KR102682949B1 - 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치 및 시스템 - Google Patents
광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치 및 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
일 실시예에 따른 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치 및 시스템이 개시된다. 일 실시예에 따른 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치는, 광학 자극에 의해 굴절률이 변화하는 광 반응성 구조물; 상기 광 반응성 구조물을 수용하기 위한 복수의 홈; 및 상기 복수의 홈의 사이에 배치되는 광 도파로를 포함한다.
Description
개시되는 실시예들은 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치 및 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게, 개시되는 실시예들은 사람의 광 수용체를 이용하여 굴절률을 변조하는 기술과 관련된다.
[국가지원 연구개발에 대한 설명]
본 연구는 과학기술정보통신부, 한국과학기술연구원 [과제명: Biomimetic vision recovery(인공시각복원기술), 과제고유번호: 1711173311, 세부과제번호: 2E31820]의 지원에 의하여 이루어진 것이다.
본 연구는 과학기술정보통신부, 한국과학기술연구원 [과제명: Biomimetic vision recovery(인공시각복원기술), 과제고유번호: 1711152114, 세부과제번호: 2E31250]의 지원에 의하여 이루어진 것이다.
본 연구는 과학기술정보통신부, 한국과학기술연구원 [과제명: Biomimetic vision recovery(인공시각복원기술), 세부과제번호: 2E32550]의 지원에 의하여 이루어진 것이다.
본 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단 [과제명: 광감응성 신경세포 기반 망막 이식용 나노 디바이스 개발, 과제고유번호: 1711166799, 세부과제번호: 2021R1C1C2013750]의 지원에 의하여 이루어진 것이다.
일반적인 광학 소자 또는 광학 시스템은 전기적 신호를 사용하여 광 경로를 제어한다. 이때, 전기적 신호는 전기 회로와 전선을 필수로 이용해야만 하고, 광학 소자는 주로 실리콘, 사파이어 등의 재료를 이용한다.
그러나, 일반적인 광학 소자와 그 구성요소를 이루는 금속 물질은 유연 소자로 구성되기 어려운 난점이 존재한다. 특히, 금속 물질은 생체 내부에 적용할 시, 접촉 부위에 안전 문제를 유발한다.
일각에서는, 상기 문제를 해결하고자 화학 물질을 이용한 비접촉식 광 제어 기술을 개발하고 있으나, 화학 물질의 굴절률은 고정적이거나, 생체에 적용하기에는 독성이 크다는 한계가 존재한다.
즉, 광 신호 제어 분야는 다양한 연구에도 불구하고, 광학 자극에 따라 굴절률이 상이하게 변화하면서도, 생체 친화적인 광학 기구 소재가 여전히 필요한 실정이다.
개시되는 실시예들은 광 반응성 구조물에 기초하여 광 신호 제어를 하기 위한 것이다.
일 실시예에 따른 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치는, 광학 자극에 의해 굴절률이 변화하는 광 반응성 구조물; 상기 광 반응성 구조물을 수용하기 위한 복수의 홈; 및 상기 복수의 홈의 사이에 배치되는 광 도파로를 포함한다.
상기 광 반응성 구조물은, 조사된 광에 의해 굴절률이 변화할 수 있다.
상기 광 반응성 구조물은, 조사된 광에 의해 분자의 구조가 변화하여 굴절률이 변화할 수 있다.
상기 광 반응성 구조물은, 액체 기반의 용매에 담겨 상기 복수의 홈에 샘플로 수용될 수 있다.
상기 샘플은, 광이 조사되지 않은 경우, 상기 광 도파로보다 굴절률이 작고, 광이 조사된 경우, 상기 광 도파로보다 굴절률이 크게 변화할 수 있다.
상기 광 반응성 구조물은, 광학 자극에 의해 분자 구조가 변화하는 제1 생체 물질을 상기 광 반응성 구조물의 형태 안정성을 위해 제2 생체 물질과 제3 생체 물질이 링 형태로 묶어 조립될 수 있다.
상기 광 반응성 구조물은, 특정 영역에서 레티널과 공유 결합하고, 상기 레티널의 광 반응성에 의한 분자 구조 변화로부터 제1 형태에서 제2 형태로 분자 구조가 변화할 수 있다.
상기 광 신호 제어 장치는, 상기 반응성 구조물이 제1 반응성 구조물에서 제2 반응성 구조물로 교체되면, 상기 광 신호 제어 장치의 반응 파장 대역은 제1 파장 대역에서 제2 파장 대역으로 교체될 수 있다.
상기 제1 파장 대역은 410nm를 포함하고, 상기 제2 파장 대역은 498nm를 포함할 수 있다.
상기 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치는, 하나 이상의 프로세서 및 하나 이상의 프로세서를 실행하기 위한 명령어를 저장하는 메모리를 더 포함하고, 상기 프로세서는, 상기 광 도파로의 출력광의 세기를 기 설정된 값과 비교하여 상기 출력광의 세기를 이진 값으로 분류할 수 있다.
일 실시예에 따른 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 시스템은 광 신호 제어 장치; 상기 광 신호 제어 장치에 입력광을 제공하는 제1 광원; 상기 광 신호 제어 장치에 포함되는 광 반응성 구조물에 광학 자극을 제공하는 제2 광원; 및 상기 광 신호 제어 장치에 출력광을 측정하는 센서를 포함하고, 상기 광 신호 제어 장치는: 상기 광학 자극에 의해 굴절률이 변화하는 광 반응성 구조물; 상기 광 반응성 구조물을 수용하기 위한 복수의 홈; 및 상기 복수의 홈의 사이에 배치되는 광 도파로를 포함한다.
상기 광 반응성 구조물은, 조사된 광에 의해 굴절률이 변화할 수 있다.
상기 광 반응성 구조물은, 조사된 광에 의해 분자의 구조가 변화하여 굴절률이 변화할 수 있다.
상기 광 반응성 구조물은, 액체 기반의 용매에 담겨 상기 복수의 홈에 샘플로 수용될 수 있다.
상기 샘플은, 광이 조사되지 않은 경우, 상기 광 도파로보다 굴절률이 작고, 광이 조사된 경우, 상기 광 도파로보다 굴절률이 크게 변화할 수 있다.
상기 광 반응성 구조물은, 상기 광학 자극에 의해 분자 구조가 변화하는 제1 생체 물질을 상기 광 반응성 구조물의 형태 안정성을 위해 제2 생체 물질과 제3 생체 물질이 링 형태로 묶어 조립될 수 있다.
상기 광 반응성 구조물은, 특정 영역에서 레티널과 공유 결합하고, 상기 레티널의 광 반응성에 의한 분자 구조 변화로부터 제1 형태에서 제2 형태로 분자 구조가 변화할 수 있다.
상기 광 신호 제어 장치는, 상기 반응성 구조물이 제1 반응성 구조물에서 제2 반응성 구조물로 교체되면, 상기 광 신호 제어 장치의 반응 파장 대역은 제1 파장 대역에서 제2 파장 대역으로 교체될 수 있다.
상기 제1 파장 대역은 410nm를 포함하고, 상기 제2 파장 대역은 498nm를 포함할 수 있다.
상기 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 시스템은, 하나 이상의 프로세서 및 하나 이상의 프로세서를 실행하기 위한 명령어를 저장하는 메모리를 더 포함하고, 상기 프로세서는, 상기 광 도파로의 출력광의 세기를 기 설정된 값과 비교하여 상기 출력광의 세기를 이진 값으로 분류할 수 있다.
개시되는 실시예들은 광학 자극인 광학 자극을 통해 광 도파로 경계의 굴절률 변화를 유발함으로써 광 신호를 제어하는 바, 사용자 편의성이 증대된 광학 소재를 제공할 수 있다.
개시되는 실시예들은 굴절률 변화를 유발하는 물질로서, 광 나노 단백질을 이용하는 바, 생체 친화적인 광학 기구 소재를 제공할 수 있다.
개시되는 실시예들은 굴절률 변화 물질로서, 광 나노 단백질을 교체하여 하나의 장치에서 파장별 굴절률의 모듈레이션 민감도가 상이한 광학 소재를 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 시스템을 설명하기 위한 블록도
도 2는 일 실시예에 따른 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치를 설명하기 위한 블록도
도 3은 일 실시예에 따른 광 신호 제어 장치의 구조를 설명하기 위해 측면에서 바라본 단면도
도 4는 일 예시의 광 반응성 구조물을 설명하기 위한 예시도
도 5는 일 예시의 광 반응성 구조물의 광학적 특성을 나타내는 그래프
도 6은 일 실시예에 따른 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치의 실시 결과를 설명하는 예시도
도 7은 일 실시예에 따른 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치의 성능 결과를 정성적으로 나타내는 실험 결과
도 8a는 일 실시예에 따른 제1 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치의 성능 결과를 정량적으로 나타내는 실험 결과
도 8b는 일 실시예에 따른 제2 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치의 성능 결과를 정량적으로 나타내는 실험 결과
도 2는 일 실시예에 따른 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치를 설명하기 위한 블록도
도 3은 일 실시예에 따른 광 신호 제어 장치의 구조를 설명하기 위해 측면에서 바라본 단면도
도 4는 일 예시의 광 반응성 구조물을 설명하기 위한 예시도
도 5는 일 예시의 광 반응성 구조물의 광학적 특성을 나타내는 그래프
도 6은 일 실시예에 따른 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치의 실시 결과를 설명하는 예시도
도 7은 일 실시예에 따른 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치의 성능 결과를 정성적으로 나타내는 실험 결과
도 8a는 일 실시예에 따른 제1 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치의 성능 결과를 정량적으로 나타내는 실험 결과
도 8b는 일 실시예에 따른 제2 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치의 성능 결과를 정량적으로 나타내는 실험 결과
이하, 도면을 참조하여 일 실시예의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 발명에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
일 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 일 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
후술되는 용어들은 본 발명에서의 작업을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 일 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 성분들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 성분, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
또한, 본 명세서에 기술된 실시예는 전적으로 하드웨어이거나, 부분적으로 하드웨어이고 부분적으로 소프트웨어이거나, 또는 전적으로 소프트웨어인 측면을 가질 수 있다. 본 명세서에서 "부(unit)", "계층(layer)", 모듈(module)", "장치(device)", "서버(server)" 또는 "시스템(system)" 등은 하드웨어, 하드웨어와 소프트웨어의 조합, 또는 소프트웨어 등 컴퓨터 관련 엔티티(entity)를 지칭한다. 예컨대, 부, 계층, 모듈, 장치, 서버 또는 시스템은 플랫폼(platform)의 일부 또는 전부를 구성하는 하드웨어 및/또는 상기 하드웨어를 구동하기 위한 애플리케이션(application) 등의 소프트웨어를 지칭하는 것일 수 있다. 구체적인 예로, 부, 계층, 모듈, 장치, 서버 또는 시스템은 프로세서에 의해 구현될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 시스템(1)을 설명하기 위한 블록도이다.
광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 시스템(1)은 광원(100), 광 신호 제어 장치(200) 및 센서(300)를 포함한다.
광원(100)은 제1 광원(110)과 제2 광원(120)을 포함한다.
여기서, 제1 광원(110)은 후술하는 광 신호 제어 장치(200)에 입력 광(다시 말해, 광 신호)를 제공하기 위한 광원(100)이다. 구체적으로, 제1 광원(110)은 연속파 레이저빔(continuous-wave laser beam)을 후술하는 광 신호 제어 장치(200)에 광 도파로(225)를 진행하는 광 신호를 제공할 수 있다.
이때, 제1 광원(110)은 광 신호 제어 장치(200)의 광 도파로(225)의 입구에 광 신호를 방출하여 광 신호 제어 장치(200)에 입력 광을 제공할 수 있다. 제1 광원(110)은 대물렌즈를 이용하여 발산하는 각도를 집중시켜 효율적으로 집약된 광을 제공할 수 있다. 이로부터, 제1 광원(110)은 대물렌즈를 이용하여 산란 손실을 방지할 수 있다.
제2 광원(120)은 후술하는 광 신호 제어 장치(200)의 광 반응성 구조물의 광 반응 활성화를 개시시키기 위한 광원(100)이다. 제2 광원(120)은 LED(Light Emitting Diode; 발광 다이오드)를 이용하여 광 반응성 구조물에 광 자극을 제공할 수 있다. 여기서, 제2 광원(120)은 광 반응성 구조물에 대응하는 파장 대역의 광을 방출하는 LED를 사용하여 다양한 광 반응성 구조물에 광 반응 활성화를 개시시킬 수 있다.
이때, 광 반응이란, 광학 자극에 의해 분자 구조, 굴절률 등 분자의 물성이 변하는 반응을 의미한다. 즉, 광 반응 활성화란, 광학 자극에 의해 분자의 물성이 변화된 상태를 의미한다.
광 신호 제어 장치(200)는 광 반응성 구조물의 광학적 특성을 이용하여 광 신호의 광 도파로(225)를 제어한다. 광 신호 제어 장치(200)는 조사한 광 반응에 따라 굴절률이 변화하는 광 반응성 구조물을 이용하여 광 도파로(225) 내 광 신호의 전반사를 부분적 반사 또는 이의 역으로 전환시킬 수 있다.
센서(300)는 광 신호 제어 장치(200)의 출력광의 세기를 측정한다. 여기서, 광 신호 제어 장치(200)의 출력광은 광 신호 제어 장치(200)에 광의 조사 유무에 따라 그 신호의 세기가 상대적으로 약해지거나 강해질 수 있다. 즉, 센서(300)는 동일한 구성의 광 신호 제어 장치(200)라 하더라도, 광 반응성 구조물의 활성화 여부에 따라 서로 다른 세기를 갖는 출력광을 측정할 수 있게 되는 것이다.
예컨대, 광 신호가 광 도파로(225)에서 모두 전반사하는 경우, 센서(300)는 광 반응성 구조물의 활성화가 진행되는 경우 대비, 출력광을 강한 세기로 측정할 것이고, 광 반응성 구조물의 분자 구조에 기인하여 광 신호가 광 도파로(225)에서 일부 부분적인 반사와 부분적인 투과가 이루어지는 경우, 센서(300)는 광 반응성 구조물의 비활성화 대비, 출력광을 약한 세기로 측정할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치(200)를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치(200)는 기판(210), 홈(220) 및 판단부(미도시)를 포함한다.
기판(210)은 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치(200)의 외형적 구조를 설계하기 위한 플랫폼으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 기판(210)은 PDMS(polydimethylsiloxane; 폴리디메틸실록산)을 이용하여 생성될 수 있다.
여기서, PDMS는 실리콘과 산소에 기반한 화학물질로서, 구조적으로 유연하고, 광학적으로 투명하고, 화학적으로 무독성의 안정하다. 즉, 기판(210)은 미세한 변형에도 복원력을 기대할 수 있고, 액체 기반의 샘플을 수용함에 있어 안정적인 성질을 가진다.
기판(210)과 후술하는 홈(220)은 미리 설계된 도안으로 3D 프린팅을 이용해 생산하고자 하는 구조로 제조될 수 있다. 여기서, 기판(210)의 굴절률은 PMDS 외 타 구성물질을 첨가하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 기판(210)은 폴리스티렌 실버(polystyrene silver)가 첨가되어 전체적인 굴절률이 조절될 수 있다.
홈(220)은 광 반응성 구조물(230)을 수용하기 위한 홈(220)으로서, 기판(210) 상에 배치되는 패턴화 된 홈(220)을 의미할 수 있다. 예를 들어, 홈(220)은 광 반응성 구조물(230)을 수용할 수 있도록 일정한 간격과 깊이로 파여 패턴화될 수 있다. 다른 예로, 홈(220)은 기판(210)의 상면에 평행한 방향으로 패턴화될 수 있다.
광 도파로(225)는 시준된 입력광의 진행을 유도하는 통로이다. 이때, 입력광은 광 도파로(225)의 경계에 배치되는 홈(220)의 굴절률과 상호작용하여 광 도파로(225)를 진행한다. 다시 말해, 광 도파로(225)는 코어층의 기능을 수행하고, 홈(220)은 클래딩층의 기능을 수행할 수 있는 것이다.
구체적으로, 홈(220)의 굴절률이 광 도파로(225)보다 큰 경우, 입력광은 전반사하며 광 도파로(225)를 빠른 속도로 진행한다. 반면, 홈(220)의 굴절률이 광 도파로(225)보다 작은 경우, 입력광은 부분적인 반사를 하며, 광 도파로(225) 범위를 넘어 무작위로 산란하며 진행할 수 있다.
이때, 홈(220)의 굴절률은 홈(220)에 담긴 광 반응성 구조물(230)을 포함하는 수용액의 전체 굴절률에 기초하여 결정될 수 있는 것으로, 구체적인 설명은 후술하기로 한다.
판단부(미도시)는 광 도파로의 출력광의 세기를 기 설정된 값과 비교하여 출력광의 세기를 이진 값으로 판단할 수 있다. 판단부(미도시)는 출력광의 세기가 기 설정된 값 보다 작은 경우, 제1 값(예: 0)으로 판단할 수 있다. 판단부(미도시)는 출력광의 세기가 기 설정된 값 보다 큰 경우, 제2 값(예: 1)으로 판단할 수 있다.
이때, 판단부(미도시)는 광 반응성 기반의 광 신호 제어 장치(200)에 포함되는 프로세서에 의해 구현되거나, 설명과 달리 외부의 장치와 연결되어 수행될 수 있는 것이다.
도 3은 일 실시예에 따른 광 신호 제어 장치의 구조를 설명하기 위해 측면에서 바라본 단면도이다.
도 3의 기판(210) 및 광 도파로(225)는 도 2의 구성요소와 동일한 것으로 중복되는 부분에서 설명을 생략하도록 한다.
도 3을 참조하면, 광 신호 제어 장치는 기판(210), 홈(220) 및 광 도파로(225)를 포함한다.
홈(220)은 좁은 틈으로 뚫린 슬릿(slit)의 형태로 이루어질 수 있다. 여기서, 홈(220)은 입력광의 진행 방향을 기준으로 얇은 폭의 규격을 가질 수 있다. 각 홈(220)의 폭은 동일 또는 서로 다른 값을 가질 수 있다. 예컨대, 폭은 1mm 내지 3mm의 범위일 수 있다.
홈(220)은 입력광의 진행 방향(행 방향)을 따라 슬릿 형태로 1열부터 n열까지 나란히 배치된 복수의 슬릿들일 수 있다. 이때, 홈(220)은 개별적인 슬릿 또는 m번째 행에 포함되는 복수의 슬릿들의 집합을 지칭할 수도 있다. 즉, n*m개의 홈(220)을 갖는 기판(210)은 개별적인 슬릿 별 n*m개 또는 m개의 홈(220)으로 식별될 수 있다.
한편, 홈(220)은 도 3과 같이 슬릿 뿐만 아니라, 도 2와 같이 채널의 형태로 제조될 수 있다. 예컨대, 채널 형태의 홈(220)은 1행부터 n열까지의 슬릿을 모두 통과하는 경로로 제조될 수 있다.
한편, 홈(220)은 채널과 슬릿의 형태로 구현되는 것으로 설명되었으나, 이는 예시적인 것으로서, 액체 형태 또는 고체의 샘플을 수용할 수 있는 공간이면 이에 해당하는 것이지, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
도 4는 일 예시의 광 반응성 구조물(230)을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4를 참조하면, 광 반응성 구조물(230)은 제1생체 물질, 제2 생체 물질(232) 및 제3 생체 물질(233)을 포함한다.
여기서, 광 반응성 구조물(230)은 광 반응 활성화 특성을 갖는 물질로서, 광학 자극에 따라 분자의 구조가 변화하는 구조물을 의미할 수 있다. 특히, 광 반응성 구조물(230)은 인간의 광 수용체를 이용하여 광학 자극에 따라 굴절률이 변화하는 구조물일 수 있다.
제1 생체 물질(231)은 광 수용체를 포함할 수 있다. 제1 생체 물질(231)은 광 수용체와 세제(detergent)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 생체 물질(231)은 세제를 이용하여 막단백질에 해당하는 광 수용체의 안정성을 제고할 수 있다. 예를 들어, 세제는 인지질을 포함할 수 있다.
여기서, 광 수용체는 제1 광 수용체와 제2 광수용체를 포함한다. 제1 광 수용체는 높은 세기의 단파장에서 민감하게 반응하는 물질이다. 다시 말해, 제1 광 수용체는 단파장에서 본래의 분자 구조에서 가장 큰 변이를 일으킨다.
이때, 제1 광 수용체의 광 반응 파장 대역은 410nm를 포함하는 영역대일 수 있다. 바람직하게, 제1 광 수용체의 광 반응 파장 대역은 400nm 내지 420nm일 수 있다. 여기서, 제1 광 수용체는 인간의 눈 또는 옵신에 대응하는 기능을 수행할 수 있다.
제2 광 수용체는 넓은 파장 범위에 걸쳐 광 반응성을 띤다. 예를 들어, 제2 광 수용체의 광 반응 파장 대역은 498nm를 포함하는 영역대일 수 있다. 바람직하게, 제2 광 수용체의 광 반응 파장 대역은490nm 내지 510nm일 수 있다. 여기서, 제2 광 수용체는 로돕신에 대응하는 기능을 수행할 수 있다.
이때, 광 반응성 구조물(230)은 광 수용체의 종류에 의존하여 광 반응 특성이 상이해질 수 있다. 다시 말해, 광 반응성 구조물(230)은 선택되는 광 수용체의 종류에 따라 그 종류가 전혀 상이해질 수 있다.
제2 생체 물질(232)은 MSP(Membrane Scaffold Protein; 막 골격 단백질)을 포함할 수 있다. MSP는 구조 단백질 중 하나로서, 생물학적 분자의 구조 유지를 수행할 수 있다.
제3 생체 물질(233)은 지질-세제 미셀(lipid-detergent micelle)을 포함할 수 있다. 지질-세제 미셀은 지질과 세제가 상호작용하여 형성되는 미셀로서, 지질과 세제 모두의 특성을 결합된 물질일 수 있다. 생물학적 분자의 구조를 안정화할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광 반응성 구조물(230)은 제1 생체 물질(231), 제2 생체 물질(232) 및 제3 생체 물질(233)의 혼합으로 생성될 수 있다. 이때, 제1 생체 물질(231), 제2 생체 물질(232) 및 제3 생체 물질(233)은 혼합 시, 제1 생체 물질(231)을 제2 생체 물질(232)과 제3 생체 물질(233)이 링 형태로 묶여 자체적으로 조립될 수 있다.
이때, 제1 생체 물질(231) 및 제3 생체 물질(233) 중 적어도 하나에 포함되는 세제는 제1 첨가 물질(234)에 의해 제거될 수 있다. 구체적으로, 세제는 제1 첨가 물질(234)의 특정 흡착 작용으로 인해 식별되어 제거될 수 있다. 예를 들어, 제1 첨가 물질(234)은 바이오-비즈(Bio-beads)를 포함할 수 있다.
이후, 광 반응성 구조물(230)은 제2 첨가 물질(235)에 의해 광 반응성을 부여 받을 수 있다. 제2 첨가 물질(235)은 광 반응성 구조물(230)과 특정 영역에 공유결합으로 부착된다. 제2 첨가 물질(235)은 광학 자극에 의해 분자의 구조 변화가 변경될 수 있다.
여기서, 제2 첨가 물질(235)은 레티널 중 하나로서, 11-시스-레티널(11-cis-retinal)일 수 있다. 11-시스-레티널(11-cis-retinal)은 광학 자극에 의해 분자 구조가 올-트랜스-레티널(all-trans-retinal)로 변경될 수 있다.
광 반응성 구조물(230)의 분자 구조의 변화는 제2 첨가 물질(235)의 분자 구조의 변형으로부터 확장되어 이어질 수 있다. 다시 말해, 광 반응성 구조물(230)은 제2 첨가 물질(235)의 분자 구조 변화에 기초하여 분자 구조가 변화될 수 있다.
광 반응성 구조물(230)은 액체 기반의 제1 용매에 담겨 복수의 홈(220)에 샘플로 수용될 수 있다. 제2 첨가 물질(235)은 액체 기반의 제2 용매에 담겨 보관될 수 있다.
제1 용매는 PH 조절용 버퍼 솔루션을 포함할 수 있다. 제1 용매는 생물학적 반응 유지를 위해 안정적인 PH를 제공할 수 있다. 예를 들어, 제1 용매는 헤페스 버퍼(HEPES BUFFER)을 포함할 수 있다.
제2 용매는 벤젠 기반의 용매일 수 있다. 제2 용매는 제1 용매 또는 광 반응성 구조물(230)보다 굴절률이 높은 것으로서, 샘플의 굴절률에 편향 값을 부여할 수 있다.
광 반응성 구조물(230)은 제1 광 수용체를 선택하여 제1 생체 물질(231) 내지 제3 생체 물질(233)을 조합하여 조립될 때, SEM이미지에 따라, 평균적으로 약 15nm의 크기를 가지는 것으로 측정된다. 같은 방식으로, 제2 광 수용체를 선택하여 생성된 광 반응성 구조물(230)은 약 15.9nm의 크기를 가지는 것으로 측정된다.
광 반응성 구조물(230)은 역으로 SDS 페이지 분석(SDS Page analysis) 이미지를 살펴보더라도, 상술한 생체 물질의 조합으로 생성되었음을 입증할 수 있다. 구체적으로, 광 반응성 구조물(230)은 39kDa와 32.7kDa 크기에 해당하는 밴드에 성분이 함유된 것으로 확인된다. 이때, 39kDa 밴드는 광 수용체의 분자량을 나타내고, 32.7kDa 밴드는 MSP의 분자량을 나타낸다.
도 5는 일 예시의 광 반응성 구조물(230)의 굴절률을 나타내는 그래프이다.
한편, 설명의 편의를 위해, 광 반응성 구조물(230)은, 제1 광 수용체를 포함하는 광 반응성 구조물(230)을 제1 광 반응성 구조물(230)(SW-NDs)로, 제2 광 수용체를 포함하는 광 반응성 구조물(230)을 제2 광 반응성 구조물(230)(Rho-NDs)로 지칭하도록 한다.
초기에, 광 반응성 구조물(230)은 기판(210)의 굴절률 보다 작다. 광 반응성 구조물(230)에 광 반응성을 부여하기 위해 레티널을 첨가하는 경우, 광 반응성 구조물(230)의 굴절률은 초기 굴절률 값보다 작게 변화한다. 이때, 광 반응에 의한 레티널 또는 광 반응성 구조물(230)의 구조 변화는 없는 것으로 전제한다.
반면, 광 반응에 의한 레티널과 광 반응성 구조물(230)의 구조 변화가 유발되어 광 반응성 구조물(230)의 굴절률이 변화하는 경우, 샘플의 굴절률은 기판(210)의 굴절률 보다 크게 변화한다.
즉, 샘플은 제1 용매 또는 제2 용매를 통해 굴절 편향 값을 부여하고, 광 반응성 구조물(230)의 굴절률 변화로 전체 굴절률이 제어된다.
도 6은 일 실시예에 따른 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치(200)의 실시 결과를 설명하는 예시도이다.
좌측은 샘플 없이 광 도파로(225)의 입구에 입력광을 시준한 경우의 출력광을 도시한다. 좌측의 입력광은 광 도파로(225)의 경계에서 모두 전반사하며 광 도파로(225)를 진행한다.
이때, 광 도파로(225)의 경계에서, 기판(210)의 굴절률은 홈(220)에 포함되는 공기의 굴절률보다 높아 모두 전반사하며 진행한다. 즉, 좌측의 출력광은 전반사로 인해 적은 손실로 도달된다.
우측은 샘플을 이용해 광 도파로(225) 입구에 입력광을 시준함에도 불구하고, 산란된 출력광을 도시한다. 우측의 입력광은 광 도파로(225)의 경계에서 부분적인 반사와 투과를 하며 광 도파로(225)와 그 주변을 진행한다.
이때, 광 도파로(225)의 경계에서, 기판(210)의 굴절률은 홈(220)에 포함되는 샘플의 굴절률보다 낮아 홈(220)으로 일부 광이 투과되고, 투과된 일부의 광이 전반사한다. 홈(220)의 굴절률은 광 반응이 활성되어 굴절률이 변화된 광 반응성 구조물(230)에 의해 변화된 것이다.
즉, 우측은 굴절률 변화로 좌측 대비 보다 약한 세기의 출력광이 도달된다.
도 7은 일 실시예에 따른 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치(200)의 성능 결과를 정성적으로 나타내는 실험 결과이다.
좌측은 샘플을 포함하나, 광 반응성이 활성화되지 않은 경우 출력광의 세기를 정성적으로 도시한 결과이다. 이때, 광의 세기는 0부터 255까지 색깔을 통해 식별될 수 있는 것으로 전제된다.
우측은 샘플을 포함하고, 광 반응서잉 활성화 된 경우 출력광의 세기를 정성적으로 도시한 결과이다. 좌측의 출력광은 한 곳으로 수렴하며 도달하여, 출력광의 최대 값이 정성적으로 우측 대비 강한 것으로 평가된다. 반면, 우측의 출력광은 여러 곳으로 산란되어 도달하여, 출력광의 최대 값이 정성적으로 좌측 대비 약한 것으로 평가된다.
도 8a는 일 실시예에 따른 제1 광 반응성 구조물(230)(SW-NDs) 기반의 광 신호 제어 장치의 성능 결과를 정량적으로 나타내는 실험 결과이다.
도 8a를 참조하면, 특정 지점 별 도달하는 출력광의 세기가 정량적으로 평가된다.
이때, 제1 광 반응성 구조물(230)(SW-NDs)에 비춰지는 광원(100)(구체적으로, 제2 광원(120))은 반응이 민감한 파장으로 410nm 대역이 이용되었다. 이때, 제1 광 반응성 구조물(230)의 광학 특성에 따라, 광 반응 활성화 유무에 따른 출력광의 세기의 유의미한 차이를 식별할 수 있다.
도 8b는 일 실시예에 따른 제2 광 반응성 구조물(230)(Rho-NDs) 기반의 광 신호 제어 장치의 성능 결과를 정량적으로 나타내는 실험 결과이다.
도 8b를 참조하면, 특정 지점 별 도달하는 출력광의 세기가 정량적으로 평가된다.
이때, 제2 광 반응성 구조물(230)(Rho-NDs)에 비춰지는 광원(100)(구체적으로, 제2 광원(120))은 반응이 민감한 파장으로 490nm 대역이 이용되었다. 이때, 제2 광 반응성 구조물(230)의 광학 특성에 따라, 광 반응 활성화 유무에 따른 출력광의 세기의 유의미한 차이를 식별할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예는 본 명세서에서 기술한 방법들을 컴퓨터상에서 수행하기 위한 프로그램, 및 상기 프로그램을 포함하는 컴퓨터 판독 가능 기록매체를 포함할 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 기록매체는 프로그램 명령, 로컬 데이터 파일, 로컬 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나, 또는 컴퓨터 소프트웨어 분야에서 통상적으로 사용 가능한 것일 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광 기록 매체, 및 롬, 램, 플래시 메모리(120) 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 상기 프로그램의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다.
이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
1: 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 시스템
100: 광원
110: 제1 광원
120: 제2 광원
200: 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치
210: 기판
220: 홈
225: 광 도파로
230: 광 반응성 구조물
231: 제1 생체 물질
232: 제2 생체 물질
233: 제3 생체 물질
234: 제1 첨가 물질
235: 제2 첨가 물질
300: 센서
100: 광원
110: 제1 광원
120: 제2 광원
200: 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치
210: 기판
220: 홈
225: 광 도파로
230: 광 반응성 구조물
231: 제1 생체 물질
232: 제2 생체 물질
233: 제3 생체 물질
234: 제1 첨가 물질
235: 제2 첨가 물질
300: 센서
Claims (20)
- 광학 자극에 의해 굴절률이 변화하는 광 반응성 구조물;
상기 광 반응성 구조물을 수용하기 위한 복수의 홈; 및
상기 복수의 홈의 사이에 배치되는 광 도파로를 포함하는, 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 광 반응성 구조물은, 조사된 광에 의해 굴절률이 변화하는, 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 광 반응성 구조물은, 조사된 광에 의해 분자의 구조가 변화하여 굴절률이 변화하는, 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 광 반응성 구조물은, 액체 기반의 용매에 담겨 상기 복수의 홈에 샘플로 수용되는, 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치.
- 제4항에 있어서,
상기 샘플은, 광이 조사되지 않은 경우, 상기 광 도파로보다 굴절률이 작고, 광이 조사된 경우, 상기 광 도파로보다 굴절률이 크게 변화하는, 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 광 반응성 구조물은, 광학 자극에 의해 분자 구조가 변화하는 제1 생체 물질을 상기 광 반응성 구조물의 형태 안정성을 위해 제2 생체 물질과 제3 생체 물질이 링 형태로 묶어 조립되는, 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치.
- 제6항에 있어서,
상기 광 반응성 구조물은, 특정 영역에서 레티널과 공유 결합하고, 상기 레티널의 광 반응성에 의한 분자 구조 변화로부터 제1 형태에서 제2 형태로 분자 구조가 변화하는, 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 광 신호 제어 장치는, 상기 반응성 구조물이 제1 반응성 구조물에서 제2 반응성 구조물로 교체되면, 상기 광 신호 제어 장치의 반응 파장 대역은 제1 파장 대역에서 제2 파장 대역으로 교체되는, 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치.
- 제8항에 있어서,
상기 제1 파장 대역은 410nm를 포함하고, 상기 제2 파장 대역은 498nm를 포함하는, 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치는,
하나 이상의 프로세서 및 하나 이상의 프로세서를 실행하기 위한 명령어를 저장하는 메모리를 더 포함하고,
상기 프로세서는, 상기 광 도파로의 출력광의 세기를 기 설정된 값과 비교하여 상기 출력광의 세기를 이진 값으로 분류하는, 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 장치.
- 광 신호 제어 장치;
상기 광 신호 제어 장치에 입력광을 제공하는 제1 광원;
상기 광 신호 제어 장치에 포함되는 광 반응성 구조물에 광학 자극을 제공하는 제2 광원; 및
상기 광 신호 제어 장치에 출력광을 측정하는 센서를 포함하고,
상기 광 신호 제어 장치는:
상기 광학 자극에 의해 굴절률이 변화하는 광 반응성 구조물;
상기 광 반응성 구조물을 수용하기 위한 복수의 홈; 및
상기 복수의 홈의 사이에 배치되는 광 도파로를 포함하는, 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 시스템.
- 제11항에 있어서,
상기 광 반응성 구조물은, 조사된 광에 의해 굴절률이 변화하는, 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 시스템.
- 제11항에 있어서,
상기 광 반응성 구조물은, 조사된 광에 의해 분자의 구조가 변화하여 굴절률이 변화하는, 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 시스템.
- 제11항에 있어서,
상기 광 반응성 구조물은, 액체 기반의 용매에 담겨 상기 복수의 홈에 샘플로 수용되는, 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 시스템.
- 제14항에 있어서,
상기 샘플은, 광이 조사되지 않은 경우, 상기 광 도파로보다 굴절률이 작고, 광이 조사된 경우, 상기 광 도파로보다 굴절률이 크게 변화하는, 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 시스템.
- 제11항에 있어서,
상기 광 반응성 구조물은, 상기 광학 자극에 의해 분자 구조가 변화하는 제1 생체 물질을 상기 광 반응성 구조물의 형태 안정성을 위해 제2 생체 물질과 제3 생체 물질이 링 형태로 묶어 조립되는, 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 시스템.
- 제16항에 있어서,
상기 광 반응성 구조물은, 특정 영역에서 레티널과 공유 결합하고, 상기 레티널의 광 반응성에 의한 분자 구조 변화로부터 제1 형태에서 제2 형태로 분자 구조가 변화하는, 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 시스템.
- 제11항에 있어서,
상기 광 신호 제어 장치는, 상기 반응성 구조물이 제1 반응성 구조물에서 제2 반응성 구조물로 교체되면, 상기 광 신호 제어 장치의 반응 파장 대역은 제1 파장 대역에서 제2 파장 대역으로 교체되는, 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 시스템.
- 제18항에 있어서,
상기 제1 파장 대역은 410nm를 포함하고, 상기 제2 파장 대역은 498nm를 포함하는, 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 시스템.
- 제11항에 있어서,
상기 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 시스템은,
하나 이상의 프로세서 및 하나 이상의 프로세서를 실행하기 위한 명령어를 저장하는 메모리를 더 포함하고,
상기 프로세서는, 상기 광 도파로의 출력광의 세기를 기 설정된 값과 비교하여 상기 출력광의 세기를 이진 값으로 분류하는, 광 반응성 구조물 기반의 광 신호 제어 시스템.
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