KR101158773B1 - Patch type nerval element using nano-wire - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나노 와이어를 이용한 패치 형태의 신경 소자에 관한 것으로, 유연한 기판 상에 나노 와이어 팁을 부착하여 대뇌피질과 같은 넓은 면적의 신경기관 상의 신경신호를 검출하거나 자극할 수 있는 패치 형태의 신경 소자로서, 다수의 처리 모듈이 서로 전기적으로 연결됨으로써 신경이 끊긴 부위가 있더라도 전기 신호 또는 전기 자극을 상호 송수신할 수 있는 신경 소자를 제공한다.The present invention relates to a patch-type neural device using nanowires, the patch-type neural device can be attached to the nanowire tip on a flexible substrate to detect or stimulate a nerve signal on a large area of the nervous system such as the cerebral cortex As an example, a plurality of processing modules are electrically connected to each other to provide a neural device capable of transmitting and receiving an electrical signal or an electrical stimulus to each other even when a nerve is broken.

Description

나노 와이어를 이용한 패치 형태의 신경 소자{Patch type nerval element using nano-wire}Patch type nerval element using nano-wire}

본 발명은 유연한 기판 상에 나노 와이어 팁을 부착하여 대뇌피질과 같은 넓은 면적의 신경기관 상의 신경신호를 검출하거나 자극할 수 있는 나노 와이어(nano wire)를 이용한 패치 형태(patch type)의 신경 소자에 관한 것으로, 특히 다수의 처리 모듈이 서로 전기적으로 연결됨으로써 신경이 끊긴 부위가 있더라도 전기 신호 또는 전기 자극을 상호 송수신할 수 있는 신경 소자에 관한 것이다.
The present invention relates to a patch type neural device using a nano wire that attaches a nanowire tip on a flexible substrate to detect or stimulate neural signals on a large area of neural organs such as the cerebral cortex. In particular, the present invention relates to a neural device capable of transmitting and receiving an electrical signal or an electrical stimulus with each other even when there is an area where nerves are disconnected by a plurality of processing modules electrically connected to each other.

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.Muscles of the human body generally operate in response to electrical stimulation provided by nerves. Therefore, when abnormalities occur in facial muscles or the like, it may be necessary to treat the nerves connected to the muscles.

종래에 안면 신경 또는 후두 신경에 이상이 발생하는 경우, 약물 및 수술 등의 치료 행위가 이루어졌다. 이 경우 해당 환자들에게는 국부적인 마사지 등이 이루어졌는데, 이는 손상된 신경이 복원되는 동안에 주변 신경을 자극함으로써 손상된 근육을 자극하여 근육의 퇴화를 막기 위함이다.Conventionally, when an abnormality occurs in the facial nerve or the laryngeal nerve, therapeutic actions such as drugs and surgery have been performed. In this case, a local massage or the like was performed for the patients, in order to prevent the degeneration of the muscles by stimulating the damaged muscles by stimulating the peripheral nerves while the damaged nerves are restored.

즉, 안면신경 또는 후두신경마비 환자들에 대한 수술 등으로 인해 근육에 자극이 차단되는 경우, 해당 근육에 손상이 발생하여 영구적인 근육 손상 또는 마비가 발생하는 문제가 있기 때문에, 해당 신경 계통에 관련된 근육을 마사지해주거나 외부에서 전기 자극을 제공하는 방법 등이 제안되었다.In other words, if the stimulation is blocked by muscles, such as surgery for facial nerves or laryngeal nerve palsy patients, because the muscles are damaged and permanent muscle damage or paralysis may occur, The method of massaging muscles or providing electrical stimulation from outside has been proposed.

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.Meanwhile, in the related art, an element inserted into a human body to provide a physical stimulus or obtaining information about a specific value in the human body has been proposed. Hereinafter, an apparatus including an electrode for providing an electrical stimulation to a nerve or detecting the electrical stimulation will be described. .

첫째로, 종래에는 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)를 기반으로 신경의 전기 신호를 검출하는 소자가 제안되었다. 이러한 종래 기술은 외부자극에 따른 신경의 막 용량(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(intercellular signal)와 세포 외 신호(extracellular signal)를 나타내는 도면이다.First, a device for detecting an electrical signal of a nerve has been proposed based on a metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET). The conventional technology is a technology for monitoring changes in membrane capacitance of nerves according to external stimuli using gating of MOSFET devices, and simultaneously monitoring a plurality of neural responses. Such a conventional technique has been applied to a method of detecting nerve signals by fixing a position of neurons of a snail and cultivating by limiting mobility of a pillar-shaped pillar made of polyimide around a P-MOSFET (Zeck et. al., Noninvasive neuroelectric interfacing with synaptically connected snail neurons immobilized on a semiconductor chip, Proc Nat Acad Sci 2001; 98). FIG. 1 is a diagram showing intercellular signals and extracellular signals detected according to this first conventional technique.

둘째로, 뇌간 또는 뉴런 파이버(neuron fiber)의 전기 자극을 검출하기 위한 기술이 제안되었다. 미국의 유타대학의 Normann 그룹과 Cyberkinetics사에서는 2000년 이후 신경과 뇌에 다수 전극(multi-electrode)을 직접 삽입함으로써 전기신호를 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.Secondly, a technique for detecting electrical stimulation of brainstem or neuron fiber has been proposed. Normann Group and Cyberkinetics of the University of Utah in the United States have been working on measuring electrical signals and stimulating nerves by inserting multi-electrodes directly into the nerves and brain since 2000 (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). Figure 2 shows a second electrode according to the prior art and the electrode is inserted into the sciatic nerve of the cat.

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.Third, a technique of inserting a sieve-shaped electrode into a neuron fiber has been proposed. Through joint research by Fraunhofer-IBMT, IMTEK, etc. in Germany, research is conducted on nerve regeneration by inserting a sieve-shaped electrode into a neuron fiber and applying electrical stimulation. (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). 3 is a sieve-shaped electrode based on the third prior art described above. The diameter of the entire sieve is 1.5 mm, the same as that of the rat sciatic nerve, and 571 holes having a diameter of 40 μm are arranged at intervals of 70 μm. In addition, a ring-shaped electrode surrounds 27 holes and has an area of 2200 μm 2 .

상술한 도 1의 종래 기술의 경우 MOSFET 소자의 노이즈가 높아 전기 신호의 경향성만 확인할 수 있는 문제가 있고, 도 2의 종래 기술의 경우 전극의 삽입 시에 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 못하는 문제가 있다.
In the above-described prior art of FIG. 1, the noise of the MOSFET device is high, so that only the tendency of the electrical signal can be confirmed. In the prior art of FIG. 2, the brain stem or nerve cell dies when the electrode is inserted. When inserting three sieve-shaped electrodes, there is a problem in that cross-talk occurs between the electrodes, so that electrical signals cannot be detected accurately.

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 신경섬유를 죽이지 않으면서 신경 계통에 지속적으로 전기 자극을 제공하고 전기 신호를 획득하여 근육 손상의 문제를 해결할 수 있는 신경 소자를 제공하는 것이다.The present invention has been proposed to solve the problems of the prior art, an object of the present invention is to provide an electrical stimulation continuously to the nervous system without killing the nerve fibers and to obtain an electrical signal nerves that can solve the problem of muscle damage It is to provide an element.

본 발명의 다른 목적은 다수의 처리 모듈이 서로 전기적으로 연결됨으로써 신경이 끊긴 부위가 있더라도 전기 신호 또는 전기 자극을 상호 송수신할 수 있는 신경 소자를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a neural device capable of transmitting and receiving an electrical signal or an electrical stimulus with each other even if there are disconnected parts by electrically connecting a plurality of processing modules to each other.

본 발명의 또 다른 목적은 유연한 기판 상에 나노 와이어 팁을 부착하여 대뇌피질과 같은 넓은 면적의 신경기관 상의 신경신호를 검출하거나 자극할 수 있는 나노 와이어를 이용한 패치 형태의 신경 소자를 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a patch-type neural device using nanowires by attaching nanowire tips on a flexible substrate to detect or stimulate neural signals on a large area of neural organs such as the cerebral cortex.

본 발명의 또 다른 목적은 나노 와이어 형성 방향과 처리모듈의 방향을 달리 설정하여 나노 와이어가 신경에 삽입되는데 방해 받지 않는 신경소자를 제공하는 것이다.
Still another object of the present invention is to provide a neural device that does not interfere with the insertion of the nanowires by setting the direction of the nanowire forming direction and the direction of the processing module differently.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 기판에 일 종단이 고정되어 수직방향으로 연장되고, 신경에 삽입되어 신경섬유로부터 전기 신호를 획득하거나, 신경섬유에 전기 신호를 인가하는 적어도 하나 이상의 나노 와이어를 포함하는 복수의 나노 와이어 모듈; 및 상기 복수의 나노 와이어 모듈과 전기적으로 연결되고, 상기 복수의 나노 와이어 모듈 중 선택된 임의의 나노 와이어 모듈 간 전기 신호 또는 전기 자극을 상호 송수신할 수 있는 처리 모듈을 포함하는 신경 소자를 제공한다.The present invention, in order to achieve the above object, one end is fixed to the substrate extending in the vertical direction, inserted into the nerve to obtain an electrical signal from the nerve fibers, or at least one nanowire for applying an electrical signal to the nerve fibers A plurality of nanowire modules comprising; And a processing module electrically connected to the plurality of nanowire modules, the processing module capable of mutually transmitting and receiving an electrical signal or electrical stimulation between any of the selected nanowire modules.

본 발명에서 처리 모듈은 복수의 나노 와이어 모듈 중 선택된 임의의 나노 와이어 모듈로부터 획득한 전기 신호를 처리하여 임의의 다른 나노 와이어 모듈에 전기 자극으로 인가할 수 있다.In the present invention, the processing module may process an electrical signal obtained from any nanowire module selected from the plurality of nanowire modules and apply it as an electrical stimulus to any other nanowire module.

본 발명에서 기판은 넓은 면적의 신경기관에 부착될 수 있도록, 패치 타입의 연성 기판인 것이 바람직하다. 연성 기판은 곡면을 포함하는 신경기관에 부착될 때 특히 유리하다. 연성 기판으로는 폴리이미드(PI, polyimide), 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane), 폴리에틸렌(PE, polyethylene) 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET, polyethylene terephthalate), 고어텍스(expanded polytetrafluoroethylene) 등을 사용할 수 있으며, 특히 폴리이미드가 회로 등을 구현하기 위한 제조적 용이성 때문에 바람직하다.In the present invention, the substrate is preferably a patch-type flexible substrate so that it can be attached to a large area of the nerve organ. Flexible substrates are particularly advantageous when attached to neural organs including curved surfaces. As the flexible substrate, polyimide (PI, polyimide), polydimethylsiloxane (PDMS, polydimethylsiloxane), polyethylene (PE, polyethylene) polyethylene terephthalate (PET, polyethylene terephthalate), and expanded polytetrafluoroethylene may be used. Polyimides are preferred because of their ease of manufacture for implementing circuits and the like.

본 발명에서는 다수의 나노 와이어가 집합하여 다수의 나노 와이어 모듈을 형성하는데, 다수의 나노 와이어 모듈은 격자 형태로 배치될 수 있다. 나노 와이어 모듈의 배치는 격자 배치 형태로 제한되지는 않으나, 나노 와이어 성장을 위한 씨앗층 준비, 회로구현 등을 위한 공정, 마스크 제작 및 실제 공정의 용이성이 격자 배치의 장점으로 고려될 수 있다.In the present invention, a plurality of nanowires are collected to form a plurality of nanowire modules, and the plurality of nanowire modules may be arranged in a lattice form. The arrangement of the nanowire module is not limited to the lattice arrangement, but the process of preparing the seed layer for the nanowire growth, the circuit implementation, the mask fabrication, and the actual process may be considered as advantages of the lattice arrangement.

본 발명에서 기판에는 천공이 형성될 수 있으며, 천공은 다른 추가적인 기능, 예를 들어 손상된 신경이 자랄 수 있는 통로를 제공하는데, 이 경우 신경이 자라는 동안 전기자극과 신경신호 검출을 할 수 있는 위치로 천공의 속 면이 이용될 수 있다. 천공은 다양한 형태로 형성될 수 있고, 예를 들어 나노 와이어 모듈과 마찬가지로 격자 형태로 배치될 수 있다.In the present invention, a perforation may be formed in the substrate, and the perforation provides another additional function, for example, a passage through which damaged nerves may grow, in which case the electrical stimulation and nerve signals may be detected while the nerve is growing. The inner face of the perforation can be used. Perforations can be formed in a variety of forms, for example, can be arranged in the form of a lattice like nanowire modules.

본 발명에서 나노 와이어는 실리콘, 금, 은, 이리듐, 산화 이리듐, 백금, 주석, 니켈, 크롬, 레늄, 동 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 합금으로 이루어질 수 있다.In the present invention, the nanowires may be made of one or two or more alloys selected from silicon, gold, silver, iridium, iridium oxide, platinum, tin, nickel, chromium, rhenium, and copper.

또한, 본 발명은 기판에 일 종단이 고정되어 수직방향으로 연장되고, 신경에 삽입되어 신경섬유로부터 전기 신호를 획득하거나, 신경섬유에 전기 신호를 인가하는 적어도 하나 이상의 나노 와이어를 포함하는 복수의 나노 와이어 모듈; 및 상기 복수의 나노 와이어 모듈과 전기적으로 연결되고, 상기 복수의 나노 와이어 모듈 중 선택된 임의의 나노 와이어 모듈 간 전기 신호 또는 전기 자극을 상호 송수신할 수 있는 처리 모듈을 포함하고, 상기 나노 와이어 모듈은 기판의 제1면에 위치한 베이스에 형성되고, 상기 처리 모듈은 상기 기판의 제1면과 상이한 제2면에 형성되는 것을 특징으로 하는 신경 소자를 제공한다.In addition, the present invention is a plurality of nanowires including at least one nanowire is fixed to one end of the substrate extending in the vertical direction, inserted into the nerve to obtain an electrical signal from the nerve fibers, or apply an electrical signal to the nerve fibers Wire module; And a processing module electrically connected to the plurality of nanowire modules and capable of mutually transmitting and receiving an electrical signal or an electrical stimulus between any of the nanowire modules selected from the plurality of nanowire modules. And a processing module formed on a second surface different from the first surface of the substrate.

본 발명에서 상기 제2면의 법선 벡터와 상기 제1면의 법선벡터가 이루는 각은 170도 내지 180도이고, 나노 와이어 모듈과 처리 모듈은 관통 비아홀 연결(through via hole connection)을 통해 연결될 수 있다.In the present invention, the angle formed by the normal vector of the second surface and the normal vector of the first surface is 170 degrees to 180 degrees, and the nanowire module and the processing module may be connected through a through via hole connection. .

본 발명에서 관통 비아홀은 상기 기판의 CMOS(Complementary metal oxide semiconductor) 영역과 다른 영역에 위치할 수 있다.
In the present invention, the through via hole may be located in a region different from the complementary metal oxide semiconductor (CMOS) region of the substrate.

본 발명의 신경 소자는 다수의 처리 모듈이 서로 전기적으로 연결됨으로써, 신경이 끊긴 부위가 있더라도 전기 신호 또는 전기 자극을 상호 송수신할 수 있다.In the neural device of the present invention, a plurality of processing modules are electrically connected to each other, so that even if there is an area where nerves are disconnected, the neural device may transmit and receive an electrical signal or an electrical stimulus.

또한, 기존의 신경 신호 측정 장비들은 팁 크기가 커서 신경 세포를 괴사시킬 수 있지만, 본 발명의 신경 소자는 팁의 크기가 나노 수준이어서 신경 세포의 손상 없이 자극 및 검출이 가능하다.In addition, conventional neural signal measuring equipment can be necrotic neural cells because the tip size is large, the nerve element of the present invention can be stimulated and detected without damaging the nerve cells because the size of the tip nano-level.

또한, 기존에는 신경다발을 절단하여야 하는 부담이 있었지만, 본 발명의 신경 소자는 패치 형태로 표면에 간단히 덮는 형식으로 사용할 수 있으므로 신경 기관을 손상시키지 않는다.In addition, in the past, there was a burden to cut the nerve bundle, but the nerve element of the present invention can be used in the form of simply covering the surface in the form of a patch does not damage the nerve organs.

또한, 본 발명의 신경 소자는 커프(Cuff)와 같은 구조가 아니기 때문에, 넓은 면적에 신경 세포가 분포되어 있는 뇌와 같은 기관에 사용할 수 있다.In addition, since the neural element of the present invention does not have a structure such as a cuff, it can be used for organs such as the brain in which nerve cells are distributed in a large area.

또한, 본 발명의 신경 소자는 기존의 방식으로는 측정 및 검출이 어려운 신체 기관에도 신체 상의 아무런 손상 없이 사용할 수 있으므로, 새로운 시장을 개척할 수 있음은 물론이며, 기존 시장을 대체할 수 있다.In addition, since the neural device of the present invention can be used without any damage on the body even in the body organs that are difficult to measure and detect by the conventional method, it is possible to open a new market and replace the existing market.

또한, 본 발명의 신경 소자는 나노 와이어의 형성 방향과 처리모듈의 방향을 달리 설정하여 나노 와이어가 신경에 삽입되는데 방해 받지 않도록 할 수 있다.
In addition, the neural device of the present invention may be set so that the direction of forming the nanowires and the direction of the processing module are different so that the nanowires are not disturbed to be inserted into the nerves.

도 1은 첫 번째 종래 기술에 따라 검출된 세포 내 신호와 세포 외 신호를 나타내는 도면이다.
도 2는 두 번째 종래 기술에 따른 다수 전극과 이러한 전극이 고양이의 좌골 신경에 삽입된 모습을 나타낸다.
도 3은 세 번째 종래 기술에 근거한 체 형태의 전극이다.
도 4는 본 발명의 제1실시형태에 따라 격자 형태의 나노 와이어 모듈을 갖는 패치 형태의 신경 소자의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제2실시형태에 따라 다른 기능을 위해 기판에 천공이 형성된 신경 소자의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제3실시형태에 따라 신경 내 삽입을 위한 나노 와이어 배치를 갖는 신경 소자의 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따라 기판 하부에 처리 모듈이 결합된 신경 소자의 사시도이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 신경 소자를 제작하는 방법의 일례를 설명하는 도면이다.
도 11은 본 발명에 따라 처리 모듈의 행렬을 나타낸 개략도이다.
도 12는 본 발명에 따라 신경이 끊긴 부위에서 처리 모듈이 송수신하는 일 예를 나타낸 개략도이다.
도 13은 본 발명의 제4실시형태에 다른 신경소자를 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 제5실시형태에 따른 신경소자를 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 제6실시형태에 따른 신경소자를 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명의 제7실시형태에 따른 신경소자를 나타낸 도면이다.
1 is a diagram showing intracellular signals and extracellular signals detected according to the first prior art.
Figure 2 shows a second electrode according to the prior art and the electrode is inserted into the sciatic nerve of the cat.
3 is a sieve shaped electrode based on a third prior art.
4 is a perspective view of a patch-type neural device having a lattice-shaped nanowire module according to a first embodiment of the present invention.
5 is a perspective view of a neural device in which perforations are formed in a substrate for another function according to the second embodiment of the present invention.
6 is a perspective view of a neural device with nanowire placement for intramuscular insertion in accordance with a third embodiment of the present invention.
7 is a perspective view of a neural device in which a processing module is coupled to a lower surface of a substrate according to the present invention.
8-10 is a figure explaining an example of the method of manufacturing the neural element of this invention.
11 is a schematic diagram illustrating a matrix of processing modules in accordance with the present invention.
12 is a schematic diagram showing an example in which a processing module transmits and receives at a site where nerves are disconnected according to the present invention.
Fig. 13 is a diagram showing a neural device according to a fourth embodiment of the present invention.
14 is a diagram showing a nerve device according to the fifth embodiment of the present invention.
Fig. 15 is a diagram showing a nerve device according to the sixth embodiment of the present invention.
Fig. 16 is a diagram showing a nerve device according to the seventh embodiment of the present invention.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 신경 소자는 나노 크기의 물질을 포함한다. 나노 크기의 물질들은 사이즈가 작아 표면적/부피비가 증가하기 때문에, 표면에서 일어나는 전기 화학적인 반응이 우세해지므로 다양한 센서에 이용될 수 있다.The neural device according to the present invention comprises a nano-sized material. Nano-sized materials can be used in a variety of sensors because their small size increases the surface area / volume ratio, which predominates the electrochemical reactions occurring on the surface.

특히, 나노 튜브, 나노 선 및 나노 막대 등과 같은 1차원 나노 소재는 종횡비(aspect ratio)가 커서 조작이 용이하므로, 가장 먼저 나노 소자로 구현된 바 있다.In particular, one-dimensional nanomaterials, such as nanotubes, nanowires, and nanorods, have a large aspect ratio and are easily manipulated, and thus have been implemented as nano devices first.

본 발명은 신경으로부터 전기 신호를 획득하기 위해 나노 와이어를 기반으로 하는 신경 소자를 제안한다.The present invention proposes a neural device based on nanowires to obtain electrical signals from nerves.

도 4는 본 발명의 제1실시형태에 따라 격자 형태의 나노 와이어 모듈을 갖는 패치 형태의 신경 소자의 사시도로서, 이 실시형태에 따른 신경 소자는 넓은 면적의 기판(10) 및 이 기판(10)에 형성된 다수의 나노 와이어 모듈(20)로 구성된다.4 is a perspective view of a patch-type neural device having a lattice-shaped nanowire module according to a first embodiment of the present invention, wherein the neural device according to this embodiment includes a substrate 10 having a large area and the substrate 10. It is composed of a plurality of nanowire module 20 formed in.

기판(10)은 생물체의 기관 표면에 부착되는 패치 형태로서, 넓은 면적의 신경기관에 부착될 수 있도록, 연성 기판인 것이 바람직하다.The substrate 10 is in the form of a patch attached to the organ surface of the organism, it is preferable that the substrate is a flexible substrate so that it can be attached to a large area of the nerve organ.

본 발명에서 연성이라 함은 부드럽고 무르며 연한 성질을 의미한다. 따라서, 일정한 외력을 가하면 연성 기판은 쉽게 굽혀지거나 변형될 수 있다. 특히 연성 기판은 곡면을 포함하는 신경기관에 부착될 때 유리하기 때문에, 본 발명에 따른 신경 소자의 기판(10)으로서 매우 적합하다.In the present invention, ductility means soft and soft and soft properties. Thus, applying a constant external force can cause the flexible substrate to bend or deform easily. The flexible substrate is particularly suitable as the substrate 10 of the neural device according to the present invention, because it is advantageous when attached to neural organs including curved surfaces.

이러한 연성 기판으로는 PI, PDMS, PE, PET, 고어텍스 등을 사용할 수 있으며, 특히 폴리이미드가 회로 등을 구현하기 위한 제조적 용이성 때문에 바람직하다.As the flexible substrate, PI, PDMS, PE, PET, Gore-Tex, etc. may be used, and polyimide is particularly preferable because of the manufacturability for implementing a circuit.

나노 와이어 모듈(20)은 도 4의 부분 확대도에 도시된 바와 같이, 다수의 나노 와이어(21)로 구성된다. 즉, 다수의 나노 와이어(21)가 집합하여 나노 와이어 모듈(20)을 형성한다.Nanowire module 20 is composed of a plurality of nanowires 21, as shown in a partial enlarged view of FIG. That is, a plurality of nanowires 21 gather to form the nanowire module 20.

나노 와이어 모듈(20)은 도 4에 도시된 바와 같이, 격자 형태로 배치될 수 있는데, 이에 한정되지 않고 다양한 형태로 배치될 수 있다. 격차 배치의 경우, 나노 와이어 성장을 위한 씨앗층 준비, 회로구현 등을 위한 공정, 마스크 제작 및 실제 공정의 용이성이 장점으로 고려될 수 있다.As shown in FIG. 4, the nano wire module 20 may be disposed in a lattice form, but is not limited thereto. In the case of gap arrangements, the seed layer preparation for nanowire growth, the process for circuit implementation, the mask fabrication, and the ease of the actual process may be considered as advantages.

본 발명에서 격자라 함은 바둑판처럼 가로 세로를 일정한 간격으로 대략 직각이 되게 짠 구조나 물건 또는 그런 형식을 의미한다.In the present invention, the lattice refers to a structure or an object or a form woven in a substantially right angle at regular intervals such as a checkerboard.

도 4의 부분 확대도에 도시된 바와 같이, 나노 와이어(21)는 기판(10)의 일면에 일 종단이 고정되어 수직방향으로 연장된다.As shown in a partially enlarged view of FIG. 4, one end of the nanowire 21 is fixed to one surface of the substrate 10 and extends in the vertical direction.

본 발명에서 수직이라 함은 직선과 직선, 직선과 평면, 평면과 평면이 이루는 각이 대략 직각일 때를 말하는데, 80 내지 100도의 범위에 있으면 대략 직각으로 볼 수 있으며, 또한 일부가 약간 굴곡되거나 휘어질 경우에도 대략 직선으로 볼 수 있다.In the present invention, the vertical refers to a straight line and a straight line, a straight line and a plane, and an angle formed by the plane and the plane is approximately right angles, and may be viewed at approximately right angles in the range of 80 to 100 degrees. Even when losing, it can be seen as a straight line.

본 발명에 따른 나노 와이어(21)는 신경섬유로부터 전기 신호를 획득하거나, 신경섬유에 전기 자극을 제공하는 특징이 있다. 해부학적으로 신경(nerves)은 육안으로도 관찰 가능한 가늘고 긴 구조물로서, 조직학적으로는 다수의 신경 다발(nerve bundles)이 모인 것이다. 한편, 신경다발은 다수의 신경섬유(nerve fibers)가 모인 것이다. 신경섬유는 신경 세포의 축색(axon) 부분을 가리키는 것으로, 축색이 섬유처럼 가늘고 긴 형상이기 때문에 신경섬유라는 명칭으로 불린다. 신경섬유는 축삭 돌기 또는 축색 돌기 등의 다양한 명칭으로 불린다.Nanowire 21 according to the present invention is characterized by obtaining an electrical signal from the nerve fibers, or providing electrical stimulation to the nerve fibers. Anatomically, nerves are elongated structures that can be seen with the naked eye, and histologically, many nerve bundles are collected. On the other hand, the nerve bundle is a collection of a number of nerve fibers (nerve fibers). Nerve fiber refers to the axon portion of nerve cells, and is called a nerve fiber because the axon is a thin and long shape like a fiber. Nerve fibers are called by various names, such as axons or axons.

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.Each of the nerve fibers is wrapped by a soft connective tissue, the endoneurium, and the nerve bundle is wrapped by a perineurium, and the bundle of nerves is wrapped by an epineurium. These membranes are all there to protect the nerves, and only the outer nerve membranes are identified with the naked eye.

본 발명에 따른 나노 와이어(21)는 신경섬유에 삽입되어 전기 신호를 획득하거나, 전기 자극을 제공한다. 즉, 본 발명에 따른 나노 와이어(21)는 신경 다발 내의 신경섬유 내에 삽입되어 신경섬유 내의 신경세포 표면을 따라 발생하는 전기 신호를 획득하거나, 신경섬유 내의 신경세포에 전기 자극을 제공한다.Nanowire 21 according to the present invention is inserted into the nerve fiber to obtain an electrical signal, or provide an electrical stimulation. That is, the nanowires 21 according to the present invention are inserted into nerve fibers in the nerve bundles to obtain electrical signals generated along the surface of nerve cells in the nerve fibers, or provide electrical stimulation to nerve cells in the nerve fibers.

종래에는 매크로 단위 사이즈로 제작된 전극을 배열하여 신경섬유에 삽입하였는데, 이 경우 전극이 삽입되는 신경섬유에 손상이 발생하여 신경섬유가 죽는 문제가 발생하였다. 그러나, 본 발명의 경우 전기 신호의 획득 및/또는 전기 자극의 제공을 위해, 나노 와이어(21)를 사용하기 때문에 신경섬유에 대한 손상을 최소화할 수 있다.Conventionally, electrodes prepared in a macro unit size were arranged and inserted into nerve fibers. In this case, the nerve fibers to which the electrodes are inserted are damaged and the nerve fibers die. However, in the case of the present invention, since the nanowires 21 are used for obtaining an electrical signal and / or providing electrical stimulation, damage to nerve fibers can be minimized.

일반적으로 신경섬유의 지름은 수 마이크로미터 이상인데 비해, 나노 와이어(21)는 지름이 수십 내지 수백 나노미터(㎚)에 불과하여 신경섬유의 어느 일부분에 삽입되어 신경섬유 내의 신경세포에 전기 자극을 제공하거나 전기 신호를 획득하므로, 나노 와이어(21)가 삽입되어도 신경섬유에 큰 손상을 주지 않는다.In general, the diameter of the nerve fiber is more than a few micrometers, whereas the nanowire 21 is only a few tens to hundreds of nanometers (nm) in diameter and is inserted into any portion of the nerve fiber to electrical stimulation to nerve cells in the nerve fiber. By providing or acquiring an electrical signal, even when the nanowire 21 is inserted, it does not significantly damage the nerve fiber.

나노 와이어(21)가 신경섬유에 삽입되는 방향에는 제한이 없으며, 예를 들어 신경섬유의 길이방향 또는 수직방향으로 삽입될 수 있다. 나노 와이어(21)가 길이 방향으로 삽입되는 경우, 나노 와이어(21) 및 신경섬유의 바깥부분 간의 접촉 면적이 최대화되기 쉽다는 이점이 있다. 바람직하게는 나노 와이어의 길이 방향과 신경섬유의 길이 방향이 평행하다.The direction in which the nanowires 21 are inserted into the nerve fibers is not limited. For example, the nanowires 21 may be inserted in the longitudinal direction or the vertical direction of the nerve fibers. When the nanowires 21 are inserted in the longitudinal direction, there is an advantage that the contact area between the nanowires 21 and the outer portion of the nerve fibers is easily maximized. Preferably, the longitudinal direction of the nanowires and the longitudinal direction of the nerve fibers are parallel.

나노 와이어(21)는 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.The nanowires 21 may acquire electrical signals from the nerve fibers contained in the nerves and at the same time apply electrical stimuli to the nerve fibers. Alternatively, the nanowires 21 may be configured to perform only one function of the acquisition of the electrical signals or the application of the electrical stimuli. Can be.

복수의 나노 와이어(21) 중 일부는 신경섬유에 전기 자극을 인가하고, 다른 일부는 신경섬유로부터 전기 신호를 획득할 수 있다. 예를 들어, 신경 소자는 신경섬유로부터 전기 신호를 획득하는 복수의 나노 와이어만 포함하거나, 신경섬유에 전기 자극을 인가하는 복수의 나노 와이어만 포함할 수 있다.Some of the plurality of nanowires 21 may apply electrical stimulation to nerve fibers, and others may acquire electrical signals from the nerve fibers. For example, the neural device may include only a plurality of nanowires for obtaining an electrical signal from the nerve fiber, or may include only a plurality of nanowires for applying electrical stimulation to the nerve fibers.

또한, 신경 소자는 신경섬유로부터 전기 신호를 획득하는 복수의 나노 와이어, 신경섬유에 전기 자극을 인가하는 복수의 나노 와이어, 및 신경섬유로부터 전기 신호를 획득하거나 신경섬유에 전기 자극을 인가하는 나노 와이어를 모두 포함할 수 있다.In addition, the neural device includes a plurality of nanowires for obtaining an electrical signal from nerve fibers, a plurality of nanowires for applying electrical stimulation to the nerve fibers, and nanowires for obtaining an electrical signal from the nerve fibers or applying electrical stimulation to the nerve fibers. It may include all.

도 5는 본 발명의 제2실시형태에 따라 다른 기능을 위해 기판에 천공이 형성된 신경 소자의 사시도로서, 이 실시형태에 따른 신경 소자는 도 4의 신경 소자와 달리, 다수의 천공(30)을 갖는 기판(10)을 포함한다.FIG. 5 is a perspective view of a neural device in which perforations are formed in a substrate for another function according to the second embodiment of the present invention. Unlike the neural device of FIG. 4, the neural device according to this embodiment may be provided with a plurality of perforations 30. It includes the substrate 10 having.

천공(30)은 다른 추가적인 기능, 예를 들어 손상된 신경이 자랄 수 있는 통로를 제공하는데, 이 경우 신경이 자라는 동안 전기자극과 신경신호 검출을 할 수 있는 위치로 천공의 속 면이 이용될 수 있다.Perforation 30 provides another additional function, for example, a passage through which damaged nerves can grow, in which case the inner surface of the perforation can be used as a location for electrical stimulation and nerve signal detection during the growth of the nerve. .

천공(30)은 도 5에 도시된 바와 같이, 격자 형태로 배치될 수 있는데, 이에 한정되지 않고 다양한 형태로 배치될 수 있다. 다만, 천공(30)은 나노 와이어 모듈(20)의 배열과 중복되거나 너무 근접하지 않도록, 나노 와이어 모듈(20)의 배열을 피해 나노 와이어 모듈(20) 사이에 배치되는 것이 바람직하다.As shown in FIG. 5, the perforation 30 may be disposed in a lattice form, but is not limited thereto and may be disposed in various forms. However, the perforation 30 is preferably disposed between the nanowire module 20 avoiding the arrangement of the nanowire module 20 so as not to overlap or too close to the arrangement of the nanowire module 20.

도 6은 본 발명의 제3실시형태에 따라 신경 내 삽입을 위한 나노 와이어 배치를 갖는 신경 소자의 사시도로서, 이 실시형태에 따른 신경 소자는 도 5의 신경 소자와 마찬가지로 격자 형태로 배치된 다수의 나노 와이어 모듈(20) 및 천공(30)으로 구성되나, 도 5의 신경소자와는 달리 나노 와이어 모듈(20)이 더 촘촘히 배치되어 천공(30)을 완전히 둘러싸고 있다.FIG. 6 is a perspective view of a neural device having a nanowire arrangement for intramuscular insertion according to a third embodiment of the present invention, wherein the neural device according to this embodiment is arranged in a lattice form like the neural device of FIG. Consists of the nano wire module 20 and the perforation 30, but unlike the neural device of FIG. 5, the nano wire module 20 is more closely disposed to completely surround the perforation 30.

도 6 구조의 경우 도 5 구조에 비해 나노 와이어의 밀도를 증가시켜 신경자극을 좀 더 많은 부분으로 확대할 수 있으며, 또한 검출되는 신호의 크기가 커짐에 따라 신호 대 잡음비를 증가시킬 수 있는 이점이 있다.In the case of the structure of FIG. 6, compared to the structure of FIG. 5, the density of the nanowires can be increased to expand the neurostimulation to a larger portion, and as the size of the detected signal increases, the signal-to-noise ratio can be increased. have.

도 7은 본 발명에 따라 기판 하부에 처리 모듈이 결합된 신경 소자의 사시도이다.7 is a perspective view of a neural device in which a processing module is coupled to a lower surface of a substrate according to the present invention.

처리 모듈(40)은 나노 와이어(21)를 통해 주고 받는 신경 신호 혹은 전기 자극을 제어하는 역할을 한다.The processing module 40 serves to control neural signals or electrical stimuli transmitted and received through the nanowires 21.

나노 와이어 모듈(20) 각각에는 처리 모듈(40)이 전기적으로 연결되며, 다수의 처리 모듈(40)은 서로 전기적으로 연결됨으로써, 신경이 끊긴 부위가 있더라도 전기 신호 또는 전기 자극을 상호 송수신할 수 있다.The processing module 40 is electrically connected to each of the nanowire modules 20, and the plurality of processing modules 40 are electrically connected to each other, so that even if there is an area where nerves are disconnected, an electrical signal or an electrical stimulus may be transmitted and received to each other. .

처리 모듈(40)은 CMOS를 포함할 수 있고, 또는 처리 모듈(40)에 CMOS가 결합될 수 있다.The processing module 40 may comprise a CMOS, or CMOS may be coupled to the processing module 40.

본 발명의 신경 소자는 다양한 방법으로 제작될 수 있는바, 이하 나노 와이어(21)의 성장 방법과, 나노 와이어(21)를 구비한 신경 소자의 제작 방법을 설명한다.The neural device of the present invention can be manufactured by various methods, hereinafter, a growth method of the nanowires 21 and a method of manufacturing the neural device having the nanowires 21 will be described.

도 8 내지 도 10은 본 발명의 신경 소자를 제작하는 방법의 일례를 설명하는 도면이다.8-10 is a figure explaining an example of the method of manufacturing the neural element of this invention.

도 8은 촉매를 이용하여 나노 와이어를 합성하는 방법을 설명하는 개념도이다. 도시된 바와 같이, 나노 클러스터에 반응물(reactant)을 가하는 경우, 결정핵 생성(nucleation) 및 성장(growth)이 이루어져 나노 와이어가 합성된다. 합성된 나노 와이어는 도 9와 같은 모습을 가질 수 있다. 또한, 본 발명에 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 10과 같이 다양한 3차원 구조를 갖는 나오 와이어 제작이 가능하다.8 is a conceptual diagram illustrating a method of synthesizing nanowires using a catalyst. As shown, when reactants are added to the nanoclusters, nucleation and growth occurs to synthesize the nanowires. The synthesized nanowires may have a shape as shown in FIG. 9. In addition, the nanowires used in the present invention may be formed by a method described in the prior art (Si Nanowire Bridge in Trenaces: "Integration of Growth into Device Fabrication" Adv. Mater. 17, 2098, 2005). According to the above description, Nao wire having various three-dimensional structures as shown in FIG. 10 can be manufactured.

천공 및 나노 와이어를 포함하는 신경 소자의 제작 방법의 일례를 설명하면 다음과 같다.An example of a method of fabricating a neural device including perforations and nanowires is as follows.

천공(30)을 포함하는 기판(10)은 실리콘과 같은 다양한 소재의 웨이퍼 상에 포토 마스크와 에칭 공정을 적용하여 구현할 수 있다.The substrate 10 including the perforation 30 may be implemented by applying a photo mask and an etching process on a wafer of various materials such as silicon.

천공(30)을 포함하는 기판(10)이 형성되면, 나노 와이어(21)가 성장할 기판(10)의 위치에 촉매를 도포한다. 촉매는 리소그래피 공정 등을 통해 기판(10)의 임의 부분에 위치할 수 있다. 촉매는 성장시키려는 나노 와이어(21)의 소재에 따라 선택되는 것이 바람직하며, 예를 들어 실리콘 나노 와이어를 성장시키는 경우에는 Au 촉매를 사용할 수 있다. 촉매가 기판(10) 상에 도포된 후, CVD 공정 등을 통해 반응물을 공급하면, 상술한 바와 같이 결정 핵 생성 및 성장이 이루어져 나노 와이어(21)가 형성될 수 있다.When the substrate 10 including the perforations 30 is formed, the catalyst is applied to the position of the substrate 10 where the nanowires 21 will be grown. The catalyst may be located in any portion of the substrate 10 via a lithography process or the like. The catalyst is preferably selected according to the material of the nanowires 21 to be grown. For example, when growing the silicon nanowires, Au catalysts may be used. After the catalyst is applied onto the substrate 10 and supplied with a reactant through a CVD process or the like, crystal nucleation and growth may be performed as described above to form the nanowires 21.

나노 와이어(21)는 다양한 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 실리콘, 금, 은, 이리듐, 산화 이리듐, 백금, 주석, 니켈, 크롬, 레늄(rhenium) 및 동 중에서 1종으로 이루어지거나, 2종 이상을 다양하게 조합한 합금 등으로 이루어질 수 있으며, 이외에 나노 공정에 의해 나노 소자로 구현될 수 있는 반도체 소자 또는 금속은 모두 사용 가능하다.The nanowires 21 may be made of various materials. For example, it may be made of one of silicon, gold, silver, iridium, iridium oxide, platinum, tin, nickel, chromium, rhenium (rhenium) and copper, or an alloy of various combinations of two or more thereof. In addition, any semiconductor device or metal that can be implemented as a nano device by a nano process can be used.

도 11은 본 발명에 따라 처리 모듈의 행렬을 나타낸 개략도로서, 기판(10)에는 다수의 처리 모듈(40)이 예를 들어, a11 내지 a1m까지의 행과 a11 내지 an1까지의 열을 이루고 있다.11 is a schematic diagram showing a matrix of a processing module according to the present invention, the substrate 10 is provided with a plurality of processing modules 40, for example, a 11 to line up to a 1m and a 11 to heat up to a n1 Is fulfilling.

도 12는 본 발명에 따라 신경이 끊긴 부위에서 처리 모듈이 송수신하는 일 예를 나타낸 개략도로서, 신경(50)에 끊긴 부위(51)가 있더라도, 예를 들어 처리 모듈(40) 중 a22의 신호를 신경(50)이 끊긴 부위(51) 너머에 있는 a14로 보냄으로써 신호를 끊김 없이 연속적으로 처리할 수 있다.12 is a schematic diagram showing an example in which a processing module transmits and receives at a site where a nerve is disconnected according to the present invention, even if there is a site 51 at the nerve 50, for example, a signal of a 22 in the processing module 40 is shown. The signal can be continuously processed by sending the signal to a 14 beyond the cut portion 51 of the nerve 50.

도 13은 본 발명의 제4실시형태에 다른 신경소자를 나타낸 도면으로, 이 실시형태에 따른 신경소자는 기판(710), 나노 와이어(721, 722), 전극(731, 732), 관통 비아홀 연결(741, 742), 전극 패드(751, 752) 및 터치 볼(761, 762)을 포함한다.FIG. 13 is a view showing another neural device according to a fourth embodiment of the present invention, wherein the neural device according to this embodiment is connected to a substrate 710, nanowires 721 and 722, electrodes 731 and 732, and through-via hole connections. 741 and 742, electrode pads 751 and 752, and touch balls 761 and 762.

나노 와이어(721, 722) 각각의 전극(731, 732)은 기판의 반대 면의 전극 패드(751, 752)와 관통 비아 홀 연결(741, 742)을 통해 연결된다. 즉, 나노 와이어(721)의 전극(731)은 관통 비아홀 연결(741)을 통해 전극 패드(751)와 연결되고, 나노 와이어(722)의 전극(732)은 관통 비아홀 연결(742)을 통해 전극 패드(752)와 연결된다.Electrodes 731 and 732 of each of nanowires 721 and 722 are connected to electrode pads 751 and 752 on opposite sides of the substrate through through via hole connections 741 and 742. That is, the electrode 731 of the nanowire 721 is connected to the electrode pad 751 through the through via hole connection 741, and the electrode 732 of the nanowire 722 is connected to the electrode through the through via hole connection 742. It is connected to the pad 752.

전극 패드(751)는 나노 와이어(721)를 통해 신경섬유로부터 획득된 전기 신호를 출력하거나, 나노 와이어(721)로 전기 자극을 위한 신호를 인가한다. 전극 패드(752)는 나노 와이어(722)를 통해 신경섬유로부터 획득된 전기 신호를 출력하거나, 나노 와이어(722)로 전기 자극을 위한 신호를 인가한다.The electrode pad 751 outputs an electrical signal obtained from the nerve fiber through the nanowire 721 or applies a signal for electrical stimulation to the nanowire 721. The electrode pad 752 outputs an electrical signal obtained from the nerve fiber through the nanowire 722 or applies a signal for electrical stimulation to the nanowire 722.

전극 패드(751)는 터치 볼(761)을 통해 처리 모듈(770)로 연결되고, 전극 패드(752)는 터치 볼(762)을 통해 처리 모듈(770)로 연결된다.The electrode pad 751 is connected to the processing module 770 through the touch ball 761, and the electrode pad 752 is connected to the processing module 770 through the touch ball 762.

이와 같이, 관통 비아 홀 연결 기술을 이용하여 기판의 반대 면에 위치된 나노 와이어 및 전극 패드와 처리 모듈이 전기적으로 연결된다. 나노 와이어가 설치되는 기판상의 면과, 전극 패드와 처리 모듈이 설치되는 기판상의 면은 서로 반대 면이므로 각각의 법선 벡터가 이루는 각은 약 180도가 된다.As such, the nanowire and electrode pads located on the opposite side of the substrate are electrically connected to the processing module using a through via hole connection technique. Since the surface on the substrate where the nanowires are installed and the surface on the substrate where the electrode pads and the processing module are installed are opposite to each other, the angle formed by each normal vector is about 180 degrees.

도 13에는 도시되지 않았으나, 기판에는 CMOS 영역이 구비될 수 있다. CMOS 영역은 CMOS를 구현하기 위해 사용되는 기판상의 영역이다. 관통 비아홀 연결(741, 742)은 CMOS 영역을 피해서 배치되는 것이 바람직하다.Although not shown in FIG. 13, the substrate may be provided with a CMOS region. The CMOS area is the area on the substrate used to implement CMOS. The through via hole connections 741 and 742 are preferably disposed away from the CMOS region.

또한, 도 13에는 도시되지 않았으나, 전극(731, 732) 각각에는 나나노 와이어를 위치시키기 위한 베이스가 설치될 수 있다.In addition, although not shown in FIG. 13, a base for positioning nanowires may be provided in each of the electrodes 731 and 732.

베이스에는 적어도 하나의 관통 홀이 구비될 수 있다. 관통 홀은 원형, 타원형, 다각형 등의 다양한 단면을 가질 수 있고, 특히 제작이 용이한 원형 형상이나 신경 다발의 단면에 상응하는 형상일 수 있다. 이때, 관통 홀은 수십 마이크로미터에서 수십 나노 미터의 지름을 가질 수 있다.The base may be provided with at least one through hole. The through hole may have various cross sections, such as a circle, an ellipse, a polygon, and the like, and may have a shape corresponding to a cross section of a neural bundle or a circular shape which is easy to manufacture. In this case, the through hole may have a diameter of several tens of micrometers to several tens of nanometers.

특히, 베이스에 설치되는 관통 홀은 기판에 설치되는 관통 비아홀과 연결될 수도 있다. 이 경우 신경섬유가 관통 홀 또는 비아 홀을 통해 복원될 수도 있다.In particular, the through hole provided in the base may be connected to the through via hole provided in the substrate. In this case, the nerve fibers may be restored through the through holes or via holes.

또한, 베이스에는 나노 와이어를 지지하기 위한 나노 와이어 지지대가 구비될 수 있다. 이때, 나노 와이어 지지대는 상기 관통 홀의 내주면에 구비될 수 있다. 나노 와이어 지지대는 나노 와이어가 일 방향으로 고정되도록 지지한다. 즉, 나노 와이어는 나노 와이어 지지대에 의하여 고정된다.In addition, the base may be provided with a nano wire support for supporting the nano wire. In this case, the nanowire support may be provided on the inner circumferential surface of the through hole. The nanowire supporter supports the nanowires to be fixed in one direction. That is, the nanowires are fixed by the nanowire supports.

나노 와이어 지지대는 관통 홀을 복수의 영역으로 구분하도록 형성될 수 있다. 나노 와이어 지지대는 직선 형상을 갖거나, 다양한 곡률을 갖는 곡선으로 형성될 수 있다. 또한, 나노 와이어 지지대는 관통 홀의 내주면으로부터 연장되어 형성되거나, 베이스의 어느 일면으로부터 연장되어 형성될 수 있다.The nanowire support may be formed to divide the through hole into a plurality of regions. The nanowire support may have a straight shape or may be formed in a curve having various curvatures. In addition, the nanowire support may be formed to extend from the inner circumferential surface of the through hole, or may extend from one surface of the base.

도 14는 본 발명의 제5실시형태에 따른 신경소자를 나타낸 도면으로, 도 13과 유사하나, 나노 와이어 프로브가 CMOS의 게이트나 드레인에 연결됨을 강조한 것이다.FIG. 14 is a view showing a neural device according to a fifth embodiment of the present invention, similar to FIG. 13, but highlighting that a nanowire probe is connected to a gate or a drain of a CMOS.

도 14를 참조하면, 이 실시형태에 따른 신경 소자는 나노 와이어(811, 812), 전극(821, 822), 관통 비아홀 연결(851, 852), CMOS(881, 882), 전극 패드(830) 및 터치 볼(840)을 포함한다.Referring to FIG. 14, the neural device according to this embodiment includes nanowires 811 and 812, electrodes 821 and 822, through-via connections 851 and 852, CMOS 881 and 882, and electrode pads 830. And a touch ball 840.

도 14에 도시된 예에서 전극 패드(830) 및 터치 볼(840)은 한 개씩만 도시되었으나, 나노 와이어(811, 812)의 개수에 따라 둘 이상의 전극 패드 및 터치 볼이 구비될 수도 있다.In the example illustrated in FIG. 14, only one electrode pad 830 and one touch ball 840 are illustrated, but two or more electrode pads and touch balls may be provided according to the number of nanowires 811 and 812.

나노 와이어(811, 812) 각각의 전극(821, 822)은 기판의 반대 면으로 관통 비아 홀 연결(851, 852)을 통해 연결된다. 이때, 나노 와이어(811, 812) 각각은 CMOS(881, 882) 각각의 드레인이나 게이트와 연결된다.The electrodes 821 and 822 of each of the nanowires 811 and 812 are connected to the opposite side of the substrate through the through via hole connections 851 and 852. In this case, each of the nanowires 811 and 812 is connected to a drain or a gate of each of the CMOS 881 and 882.

전극 패드(830)는 나노 와이어(811, 812)를 통해 신경섬유로부터 획득된 전기 신호를 출력하거나, 나노 와이어(811, 812)로 전기 자극을 위한 신호를 인가한다.The electrode pad 830 outputs an electrical signal obtained from nerve fibers through the nanowires 811 and 812, or applies a signal for electrical stimulation to the nanowires 811 and 812.

전극 패드(830)는 터치 볼(840)을 통해 처리 모듈(870)로 연결된다.The electrode pad 830 is connected to the processing module 870 through the touch ball 840.

이와 같이, 관통 비아 홀 연결 기술을 이용하여 기판의 반대 면에 위치된 나노 와이어 및 전극 패드와 처리 모듈이 전기적으로 연결된다. 나노 와이어가 설치되는 기판상의 면과, 전극 패드와 처리 모듈이 설치되는 기판상의 면은 서로 반대 면이므로 각각의 법선 벡터가 이루는 각은 약 180도가 된다.As such, the nanowire and electrode pads located on the opposite side of the substrate are electrically connected to the processing module using a through via hole connection technique. Since the surface on the substrate where the nanowires are installed and the surface on the substrate where the electrode pads and the processing module are installed are opposite to each other, the angle formed by each normal vector is about 180 degrees.

도 15는 본 발명의 제6실시형태에 따른 신경소자를 나타낸 도면으로, 이 실시형태에 따른 나노 와이어 프로브 장치는 나노 와이어(910), 전극(920), 전극 패드(930) 및 터치 볼(940)을 포함한다.FIG. 15 is a diagram illustrating a neural device according to a sixth embodiment of the present invention, wherein the nanowire probe device according to this embodiment includes a nanowire 910, an electrode 920, an electrode pad 930, and a touch ball 940. ).

터치 볼(940)은 소자에 연결된 처리 모듈과 전기적으로 연결된다. 나노 와이어(910)는 터치 볼(940)의 반대 면에 형성된 베이스에 형성되고, 신경섬유로부터 측정된 전기신호를 터치 볼(940)을 통해 상기 소자로 제공하거나 상기 소자로부터 터치 볼(940)을 통해 인가된 신호에 기반하여 신경 섬유에 전기 자극을 인가한다.The touch ball 940 is electrically connected to a processing module connected to the device. The nanowires 910 are formed on the base formed on the opposite side of the touch ball 940, and provide an electrical signal measured from nerve fibers to the device through the touch ball 940, or provide the touch ball 940 from the device. Electrical stimulation is applied to the nerve fibers based on the signal applied through.

나노 와이어(910)는 전극(920) 및 전극 패드(930)를 통해 터치 볼(940)과 연결된다.The nano wire 910 is connected to the touch ball 940 through the electrode 920 and the electrode pad 930.

도 15에 도시된 실시형태는 기판에 터치 볼(940)을 통해 접촉되는 나노 와이어 프로브 장치만 분리한 경우에 해당한다. 즉, 도 15에 도시된 실시형태는 소자와 독립적으로 관통 비아홀 연결을 이용해 만들어진 나노 와이어 프로브 단을 터치 볼로 소자에 연결하는 방식이다. 본 발명에서는 기판에 관통 비아홀 연결을 이용해서 나노 와이어와 접촉 패드를 연결하는 경우(소자 내에 포함되는 경우)나, 서로 반대 면에 나노 와이어와, 터치 볼과 연결되는 접촉 패드를 위치시킨 프로브 장치를 두고 이를 기판에 전기적으로 접촉되도록 하는 경우(소자와 독립적으로 구성되는 경우)를 모두 포괄한다.The embodiment shown in FIG. 15 corresponds to a case where only the nanowire probe device contacting the substrate through the touch ball 940 is separated. That is, the embodiment shown in FIG. 15 is a method of connecting a nanowire probe terminal made using a through via hole connection to a device with a touch ball independently of the device. According to the present invention, a probe device in which a nanowire and a contact pad are connected to a substrate using a through-via hole connection (when included in a device), or a nanowire and a contact pad connected to a touch ball are disposed on opposite surfaces. It covers both the case where it is in electrical contact with the substrate (when configured independently of the device).

도 16은 본 발명의 제7실시형태에 따른 신경소자를 나타낸 도면으로, 서로 기판의 반대 면에 위치하는 전극 및 패드의 관통 비아홀 연결을 통한 연결의 다른 예를 나타낸 도면이다.FIG. 16 is a diagram illustrating a neural device according to a seventh embodiment of the present invention, and illustrates another example of connection through a through via hole connection of an electrode and a pad located on opposite surfaces of the substrate.

도 16을 참조하면, 나노 와이어(1111, 1112)가 생성되는 전극(1121, 1122)은 각각 관통 비아홀 연결(1130)을 통해 전극 패드(1141, 1142)와 연결된다. 즉, 전극(1121)은 전극 패드(1141)와 연결되고, 전극(1122)은 전극 패드(1142)와 연결된다.Referring to FIG. 16, the electrodes 1121 and 1122 on which the nanowires 1111 and 1112 are generated are connected to the electrode pads 1141 and 1142 through the through via hole connections 1130, respectively. That is, the electrode 1121 is connected to the electrode pad 1141, and the electrode 1122 is connected to the electrode pad 1142.

전극 패드(1141)의 상부에는 터치 볼(1151)이 형성되고, 전극 패드(1142)의 상부에는 터치 볼(1152)이 형성된다.The touch ball 1151 is formed on the electrode pad 1141, and the touch ball 1152 is formed on the electrode pad 1142.

도 16에 도시된 예에서는 전극(1121, 1122) 및 전극 패드(1141, 1142)의 연결이 관통 비아홀 연결(1130)의 일부분에 의해 이루어지고, 관통 비아홀 연결(1130)의 남은 부분은 홀 그대로 남겨두게 된다. 즉, 관통 비아홀 연결(1130)은 모두 메탈로 채워질 필요는 없으며, 일부 공간만 메탈을 통해 기판의 양면의 전극이 연결되도록 하고, 남은 부분은 공간으로 남겨질 수 있다. 이때, 남겨진 홀 부분의 외면은 코팅될 수 있다. 또한, 남겨진 홀 부분을 통해 신경섬유나 신경조직 등이 성장할 수도 있다.In the example shown in FIG. 16, the connection between the electrodes 1121 and 1122 and the electrode pads 1141 and 1142 is made by a portion of the through via hole connection 1130, and the remaining portion of the through via hole connection 1130 is left as it is. Will be placed. That is, the through via hole connection 1130 does not need to be filled with all metal, and only a part of the spaces allows electrodes on both sides of the substrate to be connected through the metal, and the remaining part may be left as a space. At this time, the outer surface of the remaining hole portion may be coated. In addition, nerve fibers or nerve tissues may grow through the holes.

나아가, 베이스에 설치되는 관통 홀은 기판에 설치되는 관통 비아홀과 연결될 수도 있다. 이 경우 신경섬유가 관통 홀 또는 관통 비아홀을 통해 복원될 수도 있고, 관통 비아홀 연결에 공간이 많으면 많을수록 신경섬유나 신경조직의 복원에 효과적으로 이용될 수 있다.Furthermore, the through hole provided in the base may be connected to the through via hole provided in the substrate. In this case, the nerve fiber may be restored through the through hole or the through via hole, and the more space is provided in the through via hole connection, the more effectively the nerve fiber or the nerve tissue may be used for restoration.

본 발명의 신경 소자는 다수의 처리 모듈이 서로 전기적으로 연결됨으로써, 신경이 끊긴 부위가 있더라도 전기 신호 또는 전기 자극을 상호 송수신할 수 있는 것을 특징으로 한다.The neural device of the present invention is characterized in that a plurality of processing modules are electrically connected to each other, so that an electric signal or an electrical stimulus can be transmitted and received to each other even if there is an area where the nerve is broken.

본 발명의 신경 소자는 팁의 크기가 나노 수준이고, 패치 형태로 신경기관 표면을 간단히 덮는 형식으로 사용할 수 있으므로, 신경 세포의 손상 없이 자극 및 검출이 가능하며, 기존처럼 신경다발을 절단하여야 하는 부담이 없다.The neural device of the present invention is nano-sized in tip size, and can be used in a form of simply covering the surface of the neural organs in a patch form, so that stimulation and detection can be performed without damaging nerve cells, and the burden of cutting nerve bundles as before There is no

특히, 본 발명의 신경 소자는 커프와 같은 구조가 아니기 때문에, 기존의 방식으로는 측정 및 검출이 어려운 신체 기관, 예를 들어 넓은 면적에 신경 세포가 분포되어 있는 뇌와 같은 기관에 아무런 손상 없이 사용할 수 있다.In particular, since the neural device of the present invention is not a cuff-like structure, it can be used without any damage to body organs, such as the brain where nerve cells are distributed in a large area, which are difficult to measure and detect by conventional methods. Can be.

또한, 본 발명의 신경 소자는 나노 와이어의 형성 방향과 처리모듈의 방향을 달리 설정하여 나노 와이어가 신경에 삽입되는데 방해 받지 않도록 할 수 있다.In addition, the neural device of the present invention may be set so that the direction of formation of the nanowires and the direction of the processing module are different so that the nanowires are not disturbed to be inserted into the nerves.

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.
It is apparent to those skilled in the art that the present invention can be embodied in other specific forms without departing from the spirit and essential features of the present invention. Accordingly, the above detailed description should not be construed as limiting in all aspects, but should be considered as illustrative. The scope of the present invention should be determined by reasonable interpretation of the appended claims, and all changes within the equivalent scope of the present invention are included in the scope of the present invention.

10, 710: 기판
20: 나노 와이어 모듈
21, 721, 722, 811, 812, 910, 1111, 1112: 나노 와이어
30: 천공
40, 770, 870, 970: 처리 모듈
50: 신경
51: 신경의 끊긴 부위
731, 732, 821, 822, 920, 1121, 1122: 전극
741, 742, 851, 852, 1130: 관통 비아홀 연결
751, 752, 830, 930, 1141, 1142: 전극 패드
761, 762, 840, 940, 1151, 1152: 터치 볼
881, 882: CMOS
10, 710: substrate
20: nano wire module
21, 721, 722, 811, 812, 910, 1111, 1112: nanowires
30: perforated
40, 770, 870, 970: Processing Module
50: nerves
51: broken nerve
731, 732, 821, 822, 920, 1121, 1122: electrode
741, 742, 851, 852, 1130: Through via hole connection
751, 752, 830, 930, 1141, 1142: electrode pad
761, 762, 840, 940, 1151, 1152: touch ball
881, 882: CMOS

Claims (16)

기판에 일 종단이 고정되어 수직방향으로 연장되고, 신경에 삽입되어 신경섬유로부터 전기 신호를 획득하거나, 신경섬유에 전기 신호를 인가하는 적어도 하나 이상의 나노 와이어를 포함하는 복수의 나노 와이어 모듈; 및
상기 복수의 나노 와이어 모듈과 전기적으로 연결되고, 상기 복수의 나노 와이어 모듈 중 선택된 임의의 나노 와이어 모듈 간 전기 신호 또는 전기 자극을 상호 송수신할 수 있는 처리 모듈을 포함하는 신경 소자.
A plurality of nanowire modules including at least one nanowire fixed to one end of the substrate and extending in a vertical direction and inserted into a nerve to obtain an electrical signal from the nerve fiber or to apply an electrical signal to the nerve fiber; And
And a processing module electrically connected to the plurality of nanowire modules, the processing module capable of mutually transmitting and receiving electrical signals or electrical stimuli between any of the selected nanowire modules.
제1항에 있어서,
처리 모듈은 복수의 나노 와이어 모듈 중 선택된 임의의 나노 와이어 모듈로부터 획득한 전기 신호를 처리하여 임의의 다른 나노 와이어 모듈에 전기 자극으로 인가할 수 있는 것을 특징으로 하는 신경 소자.
The method of claim 1,
The processing module may process an electrical signal obtained from any of the nanowire modules selected from the plurality of nanowire modules and apply the electrical signal to any other nanowire module as an electrical stimulus.
제1항에 있어서,
기판은 패치 형태의 연성 기판인 것을 특징으로 하는 신경 소자.
The method of claim 1,
The substrate is a neural device, characterized in that the flexible substrate in the form of a patch.
제1항에 있어서,
나노 와이어 모듈은 격자 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 신경 소자.
The method of claim 1,
Neural device, characterized in that the nano-wire module is disposed in the form of a lattice.
제1항에 있어서,
기판에는 천공이 형성되는 것을 특징으로 하는 신경 소자.
The method of claim 1,
Perforations are formed in the substrate, characterized in that the nerve element.
제5항에 있어서,
천공은 격자 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 신경 소자.
The method of claim 5,
Perforations are nerve elements, characterized in that arranged in the form of a grid.
제1항에 있어서,
나노 와이어는 실리콘, 금, 은, 이리듐, 산화 이리듐, 백금, 주석, 니켈, 크롬, 레늄, 동 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 신경 소자.
The method of claim 1,
Nanowire is a nerve device, characterized in that made of one or two or more alloys selected from silicon, gold, silver, iridium, iridium oxide, platinum, tin, nickel, chromium, rhenium, copper.
기판에 일 종단이 고정되어 수직방향으로 연장되고, 신경에 삽입되어 신경섬유로부터 전기 신호를 획득하거나, 신경섬유에 전기 신호를 인가하는 적어도 하나 이상의 나노 와이어를 포함하는 복수의 나노 와이어 모듈; 및
상기 복수의 나노 와이어 모듈과 전기적으로 연결되고, 상기 복수의 나노 와이어 모듈 중 선택된 임의의 나노 와이어 모듈 간 전기 신호 또는 전기 자극을 상호 송수신할 수 있는 처리 모듈을 포함하고,
상기 나노 와이어 모듈은 기판의 제1면에 위치한 베이스에 형성되고, 상기 처리 모듈은 상기 기판의 제1면과 상이한 제2면에 형성되는 것을 특징으로 하는 신경 소자.
A plurality of nanowire modules including at least one nanowire fixed to one end of the substrate and extending in a vertical direction and inserted into a nerve to obtain an electrical signal from the nerve fiber or to apply an electrical signal to the nerve fiber; And
A processing module electrically connected to the plurality of nanowire modules, the processing module capable of mutually transmitting and receiving an electrical signal or an electrical stimulus between any of the nanowire modules selected from the plurality of nanowire modules;
And the nanowire module is formed on a base located on a first side of the substrate, and the processing module is formed on a second side different from the first side of the substrate.
제8항에 있어서,
상기 제2면의 법선 벡터와 상기 제1면의 법선벡터가 이루는 각이 170도 내지 180도이고, 나노 와이어 모듈과 처리 모듈은 관통 비아홀 연결(through via hole connection)을 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 신경 소자.
The method of claim 8,
The angle between the normal vector of the second surface and the normal vector of the first surface is 170 degrees to 180 degrees, and the nanowire module and the processing module are connected through a through via hole connection. Nerve element.
제9항에 있어서,
상기 관통 비아홀은 상기 기판의 CMOS 영역과 다른 영역에 위치하는 것을 특징으로 하는 신경 소자.
10. The method of claim 9,
And the through via hole is located in a region different from the CMOS region of the substrate.
제8항에 있어서,
처리 모듈은 복수의 나노 와이어 모듈 중 선택된 임의의 나노 와이어 모듈로부터 획득한 전기 신호를 처리하여 임의의 다른 나노 와이어 모듈에 전기 자극으로 인가할 수 있는 것을 특징으로 하는 신경 소자.
The method of claim 8,
The processing module may process an electrical signal obtained from any of the nanowire modules selected from the plurality of nanowire modules and apply the electrical signal to any other nanowire module as an electrical stimulus.
제8항에 있어서,
기판은 패치 형태의 연성 기판인 것을 특징으로 하는 신경 소자.
The method of claim 8,
The substrate is a neural device, characterized in that the flexible substrate in the form of a patch.
제8항에 있어서,
나노 와이어 모듈은 격자 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 신경 소자.
The method of claim 8,
Neural device, characterized in that the nano-wire module is disposed in the form of a lattice.
제8항에 있어서,
기판에는 천공이 형성되는 것을 특징으로 하는 신경 소자.
The method of claim 8,
Perforations are formed in the substrate, characterized in that the nerve element.
제14항에 있어서,
천공은 격자 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 신경 소자.
The method of claim 14,
Perforations are nerve elements, characterized in that arranged in the form of a grid.
제8항에 있어서,
나노 와이어는 실리콘, 금, 은, 이리듐, 산화 이리듐, 백금, 주석, 니켈, 크롬, 레늄, 동 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 신경 소자.
The method of claim 8,
Nanowire is a nerve device, characterized in that made of one or two or more alloys selected from silicon, gold, silver, iridium, iridium oxide, platinum, tin, nickel, chromium, rhenium, copper.
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