KAIST, 광유전학·광 치료 연구를 위한 유연하고 투명한 전극 핵심 기술개발

높은 잡음 감쇄 효과로 인해 광유전학 및 광 치료 연구에 활용될 것으로 기대

국제 학술지 ‘Advanced Functional Materials’ 표지논문으로 선정

(왼쪽부터) 서기원 박사과정, 이정용 교수, 이현주 교수, 김기업 박사과정

현대 사회에 접어들면서 치매, 간질, 수면장애, 우울증 등 뇌 관련 질환들의 문제가 심각해지고 있다. 뇌 관련 질환들의 기작을 밝히고 치료법을 개발하기 위해 고려되는 광유전학 및 광치료 기술과 전기 생리 신호 측정 기술은 뇌의 심부 영역까지 원하는 영역에 정확히 빛을 전달하고, 신호를 측정할 수 있어 연구가 활발히 진행되고 있다.

일반적으로 전기 생리 신호 측정은 생체 내에서도 안정적인 금, 백금 등의 금속 전극을 활용하여 측정이 진행되는데, 기존의 금속 전극은 빛이 조사될 경우 빛과 반응해 `포토일렉트릭 아티팩트'라는 잡음 신호를 발생시키고 높은 반사도와 낮은 투과도로 인해 빛의 전달을 방해한다는 단점이 있었다.

KAIST(한국과학기술원) 전기 및 전자공학부 이현주 교수와 이정용 교수, 의과학대학원 이정호 교수 공동연구팀은 투명 미세전극을 제작하여 빛에 의한 잡음 신호를 줄이고 자유로운 빛 전달이 가능한 시스템을 고안해 냈다.

(a) 뇌피질전도 측정용 유연 투명 미세전극 어레이 모식도 (b) 개발된 뇌피질전도 측정용 유연 투명 미세전극 어레이

폴리머 전기방사 기술을 미세 전자 기계 시스템(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 공정에 접목해 실시간으로 뇌피질 전도 측정이 가능한 투명하고 유연한 미세전극 어레이(배열)를 개발했다.

최근 빛의 새로운 활용법과 생체 내 효능에 대한 발견으로 인해 빛을 생체 내의 특정 영역에 조사해 생기는 반응과 효과에 관한 연구들이 주목을 받고 있다. 대표적인 예가 광유전학, 광 치료 기술 등이다. 광유전학은 기존 신경 자극기술과는 달리 매우 국소적인 부위의 신경 세포를 자극하고, 광 치료법은 수면장애와 알츠하이머병의 치료 가능성으로 이 분야에 관한 연구들이 활발히 진행되고 있다.

빛에 의한 생체 내 반응을 측정하는 대표적인 방법으로는 체내에 센서 등을 장착해서 호르몬의 분비과정에서 발생하는 전기생리 신호를 측정하는 방법이다. 통상적으로 전기생리 신호 측정을 위해 사용하는 일반적인 금속 박막 전극은 높은 반사도와 낮은 투과도 때문에 빛의 전달을 방해할 뿐만 아니라 빛을 쬘 때 베크렐 효과(금속 전극이 빛을 받으면 전극에 전위차가 생겨 전류가 흐르는 현상)에 의해 `포토일렉트릭 아티팩트'라는 잡음 신호가 발생한다. 따라서 일반 금속 박막 전극은 정확한 전기생리 신호를 측정하기가 어렵다.

(a) 외부 변형에 따른 저항 변화 비교 (b) 전기방사 시간에 따른 전기화학 임피던스 변화 비교 (c) 광자극에 의한 잡음 신호 크기 비교 (d) 광자극 세기에 따른 잡음 신호 크기 비교

(a) 광자극을 박막 전극(좌), 나노 네트워크 전극(우) 부분에 가했을 때의 신호 변화 (b) 광자극을 박막 전극(좌)과 나노 네트워크 전극(우) 사이에 가했을 때의 신호 변화

이현주 교수팀은 그간 이런 문제해결을 위해 MEMS 공정을 통해 제작되는 미세전극 어레이를 투명화하기 위한 연구를 지속적으로 수행해왔는데 최근 폴리머 전기방사 기술을 MEMS 공정에 접목해 뇌피질 전도(ECoG, ElectroCorticoGram)측정을 위한 유연하고 투명한 미세전극 어레이를 제작하는데 성공했다. 이 장치는 높은 투과도를 지니고 있어 `포토일렉트릭 아티팩트'가 매우 약하고 또 빛의 전달이 매우 용이하기 때문에 다른 투명 미세전극 어레이와 비교해 보면 전기화학 임피던스가 낮아 뇌피질 전도 측정이 매우 유리하다.

연구팀은 자체개발한 유연·투명한 미세전극 어레이 성능평가를 위해 외부 변형에 따른 저항 변화와 전기방사 시간에 따른 전기화학 임피던스, 전하 저장 용량 등을 측정한 결과, 전극 자체의 특성을 쉽게 조절이 가능한 점 등 여러 면에서 우수한 성능을 보였다고 설명했다. 연구팀은 특히 미세 전극에서 발생하는 `포토일렉트릭 아티팩트'를 비교 분석했는데 10배 이상 감쇄 효과가 있음을 확인했다. 이와 함께 쥐 뇌의 다양한 피질 영역에 걸쳐 유연·투명한 미세전극 어레이를 위치시킨 후 광 자극을 통해 발생하는 뇌피질 전도 신호를 측정한 결과, 신호를 정량적으로 비교하고 빛이 원활하게 전달되는 현상을 관측하는데 성공했다.

연구팀은 현재 이 신기술을 기반으로 광 자극과 함께 정확한 뇌피질 전도를 실시간으로 측정할 수 있는 미세전극과 미세광원이 집적된 다기능성 미세전극 어레이 개발을 위한 후속연구를 진행 중이다. 광원과 전극이 함께 집적된 다기능성 소자 개발에 성공할 경우 광유전학이나 광 치료 등의 연구를 진행하는 뇌과학자들이 편하게 사용할 수 있는 뉴로 툴(Tool) 개발로 이어질 것으로 전문가들은 예상하고 있다.

이현주 교수는 "기존에는 광전 효과로 인해 불가피하게 발생하는 잡음 신호로 인해서 광 자극과 동시에 뇌피질 전도 측정이 불가능했지만 유연하고 투명한 미세전극 개발을 계기로 광 자극과는 무관하게 실시간으로 뇌피질 전도 측정이 가능하게 됐다”고 말했다.

이현주 교수 연구팀의 서지원 박사와 김기업 박사과정생, 그리고 이정용 교수 연구팀의 서기원 박사과정생이 각각 주도하고 의과학대학원 이정호 교수와 김정욱 박사가 참여한 이번 연구결과는 국제 학술지 `어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'誌 7월 2일 字에 게재됐으며 표지논문(Front Cover)으로 선정됐다. (논문명: Artifact-Free 2D Mapping of Neural Activity In Vivo through Transparent Gold Nanonetwork Array)

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 선도연구센터 사업의 지원으로 수행됐다.

KAIST 홍보실 제공