글루코스 센서를 위한 인듐 기반 산화물 박막 트랜지스터 연구 = Indium based oxide thin film transistors for glucose sensor

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Glucose plays a key factor in human metabolism processes and abnormal glucose levels in blood or body fluids are directly related to diabetes. To continuous glucose monitoring, should be considered non-invasive method using body fluids (such as tear, sweat, urine, saliva, etc.), instead of invasive method which induced painful to extract the blood. This requires a high sensitivity under low glucose concentration, because the glucose concentration in body fluids are much lower than blood. The oxide thin film transistor (oxide-TFT) based glucose sensor can be one of the diverse candidates to obtain high sensitivity. Because oxide-TFTs have a lot of advantages such as high sensitivity, good chemical resistance, rapid electrical detection, and easy fabrication process and so on. The previous studies showed the high sensitive performance of sensor based on electrical analysis, but more efforts are needed in order to increase the field effect mobility, improve the uniformity of thin films, immobilization of bio-receptors, and interface compatibility of oxide thin film and bio-receptors. Also, they comprehensively did not show the any electronic structure variation.
For this reason, we tried to fabricate of indium oxide (InO), zinc (Zn) doped indium oxide (IZO), and gallium (Ga) doped indium oxide (IGO) -TFTs easily using the co-sputtering system, and applied to glucose sensor. and then evaluated the detection characteristics according to the glucose concentration in 1 x phosphate buffered saline (1 x PBS) solution. Also, their surfaces were modified through surface functionalization method to improve detection characteristics according to glucose concentration. The detection performances of glucose were improved through the Zn, Ga doping, and the surface functionalization process. The effects of Zn and Ga doping, respectively as well as surface modification on the changes of surface states, electronic structure, chemical bonding states, and band alignments were systematically examined. The mechanism of glucose detection properties was described through changes of electrical properties and physical analysis.

국문 초록 (Abstract)

글루코스(포도당)는 인간의 신진 대사 과정에서 핵심적인 요소이며, 혈액 또는 체액의 비정상적인 글루코스 수치는 당뇨병과 직접적인 관련이 있다. 지속적인 포도당 모니터링을 위해서는 혈액 추출에 통증을 유발하는 침습적인 방법 대신, 체액 (눈물, 땀, 소변, 타액 등)을 사용하는 비침습적인 방법이 고려되어야 한다. 체액 내 글루코스 농도가 혈액보다 훨씬 낮기 때문에 낮은 글루코스 농도에 대한 높은 감도가 필요하다. 산화물 박막 트랜지스터기반 센서는 고감도를 얻기 위한 다양한 후보 중 하나가 될 수 있다. 산화물 박막 트랜지스터는 고감도, 우수한 내화학성, 빠른 전기적 감지, 쉬운 제조 공정 등과 같은 많은 장점을 가지고 있기 때문이다. 이전 연구에서는 전기적 분석 위주로 센서의 고감도 성능을 보여주었지만, 전계 효과 이동도 증가와 박막의 균일성 향상, 생체 수용체 고정화 향상. 산화물 박막 표면과 생체 수용체 계면 호환성 향상을 위해서는 더 많은 노력이 필요하다. 또한 이전 연구에서는 전자 구조의 변화를 종합적으로 보여주지 않았다.
본 연구에서는 인듐 산화물 (InO), 아연 (Zn) 도핑된 인듐 산화물 (IZO), 갈륨 (Ga) 도핑된 인듐 산화물 (IGO) 반도체 박막 트랜지스터를 글루코스 센서에 적용했다. 또한 글루코스 검출 성능을 향상시키기 위해 표면 기능화 방법을 사용하였다. 글루코스 센서를 위한 인듐 기반 및 표면 기능화 된 인듐 기반 산화물 박막 트랜지스터의 글루코스 검출 특성은 인산완충생리식염수 (1 x PBS) 용액 내 글루코스 농도에 따라 평가 되었다. 글루코스 검출 성능은 각 아연, 갈륨 도핑 및 표면 기능화 과정을 통해 향상되었다. 도핑된 물질과 기능화 된 표면이 글루코스 감지 특성에 미치는 영향을 전기적 특성과 전자 구조와 전기적 메커니즘을 통해 기술하였다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Brief overview of glucose biosensor 1
• 1.1.1 Principles of TFT based conformal biosensor 5
• 1.1.2 Evaluation of TFT based biosensor performance 17
• 1.1.3 Representative semiconductor material 20
• 1.2 Glucose sensor based on oxide-TFT 25
• 1.2.1 Device design and sensing mechanism 26
• 1.2.2 Issues in oxide-TFT based glucose sensor 29
• Chapter 2. Experiments 31
• 2.1 Fabrication method of In based oxide thin films and TFTs 31
• 2.2 Surface functionalization (SF) method 34
• 2.3 Evaluation of In based oxide-TFT 36
• 2.4 Analysis of In based oxide thin films 38
• 2.4.1 Spectroscopic Ellipsometry (SE) 38
• 2.4.2 X-ray Absorption spectroscopy (XAS) 40
• 2.4.3 X-ray Photoelectron spectroscopy (XPS) 40
• Chapter 3. InO, IZO, and IGO-TFTs for glucose sensor 43
• 3.1 Motivation 43
• 3.2 Experimental details 45
• 3.3 Results and discussion 48
• Chapter 4. Surface functionalized (w/ SF) InO, IZO, IGO-TFT for glucose sensor 64
• 4.1 Motivation 64
• 4.2 Experimental details 65
• 4.3 Results and discussion 67
• Chapter 5. Conclusion 84
• 국문요지 87
• RESEARCH ACHIEVEMENTS 89
• REFERENCE 96