Stretchable and Wearable Carbon Nanotube Electronics

Abstract

Networks of carbon nanotubes (CNTs) are a promising candidate for use as a basic building block for next-generation soft electronics, owing to their superior mechanical and electrical properties, chemical stability, and low production cost. In particular, the CNTs, which are produced as a mixture of metallic and semiconducting CNTs via chemical vapor deposition, can be sorted according to their electronic types, which makes them useful for specific purposes: semiconducting CNTs can be employed as channel materials in transistor-based applications and metallic CNTs as electrodes. However, the development of CNT-based electronics for soft applications is still at its infant stage, mainly limited by the lack of solid technologies for developing high-performance deformable devices whose electrical performances are comparable to those fabricated using conventional inorganic materials. In this regard, soft CNT electronics with high mechanical stability and electrical performances have been pursued. First, wearable nonvolatile memory modules and logic gates were fabricated by employing networks of semiconducting CNTs as the channel materials, with strain-tolerant device designs for high mechanical stability. The fabricated devices exhibited low operation voltages, high device-to-device uniformity, on/off ratios, and on-current density, while maintaining its performance during ~30% stretching after being mounted on the human skin. In addition, various functional logic gates verified the fidelity of the reported technology, and successful fabrication of non-volatile memory modules with wearable features has been reported for the first time at the time of publication. Second, the networks of semiconducting CNTs were used to fabricate signal amplifiers with a high gain of ~80, which were then used to amplify electrocardiogram (ECG) signals measured using a wearable sensor. At the same time, color-tunable organic light-emitting diodes (CTOLEDs) were developed based on ultra-thin charge blocking layer that controlled the flow of excitons during different voltage regimes. Together, they were integrated to construct a health monitoring platform whereby real-time ECG signals could be detected while simultaneously notifying its user of the ECG status via color changes of the wearable CTOLEDs. Third, intrinsically stretchable CNT transistors were developed, which was enabled by the developments of thickness controllable, vacuum-deposited stretchable dielectric layer and vacuum-deposited metal thin films. Previous works employed strain-tolerant device designs which are based on the use of filamentary serpentine-shaped interconnections, which severely sacrifice the device density. The developed stretchable dielectric, compatible with the current vacuum-based microfabrication technology, exhibited excellent insulating properties even for nanometer-range thicknesses, thereby enabling significant electrical performance improvements such as low operation voltage and high device uniformity/reproducibility, which has not been realized in the most advanced intrinsically stretchable transistors of today.

탄소 나노튜브는 뛰어난 전기적, 화학적, 그리고 기계적 특성을 갖고 있어 차세대 유연 전자소자의 핵심 소재 중 하나로 각광을 받고 있으나, 아직까지 이를 이용한 실용적인 유연 전자소자의 개발은 실현되지 않고 있다. 이는 탄소 나노튜브의 전기적 특성대로 완벽히 분류해 낼 수 있는 기술, 탄소 나노튜브를 소자의 원하는 위치에 정확히 원하는 양만큼 네트워크 형태 혹은 정렬된 형태로 증착하는 기술, 그리고 유연 전자소자를 구성하는 다른 물질들의 개발 기술의 부재 때문이다. 지난 10여년간 해당 기술들은 광범위하게 연구되어지고 있으나, 탄소 나노튜브를 활용한 우수한 유연 전자소자 개발을 위한 핵심 기술들의 발전은 아직 초기 단계에 있다. 따라서 이 논문을 통해 탄소 나노튜브를 유연 전자소자에 적용시킬 수 있는 새로운 기술을 소개하고자 한다. 첫번째로 탄소 나노튜브와 유연 전자소자의 소자 디자인을 이용하여 피부위에 증착 가능한 비휘발성 메모리 소자를 제작하였고, 해당 기술을 이용하여 피부위에서 안전하게 동작할 수 있는 다양한 기초 회로들을 구현하였다. 탄소 나노튜브 기반 메모리 전자 소자 및 회로는 다양한 외부 응력이 가해져도 안정적으로 동작을 하였고, 개발된 기술을 통해 보다 실용적인 탄소 나노튜브 기반 유연 전자 소자의 제작 조건을 확립할 수 있었다. 두번째로 위에 개발된 기술을 바탕으로, 보다 복잡한 탄소 나노튜브 기반 유연 회로 및 구동전압에 따라 발광색이 변환하는 색변환 소자를 제작하여 해당 소자들이 피부위에 부착되어 잘 작동되도록 구현하였다. 그리고 이 두 가지 웨어러블 전자소자를 통합하여 실시간으로 심전도를 측정하여 탄소 나노튜브 기반 전자소자를 통해 해당 신호를 증폭시키고, 신호의 상태를 색변환 소자로 나타낼 수 있는 심전도 모니터 시스템을 구현하였다. 세번째로 진공 증착이 가능한 유연 절연체를 개발하여, 기존의 유연 전자소자들이 가지고 있던 극명한 한계를 극복하였다 (높은 구동 전압, 낮은 집적도, 대면적 소자 선능 균일도 등). 기존의 액상 기반 증착을 위주로 한 유연 전자 소자들은 무기물질 기반 전자소자 대비 극심한 성능 저하를 보여주었는데, 이를 해결하기 위해 새로운 절연물질을 개발하고 탄소 나노튜브 기반 유연 전자소자에 적용하여 그 가능성을 보여주었다.