KR20130078956A

KR20130078956A - 생체 자극용 탐침형 발광다이오드 칩 모듈 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20130078956A
Application number: KR1020120000141A
Authority: KR
Inventors: 송진동; 최지현; 이주현
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2012-01-02
Filing date: 2012-01-02
Publication date: 2013-07-10
Also published as: KR101401414B1; US20130172962A1

Abstract

생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈은 LED 칩, LED 칩을 지지하는 기판, LED 칩으로부터 발광되는 광을 모으는 광도파로 및 기판과 광도파로를 결합시키며, 외부로부터 절연시키는 절연부를 포함한다. 광도파로는 LED 칩과 마주보는 일면으로부터 원통형으로 연장된 몸체부, 몸체부의 타면으로부터 지름이 점차 줄어드는 변형층 및 변형층의 단부에서 연장되며, 광섬유의 지름을 갖는 탐침부를 포함한다. 이에 따라, 소형으로 제작하여 이동성 및 활용성이 우수한 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈을 제공할 수 있다.

Description

생체 자극용 탐침형 발광다이오드 칩 모듈 및 그 제조방법{OPTICAL PROBE LED CHIP MODULE FOR BIO STIMULATION AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 생체 자극용 탐침형 발광다이오드 칩 모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 LED를 기반으로 소형 제작되는 생체 자극용 탐침형 발광다이오드 칩 모듈 및 그 제조방법에 관한 것이다.

생체, 특히 뇌에 전기적 자극기를 사용하여 파킨슨병/우울증 등의 뇌신경질환 질병을 이해 또는 치료하고 있다. 그러나, 전기자극의 경우 자극의 위치가 세포단위로 정확해야 하며, 세기가 과도하게 되면, 어지러움이나 저림 등의 부작용이 생길 수 있다.

또한, 전기적 노이즈를 발생시켜서 자극에 따른 뇌신호 측정이 어려운 단점이 있으며, 특히 금속 침을 이용하므로 자기공명장치(MRI)에 환자가 들어가지 못하므로 뇌검진 및 효과를 뇌경상을 통해 볼 수 없다.

따라서, 최근에 들어 전기적 자극이 아닌 광자극 기술이 등장하여 뇌자극 기반 뇌신경질환 치료뿐 아니라 근육조절, 신장 등 장기기능 개선 등에 적용되어 차세대 질환치료 기기로 각광을 받고 있다.

도 1 및 도 2는 각각 Aravanis A, et al. J. Neural Eng. 2007 Sept; 4:S143-S156 및 Zhang F, et al. Nature. 2007 Apr 5; 446:633-3에서 발췌한 것으로, 기존의 대형 레이저 및 광섬유를 사용하는 시스템의 개괄도 및 이를 이용해 주입되는 빛의 파장에 따른 실험쥐의 생체 신호 변화 및 그 동작원리를 보여준다.

도 1에서 보여지는 바와 같이, 실험쥐의 뇌의 특정 부분에 레이저 및 광섬유를 설치한다. 예를 들어, 실험쥐 뇌에 ChR2 수광체가 있는 경우, 약 425 nm를 중심으로 한 청색광을 실험쥐의 뇌에 노출시킬 때 쥐의 뇌파가 변동되는 것을 도2의 그래프에서 확인할 수 있다.

그러나, 현재 광자극 방식은 대형 레이저에 광섬유를 연결시켜서 광신호를 전달하는 방식을 취함에 따라, 살아 움직이는 생체에 적용할 때 그 활동의 제약을 많이 받는다. 따라서, 대형 레이저 기반의 광자극 조절/치료기를 대체할 수 있는 소형 광자극기가 요구된다.

Aravanis A, Wang LP, Zhang F, Meltzer L, Mogri M, Schneider MB, Deisseroth K. An optical neural interface: in vivo control of rodent motor cortex with integrated fiberoptic and optogenetic technology. J. Neural Eng. 2007 Sept; 4:S143-S156 Zhang F, Wang LP, Brauner M, Liewald JF, Kay K, Watzke N, Wood PH, Bamberg E, Nagel G, Gottschalk A, Deisseroth K. Multimodal fast optical interrogation of neural circuitry. Nature. 2007 Apr 5; 446:633-39

이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 이동성 및 활용성이 우수한 생체 자극용 탐침형 발광다이오드 칩 모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 생체 자극용 탐침형 발광다이오드 칩 모듈을 용이하게 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 생체 자극용 탐침형 발광다이오드 칩 모듈은, 발광다이오드(Light Emitting Diode, 이하 LED) 칩(chip); 상기 LED 칩을 지지하는 기판; 상기 LED 칩으로부터 발광되는 광을 모으는 광도파로; 및 상기 기판과 상기 광도파로를 결합시키며, 외부로부터 절연시키는 절연부를 포함한다.

본 발명의 실시예에서, 상기 광도파로는, 상기 LED 칩과 마주보는 일면으로부터 원통형으로 연장된 몸체부; 상기 몸체부의 타면으로부터 지름이 점차 줄어드는 변형층; 및 상기 변형층의 단부에서 연장되며, 광섬유의 지름을 갖는 탐침부를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 광도파로는 광섬유 모재(preform)로 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 광도파로는 실리카(sillica)로 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 광도파로는, 상기 광도파로의 길이 방향의 중앙에 형성되어, 상기 LED 칩으로부터 발광되는 광을 전달하는 코어(core)부; 및 상기 코어부를 감싸는 클래딩(cladding)부를 포함하는 이중 원통형 구조로 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 광도파로의 코어부의 굴절률은 상기 클래딩부의 굴절률보다 상대적으로 높을 수 있다. 이 경우, 상기 광도파로의 코어부에는 산화게르마늄(GeO₂)이 도핑(doping)될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈은 상기 LED 칩에 전원을 공급하는 외부 전원과 연결되는 전극 커넥터(connector)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 기판은 상기 LED 칩과 상기 전극 커넥터를 전기적으로 연결할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 기판은 질화알루미늄(AlN) 또는　산화알루미늄(Al₂O₃) 등을 포함하는 세라믹 기판이거나 인쇄회로기판(PCB; Printed Circuit Board)일 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈은 ChR2 수용체에 사용할 수 있다. 이 경우, 상기 LED 칩은 질화갈륨(GaN) 계열의 청색(blue) LED를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈은 상기 기판과 상기 광도파로 사이에 광학 정합 재료(optical matching material)를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 절연부는 광흡수성 절연 물질로 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 절연부는 흑색(black) 에폭시(epoxy)로 형성될 수 있다.

상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 생체 자극용 탐침형 발광다이오드 칩 모듈의 제조방법은, 중앙의 굴절률이 주변의 굴절률보다 높은 광섬유 모재(preform)를 인장하여 원통형의 중간 모재를 형성하는 단계; 상기 중간 모재를 가열 및 비가열 상태에서 인장하여 광도파로를 형성하는 단계; 상기 광도파로와 발광다이오드(Light Emitting Diode, 이하 LED) 칩(chip)이 장착된 기판을 결합하는 단계; 및 광흡수성 절연체로 상기 기판과 상기 광도파로를 밀봉(seal)하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 광도파로를 형성하는 단계는, 상기 중간 모재를 가열하며 저속으로 인장하여, 상기 중간 모재의 일부분으로부터 지름이 점차 줄어드는 변형층을 형성하는 단계; 및 상기 변형층의 단부를 비가열하며 가속 인장하여, 광섬유의 지름을 갖는 탐침부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 광도파로를 형성하는 단계는, 상기 중간 모재의 일단을 홀더에 고정한 후 진행할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 광도파로와 상기 기판을 결합하는 단계는, 상기 기판과 상기 광도파로 사이에 광학 정합 재료(optical matching material)를 주입할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 광도파로와 상기 기판을 결합하는 단계는, 상기 광도파로 하단에 경면 가공하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 생체 자극용 탐침형 발광다이오드 칩 모듈의 제조방법은, 상기 기판에 외부 전원과 연결되는 전극 커넥터(connector)를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이와 같은 생체 자극용 탐침형 발광다이오드 칩 모듈 및 그 제조방법에 따르면, LED를 이용하므로 소형으로 제작할 수 있다. 따라서, 생체의 활동에 제약을 주지 않고 신경을 자극할 수 있으므로, 이동성 및 활용성이 우수한 광자극기를 제공할 수 있다. 또한, LED를 기반으로 제조하므로, 제조비용을 낮출 수 있고, 1회용 사용이 가능하다.

도 1은 종래의 대형 레이저 및 광섬유를 사용하는 광자극기의 시스템을 보여주는 개괄도이다.
도 2는 도 1의 광자극기를 이용하는 경우 실험쥐의 생체 신호 변화를 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 자극용 탐침형 발광다이오드 칩 모듈의 길이 방향의 단면도이다.
도 4는 도 3의 생체 자극용 탐침형 발광다이오드 칩 모듈의 활용예를 보여주는 개념도이다.
도 5는 도 3의 생체 자극용 탐침형 발광다이오드 칩 모듈의 광출력을 보여주는 그래프이다.
도 6은 도 3의 생체 자극용 탐침형 발광다이오드 칩 모듈의 파장 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
도 7은 도 3의 생체 자극용 탐침형 발광다이오드 칩 모듈을 이용하는 시스템의 개괄도이다.
도 8a 내지 도 8e는 도 3의 생체 자극용 탐침형 발광다이오드 칩 모듈의 제조방법을 설명하는 단면도들이다.

이하, 도면들을 참조하여 발광다이오드(Light Emitting Diode, 이하 LED)를 기반으로 하는 본 발명의 생체 자극용 탐침형 LED 칩(chip) 모듈 및 그 제조방법의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈의 길이 방향의 단면도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈(1)은 LED 칩(10), 상기 LED 칩(10)을 지지하는 기판(30), 상기 LED 칩(10)으로부터 발광되는 광을 모으는 광도파로(50) 및 상기 기판(30)과 상기 광도파로(50)를 결합시키며, 외부로부터 절연시키는 절연부(70)를 포함한다.

또한, 상기 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈(1)은 상기 LED 칩(10)에 전원을 공급하는 외부 전원과 연결되는 전극 커넥터(connector, 90)를 더 포함할 수 있다.

상기 LED 칩(10)은 갈륨(Ga), 인듐(In), 알루미늄(Al), 질소(N), 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등을 포함하는 반도체로서, 하나 또는 두 개 이상의 LED를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈(1)이 ChR2 수용체에 사용하는 경우, 상기 LED 칩(10)은 질화갈륨(GaN) 계열로서, 청색(blue) LED를 포함할 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 상기 LED 칩(10)의 재료, 파장 및 출력은 질병 또는 장애에 따라 선택할 수 있다.

상기 기판(30)은 상기 LED 칩(10)이 장착된 상태로, 상기 광도파로(50)와 결합한다. 상기 기판(30)은 상기 LED 칩(10)뿐만 아니라 상기 광도파로(50)를 지지하여 상기 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈(1) 전체를 지지하는 역할을 한다.

상기 기판(30)은 상기 LED 칩(10)이 발광함에 따라 발생하는 열을 용이하게 배출할 수 있도록 열전도도가 높은 재료로 형성될 수 있다. 또한, 상기 전극 커넥터(90)에 인가되는 전원을 상기 LED 칩(10)에 전달하기 위하여, 상기 기판(30)에는 전기적 통로가 형성된다.

예를 들어, 상기 기판(30)은 질화알루미늄(AlN) 또는　산화알루미늄(Al₂O₃) 등을 포함하는 세라믹 기판일 수 있다. 또는, 상기 LED 칩(10)의 광출력이 낮아도 되는 경우, 상기 기판(30)은 저렴하고 일반적인 인쇄회로기판(PCB; Printed Circuit Board)일 수 있다.

상기 광도파로(50)는 상기 LED 칩(10)으로부터 발광되는 광을 모아 생체를 자극한다. 상기 광도파로(50)는 광섬유 모재(preform)로 형성될 수 있고, 예를 들어, 실리카(sillica)로 형성될 수 있다. 또는, 상기 광도파로(50)는 사용하는 파장 및 출력에 이용될(copatible) 수 있다면 아크릴 수지 등 다양한 투명물질로 형성될 수도 있다.

상기 광도파로(50)는 단면으로 볼 때, 상기 광도파로(50)의 길이 방향의 중앙에 형성되는 코어(core)부(56) 및 상기 코어부(56)를 감싸는 클래딩(cladding)부(58)를 포함한다. 즉, 상기 광도파로(50)는 변형된 이중 원통형 구조를 갖는다.

상기 코어부(56)는 상기 클래딩부(58)에 비해 굴절률이 높은 물질(예를 들어, 산화게르마늄(GeO₂)이 도핑된 실리카)로 형성된다. 이에 따라, 상기 광섬유 모재를 최종적으로 인장한 경우, 단일 모드 또는 멀티 모드 광섬유와 유사한 구조를 가지므로, 상기 LED 칩(10)으로부터 발광되는 광은 상기 코어부(56)를 통해 전달된다.

상기 코어부(56)의 굴절률을 높이기 위해 상기 광도파로(50)의 길이 방향의 중앙에 불순물을 도핑(doping)할 수 있다. 예를 들어, 상기 불순물은 게르마늄(Ge)일 수 있다.

상기 광도파로(50)는 길이 방향으로 볼 때, 원통형으로 연장된 몸체부(51), 상기 몸체부(51)로부터 지름이 점차 줄어드는 변형층(53) 및 상기 변형층(53)의 단부에서 연장되며 광섬유의 지름을 갖는 탐침부(55)를 포함한다.

물론, 상기 광도파로(50)의 상기 몸체부(51), 상기 변형층(53) 및 상기 탐침부(55)는 지름의 차이만 있을 뿐 모두 상대적으로 높은 굴절률을 가지며 중앙에 형성된 코어부(56) 및 상기 코어부(56) 주위에 형성된 클래딩부(58)를 포함한다. 따라서, 상기 광도파로(50)의 상기 몸체부(51), 상기 변형층(53) 및 상기 탐침부(55)의 단면은 각각 다른 지름의 이중원의 구조를 갖는다.

상기 몸체부(51)의 원통형의 일단은 상기 LED 칩(10)과 마주보며 상기 LED 칩(10)으로부터 광을 받는다. 상기 몸체부(51)는 원통형으로 일정길이로 연장되어 형성된다. 예를 들어, 상기 몸체부(51)는 약 1 mm 내지 약 5 mm의 지름을 가지며, 약 5 mm 이하의 길이를 가질 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 몸체부(51)의 지름 및 길이는 필요에 따라 달라질 수 있다.

상기 변형층(53)은 상기 몸체부(51)의 타면으로부터 지름이 점차 줄어드는 원뿔대 모양으로 형성된다. 상기 변형층(53)의 단면적이 넓은 아랫면은 상기 몸체부(51)와 연결되며, 상기 변형층(53)의 단면적이 좁은 윗면은 상기 탐침부(55)와 연결된다.

이와 같은 상기 변형층(53)의 형상에 따라, 지름이 큰 상기 몸체부(51)의 일면으로 들어온 광을 지름이 작은 상기 탐침부(55)로 광의 손실이 적게 효율적으로 전달할 수 있다. 예를 들어, 상기 변형층(53)은 약 5 mm 이하의 길이를 가지며 윗면은 약 100 μm 정도의 지름을 갖는다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 변형층(53)의 지름 및 길이는 필요에 따라 달라질 수 있다.

상기 탐침부(55)는 상기 변형층(53)의 윗면으로부터 탐침의 모양으로 연장된다. 상기 탐침부(55)는 광섬유의 지름을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 탐침부(55)는 약 100 μm 정도의 지름을 가지며, 약 5 mm 이상의 길이를 가질 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 탐침부(55)의 지름 및 길이는 필요에 따라 달라질 수 있다.

상기 탐침부(55)는 약 100 μm 정도의 가지며, 굴절률이 높은 코어부(56) 및 상기 코어부(56) 주위에 형성된 클래딩부(58)를 포함하므로, 광섬유와 유사한 구조를 갖는다.

상기 광도파로(50)는 길이방향으로 볼 때, 전체적으로 깎은 연필 모양을 가지며, 상기 광도파로(50)의 중앙에 형성된 코어부(56)를 통하여 상기 LED 칩(10)으로부터 발광되는 광이 상기 탐침부(55)로 전달된다. 상기 탐침부(55)는 광섬유와 유사한 구조를 가지며 상기 광을 모아서 신체 내의 환부를 자극한다.

상기 기판(30)과 상기 광도파로(50) 사이에는 광학적 결합을 위한 광학 정합 재료(optical matching material)가 더 형성될 수 있다. 상기 광학 정합 재료는 상기 LED 칩(10)과 상기 광도파로(50) 사이의 광결합률을 높일 수 있다. 이때, 상기 광도파로(50)와 상기 LED 칩(10)과의 광결합 효율을 높이기 위해 기 광도파로(50)의 하부에 경면 가공 등 반사율을 감소시키기 위한 가공 과정을 추가할 수 있다.

상기 절연부(70)는 상기 기판(30)과 상기 광도파로(50)를 결합시키며, 동시에 상기 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈(1)을 광학적/기계적으로 외부로부터 절연시킨다. 즉, 상기 절연부(70)는 상기 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈(1)을 기계적으로 결합하며, 전기적으로 절연시키고, 방수하며, 빛의 유출을 방지한다.

또한, 상기 절연부(70)는 상기 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈(1)이 외부와 연결되는 부분을 제외하고 상기 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈(1)을 밀봉(seal)할 수 있다. 예를 들어, 상기 절연부(70)는 상기 탐침부(55)의 일부 및 상기 전극 커넥터(90)의 일부를 노출하며 상기 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈(1)을 감쌀 수 있다.

이를 위하여, 상기 절연부(70)는 생체에 무해하며, 광흡수성이 뛰어나고, 방수가 되며, 전기적으로 절연되는 물질로 형성된다. 따라서, 상기 절연부(70)는 광흡수성 절연 물질로 형성되며, 예를 들어, 흑색(black) 에폭시(epoxy)로 형성될 수 있다.

도 4는 도 3의 생체 자극용 탐침형 발광다이오드 칩 모듈의 활용예를 보여주는 개념도이다.

도 4를 참조하면, 인간의 뇌에 장착되어 뇌를 자극하는 상기 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈(1)을 보여준다. 상기 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈(1)의 탐침부(55)가 뇌에 직접 접촉하여 광을 전달한다.

도 5는 도 3의 생체 자극용 탐침형 발광다이오드 칩 모듈의 광출력을 보여주는 그래프이다. 도 6은 도 3의 생체 자극용 탐침형 발광다이오드 칩 모듈의 파장 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.

도 5를 참조하면, 상기 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈(1)의 동작 결과치로서, 적분구를 이용하여 연속파(CW, Continue Wave) 광출력량을 측정한 것으로 약 4.4 V의 인가전압에서 약 150 mW/cm²의 출력을 얻을 수 있다.

이러한 결과는, 레이저 기반 광자극 장치의 광섬유 종말단의 광출력과 동등한 출력으로서, 본 발명에 따른 소형의 광자극기가 종래 레이저 기반의 광자극 장치를 대체할 수 있음을 알 수 있다.

또한, 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 상기 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈(1)에서 사용된 상기 LED 칩(10)의 파장 대역은 충분히 ChR2기반 수용체를 활성화할 수 있음도 알 수 있다.

본 실시예에서는, ChR2 수용기와 관련하여 약 470 nm 파장 대역의 질화갈륨(GaN) LED를 기준으로 뇌의 광자극용 탐침을 설명하였으나, 신체의 다른 부분의 질병/장애를 치료/개선하기 위해 다른 대역의 파장을 사용하는 LED를 사용하여 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈(1)을 제조할 수 있다.

도 7은 도 3의 생체 자극용 탐침형 발광다이오드 칩 모듈을 이용하는 시스템의 개괄도이다.

도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 상기 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈(1)을 이용한 광자극 치료 시스템(100)으로서, 광자극 반응을 해석하기 위하여 제어시스템을 사용할 수 있다. 또는, 이미 해석된 자료를 바탕으로 치료를 위하여 스마트 폰 혹은 유사 휴대 장치를 이용하여 휴대용 치료기로서 사용이 가능하다.

본 발명에 따른 상기 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈(1)은 LED를 이용한 소형 광자극기로서, 뇌신경질환 치료뿐 아니라 근육조절, 신장 등 장기기능 개선 등에 사용되어 종래의 대형 광자극기를 대체하여 활용도를 높일 수 있다.

또한, 소형으로서 이동이 자유롭고, 생체의 활동에도 제약 받지 않는다. 나아가, 광자극기의 원가를 낮출 수 있으므로, 1회용(disposal) 사용이 가능하며, 의료비용을 낮출 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈(1)의 제조 방법을 설명한다.

도 8a 내지 도 8e는 도 3의 생체 자극용 탐침형 발광다이오드 칩 모듈의 제조방법을 설명하는 단면도들이다.

도 8a를 참고하면, 중앙의 굴절률이 주변의 굴절률보다 높은 광섬유 모재(preform)를 1차 인장하여 중간 모재를 이용한다. 상기 광섬유 모재의 인장시 가열 상태에서 인장할 수 있다. 예를 들어, 상기 광섬유 모재는 실리카(sillica)로 형성될 수 있으며, 또는 아크릴 수지 등 투명물질로 형성될 수 있다.

상기 광섬유 모재의 중앙에는 불순물이 도핑(doping)되어 상기 광섬유 모재의 중앙에 주변보다 높은 굴절률을 갖는 코어(core)부(56)가 형성되어 있다. 즉, 상기 광섬유 모재는 상대적으로 굴절률이 높은 코어부(56) 및 상기 코어부(56)를 감싸며 상대적으로 굴절률이 낮은 클래딩(cladding)부(58)로 형성되며, 이는 이중 원통형 구조를 갖는다.

예를 들어, 상기 불순물은 산화게르마늄(GeO₂)일 수 있다. 이와 같이, 상기 광섬유 모재의 중앙의 굴절률을 주변보다 높게 제작하여 이후 생성되는 광도파로(50)에서 광이 상기 광도파로(50)의 중앙, 즉, 상기 코어부(56)를 통해서만 전달되도록 제작할 수 있다.

상기 광섬유 모재를 인장하여 형성한 상기 중간 모재는 원통형으로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 약 1 mm 내지 약 5 mm의 지름을 가지며, 약 10 cm 내지 약 20 cm의 길이를 가질 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 중간 모재의 지름 및 길이는 필요에 따라 달라질 수 있다.

도 8b 및 도 8c를 참고하면, 상기 중간 모재를 가열 및 비가열 상태에서 인장하여 상기 광도파로(50)를 형성한다.

상기 광도파로(50)를 형성하기 위하여 우선, 도 8b에 도시된 바와 같이, 상기 중간 모재를 가열하면서 저속으로 인장한다. 상기 중간 모재의 가열 인장으로 인하여 상기 중간 모재의 일부분으로부터 지름이 점차 줄어드는 원뿔대 모양의 변형층(53)을 형성한다.

상기 변형층(53)은 단열압축(adiabatic)의 형태를 가지며, 상기 변형층(53)의 단부는 광섬유의 지름을 가질 때까지 연장될 수 있다. 예를 들어, 상기 변형층(53)은 약 5 mm 이하의 길이를 가지며 단면적이 작은 윗면은 약 100 μm 이하의 지름을 가질 때까지 연장될 수 있다.

이 경우, 상기 중간 모재의 일단을 홀더(5)로 고정하여 진행할 수 있다. 상기 홀더(5)는 상기 광도파로(50)의 길이를 짧게 형성하기 위해서는 가열되는 부분과 가깝게 상기 홀더(5)를 잡아야 한다. 따라서, 상기 홀더(5)는 고온에 견디는 재질로 형성되어야 할 것이다.

상기 광도파로(50)의 길이를 짧게 형성하는 이유는 상기 광도파로(50)를 이용하는 상기 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈(1)의 길이가 짧아야 사용에 유용하기 때문이다.

이후, 도 8c에 도시된 바와 같이, 상기 변형층(53)의 단부를 비가열 상태에서 속도를 가속하여 인장한다. 상기 변형층(53)의 단부를 인장하여 광섬유의 지름을 갖는 탐침부(55)를 형성한다.

예를 들어, 상기 탐침부(55)는 약 100 μm 이하의 지름을 가지며, 약 5mm 이상의 길이를 가질 때까지 연장될 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 변형층(53) 및 상기 탐침부(55)의 지름 및 길이는 필요에 따라 달라질 수 있다.

도 8d를 참고하면, 상기 형성된 광도파로(50)와 LED 칩(10)이 장착된 기판(30)을 결합한다. 이때, 상기 기판(30)과 결합되는 상기 광도파로(50)의 일면을 연마하여, 상기 LED 칩(10)으로부터 발광되는 광이 좀 더 용이하게 광도파로(50)를 통과하도록 할 수 있다.

상기 LED 칩(10)은 하나 또는 두 개 이상의 LED를 포함할 수 있고, 예를 들어, 질화갈륨(GaN) 계열로서, 청색(blue) LED를 포함할 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 신체의 다른 부분의 질병/장애를 치료/개선하기 위해 다른 대역의 파장을 사용하는 LED를 포함할 수 있다.

상기 기판(30)은 외부 전원을 상기 LED 칩(10)에 전달하기 위하여, 전기적 통로가 형성된다. 예를 들어, 상기 기판(30)은 질화알루미늄(AlN) 또는　산화알루미늄(Al₂O₃) 등을 포함하는 세라믹 기판일 수 있다. 또는, 상기 LED 칩(10)의 광출력이 낮아도 되는 경우, 상기 기판(30)은 저렴하고 일반적인 인쇄회로기판(PCB; printed circuit board)일 수 있다.

또한, 상기 기판(30)에 상기 외부 전원과 연결되는 전극 커넥터(connector, 90)가 더 형성될 수 있다.

도 8e를 참고하면, 상기 형성된 광도파로(50)와 상기 LED 칩(10)이 장착된 기판(30)을 광흡수성 절연체로 밀봉(seal)하여 절연부(70)를 형성한다.

본 발명에 따른 상기 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈(1)의 제조방법은 광섬유 모재를 이용하여 광섬유와 유사한 구조를 가질 수 있으며, LED를 기반으로 하므로 제조단가를 낮출 수 있다.

본 발명의 실시예에서 광도파로는 원통형의 구조를 가지고 있으나, 이는 제작의 용이성 및 저렴한 비용을 위해 선택된 구조일 뿐이며, 빛을 중앙으로 모아줄 수 있는 다른 구조(예를 들어, 광결정 광섬유, panda/bow-tie 편광유지형 광섬유)등의 구조를 배제하는 것이 아니다.

본 발명은 LED를 이용하여 소형이며 1회용이 가능한 광자극기를 제작하는 것을 목적으로　한다. 본 발명에 따른 광자극기는 휴대용 배터리의 전선을 통하여 광원을 조절함으로 기존의 대형 레이저를 기반으로 하는 광자 치료법을 저렴하게 대치할 수 있는 장점이 있다.

또한, 광자극기의 개별 단가가 매우 저렴하므로, 파킨슨병/우울증 등의 뇌신경질환 치료에 의료비용을 낮출 수 있다. 나아가, 생체의 활동에 제약을 받지 않고 신경자극을 진행시킬 수 있으므로, 새로운 광자극 기반 의료기기 개발에 핵심 부품으로 활용될 수 있을 것이다.

현재 레이저 시스템의 경우 비용이 최소 50,000 $이며, 전원을 포함한 시스템 무게가 300 Kg 이상으로 환자의 장거리 이동이 불가능하다. 본 발명의 경우 최종 시스템 비용이 200 $ 이내이며, 휴대용 배터리 전원포함 시스템 무게를 200 g 이내로 제조할 수 있으므로, 1회용 탐침형으로 원가 10 $ 이내로 제작이 가능하다.

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1: 생체 자극용 탐침형 LED 칩 100: 광자극 치료 시스템
10: LED 칩 30: 기판
50: 광도파로 51: 몸체부
53: 변형층 55: 탐침부
56: 코어부 58: 클래딩부
70: 절연부 90: 전극 커넥터
5: 홀더

Claims

발광다이오드(Light Emitting Diode, 이하 LED) 칩(chip);
상기 LED 칩을 지지하는 기판;
상기 LED 칩으로부터 발광되는 광을 모으는 광도파로; 및
상기 기판과 상기 광도파로를 결합시키며, 외부로부터 절연시키는 절연부를 포함하는 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈.
제1항에 있어서, 상기 광도파로는,
상기 LED 칩과 마주보는 일면으로부터 원통형으로 연장된 몸체부;
상기 몸체부의 타면으로부터 지름이 점차 줄어드는 변형층; 및
상기 변형층의 단부에서 연장되며, 광섬유의 지름을 갖는 탐침부를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈.
제1항에 있어서,
상기 광도파로는 광섬유 모재(preform)로 형성되는 것을 특징으로 하는 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈.
제3항에 있어서,
상기 광도파로는 실리카(sillica)로 형성되는 것을 특징으로 하는 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈.
제1항에 있어서, 상기 광도파로는,
상기 광도파로의 길이 방향의 중앙에 형성되어, 상기 LED 칩으로부터 발광되는 광을 전달하는 코어(core)부; 및
상기 코어부를 감싸는 클래딩(cladding)부를 포함하는 이중 원통형 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈.
제5항에 있어서,
상기 광도파로의 코어부의 굴절률은 상기 클래딩부의 굴절률보다 상대적으로 높은 것을 특징으로 하는 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈.
제6항에 있어서,
상기 광도파로의 코어부에는 산화게르마늄(GeO₂)이 도핑(doping)된 것을 특징으로 하는 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈.
제1항에 있어서,
상기 LED 칩에 전원을 공급하는 외부 전원과 연결되는 전극 커넥터(connector)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈.
제8항에 있어서,
상기 기판은 상기 LED 칩과 상기 전극 커넥터를 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈.
제9항에 있어서,
상기 기판은 질화알루미늄(AlN) 또는　산화알루미늄(Al₂O₃) 등을 포함하는 세라믹 기판이거나 인쇄회로기판(PCB; Printed Circuit Board)인 것을 특징으로 하는 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈.
제1항에 있어서,
ChR2 수용체에 사용하는 것을 특징으로 하는 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈.
제11항에 있어서,
상기 LED 칩은 질화갈륨(GaN) 계열의 청색(blue) LED를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈.
제1항에 있어서,
상기 기판과 상기 광도파로 사이에 광학 정합 재료(optical matching material)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈.
제1항에 있어서,
상기 절연부는 광흡수성 절연 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈.
제14항에 있어서,
상기 절연부는 흑색(black) 에폭시(epoxy)로 형성되는 것을 특징으로 하는 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈.
중앙의 굴절률이 주변의 굴절률보다 높은 광섬유 모재(preform)를 인장하여 원통형의 중간 모재를 형성하는 단계;
상기 중간 모재를 가열 및 비가열 상태에서 인장하여 광도파로를 형성하는 단계;
상기 광도파로와 발광다이오드(Light Emitting Diode, 이하 LED) 칩(chip)이 장착된 기판을 결합하는 단계; 및
광흡수성 절연체로 상기 기판과 상기 광도파로를 밀봉(seal)하는 단계를 포함하는 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈의 제조방법.
제16항에 있어서, 상기 광도파로를 형성하는 단계는,
상기 중간 모재를 가열하며 저속으로 인장하여, 상기 중간 모재의 일부분으로부터 지름이 점차 줄어드는 변형층을 형성하는 단계; 및
상기 변형층의 단부를 비가열하며 가속 인장하여, 광섬유의 지름을 갖는 탐침부를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈의 제조방법.
제16항에 있어서, 상기 광도파로를 형성하는 단계는,
상기 중간 모재의 일단을 홀더에 고정한 후 진행하는 것을 특징으로 하는 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈의 제조방법.
제16항에 있어서, 상기 광도파로와 상기 기판을 결합하는 단계는,
상기 기판과 상기 광도파로 사이에 광학 정합 재료(optical matching material)를 주입하는 것을 특징으로 하는 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈의 제조방법.
제16항에 있어서, 상기 광도파로와 상기 기판을 결합하는 단계는,
상기 광도파로 하단에 경면 가공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈의 제조방법.
제16항에 있어서,
상기 기판에 외부 전원과 연결되는 전극 커넥터(connector)를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 자극용 탐침형 LED 칩 모듈의 제조방법.