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dc.contributor.advisor Jang, Jae Eun -
dc.contributor.author Ryu, Min Gyu -
dc.date.accessioned 2017-05-10T08:52:15Z -
dc.date.available 2016-02-12T00:00:00Z -
dc.date.issued 2016 -
dc.identifier.uri http://dgist.dcollection.net/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000002227728 en_US
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/20.500.11750/1437 -
dc.description.abstract Neural electrode array have been used to exchange electrical signals to neurons in the brain for decades. In this respect, the electrode-tissue interface plays an important role in neural recordings and stimulating. For small tissue damage and high selective of signals, smaller electrode size is required. However, there is a trade-off between electrode size and impedance of electrode-brain interface. As electrodes size is smaller, the impedance is sharply increased. Therefore, there is a major challenge to reducing electrode size while retaining electrode functionality. Furthermore, the mechanical mismatch between stiff electrodes and soft tissues causes reactive tissue responses. It is considered that reactive tissue response to electrode array should be minimized for long-term reliability to record neural signals. Flexible electrode design can be one of the solution without degradation under dynamic motion constantly.
In this thesis, new probe designs are suggested and its electrical characteristics are studied. A Graphene-based flexible electrode array with nanowires and poly(3,4-ethylenedioxythiophene) PEDOT on the flexible substrate was fabricated. ZnO nanowires were used in a pillar structure, which expanded effective surface area to decrease dramatically electrode impedance. Furthermore, metallic nanowires were coated with PEDOT to enhance charge storage capacity and to record both electronic and ionic current. Graphene, which has high electrical conductivity and flexibility, is a good candidate as interconnects. The neural electrode array on flexible polyimide film enables to reduce mechanical mismatch for its long-term performance in comparison with electrodes fabricated on silicon. Due to a low impedance, a flexibility, and a low noise of the neural probe system, high signal-to-noise ratio (SNR) was achieved at in vitro and in vivo brain signal recordings. Therefore, the neural probe can be employed to various brain-electrical interface systems with high performances. ⓒ 2016 DGIST
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dc.description.tableofcontents Ⅰ. INTRODUCTION 1 --
1.1 Motivation 1 --
1.2 Neural Signal Transmission 2 --
1.3 Neural Signals 3 --
1.4 Reactive Tissue Responses 3 --
1.4.1 Acute Response 4 --
1.4.2 Chronic Response 4 --
1.5 Electrochemical Interface of Electrode 5 --
1.5.1 Electrochemical Impedance Spectroscopy 5 --
1.5.2 Three Electrode System 5 --
1.5.3 Cyclic Voltammetry 6 --
1.5.4 Double Layer 7 --
1.6 Nanowires 8 --
1.6.1 Metallic Nanowires 9 --
1.6.2 ZnO Nanowires 9 --
1.7 Conducting Polymers 10 --
1.7.1 poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) 11 --
1.8 Flexible Substrate 11 --
1.9 Interconnect Lines 12 --
1.9.1 Graphene 13 --
Ⅱ. EXPERIMENT DETAILS 14 --
2.1 Materials & Design 14 --
2.2 Fabrication of Neural Electrode Array 15 --
2.2.1 Gold Electrode Array 15 --
2.2.2 3D Contact Sites 16 --
2.2.3 Gold/Graphene Multi-structure Interconnect Lines 18 --
2.2.4 Encapsulation and Socket Bonding 19 --
2.2.5 PEDOT Coating 20 --
Ⅲ. RESULTS AND DISCUSSION 23 --
3.1 Characteristics of Electrode Array 23 --
3.1.1 Electrochemical Characteristics of Electrode Array 23 --
3.2 Characteristics of Flexible Substrates 29 --
3.2.1 Electrical Characteristics of Flexible Substrates 29 --
3.2.2 Electrochemical Properties of Flexible Substrates 31 --
3.2.3 Mechanical Properties of Flexible Substrates 33 --
3.3 Characteristics of Flexible Gold/Graphene Multi-layers Interconnect Lines 34 --
3.3.1 Electrical Properties of Gold/Graphene Interconnect Lines 34 --
3.3.2 Electrochemical Properties of Gold/Graphene Interconnect Lines 36 --
3.4 In Vitro Signal Recordings 38 --
3.5 In Vivo neural Signal Recordings 40 --
IV. CONCLUSION 43
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dc.format.extent 47 -
dc.language eng -
dc.publisher DGIST -
dc.subject Flexible Neural Electrode Array -
dc.subject Nanowires -
dc.subject PEDOT -
dc.subject Graphene -
dc.subject 유연한 뉴럴 전극 -
dc.subject 나노와이어 -
dc.subject 그래핀 -
dc.title Graphene-based Flexible Electrode Array with Nanowires and PEDOT Improving Neural Recordings -
dc.title.alternative 생체 신호 향상을 위한 나노와이어와 PEDOT 를 가지는 그래핀 기반의 유연한 뉴럴 전극 -
dc.type Thesis -
dc.identifier.doi 10.22677/thesis.2227728 -
dc.description.alternativeAbstract 본 연구는 기존의 뉴럴 프로브의 성능을 구조와 재료적 효과로 인해서 향상하는 것에 초점을 두고 있다. 지난 수십 년간 뉴럴 프로브는 뇌 속의 뉴런으로부터 전기적 신호를 교환하기 위해서 사용되어왔다. 이 점에서, 전극과 조직 간의 인터페이스가 가장 중요한 역할을 한다. 조직의 피해 최소화와 신호의 높은 선택성을 위해서 작은 전극 크기가 요구된다. 그러나 전극의 크기와 전극-뇌 인터페이스의 임피던스 상호 간에 trade-off 관계에 있다. 그러므로 전극의 기능을 유지하면서 전극의 크기를 줄이는 것이 도전과제이다. 게다가, 뻣뻣한 전극과 부드러운 조직 간의 기계적 불일치로 인해서 조직 반응이 발생한다. 따라서 생체신호 측정을 위한 장기간 신뢰성을 위해서 조직응답의 최소화를 고려해야 한다. 따라서 유연한 전극 설계는 지속적인 유동적 움직임 속에서도 성능 저하가 없는 방법의 하나가 될 수 있다.
본 논문에서는 새로운 전극 디자인의 제안뿐만 아니라 그것의 전기적 성능 또한 연구되었다. 폴리이미드 필름 위에 나노와이어와 PEDOT를 가지는 그래핀 기반의 유연한 전극을 제작하였다. ZnO 나노와이어는 기둥구조로써 사용되어 표면적을 넓혀서 전극의 임피던스를 낮추었다. 또한, 전하 정전 용량의 향상뿐만 아니라 전자와 이온 전류까지 측정을 위해서 PEDOT를 금속 나노와이어에 코팅하였다. 높은 전기전도성과 유연성을 가진 그래핀은 좋은 전기배선의 재료가 될 수 있다. 유연한 폴리이미드 필름 위에 제작된 전극은 기계적 불일치를 감소시켜서 다른 실리콘 기반의 전극과 비교하여 장기간 동작을 가능하게 한다. 이러한 뉴럴 프로브 시스템의 낮은 임피던스와 유연성 그리고 낮은 노이즈 때문에 높은 신호 대비 노이즈 (SNR)를 체내와 체외 뇌 신호측정에서 이룰 수 있었다. 이러한 점에서 본 뉴럴 프로브는 높은 성능을 가진 다양한 뇌-전기 인터페이스에서 활용될 수 있다는 점에서 의의를 가진다. ⓒ 2016 DGIST
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dc.description.degree Master -
dc.contributor.department Information and Communication Engineering -
dc.contributor.coadvisor Kim, Eun Kyoung -
dc.date.awarded 2016. 2 -
dc.publisher.location Daegu -
dc.description.database dCollection -
dc.date.accepted 2016-02-12 -
dc.contributor.alternativeDepartment 대학원 정보통신융합공학전공 -
dc.contributor.affiliatedAuthor Ryu, Min Gyu -
dc.contributor.affiliatedAuthor Jang, Jae Eun -
dc.contributor.affiliatedAuthor Kim, Eun Kyoung -
dc.contributor.alternativeName 류민규 -
dc.contributor.alternativeName 장재은 -
dc.contributor.alternativeName 김은경 -
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