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입을 수 있는 전자소자는 유연성과 신축성을 겸비해야 하며, 이에 적합한 소재와 공정에 관한 연구가 수행되어야 한다. 이러한 접근은 크게 두 가지 방법으로 이루어지는데, 기존 반도체 공정을 이용하여 유연성과 신축성을 소자에 부여하는 방법과, 대체 소재와 공정을 개발하는 방법이 대표적이다. 전자는 기존 반도체 공정을 이용할 수 있다는 장점과 이미 증명된 소재의 이용으로 신뢰성이 확보되었다는 점에서 장점을 가지지만, 소재 본연의 기계적 물성의 한계에 부딪히고 있으며 후자는 나노선과 같은 신소재가 기계적 특성에서 유연성과 신축성에 유리하다는 소재적 장점을 지니고 있지만, 전기적 특성이 우수하지 못하다는 단점을 지니고 있다.

울산과학기술대학교의 박장웅 교수 연구팀은 이러한 문제점들을 극복한 입을 수 있는 전자소자를 개발하였다. 연구팀은 기계적, 전기적 특성이 우수한 것으로 알려진 탄소 기반의 나노소재를 이용하여 생체 표피에 부착할 수 있는 화학 센서를 개발하여 Nano Letters에 보고하였다. 본 연구에서는 채널 부분에 단일 벽 탄소 나노튜브, 전극 부분에 흑연을 열화학기상증착법으로 동시에 합성할 수 있는 기술을 개발하였으며, 이 기술을 바탕으로 박막 트랜지스터를 제작, 그 특성을 조사하였다. 탄소 나노튜브 채널과 흑연 전극으로 구성된 전자소자는 채널-전극 간 접촉에서 전기적 특성 저하가 없다는 것이 확인되었다. 비록 평형으로 배열된 탄소 나노튜브에서 무작위로 배열된 탄소 나노튜브의 경우보다 더 우수한 반도체성(on/off비 기준)이 나타났으나, 전자의 이동도 면에서는 무작위로 배열된 탄소 나노튜브 기반의 박막 트랜지스터가 우수했다. 이는 금속성 탄소 나노튜브와 반도체성 탄소 나노튜브가 혼재되어 합성된다는 합성 본연의 문제에서 비롯된다.

이렇게 전기적 특성의 조사가 수행된 후, 곡률 반경에 따라 특정 가스의 반응(전기적 특성 변화)도 확인하였다. 이는 휘어지는 정도가 소자의 물성에 영향을 주는지에 대한 연구로, 무작위로 배열된 탄소 나노튜브(채널)-흑연(전극)으로 구성된 소자는 100마이크로미터의 곡률 반경으로 휘어도 반응도에 변화가 없다는 것을 확인하였다. 더불어서, 내구성 테스트를 통해서 10천 번 휘어지고 펴진 후에도 전기적 특성 변화가 없다는 것도 확인하였다.

이런 전기적, 기계적 특성을 바탕으로 연구팀은 색다른 시도를 수행했다. 흑연과 탄소 나노튜브 기반의 전자소자를 각종 기판에 전사하였다. 화학물질을 다룰 때 사용되는 마스크와 토시를 비롯해, 종이, 셀로판 테이프, 손톱 등에 전사된다는 것을 보여주었다. 일반적인 공업용 기판인 실리콘과 플라스틱뿐만 아니라, 다양한 비평면 기판에 전사가 가능하다는 것을 보여줌으로써 다양한 응용 가능성을 제시하였다.

연구팀은 최종적으로 나뭇잎과 사슴벌레의 표피에 상기 소자를 전사하여 생체 기반의 화학 센서를 제작하였다. 1995년 일본 열도를 공포로 몰아넣었던 도쿄 지하철 사린 가스 사건에 사용된 신경가스인 사린(sarin)과 유사한 형태의 디메틸 메틸포스포네이트(Dimethyl methylphosphonate, DMMP)를 감지하는데 응용하였다. 탄소 기반의 전자소자를 나뭇잎과 사슴벌레에 전사한 후 DMMP의 농도에 따라 전기적 특성 변화도 같이 변한다는 것을 확인하였다. 마지막으로 연구팀은 상업적 가치의 창출을 위해 무선으로 가스를 감지하는데도 성공하였다. 안테나 역할의 인덕터를 센서와 연결한 후, 외부 리더기로 정보를 이용하여 정보를 추출하는 방식으로 가스의 농도에 따라 인덕터의 반사율(S11)이 줄어든다는 것도 확인하였다.

탄소 나노튜브와 흑연을 동시에 합성하는 기술은 기존 실리콘 기반의 반도체 기술에 비해 공정 단가가 낮다는 점, 탄소 나노튜브가 가지고 있는 우수한 기계적, 전기적 특성을 이용할 수 있다는 점, 마지막으로 생체 표피 등 다양한 비평면 기판에에 부착할 수 있다는 점에서 입을 수 있는 전자 소자 등 응용 가능성이 높으며, 생체 표피에 부착된 화학 센서는 인간이 접근하기 힘든 환경의 상태를, 잔류하고 있는 생물체가 대신 측정할 수 있다는 점에서 매우 흥미로운 연구 결과로 평가된다.

 

그림1. 탄소 나노튜브-흑연 기반 전자소자(상)및 생체 표피에 전사(하)
그림2. 생체 표피에 부착된 화학센서 및 전기적 특성