UNIST·서강대 연구팀, 고분자 이온 다이오드 정류 작동 원리 규명

고분자 경계층이 굳거나 부드러워지며 전류 흐름 조절한다는 사실 밝혀

신축성 있는 미래형 반도체 소자 개발 활용 기대, Nano Lett. 논문 게재

기존 반도체 물리 이론으로는 설명하지 못했던 유연 이온 소자의 전류 흐름 제어 법칙을 국내 공동 연구진이 새로 입증해 냈다.

피부처럼 부드럽게 늘어나는 미래형 전자 소자에서 전기가 한 방향으로만 흐르는 비밀이 접합면의 미세한 복합층 변화 때문으로 드러났다.

피부 부착형 센서나 신경망 모방 소자 개발에 실질적인 전환점이 마련됐다.

UNIST 신소재공학과 조한희 교수와 서강대 김형준 교수 공동 연구팀은 10일 고분자 접합면에 형성되는 얇은 복합층의 물성 변화가 이온 다이오드의 전류 흐름을 좌우한다는 사실을 밝혀냈다.

연구진, 조한희 교수(좌측)와 김영훈 박사. UNIST 제공

이온 다이오드는 전자 대신 이온을 움직여 전류를 한쪽으로만 흐르게 만든다. 부드러운 고분자로 만들면 피부나 생체 조직에 자연스럽게 밀착할 수 있어 미래형 웨어러블 기기와 헬스케어 센서의 핵심 소자로 꼽힌다.

학계는 그동안 실리콘 반도체와 마찬가지로 접합면의 전기적 장벽 높낮이가 전류를 조절한다고 봤다. 이번 연구는 기존 가설을 뒤집었다.

전압 방향에 따라 두 고분자 접합면의 복합층이 유리처럼 굳거나 고무처럼 부드러워지는 현상이 전류를 결정했다. 단단해진 층은 이온 이동을 막고, 말랑해진 층은 이온을 통과시키는 원리다.

연구팀은 형광 염료를 주입하는 광학 실험으로 이 층의 존재를 확인했다. 복합층은 약 0.9마이크로미터 두께의 띠로 나타나 기존 이론이 예측한 나노미터급 두께보다 훨씬 두꺼웠다. 순방향 전압을 걸거나 열을 가해 층을 부드럽게 만들자 염료가 통과하며 어두운 띠가 사라지는 현상도 직접 포착했다.

이번 연구 성과는 국제학술지 '나노 레터스(Nano Letters)'에 게재됐다.

조한희 교수는 "이번 연구는 그동안 베일에 싸여있던 유연 고분자 다이오드의 메커니즘을 명확히 규명했다는 데 큰 의의가 있다"며 "이번에 밝힌 원리를 활용해 상용 반도체 다이오드처럼 전류 흐름을 제어하는 신축형 있는 미래형 반도체 소자의 성능을 높일 수 있을 것"이라고 말했다.

연구그림, 공초점 현미경으로 관찰한 유연 고분자 다이오드의 경계층.

이번 연구 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)의 나노소재 기술개발사업과 이노코어(InnoCORE) 사업의 지원을 받아 진행됐으며, 국제학술지 나노레터스(Nano Letters)에 9월 30일 출판됐다.

(논문명: Kinetically Arrested Interfacial Polyelectrolyte Complexes Enable Ionic Rectification in Ionoelastomer Heterojunctions)

영남취재본부 김수로 기자 relationship6007@asiae.co.kr