KR100918025B1 - 검출 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 트랜지스터 혹은 저항 타입의 검출 소자를 제작함에 있어서, 전극이 혈액 등 검출 용액에 노출 될 경우 반도체의 물성 변화에 의한 소자 특성의 변화보다 검출 용액으로 통전되는 특성에 의한 전기적 성질이 더 크게 변하여 바이오 입자 유무를 관측하기 힘들다는 것을 보완하기 위하여, 검출 반응이 일어나는 부분과 전기적 특성을 측정하는 부분을 별도로 제작한 후, 상기 검출 반응 부분에 바이오 입자를 처리하고 후처리 공정을 마친 다음 두 부분을 라미네이션 공정 등으로 접합한 후 검출값을 독출하는 방식의 검출 소자를 제안한다.

검출 소자, 유기 반도체, 생체 용액, 바이오 소자

Description

검출 소자{Detector}

본 발명은 유체 내에 존재하는 특정 작용기를 검출하기 위한 검출 소자에 관한 것으로, 특히, 유기 반도체를 이용한 바이오 소자로서 반도체 제조 공정을 적용하여 제작될 수 있으며, 액체 내에 존재하는 특정 화학적 작용기를 검출하기 위한 검출 소자에 관한 것이다.

검출 소자를 제작하는 종래의 일 기술은 무기 반도체를 이용하여 소자를 만들어 전극 부분은 PDMS 등의 유기물로 보호한 다음 반도체 부분에 생체 용액을 흘려 특성을 측정하는 것이었다.

그러나, 이러한 경우 소자 제작 단가가 비싸 일회용, 휴대용 검출 소자로 적당하지 않다. 따라서 잉크젯 프린트 등 인쇄기법으로 소자를 제작하여 초저가 검출 소자를 제작하면서도 측정 자체가 간편하여 일회용으로 사용할 수 있는 검출 소자가 요망되었다.

이러한 목적을 위하여 유기 반도체를 적용하는데, 이 유기 반도체를 잉크로 사용하여 반도체 소자를 제작하여 제작비를 어느 정도 절감할 수 있었다. 그러나, 특정한 단백질이나 탄수화물을 검출하기 위해서는 혈액 등 생체 용액을 소자 위에 도포하여 전기적 특성 변화를 측정하여야 하는데 이런 경우 반도체의 특성 변화에 의한 소자의 전기적 특성 변화량 보다 생체 용액을 통하여 흐르는 전류의 변화량이 더 커질 수 있는데, 이 경우 정확한 검출을 보장할 수 없었다.

상기 문제점은 PDMS 등 고분자를 이용하여 전극을 보호하고 채널 영역에만 생체용액이 접촉하게 하여 해결할 수 있겠지만, 이럴 경우 공정이 복잡해져 소자의 제작 단가가 높아지게 된다. 또한, 반도체와 혈액의 접촉 면적이 좁아지게 되어 소자의 검출 성능이 저하되는 문제점도 발생한다.

본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 반도체 공정을 적용하여 저렴한 비용으로 제작할 수 있는 검출 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 검출하려는 작용기에 대한 검출 성능이 향상된 검출 소자를 제공하는데 다른 목적이 있다.

특히, 본 발명은 생체액 내에 포함된 단백질이나 탄수화물과 같은 특정 성분을 검출하는 성능이 향상되며, 공정 단가가 저렴한 검출 소자를 제공하는데 심화된 목적이 있다.

본 발명에서는 트랜지스터 혹은 저항 타입의 검출 소자를 제작함에 있어서, 전극이 혈액 등 검출 용액에 노출 될 경우 반도체의 물성 변화에 의한 소자 특성의 변화보다 검출 용액으로 통전되는 특성에 의한 전기적 성질이 더 크게 변하여 바이오 입자 유무를 관측하기 힘들다는 것을 보완하기 위하여, 검출 반응이 일어나는 부분과 전기적 특성을 측정하는 부분을 별도로 제작한 후, 상기 검출 반응 부분에 바이오 입자를 처리하고 후처리 공정을 마친 다음 두 부분을 라미네이션 공정 등으로 접합한 후 검출값을 독출하는 방식의 검출 소자를 제안한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 검출 소자는, 제1 기판 및 제2 기판으로 이루어지는데, 상기 제1 기판은, 제3 전극; 상기 제3 전극의 주위 및 상면을 둘러싸는 유전체층; 상기 유전체층의 상면의 일부 영역에 서로 이격되어 형성된 제1 전극 및 제2 전극을 포함한다. 또한, 상기 제2 기판은, 프레임 기판; 및 상기 프레임 기판 상면에 형성되며 특정 작용기와 반응하는 반응 물질층을 포함한다.

상기 검출 소자는, 상기 반응 물질층이 측정하려는 유체와 접촉한 상태에서, 상기 제1 기판과 제2 기판을 밀착시켜, 상기 제2 전극 및 제3 전극간의 전기적 특성을 측정하는 방식으로 검출이 수행되는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 검출 소자는, 제1 기판 및 제2 기판으로 이루어지는데, 상기 제1 기판은, 제1 프레임 기판; 상기 제 1 프레임 기판의 상면의 일부 영역에 서로 이격되어 형성된 제1 전극 및 제2 전극을 포함한다. 또한, 상기 제2 기판은, 제2 프레임 기판; 상기 제2 프레임 기판 상면에 형성되며 특정 작용기와 반응하는 반응 물질층을 포함한다.

상기 검출 소자는, 상기 반응 물질층이 측정하려는 유체와 접촉한 상태에서, 상기 제1 기판과 제2 기판을 밀착시켜, 상기 제1 전극 및 제2 전극간의 전기적 특성을 측정하는 방식으로 검출이 수행되는 것을 특징으로 한다.

상기 구성의 본 발명에 따른 검출 소자를 실시하면, 종래 기술과 비교하여 전극 보호용 구조물을 제조하지 않으므로 제작 단가를 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 검출 소자는, 트랜지스터 구조를 사용하여 전자기기에 의한 검출을 용이하게 하면서도, 검출 정밀도가 향상된 효과도 있다.

본 발명에서는, 특정 작용기에 대한 검출 소자로서 반도체 제조 공정으로 대량 생산이 가능한 바이오 반도체 소자를 제안하는 바, 검출의 정밀도를 향상시키면서도 제작비용의 절감을 위해, 전기적 특성을 측정하는 제1 기판과, 작용기를 검출하려는 유체와 접촉하게 되는 제2 기판을 분리하여 제작한다. 그 후 사용시에는 상기 제2 기판에 유체를 충분히 접촉시킨 후, 상기 제1 기판과 제2 기판을 서로 밀착 시켜 작용기에 대한 검출 결과를 획득한다.

사용 과정을 보다 구체적으로 설명하면, 상기 제2 기판에 구비된 반응 물질층 표면에 생체액을 처리하여 반도체가 생체액 내의 단백질이나 탄수화물과 충분히 결합하게 한 후, 표면을 증류수로 씻거나 건조시킨다. 다음 상기 제1 기판과 제2 기판을 라미네이션 처리 등의 방법으로 접합시킨 후, 상기 전기적 특성부의 전기적 특성을 측정한다.

이런 방법을 통하여 전극 보호 구조물을 설치하지 않아도 되므로 공정적 단가가 저감되고, 표면처리된 부분이 트랜지스터의 채널에 해당하게 되므로 트랜지스터 특성 변화가 커져 보다 정밀한 검출 소자를 제작할 수 있다는 장점이 생기게 된다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

( 실시예 1)

도 1은 트랜지스터 구조를 포함하는 전기적 특성 측정부로서 제1 기판을 도시하고 있다. 프레임 기판(1) 상에 게이트 전극에 해당하는 제1 전극(2)을 형성하고 그 위에 유전체 층(3)을 형성하며, 그 상부에 소스와 드레인에 해당하는 제2 전극(4)과 제3 전극(5)을 형성하였다. 즉, 상기 제1 전극(2), 제2 전극(4) 및 제3 전극(5)으로 일종의 MOS 트랜지스터와 유사한 트랜지스터 구조가 형성되며, 최종적으로는 상기 소스(제1 전극)와 드레인(제2 전극)간의 전기적 특성(전류 및/또는 전류 등)을 측정하여, 검출 여부 및/또는 검출량을 추정할 수 있도록 한다.

상기 프레임 기판(1)은 실리콘 웨이퍼를 적용할 수 있고, 유리나 PET, PES, PEN, PI 등과 같은 플라스틱 재질로 구현할 수도 있다.

상기 제1 전극(2), 제2 전극(4) 및 제3 전극(5)은, 전극의 역할을 수행할 수 있도록 전도체 물질로 구현되어야 하고, 각각 유기물 및/또는 무기물 전도체 물질들 중 하나 이상을 포함하는 물질로 구현할 수 있다.

예컨대, 상기 제1/제2/제3 전극(2,4,5) 각각은, 금, 은, 알루미늄, 크롬, 티타늄 등 금속 또는 텅스텐 실리사이드, 질화티타늄 등 화합물 금속 또는 도핑되거나 도핑되지 않은 PANi, Polyacethlene, polyaniline, polyisothianaphthene, PEDOT 등의 전도성 고분자로 구성될 수 있다.

도 2는 유기 반도체층을 구비하는 검출 반응부로서 제2 기판을 도시하고 있다. 프레임 기판(6) 상에 반응 물질층(7)으로서 유기 반도체층을 형성하였다. 구현에 따라 상기 반응 물질층(7)으로서, 상기 유기 반도체 물질 뿐만 아니라, 반도체 고분자, 전도성 고분자 및 이들의 유도체들(유기 반도체 유도체 포함) 중 적어도 하나 이상을 포함하는 물질을 적용할 수 있다.

상기 프레임 기판(6)도 실리콘 웨이퍼를 적용할 수 있고, 유리나 PET, PES, PEN, PI 등과 같은 플라스틱 재질로 구현할 수도 있다.

한편, 상기 제1 기판과 제2 기판의 결합력을 높이기 위해 상기 제1 기판의 프레임 기판(1) 또는 상기 제2 기판의 프레임 기판(2) 중 적어도 하나를 가교제로 가교된 PDMS(polydimethylsiloxane) 재질로 구현할 수 있다. 이는 PDMS의 재질 특성이, PDMS 끼리의 접합력이 높고, PDMS와 실리콘 또는 유리 재질의 접합력이 높기 때문이다. 따라서, 상기 2 프레임 기판 중 하나만을 가교된 PDMS 재질로 구현한 경우, 다른 프레임 기판은 실리콘 또는 유리 재질로 구현하는 것이 바람직하다.

상기 유기 반도체는 특정 단백질이나 탄수화물 등 검출하고자 하는 생체 분자와 결합하는 구성요소를 포함할 수 있다. 예컨대, 유기 반도체로는 P3HT(poly-3-hexylthiophene) 또는 F8T2 poly(9,9-dioctylfluorene-co-bithiophene) 등을 사용하고, 이들의 사이드 체인(side chain)에 바이오틴(Biotin)을 붙이면, 조사하려는 용액 내에 포함된 아비딘(avidin) 단백질과 강하게 결합하게 된다. 즉, 여기서는 아비닌 단백질이 검출하고자 하는 작용기가 된다.

상기 작용기와의 결합 이전에 상기 유기 반도체 물질은 반도체 특성을 나타내지만, 작용기와 결합된 후에는 상기 유기 반도체 물질은 절연체에 가까운 특성을 보이게 된다(그러나, 정상 상태에서는 반도체 특성을 지니므로 유기 반도체라 칭한다). 이 특성 변화를 통하여 단백질 유무를 검출할 수 있다.

본 실시예에 따른 검출 소자는, 도 1의 제1 기판 및 도 2의 제2 기판이 분리된 상태로 제조가 완료된다. 상기 검출 소자를 사용한 혈액 등 생체 용액에 대한 검출 과정은 다음과 같다.

우선, 상기 제2 기판의 반응 물질층(7)에 검출하고자하는 생체 용액을 접촉시킨다. 이는 검출이 용이한 농도로 희석된 생체 용액을 상기 반응 물질층(7) 상면에 몇 방울 떨어뜨리거나, 상기 생체 용액에 제2 기판을 담그는 방법으로 수행될 수 있다. 상기 반응 물질층(7)과 생체 용액이 접촉하는 시간은 검출 물질의 종류와 조건에 따라 다양하게 선택될 수 있다.

다음, 상기 제2 기판의 남은 생체 용액을 제거하거나, 건조하는 등의 후속 처리를 수행한다.

다음, 상기 제1 기판과 제2 기판을 접합시킨다. 접합시키는 방법은 2개의 기판이 밀착된 상태를 유지하도록 물리적으로 압력을 가하는 가이드나 밀착 프레임 등으로 고정시킬 수도 있고, 라미네이션 공정 등의 반도체 소자에 대한 접함 공정을 이용할 수도 있다. 상기 제1 기판과 제2 기판의 접합은 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 기판의 제2 전극(4) 및 제3 전극(5) 사이의 유전체층(3) 일부 영역과, 제2 기판의 반응 물질층(7)이 직접 밀착되도록 수행한다.

다음, 상기 제1 기판의 제2 전극(4) 및 제3 전극(5) 사이의 전기적 특성(전압, 전류, 저항 등)을 독출한다.

도 3에 이들 두 부분을 결합한 상태를 나타내었다. 이러한 구조에서는 단백질과 직접 결합된 반응 물질층(7)의 상면 일부가 트랜지스터의 채널이 되므로 트랜지스터의 특성 변화가 두드러지게 된다. 예컨대, 단백질 등 검출하려는 생체 분자가 결합되기 전/후의 저항 변화를 독출할 수 있으며, 독출된 저항 변화로부터 상기 단백질의 존재 여부 및/또는 존재량을 용이하게 추정할 수 있다.

( 실시예 2)

도 4는 본 실시예의 트랜지스터 구조를 포함하는 전기적 특성 측정부로서 제1 기판을 도시하고 있다. 상기 제1 실시예의 게이트 전극과 같은 구조 없이 프레임 기판(8) 상에 바로 제1 전극(9)과 제2 전극(10)을 형성하였다. 즉, 상기 제1 전극(9) 및 제2 전극(10)은 상기 제1 실시예의 경우와 마찬가지로 측정 물질의 존재 여부/존재량을 추정하는 전기적 신호를 도출하기 위한 것이나, 제1 기판이 MOS 트랜지스터의 구조를 형성하지 못하므로, 소스/드레인 전극이라 칭하지 않았다.

상기 프레임 기판(8)은 실리콘 웨이퍼를 적용할 수 있고, 유리나 PET, PES, PEN, PI 등과 같은 플라스틱 재질로 구현할 수 있고, 가교된 PDMS 재질로 구현할 수도 있다. 본 실시예의 상기 프레임 기판(8)은 절연체 특성을 지니는 것이 바람직하다.

상기 제1 전극(9) 및 제2 전극(10)은, 전극의 역할을 수행할 수 있도록 전도체 물질로 구현되어야 하고, 각각 유기물 및/또는 무기물 전도체 물질들 중 하나 이상을 포함하는 물질로 구현할 수 있다.

예컨대, 상기 제1/제2 전극(9,10) 각각은, 금, 은, 알루미늄, 크롬, 티타늄 등 금속 또는 텅스텐 실리사이드, 질화티타늄 등 화합물 금속 또는 도핑되거나 도핑되지 않은 PANi, Polyacethlene, polyaniline, polyisothianaphthene, PEDOT 등의 전도성 고분자로 구성될 수 있다.

본 실시예의 검출 반응부로서 제2 기판은, 도 2에 도시한 상기 제1 실시예의 제2 기판과 동일한 것으로 구현할 수 있다. 따라서, 중복되는 상세 설명은 생략하겠다.

본 실시예의 검출 소자도 상기 제1 실시예와 마찬가지로, 상기 제1 기판과 제2 기판이 분리된 상태로 제조가 완료되며, 검출을 위한 사용 과정에서 두 기판이 접합된다.

도 5에 상기 제1 기판 및 제2 기판이 접합한 상태를 나타내었다. 본 실시예의 구조에서도 단백질 등 검출하려는 성분의 분자와 직접 결합된 부분이 트랜지스터의 채널이 되므로 트랜지스터의 특성 변화가 두드러지게 된다. 비록 상기 제1 실시예의 경우와 같이 별도의 게이트 전극 대응 구조가 존재하지는 않지만, 반응 물질층의 전기적 특성 변화를 상기 제1/제2 전극을 통하여 충분히 독출할 수 있다. 한편, 제3 전극의 생략은 제조 비용 절감의 이점을 제공한다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 검출 소자를 구성하는 제1 기판을 도시한 단면도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 검출 소자를 구성하는 제2 기판을 도시한 단면도.

도 3은 도 1의 제1 기판 및 도 2의 제2 기판이 접합된 상태를 도시한 단면도.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 검출 소자를 구성하는 제1 기판을 도시한 단면도.

도 5는 도 4의 제1 기판 및 도 2의 제2 기판이 접합된 상태를 도시한 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

2 : 제1 전극 3 : 유전체층

4 : 제2 전극 5 : 제3 전극

6 : 제2 기판 7 : 반응 물질층

Claims (7)

1. 제1 전극;

   상기 제1 전극의 주위 및 상면을 둘러싸는 유전체층;

   상기 유전체층의 상면의 일부 영역에 서로 이격되어 형성된 제2 전극 및 제3 전극을 포함하는 제1 기판과,

   프레임 기판;

   상기 프레임 기판 상면에 형성되며 특정 작용기와 반응하는 반응 물질층을 포함하는 제2 기판으로 이루어지며,

   상기 반응 물질층이 측정하려는 유체와 접촉한 상태에서, 상기 제1 기판과 제2 기판을 밀착시켜, 상기 제2 전극 및 제3 전극간의 전기적 특성을 측정하는 방식으로 검출이 수행되는 것을 특징으로 하는 검출 소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 유전체의 상면 영역 중 제1 전극이 중첩되는 일부 영역에는 상기 제2 전극 및 제3 전극이 위치하지 않는 것을 특징으로 하는 검출 소자.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1 전극은 게이트 전극이며,

   상기 제2 전극은 소스 전극이며,

   상기 제3 전극은 드레인 전극으로서,

   트랜지스터 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 검출 소자.
4. 제1항에 있어서, 상기 반응 물질층은,

   유기 반도체, 반도체 고분자, 전도성 고분자 및 이들의 유도체들 중 적어도 하나 이상을 포함하는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 검출 소자.
5. 제1항에 있어서, 상기 제1 기판은,

   상기 제1 전극 하부에 상기 제1 전극을 지지하는 프레임 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 검출 소자.
6. 제1 프레임 기판;

   상기 제1 프레임 기판의 상면의 일부 영역에 서로 이격되어 형성된 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 제1 기판과,

   제2 프레임 기판;

   상기 제2 프레임 기판 상면에 형성되며 특정 작용기와 반응하는 반응 물질층을 포함하는 제2 기판으로 이루어지며,

   상기 반응 물질층이 측정하려는 유체와 접촉한 상태에서, 상기 제1 기판과 제2 기판을 밀착시켜, 상기 제1 전극 및 제2 전극간의 전기적 특성을 측정하는 방식으로 검출이 수행되는 것을 특징으로 하는 검출 소자.
7. 제6항에 있어서, 상기 반응 물질층은,

   유기 반도체, 반도체 고분자, 전도성 고분자 및 이들의 유도체들 중 적어도 하나 이상을 포함하는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 검출 소자.

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