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[IT뉴스]UNIST·서강대, 유연 고분자 이온 다이오드 ‘정류 작동 원리’ 규명

온카뱅크관리자

2026-11-10 10:57:25

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> 조한희·김형준 교수팀, 접합면 고분자 복합층 상태 변화 입증 전압·온도·염에 따라 유리·고무 상태 전환하며 이온 흐름 조절 형광 염료·원자힘 현미경으로 실측 검증…‘나노레터스’ 게재 
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 공초점 현미경으로 관찰한 유연 고분자 다이오드의 경계층. 연구그림=UNIST
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 피부나 생체조직에 밀착되는 유연 고분자 기반 이온 다이오드에서 전류가 한쪽 방향으로만 흐르는 핵심 작동 원리가 규명됐다. 접합면의 물리적 특성을 조절해 전압뿐만 아니라 온도 등 외부 자극으로도 전류를 제어할 수 있어 차세대 웨어러블 반도체 소자 개발에 기여할 전망이다.
 울산과학기술원(UNIST)은 신소재공학과 조한희 교수 연구팀이 서강대학교 김형준 교수 연구팀과 공동으로 고분자 접합면에 형성되는 ‘고분자 전해질 복합층(PEC)’의 물리적 상태 변화가 이온 다이오드의 정류 작용을 좌우한다는 사실을 규명했다고 10일 밝혔다.
 다이오드는 전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 정류 부품이다. 전자 대신 이온의 이동으로 전류를 제어하는 이온 다이오드를 투명하고 신축성 있는 ‘이오노엘라스토머(이온성 고분자)’로 제작하면 생체 신호 센서나 인공 신경 모방 소자로 활용할 수 있다.
 그동안 학계는 고분자 이온 다이오드도 일반 실리콘 반도체처럼 접합면에 수 나노미터(㎚) 두께의 ‘이온 이중층(공핍층)’이 생기고, 전압 방향에 따라 전기적 장벽 높이가 변하며 작동한다고 봤다. 그러나 기존 이론만으로는 온도나 압력 변화에 따른 소자의 전류 거동을 설명하기 어려웠다.
 연구팀은 양이온과 음이온을 각각 선택적으로 통과시키는 p형 이오노엘라스토머(PAT-IE)와 n형 이오노엘라스토머(PEA-IE)를 접합해 다이오드를 제작했다. 이어 양이온성 형광 염료(로다민 6G)와 음이온성 형광 염료(플루오레세인)를 소자 내부에 주입한 뒤 공초점 현미경으로 접합면을 관찰했다.
 관찰 결과 두 고분자 접합면에서 형광 염료가 침투하지 못하는 약 0.9마이크로미터(㎛) 두께의 어두운 띠인 고분자 복합층이 확인됐다. 기존 이론이 예측한 수 ㎚ 두께의 이온 이중층보다 수백 배 두꺼운 구조다.
 이 복합층은 걸리는 전압 방향에 따라 물리적 상태가 변하며 이온 흐름을 조절했다. 순방향 전압을 가하면 복합층 내부로 양이온과 음이온이 유입되면서 구조가 고무처럼 부드러운 상태(Rubbery State)로 변해 형광 염료가 통과하고 전류가 잘 흘렀다. 어두운 띠도 함께 사라졌다. 반면 역방향 전압을 걸면 복합층에서 이온이 빠져나가 유리처럼 단단한 상태(Glassy State)로 굳어지면서 어두운 띠가 유지됐고 이온 이동과 전류 흐름이 차단됐다.
 전압 외의 외부 자극으로도 동일한 상태 변화가 나타났다. 소자를 70℃로 가열하거나 염을 첨가해 복합층을 부드러운 고무 상태로 만들자, 전압을 걸지 않아도 어두운 띠가 사라지며 전류가 원활히 흘렀다. 연구팀은 원자힘 현미경(AFM) 분석을 통해 접합 계면에 단단한 복합층이 실제로 존재하며 염 첨가에 따라 복합층의 탄성계수가 변한다는 사실을 추가로 입증했다.
 조한희 UNIST 교수는 “그동안 명확히 밝혀지지 않았던 유연 고분자 다이오드의 정류 메커니즘을 규명한 연구”라며 “복합층의 물리적 특성을 조절하는 원리를 활용하면 상용 반도체처럼 전류를 정밀 제어하는 고성능 신축성 반도체 소자를 개발할 수 있을 것”이라고 말했다.
 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 나노 및 소재기술개발사업과 이노코어(InnoCORE) 사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 ‘나노레터스(Nano Letters)’에 9월 30일 자로 게재됐다.
 울산=장지승 기자 jjs@sedaily.com
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