KR101116559B1 - Flexible cellulose paper transistor with covalently bonded nanotubes - Google Patents

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Abstract

전기절연성이 있는 셀룰로오스와 전기전도성이 우수한 나노튜브를 합성하여 셀룰로오스에 흐르는 전류를 조절함으로써 반도체 디바이스로 사용할 수 있도록 트랜지스터를 제작하는 것에 관한 것으로, 이는 기존의 다층재료를 이용한 반도체에 비해 구조가 간단하고 휘어지는 소재인 셀룰로오스 물질 자체가 절연성의 유전성질을 띠고 있고, 셀룰로오스와 화학적 구조결합을 한 나노튜브가 전자의 이동경로가 되는 복합층(10), 복합층에 일정부분만 전기적인 신호가 연결되도록 복합층을 절연시켜주는 절연층(20), 전류가 입력되는 소오스 및 전류가 복합층(10)에서 빠져나가는 드레인을 포함하는 전극층(30), 소오스와 드레인 사이의 전류의 흐름을 제어하는 게이트가 존재하는 제어층(40), 및 외부와의 절연및 회선과의 통전을 막아주는 보호층(50)으로 이루어진 종이를 이용한 유연 트랜지스터를 개시한다.The present invention relates to the fabrication of transistors that can be used as semiconductor devices by controlling the current flowing through cellulose by synthesizing electrically insulating cellulose and nanotubes with excellent electrical conductivity, which is simpler in structure than semiconductors using conventional multilayer materials. The cellulosic material itself, which is a curved material, has an insulating dielectric property, and the nanotubes chemically bonded with cellulose are complex layers 10, which are electron transfer paths, and only a part of the electrical signals are connected to the composite layers. An insulating layer 20 that insulates the layer, an electrode layer 30 including a source into which a current is input and a drain from which the current exits the composite layer 10, and a gate controlling a flow of current between the source and the drain Control layer 40, and a protective layer 50 that prevents insulation from outside and energization of circuits. Disclosed is a flexible transistor using paper.

셀룰로오스, 트랜지스터, 나노튜브, 전기절연성, 유연소재 Cellulose, transistor, nanotube, electrical insulation, flexible material

Description

나노튜브를 이용한 유연 셀룰로오스 종이 트랜지스터{Flexible cellulose paper transistor with covalently bonded nanotubes}Flexible cellulose paper transistor with nanotubes {}

본 발명은 셀룰로오스에 나노튜브를 결합하고 일정방향으로 정렬되는 셀룰로오스의 특징을 이용하며 또한 방향성에 따른 전기전도성을 가지는 복합층을 사용하고, 양면 또는 한면에 소오스, 드레인, 게이트층을 형성하여 전기적인 흐름을 제어하는 구조를 형성 및 제작함으로써 자연 분해성이 있으면서도 유연하고 생체적용이 가능한 종이 트랜지스터에 관한 것이다.The present invention utilizes the characteristics of cellulose that is aligned in a certain direction by bonding nanotubes to cellulose, and also uses a composite layer having electrical conductivity according to the direction, and forms a source, drain, and gate layer on both sides or one side to electrically The present invention relates to a paper transistor that is naturally degradable yet flexible and bioavailable by forming and fabricating a structure for controlling flow.

지금까지 개발된 전기 전자 디바이스들은 유연성이 없는 반도체 재료로 제작되거나 투명 유리 및 플라스틱 등의 기재 위에 회로를 형성하는 구조로 되어 있다. 기존의 방식은 반도체 소자 위에 재료의 전기적 특성을 변화시켜 전기가 흐르는 채널을 형성한 후, 유전층을 이용하여 유전층 위에 존재하는 게이트에 가해지는 전기적인 신호에 의해 전자가 이동하는 채널의 전류량을 제어하는 수단인 트랜지스터를 사용하고 있다. 특히 트랜지스터는 모든 전자기기의 핵심적인 요소로 끊임없 는 발전을 거듭하고 있으며 반도체에서 주로 사용하는 트랜지스터는 매우 작은 초소형 크기의 모습으로 진화하고 있는 추세이다. 이러한 트랜지스터는 오랜 역사를 가지고 있으며 여러 형태의 구조로 현재 많은 분야에서 사용되고 있다. 현재는 반도체소자 외에도 휘어지는 소재에 대해서도 많은 연구가 진행되고 있으며 상용화에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 초소형 반도체를 만들기 위한 노력의 한 형태로 나노튜브를 이용하여 트랜지스터를 제작하는 것에 대해 많은 연구가 진행되고 있는 상황이다.The electric and electronic devices developed so far have been made of inflexible semiconductor materials or have a structure for forming circuits on substrates such as transparent glass and plastic. The conventional method is to change the electrical characteristics of the material on the semiconductor device to form a channel through which electricity flows, and then control the amount of current in the channel through which electrons move by an electrical signal applied to a gate on the dielectric layer using the dielectric layer. The transistor which is a means is used. In particular, transistors are an essential component of all electronic devices, and are constantly being developed. Transistors, which are mainly used in semiconductors, are evolving into a very small size. Such transistors have a long history and are currently used in many fields in various forms. Currently, a lot of research is being conducted on bending materials in addition to semiconductor devices, and research on commercialization is being actively conducted. There is a lot of research on the fabrication of transistors using nanotubes as part of efforts to make micro semiconductors.

그러나, 현재까지 사람 및 동물 등의 생체내에 적용하기 위한 반도체 소자들에 대한 노력은 끊임없이 요구되어 왔으나 생체재료로 사용되는 물질의 한계 및 전기적인 회로 역할을 하는 실리콘을 대체할만한 소재는 아직 전혀 없는 상태이다. 현재, 종이를 이용한 기술은 기록매체 및 포장수단 등으로 사용되어 왔으나 최근에 셀룰로오스 종이의 새로운 특성들이 밝혀지면서 차세대 재료로 각광받고 있는 상황이다. 아직까지 종이를 이용한 전자회로에 대한 연구는 거의 없는 상태이다.However, until now, efforts for semiconductor devices for in vivo applications such as humans and animals have been constantly demanded, but there are no materials that can substitute for silicon, which serves as an electrical circuit and limits of materials used as biomaterials. to be. At present, paper-based technology has been used as a recording medium and packaging means, but recently, new characteristics of cellulose paper have been revealed, and are being spotlighted as next-generation materials. There has been little research on electronic circuits using paper.

본 발명은 일정한 방향으로 정렬하는 성질을 가진 셀룰로오스에 나노튜브를 결합함으로써 전기전도성이 향상된 종이를 제조하여, 이를 트랜지스터에 적용함으로써 셀룰로오스 종이의 새로운 전자재료로서의 유용한 응용을 보여주고자 한다. The present invention is intended to show the useful application of the cellulosic paper as a new electronic material by producing a paper with improved electrical conductivity by bonding the nanotube to the cellulose having the property to align in a certain direction, and applying it to a transistor.

상기와 같은 목적을 이루기 위해 본 발명은 도 1에 나타낸 바와 같이 전기적 절연과 동시에 전자가 이동할 수 있는 나노튜브를 갖는 셀룰로오스를 이용하여 전자의 흐름이 가능한 복합층(10), 복합층의 일정영역에만 전기가 공급되고 나머지 부분은 전기적인 절연을 형성하는 절연층(20), 전류를 통해 전기적 신호를 보내고 받을 수 있는 전극층(30), 전류흐름을 제어할 수 있는 게이트가 있는 제어층(40), 및 전기적인 신호를 외부나 다른 전극과 분리하여 통전되지 않도록 하는 보호층(50)으로 되어있는 트랜지스터를 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a composite layer 10 capable of flowing electrons using a cellulose having nanotubes capable of moving electrons at the same time as electrical insulation, and only a predetermined region of the composite layer. Electricity is supplied and the remaining portion is the insulating layer 20 to form an electrical insulation, the electrode layer 30 to send and receive electrical signals through the current, the control layer 40 having a gate for controlling the current flow, And a protective layer 50 which separates an electrical signal from external or other electrodes so as not to be energized.

각각의 층에 대한 간단한 설명은 다음과 같다:A brief description of each layer follows:

복합층(10): 셀룰로오스 섬유는 자체적으로 유전성이 있는 물질이므로 반도체에서 게이트에 사용되는 산화물의 역할을 담당할 수 있다. 화학적으로 셀룰로오스에 결합된 나노튜브는 전자가 이동하는 통로로 사용될 수 있으므로 나노튜브의 배열 및 간격에 따라 나노튜브는 전자가 이동할 수 있는 채널의 역할을 할 수 있다. 이러한 나노튜브는 셀룰로오스에 화학적 결합으로 고정되어 셀룰로오스를 따라 일정방향으 로 정렬될 수 있으므로 셀룰로오스의 방향성에 따른 전기전도도가 달라질 수 있고, 따라서 이러한 복합층은 유전체 역할과 동시에 전자가 흐르는 채널로 사용된다.Composite layer 10: Since the cellulose fiber is a dielectric material in itself, it may play a role of an oxide used for a gate in a semiconductor. Since the nanotubes chemically bound to cellulose can be used as a path through which electrons move, the nanotubes can serve as channels through which electrons can move depending on the arrangement and spacing of nanotubes. Since the nanotubes are fixed by chemical bonds to the cellulose and can be aligned in a certain direction along the cellulose, the electrical conductivity may vary according to the orientation of the cellulose. Thus, the composite layer serves as a channel through which electrons flow at the same time as the dielectric. .

절연층(20): 전기적인 신호가 주어지는 소오스, 드레인, 및 게이트가 위치하는 영역을 제외하고 복합층의 전기적인 절연을 위해 도포되는 층이다.Insulation layer 20: A layer applied for electrical insulation of the composite layer except for a region where a source, a drain, and a gate to which an electrical signal is given are located.

전극층(30): 전기적인 신호를 위해 전자가 복합층에 공급되는 소오스와 수납된 전자가 빠져나가 회로를 구동할 수 있도록 하는 드레인으로 구성된 층이다.Electrode layer 30: A layer composed of a source for supplying electrons to the composite layer for electrical signals and a drain for allowing the stored electrons to escape and drive the circuit.

제어층(40): 소오스에서 공급된 전자가 복합층의 나노튜브를 통해 드레인으로 가는 것을 제어하는 층으로 전기적인 신호를 가함으로써 드레인으로 흐르는 전자의 흐름을 조절한다.Control layer 40: A layer that controls the electrons supplied from the source to the drain through the nanotubes of the composite layer to control the flow of electrons to the drain by applying an electrical signal.

보호층(50): 상기의 복합층, 전극층, 및 제어층을 보호하고 전기적인 단락을 방지하기 위해 이러한 층들의 맨 위 및 복합층 위에 위치한다..Protective layer 50: Located on top of and above the composite layer to protect the composite layer, the electrode layer, and the control layer and to prevent electrical shorts.

상기한 바와 같이 본 발명에 따라 구성된 종이 트랜지스터는 매우 얇고 투명하며 휘어지는 성질뿐만 아니라 생체적용이 가능하므로 사람이나 동물들의 신체치료, 검출등의 생체전자회로 등에 사용되어 질 수 있으며, 움직임이나 굽힘변형이 있는 재료에도 적용이 가능한 전자회로를 구성하는데 사용되어 질 수 있다.As described above, the paper transistor constructed in accordance with the present invention can be used in bioelectronic circuits such as physical therapy and detection of humans or animals, as well as being very thin, transparent and flexible. It can be used to construct electronic circuits that can be applied to existing materials.

복합층Composite layer (10)10

복함층(10)은 자연에서 얻어지는 셀룰로오스를 기초로 화학적 반응을 통하여 나노 크기의 셀룰로오스 섬유질에 전도성이 우수한 나노튜브를 결합하여 제조된다. 셀룰로오스는 자연에 가장 많이 존재하는 천연 재료이면서 전기적으로 유전성이 있는 재료이다. 이는 각각의 글루코오스 단위체에 있는 3 개의 하이드록실 작용기로 인해서, 많은 수산기를 갖는 다른 분자들과 결합이 가능하다. 이러한 고기능성의 선형 사슬 호모중합체는 친수성, 키랄성, 생체내 분해성, 광범위한 화학적 변형성, 및 가전성 반결정 형태의 형성을 특징으로 갖는다.The layer 10 is manufactured by combining nanotubes having excellent conductivity to nano-size cellulose fibers through chemical reactions based on cellulose obtained from nature. Cellulose is the most common natural material in nature and an electrically dielectric material. This is due to the three hydroxyl functional groups in each glucose unit, capable of binding with other molecules having many hydroxyl groups. Such highly functional linear chain homopolymers are characterized by hydrophilicity, chirality, biodegradability, extensive chemical modification, and the formation of home appliance semicrystalline forms.

나노튜브는 탄소 나노튜브의 발견 이후 많은 분야에서 연구가 활발히 진행되고 있는 물질로 물질적인 우수성뿐만 아니라 다양한 적용이 가능한 물질이다. 전기전도성이 뛰어난 물질로 특히 전기전자분야에서 새로운 디바이스로의 적용을 연구하고 있으나, 크기가 매우 작기 때문에 나노튜브를 직접 조작하여 원하는 방향으로 정렬하는 공정에 대한 활발한 연구에도 불구하고 아직까지 구체적인 실용화 단계까지는 이르지 못한 상황이다. 셀룰로오스 섬유질의 방향성 및 유전성 그리고 나노튜브를 결합하여 전기적인 흐름을 형성한다면 기존의 종이를 새로운 특성을 가진 재료로 사용할 수 있게 된다. 또한 두 가지 재료의 특성을 이용하여 복합적인 성능을 가진 재료형태로 유용하게 사용되어 질 수 있다. 셀룰로오스와 나노튜브를 혼합하는 방법은 물질에 따라 다르나 일반적으로 부분적인 화학구조를 변경함으로써 셀룰로오스에 결합할 수 있다. 나노튜브를 질산류를 이용하여 카르복실화시킴으로써 수산기와 카르복실기를 갖는 구조로 변화시킨 후, 자연에서 얻어진 목화 셀룰로오스를 이중 극성 용매와 함께 실온에서 녹인다. 이렇게 혼합된 용액을 웨이퍼 상에서 스핀 코팅하여 실온 건조 후 필름형태로 제조할 수 있다. 이 필름을 실온에서 수산화나 트륨에 담가 산을 완전히 제거하고 흐르는 물에 씻어서 탈이온수에 침지한다. 필름을 염화수소 수용액에 침지한 다음 물 및 탈이온수로 세정하여 이온 분자를 완전히 제거한다. Nanotubes have been actively studied in many fields since the discovery of carbon nanotubes. They are not only material excellence but also various applications. Although it is researching the application to new devices, especially in the field of electrical and electronics, because of its excellent electrical conductivity, it is still very practical in spite of the active research on the process of directly manipulating nanotubes to align them in a desired direction. It is not until now. Combining the orientation and dielectric properties of cellulose fibers with nanotubes creates an electrical flow that allows the use of existing paper as a material with new properties. In addition, it can be usefully used as a material having a complex performance by using the properties of the two materials. The method of mixing cellulose and nanotubes depends on the material, but can generally bind to cellulose by changing the partial chemical structure. After the nanotubes are carboxylated with nitric acid to change into a structure having hydroxyl and carboxyl groups, the cotton cellulose obtained in nature is dissolved at room temperature with a double polar solvent. The mixed solution may be spin-coated on a wafer and then dried at room temperature to prepare a film. The film is immersed in sodium hydroxide at room temperature to completely remove the acid, washed in running water and soaked in deionized water. The film is immersed in an aqueous solution of hydrogen chloride and then washed with water and deionized water to completely remove the ionic molecules.

이렇게 형성된 나노튜브가 셀룰로오스 섬유질을 따라서 구성된 모습을 도 2 와 도 5에 보여주고 있다. 셀룰로오스 체인에 결합된 나노튜브는 스트레칭에 의해 셀룰로오스 원주 방향으로 정렬되어 질 수 있으며, 이러한 나노튜브는 주변의 다른 나노튜브와 매우 가까운 거리를 형성하므로 전자의 흐름을 가능하게 할 수 있다.The nanotubes thus formed are shown along the cellulose fibers in FIGS. 2 and 5. The nanotubes bound to the cellulose chains can be aligned in the cellulose circumferential direction by stretching, and these nanotubes form a very close distance to other nanotubes in the vicinity, thus enabling the flow of electrons.

절연층Insulation layer (20)(20)

이 층은 전자의 공급을 위한 소오스와 전자가 흘러서 방출되는 드레인 그리고 게이트가 위치하는 영역을 제외한 복합층의 다른 영역이 외부와 전기적인 절연이 되도록 사용되는 층으로 소오스, 드레인을 위한 절연층(21)과 게이트를 위한 절연층(22)으로 구성되며 각각의 절연층은 전기적인 전극층 및 제어층과 접합하도록 개구부(23, 24) 형태로 되어 있어 전극층이나 제어층에서 직접 복합층으로 전기적 연결이 가능하다.  This layer is used so that other areas of the composite layer are electrically insulated from the outside, except for the source for supplying electrons, the drain from which electrons flow, and the area in which the gate is located. ) And an insulating layer 22 for the gate, and each insulating layer has openings 23 and 24 to be joined to the electrical electrode layer and the control layer, so that electrical connection is possible directly from the electrode layer or the control layer to the composite layer. Do.

전극층Electrode layer (30)(30)

이 층은 전자의 공급을 위한 소오스와 전자가 흘러서 방출되는 드레인으로 구성되어지며 소오스에서 드레인으로의 전자의 흐름을 이용하여 전기적인 회로를 구성할 수 있는 구조를 보여준다. 이 전극층은 얇은 셀룰로오스 필름 위에 구성되 므로 반도체 공정을 통해서 형성하거나 또는 반도체 식각공정 또는 기존의 인쇄프린팅법을 이용하여 형성할 수가 있다. 더욱이 회로구성이 양각되어 있는 스템프를 사용하여 복합층 위에 전극층을 간단하게 형성할 수 있고 곡선모양의 형태에도 적용할 수 있다. 전극층은 외부회로와 연결될 수 있는 패드(31), 전기공급이 가해지는 배선(32), 및 복합층과 접하는 접합부(33)로 구성이 되어있다.This layer consists of a source for the supply of electrons and a drain through which electrons flow, and shows a structure in which an electrical circuit can be constructed using the flow of electrons from the source to the drain. Since the electrode layer is formed on a thin cellulose film, it can be formed through a semiconductor process or by using a semiconductor etching process or a conventional printing method. Moreover, the stamped circuit configuration can be used to easily form the electrode layer on the composite layer, and can be applied to the curved shape. The electrode layer is composed of a pad 31 which can be connected to an external circuit, a wiring 32 to which an electric supply is applied, and a junction portion 33 in contact with the composite layer.

제어층Control layer (40)40

전극층에 흐르는 전자의 양을 제어하기 위해 전극층과 같은 면 또는 전극 층의 반대면에 형성되어 지며 제어층에 가해지는 전압에 따라 전극층의 소오스에서 드레인으로 가는 전자가 결정되며, 전극층은 외부회로와 연결될 수 있는 패드(41), 전기공급용 배선(42) 그리고 복합층과 접하는 접합부(43)로 구성된다.In order to control the amount of electrons flowing in the electrode layer, it is formed on the same side of the electrode layer or the opposite side of the electrode layer, and the electrons going from the source to the drain of the electrode layer are determined by the voltage applied to the control layer. It is composed of a pad 41, an electrical supply wiring 42 and a junction 43 in contact with the composite layer.

보호층(50)Protective layer (50)

이 층은 상기한 전극층(30)이 전기적으로 단선되는 것을 막기 위한 하부 덮개층(51) 및 제어층(40)을 보호하는 상부 덮개층(52)로 구성되며 복합층(10)과 전극층(30) 및 제어층(40)을 보호하여 전기적인 신호가 전극층과 제어층을 제외한 다른 영역으로 흐르는 것을 차단 및 보호하기 하기 위한 것이다. 반도체 공정 또는 기존의 인쇄 프린팅이나 스템핑법을 이용하여 도포가 가능하고 스프레이 등을 이용한 도포를 통해서도 구성할 수 있다.This layer is composed of a lower cover layer 51 for preventing the electrode layer 30 from being electrically disconnected and an upper cover layer 52 for protecting the control layer 40. The composite layer 10 and the electrode layer 30 ) And the control layer 40 to block and protect the electrical signal from flowing to other areas except the electrode layer and the control layer. It can be applied using a semiconductor process or a conventional printing or stamping method, and can also be configured through application using a spray or the like.

상기한 모든 층은 유연성이 있는 셀룰로오스 종이를 바탕으로 제조되기 때문 에 본 발명에 따른 트랜지스터는 생체에 무해하고 곡선형태의 구조에도 적용할 수 있는 전자 디바이스로 사용할 수 있다.Since all of the above layers are manufactured based on flexible cellulose paper, the transistor according to the present invention can be used as an electronic device which is harmless to a living body and can be applied to a curved structure.

도 1은 나노튜브가 결합된 셀룰로오스를 이용한 종이 트랜지스터의 일 실시예를 나타낸 단면도,1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a paper transistor using a cellulose bonded nanotubes,

도 2는 나노튜브와 셀룰로오스가 결합된 상태를 나타낸 구조식,2 is a structural formula showing a state in which nanotubes and cellulose are combined;

도 3은 본 발명에 따른 종이 트랜지스터의 하나의 제조 방법을 나타낸 예시도,3 is an exemplary view showing one manufacturing method of a paper transistor according to the present invention;

도 4는 도 1의 다른 실시예를 나타낸 단면도, 및4 is a cross-sectional view showing another embodiment of FIG. 1, and

도 5는 굽힘이 가능한 종이 트랜지스터의 예를 나타낸 사진 및 이에 사용된 복합층을 구성하는 셀룰로오스의 확대 사진이다.5 is a photograph showing an example of a paper transistor that can be bent, and an enlarged photograph of cellulose constituting the composite layer used therein.

Claims (5)

삭제delete 삭제delete 셀룰로오스가 유전체 작용을 하도록 하고 나노튜브는 전자 이동 채널 작용을 하도록 구성하되 나노튜브는 카르복실기화를 통해 셀룰로오스와 결합한 복합재료로 구성된 제 1층, 회로 패턴을 형성하는 제 2층, 제 1층에 전자를 공급할 수 있는 소오스와 나노튜브를 따라 흐른 전자가 방출되는 드레인을 형성하는 제 3층, 제 1층을 통해 소오스에서 드레인까지 도달하는 전자를 제어하는 역할을 하는 게이트를 포함하는 제 4층, 및 상기한 층을 전기적으로 외부와 절연시켜주는 역할을 하고 덮개 기능을 가진 제 5층으로 구성된 나노튜브를 이용한 유연 셀룰로오스 종이 트랜지스터에 있어서, 제 1층의 셀룰로오스가 일정 방향으로 정렬됨에 따라 셀룰로오스의 수산기에 결합한 나노튜브도 동일하게 일정 방향으로 정렬됨으로써 전기의 흐름이 제어되도록 한 나노튜브를 이용한 유연 셀룰로오스 종이 트랜지스터.The cellulose acts as a dielectric and the nanotubes act as an electron transfer channel, but the nanotubes are carboxylized to form a first layer composed of a composite material bonded with cellulose, a second layer forming a circuit pattern, and an electron in the first layer. A third layer including a source capable of supplying a source and a drain from which electrons flowing along the nanotube are discharged, a fourth layer including a gate serving to control electrons reaching the drain from the source through the first layer, and In the flexible cellulose paper transistor using a nanotube consisting of a fifth layer that serves to electrically insulate the layer from the outside and has a cover function, as the cellulose of the first layer is aligned in a direction, The bonded nanotubes are also aligned in the same direction so that the flow of electricity is controlled. Flexible cellulose paper transistor using nanotubes. 삭제delete 삭제delete
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