KR100948595B1 - 표면 개질형 나노선 센서 및 그 제작 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 물질의 농도를 감지하는 표면 개질형 나노선 센서 및 그 제작 방법에 관한 것으로서, 평면 기판의 일면에 트렌치 구조를 갖는 센서 구조체를 형성하고, 상기 센서 구조체의 감지전극 상부에 나노선 감지소재를 위치시키고, 상기 센서 구조체에 형성된 트렌치 골에 화학 반응물이 녹아있는 표면 개질 용액을 흘려보내 상기 나노선 감지 소재의 표면을 개질시켜 상기 표면 개질형 나노선 센서를 제작하고, 표면이 개질된 상기 나노선 감지소재는 상기 감지 전극에 접하고, 상기 감지 전극 사이의 트렌치 골의 공중에 부양되며, 특정 물질과 선택적으로 상호 작용하여 전기전도도가 변화됨을 특징으로 하며, 기판 표면의 간섭 작용을 배제할 수 있으며, 트렌치 골을 따라서 다양하고 위치 선택적인 표면 개질을 손쉽게 수행할 수 있다.
표면 개질형 나노선 센서, 트렌치형 센서구조체, 보호층, 감지전극, 나노선 감지소재.

Description

표면 개질형 나노선 센서 및 그 제작 방법{Fabrication method of surface-modified nanowire sensor}
본 발명은 물질의 농도를 감지하는 센서에 관한 것으로서, 특히 트랜치형 센서 구조체에 나노선 감지소재를 장착하는 표면 개질형 나노선 센서 및 그 제작 방법에 관한 것이다.
최근에는 반도체 특성을 가지는 나노선 소재를 이용하여 고감도 화학 및 바이오 센서 제작에 관한 연구개발이 큰 관심을 일으키고 있다. 이러한 요인은 1차원 반도체 나노소재가 가지고 있는 큰 표면, 작은 크기, 나노 구조에서 유발되는 특이한 물리화학적인 특성에 기인한다. 특히, 감지대상 물질과의 미세한 상호작용도 나노선 소재의 전기전도도에 큰 영향을 줄 수 있으므로 수 nm 크기의 단면을 가지는 1차원 반도체 소재는 고감도 센서를 제작할 수 있다. 이러한 구체적인 예로써 종래의 기술로는 단일 나노선 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT) 소재를 이용하여 센서를 제작한 경우에 센서 구동온도 및 감지감도를 크게 향상 시킬 수 있다는 연 구(science 287, 622)가 발표되었다. 이러한 종래의 기술은 CNT 이외에 반도체 특성을 갖는 다양한 나노선 소재들에서도 적용이 가능하고, 이에 대한 많은 연구개발을 통하여 가능함이 알려지고 있다. 이러한 대표적인 1차원 반도체 소재로는 실리콘 나노선, 금속산화물 나노선 소재들이 있다.
그러나 현재 나노선 소재 합성기술과 이를 이용한 기본적인 센서 감지 능력은 확인되었지만, 이러한 나노선 감지소재를 이용하여 제작 수율과 생산성이 높은 제작 방법이 부족한 상황이다.
종래 나노선 센서 제작 기술은 크게 나노선 소재를 기판 위에 직접 성장하는 방법과, 성장된 나노선 소재를 용액에 분산한 후에 이를 원하는 센서 기판으로 이송하는 방법으로 나눌 수 있다.
상기 첫 번째 방법은 나노선 성장에 필요한 촉매를 원하는 위치에 위치시키고 여기에서 나노선을 성장시킴으로써 초기 위치와 접합 특성이 우수한 소재의 실현이 가능하다. 하지만, 이러한 방법은 성장의 방향성 및 길이 제어가 현실적으로 어려우므로 지정된 두 전극 사이에 이를 위치시키고 연결하는 것은 매우 어렵다. 이러한 연결과 제어가 가능한 시스템이 발견되었다는 연구 보고는 있지만, 이러한 방법은 제한된 조건에서만 이용이 가능하므로 고성능 소자를 제작하는 일반적인 방법으로 발전시키는데 현실적인 한계가 있다. 특히, 센서의 경우 다양한 소재에서 실현이 가능하고, 저렴하게 하여야 산업적인 경쟁력을 가지므로 이러한 제작방법은 적합하지 않다.
상기 두 번째 방법은 상기 첫 번째 방법에 비해서 현실성이 더 높은 방법이 다. 현재 주로 사용하는 제작 방식은 먼저 기판에 나노선 소재를 소량 위치시키고, 이들의 위치를 전자현미경을 통하여 미리 확인한 후, 반도체 리소그래피 공정을 이용하여 전극을 형성해주는 공정을 기본으로 한다. 이러한 방법은 나노선과 금속 전극 사이의 접점 특성이 뛰어나서 성능이 우수한 소자를 형성할 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 이러한 방법은 전자현미경을 통하여 개별 소자별로 위치를 미리 확인하는 과정이 필요하므로 생산 수율 및 생산성이 매우 낮다는 단점이 있다.
한편, 좀 더 현실적인 방안으로는 센싱 영역 위에 나노선 소재들을 무작위로 배치한 형태로 센서를 제작하는 것이다. 이러한 방법은 적당한 양의 나노선이 기판 표면에 위치하게 실험적인 조건으로 제어하여 각각의 소자에 대한 위치 확인 과정을 생략할 수 있다. 나노선 네트워크를 이용한 방법은 나노선 집합체를 이용하여 센서를 제작하므로 제작 수율은 높지만, 전극과 전극 사이에 하나의 나노선이 존재하는 단일 나노선 센서와 달리 다양한 나노선-나노선 접합부가 존재하기 때문에 감지 반응이 복잡해지고 단일 나노선 센서가 가지는 고성능 감지 특성이 저하될 수 있다는 단점이 있다. 또한, 감지 특성이 초기에 위치시키는 나노선의 화학 조성 및 물리적 변수(길이, 두께, 결정성 등)에 의하여 결정되므로 감지 능력이 다른 다양한 센서를 제작하기 위해서는 일반적으로 화학 조성에서 차이를 보여주는 서로 다른 소재를 사용하여 센서를 제작하여야 한다. 따라서 현실적으로 좋은 반도체 특성을 가지는 다양한 일차원 소재를 용이하게 준비하기 어렵다.
다양한 화학(바이오) 센서를 준비하는 가장 보편적인 방법은 표면에 다양한 유기물을 도입하는 표면 개질 방법이다. 이러한 표면 개질은 나노선 센서를 제작한 이후에 센서 기판 전체를 반응 용액에 담그거나 소량의 용액을 감지가 일어나는 감지소재에 떨어뜨려 주어서 행한다. 하지만, 용액에 전체 기판을 담구는 경우는 원하지 않은 부위까지 용액에 노출되어서 여러 가지 문제점이 발생하고, 용액을 떨어뜨리는 방법에서는 나노선 표면만 개질하기 보다는 나노선 소재 위에 필름이 형성되어서 나노선 센서의 감지능력을 효과적으로 제어하는 것이 어렵다는 단점을 가진다.
또한, 선행 기술에 따르면 나노선 감지소재가 기판 표면에 부착된 센서의 경우에 기판-나노선, 감지 물질-기판 사이에 상호작용으로 인하여 센서 성능에서의 변형이 일어날 수 있다.
상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 과제는 다양한 감지 대상 물질에 대한 농도 감지가 가능하고 감지 감도가 뛰어난 센서를 높은 제작 수율로 대량으로 제작할 수 있는 표면 개질형 나노선 센서를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 과제는 트렌치형 센서 기판을 이용하여 나노선 네트워크가 트렌치 구조의 상부의 감지 전극에 접한 상태로 지지되어 트렌치 골 위에 부양되고, 골을 따라서 표면 개질 용액을 흘려주어서 다양한 표면 개질된 나노선 센서를 제작하기 위한 방법을 제공하고자 한다.
상기 이러한 본 발명의 과제들을 달성하기 위한 표면 개질형 나노선 센서는, 일부 영역이 식각되어 트렌치 골이 형성된 평면 기판; 상기 평면 기판 표면에 전기적 단절을 위해 형성된 보호층; 상기 평면 기판의 돌출면 영역의 상기 보호층 위에 형성된 감지 전극으로 이루어진 센서 구조체; 및 상기 감지 전극에 접하고, 상기 감지전극 사이의 트렌치 골의 공중에 부양되어 형성되고, 특정 물질과 선택적으로 상호 작용하여 전기전도도가 변화되는 나노선 감지소재를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명의 과제들을 달성하기 위한 표면 개질형 나노선 센서 제작 방법은, 상기 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 장치는, 평면 기판의 일면에 트렌치 구조를 갖는 센서 구조체를 형성하는 단계; 상기 센서 구조체에 형성된 감지 전극 상부에 나노선 감지소재를 위치시키는 단계; 및 상기 센서 구조체에 형성된 트렌치 골에 화학 반응물이 녹아있는 표면 개질 용액을 흘려보내 상기 나노선 감지 소재의 표면을 개질시키는 단계를 포함하며, 특정 물질과 선택적으로 상호 작용하여 전기전도도가 변화되도록 상기 나노선 감지소재를 상기 감지 전극에 접하게 하고, 상기 감지전극 사이의 트렌치 골의 공중에 부양시켜 물질의 농도를 감지하는 표면 개질형 나노선 센서를 제작함을 특징으로 한다.
따라서 본 발명은 상기의 과제들을 달성하기 위해 안출된 것으로, 트렌치 구조를 갖는 센서 기판에서 나노선 감지 소재를 트렌치 골에 부양시키고, 트렌치 골에 개질 용액을 흐르게 함으로써, 기판 표면의 간섭 작용을 배제할 수 있으며, 트렌치 골을 따라서 다양하고 위치 선택적인 표면 개질을 손쉽게 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 단일 기판 위에 동일한 나노선 소재를 사용하여 표면만 다양한 물질로 개질하여 다양한 감지 특성을 갖는 센서 어레이 소자를 손쉽게 제작할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명 이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 막 또는 영역들의 크기 또는 두께는 명세서의 명확성을 위하여 과장된 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 트렌치형 센서구조체를 갖는 표면 개질형 나노선 센서의 단면 구조를 도시한 도면이다.
상기 도 1을 참조하면, 상기 표면 개질형 나노선 센서는 서로 다른 물질로 표면이 개질된 세 종류의 네트워크형 나노선 센서이다. 이러한 상기 표면 개질형 나노선 센서(이하, 나노선 센서로 약칭함)는 트렌치형 센서구조체를 갖는 평면기판(반도체 기판)(110), 상기 트렌치형 센서구조체 상부를 덮는 보호층(120a), 상기 트렌치형 센서구조체 상부에 형성된 감지전극(130), 상기 감지전극 상부에 형성된 나노선 감지소재(140a ~ 140c)로 구성될 수 있다.
이와 같은 구조의 상기 나노선 센서는 나노선 감지소재(140a ~ 140c)가 존재하는 상부 표면이 전부 금속의 감지전극(130)으로 구성되어 있어서 감지전극(130) 사이의 간격(트렌치 골)보다 충분히 긴 나노선의 경우에만 트렌치 구조에 부양된 구조로 감지전극(130) 사이의 전기적인 연결을 형성한다. 따라서 센서 반응에 참여하는 나노선 감지소재(140a ~140c)는 기판 표면에서 감지전극(130)만 접하고 다른 부위는 부양된 형태를 가지는 특징을 갖는다. 만약, 나노선의 길이가 감지전극(130) 간격보다 작거나, 또는 나노선의 배열이 트렌치 구조에 평행한 경우에는 나노선이 감지전극(130)이나 트렌치 상부에만 혹은 트렌치 벽면에만 존재하므로 나 노선의 전기적인 연결이 이루어지지 않게 된다.
이와 같은 상기 나노선 센서는 트렌치 구조를 갖는 센서구조체 제작 과정, 트렌치형 센서구조체의 감지전극을 구비한 감지영역에 네트워크형 나노선을 위치시키는 공정 및 트렌치 골을 이용하여 부양된 나노선의 표면을 개질하는 공정의 세 가지의 제작 과정을 거쳐 만들어진다.
우선, 상기 제작 과정들 중 트렌치형 센서구조체 제작 과정에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
센서 제작은 평면기판을 기반으로 하여 제작되며, 실리콘, GaAs 기판, 유리기판, 세라믹기판, 플라스틱 기판 등이 일반적으로 널리 사용된다. 그 중에서도 마이크로 크기의 미세 구조체를 가공하는데 널리 쓰이는 것은 실리콘 기판이다. 후술되는 제작 공정은 실리콘 기판을 평면기판으로 하고 깊은-반응성-이온식각(deep reactive ion etch, DRIE) 방법으로 이용하여 트렌치형 센서구조체를 형성하는 것을 첨부된 도 2를 참조하여 설명한다.
상기 도 2를 참조하면, 상기 트렌치형 센서구조체는 포토 리소그래피 공정을 통하여 형상이 먼저 만들어진다. 먼저, (a)단계에서 상기 트렌치형 센서구조체는 보호층인 식각 보호층(120)이 평면기판(110) 전면에 균일한 두께로 형성된다. 상기 식각 보호층(120)으로는 유기물 포토리지스터도 가능하지만, 건식 식각 내성이 훌륭한 실리콘 산화막이 이상적이다. 이러한 실리콘 산화막은 열산화법이나 화학증기증착(chemical vapor deposition) 방법을 통하여 형성할 수 있다.
다음 (b)단계는 전형적인 포토리소그래프 작업을 나타내며, 상기 (b)단계에서 상기 트렌치형 센서구조체는 광에 반응하는 포토리지스터가 평면기판(110) 전면에 코팅되고, 포토마스크와 UV 광원을 이용해 원하는 패턴이 포토리지스터에 형성된다. 이후, 상기 트렌치형 센서구조체는 포토리지스터를 보호층으로 하여 식각 보호층(120)이 식각되고, 남아 있는 포토리지스터가 평면기판(110)에서 제거된다. 여기서 만약, 상기 포토리지스터가 자체적으로 식각 보호층(120)으로써의 역할을 수행할 수 있다면, 상기 포토리지스터를 이용하여 패턴을 제작할 필요 없이 곧바로 식각 보호층에 UV 광을 이용하여 패턴이 가능하다.
다음 (c)단계는 식각 즉, 건식(DRIE) 공정을 나타낸다. 상기 (b)단계에서 상기 트렌치형 센서구조체의 실리콘으로 형성된 평면기판(110)은 실리콘 건식 에칭과 고분자 보호층 형성을 교대로 진행하면서 실리콘 벽면을 보호하면서 깊이 방향으로만 비등방성으로 식각된다. 이러한 공정 기술을 이용하면 실리콘을 수백 마이크로미터까지 수직으로 식각이 가능하다. 실리콘은 습식 식각을 통해서도 제작이 가능하지만, 등방성 식각 특성으로 인하여 식각된 벽면이 일정한 경사를 갖는다. 본 발명의 실시예서는 수직 형태의 벽면이 선호되므로 습식공정에 비하여 건식(DRIE) 공정이 더 유리하다. 상기 평면기판(110) 상부 표면에는 부양형 나노선 센서를 형성할 때 트렌치 폭과 골 깊이는 매우 중요한 실험 변수가 된다. 따라서 이런 치수는 사용된 나노선의 크기와 가용한 반도체 공정에 의하여 최적의 성능을 갖도록 결정되어야 한다. 일반적으로 트렌치 폭은 0.1 - 50um 정도의 치수를 갖도록 하는 것이 바람직하고, 골 깊이는 트렌치 폭보다 짧은 나노선은 센서 제작에서 배제하기 위해 서는 최소한 트렌치 폭보다는 커야 한다.
이와 같이 상기 DRIE 식각 후 식각된 단면의 실리콘은 외부로 노출된다. 따라서 본 발명의 실시예에서는 전기전도도를 계측하므로 노출된 트렌치 벽면의 실리콘은 누설전류의 경로로 작용이 가능하다. 따라서 평면기판(110)과 감지전극(130) 사이의 전기적 절연을 위하여 상기 (c)단계에 나타낸 바와 같은 상기 식각된 트렌치형 센서구조체에는 추가적인 보호층(120a)이 형성된다.
다음 (d)단계는 식각 공정을 한 트렌치형 센서구조체에 보호층(120a)을 형성하는 것을 나타낸다. 이러한 보호층(120a)의 형성은 RIE 공정을 위한 마스킹 층으로 실리콘 산화물을 주로 사용하므로 열산화법으로 추가적인 실리콘 산화물을 표면에 형성하는 것이다. 이렇게 열산화법으로 제작된 실리콘 산화물은 치밀한 조직을 가져서 기판과 감지전극 사이의 전기적 또는 열적 단절을 확실하게 이룰 수 있다. 또한, 이러한 보호층(120a) 형성에 이용되는 다른 소재로는 실리콘 질화막이 있다.
만약, 트렌치 식각 공정을 위해 제작된 식각 보호층(120)과 전기적 단절을 위하여 새롭게 제작된 보호층(120a) 사이에 물성 호환성이 확보되지 못한다면 식각 보호층(120)을 제거한 후에 전기절연을 위한 보호층(120a)을 트렌치형 센서구조체 표면에 형성해야 한다. 이러한 전기절연을 위한 보호층(120a)을 형성하는 다른 좋은 방법으로는 원자층 증착(atomic layer deposition)법, 화학증기 증착법 등이 있다.
다음 (e)단계는 경사진 비등방 진공증착법으로 최종적으로 트렌치형 센서구조체를 형성하는 것을 나타내며, 상기 (e)단계에서 상기 보호층(120a)이 형성된 트 렌치형 센서구조체에는 후속 공정으로 형성된 나노선 감지소재의 전기전도도 변화를 감지하기 위해 감지전극(130)이 형성된다. 이때, 효과적으로 트렌치 구조 상부에만 금속 전극을 증착하기 위하여 소스가 나오는 방향에 대하여 기판을 경사지게 하여 감지전극을 형성한다.
상기 감지전극(130)은 전기전도도 변화를 효과적으로 측정하기 위하여 여러 가지 형태의 전극 모양으로 형성되는데, 간단히 두개의 전극이 일자로 나열된 모양일 수도 있고, 센서와의 접촉 면적을 최대화하기 위하여 두 개의 빗살 형태의 구조가 서로 엇갈리게 배치되는 모양일 수도 있다. 이러한 상기 감지전극(130)에 대표적으로 많이 이용되는 금속 물질은 금(Au), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 타이타늄 질화물(TiN), 텅스텐(W), 다결정 실리콘(p-Si) 등이 있다.
이와 같은 상기 전기전극(130)을 형성 시 보호층(120a)과 금속 물질 간의 접착력이 약하면 쉽게 벗겨지므로 상기 트렌치형 센서구조체에는 상기 보호층(120a) 및 상기 전기전극(130) 사이에 접착층(도시되지 않음)이 형성될 수도 있다. 대표적인 접착층으로는 Cr, Ti 등이 있다. 또한, 포토리소그래피 과정이 없이 손쉽게 감지전극을 제작하기 위해서는 그림자(shadow) 마스크를 사용하여 금속이 증착될 전체 영역을 설정하고, 비등방성 증착법을 이용하여 트렌치형 센서구조체의 상부에만 금속 감지전극이 형성되도록 하는 방법을 사용할 수 있다. 이러한 대표적인 비등방성 증착법으로는 전자빔(e-beam) 또는 열(theraml)증발법이 있다.
이와 같이 형성된 트렌치형 센서구조체에는 최종적으로 네트워크형 나노선이 형성된다. 첨부된 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 트렌치형 센서구조체 상부에는 나노선 감지소재(140)가 형성된다.
상기 감지소재(140)는 전기전도도 변화형 센서에 사용되는 반도체 특성을 가지는 물질로서, 폭이 1-500nm이고, 길이가 1um 이상인 나노선 구조를 갖는 탄소, 실리콘, 텅스텐 산화물, 주석 산화물, 인듐 산화물, 티탄늄 산화물, 또는 아연 산화물 등이다. 특히, 탄소나노튜브의 경우에 폭이 1-10nm이고, 길이가 1um 이상인 소재를 대량으로 생산이 가능하고 크기가 매우 작은 물질이므로 유망한 나노선 감지소재이다. 이러한 나노선 감지 소재는 다양한 방법에 의해서 제작이 가능하다. 이러한 방법으로는 화학증기증착법(CVD), 아크를 이용한 합성법, 양극 알루미나 (anodic aluminium oxide) 또는 폴리카보네이트 맴브레인 고분자 등을 이용한 template 방법, 용액에서 열과 계면활성체를 이용한 solvothermal 방법 등이 많이 이용된다.
이와 같은 나노선 감지 소재를 상기 트렌치형 센서구조체에 위치시키는 공정은 예를 들어 첨부된 도 4에 도시된 바와 같다.
상기 도 4를 참조하면, 먼저, 다양한 방법들로 제조된 나노선 소재를 분리 및 정제한 후에 나노선 분자를 나노선 용액에 분산하여 사용한다. 용매로는 에탄올과 같은 일반적인 유기용제를 이용하였고, 상기 나노선 분자의 분산을 촉진하기 위하여 초음파와 같은 물리적인 충격을 주었다. 이렇게 마련된 나노선 용액(160)을 드롭(drop) 코팅 방법을 이용하여 두 개 이상의 감지전극(130)이 쌍으로 존재하는 감지 영역(150)에 선택적으로 떨어뜨린다. 후속 공정으로 상기 나노선 용액(160)을 건조 즉, 열을 가해 주거나 진공 조건을 유지하여 용매를 제거함으로써, 상기 나노 선 분자를 원하는 감지 영역(130)에 위치시킨다. 이러한 용매 제거에 따라 나노선 분자들만 감지전극(130) 위에 남게 된다. 전기적인 접점 특성을 개선하기 위하여 추가적인 열처리 공정, 물리적인 힘에 의한 밀착 공정, 미세 용접(welding) 공정, 전도성 금속 소재 얇게 증착 공정 등을 수행한다.
한편, 나노선을 트렌치형 센서구조체 상부로 이동시키는 또 다른 방법으로는 spin 코팅, spay 코팅 또는 dip 코팅 방법 등이 있다.
이와 같이 트렌치형 센서구조체에 형성된 나노선 감지소재는 유기물로 표면을 개질해야 한다. 이를 위해서는 나노선 소재를 트렌치 상부에 있는 두 개 이상의 감지전극과 접점이 형성되게 하여, 나노선 소재가 트렌치 골 상부에 부양된 상태로 존재하는 나노선 센서를 이용한다. 이러한 구조는 트렌치 골을 따라 표면 개질 용액을 흘려보내 줄 수 있다. 따라서 이러한 방법을 통해 유체 흐름을 이용하여 선택적인 위치에 존재하는 센서만 개질할 수 있게 된다. 이러한 나노선 소재의 표면 개질의 일예를 첨부된 도면을 참조하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 세 가지 다른 개질용액을 이용하여 동일한 기반 상에 다른 감지 특성을 가지는 3가지 센서를 트렌치형 센서구조체에 형성하는 과정을 도시한 도면이다.
먼저, 상기 3가지의 센서는 첨부된 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 표면 개질 용액(170a)을 가장 왼쪽의 골을 따라 흘려보내고, 첨부된 도 5의 (b) 및 (c)에 도시된 바와 같이, 순차적으로 다른 특성을 갖는 표면 개질 용액(170b, 170c)을 가 운데, 오른쪽 골에 흘려보내 주면서 다른 표면 개질 유기물을 가지도록 생성된다. 이와 같이 골을 따라서 표면 개질 용액이 흐르게 하기 위해서는 트렌치형 센서구조체 표면의 친수성/소수성과 트렌치 골이 가지는 구조적인 특성이 매우 중요하다. 일반적으로 알콜과 같은 유기용제를 용매로 사용하기 때문에 유체가 트렌치 골을 따라서 모세관 힘을 이용하여 자발적으로 흐르도록 상기 트렌치 골을 이루는 세 표면은 친수성을 가진다. 그리고 트렌치형 센서구조체의 상부는 소수성을 가지고 있어서 나노선 용액이 주위로 번져나가는 것을 막아 줄 수 있다. 이러한 트렌치 골의 구조적인 특성은 폭이 좁고 깊이가 깊으면 유리하다. 이러한 마이크로 플로딕스를 이용하는 방법은 동일한 나노선 센서를 이용하여 다양한 센서를 제작하는 효과적인 방법이다.
표면을 개질하는 방법으로는 유기 분자체와 나노선 사이의 물리적인 힘을 이용하여 유기물로 나노선을 감싸는 물리적인 방법과 유기물과 나노선 사이의 새로운 화학결합을 유발시켜 연결시키는 화학적인 방법으로 나눌 수 있다. 상기 화학적인 방법은 강하게 나노선과 유기물을 분자수준에서 한 층만 강하게 연결한다는 측면에서는 유리하나, 새로운 화학 결합으로 인하여 나노선의 전기전도도가 크게 변화할 수도 있다.
따라서 본 발명 실시예에서는 표면 개질 용액으로 주로 고분자를 녹인 용액을 사용한다. 대표적인 고분자로는 나피온, 폴리바이닐피롤리돈와 같은 합성고분자와 DNA와 같은 생체 고분자를 모두 포함한다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 발명청구의 범위뿐만 아니라 이 발명청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 트렌치형 센서구조체를 갖는 표면 개질형 나노선 센서의 단면 구조를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 트렌치형 센서구조체의 제작 공정 흐름을 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 에 나노선 감지소재를 장착한 트렌치형 센서구조체의 단면 구조를 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 상기 트렌치형 센서구조체에 나노선 감지소재를 위치시키기 위한 공정을 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 세 가지 다른 개질용액을 이용하여 동일한 기반 상에 다른 감지 특성을 가지는 3가지 센서를 트렌치형 센서구조체에 형성하는 과정을 도시한 도면.

Claims (11)

  1. 일부 영역이 식각되어 트렌치 골이 형성된 평면 기판;
    상기 평면 기판 표면에 전기적 단절을 위해 형성된 보호층;
    상기 평면 기판의 돌출면 영역의 상기 보호층 위에 형성된 감지 전극으로 이루어진 센서 구조체; 및
    상기 감지 전극에 접하고, 상기 감지 전극 사이의 트렌치 골의 공중에 부양되어 형성되고, 특정 물질과 선택적으로 상호 작용하여 전기전도도가 변화되는 나노선 감지소재를 포함하고,
    상기 센서 구조체는 상기 센서 구조체의 상기 트렌치 골이 친수성 성질을 갖고, 상부 평면이 소수성 특성을 갖으며, 상기 나노선 감지소재의 표면 개질을 위한 표면 개질 용액이 상기 트랜치 골 내부를 따라서 자발적으로 흐르도록 형성됨을 특징으로 하는 표면 개질형 나노선 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서 구조체는 상기 보호층 상부에 전극과 전극 사이의 거리가 0.1~50um인 상기 감지 전극이 형성되고, 상기 감지 전극 사이는 전극 간 거리보다 깊게 식각된 상기 트렌치 골이 형성됨을 특징으로 하는 표면 개질형 나노선 센서.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 감지 전극은 상기 나노선 감지소재의 전기전도도 변화를 감지하고, 금(Au), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 타이타늄 질화물(TiN), 텅스텐(W), 다결정 실리콘(p-Si) 중 하나의 물질로 형성됨을 특징으로 하는 표면 개질형 나노선 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 나노선 감지소재는 나노선 분자가 나노선 용액에 녹아 있고, 상기 나노선 용액을 상기 감지 전극 위에 선택적으로 떨어뜨려 건조하는 방식에 의해 원하는 위치에 형성됨을 특징으로 하는 표면 개질형 나노선 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 나노선 감지소재는 폭이 1~500nm이고, 길이가 1um 이상인 나노선 구조를 갖는 탄소, 실리콘, 텅스텐 산화물, 주석 산화물, 인듐 산화물, 티탄늄 산화물 또는 아연 산화물 중 하나로 이루어짐을 특징으로 하는 표면 개질형 나노선 센서.
  7. 평면 기판의 일면에 트렌치 구조를 갖는 센서 구조체를 형성하는 단계;
    상기 센서 구조체에 형성된 감지 전극 상부에 나노선 감지소재를 위치시키는 단계; 및
    상기 센서 구조체에 형성된 트렌치 골에 화학 반응물이 녹아있는 표면 개질 용액을 흘려보내 상기 나노선 감지 소재의 표면을 개질시키는 단계를 포함하며,
    특정 물질과 선택적으로 상호 작용하여 전기전도도가 변화되도록 상기 나노선 감지소재를 상기 감지 전극에 접하게 하고, 상기 감지전극 사이의 트렌치 골의 공중에 부양시켜 물질의 농도를 감지하는 표면 개질형 나노선 센서를 제작함을 특징으로 하는 표면 개질형 나노선 센서 제작 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 트렌치 구조를 갖는 센서 구조체를 형성하는 단계는,
    상기 평면 기판의 일면에 식각 보호층을 균일한 두께로 형성하는 단계;
    상기 평편 기판의 전면에 포토리지스터를 코팅하는 단계;
    상기 포토마스크 및 UV 광원을 이용하여 원하는 패턴을 포토리지스터에 형성하여 식각 보호층을 식각하는 단계;
    상기 형성된 패턴에 따라 식각된 식각 보호층의 영역에 접하는 평면 기판의 영역을 식각하여 상기 트렌치 골을 형성하는 단계;
    남아 있는 포토리지스터를 상기 평면 기판에서 제거하는 단계;
    남아 있는 식각 보호층 및 상기 트렌치 골에 보호층을 형성하는 단계; 및
    상기 보호층의 일부 영역에 감지 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 개질형 나노선 센서 제작 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 나노선 감지소재를 위치시키는 단계는,
    상기 나노선 소재를 분리 및 정제한 나노선 분자를 나노선 용액에 분산시키는 단계;
    상기 나노선 용액을 두 개 이상의 상기 감지 전극이 쌍으로 존재하는 감지 영역에 선택적으로 떨어뜨리는 단계; 및
    상기 나노선 분자만이 남도록 상기 나노선 용액을 건조시켜 상기 나노선 분자를 원하는 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 개질형 나노선 센서 제작 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 나노선 감지 소재의 표면을 개질시키는 단계는, 상기 센서 구조체의 상기 트렌치 골이 친수성 성질을 갖고, 상부 평면이 소수성 특성을 갖는 경우, 상기 트랜치 골 내부를 따라서 자발적으로 흐르도록 상기 표면 개질 용액을 흘려보냄을 특징으로 하는 표면 개질형 나노선 센서 제작 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 나노선 감지소재는 폭이 1~500nm이고, 길이가 1um 이상인 나노선 구조를 갖는 탄소, 실리콘, 텅스텐 산화물, 주석 산화물, 인듐 산화물, 티탄늄 산화물 또는 아연 산화물 중 하나로 이루어짐을 특징으로 하는 표면 개질형 나노선 센서 제작 방법.
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