국내 연구팀이 차세대 생체전자인터페이스 소자로 주목받는 인체 이식형 전자소자 구현에 필요한 성능이 극대화된 고성능 친환경의 혼합전도체를 개발하는데 성공했다.
광주과학기술원(GIST·총장 김기선)은 윤명한 신소재공학부 교수팀이 김범준 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 교수팀과 공동으로 친환경 수계 용매 공정이 가능한 고성능 n-형 유기물 혼합형 전도체(OMIEC)를 개발, 수계 용매가 고분자 미세구조와 전기·전기화학적 성능 향상에 미치는 영향을 규명했다고 9일 밝혔다.
OMIEC는 금속과 같은 단순 전기전도체가 아닌 전해질 내에서 이온 전도성와 전기 전도성을 동시에 갖는 재료다. 전해질 환경에서 생체전기신호를 증폭하는 소자 및 유연 전자 소자의 반도체 재료로 활용된다.
OMIEC 기반 전기화학 트랜지스터는 전해질 내 이온 주입을 통해 신호 증폭, 스위칭이 가능하다. 이 때문에 체내·외 이식 및 부착을 통해 뇌, 심장, 근육 등 다양한 생체 전기적 신호를 확인할 수 있어 차세대 바이오 헬스케어 응용연구가 활발히 진행되고 있다.
하지만 대부분 전기화학트랜지스터 소자는 p-형 유기물 반도체 기반 연구가 대부분이고 n-형 유기물 반도체 연구는 드물다. 현재까지 유기물 혼합형 전도체의 경우 n-형에서 전하 이동도가 p-형의 전하 이동도보다 백배 이상 낮다. 이로 인해 차후 트랜지스터 기반의 다양한 응용 소자 및 논리회로 제작을 위해선 필수적으로 연구가 이뤄져야 한다.
연구팀은 이러한 n-형 유기물 혼합형 전도체의 낮은 전자 이동도 문제점을 개선하고자 양친매성 전도체 소재를 개발해 전기화학트랜지스터 소자를 제작했다. 고분자 단량체 곁가지에 올리고 에틸렌 글라이콜(OEG)기를 다량으로 적용함으로써 에탄올·물로 구성된 수계 용매에 용액화했다. 이를 기존 용액공정에 사용되는 할로겐계 유기용매인 클로로포름에 용액화된 동일 물질과 전기·전기화학적 특성을 비교 분석했다.
에탄올·물 용매 경우 친수성인 올리고 에틸렌 글라이콜 곁사슬을 녹일 수 있지만 소수성인 주사슬을 녹이지 못해 용액상에서 응집된 마이셀 상태로 존재하는 반면, 클로로폼을 사용했을 때 곁사슬과 주사슬 모두 잘 녹은 상태로 존재하게 된다. 마이셀 형태의 주사슬들은 에탄올·물 분자와 상호작용이 최소화돼 용액상에서 주사슬간 강한 파이-파이 적층 형태가 유도된다. 용액 코팅 공정을 통해 제작된 수십 나노 박막에서 높은 결정성이 나타나는 것을 확인했다.
연구팀은 이를 누적형 전기화학 트랜지스터 소자 활성층에 적용할 시 기존 유기용매인 클로로폼을 통해 제작된 소자 대비 전자 이동도와 전기화학 트랜지스터 특성 평가 지수가 3배 이상 증가된다는 사실을 규명했다.
윤명한 교수는 “친환경성과 n-형 전기화학 트랜지스터의 전자 이동도 특성을 동시에 향상시킴으로써 차세대 복합회로형 생체전자소자 구현에 크게 이바지할 것으로 기대한다”며 “친환경 공정이 가능한 고성능 인체이식형 전기화학소자 제작에 적합한 유기고분자 합성전략을 제시했다는 것에 의의가 있다”고 말했다.
두 교수가 주도하고 조일영 GIST 박사과정생, 정다현 KAIST 석박통합과정생, 이승진 KAIST 박사과정생이 공동으로 수행한 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 나노및소재기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 과학기술 전문 권위지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스' 온라인 최근 게재됐다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
