▲ (左부터) 윤명한 광주과학기술원 교수, 박성준 박사과정생.

국내 연구진이 물속에서도 장시간 안정적으로 구동 가능한 초저전압 전자소자의 원천 기술을 개발해, 체내에 삽입할 수 있는 소자나 다양한 수질(水質) 센서 개발에 기여할 것으로 기대된다.

GIST(광주과학기술원)는 신소재공학부 윤명한 교수(교신저자)와 박성준 박사과정생이 용액공정 기반 산화물 초박막으로 물속에서 장시간 구동이 가능한 초전전압 전자소자의 원천기술을 개발했다고 18일 밝혔다.

최근 질병 진단 또는 치료 목적의 체내 삽입형 전자소자(implantable electronics) 관련 기술이 각광을 받고 있다.

하지만 체액등 다량의 이온을 포함한 수용액상 전해질과 대부분의 전자소자 활성층이 접촉해 쉽게 분해가 되고, 수용액 상에서 구동시 고 구동전압에 의한 물 전기분해가 일어나는 등 체내 독성을 유발해 상용화에 어려움을 겪고 있다.

이에 연구팀은 기존의 저비용 용액공정 금속산화물 제작 방법 중 새로운 투명 반도체 조성을 개발해 수용액상에서 녹지 않고 구동 시 물의 전기 분해 없이 장시간 구동 가능한 단위소자를 개발했다.

연구팀은 대부분의 전자소자의 구동 환경에서 피하는 수분 및 수용액 환경을 역이용해, 금속산화물 반도체와 결합 시 수용액-반도체 계면에 옹스트롬 두께의 초미세 전기이중층 유전막을 형성 할 수 있었다.

이를 통해, 기존의 상용 박막 전자소자의 구동 전력 대비 20배 이상 절감할 수 있는 효과를 확인하였다.

연구팀이 개발한 전자 소자는, 수용성 전해질 기반 소자 중 세계 최고 수준의 천만배 이상의 전류 점멸비와 높은 전하이동도 값을 초 저-전압(0.5 V)의 구동 범위 내에서도 가짐을 보였다.

이는 매우 낮은 극소 전압에서도 고품위의 전자소자의 성능을 갖고 있기 때문에, 인체 내부에 삽입 시 유해성이 낮고 인체에서 흘러나오는 미약한 신호를 낮은 전력에서도 쉽게 감지할 수 있을 것으로 예상된다.

특히 기존 초박막 실리콘 및 산화물 반도체와 달리, 인체 내 체액에 다량으로 존재하는 것으로 알려진 나트륨·칼륨·염소·인산염 이온이 존재하는 수용액에서도 장시간 동안 소자 성능이 유지됨을 보여, 향후 체내 삽입형 소자 및 바이오센서에 적극 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

윤명한 교수는 “이번 연구로 저비용으로 인쇄가 가능하면서 수용액 전해질에서 안정적으로 구동이 되는 고성능 산화물 반도체가 개발됐다”며 “고비용 초박막 실리콘에 집중된 전자소자 트렌드에서 탈피해 미래 전자소자 기술의 저변을 확장하고 다양한 수질센서 또는 인체 삽입형 전자소자 개발에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어사업(나노기반 소프트일렉트로닉스 연구단)과 한국연구재단 신진연구자지원사업의 지원으로 진행됐으며 연구 결과는 네이처(Nature) 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 8월 14일자 온라인판에 게재되었다.

▲ (그림 2) 실험에서 사용된 실제 소자의 측정 모습 (PBS수용액 – 인산염이온 수용액). (a) 수용액 내 전기장을 가할 수 있는 게이트 전극(Au) tip을 삽입 (b), (c) 사진 속 하부의 전극 양단 (source/drain 전극)에 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. .