마이크로 OLED→뇌질환 치료 새로운 방법 제시

[아이뉴스24 정종오 기자] 광유전학 기술은 빛에 반응하는 광 단백질이 발현된 뉴런에 특정 파장의 빛 자극을 통해 뉴런의 활성을 조절하는 기술이다. 다양한 뇌질환의 원인을 규명하며 난치성 뇌질환의 새로운 치료 방법을 개발할 가능성을 열고 있다.

이 기술은 인체의 뇌에 삽입해 자극을 주는 의료 기기인 ‘뉴럴 프로브’를 통해 정확하게 자극하고 무른 뇌 조직의 손상을 최소화해야 한다. 한국과학기술원(KAIST) 연구팀이 마이크로 OLED를 활용해 얇고 유연한 인체 삽입형 의료기기로 구현함으로써 뉴럴 프로브의 새로운 패러다임을 제시했다.

KAIST(총장 이광형)는 전기및전자공학부 최경철 교수와 이현주 연구팀이 공동 연구를 통해 유연한 마이크로 OLED가 집적된 광유전학용 뉴럴 프로브 개발에 성공했다고 6일 발표했다.

광유전학 연구에서 주요 기술은 광원의 빛을 뇌로 전달하는 방식이다. 외부 광원으로부터의 깊은 뇌 영역까지 빛을 전달하기 위해 수십 년 동안 광섬유를 사용해 왔다. 단일 뉴런을 자극하기 위한 유연 광섬유, 초미세 광원 집적 뉴럴 프로브 등 관련 연구가 이뤄지고 있다.

연구팀은 마이크로 OLED는 높은 공간적 해상도와 유연성을 가져 매우 작은 영역의 뉴런에서도 정확하게 빛을 조사할 수 있어 세밀한 뇌 회로 분석이 가능하다는 점에 주목했다. 동물의 움직임에 불편함을 주지 않으면서 부작용을 최소화하는 장점에 있다.

미세한 파장 조절을 통해 정밀한 빛 조절이 가능하며 다중 자극을 통한 복잡한 뇌 기능 연구가 가능하다.

체내 수분이나 물에 의해 전기적 특성이 쉽게 열화되기 때문에 생체 삽입형 전자장치로 활용되는데 한계가 있었다. 얇고 유연한 탐침 위 고해상도 집적 공정에 대한 세부적 최적화도 필요했다.

공동연구팀은 수분과 산소가 많은 생체 내 환경에서 OLED의 구동 신뢰성을 높이며 생체에 삽입할 때 조직 손상을 최소화하고자 산화알루미늄/파릴렌-C(Al2O3/parylene-C)로 구성된 초박막 유연 봉지막을 얇은 탐침 형태인 260~600마이크로미터(μm) 너비로 패터닝해 생체친화성을 유지했다.

고해상도 마이크로 OLED를 집적함에 있어 전체 소자의 유연성과 생체친화성을 유지하기 위해 봉지막과 동일한 생체친화 재료인 파릴렌-C(parylene-C)를 활용했다.

인접한 OLED 픽셀 간 전기적 간섭 현상을 제거하고 각 픽셀을 공간적으로 분리하기 위해 구조적 레이어인 ‘화소 정의막(pixel define layer)’을 도입했다. 8개의 마이크로 OLED를 독립적으로 개별 구동할 수 있도록 구현했다.

소자 내 다중 박막층의 잔류 응력과 두께를 정밀하게 조절함으로써 생체 내 환경에서도 소자의 유연성을 유지할 수 있도록 했다. 외부 셔틀이나 바늘과 같은 보조 장치 없이도 단일 탐침만으로 휘어짐 없이 삽입이 가능하도록 소자의 기계적 스트레스를 최적화해 설계했다.

결론적으로 연구팀은 채널로돕신2의 활성화에 적합한 470나노미터(nm) 파장에서 1밀리와트/제곱밀리미터(mW/mm2)이상의 광 파워 밀도를 가지는 즉, 광유전학과 생체조직 자극 응용에서 상당히 높은 수준의 광출력을 가진 마이크로 OLED 집적 유연 뉴럴 프로브를 개발했다.

초박막 유연 봉지막은 낮은 수분 투습률을 보이며 소자 수명은 10년 이상 유지할 수 있다. 패릴렌-C(parylene-C)를 기반으로 생체 내 높은 봉지막 성능을 발휘하며 전기적 간섭과 휨 이슈 없이 집적된 OLED의 개별 구동을 성공적으로 시연했다.

최경철 교수 연구팀의 이소민 박사는 “고유연·고해상도의 마이크로 OLED를 얇은 유연 탐침 위에 집적하는 세부 공정과 생체 적용성, 친화성 향상에 집중했다”며 “이번 연구는 기존 연구를 넘어 유연 프로브 형태에 최초로 개발해 보고된 사례로 유연 OLED가 인체 삽입형 측정 및 치료 의료기기로서의 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구(논문명: Advanced Micro-OLED Integration on Thin and Flexible Polymer Neural Probes for Targeted Optogenetic Stimulation)는 전기및전자공학부 이소민 박사가 제1 저자로 나노 분야 국제 학술지 `어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 지난 3월 26일 자 온라인으로 실렸다.