한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 기초연구지원사업(개인연구)의 지원을 받은 박정열 교수 연구팀(서강대)이 유체 안에서 전자를 대신해 이온¹⁾의 흐름을 한 방향으로 제어할 수 있는 이온 다이오드²⁾를 개발했다고 밝혔다.  

1) 이온:  전하를 띤 입자, (+)전하를 띤 입자를 양이온, (-)전하를 낀 입자를 음이온이라고 함   
2) 이온 다이오드:  이온의 흐름을 한 방향으로 제어할 수 있는 나노유체소자  

유체 안에서 이온의 흐름은 고체전자에서의 전자의 흐름을 대신하는 것이다. 이온을 한 방향으로 흐를 수 있도록 하는 이온 다이오드 효과를 만들기 위한 학계의 정설은 전기 이중층(electrical double layer)³⁾과 비슷한 크기를 갖는 단일 나노채널의 비대칭 형상 제어⁴⁾를 하는 것이다. 그러나 연구팀은 이러한 나노채널의 형상제어가 아닌 서로 다른 마이크로 크기의 단면적을 갖는 비대칭 3차원 나노채널 네트워크⁵⁾를 고안해 이온 방향성 제어에 적용했다. 

3) 전기이중층: 유체 내에서 물질의 표면 주위의 표면 전하와 그 반대 이온들이 만드는 층
4) 나노채널의 비대칭 형상 제어: 나노 채널의 입구와 출구의 크기가 다르게 형성되도록 제작한 것   
5) 비대칭 3차원 나노채널 네트위크: 양끝단의 단면적이 다르게 비대칭 형상으로 만들어진 마이크로 채널에 균질한 크기의 나노입자를 자기조립화함으로써 생기는 나노입자 사이의 공극들로 이루어진 네트워크

그 결과, 비대칭 형상을 갖는 초소형 마이크로(100만분의 1 크기) 채널 내에서 나노입자가 스스로 구조화되는 능력을 활용하여 비대칭 3차원 나노채널 네트워크를 성공적으로 구현했으며, 이를 활용하여 이온을 한 방향으로 흐르도록 제어할 수 있는 고용량 이온 다이오드를 개발했다. 
 
 

비대칭 나노채널 네트워크는 양 끝단에서의 상대적 단면적 크기 차이에 의해 이온 선택성 정도 및 전기적 저항 차이가 발생하게 된다. 이 양 끝단에 직류 전압을 걸어서 이온을 흐르게 하면, 직류전압의 방향에 따라 이온들이 나노채널 네트워크 안에서 누적되거나 희석되어 이온이 한 방향으로만 흐를 수 있게 된다.

개발된 이온 다이오드는 만들어진 나노채널의 형상에 따라 기존보다 수십에서 수백 배 증가된 이온 흐름(최대 1190 나노암페어(nA))을 발생시킬 수 있다. 또한 자기 조립화 되는 나노입자의 표면전하⁶⁾, 나노입자의 크기, 마이크로 채널⁷⁾의 형상제어를 통해 손쉽게 이온 흐름을 제어할 수 있다. 그리고 형광 현미경으로 쉽게 관측할 수 있는 형광분자를 통해서 이온의 흐름을 관찰할 수 있으며, 무엇보다 기존의 복잡한 공정이나 값비싼 공정 장비 없이 손쉽게 제작이 가능하다고 연구진은 설명했다. 

6) 표면전하: 콜로이드의 내/외측 표면 사이의 전위차. 모든 입자가 유체에 노출되면 발생       
7) 마이크로 채널: 보통 수십~수백 마이크로 크기의 폭을 갖는 미소유체가 지나갈 수 있는 채널    

박정열 교수는“이번 연구는 새로운 상상력을 발휘해 학계의 기존 통설을 뛰어 넘는 이온 다이오드 효과를 나타냈다”며, 향후 고용량 마이크로 에너지 발생 장치, 이온의 양으로 감지하는 고성능 바이오센서, 이온 트렌지스터 등 나노-바이오 연구와 관련 제품 개발에 널리 적용될 수 있을 것으로 기대된다며 연구의 의의를 설명했다.