이온성 액체 기반의 고분자 전해질을 이용한 전기화학 트랜지스터 · 2007 서울대학교 화학생물공학 (학사) 2012 University of Minnesota, 화학공학

특 집

고분자 과학과 기술 제26권 6호 2015년 12월 483

이온성 액체 기반의 고분자 전해질을

이용한 전기화학 트랜지스터Ionic Liquid Based Polymer Electrolytes for Electrochemical Transistors

이동희ㆍ김현지ㆍ이근형 | Dong Hui LeeㆍHyun Je KimㆍKeun Hyung Lee

Department of Chemical Engineering, Inha University, 100 Inharo, Nam-gu, Incheon 22212, Korea

E-mail: [email protected]

이동희2015-현재 인하대학교 유기나노재료 소자

연구실 연구원2016 인하대학교 화학공학 (학사)

김현지2015-현재 인하대학교 유기나노재료 소자

연구실 연구원2016 인하대학교 화학공학 (학사)

이근형2007 서울대학교 화학생물공학 (학사)2012 University of Minnesota, 화학공학 (박사)2012-2014 UC Berkeley, 재료공학 (Post-Doc.)2014-현재 인하대학교 화학공학과 조교수

1. 서론

유기 양이온과 유 ․ 무기 음이온으로 이루어진 이온성 액체(ionic liquid)는 증기압이 매우 낮으며, 열적, 화학

적, 전기화학적 안정성이 뛰어나고, 높은 전기용량과 이온전도도로 인해 이차전지, 전해질 커패시터, 염료감응

태양전지, 액추에이터, 바이오 센서, 전기화학 트랜지스터 등의 다양한 분야에서 활발하게 연구되고 있다. 액체

로 존재하는 이온성 액체들의 기계적 성능을 향상시키기 위해, 화학적 가교(chemical crosslinking) 혹은 물리

적 가교(physical crosslinking)의 방법으로 3차원의 망구조(3D network)를 형성하는 물질들을 이온성 액체에

첨가하여 고체 상태의 전해질을 만들 수 있다. 특히 3차원 구조를 형성하는 구조체로 고분자를 이용할 경우 이

온 젤(ion gel)이라 부르는 고분자 고체 전해질을 얻을 수 있으며, 이온 젤은 우수한 열적, 화학적, 전기화학적

안정성을 보이는 동시에 이온성 액체의 우수한 전기적 특성과 고분자의 기계적 특성을 보여준다.

이온 젤을 비롯한 전해질은 전극 접촉면에서 나노미터 두께의 전기이중층을 형성하여 1 μF/cm2 이상의 매

우 높은 전기용량을 가지며, 이는 전해질을 게이트 유전체로 트랜지스터에 적용했을 경우 반도체 층에 낮은 구

동전압에서 같은 수의 전하 운반체(charge carrier, electron 혹은 hole) 즉 전류를 얻을 수 있거나, 같은 작동 전

압에서 높은 전류를 얻을 수 있게 하여 낮은 작동전압이나 높은 출력전류가 필요한 분야에 적용될 수 있다. 일반

적으로 이온 젤을 게이트 유전체로 사용할 경우, 3 V 이하의 낮은 작동전압에서 소자 구동이 가능하며, 1 mA

이상의 높은 소자 전류(on current)와 105의 전류 점멸비를 가진 전기화학 트랜지스터를 제작할 수 있다. 또한

반도체/게이트유전체/게이트전극의 적층 구조에서 벗어나 게이트 전극의 배치를 유연하게 할 수 있는 장점

이 있다.

특 집 | 이온성 액체 기반의 고분자 전해질을 이용한 전기화학 트랜지스터

484 Polymer Science and Technology Vol. 26, No. 6, December 2015

그림 1. 이온성 액체의 구성하는 대표적인 양이온과 음이온.5

그림 2. 다양한 방법으로 만든 이온 젤의 사진: (a) 이온성 액체 내에서의in situ 라디칼 중합으로 만들어진 PMMA/[EMI][TFSI] 이온 젤,8 (b)기상의 HEMA 단량체를 [EMIM][BF4]에 증착 중합하여 만든 이온 젤,10 (c)isotactic PMMA와 syndiotactic PMMA가 [BMI][PF6]에서 1:2 비율로 stereocomplex를 형성하여 만든 이온 젤,11 (d) CDBA6·TFSI/[EMI][TFSI] 이온 젤.12

최근 수년에 걸쳐 전해질을 사용한 전기화학 트랜지스

터에 대하여 많은 연구가 진행되었고, 전기화학 트랜지스

터 플랫폼이 전자회로, 메모리 소자, 바이오 센서, 스마트

섬유 등 다양한 분야에 활용되고 있다. 소자제작 공정에서

도 프린팅을 포함한 다양한 용액공정을 적용한 저비용 ․ 대면적의 고성능 트랜지스터 소자 및 이를 이용한 논리 게이

트와 서킷이 보고되어 전기화학 트랜지스터의 상업화를 위

한 활동들이 활발하게 이루어지고 있다. 따라서 본 글에서

는 이온성 액체와 이를 이용한 고분자 전해질인 이온 젤 그

리고 이온 젤을 게이트 유전체로 적용한 전기화학 트랜지

스터에 기본 원리 및 현황에 대해서 소개하고자 한다.

2. 본론

2.1 이온성 액체

이온성 액체는 100 ℃, 상온 이온성 액체의 경우 25 ℃,

이하의 녹는점을 가진 염(salt)으로 물질 전체가 크고 비대

칭인 유기 양이온과 유기 또는 무기 음이온으로 구성되어

있다(그림 1). 구성 이온의 큰 크기와 비대칭성은 양이온과

음이온 사이의 상호작용을 감소시키고 결정격자 안에 규칙

적인 배열을 방해하여 녹는점을 낮게 한다. 이온성 액체는

다양한 종류의 양이온, 음이온 조합이 가능하며, 이를 이용

하여 필요한 밀도, 점도, 자기확산계수(self-diffusion

coefficient), 이온 전도도 등의 물리화학적 성질들을 가진

조합을 설계할 수 있는 장점이 있다.1-5

이온성 액체는 수용성 전해질과 비슷한 매우 높은 이온

전도도(~1 mS/cm)와 전기용량(~10 μF/cm2)을 보이며

넓은 전기화학 안정성 윈도우(4~7 V)를 나타낸다. 낮은 증

기압력으로 인해 이온성 액체는 비휘발적이며 불연성이고,

열분해 온도가 300 ℃ 이상으로 높아 우수한 열 안정성을

가진다. 또한, 유기 분자와 무기 분자에 대하여 높은 용해

성을 가져 용매로 이용되고 있다.1-5

이러한 우수한 특성들

로 인해 이온성 액체는 연료전지, 이차전지, 전해질 캐패시

터, 염료감응 태양전지, 액추에이터, 바이오 센서, 전기화

학 트랜지스터와 같은 전기, 전기화학적 소자 등 다양한 응

용분야에서 전해질로 활발한 연구개발이 진행되고 있다.

2.2 고분자 전해질

일반적인 고체 고분자 전해질(solid polymer electrolyte)

은 무기 염과 poly(ethylene oxide)(PEO) 계열의 고분자

를 이용하여 만들어진다. 이러한 고분자 전해질은 대면적

의 유연한 박막을 만들기 때문에 전기화학 분야에서 널리

이용되고 있다.6 하지만, 무기염과 PEO 고분자를 이용한

고체 전해질은 전하를 가진 이온의 이동이 고분자 사슬과

연계되어 상온에서 10-4 S/cm 이하의 낮은 이온 전도도를

보인다.6 이러한 무기 염 기반의 고분자 전해질의 낮은 이

온 전도도를 극복하고 높은 이온 이동도를 가진 고분자 박

막을 형성하기 위하여 이온성 액체가 사용되었다.

이온성 액체를 전자소자에 적용하여 사용하기 위해서는

이온의 이동을 최대한 방해하지 않으면서 이온성 액체 내

에서 3차원 구조를 형성하는 물질을 추가하여 기계적 성질

을 부여하는 방법이 필요하다.7-12

이온성 액체로 채워진 3

차원 망구조를 가지는 고체 상태의 이온 젤은 실리카, 타이

타니아, 탄소나노튜브와 같은 무기 재료,9 호모폴리머, 블

록 공중합체, 혼성중합체 등의 고분자 재료를 이용하여 형

성할 수 있다(그림 2).8,10-12

본 글에서는 주제와 직접적으로

연관성이 있는 고분자를 이용한 이온 젤을 중심으로 기술

이동희ㆍ김현지ㆍ이근형


그림 3. (a) ABA 타입의 블록 공중합체를 이용한 이온 젤의 형성 모식도와사진, (b) 10 wt% PS-PEO-PS 이온 젤의 저장 탄성률(storage modulus)와 손실 탄성률(loss modulus)의 tTS master curve, (c) 이온 젤에서 triblock copolymer인 PS-PMMA-PS와 PS-PEO-PS의 비율 변화에 따른 탄성율과 이온 전도도의 상관관계.22 그림 4. 전기화학 트랜지스터의 단면 모식도.

하고자 한다.

이온성 액체가 스며들 수 있는 3차원 고분자구조체는 비

가역적인 화학적 가교와 가역적인 물리적 가교를 이용하여

구성할 수 있다. 화학적 가교를 가지는 이온 젤을 얻기 위

해서는 주(host) 고분자가 이온성 액체에 잘 용해되어야 하

며, 단량체를 이온성 액체 안에서 중합시키거나, 거대단량

체와 작용기가 2개 이상인 cross-links를 이용하여 만들 수

있다.13-16 화학적 가교를 이용한 이온 젤은 Watanabe 연구

팀에서 poly(methyl methacrylate)(PMMA)를 1-ethyl-

3methylimidazolium bis(trifluoro-methylsulfonyl)imide

([EMI][TFSI])를 용매로 이용하여 in situ 라디칼 중합방법

으로 처음 제조하였다.15

같은 방법으로 MMA나 2-hydroxyethyl

methacrylate(HEMA) 단량체를 imidazolium과 pyridinium

양이온을 가진 이온성 액체를 이용하여 투명한 고분자 젤

을 만들었다.13

다른 화학적 가교를 이용한 이온 젤은

disuccinimidylpropyl poly(ethylene glycol)(SPA-PEG)

와 tetraamine PEG를 공유결합으로 연결시키거나,14 bisphenol

A diglycidyl ether와 tetrafunctional epoxy resin을 이온

성 액체 안에서 tetraethylenepentamine과 함께 curing

하는 방법들이 보고되었다.16 또한 polyurethane resins이

나 poly(dimethylsiloxane) 무기 고분자와 이온성 액체를

이용하여 화학적 젤을 만들 수 있다.17

이러한 화학적 젤들

은 일반적인 무기염 기반의 고분자 전해질에 비해 10-100

이상 높은 10-3

S/cm 수준의 이온 전도도를 보인다. 하지

만, 화학적 이온 젤은 일단 형성되고 나면 비가역적인 공유

결합으로 연결되기 때문에 구조 및 형태 제어가 어렵고 소

자 제작 과정에 제약이 따른다.

화학적 가교의 단점을 보완하는 방법으로 수소결합, 고

분자의 자기조립, 결정형성 등의 가역적인 물리적 가교를

이용하여 이온 젤을 만들 수 있다.18-23

많은 종류의 물리적

가교를 이용한 이온 젤 중, 블록 공중합체 이온 젤은 블록

의 길이, 종류, 순서 등을 변화시킴으로써 젤의 구조적, 물

리화학적 특성 등을 최적화할 수 있어 그 응용 범위가 넓다.

예를 들어 A 블록들은 이온성 액체에 녹지 않으며 B 블록

이 잘 녹는 ABA 타입의 triblock copolymer는 이온성 액

체 안에서 상 분리된 A 블록이 물리적 가교점을 형성하고

이들 사이를 가용성인 B 블록이 연결하는 방식으로 연한

이온 젤을 만들 수 있다(그림 3).21-23

Lodge 연구팀은 4 wt%

의 낮은 농도의 poly(styrene-b-ethylene oxide-b-styrene),

PS-PEO-PS 블록 공중합체와 1-butyl-3-methylimidazolium

hexafluorophosphate([BMI][PF6])를 이용하여 물리적 가

교를 갖는 이온 젤을 제조하여 보고하였다.21 또한 수분에

취약한 PEO 블록을 소수성의 PMMA 블록으로 대체한

PS-PMMA-PS 고분자를 이용한 이온 젤, PEO 블록에 상

응하는 낮은 유리전이온도를 보이며, 소수성인 poly(ethyl

acrylate) PEA 고분자를 이용한 PS-PEA-PS 고분자를 이

용하여 이온 전도도와 기계적 강도를 동시에 향상시킨 이

온젤 또한 보고 되었다.22,23

이외에도 ABC 타입의 고분자나 수소결합이 가능한 블

록 공중합체와 호모폴리머를 함께 사용한 이온젤,18

poly

(vinylidene fluoride hexafluoropropylene), P(VDF-HFP)

와 poly(vinylidenefluoride trifluoroethylene), P(VDF-

TrFE) 고분자 결정의 상 분리를 이용한 이온 젤 등 다양한

고분자 구조체를 이용한 이온성 액체 기반의 고분자 전해

질이 활발히 연구되고 있다.19,20

이렇게 얻어진 이온 젤들

은 10-3

S/cm 수준의 이온 전도도, 1-10 μF/cm2의 전기용

량, 4-7 V의 우수한 전기화학적 안정성을 가지며, 이는 수

V 이하의 낮은 작동 전압, 10 kHz 이상의 구동 진동수를

가진 전화화학 트랜지스터 구현 및 이를 이용한 소자 제작

을 가능하게 한다.23-26

2.3 전기화학 트랜지스터

일반적으로 사용되는 트랜지스터의 게이트 절연체는

SiO2나 Al2O3와 같은 금속산화물들이다. 이러한 전계 효과

트랜지스터(field effect transistor, FET)의 경우 빠른 스위

칭 속도를 갖는 장점이 있지만, 제작과정에서 진공 공정이

필요하기 때문에 운영비용과 자본비용이 높은 단점이 있다.

트랜지스터의 게이트 절연체를 전해질로 대체하면 상대



그림 5. 이온 젤을 사용한 MoS2 전기화학 트랜지스터의 모식도(좌), 곡률반경에 따른 게이트 전압(VG)이 1.5 V일 때의 드레인 전류(빨강)와 전하운반자 이동도(파랑).30

적으로 낮은 스위칭 속도를 갖지만, 전해질의 높은 전기용

량으로 인해 더 높은 전하밀도(charge carrier density)를

얻을 수 있기 때문에 낮은 작동 전압과 높은 출력전류가 필

요한 전자기술 분야에서 활발한 연구가 진행되고 있다. 이

렇게 전해질을 게이트 절연체로 사용하는 트랜지스터는 전

기화학트랜지스터, 이온감응 전계 효과 트랜지스터(ISFET,

ion-sensitive FET), 전기 이중층 트랜지스터(EDLT, electric

double layer transistor) 등 다양한 이름으로 불리고 있다.

전기화학 트랜지스터의 구조는 그림 4와 같이 전극과 전

극 사이에 전해질이 위치한 샌드위치 구조의 전기이중층

축전기(EDL capacitor)에서 한 전극은 메탈 게이트 전극

이고, 나머지 한 전극이 소스, 드레인 전극과 연결되어 있

는 반도체로 대체되어 있다.

전기화학 트랜지스터는 앞서 언급한 이온성 액체 기반

의 고분자 전해질과 같은 전해질이 절연체이기 때문에 게

이트 전압이 가해졌을 때 게이트 전극과 전해질 계면, 반도

체와 전해질 계면 두 곳에서 생성되는 전기 이중층이 가장

큰 특징이다. 전해질의 전기 이중층은 굉장히 높은 비정전

용량 을 갖기 때문에 소자의 구동이 낮은 전압에서 가능하

며, 전력소모량이 매우 작기 때문에 휴대용 디바이스에 적

용하기 유리하다.

일반적으로 흐를 수 있는 액체상태의 전해질은 전자소

자 적용이 제약이 있지만 앞서 언급한 바와 같이 고분자를

활용하여 고형화한 이온 젤을 사용하면 전해질의 특징을

유지하면서 고체 박막의 기계적 안정성도 지니기 때문에

전자소자로의 활용이 가능해진다. 또한 고분자 재료의 유

연성과 경량성은 휴대용 웨어러블 소자 제작을 용이하게

하여 차세대 전자기기 개발에 후보 물질로 많은 연구가 이

루어지고 있다.

제작 공정 측면에서 전해질을 이용한 트랜지스터는 진

공공정을 배제하고 비교적 간단하며, 낮은 비용의 용액공

정을 통한 소자제작이 가능하다. 특히, 조용매(co-solvent)

를 이용하면 프린팅에 적합한 농도와 점도 조절이 가능하

여 에어로졸 젯 프린팅, 잉크 젯 프린팅, 전사 프린팅과 같

은 공정이 가능하다. 나아가 롤투롤(roll to roll) 방식의 연

속공정 개발을 위한 연구들이 진행되고 있어 향후 소자의

제조원가를 크게 줄일 수 있을 것으로 예상된다.26-28

따라서 이온성 액체 기반의 전기화학 트랜지스터는 소

자 구동 측면에서 높은 전하밀도와 낮은 구동전압을 갖는

장점이 있으며, 공정 측면에서는 프린팅 공정을 이용하여

낮은 가격에 대면적 유연 웨어러블 소자를 연속공정으로

생산할 수 있는 장점이 있다.

2.4 반도체 재료에 따른 전기화학 트랜지스터

2.4.1 무기반도체

일반적으로 무기반도체를 사용하면 전기화학 트랜지스

터의 전하운반자, 특히 전자의 이동성과 스위칭 속도를 향

상시킬 수 있다. 전기화학 트랜지스터에 적용된 무기 반도

체에는 ZnO, In2O3, IZO(indium zinc oxide), MoS2, PbSe

등이 있다. 2010년에 졸겔법을 이용하여 ZnO 반도체를 형

성하고 게이트 절연체로 PS-PMMA-PS와 [BMI][PF6]로

이루어진 이온 젤을 이용하여 3 V 이하의 저전압과 13

cm2V-1s-1의 높은 전자 이동도를 갖는 n형 박막 트랜지스터

를 제조한 연구가 보고되었다.29

Takenobu팀은 이차원

MoS2 반도체와 PS-PMMA-PS 고분자 기반의 이온젤 게이

트 절연체를 이용한 전기화학 트랜지스터를 구현하였다

(그림 5). 제작된 소자는 12.5 cm2V

-1s

-1의 높은 전하 이동도

와 1 V 이하의 낮은 문턱 전압(threshold voltage)을 보인

다. 또한 1 mm 이하의 곡률반경에서 전기적 특성의 감소

하지 않아 무기반도체를 이용한 유연 소자 제작이 가능하

다는 것을 보여주었다.30

또한 PbSe 나노결정 필름을 반도

체 층으로 이용하고 [EMIM][TFSI]와 PS-PMMA-PS로 구

성된 이온 젤 기반의 양극성 트랜지스터(ambiploar

transistor)가 2 V 이하의 저전압에서 구동되는 연구 결과

가 보고되었다.31

2.4.2 유기반도체

유기반도체는 무기반도체 재료에 비해 유연성과 경량성

측면에서 뛰어나며, 공정비용 또한 낮아 무기반도체 대체

를 목적으로 연구되고 있다. 하지만 산화물이나 고분자 게

이트 절연체 기반의 유기반도체 트랜지스터의 경우 상대적

으로 낮은 전하 이동도와 불안정성으로 인해 소자제작에

한계가 있어 왔다. 최근 전해질을 게이트 절연체로 사용함

에 따라 전하 이동도가 대폭 향상되어 차세대 유연 휴대용

전자기기와 디스플레이 등에 적용될 가능성이 증가하여 새

로운 반도체 물질 개발 및 공정 개발에 관한 활발한 연구가

이루어지고 있다.

전기화학 트랜지스터에 적용된 유기물 반도체는 루브

렌(rubrene)과 펜타센(pentacene)과 같은 유기단분자

물질과 poly(3-hexylthiophene), P3HT, poly(3,3’’’-

didodecylquaterthiophene), PQT-12, poly(9,9’-dioctylfluorene-



그림 7. PDMS 기판에 그래핀 반도체와 이온 젤 절연체를 이용하여 제작된 트랜지스터.36

그림 6. (a) 전사인쇄 방식으로 제작된 박막트랜지스터의 단면 모식도(위)와 그 실제 이미지(아래), (b) 플렉서블한 폴리이미드 기판 위에 전사 인쇄된 트랜지스터 집합체, (c) 전기화학 트랜지스터의 ID-VD 특성, (d) 전기화학 트랜지스터의 ID-VG 특성.28

co-bithophene), F8T2와 같은 티오펜 계열의 고분자 반도

체, MEH-PPV와 같은 페닐렌비닐렌(phenylene vinylene)

계열의 고분자 반도체, octathio[8]circulene과 porphyrazine

유도체와 같은 유기반도체 등이 있다. 예를 들어, Frisbie와

Lodge 공동 연구팀은 PS-PEO-PS, PS-PMMA-PS, PS-PEA-PS,

P(VDF-HFP) 고분자와 [EMI][TFSI], [BMI][PF6], [EMI]

n-octylsulfate [OctOSO3] 이온성 액체를 이용하여 고체

이온 젤을 형성하고 P3HT, PQT-12, F8T2의 p타입 고분자

반도체를 이용하여 2 V 이하의 저전압에서 구동하며 높은

출력전류를 가진 박막트랜지스터 및 인버터(inverter), 낸

드게이트(NAND gate), 디플립플롭(D flip-flop), 링발진

기(ring oscillator)와 같은 회로를 제작하여 보고하였

다.25,26

또한 소자 제작 공정에서 에어로젤 젯 프린팅(aerosol

jet printing), 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 라미네이션

(lamination), 전사 인쇄(transfer printing) 방법을 적용하

여 전기화학 트랜지스터 소자들을 성공적으로 제작하였다

(그림 6).19,26-28

낮은 전력소모의 상보회로 제작을 위해 n타입 유기반도

체를 이용한 전기화학 트랜지스터에 대한 연구도 활발하게

진행되고 있지만 p타입 소자와 비교하여 상대적으로 느린

발전 속도를 보여주고 있다. 이는 일반적으로 정공에 비하

여 전자가 흡습성이 뛰어난 이온성 액체 및 이온 젤에 존재

하는 수분에 더 큰 영향을 받기 때문이다. 최근 N,N'

-bis(n-alkyl)-(1,7 and 1,6)-dicyanoperylene-3,4:9,10-bis

(dicarboximide)s, PDIF-CN2, poly[N,N’-bis(2-octyldodecyl)

-naphthalene-1,4,5,8-bis(dicarboximide)-2,6-diyl]-alt-5,5’

-(2,2’-bithiophene)}, P(NDI2OD-T2), N,N′-Dioctyl-3,4,

9,10-perylenedicarboximi, PTCDI-C8와 같은 n형 유기반

도체를 이용한 전기화학 트랜지스터가 보고되고 있으나 출

력전류나 전류점멸비 측면에서 p타입 소자의 성능에 상응

하는 n타입 전기화학 트랜지스터 개발을 위한 연구개발이

필요한 실정이다.32,33

2.4.3 탄소나노튜브와 그래핀

탄소나노튜브(carbon nanotubes, CNTs)와 그래핀

(graphene)은 높은 전하 이동도, 화학적 안정성, 높은 투명

도와 훌륭한 유연성 등의 우수한 특성을 가지고 있어 광학

소자와 전자소자 개발에 중요한 후보 물질로 활발히 연구

되고 있다.

CNT 기반의 소자는 프린팅을 이용하여 망구조를 갖는

CNT 반도체와 PS-PMMA-PS와 [EMI][TFSI]로 이루어진

이온 젤 게이트 절연체, poly(3,4-ethylenedioxythiophene):

poly(styrenesulfonate), PEDOT:PSS 게이트 전극을 유연

한 플라스틱 기판 위에 제작한 전기화학 트랜지스터 및 낸

드게이트, 링발진기 회로들이 보고되었다. CNT를 이용한

전기화학 트랜지스터는 전자와 정공을 모두 전하운반체로

가지는 확연한 양극성거동을 나타내고, 정공과 전자의 이

동도는 각각 20, 30 cm2V

-1s

-1, 2 V 이하의 작동 전압과 10

4

의 전류점멸비를 나타내었다.34 최근 소자 및 회로의 최적

화 작업을 통하여 단지연시간(stage delay time)을 5 μs로

낮춘 CNT 기반의 링발진기가 개발되었다.35

그래핀을 반도체로 이용하여 신축성이 있으며, 저전압

에서 작동하며 투명한 전기화학 트랜지스터가 이온 젤 고

체 전해질을 활용하여 제작되었다(그림 7). 그래핀을 이용

한 소자는 소스, 드레인 전극과 반도체 채널을 동시에 화학



(b)(a)

그림 8. (a) DNA 농도에 따른 전기화학 트랜지스터 센서의 민감도, (b) DNA 염기서열의 불일치에 따른 문턱전압의 변화(ΔV)감소에 따른 선택성.39

그림 9. 이온 젤을 이용한 섬유형 트랜지스터 소자의 전기적 특성과 유연성. (a) 그래핀/Ag 혼합섬유전극 기반의 섬유형 트랜지스터, (b-c) 섬유형 트랜지스터의 ID-VD 특성과 ID-VG 특성, (d) 유리 막대(r=2 mm)에감긴 섬유형 트랜지스터의 유연성, (e) 굽힘 반경이 변화에 따른 트랜지스터의 소자특성 변화, (f) 굽힘반경 변화에 따른 정공 이동도 변화.41

증기 증착법(chemical vapor deposition)을 통해 생성할

수 있어 소자제작 단계를 최소화할 수 있는 장점이 있다.

관련하여 그래핀 반도체, PS-PMMA-PS와 [EMI][TFSI]을

이용한 이온젤을 이용하여 정공과 전자의 이동도가 각각

435, 211 cm2V

-1s

-1이며, 5%의 인장 변형률(tensile strain)

가진 신축성 소자가 PDMS 기판 위에 제작되어 보고되었

다.36

2.5 전기화학 트랜지스터의 응용

게이트 절연체로 이온 젤을 사용하면 용액공정을 통하

여 낮은 전압에서 작동하는 플렉서블, 웨어러블 소자 및 회

로에 적용이 가능하기 때문에 다양한 응용분야에서 연구되

고 있다. 출력전류가 높은 이온젤 전기화학 트랜지스터는

OLED나 전기변색 소자 픽셀을 켜고 끄는 점멸 스위치로

사용 가능하다. 관련하여 적색, 녹색, 청색의 OLED 픽셀에

이온 젤 트랜지스터를 연결하여 AMOLED를 구현하였

다.37 또한 바이오센서 분야에서도 젖산 검출을 위한 효소

기반 센서, DNA 검출 센서, 뇌파 측정센서가 전기화학 트

랜지스터를 이용하여 제작되어 차세대 의공학 분야의 신호

처리를 위한 플랫폼으로 활발하게 연구되고 있다(그림

8).38,39

또한 이온 젤을 비휘발성 메모리 소자에 적용하여

104초의 데이터 유지 시간과 80회의 쓰기/읽기가 가능한

소자가 제작되어 이온젤을 이용한 메모리 연구가 시작되었

다.40

마지막으로 전해질 게이트 트랜지스터를 섬유 표면에

포함하는 섬유형태의 소자구현을 위한 연구도 활발하게 진

행되고 있다(그림 9).41

3. 결론

낮은 증기압, 뛰어난 열, 화학, 전기화학적 안정성, 높은

전기용량과 이온 전도도를 갖는 이온성 액체와 이를 이용

한 고체 고분자 전해질은 현재 다양한 분야에서 활용되고

있다. 고분자 이온 젤은 물리적 혹은 화학적 가교를 통한 3

차원 네트워크 형성을 통해 이루어지면 다양한 고분자 물

질을 사용하여 제조되어 물질의 고유특성 향상, 소자 제작

및 최적화 연구가 이루어지고 있다. 대표적으로 전기화학

트랜지스터의 게이트 절연체로 이용하여 수 V 이하의 낮

은 전압에서 작동하는 트랜지스터 소자 및 논리회로들이

제작되었다. 또한 최근 배터리, 커패시터의 전통적인 응용

분야를 넘어 섬유형 소자, 비휘발성 메모리, 센서 등 다양

한 분야에 적용되고 있다. 이렇듯 이온성 액체 기반의 고분

자 전해질과 이를 이용한 전기화학 트랜지스터는 차세대

플렉시블, 웨어러블 전자소자를 비롯한 전기화학 소자의

핵심 요소로 활발한 연구와 개발이 진행될 것으로 예상된다.

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이온성 액체 기반의 고분자 전해질을 이용한 전기화학 트랜지스터 · 2007 서울대학교 화학생물공학 (학사) 2012 University of Minnesota, 화학공학