KR20180049558A - 섬유형 트랜지스터 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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김수진
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Abstract

본 발명은 섬유형 트랜지스터 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 소스 섬유와 드레인 섬유가 길이 방향을 따라 서로 꼬여진(Twisted) 상태로 형성됨으로써, 소스 섬유와 드레인 섬유의 접촉면을 증가시켜 전하 이동이 용이한 섬유형 트랜지스터 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 이온젤을 사용하여 게이트 절연층을 형성함으로써, 같은 작동 전압에서 높은 전류를 얻을 수 있어 낮은 작동전압을 가지는 섬유형 트랜지스터 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

섬유형 트랜지스터 및 이의 제조 방법{FIBROUS TRANSISTOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 섬유형 트랜지스터 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 소스 섬유와 드레인 섬유가 길이 방향을 따라 서로 꼬여진(Twisted) 상태로 형성됨으로써, 소스 섬유와 드레인 섬유의 접촉면을 증가시켜 전하 이동이 용이한 섬유형 트랜지스터 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 이온젤을 사용하여 게이트 절연층을 형성함으로써, 같은 작동 전압에서 높은 전류를 얻을 수 있어 낮은 작동전압을 가지는 섬유형 트랜지스터 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 웨어러블 전자소자가 시대의 패러다임으로 자리 잡으면서 옷과 같은 섬유에 전자소자의 기능이 결합된 전자섬유(Electronic Textile)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 섬유는 유연하고 편안하기 때문에 사람이 하루종일 입고 다녀도 피로감을 덜 느껴 웨어러블 전자소자의 이상적인 플랫폼으로 주목받고 있다.
기존 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 위해서는 전자소자 자체가 섬유의 특성을 유지할 수 있는 실 형태의 옷감에 삽입될 수 있는 전자소자의 개발이 필요한 상황이다.
다양한 전자소자 중에서 트랜지스터는 센서, 디스플레이 등 전자소자 구동에 있어 기본이 되는 스위칭 소자로, 섬유형 전자소자 구현에 있어 필수적인 부품이다.
일반적으로 사용되는 트랜지스터의 게이트 절연체는 SiO2나 Al2O3와 같은 금속산화물들이다. 이러한 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, FET)의 경우 빠른 스위칭 속도를 갖는 장점이 있지만, 제작과정에서 진공 공정이 필요하기 때문에 운영비용과 자본비용이 높은 문제점이 있다. 또한, 금속산화물의 경우, 낮은 정전용량으로 인해 구동전압이 높은 문제점이 있다.
트랜지스터의 게이트 절연체를 전해질로 대체하면 상대적으로 낮은 스위칭 속도를 갖지만, 전해질의 높은 전기용량으로 인해 더 높은 전하밀도(charge carrier density)를 얻을 수 있기 때문에 낮은 작동 전압과 높은 출력전류가 필요한 전자기술 분야에서 활발한 연구가 진행되고 있다. 이렇게 전해질을 게이트 절연체로 사용하는 전기화학 트랜지스터는 이온성 액체 기반의 고분자 전해질과 같은 전해질을 절연체로 사용함으로써, 구동이 낮은 전압에서 가능하며, 전력소모량이 매우 작기 때문에 휴대용 디바이스에 적용하기 유리하다.
그러나, 종래 평판형 트랜지스터는 소스/드레인/게이트 세 전극의 배열을 정밀하게 조절하는 것이 어려워 섬유형 트랜지스터를 구현하는데 문제점이 있다. 또한, 구동전압이 높아 실제 웨어러블 제품에 적용할 수 없는 문제점이 있다.
한국공개특허 제10-1088056호
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 구동전압을 낮추고 게이트를 배열할 수 있는 위치 제약을 없애기 위해, 길이 방향으로 서로 꼬여진 소스 섬유와 드레인 섬유 외측에 이온 전도성이 높은 이온젤이 둘러싼 섬유형 트랜지스터를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 소스 섬유에서 발생되는 전하의 이동 통로를 증가시키기 위해 소스 섬유와 드레인 섬유를 길이 방향으로 꼬아진 섬유형 트랜지스터를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 섬유형 트랜지스터는, 섬유형 소스 섬유; 섬유형 드레인 섬유; 상기 소스 섬유 및 드레인 섬유를 둘러싸도록 제공되는 이온젤 층; 및 상기 이온젤 층 외측 일부에 위치되는 게이트;를 포함하고, 상기 소스 섬유 및 드레인 섬유는 서로 꼬여진(twisted) 상태로 적어도 하나 이상의 접촉면이 형성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 소스 섬유는, 전도성 파이버; 및 상기 전도성 파이버 외주면에 형성되는 반도체층;을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 드레인 섬유는, 전도성 파이버; 및 상기 전도성 파이버 외주면에 형성되는 반도체층;을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 소스 섬유 및 드레인 섬유는 길이 방향으로 교차로 서로 꼬여진(twisted) 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 소스 섬유 및 드레인 섬유는, 상기 소스 섬유 및 드레인 섬유 중 어느 하나의 섬유 길이 방향을 따라 상기 섬유 이외의 다른 섬유가 나선형으로 감겨있는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 게이트는, 상기 이온젤 층의 길이 방향을 따라 나선형으로 감겨져 있는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 전도성 파이버는, 전도성 물질을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 반도체 층은, 유기 반도체, 산화물 반도체, 금속산화물 반도체 및 탄소화합물 반도체 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 이온젤 층은, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드(1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide; [EMIM][TFSI]), 폴리(비닐 포스포닉 액시드-코-아크릴릭 액시드)(poly(vinyl phosphonic acid-co-acrylic acid); P(VPA-AA)), 폴리(스티렌 술포닉 액시드(poly(styrene sulfonic acid); PSSH), 폴리 에틸렌 옥사이드(poly ethylene oxide; PEO) 매트릭스 중의 NaCl, 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF(polyvinylidenefluoride)), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메탄술폰이미드)(1-butyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonimide) ([bmim][Tf2N]), 고분자 IL 폴리(1-비닐-3-메틸이미다졸륨 비스(트리-플루오로메탄술폰이미드)(폴리[ViEtIm][Tf2N])(polymer IL poly(1-vinyl-3-methylimidazolium bis(tri-fluoromethanesulfonimide) (poly[ViEtIm][Tf2N]), PEO/LiTFSI, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트(1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate; [BMIM][PF6]), 및 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 n-옥틸술페이트(1-ethyl-3-methylimidazolium n-octylsulfate; [EMIM][OctOSO3]) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 일 실시예에 따른 섬유형 트랜지스터 제조 방법은, (a) 섬유형 소스 섬유를 제조하는 단계; (b) 섬유형 드레인 섬유를 제조하는 단계; (c) 상기 소스 섬유 및 드레인 섬유가 적어도 하나 이상의 접촉면이 형성되도록 서로 꼬아주는(twisting) 단계; (d) 상기 꼬여진 상기 소스 섬유 및 상기 드레인 섬유를 둘러싸도록 이온젤 층을 형성하는 단계; 및 (e) 상기 이온젤 층 외측 일부에 게이트를 위치시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (a) 및 (b) 단계는, 전도성 파이버를 준비하는 단계; 및 상기 전도성 파이버 외주면에 반도체층을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 (c) 단계에서, 상기 소스 섬유 및 드레인 섬유는, 길이 방향으로 교차로 서로 꼬여진(twisted) 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (c) 단계에서, 상기 소스 섬유 및 드레인 섬유는, 상기 소스 섬유 및 드레인 섬유 중 어느 하나의 섬유 길이 방향을 따라 상기 섬유 이외의 다른 섬유가 나선형으로 감겨지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (d) 단계는, 에어로졸 젯 프린팅, 잉크 젯 프린팅, 전사 프린팅, 스핀코팅, 딥코팅 및 캐스팅 중 어느 하나의 방법에 의해 이온젤 층이 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 (e) 단계에서, 상기 게이트는, 상기 이온젤 층 길이 방향을 따라 나선형, 평행 및 트위스트 중 어느 한 형태로 위치될 수 있다.
본 발명에 따르면, 소스 섬유 및 드레인 섬유를 둘러싸도록 이온젤 층이 제공됨으로써, 반도체/게이트 유전체/게이트 전극의 적층 구조에서 벗어나 게이트 전극의 배치를 유연하게 할 수 있는 효과가 있다.
나아가, 이온젤 층이 게이트 절연층의 역할을 함으로써, 섬유형 트랜지스터는 수 V 이하의 낮은 전압에서 작동이 가능하여 전기 용량(capacitance)이 증가하는 효과가 있다.
또한, 소스 섬유와 드레인 섬유가 서로 꼬여진 상태로 형성됨으로써, 소스 섬유와 드레인 섬유의 접촉면이 증가하고, 섬유형 트랜지스터의 전류량이 증가되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유형 트랜지스터를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 섬유형 트랜지스터를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유형 트랜지스터의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유형 트랜지스터 제조 방법을 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 소스 섬유 및 드레인 섬유 제조 방법을 나타낸 사시도이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유형 트랜지스터 제조 방법의 순서도이다.
도 7은 제조예에 따른 섬유형 트랜지스터를 나타낸 사진이다.
도 8은 본 발명에 따른 섬유형 트랜지스터의 구동 성능을 나타낸 그래프이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 용이하게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
<섬유형 트랜지스터>
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유형 트랜지스터(100)를 나타낸 사시도이다. 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 섬유형 트랜지스터(100')를 나타낸 사시도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 섬유형 트랜지스터(100, 100')는 섬유형 소스 섬유(10), 섬유형 드레인 섬유(20), 소스 섬유(10) 및 드레인 섬유(20)를 둘러싸도록 제공되는 이온젤 층(30) 및 이온젤 층(30) 외측 일부에 위치되는 게이트(40)을 포함한다.
소스 섬유(10) 및 드레인 섬유(20)는 서로 꼬여진(twisted) 상태로 적어도 하나 이상의 접촉면이 형성될 수 있다. 예를 들어, 소스 섬유(10)와 드레인 섬유(20)가 길이 방향으로 교차되면서 서로 꼬여진(twisted) 모양(도 1 참조)으로 형성되거나, 소스 섬유(10) 및 드레인 섬유(20) 중 어느 하나의 섬유 길이 방향을 따라 상기 섬유 이외의 다른 섬유가 나선형으로 감겨져 있는 모양(도 2 참조)으로 형성될 수 있다.
나아가, 소스 섬유(10) 및 드레인 섬유(20)가 나선형으로 꼬아지는 경우는 두 가지가 있을 수 있다. 우선, 소스 섬유(10)가 기준이 되는 경우, 드레인 섬유(20)가 소스 섬유(10)의 길이 방향을 따라 나선형으로 감겨져 형성될 수 있다. 다음으로, 드레인 섬유(20)가 기준이 되는 경우, 소스 섬유(10)가 드레인 섬유(20)의 길이 방향을 따라 나선형으로 감겨져 형성될 수 있다.
여기서, 소스 섬유(10)는 전하 캐리어를 공급할 수 있고, 드레인 섬유(20)는 전하 캐리어를 공급받을 수 있다. 소스 섬유(10)는 전도성 파이버(11) 및 상기 전도성 파이버(11) 외주면에 형성되는 반도체층(12)을 포함할 수 있다. 나아가, 드레인 섬유(20) 또한 전도성 파이버(21) 및 상기 전도성 파이버(21) 외주면에 형성되는 반도체층(22)을 포함할 수 있다. 반도체층(12, 22)은 소스 섬유(10)에 포함된 전도성 파이버(11)에서 발생한 전하가 드레인 섬유(20)에 포함된 전도성 파이버(21)로 이동할 수 있는 이동통로 역할을 할 수 있다.
전도성 파이버(11, 21)는 전도성 물질로 구성될 수 있고, 전도성 물질로는 금속 또는 전도성 고분자 물질이 사용될 수 있는데, 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) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 탄소나노튜브를 이용하여 소스 섬유(10) 및 드레인 섬유(20)를 형성할 경우, 탄소나노튜브는 정전기 방전 재료로써, 소스 섬유(10)와 드레인 섬유(20)가 서로 꼬여질 때, 소스 섬유(10) 및 드레인 섬유(20)에 축척된 전하가 순간적으로 빠져나가 정전기가 발생하고, 소스 섬유(10)와 드레인 섬유(20) 사이 접착력이 증가되는 효과가 있을 수 있다.
그러나, 전도성 파이버(11, 21)는 전도성을 보유하는 한 그 물질의 특별한 제한이 없음을 유의한다.
아울러, 반도체층(12, 22)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)으로부터 선택될 수 있고, 산화물 반도체는 AxByCzO(A, B, C = Zn, Cd, Ga, In, Sn, Hf, Zr; x, y, z ≥ 0)의 조합으로 이루어진 삼성분계 또는 사성분계 산화물 반도체로 형성할 수 있다. 또한, 산화물 반도체는 비정질 또는 결정질이거나, 비정질과 결정질이 혼합된 결정구조를 가질 수 있다.
나아가, 금속산화물 반도체는 아연산화물(ZnOx), 인듐산화물(InOx), 인듐갈륨아연산화물(IGZO), 인듐주석산화물(ITO) 중 어느 하나로 선택될 수 있고, 탄소화합물 반도체는 반도체성 탄소나노튜브(CNT) 또는 그래핀(Graphene) 나노리본으로부터 이용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유형 트랜지스터(100, 100')의 단면도이다. 도 3을 참조하여 섬유형 트랜지스터(100, 100')의 작동 원리를 설명할 수 있다. 소스 섬유(10)와 게이트(40)에 인가된 전압에 의해 소스 섬유(10)에 전하가 발생하고, 소스 섬유(10)에 발생된 전하는 드레인 섬유(20)로 이동함으로써, 섬유형 트랜지스터(100, 100')에 전류가 흐르게 된다. 이때, 소스 섬유(10)와 드레인 섬유(20)가 서로 꼬여진 상태로 형성됨으로써 전하가 이동할 수 있는 이동통로 역할을 하는 접촉면이 많아지고, 섬유형 트랜지스터(100, 100')의 전류량이 증가하는 효과가 있다.
이온젤 층(30)은 일반적으로 게이트 절연층 역할을 할 수 있다. 소스 섬유(10) 및 드레인 섬유(20)와 게이트(40)를 절연하기 위한 구성으로, 이온성 액체를 경화하여 형성될 수 있다. 이온성 액체를 전자소자에 적용하여 사용하기 위해서는 이온의 이동을 최대한 방해하지 않으면서 이온성 액체 내에서 3차원 구조를 형성하는 물질을 추가하여 기계적 성질을 부여하는 방법이 필요하다. 3차원 구조를 형성하는 물질로는 무기 재료 또는 고분자 재료를 이용할 수 있다.
이온젤 층(30)은 고분자 재료를 이용한 이온성 액체를 사용하며, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드(1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide; [EMIM][TFSI]), 폴리(비닐 포스포닉 액시드-코-아크릴릭 액시드)(poly(vinyl phosphonic acid-co-acrylic acid); P(VPA-AA)), 폴리(스티렌 술포닉 액시드(poly(styrene sulfonic acid); PSSH), 폴리 에틸렌 옥사이드(poly ethylene oxide; PEO) 매트릭스 중의 NaCl, 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF(polyvinylidenefluoride)), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메탄술폰이미드)(1-butyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonimide) ([bmim][Tf2N]), 고분자 IL 폴리(1-비닐-3-메틸이미다졸륨 비스(트리-플루오로메탄술폰이미드)(폴리[ViEtIm][Tf2N])(polymer IL poly(1-vinyl-3-methylimidazolium bis(tri-fluoromethanesulfonimide) (poly[ViEtIm][Tf2N]), PEO/LiTFSI, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트(1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate; [BMIM][PF6]), 및 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 n-옥틸술페이트(1-ethyl-3-methylimidazolium n-octylsulfate; [EMIM][OctOSO3]) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이때, 이온젤 층(30)은 전극 접촉면에서 나노미터 두께의 전기 이중층을 형성하여 1㎌/㎠이상의 매우 높은 전기용량을 가지며, 이는 이온젤을 게이트 절연층으로 섬유형 트랜지스터(100, 100')에 적용했을 경우 반도체 층(12, 22)에 낮은 구동전압에서 같은 수의 전하 운반체(charge carrier, electron 또는 hole) 즉 전류를 얻을 수 있거나, 같은 작동 전압에서 높은 전류를 얻을 수 있게 하여 낮은 작동전압에서 소자 구동이 가능하거나 높은 출력전류를 발생시킬 수 있는 효과가 있다.
예를 들어, 3V이하의 낮은 작동전압에서 소자 구동이 가능하며, 1mA이상의 높은 소자 전류와 105의 전류 점멸비를 가진 섬유형 트랜지스터(100, 100') 제작이 가능할 수 있다.
또한, 이온젤 층(30)에 의해 게이트(40)의 배치를 유연하게 할 수 있는 효과가 있다.
게이트(40)는 일반적으로 트랜지스터에 사용되는 게이트 전극으로, 인가된 전압에 따라 전압제어전류원 역할을 할 수 있다. 또한, 트랜지스터 전하 캐리어의 흐름을 조절할 수 있고, 소스, 드레인 사이의 전류 흐름을 제어함으로써, 증폭기 혹은 스위치 소자 역할을 할 수 있다.
아울러, 게이트(40)는 이온젤 층(30)의 길이 방향을 따라 나선형, 평행 및 트위스트 중 어느 하나의 형태로 감길 수 있다. 또한, 게이트(40)는 전도성 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 금속 또는 전도성 고분자 물질이 사용될 수 있는데, 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) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
그러나, 게이트(40)는 전도성을 보유하는 한 그 물질의 특별한 제한이 없음을 유의한다.
<섬유형 트랜지스터의 제조 방법>
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유형 트랜지스터(100, 100') 제조 방법 사시도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 소스 섬유(10) 및 드레인 섬유(20) 제조 방법을 나타낸 사시도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유형 트랜지스터(100, 100') 제조 방법의 순서도이다.
섬유형 트랜지스터(100, 100')를 제조하는 방법은 (a) 섬유형 소스 섬유(10)를 제조하는 단계(S100), (b) 섬유형 드레인 섬유(20)를 제조하는 단계(S200), (c) 소스 섬유(10) 및 드레인 섬유(20)가 적어도 하나 이상의 접촉면이 형성되도록 서로 꼬아주는(twisting) 단계(S300), (d) 꼬여진 소스 섬유(10) 및 드레인 섬유(20)를 둘러싸도록 이온젤 층(30)을 형성하는 단계(S400) 및 (e) 이온젤 층(30) 외측 일부에 위치 게이트(40)를 위치시키는 단계(S500)를 포함한다.
(a)단계 및 (b)단계는 전도성 물질을 포함하는 소스 섬유(10) 및 드레인 섬유(20)를 준비하는 단계로, 전도성 파이버(11,21)를 준비하는 단계(S110, S210) 및 전도성 파이버(11,21) 외주면에 반도체층(12, 22)을 형성하는 단계(S120, S220)를 더 포함할 수 있다.
전도성 파이버(11, 21)는 전도성 있는 물질로 형성된 전도성 섬유로써, 전하를 공급하거나, 공급받는 역할을 할 수 있다. 또한, 반도체층(12, 22)은 일반적으로 트랜지스터에서 채널 역할을 할 수 있다. 소스 섬유(10)에 포함된 전도성 파이버(11)에서 발생한 전하를 드레인 섬유(20)에 포함된 전도성 파이버(21)로 이동시키는 통로로, 전하 이동도가 있는 물질로 이루어질 수 있다.
(c)단계는 소스 섬유(10) 및 드레인 섬유(20)를 접촉시켜주는 단계로, 소스 섬유(10)와 드레인 섬유(20)를 서로 한 번 이상 꼬아줌으로써, 적어도 하나 이상의 접촉면을 형성하여 전하의 이동통로를 형성하는 단계이다. 이때, 소스 섬유(10) 및 드레인 섬유(20)는 길이 방향으로 교차로 서로 꼬여질(twisted) 수 있다.
또한, 소스 섬유(10) 및 드레인 섬유(20)는 소스 섬유(10) 및 드레인 섬유 (20) 중 어느 하나의 섬유 길이 방향을 따라 상기 섬유 이외의 다른 섬유가 나선형으로 감겨질 수 있다.
예를 들어, 소스 섬유(10)가 기준 섬유가 되고, 소스 섬유(10) 외측면에 드레인 섬유(20)가 나선형으로 둘러싸 하나 이상의 접촉면을 형성할 수 있다. 이때, 드레인 섬유(20)가 감기는 수, 즉, 꼬임수(T/M)가 증가함에 따라 소스 섬유(10)와 드레인 섬유(20)가 접촉하는 면이 증가하고, 섬유형 트랜지스터(100, 100')의 전류량이 증가하는 효과가 있다.
(d)단계는 소스 섬유(10)와 드레인 섬유(20)를 모두 감쌀 수 있게 이온젤 층(30)을 형성하는 단계로, 일반적으로 트랜지스터에서 게이트 절연층을 형성하는 단계이다. 이때, 이온젤 층(30)은 조용매(co-solvent)를 이용하면 프린팅에 적합한 농도와 점도 조절이 가능하여 에어로졸 젯 프린팅, 잉크 젯 프린팅, 전사 프린팅, 스핀코팅, 딥코팅, 캐스팅과 같은 공정에 의해 소스 섬유(10) 및 드레인 섬유(20) 외측면에 형성될 수 있다. 나아가 롤투롤 방식의 연속공정에 의해 형성될 수 있다.
아울러, 제작 공정 측면에서 이온성 액체를 이용한 섬유형 트랜지스터(100, 100')는 진공공정이 배제되어 비교적 간단하며, 낮은 비용의 용액공정을 통한 소자 제작이 가능하여 제조 원가를 크게 줄일 수 있는 효과가 있다.
(e)단계는 일반적으로 트랜지스터에서 게이트 전극 역할을 하는 게이트(40)를 위치시키는 단계로써, 이온젤 층(30) 외측에 원통형 게이트(40)를 감아 외측 일부에만 게이트(40)를 위치시키는 단계이다.
나아가, 게이트(40)는 이온젤 층(30)의 길이 방향을 따라 나선형으로 감겨 형성될 수 있다. 여기서, 이온젤 층(30)의 길이 방향이란 소스 섬유(10) 또는 드레인 섬유(20)의 길이 방향을 의미한다. 즉, 꼬여진 소스 섬유(10)와 드레인 섬유(20)의 길이 방향을 따라 원통형의 게이트(40)가 이온젤 층(30) 외측에 감겨 위치될 수 있다.
나아가, 이온 전도도 및 전기용량이 높은 이온젤 층(30)이 소스 섬유(10) 및 드레인 섬유(20)를 둘러싸고 있으므로, 이온젤 층(30) 외측면에 게이트(40)를 위치시킬 경우, 게이트(40)의 형상 및 위치에 제한 없이 위치시킬 수 있는 효과가 있다.
< 제조예 >
도 7은 제조예에 의해 제조된 섬유형 트랜지스터를 나타낸 사진이다.
여기서, 소스 섬유 및 드레인 섬유는 poly(4-styrenesulffonate)로 도핑된 전도성 고분자 poly(3,4-ethylenedioxythiophene)로 이루어진 전도성 파이버에 P3HT(poly(3-hexylthiophene)) 반도체층이 형성된 전도성 섬유로써, 소스 섬유와 드레인 섬유를 길이방향으로 서로 꼬아 준비한다. 그 후, 1회용 스포이드 관에 삽입한 후, 주사기를 이용하여 스포이드 관 내부 빈 공간에 이온젤을 채워 넣음으로써, 소스 섬유와 드레인 섬유 외주면에 이온젤 층을 형성하였다. 그리고, 1회용 스포이드 관을 제거하고, 준비된 구리 파이버를 이온젤 층 외측에 위치시킴으로써 섬유형 트랜지스터를 제조하였다.
< 실험예 >
상기 제조예에 의해 제조된 섬유형 트랜지스터의 구동 성능 측정 실험을 진행하였다. 도 8은 섬유형 트랜지스터의 구동 성능 측정 실험 결과이다.
도 8을 참조하면, 드레인 섬유에 3V의 일정한 전압을 가하고, 게이트에 가해지는 전압을 증가시켰을 때, 소스 및 드레인 섬유사이 전류의 변화에 관한 실험을 진행하였다. 그 결과, 게이트에 걸리는 전압이 약1.5V일 경우 소스 섬유와 드레인 섬유 사이 전류가 급증하게 되고, 이때, 섬유형 트랜지스터가 on상태가 된다. 아울러, 게이트에 걸리는 전압을 감소시킴으로써, 섬유형 트랜지스터가 on에서 off로 가는 속도에 따라 전하 이동도가 결정된다.
상기 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 소스 섬유
11, 21: 전도성 파이버
12, 22: 반도체층
20: 드레인 섬유
30: 이온젤 층
40: 게이트
100, 100': 섬유형 트랜지스터

Claims (15)

  1. 섬유형 소스 섬유;
    섬유형 드레인 섬유;
    상기 소스 섬유 및 드레인 섬유를 둘러싸도록 제공되는 이온젤 층; 및
    상기 이온젤 층 외측 일부에 위치되는 게이트;를 포함하고,
    상기 소스 섬유 및 드레인 섬유는 서로 꼬여진(twisted) 상태로 적어도 하나 이상의 접촉면이 형성되는 것을 특징으로 하는,
    섬유형 트랜지스터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소스 섬유는,
    전도성 파이버; 및 상기 전도성 파이버 외주면에 형성되는 반도체층;을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    섬유형 트랜지스터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 드레인 섬유는,
    전도성 파이버; 및 상기 전도성 파이버 외주면에 형성되는 반도체층;을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    섬유형 트랜지스터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 소스 섬유 및 드레인 섬유는,
    길이 방향으로 교차로 서로 꼬여진(twisted) 것을 특징으로 하는,
    섬유형 트랜지스터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 소스 섬유 및 드레인 섬유는,
    상기 소스 섬유 및 드레인 섬유 중 어느 하나의 섬유 길이 방향을 따라 상기 섬유 이외의 다른 섬유가 나선형으로 감겨있는 것을 특징으로 하는
    섬유형 트랜지스터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 게이트는,
    상기 이온젤 층의 길이 방향을 따라 나선형으로 감겨져 있는 것을 특징으로 하는, 섬유형 트랜지스터.

  7. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 전도성 파이버는,
    전도성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    섬유형 트랜지스터.
  8. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 반도체 층은,
    유기 반도체, 산화물 반도체, 금속산화물 반도체 및 탄소화합물 반도체 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 섬유형 트랜지스터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 이온젤 층은,
    1-에틸-3-메틸이미다졸리움 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드(1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide; [EMIM][TFSI]), 폴리(비닐 포스포닉 액시드-코-아크릴릭 액시드)(poly(vinyl phosphonic acid-co-acrylic acid); P(VPA-AA)), 폴리(스티렌 술포닉 액시드(poly(styrene sulfonic acid); PSSH), 폴리 에틸렌 옥사이드(poly ethylene oxide; PEO) 매트릭스 중의 NaCl, 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF(polyvinylidenefluoride)), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메탄술폰이미드)(1-butyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonimide) ([bmim][Tf2N]), 고분자 IL 폴리(1-비닐-3-메틸이미다졸륨 비스(트리-플루오로메탄술폰이미드)(폴리[ViEtIm][Tf2N])(polymer IL poly(1-vinyl-3-methylimidazolium bis(tri-fluoromethanesulfonimide) (poly[ViEtIm][Tf2N]), PEO/LiTFSI, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트(1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate; [BMIM][PF6]), 및 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 n-옥틸술페이트(1-ethyl-3-methylimidazolium n-octylsulfate; [EMIM][OctOSO3]) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온젤 트랜지스터
  10. (a)섬유형 소스 섬유를 제조하는 단계;
    (b)섬유형 드레인 섬유를 제조하는 단계;
    (c)상기 소스 섬유 및 드레인 섬유가 적어도 하나 이상의 접촉면이 형성되도록 서로 꼬아주는(twisting) 단계;
    (d) 상기 꼬여진 상기 소스 섬유 및 상기 드레인 섬유를 둘러싸도록 이온젤 층을 형성하는 단계; 및
    (e) 상기 이온젤 층 외측 일부에 게이트를 위치시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    섬유형 트랜지스터 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 (a) 및 (b) 단계는,
    전도성 파이버를 준비하는 단계; 및
    상기 전도성 파이버 외주면에 반도체층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 섬유형 트랜지스터 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 소스 섬유 및 드레인 섬유는, 길이 방향으로 교차로 서로 꼬여진(twisted) 것을 특징으로 하는, 섬유형 트랜지스터 제조 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 소스 섬유 및 드레인 섬유는,
    상기 소스 섬유 및 드레인 섬유 중 어느 하나의 섬유 길이 방향을 따라 상기 섬유 이외의 다른 섬유가 나선형으로 감겨지는 것을 특징으로 하는, 섬유형 트랜지스터 제조 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 (d) 단계는,
    에어로졸 젯 프린팅, 잉크 젯 프린팅, 전사 프린팅, 스핀코팅, 딥코팅 및 캐스팅 중 어느 하나의 방법에 의해 이온젤 층이 형성되는 것을 특징으로 하는,
    섬유형 트랜지스터 제조 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 (e) 단계에서,
    상기 게이트는, 상기 이온젤 층 길이 방향을 따라 나선형, 평행 및 트위스트 중 어느 한 형태로 위치되는 것을 특징으로 하는, 섬유형 트랜지스터 제조 방법.
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