WO2016195226A1 - 재구성 가능한 광트랜지스터 어레이 - Google Patents

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WO2016195226A1
WO2016195226A1 PCT/KR2016/003520 KR2016003520W WO2016195226A1 WO 2016195226 A1 WO2016195226 A1 WO 2016195226A1 KR 2016003520 W KR2016003520 W KR 2016003520W WO 2016195226 A1 WO2016195226 A1 WO 2016195226A1
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electrode
light
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gate
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PCT/KR2016/003520
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천홍구
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고려대학교 산학협력단
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the present invention relates to a phototransistor array, and more particularly, to a photoconductive chip that can be reconfigured according to incident light.
  • microelectrode arrays typically use a patterning method that applies electrodes positioned at micro-sizes. This arrangement can be used with an electrode diameter of 30 ⁇ m and an electrode spacing of 200 ⁇ m, and a monolayer chip can usually have 64 electrodes.
  • a monolayer chip can usually have 64 electrodes.
  • the cell In order to measure or stimulate the action potential of a particular cell, it is cultured on the surface of the microelectrode array. Culture is essential for culturing and maintaining cells, and the culture is conductive.
  • the cell needs to cover the electrode well enough to measure the electrical signal of the cell well, in the case of using a fixed electrode shape in advance, the cell may not cover the electrode as much as necessary.
  • Photoconductivity has been known since a century ago and is used in various fields and industries.
  • the conductivity of materials with these properties increases dramatically by absorbing the appropriate wavelengths of the electromagnetic spectrum. This local increase in conductivity can be very useful for virtual conductive lines, for example virtual electrodes.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a photoconductive chip reconfigurable.
  • the present invention to solve the above problems, a plurality of electrodes arranged in an array (array) form; And a gate part disposed between the electrodes and activated by light, and when the region of the gate part is selectively activated by light, electrodes located at both sides of the activated gate part are electrically conductive. To provide.
  • a substrate A first p-type semiconductor layer formed on the substrate; And a first n-type semiconductor layer positioned between the lower portion of the electrode and the upper portion of the first p-type semiconductor layer, wherein the gate portion is positioned on the first p-type semiconductor layer and has a second photoconductivity.
  • Type semiconductor layer An insulating layer on the second n-type semiconductor layer; And a gate electrode disposed on the insulating layer, and when the second n-type semiconductor layer exhibits photoconductivity by light, a channel is formed between the electrodes positioned on both sides of the gate portion to electrically conduct. It may be a photoconductive chip.
  • the gate portion is formed in the form of a lattice connected between the electrode array, the gate portion region of the intersection point forming the lattice form, p-type semiconductor instead of the second n-type semiconductor layer
  • the photoconductive chip may be a layer or a field oxide layer.
  • the photoconductive chip may further include an isolation unit electrically separating the electrically conductive regions formed by the activation of the respective gate portions in contact with the electrodes.
  • the isolation unit may be an optical conductive chip, characterized in that formed in a vertical form in the direction of the substrate from the lower electrode.
  • the isolation unit may be a photoconductive chip, characterized in that formed by etching or formed by inserting an oxide (oxide).
  • a substrate A first p-type semiconductor layer formed on the substrate; And a first n-type semiconductor layer positioned between the lower part of the electrode and the upper portion of the first p-type semiconductor layer, wherein the gate part comprises: an insulating layer positioned on the first p-type semiconductor layer; A photodiode layer disposed on the insulating layer and having photoconductivity; And a gate electrode positioned on the photodiode layer, and when the photodiode layer exhibits photoconductivity by light, a channel is formed between the electrodes positioned on both sides of the gate part to electrically conduct the light. It may be a conductive chip.
  • the photodiode layer may include a second p-type semiconductor layer; And a third n-type semiconductor layer positioned on the second p-type semiconductor layer.
  • the gate part may be an optically conductive chip, which is formed by being connected in a lattice form between electrode arrays and has a gate voltage connected thereto.
  • the photoconductive chip may include a photoconductive layer positioned above the electrode and the gate portion, and the gate portion and the photoconductive layer may be activated by light having different wavelengths. have.
  • the photoconductive chip may further include a light source unit generating light patterned to selectively activate a region of the gate unit or the photoconductive layer.
  • the region of the wavelength for activating the gate portion and the region of the wavelength for activating the photoconductive layer may be a photoconductive chip characterized in that they do not coincide with each other.
  • the region formed by the electrodes electrically conducting by the gate portion activated by the light having the first wavelength is transmitted to the activated photoconductive layer region by receiving a signal from the outside, or activated Receives a signal from the photoconductive layer region and transmits the signal to the outside
  • the photoconductive layer is electrically connected by the gate portion activated by the light having the first wavelength through the region activated by the light having the second wavelength Is electrically conducted by a gate portion which is emitted from a region formed by electrodes conducting toward the upper portion of the photoconductive layer or receives a signal from the upper portion of the photoconductive layer and is activated by light having the first wavelength.
  • It may be a photoconductive chip characterized in that the transfer to the area formed by the electrodes.
  • the photoconductive layer may be electrically connected by a gate part activated by a light and a predetermined area is activated in the form of an electrode to transmit a signal to or receive a signal from the top.
  • the region formed by the electrodes may be connected to an electrode connected to a signal transmission device for transmitting a signal to the photoconductive layer or an electrode connected to a signal reception device to receive a signal received by the photoconductive layer with an area of the activated photoconductive layer. It may be a photoconductive chip having a form of.
  • the present invention it is possible to provide a chip capable of reconstructing light incident on the photoconductive chip through patterning. This allows real-time control of the shape, size, and position of the electrode.
  • the electrode can be set up based on information that can be used to transmit electrical signals to or receive electrical signals from the upper layer, sense the location of cells, and enable better cell-electrode coupling. Furthermore, the resistance can be greatly reduced in the generation of the reconfigurable wire pattern.
  • 1 is a photoconductive chip according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2A and 2B illustrate the configuration of the gate part and both electrodes according to the embodiment of the present invention in detail.
  • FIG 3 illustrates an example in which an electrode is activated to a part of a photoconductive chip having an array form.
  • 4 to 5 is a photoconductive chip according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a photoconductive chip including an isolation unit according to an embodiment of the present invention.
  • 11 to 12 illustrate a driving principle of the photoconductive chip including the photoconductive layer according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 to 16 show examples in which a photoconductive chip including a photoconductive layer according to an embodiment of the present invention is applied.
  • the photoconductive chip includes a plurality of electrodes arranged in an array, and a gate portion disposed between the electrodes and activated by light, and the region of the gate portion selectively lighted. When activated by, the electrodes located on both sides of the activated gate portion are electrically conductive.
  • the photoconductive chip includes a plurality of electrodes arranged in an array, and a gate portion disposed between the electrodes and activated by light, and the region of the gate portion selectively lighted. When activated by, the electrodes located on both sides of the activated gate portion are electrically conductive.
  • 1 is a photoconductive chip according to an embodiment of the present invention.
  • the photoconductive chip 100 includes a plurality of electrodes 110 and a gate part 120.
  • the plurality of electrodes 110 are arranged in an array, and when the gate parts 120 positioned between the electrodes are activated, the electrodes located at both sides of the gate part 120 are electrically connected to each other.
  • the gate part 120 is activated by light.
  • the gate part 120 includes a layer having photoconductivity. When light is incident on the layer and exhibits photoconductivity, the gate voltage applied to the gate part becomes large and is activated.
  • FIGS. 2A and 2B illustrate the configuration of the gate part and both electrodes according to the embodiment of the present invention in detail.
  • the gate portion may be formed in two forms, that is, FIGS. 2A and 2B.
  • the first embodiment will be described with reference to FIG. 2A based on two electrodes and a gate portion disposed therebetween.
  • the photoconductive chip according to the embodiment of the present invention includes a substrate 210, a first p-type semiconductor layer 220, a first n-type semiconductor layer 230, an electrode 240, and a gate portion, and the gate portion is formed of a first conductive layer. 2 n -type semiconductor layer 250, an insulating layer 260, and a gate electrode 270.
  • two electrodes 240 and one gate part form a FET.
  • the first p-type semiconductor layer 220 is positioned on the substrate, and electrodes 240 including the first n-type semiconductor layer 230 are positioned at both sides thereof, so that one electrode is a source and the other electrode is a source. It acts as a drain. When there are a plurality of electrically conducting electrodes, one electrode may serve as both a source and a drain.
  • the gate electrode 270 is positioned between the two electrodes 240, and the lower portion of the gate electrode 270 is in contact with the two first n-type semiconductor layers 230 on the first p-type semiconductor layer 220.
  • the second n-type semiconductor layer 250 having photoconductivity and the insulating layer 260 positioned on the second n-type semiconductor layer 250 are formed.
  • the gate electrode 270 may be energized to prevent the two electrodes 240 from being electrically conductive. A constant voltage is applied to the gate electrode 270 to prevent the electrodes from electrically conducting with each other before incident light. The gate electrode 270 is electrically disconnected from both electrodes 240. The gate electrode 270 may be a transparent electrode through which light can pass.
  • the second n-type semiconductor layer 250 of the gate part is incident.
  • the electrons are pushed to the substrate 210, holes are collected toward the gate electrode 270, and the gate voltage is increased.
  • the gate voltage rises, a channel is formed between the two electrodes 240 so that the two electrodes 240 are electrically conductive.
  • the gate portion is formed from the top of the gate electrode and the first p as shown in FIG. 2B. It may be formed in the order of a fluorescent diode layer, an insulator.
  • the photoconductive chip according to the embodiment of the present invention is composed of a substrate 210, the first p-type semiconductor layer 220, the first n-type semiconductor layer 230, the electrode 240, and the gate portion,
  • the portion may be composed of an insulating layer 260, photodiode layers 280 and 290, and a gate electrode 270.
  • the photodiode layer is composed of a second p-type semiconductor layer 280 and a third n-type semiconductor layer 290 positioned on the second p-type semiconductor layer.
  • the gate voltage increases.
  • a channel is formed between the two electrodes 240 so that the two electrodes 240 are electrically conductive.
  • 3A to 3B illustrate examples of activating some regions of the photoconductive chip in which the electrodes have an array form.
  • the electrodes 110 are arranged in the form of an array, and the gate part 120 is connected to each other in the form of a lattice.
  • the shape of the electrode array may be variously formed, and the resolution to be implemented by the electrode array may be variously implemented.
  • the size of the electrode and the distance between the electrodes can be variously implemented.
  • the size of the electrode and the distance between the electrodes may be in ⁇ m.
  • the electrodes positioned on both sides of the activated gate part are electrically connected to each other. That is, the chip may be reconfigured by controlling the pattern of activating the gate part 120 to control the electrically conductive electrodes 110.
  • the electrically conductive electrodes can be implemented in the form of wires. One or more electrode wires implemented in one electrode array may be implemented so as not to overlap each other. The number and shape of the electrode wires to be implemented may vary. When there is no incidence of light on the gate part 120, the gate voltage V G may be applied so that the electrodes do not conduct.
  • the resistance is very small, so that the signal can be delivered quickly and accurately.
  • 3A light may be incident on an area between the electrode 310 and the electrode 320 to activate the gate part, such that the electrode 310 and the electrode 320 may be electrically connected to each other. Through this, a signal applied to the electrode 310 may be transmitted to the electrode 320.
  • 3B is a cross-sectional view of the path of the electrically conductive electrodes.
  • the first n-type semiconductor layer may be a heavily doped n + semiconductor layer
  • the second n-type semiconductor layer may be a heavily doped n ⁇ semiconductor layer.
  • the insulation layer may be an oxide layer and may further include a p-type semiconductor layer to prevent leakage current between the insulation layer and the second n-type semiconductor layer.
  • the gate part 120 is formed between the electrode arrays in a lattice shape, and the gate part region at the intersection point forming the lattice shape is a p-type semiconductor layer or a field oxide layer instead of the second n-type semiconductor layer. ) May be located.
  • a channel may be generated beyond the 530 in the peripheral gate portion 540 or 550, and may be electrically connected to another electrode which is not intended. .
  • the p-type semiconductor layer or the field oxide layer is positioned instead of the second n-type semiconductor layer so that a channel is generated in addition to the intended path. It can prevent. Since the p-type semiconductor layer or the field oxide layer is located, even when light is incident, photoconductivity is not exhibited, and electrons can be prevented from flowing out to an intersection point.
  • the isolation unit 140 electrically isolates the electrically conductive regions formed by the activation of the respective gate portions in contact with the electrodes.
  • Isolators 140 may be formed that electrically isolate the regions from each other.
  • each electrically conductive region to be controlled is internally connected with a semiconductor region, an undesired region may be electrically connected by being activated as a channel due to the activation of an adjacent region.
  • precise control may be difficult, and in order to solve this problem, an isolation part may be formed.
  • the isolation unit 140 may be formed vertically in the direction of the substrate from the lower portion of the electrode.
  • the gate portion 671 of FIG. 6 When the gate portion 671 of FIG. 6 is activated, only the electrodes 641 and 642 positioned at both sides of the gate portion 671 are to be electrically connected.
  • the lower semiconductor layer In the absence of the isolation portion 610, the lower semiconductor layer is activated to form another electrode 643. Until electrically conductive. In order to prevent this, an isolation part 610 is formed under the electrode.
  • the depth (height) of the isolation should be sufficient to cover the areas of high doping concentration. That is, it may be formed to a depth capable of isolating all electrically conductive areas, and may be formed up to the substrate.
  • the isolation unit 140 may be formed by etching, or may be formed by inserting an oxide. It may also be implemented in other forms to prevent electrical conduction.
  • the gate part 110 may be located on up to four sides of the electrode 120, and the isolation part 140 may have a cross shape to electrically isolate electrical conduction areas formed by activation of all the gate parts. It can be formed as.
  • the shape of the isolation part may vary according to the shape of the gate parts in contact with the electrode.
  • the specific shape of the isolation part is formed as shown in FIG. 7, and when only the gate 1 is activated as shown in FIG. 8A, only the electrode 1 and the electrode 2 are electrically connected, and as shown in FIG. 8B, when the gates 0 to 2 are activated, the source It is electrically conducted from the electrode to the electrode 3. As shown in FIG. 8C, when all gates between the source electrode and the drain electrode are activated, the source electrode and the drain electrode are electrically connected. 9 to 10 compare the case in which light is not incident when light is incident on only the gate 2, when light is incident only on gate 123, and when light is incident on all gates when the isolation part is formed. It can be confirmed that control can be performed for each area by the unit. In this way, when the isolation is formed, precise control is possible.
  • 11 to 12 illustrate a driving principle of the photoconductive chip including the photoconductive layer according to the embodiment of the present invention.
  • the photoconductive chip according to the embodiment of the present invention may further include a photoconductive layer 130 positioned on the electrode and the gate portion.
  • the photoconductive layer may be further included on the electrode and the gate part.
  • the photoconductive layer may be TiO 2 or the like.
  • the gate portion and the photoconductive layer may be activated by light having different wavelengths to separately control the gate portion and the photoconductive layer. By placing the photoconductive layer activated by light having a wavelength different from that of activating the gate portion, the chip can be reconstructed using two layers.
  • photoconductive materials having different bandgaps may be used.
  • a photoconductive material in which the photoconductivity in the region having the photoconductivity becomes less than or equal to the threshold can be used. Even if there are overlapping wavelength ranges, it is possible to use them if they are within an error range (threshold).
  • the threshold value used to select the photoconductive material may be set in advance or may vary depending on the environment or object to be applied, and may be set to an appropriate value by experiment.
  • the gate part may be activated by visible light, and the photoconductive layer may be activated by UV.
  • the gate portion may be activated by light having a wavelength of 488 nm
  • the photoconductive layer may use a material activated by light having a wavelength of 365 nm.
  • the position and shape of each light activated are different.
  • the photoconductive layer may have a multilayer structure of two or more layers.
  • the display device may further include a transparent substrate positioned below the electrode and the gate part.
  • the light source unit generates light patterned to selectively activate a region of the gate unit or photoconductive layer.
  • the light source unit may include a light source including a patterning unit, and a condenser lens for condensing light of the light source.
  • the light source unit may emit light from various directions, such as the upper or lower part of the photoconductive chip.
  • the light sources 710 and 720 may generate light to make each photoconductive layer show photoconductivity, and may be formed as light patterned by the patterning unit.
  • the patterning unit may be implemented by a digital micromirror device (730,740) or an LCD.
  • the DMD is a reflective indicator with a tiny mirror on the semiconductor. About 2 million micro-mirrors can be adjusted diagonally by ⁇ 10 °, and each pixel is flickered and controlled by changing the direction of reflection of incident light.
  • the light utilization efficiency is 65%
  • the contrast is 110: 1
  • the response speed of the mirror is 20 ⁇ sec
  • the mirror is 17 ⁇ 17 ⁇ m
  • the number of pixels is 768 ⁇ 576.
  • the DMDs 730 and 740 may form a contrast in a desired area and shape, and are provided such that patterned light shined by the DMDs 730 and 740 is incident on a desired area of the photoconductive layer.
  • a dichroic mirror is a reflector composed of many thin layers of materials having different refractive indices, and reflects light of a certain color and transmits light of another color. Compared with the ordinary color filter, the loss due to absorption is very small, and the wavelength range of light to be selectively reflected is added or subtracted by the thickness or structure of the material.
  • the condenser lens 770 the size of the light pattern can be reduced to the diffraction limit according to the wavelength of the light source, so that the maximum resolution can be less than 1 ⁇ m.
  • the region formed by the electrodes electrically conducting by the gate portion activated by the light having the first wavelength may receive a signal from the outside and transmit the signal to the activated photoconductive layer region or receive a signal from the activated photoconductive layer region. Transmitting a signal to the outside, wherein the photoconductive layer is a region formed by electrodes electrically conducting by a gate portion activated by light having the first wavelength through a region activated by light having a second wavelength To receive the signal from the upper portion of the photoconductive layer or to receive the signal from the upper portion of the photoconductive layer and transmit the signal to the region formed by the electrodes electrically conducting by the gate portion activated by the light having the first wavelength. Can be.
  • a signal applied to the electrode may be emitted to the upper portion of the photoconductive layer, or may receive a signal from the upper portion of the photoconductive layer and transmit the signal to a signal measuring device connected to the electrode.
  • the signal may be a voltage or a current, and may be a signal such as a microwave.
  • the photoconductive layer is formed of electrodes which are electrically connected by a gate portion activated by a light in which a predetermined region is activated in the form of an electrode to transmit a signal to or receive a signal from the top.
  • the area of the wire is connected to an electrode connected to a signal transmitting device to transmit a signal to the photoconductive layer or an electrode connected to a signal receiving device to receive a signal received by the photoconductive layer with an area of the activated photoconductive layer. It may have a form.
  • a point connecting the outside of the electrodes electrically connected to the photoconductive layer to each other may be viewed as each node, and an area formed by the electrically conductive electrodes may be viewed as a line connecting each node.
  • the photoconductive layer electrode implemented through the photoconductive layer can be implemented at an accurate position, and even if the position to implement the photoconductive layer electrode is changed in real time, the position of the photoconductive layer electrode and the corresponding line can be adjusted immediately. This allows various reconstructions of the path along which the signal travels.
  • the turned-on region can be controlled by forming incident patterned light and can be easily and efficiently adjusted.
  • the areas formed by the electrically conductive electrodes and the shape of the photoconductive layer may vary.
  • Various types of electrodes can be configured as the photoconductive layer.
  • the shape of the photoconductive layer electrode implemented with the photoconductive layer may vary in number, size, position, or shape.
  • various types of lines may be configured as areas formed by electrically conductive electrodes. Line numbers, paths, widths, or shapes may vary.
  • the photoconductive layer exhibits photoconductivity only in certain cases, and may serve as a switch for electrically connecting a region formed by the electrically conductive electrodes and an upper portion of the photoconductive layer.
  • the area formed by the electrically conductive electrodes and the upper portion of the photoconductive layer are not electrically connected to each other.
  • the photoconductive layer is turned on, the area formed by the electrically conductive electrodes and the upper portion of the photoconductive layer are Are electrically connected to each other, by which the photoconductive layer can be used as a switch.
  • a plurality of regions formed by the electrically conductive electrodes may be formed, and the paths may not overlap each other.
  • the area formed by the electrically conductive electrodes may be transmitted by one or more signal transmission devices for generating the signal, and formed by the area formed by the electrically conductive electrodes.
  • the photoconductive layer electrode may be connected.
  • the light having a second wavelength in the region of the photoconductive layer where the cell is located to make the photoconductivity In order to connect a signal transmitting device or a signal receiving device, the gate portion of the corresponding area is activated by illuminating light having a first wavelength in a region connecting the photoconductive layer electrode showing the photoconductivity and the signal transmitting device or the signal receiving device.
  • the electrodes are electrically connected to each other, and the voltage applied to the photoconductive layer electrode through the connection of the region and the photoconductive layer formed by the electrically conductive electrodes is applied to the cell by electrical stimulation, or the electrical signal of the cell. Can be measured.
  • the cells may be positioned on the photoconductive layer in order to apply electrical stimulation to the cells or to measure electrical signals of the cells.
  • the electrode connected to the signal transmission device is electrically connected to the cell by injecting light of the first wavelength into the area formed by the electrically conducting electrodes corresponding to the path for connecting the signal transmission device, thereby electrically stimulating the cell. To be added.
  • the apparatus may further include a dielectric layer on the photoconductive layer so that the cells may be positioned on the photoconductive layer, and may further include a cell installation unit to contain a culture solution including the cells on the dielectric layer.
  • SiO 2 or Si 3 N 4 may be used as the dielectric layer.
  • an electrode connected to a signal transmission device may be connected to a line of the photoconductive layer, and may be connected to a signal reception device to measure an electrical signal.
  • a power source may be connected to the electrode connected to the signal transmission device.
  • the power is provided to apply a direct current (DC) or alternating current (AC) voltage to the electrode to form a desired potential.
  • DC direct current
  • AC alternating current
  • the frequency of the power supply is adjustable according to the size and type of the cell.
  • at least one of the electrodes may be changed to perform the role of ground GND.
  • DC direct current
  • the light stimulus is quickly turned on / off to allow voltage transfer to cells located above the dielectric layer through capacitive coupling.
  • alternating current for cell stimulation is easy to operate, leakage current due to capacitive coupling can flow through the photoconductive and dielectric layers.
  • a direct current is applied and the light blinks, other parts do not generate a leakage current, and only a part of the received light transmits voltage, thereby effectively applying light without a leakage current.
  • the photoconductive layer is a non-conductor, so no voltage is transmitted thereon, and thus no stimulation is applied to the cell.
  • electricity is conducted only in a region where light is irradiated onto the photoconductive layer, and the voltage applied to the electrode is applied to the cell through the photoconductive layer and the dielectric layer as electrical stimulation. That is, light can apply electrical stimulation to the cell.
  • the electric voltage applied to the electrode is transmitted only to the region where the light irradiated from the light source enters the photoconductive layer, which is a principle applied to the cell by the electrical stimulation.
  • Light is capable of electrostimulating cells, and in particular, it is possible to electrically stimulate specific areas of neural networks with light patterns. That is, the resolution can be increased by the size of the light stimulation pattern. That is, cell stimulation can be performed at high resolution at the diffraction limit level. Light stimulation using a full H. DMD can theoretically stimulate 2 million spots independently. Thus, the effect of increasing the resolution of the MEA, which was only a few tens to hundreds of channels, to more than one million channels occurs. This enables high resolution stimulation at the axon level as well as each cell of the neural network to be analyzed. Therefore, accurate signal analysis of the entire link of the neural network is possible, and can be used for the study of memory and computation of neurons.
  • a microdroplet is placed on a substrate and an isolated reaction and analysis may be performed by making patterns of a reference electrode, a working electrode, and a counter electrode, which are the basics of electrochemistry, as shown in the enlarged picture.
  • one or more electrodes connected to the first photoconductive layer may be connected, and an appropriate signal may be applied or measured at different positions. More specifically, as shown in FIG. 16, different voltages (+ 5V, + 3V, -4V) may be applied as needed, and different types of signals (sine wave and pulse type) may be applied.
  • Signals related to excitability of nerve cells may be analyzed in real time through image capture using a camera unit by dyeing a voltage sensitive dye or an ion sensitive dye in the cells.
  • the camera unit may include a microscope, an optical filter, a CCD camera, and the like.
  • Voltage sensitive dyes are organic molecules having a molecular weight of about 500 Da and a length of 20 kPa or less and are dyes used for detecting signals generated by changes in membrane potential by binding to cell membranes.
  • Ion-sensitive dye is a dye that can be tracked ions such as Na +, K +, Ca 2 + in particular, uses a lot of Ca 2 + sensitive dye.
  • Dye molecules attach to the outer walls of cell membranes and act as a kind of transducer to convert changes in membrane potential into optical signals.
  • a representative example of voltage sensitive dyes is Di-4-ANEPPS (JPW-211), which is rapidly stained in cells for in vitro use, and sensitivity to electric fields is about 10% per 100 mV. to be.
  • the camera unit 580 may be placed below the light source unit as shown in FIG. 12, but may also be placed on the photoconductive layer.
  • additional excitation light sources (not shown) may be needed for fluorescence excitation of voltage sensitive dyes or ion sensitive dyes.
  • the dye when the dye is in the form of photoluminescence, imaging can be performed without an excitation light source, but when the dye is in the form of fluorescence, an excitation light source is required.
  • the light reflected by the excitation light source and the reflected light can be removed by using an optical filter such as a bandpass filter, and then an image can be obtained by using a CCD camera attached to the microscope.
  • the light of the excitation light source should not be applied to the cell by unintended electrical stimulation. If the wavelength of the light source part is chosen to be the one with the highest absorption rate and the wavelength of the excitation light source is minimal with reference to the absorption spectrum of the photoconductive layer reacting, the light and electrical stimulation using the light source and the light source part and the power source of the excitation light source ( Photoelectron stimulation) may be applied simultaneously. Otherwise, if there is a possibility that the electrical stimulation is turned on by the light of the excitation light source, it is preferable to provide a time difference between the excitation light source irradiation and the light electrical stimulation.
  • the excitation light source is irradiated, such a time difference can be realized by turning off the light of the light source unit or turning off the power, and a time division device such as a switch may be useful because turning off the power is easier to control. Therefore, in order to prevent the photoconductive layer from being turned on by the light for fluorescent excitation generated by the excitation light source and applying the V stimulus to the power supply, the voltage stimulator of V is used when the image is taken while the excitation light source is illuminated. The time difference can be achieved by turning off the power. Instead of this parallax, it is possible to isolate the excitation light source and the light electric stimulus from overlapping each other.
  • An optical filter layer (usually a notch filter) may be further included between the photoconductive layer and the dielectric layer. When the light source unit is illuminated under the photoconductive layer and the excitation light source is above the photoconductive layer, the optical filter layer may block the excitation light source to prevent the photoconductive layer from being turned on.
  • the camera unit may be placed on the photoconductive layer.
  • the activity of the cell is read as a light signal
  • pixels of the camera resolution included in the camera unit can be analyzed simultaneously.
  • high-speed analysis is possible as much as the frame rate of the camera used.
  • Using a confocal microscope to read cell activity as a light signal accurate analysis is possible even if the cell culture is three-dimensional rather than two-dimensional.
  • the image of the cell nucleus overlaps with the image of the surrounding materials, and the image of the cell nucleus is obscured as if the object is viewed through a dense fog.
  • confocal microscopy can only see images from one plane in space, so if the focal plane is positioned at the nucleus, the image signal is blocked by the substances surrounding the nucleus, and only the nucleus can be obtained. You get a high image.
  • confocal microscopy can be used to differentiate cell activity in each layer independently by using cell culture in three dimensions and obtaining cell activity as light signals. This is in contrast to the MEA, which obtains electrical signals through electrodes, cannot distinguish the height of the signal source, thus making the cell culture only two-dimensional.
  • the purpose is not to analyze the activity of the entire two-dimensional neural network, but to analyze the activity potential of a single cell
  • light stimulation at the site can turn on the photoconductor layer and read the voltage.
  • action potentials occur. This action potential is caused by the change in ion concentration inside and outside the cell membrane in accordance with the change of ion permeability of the neuron, and accordingly the cell membrane potential changes. Therefore, the action potential of neurons can be detected by capacitive coupling.
  • the cell installation part is provided on the dielectric layer and may be provided with a medium such as a culture solution.
  • the cell mounting portion is a demagnetizing material, and further provided with a cell culture means, when the cell is measured while culturing the cell can be configured to allow a long time measurement.
  • the cell culture means may be composed of a temperature control means for keeping the temperature constant, a means for circulating the culture solution, and a means for supplying a mixture gas of air and carbon dioxide (for example, 5% CO 2).

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Abstract

본 발명은 광도전칩에 관한 것으로, 어레이(arrary) 형태로 배치되는 복수의 전극, 및 상기 전극 사이에 위치하고, 빛에 의해 활성화되는 게이트부를 포함하고, 상기 게이트부의 영역이 선택적으로 빛에 의해 활성화되면, 상기 활성화된 게이트부 양측에 위치한 전극들이 전기적으로 도통되는 것을 특징으로 함으로써, 입사되는 빛의 패터닝을 통해 재구성이 가능한 칩을 제공할 수 있다.

Description

재구성 가능한 광트랜지스터 어레이
본 발명은 광트랜지스터 어레이에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, 입사되는 빛에 따라 재구성이 가능한 광도전칩에 관한 것이다.
종래의 미세전극 배열은 보통 마이크로 사이즈로 위치가 정해진 전극을 적용하는 패터닝 방법을 이용한다. 이러한 배열은 30 μm의 전극 직경과 200 μm의 전극 간격이 사용될 수 있고, 단층 칩은 보통 64개의 전극을 가질 수 있다. 특정 세포의 활동전위를 측정하거나 자극하기 위하여, 미세전극 배열의 표면에 배양된다. 세포를 배양하고 유지하기 위해선 배양액이 필수적이고, 배양액은 전도성을 가진다. 반면, 세포가 세포의 전기신호를 잘 측정할 수 있을 정도로 전극을 잘 덮고 있을 필요가 있는데, 미리 고정된 전극형태를 이용하는 경우 세포가 필요한 정도로 전극을 잘 덮지 않을 수 있다. 전극이 세포로 잘 덮히지 않고 노출된 부분이 있으면, 전도성이 높은 배양액과 닿아 세포로부터의 신호크기를 감소시키는 문제가 발생할 수 있다. 결과적으로, 해상도를 높이거나, 더 나은 세포전극 커플링이 되는 미세전극 배열의 성능을 향상시키는 노력이 계속되고 있다.
광도전성은 1세기 전부터 지금까지 알려져왔고, 다양한 분야와 산업에 이용되고 있다. 이러한 특성을 가지는 물질의 전도성은 전자기 스펙트럼의 적절한 파장을 흡수함으로써 극적으로 증가한다. 이러한 국지적인 전도성의 증가는 가상 전도성 선, 예를 들어 가상 전극에 매우 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 재구성이 가능한 광도전 칩을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 어레이(array) 형태로 배치되는 복수의 전극; 및 상기 전극 사이에 위치하고, 빛에 의해 활성화되는 게이트부를 포함하고, 상기 게이트부의 영역이 선택적으로 빛에 의해 활성화되면, 상기 활성화된 게이트부 양측에 위치한 전극들이 전기적으로 도통되는 것을 특징으로 광도전칩을 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 기판; 상기 기판 상에 형성되는 제 1 p형 반도체층; 및 상기 전극 하부와 상기 제 1 p형 반도체층 상부 사이에 위치하는 제 1 n형 반도체층을 더 포함하고, 상기 게이트부는, 상기 제 1 p형 반도체층 상부에 위치하고, 광도전성을 갖는 제 2 n형 반도체층; 상기 제 2 n형 반도체층 상부에 위치하는 절연층; 및 상기 절연층 상에 위치하는 게이트 전극을 포함하며, 빛에 의해 제 2 n형 반도체층이 광도전성을 띄면 상기 게이트부 양측에 위치한 전극들 사이에 채널이 형성되어 전기적으로 도통되는 것을 특징으로 하는 광도전칩일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 게이트부는, 전극 어레이 사이에 격자 형태로 연결되어 형성되고, 상기 격자 형태를 형성하는 교차지점의 게이트부 영역은, 상기 제 2 n형 반도체층 대신 p형 반도체층 또는 필드 산화층(field oxide)이 위치하는 것을 특징으로 하는 광도전칩일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 전극과 접하는 각 게이트부들의 활성화에 의해 형성되는 전기적인 도통 영역을 서로 전기적으로 격리시키는 격리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광도전칩일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 격리부는, 상기 전극 하부에서 상기 기판 방향으로 수직적인 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 광도전칩일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 격리부는, 에칭을 통해 형성하거나, 옥사이드(oxide)를 삽입하여 형성하는 것을 특징으로 하는 광도전칩일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 기판; 상기 기판 상에 형성되는 제 1 p형 반도체층; 및 상기 전극 하부와 상기 제 1 p형 반도체층 상부 사이에 위치하는 제 1 n형 반도체층을 더 포함하고, 상기 게이트부는, 상기 제 1 p형 반도체층 상부에 위치하는 절연층; 상기 절연층 상부에 위치하고, 광도전성을 갖는 광다이오드층; 및 상기 광다이오드층 상에 위치하는 게이트 전극을 포함하며, 빛에 의해 상기 광다이오드층이 광도전성을 띄면 상기 게이트부 양측에 위치한 전극들 사이에 채널이 형성되어 전기적으로 도통되는 것을 특징으로 하는 광도전칩일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 광다이오드층은, 제 2 p형 반도체층; 및 상기 제 2 p형 반도체층 상부에 위치하는 제 3 n형 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광도전칩일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 게이트부는, 전극 어레이 사이에 격자 형태로 연결되어 형성되고, 게이트 전압이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 광도전칩일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 전극과 게이트부의 상부에 위치하는 광도전층을 포함하고, 상기 게이트부와 상기 광도전층은 서로 다른 파장을 가지는 빛에 의해 활성화되는 것을 특징으로 하는 광도전칩일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 게이트부 또는 광도전층의 영역이 선택적으로 활성화 되도록 패터닝된 빛을 발생시키는 광원부를 더 포함하는 광도전칩일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 게이트부를 활성화시키는 파장의 영역과 상기 광도전층을 활성화시키는 파장의 영역은 서로 일치하지 않는 것을 특징으로 하는 광도전칩일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 제 1 파장을 가지는 빛에 의해 활성화되는 게이트부에 의해 전기적으로 도통하는 전극들로 형성되는 영역은, 외부로부터 신호를 받아 활성화된 광도전층 영역으로 전달하거나, 활성화된 광도전층 영역으로부터 신호를 수신하여 외부로 신호를 전달하고, 상기 광도전층은, 제 2 파장을 가지는 빛에 의해 활성화된 영역을 통해 상기 제 1 파장을 가지는 빛에 의해 활성화되는 게이트부에 의해 전기적으로 도통하는 전극들로 형성되는 영역으로부터 수신한 신호를 상기 광도전층의 상부방향으로 방출하거나 광도전층의 상부로부터 신호를 수신하여 상기 제 1 파장을 가지는 빛에 의해 활성화되는 게이트부에 의해 전기적으로 도통하는 전극들로 형성되는 영역으로 전달하는 것을 특징으로 하는 광도전칩일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 광도전층은, 상부로 신호를 송신하거나 상부로부터 신호를 수신하도록 전극의 형태로 소정의 영역이 활성화되고, 빛에 의해 활성화되는 게이트부에 의해 전기적으로 도통하는 전극들로 형성되는 영역은, 상기 광도전층에 신호를 전달하려는 신호전달장치와 연결된 전극 또는 광도전층이 수신한 신호를 수신할 신호수신장치와 연결된 전극을 상기 활성화된 광도전층의 영역과 연결하도록 선로의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 광도전칩일 수 있다.
본 발명에 따르면, 광도전칩에 입사되는 빛을 패터닝을 통해 재구성이 가능한 칩을 제공할 수 있다. 이를 통해 전극의 모양, 크기, 위치 등을 실시간으로 제어할 수 있다. 상층부에 전기신호를 전달하거나 상층부로부터 전기신호를 수신하는데 이용할 수 있고, 세포의 위치를 감지할 수 있고, 더 나은 세포-전극 커플링을 가능하도록 하는 정보에 기초하여 전극을 설정할 수 있다. 나아가, 재구성 가능한 와이어 패턴의 생성에 있어 저항을 획기적으로 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광도전칩이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 실시예에 따른 게이트부와 양측 전극의 구성을 구체적으로 나타낸 것이다.
도 3은 전극이 어레이 형태를 갖는 광도전칩의 일부 영역을 활성화 시킨 예를 나타낸 것이다.
도 4 내지 5는 본 발명의 실시예에 따른 광도전칩이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 격리부를 포함하는 광도전칩이다.
도 7 내지 13은 본 발명의 실시예에 따른 격리부를 포함하는 광도전칩의 도전되는 형태를 나타낸 것이다
도 11 내지 12는 본 발명의 실시예에 따른 광도전층을 포함하는 광도전 칩의 구동원리를 나타낸 것이다.
도 13 내지 16은 본 발명의 실시예에 따른 광도전층을 포함하는 광도전 칩이 적용되는 예들을 나타낸 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광도전칩은, 어레이(array) 형태로 배치되는 복수의 전극, 및 상기 전극 사이에 위치하고, 빛에 의해 활성화되는 게이트부를 포함하고, 상기 게이트부의 영역이 선택적으로 빛에 의해 활성화되면, 상기 활성화된 게이트부 양측에 위치한 전극들이 전기적으로 도통되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관한 구체적인 내용의 설명에 앞서 이해의 편의를 위해 본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안의 개요 혹은 기술적 사상의 핵심을 우선 제시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광도전칩은, 어레이(array) 형태로 배치되는 복수의 전극, 및 상기 전극 사이에 위치하고, 빛에 의해 활성화되는 게이트부를 포함하고, 상기 게이트부의 영역이 선택적으로 빛에 의해 활성화되면, 상기 활성화된 게이트부 양측에 위치한 전극들이 전기적으로 도통되는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 당해 도면에 대한 설명시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다. 아울러 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명 그리고 그 이외의 제반 사항이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광도전칩이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광도전칩(100)은 복수의 전극(110)과 게이트부(120)로 구성된다. 광도전층(130), 격리부(140), 또는 광원부를 더 포함할 수 있다.
복수의 전극(110)은 어레이 형태로 배치되며, 전극 사이에 위치하는 게이트부(120)가 활성화되면 게이트부(120) 양측에 위치한 전극들이 전기적으로 도통된다.
게이트부(120)는 빛에 의해 활성화된다.
보다 구체적으로, 게이트부(120)는 광도전성을 갖는 층을 포함하고 있고, 해당 층에 빛이 입사되어 광도전성을 띄면 게이트부에 인가된 게이트 전압이 커져 활성화된다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 실시예에 따른 게이트부와 양측 전극의 구성을 구체적으로 나타낸 것이다. 게이트부의 형태에 따라 도 2a와 도 2b의 두 가지의 형태로 형성될 수 있다. 구체적인 구성을 설명하기 위하여, 2 개의 전극과 그 사이에 위치하는 게이트부를 중심으로 먼저 도 2a를 참조하여 설명하도록 한다.
본 발명의 실시예에 따른 광도전칩은 기판(210), 제 1 p형 반도체층(220), 제 1 n형 반도체층(230), 전극(240), 및 게이트부로 구성되고, 게이트부는 제 2 n형 반도체층(250), 절연층(260), 및 게이트 전극(270)으로 구성될 수 있다.
도 2a와 같이, 두 개의 전극(240)과 하나의 게이트부는 FET의 형태를 형성하게 된다. 기판상에 제 1 p형 반도체층(220)이 위치하고, 양측에 제 1 n형 반도체층(230)을 포함하는 전극(240)이 위치하여 하나의 전극은 소스(source), 다른 하나의 전극은 드레인(drain)의 역할을 한다. 전기적으로 도통되는 전극이 다수인 경우, 하나의 전극은 소스와 드레인의 역할을 모두 할 수 있다. 그리고, 상기 두 전극(240) 사이에 게이트 전극(270)이 위치하고, 게이트 전극(270) 하부에는 제 1 p형 반도체층(220)상에 상기 두 제 1 n형 반도체층(230)와 접촉되고, 광도전성을 갖는 제 2 n형 반도체층(250) 및 상기 제 2 n형 반도체층(250) 상부에 위치하는 절연층(260)이 형성된다.
게이트 전극(270)에는 두 전극(240)이 전기적으로 도통되지 않도록 하는 전압이 걸려있을 수 있다. 빛을 입사하기 전에 전극들이 서로 전기적으로 도통되는 것을 방지하기 위하여, 게이트 전극(270)에 일정한 전압을 인가한다. 게이트 전극(270)은 양측 전극(240)과 전기적으로 차단된다. 게이트 전극(270)은 빛이 통과할 수 있는 투명 전극일 수 있다.
제 1 p형 반도체층(220)과 제 2 n형 반도체층(250)이 PN 다이오드를 형성하며, 게이트부(120)를 활성화시키는 빛이 입사되면, 게이트부의 제 2 n형 반도체층(250)이 광도전성을 띄어, 전자들은 기판(210)으로 밀려나고, 정공(hole)들이 게이트 전극(270)쪽으로 모이게 되고, 게이트 전압을 상승하게 된다. 게이트 전압이 상승함으로써 두 전극(240) 사이에 채널이 형성되어 두 전극(240)은 전기적으로 도통하게 된다.도 2a와 다른 형태로, 게이트부는 도 2b와 같이, 상부로부터 게이트 전극, 제 1 p형광다이오드층, 절연체의 순서로 형성될 수도 있다.
이때, 본 발명의 실시예에 따른 광도전칩은 기판(210), 제 1 p형 반도체층(220), 제 1 n형 반도체층(230), 전극(240), 및 게이트부로 구성되고, 게이트부는 절연층(260), 광다이오드층(280 및 290), 및 게이트 전극(270)으로 구성될 수 있다.
광다이오드층은 제 2 p형 반도체층(280) 및 제 2 p형 반도체층 상부에 위치하는 제 3 n형 반도체층(290)으로 구성된다. 제 2 p형 반도체층(280)과 제 3 n형 반도체층(290)이 PN 다이오드를 형성하며, 빛에 의해 광도전성을 띄면, 게이트 전압이 상승하게 된다. 게이트 전압이 상승함으로써 두 전극(240) 사이에 채널이 형성되어 두 전극(240)은 전기적으로 도통하게 된다.
도 3a 내지 3b는 전극이 어레이 형태를 갖는 광도전칩의 일부 영역을 활성화 시킨 예를 나타낸 것이다.
도 3a과 같이, 전극(110)들이 어레이의 형태로 배치되고, 게이트부(120)는 전극 어레이 사이에 격자 형태로 연결되어 형성된다. 전극 어레이의 형태는 다양하게 형성될 수 있고, 전극 어레이로 구현하고자 하는 해상도(resolution)은 다양하게 구현될 수 있다. 전극의 크기와 전극 사이의 거리는 다양하게 구현할 수 있다. 전극의 크기와 전극 사이의 거리는 μm 단위일 수 있다. 게이트부(120)의 영역 중 일부에 빛을 입사하여 게이트부(120) 영역이 활성화되면, 활성화된 게이트부(120)들 양측에 위치하는 전극들이 전기적으로 도통하게 되고, 일정한 영역의 게이트부가 활성화되면, 활성화된 게이트부 양측에 위치하는 전극들이 서로 전기적으로 도통하게 된다. 즉, 게이트부(120)를 활성화하는 패턴을 제어하여 전기적으로 도통하는 전극(110)들을 제어함으로써 칩의 재구성이 가능하다. 전기적으로 도통되는 전극들은 와이어(wire)의 형태로 구현될 수 있다. 하나의 전극 어레이에 구현되는 전극 와이어는 하나 이상일 수 있으며, 서로 겹치지 않도록 구현할 수 있다. 구현되는 전극 와이어의 수와 형태는 다양할 수 있다. 게이트부(120)에는 빛의 입사가 없는 경우, 전극 사이가 도통되지 않도록 게이트 전압 VG가 인가될 수 있다.
게이트부를 활성화하여 전극들을 전기적으로 도통하는 경우, 저항이 매우 작은바, 신호를 전달함에 있어서 빠르고 정확하게 전달이 가능하다.
도 3a와 같이, 전극 310과 전극 320 사이를 잇는 영역에 빛을 입사하여 게이트부를 활성화시킴으로써 전극 310과 전극 320이 전기적으로 도통하도록 할 수 있다. 이를 통해 전극 310으로 인가된 신호가 전극 320까지 전달될 수 있다. 전기적으로 도통된 전극들의 경로의 단면을 보면 도 3b와 같다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광도전칩이다. 도 4와 같이, 제 1 n형 반도체층은 강하게 도핑된 n+ 반도체층이고, 제 2 n형 반도체층은 강하게 도핑된 n- 반도체층일 수 있다. 절연층(insulation)은 oxide 층일 수 있고, 절연층과 제 2 n형 반도체층 사이에 누설전류를 방지하기 위하여 p형 반도체층이 더 포함될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광도전칩이다. 게이트부(120)는 전극 어레이 사이에 격자 형태로 연결되어 형성되고, 상기 격자 형태를 형성하는 교차지점의 게이트부 영역은, 상기 제 2 n 타입 반도체층 대신 p 타입 반도체층 또는 필드 산화층(field oxide)이 위치할 수 있다. 전극 510과 전극 520을 연결하기 위하여 게이트부가 위치하는 530 영역을 활성화시키는 경우, 채널이 530을 넘어 주변의 게이트부 540 또는 550에도 생성될 수 있어, 의도하지 않은 다른 전극과 전기적으로 도통될 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 격자 형태를 형성하는 교차지점의 게이트부 영역에 있어서, 제 2 n 타입 반도체층 대신 p 타입 반도체층 또는 필드 산화층(field oxide)이 위치하도록 하여 의도된 경로 이외에 채널이 생성되는 것을 방지할 수 있다. p 타입 반도체층 또는 필드 산화층(field oxide)이 위치함으로써 빛을 입사하더라도 광도전성을 띄지 않고, 전자들이 교차지점으로 흘러나가는 것을 방지할 수 있다.
격리부(140)는 상기 전극과 접하는 각 게이트부들의 활성화에 의해 형성되는 전기적인 도통 영역을 서로 전기적으로 격리시킨다.
보다 구체적으로, 게이트부를 활성화하여 전극들이 전기적으로 도통되는 경우, 근접한 게이트부를 활성화하지 않은 경우에도, 근접한 전극들까지 전기적으로 도통되는 것을 방지하기 위하여, 각 게이트부들의 활성화에 의해 형성되는 전기적인 도통 영역을 서로 전기적으로 격리시키는 격리부(140)를 형성할 수 있다. 제어하고자 하는 각 전기적으로 도통되는 영역이 내부적으로 반도체영역 등이 연결되어 있는 경우, 근접한 영역의 활성화에 따른 영향으로 같이 활성화되어 채널을 형성하여 원하지 않은 영역이 전기적으로 도통되는 경우가 발생할 수 있다. 이러한 에러가 발생하는 경우, 정밀한 제어가 어려울 수 있는바, 이를 해결하기 위하여, 격리부를 형성할 수 있다.
격리부(140)는 도 6과 같이, 상기 전극 하부에서 상기 기판 방향으로 수직적인 형태로 형성될 수 있다. 도 6의 게이트부(671)가 활성화되는 경우, 양측에 위치한 전극(641, 642)만이 전기적으로 도통되어야 하는데, 격리부(610)가 없는 경우, 하부의 반도체층이 활성화되어 다른 전극(643)까지 전기적으로 도통이 될 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 전극 하부에 격리부(610)를 형성한다. 격리부의 깊이(높이)는 도핑 농도가 높은 영역을 다 커버할 수 있는 충분한 깊이이어야 한다. 즉, 전기적으로 도통될 수 있는 영역을 모두 격리시킬 수 있는 깊이까지 형성될 수 있으며, 기판까지 형성될 수 있다.
격리부(140)는 에칭을 통해 형성하거나, 옥사이드(oxide)를 삽입하여 형성될 수 있다. 전기적인 도통을 막을 수 있는 다른 형태로 구현될 수도 있다.
게이트부(110)는 전극(120)의 최대 4측면에 위치할 수 있는바, 격리부(140)는 모든 게이트부들의 활성화에 의해 형성되는 전기적인 도통 영역을 서로 전기적으로 격리시키기 위하여, 십자 형태로 형성될 수 있다. 전극에 접하는 게이트부들의 형태에 따라 격리부의 형태는 달라질 수 있다.
격리부의 구체적인 형태는 도 7과 같이 형성되고, 도 8a와 같이, 게이트1만 활성화되는 경우, 전극1과 전극2만 전기적으로 도통되고, 도 8b와 같이, 게이트0 내지 게이트2가 활성화되면, 소스전극부터 전극3까지 전기적으로 도통된다. 도 8c와 같이, 소스전극부터 드레인전극 사이의 모든 게이트가 활성화되면 소스전극과 드레인전극이 전기적으로 도통된다. 도 9 내지 10은 격리부가 형성되었을 때, 빛이 입사되지 않은 경우, 게이트2에만 빛이 입사된 경우, 게이트123에만 빛이 입사된 경우, 모든 게이트에 빛이 입사한 경우를 비교한 것으로, 격리부에 의해 각 영역에 대한 제어가 가능한 것을 확인할 수 있다. 이와 같이, 격리부를 형성하면 정밀한 제어가 가능하다.
도 11 내지 12는 본 발명의 실시예에 따른 광도전층을 포함하는 광도전 칩의 구동원리를 나타낸 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 광도전칩은 상기 전극과 게이트부의 상부에 위치하는 광도전층(130)을 더 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 전극과 게이트부 상부에 광도전층을 더 포함할 수 있다. 광도전층은 TiO2 등일 수 있다. 게이트부와 광도전층은 서로 다른 파장을 가지는 빛에 의해 활성화되어 게이트부와 광도전층을 별도로 제어할 수 있다. 게이트부를 활성화시키는 파장과 다른 파장을 가지는 빛에 의해 활성화되는 광도전층을 위치시킴으로써 두 개의 층을 이용하여 칩을 재구성할 수 있다. 이를 위하여, 서로 다른 밴드갭을 가지는 광도전성 물질을 이용할 수 있다. 광도전성을 띄는 영역에서의 광도전성이 임계치 이하가 되는 광도전물질을 이용할 수 있다. 서로 겹치는 파장 영역이 있더라도 오차 범위(임계치) 내라면 이용이 가능하다. 상기 광도전물질을 선택하는데 이용되는 임계치는 미리 설정되어 있거나, 적용되는 환경이나 대상에 따라 달라질 수 있으며, 실험에 의해 적절한 수치로 설정될 수 있다. 게이트부는 가시광선으로 활성화되고, 광도전층은 UV 등으로 활성화될 수 있다.
도 11과 같이, 게이트부는 488 nm의 파장을 가지는 빛에 의해 활성화되고, 광도전층은 365 nm의 파장을 가지는 빛에 의해 활성화되는 물질을 이용할 수 있다. 각각의 빛에 의해 활성화되는 위치와 형태가 달라진다. 광도전층은 2 층 이상의 다층 구조를 가질 수도 있다. 전극 및 게이트부 하부에 위치하는 투명 기판을 더 포함할 수 있다.
광원부는 게이트부 또는 광도전층의 영역이 선택적으로 활성화 되도록 패터닝된 빛을 발생시킨다.
보다 구체적으로, 광원부는 패터닝부를 포함하는 광원, 및 광원의 빛을 집광하는 집광렌즈를 포함할 수 있다. 광원부는 광도전칩 상부 또는 하부 등 여러방향에서 빛을 입사할 수 있다. 광원(710, 720)에서 각 광도전층이 광도전성을 띄도록 하는 빛을 발생시키고, 이를 패터닝부에서 패터닝된 빛으로 형성할 수 있다. 패터닝부는 DMD(Digital Micromirror Device, 730,740)또는 LCD 등으로 구현될 수 있다. DMD는 아주 작은 모양의 거울을 반도체 위에 넣은 반사식 표시기이다. 약 200만 개의 미소 거울은 대각선 방향을 축으로 ± 10° 기울기로 조절할 수 있고, 입사광의 반사 방향을 변화시켜 각 픽셀을 점멸, 제어하게 되는데 원리적으로는 2치 표시기이지만 점멸 시간율을 변화시켜 256계조 표시를 실현할 수 있다. 제조 회사마다 약간의 차이는 있으나 대체로 광의 이용 효율은 65%, 콘트라스트는 110:1, 거울의 응답 속도는 20μsec, 거울의 크기는 17× 17μ㎡이고 픽셀 수는 768× 576이다. 이와 같은 DMD(730, 740)는 원하는 영역 및 형태로 명암을 형성시킬 수 있으며, 광도전층의 원하는 영역으로 DMD(730, 740)가 비추는 패터닝된 빛이 입사되도록 구비된다.
패터닝부를 거친 빛은 다이크로익 미러(dichroic mirror, 550, 560)에 의해 반사되어 집광렌즈(770)를 통해 광도전칩으로 입사될 수 있다. 다이크로익 미러는 굴절률이 다른 물질의 많은 박층으로 이루어지는 반사경으로, 어떤 색의 빛을 반사하고, 다른 색의 빛을 모두 투과하는 성질을 가지고 있다. 보통의 색 필터에 비해서 흡수에 의한 손실이 매우 적고, 선택 반사하는 빛의 파장 범위를 재료의 두께나 구조에 의해 가감할 수 있는 특징이 있다. 집광렌즈(770)를 사용하면 빛 패턴의 크기를 광원의 파장에 따라 회절 한계까지로 줄일 수 있기 때문에 최고 해상도는 1㎛ 미만까지 가능해진다.
제 1 파장을 가지는 빛에 의해 활성화되는 게이트부에 의해 전기적으로 도통하는 전극들로 형성되는 영역은, 외부로부터 신호를 받아 활성화된 광도전층 영역으로 전달하거나, 활성화된 광도전층 영역으로부터 신호를 수신하여 외부로 신호를 전달하고, 상기 광도전층은, 제 2 파장을 가지는 빛에 의해 활성화된 영역을 통해 상기 제 1 파장을 가지는 빛에 의해 활성화되는 게이트부에 의해 전기적으로 도통하는 전극들로 형성되는 영역으로부터 수신한 신호를 상기 광도전층의 상부방향으로 방출하거나 광도전층의 상부로부터 신호를 수신하여 상기 제 1 파장을 가지는 빛에 의해 활성화되는 게이트부에 의해 전기적으로 도통하는 전극들로 형성되는 영역으로 전달할 수 있다. 전극에 인가되는 신호를 광도전층 상부로 방출하거나, 광도전층 상부로부터 신호를 받아 전극에 연결된 신호측정장치로 신호를 전달하는 역할을 할 수 있다. 상기 신호는 전압 또는 전류일 수 있으며, 마이크로파 등의 신호일 수 있다.
이를 위하여, 상기 광도전층은 상부로 신호를 송신하거나 상부로부터 신호를 수신하도록 전극(electrode)의 형태로 소정의 영역이 활성화되고, 빛에 의해 활성화되는 게이트부에 의해 전기적으로 도통하는 전극들로 형성되는 영역은, 상기 광도전층에 신호를 전달하려는 신호전달장치와 연결된 전극 또는 광도전층이 수신한 신호를 수신할 신호수신장치와 연결된 전극을 상기 활성화된 광도전층의 영역과 연결하도록 선로(wire)의 형태를 가질 수 있다.
광도전층과 전기적으로 도통되는 전극들 중 가장자리에서 외부와 연결되는 지점은 각 노드로 볼 수 있고, 전기적으로 도통되는 전극들이 형성하는 영역은 상기 각 노드를 연결하는 선으로 볼 수 있다. 광도전층을 통해 구현되는 광도전층 전극은 정확한 위치에 구현이 가능하고, 광도전층 전극을 구현해야할 위치가 실기간으로 변경되더라도 바로 광도전층 전극의 위치 및 그에 따른 선로를 조절할 수 있다. 이를 통해 신호가 이동하는 경로를 다양하게 재구성할 수 있다. 상기 턴-온 되는 영역은 패터닝된 빛을 형성하여 입사하는 것으로 제어가 가능한바, 쉽고 효율적으로 조절이 가능하다.
전기적으로 도통되는 전극들이 형성하는 영역과 광도전층이 띄는 형태는 다양할 수 있다. 광도전층으로 다양한 전극의 형태를 구성할 수 있다. 광도전층으로 구현되는 광도전층 전극의 형태는 숫자, 크기, 위치, 또는 형상이 다를 수 있다. 또한, 전기적으로 도통되는 전극들이 형성하는 영역으로 다양한 선로의 형태를 구성할 수 있다. 선로의 숫자, 경로, 폭, 또는 형상이 다를 수 있다.
광도전층은 소정의 경우에만 광도전성을 띄어, 전기적으로 도통되는 전극들이 형성하는 영역과 광도전층의 상부를 전기적으로 연결시키는 스위치의 역할을 수행할 수도 있다. 광도전층이 턴-온 되기 전에는 전기적으로 도통되는 전극들이 형성하는 영역과 광도전층 상부는 서로 전기적으로 연결되어 있지 않다가 광도전층이 턴-온 되면 전기적으로 도통되는 전극들이 형성하는 영역과 광도전층 상부는 서로 전기적으로 연결되는바, 이를 이용하여 광도전층을 스위치와 같이 사용할 수 있다.
전기적으로 도통되는 전극들이 형성하는 영역은 복수개가 형성될 수 있고, 그 경로들은 서로 겹치지 않도록 할 수 있다. 신호를 광도전층 상부로 방출하고자 하는 경우, 전기적으로 도통되는 전극들이 형성하는 영역은 해당 신호를 발생시키는 하나 이상의 신호전달장치로부터 신호를 전달할 수 있고, 전기적으로 도통되는 전극들이 형성하는 영역에 의해 형성되는 선로와 연결되는 광도전층에 형성되는 광도전층 전극 또한 하나 이상일 수 있으며, 동일한 신호를 방출하는 광도전층 전극이 복수 인 경우, 하나의 전기적으로 도통되는 전극들이 형성하는 영역이 형성하는 선로에 복수의 광도전층 전극이 연결될 수 있다.
전기 자극을 가하거나 전기 신호를 측정하고자 하는 세포가 상기 광도전층 상에 위치할 때, 상기 세포가 위치하는 광도전층의 영역에 제 2 파장을 가지는 빛을 비추어 광도전성을 띄도록 하고, 상기 세포와 신호전달장치 또는 신호수신장치를 연결하기 위하여, 상기 광도전성을 띄는 광도전층 전극과 상기 신호전달장치 또는 신호수신장치를 연결하는 영역에 제 1 파장을 가지는 빛으로 비추어 해당 영역의 게이트부들을 활성화시켜 전극들이 서로 전기적으로 도통되도록 하며, 상기 전기적으로 도통되는 전극들이 형성하는 영역 및 상기 광도전층의 연결을 통해 상기 광도전층 전극에 인가된 전압이 상기 세포에 전기 자극으로 가해지거나, 상기 세포의 전기 신호를 측정할 수 있다.
도 13과 같이, 세포에 전기 자극을 가하거나 세포의 전기 신호를 측정하기 위해 세포가 광도전층상에 위치하도록 할 수 있다. 세포에 전기 자극을 가하거나 세포의 전기 신호를 측정하고자 하는 위치에 해당하는 광도전층의 영역에 제 2 파장의 빛을 입사하여 턴-온 시키고, 광도전층의 광도전성을 띈 영역을 전기 자극을 가할 신호전달장치와 연결하기 위한 경로에 해당하는 전기적으로 도통되는 전극들이 형성하는 영역에 제 1 파장의 빛을 입사하여 턴-온 시킴으로써 신호전달장치와 연결된 전극이 세포와 전기적으로 연결되어 세포에 전기 자극을 가할 수 있도록 한다. 세포를 광도전층 상에 위치시킬 수 있도록 상기 광도전층 상에 유전층을 더 포함할 수 있고, 상기 유전층 상에 세포를 포함하는 배양액이 담기도록 하는 세포설치부를 더 포함할 수 있다. 상기 유전층으로 SiO2 또는 Si3N4 등이 이용될 수 있다.
전기적으로 도통되는 전극들이 형성하는 영역과 광도전층의 턴-온되는 영역을 잘 배열하여 세포에 전기 자극(Stimulation1,2)을 주는 경로와 세포의 전기 신호를 측정(Recording1,2)을 구현할 수 있다. 전기 자극을 주기 위해선 광도전층의 선로에 신호전달장치와 연결된 전극이 연결되고, 전기 신호를 측정하기 위해선 신호수신장치와 연결될 수 있다.
상기 신호전달장치와 연결되는 전극에는 전원이 연결될 수 있다. 전원은 상기 전극에 직류(DC) 또는 교류(AC) 전압이 인가되도록 구비되어 원하는 전위를 형성하도록 이루어지는데, AC 전압이 인가될 경우, 상기 전원의 주파수는 세포의 크기 및 종류에 따라 조절가능하다. 그리고, AC 전압이 인가될 경우, 상기 전극 중 최소한 하나의 전극이 접지(GND)의 역할을 수행하도록 변경될 수 있다. 직류(DC) 전압이 인가될 경우 빛 자극을 빠르게 온/오프(on/off)함으로써 용량성 커플링을 통해 유전층 위에 위치하는 세포에 전압 전달이 가능하다. 세포 자극을 위해 교류를 가해주는 것이 작동에 수월하기는 하나 광도전층 및 유전층을 통하여 용량성 커플링에 의한 누설전류가 미세하게 흐를 수 있다. 그러나 직류를 가하고 빛을 점멸하면 다른 부분은 누설전류가 발생하지 않고 빛을 받은 부분만 전압이 전달되므로 누설전류없이 효과적으로 빛 자극을 가할 수 있다.
전원에 의해 전극에 전압이 인가되는 상태에서 빛이 비추어지지 않으면 광도전층이 부도체이기 때문에 그 위로 전압이 전달되지 않고 따라서, 세포에 자극이 가해지지 않는다. 그러나 특정 빛 패턴을 DMD를 통해 투사(projection)하면 광도전층에 빛이 조사된 영역에만 전기가 도통하게 되어 전극에 걸린 전압이 광도전층 및 유전층을 통하여 세포에 전기 자극으로 가해지게 된다. 즉, 빛에 의해 세포에 전기 자극을 가할 수 있다는 것인데, 광원부로부터 조사된 빛이 광도전층으로 입사된 영역에만 전극에 걸린 전기 전압이 전달되고 이것은 세포에 전기 자극으로 가해지는 원리이다.
빛으로 세포를 전기자극할 수 있고, 특히 빛의 패턴으로 신경망의 특정 부위를 전기 자극할 수 있다는 데에 큰 특징이 있다. 즉, 빛 자극 패턴의 크기만큼 해상도를 높일 수 있다. 즉, 회절한계 수준으로 세포 자극을 고해상도로 시행할 수 있다. 빛 자극을 풀 에이치디 DMD를 이용해서 할 경우 이론적으로 200만 스폿을 독립적으로 자극할 수 있다. 따라서, 기존의 수십 ~ 수백 채널에 그쳤던 MEA의 해상도를 백만 채널 이상으로 높이는 효과가 발생한다. 이를 통해 분석하고자 하는 신경망의 각 세포뿐만 아니라 축색돌기 수준으로도 고해상도 자극이 가능하다. 따라서, 신경망의 전체 연결고리의 정확한 신호 분석이 가능해지며, 신경세포의 기억, 연산에 관한 연구에 이용될 수 있다.
세포에 대한 전기 자극 또는 전기 신호를 감지하는 경우뿐만 아니라 도 14a 내지 14b와 같이, 물질의 선택적인 합성 또는 DNA 연구 등 다양한 분야에 적용할 수 있다. 도 14c와 같이, 기판 위에 microdroplet을 위치시키고 확대 그림과 같이 전기화학의 기본이 되는 reference 전극, working 전극, counter 전극의 패턴을 만들어 각각 isolation된 reaction 및 analysis를 수행할 수도 있다.
또한, 도 15과 같이, 제 1 광도전층에 연결되는 전극들을 하나 이상 연결하고, 각기 다른 위치에 적절한 신호를 인가하거나 신호를 측정할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 16과 같이, 필요에 따라 각기 다른 전압(+5V, +3V, -4V)를 가할 수 있고, 서로 다른 유형의 신호(사인파형, 펄스형)를 가할 수도 있다.
신경세포의 흥분과 관련된 신호는 세포에 전압 민감성 염료(voltage sensitive dye) 또는 이온 민감성 염료를 염색하여 카메라부를 이용한 이미지 촬영을 통해 실시간으로 분석할 수 있다. 카메라부는 현미경과 광학필터와 CCD 카메라 등을 포함하여 구성할 수 있다. 전압 민감성 염료는 분자량이 약 500Da, 길이가 20Å 이하인 유기 분자로서 세포막에 결합하여 막 전위의 변화에 의해 발생하는 신호를 검출하기 위해 사용하는 염료이다. 이온 민감성 염료는 Na+, K+, Ca2 + 등의 이온을 추적할 수 있는 염료이며 특히 Ca2 + 민감성 염료를 많이 사용한다. 염료 분자는 세포막의 외벽에 붙어 일종의 변환기로 작용하여 막 전위의 변화를 광신호로 변환시킨다. 이것은 아주 빠른 시간 상수를 가진 막 전위를 잘 반영하며 신호의 크기는 막 전위 변화의 크기와 직접적인 관계가 있다. 전압 민감성 염료(merocyanine계, hemicyanine계)의 대표적인 예는 Di-4-ANEPPS(JPW-211)이며 이것은 체외(in vitro)용으로 빠르게 세포 내에 염색이 되며, 전기장에 대한 민감도가 100mV당 10% 정도이다. 카메라부(580)는 도 12에서와 같이 광원부 아래쪽에 놓일 수도 있지만, 광도전층 위에 놓일 수도 있다. 또한, 전압 민감성 염료 또는 이온 민감성 염료의 형광 여기(excitation)를 위한 추가의 여기광원(미도시)이 필요할 수도 있다. 염료가 발광(photoluminescence) 형태인 경우에는 여기광원(excitation light source) 없이 촬영이 가능하나, 염료가 형광(fluorescence) 형태인 경우는 여기광원이 필요하기 때문이다. 여기광원으로 빛을 비추고 반사된 빛은 밴드패스 필터 등의 광학필터를 사용하여 노이즈를 제거한 다음 현미경에 부착된 CCD 카메라로 영상을 얻을 수 있다.
이 때, 여기광원의 빛이 세포에 의도하지 않은 전기 자극으로 가해지지 않도록 해야 한다. 광도전층이 반응하는 흡수 스펙트럼을 참고하여 광원부의 파장은 가장 흡수율이 높은 쪽을 택하고 여기광원의 파장은 흡수율이 미미한 곳을 택할 수 있으면, 여기광원의 빛과 광원부 및 전원을 이용한 빛 전기 자극(광전자 자극)이 동시에 적용되어도 무방하다. 그렇지 않고 여기광원의 빛에 의해 전기 자극이 켜질 우려가 있다면 여기광원 조사와 빛 전기 자극 사이에 시차를 두는 것이 바람직하다. 여기광원 조사가 되는 동안은 광원부의 빛을 끄거나 전원을 끄는 것으로 이러한 시차를 구현할 수 있으며, 전원을 끄는 것이 조절이 더 쉽기 때문에 예컨대 스위치와 같은 시분할 장치가 유용할 수 있다. 따라서, 여기광원에서 발생된 형광 여기를 위한 빛에 의하여 광도전층이 턴-온(turn-on)되어 전원의 V 자극이 가해지는 것을 방지하기 위하여, 여기광원을 비추고 촬영을 할 때에는 V의 전압 자극기 전원을 꺼주는 방식으로 시차를 둘 수 있다. 이러한 시차 대신에 여기광원 조사와 빛 전기 자극이 중첩되지 않도록 격리 시키는 것도 가능하다. 광도전층과 유전층 사이에 광학필터층(주로 notch filter)을 더 포함시킬 수 있다. 그리고, 광원부는 광도전층의 아래에서, 여기광원은 광도전층의 위에서 비추게 하면, 광학필터층이 여기광원을 차단하여 광도전층이 턴-온되는 것을 방지할 수 있다. 여기서 카메라부는 광도전층 위에 놓일 수 있다.
세포의 활동도를 빛 신호로 읽으므로, 카메라부에 포함되는 카메라의 해상도만큼의 픽셀(pixel)들을 동시에 분석 가능하다. 또한, 사용되는 카메라의 프레임 속도(frame rate)만큼 고속의 분석이 가능하다. 따라서, 매우 높은 시간적 해상도를 가지고 신경세포의 빠른 전기적 활동을 영상화할 수 있다. 세포의 활동도를 빛 신호로 읽으면서, 공초점 현미경(confocal microscope)을 이용한다면, 세포 배양을 2차원이 아니라 3차원으로 해도 정확한 분석이 가능하다. 일반 광학 현미경으로 세포를 관찰하게 되면 세포핵의 영상이 이를 둘러싸고 있는 물질들의 영상과 중첩되어 마치 짙은 안개를 통해 사물을 바라보는 것과 같이 흐릿하게 관측할 수밖에 없다. 하지만 공초점 현미경은 공간상의 한 평면에서의 영상만을 볼 수 있으므로, 초점면의 위치를 세포핵의 위치에 맞추면 세포핵을 둘러싸고 있는 물질들에 의한 영상신호가 차단되어 오직 세포핵의 영상만을 얻을 수 있어 선명도가 높은 영상을 얻게 된다. 이와 같은 원리로, 세포배양을 3차원으로 하고 세포의 활동도를 빛 신호로 얻는 것에 공초점 현미경을 사용하면 각 층에 있는 세포의 활동도를 독립적으로 구분해낼 수 있다. 이는 전극을 통해 전기신호를 얻어들이는 MEA가 신호 근원지의 높이를 구분해낼 수 없어 세포배양을 2차원으로만 하는 것과 대조적이다.
전체 2차원적인 신경망의 활동도 분석이 아니라 한 세포의 활동전위만 분석하는 것이 목적인 경우, 해당 부위에 빛 자극을 주어 광도전층을 턴-온시키고 전압을 읽어들일 수 있다. 신경세포가 활동할 때에는 활동전위가 발생한다. 이 활동전위는, 신경세포의 이온투과성의 변화에 따라서 세포막내외의 이온농도가 변화하고, 이에 따라서 세포막전위가 변화함으로써 발생하는 것이다. 그러므로 용량성 커플링에 의해 신경세포의 활동전위를 검출할 수 있다.
한편, 상기와 같은 세포의 측정은, 세포가 살아있는 상태에서 행할 필요가 있으므로, 통상적으로, 배양세포가 사용되고, 세포설치부는 유전층 상에 설치되며 배지, 예컨대 배양액을 구비할 수 있다. 세포설치부는 탈자재이며, 세포배양수단을 추가로 구비시켜 세포를 배양하면서 측정하는 경우에는 장시간에 걸친 측정도 가능하도록 구성할 수 있다. 이 세포배양 수단은, 온도를 일정하게 유지하는 온도조절수단과, 배양액을 순환시키는 수단과, 공기와 이산화탄소의 혼합기체(예를 들면 CO2 5%)를 공급하는 수단으로 구성될 수 있다.
뿐만 아니라, 광도전칩을 통해 세포를 자극한 후 다른 랩 온어 칩(lab on a chip) 구조의 분석 장치로 유동시켜 인라인(in line) 형으로 세포 분석하기 위한 다른 장치와 구조물들이 광도전칩에 더 연결이 되도록 집적화하여 다양한 목적 및 용도에 맞게 응용할 수도 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
어레이(array) 형태로 배치되는 복수의 전극, 및 상기 전극 사이에 위치하고, 빛에 의해 활성화되는 게이트부를 포함하고, 상기 게이트부의 영역이 선택적으로 빛에 의해 활성화되면, 상기 활성화된 게이트부 양측에 위치한 전극들이 전기적으로 도통되는 것을 특징으로 함으로써, 입사되는 빛의 패터닝을 통해 재구성이 가능한 칩을 제공할 수 있다.
110: 전극
120: 게이트부
130: 광원부
140: 광도전층
210: 기판
220: 제 1 p형 반도체층
230: 제 1 n형 반도체층
240: 전극
250: 제 2 n형 반도체층
260: 절연층
270: 게이트 전극
710, 720: 광원
750, 760: Dichroic mirror
770: 집광렌즈
780: 카메라부

Claims (14)

  1. 어레이(array) 형태로 배치되는 복수의 전극; 및
    상기 전극 사이에 위치하고, 빛에 의해 활성화되는 게이트부를 포함하고,
    상기 게이트부의 영역이 선택적으로 빛에 의해 활성화되면, 상기 활성화된 게이트부 양측에 위치한 전극들이 전기적으로 도통되는 것을 특징으로 광도전칩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    기판;
    상기 기판 상에 형성되는 제 1 p형 반도체층; 및
    상기 전극 하부와 상기 제 1 p형 반도체층 상부 사이에 위치하는 제 1 n형 반도체층을 더 포함하고,
    상기 게이트부는,
    상기 제 1 p형 반도체층 상부에 위치하고, 광도전성을 갖는 제 2 n형 반도체층;
    상기 제 2 n형 반도체층 상부에 위치하는 절연층; 및
    상기 절연층 상에 위치하는 게이트 전극을 포함하며,
    빛에 의해 상기 제 2 n형 반도체층이 광도전성을 띄면 상기 게이트부 양측에 위치한 전극들 사이에 채널이 형성되어 전기적으로 도통되는 것을 특징으로 하는 광도전칩.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 게이트부는,
    전극 어레이 사이에 격자 형태로 연결되어 형성되고,
    상기 격자 형태를 형성하는 교차지점의 게이트부 영역은,
    상기 제 2 n형 반도체층 대신 p형 반도체층 또는 필드 산화층(field oxide)이 위치하는 것을 특징으로 하는 광도전칩.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 전극과 접하는 각 게이트부들의 활성화에 의해 형성되는 전기적인 도통 영역을 서로 전기적으로 격리시키는 격리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광도전칩.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 격리부는,
    상기 전극 하부에서 상기 기판 방향으로 수직적인 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 광도전칩.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 격리부는,
    에칭을 통해 형성하거나, 옥사이드(oxide)를 삽입하여 형성하는 것을 특징으로 하는 광도전칩.
  7. 제 1 항에 있어서,
    기판;
    상기 기판 상에 형성되는 제 1 p형 반도체층; 및
    상기 전극 하부와 상기 제 1 p형 반도체층 상부 사이에 위치하는 제 1 n형 반도체층을 더 포함하고,
    상기 게이트부는,
    상기 제 1 p형 반도체층 상부에 위치하는 절연층;
    상기 절연층 상부에 위치하고, 광도전성을 갖는 광다이오드층; 및
    상기 광다이오드층 상에 위치하는 게이트 전극을 포함하며,
    빛에 의해 상기 광다이오드층이 광도전성을 띄면 상기 게이트부 양측에 위치한 전극들 사이에 채널이 형성되어 전기적으로 도통되는 것을 특징으로 하는 광도전칩.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 광다이오드층은,
    제 2 p형 반도체층; 및
    상기 제 2 p형 반도체층 상부에 위치하는 제 3 n형 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광도전칩.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 게이트부는,
    전극 어레이 사이에 격자 형태로 연결되어 형성되고, 게이트 전압이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 광도전칩.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극과 게이트부의 상부에 위치하는 광도전층을 더 포함하고,
    상기 게이트부와 상기 광도전층은 서로 다른 파장을 가지는 빛에 의해 활성화되는 것을 특징으로 하는 광도전칩.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 게이트부 또는 광도전층의 영역이 선택적으로 활성화 되도록 패터닝된 빛을 발생시키는 광원부를 더 포함하는 광도전칩.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 게이트부를 활성화시키는 파장의 영역과 상기 광도전층을 활성화시키는 파장의 영역은 서로 일치하지 않는 것을 특징으로 하는 광도전칩.
  13. 제 10 항에 있어서,
    제 1 파장을 가지는 빛에 의해 활성화되는 게이트부에 의해 전기적으로 도통하는 전극들로 형성되는 영역은,
    외부로부터 신호를 받아 활성화된 광도전층 영역으로 전달하거나, 활성화된 광도전층 영역으로부터 신호를 수신하여 외부로 신호를 전달하고,
    상기 광도전층은,
    제 2 파장을 가지는 빛에 의해 활성화된 영역을 통해 상기 제 1 파장을 가지는 빛에 의해 활성화되는 게이트부에 의해 전기적으로 도통하는 전극들로 형성되는 영역으로부터 수신한 신호를 광도전층의 상부방향으로 방출하거나 광도전층의 상부로부터 신호를 수신하여 상기 제 1 파장을 가지는 빛에 의해 활성화되는 게이트부에 의해 전기적으로 도통하는 전극들로 형성되는 영역으로 전달하는 것을 특징으로 하는 광도전칩.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 광도전층은,
    상부로 신호를 송신하거나 상부로부터 신호를 수신하도록 전극의 형태로 소정의 영역이 활성화되고,
    활성화되는 게이트부에 의해 전기적으로 도통하는 전극들로 형성되는 영역은,
    상기 광도전층에 신호를 전달하려는 신호전달장치와 연결된 전극 또는 광도전층이 수신한 신호를 수신할 신호수신장치와 연결된 전극을 상기 활성화된 광도전층의 영역과 연결하도록 선로의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 광도전칩.
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