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KR102344486B1 - 신경 신호 측정용 신경전극 및 이의 제조 방법 - Google Patents

신경 신호 측정용 신경전극 및 이의 제조 방법 Download PDF

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KR102344486B1
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Abstract

신경 신호 측정용 신경전극 제조 방법이 개시된다. 개시된 신경 신호 측정용 신경전극 제조 방법은, 기판 상에 ITO 전극을 형성하는 단계; 상기 기판 및 상기 ITO 전극 상에 상기 ITO 전극의 일부분이 노출되도록 절연성 부동태층을 형성하는 단계; 및 상기 ITO 전극의 일부분 및 상기 절연성 부동태층 상에 ITO 나노선들을 형성하는 단계;를 포함한다. 본 발명에 따르면, 기존의 공정을 이용하여 전기적 잡음의 감소와 함께 신경 친화성 향상을 도모할 수 있는 장점이 있다.

Description

신경 신호 측정용 신경전극 및 이의 제조 방법{NEURAL ELECTRODE FOR MEASURING NEURAL SIGNAL AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 신경 신호 측정용 신경전극 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
신경 세포로부터 신경 신호의 기록을 목적으로 하는 생체 내(in vivo) 또는 생체 외(in vitro) 신경 인터페이스 분야에서 신경전극의 성능 향상을 위한 소재 개발에 대한 연구가 진행되고 있다.
신경전극은 백금, 금, 텅스텐, 이리듐과 같은 금속 선으로 제작된 1세대 전극에서, 반도체나 다중 어레이로 제작된 2세대 전극을 거쳐서, 나노구조체로 표면 개질된 3세대 전극이 연구 개발되고 있다.
보다 정확한 신경의 상태를 파악하기 위하여, 신경 세포 단위로 신경 신호의 기록이 필수적이며, 이를 위해, 전극의 크기가 신경 세포의 크기(약 10㎛) 수준으로 작아지고 있다.
전극의 크기가 작으면서도 유효한 신호 측정 감도를 유지하기 위해서는 단위 면적당 표면적이 커야 하며, 이를 위해, 나노재료 등을 이용한 표면 개질이 시도되고 있다.
표면적의 증가는 임피던스의 감소를 통한 열 잡음을 감소시키고, 궁극적으로는 신호 대비 잡음비(Signal-to-Noise Ratio, SNR)를 향상시킬 수 있다.
한편, 신경전극의 경우, 신경 세포와의 친화성이 매우 중요하므로, 신경전극의 신경 친화성뿐만 아니라 신경전극 부동태(passivation) 소재의 신경 친화성 또한 매우 중요하다.
본 발명에서는 기존의 공정을 이용하여 전기적 잡음의 감소와 함께 신경 친화성 향상을 도모할 수 있는 신경 신호 측정용 신경전극 및 이의 제조 방법을 제안하고자 한다.
본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 기판 상에 ITO 전극을 형성하는 단계; 상기 기판 및 상기 ITO 전극 상에 상기 ITO 전극의 일부분이 노출되도록 절연성 부동태층을 형성하는 단계; 및 상기 ITO 전극의 일부분 및 상기 절연성 부동태층 상에 ITO 나노선들을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 신경 신호 측정용 신경전극 제조 방법이 제공된다.
상기 ITO 나노선들 중 일부를 제거하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 일부를 제거하는 단계는 상기 ITO 나노선들 중 상기 ITO 전극의 일부분의 가장자리에 인접하는 ITO 나노선들을 제거할 수 있다.
상기 ITO 전극의 일부분의 가장자리에 인접하는 ITO 나노선들은 상기 ITO 전극 상의 상기 절연성 부동태층 상에 위치할 수 있다.
상기 ITO 나노선들은, 상기 ITO 전극의 일부분 상에 형성되는 제1 나노선들, 및 상기 절연성 부동태층 상에 형성되는 제2 나노선들을 포함하고, 상기 일부를 제거하는 단계는, 상기 제2 나노선들 중 상기 제1 나노선들에 인접하는 부분을 제거할 수 있다.
상기 일부를 제거하는 단계는, 상기 ITO 나노선들 상에 포토레지스트를 도포하는 단계; 상기 ITO 전극의 일부분의 가장자리에 인접하는 ITO 나노선들이 노출되도록 상기 포토레지스트를 패터닝하는 단계; 상기 노출된 ITO 나노선들을 제거하는 단계; 및 상기 포토레지스트를 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 노출된 ITO 나노선들을 제거하는 단계는 ITO 식각제를 이용할 수 있다.
상기 일부가 제거된 상기 ITO 나노선들 상에 폴리디라이신(poly-D-lysine)을 결합하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 ITO 나노선들을 형성하는 단계는 스퍼터링(Sputtering) 또는 펄스레이저 증착법(Pulsed Laser Deposition)을 이용할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 기판; 상기 기판 상에 형성되는 ITO 전극; 상기 기판 및 상기 ITO 전극 상에 형성되며, 상기 ITO 전극의 일부분을 노출시키는 절연성 부동태층; 및 상기 ITO 전극의 일부분 및 상기 절연성 부동태층 상에 형성되는 ITO 나노선들;을 포함하는 것을 특징으로 하는 신경 신호 측정용 신경전극이 제공된다.
본 발명에 따르면, 기존의 공정을 이용하여 전기적 잡음의 감소와 함께 신경 친화성 향상을 도모할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신경 신호 측정용 신경전극 제조 방법을 시간의 흐름에 따라 순서대로 도시하는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신경 신호 측정용 신경전극의 제조 방법으로 제조된 신경 신호 측정용 신경전극을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 3은 발명의 일 실시예에 따른 신경 신호 측정용 신경전극 제조 방법의 각 단계별 제조 과정을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 ITO 나노선들 중 일부를 제거하는 단계를 시간의 흐름에 따라 보다 상세하게 도시하는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 펄스레이저 증착법으로 ITO 전극에 입혀진 ITO 나노선들에 대한 SEM 이미지이며, 왼쪽 사진은 ITO 전극에 입혀진 ITO 나노선들에 대한 확대도를, 오른쪽 사진은 부분적으로 식각된 ITO 나노선들에 대한 확대도를 각각 나타낸다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신경 신호 측정용 신경전극 제조 방법을 시간의 흐름에 따라 순서대로 도시하는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신경 신호 측정용 신경전극의 제조 방법으로 제조된 신경 신호 측정용 신경전극(200)을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 신경 신호 측정용 신경전극 제조 방법(이하, 설명의 편의를 위해, '신경전극 제조 방법'이라 함)은 ITO(Indium-Tin Oxide) 전극을 형성하는 단계(S110), 절연성 부동태층을 형성하는 단계(S120), ITO 나노선들(ITO nanorods)을 형성하는 단계(S130), ITO 나노선들 중 일부를 제거하는 단계(S140), 및 폴리디라이신(poly-D-lysine)을 결합하는 단계(S150)를 포함할 수 있다.
그리고, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 신경 신호 측정용 신경전극의 제조 방법으로 제조된 신경 신호 측정용 신경전극(200, 이하, 설명의 편의를 위해, '신경전극'이라 함)은 기판(210), ITO 전극(220), 절연성 부동태층(230), ITO 나노선들(240), 및 폴리디라이신(250)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, ITO 전극(220)은 기판(210) 상에 형성되고, 절연성 부동태층(230)은 상기 기판(210) 및 ITO 전극(220) 상에 형성되어 상기 ITO 전극(220) 윗면의 일부분(p)을 노출시키며, ITO 나노선들(240)은 상기 ITO 전극의 일부분(p) 및 상기 절연성 부동태층(230) 상에 형성된다.
이때, ITO 나노선들(240)은, 상기 ITO 전극의 일부분(p) 상에 형성되는 제1 나노선들(240a), 및 상기 절연성 부동태층(230) 상에 형성되는 제2 나노선들(240b)로 구분할 수 있으며, 제1 나노선들과 제2 나노선들은 ITO 나노선이 존재하지 않는 영역(n1, n2)에 의해 서로 이격되어 있을 수 있다.
상기 ITO 나노선이 존재하지 않는 영역(n1, n2)은 상기 ITO 전극(220) 상의 상기 절연성 부동태층(230) 상에 위치할 수 있다. 즉, ITO 전극(220)과 절연성 부동태층(230)이 모두 존재하는 위치 상에 존재할 수 있다.
그리고, 폴리디라이신(250)은 상기 ITO 나노선들 상에 결합된다.
나노 구조물은 길이, 두께, 또는 직경이 수 내지 수천 나노미터인 구조물을 의미하는 것으로서, 박막, 나노튜브(nano tube), 나노선(nano rod), 나노구(nano sphere), 또는 다른 임의의 형상을 가질 수 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 부동태층을 포함하는 ITO 전극 상에는 나노선이 형성된다.
ITO는 투명한 전도체로 디스플레이, 태양전지, 터치패널 등에 광범위하게 사용되고 있으며, 신경전극과 입출력 패드의 연결에도 활용된다. ITO는 투명하면서 전도성을 가지고 있기 때문에 신경 세포의 관찰이 용이할 뿐만 아니라 신경 세포에 친화적인 신경 접착 분자를 화학적으로 고정하는 것이 용이하다.
그러나, ITO 신경전극의 경우 금과 마찬가지로 임피던스가 크기 때문에 열 잡음이 커서 그 자체로 신경 신호 관찰에는 부적절하여 널리 활용되고 있지 못한 문제점을 갖고 있다. 전극의 임피던스는 전기적 잡음과 밀접한 관계가 있고, 전극의 임피던스가 낮을수록 전기적 잡음이 줄어들 수 있다. 또한, 전극의 임피던스는 전극의 표면적이 클수록 감소하기 때문에, 전극의 표면적을 증가시킴으로써 전극의 전기적 특성이 개선될 수 있다.
한편, 신경 세포는 편평한 기판 보다는 나노 규모로 거친 표면에서 더 잘 성장한다는 보고가 있다.
본 발명에 따르면, 기존의 공정을 이용하여 전기적 잡음의 감소와 함께 신경 친화성 향상을 도모할 수 있는 장점이 있는 바, 이하 앞서 설명한 도 1, 도 2와 함께 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 신경전극 제조 방법을 보다 상세하게 살펴본다.
도 3은 발명의 일 실시예에 따른 신경 신호 측정용 신경전극 제조 방법의 각 단계별 제조 과정을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 ITO 나노선들 중 일부를 제거하는 단계(S140)를 시간의 흐름에 따라 보다 상세하게 도시하는 순서도이다.
그리고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 펄스레이저 증착법으로 ITO 전극에 입혀진 ITO 나노선들에 대한 SEM 이미지이며, 왼쪽 사진은 ITO 전극에 입혀진 ITO 나노선들에 대한 확대도를, 오른쪽 사진은 부분적으로 식각된 ITO 나노선들에 대한 확대도를 각각 나타낸다.
먼저, 도 1 및 도 3a에 도시된 바와 같이, 단계(S110) 및 단계(S120)에서는 기판(210) 상에 ITO 전극(220)을 형성하고, 상기 기판(210) 및 ITO 전극(220) 상에 상기 ITO 전극(220)의 일부분(p)이 노출되도록 절연성 부동태층(230)을 형성한다. 즉, 단계(S110) 및 단계(S120)에서는 부동태층을 포함하는 ITO 전극(이하, 설명의 편의를 위해, '부동태층 ITO 전극'이라 함)을 제조한다.
기판(210)은 ITO 기판 또는 유리, 실리콘(silicon), 쿼츠(quartz)등과 같은 무기재료 기판일 수 있다. ITO 전극(220)은 기판(210) 상에 ITO를 증착하고 패터닝하여 형성될 수 있다.
절연성 부동태층(230)은 실리콘 옥사이드로 이루어질 수 있다.
다음으로, 도 1 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 단계(S130)에서는 상기 ITO 전극의 일부분(p) 및 상기 절연성 부동태층(230) 상에 ITO 나노선들(240)을 형성한다. 즉, 단계(S130)에서는 단계(S110) 내지 단계(S120)에서 형성된 부동태층 ITO 전극 상에 ITO 나노선들(240)을 형성한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 단계(S130)는 스퍼터링(Sputtering) 또는 펄스레이저 증착법(Pulsed Laser Deposition, PLD)을 이용하여 수 ㎛의 길이를 갖는 ITO 나노선들(240)을 부동태층 ITO 전극 상에 형성할 수 있다. 스퍼터링은 진공증착법의 일종으로 비교적 낮은 진공도에서 플라스마를 발생시켜 이온화한 아르곤 등의 가스를 가속하여 타깃에 충돌시켜 목적의 원자를 분출, 그 근방에 있는 기판상에 막을 만드는 방법을 의미한다. 펄스레이저 증착법은 만들고자 하는 물질의 세라믹 타겟을 진공 챔버에 위치시키고, 렌즈로 집중시킨 펄스레이저를 쏘아 튀어나오는 플라즈마가 타겟과 마주보고 있는 고온의 기판에 묻어 결정화되는 것을 이용하는 방법을 의미한다.
이때, 부동태층 ITO 전극 상에 형성되는 ITO 나노선들(240)은, ITO 전극의 일부분(p) 상에 형성되는 제1 나노선들(240a), 및 상기 절연성 부동태층 상에 형성되는 제2 나노선들(240b)로 구별할 수 있다.
계속하여, 도 1, 도 3c 내지 도 3e에 도시된 바와 같이, 단계(S140)에서는 부동태층 ITO 전극 상에 형성된 상기 ITO 나노선들(240) 중 일부를 제거한다.
보다 상세하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 단계(S140)에서는 부동태층 ITO 전극 상에 형성된 ITO 나노선들(240) 중 ITO 전극의 일부분(p)의 가장자리에 인접하는 ITO 나노선들을 제거할 수 있다.
이때, 부동태층 ITO 전극 상에 형성된 ITO 나노선들(240)은, 앞서 설명한 바와 같이, ITO 전극의 일부분(p) 상에 형성되는 제1 나노선들(240a)과 절연성 부동태층 상에 형성되는 제2 나노선들(240b)로 구분할 수 있으므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 단계(S140)에서는 제2 나노선들(240b) 중 제1 나노선들(240a)에 인접하는 ITO 나노선들을 제거할 수 있다.
이에 따라, 제1 나노선들(240a)과 제2 나노선들(240b)은 ITO 나노선이 존재하지 않는 영역(n1, n2)에 의해 서로 이격될 수 있고, 이에 의해 ITO 전극(220)과 그 나머지 부분이 전기적으로 분리됨으로써, ITO 전극(220)의 신호 대비 잡음 비가 향상될 수 있다.
이를 위해, 도 4에 도시된 바와 같이, 단계(S130) 이후, 부동태층 ITO 전극 상에 형성된 ITO 나노선들(240)에 포토레지스트(260)를 도포하는 단계(S142), 상기 ITO 전극의 일부분(p)의 가장자리에 인접하는 ITO 나노선들이 노출되도록 상기 포토레지스트(260)를 패터닝하는 단계(S144), 상기 노출된 ITO 나노선들을 제거하는 단계(S146), 및 상기 포토레지스트(260)를 제거하는 단계(S148)가 수행될 수 있다.
이때, ITO 전극의 일부분(p)의 가장자리에 인접하는 ITO 나노선들, 즉, 노출된 ITO 나노선들은 상기 ITO 전극(220) 상의 상기 절연성 부동태층(230) 상에 위치하게 된다. 다시 말해, 제2 나노선들(240b) 중 제1 나노선들(240a)에 인접하는 ITO 나노선들은 ITO 전극(220)과 절연성 부동태층(230)의 상부에 위치할 수 있고, 단계(S146)에서 제거된다.
단계(S146)에서 노출된 ITO 나노선들을 제거하기 위하여, ITO 식각제가 이용될 수 있다.
그리고, 단계(S148)에서 포토레지스트를 제거하기 위하여, 아세톤과 같은 용제가 이용될 수 있다.
마지막으로, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 단계(S150)에서는 단계(S148)까지 완료된 ITO 나노선들(240) 상에 폴리디라이신을 결합한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 단계(S150)에서는 질산과 같은 강산 또는 산소 플라즈마 처리 등을 한 후 자기 조립 방법(self-assembled monolayer)을 이용하여 양이온을 띄어서 폴리디라이신과 같은 분자를 ITO 나노 구조체를 포함하는 전체 면적에 고정할 수 있다.
이때, 폴리디라이신은 신경 세포와 높은 결합력을 가지므로, 본 발명에 따르면, 신경전극의 신경신호 측정 성능이 향상될 뿐만 아니라 신경친화성 및 생체친화성도 향상될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
200 : 신경 신호 측정용 신경전극 210 : 기판
220 : ITO 전극 230 : 절연성 부동태층
240 : ITO 나노선들 250 : 폴리디라이신
260 : 포토레지스트

Claims (15)

  1. 기판 상에 ITO 전극을 형성하는 단계;
    상기 기판 및 상기 ITO 전극 상에 상기 ITO 전극의 일부분이 노출되도록 절연성 부동태층을 형성하는 단계;
    상기 ITO 전극의 일부분 및 상기 절연성 부동태층 상에 ITO 나노선들을 형성하는 단계; 및
    상기 ITO 나노선들 중 일부를 제거하는 단계
    를 포함하고,
    상기 ITO 나노선들은, 상기 ITO 전극의 일부분 상에 형성되는 제1 나노선들, 및 상기 절연성 부동태층 상에 형성되는 제2 나노선들을 포함하고,
    상기 제1 나노선들과 제2 나노선들은 ITO 나노선이 존재하지 않는 영역에 의해 서로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 신경 신호 측정용 신경전극 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 일부를 제거하는 단계는 상기 ITO 나노선들 중 상기 ITO 전극의 일부분의 가장자리에 인접하는 ITO 나노선들을 제거하는 것을 특징으로 하는 신경 신호 측정용 신경전극 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 ITO 전극의 일부분의 가장자리에 인접하는 ITO 나노선들은 상기 ITO 전극 상의 상기 절연성 부동태층 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 신경 신호 측정용 신경전극 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 일부를 제거하는 단계는, 상기 제2 나노선들 중 상기 제1 나노선들에 인접하는 부분을 제거하는 것을 특징으로 하는 신경 신호 측정용 신경전극 제조 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 일부를 제거하는 단계는, 상기 ITO 나노선들 상에 포토레지스트를 도포하는 단계;
    상기 ITO 전극의 일부분의 가장자리에 인접하는 ITO 나노선들이 노출되도록 상기 포토레지스트를 패터닝하는 단계;
    상기 노출된 ITO 나노선들을 제거하는 단계; 및
    상기 포토레지스트를 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 신경 신호 측정용 신경전극 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 노출된 ITO 나노선들을 제거하는 단계는 ITO 식각제를 이용하는 것을 특징으로 하는 신경 신호 측정용 신경전극 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 일부가 제거된 상기 ITO 나노선들 상에 폴리디라이신(poly-D-lysine)을 결합하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신경 신호 측정용 신경전극 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 ITO 나노선들을 형성하는 단계는 스퍼터링(Sputtering) 또는 펄스레이저 증착법(Pulsed Laser Deposition)을 이용하는 것을 특징으로 하는 신경 신호 측정용 신경전극 제조 방법.
  10. 기판;
    상기 기판 상에 형성되는 ITO 전극;
    상기 기판 및 상기 ITO 전극 상에 형성되며, 상기 ITO 전극의 일부분을 노출시키는 절연성 부동태층; 및
    상기 ITO 전극의 일부분 및 상기 절연성 부동태층 상에 형성되는 ITO 나노선들;을 포함하고,
    상기 ITO 나노선들은, 상기 ITO 전극의 일부분 상에 형성되는 제1 나노선들, 및 상기 절연성 부동태층 상에 형성되는 제2 나노선들을 포함하고,
    상기 제1 나노선들과 제2 나노선들은 ITO 나노선이 존재하지 않는 영역에 의해 서로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 신경 신호 측정용 신경전극.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 ITO 나노선이 존재하지 않는 영역은 상기 ITO 전극 상의 상기 절연성 부동태층 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 신경 신호 측정용 신경전극.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 ITO 나노선들 상에 결합되는 폴리디라이신(poly-D-lysine);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신경 신호 측정용 신경전극.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 폴리디라이신은,
    상기 제1 나노선들 및 제2 나노선들 상에 결합되고, 상기 ITO 나노선이 존재하지 않는 영역 위로 연장되는 것을 특징으로 하는 신경 신호 측정용 신경전극 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 폴리디라이신은,
    상기 제1 나노선들 및 제2 나노선들 상에 결합되고, 상기 ITO 나노선이 존재하지 않는 영역 위로 연장되는 것을 특징으로 하는 신경 신호 측정용 신경전극.



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