KR20160105005A - Thin biosensor display platform - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 박형 바이오센서 디스플레이 플랫폼에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유연성 기판에 바이오센서와 디스플레이부를 장착하여 일체화함으로써 생체신호 정보를 즉각적으로 확인할 수 있는 플랫폼에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
바이오센서란 생물이 가지고 있는 기능을 이용해서 물질 특히 유기화합물의 상태와 농도를 측정하는 기계이다. 대부분은 효소반응을 이용하여 물질을 검사한다. 효소나 미생물, 동식물세포 등의 생체촉매가 특정물질과 선택적으로 잘 반응하는 것을 이용한 센서이기 때문에 생체촉매를 고정화한 측정기기를 바이오센서라고 부른다.Biosensors are machines that measure the state and concentration of substances, especially organic compounds, using the functions of living things. Most use enzymatic reactions to examine the substance. Biosensors, such as enzymes, microorganisms, animal and plant cells, and the like, are sensors that utilize the selective reaction of a biocatalyst with a specific substance. Therefore, a measurement device in which a biocatalyst is immobilized is called a biosensor.
이러한 바이오센서의 종류로는 효소센서, 면역센서, DNA 센서 등 많은 종류가 있으나, 최근에는 당뇨병 환자의 혈당을 체크하기 위한 혈당 센서가 많이 사용되고 있는 실정이다.There are many kinds of biosensors such as enzyme sensors, immunosensors, and DNA sensors. Recently, however, blood glucose sensors for checking blood glucose levels in diabetic patients have been widely used.
일반적으로 시장에서 사용되고 있는 혈당센서는 센서부분이 일회용이여서 연속적인 측정을 할 수 없다는 문제가 있다. 따라서 사용자가 잠을 자는 밤 시간대의 혈당 변화를 측정하기에는 무리가 있는 실정이다.Generally, the glucose sensor used in the market has a problem that the sensor part is disposable and can not be continuously measured. Therefore, it is difficult to measure the change in blood glucose at night when a user sleeps.
또한, 현재 사용되는 연속측정 혈당센서는 일회용 혈당센서와 달리 센서를 장착시 전문 의료인이 필요하고 별도의 모니터 등 혈당 변화를 측정하기 위한 디스플레이부가 필요하다.Also, unlike disposable blood glucose sensors, currently used continuous blood glucose sensors require a specialist to install a sensor, and a display unit for measuring blood glucose changes such as a separate monitor is required.
이러한 기술상황 및 시장상황에서 바이오센서 수요자들은 혈당과 같은 생체상태를 반복적 연속적으로 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 쉽게 몸에 장착할 수 있는 바이오센서를 필요로 하고 있는 실정이다.In such a technical situation and market situation, biosensor consumers need a biosensor capable of repeatedly and continuously measuring biological conditions such as blood sugar as well as being easily mounted on the body.
따라서 본 명세서에서는 위와 같은 기술 및 시장의 필요를 충족시킬 수 있는 바이오센서 플랫폼을 제안하고자 한다.Therefore, the present invention proposes a biosensor platform that can meet the above-described technology and market needs.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 유연하고 얇은 바이오센서 디스플레이 플랫폼을 사용자에게 제공하는데 그 목적이 있다. It is an object of the present invention to provide a flexible and thin biosensor display platform to a user.
구체적으로, 바이오센서 측정값을 초박막 플렉서블 디스플레이 플랫폼에 일체형으로 표시할 수 있게 됨으로써 생체신호 정보의 수집 및 표시의 폭을 넓히는 데 그 목적이 있다.Specifically, the biosensor measurement value can be displayed integrally on the ultra-thin flexible display platform, thereby broadening the collection and display of biosignal information.
또한, 각종 신체의 곡면에 탈부착이 가능한 웨어러블 생체신호 정보시스템 구축이 가능해지고, 간편한 생체신호 표시 플랫폼의 개발로 인해 원격진료, 응급진료, 재택진료 등에 적절한 POC(Point Of Care)를 이루고자 하는 데 그 목적이 있다.In addition, it is possible to construct a wearable bio-signal information system capable of attaching to and detaching from various curved surfaces of various bodies. With the development of a simple bio-signal display platform, it is desired to achieve a point of care (POC) suitable for telemedicine, emergency treatment, There is a purpose.
또한, 작은 전력으로 플랫폼의 바이오센서와 디스플레이를 구동시키고자 하는 데 그 목적이 있다.It is also intended to drive the platform's biosensor and display with low power.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory and are not intended to limit the invention to the precise form disclosed. It can be understood.
상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일예와 관련된 박형 바이오센서 디스플레이 플랫폼은 기판, 상기 기판의 적어도 일부에 장착되고, 측정 대상물로부터 감지신호를 생성하는 바이오센서, 상기 기판의 적어도 일부에 장착되고, 상기 바이오센서가 생성한 감지신호를 표시하는 디스플레이부 및 상기 바이오센서와 상기 디스플레이부를 전기적으로 연결하는 회로를 포함하고, 상기 회로는 상기 기판 상에 직접 인쇄되어 일체로 형성될 수 있다.A thin-type biosensor display platform according to one embodiment of the present invention for realizing the above-mentioned problems includes a substrate, a biosensor mounted on at least a part of the substrate and generating a sensing signal from the measurement object, A display unit for displaying a sensing signal generated by the biosensor, and a circuit for electrically connecting the biosensor and the display unit. The circuit may be directly printed on the substrate to be integrally formed.
또한, 상기 기판은 유연성 기판일 수 있다.Further, the substrate may be a flexible substrate.
또한, 상기 바이오센서는 상기 기판에 박형으로 구현되는 전기화학식 센서 및 압전식 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In addition, the biosensor may include at least one of an electro-chemical sensor and a piezoelectric sensor that is thinly formed on the substrate.
또한, 상기 디스플레이부는 LED(Light emitting diode), TCD(Thermochromic display) 및 ECD(Electrochromic Display) 중 적어도 하나를 사용할 수 있따.Also, the display unit may use at least one of a light emitting diode (LED), a thermochromic display (TCD), and an electrochromic display (ECD).
또한, 상기 LED의 소자는 굴절률이 서로 다른 복수의 봉지재가 적층된 봉지구조를 포함하고, 상기 복수의 봉지재 사이의 계면은 볼록 또는 오목하게 형성될 수 있다.In addition, the LED element may include a sealing structure in which a plurality of sealing materials having different refractive indexes are laminated, and the interface between the sealing materials may be convex or concave.
또한, 상기 회로는 TFT(Thin Film Transistor)소자를 포함하고, 상기 TFT소자는 ZTO(Zinc tin oxide) 반도체층이 게이트 절연층 위에 코팅된 것이며, 상기 게이트 절연층은 아세토니틸(acetonitile)과 에틸렌 글리콜(ethylene glycol)의 혼합용액에 전구물질인 알루미늄 니트레이트 노나하이드레이트(Aluminum nitrate nonahydrate)가 0.1M의 농도로 용해된 용액 또는 2-methoxyethanol 용매에 지로코늄(Zironium)이 0.2M의 농도로 용해된 용액에 의해 형성될 수 있다.In addition, the circuit includes a TFT (Thin Film Transistor) element, wherein the TFT element is a zinc tin oxide (ZTO) semiconductor layer coated on the gate insulating layer, and the gate insulating layer is made of acetonitile and ethylene A solution of aluminum nitrate nonahydrate in a concentration of 0.1 M or a solution of zirconium in a concentration of 0.2 M in 2-methoxyethanol solvent in a mixed solution of ethylene glycol Solution.
또한, 상기 회로는 상기 바이오센서의 아날로그 신호를 입력받아 디지털 신호로 출력하는 A/D 컨버터를 포함할 수 있다.In addition, the circuit may include an A / D converter that receives an analog signal of the biosensor and outputs the analog signal as a digital signal.
또한, 상기 기판은 가로 10cm 이하, 세로 5cm 이하 및 두께 3mm 이하일 수 있다.In addition, the substrate may be 10 cm or less in width, 5 cm or less in length, and 3 mm or less in thickness.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 유연하고 얇은 바이오센서 디스플레이 플랫폼을 사용자에게 제공할 수 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a flexible and thin biosensor display platform to a user.
구체적으로, 바이오센서 측정값을 초박막 플렉서블 디스플레이 플랫폼에 일체형으로 표시할 수 있게 됨으로써 생체신호 정보의 수집 및 표시의 폭을 넓힐 수 있다.Specifically, since the biosensor measurement values can be displayed integrally on the ultra-thin flexible display platform, it is possible to broaden the collection and display of biosignal information.
또한, 각종 신체의 곡면에 탈부착이 가능한 웨어러블 생체신호 정보시스템 구축이 가능해지고, 간편한 생체신호 표시 플랫폼의 개발로 인해 원격진료, 응급진료, 재택진료 등에 적절한 POC(Point Of Care)를 이룰 수 있다.In addition, it is possible to construct a wearable bio-signal information system capable of attaching and detaching to various curved surfaces of various bodies, and development of a simple bio-signal display platform makes it possible to achieve a point of care (POC) appropriate for telemedicine, emergency treatment, and at-home medical treatment.
또한, 작은 전력으로 플랫폼의 바이오센서와 디스플레이를 구동시킬 수 있다.In addition, the platform biosensor and display can be driven with a small power.
또한, 5V 이내의 문턱전압과 8cm2/Vs 이내의 전자 이동도를 갖는 용액 공정된 TFT소자를 제공할 수 있다.Further, it is possible to provide a solution-processed TFT element having a threshold voltage of 5 V or less and electron mobility of 8 cm < 2 > / Vs or less.
또한, 구동속도가 10kHz이상인 박막회로 패널을 포함하여 센싱을 빠르게 할 수 있는 바이오센서 플랫폼을 제공할 수 있다.In addition, a biosensor platform including a thin film circuit panel having a driving speed of 10 kHz or more can be provided.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.It should be understood, however, that the effects obtained by the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned may be clearly understood by those skilled in the art to which the present invention belongs It will be possible.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일 실시례를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른 박형 바이오센서 디스플레이 플랫폼의 외형이다.
도 2는 본 발명의 일 실시례에 따른 LED소자의 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시례에 따른 서로 다른 굴절률을 가지는 봉지재료를 적층한 LED의 봉지 구조를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시례에 따라 봉지재 적층형태에 따른 LED 소자의 광출력 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시례에 따라 서로 다른 봉지구조에서 LED 광의탈출경로를 나타낸 그림이다.
도 6은 본 발명의 일 실시례에 따른 TCD의 구조를 나타낸 그림이다.
도 7은 본 발명의 일 실시례와 관련된 인가전력에 따른 Mo 전극의 발열 온도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시례에 따라 1.05W로 구동시 시간에 따른 소자의 색 변화를 나타내는 사진이다.
도 9는 본 발명의 일 실시례에 따라 1.05W로 구동시 시간에 따른 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시레에 따라 ECD의 PTA 솔루션을 제작하기 위한 과정을 나타내는 그림이다.
도 11은 본 발명의 일 실시례에 따라 스핀코팅을 이용하여 막 코팅을 하는 것을 나타내는 그림이다.
도 12는 전기화학 증착법을 이용하여 WO3 막 코팅을 하는 그림이다.
도 13은 본 발명의 일 실시례에 따라 ECD소자의 구동 평가결과를 나타내는 사진
도 14는 본 발명의 일 실시례에 따라 증착 시간에 따른 폴리아닐린의 코팅균일도 결과를 나타내는 사진이다.
도 15는 본 발명의 일 실시례에 따라 열처리에 따른 ECD소자의 특성 변화를 나타낸 사진이다.
도 16은 본 발명의 일 실시례에 따른 부분증착을 위한 ITO 패턴 설계를 나타내는 그림이다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 일 실시례에 따른 ECD 소자 구동 결과이다.
도 19a 및 도 19b는 본 발명의 일 실시례에 따라 0.1M aluminum sulfate hydrate oxide 게이트 절연층을 사용한 ZTO TFT의 전기적 특성을 나타내는 transfer curve와 output curve이다.
도 20a 및 도 20b는 본 발명의 일 실시례에 따라 0.1M aluminum nitrate nonahydrate oxide 게이트 절연층을 사용한 ZTO TFT의 전기적 특성을 나타내는 transfer curve와 output curve이다.
도 21a 및 도 21b는 본 발명의 일 실시례에 따라 0.2M Aluminum chloride oxide 게이트 절연층을 사용한 ZTO TFT의 전기적 특성을 나타내는 transfer curve와 output curve이다.
도 22a 및 도 22b는 본 발명의 일 실시례에 따라 DI water 기반의 0.2M Zirconium oxide 게이트 절연층을 사용한 ZTO TFT의 전기적 특성을 나타내는 transfer curve와 output curve이다.
도 23a 및 도 23b는 본 발명의 일 실시례에 따라 2-methoxyethanol 기반의 0.2M Zirconium oxide 게이트 절연층을 사용한 ZTO TFT의 전기적 특성을 나타내는 transfer curve와 output curve이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate a preferred embodiment of the invention and, together with the description, serve to provide a further understanding of the technical idea of the invention, It should not be construed as limited.
1 is an external view of a thin type biosensor display platform according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view of an LED device according to an embodiment of the present invention.
3A to 3C are cross-sectional views showing an encapsulation structure of an LED in which encapsulating materials having different refractive indexes are stacked according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph illustrating changes in light output of an LED according to an embodiment of the encapsulant stacking method according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 5A through 5C illustrate escape paths of LED light in different encapsulation structures according to an embodiment of the present invention. FIG.
6 is a diagram illustrating the structure of a TCD according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing the exothermic temperature of a Mo electrode according to an applied electric power according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 8 is a photograph showing a change in color of an element with time when driven at 1.05 W according to an embodiment of the present invention. FIG.
9 is a graph illustrating a temperature change with time when driven at 1.05 W according to an embodiment of the present invention.
10 illustrates a process for fabricating a PTA solution of an ECD according to an embodiment of the present invention.
Figure 11 is a diagram illustrating film coating using spin coating in accordance with one embodiment of the present invention.
12 is a view illustrating a WO3 film coating using an electrochemical deposition method.
13 is a photograph showing a drive evaluation result of an ECD element according to an embodiment of the present invention
14 is a photograph showing the coating uniformity of polyaniline according to the deposition time according to one embodiment of the present invention.
15 is a photograph showing a change in characteristics of an ECD device according to an embodiment of the present invention.
16 is a diagram illustrating an ITO pattern design for partial deposition according to an embodiment of the present invention.
17 and 18 show results of driving an ECD element according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 19A and 19B are transfer curves and output curves showing the electrical characteristics of a ZTO TFT using a 0.1 M aluminum sulfate hydrate oxide gate insulating layer according to an embodiment of the present invention. FIG.
20A and 20B are transfer curves and output curves showing the electrical characteristics of a ZTO TFT using a 0.1M aluminum nitrate nonahydrate oxide gate insulating layer according to an embodiment of the present invention.
21A and 21B are transfer curves and output curves showing the electrical characteristics of a ZTO TFT using a 0.2M aluminum chloride oxide gate insulation layer according to an embodiment of the present invention.
22A and 22B are transfer curves and output curves showing the electrical characteristics of a ZTO TFT using a DI water based 0.2M zirconium oxide gate insulating layer according to an embodiment of the present invention.
23A and 23B are transfer curves and output curves showing the electrical characteristics of a ZTO TFT using a 2-methoxyethanol-based 0.2M zirconium oxide gate insulating layer according to an embodiment of the present invention.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시례에 대해서 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 일실시례는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 내용을 부당하게 한정하지 않으며, 본 실시 형태에서 설명되는 구성 전체가 본 발명의 해결 수단으로서 필수적이라고는 할 수 없다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the embodiment described below does not unduly limit the contents of the present invention described in the claims, and the entire configuration described in this embodiment is not necessarily essential as the solution means of the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른 박형 바이오센서 디스플레이 플랫폼의 외형이다.1 is an external view of a thin type biosensor display platform according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면 박형 바이오센서 디스플레이 플랫폼은 기판(100), 바이오센서(200), 디스플레이부(300), 회로(400) 및 전원공급부(500) 등을 포함할 수 있다.1, the thin type biosensor display platform may include a
다만, 도 1에 도시된 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 갖는 박형 바이오센서 디스플레이 플랫폼이 구현될 수도 있다.However, the components shown in Fig. 1 are not essential, and a thin biosensor display platform having more or fewer components may be implemented.
먼저, 기판(100)은 본 발명의 각 구성이 장착되는 몸체로서, 유연한(Flexible) 재질로 구성된다.First, the
예를 들어, 기(100)판은 폴리뷰틸렌 테레프탈레이트(Polybutylene Terephthalate), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 폴리술폰(polysulfone), 폴리 에테르(polyether), 폴리 에테르 이미드(Polyether lmide) 및 폴리아릴레이트(PAR:polyarylate) 중 어느 하나일 수 있다.For example, the (100) plate may be made of polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, polysulfone, polyether, polyether imide, Or PAR (polyarylate).
또한, 기판(100)의 크기는 본 발명의 웨어러블(Wearable) 디바이스로 사용될 때 편의성을 위해, 가로 10cm 이하, 세로 5cm이하 및 두께는 3mm이하로 형성됨이 바람직하다.
Also, for convenience, when the
다음으로, 바이오센서(200)는 측정 대상물로부터 정보를 얻을 때, 생물학적 요소를 이용하거나 생물학적 체계를 모방하여 색, 형광, 전기적 신호 등과 같이 인식 가능한 신호로 변환시켜주는 시스템이다. 즉, 기판의 적어도 일부에 장착되어 측정 대상물로부터 감지신호를 생성하는 구성이다.Next, the
바이오센서(200)의 신호변환 방식은 전기화학(electochemical), 열(thermal), 광학(optical), 역학적(mechanical) 등의 방식이 있다.The signal conversion method of the
기존 연구용 장비에 널리 사용된 바이오센서(200) 방식으로는 전기영동법, 질량분석법, 형광분석법 등이 있다. 전기영동법은 재현성이 좋지 않고, 알칼리성 단백질과 고분자 단백질 분리 어렵고, 자동화가 용이하지 않다는 단점이 있다. 또한, 질량분석법은 미지 시료를 분석할 수 있으나, 소형화가 어렵고, 다수의 시료를 초고속으로 분석하기 어렵다는 문제가 있다. 그리고 형광분석법은 모든 생체물질을 형광물질로 균일하게 표지해야 하는 불편함이 있다.Biosensor (200) methods widely used in existing research equipment include electrophoresis, mass spectrometry, and fluorescence analysis. The electrophoresis method has a disadvantage that the reproducibility is poor, the separation of the alkaline protein and the polymer protein is difficult, and the automation is not easy. In addition, the mass spectrometry can analyze unknown samples, but it is difficult to miniaturize them, and it is difficult to analyze a large number of samples at a very high speed. In addition, fluorescence analysis has the disadvantage of uniformly labeling all biomaterials with fluorescent materials.
최근의 방식으로는 표면 플라즈몬 공명법 (surface plasmon resonance: SPR)이 있는데 굴절률의 변화를 측정하여 생체물질의 상호작용을 인지할 수 있는 방식이다. 이 방식 형광물질과 같은 별도의 표지물질 없이 광학적 원리를 이용하여 분자들 간의 상호작용을 계측할 수 있고, 반응의 진행상황을 실시간으로 측정 가능하다.Recently, surface plasmon resonance (SPR) is a method that can recognize the interaction of biomaterial by measuring the change of refractive index. It is possible to measure the interaction between molecules by using optical principle without separate labeling substance such as fluorescent light of this method, and it is possible to measure progress of reaction in real time.
한편, 바이오센서(200) 작동의 기능적 요구 사항으로, 전기화학적 방식은 10nA ~ 10mA의 전류, 0.4V이하의 전압으로 구동된다. 또한, 광학식 방식은 12V로 구동되며, 장비의 크기를 줄이는데 한계가 많다. 본 발명에서는 소형 플랫폼을 구현하고자 하므로 저전압으로 구동되는 전기화학식 방식이 유리하고, 작은 전력을 요구하는 다른 방식인 압전소자를 이용하는 압전방식의 바이오센서(200) 또한 본 발명에서 사용될 수 있다. 또한, 이러한 방식으로 구동될 수 있는 혈당센서, 심전도류, 소변/타액, 호흡기 가스 센서가 본 발명을 구현하는 데 유리하다.
On the other hand, as a functional requirement of the operation of the
다음으로, 디스플레이부(300)는 바이오센서(200)가 생성한 감지신호를 표시하는 구성이다. 디스플레이부(300)는 기판(100)에 장착되므로 유연성을 가짐이 바람직하다. 따라서 유연한 디스플레이부(300)로 사용하기에 유리한 LED(Light emitting diode), TCD(Thermochromic display) 및 ECD(Electrochromic Display) 중 적어도 하나가 사용되는 것이 바람직하다.Next, the
먼저 LED는 갈륨비소 등의 화합물에 전류를 흘려 빛을 발산하는 반도체소자로, m 반도체의 p-n 접합구조를 이용하여 소수캐리어(전자 또는 정공)를 주입하고 이들의 재결합에 의하여 발광시키는 소자이다.First, a LED is a semiconductor device that emits light by flowing a current through a compound such as gallium arsenide, and injects a small number of carriers (electrons or holes) using a p-n junction structure of m semiconductors and emits light by recombination thereof.
도 2는 본 발명의 일 실시례에 따른 LED소자의 단면도로서, LED소자는 도 2와 같이 알루미나(Alumina)로 구성된 기판위에 LED 칩을 실장하고 알루미나(alumina)재질의 측벽을 형성하고 측벽 내부에 봉지재가 도포된 구조로 제작될 수 있다.FIG. 2 is a cross-sectional view of an LED according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the LED device includes an LED chip mounted on a substrate made of alumina to form a sidewall made of alumina, It can be manufactured with a structure in which an encapsulant is applied.
또한, 도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시례에 따른 서로 다른 굴절률을 가지는 봉지재료를 적층한 LED의 봉지 구조를 나타내는 단면도이다.3A to 3C are cross-sectional views illustrating an encapsulation structure of an LED in which encapsulating materials having different refractive indices are stacked according to an embodiment of the present invention.
도 3a는 서로 다른 굴절률을 가지는 봉지 재료를 적층하되, 두 개의 봉지 재료 계면이 평평한 LED 소자로서, LED 칩에서 발생된 빛의 반사를 줄인 것이다.3A is an LED device in which encapsulating materials having different refractive indexes are stacked, two encapsulating material interfaces are flat, and the reflection of light generated in the LED chip is reduced.
또한, 도 3b는 적층된 두 개의 봉지 재료의 계면을 곡률 반경을 20mm로 오목하게 제작하여 계면에서의 입사각을 변화시킨 것이며, 적층된 두 개의 봉지 재료의 계면을 곡률 반경을 20mm로 볼록하게 제작하여 계면에서의 입사각을 변화시킨 것이다.FIG. 3B is a view showing an example in which the interface between two stacked sealing materials is made by concave with a radius of curvature of 20 mm and the angle of incidence at the interface is changed. The interface between two stacked sealing materials is made convex to a radius of curvature of 20 mm The incident angle at the interface is changed.
이와 같이 3가지 구조에 따른 LED 광출력을 비교해보면 결과가 다음과 같다.The results of the LED light output according to the three structures are as follows.
도 4는 본 발명의 일 실시례에 따라 봉지재 적층형태에 따른 LED 소자의 광출력 변화를 나타낸 그래프이다.FIG. 4 is a graph illustrating changes in light output of an LED according to an embodiment of the encapsulant stacking method according to an embodiment of the present invention.
시험을 해본 결과, LED 소자의 광 출력은 적층된 봉지층의 계면 구조를 평평하게 제작한 경우에 비해 오목하게 제작한 경우의 광출력이 약 0.6% 증가하였고, 적층된 봉지층의 계면 구조를 평평하게 제작한 경우에 비해 볼록하게 제작한 경우의 광출력이 약 10.5% 증가하였다.As a result of the test, the light output of the LED device was increased by about 0.6% when the interfacial structure of the laminated encapsulation layer was made flat, compared with the case where the interfacial structure of the laminated encapsulation layer was made flat, The light output increased by about 10.5% when it was made convex.
한편, 각 봉지구조에 따른 LED 소자의 광탈출 경로와 광추출 효율을 비교해보았다.On the other hand, the light escape path and the light extraction efficiency of the LED device according to each bag structure were compared.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시례에 따라 서로 다른 봉지구조에서 LED 광의탈출경로를 나타낸 그림이다.FIGS. 5A through 5C illustrate escape paths of LED light in different encapsulation structures according to an embodiment of the present invention. FIG.
먼저, 도 5a를 참조하면, 평평한 형태로 적층된 봉지 구조를 가지는 LED 소자의 광출력 분석해본 결과 봉지재의 적층형태가 평평한 경우 도 5a의 (a)와 같은 광탈출 경로를 갖는데 이는 단일 층으로 봉지한 경우와 동일한 임계각 23.18°를 가지는 것으로 나타났다. 또한, LED 소자 밖으로 탈출하지 못한 빛은 LED 소자 내부로 반사되어 흡수되므로 광출력이 거의 개선되지 않았다. 이 경우의 광추출 효율은 약 8.07%가 된다.Referring to FIG. 5A, the light output of the LED device having the sealing structure laminated in a flat shape is analyzed. As a result, when the laminate of the encapsulant is flat, it has a light escape path as shown in FIG. 5A, The same critical angle 23.18 ° as in the one case. In addition, since the light which can not escape out of the LED element is reflected and absorbed into the LED element, the light output is hardly improved. In this case, the light extraction efficiency becomes about 8.07%.
다음으로, 도 5b를 참조하면, 오목한 형태로 적층된 봉지 구조를 가지는 LED 소자의 광출력 분석해본 결과 봉지재의 적층형태가 오목한 경우 도 5b의 (a)와 같은 광탈출 경로를 갖는데 반사되지 않고 LED 소자 외부로 빠져나갈 수 있는 빛의 임계각은 평평하게 적층된 봉지 구조보다 미세하게 감소하였다. 그러나 LED 소자 밖으로 탈출하지 못한 빛이 반사되어 도 5b의 (b), (c) 와 같이 곡면으로 입사하게 되는데 이때 곡면에 수직 법선에 따라서 입사각이 Ø만큼 변하여 빛이 추출 될 확률을 갖게 된다. 따라서 오목한 경우의 실제 추출되는 빛의 임계각은 23.74°로 광추출효율이 8.46%로 증가하여 평평하게 적층한 경우 보다 광 추출 효율을 증가된다.Next, referring to FIG. 5B, when the light output of the LED device having the sealing structure stacked in the concave shape is analyzed, when the laminated form of the sealing material is concave, the LED device has the light escape path as shown in FIG. The critical angle of light that can escape to the outside of the device is finer than the flat stacked bag structure. However, the light which has not escaped out of the LED element is reflected and enters into the curved surface as shown in (b) and (c) of FIG. 5b. At this time, the incident angle changes by Ø according to the vertical normal to the curved surface. Therefore, the critical angle of light extracted in the concave case is 23.74 °, the light extraction efficiency is increased to 8.46%, and the light extraction efficiency is increased as compared with the case of flattening.
또한, 도 5c를 참조하면, 볼록한 형태로 적층된 봉지 구조를 가지는 LED 소자의 광출력 분석해본 결과 봉지재의 적층형태가 오목한 경우 도 5c의 (a)와 같은 광탈출 경로를 갖는데 반사되지 않고 LED 소자 외부로 빠져나갈 수 있는 빛의 임계각이 증가한다. 또한, LED 소자 밖으로 탈출하지 못한 빛이 반사되어 도 5c의 (b), (c) 와 같이 곡면으로 입사하게 되는데 이때 곡면에 수직 법선에 따라서 입사각이 Ø만큼 변하여 빛이 추출 될 확률을 갖게 된다. 따라서 볼록한 경우의 실제 추출되는 빛의 임계각은 24.73°로 광추출효율이 9.1%로 증가하여 평평하게 적층한 경우 보다 광 추출 효율이 증가된다.Referring to FIG. 5C, when the light output of the LED device having the sealing structure stacked in a convex shape is analyzed, when the stacked form of the sealing material is concave, the LED device has a light escape path as shown in FIG. 5C, The critical angle of light that can escape to the outside increases. In addition, light that can not escape from the LED element is reflected, and enters into a curved surface as shown in (b) and (c) of FIG. 5c. At this time, the incidence angle changes by Ø according to the vertical normal to the curved surface. Therefore, the critical angle of light extracted in the convex case is 24.73 °, and the light extraction efficiency is increased to 9.1%, so that the light extraction efficiency is increased as compared with the case of flattening.
결과적으로, LED 소자의 복수의 봉지재의 굴절률이 서로 다르고 적층된 봉지재 사이의 계면이 볼록 또는 오목하게 형성되는 경우 광효율을 개선시킬 수 있으며, 작은 전력으로 효율적인 디스플레이를 구현할 수 있다.
As a result, when a plurality of encapsulants of the LED element have different refractive indices and the interface between the encapsulated encapsulants is convex or concave, the light efficiency can be improved and an efficient display with a small power can be realized.
다음으로, TCD(Thermochromic display)는 온도에 따라서 결정구조가 변하여 색이 바뀌는 디스플레이다.Next, a thermochromic display (TCD) is a display in which the crystal structure changes according to the temperature and the color changes.
도 6은 본 발명의 일 실시례에 따른 TCD의 구조를 나타낸 그림으로서, 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시례의 TCD의 구조로서 기판을 Soda lime glass (0.7t), 발열 전극으로 Mo, 3000Å(t), 감온변색재료로 40℃± 2℃의 경우 가열하지 않고 반응 할 수 있기 때문에 45℃ 감온변색 소자를 선정하였다.FIG. 6 is a diagram illustrating a structure of a TCD according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6, a structure of a TCD according to an embodiment of the present invention is shown in FIG. , 3000 Å (t), and 40 ℃ ± 2 ℃ as the thermochromic material, the 45 ℃ temp.
다음으로, 주울가열에 의한 Mo 전극의 발열 온도를 최적화하였다. Next, the heating temperature of the Mo electrode by Joule heating was optimized.
도 7은 본 발명의 일 실시례와 관련된 인가전력에 따른 Mo 전극의 발열 온도를 나타낸 그래프이다. 실험 결과, 1~1.5W 전력 인가 시 45℃ 도달 할 것으로 판단되었다.FIG. 7 is a graph showing the exothermic temperature of a Mo electrode according to an applied electric power according to an embodiment of the present invention. FIG. As a result of the experiment, it was judged that 45 ℃ could be reached when 1 ~ 1.5W power was applied.
다음으로, Thermo chromic 재료의 열처리 조건에 따른 색 변화시간을 최적화하였다. Next, the color change time was optimized according to the heat treatment condition of the thermo chromic material.
실험 결과, 표 1 및 표 2에 나타난 바와 같이 색 변화하는 시간이 짧은 경우는 200℃ 핫플레이트를 이용한 공정이 우수하고, 시간이 짧은 조건일수록 소모되는 전력이 감소하기 때문에 저전력의 측면에서는 핫플레이트를 이용한 공정이 적합한 것으로 판단되었다. 다만, 재료의 온도 오차 범위에 의한 색 변화 시간이 달라 질 수 있다.As a result of the experiment, as shown in Table 1 and Table 2, when the time for color change is short, the process using a 200 ° C hot plate is excellent, and since the consumed power decreases with a short time, It was judged that the process used was appropriate. However, the color change time due to the temperature error range of the material may be changed.
다음으로, 주울 가열을 이용한 TCD를 제작 및 구동해보았다.Next, TCD using Joule heating was fabricated and operated.
감온 변색 소자를 제작하기위해 선폭 0.5mm의 Mo를 이용하여 전극을 형성하였고 인쇄방법으로 스크린 프린팅 장비 사용였다. 또한, 경화 조건은 핫플레이트에서 200℃로 10분이고, 감온 변색 막 두께 약 10㎛이었다.In order to fabricate the thermochromic device, the electrode was formed using 0.5mm line width and screen printing equipment was used as a printing method. The curing conditions were 10 minutes at 200 占 폚 in a hot plate and about 10 占 퐉 in a thermochromic discoloration film thickness.
도 8은 본 발명의 일 실시례에 따라 1.05W로 구동시 시간에 따른 소자의 색 변화를 나타내는 사진이고, 도 9는 본 발명의 일 실시례에 따라 1.05W로 구동시 시간에 따른 온도 변화를 나타내는 그래프이다.FIG. 8 is a photograph showing color change of a device according to time when driven at 1.05 W according to an embodiment of the present invention. FIG. 9 is a photograph showing a change in temperature with time when driven at 1.05 W according to an embodiment of the present invention. FIG.
구동 결과, 도 8 및 도 9와 같이 구동 조건이 1.05W (15V, 0.07A)인 경우 약24초 이후부터 소자가 변색되기 시작하였고 약 40초 이후에는 완전히 흰색으로 변색되었다.
As shown in FIGS. 8 and 9, when the driving condition was 1.05 W (15 V, 0.07 A), the device began to discolor after about 24 seconds, and completely discolored after about 40 seconds.
다음으로, ECD(Electrochromic Display)는 전압(電整)을 가하거나 또는 전류를 통합함으로써 변색하는 물질을 사용한 표시 장치를 말한다.Next, an electrochromic display (ECD) refers to a display device using a substance that changes color by applying voltage or integrating a current.
도 10은 본 발명의 일 실시레에 따라 ECD의 PTA 솔루션을 제작하기 위한 과정을 나타내는 그림이다.10 illustrates a process for fabricating a PTA solution of an ECD according to an embodiment of the present invention.
WO3를 이용한 무기 재료 기반의 ECD 소자를 제작하기 위해 먼저 도 10과 같은 솔루션 제작 recipe를 확보하였다.In order to fabricate an inorganic material-based ECD device using WO 3 , a solution preparation recipe as shown in FIG. 10 was obtained.
먼저, PTA를 제작하기 위해 Na2WO4 2.94g을 미리 준비해놓은 100 ml의 H2O(증류수)에 용해시키고 주사기를 이용하여 HCl(37%) 6 ml를 첨가하여 노란색 침전물을 형성하였다. 형성된 노란색 침전물을 깔때기와 거름종이를 이용하여 물로 씻어낸 후 15 ml 과산화수소(H2O2, 30wt%)에 용해시키면 PTA솔루션을 얻을 수 있었다.First, 2.94 g of Na 2 WO 4 was dissolved in 100 ml of H 2 O (distilled water) to prepare PTA, and 6 ml of HCl (37%) was added using a syringe to form a yellow precipitate. The resulting yellow precipitate was washed with water using a funnel and filter paper, and then dissolved in 15 ml of hydrogen peroxide (H 2 O 2 , 30 wt%) to obtain a PTA solution.
다음으로, 도 11은 본 발명의 일 실시례에 따라 스핀코팅을 이용하여 막 코팅을 하는 것을 나타내는 그림이고, 도 12는 전기화학 증착법을 이용하여 WO3 막 코팅을 하는 그림이다.Next, FIG. 11 is a view showing a film coating using spin coating according to an embodiment of the present invention, and FIG. 12 is a view showing a WO 3 film coating using an electrochemical deposition method.
도 11과 같이 스핀코팅법을 이용하여 WO3를 코팅하고 저기화학 증착법을 이용하여 소자를 제작하였다. 소자를 제작할 때에는 PTA솔루션 40ml를 증류수 100ml에 첨가하여 전해 용액을 제조하고, 제조된 PTA 전해 용액을 비커에 담고 전기화학 증착 장비를 이용해서 작업 전극인 ITO기판과 상대전극인 백금 전극 사이에 -0.7V의 일정한 전위차를 40분간 유지시켜 주어 WO3막을 형성하였으며, WO3막이 코팅된 기판을 140℃의 hot plate에서 1시간 동안 열처리하여 기판과의 접착력을 향상시켰다.As shown in FIG. 11, WO 3 was coated by spin coating and a device was fabricated by chemical vapor deposition. In preparing the device, 40 ml of PTA solution was added to 100 ml of distilled water to prepare an electrolytic solution. The prepared PTA electrolytic solution was placed in a beaker, and an electrochemical deposition apparatus was used to form an ITO substrate between the working electrode and the counter electrode, a constant potential difference V given by keeping 40 minutes was a film WO 3, WO 3 and the substrate film is coated with heat-treated for one hour at the 140 ℃ hot plate improves the adhesion to the substrate.
도 13은 본 발명의 일 실시례에 따라 ECD소자의 구동 평가결과를 나타내는 사진으로서, 제작된 소자의 구동 결과 스핀코팅법에 의한 WO3막 코팅은 제대로 이루어지지 않았으나, 전기화학 증착법을 이용한 WO3막 코팅은 부분적으로 일어난 것을 확인 할 수 있었으며 ± 5V이내에서 투명한색과 짙은 푸른색을 나타내는 것을 확인 할 수 있었다.
FIG. 13 is a photograph showing the result of driving evaluation of an ECD device according to an embodiment of the present invention. As a result of the driving of the manufactured device, WO 3 film coating by the spin coating method is not properly performed. However, WO 3 It was confirmed that the film coating partially occurred, and it was confirmed that the coating showed a transparent color and a deep blue color within ± 5V.
또한, Poly-aniline을 이용한 유기물 기반의 ECD소자를 제작하기 위해 다음과 같은 실험과정을 거치고 실험결과를 획득할 수 있었다.In order to fabricate an organic-based ECD device using poly-aniline, the following experimental procedure was performed and experimental results were obtained.
먼저, aniline의 전기화학적 합성 recipe 확보하기 위해 0.91mL(~0.1M) 아닐린을 증류수 100mL에 전해질 파라톨루엔설폰산(p-toluenesulfonic acid) 19.02g(~0.1M)을 녹인 용액에 첨가시켜 자석 젖개로 저어주며 방치 하여 획득하였다. First, 0.91 mL (~ 0.1 M) of aniline was added to a solution of 19.02 g (~0.1 M) of electrolytic p-toluenesulfonic acid in 100 mL of distilled water to obtain an electrochemical synthesis recipe of aniline. It was obtained by stirring and left standing.
다음으로, 앞서 제조된 전해질, 용매로 구성된 혼합용액을 전극에 넣고 순환전압-전류법을 이용하여 합성하고, 포화카로멜전극에 대한 백금산화전극의 전위를 -0.2V ~ +0.8V의 범위에서 주사속도(scan rate)를 20mV/sec로 변화시켜가며 시료를 작업전극 표면위에 증착시켰으며, 전압을 +0.7V로 유지시키고 약 20분 정도 방치하여 획득하였다.Next, a mixed solution composed of the electrolyte and the solvent prepared above was placed in an electrode and synthesized using a cyclic voltammetric method. The potential of the platinum oxidation electrode with respect to the saturated carbomer electrode was adjusted in a range of -0.2 V to +0.8 V The sample was deposited on the working electrode surface at a scanning rate of 20 mV / sec. The voltage was maintained at + 0.7V and left for about 20 minutes.
또한, Poly-aniline 코팅 균일도 개선하기 위해 증착 시간에 따른 폴리 아닐린 코팅 균일도 시험을 해보았다.In addition, to improve the uniformity of the poly-aniline coating, the uniformity test of the polyaniline coating was performed according to the deposition time.
도 14는 본 발명의 일 실시례에 따라 증착 시간에 따른 폴리아닐린의 코팅균일도 결과를 나타내는 사진이다.14 is a photograph showing the coating uniformity of polyaniline according to the deposition time according to one embodiment of the present invention.
20분 증착 결과, 구동전압에 따른 색변화 결과는 -54일 때 가장 투명한 정도를 나타내지만 0V, 4V의 결과를 볼 때 전체적으로 균일한 코팅이 이루어지지 않았음을 확인 할 수 있었다.As a result of the deposition for 20 minutes, the result of color change according to the driving voltage showed the most transparent degree at -54, but it was confirmed that the uniform coating was not formed as a whole when the results of 0V and 4V were observed.
또한, 25분 증착 결과, 구동 전압에 따른 색변화 결과는 전체적으로 20분 증착한 소자에 비하여 poly-anilin의 코팅 균일 도가 향상 되었으나 부분적으로 변색이 이루어지지 않는 문제가 있었다.In addition, as a result of the 25-minute deposition, the result of the color change according to the driving voltage showed that the coating uniformity of the poly-anilin was improved, but the partial coloring was not performed.
또한, 30분 증착 결과, 구동 전압에 따른 색변화 결과는 전체적으로 폴리아닐린의 코팅이 균일 하게 이루어 졌으며 색 구현 역시 ±4V 내에서 가장 안정으로 동작하는 것을 확인할 수 있었다.In addition, as a result of 30 minutes deposition, the result of color change according to the driving voltage showed uniform coating of polyaniline as a whole, and it was confirmed that color implementation also operates most stable within ± 4V.
또한, 40분 증착 결과, 구동 전압에 따른 색변화 결과는 전체적으로 폴리아닐린의 코팅이 균일 하게 이루어 졌으나 폴리아닐린의 코팅이 과하게 이루어져 -5V 구동시 투명도가 확보되지 않았으며 4V 구동시 역시 푸른색 빛깔을 띄는 부분 외에 녹색 빛을 띄는 부분이 많아 색구분이 어려웠다.In addition, as a result of 40 minutes of deposition, the result of the color change according to the driving voltage was that the coating of polyaniline was uniformly performed as a whole, but the coating of polyaniline was excessively performed, so transparency was not ensured when driving at -5 V, In addition, there were many parts with green light, so it was difficult to distinguish colors.
결과적으로, 30분동안 증착하는 경우가 가장 바람직하다는 것을 확인할 수 있었다.As a result, it was confirmed that the deposition was most preferable for 30 minutes.
도 15는 본 발명의 일 실시례에 따라 열처리에 따른 ECD소자의 특성 변화를 나타낸 사진이다.15 is a photograph showing a change in characteristics of an ECD device according to an embodiment of the present invention.
색 균일도 및 구동 전압을 개선하기 위해 증착 후 열처리에 따른 ECD소자의 특성 변화를 살펴보았다.In order to improve the color uniformity and the driving voltage, the characteristics of the ECD device after annealing were examined.
도 15를 참조하면 열처리 하지 않은 결과, 전체적으로 폴리아닐린의 코팅이 균일하게 이루어 졌으나 폴리아닐린의 코팅이 과하게 이루어져 구동시 푸른색 빛을 띄는 부분 외에 녹색 빛을 띄는 부분이 많아 색구분이 어려웠다.Referring to FIG. 15, as a result of the non-heat treatment, the coating of polyaniline was uniformly performed as a whole, but coating of polyaniline was excessively performed, so that it was difficult to distinguish color due to a lot of green portions in addition to a portion of blue light.
또한, 열처리한 경우의 결과, 열처리 후 구동전압이 약 1~2V 낮아졌으며 구동 전압에 따른 변색이 뚜렷해졌다. 이것은 증착 후 열처리를 통해 솔벤트를 증발시켜 불순물을 제거하였기 때문이다.As a result of the heat treatment, the driving voltage after the heat treatment was lowered by about 1 to 2 V, and the discoloration due to the driving voltage became clear. This is because evaporation of the solvent by heat treatment after deposition removes the impurities.
다음으로, Poly-aniline의 부분 증착을 위해 다음과 같은 실험을 수행하였다.Next, the following experiment was conducted to partially deposit poly-aniline.
먼저, ITO 패턴을 제작하기 위해 도 16과 같이 필름마스크로 전극 패턴 폭의 한계는 200㎛ 이고 그 이상 500㎛인 경우에는 안정적으로 패터닝이 가능하므로 전극간의 거리를 1mm로 하였다. 또한, 3개의 패턴이 하나로 합쳐지는 공통전극을 사용하여 전기화학 증착법을 이용한 PA의 부분증착을 용이 하도록 하였다. 그리고, 개별 구동할 경우에 공통전극 부분을 잘라내 사용하여 부분적 구동을 가능하게 하였다.First, in order to fabricate the ITO pattern, as shown in FIG. 16, the limit of the width of the electrode pattern is 200 占 퐉 with the film mask, and when it is more than 500 占 퐉, the distance between the electrodes is 1 mm. In addition, using the common electrode in which the three patterns are integrated into one, the partial deposition of the PA using the electrochemical deposition method is facilitated. In the case of individual driving, the common electrode portion is cut off and used to enable partial driving.
또한, CV법은 주사범위(-0.2V ~ 0.8V), scan rate(20mV/s)로, I-t법은 유지시간 30분으로, 열처리 100℃에서 솔벤트가 증발될 때까지 2~3분가량 열처리하는 전기화학 증착법을 이용하여 poly-aniline을 코팅하였다.In the CV method, the scan range (-0.2V to 0.8V) and the scan rate (20mV / s) are used. In the case of the It method, the retention time is 30 minutes. Heat treatment is performed at 100 ° C for 2 to 3 minutes Poly-aniline was coated by electrochemical vapor deposition.
도 17 및 도 18은 본 발명의 일 실시례에 따른 ECD 소자 구동 결과이다.17 and 18 show results of driving an ECD element according to an embodiment of the present invention.
도 17은 전체 전압 인가에 따른 구동 결과로서, 셀 전에 -5V를 인가해 줄 경우 구동 하지 않았을 때에 비하여 녹색 빛이 옅어 졌으며 부분 적으로는 투명해 지는 것을 확인 할 수 있었고, 셀 전에 5V를 인가해 줄 경우 구동 하지 않았을 때에 비하여 짙은 푸른색을 띄는 것을 확인 할 수 있었다.In FIG. 17, as a result of driving according to the entire voltage application, when -5 V was applied to the cell, it was confirmed that the green light became weaker and partially becomes transparent compared to when the cell was not driven. It was confirmed that it is dark blue in comparison with when it was not driven.
또한, 도 18은 부분 전압 인가에 따른 구동 결과로서, 전해질이 전체적으로 주입되어 있어도 전압이 인가된 부분만 색변화가 일어나는 것을 확인 할 수 있었고, 개별구동 결과에 따라서 바이오센서에서 발생된 전기신호를 TFT회로를 통해 출력된 신호에 따라서 바이오센서에 들어온 샘플의 수준 표시가 가능해진다는 것을 확인할 수 있었다.
18 shows that, even when the electrolyte is injected as a whole, the color change occurs only at the portion where the voltage is applied. As a result of driving according to the partial voltage application, it is possible to confirm that the electric signal generated in the biosensor It was confirmed that the level of the sample entered into the biosensor can be displayed according to the signal outputted through the circuit.
다음으로, 회로(400)는 기판 상에 직접 인쇄기술(Direct Prinint)로 인쇄되어 일체로 형성되며, 바이오센서와 디스플레이 등 본 발명의 각 구성을 전기적으로 연결하는 구성이다. 이러한 회로(400)는 바이오센서에서 출력되는 아날로그 회로를 디지털로 변환하여 디스플레이부로 출력하는 A/D Converter 등 본 발명에 필요한 여러 소자를 포함할 수 있다.Next, the
한편, 플렉서블하고 얇은 바이오센서 플랫폼을 위해 회로(400)를 구현하기 위한 기술로서 직접 인쇄기술은 매우 유리하다. 회로를 매우 얇게 구현할 수 있을 뿐만 아니라 고정에 소요되는 시간과 비용면에서 매우 효율적이기 때문이다.On the other hand, direct printing technology is very advantageous as a technique for implementing the
이하에서 본 발명에 적용될 수 있는 직접 인쇄기술(인쇄 전자기술)에 대해 설명한다.Hereinafter, a direct printing technique (printing electronic technique) applicable to the present invention will be described.
인쇄 전자 기술은 전통적인 전자산업에서 사용되어지고 있는 값비싼 대규모의 진공 설비 및 patterning을 위한 추가적인 공정이 필요 없이 direct patterning하여 비용을 절감하고 생산성을 증대 시킬 수 있는 기술이다.Printed electronics is a technology that can reduce cost and increase productivity by direct patterning without the need for expensive, large-scale vacuum equipment and additional processes for patterning that are used in the traditional electronics industry.
인쇄공정 기술은 잉크 소재들이 저온에서 공정 가능하여 유연한 플라스틱 기판위에 전자 소자 구현을 가능하게 하여 RFID Tag, 조명, 디스플레이 태양전지, 센서 등 반도체나 소자, 회로 등이 쓰이는 모든 영역에 일대 변혁을 일으킬 수 있는 잠재력을 갖고 있다.Printing process technology enables ink materials to be processed at low temperatures, enabling the implementation of electronic devices on flexible plastic substrates, which can lead to a revolution in all areas where semiconductors, devices, and circuits such as RFID tags, lighting, display solar cells, Has potential.
이러한 인쇄공정 기술을 이용하여 TFT(Thin film transistor)를 기판 상에 구현할 수 있다.Thin film transistors (TFT) can be implemented on a substrate by using this printing process technology.
TFT의 전기적 특성 중 문턱전압 및 전자 이동도는 저전압 구동을 하기 위해 필수적으로 충족되어야 하는 파라미터들이다.Among the electrical characteristics of the TFT, the threshold voltage and the electron mobility are parameters that must be essentially met for low voltage driving.
문턱전압이 낮고 전자 이동도가 높은 TFT를 구현하기 위해 다음과 같은 과정을 수행하였다.
In order to realize a TFT having a low threshold voltage and a high electron mobility, the following process is performed.
먼저, TFT의 절연층에 사용되는 용액 공정을 위한 high-k gate dielectric 물질을 합성하였다.First, a high-k gate dielectric material for the solution process used in the insulating layer of the TFT was synthesized.
Gate dielectric 용액을 제조기 위해 acetonitile과 ethylene glycol 혼합 용액을 solvent로 사용함으로써 aluminum 전구물질들에 대한 용해 여부를 검사하였다. For the preparation of the gate dielectric solution, the dissolution of aluminum precursors was examined by using acetonitile and ethylene glycol as a solvent.
Ethylene glycol(13ml)Acetonitile (7ml)
Ethylene glycol (13ml)
Ethylene glycol(6.5ml)Acetonitile (3.5ml)
Ethylene glycol (6.5ml)
표 3은 본 발명의 일 실시례에 따른 용매(Solvent)에 따른 aluminum precusor들의 용해 여부의 실험결과를 나타낸 표이다.Table 3 is a table showing experimental results of dissolution of aluminum precursors according to a solvent according to one embodiment of the present invention.
실험 결과, 표 3과 같이 aluminum nitrate nonahydrate와 aluminum chloride를 제외한 나머지 전구물질들은 불투명하거나 반투명한 상태를 보였다. 또한, Aluminum nitrate nonahydrate와 aluminum chloride의 용해완료 되는 시점은 24시간 이상이고, 용해되지 않는 용액들은 온도, 시간, stir rpm등 외부환경 변화를 주었지만 용해되지 않았다. 그리고 물질을 녹이기 위해 미량의 질산이나 염산을 첨가했지만 층 분리만 일어났다.As shown in Table 3, the precursors except for aluminum nitrate nonahydrate and aluminum chloride were opaque or translucent. In addition, the dissolution of aluminum nitrate nonahydrate and aluminum chloride was completed for more than 24 hours, and the solutions that did not dissolve did not dissolve although they gave changes in external environment such as temperature, time and stirrpm. To dissolve the material, a small amount of nitric acid or hydrochloric acid was added, but only layer separation occurred.
그리고 용액공정 된 산화물 TFT에서 solvent로서 많이 활용되는 2-methoxyethanol 과 DI water을 이용한 용해 여부에 대한 실험을 해보았다.
In addition, we have tested the dissolution of 2-methoxyethanol and DI water, which are widely used as solvents in solution-processed oxide TFTs.
표 4는 본 발명의 일 실시례에 따라 용매(Solvent)에 따른 aluminum과 zirconium precusor들의 용해 여부를 나타내는 표이다.Table 4 is a table showing the dissolution of aluminum and zirconium precursors according to the solvent according to one embodiment of the present invention.
Aluminum과 zirconium의 nitrate와 chloride 계열 전구물질들에 대하여 용해 여부 검사하였고, 표 4와 같이 10시간 내에 반응이 일어나 완전히 용해 되었고, DI water내 aluminum chloride를 녹인 경우 용해되지 않았다.
The nitrate and chloride precursors of aluminum and zirconium were tested for their solubility. The reaction was complete within 10 hours as shown in Table 4 and completely dissolved when aluminum chloride in DI water was not dissolved.
또한, Solvent에 따른 aluminum과 zirconium 혼합물질에 대한 용해 여부를 확인해 보았다.
In addition, the solubility of aluminum and zirconium mixtures was investigated.
(Al : Zr)Ratio
(Al: Zr)
concentrationTotal
concentration
표 5는 본 발명의 일 실시레에 따라 Al과 Zr을 혼합한 용액의 비율에 따른 용해 정도를 나타내는 표이다.Table 5 is a table showing the degree of dissolution according to the ratio of solutions mixed with Al and Zr according to one embodiment of the present invention.
Aluminum nitrate nonahydrate와 zirconyl chloride octahydrate를 사용하였고, 용매(Solvent)로서 표 4와 같은 2-methoxyethanol과 Di water를 사용하였다.Aluminum nitrate nonahydrate and zirconyl chloride octahydrate were used, and 2-methoxyethanol and Di water as shown in Table 4 were used as a solvent.
표5와 같이 대부분의 용액들은 반투명 상태이며 aluminum과 zirconium의 비율이 1:2 이면서 solvent로서 2-methoxyethanol를 사용했을 때 완전히 용해가 일어났다.
As shown in Table 5, most of the solutions were in a semi-transparent state and completely dissolved when the ratio of aluminum to zirconium was 1: 2 and 2-methoxyethanol was used as a solvent.
다음으로, 위와 같은 실험에서 제조된 Gate dielectric 물질에 따른 TFT 소자 제작 및 특성 평가를 해보았다.Next, fabrication and characterization of the TFT device according to the gate dielectric material fabricated in the above experiment were performed.
실험 내용으로는 Printing 공정 적용을 위한 기초실험으로서, Gate dielectric과 semiconductor 용액을 합성 후 스핀코팅을 이용한 TFT 소자 제작, 특성 평가 및 균일도 확보하고, Inverted staggered 구조의 TFT 제작하였다.As a basic experiment for the application of printing process, we fabricated TFT device using spin coating after synthesis of gate dielectric and semiconductor solution, ensured uniformity of characteristic evaluation, and fabricated TFT with inverted staggered structure.
그리고 Gate dielectric 평가하기 위해 합성 된 용액을 이용하여 스핀코팅을 통해 박막 형성하고, 1차적 광학 현미경을 통한 표면 관찰, 2차적 멀티미터를 통한 누설정도 확인, 3차적 metal-insulator-metal (MIM) 구조를 통한 누설전류 및 break down voltage 평가하였다.In order to evaluate the gate dielectric, thin film is formed by spin coating using the synthesized solution. The surface is observed through a primary optical microscope, leakage is confirmed through a secondary multimeter, a tertiary metal-insulator-metal (MIM) structure And the breakdown voltage was evaluated.
또한, Semiconductor를 코팅하기 위해 Zinc acetate dihydrate와 tin chloride를 이용한 ZTO 용액 합성하고 Printing 공정 적용을 위한 기초실험으로써 제작 된 절연층에 스핀코팅을 이용한 박막 형성하였으며 열성장 된 SiO2 기판에서의 TFT 소자 성능을 reference로 간주하였다.In addition, ZTO solution was prepared by using Zinc acetate dihydrate and tin chloride to coat the semiconductor, and spin coating was applied to the insulating layer prepared as a basic experiment for the printing process. The TFT device performance in the thermally grown SiO2 substrate reference.
TFT소자는 Bare Si wafer를 UV/O3 처리하고, Spin coater를 이용하여 제작한 gate dielectric 용액을 코팅 후 baking 및 annealing하며, UV/O3 처리 및 제작한 ZTO 용액 코팅 후 baking 및 annealing하고, Thermal evaporator를 이용하여 source와 drain 증착 (aluminium)하여 제작하였다.The TFT device treats bare Si wafer with UV / O 3 and baking and annealing gate dielectric solution prepared by using spin coater, and baking and annealing after UV / O 3 treatment and ZTO solution coating. evaporator and source and drain evaporation (aluminum).
먼저, Acetonitile과 ethylene glycol solvent를 기반으로 한 TFT의 전기적 특성을 살펴보았다.First, electrical characteristics of TFT based on acetonitile and ethylene glycol solvent were examined.
도 19a 및 도 19b는 본 발명의 일 실시례에 따라 0.1M aluminum sulfate hydrate oxide 게이트 절연층을 사용한 ZTO TFT의 전기적 특성을 나타내는 transfer curve와 output curve이다.FIGS. 19A and 19B are transfer curves and output curves showing the electrical characteristics of a ZTO TFT using a 0.1 M aluminum sulfate hydrate oxide gate insulating layer according to an embodiment of the present invention. FIG.
도 19a 및 도 19b를 참조하면, 0.1M aluminum sulfate hydrate oxide 게이트 절연층을 사용한 ZTO TFT의 경우, transfer curve에서 off 전류가 10-8 A이상으로 높다. Output curve의 형태에서는 핀치오프와 포화영역은 나타났지만 누설전류가 높고 포화영역이 불안정하다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 코팅 횟수 증가 시 transfer curve에서 심한 외곡 현상 나타나고 누설전류가 심해진다는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 19A and 19B, in the case of a ZTO TFT using a 0.1M aluminum sulfate hydrate oxide gate insulating layer, the off current in the transfer curve is as high as 10 -8 A or more. In the form of the output curve, the pinch-off and saturation regions appear, but the leakage current is high and the saturation region is unstable. In addition, it can be confirmed that when the number of coatings is increased, a severe distortion occurs in the transfer curve and the leakage current is increased.
다음으로, 도 20a 및 도 20b는 본 발명의 일 실시례에 따라 0.1M aluminum nitrate nonahydrate oxide 게이트 절연층을 사용한 ZTO TFT의 전기적 특성을 나타내는 transfer curve와 output curve이다.Next, FIGS. 20A and 20B are transfer curves and output curves showing the electrical characteristics of a ZTO TFT using a 0.1M aluminum nitrate nonahydrate oxide gate insulating layer according to an embodiment of the present invention.
도 20a 및 도 20b를 참조하면, 0.1M aluminum nitrate nonahydrate oxide 게이트 절연층을 사용한 ZTO TFT의 경우, transfer curve의 on, off전류가 모두 높고, Output curve에서 옴 접촉이 좋아 누설전류의 양이 sulfate에 비해 상당히 작다. 또한, 게이트 전압이 40 V 일 때를 제외하고 핀치오프 및 포화영역이 안정적이고, 코팅 횟수 증가 시 transfer curve의 형태가 나타나며 핀치오프 영역이 개선된다는 것을 확인할 수 있다.20A and 20B, in the case of the ZTO TFT using a 0.1M aluminum nitrate nonahydrate oxide gate insulating layer, the on and off currents of the transfer curve are all high and the ohmic contact is good in the output curve. . In addition, it can be seen that the pinch off and saturation region is stable except for the gate voltage of 40 V, the transfer curve is formed when the number of coatings is increased, and the pinch off region is improved.
다음으로, 도 21a 및 도 21b는 본 발명의 일 실시례에 따라 0.2M Aluminum chloride oxide 게이트 절연층을 사용한 ZTO TFT의 전기적 특성을 나타내는 transfer curve와 output curve이다.21A and 21B are transfer curves and output curves showing the electrical characteristics of a ZTO TFT using a 0.2M aluminum chloride oxide gate insulating layer according to an embodiment of the present invention.
도 21a 및 도 21b를 참조하면, 0.2M Aluminum chloride oxide 게이트 절연층을 사용한 ZTO TFT의 경우, transfer curve의 off 전류가 높으나 Output curve의 옴 저항은 좋으나 핀치오프와 포화영역이 불안정하다. 또한, 코팅 횟수 증가 시 transfer curve 및 output curve 모두 심한 외곡현상과 불안정하다는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 21A and 21B, in the case of a ZTO TFT using a 0.2M aluminum chloride oxide gate insulation layer, the off curve of the transfer curve is high, but the ohmic resistance of the output curve is good, but the pinch off and saturation region are unstable. Also, it can be seen that both the transfer curve and the output curve are severely distorted and unstable when the number of coatings is increased.
결과적으로, Aluminum 전구물질들을 이용한 절연체는 TFT 소자의 특성에 많은 영향을 주고, Aluminum nitrate nonahydrate를 이용한 TFT의 경우 output curve가 안정적이며 코팅 횟수가 증가함에 따라 transfer curve와 output curve가 개선됨으로써 절연체 물질로 유리하다는 것을 확인할 수 있다.As a result, the insulator using aluminum precursors greatly affects the characteristics of the TFT device, and the output curve of the TFT using aluminum nitrate nonahydrate is stable and the transfer curve and the output curve are improved as the number of coatings is increased. It can be confirmed that it is advantageous.
한편, 2-methoxyethanol과 DI water을 기반으로 한 TFT의 전기적 특성들 또한 확인해보았다. 이 때 게이트 절연체 물질로는 Zirconyl chloride octahydrate를 사용하였다.On the other hand, electrical characteristics of TFT based on 2-methoxyethanol and DI water were also confirmed. Zirconyl chloride octahydrate was used as a gate insulator material.
도 22a 및 도 22b는 본 발명의 일 실시례에 따라 DI water 기반의 0.2M Zirconium oxide 게이트 절연층을 사용한 ZTO TFT의 전기적 특성을 나타내는 transfer curve와 output curve이다.22A and 22B are transfer curves and output curves showing the electrical characteristics of a ZTO TFT using a DI water based 0.2M zirconium oxide gate insulating layer according to an embodiment of the present invention.
도 22a 및 도 22b를 참조하면 transfer curve의 off 전류가 높고 게이트 전압이 10 V 이상부터 포화영역이 나타난다. 그리고 Output curve에서 옴 저항 좋지 않아 누설전류가 크며 게이트 전압 20 V부터 핀치오프 영역이 불안정하다는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 22A and 22B, a saturation region appears from a higher off current of the transfer curve and a gate voltage of 10 V or higher. And the output curve shows that the ohmic resistance is not good and the leakage current is large and the pinch off region is unstable from the gate voltage of 20V.
다음으로, 도 23a 및 도 23b는 본 발명의 일 실시례에 따라 2-methoxyethanol 기반의 0.2M Zirconium oxide 게이트 절연층을 사용한 ZTO TFT의 전기적 특성을 나타내는 transfer curve와 output curve이다.23A and 23B are transfer curves and output curves showing the electrical characteristics of a ZTO TFT using a 0.2M zirconium oxide gate insulating layer based on 2-methoxyethanol according to an embodiment of the present invention.
도 23a 및 도 23b를 참조하면, transfer curve의 off 전류가 이전 실험들에 비해 낮고 SS도 향상되며, Output curve에서 누설전류가 존재하지만 핀치오프와 포화영역이 안정적이라는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 23A and 23B, it can be seen that the off current of the transfer curve is lower than that of the previous experiments, the SS is improved, and the leakage current is present in the output curve, but the pinch off and saturation region are stable.
결론적으로, Zironium의 경우 solvent로서 Di water 보다는 2-methoxyethanol이 안정적인 소자 특성을 얻을 수 있고, 제작한 zirconium 물질을 사용한 TFT의 특성 개선을 위하여 몰농도 및 멀티코팅 등 검사 필요하다.
In conclusion, 2-methoxyethanol can be used as a solvent rather than Di water as a solvent, and molybdenum concentration and multi-coating are required to improve the characteristics of TFT using zirconium.
한편, 전원공급부(500)로는 박막형 배터리가 사용될 수 있으며, 이는 박형 바이오센서 디스플레이 플랫폼의 편의성을 향상시킨다.
Meanwhile, a thin film type battery may be used as the
상기와 같이 설명된 박형 바이오센서 디스플레이 플랫폼은 상기 실시예와 실험예에 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.The thin-type biosensor display platform described above is not limited to the above-described embodiments and experimental examples, but all or a part of the embodiments may be selectively combined so that various modifications may be made to the embodiments It is possible.
본 발명은 임상진단/의료분야 뿐만 아니라 환경분야에서 환경호르몬, 폐수의 BOD, 중금속, 농약 같은 환경 물질 검출하는데 사용될 수 있다.The present invention can be used to detect environmental substances such as environmental hormones, BOD of wastewater, heavy metals, pesticides in the field of clinical diagnosis / medical as well as environment.
또한, 군사분야에서 사린, 탄저균과 같은 대량 살상용 생화학 무기 감지 바이오센서로 활용될 수 있으며, 산업분야에서는 미생물의 성장조건을 제어하거나 화학/석유화학, 제약, 식품 공정 등에서 발행하는 특정 화학물질에 대한 모니터링하는 데 사용될 수 있다In the military field, it can be used as a biosensor for detecting biochemical weapons such as sarin and anthrax. In the industrial field, it is possible to control the growth conditions of microorganisms or to control the growth rate of certain chemical substances Can be used to monitor for
또한, 바이오센서 측정값을 초박막 플렉서블 디스플레이 플랫폼에 일체형으로 표시할 수 있게 됨으로써 생체신호 정보의 수집 및 표시의 폭이 매우 넓어지게 될 것으로 예상되며, 각종 신체의 곡면에 탈부착이 가능한 웨어러블 생체신호 정보시스템 구축이 가능해지고, 간편한 생체신호 표시 플랫폼의 개발로 인해 원격진료, 응급진료, 재택진료 등에 적절한 POC(Point Of Care)가 가능해 질 것으로 예상된다.In addition, since the biosensor measurement value can be displayed integrally on the ultra-thin flexible display platform, it is expected that the collection and display of bio-signal information will be very wide, and wearable bio-signal information system And the development of a simple bio-signal display platform is expected to enable appropriate point of care (POC) for telemedicine, emergency treatment, and at-home medical care.
100 : 기판
200 : 바이오센서
300 : 디스플레이부
400 : 회로
500 : 배터리100: substrate
200: Biosensor
300:
400: circuit
500: Battery
Claims (8)
상기 기판의 적어도 일부에 장착되고, 측정 대상물로부터 감지신호를 생성하는 바이오센서;
상기 기판의 적어도 일부에 장착되고, 상기 바이오센서가 생성한 감지신호를 표시하는 디스플레이부; 및
상기 바이오센서와 상기 디스플레이부를 전기적으로 연결하는 회로;를 포함하고,
상기 회로는 상기 기판 상에 직접 인쇄되어 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 박형 바이오센서 디스플레이 플랫폼.Board;
A biosensor mounted on at least a part of the substrate and generating a sensing signal from a measurement object;
A display unit mounted on at least a part of the substrate and displaying a sensing signal generated by the biosensor; And
And a circuit for electrically connecting the biosensor and the display unit,
Wherein the circuit is directly printed on the substrate to be integrally formed.
상기 기판은 유연성 기판인 것을 특징으로 하는 박형 바이오센서 디스플레이 플랫폼.The method according to claim 1,
Wherein the substrate is a flexible substrate.
상기 바이오센서는 상기 기판에 박형으로 구현되는 전기화학식 센서 및 압전식 센서 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 박형 바이오센서 디스플레이 플랫폼.The method according to claim 1,
Wherein the biosensor comprises at least one of an electromechanical sensor and a piezoelectric sensor that is thinly formed on the substrate.
상기 디스플레이부는 LED(Light emitting diode), TCD(Thermochromic display) 및 ECD(Electrochromic Display) 중 적어도 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 박형 바이오센서 디스플레이 플랫폼.The method according to claim 1,
Wherein the display unit uses at least one of a light emitting diode (LED), a thermochromic display (TCD), and an electrochromic display (ECD).
상기 LED의 소자는 굴절률이 서로 다른 복수의 봉지재가 적층된 봉지구조를 포함하고,
상기 복수의 봉지재 사이의 계면은 볼록 또는 오목하게 형성되는 것을 특징으로 하는 박형 바이오센서 디스플레이 플랫폼.5. The method of claim 4,
The device of the LED includes a sealing structure in which a plurality of sealing materials having different refractive indices are stacked,
Wherein an interface between the plurality of sealing materials is convex or concave.
상기 회로는 TFT(Thin Film Transistor)소자를 포함하고,
상기 TFT소자는 ZTO(Zinc tin oxide) 반도체층이 게이트 절연층 위에 코팅된 것이며,
상기 게이트 절연층은 아세토니틸(acetonitile)과 에틸렌 글리콜(ethylene glycol)의 혼합용액에 전구물질인 알루미늄 니트레이트 노나하이드레이트(Aluminum nitrate nonahydrate)가 0.1M의 농도로 용해된 용액 또는 2-methoxyethanol 용매에 지로코늄(Zironium)이 0.2M의 농도로 용해된 용액에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 박형 바이오센서 디스플레이 플랫폼.The method according to claim 1,
The circuit includes a TFT (Thin Film Transistor) element,
In the TFT device, a Zinc tin oxide (ZTO) semiconductor layer is coated on the gate insulating layer,
The gate insulating layer may be formed by dissolving aluminum nitrate nonahydrate (precursor aluminum nitrate nonahydrate) in a concentration of 0.1 M in a mixed solution of acetonitile and ethylene glycol, or in a solvent of 2-methoxyethanol Zirconium (Zironium) is dissolved in a concentration of 0.2M.
상기 회로는 상기 바이오센서의 아날로그 신호를 입력받아 디지털 신호로 출력하는 A/D 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 박형 바이오센서 디스플레이 플랫폼.The method according to claim 1,
Wherein the circuit includes an A / D converter that receives an analog signal of the biosensor and outputs the analog signal as a digital signal.
상기 기판은 가로 10cm 이하, 세로 5cm 이하 및 두께 3mm 이하인 것을 특징으로 하는 박형 바이오센서 디스플레이 플랫폼.The method according to claim 1,
Wherein the substrate has a width of 10 cm or less, a length of 5 cm or less, and a thickness of 3 mm or less.
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