KR20130071449A - 광유전학용 ＧａＮ ＬＥＤ 어레이 소자 - Google Patents

광유전학용 ＧａＮ ＬＥＤ 어레이 소자 Download PDF

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KR20130071449A
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이건재
박소영
이승현
박귀일
구민
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한국과학기술원
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Abstract

광유전학용 GaN LED 어레이 소자 제조방법, 이에 따라 제조된 GaN LED 어레이 소자가 제공된다.

Description

광유전학용 ＧａＮ ＬＥＤ 어레이 소자{GaN LED array device for optogenetics}
본 발명은 광유전학용 GaN LED 어레이 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광유전학에 있어 가벼운 무게, 생체 이식 가능, 크기 조절을 통하여 좁은 공간에서 사용될 수 있는 점 등으로 매우 유용한, GaN LED 어레이 소자에 관한 것이다.
광유전학은 광학(optics)과 유전공학(genetics)을 융합한 학문 기술 분야로, Stanford 대학의 Deisseroth 교수의 실험실에서 개발 및 발전되었다. 광유전학은 빛으로 신경세포를 조절하는 첨단기술로, 빛에 민감한 채널로돕신2 (Channelrhodopsin2, ChR2: GaN가 방출하는 푸른빛에 반응)와 같은 세포막의 단백질 유전자를 바이러스 벡터를 이용해 실험동물의 신경세포에 삽입해 빛의 파장에 따라 신경세포가 자극을 받아서 활성화되거나 억제되어 조절할 수 있다. 광유전학의 광 자극은 전기생리학을 적용한 전기 자극보다　좀 더　정교한 방법으로 높은 시공간적 해상도를 가지고 신경세포들을 조절할 수 있다. 현재까지의 광유전학을 이용한 실험에서는 뇌의 깊은 곳에 자극을 주기 위하여 외부와 연결된 광섬유를 집어넣었지만 이는 뇌에 손상을 미칠 수 있고, 이 자극은 특정 부위에만 한정되어 뇌에 원하는 패턴의 자극을 줄 수 없다는 한계가 있다. 즉, 이와 같은 종래 기술의 문제들은 모두 광원이 단단한 물질임에 반해 뇌는 전체적으로 구형이고 굴곡이 많기 때문에 발생한다. 따라서 휘어짐이 가능한 유연한 (flexible) 광원을 이용하면 뇌의 손상 없이 자극을 줄 수 있고, 또한 배열된 광원들을 사용하면 뇌에 특정 패턴의 자극을 줄 수 있으며, 만약에 광원이 생체 내부에 이식된 유연한 배터리로 구동되거나, 이 배터리가 2차 전지가 되어 생체 내의 나노발전기(nanogenerator)에 의해 인체 내에서 에너지를 얻어 충전 된다면 외부와의 연결이나 추가적인 수술 없이도 실험중인 동물이나 환자에게 장기적으로 좀 더 자유로운 활동을 보장할 수 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 유연한 GaN 무기물 기반의 광유전학의 광자극을 위한 LED 소자를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 유연성을 갖는 광유전학 GaN LED 소자 제조방법으로, 상기 방법은 희생기판 상에 제조된 GaN LED 소자를 상기 희생기판으로 분리시키는 단계; 상기 분리된 GaN LED 소자를 플라스틱 기판에 전사시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광유전학 GaN LED 소자 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 GaN LED 소자는 복수 개의 단위 소자가 어레이를 이루는 구조이며, 상기 GaN LED 소자를 상기 희생기판으로부터 분리시키는 단계는 레이저 빔을 상기 희생기판 후면에 조사하는 레이저-빔 리프트 오프 방식이다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 광유전학 GaN LED 소자는 470 nm 이하 파장대의 푸른빛을 발생시켜, 이에 반응하는 단백질을 활성화시키며, GaN LED로부터 발생하는 푸른빛에 자극받는 단백질은 채널로돕신(Channelrhodopsin 2, ChR2)이다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 유연성을 갖는 광유전학 GaN LED 어레이 소자 제조방법으로, 상기 방법은 희생 기판 상에 서로 이격된 복수 개의 GaN LED 단위 소자를 포함하는 GaN LED 소자 어레이를 형성하는 단계; 상기 GaN LED 소자 어레이를 상기 희생기판으로부터 분리하여, 유연성을 갖는 플라스틱 기판 상에 전사시키는 단계; 상기 전사된 GaN LED단위소자와 연결된 컨택라인을 형성하는 단계; 및 상기 컨택라인 상에 패시베이션층을적층한 후, 상기 컨택라인의 일부를 외부로 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 유연성을 갖는 광유전학 GaN LED 어레이 소자 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 GaN LED 단위 소자는 n-GaN층, 액티브층인 멀티-양자웰층(multi-quantum well, MQW) 및 p-GaN층을 포함하며, 상기 n-GaN층 및 p-GaN 층 상에는 각각 소정의 높이차를 가지는 컨택금속이 적층된다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 컨택라인은 상기 n-GaN층 상의 컨택금속과 연결된 제 1 컨택라인과, 상기 p-GaN층 상의 컨택금속과 연결된 제 2 컨택라인을 포함하며, 상기 제 1 컨택라인과 제 2 컨택라인은 각각 복수 개의 단위 소자를 공통으로 연결하며, 상기 제 1 컨택라인과 제 2 컨택라인은 서로 수직 교차한다. 또한, 상기 전사는 상기 희생기판 후면에 레이저 빔을 조사하는 단계; 상기 후면기판 상의 단위소자에 전사기판을 접촉시킨 후, 전사기판을 상기 희생기판으로부터 이격시키는 단계를 포함하며, 상기 희생기판은 실리콘 기판 또는 사파이어 기판이다.
본 발명은 또한 상술한 방법에 의하여 제조된 광유전학 GaN LED 어레이 소자 및 이를이용하여, 상기 GaN LED 어레이 소자를 생체 내에 이식한 후, 상기 어레이 소자의 단위 GaN LED 소자의 빛을 발생시켜, 생체를 자극하는 방식의 광 유전학의 광 자극 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 유연성의 GaN LED 소자는 구 형태의 두개골이나 두개골 뼈 바로 아래에 위치하는 주름진 대뇌피질(인지, 사고, 언어, 기억 등의 역할, 특히 파킨슨 병은 표면에 위치하는 신경세포에 의한 증상) 등의 구불구불한 표면 자극이 쉽고, 좌뇌와 우뇌 사이 심층의 협소한 위치에도 이식 가능하다. 또한 복수 개로 구성되며, 각각이 독립적으로 온/오프되는 LED 어레이를 통해 여러 부위에 신경세포의 빛 온-오프 자극이 가능하므로 신경 회로의 규명이 용이해진다.
도 1 내지 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 광유전학의광자극을 위한, 유연성의 GaN LED 어레이 소자의 제조방법의 단계별 공정 모식도이다.
도 25 내지 29는 본 발명에 따른 유연성의 광유전학용 GaN LED 소자를 이용한 광자극 방법을 설명하는 도면이다.
이하 바람직한 실시예 및 도면을 이용하여 본 발명을 상세히 설명한다. 하지만, 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위한 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
또한, 본 명세서에 첨부된 도면은 모두 전체 평면도 및 부분 단면(A-A')을 절개한 단면도의 형식으로 해석된다.
본 명세서에서 플라스틱 기판은 유연성, 즉, 플렉서블 특성을 가지는 임의의 모든 기판을 다 포함하는 것으로 해석되며, 보다 명확하게는 플렉서블중합체 기판을 의미한다.
도 1 내지 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 광유전학의 광자극을 위한, 유연성의 GaN LED 어레이 소자의 제조방법의 단계별 공정 모식도이다.
도 1에서는 희생기판이 사파이어 기판(100)이 개시된다.
도 2를 참조하면, 상기 기판(100) 상에 순차적으로 버퍼층(201), n-GaN층(202), 액티브층인멀티-양자웰층(multi-quantum well, MQW, 203) 및 p-GaN층(204)을 적층시킨다. 여기에서, n-GaN층 및 p-GaN층은 n형 불순물 또는 p형 불순물을 도핑시킨 질화갈륨층을 의미한다.
도 3을 참조하면, 상기 p-GaN층(204) 상에 포토레지스트층(301)을 도포하고, 다시 패턴된제 1 마스크(302)를 이용, 포토레지스트 공정을 진행, 순차적으로 p-GaN층 및 멀티-양자웰층을 식각하여, 소자층 하부의 n-GaN층(202)을 외부로 노출시킨다(도 4 및 5 참조). 노출되는 n-GaN층 영역(205)은 서로 이격되며, 소정의 너비와 길이를 가지는 사각 구조일 수 있으나, 본 발명의 범위는 이러한 형태에 제한되지 않는다.
도 6을 참조하면, 상기 노출되는 n-GaN층 영역(205) 및 이에 인접한 p-GaN층(203) 상에 각각 제 1 및 제 2컨택 금속(206)이 적층된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 컨택 금속(206)은 Au/Cr 금속이었으며, 600℃로 1분간 열처리하는 방식으로 아래의 접촉층과 오믹컨택을 형성한다.
도 7을 참조하면, 상기 소자층 전체에 대하여 제 1 금속층(207)이 적층되며, 이로써 상기 노출된 n-GaN 영역 및 p-GaN층은 상기 지지 금속층(207)으로 덮인다. 본 발명에서 상기 지지 금속층(207)은 GaN소자의 전사를 위한 전사기판과의 균일한 접촉 면적을 제공한다.
도 8 내지 10을 참조하면, 상기 제 1 및 제 2 컨택 금속을 포함하는 단위 소자 영역 상에 제 2 마스크(304)를 적층한 후, 포토레지스트 공정을 이용, 식각 공정을 진행한다. 이로써 상기 제 2 마스크(304)가 형성된 소자 영역을 제외한 나머지 영역의 소자층은 모두 제거된다. 여기에서 상기 소자 영역은 n-GaN층 영역(205) 및 인접한 p-GaN층 상의 제 2 컨택 금속을 포함하는 영역을 의미한다. 도 10에서 볼 수 있듯이, 딱딱한 희생기판(100) 상에 복수 개의 단위 LED소자가 서로 이격된 형태로 형성된, 소위 GaN LED 어레이가 형성되며, 상기 GaN LED소자는 각각 독립적으로 온-오프될 수 있도록 컨택 라인이 전사 후 형성된다.
도 11 내지 13을 참조하면, 상기 희생기판(100)의 후면에리프토-오프 공정을 위한 레이저 빔(400)이 소자 영역에 대응되는 위치로 조사되며, 이후 PDMS와 같은 전사기판(210)이 상기 단위 소자에 접촉된 후, 이격되어 희생기판(100)으로부터 소자를 분리한다.
도 14에는 유연성을 가지는 플라스틱 기판(500)이 개시된다.
도 15 및 16을 참조하면, 상기 플라스틱 기판(500) 상에 접착층(501)을 도포하고, 이후 희생기판(100)으로부터 분리된 소자를 상기 접착층(501)에접촉시킴으로써, 상기 소자를 전사시킨다.
도 17을 참조하면, 상기 지지 금속층은 제거되며, 이로써 n-GaN 층과 p-GaN층이 노출되며, 동시에 n-GaN 층상의 컨택 금속(206) 또한 노출된다. 상기 제거는 식각액을 통한 습식 방식일 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다.
도 18을 참조하면, 전기적인 패시베이션을 형성하기 위한 제 1 패시베이션층(310)이 적층된다. 본 발명에서 제 1 패시베이션층(310)은 투명한 수지층으로서, SU8, PI, PU 등이 패시베이션층(310)의 구성물질로 사용될 수 있다. 이후, n-GaN층과 p-Gan층 상의 컨택 금속과의 컨택 라인을 형성하기 위한 제 3 마스크(305)가 사용되며, 도 19에 도시한 바와 같이 n-GaN층과 p-Gan층 상의 컨택 금속(206)은 식각 공정에 의하여 개구되어, 외부로 노출된다.
도 19를 참조하면, n-GaN층 상의 컨택 금속 상에 제 1금속 라인(502)이 적층된 후, 패터닝된다. 상기 제 1 금속라인은 도 19에서 개구된 부분을 모두 채우는 방식으로 적층되고, 이후 복수 개의 단위 소자를 하나의 라인으로 연결하는 형태로 패터닝된다. 도 20에서는 3개의 단위 소자를 하나의 제 1 금속라인(502)이 모두 전기적으로 연결하며, 상기 제 1 금속라인(502)의 단부에는 라인의 너비보다 큰 패드가 형성되어 있다.
도 21 및 22를 참조하면, 상기 소자 상에 제 2 패시베이션층(320)이 적층되고, 마스크(306)를 사용, 포토레지스트 공정을 진행한다. 이로써, 도 22에서 도시된 바와 같이 p-GaN층 상에 노출된 컨택금속(206)이 노출되고, 아울러 도 20에서 도시된 바와 같이, n-GaN층 상의 컨택금속과 연결된 제1 금속라인(502)의 단부인 패드가 노출된다.
도 23을 참조하면, 상기 노출된 p-GaN층 상의 컨택금속(206)과 연결된 제 2 금속라인(503)이 형성되며, 이로써 n-GaN층 상의 컨택금속과 연결된 제 1 컨택라인(502)과, p-GaN층 상의 컨택금속과 연결된 제 2 컨택라인(503)이 형성되며, 상기 제 1 컨택라인(502)와 제 2 컨택라인(503)은 높이를 달리하면서, 서로 수직으로 교차한다. 즉, 상기 제 1 컨택라인(520)와 제 2 컨택라인(503)은 복수의 단위 소자를 종과 열로 전기적으로 연결하며, 상기 제 2 컨택라인(503) 또한 단부에는 라인 너비보다 더 넓은 패드가 형성된다.
도 24를 참조하면, 소자 상에 제 3 패시베이션층(330)이 형성된 후, 상기 제 2 컨택라인(503)의 전기적 연결을 위하여, 상기 제 2 컨택라인(503) 단부의 패드가 노출되도록 상기 제 3 패시베이션층(330)이 패터닝된다.
이로써 제 1 컨택라인의 패드와 제 2 컨택라인의 패드만 제 3 패시베이션층(330)을 통하여 노출된, 유연성의 광유전학용 GaN LED 소자가 제조된다.
본 발명에 따른 유연성의 GaN LED 소자는 구 형태의 두개골이나 두개골 뼈 바로 아래에 위치하는 주름진 대뇌피질(인지, 사고, 언어, 기억 등의 역할, 특히 파킨슨병은 표면에 위치하는 신경세포에 의한 증상) 등의 구불구불한 표면 자극이 쉽고, 좌뇌와 우뇌 사이 심층의 협소한 위치에도 이식 가능하다.
또한 복수 개로 구성되며, 각각이 독립적으로 온/오프되는 LED 어레이를 통해 여러 부위에 신경세포의 빛 온-오프 자극이 가능하므로 신경 회로의 규명이 용이해진다.
도 25 내지 29는 본 발명에 따른 유연성의 광유전학용 GaN LED 소자를 이용한 광자극 방법을 설명하는 도면이다.
도 25를 참조하면, 대뇌 피질 신경세포에 opsin(채널로돕신, ChR2)이 주입된다.
도 26을 참조하면, 본 발명에 따른 GaN LED 어레이 소자(700)에 의하여 발생한 빛으로 opsin(채널로돕신, ChR2)이 주입된 뇌 영역을 자극한다. 이때 일부 단위 GaN LED 소자는 빛을 발생시키며(700a), 일부는 빛을 발생시키지 않는다(700b). 즉, 본 발명에 따라 제조된 광유전학 GaN LED 소자는 470 nm 이하 파장대의 푸른빛을 발생시키며, 이에 반응하는 단백질을 활성화시키는데, 이때 GaN LED로부터 발생하는 푸른빛에 자극받는 단백질은 채널로돕신(Channelrhodopsin 2, ChR2)이다.
도 27 및 28은 나노제너레이터(nanogenerator)와 함께 본 발명에 따른 광유전학용 GaN LED 소자를 함께 사용한 예를 나타낸다.
도 27 및 28을 참조하면, 심장에 부착되어, 심장 박동에 따라 전력을 생산할 수 있는 나노제너레이터(701)가 도시되며, 상기 나노제너레이터(701)로부터 생산된 전력은 다시 유연성 이차전지(702)에 충전되고, 다시 이차전지(702)로부터 본 발명에 따른 GaN LED 어레이 소자(700)에 전기를 공급할 수 있다. 이로써 외부와의 연결이나 추가적인 수술 없이도 실험중인 동물이나 환자에게 좀 더 자유로운 활동을 보장될 수 있다.
도 29는 본 발명에 따른 GaN LED 어레이 소자의 다양한 이용예를 나타내는 도면이다.
도 29를 참조하면, 살아있는 생쥐의 뇌 부위를 유연한 LED를 이용하여 선택적으로 자극한 후, 움직임의 변화를 관찰하거나, 생쥐를 stereotaxic frame에 고정시킨 후 뇌의 여러 부위에 자극을 주어 행동변화를 관찰하는 등의 부위 특이적, 패턴 자극 특이적 기능연구를 수행 할 수 있다.
본 발명에 따른 GaN LED 어레이 소자는 광유전학에 있어 가벼운 무게, 생체 이식 가능, 크기 조절을 통하여 좁은 공간에서 사용될 수 있는 점 등으로 매우 유용하다. 예를 들어, 척추 뼈 사이사이로 가지처럼 나오는 신경 세포는 구조적으로 그 부위에 디스크가 생기거나, 외상 등으로 다치거나, 척추 뼈가 휘어져 있는 등의 경우라면, 훨씬 쉽게 척추 신경 세포가 손상될 수 있다. 척추 신경 세포의 흉터(손상)는 다양한 신체 증상과 연관(소화기관, 심장, 혈관, 방광, 땀샘 등에 문제)되어있다. 하지만, 척추의 형태가 평평하지 않고 구부러지기 때문에 견고한 LED는 이용이 불가능하므로 본 발명에 다른 유연성 LED소자가 이식되어 사용되기 유리하다. 특히 생체 내에서 자체 전력 공급이 가능한 본 발명에 따른 옵토제네틱 시스템은 거동이 불편한 척추 손상 환자에게 유용하다.

Claims (6)

  1. 유연성을 갖는 광유전학 GaN LED 소자 제조방법으로, 상기 방법은
    희생기판 상에 제조된 GaN LED 소자를 상기 희생기판으로 분리시키는 단계;
    상기 분리된 GaN LED 소자를 플라스틱 기판에 전사시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광유전학 GaN LED 소자 제조방법으로, 상기 광유전학 GaN LED 소자는 470 nm 이하 파장대의 푸른빛을 발생시켜, 이에 반응하는 단백질을 활성화시키는 것을 특징으로 하는 광유전학 GaN LED 소자 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 GaN LED 소자는 복수 개의 단위 소자가 어레이를 이루는 구조인 것을 특징으로 하는 광유전학 GaN LED 소자 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    GaN LED 소자를 상기 희생기판으로부터 분리시키는 단계는 레이저 빔을 상기 희생기판 후면에 조사하는 레이저-빔 리프트 오프 방식인 것을 특징으로 하는 광유전학 GaN LED 소자 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    GaN LED로부터 발생하는 푸른빛에 자극받는 단백질은 채널로돕신(Channelrhodopsin 2, ChR2)인 것을 특징으로 하는 광유전학 GaN LED 소자 제조방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 제조된 광유전학 GaN LED 어레이 소자.
  6. 제 5항에 따른 GaN LED 어레이 소자를 생체 내에 이식한 후, 상기 어레이 소자의 단위 GaN LED 소자의 빛을 발생시켜, 생체를 자극하는 방식의 광 유전학의 광 자극 방법.
KR1020130059567A 2013-05-27 2013-05-27 광유전학용 ＧａＮ ＬＥＤ 어레이 소자 KR20130071449A (ko)

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