DGIST 대구경북과학기술원

DGIST 강홍기 교수팀, 고분자 전해질 코팅법이 적용된 초박막 금 전극 소재 제작을 통해 투명·플렉서블 뇌신경 전극 개발

디스플레이 반도체 공정을 이용한 대량 생산이 가능해...다양한 광-전자 하이브리드 뇌-기계

인터페이스 기술로 획기적 기여 예상돼

 

[DGIST 정보통신융합전공 강홍기 교수(뒤), 홍웅기 석사졸업생(앞)]

 

 DGIST(총장 국양) 정보통신융합전공 강홍기 교수팀이 효율적인 뇌신경 신호 측정을 위한 새로운 박막형 뇌신경 전극 소자를 개발했다. 개발된 소자는 투명한 특성을 지녀, 현재 각광받는 광학 관련 뇌공학 기술과 혼용이 가능할 뿐만 아니라, 유연한 특성을 활용한 다양한 곡면구조 적용도 가능해, 향후 최신 뇌-기계 인터페이스 기술 개발 및 응용에 획기적으로 기여할 것으로 기대된다.

 최근 뇌공학 기술은 기존에 활용되던 전기적 뇌신호 측정 및 자극 기술에서 광유전학처럼 빛을 이용해 뇌신호 측정 및 자극이 가능한 광-전자 하이브리드 기술로 발전 중으로, 향후 뇌의 전기적 신호를 읽고, 빛을 이용한 뇌신경 회로 조절 및 뇌질환 치료 인터페이스 기술 개발에 큰 영향을 주고 있다. 하지만 이러한 개발에 필요한 투명하면서도 유연한 신경 전극 소재 개발은 제작 공정 방법이 복잡해, 소재 측면의 한계가 큰 문제로 지적돼 왔다.

 이러한 문제점을 극복하고자, DGIST 강홍기 교수팀은 10㎚(나노미터) 미만의 아주 얇은 두께의 초박막 금으로 만든 전극을 활용해 투명하면서도 매우 유연한 뇌신경 전극 구조를 개발하는데 성공했다. 기존 제작 방식을 그대로 활용해 대량생산에도 큰 무리가 없게끔 개발된 전극은 최대 77%의 높은 투과도와 5Ω/sq(옴스퀘어) 미만의 우수한 전도도를 가질 뿐만 아니라, 1mm의 곡률로 휘어질 정도로 유연한 특성을 지닌다.

 또한 강홍기 교수팀은 개발한 전극의 전기화학적 특성과 투명한 특성이 세포 이미징 관련 연구 및 개발에 있어 기존 전극 대비 여러 측면에서 그 우수성을 확인했다. 이는 향후 뇌-기계 인터페이스 기술을 통해 뇌신경의 전기적 신호에 대한 연구를 통해 신경 보철 동작, 뇌질환 치료 등 뇌 관련 분야에서 다양하게 쓰일 수 있을 것으로 기대된다.

 DGIST 정보통신융합전공 강홍기 교수는 “이번 연구를 통해 개발한 투명하면서도 유연한 초박막 금속 신경 전극 개발 기술은 광-전자 하이브리드 뇌-기계 인터페이스의 새로운 핵심 기술이다”며 “새로운 형태의 뇌-기계 인터페이스 기술 적용 및 투명한 바이오 센서, 웨어러블 기기 등의 새로운 개념의 바이오전자 소자 실용화에 활용 될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

 본 연구는 DGIST 일반사업에 의해 수행됐으며, 제1저자인 정보통신융합전공 홍웅기 석사과정생의 주도로, 스웨덴 명문대학인 웁살라 대학교(Uppsala University) 임상신경생리학 전문가인 신경과학과 안나 로스테트 푼가(Anna Rostedt Punga) 교수팀과 국제 공동 연구로 진행됐다. 이번 연구 성과는 관련 분야 국제학술지인 ‘Advanced Functional Materials’에
11월 21일(화) 온라인 게재됐다.

 

 

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연구결과개요

Ultrathin Gold Microelectrode Array using Polyelectrolyte Multilayers for Flexible and Transparent Electro-Optical Neural Interfaces

Woongki Hong, Jee Woong Lee, Duhee Kim, Yujin Hwang, Junhee Lee, Junil Kim, Nari Hong, Hyuk-Jun Kwon, Jae Eun Jang, Anna Rostedt Punga, and Hongki Kang

(Advanced Functional Materials, on-line published on November 21st, 2021)

 

신경 전극은 뇌신경 신호를 측정하기 위한 뇌-기계 인터페이스 기술의 필수 요소로 장기간 뇌신호 측정을 위해 유연한 소재를 기반으로 한 박막형 전극 어레이 기술이 활발히 개발되고 있다. 특히 최근 광유전학, 광열자극 등의 빛을 이용한 신경 자극 기술의 활발한 개발과 함께, 빛의 영향을 받지 않으면서 뇌신경 신호를 측정 가능한, 투명·유연한 신경 전극 소재 개발이 활발히 진행 중이다. 하지만 최근 개발된 전극 소재들은 투명성 증대를 위해 새로운 다공성 나노 구조를 제작해야 하는 점에서 복잡성이 증가하고, 그로 인해 범용성이 높은 반도체 미세 공정 등의 활용이 제한되는 한계를 가지고 있다. 또한 새로운 투명 신경 전극 소재들은 전기화학적 저항이 높아 고해상도 신호 측정을 위한 전극 소형화의 한계를 가지고 있었다.

본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 10나노미터 미만의 아주 얇은 두께의 초박막 금 미세 전극을 활용하는 구조를 개발하였다. 이와 같은 초박막 전극은 일반적으로 불투명한 금 소재 임에도, 투명성을 확보할 수 있다는 장점을 가지며, 기존의 투명 전극에 비해 훨씬 우수한 접힘 안정성을 보였다. 전도성이 향상된 초박막 금 전극 형성을 위해 제작 기판의 표면을 간단한 고분자전해질 코팅법으로 개선하는 공정을 최적화 하였으며, 기존 반도체 미세 공정에 적용이 가능한 간단성과 범용성을 갖춘 공정임을 증명하였다. 또한 사용된 고분자전해질의 독특한 전기화학적 특성으로 기존 투명 전극 대비 낮은 전기화학적 저항을 보여 더욱 정밀한 뇌신경 신호 측정에 우수성을 갖는 점을 확인하였다. 최종적인 전극 재료의 세포친화성 검증과 전극 투명성을 활용한 세포 이미징 등 다양한 뇌공학 기술에 적용될 수 있음을 확인하였다. 본 기술은 향후 다양한 뇌-기계 인터페이스에서의 신호 측정 전극으로 활용될 뿐만 아니라, 우수한 물리적·전기화학적 특성을 활용하여 다양한 바이오센서용 전극으로도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

 

 

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

간단한 미세 공정 기술을 개발하여 투명하며 플렉서블한 (유연한) 금 신경 전극을 개발하였다. 최근 활용되는 다양한 뇌공학 기술을 접목하기 위해 투명하며 휘어지는 전극 개발이 활발히 진행되고 있다. 하지만 최근 개발된 전극 소재는 나노 크기의 구멍을 만들어내어 투명성을 확보하는 방법으로 높은 복잡성의 공정법이 요구되어, 기존의 반도체 미세 공정 기술과의 호환성이 떨어진다. 본 연구에서 개발한 간단한 미세 공정법은 투명할 정도로 얇은 초박막 금 전극을 제작하면서도 전기전도성과 물리적 유연성을 확보하는 미세 전극 제작이 가능케 하였다. 또한 신경 전극의 주요 특성 중 하나인 전기화학적 특성 역시 개선되는 것을 확인하여, 기존 투명 전극 대비 높은 범용성과 우수한 전극 특성이 가능함을 증명하였다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

투명·유연한 미세 전극은 뇌-기계 인터페이스의 뇌신경 신호 측정에 필수적인 요소로, 본 연구를 통해 검증된 생체 친화성을 바탕으로 다양한 뇌신호 측정에 활용될 수 있다. 특히 우수한 투명성을 활용하여 전기적 신호 측정과 동시에 광학적 신호 측정 및 광유전학과 같은 광학적 신경 조절 기술과 동시에 활용이 가능하여 복합적 뇌-기계 인터페이스 기술로 적용이 가능하다. 또한 범용성이 높은 투명·유연 전극의 특성상 다양한 바이오 센서 및 눈에 보이지 않는 웨어러블 전자 소자 등으로 적용될 수 있는 원천 기술이다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

본 연구를 통해 선보인 기술은 기존 반도체 및 디스플레이 미세 공정에 바로 적용이 가능한 제조 기술로, 범용성이 높은 기술이다. 하지만 주요 응용 분야가 현재 원천 연구가 활발히 진행되는 뇌-기계 인터페이스 연구 분야인 만큼 신뢰성의 향상과 안정성 확보를 위해 추가 연구를 통한 다각도의 검증이 필요하다. 최근 빠른 성장세를 보이고 있는 Elon Musk CEO의 Neuralink 같은 실리콘밸리 뇌-기계 인터페이스 스타트업의 행보와 함께, 신경 전극 소재의 범용성을 고려할 때 추가적인 원천 검증 연구를 거친다면 실용화 또한 빠른 시일 내에 이루어질 수 있다고 전망한다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

최근 뇌신경 공학 기술은 광-전자 하이브리드 기술로 발전하며 빛을 이용하는 기술과 호환이 가능한 투명 전자 기술이 각광받고 있다. 하지만, 기존 디스플레이 등에서 쓰이는 ITO 등의 투명 전극은 유연함이 떨어져서 곡면의 뇌신경 구조에 적합하지 않고, 최근 개발된 투명·유연 전극은 복잡성이 높아 활용성이 낮음을 확인하였다. 최근 플렉서블 디스플레이 등의 광전소자 연구에서 기존 투명 전극을 대체하고자 초박막 금속 전극을 활용하는 것을 착안하여, 이를 신경 전극으로 적용하여 기존 문제점을 해결해보자는 시도에서 본 연구가 시작되었다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

본 기술로 개발한 투명·유연 신경 전극은 기존의 투명·유연 전극 소재에 비해 더욱 간단하게 제작이 가능하여, 통상적으로 활용되는 모든 디스플레이 및 반도체 공정 기술에 적용이 가능하다는 매우 우수한 범용성을 갖추고 있다. 따라서 실험실 뿐만 아니라 산업계에서도 손쉽게 응용하여 기존 뇌-기계 인터페이스 기술에 적용해볼 수 있다는 점에서 아주 큰 파급효과를 지닌다고 생각한다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

본 연구를 통한 소재 원천 연구를 시작으로, 다양한 형태·범위의 뇌신경 신호 측정을 위한 기술로 발전시키고, 이를 뇌공학 분야 공동 연구자들과 함께 활용 우수성을 검증하는 응용 연구 결과로 발전시키고자 한다. 이러한 노력을 통해 중추신경계부터 말초신경계까지 다양한 뇌신경 질환을 겪고 있는 환자들에게 도움이 될 수 있는 뇌-기계 인터페이스 기술의 발전에 기여하고 싶다. 보다 좋은 뇌신경 전기 신호를 측정할 수 있는 기술을 개발한다면, 최근 급속도로 발전하고 있는 인공지능·기계학습 기술과 결합하여 환자 맞춤형 치료 기술로 발전시킬 수 있는 높은 파급효과를 갖게 된다.

 

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그림설명

[그림 1] 투명 초박막 금속 신경 전극 개발 개념도

(그림설명) 고분자 전해질 핵형성 유도 코팅과 10 나노미터 미만 두께의 초박막 금 전극 소재를 결합한 유연한 투명 신경 전극 어레이 개발 결과. 신경 전극의 투명성을 이용한 배양된 신경 세포의 현미경 이미징 (우측 하단).

 

[그림 2] 투명 초박막 금속 신경 전극의 제작 사진 및 기존 기술 대비 특성 비교

(그림설명) 투명 초박막 금속 신경 전극의 개념도 및 제작 사진 소개. 기존 투명 신경 전극 기술 대비 상대적으로 종합적 우수성을 보인 투명도, 전기 전도도 및 전기화학적 저항 특성.