최근 웨어러블 전자소자가 시대의 패러다임으로 자리 잡으면서 옷과 같은 섬유에 전자소자의 기능이 결합된 전자섬유(electronic textile)(*용어설명 참고)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 웨어러블 스마트 의류는 향후 웨어러블 시장을 주도할 것(ICT 시장조사업체 스트라베이스, 2015)으로 보인다. 섬유는 유연하고 편안하기 때문에 사람이 하루 종일 입고 다녀도 피로감을 덜 느껴 웨어러블 전자소자의 이상적인 플랫폼으로 주목받고 있다.

기존의 기술 수준은 옷감 위에 기존의 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 상황이었다.

다양한 전자소자 중에서 트랜지스터는 센서, 디스플레이 등 전자소자 구동에 있어 기본이 되는 스위칭 소자로, 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 있었으며, 반도체 층이 섬유의 한쪽 면에만 형성되어 있어 섬유상에 직접 직조해 넣는 데 한계가 있었다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전소재연구단(단장 이전국) 임정아 박사팀(석사과정 김혜민 연구원)은 전도성 실 위에 1회 코팅으로 절연막과 반도체 막을 동시에 형성할 수 있는 기술을 개발하여 실 형태의 전계효과 트랜지스터(*용어설명 참고)를 구현하는데 성공하였다.

본 연구진은 용액공정이 가능한 유기반도체와 절연체 고분자의 혼합물(블렌드) 용액을 전도성 실 표면에 1회 코팅하여, 혼합물(블렌드)에서 자발적으로 상분리(*용어설명 참고)를 일으켜서, 유기반도체가 실 가장 바깥쪽 표면에 막을 형성하고 그 안쪽에는 절연체 막이 형성되어 절연막/반도체 이중층으로 감싸진 전도성 섬유 구조체를 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 제작하였다. 이렇게 제작된 섬유형 트랜지스터는 기존 평평한 기판에 제작되었던 유기박막 트랜지스터와 유사한 성능을 가지는 것으로 확인되었다.

임정아 박사팀이 개발한 절연막/반도체 이중층 기반 전도성 섬유 구조체는 절연막/반도체 층의 계면접착성이 우수하여 소자를 3mm 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 의미 있는 결과로, 차세대 웨어러블 컴퓨터, 인체신호 모니터링 기능을 가지는 스마트 의류 등 한층 똑똑해진 차세대 웨어러블 제품을 개발하는데 응용 가능할 것으로 기대된다. 또한 임정아 박사는 현재 전자섬유 연구가 세계적으로 섬유형 전자소자를 구현할 수 있는 기술을 개발하는 초기 연구단계이며, 상용화를 위해서는 전극실과의 계면안정성, 세탁 등 외부 자극에 대한 내구성을 보다 향상시키기 위한 더욱 많은 연구가 필요하다고 설명했다.

본 연구는 미래창조과학부 지원으로 KIST의 기관고유사업으로 수행되었으며, 2016년 2월 19일자 Advanced Functional Materials 온라인 판에 게재되었다.

(논문명) “Metal-Insulator-Semiconductor Coaxial Microfibers Based on Self-Organization of Organic Semiconductor: Polymer Blend for Weavable Fibriform Organic Field-Effect Transistors”

(DOI: http://dx.doi.org/10.1002/adfm.201504972)

(제1저자) 한국과학기술연구원, 고려대학교, 김혜민 석사과정

(교신저자) 한국과학기술연구원 임정아 박사

<그림자료>

<그림> (a) 유기반도체/절연체고분자 블렌드의 상분리를 이용하여 절연막/반도체 이중층 포함 전도성 섬유 구조체를 제작하는 공정 및 섬유형 트랜지스터 모식도. (b) 개발한 섬유형 트랜지스터의 섬유 표면 전방향에서의 균일한 전류-전압 특성 유지. (c) 개발한 섬유형 트랜지스터의 굽힙정도에 트랜지스터 성능 유지. (d) 전도성 실을 소스와 드레인 전극으로 사용하고 면사와 직조하여 제작한 섬유형 트랜지스터의 모습 및 동작 특성.