경북대 연구팀, 구리 없는 '3차원 유연 바이오전자 플랫폼' 개발

[대구=이데일리 홍석천 기자] 경북대학교 연구진이 기존 구리 기반 유연 회로기판(FPCB)의 부식 문제를 해결하면서 전자회로와 바이오센서를 하나의 기판에 집적할 수 있는 3차원 다층 유연 바이오전자 플랫폼을 개발했다.

경북대 전자공학부 신효근 교수팀은 은 나노와이어와 탄소나노튜브, 레이저 유도 그래핀(LIG)을 결합한 하이브리드 전도체를 이용해 생리학적 환경에서도 안정적으로 작동하는 다층 유연 바이오전자 플랫폼을 구현했다고 밝혔다.

몸에 부착하거나 체내에 이식하는 의료기기 기술이 발전하면서 전자회로와 바이오센서를 하나의 유연한 기판에 통합하는 기술의 중요성도 커지고 있다. 특히 의료기기를 작고 정밀하게 만들기 위해서는 여러 층에 회로와 센서를 배치하는 다층 구조가 필요하다.

하지만 기존 FPCB에 주로 사용되는 구리는 체액과 같은 전해질 환경에 장시간 노출될 경우 산화·부식될 수 있다는 한계가 있다. 바이오센서와 전자회로를 하나의 기판에 직접 통합하기 어렵고, 다층 회로를 만들기 위해서는 포토리소그래피와 클린룸 등 복잡한 반도체 공정이 필요한 것도 과제였다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 은 나노와이어와 탄소나노튜브를 레이저 유도 그래핀과 결합한 새로운 하이브리드 전도체를 설계했다.

개발된 전도체는 단일 LIG 배선과 비교해 전도도를 4.5배 높이면서 기존 구리 배선에서 문제가 됐던 산화·부식 위험을 줄였다. 장기간의 생리학적 환경과 반복적인 굽힘, 다양한 pH 조건에서도 기계적·화학적 안정성을 유지했다.

경북대 전자공학부 신효근 교수(사진=경북대)

제작 공정도 단순화했다. 연구팀은 이 기술을 바탕으로 하나의 유연한 기판에 전자회로와 바이오센서를 함께 배치한 3차원 다층 바이오전자 플랫폼을 완성했다.

실제 활용 가능성도 실험을 통해 확인했다. 연구팀은 플랫폼에 무선 블루투스 기반 LED 제어 회로를 구현해 전기적 연결과 층간 절연 성능을 검증했다. 생쥐를 대상으로 한 뇌파(EEG) 측정에서는 상용 FPCB 전극과 비슷한 수준의 신호 기록 성능을 확인했다. 다층 구조에서도 신호 감쇠나 층간 간섭 없이 뇌 신호를 안정적으로 기록했다.

연구진은 이번 기술이 향후 웨어러블 헬스케어 기기를 넘어 체내 이식형 의료기기와 장기간 신경 신호를 측정하는 인터페이스, 생체신호를 감지한 뒤 필요한 자극이나 치료를 자동으로 수행하는 폐쇄루프 바이오전자 시스템 등에 활용될 것으로 기대하고 있다.

신효근 교수는 “기존 구리 기반 유연 회로기판이 생리학적 전해질 환경에서 쉽게 산화·부식돼 바이오센서로 활용하기 어려웠던 한계를 개선하고 전자회로와 바이오센서를 하나의 유연한 다층 플랫폼에 통합했다는 점에서 의미가 크다”며 “향후 웨어러블 헬스케어뿐 아니라 이식형 의료기기와 장기 신경 인터페이스, 폐쇄루프 바이오전자 시스템 개발에도 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 신 교수가 교신저자, 경북대 전자전기공학부 김기헌 박사과정생이 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘Biosensors and Bioelectronics’에 지난 16일 게재됐다.