DGIST(대구경북과학기술원, 총장 국양) 전기전자컴퓨터공학과 강홍기 교수팀이 미세 잉크젯 프린팅 용액 공정 기반 투명 전극 및 광열 층의 선택적 형성 기술 개발에 성공했다. 본 기술은 온도 변화에 민감하거나, 소자의 투명성이 요구되는 바이오 소재 응용 디바이스 개발 및 발전에 기여할 것으로 보인다.
최근 바이오 이미징에 용이하고, 광유전학 등 다양한 어플리케이션에 적용될 수 있는 ‘투명 전극’이 많은 관심을 받고 있다. 하지만 기존 투명 전극 제작에 사용되는 인듐 주석 산화물 (ITO) 또는 산화주석물 (ATO)과 같은 잉크 재료는 플렉서블 기판의 전이온도(150℃~200℃)보다 높은 350℃ 이상의 공정 온도를 요구하기 때문에, 기존 잉크 재료를 사용하여 투명 전극 공정을 진행할 경우 높은 공정 온도로 인해 플렉서블 기판이 딱딱해지게 되는 기계적 취약점이 존재한다.
이에 연구팀은 패턴 형성 자유도가 높은 잉크젯 프린팅 기술을 사용하여 투명 초박막 금 미세 전극을 환자 맞춤형으로 제조하는 새로운 방법을 제안했다. 잉크를 직접 인쇄하는 기존의 방법과 다르게 기저핵 생성을 유도하는 폴리머 시드 층을 잉크젯 프린터를 이용해 인쇄하고, 포토마스크 없이 6nm 이하의 ‘초박막 금’을 진공 증착하여 높은 투과도를 가지는 투명 전극을 선택적으로 공정했다. 동시에 ‘비전도성 금 섬 층’을 폴리머 시드 층이 인쇄되지 않은 영역에 형성시켰고, 이를 이용해 광열효과가 발현되도록 구현했다. 연구팀은 개발된 나노 구조체의 완성도 확인을 위해 검증을 진행했으며, 투명 온도 센서를 활용해 광열 효과를 감지함은 물론 소자 상단부에 신경세포를 성장시켜 바이오 적합성과 바이오 이미징 가능성을 모두 확인할 수 있었다.
본 연구를 통해 개발한 ‘초박막 금 전극 및 금 나노 구조체’는 ‘환자 맞춤형 플렉서블, 웨어러블 투명 전극 형성’이 요구되는 생물 의학 및 공학 응용 분야에서 노광 마스크 없이 상온에서 공정을 진행할 수 있다는 측면에서 기존 소자보다 뛰어난 장점을 가지고 있다. 연구팀은 이러한 기술을 확장하게 되면 신경 조절, 암 치료, 약물 전달 또는 광기반 PCR과 같은 광열 효과 기반 열 치료를 성공적으로 수행할 수 있을 것으로 보고 있다.
▲ (왼쪽부터) DGIST 전기전자컴퓨터공학과 강홍기 교수, 김두희 석박통합과정생
DGIST 전기전자컴퓨터공학과 강홍기 교수는 “기존의 전극 형성법과 다른 방식으로 잉크젯 프린팅을 통해 환자 맞춤형 ‘초박막 금 전극’의 생산이 가능하다는 것이 핵심이다”며, “해당 기술을 활용하면 환자 맞춤형 유연 미세 전극 어레이를 통해 생체에서 발생하는 여러 신호를 보다 효율적으로 측정할 수 있을 것으로 기대한다”라고 밝혔다.
한편, 본 연구는 한국연구재단을 통해 과학기술정보통신부에서 지원하는 기초연구실지원사업, 2023년 과학기술원 공동연구프로젝트 사업,DGIST 기관고유사업의 지원을 받아 수행됐다. DGIST 전기전자컴퓨터공학과 김두희 석박통합과정생이 주저자로 참여한 이번 연구 논문은 관련 분야 우수 국제 학술지인 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’에 온라인 게재됐다.
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