KR102258884B1 - 서브형 인공망막 장치, 이의 구동방법 및 제조방법 - Google Patents
서브형 인공망막 장치, 이의 구동방법 및 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
cross-talk을 최소화할 수 있는 새로운 형태의 서브형 인공망막 장치, 그 구동방법 및 제조방법이 제공된다. 본 발명의 일 측면에서 제공되는 서브형 인공망막 장치 및 이의 구동방법은 cross-talk을 기존의 방법에 비하여 효과적으로 제어할 수 있다는 효과가 있다. 또한, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 서브형 인공망막 장치의 제조방법은 cross-talk을 효과적으로 제어할 수 있는 서브형 인공망막 장치를 간단한 공정만으로 제조할 수 있으며, 비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다.
Description
본 발명은 서브형 인공망막 장치, 이의 구동방법 및 제조방법에 관한 것이다.
망막은 각막, 수정체를 통해서 들어온 외부 영상을 전기적 신호로 변환하여 뇌로 전달하는 중요한 신경조직이다. 망막의 넓이는 약 625 ㎠이며, 망막에는 약 1억개의 시세포가 존재한다. 시세포 중 대다수의 비중을 차지하는 막대 세포들은 영상을 전기 신호로 바꾸고, 이러한 신호들이 시신경을 통해 시속 약 480 km의 속도로 뇌에 전해지게 된다. 뇌는 미세한 전기신호를 해석하여 영상을 파악하며, 사물을 판단하게 된다. 망막은 단위면적당 혈액 공급이 가장 많은 조직 중 하나로, 많은 에너지원이 필요하고 화학작용의 부산물로 생기는 노폐물이 원활히 제거되어야 한다. 어떤 이유든 망막혈관 또는 맥락막 혈관에 이상이 생기면 망막에 이상이 발생하여 다양한 질환이 발생하게 된다.
망막질환으로 망막색소변성증(retinitis pigmentosa, RP)는 망막에 분포하는 광수용체의 기능장애로 인하여 발생되는 진행성 망막변성질환으로, 망막의 광수용체와 망막색소상피가 주된 병소이며 양쪽 눈에 모두 나타나는 것이 특징이다. RP의 유병율은 세계적으로 5000명 중 1명으로 보고되고 있다. 다른 망막질환으로 노인황반변성(age-related macular degeneration, AMD)은 3대 실명질환 중 하나로, 최근 인구의 급속한 노령화로 인하여 유병률이 크게 증가하는 추세이다. AMD 환자들은 RP 질환으로 인한 저 시력 환자들과는 다르게 비교적 단기간에 시력이 악화되는 경우가 많고, AMD 환자들에서 눈으로 인한 실제 생활 장애 정도와 심리적 위축은 다른 질환에 비해 큰 것으로 보고되고 있다.
실명이 된 환자들을 치료하기 위하여 최근 유전자 치료, 줄기세포, 약물 치료 등 다양한 치료법들이 시도되고 있다. 그러나, 대부분의 실명 환자들은 이미 망막 시세포 층이 손상되어 유전자 치료나 약물 치료 가능 시기가 지난 경우가 대부분이다. 하지만 RP와 AMD 같은 질환의 경우 망막의 바깥 층인 시세포 층만 손상이 되었기 때문에, 시세포 층의 기능을 대체해 준다면 시력 회복 가능성이 존재한다. 따라서, 실명된 환자에게 망막의 시세포 층에 전기적 자극을 유도하여 시력을 회복시키는 인공망막이 새로운 치료법으로 유망한 실정이다.
도 1을 참조하면, 인공망막은 설치되는 위치에 따라 에피형(Epi-retinal)과 서브형(Sub-retinal)으로 구분될 수 있다. 에피형의 경우, 망막 앞에 위치하며, 도 1에서 8로 표지되었다. 서브형의 경우 망막 뒤 시세포 층에 위치하여 도 1에서 9로 표지되었다. 에피형의 인공망막은 망막세포 중 Ganglion 세포층을 자극하고, 서브형의 인공망막은 후방의 bipolar 세포층을 자극한다. 에피형의 인공망막은 망막 전방에 신경 세포 자극기가 위치되므로 망막 내층의 신경 세포들의 중간 신호처리 과정이 진행되지 않는다. 따라서, 에피형 인공망막은 외부의 카메라가 별도로 구비된다. 외부의 카메라는 안경에 장착되어 제공되며, 카메라로부터 얻어진 영상 정보는 유도 코일을 통해 무선으로 안구 내 미세 전극 어레이에 도달하게 되고, 망막 내층의 신경 세포들의 중간 신호처리 과정 없이 직접적으로 망막신경절세포(retinal ganglion)를 자극하게 된다. 한편, 환자에 따라 전기 자극에 반응하는 역치가 다르며, 망막세포 손상 부위에 따라 인가해줘야 할 전기 자극의 크기 또한 제각각 상이하다. 에피형의 인공망막은 외부에 있는 이미지 프로세서에서 각각 전극을 독립적으로 제어하는 방식이다.
따라서, 전기적 펄스의 크기를 환자에 따라 혹은 손상 부위에 따라 자유롭게 바꿀 수 있는 장점이 있다. 종래기술로서, 미국에서 판매되고 있는 Second sight의 ArgusⅡ 제품의 경우 64개의 전극을 독립적으로 제어할 수 있으며, 각각 전극에서 발생하는 전기 자극의 크기 또한 제어가 가능하다. 다만, 에피형 인공망막의 경우, 망막이 매우 얇고 연약하므로 전극 고정이 어려운 단점이 있다. 또한, 망막 내측에 위치하여 유리체강으로 노출될 수 있고 섬유조직으로 둘러싸여 전기 자극이 전달되지 못할 가능성이 있다. 또한, 망막의 윗면에서 전기 자극을 줄 경우 망막신경섬유층이 자극되어 신호가 퍼지거나 망막 내 여러 층의 세포가 한꺼번에 자극되어 공간 해상도를 높이는 개량이 어려운 단점이 있다. 에피형 인공망막은 망막 내 신호처리과정을 활용하지 못하므로 자극하는 전극 격자의 모양과 실제로 환자가 느끼는 모양이 다를 수 있기 때문에 환자 개개인에 따른 맞춤형 화상처리가 필요하다. 따라서, 서브형 인공망막보다 다양한 부품과 이들을 연결해주는 신호 전달부가 요구되는 단점이 있다.
서브형 인공망막의 경우는 도 1에서와 같이 포토다이오드 어레이가 망막세포층 하부인 광수용 세포층에 위치한다. 서브형 인공망막은 단순히 광수용체의 기능을 대치하는 것을 목표로 고안되었으며 양극 세포를 1차적인 전기 자극 대상으로 삼는다. 이를 위하여 서브형 인공망막은 빛을 감지하는 포토다이오드와 자극용 전극을 일체화하고, 포토다이오드에서 나오는 전류가 바로 전극으로 흘러서 망막신경세포를 자극할 수 있도록 설계된다. 포토다이오드 어레이는 CMOS 이미지 센서와 비슷한 기능을 수행한다. 빛의 강도에 따라 각각의 포토다이오드 셀에서 생성되는 암전류의 크기가 다르고, 이 전류가 변환 회로를 거치면서 활성 전위 역할을 하게 되는 바이페이직 전류 펄스로 변화된다. 서브형 인공망막의 장점은 양극 세포와 망막 내층의 정보처리를 통한 기존의 시각 전달 경로를 이용함으로써 물체를 인지함에 있어서 자연적인 느낌이 들도록 한다는 것이다. 게다가, 미세전극 어레이가 안구 내에 삽입됨으로써 자연적인 안구 운동이 가능한데, 이는 소형 카메라를 안경에 장착한 시스템의 경우에 물체를 보고 인지하기 위해서 물체가 있는 방향으로 눈이 아닌 고개를 돌려야 한다는 점과 비교하면 생리적이고 자연스럽다는 면에서 장점을 가진다고 할 수 있다. 또한, 망막 밑 자극 방법에 의해 만들어지는 화소(pixel)의 수가 지금까지 만들어진 인공망막들 중에서 가장 많기 때문에 높은 해상도를 구현할 수 있는 가능성이 시사되고 있다.
종래 기술로서, 독일 Retina Implant사에서 상용화에 성공한 Alpha IMS 모델은 1500개의 포토다이오드 어레이와 이와 매칭되는 바이페이직 전류생성 어레이를 가졌지만, 임상 실험에 의하면 실제 해상도가 63채널 에피형 인공망막의 해상도보다 못한 것으로 보고된다. 에피형 인공망막이 자극하는 경우를 보면, 카메라에서 캡쳐된 사진이 이미지 프로세싱을 통해서 디지털 신호로 변환되고 이것이 인코딩을 통해 직렬 디지털 신호로 바뀌어 인공망막으로 전달된다. 인공망막에 있는 디코더는 외부로부터 들어오는 디지털 신호의 패킷을 분석하여 각각의 자극기에 명령신호들을 순차적으로 보내게 된다. 이 때, 명령을 받은 자극기는 바이페이직 전류를 생성하고 명령을 기다리는 다른 자극기들은 출력단이 리턴 전극과 쇼트되어 잔여 전하들이 넓게 퍼지는 것을 막는다.
반면, 서브형 인공망막에서 포토다이오드 어레이를 살펴보면, 빛이 동시에 들어오고, 동시에 바이페이직 전류들을 생성한다. 한편, 서브형 인공망막은 접지 역할을 하게 되는 리턴 전극이 칩의 말단 또는 전극 어레이로부터 멀리 떨어진 곳에 위치하고 있다. 일반적으로는 4각형 칩의 구석에서 접지 역할을 할 수 있도록 리턴 전극이 위치된다. 이러한 상황에서, 동시적으로 일정 영역의 복수 개 자극 전극이 자극되면, 전류들이 리턴 전극으로 흘러 들어가면서 자극되지 말아야 할 망막 양극 세포(bipolar)들을 자극하게 되어 상이 번지는 cross-talk 현상이 발생된다. 도 2는 이러한 현상을 설명하기 위한 포토다이오드 어레이를 나타낸다.
도 2에서, 사용자가 인지하고자 하는 형상은 ‘ㄱ’이라고 가정한다. 즉 ‘ㄱ’형상은 망막의 중간세포층을 지나 후방의 서브형 인공망막에 도달하며, 다수의 픽셀(예로서, 1000픽셀)로 배열된 포토다이오드 어레이에 ‘ㄱ’형상으로 동시적인 자극이 입력된다. 자극 전극은 ‘ㄱ’형상으로 바이페이직 전류를 출력하게 된다. 이 때, 기판 상에 어딘가에는 반드시 마련되어야 하는 리턴 전극(접지 전극)으로 전류들이 흘러가면서 의도치 않은 양극 세포들을 자극하게 되고, 사용자는 ‘ㄱ’형상이 번지게 된 모습을 인식하게 된다. 이러한 이유로, 1000픽셀인 서브형 인공망막이 64픽셀의 에피형 인공망막과 해상도가 비슷하게 느껴지는 문제점이 지적되었다.
이에, 대한민국 등록특허 제10-1838150호에서는 cross-talk으로 인한 상 번짐 현상(Blur)을 줄이기 위해 듀얼 모드 전극 기법을 제안하였다. 도 3에서 확인할 수 있듯이, 가운데의 자극 전극이 활성화되는 동안, 그 주변의 전극은 그라운드 레퍼런스로 동작하여 전류의 유영을 막는다. 그리고 그라운드 레퍼런스 전극이 다시 활성화되면서 기존에 활성화된 전극은 그라운드 레퍼런스 전극의 역할을 하게 되고, 이 동작이 순차적으로 반복되게 된다.
하지만 이러한 방법의 경우, 자극 전류가 주변 레퍼런스 전극에 동일하게 전류가 분산되기가 어렵고, 자극 전극과 그라운드 레퍼런스 전극으로 스위칭 하면서 발생하는 글리치(glitch), 클락-피드스루(clock-feedthrough), 전하 주입(charge injection) 등으로 인해 불필요한 전하들이 삽입 될 수 있는 단점이 있다.
이에 cross-talk을 억제할 수 있는 새로운 형태의 서브형 인공망막 장치에 대한 요구가 있다.
본 발명의 일 측면에서의 목적은 cross-talk을 최소화할 수 있는 새로운 형태의 서브형 인공망막 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에서
광전 변환부; 및
망막신경세포 자극부;
를 포함하는 서브형 인공망막 장치에 있어서,
상기 광전 변환부는 망막으로 투사되는 외부의 시각 정보에 응답하여 빛을 수신함으로써 전류를 발생시키는 복수 개의 포토다이오드를 포함하는 포토다이오드 어레이 및 상기 포토다이오드에서 발생한 전류를 증폭시키는 증폭기를 포함하며,
상기 망막신경세포 자극부는
상기 광전 변환부 상에 구비되며, 상기 복수 개의 포토다이오드에 각각 대응되고, 상기 포토다이오드에서 발생된 전류에 응답하여 대응되는 망막신경세포 측으로 활동 전위를 발생시키는 복수 개의 자극 전극; 및
상기 광전 변환부 상에 접지가 형성되도록 전류를 수용하며, 상기 각각의 자극 전극을 둘러싸도록 배치되어 임의의 하나의 자극 전극을 다른 자극 전극과 전기적으로 분리시킬 수 있도록 배치되는 리턴 전극; 및
상기 자극 전극 및 리턴 전극을 연결할 수 있는 스위치;
를 포함하며,
상기 스위치 및 망막신경세포는 상기 자극 전극 및 리턴 전극 사이에 병렬로 연결되어, 상기 스위치가 개방되어 있는 경우 전류는 상기 자극 전극으로부터 상기 망막신경세포를 거쳐 상기 리턴 전극으로 흐르고, 상기 스위치가 연결되어 있는 경우 전류는 상기 자극 전극으로부터 상기 망막신경세포를 거치지 않고 상기 리턴 전극으로 흐르는,
서브형 인공망막 장치가 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 측면에서
상기 서브형 인공망막 장치의 구동 방법으로,
망막으로 투사되는 외부의 시각 정보에 응답하여 상기 광전 변환부에서 전류를 발생 및 증폭시키는 단계(단계 1);
상기 복수 개의 자극 전극 중 적어도 일부에 상기 전류가 전달되는 단계(단계 2);
상기 전류가 전달된 자극 전극이 이에 대응되는 망막신경세포를 자극하는 단계(단계 3); 및
상기 망막신경세포의 자극이 끝난 후, 상기 스위치가 연결되어 상기 망막신경세포에 잔류하는 전하를 제거하는 단계(단계 4);
를 포함하는 서브형 인공망막 장치의 구동방법이 제공된다.
나아가, 본 발명의 또 다른 측면에서
상기 서브형 인공망막 장치의 제조방법으로,
상기 광전 변환부의 상단에 상부 금속층을 노출시키는 단계;
상기 광전 변환부 상에 전도성 물질을 증착하는 단계;
상기 자극 전극 및 상기 리턴 전극이 위치할 부분을 제외한 영역에 대하여 상기 전도성 물질을 제거하는 단계;
를 포함하는 서브형 인공망막 장치의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 서브형 인공망막 장치 및 이의 구동방법은 cross-talk을 기존의 방법에 비하여 효과적으로 제어할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 서브형 인공망막 장치의 제조방법은 cross-talk을 효과적으로 제어할 수 있는 서브형 인공망막 장치를 간단한 공정만으로 제조할 수 있으며, 비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 인공망막 종류에 따른 설치 위치를 보여주는 모식도이고,
도 2는 종래의 일반적인 리턴 전극 배치를 가지는 포토다이오드 어레이의 cross-talk 현상을 보여주는 모식도이고,
도 3은 cross-talk을 억제하기 위한 종래 기술 중 하나의 회로도를 모식적으로 나타낸 것이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 서브형 인공망막 장치가 시술된 안구의 모습을 나타낸 것이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 서브형 인공망막 장치의 단면을 모식적으로 나타낸 것이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 서브형 인공망막 장치의 회로도를 모식적으로 나타낸 것이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 서브형 인공망막 장치의 제조공정을 모식적으로 나타낸 것이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 서브형 인공망막 장치의 단면을 모식적으로 비교하여 나타낸 것이고,
도 9 내지 도 12는 본 발명의 일 실험예에 따라, 본 발명의 일 실시예 및 비교예의 인공망막 장치를 자극했을 때의 COMSOL 시뮬레이션 결과를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 종래의 일반적인 리턴 전극 배치를 가지는 포토다이오드 어레이의 cross-talk 현상을 보여주는 모식도이고,
도 3은 cross-talk을 억제하기 위한 종래 기술 중 하나의 회로도를 모식적으로 나타낸 것이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 서브형 인공망막 장치가 시술된 안구의 모습을 나타낸 것이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 서브형 인공망막 장치의 단면을 모식적으로 나타낸 것이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 서브형 인공망막 장치의 회로도를 모식적으로 나타낸 것이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 서브형 인공망막 장치의 제조공정을 모식적으로 나타낸 것이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 서브형 인공망막 장치의 단면을 모식적으로 비교하여 나타낸 것이고,
도 9 내지 도 12는 본 발명의 일 실험예에 따라, 본 발명의 일 실시예 및 비교예의 인공망막 장치를 자극했을 때의 COMSOL 시뮬레이션 결과를 모식적으로 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
본 발명의 일 측면에서
광전 변환부; 및
망막신경세포 자극부;
를 포함하는 서브형 인공망막 장치에 있어서,
상기 광전 변환부는 망막으로 투사되는 외부의 시각 정보에 응답하여 빛을 수신함으로써 전류를 발생시키는 복수 개의 포토다이오드를 포함하는 포토다이오드 어레이 및 상기 포토다이오드에서 발생한 전류를 증폭시키는 증폭기를 포함하며,
상기 망막신경세포 자극부는
상기 광전 변환부 상에 구비되며, 상기 복수 개의 포토다이오드에 각각 대응되고, 상기 포토다이오드에서 발생된 전류에 응답하여 대응되는 망막신경세포 측으로 활동 전위를 발생시키는 복수 개의 자극 전극; 및
상기 광전 변환부 상에 접지가 형성되도록 전류를 수용하며, 상기 각각의 자극 전극을 둘러싸도록 배치되어 임의의 하나의 자극 전극을 다른 자극 전극과 전기적으로 분리시킬 수 있도록 배치되는 리턴 전극; 및
상기 자극 전극 및 리턴 전극을 연결할 수 있는 스위치;
를 포함하며,
상기 스위치 및 망막신경세포는 상기 자극 전극 및 리턴 전극 사이에 병렬로 연결되어, 상기 스위치가 개방되어 있는 경우 전류는 상기 자극 전극으로부터 상기 망막신경세포를 거쳐 상기 리턴 전극으로 흐르고, 상기 스위치가 연결되어 있는 경우 전류는 상기 자극 전극으로부터 상기 망막신경세포를 거치지 않고 상기 리턴 전극으로 흐르는,
서브형 인공망막 장치가 제공된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 서브형 인공망막 장치(10)가 시술된 안구의 모습을 나타낸다. 안구는 망막(5), 신경 조직(7), 맥락막, 공막, 각막(1), 동공(3), 홍채 및 모양체를 포함하는 구조로 되어 있다. 전술한 바와 같이 서브형 인공망막 장치(10)는 망막(5)의 후방에 위치된다. 망막(5)은 망막신경세포(ganglion cell), 아마크린 세포(amacrine cell), 양극 세포(bipolar cell), 수평 세포, 로드콘(rod cone) 및 색소상피(pigment epithelium)의 다층 구조로 이루어진다. 설명의 편의를 위하여 도 4에서는 망막(5)을 크게 망막신경세포층(51)과 양극세포층(53) 및 로드콘(55)층으로 구분하였다. 본 실시예에 따른 인공망막 장치(10)는 로드콘(55)층을 대체하도록 위치될 수 있다. 즉, 인공망막 장치는 로드콘(55)층이 파괴되어 사라진 부분에 삽입되게 된다. 망막신경세포(51)와 양극세포(53)는 모두 투명한 세포층이므로 망막(5)에 입사된 광은 투사되어 인공망막 장치(10)에 도달한다. 인공망막 장치(10)는 망막 내층의 신경 세포들의 중간 신호처리 과정을 그대로 사용할 수 있다. 이 과정에서, 본 실시예에 따른 인공망막 장치(10)는 외부의 시각 정보에 반응하는 자극 전극이 대응되는 양극 세포(53)를 직접 자극하고, 불필요한 양극 세포(53)는 자극하지 않도록 하여 사용자에게 높은 해상도의 시각 정보를 제공하는 것을 특징으로 한다. 이하, 본 장치의 구성을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 서브형 인공망막 장치(10)는 광전 변환부(100)를 포함한다.
상기 광전 변환부는 망막으로 투사되는 외부의 시각 정보에 응답하여 빛을 수신함으로써 전류를 발생시키는 복수 개의 포토다이오드를 포함하는 포토다이오드 어레이(101)를 포함한다.
또한, 상기 광전 변환부는 상기 포토다이오드에서 발생한 전류를 증폭시키는 증폭기(102)를 포함한다.
상기 광전 변환부는 상기 자극기를 포함함으로써, 적은 전류의 발생로도 충분한 자극을 가할 수 있어, 자극 효율을 극대화할 수 있고, 많은 양의 다이오드를 사용할 필요가 없어 인공망막 장치를 소형화할 수 있다는 이점을 가질 수 있다.
또한, 상기 광전 변환부는 발생된 전류를 바이페이직 전류(biphasic current)로 변환시키는 펄스 성형기(103)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서 상기 광전 변환부는 포토다이오드, 증폭기, 펄스 성형기 순으로 연결된 것일 수 있으나, 이러한 순서에 제한되는 것은 아니다.
일 실시예에서 상기 광전 변환부는 CMOS 이미지 센서일 수 있다.
또한, 상기 광전 변환부는 상부 금속층(top metal layer)을 포함할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 서브형 인공망막 장치는 망막신경세포 자극부(200)를 포함한다.
상기 망막신경세포 자극부는 광전 변환부 상에 구비되며, 상기 복수 개의 포토다이오드에 각각 대응되고, 상기 포토다이오드에서 발생된 전류에 응답하여 대응되는 망막신경세포 측으로 활동 전위를 발생시키는 복수 개의 자극 전극(201)을 포함한다.
또한, 상기 망막신경세포 자극부는 상기 광전 변환부 상에 접지가 형성되도록 전류를 수용하며, 상기 각각의 자극 전극을 둘러싸도록 배치되어 임의의 하나의 자극 전극을 다른 자극 전극과 전기적으로 분리시킬 수 있도록 배치되는 리턴 전극(202)을 포함한다.
이 때, 전극들끼리 전기적으로 분리된다는 것은 추가적인 구성의 부가 없이는 전극들 간에 전류가 흐르지 않는다는 것을 의미한다.
또한, 상기 망막신경세포 자극부는 상기 자극 전극 및 리턴 전극을 연결할 수 있는 스위치(203)를 포함한다.
상기 리턴 전극은 상기 상부 금속층 상에 접촉할 수 있으며, 일 구체예에서 상기 리턴 전극은 상기 상부 금속층을 따라 상기 상부 금속층 상에 증착된 형태일 수 있다.
상기 리턴 전극은 상기 복수 개의 자극 전극 중 임의의 하나를 포함하는 픽셀의 경계를 이룰 수 있다.
상기 픽셀은 다각형 또는 원형의 단면을 가질 수 있으나, 특정 형상의 단면으로 제한되는 것은 아니다. 일 구체예에서 육각형의 단면 또는 사각형의 단면을 가질 수 있다.
상기 복수 개의 자극 전극 중 서로 인접한 임의의 두 자극 전극 간의 거리는 모두 일정할 수 있으며, 상기 픽셀의 형상 및 크기는 모두 일정할 수 있다.
상기 복수 개의 자극 전극 중 서로 인접한 임의의 두 자극 전극 간의 평균 거리는 100 ㎛ 이하일 수 있으며, 바람직하게는 60 ㎛ 이하, 더 바람직하게는 50 ㎛ 이하일 수 있다. 서로 인접한 임의의 두 자극 전극 간의 평균 거리가 낮을 수록 동일한 면적 하에 더 많은 수의 픽셀을 형성할 수 있다는 점에서 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 인공망막의 중요한 크기 제한 요소인 fovea의 크기인 5 mm x 5 mm 내에 약 4000픽셀이 적용될 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 자극 전극은 각 픽셀의 중심에 위치할 수 있다.
상기 자극 전극 및 리턴 전극은 백금, 금, 이리듐 및 이리듐 옥사이드로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다. 상기 물질들은 생체적합성 물질로, 체내에 삽입되어도 무해하다는 이점이 있다.
상기 스위치 및 망막신경세포는 상기 자극 전극 및 리턴 전극 사이에 병렬로 연결될 수 있다.
이에 따라, 상기 스위치가 개방되어 있는 경우 전류는 상기 자극 전극으로부터 상기 망막신경세포를 거쳐 상기 리턴 전극으로 흐르고, 상기 스위치가 연결되어 있는 경우 전류는 상기 자극 전극으로부터 상기 망막신경세포를 거치지 않고 상기 리턴 전극으로 흐를 수 있다(도 6).
상기 스위치를 연결함으로써 망막신경세포의 자극 후에 잔류하는 전하를 제거할 수 있으며, 이에 따라 생물학적 안전성을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 서브형 인공망막 장치는 리턴 전극들이 자극 전극들 사이에 그라운드 레퍼런스 벽을 형성할 수 있도록 배치함으로써, cross-talk 현상을 최소화할 수 있다. 이에 따라 자극되는 범위가 매우 미세할 수 있으며, 그 결과 해상도가 현저히 향상될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서
상기 서브형 인공망막 장치의 구동 방법으로,
망막으로 투사되는 외부의 시각 정보에 응답하여 상기 광전 변환부에서 전류를 발생 및 증폭시키는 단계(단계 1);
상기 복수 개의 자극 전극 중 적어도 일부에 상기 전류가 전달되는 단계(단계 2);
상기 전류가 전달된 자극 전극이 이에 대응되는 망막신경세포를 자극하는 단계(단계 3); 및
상기 망막신경세포의 자극이 끝난 후, 상기 스위치가 연결되어 상기 망막신경세포에 잔류하는 전하를 제거하는 단계(단계 4);
를 포함하는 서브형 인공망막 장치의 구동방법이 제공된다.
이하, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 서브형 인공망막 장치의 구동방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 서브형 인공망막 장치의 구동방법은 망막으로 투사되는 외부의 시각 정보에 응답하여 상기 광전 변환부에서 전류를 발생 및 증폭시키는 단계(단계 1)를 포함한다.
이 때, 포토다이오드에서 광을 수신하여 전류를 발생시킬 수 있으며, 증폭기에서 상기 발생한 전류를 증폭시킬 수 있다.
또한, 상기 단계 1은 발생된 전류를 바이페이직 전류(biphasic current)로 변환시키는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 단계는 펄스 성형기에 의하여 수행될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 서브형 인공망막 장치의 구동방법은 상기 복수 개의 자극 전극 중 적어도 일부에 상기 전류가 전달되는 단계(단계 2)를 포함한다.
즉, 상기 단계 1에서 전류를 발생시킨 포토다이오드에 대응되는 자극 전극에 전류가 전달되게 된다.
다음으로, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 서브형 인공망막 장치의 구동방법은 상기 전류가 전달된 자극 전극이 이에 대응되는 망막신경세포를 자극하는 단계(단계 3)를 포함한다.
이에 따라, 시신경을 자극하여 시각적인 이미지를 인식할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 서브형 인공망막 장치의 구동방법은 상기 망막신경세포의 자극이 끝난 후, 상기 스위치가 연결되어 상기 망막신경세포에 잔류하는 전하를 제거하는 단계(단계 4)를 포함한다.
상기 단계 3을 통하여 망막신경세포가 자극될 시에는 스위치가 개방되어 있어, 전류가 자극 전극으로부터 망막신경세포를 통하여 리턴 전극으로 흐르게 되나, 상기 단계 3의 망막신경세포의 자극이 끝난 후에는 상기 스위치가 연결되어 전류가 자극 전극으로부터 망막신경세포를 거치지 않고 리턴 전극으로 흐르게 되어, 자극 후 남아 있는 잔여 전하를 제거할 수 있다.
또한, 상기 단계 1 내지 단계 4는 외부의 이미지에 따라 반복되어 수행될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서 제공되는 서브형 인공망막 장치의 제조방법은 전극들 간의 cross-talk을 최소화할 수 있으며, 소형의 서브형 인공망막 장치로도 자극 효율을 극대화할 수 있고, 잔여 전하를 제거함으로써 생물학적 안전성을 확보할 수 있다는 이점이 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서
상기 서브형 인공망막 장치의 제조방법으로,
상기 광전 변환부의 상단에 상부 금속층을 노출시키는 단계;
상기 광전 변환부 상에 전도성 물질을 증착하는 단계;
상기 자극 전극 및 상기 리턴 전극이 위치할 부분을 제외한 영역에 대하여 상기 전도성 물질을 제거하는 단계;
를 포함하는 서브형 인공망막 장치의 제조방법이 제공된다.
이 때, 서브형 인공망막 장치는 광전 변환부가 상부 금속층(top metal layer)을 포함하며, 리턴 전극은 상기 상부 금속층 상에 접촉한 형태일 수 있다.
먼저, 본 발명의 또 다른 측면에서 제공되는 서브형 인공망막 장치의 제조방법은 상기 광전 변환부의 상단에 상부 금속층을 노출시키는 단계를 포함한다.
상기 광전 변환부는 도 7의 A에서 확인할 수 있듯이, 상부 금속층이 SiO2로 덮여있는 형태일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 단계는 광전 변환부 위에 포토레지스트(photoresist, PR)를 도포하는 단계(도 7의 B), 패턴이 형성된 금속 마스크 위에서 빛을 조사한 후, 식각할 SiO2 부분을 노출시키는 단계(도 7의 C), SiO2층 만을 식각하는 단계(도 7의 D), 남은 포토레지스트를 제거하는 단계(도 7의 E)를 거쳐 수행될 수 있으나, 이러한 방법이나 순서에 제한되는 것은 아니다.
다음으로, 본 발명의 또 다른 측면에서 제공되는 서브형 인공망막 장치의 제조방법은 상기 광전 변환부 상에 전도성 물질을 증착하는 단계(도 7의 F)를 포함한다.
상기 전도성 물질은 백금, 금, 이리듐 및 이리듐 옥사이드로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질일 수 있다. 상기 물질들은 생체적합성 물질로, 체내에 삽입되어도 무해하다는 이점이 있다.
상기 전도성 물질은 최종적으로 자극 전극 및 리턴 전극을 구성할 수 있다.
상기 증착은 일 구체예에서 기상 증착에 의하여 수행될 수 있으나, 특정 방법으로 제한되는 것은 아니다.
다음으로, 본 발명의 또 다른 측면에서 제공되는 서브형 인공망막 장치의 제조방법은 상기 자극 전극 및 상기 리턴 전극이 위치할 부분을 제외한 영역에 대하여 상기 전도성 물질을 제거하는 단계를 포함한다.
이 때 상기 리턴 전극이 위치하는 부분은 상기 상부 금속층에 접촉하는 부분일 수 있으며, 보다 상세하게는 상부 금속층 상에 증착된 전도성 물질 부분이 리턴 전극으로 기능할 수 있다.
일 실시예에서 상기 단계는 포토레지스트를 도포한 후 금속 마스크 위에서 빛을 조사하여 에칭할 전도성 물질 부분을 노출시키는 단계(도 7의 G, 도 7의 H), 노출된 전도성 물질층을 제거하는 단계(도 7의 I), 나머지 포토레지스트를 제거하는 단계(도 7의 J)를 거쳐 수행될 수 있으나, 이러한 방법이나 순서에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 또 다른 측면에서 제공되는 서브형 인공망막 장치의 제조방법은 광전 변환부에 대하여 공정을 추가하기만 함으로써 cross-talk을 최소화할 수 있는 형태의 서브형 인공망막 장치를 제조할 수 있는 바, 복잡한 설계 및 제작 공정이 필요 없고, 제품의 단가를 현저히 낮출 수 있다는 이점이 있다.
이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
<실시예 1> 서브형 인공망막 장치의 제조
도 7의 A의 형태를 가지는 CMOS 이미지 센서 칩을 광전 변환부로 이용하였다. 이 때 CMOS 이미지 센서 칩은 포토 다이오드 어레이 및 증폭기를 포함하며, 추가적으로 펄스 성형기를 더 포함할 수 있다.
상기 도 7의 A에서 확인되는 Metal pad(금속 패드) 영역에는 공정이 마무리된 후, 자극 전극이 위치할 수 있으며, top metal line(상부 금속층) 영역에는 공정이 마무리된 후, 리턴 전극이 위치할 수 있다.
상기 CMOS 이미지 센서 칩 위에 스핀 코팅 방식으로 포토레지스트를 도포하고(도 7의 B), 리소그래피(Lithography) 방법으로 패턴이 형성된 금속 마스크 위에서 빛을 조사한 후, 에칭할 SiO2 부분을 노출시킨다(도 7의 C). 그 후 건식 식각(Dry etching) 방법으로 SiO2층 만을 식각하고(도 7의 D), 습식 식각(Wet etching) 방법으로 남은 포토레지스트를 제거한다(도 7의 E).
다음으로, 부분적으로 SiO2층이 제거된 CMOS 이미지 센서 칩에 백금(Pt) 층을 시편 전체에 증착하고(도 7의 F), 포토레지스트를 도포한 후 금속 마스크 위에서 빛을 조사하여 에칭할 Pt 부분을 노출시킨다(도 7G, 도 7H). 이 후, 건식 식각(Dry etching) 방법으로 노출된 Pt 층을 제거하고(도 7I), 포토레지스트를 습식 식각(wet etching)하여 제거한다(도 7J).
이와 같이 제조된 전극 구조의 단면을 도 5 및 도 8의 (a)를 통하여 확인할 수 있으며, 그 회로 구조를 도 6을 통하여 확인할 수 있다.
<비교예 1> 듀얼 모드 전극 기법을 이용하는 서브형 인공망막 장치
Cross-talk으로 인한 상 번짐 현상(Blur)를 막기 위한 방법으로는 듀얼 모드 전극 기법이 있으며, 이와 같은 예시의 회로 구조는 도 3을 통하여 확인할 수 있다.
가운데 전극이 자극되는 동안에 그 주변의 전극은 그라운드 레퍼런스로 동작하여 전류의 유영을 막게 되며, 그라운드 레퍼런스 전극이 다시 자극되면 기존에 자극된 전극은 그라운드 레퍼런스 전극의 역할을 하게 되고, 이 동작이 순차적으로 반복된다.
비교예 1의 전극 구조 단면은 도 8의 (b)를 통하여 확인할 수 있으며, 보다 상세한 내용은 대한민국 등록특허 제10-1838150호를 통하여 확인할 수 있다.
<실험예>
실시예 1 및 비교예 1의 전극 구조에 대하여, 자극 전극에 전기 자극을 주었을 때의 전압의 세기와 자극 범위를 확인하기 위하여, COMSOL Physics 시뮬레이터를 이용하였다.
이에 따른 결과를 도 9 내지 도 12에 나타내었다.
도 9 내지 도 12에서 (a)는 실시예 1, (b)는 비교예 1을 나타낸다.
도 9 및 도 10와 같이 픽셀이 육각형의 단면을 가지는 경우, 실시예 1이 각 픽셀의 경계를 형성하는 리턴 전극의 존재로 인하여, 자극 범위가 매우 좁다는 것을 알 수 있다. 반면 비교예 1의 경우, 자극 범위가 상대적으로 넓어, 전극들 간의 cross-talk을 유발할 가능성이 높다.
또한, 실시예 1의 경우, 서로 가까이 위치한 두 개의 전극을 동시에 자극하였을 경우에도 각 자극을 명백히 구별할 수 있다는 것을 도 10을 통하여 확인할 수 있다.
도 11 및 도 12의 경우, 픽셀이 사각형의 단면을 가지게 되는데, 이러한 형상의 경우에도 실시예 1이 각 픽셀의 경계를 형성하는 리턴 전극의 존재로 인하여, 자극 범위가 매우 좁은 반면, 비교예 1의 경우, 자극 범위가 상대적으로 넓어, 전극들 간의 cross-talk을 유발할 가능성이 높다는 것을 확인할 수 있다.
또한, 실시예 1의 경우, 서로 가까이 위치한 두 개의 전극을 동시에 자극하였을 경우에도 각 자극을 명백히 구별할 수 있다는 것을 도 12를 통하여 확인할 수 있다.
즉, 실시예 1과 같이 제조된 전극 구조는 픽셀의 형상에 구애 받지 않고 cross-talk을 효과적으로 제어할 수 있음을 확인할 수 있으며, 이에 따라 다양한 전극 어레이 구조에 적용할 수 있을 것이다.
1: 각막
3: 동공
5: 망막
7: 시신경
8: 에피형 인공망막 장치
9: 서브형 인공망막 장치
10: 인공망막 장치
51: 망막신경세포
53: 양극세포
55: 로드콘
100: 광전 변환부
101: 포토다이오드 (어레이)
102: 증폭기
103: 펄스 성형기
200: 망막신경세포 자극부
201: 자극 전극
202: 리턴 전극
203: 스위치
3: 동공
5: 망막
7: 시신경
8: 에피형 인공망막 장치
9: 서브형 인공망막 장치
10: 인공망막 장치
51: 망막신경세포
53: 양극세포
55: 로드콘
100: 광전 변환부
101: 포토다이오드 (어레이)
102: 증폭기
103: 펄스 성형기
200: 망막신경세포 자극부
201: 자극 전극
202: 리턴 전극
203: 스위치
Claims (13)
- 광전 변환부; 및
망막신경세포 자극부;
를 포함하는 서브형 인공망막 장치에 있어서,
상기 광전 변환부는 망막으로 투사되는 외부의 시각 정보에 응답하여 빛을 수신함으로써 전류를 발생시키는 복수 개의 포토다이오드를 포함하는 포토다이오드 어레이 및 상기 포토다이오드에서 발생한 전류를 증폭시키는 증폭기를 포함하며,
상기 망막신경세포 자극부는
상기 광전 변환부 상에 구비되며, 상기 복수 개의 포토다이오드에 각각 대응되고, 상기 포토다이오드에서 발생된 전류에 응답하여 대응되는 망막신경세포 측으로 활동 전위를 발생시키는 복수 개의 자극 전극; 및
상기 광전 변환부 상에 접지가 형성되도록 전류를 수용하며, 상기 각각의 자극 전극을 둘러싸도록 배치되어 임의의 하나의 자극 전극을 다른 자극 전극과 전기적으로 분리시킬 수 있도록 배치되는 리턴 전극; 및
상기 자극 전극 및 리턴 전극을 연결할 수 있는 스위치;
를 포함하며,
상기 스위치 및 망막신경세포는 상기 자극 전극 및 리턴 전극 사이에 병렬로 연결되어, 상기 스위치가 개방되어 있는 경우 전류는 상기 자극 전극으로부터 상기 망막신경세포를 거쳐 상기 리턴 전극으로 흐르고, 상기 스위치가 연결되어 있는 경우 전류는 상기 자극 전극으로부터 상기 망막신경세포를 거치지 않고 상기 리턴 전극으로 흐르며,
상기 리턴 전극은 상기 복수 개의 자극 전극 중 임의의 하나를 포함하는 픽셀의 경계를 이루는,
서브형 인공망막 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 광전 변환부는 상부 금속층(top metal layer)을 포함하며,
상기 리턴 전극은 상기 상부 금속층 상에 접촉하는 것을 특징으로 하는 서브형 인공망막 장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 픽셀은 다각형 또는 원형의 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 서브형 인공망막 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 광전 변환부는 발생된 전류를 바이페이직 전류(biphasic current)로 변환시키는 펄스 성형기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 서브형 인공망막 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 복수 개의 자극 전극 중 서로 인접한 임의의 두 자극 전극 간의 거리는 모두 일정한 것을 특징으로 하는 서브형 인공망막 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 픽셀의 형상 및 크기는 모두 일정한 것을 특징으로 하는 서브형 인공망막 장치.
- 제4항에 있어서,
상기 복수 개의 자극 전극은 각 픽셀의 중심에 위치하는 것을 특징으로 하는 서브형 인공망막 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 자극 전극 및 리턴 전극은 백금, 금, 이리듐 및 이리듐 옥사이드로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 서브형 인공망막 장치.
- 제1항의 서브형 인공망막 장치의 구동 방법으로,
망막으로 투사되는 외부의 시각 정보에 응답하여 상기 광전 변환부에서 전류를 발생 및 증폭시키는 단계(단계 1);
상기 복수 개의 자극 전극 중 적어도 일부에 상기 전류가 전달되는 단계(단계 2);
상기 전류가 전달된 자극 전극이 이에 대응되는 망막신경세포를 자극하는 단계(단계 3); 및
상기 망막신경세포의 자극이 끝난 후, 상기 스위치가 연결되어 상기 망막신경세포에 잔류하는 전하를 제거하는 단계(단계 4);
를 포함하는 서브형 인공망막 장치의 구동방법.
- 제10항에 있어서,
상기 단계 1 내지 단계 4는 반복 수행되는 것을 특징으로 하는 서브형 인공망막 장치의 구동방법.
- 제2항의 서브형 인공망막 장치의 제조방법으로,
상기 광전 변환부의 상단에 상부 금속층을 노출시키는 단계;
상기 광전 변환부 상에 전도성 물질을 증착하는 단계;
상기 자극 전극 및 상기 리턴 전극이 위치할 부분을 제외한 영역에 대하여 상기 전도성 물질을 제거하는 단계;
를 포함하는 서브형 인공망막 장치의 제조방법.
- 제12항에 있어서,
상기 전도성 물질은 백금, 금, 이리듐 및 이리듐 옥사이드로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 서브형 인공망막 장치의 제조방법.
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