이온과 반도체 거리 조절로 도핑 효율 100% 구현
차세대 생체 전자소자 개발 위한 소재 설계 지침 될 것 기대

포스텍 연구팀이 차세대 웨어러블 바이오센서의 핵심 부품인 유기 전기화학 트랜지스터의 성능을 제한하는 근본 원인을 세계 최초로 규명하고 이를 극복한 고성능 소자 개발에 성공했다.

 

 

포스텍은 화학공학과 정대성 교수, 박사과정 표원준 씨 연구팀이 서울대 화학과 손창윤 교수, 미국 노스캐롤라이나대 화학과 Wei You 교수, 경기대 화학과 정경준 교수와의 공동연구를 통해 미래형 바이오센서 핵심 부품 '유기 전기화학 트랜지스터'의 성능을 제한하는 원인을 최초로 규명했다고 23일 밝혔다.

 

또 연구팀은 이를 극복한 고성능 소자 개발에도 성공했다. 이번 연구 성과는 '네이처 커뮤니케이션즈' 온라인판에 게재됐다.

 

'트랜지스터'는 컴퓨터를 비롯한 거의 모든 전자기기에서 전류를 조절한다. '유기 전기화학 트랜지스터'는 여기에 이온의 움직임을 전류 신호로 바꾸는 기능을 가진 소자다.

 

몸에 붙이거나 몸속에 삽입할 수 있을 만큼 부드럽고 낮은 전압에서도 작동해 심장 박동이나 뇌파, 땀이나 혈액 속 생체 신호를 정밀하게 감지하는 차세대 웨어러블 바이오센서 기술로 주목받고 있다.

 

땀이나 혈액 속에 있는 이온들이 반도체 얇은 막 안으로 들어가면 그 움직임이 전류 신호로 바뀌어 신호를 감지하게 된다.

 

지금까지는 반도체 안으로 들어온 이온 모두 전기 신호 생성에 사용된다고 알려졌지만 연구팀이 개발한 분광학 분석으로 확인해 본 결과, 전기 신호 생성에 기여하는 이온은 절반 정도에 불과했다.

 

나머지 이온은 반도체 안으로 들어와도 제 역할을 하지 못했고 이것이 센서 감도를 떨어뜨리는 근본적인 원인이었다. 문제는 이온과 고분자 반도체 주쇄(몸통) 간 거리였다.

 

전기 신호는 반도체 주쇄에서 만들어지기 때문에 이온들이 이 주쇄에 가까이 접근해야 전하가 잘 생성된다. 그러나 기존에 널리 사용되던 올리고에틸렌글라이콜(OEG) 측쇄는 이온을 잘 끌어들이면서도 정작 전하가 생성되는 주쇄 가까이 접근하는 것은 방해하고 있었다.

 

 

이를 해결하기 위해 연구팀은 반도체 박막이 형성된 다음에 스스로 구조가 바뀌는 고분자 반도체를 설계했다. 박막이 만들어지면 긴 측쇄는 제거되고 짧은 카복실산기만 남도록 설계해 이온을 끌어들이는 성질은 유지하면서도 주쇄 바로 가까이 접근할 수 있도록 했다.

 

실험 결과, 투입된 이온이 모두 전기 신호 생성에 참여하는 100%의 도핑 효율을 달성했다. 연구팀은 슈퍼컴퓨터 기반 분자동역학 시뮬레이션을 통해 이온과 주쇄 간 거리가 가까워질수록 도핑 효율이 극대화된다는 원리도 확인했다.

 

특히, 이를 적용한 유기 전기화학 트랜지스터는 지금까지 보고된 소자 가운데 가장 높은 수준인 280S/cm 트랜스컨덕턴스'를 기록했다. '트랜스컨덕턴스'는 이온 움직임을 전류 신호로 얼마나 민감하게 바꿀 수 있는지 나타내는 성능 지표다.

 

이번 연구는 훨씬 더 민감하고 정확한 웨어러블 바이오센서와 의료 진단 기기 개발에 새로운 설계 원리를 제시할 것으로 기대된다.

 

포스텍 정대성 교수는 "전기화학 바이오센서용 고분자 반도체 설계에서 도핑 효율이라는 새로운 기준을 제시한 성과"라고 말했다.

 

서울대 손창윤 교수는 "생체 이온 신호가 전류 신호로 바뀌는 효율을 분자 차원에서 규명했다"며 "차세대 생체 전자소자 개발을 위한 소재 설계 지침이 될 것으로 기대한다"고 밝혔다.

 

KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr

 

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