세계 최고 수준 '전류 밀도' 고분자 다이오드 개발

지스트 윤명한 교수 연구팀

(좌) 윤명한 지스트 교수 연구팀이 제안한 소자의 모식도와 (우) 비대칭 활성층 형성을 통한 전류 정류 특성 그래프.

[아시아경제 김봉수 기자] 다양한 생체 전자 소자 및 회로에 응용할 수 있는 새로운 구동 원리를 갖는 전도성 고분자 기반 전기화학 다이오드 소자가 국제 공동 연구로 개발됐다. 세계 최고 수준의 전류 밀도를 갖는 수계 전해질 고분자 다이오드 소자로, 차세대 체내이식형 소자와 회로 구현에 이바지할 것으로 기대된다는 평가다.

광주과학기술원(GIST·지스트)은 윤명한 신소재공학부 교수 연구팀이 영국 임페리얼 컬리지 런던(ICL)의 마틴 히니 교수(지스트 신소재공학부 객원교수) 연구팀과 공동연구를 통해 유기물 혼합형 전도체를 이용한 새로운 정류 소자를 선보였다고 11일 밝혔다.

유기물 혼합형 전도체(organic mixed ionic-electronic conductor: OMIEC)란 금속과 같은 단순 전기전도체가 아니라 전해질 내에서 이온 전도성와 전기 전도성을 동시에 갖는다. 전해질 환경에서 생체전기신호를 증폭하는 소자 및 유연 전자 소자의 반도체 재료로 활용된다. 일반적인 유기물 기반 다이오드는 p형-n형 유기물 반도체의 접합이나 금속-유기물 반도체의 접합 등을 통한 구현이 가능하다. 정교한 에너지 준위 제어를 필요로 하며 낮은 구동 안정성 및 낮은 전류특성을 갖는 단점이 있다. 즉 기존 유기물 반도체 재료에 비해 높은 전하밀도에 의한 높은 전기적 특성을 구현할 수 있었으나, 전해질 내에서 구동하는 특성상 기존 접합형 다이오드 구조로는 정류기능 구현이 불가했다.

연구팀은 기존 접합형 다이오드의 에너지 준위의 휘어짐을 통한 전류 정류 구동 원리가 아닌, 간단한 패터닝만으로도 구현이 가능한 비대칭 활성층 제작에 따른 집중·분산된 도핑·디도핑 현상을 이용한 새로운 전류 정류 소자를 개발했다. 또 이를 컴퓨터 수치 해석을 이용해 구현 가능성을 확인했다. 새롭게 제시한 소자 작동 중 실시간 광학적 전위 매핑 기술을 이용해 활성층 내 전위 분포를 실험적으로 측정 및 수치해석 결과와 비교하여 구동 메커니즘을 규명했다. 최종적으로 선보인 유기물 혼합형 전도체 기반의 유기물 전기화학 다이오드는 0.6 볼트 수준의 낮은 전압 범위 내에서도 3만 A/cm-2 수준의 높은 전류밀도를 갖는 소자를 구현하는데 성공했다.

윤 교수는 "유기물 전기화학 트랜지스터만으로 구동할 수 없는 다양한 응용 소자와 응용 회로에 사용할 수 있어 차세대 체내이식형 생체전자소자 구현에 크게 이바지할 것으로 기대된다"고 설명했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼'에 지난 10일 온라인 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr