 반응물은 DPPC(Dipalmitoylphosphatidylcholine)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 단계에서, 상기 양친매성 반응물은 상기 전도성 고분자에 대하여 약 1:3 내지 1:5의 몰비로 혼합하여 반응시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법은 상기 제2 단계의 반응 생성물을 기판 상에 도포한 후, 열처리 하는 제3 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 열처리는 약 140 내지 160 ℃의 온도에서 어닐링(annealing)하는 방식으로 진행될 수 있다.
다른 측면에서 본 발명은, 구정(spherulite)의 PEDOT; 및 상기 구정의 구각(spherical shell) 영역에 라멜라(lamella) 구조로 형성된 PSS;를 포함하는 결정을 포함하고, 상기 PSS의 술포네이트(sulfornate) 작용기와 호프마이스터 상호 작용(hofmeister interaction)하는 양이온성 물질; 및 상기 PSS의 술포네이트(sulfornate) 작용기와 술폰산(sulfonic acid) 작용기 둘 모두와 상호 작용하여 상기 PEDOT 및 상기 PSS의 결정 구조의 자가 조립(self-assembly)을 유도하는 양친매성 물질;을 포함하는, 증가형 모드 트랜지스터 소재를 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 증가형 모드 트랜지스터 소재에 음전압이 인가되는 경우, 상기 증가형 모드 트랜지스터 소재의 전도성이 증가할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 양이온성 물질은 콜린(choline)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 양친매성 물질은 DPPC를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 결정의 제곱평균제곱근(Root Mean Square)는 약 2 내지 4 nm일 수 있다.
또 다른 측면에서 본 발명은, 상기 증가형 모드 트랜지스터 소재를 포함하는 필름형의 채널; 상기 채널의 일측에 형성된 소스 전극; 상기 소스 전극과 이격되어 상기 채널의 타측에 형성된 드레인 전극; 및 상기 채널의 일면에 형성된 게이트 전극;을 포함하는, 증가형 모드 트랜지스터를 제공한다.
또 다른 측면에서 본 발명은, 제1 트랜지스터; 및 제2 트랜지스터;를 포함하고, 상기 제1 트랜지스터의 드레인 전극이 상기 제2 트랜지스터의 게이트 전극에 연결되고, 상기 제1 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터는 상기 증가형 모드 트랜지스터인, 증폭 회로를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법은 분자 구조의 자가 조립을 유도하여 전기적 특성을 구현할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 증가형 모드 트랜지스터 소재는 음전압으로 전기적 특성의 조절이 가능한 소자를 제조할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 증가형 모드 트랜지스터는 음전압으로 전기적 특성의 조절이 가능하다.
본 발명의 증폭 회로는 생체 적합성이 필요한 어플리케이션에 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법에 사용될 수 있는 화합물들의 화학식이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법의 다른 실시예를 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 증가형 모드 트랜지스터의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 증폭 회로의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 실험 결과를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법에 사용될 수 있는 화합물들의 화학식이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법의 다른 실시예를 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 증가형 모드 트랜지스터의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 증폭 회로의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 실험 결과를 설명하는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법은, PEDOT:PSS를 포함하는 용액과, 상기 PSS의 술폰산(sulfonic acid) 작용기의 탈양성자화(deprotonation)를 가능하게 하는 음이온; 및 상기 PSS의 술포네이트(sulfonate) 작용기와 호프마이스터 상호작용(Hofmeister interaction)을 하는 양이온;을 포함하는 이온성 반응물을 혼합하여 반응시키는 제1 단계(S110); 및 상기 용액에 양친매성 반응물을 혼합하여 반응시키는 제2 단계(S120);를 포함할 수 있다.
본 명세서의 문맥에서, PEDOT은 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)를 의미할 수 있고, 도 2a의 화학식을 가지는 화합물을 의미할 수 있다.
본 명세서의 문맥에서 PSS는 poly(styrenesulfonate)를 의미할 수 있고, 도 2b의 화학식을 가지는 화합물을 의미할 수 있으며, PSSH는 도 2c의 화학식을 가지는 화합물을 의미할 수 있으나, PSS는 상기 도 2b의 화학식을 가지는 화합물 뿐만 아니라 상기 도 2c의 화학식을 가지는 화합물까지 통합하여 의미할 수도 있다. 특히, PSS와 술포네이트(sulfonate)가 함께 사용될 때, PSS는 도 2b의 화학식을 가지는 화합물을 의미할 수 있고, PSS와 술폰산(sulfonic acid)가 함께 사용될 때, PSS는 도 2c의 화학식을 가지는 화합물을 의미할 수 있다.
도 1을 계속해서 참조하면, 상기 제1 단계(S110)는 PEDOT:PSS를 포함하는 용액에 이온성 반응물을 혼합하여 반응하는 단계이다. 본 명세서의 문맥에서, "이온성"은 특정 조건, 예컨대 용액상, 예컨대 수용액상에서 일부, 예를 들어 유의하게 많은 포션, 예를 들어 실질적으로 전부가 이온화되는 성질을 의미한다. 상기 이온성 반응물은 이온성 화합물로서, 도출되는 이온이 다른 화합물과 상호작용 할 수 있다.
본 명세서의 문맥에서, "반응"은 화합물간의 모든 상호작용을 통칭할 수 있다. 예컨대, 원자 또는 분자가 전자를 공유하거나, 전자를 제공하거나, 전자를 제공받음으로써 유의하게 높은 수준의 결합력을 형성하는 결합, 이온성 물질 간의 정전기적 인력에 의한 결합, 편향된 전자의 분포 또는 일시적 쌍극자에 의해 형성된 분자 간의 상호 작용 모두를 통칭할 수 있다.
상기 음이온은 상기 PSS의 술폰산(sulfonic acid) 작용기의 탈양성자화(deprotonation)를 가능하게 할 수 있다. 본 명세서의 문맥에서, "탈양성자화"는 양성자를 가진 화합물로부터 양성자를 제거하는 반응, 또는 그러한 반응이 일어나는 과정, 또는 그러한 반응이 일어난 상태, 또는 그러한 반응을 일으킬 수 있는 기능을 의미할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 음이온은 상기 도 2c의 화학식을 가지는 화합물의 술폰산 작용기의 양성자와 반응하여 상기 도 2b의 화학식을 가지는 화합물을 도출할 수 있다. 상기와 같은 기능을 수행하는 한, 상기 음이온의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 일 실시예에 있어서, 상기 이온성 반응물의 음이온은 바이카보네이트(bicarbonate)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 이온성 반응물의 음이온은 도 2d의 화학식을 가지는 화합물을 포함할 수 있다. 상기 음이온이 바이카보네이트인 경우, 탈양성자화 결과 생성물이 물과 이산화탄소 일 수 있다.
상기 양이온은 상기 PSS의 술포네이트(sulfonate) 작용기와 호프마이스터 상호작용(Hofmeister interaction)을 할 수 있다. 본 명세서의 문맥에서, "호프마이스터 상호작용"은 이온의 단백질과의 상호작용, 특히 용액 상 단백질의 용해도에 영향을 미치는 방식의 상호작용을 의미할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 양이온은 상기 도 2b의 화학식을 가지는 화합물의 술포네이트 작용기와 호프마이스터 상호작용을 할 수 있다. 상기와 같은 기능을 수행하는 한, 상기 양이온의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 일 실시예에 있어서, 상기 이온성 반응물의 양이온은 콜린(choline)을 포함할 수 있다. 콜린은 생체 유래 양이온으로서, 생체에 적용되는 소재에 사용될 경우 높은 생체적합성을 발휘할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 이온성 반응물의 양이온은 도 2e의 화학식을 가지는 화합물을 포함할 수 있다.
상기 제1 단계(S110)의 결과로, 상기 음이온은 상기 PSS의 탈양성자화를 통해 PEDOT:PSS의 디도핑(dedoping)이 가능할 수 있고, 상기 양이온은 상기 디도핑된 PSS의 술포네이트기와 호프마이스터 상호작용을 한 상태를 유지할 수 있다.
상기 음이온과 상기 양이온이 상기와 같은 기능을 수행할 때, 일 실시예에 있어서, 상기 제1 단계에서, 상기 PEDOT:PSS와 상기 이온성 반응물은 약 3:1 내지 5:1의 몰비로 혼합하여 반응시킬 수 있다. 일례로, 상기 제1 단계에서, 상기 PEDOT:PSS와 상기 이온성 반응물은 약 4:1의 몰비로 혼합하여 반응시킬 수 있다. 상기 이온성 반응물의 적절한 함량으로 인하여, 상기 음이온과 상기 양이온이 상기와 같은 기능을 적절한 수준으로 수행할 수 있다.
도 1을 계속해서 참조하면, 상기 제2 단계(S120)는 상기 용액에 양친매성 반응물을 혼합하여 반응시키는 단계이다. 본 명세서의 문맥에서, "양친매성"은 용매를 친수성 용매 및 소수성 용매로 분류할 때, 친수성 및 소수성 작용기를 모두 포함하여 친수성 용매와 소수성 용매 둘 모두에 친화성을 가지는 성질을 의미할 수 있다. 상기 제2 단계(S120)에 있어서, 양친매성 반응물은 상기 반응 용액 내에 양친매성으로 인해 상기 반응 용액에 포함된 반응물들이 특정 배열을 이루도록 할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 양친매성 반응물은 상기 PEDOT 및 상기 PSS가 구정(spherulite)을 포함하는 결정을 이루도록 할 수 있다. 본 명세서의 문맥에서, 구정 혹은 스페루라이트(spherulite)는 고분자를 포함하는 구형의 결정 또는 반결정 영역을 의미할 수 있다.
상기와 같은 기능을 수행하는 한, 상기 양친매성 반응물의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 일 실시예에 있어서, 상기 양친매성 반응물은 DPPC(Dipalmitoylphosphatidylcholine)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 양친매성 반응물은 도 2f의 화학식을 가지는 화합물을 포함할 수 있다.
상기 양친매성 반응물이 상기와 같은 기능을 수행할 때, 일 실시예에 있어서, 상기 제2 단계에서, 상기 양친매성 반응물은 상기 전도성 고분자에 대하여 약 1:3 내지 1:5의 몰비로 혼합하여 반응시킬 수 있다. 일례로, 상기 제2 단계에서, 상기 양친매성 반응물은 상기 전도성 고분자에 대하여 약 1:4의 몰비로 혼합하여 반응시킬 수 있다. 상기 양친매성 반응물의 적절한 함량으로 인하여, 상기 양친매성 반응물이 상기와 같은 기능을 적절한 수준으로 수행할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법의 다른 실시예를 나타낸 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 있어서, 상기 증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법은 상기 제2 단계의 반응 생성물을 기판 상에 도포한 후, 열처리 하는 제3 단계(S130)를 더 포함할 수 있다. 상기 열처리 단계(S130)는 상기 제1 단계(S110) 및 상기 제2 단계(S120)에서 반응이 진행된 용액을 기판 상에 도포, 열처리하여 필름 또는 필름 유사 형태의 소재를 제조하는 단계이다. 상기 제1 단계(S110) 및 상기 제2 단계(S120)에서 반응이 진행된 용액에서, 각 성분의 함량 및 반응 시간 등에 의해 결정된 물리적 성질 및 화학적 성질에 따라 상기 열처리 온도 및 열처리 시간이 결정될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 열처리는 약 140 내지 160 ℃의 온도에서 어닐링(annealing)하는 방식으로 진행될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 열처리는 약 150 ℃의 온도에서 어닐링(annealing)하는 방식으로 진행될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 열처리는 약 40 내지 80 분간 어닐링(annealing)하는 방식으로 진행될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 열처리는 약 60 분간 어닐링(annealing)하는 방식으로 진행될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 열처리는 약 140 내지 160 ℃의 온도에서 약 40 내지 80 분간 어닐링(annealing)하는 방식으로 진행될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 열처리는 약 150 ℃의 온도에서 약 60 분간 어닐링(annealing)하는 방식으로 진행될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법은 분자 구조의 자가 조립을 유도하여 전기적 특성을 구현할 수 있다.
다른 측면에서 본 발명의 실시예에 따른 증가형 모드 트랜지스터 소재는 구정(spherulite)의 PEDOT; 및 상기 구정의 구각(spherical shell) 영역에 라멜라(lamella) 구조로 형성된 PSS;를 포함하는 결정을 포함하고, 상기 PSS의 술포네이트(sulfornate) 작용기와 호프마이스터 상호 작용(hofmeister interaction)하는 양이온성 물질; 및 상기 PSS의 술포네이트(sulfornate) 작용기와 술폰산(sulfonic acid) 작용기 둘 모두와 상호 작용하여 상기 PEDOT 및 상기 PSS의 결정 구조의 자가 조립(self-assembly)을 유도하는 양친매성 물질;을 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 실시예에 따른 증가형 모드 트랜지스터 소재에 관한 설명은 상술된 본 발명의 실시예에 따른 증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법에 관한 설명에서 동일하거나 유사한 구성에 대하여 동일하거나 유사하게 적용될 수 있다. 따라서, 일 실시예에 있어서, 상기 양이온성 물질은 콜린(choline)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 이온성 반응물의 양이온은 도 2e의 화학식을 가지는 화합물을 포함할 수 있다. 또한, 일 실시예에 있어서, 상기 양친매성 물질은 DPPC를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 양친매성 반응물은 도 2f의 화학식을 가지는 화합물을 포함할 수 있다.
한편, 상술된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 증가형 모드 트랜지스터 소재는 구정(spherulite)의 PEDOT; 및 상기 구정의 구각(spherical shell) 영역에 라멜라(lamella) 구조로 형성된 PSS;를 포함하는 결정을 포함할 수 있다. 상기와 같은 구조는 하기 본 발명의 실시예에 관한 설명에서 더욱 명백해질 것이다.
상기 결정은 혼합되고 반응하는 상기 각 구성의 종류, 조성 및 함량에 따라 그 크기와 구조가 도출될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 결정의 제곱평균제곱근(Root Mean Square)는 약 2 내지 4 nm일 수 있다. 일례로, 상기 결정의 제곱평균제곱근(Root Mean Square)는 약 3 nm일 수 있다.
상기와 같은 소재는 상기 구성들의 상기와 같은 구조로 인하여 전기적 특성을 가질 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 증가형 모드 트랜지스터 소재에 음전압이 인가되는 경우, 상기 증가형 모드 트랜지스터 소재의 전도성이 증가할 수 있다. 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니나, 상기 증가형 모드 트랜지스터 소재에서 상기 PSS의 술포네이트와 호프마이스터 상호작용을 하는 콜린 분자는 상기 증가형 모드 트랜지스터 소재에 음전압이 인가되는 경우 호프마이스터 상호작용이 약화되며 떨어져 나가 (peeling off) 상기 PEDOT에 대한 PSS의 도핑 상태를 일시적으로 회복하며 전기 전도도를 가질 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 증가형 모드 트랜지스터 소재는 음전압으로 전기적 특성의 조절이 가능한 소자를 제조할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 증가형 모드 트랜지스터의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 증가형 모드 트랜지스터(3)는 필름형의 채널(10); 상기 채널(10)의 일측에 형성된 소스 전극(20S); 상기 소스 전극(20S)과 이격되어 상기 채널(10)의 타측에 형성된 드레인 전극(20D); 및 상기 채널(10)의 일면에 형성된 게이트 전극(20G);을 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 실시예에 따른 증가형 모드 트랜지스터에 관한 설명은 상술된 본 발명의 실시예에 따른 증가형 모드 트랜지스터 소재에 관한 설명에서 동일하거나 유사한 구성에 대하여 동일하거나 유사하게 적용될 수 있다. 또한, 상기 채널(10)은 상술된 상기 증가형 모드 트랜지스터 소재를 포함할 수 있다. 따라서, 일 실시예에 있어서, 상기 증가형 모드 트랜지스터(3)는 상기 채널(10)에 음전압이 인가되는 경우, 상기 채널(10)의 전도성이 증가할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 증가형 모드 트랜지스터는 음전압으로 전기적 특성의 조절이 가능하다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 증폭 회로의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 증폭 회로(5)는, 제1 트랜지스터(3'1); 및 제2 트랜지스터(3'2);를 포함할 수 있다. 도 5를 계속해서 참조하면, 일 실시예에 있어서, 상기 제1 트랜지스터(3'1)의 드레인 전극이 상기 제2 트랜지스터(3'2)의 게이트 전극에 연결될 수 있다. 상기 본 발명의 실시예에 따른 증폭 회로에 관한 설명은 상술된 본 발명의 실시예에 따른 증가형 모드 트랜지스터 소재에 관한 설명에서 동일하거나 유사한 구성에 대하여 동일하거나 유사하게 적용될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 제1 트랜지스터(3'1) 및 상기 제2 트랜지스터(3'2)는 각각 상술된 본 발명의 실시예에 따른 증가형 모드 트랜지스터일 수 있다.
상기 본 발명의 실시예에 따른 증폭 회로(5)는 증폭 성능을 달성할 수 있는 양 트랜지스터를 포함하는 최소한의 구성을 도시하며, 이는 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 따라서 상기 본 발명의 실시예에 따른 증폭 회로(5)를 포함하고, 다른 부재, 예컨대 추가적인 회로, 도선, 전자 장치 및 전극의 부가를 배제하지 않으며, 이를 포함하는 물건은 본 발명의 범위에 포함될 수 있다. 일례로, 본 발명은 상기 증폭 회로(5)를 포함하는 심전도 장치를 개시한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 증폭 회로는 생체 적합성이 필요한 어플리케이션에 사용될 수 있다.
이하 본 발명의 실시예에 대해 상술한다. 다만, 하기에 기재된 실시예는 본 발명의 일부 실시 형태에 불과한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
증가형 모드 트랜지스터 소재의 제조
PEDOT:PSS (Clevios PH1000, Heraeus Holding GmbH, Germany)를 분산한 용액에 콜린 바이카보네이트 (Sigma aldrich, Saint Louis, MO, USA)를 dropwise로 첨가하며 교반하였다. 콜린 바이카보네이트와 PEDOT:PSS의 몰비는 1:4로 혼합하였다.
반응이 진행된 후, 반응 생성물은 탈이온수로 3회 세척되었다.
세척된 생성물을 다시 탈이온수에 11~13 % (w/w)로 용해한 후, DPPC (Sigma aldrich,Saint Louis, MO, USA)를 첨가하였다. DPPC와 PEDOT:PSS의 몰비는 1:4로 혼합하였다. 분산 용액은 20분간 sonication을 진행하였다.
이로써 본 발명의 실시예에 따른 증가형 모드 트랜지스터 소재가 제조되었다.
증가형 모드 트랜지스터 제조
상기 생체용 전자 소재를 유리 기판 상 2,000 rpm으로 스핀코팅한 후 1 시간 동안 150 ℃에서 열처리 하여 필름 형태의 채널 레이어를 제조하였다. O2:CF4 = 1: 3의 기체 유동을 제공하는 반응성 이온 에칭 장비를 통해 상기 채널 레이러를 드라이 에칭하였다. 상기 채널 레이어에 50 nm/5 nm 두께의 Au/Cr을 포토리소그래피로 형성하여 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하였다.
이로써 본 발명의 실시예에 따른 증가형 모드 트랜지스터가 제조되었다.
증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 원리 제시
본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니나, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 증가형 모드 트랜지스터 소재가 제조되는 과정을 분자적 수준에서 제시한다. 본 발명은 도 6과 같이 수용액 상에 분산된 전도성 고분자와 생체 유래 이온성 액체와의 반응을 통해 새로운 화합물을 형성한다. 본 발명에서는 PEDOT:PSS의 효율적인 특성 조절을 위해 이온 간의 결합력이 매우 강한 4차 암모늄(quaternary ammonium)으로서 콜린을 사용하였다. 위의 화학 반응은 양이온과 음이온 간의 호프마이스터 상호작용으로 인해 발생한다. 반응이 완료된 후 양친매성 소재인 DPPC를 수용액 상에 분산하여 내부에서 유기 반도체의 정렬을 유도한다.
PEDOT:PSS 용액에 콜린 바이카보네이트를 반응시키면, PSS와 결합 되어있는 수소이온과 바이 카보네이트가 반응하여 물과 이산화탄소로 분해되어 제거된다. 위의 반응을 통해 콜린 이온과 술포네이트 이온이 이온 결합을 형성하며, 제조된 용액을 스핀 코팅하여 박막 형성 후 120℃에서 열처리를 하게 되면 콜린 이온의 하이드록실 작용기의 산소 분자의 언페어드(unpaired) 전자가 서멀 트랜스퍼(thermal transfer) 현상으로 PEDOT 분자의 사이오펜 고리(thiophene ring)로 이동하여 뉴트럴(neutral) 및 폴라론(polaron)을 가지는 PEDOT 사슬을 형성하게 된다.
반응 메커니즘 분석
본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니나, 반응 메커니즘을 분석하여 도 7에 도시한다. 이는 도 7a에서 UV-vis-NIR spectroscopy 측정을 통해 반응 비율에 따라 해당 사슬의 형성을 확인할 수 있으며, 도 7b의 라만(Raman) spectroscopy 측정 결과의 피크(peak)가 이동하는 것을 통해 PEDOT 사슬의 구조가 벤조이드(benzoid; coil type)에서 퀴노이드(quinoid; extend coil) 형태로 바뀜을 확인할 수 있다. 도 7c 내지 도 7f는 C 1s, O 1s, S 2p, N 1s 원자에 대해 X-선 광전자 분광학(x-ray photoelectron spectroscopy)을 통해서 PEDOT:PSS와 콜린, DPPC가 분자수준에서 상호작용함을 알 수 있고, 콜린 바이카보네이트를 반응시킨 후(P[Ch+]), DPPC를 넣었을 때, 분자들끼리의 재배열이 일어나는 것을 확인할 수 있다. 도 7g 내지 도 7i의 경우, 120℃에서 열처리 시에 분자 내부에서 발생하는 분자변화를 in-situ Raman spectroscopy를 통해 확인한 결과이다. 이때 온도를 상온에서 160℃까지 올리고 다시 상온까지 내리는 과정을 진행하여 피크 전이(peak shift)를 확인하였다. 그 결과, 도 7g의 pristine PEDOT:PSS는 온도에 따라 큰 변화가 없었지만, 도 7h의 콜린 바이카보네이트 반응 및 DPPC를 넣었을 때 120℃ 이상에서 구조 안정성이 저하되고 PEDOT의 퀴노이드 구조가 벤조이드로 돌아가는 것을 확인하였다.
결정 구조 분석
본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니나, 결정 구조를 분석하여 도 8에 도시한다. 일반적인 PEDOT:PSS 수용액으로 형성된 박막층의 경우 도 8a와 같이 GIWAXS (Grazing-Incidence Wide-Angle X-ray Scattering) 측정 시 특정 방향으로의 분자 구조의 정렬이 관찰되지 않지만, 본 발명을 통해 형성된 박막의 경우 도 8b 내지 도 8d와 같이 특정 방향으로 분자들이 정렬됨을 확인하였으며, 관련 모식도는 도 8e와 같다. 도 8f 내지 도 8h는 일반적인 PEDOT:PSS 박막층, PEDOT:PSS와 콜린 바이카보네이트 반응만으로 얻어진 박막층 그리고 PEDOT:PSS와 콜린 바이카보네이트 및 인지질 소재와의 반응을 통해 얻어진 박막층의 AFM (Atomic Force Microscopy) 측정 결과로, 도 8f 및 도 8g와는 다르게 도 8h에서 뚜렷한 결정립들을 확인할 수 있다. 이는 도 8i와 같이 인지질의 자가조립 특성을 기반으로 PEDOT:PSS 분자가 정렬되어 결정 구조를 가지게 되었음을 알 수 있다. 도 8j는 이온성 생체 소재 도입을 통해 형성된 박막층을 편광 현미경으로 관찰한 결과로, 람다플레이트를 적용하면 도 8k 및 도 8l과 같이 PEDOT:PSS 분자가 특정 방향으로 정렬되어있음을 확인할 수 있다 (람다플레이트와 평행방향 정렬: 파란색, 람다플레이트와 수직방향 정렬: 노란색). 이는 도 8m과 같이 박막 형성 후 열처리 과정에서 핵생성(nucleation)이 되는 점을 기준으로 방사 방향(radial direction)으로 라멜라(lamellae) 구조를 형성하였기 때문이다.
증가형 모드 트랜지스터 특성 분석
본 발명의 실시예에 따른 증가형 모드 트랜지스터 소재를 도 9a와 같은 구조의 증가형 모드 트랜지스터로 응용이 가능하다. 기존의 PEDOT:PSS 기반의 트랜지스터가 양전압으로 구동한다는 점과 다르게, 본 발명으로 제작된 소자는 음전압으로 구동이 가능하다. 도 9b와 같이 음전압으로 인해 전해질 내부의 음이온이 반도체층으로 침투하거나 PSS와 결합되어있는 콜린 이온을 일시적으로 필링 오프(peeling off)하여 도 9c 및 도 9d와 같이 채널층으로 흐르는 전류를 증가시킨다. 또한 도 9e는 트랜지스터의 반응 속도 측정 결과로 최대 39μs로 기존의 유기 전기화학 트랜지스터의 수백μs 내지 수 ms 보다 빠르게 측정되었다.
증폭회로 및 심전도 측정
본 발명의 실시예에 따른 증가형 모드 트랜지스터는 도 10과 같이 증폭회로 (amplifier) 제작이 가능하다. 도 10a는 트랜지스터 두 개를 직렬 연결하여 제작한 인버터 회로에 대한 측정결과로 인풋 전압(input voltage)의 특정 값을 기준으로 아웃풋 전압(output voltage)의 반전이 일어남을 확인할 수 있다. 이러한 반전 특성을 활용하여 도 10b와 같이 심전도 측정 시 증폭 소자로 활용할 수 있으며, 이에 대한 측정 결과는 도 10c와 같다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1:
증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법
3, 3'1, 3'2: 증가형 모드 트랜지스터
5: 증폭 회로
10: 채널
20S: 소스 전극
20D: 드레인 전극
20G: 게이트 전극
3, 3'1, 3'2: 증가형 모드 트랜지스터
5: 증폭 회로
10: 채널
20S: 소스 전극
20D: 드레인 전극
20G: 게이트 전극
Claims (16)
- PEDOT:PSS를 포함하는 용액과, 상기 PSS의 술폰산(sulfonic acid) 작용기의 탈양성자화(deprotonation)를 가능하게 하는 음이온; 및 상기 PSS의 술포네이트(sulfonate) 작용기와 호프마이스터 상호작용(Hofmeister interaction)을 하는 양이온;을 포함하는 이온성 반응물을 혼합하여 반응시키는 제1 단계; 및
상기 용액에 양친매성 반응물을 혼합하여 반응시키는 제2 단계;를 포함하는,
증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 양친매성 반응물은 상기 PEDOT 및 상기 PSS가 구정(spherulite)을 포함하는 결정을 이루도록 하는,
증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 이온성 반응물의 음이온은 바이카보네이트(bicarbonate)를 포함하는,
증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법. - 제3항에 있어서,
상기 이온성 반응물의 양이온은 콜린(choline)을 포함하는,
증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법. - 제4항에 있어서,
상기 제1 단계에서, 상기 PEDOT:PSS와 상기 이온성 반응물은 3:1 내지 5:1의 몰비로 혼합하여 반응시키는,
증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법. - 제2항에 있어서,
상기 양친매성 반응물은 DPPC(Dipalmitoylphosphatidylcholine)를 포함하는,
증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법. - 제6항에 있어서,
상기 제2 단계에서, 상기 양친매성 반응물은 상기 전도성 고분자에 대하여 1:3 내지 1:5의 몰비로 혼합하여 반응시키는,
증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제2 단계의 반응 생성물을 기판 상에 도포한 후, 열처리 하는 제3 단계를 더 포함하는,
증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법. - 제8항에 있어서,
상기 열처리는 140 내지 160 ℃의 온도에서 어닐링(annealing)하는 방식으로 진행되는,
증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법. - 구정(spherulite)의 PEDOT; 및
상기 구정의 구각(spherical shell) 영역에 라멜라(lamella) 구조로 형성된 PSS;를 포함하는 결정을 포함하고,
상기 PSS의 술포네이트(sulfornate) 작용기와 호프마이스터 상호 작용(hofmeister interaction)하는 양이온성 물질; 및
상기 PSS의 술포네이트(sulfornate) 작용기와 술폰산(sulfonic acid) 작용기 둘 모두와 상호 작용하여 상기 PEDOT 및 상기 PSS의 결정 구조의 자가 조립(self-assembly)을 유도하는 양친매성 물질;을 포함하는,
증가형 모드 트랜지스터 소재. - 제10항에 있어서,
상기 증가형 모드 트랜지스터 소재에 음전압이 인가되는 경우, 상기 증가형 모드 트랜지스터 소재의 전도성이 증가하는,
증가형 모드 트랜지스터 소재. - 제10항에 있어서,
상기 양이온성 물질은 콜린(choline)을 포함하는,
증가형 모드 트랜지스터 소재. - 제10항에 있어서,
상기 양친매성 물질은 DPPC를 포함하는,
증가형 모드 트랜지스터 소재. - 제10항에 있어서,
상기 결정의 제곱평균제곱근(Root Mean Square)는 2 내지 4 nm인,
증가형 모드 트랜지스터 소재. - 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 증가형 모드 트랜지스터 소재를 포함하는 필름형의 채널;
상기 채널의 일측에 형성된 소스 전극;
상기 소스 전극과 이격되어 상기 채널의 타측에 형성된 드레인 전극; 및
상기 채널의 일면에 형성된 게이트 전극;을 포함하는,
증가형 모드 트랜지스터. - 제1 트랜지스터; 및
제2 트랜지스터;를 포함하고,
상기 제1 트랜지스터의 드레인 전극이 상기 제2 트랜지스터의 게이트 전극에 연결되고,
상기 제1 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터는 제15항에 따른 증가형 모드 트랜지스터인,
증폭 회로.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220106073A KR20240029573A (ko) | 2022-08-24 | 2022-08-24 | 증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법, 이에 의해 제조된 증가형 모드 트랜지스터 소재, 이를 포함하는 증가형 모드 트랜지스터 및 이를 포함하는 증폭 회로 |
| US18/454,447 US20240068120A1 (en) | 2022-08-24 | 2023-08-23 | Method for fabricating enhancement mode transistor material, enhancement mode transistor material fabricated thereby, enhancement mode transistor including the same, and amplifying circuit including the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220106073A KR20240029573A (ko) | 2022-08-24 | 2022-08-24 | 증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법, 이에 의해 제조된 증가형 모드 트랜지스터 소재, 이를 포함하는 증가형 모드 트랜지스터 및 이를 포함하는 증폭 회로 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240029573A true KR20240029573A (ko) | 2024-03-06 |
Family
ID=90000710
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220106073A KR20240029573A (ko) | 2022-08-24 | 2022-08-24 | 증가형 모드 트랜지스터 소재 제조 방법, 이에 의해 제조된 증가형 모드 트랜지스터 소재, 이를 포함하는 증가형 모드 트랜지스터 및 이를 포함하는 증폭 회로 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20240068120A1 (ko) |
| KR (1) | KR20240029573A (ko) |
-
2022
- 2022-08-24 KR KR1020220106073A patent/KR20240029573A/ko unknown
-
2023
- 2023-08-23 US US18/454,447 patent/US20240068120A1/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20240068120A1 (en) | 2024-02-29 |
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