KR101978549B1 - 인공 안구용 전자 장치 및 이를 포함하는 인공 안구 - Google Patents

인공 안구용 전자 장치 및 이를 포함하는 인공 안구 Download PDF

Info

Publication number
KR101978549B1
KR101978549B1 KR1020170044585A KR20170044585A KR101978549B1 KR 101978549 B1 KR101978549 B1 KR 101978549B1 KR 1020170044585 A KR1020170044585 A KR 1020170044585A KR 20170044585 A KR20170044585 A KR 20170044585A KR 101978549 B1 KR101978549 B1 KR 101978549B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
image sensor
phototransistor
disposed
array
Prior art date
Application number
KR1020170044585A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20180113266A (ko
Inventor
김대형
현택환
최문기
최창순
Original Assignee
서울대학교산학협력단
기초과학연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울대학교산학협력단, 기초과학연구원 filed Critical 서울대학교산학협력단
Priority to KR1020170044585A priority Critical patent/KR101978549B1/ko
Publication of KR20180113266A publication Critical patent/KR20180113266A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101978549B1 publication Critical patent/KR101978549B1/ko

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/14—Eye parts, e.g. lenses, corneal implants; Implanting instruments specially adapted therefor; Artificial eyes
    • A61F2/141—Artificial eyes
    • A61B5/04001—
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/68—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient
    • A61B5/6801—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be attached to or worn on the body surface
    • A61B5/6813—Specially adapted to be attached to a specific body part
    • A61B5/6814—Head
    • A61B5/6821—Eye
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2250/00—Special features of prostheses classified in groups A61F2/00 - A61F2/26 or A61F2/82 or A61F9/00 or A61F11/00 or subgroups thereof
    • A61F2250/0001—Means for transferring electromagnetic energy to implants
    • A61F2250/0002—Means for transferring electromagnetic energy to implants for data transfer

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Ophthalmology & Optometry (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Vascular Medicine (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Neurology (AREA)
  • Prostheses (AREA)

Abstract

인공 안구용 전자 장치 및 이를 포함하는 인공 안구가 제공된다. 상기 인공 안구용 전자 장치는, 신경 접촉 전극, 및 상기 신경 접촉 전극의 위에 배치되는 이미지 센서를 포함하며, 상기 이미지 센서는 포토트랜지스터 어레이를 포함하고, 상기 포토트랜지스터는, 제1 절연 패턴, 상기 제1 절연 패턴 위에 배치되는 제1 전극 및 제2 전극, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 위에 배치되는 광흡수층, 및 상기 광흡수층 위에 배치되는 제2 절연패턴을 포함한다. 상기 인공 안구는, 신경 접촉 전극, 상기 신경 접촉 전극의 위에 배치되는 이미지 센서, 및 상기 이미지 센서 위에 이격되어 배치되는 렌즈를 포함하며, 상기 이미지 센서는 포토트랜지스터 어레이를 포함하고, 상기 포토트랜지스터는, 제1 절연 패턴, 상기 제1 절연 패턴 위에 배치되는 제1 전극 및 제2 전극, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 위에 배치되는 광흡수층, 및 상기 광흡수층 위에 배치되는 제2 절연패턴을 포함한다.

Description

인공 안구용 전자 장치 및 이를 포함하는 인공 안구 {Electronic Device For Artificial Eyeball And Artificial Eyeball Comprising The Same}
본 발명은 인공 안구용 전자 장치 및 이를 포함하는 인공 안구에 관한 것이다.
망막 등의 손상으로 인해 시력을 잃은 경우, 수술이나 시력보조장치 등을 이용하여 시력을 회복하거나 인공 안구를 이식 수 있다. 그러나, 종래의 인공 안구는 외부의 카메라모듈을 이용하므로 번거롭고 부자연스러워 사용자가 행동하는데 불편하다. 또, 상기 인공 안구를 사용하여도 망막에 초점이 잘 맺히지 않거나, 시선의 움직임을 따라가지 못해 시야가 좁아지는 등의 문제가 있다.
공개특허공보 제2016-0087924호(공개일: 2016.07.22.) 공개특허공보 제2016-0004433호(공개일: 2016.01.13.)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 우수한 성능을 갖는 인공 안구용 전자 장치를 제공한다.
본 발명은 외부 카메라모듈이 필요하지 않은 인공 안구용 전자 장치를 제공한다.
본 발명은 상기 인공 안구용 전자 장치를 포함하는 인공 안구를 제공한다.
본 발명의 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 명확해 질 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 인공 안구용 전자 장치는, 신경 접촉 전극, 및 상기 신경 접촉 전극의 위에 배치되는 이미지 센서를 포함하며, 상기 이미지 센서는 포토트랜지스터 어레이를 포함한다. 상기 포토트랜지스터는, 제1 절연 패턴, 상기 제1 절연 패턴 위에 배치되는 제1 전극 및 제2 전극, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 위에 배치되는 광흡수층, 및 상기 광흡수층 위에 배치되는 제2 절연패턴을 포함한다.
상기 광흡수층은 전이금속 디칼코게나이드를 포함할 수 있다. 상기 광흡수층은 MoS2를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 각각 그래핀을 포함할 수 있다.
상기 제1 절연패턴은 실리콘 질화물을 포함하고, 상기 제2 절연 패턴은 알루미늄 산화물을 포함할 수 있다.
상기 포토트랜지스터는 상기 제2 절연 패턴 위에 배치되는 게이트 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 포토트랜지스터의 두께는 60nm보다 작을 수 있다.
상기 포토트랜지스터 어레이는 깎은 이십면체의 부분 형상을 가질 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 포토트랜지스터 어레이를 지지하는 기판을 더 포함할 수 있다.
상기 기판은 곡면 형상을 가질 수 있다.
포토트랜지스터 어레이 아래에 배치되는 제1 보호층과 상기 포토트랜지스터 어레이 위에 배치되는 제2 보호층을 더 포함하고, 상기 제1 보호층 및 상기 제2 보호층은 각각 깎은 이십면체의 부분 형상을 가질 수 있다.
상기 이미지 센서는 커브드 이미지 센서일 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 렌즈를 통해 입사된 빛에 대한 광 신호를 전기 신호로 변환하고, 상기 전기 신호는 상기 신경 접촉 전극을 통해 상기 인공 안구 착용자의 시신경으로 전달될 수 있다.
상기 인공 안구용 전자 장치는 상기 이미지 센서와 전기적으로 연결되는 전원 및 신호 처리부를 포함하며, 상기 전기 신호는 상기 전원 및 신호 처리부에 의해 증폭되고, 전기 펄스로 변환되어 상기 신경 접촉 전극을 통해 상기 시신경으로 전달될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 인공 안구는, 신경 접촉 전극, 상기 신경 접촉 전극의 위에 배치되는 이미지 센서, 및 상기 이미지 센서 위에 이격되어 배치되는 렌즈를 포함하며, 상기 이미지 센서는 포토트랜지스터 어레이를 포함하고, 상기 포토트랜지스터는, 제1 절연 패턴, 상기 제1 절연 패턴 위에 배치되는 제1 전극 및 제2 전극, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 위에 배치되는 광흡수층, 및 상기 광흡수층 위에 배치되는 제2 절연패턴을 포함한다.
상기 포토트랜지스터는 상기 제2 절연 패턴 위에 배치되는 게이트 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 포토트랜지스터의 두께는 60nm보다 작을 수 있다.
상기 포토트랜지스터 어레이 아래에 배치되는 제1 보호층과 상기 포토트랜지스터 어레이 위에 배치되는 제2 보호층을 더 포함하고, 상기 제1 보호층 및 상기 제2 보호층은 각각 깎은 이십면체의 부분 형상을 가질 수 있다.
상기 이미지 센서는 커브드 이미지 센서일 수 있다.
상기 렌즈는 단일 평면볼록렌즈를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 인공 안구는 우수한 성능을 가질 수 있다. 상기 인공 안구는 안구의 넓은 면적에 밀착하여 적용될 수 있어 넓은 시계(field-of-view)를 제공할 수 있다. 상기 인공 안구는 곡면 형상을 가지며 유연성 소재로 제조되므로 적용된 신체 부위의 추가적인 세포 손상을 줄일 수 있다. 상기 이미지 센서는 적외선 필터 없이 정확한 이미징이 가능하여, 우수한 시력 회복 성능을 제공할 수 있다. 또, 상기 인공 안구는 외부 카메라 모듈을 이용하지 않으므로 착용 시의 번거로움을 줄일 수 있고, 착용자의 외관을 해치지 않을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 도 1의 A영역을 확대하여 나타낸다.
도 3은 도 1의 이미지 센서의 포토트랜지스터 영역의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 실제 이미지를 나타낸다.
도 5 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 형성하기 위한 형성 방법을 나타낸다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 오목한 형상의 커브드 이미지 센서의 실제 이미지와 상기 이미지 센서에 의해 캡쳐된 이미지를 나타낸다.
도 13은 도 12의 커브드 이미지 센서의 포토트랜지스터의 수직 구조를 보여주는 HR-TEM 이미지이다.
도 14는 도 12의 커버드 이미지 센서의 고집적 이미지센서 어레이를 보여주는 SEM 이미지이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 MoS2 어레이 전사 방법과 비교예에 따른 MoS2 어레이 전사 방법의 공정 흐름을 비교하여 나타낸다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 전사 방법과 비교예에 따른 전사 방법에 의해 전사된 MoS2 어레이를 비교하여 나타낸다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 전사 방법과 비교예에 따른 전사 방법에 의해 전사된 MoS2 어레이 중 불량 셀의 비율을 비교하여 나타낸다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 전사 방법에 따라 그래핀 어레이 위로 MoS2 어레이를 전사하기 전후의 이미지를 나타내고, 도 19는 도 18의 확대된 이미지를 나타낸다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 전사 방법에 따른 전사 전후의 MoS2 패턴의 라만 강도를 나타낸다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 전사 방법에 따라 전사된 MoS2층의 적층된 수에 따른 광 흡수도를 나탄내다.
도 22는 깎은 이십면체의 부분 형상을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 포토트랜지스터 어레이의 광학 이미지를 나타내고, 도 23 내지 도 26은 도 22의 MoS2-GP 포토트랜지스터의 특성을 나타낸다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 커브드 이미지 센서에 의한 이미징을 나타낸다.
도 28은 깎은 이십면체의 부분 형상으로 제조된 제1 필름 및 상기 제1 필름과 유사한 크기의 깎이지 않은 형상으로 제조된 제2 필름을 각각 반구면의 표면에 적용했을 때 작용되는 스트레인을 비교하여 나타낸다.
도 29는 본 발명의 실시예들에 따른 인공 안구를 개략적으로 나타낸다.
도 30은 도 29의 안구용 전자 장치를 개략적으로 나타낸다.
도 31은 본 발명의 실시예들에 따른 인공 안구용 전자 장치를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 32는 본 발명의 실시예들에 따른 인공 안구가 적용된 안구의 수직 단면을 개략적으로 나타낸다.
도 33은 본 발명의 실시예들에 따른 인공 안구를 통한 시각 감지 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 34는 본 발명의 일 실시예에 따른 신경 접촉 전극의 실제 이미지를 나타낸다.
도 35는 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 안구용 전자 장치의 실제 이미지및 상기 인공 안구용 전자 장치에 의해 캡쳐된 이미지를 나타낸다.
도 36은 여러 종류의 렌즈를 통해 상이 맺히는 모습을 개략적으로 나타낸다.
도 37은 본 발명의 실시예들에 따른 인공안구 및 비교예들에 의해 맺힌 상을 나타낸다.
도 38은 안구 모델을 제조한 뒤 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 안구용 전자 장치를 상기 안구 모델 위에 적용한 모습을 나타낸다.
도 39는 도 38의 안구 모델에 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 안구용 전자 장치 및 비교예들을 적용한 후의 모습을 개략적으로 나타낸다.
도 40은 본 발명의 실시예들에 따른 인공 안구를 쥐에 적용하였을 때와 적용하지 않았을 때 빛이 감지되는 과정을 개략적으로 나타내며, 도 41 및 도 42는 상기 빛이 감지된 결과를 나타낸다.
이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예들을 통해 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서, 이하의 실시예들에 의하여 본 발명이 제한되어서는 안 된다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 요소들(elements)을 기술하기 위해서 사용되었지만, 상기 요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이러한 용어들은 단지 상기 요소들을 서로 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 또, 어떤 요소가 다른 요소 위에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 요소 위에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다.
도면들에서 요소의 크기, 또는 요소들 사이의 상대적인 크기는 본 발명에 대한 더욱 명확한 이해를 위해서 다소 과장되게 도시될 수 있다. 또, 도면들에 도시된 요소의 형상이 제조 공정상의 변이 등에 의해서 다소 변경될 수 있을 것이다. 따라서, 본 명세서에서 개시된 실시예들은 특별한 언급이 없는 한 도면에 도시된 형상으로 한정되어서는 안 되며, 어느 정도의 변형을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 나타내고, 도 2는 도 1의 A영역을 확대하여 나타내며, 도 3은 도 1의 이미지 센서의 포토트랜지스터 영역의 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 이미지 센서(10)는 포토트랜지스터(100), 제1 보호층(210), 제2 보호층(220), 및 기판(300)을 포함할 수 있다. 복수 개의 포토트랜지스터(100)는 서로 교차하는 두 방향으로 배열되어 포토트랜지스터 어레이를 구성할 수 있다.
포토트랜지스터(100)는 제1 절연 패턴(110), 제1 전극(121), 제2 전극(122), 광흡수층(130), 제2 절연 패턴(140), 및 게이트 전극(150)을 포함할 수 있다.
제1 절연 패턴(110)은 제1 보호층(210) 위에 배치될 수 있다. 제1 절연 패턴(110)은, 예를 들어, 실리콘 질화물(Si3N4)로 형성될 수 있다. 제1 절연 패턴(110)은 약 5nm의 두께를 가질 수 있다.
제1 전극(121) 및 제2 전극(122)은 제1 절연 패턴(110) 위에 배치될 수 있다. 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)은, 예를 들어, 그래핀(graphene)으로 형성될 수 있다. 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)은 각각 약 2nm의 두께를 가질 수 있다.
제1 전극(121) 및 제2 전극(122)은 각각 소오스 전극 또는 드레인 전극일 수 있다. 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이의 채널 영역을 길게 하기 위해 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)의 서로 마주보는 부분은 빗살 형상을 가질 수 있다. 상기 채널 영역의 길이는 약 10㎛일 수 있다.
광흡수층(130)은 제1 전극(121) 및 제2 전극(122) 위에 배치될 수 있다. 광흡수층(130)은 전이금속 디칼코게나이드(transition metal dichalcogenide)를 포함할 수 있다. 광흡수층(130)은 MoS2, MoSe2, WS2, WSe2 등을 포함할 수 있다. 광흡수층(130)의 두께와 성능을 고려하여 광흡수층(130)은 MoS2를 포함할 수 있다. 광흡수층(130)은 약 4nm의 두께를 가질 수 있다.
제2 절연 패턴(140)은 광흡수층(130) 위에 배치될 수 있다. 제2 절연 패턴(140)은, 예를 들어, 알루미늄 산화물(Al2O3)로 형성될 수 있다. 제2 절연 패턴(140)은 약 25nm의 두께를 가질 수 있다.
게이트 전극(150)은 제2 절연 패턴(140) 위에 배치될 수 있다. 게이트 전극(150)은, 예를 들어, Ti/Au으로 형성될 수 있다. 게이트 전극(150)은 약 15nm의 두께를 가질 수 있다.
도면에 도시되지 않았지만, 전기 신호 전송을 위해 제1 방향에서 상기 포토트랜지스터 어레이의 상기 제1 전극들 또는 상기 제2 전극들은 서로 전기적으로 연결될 수 있고, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향에서 상기 게이트 전극들은 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
광흡수층과 제1 전극 및 제2 전극이 약 2~4nm로 얇게 형성될 수 있어, 포토트랜지스터(100)는 약 51nm의 얇은 두께로 형성될 수 있다. 포토트랜지스터의 초박막 두께는 커브드 이미지 센서(curved image sensor)에서 벤딩(bending) 등에 의해 야기되는 스트레인(strain)을 감소시킬 수 있다. MoS2 및 그래핀의 파단 변형률(fracture strain)은 각각 약 23% 및 약 25%로서, 실리콘 및 갈륨 비소(gallium arsenide)(파단 변형률 약 1%)보다 훨씬 더 높기 때문에 커브드 이미지 센서에서 광흡수 채널 및 인터커넥션(photo-absorbing channels and interconnections)으로 효과적으로 사용될 수 있다.
제1 절연 패턴(110) 및 제2 절연 패턴(140)은 섬형 어레이(island-like array)로 패터닝되고, 그 사이에 유연한 소재인 그래핀과 MoS2로 형성된 제1 및 제2 전극(121,122)과 광흡수층(130)이 배치된다. 이러한 구조는 제1 절연 패턴(110) 및 제2 절연 패턴(140)에 발생하는 스트레인을 감소시킬 수 있고, 상기 스트레인의 대부분이 제1 절연 패턴(110) 및 제2 절연 패턴(140) 사이의 유연한 영역에 집중될 수 있어 스트레인에 의한 부정적인 영향이 감소하거나 제거될 수 있다.
제1 보호층(210)은 포토트랜지스터(100) 아래에 배치되고, 제2 보호층(220)은 포토트랜지스터(100) 위에 배치될 수 있다. 제1 보호층(210)과 제2 보호층(220)에 의해 그 사이에 배치된 포토트랜지스터(100)가 보호될 수 있다. 제1 보호층(210) 및 제2 보호층(220)은, 예를 들어, 폴리이미드(PI)로 형성될 수 있다.
제1 보호층(210) 및 제2 보호층(220)은 깎은 이십면체(truncated icosahedron)의 부분 형상을 가질 수 있다. 제1 보호층(210) 및 제2 보호층(220) 사이에 배치되는 포토트랜지스터 어레이도 깍은 이십면체의 부분 형상을 가질 수 있다. 깎은 이십면체의 부분 형상은 스트레인을 추가적으로 감소시킬 수 있다.
기판(300)은 포토트랜지스터(100), 제1 보호층(210), 및 제2 보호층(220)을 지지할 수 있다. 기판(300)은 곡면 형상, 예를 들어, 반구 형상을 가질 수 있다. 기판(300)은, 예를 들어, 폴리디메틸실록산(PDMS)로 형성될 수 있다.
포토트랜지스터의 초박막 두께, 광흡수 패턴과 제1 및 제2 전극 패턴의 유연한 소재, 제1 절연 패턴과 제2 절연 패턴의 섬형 어레이, 및 포토트랜지스터 어레이(제1 보호층 및 제2 보호층)의 깎은 이십면체의 부분 형상에 의해, 전방향으로 굽혀진 조건(omnidirectionally bent conditions)에서 플렉시블한 고집적 커브드 이미지 센서 어레이가 형성될 수 있다. 이러한 커브드 이미지 센서를 이용하여 신뢰성을 갖는 인공 망막이 구현될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 실제 이미지를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 포토트랜지스터 어레이와 반구형 기판을 포함할 수 있고, 상기 포토트랜지스터 어레이가 상기 반구형 기판의 볼록한 면과 오목한 면에 각각 기계적 결함 없이 안정적으로 배치될 수 있다.
도 5 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 형성하기 위한 형성 방법을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 제1 희생 기판(410) 위에 보호층(210a)을 형성한다. 제1 희생 기판(410) 실리콘 산화물(SiO2) 기판일 수 있다. 보호층(210a)은, 예를 들어, 스핀 코팅을 수행하여 폴리이미드로 형성될 수 있다.
보호층(210a) 위에 제1 절연 패턴(110)을 형성한다. 제1 절연 패턴(110)은, 예를 들어, PECVD 공정을 수행하여 보호층(210a) 위에 실리콘 질화물로 절연층을 형성한 후 포토리소그래피(photolithography) 공정과 건식 식각 공정을 수행하는 것에 섬형 어레이 구조로 형성될 수 있다. 상기 절연층은 약 5nm의 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
제1 절연 패턴(110) 위에 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)을 형성한다. 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)은, 예를 들어, 제1 절연 패턴(110) 위에 그래핀층을 형성한 후 상기 그래핀층을 패터닝하는 것에 의해 형성될 수 있다. 상기 그래핀층은 약 2nm의 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 상기 그래핀층은 제1 절연 패턴(110) 위에 직접 형성될 수도 있고, 다른 곳에서 형성된 후 제1 절연 패턴(110) 위로 전사될 수도 있다. 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)은 각각 소오스 전극 또는 드레인 전극일 수 있다. 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이의 채널 영역을 길게 하기 위해 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)의 서로 마주보는 부분은 빗살 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 상기 채널 영역의 길이는 약 10㎛일 수 있다.
도 6을 참조하면, 제1 전극(121) 및 제2 전극(122) 위에 광흡수층(130)을 형성한다. 광흡수층(130)의 형성과정은 도 7 내지 도 9를 참조하여 설명한다.
도 7을 참조하면, 제2 희생 기판(420) 위에 희생층(421)을 형성하고, 희생층(421) 위에 광흡수층(130)을 형성한다. 제2 희생 기판(420)은 실리콘 기판일 수 있고, 희생층(421)은 실리콘 산화물층일 수 있다. 희생층(421)은 열산화 공정 또는 CVD 공정을 수행하는 것에 의해 형성될 수 있다.
광흡수층(130)은 전이금속 디칼코게나이드로 형성될 수 있다. 광흡수층(130)은 MoS2, MoSe2, WS2, WSe2 등으로 형성될 수 있다. 광흡수층(130)의 두께와 성능을 고려하여 광흡수층(130)은 MoS2로 형성될 수 있다. 광흡수층(130)은, 예를 들어, 황(sulfur)과 MoO3를 이용한 CVD 공정을 수행하여 MoS2층을 형성한 후 상기 MoS2층을 패터닝하는 것에 의해 형성될 수 있다. 광흡수층(130)은 약 4nm의 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
광흡수층(130) 위에 전사용 지지층(430)을 형성한다. 전사용 지지층(430)은, 예를 들어, 스핀 코팅 공정을 수행하여 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA, poly(methyl methacrylate)) 또는 폴리이소부텐(polyisobutene)으로 형성될 수 있다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 제2 희생 기판(420)에 식각 용액(440)을 제공하여 희생층(421)을 제거한다. 식각 용액(440)은, 예를 들어, HF 용액일 수 있다. 제2 희생 기판(420)에 식각 용액(440)을 제공할 때, 전사용 지지층(430)이 식각 용액(440)에 완전히 담그어지지 않고 외부로 노출되도록 하는 것이 바람직하다. 광흡수층(130)과 전사용 지지층(430)은 제2 희생 기판(420)으로부터 분리되어 식각 용액(440) 위에 뜰 수 있다.
다시 도 6 및 도 9를 참조하면, 광흡수층(130)은 전사용 지지층(430)에 의해 픽업되어 제1 전극(121) 및 제2 전극(122) 위로 전사된다. 광흡수층(130)은 상기 전사 전에 탈이온수에 의해 세정될 수 있다. 상기 전사 공정에 의해 광흡수층(130)이 제1 전극(121) 및 제2 전극(122) 위로 안정적으로 전사될 수 있다. 또, 상기 전사 공정을 이용하여 대면적의 광흡수층 어레이가 안정적으로 전사될 수 있다. 상기 전사 공정은 MoS2 패턴과 그래핀 패턴의 이종 집적(heterogeneous integration)을 용이하게 할 수 있다.
도 10을 참조하면, 광흡수층(130) 위에 제2 절연 패턴(140)을 형성한다. 제2 절연 패턴(140)은, 예를 들어, 원자층증착공정을 수행하여 Al2O3층을 형성한 후 상기 Al2O3층을 패터닝하는 것에 의해 형성될 수 있다. 제2 절연 패턴(140)은 약 25nm의 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
제2 절연 패턴(140) 위에 게이트 전극(150)을 형성한다. 게이트 전극(150)은, 예를 들어, Ti/Au으로 금속층을 형성한 후 패터닝하는 것에 의해 형성될 수 있다. 게이트 전극(150)은 약 15nm의 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
도 11을 참조하면, 게이트 전극(150) 위에 제2 보호층(220)을 형성한다. 제2 보호층(220)은 스핀 코팅을 수행하여 폴리이미드층을 형성한 후 상기 폴리이미드층을 패터닝하는 것에 의해 형성될 수 있다. 이때 보호층(210a)도 패터닝되어 제1 보호층(210)이 형성될 수 있다. 제1 보호층(210) 및 제2 보호층(220)은 깎은 이십면체의 부분 형상을 갖도록 형성될 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 포토트랜지스터(100), 제1 보호층(210), 및 제2 보호층(220)을 기판(300) 위로 전사한다. 상기 전사는, 예를 들어, 수용성 테이프를 이용하여 제1 보호층(210)을 희생층(421)으로부터 분리하는 것에 의해 이루어질 수 있다. 상기 전사 후 상기 수용성 테이프는 제거될 수 있다. 기판(300)은 곡면 형상, 예를 들어, 반구 형상을 가질 수 있다. 기판(300)은, 예를 들어, 폴리디메틸실록산(PDMS)로 형성될 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 오목한 형상의 커브드 이미지 센서의 실제 이미지와 상기 이미지 센서에 의해 캡쳐된 이미지를 나타내고, 도 13은 도 12의 커브드 이미지 센서의 포토트랜지스터의 수직 구조를 보여주는 HR-TEM 이미지이며, 도 14는 도 12의 커버드 이미지 센서의 고집적 이미지센서 어레이를 보여주는 SEM 이미지이다.
도 12 내지 도 14를 참조하면, 유연한 소재인 MoS2와 그래핀(GP)을 이용하여 약 51nm의 초박막 포토트랜지스터 구조를 도입하고, 섬형태의 절연 패턴들(Si3N4, Al2O3)을 이용하여 스트레인 격리 구조를 적용하고, 깍은 이십면체의 부분 형상을 적용하는 것에 의해 반구형 기판의 오목한 면 위에 광학적 및 기계적 결함을 갖지 않는 고집적 이미지 센서 어레이가 형성될 수 있다.
도 15 본 발명의 일 실시예에 따른 MoS2 어레이 전사 방법과 비교예에 따른 MoS2 어레이 전사 방법의 공정 흐름을 비교하여 나타낸다.
도 15를 참조하면, KOH 용액을 사용하는 비교예에서는 실리콘과 OH- 사이의 반응에 기인하여 버블들이 형성될 수 있고, 상기 버블들에 의해 MoS2 어레이의 불균일성과 미스얼라인먼트가 야기될 수 있다. 또, 비교예에서는 식각 속도가 느려 대량 생산이 어렵다. 그러나, HF 용액을 이용하는 본 발명의 실시예에서는 버블이 형성되지 않으면서 식각 속도가 빨라 MoS2 어레이가 안정적으로 빠르게 전사될 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 전사 방법과 비교예에 따른 전사 방법에 의해 전사된 MoS2 어레이를 비교하여 나타내고, 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 전사 방법과 비교예에 따른 전사 방법에 의해 전사된 MoS2 어레이 중 불량 셀의 비율을 비교하여 나타낸다.
도 16 및 도 17을 참조하면, 비교예에 따른 전사 방법에 의해 전사된 MoS2 어레이는 불량 셀(crumpled cell)의 비율이 약 30%로 나타났으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 전사 방법에 의해 전사된 MoS2 어레이는 불량 셀의 비율이 약 2% 이하로 매우 낮게 나타났다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 전사 방법에 따라 그래핀 어레이 위로 MoS2 어레이를 전사하기 전후의 이미지를 나타내고, 도 19는 도 18의 확대된 이미지를 나타낸다.
도 18 및 도 19를 참조하면, 본 발명의 전사 방법에 따르면, MoS2 어레이가 그래핀 어레이 위로 안정적으로 전사될 수 있다. 상기 전사 방법에 의해 MoS2 패턴과 그래핀 패턴의 이종 집적이 용이하게 이루어질 수 있다. 또, 상기 전사 방법에 의해 고집적의 MoS2-그래핀 하이브리드 어레이가 용이하게 형성될 수 있다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 전사 전후의 MoS2 패턴의 라만 강도를 나타낸다. 도 20을 참조하면, MoS2 패턴은 전사된 후에도 우수한 성능을 유지하는 것으로 나타났다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따라 전사된 MoS2층의 적층된 수에 따른 광 흡수도를 나탄내다. 도 21을 참조하면, MoS2층의 적층된 수에 비례하여 광 흡수도가 증가하는 것으로 나타났다.
도 22는 깎은 이십면체의 부분 형상을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 포토트랜지스터 어레이의 광학 이미지를 나타내고, 도 23 내지 도 26은 도 22의 MoS2-GP 포토트랜지스터의 특성을 나타낸다.
도 23은 515nm 가시광선 파장의 조명 하에서 상기 MoS2-GP 포토트랜지스터의 전달 곡선을 나타낸다. 도 23을 참조하면, 상기 MoS2-GP 포토트랜지스터는 전형적인 감광 전계 효과 트랜지스터(light-senstive field effect transistor)의 거동을 나타낸다.
도 24는 다른 광도 하에서 상기 MoS2-GP 포토트랜지스터의 정규화된 광전류를 나타낸다. 도 24를 참조하면, 게이트 전극의 일정한 바이어스 전압(-4V) 하에서 상기 MoS2-GP 포토트랜지스터의 정규화된 광전류는 광도에 비례하는 것으로 나타났다.
도 25는 MoS2-GP 포토트랜지스터의 광응답특성을 단결정 실리콘 포토트랜지스터와 비교하여 나타낸다. 도 25를 참조하면, MoS2-GP 포토트랜지스터는 단결정 실리콘 포토트랜지스터에 비해 광응답성(photoresponsivity)이 100 ~ 1000배 더 높은 것으로 나타났다.
도 26은 850nm 적외선 파장의 조명 하에서 MoS2-GP 포토트랜지스터의 정규화된 광전류를 단결정 실리콘 포토트랜지스터와 비교하여 나타낸다. 도 26을 참조하면, 단결정 실리콘 포토트랜지스터는 적외선(IR)을 흡수하여 적외선 노이즈를 야기하지만, MoS2-GP 포토트랜지스터는 적외선을 흡수하지 않는다. 따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 적외선 필터 없이 정확한 이미징(imaging)을 할 수 있다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 커브드 이미지 센서에 의한 이미징을 나타낸다. 상기 이미지 센서는 12×12 포토트랜지스터 어레이를 포함한다.
도 27(a)를 참조하면, 상기 커브드 이미지 센서는 반구형 표면에 포토트랜지스터들이 균일한 밀도로 배치되어 있어 이미지가 왜곡되는 것을 방지할 수 있다.
도 27(b)를 참조하면, 상기 커브드 이미지 센서는 적외선 조명 하에서도 적외선 노이즈를 야기하지 않고, 획득된 이미지는 적외선에 의해 영향을 받지 않는다.
도 27(c) 내지 (f)를 참조하면, 다양한 이미지들이 적외선 노이즈 없이 정확하게 처리될 수 있다. 따라서, 상기 커브드 이미지 센서는 적외선 필터를 요구하지 않으므로, 그 두께가 작아질 수 있고, 상기 커브드 이미지 센서는 더욱 간소화될 수 있다.
도 28은 깎은 이십면체의 부분 형상으로 제조된 제1 필름 및 상기 제1 필름과 유사한 크기의 깎이지 않은 형상으로 제조된 제2 필름을 각각 반구면의 표면에 적용했을 때 작용되는 스트레인을 비교하여 나타낸다.
도 28(a)는 상기 제1 필름(좌측 도면) 및 상기 제2 필름(우측 도면)의 형상을 개략적으로 나타내고, 도 28(b)는 상기 제1 필름 및 상기 제2 필름의 반경 방향 및 원주 방향으로 작용하는 스트레인의 크기를 나타내는 등고선 그래프이고, 도 28(c)는 상기 제1 필름 및 상기 제2 필름의 반경 방향으로 작용하는 스트레인의 크기를 나타내고, 도 28(d)는 상기 제1 필름 및 상기 제2 필름의 원주 방향으로 작용하는 스트레인의 크기를 나타낸다. 도 28(c) 및 도 28(d)에서 분홍색 영역은 스트레인 값이 필름에 영향을 미치지 않을 만큼 미약한 영역을 나타낸다.
도 28(a)를 참조하면, 상기 제1 필름은 대략 일곱 개의 분리된 작은 오각형 부분 및 육각형 부분으로 볼 수 있다. 상기 제1 필름을 곡면의 표면 위에 적용하면, 상기 제1 필름의 전체에 일관된 스트레인이 작용되기 보다는 상기 오각형 부분 및 육각형 부분들에 나뉘어 작용된다. 상기 오각형 및 육각형 부분들을 각각 하나의 작은 원형으로 간주하고, 상기 제2 필름은 하나의 큰 원형으로 간주하여, 각 필름에 작용되는 스트레인을 비교할 수 있다. 상기 비교 결과는 도 28(b) 및 도 28(c)를 참조하여 설명된다. 상기 제1 필름을 나타내는 작은 원형의 반지름은 3.5mm이고, 상기 제2 필름을 나타내는 큰 원형의 반지름은 9.3mm이다.
도 28(b)을 참조하면, 반구형의 표면 위에서 필름의 반경 방향으로 적용되는 스트레인(radial strain) 분배는 각 원의 전 부위에 걸쳐 비슷하게 나타난다. 상기 제1 필름의 경우에는 반경 방향으로 적용되는 스트레인이 거의 0%에 가까운 반면, 상기 제2 필름의 경우에는 반경 방향으로 적용되는 스트레인이 2.5%에 가까운 값을 보인다. 반구형의 표면 위에서 필름의 원주 방향으로 적용되는 스트레인(hoop strain) 분배는 각 원의 위치별로 다르게 나타난다. 상기 두 필름에서 가장 높은 값을 보이는 부분에서의 스트레인 값을 비교하면, 상기 제1 필름의 스트레인값이 상기 제2 필름의 스트레인값보다 더 작다.
도 28(c) 및 도 28(d)를 참조하면, 반경 방향으로 적용되는 스트레인의 최대값은 상기 제1 필름의 경우 무시될 수 있는 수준인 반면, 상기 제2 필름의 경우 상대적으로 높게 나타난다. 또, 원주 방향으로 적용되는 스트레인의 최대값도 상기 제1 필름의 경우 무시될 수 있는 수준에 가까운 반면, 상기 제2 필름의 경우 높게 나타난다. 상기 제2 필름은 상당 부분이 1% 이상의 스트레인을 받아 파단 변형이 발생할 수 있다. 그에 반해 제1 필름의 경우, 스트레인 값이 1% 미만으로, 파단 변형이 거의 0에 가깝다. 따라서 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 깎은 이십면체의 부분 형상으로 제조되므로, 오목하거나 볼록한 곡면의 표면 위에 주름이나 접힘을 거의 발생시키지 않으면서 적용될 수 있다. 상기 이미지 센서의 이러한 특성에 의해 상기 이미지 센서에 적용되는 스트레인이 완화되어 기계적 손상이 방지될 수 있을 뿐만 아니라 캡쳐되는 이미지의 왜곡이 방지될 수 있다.
도 29는 본 발명의 실시예들에 따른 인공 안구를 개략적으로 나타내고, 도 30은 도 29의 인공 안구용 전자 장치를 개략적으로 나타내고, 도 31은 본 발명의 실시예들에 따른 인공 안구용 전자 장치를 개략적으로 나타내는 블록도이다. 상기 인공안구용 전자 장치는 도 1의 이미지 센서를 포함할 수 있다.
도 1, 도 2, 및 도 29 내지 도 31을 참조하면, 인공 안구(1)는 인공 안구용 전자 장치(2) 및 렌즈(40)를 포함할 수 있다. 인공 안구용 전자 장치(2)는 이미지 센서(10), 신경 접촉 전극(20), 및 신호 처리부(30)를 포함할 수 있다.
이미지 센서(10)는 포토트랜지스터(100)를 포함할 수 있고, 제1 보호층(210), 제2 보호층(220), 및 기판(300)을 더 포함할 수 있다. 복수 개의 포토트랜지스터(100)는 서로 교차하는 두 방향으로 배열되어 포토트랜지스터 어레이를 구성할 수 있다.
포토트랜지스터(100)는 제1 절연 패턴(110), 제1 전극(121), 제2 전극(122), 광흡수층(130), 제2 절연 패턴(140), 및 게이트 전극(150)을 포함할 수 있다.
상기 포토트랜지스터 어레이, 제1 보호층(210), 및 제2 보호층(220)은 깎은 이십면체의 부분 형상을 가질 수 있다. 이미지 센서(10)는 곡면의 형상을 가질 수 있고, 이미지 센서(10)는 커브드 이미지 센서일 수 있다.
신경 접촉 전극(20)은 이미지 센서(10)의 포토트랜지스터(100)와 대응되게 연결될 수 있다. 신경 접촉 전극(20)은 이미지 센서(10)와 전기적으로 연결될 수 있다. 신경 접촉 전극(20)은, 예를 들어 금속층을 형성한 후 패터닝하는 것에 의해 형성될 수 있다. 또, 상기 금속층은 크롬층과 금층 또는 백금층의 이중층일 수 있다. 상기 패터닝된 금속층의 아래와 위에 각각 제3 보호층 및 제4 보호층이 배치될 수 있다. 상기 제3보호층 및 제4 보호층은 예를 들어 폴리이미드로 형성될 수 있다. 상기 제3 보호층 및 제4 보호층은 각각 약 420nm일 수 있다. 상기 제3 보호층 및 제4 보호층을 제외한 신경 접촉 전극(20)은 약 72nm의 두께를 가질 수 있다. 도 29 및 도 30에 도시된 이미지 센서(10)와 신경 접촉 전극(20)은 서로 이격되어 있으나, 이는 인공 안구용 전자 장치(2)의 구성에 대한 설명을 용이하게 하기 위한 것으로, 이에 제한되는 것은 아니며, 이미지 센서(10)와 신경 접촉 전극(20)은 서로 접촉할수도 있고, 이격될수도 있다.
신경 접촉 전극(20)은 포토트랜지스터 어레이와 같이 깎은 이십면체의 부분 형상을 가질 수 있다. 신경 접촉 전극(20)은 이미지 센서(10)와 같이 곡면 형상을 가질 수 있다.
신호 처리부(30)는 이미지 센서(10) 및 신경 접촉 전극(20)과 전기적으로 연결될 수 있다. 신호 처리부(30)는 빛을 받은 이미지 센서(10)에서 생성된 전기 신호를 증폭시킬 수 있고, 상기 증폭된 전기 신호를 뇌의 시각 피질에서 감지될 수 있는 전기 펄스(pulse)로 변환할 수 있다. 상기 전기 펄스는 신경 접촉 전극(20)으로 전달될 수 있다. 신호 처리부(30)는 상기 과정에서 필요한 전기를 공급하기 위한 전원공급부를 포함할 수 있다. 또는, 별도의 전원 공급 장치로부터 전기를 공급받을 수 있다.
렌즈(40)는 단일 평면 볼록 렌즈(plano-convex lens)일 수 있다. 렌즈(40)를 통해 곡면 형상을 갖는 이미지 센서(10)의 전 영역에 선명한 상이 맺힐 수 있다.
이미지 센서(10)는 곡면의 형상을 가지므로 안구 후부의 넓은 영역을 균일하게 덮을 수 있다. 따라서 상이 넓은 영역에 맺힐 수 있고, 넓은 영역의 시계를 가질 수 있다. 이미지 센서(10)는 필요에 따라 기판(300)을 포함하지 않을 수 있다.
인공 안구(1)에 빛이 입사되면, 상기 빛은 렌즈(40)를 통해 모아지고 이미지 센서(10)로 전달될 수 있다. 이미지 센서(10)에서는 상기 빛에 의한 상이 맺힐 수 있다. 빛을 받은 이미지 센서(10)에서는 상기 빛 에너지가 전기 에너지로 전환되어 광전류가 생성될 수 있다. 상기 에너지 전환 과정에서 사물의 이미지 정보를 포함한 광신호가 전기 신호로 변환된다. 상기 전기 신호는 신호 처리부(30)로 전달되어 증폭되고, 시각 피질에서 감지될 수 있는 전기 펄스(pulse)로 변환될 수 있다. 상기 전기 펄스가 신경 접촉 전극(20)을 통해 망막 신경 세포 또는 시신경으로 전달될 수 있다. 상기 전기 펄스는 상기 시신경을 통해 시각 피질로 전달되어 상기 시각 피질을 활성화시킬 수 있다. 이에 의해 인공 안구(1)를 착용한 착용자가 사물의 이미지를 감지할 수 있다.
인공 안구(1)는 필요에 따라 인공 유리체, 인공 각막, 인공 공막 등을 더 포함할 수 있다. 인공 안구(1)는 외부 카메라모듈 등의 장치를 포함하지 않으므로, 착용자의 외관을 해치지 않을 수 있고, 착용 후 번거로움을 줄일 수 있다.
도 32는 본 발명의 실시예들에 따른 인공 안구가 적용된 안구의 수직 단면을 개략적으로 나타내고, 도 33은 본 발명의 실시예들에 따른 인공 안구를 통한 시각 감지 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 32 및 도 33을 참조하면, 인공 안구(1)는 착용자의 망막 위로 적용될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 착용자의 상태에 따라 망막 적출 후에 적용될 수 있다. 도 32에 도시된 신호 처리부(30)는 개략적인 모습을 나타낸 것으로, 신호 처리부(30)의 위치, 크기, 및 형태는 이에 제한되지 않는다. 이미지 센서(10)는 곡면의 형상을 가지므로, 인공 안구(1)가 적용되는 안구 부위의 세포 손상을 최소화할 수 있고, 안구 후부의 넓은 영역을 균일하게 덮을 수 있다. 따라서 상이 넓은 영역에 맺힐 수 있고, 넓은 영역의 시계를 가질 수 있다. 또, 이미지 센서(10)는 플렉시블한 소재를 포함하여, 상기 세포 손상을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.
인공 안구(1)가 빛에 노출되면, 상기 빛은 렌즈(40)를 통과하면서 집중(focused)된다. 렌즈(40)를 통과한 상기 빛은 이미지 센서(10)로 전달되고, 이미지 센서(10)에서 상기 빛에 의한 상이 맺힌다. 빛을 받은 이미지 센서(10)는 광전류를 생성하여 상기 빛에 대한 광신호를 전기 신호로 변환한 뒤 신호 처리부(30)에 전달한다. 신호 처리부(30)는 상기 전기 신호를 증폭시킨 뒤, 상기 전기 신호를 시각 피질에서 감지할 수 있는 전기 펄스로 변환한다. 상기 전기 펄스는 신경 접촉 전극(20)을 통해 인공 안구(1)를 착용한 착용자의 망막 신경 세포 또는 시신경에 전달된다. 상기 전기 펄스는 상기 시신경을 통해 상기 시각 피질로 전달되어, 상기 시각 피질을 활성화한다. 건강한 안구는 수정체를 통해 빛을 모으고 망막에서 상기 빛을 활동전위(action potential)로 변환시킨 뒤, 시신경을 통해 상기 활동전위를 뇌의 시각 피질로 전달한다. 그러나 망막 손상 등의 이유로 정상적인 시각 감지가 어려운 경우, 인공 안구(1)를 이용함으로써 시력을 회복할 수 있다.
도 34는 본 발명의 일 실시예에 따른 신경 접촉 전극의 실제 이미지를 나타낸다. 도시된 상기 신경 접촉 전극은 단일 전극으로 제조된 모습이다. 상기 신경 접촉 전극은 구불구불한 곡선의 형상을 가짐으로써 스트레인을 완화시키고, 곡면 형상의 표면에 적용될 때 발생될 수 있는 기계적 결함을 최소화할 수 있다.
도 35는 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 안구용 전자 장치의 실제 이미지및 상기 인공 안구용 전자 장치에 의해 캡쳐된 이미지를 나타낸다.
도 35를 참조하면, 상기 인공 안구용 전자 장치는 곡면의 형상을 가지며 빛을 받은 상기 인공 안구용 전자 장치 위로 선명한 상이 맺힐 수 있다. 이에 의해 사물의 이미지 정보가 정확하게 감지될 수 있다.
도 36은 여러 종류의 렌즈를 통해 상이 맺히는 모습을 개략적으로 나타내고, 37은 본 발명의 실시예들에 따른 인공안구 및 비교예들에 의해 맺힌 상을 나타낸다.
도 36 및 도 37을 참조하면, 도 36의 (a)와 같이 단일 렌즈를 이용하여 평면의 초점면(focal plane) 위에 상을 형성하는 경우, 광 수차가 발생하여 도 37의 (b)와 같이 일부분을 제외한 나머지 부분에는 흐릿한 상이 맺힐 수 있다. 이를 개선하기 위해 상기 단일 렌즈 대신 도 36의 (b)와 같이 더블 가우스 렌즈를 사용할 수 있다. 상기 더블 가우스 렌즈를 사용하는 경우, 도 37의 (c)와 같이 평면의 초점면 위에서도 전 영역에서 선명한 상이 형성될 수 있으나, 상기 더블 가우스 렌즈는 7개의 렌즈를 포함한다. 상기 더블 가우스 렌즈의 복잡한 렌즈 구성은, 단일 렌즈에 비해 넓은 영역을 차지할 뿐만 아니라, 상기 7개의 렌즈들을 정확한 간격으로 정렬하는 공정을 수반한다. 이에 반해, 본 발명의 실시예들에 따른 인공 안구는, 비교적 얇은 단일 평면 볼록 렌즈(약 29.3mm 이하)를 이용할 수 있다(도 36의 c). 또, 초점면으로서 곡면의 형상을 갖는 이미지 센서를 이용한다. 따라서 도 37의 (d)와 같이 상기 이미지 센서의 전 영역에서 선명한 상이 형성될 수 있다. 이에 의해 상기 인공 안구의 구성이 더욱 간소화될 수 있고, 사물의 이미지 정보가 정확하게 감지될 수 있다.
도 38은 안구 모델을 제조한 뒤 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 안구용 전자 장치를 상기 안구 모델 위에 적용한 모습을 나타내고, 도 39는 상기 안구 모델에 상기 인공 안구용 전자 장치 및 비교예들을 적용한 후의 모습을 개략적으로 나타낸다. 상기 안구 모델은, 연질인 망막과 상대적으로 단단한 공막의 구조를 모방하여 반구형 형상을 갖는 이중층의 PDMS 쉘로 제조되었다. 내부 쉘은 40kPa의 영의 계수(Young's modulus) 값과 31㎛의 두께를 갖고, 외부 쉘은 1.2MPa의 영의 계수 값과 65㎛의 두께를 갖도록 제조하였다. 도 39의 (a)는 상기 안구 모델의 모습을 나타내고, (b), (c), 및 (d)는 각각 상기 인공 안구용 전자 장치, 일 비교예에 따른 알루미늄 플렉시블 필름, 및 다른 비교예에 따른 실리콘 웨이퍼를 적용한 모습을 나타낸다.
도 38 및 도 39를 참조하면, 상기 인공 안구용 전자 장치는 주름이나 접힘 등의 변형 없이 상기 안구 모델의 넓은 영역에 균일하게 적용되어, 상기 안구 모델을 거의 변형시키지 않는다. 이에 반해, 상기 알루미늄 플렉시블 필름 및 상기 실리콘 웨이퍼를 적용한 경우 상기 안구 모델에 상당한 변형이 발생되었다. 상기 플렉시블 필름과 상기 안구 모델 사이의 계면 마찰은 183MPa로 높게 나타났다. 따라서, 상기 플렉시블 필름을 실제 안구에 적용할 경우, 높은 계면 마찰에 의해 상기 플렉시블 필름과 접촉되는 부위의 세포를 파괴하여 추가적인 안구 손상을 야기할 수 있다. 반면에, 상기 인공 안구용 전자 장치와 상기 안구 모델 사이의 계면 마찰은 0.61MPa로 나타났다. 상기 인공 안구용 전자 장치는 곡면 형상을 가질 뿐만 아니라 연질(soft)의 소재로 형성되어 계면 마찰을 최소화하였으므로, 안구에 적용했을 때 발생할 수 있는 추가적인 안구 손상을 최소화할 수 있다.
도 40은 본 발명의 실시예들에 따른 인공 안구를 쥐에 적용하였을 때와 적용하지 않았을 때 빛이 감지되는 과정을 개략적으로 나타내며, 도 41 및 도 42는 상기 빛이 감지된 결과를 나타낸다. 실험은 건강한 쥐의 망막 위에 상기 인공 안구를 적용하기 전과 후에 각각 광원으로 백색의 LED를 이용하여 상기 쥐를 빛에 노출시켰다. 상기 쥐의 빛 및 전기적 자극에 대한 신경 응답을 기록하기 위해, 상기 쥐의 전두엽(참고 기준, reference) 및 시각 피질에 전극을 연결하고, 뇌파 측정법(ECog system)을 통해 상기 쥐의 뇌에서 감지되는 전기 펄스를 기록하였다. 상기 전기 펄스는 300Hz의 고주파 통과 필터 및 100Hz의 저주파 통과 필터를 통해 각각 스파이크(spike) 및 LFP(local field potential, 지역장 전위)로 분류되었다.
도 40을 참조하면, 빛(LED)이 건강한 쥐의 안구를 통해 직접 감지되는 경우, 상기 빛은 망막에서 활동전위로 변환된 뒤 시신경을 통해 시각 피질에 전달되어 상기 시각 피질이 활성화된다. 빛이 상기 인공 안구를 통해 감지되는 경우, 상기 빛은 이미지 센서(CurvIS array)를 통해 전기 신호로 변환되고 신호 처리부(Amp. & Funct. Gen.)를 통해 증폭된 후 전기 펄스로 변환된다. 그 뒤, 상기 전기 펄스는 신경 접촉 전극(UNE)을 통해 망막 신경 세포로 전달된 뒤 시신경을 통해 시각 피질로 전달되어 시각 피질을 활성화한다.
상기 인공 안구를 통한 상기 쥐의 시각 피질 활성화 여부 및 활성화 정도를 알기 위해, 상기 인공 안구를 착용하기 전 빛 자극을 받은 상기 쥐의 뇌파 측정 결과를 도 41에 나타내었고, 상기 인공 안구를 착용한 후 빛 자극을 받은 상기 쥐의 뇌파 측정 결과를 도 42에 나타내었다.
도 41 및 도 42를 참조하면, 인공 안구를 착용하기 전 상기 쥐를 빛에 노출시킨 경우, 상기 빛에 대한 광신호는 상기 쥐의 망막을 통해 활동전위로 변환된 뒤, 시신경을 통해 시각 피질로 전달되어 스파이크를 유도하고(도 41의 a), 4 내지 20Hz 범위에서 LFP 변화를 이끈다(도 41의 b). 상기 인공 안구를 착용한 후 상기 쥐를 빛에 노출시킨 경우, 상기 빛에 대한 광신호는 이미지 센서를 통해 전기 신호로 변환된 뒤, 상기 인공 안구의 신호증폭부에서 전기 펄스로 변환된다. 그런 다음, 상기 전기 펄스는 신경 접촉 전극을 통해 상기 쥐의 망막 신경 세포 및 시신경을 지나 시각 피질로 전달되어 스파이크를 유도하고(도 42의 a), 4 내지 20Hz 범위에서 LFP 변화를 이끈다(도 42의 b). 도 41 및 도 42를 비교하면, 상기 인공 안구를 적용하기 전과 후의 시각 피질 활성화 정도 결과가 유사하게 나타난다. 이는, 상기 인공 안구에 의해 빛이 충분히 감지될 수 있음을 의미한다. 따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 인공 안구는 시력을 잃은 환자에게 적용되어 우수한 시력 회복 기능을 제공할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대한 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 인공 안구 2 : 인공 안구용 전자 장치
10 : 이미지 센서 20 : 신경 접촉 전극
30 : 신호 처리부 40 : 렌즈
100 : 포토트랜지스터 110 : 제1 절연 패턴
121 : 제1 전극 122 : 제2 전극
130 : 광흡수층 140 : 제2 절연 패턴
150 : 게이트 전극 210 : 제1 보호층
220 : 제2 보호층 300 : 기판

Claims (20)

  1. 신경 접촉 전극; 및
    상기 신경 접촉 전극의 위에 배치되는 이미지 센서를 포함하며,
    상기 이미지 센서는 복수 개의 포토트랜지스터를 포함하는 포토트랜지스터 어레이를 포함하고,
    상기 복수 개의 포토트랜지스터 각각은,
    제1 절연 패턴;
    상기 제1 절연 패턴 위에 배치되는 제1 전극 및 제2 전극;
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 위에 배치되는 광흡수층; 및
    상기 광흡수층 위에 배치되는 제2 절연패턴을 포함하고,
    상기 제1 절연 패턴 및 상기 제2 절연 패턴은 상기 복수 개의 포토트랜지스터 각각에 대응하도록 섬형 어레이로 배치되는 것을 특징으로 하는 인공 안구용 전자 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광흡수층은 전이금속 디칼코게나이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공 안구용 전자 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광흡수층은 MoS2를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공 안구용 전자 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 각각 그래핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 인공 안구용 전자 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 절연패턴은 실리콘 질화물을 포함하고,
    상기 제2 절연 패턴은 알루미늄 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 인공 안구용 전자 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 포토트랜지스터는 상기 제2 절연 패턴 위에 배치되는 게이트 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인공 안구용 전자 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 포토트랜지스터의 두께는 60nm보다 작은 것을 특징으로 하는 인공 안구용 전자 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 포토트랜지스터 어레이는 깎은 이십면체의 부분 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 인공 안구용 전자 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 상기 포토트랜지스터 어레이를 지지하는 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인공 안구용 전자 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 기판은 곡면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 인공 안구용 전자 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    포토트랜지스터 어레이 아래에 배치되는 제1 보호층과
    상기 포토트랜지스터 어레이 위에 배치되는 제2 보호층을 더 포함하고,
    상기 제1 보호층 및 상기 제2 보호층은 각각 깎은 이십면체의 부분 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 인공 안구용 전자 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 커브드 이미지 센서인 것을 특징으로 하는 인공 안구용 전자 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 상기 이미지 센서로 입사된 빛에 대한 광 신호를 전기 신호로 변환하고, 상기 전기 신호를 상기 신경 접촉 전극에 제공하는 것을 특징으로 하는 인공 안구용 전자 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 인공 안구용 전자 장치는 상기 이미지 센서와 전기적으로 연결되는 신호 처리부를 더 포함하며,
    상기 전기 신호는 상기 신호 처리부에 의해 증폭되고, 전기 펄스로 변환되는 것을 특징으로 하는 인공 안구용 전자 장치.
  15. 신경 접촉 전극;
    상기 신경 접촉 전극의 위에 배치되는 이미지 센서; 및
    상기 이미지 센서 위에 이격되어 배치되는 렌즈를 포함하며,
    상기 이미지 센서는 복수 개의 포토트랜지스터를 포함하는 포토트랜지스터 어레이를 포함하고,
    상기 복수 개의 포토트랜지스터 각각은,
    제1 절연 패턴;
    상기 제1 절연 패턴 위에 배치되는 제1 전극 및 제2 전극;
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 위에 배치되는 광흡수층; 및
    상기 광흡수층 위에 배치되는 제2 절연패턴을 포함하고,
    상기 제1 절연 패턴 및 상기 제2 절연 패턴은 상기 복수 개의 포토트랜지스터 각각에 대응하도록 섬형 어레이로 배치되는 것을 특징으로 하는 인공 안구.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 포토트랜지스터는 상기 제2 절연 패턴 위에 배치되는 게이트 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인공 안구.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 포토트랜지스터의 두께는 60nm보다 작은 것을 특징으로 하는 인공 안구.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 포토트랜지스터 어레이 아래에 배치되는 제1 보호층과
    상기 포토트랜지스터 어레이 위에 배치되는 제2 보호층을 더 포함하고,
    상기 제1 보호층 및 상기 제2 보호층은 각각 깎은 이십면체의 부분 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 인공 안구.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 커브드 이미지 센서인 것을 특징으로 하는 인공 안구.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 렌즈는 단일 평면볼록렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공 안구.
KR1020170044585A 2017-04-06 2017-04-06 인공 안구용 전자 장치 및 이를 포함하는 인공 안구 KR101978549B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170044585A KR101978549B1 (ko) 2017-04-06 2017-04-06 인공 안구용 전자 장치 및 이를 포함하는 인공 안구

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170044585A KR101978549B1 (ko) 2017-04-06 2017-04-06 인공 안구용 전자 장치 및 이를 포함하는 인공 안구

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180113266A KR20180113266A (ko) 2018-10-16
KR101978549B1 true KR101978549B1 (ko) 2019-05-14

Family

ID=64132807

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170044585A KR101978549B1 (ko) 2017-04-06 2017-04-06 인공 안구용 전자 장치 및 이를 포함하는 인공 안구

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101978549B1 (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102133288B1 (ko) * 2019-02-19 2020-07-14 재단법인대구경북과학기술원 3차원 전극장치의 제조방법 및 이의 제조방법으로 제조된 3차원 전극장치
KR102157955B1 (ko) * 2019-02-20 2020-09-18 충북대학교 산학협력단 ReRAM-CMOS 기반의 인공 망막 장치
KR102133289B1 (ko) * 2019-02-21 2020-07-14 재단법인대구경북과학기술원 전극장치의 제조방법 및 이의 제조방법으로 제조된 전극장치

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006051164A (ja) 2004-08-11 2006-02-23 Seiko Epson Corp 人工網膜及びその製造方法
JP2008079799A (ja) 2006-09-27 2008-04-10 Ryukoku Univ 人工網膜およびその製造方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101822112B1 (ko) 2010-10-27 2018-01-25 이리듐 메디칼 테크놀로지 컴퍼니 리미티드 플렉시블 인조 망막 장치들
KR20160004433A (ko) 2014-07-02 2016-01-13 경희대학교 산학협력단 광반응성 증폭 포토 디바이스 및 그 제조방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006051164A (ja) 2004-08-11 2006-02-23 Seiko Epson Corp 人工網膜及びその製造方法
JP2008079799A (ja) 2006-09-27 2008-04-10 Ryukoku Univ 人工網膜およびその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180113266A (ko) 2018-10-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Choi et al. Human eye-inspired soft optoelectronic device using high-density MoS2-graphene curved image sensor array
KR101978549B1 (ko) 인공 안구용 전자 장치 및 이를 포함하는 인공 안구
US9323073B2 (en) Electronic ophthalmic lens with emitter-detector pair sensor
KR101992108B1 (ko) 후향 동공 직경 센서를 갖는 전자 안과용 렌즈
AU2013202250B2 (en) Blink detection system for electronic ophthalmic lens
JP6234695B2 (ja) 瞳孔収斂センサを有する電子眼科レンズ
CN106501964A (zh) 抗锯齿光电探测器系统
JP6169397B2 (ja) まぶた位置センサを有する電子眼科レンズ
Lee et al. Fabrication and evaluation of silicon nanowire photodetectors on flexible substrate for retinal prosthetic system
WO2016065724A1 (zh) 电刺激形成人工视觉的设备及方法
Lee et al. Ultra-high responsivity, silicon nanowire photodetectors for retinal prosthesis
US7682030B2 (en) Deformable mirror apparatus
US11129563B2 (en) Eye-mountable device with muscle sensor
US20230008359A1 (en) Wearable display apparatus and driving method thereof
KR20180063552A (ko) 포토트랜지스터, 상기 포토트랜지스터의 형성 방법, 및 상기 포토트랜지스터를 포함하는 이미지 센서
US20220387786A1 (en) High visual acuity, high sensitivity light switchable neural stimulator array for implantable retinal prosthesis
Donora et al. 70‐4: Late‐News Paper: Electronic Contact Lens for Senses beyond Sight
TWI451863B (zh) 視網膜刺激裝置及其製造方法
RU2567974C1 (ru) Искусственная сетчатка и бионический глаз на её основе
WO2015070693A1 (zh) 眼睛温度的测量与分析系统、接收分析装置及其方法
長沼秀樹 Study of 3-D stacked retinal prosthesis chip with visual information processing functions

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant