Recently, there is an increasing demand for a personalized medical system that transmits personal biomedical data to professionals. Here, the bioelectronic devices detect biomedical data in real time through biocompatible sensors. Bioelectronic devices is helpful in diagnosing diseases in early stages, monitoring patients with chronic diseases, and collecting disease-related data.
Among many bioelectronic devices, the organic electrochemical transistors (OECTs) are widely used for medical purposes because they can have high transconductance due to injection of ions and high stretchability by applying stretchable substrates. Currently, OECTs are used for measuring electrophysiological signals such as electrocardiogram (ECG), electroencephalogram (EEG), electromyogram (EMG). Especially, intrinsically stretchable OECTs, which are made of a material with low Young's modulus, have high compatibility with soft human skins or tissues, and can measure accurate signals through conformal contact with human body.
To fabricate an intrinsically stretchable OECT, soft and stretchable substrates and passivation layers are required. The most commonly used material is polydimethylsiloxane (PDMS), which has high stretchability (~160%) and chemical stability. Especially for passivation layer, patterning of PDMS is essential because the passivation layer must be open at the sensing area and the contact pad. Generally, the most popular technique for the PDMS patterning is replica molding (REM). REM is a PDMS patterning method by pouring PDMS into a mold with a specific shape. However, REM requires complex photolithographic process for mold fabrication and skillful skills in demolding process.
In this work, in order to solve this problem effectively, we introduced a new photopatternable PDMS, which is “photopatternable thiol-ene crosslinked PDMS (TC-PDMS)”, and innovative patterning method, which is “oxygen inhibition photolithography (OIP)”. Like conventional PDMS, TC-PDMS had high stretchability (~140%) and low Young's modulus (~2.9 MPa). In addition, it was possible to make patterns of 100 µm size through OIP. Through the new photopatternable PDMS, which is TC-PDMS, and patterning method, which is OIP, we constructed the PDMS patterning system and applied this system to the passivation layer of intrinsically stretchable OECT. The fabricated stretchable OECT showed low leakage current (~20 µA) due to the TC-PDMS passivation layer, and high transconductance (0.258 mS) at high strain (80%). Finally, this intrinsically stretchable OECT was applied to stretchable ECG sensor, and the stable ECG signals were measured from human body.
최근 개인의 생체 데이터를 전송하는 개인 맞춤 의료 시스템에 대한 요구가 증가하고 있다. 여기서 바이오 일렉트로닉 기기는 생체 친화적인 센서를 통해 실시간으로 생체 데이터를 감지하는 역할을 한다. 바이오 일렉트로닉 기기는 초기 단계에서 질병을 발견하고, 만성적인 질병이 있는 환자를 관찰하고, 질병에 관련된 데이터를 수집하는 것에 큰 도움을 준다.
많은 바이오 일렉트로닉 기기 중, organic electrochemical transistor (OECT)는 이온 주입으로 인한 높은 transconductance와 늘어나는 기판을 적용하여 높은 신축성을 가질 수 있어서 의료 목적으로 많이 사용되고 있다. 현재 OECT는 electrocardiogram (ECG), electroencephalogram (EEG), electromyogram (EMG)과 같은 전기생리학적 신호를 감지하는 센서로 많이 응용되고 있다. 특히 낮은 영률의 물질로 이루어져 있는 신축성 OECT는 부드러운 사람의 피부, 혹은 조직과 높은 호환성을 가지고 있고, 역동적으로 움직이는 사람의 몸과 완전한 접촉을 통해 정확한 신호를 측정할 수 있다.
신축성 OECT를 제작하기 위해서는 부드럽고 늘어나는 기판과 패시베이션 막이 필요하다. 이에 가장 많이 사용되는 물질은 polydimethylsiloxane (PDMS)로 높은 신축성 (~160%)과 화학적 안정성을 가지고 있다. PDMS가 OECT의 패시베이션 막으로 사용되기 위해서는 패터닝이 필수적인데, 현재 가장 많이 사용되고 있는 PDMS의 패터닝 방식은 replica molding (REM)이다. REM은 특정한 모양이 있는 몰드에 PDMS 부어 패터닝하는 방식이다. 그러나 REM은 몰드 제작을 위한 복잡한 광패터닝을 요구하고 디몰딩 과정에서 숙련된 기술을 요구한다.
본 연구에서는, 이러한 문제를 효과적으로 해결하기 위해 광패터닝이 가능한 '싸이올-엔 경화 PDMS (TC-PDMS)'를 합성하였고, 산소에 의해 라디칼 반응이 방해되는 현상을 이용한 새로운 패터닝 방법인 '산소 방해 광패터닝 (OIP)'을 개발하였다. TC-PDMS는 기존의 PDMS와 마찬가지로 높은 신축성 (~140%)을 가지고 있고 낮은 영률 (~2.9 MPa)을 가지고 있었다. 또한 OIP를 통하여 100 µm 사이즈의 패턴까지 만들 수 있었다. 이 광패터닝이 가능한 TC-PDMS와 OIP를 통하여, 우리는 혁신적인 PDMS 패터닝 시스템을 구축하였고 이 시스템을 신축성 OECT의 패시베이션 막에 적용하였다. 제작된 신축성 OECT는 TC-PDMS 패시베이션 막으로 인해 낮은 누설 전류(~20 µA)를 보였고, 높은 strain (80%)에서 높은 transconductance (0.258 mS)를 보였다. 마지막으로 이 신축성 OECT를 신축성 ECG 센서로 응용하였고, 실제 사람의 몸에서 ECG 신호를 측정하였다.
