포스텍 연구팀이 차세대 바이오센서의 성능을 떨어뜨리는 원인을 처음으로 규명하고, 센서에 들어온 이온을 모두 전기 신호 생성에 활용하는 고성능 소자를 개발했다.포스텍 화학공학과 정대성 교수와 박사과정 표원준 연구팀은 서울대 손창윤 교수, 미국 노스캐롤라이나대 웨이 유 교수, 경기대 정경준 교수팀과 공동으로 유기 전기화학 트랜지스터의 도핑 효율을 100%까지 높이는 데 성공했다.연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 온라인판에 게재됐다.유기 전기화학 트랜지스터는 땀이나 혈액 속 이온의 움직임을 전류 신호로 바꾸는 소자다. 부드럽고 낮은 전압에서도 작동해 심장 박동과 뇌파 등 생체 신호를 측정하는 웨어러블 센서와 의료 진단기기의 핵심 기술로 주목받고 있다.그동안에는 반도체 내부로 들어온 이온이 모두 전기 신호 생성에 사용되는 것으로 알려졌다. 하지만 연구팀이 새로운 분광학 분석법으로 확인한 결과 실제로 신호 생성에 참여하는 이온은 절반가량에 불과했다.
원인은 이온과 전하가 만들어지는 고분자 반도체 주쇄 사이의 거리였다. 기존 소재의 긴 측쇄가 이온을 반도체 내부로 끌어들이면서도 주쇄 가까이 접근하는 것은 방해해 센서의 감도를 떨어뜨린 것으로 분석됐다.연구팀은 반도체 박막이 만들어진 뒤 긴 측쇄가 제거되고 짧은 카복실산기만 남도록 새로운 고분자 반도체를 설계했다. 이온을 끌어들이는 성질은 유지하면서 주쇄에 더 가까이 접근하도록 한 것이다.그 결과 반도체에 들어온 이온 모두가 전기 신호 생성에 참여해 도핑 효율 100%를 기록했다. 개발한 소자는 이온 움직임을 전류로 변환하는 민감도를 나타내는 정규화 트랜스컨덕턴스가 280S/cm로, 지금까지 보고된 유기 전기화학 트랜지스터 가운데 최고 수준을 보였다.정대성 교수는 “전기화학 바이오센서용 고분자 반도체 설계에 도핑 효율이라는 새로운 기준을 제시한 성과”라고 말했다.이번 연구는 더 민감하고 정확한 웨어러블 바이오센서와 의료 진단기기를 개발하는 데 활용될 것으로 기대된다.
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