포스텍 연구팀, 3D 채널 바이오 반도체로 초고속 생체신호 측정 성공

장영태 기자

3678jyt@kpinews.kr | 2025-09-30 09:57:19

신경 인터페이스 기술의 핵심 플랫폼 활용 기대 고조
연구 성과, 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스' 게재

포스텍 연구팀이 신경 신호를 보다 빠르고 정확하게 측정할 수 있는 새로운 전자 소자를 개발했다.

 

▲ 포스텍 정성준 교수. [포스텍 제공]

 

포스텍은 정성준 교수 연구팀이 부경대 송강일 교수, UNIST 권지민 교수와 공동 연구를 통해 유기전기화학 트랜지스터 증폭 성능과 대역폭 간 근본적인 트레이드 오프(trade-off) 관계를 극복하는데 성공했다고 30일 밝혔다.

 

이번 연구는 국제 학술지인 '사이언스 어드밴시스'에 게재됐다.

 

신경은 매우 빠르게 전기 신호를 주고받는다. 특히 말초 신경은 근육이나 피부 등 몸 구석구석과 연결되어 있어, 미세하지만 중요한 신호를 전달한다. 이런 신호를 분석하면 뇌·신경 질환 연구나 치료 기술개발에 큰 도움이 된다.

 

'유기전기화학 트랜지스터(OECT)'는 이런 신호를 잡는 데 적합한 소자다. 전해질 속 이온이 유기 반도체 채널 전체로 들어가 트랜지스터를 작동시키기 때문에 높은 증폭 능력과 낮은 전력으로 구동할 수 있으며 생체친화적이다.

 

그러나 문제점도 있었다. 채널이 두꺼워질수록 신호를 증폭하는 능력은 높아지지만 이온이 이동하는 길이가 길어져 동작 속도가 느려지면서 신호를 빠르게 잡지 못했다.

 

▲ 평면 구조와 3차원 구조 기반 유기전기화학 트렌지스터의 모식도 및 동작 메커니즘. [포스텍 제공]

 

연구팀은 유기 반도체 채널에 나노 구조를 넣어 전해질 속 이온이 채널 전 방향에서 들어오도록 3차원 구조를 설계했다. 이렇게 하면 채널 표면적이 늘어나고 이온 이동 경로가 짧아져 채널이 두꺼워져도 빠른 동작과 높은 증폭 성능을 동시에 얻을 수 있다.

 

또한 상용 전도성 고분자 재료와 기존 반도체 공정을 활용해 신뢰성이 높고 대량 생산에도 적합한 소자를 만들었다. 이를 유연한 박막 기판 위에 집적해 생체 삽입용 신경 프로브를 제작하고 쥐의 좌골 신경에 부착해 외부 자극에 따른 고주파 신호를 측정하는 실험도 성공적으로 수행했다.

 

실험결과, 기존 평면 구조 채널 소자와 달리 연구팀이 개발한 소자는 kHz(킬로헤르츠) 수준의 미세한 말초 신경 신호를 정확하게 잡아낼 수 있었다. 이는 향후 정밀 신경 신호 측정과 차세대 생체 의료 기기 개발에 활용될 가능성이 크다.

 

정성준 교수는 "이 기술은 특정 재료나 공정에 국한되지 않아 다른 기술과 결합하면 성능을 더욱 향상할 수 있을 것"이라고 밝혔다.

 

KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr

 

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