[뉴테크] 속도 느리고 좀 크지만 친환경...나무로 만든 트랜지스터 나온다

스웨덴 연구진 식물 전자공학 기술 개발

전도성 목재와 전기 화학 트랜지스터 제조 공정의 개략도. /PNAS

흔히 나무는 건조한 상태에서 전기가 흐르지 않는 천연 절연체로 불린다. 하지만 젖었을 때나 전선과 같은 고압 전기와 닿았을 때는 전기가 통하기도 한다. 스웨덴 과학자들이 살아있는 나무와 식물에 전기를 전달하는 능력을 부여해 천연 전자센서와 같은 전기장치를 개발하는 방법을 개발했다.

스웨덴 린세핑대 연구팀은 24일 발사 나무를 이용해 전자회로에서 전류와 전압 신호를 증폭하거나 전기 신호의 스위치 역할을 하는 트랜지스터를 개발했다고 국제학술지 미국립과학원회보(PNAS)에 소개했다.

과학자들은 최근 전기 전도성을 갖는 식물을 이용해 농업과 산림 관리에 사용되는 식물 센서와 전기장치를 개발하는 시도를 이어오고 있다. ‘식물 전자공학’이라는 이 새로운 분야는 식물 내부에 신호를 보내거나 살아있는 식물에 센서 기능을 부여하는 다양한 방법을 연구하고 있다.

연구진은 전류를 증가시키거나 전기 신호의 스위치 역할을 할 수 있는 전자 부품인 트랜지스터에 해당하는 목재를 개발했다. 손톱 크기의 컴퓨터 칩에는 실리콘과 같은 반도체 재료로 만든 수십억 개의 작은 트랜지스터가 들어 있다. 이들 반도체 트랜지스터는 초당 수십억 번 신호를 켜고 끌 수 있다.

이번에 개발된 나무 트랜지스터는 가로세로 3cm로 실리콘 트랜지스터와 비교하면 매우 큰 편이다. 또 스위치를 약 1초 만에 꺼지고 약 5초 만에 켜져 실리콘 트랜지스터보다 전환 속도가 매우 느리다.

하지만 과학자들은 환경 스트레스와 기후 변화에 대한 식물의 저항력을 모니터링하는 연구나 임업 분야에서 활용가치가 높다고 보고 있다.

연구진은 발사 나무 조각에 열을 가하고 화학약품 처리를 통해 나무와 식물 내 유기결합 물질인 리그닌을 제거했다. 나무에서 물을 운반하는 루미나라고 불리는 관의 네트워크에 공간을 확보하고 전도성 화합물을 포함한 액체 용액에 목재를 담가 스며들게 했다. 연구진은 이렇게 만든 목재로 실리콘 트랜지스터처럼 드레인과 소스, 게이트 등 터미널 3개를 만들었다.

연구진은 이렇게 만든 나무 트랜지스터가 실제 실리콘 트랜지스터처럼 작동하는지 스위칭 테스트를 진행해 실제로 똑같이 작동한다는 사실을 확인했다.

연구진은 처음에는 자작나무와 물푸레나무를 포함한 여러 유형의 목재를 시도했다. 하지만 발사 나무만 리그닌을 제거한 뒤에도 구조적 무결성을 유지하고 문제없이 전도성 폴리머를 흡수하며 여름과 겨울나무 사이에 큰 계절적 차이가 나타나지 않는다는 사실을 알아냈다. 발사 나무는 중앙아메리카와 남아메리카 일대에 사는 쌍떡잎식물로 목재가 가볍고 단단해 부표나 구조 용품, 모형항공기 재료로 사용되고 있다.

연구진은 목재 내부에 처음부터 폴리머가 들어있는 전도성 목재를 키울 수 있을 것으로 보고 있다. 별도로 리그닌을 제거하지 않고 처음부터 다른 전도성 폴리머를 목재에 넣을 수 있다는 것이다.

이삭 엥퀴스트 교수는 “각각의 나무와 식물에 몇 개의 목재 트랜지스터가 들어갈 가능성이 높다”며 “이 트랜지스터는 밀리미터 크기가 될 것으로 보인다”고 말했다. 티언 리 퍼듀대 교수는 “이번 연구가 전기 재료를 나무에 통합할 수 있다는 가능성을 연 흥미로운 공학적 시도”라고 평가했다.

참고 자료

PNAS, DOI: 10.1073/pnas.2218380120

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