발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 망막 손상으로 시력을 잃은 경우, 수술, 시력보조장치, 인공 안구 이식 등을 통해 시력 회복을 시도합니다.

• 기존의 인공 안구는 외부 카메라 모듈을 이용하므로 번거롭고 부자연스러워 사용자에게 불편함을 줍니다.

• 또한, 망막에 초점이 잘 맺히지 않거나 시선의 움직임을 따라가지 못해 시야가 좁아지는 문제가 있었습니다.

기술의 필요성

• 외부 카메라 모듈이 필요 없는 우수한 성능의 인공 안구용 전자 장치가 필요합니다.

• 착용의 번거로움을 줄이고 사용자의 외관을 해치지 않는 새로운 형태의 인공 안구가 요구됩니다.

• 넓은 시야를 제공하고, 추가적인 세포 손상을 줄이며, 정확한 이미징이 가능한 고성능 인공 안구 기술의 개발이 시급합니다.

구현 방법

기술의 원리

• 인공 안구에 빛이 입사되면, 렌즈를 통해 곡면 이미지 센서에 상이 맺힙니다.

• 이미지 센서를 구성하는 포토트랜지스터 어레이가 빛 에너지를 전기 신호(광전류)로 변환합니다.

• 생성된 전기 신호는 신호 처리부에서 증폭되고 뇌가 인식할 수 있는 전기 펄스로 변환됩니다.

• 최종적으로, 전기 펄스는 신경 접촉 전극을 통해 사용자의 시신경으로 전달되어 뇌의 시각 피질을 활성화시킴으로써 이미지를 감지하게 합니다.

구체적인 구현 방법

1. 이미지 센서: 포토트랜지스터 어레이를 포함하며, 안구와 유사한 곡면 형상을 가집니다.

2. 포토트랜지스터: 제1 절연 패턴(실리콘 질화물), 제1/제2 전극(그래핀), 광흡수층(MoS2), 제2 절연 패턴(알루미늄 산화물) 등으로 구성된 초박막 구조(60nm 미만)를 가집니다.

3. 신경 접촉 전극: 이미지 센서와 전기적으로 연결되어 시신경에 전기 펄스를 직접 전달합니다.

4. 신호 처리부: 이미지 센서에서 생성된 미세한 전기 신호를 증폭하고, 뇌가 감지할 수 있는 전기 펄스로 변환하는 역할을 합니다.

5. 렌즈: 단일 평면볼록렌즈를 사용하여 복잡한 구조 없이도 이미지 센서 전체에 선명한 상을 형성합니다.

기술의 장점

• 넓은 시야각 제공: 곡면형 이미지 센서가 안구의 넓은 면적에 밀착하여 넓은 시야(field-of-view)를 제공합니다.

• 생체 적합성 및 안전성: 유연한 소재와 곡면 형상으로 실제 안구 적용 시 계면 마찰을 최소화(0.61MPa)하여 추가적인 세포 손상을 줄입니다.

• 우수한 시력 회복 성능: 적외선 필터 없이도 정확한 이미징이 가능하며, 기존 실리콘 포토트랜지스터 대비 100~1000배 높은 광응답성을 보입니다.

• 사용자 편의성 증대: 외부 카메라 모듈이 없어 착용 시 번거로움을 줄이고 자연스러운 외관을 유지할 수 있습니다.

• 간소화된 구조: 단일 평면볼록렌즈와 곡면 이미지 센서 조합으로, 복잡한 다중 렌즈 구성 없이도 선명한 상을 구현합니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 연구의 실험은 개발된 인공 안구용 전자 장치의 핵심 부품 성능을 검증하고, 최종적으로 동물 모델에 적용하여 실제 시력 회복 기능의 구현 가능성을 입증하는 것을 목적으로 합니다.

실험 방법 및 과정

1. 전사 방법 비교 실험: 본 발명에서 제안하는 HF 용액 기반의 MoS2 어레이 전사 방법과 기존 KOH 용액을 사용한 방법을 비교하여, 전사 후 발생하는 불량 셀의 비율을 측정했습니다.

2. 광응답성 비교 실험: 개발된 MoS2-GP 포토트랜지스터와 단결정 실리콘 포토트랜지스터에 각각 빛을 조사하여 광응답성(photoresponsivity)을 비교 평가했습니다.

3. 동물 모델 적용 실험: 건강한 쥐의 망막 위에 인공 안구를 적용하기 전과 후에 각각 빛 자극을 가하고, 뇌파 측정법(ECoG)을 통해 시각 피질의 활성화 정도를 비교 분석했습니다.

실험 결과

실험 결과, 본 발명에 따른 인공 안구 기술은 여러 측면에서 그 우수성을 입증했습니다. 핵심 부품의 제조 공정 효율성과 성능이 뛰어났으며, 동물 실험을 통해 실제 적용 가능성을 확인했습니다.

또한, 핵심 부품인 포토트랜지스터의 성능 비교 실험 결과는 다음과 같습니다.

동물 실험에서는 인공 안구를 적용했을 때, 적용 전과 유사한 수준의 시각 피질 활성화가 관찰되었습니다. 이는 본 기술이 빛을 효과적으로 감지하고 시신경에 유의미한 신호를 전달할 수 있음을 의미합니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 망막색소변성증, 노인성 황반변성 등 다양한 망막 질환으로 인해 시력을 상실한 환자들의 시력 회복 장치로 활용될 수 있습니다.

• 기존 인공 안구의 단점(외부 장치, 좁은 시야, 부자연스러움)을 개선한 차세대 인공 안구 제품으로 개발될 수 있습니다.

기대효과

• 시각 장애인의 독립적인 생활을 가능하게 하여 삶의 질을 획기적으로 개선할 수 있습니다.

• 외부 장치가 필요 없는 완전 이식형 인공 안구 기술의 상용화를 앞당길 수 있습니다.

• 본 기술에 사용된 유연하고 생체친화적인 나노 소재 및 전자소자 기술은 다른 첨단 의료기기 분야로의 확장 적용이 기대됩니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

생체 공학 눈(Bionic Eye) 시장은 기술 혁신과 시력 회복에 대한 수요 증가로 상당한 성장이 예상됩니다. 2023년 2억 5,410만 달러로 평가된 시장은 연평균 13.77% 성장하여 2032년에는 8억 1,008만 달러에 이를 것으로 전망됩니다. (출처)

• 다른 보고서에서는 2024년 1,096억 달러에서 2034년 2,555억 9천만 달러로 성장(CAGR 8.89%)할 것이라는 전망도 존재합니다. (출처)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

현재 생체 공학 눈 시장은 여러 기술 세그먼트로 나뉘어 경쟁하고 있으며, 특히 기술 발전에 따른 시장 선점이 중요한 상황입니다. 주요 시장 세그먼트별 동향은 다음과 같습니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 시력 상실 유병률 증가: 노령 인구 증가 및 사고 등으로 전 세계적인 시력 상실 인구가 증가함에 따라(2023년 22억 명 이상) 시력 회복 솔루션 수요가 증가하고 있습니다. (출처)

2. 기술 발전: 향상된 전극 임플란트, 생체 공학 렌즈 등 지속적인 기술 발전이 시장 확장을 촉진하고 있습니다. (출처)

3. 안구 질환 발병률 증가: 망막색소변성증, 연령 관련 황반변성 등의 질환 증가가 시장의 주요 동인으로 작용합니다. (출처)

4. 우호적인 규제 및 투자: FDA의 획기적 장치 지정과 같은 규제 승인과 각국 정부의 R&D 투자가 기술 발전을 지원하고 있습니다. (출처)