뇌과학 분야에서는 빛을 이용한 인간 뇌의 신경회로를 밝히는 광유전학이 주목받고 있는 가운데 KAIST 이건재 김대수 교수팀이 유연한 수직형 마이크로 LED 기술을 개발해 이를 동물의 뇌에 삽입해 빛으로 행동을 제어하는 데 성공했다.

이번에 개발한 기술은 뇌의 모든 신경세포를 자극하는 전기자극과 달리 흥분 및 억제 신경세포만을 선택적으로 자극할 수 있기 때문에 정밀한 뇌 분석, 고해상도의 뇌지도 제작 및 신경세포 제어가 가능하다.

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

발열이 적어 뇌조직의 손상 없는 생체 삽입형 유연 전자 시스템을 구현했다.

마이크로 LED는 기존 LED 칩 크기를 크게 축소시켜 적, 녹, 청색의 발광소재로 사용하는 기술로 저전력과 빠른 응답속도, 뛰어난 유연성을 가져 차세대 디스플레이로 각광받고 있지만 현재 대량 생산이 어렵고 생산단가가 높으며 소요 시간이 오래 걸리는 등의 한계를 갖고 있다.

마이크로 LED의 시장 규모는 올해 약 2억 5천만 달러에서 2025년 약 199억 2천만 달러까지 성장할 것이며, 특히 디스플레이 분야가 전체 시장의 약 98%를 차지할 것으로 전망된다.

하지만 현재 산업계에서는 두꺼운 LED 칩을 소형화하여 개별 전사하는 방식으로 마이크로 LED를 생산하고 있는데, SONY가 ‘CES(소비자가전전시회) 2017’에서 공개한 220인치 4K 마이크로 LED TV의 가격은 약 11억 5천만 원에 달했다.

이번 연구에서 이 교수 연구팀은 수직 LED용 양산 장비를 자체적으로 설계했다.

5마이크로미터의 두께, 80마이크로미터 이하의 크기를 갖는 2천 500여 개의 박막 LED를 이방성 도전 필름을 활용해 한 번에 플라스틱 기판으로 전사함과 동시에 상호 연결된 유연한 수직형 마이크로 LED를 구현했다.

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

이건재 교수는 “이번에 개발된 수직 마이크로 LED 및 전사 패키징 기술은 저전력을 필요로 하는 스마트워치, 모바일 디스플레이, 웨어러블 조명 등에 바로 활용될 수 있을 것”이라며 “인간이 아직 풀지 못한 뇌과학 및 광치료, 바이오센서 분야에서도 기여할 수 있을 것이다”고 말했다.

이번 연구는 스마트 IT융합시스템 연구단의 지원을 받아 수행됐으며 국제 학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’에 2월 1일자로 게재됐다.