본문 바로가기 주메뉴 바로가기 검색 바로가기
광유전학·광 치료 연구 위한 전극 핵심 기술 개발
상태바
광유전학·광 치료 연구 위한 전극 핵심 기술 개발
KAIST "높은 잡음 감쇄 효과로 광유전학 및 광 치료 연구에 활용될 것"
우리나라 연구팀이 뇌피질 전도 측정에 용이한 전극 핵심 기술을 개발했다. 광유전학 및 광 치료 연구에 큰 도움을 줄 것으로 기대된다.

KAIST 전기및전자공학부 이현주 교수와 이정용 교수, 의과학대학원 이정호 교수 공동연구팀은 폴리머 전기방사 기술을 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 공정에 접목해 실시간으로 뇌피질 전도 측정이 가능한 투명하고 유연한 미세전극 어레이(배열)를 개발했다고 15일 밝혔다. 

이번에 개발된 뇌피질 전도 미세전극 어레이는 기존의 불투명한 금속 전극과 달리 빛에 의해 발생하는 잡음 신호가 매우 작고 자유로운 빛의 전달이 가능하다. 

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

 
뇌피질전도 측정용 유연 투명 미세전극 어레이 모식도(왼쪽)와 개발된 뇌피질전도 측정용 유연 투명 미세전극 어레이. [사진=KAIST]

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

이현주 교수팀은 문제 해결을 위해 MEMS 공정을 통해 제작되는 미세전극 어레이를 투명화하기 위한 연구를 지속적으로 수행해왔는데 최근 폴리머 전기방사 기술을 MEMS 공정에 접목해 뇌피질 전도(ECoG) 측정을 위한 유연하고 투명한 미세전극 어레이를 제작하는데 성공했다.

이 장치는 높은 투과도를 지니고 있어 포토일렉트릭 아티팩트가 매우 약하고 빛의 전달이 매우 용이해 다른 투명 미세전극 어레이보다 전기화학 임피던스가 낮아 뇌피질 전도 측정이 매우 유리하다.

 
(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. [사진=KAIST]
(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. [사진=KAIST]

연구팀은 자체 개발한 유연·투명한 미세전극 어레이 성능평가를 위해 외부 변형에 따른 저항 변화와 전기방사 시간에 따른 전기화학 임피던스, 전하 저장 용량 등을 측정했다. 그 결과 전극 자체의 특성을 쉽게 조절이 가능한 점 등 여러 면에서 우수한 성능을 보였다. 

특히, 미세 전극에서 발생하는 포토일렉트릭 아티팩트는 10배 이상의 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 신기술을 기반으로 광 자극과 함께 정확한 뇌피질 전도를 실시간으로 측정하는 미세전극과 미세광원이 집적된 다기능성 미세전극 어레이 개발을 위한 후속 연구를 진행 중이다. 광원과 전극이 함께 집적된 다기능성 소자 개발에 성공할 경우 광유전학이나 광 치료 등의 연구를 진행하는 뇌과학자들이 편하게 사용하는 뉴로 툴 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'誌 7월 2일 字에 게재됐으며 표지 논문으로 선정됐다.

 
(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. [사진=KAIST]
(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. [사진=KAIST]
 
와이어드 코리아=
이 기사를 공유합니다
RECOMMENDED