고분자(많은 원자가 결합해 분자량이 매우 큰 분자) 기반 이온 다이오드에서 전류가 한쪽으로 더 잘 흐르는 원리를 국내 연구진이 밝혀냈다.

10일 울산과학기술원(UNIST)은 신소재공학과 조한희 교수팀이 서강대 김형준 교수팀과 함께 고분자 접합 면에 생기는 얇은 복합층의 상태 변화가 이온 다이오드의 전류 흐름을 조절한다는 사실을 규명했다고 밝혔다.

다이오드는 각종 전자 기기에서 전류가 한 방향으로 흐르게 하는 '정류' 반도체 부품이다.

이온 다이오드는 일반 반도체 다이오드와 달리 전자 대신 이온의 흐름으로 전류를 제어한다.

부드러운 고분자로 이온 다이오드를 만들면 피부나 생체 조직에 밀착할 수 있어 생체 신호 센서나 신경 세포 작동을 모방하는 기술에 사용할 수 있다.

이번 연구에 따르면 고분자 기반 이온 다이오드에서는 서로 반대 전하를 띤 두 고분자를 맞붙였을 때 생기는 얇은 복합층이 정류 작용을 좌우한다.

다이오드에 걸리는 전압 방향에 따라 복합층이 유리처럼 단단해지거나 고무처럼 부드러워진다. 단단해지면 이온 이동이 억제돼 전류가 잘 흐르지 않고, 부드러워지면 이온이 쉽게 이동해 전류가 잘 흐른다.

연구팀은 이온성 형광 염료를 이용한 실험으로 복합층 역할을 입증했다.

고분자 이온 다이오드에 형광 염료를 주입하자 주변 고분자는 형광을 띠었지만, 복합층은 염료가 들어가지 못해 약 0.9마이크로미터(㎛·100만분의 1ｍ) 두께의 어두운 띠로 나타났다. 이는 기존 이론이 예측한 수 나노미터(㎚·10억분의 1ｍ) 두께의 이온 이중층보다 훨씬 두껍다.

순방향으로 전압을 가한 시료에서는 복합층까지 염료가 들어가 띠가 사라졌지만, 역방향으로 전압을 걸었을 때는 띠가 남았다.

온도를 70도로 높이거나 염을 첨가했을 때도 어두운 띠가 사라졌다.

이는 고분자를 부드럽게 만드는 조건에서도 경계층에 염료가 들어간 것으로, 복합층 상태 변화가 이온 출입에 관여한다는 해석과 일치하는 결과라고 연구팀은 설명했다.

조한희 교수는 "이번 연구는 그동안 베일에 싸여있던 유연 고분자 다이오드 메커니즘을 규명했다는 데 의의가 있다"며 "이 원리를 활용해 신축성 있는 미래형 반도체 소자 성능을 높일 수 있을 것"이라고 말했다.

한국연구재단 지원을 받은 이번 연구 결과는 국제 학술지 '나노 레터스'(Nano Letters)에 게재돼 9월 30일 출판됐다.