옷 처럼 부드럽고 튼튼한 트랜지스터 개발

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▲ 의류에 붙여 세탁해도 괜찮다
의류와 같이 부드러우면서 튼튼한 트랜지스터 개발했다. 발로 밟거나 세탁해도 손상되지 않고 단층 카본 나노튜브, 고무, 겔만으로 구성된 트랜지스터로 의료용 센싱 시스템이나 간병 로봇 피부에서 응용이 기대된다.

 

일본 국립 연구 개발 법인 산업기술 종합 연구소(AIST) 나노튜브 실용화 연구 센터 CNT 용도 연구팀은 의류와 같이 부드럽고 다양한 동작(신축, 굽힘, 압축, 충격)를 가해도 망가지지 않는 트랜지스터를 개발했다. 

개발한 트랜지스터는 금속이나 산화물과 같이 딱딱한 재료를 전혀 사용하지 않고 단층 카본 나노튜브(단층 CNT, carbon nano tube)(, 고무, 겔이라는 부드러운 탄소계 재료만으로 구성되기 때문에 힘을 가하면 한꺼번에 변형한다. 의류에 부착했을 때 인체 구조 맞추어 자유자재로 변형할 수 있어 신체에게 주는 스트레스도 적어진다. 

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▲ 트랜지스터의 모식도(왼쪽 위), 구성 원소(왼쪽), 성능(오른쪽)

기존 전자 디바이스는 금속, 산화물, 합금 등 딱딱한 재료를 사용하기 때문에 유연하지도 튼튼하지도 못해 실용화가 힘들었다. 하지만 의류와 같이 부드러운 전자 디바이스는 평상시 생활 속에서 맥박이나 부정맥의 유무, 피부온도 등 건강 상태를 모나터링 할 수 있게 된다. 

AIST에서는 네트워크 구조를 형성하는 단층 CNT의 신축성에 주목해 도전성 단층 CNT 고무 복합재료나 고정밀 성형 가공이 가능한 CNT 고무 복합재료를 개발했다. 또한 단층 CNT는 금속적 성질이나 반도체적 성질을 가지기 때문에 트랜지스터로서 기능하는 반도체적 성질의 단층 CNT만을 선택적으로 분리하는 기술도 개발했다. 

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▲ 구성 재료의 탄성률과 허용 탄성 변형량
이번에 단층 CNT의 전기적 특성과 네트워크 구조를 이용해 신축성이 있는 도전성 단층 CNT 고무 복합재료를 트랜지스터의 전극으로 하면서 동시에 트랜지스터의 채널에 반도체 성질을 가진 단층 CNT를 이용해 부드러운 재료만으로 구성되는 트랜지스터를 개발했다. 

이번에 개발한 것은 소스, 드레인, 게이트에 이용하는 전극에 도전성 단층 CNT 고무 복합재료, 채널에 반도체적 성질의 단층 CNT, 절연층에 이온 겔(, 기판에 실리콘 고무를 이용한 사이드 게이트형 트랜지스터이다. 

딱딱한 금속이나 산화물을 전혀 사용하지 않고 모든 부재가 의류에 가까운 유연성을 가지고 있다. 트랜지스터로서의 특성은 온(on) 전류는 -50 µA, 온 오프비(on-off ratio)는 10^4로 기존 플렉시블 트랜지스터와 거의 같은 성능이다. 

부드러움과 튼튼함의 지표로서 트랜지스터의 구성 재료와 각종 금속, 플라스틱, 의류 소재 각각의 신장 탄성률과 허용 탄성 변형량을 나타낸다. 신장 탄성률은 재료에 참가하는 힘과 변형과의 비로, 부드러움의 지표가 되며 허용 탄성 변형량은 재료가 망가지지 않고 허용할 수 있는 변형의 크기로 튼튼함의 지표가 된다. 개발한 트랜지스터의 구성 재료인 도전성 단층 CNT 고무 복합재료, 이온 겔, 실리콘 고무는, 의류에 가까운 부드러움과 튼튼함을 나타내고 있다. 

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▲ 하이힐에 밟히는 트랜지스터와 밟히기 전후의 성능

하이힐로 밟히는(압력 : 약 2.5 MPa) 전후의 트랜지스터 특성으로 개발한 트랜지스터는 일상생활에 일어날 수 있는 일들 중에서도 어렵다고 생각할 수 있는 하이힐로 밟힌다는 큰 압력에 대해서도 망가지지 않고 특성을 유지하고 있다.

이 트랜지스터는 향후 생체 센싱 시스템이나 간병 로봇의 피부 등 의료용 휴먼 모니터링 전자기술에서 응용이 기대된다. 자료: KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 

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