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바카라사이트학교 에너지공학과 장재영 교수 연구팀이 유기전기화학 트랜지스터(OECT)의 수계 전해질 환경에서 발생하는 부반응을 억제하는 새로운 패시베이션(passivation) 구조를 개발했다고 7일 밝혔다. 이번 연구 성과는 OECT 기반 바이오 센서의 수명을 획기적으로 향상시키고, 간단한 용액 공정을 통해 제작 비용을 절감할 수 있는 가능성을 제시한다.

OECT의 핵심 소재인 유기물 혼합형 이온-전자 전도체(OMIEC)는 가벼우면서도 구부릴 수 있는 유기물질의 특성을 가지며, 이온을 통해 쉽게 전하를 축적하고 전달하여 낮은 전압에서도 신호 증폭이 가능하다. 이러한 특성 덕분에 생체 전해질을 활용한 전자회로 제작이 가능하며, 이를 통해 뇌·심장·근육 신호 모니터링 및 식물 생장 측정과 같은 첨단 기술 분야에서 활용될 수 있다.

현재 p-형 OECT는 성능과 안정성이 크게 향상되었지만, n-형 OECT는 수분과 산소에 취약하여 성능이 쉽게 저하되는 문제가 있었다. 특히, 수계에서 구동될 때 전압이 가해지면 과산화수소와 수산화이온이 생성되면서 소자 내부 유기반도체 층을 손상시키고, 전해질을 오염시키는 현상이 발생했다. 이는 소자의 내구성을 저하시켜 OECT의 실용화를 가로막는 큰 장애물이었다.

이에 장 바카라사이트 연구팀은 저분자 물질을 활용한 패시베이션 층을 도입해 이러한 문제를 해결했다. 연구팀은 저분자 물질인 6,6-phenyl-C61-butyric acid methyl ester(PCBM)을 n-형 OMIEC인 poly(benzobisimidazobenzophenanthroline, BBL) 위에 최적화된 두께로 코팅하여 산소와 BBL층의 접촉을 차단하면서도 수계 이온의 출입은 방해하지 않는 구조를 설계했다.

이 과정에서 연구팀은 PCBM층이 BBL층보다 전자 이동 속도가 빠르다는 점을 활용하여 소자의 이동도를 증가시키고 스위칭 속도를 개선할 수 있음을 입증했다. 패시베이션 처리가 되지 않은 소자는 7회 반복 성능 평가 후 초기성능의 17%로 감소했지만, PCBM층이 처리된 소자는 50회 이상 반복 평가 후에도 초기성능의 97%를 유지하는 뛰어난 안정성을 보였다.

이번 연구는 표면개질을 통해 수계 환경에서도 높은 안정성을 확보했다는 점에서 큰 의미가 있다. 특히, OECT 기반 바이오로봇, 인공 뉴런 등 차세대 전자 소자의 성능을 향상할 핵심 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

장재영 바카라사이트는 “이번 연구를 통해 n-형 OECT 소자의 안정성 문제를 해결할 수 있는 구조적 방안을 제시했다”며, “이 연구가 향후 전해질 기반 웨어러블 센서 및 탐침용 소자의 성능 향상에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 재원(나노·소재기술개발사업 – 소재글로벌영커넥트, 국가전략기술소재개발)으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며, 재료과학 분야 세계적 학술지 「Advanced Functional Materials」에 2월 6일자로 게재됐다. 해당 논문 「Enhanced Stability of N-type Organic Electrochemical Transistors via Small-Molecule Passivation」는 백지수 박사과정생과 오종규 박사가 공동 1저자로, 바카라사이트 장재영 교수가 교신저자로 참여했다.