웨어러블 전자소자가 시대의 패러다임으로 자리 잡으면서 옷과 같은 섬유에 전자소자 기능이 결합된 전자섬유에 대한 연구가 활발하다. 섬유가 가진 편안한 특성으로 인해 웨어러블 전자소자의 이상적인 플랫폼으로 주목받고 있다.

최근 한국과학기술연구원(KIST) 광전소재연구단 임정아 박사팀은 전도성 실위에 1회 코팅으로 절연막과 반도체 막을 동시에 형성할 수 있는 기술을 개발하여 실 형태의 전계효과 트랜지스터를 구현하는데 성공했다고 밝혔다.

기존의 기술 수준은 옷감 위에 기존의 딱딱한 고체 전자소자 또는 센서 등을 단순히 붙이거나 전도성 섬유를 이용해 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 상황이었다.

다양한 전자소자 중에서 트랜지스터는 센서, 디스플레이 등 전자소자 구동에 있어 기본이 되는 스위칭 소자다. 섬유형 전자소자 구현에 있어 필수적인 부품이다. 그러나 반도체와 절연막, 전도성 전극의 복잡한 다층구조로 이루어져 있어 섬유형태로 구현하는데 어려움이 있었다. 또한 기존에 보고된 섬유형 트랜지스터는 절연막과 반도체 사이의 계면접착력이 좋지 않아 외부 변형에 소자 성능이 나빠지는 단점이 있었다.

연구진은 용액공정이 가능한 유기반도체와 절연체 고분자의 혼합물(블렌드) 용액을 전도성 실 표면에 1회 코팅해 혼합물(블렌드)에서 자발적으로 상분리를 일으켜, 유기반도체가 실 가장 바깥쪽 표면에 막을 형성하고 그 안쪽에는 절연체 막이 형성되어 절연막/반도체 이중층으로 감싸진 전도성 섬유구조체를 제작하는데 성공했다.

이때 전도성 섬유는 트랜지스터의 게이트 전극(전류를 제어하는 금속접속자)으로 사용되며, 이후 소스(Source)와 드레인(Drain) 전극을 반도체 층 위에 형성하여 섬유형태의 트랜지스터를 제작했다. 이렇게 제작된 섬유형 트랜지스터는 기존 평평한 기판에 제작됐던 유기박막 트랜지스터와 유사한 성능을 가지는 것으로 확인됐다.

임정아 박사팀이 개발한 절연막/반도체 이중층 기반 전도성 섬유 구조체는 절연막/반도체 층의 계면접착성이 우수해 소자를 3 mm 까지 접은 후에도 소자의 성능이 80% 이상 유지되는 특성을 밝혀냈다. 또한 섬유 표면 전체에 절연막/반도체가 고르게 형성되어 있어, 트랜지스터 성능이 균일하게 나옴을 알 수 있었으며, 전도성 실을 소스와 드레인 전극으로 사용하고 일반 면사와 함께 직조하여 옷감 안에 트랜지스터 소자를 직접 삽입할 수 있는 전자섬유를 제작할 수 있게 됐다.

이번 연구결과는 직조 가능한 섬유형 트랜지스터로서 기존의 평면상에 제작한 유기반도체 트랜지스터와 유사한 특성과 성능을 구현할 수 있음을 보여준 결과로, 차세대 웨어러블 컴퓨터, 인체신호 모니터링 기능을 가지는 스마트 의류 등 한층 똑똑해진 차세대 웨어러블 제품을 개발하는데 응용 가능할 것으로 전망된다.

임정아 박사는 “현재 세계적으로 섬유형 전자소자를 구현할 수 있는 기술을 개발하는 초기 연구단계이며, 상용화를 위해서는 전극실과의 계면안정성, 세탁등 외부 자극에 대한 내구성을 보다 향상시키기 위한 더욱 많은 연구가 필요하다”고 설명했다.

이번 연구는 최근 어드밴스드 펑셔널 머터리얼스(Advanced Functional Materials) 온라인 판에 게재됐다.