사이보그를 포함한 공상영화의 이미지를 떠올리게 하는 바이오일렉트로닉스(Bioelectronics)라는 단어는 실제 빠르게 성장하고 있는 분야로, 생물학과 전자공학의 경계를 포괄하면서 많은 흥미로운 진보를 이뤄왔다.
최근 생화학적 감지, 조직 진단(Tissue Characterization) 및 장기의 모니터링에 적용되는 새로운 생의학 기기에 대한 연구보고가 급증하고 있는데, 국소변환기로서 사용될 수 있는 유기 전기화학 트랜지스터(OECTs: Organic Electrochemical Transistors)는 이런 개발의 핵심을 담당하고 있다.
OECT의 핵심 특징 중 하나는 Sub-Volt 범위에서 증폭특성으로, 이는 세포 및 동물실험에 필요한 장기간의 가능 시간을 확보하고 전기분해를 방지하는 역할을 한다. 증폭이란, 생물학적 현상에 대한 신뢰성 높은 변환기로 사용될 수 있기 때문에 다양한 분야에서 높은 민감도를 갖는 감지를 가능하게 해준다는 것을 의미하는데, 이것은 부분적으로는 OECT 기반의 기기들이 생의학적 목적으로 사용되는 기존의 전기화학적 센서들의 단점을 피해갈 수 있는 잠재력이 있다는 것을 뜻한다.
본 내용을 발표한 프랑스 마이크로일렉트로닉스 연구소에서는 “유기 바이오전자공학 분야는 지난 10년간 본 궤도에 올랐으며, 사용되는 모든 형태 중에 OECT가 가장 중요한 높은 민감도(Sensitivity)를 만족시킬 수 있기 때문에 생물학자들의 예리한 안목에서 볼 때 높은 잠재력을 가지고 있는 것”으로 사료된다고 전했다.

▲ 발전세포를 측정하기 위한 OECTs (사진. KISTI 미리안)

일본의 물질재료연구기구(National Institute for Materials Science)의 연구진은 유기 반도체를 이용하는 트랜지스터에서 큰 향상을 이끄는데 성공했다고 밝혔다. 이 연구결과는 플렉서블하고 매우 얇은 컴퓨터 스크린을 구현하는데 큰 역할을 할 수 있을 것으로 예상된다.
과학자들은 최근에 광활성 유기 전계 효과 트랜지스터에 많은 관심을 가지고 있다. 이 장치는 유기 반도체가 결합돼 있고, 약한 전기적 신호를 강화하며 빛을 방출하고 수신하는 유기 전계 효과 트랜지스터는 프린트하거나 플렉서블한 전자장치와 같이 저렴한 대면적 전자장치를 제조하기 위해서 개발됐다.
연구진은 광방출 유기 전계 효과 트랜지스터가 2003년에 처음 제안된 후에 많은 진보가 이뤄졌다고 보고했다. 이 분야의 연구는 비용 효율적인 방법을 사용해서 새로운 유기 포토닉스를 제조할 수 있게 되었으며, 이번 연구진은 광방출 유기 전계 효과 트랜지스터의 광 방출 효율과 휘도를 향상시키는데 크게 기여했다는 평가를 받았다. 또한, 추가적인 연구 결과를 통해서 새로운 디스플레이 기술을 개발하고 있다고 전했다.
연구진은 광발광 및 수광 트랜지스터를 결합시킨 장치에서 몇 가지 문제점을 발견했는데, 이러한 문제들을 해결하기 위해서는 다학제간의 협력이 필요하다고 발표하며, 10년 후에 플라스틱으로만 만들어진 플렉서블 계산 장치가 출시될 것이라고 예상했다.

▲ 유기 반도체를 이용한 트랜지스터의 성능 향상 (사진. KISTI 미리안)

그래핀(grapheme)이나 이황화몰리브뎀(molybdenum disulfide)과 같은 박막 재료들은 플렉서블한 전기장치를 만드는데 있어서 필수적이다. 하지만, 지금까지 어떤 재료들도 실리콘(silicon)과 경쟁할 정도의 전기적 속성을 지니지 못했다. 이제 일련의 연구자들이 흑린(black phosphorus) 박막 필름이 많은 통신 기기에서 발견되는 요소인 라디오 주파수 트랜지스터(radio frequency transistor)를 만드는데 이용될 수 있다는 사실을 발견했다[Nano Lett. 2014, DOI: 10.1021/nl5029717].

상온에서 가장 안정적인 원소인 흑린은 그라파이트(graphite)가 주름지어 있는 형태를 나타낸다. 흑린은 오랜 시간 동안 알려져 있었지만, 올해 처음으로 이들을 전기재료로 이용하기 위한 연구가 시작되었다. 사우스캘리포니아대(University of Southern California)의 전기공학자인 Han Wang은 흑린에 대해 흥미를 느꼈는데, 그 이유는 다른 이차원재료와 달리 이들은 밴드갭(band gap)을 가지고 있으며 전하를 꽤 잘 전도한다는 특징을 지니고 있기 때문이다.

밴드갭을 지니고 있는 재료는 전도와 절연 상태를 스위칭할 수 있다. 이러한 특징은 트랜지스터가 off 상태일 때 전력 소모를 줄일 수 있으며 양질의 신호를 제공할 수 있다. 높은 전하이동성(charge mobility)을 지닌 물질은 전하를 잘 전도하며 이들로 만들어진 트랜지스터는 빠르게 on, off될 수 있다. 그래핀(Graphene)은 밴드갭이 없지만 이들은 높은 전하이동성을 지니고 있다. 반대로 이항화 몰리브데늄(molybdenum disulfide)과 같은 2D 재료들은 밴드갭을 지니고 있지만 전하 이동성이 매우 낮다.

자신들과 다른 연구자들이 최근 그 재료에 대해 연구한 결과를 토대로, 예일대(Yale University)의 Wang, Fengnian Xia와 동료 연구자들은 흑린으로 이루어진 트랜지스터를 개발했다. 이 트랜지스터는 기가헤르츠(gigahertz) 범위에서 작동할 수 있으며 1초에 200억번 on, off를 반복할 수 있다. 이들의 성능은 핸드폰 등에서 발견되는 라디오 주파수 통신에서 이용되는 트랜지스터의 성능과 유사하다. 이 트랜지스터들은 실리콘으로 이루어져 있는 것들이다.

트랜지스터를 만들기 위해 연구자들은 기계적으로 부피가 큰 흑린을 조각냈다. 그들은 6~10 나노미터 정도의 두께를 지닌 조각을 선택해 이들을 이산화실리콘(silicon dioxide)으로 토핑된 실리콘 웨이퍼(wafer) 위에 두었다. 트랜지스터를 완성하기 위해, 연구자들은 금속 전극과 게이트를 만들기 위해 필요한 일반적인 방법을 이용했다. 이 새로운 트랜지스터는 매우 커 약 300나노미터 정도의 너비를 지니고 있다. 연구팀이 수행한 시뮬레이션에 의하면 이 트랜지스터는 이들의 두께가 50나노미터나 그 이하로 떨어지게 되면 100GHz에서도 작동할 수 있을 것으로 보인다.

Wang은 이에 대해 "흑린 전기장치를 개발하는 데는 아직 많은 연구가 필요하다. 예를 들어 연구자들은 이들을 대면적 박막 필름으로 만들 수 있는 방법을 개발해야 한다"고 말했다.
출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』