표면탄성파 및 뉴런파이어링에 변화하는 커패시터를 이용한 무선 뉴런프로브 개발

Abstract

본 논문은 뇌 속에 존재하는 뉴런들의 상호 전기적 정보전달을 감지하는 커패시터를 이용한 표면탄성파(surface acoustic waves) 기반 무선 뉴런프로브의 연구 및 개발에 그 목적이 있다. 단일 포트 반사지연선(reflective delay line) 구조의 표면탄성파 트랜스폰더(transponder)는 41°YX LiNbO3 압전기판(piezoelectric substrate) 위에 반도체 공정을 이용하여 제작되며, 뉴런파이어링(neural-firing)을 감지하는 커패시터 및 임피던스 매칭을 위한 인덕터가 트랜스폰더 내의 반사체(reflector)에 전기적으로 연결된다. 두 개의 상용화 된 안테나는 뉴런프로브와 측정을 위한 네트워크 분석기(network analyzer) 간의 무선 통신을 가능하게 하며, 이를 위해 트랜스폰더는 440MHz의 중심주파수를 갖도록 설계된다. 그리고 뉴런파이어링을 감지, 이에 따른 전체 임피던스 변화를 유도하기 위하여 강유전 물질 중합체 PVDF-TrFE를 이용한 커패시터와 상용화된 가변용량 다이오드(varicap diode)가 제안되었다. PVDF-TrFE 강유전 물질을 기반으로 제작된 커패시터는 외부로부터 인가되는 전기 신호로 인해 소자 양단에 전위차가 발생한다. 이로부터 기인한 전기장은 PVDF-TrFE 필름의 부피 및 유전율의 변화를 유도하며, 이는 곧 커패시터가 가지는 정전용량의 변화로 나타난다. 가변용량 다이오드의 경우, 역방향 전압 인가 시 접합 내 공핍영역 두께의 변화가 발생하며, 이 역시 다이오드의 정전용량 변화를 유발한다. 상기 커패시터들은 트랜스폰더 내의 반사체와 전기적으로 연결되어 뉴런파이어링으로 인한 전체 임피던스의 변화를 유발하며, 이는 곧 반사체로부터 되돌아오는 반사파 신호의 크기 값의 변화를 일으키게 된다. 본 논문에서 제안한 표면탄성파 기반 뉴런프로브는 기존의 개발된 유/무선 뉴런프로브가 가지고 있는 수백 개의 트랜지스터 및 복잡한 무선 통신 시스템을 대체할 수 있으며, 기존 뉴런프로브의 문제점 즉, 활동 반경의 제약, 크기 및 무게, 시그널의 변형 및 손실 등을 해결하는데 큰 이점을 보인다. 더 나아가 COM(Coupling of Modes) 모델링을 통한 표면탄성파 뉴런프로브의 시뮬레이션은 제작비용 및 소비 시간을 줄이고, 최적화된 뉴런프로브의 설계 및 제작을 가능하게 하는 이점이 있다.