KR20240111060A - 표면 및 피질 내 영역 신경 신호를 동시 측정할 수 있는 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
개시된 실시예는 2차원 평판 구조를 갖고 다수의 제1 신경 전극과 다수의 제1 신경 전극 각각에서 감지된 신경 신호를 인가받는 다수의 제1 전달 선로 및 다수의 제1 전달 선로와 함께 신경 신호를 측정 장치로 전달하는 다수의 제2 전달 선로가 형성된 표면 측정부 및 적어도 하나의 제2 신경 전극과 적어도 하나의 제2 신경 전극 각각에서 감지된 신경 신호를 연결된 제2 전달 선로로 전달하는 적어도 하나의 제3 전달 선로가 각각 형성되며 표면 측정부의 일면에서 수직 방향으로 연장되는 다수의 프로브를 갖는 피질 내 측정부를 포함하여, 3차원 구조로 구현되어 뇌 표면뿐만 아니라 대응하는 위치의 피질 내 신경 신호를 동시에 정확하게 검출할 수 있으며, 일체형 구조를 가져 간단한 제조 공정으로 저비용으로 용이하게 제조될 수 있는 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치 및 이의 제조 방법을 제공한다.
Description
개시되는 실시예들은 뇌 신경 인터페이스 장치 및 방법에 관한 것으로, 표면 및 피질 내 영역의 신경 신호를 동시 측정할 수 있는 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치 및 방법에 관한 것이다.
뇌는 무수히 많은 뉴런(Neuron)을 포함하는 복잡한 네트워크로 동작하며 인지 기능, 기억 또는 의사소통과 같은 중요한 생활 활동에서 중요한 역할을 수행한다. 뇌 신경 회로의 복잡한 활동을 정확하게 매핑할 수 있는 신경 인터페이스의 개발은 필연적으로 질병 및 예측할 수 없는 뇌 기능을 식별할 수 있는 단서를 획득하는 것과 관련이 있으며, 이에 신경 인터페이스(neural interface)를 구현하기 위한 다양한 방법이 연구되었다.
신경 인터페이스 중 전기생리학적(Electrophysiology) 인터페이스를 통한 신경병리학적 분석은 자기 공명 영상(Magnetic resonance imaging: MRI), 양전자 방출 단층촬영(Positron Emission Tomography), 공초점 광자영상(confocal photon imaging)과 같은 다른 방식에 비해 우수한 시간 판독 해상도를 제공한다는 점에서 큰 장점이 잇다.
그러나 기존의 전기생리학적 인터페이스는 뇌의 표면 영역에서만 신경 신호를 측정하거나, 피질 내 영역에서만 신경 신호를 측정할 수 있도록 구성됨에 따라 뇌 표면과 피질 내 영역에서 발생되는 신경 신호를 동시에 측정할 수 없었다. 따라서 비록 표면 영역과 피질 내 영역을 측정하는 전기생리학적 인터페이스를 함께 이용한다 할지라도, 물리적으로 두 인터페이스가 각각 서로 별도구비됨에 따라 서로 다른 위치에서 측정을 수행해야 하였다. 이로 인해, 뇌 표면과 피질 내 영역에서 이루어지는 신경 활동에 대한 상호 작용에 대한 정확한 분석이 수행되기 어렵다는 한계가 있었다.
개시되는 실시예들은 3차원 구조로 구현되어 뇌 표면뿐만 아니라 대응하는 위치의 피질 내 신경 신호를 동시에 정확하게 검출할 수 있는 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치 및 이의 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.
개시되는 실시예들은 일체형 구조를 가져 간단한 제조 공정으로 저비용으로 용이하게 제조될 수 있는 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치 및 이의 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.
실시예에 따른 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치는 2차원 평판 구조를 갖고 다수의 제1 신경 전극과 상기 다수의 제1 신경 전극 각각에서 감지된 신경 신호를 인가받는 다수의 제1 전달 선로 및 상기 다수의 제1 전달 선로와 함께 신경 신호를 측정 장치로 전달하는 다수의 제2 전달 선로가 형성된 표면 측정부; 및 적어도 하나의 제2 신경 전극과 상기 적어도 하나의 제2 신경 전극 각각에서 감지된 신경 신호를 연결된 제2 전달 선로로 전달하는 적어도 하나의 제3 전달 선로가 각각 형성되며 상기 표면 측정부의 일면에서 수직 방향으로 연장되는 다수의 프로브를 갖는 피질 내 측정부를 포함한다.
상기 표면 측정부는 각각 적어도 하나의 제1 신경 전극이 형성되는 다수의 표면 측정 영역으로 구분되고, 상기 다수의 프로브는 구분된 다수의 표면 측정 영역 중 서로 인접하여 위치하는 2개의 표면 측정 영역 각각에 일체의 구조로 연결될 수 있다.
상기 다수의 프로브 각각은 상기 표면 측정 영역보다 좁은 폭을 갖는 2차원 평판 구조로 형성될 수 있다.
상기 표면 측정부는 플렉서블 소재의 기판 상의 상기 다수의 표면 측정 영역 각각에 상기 다수의 제1 신경 전극과 상기 다수의 제1 및 제2 전달 선로가 형성되어 구현되며, 상기 다수의 프로브 각각은 서로 인접하여 위치하는 표면 측정 영역 각각의 사이에서 상기 적어도 하나의 제2 신경 전극과 상기 적어도 하나의 제3 전달 선로가 형성된 기판의 일부 영역이 접혀져 상기 표면 측정부의 일면에서 수직 방향으로 돌출된 형태로 형성될 수 있다.
상기 다수의 프로브 각각은 상기 표면 측정부의 일면에서 수직 방향으로 돌출되어 서로 마주하는 상기 기판의 일면이 밀착되어 단일 프로브 형태를 가질 수 있다.
상기 다수의 프로브 각각은 접혀진 영역의 폭과 두께가 프로브의 나머지 영역의 폭과 두께보다 작은 크기를 가질 수 있다.
상기 다수의 프로브 각각은 뇌 피질 내부로 용이하게 삽입 가능하도록 강성을 보강하는 보강재로 외부가 코팅될 수 있다.
실시예에 따른 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치의 제조 방법은 2차원 평면 상에서, 다수의 제1 신경 전극과 상기 다수의 제1 신경 전극 각각에서 감지된 신경 신호를 인가받는 다수의 제1 전달 선로 및 상기 다수의 제1 전달 선로와 함께 신경 신호를 측정 장치로 전달하는 다수의 제2 전달 선로를 각각 포함하는 다수의 표면 측정 영역과 적어도 하나의 제2 신경 전극과 상기 적어도 하나의 제2 신경 전극 각각에서 감지된 신경 신호를 연결된 제2 전달 선로로 전달하는 적어도 하나의 제3 전달 선로를 각각 포함하며 상기 다수의 표면 측정 영역 사이에 연결된 다수의 프로브 영역을 포함하는 2차원 패턴을 형성하는 단계; 및 2차원 평면 상에서 형성된 상기 다수의 표면 측정 영역과 상기 다수의 프로브 영역 중 상기 다수의 표면 측정 영역에 측방향 압력을 가하여 상기 다수의 프로브 영역 각각을 일면 방향으로 팝업시켜 3차원 구조로 변형함으로써 3차원 뇌 신경 인터페이스를 획득하는 단계를 포함한다.
따라서, 실시예에 따른 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치 및 이의 제조 방법은 3차원 구조로 구현되어 뇌 표면뿐만 아니라 대응하는 위치의 피질 내 신경 신호를 동시에 정확하게 검출할 수 있으며, 일체형 구조를 가져 간단한 제조 공정으로 저비용으로 용이하게 제조될 수 있다.
도 1 내지 도 5는 일 실시예 따른 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치를 나타낸다.
도 6 내지 도 8은 일 실시예 따른 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치의 제조 방법을 나타낸다.
도 6 내지 도 8은 일 실시예 따른 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치의 제조 방법을 나타낸다.
이하, 도면을 참조하여 일 실시예의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
일 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 일 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 일 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1 내지 도 5는 일 실시예 따른 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치를 나타낸다.
구체적으로 도 1은 실시예에 따른 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치의 사시도를 나타내고, 도 2 및 도 3은 도 1의 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치의 사용 예를 나타낸다. 그리고 도 4는 도 2의 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치의 사용 예에 따른 상부 사시도를 나타내고, 도 5는 도 2의 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치의 사용 예에 따른 단면도를 나타낸다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 실시예에 따른 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치(1)는 일체의 단일 구성으로 구현되지만, 이해의 편의상 여기서는 표면 측정부(10) 및 피질 내 측정부(20)로 크게 구분하여 설명한다.
표면 측정부(10)는 플렉서블한 소재의 2차원 평판 형태로 구성되고 뇌(2)의 표면 상에 배치되어 뇌 표면에서 발생된 신경 신호를 감지하고, 감지된 신경 신호를 측정 장치(미도시)로 전달한다.
표면 측정부(10)는 제1 기판(11), 다수의 제1 신경 전극(12), 다수의 제1 전달 선로(13) 및 다수의 제2 전달 선로(14)를 포함할 수 있다.
제1 기판(11)은 일면 상에 다수의 제1 신경 전극(12), 다수의 제1 전달 선로(13) 및 다수의 제2 전달 선로(14)가 형성된다. 여기서 제1 기판(11)은 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치(1)가 뇌(2)에 불필요한 자극을 가하지 않고 뇌(2)의 표면 상에 용이하게 안착되도록 플렉서블 소재로 구현될 수 있다.
그리고 실시예의 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치(1)에서 제1 기판(11)은 도시된 바와 같이, 다수의 표면 측정 영역으로 구분될 수 있다. 여기서 다수의 표면 측정 영역 각각은 인접하여 위치하도록 형성될 수 있으며, 다수의 표면 측정 영역 중 서로 인접하여 위치하는 표면 측정 영역 사이에서 피질 내 측정부(20)의 적어도 하나의 프로브(21)가 제1 기판(11)의 일면 방향에서 수직하게 연장되도록 형성될 수 있다.
다수의 제1 신경 전극(12)은 도 2와 같이 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치(1)가 뇌(2)에서 측정하고자 하는 위치에 배치되면, 배치된 위치에서 뇌(2)의 표면에 접촉되어, 뇌(2) 표면의 뉴런(3) 등에 의해 생성된 신경 신호를 감지하여 다수의 제1 전달 선로(13) 중 전기적으로 연결된 제1 전달 선로로 전달한다. 다수의 제1 신경 전극(12)은 제1 기판(11)의 일면상에서 서로 이격되어 배열된 형태로 형성되어, 뇌(2) 표면에서 분산된 여러 위치의 신경 신호를 감지할 수 있다.
다수의 제1 및 제2 전달 선로(13, 14) 또한 제1 기판(11)의 일면상에 형성된다. 다수의 제1 전달 선로(13)는 각각 연결된 제1 신경 전극(12)에서 감지된 신경 신호를 형성된 선로 패턴에 따라 전달한다. 그리고 다수의 제2 전달 선로(14)는 각각 후술하는 피질 내 측정부(20)의 다수의 제3 전달 선로(24)가 제1 기판(11)까지 연장되어 형성된 선로로서, 다수의 제3 전달 선로(24) 중 연결된 제3 전달 선로를 통해 전달되는 신경 신호를 형성된 선로 패턴에 따라 전달한다. 여기서 다수의 제1 및 제2 전달 선로(13, 14)는 전달된 신경 신호를 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치(1)와 별개로 외부에 구비된 측정 장치로 전달하기 위한 구성이다.
한편 피질 내 측정부(20)는 2차원 평판 형태로 구성된 표면 측정부(10)의 일면에서 수직 방향으로 연장되는 다수의 프로브(21)를 포함한다.
다수의 프로브(21) 각각은 첨부가 표면 측정부(10)가 뇌(2) 표면 상에 배치될 때, 해당 표면 위치에서 뇌(2) 내부로 삽입되어 피질내 뉴런에서 발생되는 신경 신호를 개별적으로 감지한다.
다수의 프로브(21)는 상기한 바와 같이, 다수의 표면 측정 영역 중 서로 인접하여 위치하는 표면 측정 영역 사이에서 제1 기판(11)의 일면 방향으로 연장되도록 형성되며, 각각 제2 기판(22)과 적어도 하나의 제2 신경 전극(23) 및 적어도 하나의 제3 전달 선로(24)를 포함할 수 있다.
여기서는 편의상 표면 측정부(10)와 피질 내 측정부(20)를 구분하여 설명하므로, 표면 측정부(10)와 다수의 프로브(21)를 별개로 설명하지만, 다수의 프로브(21)는 표면 측정부(10)에서 연장된 구성으로서, 실시예의 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치(1)는 일체의 구조로 구현된다.
다수의 프로브(21)에서 제2 기판(22)은 제1 기판(11) 별도로 형성되는 것이 아니라, 제1 기판(11)과 일체로서 제1 기판(11)에서 연장되어 형성된 구성이다. 따라서 제2 기판(22)은 제1 기판(11)과 동일하게 플렉서블한 소재로 구현되며, 표면 측정 영역을 형성하는 제1 기판(11)의 일측에서 수직 방향으로 꺽여져 형성된 구성이다. 다만 각 프로브(21)에서 제2 기판(22)은 양측에 위치하는 인접한 표면 측정 영역의 제1 기판(11)이 수직 방향으로 연장된 구조를 갖는다. 또한 프로브(21)에서 제1 기판(11)에 연결된 일단의 반대측, 프로브(21)의 첨부에서는 연장된 제2 기판(22)이 접혀서 겹쳐진 형태를 갖는다. 즉 프로브(21)에서 제2 기판(22)은 프로브(21)의 첨부 위치에서 180도 꺾여 접혀진 형태가 되어, 마치 2개의 제2 기판이 겹쳐진 것과 같은 구조를 가지며, 표면 측정부(10) 방향에서는 제1 기판(11)에서 연장된 형태로서 제1 기판(11)과 제2 기판(22)은 일체의 구조를 갖는다.
그리고 제2 기판(22)은 프로브(21)의 첨부에서 더 좁은 폭과 두께를 갖는다. 이는 제2 기판(22)이 해당 위치에서 용이하게 접혀지기 위함이기도 하며, 추가적으로 프로브(21)가 뇌(2)에 미치는 영향을 최소화하면서 뇌(2) 내부로 안정적으로 삽입될 수 있도록 한다.
적어도 하나의 제2 신경 전극(23)은 프로브(21)가 뇌(2)의 피질 내부로 삽입되면, 삽입된 위치에서 신경 신호를 감지하여 연결된 제3 전달 선로(24)로 전달한다. 제2 신경 전극(23)은 프로브(21) 각각에 다수개가 분산 배열되어 배치될 수 있다. 또한 상기한 바와 같이, 프로브(21)에서는 제2 기판(22)이 접혀져서 2개가 겹쳐진 구조를 가지므로, 프로브(21)의 양면에 배치되는 형태로 형성될 수도 있다.
적어도 하나의 제3 전달 선로(24)는 연결된 제2 신경 전극(23)에서 감지된 신경 신호를 제1 기판(11) 상에 형성된 다수의 제2 전달 선로(14) 중 대응하는 제2 전달 선로로 인가한다. 여기서 제2 전달 선로(14)와 제3 전달 선로(24)는 별개의 선로가 아니라, 제3 전달 선로(24)가 제1 기판(11)의 일면까지 연장되어 형성된 선로이다.
실시 예에서 제1 및 제2 기판(11, 22)은 일 예로 폴리이미드(polyimide) 기반 소재로 구현될 수 있고, 제1 및 제2 신경 전극(12, 23)과 제1 내지 제3 전달 선로(13, 14, 24)는 금속으로 구현되며, 일 예로 금(Au) 또는 크롬(Cr) 등으로 구현될 수 있다.
그리고 실시예의 따른 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치(1)에서 제1 및 제2 신경 전극(12, 23)이 형성된 영역을 제외한 나머지 영역은 절연체로 캡슐화(encapsulation)되어 신경 전극(12, 23)에서 감지된 신경 신호에 다른 신호 성분이 간섭을 유발하지 않도록 할 뿐만 아니라, 서로 다른 신경 전극(12, 23)에서 감지된 신경 신호가 상호 간섭을 유발하지 않도록 한다.
또한 프로브(21)의 제2 기판(22)과 제1 기판(11)이 동일하게 플렉서블 소재로 일체로 구현되므로, 프로브(21)가 뇌(2)의 피질 내로 삽입될 때, 삽입 압력에 의해 구부러질 가능성이 있으며, 이로 인해 프로브(21)가 구부러지게 되면, 용이하게 삽입되지 않거나 뇌(2)에 의도하지 않은 손상을 유할 수 있다. 이러한 문제를 방지하고자 다수의 프로브(21) 각각의 표면에는 프로브(21)의 강성을 보강하는 보강제가 코팅될 수 있다. 여기서 보강재는 일 예로 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol: PEG)이 이용될 수 있다. 폴리에틸렌 글리콜은 생체 적합성/생체 흡수성을 가져 피질내 삽입된 후 용해될 뿐만 아니라, 생체에 부작용을 유발하지 않는다.
상기한 구조를 갖는 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치(1)에서는 표면 측정부(10)가 뇌(2)의 표면에 배치되면, 다수의 프로브(21)가 해당 위치에서 뇌의 피질 내로 삽입되므로, 표면 측정부(10)가 다수의 제1 전극(12)은 뇌(2) 표면의 신경 신호를 감지하는 동안 동시에 다수의 프로브(21)에 형성된 제2 전극(23)이 피질 내로 신경 신호를 감지하고, 표면 및 피질 내에서 감지된 신경 신호는 제1 및 제2 전달 선로(13, 14)를 통해 함께 측정 장치로 인가된다. 따라서 뇌(2)의 특정 위치에서 표면과 피질 내에서 발생되는 신경 신호를 함께 감지하여 측정할 수 있도록 함으로써 뇌(2)의 신경 활동을 더욱 정확하게 분석할 수 있도록 한다.
도시된 실시예에서, 각 구성들은 이하에 기술된 것 이외에 상이한 기능 및 능력을 가질 수 있고, 이하에 기술되지 것 이외에도 추가적인 구성을 포함할 수 있다. 또한, 일 실시예에서, 각 구성은 물리적으로 구분된 하나 이상의 장치를 이용하여 구현될 수 있으며, 도시된 예와 달리 구체적 동작에 있어 명확히 구분되지 않을 수 있다.
도 6 내지 도 8은 일 실시예 따른 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치의 제조 방법을 나타낸다.
실시예에 따른 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치의 제조 방법은 크게 2차원 패턴을 형성하는 단계와 3차원 뇌 신경 인터페이스를 획득하는 단계로 구성될 수 있다. 도 6은 2차원 패턴을 형성하는 단계의 상세 과정을 나타내고, 도 7은 3차원 뇌 신경 인터페이스를 획득하는 단계를 나타낸다. 그리고 도 8은 도 7의 3차원 뇌 신경 인터페이스를 획득하는 단계에서 3차원 구조로 변형하는 단계를 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 2차원 패턴을 형성하는 단계에서는 우선 (a)에 도시된 바와 같이, 유리 기판(41) 상에 3차원 뇌 신경 인터페이스의 기판(42)이 형성된다. 여기서 기판(42)은 이후 형성된 패턴에 따라 제1 및 제2 기판(11, 22)으로 구분될 수 있다. 기판(42)은 플렉서블 소재로서 일 예로 폴리이미드 기반 소재로 구현될 수 있으며, 2겹 스핀 코팅 기법을 이용하여 유리 기판(41) 상에 증착되어 형성될 수 있다.
기판(42)이 형성되면, (b)와 같이, 금속 패턴(43)이 지정된 패턴에 따라 형성되어, 다수의 제1 및 제2 신경 전극(12, 23)과 다수의 제1 내지 제3 전달 선로(13, 14, 24)를 구현한다. 즉 신경 전극(12, 23)과 전달 선로(13, 14, 24)는 개별적으로 형성되지 않고, 동일한 금속 소재를 이용하여 일체로 함께 형성되며, 형성되는 패턴의 위치 및 형태에 따라 제1 및 제2 신경 전극(12, 23)과 제1 내지 제3 전달 선로(13, 14, 24)으로 구분된다. 특히 제2 및 제3 전달 선로(14, 24)는 서로 구분된 별도의 선로로 형성되는 것이 아니라, 연장되어 형성되는 선로가 형성된 위치에 따라 제2 또는 제3 전달 선로(14, 24)로 구분된다. 즉 제1 기판(11) 상에 형성되면 제2 전달 선로(14)이고, 제2 기판(22) 상에 형성되면 제3 전달 선로(24)인 것으로 구분하였다.
여기서 다수의 제1 및 제2 신경 전극(12, 23)과 다수의 제1 내지 제3 전달 선로(13, 14, 24)를 형성하는 금속 소재는 금(Au) 또는 크롬(Cr)이 이용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
그리고 (c)에 도시된 바와 같이, 유리 기판(41) 상에 형성된 기판(42)에서 지정된 패턴의 형태만 남기고, 나머지를 제거함으로써 기판(42)이 제1 및 제2 기판(11, 22)으로 구현되도록 한다. 이때, 제1 기판(11)은 구분되는 다수의 표면 측정에 대응하여, 다수로 형성되고 서로 이격된 표면 측정 영역 패턴(42-1)으로 형성되고, 제2 기판(22)은 다수의 프로브(21) 각각에 대응하여, 서로 이격되어 형성되는 표면 측정 영역 패턴(42-1) 각각의 사이에서 표면 측정 영역 패턴(42-1)보다 좁은 폭을 갖는 다수의 프로브 패턴(42-2)에 따라 형성될 수 있다. 이때 프로브 패턴(42-2) 인접하여 위치하는 표면 측정 영역 패턴(42-1) 사이에 다수개로 형성될 수도 있다.
기판(42)에서 다수의 표면 측정 영역 패턴(42-1)과 다수의 프로브 패턴(42-2)을 정확하게 형성하기 위해 일 예로 금속 마스크 등을 활용할 수 있다. 그리고 다수의 프로브 패턴(42-2) 각각에서 이후 설명하는 바와 같이 팝업되어 180도로 접힘으로써 프로브(21)의 첨부가 형성되는 위치, 즉 프로브 패턴(42-2)의 중앙 위치는 다른 위치에 비해 좁은 폭을 갖도록 기판(42)이 추가적으로 제거될 수 있다. 이는 해당 위치에서 프로브(21)가 용이하게 접혀 프로브(21)의 첨부를 형성할 수 있도록 하기 위함이다.
그리고 프로브(21)는 프로브 패턴(42-2)의 중앙 위치에서 접혀지게 되어 제2 기판(22)이 프로브(21)의 양면에 2겹으로 겹쳐지게 되며, 이에 접혀지게 되는 프로브 패턴(42-2)의 중앙 위치를 제3 전달 선로(24)가 가로지르지 않도록, 제3 전달 선로(24)는 프로브 패턴(42-2)의 중앙 위치에서 양측 방향의 표면 측정 영역 패턴(42-1) 방향으로 연장되도록 형성될 수 있다. 즉 프로브 패턴(42-2)의 중앙 위치에는 제2 기판(22)만이 폭이 좁아진 형태로 형성된다.
그리고 (d)에서는 폭이 좁아진 프로브 패턴(42-2)의 중앙 위치에서 기판(42)의 두께가 얇아지도록 한다. 기판(42)의 두께는 반응성 이온 에칭(reactive ion etching: 이하 RIE) 공정을 이용하여 조절될 수 있다. 여기서 기판(42)의 두께가 얇아지도록 하는 것은 (c)에서 폭이 좁아지도록 하는 것과 마찬가지로 해당 위치에서 프로브(21)가 용이하게 접혀 프로브(21)의 첨부를 형성할 수 있도록 하기 위함이다. 즉 프로브 패턴(42-2)의 중앙 위치가 힌지(hinge)가 되도록 하기 위함이다. 이에 대한 상세한 설명은 후술하도록 한다.
결과적으로 2차원 패턴을 형성하는 단계에서는 실시예에 따른 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치가 펼쳐진 3차원 구조가 아닌 전개도와 같이 2차원 상에서 펼쳐진 구조로 형성된다.
도 7을 참조하면, 3차원 뇌 신경 인터페이스를 획득하는 단계에서는 우선 (e)와 같이 유리 기판(41) 상에 형성된 2차원 패턴의 상부면에 PDMS 스탬프(polydimethylsiloxane stamp)(45)를 밀착시킨다. 그리고 PDMS 스탬프(45)가 2차원 패턴의 상부면에 밀착되면, PDMS 스탬프(45)를 유리 기판(41)으로부터 분리시킨다. 이때, PDMS 스탬프(45)와 2차원 패턴 사이의 접착력이 유리 기판(41)과 2차원 패턴 사이의 접착력보다 우수하므로, 2차원 패턴은 PDMS 스탬프(45) 측에 전사되어 유리 기판(41)에서 이탈된다. 이때 2차원 패턴이 형성된 유리 기판(41)을 가열하고 물에 담구어 2차원 패턴이 유리 기판(41)에서 더욱 원활하게 이탈되도록 할 수 있다.
그리고 (f)와 같이, PDMS 스탬프(45)에 전사된 2차원 패턴에서 다수의 표면 측정 영역 패턴(42-1)에만 접착제(46)를 도포한다. 여기서 접착제(46)는 일 예로 쉐도우 마스크를 이용한 증착 방식으로 측정 영역 패턴(42-1)만 형성되도록 할 수 있다. 이때 다수의 프로브 패턴(42-2)에는 접착제(46)가 도포되지 않는다.
측정 영역 패턴(42-1)에 접착제(46)가 도포되면, (g)와 같이, 미리 양측 방향에서 당기는 힘에 의해 미리 신장된(pre-stretched) 신축성 소재(47) 상에 2차원 패턴을 다시 전사한다. 측정 영역 패턴(42-1)에 접착제(46)가 이미 도포되어 있으므로, 2차원 패턴은 신장된 신축성 소재(47)에 다시 전사되고, PDMS 스탬프(45)는 용이하게 이탈될 수 있다. 여기서 신축성 소재(47)는 엘라스토머(elastomer)로 구현될 수 있다.
이후, 신축성 소재(47)를 당기고 있는 힘을 제거하면, 신축성 소재(47)는 자체 복원력에 의해 형상이 복구되며, 이때 복원력이 측정 영역 패턴(42-1)이 신축성 소재(47)에 접착된 2차원 패턴에 압력으로 가해지게 된다. 그리고 가해진 압력은 2차원 패턴에서 다른 영역에 비해 상대적으로 가장 약한 구조를 갖는 부위 즉, 프로브 패턴(42-2)의 중앙에 집중되어 프로브 패턴(42-2)의 중앙 영역이 팝업(Pop-up)된다. 이에 2차원 패턴이 3차원 구조로 변형되어 (h)와 같은 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치(1)가 획득된다.
그리고 도시하지 않았으나, 획득된 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치(1)에서 다수의 프로브(21)의 외부에는 프로브(21)의 강성을 보강하기 위한 보강제가 코팅될 수 있다.
도 8을 참조하여, 3차원 구조로 변형되는 과정을 상세하게 설명하면, 도 8에서 (a)와 (b)는 도 7의 (g)에서와 같이 미리 신장된 신축성 소재(47) 상에 복원력이 측정 영역 패턴(42-1)에만 접착제(46)가 도포된 2차원 패턴이 배치된 상태의 상면도와 단면도를 나타내고, (d)와 (e)는 프로브 패턴(42-2)의 중앙 영역(44)을 확대하여 도시한 도면이다. 이때, 프로브 패턴(42-2)의 중앙 영역(44)은 도 6의 (c) 및 (d) 공정에 의해 이미 프로브 패턴(42-2)의 나머지 영역에 비해 좁은 폭(w)과 얇은 두께(t2)를 가진 상태이다. 따라서 더 큰 폭을 가질 뿐만 아니라 접착제(46)에 의해 신축성 소재(47)에 접착된 측정 영역 패턴(42-1)은 말할 것도 없이, 프로브 패턴(42-2)에서도 다른 영역에 비해 중앙 영역이 인가되는 압력에 취약한 구조를 갖는다.
그리고 (c)는 신축성 소재(47)를 인장하는 힘이 제거되어, 신축성 소재(47)가 복원됨에 따른 2차원 패턴의 형상 변화를 나태내고, (f)는 이때 프로브 패턴(42-2)의 중앙 영역(44)을 확대하여 도시한 도면이다.
2차원 패턴에서 측정 영역 패턴(42-1)이 접착제(46)에 의해 신축성 소재(47)에 접착된 상태이므로, 신축성 소재(47)가 복원되게 되면 (c)에 도시된 바와 같이, 프로브 패턴(42-2)에서도 가장 취약한 구조를 갖는 중앙 영역(44)이 구부러지면서 신축성 소재(47)의 반대 방향으로 팝업되게 된다. 그리고 신축성 소재(47)가 계속적으로 복원됨에 따라 프로브 패턴(42-2)의 중앙 영역(44)은 180도 접혀지는 형태가 되고, 중앙 영역(44)의 양측에서 프로브 패턴(42-2), 즉 제2 기판(22)은 서로 겹쳐지게 되어 도 7의 (g)와 같이 표면 측정부(10)의 일면측 방향으로 돌출된 평면 바 형태의 다수의 프로브(21)가 형성된다.
결과적으로 3차원 뇌 신경 인터페이스를 획득하는 단계는 2차원 패턴을 형성하는 단계에서 전개도와 같이 2차원 상에서 펼쳐진 구조로 형성된 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치가 신축성 소재의 복원력에 의해 종이 접기 형식으로 접혀져 3차원 구조를 갖도록 함으로써 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치를 획득할 수 있다.
도 6 내지 도 8에서는 각각의 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나 이는 예시적으로 설명한 것에 불과하고, 이 분야의 기술자라면 본 발명의 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 6 내지 도 8에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 또는 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하거나 다른 과정을 추가하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능하다.
그리고 실시예의 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치의 제조 방법에서 하나 또는 과정은 프로세서 및 메모리를 포함하는 컴퓨팅 장치(메모리)의 제어에 따라 수행될 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 표면 측정부
11: 제1 기판
12: 제1 신경 전극 13: 제1 전달 선로
14: 제2 전달 선로 20: 피질 내 측정부
21: 프로브 22: 제2 기판
23: 제2 신경 전극 24: 제3 전달 선로
41: 유리 기판 42: 기판
43: 금속 패턴 45: PDMS 스탬프
46: 접착제 47: 신축성 소재
12: 제1 신경 전극 13: 제1 전달 선로
14: 제2 전달 선로 20: 피질 내 측정부
21: 프로브 22: 제2 기판
23: 제2 신경 전극 24: 제3 전달 선로
41: 유리 기판 42: 기판
43: 금속 패턴 45: PDMS 스탬프
46: 접착제 47: 신축성 소재
Claims (16)
- 2차원 평판 구조를 갖고 다수의 제1 신경 전극과 상기 다수의 제1 신경 전극 각각에서 감지된 신경 신호를 인가받는 다수의 제1 전달 선로 및 상기 다수의 제1 전달 선로와 함께 신경 신호를 측정 장치로 전달하는 다수의 제2 전달 선로가 형성된 표면 측정부; 및
적어도 하나의 제2 신경 전극과 상기 적어도 하나의 제2 신경 전극 각각에서 감지된 신경 신호를 연결된 제2 전달 선로로 전달하는 적어도 하나의 제3 전달 선로가 각각 형성되며 상기 표면 측정부의 일면에서 수직 방향으로 연장되는 다수의 프로브를 갖는 피질 내 측정부를 포함하는 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치. - 제1항에 있어서, 상기 표면 측정부는
각각 적어도 하나의 제1 신경 전극이 형성되는 다수의 표면 측정 영역으로 구분되고,
상기 다수의 프로브는
구분된 다수의 표면 측정 영역 중 서로 인접하여 위치하는 2개의 표면 측정 영역 각각에 일체의 구조로 연결되는 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치. - 제2항에 있어서, 상기 다수의 프로브 각각은
상기 표면 측정 영역보다 좁은 폭을 갖는 2차원 평판 구조로 형성되는 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치. - 제2항에 있어서, 상기 표면 측정부는
플렉서블 소재의 기판 상의 상기 다수의 표면 측정 영역 각각에 상기 다수의 제1 신경 전극과 상기 다수의 제1 및 제2 전달 선로가 형성되어 구현되며,
상기 다수의 프로브 각각은
서로 인접하여 위치하는 표면 측정 영역 각각의 사이에서 상기 적어도 하나의 제2 신경 전극과 상기 적어도 하나의 제3 전달 선로가 형성된 기판의 일부 영역이 접혀져 상기 표면 측정부의 일면에서 수직 방향으로 돌출된 형태로 형성된 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치. - 제4항에 있어서, 상기 다수의 프로브 각각은
상기 표면 측정부의 일면에서 수직 방향으로 돌출되어 서로 마주하는 상기 기판의 일면이 밀착되어 단일 프로브 형태를 갖는 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치. - 제3항에 있어서, 상기 다수의 프로브 각각은
접혀진 영역의 폭과 두께가 프로브의 나머지 영역의 폭과 두께보다 작은 크기를 갖는 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치. - 제1항에 있어서, 상기 다수의 프로브 각각은
뇌 피질 내부로 용이하게 삽입 가능하도록 강성을 보강하는 보강재로 외부가 코팅된 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치. - 2차원 평면 상에서, 다수의 제1 신경 전극과 상기 다수의 제1 신경 전극 각각에서 감지된 신경 신호를 인가받는 다수의 제1 전달 선로 및 상기 다수의 제1 전달 선로와 함께 신경 신호를 측정 장치로 전달하는 다수의 제2 전달 선로를 각각 포함하는 다수의 표면 측정 영역과 적어도 하나의 제2 신경 전극과 상기 적어도 하나의 제2 신경 전극 각각에서 감지된 신경 신호를 연결된 제2 전달 선로로 전달하는 적어도 하나의 제3 전달 선로를 각각 포함하며 상기 다수의 표면 측정 영역 사이에 연결된 다수의 프로브 영역을 포함하는 2차원 패턴을 형성하는 단계; 및
2차원 평면 상에서 형성된 상기 다수의 표면 측정 영역과 상기 다수의 프로브 영역 중 상기 다수의 표면 측정 영역에 측방향 압력을 가하여 상기 다수의 프로브 영역 각각을 일면 방향으로 팝업시켜 3차원 구조로 변형함으로써 3차원 뇌 신경 인터페이스를 획득하는 단계를 포함하는 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치의 제조 방법. - 제8항에 있어서, 상기 2차원 패턴을 형성하는 단계는
상기 다수의 프로브 영역 각각에 대해 상기 3차원 구조로 변형하는 단계에서 팝업되어야 하는 위치의 폭과 두께가 상기 다수의 프로브 영역의 다른 영역의 두께에 비해 얇아지도록 절단 및 에칭을 수행하는 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치의 제조 방법. - 제8항에 있어서, 상기 2차원 패턴을 형성하는 단계는
유리 기판 상에 플렉서블 소재의 기판을 형성하고,
상기 다수의 표면 측정 영역의 패턴과 상기 다수의 프로브 영역의 패턴에 따라 상기 기판 상에 상기 다수의 제1 및 제2 신경 전극과 상기 다수의 제1 내지 제3 전달 선로를 형성하며,
상기 기판에서 상기 다수의 표면 측정 영역의 패턴과 상기 다수의 프로브 영역의 패턴에 대응하는 영역을 제외한 나머지 영역을 제거하는 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치의 제조 방법. - 제8항에 있어서, 상기 2차원 패턴을 형성하는 단계는
유리 기판 상에 플렉서블 소재를 증착하여 상기 기판을 형성하고,
상기 기판 상에 금속 소재로 상기 다수의 제1 및 제2 신경 전극과 상기 다수의 제1 내지 제3 전달 선로를 형성하며,
상기 다수의 표면 측정 영역의 패턴과 상기 다수의 프로브 영역의 패턴에 따라 미리 형성된 금속 마스크를 이용하여 상기 기판에서 상기 다수의 표면 측정 영역의 패턴과 상기 다수의 프로브 영역의 패턴을 형성하는 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치의 제조 방법. - 제8항에 있어서, 상기 2차원 패턴을 형성하는 단계는
상기 다수의 제1 및 제2 신경 전극이 형성된 영역을 제외한 나머지 영역에 절연체를 도포하여 캡슐화하는 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치의 제조 방법. - 제8항에 있어서, 상기 3차원 뇌 신경 인터페이스를 획득하는 단계는
상기 2차원 패턴에 형성된 상기 다수의 표면 측정 영역과 상기 다수의 프로브 영역 중 상기 다수의 표면 측정 영역에 접착제를 도포하여 미리 신장된 상태로 유지되는 신축성 소재에 전사하고,
미리 신장된 신축성 소재가 신장된 상태를 유지하도록 가해지는 힘을 제거하여 수축되도록 하여, 상기 다수의 표면 측정 영역에 측방향 압력이 가해지도록 함으로써, 상기 다수의 프로브 영역 각각이 일면 방향으로 팝업되도록 하는 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치의 제조 방법. - 제13항에 있어서, 상기 3차원 뇌 신경 인터페이스를 획득하는 단계는
상기 2차원 패턴을 형성하는 단계에서 상기 2차원 패턴이 상부면에 형성된 유리 기판에 PDMS 스탬프를 밀착시켜, 상기 2차원 패턴이 상기 PDMS 스탬프로 전사되도록 하고,
상기 PDMS 스탬프를 상기 유리 기판에서 분리시켜, 상기 PDMS 스탬프에 전사된 2차원 패턴이 상기 유리 기판에서 이탈되도록 하며,
상기 PDMS 스탬프에 전사된 2차원 패턴에서 상기 다수의 표면 측정 영역에 접착제를 도포하는 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치의 제조 방법. - 제14항에 있어서, 상기 3차원 뇌 신경 인터페이스를 획득하는 단계는
상기 신축성 소재에 힘을 가하여 미리 신장시키고,
상기 PDMS 스탬프에 전사된 2차원 패턴에서 상기 다수의 표면 측정 영역에 도포된 접착제를 이용하여, 상기 다수의 표면 측정 영역을 상기 신축성 소재에 부착하며,
상기 다수의 프로브 영역 각각이 지정된 영역에서 팝업되도록 상기 신축성 소재에 가해지는 힘을 제거하는 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치의 제조 방법. - 제14항에 있어서, 상기 3차원 뇌 신경 인터페이스를 획득하는 단계는
물에 녹는 소재로 구성되는 상기 접착제를 용해시켜 3차원 구조로 변형된 3차원 뇌 신경 인터페이스에서 상기 신축성 소재를 제거하는 3차원 뇌 신경 인터페이스 장치의 제조 방법.
Priority Applications (2)
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Applications Claiming Priority (1)
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