제안된 패터닝 기술을 이용한 이온 주입 방향 조절방식 모식도.[GIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 광주과학기술원(GIST)은 소프트 생체전자인터페이스 구현 핵심 소재인 ‘유기물 혼합형 전도체 내 이온 주입 방향 조절 기술’을 개발, 전기화학 트랜지스터 소자 구동 속도를 기존보다 100배 이상 향상시켰다고 밝혔다.

신소재공학부 윤명한 교수 연구팀은 영국 퀸 메리 런던 대학교 연구팀과 함께 유기 반도체 분자 합성 기술로 분자 배열 방향을 조절하고, 회로 패터닝 기술로 이온 주입 방향을 조절해 분자 방향 맞춤형 이온 주입을 통해 소자의 구동 속도가 크게 향상될 수 있음을 밝혔다.

이번 연구 성과는 고성능 뉴로모픽 소자 및 고속 생체전자 신호 센서 개발 등 관련 분야 활성화에 크게 기여할 것으로 기대되며, 유기물 혼합형 전도체를 식물용 생체전자인터페이스로 활용 시 차세대 스마트팜용 작물 모니터링 기술에 광범위한 적용이 가능하다.

유기물 혼합형 전도체는 상용 전자기기에 활용되는 실리콘 및 산화물 반도체에 비해 월등한 정전용량과 높은 전기적 스위칭·증폭 특성으로 인간의 뇌를 모사하는 뉴로모픽 소자의 활성층으로 각광받아 왔으나, 혼합형 전도체의 고질적인 문제인 느린 이온 이동도는 뉴로모픽 소자 성능 향상에 걸림돌이 되어 왔다.

연구팀은 유기물 혼합형 전도체의 이온 이동도 및 이를 활용한 소자 구동 속도에 영향을 주는 주요 인자가 분자 배열 방향 및 이온 주입 방향임을 규명하고, 두 인자를 한 방향으로 정렬시켰다.

유기물 혼합형 전도체의 분자 배향은 전도체의 분자 구조 디자인을 통해 조절할 수 있었으며, 소자 내 이온 주입 방향의 경우 이온전도도가 없는 보호층을 적층하는 방식을 변경해 조절했다.

연구팀은 이온 주입 방향과 분자 배향이 평행이 될 때, 수직인 경우에 비해 전도체 내 이온의 이동 속도가 10배 가까이 빨라지는 것을 확인했다. 평행일 때 혼합형 전도체 내를 이동하는 이온의 총 이동 거리가 감소함에 따라 소재 내 이온의 이동 속도가 빨라졌는데, 이로써 소자의 구동 속도가 100배 이상 향상되었음을 확인했다.

윤명한(왼쪽) 교수와 김지환 박사.[GIST 제공]

결과적으로 방향만 바꿔줬을 뿐인데 동일 재료를 사용한 소자(155 ms)에 비해 100배 이상 빠른 구동 속도를 갖는 소자(0.9 ms)를 구현하는 데 성공했다.

윤명한 교수는 “이번 연구를 통해 전자 전도 특성에만 관여하는 것으로 알려진 유기물 혼합형 전도체의 분자 배향이 이온 전도 특성에도 관여한다는 사실을 규명했다”며 “향후 고성능 뉴로모픽 소자 및 고속 인체·식물 생체전자신호 센서 개발 가속화에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

한국연구재단과 영국의학연구위원회의 국제공동연구사업 지원을 받은 이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 11월 28일 온라인 게재됐다.