[논문 리뷰] Bio-inspired adaptive sensing through electropolymerization of organic electrochemical transistors

Mahdi Ghazal, Michel Daher Mansour외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 30.

Conducting polymers and applicationsMaterials Science참고 문헌 44인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 생체 모방적 적응형 센싱 기법을 제시하며, 유기 전기화학 트랜지스터(OECT)의 이온-전자 결합을 조절하기 위해 현장 내 전기중합을 사용한다. 이로 인해 전도도와 임피던스를 수요에 맞게 제어할 수 있으며, 제조 후 PEDOT:PSS의 마이크로도메인 구조를 수정함으로써 전도도는 150% 향상되고 변동성은 60% 감소한다. 이는 생체 신호 분류에 응용 가능하다.

ABSTRACT

Organic Electrochemical Transistors are considered today as a key technology to interact with biological medium through their intrinsic ionic-electronic coupling. In this paper, we show how this coupling can be finely tuned (in operando) post-microfabrication via electropolymerization technique. This strategy exploits the concept of adaptive sensing where both transconductance and impedance are tunable and can be modified on-demand to match different sensing requirements. Material investigation through Raman spectroscopy, atomic force microscopy and scanning electron microscopy reveals that electropolymerization can lead to a fine control of PEDOT microdomains organization, which directly affect the iono-electronic properties of OECTs. We further highlight how volumetric capacitance and effective mobility of PEDOT:PSS influence distinctively the transconductance and impedance of OECTs. This approach shows to improve the transconductance by 150% while reducing their variability by 60% in comparison with standard spin-coated OECTs. Finally, we show how to the technique can influence voltage spike rate hardware classificationwith direct interest in bio-signals sorting applications.

연구 동기 및 목표

• 제조 후 OECT의 이온-전자 결합을 조절하기 위한 방법을 개발하여 적응형 센싱을 실현한다.
• 다양한 센싱 요구 조건에 맞추어 전도도와 임피던스를 수요에 맞게 조절할 수 있도록 한다.
• 전기중합이 PEDOT:PSS 마이크로도메인 구조에 미치는 영향과 이온-전자 특성에 대한 영향을 조사한다.
• 생체 센싱 응용을 위한 OECT 성능 지표인 전도도와 변동성을 향상시킨다.
• 이 기법이 생체 신호 처리에 관련된 전압 스파이크 빈도 분류에 유용한지를 시연한다.

제안 방법

• 전기중합을 제조 후 적용하여 OECT 내 PEDOT:PSS의 미세구조와 이온-전자 결합을 수정한다.
• 중합도와 마이크로도메인 구조를 제어함으로써 현장 내에서 전도도와 임피던스를 조절할 수 있다.
• PEDOT 마이크로도메인의 구조적 및 미세구조적 변화를 분석하기 위해 라만 스펙트로스코피, 원자력 현미경(AFM), 스캐닝 전자현미경(SEM)을 사용한다.
• OECT 성능에 영향을 주는 핵심 매개변수로 체적 용량과 효과적 이동도를 정량화한다.
• 전기적 측정 결과를 통해 이 기법이 전도도 향상과 변동성 감소를 입증한다.
• 생체 신호 분류 적용성을 평가하기 위해 전압 스파이크 빈도 분류 테스트를 실시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현장 내 전기중합은 OECT 내 PEDOT:PSS의 마이크로구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 전기중합을 통해 제조 후 전도도와 임피던스를 얼마나 정밀하게 조절할 수 있는가?
• RQ3 PEDOT:PSS의 체적 용량과 효과적 이동도는 OECT 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 전기중합은 OECT의 전도도 향상과 함께 변동성을 감소시킬 수 있는가?
• RQ5 조절 가능한 OECT는 생체 신호 처리에 관련된 전압 스파이크 빈도를 효과적으로 분류할 수 있는가?

주요 결과

• 전기중합은 제조 후 수정을 통해 OECT의 전도도와 임피던스를 정밀하고 수요에 맞게 조절할 수 있다.
• 표준 스픩 코팅 OECT 대비 전도도가 150% 향상되었다.
• 통제된 전기중합으로 인한 미세구조의 균일성 향상으로 인해 기기의 변동성이 60% 감소하였다.
• 라만 스펙트로스코피 및 현미경 기법을 통해 전기중합이 PEDOT 마이크로도메인 구조를 정교하게 조정하는 것으로 확인되었다.
• 체적 용량과 효과적 이동도가 각각 전도도와 임피던스에 고유하게 영향을 미친다.
• 이 기법은 생체 신호 처리에 관련된 실시간 전압 스파이크 빈도 분류에 효과적인 하드웨어 분류를 가능하게 한다.