자료조사_의공학회

● 압전 나노필라(ZnO의 경우) 한 개에서 발생하는 전하량은 논문(Wang, Science 2006)에 의하면 10fC 정도이다. 상용 전극에서 음성을 감지할 수 있는 최소 전하량은 실측치(Nurobiosys, RTI Psychophysics Test Data)가 16nC ~ 100nC 정도이다. 따라서 다수의 압전 나노필라를 이용해서 세포자극이 가능하려면 625,000 ~ 10,000,000개의 나노필라가 필요하다. 나노필라를 집적할 수 있는 밀도가 20 pillars/um2 ~ 50 pillars/um2 정도(Wang, Science 2006, Wang, J. Phys. Chem. B, 2006)임을 고려하면 인공와우의 전극 어레이에 집적 가능한 면적을 확보할 수 있다.

1. 500Mohm을 달았을 때, 8mV가 0.6ms 동안 유지되었다. Q = I x t = (V / R) x t = (8mV / 500Mohm) x 0.6ms = 0.0096pC ~= 10fC

㉮ 음성에너지와 신경세포 자극 에너지 비교

● 음성을 통하여 우리의 귀로 들어오는 소리 에너지는 13.75pJ 정도(소리가 1kHz라고 가정한 경우이다. 이 에너지를 전하량으로 환산하면 3.7nC 정도이다. 여기에 압전 소자의 효율을 감안하면 0.186fC을 한 파장의 소리에너지가 만들어 낼 수 있다.

● 반면 청신경 자극에 사용되는 기존의 연구 결과들을 종합하면 체외(In vitro)에서 최소 전하량으로 자극한 경우 50pC(Buitenweg, IEEE TBME 2002), 체내에서 자극한 경우에는 침투형 신경다발 전극(Penetrating Nerve Electrode)을 이용한 경우에 최소 전하량 0.8nC(Middlebrooks, JARO 2007)이 나타났으며 뇌간(Brainstem Electrode)에 전극을 심은 경우 5~60nC(Behr, Skull Base 2007), 모디올러스(Modiolus Hugging Electrode) 전극의 경우 10nC이상(Clark, Hearing Research 2001), 상용 인공와우 전극의 50nC 정도까지 다양하다.([표 3-6] 참조) 하지만 음성 에너지를 압전 소자로 전기 변환한 경우에 대해 최소 105배에서 최대 108배라는 큰 차이가 나타났다.

2) 0dB = 10-12W/m2이고 120dB = 1W/m2이며 대화를 통한 음성의 경우 70dB 10-5W/m2 정도 이다. 귓바퀴의 직경을 7cm x 5cm로 계산하면 27.5nW = 27.5nJ/sec의 에너지가 귀로 들어온다. 소리의 주파수가 1kHz라고 하면 반파장 당 에너지는 27.5nJ/sec x 0.5ms = 13.75pJ이 된다.

3) E=I2Rt = (Q/t)2Rt이므로 Q=(Et/R)1/2 = (13.75pJ x 1ms / 1kohm)1/2 = 3.7nC으로 환산할 수 있다.

4) 압전효율(Piezoelectricity)이 높은 PZT/Foamed Polyurethane Composite의 경우 225pC/N의 효율을 갖는다.(Mukherjee, J. Biomedical Res. 2006) 시뮬레이션 결과 나노필라를 구부리는데 필요한 에너지와 힘은 각각 0.0001pJ, 6pN 정도이므로 나노필라 1개당 225pC/N x 6pN = 1.35×10-21C의 전하량이 방출되도록 할 수 있다. 입력되는 음성 에너지로는 13.75pJ/0.0001pJ = 137,500개의 나노필라를 구부릴 수 있으므로 총 방출되는 전하량은 1.35×10-21C x 137,500개 = 0.186fC이 계산된다.