KR100943415B1 - 나노 와이어를 이용하여 전기신호를 전달하는 신경 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 신호를 송수신하는 나노 와이어를 포함하는 신경 소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 신경섬유에서 발생하는 전기 신호를 효율적으로 획득하고 상기 신경섬유에 전기 자극을 인가하는 나노 와이어를 포함하는 신경 소자의 구조에 관한 것으로, 관통 홀을 갖는 베이스와, 상기 베이스의 일면에 일 종단이 고정되어 수직방향으로 연장되며, 신경에 삽입되어 상기 신경에 포함된 신경섬유로부터 전기 신호를 획득하거나 신경섬유에 전기 자극을 인가하는 복수의 나노 와이어(nano wire)를 포함하는 단위 전극부를 적어도 하나 구비하는 전극부, 및 상기 각 단위 전극부와 전기적으로 연결되며, 상기 단위 전극부가 신경섬유로부터 전기 신호를 획득하거나 신경섬유에 전기 신호를 인가하는 동작을 제어하는 처리 모듈을 포함한다.

본 발명에 따른 신경 소자는 신경섬유를 죽이지 않고 전기 신호를 획득하거나 전기 자극을 제공할 수 있으며 나노 와이어가 신경에 접속될 확률을 높이는 구조적 특징으로 전기 신호 획득 및 제공상 효율성을 향상시키고, 제조 공정이 간편하여 대량 생산이 용이한 효과가 있다.

나노 와이어, 전극, 신경, 신경섬유, 전기 신호, 신경 소자

Description

나노 와이어를 이용하여 전기신호를 전달하는 신경 소자{Neurodevice Using Nano-wire for Transferring Electric Signals}

본 발명은 전기 신호를 송수신하는 나노 와이어를 포함하는 신경 소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 신경에서 발생하는 전기 신호를 효율적으로 획득하고 상기 신경에 전기 자극을 인가하는 나노 와이어를 포함하는 신경 소자의 구조에 관한 것이다.

인체의 근육은 신경으로부터 제공되는 전기 자극에 따라 동작하는 것이 일반적이다. 따라서, 안면 근육 등에 이상이 발생하는 경우, 해당 근육에 연결되는 신경에 대한 치료가 필요할 수 있다.

종래에 안면 신경 또는 후두 신경에 이상이 발생하는 경우, 약물 및 수술등의 치료 행위가 이루어졌다. 이 경우 해당 환자들에게는 국부적인 마사지 등이 이루어졌는데, 이는 손상된 신경이 복원되는 동안에 주변 신경을 자극하여 손상된 근육을 자극하여 근육의 퇴화를 막기 위함이다.

즉, 안면신경 또는 후두신경마비 환자들에 대한 수술 등으로 인해 근육에 자극이 차단되는 경우, 해당 근육에 손상이 발생하여 영구적인 근육 손상 또는 마비 가 발생하는 문제가 있기 때문에, 해당 신경 계통에 관련된 근육을 마사지해주거나 외부에서 전기 자극을 제공하는 방법 등이 제안되었다.

한편 종래에는 인체에 삽입되어 물리적 자극을 제공하거나 인체 내의 특정 수치에 대한 정보를 획득하는 소자가 제안되었는바, 이하에서는 신경에 전기 자극을 제공하거나 전기 자극을 검출하는 전극을 포함하는 장치를 설명한다.

첫째로, 종래에는 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)을 기반으로 신경의 전기 신호를 검출하는 소자가 제안되었다. 이러한 종래 기술은 외부자극에 따른 신경의 막용량(membrane capacitance) 변화를 MOSFET 소자의 게이팅(gating)을 이용하여 모니터링하는 기술로서, 여러 개의 신경 반응을 동시에 모니터하는 기술이다. 이러한, 종래 기술은, P-MOSFET 주위에 폴리이미드(polyimide)로 만든 말뚝 형태의 기둥으로 달팽이의 뉴런들의 위치를 고정하고 이동성을 제한하여 배양함으로써 신경의 신호를 검출하는 방법에 적용된 바 있다(Zeck et. al., Noninvasive neuroelectric interfacing with synaptically connected snail neurons immobilized on a semiconductor chip, Proc Nat Acad Sci 2001;98). 도 1은 이러한 첫 번째 종래 기술에 따라 검출된 세포 내 신호(inter-cellular signal)와 세포 외 신호(extra-cellular signal)를 나타내는 도면이다.

둘째로, 뇌간 또는 뉴런 파이버(neuron fiber)의 전기 자극을 검출하기 위한 기술이 제안되었다. 미국의 유타 대학의 Normann 그룹과 Cyberkinetics 사에서는 2000년 이후 신경과 뇌에 다수 전극(multi-electrode)을 직접 삽입함으로써 전기신 호를 측정하고 신경을 자극하는 연구를 진행하고 있다(Normann et. al., Long-Term Stimulation and Recording With a Penetrating Microelectrode Array in Cat Sciatic Nerve, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, VOL. 51, NO. 1, JANUARY 2004). 도 2는 두 번째 종래 기술에 따른 다수 전극과 이러한 전극이 고양이의 좌골(sciatic) 신경에 삽입된 모습을 나타낸다.

셋째로, 뉴런 파이버(neuron fiber) 내에 체(sieve) 형태의 전극을 삽입하는 기술이 제안되었다. 독일의 Fraunhofer-IBMT, IMTEK 등의 공동연구를 통하여 뉴런 파이버(Neuron fiber) 내에 구부려지는 체(sieve) 형태의 전극을 삽입하고, 전기 자극을 가함으로써 신경의 재생을 연구하고 있으며, 신경 신호의 기록을 시도하고 있다(Anup et. al., Design, in vitro and in vivo assessment of a multi-channel sieve electrode with integrated multiplexer, J. Neural Eng. 3 (2006) 114-24). 도 3은 상술한 세 번째 종래 기술에 근거한 체 형태의 전극이다. 전체 체(sieve)의 직경은 쥐의 좌골(sciatic) 신경과 같은 1.5 ㎜이고, 40 ㎛ 지름을 갖는 571개의 구멍이 70 ㎛ 간격으로 배치되어 있다. 또한, 고리모양의 전극이 27개의 구멍을 감싸며 면적이 2200 ㎛²이다.

상술한 도 1의 종래 기술의 경우 MOSFET 소자의 노이즈가 높아 전기 신호의 경향성만 확인할 수 있는 문제가 있고, 도 2의 종래 기술의 경우 전극의 삽입시에 뇌간 또는 신경 세포가 죽는 문제가 있으며, 도 3의 체 모양의 전극을 삽입하는 경우, 각 전극 간의 혼선(cross-talk)이 발생하여 전기 신호를 정확하게 검출하지 못 하는 문제가 있다.

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 신경섬유를 죽이지 않고 신경 계통에 지속적으로 전기 자극을 제공하고 전기 신호를 획득하여 근육 손상의 문제를 해결하는 신경 소자를 제안하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 정교하게 전기 신호를 획득하고, 정교하게 신경 세포에 자극을 가할 수 있는 신경 소자를 제안하는 것이다.

본 발명에 따른 신경 소자는, 상술한 목적을 달성하기 위해, 관통 홀을 갖는 베이스, 및 상기 베이스의 일면에 일 종단이 고정되어 수직방향으로 연장되며, 신경에 삽입되어 상기 신경에 포함된 신경섬유로부터 전기 신호를 획득하거나 신경섬유에 전기 자극을 인가하는 복수의 나노 와이어(nano wire)를 포함하는 단위 전극부를 적어도 하나 구비하는 전극부를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 신경 소자는 관통 홀을 갖는 베이스, 및 상기 베이스의 일면에 일 종단이 고정되어 수직방향으로 연장되며, 신경에 삽입되어 상기 신경에 포함된 신경섬유로부터 전기 신호를 획득하는 복수의 나노 와이어(nano wire)를 포함하는 단위 전극부를 적어도 하나 구비하는 전극부를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 신경 소자는 관통 홀을 갖는 베이스, 및 상기 베이스의 일면에 일 종단이 고정되어 수직방향으로 연장되며, 신경에 삽입되어 상기 신경에 포함된 신경섬유에 전기 자극을 인가하는 복수의 나노 와이어(nano wire)를 포 함하는 단위 전극부를 적어도 하나 구비하는 전극부를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 신경 소자는 관통 홀을 갖는 베이스, 상기 베이스의 일면에 일 종단이 고정되어 수직방향으로 연장되며, 신경에 삽입되어 상기 신경에 포함된 신경섬유로부터 전기 신호를 획득하고 전기적으로 서로 연결된 복수의 나노 와이어, 및 상기 베이스의 일면에 일 종단이 고정되어 수직방향으로 연장되며, 상기 신경에 삽입되어 상기 신경섬유에 전기 자극을 인가하고 전기적으로 서로 연결된 복수의 나노 와이어를 포함하는 단위 전극부를 적어도 하나 구비하는 전극부를 포함한다.

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본 발명에 따른 신경 소자는 신경섬유를 죽이지 않고 전기 신호를 획득하거나 전기 자극을 제공할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 신경 소자를 사용하면 정교하게 전기 신호를 획득하고, 정교하게 신경 세포에 자극을 가할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 신경 소자를 사용하면 제조공정을 단순화시킬 수 있 고, 나노 와이어로 하중을 분산시킬 수 있으므로 유효하게 전기 신호를 획득하거나 전기 자극을 제공할 수 있는 나노 와이어의 비율을 높일 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 구체적인 특징 및 효과는 이하에서 설명하는 본 발명의 실시예에 의해 더욱 구체화될 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

본 실시예에 따른 신경 소자는 나노 크기의 물질을 포함한다. 나노 크기의 물질들은 사이즈가 작아 표면적/부피 비가 증가하기 때문에 표면에서 일어나는 전기 화학적인 반응이 우세해지므로 다양한 센서에 이용될 수 있다. 특히, 나노튜브, 나노선 및 나노 막대 등과 같은 일차원 나노소재는 종횡비(aspect ratio)가 커서 조작이 용이하므로, 가장 먼저 나노 소자로 구현된 바 있다.

본 실시예는 신경으로부터 전기 신호를 획득하기 위해 나노 와이어를 기반으로 하는 신경 소자를 제안한다.

도 4는 본 실시예에 따른 신경 소자에 포함되는 나노 와이어를 나타낸 도면이다. 본 실시예에 따른 나노 와이어(401)는 신경섬유(402)로부터 전기 신호를 획득하거나, 상기 신경섬유(402)에 전기 자극을 제공하는 특징이 있다. 해부학적으로 신경(nerves)은 육안으로도 관찰 가능한 가늘고 긴 구조물로서, 조직학적으로는 다수의 신경다발(nerve bundles)이 모인 것이다. 한편, 신경다발(nerve bundles)은 다수의 신경섬유(nerve fibers)가 모인 것이다. 신경섬유(nerve fibers)는 신경 세포의 축색(axon) 부분을 가리키는 것으로, 축색이 섬유처럼 가늘고 긴 형상이기 때 문에 신경섬유라는 명칭으로 불린다. 신경섬유는 축삭 돌기 또는 축색 돌기 등의 다양한 명칭으로 불린다.

신경섬유 각각은 모두 연한 결합조직인 신경섬유막(endoneurium)에 의해 싸여 있고, 신경다발은 신경다발막(perineurium)에 의해 싸여있으며, 신경다발의 묶음인 신경은 신경바깥막(epineurium)에 의하여 싸여 있는데, 이 막은 모두 신경을 보호하기 위하여 있는 것이며 맨눈으로는 신경바깥막 만이 식별된다.

도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 나노 와이어(401)는 신경섬유(402)에 삽입되어 전기 신호를 획득하거나, 전기 자극을 제공한다. 즉, 본 실시예에 따른 나노 와이어(401)는 신경 다발 내의 신경섬유 내에 삽입되어 신경섬유 내의 신경세포 표면을 따라 발생하는 전기 신호를 획득하거나, 상기 신경섬유 내의 신경세포에 전기 자극을 제공한다.

종래에는 매크로 단위 사이즈로 제작된 전극을 배열하여 신경섬유에 삽입하였는데, 이 경우 전극이 삽입되는 신경섬유에 손상이 발생하여 신경섬유가 죽는 문제가 발생하였다. 그러나, 본 실시예의 경우, 전기 신호의 획득 및/또는 전기 자극의 제공을 위해 나노 와이어(401)를 사용하기 때문에 신경섬유에 대한 손상을 최소화할 수 있다.

일반적으로 신경섬유(402)의 지름은 수 마이크로미터 이상인데 비해, 상기 나노 와이어(401)는 지름이 수십 내지 수백 나노미터(㎚)에 불과하여 신경섬유(402)의 어느 일부분에 삽입되어 신경섬유(402) 내의 신경세포에 전기 자극을 제공하거나 전기 신호를 획득하므로, 상기 나노 와이어(401)가 삽입되어도 신경섬 유(402)에 큰 손상을 주지 않는다.

상기 나노 와이어(401)는 도 4에 도시된 바와 같이, 신경섬유의 길이방향으로 삽입되는 것이 바람직하다. 상기 나노 와이어(401)가 길이 방향으로 삽입되는 경우, 상기 나노 와이어(401) 및 신경섬유(402)의 바깥부분 간의 접촉 면적이 최대화되기 쉽기 때문에 신경섬유의 길이방향으로 삽입하는 것이 바람직하다. 다만, 상기 나노 와이어(401)가 삽입되는 방향에는 제한이 없으며, 도 5와 같이, 신경섬유(402)에 수직하는 방향으로 나노 와이어(401)가 삽입될 수도 있다.

도 6은 본 실시예에서 제안하는 나노 와이어를 포함하는 신경 소자를 나타내는 도면이다.

이하에서 언급되는 도면은 설명의 편의를 위해 각 부재의 크기를 과장하거나 축소하여 도시한 것이므로, 본 발명이 첨부된 도면의 구체적인 수치에 제한되지 아니한다.

본 발명에 따른 신경 소자는, 관통 홀(522)을 갖는 베이스(521), 및 상기 베이스(521)의 일면에 일 종단이 고정되어 수직방향으로 연장되며, 신경에 삽입되는 복수의 나노 와이어(nano wire)(524)를 포함하는 단위 전극부(520)를 적어도 하나 구비하는 전극부(500)를 포함한다. 상기 단위 전극부(520)에 포함되는 복수의 나노 와이어(524)는 상기 신경에 포함된 신경섬유로부터 전기 신호를 획득하는 동시에 신경섬유에 전기 자극을 인가할 수 있으며, 이와는 다르게 전기 신호의 획득 또는 전기 자극의 인가 중 어느 한 기능만을 수행하도록 구성할 수 있다. 상기 단위 전극부(520)에 포함되는 복수의 나노 와이어(524) 중 일부는 신경섬유에 전기 자극을 인가하고, 다른 일부는 신경섬유로부터 전기 신호를 획득할 수 있다. 예를 들어, 각 단위 전극부(520)는 신경섬유로부터 전기 신호를 획득하는 복수의 나노 와이어(524)만 포함하거나, 신경섬유에 전기 자극을 인가하는 복수의 나노 와이어(524)만 포함할 수 있다. 또한, 단위 전극부(520)는 신경섬유로부터 전기 신호를 획득하는 복수의 나노 와이어(524), 신경섬유에 전기 자극을 인가하는 복수의 나노 와이어(524), 및 신경섬유로부터 전기 신호를 획득하거나 신경섬유에 전기 자극을 인가하는 나노 와이어(524)가 모두 포함될 수 있다.

본 실시예에 따른 신경 소자는 상기 각 단위 전극부(520)와 전기적으로 연결되며, 상기 단위 전극부(520)가 신경섬유로부터 전기 신호를 획득하거나 신경섬유에 전기 신호를 인가하는 동작을 제어하는 처리 모듈(510)을 더 포함할 수 있다.

상기 처리 모듈(510)은 신경섬유로부터 전기 신호를 획득하거나, 신경섬유에 전기 신호를 인가하는 동작을 제어한다. 상기 처리 모듈(510)은 상술한 종래 기술 등에서 사용된 종래의 소자를 이용하여 제작할 수 있는 소자이다.

본 실시예에 따른 전극부(500)는 신경섬유로부터 획득한 전기 신호를 상기 처리 모듈(510)에 제공하며, 상기 처리 모듈(510)의 제어에 따라 상기 신경섬유에 전기 자극을 인가한다. 상기 단위 전극부(520)는 나노 와이어(524)와 전기적으로 연결되며, 상기 전기적으로 서로 연결된 복수의 나노 와이어(524)의 전류 변화를 감지하는 CMOS(Complementary metal oxide semicondutor) 소자 또는 CCD(Charge-Coupled Device) 소자가 상기 베이스 내부에 결합될 수 있다. 즉, 상기 처리 모듈(510)의 제어에 따라 상기 CMOS 소자 또는 CCD 소자는 전류를 제어하여 나노 와 이어(524)로 전기 자극을 인가하거나, 나노 와이어(524)의 전류 변화로부터 전기 신호가 획득된 것을 상기 처리 모듈(510)로 전달한다.

도 6의 일례에 따른 신경 소자는, 관통 홀(522)을 갖는 베이스(521)와, 복수의 나노 와이어(524)를 포함하는 적어도 하나의 단위 전극부(520), 및 처리 모듈(510)를 포함한다.

상기 단위 전극부(520)의 베이스(521)는 판상 또는 다양한 입체 형상으로 제작되며, 상기 베이스(521)의 중심부에 관통 홀(522)을 갖도록 형성되고, 상기 처리 모듈(510)과 연결된다. 상기 베이스(521)에는 적어도 하나의 관통 홀(522)이 제작되는 것이 바람직하다. 상기 관통 홀(522)은 원형, 타원형, 다각형 등의 다양한 단면을 가질 수 있으나, 바람직하게 수십 마이크로미터에서 수십 나노미터의 사이즈를 갖는다. 예를 들어, 상기 베이스(521)는 제작 및 대량생산이 용이한 다각형 형상으로 제작될 수 있으며, 각 변의 길이는 25 마이크로미터 이상 30 마이크로미터 이하의 사이즈로 제작될 수 있다. 상기 베이스(521)는 다수개의 열과 행으로 배치될 수 있으며, 도 13의 일실시예는 2*2 배열로 배치된 일례이고, 바람직하게, 상기 단위 전극부(520)는 128*128 배열로 배치될 수 있다. 상기 베이스 내부(521)에는 나노 와이어(524)와 전기적으로 연결되어 전기 신호를 인가하거나 획득하는 CMOS 소자 또는 CCD 소자가 결합되어 있다.

예를 들어, 도 14는 단위 전극부(520)의 베이스(521) 내부에 구비된 CMOS 소자를 도시한 부분 사시도이며, 각각의 단위 전극부(520)는 한개 이상의 CMOS 소자 또는 CCD 소자를 구비할 수 있고 상기 CMOS 소자 또는 CCD 소자와 전기적으로 연결 된 복수의 나노 와이어(524)는 서로 전기적으로 연결되어 있다. 따라서, 도 15에 도시된 바와 같이, 전극부(500)를 구성하는 복수의 단위 전극부(520)는 내부에 각각 한개의 CMOS 소자 또는 CCD 소자를 구비하며, 상기 CMOS 소자 또는 CCD 소자로부터 획득된 복수의 단위 전극부(520)의 전기 신호가 한 개의 처리 모듈(510)에서 통합하여 처리될 수 있고, 각 단위 전극부의 CMOS 소자 또는 CCD 소자를 통하여 전기 자극을 인가할 수 있다.

상기 관통 홀(522)은 상기 베이스(521)의 중심부에 형성되며, 상기 관통 홀(522)을 통해 절단된 신경섬유의 단면이 자생하여 복원될 수 있다. 상기 복수의 나노 와이어(524)는 일정한 간격으로 배치될 수 있고, 하중을 지지하기 위해서 다발(bundle)로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 각각의 나노 와이어(524)는 상기 베이스(521)의 일면에 일 종단이 고정되는 지지부(523)가 형성될 수 있다.

도 6의 일례는 처리 모듈(510)의 일측에 본 실시예에 따른 전극부(500)가 연결되는 일례에 관한 것이다. 처리 모듈(510)에 연결되는 전극부(500)는 신경섬유로부터 전기 신호를 획득하거나, 신경섬유에 전기 자극을 인가하거나, 전기 신호를 획득함과 동시에 전기 자극을 인가할 수 있다. 한편, 처리 모듈(510)에 연결되는 전극(500)의 개수에는 제한이 없다.

예를 들어, 처리 모듈(510)의 마주하는 양측에 두 개의 전극이 연결될 수 있다. 이 경우, 처리 모듈(510)의 일측에 구비되는 제1 전극부는 신경섬유로부터 전기신호를 획득하고, 처리 모듈(510)의 타측에 구비되는 제2 전극부는 신경섬유에 전기 자극을 인가하는 것이 바람직하다. 따라서, 제1 전극부에 포함된 복수의 나노 와이어는 신경섬유로부터 전기 신호를 획득하고, 제2 전극부에 포함된 복수의 나노 와이어는 신경섬유로 전기 자극을 인가한다. 즉, 각각의 전극부에 포함된 복수의 나노 와이어는 전기 자극의 인가 또는 전기 신호의 획득 중 한 가지 기능만을 수행하게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 다른 측면에 의한 신경섬유에 대하여 전기 신호를 처리하는 방법은 신경의 일부를 절개하는 단계, 및 상술한 신경 소자를 절개 부분에 삽입하는 단계를 포함하며, 상기 절개된 신경이 관통 홀을 통하여 자생하여 복원된다.

상술한 신경 소자는 다양한 방법으로 제작될 수 있는바, 이하 나노 와이어(524)의 성장 방법과, 상기 나노 와이어(524)를 구비한 전극(500)의 제작 방법 및 신경 소자를 이용한 신경의 복원 방법을 설명한다.

본 발명의 다른 측면에 의한 신경 소자를 신경에 삽입하는 방법은 신경의 일부를 절개하는 단계, 및 상술한 신경 소자를 절개 부분에 삽입하는 단계를 포함하며, 상기 절개된 신경이 관통 홀을 통하여 자생하여 복원된다. .

도 7은 촉매를 이용하여 나노 와이어를 합성하는 방법을 설명하는 개념도이다. 도시된 바와 같이, 나노 클러스터에 반응물(reactant)을 가하는 경우, 결정핵생성(nucleation) 및 성장(growth)이 이루어져 나노 와이어가 합성된다. 합성된 나노 와이어는 도 8과 같은 모습을 가질 수 있다. 또한, 본 실시예에 사용되는 나노 와이어는 종래 문헌(Si Nanowire Bridge in Trenaces : "Integration of Growth into Device Fabrication" Adv. Mater. 17, 2098, 2005) 등에 기재된 방법에 의해 형성될 수도 있다.

상술한 내용에 의하면 도 9와 같이 다양한 3차원 구조를 갖는 나오 와이어 제작이 가능하다.

이하, 상술한 나노 와이어를 포함하는 전극(500)의 제작 방법의 일례를 설명한다. 상술한 관통 홀(522)을 포함하는 베이스(521)는 실리콘과 같은 다양한 소재의 웨이퍼 상에 포토 마스크와 에칭 공정을 적용하여 구현할 수 있다.

관통 홀(522)을 포함하는 베이스(521)가 형성되면, 상기 베이스(521)의 일면의 상기 나노 와이어(524)가 성장할 위치에 촉매를 도포한다. 예를 들어, 베이스(521)의 가장자리를 따라 나노 와이어(524)의 일 종단을 고정하는 경우에는, 상기 베이스(521)의 가장자리에 나노 와이어(524) 성장을 위한 촉매를 도포한다. 상기 촉매는 리소그래피 공정 등을 통해 상기 베이스(521) 일면의 임의의 부분에 위치할 수 있다. 상기 촉매는 성장시키려는 나노 와이어(524)의 소재에 따라 선택되는 것이 바람직하며, 예를 들어, 실리콘 나노 와이어(504)를 성장시키는 경우에는 Au 촉매를 사용할 수 있다. 상기 촉매가 기판 상에 도포된 경우 CVD 공정 등을 통해 반응물을 공급하여 나노 와이어(524)가 형성될 수 있다.

상기 베이스(521), 나노 와이어 지지부(523) 및 나노 와이어(524)는 다양한 재질일 수 있다. 예를 들어, 실리콘, 금, 은, 이리듐, 산화 이리듐, 백금, 주석, 니켈, 크롬, 레늄(rhenium) 및 동과, 상기 실리콘, 금, 은, 이리듐, 산화 이리듐, 백금, 주석, 니켈, 크롬, 레늄(rhenium), 동을 다양하게 조합한 합금 등과 같이 나 노 공정에 의해 나노 소자로 구현될 수 있는 반도체 소자 또는 금속이 가능하다.

도 10은 본 실시예에서 제안하는 신경 소자가 신경에 삽입되는 일례를 나타낸다. 상술한 바와 같이 본 실시예에 따른 신경 소자는 신경에 삽입된다. 신경 소자를 신경에 삽입하기 위해, 신경을 절개하고 절개한 틈 사이에 전극부(500)를 삽입한다.

구체적으로, 도 10에 도시된 바와 같이 다수의 신경섬유(미도시)를 포함하는 신경다발(601)로 이루어진 신경(600)을 절개한 후 절개한 부위에 상기 전극부(500)를 삽입한다. 상기 전극부(500)가 삽입되는 방향에는 제한이 없으나, 바람직하게 상기 전극(500)에 포함된 나노 와이어가 신경의 길이 방향으로 삽입되도록 전극부(500)를 신경섬유의 수직 방향으로 삽입한다.

상기 전극부(500)가 삽입된 이후에는 절개한 신경(600)을 다시 봉합한다.

절개된 신경(600)이 절개된 상태로 방치되는 경우에는 신경이 죽는 문제가 발생하나, 절개된 신경(600)은 전극부(500)가 삽입된 이후 봉합되므로, 자생적으로 신경의 연결이 복원될 수 있다. 특히, 본 실시예에 따른 전극부(500)를 구성하는 단위 전극부는, 도 6에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 관통 홀(522)을 구비하므로, 각각의 관통 홀(522)을 통해 절개된 신경섬유가 자생적으로 복원된다. 따라서, 신경섬유에서 발생하는 전기 신호를 지속적으로 획득하는 장점이 있다.

도 11은 본 실시예에 따른 신경 소자를 삽입하는 일례를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 신경 일부를 절개하여 삽입한 후, 신경 내에서의 전기 신호를 획득할 수 있으며, 삽입되는 신경은 도시된 바와 같이 청신경일 수 있다.

도 12는 관통 홀을 통해 복원되는 신경섬유를 나타내는 사시도이다.

도시된 바와 같이, 일시적으로 절개된 신경섬유(801)는 상기 관통 홀(522)을 통해 복원되는데, 결국 신경섬유(801) 내에 상기 나노 와이어(524)가 신경의 길이 방향으로 삽입된다. 도 12의 일례에 도시된 바와 같이, 베이스(521)의 중심부에는 관통 홀(522)이 구비되며, 베이스(521)의 일면에 나노 와이어(521)의 일 종단이 나노 와이어 지지부(523)로 베이스(521)에 고정된다.

상기 신경섬유(801)는 동일한 방향으로 다수가 존재하므로 상기 나노 와이어(524)는 일정한 방향으로 복수개 존재하는 것이 바람직하다. 또한, 신경섬유(801) 내에 상기 나노 와이어(524)가 정확하게 삽입될 수 있도록, 기 설정된 배열 패턴에 따라 상기 나노 와이어(524)가 배치되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 동일한 간격에 따라 나노 와이어(524)가 배치될 수도 있고, 특정한 영역에 대하여 밀하게 나노 와이어(524)가 배치될 수도 있다. 또한 다발 형태로 일정한 간격으로 배치될 수도 있다.

도 12의 나노 와이어(524)가 다수개 구비되는 경우, 상기 나노 와이어(524)는 신경섬유(801)의 다양한 부분(예를 들어, 신경섬유의 바깥쪽 부분)에 삽입될 수 있다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 안되고, 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적인 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

본 발명에 따른 신경 소자는 신경섬유로부터 전기 신호를 획득하고, 전기 자극을 제공하는 다양한 전기 장치에 사용될 수 있으므로, 산업상 이용가능성이 인정됨이 타당하다.

도 1은 첫 번째 종래 기술에 따라 검출된 세포 내 신호(intra-cellular signal)와 세포 외 신호(extra-cellular signal)를 나타내는 도면이다.

도 2는 두 번째 종래 기술에 따른 다수 전극과 이러한 전극이 고양이의 좌골(sciatic) 신경에 삽입된 모습을 나타낸다.

도 3은 세 번째 종래 기술에 근거한 체 형태의 전극이다.

도 4 및 도 5는 본 실시예에 따른 신경 소자에 포함되는 나노 와이어를 나타낸 도면이다.

도 6은 본 실시예에서 제안하는 나노 와이어를 포함하는 신경 소자를 나타내는 도면이다.

도 7 내지 도 9는 본 발명의 신경 소자를 제작하는 방법의 일례를 설명하는 도면이다.

도 10은 본 실시예에서 제안하는 신경 소자가 신경에 삽입되는 일례를 나타낸다.

도 11은 본 실시예에 따른 신경 소자를 삽입하는 일례를 나타낸다.

도 12는 관통 홀을 통해 복원되는 신경을 나타내는 사시도이다.

도 13 내지 도 15는 단위 전극부의 배치방법 및 사시도를 도시한 것이다.

Claims (13)

1. 관통 홀을 갖는 베이스; 및

   상기 베이스의 일면에 일 종단이 고정되어 수직방향으로 연장되며, 신경에 삽입되어 상기 신경에 포함된 신경섬유로부터 전기 신호를 획득하거나 신경섬유에 전기 자극을 인가하는 복수의 나노 와이어(nano wire)를 포함하는 단위 전극부를 적어도 하나 구비하는 전극부를 포함하는 신경 소자.
2. 관통 홀을 갖는 베이스; 및

   상기 베이스의 일면에 일 종단이 고정되어 수직방향으로 연장되며, 신경에 삽입되어 상기 신경에 포함된 신경섬유로부터 전기 신호를 획득하는 복수의 나노 와이어(nano wire)를 포함하는 단위 전극부를 적어도 하나 구비하는 전극부를 포함하는 신경 소자.
3. 관통 홀을 갖는 베이스; 및

   상기 베이스의 일면에 일 종단이 고정되어 수직방향으로 연장되며, 신경에 삽입되어 상기 신경에 포함된 신경섬유에 전기 자극을 인가하는 복수의 나노 와이어(nano wire)를 포함하는 단위 전극부를 적어도 하나 구비하는 전극부를 포함하는 신경 소자.
4. 관통 홀을 갖는 베이스;

   상기 베이스의 일면에 일 종단이 고정되어 수직방향으로 연장되며, 신경에 삽입되어 상기 신경에 포함된 신경섬유로부터 전기 신호를 획득하고 전기적으로 서로 연결된 복수의 나노 와이어; 및

   상기 베이스의 일면에 일 종단이 고정되어 수직방향으로 연장되며, 상기 신경에 삽입되어 상기 신경섬유에 전기 자극을 인가하고 전기적으로 서로 연결된 복수의 나노 와이어를 포함하는 단위 전극부를 적어도 하나 구비하는 전극부를 포함하는 신경 소자.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 복수의 나노 와이어는 전기적으로 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 신경 소자.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 각 단위 전극부와 전기적으로 연결되며, 상기 단위 전극부가 신경섬유로부터 전기 신호를 획득하거나 신경섬유에 전기 신호를 인가하는 동작을 제어하는 처리 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신경 소자.
7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 나노 와이어는 다발(bundle)로 형성되는 것을 특징으로 하는 신경 소자.
8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 나노 와이어와 전기적으로 연결되어 상기 나노 와이어의 전류 변화를 감지하는 CMOS(Complementary metal oxide semicondutor) 소자가 상기 베이스 내부에 결합된 것을 특징으로 하는 신경 소자.
9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 전극부는 각각의 단위 전극부가 128*128 배열에 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 신경 소자.
10. 제6항에 있어서,

    상기 신경 소자의 베이스 및 나노 와이어의 소재는 각각 실리콘, 금, 은, 이리듐, 산화 이리듐, 백금, 주석, 니켈, 크롬, 레늄 또는 동 중에서 어느 하나를 선택하거나 상기 각각의 소재 중 하나 이상을 조합한 합금인 것을 특징으로 하는 신경 소자.
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