입력 2026.06.30 11:01
- 생체 신호 측정과 이광자 이미징 모두에 적합한 수분 저항성 투명 전도성 나노막 세계 최초 구현
- 네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications, IF 18.1) 게재 승인
연세대학교(총장 윤동섭) 전기전자공학부 유기준 교수는 일본 이화학연구소(RIKEN) 및 도쿄대학교 타카오 소메야(Takao Someya) 교수, 켄지로 후쿠다(Kenjiro Fukuda) 교수가 속한 국제 연구팀과 함께 세계 최초로 수계 환경에서 안정적인 용액 공정 기반의 투명 전도성 나노막(BIPIN)을 개발했다. 또한 이를 통해 피부 부착 및 뇌 피질 이식 상태에서 광 간섭 없이 생체 신호 기록과 실시간 이미징을 동시에 수행하는 데 성공했다.
본 시스템은 빗물, 바닷물, 체액 등 다양한 수분 환경에 노출된 상태에서도 상호 간섭 없이 전기 생리신호의 정확한 기록과 심부 혈관 및 뇌 신경망 이미지 획득이 안정적으로 수행됨을 실험적으로 입증했다. 특히, 기존 전극에서 불가피하게 발생하던 수분 열화 및 광학적 가림 현상을 근본적으로 해결함으로써, 습윤 환경에서의 생체 전자 소자 기반 연구의 정확도를 획기적으로 향상시킬 수 있다. 이러한 기술 개발을 통해 전기적 신호 측정과 광 기반 영상 기술을 통합하는 생체 광전자 공학 연구의 핵심 기반 기술로 자리 잡을 것으로 기대되며, 향후 수중 웨어러블 기기 및 만성 이식형 신경 장치 발전에도 폭넓게 기여할 수 있을 것으로 전망된다.
생체 신호 기록과 광학 이미징을 동시에 수행하기 위한 다양한 투명 전극 기술이 개발돼 왔다. 그러나 기존 투명 신경 인터페이스는 수계 환경에서 부식과 기계적 박리가 발생해 장기간 사용이 어려웠다. 이를 보완하기 위해 보호층이나 젤을 적용하기도 했지만, 소자의 유연성과 생체 조직 밀착성이 저하되는 한계가 있었다. 또한 금속 나노와이어 기반 전극은 수분 환경에서 산화와 저항 증가로 신호 품질과 생체 적합성이 떨어지는 문제가 있었다. 따라서 차세대 생체 광전자 소자에는 높은 전도성과 투명성, 유연성, 수분 저항성을 동시에 구현할 수 있는 새로운 전극 기술이 요구돼 왔다.
이러한 한계를 극복하기 위해 연구팀은 금속 나노와이어 네트워크에 공액 고분자와 불소계 이오노머를 결합한 이상(biphasic) 퍼콜레이션 네트워크(이하 BIPIN) 기반의 투명 나노막을 개발했다. 사람 피부와 생쥐 대뇌 피질에 적용한 결과, 수계 환경과 이광자 이미징 조건에서도 광유도 잡음 없이 안정적으로 생체 신호를 기록했으며, 기존 금속 전극과 하이드로젤보다 높은 내수성과 우수한 전기생리 신호 품질을 확인했다. 또한 용액 공정 기반의 간단한 제작 방식과 뛰어난 기계적 형태 순응성을 통해 다양한 생체 환경에서도 안정적으로 활용할 수 있음을 입증했다.
개발된 BIPIN은 불소 처리된 고분자를 금속 나노망 내부에 균일하게 채운 구조로, 분사 및 스핀 코팅 기반의 용액 공정을 통해 제작됐다. 이를 통해 수분과 이온의 침투를 억제하고 계면 접착력을 높였으며, 높은 광 투과도와 낮은 저항 증가율을 유지했다. 약 200nm 두께의 유연한 구조는 피부와 뇌 조직에 밀착돼 지속적인 수분 노출 환경에서도 안정적인 생체 신호 기록과 선명한 광학 이미징이 가능했다.
실험 결과, 수영과 같은 수중 환경에서도 근전도 신호를 장기간 안정적으로 기록했으며, 필로카르핀으로 유도한 국소장전위(LFP)와 다단위 활동(MUA) 역시 안정적으로 측정했다. 면역형광 염색(IHC)과 세포 독성 평가에서도 낮은 염증 반응을 보여 우수한 생체 적합성과 이식 안정성을 확인했다.
이번 연구는 기존 투명 전극의 수계 환경 취약성과 생체 조직 박리 문제를 동시에 해결한 수분 저항성 투명 생체 광전자 플랫폼을 제시했다는 데 의미가 있다. 특히 비나 땀 등 수분 환경에서도 안정적인 전기생리 신호 측정과 광학 이미징이 가능해 신경 회로 연구, 웨어러블 바이오일렉트로닉스, 고해상도 생체 이미징 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다.
본 연구는 김현우 연구원(공동 1저자, 연세대), 루루 쑨(Lulu Sun) 연구원(공동 1저자, 교신저자, RIKEN), 타카오 소메야(Takao Someya) 교수(교신저자, RIKEN/도쿄대), 켄지로 후쿠다(Kenjiro Fukuda) 교수(교신저자, RIKEN/오사카대), 유기준 교수(교신저자, 연세대) 연구팀의 협업을 통해 진행됐으며 Nature 자매지이자 국제 융합연구 최고 권위지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 18.1, JCR 상위 5.4%, JCR Top 5.4%)에 최종 게재 승인됐다. 본 연구는 일본학술진흥회(JSPS) 지원사업, 한국연구재단의 지원 및 이윤재 Fellowship 등의 지원을 받아 수행됐다.