Design of Wireless Power and Data Transfer System with Perfluoroalkoxyalkane ( Film Based Electrodes Fabrication for Retinal Prosthesis

김지성 서울대학교 대학원 2023 국내박사

The neural prosthesis device is an implantable medical device that helps patients with neurological dysfunction recover their function through direct electrical stimulation. Recently, artificial retina technology has emerged as a method of restoring sight to blind people who have lost retinal functions by electrically stimulating intact bipolar cells or retinal ganglion cells in the visual system. A problem mainly occurring in implantable biomedical devices such as artificial retinas is limited space that can be inserted into the living body. Existing implantable batteries have limitations in that they are bulky and need to be replaced periodically. Therefore, implantable medical devices require a wireless power transmission system to provide a stable supply voltage in a relatively small size. In addition to power and information transmission and reception technologies used in existing implantable medical devices, there are also limitations to biocompatible materials. Materials used in implantable neural prosthetic devices are generally biocompatible metals, glass, or ceramics. Feedthrough technology is required for metal-based encapsulation, such as titanium, due to system isolation. In addition, the assembly process is complicated, and the completed module is bulky, so there is a limit to the implantation site in the body, or internal tissue may be damaged. Microelectromechanical systems (MEMS) compatible polymer-based devices are currently not durable enough for organ implantation. Therefore, in this study, an inductive wireless power transmission system designed to meet the requirements of an artificial retina and a planar electrode based on biocompatible fluororesin PFA were presented. A reconfigurable DC-DC step-up converter capable of boosting at various magnifications was designed considering the low coupling coefficient of wireless power transmission in an implantable device in vivo, and a target power of 30mW was achieved with an output voltage of 5V. For wireless information transmission, a pulse delay modulation technique was used to achieve an information transmission rate of 13.56 Mbps, the same as the power transmission frequency of 13.56 MHz. In addition, a thin and flexible integrated process technology with a total thickness of 62.7um was established by designing a 20-channel electrode with low water absorption and capable of thermal bonding. A charge storage capacity of 0.65mC/cm2 or more, the critical charge density limit of general artificial retinas, was achieved. The performance, stability, and biocompatibility were verified through in vitro and ex vivo experiments for the long-term durability of the developed artificial vision device. Judging from the accelerated life test, the stimulation electrode's polymer-metal bonding has been enduring over 180 days at 75 °C and is currently in progress. This period is expected to operate normally for about 8 years or more at in vivo temperature. Furthermore, the biocompatibility was verified through cytotoxicity, extract tests according to ISO standards, and Korean Pharmacopoeia and biocompatibility were determined. In addition, the effectiveness of electrode stimulation was verified through ex vivo experiments. 신경 보철 장치는 신경 기능 장애가 있는 환자에게 직접적인 전기 자극을 통해 기능 회복을 돕는 이식형 의료기기이며 현재 뇌심부자극술, 인공망막, 인공와우, 심장박동기 등 다양한 분야에서 환자들을 돕고 있다. 최근 들어 인공 망막 기법은 시각 시스템에서 손상되지 않은 양극성 세포 또는 망막 신경절 세포를 전기적으로 자극하여 망막의 기능을 상실한 맹인들의 시력을 회복하는 방식으로 부각이 되고 있다. 인공 망막과 같은 이식형 생체 의료 기기에서 주로 발생하는 문제점은 생체 내부에 삽입할 수 있는 공간이 제한적이라는 것이다. 기존에 사용되고 있는 이식형 배터리는 부피가 크며 주기적으로 교체를 해주어야 한다는 한계점이 있다. 따라서 이식형 의료 기기에는 상대적으로 작은 크기로 안정적인 공급 전압을 제공하기 위해 무선 전력 전송 시스템이 필요하다. 기존의 이식형 의료 기기에서 사용되는 전력 및 정보 송수신 기술뿐만 아니라 생체 적합 재료에 대한 한계도 존재한다. 이식 가능한 신경 보철 장치에 사용되는 재료들에는 일반적으로 생체 적합성 금속, 유리 또는 세라믹이 있다. 티타늄과 같은 금속 기반 인캡슐레이션의 경우 시스템 분리로 인해 피드스루 기술이 필요하다. 또한, 조립 과정이 복잡하고 완성된 모듈이 부피가 커서 체내 이식 부위에 한계가 있거나 내부 조직에 손상을 줄 수 있다. 미세전자기계시스템 (MEMS) 호환 폴리머 기반 장치도 현재로서는 장기 이식을 위한 내구성이 충분하지 않다. 따라서 이 연구에서는 인공 망막의 요구 사항을 충족하도록 설계된 유도 무선 전력 전송 시스템과 생체 적합 불소 수지 PFA 기반의 평면형 전극을 제시하였다. 생체 내 이식 장치의 무선 전력 전송의 낮은 결합 계수를 고려하여 다양한 배율로 승압이 가능한 재구성 가능한 DC-DC 승압 컨버터를 설계하였으며 5V 출력 전압으로 30mW의 목표 전력을 달성했다. 무선 정보 전송을 위해서는 펄스 지연 변조 기법을 사용하여 전력 전송 주파수인 13.56MHz와 동일한 13.56Mbps의 정보 전송률을 달성하였다. 또한 수분 흡수율이 낮고 열 접합이 가능한 20-채널 전극을 디자인하여 총 두께가 62.7um인 얇고 유연한 일체형 공정 기술을 확립하였다. 일반적인 인공망막의 임계 전하 밀도 한계인 0.65mC/cm2 이상의 충전 저장 용량을 달성하였다. 개발된 인공 시각 장치의 장기 내구성을 위하여 성능, 안정성, 생체 적합성을 in vitro 및 ex vivo 실험을 통해 검증하였다. 가속 수명 시험을 통하여 미루어 보았을 때, 자극 전극의 폴리머-금속 접합은 75℃에서 180일 이상 버티고 있으며 현재 진행 중이다. 해당 기간은 생체 내 온도에서 약 8년 이상 정상 작동을 할 것으로 예상된다. 생체 적합성은 ISO 기준 및 대한 약전 기준 세포독성시험과 용출물 시험을 통해 검증하였으며 생체 적합 판정을 받았다. 또한 ex vivo 실험을 통한 전극의 자극의 유효성을 검증하였다.

Advancing Stability and Validity in Machine Learning-Based Medical Data Analysis

이영로 서울대학교 대학원 2025 국내박사

인공지능과 데이터 저장/처리 기술의 발전은 다변수형 의료 데이터 분석에 큰 변화를 가져왔다. 해석 가능 인공지능(XAI)을 통해 인공지능이 중요한 변수들을 어떻게 해석하는지 이해할 수 있게 됨에 따라 기존에 통계학 중심으로 이루어지던 다변수형 의료 데이터 분석은 인공지능 분야로도 확장되기 시작했다. 그러나 의료 데이터는 흔히 데이터 수가 부족하고 정보의 차원이 커 과적합 문제에 취약하며, 통계학만큼의 검증과 신뢰도를 아직 의료 분야에서 얻지 못한 상황이다. 이러한 문제를 개선하기 위해 본 연구에서는 인공지능 모델의 전후에 적용할 수 있는 전처리 및 사후 처리 기법을 제안했다. 전처리로는 중요하지 않은 정보를 사전에 제거하는 알고리즘을 제안하였다. Bray-Curtis 유사성 기반의 매핑 변환을 통해 불필요한 변수를 안정적으로 제거하였으며 (Ch 2.2) SHAP 기반 이진화 기법을 통해 이진적인 특성을 가진 연속형 변수를 각 변수의 특성에 맞게 이진화하여 정보량을 직관적으로 압축하였다(Ch 2.3). 사후처리로는 인공지능 해석의 타당성을 검증하는 연구를 제안하였다. SHAP 값의 분포를 통계적으로 분석하고 유의미한 결과만을 압축하는 파이썬 패키지를 개발하였으며 (Ch 3.2) 모델 성능과 해석 타당성의 관계를 분석하여 실제로는 성능 이외의 요인이 타당성에 영향을 미침을 입증하였다(Ch 3.3). 본 연구는 ML 기반 해석의 안정성과 타당성 연구와 관련하여 새로운 관점들을 제시하였다. The advancements in artificial intelligence and data storage/processing technologies have brought significant changes to multivariate medical data analysis. With feature importance analysis, it is now possible to understand how machine learning interprets key variables, leading to the expansion of multivariate medical data analysis from a traditionally statistics-centered field into the realm of machine learning. However, due to the limited sample size and high dimensionality of most medical data, AI models are often prone to overfitting and have not yet achieved the level of validation and reliability that statistics-based methods have in the medical field. To address these issues, this study proposed pre-processing and post-processing techniques applicable to AI models. For pre-processing, an algorithm was introduced to remove non-essential information in advance. Using a Bray-Curtis similarity-based mapping transformation, we reliably eliminated unnecessary variables (Ch 2.2), and with a SHAP-based binarization technique, we binarized continuous variables with binary characteristics according to each variable’s nature, allowing for intuitive data compression (Ch 2.3). For post-processing, we proposed a method to validate AI interpretations. We developed a Python package to statistically analyze SHAP value distributions and filter only significant results (Ch 3.2). Additionally, we examined the relationship between model performance and interpretability validity, demonstrating that factors beyond performance influence interpretability (Ch 3.3). Research to enhance the stability and validity of machine learning-based interpretations should continue, and this study offers new perspectives and directions in this field.

MEMS 센서 소형화를 위한 실리콘 나노와이어의 압저항 효과 및 잡음 특성 분석

김태엽 서울대학교 대학원 2024 국내박사

벌크 실리콘 대비 우수한 압저항 (Piezoresistive; PZR) 특성을 보이는 것으로 알려진 실리콘 나노와이어 (Silicon Nanowire; SiNW)는 다양한 이점을 통해 가장 상용화된 용량형 센서의 소형화 한계를 극복할 수 있는 대안으로 멤스 (Microelectromechanical Systems; MEMS) 분야에서 크게 주목받고 있다. 하지만 SiNW는 설계치 대비 비정상적으로 높은 잡음을 보이며, 대량 생산에 적합한 공정 방법의 난이도가 높아 센서로서의 적용이 어렵다. 뿐만 아니라, 일부 조건에서 불산 (Hydrogen Fluoride; HF) 처리된 p형 SiNW에서는 도핑 유형 반전과 같은 비정상적 (Anomalous) PZR 특성과 함께 훨씬 높은 저항이 발생하는 문제도 보고되고 있다. 본 연구에서는 SiNW의 공핍 영역 효과를 기반으로 PZR 특성과 잡음의 연관 관계를 모델링하여, 유리한 센서 성능을 이끌어낼 수 있는 SiNW 설계 조건을 분석하였다. SiNW는 실용화에 유리한 MEMS 센서용 공정법을 사용하여 다양한 비저항과 단면적을 가지도록 제작하였고, 제작된 SiNW들의 압저항 특성과 잡음을 측정 및 비교하였다. 실험 결과, 공핍 영역의 영향을 많이 받는 SiNW일수록 비정상적인 압저항 특성이 두드러지게 나타났지만, 압저항 증폭 대비 큰 노이즈 증폭으로 인해 신호 대 잡음비는 벌크 실리콘의 PZR 특성을 가진 SiNW보다 오히려 낮게 나타났다. SiNW의 전기적 특성 실험 및 추가적인 기하학적 분석을 바탕으로 MEMS 검지 유닛에 적합한 SiNW 조건을 찾아 선정하였다. 선정된 SiNW를 이용하여 초소형 3축 가속도 센서를 제작하였으며, 제작한 가속도 센서는 거대 PZR 효과에 의존하지 않고도 센서 구조의 전체 면적을 35.4% 줄이면서도 상용 용량형 가속도 센서와 유사한 성능을 보였다. 주요어 : 실리콘 나노와이어, 압저항 효과, 공핍영역, 잡음, 센서 소형화 학 번 : 2017-25324 Silicon nanowires (SiNWs), known for exhibiting outstanding piezoresistive (PZR) effects compared to bulk silicon, have attracted significant attention in the microelectromechanical systems (MEMS) field as a promising solution to overcome the miniaturization limits of widely commercialized capacitive sensors. However, unclear high noise levels of SiNWs compared to design specifications and the complex fabrication methods required for mass production hinder their application as sensors. Additionally, several previous reports of anomalous PZR effects, such as dopingtype inversion in hydrogen fluoride (HF)-treated p-type SiNWs, have introduced further complexities In this study, we modeled the relationship between PZR effects and noise based on the depletion region effect of SiNWs to analyze design conditions that can lead to favorable sensor performance. SiNWs were fabricated with various resistivities and crosssectional areas sing a suitable MEMS fabrication method. The PZR properties and noise of the fabricated SiNWs were measured and compared. The experimental results showed that SiNWs with significant depletion region effects exhibited pronounced abnormal PZR characteristics, but the signal-tonoise ratio (SNR) was worse than that of SiNWs with bulk PZR properties because of larger noise amplification relative to PZR amplification. Based on the experiments and additional geometrical analyses of SiNWs, the optimal conditions for MEMS sensing units were optimized and selected. A miniaturized 3-axis accelerometer using the selected SiNWs was developed and tested. The experimental results showed that the developed accelerometer reduced the total sensor structure area by 35.4% without relying on giant PZR effects, while maintaining performance comparable to commercial capacitive accelerometers.

Investigation on the fabrication of biomimetic Micro-Lens Array and its application

이정호 서울대학교 대학원 2023 국내박사

기술의 발전으로 로봇이 점점 소형화 되고 있다. 로봇들은 그 목적에 따라 다양한 센서를 갖추고 있고 기본적으로 사람을 위해 쓰이기 때문에 카메라와 같은 시각센서를 기본적으로 탑재한다. 그러나 단일 카메라 하나만으로는 얻을 수 있는 공간 정보는 한정적이다. 상대적으로 큰 로봇들에는 라이다 센서, ToF센서 등 정확하고 다양한 정보 획득을 위한 여러 센서를 장착 할 수 있지만 소형 로봇에는 공간적, 에너지적 한계가 분명하다. 이 논문에서는 자연에서 영감을 얻은 생체모방형 마이크로렌즈 어레이를 통해 그 문제를 해결하고자 하였다. 마이크로렌즈 어레이를 활용하면 하나의 카메라 센서로 하나의 물체에 대해 두 가지 이상의 관점에서 바라볼 수 있기 때문에 사람 눈의 양안시와 같은 효과를 통해 물체의 거리를 측정할 수 있고, 이를 토대로 속도 계산 등 더욱 다양한 정보를 추출해 낼 수 있기 때문에 매우 유용할 것이다. 기존에 없던 새로운 방식으로 다양한 마이크로렌즈 어레이를 제작하고, 실제 촬영 샘플을 통해 어떠한 정보를 얻을 수 있는지 검증하고, 디자인의 분석을 통해 평면에서 제작된 렌즈들을 어떻게 곡면에 배치 할 수 있을지를 고려하여 최적의 결과를 낼 수 있는 방안 또한 알아보았다. With the advancement of technology, robots are becoming increasingly miniaturized. Depending on their purpose, robots are equipped with various sensors, and they typically have visual sensors such as cameras as a basic feature since they are primarily used for human assistance. However, the spatial information obtained from a single camera is limited. Large robots can be equipped with multiple sensors such as LiDAR sensors and Time-of-Flight (ToF) sensors to acquire accurate and diverse information. However, small robots clearly have spatial and energy limitations. In this paper, attempts are made to solve this problem by utilizing bio-inspired micro-lens arrays. By using a micro-lens array, it is possible to view an object from more than two perspectives with a single camera sensor, similar to the binocular vision of human eyes. This enables accurate distance measurement and extraction of various information such as velocity calculation, making it much more useful. Therefore, a few micro-lens arrays were fabricated, verified the information that can be obtained through the micro-lens arrays, and investigated how to arrange the lenses through design analysis for optimal performance.

Device design for the long-term reliable intraocular artificial retina

정현빈 서울대학교 대학원 2023 국내박사

지난 10년간의 인공 망막 장치들의 실패를 거친 후, 시장에는 새로운 형태의 인공 망막이 필요하게 되었다. 본 논문에서는 새로운 종류의 안구 삽입형 인공 망막의 개념을 제안하고 필요한 구성 요소들을 제작 및 검증합니다. 제안된 형태의 인공망 막에 적합한 전력 및 데이터 전송용 코일, 신경 자극기, 그리고 신경 전극의 제한 조건들을 설정하고, 설계의 첫 단계를 시작하였다. 제안된 인공 망막은 코일과 전극을 안구 내에 위치시켜 공막 손상을 최소화하고, 통신 및 자극 신호 생성용 신경 자극기만을 안구 외부에 위치시키는 것을 목표로 한다. 첫째로, 인공 망막 장치에서 부피가 가장 큰 코일을 안구 내로 삽입하기 위해, 접을 수 있는 코일 디자인과 적합한 수술 방법을 제안하였다. 삽입이 용이하도록 코일은 원형이 아닌 육각형 모양으로 제작되었다. 고주파 구조 시뮬레이터로 코일의 특성 매개변수를 시뮬레이션하였고, 자체 접착식 코일을 제작하였으며, 패키징 공정을 개발하였다. 가속화 시험과 구리 이온 용출 시험을 통해 장기간 신뢰성과 성능을 평가하였다. 마지막으로, ex-vivo 시험을 통해 제작된 코일이 의도한 대로 안구에 성공적으로 삽입될 수 있음을 입증하였다. 둘째로, 외부 장치의 부피를 최소화하기 위해 신경 자극기 설계의 전력 및 면적 효율성을 개선하기 위한 두가지 전략-고전압 공정과 액티브 방전 회로의 제거-를 제시하였다. 고전압 공정은 망막 조직의 높은 임피던스를 상쇄하기 위해 출력단의 작동 전압을 증가시키기 위해 사용된다 또한, 액티브 방전 회로는 전극을 통한 유해한 직류 전류 발생 가능성을 제거하기 위해 사용된다. 우리는 수학적으로 고전압 공정과 활성 방전 회로를 자극기에서 제거할 수 있음을 입증하였다. 또한, 우리는 tsmc 180 nm 공정을 사용하여 64채널 망막 자극기를 설계하였다. 이 자극기는 5 V 공급 전압과 ± 4 V 출력 컴플라이언스 전압을 가지며, 픽셀당 0.0425 mm2의 면적을 차지하여 동일한 기술을 사용하는 다른 망막 자극기보다 더 적은 면적을 사용한다. 또한, 벤치탑 실험을 통해 제안된 전략이 효과적으로 동작함을 검증하였다. 마지막으로, 패럴린-C 절연체를 사용하여 자극 전극의 장기간 신뢰성을 달성하기 위해 우리는 초박형 유리 기판과 패럴린-C/알루미나 이중층 절연층을 이용한 전극을 제작하였다. 다양한 이중층 절연체를 대상으로 한 신뢰성 실험을 통해 패럴린-C/알루미나 이중층 절연막이 평가된 물질 중 가장 뛰어난 성능을 가지고 있음을 입증하였다. 또한, 초박형 유리 기반 전극이 고투과성과 유연성을 갖추면서 층 간 이탈을 최소화한다는 것 역시 확인하였다. 제작된 전극은 금으로 제작된 일반적인 신경 전극과 유사한 전기적 특성을 가졌다. 본 연구는 새로운 형태의 인공 망막 개발에 기초를 제공하며, 인공 시각 장치와 관련된 다양한 분야의 진전에 기여할 수 있을 것으로 생각된다. Following the failure of existing artificial retina devices, there is a need for a new type of artificial retina in the market. In this paper, I propose a concept for a novel form of the intraocular artificial retina and fabricate and verify the necessary components. I have started the first step of component design, coil, stimulator, and electrode array. The proposed artificial retina aims to minimize damage to the ocular membrane by positioning the coil and electrodes within the eye while locating the communication and stimulation signal generation circuitry outside the eye. Firstly, to insert the coil, which occupies the largest volume in the artificial retina device, into the eye, I propose a hexagonal foldable coil design and a proper surgical method to fold the coil for intraocular insertion. For easy insertion, the coil has a hexagonal shape, not the circular one. I simulate the characteristic parameters of the coil with a high-frequency structure simulator, develop a self-bonding coil fabrication and packaging process, and evaluate its performance and long-term reliability with accelerated test and elution tests. In the final step, through the ex-vivo test, I have demonstrated that the fabricated coil can be successfully inserted into the eye as intended. Secondly, to minimize the volume of external devices, I present two strategies to improve the power and area efficiency of the neural stimulator design: the elimination of a high-voltage process and the reduction of the active discharge circuit. High voltage process is usually used to increase the output compliance voltage to offset the high impedance of retinal tissue. Also, an active discharge circuit is commonly used to remove the possibility of harmful direct current through the electrode. I mathematically justify the high voltage process and the active discharge circuit can be removed from the stimulator. Plus, I have designed a 64-channel retinal stimulator with tsmc 180 nm process. It has ± 4 V output compliance voltage with 5 V supply voltage and spend 0.0425 mm2 per pixel, which are superior to other retinal stimulator which used the same technology. Also, through benchtop tests, the effectiveness of the proposed strategies was validated. Lastly, in order to achieve long-term reliability of stimulation electrodes while using parylene-C insulation, I have fabricated electrodes using an ultra-thin glass substrate and parylene-C/Al2O3 bi-layer insulation. Through reliability tests with various bi-layer insulation layers, I demonstrate that the Al2O3 and parylene-C bi-layer insulation is the most effective among the tested materials. Also, I confirm that the ultra-thin glass-based electrodes exhibit high transparency and flexibility while minimizing layer delamination. Fabricated electrodes have electrical properties which were comparable to conventional gold electrodes. The research conducted in this paper serves as a foundation for the development of a new form of artificial retina and can contribute to advancements in various fields related to artificial vision devices.

비침습형 센서를 이용한 연속적 생체징후 측정 연구

유선영 서울대학교 대학원 2021 국내박사

일반적으로 집중 치료실(Intensive Care Unit, ICU)에서 사용되는 생체 신호 측정법은 고도의 정확도를 요구하기 때문에 침습적인 방법에 기반하는 경우가 많다. 하지만 침습적인 측정법은 감염이나 그로 인한 합병증의 우려가 높으며 환자에게 불쾌감을 느끼게 할 수 있다. 한편 접촉식 측정법은 비접촉식 방법보다는 구속감을 줄 수 있지만 생체 징후를 상대적으로 직접적으로 측정하게 됨으로 정확도는 향상될 수 있다. 본 연구에서는 3축 촉각 센서와 터치스크린을 이용하여 호흡과 혈압을 비침습적이면서 연속적으로 측정하기 위한 방법을 제안하였으며 기준값과 비교를 통해 높은 일치도를 확인하였다. 또한 각 측정법의 결과를 이용하여 혈압 및 호흡과 관련된 해부학적 및 생리학적 작동 기전이 반영된 수학적 모델링을 제시하였다. 3축 촉각 센서를 이용한 기립경 검사에서는 개인 내 혈압 변동이 급격하게 발생하는 경우에 대해서도 혈압 값을 연속적으로 측정이 가능함을 보임과 동시에 기립 자세를 유지하는 동안 발생되는 자율신경계의 조절 기전을 수축기 혈압의 포락선을 통해 수식적으로 표현하였다. 뿐만 아니라 3축 촉각 센서를 이용하여 동맥의 경직도 측정으로 알려져 있는 맥파 전달 속도 측정이 가능함을 보였으며, 동맥 경직도에 따른 혈압 및 맥파의 특징을 파동방정식을 통해 분석하였다. 터치스크린을 통한 호흡 측정은 후측 하단 늑골에서 호흡에 따라 발생하는 호흡 운동을 기록하여 측정하였으며 이를 바탕으로 호기와 흡기에서 발생되는 터치스크린과의 접촉 면적 변화를 바탕으로 흉곽과 늑골의 모델링을 통해 호흡과 관련된 근골격계의 움직임 범위를 추정하였다. 본 연구는 기존의 비침습적 측정법이 가지고 있었던 측정의 비연속성과 환자의 구속성의 문제를 새로운 측정법을 통해 해결하였으며 더 나아가 그로부터 자율신경계 및 호흡 기능의 수식적으로 분석하였다는 점에서 의미가 있다. 추후 3축 촉각 센서는 심실보조장치 이식 환자와 같이 지속적인 혈압 모니터링이 필요하지만 커프 기반의 혈압계로는 혈압 측정이 어려운 경우 그 활용도가 높을 것으로 보인다. 터치스크린을 이용한 호흡 측정법은 호흡 기능의 재활 치료에서 기능의 향상 평가를 하는 경우나 신생아 집중치료실에 있는 환아 대상의 무구속 호흡 측정법으로 활용 가능성이 높을 것으로 기대된다. 또한 3축 촉각 센서와 터치스크린을 함께 이용한다면 호흡 신호의 영향을 최소화한 심박변이도 분석에 적용될 수 있을 것으로 보인다. Vital signs are usually monitored using invasive techniques, especially in intensive care units, to ensure high accuracy in measurement, but they suffer from inconvenience in daily activities and potential risks of infection. Among others, contact based methods require patients to be constrained in specific postures, but is expected to more directly and correctly estimate vital signs compared to non-contact based methods. In this study, we proposed a non-invasive and continuous blood pressure and respiration monitoring mechanism using three-axis tactile force sensor and capacitive touchscreen, along with mathematical models reflecting anatomical and physiological factors. The extracted vital signs were compared with reference data to verify their reliability. In head-up tilt test for evaluating orthostatic hypotension with three-axis tactile force sensor, we demonstrated the possibility of continuous data acquisition despite rapid gradients in blood pressure values and showed better performance than cuff-based non-invasive measurement. Regulatory responses from the autonomic nervous system were derived mathematically with signal envelope of systolic blood pressure. Moreover, three-axis tactile force sensor was also used to estimate pulse wave velocity, and the correlation between arterial compliance and its pulse waveform was investigated. The respiratory movement was detected at posterior lower ribs, and changes in touch screen contact area during exhalation and inhalation were examined to estimate movable range of the musculoskeletal system. The contribution of this study is to suggest a new method for monitoring blood pressure and respiration non-invasively, addressing issues regarding continuous measurement and constraint minimization for patients, and also to analyze the autonomic nervous system and respiratory functions from each results. As an example, blood pressure monitoring with 3-axis tactile sensor can be applied for patients with implanted ventricle assistance device, for which the conventional cuff-based NIBP cannot take into account both natural and artificial pulse waves. Respiration monitoring with touch screen is applicable for rehabilitation treatment of respiratory functions and for infants, especially in neonatal intensive care unit, as a unconstrained method. The two monitoring schemes can also be combined for more specific analysis of autonomic nervous system and heart rate variability by dividing the respiration signal from the pulse information.

Investigation on the electromechanical behaviour of silver nanowire (AgNW)-embedded polydimethylsiloxane films

마리안느 서울대학교 대학원 2022 국내석사

Wearable and flexible silver nanowire sensors have been studied extensively for use as transparent conductive electrodes (TCEs) in solar cells, touch panels and displays utilising light emitting diode (LED) and liquid crystal display (LCD) technology. In the biomedical field, applications vary widely from resistive or capacitive strain sensors for detecting motion for brain computer interface (BCI) devices as well as dry ECG and EMG sensors and pulse sensors for continuous long-term monitoring. To progress the development of these sensors for other wearable applications, the characteristics of silver nanowire/PDMS nanocomposite was investigated with regards to its sensitivity, hysteresis, response and recovery time, linearity, reliability, and repeatability by manipulating its thickness, nanowire density and post processing techniques via mechanical pressing. The simple drop casting method was employed to fabricate the sensor in basic electrode and sandwich configuration, together with thermal annealing at 200 degrees with varying mechanical pressures and nanowire concentrations. In this report, three different movements including stretching, bending and torsional strain were all applied to the sensor to simulate possible types of body movement experienced while using wearable devices. The strain sensor successfully produced different waveforms for the three movements but the torsional and stretching waveforms were more challenging to discern except for a larger normalised resistance change for the torsional strain. Among these three movements, the stretching movement was selected to assess the behaviour of the silver nanowires for its simplicity and noise free measurements. Generally, the trends observed about silver nanowire behaviour were that basic electrode configurations produced better sensitivity and more stable performance. Denser nanowire networks also lead to better stability and conductivity but introduces a trade-off relationship as there is also a reduction in sensitivity as the resistance changes becomes smaller. However, mechanical pressing can help to enhance these reduced sensitivities at high nanowire concentrations, but it had little effect on reducing the initial resistance. Repetitive stretching also seems to give the nanocomposite higher reliability with lower resistance changes after 1000 deformation cycles. Negligible hysteresis is achievable with thicker substrates and linearity and sensitivity can be enhanced by multiple rounds of stretching. Overall, the best characteristics were achieved from the 300 μl basic electrode configuration mechanically pressed at 10 MPa (sample 10 MPa 2.1) with a gauge factor of 6.3, moderate dynamic range up to 30% strain, a best linearity of 0.97 and an average response and recovery rate of 0.345 s and 0.408 s respectively with negligible hysteresis effects below 20% strain. It also exhibited the smallest resistance change of 18% after completion of 1000 cycles attesting to its reliability. Consequently, the target application for this can be a hand-finger movement sensor as a human-machine interface. Keyword: strain sensor, flexible electrodes, nanocomposites, stability, silver nanowires (AgNW), polydimethylsiloxane (PDMS), wearables 웨어러블 및 플렉시블 AgNW 센서는 여러 응용으로 많이 연구되었다. 예를 들면, 발광다이오드(LED)와 LCD(Liquid Crystal Display) 기술과 태양전지 및 터치 패널디스플레이에서, 또한 바이오메디컬 분야에서는 뇌 컴퓨터 인터페이스(BCI)과 깉은 움직이는 센서와 지속적인 장기 모니터링을 위한 건식 심전도(ECG) 및 EMG 센서와 펄스 센서까지 응용 분야가 매우 다양하다. AgNW/PDMS 나노복합재의 두께의 변화, 나노와이어 용액의 농도, 기계 프레스와 같은 후처리 기법을 이용한 압력변화의 다양한 변수에 따른 센서의 감도, 이력 현상, 응답 및 회복 시간, 선형성, 신뢰성, 반복성을 관찰하며 센서 개발을 진행하였다. 간단한 드롭 캐스팅 방법은 다양한 기계적 압력과 나노와이어 농도로 200도의 열처리와 함께 기본 전극 및 샌드위치 구성으로 센서를 제작하기 위해 사용되었다. 본 학위논문에서는 스트레칭, 벤딩, 비틀림 변형 등 세 가지 동작을 모두 적용하여 실제 웨어러블 기기 착용 시 발생할 수 있는 신체 움직임 유형들을 각각에 알맞은 장비를 이용해 재현하여 실험을 진행하였다. 세 가지 스트레인 동작 상황에서는 각 변화에 대해 서로 다른 파형을 생성했지만 스트레칭과 비틀림의 경우 그 경향이 비슷하여 파형만 보고 어떠한 동작인지 식별함에 어려움이 있는데 비틀림 변형률 경우에서는 더 큰 저항의 변화를 있다. . 이 세 가지 동작 중에서 단순하고 노이즈가 적은 스트레칭 동작을 선택하여 AgNW의 다양한 특성들을 평가하였다. 일반적으로 AgNW의 특성에 대해 관찰된 최신 동향은 가장 기초적인 형태의 전극으로 제작시 다른 경우에 비해 감도가 향상되고 성능이 안정적이라는 것이다. 나노와이어 용액의 농도를 증가하여 나노와이어 네트워크가 증가하면 안정성과 전도성이 개선되지만 저항 변화가 작아짐에 따라 감도가 감소하기 때문에 트레이드오프 관계가 형성된다. 기계적 프레스는 높은 나노와이어 농도에서 이러한 감도를 개선하는 데 도움이 될 수 있지만 초기 저항을 줄이는 데는 거의 영향을 미치지 못하였다. 또한 기계적 압력이 높을수록 나노복합물의 신뢰성은 높아지고 1000회 변형 후 저항 변화는 낮아지는 것으로 보인다. 무시할 수 있는 이력은 두꺼운 기판으로 달성할 수 있으며 여러 번의 스트레칭으로 선형성과 감도를 향상시킬 수 있다. 전반적으로 가장 좋은 특성은 게이지 계수가 6.3인 10MPa(샘플 10MPa2.1)에서 300마이크로리터의 기본 전극 구성에서 관찰되었으며, 변형률 최대 30%의 중간 동적 범위, 0.97의 선형성, 20% 미만의 이력 효과가 각각 0.345s 및 0.408s의 평균 응답 및 회복 시간을 보였다. 또한 1000 사이클 완료 후 저항 변화가 18%로 가장 적었으므로 그 신뢰성이 입증되었다. 본 연구 결과는 손/손가락 움직임 기반의 인체-기계 접속 센서로 사용할 수 있을 것이다. 주요어: 변형 센서, 플렉시블 전극, 나노복합재, 안정성, 은 나노와이어(AgNW), 폴리디메틸실록산(PDMS), 웨어러블 디바이스.

Investigation of the adjustable three-dimensional simulator for surgical planning

왕재환 서울대학교 대학원 2023 국내박사

In the past three decades, simulation has become a key tool for training doctors and maintaining patient safety. Simulation provides an immersive, realistic way to learn technical skills. Recently, the training programs of many surgical specialties have changed, coupled with other pressures (such as reducing operation time), which means that surgery has changed from a traditional apprenticeship model to a competency-based model. Simulation can be a standardized and safe method of training and evaluating surgeons. With the development of laparoscopic technology, the use of simulation for training has become important, and there is evidence that virtual reality simulators have been used to allow experts to plan complex surgeries and assess perioperative risks. In this article, we have shown how to use real patient data and use virtual reality technology to develop a system that allows users to plan surgery. Not only that, but with this system, doctors can more easily explain the situation to patients or their family members, thereby enhancing the trust between them. 수술 시뮬레이션은 의사 교육과 환자 안전을 위해 매우 유용한 도구이다. 또한 수술 시뮬레이션 기술은 실감나고 사실적인 학습을 가능하게 하기 때문에 최근 많은 외과 전문의 교육 프로그램으로 활용되고 있는 추세이다. 그렇기 때문에 수술 시뮬레이션이 전통적인 학습을 위한 도구에서 역량 향상을 위한 도구로의 역할이 변화되고 있다. 이러한 수술 시뮬레이션은 외과의를 교육하고 평가하는 표준화되고 안전한 방법이 될 수 있는데 복강경 기술의 발전과 함께 훈련을 위한 시뮬레이션의 사용이 중요해지고 있을 뿐만 아니라 전문가가 복잡한 수술을 사전에 계획하고 수술 전후 결과를 평가하는 데에도 유용하기 때문이다. 본 논문에서는 실제 환자 데이터를 사용하여 가상 현실 기술을 이용하여 사용자가 수술을 계획 할 수 있는 시스템을 제안한다. 이러한 수술 시뮬레이션 시스템은 의사가 환자에게 환자의 상태를 보다 쉽게 설명할 수 있어 환자와 의사 간의 신뢰를 높일 수 있게 된다.

고속 회전에서 절대각도 측정을 위한 트랙 간 간섭 보상 정전용량식 로터리 엔코더 개발

박정현 서울대학교 대학원 2025 국내박사

정전용량식 로터리 엔코더는 회전자의 움직임에 따른 정전용량 변화를 측정하여 각도를 연산하는 센서로, 외부 환경에 강하고 소형화에 유리하다는 장점으로 주목받고 있다. 정전용량식 엔코더는 측정 방식에 따라 증분형과 절대형으로 구분된다. 증분형은 사인 및 코사인 채널 신호에 아크탄젠트 함수를 적용하여 각도를 연산한다. 반면, 절대형은 두 개 이상의 트랙에서 연산된 증분각도를 기반으로 버니어(Vernier) 알고리즘을 적용하여 절대각도를 계산한다. 최근 대부분의 연구는 주로 증분형 방식의 소형화에 집중되어 있으며, 절대형 엔코더는 구조적으로 다중 트랙이 필요해 트랙 간 전기장 간섭이 필연적으로 발생함에 따라 연구가 제한적인 상황이다. 상용 제품에서도 간섭을 피하기 위해 정지 상태에서만 절대각도를 연산하는 방식이 사용되며, 회전 중 절대각도를 연산하는 절대형 엔코더 연구에서도 트랙 간 간섭 현상을 정량적으로 설명할 수 있는 물리적 모델을 제시하지 못한 실정이다. 본 논문에서는 두 트랙을 동시에 동작시켜 고속 회전 중에도 절대각도를 안정적으로 측정할 수 있는 정전용량식 로터리 엔코더를 제안한다. 트랙 간 전기장 간섭을 라플라스 방정식을 기반으로 트랙 간 간섭에 대해 모델링하고 MATLAB 시뮬레이션을 통해 간섭 신호를 정량적으로 구하였다. 또한, 해당 간섭을 보상할 수 있는 디지털 신호 처리 방법을 함께 제시하였다. 제안된 엔코더는 직경 21.6 mm의 소형 구조에 상용 소자만으로 구현되었으며, 단순한 회로 구성에도 불구하고 충분한 성능을 확보하였다. A capacitive rotary encoder is a sensor that calculates rotational angle by measuring changes in capacitance caused by the movement of a rotor. The capacitive rotary encoders have attracted significant attention due to their robustness against external environmental factors and suitability for miniaturization. The encoders can be classified into incremental and absolute types based on their measurement methods. Incremental types calculate angles by applying the arctangent function to sine and cosine channel signals. However, absolute types compute absolute angles by applying the Vernier algorithm to incremental angles obtained from two or more tracks. Recent research has primarily focused on the miniaturization of incremental types. In contrast, studies on absolute types remain limited, as their multi-track structure inherently causes inter-track electric field interference. Even in commercial products, absolute angle computation is typically performed only in a stationary state to avoid interference. Moreover, existing studies on absolute type encoders capable of operation during rotation have yet to present a quantitative physical model to explain inter-track interference. This paper proposes a capacitive rotary encoder capable of simultaneously operating two tracks and measuring absolute angles stably during high-speed rotation. The inter-track interference is modeled based on Laplace’s equation, and MATLAB simulations are used to quantify the interference signal. In addition, a digital signal processing method for compensating the interference is proposed. The encoder is implemented using only commercial components in a compact 21.6 mm diameter, and it achieves sufficient performance despite its simple circuit design.

Design and Simplified Fabrication of a Cyclic Olefin Copolymer-based Integrated Electrode-Chip System for Retinal Prosthesis

TAEKYUNG LEE 서울대학교 대학원 2026 국내박사

Retinal prostheses aim to restore partial vision in patients suffering from photoreceptor degeneration by electrically stimulating the remaining retinal neurons. Despite remarkable progress in recent decades, existing devices remain constrained by limited long-term reliability, insufficient stimulation selectivity, and complex packaging architectures that hinder miniaturization and chronic implantation. These limitations have resulted in highly restricted visual restoration, while long-term implantation has often led to issues such as electrode delamination and inflammatory responses. In particular, the use of heterogeneous materials and multi-step assembly processes introduces mechanically and chemically vulnerable interfaces, often leading to moisture ingress, electrode delamination, and premature device failure. Therefore, ensuring long-term stability, efficient neural stimulation, and spatially compact integration has become a critical design objective for next-generation retinal prostheses. Reliability in retinal prostheses should thus be addressed not only through material performance, but also through fabrication simplicity and structural integration. This dissertation proposes a monolithic polymer-based design framework that integrates material selection, structural optimization, and system-level packaging through fabrication-level unification within a single thermoplastic material platform. Cyclic olefin copolymer (COC) was selected as the core material due to its exceptionally low water permeability, chemical inertness, optical transparency, and established biocompatibility. These properties suggest that COC has strong potential as a substrate material for retinal prostheses by addressing key limitations of conventional polymers, particularly in terms of long-term encapsulation stability and chemical durability. However, previously reported COC-based neural electrodes have not fully exploited this potential and have often suffered from insufficient mechanical compliance and interfacial instability, primarily due to residual stress induced during fabrication and poor metal adhesion on the inherently hydrophobic COC surface. To overcome these challenges, this study first focused on establishing a fabrication strategy that could unlock the intrinsic advantages of COC. Thermoforming and annealing processes were systematically optimized to enhance flexibility and relieve residual stress, while plasma surface modification was employed to improve interfacial reliability between metals and the polymer substrate. Based on these process optimizations, COC-based planar electrode arrays were subsequently developed as a reliable baseline structure for long-term insulation and mechanical durability. The resulting planar electrodes exhibited significantly improved mechanical robustness and interfacial stability compared to previously reported COC-based designs. Accelerated soaking and cyclic bending tests verified stable encapsulation performance over extended operation, and in ex vivo retinal stimulation experiments, the fabricated electrodes effectively transmitted electrical signals to retinal tissue, demonstrating stable and reproducible responses. To improve stimulation selectivity beyond planar configurations, a three-dimensional plateau electrode geometry was subsequently introduced by exploiting the thermoformability of COC. The plateau structure locally elevates electrode sites to reduce the electrode–cell distance while maintaining smooth, rounded surface profiles. This geometry suppresses lateral current spreading without relying on sharp or invasive features commonly found in conventional three-dimensional electrodes, thereby addressing reported limitations of needle-, pillar-, or spike-type structures. Importantly, the plateau electrodes were fabricated through a simple thermoforming-based process without introducing additional materials or complex patterning steps. Finite element simulations and electrochemical analyses confirmed enhanced electric field confinement and improved charge transfer efficiency compared to planar electrodes fabricated from the same material. Furthermore, an inverse truncated pyramid (ITP) structure was designed and implemented, embedding the stimulation chip within the COC substrate and directly connecting it to the metal layer on the same level as the electrode pattern. This structure enables semiconductor chips to be embedded directly within the polymer substrate and electrically integrated without wire bonding. By eliminating bulky housings and heterogeneous encapsulation layers, the proposed packaging approach significantly reduces dead space and assembly complexity. This configuration minimized total thickness and enabled a thin and flexible packaging structure through thermoforming. Finite element analysis validated the structural efficiency, and the integration process was experimentally verified using embedded phototransistors, confirming that chip embedding and electrode integration did not compromise device performance. In conclusion, this dissertation demonstrates that fabrication simplicity achieved through monolithic integration is a key enabler of long-term reliability in retinal prostheses. By unifying material selection, electrode geometry, and chip packaging within a single thermoplastic polymer platform, the proposed framework simultaneously improves encapsulation durability, stimulation selectivity, and packaging scalability. Beyond retinal prostheses, this approach provides general design principles for future implantable neural interfaces that require compact form factors, mechanical robustness, and stable long-term operation in biological environments. 인공망막(retinal prosthesis)은 광수용체 변성으로 인한 실명 환자의 잔존 시신경세포를 전기적으로 자극하여 부분적인 시각을 회복시키는 것을 목표로 한다. 지금까지 많은 기술적 발전이 이루어졌지만, 기존의 인공망막은 구조적 신뢰성 부족, 낮은 자극 효율, 그리고 칩과 전극을 안정적으로 통합하기 어려운 설계 제약으로 인해 어려움을 겪고 있다. 이러한 한계로 인해 실제 시각 회복 수준은 매우 제한적이며, 장기 사용 시 전극 박리나 염증 반응 등 부작용 사례도 반복적으로 보고되어 왔다. 따라서 인공망막 설계 시 장기간 안정성을 유지하면서도 효율적인 신경 자극과 공간 효율적인 집적을 동시에 달성하는 것이 중요한 과제로 대두되고 있다. 본 연구는 이러한 한계를 해결하기 위해 재료 선택부터 구조 설계, 시스템 패키징에 이르는 전 과정을 통합적으로 고려한 폴리머 기반 설계 프레임워크를 제안한다. 주재료로 선택된 COC(cyclic olefin copolymer)는 낮은 수분 투과율, 높은 화학적 안정성, 그리고 우수한 생체적합성을 지닌다. 더 나아가 COC는 전극 형성, 구조적 성형, 칩 패키징을 단일 열가소성 폴리머 플랫폼 내에서 구현할 수 있는 공정 전략을 가능하게 한다. 이러한 특성은 장기 삽입 환경에서는 큰 장점이지만, 소수성 표면 특성으로 인해 다른 재료와의 접착 및 계면 형성이 어렵다는 단점도 존재한다. 이에 본 연구에서는 열성형 조건과 어닐링 공정을 최적화하여 기판의 유연성과 잔류 응력을 완화하고, 플라즈마 처리 및 표면 개질을 통해 금속과 폴리머 간의 계면 접합 신뢰성을 확보하였다. 그 결과, COC의 안정성과 유연성이 동시에 확보된 상태에서 공정 적합성과 구조적 신뢰성이 우수한 전극–칩 통합 구조가 구현되었다. 이러한 기반 위에서 장기 절연성과 기계적 안정성을 확보하기 위한 평면 전극 어레이를 제작되었으며, 가속침지실험 및 반복 굽힘 시험을 통해 장기 안정성 및 기계적 내구성이 검증되었다. 또한, ex vivo 환경에서 망막 자극 실험을 수행한 결과, 제작된 전극이 망막 조직에 전기 신호를 안정적으로 전달하며 일관된 반응을 유도하는 것이 확인되었다. 여기에 더해, 전극–세포 간 접촉을 강화하고 전류 확산을 줄여 자극 효율을 높이기 위해 전극부가 미세하게 돌출된 플라토 (plateau) 구조가 설계되었다. 이를 통해 전기장 집중 효과와 전하 전달 능력이 향상되었으며, 전극–세포 간 상호작용이 강화되어 자극 효율이 개선됨이 시뮬레이션 및 전기화학적 분석을 통해 확인되었다. 마지막으로, 자극 칩을 COC 기판 내부에 삽입하고 전극 패턴과 동일한 레벨에서 금속층으로 직접 연결하는 새로운 ITP (inverse truncated pyramid) 구조가 설계 및 구현되었다. 이 구조는 칩과 전극 간의 전기적 연결을 단일 평면 상에서 형성함으로써 전체 두께를 최소화하고, 열성형 공정을 통해 얇고 유연한 패키징 형태를 실현하였다. 구조적 효율성은 제작 전 유한요소 해석을 통해 검증되었으며, 제작된 시편에서는 광트랜지스터를 삽입하여 통합 및 패키징 공정이 소자 특성에 미치는 영향을 평가하였다. 이를 통해 칩 삽입과 전극 일체형 패키징이 기능적 손상 없이 안정적으로 구현 가능함이 확인되었다. 결론적으로, 본 논문은 유연 폴리머 기반 신경 인터페이스의 새로운 통합 설계 방향을 제시한다. 인캡슐레이션 내구성, 자극 정밀도, 패키징 효율성을 동시에 향상시킴으로써, 생체 환경에서 전기적·기계적 안정성을 장기간 유지할 수 있는 차세대 인공망막 시스템의 기술적 기반을 마련하였다. 이러한 접근은 인공망막의 구조적·기능적 완성도를 높였을 뿐 아니라, 향후 단일 재료 기반의, 두께를 최소화한 유연·고신뢰성 생체전자 시스템 개발에도 실질적인 설계적 통찰을 제공한다.