노즐 프린팅 공정기반 확장 게이트 구조를 갖는 유기전기화학트랜지스터의 전기적 특성 분석 = Analysis of the Electrical Properties of OrganicElectrochemical Transistors with a Nozzle Printing Process-Based Extended-Gate Structure

국문 초록 (Abstract)

노즐 프린팅 공정기반 확장 게이트 구조를 갖는 유기전기화학트랜지스터의 전기적 특성 분석 상지대학교 일반대학원 반도체공학과 정찬영 유기 전기화학 트랜지스터(OECT)는 전해질로부터 이온을 주입하고 추출하여 채널 전도도를 조절함으로써 저전압 작동과 높은 민감도를 가능하게 합니다. 이러한 특성은 OECT 를 생체 신호 모니터링, 이온 센싱 및 인간-기계 인터페이스와 같은 생체 전자 응용 분야에 적합하다. 그러나 기존의 OECT 구조는 일반적으로 게이트와 채널 사이에 공통의 전해질을 사용하며, 이는 게이트 열화, 측정 조건 의존성 및 비선형 전기화학 반응을 초래할 수 있다. 이러한 요소들은 장치의 안정성과 재현성에 제한적이다. 이 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 인쇄 공정을 통해 제작된 확장 게이트 OECT 를 개발했다. 확장 게이트 설계는 게이트와 채널을 별도의 전해질 경로로 전기적으로 분리하여 게이트 열화를 완화하고 신호 잡음을 줄일 수 있다. 장치 제작은 잉크 점도, 노즐 높이, 인쇄 속도 및 적용 압력을 정밀하게 제어할 수 있는 Musashi 350 PC 시스템을 사용하여 수행되었다. PEDOT:PSS 는 활성 채널 재료로 사용되었고, 전해질과 전극 사이의 원하지 않는 접촉을 방지하기 위해 Teflon AF 1600/FC-40 층이 도입되었다. 제작된 장치의 전기적 특성은 채널 길이(2 mm 및 4 mm)와 전해질 농도(0.1, 0.01, 0.001 M NaCl)에 따른 변화에 따라 평가되었으며, 여기에는 전달, 출력 및 트랜스컨덕턴스 특성이 포함된다. 0.1 M 농도의 전해질에서 향상된 이온 주입은 증가하는 게이트 전압에 따라 드레인 전류가 급격히 감소하고, 임계 전압이 양의 방향으로 이동하며, 히스테리시스가 감소하는 결과를 나타내었다. 반면, 0.001 M 에서 작동하는 장치들은 전기화학적 활동이 감소하여 전류 조절이 서서히 이루어지고 임계 전압 변화가 최소화되었다. 트랜스컨덕턴스는 채널 길이에 따라 크게 달라졌고, 두 채널 길이 모두 유사한 피크 트랜스컨덕턴스 값을 보였지만, 2 mm 채널은 더 가파른 트랜스컨덕턴스 기울기와 좁은 피크를 보여 이온-전하 상호작용이 더 빠르고 균일함을 나타내었다. 반면 4 mm 채널은 더 넓은 트랜스컨덕턴스 피크와 더 완만한 변화를 보였으며, 이는 이온 확산의 지연 때문이다. 특히, 0.1 M 조건에서 2 mm 채널은 4 mm 채널보다 약 0.2–0.3 V 낮은 게이트 전압에서 트랜스컨덕턴스가 시작되었으며, 이는 짧은 채널이 이온 주입에 대해 더 높은 민감도를 가짐을 나타내었다. 이 결과들은 OECT의 전기적 성능을 결정하는 데 있어 채널 기하학, 전해질 구성 및 이온 수송 역학의 중요성을 보여주고 있다. 장치 구조, 전해질 조건 및 전기적 반응 간의 상관관계를 파악함으로써 고감도 센서, 빠른 반응의 이온 트랜지스터 및 저전력 생체 전자 인터페이스 장치 설계에 유용한 통찰을 제공할 수 있다고 생각한다. 핵심어: 유기전기화학트랜지스터, 전해질, 노즐 프린팅, 채널 길이, 이 온 농도

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Organic electrochemical transistors (OECTs) modulate channel conductivity through ion injection and extraction from an electrolyte, enabling low-voltage operation and high sensitivity. These attributes make OECTs ideal for bioelectronic applications such as bio-signal monitoring, ion sensing, and human–machine interfaces. However, conventional OECT architectures typically share a common electrolyte between the gate and channel, which can lead to gate degradation, measurement condition dependence, and nonlinear electrochemical reactions. These factors contribute to limited device stability and reproducibility.
In this study, an extended-gate OECT, fabricated using a printing process, was developed to overcome these challenges. The extended-gate design electrically separates the gate and channel via distinct electrolyte pathways, thereby mitigating gate degradation and reducing signal noise. Fabrication was carried out with a Musashi 350 PC system, which allowed precise control over ink viscosity, nozzle height, printing speed, and applied pressure. PEDOT:PSS was used as the active channel material, while a Teflon AF 1600/FC-40 layer was incorporated to prevent unwanted contact between the electrolyte and electrodes. The electrical performance of the devices was evaluated based on variations in channel length (2 mm and 4 mm) and electrolyte concentration (0.1, 0.01, and 0.001 M NaCl), including transfer, output, and transconductance characteristics.
At an electrolyte concentration of 0.1 M, enhanced ion injection resulted in a sharp decrease in drain current with increasing gate voltage, a positive shift in the threshold voltage, and reduced hysteresis. In contrast, devices operating at 0.001 M demonstrated diminished electrochemical activity, leading to gradual current modulation and minimal threshold voltage shifts. Transconductance was found to depend significantly on channel length. Although both channel lengths exhibited similar peak transconductance values, the 2 mm channel showed steeper transconductance slopes and narrower peaks, indicating faster and more uniform ion–charge interactions. The 4 mm channel, in contrast, displayed broader transconductance peaks and more gradual variation due to delayed ion diffusion. Notably, under the 0.1 M condition, the 2 mm channel exhibited a transconductance onset at gate voltages approximately 0.2–0.3 V lower than that of the 4 mm channel, demonstrating greater sensitivity to ion injection in shorter channels.
These findings underscore the importance of channel geometry, electrolyte composition, and ion transport dynamics in determining OECT electrical performance. The correlations identified between device structure, electrolyte conditions, and electrical response offer valuable insights for the design of high-sensitivity sensors, fast-response ion transistors, and low-power bioelectronic
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Keywords: Organic Electrochemical Transistor, Electrolyte, Nozzle Printing, Channel length, Ion-concentration

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 제 2 장 이론적 배경 3
• 2.1 OECT 소자구조 및 동작원리 3
• 2.1.1 Vatical 구조 OECT 의 특징과 한계 3
• 2.1.2 Planer 구조를 갖는 extended gate OECT 특징 5
• 2.2 PEDOT:PSS 의 채널물질 재배열 6
• 2.3 Transconductance(gm) 특성 7
• 2.3.1 OECT 에서의 gm 특성 7
• 2.4 OECT 소자 제작용 공정장비 8
• 2.4.1 노즐 기반 프린팅 공정 개요 8
• 2.4.2 열 증착 공정 개요 11
• 2.4.3 커피링 효과 및 잉크 건조 메커니즘 12
• 제 3 장 실 험 방 법 14
• 3.1 용액 준비 14
• 3.2 기판 세정 15
• 3.3 프린팅 기반 OECT 제작 16
• 3.3.1 소자 구조 16
• 3.3.2 전극 증착 16
• 3.3.3 PTFE 격벽 프린팅 17
• 3.3.4 PEDOT:PSS 채널 프린팅 19
• 3.4 공정 매개변수 설정 및 최적화 20
• 3.4.1 매개변수 최적화 21
• 제4장 결과 및 고찰 24
• 4.1 프린팅 기반 구조 특성 분석 24
• 4.1.1 PTFE 격벽의 형상 및 품질 분석 24
• 4.1.2 PTFE 격벽의 연속성 분석 25
• 4.2 PEDOT:PSS 채널의 표면 특성 분석 26
• 4.2.1 DMSO 첨가에 따른 표면 거칠기 분석 26
• 4.2.2 GOPS 첨가에 따른 박막 균일성 28
• 4.3 채널 길이 및 전해질 농도 변화에 따른 OECT 소자의 전기적 특성
• · 30
• 4.3.1 전송 (Transfer curve) 특성 30
• 4.3.2 출력 (Output curve) 특성 33
• 4.3.3 Transconductance 특성 35
• 제 5 장 결론 38
• 참고문헌 39
• Abstract 44