미세섬유 기반 고성능 전도체 기술 개발

미세섬유기반 유기물 전기화학 트랜지스터의 특성 평가 그래프.(자료제공: GIST)

광주과학기술원(GIST, 총장 김기선)은 신소재공학부 윤명한 교수 연구팀이 미국 노스웨스턴 대학교 Jonathan Rivnay 교수, 포항 가속기 연구소 안형주 박사 연구팀과 함께 고성능 미세섬유 기반 유기물 혼합형 전도체 제작 기술을 개발했다.
유기물 혼합형 전도체(organic mixed conductor: OMIEC)는 금속과 같은 단순 전기전도체가 아닌 전해질 내에서 이온 전도성과 전기 전도성을 동시에 갖는 재료로써, 신경, 심장, 근육 신호 등 물속 이온 기반의 생체전기신호와 금속전극, 실리콘반도체 등 전자·정공 기반의 고체상 전기전자신호를 연계할 수 생체이식형 전자소자 활성층으로 활용된다.
연구팀은 상업용 반도체 공정에 주로 사용되어 온 변형제어공학을 단일 가닥 미세섬유에 적용하여 고분자 미세결정을 한 방향으로 정렬시키는 방법으로 전하이동도 및 전기전도성을 극대화하였다.
유기물 전기학적 트랜지스터는 기존 무기물 기반 트랜지스터에 비해 월등한 정전용량과 높은 전기적 스위칭·증폭 특성으로 생체 이식형 및 피부 부착형 센서로 각광받아 왔으나, 유기물 전도체의 고질적 문제인 낮은 전하 이동도와 전기전도성에 의해 스위칭·증폭 특성 향상에 걸림돌이 되어 왔다.
연구팀은 이러한 문제점을 개선하기 위해 PEDOT:PSS 기반 전도성 고분자 미세섬유 내 결정구조를 한 방향으로 정렬시켜 기존 동일재료 기반 소자(490 F cm-1V-1s-1)에 비해 3배 이상의 트랜지스터 특성 평가지수를 갖는 트랜지스터(1500 F cm-1V-1s-1)를 구현하였다. 　
PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate)는 대표적인 전도성 고분자로서 유기물 전기화학 트랜지스터 활성층으로 각광을 받고 있다.
윤명한 교수는 “본 기술을 통해 최근 생체 이식형 전자소자로 각광 받고 있는 유기물 전기 화학 트랜지스터를 단일 가닥 섬유 형태로 제작하고 세계 최고 수준의 특성 평가지수를 달성하는데 성공했다”며 “이번 연구에서 제안한 전도성 고분자 섬유 소재의 높은 전기적·전기화학적 특성을 고려하여 추후 고성능 체내이식형 전자소자 및 에너지저장장치로 활용되기를 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단과 지스트 창의적 도전과제, 지스트 개발과제 사업의 지원을 받아 수행되었다. 연구결과는  과학기술 전문지 권위지인 ‘Advanced Materials’ 2월 4일 온라인 판에 게재됐다.