KR101331021B1 - 바이오 센서 - Google Patents
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Abstract
본 실시예의 바이오 센서는, 기판과, 상기 기판 상에 형성된 탄소나노튜브와, 상기 기판 및 상기 탄소나노튜브의 상부면 일부에 형성되는 소스 전극과, 상기 소스 전극과 소정 간격을 두고 배치되어, 상기 탄소나노튜브의 상부면 일부가 노출되도록 하는 드레인 전극과, 상기 소스 전극과 드레인 전극 상부에 형성되고, 절연물질로 이루어진 버퍼막과, 상기 버퍼막 상에 형성되는 게이트 전극을 포함한다.
Description
본 발명은 바이오 센서에 대한 것으로서, 탄소나노튜브를 갖는 FET 기반의 나노 바이오 센서에 대한 것이다.
일반적으로, 전계 효과 트랜지스터(이하, "FET"이라고도 함)는 소스, 드레인 및 게이트 전극으로 구성되어 있으며, 소스와 드레인 전극 사이에 형성되는 전류의 이동 통로인 채널의 위, 옆 또는 아래에 절연층을 형성하고, 그 상부에 게이트 전극을 형성하여 제작한다. 게이트 전극에 가해주는 전압 신호의 크기를 조절하여 소스와 드레인 전극 사이 채널에 존재하는 반송자 입자의 농도를 조절함으로써, 소스 또는 드레인 전극으로 출력되는 전류 신호의 크기를 변환할 수 있는 소자이다.
최근 화학 또는 생물 분자를 검출하는데 있어서, 신속성과 편리성이 강조되면서 정밀분석기기 보다 센서 제작에 많은 연구 개발이 진행되고 있다. 특히 바이오센서는 생물 분자를 검출하기 위하여 생물 감지기능을 이용한 화학 센서로서 전기화학, 광학, 전기 및 기계적 신호 등과 같은 신호변환을 이용하고 있다. 이들 중 전기적 신호를 이용하는 바이오센서는 신호전환이 빠르고 소형화가 용이하다는 장점이 있다. 특히, 전기적 신호를 이용하는 대표적 센서로 FET 바이오센서가 있으며 반도체 공정을 이용하여 제작되기 때문에 집적회로나 MEMS 접목이 용이하여 초소형화에 유리하며 생산비용이 저렴하다는 장점이 있다.
FET 바이오센서는 생물 분자를 게이트 표면에 흡착시켜 특정 분자를 선택적으로 인식할 때 발생하는 전하 또는 전자의 밀도 변화로부터 출력 신호 크기 변화를 이용한다.
본 발명의 실시예는 새로운 구조의 바이오 센서를 제안하며, 특히, 게이트 전극과 탄소나노튜브 사이의 거리를 줄여 인가되는 게이트 전압의 감소의 유도 및 소비전력을 절감할 수 있는 바이오 센서를 제안한다. 그리고, 이러한 전압 감소를 통해 휴대용 바이오 센서의 상용화를 도모할 수 있도록 한다.
또한, 기판으로 SiO2계 유리재료로 이루어져, 센서의 제조 비용을 절감할 수 있는 바이오 센서를 제안하고자 한다.
또한, 본 실시예는 소스 및 드레인 전극이 다층 구조로 이루어지며, 특히, 전기적 특성이 우수한 Au과, Au의 접착성을 향상시키기 위한 Ti을 사용하여, 전기적인 특성 및 접착성 모두를 향상시킬 수 있는 바이오 센서를 제안하고자 한다.
본 실시예의 바이오 센서는, 기판과, 상기 기판 상에 형성된 탄소나노튜브와, 상기 기판 및 상기 탄소나노튜브의 상부면 일부에 형성되는 소스 전극과, 상기 소스 전극과 소정 간격을 두고 배치되어, 상기 탄소나노튜브의 상부면 일부가 노출되도록 하는 드레인 전극과, 상기 소스 전극과 드레인 전극 상부에 형성되고, 절연물질로 이루어진 버퍼막과, 상기 버퍼막 상에 형성되는 게이트 전극을 포함한다.
제안되는 바와 같은 실시예의 바이오 센서는 새로운 구조의 FET 기반 나노 바이오 센서로서, 게이트 전극과 채널을 형성하는 탄소나노튜브와의 간격이 최소화할 수 있는 장점이 있다.
또한, 탄소나노튜브에 흡착된 타게 물질을 검출하기 위하여 트랜지스터의 게이트로 인가하는 전압의 크기를 줄일 수 있으며, 이것은 결국 배터리 효율의 증대 및 휴대성 증대를 도모할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 실시예의 바이오 센서의 구조를 보여주는 도면이다.
도 2 내지 도 5는 실시예의 바이오 센서를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 내지 도 5는 실시예의 바이오 센서를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.
먼저, 본 발명은 게이트, 소스 및 드레인 전극과, 나노구조체로서 탄소나노튜브를 포함하는 트랜지스터 채널을 이용하여, 상기 탄소나노튜브 표면의 링커에 연결된 항체에 흡착되는 단백질 등의 타겟 물질을 검출하기 위한 센서로서, 이러한 센서의 신규 구조를 제안하며, 제안되는 구조에 의하여 전력 감소를 도모할 수 있어 휴대용 바이오 센서로의 활용이 가능하도록 한다.
도 1은 본 실시예의 바이오 센서의 구조를 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 기판(101)과, 기판(101) 상에 형성된 전류감지막(150)(예를 들면, 탄소나노튜브가 될 수 있음)와, 기판 및 전류감지막 상에 형성되는 소스 전극(120) 및 드레인 전극(110)과, 소스 및 드레인 전극 상에 위치하는 버퍼층(130)과, 상기 버퍼층(130) 상에 형성되는 게이트 전극(140)을 포함한다.
상세히, 상기 기판(101)은, 실시예의 바이오 센서를 제조하는 때에 제조단가를 절감하고, 경량화를 위하여 SiO2계의 유리재료로 이루어진다. 예를 들면, 글래스로 구성될 수 있다. 그리고, 글래스의 기판은 100nm에서 500㎛ 범위의 다양한 두께로 이루어질 수 있다.
상기 전류감지막(150)은 표면에 전하를 띤 입자를 흡착할 때 저항에 변화가 발생하며, 예를 들어, CNT막 표면에 링커를 개재하여 항체를 흡착시켜놓은 경우, 타겟 물질(예를 들면, IgF, IgM, IgG, 헤모글로빈 등)이 상기 항체에 흡착되면 전류감지막의 저항이 변화한다. 이러한 변화를 감지함으로써, 타겟 물질인 분자의 검출이 가능해진다.
참고로, 전류감지막은 탄소나노튜브(CNT) 또는 그래핀(graphene)이 대면적으로 도포되어 항체가 부착되는 전류전도막으로 이루어진다. 자세히는, 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브 및 반도체성 단일벽 탄소나노튜브를 사용한다. 이와 같이, 전류감지막은 탄소로 이루어진 탄소 동소체로서, 하나의 탄소가 다른 탄소원자와 육각형 벌집무늬로 결합되어 튜브형태를 이루고 있는 물질이며, 튜브의 직경이 나노미터 수준으로 극히 작은 영역의 물질이다. CNT는 우수한 기계적 특성, 전기적 선택적, 뛰어난 전계방출 특성, 고효율의 수소저장매체 특성을 지닌다.
본 실시예의 전류감지막은 SiO2 기판 위에 형성된 패턴위에 도포된다.
본 실시예의 전류감지막은 단일벽 CNT, 다중벽 CNT, 및 CNT 번들 등 다양하게 구조들이 사용될 수 있다. 그리고, 전류감지막 표면에서 항체 단편을 고정시키는 고정 물질은 전류감지막과 친화성이 있는 크로스-링커를 사용할 수 있으며, 전류감지막의 소수성 성질을 이용하여 크로스-링커의 소수성 성질을 가진 한쪽 끝이 전류감지막에 흡착되고, 타측이 항체 단편과 공유결합될 수 있다.
한편, 상기 기판(101)과 CNT막(150)상에는 소스 및 드레인 전극(110,120)이 위치하며, 소스 전극(120)과 드레인 전극(110) 모두 다층 구조로 이루어질 수 있다.
즉, 소스 및 드레인 전극(110,120)은 기판(101)과의 흡착성이 우수한 제 1 메탈(111,121)과, 상기 제 1 메탈(111,121) 상에 형성되는 제 2 메탈(112,122)로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 전도성이 좋고, 타금속에 비하여 높은 일함수로 인하여 접촉저항이 낮은 Au(금)를 제 2 메탈(112,122)로 사용할 수 있으며, 이 경우, Au의 낮은 접착성을 보완하기 위하여 제 1 메탈(111,121)은 Ti(티타늄)이 사용될 수 있다.
제 1 메탈(111,121)은 그 일부가 기판(101) 및 전류감지막(150)상에 형성되고, 소스 및 드레인 전극 사이의 공간에서 노출되는 전류감지막의 면적은, 실시예에 따라 다양하게 변경할 수 있을 것이다. 예를 들어, 검출하고자 하는 타겟 물질이 포함된 용액의 양이 1㎕ 일 경우에, 투입되는 용액의 양에 대응되는 간격으로 소스 및 드레인 전극을 제조할 수 있을 것이다.
그리고, 상기 제 1 메탈과 제 2 메탈로 이루어지는 소스 및 드레인 전극의 두께는 약 40nm 정도가 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
특히, 본 실시예에서는, 소스 및 드레인 전극이 전류감지막 상측에 형성되는 특징이 있으며, 후술하게 되는 게이트 전극과 함께 전류감지막에 타겟 물질이 흡착되면 저항을 보다 정확히 측정할 수 있다.
상기 소스 및 드레인 전극(110,120) 상측에는 게이트 전극이 형성되는데, 전기절연을 위하여 상기 소스/드레인 전극과 게이트 전극 사이에는 부도체인 버퍼막(130)이 위치한다. 상기 버퍼막(130)은 SiO2계의 유리재료로 이루어질 수 있으며, 상기 기판(101)과 동일한 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 기판과 버퍼막 모두 글래스로 이루어질 수 있다.
특히, 상기 버퍼막(130)의 일단은 상부면이 노출된 전류감지막을 향하여 테이퍼진 형상으로 이루어지며, 도 4(a)를 참조하면, 버퍼막(130) 하측부에 형성된 제 2 테이퍼면(132)과, 버퍼막(130) 상측부에 형성된 제 1 테이퍼면(131)을 갖도록 형성될 수 있다. 상기 버퍼막(130) 상에는 게이트 전극인 메탈이 형성되는데, 상기 게이트 전극이 전류감지막(150)에 근접하여 위치할 수 있도록, 상기 버퍼막(130)의 단부는 제 1 및/또는 제 2 테이퍼면에 의해 절곡된 형상을 갖을 수 있다.
상세히, 버퍼막의 일단부가 전류감지막을 향하여 절곡되는 제 1 테이퍼면(131)으로 이루어짐으로써, 버퍼막 상에 형성되는 게이트 전극(140)이 하측방향으로 소정 각도 절곡될 수 있다. 이러한 형상적 특징으로 인하여, 게이트 전극(140)의 일부가 전류감지막에 보다 근접하게 위치할 수 있으며, FET 소자 특성상 게이트 전극으로 인가하는 전압의 세기를 줄이더라도, 트랜지스터의 세밀한 동작 제어가 가능해진다.
그리고, 제 1 테이퍼면(131)에 연속하여 다른 각도로 절곡되는 제 2 테이퍼면(132) 상에는 게이트 전극이 위치하지 않도록 하며, 이것은 버퍼막 아래의 소스 또는 드레인 전극과 단락되는 경우를 미연에 방지하고자 함이다.
한편, 상기 게이트 전극(140)은 백금, 금, 크롬, 구리, 알루미늄, 니켈, 팔라늄 및 티타늄으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속으로 이루어질 수 있으며, 그 두께는 예를 들어 약 0.1T가 될 수 있다.
전술한 바와 같은 실시예의 바이오 센서는, 전류감지막 상에 소스 및 드레인 전극이 형성되는 구조를 갖으며, 소스 및 드레인 전극 상측에 위치하는 게이트 전극이 전류감지막에 더욱 근접하여 위치할 수 있어, 소비 전력의 감소 및 트랜지스터의 정밀한 제어가 가능하다는 장점이 있다.
이하에서는, 이러한 구조를 갖는 바이오 센서를 제조하는 방법에 대해서 설명하여 본다.
도 2 내지 도 5는 실시예의 바이오 센서를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, SiO2계 유리재료로 이루어진 기판(101) 상에 전류감지막(150)을 증착시킨다. 전류감지막을 포함한 채널 형성은, 기판 상에 CNT의 나노구조체를 화학기상증착, 레이저블레이션, 전기방전, 플라즈마강화 화학기상증착, 열화학기상증착, 기상합성, 전기분해, 플레임 합성법 또는 프린팅 및 자가조립(self-assembly) 등으로 수행될 수 있다.
그 다음, 도 3을 참조하면, 상기 전류감지막(150) 상부면 일부와, 기판(101) 상에 소스 및 드레인 전극을 형성한다. 앞서 설명한 바와 같이, 소스 및 드레인 전극은 Ti과, Au의 이중 구조로 이루어질 수 있으며, 제 1 메탈로서 Ti을 기판과 CNT막 상부면 일부에 형성한 다음, 제 2 메탈로서 Au를 제 1 메탈 상에 증착할 수 있다.
상기 소스 및 드레인 전극(110,120)을 형성하는 것에 의하여, 타겟 물질이 유도되는 개구부(201)가 형성된다.
그 다음, 상기 소스 및 드레인 전극(110,120) 상에 게이트 전극이 형성된 버퍼막을 접착시킨다. 즉, SiO2계 유리재료로 이루어진 버퍼막(130)의 일단을 테이퍼 가공하고, 테이퍼면이 형성된 버퍼막(130) 상에 게이트 전극용 메탈을 증착시킴으로써, 버퍼막과 게이트 전극을 형성한다. 여기서, 버퍼막 일측 단부의 테이퍼 가공은, 도 4(a)와 (b)에 도시된 바와 같은 다양한 형상이 될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 게이트 전극의 일단부가 절곡형성되도록 하향 경사진 제 1 테이퍼면(131)과, 소스/드레인 전극과 게이트 전극이 단락되지 않도록 상향 경사진 제 2 테이퍼면(132)이 형성되도록 버퍼막의 단부를 가공할 수 있다.
또한, 다른 실시예로서, 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 버퍼막(130)의 일단이 하향 경사진 테이퍼면만을 갖을 수 있다. 다만, 이러한 경우에는, 버퍼막(130)의 가로 길이를 소스/드레인 전극의 길이에 비해 더욱 길게하여, 전극 사이에 단락이 발생되지 않도록 할 필요가 있다.
이러한 테이퍼면을 갖는 버퍼막(130)과, 버퍼막(130) 상에 게이트 전극을 형성한 다음에는, 버퍼막(130) 하부면을 상기 소스 및 드레인 전극(110,120) 상에 접착시킴으로써, 실시예의 바이오 센서가 제조될 수 있다.
전술한 바와 같은 실시예의 바이오 센서는 전류감지막 상에 전극이 형성되는 구조이며, 또한 게이트 전극이 전류감지막 측에 보다 근접하게 위치할 수 있는 장점이 있다.
101 : 기판 110 : 드레인 전극
120 : 소스 전극 130 : 버퍼막
140 : 게이트 전극 150 : CNT막
120 : 소스 전극 130 : 버퍼막
140 : 게이트 전극 150 : CNT막
Claims (7)
- 기판과,
상기 기판 상에 형성된 탄소나노튜브 또는 그래핀으로 이루어진 전류감지막과,
상기 기판 및 상기 전류감지막의 상부면 일부에 형성되는 소스 전극과,
상기 소스 전극과 소정 간격을 두고 배치되어, 상기 전류감지막의 상부면 일부가 노출되도록 하는 드레인 전극과,
상기 소스 전극과 드레인 전극 상부에 형성되고, 절연물질로 이루어진 버퍼막과,
상기 버퍼막 상에 형성되는 게이트 전극을 포함하고,
상기 버퍼막의 일단은 하측으로 절곡된 제 1 테이퍼면을 갖고, 상기 제 1 테이퍼면에 의하여 상기 게이트 전극이 하측 방향으로 소정 각도 절곡되는 바이오 센서. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 버퍼막의 일단부는, 상향 절곡된 제 2 테이퍼면을 더 갖는 바이오 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 기판은 SiO2계 유리 재료로 이루어진 바이오 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 버퍼막은 SiO2계 유리 재료로 이루어진 바이오 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 소스 전극 및 드레인 전극은, 상기 기판과 전류감지막의 상부면 일부에 형성되는 제 1 메탈과, 상기 제 1 메탈 상에 형성되는 제 2 메탈의 이중 구조로 이루어진 바이오 센서. - 제 6 항에 있어서,
상기 제 1 메탈은 Ti이고, 제 2 메탈은 Au인 바이오 센서.
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