국내 연구진이 고감도 바이오센서,이온 트렌지스터 및 이온 회로 개발에 활용 될 수 있는 고용량 이온흐름 제어 기술 개발에 성공했다.

한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 기초연구지원사업의 지원을 받은 박정열 서강대학교 교수 연구팀이 유체 안에서 전자를 대신해 이온의 흐름을 한 방향으로 제어할 수 있는 나노유체소자인 ‘이온 다이오드’를 개발했다고 지난 20일 밝혔다.

최근 유체 내에서 이온흐름의 방향제어가 가능한 이온 다이오드에 대한 연구가 많이 진행되고 있다.

하지만 기존 기술들은 값비싼 공정장비 및 복잡한 공정을 통해 전기 이중층(electrical double layer)과 비슷한 크기를 갖는 나노채널 및 나노구멍의 비대칭적 형상제어를 통해 구현한 것이 대부분이었다.

해당 기술은 단일 나노채널이나 나노구멍을 통해 이온이 이동하므로 통과할 수 있는 이온흐름이 수십 나노암페어(nA)에 불과해 이온 흐름을 증가시킬 경우 기존보다 고감도의 센서 및 초소형 에너지 발생장치 효율 증가가 가능할 수 있다.

이에 연구팀은 마이크로채널 내 나노입자의 자기조립화를 통해 비대칭 3차원 나노채널 네트워크를 구현함으로써 기존보다 수십~수백 배의 이온 흐름이 가능한 고용량 이온 다이오드 개발했다.

그 결과, 비대칭 형상을 갖는 초소형 마이크로(100만분의 1 크기) 채널 내에서 나노입자가 스스로 구조화되는 능력을 활용해 비대칭 3차원 나노채널 네트워크를 성공적으로 구현하였으며, 이를 활용하여 이온을 한 방향으로 흐르도록 제어할 수 있는 고용량 이온 다이오드를 개발하였다.

비대칭 나노채널 네트워크는 양 끝단에서의 상대적 단면적 크기 차이에 의해 이온 선택성 정도 및 전기적 저항 차이가 발생하게 된다. 이 양 끝단에 직류 전압을 걸어서 이온을 흐르게 하면, 직류전압의 방향에 따라 이온들이 나노채널 네트워크 안에서 누적되거나 희석되어 이온이 한 방향으로만 흐를 수 있게 된다.

개발된 이온 다이오드는 만들어진 나노채널의 형상에 따라 기존보다 수십에서 수백 배 증가된 이온 흐름(최대 1190 나노암페어(nA))을 발생시킬 수 있다. 또한 자기 조립화 되는 나노입자의 표면전하나노입자의 크기, 마이크로 채널의 형상제어를 통해 손쉽게 이온 흐름을 제어할 수 있다.

기존에는 값비싼 장비와 복잡한 공정을 통한 제작을 통해 저용량 이온 흐름 제어가 가능했으나, 너무 적은 이온 흐름만 허용 가능하여 바이오센서나 에너지 응용에 있어서 많은 한계를 보여 왔다.

또한 나노입자의 표면전하 및 나노입자의 크기 마이크로 채널의 형상제어를 통해 손쉽게 이온 흐름을 제어할 수 있고, 형광분자 이동을 통한 이온 흐름을 관찰할 수 있다.

나아가 전자와 달리 유체의 흐름 및 이온에 의한 산화 환원 반응과 맞물려 매우 복잡하고, 나노채널과 같이 표면전하에 의한 영향을 고려해야 하는 등 많은 이론적 연구가 필요한 유체 내 이온 거동연구에 활용될 것으로 기대된다.

박정열 교수는“이번 연구는 새로운 상상력을 발휘해 학계의 기존 통설을 뛰어 넘는 이온 다이오드 효과를 나타냈다”며, “향후 고용량 마이크로 에너지 발생 장치, 이온의 양으로 감지하는 고성능 바이오센서, 이온 트렌지스터 등 나노-바이오 연구와 관련 제품 개발에 널리 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

한편,이 연구성과는 나노기술 분야의 권위지인 나노레터스(Nano Letters) 3월 18일자에 게재되었다.