광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 윤명한 교수가 주도하고, 박성준 박사과정생(제1저자)이 수행한 이번 연구는 네이처 자매지인 ‘사이언티픽 리포트’ 14일자 온라인판에 게재됐다.
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| 실험에서 사용된 실제 소자. (a) 수용액 내 전기장을 가할 수 있는 게이트 전극(Au) tip을 삽입 (b), (c) 사진 속 하부의 전극 양단에 금속 재질의 측정 tip을 접착시켜서 반도체에 흐르는 전류 값을 측정 (d) 제작 된 소자 위 수용액이 흘러내려가지 않도록, 도넛 모양의 투명한 고무링을 벽으로 삼아, 인산염 수용액을 도포한 모습. [사진=한국연구재단 제공] |
질병을 진단하고 치료를 하기 위해서 체내에 전자소자를 삽입하는 기술이 각광을 받고 있다. 하지만 전자소자가 다량의 이온을 포함한 수용액상 전해질과 만나면 쉽게 분해된다는 게 단점이었다. 이 과정에서 물의 전기분해가 일어나 체내에 독성도 유발하면서 체내 삽입형 전자소자 상용화가 어려움을 겪고 있었다.
이에 연구진은 전자소자의 구동 환경에서 피하려는 수분과 수용액 환경을 역이용해 수용액-반도체 계면에 0.1nm 두께의 초미세 전기이중층 유전막을 형성하면서도 수용액상에서 녹지 않고 구동시 분해되지 않고 장기간 작동되는 단위소자를 개발했다. 특히 나트륨, 칼륨, 염소, 인산염 이온이 존재하는 수용액에서도 장시간 동안 소자 성능이 유지됐다.
특히 연구진이 개발한 전자소자는 수용성 전해질 기반 소자 가운데 세계 최고 수준의 전류 점멸비를 가진다. 전하이동도 값을 초-전압의 구동 범위 내에서도 구현했다. 이처럼 매우 낮은 극소 전압에서도 고품위의 전자소자의 성능을 갖고 있기 때문에 인체 내부에 삽입하더라도 유해성이 낮다. 또 인체에서 흘러나오는 미약한 신호를 낮은 전력에서도 쉽게 감지할 수 있을 것으로 예상된다.
윤 교수는 “수용액 전해질에서 안정적으로 구동이 되는 고성능 산화물 반도체가 개발됐다”며 “고비용 초박막 실리콘에 집중된 전자소자 트렌드에서 벗어나 미래 전자소자 기술의 저변을 확장하는데 기여할 것”이라고 밝혔다.
dsun@heraldcorp.com
