무등일보

´인체·식물 등 활용´ 지스트, 전자소자 구동속도 100배 향상

입력 2023.11.29. 10:37 수정 2023.11.29. 10:56 댓글 0개
지스트-퀸 메리 런던대 공동연구팀, 수요 맞춤형 성능 최적화
차세대 스마트팜용 작물 모니터링 기술에 광범위한 적용 가능
제안된 패터닝 기술을 이용한 이온 주입 방향 조절 방식 모식도.

국내 연구팀이 소프트 생체전자인터페이스 구현에 핵심 소재인 '유기물 혼합형 전도체 내 이온 주입 방향 조절 기술'을 개발해 전기화학 트랜지스터 소자 구동 속도를 기존보다 100배 이상 향상시켰다.

광주과학기술원(지스트)은 신소재공학부 윤명한 교수 연구팀이 영국 퀸 메리 런던 대학교(Queen Mary University of London·QMUL) 연구팀과 함께 유기 반도체 분자 합성 기술로 분자 배열 방향을 조절하고, 회로 패터닝 기술로 이온 주입 방향을 조절해 분자 방향 맞춤형 이온 주입을 통해 소자의 구동 속도가 크게 향상될 수 있음을 입증했다고 29일 밝혔다.

이번 연구 성과는 고성능 뉴로모픽 소자 및 고속 생체전자 신호 센서 개발 등 관련 분야 활성화에 기여할 것으로 연구팀은 보고 있다. 또 유기물 혼합형 전도체를 식물용 생체전자인터페이스로 활용 시 차세대 스마트팜용 작물 모니터링 기술에 광범위한 적용이 가능하다는 게 연구팀 설명이다.

유기물 혼합형 전도체는 상용 전자기기에 활용되는 실리콘 및 산화물 반도체에 비해 월등한 정전용량과 높은 전기적 스위칭·증폭 특성으로 인간의 뇌를 모사하는 뉴로모픽 소자의 활성층으로 각광받아 왔으나, 혼합형 전도체의 고질적인 문제인 느린 이온 이동도(Ionic Mobility)가 뉴로모픽 소자 성능 향상에 걸림돌이었다.

이에 연구팀은 유기물 혼합형 전도체의 이온 이동도 및 이를 활용한 소자 구동 속도에 영향을 주는 주요 인자가 분자 배열 방향 및 이온 주입 방향임을 규명하고, 두 인자를 한 방향으로 정렬시켰다.

윤명한 교수(왼쪽), 김지환 박사.

또 이온 주입 방향과 분자 배향이 평행이 될 때, 수직인 경우에 비해 전도체 내 이온의 이동 속도가 10배 가까이(기존 1.8㎛/s에서 17㎛/s) 빨라지는 것을 확인했다. 평행일 때 혼합형 전도체 내를 이동하는 이온의 총 이동 거리가 감소함에 따라 소재 내 이온의 이동 속도가 빨라졌는데, 이로써 소자의 구동 속도가 100배 이상 향상됐음을 확인했다.

결과적으로 방향만 바꿔줬을 뿐인데 동일 재료를 사용한 소자(155ms)에 비해 100배 이상 빠른 구동 속도를 갖는 소자(0.9ms)를 구현하는 데 성공했다.

윤명한 지스트 교수는 "이번 연구를 통해 전자 전도 특성에만 관여하는 것으로 알려진 유기물 혼합형 전도체의 분자 배향이 이온 전도 특성에도 관여한다는 사실을 규명했다"며 "향후 고성능 뉴로모픽 소자 및 고속 인체·식물 생체전자신호 센서 개발 가속화에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

한편, 윤명한 교수와 영국 퀸 메리 런던 대학교의 Christian Bech Nielsen 교수가 주도하고, 김지환 지스트 박사과정 학생과 퀸 메리 런던 대학교 Roman Halaksa 학생이 수행한 이번 연구는 다학제(multidisciplinary) 분야 상위 8% 국제 저명 학술지인 '네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난 28일 온라인 게재됐다.

이정민기자 ljm7da@mdilbo.com

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