KR20150021444A - 전도성 채널로서 구부러진 탄소나노튜브 필름을 갖는 신축성 트랜지스터 - Google Patents

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Abstract

전도성 채널로서 탄소나노튜브를 포함하는 구부러진 필름을 포함하는 박막 트랜지스터가 제공된다. 또한, 상기 트랜지스터의 제조 방법이 제공된다. 상기 트랜지스터는 매우 신축성이 있고 또한 구부러질 수 있으며, 상기 트랜지스터는 심지어 높은 인장 변형률하에서 작동되는 경우에도 안정한 성능을 나타낸다.

Description

전도성 채널로서 구부러진 탄소나노튜브 필름을 갖는 신축성 트랜지스터{Stretchable transistors with buckled carbon nanotube films as conducting channels}
본 발명은 신축성 트랜지스터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전도성 채널로서 구부러진 탄소나노튜브 필름을 갖는 신축성 트랜지스터에 관한 것이다.
최근, 신축성 전자기기의 개발에 진전이 이루어졌다. 이러한 전자기기에 의해, 이식가능한 바이오센서, 착용가능한 전자기기 및 신축성 디스플레이와 같은 많은 색다른 응용이 가능해졌다. 그러나, 트랜지스터와 같은 중요한 신축성 전자 부품의 대부분은 여전히 규소 재료에 기초한다. 신축성 트랜지스터를 구성하기 위해 다른 반도체 재료를 이용하는 노력은 거의 성공적이지 못하였다.
전도성 채널로서 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)의 구부러진(buckled) 필름을 포함하는 신축성 박막(thin-film) 트랜지스터가 제공된다. 또한, 상기 트랜지스터의 제조 방법이 제공된다.
신축성 트랜지스터의 일 구현예는 소스 전극; 드레인 전극; 상기 소스 전극과 상기 드레인 전극 사이에 배치된 전도성 채널; 상기 전도성 채널의 상부에 배치된 신축성 폴리머성 유전체 재료를 포함하는 게이트 유전체; 상기 전도성 채널과 전기적으로 통신하는 게이트 전극; 및 상기 전도성 채널의 하부에 배치된 탄성 재료를 포함하는 신축성 기판;을 포함한다. 상기 트랜지스터에서, 상기 전도성 채널은 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 구부러진 필름을 포함한다. 상기 트랜지스터의 몇몇 구현예에서, 상기 소스 전극, 상기 드레인 전극 및 상기 게이트 전극 중의 하나 이상은 구부러진 금속 필름을 포함한다.
신축성 트랜지스터의 제조 방법의 일 구현예는, 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 필름을 탄성 재료를 포함하는 신축성 기판의 표면상에 도포하는 단계; 상기 신축성 기판을 연신시키는 단계; 상기 연신된 기판이 연신되지 않은 상태로 복원되도록 함으로써 상기 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 상기 필름이 구부러지도록 하는 단계로서, 상기 연신된 기판은 그 위에 도포된 상기 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 상기 필름을 갖는 단계; 전기 전도성 재료의 필름을 상기 신축성 기판 및 상기 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 필름의 일 부분의 상부에 침착시켜(depositing) 소스 전극을 형성하는 단계; 전기 전도성 재료의 필름을 상기 신축성 기판 및 상기 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 필름의 타부분의 상부에 침착시켜 드레인 전극을 형성하는 단계; 및 신축성 폴리머성 유전체 재료의 필름을 상기 소스 전극과 상기 드레인 전극 사이의 상기 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 상기 필름의 상부에 침착시켜 게이트 유전체를 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 상기 필름은 상기 기판을 연신시키는 단계 이전에 상기 신축성 기판에 도포됨으로써, 상기 필름 및 상기 기판은 초기에 함께 연신될 수 있다. 선택적으로, 상기 신축성 기판이 미리 연신된(pre-stretched) 상태로 있는 동안, 상기 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 필름이 상기 신축성 기판의 표면에 도포될 수 있다.
상기 제조 방법의 몇몇 구현예에서, 상기 신축성 기판이 연신된 상태로 있는 동안, 상기 소스 전극을 형성하는 상기 전기 전도성 재료의 필름 및 상기 드레인 전극을 형성하는 상기 전기 전도성 재료의 필름이 침착됨으로써, 상기 신축성 기판이 연신되지 않은 상태로 복원되는 경우 상기 전기 전도성 재료의 필름이 구부러지게 된다.
본 발명의 다른 주요 특징 및 이점은 하기 도면, 상세한 설명 및 첨부된 청구항의 검토로부터 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 명백해질 것이다.
본 발명의 예시적인 구현예는 첨부 도면을 참조하여 이하에서 기술될 것이고, 이때 동일한 참조부호는 동일한 요소를 나타낸다.
도 1은 SWCNT를 포함하는 필름의 전사 및 구부림 공정을 보여주는 개략도이다.
도 2는 전도성 채널로서 구부러진 SWCNT 필름을 포함하는 트랜지스터의 제조 공정을 보여주는 개략도이다.
도 3은 SWCNT를 포함하는 필름의 전사 및 구부림 공정의 다른 구현예를 보여주는 개략도이다.
도 4는 실시예 1에서 기술된 바와 같은, PDMS 기판 상에 전사된 후의 SWCNT의 구부러지지 않은 필름의 주사 전자 현미경(SEM) 사진을 도시한다.
도 5는 구부러진 후의 도 4의 필름의 SEM 사진을 도시한다.
도 6은 전도성 채널로서, 구부러진 SWCNT 필름을 포함하는 트랜지스터의 전형적인 출력 특성을 도시한 것으로서, 여기서 상기 필름은 25%의 인장 변형률(tensile strain)까지 연신된 기판상에서 구부러졌다.
도 7은 실시예 1에 따른 변형되지 않은(unstrained) 트랜지스터의 전형적인 전달 특성(transfer characteristics)을 도시한다.
도 8은 실시예 1에서 기술된 바와 같은, 20% 이하의 변형률하에서 측정된 트랜지스터의 전형적인 전달 특성(정전류)을 도시한다.
도 9는 실시예 1에서 기술된 바와 같은, 20% 이하의 변형률하에서 측정된 트랜지스터의 전형적인 전달 특성(드레인-소스 정전압; VD = -0.1V)을 도시한다.
도 10은 실시예 1에서 기술된 바와 같은, 인가된 변형률의 함수로써 트랜지스터의 온(on)/오프(off) 전류 및 이동도를 도시한다.
도 11은 실시예 1에서 기술된 바와 같은, 10%의 변형률 범위에서의 연신(stretching) 및 복원(releasing) 사이클의 함수로써 다른 트랜지스터의 온/오프 전류 및 이동도를 도시한다.
도 12의 (a)는 실시예 1에서 기술된 바와 같은, 0%의 변형률에서의 구부러진 SWCNT 필름의 SEM 사진을 도시한다.
도 12의 (b)는 실시예 1에서 기술된 바와 같은, 10%의 변형률에서의 구부러진 SWCNT 필름의 SEM 사진을 도시한다.
도 12의 (c)는 실시예 1에서 기술된 바와 같은, 20%의 변형률에서의 구부러진 SWCNT 필름의 SEM 사진을 도시한다.
도 13은 실시예 1에서 기술된 바와 같은, 인가된 변형률의 함수로써 SWCNT 필름의 저항 변화를 도시한다.
도 14는 실시예 2에 따른 변형되지 않은 트랜지스터의 전형적인 전달 특성을 도시한다.
도 15는 실시예 2에서 기술된 바와 같은, 57.2% 이하의 변형률하에서 측정된 트랜지스터의 전형적인 전달 특성(드레인-소스 정전압; VD = -0.5V)을 도시한다.
도 16은 실시예 2에서 기술된 바와 같은, 57.2% 이하의 변형률하에서 측정된 트랜지스터의 전형적인 전달 특성(정전류)을 도시한다.
도 17은 실시예 2의 트랜지스터에 대해 인가된 변형률의 함수로써 온/오프 전류 및 이동도를 도시한다.
도 18(a)는 실시예 2에서 기술된 바와 같은, 0%의 변형률에서의 구부러진 SWCNT 필름의 SEM 사진을 도시한다.
도 18(b)는 실시예 2에서 기술된 바와 같은, 25%의 변형률에서의 구부러진 SWCNT 필름의 SEM 사진을 도시한다.
도 18(c)는 실시예 2에서 기술된 바와 같은, 50%의 변형률에서의 구부러진 SWCNT 필름의 SEM 사진을 도시한다.
도 18(d)는 실시예 2에서 기술된 바와 같은, 65%의 변형률에서의 구부러진 SWCNT 필름의 SEM 사진을 도시한다.
전도성 채널로서 SWCNT의 구부러진 필름을 포함하는 박막 트랜지스터가 제공된다. 또한, 상기 트랜지스터의 제조 방법이 제공된다. 상기 트랜지스터는 매우 신축성이 있고 구부러질 수 있으며, 상기 트랜지스터는 심지어 높은 인장 변형률하에서 작동되는 경우에도 안정한 성능을 나타낸다.
상기 트랜지스터의 기본 부품은 소스 전극, 드레인 전극 및 상기 소스 전극과 드레인 전극 사이의 SWCNT의 구부러진 필름을 포함하는 전도성 채널을 포함한다. 신축성 폴리머성 유전체 재료를 포함하는 게이트 유전체는 상기 전도성 채널의 상부에 배치되고, 게이트 전극은 상기 전도성 채널과 전기적으로 통신하도록 제공된다. 이러한 부품들은 폴리머성 엘라스토머와 같은 탄성 재료를 포함하는 신축성 기판에 의해 지지된다. 상기 전도성 채널의 필름과 유사하게, 상기 소스 전극 및 드레인 전극은 장치의 신축성을 증가시키기 위하여 구부러질 수 있다.
상기 트랜지스터 제조의 초기 단계는 SWCNT를 포함하는 구부러진 필름의 형성이다. 이 단계는 신축성 기판의 표면상에 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 필름을 형성함으로써 수행될 수 있다. 상기 필름은 SWCNT들의 치밀한 매트(dense mat)를 포함하고, 상기 SWCNT들은 전형적으로 상기 필름내에서 무작위로 배향된다. 이러한 필름의 일 예가 도 4에서 보여진다. 상기 SWCNT의 필름의 구부러짐을 유발하기 위하여, 상기 신축성 기판이 연신됨으로써, 상기 기판에서 인장 변형(tensile strain)을 생성한다. 상기 기판은 상기 SWCNT의 필름이 상기 기판의 표면에 도포된 후에 연신될 수 있다. 대안적으로, 상기 SWCNT의 필름은 미리 연신된 기판의 표면에 도포될 수 있다. 어떤 경우라도, 인장 변형이 복원되는 경우, 연신된 기판은 연신되지 않은 상태로 복원되고, 상기 SWCNT를 포함하는 상기 필름은 구부러지며, 여기서 상기 연신된 기판은 그 위에 도포된 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 필름을 갖는다. 상기 구부러진 필름은 일련의 단축 웨이브(uniaxial wave) 또는 '주름'으로 특징지어진다. 상기 주름의 치수는 상기 신축성 기판의 두께 및 탄성을 조절함으로써 조절될 수 있다. 그러나, 상기 치수는 일반적으로 1 ㎛ 이하(예를 들어, 500 nm 이하)의 진폭 및 파장을 갖는 나노스케일에 해당된다. (상기 용어 "단축(uniaxial)" 및 "웨이브(wave)"는, 필름 내의 주름들이 완전히 단축이거나 또는 상기 주름들의 치수들이 완전히 동일하다는 것을 의미하는 것으로 의도되지 않는다는 것에 주의 하여야 한다. 따라서, 이러한 용어들은 도 5에서 예시된 바와 같이, 실질적으로 단축이거나 또는 실질적으로 웨이브 같은 주름들을 또한 포함한다.)
SWCNT를 포함하는 구부러진 필름의 형성 방법의 일 구현예가 도 1에 개략적으로 보여진다. 도 1의 패널 (a)에서 보여지는 바와 같이, 공정은 지지 기판(104)의 표면상에 배치된 SWCNT를 포함하는 박막(102)으로 시작된다. 상기 박막은 닥터-블레이딩(doctor-blading) 또는 스핀 코팅과 같은 방법을 사용하여 도포될 수 있고, 상기 방법들에서 SWCNT를 포함하는 용액이 상기 기판상에 살포되고 건조되도록 방치된다. 상기 용액은 1종 이상의 용매 및 분산제와 같은 다른 첨가제들을 포함할 수 있다. 지지 기판(104)은 신축성의 탄성 중합체 기판일 필요가 없고, 다양한 재료로 구성될 수 있다. 상기 SWCNT 박막 필름이 형성된 후, 상기 필름은 폴리디메틸실록산(PDMS)과 같은 탄성 재료를 포함하는 신축성 기판(106)의 표면으로 전사된다. 도 1의 패널 (b) 및 (c)에서 도시된 바와 같이, 박막(102)의 전사는, 신축성 기판(106)을 박막(102)에 대하여 압착하는 단계 및 이후 신축성 기판(106)을 박막(102)과 함께 지지 기판(104)으로부터 박리(peeling)시키는 단계에 의해 수행될 수 있다. 다음으로, 신축성 기판(106) 및 박막(102)은 초기 길이(L)(108)로부터 연신된 길이 (L + △L) (110) (패널 (d))까지 연신됨으로써 상기 재료에서 인장 변형이 생성된다. 이후, 패널 (e)에서 도시된 바와 같이, 변형이 복원되고, 신축성 기판(106)이 연신되지 않은 상태로 복원되도록 함으로써, 박막(102)의 구부러짐을 야기한다. 상기 연신 단계는, 예를 들어, 단축 연신 장치를 사용하여 수행될 수 있다. 상기 SWCNT 필름으로부터 제조된 트랜지스터의 성능을 손상시킬 수 있는 상기 SWCNT 필름에서의 크랙의 형성을 방지하기 위하여, 상기 재료를 과연신(overstretch)하지 않도록 주의하여야 한다. 상기 제조 방법의 몇몇 구현예에서, 상기 신축성 기판은 25% 이하의 인장 변형률까지 연신된다. 또한, 상기 신축성 기판이 20% 이하의 인장 변형률까지 연신되는 구현예 및 상기 신축성 기판이 15% 이하의 인장 변형률까지 연신되는 구현예들도 포함된다.
탄성 기판상에 SWCNT를 포함하는 구부러진 박막의 형성 방법의 대안적인 구현예가 도 3에서 보여진다. 이러한 구현예에서, 상기 SWCNT를 포함하는 박막(302)은, 도 1의 구현예에서와 같이, 지지 기판(304) 상에 형성된다. 그러나, 지지 기판(304)으로부터 신축성 탄성 기판(306)으로의 박막(302)의 전사 이전에, 상기 신축성 기판은 (L + △L) (310)까지 미리 연신된다. 이후, 미리 연신된 기판(306)은 미리 연신된 상태로 있는 동안에 박막(302)에 대하여 압착된다 (패널 (b)). 이후, 패널 (c)에서 보여지는 바와 같이, 신축성 기판 (306)은 박막(302)과 함께 지지 기판(304)으로부터 박리된다. 신축성 기판(306) 상으로의 박막(302)의 전사 후, 패널 (d)에서 도시된 바와 같이, 변형이 복원되고, 신축성 기판(306)이 기판의 연신되지 않은 상태로 복원됨으로써, 박막(302)의 구부러짐을 가져온다. 상기 방법의 이러한 대안적인 구현예의 이점은 상기 SWCNT 필름의 균열의 위험없이 상기 신축성 기판에서의 높은 선변형(pre-strain)의 사용을 가능하게 한다는 점이다. 결과적으로, 이러한 방법으로 제조된 구부러진 SWCNT 필름을 포함하는 전도성 채널을 갖는 트랜지스터는 더욱 높은 변형에서 안정하게 작동할 수 있다. 몇몇 구현예에서, 상기 신축성 기판은 60% 이하의 인장 선변형률(tensile pre-strain)까지 연신된다. 또한, 상기 신축성 기판이 50% 이하의 인장 선변형률까지 연신되는 구현예 및 상기 신축성 기판이 40% 이하의 인장 선변형률까지 연신되는 구현예도 포함된다.
초기 연신 및 복원 (또는 선연신(pre-stretch) 및 복원) 사이클 후, 상기 SWCNT 필름의 구부러진 구조를 안정화시키기 위하여, 상기 신축성 기판 및 상기 SWCNT의 박막에 추가의 연신 및 복원 사이클이 가해질 수 있다. 전형적으로, 초기 연신 (또는 초기 선연신)에 인가된 변형에 비하여, 더욱 낮은 변형이 이러한 후속 사이클에 인가된다.
일단 상기 SWCNT를 포함하는 상기 구부러진 필름이 상기 신축성 기판상에 형성되면, 트랜지스터의 나머지 부분이 제조될 수 있다. 이는 신축성 기판(206)으로 시작되는 도 2에 개략적으로 도시되어 있으며, 상기 신축성 기판(206)은 그 위에 배치된 SWCNT를 포함하는 구부러진 박막(202)을 갖는다. 도 2의 패널 (b) 및 (c)에 도시된 바와 같이, 상기 트랜지스터는 최종 장치의 신축성을 더욱 향상시키기 위하여 구부러진 전극으로 제조될 수 있다. 상기 전극의 구부림은 신축성 기판(206)을 재연신시키고(패널 (b)), 기판(206)이 연신된 상태로 있는 동안 박막(202)의 상부에 소스 전극(212) 및 드레인 전극(214)을 침착시킴으로써(패널 (c)) 달성될 수 있다. 상기 전극들은 금속 박막 또는 호일과 같은 전기 전도성 재료의 박층을 포함한다. 이후, 패널(d)에서 보여지는 바와 같이, 기판(206)의 변형이 복원되어, 기판(206)이 연신되지 않은 상태로 복원되도록 함으로써, 전극들(212, 214)의 구부러짐을 가져온다. 마지막으로, 폴리머성 유전체 재료를 포함하는 게이트 유전체(216)가 구부러진 박막(202)에 의해 형성된 전도성 채널의 상부에 침착된다. 유전체 이온 겔은 이온성 액체로 팽윤된 겔화 코폴리머(gelating copolymer)를 포함하고, 이러한 유전체 이온 겔은 폴리머성 유전체 재료로서 사용될 수 있다.
전자 채널로서 상기 구부러진 SWCNT 필름을 포함하는 박막 트랜지스터는 높은 온/오프비(on/off ratio), 고이동도 및 낮은 작동 전압으로 특징지어진다. 실례로서, 상기 트랜지스터의 몇몇 구현예는 적어도 1 x 104의 온/오프비, 2 V 이하의 작동 전압 및 적어도 10 cm2/(V ·S)의 이동도를 갖는다. 더욱이, 상기 박막 트랜지스터는 높은 인장 변형률하에서조차 안정한 성능을 나타낸다. 본 개시의 목적을 위하여, 트랜지스터의 온/오프비가 상기 트랜지스터가 변형되지 않은(즉, 연신되지 않은) 상태에서의 온/오프비에 비하여 20% 이하까지 감소되는 경우, 상기 트랜지스터는 변형된(즉, 연신된) 상태에서 안정한 성능을 갖는 것으로 간주된다. 상기 신축성 트랜지스터의 몇몇 구현예는 15% 이하, 20% 이하, 25% 이하, 35% 이하, 또는 심지어 50% 이하의 인장 변형률하에서도 안정한 성능을 나타낸다. 인장 변형 하에서의 상기 트랜지스터의 성능은, (예를 들어, 단축 연신기를 사용하여) 전도성 채널의 종축 방향을 따라 상기 트랜지스터를 연신시켜 단축 인장 변형을 가하고, 상기 트랜지스터가 연신된 상태로 있는 동안의 장치 특성을 측정함으로써 측정된다. 우수한 신축성 이외에도, 상기 트랜지스터는 주기적인 기계적 하중하에서 우수한 견고성(robustness)을 나타낸다. 즉, 상기 트랜지스터는 심지어 많은 (예를 들어, 100회 이상의) 연신 및 복원 사이클 후에도 성능의 저하를 거의 겪지 않는다.
실시예
실시예 1: 25% 이하의 초기 기판/ SWCNT 변형률로 제조된 구부러진 SWCNT 채널을 갖는 트랜지스터
고압 일산화탄소 전환(high-pressure carbon monoxide conversion; HiPCO)으로 성장시킨 SWCNT(Unidym, 원료 분말)을 사용하여 밀도 구배 초원심분리(density gradient ultracentrifugation)에 의해 SWCNT 용액을 제조하였다. (Bindl, D. J.; Safron, N. S.; Arnold, M. S., Dissociating Excitons Photogenerated in Semiconducting Carbon Nanotubes at Polymeric Photovoltaic Heterojunction Interfaces. Acs Nano 2010, 4 (10), 5657-5664 및 Bindl, D. J.; Wu, M. Y.; Prehn, F. C.; Arnold, M. S., Efficiently Harvesting Excitons from Electronic Type-Controlled Semiconducting Carbon Nanotube Films. Nano Lett 2011, 11 (2), 455-460을 참조). 혼 팁(horn-tip) 초음파 파쇄기를 사용하여, SWCNT 분말을 톨루엔 중의 10 mg/mL의 PFO (American Dye Source)의 용액 중에서 45 분 동안 초음파 처리하였다. 고정각 로터(Eppendorf FA-45-24-11-HS.)내에서 30,000 g로 1 시간의 원심분리를 통하여 번들 및 촉매 물질을 제거하였다. 상층액(3 cm 바이알의 상부 90%)를 추출하고, 30,000 g로 24 시간 동안 원심분리하였다. 이러한 기간 동안, 분리된 s-SWCNT는 1 cm의 총 거리를 이동하였으며, 90% 초과의 수율로 "펠렛(pellet)"으로 축적되었다. 상기 PFO 풍부 상층액을 제거한 후 폐기하였다. 저출력의 혼 마이크로팁 초음파(horn microtip sonication)를 통하여 상기 펠렛을 톨루엔에 재분산시키고, 잔류 자유(free) 폴리머를 제거하기 위해 원심분리기 내에서 재펠렛화하여, 4:1 중량비의 PFO:s-SWCNT를 갖는 펠렛을 수득하였다. 상기 펠렛을 클로로벤젠에 재분산시키고, 30,130 g에서 재펠렛화하여, 24 시간당 0.5 cm의 침전 속도(sedimentation rate)를 야기함으로써, 1:1 중량비의 PFO:s-SWCNT을 얻었다. 상기 최종 펠렛을 클로로포름에 재분산시켜, 안정하고 PFO로 감싸인 s-SWCNT 용액을 수득하였다.
트리블록 코폴리머인 폴리(스티렌-블록-메틸메타크릴레이트-블록-스티렌) (PS-PMMA-PS, Polymer Source Inc. MPS = 4.3 kg/mol, MPMMA = 12.5 kg/mol, M W = 21.1 kg/mol) 및 이온성 액체인 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드([EMIM][TFSI], Sigma Aldrich)를 에틸 아세테이트(Sigma Aldrich)에 공용해시킴(co-dissolving)으로써 이온 겔 용액을 제조하였다. 상기 폴리머, 이온성 액체, 및 용매의 중량비를 0.7:9.3:20의 비로 유지하였다. 이 혼합물을 1000 rpm으로 4 시간 동안 교반하였다. 이후, 상기 잘 혼합된 용액을 사용 전에 200 nm의 폴리(테트라플루오로에틸렌) 필터를 사용하여 여과하였다.
Sylgard 184 (Dow Corning)를 사용하여, 10:1의 비율로 상기 기재 및 상기 경화제를 혼합함으로써, 10.5 mm 두께를 갖는 PDMS 기판을 제조하였다. 먼저, 상기 혼합물을 진공 오븐 내에 위치시켜 기포를 제거한 후, 65℃에서 12 시간 동안 열경화시켰다. 상기 결과물인 경화된 조각(piece)으로부터 적절한 크기의 직사각형 슬랩(slab)을 절단하였다.
장치 제조:
클로로벤젠에 분산된 PFO로 감싸인 SWCNT를, 질소 글로브박스 내에서 110℃로 설정된 핫 플레이트 위의 깨끗한 유리 상에 닥터 블레이드 캐스팅한 후, 150℃에서 10 분 동안 어닐링하여 잔류 용매를 제거하였다. 상기 PDMS 기판을 IPA에서 5 분 동안 초음파처리하여 세척하고, 흐르는 N2 하에서 건조시켰다. 이후, 상기 PDMS 기판을 상기 유리 기판 상의 상기 SWCNT 필름과 등각 접촉(conformal contact)시켰다. 짧은 접촉 후에, 상기 PDMS 기판을 상기 유리로부터 박리시켜, 상기 SWCNT 필름을 상기 PDMS 기판상에 전사시켰다.
상기 SWCNT 필름을 구부리기 위해, 상기 PDMS 기판을 연신시킨 후 복원시켰다. 상기 PDMS 기판의 연신을 단축 연신기(Velmex UniSlide; Part #: A2509C-S2.5-LR) 내에서 수행하였다. 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 상기 기판을 연신시키기 전에, 상기 PDMS 기판 상에 상기 SWCNT 필름을 형성하고, 이후 상기 PDMS 기판과 상기 필름을 30% 이하의 인장 변형률까지 함께 연신시킴으로써, 샘플을 제조하였다. 이후, PDMS 스트립을 SWCNT 필름/유리 기판과 등각 접촉시켰다. 짧은 접촉 후에, 상기 PDMS 기판을 상기 유리로부터 빠르게 박리시켜, 상기 SWCNT 필름을 상기 PDMS 기판상에 전사시켰다. 상기 기판의 복원은 상기 전사된 필름의 구부러짐을 가져왔다. 각각의 샘플에 대하여, 상기 SWCNT 필름의 초기 구부러짐 후 상기 연신 및 복원 사이클을 수회 반복하여, 상기 구부러진 구조를 안정화시켰다.
상기 SWCNT 필름을 전사시키고 구부린 후, 상기 기판 및 필름을 15%의 인장 변형률까지 재연신시켰다. 이후, Cr 접착층을 갖는 Au 필름(25 nm/4 nm)을 상기 연신된 SWCNT 필름/기판 상에 새도우 마스크(shadow mask)를 통하여 열침착시켜, 소스, 드레인 및 사이드-게이트 전극으로 작용하도록 하였다. 상기 변형의 복원은Au/Cr 전극의 구부러짐으로 이끌어 상기 Au/Cr 전극도 신축성이 되도록 하였다. 상기 변형의 복원 이후, 상기 기판을 글로브 박스 내에서 60℃로 가열하고, 상기 이온 겔 용액을 게이트 전극과 채널 사이의 영역 뿐만 아니라 채널 영역 상에 적하 캐스팅(drop-cast)하였다. 이후, 상기 장치를 글로브 박스 내에서 105℃로 1 시간 동안 가열하여, 잔류 용매 및 물을 제거하였다. 용매가 증발되자마자, [EMIM][TFSI] 이온성 액체 중의 PS-PMMA-PS 트리블록 코폴리머는 PS 성분들의 비공유 회합(noncovalent association)을 통하여 잘 정의된 물리적 겔(well-defined physical gel)을 형성하고, 이 물리적 겔은 트랜지스터용의 우수한 절연체로서의 역할을 수행할 수 있다.
상기 장치는 각각 1 mm 및 100 ㎛의 채널 폭 및 채널 길이를 가졌다. 상기 게이트와 채널 사이의 거리는 약 2 mm이었다. 광학 사진은 상기 소스 전극과 드레인 전극에 의해 연결된 채널을 보여주었으며, 상기 광학 사진으로부터 Au/Cr 전극은 구부러져서 연신 방향을 따라 웨이브 구조를 형성함을 볼 수 있었다.
장치 특성:
LEO-1550VP 전계 방출 주사 전자 현미경(field-emission scanning electron microscope)을 사용하여 3 kV의 가속 전압에서 SEM 이미징을 수행하였다. 단일의 오른손 및 왼손 나사산이 형성된 리드 스크류(threaded lead screw)에 의해 구동되는 두 개의 슬라이더로 단축 인장 단계에 의해 상기 장치를 연신시켰다. 공기 중에서 Keithley Sourcemeter(2636A)에 의해 프로브 스테이션(probe station) 상에서 전기적 특성을 측정하였다.
결과:
도 5는 25%의 인장 변형률로의 연신 및 복원 사이클을 사용하여 제조된 PDMS 기판상에 SWCNT를 포함하는 구부러진 필름의 SEM 사진이다. 상기 사진에서 보여지는 바와 같이, 연신 전의 SWCNT를 포함하는 필름의 편평한 표면(도 4)과 대조적으로, 연신 및 복원 사이클 후 CNT 필름의 표면상에 주기적인 주름이 나타나는 것을 발견하였다. 주름이 생성되는 메커니즘은 다음과 같이 이해될 수 있다: SWCNT들 SWCNT 번들들은 기판을 연신시키자마자 서로들 사이로 슬라이딩하지만, 이들 간의 마찰력 때문에 역으로 슬라이딩될 수 없다. 결과적으로, 상기 SWCNT 필름은 전체적으로 면외 방향(out of plane)으로 구부러져서, 표면 주름을 형성한다. 트랜지스터의 성능에 영향을 줄 수 있는 크랙의 형성을 방지하기 위하여, 상기 필름을 과연신시키지 않도록 주의하여야 한다. 본 실시예에서, 크랙이 생성되지 않음을 보장하기 위하여, 상기 SWCNT 필름/기판의 최대의 인장 변형률을 25%로 제어하였다.
5 개의 상이한 게이트 전압(VG)에서 25%의 인장 변형률로의 연신 및 복원 사이클을 사용하여 제조된 PDMS 기판상의 SWCNT의 구부러진 필름을 포함하는 상기 트랜지스터의 출력 특성을 도 6에 나타내었다. 상기 장치는 선형 및 포화 영역(linear and saturation regime) 둘 다에서 드레인 전류(ID)의 예측된 게이트 변조(gate modulation)를 보여주었다. 특히, 매우 낮은 게이트 및 드레인 바이어스에서 큰 포화 전류가 얻어졌는데 (예를 들어, VG = -2 V 및 VD = -1 V에서 ID = ~640 μA ), 이는 이온 겔 게이트 유전체의 큰 커패시턴스 때문이다. 도 7에서의 전달 특성으로부터, 상기 트랜지스터는 낮은 게이트 전압(0.6 V)에서 작동하는 전형적인 p-타입의 전계 효과 트랜지스터(field-effect transistor; FET)로서의 역할을 수행함을 볼 수 있었다. 온/오프 전류비(on/off current ratio)는 4 × 105에 도달하여, 높은 스위칭 특성을 나타내었다. 전계 효과 이동도는 다음 식을 사용하여 (도 7에 삽도) 전달 특성의 선형 영역으로부터 계산되었다:
Figure pat00001
여기서, I D 는 드레인 전류이고, μ는 전계 효과 이동도이고, W는 채널 폭이고, L은 채널 길이이고, V D 은 드레인 전압이고, C i 는 유전체의 비커패시턴스(specific capacitance)이고, V G 는 게이트 전압이며, V th 는 임계 전압(threshold voltage)이다. 상기 이온 겔의 비커패시턴스는 LCR 미터에 의해 20 Hz에서 약 8.7 μF/cm2로 측정되었다. 상기 트랜지스터의 계산된 이동도는 VD = -0.1V에서 10.6 cm2/(V ·S)이었다. 이러한 장치를 위하여 소직경의 SWCNT를 사용하였다. 대직경을 갖는 CNT를 사용함으로써, 상기 이동도를 증가시킬 수 있었다.
상기 제조된 트랜지스터의 신축성을 테스트하기 위해, 채널의 종축을 따라 PDMS를 연신시킴으로써 상기 장치에 단축 인장 변형을 인가하였다. 연신 공정 동안에 상기 전달 특성을 동시에 측정하였다. 도 8 및 도 9는 인가된 변형률의 함수로써 트랜지스터의 전형적인 전달 특성을 나타낸다. 상기 장치는 18% 이하의 변형률하에서 비교적 안정한 작동을 나타내었으며; 온 전류(on-current) 및 상호 컨덕턴스(transconductance) 값이, 비변형된 값에 비하여, 각각 17% 및 13%만큼 감소되는 동안, 오프 전류는 거의 일정하였다(도 8). 연신 공정 동안에 상기 트랜지스터의 이동도를 정확히 추산하기 위하여, 상기 캐스팅된 이온 겔 대 변형률의 커패시턴스 변화를 또한 측정하였다. 이로부터, 이온 겔의 커패시턴스는 인가된 인장 변형률에 따라 점차적으로 감소한다는 것을 발견하였다. 상기 커패시턴스 측정 결과에 기초하여, 상이한 변형률에서의 상기 트랜지스터의 이동도를 계산하고, 이를 도 10에 도시하였는데, 상기 도 10은 18% 이하의 연신율 하에서는 얼마간의 변동(fluctuation)은 있지만 저하는 없음을 보여준다. 상기 인가된 변형률이 20%까지 증가하는 경우, 온 전류 및 이동도에 대한 값은 둘 다 상당히, 즉 대략 80% 만큼 감소하였다. 상기 변형률의 추가적인 증가는 상기 장치 성능의 저하를 가속화하였다. 상기 장치의 피로 특성(fatigue property)을 연구하기 위하여, 타장치에 대해 0 내지 10%의 변형률 범위에서 최대 100회의 연신/복원 사이클을 수행하였다. 상기 장치의 온/오프비 및 이동도가 어느 정도 변동됨에도 불구하고, 상기 장치는 여전히 어떠한 전기적 또는 기계적 손상도 관찰됨이 없이 우수한 성능을 보여주어, 우수한 안정성을 나타내었다(도 11).
상기 트랜지스터는 절연체 층, 전극 및 SWCNT계 채널을 포함하는 3 개의 신축성 전자 부품으로 구성된다. 따라서, 기계적 변형에 대한 신축성 트랜지스터의 전기적 응답 배후의 메커니즘을 이해하기 위한 목적으로 상기 장치의 3 개 부품 모두의 신축성을 조사하였다. 상기 커패시턴스가 불과 23% 만큼 감소하는 동안, 상기 이온 겔은 47.5% 만큼 높은 변형률까지 연신될 수 있음을 발견하였다. 상기 변형이 복원되는 경우 상기 커패시턴스가 회복되었다. 소스, 드레인 및 게이트 전극 각각에 대하여, 구부러진 Au/Cr 필름을 사용하였다. 상기 구부러진 Au/Cr 필름의 저항 변화를 인가된 변형률의 함수로써 측정하였다. 15%의 선변형으로, 상기 구부러진 Au/Cr 필름은 20%의 변형률 이하에서 안정한 저항을 나타내었고, 이는 상기 구부러진 Au/Cr 필름이 트랜지스터용의 우수한 신축성 부품임을 나타낸다.
상기 SWCNT계 채널의 신축성에 관하여, 채널 영역에서의 SWCNT 필름의 표면 모폴로지 및 전기적 특성이 둘 다 연신 공정 동안에 평가되었다. 도 12의 (a) 내지 (c)는 각각 0%, 10% 및 20%의 변형률에서의 상기 SWCNT 필름의 SEM 사진을 보여준다. 길이 방향을 따라 초기에 나타난 표면 주름은 변형률의 증가와 더불어 점차적으로 사라졌음을 볼 수 있다. 동시에, 다른 방향을 따르는 유사한 표면 주름이 압축 응력(compressive stress) 때문에 형성되었다. 변형률의 함수로써 상기 구부러진 SWCNT 필름의 정규화된 저항(normalized resistance)을 도 13에 도시하였다. 상기 저항은 25% 이하의 인장 변형률하에서 거의 안정하였고, 또한, 상기 25%는 상기 SWCNT 필름을 연신시키는 경우 인가된 최대 변형률이었음을 볼 수 있다. 상기 필름이 연신된 경우, 지배적인 구조 변화는 (채널 길이 방향에 따른) 직선화(straightening) 및 (개개의 SWCNT들 및 이들 사이의 중첩을 포함하는) 주기적인 웨이브 구조의 (채널 길이 방향에 수직한) 형성이었고, 이는 저항의 변화를 야기하지 않아야 한다.
요약하면, 고신축성 트랜지스터는 유전체로서 이온 겔을 갖는 구부러진 SWCNT 필름을 기초로 하여 개발되었다. 결과적인 장치는 4 × 104의 우수한 온/오프비 및 2 V 미만의 낮은 작동 전압을 나타내었다. 장치의 성능은 0 내지 35%의 큰 인장 변형률 범위에서 안정하게 유지되었다.
실시예 2: 50% 이하의 기판 선변형으로 제조된 구부러진 SWCNT 채널을 갖는 트랜지스터
샘플 제조 및 장치 제조:
상기 실시예 1에서 기술된 방법에 따라, SWCNT 용액, 이온 겔 용액 및 PDMS 기판을 제조하였다. 이후, 이러한 용액 및 기판을 사용하여, 상기 실시예 1에서 기술된 장치 제조 공정을 사용하여 구부러진 채널, 및 구부러진 Au/Cr 소스, 드레인 및 게이트 전극을 갖는 신축성 트랜지스터를 제조하였다. 그러나, 본 실시예에서는, 먼저 PDMS 스트립을 (도 3에 도시된 공정을 사용하여) 50%의 인장 변형률까지 미리 연신시킨 후, 상기 PDMS 스트립이 연신된 상태로 있는 동안, 상기 PDMS 스트립을 SWCNT 필름/유리 기판과 등각 접촉시켰다. 짧은 접촉 후에, 상기 PDMS 기판을 상기 유리로부터 빠르게 박리시켜, 상기 SWCNT 필름을 상기 PDMS 기판상으로 전사시켰다. 이후, 선변형을 복원시켰으며, 이는 상기 전사된 SWCNT 필름의 구부러짐을 가져왔다.
결과:
5 개의 상이한 게이트 전압(VG)에서의 연신되지 않은 트랜지스터의 출력 특성을 도 14에 나타내었다. 도 15 및 도 16의 그래프는 57.2% 이하의 변형률하에서의 트랜지스터의 전달 특성(VD = -0.1V)을 보여준다.
커패시턴스 측정에 기초하여, 상이한 변형률에서의 상기 트랜지스터의 온/오프 전류 및 이동도를 계산하여, 도 17에 도시하였는데, 상기 도 17은 50.8% 이하의 연신율 하에서 얼마간의 변동은 있지만 저하는 없음을 보여준다.
또한, 상기 트랜지스터의 SWCNT 필름의 표면 모폴로지를 연신 공정 동안에 채널 영역에서 연구하였다. 도 18(a) 내지 18(d)는 각각 0%, 25%, 50% 및 65%의 변형률에서의 상기 트랜지스터의 상기 SWCNT 필름의 SEM 사진을 보여준다. 길이 방향을 따라 초기에 나타난 표면 주름은 변형률의 증가와 더불어 점차적으로 사라졌음을 볼 수 있다. 동시에, 다른 방향을 따르는 유사한 표면 주름이 압축 응력 때문에 형성되었다.
본 명세서에서 용어 "예시적인"은 실시예, 사례, 또는 예시의 역할을 하는 것을 의미하기 위해 사용되었다. 본 명세서에서 "예시적인"으로서 기술된 임의의 측면 또는 설계가 반드시 다른 측면 또는 설계보다 선호되거나 또는 유리한 것으로 해석되는 것은 아니다. 더욱이, 본 개시의 목적을 위하여, 그리고 명백히 달리 특정되지 않는 한, "단수"로 표시된 용어는 "하나 이상"을 의미한다. 더욱이, "및" 또는 "또는"의 사용은 구체적으로 달리 표시되지 않는 한, "및/또는"을 포함하는 것으로 의도된다.
본 발명의 예시적인 구현예의 전술한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제시되었다. 본 발명을 망라하거나 또는 개시된 정확한 형태로 제한하려고 의도되지 않았으며, 변경 및 변형이 전술된 교시를 고려하여 가능하거나, 또는 발명의 실시로부터 획득될 수 있다. 본 발명의 원리를 설명하기 위하여, 그리고 당해 기술 분야의 통상의 기술자로 하여금, 고려된 특별한 용도에 적합한 것으로서, 본 발명을 다양한 구현예에 다양한 변경으로 이용할 수 있도록 하는 실제적인 응용으로서 구현예들이 선택되고 기술되었다. 본 발명의 범위는 여기에 첨부된 청구항 및 이의 균등물에 의해 한정되는 것으로 의도된다.

Claims (14)

  1. 소스 전극;
    드레인 전극;
    상기 소스 전극과 상기 드레인 전극 사이에 배치된 전도성 채널로서, 상기 전도성 채널은 구부러진(buckled) 필름을 포함하며, 상기 구부러진 필름은 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 전도성 채널;
    상기 전도성 채널의 상부에 배치된 신축성 폴리머성 유전체 재료를 포함하는 게이트 유전체;
    상기 전도성 채널과 전기적으로 통신하는 게이트 전극; 및
    상기 전도성 채널의 하부에 배치된 탄성 재료를 포함하는 신축성 기판;을 포함하는 신축성 트랜지스터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소스 전극, 상기 드레인 전극 및 상기 게이트 전극 중의 적어도 하나는 구부러진 금속 필름을 포함하는 신축성 트랜지스터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 소스 전극, 상기 드레인 전극 및 상기 게이트 전극 각각은 구부러진 금속 필름을 포함하는 신축성 트랜지스터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 신축성 폴리머성 유전체 재료가 이온 겔(ion gel)인 신축성 트랜지스터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 신축성 폴리머성 유전체 재료가 이온 겔인 신축성 트랜지스터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 신축성 트랜지스터는 250% 이하의 인장 변형률(tensile strain)까지 연신되는 동안 안정한 성능을 제공하는 것을 특징으로 하는 신축성 트랜지스터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 신축성 트랜지스터는 50% 이하의 인장 변형률까지 연신되는 동안 안정한 성능을 제공하는 것을 특징으로 하는 신축성 트랜지스터.
  8. 신축성 트랜지스터의 제조 방법으로서, 상기 제조 방법은,
    단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 필름을 탄성 재료를 포함하는 신축성 기판의 표면상에 도포하는 단계;
    상기 신축성 기판을 연신시키는 단계;
    상기 연신된 기판이 연신되지 않은 상태로 복원되도록 함으로써 상기 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 상기 필름이 구부러지도록 하는 단계로서, 상기 연신된 기판은 그 위에 도포된 상기 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 상기 필름을 갖는 단계;
    전기 전도성 재료의 필름을 상기 신축성 기판 및 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 상기 필름의 일 부분의 상부에 침착시켜 소스 전극을 형성하는 단계;
    전기 전도성 재료의 필름을 상기 신축성 기판 및 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 상기 필름의 타부분의 상부에 침착시켜 드레인 전극을 형성하는 단계; 및
    신축성 폴리머성 유전체 재료의 필름을 상기 소스 전극과 상기 드레인 전극 사이의 상기 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 상기 필름의 상부에 침착시켜 게이트 유전체를 형성하는 단계;를 포함하는 신축성 트랜지스터의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 신축성 기판이 연신된 상태로 있는 동안, 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 상기 필름이 상기 신축성 기판의 표면상에 도포되는 신축성 트랜지스터의 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 신축성 기판이 연신된 상태로 있는 동안, 상기 소스 전극을 형성하는 상기 전기 전도성 재료의 필름 및 상기 드레인 전극을 형성하는 상기 전기 전도성 재료의 필름이 침착됨으로써, 상기 신축성 기판이 연신되지 않은 상태로 복원되는 경우 상기 전기 전도성 재료의 필름이 구부러지게 되는 신축성 트랜지스터의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 신축성 폴리머성 유전체 재료가 이온 겔인 신축성 트랜지스터의 제조 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 신축성 폴리머성 유전체 재료가 이온 겔인 신축성 트랜지스터의 제조 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 신축성 기판을 연신시키는 단계는 상기 신축성 기판을 60% 이하의 인장 변형률까지 연신시키는 단계를 포함하는 신축성 트랜지스터의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 신축성 기판을 연신시키는 단계는 상기 신축성 기판을 약 15% 내지 약 60% 범위의 인장 변형률까지 연신시키는 단계를 포함하는 신축성 트랜지스터의 제조 방법.
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