이번 연구실 탐방은 전자전기공학부 손동희 교수의 신축성 자가치유 바이오 전자소자 연구실을 취재했다. 신축성 자가치유 바이오 전자소자 연구실은 난치성 신경질환 극복을 위한 최적의 치료시스템 개발을 목표로 전자-신소재-바이오-의료-기계공학의 융합연구를 수행하고 있다. 신축성 원천소재 및 전자소자를 개발하고, 이를 응용한 피부착용형 전자시스템과 생체이식형 전자시스템을 개발하고 있는 손동희 교수의 연구실에 대해 알아보자.

◈ 연구실 소개 부탁드립니다.

전자전기공학부 손동희 교수 연구팀(신축성 자가치유 바이오 전자소자 연구실)에서는 피부처럼 부드럽게 늘어나며, 스스로 상처를 회복할 수 있는 다양한 유기/무기 복합나노/마이크로소재를 기반으로 착용형 전자피부시스템(Wearable Skin Electronics)과 생체이식형 전자시스템(Implantable Bioelectronics)을 연구하고 있습니다. 주로 착용형 전자피부전자시스템 연구에서는 피부에서 나오는 생체신호를 감지하는 각종 센서(심전도, 근전도 등), 차세대 비휘발성 메모리 (Nonvolatile memory), 유기 전계효과 트랜지스터(OFET), 유기 전기화학 트랜지스터(OECT), 인공 시냅스 소자 (Artificial synapse) 및 뉴로모픽 (Neuromorphic) 시스템, 아날로그-디지털 회로 등 다양한 전자소자 및 집적시스템을 개발하고 있습니다. 이와 함께 생체이식형 전자시스템 연구로는 폐-루프형(Closed-loop) 신경모니터링 및 전자약 시스템 개발, 중추 및 말초 신경 인터페이스 기반 신경-전자연결 및 신경보철 시스템 개발, 심장질환 박동조율기 연구 등을 진행하고 있습니다. 

이러한 전자-신소재-바이오-의료-기계공학 간 융합연구를 수행하여, 다양한 난치성 신경질환 극복을 위한 정밀 진단 및 최적의 치료시스템을 개발하는 것이 본 연구실의 궁극적인 목표입니다. 이러한 연구 결과들이 우리 사회에 질적 향상을 가져오는 귀중하고 의미 있는 디딤돌이 되기를 기대합니다.

◈ 연구실의 대표적인 연구 활동들을 소개해주세요.

- 신축성, 자가치유 특성, 생체적합성, 생분해성을 갖는 원천 소재의 개발

저희 연구실은 자가치유나 신축성 등의 기능성을 가진 고분자 소재를 기반으로 난치성 질병들을 정밀 진단 및 치료하기 위한 차세대 전자피부 및 생체이식형 시스템 개발을 진행 중입니다. 기존 상용화된 생체소자는 높은 기계적 물성과 신축성의 결여로 체내 삽입 혹은 부착 시, 생체조직 간 기계적 물성차이에 의한 염증, 상처가 발생하거나 조직섬유화가 진행되어 장기간 안정적인 생체 신호 측정이 어렵습니다. 체내 삽입된 소자가 오랜 사용에 의해 마모되거나 절단되게 되면, 추가 시술을 통해 제거해야 하는 번거로움이 존재합니다. 이러한 기존 생체소자의 문제를 개선 및 극복하기 위하여 저희 연구실에서는 생체적합한 신축성 자가치유 특성을 지닌 고분자를 개발하였으며, 본 소재를 기판 및 생분해성 금속, 액체 금속, 혹은 생체적합한 전도성 고분자와 중합시킨 전극으로 응용하여, 기존 상용화된 생체소자대비 높은 생체적합성과 생체신호를 계측할 수 있는 소자 개발 연구를 진행 중입니다.

- 부드러운 신축성 자가치유 소재 기반의 피부착용형 전자시스템 개발

기존 전자시스템의 여러 한계점을 극복하고자 저희 연구실은 부드럽고 신축성 및 자가치유 특성을 가지는 유기소재를 이용해 센서, 전계효과 트랜지스터, 전기화학 트랜지스터, 저항성 랜덤 액세스 메모리, 인공 시냅스 및 액티브 매트릭스형 소자 등 전자 소자들을 개발하는 연구를 진행 중입니다. 이러한 전자소자를 회로 기반의 전자시스템으로 집적시켜 구현한다면, 다양한 피부로부터 발생하는 여러 생체신호를 계측하고 증폭함과 동시에 인공 신경망 같은 기계학습 시스템과 연동하여 차세대 지능형 신축성 자가치유 인공전자피부 시스템을 구현하는 데 중요한 초석이 될 것으로 예상됩니다.

- 부드러운 신축성 자가치유 소재 기반의 생체이식형 전자시스템 개발

저희 연구실에서는 동물에 삽입해 특성 생체조직에서 발생하는 생체신호를 수집해 질병을 진단하고, 동시에 전기 자극함으로써 질병 치료 연구로도 사용이 가능한 생체이식형 신경신호 자극 및 계측시스템을 개발하는 연구를 진행 중입니다. 특히, 단단한 물성을 갖는 전극 기반의 기존 생체삽입형 인터페이스용 소자의 단점을 극복하고자 저희는 자체 개발한 신축성 및 자가치유성 원천소재를 기반으로 생체조직과 유사한 물성을 가지며, 섬유화 등 면역반응을 억제하여 보다 장기간 생체적합한 신경 인터페이스를 개발하였고, 이를 이용해 생체신호를 안정적으로 계측하여 뇌-척수-말초신경-피부 간의 상호작용을 밝히고, 질병의 원인 및 치료 방법을 찾고자 하는 연구를 진행하고 있습니다. 

이러한 신경질환 관련 연구 외에도, 저희 연구실은 현재 약물 혹은 수술적 치료법이 부재한 난치성 중추신경계 질환 치료를 위한 전자약 연구와 환자의 치료 경과를 지속적으로 확인하고 피드백을 통해 부작용을 최소화하는 폐-회로(Closed-loop) 피드백 진단시스템 연구 등을 진행하고 있습니다. 또한 기존 전극 소자 대비 진보된 신경 계측소자로서 낮은 구동 전압의 전기화학 소자 및 이를 기반으로 한 증폭회로 시스템 개발 연구를 병행하고 있습니다. 이렇게 구현된 생체이식형 전자시스템에 추후 심층신경망(DNN) 및 고도화된 폐-회로 피드백 시스템을 구축해, 궁극적으로는 차세대 로봇-신경 인터페이스 기술, 난치성 질환들의 진단 치료 및 장애 극복에 기여하는 것이 저희 연구실의 중요한 목표 중 하나입니다.

◈ 하나의 연구를 진행하는 과정은 어떻게 되나요?

저희 연구실은 신축성 원천소재 및 전자소자를 개발하고, 이를 응용한 피부착용형 전자시스템과 생체이식형 전자시스템을 연구하고 있습니다. 이러한 주제는 다양한 전공이 융합된 주제이기 때문에, 여러 가지 다양한 기능성을 가진 무기/유기 소재에 대해 이해하는 것으로부터 연구를 시작하게 됩니다. 이러한 기본적 소재 특성과 함께 이들에 신축성 및 자가치유 특성을 부여하기 위해 최근 연구방법들에 대해 공부합니다. 논문을 읽고 소통하는 세미나 시간을 통해 이러한 신축성 자가치유 소재를 기반으로 제시된 궁극적 소자 및 시스템의 예시 및 구현된 기능들을 다양하게 살펴보며 ‘어떤 소재가 가진 하나의 특성이 어떠한 형태의 소자 혹은 시스템으로 구현될 때 가장 학문적인 기여 및 의미가 큰지’에 대해 상관관계를 파악하며 지식적으로도 성장하고, 이와 함께 다양한 기초실험을 배우며 실험적으로도 성장하는 시간을 갖습니다. 이와 함께 연구실 내 다양한 전공을 가진 학생들과 충분한 논의를 통해 자신만의 논리를 세우고 이를 토대로 연구주제 및 방향을 정하게 됩니다. 이렇게 연구의 방향이 정해지면 핵심적인 키워드를 정리해 적합한 소재 및 소자 디바이스 제작방법, 그리고 이로부터 구현된 소자의 특성을 설계하고 이로부터 가장 적합한 피부착용형 시스템 혹은 생체이식형 시스템 어플리케이션을 정하여 자신만의 논리를 더욱 구체화합니다. 그 후 이러한 논리를 증명하고자 적절한 실험계획을 세우고 실험을 진행하며, 얻어진 데이터를 논리적 추론 과정에 맞게 구성하고 이를 토대로 확정된 사실과 논리적 주장을 적절히 구성해 본 연구의 마무리로써 하나의 논문을 완성합니다.

◈ 연구실 자랑 부탁드립니다.

저희 연구실에는 전자공학, 바이오메카트로닉스공학, 화학, 화학공학, 바이오소재과학, 신소재공학, 의공학, 기계공학 등 다양한 전공을 가진 학생들이 있습니다. 전공은 다르지만 모두 연구에 대한 열정이 강하고 활발한 토론을 좋아하기 때문에 이들의 다양한 관점과 접근방법을 들으며 자신의 전공만으로 보였던 연구의 시각이 확장되는 것을 느낄 수 있습니다. 소재 합성에 필요한 대부분의 장비를 갖추고 있으며 실제 소자를 제작하고 실험 및 분석할 수 있는 공정장비와 시스템을 갖추고 있습니다. 저희 연구실은 다른 여러 분야의 연구실과 긴밀한 관계로 책임감 있는 협업을 통해 높은 수준의 연구와 논문을 지향하며, 이에 맞는 실력과 열정을 겸비한 학생들의 수평적인 관계로 연구를 보다 흥미롭고 재미있게 배워 나갈 수 있습니다. 마지막으로 탄력적인 출퇴근 시간으로 개개인의 연구 및 실험 계획과 컨디션에 맞춰 주체적으로 시간을 활용할 수 있는 연구실입니다. 

◈ 연구실에 들어가려면 어떤 자격, 능력이 필요할까요? 어떤 학생이 연구실에 오면 좋을까요?

신축성 자가치유 바이오 전자소자의 연구는 다양한 전공 분야가 융합되어 있습니다. 생체재료를 연구하기 위해서는 재료의 기계적 물성, 화학적 구조에 대한 재료 공학적 이해가 필요합니다. 바이오 전자 소자 연구는 초미세 공정 기술과 반도체성/전도성 나노물질의 거동에 대한 이해가 요구됩니다. 바이오 집적 전자 시스템의 구축을 위해서는 전자회로 및 시스템 설계 능력과 생체에 대한 의료 공학적 지식을 갖추어야 합니다. 많은 분야에 대한 능력이 필요하다 보니 다양한 분야에 대한 폭넓은 이해와 새로운 분야를 적극적으로 배우려는 학생이 연구실에 적합할 것 같습니다. 특히 우리 연구실에서 가장 중요하게 생각하는 점은 교수님을 비롯한 다른 학생들과의 소통입니다. 다양한 전공자가 모여 연구하다 보니 서로 간의 의사소통이 연구 과정에 있어 중요합니다. 따라서 연구에 대한 열의를 가지고 적극적인 자세로 소통할 수 있어야 합니다.

◈ 연구원을 꿈꾸는 학생들에게 한마디 부탁드립니다.

학부 전공 수업을 수강할 때 성적을 잘 받기 위한 목적으로 공부하는 경향이 있지만, 연구원을 꿈꾸는 학생이라면 지식에 대한 본질적인 호기심과 동기부여를 가지고 배움에 임하는 것이 중요합니다. 전공 지식뿐 아니라 학생 개개인의 지적 호기심에 맞춰 다양한 학과 분야의 강의를 수강 및 청강해보고 폭넓은 분야에 대하여 적극적인 배움의 습관을 기르셨으면 좋겠습니다. 혼자서 프로젝트를 리딩하는 것도 좋지만, 다른 분야의 연구실과의 협업을 통해 더 수준 높은 연구를 하기 위해서는 자신의 생각을 논리적으로 정리하고 전달하는 것뿐 아니라 양방향 소통이 중요합니다. 따라서, 여러 사람과 함께하는 프로젝트성 목표를 계획하고 수행해보는 경험을 해보는 것도 추천해 드립니다. 마지막으로, 연구를 진행하다 보면 계획대로 흘러가지 않는 경우도 있으며 예상치 못한 문제가 발생하기도 합니다. 이때, 자신만의 확고한 중심으로 슬럼프를 해소하여 연구를 끝까지 마무리할 수 있는 역량을 키우는 것이 중요하며 자신만의 연구 분야를 리딩하기 위한 끊임없는 공부 습관도 필요하다고 생각합니다.

연구실 주소: https://sites.google.com/view/dsonlab