웨어러블 전사 소자는 의료 및 건강 관리 장치, 전자 피부, 사물 인터넷 센서, 인간-로봇 상호 작용 센서 등 실생활과 밀접한 연관이 있어 최근 각광받고 있다. 본 논문에서는 이러한 웨어러블 센서 및 전자/광전자 소자의 개발을 위해 콜로이달 나노결정소재를 사용하였으며, 표면화학공학과 구조 설계 연구를 통해 특성을 제어하고 재료 본연의 한계를 극복하여 보다 발전된 성능의 소자를 제안한다.
소자의 특성 구현을 위해 리간드 치환 공정으로 나노결정소재의 특성을 제어하고 적합한 전하 수송 메커니즘을 설계하였다. 또한, 계면 화학 처리를 통해 층간 접착력을 향상시켜 소자의 안정성을 높이고 직접 패터닝이 가능하게 하였다. 신축성 소자에 일반적으로 사용되는 프랙탈 구조와 나노선 그물 구조는 낮은 커버리지로 인해 감도와 효율에 한계를 보이는데, 이는 신축성은 없으나 완전한 커버리지를 갖는 나노결정과의 혼성화 전략을 통해 해결하였으며 더불어 광전자 소자의 파장 선택 특성 또한 구현하였다.
본 논문에서는 3 개의 메인 주제를 보고한다. 첫째, 은 나노 결정과 폴리(디메틸실록산)을 이용한 초 고감도 온도센서를 제안하였다. 저항 변화에 따라 온도 변화를 감지하는 메커니즘의 저항 타입 온도 센서이며, 높은 저항-온도 계수를 달성하기 위해 리간드 치환을 통해 설계된 호핑 전하 수송 메커니즘과 기판의 열팽창 특성을 활용하였다. 이를 통해 0.5 x K-1 수준의 초고감도 부착형 온도 센서를 성공적으로 개발하였다.
둘째, 은 나노선, 금 박막, 폴리(디메틸실록산)을 이용해 직접 패터닝이 가능한 신축성 전극을 개발하였다. 폴리비닐피롤리돈 처리와 철근-콘크리트 구조를 통해 화학적, 기계적 접착력 강화 전략으로 설계된 이중층 구조로 신축성과 안정성을 높였다. 그 결과, 10 수준의 낮은 게이지 팩터를 갖고, 5 ㎛ 크기까지 패터닝이 가능하며 100% 전하 추출 효율을 보이는 완전한 커버리지의 고성능 신축성 전극을 개발하였다.
마지막으로, CdSe 나노선과 PbS 나노결정으로 선택적 파장 감지가 가능한 신축성 광감지 센서를 개발하였다. 이때, CdSe 나노선과 PbS 나노결정의 동시 리간드 치환에 의한 혼성화를 통해 선택적 파장 감지 능력과 신축성을 구현하였다. 보다 구체적으로, 가시광선과 적외선은 각각 CdSe 나노선과 PbS 나노결정에 의해 감지되며, 수직 적층 구조를 통해 선택적 파장 감지 능력이 구현된다. 결과적으로, 50% 수준의 외부 변형 조건에서 성능이 유지되는 파장 선택성 광감지 센서를 개발하였다.
본 연구에서는 표면 화학 공학 및 구조 설계를 통해 전기적, 화학적, 기계적, 광학적 및 열적 특성을 효과적으로 제어하고 최적화 하였다. 이와 같이 새로운 전략을 도입하여 향상된 성능을 보이는 웨어러블 전자 소자는 다양한 차세대 산업 분야에서 광범위한 응용이 가능할 것으로 기대된다.