Engineered Thin Films of Parylene C as Electrical Insulators for Flexible Electronics

Khawaji, Ibrahim H ProQuest Dissertations & Theses The Pennsylvania S 2019 해외박사(DDOD)

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The use of a single material as a multifunctional insulator (i.e., substrate, gate dielectric, interlayer dielectric, and passivation layer) in the same device will reduce the cost and improve the sustainability of flexible devices. The major goal of this dissertation was to examine the potential use of the multifunctional insulator Parylene C as a low-κ interlayer dielectric in flexible electronics. Towards this goal, columnar microfibrous thin films (μFTFs) of Parylene C were fabricated and their electrical and mechanical properties, stability, and reliability were studied. The columnar μFTFs were fabricated using a collimated flux of Parylene-C monomers directed at an angle χv ∈ {30◦, 52◦, 60◦, 67◦, 80◦, 90◦} with respect to the substrate plane in a modified vacuum chamber using oblique angle deposition. Also, bulk Parylene-C thin films were fabricated to explore the stability of bulk Parylene C as a gate dielectric in flexible electronics. The significant results of this research are the following:Parylene-C columnar μFTFs can be highly porous. The porosity decreases as the deposition angle χv increases and lies between 0.38 and 0.56. Both the static Young’s modulus and the yield strength of the Parylene-C columnar μFTFs are higher in the morphologically significant plane than in the plane normal to it. In both loading directions, static Young’s moduli and yield strengths are about two orders of magnitude lower for the Parylene-C columnar μFTFs than the corresponding parameters of the bulk Parylene C, making the Parylene-C columnar μFTFs softer. The lowest relative permittivity of the fabricated Parylene-C columnar μFTFs in the 1–1000 kHz frequency range is about 70% of that of the bulk Parylene C. The static Young’s moduli, yield strengths, and the relative permittivity can be correlated to the porosity, crystallinity, and the deposition angle.The d.c. leakage current in the Parylene-C columnar μFTFs at temperatures not exceeding 100 ◦C (373 K) arises from the Poole–Frenkel conduction mechanism with a barrier energy of about 0.77 eV. The a.c. conduction in the Parylene-C columnar μFTFs is attributable to small-polaron-tunneling hopping conduction and depends on the frequency f as fs, with s ∈ [0.82, 0.85] increasing with temperature. Also, a.c. conduction in the Parylene-C columnar μFTFs is temperature-activated with an activation energy that decreases from 0.020 to 0.012 eV as f increases from 1 to 1000 kHz.• Before and after the application of a constant-voltage stress (CVS), roomtemperature leakage current in a metal-insulator-metal (MIM) structure incorporating Parylene-C columnar μFTF as the insulator is space-charge limited. The space charge comprises defects introduced during fabrication. No new defects are induced by the CVS. Kohlrausch–Williams–Watts relaxation can be exploited to understand transient leakage-current behavior, and characteristic times in the 3.5–3.9 s range and stretch factors in the 4.2–5.2 range were determined. These parameters suggest that carrier trapping at defects and their polarization orientation are related to space-charge formation. Moreover, capacitance dependence on time and frequency is a good indicator of the CVSinduced degradation and stability. Charge buildup in the Parylene-C columnar μFTFs is accompanied by capacitance decrease with CVS duration. Extrapolation of the capacitance-decrease dependence on CVS duration indicates that the capacitance would degrade by about 20% in 10 years.• CVS induces charges in bulk Parylene C and its interfaces with gold and Pentacene. The net induced charge is positive and negative for, respectively, negative and positive gate bias polarity during CVS. The magnitude of the charge accumulated following positive CVS is significantly higher than that following negative CVS in the range of 4 to 25 nC cm2. In contrast, the leakage current during the negative CVS is three orders of magnitude higher than that during the positive CVS for the same bias stress magnitude. The charge buildup and leakage current can be explained in terms of electron trapping in the bulk Parylenen-C/Pentacene interface and bulk Parylene C. Before the application of the CVS, a dielectric breakdown occurs at an electric field of 1.62 MV cm−1. After the application of the CVS, the breakdown voltage decreases and the density of the trapped charges increases as the stress voltage increases in magnitude, with the polarity of the trapped charges opposite to that of the stress voltage. Trapped-charge buildup occurs in the bulk Parylene-C layer and in the proximity of the bulk Parylene-C/Pentacene interface during CVS, the magnitude and direction of the capacitance-voltage curve-shift depending on the trapping and recombination of electrons and holes in those regions.The overall conclusion is that both mechanical and dielectric properties of the Parylene-C columnar μFTFs can be controlled by selecting χv appropriately. As a result, Parylene-C columnar μFTFs can be fabricated to deliver κ = 2.02, which is lower than κ = 3.0 of bulk Parylene C by 30%. Therefore, Parylene-C columnar μFTFs are promising candidates for deployment as ultralow-κ ILDs beside their electrical stability and reliability. Finally, the buildup of trapped charges in the bulk Parylene-C used as a gate dielectric and near the Parylene-C/Pentacene interface plays a major role in the degradation of Au/bulk Parylene-C/Pentacene structures. The first-level understanding of charge buildup in Au/bulk Parylene-C/Pentacene structures obtained will serve as the basis of future studies on the defect-generation process and the trapping of charge carriers within the insulator layer in OFETs.

Photosensors based on nanomaterials for chemiluminescence immunoassays

김홍래 Graduate School, Yonsei University 2021 국내박사

본 연구에서는 카드뮴 설파이드 (CdS) 나노 와이어와 CsPbBr3 페로브스카이트 퀀텀닷과 같은 나노 물질 기반의 광 센서를 제작하여 화학 발광 임뮤노어세이에 적용하였다. 나노 재료, 특히 CdS 나노 와이어 및 CsPbBr3 페로브스카이트 퀀텀닷은 높은 광 발광 양자 수율, 높은 광 흡수 계수, 긴 캐리어수명 및 확산 길이와 같은 우수한 광학 특성으로 인해 광 센서를 제조하는 유망한 재료이다. 그러나 나노 와이어 제어의 어려움과 나노 물질의 본질적인 불안정성은 광 센서 제작에 걸림돌이 되고 있다. 따라서, 본 연구에서는 나노 물질의 문제점을 해결하기 위해 나노 물질의 합성 방법을 개선하고 표면 보호 필름을 코팅하여 나노 물질의 안정성을 높였다. 첫번째로, CdS 나노 와이어를 펄스 레이저 증착 방법을 통해 Au 전극에서 직접 합성하였다. 이 방법은 광 센서 제조에 다음의 몇 가지 장점이 있다: (1) 광 센서의 감도와 관련된 나노 와이어의 표면 밀도 향상, (2) 나노 와이어에 물리적 변화를 유도할 수 있는 초음파 처리의 불필요, (3) 나노 와이어와 전극 (IDE) 표면 사이의 접촉 개선. 이와 같은 효과로 인해 in-situ 합성 CdS 나노 와이어 기반 광 센서의 광 민감도는 나노 와이어 현탁액을 디스펜스하여 제작한 기존의 나노 와이어 기반 광 센서에 비해 24 배 이상 향상되었다. 또한 in-situ 합성된 CdS 나노 와이어를 기반으로 한 광 센서 제작의 재현성을 CdS 타겟으로부터의 거리에 따라 분석하였다. 합성 영역은 각각 9, 10, 11 및 12cm의 CdS 타겟으로부터의 거리에 따라 영역 0, 1, 2 및 3으로 설정하였다. 그 결과, 영역 1에서 제작된 광 센서의 광 민감도가 가장 높았으며,동일한 합성 영역에서 제작된 광 센서의 감도 편차는 15 % ~ 20 % 범위로 재현성이 있음을 확인하였다. 두번째로, CsPbBr3 페로브스카이트 퀀텀닷을 열역학적 제어 방법을 사용하여 합성하였고 직경 5nm 미만의 균일 한 페로브스카이트 퀀텀닷을 합성하였다. 이 방법은 균일 한 크기 분포와 작은 크기로 인해 전극 위의 퀀텀닷의 표면 밀도가 향상될 수 있기 때문에 광 센서 제작에 유리하다. 또한 열처리 온도를 최적화하여 퀀텀닷과 전극 간의 접촉을 개선하였다. 그 결과 300 °C 에서 열처리 한 광 센서의 광 민감도가 가장 우수하였다. 300 °C에서 열처리 한 CsPbBr3 페로브스카이트 퀀텀닷은 X 선 회절 분석, X 선 광전자 분광 분석 (XPS) 및 주사 전자 현미경 분석을 통해 cubic crystal의 결정성을 가지고 있 으며 IDE에 고르게 분포되어 있음을 확인하였다. 또한, 광 센서의 광 반응 성능을 향상시키기 위해 MoS2 나노 플레이크를 전하 전달 층으로 사용하였다. MoS2는 캐리어 이동성이 크고 밴드 갭이 비교적 넓기 때문에 광 센서에 유용한 것으로 알려져 있다. 따라서 페로브스카이트에서 광 에너지에 의해 여기된 전자는 재결합없이 MoS2를 통해 금 전극으로 이동할 수 있으며, MoS2의 적절한 밴드 갭으로 인해 전자의 이동이 가속화될 수 있다. CsPbBr3 페로브스카이트 퀀텀닷 및 MoS2 나노 플레이크를 기반으로 한 광 센서는 0.33 A/W의 반응성 (responsivity), 3.02x10^13 Jones의 높은 광 민감성 (detectivity), 9/12ms의 빠른 상승 및 감쇠 시간을 보여주었다. 세번째로, CdS 나노 와이어 및 CsPbBr3 페로브스카이트 퀀텀닷과 같은 나노 물질의 표면을 보호하기 위해 표면 보호 필름으로 파릴렌-C (parylene-C) 필름을 코팅하였다. 파릴렌 필름은 알코올 및 아세톤과 같은 유기 용매에 대한 높은 내 화학성, 가시 스펙트럼 (400-700nm)에 대한 높은 투과성, 전기 절연성 및 내수성과 같은 우수한 특성을 가지고 있다. 또한, 파릴렌-C 필름의 성능을 확인하기 위해 파릴렌-C 필름으로 코팅 된 CdS 나노와이어와 파릴렌 필름이 코팅 되지 않은 CdS 나노와이어에 반응성이 높은 물질 인 과산화수소를 처리하였다. 그 결과, 파릴렌 -C 필름으로 코팅 되지 않은 CdS 나노 와이 어의 광 민감도는 과산화수소 처리 후 완전히 저하되었다. 그러나 파릴렌-C 필름으로 코팅 된 CdS 나노 와이어의 광 민감도는 과산화수소 처리 전과 유사하게 유지되었다. CdS 나노 와이어의 광 민감도가 감소한 이유를 XPS 분석을 통해 분석하였고, CdS 나노 와이어의 표면이 과산화수소에 의해 산화되어 CdSO4로 변하였음을 확인 하였다. 이 결과는 파릴렌-C 필름 코팅이 나노 와이어를 보호하고 표면 반응을 방지할 수 있음을 보여준다. 또한 CsPbBr3 페로브스카이트 퀀텀닷 기반 광 센서에 파릴렌-C 필름을 코팅하였다. 광 센서의 광 민감도에 대한 파릴렌-C 필름의 영향을 확인하기 위해 파릴렌-C 증착 전후에 입사광의 세기를 변화해 가면서 광 센서의 광 민감도를 확인하였다. 그 결과, 광 민감성 (detectivity)이 증착 전 3.31x10^12 Jones에서 증착 후 3.02x10^13 Jones으로 9 배 이상 증가하였다. 패시베이션 필름 코팅의 효과를 연구하는 또 다른 방법으로는 트랩 상태의 막힘을 분석하여 확인할 수 있다. 트랩 상태 밀도의 측정 및 변화는 빛이 없는 조건에서 I–V 측정을 통하여 분석할 수 있다. CsPbBr3 페로브스카이트 퀀텀닷 및 MoS2 기 반 광 센서에 대한 I–V 측정을 빛이 없는 조건에서 parylene-C 증착 전후에 측정하였다. 그 결과, 트랩 상태 밀도는 증착 전 1.64 x 10^15 cm-1 에서 파릴렌-C 필름(180nm) 증착 후 9.11 x 10^14 cm-1로 감소하였다. 이러한 결과는 CsPbBr3 페로브스카이트 퀀텀닷 및 MoS2 기반 광 센서의 광 감도가 파릴렌-C 코팅을 통한 표면의 트랩 상태 차단을 통해 증가되었음을 알 수 있다. 마지막으로 본 연구에서, 광 센서를 화학 발광 면역 분석에 적용하기 위하여 파릴렌-C 보호막이 코팅된 나노 물질 기반 광 센서를 사용하여 효소 결합 면역 흡착 분석 키트 (enzyme-linked immunosorbent assay kits, ELISA kits)에서 발생되는 화학 발광 신호를 측정하였다. 표적 물질의 민감한 검출을 위하여 화학 발광 반응을 적용하였고, HRP 효소와 루미놀의 화학 발광 반응을 통해 420nm 파장의 빛을 생성할 수 있다. 사용한 ELISA 키트는 B 형 간염 표면 항원 (human hepatitis B surface antigen, HBsAg), 인간 면역 결핍 바이러스 항체(human immunodeficiency virus antibody, anti-HIV antibody) 및 암 표적 물질(cancer biomarker, alpha-fetoprotein) 검출 키트이고, 모든 키트에서 발생한 화학 발광 신호를 성공적으로 측정하였고, 항원의 농도에 따른 정량적인 측정도 가능하였다. 본 연구에서는 기존 나노 물질 기반 광 센서 제작의 한계점을 개선하기 위하여 나노 물질의 합성 방법을 개선하였다. CdS 나노와이어의 경우에는 나오 와이어를 전극에서 직접 합성하였다. 또한 CsPbBr3 퀀텀닷 기반 광 센서의 경우에는 광 센서의 광 민감도를 증가시키기 위하여 전하 이동 층을 도입하였다. 또한 나노 물질 기반 광 센서의 안정성을 향상시키기 위하여 파릴렌-C 보호필름을 코팅하였다. 이와 같은 방법으로 기존의 한계점을 극복하여 민감도가 우수한 광 센서를 제작하였다. 또한 바이오 물질을 검출하는 화학 발광 어세이 키트에 광 센서를 적용하여 바이오 물질 검출 시 발생되는 화학 발광 신호를 성공적으로 측정하였다. This work presents photosensors based on nanomaterials such as CdS nanowires and CsPbBr3 perovskite quantum dots (PQDs) for chemiluminescent immunoassay. Nanomaterials, especially CdS nanowires and CsPbBr3 PQDs, are promising materials to fabricate photosensor because of their excellent optical properties, such as high photoluminescence quantum yield, high optical absorption coefficient, and long carrier lifetime and diffusion length. However, the difficulty in controlling the nanowires and intrinsic instability of nanomaterials are obstacles to the fabrication of photosensors. In this study, to solve the problems of nanomaterials, the synthesis method of nanomaterials is improved and a surface protective film is coated to improve the stability of nanomaterials. First, CdS nanowires were directly synthesized on Au electrodes via pulsed laser deposition. This method has several advantages for the fabrication of photosensors: (1) enhanced surface density of nanowires, which is related to the sensitivity of photosensors; (2) ultrasonication, which may induce physical changes to the nanowires, is not required to isolate the nanowires; and (3) the contact between nanowires and interdigitated electrode (IDE) surface can be improved. From these effects, the sensitivity of photosensors based on in-situ synthesized CdS nanowires improved by more than 24 times compared with the conventional nanowire photosensors fabricated by dispensing with nanowire suspensions. In addition, the reproducibility of the fabrication of photosensors based on in-situ synthesized CdS nanowires was analyzed according to the distance from the CdS target. The synthesis zones were established to be zones 0, 1, 2, and 3 according to the distance from the CdS target of 9, 10, 11, and 12 cm, respectively. As a result, the deviation of sensitivity could be estimated in the range of 15%–20% according to the position in the same synthesis zone. Second, the CsPbBr3 PQDs were synthesized using a thermodynamic control method, and uniform quantum dots (QDs) with a diameter of less than 5 nm were synthesized. This method has an advantage for the fabrication of photosensor because the surface density of the QD on the electrode can be improved due to the uniform size distribution and small size. In addition, the heat treatment temperature was optimized to improve the contact between QDs and electrode. As a result, the photosensitivity of the photosensor fabricated by heat treatment at 300 °C was the best. The CsPbBr3 PQDs heat-treated at 300 °C confirmed that cubic crystal phase and evenly distributed on the IDE through X-ray diffractometry, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and scanning electron microscopy analysis. Further, MoS2 nanoflakes were used as the charge-transfer layer to improve the photoresponse performance of the photosensor. MoS2 is known to be useful for photosensors because it has a large carrier mobility and a relatively wide bandgap. Therefore, photogenerated electrons in perovskite can move to the Au electrode through MoS2 without recombination, and the movement of electrons can be accelerated owing to the appropriate bandgap of MoS2. The photosensor based on CsPbBr3 PQDs and MoS2 nanoflakes demonstrated a responsivity of 0.112 A/W, high specific detectivity of 1.023x1013 Jones, and rapid rise/decay times of 9/12 ms. Third, parylene-C film as a surface passivation film was coated to protect the surface of nanomaterials, such as CdS nanowires and CsPbBr3 PQDs. The parylene film has excellent properties such as high chemical resistance to organic solvents like alcohols and acetone, high transparency over the visible spectrum (400–700 nm), electrically insulating properties, and water resistance. To confirm the performance of the parylene-C film, CdS nanowires coated with parylene-C film were treated with hydrogen peroxide, a highly reactive material. As a result, the sensitivity of CdS nanowires uncoated with the parylene-C film was completely degraded after hydrogen peroxide treatment. However, the sensitivity of CdS nanowires coated with parylene-C film remained similar to that before hydrogen peroxide treatment. The reason for the decrease in the sensitivity of the CdS nanowire was confirmed through XPS analysis that the surface of the CdS nanowire was oxidized by hydrogen peroxide and turned into CdSO4. This result shows that parylene-C film coating can protect the nanowire and prevent surface reaction. Further, parylene-C film was coated on the PQD-based photosensor. To estimate the influence of the parylene-C film on the sensitivity of the photosensor, the photoresponse of the photosensor were estimated in the different intensity range of incident light, before and after parylene-C deposition. As a result, the detectivity increased more than 3-fold, from 3.31x1012 to 1.023x1013 Jones, before and after deposition, respectively. Another method to study the effect of the passivation film coating is to analyze the blockage of the trap states. The blocking of trap states could be estimated by I–V analysis under dark conditions. I–V curve for the CsPbBr3 PQD and MoS2− based photosensor was measured before and after the parylene-C deposition in dark conditions. As a result, the density of trap states (ntrap) was estimated to be 1.64 x 1015 and 9.11 x 1014 cm−1 before and after parylene-C deposition, respectively, at a thickness of 180 nm. These results indicated that the sensitivity of the photosensor based on the CsPbBr3 PQD and MoS2 could be increased using the parylene-C film as a passivation layer via blocking of trap states on the surface. Finally, the photosensors were applied to a chemiluminescent immunoassay and measure the luminescence signal generated in the immunoassay. The chemiluminescence (CL) reaction between horseradish peroxidase and luminol generates light at a wavelength of 420 nm, and it has been applied to immunoassays for the sensitive detection of target analytes. In this study, the photosensors based on nanomaterials and passivated with parylene-C were demonstrated in the detection of CL signals from enzyme-linked immunosorbent assay kits for detecting human hepatitis B surface antigen, human immunodeficiency virus antibody, and a cancer biomarker—alpha-fetoprotein.

Investigation of the Dielectric and Electrical Properties of Poly(chloro-p-xylylene) (Parylene-C) Layers for Next-Generation Optoelectronics

Shim, Taeyun 서울시립대학교 일반대학원 2026 국내석사

Polymer dielectric-based organic field-effect transistors (OFETs) have attracted significant attention due to their potential applications in transparent and flexible electronics, intelligent labels for smart packaging, and chemical and biosensors. Herein, we demonstrate OFETs incorporating poly(chloro-p-xylylene) (parylene-C) as the gate dielectric with variable thickness in the range of 250 to 450 nm in 50 nm increments, with careful investigation of their electrical characteristics. The results showed that an optimal dielectric thickness of parylene-C (350 nm) significantly enhanced device performance compared to a standard SiO2 dielectric, achieving a low threshold voltage (Vth) (0.23 V), a higher on/off ratio (Ion/off) (7.27 × 10 3), and increased hole mobility (μh) (1.29 × 10-2 cm2V-1s-1). To understand how the thickness of parylene-C dielectric layer influences the performance of OFETs, a variety of analyses were conducted including capacitance-voltage and water contact angle measurements, atomic force microscopy and grazing incidence wide- angle x-ray scattering. Furthermore, X-ray absorption spectroscopy was employed to analyze the electronic structure and molecular orientation of parylene-C and the PBTTT-C14 layer deposited on it. This study offers valuable insights for optimizing OFETs with parylene-C dielectric layers, paving the way for the development of next-generation flexible and low- power electronic devices. 고분자 유전체 기반 유기 박막 트랜지스터 (OFETs)는 투명하고 유연한 전자소자, 스마트 패키징용 지능형 라벨, 화학 및 바이오 센서 등의 잠재적 응용 가능성으로 인해 큰 주목을 받아왔다. 본 연구에서는 게이트 유전체로 **poly(chloro-p-xylylene) (parylene-C)**를 도입한 OFET를 제작하였으며, 유전체 두께를 250~450 nm 범위에서 50 nm 단위로 조절하여 그 전기적 특성을 면밀히 조사하였다. 그 결과, 최적의 parylene-C 유전체 두께 (350 nm)에서 소자의 성능이 표준 SiO2 유전체를 사용한 경우에 비해 현저히 향상되었음을 확인하였다. 구체적으로, 낮은 문턱전압 (Vth, 0.23 V), 높은 온/오프 비 (Ion/off, 7.27 × 103), 증가된 정공 이동도(μh, 1.29 × 10-2 cm2V-1s-1)를 달성했다. 또한, parylene-C 유전체층의 두께가 OFET 성능에 미치는 영향을 이해하기 위해 정전용량-전압(C–V) 특성, 물 접촉각 측정, 원자 힘 현미경 (AFM), 저각 입사 광각 X-선 산란(GIWAXS) 등의 다양한 분석을 수행하였다. 더불어, X-선 흡수 분광법 (XAS)을 이용하여 parylene-C와 그 위에 증착 된 PBTTT-C14 층의 전자 구조 및 분자 배향을 분석하였다. 이 연구는 parylene-C 유전체층을 적용한 OFET의 성능 최적화를 위한 중요한 통찰을 제공하며, 차세대 유연하고 저전력 전자소자 개발에 기여할 수 있는 가능성을 제시한다.

Development of Parylene-C based Peripheral Mesh Electrode

Byung Wook Park DGIST 2020 국내석사

기존의 침습형 신경 인터페이스들은 조직과의 물리적인 특성 차이로 인해 신경조직에 광범위한 면역반응을 야기하며 조직은 반흔 조직을 형성한다. 이는 전극의 측정능력 상실로 이어지기 때문에 최근 이러한 면역반응을 줄이는 신경인터페이스가 연구되어지고 있다. 이러한 면역반응을 최소화 할 수 있는 구조가 그물형 구조로 만든 신경인터페이스다. 본 논문은 이 그물형 구조를 통해 장기적으로 말초신경에서 측정이 가능한 Parylene-C 기반 말초신경 인터페이스 개발을 다룬다. 수분 침투율을 낮추기 위해 기존에 사용되는 SU-8이 아닌 Parylene-C를 이용하여 전극을 제작하였다. 또한 뇌와 다른 특징을 가진 말초신경에 최적화하기 위해서, 늘어날 수는 있는 프렉탈 구조를 도입하고 전극의 측정크기 역시 조절하였다. 전극 제작에 필요한 높은 정확도를 가지며 전극의 손상을 최소화하는 Reactive Ion Etching(RIE) 조건을 확립하였다. 또한 RIE 공정을 2번 나눠서 진행하여 금속 RIE 마스크의 micro-sputtering으로 인한 잔여물 문제를 해결하여 그물형 모양의 Parylene-C 전극을 완성하였다. electrochemical Impedance Spectroscopy를 이용해 전극의 임피던스를 측정한 결과, 전극의 임피던스는 1Khz에서 1.15Mohm이였다. 전극의 in vivo에서 사용 가능성을 알기 위해 Digital Neural Signal Simulator를 이용한 실험에서 모사된 활동전위를 측정하는데 성공하였다. 이어서 진행된 acute animal experiment에서 성공적으로 뉴질랜드 토끼의 좌골신경에서 활동전위를 측정을 하였다. 본 논문은 Parylene-C 기반 말초신경 그물형 전극 개발 및 타당성을 보였다. 앞으로 말초신경에 최소한의 손상을 주며 삽입하는 기술 및 전극 임피던스 등을 개발 및 개선하여 장기적인 말초신경 추적을 하고자 한다. Conventional invasive neural interfaces cause a wide range of immune responses to neural tissues due to differences in their physical properties and tissues form scar tissue. Since this leads to a loss of the measuring ability of the electrode, a neural interface that reduces this immune response has recently been studied. The structure that can minimize this immune response is a neural interface made of a mesh structure. This paper deals with the development of a parylene-c based peripheral nerve interface that can be measured in the peripheral nerve in the long term through this mesh structure. In order to reduce the water penetration rate, electrodes were manufactured using Parylene-C instead of SU-8. In addition, in order to optimize the peripheral nerves with other characteristics of the brain, an stretchable fractal structure was introduced and the measurement size of the electrodes was also adjusted. Reactive Ion Etching (RIE) conditions were established to have high accuracy and minimize damage to electrodes. In addition, the RIE process was divided into two parts to solve the residue problem caused by the micro sputtering of the metal RIE mask, thereby completing a mesh parylene-C electrode. Electrode impedance was measured using electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The impedance of the electrode was 1.15 Mohm at 1 kHz. In order to know the potential of electrode use in vivo, I successfully measured the emulated action potential in the experiment using Digital Neural Signal Simulator. Subsequent acute animal experiments were successfully performed to measure activity potential in the sciatic nerve of New Zealand rabbits. This thesis shows the development and validity of Parylene-C based peripheral neural mesh electrode. In the future, I will develop long term peripheral nerve tracking by developing the insertion technique which have minimal damage to peripheral nerve and improving the electrode impedance

AAO 기반 고종횡비 나노구조 Parylene-C 필름을 사용한 OLED 소자의 광추출 특성에 대한 연구

이주환 국립한밭대학교 대학원 2026 국내석사

액체 기판 위에 선형 중합체 Parylene-C의 동력학적 거침 연구

신중유 전북대학교 일반대학원 2022 국내석사

In this thesis, the surface morphology of Parylene-C films grown on liquid substrates has been measured and analyzed within the framework of dynamic scaling theory. In the initial growth regime (d < 200 nm), Parylene-C films grown on liquid substrates display a network structure. This growth behavior is completely different from the growth behavior observed on solid substrates in which three-dimensional island growth is observed due to strong intermolecular interactions between polymer chains. However, despite the difference in the initial growth behavior, the surface morphology in the continuous regime over the d = 200nm becomes identical independent of the substrate (or initial growth condition). Characteristic scaling exponents are measured as α = 1.74, β = 0.248 ± 0.01, 1/z = 0.175 ± 0.022, α_loc= 0.738 ± 0.017, and α_s= 0.986 ± 0.056. So α>α_s~1, which correspond to Intrinsic anomalous roughening.

페럴린 증착에 따른 고종횡비 AAO 의 기계적 특성 분석

정민교 국립한밭대학교 산업대학원 2025 국내석사

본 연구는 고종횡비(high aspect ratio)의 나노 단위 기공을 포함한 다공성 구조체인 양극산화알루미늄(AAO)에 Parylene-C 를 증착하여 기계적 물성 향상을 정량적으로 분석한 것이다. 다양한 증착량에 따른 AAO 시편을 제작한 후 단면 구조를 SEM(주사전자현미경)과 EDS(에너지 분산형 X 선 분광 분석)을 통해 관찰 하였다. 또한 기공률을 고려한 이론 모델을 적용하여 탄성계수를 계산하였으며, 3 점 굽힘 시험을 통해 측정된 파단 변위를 바탕으로 파단 하중과 응력을 산출하였다. 실험 결과 Parylene-C 의 증착량이 증가할수록 파단 응력 또한 증가하였고, 최대 약 3.8 배의 향상 효과가 나타났다. 이러한 결과는 Parylene-C 가 기공 내부 벽면을 효과적으로 보강함으로써 구조적 강성이 향상된 것으로 해석된다. 본 연구는 고종횡비를 갖는 나노 다공성 구조체의 기계적 특성을 향상시키기 위한 실용적이고 효율적인 접근 방식을 제안하며, 향후 나노 구조체 기반의 소재 설계에 있어 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.

Parylene-C 기반의 생체 적합 유기 및 산화물 박막 트랜지스터 개발

김경민 서울시립대학교 일반대학원 2023 국내석사

Recently, research has been actively conducted to manufacture and apply various devices, such as transistors and electrodes, using organic materials. Organic thin-film transistors (OTFTs) fabricated on a biocompatible Parylene-C substrate can be applied to biosensors using a simple and cost-effective process. In this study, I developed biocompatible OTFTs by using organic materials to fabricate the substrate, gate dielectric, channel, and passivation layer. Poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and was used to fabricate the OTFTs on a Parylene-C-based platform. In addition, we also developed oxide TFTs using IGZO on the same platform. As the gate dielectric, Parylene-C showed promising insulation properties. Finally, we generated a cyclic olefin polymer (COP) passivation layer to protect P3HT from oxygen and moisture, and the effect of the COP passivation layer on the P3HT channel was analyzed. The proposed materials and fabrication methods will be useful for various bio-applications of OTFTs. 최근 유기물을 사용하여 transistor, 전극 등 다양한 소자를 제작하고 응용하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 유연하고 생체 적합한 기판에 제작된 Organic Thin Film Transistor(OTFT)는 단순한 공정과 저비용의 장점에 더해 바이오 분야로의 응용이 가능하다는 장점을 갖는다. 본 연구에서는 substrate와 gate dielectric, channel, 그리고 passivation에 유기물과 고분자를 이용한 biocompatible하고 flexible한 OTFT와 다양한 이점을 가지는 유기 기판 위에 산화물 반도체 물질인 IGZO를 channel 물질로 이용한 TFT에 대해서 보고한다. 본 논문에서는 높은 유연성과 투명도, 내화학성 및 생체적합성을 가진 Parylene-C를 substrate 및 dielectric layer로 사용했으며, 비교적 높은 전자이동도를 가지는 고분자 재료인 Poly(3-hexylthiophene) (P3HT)를 channel 물질로 이용하였다. 또한 Cyclic olefin polymer를 이용하여 수분 및 산소에 취약한 P3HT를 보호하는 passivation layer를 형성하였다. 추가적으로 본 논문에서는 제작 방법과 성능 측정을 통해 OTFT가 갖는 이점과 COP passivation의 유무에 따른 성능 차이를 측정을 통해 보고하였다.

뉴로모픽 응용을 위한 Parylene-C 기반의 RRAM Array 제작 및 분석 : Fabrication and Analysis of Parylene C-based RRAM Array for Neuromorphic Applications

김조은 서울시립대학교 일반대학원 2023 국내석사

저항 변화 메모리(Resistve Random-Access Memory 또는 RRAM)는 인공신경망의 가속화를 위한 뉴로모픽 시스템을 구현하기 위하여 연구되고 있다. 본 연구에서는 저항 스위칭 층과 기판을 모두 polychloro-para-xylene (parylene C 또는 PPXC)를 사용한 RRAM crossbar array를 제작하였다. PPXC는 유연하고 투명한 고분자로 화학적 안정성과 생체적합성이 우수한 물질이다. 제작된 PPXC 기반의 RRAM 소자는 Ti/PPXC/Cu 및 Cu/PPXC/Ti 구조를 갖는다. Ti/PPXC/Cu 구조를 갖는 소자들은 낮은 set 전압<1 V, 우수한 retention 시간>104 초, endurance cycle>300, ON/OFF state의 전도도 비율>10, 기계적 bending cycle>350과 같은 안정적인 전기적 및 기계적 특성을 보였다. 또한, 소자의 전기적, 구조적, 화학적 특성을 분석하여 구체적인 소자의 스위칭 및 전도 메커니즘을 조사하였다. 마지막으로, Modified National Institute of Standards and Technology(MNSIT) 데이터베이스를 사용한 시스템 수준의 시뮬레이션을 통해 제작된 RRAM array의 뉴로모픽 응용 가능성을 입증하였다. 실제 소자의 variation을 반영한 시뮬레이션 결과는 PPXC 기반의 RRAM array를 사용하여 개발된 인공 신경망이 성공적으로 패턴 인식을 수행함을 보여주었다. 이 연구의 결과는 차세대 wearable 뉴로모픽 시스템 개발에 도움이 될 것이라 기대된다. Resistive random-access memory (RRAM) has been explored to implement neuromorphic systems to accelerate neural networks. In this study, an RRAM crossbar array using parylene C (PPXC) as both a resistive switching layer and substrate was fabricated. PPXC is a flexible and transparent polymer with excellent chemical stability and biocompatibility. Fabricated PPXC-based RRAM devices have Ti/PPXC/Cu and Cu/PPXC/Ti structures. Devices with the Ti/PPXC/Cu structure offer stable electrical and mechanical characteristics, such as a low set voltage of <1 V, good retention time of >104 s, endurance cycles of >300, conductance ON/OFF ratio >10, and can withstand >350 mechanical bending cycles. Additionally, the switching and conduction mechanisms of the devices were carefully investigated by analyzing their electrical, structural, and chemical properties. Finally, the feasibility of the fabricated RRAM array for neuromorphic applications through system-level simulations using the Modified National Institute of Standards and Technology database was demonstrated. The simulation results reflecting the variations of realistic devices demonstrated that the artificial neural network developed using the PPXC-based RRAM array works satisfactorily in pattern recognition tasks. The findings of this study can aid in the development of future wearable neuromorphic systems.

용액 공정 가능한 DPP-DTT 고분자를 이용한 유연하고 반투명한 유기 박막 트랜지스터

고유정 서울시립대학교 일반대학원 2024 국내석사

플렉시블 디스플레이와 바이오센서에 적용이 가능한 유기 박막 트랜지스터의 필수적 요소는 유연성과 생체 적합성이다. 이에 더해 투명성을 확보할 경우, 기존의 장치보다 시각적으로 자연스럽고 효과적으로 주위 환경과 상호작용하는 투명 전자 장치를 제작할 수 있다. 기존의 유기 박막 트랜지스터는 플라스틱 기판 위에 제작되어 유연성을 만족시키지 못한다. 또한 기존에 사용되었던 투명 전극 소재인 ITO(Induim Tin Oxide, 산화 인듐 주석)는 희귀 원소가 사용되어 가격 경쟁력이 낮고 물리적인 변형에 약해 전극의 성능이 떨어지는 단점이 있어 유연 소자에 적용하기에는 한계가 있다. 또한 유기 채널 물질로 사용되는 펜타센(Pentacene) 등은 별도의 진공 증착 과정이 필요해 공정 복잡도가 높고 공정비용이 높다는 단점이 있다. 본 연구에서는 Parylene-C와 DPP-DTT, PEDOT:PSS 라는 고분자를 이용해 이러한 요소를 만족하는 유기 박막 트랜지스터를 개발하였다. Parylene-C는 기판과 게이트 절연체로 사용되어 유기 박막 트랜지스터 장치의 유연성과 curved-condition에서의 사용 가능성을 보장하고, 게이트 절연체로 사용될 때 게이트 누설 전류를 효과적으로 차단하여 안정성을 높이는 장점을 가지고 있다. 게이트 전극으로 사용된 PEDOT:PSS는 가공이 쉽고 저렴하며, 투명하고 높은 유연성을 가져 투명 유연 전극의 소재로 적합하다. 또한, 채널 물질로 사용된 DPP-DTT는 p-type 고분자로써, 진공 증착 과정 없이 용액 공정과 spin-coating만으로 박막 형성이 가능하고 높은 이동도(mobility)와 공기 안정성을 가진다. 또한 photo-lithography를 통해 간단하게 패턴 형성이 가능해 제조 공정을 간소화하고 비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서는 Parylene-C를 기판과 게이트 절연체로, DPP-DTT를 채널 물질로, PEDOT:PSS를 게이트 물질로 사용하여 유연하고 반투명한 유기 박막 트랜지스터를 제작하였으며 flat-condition과 curved-condition에서의 전기적 특성과 채널 길이에 따른 히스테리시스 현상에 대해 분석하였다. Organic thin-film transistors (OTFTs) with flexibility, transparency, and biocompatibility are essential for applications in flexible displays and biosensors. These characteristics can be achieved through transparent substrates and electrodes. Conventional OTFTs fabricated on plastic substrates fail to satisfy flexibility requirements. Additionally, the use of Indium Tin Oxide (ITO) as a transparent electrode presents drawbacks due to its reliance on rare elements, limited cost competitiveness, and susceptibility to physical defects, making it impractical for flexible devices. Moreover, organic channel materials like Pentacene require separate vacuum deposition processes, leading to increased process complexity and costs. In this study, we developed OTFTs that meet these criteria using Parylene-C, DPP-DTT, and PEDOT:PSS polymers. Parylene-C serves as both the substrate and gate dielectric, ensuring flexibility and usability under curved conditions while providing very low gate leakage current when used as a gate dielectric. PEDOT:PSS, employed as the gate electrode, offers ease of processing, cost-effectiveness, transparency, and high flexibility, making it suitable for transparent flexible electrodes. Additionally, DPP-DTT, serving as the channel material, is a p-type polymer that allows film formation via solution processes and spin-coating without the need for vacuum deposition. It provides high mobility and air stability. Moreover, its compatibility with simple photo-lithography facilitates pattern formation, streamlining manufacturing processes and reducing costs. In this research, OTFTs were fabricated using Parylene-C as the substrate and gate dielectric, DPP-DTT as the channel material, demonstrating flexibility and transparency. Electrical characteristics under curved conditions and hysteresis phenomena concerning channel length were analyzed.