인체 이식형 유기 전기화학 트랜지스터의 성능 향상

이대현 / 기사승인 : 2021-08-09 09:52:34
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고성능·고효율 생체전자소자로 활용 기대
▲(a) 분자 내 비공유결합을 유도하여 분자구조의 형상을 제어한 유기물 혼합형 전도체의 분자구조, (b) X선 실험으로 증명한 형상에 따른 결정화도 측정 결과. (c) 유기물 전기화학 트렌지스터의 소자 구조와 (d) 두 재료의 전달 곡선 측정 결과. (사진=지스트 제공)

국내 연구팀이 국제공동연구를 통해 차세대 생체전자인터페이스 소자로 주목받는 인체 이식형 전자소자의 성능과 안정성을 높이는데 성공했다.

지스트 신소재공학부 윤명한 교수 연구팀은 임페리얼 칼리지 런던(ICL)의 마틴 히니(Martin Heeney) 교수 연구팀과 신규 유기물 혼합형 전도체를 개발하고 분자구조 형상 제어가 유기물 전기화학 트랜지스터의 전기적·전기화학적 성능 향상에 미치는 영향을 규명했다고 9일 밝혔다.

유기물 혼합형 전도체(OMIEC)는 전해질 내에서 이온 전도성와 전기 전도성을 동시에 갖는 재료로, 생체전기신호와 고체상 전기전자신호를 효과적으로 연계할 수 있는 생체이식형 전자소자의 활성층으로 최근 크게 각광받고 있다.

특히 유기물 전기화학 트랜지스터는 생체 내 환경과 유사한 전해질 내에서 구동이 가능하여 뇌, 심장, 근육 등 생체 내 전기적 신호를 증폭 및 스위칭할 수 있는 헬스케어소자 응용 관련 다수의 연구가 활발히 진행되고 있다.

본 연구에서 새로이 합성한 두 혼합형 전도체는 분자구조내의 황-산소, 황-플루오르 간 비공유결합을 이용하여 분자 형상을 선형과 곡선형으로 각각 제어했고 이러한 분자구조의 형상이 전기적·전기화학적 특성에 미치는 영향을 실험과 계산이론을 통해 분석했다.

선형 재료는 분자간 높은 결정성을 유도할 수 있어 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 반면, 이온이 투과할 수 있는 영역이 제한되어 전기화학적 특성의 감소를 보였으며, 곡선형 재료의 경우 정 반대의 양상이 관찰됐다.

뿐만 아니라 도너-억셉터 구조가 반복되는 분자구조를 통해 에너지 준위를 제어함으로써 누적형(accumulation mode) 트랜지스터 채널로 적용되어 효과적인 소자점멸 스위칭 및 높은 전기화학적 안정화가 가능함을 실험적으로 확인했다.

윤 교수는 “이번 연구는 차세대 생체전자인터페이스 소자로 손꼽히는 유기물 전기화학 트랜지스터 활성층용 신소재 개발의 방향성을 제시한 결과라는데 의의가 있다”고 평가했다.

이어 “전기적 특성과 전기화학적 특성간의 트레이드 오프(trade-off)를 극복하여 고성능·고효율 생체전자소자 구현에 크게 이바지할 것으로 기대한다”고 덧붙였다.

한편 이번 연구결과는 화학 분야 전문 권위지인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie) 온라인 판에 게재됐다.

메디컬투데이 이대현 (dleogus1019@mdtoday.co.kr)

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