△ OLED가 의료기기 개발의 소재로 등극하고 있다.

국내에서 유기발광다이오드(OLED)를 활용한 의료기기 개발이 성과를 내고 있다.

18일 의료계 등에 따르면 국내 연구진들은 최근 눈 질환 검사 가능한 OLED 넣은 렌즈, 광유전학용 뉴럴 프로브, OLED과 직물을 통합해 착용 가능한 생체신호 장치 등의 개발에 성공했다.

한국과학기술원(KAIST)은 최근 전기·전자공학부 유승협 교수는 최근 서울대분당병원 우세준 교수, 포항공대(POSTECH) 한세광 교수, PHI 바이오메드, 한국전자통신연구원(ETRI) 연구팀과 함께 OLED를 활용한 무선 콘택트렌즈 기반 망막 진단 플랫폼을 개발했다.

연구팀은 큰 특수 광원을 설치하지 않고도 렌즈 착용만으로도 ERG를 수행할 수 있는 기술을 개발했다.

ERG용 콘택트렌즈 전극에 머리카락의 6∼8분의 1 수준인 12.5㎛(마이크로미터·100만분의 1ｍ) 굵기의 유연한 OLED를 집적하고 무선 전력 수신 안테나와 제어 칩을 탑재했다.

기존 눈에 빛을 쏘이는 스마트 콘택트렌즈형 광원은 대부분 무기 발광다이오드(LED)를 활용해 왔으나 딱딱한 형태의 무기 LED는 한 곳의 점에서 너무 강한 빛이 나오는 점광원 특성으로 인해 열 집적 문제에 취약하다는 한계가 있다.

OLED는 면광원 방식으로 넓고 균일하게 빛을 쏠 수 있으며 저 휘도(밝기) 조건에서도 충분한 망막 반응을 유도할 수 있다.

실제 비교적 낮은 밝기의 126니트(nit·1니트는 촛불 한 개 밝기)의 휘도 조건에서도 안정적인 ERG 신호를 유도해 기존 상용 광원과 동등한 수준의 진단 신호를 확보하는 데 성공했다.

동물실험 결과 OLED 콘택트렌즈를 착용한 토끼 눈의 표면 온도는 27도 이하로 각막에 열 손상이 없었다. 

또 고온 다습한 환경에서도 빛을 내는 성능이 유지돼 실제 임상환경 적용 가능성을 입증했다.

연구팀은 스마트 콘택트렌즈 기술을 접안형 광 진단·치료 플랫폼으로 확장하는 데 활용할 수 있을 것으로 기대했다.

한국과학기술원(KAIST) 전기및전자공학부 최경철·이현주 교수팀은 최근 인천대 전자공학부 정은교 교수팀과 함께 유연한 마이크로 OLED가 집적된 광유전학용 뉴럴 프로브 개발에 성공했다. 

연구팀은 마이크로 OLED는 높은 공간적 해상도와 유연성을 가져 매우 작은 영역의 뉴런에서도 정확하게 빛을 조사할 수 있어 세밀한 뇌 회로 분석이 가능하고 동물의 움직임에 불편함을 주지 않으면서 부작용을 최소화하는 장점에 주목했다. 

또 미세한 파장 조절을 통해 정밀한 빛 조절이 가능하며 다중 자극을 통한 복잡한 뇌 기능 연구가 가능하다. 

하지만 체내 수분이나 물에 의해 전기적 특성이 쉽게 열화되기 때문에 생체 삽입형 전자장치로 활용되는데 한계가 있었고 얇고 유연한 탐침 위 고해상도 집적 공정에 대한 세부적인 최적화도 필요했다.

연구팀은 수분과 산소가 많은 생체 내 환경에서 OLED의 구동 신뢰성을 높이며 생체 삽입 시 조직 손상을 최소화하고자 산화알루미늄/파릴렌-C(Al2O3/parylene-C)로 구성된 초박막 유연 봉지막을 얇은 탐침 형태인 260~600마이크로미터(μm) 너비로 패터닝해 생체친화성을 유지했다.  

또 고해상도 마이크로 OLED를 집적함에 있어 전체 소자의 유연성과 생체친화성을 유지하기 위해 봉지막과 동일한 생체친화 재료인 파릴렌-C(parylene-C)를 활용했다.

아울러 인접한 OLED 픽셀 간 전기적 간섭 현상을 제거하고 각 픽셀을 공간적으로 분리하기 위해 구조적 레이어인 '화소 정의막(pixel define layer)'을 도입함으로써 8개의 마이크로 OLED를 독립적으로 개별 구동할 수 있도록 구현했다.

마지막으로 소자 내 다중 박막층의 잔류 응력과 두께를 정밀하게 조절함으로써, 생체 내 환경에서도 소자의 유연성을 유지할 수 있도록 했다.

이를 통해 외부 셔틀이나 바늘과 같은 보조 장치 없이도 단일 탐침만으로 휘어짐 없이 삽입이 가능하도록 소자의 기계적 스트레스를 최적화해 설계했다.

결론적으로 연구팀은 채널로돕신2의 활성화에 적합한 470나노미터(nm) 파장에서 1밀리와트/제곱밀리미터(mW/㎟)이상의 광 파워 밀도를 가지는 즉, 광유전학 및 생체조직 자극 응용에서 상당히 높은 수준의 광출력을 가진 마이크로 OLED 집적 유연 뉴럴 프로브를 개발했다. 

또 초박막 유연 봉지막은 2.66×10⁻⁵ g/m²/day의 낮은 수분 투습률을 보이며 소자 수명은 10년 이상 유지할 수 있고 패릴렌-C(parylene-C)를 기반으로 생체 내 높은 봉지막 성능을 발휘하며, 전기적 간섭과 휨 이슈 없이 집적된 OLED의 개별 구동을 성공적으로 시연했다.

연구팀은 이번 연구가 유연 프로브 형태에 최초로 개발해 보고된 사례로 유연 OLED가 인체 삽입형 측정 및 치료 의료기기로서의 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대했다.

경희대학교 미래정보디스플레이학부 전용민 교수팀은 최근 신축 가능한 OLED를 직물에 통합해 입을 수 있는 생체신호 장치를 개발하고 일상생활에서 안정적이고 신뢰성 있는 건강 모니터링이 가능한 웨어러블 생체신호장치를 개발했다.

연구팀은 일본의 종이 공예 기법에서 유례된 '키리가미(Kirigami)' 패턴을 스트레처블 OLED의 전극 구조로 활용했다.

이는 미리 설계한 선대로 자른 뒤 종이를 펼치면 3차원 구조물이 생기는 식이다.

연구팀은 이 패턴을 활용해 최대 150%의 신축성을 달성했다. 섬유 기판에 전사한 후에도 100%의 신축성을 유지해 섬유 고유의 유연성을 해치지 않는 구조적 안정성도 확보했다.

연구팀이 개발한 스트레처블 OLED는 10,205 cd/m2의 고휘도를 유지했다. 또한 길이를 2배로 늘린 후에도 휘도 저하 없이 작동함을 확인했다. 다기능성 다층 베리어도 적용했다. 자외선 차단 및 방수 기능을 동시에 확보해 혹독한 외부 환경에서도 안정적인 장기 작동이 가능했다.

광혈류 측정 실험(PPG)도 실시했다. 60%의 신축 상태에서도 신뢰성 있는 PPG 신호를 확보했다. 특히 광원 세기 조절을 통해 신축으로 인한 신호 품질 저하를 보정해 인체 착용 시에도 생체신호를 정확하게 감지할 가능성을 입증했다.

이 연구는 늘어나고 줄어들 수 있는 OLED를 직물에 통합한 최초의 사례다. 신축 가능한 OLED는 피부 주름이나 관절 부위에서도 자유롭게 움직일 수 있다. 활동 중에도 광혈류 측정이 가능하다. 이는 착용자 맞춤형 센서 플랫폼으로 개인의 신체 치수에 맞게 조정할 수 있다.

연구팀은 스마트 의류나 웨어러블 광 진단 센서 등 다양한 분야로의 응용 가능성을 제시했으며 특히 실시간 생체신호 측정과 건강 모니터링이 가능한 융합형 스트레처블 디스플레이 기술로의 확장 등을 기대했다.