고해상도 인공 망막 구현을 위한 실리콘 나노와이어 기반의 광 검출 회로를 이용한 시신경 자극 기법

Abstract

인간의 눈에 들어온 빛 정보는 망막에서 전기신호로 변환되어 시신경을 통해 뇌로 전달되어 영상을 인식하게 된다. 그러나 시세포가 손상된 경우에는 다른 신경세포들의 기능이 남아있더라도 빛을 인지할 수 없어 결국 볼 수 없게 된다. 인공 망막 시스템(retinal prosthetic system)은 이러한 망막 손상으로 인해 시각 장애를 겪고 있는 장애인의 시력 회복을 위해 망막 세포 내에 인위적으로 미세 전극 어레이(micro electrode array, MEA)가 집적된 망막 자극기를 이식하고 여기에 전기 자극 신호를 인가하여 망막 세포에 인위적인 전기 자극을 유발시킴으로써 망막 시세포 손상으로 시력을 잃은 사람에게 영상을 인식할 수 있도록 해주는 장치이다. 본 논문에서는 영상인식을 위한 광 검출기가 내장된 완전한 안구 이식형의 고해상도 인공 망막 시스템 구현을 위해 실리콘 나노와이어 기반의 광 검출 및 자극 신호 변조회로와 미세 전극 어레이가 집적된 고해상도 망막 자극기와 광 검출 기반의 망막 신경 자극 기법을 제안한다. 제안하는 망막 자극기는 실리콘 나노와이어 기반의 광 검출 및 자극 신호 변조회로와 미세 전극 어레이가 N×N matrix 형태로 집적되어 있으며, 망막 세포에 이식이 용이하도록 유연한 형태로 제작된다. 각 픽셀에는 1개의 실리콘 나노와이어 광 검출기와 2개의 실리콘 나노와이어 FET(field effect transistor)로 구성되는 광 검출 및 자극 신호 변조 회로를 내장하고 있으며, 신호처리 칩에서 생성된 펄스 형태의 기준 자극 신호(reference stimulation signal)가 각 픽셀에 전달되고, 각 픽셀에서는 기준 자극 신호를 빛의 세기에 비례하는 진폭을 가지는 자극 신호로 변조하여 미세 전극에 전달하여 망막 신경을 자극한다. 실리콘 나노와이어 기반의 광 검출 및 자극 신호 변조 회로를 구성하는 전압 분배기 및 전류 구동기 회로를 제작하기 위한 기본 소자로서 실리콘 나노와이어 광 검출기와 실리콘 나노와이어 FET, 그리고 미세 전극을 제작하여 특성을 평가하였다. 제작된 실리콘 나노와이어 광 검출기는 빛에 대한 감도가 최대 1,936에 이르고, 응답도의 경우 400 nm ~ 800 nm의 파장 범위에서 104 ~ 105 A/W에 이를 정도로 매우 우수한 광학적 성능을 보였다. 그리고 실리콘 나노와이어 FET는 실리콘 나노와이어의 개수, 실리콘 나노와이어의 길이, 그리고 FET 구동 전압을 설계 파라미터로 하여 실리콘 나노와이어 FET의 특성을 조사하였으며, 103 이상의 on-off ratio와 5 V 구동전압에서 최대 225 μA의 전류 레벨을 보였다. 고밀도화에 따른 전극의 소형화에도 불구하고 충분한 전류 주입 용량을 확보하기 위한 방법으로 원통형의 Au 전극의 표면에 전주도금공정으로 5,000 Å 두께의 nano-porous한 Pt-black층을 형성함으로써 넓은 표면적을 가진 고밀도 미세 전극 제작이 가능한 나노 3D 미세 전극을 제작하였다. 실리콘 나노와이어 광 검출기와 실리콘 나노와이어 FET 소자를 제작하여 망막 자극기의 전압 분배기 및 전류 구동기 회로를 구성하고 각각의 회로의 동작을 조사함으로써 본 논문에서 제안하는 광 검출 및 자극 신호 변조의 원리가 잘 적용됨을 확인하였다. 제안하는 망막 자극기의 고해상도 망막 시스템으로의 적용 가능성 검토를 위해 32×32의 고해상도 망막 자극기를 설계, 제작하였다. 제작된 망막 자극기에는 약 40 μm 두께의 매우 얇은 flexible한 폴리이미드 필름 내에 단위 픽셀의 크기가 110 μm × 110 μm인 실리콘 나노와이어 기반의 광 검출 및 자극 신호 변조 회로가 집적되었다. 제안하는 망막 자극기 및 망막 신경 자극 기법의 유효성을 평가하기 위해 in-vitro 동물 실험을 실시하였다. In-vitro 동물실험에서는 빛의 세기에 따른 자극 신호의 변조를 통해 망막 신경으로 의 주입 전하량의 조절이 가능하며, 실험 결과 약 10 nC 이상의 주입 전하량에서 망막 신경의 유효 자극이 일어남을 관찰할 수 있었으며, 이를 통해 빛의 검출 및 자극 신호 변조를 통한 망막 신경의 자극이 효과적으로 잘 이루어짐을 확인할 수 있었다.