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흔적 없이 사라지는 마술종이로 전자소자 개발

'Nano Research' 9월 26일자에 게재

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군사, 의료, 일회용품 등 적용 기대 
Flammable Carbon nanotube Transistors on a Nitrocellulose Paper Substrate for Transient Electronics 


마술할 때‘펑’소리와 함께 연기만 남고 사라지는 종이처럼 반도체 전자소자도 아무런 흔적 없이 사라지게 할 수 있을까? 마술처럼 기밀정보를 수 초 내에 없애는 영화 속 장면이 현실로 다가왔다. 

한국연구재단(이사장 조무제)은 최성진 교수(국민대) 연구팀이 정보 보안에 특화된 자체적으로 잔해 없이 소멸하고 분해가 가능한 보안용 반도체 전자소자*를 개발하는데 성공했다고 밝혔다. 
    
*반도체 전자소자 : 고체 내 전자의 전도를 이용한 전자 부품, 트랜지스터, 다이오드 등을 일컫음. 이 연구에서는 트랜지스터를 의미함. 

새롭게 개발한 반도체 전자소자는 탄소나노튜브 기반의 전자소자를 니트로셀룰로스 종이* 기판 위에 제작한다. 그리고 간단한 스탬핑 공정*을 통해 제작된 전기 히터를 내장하여 전기적인 신호에 의해서 원하는 시점 및 원하는 시간 내에 수 초 내에 영구 소멸하면서 완전 분해가 가능하다. 연구팀에서 기판으로 사용한 니트로셀룰로스 종이는 잔여물(재)가 남지 않아 마술종이로 사용되기도 하는데, 보안용 전자 소자의 기판으로 적용된 사례는 이번이 처음이다. 
    
*니트로셀룰로스 종이 : 일반 셀롤로스 종이를 황산 및 질산의 혼합액에 처리하여 만든 종이. 낮은 발화점을 갖고 있으며, 연소 속도가 매우 빠르고 연소 후 잔여물(재)가 남지 않는 특성을 가지고 있음.  
    
*스탬핑 공정 : 원하는 물질의 모양을 특정 기판에 옮기기 위한 도장 공정  

특히 이 연구성과는 유연 기판 위에 제작된 전자소자를 용액에 노출시켜 소멸 및 분해시키며 사라지게 만드는 국외 연구에서 해결하지 못한 소멸의 시점 조절 및 시간을 수 분에서 수 초로 앞당기면서도 복원이 불가하도록 만들어져 차별화된다.  

최성진 교수는“이 연구 성과는 기밀 정보 저장을 위한 보안용 전자소자의 분해 및 소멸 시점을 완벽하게 조절한 최초의 연구를 보고한 것이다. 따라서 군사적으로 보안이 필요한 분야, 회수가 필요하지 않은 폐기물, 수술 없이 자연스럽게 사라지게 하는 몸속의 의료센서 등으로 적용할 수 있어 군사, 의료, 일회용 제품 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다. 

이 연구성과는 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구) 지원으로 수행되었으며, 세계적인 학술지 나노 리서치 (Nano Research) 9월 26일자에 게재되었다. 



논문의 주요 내용


□ 논문명, 저자정보 

- 논문명: Flammable Carbon nanotube Transistors on a Nitrocellulose Paper Substrate for Transient Electronics 
   
- 저자 정보: 최성진(국민대학교, 교신저자), 김성호(세종대학교, 교신저자), 윤진수(국민대학교, 제1저자), 이주희(국민대학교, 제1저자), 최봉식(국민대학교, 제1저자), 이동일 (한국과학기술원, 공동저자), 김대환(국민대학교, 공동저자), 김동명(국민대학교, 공동저자), 문동일(나사 에임스 리서치센터, 공동저자), 임미현(삼성전자, 공동저자) 


□ 논문의 주요 내용 

 1. 연구의 필요성
   
물리적으로 소멸 및 분해가 가능한 사라지는 전자소자의 다양한 응용 가능성이 보고됨에 따라 최근 국외에서는 이에 관한 활발한 연구가 진행되고 있다. 특히 사라지는 전자소자를 개발하여 이를 보안용 및 의료용으로 적용한 사례들이 세계적으로 주목을 받아오고 있다. 
  
하지만 소멸 및 분해되는 시점 및 시간을 정확히 조절하는 방법에 대한 연구는 부족하며 특히 기밀 정보를 저장하는 보안용에 특화된 전자소자일 경우 소멸 및 분해의 정확한 조절이 반드시 필요하다. 


 2. 연구내용 

발화점이 낮고, 연소 후 잔여물이 전혀 없는 니트로셀룰로스 종이 기판 위에  탄소나노튜브 전자소자를 제작하고, 스탬핑 공정을 통해 전기 히터를 니트로셀룰로스 종이 기판 뒤에 내장하였다. 
  
 내장된 전기히터에 무선 주파수 리모콘을 통해 전압 및 전류를 인가하여 열을 발생시켜 폭발성이 강한 니트로셀룰로스 종이 기판을 연소시켜, 원하는 시점에 수 초 내로 탄소나노튜브 전자소자를 영구 소멸 및 완전 분해시켰다.
 
히터에 가하는 전압 및 전류의 양과 시간을 조절함으로써 소멸 및 분해되는 시점 및 시간을 정확하게 조절할 수 있고, 값싼 스탬핑 공정을 통해 히터를 제작하기 때문에 높은 효율을 얻을 수 있다. 

탄소나노튜브 경우 전기적, 기계적, 화학적, 열적 특성이 다른 반도체 물질에 비해 매우 우수하기 때문에 종이 기판에서 동작하기에 가장 적합한 전자소자라는 장점이 있다. 


3. 연구 성과

전자소자의 소멸 및 분해의 조절을 사용자에 의도에 따라 수 초 내로 가능하다는 것을 보여준 최초의 사례다. 
 
전자소자의 소멸 및 분해 후 잔여물이 전혀 없기 때문에 기밀 정보를 위한 보안용 전자소자에 특화가 가능할 것으로 기대된다. 
 
원하지 않는 적에 의해 기밀 정보가 저장되어 있는 전자소자 칩이 도난당할 경우, 완전 분해 및 영구 소멸시킴으로써 정보의 누출을 원천적으로 막을 수 있을 것으로 기대된다.
 
또한 회수의 필요성이 없는 의료용 및 일회성 제품에 원리를 적용하여 다양한 응용처 및 원천 기술을 개발할 것으로 기대된다. 



연 구 결 과  개 요


 1. 연구배경

최근 정보 기술의 발달로 인해 사회 및 개인 간의 자유로운 정보 교환이 가능해졌다. 하지만 그에 따른 정보 보안의 위협이 증가하고 있으며 빈번한 정보 유출 등으로부터 보호해야 할 필요성 또한 증가되고 있다. 특히 군사용 기밀 정보의 경우 보안이 더욱 중요하며 이를 원천적으로 방지하기 위한 방법 개발에 대한 관심이 증가되었다. 이에 따라 사용자의 의도에 따라서 물리적으로 완전 소멸 및 분해되는 신개념 사라지는 전자소자에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 특히 국외의 경우 많은 대학, 연구소 및 기업들이 이러한 특수한 목적을 가진 사라지는 전자소자를 개발 및 연구하는 국책 과제들을 진행하고 있으며, 최근까지 저명한 논문 및 언론매체를 통해 활발히 보고된 바 있다. 

물리적으로 완전 소멸 분해 가능한 사라지는 전자소자를 구성하는 중요한 요소 중 하나는 소멸과 분해에 대한 정확한 조절 능력을 갖는 것이다. 실제로 보안용 전자소자를 상용화 및 실용화하기 위해서는 사용자가 원하는 시점에 전자소자를 완벽히 소멸 및 분해시킬 수 있도록 설계되어야 하며, 이를 위한 다양한 방법에 대한 연구가 필요하다. 


 2. 연구내용
 
물리적으로 소멸 및 분해가 가능한 보안을 위한 사라지는 전자소자는 사용자의 의도에 따라서 완벽히 전자소자를 빠르게 소멸 및 분해시키는 것이 중요하다. 하지만 기존에 보고된 연구는 소멸 및 분해되는 시점을 조절하는 능력에 한계가 있고, 긴 시간에 걸쳐서 소멸 및 분해되며, 대부분 용액에 노출시켜 전자소자를 소멸 및 분해해야 한다는 제한적인 점이 있다. 

이 연구에서는 전기적, 기계적, 화학적, 열적 특성이 매우 우수한 반도체성 탄소나노튜브 (carbon nanotube) 기반의 전자소자를 트랜스퍼 프린팅 (transfer printing) 기법을 이용하여 니트로셀룰로스 종이 (nitrocellulose paper) 기판 위에 제작하고, 스탬핑(stamping) 방법을 이용하여 마이크로 전기 히터(heater)를 내장함으로써 전기적 연소를 통해 사용자의 의도에 따라 빠른 소멸 및 분해가 가능한 사라지는 전자소자를 개발하였다. (그림 1) 니트로셀룰로스 종이는 흔히 마술에 널리 사용되는 폭발성이 강한 종이로 연소점이 낮고, 수 초 내에 빠르게 연소되는 특징을 가지고 있다. 또한 연소 후 잔여물이 없다는 특징을 가지고 있어 보안용 전자소자를 제작하는 기판으로 사용되었다. 
        
*트랜스퍼 프린팅 : 유연 기판에 전자소자를 만들기 위한 방법 중 하나. 일반적으로 유연 기판은 화학적, 물리적, 열적 내성이 약해 기존 반도체 공정을 적용하는데 어려움이 많음. 트랜스퍼 프린팅은 화학적, 물리적, 열적인 파괴 없이 유연 기판에 전자소자를 제작하기 위한 방법 중 하나로 기존 반도체 공정을 통해 실리콘 기판에 소자를 제작하고, 제작된 소자를 원하는 유연 기판으로 이동시키는 공정 방법.  

 
니트로셀룰로스 종이 기판에 내장된 전기 히터에 전압을 인가하면 전류가 흐르게 되고, 결과적으로 열(joule heat)이 발생된다. 따라서 히터에 인가된 전압 및 흐르는 전류를 통해 발생하는 열을 예측 및 계산할 수 있으며, 이를 통해 탄소나노튜브 기반 전자소자의 소멸 및 분해 시점 및 시간을 정확하게 조절할 수 있다. (그림 2) 보다 실용적인 응용을 위해 본 연구에서는 전기 히터에 가해지는 전압을 무선 주파수 (Radio frequency) 리모컨을 사용하여 발생시킴으로써 무선으로 소멸 및 분해가 가능한 방법을 개발하였다. (그림 3)


3. 기대효과

사용자의 의도에 따라 소멸 및 분해가 가능한, 탄소나노튜브 기반의 사라지는 전자소자의 개발을 통해 향후 군사 및 상업 목적의 다양한 응용을 개발할 것으로 예상된다. 더 나아가 의학용 센서 및 일회성 제품 등 다양한 분야에도 적용이 가능할 것으로 기대된다. 



★ 연구 이야기 ★


□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

물리적으로 소멸 및 분해가 가능한 전자소자는 전 세계적으로 활발하게 진행되었지만, 보안용에 특화된 전자소자에 대한 연구는 부족하였다. 보안용 전자소자의 가장 중요한 요소는 원하는 시점에 전자소자가 빠르게 소멸 및 분해되어 기밀 정보의 유출을 효과적으로 방지하는 것이기 때문에 이를 위한 연구를 수행하게 되었다. 


□ 연구 전개 과정에 대한 소개

물리적으로 소멸 및 분해 가능한 전자소자를 개발하기 위해 전자소자가 제작된 다양한 기판에 대하여 연구하던 중 불에 의해 빠르게 연소되고 잔여물이 전혀 없는 마술종이, 즉 니트로셀룰로스 종이를 발견하게 되었다. 이 종이 기판 위에 동작 특성이 우수한 탄소나노튜브 전자소자를 제작하고, 전기 히터를 내장하여 소멸 및 분해가 완벽히 조절되는 사라지는 탄소나노튜브 전자소자를 개발하게 되었다. 


□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

니트로셀룰로오스 종이에 탄소나노튜브 전자소자를 제작하기 위해서 트랜스퍼 프린팅 방법을 사용하였는데, 니트로셀룰로오스 종이의 거칠기가 매우 크기 때문에 공정에 어려움이 많았다. 이러한 문제를 해결하기 위해 실리콘 고무(polydimethlsiloane, PDMS)로 니트로셀룰로오스 종이를 매우 얇게 코팅하여 거칠기를 줄인 후, 트랜스퍼 프린팅을 안정적으로 할 수 있었다. 


□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

사용자의 의도에 따라 전자소자의 완전 소멸 및 영구 분해가 수 초 내로 완벽히 조절되었으며, 이는 현재까지 보고된 용액에 전자소자를 노출시켜 소멸 및 분해시키는 연구와 매우 큰 차별성이 있다. 용액에 의해 소멸 및 분해되는 전자소자의 경우, 보안용 전자소자로 적용 시 소멸 및 분해의 시점 및 시간 조절이 매우 어려운 점이 있다. 하지만 본 연구에서는 그 해결을 위해 니트로셀룰로스 종이에 히터를 내장하여 인가하는 전압 및 전류 조절을 통해 소멸 및 분해의 시점 및 시간을 조절하였다. 


□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

무선 전력 전송을 이용하여 인가전압 없이 소멸 및 분해가 가능한 전자소자를 개발할 예정이다.


□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

미션 임파서블 영화를 보다가 기밀 정보를 스파이에게 전달 후 수 초 내로 폭발되는 저장 매체를 보고 보안용에 특화된 전자소자를 생각하게 되었다. 이를 위해 다양한 종이기판에 전자소자를 제작하던 중 우연히 마술에 사용되던 종이인 니트로셀룰로오스 종이가 빠르게 연소되는 것을 생각하게 되었다. 결과적으로 다른 종이들에 비해 발화점이 낮고 연소가 가장 빠르며 연소 후 잔여물이 없는 장점을 이용해 신개념 사라지는 탄소나노튜브 전자소자를 제작하게 되었다. 



용 어 설 명


 1. 나노리서치 (Nano research)
  ㅇ 나노리서치는 나노과학 및 나노 기술의 모든 측면에 초점을 맞춘 국제 저명 학술지. (피인용지수 : 8.893) 

2. 탄소나노튜브 (Carbon nanotube)
  ㅇ 탄소나노튜브의 형태는 탄소 6개로 이루어진 육각형 모양이 서로 연결되어 관 형태를 보이는 신소재. 관의 지름은 수 나노미터 (10억 분의 1미터)이다. 탄소나노튜브는 전기 전도도가 구리와 비슷하고, 열전도율은 자연계에서 가장 뛰어난 다이아몬드와 같으며, 강도는 철강보다 100배나 뛰어나 차세대 전자소자 및 센서(감지기) 등에 응용이 가능한 차세대 첨단 소재로 주목받는 물질이다. 

3. 트랜스퍼 프린팅 (Transfer printing) 
  ㅇ 유연 기판에 전자소자를 만들기 위한 방법 중 하나이다. 일반적으로 유연 기판은 화학적, 물리적, 열적 내성이 약해 기존 반도체 공정을 적용하는데 어려움이 많다. 트랜스퍼 프린팅은 화학적, 물리적, 열적인 파괴 없이 유연 기판에 전자소자를 제작하기 위한 방법 중 하나로, 기존 반도체 공정을 통해 실리콘 기판에 소자를 제작하고, 제작된 소자를 원하는 유연 기판으로 이동시키는 공정 방법을 말한다. 

4. 트랜지스터(Transistor)    
  ㅇ‘Trans’와‘resister'의 줄임말로, 3개 이상의 전극을 가진 반도체 능동소자이다. 한 단자의 전압 또는 전류에 의해 두 단자 사이에 흐르는 전류 또는 전압을 제어하여 전기 신호의 증폭, 전자 스위치 역할을 한다.

5. 니트로셀룰로스 종이 
  ㅇ 일반 셀롤로스 종이를 황산 및 질산의 혼합액에 처리하여 만든 종이이다. 니트로셀룰로스 종이는 건조한 상태에서 폭발하기 쉬운 특성을 갖고 있다. 낮은 발화점을 갖고 있으며, 연소 속도가 매우 빠르고, 연소 후 잔여물(재)가 남지 않는 특성을 가지고 있어 마술에 사용되기도 한다. 



그 림 설 명

       
     
(그림 1) 신개념 사라지는 탄소나노튜브 전자소자의 모식도 및 실제 사진
    
반도체성 탄소나노튜브 기반의 전자소자를 트랜스퍼 프린팅 기법을 이용하여 니트로셀룰로스 종이 기판 위에 제작하고, 스탬핑 방법을 이용하여 전기 히터를 내장함으로써 발생하는 열을 통해 사용자의 의도에 따라 빠른 소멸 및 분해가 가능한 사라지는 전자소자. 


     
(그림 2) 니트로셀룰로스 종이 기판에 내장된 전기 히터의 공정 방법, 실제 사진 및 발생하는 열을 관측하기 위한 열화상 카메라
    
니트로셀룰로스 종이 기판에 내장된 전기 히터에 전압을 인가하면 전류가 흐르게 되고, 결과적으로 열이 발생함. 히터에 인가된 전압 및 흐르는 전류를 통해 발생하는 열을 예측 및 계산할 수 있고, 이를 통해 탄소나노튜브 전자소자의 소멸 및 분해 시점 및 시간을 정확하게 조절할 수 있음. 

     
(그림 3) 무선 주파수 리모컨을 사용한 탄소나노튜브 전자소자의 소멸 및 분해 모습. 열화상 카메라를 통한 전기히터에서 발생하는 열 관찰 모습 
     
실용적인 응용을 위해 전기 히터에 가해지는 전압을 무선 주파수 리모컨을 사용하여 발생시켜 무선으로 전자소자를 원하는 시점에 소멸 및 분해함.  


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