친환경·고성능 인체 이식 전자소자 개발

윤명한 지스트-김범준 카이스트 교수팀 공동 연구

그림 (a). 이번 연구에서 제안한 분자의 모식도 그림 (b). 용매 변화를 통한 고분자의 마이셀 형태 자기조립 과정과 형성된 필름 구조 모식도

[아시아경제 김봉수 기자] 인간의 뇌와 컴퓨터를 연결하는 BCI 기술이 적극 연구되고 있는 가운데, 친환경·고성능 인체 삽입 전자 소자가 개발됐다.

광주과학기술원(GIST·지스트)은 윤명한 신소재공학부 교수 연구팀이 김범준 카이스트(KAIST) 생명화학공학과 교수 연구팀과 공동으로 친환경 수계 용매 공정이 가능한 고성능 n-형 유기물 혼합형 전도체(OMIEC)를 개발하고, 수계 용매가 고분자 미세구조와 전기적·전기화학적 성능 향상에 미치는 영향을 규명했다고 7일 밝혔다.

유기물 혼합형 전도체는 금속과 같은 단순 전기전도체가 아닌, 전해질 내에서 이온 전도성와 전기 전도성을 동시에 갖는다. 전해질 환경에서 생체전기신호를 증폭하는 소자 및 유연 전자 소자의 반도체 재료로 활용된다. OMIEC를 기반으로 만들어지는 전기화학 트랜지스터는 전해질 내의 이온의 주입을 통해 신호 증폭, 스위칭이 가능하다. 체내·외에 이식·부착 등을 통해 뇌, 심장, 근육 등 다양한 생체 전기적 신호를 확인 할 수 있어 차세대 바이오 헬스 케어 장비에 활용하기 위해 집중 개발되고 있다.

하지만 기존의 대부분의 전기화학트랜지스터 소자는 p-형 유기물 반도체 기반의 연구다. 전하 이동도가 백배 이상 낮은 n-형 유기물 반도체 연구는 드물다.

연구팀은 이러한 n-형 유기물 혼합형 전도체의 낮은 전자 이동도 문제점을 개선하기 위해 양친매성 전도체 소재를 개발해 전기화학트랜지스터 소자를 제작했다. 고분자 단량체의 곁가지에 올리고 에틸렌 글라이콜(OEG, oligo ethlyele glycol)기를 다량으로 적용함으로써 에탄올·물로 구성된 수계 용매에 용액화했다. 이를 기존 용액공정에 사용되는 할로겐계 유기용매인 클로로포름에 용액화된 동일 물질과 전기·전기화학적 특성을 비교 분석했다.

에탄올·물 용매의 경우, 친수성인 올리고 에틸렌 글라이콜 곁사슬을 녹일 수 있지만 소수성인 주사슬을 녹이지 못해 용액상에서 응집된 마이셀(micelle) 상태로 존재하는 반면, 클로로폼을 사용했을 때 곁사슬과 주사슬 모두 잘 녹은 상태로 존재하게 된다. 마이셀 형태의 주사슬들은 에탄올·물 분자와의 상호작용이 최소화돼 용액상에서 주사슬간에 강한 파이-파이 적층 형태가 유도되며, 용액 코팅 공정을 통해 제작된 수십 나노의 박막에서 높은 결정성이 나타나는 것을 확인했다. 또 이를 누적형(accumulation mode) 전기화학 트랜지스터 소자의 활성층에 적용할 시 기존 유기용매인 클로로폼을 통해 제작된 소자 대비 전자 이동도와 전기화학 트랜지스터 특성 평가 지수가 3배 이상 증가한다는 사실도 밝혀냈다.

윤 교수는 "친환경성과 n-형 전기화학 트랜지스터의 전자 이동도 특성을 동시에 향상시킴으로써 차세대 복합회로형 생체전자소자 구현에 크게 이바지할 것으로 기대된다"며 "이번 연구는 친환경 공정이 가능한 고성능 인체이식형 전기화학소자 제작에 적합한 유기고분자 합성전략을 제시했다는 것에 의의가 있다"고 설명했다.

이버 연구 결과는 국제 학술지 'Advanced Functional Materials'에 지난 5일 온라인 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr