KR20200009940A - 뇌파 측정을 위한 투과막 기반 반건식 전극 - Google Patents

Abstract

뇌파 측정을 위한 반건식 전극으로서, 두피에 접촉되는 일정 면적의 전극면인 외부 투과막, 상기 외부 투과막의 가장자리에 연결되어 내부 공간을 형성하고, 상기 내부 공간에 전해액이 채워지는 전극 바디, 그리고 상기 전극 바디의 내부에 위치하고 상기 외부 투과막을 통해 전달된 이온 전류를 측정하는 전기전도체 센서를 포함한다. 상기 외부 투과막은 표면이 다수의 미세 구멍들 그리고 상기 미세 구멍들의 크기보다 큰 구멍들로 이루어진 막이다.

Description

뇌파 측정을 위한 투과막 기반 반건식 전극{MEMBRANE BASED SEMI-DRY ELECTRODE FOR RECORDING ELECTROENCEPHALOGRAM}

본 발명은 뇌파 측정 전극에 관한 것이다.

뇌파 측정 방법으로 두피에 전극을 부착하여 뇌 신호를 측정하는 비침습 기술이 있다. 이에 사용되는 전극 기술로서 대표적으로 습식 전극(wet electrode)과 건식 전극(dry electrode)이 있다.

습식 전극은 두피와 전극 사이에 전해질 겔을 사용하는 기술로서, 전해질 겔에 의해 두피와 전극의 접촉 임피던스를 1~10kΩ으로 낮출 수 있는 장점이 있다. 그러나 두피와 전극 사이에 전해질 겔을 삽입하는 데에 30분에서 1시간 정도의 전극 셋업 시간이 필요하다. 그리고 전해질 겔이 두피와 머리카락에 붙어 사용자의 불편을 초래하고 전해질 겔이 마르면 임피던스가 높아져 뇌파 측정 효율이 떨어지게 된다.

전해질 겔에 의한 사용자의 불편함을 개선하기 위해 건식 전극 기술이 도입되었다. 건식 전극은 전도성 높은 전기전도체 물질로 제작되어, 전해질 겔을 사용할 필요가 없다. 따라서, 건식 전극 기반 뇌파 측정 시, 전극 셋업 시간이 짧고, 전해질 겔에 의한 두피 오염이 발생하지 않는 장점이 있다. 그러나, 건식 전극은 습식 전극에 비해 매우 높은 접촉 임피던스(약 80kΩ)으로 잡음이 많이 섞여 뇌파 측정 신뢰도가 낮다. 특히, 건식 전극은 두피에 완전히 밀착되기 어렵고, 사용자가 움직일 때 전극이 쉽게 흔들릴 수 있어서 노이즈에 취약하다. 전극 캡으로 압력을 가해 전극을 두피에 최대한 밀착시켜 접촉 임피던스를 줄일 수 있으나, 사용자의 불편을 초래한다.

뇌파를 측정하는 새로운 전극 기술로 반건식 전극(Semi-dry Electrode) 기술이 연구되고 있다. 반건식 전극은 전해질 겔 대신 전극 내부에 전해질 용액을 저장하여 사용하는 기술로서, 습식 전극과 건식 전극의 단점들을 해결하고 두 전극의 장점들을 모두 취하는 하이브리드 전극이다. 즉, 반건식 전극은 전해질 겔을 사용하지 않으므로 전극 셋업 시간이 짧고 두피의 오염이 거의 없고, 또한 접촉 임피던스가 건식 전극에 비해 낮은 장점이 있다. 하지만, 지금까지의 반건식 전극은 다음과 같은 한계가 있다.

첫째, 지금까지의 반건식 전극의 접촉 임피던스는 여전히 습식 전극에 비해 높은 30-80kΩ이므로, 노이즈의 영향을 크게 받아 신호가 왜곡되는 문제가 있다.

둘째, 지금까지의 반건식 전극은 유연성이 부족한 티타늄(Ti), 폴리머(polymer), 세라믹(도자기), 실리콘(silicon), 폴리우레탄(polyurethane) 등의 소재로 전극면을 만들어서 자유로운 형태 변형이 어렵다. 따라서, 반건식 전극을 굴곡면의 두피에 완전하게 밀착시키는 것이 어렵다. 이를 개선하기 위해, 전극면을 다수의 핀이나 펠트 펜 모양으로 만든 반건식 전극이 있으나, 얇고 뾰족한 전극 모양은 머리카락을 통과한다 해도 전극면이 매우 좁고 긴 전극 다리 때문에 중심을 잡기 어려워 두피-전극의 밀착을 오히려 어렵게 만든다. 또한 얇고 뾰족한 전극면은 두피에 상처를 입힐 수 있다.

셋째, 지금까지의 반건식 전극은 전해액의 배출을 제어할 수 없어서 안정적으로 전해액을 배출하지 못하거나 아주 느린 속도로 미량만 배출한다. 따라서, 지금까지의 반건식 전극은 측정 중에 접촉 임피던스의 변화가 심하여 안정적인 뇌파 측정이 어렵다.

넷째, 지금까지의 반건식 전극은 인접한 전극에서 배출된 전해액이 서로 섞일 수 있어 쇼트 현상이 발생할 우려가 있다. 쇼트 현상을 방지하기 위해 극소량의 전해질 용액만을 사용하게 되므로 충분한 전해질을 배출하지 못해 접촉 임피던스가 높아지는 문제가 있다.

다섯째, 지금까지의 반건식 전극은 두피에 고정이 어려워 사용자의 움직임에 따라 흔들리는 문제가 있다. 반건식 전극은 전해질 용액을 저장하는 저장소가 필요하기에 습식 전극에 비해 부피가 크고 무게가 더 나간다. 따라서 신체의 움직임과 머리의 흔들림에 영향을 받아 안정적인 신호 측정이 어렵다.

따라서, 실생활에서 신뢰성 높은 뇌파를 편리하게 측정할 수 있도록 지금까지의 반건식 전극 문제점을 해결하는 새로운 반건식 전극이 요구된다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 두피에 밀착되는 투과막(membrane)을 통해 전해액을 배출하여 뇌 신호를 측정하는 투과막 기반 반건식 전극을 제공하는 것이고, 특히 이중 투과막 기반 반건식 전극을 제공하는 것이다.

한 실시예에 따른 뇌파 측정을 위한 반건식 전극으로서, 두피에 접촉되는 일정 면적의 전극면인 외부 투과막, 상기 외부 투과막의 가장자리에 연결되어 내부 공간을 형성하고, 상기 내부 공간에 전해액이 채워지는 전극 바디, 그리고 상기 전극 바디의 내부에 위치하고 상기 외부 투과막을 통해 전달된 이온 전류를 측정하는 전기전도체 센서를 포함한다. 상기 외부 투과막은 표면이 다수의 미세 구멍들 그리고 상기 미세 구멍들의 크기보다 큰 구멍들로 이루어진 막이다.

상기 외부 투과막은 전해액을 흡수하면 팽윤하여 부풀어 오르는 소재를 포함하는 막일 수 있다.

상기 외부 투과막은 셀룰로오스(cellulose) 소재를 포함하는 막일 수 있다.

상기 전극 바디는 외부 압력을 가하면 모양이 변하는 플렉서블 소재로 제작될 수 있다.

상기 전극 바디의 내부에 내부 투과막을 더 포함하고, 상기 내부 투과막에 의해 상기 전극 바디의 내부 공간이 분리될 수 있다.

상기 내부 투과막은 표면이 다수의 미세 구멍들로 이루어진 막이고, 상기 외부 투과막보다 전해액에 의한 형태 변형이 적은 소재로 제작될 수 있다.

상기 내부 투과막은 폴리에테르술폰(polyethersulfone) 소재를 포함하는 막일 수 있다.

외부 투과막의 둘레에 부착되는 쇼트 방지용 고체 테두리를 더 포함할 수 있다.

상기 쇼트 방지용 고체 테두리는 점착성 비전해질 소재로 제작될 수 있다.

상기 전극면이 두피에 부착되면, 상기 외부 투과막으로 가해지는 두피 접촉 압력에 의해 상기 전극 바디의 전해액이 상기 외부 투과막을 통해 두피쪽으로 흘러 상기 두피와 상기 외부 투과막 사이에 전해질층을 생성한 후, 확산에 의해 상기 전극 바디의 전해액이 두피쪽으로 배출될 수 있다.

다른 실시예에 따른 뇌파 측정을 위한 반건식 전극으로서, 두피에 접촉되는 일정 면적의 전극면을 형성하고, 표면이 다수의 구멍들로 이루어진 외부 투과막, 상기 외부 투과막의 가장자리에 연결되어 내부 공간을 형성하고, 상기 내부 공간에 전해액이 채워지는 전극 바디, 상기 전극 바디의 내부에 위치하여 상기 내부 공간을 촉매 반응 공간과 측정 공간으로 분리하고, 표면이 다수의 구멍들로 이루어진 내부 투과막, 상기 촉매 반응 공간에 촉매를 투입하는 촉매 투입기, 그리고 상기 전극 바디의 내부의 상기 측정 공간에서 상기 외부 투과막을 통해 전달된 이온 전류를 측정하는 전기전도체 센서를 포함한다.

상기 전극면이 두피에 부착되면, 확산에 의해 상기 전극 바디의 전해액이 두피쪽으로 배출되고, 상기 촉매 투입기를 통해 투입되는 촉매에 의해 상기 외부 투과막을 통해 두피쪽으로 배출되는 전해액의 배출양 및 배출 속도가 조절될 수 있다.

또 다른 실시예에 따른 뇌파 측정을 위한 반건식 전극으로서, 두피에 접촉되는 일정 면적의 전극면이고, 표면이 다수의 미세 구멍들 그리고 상기 미세 구멍들의 크기보다 큰 구멍들로 이루어진 막이며, 전해액을 흡수하면 팽윤하여 부풀어 오르는 소재로 제작되는 외부 투과막, 상기 외부 투과막의 가장자리에 연결되어 내부 공간을 형성하고, 상기 내부 공간에 전해액이 채워지는 전극 바디, 상기 전극 바디의 내부에 위치하여 상기 내부 공간을 분리하고, 표면이 다수의 구멍들로 이루어진 막이며, 상기 외부 투과막보다 전해액에 의한 형태 변형이 적은 소재로 제작되는 내부 투과막, 그리고 상기 전극 바디의 내부에 위치하고 상기 외부 투과막을 통해 전달된 이온 전류를 측정하는 전기전도체 센서를 포함한다.

상기 외부 투과막은 상기 전극 바디에 전해액이 채워지면, 표면의 구멍들에서의 표면 장력에 의해 전해액이 배출되지 않고 팽윤하여 부풀어 오를 수 있다.

상기 외부 투과막은 두피에 부착되면, 팽윤한 전극면이 두피 모양에 따라 변형되어 밀착되고, 두피 접촉 압력에 의해 높아진 상기 전극 바디의 내부 압력에 의해 전해액을 두피쪽으로 배출하여 전해질 층을 생성할 수 있다.

상기 외부 투과막은 상기 전해질층을 생성한 후, 상기 전극 바디의 내부 압력이 외부 대기압과 평형을 이루면, 확산에 의해 전해액을 두피쪽으로 배출할 수 있다.

실시예에 따른 반건식 전극은 두피에 밀착되는 투과막을 통해 전해액을 안정적으로 배출하여, 두피와 전극의 접촉 임피던스를 낮출 수 있다. 실시예에 따른 반건식 전극은 측정 시간이 길어지더라도 두피로 배출되는 전해액을 조절할 수 있으므로 시간이 지나더라도 낮은 초기 접촉 임피던스를 지속적으로 유지할 수 있고, 측정 뇌파의 노이즈를 줄일 수 있다.

실시예에 따른 반건식 전극은 전해액 흡수 시 팽윤되는 투과막을 전극면으로 사용하므로 두피 밀착력을 높일 수 있고, 움직임에 의한 흔들림에도 안정적인 뇌파 측정을 할 수 있다.

실시예에 따른 반건식 전극은 전극 셋업 시간이 길고, 전해질 겔에 의한 두피 오염이 발생하는 습식 전극의 단점을 해결하여 뇌파 측정의 편의성을 높이고, 습식 전극 수준의 낮은 접촉 임피던스를 제공하여 측정 성능을 높일 수 있다.

도 1은 한 실시예에 따른 이중 투과막 기반 반건식 전극의 구성도이다.
도 2는 한 실시예에 따른 이중 투과막 기반 반건식 전극이 팽윤된 상태를 설명하는 도면이다.
도 3은 한 실시예에 따른 투과막 기반 반건식 전극의 전해액 배출 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 4는 한 실시예에 따른 반건식 전극의 프로토타입이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 촉매 기반 반건식 전극의 구성도이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 촉매 기반 반건식 전극의 전해액 배출 방법을 설명하는 도면이다.
도 7은 한 실시예에 따른 쇼트 방지 테두리를 포함하는 반건식 전극의 구성도이다.
도 8은 습식 전극과 본 발명의 반건식 전극의 접촉 임피던스 측정 결과를 비교하는 그래프이다.
도 9는 습식 전극과 본 발명의 반건식 전극의 측정 뇌파 유사도를 비교하는 그래프이다.
도 10은 습식 전극과 본 발명의 반건식 전극의 시간에 따른 접촉 임피던스 변화를 시각적으로 나타내는 도면이다.
도 11은 습식 전극과 본 발명의 반건식 전극의 시간에 따른 뇌파 변화를 비교하는 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

도 1은 한 실시예에 따른 이중 투과막 기반 반건식 전극의 구성도이고, 도 2는 한 실시예에 따른 이중 투과막 기반 반건식 전극이 팽윤된 상태를 설명하는 도면이다.

도 1을 참고하면, 반건식 전극(100)은 접촉한 두피로 지속적으로 전해액을 배출하고, 배출된 전해액을 통해 뇌 속 뉴런들에서 발생되는 이온 전류가 반건식 전극(100) 내부의 전기전도체 센서(140)에서 측정된다. 전기전도체 센서(140)에 의해 이온 전류가 전기신호로 변환되어 뇌파(ElectroEncephaloGram, EEG)로 출력된다.

반건식 전극(100)은 두피에 접촉되는 일정 면적의 전극면인 외부 투과막(membrane)(110), 압력을 가하면 모양이 변하는 플렉서블 소재로서 외부 투과막(110)의 가장자리에 연결되어 내부에 전해액을 저장하는 저장소를 형성하는 전극 바디(130), 그리고 전극 바디(130)의 내부에 위치하고 외부 투과막(110)을 통해 전달된 이온 전류를 측정하는 전기전도체 센서(140)를 포함한다. 반건식 전극(100)은 전극 바디(130)의 내부에 내부 투과막(120)을 더 포함할 수 있고, 외부 투과막(110)과 내부 투과막(120)의 이중 투과막 구조를 통해 전해액을 배출한다.

외부 투과막(110)은 표면이 다수의 미세 구멍들과 소수의 일정 크기 구멍들로 이루어진 막으로서, 전해액(용매)을 흡수하면 팽윤(swelling) 현상으로 부풀어 오르는 소재의 막이다. 외부 투과막(110)의 구멍 크기는 다양하게 설계될 수 있고, 예를 들면, 다수의 0.02μm의 미세 구멍들과 소수의 300μm의 구멍들이 형성된 막일 수 있다.

외부 투과막(110)은 셀룰로오스(cellulose) 소재를 포함하는 막일 수 있으나, 이에 한정될 필요 없이 전해액 흡수 시 유연성과 신축성이 높아지는 소재의 막이 사용될 수 있다. 도 2를 참고하면, 반건식 전극(100) 내부에 전해액이 채워지면, 전해액에 의해 외부 투과막(110)이 팽윤된다. 팽윤된 외부 투과막(110)은 유연성과 신축성이 매우 높아져 부드럽고 말랑말랑한 특성으로 변한다. 따라서, 반건식 전극(100)의 두피 밀착력을 높일 수 있다.

이중 투과막 구조인 경우, 반건식 전극(100)은 외부 투과막(110) 안쪽, 즉 전극 바디(130)의 내부에 내부 투과막(120)을 더 포함한다. 내부 투과막(120)은 표면이 다수의 미세 구멍들로 이루어진 막으로서, 외부 투과막(110)과 달리, 전해액에 의해 형태 변형이 적은 소재의 막이다. 내부 투과막(120)의 구멍 크기는 다양하게 설계될 수 있고, 예를 들면, 다수의 0.2μm의 미세 구멍들이 형성된 막일 수 있다. 내부 투과막(120)은 전해액을 빠르게 통과시키면서 내구성이 강한 폴리에테르술폰(polyethersulfone) 소재를 포함하는 막일 수 있으나, 이에 한정될 필요는 없다.

한편, 팽윤된 외부 투과막(110)이 두피에 접촉하면, 두피와 전극 사이의 접촉 압력으로 외부 투과막(110)이 수축하여 전극 내부로 오목하게 들어가는 문제가 발생할 수 있다. 이렇게 외부 투과막(110)이 오목하게 변형되면 전극이 두피에 밀착이 되지 못해 밀착력이 낮아진다. 하지만, 이중 투과막 구조인 경우, 내구성이 높고 뻣뻣한 내부 투과막(120)이 접촉 압력에 의해 외부 투과막(110)이 전극 내부로 오목하게 들어가는 것을 방지한다. 이처럼, 내부 투과막(120)은 외부 투과막(110)이 두피에 밀착되더라도 모양을 볼록하게 유지하는 기능을 하고, 이를 통해 전극의 두피 밀착성을 높인다. 또한, 내부 투과막(120)은 단단한 전기전도체 센서(140)에 의해 외부 투과막(110)이 손상되는 것을 방지하고 전해액 저장 공간을 일정하게 유지한다.

전극 바디(130)는 외부 투과막(110)의 가장자리에 연결되어 밀폐된 내부 공간을 형성하는 모양이고, 외부 압력을 가하면 모양이 변하는 플렉서블 소재(예를 들면, 고무)로 제작된다. 전극 바디(130)는 내부에 전해액을 주입하는 주입구(132)를 포함하고, 전해액을 통해 전달된 이온 전류를 측정하는 전기전도체 센서(140)가 결합된다. 전해액은 나트륨, 염소 등의 전해질 이온을 포함할 수 있고, 전극 내부의 전해액의 농도에 따라 두피 방향으로 이동하는 삼투압의 크기가 달라져 배출되는 전해액의 양에 영향을 준다.

전극 바디(130)의 모양은 전해액 용량, 투과막 모양 및 크기에 따라 다양하게 디자인될 수 있다. 예를 들면, 전극 바디(130)는 도 4와 같이 사용자가 전극을 두피에 부착하고, 전극을 어느 방향에서 눌러도 압력을 가할 수 있는 원통형이나 호리병형일 수 있으나, 사용자가 전극을 잡고 부착하기 편리하고, 두피 밀착이 안정적이면서 전해액 저장이 가능한 모양으로 다양하게 디자인될 수 있다.

전기전도체 센서(140)는 측정 신호를 컴퓨터 등의 기록 장치로 전달한다. 센서의 모양은 다양하게 제작될 수 있다.

반건식 전극(100)은 서로 다른 특성의 외부 투과막(110)과 내부 투과막(120)의 이중 투과막 구조를 통해 볼록한 모양의 유연한 전극면을 형성하여 두피 밀착성을 높일 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 반건식 전극은 반드시 내부 투과막(120)을 포함하는 이중 투과막 구조일 필요는 없다. 경우에 따라, 반건식 전극은 외부 투과막(110), 전극 바디(130), 그리고 전기전도체 센서(140)로 구성되는 단일 투과막 기반 반건식 전극으로 간단히 제작될 수 있다.

이중 투과막 또는 단일 투과막 구조의 반건식 전극(100)은 외부 투과막(110)에서의 전해액의 표면 장력과 전극 내외부의 압력 차이를 이용하여 외부 투과막(110)을 통해 이동하는 전해액의 양을 조절할 수 있다. 그리고 반건식 전극(100)은 삼투 현상에 의해 분자들이 자유 이동하는 확산 현상을 이용하여 전극 내부의 전해액을 외부 투과막(110)을 통해 두피로 안정적으로 배출할 수 있다. 다음에서 투과막 기반 반건식 전극의 전해액 배출 방법에 대해 설명한다.

도 3은 한 실시예에 따른 투과막 기반 반건식 전극의 전해액 배출 방법을 설명하는 흐름도이다.

도 3을 참고하면, 반건식 전극(100)의 주입구(132)에 전해액이 주입되면, 반건식 전극(100)의 내부 투과막(120)을 통과한 전해액이 외부 투과막(110)에 막혀 반건식 전극(100)의 내부에 전해액이 충전된다(S110).

외부 투과막(110)은 도 2와 같이 전해액을 흡수하여 부풀어 오르고, 전극 내부 압력과 외부 대기압이 균형을 맞추어 압력 평형을 유지한다(S120). 압력 평형 상태에서, 전해액의 표면 장력이 외부 투과막(110)에 존재하는 300μm의 구멍들을 막아, 공기가 전극 내부로 들어가는 것을 막고 전해액이 외부로 흐르는 것을 방지한다.

압력 평형 상태의 반건식 전극(100)이 두피에 부착된다(S130). 팽윤된 외부 투과막(110)은 유연성과 신축성이 높아지므로, 자유롭게 형태 변형하여 굴곡이 있는 두피에 밀착된다.

그러면, 팽윤된 외부 투과막(110)이 두피 접촉 압력에 의해 전극 내부의 압력이 높아져 전극 내외부 간 압력 평형이 깨지게 되고, 전극 내부 전해액이 전극 내외부 간 압력 차이에 해당하는 힘만큼 두피 쪽으로 빠르게 배출된다(S140). 두피 접촉 압력에 의해 배출된 전해액은 두피와 전극 사이에 충분한 전해액 층을 형성하여, 두피와 전극 사이의 접촉 임피던스를 빠른 시간 내에 급격하게 낮춘다.

이후, 두피의 각질층, 땀샘 등과 전극 내부의 전해액과의 용질 농도 차이에 의해 삼투와 확산 현상이 유발되어 반건식 전극(100) 내부에서 두피로 전해액이 일정하게 배출된다(S150). 따라서, 두피로 배출된 전해액이 마르더라도 전해액의 확산으로 일정량의 전해액 층이 두피와 전극 사이에 지속적으로 형성되므로 접촉 임피던스가 낮은 상태로 일정하게 유지된다.

만약, 측정 시간이 길어지거나 두피 상태에 따라 전해액이 더 필요할 경우, 반건식 전극(100) 외부에 압력을 가해(예를 들면, 반건식 전극을 손으로 누름) 전극 내부의 압력을 높이면, 전극 내부에 가해진 압력에 의해 전극 내부 전해액이 두피 쪽으로 빠르게 흐른다.

정리하면, 반건식 전극(100)은 표면이 다수의 미세 구멍들과 소수의 일정 크기 구멍들로 이루어진 외부 투과막(110)에서 전해액의 표면 장력으로 전해액이 배출되지 않는다. 그리고 반건식 전극(100)은 두피 부착 시 외부 투과막(110)을 통해 전극 내부로 가해지는 두피 접촉 압력이나, 전극 바디(130)에 가해지는 외부 압력으로 전극 내부 압력이 높아지면, 전극 내부 전해액이 빠르게 외부 투과막(110)을 통해 이동한다. 이렇게 배출된 전해액으로 인해 두피와 전극 사이의 접촉 임피던스가 낮아진다. 또한, 반건식 전극(100)은 분자들이 용질의 농도 차에 의해 자유 이동하는 확산 현상을 이용하여 전극 내부의 전해액이 외부 투과막(110)을 통해 두피로 지속적으로 이동하도록 한다. 확산으로 이동한 전해액으로 두피와 전극 사이의 접촉 임피던스가 유지된다.

도 4는 한 실시예에 따른 반건식 전극의 프로토타입이다.

도 4의 (a)를 참고하면, 전해액이 충전되기 전의 반건식 전극(100)은 외부 투과막(110)이 팽윤하지 않아 평평하다.

도 4의 (b)를 참고하면, 전해액이 충전된 반건식 전극(100)은 외부 투과막(110)이 전해액을 흡수하여 부풀어 오른다. 이때, 전해액의 표면 장력이 외부 투과막(110)에 존재하는 300μm의 구멍들을 막아, 전해액이 흘러 나오지 않는다.

도 4의 (c)를 참고하면, 반건식 전극(100)를 누르면 전극 내부의 압력이 높아져 전극 내외부 압력 차이에 해당하는 힘에 의해 전극 내부 전해액이 흘러 나온다. 마찬가지로 반건식 전극(100)를 두피에 부착하면, 두피 접촉에 의해 전극 내부의 압력이 높아져 전극 내외부 간 압력 차이에 해당하는 힘만큼 전극 내부로부터 전해액이 흘러 나온다.

도 5는 다른 실시예에 따른 촉매 기반 반건식 전극의 구성도이고, 도 6은 다른 실시예에 따른 촉매 기반 반건식 전극의 전해액 배출 방법을 설명하는 도면이다.

도 5를 참고하면, 반건식 전극(200)은 전극 내부의 촉매분해반응을 이용하여 전해액의 확산을 조절한다. 반건식 전극(200)은 두피에 접촉되는 일정 면적의 전극면인 외부 투과막(210), 가장자리에 외부 투과막(210)이 연결되어 내부에 전해액을 저장하는 저장소를 형성하는 전극 바디(230), 그리고 전극 바디(230)의 내부에 위치하는 전기전도체 센서(240)를 포함한다. 그리고 반건식 전극(200)은 전극 바디(230)의 내부에 촉매 반응 공간을 형성하는 내부 투과막(220)을 더 포함한다. 내부 투과막(220)은 전극 바디(230)의 내부에 위치하여 내부 공간을 촉매 반응 공간과 측정 공간으로 분리한다. 전기전도체 센서(240)는 측정 공간에서 외부 투과막을 통해 전달된 이온 전류를 측정한다.

촉매는 내부 투과막(220)이 형성하는 촉매 반응 공간에 투입되어 두피로 전해액 배출양 및 배출 속도를 조절한다. 촉매는 전극 바디(230)의 내부로 연결된 별도의 촉매 투입기(미도시) 또는 전해액 주입구(232)를 통해 촉매 반응 공간에 투입될 수 있다. 또는 촉매는 전기전도체 센서(240)의 지지부(242) 내부에 형성된 통로를 통해 촉매 반응 공간에 투입될 수 있다.

외부 투과막(210)과 내부 투과막(220)은 표면이 다수의 미세 구멍들로 이루어진 막으로서, 예를 들면 다수의 0.02μm의 미세 구멍들로 이루어진 반투과성막일 수 있다. 반건식 전극(200)은 전해질 배출을 위해 표면 장력과 전극 내외부의 압력 차이를 사용하지 않고, 촉매에 의해 조절되는 확산 현상을 이용하기 때문에, 물 분자만 투과할 수 있는 반투과성막을 사용할 수 있다. 외부 투과막(210)은 두피 밀착력을 높이기 위해, 셀룰로오스 소재를 포함하는 막일 수 있다. 내부 투과막(220)은 내구성이 강하고 특히 촉매 반응의 열에너지에 강인하면서 열전도가 낮은 소재의 막일 수 있다.

전극 바디(230)는 외부 투과막(210)의 가장자리에 연결되어 밀폐된 내부 공간을 형성하는 모양이고, 내부 투과막(220)에 의해 촉매 반응 공간이 형성된다. 반건식 전극(200)은 전극 내외부의 압력 차이를 사용하지 않고, 촉매에 의해 조절되는 확산 현상을 이용하기 때문에, 전극 바디(230)는 내구성이 강하고 특히 촉매 반응의 열에너지에 강인하고 열전도가 낮은 소재로 제작된다.

전기전도체 센서(240)는 전극 바디(230)의 내부에 위치하고 외부 투과막(210)을 통해 전달된 이온 전류를 측정하고, 측정 신호를 컴퓨터 등의 기록 장치로 전달한다. 전기전도체 센서(240)는 외부 투과막(210)과 내부 투과막(220) 사이에 위치할 수 있다. 전기전도체 센서(240)의 지지부(242)는 내부에 촉매를 촉매 반응 공간에 투입하는 통로가 형성될 수 있다. 지지부(242)는 촉매의 양을 조절하는 구조를 포함할 수 있고, 예를 들면 볼트 형태의 구조일 수 있다.

도 6을 참고하면, 반건식 전극(200)의 주입구(232)에 전해액이 주입되고, 촉매가 반건식 전극(200)의 촉매 반응 공간에 투입된다. 촉매의 양은 전해액의 확산 속도(배출 속도) 및 두피 상태에 따라 결정될 수 있다.

전해액의 확산 속도는 분자들의 자유 이동의 속도에 비례하고, 분자들의 자유 이동의 속도는 전해액의 수학식 1의 삼투압 공식에 의해 농도, 온도, 압력에 따라 달라진다. 그러므로 농도, 온도, 압력을 높이면 전해액 분자들의 빠른 자유 이동에 의해 삼투압이 올라가 전해액의 배출이 빨라진다. 수학식 1에서, π는 삼투압, i는 반트 호프 계수, M은 몰농도, R은 기체상수, T는 절대온도를 의미한다.

과산화수소(H₂O₂)의 분해 반응은 수학식 2와 같다. 과산화수소 분해 반응에서 알 수 있듯이, 과산화수소 분해 반응으로 생성된 물 분자, 산소, 열에너지가 전해액의 농도, 압력, 온도를 높여 전해액 분자 운동을 촉진시킬 수 있다.

따라서 반건식 전극(200)에 과산화수소 분해 반응 구조를 추가하는 것으로 분자 운동이 촉진되어, 외부 투과막(210)으로의 전해액 배출 속도가 빨라진다. 촉매 반응 공간에 정촉매인 요오드화칼륨(KI)을 넣어주면 과산화수소 분해 반응의 활성화 에너지가 낮아져서, 분해 반응 속도가 촉진되어 분자 이동이 더 빨라진다. 촉매의 투입 시기 및 투입양에 따라 분해 반응 속도가 달라진다. 지지부(242) 또는 별도의 별도의 촉매 투입기(미도시)가 촉매의 양을 조절하는 구조를 포함할 수 있다.

이처럼, 확산 현상을 이용하여 전해액을 배출하는 반건식 전극(200)은 과산화수소의 촉매 분해반응으로 분자 이동 속도를 조절할 수 있어서, 안정적인 전해액 배출과 전해액 배출의 속도를 조절할 수 있다.

도 7은 한 실시예에 따른 쇼트 방지 테두리를 포함하는 반건식 전극의 구성도이다.

도 7을 참고하면, 반건식 전극(100)이나 반건식 전극(200)의 전극면인 외부 투과막 둘레에 쇼트 방지용 고체 테두리(300)가 부착될 수 있다. 고체 테두리(300)는 점착성 비전해질 소재로서, 외부 투과막만 부착되는 경우보다 두피 밀착력을 높이고, 이웃한 전극에서 배출된 전해액이 섞이는 쇼트 현상을 방지할 수 있다. 도 7에서 반건식 내부 구조는 고체 테두리(300) 설명을 위해 간략하게 표현된 것이다.

도 8은 습식 전극과 본 발명의 반건식 전극의 접촉 임피던스 측정 결과를 비교하는 그래프이고, 도 9는 습식 전극과 본 발명의 반건식 전극의 측정 뇌파 유사도를 비교하는 그래프이다.

도 8의 (a)와 같이, 본 발명의 투과막 기반 반건식 전극들(네모 위치)과 습식 전극들(동그라미 위치) 각각을 인접한 뇌파 채널 위치에 부착하고, 접촉 임피던스 및 뇌파를 측정한다. 여기서, 그라운드(Ground) 전극과 기준(Reference) 전극은 반건식 전극이다.

실험을 통해 한 시간 동안 반건식 전극과 습식 전극의 임피던스를 확인한다. 그 다음 뇌파를 측정하여 반건식 전극과 습식 전극의 뇌파를 비교 분석한다. 이때, 뉴타입 전극의 성능 비교 실험에서 주로 이용하는 뇌파인 눈을 감았을 때 발생하는 뇌파(α리듬)를 측정하여 파워 스펙트럼 분석을 통해 채널별 뇌파 변화를 확인한다.

도 8의 (b)를 참고하면, 본 발명의 투과막 기반 반건식 전극은 인접한 채널위치의 습식 전극과 유사한 임피던스 값을 보인다. 특히 종래의 반건식 전극의 임피던스가 습식 전극에 비해 높은 30-80kΩ인 반면, 본 발명의 반건식 전극은 습식 전극 수준의 10kΩ 이하의 임피던스 측정값을 보인다.

도 9를 참고하면, (a)는 습식 전극에서 측정된 눈을 감았을 때 발생하는 α리듬 (8-13Hz)과 주파수별 두피 지도의 활성화 정도를 나타낸다. (b)는 본 발명의 투과막 기반 반건식 전극에서 측정된 눈을 감았을 때 발생하는 α리듬(8-13Hz)과 주파수별 두피 지도의 활성화 정도를 나타낸다.

(a)와 (b)를 비교하면, α리듬(8-13Hz)에 대한 파워 스펙트럼 분석에서 본 발명의 반건식 전극의 뇌파는 습식 전극의 뇌파와 유사한 결과를 보인다. 그리고 각 두피 지도에서 서로 유사한 위치에서 비슷한 활성 모양을 보여준다.

따라서, 본 발명의 반건식 전극은 습식 전극에 근접한 성능을 보이는 것을 확인할 수 있다.

도 10은 습식 전극과 본 발명의 반건식 전극의 시간에 따른 접촉 임피던스 변화를 시각적으로 나타내는 도면이다.

도 10의 (a)와 같이, 본 발명의 투과막 기반 반건식 전극들(네모 위치)과 습식 전극들(동그라미 위치) 각각을 인접한 뇌파 채널 위치에 부착하고, 접촉 임피던스 및 뇌파를 측정한다. 여기서, 그라운드(Ground) 전극과 기준(Reference) 전극은 반건식 전극이다. 실험을 통해 한 시간 동안 반건식 전극과 습식 전극의 임피던스를 확인한다.

도 10의 (b)를 참고하면, 본 발명의 반건식 전극들과 습식 전극들 각각이 뇌파 채널 위치에 부착 후, 1시간 후에 측정된 임피던스는 10kΩ 이하의 임피던스 측정값을 보인다.

도 10의 (c)를 참고하면, 두피 부착 후 5시간 후에 본 발명의 반건식 전극들과 습식 전극들에서 측정된 임피던스 변화로서, 반건식 전극의 채널의 임피던스는 일정하게 유지하나 겔이 말라 감으로 인해 대체로 습식 전극의 임피던스는 높아지고 특히 정수리 부근의 일부 채널의 임피던스가 매우 높아지는 것을 볼 수 있다.

도 10의 (d)를 참고하면, 두피 부착 후 7시간 후에 본 발명의 반건식 전극들에서 측정된 임피던스 변화는 모든 채널에서 초기 임피던스와 비슷하게 유지되나, 습식 전극의 임피던스는 겔이 다 말랐기 때문에 모든 채널에서 100kΩ 가까이 높아졌다.

이렇게, 장시간 측정에 따라 일부 채널에서 측정된 임피던스가 높아지는 경우, 사용자는 반건식 전극(100)을 눌러서 전해액을 두피로 배출하는 간단한 동작만으로 해당 채널의 임피던스를 낮은 수준의 초기 임피던스로 낮출 수 있다.

또는 사용자는 반건식 전극(200)에 촉매를 투입하여 두피로의 전해액 배출을 늘림으로써, 해당 채널의 임피던스를 낮은 수준의 초기 임피던스로 낮출 수 있다.

도 11은 습식 전극과 본 발명의 반건식 전극의 시간에 따른 뇌파 변화를 비교하는 도면이다.

도 11의 (a)는 습식 전극과 본 발명의 반건식 전극이 측정 초기에 출력하는 뇌파 데이터이다.

도 11의 (b)는 습식 전극과 본 발명의 반건식 전극이 두피에 부착된지 8시간이 지난 후, 출력되는 뇌파 데이터이다. 습식 전극은 전해질 겔에 의해 접촉 임피던스가 낮은 장점이 있으나, 두피와 전극 사이의 전해질 겔이 마르면 노이즈로 인해 뇌파 측정 효율이 떨어지게 된다. 하지만, 본 발명의 반건식 전극은 전해액이 지속적으로 두피로 확산 배출되므로 시간이 지나더라도 초기와 동일한 측정 결과를 제공한다.

표 1은 본 발명의 반건식 전극, 습식 전극(M. A. L. Gordo) 그리고 종래의 반건식 전극들의 임피던스, 8시간 후의 임피던스, 그리고 SNR을 비교한 결과이다. 표 1에 따르면, 본 발명의 반건식 전극은 임피던스가 습식 전극에 근접한 수준이고, 시간이 지나더라도 임피던스 변화가 적고, SNR이 다른 반건식 전극들보다 약간 높고 습식 전극과 유사함을 알 수 있다.

Source	Type	Impedance (KΩ@10Hz)	Long time impedance (8h)	SNR (SSVEP)
M. A. L. Gordo et al. 2014	Wet	5-10kΩ	100 kΩ after gel drying	25±3dB
A. R. Mota et al.2013	Semi-dry	40kΩ	-	-
H. L. Peng et al. 2016	Semi-dry	23kΩ	33kΩ	24.4dB
G. Li et al. 2016	Semi-dry	44.4±16.9kΩ	64.4±16.9kΩ	21±3dB
P. Pedrosa et al. 2017	Semi-dry	37±11kΩ	37±11kΩ	-
X. Xing et al. 2018	Semi-dry	12.1±1.3kΩ	26.7±2.3kΩ	23±3.5dB
본 발명의 반건식 전극	Semi-dry	8.3±4.0kΩ	7.6±3.7kΩ	24.9±4.5dB

이와 같이, 실시예에 따른 반건식 전극은 두피에 밀착되는 투과막을 통해 전해액을 안정적으로 배출하여, 두피와 전극의 접촉 임피던스를 낮추고, 측정 시간이 장시간 길어지더라도 안정적으로 전해액을 배출하여 낮은 접촉 임피던스를 유지하므로 고품질의 뇌 신호를 측정 할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다. 또한, 설명한 방법은 컴퓨터에 의해 판독 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체로 구현될 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (16)

1. 뇌파 측정을 위한 반건식 전극으로서,
   두피에 접촉되는 일정 면적의 전극면인 외부 투과막,
   상기 외부 투과막의 가장자리에 연결되어 내부 공간을 형성하고, 상기 내부 공간에 전해액이 채워지는 전극 바디, 그리고
   상기 전극 바디의 내부에 위치하고 상기 외부 투과막을 통해 전달된 이온 전류를 측정하는 전기전도체 센서를 포함하고,
   상기 외부 투과막은
   표면이 다수의 미세 구멍들 그리고 상기 미세 구멍들의 크기보다 큰 구멍들로 이루어진 막인, 반건식 전극.
2. 제1항에서,
   상기 외부 투과막은 전해액을 흡수하면 팽윤하여 부풀어 오르는 소재를 포함하는 막인, 반건식 전극.
3. 제2항에서,
   상기 외부 투과막은 셀룰로오스(cellulose) 소재를 포함하는 막인, 반건식 전극.
4. 제1항에서,
   상기 전극 바디는 외부 압력을 가하면 모양이 변하는 플렉서블 소재로 제작되는, 반건식 전극.
5. 제1항에서,
   상기 전극 바디의 내부에 내부 투과막을 더 포함하고,
   상기 내부 투과막에 의해 상기 전극 바디의 내부 공간이 분리되는, 반건식 전극.
6. 제5항에서,
   상기 내부 투과막은 표면이 다수의 미세 구멍들로 이루어진 막이고, 상기 외부 투과막보다 전해액에 의한 형태 변형이 적은 소재로 제작되는, 반건식 전극.
7. 제5항에서,
   상기 내부 투과막은 폴리에테르술폰(polyethersulfone) 소재를 포함하는 막인, 반건식 전극.
8. 제1항에서,
   외부 투과막의 둘레에 부착되는 쇼트 방지용 고체 테두리를 더 포함하는, 반건식 전극.
9. 제8항에서,
   상기 쇼트 방지용 고체 테두리는 점착성 비전해질 소재로 제작되는, 반건식 전극.
10. 제1항에서,
    상기 전극면이 두피에 부착되면, 상기 외부 투과막으로 가해지는 두피 접촉 압력에 의해 상기 전극 바디의 전해액이 상기 외부 투과막을 통해 두피쪽으로 흘러 상기 두피와 상기 외부 투과막 사이에 전해질층을 생성한 후, 확산에 의해 상기 전극 바디의 전해액이 두피쪽으로 배출되는, 반건식 전극.
11. 뇌파 측정을 위한 반건식 전극으로서,
    두피에 접촉되는 일정 면적의 전극면을 형성하고, 표면이 다수의 구멍들로 이루어진 외부 투과막,
    상기 외부 투과막의 가장자리에 연결되어 내부 공간을 형성하고, 상기 내부 공간에 전해액이 채워지는 전극 바디,
    상기 전극 바디의 내부에 위치하여 상기 내부 공간을 촉매 반응 공간과 측정 공간으로 분리하고, 표면이 다수의 구멍들로 이루어진 내부 투과막,
    상기 촉매 반응 공간에 촉매를 투입하는 촉매 투입기, 그리고
    상기 전극 바디의 내부의 상기 측정 공간에서 상기 외부 투과막을 통해 전달된 이온 전류를 측정하는 전기전도체 센서
    를 포함하는 반건식 전극.
12. 제11항에서,
    상기 전극면이 두피에 부착되면, 확산에 의해 상기 전극 바디의 전해액이 두피쪽으로 배출되고, 상기 촉매 투입기를 통해 투입되는 촉매에 의해 상기 외부 투과막을 통해 두피쪽으로 배출되는 전해액의 배출양 및 배출 속도가 조절되는, 반건식 전극.
13. 뇌파 측정을 위한 반건식 전극으로서,
    두피에 접촉되는 일정 면적의 전극면이고, 표면이 다수의 미세 구멍들 그리고 상기 미세 구멍들의 크기보다 큰 구멍들로 이루어진 막이며, 전해액을 흡수하면 팽윤하여 부풀어 오르는 소재로 제작되는 외부 투과막,
    상기 외부 투과막의 가장자리에 연결되어 내부 공간을 형성하고, 상기 내부 공간에 전해액이 채워지는 전극 바디,
    상기 전극 바디의 내부에 위치하여 상기 내부 공간을 분리하고, 표면이 다수의 구멍들로 이루어진 막이며, 상기 외부 투과막보다 전해액에 의한 형태 변형이 적은 소재로 제작되는 내부 투과막, 그리고
    상기 전극 바디의 내부에 위치하고 상기 외부 투과막을 통해 전달된 이온 전류를 측정하는 전기전도체 센서
    를 포함하는, 반건식 전극.
14. 제13항에서,
    상기 외부 투과막은
    상기 전극 바디에 전해액이 채워지면, 표면의 구멍들에서의 표면 장력에 의해 전해액이 배출되지 않고 팽윤하여 부풀어 오르는, 반건식 전극.
15. 제14항에서,
    상기 외부 투과막은
    두피에 부착되면, 팽윤한 전극면이 두피 모양에 따라 변형되어 밀착되고, 두피 접촉 압력에 의해 높아진 상기 전극 바디의 내부 압력에 의해 전해액을 두피쪽으로 배출하여 전해질층을 생성하는, 반건식 전극.
16. 제15항에서,
    상기 외부 투과막은
    상기 전해질층을 생성한 후, 상기 전극 바디의 내부 압력이 외부 대기압과 평형을 이루면, 확산에 의해 전해액을 두피쪽으로 배출하는, 반건식 전극.

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