[표영우 학생/박홍규 교수] 식물 잎을 닮은 ‘인공잎’으로 빛 기반 생체전자 인터페이스 구현 (Nature Photonics 게재)
Self-organized nanoplasmonic artificial leaf for hot-carrier bioelectronic interfaces
박홍규 교수 연구팀은 Bozhi Tian 교수와 Sarah King 교수 연구팀(미국 시카고대학교)과의 공동연구를 통해 식물 잎의 빛 기반 신호전달 원리를 모사한 나노플라즈모닉 인공잎 소자를 개발했다. 연구진은 열처리 과정에서 스스로 형성되는 금(Au)-이산화티타늄(TiO2) 나노구조를 이용해, 100 nm 이하의 매우 얇은 두께에서도 강한 광전류를 생성하는 데 성공했다. 또한 기존 반도체 광전극과 달리 넓은 빛의 세기 범위에서 안정적이고 선형적인 응답을 구현해, 빛의 세기를 보다 정확하게 전기 신호로 변환할 수 있음을 확인했다. 개발된 인공잎 소자는 빛만으로 쥐의 좌골신경과 심장 조직을 자극할 수 있었으며, 별도의 전선이나 복잡한 전극 연결 없이 생체 조직과 상호작용할 수 있는 가능성을 보여주었다. 또한 소자 표면의 패턴을 조절해 광전류의 위치와 방향을 자유롭게 제어함으로써 원하는 부위만 선택적으로 자극할 수 있음을 입증했다. 더 나아가 연구진은 단 네 개의 전극만으로 빛이 비추어진 위치를 구별할 수 있는 새로운 광 감지 기술을 구현했다. 이를 이용해 별도의 픽셀 배열 없이도 광 패턴 인식과 손글씨 추적에 성공했으며, 인공지능 기반 광정보 처리 기술로의 활용 가능성도 확인했다.
박홍규 교수 연구팀은 Bozhi Tian 교수와 Sarah King 교수 연구팀(미국 시카고대학교)과의 공동연구를 통해 식물 잎의 빛 기반 신호전달 원리를 모사한 나노플라즈모닉 인공잎 소자를 개발했다. 연구진은 열처리 과정에서 스스로 형성되는 금(Au)-이산화티타늄(TiO2) 나노구조를 이용해, 100 nm 이하의 매우 얇은 두께에서도 강한 광전류를 생성하는 데 성공했다. 또한 기존 반도체 광전극과 달리 넓은 빛의 세기 범위에서 안정적이고 선형적인 응답을 구현해, 빛의 세기를 보다 정확하게 전기 신호로 변환할 수 있음을 확인했다. 개발된 인공잎 소자는 빛만으로 쥐의 좌골신경과 심장 조직을 자극할 수 있었으며, 별도의 전선이나 복잡한 전극 연결 없이 생체 조직과 상호작용할 수 있는 가능성을 보여주었다. 또한 소자 표면의 패턴을 조절해 광전류의 위치와 방향을 자유롭게 제어함으로써 원하는 부위만 선택적으로 자극할 수 있음을 입증했다. 더 나아가 연구진은 단 네 개의 전극만으로 빛이 비추어진 위치를 구별할 수 있는 새로운 광 감지 기술을 구현했다. 이를 이용해 별도의 픽셀 배열 없이도 광 패턴 인식과 손글씨 추적에 성공했으며, 인공지능 기반 광정보 처리 기술로의 활용 가능성도 확인했다.
이번 연구는 식물 잎의 광에너지 변환 원리를 나노구조로 구현해 빛과 생체조직을 직접 연결하는 새로운 형태의 무배선 생체전자 플랫폼을 제시한 성과로 평가된다. 향후 빛을 이용한 신경·심장 조절 기술, 차세대 이식형 및 웨어러블 의료기기, 인간-기계 인터페이스, 인공지능 센서 및 뉴로모픽 컴퓨팅 기술 개발에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다. 본 연구 결과는 2026년 6월 Nature Photonics에 게재되었다.
Without discrete pixels or wired leads, natural plant leaves respond to light and relay electrochemical signals to surrounding tissues through nanoscale chlorophyll-containing protein complexes - an elegant capability sought in next-generation leadless optoelectronic systems. Although semiconductors and their heterojunctions are commonly employed to mimic photosynthesis, nanoplasmonic structures offer a largely untapped alternative. Harnessing plasmonic hot carriers for macroscopic systems remains challenging, limiting applications in tissue-level neuromodulation and human-machine interfaces. We introduce a hot-carrier artificial leaf optoelectronic device, formed by thermally self-organized 3D gold–titanium dioxide units on ultrathin membranes. These nanoplasmonic interfaces enhance visible-light optoelectronic responsiveness at sub-100-nm thickness, support highly localized hot-carrier injection, and exhibit stable, linear performance over a wide range of light intensities, overcoming the material, bandgap, and carrier diffusion limits of conventional semiconductors. The resulting nanoplasmonic devices enable leadless, multimodal optoelectronic modulation and pixel-less optical pattern recognition, presenting a potentially scalable platform for hot carrier-enabled biomedical, nanophotonic, and human-machine interface technologies.