[기계신문] 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.
현재의 기술수준은 옷감 위에 기존 센서 등의 딱딱한 전자소자 자체를 단순히 붙이거나 전도성 섬유를 이용하여 소자들 사이를 연결하는 형태에 머물러 있어 섬유의 편안함을 기대할 수 없는 단계이다.
이를 개선하기 위해서는 전자소자 자체가 섬유의 특성을 유지할 수 있도록 실 형태를 가지면서 옷감에 삽입될 수 있는 전자소자의 개발이 필요하다. 특히 트랜지스터는 센서, 디스플레이 등 전자소자 구동에 있어 기본이 되는 스위칭 소자로, 전자섬유 구현에 있어 필수적인 부품이다.
한국과학기술연구원(KIST)은 광전소재연구단 임정아 박사 연구팀이 섬유의 특성을 유지할 수 있도록 실 형태를 가지면서 세탁해도 성능이 유지되는 옷감에 삽입 가능한 섬유형 트랜지스터를 개발했다고 밝혔다.
연구팀은 진공공정 없이 소스, 드레인 전극용 전도성 실 표면에 용액공정을 이용하여 유기반도체를 코팅하였다. 각각의 반도체가 코팅된 소스, 드레인 전극을 꼬아 붙인 뒤 높은 정전용량을 가지는 이온젤을 절연막으로 꼬아진 두 전극실 구조체 외부에 코팅하였다.
꼬아진 전극 위에 코팅된 이온젤을 게이트 전극으로 이용되는 전도성 실로 감고, 보호막을 코팅함으로써, 꼬아진 전극 구조를 가지면서 세탁 가능한 새로운 실 형태의 트랜지스터를 최초로 제작하는데 성공했다.
꼬아진 전극 구조를 기반으로 한 실 형태의 트랜지스터는 코팅된 반도체의 두께를 조절하여 반도체 채널의 길이(L)를 조절할 수 있으며 꼬아진 실의 길이를 조절하여 반도체 채널의 폭(W)를 조절할 수 있어, 응용에 따라 소자의 전류 레벨을 제어할 수 있다.
저전압에서 수 mA 이상의 전류를 얻을 수 있는 꼬아진 전극 기반의 트랜지스터는 게이트 전압을 조절함으로써 LED의 밝기 제어가 가능함을 확인하였다. 또한, 섬유에 직조한 후 3가지 색의 LED를 트랜지스터에 연결하여 LED의 안정적인 켜짐/꺼짐을 제어하는 스위칭 소자로서의 역할을 보였다.
나아가 1000번 이상 구부리거나 7mm까지 접은 후에도 소자의 성능이 80% 이상 유지되는 것을 확인함으로써 기계적 변형에도 소자의 안정된 성능을 보임을 확인했다.
또한 보호막을 코팅하지 않은 트랜지스터는 물에 담근 후 트랜지스터의 스위칭 특성이 보이지 않지만, 보호막을 코팅한 이 트랜지스터의 경우, 세제를 넣은 물에 세탁해도 성능이 유지되는 것을 확인하였다.
마지막으로 개발된 트랜지스터는 심전도(electrocardiogram) 신호를 증폭시키는데 응용될 수 있음을 보여, 인체신호 모니터링 소자로서의 응용 가능성 또한 확인하였다.
KIST 임정아 박사는 “이번 연구결과는 그동안 전자섬유의 한계로 지적되었던 낮은 전류, 높은 구동전압, 세탁 내구성 등의 문제를 해결할 수 있는 새로운 소자 구조를 제시한 것으로, 차세대 웨어러블 컴퓨터나 인체신호 모니터링 기능을 가진 스마트 의류 등 한층 똑똑해진 차세대 웨어러블 제품을 개발하는데 있어 이번 연구가 응용 가능할 것으로 기대한다”고 밝혔다.
한편, 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST의 기관고유사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 연구결과는 소재 분야 국제 저널인 ‘Advanced Materials’ 최신호에 온라인 게재되었다.