Process Optimization and Design of Transfer Printed Flexible Transistor for Enhanced Cortisol Sensing

Abstract

본 논문에서는 스트레스 호르몬인 코티솔을 검출하기 위한 유연 트랜지스터 기반 센서를 설계하고 최적화 하였다. 코티솔은 체액 내에 녹아있으며 일주기 및 스트레스를 받는 환경에서 농도가 달라지는 대표적인 바이오마커이다. 기존의 스트레스 측정 방식은 주관적 평가가 개입되거나 복잡한 장비가 필요한 생체 신호 측정에 기반하여 일상적인 환경에서 모니터링이 어렵다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 폴리이미드(Polyimide) 기판 위에 인듐 옥사이드와 금 전극을 증착하여 MOSFET 구조의 센서를 제작하였으며 압타머 기반의 표면 기능화를 통해 코티솔과 결합할 수 있는 센싱 물질을 부착하였다. 소자의 성능을 평가하기 위해 다양한 농도의 코티솔 용액을 사용하여 센서의 응답을 확인하였고 150 마이크로미터에서 70 마이크로미터까지의 전극폭에 따라 소자를 설계하여, 농도 및 소자의 전극간격에 따른 응답 특성을 분석하였다. 실험결과 높은 코티솔 농도와 넓은 간격에서 더 많은 전류가 형성되는 것을 확인하였다. 코티솔과 압타머 간의 결합이 소자의 반도체 층에서 캐리어 역할을 하여 드레인 전류가 증가되게 된다. 따라서 더 높은 농도의 코티솔과 더 넓은 전극 간격은 이러한 캐리어의 증가로 이어지게 되므로 고농도-넓은 간격일 때 형성되는 드레인 전류값이 증가하게 된다. 이를 통해 코티솔 농도에 따른 전류 값의 정량화를 통해 더 많은 코티솔의 양을 평가할 수 있음을 확인하였다. 초저농도 (1 nM)에서는 센서의 응답이 계측되지 않아 현 연구에서 최적화된 소자의 검출한계는 10 nM 로 확인하였다. 향후 연구에서 이를 개선할 계획이며 실리콘 기판으로부터 소자를 분리하여 피부 부착 및 실제 체액을 사용한 실험을 통해 소자의 성능을 검증할 예정이다. 본 연구의 결과는 일상에서 실시간으로 스트레스 모니터링을 할 수 있는 코티솔 센서 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

핵심어: 미세전자기계시스템(MEMS), 인듐옥사이드(Indium oxdie), 코티솔(cortisol), 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터 (MOSFET)|In this study, we design and optimize the process of a flexible transistor for stress sensing via detecting the stress hormone cortisol. Cortisol is a steroid hormone secreted at the adrenal glands and is called the stress hormone because it is released in response to stress. Cortisol is found in body fluids, and its concentration varies during daily routine. As interest in a healthy lifestyle grows, the importance of stress management has been highlighted. Consequently, the need for accurate stress management has been emphasized. Traditional stress measurement methods rely on subjective assessments or complex equipment for measuring physiological signals, making it difficult to monitor stress in daily environments. To address this, we propose a cortisol-sensing system based on a MOSFET(Metal-Oxide Field Effect Transistor) device. We fabricate a MOSFET-structured sensor by depositing indium oxide and gold electrodes onto a polyimide substrate and coated sensing materials capable of binding with cortisol through aptamer-based surface functionalization. To evaluate the performance of the device, we used cortisol solution at various concentrations and observed the sensor’s response. We designed devices with electrode widths ranging from 150 μm to 70 μm to analyze response characteristics according to cortisol concentration and electrode spacing. The experimental results indicated that higher cortisol concentrations and wider electrode spacing produced higher current levels. The binding between cortisol and the aptamer acts as a carrier in the semiconductor layer of the device leading to an increase 박 경 준. Kyeong Jun Park. Process optimization and design of transfer printed flexible transistor for enhanced cortisol sensing. Department of Robotics and Mechatronics Engineering. 2025. 32p. Advisors Prof. Hoe Joon Ki,. Co-Advisors Prof. Kyung-In Jang. MS/RME 202323004 in drain current. Therefore, higher cortisol concentrations and wider electrode spacing contribute to increased carrier levels resulting in greater drain current at high concentrations and wide spacing. This demonstrates the potential for quantifying cortisol levels through current measurement. At ultra-low concentrations (under 1 nM), the sensor’s response was undetectable, indicating the optimized detection limit of this device as 10 nM. We plan to improve this in future research and will verify the device’s performance by detaching it from the silicon substrate for skin attachment and conducting tests using real biofluids. The outcomes of this study are expected to contribute to the development of cortisol sensors capable of real-time stress monitoring in daily life. Keywords: Microelectromechanical system (MEMS), Indium oxide, cortisol, MOSFET, Process optimization