KR20230137015A

KR20230137015A - 멀티포어 나노구조체를 갖는 신경전극 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 신경전극

Info

Publication number: KR20230137015A
Application number: KR1020220034593A
Authority: KR
Inventors: 김용희; 정상돈
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2022-03-21
Filing date: 2022-03-21
Publication date: 2023-10-04

Abstract

본 발명은 신경세포에 상응하는 작은 크기의 신경전극의 성능 향상을 위하여 신경전극의 표면적을 증대시키기 위한 방안에 관한 것이다. 금 또는 플래티늄 등의 금 나노입자를 신경전극에 전착하는 과정에서, 수소가스 발생이 가능한 용액(예를 들어, NH₄Cl)을 전해질로 사용하면 발생 수소 가스에 의해 다양한 포어(pore) 사이즈를 갖는 금 나노입자 형성이 가능해진다. 또한 전해질 용액에 계면활성제를 첨가하여 전착 용액으로 사용하면 상기 멀티포어 금 나노 구조체에 추가로 다공성 입자가 형성되어 전극 표면의 미세구조를 제어할 수 있다. 이렇게 형성된 멀티포어(multi-pore)를 포함하는 금 나노구조체로 신경전극의 표면을 개질하여 신경 전극의 표면적을 넓힘으로써 임피던스 저감과 동시에 전극의 축전용량(capacitance)을 증가시킨다.

Description

멀티포어 나노구조체를 갖는 신경전극 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 신경전극 {Method of fabricating neural electrode having multi-pore nano-structure and neural electrode fabricated by the same}

본 발명은 자극 및 신경 신호의 기록을 목적으로 하는 생체 내(in vivo) 또는 생체 외(in vitro) 신경 인터페이스 분야에서 사용되는 신경 전극의 성능 향상을 위한 소재 개발 기술에 관련된 것이다.

신경전극(neural electrode)은 자극 및 신경 신호의 기록을 목적으로 하는 생체 내(in vivo) 또는 생체 외(in vitro) 신경 인터페이스 분야에 사용되는 전극이다.

신경전극은 백금, 금, 텅스텐, 이리듐 등의 금속 선으로 제작된 제1세대 전극에서 반도체 및 다중 전극 어레이(multi-electrode array)와 같은 제2세대 전극을 거쳐서 탄소나노튜브와 전도성 고분자 등으로 표면이 개질된 제3세대 전극이 활발하게 연구 개발되고 있다.

신경전극은 신경세포 단위로 신경 신호 기록이 필수적이기 때문에 크기가 신경세포 크기 수준(대략 10 ㎛)으로 작아야 한다. 전극의 크기가 작으면서도 유효한 신호 측정 감도를 유지하기 위해서는 단위 면적당 표면적이 커야 하는데, 이를 위해서 나노재료를 이용한 표면 개질이 시도되고 있다.

전착법(electro-deposition)은 이와 같이 금 나노입자를 적은 비용으로 전극에 입히는 잘 알려진 방법이다. 기존에는 금속 다공성 구조체를 얻기 위해, 전극에 전착된 금-은 합금을 고온의 진한 질산에 담가서 은을 용해해 제거해야 하는 등 공정이 복잡하고 전극의 활용 범위가 협소하였다.

본 발명은 신경세포에 상응하는 작은 크기의 신경전극의 성능 향상을 위하여 신경전극의 표면적을 증대시키기 위한 방안을 제안하는 것을 목적으로 한다.

금 또는 플래티늄 등의 금 나노입자를 신경전극에 전착하는 과정에서, 수소가스 발생이 가능한 용액(예를 들어, NH₄Cl)을 전해질로 사용하면 발생 수소 가스에 의해 다양한 포어(pore) 사이즈를 갖는 금 나노입자 형성이 가능해진다.

또한 전해질 용액에 계면활성제를 첨가하여 전착 용액으로 사용하면 상기 멀티포어 금 나노 구조체에 추가로 다공성 입자가 형성되어 전극 표면의 미세구조를 제어할 수 있다.

이렇게 형성된 멀티포어(multi-pore)를 포함하는 금 나노구조체로 신경전극의 표면을 개질하여 신경 전극의 표면적을 넓힘으로써 임피던스 저감과 동시에 전극의 축전용량(capacitance)을 증가시킨다.

multi-pore 금 나노 구조체는 pore가 없는 금 나노구조체와 비교하여 신경전극 표면에 적용시에 신경전극의 표면적 증가의 효과를 일으킬 수 있다.

상술한 본 발명의 개념은 이후에 도면과 함께 설명하는 구체적인 실시예를 통하여 더욱 명확해질 것이다.

본 발명에서 구현된 multi-pore 금 나노구조체로 신경 전극의 표면적을 증대시킴으로써 신경 인터페이스 분야에서의 기록용 전극의 잡음을 감소시킬 수 있으며, 추가로 나노 구조체의 표면에 이리듐 산화물을 전착함으로써 신경 전극의 자극 효율을 더욱 증가시킬 수 있다

본 발명은 기존 전기 전착된 금-은 합금을 고온의 진한 질산에 담가서 은을 용해하여 금 다공성 구조체를 얻는 방법에 비하여, 고온의 진한 질산을 사용할 필요가 없어서 불소고분자 외에 폴리이미드, SU-8 등과 같이 다양한 고분자 기판과 고분자 패시베이션 층으로 구성되는 플렉시블 신경전극 제작에 적용 가능해지는 장점을 갖는다.

도 1은 본 발명에 따른 멀티포어 나노구조체를 갖는 신경전극 제조방법의 공정 순서도
도 2a~도 2c는 전해질 용액 1(HAuCl₄ + NH₄Cl)에서 형성한 multi-pore 금 나노 구조체의 인가 전압에 따른 현미경 사진
도 3a, 도 3b는 전해질 용액 1과 전해질 용액 2에서 형성한 각 나노 구조체의 비교를 위한 현미경 사진

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하 설명에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한 명세서에 사용된 '포함한다(comprise, comprising 등)'라는 용어는 언급된 구성요소, 단계, 동작, 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용된 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 멀티포어 나노구조체를 갖는 신경전극 제조방법의 공정 순서도를 나타낸다.

본 발명은 전착시 발생하는 수소가스를 이용하여 금 나노입자에 포어(pore)를 갖는 금 나노 구조체를 형성함으로써 신경전극의 표면적을 증대시켜서 신경전극의 기록 및 자극 성능 향상을 위한 것이다. 이를 위해 먼저, 금 나노 구조체 형성시 수소가 발생할 수 있는 전해질 용액을 제조한다(100). 전해질 용액은 테트라클로로금산(HAuCl₄)과 염화암모늄(NH₄Cl)을 포함할 수 있다. 이렇게 제조된 전해질 용액을 이하 "전해질 1"이라 한다. 여기서 사용되는 NH₄Cl 용액의 농도는 다양하게 적용될 수 있다.

다음에, 옵션 단계로, 전해질 1에 일정량의 계면활성제를 첨가할 수 있다(200). 계면활성제의 첨가 농도에 따라 향후 생성될 나노 구조체의 표면 미세구조가 달라진다. 따라서 계면활성제는 표면 미세구조를 제어하는 역할을 한다. 그 이유는 나노입자형성시 포함된 마이셀이 washing 과정에서 녹아 나오기 때문이다. 이하에서 계면활성제를 첨가하여 제조된 전해질 용액을 "전해질 2"라 한다.

금 나노입자를 신경전극에 전착(electro-deposition)한다(300). 이를 위해 전착 대상 신경전극을 작업전극(working electrode)으로 준비하고, 상대전극(counter electrode)으로는 KCl 포화 용액의 Ag/AgCl 전극을 사용하고, 기준전극(reference electrode)으로는 백금 판을 사용한다. 전해질 용액 1(또는 전해질 용액 2)를 사용하여 0V ~ ―8V의 전압을 가하여 금 나노 입자가 신경전극의 표면에 동시에 증착되도록 전착을 실시한다.

도 2a~도 2c는 전해질 용액 1 (HAuCl₄ + NH₄Cl)에서 형성한 multi-pore 금 나노 구조체의 확대 사진이다. 각각 0V, ―2V, ―4V의 전압을 30초 동안 인가하여 전착한 경우에 얻은 금 나노 구조체의 포어 형태를 보여준다. 이들 확대 사진을 통해, 본 발명에 따라 전기화학적 방법으로 형성된 금나노 구조체는 그 증가된 pore에 의해 신경 전극의 표면적이 크게 증가되는 효과를 얻을 수 있다(특히, 도 2c의 경우).

또한 도 3a와 도 3b는 각각 전해질 용액 1과 전해질 용액 2에서 형성한 multi-pore 금 나노 구조체의 확대 사진이다. 계면활성제가 첨가되지 않은 전해질 용액 1과 계면활성제가 첨가된 전해질 용액 2에서 전착 형성된 금 나노 구조체를 비교해 보면, 표면 형태(morphology)의 차이가 있음을 볼 수 있다.

추가 옵션 단계로, 상기와 같이 형성된 multi-pore를 갖는 금 나노 구조체의 표면에 이리듐 산화물을 추가로 전착할 수 있다(400). 이미 형성된 멀티포어 금 나노 구조체에 이리듐 산화물을 추가 전착함으로써 신경전극의 자극 성능을 향상시킬 수 있다. 왜냐하면 전하이동(charge transfer)이 원활해지기 때문이다.

이상에서와 같이, 본 발명은 전착 방법으로 금 나노 구조체 형성시 수소가 발생할 수 있는 전해질 용액을 사용함으로써 전착시 발생되는 수소로 인하여 multi-pore를 갖는 금 나노구조체를 형성하여 신경전극의 표면적을 증가시킴으로써 전극의 임피던스 감소 및 축전용량을 증가시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 사상을 구체적으로 구현한 실시예를 설명하였다. 그러나 본 발명의 기술적 범위는 이상에서 설명한 실시예 및 도면에 한정되는 것이 아니라 특허청구범위의 합리적 해석에 의해 정해지는 것이다.

Claims

신경신호 측정용 신경전극 표면에 multi-pore를 갖는 금 나노 구조체를 형성하고 금 나노 구조체 표면에 이리듐 산화물을 전착하여 신경 전극의 성능을 향상 시키는 방법.