체내 삽입형 전자소자 위한 원천기술 개발

- 체액과 동일한 전해질 이용, 용액공정 기반 산화물 초박막 소자 구동 성공

- 윤명한 교수팀 Scientific Reports 논문…수중용 水質 센서 개발 등 기대

 

 

 

(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.

 

 

 

□ 국내 연구진이 용액공정 기반 산화물 초박막*으로 물속에서도 장시간 안정적으로 구동 가능한 초저전압(Ultra Low Voltage) 전자소자의 원천 기술을 개발해, 체내에 삽입할 수 있는 소자나 다양한 수질(水質) 센서 개발에 기여할 것으로 기대된다.

 

  ∘ [연구자 및 사업명] GIST(광주과학기술원) 신소재공학부 윤명한 교수(교신저자)가 주도하고, 박성준 박사과정생(제1저자)이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어사업(나노기반 소프트일렉트로닉스 연구단)과 한국연구재단 신진연구자지원사업의 지원을 받아 진행됐고, 연구 결과는 네이처(Nature) 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 8월 14일자 온라인판에 게재되었다. (*논문명 : Sub-0.5 V Highly Stable Aqueous Salt Gated Metal Oxide Electronics)

 

□ 최근 질병 진단 또는 치료 목적의 체내 삽입형 전자소자(implantable electronics) 관련 기술이 각광을 받고 있지만, 대부분의 전자소자 활성층은 체액 등 다량의 이온을 포함한 수용액상 전해질과 접촉하면 쉽게 분해되거나, 수용액상에서 구동 시 높은 구동 전압에 의해 물의 전기분해가 일어나 체내 독성을 유발해 상용화에 어려움을 겪고 있다.

 

 

 

 

(그림 1) 전해질 기반 산화물 전자소자 전기 이중층 모식도. (a) 전해질 기반 산화물 전자 소자 모식도, (b) 실제 전자 소자 사진 이미지, 금(Au) 전극을 제외하고 전부 투명함을 알 수 있음. (c)  금(Au) 금속에 양(+)의 전압을 걸었을 때, 양쪽 계면에 형성되는 옹스트롬 두께의 전기이중층에 의해 매우 낮은 전압에서도 산화물 소재(IGZO) 표면에 이동성 음전하가 축적됨을 알 수 있음.

 

 

 

□ 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 피하려는 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.

 

  * 옹스트롬 : 길이의 단위로서 10-10 미터 또는 0.1nm를 나타낸다. 옹스트롬은 원자 하나의 지름과 그 척도가 비슷해 미시 세계를 다룰 때 많이 사용하는 단위이다.

  * 전기이중층 : 플러스 마이너스로 전기를 띠게 한 층이 하나의 면을 사이에 두고 상대하여 양 전하의 절댓값이 같은 상태인 경우를 말한다. 면 사이의 두께는 수 옹스트롱 사이즈이기 때문에, 면적당 정전용량값이 상당히 높다.

 

 

 

(그림 3) 인산염 수용액 환경 내 산화물 전자소자 실제 측정 결과 값. (a), (b) 측정된 TFT 전자 소자 특성 커브. 107 이상의 높은 점멸비를 보이며, 다양한 전해질 (물. 염화칼륨, 염화나트륨, 브롬화칼륨 수용액) 에서도 초 저-전압인 0.5 V 내에서 전기 분해 없이 잘 구동됨 (c) 장-시간 구동 안정성을 시험하기 위해, 1000 초 이상의 소자 점멸을 반복 시, 문제없이 잘 구동되는 것을 확인함.

 

 

 

  ∘ 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.     <끝>

 

 

 

대외협력팀