KR101781542B1 - 피부 보철용 신축성 전자장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 피부 보철용 신축성 전자장치에 관한 것이다. 상기 피부 보철용 신축성 전자장치는, 제1 인캡슐레이션층, 상기 제1 인캡슐레이션층 위에 배치된 히터, 상기 히터 위에 배치된 제2 인캡슐레이션층, 상기 제2 인캡슐레이션층 위에 배치된 제1 센서 어레이층, 및 상기 제1 센서 어레이층 위에 배치된 제3 인캡슐레이션층을 포함한다.

Description

피부 보철용 신축성 전자장치{Stretchable Electronics for Skin Prosthesis}
본 발명은 피부 보철용 신축성 전자장치에 관한 것이다.
피부기반 기계적 감각수용기 및 온도 수용기(skin-based mechanoreceptor and thermo-receptor)는 외부 환경으로부터 많은 양의 정보를 수집한다. 중추 및 자율 신경계는 이러한 감각적 입력(sensory inputs)을 분석하고, 이를 조절된 생리적 반응 및 모터 출력(motor outputs)으로 변환한다.
기계적 및 온도 감각에 대한 신경 회로의 이해에 현저한 발전이 있음에도 불구하고, 이러한 능력을 인공 피부 및 보철물에 복제하는 것은 매우 어려운 일이다. 따라서 많은 상/하지 절단 수술을 받은 환자들은, 원래의 팔에 대한 기능적 대체물로서가 아닌, 미용상의 이유 또는 보조적 동작 보조기로서 의지(prosthetic limb)를 착용한다.
강성 및/또는 반유연성 촉각 센서가 통합된 의지 설계에 대한 최근의 발전에 의해 변화하는 환경에 반응하여 피드백을 가능하게 하는 감각 수용이 제공된다. 그러나 웨어러블 보철물(wearable prosthetics)에서의 종래의 전자장치와 연한 생물학적 조직 간의 기계적 불일치가 여전히 존재하고, 이로 인하여 상/하지 절단자에 있어서 보철물의 유용성 및 성능이 제한된다.
인공 피부와 실제 피부 간의 기술적인 격차를 줄이려는 노력들이 진행되고 있다. 다양한 마이크로/나노 물질 및 구조체에 기반하는 연성(flexible) 및/또는 신장가능한(stretchable) 촉각 센서들이 중점적으로 연구되고 있다.
구체적으로, 압력 감지 고무(PSR)가 인장 스트레인(tensile strain)에 반응하는 저항성 소자(resistive element)로서 사용되는데, 이는 연성 유기 전자장치 및 나노물질기반(나노와이어 및 나노튜브)의 트랜지스터에 통합될 수 있다.
그러나 종래의 PSR은 반응 시간이 느리고 심각한 이력현상(hysteresis)을 갖는다. 단결정 실리콘 기반의 장치는 빠른 반응 시간을 제공하지만, 형태의 이종성(heterogeneity) 및 다른 해부학적 구조에 걸쳐 피부의 스트레인 프로파일로 인해 구체적인 신체의 위치에 따라 맞춤 설계를 해야 한다.
따라서, 부위특이적 기하학적 배치(site-specific geometrical layout)에 있어서 전자-저항성 열적 구동(electro-resistive thermal actuation)과 결합된 압력, 온도 및 습도 감지의 이종성 통합(heterogeneous integration)은 스마트 보철물(smart prosthetics) 및 인공 피부의 기술을 극적으로 진보시킬 기회를 제공한다.
삭제
공개특허공보 제2015-0004819호(2015.01.13.) 일본공표특허공보 특표2013-514146호(2013.04.25.)
본 발명은 피부 보철용 신축성 전자 장치를 제공한다.
본 발명은 피부 보철용 신축성 전자 장치의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예들에 따른 인공 피부용 신축성 전자 장치는, 제1 인캡슐레이션층, 상기 제1 인캡슐레이션층 위에 배치된 히터, 상기 히터 위에 배치된 제2 인캡슐레이션층, 상기 제2 인캡슐레이션층 위에 배치된 제1 센서 어레이층, 및 상기 제1 센서 어레이층 위에 배치된 제3 인캡슐레이션층을 포함한다.
상기 제1 센서 어레이층은 스트레인 센서, 압력 센서 및 온도 센서 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 1 센서 어레이층은, 제1 패시베이션층, 상기 제1 패시베이션층 위에 배치된 실리콘 패턴, 상기 실리콘 패턴 위에 배치된 제1 금속 패턴, 및 상기 제1 금속 패턴 위에 배치된 제2 패시베이션층을 포함할 수 있다.
상기 실리콘 패턴 및 상기 제1 금속 패턴은 구불구불한 형태를 가질 수 있다. 상기 실리콘 패턴은 도핑된 실리콘 나노멤브레인을 패터닝하는 것에 의해 형성될 수 있다. 상기 실리콘 패턴은 실리콘 나노리본일 수 있다.
상기 압력 센서는 상기 제1 패시베이션층에 상기 실리콘 패턴을 노출시키는 공동을 가질 수 있다.
상기 스트레인 센서 및 상기 압력 센서는 각각, 상기 인공 피부용 신축성 전자 장치가 부착되는 신체의 위치에 따라 서로 다른 곡률을 갖고, 상기 곡률이 커질수록 상기 신체에 의해 유도된 스트레인이 더욱 완화될 수 있다.
상기 스트레인 센서는 휘트스톤 브릿지 구성(Wheatstone bridge configuration)을 가질 수 있다.
상기 온도 센서의 곡률이 증가할수록 다른 스트레인 하에서 상기 온도 센서의 I-V 곡선 간의 다이버전스(divergence)가 감소할 수 있다.
상기 히터는, 제3 패시베이션층, 상기 제3 패시베이션층 위에 배치된 제2 금속 패턴, 및 상기 제2 금속 패턴 위에 배치된 제4 패시베이션층을 포함할 수 있다.
상기 제2 금속 패턴은 구불구불한 형태를 가질 수 있다.
상기 인공 피부용 신축성 전자 장치는 상기 제3 인캡슐레이션층 위에 배치된 제2 센서 어레이층을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 센서 어레이층은 습도 센서를 포함할 수 있다.
상기 습도 센서는, 제5 패시베이션층, 상기 제5 패시베이션층 위에 배치된 제3 금속 패턴, 및 상기 제3 금속 패턴 위에 배치된 제6 패시베이션층을 포함할 수 있다.
상기 제3 금속 패턴은 구불구불한 형태를 가질 수 있다.
상기 습도 센서는 물 분자를 흡수하는 상기 제6 패시베이션층의 유전율 변화에 의해 야기된 커패시턴스 변화를 검출할 수 있다.
상기 제1 인캡슐레이션층, 상기 제2 인캡슐레이션층, 및 상기 제3 인캡슐레이션층은 각각 실리콘 폴리머(silicone polymer) 또는 실리콘 고무(silicone rubber)로 형성될 수 있다. 상기 실리콘 폴리머는 폴리디메틸실록산(PDMS)일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스트레인 센서는 1μm 두께의 폴리이미드층으로서 p형으로 도핑된 실리콘 나노리본의 상부와 하부를 각각 인캡슐레이션(encapsulation)하여 중성역학층(Neutral mechanical plane)을 이루고, 상기 실리콘 나노리본의 압전저항 특성에 의해 가해진 스트레인을 측정할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 압력 센서는 1μm 두께의 폴리이미드층으로서 p형으로 도핑된 실리콘 나노리본의 상부를 인캡슐레이션하고, 상기 실리콘 나노리본의 압전저항 특성에 의해 가해진 압력을 측정할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 온도센서는 폴리이미드층으로서 p-n형으로 도핑된 실리콘 나노리본의 상부와 하부를 각각 인캡슐레이션하여 중성역학층(Neutral mechanical plane)을 이루고, p-n으로 도핑된 실리콘 나노리본이 가지는 다이오드의 온도특성에 따라 외부 온도를 측정할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 습도 센서는 1μm 두께의 폴리이미드층으로서 패터닝된 금속 선을 인캡슐레이션하고, 상기 폴리이미드층과 금속 사이에 형성된 전기용량(capacitance)의 습도에 따른 변화를 측정함으로써 습도를 측정한다.
본 발명의 다른 실시예들에 따른 피부 보철용 신축성 전자장치는, (i) 실리콘 옥사이드 웨이퍼를 폴리이미드로 코팅하는 단계; (ii) 도핑된 실리콘 나노멤브레인(SiNM)을 전사하고 경화시키는 단계; (iii) 상기 SiNM를 패터닝하여 SiNR을 형성하는 단계; (iv) 금속을 증착시키고 패터닝하는 단계; (v) 폴리이미드로 봉지하고 경화시키는 단계; (vi) 폴리이미드를 에칭하는 단계; (vii) 장치를 실리콘 옥사이드 웨이퍼로부터 제거하고 PDMS로 코팅된 PVA 필름 위로 전사하는 단계; 및 (viii) PDMS로 봉지하는 단계를 포함한다.
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일 실시예에서, 상기 (i)단계에서 상기 실리콘 옥사이드 웨이퍼를 폴리아믹산으로 스핀코팅(8000rpm, 60s)할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 (ii)단계에서 상기 도핑된 실리콘 나노멤브레인을 전사인쇄(transfer printing) 기법을 이용하여 상기 스핀코팅된 웨이퍼 위에 전사할 수 있다. 이후, 250℃에서 1시간 동안 상기 폴리아믹산 층을 경화시켜 폴리이미드 층을 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 (iii)단계에서 상기 전사된 SiNM을 포토리소그래피 공정을 이용한 패터닝을 통해 실리콘 나노리본(SiNR)을 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 (iv)단계에서 진공 열 증착 방법을 이용해 100 μm 두께 가량의 금속을 증착시키고, 포토리소그래피 공정과 습식 식각(wet etching) 공정을 거쳐 금속을 패터닝할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 (v)단계에서, 상기 (i)단계에서의 방법과 마찬가지로, 폴리아믹산을 스핀코팅(8000rpm, 60s)하고, 250℃에서 1시간 가량 경화시켜 폴리이미드 인캡슐레이션층을 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 (vi)단계에서 포토리소그래피 공정과 반응성 이온 식각 공정을 통해서 폴리이미드를 식각할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 (vii)단계에서 물에 녹는 테이프(water release tape, water soluble tape)를 이용한 전사인쇄 기법을 이용해, PDMS(40:1, PDMS : 경화제 w/w)로 스핀코팅(3000rpm, 30s)된 PVA 필름 위로 장치를 전사할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 (viii)단계에서 PDMS(40:1, PDMS : 경화제 w/w)를 스핀코팅(3000 rpm, 30s)에 의해 봉지할 수 있다.
본 발명에 따른 피부 보철용 신축성 전자장치는 뛰어난 시공간적 감도 및 기계적 신뢰도를 제공함으로써, 외부의 다양한 환경 및 자극에 반응하여 인공 피부의 감지 능력을 현저하게 향상시킨다.
도 1a는 보철 손의 전체 표면을 덮는 집적된 신축성 센서 및 구동기를 갖춘 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 피부에 대한 사진이고(삽입도는 약 20% 신장된 인공 피부), 도 1b는 6개의 스택 층(stacked layers)으로 이루어진 인공 피부에 대한 전개도이며, 도 1c는 SiNR 스트레인 게이지에 대한 대표적인 현미경 사진이고(좌측 S1의 곡률이 0 mm-1이고, 우측 S6의 곡률이 10 mm-1이다), 도 1d는 SiNR 압력 센서 S6 및 온도 센서 S6에 대한 대표적인 현미경 사진이며, 도 1e는 습도 센서에 대한 현미경 사진이고(하부 우측의 삽입도는 중앙 부위에 대한 확대도이며, 각 전극들이 동일한 나선-간 간극(inter-spiral gap)을 가진다는 점을 보여줌), 도 1f는 전자저항성 히터에 대한 현미경 사진이고, 도 1c 내지 1f의 상부 우측 삽입도는 각 장치의 단면도를 보여주며, 도 1g는 실리콘 옥사이드 기판 상에 전사된 SiNR에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이고, 도 1h는 상기 도 1g의 주름진 SiNR에 대한 확대도이며, 도 1i는 상기 스트레인 게이지에 대한 단면 투과전자현미경(TEM) 사진이고, PI 층으로 봉지된 SiNR이 중성역학층에 위치하는 것을 보여준다.
도 2는 다양한 곡률, 즉 κ = 0(S1), 1.94(S2), 4.74(S3), 7.4(S4), 9.75(S5) 및 10 mm-1(S6)을 가지는 구불구불한 형태의 스트레인 및 온도 센서에 대한 현미경 사진을 보여주며, 도 2a는 스트레인 센서용의 선형 및 구불구불한 형태의 p형으로 도핑된 SiNR이고, 도 2b는 온도 센서용의 선형 및 구불구불한 형태의 SiNR p-n 접합 다이오드이다.
도 3a는 본 발명에 따른 동작 포착 시스템에 대한 개념도이고, 도 3b는 주먹 쥐기, 앞으로 굽히기, 좌우로 기울이기의 4가지 다른 동작에 대해 상기 동작 포착 시스템에 의해 획득된 위치 정보를 사용하여 계산된, 피부의 부위별 스트레인 맵(regional strain map)이며(각 경우에서 상부 좌측의 삽입도는 반사 표지가 장착된 실제 손을 보여 준다), 도 3c는 도 3b로부터 획득한 데이터를 조합함으로써 얻은 전체 영역에 대한 최대 신장 범위(maximum stretching range)에 대한 맵과 SiNR 스트레인 게이지의 상응하는 배열을 보여 주고(우측의 프레임은 각 설계(S1, S3 및 S6 설계; 흑색 박스로 표시됨)에 대한 확대도임), 도 3d는 손등에 완전히 밀착되도록(conformally) 부착된 SiNR 스트레인 게이지 어레이에 대한 사진이다(우측의 프레임은 각 설계(백색 박스로 표시됨)에 대한 확대도이고, S1, S3 및 S6 설계는 각각 적은 변형, 중간정도의 변형 및 큰 변형 위치에 대한 것이다).
도 4는 동작 포착 시스템을 사용하여 손 피부의 부위특이적 변형을 측정하기 위한 반사 표지를 보여 준다. 도 4의 선들은 유도된 스트레인을 계산하기 위한 인접한 표지들 간의 거리를 나타낸다.
도 5a는 SiNR기반의 센서 어레이를 사용하여 스트레인 및 온도를 측정하기 위한 실험 설정을 보여 주고, 도 5b는 손목에 완전히 밀착되도록 부착된 스트레인 게이지 어레이에 대한 확대 사진이며, 도 5c는 상기 센서 어레이로 부위별 스트레인 분포를 측정하기 위한 다중 측정 계획을 보여 준다.
도 6a는 다른 스트레인이 걸린 상황하에서(0%, 15%, 30%) SiNR 스트레인 게이지의 순차적인 사진(상부) 및 대응하는 유한요소분석법(FEA, finite element analysis) 결과(하부)를 보여 주고, 도 6b는 다른 곡률의 SiNR에 대한 스트레인에 의존하는 저항 변화(좌측) 및 반복적인 신장(cycling stretching) 하에서의 다른 곡률을 갖는 SiNR의 시간에 따른 저항 변화를 보여 주며, 도 6c는 스트레인 게이지 어레이(작은 신장 영역에 대해 S1, 큰 신장 영역에 대해 S6)로 측정된 부위별로 맵핑된 퍼센트 저항 변화이고(4개의 다른 동작에 대해 맵핑된 영역(부위)은 적색 점선 박스로 표시됨), 도 6d는 공동(cavity)이 없는 SiNR 압력 센서(하부 좌측)와 대비한 공동을 가지는 SiNR 압력 센서의 작동 원리, 공동을 가진 장치의 단면(상부 중간)과 공동이 없는 장치의 단면(하부 중간)에 대한 SEM 사진, 그리고 FEA 결과(상부 우측; 하부 우측)를 보여 주며, 도 6e는 다른 SiNR 설계(S1: 좌측 그래프, S6:우측 그래프)에 걸린 압력과 관련하여, 공동이 있거나(흑색) 공동이 없는(적색) 압력 센서의 저항 변화를 보여 주고, 도 6f는 점진적인 압력 증가에 대한 S6의 압력 센서 어레이에 의해 측정된 부위별로 맵핑된 퍼센트 저항 변화를 보여 준다.
도 7a는 SiNR 스트레인 게이지의 신장 방향에 대한 의존성 분석을 위한 실험 설정에 대한 예시이고, 도 7b는 수직(적색) 및 수평(청색) 방향 스트레인에 대한 SiNR 스트레인 게이지의 퍼센트 저항 변화를 보여 주며, 도 7c는 휘트스톤 브릿지 구성(Wheatstone brigde configuration)에서 SiNR 스트레인 게이지에 대한 현미경 사진이고, 도 7d는 휘트스톤 브릿지로부터 측정된 출력 전압 변화(적색) 및 단일-저항기 기반의(single-resistor-based) 스트레인 게이지의 퍼센트 저항 변화(청색)를 온도의 함수로서 나타낸 것이다(적색 삽입도는 휘트스톤 브릿지, 청색 삽입도는 단일-저항기).
도 8은 굽힙 동작 중 무릎에서의 스트레인 검출 결과이고, 도 8a는 최소 굽힘(좌측)과 최대 굽힘(우측)의 경우에서 동작 포착 시스템에 의해 얻은 위치 정보를 사용하여 계산된 무릎 위의 피부에 대한 부위별 스트레인 맵이며(삽입도는 반사 표지가 부착된 무릎에 대한 사진), 도 8b는 굽힌 무릎 위에 완전히 밀착되도록 부착된 스트레인 게이지 어레이의 확대 사진이며, 도 8c는 동작 상태(무릎의 반복적인 이완 및 굽힘)에 의존하는, 다른 설계들(S1, S2, S3)의 스트레인 게이지에 대한 퍼센트 저항 변화를 보여 준다(S1 및 S2 설계는 반복적인 굽힘 동작 중에 고장남).
도 9는 실온에서 다른 설계들(도 9a: S1, 도 9b: S2, 도 9c: S3, 도 9d: S4, 도 9e: S5, 도 9f: S6)에 대해 스트레인이 걸린 상황에서(0%, 1%, 3%, 5%, 7%, 9%) 온도 센서의 I-V 특성 곡선이다.
도 10a는 SiNR 온도 센서의 특성을 파악하기 위한 개략적인 실험 설정이고, 도 10b는 스트레인이 없거나(좌측) 스트레인이 있을 때(우측, 10%)의 S1 온도 센서의 I-V 곡선이며, 도 10c는 스트레인이 없거나(좌측) 스트레인이 있을 때(우측, 10%)의 S6 온도 센서의 I-V 곡선이다.
도 11a는 10% 신장(적색) 및 신장되지 아니한 상태(흑색) 하에서 대표적인 설계들(S1: 좌측 그래프, S6: 우측 그래프)의 SiNR 온도 센서의 교정 곡선(calibration curves)이고, 도 11b는 초기 조건(좌측) 및 부분적으로 가열된 조건(우측)에 대한 적외선 카메라 및 S6 설계의 SiNR 온도 센서 어레이에 의해 측정된 부위별로 맵핑된 온도이며, 도 11c는 동일 평면상의 습도 센서의 교정 곡선(좌측)과 동일 평면상에 제작된 습도 센서에 대해 동시에 측정된 시간에 따른 습도 변화 및 전기용량 변화의 이중 y 플롯(double y plot)이고, 도 11d는 동일 평면상의 습도 센서 어레이의 부분적인 영역을 덮고 있는 물방울 사진(좌측)과 대응하는 부위별 전기용량 변화에 대한 맵(우측)이며, 도 11e는 히터의 가열 능력을 보여 주고(체온을 모방한 37℃(좌측) 및 58℃(우측)에서 프랙탈 구조를 모방한(fractal-inspired) 히터), 도 11f는 히터의 신축성(stretchability)을 나타낸다(히터가 약 5%(좌측) 내지 약 20%(우측) 신장되었고, 가열 성능 저하가 없었음).
도 12a는 본 발명의 습도 센서에 대한 실험 설정의 예시(좌측) 및 센서와 감지 메커니즘에 대한 개략적인 다이아그램(우측)이고, 도 12b는 건조한 손가락으로 습도 센서 어레이를 접촉하는 외부 장애 테스트(좌측) 및 이에 상응하는 습도 센서의 응답(우측)을 보여 준다.
도 13a는 악수를 하는 보철 손의 연속적인 사진이고(SiNR 스트레인 게이지의 저항 변화에 대한 시공간적인 맵이 대응하는 손등의 위치에 중첩되어 있음), 도 13b는 키보드를 누르는 보철 손의 사진(상부 좌측) 및 대응하는 SiNR 압력 센서의 시간에 따른 저항 변화(상부 우측)과, 야구공을 잡는 보철 손의 사진(하부 좌측) 및 이에 대응하는 SiNR 압력 센서의 시간에 따른 저항 변화(하부 우측; 잡기(적색), 유지하기(흑색) 및 펴기(청색) 동작)이며, 도 13c는 뜨거운 컵(상부 좌측)과 얼음물 컵(하부 좌측)에 접촉하는 보철 손의 사진과, 이에 상응하는 SiNR 온도 센서의 시간에 따른 전류 변화(PIN 다이오드, 적색)와 적외선 센서에 의해 측정된 실제 온도 변화(청색)을 보여 주고(상부 우측: 뜨거운 물, 하부 우측: 얼음물), 도 13d는 건조된 다이어퍼(diaper)(상부 좌측) 및 젖은 다이어퍼(하부 좌측)를 착용한 아기 인형에 대한 사진과 건조된 다이어퍼(상부 중간) 및 젖은 다이어퍼(하부 중간)를 접촉하는 보철 손에 대한 사진, 그리고 건조된(적색)/젖은(청색) 다이어퍼에 접촉하기 전/후의 습도 센서의 전기용량 값에 대한 막대 플롯(우측)이며, 도 13e는 아기 인형의 머리(상부 좌측) 및 배(하부 좌측)를 접촉하는 보철 손에 대한 사진, 인공 피부 내의 히터에 의해 체온으로 가열된 보철 손의 적외선 카메라 영상(상부 중간, 하부 중간), 및 보철 손을 뗀 이후에 아기 인형에 잔존하는 열(상부 우측, 하부 우측)을 보여 준다.
도 14a는 MEA(multi-electrode array)를 사용하여 말초신경섬유에 보철 손을 연결하는 방법에 대한 예시이고(삽입도는 세리아 나노입자가 흡착된 백금 나노와이어(PtNW)가 금 전극 위에서 성장한 모습을 보여줌), 도 14b는 PtNW에 대한 SEM 사진(좌측)과 상기 PtNW에 흡착된 세리아 나노입자에 대한 TEM 사진이며, 도 14c는 적용된 신호의 주파수에 대한 금(Au), Pt/Au, PtNW/Au 전극들의 임피던스(좌측)와, 세리아 나노입자가 내포된 PtNW/Au 전극 및 세리아 나노입자가 내포되지 아니한 PtNW/Au 전극 간의 ROS 제거 성능 비교(우측)이고, 도 14d는 34개의 독립된 접촉 전극(좌측 삽입도에 확대 사진)을 포함하는 신축성 MEA에 대한 사진 및 라트 모델(rat model)의 근육 조직 내의 말초신경 상의 MEA(우측)을 보여 주며(신경에 접촉하는 전극은 청색 화살표로 표시됨), 도 14e는 라트 모델의 신경섬유에 완전히 밀착되도록 감싼 신축성 MEA(좌측; 삽입도는 상기 신축성 MEA가 신경섬유의 변형 하에서도 긴밀한 접촉을 유지하는 것을 보여줌; 청색 화살표는 신경에 접촉하는 전극을 나타냄)와 구불구불한-메쉬 형태의 MEA가 평면-쉬트형 MEA 보다 전단응력이 더 낮다는 것을 보여 주는 FEA 결과(우측)를 보여 주고, 도 14f는 보철 피부 내에 내포된 스트레인 게이지로부터 측정된 신호(흑색), 이와 동시에 감지된 신호에 따라 신경에 적용된 전기적 자극(적색) 및 신경을 통해 전달된 신호(청색)를 보여 주며, 도 14g는, 도 14f에 나타난 데이터와 유사하지만, 보철 피부 내의 압력 센서를 사용하여 얻은 유사한 데이터를 보여 준다.
도 15는 구불구불한-메쉬 형태의 MEA(도 15a) 및 평면-쉬트 형태의 MEA(도 15b)에 대한 금속 접속(metal interconnection)을 강조한 MEA 메쉬를 보여 준다.
도 16a는 감지된 정보를 신경계로 전달하기 위한 신경 인터페이스를 제작하기 위해 필요한 구성요소를 보여 주는 개념도이고, 도 16b는 양방향 피드백 개념을 설명하는 상세한 흐름도이다(청색 화살표, 적색 화살표 및 보라색 설명은 각각 자극, 상기 자극에 대한 응답, 및 두가지 모두의 경우에 상응한다).
이하, 다음의 실시예 또는 도면을 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 다음의 실시예 또는 도면에 대한 설명은 본 발명의 구체적인 실시 태양을 특정하여 설명하고자 하는 것일 뿐이며, 본 발명의 권리 범위를 이들에 기재된 내용으로 한정하거나 제한해석하고자 의도하는 것은 아니다.
실시예 1. SiNR 기반 장치의 제작
SOD(spin-on-dopant)를 이용하여 SOI(silicon-on-insulator) 웨이퍼의 도핑부터 시작한다. 상기 도핑된 부분이 실리콘 옥사이드(SiO2) 웨이퍼 위에 코팅된 폴리이미드(PI) 필름 위로 전사인쇄된다. 포토리소그래피와 반응성 이온 에칭(RIE)법을 사용하여 SiNR이 추가로 패터닝된다. 열증발법(thermal evaporation)을 이용한 금속의 증착(metallization)(Au/Cr, 70 nm/7 nm), 포토리소그래피 및 습식 에칭 단계들에 의해 구불구불한 금속 배선(serpentine metal lines)이 형성된다. 상부 PI 층이 스핀코팅되고 전체 3층(PI/장치/PI)이 RIE에 의해 패터닝된다. 상기 장치는, PVA 필름 위에 스핀코팅된 PDMS로 전사인쇄되고 스핀코팅법에 의해 또 다른 PDMS로 인캡슐레이션된다. 상기 장치를 표적 기판(예를 들면, 인공 손(prosthetic hand))에 부착시키기 위해, 상기 인캡슐레이션된 장치는 표적 위치에 부착되고, 상기 PVA 필름은 탈이온수 내 침지를 통하여 제거된다.
실시예 2. Au 기반 장치의 제작
PI의 전구체 용액이 SiO2 웨이퍼 위에 스핀코팅된다. 상기 PI 층은 250℃에서 1시간 동안 충분히 경화된다. 습도 센서용의 분리된 전극들 및 히터용의 저항성 전도 경로(resistive conduction path)를 형성하기 위해, Au/Cr(70 nm/7 nm) 층들이 열증발법 공정에 의해 증착된다. 상기 증착된 금속 필름은 포토리소그래피에 의해 패터닝된다. 인캡슐레이션(encapsulation)을 위해, 또 다른 PI 층이 동일한 과정 및 조건을 사용하여 스핀코팅되고 경화된다. 전체 구조(PI/금속/PI)는 신축성을 갖는 형태로 패터닝되고, 상기 SiO2 웨이퍼로부터 분리되어, 상기 Si-NR기반 장치에서와 동일한 방법을 사용하여 고분자 기판에 전사된다.
실시예 3. 부위특이적으로 설계된 신축성 전자장치를 갖춘 인공 피부 보철
도 1a는 보철 손의 표면 위에 적층된 집적 전자장치(integrated electronics)를 갖춘 인공 피부에 대한 사진을 보여 준다. 상기 보철물의 인공 피부 표면은 매우 순응적(compliant)이고, 상기 보철 손의 곡면 표면에 기계적으로 결합된다. 스택 층들(stacked layers)에 대한 예시(도 1b)는 임베디드된 전자장치, 센서 및 구동기(actuator)의 위치를 강조하며, 이들의 확대도가 도 1c 내지 1f에 나타나 있다.
하부층은 폴리디메틸실록산(PDMS, Dow Corning, USA)에 결합된 필라멘트 패턴의 전자저항성(electroresistive) 히터를 포함한다. 이러한 열 구동기(thermal actuator)는 프랙탈-인스파이어드 포맷(fractal-inspired format)이어서(도 1f) 상기 피부층의 신장 및 수축 동안에 균일한 가열을 용이하게 한다. 구동 중에 촉각 및 열적 피드백을 모니터하기 위해, 상기 스택(stack)의 중간층에 스트레인 센서(도 1c), 압력 센서(도 1d 좌측) 및 온도 센서(도 1d 우측) 어레이가 사용된다. 이러한 센서들의 네트워크는, 그 아래 보철 손의 메카닉스(mechanics)에 따라, 직선형태에서 구불구불한 형태(도 2의 S1 - S6)까지 공간적으로 다양한 기하학적 설계를 갖는다. 상부의 인캡슐레이션층(encapsulation layer) 내에서 동일 평면상의 커패시터들(도 1e)로 구성된, 습도 센서의 어레이는 다른 습도 수준에서 커패시턴스 변화를 검출하여(도 1e 하부 우측의 삽입도는 확대도를 보여줌) 주변 조건에 대한 정보를 획득한다.
전술한 모든 장치들은 초박 영역, 즉 폴리이미드(PI; 도 1c 내지 1f의 상부 우측의 삽입도)에 의해 패시베이션된(passivated) SiNR 또는 Au NR을 포함한다. 촉각 압력 센서는 기계적인 압력 변화에 반응하는 감도를 향상시키기 위해 공동(cavity)을 포함할 수 있다. 이러한 촉각 센서의 제작에 사용되는 중요한 물질은 p형으로 도핑된 단결정 SiNR이고, 이는 높은 피에조저항(piezoresistivity)(게이지 인자: 약 200) 및 낮은 파괴 인성(fracture toughness)약 1.0 MPa m1/2)를 갖는다. 기계적 결함을 방지하기 위해, 초박형(약 110 nm) SiNR이 상기 스택의 중성 역학층(neutral mechanical plane) 내에 배치된다. 도 1g는 산화실리콘 기판 위에 전사된 크랙없는 SiNR의 주사전자현미경(SEM) 사진을 보여 준다. 상기 SiNR은 주름 등의 기계적 변형을 견딜 수 있는 초박형 성질 및 기계적 유연성을 갖는다(도 1h). 도 1i는 상기 중성 역학층(PI/SiNR/PI 구조) 내에 위치한 SiNR에 대한 단면 투과전자현미경(TEM) 사진을 보여 준다. 이러한 설계는 굽힘 유도 스트레인을 최소화할 수 있다.
실시예 4. 다양한 동작에서 피부의 영역벌 스트레인 검출
피부는 보통 다축 힘을 받고 다른 신체 위치들에서 다양한 각운동 및 직선운동을 경험한다. 이러한 동작에서의 이종성 및 피부의 스트레인은 인공 피부 및 보철에서 센서 및 구동기의 위치특이적 최적화가 필요하다는 것을 나타낸다.
팔 및 손에서 동작 및 피부 메카닉스의 기계적 거동을 특징짓기 위해, 동작 포착 카메라 시스템(도 3a)를 사용하여 피부 상의 몇개의 표적점들(도 4)로부터 동작 및 스트레인을 포착하였다. 종합적으로, 12개의 동작포착 카메라(OptiTrack Prime 41, NaturalPoint, USA)를 동시에 사용하여 손 및 손목에 부착된 반사 표지(reflective marker)에 대한 3차원 좌표를 획득하였다. 주먹 쥐기뿐만 아니라 수직(굽히기) 및 수평(기울이기) 손목 운동을 포함하는, 4개의 대표적인 손 동작이 분석된다(도 3b). 이웃하는 반사 표지에 대한 변위를 측정함으로써 스트레인 분포가 계산된다. 주먹을 쥐는 동안에, 상기 피부는 약 5% 신장하고(도 3b 상부 좌측), 굽히기에 대해서 현저하게 더 큰 스트레인(약 16%)이 유도된다(도 3b 상부 우측). 기울이기 동작은 손목의 주름진 면에서 압축을 유도하고, 상기 손목의 반대쪽 면에서는 피부가 신장을 경험한다(도 3b 하부).
이러한 동작 데이터를 수집함으로써, 손목 및 손 근처의 스트레인 프로파일이 매핑된다(도 3c). 피부가 거의 신장하지 아니하는 영역에 대하여, 감도를 최대화하기 위해 선형 SiNR(S1 설계)이 사용된다. 반면에, 더욱 신축성인(stretchy) 영역에서는 구불구불한 SiNR(예를 들면, S3 또는 S6 설계)을 적용하여 더 큰 범위의 스트레인 변화를 수용한다. 또한, 신축성(stretchability)에 따라(예를 들면, 약 5%의 낮은 변형 영역: S1 설계, 약 10%의 중간 변형 영역: S3 설계, 약 16%의 높은 변형 영역: S6 설계, 도 3c의 우측 프레임) 상기 SiNR의 곡률이 최적으로 설계된다. 이러한 부위특이적 SiNR 센서 어레이가 도 3d에 나타나 있다. 우측의 전개된 프레임은 각 설계에 대한 확대도이다. 이러한 초박형 필라멘트형 설계는 높은 신호 감도 및 기계적 내구성으로 인간 피부 위에 콘포말한 집적(conformal integration)을 가능하게 한다.
실시예 5. SiNR 기계적 센서(스트레인 게이지 및 압력 센서)
다른 SiNR 센서 설계에 대한 스트레인의 영향을 특징짓기 위해, 곡률 κ= 0(S1), 1.94(S2), 4.74(S3), 7.4(S4), 9.75(S5) 및 10 mm-1(S6)인 6가지 독특한 구불구불한 설계가 제시된다. 굽힘 스테이지를 사용하는 신축(strech) 시험 실험 설정이 도 5a에 나타나 있다. 도 6a(상부 프레임)는 다양하게 적용된 스트레인(0%, 15% 및 30%)에 노출된 SiNR 스트레인 게이지를 보여 준다. 하부 프레임은 유한요소분석법(FEA) 결과를 보여 준다. 적용된 스트레인이 증가할수록, 작은 곡률을 갖는 SiNR 스트레인 게이지는 더 큰 곡률을 갖는 SiNR 스트레인 게이지보다 현저하게 더 큰 스트레인을 경험한다. 큰 곡률의 구불구불한 설계는 작은 곡률의 경우에서보다 유도된 스트레인을 더 잘 완화시킨다. 이러한 영향은, 적용된 스트레인의 함수로서 상대 저항(ΔR/R)을 측정하는 것에 의해 확인될 수 있다(도 6b 좌측).
큰 곡률의 SiNR 센서는 더 큰 스트레인을 견딜 수 있고, 따라서 더 큰 동적 범위(dynamic range)를 갖지만, 감소된 감도를 보인다(도 6b). 상기 SiNR S6는 약 30%까지의 스트레인을 견디는 반면에, S1은 약 10%의 스트레인에서 파괴(fracture)된다. 그러나 반복적인 신축 시험(stretching test)에 의하면, 곡률이 작을수록 감도가 증가한다(도 6b 우측). 따라서, 상기 SiNR S1은 작은 범위로 신장하는 위치에 가장 적합한 반면에, 상기 SiNR S6는 크게 신장하는 부위에 더 적합하다. 또한, 상기 결과는 SiNR 스트레인 게이지는 선형의 빠른 응답 시간을 가지며, 설계에 무관하게 이력현상을 보이지 않는다는 것을 나타낸다. S1 및 S6 스트레인 게이지 어레이를 합하면 영역들에 걸친 비등방성 신축(anisotropic stretching)을 수용할 수 있게 된다(도 7a 및 7b). 상기 스트레인 센서에서의 노이즈는 종종 외부 온도의 변화에 의해 초래되며, 이는 개별적인 스트레인 센서의 저항 측정에 영향을 미친다. 이러한 온도 변화(thermal shift)에 의한 노이즈 영향을 줄이기 위해, 휘트스톤 브릿지 구성이 적용될 수 있다(도 7c 및 7d).
인간의 손의 복잡한 형상에 순응하는 스트레인 게이지 어레이를 위한 부위특이적 설계(도 3d, 도 5b)가 스트레인 분포를 측정하기 위해 사용된다. 도 6c는 4가지 대표적인 손 동작에 반응하는 스트레인 분포 맵(적색 점선 박스 영역)을 보여 준다. 신호는 다중 측정 장치로 수집된다(도 5a 및 5c). 피부 변형이 적은 위치(예를 들면, 손의 등부분)에 상기 S1 설계가 사용된다(주먹 쥐기; 도 6c 상부 좌측). 손등에 유도된 스트레인이 적음에도 불구하고, S1 설계의 SiNR 스트레인 게이지 어레이는 상기 영역에 대한 스트레인 분포를 성공적으로 매핑한다. 반대로, S6 설계의 SiNR 스트레인 게이지 어레이는, 큰 피부 변형이 현저하게 굽힘(bending)(도 6c 상부 우측)과 기울기(tilting)(도 6c 하부)와 함께 발생하는 부위(손목 부위; 도 3b 상부 좌측 및 하부)에 사용된다. 상기 SiNR 스트레인 게이지 어레이는 유도된 큰 스트레인을 높은 정확도(fidelity)로 측정한다. 심지어 무릎 근처의 더 크게 유도된 스트레인도 측정될 수 있다(도 8a 및 8b). 큰 곡률을 갖는 SiNR 스트레인 게이지(예를 들면, S3)는 작은 곡률을 갖는 SiNR 스트레인 게이지(예를 들면, S1) 보다 무릎 관절의 반복적인 굽힘에 대응한 기계적 변형을 더 잘 견딜 수 있다.(도 8c).
도 6d는 SiNR 압력 센서의 작동 원리를 보여 준다. SiNR의 PI 패시베이션층(passivation layer) 내의 공동을 설계함으로써, FEA에 의해 확인된 바와 같이, 압력 검출 감도가 향상된다(도 6d 상부 대 하부). 공동 기반의 SiNR 압력 센서는, S1 및 S6 설계 모두에 있어서, 공동이 없는 SiNR 압력 센서에 비해 약 10배 더 높은 압력 감도를 보인다(도 6e). S1 및 S6에 대한 자세한 감도 측정치는, 각각, 0.41%/kPa(공동 있음) 대 0.0315%/kPa(공동 없음), 및 0.075%/kPa(공동 있음) 대 0.0073%/kPa(공동 없음)이다. 구불구불한 형상의 SiNR 압력 센서(예를 들면, S6)는 선형 압력 센서(S1)와 대비하여 수직방향 압력에 대한 감도가 감소한다. 그러나 S6 설계의 압력 감도는, 보통 약 87kPa의 작은 응력에 반응하는 인간의 기계적 감각수용기의 반응에 필적할 만하다. 도 6f는 S6 설계의 센서 어레이에 대한 압력 반응 맵을 각각 보여 준다.
실시예 6. 신축성 온도 센서, 습도 센서 및 히터
온도를 측정하기 위해, SiNR은 2회 도핑되어 p-n 접합(junction)이 형성된다(도 1d 우측). 인공 피부에 집적된 온도 센서는 기계적 변형에 영향받아서는 안된다. 도 9는 적용된 스트레인에 반응하여 실온에서 온도 센서들(S1 내지 S6 설계)의 I-V 곡선을 보여준다. 다른 스트레인 하에서 각 I-V 곡선 간의 다이버전스(divergence)는 센서의 곡률이 증가할수록(예를 들면, S6) 현저하게 감소한다. 센서의 큰 곡률은 넓은 범위의 신장 조건하에서 안정적인 온도 측정을 가능하게 한다. S1 및 S6 온도 센서의 I-V 곡선을 0% 및 10%의 스트레인 하의 서로 다른 온도에서 획득된다(도 10). 도 11a는 I-V 곡선으로부터 특정 전류(약 10 nA)에서 전압을 추출함으로써 얻은 교정 곡선을 보여준다. S1 설계에 대한 교정 곡선은 적용된 스트레인에 대하여 매우 큰 이동(shift)을 보인 반면에, S6 설계에서는 최소한의 변화만을 나타낸다. S6 설계의 온도 센서는 온도 감지에서 기계적 변형의 영향을 최소화하기 위해 사용된다. 큰 곡률을 갖는 온도 센서 설계는 다양하게 적용된 압력 하에서 온도 모니터링을 가능하게 한다. 국소 가열과 함께 또는 국소 가열 없이 온도 분포 맵은 이러한 센서 어레이를 사용하여 작성된다(도 11b 좌측 및 우측). 상기 온도 센서 어레이 데이터 스트림은, 상용 적외선 카메라로 수집된 데이터 스트림에 필적할 만하다. SiNR 다이오드의 온도 센서 어레이의 공간적 해상도는 가열된 대상의 열 프로파일을 정확히 인식할 만큼 충분히 높다.
피부가 습기에 노출되었을 때 이를 감지하는 특정한 생물학적 수용체가 없음에도, 인간의 피부는 기계적 감각수용체 및 온도 수용기(thermo-receptor)로 습도의 변화를 감지할 수 있다. 이러한 능력을 모사하기 위해, 커패시턴스 기반의 신축성 습도 센서 어레이가 제작된다. 습도를 제어하는 테스트 챔버 내에서 습도 감지가 수행된다(도 12a 좌측). 상기 습도 센서 어레이는, 물 분자를 흡수하는 PI의 유전율 변화에 의해 야기된 커패시턴스 변화를 검출한다(도 12a 우측). 교정 곡선(도 11c 좌측)이 이러한 거동을 실증한다. 도 11c의 우측 프레임은 상용 습도 센서(청색)로 측정된 습도 변화가 상기 제작된 습도 센서(적색)로 측정된 커패시턴스 변화와 잘 맞는다는 것을 보여준다. 습도에 있어서의 공간적 차이가 식별된다(도 11d). 손가락 터치와 같은 외부 방해, 외부 스트레인, 및 온도 변화는 습도 감지에 영향을 미치지 않는다(도 12b).
보철 장치와 인공 피부가 자연스럽게 느껴지기 위해, 이들의 온도 프로파일은 인간 신체의 온도 프로파일과 맞도록 제어되어야 한다. 따라서 열 신호(thermal signature)가 용이하게 제어될 수 있는 신축성 열 구동기 어레이(stretchable thermal actuator array)가 제작된다. 히터 어레이는 체온을 유지하거나(도 11e 좌측) 더 높은 온도로 조절될 수 있다(도 11e 우측). 상기 열 구동기 성능은 다양한 신축 조건들(약 5% 및 약 20%; 도 11f)에서 손상되지 않는다.
실시예 7. 다양한 일일 생활 상황에서의 전자 피부의 반응
보철 손과 적층된 전자 피부는 악수, 키보드 누르기, 공 잡기, 온/냉음료 컵 들기, 건조/습윤 표면 접촉, 및 인간 대 인간 접촉과 같은 많은 복잡한 작동을 하게 된다(도 13). 악수의 경우에, 시간과 위치에 따른 스트레인(spatiotemporal strain)의 변화가 SiNR 스트레인 게이지 어레이로 매핑될 수 있다. 상기 스트레인 맵은 높은 정밀도를 갖고, 검지(index finger) 및 각 관절 근처의 스트레인에서의 작은 변화(minor shift)를 포착한다(도 13a). SiNR 압력 센서의 성능을 조사하기 위해, 키보드 누르기(도 13b 상부) 및 공 잡기(도 13b 하부)에 반응한 시간에 따른 저항 변화(temporal resistance change)가 모니터된다. 압력 센서는 상기 두가지 상황에서 외부 자극에 대하여 신속하고 신뢰할만한 반응을 보인다. 온도 감지는 피부 보철의 또 다른 중요한 기능이다. 손이 뜨거운 액체를 담은 컵(도 13c 상부)과 차가운 액체를 담은 컵(도 13c 하부)에 접촉했을 때 시간에 따른 온도 모니터링이 성공적으로 이루어진다(적색). 적외선 센서를 사용하여 대조군 온도 측정이 수행된다(청색).
스마트 보철의 또 다른 용도는 유체 접촉에 의한 축축함(dampness)의 감지이다. 보철 손의 습도 센서는 다이어퍼(diaper)에서 습도(humidity) 및 습윤도(wetness)(도 13d 상부 및 하부)에 대한 피드백을 제공한다. 건조된 경우와 습윤된 경우 간 측정된 커패시턴스 차이는 명확하게 구별된다(도 13d 우측). 또한, 열 구동기는 제어된 가열을 제공하여 보철로부터의 촉감을 자연스럽게 만들 수 있다(도 13e 좌측). 신축성 히터를 갖춘 인공 피부는 체온과 유사하도록 약 36.5℃로 가열된다. 이후, 아기 인형으로의 열 전달이 적외선 카메라로 포착된다(도 13e 우측).
실시예 8. Au 전극 상에서 PtNW 의 합성
전착(electrodeposition)을 위해 1.5M HClO4(70%, ACS reagent, Sigma Aldrich)를 함유하는 1%(wt/wt) H2PtCl6(≥99.5%, Sigma Aldrich) 용액이 준비된다. 다공성 AAO(anodic aluminum oxide) 주형(template)(Anodisc, Whatman)이 Au 전극 어레이 위에 적층되고 상기 H2PtCl6 용액에 담가진다. 홀더(holder)로 상기 Au 전극 상의 AAO 주형을 단단히 고정시킨다. Pt, Ag/AgCl 및 Au 전극을 각각 상대전극, 기준전극 및 작동전극으로 하는 3전극 시스템을 갖는 전기화학 워크스테이션(electrochemical workstation)을 사용하여 전착이 수행된다. -0.35V의 전위를 갖는 정전위 모드(potentiostatic mode)를 사용하여, 실온에서 약 30분간 전착이 수행된다. 상기 전착이 완료된 후, 샘플은 3차 증류수(triple-distilled water)로 세척된다. 마지막으로, 상기 샘플은 실온에서 약 30분간 1M NaOH 용액에 담가지고 상기 AAO 주형이 용해된다.
실시예 9. 세리아 나노입자의 합성
1 mmol(0.4 g)의 세륨(III) 아세테이트(98%, Sigma Aldrich) 및 12 mmol(3.2 g)의 올레일아민(약 80-90%의 C18 함량, AcrosOrganics)이 15 mL의 자일렌(98.5%, Sigma Aldrich)에 첨가된다. 상기 혼합된 용액은 실온에서 약 15분간 소니케이터(sonicator)로 처리되고 90℃로 가열된다. 90℃에서 격렬히 교반되는 상기 용액에 1mL의 탈이온수가 주입되고, 상기 용액의 색이 황백색(off-white)으로 변한다. 이는 상기 반응이 일어났다는 것을 의미한다. 이렇게 얻은 혼합물은 90℃에서 3시간 동안 숙성되고, 연한 황색의 콜로이드성 용액이 형성되고, 실온으로 냉각된다. 아세톤(100 mL)이 침전된 세리아 나노입자에 첨가된다. 원심분리를 통해 상기 침전물은 아세톤으로 세척되고 이렇게 얻은 세리아 나노입자는 클로로포름에 쉽게 분산될 수 있다.
실시예 10. 포스포리피드 - PEG 로 캡핑된 세리아 나노입자의 합성
생체적합성 세리아 나노입자를 만들기 위해, 클로로포름에 분산된 세리아 나노입자를 PEG-포스포리피드 쉘(shell)에 의해 인캡슐레이션된다(encapsulated). 먼저, CHCl3 내의 세리아 나노입자 5mL(10mg/mL)가 30mg의 mPEG-2000 PE를 함유하는 35mL의 CHCl3 용액과 혼합된다. 이후, 회전증발기를 사용하여 용매가 증발되고 클로로포름을 전부 제거하기 위해 진공에서 70℃에서 1시간 동안 인큐베이션된다. 5mL의 물을 첨가하여 투명한 연황색(clear and light-yellowish)의 현탁액이 형성된다. 여과 후에, 초원심분리에 의해 과량의 mPEG-2000 PE가 제거된다. 정제된 포스포리피드-PEG로 캡핑된 세리아 나노입자가 증류수에 분산된다.
실시예 11. 세리아 나노입자의 항산화 특성
세리아 나노입자의 항산화 특성을 확인하기 위해, 카탈라제유사 분석(catalase mimetic assay)이 사용된다. 분석 키트(Amplex® Red Hydrogen Peroxide/Peroxidase assay kit(Molecular Probes Inc.))를 사용하여 과산화수소의 소광(quenching)이 수량화된다. Amplex Red 시약(10-아세틸-3,7-디하이드록시페녹사진)은 과산화수소와 반응하여 HRP(horseradish peroxide)와 함께 적색의 형광 레소루핀(resorufin)을 형성한다. 레소루핀의 형광(571nm에서 여기, 585nm에서 방출)은 상기 샘플에서 과산화수소의 준위를 나타낸다. 먼저, 각 샘플의 과산화수소 농도를 결정하기 위해 과산화수소 표준 곡선이 준비된다. 5mM 세리아 나노입자 용액 30μL를 상기 PtNW로 피복된 전극 위에 드롭 캐스팅(drop casting)한 후, 각 샘플은 각 마리크로 웰(micro well)에 배치되고 50μL의 과산화수소 용액이 첨가된다. 이어서 50μL의 Amplex® Red 시약/HRP 작동 용액이 첨가된다. 과산화수소의 초기 농도는 5μM이었다. 실온에서 30분간 인큐베이션된 후에 형광이 측정된다.
실시예 12. 신축성 전극을 통한 감각 신호의 말초신경으로의 전달
피부 보철의 궁극적인 목표는 상/하지 절단 수술을 받은 자로 하여금 다양한 외부 자극을 느끼도록 하는 것이다. 이러한 목표를 달성하기 위해, 다양한 센서 어레이에 걸쳐서 포착된 신호가 처리되고 전송되어 대응하는 말초신경계를 자극해야 한다(도 14a). 말초신경으로의 효과적인 전하 주입을 위해, MEA(multi-electrode array)내 낮은 임피던스가 필수적이다. 또한, 인접한 근육의 기계적 동작이 다양한데, 생물학적 조직과 MEA 간 기계적 미스매치로부터 발생하는 상처를 방지하기 위해 인터페이싱 전극의 변형이 요구된다. 더욱이, 염증 반응이 신경 세포의 죽음과 말초 신경계의 손상을 야기할 수 있기 때문에, 전극과 신경 간의 계면에서 반응성 산소종(reactive oxygen species)에 의해 야기되는 염증이 억제되어야 한다.
낮은 임피던스를 달성하기 위해, 상기 MEA에 백금 나노와이어(PtNW; 도 14a의 삽입도 및 도 14b 좌측)를 성장시킨다. 양극 알루미늄 옥사이드(anodic aluminum oxide (AAO)) 나노구조체를 주형으로 사용한 전기화학적 방법으로 PtNW가 성장된다. 세리아 나노입자가 상기 PtNW에 흡착되어(도 14b 우측), 고농도에서 신경독성이 있는 반응성 산소종(ROS) 생성을 억제한다. 백금의 낮은 임피던스 및 나노와이어의 큰 표면적은 평면형의 금 또는 백금 전극보다 현저히 더 임피던스를 감소시킨다(도 14c 좌측). PtNW에 피복된 세리아 나노입자는 ROS를 성공적으로 제거하고(도 14c 우측), 이로써 ROS에 의한 염증이 방지된다. 도 14d는 근육 조직(우측) 내의 신경(청색 화살표)에 완전히 밀착되도록(conformally) 접촉한 신축성 MEA(좌측)를 보여 준다. Sprague Dawley 라트에서, 둔근을 해부한 후에 본 실험을 위해 좌골신경이 노출된다. 상기 신축성 MEA가 상기 신경 섬유 주위로 감싸지고(도 14e 좌측) 변형하에서 긴밀한 접촉(conformal contact)을 유지한다(도 14e 삽입도). 유한요소분석(FEA)(도 14e 우측)에 의하면, 유연성의 평면 쉬트형(planar-sheet type)의 MEA(도 14e 우측 하부)보다 신장가능하고 구불구불한 메쉬형(serpentine-mesh type)의 MEA(도 14e 우측 상부)을 사용한 경우에 훨씬 더 낮은 전단응력이 상기 신경 섬유에 가해진다. 도 15에 금속 접속(metal interconnection)을 강조한 MEA 메쉬가 나타나 있다. 기계적-응력-유래 염증은 상기 신축성 MEA에 흡착된 세리아 나노입자에 의해 방지될 수 있다.
신경 자극을 위해 필요한 시스템 구성요소 및 신호 흐름이 도 16에 나타나 있다. 스트레인 및 압력 센서로부터 나온 신호(흑색)을 얻어 입력 신호(적색)로 처리되고, 신경으로 주입된다(도 14f 및 14g). 입력 신호가 신축성 MEA를 통해 주입되고 흐르는 전류가 측정된다(청색). 측정된 신호는 상기 센서 및 입력 신호와 유사한 신호 형태를 보이는데(도 14f 및 14g), 이는 나노물질로 피복된 신축성 MEA 인터페이스를 통해 신호 주입이 성공적인 것을 의미한다.

Claims (19)

  1. 제1 인캡슐레이션층;
    상기 제1 인캡슐레이션층 위에 배치된 히터;
    상기 히터 위에 배치된 제2 인캡슐레이션층;
    상기 제2 인캡슐레이션층 위에 배치된 제1 센서 어레이층; 및
    상기 제1 센서 어레이층 위에 배치된 제3 인캡슐레이션층을 포함하고,
    상기 제1 센서 어레이층은,
    제1 패시베이션층,
    상기 제1 패시베이션층 위에 배치된 실리콘 패턴,
    상기 실리콘 패턴 위에 배치된 제1 금속 패턴, 및
    상기 제1 금속 패턴 위에 배치된 제2 패시베이션층을 포함하며,
    상기 제1 센서 어레이층은 압력 센서를 포함하고,
    상기 압력 센서는 상기 제1 패시베이션층에 상기 실리콘 패턴을 노출시키는 공동을 갖는 것을 특징으로 하는 피부 보철용 신축성 전자장치.
  2. 제1 인캡슐레이션층;
    상기 제1 인캡슐레이션층 위에 배치된 히터;
    상기 히터 위에 배치된 제2 인캡슐레이션층;
    상기 제2 인캡슐레이션층 위에 배치된 제1 센서 어레이층;
    상기 제1 센서 어레이층 위에 배치된 제3 인캡슐레이션층; 및
    상기 제3 인캡슐레이션층 위에 배치된 제2 센서 어레이층을 포함하고,
    상기 제2 센서 어레이층은 습도 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 피부 보철용 신축성 전자장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 센서 어레이층은,
    제1 패시베이션층,
    상기 제1 패시베이션층 위에 배치된 실리콘 패턴,
    상기 실리콘 패턴 위에 배치된 제1 금속 패턴, 및
    상기 제1 금속 패턴 위에 배치된 제2 패시베이션층을 포함하는 것을 특징으로 하는 피부 보철용 신축성 전자장치.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 실리콘 패턴 및 상기 제1 금속 패턴은 구불구불한 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 피부 보철용 신축성 전자장치.
  5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 실리콘 패턴은 도핑된 실리콘 나노멤브레인을 패터닝하는 것에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 피부 보철용 신축성 전자장치.
  6. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 실리콘 패턴은 실리콘 나노리본인 것을 특징으로 하는 피부 보철용 신축성 전자장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 센서 어레이층은 스트레인 센서 및 온도 센서 중에서 선택된 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피부 보철용 신축성 전자장치.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 센서 어레이층은 스트레인 센서, 압력 센서 및 온도 센서 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 피부 보철용 신축성 전자장치
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 스트레인 센서 및 상기 압력 센서는 각각,
    상기 피부 보철용 신축성 전자장치가 부착되는 신체의 위치에 따라 서로 다른 곡률을 갖고,
    상기 곡률이 커질수록 상기 신체에 의해 유도된 스트레인이 더욱 완화되는 것을 특징으로 하는 피부 보철용 신축성 전자장치.
  10. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 스트레인 센서는 휘트스톤 브릿지 구성(Wheatstone bridge configuration)을 갖고,
    상기 온도 센서의 곡률이 증가할수록 다른 스트레인 하에서 상기 온도 센서의 I-V 곡선 간의 다이버전스(divergence)가 감소하는 것을 특징으로 하는 피부 보철용 신축성 전자장치.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 히터는,
    제3 패시베이션층,
    상기 제3 패시베이션층 위에 배치된 제2 금속 패턴, 및
    상기 제2 금속 패턴 위에 배치된 제4 패시베이션층을 포함하는 것을 특징으로 하는 피부 보철용 신축성 전자장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제2 금속 패턴은 구불구불한 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 피부 보철용 신축성 전자장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제3 인캡슐레이션층 위에 배치된 제2 센서 어레이층을 더 포함하는 피부 보철용 신축성 전자장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제2 센서 어레이층은 습도 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 피부 보철용 신축성 전자장치.
  15. 제 2 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 습도 센서는,
    제5 패시베이션층,
    상기 제5 패시베이션층 위에 배치된 제3 금속 패턴, 및
    상기 제3 금속 패턴 위에 배치된 제6 패시베이션층을 포함하는 것을 특징으로 하는 피부 보철용 신축성 전자장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제3 금속 패턴은 구불구불한 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 피부 보철용 신축성 전자장치.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 습도 센서는 물 분자를 흡수하는 상기 제6 패시베이션층의 유전율 변화에 의해 야기된 커패시턴스 변화를 검출하는 것을 특징으로 하는 피부 보철용 신축성 전자장치.
  18. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 인캡슐레이션층, 상기 제2 인캡슐레이션층, 및 상기 제3 인캡슐레이션층은 각각 실리콘 폴리머(silicone polymer) 또는 실리콘 고무(silicone rubber)로 형성된 것을 특징으로 하는 피부 보철용 신축성 전자장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 실리콘 폴리머는 폴리디메틸실록산(PDMS)인 것을 특징으로 하는 피부 보철용 신축성 전자장치.
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