성균관대-경희대 공동연구팀, 빛으로 제어하는 체내 삽입형 무선 전기자극 시스템 개발
– 원하는 위치에서 빛을 이용해 무선 전기 자극 파형을 정밀하게 조절 성공
– 심장 박동기, 신경 치료 등 인체 내 다양한 전기 자극 치료 소자로 활용 기대
▲ (왼쪽부터) 화학공학부 김종욱 교수, 반도체융합공학과 유재영 교수, 경희대 미래정보디스플레이학부 진성훈 교수,
금오공과대학교 전자공학부 서승기 교수
화학공학부 김종욱 교수·반도체융합공학과 유재영 교수 연구팀이 경희대학교 진성훈 교수 연구팀 및 미국 노스웨스턴대학교 존 로저스 교수 연구팀과의 공동연구를 통해, 머리카락보다 얇은 수 마이크로미터 두께의 박막 실리콘 광스위칭 소자(빛을 받으면 전류를 통하게 하거나 차단하는 장치)를 활용하여 체내에 삽입할 수 있는 ‘생분해성 무선 전기자극 시스템’을 개발했다. 이번 연구는 전기자극 장치의 자극 형태를 외부에서 빛을 비추어 마음대로 조절할 수 있는 획기적인 기술이다.
환자를 치료하기 위한 실제 전기자극 치료에서는 자극을 주는 부위와 치료 목적에 따라 자극의 세기나 파형(전기 신호의 형태)을 정밀하게 조절하는 것이 매우 중요하다. 하지만 기존의 몸속에서 녹는 무선 전기자극 장치들은 단순한 한 방향의 전기 신호(단상형 펄스; Monophasic pulse)만을 보낼 수 있어, 환자의 상태에 맞춘 다양한 자극 형태를 만드는 데 어려움이 있었다. 이에 연구팀은 몸 안에서 안전하게 분해되면서도 전류의 흐름을 자유롭게 제어할 수 있는 새로운 바이오 전자소자 개발에 주목했다.
▲ (왼쪽) 박막 실리콘 광스위칭 소자의 구조와 생분해 특성
(오른쪽) 광스위칭 소자 기반 무선 전기 자극 시스템의 동작 모식도
본 공동연구팀은 회로의 특정 지점에 빛을 비추면 전류의 흐름을 조절할 수 있는 얇은 박막 실리콘 광스위칭 소자를 개발하는 데 성공했다. 이를 생분해가 가능한 무선 전기자극 회로에 결합한 후, 몸 밖에서 피부를 통과할 수 있는 근적외선(LED 광원)을 비추어 주었다. 그 결과, 빛의 세기에 따라 전기자극의 파형이 정밀하게 조절되는 것을 확인했다. 이는 체내에 삽입된 의료 장치를 복잡한 전선 연결 없이도 비접촉 방식으로 안전하고 정밀하게 제어할 수 있음을 증명한 것이다.
연구진은 이번에 개발한 장치를 활용하여 일정한 박자로 심장을 뛰게 하는 심장 박동 조율, 횡격막 근육 수축을 유도하는 신경 자극, 통증을 줄이기 위해 신경 신호를 차단하는 고주파 치료 등 다양한 의학적 전기자극 치료가 가능하다는 것을 확인했다. 특히 빛을 이용해 다양한 전기 자극 파형을 맞춤형으로 만들어낼 수 있어, 앞으로 몸속에서 녹는 전기자극 소자의 활용 범위를 획기적으로 넓힐 수 있을 것으로 기대된다.
▲ (위쪽) 근적외선 LED광원과 광스위칭 소자를 활용한 파형 생성 결과
(아래쪽) 횡격막 신경 전기 자극을 통한 횡격막 근육 수축 결과
화학공학부 김종욱 교수는 “이번 연구는 외부에서 비추는 빛을 이용해 기존 몸속에서 녹는 바이오 전자장치가 가진 기술적 한계를 뛰어넘은 성과”라며 “앞으로 환자 개개인의 상태에 맞춘 정밀한 맞춤형 전기자극 치료 시스템으로 발전할 수 있다는 점에서 큰 의미가 있다”고 연구의 의의를 밝혔다.
이번 연구는 화학공학부 김종욱 교수와 금오공대 서승기 교수가 공동 제1저자로 참여했으며, 반도체융합공학과 유재영 교수와 경희대 진성훈 교수, 미국 노스웨스턴대 존 로저스 교수가 교신저자로 참여했다. 한국연구재단의 세종과학펠로우십, 글로벌 기초 연구실 지원사업 및 중견 연구자 지원사업으로 수행된 이번 연구 결과는 전자공학 및 재료과학 분야의 세계적인 학술지인 ‘네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)’에 게재되었다.
※ 논문명: A wirelessly powered, light-controlled, bioresorbable stimulation system with programmable polyphasic waveforms
※ 학술지: NATURE ELECTRONICS (2026)