유기준 연세대 교수팀, 공간 제약 없이 반영구적으로 사용 가능한 무선 광유전학 시스템 세계 최초 개발

고효율 유연 태양전지와 유연 기판 위 무선 블루투스 시스템의 통합 구축
백열등에서도 20분 만에 충전 가능
국제 융합연구 최고 권위지 사이언스 어드밴시스(Science Advances, IF 13.6) 게재

(왼쪽부터)연세대 박재진, 연세대 김규빈, 고려대 김유진, 연세대 김태수 연구원(이상 제1저자), 연세대 유기준 교수, 고려대 조일주 교수(이상 교신저자)

유기준 연세대학교 전기전자공학과 교수, 조일주 고려대학교 의과대학 교수 공동 연구팀이 3-5족 화합물을 기반으로 한 고효율 유연 태양전지와 유연 기판 위 무선 블루투스 시스템을 이용해 빛 에너지로 구동되는 무선 광자극 시스템을 세계 최초로 개발했다고 10일 밝혔다.

이번에 개발한 디바이스는 고효율 태양전지를 사용해 맑은 날에는 10분 만에 완전히 충전되며, 1시간 30분 동안 작동이 가능하다. 또한 태양 빛이 아닌 LED 백열등에서도 20분 만에 충전이 가능해 실내외는 물론 밤에도 사용할 수 있다. 다시 말해, 아침에 태양이 떠오르면 디바이스가 자동으로 전원을 공급받아 배터리를 충전하고, 밤에도 남은 전력을 이용해 계속 작동한다. 이러한 방식으로 공간적 제약 문제를 해결해 외부 충전 장비 없이도 영구적인 사용이 가능하다.

기존의 광 자극 디바이스는 체내 삽입 후 외부 장비와 유선으로 연결돼 있어 실험 대상체의 움직임을 제한했다. 이는 실험 대상체가 자율적으로 움직이는 것을 막아 행동 실험이나, 다수 객체 간 상호작용이 필요한 실험, 장기간 진행하는 실험에 걸림돌로 작용했다. 또한 무선 광자극 디바이스를 운용하기 위해선 복잡한 인터페이스와 장비가 필요하다는 점도 큰 한계였다.

이러한 한계를 극복하기 위해 연구팀은 '빛 에너지 하베스팅(Energy Harvesting)' 개념을 도입한 새로운 디바이스를 개발했다. 이 디바이스는 공간적 제약을 해결하기 위해 고효율 유연 태양전지로 전기 에너지를 얻는다. 3-5족 기반 물질로 만들어진 이 태양전지는 넓은 파장 범위의 빛을 수용할 수 있어 다양한 광원에서 에너지를 얻을 수 있다. 이렇게 얻은 광 에너지는 내장된 최대 전력점 추적 시스템 회로를 통해 무선 블루투스 구동에 필요한 전압으로 변환된다.

전력 관리 시스템과 블루투스 시스템은 모두 유연한 기판 위에 제작돼 기존 에너지 하베스팅 방식에서 발생하는 공간적 제약을 완벽하게 해결했을 뿐만 아니라, 뇌 임플란트에 적합하게 설계돼 사용자는 개인 스마트폰을 통해 여러 대상체의 신경 조절을 간단하게 수행할 수 있게 됐다.

또한 한번 삽입 후 배터리를 교체할 필요가 없기 때문에 실험 대상체가 특정 장소에 머무르지 않아도 되는 이점이 있다. 이는 완전히 자연스러운 상태에서 장기간 대상체의 신경 반응을 관찰할 수 있는 새로운 패러다임을 제시한 것으로 그 의미가 매우 크다.

해당 기술은 세계 최초로 유연한 고효율 태양전지와 유연 기판 위 제작된 무선통신 시스템의 통합 구축으로, 완전한 자유 운동을 가능하게 하는 실험 대상체에 대해 장기간 광유전학적 신경 조절을 수행함으로써 뇌과학 및 의학 연구에 혁신적인 기반을 마련했다.

유기준 연세대 교수는 "본 연구는 '빛 에너지 하베스팅' 개념을 무선 블루투스 시스템에 도입해 완전히 자유로운 공간에서도 대상체에 삽입된 무선 디바이스의 작동을 가능하게 하는 새로운 패러다임을 제시한 것"이라며, "이것은 단순히 뇌과학 분야뿐만 아니라 무선 디바이스를 사용하는 여러 산업에 큰 영향을 줄 것으로 예상한다."라고 연구 의의를 밝혔다.

조일주 고려대 교수는 "본 기술이 완전한 자유 행동을 가능하게 함으로써 대상체의 스트레스를 일정 부분 해소할 수 있다는 점에서, 뇌 과학 분야에서 큰 발전을 가져올 것으로 보인다"고 말했다.

논문의 제1저자로 참여한 연구원들은 "빛 에너지 하베스팅을 통해 무선 충전이 가능한 블루투스 기반 광자극 시스템을 개발하고, 이를 적용해 광유전학적 신경 자극을 확인했다."며, "이는 연구적 가치가 높은 뇌과학 분야 및 무선 바이오 디바이스 분야 발전에 큰 영향을 미칠 수 있는 연구가 될 것"이라고 전했다.

한편, 본 연구는 한국연구재단의 중견연구사업, 뇌기능규명·조절기술개발사업, 차세대화합물반도체핵심기술개발사업의 지원을 받아 연세대 박재진 연구원(제1저자), 김규빈 연구원(제1저자), 김태수 연구원(제1저자), 유기준 교수(교신저자), 고려대 김유진 연구원(제1저자), 조일주 교수(교신저자) 연구팀의 협업을 통해 진행됐으며, 국제 융합연구 최고 권위지인 사이언스 어드밴시스(Science Advances, IF 13.6)에 9월 29일 최종 게재됐다.

장환순기자 janghs@dt.co.kr