친환경 생체적합형 메모리 소자 제작 기술 확보, 인체친화형 메모리 소자 개발에 성큼
국내 연구진이 게 껍질에서 추출한 키토산*으로 메모리 소자를 만들 수 있는 기술을 개발했다. 친환경적이고 생체적합성이 높은 물질을 이용함으로써 향후 인체친화형 전자기기*의 메모리 소자로 응용할 수 있을 것으로 기대된다.
* 키토산 : 게나 새우 껍질의 주성분인 키틴을 탈아세틸화(deacetylation) 시켜서 만들어지는 물질. 생체적합(biocompatible)하고, 자연분해(biodegradable) 되는 물질.
** 인체친화형 전자기기 : 사람의 몸에 직접 닿거나 신체 내부에서도 사용가능한 전자기기. 인체에 무해하거나 적합한 특성을 가지는 소재로 전자기기가 만들어져야 한다.
포스텍 신소재공학과 이장식 교수(교신저자) 주도로 니루파 라이스 호세이니 대학원생(제1저자)이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구)의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 나노과학 분야 국제학술지 에이씨에스 나노(ACS Nano)지 온라인판 12월 16일자에 게재되었다.
(논문제목 : Resistive Switching Memory Based on Bioinspired Natural Solid Polymer Electrolytes)
연구팀은 게나 새우 같은 갑각류의 껍질에서 추출한 키토산을 기반으로 한 생체 친화적인 메모리 소자를 개발하였다. 실크나 젤라틴 같은 생체 친화적인 소재를 이용한 소자가 구현된 적은 있지만 게 껍질을 이용한 소자는 이번이 처음이다.
기존 실리콘 소자와 달리 피부에 직접 부착하거나 삽입할 수 있는 생체적합성 있는 소재로 만들어져 차세대 캡슐형 내시경, 인공근육, 인공장기, 패치형 전자소자와 같은 의료공학적 응용의 실마리가 될 것으로 주목받고 있다.
백금과 은을 전극으로 사용하는 메모리 소자에서 키토산은 전압에 따라 저항이 바뀌는 저항변화물질로 사용됐다. 인위적인 저항상태 변화로 정보를 쓰고 지우는 메모리 기능을 갖게 되는 것이다.
만들어진 키토산 기반 소자는 정보저장능력과 내구성 측면에서도 실제 메모리 소자에서 필요로 하는 성능을 만족시키는 것으로 나타났다.
특히 해산물 처리과정에서 나오는 부산물을 사용하기 때문에 제조단가 측면에서도 유리하다는 설명이다.
한편 연구팀은 휠 수 있는 플렉서블 기판 위에서 키토산 소자를 제작할 수 있는 가능성을 확인하였다.
이 교수는 “안전하고 친환경적인 소재로 된 메모리 소자를 만들겠다는 목표로 연구를 시작하여 게 껍질에서 추출한 키토산을 기반으로 하는 생체적합 메모리 소자를 개발한 것”이라고 밝혔다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
향후 스마트 전자기기는 플렉서블 전자기기에서 한층 더 발전하여 입을 수 있는 전자기기로 발전할 것으로 예상된다. 또한 의학적으로 인체에 직접 사용가능한, 또는 생체 이식이 가능한 형태의 전자기기의 수요도 엄청나게 클 것으로 예상된다.
이러한 인체친화형 전자기기의 개발을 위해서는 현재 사용되고 있는 소재에서 생체적합한 소재로 이루어진 전자기기의 개발이 반드시 이루어져야 한다. 또한 생체적합한 소재로 만들어진 메모리 소자가 실제로 적용되기 위해서는 쉽게 휠 수 있는 플라스틱 기판에서도 동작이 가능해야 하며, 메모리 소자 특성 평가를 통해 우수한 메모리 특성을 보여주는 지에 대한 확인이 필요하다.
2. 연구내용
본 연구에서는 친환경적이고, 생체적합한(biocompatible) 메모리 소자 제작을 위해 키토산(chitosan)을 이용하였다. 키토산은 게, 새우 등 갑각류 껍질의 주성분인 키틴(chitin)을 탈아세틸화(deacetylation) 시켜 만들어지는 물질이다. 이 키토산을 메모리 소자의 주 구성요소로 이용하였다.
본 연구에서는 차세대 메모리 소자로 주목받고 있는 저항변화메모리 소자를 키토산으로 구현하였다. 메모리 소자는 백금(Pt)/키토산/은(Ag) 구조로 되어 있으며, 백금은 하부전극, 은은 상부전극, 키토산은 저항변화물질로 사용되었다. 저항변화메모리 소자는 가해준 전압에 따라 소자의 저항이 바뀌는 것을 이용하는 메모리 소자로, 높은 저항 상태와 낮은 저항 상태를 인위적으로 바꾸어줄 수 있다.
키토산을 이용한 저항변화메모리 소자의 동작 특성을 평가한 결과 낮은 동작 전압, 높은 온/오프비(比)(on/off ratio), 우수한 정보저장능력 및 반복적으로 메모리를 쓰고, 지우더라도 특성을 유지하는 능력을 보여 주었다. 또한 쉽게 휠 수 있는 플렉서블 기판을 이용하여 메모리 소자 제작이 가능함을 확인하였으며, 멀티레벨로 동작 가능함 또한 확인하였다. 이러한 메모리 특성들은 현재 사용되고 있는 실리콘 기반 메모리의 동작 특성과 유사한 특성으로 키토산 기반 메모리 소자가 친환경, 생체적합할 뿐만 아니라 메모리 소자로서도 우수함을 보여준다.
3. 기대효과
본 연구에서는 게 껍질에서 추출한 키토산으로 우수한 동작 특성을 보여주는 저항변화메모리 소자를 제작하였다. 기존 부산물로 처리되는 게 껍질을 주 성분으로 이용하기 때문에 아주 값싼 메모리 소자 제작이 가능하다.
또한 키토산은 생체적합하고, 자연분해되는 물질이기 때문에 친환경적이고, 인체에 직접 사용 가능한 메모리 소자 제작이 가능할 것이다. 이를 통해 최종적으로 인체에 직접 부착하거나, 체내에 삽입하여 사용하는 형태의 전자기기의 주 메모리 소자로 이용 가능할 것으로 기대된다.
연 구 결 과 문 답
이번 성과 뭐가 다른가
이번에 개발한 메모리 소자는 생체적합한 소재로 향후 피부에 직접 부착하거나, 인체에 삽입할 수 있는 메모리 소자를 만드는 기반 기술이 된다.
어디에 쓸 수 있나
차세대 인간친화형 전자기기의 주 메모리 소자로 이용 가능할 것이다.
실용화까지 필요한 시간은
모든 구성 요소를 생체적합형 재료로 만드는 기술이 개발된다면 수년 내에 생체적합 메모리 소자의 실용화가 가능할 것으로 예상된다.
실용화를 위한 과제는
소자의 집적도를 높이는 연구와 메모리 특성의 최적화 과정이 필요하다.
연구를 시작한 계기는
다른 연구 분야에서는 친환경, 생체적합성 등이 주제로 많이 다루어지고 있으나, 메모리 소자 분야에서는 아직 이런 연구가 진행되고 있지 않다. 먹을 수 있을 만큼 안전한, 그리고 친환경적 소재로 된 메모리 소자를 만들고 싶었다.
에피소드가 있다면
생체적합한 바이오 물질들은 정말 많기 때문에 처음에 어떤 물질로 연구를 시작할지 많은 고민을 하였다.
꼭 이루고 싶은 목표는
최종적으로 먹어도 안전한 메모리 소자를 연구실에서 개발하고 싶다.
신진연구자를 위한 한마디
기존 연구에서 사용되던 물질을 자연에서 한 번 찾아본다면 새로운 연구 분야를 개척할 수 있을 것 같다.
