우리나라 연구팀이 유체 안의 이온 제어 기술 개발에 성공했다. 고성능 바이오센서 개발에 유용하게 활용될 전망이다.
박정열 서강대 교수 연구팀이 유체 안에서 전자를 대신해 이온 흐름을 한 방향으로 제어할 수 있는 이온 다이오드를 개발했다고 20일 밝혔다.
유체 안에서 흐르는 이온은 고체전자에서 전자 흐름을 대신한다. 학계는 이온을 한 방향으로 흐를 수 있도록 하는 이온 다이오드 효과를 만들기 위해 전기 이중층과 비슷한 크기를 갖는 단일 나노채널의 비대칭 형상 제어를 한다. 2차원 비대칭 단일 나노채널 또는 단일 나노구멍을 기반으로 제작돼 이를 통과하는 이온 흐름이 낮아 실질적으로 바이오센서나 에너지 응용 연구에 대한 활용하는데 한계가 있었다.
연구팀은 나노채널 형상제어가 아닌 서로 다른 마이크로 크기 단면적을 갖는 비대칭 3차원 나노채널 네트워크를 고안해 이온 방향성 제어에 적용했다. 비대칭 형상을 갖는 초소형 마이크로(100만분의 1 크기) 채널 안에서 나노입자가 스스로 구조화되는 능력을 활용해 비대칭 3차원 나노채널 네트워크를 성공적으로 구현했다. 이를 활용해 이온을 한 방향으로 흐르도록 제어할 수 있는 고용량 이온 다이오드를 개발했다.
비대칭 나노채널 네트워크는 양 끝단에서 상대적 단면적 크기 차이로 이온 선택성 정도, 전기적 저항 차이가 발생하게 된다.
이온 다이오드는 만들어진 나노채널 형상에 따라 기존보다 수십에서 수백 배 증가된 이온 흐름(최대 1190 나노암페어(nA))을 발생시킬 수 있다. 형광 현미경으로 쉽게 관측할 수 있는 형광분자로 이온 흐름을 관찰할 수 있다. 기존 복잡한 공정이나 값비싼 공정장비 없이 손쉽게 제작이 가능하다.
박정열 교수는 “이번 연구는 새로운 상상력을 발휘해 학계 통설을 뛰어 넘는 이온 다이오드 효과를 나타냈다”며 “향후 고용량 마이크로 에너지 발생 장치, 이온 양으로 감지하는 고성능 바이오센서, 이온 트렌지스터 등 나노-바이오 연구와 관련 제품 개발에 널리 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했했다.
연구성과는 나노기술 분야 권위지인 나노레터스(Nano Letters) 3월 18일자에 게재됐다.
송혜영기자 hybrid@etnews.com
