Nanomaterial-Based Device and System: CdSe Tetrapod Transistors and Multifunctional Robotic Skin = 나노물질 기반 소자 및 시스템: 카드뮴 셀레나이드 테트라포드 트랜지스터와 다기능 로봇 피부 시스템

국문 초록 (Abstract)

콜로이드 반도체 나노입자는 용액 공정성, 밴드갭 조절 가능성, 저온 대면적 공정 가능성 등으로 인해 차세대 전자소자 재료로 각광받고 있다. 이 가운데 카드뮴 셀레나이드 테트라포드 나노크리스탈은 중심에서 뻗은 가지 형태의 구조로 인한 전하 전달에서의 이점으로 주목받는 물질이다. 테트라포드의 3차원 구조는 박막을 형성했을 때 연속적인 전하 전달 경로 형성에 유리하며 기계적 내구성 향상에도 기여하는 요소이다.
본 학위논문의 주제는 재료에서 소자 그리고 소자에서 시스템으로 이어지는 공학적 관점에서, 재료 단계의 나노물질을 탐구하고 이를 소자에 적용시켜 분석하고, 나아가 소자 단계에 있는 다양한 나노물질 기반 소자를 복합적인 시스템 수준으로 통합하여 다기능 시스템을 설계 및 구현하여 그 기능을 규명하는 것이다. 그 첫 번째는 카드뮴 셀레나이드 테트라포드를 대상으로 한 재료 단계의 두 가지 연구이다. 기존의 원통형 소각 X선 산란 모델을 테트라포드 구조에 맞게 보완하여 실험적인 산란 데이터에 아주 잘 들어맞는 산란 모델을 제시하였다. 또한 양친매성 블록 공중합체의 극성 블록 비율과 용매 극성을 조절해 용액 내 블록 공중합체와 테트라포드 나노입자 혼합물의 분산 거동을 조절하였다.
공학적 관점의 두 번째 단계에서 진행한 연구는 카드뮴 셀레나이드 테트라포드를 박막 트랜지스터 소자에 적용한 연구로, 평면 전극 구조와 이온 젤 게이트 방식을 적용하여 테트라포드 팔 길이에 따른 소자 특성 변화를 확인한 연구이다. 등방성 나노입자에 비해 전하 전달 경로 형성에 유리하다는 점을 활용해 테트라포드 팔 길이가 증가할수록 전계효과 이동도가 증가하며, 테트라포드의 긴 팔과 박막의 다공성 구조로 인해 기계적 내구성 또한 구형 나노입자에 비해 뛰어난 것을 확인하여 보고했다.
마지막 장에서는 연구 범위를 시스템 수준 통합으로 확장한다. 여기서는 양자점 발광 다이오드, 페로브스카이트 광검출기, 탄소나노튜브 기반 압력 센서를 수직 적층 구조로 집적하여, 평면이 아닌 곡면에 옮겨진 경우에도 1–50 mm 범위의 근접 감지, 정밀한 압력 감지 등이 가능한 다기능 전자피부 시스템을 구현, 기계적 변형 환경에서도 안정적인 작동 특성을 보였다. 본 학위논문에는 실제 생체신호(광전용적맥파, 심전도) 측정은 포함되지 않았지만, 해당 기능 또한 구현이 가능한 설계 구조임을 확인하였으며, 향후 건강관리 로봇 및 착용형 기기 분야로 로도 응용할 수 있는 기반을 제시하였다.
요약하면, 본 학위논문은 나노미터 수준에서 독특한 특성을 보이는 반도체 나노물질의 분석, 기능성 전자소자로 응용, 나노물질 기반 소자의 융합을 통한 다기능 시스템을 구현하여, 재료에서 소자, 시스템으로 이어지는 공학적 관점에서의 연구 흐름을 따르는 일련의 연구결과를 보고한다. 이를 통해 소재와 응용기술 간의 간극을 메우는 사례를 제시하며, 향후 건강관리 로봇, 착용형 의료기기 및 인간-기계 상호작용에 필요한 기술적 기반을 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Colloidal semiconductor nanocrystals have been considered promising materials for next-generation electronic devices due to their solution processability, bandgap tunability, and compatibility with low-temperature, large-area fabrication. Among these, cadmium selenide tetrapod nanocrystals have gained attention for their distinctive branched geometry, which facilitates efficient charge transport and improves mechanical durability in thin-film assemblies.
This dissertation investigates the engineering workflow from material-level characterization to device fabrication and ultimately to system-level integration. In the first phase, two material-focused studies were conducted using cadmium selenide tetrapods. The first involved refining a conventional cylindrical small-angle X-ray scattering model to better match the tetrapod geometry, resulting in improved agreement with experimental data. The second study explored how spatial dispersion of tetrapods in solution could be controlled by adjusting the polarity ratio of amphiphilic block copolymers and the solvent polarity.
In the second phase, the study focused on integrating tetrapod nanocrystals into thin-film transistors using planar electrode configurations and ion gel gating. By varying the arm lengths of the tetrapods, the study demonstrated improved field-effect mobility and enhanced mechanical robustness, attributed to the formation of extended conduction pathways and porous film morphology.
The final part of the research extends into system-level integration. A multi-functional electronic skin system was developed by vertically stacking quantum dot light-emitting diodes, perovskite-based photodetectors, and carbon nanotube-based pressure sensors. The resulting flexible platform demonstrated reliable operation under mechanical deformation, with capabilities for proximity sensing in the range of 1 to 50 mm and highly sensitive pressure detection. Although biosignal measurements such as photoplethysmography and electrocardiography were not implemented, the system design supports such functions, indicating its potential for future applications in healthcare robotics and wearable electronics.
In summary, this dissertation presents a comprehensive framework for linking semiconductor nanomaterial analysis to device development and system integration. It provides an engineering-based approach that bridges the gap between nanoscale material properties and practical applications, offering a technological foundation for future advancements in wearable healthcare devices, human–machine interfaces, and robotic sensing systems.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Development of Semiconductor Nanocrystal Research 1
• 1.2 Engineering Perspectives on Semiconductor Nanocrystals 5
• 1.3 Material Study of CdSe Tetrapod Nanocrystals 7
• 1.4 Conclusion 12
• 1.5 Reference 14
• Chapter 2. CdSe Tetrapod-Based Flexible Thin-Film Transistors 18
• 2.1 Introduction 18
• 2.2 Experimental section 19
• 2.3 Result and discussion 29
• 2.4 Conclusion 39
• 2.5 Reference 40
• Chapter 3. Multifunctional Thin-Film Sensor Array for Robotic Electronic Skin 44
• 3.1 Introduction 44
• 3.2 Experimental section 48
• 3.3 Result and discussion 55
• 3.4 Conclusion 72
• 3.5 Reference 74