[기획특집: 전기화학 시스템 기반 미래기술] 차세대 스마트 전자를 위한 전기화학 트랜지스터

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차세대 스마트 전자를 위한 전기화학 트랜지스터

1. 서 론

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최근 전자 산업은 무기 재료를 바탕으로 한 평판 형 소자에서 유기, 고분자 및 유⋅무기 하이브리드, 탄소 재료, 양자점 등의 다양한 소재를 사용하여 플 렉시블, 웨어러블 소자로의 변화를 위한 연구 개발이 활발히 전개되고 있다[1]. 게다가, 과거 LCD를 대표 로 한 디스플레이 역시 OLED로 전환이 급격하게 이 루어지고 있고, 이에 다양한 폼펙터를 가지는 전자제 품의 출현이 가속화되고 있다. 특히, 전자 산업은 반 도체, 디스플레이가 주를 이루었으나, 최근 다양한 센서와 결합하여 신체에 부착이 가능한 웨어러블 바 이오 헬스 전자소자의 출현과 관련 시장이 전 세계적 으로 성장하고 있다. 게다가, 전자소자를 제조하는 공정 역시 진공 및 포토리쏘그래피(photolithography) 를 이용한 제작공정을 대신할 수 있는 인쇄 방법을 이

저자(E-mail: shkim97@yu.ac.kr)

용하는 용액공정에 관한 관심이 학계 및 산업계에서 고조되고 있다[2]. 이러한 인쇄전자기술은 다양한 전 자 재료를 인쇄가 가능하도록 잉크화하고, 이를 인쇄 공정을 통해 유리, 고분자필름, 종이, 금속 포일 등의 기판에 전자소자를 제작하는 방법으로, 기존 진공/포 토리쏘그래피 공정보다 획기적으로 공정 수를 줄일 수 있어서 설비투자 비용이 낮다. 게다가 에너지 사용 및 폐기되는 재료의 소모량이 기존 공정과 비교해 현 저히 낮아 저비용, 친환경 기술로 주목을 받고 있다.

새로운 플렉시블, 웨어러블 전자제품과 다양한 바 이오헬스 제품의 출시는 세계 전자 시장의 신성장동 력으로 자리매김을 하고 있다. 가트너가 발표한 최근 전 세계 웨어러블 디바이스 시장 전망 보고서에 따르 면 전 세계 웨어러블 디바이스 시장은 2019년 410억 달러, 2020년에는 이보다 27% 늘어난 총 520억 달 러 규모를 형성할 것으로 전망하고 있으며[3], 유연 인쇄전자 역시 2020년 이후 관련 산업시장은 2020

권 혁 진ㆍ김 세 현^*,†

포항공과대학교화학공학과, ^*영남대학교화학공학부

Electrolyte-gated Transistors for the Next-generation Smart Electronics

Hyeok-jin Kwon and Se Hyun Kim^*,†

Department of Chemical Engineering, POSTECH, Pohang 37673, Korea

*School of Chemical Engineering, Yeungnam University, Gyeongsan 38541, Korea

Abstract: In this report, we summarize recent progress in the development of electrolyte-gated transistors (EGTs) for various printed electronics. EGTs, employing a high capacitance electrolyte as gate dielectric layer in transistors, exhibits increasing of drive current, lowering operation voltage, and new transistor architectures. While the use of electrolytes in electronics goes back to the early days of silicon transistors, the new printable, fast-responsive polymer electrolytes are expanding their range of applications from printable and flexible digital circuits to various neuromorphic devices. This report introduces the structure and operating mechanism of EGT and reviews key developments in electrolyte materials used in printed electronics. Additionally, we will look at various applications with EGTs that are currently underway.

Keywords: electrolyte, electrochemical transistors, printable devices, capacitance

기획특집: 전기화학 시스템 기반 미래기술

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년 550억 달러에서 2030년 3,400억 달러로 6배 이 상 성장할 것으로 전망되고 있다[4]. 플렉시블, 웨어 러블 및 바이오 헬스 전자 산업은 다양한 제품의 출 시에도 불구하고, 여전히 태동기에 머무르고 있으며, 세계시장을 선점할 경쟁적 연구⋅개발이 필요한 시점 이다. 그러나 국내 반도체⋅디스플레이 등 전방 수요 산업의 경쟁력이 세계 최고 수준이며, 정부의 높은 관련 산업 육성 의지 등 미래 전자 산업발전에 유리 한 여건을 통해 향후 국내⋅외 기술경쟁력 및 시장 경쟁력 향상이 기대되고 있다.

이와 같은 전자 산업에서의 새로운 환경 변화에 따라, 신규 전자소자 플랫폼의 연구⋅개발이 소재, 공정, 소자 분야에서 활발히 이루어지고 있고, 전기 화학 트랜지스터 역시 차세대 단위 소자로서 연구⋅

개발이 진행되고 있다. 전기화학 트랜지스터는 일반 트랜지스터와 달리 절연물질을 전해질(electrolyte) 로 사용하고 있으며, 기존 절연물질의 정전용량 (capacitance, 예로 300 nm 두께의 SiO2는 약 10 nF/cm²)에 비해 매우 큰 정전용량(1~10 μF/cm²)을 가지고 있어서 트랜지스터의 구동 전압을 획기적으 로 낮출 수 있다[5]. 전해질 절연물질의 적용은 트랜 지스터의 소스(source) 드레인(drain) 전극의 접촉 저항(contact resistance)을 낮추며, 매우 작은 화학 신호를 증폭하거나, 전기화학 포텐셜에 따른 전도도 의 변화를 유도할 수 있다. 게다가, 액체 상태가 아닌 이온 젤 전해질은 다양한 인쇄공정이 가능한 용액 공 정성 및 기계적 유연성을 확보할 수 있어서 전기화학 트랜지스터의 응용성을 디스플레이 및 논리회로의 단위 트랜지스터, 플렉서블, 웨어러블 전자소자 및 바이오헬스 센서, 시냅스 전자소자 등으로 확대할 수 있도록 하였다. 이러한 전기화학 트랜지스터는 최근 에 상당한 주목을 받고 있으나, 트랜지스터의 개발 초기에서부터 전해질의 절연층으로 사용되었으며, 1980년대에 MIT의 Wrighton 교수팀이 다양한 반도 체 고분자들(polyaniline, polyacetylene, polythio- phene, polypyrrole 등)의 가역적 전기화학 반응을 이용한 화학신호 증폭 등의 연구에 적용되었다[6-8].

이후, 많은 연구자가 organic electrochemical transistors (OECTs)[9,10], ion-sensitive field-effect

transistors (ISFETs)[11], hygroscopic insulator field-effect transistors (HIFETs)[12], ectrical double layer transistors (EDLT)[13-14] 등으로 전기화 학 트랜지스터의 연구를 진행해왔다.

본 총설에서는 최근 전자 분야에서 획기적인 연구 결과들이 발표되고 있는 전기화학 트랜지스터에 관 하여 기술하고자 한다. 먼저 전기화학 트랜지스터에 사용되는 전해질 절연물질을 일반 유전체와 비교하 여 분극 현상 및 정전용량에 관해 서술하며, 그다음 전기화학 트랜지스터의 종류와 구동 원리에 대해 알 아보고, 마지막으로 전기화학 트랜지스터를 이용한 최신 연구/기술 동향을 소개할 것이다.

2. 본 론

2.1. 전해질 절연물질의 분극 및 정전용량 앞서 언급한 바와 같이, 전기화학 트랜지스터는 절 연층으로 전해질을 사용하게 된다. 일반적으로, 트랜 지스터의 절연층(insulator)에 적용되는 절연물질은 유전체(dielectric)의 전해질(electrolyte)로 구분될 수 있다. 전기적 특성으로 볼 때, 유전체는 외부전압인 가 시 전자와 이온에 대한 절연 특성을 갖는 데 비해, 전해질은 전자에 대해서는 절연 특성을 갖고 이온에 대해서는 전도성을 갖는다. 이러한 특성은 유전체와 전해질을 커패시터(capacitor)에 적용되었을 때, 외 부전압인가 시 정전용량(capacitance)을 만들어내는 메커니즘의 차이를 보여주게 된다. 유전체의 경우 외 부전압 인가 시, 재료의 특성에 의존하는 분극(polarization) 메커니즘(electronic polarization, ionic polarization, orientation polarization)에 따라 유전체 전체에서 만들어지는 dipole들이 내부전기장을 만들 어(외부전기장을 상쇄함) 전극 표면에 전하를 저장하 게 된다. 이에 따라 유전체를 적용한 커패시터의 단 위면적당 정전용량(C/A)은 유전체의 유전 상수에 비 례하고, 유전체의 두께에 반비례하게 된다(C/A~κε

0/t, κ = 유전 상수, ε0 = 진공의 유전율, t = 유전체의 두께). 따라서 유전체의 유전 상수와 두께가 전기용 량을 결정하는 요소이며, 트랜지스터의 구동 전압을 정하는 데에 상당한 영향을 미치게 된다. 반면, 전해

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질을 이용한 커패시터의 경우, 유전체와 달리 외부 전 극 인가 시 전해질과 전극 계면에서 수 나노미터 수 준의 전기적 이중 층(EDL, electrical double layer) 이 만들어지며, 전해질 내부는 전기적 중성 상태를 유지하게 된다[15,16]. 따라서 커패시터의 정전용량 은 EDL의 매우 얇은 두께(~수 나노미터)로 인해 약

~10 μF/cm² 수준의 매우 큰 값을 얻게 되며, 이는 트 랜지스터에서 가장 보편적으로 사용되는 300 nm SiO2 유전체(~10 nF/cm²)에 비해 약 1,000배 이상 의 정전용량을 갖게 된다. 전기화학 트랜지스터에 사 용되는 전해질로는 주로 액체상의 LiClO⁴, ionic liquid 등을 사용하였으나, 높은 이온전도도에도 불구하 고 이를 전자소자에 적용 시 액체를 고정할 컨테이너 형태의 구조물을 제작하여야 하는 단점으로 인해 고 체상 전자소자 적용에 어려움이 있었으며, 이를 극복 하고자 ion-gel, polyelectrolyte와 같은 고체 혹은 준 고체상의 전해질이 사용되었다. 특히, ion-gel의 경우 액체상의 ionic liquid와 비슷한 높은 전도도, 인쇄공 정성, 기계적 유연성으로 인해 최근에 다양한 응용 분야에서 적용되고 있다.

2.2. 전기화학 트랜지스터의 종류 및 구동 원리 전해질이 절연층인 전기화학 트랜지스터는 사용되 는 반도체 재료의 이온 투과성에 따라 electrical dou-

*출처: Adv. Mater., 25, 1822-1846 (2013).

Figure 2. 전기화학트랜지스터의 구동원리.

ble layer transistor (EDLT)와 electro-chemical transistor (ECT)로 나눌 수가 있다. Figure 2는 전해 질을 적용한 top-gate 구조의 트랜지스터를 나타내었 다. 만약, 반도체가 p-type이며, 이온에 대해 투과가 일어나지 않는다고 가정하면(impermeable semiconductor), gate 전극에 (-) 전압인가는 전해질 내부의 이온 이동에 따라, gate 전극-전해질 계면과 반도체- 전해질 계면 쪽으로 이온의 이동 및 축적이 나타나게

*출처: J. Electrochem. Soc., 132, 2116-2120 (1985).

Figure 1. 대표적인 전해질(electrolyte) 절연물질[17].

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된다. 이때 각각 계면의 이온들은 gate 전극의 전하들 을 막거나, 반도체의 캐리어(정공)을 축적하여 EDL 을 형성하게 된다. 이때, 인가된 전압은 계면에 형성 된 EDL 층의 내부전압에 의해 상쇄되고, 전해질 내 부에서는 전압 강하가 일어나지 않는다. 앞서 언급한 바와 같이, 각 계면에 형성된 EDL 층의 두께는 약 수 나노미터 수준이며, 이때 gate-전해질-반도체의 총 정전용량(Ctotal)은 다음과 같이 계산된다.

Ctotal = (Cgate-전해질-1 + C반도체-전해질-1)^-1

이때, C반도체-전해질 값이 일반적으로 Cgate-전해질에 비 해 작으므로 Ctotal은 의해 C반도체-전해질 결정되게 된다.

만약, EDL의 두께를 수 나노미터로, 유전 상수 (κ) 를 10이라고 가정하게 되면 μF/cm² 수준의 단위면적 당 정전용량 값을 얻게 된다. 이러한 EDLT의 게이 트 전압에 의한 채널 형성 메커니즘은 일반 전계 트 랜지스터(field-effect transistor)와 매우 비슷하다.

즉, 외부전압 인가에 따른 전해질의 분극이 반도체/

전해질 계면에 전하이동채널을 형성하여 전하축적 (charge accumulation) 및 전하공핍(charge depletion) 상태를 만들게 된다. 반면, 외부전압 인가에 따 른 이온이 반도체 내부로 침투가 가능한 경우, (per- meable semiconductor) gate 전극-전해질 계면에서는 EDL이 형성되나, 반도체-전해질 계면에서 EDL이 형 성되지 않고, 반도체 내부로 이온들이 침투하게 된다.

이때, 침투된 이온들은 반도체 전체로 확산하게 되고, 이들 이온과 반도체의 전기화학적 반응(산화 혹은 환 원)에 의하여 만들어진 캐리어(정공 혹은 전자)들과 짝을 이루게 된다. 이때, 발생한 캐리어들은 반도체/

전해질 계면에 축적되는 것이 아니라, 반도체 전체에 존재하여 전하이동채널이 반도체 전체가 되게 된다.

이러한 과정을 전기화학적 doping (electrochemical doping)이라고 하며[17-19], 이온 침투가 가능한 반 도체를 사용한 전기화학 트랜지스터를 electrochemical transistor (ECT)라고 한다[20-21]. 따라서 일 반 전계 트랜지스터의 작동원리와 달리, ECT의 작동 은 gate 전압의 인가와 제거에 따른 반도체 내부로의 이온 출입이 반도체의 전기화학적 doping/dedop-

ping 과정을 가역적으로 발생시켜 전하축적(charge accumulation)과 전하공핍(charge depletion) 상태 를 일어나게 한다. 따라서 일반 전계 트랜지스터와 구동 메커니즘은 다르나, 실제 전압-전류 특성은 비 슷한 거동을 보여주게 된다. 지금까지 연구 결과를 보 면, EDLT의 경우, 산화물 반도체나 단결정 유기반 도체와 같이 이온 침투가 어려운 반도체 소재에서 나 타나며, 고분자 기반 유기반도체에서는 ECT 특성이 나타난다.

P-type 반도체를 사용할 때, EDLT와 ECT의 구 동 상태, flat band (전압인가 전), 전하축적(accumulation) 전하공핍(depletion) 모드에 대한 에너지 다이 어그램(energy diagram)을 Figure 3에서 나타내었 다. EDLT와 ECT에서 전압인가 시 발생하는 EDL 층을 표시하였고, 앞서 구동 원리에 언급한 바와 같 이, EDLT의 경우, gate 전극-전해질, 반도체-전해질 계면에서 EDL이 모두 발생하나, ECT는 전해질의 이온이 반도체 내부로 침투되어 이동할 수 있어서 반 도체-source 전극에서 EDL이 생성된다. 먼저, EDLT 에서 gate 전압(VGS) > flat-band 전압(VFB)인 경우, source 전극의 Fermi 레벨과 반도체의 LUMO (혹 은 conduction 밴드)사이에 큰 에너지 장벽이 전자 주입을 방지하여 전하공핍 상태를 유지하게 된다 (depletion 모드). 한편, gate 전압(VGS) < flat-band 전압(VFB)일 때, source 전극의 Fermi 레벨이 반도 체의 HOMO (Valence 밴드) 에너지 레벨보다 낮아 져 정공 주입이 일어나게 되며, p-type 트랜지스터에 서 통상적인 현상인 절연층/반도체 계면에 전하가 축 적되게 된다(accumulation mode). ECT의 경우, gate 전압(VGS)이 flat-band 전압(VFB) 보다 크면, EDLT와 마찬가지로 source 전극과 반도체간 전하주입장벽으 로 전하공핍 상태를 유지하게 된다. 반면에, accumulation mode (VGS < VFB)에서는 정공이 source 전극에서 반도체의 HOMO (Valence 밴드)로 주입 되게 되고, 반도체 전체에 전기화학적 doping이 발 생하게 된다.

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2.3. 전기화학 트랜지스터를 이용한 최신 연구/기술 동향

전기화학 트랜지스터는 전해질 절연물질을 이용하 여 매우 작은 화학신호를 증폭하거나, 전기화학 포텐 셜에 따른 전도도의 변화를 유도할 수 있다는 장점들 이 있다. 이에 따라, 수많은 연구자는 무기물에서부 터 유기물 및 탄소 나노 재료 등 다양한 소재를 이용 하여, 전기화학 트랜지스터를 제조하고, 다양한 응용 분야에 적용하여왔다.

2.3.1. 플렉서블 및 로직 소자

전기화학 트랜지스터는 액체 상태가 아닌 이온 젤 전해질 소재를 기반으로 하여, 다양한 인쇄공정을 통 한 용액 공정성 및 기계적 유연성을 확보할 수 있다.

이에, 전기화학 트랜지스터는 플렉서블 전자소자를 구성하는 논리회로의 단위 트랜지스터로써 연구 개 발이 활발하게 이루어지고 있다. 실제로, Takenobu

*출처: Nano Lett., 12, 4013-4017(2012).

Figure 4. 이온 젤을 적용한 유연 MoS2 전기화학 트랜지스터 의 모식도(좌), 곡선 반지름에 따른 게이트 전압이 1.5 V일 때, 드레인 전류(빨강) 및 전하이동도 변화(파랑)[22].

연구팀은 이차원 MoS2 반도체와 PS-PMMA-PS와 [EMIM] [TFSI]로 이루어진 이온 젤을 이용하여 전기 화학 트랜지스터를 구현하였다(Figure 4). 특히, 제작 된 소자는 1 V 이하의 문턱전압(threshold voltage) 과 12.5 cm²V^-1s^-1의 높은 이동도를 보였으며, 1 mm 이하의 곡률반경 조건에서도 전기적 특성이 감소하지 않아, 무기물 재료를 통하 유연소자 제작에 대한 가능

*출처: Adv. Mater., 25, 1822-1846 (2013).

Figure 3. 전기화학트랜지스터의 구동모드별 에너지 다이어그램.

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*출처: ACS Nano, 4, 4388-4395 (2010).

Figure 5. 카본나노튜브를 통한 전기화학 트랜지스터: (a), 제 조 모식도와 원자 및 광학 현미경 이미지, (b) 트랜지스터 거동 그래프, (c) 링발전기 실제 사진 및 모식도, (d) 유연 및 하드 기판에 제작된 소자의 링발전기 반응 그래프, (e) 아웃풋 주파 수 결과[23].

성을 보여주었다[22]. Frisbie 그룹은 CNT 반도체, PS-PMMA-PS 고분자 기반의 이온젤 게이트 절연체, PEDOT : PSS 게이트 전극을 플라스틱 기판에 프린 팅하여, 전기화학 트랜지스터를 제작하였다(Figure 5).

이때, 제작된 소자는 전자와 정공을 모두 전하운반체 로 가지는 양극성거동을 보여주었으며, 이동도는 각 각 20, 30 cm²V^-1s^-1이었다[23]. 특히, 이러한 양극성 거동 특성을 이용하여, 다양한 플렉서블 로직 소자 (인버터, 낸드게이트, 링발전기)에 적용할 수 있었으 며, 2013년에는 회로의 최적화 작업을 통해서 단지 연시간(stage delay time)을 5 μs로 낮춘 CNT 기반 의 링발전기를 개발하였다[24].

최근에는 실질적으로 통합된 회로를 구성하는 데 도 적용되고 있는데, Berggren 연구팀은 전도성 고분 자인 PEDOT : PSS와 이온젤을 가지고 스크린 프린 팅 공정을 통한 전용액 공정 기반의 전기화학 트랜지 스터를 제조하였고, 이를 바탕으로 4 대 7 디코더 및 7 비트 시프트 레지스터를 구현하였다[25]. 이때, 각 회로를 구성하는 단위 트랜지스터는 빠른 스위칭, 작 은 설치 공간, 우수한 균일성 및 간단한 제조 방식을 보여주었고, 이러한 단위 소자를 바탕으로 제조한 인 버터 및 낸드게이트 소자를 빌딩블록으로써 디코더 및 시프트 레지스터를 제작할 수 있었다. 특히, 디코

*출처: Nat. Commun., 10, 5053 (2019).

Figure 6. 전용액 공정을 통한 전기화학 트랜지스터를 통해 제 조된 monollithic 전자 시스템 (a) 모식도 및 (b) 실제 사진[25].

더 및 시프트 레지스터는 올바른 로직 기능을 제공함 으로써, 전용액 공정 기반의 독립형 또는 monolithi- cally 전기화학 디스플레이를 동작할 수 있었다(Fi- gure 6).

2.3.2. 바이오헬스 센서

전기화학 트랜지스터는 의료 관련 용도 및 생물 의학 연구를 위한 다양한 생체 전자 장치에 관해서 상당히 중요한 역할을 해왔으며, 다양한 방식으로 작 용할 수 있다. 한 가지 예시로써, Biscarini 그룹은 PEDOT : PSS를 이용한 전기화학 트랜지스터를 PLGA 기판에 제작함으로써 바이오헬스 전자소자로 의 활용 가능성을 보여주었다. 이 연구에서 제작된 전기화학 트랜지스터 소자는 생체에 적합한 바이오 스캐폴드(bioscaffold) 구조를 가졌으며, 수성 조건 에서 빠르고 합리적인 전위차 감지가 탁월하게 나타 났다. 특히, 적절한 두께와 채널 구조의 형성을 통해 서 수 밀리 초의 시간 단위에서 수 십 마이크로 볼트 까지 신호를 감지할 수 있었으며, 피부에 부착함으로 써 심전도를 측정에 성공적으로 적용할 수 있었다 (Figure 7)[26]. 또한, 전기화학 트랜지스터는 상피세 포와 같은 비전자성 세포에 대한 세포 커버리지, 장 벽 조직 형성 및 세포 건강도 모니터링 할 수 있다 [27-29]. 이는 단층 세포를 채널과 게이트 사이에 성

(7)

*출처: Adv. Mater., 26, 3874-3878 (2014).

Figure 7. 부착형 전기화학 트랜지스터 및 심전도 측정 특 성[26].

장시켜, 전해질의 이온 운동에 대한 장벽으로 사용하 고, 이온의 주입에 따른 전기화학 트랜지스터의 구동 변화를 바탕으로 확인 할 수 있는 것이다. 따라서 이 러한 요소를 바탕으로 적용할 수 있는 전기화학 트랜 지스터는 세포의 행동을 모니터링 할 뿐 아니라, 조 절할 수 있다는 점에서 상당히 관심을 끌고 있다.

이외에도 포도당과 젖산과 같은 특정한 대사산물 을 감지할 수 있는 바이오센서에서의 변환기로써 작 용할 수 있다. 전기화학 트랜지스터의 경우, 바이오 센서로써의 기능을 위해서는 채널이나 전해질에 존 재하는 산화-환원 효소와 대사산물 간의 상호 작용의 결과로 인해 전자가 전기화학 트랜지스터의 게이트 로 이동하는 것에 의해 구동된다. 실제로, Chan 그룹 은 효소가 움직이지 못하게 나노구조를 형성하고 이 를 표면에 처리한 게이트 전극과 전기화학 트랜지스 터를 결합해서 포도당 센서를 제작하였으며, 이는 동 일한 게이트 전극 시스템을 적용한 전기화학전류 기 반의 센서에 비해서 월등한 민감도를 보여주었다 (Figure 8)[30].

2.3.3. 뉴로모픽(neuromorphic) 소자

최근 연구 동향을 따르면, 패턴 인식과 같은 특정 작업을 학습하고 기억하는 계산과 메모리 기능이 공 존할 수 있는 장치 네트워크를 개발하는 데 많은 연

*출처: Adv. Funct. Mater., 21, 2264-2272 (2011).

Figure 8. (a) 전기화학 트랜지스터 기반의 포도당 센서 모 식도, (b) 전기화학 트랜지스터 기반의 생체 촉매 반응 사 이클[30].

구자들이 발을 들이고 있다. 이러한 장치 체계는 몸 을 구성하는 신경 체계를 닮았다고 해서 보통 뉴로모 픽(neuromorphic)이라고 불리는데, 이는 소자에서 발생하는 전기적 특성의 일시적 또는 영구적인 변화 에 따른 단기 혹은 장기 기억으로 시뮬레이션 될 수 있다. 이러한 점에서 볼 때, 전기화학 트랜지스터는 이온들에 의해서 채널의 전기적 상태를 변화시킬 수 있기에, 다양한 뉴로모픽 소자로서 활용할 수 있다고 여겨진다. 실제로, 2015년에는 PEDOT : PSS 기반 의 전기화학 트랜지스터를 이용한 최초의 뉴로모픽 소자를 구현하였으며[31], 이렇게 구현된 소자는 페 어링 된 펄스 우울증(paired-pulse depression), 적응 (adaptation)과 동적 필터링(dynamic filtering)의 시 냅스적 구동 현상을 보여주었다(Figure 9). 최근에는 하나의 채널에 여러 개의 게이트 전극을 적용해서, 게이트 전극 어레이를 통해서 입력되는 전압 패턴에 따라서 방향을 선택성을 보여주었다[32]. 또한, 하나

(8)

*출처: Adv. Mater., 27, 7176-7180 (2015).

Figure 9. 우울적 단기 시냅스 가소성 기능(paired-pulse depression, adaptaion, dynamic filtering)과 전기화학 트랜 지스터 모식도[31].

의 게이트 전극에 여러 개의 채널 시스템을 도입해서, 뇌의 항상성 기능을 모방한 뉴로모픽 소자도 보고가 되었다[33]. 이외에도, 서로 다른 물질들(전해질, 반 도체 등)과 구조를 이용하여 다양한 뉴로모픽 소자들 이 보고되고 있으며[34-36], 이러한 소자들 기반으로 신경망 구조로 통합하는 연구는 무수히 많이 진행되 고 있는 중이다[37].

3. 결 론

전기화학 트랜지스터는 전해질과 같은 이온계 물 질로 이루어진 절연체를 적용한 트랜지스터를 일컬 으며, 이러한 소자에 사용되는 절연체는 기존에 알려 진 어떠한 절연 소재보다도 막대한 전기용량 값을 보 여주는 것이 특징이다. 특히, 기존의 소재들과 달리 절연층의 두께에 연연하지 않고, 막대한 전기용량을 보여주기 때문에, 저전압 구동이 가능한 소자를 제작 하기가 매우 쉽다. 게다가, 인쇄공정을 통해서 손쉽 게 제조할 수 있으므로 많은 분야에 있는 연구자들이 다양한 응용 소자에 적용 및 연구를 진행하고 있다.

실제로, 다양한 반도체 소재를 이용한 단위 트랜지스 터 소자의 제작에서부터 인버터 및 낸드게이트를 포 함하는 다양한 논리소자에 이르는 전통적인 로직 장 치의 구현에 관한 연구가 진행되고 있다. 이외에도, 생체 건강 및 바이오 물질들을 감지함으로써 적용할 수 있는 다양한 바이오 헬스 소자들과 최근 주목받고

있는 생물학적 뇌의 구조 및 기능적 특성을 전자회로 를 기반으로 구현하고자 하는 뉴로모픽 공학의 단위 소자로써도 상당히 많은 연구가 진행되고 있다 이렇 듯 전기화학 트랜지스터는 차세대 인쇄 유연 웨어러 블 전자소자를 비롯한 다양한 바이오소재 및 뉴로모 픽 소자의 핵심 요소로써 활발한 연구와 개발이 지속 적으로 진행될 것으로 예상된다.

References

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권 혁 진

2011-2016 포항공과대학교 (학사) 2016-현재 포항공과대학교 (석박사 통합과정)

김 세 현

1997-2004 경북대학교 (학사) 2004-2010 포항공과대학교 (박사) 2013-현재 영남대학교 (부교수)