UNIST 신소재공학과 조한희 교수팀은 서강대 김형준 교수팀과 함께 고분자 접합면에 생기는 얇은 복합층(Polyelectrolyte Complex, PEC)의 상태 변화가 이온 다이오드의 전류 흐름을 조절한다는 사실을 규명했다고 10일 밝혔다.
다이오드는 각종 전자기기에서 전류가 한 방향으로 흐르게 하는 ‘정류’ 반도체 부품이다. 이온 다이오드는 일반 반도체 다이오드와 달리 전자 대신 이온의 흐름으로 전류를 제어하게 된다. 특히 부드러운 고분자(ionoelastomer)로 이온 다이오드를 만들면 피부나 생체조직에 밀착할 수 있어 생체 신호 센서나 신경세포의 작동을 모방하는 기술에 쓸 수 있다.
연구에 따르면, 고분자 기반 이온 다이오드에서는 서로 반대 전하를 띤 두 고분자를 맞붙였을 때 생기는 얇은 복합층이 정류 작용을 좌우한다. 다이오드에 걸리는 전압의 방향에 따라 이 복합층이 유리처럼 단단해지거나 고무처럼 부드러워지는 것이다. 단단해지면 이온 이동이 억제돼 전류가 잘 흐르지 않고, 부드러워지면 이온이 쉽게 이동해 전류가 잘 흐른다.
기존에는 고분자 이온 다이오드도 일반 반도체 다이오드와 비슷한 원리로 작동한다고 봤다. 일반 다이오드는 N형과 P형 실리콘 반도체가 맞닿았을 때 생기는 공핍층의 전기적 장벽이 전압 방향에 따라 높아지거나 낮아지면서 정류 작용을 한다. 이온 다이오드에서도 이와 비슷하게 접합면에 ‘이온 이중층’이 형성되고, 이곳의 전기적 장벽이 전압 방향에 따라 달라지면서 이온 이동이 조절된다고 본 것이다.
순방향으로 전압을 가한 시료에서는 복합층까지 염료가 들어가 띠가 사라졌지만, 역방향으로 전압을 걸었을 때는 띠가 남았다. 또 복합층을 부드럽게 만드는 가열이나 염 첨가로도 비슷한 변화가 나타났다. 온도를 70℃로 높이거나 염을 첨가하자 어두운 띠가 사라졌다. 고분자를 부드럽게 만드는 조건에서도 경계층에 염료가 들어간 것으로, 복합층의 상태 변화가 이온 출입에 관여한다는 해석과 일치하는 결과다.
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 연구의 기대감을 밝혔다.
이번 연구 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)의 나노소재 기술개발사업과 이노코어(InnoCORE) 사업의 지원을 받아 진행됐으며, 국제학술지 나노레터스(Nano Letters)에 9월 30일 출판됐다.