KR102064462B1 - 세포 자극 장치, 초음파 및 전기 자극 장치 및 초음파 및 전기 자극 장치의 제조 방법 - Google Patents

세포 자극 장치, 초음파 및 전기 자극 장치 및 초음파 및 전기 자극 장치의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

일 실시예에 따른 세포 자극 장치는, 인가된 전압에 의해서 초음파를 발생시키는 pMUT 요소; 및 상기 pMUT 요소의 상부에 배치되는 전극 요소;를 포함하고, 상기 전극 요소 상에 생체 물질이 배치되고, 상기 pMUT 요소에서 발생된 초음파가 상기 전극 요소를 통해서 상기 생체 물질에 전달되어, 상기 생체 물질에 초음파 자극이 제공될 수 있다.

Description

세포 자극 장치, 초음파 및 전기 자극 장치 및 초음파 및 전기 자극 장치의 제조 방법{CELL STIMULATION APPARATUS, ULTRASOUND AND ELECTRIC STIMULATION APPARATUS AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 자극 대상(예를 들어, 생체 물질)에 대하여 초음파 자극 및 전기 자극을 개별적으로 제공하고 자극 대상에서 발생된 전기 신호를 검출할 수 있는 세포 자극 장치, 초음파 및 전기 자극 장치 및 초음파 및 전기 자극 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
인간 및 동물의 기계 반응 조직에 포함된 세포의 경우 인장력, 전단력, 압축력 등과 같은 다양한 기계적 자극에 노출되어 있으며, 따라서 관절 연골 조직의 경우 반복적인 기계적 자극은 관절염과 같은 질병의 원인이 될 수 있다. 이에, 최근 들어 기계적 자극이 유발하는 세포 반응에 대한 연구가 주목 받고 있다.
아울러, 줄기세포로부터 인간 및 동물에 대한 대체 조직(replacement tissue), 특히 기계-반응 조직의 경우, 완전한 기능을 가지는 조직으로 줄기세포를 분화시키기 위해서는 줄기세포를 배양하는 동안 배양 중인 세포에 기계적 자극을 인가하는 것이 필요하다. 이 경우 세포에 인가되는 자극의 정도는 세포의 유형 및 분화시키고자 하는 조직의 종류에 따라 다양할 수 있다.
세포 반응의 연구 및 줄기세포 분화를 위해 세포를 자극하는 연구가 수행되어 왔다. 예를 들면, 한국 특허출원번호 제10-2011-0059156호에는 성체 줄기세포를 위한 초음파 자극형 관류식 배양시스템에 대해 개시되어 있고, 한국 특허출원번호제10-2007-0072023호에는 저강도 초음파를 이용하여 조직 및 세포에서 중간엽 줄기세포를 효율적으로 분리 증식하는 방법에 대해 개시되어 있다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
일 실시예에 따른 목적은 초음파 자극부(pMUT 요소) 및 전기 자극부(전극 요소)가 일체형으로 마련되어, 생체 물질에 대하여 초음파 자극 및 전기 자극을 독립적으로 또는 선택적으로 제공할 수 있고, 전극 요소가 생체 물질에서 발생된 전기 신호를 검출할 수 있는 세포 자극 장치, 초음파 및 전기 자극 장치 및 초음파 및 전기 자극 장치의 제조 방법을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 초음파 자극부(pMUT 요소) 및 전기 자극부(전극 요소)가 돔 형태로 마련되어, pMUT 요소에서 발생된 초음파 자극의 집속 효율 및 강도가 향상되고, 생체 물질이 전극 요소 상에 안정적으로 정렬될 수 있는 세포 자극 장치, 초음파 및 전기 자극 장치 및 초음파 및 전기 자극 장치의 제조 방법을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 초음파 자극부(pMUT 요소) 및 전기 자극부(전극 요소)가 어레이 형태로 마련되는 경우, 적어도 하나의 생체 물질에 대하여 다양한 실험을 빠르게 수행할 수 있는 세포 자극 장치, 초음파 및 전기 자극 장치 및 초음파 및 전기 자극 장치의 제조 방법을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 절연 물질의 변경을 통해서 초음파의 감쇠 또는 초음파 조사 효율을 조절할 수 있고, 초음파의 감쇠를 최소화하면서 자극 대상에 대하여 정확하게 초음파를 조사할 수 있는 세포 자극 장치, 초음파 및 전기 자극 장치 및 초음파 및 전기 자극 장치의 제조 방법을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 소형화되고, 보다 간편하게 자극 및 신호 검출을 수행할 수 있는 세포 자극 장치, 초음파 및 전기 자극 장치 및 초음파 및 전기 자극 장치의 제조 방법을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 MEMS 공정을 이용하여 pMUT 요소 및 전극 요소의 크기(축소 또는 확장) 및 디자인을 다양하게 제조할 수 있는 세포 자극 장치, 초음파 및 전기 자극 장치 및 초음파 및 전기 자극 장치의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 세포 자극 장치는, 인가된 전압에 의해서 초음파를 발생시키는 pMUT 요소; 및 상기 pMUT 요소의 상부에 배치되는 전극 요소;를 포함하고, 상기 전극 요소 상에 생체 물질이 배치되고, 상기 pMUT 요소에서 발생된 초음파가 상기 전극 요소를 통해서 상기 생체 물질에 전달되어, 상기 생체 물질에 초음파 자극이 제공될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 전극 요소는 상기 생체 물질에 대하여 전기 자극을 제공하고, 상기 초음파 자극 또는 상기 전기 자극에 의해서 상기 생체 물질에서 발생된 신호를 검출할 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 pMUT 요소 및 상기 전극 요소는 일체형으로 마련되고, 상기 pMUT 요소 및 상기 전극 요소는 서로 매칭되도록 상하 방향으로 정렬될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 pMUT 요소 및 상기 전극 요소는 돔 형태로 마련되어, 상기 pMUT 요소에서 발생된 초음파가 상기 전극 요소 상에 배치된 생체 물질을 향하여 집속되고, 상기 전극 요소의 오목한 표면 상에 상기 생체 물질이 유지될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 pMUT 요소 및 상기 전극 요소 사이에는 절연 물질이 코팅되어, 상기 pMUT 요소 및 상기 전극 요소가 개별적으로 구동될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 pMUT 요소 및 상기 전극 요소는 복수 개로 마련되고, 복수 개의 pMUT 요소 및 복수 개의 전극 요소는 각각 어레이 형태로 마련되될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 복수 개의 전극 요소 상에 복수 개의 생체 물질이 배치되어, 상기 복수 개의 pMUT 요소 및 상기 복수 개의 전극 요소에 의해서 상기 복수 개의 생체 물질에 대하여 개별적으로 초음파 자극 또는 전기 자극이 제공될 수 있다.
일 측에 의하면, 개방된 양단부를 포함하고 상기 전극 요소의 상부에 배치되는 웰 요소를 더 포함하고, 상기 웰 요소의 개방된 상단을 통해 상기 전극 요소 상에 상기 생체 물질이 주입될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 초음파 및 전기 자극 장치는, 자극 대상에 대하여 초음파 자극을 전달하는 초음파 자극부; 및 상기 초음파 자극부의 상부에 배치되어 상기 자극 대상에 대하여 전기 자극을 전달하는 전기 자극부;를 포함하고, 상기 자극 대상은 상기 전기 자극부 상에 배치되고, 상기 초음파 자극부에서 발생된 초음파 자극은 상기 전기 자극부를 통해서 상기 자극 대상에 전달되며, 상기 전기 자극부는 상기 초음파 자극 또는 상기 전기 자극에 의해서 상기 자극 대상에서 발생된 신호를 검출할 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 초음파 자극부 및 상기 전기 자극부 사이에는 절연 물질로 코팅되어, 상기 초음파 자극부 및 상기 전기 자극부가 독립적으로 구동될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 초음파 자극부는 pMUT 요소 또는 pMUT 어레이로 마련되고, 상기 전기 자극부는 전극 요소 또는 다채널 전극(multi-electrode array)으로 마련될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 초음파 및 전기 자극 장치의 제조 방법은, 기판이 제공되는 단계; 상기 기판의 상면에 pMUT 어레이가 형성되는 단계; 상기 pMUT 어레이 상에 절연 물질이 증착되는 단계; 상기 절연 물질 상에 다채널 전극이 증착되는 단계; 및 상기 기판의 후면이 식각되는 단계;를 포함하고, 상기 기판의 후면이 식각되는 단계에서 상기 pMUT 어레이가 박막 형태로 될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 pMUT 어레이는 복수 개의 pMUT 요소를 포함하고, 상기 다채널 전극은 복수 개의 전극 요소를 포함하며, 상기 복수 개의 pMUT 요소 및 상기 복수 개의 전극 요소는 상기 절연 물질을 사이에 두고 서로 매칭되도록 상하 방향으로 정렬될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 복수 개의 pMUT 요소 및 상기 복수 개의 전극 요소는 평면 형태로 마련되고, 상기 복수 개의 pMUT 요소 및 상기 복수 개의 전극 요소 사이에서 상기 절연 물질이 연속적으로 증착될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 복수 개의 pMUT 요소 및 상기 복수 개의 전극 요소는 돔 형태로 마련되고, 상기 복수 개의 pMUT 요소 및 상기 복수 개의 전극 요소 사이에서 상기 절연 물질이 단속적으로 증착될 수 있다.
일 실시예에 따른 세포 자극 장치, 초음파 및 전기 자극 장치 및 초음파 및 전기 자극 장치의 제조 방법에 의하면, 초음파 자극부(pMUT 요소) 및 전기 자극부(전극 요소)가 일체형으로 마련되어, 생체 물질에 대하여 초음파 자극 및 전기 자극을 독립적으로 또는 선택적으로 제공할 수 있고, 전극 요소가 생체 물질에서 발생된 전기 신호를 검출할 수 있다.
일 실시예에 따른 세포 자극 장치, 초음파 및 전기 자극 장치 및 초음파 및 전기 자극 장치의 제조 방법에 의하면, 초음파 자극부(pMUT 요소) 및 전기 자극부(전극 요소)가 돔 형태로 마련되어, pMUT 요소에서 발생된 초음파 자극의 집속 효율 및 강도가 향상되고, 생체 물질이 전극 요소 상에 안정적으로 정렬될 수 있다.
일 실시예에 따른 세포 자극 장치, 초음파 및 전기 자극 장치 및 초음파 및 전기 자극 장치의 제조 방법에 의하면, 초음파 자극부(pMUT 요소) 및 전기 자극부(전극 요소)가 어레이 형태로 마련되는 경우, 적어도 하나의 생체 물질에 대하여 다양한 실험을 빠르게 수행할 수 있다.
일 실시예에 따른 세포 자극 장치, 초음파 및 전기 자극 장치 및 초음파 및 전기 자극 장치의 제조 방법에 의하면, 절연 물질의 변경을 통해서 초음파의 감쇠 또는 초음파 조사 효율을 조절할 수 있고, 초음파의 감쇠를 최소화하면서 자극 대상에 대하여 정확하게 초음파를 조사할 수 있다.
일 실시예에 따른 세포 자극 장치, 초음파 및 전기 자극 장치 및 초음파 및 전기 자극 장치의 제조 방법에 의하면, 소형화되고, 보다 간편하게 자극 및 신호 검출을 수행할 수 있다.
일 실시예에 따른 세포 자극 장치, 초음파 및 전기 자극 장치 및 초음파 및 전기 자극 장치의 제조 방법에 의하면, MEMS 공정을 이용하여 pMUT 요소 및 전극 요소의 크기(축소 또는 확장) 및 디자인을 다양하게 제조할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 세포 자극 장치를 도시한다.
도 2는 도 1의 pMUT 요소 및 전극 요소가 어레이 형태로 마련된 모습을 도시한다.
도 3은 도 1에서 전극 요소의 상부에 웰 요소가 배치된 모습을 도시한다.
도 4는 다른 실시예에 따른 세포 자극 장치를 도시한다.
도 5는 도 4의 pMUT 요소 및 전극 요소가 어레이 형태로 마련된 모습을 도시한다.
도 6은 일 실시예에 따른 초음파 및 전기 자극 장치를 도시한다.
도 7은 일 실시예에 따른 초음파 및 전기 자극 장치의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 8a 내지 8h는 일 실시예에 따른 초음파 및 전기 자극 장치의 제조 공정을 도시한다.
이하, 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시예에 기재한 설명은 다른 실시예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 세포 자극 장치를 도시하고, 도 2는 도 1의 pMUT 요소 및 전극 요소가 어레이 형태로 마련된 모습을 도시하고, 도 3은 도 1에서 전극 요소의 상부에 웰 요소가 배치된 모습을 도시하고, 도 4는 다른 실시예에 따른 세포 자극 장치를 도시하고, 도 5는 도 4의 pMUT 요소 및 전극 요소가 어레이 형태로 마련된 모습을 도시한다.
도 1 및 2를 참조하여, 일 실시예에 따른 세포 자극 장치(10)는 pMUT 요소(100), 전극 요소(110) 및 절연 물질(120)을 포함할 수 있다.
상기 pMUT 요소(100)는 인가된 전압에 의해서 초음파를 발생시킬 수 있는 초음파 트랜스듀서의 일종으로서, MEMS 기술을 이용하여 제작될 수 있다.
특히, 도 2를 참조하여, pMUT 요소(100)는 기판(101), 산화실리콘(102), 하부 전극(103), 압전 물질(104) 및 상부 전극(105)을 포함할 수 있다.
이때, pMUT 요소(100)는 평면 형태로 마련될 수 있으며, pMUT 요소(100)에 전압이 인가되는 경우, 평면파 형태의 초음파가 pMUT 요소(100)의 상부에 배치된 전극 요소(110)를 향하여 전달될 수 있다.
이에 의해서 전극 요소(110)의 상부에 배치된 생체 물질(bio-sample; A), 예를 들어 신경세포와 뇌 절편 등을 포함한 생체 조직 및 세포에 대하여 초음파 자극, 물리적 자극 또는 기계적 자극을 제공할 수 있다.
전술된 바와 같이, pMUT 요소(100)의 상부에는 전극 요소(110)가 배치될 수 있다.
이때, 전극 요소(110)는 금, 백금 등을 포함한 금속 박막으로 제작될 수 있고, pMUT 요소(100)와 동일하게 평면 형태로 마련될 수 있다.
상기 전극 요소(110)의 상부에는 세포를 포함하는 생체 물질(A)이 배치될 수 있고, 전극 요소(110)에 인가되는 전압에 의해서 생체 물질(A)에 전기 자극을 제공할 수 있다.
또한, pMUT 요소(100)에서 초음파가 발생되는 경우, pMUT 요소(100)에서 발생된 초음파에 의한 초음파 자극이 전극 요소(110)를 통하여 생체 물질(A)에 제공될 수 있다.
한편, 전극 요소(110)는 초음파 자극 또는 전기 자극에 의해서 생체 물질(A)에서 발생된 신호를 검출할 수 있다. 이때, 생체 물질(A)로부터 검출된 전기 신호에 의해서 초음파 자극 또는 전기 자극에 의해서 생체 물질(A)에서 발생된 변화를 확인할 수 있다.
상기 절연 물질(120)은 전술된 pMUT 요소(100) 및 전극 요소(110) 사이에 배치될 수 있다.
예를 들어, 절연 물질(120)은 parylene 구조체 등을 포함할 수 있고, 1㎜의 두께를 구비할 수 있다. 그러나, 절연 물질(120)의 재질 또는 두께는 이에 국한되지 아니하며, 초음파의 감쇠 정도 또는 사용 목적에 따라서 다양하게 구성될 수 있음은 당연하다.
이때, pMUT 요소(100) 및 전극 요소(110)는 절연 물질(120)을 사이에 두고 서로 매칭되도록 상하 방향으로 정렬될 수 있고, 절연 물질(120)에 의해서 pMUT 요소(100) 및 전극 요소(110)가 일체형으로 마련될 수 있다. 이에 의해서 pMUT 요소(100)로부터 발생된 초음파의 감쇠를 최소화하여 초음파의 조사 효율을 높여서 생체 물질(A)에 대하여 정확하게 전달할 수 있다.
또한, 절연 물질(120)에 의해서 pMUT 요소(100) 및 전극 요소(110)가 개별적으로 구동될 수 있다.
구체적으로 도시되지는 않았으나, pMUT 요소(100) 및 전극 요소(110)에는 적어도 하나의 전압 인가 장치(미도시)가 연결될 수 있다. 예를 들어, 하나의 전압 인가 장치에 pMUT 요소(100) 및 전극 요소(110)가 모두 연결되거나, 하나의 전압 인가 장치에 pMUT 요소(100)가 연결되고 다른 하나의 전압 인가 장치에 전극 요소(110)가 연결될 수 있다.
전술된 바와 같이 pMUT 요소(100) 및 전극 요소(110)가 개별적으로 구동되므로, 전극 요소(110)의 상부에 배치된 생체 물질(A)에 대하여 초음파 자극을 제공하거나, 전기 자극을 제공하거나, 초음파 자극 및 전기 자극을 제공할 수 있다. 이와 같이 생체 물질(A)에 대하여 초음파 자극 및 전기 자극을 독립적으로 제공할 수 있으며, 초음파 자극 및 전기 자극을 동시적으로 또는 순차적으로 제공할 수 있다.
또한, 전극 요소(110)에서 초음파 자극 또는 전기 자극에 의해서 생체 물질(A)에 발생된 신호를 검출하므로, 전극 요소(110)는 생체 물질(A)에 대하여 초음파 자극이 제공된 경우, 생체 물질(A)에 대하여 전기 자극이 제공된 경우, 또는 생체 물질(A)에 대하여 초음파 자극 또는 전기 자극이 제공된 경우, 생체 물질(A)로부터 발생된 신호를 검출할 수 있다.
더 나아가서, pMUT 요소(100)에서는 생체 물질(A)에 초음파 자극을 제공하고, 전극 요소(110)에서는 생체 물질(A)에서 발생된 신호를 검출할 수 있어, 생체 물질(A)에 대한 초음파 자극 및 신호 검출이 동시적으로 수행될 수 있다.
또는, 전극 요소(110)에서 생체 물질(A)에 전기 자극을 제공한 후에, 전극 요소(110)에서 생체 물질(A)에서 발생된 신호를 검출할 수 있다.
특히, 도 2를 참조하여, pMUT 요소(100) 및 전극 요소(110)는 복수 개로 마련될 수 있다.
다시 말해서, pMUT 요소(100) 및 전극 요소(110)는 어레이 형태로 마련될 수 있고, 특히 어레이 형태의 전극 요소(110)는 다채널 전극(multi-electrode array(MEA))으로 마련될 수 있다.
이때, 복수 개의 pMUT 요소(100) 및 복수 개의 전극 요소(110)는 서로 이격 배치될 수 있으며, 복수 개의 pMUT 요소(100) 및 복수 개의 전극 요소(110) 사이에 절연 물질(120)이 연속적으로 코팅될 수 있다.
또한, 복수 개의 pMUT 요소(100) 및 복수 개의 전극 요소(110)가 평면 형태로 마련되어, 복수 개의 pMUT 요소(100)에서 각각 발생된 초음파가 평면 형태로 복수 개의 전극 요소(110)을 통해서 생체 물질(A)에 전달될 수 있다.
이때, 복수 개의 pMUT 요소(100)가 절연 물질(120)에 의해서 절연되므로, 복수 개의 pMUT 요소(100)가 개별적으로 구동될 수 있다. 그리고 복수 개의 전극 요소(110) 또한 절연 물질(120)에 의해서 절연되므로, 복수 개의 전극 요소(110) 또한 개별적으로 구동될 수 있다.
한편, 복수 개의 전극 요소(110)의 상부에는 서로 동일한 생체 물질(A) 또는 서로 다른 생체 물질(A)이 배치될 수 있다.
이에 의해서 복수 개의 전극 요소(110)의 상부에 배치된 생체 물질(A) 중 하나에는 초음파 자극을 제공한 다음 생체 물질(A)로부터 전기 신호를 검출하고, 복수 개의 전극 요소(110)의 상부에 배치된 생체 물질(A) 중 다른 하나에는 전기 자극을 제공한 다음 생체 물질(A)로부터 전기 신호를 검출하고, 복수 개의 전극 요소(110)의 상부에 배치된 생체 물질(A) 중 또 다른 하나에는 초음파 자극 및 전기 자극을 제공한 다음 생체 물질(A)로부터 전기 신호를 검출할 수 있다.
이와 같이 일 실시예에 따른 세포 자극 장치(10)는 서로 동일한 생체 물질(A) 또는 서로 다른 생체 물질(A)에 대하여 초음파 자극 및 전기 자극을 이용하여 더욱 다양한 실험을 빠르게 수행할 수 있다.
또한, 도 3을 참조하여, 전극 요소(110)의 상부 또는 절연 물질(120)의 상부에는 웰 요소(130)가 배치될 수 있다.
상기 웰 요소(130)는 개방된 양단부를 구비할 수 있고, 웰 요소(130)의 개방된 상단을 통해서 생체 물질(A)이 주입될 수 있다. 이때, 웰 요소(130) 내에서 생체 물질(A)이 배양될 수 있다.
도 3에는 웰 요소(130)가 절연 물질(120)의 상부에 배치된 것으로 도시되었으나, 웰 요소(130)가 전극 요소(110)의 상부에 배치될 수 있음은 당연하다.
다시 말해서, 웰 요소(130)는 전극 요소(110)의 상부에 생체 물질(A)을 배치하고 생체 물질(A)에 대하여 초음파 자극 또는 전기 자극이 정확하게 전달되도록 전극 요소(110)의 상부에 생체 물질(A)이 안정적으로 유지하게 할 수 있다면 어느 것이든지 가능하다.
특히, 도 4 또는 5를 참조하여, 다른 실시예에 따른 세포 자극 장치(20)는 pMUT 요소(200), 전극 요소(210) 및 절연 물질(220)을 포함할 수 있다.
상기 pMUT 요소(200), 전극 요소(210) 및 절연 물질(220)은 일 실시예에 따른 세포 자극 장치(10)의 pMUT 요소(100), 전극 요소(110) 및 절연 물질(120)에 대응되나, pMUT 요소(200), 전극 요소(210) 및 절연 물질(220)이 돔 형태로 마련된다는 점에서 차이점이 있다.
구체적으로, pMUT 요소(200)는 기판(201), 산화실리콘(202), 하부 전극(203), 압전 물질(204) 및 상부 전극(205)을 포함할 수 있다.
이때, pMUT 요소(200)는 돔 형태로 마련될 수 있다. 특히, 산화실리콘(202), 하부 전극(203), 압전 물질(204) 및 상부 전극(205)이 기판(201)을 향하여 볼록하게 형성되어, 생체 물질(A)이 배치되는 pMUT 요소(200)의 상면이 오목하게 형성될 수 있다.
또한, pMUT 요소(200)의 상부에 전극 요소(210) 또한 돔 형태로 마련될 수 있고, 전극 요소(210)의 오목한 표면 상에 생체 물질(A)이 배치될 수 있다.
한편, pMUT 요소(200) 및 전극 요소(210) 사이에 절연 물질(220)이 코팅될 수 있고, 절연 물질(220) 또한 돔 형태로 마련될 수 있다. 그러나, 절연 물질(220)의 형태는 pMUT 요소(200) 및 전극 요소(210)를 전기적으로 절연시키면서, pMUT 요소(200)에서 발생된 초음파를 전극 요소(210) 상에 배치된 생체 물질(A)에 전달할 수 있다면 어느 것이든지 가능하다.
전술된 바와 같이 pMUT 요소(200) 및 전극 요소(210)가 돔 형태로 마련된 경우, pMUT 요소(200)에서 발생된 초음파가 전극 요소(210) 상에 배치된 생체 물질(A)를 향하여 집속되어, 생체 물질(A)에 대한 초음파의 집속 효율 및 강도가 향상될 수 있다. 그리고 별도의 웰 요소(도 3의 130) 없이도 전극 요소(210) 상에 생체 물질(A)이 안정적으로 유지되고 정렬될 수 있다.
특히, 도 5를 참조하여, pMUT 요소(200) 및 전극 요소(210)는 복수 개로 마련될 수 있다.
다시 말해서, pMUT 요소(200) 및 전극 요소(210)는 어레이 형태로 마련될 수 있고, 특히 어레이 형태의 전극 요소(210)는 다채널 전극(multi-electrode array(MEA))으로 마련될 수 있다.
이때, 복수 개의 pMUT 요소(200) 및 복수 개의 전극 요소(210)는 서로 이격 배치될 수 있으며, 복수 개의 pMUT 요소(200) 및 복수 개의 전극 요소(210) 사이에 절연 물질(220)이 단속적으로 코팅될 수 있다.
또한, 복수 개의 pMUT 요소(200) 및 복수 개의 전극 요소(210)가 돔 형태로 마련되어, 복수 개의 pMUT 요소(200)에서 각각 발생된 초음파가 집속 형태로 복수 개의 전극 요소(210)을 통해서 생체 물질(A)에 전달될 수 있다.
이때, 복수 개의 pMUT 요소(200)가 절연 물질(220)에 의해서 절연되므로, 복수 개의 pMUT 요소(200)가 개별적으로 구동될 수 있다. 그리고 복수 개의 전극 요소(210) 또한 절연 물질(220)에 의해서 절연되므로, 복수 개의 전극 요소(210) 또한 개별적으로 구동될 수 있다.
한편, 복수 개의 전극 요소(210)의 상부에는 서로 동일한 생체 물질(A) 또는 서로 다른 생체 물질(A)이 배치될 수 있다.
이에 의해서 복수 개의 전극 요소(210)의 상부에 배치된 생체 물질(A) 중 하나에는 초음파 자극을 제공한 다음 생체 물질(A)로부터 전기 신호를 검출하고, 복수 개의 전극 요소(210)의 상부에 배치된 생체 물질(A) 중 다른 하나에는 전기 자극을 제공한 다음 생체 물질(A)로부터 전기 신호를 검출하고, 복수 개의 전극 요소(210)의 상부에 배치된 생체 물질(A) 중 또 다른 하나에는 초음파 자극 및 전기 자극을 제공한 다음 생체 물질(A)로부터 전기 신호를 검출할 수 있다.
이와 같이 다른 실시예에 따른 세포 자극 장치(20)는 서로 동일한 생체 물질(A) 또는 서로 다른 생체 물질(A)에 대하여 초음파 자극 및 전기 자극을 이용하여 더욱 다양한 실험을 빠르게 수행할 수 있고, 초음파의 집속 효율 또는 강도를 향상시키면서 복수 개의 전극 요소(210) 상에 생체 물질(A)을 용이하게 정렬시킬 수 있다.
이상 일 실시예에 따른 세포 자극 장치 및 다른 실시예에 따른 세포 자극 장치에 대하여 설명되었으며, 이하에서는 초음파 및 전기 자극 장치에 대하여 설명된다.
도 6은 일 실시예에 따른 초음파 및 전기 자극 장치를 도시한다.
도 6을 참조하여, 일 실시예에 따른 초음파 및 전기 자극 장치(30)는 초음파 자극부(300), 전기 자극부(310) 및 절연 물질(330)을 포함할 수 있다.
상기 초음파 자극부(300)는 자극 대상에 대하여 초음파 자극을 전달할 수 있고, 상기 전기 자극부(310)는 초음파 자극부(300)의 상부에 배치되어, 전기 자극부(310)의 상부에 배치된 자극 대상에 대하여 전기 자극을 전달할 수 있다.
이때, 자극 대상은 초음파 자극 또는 전기 자극이 요구되는 대상체라면 어느 것이든지 가능하고, 초음파 및 전기 자극 장치(30)는 의료 기기 등으로 구성될 수 있다.
또한, 초음파 자극부(300)는 pMUT 요소 또는 pMUT 어레이로 마련되고, 전기 자극부(310)는 전극 요소 또는 다채널 전극(multi-electrode array)으로 마련될 수 있다.
게다가, 초음파 자극부(300) 및 전기 자극부(310) 사이에 절연 물질(330)이 코팅되어, 초음파 자극부(300) 및 전기 자극부(310)가 독립적으로 구동될 수 있다.
구체적으로, 초음파 자극부(300)에서 발생된 초음파 자극은 전기 자극부(310)를 통해서 자극 대상에 전달되고, 전기 자극부(310)에서는 자극 대상에 대하여 전기 자극을 제공하거나 자극 대상에서 발생된 전기 신호를 검출할 수 있다.
이와 같이 일 실시예에 따른 초음파 및 전기 자극 장치는, 초음파 자극부 및 전기 자극부가 일체형으로 마련되어, 초음파 자극 및 전기 자극을 동시에 제공할 뿐만 아니라 전기 자극부를 통해서 전기 신호를 검출까지 가능하여 다양하게 적용될 수 있다. 다시 말해서, 보다 간편하게 자극 및 신호 검출을 수행할 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 초음파 및 전기 자극 장치의 제조 방법을 나타내는 순서도이고, 도 8a 내지 8h는 일 실시예에 따른 초음파 및 전기 자극 장치의 제조 공정을 도시한다.
도 7 또는 8을 참조하여, 일 실시예에 따른 초음파 및 전기 자극 장치가 다음과 같이 제조될 수 있다.
그러나, 일 실시예에 따른 세포 자극 장치 및 다른 실시예에 따른 세포 자극 장치 또한 동일한 방법으로 제조될 수 있다.
우선, 기판이 제공된다(S10).
구체적으로, 도 8a에 도시된 바와 같이, 기판(101)의 상면에 산화실리콘(102)을 형성하여, 예를 들어 실리콘 SOI(Silicon on insulator) 웨이퍼를 형성한다.
그런 다음에, 기판의 상면에 pMUT 어레이가 형성된다(S20).
구체적으로, 도 8b에 도시된 바와 같이, 산화실리콘(102)의 상면에 하부 전극(103)을 증착하고, 도 8c에 도시된 바와 같이, 하부 전극(103)의 상면에 압전 물질(104)을 증착하고, 도 8d에 도시된 바와 같이, 압전 물질(104)의 상면에 상부 전극(105)을 증착한다.
이어서, pMUT 어레이 상에 절연 물질이 증착된다(S30).
구체적으로, 도 8e에 도시된 바와 같이, pMUT 어레이, 구체적으로 기판(101), 산화실리콘(102), 하부 전극(103), 압전 물질(104) 및 상부 전극(105)를 모두 덮도록 절연 물질(120)이 코팅된다.
그런 다음, 절연 물질 상에 다채널 전극이 증착된다(S40).
구체적으로, 도 8f에 도시된 바와 같이, 절연 물질(120) 상에 다채널 전극(110)이 증착된다. 이때 다채널 전극(110)은 절연 물질(120)을 사이에 두고 pMUT 어레이와 서로 매칭되도록 상하 방향으로 정렬될 수 있다.
마지막으로, 기판의 후면이 식각된다(S50).
구체적으로, 도 8g에 도시된 바와 같이, 기판(101)의 후면에 마스크(M)가 증착되고, 도 8h에 도시된 바와 같이, 기판(101)의 후면에서 마스크(M)가 증착되지 않은 부분이 식각된다.
이에 의해서, pMUT 어레이가 박막 형태로 될 수 있다.
특히, pMUT 어레이는 복수 개의 pMUT 요소를 포함하고, 다채널 전극은 복수 개의 전극 요소를 포함할 수 있다.
이때, 도 2를 더 참조하여, 복수 개의 pMUT 요소 및 상기 복수 개의 전극 요소가 평면 형태로 마련된 경우, 복수 개의 pMUT 요소 및 복수 개의 전극 요소 사이에서 절연 물질이 연속적으로 증착될 수 있다.
또한, 도 5를 더 참조하여, 복수 개의 pMUT 요소 및 복수 개의 전극 요소는 돔 형태로 마련된 경우, 복수 개의 pMUT 요소 및 복수 개의 전극 요소 사이에서 절연 물질이 단속적으로 증착될 수 있다.
이와 같이 일 실시예에 따른 초음파 및 전기 자극 장치의 제조 방법에 의해서, MEMS 공정을 이용하여 pMUT 요소 및 전극 요소의 크기(축소 또는 확장) 및 디자인을 다양하게 제조할 수 있다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
10, 20: 세포 자극 장치
100, 200: pMUT 요소
110, 210: 전극 요소
120, 220: 절연 물질
130: 웰 요소

Claims (15)

  1. 초음파를 발생시키도록 구성된 pMUT 요소;
    상기 pMUT 요소의 상부에 배치되고 전기 자극을 발생시키도록 구성된 전극 요소; 및
    상기 pMUT 요소 및 상기 전극 요소 사이에 배치되고 상기 pMUT 요소 및 상기 전극 요소를 전기적으로 절연시키도록 구성된 절연 물질;
    을 포함하고,
    상기 절연 물질에 의해 상기 pMUT 요소 및 상기 전극 요소가 일체형으로 형성되고,
    상기 전극 요소 위에 생체 물질이 배치되고, 상기 생체 물질에 초음파 자극과 전기 자극이 모두 또는 선택적으로 제공되도록, 상기 전극 요소는 상기 생체 물질에 상기 전기 자극을 제공하도록 구성되거나, 상기 pMUT 요소는 상기 전극 요소를 통해 상기 생체 물질에 초음파 자극을 제공하도록 구성된 자극 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극 요소는 상기 생체 신호로부터 발생하는 신호를 검출하도록 구성되는 자극 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 pMUT 요소는, 기판과, 상기 기판 위에 설치되는 산화실리콘과, 상기 산화실리콘 위에 설치되는 하부 전극과, 상기 하부 전극 위에 설치되는 압전 물질과, 상기 압전 물질 위에 설치되는 상부 전극을 포함하고,
    상기 하부 전극, 상기 압전 물질 및 상기 상부 전극은 상기 절연 물질에 의해 덮이도록 구성되는 자극 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 절연 물질 및 상기 전극 요소는 상기 산화실리콘, 상기 하부 전극, 상기 압전 물질 및 상기 상부 전극과 함께 상기 기판을 향해 볼록하게 형성되고, 상기 생체 물질이 상기 전극 요소의 오목한 부분에 배치되는 자극 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 절연 물질의 상부에 설치되고 상기 생체 물질을 수용하도록 구성된 웰 요소를 더 포함하는 자극 장치.
  6. 초음파를 발생시키도록 구성된 복수 개의 pMUT 요소;
    상기 복수 개의 pMUT 요소의 상부에 배치되고 전기 자극을 발생시키도록 구성된 복수 개의 전극 요소; 및
    상기 복수 개의 pMUT 요소 및 상기 복수 개의 전극 요소 사이에 배치되고 상기 복수 개의 pMUT 요소 및 상기 복수 개의 전극 요소를 전기적으로 절연시키도록 구성된 절연 물질;
    을 포함하고,
    상기 절연 물질에 의해 상기 복수 개의 pMUT 요소 및 상기 복수 개의 전극 요소가 일체형으로 형성되고,
    상기 복수 개의 전극 요소 위에 복수 개의 생체 물질이 배치되고, 상기 복수 개의 생체 물질에 초음파 자극과 전기 자극이 모두 또는 선택적으로 제공되도록 상기 복수 개의 전극 요소는 상기 복수 개의 생체 물질에 전기 자극을 각각 제공하도록 구성되거나, 상기 복수 개의 pMUT 요소는 상기 복수 개의 전극 요소를 통해 상기 복수 개의 생체 물질에 초음파 자극을 각각 제공하도록 구성된 자극 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수 개의 pMUT 요소는 서로 이격되게 배치되고, 상기 복수 개의 전극 요소는 서로 이격되게 배치되고, 상기 복수 개의 pMUT 요소 및 상기 복수 개의 전극 요소는 어레이 형태로 형성되는 자극 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 복수 개의 pMUT 요소 및 상기 복수 개의 전극 요소는 각각 개별적으로 구동되도록 구성되는 자극 장치.
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