초박막 실리콘 NMOS 트랜지스터 어레이를 적용한 고집적 센서 개발
8일 사이언스 트랜슬레이셔널 메디신 (Science Translational Medicine, IF 17.161) 게재
연세대학교 유기준 교수(전기전자공학과) 연구팀이 예상 수명이 70년 이상인 영구삽입형 뇌파 측정 센서를 개발해 수천 개의 전극으로 구성된 초박형의 플렉서블 신경 소자를 뇌에 이식하고 고해상도로 뇌파를 측정하는 데 성공했다.
뇌신경과학자들이 뇌의 네트워크를 분석하여 ‘뇌지도’를 만들기 위해 지난 수백 년 동안 노력했지만 아직도 뇌의 분석은 원시적인 수준에 머물러 있다. 초창기 학자들은 외상을 입은 뇌를 해부하거나 피관찰자가 직접 자신의 상태를 기술하는 방법 등을 통해 뇌를 연구했다. 그러나 이러한 방법으로는 특정 자극에 대한 반응을 확인하지 못할 뿐더러 실시간으로 살아있는 생명의 행동을 관찰하지 못했다. 이로 인해 뇌에 대한 많은 가설들이 검증되지 못했고 뇌과학의 발전은 더디게 진행됐다. 이후 뇌전도(EEG)와 컴퓨터단층촬영(CT), 양전자방출단층촬영(PET), 자기공명영상(MRI) 등 다양한 뇌영상기술이 탄생하면서 뇌과학은 그나마 발전할 수 있게 됐지만 아직까지도 많은 학자들이 기존의 영상기술을 발전시키거나 새로운 영상기술을 발명하기 위해 고군분투하고 있다.
최근 뇌파를 전기적으로 측정할 수 있는 시스템은 MRI, CT, PET등과 같이 간접적으로 뇌를 이미징(Imaging)하는 기법보다 직접적으로 뇌에서 나오는 신호를 측정할 수 있는 피질전도(ECoG) 및 뇌전도(EEG)가 각광받고 있다. 그러나 이러한 시스템은 전극의 개수(100여 개)가 뉴런의 개수(100억 개 이상)보다 현저히 작아 제한된 정보만을 얻을 수 있다. 또한, 사람의 피부나 장기는 복잡한 곡면으로 이루어져있는데 반해 현재 상용화된 대부분의 뇌파 측정용 소자는 딱딱하고 유연하지 못해 사람의 몸에 직관적으로 좋은 계면을 이루는 데 한계가 있어, 정확히 신호를 읽고 예측하는 데 어려움이 있다.
유연한 소자를 이용해 피부에 직관적인 접촉을 이루면 소자와 뇌의 계면 문제를 해결할 수 있겠지만, 복잡한 회로로 구성되어 많은 전극으로 이루어진 전자소자는 체내 삽입 후 체액의 침투로 인해 쉽게 고장을 일으키기 때문에 능동 회로로 이루어진 전자소자의 장기 삽입은 난제로 여겨졌다. 그로 인해 현재 상용화돼있는 소자들은 금속으로 이루어진 100여 개의 전극으로 이루어진 저항 소자로 낮은 퀄리티의 뇌파를 측정했다.
본 연구에서는 수천 개의 전극으로 이루어진 영구 체내 삽입용 고집적 능동형 유연 전자소자를 최초로 개발했다. 이를 통해 영장류인 원숭이 뇌에 박막의 소자를 직관적으로 삽입하고 뇌 관련 질환을 초고해상도로 측정했으며, 1 마이크로미터(10-6m) 미만의 두께를 갖는 이산화규소(SiO2) 보호막을 통해 전자소자의 고장 없이 70년 이상의 삽입 수명을 갖는다는 것을 규명했다.
전극을 이루는 트랜지스터 위에 초고온에서 성장된 박막의 이산화규소 보호막을 직접 연결하여 기존의 직접 결합(Direct coupling)을 이용한 전기신호 획득이 아닌 용량성 결합(Capacitive coupling)을 이용해 고품질의 전기신호를 획득했다. 특히 이산화규소는 박막임에도 불구하고 결함이 없어 체액의 투습으로부터 소자를 완벽하게 보호할 수 있었다.
해당 기술은 지금까지 뇌과학 연구에서 난제로 여겨졌던 영구삽입형 능동형 플렉서블 전자소자의 세계 최초 개발로, 이를 통해 뇌, 심장 관련 난치병 질환의 원인 분석 및 획기적인 치료가 가능할 전망이다. 또한 뇌-기계교합(Brain-machine Interface)의 발전에 전기를 마련했다는 점에서 학술적·사회적 가치가 크며 뇌 관련 연구 및 산업 발전에 큰 영향을 끼칠 것으로 예상된다.
유기준 교수는 “이번 연구는 8년에 걸쳐 진행된 장기 프로젝트로, 모두가 불가능하다고 여겼던 문제를 마침내 풀게 되었다”며 “이 연구를 통해 얻어진 체내 영구삽입형 플렉서블 소자를 통해 단기적으로는 뇌와 직접 상호작용하는 시신경이 손상된 사람의 시력을 회복하는 새로운 유형의 시각 보철물을 만들 수 있으며, 장기적으로는 뇌-기계교합의 발전에 가장 큰 영향을 미칠 수 있는 연구가 될 것”이라고 전했다. 또한 “공상과학에서나 가능하다고 여겨진 로보캅이 만들어지는 것이 더 이상 꿈은 아닐 것이라고 기대한다”고 밝혔다. 현재 유기준 교수 연구팀은 백만 개의 초고집적의 전극 어레이로 구성된 플렉서블 삽입형 소자 개발과 상용화를 위한 연구에 박차를 가하고 있다.
본 연구는 유기준 교수(연세대)와 Jonathan Viventi 교수(미국 듀크대학), John Rogers 교수(노스웨스턴대학)의 국제협업을 통해 진행됐으며 4월 8일 국제 융합연구 최고 권위지인 사이언스 트랜슬레이셔널 메디신(Science Translational Medicine)에 게재됐다. 과학기술정보통신부의 나노소재원천사업과 중견연구사업의 지원을 받아 수행됐다.
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