태양 빛으로 충전해 신경세포 자극, 무선 광자극 장치 나왔다

연세대·고려대 공동 연구진

연세대·고려대 공동 연구진이 '에너지 하베스팅' 기술을 적용해 개발한 무선 광 자극 장치의 작동 개요. 실험 대상의 활동을 제약하지 않아 뇌과학, 의학 분야 실험에 활용할 수 있을 전망이다./연세대

국내 연구진이 태양 빛을 이용해 신경 세포의 활동을 조절하는 장치를 개발했다. 시간과 공간의 제약 없이 사용할 수 있는 것은 물론 배터리 교체도 필요 없어 기존 기술의 한계를 해결했다. 정신 질환 극복을 위한 뇌과학, 의학 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

유기준 연세대 전기전자공학과 교수와 조일주 고려대 의대 교수가 이끄는 공동 연구진은 10일 반영구적으로 사용할 수 있는 빛 에너지 기반 무선 광 자극 장치를 개발했다고 밝혔다.

이번에 개발한 장치는 고효율 태양전지를 사용해 맑은 날에는 10분 만에 완전히 충전할 수 있다. 충전 문제로 사용 공간이 제한적이던 기존 기술의 단점을 해결한 광유전학 장치 개발로 이어질 수 있다. 광유전학은 빛을 이용해 세포를 자극하고 활동을 조절하는 기술이다. 신경세포에 적용하면 질환의 치료와 관리에 활용할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

기존 광 자극 장치는 인체에 삽입한 이후 외부 장비와 유선으로 연결해 전력을 충전하는 방식을 사용했다. 이 때문에 실험 대상의 활동 공간이 제한돼 행동 실험이나 많은 수의 개체의 상호작용을 연구하는 실험에서는 활용이 어려운 상황이다. 무선으로 전력을 공급하는 장치도 존재하지만 복잡한 구성이 필요하다는 점이 실제 활용의 한계로 작용하고 있다.

연구진은 ‘에너지 하베스팅’ 기술을 도입해 이런 문제를 해결했다. 자연적으로 만들어지는 적은 양의 에너지를 모아 활용하는 에너지 하베스팅 기술은 사물인터넷(IoT), 생체 삽입형 장치를 비롯한 저전력 장치의 전력 공급 방식으로 주목 받고 있다.

연구진은 에너지 효율을 극대화한 ‘3-5족 태양전지’를 활용해 무선 광 자극 장치를 만들었다. 3-5족 태양전지는 원자 가장 바깥쪽에 각각 3개, 5개의 전자가 있는 3족, 5족 원소 사이의 전자 이동을 활용한다. 넓은 파장 범위의 빛으로 에너지를 만들 수 있어 높은 효율을 자랑한다.

3-5족 태양전지를 적용한 장치는 10분 충전으로도 1시간 30분 동안 작동할 수 있는 것으로 나타났다. 또 태양 빛이 아닌 발광다이오드(LED)로도 20분이면 충전이 가능해 시간과 공간의 제약 없이 사용할 수 있었다.

장치를 삽입한 후에도 배터리를 교체할 필요가 없어 기존 기술로는 불가능했던 행동 실험이나 사회 실험에서도 활용할 수 있었다. 연구진은 이번에 개발한 기술을 활용하면 자연스러운 상태에서 장기간 실험을 할 수 있어 뇌과학과 의학 실험의 패러다임을 바꿀 수 있을 것으로 기대했다.

유 교수는 “‘에너지 하베스팅’ 개념을 무선 블루투스 시스템에 도입해 완전히 자유로운 공간에서도 무선 장치를 작동할 수 있게 했다”며 “뇌과학 분야뿐 아니라 무선 장치를 사용하는 여러 산업에 큰 영향을 줄 것으로 예상한다”고 말했다.

조 교수는 “완전한 자유 행동을 가능하게 해 실험 대상의 스트레스를 일정 부분 해소할 수 있다”며 “뇌 과학 분야에서 큰 발전을 가져올 것으로 보인다”고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스’에 지난 달 29일 소개됐다.

참고자료

Science Advances, DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adi8918

이번 연구에 참여한 연구진. 왼쪽부터 박재진 연세대 박사과정 연구원, 김규빈 연세대 박사과정 연구원, 김유진 고려대 박사과정 연구원, 김태수 연세대 박사과정 연구원, 유기준 연세대 전기전자공학과 교수, 조일주 고려대 의대 교수./연세대

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