KR20150095964A

KR20150095964A - 플렉시블 전극 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20150095964A
Application number: KR1020140016016A
Authority: KR
Inventors: 백남섭; 김용희; 정상돈; 김국화
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2014-02-12
Filing date: 2014-02-12
Publication date: 2015-08-24

Abstract

플렉시블 전극은 기판, 상기 기판의 표면에 형성된 전극, 상기 전극의 하부에 위치되고 상기 기판 내에 형성된 제1 다공성 구조체, 상기 기판 상에 형성되고 상기 전극을 노출시키는 개구부를 포함하는 전극 보호막 및 상기 개구부를 통해 노출된 상기 전극 상에 형성된 제2 다공성 구조체를 포함한다. 이와 같은 방법으로 제작된 플렉시블 전극은 유연한 기판과 금 나노입자에 의한 접착 표면적 증가에 의해 전극과 기판과의 접착력이 향상되어 장기간 전극 안정성을 갖는다. 따라서, 이러한 장기간 전극 안정성 요구되는 인체삽입용 전극으로 사용가능하며, 다양한 분야에 신경전극에 의한 전기자극 및 신경신호 측정용 전극으로 사용될 수 있다.

Description

플렉시블 전극 및 그 제조방법{Flexible Electrode and Method for Manufacturing the same}

본 발명은 플렉시블 전극 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 전도성 전극에 금속 나노입자를 전착시킨 후, 이를 플렉시블 기판에 전사시켜 플렉시블 기판과 전도성 전극의 결합력를 강화시켜 장기간 생체이식 안정성을 갖는 플렉시블 전극의 제조방법에 관한 것이다.

신경 전기자극용 플렉시블 전극은 유연성, 낮은 전극 임피던스(impedance), 높은 전하량(charge storage capacity), 신경조직과 전극의 생체친화성, 다 채널, 그리고 장기간 이식 안정성이 요구된다.

그러나, 기존의 플렉시블 전극은 플렉시블 기판과 금 전극 사이에 접착력 향상을 위해 Cr이나 Ti와 같은 접착층을 삽입하여 제작하고 있으나, Cr/Au나 Ti/Au 전극의 경우 장기간 사용시 금 전극 박리현상이 발생하는데, 이는 장기 안정성을 요구하는 인체삽입용 신경전극의 경우 해결해야 하는 핵심 문제이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 플렉시블 기판과 전극과의 결합력을 향상시켜 전극의 장기 안정성을 개선시키는 플렉시블 전극의 제조방법을 제공하는 것이다.

이에 본 발명자들은 플렉시블 기판에 Cr/Au를 증착하여 제작된 신경전극의 금 전극 박리현상 문제를 원천적으로 해결할 수 있는 방안을 연구하면서 금 전극에 금 나노입자를 전착시켜(electrodeposition) 나노 구조체를 형성한 후 일정 온도와 압력 하에서 유연한 플렉시블 기판에 전사시키는 경우 플렉시블 기판과 금 전극과의 결합력을 향상시켜 전극의 장기 안정성을 향상시킬 수 있음을 밝히고 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 일 실시예에 따른 플렉시블 전극은 기판; 상기 기판의 표면에 형성된 전극; 상기 전극의 하부에 위치되고, 상기 기판 내에 형성된 제1 다공성 구조체; 상기 기판 상에 형성되고, 상기 전극을 노출시키는 개구부를 포함하는 전극 보호막; 및 상기 개구부를 통해 노출된 상기 전극 상에 형성된 제2 다공성 구조체를 포함한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉시블 전극의 제조 방법은 제1 기판 상에 전극을 형성하는 단계; 상기 전극 상에 제1 다공성 구조체를 형성하는 단계; 상기 플렉시블한 제2 기판으로 상기 제1 다공성 구조체 및 상기 전극을 전사시키는 단계; 상기 플렉시블한 제2 기판 상에, 상기 전극을 노출시키는 개구부를 포함하는 전극 보호막을 형성하는 단계; 및 상기 개구부내에 노출된 상기 전극 상에 제2 다공성 구조체를 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 플렉시블 전극의 제조방법에 따라 제작된 플렉시블 전극은 유연한 기판과 금 나노입자에 의한 접착 표면적 증가에 의해 전극과 기판과의 접착력이 향상되어 장기간 전극 안정성을 갖는다.

또한, 이러한 장기간 전극 안정성이 요구되는 인체삽입용 전극으로 사용가능하며, 다양한 분야에 신경전극에 의한 전기자극 및 신경신호 측정용 전극으로 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉시블 전극 어레이의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 나노입자를 이용한 플렉시블 전극 어레이를 나타내는 단면도이다.
도 3 내지 도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 장기간 안정한 플렉시블 전극 제조과정을 나타낸 단면도이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉시블 전극의 접착력 개선을 보여주는 사진이다.

이하, 본 발명은 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 하기 도면에 의해 한정되는 것으로 이해되어서는 안된다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 지름과 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장될 수 있다. 또한, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉시블 전극 어레이의 평면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉시블 전극 어레이를 나타내는 단면도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉시블 전극은 플렉시블 기판(110), 전극(30A), 제1 다공성 구조체(100), 제2 다공성 구조체(130) 및 전극 보호막(140)을 포함한다. 또한, 플렉시블 전극은 기판(110) 상에 형성되어 기판(110)과 전극(30A) 사이에 개재된 절연막(미도시됨)을 더 포함할 수 있다.

플렉시블 기판(110)은 PMMA(폴리메틸 메타크릴레이트), PC(폴리카보네이트), LCP(액정 폴리머), 폴리이미드, PFA(퍼플루오로알콕시), PVDF(폴리비닐리덴 플루오라이드), 테프론 등을 선택할 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.

전극(30A)은 플렉시블 기판(110)의 표면에 형성된다. 전극(30A)은 플렉시블 기판(110) 내에 임베디드된 형태로 형성될 수 있으며, 전극(30A)의 상부면이 플렉시블 기판(110)의 표면에 노출될 수 있다. 전극(30A)의 수는 8, 16, 32, 64개 등 제안을 두지 않는다. 또한, 전극(30A)은 사용되는 분야에 따라 물질이 선택될 수 있으며, 예를 들면, 금 등의 도전성 물질을 포함할 수 있다.

제1 다공성 구조체(100)는 전극(30A)의 하부에 위치되고 플렉시블 기판(110) 내에 형성된다. 제1 다공성 구조체(100)는 전극(30A)의 하부면과 연결되도록 형성될 수 있다. 제1 다공성 구조체(100)는 전도성 나노입자 또는 금속산화물을 포함할수 있다. 예를 들어, 제1 다공성 구조체(100)는 금 나노입자, 금-백금 복합 나노입자, 백금 및 IrOx로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.

전극 보호막(140)은 플렉시블 기판(110) 상에 형성되고 전극(30A)을 노출시키는 개구부를 포함한다.

제2 다공성 구조체(130)는 개구부를 통해 노출된 전극(30A) 상에 형성된다. 제2 다공성 구조체(130)는 전극(30A)의 상부면과 연결되도록 형성될 수 있다. 제2 다공성 구조체(130)는 전도성 나노입자 또는 금속산화물을 포함할수 있다. 예를 들어, 제2 다공성 구조체(130)는 금 나노입자, 금-백금 복합 나노입자, 백금 및 IrOx로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.

도 3 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉시블 전극의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 제1 기판(10) 상에 전극(30A)을 형성한다. 이때, 전극(30A)을 형성하기 전에, 제1 기판(10) 상에 절연막(20)을 형성하는 것도 가능하다. 제1 기판(10) 상에 절연막(20)을 형성하지 않는 경우, 제1 기판(10)은 실리콘 웨이퍼 외의 다른 전도성 기판일 수 있다. 예를 들어, 제1 기판(10)은 인청동 시트(phosphor bronze sheet) 또는 비전도성 고분자 필름 일 수 있다.

이어서, 기판(10) 또는 절연막(20) 상에 전극용 도전막(30)을 형성한다. 전극용 도전막(30)은 사용되는 분야에 따라 물질이 선택될 수 있으며, 예를 들면, 금 등의 도전성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 금을 증착하여 전극용 도전막(30)을 형성하거나, 금을 증착한 후 필요에 따라 금 도금 방법으로 전극용 도전막(30)의 두께를 조절한다. 이어서, 전극용 도전막(30) 상에 스핀코팅 방식으로 감광층(40)을 형성한 후, 포토마스크(50)을 사용하여 감광층(40)을 노광한 후 현상한다. 이로써, 도 4의 감광 패턴(40A)이 형성된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 감광 패턴(40A)을 베리어로 전극용 도전막(30)을 식각하여 전극(30A)을 형성한다. 상기 식각 방법은 감광 패턴(40A)의 물질에 따라 이 분야의 당업자에 의해 적절하게 선택될 수 있다. 이와 같이 감광 패턴(40)을 이용하여 전극용 도전막(30)을 식각함으로써, 감광 패턴(40)에 의해 전극용 도전막(30)을 보호하면서 패터닝할 수 있다.

이어서, 감광 패턴(40A)을 제거한다. 예를 들어, 아세톤 등을 이용하여 감광 패턴(40A)을 제거할 수 있다. 이로써, 특정 모양과 형태의 전극(30A)을 제1 기판(10)에 형성할 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 전극(30A) 표면에 제1 다공성 구조체(100)를 형성한다. 여기서, 제1 다공성 구조체(100)는 전도성 나노입자 또는 금속산화물을 포함할 수 있다. 또한, 제1 다공성 구조체(100)는 전기화학적 방법으로 형성될 수 있는데, 예를 들어, 전착(electrodeposition) 방식으로 형성될 수 있다. 전극(30A)의 표면에 도전성의 제1 다공성 구조체(100)를 전착시키면, 제1 다공성 구조체(100)와 전극(30A)이 전기적으로 연결된다. 예를 들면, 금 나노입자 용액으로 0.5 M 황산에 녹인 5 mM HAuCl₄ 용액을 사용할 수 있으며, -0.2 V의 일정 전압 하에서 20분 동안 전착할 수 있으며, 이는 하나의 일예일 뿐이며, 당업자에 의해 이 분야의 일반적으로 사용되는 조건으로 전착될 수 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 전극(30A) 및 제1 다공성 구조체(100)를 플렉시블한 제2 기판(110)에 전사시킨다. 예를 들어, 플렉시블한 제2 기판(110)이 전극(30A) 및 제1 다공성 구조체(100)와 접촉되도록, 제1 기판(10) 상에 플렉시블한 제2 기판(110)을 놓는다. 이어서, 제1 기판(10)의 하부 및 플렉시블한 제2 기판(110)의 상부에 열 압축기(120)를 위치시킨 후 일정 압력으로 눌러 필름 형태의 플렉시블 전극을 제작한다. 이와 같이, 전극(30A) 상에 제1 다공성 구조체(100)를 형성하는 경우, 제1 다공성 구조체(100)와 제2 기판(110)이 접촉되므로, 전극(30A)만을 형성한 경우에 비해 접촉 면적이 증가된다. 따라서, 전극(30A)과 플렉서블한 제2 기판(110)이 안정적으로 접착된 구조를 구현할 수 있다.

도 8에 도시된 바와 같이, 성형이 완료되면, 열 압축기(120)를 제거하고, 제1 기판(10)을 분리시킨다. 이어서, 전극(30A)이 상부면에 위치하도록, 플렉시블한 제2 기판(110)을 뒤집는다.

도 9에 도시된 바와 같이, 전극(30A) 및 다공성 구조체(100)가 전사된 플렉시블한 제2 기판(110) 상에 전극 보호막(140)을 형성한다. 여기서, 전극 보호막(140)은 (30A)을 노출시키는 개구부를 포함한다. 예를 들어, 제2 기판(110) 상에 보호용 물질막을 형성한 후, RIE(reactive ion etching) 또는 레이저를 이용하여 보호용 물질막의 패터닝함으로써 개구부를 포함하는 전극 보호막(140)을 형성할 수 있다.

이어서, 개구부를 통해 노출된 전극(30A) 상에 제2 다공성 구조체(130)를 형성한다. 여기서, 제2 다공성 구조체(130)는 전극(30A)과 전기적으로 연결되도록 형성된다. 또한, 제2 전극(130)은 다공성 구조체(100)와 동일한 구조를 갖고 동일한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전극(30A) 상에 금 나노입자, 금-백금 복합 나노입자, 백금, IrOx 등과 같은 물질을 전착하여 제2 다공성 구조체 (130)를 형성할 수 있다. 이와 같이 제2 다공성 구조체(130)를 추가로 형성함으로써, 전극(30A)이 낮은 임피던스와 높은 전하량을 갖게 된다.

도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉시블 전극의 접착력 개선을 보여주는 사진이다.

도 10a는 금 나노 입자로 형성된 다공성 구조체를 포함하는 플렉시블 전극과 다공성 구조체를 포함하지 않는 종래의 플렉시블 전극의 접착력을 비교한 사진이다. 다공성 구조체를 형성함으로써, 플렉시블 기판과 전극의 접착력이 개선됨을 확인할 수 있다.

도 10b는 금 나노 입자로 형성된 다공성 구조체를 포함하는 플렉시블 전극에 대해 1시간 동안 초음파 세척을 실시한 후의 사진이다. 이를 통해, 다공성 구조체를 형성함으로써, 플렉시블 기판과 전극의 접착력이 개선됨을 확인할 수 있다.

이상, 본 발명의 구체적인 실시 형태에 대하여 상세하게 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형 예 및 수정 예를 실시할 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 본 발명은 본 상세한 설명에 기재된 것에 한정되는 것은 아닌 것으로 이해되어야만 한다.

본 발명의 권리범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 실시형태는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 제1 기판
20 : 절연막
30 : 전극용 도전막
30A: 전극
40 : 감광층
40A: 감광 패턴
50 : 포토 마스크
100 : 제1 다공성 구조체
110 : 플렉시블한 제2 기판
120 : 열 압축기
130 : 제2 다공성 구조체
140 : 전극 보호막

Claims

기판;
상기 기판의 표면에 형성된 전극;
상기 전극의 하부에 위치되고, 상기 기판 내에 형성된 제1 다공성 구조체;
상기 기판 상에 형성되고, 상기 전극을 노출시키는 개구부를 포함하는 전극 보호막; 및
상기 개구부를 통해 노출된 상기 전극 상에 형성된 제2 다공성 구조체
를 포함하는 플렉시블 전극.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 다공성 구조체는 전도성 나노입자 또는 금속산화물을 포함하는
플렉시블 전극.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 다공성 구조체는 금 나노입자, 금-백금 복합 나노입자, 백금 및 IrOx로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는
플렉시블 전극.
제1항에 있어서,
상기 전극은 금을 포함하는
플렉시블 전극.
제1항에 있어서,
상기 기판은 PMMA(폴리메틸 메타크릴레이트), PC(폴리카보네이트), LCP(액정 폴리머), 폴리이미드, PFA(퍼플루오로알콕시), PVDF(폴리비닐리덴 플루오라이드) 또는 테프론(Teflon)을 포함하는
플렉시블 전극.
제1 기판 상에 전극을 형성하는 단계;
상기 전극 상에 제1 다공성 구조체를 형성하는 단계;
플렉시블한 제2 기판으로 상기 제1 다공성 구조체 및 상기 전극을 전사시키는 단계;
상기 플렉시블한 제2 기판 상에, 상기 전극을 노출시키는 개구부를 포함하는 전극 보호막을 형성하는 단계; 및
상기 개구부 내에 노출된 상기 전극 상에 제2 다공성 구조체를 형성하는 단계
를 포함하는 플렉시블 전극의 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 전극을 형성하기 전에, 상기 제1 기판 상에 절연막을 형성하는 단계
를 더 포함하는 플렉시블 전극의 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 제1 다공성 구조체 및 상기 전극을 전사시키는 단계는,
상기 제1 다공성 구조체 및 상기 전극이 형성된 상기 제1 기판에 상기 플렉시블한 제2 기판을 압축 성형하는 단계; 및
상기 상기 제1 기판을 분리시키는 단계를 포함하는
플렉시블 전극의 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 제1 및 제2 다공성 구조체는 전착(electro deposition) 방식으로 형성되는
플렉시블 전극의 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 전극, 상기 제1 다공성 구조체 및 상기 제2 다공성 구조체는 금을 포함하는
플렉시블 전극의 제조방법.