[과학을읽다]보이지 않을 만큼 얇고, 인체에 '스스로 붙는' 초박막 소자 세계 최초 구현

IBS-성균관대-UNIST 공동연구팀, 350㎚ 나노막 기반 트랜지스터 개발
장기 이식에서도 안정적 성능

살갗에 올려놓으면 흔적조차 보이지 않고, 심장·근육·뇌 조직 위에 닿기만 하면 스스로 부드럽게 밀착되는 초박막 전자소자가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

기초과학연구원(IBS) 뇌과학 이미징 연구단과 성균관대학교, 울산과학기술원(UNIST) 공동연구팀은 두께 350나노미터(㎚) 수준의 자가접착형 나노막 'THIN(Transformable and imperceptible Hydrogel-elastomer Ionic-electronic Nanomembrane)'과 이를 기반으로 한 유기전기화학 트랜지스터(THIN-OECT)를 구현해, 살아 있는 조직 위에서 고감도 생체신호를 실시간 증폭·계측하는 데 성공했다고 10일 밝혔다.

연구 성과는 이날 나노전자공학 분야 최고 권위의 학술지 '네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)' 온라인판에 게재됐다.

형상 변형 가능한 초박막 이중층 트랜지스터(THIN-OECT)를 통한 생체신호 증폭. 연구진 제공

350㎚ 나노막이 심장·근육·뇌에 '스스로' 부착… 신호는 현장에서 바로 증폭

연구진이 개발한 THIN은 기존 생체 센서들이 풀지 못한 '조직 완전 밀착' 문제를 근본적으로 해결한 기술이다. 살아 있는 생체조직은 물처럼 부드럽고 미세한 굴곡이 많아 소자를 안정적으로 붙이기 어려웠다. 기존 전극 기반 측정은 신호 잡음이 심해 정밀 계측에 제약이 있었고, 유연 소자도 내구성과 공정 난이도, 장기 안정성에서 한계가 드러났었다.

THIN은 생체접착 하이드로젤과 반도체성 탄성고분자를 나노미터 두께로 정밀 적층한 구조로, 건조 상태에서는 단단해 취급이 쉽지만 조직의 수분을 만나면 즉시 부드럽게 변하며 스스로 조직에 접착된다. 이를 바탕으로 제작된 THIN-OECT를 쥐의 심장·근육·뇌에 부착한 실험에서는 심전도·근전도·뇌파를 고감도·저잡음으로 실시간 측정할 수 있음이 확인됐다. 또한 조직 굴곡을 그대로 따라가는 자가적응성이 확보됐으며, 4주 이상 장기 이식 상황에서도 염증이나 손상 없이 안정적으로 작동해 높은 생체 적합성을 입증했다.

이번 소자의 성능을 결정짓는 μC(이온-전자 결합 이득) 값은 1034 F·㎝－¹·V－¹·s－¹로, 현재 보고된 유기전기화학 트랜지스터 중 세계 최고치다. 이는 이온 흐름을 전자 신호로 변환하는 효율이 기존 대비 비약적으로 향상됐음을 의미하며, 극미세 생체신호의 실시간 증폭을 가능하게 하는 핵심 지표다.

붙이면 끝… 고정장치·접착제·압력도 필요 없는 전자막

이번 연구가 기존 바이오전자 기술을 크게 앞서는 이유는 THIN이 세 가지 조건을 동시에 충족하는 최초의 플랫폼이기 때문이다. 우선 두께가 350㎚에 불과하고 수화 후 굽힘강성이 크게 낮아져 인체 조직이 소자의 존재를 거의 느낄 수 없을 정도로 얇고 유연하다.

또한 수분감응형 구조를 통해 단순히 조직 위에 올려놓는 것만으로도 10초 이내 부드럽게 변형되며 강한 접착력을 발휘한다. 이 과정에서 접착제나 외부 압력, 고정 구조물 같은 별도의 처리 과정이 전혀 필요 없다.

이와 함께 THIN-OECT는 생체신호가 발생한 지점에서 곧바로 신호를 증폭(on-site amplification)하는 방식으로 동작해, 외부 회로를 최소화하면서도 높은 신호 대 잡음비(SNR)를 유지한다. 이러한 특성은 심장, 근육, 뇌 등 움직임과 환경 변화가 큰 조직에서 안정적인 실시간 측정을 가능하게 해 기존 바이오센서가 가지던 구조적 한계를 뛰어넘었다는 평가를 받는다.

조직에 완전히 밀착하고 견고히 접착되는 THIN의 변형 가능 원리 및 특성. IBS 뇌과학 이미징 연구단은 THIN이 물을 흡수해 부드러워진 상태에서도 찢어지지 않고 유연하게 늘어나는 것을 확인했다. 또 수 마이크론 수준의 곡면에도 달라붙고, 홍합 족사를 모사해 미세조직에도 안정적으로 접착될 수 있음을 입증했다. THIN이 조직 표면의 체액을 만나면 한쪽부터 서서히 부풀어 오르면서 말리듯 움직이고, 이 과정에서 무게중심이 위로 이동한다. 이러한 변화가 퍼져 나가면서 나노막 전체가 스스로 조직 곡면에 자연스럽게 달라붙는다(그림 a). 이와 같은 원리는 역동적인 심장 박동 상황에서도 동일하게 적용돼, 안정적이고 견고한 접착이 가능함이 확인됐다(그림 b). 또한 THIN은 신축성 기판이 있는 기존 소자와 달리 강성이 낮아 조직과 함께 자연스럽게 늘어나면서도 안정적으로 접착됨을 확인했다(그림 c). 연구진 제공

'보이지 않는 전자약' 시대 여나… 정밀의료·뇌공학·재활기기까지 확장

손동희 성균관대 교수는 "이번 연구는 생체조직에 스스로 부착되는 보이지 않는 나노전자소자를 통해 기존 바이오전자 기술의 실사용성·내구성·조직안정성 문제를 한 번에 해결한 결과"라며 "심장질환 모니터링, 맞춤형 뇌파 기반 인터페이스, 근육 재활 로봇 제어, 전자약 기반 자극 치료 등 다양한 정밀의료 플랫폼으로 확장될 수 있다"고 설명했다.

연구팀은 THIN 플랫폼을 기반으로 한 단계 더 발전된 생체 인터페이스 시스템을 구축할 계획이다. 다채널·고밀도화된 센서 아키텍처 개발, 폐-루프(closed-loop) 센서-자극 회로 구현, 감각 재현형 신경보철 기술 적용 등이 목표이며, 장기적으로는 무선형·삽입형·생분해성 전자약 플랫폼으로의 진화를 추진하고 있다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr