바이오인

생체시스템과 이온반도체

[R&D Brief 2023-9호]

◈ 목차

1. 이온반도체란?

2. 왜 주목받고 있나?

3. 최근 많은 연구가 이루어지고 있나?

4. 최근 국내ㆍ외 연구 동향은?

5. 기초연구사업 지원 현황은?

6. 향후 기초연구사업에서 어떤 연구들이 필요한가?

7. 원천기술 확보를 위해 향후 중점적으로 추진하여야 할 연구주제는?

◈본문

1. 이온반도체란?

ㅇ 전자와 홀을 전달체로 하는 전통 고체소자용 반도체와는 달리 이온을 전달체로 전도도를 제어하는 역할을 하는 이온트로닉스(iontronics)의 핵심소자임.

ㅇ 주로 유체 전해질 내 이온의 움직임을 선택적이고 방향성 있게 능동적으로 제어함으로써 이온 신호의 증폭, 스위칭, 저장, 센싱 및 에너지 변환에 활용됨.

ㅇ 핵심소자로서 이온다이오드와 이온트렌지스터가 연구되고 있으며 이를 활용한 응용 연구도 진행 중.

2. 왜 주목받고 있나?

ㅇ 생체시스템은 주로 세포막에 존재하는 막단백질에서 유체 내 Na + , K + , Ca 2+ 등 여러 종류의 이온에 대한 선택적이고 방향성 있는 수송, 농축(concentration) 또는 고갈(depletion) 통해 신호전달 및 저장, 분극/탈분극, 에너지 생성과 같은 기능을 하고 있음.

ㅇ 전자를 전달체로 하는 기존 고체기반 반도체 소자로는 이온에 대한 제어가 어렵고, 더군다나 유체상태의 전해질에서 직접적인 활용이 거의 불가능함.

ㅇ 이온반도체는 이온의 선택적인 시공간적 제어를 통해 생체시스템의 기능을 모사하고 유체 내 환경에서 직접적으로 활용이 가능하며, 별도의 인터페이스 없이 땀, 눈물, 오줌 등을 통한 이온 또는 생체물질의 선별(separation), 검출(sensing), 생체 에너지 변환(energy conversion) 또는 뉴로모픽 연구에 바로 적용이 가능하므로, 체외진단 시스템뿐만 아니라, 생체이식형 또는 웨어러블 디바이스, 멤리스터(memristor) 소자로서의 다양한 활용이 기대되고 있음.

[그림] 생체시스템의 기능을 모사하는 이온반도체

3. 최근 많은 연구가 이루어지고 있나?

ㅇ 이온반도체에서 다루고 있는 이온과 주변 인터페이스와의 상호작용 및 이온 장치 내부 에서의 이온 수송과 관련된 연구는 물리, 화학, 공학 분야에서 많은 관심을 갖는 연구주 제로서 최근(2023년 6월) 이에 대한 다학제적으로 깊이 있는 논의를 위한 Faraday Discussion *이 이루어짐.

• ╶︎이온반도체 관련 2018 ~ 2023 동안 논문 출판 수 변화

[그림] 이온반도체 관련 논문 출판 수 변화 (국가과학기술정보(ScienceON)에서

이온 다이오드, 이온 트렌지스터, 이온트로닉스를 키워드로 검색한 결과)

• ⁎︎물리화학, 화학물리학 및 생물물리화학 분야의 특정 주제에 대해 심도있는 토론이 이루어지는 Faraday discussion이라 불리는 학회에서 발표된 독창적인 연구 논문을 회의에서 나온 논평 기록과 함께 출판하는 과학 저널

4. 최근 국내ㆍ외 연구 동향은?

(1) 해외 연구 동향

ㅇ (미국) 나노포어를 이용한 이온수송연구 (University California Irvine)

ㅇ (프랑스) 시냅스를 모사한 이온멤리스터 (Ecole Normale Supérieure, CNRS)

ㅇ (독일/중국) 2차원 물질 기반의 이온반도체소자 및 응용연구 (Max Planck Institute of Colloids and Interfaces/Chinese Academy of Sciences)

...................(계속)

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