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- 전류 트랜지스터는 너무 제한적이고 생체 적합성이 충분하지 않다.
- OECT; 낮은 구동 전압과 낮은 에너지를 필요, 높은 트랜스컨덕턴스와 생체적합성
- 소스 전극과 이득 전극은 서로 옆이 아니라 서로 위에, 폴리머 박막이 분리층을 형성
- 더 강력한 파워와 더 빠른 속도, 콤팩트한 회로

유기 트랜지스터 스택 높이
전기화학 트랜지스터를 더 빠르고 강력하게 만드는 수직 구조

평면 대신 수직:
새로운 유형의 구조는 프로토타입에서 보여주듯이 유기 트랜지스터를 이전보다 몇 배 더 빠르고 강력하게 만든다. 여기에서 소스 전극과 이득 전극은 서로 옆이 아니라 서로 위에 있다. 폴리머 박막이 분리층을 형성한다. 

▲ 새로운 디자인은 유기 전기화학 트랜지스터를 보다 효율적으로 만든다. © 노스웨스턴 대학교

트랜지터가 없다면 오늘날 우리의 일상은 매우 달라졌을 것이다. 이러한 전기적으로 제어 가능한 스위치와 증폭기는 모든 컴퓨터와 전자 회로의 기초를 형성하고 있다. 이들은 대부분 반도체 실리콘을 기반으로 하는 무기 트랜지스터다. 그러나 웨어러블 전자 장치, 신체에 이식된 센서 또는 인쇄 회로 기판과 같은 일부 응용 분야의 경우 전류 트랜지스터는 너무 제한적이고 생체 적합성이 충분하지 않다.

실리콘 대신 유기 성분

이것이 과학자들이 오랫동안 유기 전기화학 트랜지스터(OECT)를 연구해 온 이유다. 이들은 일반적인 전계 효과 트랜지스터와 같은 구성 원리를 가지고 있지만 소스와 드레인 전극 사이의 연결 채널로 폴리머 형태의 유기 반도체를 사용한다. 액체 전해질이 게이트 전극에 연결된다. 다른 두 전극 사이에 전류가 흐르는지 여부와 흐르는 양을 조절하는 데 사용할 수 있다.

"유기 전기화학 트랜지스터는 예외적으로 낮은 구동 전압과 낮은 에너지를 필요로 하지만 높은 트랜스컨덕턴스와 생체적합성을 갖기 때문에 큰 잠재력을 갖고 있다. 트랜스컨덕턴스는 출력 전류에 대한 입력 전압의 비율이며 따라서 트랜지스터의 증폭기 성능이다.

▲ 그림 1: 사용된 제작 계획 및 vOECT 재료. a, vOECT 제조 공정: 섀도우 마스크가 있는 하단 소스 전극의 열 증착(i), 반도체 폴리머 + Cin-Cell 블렌드의 스핀 코팅 및 포토패터닝(ii), 섀도우가 있는 상단 드레인 전극의 열 증착 마스크(iii) 및 인산염 완충 용액(PBS) 전해질 및 Ag/AgCl 게이트 전극의 적용(iv). (출처: 관련논문 Fig. 1 Vertical organic electrochemical transistors for complementary circuits / Published: 18 January 2023 / nature)

그러나 문제는 이러한 유기 트랜지스터의 성능과 스위칭 속도가 지금까지 너무 낮다는 점이다. 소스와 드레인 사이의 거리를 줄이거나 채널에 대한 접촉 영역을 두껍게 하여 트랜스컨덕턴스를 증가시킬 수 있다는 것은 사실이다. 그러나 지금까지는 전환 속도를 희생했다.

서로의 옆이 아니라 서로의 위에

유기 트랜지스터를 위한 새로운 유형의 구성은 이제 이러한 딜레마에서 벗어날 방법을 제공한다. 이를 위해 Huang과 그의 팀은 소스, 채널 및 드레인의 고전적인 평면 배열을 90도 회전시켰다. 얇은 금박으로 만들어진 두 개의 전극은 수직으로 서로 위에 놓이고 매우 얇은 폴리머 반도체층에 의해 서로 분리된다. 이 3조각 샌드위치는 게이트 전극에 연결하는 전해질로 싸여 있다.

여기서 요령은 이 수직 배열로 인해 채널이 길지만 매우 좁아질 수 있다는 것이다. 이것은 스위칭 속도를 희생하지 않고 소스와 드레인 전극 사이의 거리를 최소화한다. 또한 이러한 유형의 구성은 팀이 보고한 것처럼 일반적인 미세 가공 방법을 사용하여 제조할 수 있다.

▲ 수직 구성 원리: 금으로 만들어진 소스 및 드레인 전극(Au)이 서로 위에 놓여 있고, 채널인 고분자 박막에 의해 분리된다. © Huang et al./Nature, CC-by 4.0

더 강력한 파워와 더 빠른 속도

Huang과 그의 동료들은 이미 프로토타입을 사용한 실제 테스트에서 새로운 수직 트랜지스터가 얼마나 잘 작동하는지 조사했다. 따라서 그들의 전기화학 트랜지스터는 높은 스위칭 속도에서 0.2~0.2 Siemens의 트랜스컨덕턴스를 달성했다. 연구진에 따르면 이는 기존의 유기 전기화학 트랜지스터보다 최대 100배 이상 많다. 제어 전압이 0.001V에 불과하더라도 여전히 우수한 스위칭 동작을 보여준다.

"따라서 우리의 전기화학적 수직 트랜지스터는 완전히 새로운 수준의 성능을 달성했다"고 Northwestern University의 공동 저자인 Tobin Marks는 말했다. "이것은 기존의 유기 트랜지스터의 모든 특성을 가지고 있지만 훨씬 더 높은 트랜스컨덕턴스, 매우 안정적인 스위칭 주기, 작은 설치 공간, 쉽고 저렴한 제조가 가능하다." 또한, 이 수직 트랜지스터는 폴리머의 도핑에 따라 n형 또는 p형 트랜지스터로 생산될 수 있다.

콤팩트한 회로

또한 새로운 수직 디자인은 트랜지스터를 서로 결합하여 공간을 절약할 수 있기 때문에 회로에도 적합하다. Marks의 동료인 Antonio Facchetti는 "수직 트랜지스터는 단순히 서로의 위에 쌓일 수 있다"며 "이것은 평면 전기화학 회로로는 불가능한 매우 조밀한 전기화학 회로를 구성할 수 있게 해준다"고 설명했다.
연구팀에 따르면 이 새로운 전기화학 트랜지스터는 피부에 부착하거나 체내에 이식하는 생체의학 센서를 포함해 새로운 응용 가능성을 열어준다.
(Nature, 2023; doi: 10.1038/s41586-022-05592-2)
출처: 노스웨스턴 대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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