의류에 부착하여 세탁해도 무방

- 의류와 같이 부드러우면서 튼튼한 트랜지스터 개발 / 하이힐로 밟거나 세탁해도 손상되지 않는 트랜지스터 개발 / 단층 카본 나노튜브, 고무, 겔만으로 구성되는 트랜지스터 / 모든 부재가 일체화하여 변형되기 때문에 신축・굽힘・압축・충격을 가해도 성능 유지 / 의료용 센싱 시스템이나 간병 로봇 피부에서의 응용 기대 -

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

개발한 트랜지스터는 금속이나 산화물과 같이 딱딱한 재료를 전혀 사용하지 않고 단층 카본 나노튜브(단층 CNT, carbon nano tube)(주 1), 고무, 겔이라는 부드러운 탄소계 재료만으로 구성되기 때문에 부하를 가하면 모든 부재가 일체화되어 변형한다. 의류에 부착하여 착용했을 때 인체의 형상에 맞추어 자유자재로 변형할 수 있어 신체에게 주는 스트레스도 적어진다고 한다. 향후 생체 센싱 시스템이나 간병 로봇의 피부 등 의료용 휴먼 모니터링 일렉트로닉스에서의 응용이 기대된다.

개발의 사회적 배경으로는 의류와 같이 부드러운 전자 디바이스가 가능하면 인체에 그만큼 스트레스를 주지 않고 평상시 생활 속에서 맥박이나 부정맥의 유무, 피부온도 등 건강 상태를 계측할 수 있게 된다. 그러나 기존 전자 디바이스는 금속, 산화물, 합금 등 딱딱한 재료를 사용하기 때문에 유연함과 튼튼함을 겸비한 디바이스의 실현은 곤란하였다.

AIST에서는 네트워크 구조(주 2)를 형성하는 단층 CNT의 신축성에 주목하여 도전성 단층 CNT 고무 복합재료나 고정밀 성형 가공이 가능한 CNT 고무 복합재료를 개발하였다고 한다. 또한 단층 CNT는 금속적 성질이나 반도체적 성질을 가지기 때문에 트랜지스터로서 기능하는 반도체적 성질의 단층 CNT만을 선택적으로 분리하는 기술도 개발하였다고 한다.

이번에 단층 CNT의 전기적 특성과 네트워크 구조를 이용하여 신축성이 있는 도전성 단층 CNT 고무 복합재료를 트랜지스터의 전극으로 하면서 동시에 트랜지스터의 채널에 반도체적 성질을 가진 단층 CNT를 이용해 부드러운 재료만으로 구성되는 트랜지스터의 개발에 임하였다고 한다.

이번에 개발한 것은 소스, 드레인, 게이트에 이용하는 전극에 도전성 단층 CNT 고무 복합재료, 채널에 반도체적 성질의 단층 CNT, 절연층에 이온 겔(주 3), 기판에 실리콘 고무(주 4)를 이용한 사이드 게이트형 트랜지스터(주 5)이다. 딱딱한 금속이나 산화물을 전혀 사용하지 않고 모든 부재가 의류에 가까운 유연성을 가지고 있다. 트랜지스터로서의 특성은 온(on) 전류(주 6)는 -50 µA, 온 오프비(on-off ratio)(주 6)는 10^4로 기존 플렉시블 트랜지스터와 동등한 성능이라고 한다.

부드러움과 튼튼함의 지표로서 트랜지스터의 구성 재료와 각종 금속, 플라스틱, 의류 소재 각각의 신장 탄성률(주 7)과 허용 탄성 변형량(주 8)을 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.

하이힐로 밟히는(압력 : 약 2.5 MPa) 전후의 트랜지스터 특성으로 개발한 트랜지스터는 모든 부재가 일체화되어 변형하는 것으로 계면에서의 응력이나 변형의 집중이 억제되기 때문에 온 전류, 온 오프비 등 트랜지스터 특성에 거의 변화가 없다. 일상생활에 일어날 수 있는 부하 중에서도 어렵다고 생각할 수 있는 하이힐로 밟힌다는 큰 압력에 대해서도 망가지지 않고 특성을 유지하고 있다.

향후 트랜지스터뿐만 아니라 부드러운 센서나 에너지 디바이스와 통합하는 것으로 의료용 인체 압력 분포 센싱 시스템 등 휴먼 모니터링시스템의 개발을 실시한다. 이것에 의해 의류와 같이 몸에 부착할 수 있어 신체에 부담을 주지 않는 인간에게 우수하게 적용할 수 있는 전자 디바이스를 개발할 예정이라고 한다.

(주 1) 단층 카본 나노튜브(단층 CNT)
카본 나노튜브(CNT)는 탄소 원자만으로 구성되어 있어 직경이 0.4~50 nm, 길이가 1~수 10 µm의 일차원성 나노 재료이다. 화학 구조는 그래파이트(graphite)층을 말아 서로 연결한 것으로 층의 수가 1장만의 것을 단층 카본 나노튜브라고 부르며 그래파이트 층의 나선도(螺線度)에 의존하여 전자 구조가 금속적으로 되거나 반도체적으로 되거나 한다.

(주 2) 네트워크 구조
카본 나노튜브가 서로 얽히면서 광범위하게 그물코 모양으로 연결된 구조를 단층 CNT의 네트워크 구조라고 부른다.

(주 3) 이온 겔
이온 액체는 상온으로 액체가 될 수 있는 소금이지만 이온 겔은 이온 액체와 고분자를 혼합시켜 겔화시킨 것으로 불휘발성・전기 절연성・고이온 도전성 등 트랜지스터의 절연막으로서 뛰어난 특징을 가지고 있다.

(주 4) 실리콘 고무
실록산 결합(-Si-O-Si-)을 주 골격으로 하는 고무로 다른 고무와 비교하여 화학적으로 안정하고 내열성・난소성・전기 절연성 등에 우수하다.

(주 5) 사이드 게이트형 트랜지스터
소스・드레인 전극과 같은 평면 상에 게이트 전극을 배치한 구조의 트랜지스터로 이온 겔의 전기 이중층 형성을 이용하여 트랜지스터를 동작시킨다.

(주 6) 온 전류, 온 오프비
모두 트랜지스터를 스위치로서 이용하는 경우에 중요하게 되는 특성값으로 온 전류는 통전 시 전류값이며 이것이 일정치 이상이 아니면 실용적인 스위치로서는 사용할 수 없다. 온 오프비란 통전 상태와 차단 상태에 있어서의 전류값의 비로 이것이 클수록 스위치로서 우수하다.

(주 7) 신장 탄성률
Hook의 법칙이 성립하는 탄성 범위에 있어서의 동일한 축 방향의 응력과 변형의 비례 계수

(주 8) 허용 탄성 변형량
재료에 응력을 가하여 변형이 발생하였을 때 응력을 제외하면 본래 치수로 돌아올 수 있는 최대의 변형량

(좌상)개발한 트랜지스터의 모식도, (좌하) 구성 원소, (우) 성능

이번에 개발한 트랜지스터의 구성 재료와 각종 재료의 신장 탄성률과 허용 탄성 변형량

 (배경) 하이힐로 밟히는 트랜지스터 / (우하) 밟히는 전후의 성능