KR102196461B1 - 에피형 인공망막 장치 - Google Patents

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KR102196461B1
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Abstract

에피형 인공망막 장치가 개시되며, 본원의 일 실시예에 따른 에피형 인공망막 장치는 하측으로부터 광이 입사되고 망막 자극을 위한 전극이 상측으로 돌출되어 대상자의 망막 자극 부위에 접속되도록 대상자의 상망막 부위에 배치될 수 있고, 본원의 일 실시예에 따른 에피형 인공망막 장치는 하측으로부터 입사되는 광을 수신하여 양의 공급전압, 음의 공급전압 및 접지전압을 제공하는 복수의 단위 파워 다이오드를 포함하는 파워 다이오드 어레이 및 하측으로부터 입사되는 광을 센싱하여 전류를 생성하고, 생성된 전류에 기초하여 상기 망막 자극을 위한 전극을 통해 상기 대상자의 망막 자극 부위와 연계된 시신경을 자극하는 복수의 단위 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이를 포함할 수 있다.

Description

에피형 인공망막 장치{EPIRETINAL ARTIFICIAL RETINAL DEVICE}
본원은 에피형 인공망막 장치에 관한 것이다. 특히, 본원은 단일 반도체 칩으로 구현 가능한 에피형 인공망막 장치에 관한 것이다.
망막 내의 빛을 감지하는 광수용체 세포(photoreceptor cell)가 노인성 황반 퇴화 혹은 망막 색소 변성증 같은 여러 요인들로 인하여 기능을 상실하게 되면, 시력을 잃게 될 수 있다. 한번 시력을 잃게 되면 약물이나 수술적 요법으로서는 회복이나 치료가 불가능한 실정이다. 다만, 광수용체 세포(photoreceptor cell)를 제외한 신경망이 동작하는 경우에는 망막 내에 삽입된 전극을 통하여 전기 신호를 인가하여 신경계를 자극하는 방식으로, 시력을 잃은 사람들이 어느 정도의 시각기능(큰 글씨 구분, 형체 구분 등)을 가능하게 하는데 성공하였는데, 이를 인공망막 기술이라고 한다.
현재 인공망막은 몇몇 기업들에 의해 상용화가 개시되고 있으며, 인공망막을 이식받은 환자들은 전술한 수준의 제한적인 시각 기능을 되찾게 되었다. 하지만 높은 복잡성, 제작비용, 그리고 수술의 위험성과 난이도 때문에 인공망막 이실을 위해서는 매우 높은 비용이 요구되며, 사실상 대다수의 일반 환자들에게는 적용되기 어려운 상황이다.
또한, 인공망막은 전극의 삽입위치에 따라 그 종류가 나뉜다. 대표적으로 상망막(epi-retinal)구조와 망막하(sub-retinal) 구조로 구분될 수 있고, 각 유형에 따라 전체적인 인공망막 시스템의 설계가 달라진다. 여기서, 상망막(epi-retinal) 구조의 인공망막은 에피형 인공망막으로, 망막하(sub-retinal) 구조의 인공망막은 서브형 인공망막으로 지칭될 수 있다.
도 1은 종래의 서브형 인공망막 장치 및 종래의 에피형 인공망막 장치를 설명하기 위한 개략적인 개념도이다. 특히, 도 1의 (a)는 종래의 서브형 인공망막 장치를 설명하기 위한 개략적인 개념도이고, 도 1의 (b)는 종래의 에피형 인공망막 장치를 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 1의 (a)를 참조하면, 망막하 구조의 인공망막(서브형 인공망막)은 망막하 위치에 이미지 센서와 전극을 삽입하여, 센싱과 자극을 동시에 수행하며, 전원 공급을 위해 신체 외부로 전선을 빼서 귀 뒤쪽에서 전원을 공급하는 시스템을 부착하는 방식이다. 종래의 망막하 구조의 인공망막의 경우 이미지 센서가 신체 내부에 위치하여 상망막 구조에 비하여 시스템 구성이 간단해지는 장점이 있지만, 망막하 구조에 칩을 위치시키는 수술의 난이도가 훨씬 높다는 단점이 있다.
도1의 (b)를 참조하면, 상망막 구조의 인공망막(에피형 인공망막)은 외부 안경에 달린 이미지 센서와 전원 공급부에서 무선으로 시각정보와 전력을 전송하고, 안구 바깥쪽 체내 삽입된 무선전력/정보 수신 시스템을 통해 전달 한 후, 상기 무선전력/정보수신 시스템과 유선으로 안구 내부를 따라 연결된 전극이 상망막에 부착되어 전기 자극을 인가하는 방식이다. 종래의 상망막 구조의 인공망막 장치는 안경 형상의 외부 안경 등의 별도 장치가 마련되어야 하고, 전력 또는 정보를 전송하기 위하여 안구 내부를 따라 접속된 유선 연결 체계가 별도로 설계되어야 하는 한계가 있다.
또한, 종래의 인공망막 칩의 경우, 칩의 상단에 빛이 인가되고, 표준 CMOS 집적회로 공정의 경우 전극은 칩의 상단 부위에 삽입될 수 밖에 없어, 표준 CMOS 공정을 사용하여 단일 칩으로 제작된 인공망막 칩은 망막하에 위치할 수 밖에 없었으며, 칩의 상단 부위에 위치하는 전극의 존재에 의해 광 센서가 빛에 노출되는 부위가 작아지고, 칩의 상단에 주로 배치되는 연결선들에 의하여 전력 생산을 위한 파워 다이오드가 빛에 노출되는 부위가 작아지고, 망막하에 인공망막 칩이 삽입됨으로써 인가되는 빛의 세기 자체가 작아지는 한계가 있었다.
본원의 배경이 되는 기술은 한국등록특허공보 제10-1209357호에 개시되어 있다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 별도의 안경 형상 등의 외부 장치나 전력 또는 정보를 전송하기 위한 유선 연결 체계게 구비될 필요 없이, 단일 칩 상에서 자가 구동 및 자극이 함께 수행될 수 있는 에피형 인공망막 장치를 제공하려는 것을 목적으로 한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 일 실시예에 따른 에피형 인공망막 장치는 하측으로부터 광이 입사되고 망막 자극을 위한 전극이 상측으로 돌출되어 대상자의 망막 자극 부위에 접속되도록 대상자의 상망막 부위에 배치될 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따른 에피형 인공망막 장치는 하측으로부터 입사되는 광을 수신하여 양의 공급전압, 음의 공급전압 및 접지전압을 제공하는 복수의 단위 파워 다이오드를 포함하는 파워 다이오드 어레이 및 하측으로부터 입사되는 광을 센싱하여 전류를 생성하고, 생성된 전류에 기초하여 상기 망막 자극을 위한 전극을 통해 상기 대상자의 망막 자극 부위와 연계된 시신경을 자극하는 복수의 단위 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이를 포함할 수 있다.
또한, 상기 단위 픽셀은, 상측으로 돌출되어 대상자의 망막 자극 부위의 제1 위치에 접속되는 제1 전극, 상측으로 돌출되어 대상자의 망막 자극 부위의 제2 위치에 접속되는 제2 전극, 하측으로부터 입사되는 광을 센싱하여 전류를 생성하는 픽셀 센서 및 상기 생성된 전류에 기초하여 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극에 상기 양의 공급전압 또는 상기 음의 공급전압을 인가하는 픽셀 자극기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 픽셀 자극기는, 상기 생성된 전류의 세기에 비례하는 주파수를 갖는 주파수 신호를 생성하는 발진기, 상기 주파수 신호에 기초하여 제1 스위치 제어 신호 또는 제2 스위치 제어 신호를 생성하는 스위치 신호 생성기, 상기 제1 스위치 제어 신호가 생성되는 경우, 상기 양의 공급전압을 상기 망막 자극 부위의 제1위치에 인가하도록 동작하는 제1 스위치, 상기 제2 스위치 제어 신호가 생성되는 경우, 상기 양의 공급전압을 상기 망막 자극 부위의 제2위치에 인가하도록 동작하는 제2 스위치, 상기 제2 스위치 제어 신호가 생성되는 경우, 상기 음의 공급전압을 상기 망막 자극 부위의 제1위치에 인가하도록 동작하는 제3 스위치 및 상기 제1 스위치 제어 신호가 생성되는 경우, 상기 음의 공급전압을 상기 망막 자극 부위의 제1위치에 인가하도록 동작하는 제4 스위치를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 스위치 제어 신호가 생성되는 경우, 상기 제1 전극에는 상기 양의 공급전압이 인가되고, 상기 제2 전극에는 상기 음의 공급전압이 인가되는 것일 수 있다.
또한, 상기 제2 스위치 제어 신호가 생성되는 경우, 상기 제1 전극에는 상기 음의 공급전압이 인가되고, 상기 제2 전극에는 상기 양의 공급전압이 인가되는 것일 수 있다.
또한, 상기 제1스위치 제어 신호가 생성되는 경우, 상기 망막 자극 부위의 제1위치에서 상기 망막 자극 부위의 제2위치를 향하여 흐르는 전류가 발생하여 상기 망막 자극 부위와 연계된 시신경이 자극될 수 있다.
또한, 상기 제2 스위치 제어 신호가 생성되는 경우, 상기 망막 자극 부위의 제2위치에서 상기 망막 자극 부위의 제1위치를 향하여 흐르는 전류가 발생하여 상기 망막 자극 부위와 연계된 시신경이 자극될 수 있다.
또한, 상기 스위치 신호 생성기는, 상기 주파수 신호에 기초하여 상기 제1 스위치 제어 신호 또는 상기 제2 스위치 제어 신호를 교대로 생성할 수 있다.
또한, 상기 주파수 신호에 기초하여 상기 제1스위치 내지 상기 제4스위치가 모두 개방되도록 제어하는 휴지 신호를 생성할 수 있다.
또한, 상기 단위 파워 다이오드는, 직렬 연결된 두 개의 p-n 다이오드를 포함할 수 있다.
또한, 상기 p-n 다이오드 각각은 P-sub 층, Deep N-well 층, P-well 층 및 N+층을 포함하는 표준 CMOS 공정으로 구현될 수 있다.
또한, 상기 두 개의 p-n 다이오드 중 어느 하나는 상기 양의 공급전압을 제공하고, 상기 두 개의 p-n 다이오드 중 나머지 하나는 상기 음의 공급전압을 제공하는 것일 수 있다.
또한, 상기 픽셀 센서는, P-sub 층, Deep N-well 층, P-well 층 및 N+층을 포함하는 표준 CMOS 공정으로 구현되는 p-n 다이오드를 포함할 수 있다.
또한, 상기 픽셀 어레이는, 상기 대상자의 망막 상에 초점이 맺히는 위치에 대응되도록 배치되고, 상기 파워 다이오드 어레이는, 상기 픽셀 어레이의 주변부에 배치될 수 있다.
또한, 상기 파워 다이오드 어레이 및 상기 픽셀 어레이는, 단일 반도체 칩 상에 구비될 수 있다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 별도의 안경 형상 등의 외부 장치나 전력 또는 정보를 전송하기 위한 유선 연결 체계게 구비될 필요 없이, 단일 칩 상에서 자가 구동 및 자극이 함께 수행될 수 있는 에피형 인공망막 장치를 제공할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 픽셀 어레이와 파워 다이오드 어레이를 모두 표준 CMOS 공정을 사용하여 단일 칩으로 제작이 가능하고, 단일 칩 상에서 에너지 하베스팅, 빛 센싱, 망막 자극을 모두 수행할 수 있는 에피형 인공망막 장치를 제공할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 칩 형태의 인공망막 장치가 바닥(하측)으로부터 빛을 받는 구조로 설계되어, 망막하에 위치할 수 밖에 없었던 종래의 인공망막 칩과 달리 단일 칩으로 제작한 인공망막 장치를 상망막에 부착할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 전극과 배선이 모두 단일 칩 형태의 인공망막 장치의 상단에 위치하므로, 하측으로부터 빛을 받는 면적을 최대화 하여 파워 다이오드 어레이에서 높은 전력을 생성할 수 있고 픽셀 어레이에서 효율적으로 시신경을 자극할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 인공망막 장치를 구성하는 파워 다이오드 어레이와 픽셀 어레이를 단위 파워 다이오드와 단위 픽셀을 포함하는 복수의 단위체 구조로 구비함으로써 픽셀 어레이와 파워 다이오드 어레이에 대한 확장 및 축소가 자유로울 수 있다.
다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.
도 1은 종래의 서브형 인공망막 장치 및 종래의 에피형 인공망막 장치를 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 에피형 인공망막 장치의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 에피형 인공망막 장치의 파워 다이오드 어레이 및 픽셀 어레이의 배치를 설명하기 위하여 에피형 인공망막 장치를 상측에서 바라본 개략적인 평면도이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 에피형 인공망막 장치의 파워 다이오드 어레이를 구성하는 단위 파워 다이오드의 세부 구성도 및 개념도이다.
도 5는 본원의 일 실시예에 다른 에피형 인공망막 장치의 픽셀 어레이를 구성하는 단위 픽셀의 세부적인 구성도이다.
도 6은 단위 픽셀에 포함된 픽셀 센서의 세부 구성도 및 개념도이다.
도 7은 본원의 일 실시예에 따른 에피형 인공망막 장치의 단위 픽셀을 구성하는 픽셀 자극기를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결" 또는 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
참고로, 본원의 실시예에 관한 설명 중 방향이나 위치와 관련된 용어(상방, 상측, 상단, 하방, 하측, 하단 등)는 도면에 나타나 있는 각 구성의 배치 상태를 기준으로 설정한 것이다. 예를 들면, 도 2을 보았을 때 전반적으로 3시 방향이 상방, 전반적으로 3시 방향을 향하는 부분이 상단, 전반적으로 3시 방향을 향하는 면이 상면, 전반적으로 9시 방향이 하방, 전반적으로 9시 방향을 향하는 부분이 하단, 전반적으로 9시 방향을 향하는 면이 하면 등이 될 수 있다.
다만, 이러한 방향 설정은 본원 장치의 배치 상태에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 필요에 따라서는 도 2 기준 상하 방향이 12시방향에서 6시방향을 향하도록 본원의 장치가 배치될 수 있고, 다른 예로 도 2 기준 상하 방향이 비스듬한 경사 방향을 향하도록 본원 장치가 배치될 수 있다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 에피형 인공망막 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 에피형 인공망막 장치(10)(이하, '에피형 인공망막 장치(10)'라 한다.)는, 파워 다이오드 어레이(1000) 및 픽셀 어레이(2000)를 포함할 수 있다.
또한, 도 2를 참조하면, 에피형 인공망막 장치(10)는, 하측으로부터 빛(광)이 입사되고 망막 자극을 위한 전극(210, 220)이 상측으로 돌출되어 대상자의 망막 자극 부위(20)에 접속되도록 대상자의 상망막 부위에 배치될 수 있다.
파워 다이오드 어레이(1000)는, 하측으로부터 입사되는 빛(광)을 수신하여 양의 공급전압(VDD), 음의 공급전압(-VDD) 및 접지전압(GND)을 제공하는 복수의 단위 파워 다이오드(100)를 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(2000)는, 하측으로부터 입사되는 빛(광)을 센싱하여 전류를 생성하고, 생성된 전류에 기초하여 망막 자극을 위한 전극(210, 220)을 통해 대상자의 망막 자극 부위(20)와 연계된 시신경을 자극하는 복수의 단위 픽셀(200)을 포함할 수 있다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 에피형 인공망막 장치의 파워 다이오드 어레이 및 픽셀 어레이의 배치를 설명하기 위하여 에피형 인공망막 장치를 상측에서 바라본 개략적인 평면도이다.
도 3을 참조하면, 에피형 인공망막 장치(10)의 픽셀 어레이(2000)는 대상자의 망막 상에 초점이 맺히는 위치에 대응되도록 배치되고, 파워 다이오드 어레이(1000)는, 픽셀 어레이(2000)의 주변부에 배치될 수 있다. 구체적으로, 픽셀 어레이(2000)는(달리 말해, 픽셀 어레이(2000)를 구성하는 복수의 단위 픽셀(200)은) 에피형 인공망막 장치(10)의 중심부에 배치되고, 파워 다이오드 어레이(1000)(달리 말해, 파워 다이오드 어레이(1000)를 구성하는 복수의 단위 파워 다이오드(100)는) 픽셀 어레이(2000)가 배치된 중심부를 둘러싸는 주변부에 배치될 수 있다. 여기서, 주변부란 단일 칩 상에서 픽셀 어레이(2000)가 배치된 중심부의 외곽 영역을 지칭하는 것일 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 파워 다이오드 어레이(1000)에서 공급되는 양의 공급전압(VDD), 음의 공급전압(-VDD) 또는 접지전압(GND)을 단위 픽셀(200)에 제공하기 위한 전선(와이어)가 구비될 수 있다. 달리 말해, 단위 픽셀(200) 각각은 파워 다이오드 어레이(1000)에 포함된 단위 파워 다이오드(100) 각각의 양의 공급전압(VDD) 출력 노드, 음의 공급전압(-VDD) 출력 노드 또는 접지전압(GND) 출력 노드와 전선(와이어)를 통해 접속될 수 있다. 여기서, 본 에피형 인공망막 장치(10)는 전압 인가를 위한 전선(와이어)을 에피형 인공망막 장치(10)의 상면에 배치함으로써, 에피형 인공망막 장치(10)에 전압을 생성하거나 대상자의 망막 부위를 자극하기 위한 전류를 생성하기 위하여 필요한 빛(광)이 인가되는 에피형 인공망막 장치(10)의 하측에서 전선(와이어)에 의하여 빛(광)이 인가되는 것이 방해 받지 않도록 설계될 수 있다.
또한, 도 3을 참조하면, 파워 다이오드 어레이(1000) 및 픽셀 어레이(2000)는 단일 반도체 칩 상에 구비되는 것일 수 있다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 에피형 인공망막 장치의 파워 다이오드 어레이를 구성하는 단위 파워 다이오드의 세부 구성도 및 개념도이다.
도 4의 (a)를 참조하면, 파워 다이오드 어레이(1000)를 구성하는 단위 파워 다이오드(100)는, 직렬 연결된 두 개의 p-n 다이오드(110, 120)를 포함할 수 있다.
여기서, 두 개의 p-n 다이오드(110, 120) 각각은 P-sub 층, Deep N-well 층, P-well 층 및 N+층을 포함하는 표준 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 공정으로 구현될 수 있다.
또한, 전술한 두 개의 p-n 다이오드 중 어느 하나(110)는 양의 공급전압(VDD)를 제공하고, 두 개의 p-n 다이오드 중 나머지 하나(120)는 음의 공급전압(-VDD)를 제공할 수 있다. 여기서, 접지전압 GND는 가상의 접지 단자로부터 공급되는 것으로 이해될 수 있으며, 양의 공급전압(VDD) 및 음의 공급전압(-VDD) 값은 상기 가상의 접지 단자에 대비하여 발생하는 상대적인 전압 차이에 의해 제공되는 것일 수 있다.
또한, 도 4의 (a)를 참조하면, 단위 파워 다이오드(100)의 하측으로 입사되는 빛(광)은 단위 파워 다이오드(100)의 P-sub 층에 인가되는 것일 수 있다.
도 4의 (b)를 참조하면, 단위 파워 다이오드(100)는 두 개의 직렬 연결된 p-n 다이오드(
Figure 112019087958900-pat00001
)로 표현될 수 있고, 또한, 단위 파워 다이오드(100)는 양의 공급전압(VDD) 출력 노드, 음의 공급전압(-VDD) 출력 노드 및 접지전압 출력 노드(GND)를 가질 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 에피형 인공망막 장치는 빛(광)을 전압(또는 전력)으로 변환하는 파워 다이오드 어레이(1000)를 구비함으로써, 배터리 등의 별도의 전력 공급원의 도입 없이 에너지 하베스팅(energy harvesting)이 가능하도록 설계될 수 있다.
도 5는 본원의 일 실시예에 다른 에피형 인공망막 장치의 픽셀 어레이를 구성하는 단위 픽셀의 세부적인 구성도이다.
도 5를 참조하면, 픽셀 어레이(2000)를 구성하는 단위 픽셀(200)은, 제1 전극(210), 제2 전극(220), 픽셀 센서(230) 및 픽셀 자극기(240)를 포함할 수 있다.
제1 전극(210)는, 단위 픽셀(200)의 상측으로 돌출되어 대상자의 망막 자극 부위(20)의 제1 위치(21)에 접속될 수 있다.
제 2 전극(220)는, 단위 픽셀(200)의 상측으로 돌출되어 대상자의 망막 자극 부위(20)의 제2 위치(22)에 접속될 수 있다.
본 에피형 인공망막 장치(10)는 복수의 단위 픽셀(100)을 포함하는 단위체 구조의 픽셀 어레이(2000)로 설계되고, 단위 픽셀(100) 각각은 하측으로 빛(광)을 센싱하고 상측으로 돌출된 두 개의 전극(210, 220)을 통해 센싱된 빛(광)의 세기에 기초하여 대상자의 망막 자극 부위에 전기 신호를 전달할 수 있다. 달리 말해, 픽셀 어레이(2000)를 구성하는 복수의 단위 픽셀(200) 중 하측에 빛(광)이 인가(입사)된 단위 픽셀(200)만이 대상자의 망막 자극 부위를 자극하기 위하여 활성화되는 것일 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 제1 전극(210) 및 제2 전극(220)은 대상자의 망막 부위의 시세포층 이전의 양극세포층까지 삽입되는 것일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
픽셀 센서(230)는, 하측으로부터 입사되는 빛(광)을 센싱하여 전류를 생성할 수 있다. 본원의 일 실시예에 따르면, 픽셀 센서(230)는, 하측으로 입사되는 빛(광)의 세기가 강할수록 더 큰 전류를 생성하는 것일 수 있다.
픽셀 자극기(240)는, 픽셀 센서(230)로부터 생성된 전류에 기초하여 제1 전극(210) 또는 제2 전극(220)에 양의 공급전압(VDD) 또는 음의 공급전압(-VDD)을 인가할 수 있다.
도 6은 단위 픽셀에 포함된 픽셀 센서의 세부 구성도 및 개념도이다.
도 6의 (a)를 참조하면, 픽셀 센서(230)는, P-sub 층, Deep N-well 층, P-well 층 및 N+층을 포함하는 표준 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 공정으로 구현되는 p-n 다이오드를 포함할 수 있다. 또한, 도 6의 (a)를 참조하면, 픽셀 센서(230)에 의해 생성되는 전류는 SO 단자(노드)로 출력되는 것일 수 있다. 후술할 도 7을 참조하면, 픽셀 센서(230)의 SO 단자(노드)는 픽셀 자극기(240)와(특히, 픽셀 자극기(240)의 발진기(241)와) 접속될 수 있다.
또한, 도 6의 (a)를 참조하면, 픽셀 센서(230)의 하측으로부터 입사되는 빛(광)은 픽셀 센서(230)의 P-sub 층에 인가되는 것일 수 있다.
도 6의 (b)를 참조하면, 픽셀 센서(230)는, 하나의 p-n 다이오드(
Figure 112019087958900-pat00002
)로 표현될 수 있으며, 픽셀 센서(230)의 일 측 노드는 파워 다이오드 어레이(1000)에 의한 접지전압(GND) 출력 노드와 접속되고, 타 측 노드는 생성된 전류를 출력하는 SO 단자(노드)일 수 있다.
도 7은 본원의 일 실시예에 따른 에피형 인공망막 장치의 단위 픽셀을 구성하는 픽셀 자극기를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 7을 참조하면, 픽셀 자극기(240)는, 발진기(241), 스위치 신호 생성기(242), 제1 스위치(243a), 제2 스위치(243b), 제3 스위치(243c) 및 제4 스위치(243d)를 포함할 수 있다.
발진기(241)는, 픽셀 센서(230)에 의해 생성된 전류의 세기에 비례하는 주파수를 갖는 주파수 신호를 생성할 수 있다. 여기서, 발진기(241)는 픽셀 센서(230)의 SO 단자와 접속되어 픽셀 센서(230)로부터 생성된 전류를 인가받는 것일 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 발진기(241)에 의해 생성된 주파수 신호는 CLK로 달리 지칭될 수 있다. 또한, 주파수 신호(CLK)는 픽셀 센서(230)의 하측으로 입사되는 빛(광)의 세기가 강할수록, 달리 말해, 픽셀 센서(230)에서 생성되는 전류의 세기가 클수록 짧은 주기를 가지도록(달리 말해, 높은 주파수를 가지도록) 생성되는 것일 수 있다. 또한, 발진기(241)는 오실레이터 또는 oscillator로 달리 지칭될 수 있다.
스위치 신호 생성기(242)는, 발진기(241)에 의해 생성된 주파수 신호에 기초하여 제1 스위치 제어 신호(S1) 또는 제2 스위치 제어 신호(S2)를 생성할 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 스위치 신호 생성기(242)는, 발진기(241)에 의해 생성된 주파수 신호에 기초하여 제1 스위치 제어 신호(S1) 또는 제2 스위치 제어 신호(S2)를 교대로 생성할 수 있다. 달리 말해, 스위치 신호 생성기(242)에서 생성되는 각각의 스위치 제어 신호(S1, S2)는 동시에 생성되지 않으며, 즉, 제1 스위치 제어 신호(S1)가 생성되는 경우, 제2 스위치 제어 신호(S2)는 생성되지 않고, 제2 스위치 제어 신호(S2)가 생성되는 경우, 제1 스위치 제어 신호(S1)는 생성되지 않는다.
또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 스위치 신호 생성기(242)는, 제1 스위치 제어 신호(S1)와 제2 스위치 제어 신호(S2) 각각이 생성되는 시간이 서로 대응되도록 제1 스위치 제어 신호(S1)와 제2 스위치 제어 신호(S2)를 생성할 수 있다. 여기서, 제1 스위치 제어 신호(S1)와 제2 스위치 제어 신호(S2) 각각이 생성되는 시간이 서로 대응된다는 것은 제1 스위치 제어 신호(S1)와 제2 스위치 제어 신호(S2) 각각이 생성되는 시간이 상호 동등하거나 동등한 수준으로 볼 수 있는 범위 내에서 생성되는 것으로 이해될 수 있다. 이는 대상자의 신체 내에 전하가 쌓이는 것을 방지하기 위함이다.
또한, 발진기(241)에 의해 생성된 주파수 신호에 기초하여 제1스위치(243a) 내지 제4스위치(243d)가 모두 개방되도록 제어하는 휴지 신호를 생성할 수 있다. 여기서, 휴지 신호는 제1 스위치 제어 신호(S1) 및 제2 스위치 제어 신호(S2)가 모두 생성되지 않는 상태에 대응될 수 있다. 대상자의 망막 자극 부위(20)와 연계된 시신경을 효율적으로 자극하기 위해서는 전달되는 자극 사이에 휴지기가 필요하다. 따라서, 본원의 스위치 신호 생성기(242)는 제1 스위치 제어 신호(S1) 또는 제2 스위치 제어 신호(S2)를 지속적으로 생성하는 것이 아니라, 제1 스위치 제어 신호(S1)와 제2 스위치 제어 신호(S2) 사이에 휴지 신호를 적절히 생성할 수 있다. 참고로, 휴지 신호는 S1-OFF/S2-OFF 상태로 달리 표현될 수 있다.
제1 스위치(243a)는, 스위치 신호 생성기(242)에서 제1 스위치 제어 신호(S1)가 생성되는 경우, 양의 공급전압(VDD)을 망막 자극 부위(20)의 제1위치(21)에 인가하도록 동작할 수 있다.
제2 스위치(243b)는, 스위치 신호 생성기(242)에서 제2 스위치 제어 신호(S2)가 생성되는 경우, 양의 공급전압(VDD)을 망막 자극 부위(20)의 제2위치(22)에 인가하도록 동작할 수 있다.
제3 스위치(243c)는, 스위치 신호 생성기(242)에서 제2 스위치 제어 신호(S2)가 생성되는 경우, 음의 공급전압(-VDD)을 망막 자극 부위(20)의 제1위치(21)에 인가하도록 동작할 수 있다.
제4 스위치(243d)는, 스위치 신호 생성기(242)에서 제1 스위치 제어 신호(S1)가 생성되는 경우, 음의 공급전압(-VDD)을 망막 자극 부위(20)의 제2위치(22)에 인가하도록 동작할 수 있다.
달리 말해, 제1 스위치(243a) 및 제4 스위치(243d)는 스위치 신호 생성기(242)에서 제1 스위치 제어 신호(S1)가 생성되는 경우 닫히고(연결되고), 제2 스위치 제어 신호(S2)가 생성되는 경우 또는 휴지 신호가 생성되는 경우 개방되도록(끊어지도록) 동작하는 스위치일 수 있다.
아울러, 제2 스위치(243b) 및 제3 스위치(243c)는 스위치 신호 생성기(242)에서 제2 스위치 제어 신호(S2)가 생성되는 경우 닫히고(연결되고), 제1 스위치 제어 신호(S1)가 생성되는 경우 또는 휴지 신호가 생성되는 경우 개방되도록(끊어지도록) 동작하는 스위치일 수 있다.
전술한 제1 스위치(243a) 내지 제4 스위치(243b)의 동작과 연계하여 스위치 제어 신호(S1, S2)에 따라 에피형 인공망막 장치(10)의 두 전극에 인가(공급)되는 전압은 다음과 같은 경향을 가진다.
먼저, 스위치 신호 생성기(242)에서 제1 스위치 제어 신호(S1)가 생성되는 경우, 제1 전극(210)에는 양의 공급전압(VDD)이 인가되고, 제2 전극(22)에는 음의 공급전압(-VDD)이 인가(공급)될 수 있다.
반대로, 스위치 신호 생성기(242)에서 제2 스위치 제어 신호(S2)가 생성되는 경우, 제1 전극(210)에는 음의 공급전압(-VDD)이 인가되고, 제2 전극(220)에는 양의 공급전압(VDD)이 인가(공급)될 수 있다.
또한, 스위치 제어 신호(S1, S2)에 따라 두 전극(210, 220)에 인가(공급)되는 전압이 대상자의 망막 자극 부위(20)의 제1 위치(21) 또는 제2 위치(22)에 공급됨에 따라 대상자의 망막 자극 부위(20)과 연계된 시신경을 자극하도록 흐르는 전류를 다음과 같은 방향으로 흐르게 된다.
먼저, 스위치 신호 생성기(242)에서 제1스위치 제어 신호(S1)가 생성되는 경우, 망막 자극 부위(20)의 제1위치(21)에서 망막 자극 부위(20)의 제2위치(22)를 향하여 흐르는 전류가 발생하여 망막 자극 부위(20)와 연계된 시신경이 자극될 수 있다. 이해를 돕기 위해 설명하면, 제1위치(21)에서 제2위치(22)를 향하여 전류가 흐르는 것은 도 7의 망막 자극 부위(20) 내에서 대략적으로 12시 방향에서 출발하여 6시 방향을 향하는 전류가 흐르는 것으로 이해될 수 있다.
반대로, 스위치 신호 생성기(242)에서 제2 스위치 제어 신호(S2)가 생성되는 경우, 망막 자극 부위(20)의 제2위치(22)에서 망막 자극 부위(20)의 제1위치(21)를 향하여 흐르는 전류가 발생하여 망막 자극 부위(20)와 연계된 시신경이 자극될 수 있다. 이해를 돕기 위해 설명하면, 제2위치(22)에서 제1위치(21)를 향하여 전류가 흐르는 것은 도 7의 망막 자극 부위(20) 내에서 대략적으로 6시 방향에서 출발하여 12시 방향을 향하는 전류가 흐르는 것으로 이해될 수 있다.
즉, 스위치 제어 신호(S1, S2)에 따라 대상자의 망막 자극 부위(20)의 제1 위치(21) 또는 제2 위치(22)에 양의 공급전압(VDD) 또는 음의 공급전압(-VDD)이 인가되므로, 양의 공급전압(VDD)이 인가된 위치로부터 음의 공급전압(-VDD)이 인가된 위치로 전류가 흐를 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 에피형 인공망막 장치
20: 망막 자극 부위
21: 제1 위치
22: 제2 위치
1000: 파워 다이오드 어레이
100: 단위 파워 다이오드
110, 120: p-n 다이오드
2000: 픽셀 어레이
200: 단위 픽셀
210: 제1 전극
220: 제2 전극
230: 픽셀 센서
240: 픽셀 자극기
241: 발진기
242: 스위치 신호 생성기
243a: 제1 스위치
243b: 제2 스위치
243c: 제3 스위치
243d: 제4 스위치
S1: 제1 스위치 제어 신호
S2: 제2 스위치 제어 신호
VDD: 양의 공급전압
-VDD: 음의 공급전압
GND: 접지전압

Claims (11)

  1. 에피형 인공망막 장치에 있어서,
    상기 에피형 인공망막 장치는, 하측으로부터 광이 입사되고 망막 자극을 위한 전극이 상측으로 돌출되어 대상자의 망막 자극 부위에 접속되도록 대상자의 상망막 부위에 배치되고,
    하측으로부터 입사되는 광을 수신하여 양의 공급전압, 음의 공급전압 및 접지전압을 제공하는 복수의 단위 파워 다이오드를 포함하는 파워 다이오드 어레이; 및
    하측으로부터 입사되는 광을 센싱하여 전류를 생성하고, 생성된 전류에 기초하여 상기 망막 자극을 위한 전극을 통해 상기 대상자의 망막 자극 부위와 연계된 시신경을 자극하는 복수의 단위 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이,
    를 포함하는, 에피형 인공망막 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단위 픽셀은,
    상측으로 돌출되어 대상자의 망막 자극 부위의 제1 위치에 접속되는 제1 전극;
    상측으로 돌출되어 대상자의 망막 자극 부위의 제2 위치에 접속되는 제2 전극;
    하측으로부터 입사되는 광을 센싱하여 전류를 생성하는 픽셀 센서; 및
    상기 생성된 전류에 기초하여 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극에 상기 양의 공급전압 또는 상기 음의 공급전압을 인가하는 픽셀 자극기,
    를 포함하는 것인, 에피형 인공망막 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 픽셀 자극기는,
    상기 생성된 전류의 세기에 비례하는 주파수를 갖는 주파수 신호를 생성하는 발진기;
    상기 주파수 신호에 기초하여 제1 스위치 제어 신호 또는 제2 스위치 제어 신호를 생성하는 스위치 신호 생성기;
    상기 제1 스위치 제어 신호가 생성되는 경우, 상기 양의 공급전압을 상기 망막 자극 부위의 제1위치에 인가하도록 동작하는 제1 스위치;
    상기 제2 스위치 제어 신호가 생성되는 경우, 상기 양의 공급전압을 상기 망막 자극 부위의 제2위치에 인가하도록 동작하는 제2 스위치;
    상기 제2 스위치 제어 신호가 생성되는 경우, 상기 음의 공급전압을 상기 망막 자극 부위의 제1위치에 인가하도록 동작하는 제3 스위치; 및
    상기 제1 스위치 제어 신호가 생성되는 경우, 상기 음의 공급전압을 상기 망막 자극 부위의 제2위치에 인가하도록 동작하는 제4 스위치,
    를 포함하는 것인, 에피형 인공망막 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 스위치 제어 신호가 생성되는 경우, 상기 제1 전극에는 상기 양의 공급전압이 인가되고, 상기 제2 전극에는 상기 음의 공급전압이 인가되고,
    상기 제2 스위치 제어 신호가 생성되는 경우, 상기 제1 전극에는 상기 음의 공급전압이 인가되고, 상기 제2 전극에는 상기 양의 공급전압이 인가되는 것인, 에피형 인공망막 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1스위치 제어 신호가 생성되는 경우, 상기 망막 자극 부위의 제1위치에서 상기 망막 자극 부위의 제2위치를 향하여 흐르는 전류가 발생하여 상기 망막 자극 부위와 연계된 시신경이 자극되고,
    상기 제2 스위치 제어 신호가 생성되는 경우, 상기 망막 자극 부위의 제2위치에서 상기 망막 자극 부위의 제1위치를 향하여 흐르는 전류가 발생하여 상기 망막 자극 부위와 연계된 시신경이 자극되는 것인, 에피형 인공망막 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 스위치 신호 생성기는,
    상기 주파수 신호에 기초하여 상기 제1 스위치 제어 신호 또는 상기 제2 스위치 제어 신호를 교대로 생성하는 것인, 에피형 인공망막 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 스위치 신호 생성기는,
    상기 주파수 신호에 기초하여 상기 제1스위치 내지 상기 제4스위치가 모두 개방되도록 제어하는 휴지 신호를 더 생성하는 것인, 에피형 인공망막 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 단위 파워 다이오드는,
    직렬 연결된 두 개의 p-n 다이오드를 포함하고,
    상기 p-n 다이오드 각각은 P-sub 층, Deep N-well 층, P-well 층 및 N+층을 포함하는 표준 CMOS 공정으로 구현되고,
    상기 두 개의 p-n 다이오드 중 어느 하나는 상기 양의 공급전압을 제공하고, 상기 두 개의 p-n 다이오드 중 나머지 하나는 상기 음의 공급전압을 제공하는 것인, 에피형 인공망막 장치.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 픽셀 센서는,
    P-sub 층, Deep N-well 층, P-well 층 및 N+층을 포함하는 표준 CMOS 공정으로 구현되는 p-n 다이오드를 포함하는 것인, 에피형 인공망막 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀 어레이는,
    상기 대상자의 망막 상에 초점이 맺히는 위치에 대응되도록 배치되고,
    상기 파워 다이오드 어레이는,
    상기 픽셀 어레이의 주변부에 배치되는 것인, 에피형 인공망막 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 파워 다이오드 어레이 및 상기 픽셀 어레이는,
    단일 반도체 칩 상에 구비되는 것인, 에피형 인공망막 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102514572B1 (ko) 2022-10-18 2023-03-28 주식회사 셀리코 안구 이식형 초소형 자극기 및 이의 제조방법
KR102531735B1 (ko) 2022-12-27 2023-05-12 주식회사 셀리코 초소형 자극기 및 이의 제조방법

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KR101979994B1 (ko) * 2017-04-28 2019-05-17 가천대학교 산학협력단 망막 세포의 생리적 기전을 모사한 에피형 인공망막 장치 및 시스템

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