[뉴스프리존,대전=이기종 기자] 한국과학기술원(KAIST)은 전기및전자공학부 이현주 교수와 이정용 교수, 의과학대학원 이정호 교수 등 공동연구팀이 폴리머 전기방사 기술을 미세 전자 기계 시스템 공정에 접목해 실시간으로 뇌피질 전도 측정이 가능한 투명하고 유연한 미세전극 배열을 개발했다고 15일 밝혔다.

최근 빛의 새로운 활용법과 생체 내 효능에 대한 발견으로 인해 빛을 생체 내의 특정 영역에 조사해 생기는 반응과 효과에 관한 연구들이 주목을 받고 있고 여기에는 광유전학, 광 치료 기술 등이 있다.

광유전학은 기존 신경 자극기술과는 달리 매우 국소적인 부위의 신경 세포를 자극하고 광 치료법은 수면장애와 알츠하이머병의 치료 가능성으로 이 분야에 관한 연구들이 활발히 진행되고 있다.

특히 빛에 의한 생체 내 반응을 측정하는 대표적인 방법으로는 체내에 센서 등을 장착해서 호르몬의 분비과정에서 발생하는 전기생리 신호를 측정하는 방법이다.

이 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.

그러나 일반 금속 박막 전극은 정확한 전기생리 신호를 측정하기가 어렵다.

이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 폴리머 전기방사 기술을 MEMS 공정에 접목해 뇌피질 전도(ECoG, ElectroCorticoGram)측정을 위한 유연하고 투명한 미세전극 어레이를 제작했다.

연구과정을 보면 그동안 미세 전자 기계 시스템 공정(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 공정을 통해 제작되는 미세전극 어레이를 투명화하기 위한 연구를 지속적으로 수행해 왔다.

이 과정에서 폴리머(polymer)는 한 종류 또는 수 종류의 구성단위가 서로에게 많은 수의 화학결합으로 중합돼 연결된 상태의 분자로 구성된 화합물이며 통상적으로 고분자 화합물(분자량이 1만 이상의 화합물)과 같은 의미로 사용되는 경우가 많다.

전기방사 기술은 폴리머(고분자) 용액에 고전압을 인가해 나노파이버(나노섬유)를 생산하는 첨단 기술이다.

미세 전자 기계 시스템은 마이크로 단위의 기계적 구조물과 전자 회로가 결합된 초소형 정밀 기계 제작 기술로 전자(반도체) 기술·기계 기술·광 기술 등을 융합해 마이크로 단위의 작은 부품 및 시스템을 설계·제작하고 응용하는 기술을 의미한다.

이번에 제작한 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.

이어 자체개발한 유연·투명한 미세전극 어레이 성능평가를 위해 외부 변형에 따른 저항 변화와 전기방사 시간에 따른 전기화학 임피던스, 전하 저장 용량 등을 측정한 결과는 전극 자체의 특성을 쉽게 조절이 가능한 점 등 여러 면에서 우수한 성능을 보였다.

이 연구결과에 의하면 미세 전극에서 발생하는 ‘포토일렉트릭 아티팩트’를 비교 분석했는데 10배 이상 감쇄 효과가 있음을 확인했다.

또 쥐 뇌의 다양한 피질 영역에 걸쳐 유연·투명한 미세전극 어레이를 위치시킨 후 광 자극을 통해 발생하는 뇌피질 전도 신호를 측정한 결과는 신호를 정량적으로 비교하고 빛이 원활하게 전달됐다.

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.

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 교수팀의 서지원 박사와 김기업 박사과정, 이정용 교수팀의 서기원 박사과정, 의과학대학원 이정호 교수와 김정욱 박사가 참여한 연구결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 7월 2일 게재됐다.

이 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 선도연구센터 사업 지원으로 수행됐다.