KR102269117B1 - 신경 신호 측정 및 광자극용 미세 전극 배열장치 - Google Patents

Abstract

신경 신호 측정 및 광자극용 미세 전극 배열장치를 개시한다.
본 발명의 실시예에 따른 미세 전극 배열장치는, 기판; 상기 기판 상의 일부에 배치되어 빛을 발산하는 발광 다이오드; 상기 발광 다이오드에 연결되는 제1 배선; 상기 기판 상에 도포되며, 상기 기판 상의 발광 다이오드 및 상기 제1 배선 위에 도포되는 제1 절연층; 상기 제1 절연층 상의 일부에 배치되어 신경신호를 송수신하는 전극; 상기 전극에 연결되는 제2 배선; 및 상기 전극의 일부 영역을 제외하고 상기 제1 절연층 상에 도포되는 제2 절연층을 포함할 수 있다.

Description

신경 신호 측정 및 광자극용 미세 전극 배열장치{Apparatus for Micro Electrode Array for Neural Signals Measurement and Optical Stimulus}

본 발명은 대상체에 광자극을 전달하고, 대상체의 신경을 활성화하거나 대상체로부터 신경 신호를 획득하기 위한 미세 전극 배열 장치에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

미세 전극 배열장치(MEA: Micro Electrode Array)는 신경 신호를 얻거나 전달하는 다중 미세 전극을 포함하는 장치로, 뉴런과 전자 회로를 연결하는 신경 인터페이스 장치로서 역할을 한다.

일반적인 상업화된 미세 전극 배열장치 는 딱딱한 유리나 사파이어 기판 위에 투명성 및 유연성이 떨어지는 금속 전극이나 ITO 기반으로 제작되었기 때문에, 체내(in-vivo) 실험 등 다양한 플렉시블 응용 측면에서 한계가 있다.

현재까지 빛을 통한 실험을 진행하기 위해서는 미세 전극 배열장치와는 별도의 발광 장치를 구비해야만 했다. 이러한 상황은 오직 뉴런의 신호만을 측정하는 연구에 국한되게 되고, 광유전학(optogenetics) 기술에 대한 연구가 진전되기 어려웠다.

이에, 본 발명에서는 투명하고 유연한 그래핀 기반 미세 전극 배열장치에 발광 다이오드를 집적함으로써, 기존의 미세 전극 배열장치의 문제점 및 기계적 한계를 극복하고자 한다.

본 발명은 투명하고 유연한 그래핀 기반 미세 전극 배열장치에 마이크로 발광 다이오드를 집적하여 대상체에 광자극을 전달하고, 대상체의 신경을 활성화하거나 대상체로부터 신경 신호를 획득하기 위한 신경 신호 측정 및 광자극용 미세 전극 배열장치를 제공하는 데 주된 목적이 있다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 목적을 달성하기 위한 미세 전극 배열장치는, 기판; 상기 기판 상의 일부에 배치되어 빛을 발산하는 발광 다이오드; 상기 발광 다이오드에 연결되는 제1 배선; 상기 기판 상에 도포되며, 상기 기판 상의 발광 다이오드 및 상기 제1 배선 위에 도포되는 제1 절연층; 상기 제1 절연층 상의 일부에 배치되어 신경신호를 송수신하는 전극; 상기 전극에 연결되는 제2 배선; 및 상기 전극의 일부 영역을 제외하고 상기 제1 절연층 상에 도포되는 제2 절연층을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 의하면, 상기 목적을 달성하기 위한 미세 전극 배열장치는, 기판; 상기 기판 상의 일부에 배치되어 자외선을 방출하는 자외선(UV: Ultraviolet Ray) 발광 다이오드; 상기 기판 상에 도포되며, 상기 기판 상의 상기 자외선 발광 다이오드 위에 도포되는 제1 절연층; 상기 자외선을 필터링하여 적색, 녹색 및 청색 중 적어도 하나의 색을 추출하며, 상기 제1 절연층 상에 일정한 간격으로 배치된 컬러 필터; 상기 컬러 필터 상에 배치되어 신경신호를 송수신하는 전극; 상기 전극에 연결되는 제2 배선; 및 상기 전극의 일부 영역을 제외하고 상기 제1 절연층 상에 도포되는 제2 절연층을 포함할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 마이크로 LED를 그래핀 전극 하단에 집적하여 빛을 자유롭게 조사할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 그래핀 전극 및 마이크로 LED 적용함으로써, 유연한 기판에 집적할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 red, green, blue 세가지 LED를 집적할 수 있어 다양한 파장의 빛을 조사하며 그에 따른 뉴런의 반응을 그래핀 전극으로 in-situ 측정을 수행할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 전극 배열장치를 측단면도를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 전극 배열장치를 제조하는 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 전극 배열장치를 구현한 형상을 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 전극 배열장치의 상면도를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 전극 배열장치를 측단면도를 나타낸 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 미세 전극 배열장치를 측단면도를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 미세 전극 배열장치를 측단면도를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 미세 전극 배열장치를 측단면도를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 제6 실시예에 따른 미세 전극 배열장치를 측단면도를 나타낸 도면이다.
도 10는 본 발명의 제7 실시예에 따른 미세 전극 배열장치를 측단면도를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 전극 배열장치에 접합된 발광 다이오드를 제조하는 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 미세 전극 배열장치에 접합된 발광 다이오드를 제조하는 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 제1 실시예에 따른 미세 전극 배열장치를 구현한 형상을 나타낸 예시도이다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 전극 배열장치에 접합된 발광 다이오드와 어레이를 나타낸 예시도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다. 이하에서는 도면들을 참조하여 본 발명에서 제안하는 신경 신호 측정용 미세 전극 배열장치에 대해 자세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 전극 배열장치를 측단면도를 나타낸 도면이다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 전극 배열장치(100)는 기판(110), 전극(120), 배선(130) 및 절연층(140)을 포함한다. 도 1의 미세 전극 배열장치(100)는 일 실시예에 따른 것으로서, 도 1에 도시된 모든 블록이 필수 구성요소는 아니며, 다른 실시예에서 미세 전극 배열장치(100)에 포함된 일부 블록이 추가, 변경 또는 삭제될 수 있다.

미세 전극 배열장치(100)는 그래핀 소재로 제작된 전극(120)의 일부 영역만이 대상체의 조직과 접촉하여 신경신호를 송수신하며, 나머지 영역은 SU-8 재질을 사용한 절연층(140)에 의해 절연된다.

기판(110)은 기본적으로 유리(Glass) 또는 사파이어(Sapphire)로 구현될 수 있으나, 플렉서블(Flexible)한 성질을 갖는 미세 전극 배열장치(100)를 제작하기 위하여 플라스틱, 고무 등과 같은 재질을 사용하여 제작될 수 있다. 즉, 곡면을 갖는 대상체에 부착 가능하도록 투명하면서 플렉서블(Flexible)한 재질로 구현될 수 있다.

또한, 기판(110)은 별도의 발광 장치(미도시)로부터 전달되는 빛을 투과시키기 위하여 투명한 재질을 사용하여 제작될 수 있다.

전극(120)은 기판(110) 상의 일부에 배치되며, 미세 전극 배열장치(100)와 접하는 대상체로 신경신호를 송신하거나 대상체로부터 신경신호(응답신호)를 수신하는 동작을 수행한다.

전극(120)은 소정의 너비(122) 및 두께(124)를 갖는 형태로 제작된다. 예를 들어, 전극(120)은 1.5 nm 미만의 두께를 갖고, 기판(110) 상측면에 60 um 내지 110 um 사이의 너비를 갖는 형태로 구현될 수 있다. 여기서, 전극(120)은 신경신호를 송수신할 수 있는 최대 두께 미만으로 형성되는 것이 바람직하고, 전극(120)의 너비는 신경 신호를 송수신하기 위하여 전극(120) 상에 형성된 전극 홀의 너비보다 크게 형성되는 것이 바람직하다.

전극(120)은 플렉서블(Flexible)하고 투명하면서 전도성을 갖는 소재로 제작될 수 있다. 여기서, 전극(120)은 그래핀(Graphene) 재질로 형성되는 것이 바람직하나 플렉서블하고 투명하면서 전도성을 갖는 다양한 소재로 구현될 수 있다. 여기서, 전극(120)은 복수의 그래핀 층을 적층하여 형설될 수 있으며, 예를 들어 4 레이어(Layer)로 적층된 그래핀 층으로 형성될 수 있다.

전극(120)은 전극(120)의 일부 영역을 제외하여 도포된 절연층(140)에 의해 형성된 전극 홀을 통해 대상체로 신경 신호를 전달하거나, 대상체로부터 발생하는 신경 신호를 획득할 수 있다. 여기서, 전극 홀의 너비(152)는 50 um 내지 100 um 사이의 크기로 구현될 수 있다.

한편, 전극(120)은 별도의 발광 장치(미도시)로부터 발산된 빛을 투과시켜 대상체로 입사되도록 하고, 빛에 대한 대상체의 응답신호을 측정할 수 있다.

배선(130)은 전극(120)의 일부 영역과 접하는 형태로 형성되며, 전극(120)의 동작을 제어하기 위한 전기 신호를 전달한다. 배선(130)은 금(Au)으로 구현되는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 전도성 소재로 구현될 수 있다.

배선(130)은 기판(110) 상에 형성되며, 배선(130)의 두께(132)는 전극(120)의 두께(124)보다 두껍게 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 배선(130)의 두께(132)는 30 nm 내지 50 nm 사이의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

절연층(140)은 전극(120)의 일부 영역을 제외하고 기판(110) 상에 절연 물질을 도포하여 형성된다. 구체적으로, 절연층(140)은 기판(110), 기판(110) 상에 형성된 전극(120), 배선(130) 등의 위에 형성되며, 전극(120)의 일부 영역을 제외하여 전극 홀을 형성한다.

절연층(140)의 두께(142)는 2 um 내지 5 um 사이의 두께로 형성되는 것이 바람직하며, 절연층(140)을 통해 형성된 전극 홀의 너비(152)는 50 um 내지 100 um 사이의 크기로 형성될 수 있다.

절연층(140)은 SU-8 코팅층으로 구현되는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 전극 배열장치를 제조하는 공정을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 전극 배열장치(100)는 다음과 같은 공정을 통해 제작될 수 있다.

도 2의 (a)에서, 단층 그래핀은 화학 기상 증착(CVD) 방법을 사용하여 20 um 내지 30 um 두께의 구리 박막에 증착되었다.

도 2의 (b)에서, PMMA는 지지층의 방식으로 단층 그래핀 상에 코팅되고, 하부 구리 박막은 황산 암모늄 수용액에 의해 에칭된다.

이후, 도 2의 (c)에서, PMMA 코팅된 그래핀은 구리 박막 위에 있는 다른 그래핀 위에 옮겨지며, 이러한 에칭 및 스태킹 프로세스는 기 설정된 그래핀 층 개수가 형성될 때까지 반복된다.

도 2의 (d)에서, 금 트랙 재료는 Lift-off 공정을 통해 패턴화된다. 금 트랙 재료를 증착하기에 앞서 네거티브 포토레지스트를 형성하고자 하는 금 트랙의 패턴에 따라 패턴화된다. 구체적으로, 금 트랙 재료는 열 증착 방법에 의해 패턴된 네거티브 포토레지스트 위에 증착되고, 아세톤과 같은 포토레지스트 용해액에 의해 금 트랙 재료 하단의 포토레지스트가 용해되어 금 트랙 재료를 제거함으로써 패턴화된다.

도 2의 (e)에서, 다층 그래핀 필름은 습식 전사 방법을 사용하여 그 유리 또는 플라스틱 기판 상에 전사되고, 일정 시간 동안 건조시킨 후 전사된 다층 그래핀 필름을 포토리소그래피를 사용하여 패턴화하고, 반응성 이온 에칭 시스템(RIE)를 사용하여 에칭한다.

도 2의 (f)에서, 투명 SU-8 포토레지스트는 트랙 금속을 절연시키고, 대상체와 접하는 그래핀 전극만 개방하기 위해 미세 전극 배열장치(MEA: Micro Electrode Array) 상에 패터닝된다.

도 2에서는 미세 전극 배열장치를 제조하는 공정(단계)를 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 다시 말해, 도 3에 기재된 공정(단계)을 변경하여 실행하거나 하나 이상의 공정(단계)를 병렬적으로 실행하는 것으로 적용 가능할 것이므로, 도 3은 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 전극 배열장치를 구현한 형상을 나타낸 예시도이다.

도 3a의 (a)는 그래핀 전극(120) 및 배선(130)으로 구성된 미세 전극 배열장치(100)의 전체 구조(10)를 나타낸다.

도 3a의 (b)는 미세 전극 배열장치(100)를 확대한 구조를 나타낸다. 여기서,

전극 홀(150)을 통해 노출된 하나의 전극(120)과 인접한 전극 간의 간격은 기 설정된 최소 공간을 유지하여야 한다. 즉, 서로 인접한 전극(120)은 서로 기 설정된 최소 공간을 갖는 형태로 배열된다. 여기서, 전극(120) 간의 최소 공간은 150 um 내지 250 um 사이의 크기로 형성되는 것이 바람직하다.

도 3a의 (c)에 도시된 바와 같이, 전극 홀(150)을 통해 노출된 하나의 전극(120)은 60 um 내지 110 um 사이의 직경을 갖는 원의 형태로 구현될 수 있다.

도 3b의 (a)는 미세 전극 배열장치(100)의 미세 전극 배열 시스템 전체 구조(10)를 나타내며, 도 3b의 (b)는 그래핀 소재로 구현된 전극(120) 및 금 소재로 트랙이 구현된 배선(130)으로 설계된 미세 전극 배열장치(100)를 확대한 구조를 나타낸다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 전극 배열장치의 상면도를 나타낸 도면이다.

제2 실시예에 따른 미세 전극 배열장치(400)는 발광 다이오드(410)와 전극(420)이 집적된 장치를 의미한다. 다시 말해, 미세 전극 배열장치(400)는 발광 다이오드(410)의 발광면에 그래핀 소재의 전극(420)이 집적된 구조를 갖는다.

미세 전극 배열장치(400)는 발광 다이오드(410)가 홀에 의해 노출되는 전극(420) 아래에 정렬되어 집적될 수 있으며, 실시예에 따라 발광 다이오드(410)는 전극(420)의 홀과 정렬되지 않은 배열 구조로 형성될 수 있다. 이하, 도 5 내지 도 10을 통해 미세 전극 배열장치(400)에 따른 제2 실시예 내지 제7 실시예에 대해 설명하도록 한다. 제2 실시예 내지 제7 실시예 중 일부 구성은 중복될 수 있으며, 중복되는 설명의 기재는 생략될 수 있다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 전극 배열장치를 측단면도를 나타낸 도면이다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 전극 배열장치(400)는 기판(510), 발광 다이오드(520), 제1 배선(530), 제1 절연층(540), 전극(550), 제2 배선(560) 및 제2 절연층(570)을 포함한다. 도 5의 미세 전극 배열장치(400)는 일 실시예에 따른 것으로서, 도 5에 도시된 모든 블록이 필수 구성요소는 아니며, 다른 실시예에서 미세 전극 배열장치(400)에 포함된 일부 블록이 추가, 변경 또는 삭제될 수 있다.

미세 전극 배열장치(400)는 그래핀 소재로 제작된 전극(550)의 일부 영역만이 대상체와 접촉하여 신경신호를 송수신하며, 나머지 영역은 SU-8 재질을 사용한 제2 절연층(570)에 의해 절연된다. 미세 전극 배열장치(400)는 발광 다이오드(520)를 통해 발산되는 빛을 이용하여 발생되는 신경신호를 송수신할 수 있다.

미세 전극 배열장치(400)는 그래핀 전극이 투명하므로 밑에 집적된 발광 다이오드에서 발산된 빛이 투과되어 미세 전극 배열장치(400)의 위에 위치한 대상체(예: 세포)에 빛을 입사하여 자극을 유도할 수 있다. 또한, 미세 전극 배열장치(400)는 유리, 사파이어 기판 외에 유연한 플라스틱, 고무 기판을 사용함으로써, 미세 전극 배열장치(400) 자체가 휘어질 수 있어 뇌와 같은 곡면 구조체에 부착하여 대상체의 특성을 직접 측정할 수 있다.

기판(510)은 기본적으로 유리(Glass) 또는 사파이어(Sapphire)로 구현될 수 있으나, 플렉서블(Flexible)한 성질을 갖는 미세 전극 배열장치(400)를 제작하기 위하여 플라스틱, 고무 등과 같은 재질을 사용하여 제작될 수 있다. 즉, 곡면을 갖는 대상체에 부착 가능하도록 투명하면서 플렉서블(Flexible)한 재질로 구현될 수 있다.

또한, 기판(510)은 별도의 발광 장치(미도시)로부터 전달되는 빛을 투과시키기 위하여 투명한 재질을 사용하여 제작될 수 있다.

발광 다이오드(520)는 기판(510) 상의 일부에 배치되어 빛을 발산하는 동작을 수행한다. 발광 다이오드(520)는 미세 전극 배열장치(400)에 배치하기 위하여 기 설정된 크기 미만의 LED(Light Emitting Diode)인 것이 바람직하다.

제2 실시예에 따른 발광 다이오드(520)는 전극(550)의 개수와 동일한 개수로 기판(510) 상에 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 발광 다이오드(520)는 백색 단색을 출력하는 μLED(Micro Light Emitting Diode)로 구현될 수 있다.

발광 다이오드(520)는 전극(550)과 동일한 수직선 상에 정렬될 수 있다. 또한, 전극(550)의 일부 영역을 제외하여 도포된 제2 절연층(570)에 의해 형성된 전극 홀(580)은 발광 다이오드(520)의 상측면을 바라볼 때 발광 다이오드(520)의 정중앙에 위치하는 것이 바람직하다.

제1 배선(530)은 발광 다이오드(520)에 연결되며, 발광 다이오드(520)의 동작을 제어하기 위한 전기 신호를 전달한다. 여기서, 제1 배선(530)은 PN 접합구조를 갖는 형태일 수 있으나, 발광 다이오드(520)의 동작을 제어할 수 있다면 다양한 형태로 구현될 수 있다.

제1 절연층(540)은 기판(510) 상에 절연 물질을 도포하여 형성된다. 제1 절연층(540)은 구체적으로, 제1 절연층(540)은 기판(510), 기판(510) 상에 구비된 발광 다이오드(520), 제1 배선(530) 등의 위에 형성된다.

제1 절연층(540)의 두께(542)는 4 um 내지 6 um 사이의 두께로 형성될 수 있으며, 제1 절연층(540)은 SU-8 코팅층으로 구현되는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 절연층(540)의 두께(542)가 6 um를 초과하는 경우 발광 다이오드(520)에서 발산되는 빛을 전극(550)으로 전달하기 어렵게 되고, 제1 절연층(540)의 두께(542)가 4 um 미만인 경우 발광 다이오드(520) 및 제1 배선(530)의 적층 구조를 유지하기 어렵다.

전극(550)은 기판(510) 상의 일부에 배치되며, 미세 전극 배열장치(400)와 접하는 대상체로 신경신호를 송신하거나 대상체로부터 신경신호(응답신호)를 수신하는 동작을 수행한다.

전극(550)은 소정의 너비(552) 및 두께(554)를 갖는 형태로 제작된다. 예를 들어, 전극(550)은 1.5 nm 미만의 두께를 갖고, 전극(550) 상측면에 60 um 내지 110 um 사이의 너비를 갖는 형태로 구현될 수 있다. 여기서, 전극(550)은 신경신호를 송수신할 수 있는 최대 두께 미만으로 형성되는 것이 바람직하고, 전극(550)의 너비는 신경 신호를 송수신하기 위하여 전극(550) 상에 형성된 전극 홀(580)의 너비보다 크게 형성되는 것이 바람직하다.

전극(550)은 플렉서블(Flexible)하고 투명하면서 전도성을 갖는 소재로 제작될 수 있다. 여기서, 전극(550)은 그래핀(Graphene) 재질로 형성되는 것이 바람직하나 플렉서블하고 투명하면서 전도성을 갖는 다양한 소재로 구현될 수 있다. 전극(550)은 복수의 그래핀 층을 적층하여 형설될 수 있으며, 예를 들어 4 레이어(Layer)로 적층된 그래핀 층으로 형성될 수 있다.

전극(550)은 전극(550)의 일부 영역을 제외하여 도포된 제2 절연층(570)에 의해 형성된 전극 홀(580)을 통해 대상체와 접촉하며, 전극 홀(580)을 통해 대상체로 신경 신호를 전달하거나, 대상체로부터 발생하는 신경 신호를 획득할 수 있다. 여기서, 전극 홀(580)의 너비(582)는 50 um 내지 100 um 사이의 크기로 구현될 수 있다.

제2 배선(560)은 전극(550)의 일부 영역과 접하는 형태로 형성되며, 전극(550)의 동작을 제어하기 위한 전기 신호를 전달한다. 제2 배선(560)은 금(Au)으로 구현되는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 전도성 소재로 구현될 수 있다.

제2 배선(560)은 제1 절연층(540) 상에 형성되며, 제2 배선(560)의 두께(562)는 전극(550)의 두께(554)보다 두껍게 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제2 배선(560)의 두께(562)는 30 nm 내지 50 nm 사이의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

제2 절연층(570)은 전극(550)의 일부 영역을 제외하고 제1 절연층(540) 상에 절연 물질을 도포하여 형성된다. 구체적으로, 제2 절연층(570)은 제1 절연층(540), 제1 절연층(540) 상에 형성된 전극(550), 제2 배선(560) 등의 위에 형성되며, 전극(550)의 일부 영역을 제외하여 도포됨으로써 전극 홀(580)을 형성한다.

제2 절연층(570)의 두께(572)는 2 um 내지 5 um 사이의 두께로 형성되는 것이 바람직하며, 제2 절연층(570)을 통해 형성된 전극 홀(580)의 너비(582)는 50 um 내지 100 um 사이의 크기로 형성될 수 있다. 제2 절연층(570)은 SU-8 코팅층으로 구현되는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 여기서, 제2 절연층(570)의 두께(542)가 2 um 미만인 경우 절연층의 역할을 하기 어렵다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 미세 전극 배열장치를 측단면도를 나타낸 도면이다.

제3 실시예에 따른 미세 전극 배열장치(400)는 제2 실시예의 미세 전극 배열장치(400)에서 발광 다이오드 부분을 변형한 구조를 갖는다. 이에, 제2 실시예와 중복되는 기술내용에 대한 설명은 생략하도록 한다.

도 6a를 참조하면, 미세 전극 배열장치(400)의 발광 다이오드(610, 612, 614)는 기판(510) 상의 일부에 배치되어 빛을 발산하는 동작을 수행한다. 발광 다이오드(610, 612, 614)는 미세 전극 배열장치(400)에 배치하기 위하여 기 설정된 크기 미만의 LED(Light Emitting Diode)인 것이 바람직하다.

제3 실시예에 따른 발광 다이오드(610, 612, 614)는 전극(550)의 개수와 동일한 개수로 기판(510) 상에 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 발광 다이오드(610, 612, 614)는 적색, 녹색 및 청색 중 하나의 색을 출력하는 μLED로 구현될 수 있다. 예를 들어, 제1 발광 다이오드(610)는 적색을 출력하는 μLED, 제2 발광 다이오드(612)는 녹색을 출력하는 μLED, 제3 발광 다이오드(614)는 청색을 출력하는 μLED로 구현될 수 있다. 여기서, μLED는 청색 LED 혹은 백색 LED 위에 컬러 필터나 양자점을 이용하여 삼원색을 구현할 수 있다.

발광 다이오드(610, 612, 614)는 복수의 전극(550) 각각과 동일한 수직선 상에 정렬될 수 있다. 또한, 전극(550)의 일부 영역을 제외하여 도포된 제2 절연층(570)에 의해 형성된 전극 홀(580) 각각은 발광 다이오드(610, 612, 614) 각각의 상측면을 바라볼 때 발광 다이오드(610, 612, 614) 각각의 정중앙에 위치하는 것이 바람직하다.

도 6b를 참조하면, 미세 전극 배열장치(400)는 발광 다이오드(610, 612, 614)을 하나의 전극(550)과 매칭되도록 형성할 수도 있다. 예를 들어, 미세 전극 배열장치(400)는 하나의 전극(550)과 정렬되는 삼색 μLED를 기판(510) 상에 집적할 수 있다. 여기서, 삼색 μLED는 적색, 녹색 및 청색을 모두 출력 가능한 발광 다이오드를 의미한다.

도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 미세 전극 배열장치를 측단면도를 나타낸 도면이다.

제4 실시예에 따른 미세 전극 배열장치(400)는 제3 실시예의 미세 전극 배열장치(400)에 디퓨저(Diffuser) 층(700)이 삽입된 구조를 갖는다. 이에, 제3 실시예와 중복되는 기술내용에 대한 설명은 생략하도록 한다.

제4 실시예에 따른 미세 전극 배열장치(400)는 제1 절연층(540) 상에 확산 물질을 도포하여 형성된 디퓨저 층(700)을 추가로 포함한다. 이에, 미세 전극 배열장치(400)의 전극(550)은 디퓨저 층(700) 상에 배치된다.

제4 실시예에 따른 디퓨저 층(700)은 발광 다이오드(610, 612, 614)를 통해 발산되는 빛을 확산시키고, 확산된 빛이 균일하게 전극(550)을 통해 대상체에 전달되도록 한다.

도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 미세 전극 배열장치를 측단면도를 나타낸 도면이다.

제5 실시예에 따른 미세 전극 배열장치(400)는 제3 실시예의 미세 전극 배열장치(400)에 도포 물질(810) 및 필름(820)이 추가된 구조를 갖는다. 이에, 제3 실시예와 중복되는 기술내용에 대한 설명은 생략하도록 한다.

제5 실시예에 따른 미세 전극 배열장치(400)는 제2 절연층(570) 상에 형성된 도포 물질(810) 및 필름(820)을 포함한다.

도포 물질(810)은 빛에 반응하는 단백질을 포함하며, 제2 절연층(570) 상의 일부에 도포된다. 필름(820)은 제2 절연층(570) 상에 위치한 도포 물질(810)의 형태를 유지시키기 위하여 도포 물질(810)을 감싸는 막을 의미한다. 여기서, 필름(820)은 대상체와 접촉 시 도포 물질(810)이 방출되도록 하기 위하여 액체(예: 물)에 녹는 재질로 구현되는 것이 바람직하다.

제5 실시예에 따른 미세 전극 배열장치(400)를 광유전학(Optogenetics) 기술에 적용 즉, 신경 세포를 빛에 반응하게 하기 위해서는 레티날 결합 단백질(retinal protein) 의 종류인 Optin or Rhodopsin 단백질을 이용해 Light-gated proton channel을 형성해야 한다.

이에, 빛에 반응하는 단백질을 포함한 렌티바이러스(Lentivirus, 810)를 대상체 조직이나 생물체에 감염시켜서 빛에 민감하도록 만든다.

제5 실시예에 따른 미세 전극 배열장치(400)는 빛에 반응하는 단백질을 포함한 렌티바이러스(810)의 파우더를 액체(예: 물)에 녹는 필름(820)으로 덮은 구조를 나타낸다. 미세 전극 배열장치(400)의 위에서 세포를 배양(culturing)하거나 체내에서 진행(in-vivo)되는 실험을 할 때 존재하는 배지(culture medium)이나 체액(biofluids)에 의해 필름(820)이 녹으면서 자동적으로 렌티바이러스(810)를 방출(releasing)하게 된다. 여기서, 빛에 반응하는 단백질은 다양한 파장에 반응하는 다양한 종류의 단백질로 구현될 수 있다.

도 9는 본 발명의 제6 실시예에 따른 미세 전극 배열장치를 측단면도를 나타낸 도면이다.

제6 실시예에 따른 미세 전극 배열장치(400)는 제3 실시예의 미세 전극 배열장치(400)에 그래핀 층(910)이 추가된 구조를 갖는다. 이에, 제3 실시예와 중복되는 기술내용에 대한 설명은 생략하도록 한다.

제5 실시예에 따른 미세 전극 배열장치(400)는 그래핀 층(910)을 포함한다. 그래핀 층(910)은 제2 절연층(570) 상에 배치된다. 그래핀 층(910)은 대상체의 세포 성장을 촉진시키고, 대상체의 응답신호를 강화시키기 위하여 형성될 수 있다.

제5 실시예에 따른 미세 전극 배열장치(400)는 세포 분화(Cell differentiation)과 세포 재생(regeneration)이 그래핀 층(910) 상에서 촉진되도록 한다. 그래핀 층(910)은 특수한 세포조직(tissue)과의 연동(interfacing) 가능한 특성을 통해 세포를 배양(culturing)하여 체외진행(in-vitro) 실험을 진행할 때 적용될 수 있다.

제5 실시예에 따른 미세 전극 배열장치(400)의 구조에서 그래핀 전극(520)은 제2 배선(560) 즉, 인터커넥트(interconnect) 전극으로 연결되어 근접한 세포조직의 전기적 신호를 읽는 역할을 수행하고, 그래핀 층(910)은 배양된 세포의 성장을 촉진시키는 역할을 수행한다. 기존의 미세 전극 배열장치를 이용한 체외진행(in-vitro) 실험은 세포를 배양한 후에 일주일 정도를 성장(growth)한 후에 측정을 해야만 한다. 또한, 매일 배지(medium)가 마르지 않도록 추가로 넣어줘야만 했다.

제5 실시예에 따른 미세 전극 배열장치(400)에서는 그래핀 층(910)을 이용하여 세포의 성장을 촉진시킴으로써 더 빠르게 대상체에 대한 측정이 가능하다.

그래핀 층(910)은 그래핀 전극(520)과 전기적으로 연결되어 있지 않기 때문에 측정하는 세포의 신호에는 직접적인 영향을 주지 않는다. 또한, 그래핀 층(910)을 통해 전기생리학적 신호(electrophysiologic signal)가 강화될 수 있어 신경 신호에 대한 높은 SNR과 대상체의 선명한 반응을 관찰할 수 있다.

도 10는 본 발명의 제7 실시예에 따른 미세 전극 배열장치를 측단면도를 나타낸 도면이다.

제7 실시예에 따른 미세 전극 배열장치(400)는 제3 실시예의 미세 전극 배열장치(400)에서 발광 다이오드가 변형된 구조를 갖는다. 이에, 제3 실시예와 중복되는 기술내용에 대한 설명은 생략하도록 한다.

제7 실시예에 따른 미세 전극 배열장치(400)는 μLED를 이용하지 않고, 자외선 발광 다이오드(1010) 및 컬러 필터(1020, 1022, 1024)를 포함한다.

자외선 발광 다이오드(1010)는 기판(510) 상의 일부에 배치되어 자외선(UV: Ultraviolet Ray)을 방출한다.

컬러 필터(1020, 1022, 1024)는 자외선 발광 다이오드(1010)에서 방출되는 자외선을 필터링하여 적색, 녹색 및 청색 중 적어도 하나의 색을 추출하고, 추출된 색의 파장을 전극(550)으로 전달한다. 여기서, 전극(550)은 컬러 필터(1020, 1022, 1024) 상에 배치되는 구조를 갖는다.

컬러 필터(1020, 1022, 1024)는 자외선 발광 다이오드(1010)의 개수보다 많은 개수로 구현되며, 상기 전극(550)의 개수와 동일하게 형성되는 것이 바람직하다.

도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 전극 배열장치에 접합된 발광 다이오드를 제조하는 공정을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 전극 배열장치(400)에 접합된 발광 다이오드는 다음과 같은 공정을 통해 제작될 수 있다.

도 11의 (a)에서, MOCVD 방식으로 증착된 III-V LED 웨이퍼는 포토 리소그래피 방식으로 패터닝되었고, n-레이어는 ICP-RIE 건식 에칭 방법에 의해 노출된다.

도 11의 (b)에서, 오믹 접촉(ohmic contacts)을 통해 p 층 및 n 층을 금속에 접합한다.

도 11의 (c)에서, SiN 패시베이션 층은 PECVD 방법을 통해 증착된다.

도 11의 (d)에서, ICP-RIE에 의해 정의된 측면 치수에 근거하여 III-V LED 칩 각각을 도포한다.

도 11의 (e)에서, 어레이 레이아웃의 III-V LED는 레이저 리프트 오프(LLO) 방법 또는 습식 에칭 방법을 통해 마더 기판으로부터 방출된다.

도 11의 (f)에서, 방출 된 LED는 PDMS와 같은 고무 재료를 사용하여 다양한 기판(예 : 유리 및 PET)에 전사 인쇄된다.

도 11의 (g)에서, 투명한 에폭시 중간층을 스핀 코팅하여 LED 두께를 극복하고 하부 상호 연결 금속을 증착시킨다.

도 11의 (h)에서, 제 2 투명 에폭시 절연 층을 코팅하고 상부 상호 연결 금속을 증착시킨다.

도 11에서는 미세 전극 배열장치를 제조하는 공정(단계)를 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 다시 말해, 도 11에 기재된 공정(단계)을 변경하여 실행하거나 하나 이상의 공정(단계)를 병렬적으로 실행하는 것으로 적용 가능할 것이므로, 도 11은 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.

도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 미세 전극 배열장치에 접합된 발광 다이오드를 제조하는 공정을 설명하기 위한 도면이다.

도 12의 (a)에서는, 사파이어 기판에 청색 LED를 접합한다. 여기서, 기판은 사파이어인 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 유리, 플라스틱 및 고무 중 적어도 하나의 재질로 구현된 투명한 기판일 수 있다.

도 12의 (b)에서는, 절연층 접착 본딩(Adhesive bonding) 방법을 통해 청색 LED의 웨이퍼에 희생층을 포함하는 적색 LED 웨이퍼를 일체식으로 집적한다. 여기서, 절연층은 SU-8 코팅층일 수 있다.

도 12의 (c)에서는, 희생 층을 식각하여 적색 LED 웨이퍼로부터 모재 기판을 제거한다.

도 12의 (d)에서는, 적색 LED에 금속 패드를 증착하여 오믹 접촉(ohmic contacts)을 형성한다.

도 12의 (e)에서는, 절연층 접착 본딩(Adhesive bonding) 방법을 통해 청색 LED의 웨이퍼에 희생층을 포함하는 녹색 LED 웨이퍼를 일체식으로 집적한다. 여기서, 절연층은 SU-8 코팅층일 수 있다. 이후, 희생 층을 식각하여 녹색 LED 웨이퍼로부터 모재 기판을 제거한다. 이후, 녹색 LED에 금속 패드를 증착하여 오믹 접촉(ohmic contacts)을 형성한다.

도 12의 (f)에서는, 접착 본딩을 통해 형성된 모놀리식 삼색 LED를 도시한다.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 제1 실시예에 따른 미세 전극 배열장치를 구현한 형상을 나타낸 예시도이다.

도 13의 (a) 및 (b)는 그래핀 미세 전극 배열장치(400)의 광학 이미지를 나타낸다. 그래핀 미세 전극 배열장치(400)는 중앙에 원통형 유리가 부착되어 세포 배양용 배지일 수 있다.

도 13의 (c)는 그래핀 미세 전극 배열장치(400)이 확대 된 OM 이미지를 나타낸다. 노란색 라인은 골드 트랙 금속(배선)이며, 원형 홀은 약 60 개의 일부 영역이 노출된 그래핀 전극을 나타낸다.

도 13의 (d) 및 (e)는 그래핀 전극과 금 배선의 OM 이미지를 나타내며, 투명 그래핀 전극은 육안으로 보이지 않으며, 전극 홀은 SU-8 패턴에 의한 개구부이다.

도 14a 및 도 14b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 전극 배열장치에 접합된 발광 다이오드와 어레이를 나타낸 예시도이다.

14a는 제2 실시예에 따른 미세 전극 배열장치(400)에 적용된 μLED 와 mini LED의 이미지와 크기를 나타낸다.

14b의 (a)는 Si 마더 기판에서 초박막 PET로 전사된 μLED 어레이의 OM 이미지를 나타낸다. 14b의 (b)는 6um 두께의 PET 상에서 제작된 유연한 수동 매트릭스 16 X 16 μLED 디스플레이의 광학 이미지를 나타낸다. 14b의 (c)는 256 μLEDs 및 Au 전극 상호 연결을 포함하는 μLED 디스플레이의 확대 광학 이미지를 나타낸다. 14b의 (d)는 순방향 바이어스 전압이 적용될 때 단일 LED 동작을 나타낸 광학 이미지이다. 14b의 (e)는 순방향 바이어스 하에서 작동되는 상호 연결된 μLED 어레이의 광학 이미지를 나타낸다. 14b의 (f)는 PET 기판에 전달되는 μLED의 I-V 곡선을 나타낸다.

이상의 설명은 본 발명의 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명의 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100, 400: 미세 전극 배열장치
110, 510: 기판 120, 550: 전극
130: 배선 140: 절연층
520: 발광 다이오드 530: 제1 배선
540: 제1 절연층 560: 제2 배선
570: 제2 절연층

Claims (14)

1. 기판;
   상기 기판 상의 일부에 배치되어 빛을 발산하는 발광 다이오드;
   상기 발광 다이오드에 연결되는 제1 배선;
   상기 기판 상에 도포되며, 상기 기판 상의 발광 다이오드 및 상기 제1 배선 위에 도포되는 제1 절연층;
   상기 제1 절연층 상의 일부에 배치되어 신경신호를 송수신하는 전극;
   상기 전극에 연결되는 제2 배선; 및
   상기 전극의 일부 영역을 제외하고 상기 제1 절연층 상에 도포되는 제2 절연층;을 포함하며,
   상기 제2 절연층 상의 일부에 도포되며, 빛에 반응하는 단백질을 포함하는 렌티바이러스(Lentivirus); 및
   액체에 녹는 특성을 가지며, 상기 빛에 반응하는 단백질을 포함하는 렌티바이러스(Lentivirus)의 형태를 유지시키기 위하여 상기 빛에 반응하는 단백질을 포함하는 렌티바이러스(Lentivirus)를 감싸는 필름;
   을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 전극 배열장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 기판은,
   플라스틱 및 고무 중 적어도 하나의 재질을 사용하여 제작되고,
   상기 빛의 투과 및 곡면을 갖는 대상체에 부착 가능하도록 투명하면서 플렉서블(Flexible)하게 형성되는 것을 특징으로 하는 미세 전극 배열장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 발광 다이오드는,
   상기 전극의 개수와 동일한 개수로 배치되고, 상기 발광 다이오드 각각은 백색 단색을 출력하는 μLED(Micro Light Emitting Diode) 또는 적색, 녹색 및 청색 중 하나의 색을 출력하는 μLED로 구현되는 것을 특징으로 하는 미세 전극 배열장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 발광 다이오드 각각은,
   적색, 녹색 및 청색을 모두 출력 가능한 삼색 μLED로 구현되는 것을 특징으로 하는 미세 전극 배열장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 발광 다이오드와 상기 전극은 동일한 수직선 상에 정렬되고,
   상기 전극의 일부 영역을 제외하여 도포된 상기 제2 절연층에 의해 형성된 전극 홀은 상기 발광 다이오드의 정중앙에 위치하는 것을 특징으로 하는 미세 전극 배열장치.
6. 제1항에 있어서,
   제1 절연층 상에 형성된 디퓨저(Diffuser) 층;을 추가로 포함하며,
   상기 디퓨저 층 상의 일부에 상기 전극이 배치되는 것을 특징으로 하는 미세 전극 배열장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 디퓨저 층은,
   상기 발광 다이오드를 통해 발산되는 상기 빛을 확산시키고, 확산된 상기 빛이 상기 전극을 통해 대상체에 전달되도록 하는 것을 특징으로 하는 미세 전극 배열장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 전극은,
   소정의 두께 미만으로 제작되며, 플렉서블(Flexible)하고 투명하면서 전도성을 갖는 그래핀(Graphene) 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 미세 전극 배열장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 전극은,
   상기 전극의 일부 영역을 제외하여 도포된 상기 제2 절연층에 의해 형성된 전극 홀을 통해 상기 제2 절연층에 접하는 대상체로 상기 신경 신호를 전달하거나, 상기 대상체로부터 발생하는 신경 신호를 획득하는 것을 특징으로 하는 미세 전극 배열장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 전극은,
    상기 발광 다이오드를 통해 발산되는 빛을 상기 대상체로 입사되도록 하고, 상기 빛에 대한 상기 대상체의 응답신호을 측정하는 것을 특징으로 하는 미세 전극 배열장치.
11. 삭제
12. 삭제
13. 기판;
    상기 기판 상의 일부에 배치되어 자외선을 방출하는 자외선(UV: Ultraviolet Ray) 발광 다이오드;
    상기 기판 상에 도포되며, 상기 기판 상의 상기 자외선 발광 다이오드 위에 도포되는 제1 절연층;
    상기 자외선을 필터링하여 적색, 녹색 및 청색 중 적어도 하나의 색을 추출하며, 상기 제1 절연층 상에 일정한 간격으로 배치된 컬러 필터;
    상기 컬러 필터 상에 배치되어 신경신호를 송수신하는 전극;
    상기 전극에 연결되는 제2 배선; 및
    상기 전극의 일부 영역을 제외하고 상기 제1 절연층 상에 도포되는 제2 절연층;을 포함하며,
    상기 제2 절연층 상의 일부에 도포되며, 빛에 반응하는 단백질을 포함하는 렌티바이러스(Lentivirus); 및
    액체에 녹는 특성을 가지며, 상기 빛에 반응하는 단백질을 포함하는 렌티바이러스(Lentivirus)의 형태를 유지시키기 위하여 상기 빛에 반응하는 단백질을 포함하는 렌티바이러스(Lentivirus)를 감싸는 필름;
    을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 전극 배열장치.
14. 제13항에 있어서,
    상기 컬러 필터는,
    상기 자외선 발광 다이오드의 개수보다 많으면서 상기 전극의 개수와 동일하게 형성되며, 상기 전극으로 상기 추출된 색을 전달하는 것을 특징으로 하는 미세 전극 배열장치.

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