응용화학공학과

전해질 쯔위터 이온 도입 및 전기 이중층 유지 메커니즘 제시

공과대학 응용화학공학과 송슬기 교수팀과 서울과학기술대학교 이은호 교수팀이 쯔위터 이온 물질을 활용해 유기 전기화학 트랜지스터의 비휘발성을 유지할 수 있는 전기 이중층 유지 전략을 발표했다.

이번 연구 성과는 SCIE 급의 국제 저명 학술지 ‘Advanced Functional Materials’(IF: 19.0)에 7월 31일 출판됐다. 이번 연구는 공동 제1저자인 충남대 전영운 석사과정, 서울과기대 이동화 석사과정의 주도로 진행됐다.

기존 폰노이만 구조의 본질적인 문제였던 직렬 기반 컴퓨팅 방식은 버스를 통해 메모리와 연산자를 불러오는 과정에서 크게 병목으로 한계를 겪었다. 이를 해결하기 위해 병렬 기반 컴퓨팅 방식을 활용해 인공 뉴런 네트워크(ANN)와 결합한 뉴로모픽 컴퓨팅이 각광받고 있다.

해당 컴퓨팅 기술은 아직 초기 단계에 있지만 낮은 전력 구동과 1,000배 이상 빠른 계산 속도의 장점을 살리기 위해 많은 연구진이 노력을 기울이고 있다. 특히, OECT(유기 전기화학 트랜지스터)는 기존 무기계 트랜지스터보다 안전하고 안정적인 구동이 가능하며 유연 기판에 적용해 생체적합성 사물인터넷 소자(IoTs)로 활용할 수 있다.

이에 공동 연구진은 빠른 전기 이중층의 붕괴를 막기 위한 방법으로 해당 트랜지스터의 전해질로 사용하는 이온성 액체에 쯔위터 이온을 도입함으로써 분극과 이온 상호작용을 통해 전기 이중층을 효과적으로 제어했다.

OECT에 많은 이온성 액체가 적용됐지만, 쯔위터 이온을 도입해 디바이스의 가소성을 향상할 수 있는 새로운 메커니즘을 제시했으며 이를 전기화학적 분석을 통해 입증했다. 그 결과, 전기 이중층 유지능력이 부여된 OECT에서 MNIST 데이터 셋 기반 ANN 시뮬레이션으로 정확도 94.88%를 달성했다.

또, 독성의 용매(DMF, DMSO 등)를 사용하지 않고 친환경적인 공정을 활용해 전해질을 제작할 수 있었으며 흐르는 고체 특성을 활용한 덕분에 전해질 형상 유지를 통한 장기 안정성으로 많은 어플리케이션을 기대할 수 있다.

송슬기 교수는 “쯔위터 이온 물질의 강한 분극성 및 이온 상호작용이 OECT에 기작하는 메커니즘은 흥미로웠으며. 이를 트랜지스터를 너머 광전 소재, 배터리 등 다양한 영역으로 확장하겠다”고 말했다.

□ 논문 제목: Tailored Zwitterion Electrolyte-Driven Electric Double Layer Dynamics for Enhanced Ion Retention in Artificial Synapses

□ 논문 링크: https://doi.org/10.1002/adfm.202513684