Artifact-Minimizing Ultrathin Transparent Electrodes Fabricated via iCVD for In Vivo Optogenetic Stimulation and Neural Signal Monitoring of Primary Visual Cortex
인공시각 가능성 열다
투명·유연한 초박막 전극, 뇌 신호 78% 재현
KIST, 빛 투과율 65% 이상 유지하며 신경 신호 기록하는 초박막 투명 신경전극 개발
머리카락 1/15 두께의 특수코팅 투명 전극, '투명하면 전기가 안 통한다'는 딜레마 해결
실명 마우스의 뇌에서 정상 시각 반응과 78% 일치하는 인공시각 신호 생성
눈이 안 보여도 뇌는 아직 '볼 준비'가 되어 있다. 전 세계 약 200만 명이 앓는 망막색소변성증 이야기다. 이 병은 눈 속 빛 감지 세포를 손상시키지만, 신경 신호를 해석하는 뇌 시각 중추는 비교적 온전하게 남아 있다. 눈을 거치지 않고 뇌를 직접 자극하면 다시 볼 수 있다는 가능성은 여기에 있다.
[그림 1] 대면적-초박막 투명 신경 전극
투명 전극의 실물 사진(왼쪽), 기존 금속 신경 전극과 초박막 투명 신경 전극을 뇌 표면에 올려둔 비교사진 (가운데), 그리고 표지 논문 이미지 (오른쪽). 제작된 투명 전극은 뇌 표면이 비치고 빛이 투과될 정도로 투명하며, 표지 이미지에는 이 투명전극을 통해 뇌에 빛이 전달되는 장면을 묘사함.
한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 뇌과학연구소 성혜정·임매순 박사 공동연구팀이 이 가능성을 현실에 가깝게 구현할 초박막 투명 신경전극을 개발했다. 이 전극은 빛을 뇌에 전달하면서, 빛 자극으로 발생한 신경 신호를 깨끗하게 기록할 수 있다.
인공시각을 구현하려면 신경세포에 빛을 전달하는 광유전학 기술이 필요하다. 동시에 인공시각의 품질을 확인하고 빛 자극의 효율을 높이려면, 뇌에서 나타나는 신경 신호를 정확히 측정할 수 있는 신경 전극이 필요하다. 그러나 기존 금속 전극은 광유전학을 위한 빛의 투과를 막거나, 통과시켜도 강한 전기 잡음이 뇌 신호를 덮어버렸다. ‘투명하면 전기가 잘 통하지 않고, 전기가 잘 통하면 빛이 막히는’ 딜레마다.
연구팀은 머리카락 15분의 1 두께의 투명 전극으로 이를 해결했다. 전극에 전기를 흘리려면 금속이 필요하지만, 금속층이 얇아질수록 원자가 뭉쳐 빛을 막는다. 연구팀은 금속을 입히기 전극 표면에 특수 코팅을 적용해 금 원자가 물 위 기름처럼 얇고 고르게 펼쳐지도록 했다. 그 결과 기존에 100 나노미터(nm)이던 금 박막 두께를 10 나노미터로 줄였다. 전극 전체 두께는 약 4 마이크로미터(μm)에 불과해 뇌 표면에 자연스럽게 밀착된다.
개발된 전극은 빛의 65% 이상을 통과시키면서도 기존 수준의 전기 신호 측정 성능을 유지했다. 빛 자극 시 발생하는 전기 잡음은 최대 74% 줄었고, 2만 번 구겼다 펴는 실험에서도 성능이 유지됐다.
연구팀이 실명 마우스의 뇌 표면에 이 전극을 올리고 파란빛 기반 광유전학 기술로 신경세포를 자극하자, 정상 시각 마우스의 뇌 신호와 78% 일치하는 인공시각 신경신호가 세계 최초로 생성됐다. 뇌의 시각 중추를 빛으로 자극해 '실제 보는 것'에 가까운 반응을 유도할 수 있음을 입증한 것이다.
[그림 2] 투명 전극의 제작 원리 및 성능
(상단) 기존 금 박막 증착 방식에서는, 금 원자가 서로 뭉쳐 불균일한 덩어리 구조가 형성되는 반면, 특수 고분자 코팅을 활용한 금 증착에서는 금 원자가 고르게 퍼져 매끈한 연속 박막이 형성됨.
(하단) 특수 고분자 코팅을 활용한 금 증착의 성능 비교 평가. 기존 금 증착 방식에 비해 가시광선 영역에서 더 높은 투과율을 보이며, 고분자 코팅 두께에 따라 투명 전극의 성능 지수를 최고 237까지 달성할 수 있음. 특히 2만번의 반복 압축 변형 실험에서, 기존 불투명 전극 대비 우수한 기계적 안정석을 가짐을 확인함.
이번 연구는 높은 수준의 인공시각 구현 가능성을 제시했다. 같은 원리를 청각·촉각 담당 뇌 부위에 적용하면 청각 장애 치료와 촉각 복원 기술로 확장될 수 있다. 뇌 신호를 읽고 자극을 스스로 조절하는 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)의 핵심 부품으로도 활용이 기대된다.
성혜정 KIST 선임연구원은 "투명하면서도 전기가 잘 통하는 전극을 만들어, 광유전학 자극과 이미징을 동시에 가능하게 했다"고 밝혔다. 임매순 KIST 책임연구원은 “빛과 신호 기록을 동시에 처리 가능해 첨단 BCI 시스템으로 발전할 수 있는 토대가 되고, 난치성 신경·감각 질환으로 고통받는 국민 삶의 질 향상에 한 걸음 더 다가설 것으로 기대된다”고 밝혔다.
이번 연구는 KIST 뇌과학연구소의 '난치성 뇌질환 극복을 통한 국민 뇌 건강 실현'이라는 임무와 궤를 같이한다. 망막색소변성증처럼 완치법이 없고, 낮은 성공 가능성과 높은 비용으로 민간이 접근하기 어려운 난치성 질환은 국가 연구기관이 주도적으로 풀어야 할 대표적 사회 현안이다. 뇌과학연구소는 뇌융합 연구 역량과 인프라를 바탕으로 소재 개발부터 동물모델 검증까지 전 과정을 수행하며 이번 성과를 이끌어냈다.
한편, 이번 연구를 이끈 성혜정 KIST 선임연구원은 도전적 연구를 수행할 차세대 연구리더를 육성하는 KIST 대표 인재 양성 프로그램인 ‘KIST Young Fellow’에 선정돼, 초박막·고유연성 뇌전극 플랫폼을 고도화할 계획이다.
이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 배경훈) 개인기초사업(RS-2025-00514523, RS-2025-00517552) 및 KIST 기관고유사업(26E0241, 26E0123, 2E33682)의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 재료과학 분야 국제 학술지 ‘Advanced Functional Materials’ (IF 19.0, JCR 상위 4.5%) 최신 호에 표지 논문(Front Cover)으로 게재됐다
* 논문명 : Artifact-Minimizing Ultrathin Transparent Electrodes Fabricated via iCVD for In Vivo Optogenetic Stimulation and Neural Signal Monitoring of Primary Visual Cortex
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