최근 뇌를 더 잘 이해하고 신경 질환 및 장애 극복을 위한 다양한 뇌공학 기술들이 개발되고 있다. 뇌신경 전기 신호를 정확하게 측정하고 조절하기 위한 투명하고 유연한 전극의 필요성이 커지고 있다. 이러한 투명 유연 전극을 활용하면 고해상도로 뇌 내부를 분석할 수 있는 고성능 현미경 이미징이나, 신경 세포의 활동을 정밀하게 제어할 수 있는 광유전학(optogenetics) 및 광열 자극(photothermal stimulation)과 같은 뇌 신경 광자극 기술을 효과적으로 동시에 적용할 수 있다. 

 투명 전극은 불투명 전극에 비해 광 자극 시 빛 흡수에 의한 노이즈 발생을 피할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 투명하고 유연한 전극을 제작하는 데 있어 제안된 새로운 재료와 공정 기술은 여러 번 구부리면 쉽게 깨지거나, 생체 친화성의 검증이 부족하다는 한계점이 있어, 이를 기존의 생체 친화적 전극 소재와 공정법으로 극복해야 할 필요가 있다.

 본 연구에서는 생체 친화적 소재인 금(gold) 전극을 8 나노미터 수준의 매우 얇은 초박막으로 제작 가능하게 하여, 불투명했던 전극을 투명하게 만드는 기술을 개발하였다. EDTA라는 다양한 바이오 응용에 쓰이는 고분자 물질을 코팅 층으로 하여 플렉서블 기판에 제작하여 투명하고 유연한 다채널 뇌피질전도 신경 전극을 개발하였다. 광학적 투명성을 유지하면서 전기적 뇌 신호 측정 성능을 나타내는 전극 임피던스를 기존 불투명 금 전극에 비해 50배 이상 낮췄고, 전기 자극 특성은 100배 이상 향상시켰다. 또한, 얇아짐에 따라 유연성도 증가하여 5만 번 구부림에도 변화 없는 안정성을 보였고, 뇌 이식 2주 후에도 안정적인 전기적 성능 유지와 낮은 면역 반응을 보였다. 더불어, 우수한 투명성으로 빛 흡수에 의한 신호 왜곡 없이 광유전학적 신경 자극을 높은 효율로 수행할 수 있었으며, 이는 뇌 연구와 치료에서 전기적, 광학적 방식을 상호보완적으로 동시에 사용할 수 있다는 중요한 기술적 의의를 갖는다.

 최근 미국의 싱크론(Synchron), 뉴럴링크(Neuralink) 등의 BCI (Brain Computer Interface) 기업이 임상 환자 뇌에 전극 칩을 이식하여 전기적 뇌 신호 측정만으로 사지마비 장애를 극복하는 가능성을 보여주고 있다. 본 연구의 투명 전극 기술을 적용한다면 전기적 측정 뿐만 아니라, 동시에 빛을 이용한 뇌 신호 분석 및 자극 조절이 가능하여 보다 다양한 BCI 기술 가능성을 보여줄 수 있을 것으로 기대한다.

 * 이번 연구는 공동 제1저자인 김두희 (대구경북과학기술원 석박통합과정학생), Murali Bissannagari (서울대학교 의학연구원 의용생체공학연구소 연수연구원), 김보일 (대구경북과학기술원 석박통합과정생) 연구원이 서울대학교 의과대학 의공학교실 강홍기 교수와 대구경북과학기술원 뇌과학과 최한경 교수 지도하에 수행하였다. 

 * 본 연구는 한국연구재단 (No. RS-2022-NR069917, RS-2024-00416319), 서울대학교 의대-공대 학제간 연구 지원사업 (800-20240490), 호주 NHMRC (Ideas Grant (APP1188414))의 지원을 받아 수행되었으며, 분야 최상위저널 중 하나인 npj Flexible Electronics (IF: 12.3, JCR 상위 1.8%)에 게재되었다. 

 최근 뇌를 더 잘 이해하고 신경 질환 및 장애 극복을 위한 다양한 뇌공학 기술들이 개발되고 있다. 뇌신경 전기 신호를 정확하게 측정하고 조절하기 위한 투명하고 유연한 전극의 필요성이 커지고 있다. 이러한 투명 유연 전극을 활용하면 고해상도로 뇌 내부를 분석할 수 있는 고성능 현미경 이미징이나, 신경 세포의 활동을 정밀하게 제어할 수 있는 광유전학(optogenetics) 및 광열 자극(photothermal stimulation)과 같은 뇌 신경 광자극 기술을 효과적으로 동시에 적용할 수 있다. 투명 전극은 불투명 전극에 비해 광 자극 시 빛 흡수에 의한 노이즈 발생을 피할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 투명하고 유연한 전극을 제작하는 데 있어 제안된 새로운 재료와 공정 기술은 여러 번 구부리면 쉽게 깨지거나, 생체 친화성의 검증이 부족하다는 한계점이 있어, 이를 기존의 생체 친화적 전극 소재와 공정법으로 극복해야 할 필요가 있다.

 본 연구에서는 생체 친화적 소재인 금(gold) 전극을 8 나노미터 수준의 매우 얇은 초박막으로 제작 가능하게 하여, 불투명했던 전극을 투명하게 만드는 기술을 개발하였다. EDTA라는 다양한 바이오 응용에 쓰이는 고분자 물질을 코팅 층으로 하여 플렉서블 기판에 제작하여 투명하고 유연한 다채널 뇌피질전도 신경 전극을 개발하였다. 광학적 투명성을 유지하면서 전기적 뇌 신호 측정 성능을 나타내는 전극 임피던스를 기존 불투명 금 전극에 비해 50배 이상 낮췄고, 전기 자극 특성은 100배 이상 향상시켰다. 또한, 얇아짐에 따라 유연성도 증가하여 5만 번 구부림에도 변화 없는 안정성을 보였고, 뇌 이식 2주 후에도 안정적인 전기적 성능 유지와 낮은 면역 반응을 보였다. 더불어, 우수한 투명성으로 빛 흡수에 의한 신호 왜곡 없이 광유전학적 신경 자극을 높은 효율로 수행할 수 있었으며, 이는 뇌 연구와 치료에서 전기적, 광학적 방식을 상호보완적으로 동시에 사용할 수 있다는 중요한 기술적 의의를 갖는다.

 최근 미국의 싱크론(Synchron), 뉴럴링크(Neuralink) 등의 BCI(Brain Computer Interface) 기업이 임상 환자 뇌에 전극 칩을 이식하여 전기적 뇌 신호 측정만으로 사지마비 장애를 극복하는 가능성을 보여주고 있다. 본 연구의 투명 전극 기술을 적용한다면 전기적 측정 뿐만 아니라, 동시에 빛을 이용한 뇌 신호 분석 및 자극 조절이 가능하여 보다 다양한 BCI 기술 가능성을 보여줄 수 있을 것으로 기대한다.

 * 이번 연구는 공동 제1저자인 김두희 대구경북과학기술원 석박통합과정학생, Murali Bissannagari 서울대학교 의학연구원 의용생체공학연구소 연수연구원, 김보일 대구경북과학기술원 석박통합과정생을 포함하여 서울대학교 의과대학 의공학교실 강홍기 교수와 대구경북과학기술원 뇌과학과 최한경 교수가 주도하여 진행하였다. 

 * 본 연구는 한국연구재단 (No. RS-2022-NR069917, RS-2024-00416319), 서울대학교 의대-공대 학제간 연구 지원사업 (800-20240490), 호주 NHMRC (Ideas Grant (APP1188414))의 지원을 받아 수행되었으며, 분야 최상위저널 중 하나인 npj Flexible Electronics (IF: 12.3, JCR 상위 1.8%) 에 게재되었다. 

  <(상단, 좌) 초박막 투명 금 제작 원리, (상단, 우) 투명 금 전극 [사진=서울대학교]
(하단) 투명, 유연 금 전극의 뇌 이식 및 14일간 뇌피질 전도 신호 측정 결과>

  <투명 금 전극의 뇌 전기 신호 측정과 광유전학 신경 자극 동시 수행 결과> [사진=서울대학교]

 o 뇌 표면 신호를 전기적으로 측정하며 투명성을 유지할 수 있는 다양한 소재에 대해서 최근 활발히 연구가 진행되어왔다. 하지만, 새로운 소재를 개발하게 되면, 새로운 소재의 생체 안정성, 사용을 위한 복잡한 인허가 절차 등 추가적으로 검증해야 하는 절차로 인해 실용성에 한계가 있었다.

 o 그렇다면 역으로 이미 기존에 안정성이 검증된 금(gold) 소재를 투명하게 만들면 복잡한 인허가 절차를 간소화할 수 있겠다는 엉뚱한(?) 발상과 함께, 모든 물질은 매우 얆게 만들면 언젠가는 투명해지고, 더욱 유연해질 수 있다는 단순한 직관적 생각에, 금 소재를 투명하게 만드는 한계에 도전하는 연구를 진행하게 되었다.

 o 단순히 투명 전극 소재를 개발하는 것이 아니라, 소재 최적화 및 반도체 공정을 이용한 전극 소자 공정 개발, 이를 패키징화 하여 실제 동물의 뇌에 부착하여 뇌 신경 전기 신호를 측정할 수 있게 하는 시스템 개발 연구, 더 나아가 본 시스템의 우수성을 검증하기 위해 최신 뇌신경 자극 기술인 광유전학 실험에 동시 검증하기까지, 다양한 다학제간 융합 연구를 수행해야 했다.

 o 뇌과학자와 재료공학자, 의공학자, 전자공학자 등 다양한 배경의 연구자들 사이에서 효율적으로 소통하며 공통의 목표를 이끌어나가는 과정이 도전적이면서 좋은 배움의 기회가 되었다.

 

 o 기존의 방식은 새로운 소재 개발 중심의 투명 전극 개발이 주를 이루거나, 매우 복잡하고 비용이 많이 드는 공정 방식으로 기존의 소재를 가공하는 연구가 주를 이루었다. 그래서 실용적인 측면에서 제한을 가지고, 인허가 등의 복잡한 절차를 거쳐야만 활용될 수 있다는 한계점이 존재하였다. 

 o 본 연구에서는 기존에 불투명하다고만 알고 있던 금(gold) 소재를 매우 얇게 만드는 한계에 도전하여, 상상하지 못했던 우수한 투명도를 보여줄 정도의 초박막 (10nm 미만의 두께) 구조를 제안하였고, 이를 통해 추가적인 소재적 검증 없이 다양한 생체 전극으로써 활용될 수 있다는 차별성을 갖는다. 또한 통상적인 금 전극에 비해 훨씬 얇게 제작하기 때문에 제작 비용도 감소되며, 범용적인 반도체 노광 공정과 호환이 가능하여 누구나 손쉽게 제작이 가능하여 상용화도 용이하다는 장점이 있다.