KR101217686B1

KR101217686B1 - 에스 디 메모리 카드 소켓을 이용한 다채널 뉴런 칩 측정 시스템

Info

Publication number: KR101217686B1
Application number: KR1020110117467A
Authority: KR
Inventors: 남윤기; 명준오
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2011-11-11
Filing date: 2011-11-11
Publication date: 2013-01-02

Abstract

본 발명은 8채널 미세전극 칩을 포함하는 센서칩과 계측기 접속시 SD 메모리 카드 소켓을 사용함으로써, 편리성과 안전성을 추구하고 한번에 여러 종류의 약물 실험을 병렬적으로 수행할 수 있는 SD 메모리 카드 소켓을 이용한 다채널 뉴런 칩 측정 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 SD(Secure Digital) 메모리 카드 소켓을 이용한 다채널 뉴런 칩 측정 시스템은, 배양된 세포로부터 신경 신호를 취득하는 적어도 하나 이상의 뉴런 칩으로 구성되는 뉴런 칩부; 상기 뉴런 칩부에서 취득한 신경 신호를 검출하는 뉴런 신호 검출부로서, 각각의 상기 뉴런 칩이 접속되는 SD 메모리 카드 소켓 타입의 적어도 하나 이상의 검출부 통신 모듈을 포함하는 뉴런 신호 검출부; 및 상기 뉴런 신호 검출부에서 검출된 신경 신호를 분석하는 뉴런 신호 분석부;를 포함하고, 적어도 하나 이상의 상기 뉴런 칩은 병렬적으로 상기 뉴런 신호 검출부에 접속 가능한 것을 특징으로 한다.

Description

에스 디 메모리 카드 소켓을 이용한 다채널 뉴런 칩 측정 시스템{MEASURING SYSTEM FOR MULTI CHANNEL NEURAL CHIP BY USING SD MEMORY CARD SOCKET}

본 발명은 다채널 뉴런 칩 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 8채널 미세전극 칩을 포함하는 센서칩과 계측기 접속시 SD(Secure Digital) 메모리 카드 소켓을 사용함으로써, 편리성과 안전성을 추구하고 한번에 여러 종류의 약물 실험을 병렬적으로 수행할 수 있는 SD 메모리 카드 소켓을 이용한 다채널 뉴런 칩 측정 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 모든 생각과 행동의 근원이 되는 뇌 안에서 일어나는 현상은 신경 세포(neuron)의 시냅스(synapse)활동에 의해 발생한다. 신경 세포는 다른 세포들과 다르게 서로 간의 시냅스를 통하여 신경 회로망(neural network)을 형성하고, 활동전위(action potential)를 발생시킨다.

활동전위의 흐름으로부터 신경계(nervous system)에 대한 정보를 얻기 위한 연구가 활발히 수행되고 있으며, 이러한 연구를 수행할 수 있는 방법들 중 하나는 미세전극 칩(MicroElectrode Array, MEA)을 이용하여 신경 회로망을 실제와 가깝게 모델링(modeling)함으로써 신경 신호를 측정하는 것이다.

미세전극 칩(MEA, microelectrode array)은 뇌신경정보처리과정을 연구하고, 뇌의 활성을 전기적으로 조절하는데 중요한 도구이다. 수십개의 마이크로 전극으로 이루어진 MEA는 생물학적 소자인 신경세포와 외부 전자시스템을 연결시켜 주어 뇌의 신경세포 네트워크의 전기생리학적 신호를 측정 및 제어할 수 있게 한다.

미세전극 칩은 마이크로미터 크기의 미세전극들이 다양한 형태와 크기로 배열을 이룬 칩으로써 2차원의 평면 구조와 세포 배양이 가능한 표면을 가진다. 박리된(dissociated) 신경 세포를 전극 위에 흡착(adhesion)시킨 후 배양을 시작하면 시간의 흐름에 따라 신경 회로망이 형성되고, 활동전위를 측정할 수 있다.

상기와 같이 미세전극 칩 표면에 신경 회로망을 형성하는 것이 뉴런온 칩(Neuron-on-a-Chip)기술이고, 세포를 배양하는 기술과 칩을 제작하고 신호를 측정하는 기술이 조합되어야 이룰 수 있다. 뉴런온 칩(Neuron-on-a-Chip)기술은 기존의 신경 신호 측정도구인 패치 클램프(patch clamp)와 달리 비침습적(non-invasive)의 특성을 가지고 있기 때문에 외부로부터의 배양 조건이 잘 갖추어지면 장시간 세포배양을 할 수 있고, 많은 전극에서 동시에 활동전위를 측정하기 때문에 얻을 수 있는 정보가 많다는 장점을 가지고 있다.

외부 조건이 없는 실험에서 자발적으로 발생하는 신경 신호를 측정하는 것 이외에 외부에서 전기 자극을 주었을 때 발생하는 신경 신호를 측정할 수 있고, 신경계에 영향을 미치는 약물을 투여함으로써 나타나는 신경 신호의 패턴 변화도 관찰할 수 있다. 특히, 신약 발굴 과정에서 뇌신경계에 대한 독성검사나 고속 약물 스크리닝에 활용할 수 있다.

약물 검사를 위해 병렬적으로 연결할 수 있는 시스템으로, 독일의 Multi-channelsystems 사와 일본의 MED64-Panasonic 사에서 제작한 시스템으로 각각의 미세전극 칩 자체를 다수 연결한 시스템을 개발하였다. 그러나 독일의 'Multi-channelsystems' 사의 경우, 60채널의 MEA와 증폭기를 각각 2개씩 이용하여 컴퓨터에 연결하는 것으로, MEA 1개마다 각각 증폭기를 연결해야 하기 때문에, MEA를 다수개 사용하면 그만큼 증폭기의 수도 증가되는 단점이 있다. 일본의 MED64-Panasonic 사에서 제작한 시스템은 16채널 MEA를 4개 연결하여 전체 64개의 채널에서 신경 신호를 측정할 수 있는 시스템으로 한 개의 증폭기에 각각 긴 케이블을 통해 연결하는 구성을 채용하고 있어, 그 만큼 신호의 전달 과정에서 잡음이 포함될 가능성이 크다는 문제점이 있다.

또한, MEA와 관련하여, 스위스의 Ayanda 사와 독일의 Multi-channelsystems 상에서 제작한 MEA의 경우, 각각 4개와 6개의 웰(well)로 나누어 전극을 소수로 분산시킨 구성을 채용하여, 「Egert, U., Schlosshauer, B., Fennrich, S., Nisch, W., Fejtl, M., Knott, T., Muller, T., and Hammerle, H. (1998). “A novel organotypic long-term culture of the rat hip-pocampus on substrate-integrated multielectrode arrays.” Brain Research Protocols 2, pp. 229-242.」에 나타낸 바와 같이, 신경 신호 측정 시스템과의 인터페이스를 위해 스프링 핀을 이용하여 패드에 접촉시키도록 하고 있다. 이러한 MEA는 각 웰(well)에 있는 신경 세포들에 대해 서로 다른 종류의 약물 실험을 수행할 수 있는 장점이 있으나, 스프링 핀 자체의 비용이 비싸고, 고장이 났을 때 일일이 교체를 해야 하는 단점이 있다.

상술한 종래 기술에서는 측정 시스템을 구현하기 위하여 2개의 판이 필요하고, 특히 측정 시스템을 소형화하는데 한계가 있다.

따라서, 본 발명의 기술적 과제는 상기한 바와 같은 종래 기술에 나타낸 문제점을 해결하기 위한 것으로, 소수 채널을 가진 미세전극 칩을 제작함으로써, 측정 시스템을 소형화시키고, 신경 신호 측정시 잡음을 감소시킨 SD 메모리 카드 소켓을 이용한 다채널 뉴런 칩 측정 시스템의 제공을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 기술적 과제는 다수개의 미세전극 칩을 하나의 신경 신호 측정 시스템에 병렬적으로 연결함으로써 한 번에 많은 종류의 실험을 수행할 수 있는 SD 메모리 카드 소켓을 이용한 다채널 뉴런 칩 측정 시스템의 제공을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 기술적 과제는 뉴런 칩과 뉴런 칩 리더의 접속을 푸시-풀(Push-Pull) 방식의 SD 메모리 카드 소켓을 사용함으로써, 접속시 편리성과 안정성을 추구할 수 있는 SD 메모리 카드 소켓을 이용한 다채널 뉴런 칩 측정 시스템의 제공을 목적으로 한다.

그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 SD(Secure Digital) 메모리 카드 소켓을 이용한 다채널 뉴런 칩 측정 시스템은, 배양된 세포로부터 신경 신호를 취득하는 적어도 하나 이상의 뉴런 칩으로 구성되는 뉴런 칩부; 상기 뉴런 칩부에서 취득한 신경 신호를 검출하는 뉴런 신호 검출부로서, 각각의 상기 뉴런 칩이 접속되는 SD 메모리 카드 소켓 타입의 적어도 하나 이상의 검출부 통신 모듈을 포함하는 뉴런 신호 검출부; 및 상기 뉴런 신호 검출부에서 검출된 신경 신호를 분석하는 뉴런 신호 분석부;를 포함하고, 적어도 하나 이상의 상기 뉴런 칩은 병렬적으로 상기 뉴런 신호 검출부에 접속 가능한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 SD 메모리 카드 소켓을 이용한 다채널 뉴런 칩 측정 시스템은, 상기 뉴런 칩이 세포배양을 위한 배양액이 채워지는 세포배양 챔버; 상기 세포배양 챔버를 통해 배양된 세포로부터 신경 신호를 수신하는 미세전극 칩 모듈; 상기 미세전극 칩 모듈이 장착되어 상기 미세전극 칩 모듈로부터 수신한 신경신호를 뉴런 신호 검출부로 전송하는 PCB 칩 모듈;을 포함하고, 상기 뉴런 칩은 상기 세포배양 챔버, 미세전극 칩 모듈 및 PCB 칩 모듈이 패키징(packaging)을 통해 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 SD 메모리 카드 소켓을 이용한 다채널 뉴런 칩 측정 시스템은, 상기 미세전극 칩 모듈이 글라스 웨이퍼(glass wafer)에 8채널 전극이 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 SD 메모리 카드 소켓을 이용한 다채널 뉴런 칩 측정 시스템은, 상기 미세전극 칩 모듈에 형성된 8채널 전극이 금(Au)으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 SD 메모리 카드 소켓을 이용한 다채널 뉴런 칩 측정 시스템은, 사기 PCB 칩 모듈이 상기 미세전극 칩 모듈에 형성된 상기 8채널 전극과 서로 대응하도록 형성된 전극 패턴; 및 각각의 상기 전극 패턴에 연결되어 상기 미세전극 칩 모듈에서 취득한 신경 신호를 상기 뉴런 신호 검출부에 전송하는 뉴런 칩 통신 모듈;을 더 포함하고, 상기 뉴런 칩 통신 모듈은 푸시-풀(push-pull) 방식으로 상기 뉴런 신호 검출부에 접속되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 SD 메모리 카드 소켓을 이용한 다채널 뉴런 칩 측정 시스템은, 상기 미세전극 칩 모듈의 8채널 전극과 상기 PCB 칩 모듈의 전극 패턴이 와이어 본딩(wire bonding)으로 연결되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 SD 메모리 카드 소켓을 이용한 다채널 뉴런 칩 측정 시스템은, 상기 세포배양 챔버가 상기 PCB 칩 모듈에 부착되는 원통형의 제 1 챔버와, 상기 제 1 챔버의 내부 직경보다 작은 외부 직경을 가지고, 제 1 챔버 내의 위치에서 상기 미세전극 칩 모듈에 부착되는 원통형의 제 2 챔버를 더 포함하며, 상기 제 1 챔버는 유리재질로 구성되고, 상기 제 2 챔버는 경화된 PDMS(polydimethyoxysiloxane)로 형성되며, 상기 제 1 챔버와 상기 제 2 챔버의 사이는 PDMS를 주입한 후 경화시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 SD 메모리 카드 소켓을 이용한 다채널 뉴런 칩 측정 시스템은, 상기 뉴런 신호 검출부가, 상기 검출부 통신 모듈로 부터 수신된 신경 신호를 증폭한 후 DC 성분을 제거하는 8채널 증폭기-필터부; 및 상기 뉴런 신호 분석부로 송신하는 뉴런 신호 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 SD 메모리 카드 소켓을 이용한 다채널 뉴런 칩 측정 시스템은, 상기 뉴런 신호 검출부가, 상기 뉴런 칩부와 상기 뉴런 신호 검출부에 전원을 공급하는 전원공급부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 SD 메모리 카드 소켓을 이용한 다채널 뉴런 칩 측정 시스템은, 상기 뉴런 신호 검출부가 전원 잡음을 차단하기 위한 쉴드 케이스(shield case) 내에 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 SD 메모리 카드 소켓을 이용한 다채널 뉴런 칩 측정 시스템은, 상기 8채널 증폭기-필터부가 수신한 상기 신경 신호에 대해 증폭과 동시에 DC 성분을 제거하는 광대역 고역 통과 필터; DC 성분이 제거된 신경 신호의 저주파 성분을 제거하기 위하여 콘텐서와 저항의 병렬로 구성된 수동 고역 통과 필터; 저주파 성분이 제거된 신경 신호를 다시 증폭하기 위한 비 반전 증폭기; 및 고주파 성분을 제거하는 수동 저역 통과 필터;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 SD 메모리 카드 소켓을 이용한 다채널 뉴런 칩 측정 시스템은, 상기 뉴런 신호 출력부가 68핀 커넥터 형태인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 소수 채널을 가진 미세전극 칩을 제작함으로써, 측정 시스템을 소형화시키고, 신경 신호 측정시 잡음을 감소시킬 수 있고, 다수개의 미세전극 칩을 하나의 신경 신호 측정 시스템에 병렬적으로 연결함으로써 한 번에 많은 종류의 실험을 수행할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 뉴런 칩과 뉴런 칩 리더의 접속을 푸시-풀(Push-Pull) 방식의 SD 메모리 카드 소켓을 사용함으로써, 접속시 편리성과 안정성을 추구할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 SD 메모리 카드 소켓을 이용한 다채널 뉴런 칩 측정 시스템을 나타내는 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 따른 SD 메모리 카드 소켓을 이용한 다채널 뉴런 칩을 나타내는 블럭도이다.
도 3은 본 발명에 따른 뉴런 신호 검출부를 나타내는 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 8채널 미세전극 칩을 나타내는 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 8채널 미세전극 칩의 채널 전극의 배열 형태를 나타내는 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 8채널 미세전극 칩의 공정과정을 나타내는 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 PCB 칩 모듈을 나타내는 예시도이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세전극 칩과 PCB 칩 모듈의 패키징을 나타내는 측면도이고, 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세전극 칩과 PCB 칩 모듈의 패키징을 나타내는 예시도이다.
도 9a는 본 발명의 일 실시예에 따른 세포배양을 위한 챔버를 미세전극 칩과 PCB 칩 모듈에 결합하는 예를 나타내는 도면이고, 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 완성된 뉴런 칩을 나타내는 예시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포배양을 위한 챔버에 세포 배양액을 다르게 넣은 후 위상 차 현미경을 통해 관찰한 전극의 모습을 나타낸 도면이다.
도 11은 전극의 크기와 주파수 크기에 따른 임피던스의 크기를 나타내는 도면이다.
도 12는 전극의 크기와 주파수 크기에 대한 위상 값을 나타내는 도면이다.
도 13은 미세전극의 전기 도금 전과 후를 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 SD 메모리 카드 소켓을 이용한 다채널 뉴런 칩 측정 시스템의 구조를 나타내는 예시도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 뉴런 신호 검출부의 한 채널에 대해 구현된 회로의 예를 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따라 구현된 뉴런 신호 검출부를 나타내는 예시도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세전극 칩의 대역폭의 크기를 나타내는 예시도이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세전극 칩의 대역폭의 위상 차를 나타내는 예시도이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 뉴런 신호 검출부의 조건 별 입력 잡음의 크기를 나타내는 예시도이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따라 해당 전극의 임피던스 값에 대한 잡음의 크기를 전극의 크기 별로 측정한 값을 그래프로 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 SD 메모리 카드 소켓을 이용한 다채널 뉴런 칩 측정 시스템을 나타내는 블럭도이고, 도 2는 본 발명에 따른 SD 메모리 카드 소켓을 이용한 다채널 뉴런 칩을 나타내는 블럭도이며, 도 3은 본 발명에 따른 뉴런 신호 검출부를 나타내는 블럭도이다.

도면을 참조하면, SD 메모리 카드 소켓을 이용한 다채널 뉴런 칩 측정 시스템(1)은 배양된 세포로부터 신경 신호를 취득하는 다수의 뉴런 칩(11)을 포함하는 뉴런 칩부(10), 뉴런 칩부(10)에서 취득한 신경 신호를 검출하는 뉴런 신호 검출부(20) 및 뉴런 신호 검출부에서 검출된 신경 신호를 분석하는 뉴런 신호 분석부(30)를 포함하고, 다수의 뉴런 칩(11)이 병렬적으로 뉴런 신호 검출부(20)에 접속될 수 있다. 이때, 뉴런 신호 분석부(30)는 뉴런 신호 검출부(20)에서 처리된 신경 신호를 분석할 수 있는 컴퓨터 등의 정보 처리 장치일 수 있다.

뉴런 칩(11)은 세포배양을 위한 배양액이 채워지는 세포배양 챔버(110)와, 세포배양 챔버(110)를 통해 배양된 세포로부터 신경 신호를 수신하는 미세전극 칩 모듈(120)과, 미세전극 칩 모듈(120)이 장착되어 미세전극 칩 모듈로부터 수신한 신경 신호를 뉴런 신호 검출부(20)로 전송하는 PCB 칩 모듈(130)로 구성될 수 있다. 이때, 미세전극 칩 모듈은 글라스 웨이퍼(glass wafer)에 금(Au)으로 형성되는 8채널 전극(121)을 포함할 수 있다. 또한, 뉴런 칩(11)은 세포배양 챔버(110), 미세전극 칩 모듈(120) 및 PCB 칩 모듈(130)이 패키징(packaging)을 통해 구성된다.

세포배양 챔버(110)는, PCB 칩 모듈(130)에 부착되는 원통형으로 유리재질의 제 1 챔버(111)와, 이 제 1 챔버(111)의 내부 직경보다 작은 외부 직경을 가지고, 제 1 챔버(111) 내의 위치에서 미세전극 칩 모듈(120)에 부착되고 원통형의 경화된 PDMS(polydimethyoxysiloxane)로 형성된 제 2 챔버(112)를 포함한다. 또한, 제 1 챔버(111)와 제 2 챔버(112)의 사이는 PDMS를 주입한 후 경화시킨다.

PCB 칩 모듈(130)은, 미세전극 칩 모듈(120)에 형성된 8채널 전극(121)과 서로 대응하도록 형성된 전극 패턴(131)과, 각각의 전극 패턴(131)에 연결되어 미세전극 칩 모듈(120)에서 취득한 신경 신호를 뉴런 신호 검출부(20)에 전송하는 뉴런 칩 통신 모듈(132)을 포함할 수 있다. 여기에서, 뉴런 칩 통신 모듈(132)은 푸시-풀(push-pull) 방식으로 뉴런 신호 검출부(20)에 접속된다. 또한, 미세전극 칩 모듈(120)의 8채널 전극(121)과 PCB 칩 모듈(130)의 전극 패턴(131)은 와이어 본딩(wire bonding)으로 연결된다.

뉴런 신호 검출부(20)는, 뉴런 칩부(10)에서 취득한 신경 신호를 수신하는 적어도 하나 이상의 검출부 통신 모듈(210, 210')과, 검출부 통신 모듈(210)로 부터 수신된 신경 신호를 증폭한 후 DC 성분을 제거하는 8채널 증폭기-필터부(220)와, 처리된 신경 신호를 뉴런 신호 분석부(30)로 송신하는 뉴런 신호 출력부(230)와, 뉴런 칩부(10)와 뉴런 신호 검출부(20)에 전원을 공급하는 전원공급부(240)를 포함할 수 있다. 특히, 8채널 증폭기-필터부(220)는 검출부 통신 모듈(210)의 수와 일치되고, 예를 들어, 도 3에 나타낸 바와 같이, 검출부 통신 모듈(210, 210')이 2개이면, 각각에 연결되는 8채널 증폭기-필터부(220, 220')도 2개로 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 뉴런 칩(11) 및 뉴런 신호 검출부(20)의 구성에 대한 상세한 설명은, 도 4 내지 도 20을 참조하고, 후술하는 실시예에서 자세히 설명될 것이다.

[실시예]

1. 뉴런 칩의 제작

8채널 미세전극 칩

8채널의 미세전극 칩을 제작할 때, 미세전극 칩과 증폭기-필터 사이의 인터페이스 시스템이 고려되어야 한다. 소수의 채널 기반에서 접근하는 본 발명에서는 9개의 핀을 가진 상용화된 SD(Secure Digital) 메모리 카드를 이용한 접촉 방식이 제안된다. 이것은 외부에서 연결하는 푸시-풀(push-pull)의 삽입형 방식이다. 삽입형 방식의 인터페이스 시스템을 이용한 8 채널의 미세전극 칩을 구현할 때 종래의 60채널을 이용하였을 경우보다 소수의 채널을 가진 칩을 다수 제작함으로써 동시에 하나의 증폭기-필터 회로에 연결하여 다양한 종류의 실험을 병렬적으로 수행할 수 있다. 또한, 미세전극 칩과 증폭기-필터 회로를 접촉 또는 분리 시 기존처럼 증폭기-필터 회로를 움직일 필요 없이 외부에서 칩만 넣고 빼는 방식이므로 이용이 간편하다.

이와 같은 접근방법을 고려하여 칩을 제작할 때 요구되는 사항들이 있다. 9개의 핀을 가진 SD 메모리 카드 소켓을 이용하므로 미세전극 칩의 총 채널 개수는 9개이고, 이것은 신호 측정용 전극 채널 8개와 기준 전극(reference electrode) 또는 접지(ground) 용도의 전극 1개로 구성된다. 60채널을 포함한 종래의 미세전극 칩보다 채널 수가 적기 때문에 전체적인 크기도 작아지고, 작은 크기의 미세전극 칩을 직접 증폭기-필터 회로에 연결하는 것이 불가능하기 때문에 미세전극 칩과 PCB 칩이 각각 제작되면 두 패드 사이를 와이어를 통해 결합할 수 있다(wire bonding). 또한, 세포배양을 위해서 미세전극 칩 주변에 챔버가 필요하고, 이것의 크기 및 형태는 세포배양 환경과 PCB 칩의 크기가 고려되어야 한다.

상술한 바와 같이, 8 채널 미세전극 칩, PCB 칩, 챔버의 패키징(packaging)을 통해 하나의 칩(뉴런 칩)이 제작되고, 이 뉴런 칩은 세포배양과 신호 측정이 가능해야 하고, 그것을 위해 임피던스(impedance) 및 잡음(noise) 크기 측정을 함으로써 성능 테스트를 수행할 수 있다.

뉴런 칩을 제작하기 위해서 가장 먼저 설계되어야 하는 파트는 8채널 미세전극 칩(MEA)이다. 미세전극 칩 제작을 위해서는 반도체 공정이 수행되어야 하는데 그 전에 마스크 디자인(mask de-sign) 과정이 필요하다. 이는 마스크 모양에 따라 공정되어 나오는 칩의 형태가 결정되기 때문이다. 전체적인 크기는 4인치 유리 웨이퍼(glass wafer)에 맞도록 5인치 크기로 설계되었고, 웨이퍼 한 장에 들어갈 미세전극 칩의 개수는 20개로 설정하였으며, 1개당 크기는 가로가 1.5cm, 세로가 2cm 이다. 이때, 20개의 미세전극 칩은 10가지의 종류가 2개씩 설계되어 있는 형태이다. 전극의 크기(직경)는 50㎛, 80㎛, 100㎛로 설정하였다. 전극의 크기가 크면 임피던스의 크기가 작아지기 때문에 신호 측정 시 발생하는 잡음의 크기가 작다는 이점이 있다. 그러나 전극의 크기를 계속 크게 하면 잡음의 크기와 측정되는 신호의 크기가 모두 작아져 원하는 신호를 측정하는 것이 어렵게 된다. 따라서 전극의 크기는 최대 100㎛로 설정하였으며 전극 사이의 간격은 50㎛, 80㎛, 100㎛에 대해 각각 200㎛, 500㎛, 1000㎛로 정하였다.

10가지로 구성된 8 채널 미세전극 칩에서 전극의 배열 타입은 6종류로 설계하였는데 이것은 배열과 신경 신호 측정과의 관련성을 확인하는 것이 목적이다. 8채널 이외에 1개의 기준 전극은 신호 측정 채널에 비해 다소 크게 제작하였고 넓이는 약 25㎟이다. 이때, 다른 파트 별 규격에 대해서도 도 4에 제시하였다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 부호(122)는 전극의 패드이고, 각각의 전극 패드는 가로/세로 각각 0.9㎚의 크기를 가지는 정사각형 모양이다. 부호(125, 126)는 측정된 신호가 전달되는 선(line)이고, 폭은 각각 0.4㎜, 0.05㎚이다. 부호(123, 127)은 기준 전극의 연결선이고, 폭은 각각 0.6㎜, 0.4㎜이다. 이때, 기준 전극 연결선은 신호 측정선 보다 굵게 설계되었고, 부호(124)는 기준 전극으로 넓이는 약 25㎟이다.

상술한 바와 같이, 10가지의 미세전극 칩에서 전극의 배열 형태는 크기를 고려하지 않고, 도 5에 나타낸 바와 같이, 6가지로써 (a)정사각형, (b)2개의 작은 정사각형, (c)원, (d)십자형, (e)직사각형, (f)선의 모양으로 구성하였다.

도 4의 마스크 디자인(Mask design) 과정이 끝나면 실제로 공정 작업을 수행할 수 있다. 미세전극 칩 제작을 위해 기본적으로 필요한 재료는 우선 4인치 유리 웨이퍼(glass wafer)가 있어야 하고, 전극의 재료로 전도성(conductor)이 좋은 금(Au)을 선택하였다. 전극 이외의 부분은 절연체(insulator)로써 Si₃N₄를 이용하였으며, 유리 웨이퍼와 금은 직접 붙이는 것이 다소 어렵기 때문에 둘 사이의 접착제 역할로써 티타늄(Titanium, Ti)을 사용하였다.

마스크 디자인 후 반도체 공정을 통해 미세전극 칩을 제작한다. 반도체 공정은 도 6에 나타낸 바와 같이, 우선 4인치 유리 웨이퍼를 SC1(Standard Cleaning 1)을 이용하여 세정한다(a). 세정된 웨이퍼 위에 금속 증착(metal deposition)을 하는데 Ti 20㎚, Au 200㎚ 순으로 수행되고(b), 광 식각공정(photolithography)을 수행하기 위해 positive 감광제(Photo Resist, PR)를 이용하였다(c). Positive PR은 자외선을 받은 부분만 현상(development)되는 물질로써 원하는 부위만 남고, 필요 없는 부분은 제거된다. 그 후, 건식 식각(dry etching)을 통해 감광제가 없는 금속 부분은 유도결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma, ICP)를 이용하여 제거하였고(d), Cl2, 아르곤(Ar) 가스가 etching 을 위해 사용되었다. 건식 식각 과정 후 아세톤(acetone)과 초음파(ultra soni-cation wave)를 이용하여 감광제를 제거하고, ashing을 통해 감광제의 잔여 부분을 제거한다(e). 여기까지 수행하면 미세전극 칩의 전극과 선 부분이 구현될 수 있다.

또, 미세전극을 제작하기 위해 전극 이외의 부분은 절연체로 구성되어야 한다. 이때, 이용한 물질이 Si₃N₄ (silicon nitride)이고, 이것은 플라즈마를 이용한 화학 기상증착(Plasma En-hanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)방식을 이용하여 350에서 500㎚의 두께로 증착하였다(f). 증착된 Au와 Ti의 두께보다 더 크기 때문에 모든 표면이 Si₃N₄로 덮여 있고, 전극 부분에 있는 Si₃N₄는 제거되어야 한다. 이것도 감광제를 이용하였고(g), 이후 처리 과정은 전극과 선을 구현할 때 이용한 방법과 같으나, 건식 식각 수행 시(h), CHF3, Ar, O₂가스를 사용하고, (i)에서 감광제가 제거된다.

마지막으로 표면 보호를 위해 감광제로 다시 코팅하고, dicing saw를 이용하여 미세전극 칩을 원하는 크기만큼 자르면 최종적으로 설계한 미세전극 칩이 완성된다.

패키징(packaging)을 위한 PCB 칩 설계

8 채널 미세전극 칩을 증폭기-필터 회로에 연결하기 위해 두 장치 사이에 인터페이스 시스템이 필요하고, 이것은 맞춤형-삽입형 PCB 칩(Customized-Insertion PCB chip)으로 구현되었다. 제작된 PCB 칩을 인터페이스 시스템에 연결하기 위해 표준규격으로 상용화되고 있는 SD 메모리 카드 소켓을 이용하였다.

도 7에 나타낸 바와 같이, PCB 칩(130)의 재질은 에폭시 수지(epoxy resin, FR-4)를 이용하였고, 이것은 구리/절연체/구리의 형태를 갖는 원자재이다. 표면처리는 HASL(Hot Air Soldering Leveling) 방식으로서, 납땜 전 동 표면의 보호와 납땜이 잘 되게 하기 위한 공정이다. Top & bottom의 2층 구조이고, 각 층간은 via로 연결되어 있다. 크기는 가로 6cm, 세로 2.4cm, 두께 1.6mm이고, 패드와 홀(hole)은 금으로 도금하였는데 이것은 최소 드릴(drill) 오차를 갖게 하기 위함이다.

PCB 칩(130)의 직사각형의 공간(131)은 8채널 미세전극 칩(120)과 연결될 부분이고, 오른쪽 끝 부분(132)은 SD 메모리 카드의 입력 부분과 비슷하여 SD 메모리카드 소켓에 꽂을 수 있도록 구성된다.

PCB 칩의 패키징

도 8a에 나타낸 바와 같이, 8채널 미세전극 칩(120)과 PCB 칩(130)을 연결하기 위해서 서로 간의 패드를 연결해야 한다. 따라서 금 재질의 와이어(140)를 이용하여 전극 패드(122)과 전극 패드(132)을 연결하기 위하여 결합한 후(wire bonding), 에폭시(epoxy)(141)를 사용하여 와이어(140)가 외부에 노출되지 않게 하였다(molding). 이때 이용한 에폭시(141)는 반도체 봉지용으로써, 외부 물질 또는 온도에 대한 내성이 강하다는 장점이 있어서 내부 물질을 보호할 때 주로 이용하는 물질이다. PCB 칩(130) 의 직사각형 공간(131)에 8채널 미세전극 칩(120)을 끼우고, 사이의 틈새(약 0.1mm)는 코팅용(coating) 에폭시(EPO-TEK 353ND 참조)(142)를 이용하여 채웠는데, 이것은 세포 배양 시 배양액이 밑으로 새지 않게 하기 위해서이다. 도 8b는 PCB 칩(130)과 8채널 미세전극 칩(120)의 패키징 후를 나타내는 예시도이다.

패키징 순서는 다음과 같다. 1. 코팅용 에폭시(142)를 PCB 칩(130)과 8 채널 미세전극 칩(120) 사이의 틈새에 넣어 여유 공간을 없앤다. 2. PCB 칩(130)과 8채널 미세전극 칩(120)의 패드를 와이어(140)로 연결한다. 3. 와이어(140)가 외부로 노출되지 않게 하기 위해 봉지용 에폭시(141)를 이용한다.

세포배양을 위한 챔버(chamber)의 제작

8채널 미세전극 칩(120)과 PCB 칩(130)의 패키징 후, 세포배양을 위한 공간이 있어야 한다. 챔버(110) 안에 세포 배양액(media)을 첨가할 수 있어야 하고, 챔버(110) 설계는 원통형 또는 링(ring) 의 형태로 제작하였다. 이때, 제작을 위해 고려해야 할 사항이 있는데, 신경 세포를 관찰하기 위해서 빛의 굴절률을 이용하는 도립 위상차 현미경(inverted phase microscope)에서 관찰이 가능해야 한다. 최소 1.5mL 이상의 세포 배양액이 첨가되어 있어야 하고, 챔버(110)의 높이가 너무 높아도 세포 관찰이 어렵다. 8 채널 미세전극 칩에 붙일 수 있는 제 2 챔버(112)의 크기가 작아 세포 배양액이 다량 포함될 수 없으므로 생각할 수 있는 방법은, PCB 칩(130)에도 또 하나의 제 1 챔버(111)를 제작하여 붙임으로써 이중으로 제작할 수 있다. 그 결과, 첨가될 수 있는 세포 배양액의 양이 증가하게 된다.

외부 제 1 챔버(111)는 외부 직경 24mm, 내부 직경 20mm, 두께 2mm, 높이 10mm의 규격을 갖는 Pyrex 재질의 유리 챔버를 이용하였다. 내부 제 1 챔버(112)는 신경세포와 세포배양액이 직접 맞닿기 때문에 생체적합성(biocompatible)을 갖는 PDMS(polydimethyoxysiloxane)을 사용하였다. PDMS 챔버는 직접 제조가 가능하고, 과정은 도 9a를 참조하면, 다음과 같다. 액체상태인 PDMS(Sylgard 184 silicon elastomer kit, Dow corning, MI)의 prepolymer와 경화제(curing agent) 를 10:1의 비율로 혼합 한 후, 충분히 저어주면 거품이 발생하는데, 진공 데시케이터를 이용하여 거품을 제거한다.

거품이 제거된 PDMS를 패트리 디쉬(petri dish)에 부어 대류식 오븐(convection oven) 안에 넣은 후 60에서 2시간 동안 굳힌다. 굳은 PDMS의 가운데를 구멍을 내고 외곽을 잘라서 제 2 챔버(112)를 완성시키 되, 내부 직경은 9mm, 외부 직경은 13mm, 두께 5mm로 하였다. 이때, 붙이는 물질은 경화되지 않은 PDMS를 이용하였고, 제 2 챔버(112)의 밑면에 살짝 묻혀 미세전극 칩(120)의 표면에 접착시킨 후, 다시 오븐 안에 넣어 굳혔다. 외곽에는 제 1 챔버(111)를 코팅용 에폭시를 이용하여 표면에 접착시켰고(EPO-TEK 353ND 참조), 제 2 챔버(112)와 제 1 챔버(111) 사이의 틈(gap)도 경화되지 않은 PDMS를 스포이트를 이용하여 채운 후, 오븐에 넣어 굳히면 최종적으로, 도 9b에 나타낸 패키징 된 뉴런 칩이 완성된다.

뉴런 칩(11) 제작 완료 후, 실제로 세포 배양액의 양의 차이가 현미경의 관찰에 미치는 영향을 확인하기 위해서 양을 다르게 넣어준 상태에서 현미경으로 관찰하였다. 각각 0.5mL, 2mL 을 첨가하였고, 위상 차 현미경을 통해 관찰한 결과를 도 10에 나타내었다. (a)는 0.5mL 의 양을 첨가한 경우로 전극 주변이 밝아 세포 관찰이 불가능한 경우이고, (b)는 2mL 의 양을 첨가한 경우로 전극 주변이 어두워 세포 관찰이 가능한 경우이다.

전극 임피던스 측정 및 도금

제작된 뉴런 칩(11) 위에 세포 배양을 하기 전에 세포 배양의 적합성 여부를 판단하기 위해 칩의 성능이 테스트 되어야 한다. 칩의 성능을 판단할 수 있는 요인 중 하나는 잡음의 크기인데 잡음의 크기는 임피던스 크기의 측정으로 추정할 수 있다. 이론적으로 특정 주파수에서 임피던스의 크기(Z)와 잡음(전압, V)의 크기는 일정한 전류(I)가 흐를 때, 옴의 법칙에 의해(Ohm's law, V = Z * I) 비례하고, 외부에서 테스트 신호를 주어 임피던스의 값을 측정할 수 있다. 패키지 전과 후 각각 전극의 크기와 주파수 크기에 대한 임피던스 크기와 위상 값은 도 11((a)는 패키지 전, (b)는 패키지 후) 및 도 12((a)는 패키지 전, (b)는 패키지 후)와 다음의 표 1 내지 표 4에 나타내었다.

[표 1]

<전극의 크기와 주파수 크기에 대한 임피던스 크기, 패키지 전>

[표 2]

<전극의 크기와 주파수 크기에 대한 임피던스 크기, 패키지 후>

μ는 평균이고, σ은 표준 편차를 나타낸다.

[표 3]

<전극의 크기와 주파수 크기에 대한 위상 값, 패키지 전>

[표 4]

<전극 크기와 주파수 크기에 대한 위상 값, 패키지 후>

μ는 평균이고, σ은 표준 편차를 나타낸다.

도 11 및 도 12와 표 1 내지 표 4에 나타낸 바와 같이, 전극의 크기 또는 주파수의 크기가 클수록 임피던스의 크기는 작아지는 것을 알 수 있고, 패키지 전과 후의 임피던스의 크기와 위상 차는 비슷한 양상을 보여주고 있다. 각 전극의 크기별로 3개의 미세전극 칩(전극의 개수: 24개)를 이용하였고, 결과를 분석하면 1kHz의 주파수 기준으로 80㎛, 100㎛는 임피던스의 크기가 낮아 바로 세포 배양에 적용 할 수 있으나, 50㎛의 경우는 1㏁ 이상의 큰 임피던스의 값을 가지므로 잡음의 크기가 다소 크게 측정될 것이다. 따라서, 도금을 통해 임피던스의 값을 낮추는 것이 요구된다.

도금은 백금흑(Pt black)으로 수행되었고, 과정은 8%의 농도를 갖는 염화백금산(chloroplatinic acid)을 증류수(distilled water)를 이용하여 1%의 농도로 낮춘 후, 납 아세테이트(lead(?) acetate, Pb(C₂H₃O₂)₂)와 100:1의 비율로 섞는다. 그것을 챔버(110) 안에 넣고, 해당 전극에 -2V의 전압을 10초 동안 가하면 전기 도금이 형성된다. 50㎛의 전극에 대해 전기 도금을 하였고, 도금 전과 후의 전극 사진이 도 13에 나타낸다. 도 13의 (a)는 전기 도금 수행 전을 나타내고, (b)는 전기 도금 수행 후를 나타낸다.

2. 뉴런 신호 검출부의 제작

뉴런 칩(11)에서 활동전위가 측정되면 인터페이스 시스템을 통해 다음 단계로 전달되는데 이때, 활동전위의 크기는 매우 작고, 잡음 성분까지 외부에서 포함될 수 있기 때문에 증폭과 필터를 통해 원하는 신호만 검출할 수 있어야 한다. 따라서 증폭과 필터 기능을 동시에 갖는 회로를 제작하여 인터페이스 시스템에 연결함으로써 신경 신호 측정 시스템을 구현할 수 있고, 최종적으로 신호 대 잡음 비(Signal-to-Noise Ratio, SNR) 의 크기를 증가시킬 수 있다.

도 14에 나타낸 바와 같이, 뉴런 칩(11) 2개(16채널)를 이용하여, SD 메모리 카드 소켓(210, 210')에 각각 병렬적으로 꽂으면 칩에서 발생한 신호가 뉴런 신호 검출부(20)의 증폭기-필터 회로(220, 220'))로 전달된다. 증폭된 신호는 커넥터(connector)(230)와 데이터 수집 보드(Data AcQuisition, DAQ board)(도시하지 않음)를 통해 신호 분석부(30)로서 컴퓨터로 전송되어 관찰할 수 있다. 이때, 차폐 케이스(shield case)(240)는 전원 잡음을 차단하기 위한 목적으로 사용하였다.

증폭기-필터 회로의 구성

뉴런 칩(11)을 2개 연결하여 총 16채널을 구현하였고, 각 채널마다 증폭기-필터 회로를 연결하였다. 증폭기에 연결하기 위한 두 입력으로는 싱글 엔드 모드(single-end mode), 차동 증폭 모드(differential mode) 가 있는데 필요한 소자의 수가 적고, 회로 구성이 간편한 싱글 엔드 모드를 택하였다. 직류 성분(Direct Current, DC)으로 인한 포화현상(saturation)을 방지하기 위해 고역 통과 필터(high pass filter) 전후로 각각 나누어 증폭할 수 있도록 회로를 구현하였다. 즉, pre-amplifier 와 main-amplifier로써 1채널당 2개의 증폭기가 요구되고, 이것을 만족하기 위한 증폭기로써 이원화된 전계 효과 트랜지스터 기반 입력 증폭기(dual FET input amplifier)를 이용하였다. 이원화된 전계 효과 트랜지스터 기반 입력 증폭기 안에는 두 개의 증폭기가 있으므로 1채널당 1개의 소자가 필요하고, 입력 바이어스 전류(input bias current)는 5pA로 매우 작다.

구현 순서는 도 15에 나타낸 바와 같이, 다음과 같다. 먼저 증폭(pre-amplifier)과 동시에 DC 성분을 제거하는 전압이득을 갖는 광대역 고역 통과필터(wideband high pass filter with gain)가 필요하다. 다음은 콘덴서와 저항의 병렬연결로 구성된 수동 고역 통과 필터(passive high pass filter)로써 저주파 성분(DC 성분 포함)을 제거한다. DC 성분을 제거한 신호를 다시 증폭하기 위한 main-amplifier는 비 반전 증폭기(non-inverting amplifier)로 구현되었고, 마지막으로 수동 저역 통과 필터(passive low pass filter)를 통해 고주파 성분을 제거한 신호가 출력된다.

증폭기의 (+) 전원 부분과 (-) 전원 부분은 각각 +5V, -5V 를 공급하였고, 전압 조정기(low dropout regulator)를 연결하였다. 또, 바이패스 커패시터(bypass capacitor)를 연결함으로써 리플(ripple)이 없는 안정적인 전원 공급이 가능하다. 미세전극 칩에서 각 기준 전극들은 전부 접지로 묶어서 통합하였고, SD 메모리 카드 소켓 이외에 테스트를 위한 커넥터를 따로 연결하여 외부에서도 신호를 입력할 수 있도록 구현하였다. 신호 출력 부분은 현재 컴퓨터(신호 분석부)에서 이용하고 있는 신호 수집 장치에 적합하도록 68 핀 커넥터(pitch: 1.27㎜mm)를 사용하였다.

도 15에서 Part 1은 광대역 고역 통과 필터(wideband high pass filter)로 전압이득은 32.3V/V, 차단주파수는 5.3Hz이고, Part 2는 수동 고역 통과 필터(passive high pass filter)로 차단 주파수는 176Hz 이다. 또한, Part 3은 비 반전 증폭기(non-inverting amplifier)로 전압이득은 32.3V/V 이고, 통합 전압 이득은 32.3 x 32.3 ≒ 1043V/V 이다. Part 4는 수동 저역 통과 필터(passive low pass filter)로 차단 주파수는 7.8kHz이고, 통합 대역폭은 176Hz ~ 7.8kHz이다. Part 5는 증폭기의 전원 부분에 연결한 전압 조정기와 바이패스 커패시터로써 리플현상을 제거하여 안정적인 전원 공급이 가능하다.

증폭기-필터 회로의 설계

증폭기-필터 회로의 설계는 회로의 부피를 줄이기 위해 표면실장소자(Surface Mount Device, SMD) 방식으로 설계하였다. 이 회로에서는 4층 layer로 설정하였는데, top & bottom 층은 접지연결, 2층은 VSS(voltage source, -전원), 3층은 VDD(voltage drain, +전원)으로 copper를 씌웠다. PCB 재질은 FR-4, 표면처리는 HASL 방식을 이용하였고, 각 층간은 via를 통해 서로 연결할 수 있도록 하였다. 회로부의 크기는 차폐 케이스(shield case)의 크기에 맞추어 가로 100㎜, 세로 130㎜ 두께 1.6㎜로 제작하였고, 케이스의 규격은 가로 110㎜, 세로 160㎜, 높이 55㎜로 시중에 유통되고 있는 제품을 이용하였다. 납땜할 부분은 최소 드릴 오차를 위해 금 도금을 선택하였고, 각 부품간 배선 연결 후 설계 오류 테스트를 수행하였다. 도 16은 증폭기-회로의 실제 제작된 모습(1. 뉴런 칩(11) 2개의 입력 부분(210) 2. 1 채널당 증폭기-필터 회로(221) 3. 전원 공급부분(230) 4. 출력을 전달하는 68핀 커넥터(240))을 나타낸다.

대역폭 측정 테스트

8채널 뉴런 칩의 임피던스 측정으로 성능 테스트를 수행한 후, 증폭기-필터 회로와 연결하여 실제 측정된 신호 값들에 대해 특성화함으로써 시스템의 사양을 정리할 수 있다. 실제 대역폭과, 입력 참조 잡음(input referred noise)의 크기 측정을 시스템 특성화를 위한 요소로 생각할 수 있고, 우선 대역폭 측정을 위해 외부에서 신호를 입력할 수 있는 테스트 탐색용 삽입형 PCB 칩(test probe insertion PCB chip)을 제작하였다.

이것은 상술한 PCB 칩(130)과 같은 과정으로 제작하였고(2층 layer, top & bottom 모두 copper접지로 연결), 함수 발생기로부터(function generator), 주파수가 다른 정현파(sinusoidal wave)를 입력했을 때, 대역폭의 크기와 위상 차를 오실로스코프를 이용하여 측정하고, 도 17 및 도 18에서와 같이, 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 이때, 입력 신호의 크기는 3.1mVpp이고, 전체 전압 이득은 약 1043V/V 이다.

도 17의 (a)에서 세로축의 단위는 데시벨(dB)이고, 신호 감쇄에 대한 기울기(Slope)는 19.85dB/dec이다. (b)는 오실로스코프를 통해 실제 측정된 값으로 신호 감쇄에 대한 기울기는 18.84dB/dec이다. 증폭기-필터 회로에서 구현한 차단 주파수(-3dB에 해당하는 주파수)를 포함한 대역폭을 가지고, 중심축을 기준으로 대칭임을 알 수 있다.

도 18의 (a)는 시뮬레이션 결과이고, (b)는 오실로스코프를 통해 입력신호와 출력신호간의 위상 차 측정을 나타낸 것으로, 주파수가 클수록 두 경우 모두 위상 차는 작아지는 경향을 보인다.

입력 잡음 측정 테스트

배양된 신경세포에서 신호를 측정할 때, 잡음의 크기는 신호 대 잡음 비에 영향을 미친다. 따라서 신경세포를 배양하기 전에 입력 잡음의 크기를 테스트 함으로써 시스템의 특성을 분석하는 것이 요구된다. 입력 잡음은 직접 측정하기에 매우 작은 크기를 가지므로 출력 값을 측정하여 전체 전압이득으로 나누어 입력 잡음의 크기를 구할 수 있는데 이것을 입력 참조 잡음이라 한다(input referred noise).

입력 참조 잡음을 측정하기 위해 크게 두 가지 실험을 수행하였고, 첫째는 측정 조건에 따른 잡음의 크기를 측정하는 것이다. 측정 조건은 표 5에 나타낸 바와 같이 3가지로 설정하였다.

[표 5]

조건 1은 입력 부분을 전부 접지로 연결한 경우, 조건 2는 입력 부분을 아무것도 연결하지 않은 경우(open), 조건 3은 입력 부분에 인산 완충 식염수(PBS, Phosphate Buffered Saline)를 첨가한 경우이다.

1, 2의 조건은 test probe insertion PCB 칩을 연결하였고, 3의 조건은 8채널 뉴런 칩의 챔버 안에 PBS를 첨가하였으며, 전원 잡음 성분을 차폐하기 위해 페러데이 상자(faraday cage) 안에서 측정하였다. 도 19에 나타낸 바와 같이, 세 조건 모두 80㎛의 전극을 이용하고, 표본 추출 비율(sampling rate)은 2kHz, 1초 동안 측정하였다. 도 19의 그래프는 각 조건 별 입력 참조 잡음의 크기를 측정한 것으로, 피크 투 피크(peak-to-peak), 실효 값(Root Mean Square, RMS) 및 직류 오프셋(DC offset)의 중간 값으로, 그래프에는 전체 표본 값을 표시하였다.

둘째는 조건 3 에서 전극의 크기를 다르게 했을 때, 해당 전극의 임피던스 값에 대한 잡음의 크기를 측정하는 것이다. 증폭기-필터 회로의 출력 부분 커넥터를 Small Computer Sys-tem Interface 케이블(SCSI cable)을 이용하여 컴퓨터로 연결한 후, MC_rack프로그램에서 측정하였다. 이때, 표본 추출 비율은 25kHz이고, 1초 동안 측정하고, 측정된 값은 아래의 표 6과 같다.

[표 6]

표 6은 해당 전극의 임피던스 값에 대한 잡음의 크기를 전극의 크기 별로 측정한 값으로, 도 20과 같이, 그래프로 표시할 수 있다. 도 20을 참조하면, 임피던스의 값이 클수록 잡음의 크기도 증가하는 경향이 있다는 것을 확인할 수 있다.

도 20의 (a)는 피크 투 피크 값의 분포를 나타내고, (b)는 RMS 값의 분포를 나타내는 것으로, 표 6은 그래프에 표시된 점들에 대한 중간 값을 나타내었다.

상기 본 발명의 내용은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

1 : 뉴런 칩 측정 시스템 10 : 뉴런 칩부
11 : 뉴런 칩 20 : 뉴런 신호 검출부
30 : 신호 분석부 110 : 세포배양 챔버
120 : 미세전극 칩 모듈 130 : PCB 칩 모듈
201 : 검출부 통신 모듈 220 : 8채널 증폭기-필터부
230 : 전원 공급부 240 : 뉴런 신호 출력부

Claims

SD(Secure Digital) 메모리 카드 소켓을 이용한 다채널 뉴런 칩 측정 시스템에 있어서,
배양된 세포로부터 신경 신호를 취득하는 적어도 하나 이상의 뉴런 칩으로 구성되는 뉴런 칩부;
상기 뉴런 칩부에서 취득한 신경 신호를 검출하는 뉴런 신호 검출부로서, 각각의 상기 뉴런 칩이 접속되는 SD 메모리 카드 소켓 타입의 적어도 하나 이상의 검출부 통신 모듈을 포함하는 뉴런 신호 검출부; 및
상기 뉴런 신호 검출부에서 검출된 신경 신호를 분석하는 뉴런 신호 분석부;를 포함하고,
적어도 하나 이상의 상기 뉴런 칩은 병렬적으로 상기 뉴런 신호 검출부에 접속 가능한 것을 특징으로 하는 다채널 뉴런 칩 측정 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 뉴런 칩은,
세포배양을 위한 배양액이 채워지는 세포배양 챔버;
상기 세포배양 챔버를 통해 배양된 세포로부터 신경 신호를 수신하는 미세전극 칩 모듈;
상기 미세전극 칩 모듈이 장착되어 상기 미세전극 칩 모듈로부터 수신한 신경신호를 뉴런 신호 검출부로 전송하는 PCB 칩 모듈;을 포함하고,
상기 뉴런 칩은 상기 세포배양 챔버, 미세전극 칩 모듈 및 PCB 칩 모듈이 패키징(packaging)을 통해 구성되는 것을 특징으로 하는 다채널 뉴런 칩 측정 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 미세전극 칩 모듈은 글라스 웨이퍼(glass wafer)에 8채널 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 다채널 뉴런 칩 측정 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 PCB 칩 모듈은,
상기 미세전극 칩 모듈에 형성된 상기 8채널 전극과 서로 대응하도록 형성된 전극 패턴; 및
각각의 상기 전극 패턴에 연결되어 상기 미세전극 칩 모듈에서 취득한 신경 신호를 상기 뉴런 신호 검출부에 전송하는 뉴런 칩 통신 모듈;을 더 포함하고,
상기 뉴런 칩 통신 모듈은 푸시-풀(push-pull) 방식으로 상기 뉴런 신호 검출부에 접속되는 것을 특징으로 하는 다채널 뉴런 칩 측정 시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 미세전극 칩 모듈의 8채널 전극과 상기 PCB 칩 모듈의 전극 패턴은 와이어 본딩(wire bonding)으로 연결되는 것을 특징으로 하는 다채널 뉴런 칩 측정 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 세포배양 챔버는,
상기 PCB 칩 모듈에 부착되는 원통형의 제 1 챔버와,
상기 제 1 챔버의 내부 직경보다 작은 외부 직경을 가지고, 제 1 챔버 내의 위치에서 상기 미세전극 칩 모듈에 부착되는 원통형의 제 2 챔버를 더 포함하며,
상기 제 1 챔버는 유리재질로 구성되고, 상기 제 2 챔버는 경화된 PDMS(polydimethyoxysiloxane)로 형성되며, 상기 제 1 챔버와 상기 제 2 챔버의 사이는 PDMS를 주입한 후 경화시키는 것을 특징으로 하는 다채널 뉴런 칩 측정 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 뉴런 신호 검출부는,
상기 검출부 통신 모듈로부터 수신된 신경 신호를 증폭한 후 DC 성분을 제거하는 8채널 증폭기-필터부; 및
상기 뉴런 신호 분석부로 송신하는 뉴런 신호 출력부;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다채널 뉴런 칩 측정 시스템.
제 7 항에 있어서,
상기 뉴런 신호 검출부는,
상기 뉴런 칩부와 상기 뉴런 신호 검출부에 전원을 공급하는 전원공급부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다채널 뉴런 칩 측정 시스템.
제 7 항에 있어서,
상기 8채널 증폭기-필터부는,
수신한 상기 신경 신호에 대해 증폭과 동시에 DC 성분을 제거하는 광대역 고역 통과 필터;
DC 성분이 제거된 신경 신호의 저주파 성분을 제거하기 위하여 콘텐서와 저항의 병렬로 구성된 수동 고역 통과 필터;
저주파 성분이 제거된 신경 신호를 다시 증폭하기 위한 비 반전 증폭기; 및
고주파 성분을 제거하는 수동 저역 통과 필터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다채널 뉴런 칩 측정 시스템.
배양된 세포로부터 신경 신호를 취득하는 다채널 뉴런 칩에 있어서,
세포배양을 위한 배양액이 채워지는 세포배양 챔버;
상기 세포배양 챔버를 통해 배양된 세포로부터 신경 신호를 수신하도록 글라스 웨이퍼(glass wafer)에 8채널 전극이 형성된 미세전극 칩 모듈;
상기 미세전극 칩 모듈이 장착되어 상기 미세전극 칩 모듈로부터 수신한 신경신호를 뉴런 신호 검출부로 전송하는 PCB 칩 모듈;을 포함하고,
상기 뉴런 칩은 상기 세포배양 챔버, 미세전극 칩 모듈 및 PCB 칩 모듈이 패키징(packaging)을 통해 구성되는 것을 특징으로 하는 다채널 뉴런 칩.
제 10 항에 있어서,
상기 PCB 칩 모듈은,
상기 미세전극 칩 모듈에 형성된 상기 8채널 전극과 서로 대응하도록 형성된 전극 패턴; 및
각각의 상기 전극 패턴에 연결되어 상기 미세전극 칩 모듈에서 취득한 신경 신호를 외부로 전송하는 뉴런 칩 통신 모듈;을 더 포함하고,
상기 미세전극 칩 모듈의 8채널 전극과 상기 PCB 칩 모듈의 전극 패턴은 와이어 본딩(wire bonding)으로 연결되는 것을 특징으로 하는 다채널 뉴런 칩.
제 10 항에 있어서,
상기 세포배양 챔버는,
상기 PCB 칩 모듈에 부착되는 원통형의 제 1 챔버와,
상기 제 1 챔버의 내부 직경보다 작은 외부 직경을 가지고, 제 1 챔버 내의 위치에서 상기 미세전극 칩 모듈에 부착되는 원통형의 제 2 챔버를 더 포함하며,
상기 제 1 챔버는 유리재질로 구성되고, 상기 제 2 챔버는 경화된 PDMS(polydimethyoxysiloxane)로 형성되며, 상기 제 1 챔버와 상기 제 2 챔버의 사이는 PDMS를 주입한 후 경화시키는 것을 특징으로 하는 다채널 뉴런 칩.