KR102568398B1 - Muti Channel Array Element Using Hybrid Graphene Electrode Brain Inserted - Google Patents
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Abstract
본 발명은 뇌 삽입용 그래핀 복합 전극을 이용한 다중 채널 어레이 소자에 관한 것으로, 대뇌 피질 표면과 접촉하여 뇌에서 발생한 신호를 측정하거나 외부의 자극을 뇌에 전달하는 각각의 그래핀 복합 전극; 각각의 그래핀 복합 전극에 전기적으로 연결되어 전기 신호를 전달하는 각각의 골드 전극으로 이루어진 연결부; 및 각각의 골드전극에 연결되어 뇌 외부에서 측정 및 자극용 회로 보드와 연결하는 통신 패드를 포함하며, 각각의 그래핀 복합 전극은 제1 탄소 구조체, 금속층, 제2 탄소 구조체로 이루어진다.The present invention relates to a multi-channel array device using graphene composite electrodes for brain implantation, each graphene composite electrode that contacts the surface of the cerebral cortex to measure a signal generated in the brain or transmits an external stimulus to the brain; Connection parts made of each gold electrode electrically connected to each graphene composite electrode to transmit an electric signal; and a communication pad connected to each gold electrode and connected to a circuit board for measurement and stimulation outside the brain. Each graphene composite electrode includes a first carbon structure, a metal layer, and a second carbon structure.
Description
본 발명은 뇌주입형 그래핀 복합 전극을 이용한 다중 채널 어레이 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a multi-channel array device using a brain-implanted graphene composite electrode.
뇌 삽입형 의료 기기는 신경 신호를 얻거나 전기 자극을 전달하는 다중 미세 전극을 포함하는 장치로, 뉴런을 전자 회로에 연결하는 신경 인터페이스 역할을 수행한다.A brain implantable medical device is a device that includes multiple microelectrodes that obtain nerve signals or deliver electrical impulses, and serve as a neural interface that connects neurons to electronic circuits.
전기 자극은 약물치료나 절제술에 비해 부작용이 적고 가역성과 조정 가능성의 장점을 갖는다.Electrical stimulation has fewer side effects than drug therapy or ablation, and has the advantage of being reversible and adjustable.
상업화되어 있는 전기 자극을 전달하는 뇌 삽입형 의료 기기의 경우, 뇌 심부를 자극하는 대뇌 침투형 전극봉을 이용하기 때문에 뇌 심부에 심각한 손상과 감염을 초래하는 문제점이 있었다.In the case of commercially available brain implantable medical devices that deliver electrical stimulation, since they use penetrating electrodes that stimulate the deep brain, there is a problem of causing serious damage and infection in the deep brain.
상술한 문제를 해결하기 위하여 본 발명은, 뇌에 삽입 시 두개골 개방을 최소화할 수 있으며, 생체 조직과의 부착력이 뛰어난 저잡음의 뇌 삽입용 그래핀 복합 전극을 이용한 다중 채널 어레이 소자를 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a multi-channel array device using a low-noise graphene composite electrode for brain implantation, which can minimize skull opening when inserted into the brain and has excellent adhesion to living tissue.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 In order to achieve the above technical problem, the present invention
대뇌 피질 표면과 접촉하여 뇌에서 발생한 신호를 측정하거나 외부의 자극을 뇌에 전달하는 각각의 그래핀 복합 전극;Each graphene composite electrode that contacts the surface of the cerebral cortex to measure a signal generated in the brain or transmits an external stimulus to the brain;
각각의 그래핀 복합 전극에 전기적으로 연결되어 전기 신호를 전달하는 각각의 골드 전극으로 이루어진 연결부; 및Connection parts made of each gold electrode electrically connected to each graphene composite electrode to transmit an electric signal; and
각각의 골드전극에 연결되어 뇌 외부에서 측정 및 자극용 회로 보드와 연결하는 통신 패드를 포함하며, 각각의 그래핀 복합 전극은 제1 탄소 구조체, 금속층, 제2 탄소 구조체로 이루어진 뇌 삽입용 그래핀 복합구조 전극을 이용한 다중 채널 어레이 소자를 제공한다.It includes a communication pad connected to each gold electrode and connected to a circuit board for measurement and stimulation from outside the brain, and each graphene composite electrode is graphene for brain insertion composed of a first carbon structure, a metal layer, and a second carbon structure. Provided is a multi-channel array device using a composite structure electrode.
제1 탄소 구조체와 제2 탄소 구조체는 그래핀(Graphene)이고, 상기 금속층은 금(Gold)으로 이루어진다.The first carbon structure and the second carbon structure are graphene, and the metal layer is made of gold.
제1 그래핀과 제2 그래핀의 두께는 0.335nm로 형성하고, 금속층의 두께는 6nm로 형성한다.The thickness of the first graphene and the second graphene is formed to be 0.335 nm, and the thickness of the metal layer is formed to be 6 nm.
본 발명은 뇌 삽입용 그래핀 복합구조 전극을 이용한 다중 채널 어레이 소자를 제공하며, 유연성과 기계적 특성이 뛰어나, 아주 좁은 면적의 두개골 영역 개방만으로 주입 가능하여 저잡음의 뇌 신호 측정 및 전기 자극용 소자로 기능할 수 있다.The present invention provides a multi-channel array device using a graphene composite structure electrode for brain implantation, and has excellent flexibility and mechanical properties, and can be injected only by opening a very small area of the skull, making it a device for measuring brain signals and electrical stimulation with low noise. can function
본 발명은 그래핀 사이에 금(Gold)을 얇게 증착하여 전기 화학적 임피던스를 낮추고, 동시에 높은 투과율(70.64%)를 보이며, 생체 내의 장기간 안정성에 뛰어난 효과가 있다.The present invention lowers the electrochemical impedance by thinly depositing gold between the graphenes, shows high transmittance (70.64%), and has excellent effects on long-term stability in the living body.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 뇌 삽입용 그래핀 복합 전극을 이용한 다중 채널 어레이 소자의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 복합 전극을 이용한 다중 채널 어레이 소자의 측면 층구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 뇌 삽입용 그래핀 복합 전극을 이용한 다중 채널 어레이 소자의 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 복합 전극의 투과율를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 4nm, 6nm, 8nm 골드 두께에 따라 임피던스 결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 복합 전극과 이전의 다른 물질에서의 면저항과 투과율을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 복합 전극의 전기 화학적 임피던스 분광법을 나타낸 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 복합 전극의 장기 안정성 및 주기적 전기 자극 테스트를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 복합 전극의 신호 대 잡음비(SNR)와 이전의 다른 물질에서의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 복합 전극과 골드 전극으로 신경 활동의 생체 내 뇌 신호의 측정 비교를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 깨어있는 모델에서 그래핀 복합 전극을 이용하여 실시간 뇌 신호 측정 및 전기 자극을 주는 모습을 나타낸 도면이다.1 and 2 are views showing the configuration of a multi-channel array device using a graphene composite electrode for brain implantation according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing a side layer structure of a multi-channel array element using a graphene composite electrode according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing a method of manufacturing a multi-channel array device using a graphene composite electrode for brain implantation according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing transmittance of a graphene composite electrode according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram showing impedance results according to 4 nm, 6 nm, and 8 nm gold thicknesses according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing sheet resistance and transmittance of a graphene composite electrode according to an embodiment of the present invention and other previous materials.
8 is a diagram showing electrochemical impedance spectroscopy of a graphene composite electrode according to an embodiment of the present invention.
9 and 10 are diagrams illustrating long-term stability and periodic electrical stimulation tests of graphene composite electrodes according to embodiments of the present invention.
11 is a diagram showing the signal-to-noise ratio (SNR) of a graphene composite electrode according to an embodiment of the present invention and the signal-to-noise ratio of other materials beforehand.
12 is a diagram showing comparison of measurement of brain signals in vivo of neural activity using a graphene composite electrode and a gold electrode according to an embodiment of the present invention.
13 is a diagram illustrating real-time brain signal measurement and electrical stimulation using a graphene composite electrode in an awake model according to an embodiment of the present invention.
이하, 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, with reference to the drawings, the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily practice it. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.
또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.In addition, in this application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other It should be understood that the presence or addition of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded. In this application, singular expressions may include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.
본 발명의 뇌 삽입용 그래핀 복합 전극을 이용한 다중 채널 어레이 소자는 유연성과 기계적 특성이 뛰어나고 뇌 신호 측정 특성이 우수한 그래핀 복합 전극으로 사용한다.The multi-channel array device using the graphene composite electrode for brain implantation according to the present invention is used as a graphene composite electrode having excellent flexibility and mechanical properties and excellent brain signal measurement characteristics.
기존 연구 되었던 백금 및 골드 전극은 불투명성과 광 유전학과 같은 광범위한 생물학적 응용을 제한한다.Previously studied platinum and gold electrodes are opaque and limit a wide range of biological applications such as optogenetics.
PEDOT:PSS 전극의 경우 수용성 특성으로 인해 생체 내 장기 사용에 어려움이 있다. 또한, ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명 물질도 투명 미세 전극 어레이의 전극 물질로 사용하지만 유연한 신경 인터페이스에 사용될 때 균열 및 기계적 열화에 취약하다.In the case of PEDOT:PSS electrodes, there are difficulties in long-term use in vivo due to their water-soluble properties. In addition, transparent materials such as ITO (Indium Tin Oxide) are also used as electrode materials for transparent microelectrode arrays, but are vulnerable to cracking and mechanical degradation when used in flexible neural interfaces.
반면, 본 발명의 그래핀 복합 전극은 그래핀 사이에 6nm 두께의 금(Gold)을 얇게 증착하여 전기 화학적 임피던스를 낮추고, 동시에 높은 투과율(70.64%)를 보이며, 생체 내의 장기간 안정성에 뛰어나다.On the other hand, the graphene composite electrode of the present invention lowers electrochemical impedance by thinly depositing 6 nm thick gold between graphenes, shows high transmittance (70.64%), and has excellent long-term stability in vivo.
다중 채널 어레이 소자의 총 두께가 6 내지 6.5μm에 불과하여 접촉력이 강하고 대뇌 피질 표면 위에 컨포멀(Conformal)한 접촉을 형성하는 장점이 있다.Since the total thickness of the multi-channel array element is only 6 to 6.5 μm, there is an advantage in that contact force is strong and conformal contact is formed on the surface of the cerebral cortex.
이러한 그래핀 복합구조 소재 및 구조에 기반한 소자를 실제 쥐 모델에서 대뇌 피질 표면 위에 장기간 심어 마취약의 영향없이 실시간 뇌 신호 측정 및 전기 자극을 주어 뇌전증을 완화한다. 이러한 바탕으로 많은 뇌 질환의 치료적 개입을 위한 임상적 응용을 가능하게 할 수 있다.Devices based on these graphene composite structures and structures are planted on the surface of the cerebral cortex for a long period of time in an actual rat model to measure brain signals in real time and provide electrical stimulation without the influence of anesthetics to alleviate epilepsy. Based on this, clinical applications for therapeutic intervention in many brain diseases can be made possible.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 뇌 삽입용 그래핀 복합 전극을 이용한 다중 채널 어레이 소자의 구성을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 복합 전극을 이용한 다중 채널 어레이 소자의 측면 층구조를 나타낸 도면이다.1 and 2 are views showing the configuration of a multi-channel array element using a graphene composite electrode for brain implantation according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a multi-channel array device using a graphene composite electrode according to an embodiment of the present invention. It is a diagram showing the side layer structure of the channel array element.
본 발명의 실시예에 따른 뇌 삽입용 그래핀 복합 전극을 이용한 다중 채널 어레이 소자(100)는 접촉부(110), 연결부(120) 및 통신 패드(130)를 포함한다.A
접촉부(110)는 일정한 간격마다 그래핀 복합 전극(Hybrid Graphene Electrode)(111)과 쓰루 홀(Thu Holes)을 복수개 형성한다. 여기서, 쓰루 홀은 뇌표면에 존재하는 액체물질을 배출하는 홀로서 그래핀 복합 전극(111)이 뇌표면의 접촉을 도와주는 기능을 수행한다.The
다중 채널 어레이 소자(100)는 대뇌 피질 표면과 접촉하여 뇌에서 발생한 신호를 측정하거나 외부의 자극을 뇌에 전달하는 각각의 그래핀 복합 전극(111)과, 각각의 그래핀 복합 전극(111)에 전기적으로 연결되어 전기 신호를 전달하는 각각의 골드 전극(121)으로 이루어진 연결부(120)와, 각각의 골드전극(121)에 연결되어 뇌 외부에서 측정 및 자극용 회로 보드와 연결하는 통신 패드(130)를 포함한다.The
각각의 그래핀 복합 전극(111)은 사각형 형태로 일정 거리 이격되어 형성하고, 대뇌 피질 표면과 접촉하는 부분이다.Each graphene
접촉부(110)는 대뇌 피질 표면과 접촉하여 뇌에서 발생한 신호를 측정하거나 외부의 자극을 뇌에 전달한다.The
통신 패드(130)는 두피 표면에 고정되거나 뇌의 외부로 인출되어 형성될 수도 있다. 통신 패드(130)는 뇌 외부에서 측정 및 자극용 회로 보드(예를 들어, FPCB 등)와 연결되는 컨택 보드이다.The
통신 패드(130)는 각각의 골드 전극(121)으로부터 일정한 길이로 연장되어 다중 채널로 형성하고, 연결부(120)의 폭보다 넓게 형성하여 FPCB의 결합을 손쉽게 한다.The
통신 패드(130)는 뇌 외부에서 FPCB에 연결되고, FPCB는 연결부재를 통해 외부의 PC에 연결되어 내장된 프로그램으로 수신된 뇌 신호를 분석하고 디스플레이 할 수 있다.The
연결부(120)는 각각의 그래핀 복합 전극(111)에 연결된 배선 전극인 골드 전극(121)으로 접촉부(110)와 통신 패드(130)의 사이를 연결한다.The
상기 각각의 골드 전극(121)은 일정한 길이로 길게 형성하고, 각각의 그래핀 복합 전극(111)의 일측에 대응되도록 연결된다.Each of the
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다중 채널 어레이 소자(100)는 복수의 그래핀 복합 전극(111)과 복수의 골드 전극(121)을 통해 32채널, 64채널, 128 채널 등의 다채널로 구성할 수 있다.1 and 2, the
도 3에 도시된 바와 같이, 다중 채널 어레이 소자(100)는 유리 기판(미도시)의 위에 폴리이미드(Polyimide) 기판(101)과, 폴리이미드 기판(101) 상에 그래핀 복합 전극(Hybrid Graphene Electrode)(111)과 골드 전극(Gold Electrode)(121)을 형성하고, 그래핀 복합 전극(111)과 골드 전극(121) 상에 형성된 절연층(102)을 포함한다.As shown in FIG. 3, the
폴리이미드 기판(101)은 4.2㎛ 두께를 가지고, 그래핀 복합 전극(111)을 지지하는 지지 기판의 역할을 하며, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 플렉서블(flexible)한 특성을 갖는 재료로 구성된다. 또한, 소자의 오픈된 그래핀 전극 부분만 생체조직에 부착되어야 하므로 절연체인 것이 바람직하다.The
따라서, 이에 한정되는 것은 아니나, Parylene, PET(Polyethylene terephthalate), PC(Polycarbonate), PES(Polyethersulfone), PDMS(Polydimethylsiloxane), PVP(Polyvinylpyrrolidone), PEN(Polyethylene naphthalate), PVC(Polyvinyl chloride), 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 본 발명의 소자에서 기판의 재료는 제작 공정 내에서 사용되는 다양한 케미컬들에 대한 우수한 내화학성 및 수 μm의 두께에서도 기계적 변형을 버틸 수 있는 우수한 기계적 물성의 측면에서 PI(polyimide)를 사용하는 것이 바람직하다.Therefore, although not limited thereto, Parylene, PET (Polyethylene terephthalate), PC (Polycarbonate), PES (Polyethersulfone), PDMS (Polydimethylsiloxane), PVP (Polyvinylpyrrolidone), PEN (Polyethylene naphthalate), PVC (Polyvinyl chloride), and these It may be any one selected from the group consisting of mixtures of. In the device of the present invention, it is preferable to use PI (polyimide) as the material of the substrate in terms of excellent chemical resistance to various chemicals used in the manufacturing process and excellent mechanical properties capable of withstanding mechanical deformation even at a thickness of several μm. do.
절연층(102)은 SU-8 패시베이션 레이어(Passivation Layer)로 그래핀 복합 전극(111)의 일부가 노출되도록 식각되며, 그래핀 복합 전극(111)의 일부와 골드 전극(121)의 일부가 인접하여 연결된다. 다시 말해, 각각의 골드 전극(121)은 40nm 두께를 가지고, 일측 끝단에 그래핀 복합 전극(111)을 연결하여 그래핀 복합 전극(111)에서 측정된 뇌 신호를 전달하거나 외부에 자극 신호를 뇌에 전달하는 역할을 한다.The
절연층(102)는 2㎛ 두께를 가지고, 그래핀 복합 전극(111)의 일부가 노출되도록 식각된다.The insulating
각각의 그래핀 복합 전극(111)은 제1 탄소 구조체(111a), 금속층(111b), 제2 탄소 구조체(111c)의 순서로 적층되어 있으며, 바람직하게는 6.67nm의 두께를 형성한다.Each
그래핀 복합 전극(111)의 크기는 대략 정사각형으로 250×250μm2이다.The size of the
제1 탄소 구조체(111a)는 N-layer 그래핀(Graphene), 카본 나노튜브(Carbon Nanotube) 등으로 이루어져 있다. 본 발명의 제1 탄소 구조체(111a)는 0.335nm 두께의 그래핀으로 형성한다.The
금속층(111b)은 금(Gold), 플래티늄(Platinum), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), pt 등 Novel Metal 종류 등의 다양한 금속물질 중 하나로 이루어질 수 있으며, 두께가 4 내지 10nm로 형성된다. 바람직하게는, 본 발명의 금속층(111b)은 6nm의 두께의 금(Gold)으로 형성한다.The metal layer 111b may be made of one of various metal materials such as Novel Metal, such as gold, platinum, silver (Ag), copper (Cu), nickel (Ni), iron (Fe), and pt. , with a thickness of 4 to 10 nm. Preferably, the metal layer 111b of the present invention is formed of gold with a thickness of 6 nm.
제2 탄소 구조체(111c)는 N-layer Graphene, 카본 나노튜브(Carbon Nanotube) 등으로 이루어져 있다. 본 발명의 제2 탄소 구조체(111c)는 0.335nm 두께의 그래핀으로 형성한다.The
이하에서는 본 발명의 제1 탄소 구조체(111a)와 제2 탄소 구조체(111c)는 설명의 편의를 위해서 제1 그래핀(111a)과 제2 그래핀(111c)으로 기재할 수 있다.Hereinafter, the
제1 그래핀(111a) 또는 제2 그래핀(111c)은 대뇌 피질 표면에 직접적으로 접촉하는 부분이다. 그래핀을 사용하는 이유는 금속층(111b)의 산화 환원 반응을 방지하고, 금속의 전기적 반응을 억제하여 뇌 신호 측정 시 잡음 신호를 최소화하며, 금속의 부식을 방지하기 위한 것이다.The
다른 실시예로서, 본 발명의 그래핀 복합 전극(111)은 제1 그래핀(111a), 골드(111b) 및 제2 그래핀(111c)으로 구성하고 하지만 이에 한정하지 않으며, 제1 그래핀, 골드, 제2 그래핀, 골드 등 다양한 층 구성을 적용할 수 있다.As another embodiment, the
제1 그래핀(111a)과 제2 그래핀(111c)은 각각 다층의 그래핀 전극층으로 형성하거나, 그래핀 전극층에 금속층(111b)을 혼합하는 층을 형성할 수 있다.Each of the
금속층(111b)은 다층의 금속층으로 구성하거나, 금속층(111b)에 그래핀 전극층을 혼합하는 층을 형성할 수 있다.The metal layer 111b may be composed of multiple metal layers or a layer in which a graphene electrode layer is mixed with the metal layer 111b may be formed.
다중 채널 어레이 소자(100)는 폴리이미드(Polyimide) 기판(101)과, 제1 그래핀(111a), 골드(111b) 및 제2 그래핀(111c)으로 이루어진 그래핀 복합 전극(Hybrid Graphene Electrode)(111)과, 골드 전극(Gold Electrode)(121)이 조건에 따라 크기와 두께를 변경할 수 있다.The
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 뇌 삽입용 그래핀 복합 전극을 이용한 다중 채널 어레이 소자의 제조 방법을 나타낸 도면이다.4 is a view showing a method of manufacturing a multi-channel array device using a graphene composite electrode for brain implantation according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 뇌 삽입용 그래핀 복합 전극을 이용한 다중 채널 어레이 소자(100)의 제조 방법은 제1 단계(S100), 제2 단계(S101), 제3 단계(S102), 제4 단계(S103), 제5 단계(S104) 및 제6 단계(S105)를 포함한다.The manufacturing method of the
제1 단계(S100)는 CVD(Chemical Vapor Deposition) 공법을 이용하여 퍼니스 장비에 수소와 메탄 가스를 통과시켜 구리기판 위에 그래핀 단층을 성장한다(그래핀 성장 과정).In the first step (S100), a graphene monolayer is grown on a copper substrate by passing hydrogen and methane gas through a furnace equipment using a CVD (Chemical Vapor Deposition) method (graphene growth process).
제2 단계(S101)는 2개의 성장된 그래핀 단층 위에 PMMA(Polymethlymethacrylate) 막을 코팅한 후, APS(Ammonium Persulfate) 용액을 이용하여 구리기판을 에칭한다(구리 에칭 과정).In the second step (S101), a polymethlymethacrylate (PMMA) film is coated on the two grown graphene monolayers, and then the copper substrate is etched using an aluminum persulfate (APS) solution (copper etching process).
제3 단계(S102)는 APS 용액에 의하여 구리기판이 에칭되고, 증류수(DI Water)를 이용하여 불순물을 세척한다(세척 과정).In the third step (S102), the copper substrate is etched by the APS solution, and impurities are washed using distilled water (DI Water) (cleaning process).
제4 단계(S103)는 제3 단계(S102)의 그래핀 단층과 (1)의 PMMA를 아세톤으로 제거 및 전극이 필요한 기판으로 전사한 후에 얇은 금막(6nm)을 증착한다(Physical Vapor Deposition 공법).In the fourth step (S103), a thin gold film (6 nm) is deposited after removing the graphene monolayer of the third step (S102) and the PMMA of (1) with acetone and transferring them to a substrate requiring an electrode (Physical Vapor Deposition method) .
제5 단계(S104)는 제4 단계(S103) 위에 제3 단계(S102)의 그래핀 단층과 (2)를 전사한다.In the fifth step (S104), the graphene monolayer of the third step (S102) and (2) are transferred onto the fourth step (S103).
제6 단계(S105)는 증류수 건조 및 아세톤을 이용하여 PMMA를 제거하여 그래핀 복합 구조의 그래핀 복합 전극(111)을 완성한다.In the sixth step ( S105 ), PMMA is removed using distilled water drying and acetone to complete the
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 복합 전극의 투과율를 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 4nm, 6nm, 8nm 골드 두께에 따라 임피던스 결과를 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 복합 전극과 이전의 다른 물질에서의 면저항과 투과율을 나타낸 도면이다.5 is a diagram showing transmittance of a graphene composite electrode according to an embodiment of the present invention, FIG. 6 is a diagram showing impedance results according to 4nm, 6nm, and 8nm gold thicknesses according to an embodiment of the present invention, and FIG. It is a diagram showing the sheet resistance and transmittance of the graphene composite electrode according to an embodiment of the present invention and other previous materials.
그래핀 복합 전극(111)은 제1 그래핀(111a)와 제2 그래핀(111c)의 사이에 6 nm 두께의 골드(Au)(111b)를 얇게 증착하여 전기 화학적 임피던스를 낮추고, 동시에 높은 투과율(70.64%)를 보이며, 생체 내의 장기간 안정성에 뛰어난 효과가 있다(도 5).The
도 6은 그래핀 복합 전극(111)에서 4nm, 6nm, 8nm 골드 두께에 따라 임피던스의 결과를 나타낸 것이다.6 shows impedance results according to 4 nm, 6 nm, and 8 nm gold thicknesses in the
그래핀 복합 전극(111)은 면 저항(24.37Ω/square)을 바탕으로 한 전기 전도도와 투과율(70.64%)에서 좋은 결과를 보였다.The
그래핀 복합 전극(111)에서 그래핀(111a, 111c) 사이에 증착된 얇은 골드 두께는 전극의 전기적 및 광학적 특성을 결정하는 중요한 변수이다.The thin gold thickness deposited between the
도 7에 도시된 바와 같이, 그래핀 사이에 매우 얇은 골드 10nm 이내 두께(5nm, 6nm, 7nm)를 바꿔가며 면 저항 및 투과율을 측정했다.As shown in FIG. 7, sheet resistance and transmittance were measured while changing the thickness (5 nm, 6 nm, 7 nm) of very thin gold between graphenes within 10 nm.
그래핀 복합 전극(111)은 면 저항을 바탕으로 얻은 전기 전도도와 측정한 투과율을 확인한 결과, 골드 6nm 두께 지점에서 면 저항 24.37Ω/square와 550nm 영역에서의 높은 투과율(70.64%)을 가진다.As a result of confirming the electrical conductivity obtained based on the sheet resistance and the measured transmittance, the
본 발명의 그래핀 복합 전극(111)에서 골드(111b)의 두께를 6nm로 선택한 이유는 70% 이상의 투과율과 낮은 임피던스를 나타내기 때문이다.The reason why the thickness of the gold 111b was selected as 6 nm in the
이하의 도 12와 같이, 투과율은 그래핀 복합 전극(111)을 사람의 눈으로 보았을 때, 어느 정도 비율로 투과를 하는지 투명도를 나타낸다.As shown in FIG. 12 below, the transmittance indicates the transparency at what rate the
그래핀 복합 전극(111)은 뇌 표면에 설치하는 경우, 뇌 표면의 혈관이 보여야 어느 위치에 설치하는지 알 수 있기 때문에 투과율이 중요한 요소이다.When the
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 복합 전극의 전기 화학적 임피던스 분광법을 나타낸 도면이다.8 is a diagram showing electrochemical impedance spectroscopy of a graphene composite electrode according to an embodiment of the present invention.
그래핀 복합 전극(111)은 그래핀 사이에 매우 얇은 6nm 골드 전극을 증착하고, 골드 전극 및 도핑된 그래핀 전극의 전기 화학적 특성을 테스트를 하였다. 그래핀 복합 전극(111)의 임피던스는 주요 Epileptic Discharge가 나타나는 Local Field Potential 범위(1 내지 100Hz)에서 가장 낮은 값을 나타냈다.For the
그래핀 복합 전극(111)의 임피던스는 질산 도핑된 4층 그래핀 전극과 골드 전극에 비해 낮은 지역장 전위 범위 내에서 더 낮은 값을 나타낸다.The impedance of the
그래핀 복합 전극(111)은 임피던스가 낮으면 낮을수록 뇌 신호 측정 시 노이즈가 줄어들고, 뇌 신호를 정확하게 구분할 수 있는 장점이 있다.The lower the impedance of the
저주파 범위에서 낮은 임피던스는 효율적으로 전기 신호의 흐름을 돕고 전자 노이즈를 줄일 수 있다. 또한, 우수한 그래핀 복합 전극(111)이 더 나은 전하 전달 성능 및 저장 기능이 보였는지 조사하기 위해 순환 전압 전류법(CV)를 확인했다. In the low frequency range, low impedance can help the flow of electric signals efficiently and reduce electronic noise. In addition, cyclic voltammetry (CV) was checked to investigate whether the superior graphene
그래핀 복합 전극(111)은 1.65 mC cm-2의 비 정전 용량을 가진다는 것을 발견하고, 골드 전극 0.906 mC cm-2 보다 훨씬 높다.It is found that the
이는 그래핀 복합 전극(111)의 표면적이 골드 필름의 표면적을 능가하여 신경 자극 응용에 전달되는 전하 이동량을 향상시킬 수 있음을 나타낸다.This indicates that the surface area of the
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 복합 전극의 장기 안정성 및 주기적 전기 자극 테스트를 나타낸 도면이다.9 and 10 are diagrams illustrating long-term stability and periodic electrical stimulation tests of graphene composite electrodes according to embodiments of the present invention.
본 발명은 인산 완충 생리 식염수(PBS pH 7.4)에서 그래핀 복합 전극(111)의 비교적 장기간 안정성을 확인하고자 전기 화학 임피던스 분광법(EIS)을 0일, 13일 및 31일에서 측정하였다.In the present invention, in order to confirm the relatively long-term stability of the
그래핀 복합 전극(111)은 장기(Long-Term) 안정성을 조사하기 위해 0일, 13일 및 31일에 전기 화학 임피던스를 측정하였다.Electrochemical impedance of the
발작이 감지되었을 때 전기 신호 전력의 가장 분산된 주파수 범위인 특정 주파수 범위(15 내지 28Hz)에서 임피던스 변화를 관찰했다.Impedance changes were observed in a specific frequency range (15 to 28 Hz), the most dispersive frequency range of electrical signal power when a seizure was detected.
발작이 감지되었을 때, 전기 신호 전력의 가장 분산된 주파수 범위인 특정 주파수 범위의 임피던스 변화는 6.69%로 큰 변화가 없는 걸 확인했다.When a seizure was detected, it was confirmed that the impedance change in a specific frequency range, which is the most dispersive frequency range of electrical signal power, did not change significantly at 6.69%.
그래핀 복합 전극(111)은 약 한 달 동안 6.69%로 무시할 수 있는 수준의 저하를 보이는 것으로 관찰했다. 또한, 주기적 전기 자극 테스트 9 x 105에서의 상대 임피던스는 약 4%로 미세한 변화를 보였다. 이러한 결과는 본 발명의 그래핀 복합 전극(111)이 비교적 장시간 지속되는 안정성으로 뇌에서 구동할 수 있음을 보여준다.It was observed that the
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 복합 전극의 신호 대 잡음비(SNR)와 이전의 다른 물질에서의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이고, 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 복합 전극과 골드 전극으로 신경 활동의 생체 내 뇌 신호의 측정 비교를 나타낸 도면이다.FIG. 11 is a diagram showing the signal-to-noise ratio (SNR) of a graphene composite electrode according to an embodiment of the present invention and the signal-to-noise ratio of other previous materials, and FIG. 12 is a graphene composite electrode according to an embodiment of the present invention. It is a diagram showing the comparison of measurement of brain signals in vivo of neural activity with and gold electrodes.
도 11의 그래핀 복합 전극(111)은 다른 물질보다 높은 SNR을 나타내고, 높은 SNR은 뇌 표면에서 정확한 뇌 활동을 관찰하는데 도움이 된다.The
간질 유도 약물을 주입한 후, 그래핀 복합 전극, 골드 전극의 뇌 신호를 측정하여 비교한 결과, 그래핀 복합 전극의 SNR의 값이 51.68로 골드 전극의 비해 높은 수준의 값을 가진다. 골드 전극은 SNR의 값이 5.56이 된다. 이로 인해 본 발명의 그래핀 복합 전극(111)은 대뇌 피질 표면의 뇌 신경 활동을 명확하게 감지할 수 있다.After injecting the epilepsy-inducing drug, the brain signals of the graphene composite electrode and the gold electrode were measured and compared. As a result, the SNR of the graphene composite electrode was 51.68, which is higher than that of the gold electrode. The gold electrode has an SNR value of 5.56. Due to this, the
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 복합 전극(111), 질산 도핑된 4층 그래핀과 골드 전극으로 신경 활동의 생체 내 뇌 신호의 측정 비교를 나타낸 도면이다.FIG. 12 is a diagram showing measurement comparison of in vivo brain signals of neural activity using a
간질 유도 약물을 주입한 후, 그래핀 복합 전극(111), 질산 도핑된 4층 그래핀 전극과 골드 전극의 뇌 신호를 측정하여 비교한 결과, 그래핀 복합 전극(111)의 SNR의 값이 51.68로 질산 도핑된 4층 그래핀 전극의 SNR 값(34.50), 골드 전극의 SNR 값(5.66)에 비해 높은 수준의 값을 가진다. 이로 인해 대뇌 피질 표면의 뇌 신경 활동을 명확하게 감지할 수 있다.After injecting epilepsy-inducing drugs, brain signals of the
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 깨어있는 모델에서 그래핀 복합 전극을 이용하여 실시간 뇌 신호 측정 및 전기 자극을 주는 모습을 나타낸 도면이다.13 is a diagram illustrating real-time brain signal measurement and electrical stimulation using a graphene composite electrode in an awake model according to an embodiment of the present invention.
도 13은 실험 동물의 머리뼈 내부에 다중 어레이 소자(100)를 삽입한 모습이다.13 is a view showing the
그래핀 복합 전극(111)을 이용한 다중 어레이 소자(100)로 실제 쥐의 대뇌 피질 표면에 장기간 심어 실시간 뇌 신호 측정 및 전기 자극이 가능하다.The
동물의 머리에 심기 적합한 사이즈로 소형화된 MEA와 PCB 보드를 실험 동물의 머리에 삽입한 후 고정한다. 수술 후 회복기를 거치고, 뇌전증을 유도하는 약물을 주입해 행동과 뇌파를 실시간으로 관측한다.The MEA and PCB board, which are miniaturized to a size suitable for planting on the animal's head, are inserted into the experimental animal's head and then fixed. After undergoing a recovery period after surgery, drugs that induce epilepsy are injected to observe behavior and brain waves in real time.
뇌전증을 유도하는 약물을 동물에 주입하면, 안면 떨림, 고개 끄덕임, 움직이지 않는 응시, 전신 발작 등 심각한 병변이 발생한다.When animals are injected with drugs that induce epilepsy, serious lesions such as facial tremors, head nodding, motionless staring, and generalized seizures occur.
다중 어레이 소자(100)는 동물의 움직임에 의한 노이즈가 측정되지 않아 동물의 행동에 따른 순수한 뇌파를 검출하는 것이 가능하다.The
다중 어레이 소자(100)는 뇌전증이 유도된 동물에게 삽입된 MEA를 통하여 치료 자극을 전달하게 되고, 뇌파와 행동 양상이 호전되었음을 보인다.The
다중 어레이 소자(100)는 뇌전증 특이적으로 우세를 보이는 알파파와 쎄타파 영역의 뇌파가 크게 감소됨을 확인할 수 있었다.In the
상술한 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely an example of the technical idea of the present invention, and various modifications and variations can be made to those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments described in the present invention are for explaining the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be construed by the following claims, and all technical ideas within the equivalent range should be construed as being included in the scope of the present invention.
100: 다중 채널 어레이 소자
101: 폴리이미드 기판
102: 절연층
110: 접촉부
111: 그래핀 복합 전극
111a: 제1 탄소 구조체, 제1 그래핀
111b: 금속층, 금, 골드
111c: 제1 탄소 구조체, 제2 그래핀
120: 연결부
121: 골드 전극
130: 통신 패드100: multi-channel array element
101: polyimide substrate
102: insulating layer
110: contact
111: graphene composite electrode
111a: first carbon structure, first graphene
111b: metal layer, gold, gold
111c: first carbon structure, second graphene
120: connection part
121: gold electrode
130: communication pad
Claims (8)
상기 각각의 그래핀 복합 전극에 전기적으로 연결되어 전기 신호를 전달하는 각각의 골드 전극으로 이루어진 연결부; 및
상기 각각의 골드전극에 연결되어 뇌 외부에서 측정 및 자극용 회로 보드와 연결하는 통신 패드를 포함하며, 상기 각각의 그래핀 복합 전극은 제1 탄소 구조체, 금속층, 제2 탄소 구조체의 순서로 적층되어 이루어진 뇌 삽입용 그래핀 복합 전극을 이용한 다중 채널 어레이 소자.Graphene composite electrodes that contact the surface of the cerebral cortex to measure signals generated in the brain or transmit external stimuli to the brain;
a connection portion made of each gold electrode electrically connected to each of the graphene composite electrodes to transmit an electrical signal; and
It includes a communication pad connected to each of the gold electrodes and connected to a circuit board for measurement and stimulation from outside the brain, and each of the graphene composite electrodes is stacked in the order of a first carbon structure, a metal layer, and a second carbon structure. A multi-channel array device using a graphene composite electrode for brain implantation.
상기 제1 탄소 구조체와 상기 제2 탄소 구조체는 그래핀(Graphene)이고, 상기 금속층은 금(Gold)으로 이루어진 뇌 삽입용 그래핀 복합 전극을 이용한 다중 채널 어레이 소자.The method of claim 1,
The first carbon structure and the second carbon structure are graphene, and the metal layer is a multi-channel array element using a graphene composite electrode for brain insertion made of gold.
상기 각각의 그래핀 복합 전극은 사각형 형태로 일정 거리 이격되어 형성하고, 상기 각각의 골드 전극은 일정한 길이로 길게 형성하고, 상기 각각의 그래핀 복합 전극의 일측에 대응되도록 연결하고, 상기 통신 패드는 상기 각각의 골드 전극으로부터 일정한 길이로 연장되어 다중 채널로 형성하고, 상기 연결부의 폭보다 넓게 형성하는 뇌 삽입용 그래핀 복합 전극을 이용한 다중 채널 어레이 소자.The method of claim 1,
Each of the graphene composite electrodes is formed in a quadrangular shape and spaced apart from each other by a predetermined distance, and each of the gold electrodes is formed long with a predetermined length and connected to one side of each graphene composite electrode, and the communication pad is A multi-channel array element using a graphene composite electrode for brain insertion that extends from each of the gold electrodes to a certain length to form a multi-channel and is wider than the width of the connecting portion.
상기 금속층의 두께는 4 내지 10nm로 형성하는 뇌 삽입용 그래핀 복합 전극을 이용한 다중 채널 어레이 소자.The method of claim 1,
The thickness of the metal layer is a multi-channel array device using a graphene composite electrode for brain insertion to form a thickness of 4 to 10 nm.
상기 제1 탄소 구조체와 상기 제2 탄소 구조체의 두께는 0.335nm로 형성하고, 상기 금속층의 두께는 6nm로 형성하는 뇌 삽입용 그래핀 복합 전극을 이용한 다중 채널 어레이 소자.The method of claim 1,
The first carbon structure and the second carbon structure have a thickness of 0.335 nm, and the metal layer has a thickness of 6 nm.
기판 상에 상기 각각의 그래핀 복합 전극와, 상기 각각의 그래핀 복합 전극의 일측에 상기 각각의 골드 전극을 전기적으로 연결하고, 상기 각각의 그래핀 복합 전극과 상기 각각의 골드 전극 상에 절연층을 형성하며, 상기 절연층은 상기 그래핀 복합 전극의 일부가 노출되도록 식각되는 뇌 삽입용 그래핀 복합 전극을 이용한 다중 채널 어레이 소자.The method of claim 1,
Electrically connecting each of the graphene composite electrodes on a substrate and each of the gold electrodes to one side of each of the graphene composite electrodes, and forming an insulating layer on each of the graphene composite electrodes and each of the gold electrodes. And the insulating layer is a multi-channel array device using a graphene composite electrode for brain insertion in which a portion of the graphene composite electrode is etched to be exposed.
상기 제1 탄소 구조체와, 상기 제2 탄소 구조체는 하나 이상의 다층의 그래핀 전극층을 형성하거나, 상기 그래핀 전극층에 금속층을 혼합하는 층을 형성하는 뇌 삽입용 그래핀 복합 전극을 이용한 다중 채널 어레이 소자.The method of claim 1,
The first carbon structure and the second carbon structure form one or more multi-layer graphene electrode layers, or a multi-channel array element using a graphene composite electrode for brain implantation to form a layer in which a metal layer is mixed with the graphene electrode layer. .
상기 금속층은 다층의 금속층을 형성하거나, 상기 금속층에 그래핀 전극층을 혼합하는 층을 형성하는 뇌 삽입용 그래핀 복합 전극을 이용한 다중 채널 어레이 소자.The method of claim 2,
The metal layer is a multi-channel array element using a graphene composite electrode for brain implantation to form a multi-layer metal layer or to form a layer in which a graphene electrode layer is mixed with the metal layer.
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