KR101863542B1

KR101863542B1 - Neural stimulator device and system using the same

Info

Publication number: KR101863542B1
Application number: KR1020170020902A
Authority: KR
Inventors: 송윤규; 최나라; 문승현; 방용빈; 장정우
Original assignee: 서울대학교 산학협력단
Priority date: 2017-02-16
Filing date: 2017-02-16
Publication date: 2018-06-04

Abstract

Disclosed is a neural stimulator device including: a photovoltaic cell generating electricity using light and including a first electrode and a second electrode; and a first light source electrically connected to the photovoltaic cell, generating light using electricity generated from the photovoltaic cell, and including a third electrode and a fourth electrode. The first and third electrodes are connected to each other while facing each other, and the second and fourth electrodes are connected to each other while facing each other. The neural stimulator device of the present invention has a simple structure to stimulate a specific cell.

Description

TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a neurostimulation apparatus and a system using the same,

본 개시(Disclosure)는 전체적으로 신경자극장치 및 이를 이용한 시스템에 관한 것으로, 특히 빛을 이용하여 신경을 자극하는 신경자극장치 및 이를 이용한 시스템에 관한 것이다.The present disclosure relates generally to a nerve stimulation apparatus and a system using the same, and more particularly, to a nerve stimulation apparatus for stimulating a nerve using light and a system using the same.

여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).Herein, the background art relating to the present disclosure is provided, and these are not necessarily meant to be known arts.

도 1은 한국 등록특허공보 제10-2010-0095755호에 제시된 생체 자극 장치의 일 예를 나타내는 도면이다.1 is a view showing an example of a biomedical stimulation apparatus shown in Korean Patent Registration No. 10-2010-0095755.

광 신호를 수신하면 전원이 발생되는 광기전력 전지부를 피하에 이식하고 전선을 통해 신경에 부착된 전극부와 연결한다. 여기서 광 신호라 함은, 생체의 피부를 투과할 수 있는 것을 의미하며, 본 실시예에서는, 여러 광 신호 중에 적외선 신호에 대해서 설명하도록 한다. 상기 광기전력 전지부 위에 휴대 가능한 광원부로 적외선(100Hz, 100us)을 펄스 형태로 조사하면 신경에 고주파수 전기 자극(High frequency electrical stimulation; HFS)이 되어 치료 효과를 얻을 수 있다. 여기서, '광기전력 전지부 위'라는 것은 광원부의 광 신호가 도달할 수 있는 위치를 설명하는 것이다. Upon receipt of the optical signal, the photovoltaic cell portion in which the power is generated is implanted subcutaneously and connected to the electrode portion attached to the nerve through the electric wire. Here, the optical signal means that the optical signal can pass through the skin of the living body. In this embodiment, the infrared signal among the various optical signals will be described. When the infrared light (100 Hz, 100 us) is irradiated to the portable light source unit on the photovoltaic power unit in a pulse form, high frequency electrical stimulation (HFS) is applied to the nerve to obtain a therapeutic effect. Here, 'above the photovoltaic power unit' is a description of a position where the optical signal of the light source can reach.

상기 광기전력 전지부는 전기 자극 발생 소자로서 광기전력 전지를 채용하고 이것을 구부러지는 기판에 집적한다. 상기 광기전력 전지부와 이것에 연결된 전극부를 생체 내에 이식한다. 일반적인 배터리 대신 광기전력 전지를 사용함으로써 구부러지는 기판에 광기전력 전지부를 구현할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 생체 자극 장치는 생체에 이식할 때와 이식 후의 부담을 최대한 감소시킬 수 있으며 무게는 1g 이하, 부피는 100mm³로 제작할 수 있다.The photovoltaic cell unit employs a photovoltaic cell as an electric stimulus generating element and integrates the photovoltaic cell on a bendable substrate. The photovoltaic power unit and the electrode unit connected to the photovoltaic cell unit are implanted in the living body. By using a photovoltaic cell instead of a general battery, a photovoltaic cell unit can be realized on a bent substrate. Therefore, the biomedical stimulation apparatus according to the embodiment of the present invention can minimize the burden on the living body and after implantation. The weight can be 1 g or less and the volume can be 100 mm 3.

작동 전원은 외부의 휴대 가능한 광원부를 사용하므로 광기전력 전지는 전원 장치나 제어 장치가 필요 없어 소형화가 가능하다. 즉, 광기전력 전지부가 플렉서블하고, 종래 기술에서 사용된 자극 장치의 전원 제어를 위한 회로를 생체 내에 이식할 필요가 없으므로 소형으로 제작이 가능하므로 생체 내의 이식 부위의 범위 제한이 줄어들고, 광기전력 전지를 채택함으로써 일반 배터리를 채택한 경우보다 사용 기간을 늘릴 수 있다.Since the operating power source uses an externally portable light source unit, the photovoltaic cell does not require a power source device or a control device, and thus it can be downsized. That is, since the photovoltaic cell is flexible and the circuit for power control of the stimulation device used in the prior art does not need to be implanted in the living body, it is possible to manufacture the photovoltaic cell in a small size, By adopting it, the use period can be extended more than when the general battery is adopted.

도 1의 (a)는 인체 내에 이식된 광기전력 전지부 및 전극부를 나타낸 것이다. 상기 광기전력 전지부는 인체의 피하에 이식되고 전선을 통해, 척추 신경에 연결된 전극부와 연결된다. 도 1의 (b)는 상기 광기전력 전지부 및 전극부의 구성도를 나타낸 도면이다. 상기 광기전력 전지부는 광 신호를 이용하여 전기 신호를 생성하는 광기전력 전지 및 상기 전기 신호의 크기에 관한 정보를 광원부로 전송하는 RF 송신기를 포함할 수 있다. 전극부는 척수 신경에 부착되어 상기 광기전력 전지부에서 생성된 전기 신호를 인가한다. 도 1의 (c)는 상기 광기전력 전지부의 회로도를 나타낸 것이다.FIG. 1 (a) shows a photovoltaic cell unit and an electrode unit implanted in a human body. The photovoltaic power cell unit is implanted under the human body and connected to an electrode unit connected to the vertebrae nerve through a wire. Fig. 1 (b) is a diagram showing the configuration of the photovoltaic power supply unit and the electrode unit. The photovoltaic cell unit may include a photovoltaic cell that generates an electrical signal using an optical signal and an RF transmitter that transmits information about the size of the electrical signal to the light source unit. The electrode unit is attached to the spinal cord nerve to apply an electric signal generated in the photovoltaic power unit. 1 (c) is a circuit diagram of the photovoltaic power unit.

그러나 이와 같은 전기적인 접근방법은 매우 많은 종류의 신경세포들이 높은 밀도로 존재하는 상황에서 사용하기에 어려운 점이 있다. 즉, 전기적인 방법을 이용하여 신경세포를 자극하는 경우, 전류 및 전압이 인가되는 범위의 모든 신경세포들이 자극되며, 신경신호를 전기적으로 기록하는 방법에서도 전극이 위치한 근방의 신경세포가 발생하는 모든 전기적인 신호들을 동시에 여과 없이 받아들이게 된다.However, such an electrical approach is difficult to use in situations where very large numbers of neurons are present at high densities. That is, when stimulating neurons using an electrical method, all the neurons in the range of current and voltage are stimulated, and in the method of electrically recording neurons, all of the neurons The electrical signals are received without filtration at the same time.

이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.This will be described later in the Specification for Implementation of the Invention.

여기서는, 본 개시의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 개시의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).SUMMARY OF THE INVENTION Herein, a general summary of the present disclosure is provided, which should not be construed as limiting the scope of the present disclosure. of its features).

본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to one aspect of the present disclosure), 신경자극장치에 있어서, 빛으로 전기를 생성하며, 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 광전지;그리고, 광전지와 전기적으로 연결되며, 광전지로부터 생성된 전기를 사용해 빛을 내며, 제3 전극과 제4 전극을 포함하는 제1 광원;을 포함하며, 제1 전극과 제3 전극은 마주보고 접촉되며, 제2 전극과 제4 전극은 마주보고 접촉되는 신경자극장치가 제공된다.According to one aspect of the present disclosure, there is provided a neurostimulation apparatus, comprising: a photovoltaic cell generating electricity with light, the photovoltaic cell including a first electrode and a second electrode; And a first light source connected to the first electrode and the second electrode, the first electrode including a third electrode and a fourth electrode, the first electrode and the third electrode being in contact with each other, The four electrodes are provided with nerve stimulation devices that are in contact with each other.

도 1은 한국 등록특허공보 제10-2010-0095755호에 제시된 생체 자극 장치의 일 예를 나타내는 도면,
도 2는 본 개시에 따른 신경자극장치의 일 예를 나타내는 도면,
도 3은 본 개시에 따른 신경자극시스템의 일 예를 나타내는 도면,
도 4은 본 개시에 따른 광전지의 일 예를 나타내는 도면,
도 5은 본 개시에 따른 제1 광원의 일 예를 나타내는 도면,
도 6는 본 개시에 따른 제2 광원의 일 예를 나타내는 도면,
도 7 내지 9는 본 개시에 따른 신경자극장치를 제작하는 방법을 나타내는 도면,
도 10은 본 개시에 따른 신경자극장치에서 나오는 빛을 나타내는 도면,
도 11은 본 개시에 따른 신경자극장치 및 이를 이용한 신경자극시스템을 사용하는 방법을 나타내는 도면.1 is a view showing an example of a biomedical stimulation apparatus shown in Korean Patent Registration No. 10-2010-0095755,
2 is a diagram showing an example of a nerve stimulation apparatus according to the present disclosure,
3 shows an example of a nerve stimulation system according to the present disclosure,
4 is a view showing an example of a photovoltaic cell according to the present disclosure,
5 is a diagram showing an example of a first light source according to the present disclosure,
6 is a view showing an example of a second light source according to the present disclosure,
Figures 7 to 9 are diagrams illustrating a method of manufacturing a nerve stimulation device according to the present disclosure,
10 is a diagram illustrating light emanating from a nerve stimulation device according to the present disclosure,
11 is a diagram illustrating a method of using the nerve stimulation apparatus according to the present disclosure and a nerve stimulation system using the same.

이하, 본 개시를 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다(The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing(s)). The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 개시에 따른 신경자극장치의 일 예를 나타내는 도면이다.2 is a diagram showing an example of a nerve stimulation apparatus according to the present disclosure.

신경자극장치(1000)에 있어서, 신경자극장치(1000)는 광전지(100)와 제1 광원(200)을 포함한다. 광전지(100)는 빛으로 전기를 생성하며, 제1 전극(111)과 제2 전극(112)을 포함한다. 제1 광원(200)은 제3 전극(213)과 제4 전극(214)을 포함한다. 제1 광원(200)은 광전지(100)와 전기적으로 연결되며, 광전지(100)로부터 생성된 전기를 사용해 빛을 내며, 제1 전극(111)과 제3 전극(213)은 마주보고 접촉되며, 제2 전극(112)과 제4 전극(214)은 마주보고 접촉된다. In the nerve stimulation apparatus 1000, the nerve stimulation apparatus 1000 includes a photovoltaic cell 100 and a first light source 200. The photovoltaic cell 100 generates electricity by light, and includes a first electrode 111 and a second electrode 112. The first light source 200 includes a third electrode 213 and a fourth electrode 214. The first light source 200 is electrically connected to the photovoltaic cell 100 and emits light using electricity generated from the photovoltaic cell 100. The first electrode 111 and the third electrode 213 are in contact with each other, The second electrode 112 and the fourth electrode 214 are in contact with each other.

광전지(100)는 제1 반도체층(121)과 제2 반도체층(122)을 포함하고, 제1 광원(200)은 제3 반도체층(223), 제4 반도체층(224) 및 제3 반도체층(223)과 제4 반도체층(224) 사이에 구비되는 활성층(225)을 포함한다. 예를 들면, 광전지(100)의 제1 반도체층(121)은 N형 반도체층이 윗쪽으로 구성된 p-i-n접합 구조이고, 제2 반도체층(122)은 P형 반도체층이며, 제1 광원(200)의 제3 반도체층(223)은 N형 반도체층이고, 제4 반도체층(224)은 P형 반도체층 일 수 있다. N형 반도체란, 전하를 옮기는 캐리어로 자유전자가 사용되는 반도체이다. 음의 전하를 가지는 자유전자가 캐리어로서 이동해서 전류가 생긴다. 즉, 다수 캐리어가 전자가 되는 반도체이다. P형 반도체란, 전하를 옮기는 캐리어로 정공(홀)이 사용되는 반도체이다. 양의 전하를 가지는 정공이 캐리어로서 이동해서 전류가 생긴다. 즉, 정공이 다수 캐리어가 되는 반도체이다.The photovoltaic cell 100 includes a first semiconductor layer 121 and a second semiconductor layer 122. The first light source 200 includes a third semiconductor layer 223, a fourth semiconductor layer 224, And an active layer 225 provided between the second semiconductor layer 223 and the fourth semiconductor layer 224. For example, the first semiconductor layer 121 of the photovoltaic cell 100 is a pin junction structure in which the N-type semiconductor layer is formed upward, the second semiconductor layer 122 is a P-type semiconductor layer, The third semiconductor layer 223 of the second semiconductor layer 223 may be an N-type semiconductor layer, and the fourth semiconductor layer 224 may be a P-type semiconductor layer. An N-type semiconductor is a semiconductor in which free electrons are used as a carrier for transferring charges. Free electrons having a negative charge move as a carrier to generate a current. That is, a semiconductor in which majority carriers are electrons. A P-type semiconductor is a semiconductor in which holes (holes) are used as carriers for transferring charges. A positive hole having a positive charge moves as a carrier to generate an electric current. That is, it is a semiconductor in which holes become a majority carrier.

제1 광원(200)은 돌출부(230)를 가지고, 광전지(100)는 홈부(130)를 가진다. 제1 광원(200)의 돌출부(230)는 광전지(100)의 홈부(130)에 결합된다. 제1 광원(200)의 돌출부(230)는 제1 광원(200)의 면적의 25%이하이다. 활성층(225)은 돌출부(230)에 포함되어 형성될 수 있으며, 활성층(225)은 제1 광원(200)의 면적의 25%이하로 형성될 수 있다. 제1 광원(200)의 면적은 평면적을 말한다.The first light source 200 has a protrusion 230 and the photovoltaic cell 100 has a groove 130. The protrusion 230 of the first light source 200 is coupled to the groove 130 of the photovoltaic cell 100. The protrusion 230 of the first light source 200 is 25% or less of the area of the first light source 200. The active layer 225 may be included in the protrusion 230 and the active layer 225 may be formed to be 25% or less of the area of the first light source 200. The area of the first light source 200 is planar.

제1 광원(200)은 세포가 자극되는 파장의 빛을 발광할 수 있다. 특정한 빛에서 자극되는 세포는 광유전학적 작동기(optogenetic actuator)를 가질 수 있다. 광유전학적 작동기는 빛에 반응하여 작동하는 단백질로서 주로 세포막의 안과 밖을 통해 이온이 통과할 수 있는 채널의 형태를 갖는다. 특정 파장의 빛에너지가 이 채널에 전달되었을 때, 전하를 띠고 있는 이온들이 세포막을 통과하여 흘러 신경세포의 활동을 조절한다. 예를 들면, 대표적인 단백질로는 채널로돕신 (channelrhodopsin), 할로로돕신(halorhodopsin), 아키로돕신(archaerhodopsin)을 들 수 있다. 기본적으로 신경세포는 내부에 음전위를 띠고 있다가 전위가 높아져 문턱전압을 넘을 경우 활동전위(action potential)라는 펄스형태의 신경신호를 만들어 내는데, 채널로돕신은 주로 파란색의 빛에 반응하여 양의 전하를 갖는 이온들이 신경세포의 안으로 흘러 들어가 전위를 높여 활동전위를 만들어 내게 된다. 반대로 신경세포의 활동을 억제 하는 할로로돕신의 경우, 주로 노란색의 빛에 반응하여 음이온인 염소이온을 세포의 내부로 주입하여 세포 내 전위를 낮추어 활동을 억제하는 역할을 한다. The first light source 200 can emit light of a wavelength at which the cell is stimulated. Cells that are stimulated in a particular light may have optogenetic actuators. Optical genetic actuators are proteins that act in response to light and have the form of channels through which ions can pass, mainly through the inside and outside of the cell membrane. When a specific wavelength of light energy is delivered to this channel, charged ions flow through the cell membrane to regulate the activity of the neuron. For example, representative proteins include channelrhodopsin, halorhodopsin, and archaerhodopsin. Basically, the nerve cell has a negative potential inside it, and when the potential is higher than the threshold voltage, it produces a pulse type nerve signal called action potential. The channel rhodopsin mainly responds to the blue light, Ion ions flow into the nerve cells to increase the potential to produce action potentials. In contrast, halodiprocine, which inhibits the activity of neurons, plays a role in suppressing activity by lowering the intracellular potential by injecting chlorine ions, which are anions, into the cells in response to yellow light.

도 3은 본 개시에 따른 신경자극시스템의 일 예를 나타내는 도면이다.3 is a diagram illustrating an example of a nerve stimulation system in accordance with the present disclosure;

도 3(a)는 신경자극시스템의 일 예를 나타내는 도면이고, 도 3(b)는 광전지의 제1 반도체층(121)의 또 다른 예를 나타내는 도면이다.3 (a) is a view showing an example of a nerve stimulation system, and Fig. 3 (b) is a view showing still another example of a first semiconductor layer 121 of a photovoltaic cell.

신경자극시스템(2000)에 있어서, 신경자극시스템(2000)은 신경자극장치(1000) 및 제2 광원(300)을 포함한다. 제2 광원(300)은 신경자극장치(1000)와 떨어져 구비되며, 분리된다. 제2 광원(300)의 빛은 광전지(100)를 향해서 발광하며, 제2 광원(300)으로부터 발광된 빛은 광전지(100)로 흡수되어 전원을 생성한다. 전원은 광전지(100)의 제1 전극(111)과 제2 전극(112)에 의해서 제1 광원(200)으로 전달된다. 이로 인해, 제1 광원(200)이 구동될 수 있다. In a nerve stimulation system 2000, the nerve stimulation system 2000 includes a nerve stimulation apparatus 1000 and a second light source 300. The second light source 300 is separated from the nerve stimulation apparatus 1000 and is separated. Light emitted from the second light source 300 is emitted toward the photovoltaic cell 100 and light emitted from the second light source 300 is absorbed by the photovoltaic cell 100 to generate power. The power is transmitted to the first light source 200 by the first electrode 111 and the second electrode 112 of the photovoltaic cell 100. Thus, the first light source 200 can be driven.

제2 광원(300)의 빛은 광전지(100)를 향해서 발광될 때, 제1 광원(200)을 통해서 빛이 들어오는 것이 바람직하다. 제1 광원(200)과 광전지(100)가 와이어나 전선 없이 전극을 접촉해 직접적으로 전원을 공급하는 구조이기 때문이다. 또한, 신경자극장치(1000)의 크기는 0.4 x 0.4 x 0.4 mm의 크기를 가진다. When the light of the second light source 300 is emitted toward the photovoltaic cell 100, it is preferable that the light enters through the first light source 200. This is because the first light source 200 and the photovoltaic cell 100 directly supply power by contacting electrodes without wires or electric wires. In addition, the size of the nerve stimulation apparatus 1000 is 0.4 x 0.4 x 0.4 mm.

또한, 도 3(b)와 같이 광전지(100)는 빛을 흡수할 수 있는 제1 반도체층(121)이 3개의 p-i-n형 접합구조로 적층되어 있어 입사 광원의 빛을 전기에너지로 교환하는 효율이 극대화되도록 고안되어 있다. 특히, 광전지(100)에서 빛을 흡수하는 제1 반도체층(121)은 각 층이 입사된 빛을 1/3씩 흡수하며, 한 쪽 면으로 들어오는 빛에 대해서 잘 흡수되도록 최적화 되어 있다. 그러므로 제1 반도체층(121)은 복수 개 구비될 수 있으며, 제1 반도체층(121) 사이에는 터널 정션층(123;ternnel junction)이 구비될 수 있다. 제1 반도체층(121)은 제1 광원(200)과 제2 반도체층(122) 사이에 구비될 수 있다. 복수의 제1 반도체층(121)은 하나의 제1 반도체층(121)보다 많은 양의 빛에너지를 흡수할 수 있다. 3 (b), the photovoltaic cell 100 has a structure in which the first semiconductor layer 121 capable of absorbing light is stacked in three pin-like junction structures, so that the efficiency of switching the light of the incident light source to electrical energy It is designed to maximize. In particular, the first semiconductor layer 121, which absorbs light in the photovoltaic cell 100, is optimized so that each layer absorbs the incident light by 1/3, and is absorbed well with respect to light coming from one side. Therefore, a plurality of first semiconductor layers 121 may be provided, and a tunnel junction layer 123 may be provided between the first semiconductor layers 121. The first semiconductor layer 121 may be provided between the first light source 200 and the second semiconductor layer 122. The plurality of first semiconductor layers 121 can absorb a larger amount of light energy than the one first semiconductor layer 121.

터널 정션층(123)은 정합 특성을 개선하기 위하여 제1 반도체층(121)을 서로 오믹 컨택(ohmic contact)시키는 역할을 할 수 있으며, InGap 화합물 또는 GaAs 화합물을 포함하여 형성될 수 있다.The tunnel junction layer 123 may serve to make the first semiconductor layer 121 ohmic contact with each other to improve the matching characteristics, and may include an InGap compound or a GaAs compound.

도 4는 본 개시에 따른 광전지의 일 예를 나타내는 도면이다.4 is a view showing an example of a photovoltaic cell according to the present disclosure.

광전지(100)는 제1 반도체층(121)과 제2 반도체층(122)을 포함한다. 예를 들면, 제1 반도체층(121)은 N형 반도체 층이 윗쪽으로 구성되어 있는 p-i-n형 반도체층이고, 제2 반도체층(122)은 P형 반도체층으로 형성될 수 있다. 도 4의 광전지(100)는 N형 반도체층측으로 빛을 받아서 전기를 만들 수 있다. The photovoltaic cell 100 includes a first semiconductor layer 121 and a second semiconductor layer 122. For example, the first semiconductor layer 121 may be a p-i-n-type semiconductor layer having the N-type semiconductor layer formed upward, and the second semiconductor layer 122 may be formed of a P-type semiconductor layer. The photovoltaic cell 100 of FIG. 4 can generate electricity by receiving light toward the N-type semiconductor layer.

제1 전극(111)은 제1 반도체층(121)에 구비되며, 제1 반도체층(121)으로 입사되는 빛이 불투명한 전극에 의해 가려지는 것을 피하기 위하여 제1 반도체층(121)의 중심을 비운 채, 제1 반도체층(121)의 둘레를 따라 제1 전극(111)을 형성한다. 제2 전극(112)은 제2 반도체층(122)에 구비되며, 이후 제 4 전극(214)과 접합에 유리하도록 제2 반도체층(122)의 중심에 제2 전극(112)을 형성한다. The first electrode 111 is provided on the first semiconductor layer 121 and the center of the first semiconductor layer 121 is formed in the first semiconductor layer 121 in order to prevent the light incident on the first semiconductor layer 121 from being covered with opaque electrodes. The first electrode 111 is formed along the periphery of the first semiconductor layer 121. The second electrode 112 is formed on the second semiconductor layer 122 and then the second electrode 112 is formed in the center of the second semiconductor layer 122 so as to be advantageous for bonding with the fourth electrode 214.

도 5는 본 개시에 따른 제1 광원의 일 예를 나타내는 도면이다.5 is a view showing an example of a first light source according to the present disclosure;

제1 광원(200)은 제3 반도체층(223)과 제4 반도체층(224) 및 제3 반도체층(223)과 제4 반도체층(224) 사이에 위치한 활성층(225)을 포함한다. 제3 반도체층(223) 아래에는 기판(222)이 형성될 수 있다. 또한, 기판(222)은 빛이 통과할 수 있는 투명한 것이 바람직하다. 왜냐하면, 광전지(100)가 전원을 효율적으로 발생하기 위해서, 광전지(100)에 빛이 최대한 많이 들어가는 것이 좋기 때문에, 기판(222)에 의해서 빛이 반사되거나 흡수되는 것을 줄이기 위해서 이다. 그러므로, 기판(222)에는 반사방지막(미도시)이 형성될 수도 있다. 제3 반도체층(223)위에는 제3 전극(213)이 형성되고, 제3 전극(213) 역시 적외선 입사 광원이 불투명한 전극에 의해 가려지는 것을 방지하기 위하여 제3 반도체층(223)의 중심을 비운 채, 제3 반도체층(223) 둘레를 따라 제3 전극(213)을 형성한다. 제4 전극(214)은 제4 반도체층(224) 위에 구비되며, 제4 반도체층(224)의 중심에 제4 전극(214)을 형성한다. 제1 반도체층(121)의 제1 전극(111)과 제3 반도체층(223)의 제3 전극(213)은 접촉되어 본딩되기 때문에 서로 같은 모양으로 형성되고, 제2 반도체층(122)의 제2 전극(112)과 제4 반도체층(224)의 제4 전극(214)은 접촉되어 본딩되기 때문에 서로 같은 모양으로 형성될 수 있다. 그러므로, 제3 전극(213)과 제4 전극(214)은 접촉되는 제1 전극(111)과 제2 전극(112)의 모양에 따라서 변경될 수 있다.The first light source 200 includes a third semiconductor layer 223 and a fourth semiconductor layer 224 and an active layer 225 disposed between the third semiconductor layer 223 and the fourth semiconductor layer 224. [ A substrate 222 may be formed under the third semiconductor layer 223. Further, it is preferable that the substrate 222 is transparent so that light can pass through it. This is to reduce the reflection or absorption of light by the substrate 222 because it is desirable for the photovoltaic cell 100 to enter the photovoltaic cell 100 as much as possible in order to efficiently generate power. Therefore, an anti-reflection film (not shown) may be formed on the substrate 222. A third electrode 213 is formed on the third semiconductor layer 223 and a third electrode 213 is formed on the third semiconductor layer 223 to prevent the infrared incident light source from being blocked by opaque electrodes. The third electrode 213 is formed along the third semiconductor layer 223. The fourth electrode 214 is disposed on the fourth semiconductor layer 224 and the fourth electrode 214 is formed in the center of the fourth semiconductor layer 224. [ The first electrode 111 of the first semiconductor layer 121 and the third electrode 213 of the third semiconductor layer 223 are formed in the same shape because they are in contact with and bonded to each other, Since the second electrode 112 and the fourth electrode 214 of the fourth semiconductor layer 224 are in contact with and bonded to each other, they may be formed in the same shape. Therefore, the third electrode 213 and the fourth electrode 214 can be changed according to the shapes of the first electrode 111 and the second electrode 112, which are in contact with each other.

일반적인 반도체 발광소자는 최대한 활성층이 넓게 형성되어, 빛이 많이 발광되는 것이 바람직하다. 그러나, 본 개시에서는 활성층(225)의 크기는 제1 광원(200)의 너비의 25% 이하로 형성되어 있는데, 그 이유는 활성층(225)에서 빛이 발광하기 위해서는 광전지(100)에서 최대한 많은 양의 빛을 흡수하여야 하기 때문이다. 신경자극장치(1000)의 크기를 최소로 유지하면서도 광전지(100)의 빛의 흡수량 대비 제1 광원(200)의 발광율을 최대로 하기 위한 구조이다. 만약, 제1 광원(200)의 활성층(225)이 포함된 돌출부(230)가 넓어지면, 광전지(100)의 홈부(130)가 넓어져야 하고, 이로 인해 광전지(100)의 제1 반도체층(121)의 광흡수층 면적이 줄어들게 되는데, 이는 광전지(100)에서 발생하는 전력이 줄어드는 결과를 초래한다. 광전지(100)에서 공급하는 전력이 부족하게 되면 제1 광원(200)에서 방출되는 빛의 양이 줄어들며, 결국 광이온 채널을 자극하기 위한 빛의 양이 부족하여 신경자극장치(1000)로서의 신뢰성이 떨어질 수 있다.In general, it is preferable that the active layer of the general semiconductor light emitting device is formed as wide as possible, so that a large amount of light is emitted. However, in the present disclosure, the active layer 225 is formed to have a size of 25% or less of the width of the first light source 200 because the light emitted from the active layer 225 needs to be as large as possible in the photovoltaic cell 100 Because the light must be absorbed. Is a structure for maximizing the light emission rate of the first light source 200 with respect to the light absorption amount of the photovoltaic cell 100 while maintaining the size of the nerve stimulation device 1000 to a minimum. If the protrusion 230 including the active layer 225 of the first light source 200 is widened, the groove 130 of the photovoltaic cell 100 must be widened, 121 is reduced, which results in a reduction in power generated in the photovoltaic cell 100. When the power supplied from the photovoltaic cell 100 is insufficient, the amount of light emitted from the first light source 200 is reduced, so that the amount of light for stimulating the photo-ion channel is insufficient, It can fall.

도 6는 본 개시에 따른 제2 광원의 일 예를 나타내는 도면이다.6 is a view showing an example of a second light source according to the present disclosure.

도 6(a)의 그래프와 같이 제2 광원(300)에서 나오는 빛의 세기가 일정할 때, 제2 광원(300)으로부터 거리가 멀어질수록 출력밀도가 약해지는 것을 보여준다. 도 6(b)와 도 6(c)는 473nm와 594nm의 파장을 가지는 빛을 식염수와 뇌세포에 각각 비추었을 때, 빛이 식염수와 뇌세포를 통과한 거리를 측정한 것이다. 도 6(b)와 같이 식염수를 통과한 빛은 제2 광원(300)으로부터 2mm 이상 앞으로 나아갔다. 도 6(c)와 같이 뇌세포를 통과한 빛은 473nm 일 때는 0.5mm 정도 앞으로 나아갔고, 594nm일 때에는 1mm에 가깝게 통과하였다. 장파장일수록 세포를 잘 통과하여 조직 투과율이 높은 것을 알게 되었다. 이를 통해 장파장을 사용하는 것이 좋다고 판단하게 되었다.As shown in the graph of FIG. 6 (a), when the intensity of light emitted from the second light source 300 is constant, the output density decreases as the distance from the second light source 300 increases. FIGS. 6 (b) and 6 (c) show the distance of light passing through saline and brain cells when light having a wavelength of 473 nm and 594 nm was irradiated to saline and brain cells, respectively. As shown in FIG. 6 (b), the light having passed through the saline solution went forward by 2 mm or more from the second light source 300. As shown in FIG. 6 (c), the light passing through the brain cells went forward by about 0.5 mm when it was 473 nm, and nearly 1 mm when it was 594 nm. The longer the wavelength, the better the cell penetrates and the higher the tissue permeability. It was decided to use the long wavelength through this.

제2 광원(300)은 신경자극장치(1000)와 분리되어, 신경자극장치(1000)의 광전지(100)에 제2 광원(300)의 빛을 쪼인다. 제2 광원(300)은 장파장의 빛을 발광할 수 있다. 실험결과에 따르면, 장파장의 빛일수록 뇌세포를 통과하여 깊은 곳까지 빛의 에너지를 전달할 수 있기 때문이다. 제2 광원(300)은 조직 투과율이 좋은 840~860nm 빛을 발광하는 것이 바람직하다. 또한, 광전지(100)는 840~860nm의 빛을 가장 잘 흡수할 수 있다. The second light source 300 is separated from the nerve stimulation apparatus 1000 to light the second light source 300 to the photovoltaic cell 100 of the nerve stimulation apparatus 1000. The second light source 300 can emit light of a long wavelength. Experimental results show that the longer the light in the longer wavelength, the more light energy can be transmitted through the brain cells to the deepest point. The second light source 300 preferably emits 840 to 860 nm light having a good tissue transmissivity. In addition, the photovoltaic cell 100 can best absorb light of 840 to 860 nm.

도 7 내지 도 9는 본 개시에 따른 신경자극장치를 제작하는 방법을 나타내는 도면이다.7 to 9 are views showing a method of manufacturing the nerve stimulation apparatus according to the present disclosure.

먼저, 도 7과 같이 제1 전극(111)과 제2 전극(112)을 포함하는 광전지(100)와 제3 전극(213)과 제4 전극(214)을 포함하는 제1 광원(200)을 준비한다. 이후, 도 8과 같이 제1 전극(111)과 제3 전극(213)을 접촉하고, 제2 전극(112)과 제4 전극(214)을 접촉한다. 제1 전극(111)과 제3 전극(213)은 전기적으로 연결되고, 제2 전극(112)과 제4 전극(214)은 전기적으로 연결된다. 광전지(100)와 제1 광원(200)은 마주보도록 접촉된다. 마주보도록 접촉되는 제1 전극(111)과 제3 전극(213) 및 제2 전극(112)와 제4 전극(214)는 접착제(250)로 접착되며, 접착제(250)는 도전성을 가진다. 이후, 도 9와 같이 절연물질(240)로 광전지(100)와 제1 광원(200)을 둘러싼다. 절연물질(240)로 신경자극장치(1000)를 둘러싸 외부로부터 광전지(100)나 제1 광원(200)을 보호한다. 또한, 생성된 전원이 외부로부터 절연되어 세포를 자극하지 않도록 한다. 인체에 삽입되는 경우, 외부와 내부의 절연을 통해 신경자극장치(1000)의 부식이나 고장 등을 막을 수 있다. 절연물질은 생체 적합성이 좋아야 하고 투명한 것이 바람직하다. 예를 들면, 절연물질은 에폭시, 폴리디메틸실록산(PDMS;polydimethylsiloxane), 페릴렌코팅(Parylene-C), 우레탄(Urethane) 일 수 있다.7, a photovoltaic cell 100 including a first electrode 111 and a second electrode 112, a first light source 200 including a third electrode 213 and a fourth electrode 214, Prepare. 8, the first electrode 111 and the third electrode 213 are in contact with each other, and the second electrode 112 and the fourth electrode 214 are in contact with each other. The first electrode 111 and the third electrode 213 are electrically connected to each other and the second electrode 112 and the fourth electrode 214 are electrically connected to each other. The photovoltaic cell 100 and the first light source 200 are brought into contact with each other to face each other. The first electrode 111 and the third electrode 213 and the second electrode 112 and the fourth electrode 214 which are in contact with each other are bonded with an adhesive 250 and the adhesive 250 has conductivity. Then, the photovoltaic cell 100 and the first light source 200 are surrounded by the insulating material 240 as shown in FIG. The insulator 240 surrounds the nerve stimulation apparatus 1000 to protect the photovoltaic cell 100 and the first light source 200 from the outside. In addition, the generated power source is isolated from the outside to prevent stimulation of the cells. When inserted into a human body, corrosion or failure of the nerve stimulation apparatus 1000 can be prevented through external and internal insulation. The insulating material should be biocompatible and transparent. For example, the insulating material may be an epoxy, polydimethylsiloxane (PDMS), parylene-C, or a urethane.

도 10은 본 개시에 따른 신경자극장치의 빛의 양을 나타내는 도면이다.10 is a diagram showing the amount of light of the nerve stimulation apparatus according to the present disclosure.

신경자극장치(1000)의 제1 광원(200)에서 빛은 활성층(225)에서 나온다. 활성층(225)은 모서리에 위치하기 때문에 제1 광원(200)의 옆면을 따라 평행하게 측정하였을 때, ①번의 그래프와 같이 활성층(225)이 있는 모서리를 바라보는 200도 근처에서 가장 빛이 밝았다. 또한, ②번 방향으로 제1 광원(200)을 측정하였을 때, 활성층(225)이 있는 280도 근처에서 가장 빛이 밝았다. 그러므로, 신경자극장치(1000)에서 가장 빛이 밝게 나오는 쪽이 자극하기 위한 세포를 향하는 것이 바람직하다. Light from the first light source 200 of the nerve stimulation apparatus 1000 emerges from the active layer 225. Since the active layer 225 is positioned at the edge, when the light is measured parallel to the side surface of the first light source 200, the light is brighter at around 200 degrees looking at the corner where the active layer 225 is located, as shown in (1). When the first light source 200 was measured in the direction 2, the light was brightest at around 280 degrees with the active layer 225. Therefore, it is preferable that the side with the brightest light in the nerve stimulation apparatus 1000 faces the cell for stimulation.

도 11은 본 개시에 따른 신경자극장치 및 이를 이용한 신경자극시스템을 사용하는 방법을 나타내는 도면이다.11 is a diagram illustrating a method of using the nerve stimulation apparatus according to the present disclosure and a nerve stimulation system using the same.

먼저, 도 11(a)와 같이 제1 광원(200)과 광전지(100)를 포함하는 신경자극장치(1000)와 제2 광원(300)을 준비한다. 이때, 자극하고자 하는 세포(T)는 빛에 의해 자극되는 세포(T)이다. 예를 들면, 바이러스를 통해 자극하고자 하는 세포(T)에 빛에 의해 자극 가능한 도 2에서 설명한 광유전학적 작동기를 이식할 수 있다. 이후, 도 11(b)와 같이 신경자극장치(1000)는 자극하고자 하는 세포(T) 주위에 삽입된다. 이후, 도 11(c)와 같이 제2 광원(300)은 신경자극장치(1000)에 빛을 비추어 신경자극장치(1000)에 전원을 공급한다. 이후, 도 11(d)와 같이 제1 광원(200)이 빛을 발광한다. 그 결과, 제1 광원(200)의 빛에 의해 세포(T)가 자극된다.First, the nerve stimulation apparatus 1000 and the second light source 300 including the first light source 200 and the photovoltaic cell 100 are prepared as shown in FIG. 11 (a). At this time, the cell (T) to be stimulated is a cell (T) stimulated by light. For example, the photo-genetic actuator described in Fig. 2, which can be stimulated by light to cells (T) to be stimulated through the virus, can be transplanted. 11 (b), the nerve stimulation apparatus 1000 is inserted around the cell T to be stimulated. Then, as shown in FIG. 11C, the second light source 300 illuminates the nerve stimulation apparatus 1000 to supply power to the nerve stimulation apparatus 1000. Thereafter, the first light source 200 emits light as shown in FIG. 11 (d). As a result, the cell T is stimulated by the light of the first light source 200.

이하 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.Various embodiments of the present disclosure will be described below.

(1) 신경자극장치에 있어서, 빛으로 전기를 생성하며, 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 광전지;그리고, 광전지와 전기적으로 연결되며, 광전지로부터 생성된 전기를 사용해 빛을 내며, 제3 전극과 제4 전극을 포함하는 제1 광원;을 포함하며, 제1 전극과 제3 전극은 마주보고 접촉되며, 제2 전극과 제4 전극은 마주보고 접촉되는 신경자극장치.(1) A nerve stimulation apparatus, comprising: a photocathode generating electricity by light, the photocathode including a first electrode and a second electrode; and electrically connected to the photocell, emitting light using electricity generated from the photocell, And a first light source including an electrode and a fourth electrode, wherein the first electrode and the third electrode are in contact with each other, and the second electrode and the fourth electrode are in contact with each other.

(2) 광전지는 제1 반도체층과 제2 반도체층을 포함하고, 제1 광원은 제3 반도체층, 제4 반도체층 및 제3 반도체층과 제4 반도체층 사이에 구비되는 활성층을 포함하는 신경자극장치.(2) The photovoltaic cell includes a first semiconductor layer and a second semiconductor layer, and the first light source includes a third semiconductor layer, a fourth semiconductor layer, and a nerve including an active layer provided between the third and fourth semiconductor layers Stimulation device.

(3) 제1 반도체층은 n형 반도체층이고, 제2 반도체층은 p형 반도체층이며, 제3 반도체층은 n형 반도체층이고, 제4 반도체층은 p형 반도체층인 신경자극장치.(3) The nerve stimulation apparatus according to (3), wherein the first semiconductor layer is an n-type semiconductor layer, the second semiconductor layer is a p-type semiconductor layer, the third semiconductor layer is an n-type semiconductor layer and the fourth semiconductor layer is a p-

(4) 제1 광원이 가지는 돌출부; 그리고, 제1 광원의 돌출부와 결합되도록 광전지에 형성되는 홈부;를 포함하는 신경자극장치. (4) a protrusion of the first light source; And a groove formed in the photovoltaic cell to be coupled to the protrusion of the first light source.

(5) 제1 광원의 돌출부는 제1 광원의 면적의 25%이하인 신경자극장치.(5) The nerve stimulation apparatus according to (5), wherein the protrusion of the first light source is 25% or less of the area of the first light source.

(6) 활성층은 제1 광원의 면적의 25%이하인 신경자극장치.(6) The nerve stimulation apparatus according to (5), wherein the active layer is 25% or less of the area of the first light source.

(7) 제1 광원은 430~490nm의 빛을 내는 신경자극장치.(7) The first light source emits light of 430 to 490 nm.

(8) 광전지의 제1 반도체층은 제1 광원과 제2 반도체층 사이에 구비되는 신경자극장치.(8) The nerve stimulation apparatus according to (8), wherein the first semiconductor layer of the photocell is provided between the first light source and the second semiconductor layer.

(9) 신경자극시스템에 있어서, 빛으로 전기를 생성하며, 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 광전지; 광전지와 전기적으로 연결되며, 광전지로부터 생성된 전기를 사용해 빛을 내며, 제3 전극과 제4 전극을 포함하는 제1 광원; 그리고, 제1 광원을 통과하여 광전지로 빛이 들어가도록 빛을 비추는 제2 광원;을 포함하며, 제1 전극과 제3 전극은 마주보고 접촉되며, 제2 전극과 제4 전극은 마주보고 접촉되는 신경자극시스템.(9) A nerve stimulation system, comprising: a photovoltaic cell generating electricity with light, the photovoltaic cell including a first electrode and a second electrode; A first light source electrically connected to the photocell, which emits light using electricity generated from the photocell, the third light source comprising a third electrode and a fourth electrode; The first electrode and the third electrode are in contact with each other, and the second electrode and the fourth electrode are in contact with each other in a face-to-face relationship. Nerve Stimulation System.

(10) 제2 광원은 광전지와 분리되는 신경자극시스템.(10) The nerve stimulation system in which the second light source is separated from the photocell.

본 개시에 의하면, 전원장치 없이 빛을 받아 전원을 공급하는 신경자극장치 및 이를 이용한 신경자극시스템을 제공한다.According to the present disclosure, there is provided a nerve stimulation apparatus that receives light without a power supply and supplies power, and a nerve stimulation system using the same.

또한 본 개시에 의하면, 간단한 구조를 가지는 신경자극장치 및 이를 이용한 신경자극시스템을 제공한다.Also, according to the present disclosure, there is provided a nerve stimulation apparatus having a simple structure and a nerve stimulation system using the same.

또한 본 개시에 의하면, 특정한 세포를 자극시키는 신경자극장치 및 이를 이용한 신경자극시스템을 제공한다.Also, according to the present disclosure, there is provided a nerve stimulation apparatus for stimulating a specific cell and a nerve stimulation system using the same.

또한 본 개시에 의하면, 장파장을 이용해 신경자극장치에 전원 공급이 가능한 신경자극장치 및 이를 이용한 신경자극시스템을 제공한다.Also, according to the present disclosure, there is provided a nerve stimulation device capable of supplying power to a nerve stimulation device using a long wavelength, and a nerve stimulation system using the same.

또한 본 개시에 의하면, 광전지에 의해 공급하는 전원이 제1 광원을 구동하기에 충분한 신경자극장치 및 이를 이용한 신경자극시스템을 제공한다.Also, according to the present disclosure, there is provided a nerve stimulation apparatus which is sufficient for a power source supplied by a photocell to drive a first light source, and a nerve stimulation system using the same.

100: 광전지 111: 제1 전지 112: 제2 전지 130: 홈부
200: 제1 광원 213: 제3 전극 214: 제4 전극 223: 제3 반도체층 224: 제4 반도체층 225: 활성층 230: 돌출부 240:절연물질 250: 접착제
300: 제2 광원 1000: 신경자극장치 2000: 신경자극시스템 T: 세포100: photovoltaic cell 111: first cell 112: second cell 130:
200: first light source 213: third electrode 214: fourth electrode 223: third semiconductor layer 224: fourth semiconductor layer 225: active layer 230: protrusion 240: insulating material 250:
300: second light source 1000: nerve stimulation device 2000: nerve stimulation system T: cell

Claims

In a nerve stimulation apparatus,
A photovoltaic cell that generates electricity by light, and includes a first electrode and a second electrode;
And a first light source electrically connected to the photocell, the first light source including a third electrode and a fourth electrode that emits light using electricity generated from the photocell,
Wherein the first electrode and the third electrode are in contact with each other, and the second electrode and the fourth electrode are in contact with each other.

The method according to claim 1,
The photovoltaic cell includes a first semiconductor layer and a second semiconductor layer,
The first light source includes a third semiconductor layer, a fourth semiconductor layer, and an active layer provided between the third semiconductor layer and the fourth semiconductor layer.

The method of claim 2,
The first semiconductor layer is an n-type semiconductor layer, the second semiconductor layer is a p-type semiconductor layer,
The third semiconductor layer is an n-type semiconductor layer, and the fourth semiconductor layer is a p-type semiconductor layer.

The method according to claim 1,
A protrusion of the first light source; And,
And a groove formed in the photovoltaic cell to be coupled to the protrusion of the first light source.

The method of claim 4,
Wherein the protrusion of the first light source is 25% or less of the area of the first light source.

The method of claim 2,
Wherein the active layer is 25% or less of the area of the first light source.

The method according to claim 1,
The first light source emits light of 430 to 490 nm.

The method of claim 2,
Wherein the first semiconductor layer of the photovoltaic cell is provided between the first light source and the second semiconductor layer.

In a nerve stimulation system,
A photovoltaic cell generating electricity by light, the photovoltaic cell including a first electrode and a second electrode;
A first light source electrically connected to the photocell, which emits light using electricity generated from the photocell, the third light source comprising a third electrode and a fourth electrode; And,
And a second light source that emits light to pass through the first light source and enter the photocell,
Wherein the first electrode and the third electrode are in contact with each other, and the second electrode and the fourth electrode are in contact with each other.

The method of claim 9,
The second light source is separated from the photocell.