▲ 초저가, 초고효율 공정을 통한 광유전학 및 뇌파 진단용 플렉서블 투명전극 개발

빛을 투과시켜 뇌 신경을 자극하면서 신경세포의 반응을 측정할 수 있는 저비용 투명전극이 개발돼 생체삽입형 디바이스 개발의 실마리를 제공했다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 유기준 연세대 교수 연구팀 등이 뇌 신경을 빛으로 자극하고 동시에 뇌에서 나오는 파형을 기록할 수 있는 생체 삽입형 투명전극을 저비용, 고효율로 제작할 수 있는 공정을 개발했다고 15일 밝혔다.

기존에는 투명한 그래핀이나 ITO, 그물이나 다공성 구조의 금속을 생체 삽입형 소자의 전극 소재로 활용했지만, 고온 공정 및 추가적인 필름 위로의 전사 방식으로 인해 공정이 복잡했다.

이에 전극 소재로 구조적 다변성을 지녀 저온에서도 전기 전도성을 제어할 수 있고 스핀 코팅 공정이 가능해 제작이 쉬운 전도성 고분자(PEDOT:PSS)에 대한 관심이 이어졌지만 물에 취약해 패턴 공정에 한계가 있었다.

연구팀은 포토 공정 이후에 박막을 형성하는 리프트-오프 공정 기법을 도입해 전도성 고분자의 특성을 고려한 단층 패턴 공정을 크게 단순화했다. 또한 전도성 고분자 배열을 첨가제에 담가 코일처럼 복잡하게 배열된 전도성 고분자를 선형으로 변환, 전하가 지날 수 있는 통로를 확보해 전도성을 크게 높였다.

이를 통해 제작공정의 단순화와 전도성 향상, 노이즈 없는 투명성도 최대로 확보해 기존 전극으로는 확보할 수 없던 세포의 구조적 활동을 확인, 뇌조직 이미징 가림 현상을 해소했다.

고분자 기반 투명전극을 실제 쥐 뇌 대뇌피질에 삽입, 빛으로 대뇌피질을 자극하는 데 성공했고, 질환 모델 생쥐에 뇌전증 발작을 일으키는 약물을 주입해 뇌 전기생리학적 신호를 정확하게 측정하는 투명전극의 성능을 확인했다.

금속 기반의 기존 전극 투명도 ~30% 대비 이번에 개발한 투명전극의 투명도는 ~87%로, 빛이 금속 표면과 만나 생성되는 전기에너지가 잡음을 발생시켜 정확한 전기생리학적 측정을 어렵게 하는 광전 아티펙트 문제를 해소했다.

연세대 유기준 교수는 “특정 파장의 빛을 신경세포에 전달해 표적 신경세포의 전기적 활성을 개별적으로 조절하려는 광유전학 및 뇌 관련 난치병 질환 분석을 위한 중요한 도구가 될 것으로 기대된다”고 말했다.

한편, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구지원 사업과 나노소재원천기술개발사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스 (Advanced Functional Materials)’에 11월28일 게재됐다.