신경보철 및 바이오센서 등 생체전자기기 응용 기대
결정화된 PEDOT:PSS 는 높은 결정성과 다공성 미세구조로 인해, 높은 소자성능 및 기기안정성을 띈다. 미래 인체 친화형 헬스케어 기기의 개발의 측면에서 볼 때 이 연구결과는 플라스틱 생체전자기기의 성능 및 안정성 향상 측면에서 근본적인 접근법을 제시한다는 점에서 주목할 만하다.
(나) 결정성 PEDOT : PSS (Crys-P)와 기존 연구에서의 PEDOT : PSS (EG-P, 비교군) 기반 논리소자의 전압별 상호컨덕턴스값 비교
결정화된 PEDOT:PSS의 높은 전기전도성과 수용액내 높은 전기화학 반응성으로 인해, 기존의 논리소자에 비해 약 7배 높은 성능을 보임을 확인할 수 있다.
(다) 기존 PEDOT : PSS와 결정화된 PEDOT : PSS의 오토클레이브 멸균 처리 전후의 출력곡선 비교
기존의 PEDOT : PSS기반 논리소자가 장기간 구동 시 성능이 급격하게 저하되는 것과 비교해, 결정화된 PEDOT : PSS 논리소자는 최대 21일 이후까지 눈에 띄는 성능의 저하가 보이지 않는 것을 확인할 수 있다(등고선 선도에서 빨간색에서 파란색으로 색깔이 변화할수록 성능의 저하를 나타냄).
기존의 PEDOT : PSS는 이전에 보고된 다른 플라스틱 논리소자와 마찬가지로 고온고압의 환경을 요구하는 오토클레이브 멸균 처리 이후 구동이 불가능해지는 것에 반해, 결정화된 PEDOT : PSS 논리소자는 성능의 저하가 거의 없음을 출력곡선을 통해 확인할 수 있다.
한국연구재단(이사장 노정혜)은 윤명한·이광희 교수(광주과학기술원) 연구팀이 고온·고압의 멸균처리 후에도 체내에서 장시간 안정적으로 작동하는 고성능 플라스틱 전해질 전자소자를 개발했다고 밝혔다. 김성민 박사(광주과학기술원)와 김창현 교수(가천대학교)가 제1저자로 연구를 수행했다.
유기생체전자소자는 기존의 무기물 및 탄소 기반 소자보다 우수한 생체신호 감지 능력, 기계적 유연성, 생체적합성과 낮은 공정비용 등의 특성에 따라 차세대 인체 이식용 전자의료기기의 핵심기술로 주목받고 있다. 하지만 인체 내 장시간 사용 시 필요한 체내 구동 안정성과 고온·고압 멸균처리 중 발생하는 변성이 약점으로 지적돼 왔다.
유기생체전자소자(Organic Bioelectronics)는 전도성 고분자물질 기반의 생체전자인터페이스 소자로 체내 생체신호 및 이온·단백질 농도 측정, 신경세포와 심근세포의 전기·이온성 자극 등에 응용되고 있다.
이러한 한계를 극복하기 위해 연구팀은 계면활성제와 가교제 등 첨가제를 추가하는 기존의 개선방식 대신 근본적인 재료공학적 접근법을 통해 높은 성능과 안정성의 동시 확보를 시도했다.
연구팀은 유기생체전자소자 개발 분야에서 가장 대표적인 물질인 전도성 고분자(PEDOT : PSS)의 미세구조를 분석해 첨가제 없이 활성층 고분자 물질의 고결정성 분자 재배열 유도만으로도 전해질 트랜지스터의 소자 성능과 수용액상 안정성이 극대화한다는 사실을 규명했다.
또 연구팀은 이같은 고결정성 고분자의 안정성에 따라 플라스틱 전자소재를 이용한 생체전자소자가 생체 이식형 의료기기의 미생물 멸균 과정에서 주로 쓰이는 고온·고압의 오토클레이브(Autoclave) 처리 이후에도 고성능·고안정성을 유지할 수 있다는 점을 확인했다.
윤명한 교수는 “생체전자소자 개발을 위해 필수적인 전도성 고분자 물질의 성능 향상과 용액 안정성을 비교적 간단한 용역매개 결정화법을 통해 확보한 것”이라며 “향후 생체전자소자 상용화와 사물인터넷(IoT) 기반의 유연 광센서나 수계 유기전극 기반 촉매 개발에도 기여할 수 있을 것”이라고 연구의 의의를 설명했다.
이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구), 미래소재디스커버리사업, 나노·소재원천기술개발사업 지원으로 수행됐다.
국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 9월 21일자에 논문명 ‘Influence of PEDOT:PSS crystallinity and composition on electrochemical transistor performance and long-term stability’, 윤명한 교수(교신저자, GIST), 김성민 박사(제1저자, GIST), 김창현 교수(공동1저자, 前 GIST, 現 가천대학교) 등으로 게재됐다.