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김현재 교수팀
김현재 교수팀, 생체 유래 당단백질로 인간의 뇌를 모방한 차세대 메모리 기술 개발 - 점액 속 뮤신을 활용한 생체이식형 뉴로모픽 멤리스터 어레이 구현, 세계적인 나노 기술 분야 학술지 ‘ACS Nano’ 게재
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사진 1. (왼쪽부터) 문건호 석박통합과정생, 김현재 교수
전기전자공학과 김현재 교수 연구팀이 생체 점액의 주성분인 뮤신을 활용해 뇌 속 시냅스의 정보 저장 및 처리 방식을 모방하는 차세대 메모리 소자 '뉴로모픽 멤리스터'를 구현하는 기술을 개발했다.
최근 뇌-컴퓨터 인터페이스(BMI), 신경보철 등의 분야에서 생체이식형 전자소자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 기존 뉴로모픽 소자는 대부분 실리콘이나 금속 산화물 등 생체적합성이 낮은 소재로 제작돼, 체내 이식에 한계가 있었다.
이러한 한계를 극복하기 위해 김현재 교수 연구팀은 생물의 점액을 구성하는 당단백질인 뮤신을 소자 활성층에 적용한 뉴로모픽 멤리스터(MNM)를 개발했다.
연구팀이 개발한 MNM 소자는 마그네슘(Mg) 상부 전극과 뮤신 활성층 사이에 자발적으로 형성된 산화마그네슘(MgOx) 계면층에서 발생하는 저항 스위칭 현상과 뮤신 활성층 내 결함을 바탕으로 시냅스의 핵심 작용을 성공적으로 모방했다.
그림 1. 뮤신 기반 뉴로모픽 멤리스터의 구조 모식도 및 연구 결과물
실험 결과, MNM 소자는 122.65%의 쌍 펄스 촉진(PPF) 지수와 11.05의 동적 범위를 보였으며, 총 320회의 전압 펄스 인가에도 안정적인 장기 기억 특성을 유지했다.
또한, 국제표준화기구(ISO) 기준에 따른 세포독성평가 결과 72시간의 세포 배양 후 108.46%의 세포 생존율을 보였다. 아울러, 인공신경망 기반 손 글씨 패턴 인식 실험에서는 89.93%의 높은 정확도를 기록해 생체이식형 뉴로모픽 시스템으로의 활용 가능성을 입증했다.
김현재 교수팀은 “이번 연구는 체내 물질을 활용해 생체적합성이 뛰어난 뉴로모픽 소자를 구현한 것으로, 기술 개발의 새로운 방향성을 제시했다.”며, “앞으로도 지속적인 연구를 통해 실용화 가능한 기술로 발전시켜 나가겠다.“고 밝혔다.
한편 이번 연구는 생체이식형 뉴로모픽 소자 구현을 위해 생체 유래 물질을 적용한 새로운 방법론으로 평가되며, 연구 결과는 세계적인 나노 기술 분야 학술지 ACS Nano(IF: 15.8, JCR 상위 6.0%)에 게재됐다.
논문 제목: Biocompatible Neuromorphic Device Array Based on Naturally Sourced Mucin for Implantable Bioelectronics
Researcher
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Professor KIM HEON JE
연세대학교 공과대학 전기전자공학부
HJK3@YONSEI.AC.KR
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