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제목 유연한 생분해성 실리콘 트랜지스터
작성자 tawake88
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휴대용 전자기기 사용자들은 새로운 기술이 더 많은 기능과 편의성을 제공해 주기 때문에 자주 기기를 업그레이드하는 경향이 있다. 2012년 미국 EPA(Environmental Protection Agency)의 보고서에 따르면, 약 1억 5천 2백만 대의 휴대용 기기가 매년 폐기되고 있으며, 이중 오직 10%만이 재활용되는 것으로 조사되었다. 이것은 매우 많은 자원이 소비되고 있으며 값비싸고 분해되지 않는 고순도 실리콘과 같은 물질들이 다량 버려지고 있음을 의미하기도 한다.

위스콘신대학(University of Wisconsin-Madison) 연구팀은 폐기되는 전자기기로 인한 환경부담을 완화하기 위한 새로운 해법을 제시하고 있다. 연구팀은 셀룰로오스 나노피브릴화 섬유(cellulose nanofibrillated fiber, CNF)라고 불리는 저렴한 목재로 만든 투명하고 유연한 생분해성 기질을 이용하여, 마이크로파에 작동하는 생분해성 박막 트랜지스터 제조에 대한 가능성을 보여주었다. 본 연구는, 향후 저렴하면서도 친환경적인 휴대용 전자기기 제조 가능성을 시사해 주는 것이다.

본 연구는 'Microwave Flexible Transistors on Cellulose Nanofibrillated Fiber Substrates'라는 제목으로 Applied Physics Letters지에 게재되었다.

연구팀은 셀룰로오스 나노피브릴화 섬유를 기반으로 하는 트랜지스터가, 기존의 실리콘 기반의 트랜지스터 정도의 뛰어난 성능을 보여준다는 것을 발견하였다고, 워스콘신대학 전기 및 컴퓨터공학과 교수이자 연구팀을 이끌고 있는 Zhenqiang Ma 교수는 소개하였다. 바이오 기반의 트랜지스터는 매우 안전하며, 숲 속에 버리더라도 곰팡이에 의해 빠르게 분해되어 비료처럼 안전한 물질로 변하게 된다고 강조하였다.

현재 대부분의 휴대용 전자기기는 실리콘 웨이퍼와 같이 재활용이 불가능하고 생분해되지 않는 재료를 기반으로 하고 있다. 실리콘 웨이퍼는 고순도의 값비싸고 단단한 물질이지만, 셀룰로오스 나노피브릴화 섬유 필름은 친환경적이고 저렴한 휴대용 기기로서 실리콘 웨이퍼를 대체하게 될 것으로 기대되고 있다.

셀룰로오스 나노피브릴화 섬유는 목재를 사용하는 지속가능하고 강력하고 투명한 나노물질이다. 플라스틱과 같은 다른 고분자와 비교해 볼 때, 이 목재 나노재료는 생체친화적이고 상대적으로 낮은 열팽창계수를 가지고 있어서 온도 변화에 따른 부피 변화가 크지 않음을 의미한다. 이런 모든 뛰어난 성질은 셀룰로오스 나노섬유가 미래 휴대용 전자기기의 유망한 후보물질임을 시사하는 것이다.

고성능 기기를 제조하기 위해, 연구팀은 트랜지스터의 활성물질로서 실리콘 나노멤브레인(nanomembrane)을 이용하였다. 나노멤브레인은 벌크 결정으로부터 매우 얇게 박리한 필름을 셀룰로오스 나노섬유 기질에 부착시킴으로써, 유연하면서도 생분해되는 투명한 실리콘 트랜지스터를 제작할 수 있었다.

그러나 휴대용 전자기기를 제조하기 위해서는, 생분해성 트랜지스터는 대부분의 무선기기가 작동하는 영역인 마이크로파에서 작동할 수 있어야 한다. 이에 연구팀은 전류-전압 특성곡선과 같은 일련의 실험을 통해 기기의 기능적 성능을 측정하고, 마침내 생분해성 트랜지스터가 기존의 반도체 트랜지스터에 비해 뛰어난 마이크로파 작동능력을 가지고 있음을 밝혀냈다.

생분해성 전자기기는 휴대용 기기의 빠른 업그레이드를 열망하는 소비자에 의해 유발되는 환경문제에 대한 새로운 해법을 제공해 주고 있다. 미래의 전자기기 칩 및 휴대용 기기는 지금보다 훨씬 친환경적이고 저렴할 것이라고 연구팀은 밝혔다.

연구팀은 생분해성 트랜지스터를 기반으로 하는 더 복잡한 회로 시스템을 개발할 계획이다.

그림> (a) 셀룰로오스 나노피브릴화 섬유 기질 상에 구축되는 유연한 실리콘 나노멤브레인의 제조공정. (b) 셀룰로오스 나노피브릴화 섬유 기질 상에 형성된 최종 기기의 현미경 사진. (c) 투명도와 유연성을 보여주는 광학사진. (d, e) 생분해성을 보여주는 광학사진: (좌) 제조 직후 및 (우) 3주 후 분해된 정도.

키워드 : 생분해성,실리콘,트랜지스터,셀룰로오스 나노피브릴화 섬유


 
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