Ultrathin Bioelectronic Devices for Biomarker Monitoring and Optical Wireless Communication = 초박막 바이오전자 소자를 이용한 바이오마커 모니터링 및 광 무선 통신

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recent advances in bio-integrated electronics have enabled continuous monitoring of physiological and biochemical signals. However, the development of conformable and ultrathin systems that can intimately interface with soft biological tissues while maintaining reliable performance remains a major challenge. This thesis presents the design, fabrication, and application of ultrathin, mechanically adaptive bio-integrated electronic systems for biochemical monitoring.
First, design strategies for conformable electronics were established to achieve seamless integration with biological surfaces. Ultrathin electronic platforms were designed to minimize mechanical mismatch and ensure stable operation under deformation. Based on these design principles, a series of fabrication strategies were developed, including photolithography-based microfabrication for reliable patterning and transfer printing for heterogeneous integration of functional microcomponents such as micro-light-emitting diodes (μLEDs).
The developed fabrication approaches were applied to demonstrate various biochemical sensing systems. Ultrathin organic electrochemical transistors (OECTs) were fabricated and optimized for multi-gate operation, enabling sensitive and selective detection of multiple biomarkers relevant to disease diagnosis. Building on this platform, an ultrathin optical biomarker monitoring system was realized by integrating OECTs with near-infrared (NIR) μLEDs. This system converts biochemical signals directly into optical outputs, allowing chip-free and wireless data transmission. The integrated device exhibited stable operation under mechanical deformation and enabled real-time monitoring of glucose levels in sweat when implemented as a wearable patch. Furthermore, NIR image analysis allowed wireless visualization of biochemical signal changes using only an NIR camera, confirming the feasibility of noninvasive optical monitoring.
Overall, this work establishes a comprehensive framework for the development of ultrathin, flexible, and multifunctional bio-integrated electronics. The combination of mechanically compliant architectures, versatile fabrication techniques, and optical wireless communication offers a new route toward the realization of soft and chipless sensing systems. These technologies provide an alternative for next-generation wearable and implantable healthcare devices capable of continuous, real-time biochemical monitoring.

국문 초록 (Abstract)

최근 생체통합형 전자소자 기술의 발전으로 인체의 생리적, 생화학적 신호를 실시간으로 모니터링하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 생체조직과 기계적으로 정합되면서도 안정적으로 동작할 수 있는 초박막 형태의 유연 전자소자를 구현하는 것은 여전히 기술적 도전 과제로 남아 있다. 본 논문에서는 생체와 기계적으로 일체화될 수 있는 초박막 생체통합형 전자소자를 설계, 제작하고 이를 생화학 신호 모니터링에 적용한 연구를 다루었다.
먼저, 생체조직과의 기계적 불일치를 최소화하기 위한 초박막 구조 설계 전략을 수립하였다. 이러한 설계를 기반으로, 신뢰성 있는 패터닝을 위한 포토리소그래피 기반 마이크로패브리케이션, 무기 마이크로소자 (μLED)의 이종 집적을 위한 전사 프린팅 기술을 개발하여 초박막 전자 플랫폼을 구현하였다.
이후, 개발된 제작 공정을 적용하여 다양한 바이오마커 감지용 초박막 센서 시스템을 구현하였다. 유기 전기화학 트랜지스터를 다중 게이트 구조로 제작하여 높은 감도와 선택성을 갖는 질병 관련 바이오마커 센서를 개발하였으며, 이를 기반으로 OECT와 근적외선 μLED를 통합한 무선 광학 바이오마커 모니터링 시스템을 제안하였다. 본 시스템은 생화학 반응에 따라 변화하는 전류 신호를 광학적 밝기 변화로 직접 변환함으로써 칩 없는 무선 신호 전송을 구현하였다. 제작된 초박막 통합 소자는 기계적 변형 환경에서도 안정적으로 동작하였으며, 실제 착용형 패치 형태로 제작하여 땀 속 포도당 농도를 실시간으로 측정하였다. 또한 NIR 카메라만을 이용한 영상 분석을 통해 광학적 신호 변화를 정량화함으로써, 비침습적 무선 생화학 모니터링의 가능성을 입증하였다.
본 연구는 초박막, 유연, 다기능 생체통합형 전자소자 개발을 위한 종합적인 기술적 프레임워크를 제시하였다. 기계적으로 순응적인 구조 설계, 다중 제작 공정 기술, 그리고 광 기반 무선 신호 전송 방식을 결합함으로써, 향후 자가구동형, 칩리스 생체모니터링 시스템으로 확장될 수 있는 기반을 마련하였다. 이러한 기술은 차세대 웨어러블 및 이식형 헬스케어 디바이스의 구현을 위한 대안을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Research motivation 1
• 1.2. The scope of the thesis 3
• Chapter 2. Design strategies for bio-integrated electronics 5
• 2.1. Introduction to conformable electronics 5
• 2.2. Ultrathin conformal electronics 8
• Chapter 3. Fabrication strategies for ultrathin electronics 11
• 3.1. Photolithography-based microfabrication 11
• 3.2. Transfer printing of μLEDs 14
• Chapter 4. Applications in biomarker monitoring 21
• 4.1. Introduction to electrochemical biosensors 21
• 4.2. Ultrathin multi-gate OECTs for disease diagnosis 26
• 4.3. Ultrathin optical biomarker monitoring system 40
• Chapter 5. Conclusion 59