▲ (左부터)이건재 KAIST 신소재공학과 교수, 이번 기술을 이용해 제작한 마이크로 LED,유연한 수직형 마이크로 LED의 구조 .

국내 연구진이 유연한 수직형 마이크로 LED를 개발하고 이를 통해 뇌조직의 손상 없는 생체 삽입형 유연 전자 시스템을 구현했다

KAIST는 이건재 KAIST 신소재공학과 교수팀과 김대수 생명과학과 교수팀이 함께 유연한 수직형 마이크로 LED 기술을 개발했으며, 이를 동물의 뇌에 삽입해 빛으로 행동을 제어하는 데 성공했다고 밝혔다.

마이크로 LED는 기존 LED 칩 크기를 크게 축소시켜 적, 녹, 청색의 발광소재로 사용하는 기술로서, 저전력과 빠른 응답속도, 뛰어난 유연성을 가져 차세대 디스플레이로 각광받고 있다.

현재 산업계에서는 200마이크로미터(μm) 이상의 크기를 갖는 두꺼운 미니 LED 칩을 소형화해 개별 전사하는 방식을 채택하고 있어 대량 생산이 어렵고 생산단가가 높으며, 소요 시간이 오래 걸리는 등의 한계를 갖고 있다.

이에 연구진은 수직 LED용 양산 장비를 자체적으로 설계해 5마이크로미터의 두께, 80마이크로미터 이하의 크기를 갖는 2500여 개의 박막 LED를 이방성 도전 필름을 활용해 한 번에 플라스틱 기판으로 전사하고 상호 연결된 유연한 수직형 마이크로 LED를 구현했다.

이러한 수직형 마이크로 LED는 기존 수평형 마이크로 LED와 비교해 3배 이상 향상된 광 효율을 갖으며, 박막 LED의 발열로 인한 수명, 낮은 해상도 및 신뢰성 문제를 해결할 수 있다.

더불어 연구진은 LED와 뇌의 신경 회로를 결합해 발열이 적어 뇌조직의 손상 없는 생체 삽입형 유연 전자 시스템을 구현했다.

뇌과학 분야에서는 빛을 이용한 인간 뇌의 신경회로를 밝히는 광유전학이 주목받고 있다. 이번에 개발한 기술은 뇌의 모든 신경세포를 자극하는 전기자극과 달리 흥분 및 억제 신경세포만을 선택적으로 자극할 수 있기 때문에 정밀한 뇌 분석, 고해상도의 뇌 지도 제작 및 신경세포 제어가 가능하다.

이번 연구에서는 30밀리와트/제곱밀리미터(mW/mm2) 이상의 강한 빛을 내는 유연 마이크로 LED를 쥐의 뇌에 삽입해 대뇌 표면으로부터 깊은 곳에 위치한 운동 신경세포를 활성화시켜 쥐의 행동을 제어했다.

이건재 교수는 “이번에 개발된 수직 마이크로 LED 및 전사 패키징 기술은 저전력을 필요로 하는 스마트워치, 모바일 디스플레이, 웨어러블 조명 등에 바로 활용될 수 있을 것이며, 인간이 아직 풀지 못한 뇌과학 및 광치료, 바이오센서 분야에서도 큰 기여를 할 수 있을 것”이라고 이번 연구의 의의를 밝혔다.

한편, 이번 연구는 스마트 IT융합시스템 연구단의 지원을 받아 수행됐으며, 세계적 과학 학술지인 ‘나노 에너지(Nano Energy)’에 2월 1일자로 게재됐다. 이 교수는 2009년부터 마이크로 LED 연구를 진행해 왔으며, 20여 개의 국내외 원천 특허를 등록하였을 뿐만 아니라, 지난 4년 간 교신저자로서 총 임팩트 팩터 600에 달하는 40여 편의 논문을 발표했다.

▲ 유연한 수직형 마이크로 LED를 활용한 광유전학적 쥐의 행동 제어 실험 개략도 .