셀룰로오스와 공유 결합된 탄소나노튜브를 이용한 종이 트랜지스터의 전기적 특성평가 연구

Abstract

셀룰로오스는 자연에서 쉽게 얻어지는 소재로서 바이오, 화학, 섬유, 기계소자 및 에너지 분야 등으로의 적용을 위하여 최근에 다시 각광을 받고 있으며, 이에 대한 연구들이 진행되고 있는 새로운 재료이다. 현재 선진국에서는 셀룰로오스를 이용한 다양한 전자분야로의 적용을 연구하고 있다. 근래에 자연에서 얻어지는 셀룰로오스를 재생법을 이용하여 지능재료로 활용하는 연구결과가 보고되어, 친환경적이며 피에조효과에 의한 기계-전자 분야에서 센서 및 엑츄에이터로 응용될 수 있음이 새로이 밝혀졌다. 그러므로 그에 대한 응용연구가 지속적으로 행해지고 있으며, 물성들을 이용하여 산업계 및 인류문명에 공헌할 것으로 기대되고 있다. 본 연구에서는 셀룰로오스 종이가 가지고 있는 고유의 물질특징인 유전특성을 활용하여, 휘어질 수 있으며 경량이고 재생 가능한 유연 전자소자로의 가능성을 연구하였다. 셀룰로오스는 자체적으로 다이폴을 가지고 있어서 유전특성과 전기절연성이 있고, 커패시터나 트랜지스터로 활용될 수 있는 가능성이 있으므로 이에 대한 재료적인 접근과 디바이스로의 기초연구를 진행하였다. 이를 위해 자연에서 얻어지는 셀룰로오스를 재생과정을 거쳐, 나노튜브와의 공유결합 후 얇은 박막의 셀룰로오스 필름으로 제작하고, 종이 트랜지스터를 제작하기 위해, Lift-off기법을 이용하여 금속층을 형성함으로 트랜지스터를 제작하였다. 이렇게 제작된 셀룰로오스 트랜지스터의 전기적인 특성을 평가하기 위해 셀룰로오스 종이의 두께 및 온도영향 그리고 크기에 따른 전기적 특성변화에 대해 그 영향성을 파악하고자 하였다. 이에 얻어진 결과들을 바탕으로 다양한 크기의 트랜지스터를 제작하여 종이위에 여러 가지 전자회로를 구성함으로 종이가 단지 인쇄매체가 아닌 전자소재로서 사용될 수 있음을 관찰할 수 있었다. 이를 통해 유연하면서도 생체 적응성이 있는 종이기반의 트랜지스터를 제작함으로, 전자회로를 구성하는 전자 디바이스로의 적용이 가능함을 확인할 수 있었다. 그러므로 기존의 종이소재에서 탈피해 인쇄산업의 활성화 및 셀룰로오스 위에 회로를 직접 구성하게 되어 다양한 응용분야에 휠 수 있는 투명한 친환경 전자 지능재료로 산업분야에 적용이 증가하게 될 것으로 전망된다.|Recently new discovery of regenerated cellulose which can be obtained from nature, as a smart electronic material, revealed that it has a material potencial for industrial application. Already in US, Japan and EU, much efforts to investigate natural cellulose for bio-, nano- and energy technologies have been done and will be continuously investigated. However, the hidden promising material properties and its mechanism have not been fully discovered yet. In this research, the aim is to investigate the feasibility of cellulose paper as electronic material using its own dielectric and insulation properties as well as flexibility as a transparent substrate and develop a prototype of paper transistor. To achieve this, it is necessary to study the feasibility by chemical modification with functionalized carbon nanotube as a inner electronic channels in cellulose structure for paper based transistor. In order to form transistor structure, electrode layers were formed by lift-off technique and spin coating method. The performance of paper transistor was evaluated by electrical characterization by I-V curve as a function of applied gate voltage. From the study, transparent and flexible paper based transistor was successfully demonstrated, which indicates that new application of cellulose from traditional paper industries to enter paper-based electronic applications. Because paper transistor requires only very simple process and very low cost, it will pave the way from traditional paper industries to new nature-friendly paper electronic industries such like, display, RF-ID, sensor, speaker, printable electronic circuits.