김현재 교수팀, 히알루론산 활용해 인간의 뇌를 닮은 친환경 메모리 소자 개발

재료과학 분야 권위 있는 국제학술지 ‘Advanced Functional Materials’ 게재

[사진. 김현재 교수(왼쪽), 제1저자 이진혁 박사]

전기전자공학과 김현재 교수 연구팀은 히알루론산(Hyaluronic acid)이라는 유연하고 생체친화적인 재료를 사용해 인간의 신경을 모방한 뉴로모픽(Neuromorphic) 저항성 랜덤 액세스 메모리(Resistive Random Access Memory, RRAM)를 제안하고 웨어러블 헬스케어 전자기기에의 적용 가능성을 입증했다. 김현재 교수가 교신저자로, 이진혁 박사(現 SK Hynix 미래기술연구원)가 제1저자로 참여한 이번 연구성과는 기능성 신소재 분야 최고 권위지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF 18.808, JCR 상위 4.69%)’에 9월 12일 게재됐다.

21세기 정보통신 사회를 맞아 개인이 대부분의 전자기기를 휴대할 수 있게 됐고 전자기기를 몸에 부착하거나 착용하는 개념도 일상화됐다. 삽입 또는 이식 개념이 도입되면서 인체에 무해한 초소형 전자소자에 대한 요구가 지속적으로 증가하는 추세다. 이러한 기기들은 다양한 질병의 진단이나 예방에 활용할 수 있지만, 알츠하이머나 파킨슨병과 같은 퇴행성 신경 질환은 초기 진단과 치료가 어렵기 때문에 여전히 난제로 여겨진다. 이를 해결하기 위해서는 인간의 신경 구성 요소인 뉴런의 잘못된 신호를 바로잡아야 하지만, 아직까지 이러한 질환들에 대한 치료법은 개발되지 못하고 만성적인 질환으로 남아 있다.

최근 전자공학과 바이오공학을 융합해 잘못된 신경 신호를 교정하기 위한 많은 연구가 시행되고 있다. 특히, 생체 신경계의 기능과 정보 처리를 모방한 차세대 전자기기인 뉴로모픽 소자를 체내에 삽입하고 신경과 연결시켜 퇴행성 신경 질환을 치료하는 시도가 이뤄지고 있다.

이때, 기존의 실리콘과 같은 무기물에 기반한 신체에 이식하는 장치들의 경우, 치료가 끝나더라도 이 장치를 제거하기 위한 추가 수술을 수행해야 하며 이는 또 다른 신경 손상으로 이어질 수 있다는 한계를 지닌다. 또한, 장치의 재료 자체나 제작 과정에서 생길 수 있는 독성 물질을 반드시 고려해야 한다는 어려움이 있다.

[그림. 히알루론산을 이용한 뉴로모픽 RRAM의 구조 모식도 및 대표 연구 결과물]

이에, 김현재 교수 연구팀은 인간의 신경을 모방한 뉴로모픽의 특성을 갖는 RRAM을 제작하는 데 ‘히알루론산’을 사용할 것을 제안했다. 히알루로산은 ‘물광피부’를 위한 보습제 역할을 하는 성분으로 알려져 있으며, 피부에 기존에 존재하고 생체친화성과 생분해성이 모두 우수한 천연 물질이다. 

본 연구팀이 개발한 이 생체친화성을 지닌 RRAM은 최근 떠오르는 '차세대 비휘발성 메모리' 중 하나로, 기존의 USB, SSD 등을 대체할 수 있으면서도, 높은 유연성과 생체적합성을 바탕으로 웨어러블 의료 전자기기에 매력적인 후보로 떠오르고 있다.

연구팀은 뉴로모픽 소자를 구성하는 모든 요소들을 체내에 이식 가능하도록 생체적합성 및 생분해성이 우수한 물질로 제작했다. 그 후 전기적 특성과 뉴런들이 서로 신호를 주고받는 연결 지점인 시냅스의 특성을 이 뉴로모픽 소자가 나타내는지 평가했다. 

그 결과, 마그네슘(Mg) 전극과 히알루론산 사이의 계면에서 형성된 산화마그네슘 층의 특정 바이어스 영역에서 물리적인 동작 특성이, 낮은 소비전력이나 장·단기 기억 전환 특성과 같은 생물학적 시냅스의 동작 특성과 유사함을 증명할 수 있었다.

이에 그치지 않고 본 연구팀은 L929 마우스 섬유아세포주를 이용한 생분해성 시험과 세포 독성 시험을 수행해, 히알루론산 기반 뉴로모픽 소자의 이식형 의료용 전자 장치 적용 가능성을 입증했다.

김현재 교수는 “이번 연구에서 본 연구팀이 제작한 생체적합성 뉴로모픽 RRAM은 향후 퇴행성 신경 질환을 극복하는 데 적용돼 효과적인 치료법 개발에 기여할 것으로 기대된다.”고 전했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부-한국연구재단의 나노·미래소재원천기술개발사업의 지원으로 수행됐다.

논문정보

● 논문제목: Biocompatible and Biodegradable Neuromorphic Device Based on Hyaluronic Acid for Implantable Bioelectronics

● 논문주소: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202107074