KR101681180B1 - 재구성 가능한 광도전칩 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광도전칩에 관한 것으로, 제 1 광도전층, 및 상기 제 1 광도전층 상부에 위치하는 제 2 광도전층을 포함하고, 상기 제 1 광도전층 및 상기 제 2 광도전층은 서로 다른 파장을 가지는 빛에 의해서 광도전성을 띄는 것을 특징으로 함으로써, 광도전층에 입사되는 빛을 패터닝을 통해 재구성이 가능한 칩을 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 광도전칩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, 광도전층에 입사되는 빛에 따라 재구성이 가능한 광도전칩에 관한 것이다.
종래의 미세전극 배열은 보통 마이크로 사이즈로 위치가 정해진 전극을 적용하는 패터닝 방법을 이용한다. 이러한 배열은 30 μm의 전극 직경과 200 μm의 전극 간격이 사용될 수 있고, 단층 칩은 보통 64개의 전극을 가질 수 있다. 특정 세포의 활동전위를 측정하거나 자극하기 위하여, 미세전극 배열의 표면에 배양된다. 세포를 배양하고 유지하기 위해선 배양액이 필수적이고, 배양액은 전도성을 가진다. 반면, 세포가 세포의 전기신호를 잘 측정할 수 있을 정도로 전극을 잘 덮고 있을 필요가 있는데, 미리 고정된 전극형태를 이용하는 경우 세포가 필요한 정도로 전극을 잘 덮지 않을 수 있다. 전극이 세포로 잘 덮히지 않고 노출된 부분이 있으면, 전도성이 높은 배양액과 닿아 세포로부터의 신호크기를 감소시키는 문제가 발생할 수 있다. 결과적으로, 해상도를 높이거나, 더 나은 세포전극 커플링이 되는 미세전극 배열의 성능을 향상시키는 노력이 계속되고 있다.
광도전성은 1세기 전부터 지금까지 알려져왔고, 다양한 분야와 산업에 이용되고 있다. 이러한 특성을 가지는 물질의 전도성은 전자기 스펙트럼의 적절한 파장을 흡수함으로써 극적으로 증가한다. 이러한 국지적인 전도성의 증가는 가상 전도성 선, 예를 들어 가상 전극에 매우 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 재구성이 가능한 광도전 칩을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 제 1 광도전층; 및 상기 제 1 광도전층 상부에 위치하는 제 2 광도전층을 포함하고, 상기 제 1 광도전층 및 상기 제 2 광도전층은 서로 다른 파장을 가지는 빛에 의해서 광도전성을 띄는 것을 특징으로 하는 광도전칩을 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 제 1 광도전층 또는 제 2 광도전층의 영역이 선택적으로 광도전성을 띄도록 패터닝된 빛을 발생시키는 광원부를 더 포함하는 광도전칩일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 광원부는, 패터닝부를 포함하는 광원; 및 상기 광원의 빛을 집광하는 집광렌즈를 포함하는 광도전칩일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 제 1 광도전층이 광도전성을 띄도록 하는 파장의 영역과 상기 제 2 광도전층이 광도전성을 띄도록 하는 파장의 영역은 서로 일치하지 않는 것을 특징으로 하는 광도전칩일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 제 1 광도전층은, 제 1 파장을 가지는 빛에 의해 광도전성을 띄는 영역을 통해 외부로부터 신호를 받아 제 2 광도전층의 광도전성을 띄는 영역으로 전달하거나, 제 2 광도전층의 광도전성을 띄는 영역으로부터 신호를 수신하여 외부로 신호를 전달하고, 상기 제 2 광도전층은, 제 2 파장을 가지는 빛에 의해 광도전성을 띄는 영역을 통해 상기 제 1 광도전층의 광도전성을 띄는 영역으로부터 수신한 상기 제 2 광도전층의 상부방향으로 신호를 방출하거나 제 2 광도전층의 상부로부터 신호를 수신하여 상기 제 1 광도전층의 광도전성을 띄는 영역으로 전달하는 것을 특징으로 하는 광도전칩일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 제 2 광도전층은, 상부로 신호를 송신하거나 상부로부터 신호를 수신하도록 전극의 형태로 소정의 영역에 광도전성을 띄고, 상기 제 1 광도전층은, 상기 제 2 광도전층에 신호를 전달하려는 전극 또는 제 2 광도전층이 수신한 신호를 수신할 신호수신장치와 상기 광도전성을 띈 제 2 광도전층의 영역을 연결하도록 선로의 형태로 소정의 영역에 광도전성을 띄는 것을 특징으로 하는 광도전칩일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 제 1 광도전층은 하나 이상의 전극과 연결되고, 상기 제 2 광도전층은 하나 이상의 영역이 광도전성을 띄며, 상기 제 1 광도전층은 하나의 전극과 하나 이상의 광도전성을 띄는 제 2 광도전층의 영역을 연결되는 선로의 형태로 광도전성을 띄고, 상기 2 광도전층에 의해 형성되는 경로는 서로 겹치지 않는 것을 특징으로 하는 광도전칩일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 전기 자극을 가하거나 전기 신호를 측정하고자 하는 세포가 상기 제 2 광도전층 상에 위치할 때, 상기 세포가 위치하는 제 2 광도전층의 영역에 제 2 파장을 가지는 빛을 비추어 광도전성을 띄도록 하고, 상기 세포와 전극 또는 신호수신장치를 연결하기 위하여, 상기 광도전성을 띄는 제 2 광도전층과 상기 전극 또는 신호수신장치를 연결하는 영역에 상기 제 1 광도전층을 제 1 파장을 가지는 빛으로 비추어 광도전성을 띄도록 하며, 상기 제 1 광도전층 및 상기 제 2 광도전층의 연결을 통해 상기 전극에 인가된 전압이 상기 세포에 전기 자극으로 가해지거나, 상기 세포의 전기 신호를 측정하는 것을 특징으로 하는 광도전칩일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 제 2 광도전층 상에 유전층을 더 포함하는 광도전칩일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 유전층 상에 세포를 포함하는 배양액이 담기도록 하는 세포설치부를 더 포함하는 광도전칩일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 제 2 광도전층은, 소정의 경우에만 광도전성을 띄어, 상기 제 1 광도전층과 상기 제 2 광도전층의 상부를 전기적으로 연결시키는 스위치의 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 광도전칩일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 제 1 광도전층 하부에 위치하는 투명 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광도전칩일 수 있다.
본 발명에 따르면, 광도전층에 입사되는 빛을 패터닝을 통해 재구성이 가능한 칩을 제공할 수 있다. 이를 통해 전극의 모양, 크기, 위치 등을 실시간으로 제어할 수 있다. 상층부에 전기신호를 전달하거나 상층부로부터 전기신호를 수신하는데 이용할 수 있고, 나아가, 세포의 위치를 감지할 수 있고, 더 나은 세포-전극 커플링을 가능하도록 하는 정보에 기초하여 전극을 설정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광도전 칩이다.
도 2 내지 3은 물질들에 따른 광도전성을 나타낸 것이다.
도 4 내지 5는 본 발명의 실시예에 따른 광도전 칩의 구동원리를 나타낸 것이다.
도 6 내지 9은 본 발명의 실시예에 따른 광도전 칩이 적용되는 예들을 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광도전 칩이다.
도 2 내지 3은 물질들에 따른 광도전성을 나타낸 것이다.
도 4 내지 5는 본 발명의 실시예에 따른 광도전 칩의 구동원리를 나타낸 것이다.
도 6 내지 9은 본 발명의 실시예에 따른 광도전 칩이 적용되는 예들을 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광도전 칩이다.
본 발명에 관한 구체적인 내용의 설명에 앞서 이해의 편의를 위해 본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안의 개요 혹은 기술적 사상의 핵심을 우선 제시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광도전칩은, 제 1 광도전층, 및 상기 제 1 광도전층 상부에 위치하는 제 2 광도전층을 포함하고, 상기 제 1 광도전층 및 상기 제 2 광도전층은 서로 다른 파장을 가지는 빛에 의해서 광도전성을 띄는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 당해 도면에 대한 설명시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다. 아울러 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명 그리고 그 이외의 제반 사항이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광도전 칩이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광도전 칩은 제 1 광도전층(110) 및 제 2 광도전층(120)을 포함하고, 광원부(130)를 더 포함할 수 있다.
제 1 광도전층(photoconductive layer)(110) 상부에 제 2 광도전층(120)이 위치하고, 제 1 광도전층(110) 및 제 2 광도전층(120)은 서로 다른 파장을 가지는 빛에 의해서 광도전성을 띈다.
보다 구체적으로, 광도전성은 빛의 파장에 따라 전도성이 변화하는 성질로, 광도전성을 가지는 물질은 광 에너지가 물질의 밴드갭 에너지와 가까울 때, 빛을 흡수함에 따라 자유 전하 캐리어가 증가하여 저항이 낮아지게 되어 전도성이 높아진다. 특정 파장을 가지는 빛에 의해서 광도전층은 광도전성을 띄면서 해당 영역이 턴-온 된다. 광도전성 물질로는 PbS, 비정질 실리콘(Hydrogenated amorphous Silicon, aSi:H), 산화타이타늄(TiO2), Nb2O5, ZnS, 또는 GaAs 등이 있다. 도 2 내지 3과 같이, 물질에 따라 광도전성을 띄는 파장이 상이하며, 온도에 따라서도 광도전성은 변화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광도전 칩은 2 개의 광도전층을 이용하여 재구성이 가능한 칩을 구현한다.
제 1 광도전층(110)과 제 2 광도전층(120)은 서로 다른 파장을 가지는 빛에 의해서 광도전성을 띄는 서로 다른 광도전 물질을 이용한다. 즉, 서로 다른 밴드갭을 가지는 광도전성 물질을 이용한다. 제 1 광도전층(110)이 광도전성을 띄도록 하는 파장의 영역과 제 2 광도전층(120)이 광도전성을 띄도록 하는 파장의 영역은 서로 일치하지 않는 광도전물질을 이용함으로써 각 광도전층을 독립적으로 제어할 수 있도록 한다. 제 1 광도전층(110)과 제 2 광도전층(120)이 모두 광도전성을 띄는 영역에서의 광도전성이 임계치 이하가 되는 광도전물질을 이용할 수 있다. 제 1 광도전층(110)과 제 2 광도전층(120)이 광도전성을 띄는 영역에 겹치는 부분이 있더라도 해당 영역에서의 광도전성이 오차 범위(임계치) 내라면 이용이 가능하다. 상기 광도전물질을 선택하는데 이용되는 임계치는 미리 설정되어 있거나, 적용되는 환경이나 대상에 따라 달라질 수 있으며, 실험에 의해 적절한 수치로 설정될 수 있다. 도 4와 같이, 제 1 광도전층(110)은 488 nm의 파장을 가지는 빛에 의해 광도전성을 띄고, 제 2 광도전층(120)은 365 nm의 파장을 가지는 빛에 의해 광도전성을 띄는 물질을 이용할 수 있다. 각각의 빛에 의해 광도전성을 띄는 위치와 형태가 달라진다. 광도전층은 2 층 이상의 다층 구조를 가질 수도 있다. 제 1 광도전층 하부에 위치하는 투명 기판을 더 포함할 수 있다. 제 1 광도전층(110)을 석영(quartz) 또는 유리(glass) 등으로 된 기판 상에 적층할 수 있다. 빛은 통과하되 전기 신호가 외부로 흘러나가는 것을 차단하도록 제 1 광도전층(110) 아래 기판을 위치시킬 수 있다.
광원부(130)는 제 1 광도전층(110) 또는 제 2 광도전층(120)의 영역이 선택적으로 광도전성을 띄도록 패터닝된 빛을 발생시킨다.
보다 구체적으로, 광원부(130)는 제 1 광도전층(110)과 제 2 광도전층(120)의 턴-온 시키고자 하는 영역에 맞도록 패터닝된 빛을 발생시킨다.
광원부(130)는 패터닝부를 포함하는 광원, 및 광원의 빛을 집광하는 집광렌즈를 포함할 수 있다. 광원(510, 520)에서 각 광도전층이 광도전성을 띄도록 하는 빛을 발생시키고, 이를 패터닝부에서 패터닝된 빛으로 형성할 수 있다. 패터닝부는 DMD(Digital Micromirror Device, 530,540)또는 LCD 등으로 구현될 수 있다. DMD는 아주 작은 모양의 거울을 반도체 위에 넣은 반사식 표시기이다. 약 200만 개의 미소 거울은 대각선 방향을 축으로 ± 10° 기울기로 조절할 수 있고, 입사광의 반사 방향을 변화시켜 각 픽셀을 점멸, 제어하게 되는데 원리적으로는 2치 표시기이지만 점멸 시간율을 변화시켜 256계조 표시를 실현할 수 있다. 제조 회사마다 약간의 차이는 있으나 대체로 광의 이용 효율은 65%, 콘트라스트는 110:1, 거울의 응답 속도는 20μsec, 거울의 크기는 17× 17μ㎡이고 픽셀 수는 768× 576이다. 이와 같은 DMD(530, 540)는 원하는 영역 및 형태로 명암을 형성시킬 수 있으며, 광도전층의 원하는 영역으로 DMD(530, 540)가 비추는 패터닝된 빛이 입사되도록 구비된다.
패터닝부를 거친 빛은 다이크로익 미러(dichroic mirror, 550, 560)에 의해 반사되어 집광렌즈(570)를 통해 광도전층으로 입사될 수 있다. 다이크로익 미러는 굴절률이 다른 물질의 많은 박층으로 이루어지는 반사경으로, 어떤 색의 빛을 반사하고, 다른 색의 빛을 모두 투과하는 성질을 가지고 있다. 보통의 색 필터에 비해서 흡수에 의한 손실이 매우 적고, 선택 반사하는 빛의 파장 범위를 재료의 두께나 구조에 의해 가감할 수 있는 특징이 있다. 집광렌즈(570)를 사용하면 빛 패턴의 크기를 광원의 파장에 따라 회절 한계까지로 줄일 수 있기 때문에 최고 해상도는 1㎛ 미만까지 가능해진다.
제 1 광도전층(110)은 제 1 파장을 가지는 빛에 의해 광도전성을 띄는 영역을 통해 외부로부터 신호를 받아 제 2 광도전층의 광도전성을 띄는 영역으로 전달하거나, 제 2 광도전층의 광도전성을 띄는 영역으로부터 신호를 수신하여 외부로 신호를 전달하고, 제 2 광도전층(120)은 제 2 파장을 가지는 빛에 의해 광도전성을 띄는 영역을 통해 제 1 광도전층의 광도전성을 띄는 영역으로부터 수신한 제 2 광도전층의 상부방향으로 신호를 방출하거나 제 2 광도전층의 상부로부터 신호를 수신하여 제 1 광도전층의 광도전성을 띄는 영역으로 전달한다. 즉, 제 1 광도전층(110)으로 인가되는 신호를 제 2 광도전층(120) 상부로 방출하거나, 제 2 광도전층(120) 상부로부터 신호를 받아 제 1 광도전층에 연결된 신호측정장치로 신호를 전달하는 역할을 한다. 상기 신호는 전압 또는 전류일 수 있으며, 마이크로파 등의 신호일 수도 있다.
이를 위하여, 제 2 광도전층(120)은 상부로 신호를 송신하거나 상부로부터 신호를 수신하도록 전극(electrode)의 형태로 소정의 영역에 광도전성을 띄고, 제 1 광도전층(110)은, 제 2 광도전층(120)에 신호를 전달하려는 전극 또는 제 2 광도전층이 수신한 신호를 수신할 신호수신장치와 상기 광도전성을 띈 제 2 광도전층의 영역을 연결하도록 선로(wire)의 형태로 소정의 영역에 광도전성을 띄도록 할 수 있다. 제 2 광도전층(120)은 상부로 신호를 방출하거나 상부로부터 신호를 수신하고자 하는 영역에 전극의 형태로 턴-온 되고, 제 1 광도전층(110)은 상기 신호들을 이동시키는 선로의 형태로 턴-온 된다.
제 2 광도전층의 턴-온 되는 영역과 제 1 광도전층 가장자리에서 외부와 연결되는 지점은 각 노드로 볼 수 있고, 제 1 광도전층의 턴-온 되는 영역은 상기 각 노드를 연결하는 선으로 볼 수 있다. 제 2 광도전층을 통해 구현되는 전극은 정확한 위치에 구현이 가능하고, 전극을 구현해야할 위치가 실기간으로 변경되더라도 바로 전극의 위치 및 그에 따른 선로를 조절할 수 있다. 이를 통해 신호가 이동하는 경로를 다양하게 재구성할 수 있다. 상기 턴-온 되는 영역은 패터닝된 빛을 형성하여 입사하는 것으로 제어가 가능한바, 쉽고 효율적으로 조절이 가능하다.
제 1 광도전층(110)과 제 2 광도전층(120)이 광도전성을 띄는 형태는 다양할 수 있다. 제 2 광도전층(120)으로 다양한 전극의 형태를 구성할 수 있다. 제 2 광도전층(120)으로 구현되는 전극의 형태는 숫자, 크기, 위치, 또는 형상이 다를 수 있다. 또한, 제 1 광도전층(110)으로 다양한 선로의 형태를 구성할 수 있다. 선로의 숫자, 경로, 폭, 또는 형상이 다를 수 있다.
제 2 광도전층은 소정의 경우에만 광도전성을 띄어, 제 1 광도전층과 제 2 광도전층의 상부를 전기적으로 연결시키는 스위치의 역할을 수행할 수도 있다. 제 2 광도전층이 턴-온 되기 전에는 제 1 광도전층과 제 2 광도전층 상부는 서로 전기적으로 연결되어 있지 않다가 제 2 광도전층이 턴-온 되면 제 1 광도전층과 제 2 광도전층 상부는 서로 전기적으로 연결되는바, 이를 이용하여 제 2 광도전층을 스위치와 같이 사용할 수 있다.
제 1 광도전층(110)은 하나 이상의 전극과 연결되고, 제 2 광도전층(120)은 하나 이상의 영역이 광도전성을 띄며, 제 1 광도전층(110)은 하나의 전극과 하나 이상의 광도전성을 띄는 제 2 광도전층의 영역을 연결되는 선로의 형태로 광도전성을 띄고, 제 2 광도전층(120)에 의해 형성되는 경로는 서로 겹치지 않도록 할 수 있다. 신호를 제 2 광도전층(120) 상부로 방출하고자 하는 경우, 제 1 광도전층(110)은 해당 신호를 발생시키는 하나 이상의 전극과 연결되어 전극으로부터 발생되는 신호를 전달할 수 있고, 제 1 광도전층에 형성되는 선로와 연결되는 제 2 광도전층에 형성되는 전극 또한 하나 이상일 수 있으며, 동일한 신호를 방출하는 제 2 광도전층 전극이 복수 인 경우, 하나의 제 1 광도전층 선로에 복수의 제 2 광도전층 전극이 연결될 수 있다. 제 1 광도전층 선로는 신호의 간섭이 없도록 서로 겹치지 않게 형성될 수 있다.
전기 자극을 가하거나 전기 신호를 측정하고자 하는 세포가 상기 제 2 광도전층 상에 위치할 때, 상기 세포가 위치하는 제 2 광도전층의 영역에 제 2 파장을 가지는 빛을 비추어 광도전성을 띄도록 하고, 상기 세포와 전극 또는 신호수신장치를 연결하기 위하여, 상기 광도전성을 띄는 제 2 광도전층과 상기 전극 또는 신호수신장치를 연결하는 영역에 상기 제 1 광도전층을 제 1 파장을 가지는 빛으로 비추어 광도전성을 띄도록 하며, 상기 제 1 광도전층 및 상기 제 2 광도전층의 연결을 통해 상기 전극에 인가된 전압이 상기 세포에 전기 자극으로 가해지거나, 상기 세포의 전기 신호를 측정할 수 있다.
도 6과 같이, 세포에 전기 자극을 가하거나 세포의 전기 신호를 측정하기 위해 세포가 제 2 광도전층상에 위치하도록 할 수 있다. 세포에 전기 자극을 가하거나 세포의 전기 신호를 측정하고자 하는 위치에 해당하는 제 2 광도전층의 영역에 제 2 파장의 빛을 입사하여 턴-온 시키고, 제 2 광도전층의 광도전성을 띈 영역을 전기 자극을 가할 전극과 연결하기 위한 경로에 해당하는 제 1 광도전층의 영역에 제 1 파장의 빛을 입사하여 턴-온 시킴으로써 전기 자극을 가할 전극이 세포와 전기적으로 연결되어 세포에 전기 자극을 가할 수 있도록 한다. 세포를 제 2 광도전층 상에 위치시킬 수 있도록 상기 제 2 광도전층 상에 유전층을 더 포함할 수 있고, 상기 유전층 상에 세포를 포함하는 배양액이 담기도록 하는 세포설치부를 더 포함할 수 있다. 상기 유전층으로 SiO2 또는 Si3N4 등이 이용될 수 있다.
제 1 광도전층과 제 2 광도전층의 턴-온되는 영역을 잘 배열하여 세포에 전기 자극(Stimulation1,2)을 주는 경로와 세포의 전기 신호를 측정(Recording1,2)을 구현할 수 있다. 전기 자극을 주기 위해선 제 2 광도전층의 선로에 전극이 연결되고, 전기 신호를 측정하기 위해선 신호수신장치와 연결될 수 있다.
상기 전극에는 전원이 연결될 수 있다. 전원은 상기 전극에 직류(DC) 또는 교류(AC) 전압이 인가되도록 구비되어 원하는 전위를 형성하도록 이루어지는데, AC 전압이 인가될 경우, 상기 전원의 주파수는 세포의 크기 및 종류에 따라 조절가능하다. 그리고, AC 전압이 인가될 경우, 상기 전극 중 최소한 하나의 전극이 접지(GND)의 역할을 수행하도록 변경될 수 있다. 직류(DC) 전압이 인가될 경우 빛 자극을 빠르게 온/오프(on/off)함으로써 용량성 커플링을 통해 유전층 위에 위치하는 세포에 전압 전달이 가능하다. 세포 자극을 위해 교류를 가해주는 것이 작동에 수월하기는 하나 광도전층 및 유전층을 통하여 용량성 커플링에 의한 누설전류가 미세하게 흐를 수 있다. 그러나 직류를 가하고 빛을 점멸하면 다른 부분은 누설전류가 발생하지 않고 빛을 받은 부분만 전압이 전달되므로 누설전류없이 효과적으로 빛 자극을 가할 수 있다.
전원에 의해 전극에 전압이 인가되는 상태에서 빛이 비추어지지 않으면 광도전층이 부도체이기 때문에 그 위로 전압이 전달되지 않고 따라서, 세포에 자극이 가해지지 않는다. 그러나 특정 빛 패턴을 DMD를 통해 투사(projection)하면 광도전층에 빛이 조사된 영역에만 전기가 도통하게 되어 전극에 걸린 전압이 광도전층 및 유전층을 통하여 세포에 전기 자극으로 가해지게 된다. 즉, 빛에 의해 세포에 전기 자극을 가할 수 있다는 것인데, 광원부로부터 조사된 빛이 광도전층으로 입사된 영역에만 전극에 걸린 전기 전압이 전달되고 이것은 세포에 전기 자극으로 가해지는 원리이다.
빛으로 세포를 전기자극할 수 있고, 특히 빛의 패턴으로 신경망의 특정 부위를 전기 자극할 수 있다는 데에 큰 특징이 있다. 즉, 빛 자극 패턴의 크기만큼 해상도를 높일 수 있다. 즉, 회절한계 수준으로 세포 자극을 고해상도로 시행할 수 있다. 빛 자극을 풀 에이치디 DMD를 이용해서 할 경우 이론적으로 200만 스폿을 독립적으로 자극할 수 있다. 따라서, 기존의 수십 ~ 수백 채널에 그쳤던 MEA의 해상도를 백만 채널 이상으로 높이는 효과가 발생한다. 이를 통해 분석하고자 하는 신경망의 각 세포뿐만 아니라 축색돌기 수준으로도 고해상도 자극이 가능하다. 따라서, 신경망의 전체 연결고리의 정확한 신호 분석이 가능해지며, 신경세포의 기억, 연산에 관한 연구에 이용될 수 있다.
세포에 대한 전기 자극 또는 전기 신호를 감지하는 경우뿐만 아니라 도 7a 내지 7b와 같이, 물질의 선택적인 합성 또는 DNA 연구 등 다양한 분야에 적용할 수 있다. 도 7c와 같이, 기판 위에 microdroplet을 위치시키고 확대 그림과 같이 전기화학의 기본이 되는 reference 전극, working 전극, counter 전극의 패턴을 만들어 각각 isolation된 reaction 및 analysis를 수행할 수도 있다.
또한, 도 8과 같이, 제 1 광도전층에 연결되는 전극들을 하나 이상 연결하고, 각기 다른 위치에 적절한 신호를 인가하거나 신호를 측정할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 9와 같이, 필요에 따라 각기 다른 전압(+5V, +3V, -4V)를 가할 수 있고, 서로 다른 유형의 신호(사인파형, 펄스형)를 가할 수도 있다.
신경세포의 흥분과 관련된 신호는 세포에 전압 민감성 염료(voltage sensitive dye) 또는 이온 민감성 염료를 염색하여 카메라부를 이용한 이미지 촬영을 통해 실시간으로 분석할 수 있다. 카메라부는 현미경과 광학필터와 CCD 카메라 등을 포함하여 구성할 수 있다. 전압 민감성 염료는 분자량이 약 500Da, 길이가 20Å 이하인 유기 분자로서 세포막에 결합하여 막 전위의 변화에 의해 발생하는 신호를 검출하기 위해 사용하는 염료이다. 이온 민감성 염료는 Na+, K+, Ca2 + 등의 이온을 추적할 수 있는 염료이며 특히 Ca2 + 민감성 염료를 많이 사용한다. 염료 분자는 세포막의 외벽에 붙어 일종의 변환기로 작용하여 막 전위의 변화를 광신호로 변환시킨다. 이것은 아주 빠른 시간 상수를 가진 막 전위를 잘 반영하며 신호의 크기는 막 전위 변화의 크기와 직접적인 관계가 있다. 전압 민감성 염료(merocyanine계, hemicyanine계)의 대표적인 예는 Di-4-ANEPPS(JPW-211)이며 이것은 체외(in vitro)용으로 빠르게 세포 내에 염색이 되며, 전기장에 대한 민감도가 100mV당 10% 정도이다. 카메라부(580)는 도 5에서와 같이 광원부 아래쪽에 놓일 수도 있지만, 광도전층 위에 놓일 수도 있다. 또한, 전압 민감성 염료 또는 이온 민감성 염료의 형광 여기(excitation)를 위한 추가의 여기광원(미도시)이 필요할 수도 있다. 염료가 발광(photoluminescence) 형태인 경우에는 여기광원(excitation light source) 없이 촬영이 가능하나, 염료가 형광(fluorescence) 형태인 경우는 여기광원이 필요하기 때문이다. 여기광원으로 빛을 비추고 반사된 빛은 밴드패스 필터 등의 광학필터를 사용하여 노이즈를 제거한 다음 현미경에 부착된 CCD 카메라로 영상을 얻을 수 있다.
이 때, 여기광원의 빛이 세포에 의도하지 않은 전기 자극으로 가해지지 않도록 해야 한다. 광도전층이 반응하는 흡수 스펙트럼을 참고하여 광원부의 파장은 가장 흡수율이 높은 쪽을 택하고 여기광원의 파장은 흡수율이 미미한 곳을 택할 수 있으면, 여기광원의 빛과 광원부 및 전원을 이용한 빛 전기 자극(광전자 자극)이 동시에 적용되어도 무방하다. 그렇지 않고 여기광원의 빛에 의해 전기 자극이 켜질 우려가 있다면 여기광원 조사와 빛 전기 자극 사이에 시차를 두는 것이 바람직하다. 여기광원 조사가 되는 동안은 광원부의 빛을 끄거나 전원을 끄는 것으로 이러한 시차를 구현할 수 있으며, 전원을 끄는 것이 조절이 더 쉽기 때문에 예컨대 스위치와 같은 시분할 장치가 유용할 수 있다. 따라서, 여기광원에서 발생된 형광 여기를 위한 빛에 의하여 광도전층이 턴-온(turn-on)되어 전원의 V 자극이 가해지는 것을 방지하기 위하여, 여기광원을 비추고 촬영을 할 때에는 V의 전압 자극기 전원을 꺼주는 방식으로 시차를 둘 수 있다. 이러한 시차 대신에 여기광원 조사와 빛 전기 자극이 중첩되지 않도록 격리 시키는 것도 가능하다. 광도전층과 유전층 사이에 광학필터층(주로 notch filter)을 더 포함시킬 수 있다. 그리고, 광원부는 광도전층의 아래에서, 여기광원은 광도전층의 위에서 비추게 하면, 광학필터층이 여기광원을 차단하여 광도전층이 턴-온되는 것을 방지할 수 있다. 여기서 카메라부는 광도전층 위에 놓일 수 있다.
세포의 활동도를 빛 신호로 읽으므로, 카메라부에 포함되는 카메라의 해상도만큼의 픽셀(pixel)들을 동시에 분석 가능하다. 또한, 사용되는 카메라의 프레임 속도(frame rate)만큼 고속의 분석이 가능하다. 따라서, 매우 높은 시간적 해상도를 가지고 신경세포의 빠른 전기적 활동을 영상화할 수 있다. 세포의 활동도를 빛 신호로 읽으면서, 공초점 현미경(confocal microscope)을 이용한다면, 세포 배양을 2차원이 아니라 3차원으로 해도 정확한 분석이 가능하다. 일반 광학 현미경으로 세포를 관찰하게 되면 세포핵의 영상이 이를 둘러싸고 있는 물질들의 영상과 중첩되어 마치 짙은 안개를 통해 사물을 바라보는 것과 같이 흐릿하게 관측할 수밖에 없다. 하지만 공초점 현미경은 공간상의 한 평면에서의 영상만을 볼 수 있으므로, 초점면의 위치를 세포핵의 위치에 맞추면 세포핵을 둘러싸고 있는 물질들에 의한 영상신호가 차단되어 오직 세포핵의 영상만을 얻을 수 있어 선명도가 높은 영상을 얻게 된다. 이와 같은 원리로, 세포배양을 3차원으로 하고 세포의 활동도를 빛 신호로 얻는 것에 공초점 현미경을 사용하면 각 층에 있는 세포의 활동도를 독립적으로 구분해낼 수 있다. 이는 전극을 통해 전기신호를 얻어들이는 MEA가 신호 근원지의 높이를 구분해낼 수 없어 세포배양을 2차원으로만 하는 것과 대조적이다.
전체 2차원적인 신경망의 활동도 분석이 아니라 한 세포의 활동전위만 분석하는 것이 목적인 경우, 해당 부위에 빛 자극을 주어 광도전층을 턴-온시키고 전압을 읽어들일 수 있다. 신경세포가 활동할 때에는 활동전위가 발생한다. 이 활동전위는, 신경세포의 이온투과성의 변화에 따라서 세포막내외의 이온농도가 변화하고, 이에 따라서 세포막전위가 변화함으로써 발생하는 것이다. 그러므로 용량성 커플링에 의해 신경세포의 활동전위를 검출할 수 있다.
한편, 상기와 같은 세포의 측정은, 세포가 살아있는 상태에서 행할 필요가 있으므로, 통상적으로, 배양세포가 사용되고, 도 11의 세포설치부(720)는 유전층(710) 상에 설치되며 배지, 예컨대 배양액을 구비할 수 있다. 세포설치부(720)는 탈자재이며, 세포배양수단을 추가로 구비시켜 세포를 배양하면서 측정하는 경우에는 장시간에 걸친 측정도 가능하도록 구성할 수 있다. 이 세포배양 수단은, 온도를 일정하게 유지하는 온도조절수단과, 배양액을 순환시키는 수단과, 공기와 이산화탄소의 혼합기체(예를 들면 CO2 5%)를 공급하는 수단으로 구성될 수 있다.
뿐만 아니라, 광도전칩을 통해 세포를 자극한 후 다른 랩 온어 칩(lab on a chip) 구조의 분석 장치로 유동시켜 인라인(in line) 타입으로 세포 분석하기 위한 다른 장치와 구조물들이 광도전칩에 더 연결이 되도록 집적화하여 다양한 목적 및 용도에 맞게 응용할 수도 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.
110: 제 1 광도전층
120: 제 2 광도전층
130: 광원부
510, 520: 광원
530, 540: DMD
550, 560: Dichroic mirror
570: 집광렌즈
580: 카메라부
120: 제 2 광도전층
130: 광원부
510, 520: 광원
530, 540: DMD
550, 560: Dichroic mirror
570: 집광렌즈
580: 카메라부
Claims (15)
- 제 1 광도전층; 및
상기 제 1 광도전층 상부에 위치하는 제 2 광도전층을 포함하고,
상기 제 1 광도전층 및 상기 제 2 광도전층은 서로 다른 파장을 가지는 빛에 의해서 광도전성을 띄며,
상기 제 1 광도전층은,
제 1 파장을 가지는 빛에 의해 광도전성을 띄는 영역을 통해 외부로부터 신호를 받아 제 2 광도전층의 광도전성을 띄는 영역으로 전달하거나, 제 2 광도전층의 광도전성을 띄는 영역으로부터 신호를 수신하여 외부로 신호를 전달하고,
상기 제 2 광도전층은,
제 2 파장을 가지는 빛에 의해 광도전성을 띄는 영역을 통해 상기 제 1 광도전층의 광도전성을 띄는 영역으로부터 수신한 상기 제 2 광도전층의 상부방향으로 신호를 방출하거나 제 2 광도전층의 상부로부터 신호를 수신하여 상기 제 1 광도전층의 광도전성을 띄는 영역으로 전달하는 것을 특징으로 하는 광도전칩. - 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 광도전층이 광도전성을 띄도록 하는 파장의 영역과 상기 제 2 광도전층이 광도전성을 띄도록 하는 파장의 영역은 서로 일치하지 않는 것을 특징으로 하는 광도전칩. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 광도전층은,
상부로 신호를 송신하거나 상부로부터 신호를 수신하도록 전극의 형태로 소정의 영역에 광도전성을 띄고,
상기 제 1 광도전층은,
상기 제 2 광도전층에 신호를 전달하려는 전극 또는 제 2 광도전층이 수신한 신호를 수신할 신호수신장치와 상기 광도전성을 띈 제 2 광도전층의 영역을 연결하도록 선로의 형태로 소정의 영역에 광도전성을 띄는 것을 특징으로 하는 광도전칩. - 제 1 항에 있어서,
상기 신호는 전압 또는 전류인 것을 특징으로 하는 광도전칩. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 광도전층은 하나 이상의 전극과 연결되고,
상기 제 2 광도전층은 하나 이상의 영역이 광도전성을 띄며,
상기 제 1 광도전층은 하나의 전극과 하나 이상의 광도전성을 띄는 제 2 광도전층의 영역을 연결되는 선로의 형태로 광도전성을 띄고,
상기 1 광도전층에 의해 형성되는 경로는 서로 겹치지 않는 것을 특징으로 하는 광도전칩. - 제 1 항에 있어서,
전기 자극을 가하거나 전기 신호를 측정하고자 하는 세포가 상기 제 2 광도전층 상에 위치할 때, 상기 세포가 위치하는 제 2 광도전층의 영역에 제 2 파장을 가지는 빛을 비추어 광도전성을 띄도록 하고,
상기 세포와 전극 또는 신호수신장치를 연결하기 위하여, 상기 광도전성을 띄는 제 2 광도전층과 상기 전극 또는 신호수신장치를 연결하는 영역에 상기 제 1 광도전층을 제 1 파장을 가지는 빛으로 비추어 광도전성을 띄도록 하며,
상기 제 1 광도전층 및 상기 제 2 광도전층의 연결을 통해 상기 전극에 인가된 전압이 상기 세포에 전기 자극으로 가해지거나, 상기 세포의 전기 신호를 측정하는 것을 특징으로 하는 광도전칩. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 광도전층 상에 유전층을 더 포함하는 광도전칩. - 제 10 항에 있어서,
상기 유전층 상에 세포를 포함하는 배양액이 담기도록 하는 세포설치부를 더 포함하는 광도전칩. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 광도전층은,
소정의 경우에만 광도전성을 띄어, 상기 제 1 광도전층과 상기 제 2 광도전층의 상부를 전기적으로 연결시키는 스위치의 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 광도전칩. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 광도전층 하부에 위치하는 투명 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광도전칩.
- 제 1 광도전층;
상기 제 1 광도전층 상부에 위치하는 제 2 광도전층; 및
상기 제 1 광도전층 또는 제 2 광도전층의 영역이 선택적으로 광도전성을 띄도록 패터닝된 빛을 발생시키는 광원부를 포함하고,
상기 제 1 광도전층 및 상기 제 2 광도전층은 서로 다른 파장을 가지는 빛에 의해서 광도전성을 띄며,
상기 제 1 광도전층은,
제 1 파장을 가지는 빛에 의해 광도전성을 띄는 영역을 통해 외부로부터 신호를 받아 제 2 광도전층의 광도전성을 띄는 영역으로 전달하거나, 제 2 광도전층의 광도전성을 띄는 영역으로부터 신호를 수신하여 외부로 신호를 전달하고,
상기 제 2 광도전층은,
제 2 파장을 가지는 빛에 의해 광도전성을 띄는 영역을 통해 상기 제 1 광도전층의 광도전성을 띄는 영역으로부터 수신한 상기 제 2 광도전층의 상부방향으로 신호를 방출하거나 제 2 광도전층의 상부로부터 신호를 수신하여 상기 제 1 광도전층의 광도전성을 띄는 영역으로 전달하는 것을 특징으로 하는 광도전 시스템. - 제 14 항에 있어서,
상기 광원부는,
패터닝부를 포함하는 광원; 및
상기 광원의 빛을 집광하는 집광렌즈를 포함하는 광도전 시스템.
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|---|---|---|---|
| KR1020150035929A KR101681180B1 (ko) | 2015-03-16 | 2015-03-16 | 재구성 가능한 광도전칩 |
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| KR1020150035929A KR101681180B1 (ko) | 2015-03-16 | 2015-03-16 | 재구성 가능한 광도전칩 |
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| KR20160111149A KR20160111149A (ko) | 2016-09-26 |
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