▲ 연구 개요 및 특징 / 빛을 통해 뇌신경 활동을 조절하는 광유전학과, 뇌에서 나오는 파형을 기록하는 진단 디바이스의 융합에서, 기존 금속기반 생체삽입형 전극은 3가지 문제를 가진다. 1) 빛 투과효율 저하, 2) 광학이미지 블로킹, 3) 광전 왜곡 현상. 이 3가지 문제를 해결함과 동시에 저비용, 고효율 공정으로 투명전극을 생산해 임상의학적 어플리케이션에 적용 가능한 디바이스 개발의 이 연구의 핵심이다.(그림설명 및 그림제공 : 연세대학교 유기준 교수, 조영욱 연구원)  © 특허뉴스

빛을 투과시켜 뇌 신경을 자극하면서 그에 대한 신경세포의 반응을 측정할 수 있는 전도성 고분자 기반 투명전극이 소개되었다. 기존의 불투명한 전극을 사용하게 되면 특정 위치로 정확한 세기를 가지는 빛 자극을 전달하는 것이 불가능하여 완전 투명한 전극이 필요하다.

한국연구재단은 연세대학교 유기준 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 금속(금)을 생체 삽입형 소자의 전극 소재로 활용하였지만, 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 이어졌다. 하지만 물에 취약해 패턴 공정에 한계가 있었다.

이에 연구팀은 기존 패턴 공정 중 포토 공정 이후에 박막을 형성하는 리프트-오프 공정 기법을 도입하여 전도성 고분자의 특성을 고려한 단층 패턴 공정을 크게 단순화했다.

또한 이렇게 만들어진 전도성 고분자 배열을 단순히 첨가제 (EG)에 담그는 방식으로 코일처럼 복잡하게 배열된 전도성 고분자를 선형으로 변환, 전하가 지날 수 있는 통로를 확보하여 전도성을 크게 높였다.

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

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

개발한 투명전극의 투명도는 ~87%로 금속을 기반으로 하는 기존 전극의 투명도 ~30%에 대비 큰 차이를 보여준다. 이러한 투명도는 빛이 금속의 표면과 만남으로 인해 생성되는 전기에너지가 잡음을 발생시켜 정확한 전기생리학적 측정을 어렵게 하는 ‘광전 아티펙트’ 문제를 해소했다.

특정 파장의 빛을 신경세포에 전달하여, 표적 신경세포의 전기적 활성을 개별적으로 조절하려는 광유전학(Optogenetics)의 진보를 위한 중요한 도구가 될 것으로 기대된다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)’에 11월 28일 게재되었다.