유기준 교수팀, 빛 에너지로 구동되는 무선 광자극 시스템 최초 개발

고효율 유연 태양전지와 유연 기판 위 무선 블루투스 시스템의 통합 구축

백열등에서도 20분 만에 충전 … 공간 제약 없이 반영구적으로 사용 가능

[사진. (왼쪽부터) 박재진 연구원, 김규빈 연구원, 김유진 연구원(고려대), 김태수 연구원, 유기준 교수, 조일주 교수(고려대)]

공과대학 전기전자공학과 유기준 교수 연구팀은 고려대 의과대학 조일주 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 고효율 유연 태양전지와 유연 기판 위 무선 블루투스 시스템을 이용해 빛 에너지로 구동되는 무선 광자극 시스템을 세계 최초로 개발했다.

이번에 개발한 디바이스는 고효율 태양전지를 사용해 맑은 날에는 10분 만에 완전히 충전되며, 1시간 30분 동안 작동이 가능하다. 또한 태양빛이 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 광자극 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 위해서는 복잡한 인터페이스와 장비가 필요하다는 점도 큰 한계였다.

이를 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 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."고 연구 의의를 밝혔다.

한편, 본 연구는 한국연구재단의 중견연구사업, 뇌기능규명·조절기술개발사업, 차세대화합물반도체핵심기술개발사업의 지원을 받아 우리 대학교 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 게재됐다.

논문정보

● 논문제목: A wireless, solar-powered, optoelectronic system for spatial restriction-free long-term optogenetic neuromodulations

● 논문주소: https://doi.org/10.1126/sciadv.adi8918

용어설명
● 광 유전학(Optogenetics): 생체 조직에서 유전공학적으로 발현된 광 민감성 단백질을 이용해, 특정 세포 활동을 조절하기 위한 기술. 빛 자극을 통해 신경 세포의 활성화도를 조절하며, 이는 다른 세포들에 영향을 최소화하면서 한 유형의 신경 세포만 조작할 수 있는 길을 제시하는 기술로 신경과학자와 의생명공학자들에게 널리 적용될 수 있는 도구를 제공한다. 

● 에너지 하베스팅(Energy Harvesting): 태양광 발전처럼 개별 장치들이 태양광, 진동, 열, 바람 등과 같이 자연적인 에너지원으로부터 발생하는 에너지를 모아서 유용한 전기 에너지로 바꿔 사용할 수 있는 기술. 에너지 하베스팅은 전자기 에너지, 빛 에너지, 열전 에너지 등 모든 에너지 생산의 상위 개념이며, 본 논문에서는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 빛 에너지 하베스팅 기술을 채택했다.

그림설명

[그림 1. 과거 광자극 시스템과 비교해 대상체의 완전한 자유행동을 가능하게 만든 무선 빛 에너지 구동 무선 광자극 시스템 개요]

[그림 2. 유연 태양전지와 유연 기판 위 제작된 무선 광자극 블루투스 시스템]

[그림 3. 빛 에너지 구동 무선 광자극 시스템 블록 다이어그램]

[그림 4. (왼쪽) 외부 자연광에 대한 출력 파워, (오른쪽) 다양한 광원에 대한 디바이스 충전 그래프]

[그림 5. 빛 에너지 구동 무선 광자극 시스템을 통한 대상체의 행동 제어 실험 결과]

[그림 6. 외부 충전 장비 없이 반영구적 사용이 가능한 빛 에너지 구동 광자극 디바이스의 개요]