국내 연구진이 국제 공동연구를 통해 다양한 생체 전자 소자 및 회로에 응용할 수 있는, 새로운 구동 원리를 갖는 전도성 고분자 기반 전기화학 다이오드 소자를 개발했다.
세계 최고 수준 전류밀도를 갖는 수계전해질 고분자 다이오드 소자로 차세대 체내 이식형 소자와 회로 구현에 기여할 것으로 예상된다.
광주과학기술원(GIST·총장 김기선)은 윤명한 신소재공학부 교수팀이 마틴 히니 영국 임페리얼 컬리지 런던(ICL) 교수(GIST 신소재공학부 객원교수) 연구팀과 공동연구를 통해 유기물 혼합형 전도체(OMIEC)를 이용한 새로운 정류 소자를 개발했다고 11일 밝혔다.
OMIEC는 금속과 같은 단순 전기전도체가 아닌 전해질 내에서 이온 전도성와 전기 전도성을 동시에 갖는 재료다. 전해질 환경에서 생체 전기신호를 증폭하는 소자 및 유연 전자 소자의 반도체 재료로 활용된다. 일반적인 유기물 기반 다이오드는 p형-n형 유기물 반도체 접합이나, 금속-유기물 반도체 접합 등으로 구현이 가능한 반면, 정교한 에너지 준위 제어를 필요로 하며 낮은 구동 안정성 및 낮은 전류특성을 갖는 단점이 있다.
이번 연구에서 제안한 OMIEC는 기존 유기물 반도체 재료에 비해 높은 전하밀도에 의한 높은 전기적 특성을 구현할 수 있지만 전해질 내에서 구동하는 특성상 기존 접합형 다이오드 구조로는 정류기능 구현은 불가능했다.
연구팀은 기존 접합형 다이오드 에너지 준위의 휘어짐을 통한 전류 정류 구동 원리가 아닌, 간단한 패터닝 만으로 구현이 가능한 비대칭 활성층 제작, 집중·분산된 도핑·디도핑 현상을 이용한 새로운 전류 정류 소자를 선보였다. 이를 컴퓨터 수치해석을 이용해 구현 가능성을 확인했으며 새롭게 제시한 소자 작동 중 실시간 광학적 전위 매핑 기술을 이용해 활성층 내 전위 분포를 실험적으로 측정 및 수치해석 결과와 비교하여 구동 메커니즘을 규명했다.
최종적으로 선보인 OMIEC 기반 유기물 전기화학 다이오드는 0.6 V 수준의 낮은 전압 범위 내에서도 높은 전류밀도를 갖는 소자를 구현하는 데 성공했다.
윤명한 교수는 “유기물 전기화학 트랜지스터만으로 구동할 수 없는 다양한 응용 소자와 응용 회로에 사용할 수 있어 차세대 체내 이식형 생체전자소자 구현에 크게 이바지할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
윤 교수와 마틴 히니 교수가 주도하고, 지스트 김영석 박사과정생, 김건우 석사과정생, 임페리얼 칼리지 런던 보웬 딩 박사과정생이 공동으로 수행한 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 미래소재디스커버리사업 등의 지원을 받아 이뤄졌다. 과학기술 전문 권위지인 '어드밴스드 머티리얼스' 온라인에 최근 게재됐다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
