서울과학기술대학교는 기계·자동차공학과 옥종걸 교수 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 임매순 박사 연구팀, 연세대학교 기계공학부 김종백 교수 연구팀과 공동으로 뇌신경 신호를 정밀하게 측정할 수 있는 차세대 유연 미세 전극 어레이를 개발했다고 3일 밝혔다.
이번 연구는 서울과학기술대학교 김광준 박사과정과 KIST 노현희 박사가 공동 제1저자로, 서울과학기술대학교 옥종걸 교수와 KIST 임매순 박사가 공동 교신저자로 참여했다.
최근 뇌 기능 분석, 신경질환 진단, 뇌-기계 인터페이스(Brain-Machine Interface; BMI) 기술이 발전함에 따라 뇌 신호를 정밀하게 기록할 수 있는 유연 전극의 수요가 증가하고 있다.
기존 실리콘이나 텅스텐과 같은 금속 전극은 강성이 높아 삽입 시 조직 손상 및 만성 염증 반응을 유발할 수 있다.
반면, 고분자 기반 전극은 유연성은 뛰어나지만 낮은 전기전도도로 인해 신호 품질이 떨어지는 문제가 있다.
이에 따라 전기 전도성과 기계적 유연성을 동시에 만족하는 전극 소재 및 구조의 개발이 필수적인 상황이었다.
연구팀은 수직 정렬된 탄소나노튜브(Carbon nanotube; CNT) 구조체에 고분자 재료를 균일하게 침투시키는 새로운 정밀 공정을 고안했다.
이 기술을 통해 신경 신호 기록이 가능한 다채널 3차원 유연 전극 어레이를 구현했으며, 전기적 및 기계적 성능 모두에서 기존 기술 대비 뛰어난 성과를 입증했다.
해당 전극은 1 kHz 기준 약 41 kΩ의 낮은 임피던스를 나타내며, 전극 면적당 임피던스는 0.015 kΩ·μm-2로 금(Au), 질화티타늄(TiN), PEDOT:PSS 등 기존에 발표된 신경 신호 기록용 전극 재료 대비 우수한 전기 전도성을 보여준다.
기계적 특성 측면에서도 Young's modulus는 약 54 MPa, 굽힘강성 약 3.44 × 10-12 N·m2로, 기존 실리콘 전극에 비해 1만 배 이상 부드럽고 유연한 특성을 지녔다.
이 전극을 생쥐의 시각피질에 삽입해 뇌 반응을 측정한 결과, 시각 자극에 따른 뇌신경 활동을 채널별로 안정적으로 기록할 수 있었고, 조직 내 염증 반응도 기존 텅스텐 전극 대비 최대 3배 낮은 것으로 확인됐다.
이는 장기적 신경 인터페이스로서의 가능성을 입증하는 중요한 결과다.
교신저자인 서울과학기술대학교의 옥종걸 교수는 "이번 연구는 탄소나노튜브의 고유 특성과 정밀 가공 기술을 융합하여 생체 신호 측정 소자의 한계를 뛰어넘은 사례"라고 하였고, KIST 임매순 박사는 "해당 기술은 향후 신경 재활, 초소형 BMI 플랫폼 등 다양한 뇌신경 기술로의 확장이 기대된다"고 말했다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 중견연구도약형사업, 선도연구센터사업, 중견연구유형1사업, 미래유망융합기술파이오니아사업, 기초연구실심화형사업과 교육부의 보호연구지원사업 및 KIST의 주요사업 지원을 받아 수행됐다.
이번 연구 성과는 재료과학 분야의 세계적 권위 학술지인 Advanced Functional Materials (IF = 19.0, JCR 상위 5% 이내)에 최근 온라인 게재됐다.
이은서 기자 libro@asiae.co.kr
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