KR102335917B1 - 섬유형 다이오드 및 이를 포함한 소자 - Google Patents

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KR102335917B1
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Abstract

섬유형 다이오드 및 이를 포함하는 전자 장치를 제공한다. 본 섬유형 다이오드는, 섬유 형상의 제1 전극, 제1 전극의 외주면을 감싸는 반도체층, 반도체층의 외주면을 감싸는 이온젤층, 반도체층의 일부 영역으로서, 이온젤층과의 계면에 형성된 산화환원층; 및 이온젤층의 외주면상에 배치된 제2 전극을 포함한다.

Description

섬유형 다이오드 및 이를 포함한 소자{Fibrous diode and the device comprising the same}
본 개시는 섬유형 다이오드 및 이를 포함한 소자에 관한 것이다.
최근 웨어러블 전자소자가 시대의 패러다임으로 자리 잡으면서 옷과 같은 섬유에 전자소자의 기능이 결합된 전자섬유에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 여기서, 전자섬유란, 섬유 자체가 가진 고유의 특성을 유지하면서 전기적인 특성도 갖고 있는 섬유를 의미하며, 디지털 텍스타일(digital textile) 또는 스마트 텍스타일(smart textile) 등과 같은 다양한 용어도 함께 사용된다.
종래에는 옷감 위에 딱딱한 고체 전자소자 또는 센서 등을 단순히 붙이거나 전도성 섬유를 이용하여 소자들 사이를 연결하는 형태에 머물러 있어 섬유의 편안함을 기대할 수 없는 단계였다. 이를 개선하기 위해서 전자소자 자체가 섬유의 특성을 유지할 수 있는 실 형태의 옷감에 삽입될 수 있는 전자소자의 개발이 진행되고 있다. 웨어러블 전자소자의 특성상 저전력 구동이 당연시 요구되고 있으나, 이러한 저전력 구동 전자소자는 옷감에서 발생하는 정전기로 인한 과전압에 의해 손상될 수 있어, 소자는 보호할 수 있는 장치의 개발이 필요한 상황이다.
TVS(Transient Voltage suppressor)용 다이오드(100)는 센서, 디스플레이 등의 부하에서 요구되는 전압 이상의 과도 전압이 입력된 경우, 상기한 과도 전압에 대응하는 과도 전류를 접지 쪽으로 흐르게 하여 부하를 안전하게 보호해 줄 수 있다. 하지만 기존에 연구되어 온 박막형 TVS 다이오드는 반도체의 계면 상태, 도핑 농도, 반도체의 두께에 민감하여 유연성을 요구하는 웨어러블 전자 소자인 섬유형 전자소자로의 응용이 불가능하다. 따라서, 섬유에 직접 삽입이 가능하며, 섬유와 같은 변형에도 성능을 구현할 수 있는 섬유형태의 새로운 TVS 다이오드의 개발이 필요하다.
본 개시는 산화-환원 반응 기반한 섬유형 다이오드를 제공한다.
본 발명의 일 측면(aspect)에 따른 섬유형 다이오드는, 섬유 형상의 제1 전극; 상기 제1 전극의 외주면을 감싸는 반도체층; 상기 반도체층의 외주면을 감싸는 이온젤층; 상기 반도체층의 일부 영역으로서, 상기 이온젤층과의 계면에 형성된 산화환원층; 및 상기 이온젤층의 외주면상에 배치된 제2 전극;을 포함한다.
그리고, 상기 반도체층은 유기 반도체를 포함하고, 상기 산화환원층의 두께는 상기 유기 반도체의 구조에 따라 달라질 수 있다.
또한, 상기 반도체층은 유기 반도체를 포함하고, 상기 산화환원층의 두께는 상기 유기 반도체의 결정성에 따라 달라질 수 있다.
그리고, 상기 산화환원층은 상기 제1 및 제2 전극 사이에 특정의 전위차가 발생하면 형성될 수 있다.
또한, 상기 산화환원층은, 상기 이온젤층과 접하고 상기 제1 전극과 공간적으로 이격 배치될 수 있다.
그리고, 상기 섬유형 다이오드의 문턱 전압의 크기는, 상기 산화환원층에서 산화-환원반응을 일으키는 전압의 크기에 비례할 수 있다.
또한, 상기 섬유형 다이오드에 있어 문턱전압의 방향은 상기 반도체층의 산화환원 에너지 준위 및 상기 제1 및 제2 전극 중 어느 전극이 접지되었는 여부에 따라 달라질 수 있다.
그리고, 상기 섬유형 다이오드가 P형인 경우, 상기 반도체층은 피점궤도 (Highly occupied molecular orbital: HOMO) 준위에서 산화반응이 일어나고, 상기 섬유형 다이오드가 N형인 경우, 상기 반도체층은 공궤도 (Lowest unoccupied molecular orbital: LUMO) 준위에서 환원반응이 일어날 수 있다.
또한, 상기 반도체층 중 상기 산화환원층과 상기 제1 전극 사이에 벌크층이 형성될 수 있다.
그리고, 상기 섬유형 다이오드의 항복 전압의 크기는, 상기 벌크층의 두께에 비례할 수 있다.
또한, 상기 산화환원층의 두께는 상기 반도체층의 이온 침투도에 따라 다를 수 있다.
그리고, 상기 섬유형 다이오드의 항복 전압의 크기는, 상기 산화환원층에서 산화-환원반응을 일으키는 이온의 분자 크기에 비례할 수 있다.
또한, 상기 제1 전극, 상기 반도체층 및 상기 이온젤층은 상기 섬유형 다이오드의 중심축에 대해 대칭인 반면, 상기 제2 전극은 상기 섬유형 다이오드의 중심축에 대해 비대칭일 수 있다.
그리고, 상기 이온젤층은, 고분자 물질을 포함하는 네트워크층; 및 상기 네트워크층내에 분산되어 있는 이온성 액체;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 섬유형 다이오드에 흐르는 전류량은, 상기 이온젤층에 대한 상기 이온성 액체의 함유율에 기초하여 결정될 수 있다.
그리고, 상기 이온젤층에서 상기 이온성 액체의 함유율은 50% 이상 90%이하일 수 있다.
또한, 상기 섬유형 다이오드에 흐르는 전류량은, 상기 반도체층에서의 이온 전도도에 비례할 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 전자 장치는, 공급된 전압을 이용하여 고유한 동작을 수행하는 부하; 및 앞서 기술한 섬유형 다이오드를 포함하고, 상기 부하에 과전압이 공급되는 것을 억제하는 과도 전압 억제 소자;를 포함한다.
도 1은 일 실시예에 따른 섬유 형태의 다이오드를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2a는 도 1의 II-II선을 따라 취한 단면도이다.
도 2b는 도 1의 섬유형 다이오드에 전압이 인가될 때의 단면도이다.
도 3a는 제1 전극, 이온젤층 및 제2 전극 구조의 다이오드에 대한 IV 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3b는 제1 전극, 반도체층, 유전체층 및 제2 전극 구조의 다이오드에 대한 IV 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3c는 제1 전극, 반도체층, 이온젤층 및 제2 전극 구조의 다이오드에 대한 IV 특성을 나타내는 그래프이다
도 4는 일 실시예에 따른 반도체층에 산화환원층의 존재 유무를 나타내는 실험 결과이다.
도 5a는 일 실시예에 따른 섬유형 다이오드가 반도체층의 물질에 따른 섬유형 다이오드의 IV 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5b는 반도체층의 물질에 따른 Cyclic voltammetry 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6은 일 실시예에 따른 섬유형 다이오드가 반도체층의 도펀트 유형에 따른 섬유형 다이오드의 IV 특성을 나타낸 그래프이다.
도 7은 일 실시예에 따른 섬유형 다이오드가 이온 액체의 함유량에 따른 섬유형 다이오드에 흐르는 전류를 나타내는 그래프이다.
도 8은 일 실시예에 따른 반도체층의 두께에 따른 효과를 나타내는 실험 결과이다.
도 9은 일 실시예에 따른 과도 전압 억제 소자의 동작 원리를 설명하는 참조도면이다.
도 10a 및 도 10b는 일 실시예에 따른 섬유형 다이오드에 따른 과도 전압 억제 여부를 나타내는 실험한 결과이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
본 명세서에서 사용되는 “구성된다” 또는 “포함한다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위/아래/좌/우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위/아래/좌/우에 있는 것도 포함할 수 있다. 이하 첨부된 도면을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시예에 의해 상세히 설명하기로 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되어서는 안된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 일 실시예에 따른 섬유 형태의 다이오드(100)를 개략적으로 도시한 사시도이며, 도 2는 도 1의 II-II선을 따라 취한 단면도이다.
상기 도면들을 참조하면, 섬유 형태의 다이오드(100)는 섬유 형상의 제1 전극(110), 제1 전극(110)의 외주면을 감싸는 반도체층(120), 상기한 반도체층(120)의 외주면을 감싸는 이온젤층(130) 및 상기한 이온젤층(130)상에 배치된 제2 전극(140)을 포함할 수 있다.
제1 전극(110)은 섬유 형상이 전도성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(110)은 금속 또는 전도성 고분자 물질을 포함할 수 있다. 구체적으로, 제1 전극(110)은, 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 인듐틴산화물(ITO), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리페닐렌 비닐렌(poly phenylene vinylene), PEDOT(polyethylenedioxythiophene)/ PPS(polystyrenesulfonate) 혼합물, 탄소섬유 및 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(graphene)과 같은 전도성 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1 전극(110)은 전도성 물질이 섬유 형상으로 형성될 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 제1 전극(110)은 일반적인 섬유와 상기한 섬유에 전도성 물질이 코팅되어 형성될 수도 있다. 상기한 일반적인 섬유는 나일론, PDMS(Polydimethylsiloxane), PET(Polyethylene terephthalate) 및 PU(rubber, Polyurethane) 등과 같은 폴리머 물질을 포함할 수 있다. 전도성 물질은 ALD(Atominc Layer Deposition) 혹은 스퍼터(sputter), 증발증착장치(evaporator) 등의 박막 증착 공정 혹은 딥코팅 (Dip-coating), 다이코팅 (Die-coating)등과 같은 용액코팅 공정으로 섬유의 표면상에 코팅될 수 있다.
반도체층(120)은 유기 반도체, 산화물 반도체, 금속산화물 반도체 및 탄소화합물 반도체 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 유기 반도체는 펜타센(Pentacene) 계열, C8-BTBT(2,7-dioctyl[1]ben-zo-thieno[3,2-b][1] benzothiophene)를 포함한 벤조티오펜(Benzothiophene) 계열 및 diF-TESADT(2,8-difluoro-5,11-bis(triethylsilylethynyl)anthradithiophene) 로부터 선택되는 단분자; 폴리페닐렌 비닐렌(polyphenylene vinylene), 티오펜 비닐렌(thiophene vinylene), P3HT(poly(3-hexylthiophene), PBTTT (poly(2,5-bis(3-alkylthiophen-2-yl) thieno-[3,2-b]thiophene), CPDT(cyclopentadithiophene), IDT(indacenodithiophene), BDT(benzodithiophene), BTT(benzotrithiophene), NDI(naphthalene diimide), 폴리티오펜(polythiophenes), 및 폴리플루오렌(polyfluorenes)등 일 수 있다. 산화물 반도체는 AxByCzO(A, B, C = Zn, Cd, Ga, In, Sn, Hf, Zr; x, y, z ≥ 0)의 조합으로 이루어진 삼성분계 또는 사성분계 산화물 반도체 등일 수 있으며, 금속산화물 반도체는 아연산화물(ZnOx), 인듐산화물(InOx), 인듐갈륨아연산화물(IGZO), 인듐주석산화물(ITO) 등일 수 있다. 그리고, 탄소화합물 반도체는 반도체성 탄소나노튜브(CNT) 또는 그래핀(Graphene) 나노리본으로부터 이용할 수 있다. 상기한 반도체층(120)에 의해 섬유형 다이오드(100)의 문턱 전압을 조절할 수 있다. 상기한 반도체층(120)은 나노 네트워크 구조를 포함할 수 있다.
반도체층(120)는 도펀트가 도핑되어 있을 수 있다. 반도체층(120)의 도핑 타입에 따라 섬유형 다이오드(100)에 전류를 흐르게 하는 전압 방향이 조절될 수 있다.
섬유형 다이오드에 대한 문턱 전압의 방향은 반도체층의 산화환원 에너지 준위 및 제1 및 제2 전극 중 어느 전극이 접지되었는지 여부에 따라 다를 수 있다. 예를 들어, 반도체층이 P형 도펀트를 포함하여 섬유형 다이오드가 P형이고 제1 전극이 접지되면, P형 섬유형 다이오드의 문턱 전압의 방향은 네거티브일 수 있다. 이는 P형 반도체층은 피점궤도 (Highly occupied molecular orbital: HOMO) 준위에서 산화반응이 일으키기 때문이다. 반도체층이 N형 도펀트를 포함하여 N형 섬유형 다이오드이고, 제1 전극이 접지되면, N형 섬유형 다이오드의 문턱 전압의 방향은 포지티브일 수 있다. 이는 N형 섬유형 다이오드의 반도체층은 공궤도 (Lowest unoccupied molecular orbital: LUMO) 준위에서 환원반응이 일어나기 때문이다. 또는 섬유형 다이오드가 P형이고 제2 전극이 접지되면 P형 섬유형 다이오드의 문턱 전압의 방향은 포지티브일 수 있으며, 섬유형 다이오드가 N형이고 제2 전극이 접지되면 N형 섬유형 다이오드의 문턱 전압의 방향은 네거티브일 수 있다.
하기 표 1은 반도체층의 산화환원 에너지 준위 및 접지 전극의 종류에 따른 다이오드의 문턱 전압의 방향을 정리한 표이다.
표 1
Figure 112020045914672-pat00001
일 실시예에 따른 섬유형 다이오드(100)는 전자 의류 등 인체와 접촉 가능성이 있는 전자 장치에 적용되는 경우, 반도체층(120)은 반도체 성질을 갖는 유기 물질인 것이 바람직하다. 또한, 유기물질의 반도체는 플렉서블 성질이 우수하여 일 실시예에 따른 섬유형 다이오드(100)를 플렉서블한 전자 장치에 적용하기 용이하다.
이온젤층(130)은 반도체층에 포함된 유기 반도체와 산화 환원 반응을 일으키는 물질을 포함하고 있으며, 매트릭스층 및 매트릭스층 내에 분산된 이온성 액체를 포함할 수 있다. 매트릭스층은 이온성 액체의 이동을 최대한 방해하지 않으면서 3차원 구조를 유지하는 물질로 형성될 수 있다. 이온성 액체는, 이온젤층(130)에 일정 전압 이상이 인가되면, 반도체층(120) 내부로 이온이 침투되면서, 산화환원 반응을 일으켜 반도체층(120)의 전도도를 변경시키고, 제1(110) 및 제2 전극(140) 사이에 흐르는 전류량을 다르게 한다. 구체적으로, 제1(110) 및 제2 전극(140) 사이에 흐르는 전류량은 반도체층(120)에서의 이온 침투도에 비례할 수 있다. 그리하여, 상기한 이온젤층(130)에 의해 섬유형 다이오드(100)의 전류량을 조절할 수 있다.
이온젤층(130)에서 이온성 액체의 함유율은 50%이상 90%이하일 수 있다. 그리고, 이온젤층(130)의 두께는 반도체층(120)의 두께보다 클 수 있다. 이온젤층(130)은 두께를 크게 하더라도 탄성 특성을 가지며, 이온젤층(130)에 포함된 이온성 액체와 유기 반도체와의 산화 환원 반응에 의해 반도체층(120)의 전도도를 높일 수 있는 바, 반도체층(120)의 두께를 두껍게 할 수 있다. 예를 들어, 반도체층(120)의 두께는 약 1μm 내지 3μm일 수 있으며, 이온젤층의 두께는 약 50μm 내지 500μm일 수 있다.
매트릭스층은 3차원 구조를 형성하는 무기 물질 또는 고분자 물질을 포함할 수 있다. 매트릭스층은 폴리스티렌(polystyrene, PS)계, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA)계, 폴리바이닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride)계, 폴리부텐(polybutene, PB)계 코폴리머(co-polymer) 및 블록코폴리머(block co-polymer) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이온성 액체는 리튬-비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 (LiTFSI), 리튬폴리(스티렌 설포네이트) (LiPSS), 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 ([EMIM][TFSI]), 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 헥사플루오로포스페이트 ([BMIM][PF6]), 및 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 n-옥틸설페이트 ([EMIM][OctOSO3]) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제2 전극(140)은 제1 전극(110)과 마찬가지로 섬유 형상이면서 전도성 물질을 포함할 수 있다. 제2 전극(140)은 전도성 물질이 섬유 형상으로 형성될 수도 있고, 일반적인 섬유에 전도성 물질이 코팅되어 형성될 수도 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 제2 전극(140)은 이온상에 전도성 물질이 코팅되어 형성될 수도 있다.
이온젤층(130)내의 이온성 액체는 이온젤층(130)에서 자유롭게 움직이는 바, 제2 전극(140)은 이온젤층(130)에 균일하게 분포되지 않아도 된다. 즉, 제1 전극(110), 반도체층(120) 및 이온젤층(130)은 섬유형 다이오드(100)의 중심축(X)에 대해 대칭되게 배열된 반면 제2 전극(140)은 섬유형 다이오의 중심축(X)에 대해 비대칭되게 배열될 수 있다. 예를 들어, 제2 전극(140)은 이온젤층(130)의 외주면을 나선형으로 감쌀 수 있게 배치될 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 제2 전극(140)은 이온상에 전도성 물질이 코팅되어 형성될 수도 있다. 또는 제2 전극(140)은 이온젤층(130)상에 직조 타입으로 접할 수 있다.
상기와 같은 일 실시예에 따른 섬유형 다이오드(100)는 섬유 형상이기 때문에 종래의 복수개의 층상구조로 형성된 박막 다이오드(100)에 비해, 외부로부터의 스트레스에 의한 휨 등이 발생할 경우에도 구성요소간의 박리와 같은 현상을 줄일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 섬유형 다이오드(100)는 제1 전극(110)이 연장된 방향으로의 축을 중심으로 대칭인 구조를 취하고 있는 바, 임의의 방향으로의 스트레스에 대해서도 동일한 스트레스가 각 구성요소에 인가된다. 그 결과, 모든 방향의 스트레스에 대해 균일한 내구성을 갖는다는 장점이 있다. 특히 반도체층(120)이 유기 반도체층일 경우 이러한 플렉서블한 특성을 더욱 강화할 수 있다.
일 실시예에 따른 섬유형 다이오드(100)의 문턱 전압은 반도체층(120)의 물질, 이온젤층(130)에서의 이온성 액체의 종류 등에 의해 결정될 수 있다. 일 실시예에 따른 섬유형 다이오드(100)는 반도체층(120) 뿐만 아니라 이온성 액체가 분산된 이온젤층(130)이 더 배치되기 때문에 반도체층(120)과 유전체 만으로 구성된 다이오드(100)보다 낮은 문턱 전압을 가질 수 있다. 예를 들어, 섬유형 다이오드(100)는 0.5V 내지 1.5V의 문턱 전압을 가질 수 있다. 이는 저전압으로 구동되는 전자 소자, 예를 들어, 웨어러블 기기에 과전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다.
섬유형 다이오드(100)의 전류-전압 특성을 확인하기 위해, 제1 및 제2 전극(140)은 금(Au) 물질로 형성하였고, 반도체층(120)은 타이오펜(thiophene) 물질로 형성하였으며, 이온젤층(130)은 폴리바이닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride)과 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 ([EMIM][TFSI]) 물질로 형성하였다.
도 2b는 일 실시예에 다른 제1 및 제2 전극 사이에 전위차에 따른 산화환원층(redox layer) 생성을 도시한 도면이다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 전극(110, 140) 사이에 전위차가 발생하면, 반도체층(120의 일부 영역은 이온젤층(130)과의 계면에서 산화환원층(121)이 된다. 상기한 산화환원층(121)은 이온젤층(130)에서 반도체층(120)에 침투한 이온에 의해 형성될 수 있다.
산화환원층(121)의 두께는 반도체층(120)에 대한 이온 침투도에 따라 조절될 수 있다. 이온 침투도가 높을수록 산화환원층(121)의 두께는 두꺼울 수 있다. 또한, 산화환원층(121)은 이온젤층(130)으로부터의 이온침투에 의해 반도체층(120)에 형성되는 바, 산화환원층(121)의 두께는 반도체층의 구조에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 반도체층(120)이 나노 네크워크 구조를 포함하거나 비정질인 경우, 이온 침투가 용이하여 산화환원층(121)이 두껍게 형성될 수 있는 반면, 반도체층(120)이 치밀하고, 결정성이 높을 수록, 이온 침투가 어려워져 산화환원층(121)은 얇게 형성될 수 있다.
산화환원층(121)의 두께는 반도체층(120)의 두께보다 작으며, 이온젤층(130)에 접한 반면, 제1 전극(110)과는 공간적으로 이격 배치된다. 일 실시예에 따른 다이오드의 문턱 전압의 크기는 산화환원층(121)에서 산화 환원 반응을 일으키는 전압의 크기에 의존한다. 예를 들어, 다이오드의 문턱 전압의 크기는 산화환원층(121)에서 산화 환원 반응을 일으키는 전압의 크기에 비례할 수 있다.
제1 전극(110)과 산화환원층(121) 사이의 반도체층(120)의 영역은 벌크층(122)으로서 반도체층(120)에서 부 캐리어 (minor carrier)의 이동을 억제할 수 있다. 반면, 상기한 산화환원층(121)에서 산화 환원 반응에 의해 발생된 주 캐리어(major carrier)는 반도체층(120)을 통과하여 제1 전극(110)으로 이동하게 된다. 그리고, 반도체층(120)은 부 캐리어(minor carrier)의 이동을 저지하여 역방향 바이어스에서의 전류 흐름을 억제시키는 효과가 있다. 일 실시예에 따른 다이오드의 항복 전압의 크기는 벌크층의 두께에 의존한다. 예를 들어, 다이오드의 항복 전압의 크기는 벌크층의 두께에 비례할 수 있다. 뿐만 아니라, 다이오드의 항복 전압의 크기는 산화환원층에서 산화-환원 반응을 일으키는 이온의 분자 크기에 의존할 수 있다. 예를 들어, 다이오드의 항복 전압의 크기는 산화환원층에서 산화-환원 반응을 일으키는 이온의 분자 크기에 비례할 수 있다.
도 3a는 제1 전극, 이온젤층 및 제2 전극 구조의 다이오드에 대한 IV 특성을 나타낸 그래프이며, 도 3b는 제1 전극, 반도체층, 유전체층 및 제2 전극 구조의 다이오드에 대한 IV 특성을 나타낸 그래프이고, 도 3c는 제1 전극, 반도체층, 이온젤층 및 제2 전극 구조의 다이오드(100)에 대한 IV 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 전극 사이에 이온젤층만이 형성된 경우, 인가되는 전압의 방향에 상관없이 전류가 흐름을 확인할 수 있다. 이는 제1 전극, 이온젤층 및 제2 전극의 구조는 다이오드 특성을 갖지 않음을 확인할 수 있다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 전극 사이에 반도체층과 유전체층만이 형성된 경우, 인가된 전압의 크기가 작을 때, 예를 들어, -0.5V 내지 +0.5V에서 전류가 흐르지 않음을 확인할 수 있다. 반도체층과 유전체층만으로 형성된 다이오드는 전압 크기가 0.5 V이하에서는 정류 특성을 갖지 않음을 확인할 수 있다.
반면에 제1 및 제2 전극 사이에 반도체층 및 이온젤층이 순차적으로 배치된 경우, 도 3c에 도시된 바와 같이, 0.4 V이내의 순방향의 문턱 전압에서 전도 특성이 나타냄을 확인할 수 있다. 즉, 제1 전극, 반도체층, 이온젤층 및 제2 전극을 갖는 구조는 다이오드 특성을 가짐을 확인할 수 있다. 또한, 제1 전극, 반도체층, 이온젤층 및 제2 전극을 갖는 구조는 문턱 전압이 약 1V이하로 문턱 전압을 낮출 수 있음을 확인할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 반도체층에 산화환원층의 존재 유무를 나타내는 실험 결과이다. 실시예 1은 poly(3-hexylthiophene)(P3HT)을 반도체층의 물질로 이용하였고, 실시예 2은 poly(3-hexylthiophene)(P3HT)과 절연성고분자인 polystyrene(PS)가 섞인 물질은 반도체층의 물질로 이용하였다. P3HT/PS 블렌드도 일반적인 반도체 특성을 갖는다. 이는 P3HT/PS 를 채널로 하고 이온젤층을 절연막으로 형성한 트랜지스터가 전계효과 트랜지스터로의 전형적인 특성을 보이는 것으로부터 확인 가능하다. 한편, 도 4에 도시된 바와 같이 P3HT의 반도체층을 포함한 다이오드는 다이오드 특성을 갖지만, P3HT/PS의 반도체층을 포함한 다이오드는 다이오드 특성을 나타내지 않았다.
P3HT는 나노와이어 네트워크 때문에 반도체층에 이온침투가 용이하여 반도체층에 산화환원층이 형성되었음을 예상할 수 있다. 그러나, P3HT와 PS가 섞인 반도체층 즉, P3HT/PS 블렌드은 P3HT의 나노와이어 네트워크 구조가 PS의 메트릭스 안에 분산되어있고, PS 로는 이온이 침투되지 않기 때문에, P3HT/PS의 반도체층에는 이온 침투가 용이하지 않아 산화환원층이 형성되지 않았음을 예상할 수 있다.
일 실시예에 따른 섬유형 다이오드의 문턱 전압은 반도체층의 물질에 따라 다를 수 있다. 도 5a는 일 실시예에 따른 섬유형 다이오드가 반도체층의 물질에 따른 섬유형 다이오드의 IV 특성을 나타낸 그래프이다. 실시예 3은 p형 poly(3-hexylthiophene)(P3HT)을 반도체층의 물질로 이용하였고, 실시예 4는 p형 poly[3-(6-carboxyhexyl)thiophene](P3CT)을 반도체층의 물질로 이용하였다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 실시예 3은 문턱 전압이 약 0.5V이고, 실시예 4는 문턱 전압이 약 1.5V임을 확인할 수 있다. 이는 반도체층의 물질에 따라 다이오드의 문턱 전압이 조절될 수 있음을 확인할 수 있다. 도5b는 반도체층의 물질에 따른 Cyclic voltammetry 특성을 나타낸 그래프이다. 도5a 에 보여지는 문턱전압의 조절은 반도체층과 이온젤 층의 산화-환원 반응에 의한 효과임을 도 5b에서 알 수 있다. 즉, 문턱 전압은 산화-환원 반응을 일으키는 전압에 비례할 수 있다.
일 실시예에 따른 섬유형 다이오드는 반도체층의 도펀트 유형에 따라 다이오드에 흐르는 전류의 방향을 조절할 수 있다. 도 6은 일 실시예에 따른 섬유형 다이오드가 반도체층의 도펀트 유형에 따른 섬유형 다이오드의 IV 특성을 나타낸 그래프이다. 실시예 5는 p형 poly(3-hexylthiophene)(P3HT)을 반도체층의 물질로 이용하였고, 실시예 6은 n형 poly(benzimidazobenzophenanthroline)(BBL)을 반도체층의 물질로 이용하였다. 도 6에 도시된 바와 같이, 실시예 5는 순방향 전류에 반응함을 확인할 수 있고, 실시예 6은 역방향 전류에 반응함을 확인할 수 있다.
일 실시예에 따른 섬유형 다이오드는 이온젤층의 이온 액체의 함유량에 따라 다이오드에 흐르는 전류의 양을 조절할 수 있다. 도 7은 일 실시예에 따른 섬유형 다이오드가 이온 액체의 함유량에 따른 섬유형 다이오드에 흐르는 전류를 나타내는 그래프이다. 반도체층의 물질로 p형 poly(3-hexylthiophene)(P3HT)을 이용하였고, 이온젤층의 매트릭스 물질은 폴리머, 이온 액체는 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 ([EMIM][TFSI]) 를 이용하였다. 실시예 7은 폴리머와 이온성 액체의 비율을 1:1로 하였고, 실시예 8은 폴리머와 이온성 액체의 비율을 1: 4로 하였다. 실시예 7 및 실시예 8의 문턱 전압이 같다 하더라도 흐르는 전류의 양이 다름을 확인할 수 있다. 이는 이온젤층의 이온성 액체의 함유량을 조절함으로써 부하에 흐르는 전류량을 조절할 수 있음을 예상할 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 반도체층의 두께에 따른 효과를 나타내는 실험 결과이다. 반도체층의 물질로 p형 poly(3-hexylthiophene)(P3HT)을 이용하였고, 이온젤층의 매트릭스 물질은 폴리머, 이온 액체는 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 ([EMIM][TFSI]) 를 이용하였다. 실시예 9은 반도체층의 두께를 약 2um로 하였고, 실시예 10는 반도체층의 두께를 약 260nm로 하였다. 반도체층의 두께가 얇은 다이오드는 역방향 바이어스에서의 약 4V의 항복 전압을 가짐을 확인할 수 있다. 그러나, 반도체층의 두께가 두꺼우면 항복 전압이 큼을 확인할 수 있다.
반도체층의 두께가 얇으면 이온젤층에서의 이온 침투에 의해 산화환원층이 반도체층 내에서 상대적으로 두껍게 형성될 수 있다. 이 경우, 역방향 바이어스에서의 항복 전압(breakdown voltage)이 낮을 수 있다. 그리하여, 다이오드를 TVS용으로 사용할 때 적합하지 않다. 반면, 반도체층이 두께가 두꺼우면, 반도체층은 이온젤층과의 계면에 산화환원층이 형성되고, 제1 전극층과의 계면에는 벌크층이 형성될 수 있다. 반도체층의 벌크층은 부 캐리어의 이동을 제한하는 바, 역방향 바이어스에서의 항복 전압이 높아질 수 있다. 이는 일 실시예에 따른 다이오드가 TVS로의 사용이 용이함을 의미할 수 있다. 일 실시예에 따른 다이오드의 반도체층은 약 1um이상의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
지금까지 기술한 섬유형 다이오드는 과도 전압 억제 소자에 적용될 수 있다. 상기한 섬유형 다이오드가 플렉서블한 바, 플렉서블한 과도 전압 억제 소자에 적용할 수 있다.
도 9은 일 실시예에 따른 과도 전압 억제 소자의 동작 원리를 설명하는 참조도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 전자 장치는 전압을 공급하는 전원, 상기 전원으로부터 수신된 전압을 이용하여 고유한 동작을 수행하는 부하, 및 상기 부하에 과전압을 제공되는 것을 억제하는 과도 전압 억제 소자를 포함할 수 있다. 전원(VG)과 부하(RLOAD) 사이에는 과도 전압 억제 소자(TVS)가 병렬로 연결될 수 있다. 상기한 과도 전압 억제 소자(TVS)는 일 실시예에 따른 섬유형 다이오드(100)를 포함할 수 있다. 이외에도 과도 전압 억제 소자(TVS)는 바리스터, 타이리스터 등을 더 포함할 수 있다. 또한, 과도 전압 억제 소자(TVS)의 일측은 접지(GND)되어 있다.
한편, 부하(RLOAD)에서 요구되는 전압 이상의 과도 전압이 입력될 경우, 이 과도 전압에 의한 과도 전류(ITV)는 과도 전압 억제 소자를 통해 접지(GND)쪽으로 흐르고, 클램핑되어 안정화되어 저전압만이 부하(RLOAD)에 인가될 수 있다. 그리하여, 부하(RLOAD)는 과도 전압으로부터 안전하게 보호될 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 일 실시예에 따른 섬유형 다이오드에 따른 과도 전압 억제 여부를 나타내는 실험한 결과이다.
트랜지스터를 부하로 이용하였다. 도 10a는 섬유형 다이오드를 연결하기 전 게이트 전압에 따른 트랜지스터의 드레인 전류를 측정한 결과이다. 도 10a에 도시된 바와 같이, 게이트에 인가되는 전압의 크기에 따라 드레인에 흐르는 전류값이 달라짐을 확인할 수 있다. 도 10b는 섬유형 다이오드를 연결한 후 게이트 전압에 따른 트랜지스터의 드레인 전류를 측정한 결과이다 도 10b에 도시된 바와 같이, 트랜지스터의 게이트에 인가되는 전압의 크기에 따라 드레인에 흐르는 전류값이 변함을 확인할 수 있다. 도 10a 및 도 10b에 비교하면 섬유형 다이오드를 트랜지스터에 연결하면, 트랜지스터에 드레인에 흐르는 전류값이 감소하였음을 확인할 수 있다. 이는 섬유형 다이오드가 과전압을 억제하였음을 예상할 수 있다.
이제까지 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 섬유형 다이오드
110: 제1 전극
120: 반도체층
121: 산화환원층
122: 벌크층
130: 이온젤층
140: 제2 전극

Claims (18)

  1. 섬유 형상의 제1 전극;
    상기 제1 전극의 외주면을 감싸는 반도체층;
    상기 반도체층의 외주면을 감싸는 이온젤층;
    상기 반도체층의 일부 영역으로서, 상기 이온젤층과의 계면에 형성된 산화환원층; 및
    상기 이온젤층의 외주면상에 배치된 제2 전극;을 포함하고,
    상기 산화환원층의 두께는 상기 반도체층의 이온 침투도에 따라 다른 섬유형 다이오드.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체층은 유기 반도체를 포함하고,
    상기 산화환원층의 두께는 상기 유기 반도체의 구조에 따라 달라지는 섬유형 다이오드.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체층은 유기 반도체를 포함하고,
    상기 산화환원층의 두께는 상기 유기 반도체의 결정성에 따라 달라지는 섬유형 다이오드.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 산화환원층은
    상기 제1 및 제2 전극 사이에 특정의 전위차가 발생하면 형성되는 섬유형 다이오드.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 산화환원층은,
    상기 이온젤층과 접하고 상기 제1 전극과 공간적으로 이격 배치되는 섬유형 다이오드.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 섬유형 다이오드의 문턱 전압의 크기는
    상기 산화환원층에서 산화-환원반응을 일으키는 전압의 크기에 비례하는 섬유형 다이오드.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 섬유형 다이오드에 있어 문턱전압의 방향은
    상기 반도체층의 산화환원 에너지 준위 및 상기 제1 및 제2 전극 중 어느 전극이 접지되었는 여부에 따라 달라지는 섬유형 다이오드
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 섬유형 다이오드가 P형인 경우, 상기 반도체층은 피점궤도 (Highly occupied molecular orbital: HOMO) 준위에서 산화반응이 일어나고,
    상기 섬유형 다이오드가 N형인 경우, 상기 반도체층은 공궤도 (Lowest unoccupied molecular orbital: LUMO) 준위에서 환원반응이 일어나는 섬유형 다이오드.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체층 중 상기 산화환원층과 상기 제1 전극 사이에 벌크층이 형성되는 섬유형 다이오드.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 섬유형 다이오드의 항복 전압의 크기는,
    상기 벌크층의 두께에 비례하는 섬유형 다이오드.
  11. 삭제
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 섬유형 다이오드의 항복 전압의 크기는
    상기 산화환원층에서 산화-환원반응을 일으키는 이온의 분자 크기에 비례하는 섬유형 다이오드.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 전극, 상기 반도체층 및 상기 이온젤층은 상기 섬유형 다이오드의 중심축에 대해 대칭인 반면, 상기 제2 전극은 상기 섬유형 다이오드의 중심축에 대해 비대칭인 섬유형 다이오드.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 이온젤층은,
    고분자 물질을 포함하는 네트워크층; 및
    상기 네트워크층내에 분산되어 있는 이온성 액체;를 포함하는 섬유형 다이오드.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 섬유형 다이오드에 흐르는 전류량은
    상기 이온젤층에 대한 상기 이온성 액체의 함유율에 기초하여 결정되는 섬유형 다이오드.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 이온젤층에서 상기 이온성 액체의 함유율은 50% 이상 90%이하인 섬유형 다이오드.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 섬유형 다이오드에 흐르는 전류량은,
    상기 반도체층에서의 이온 전도도에 비례하는 섬유형 다이오드.
  18. 공급된 전압을 이용하여 고유한 동작을 수행하는 부하; 및
    제1항 내지 제 10항, 제12항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 따른 섬유형 다이오드를 포함하고, 상기 부하에 과전압이 공급되는 것을 억제하는 과도 전압 억제 소자;를 포함하는 전자 장치.

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