KR100987105B1 - 유기 전계효과 트랜지스터를 적용한 바이오센서 및 그제조방법 - Google Patents

유기 전계효과 트랜지스터를 적용한 바이오센서 및 그제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바이오센서 제조방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 유기 전계효과 트랜지스터를 적용한 바이오센서를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 유기 전계효과 트랜지스터를 적용한 바이오센서 제조방법은, 제1기판 밑면에 절연체 게이트를 형성하는 1단계; 반응조를 형성하기 위해 제1기판을 식각하는 2단계; 상기 절연체 게이트의 밑면에 유기반도체 층을 증착하는 3단계; 상기 유기 반도체 층 밑면에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 4단계; 및 기준전극을 제작하여 상기 반응조에 설치하는 5단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제조방법에 따르면, 일반적인 전계효과 트랜지스터에 비하여 상대적으로 가격이 저렴한 유기반도체를 사용함으로써 생산비용을 줄일 수 있고, 유기반도체를 증착하는 방법을 사용하기 때문에 생산공정이 간단해지는 효과가 있으며, 본 발명의 바이오센서는 유연한 특성을 갖는 유기 반도체를 사용함으로써 이동형 또는 부착형 센서 등에 적용이 가능하고, 여러 개의 바이오센서를 집적한 바이오칩을 제작하기 쉬운 효과가 있다.
바이오센서, 유기 전계효과 트랜지스터, 전계효과 트랜지스터, 미세 유동 채널, 미세 기준 전극

Description

유기 전계효과 트랜지스터를 적용한 바이오센서 및 그 제조방법 {BIOSENSOR APPLIED WITH ORGANIC FIELD-EFFECT TRANSISTOR AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 바이오센서 제조방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 유기 전계효과 트랜지스터를 적용한 바이오센서를 제조하는 방법에 관한 것이다.
많은 바이오물질 예를 들어 천연 발생 DNA, RNA, 단백질, 바이러스, 병원균 등 천연 발생 분자뿐 아니라 인공 압타머, 변형된 단백질, 독소 등을 빠르고 동시적으로 검출하는 바이오센서에 대한 관심이 높아지고 있다. 그리고 이러한 바이오센서 기술의 발달로 약제의 발견, 유전적 돌연변이 검출 및 유전자 치료 효과의 평가와 같은 다수의 의학적인 분야의 발전이 촉진되고 있다.
1970년대에 처음 개발된 전계효과 트랜지스터(FET)를 이용한 바이오센서는 전계효과 트랜지스터의 소스, 드레인 및 게이트 전극을 사용하여 한 점을 기준으로 두 점 사이의 전류변화를 통하여 환경의 변화를 감지하는 것이다.
그 원리를 살펴보면, 용액과 감지막 계면의 전기화학적 전위차는 용액 중의 이온농도에 따라서 변하는데 이 전위차의 변화가 문턱전압의 변화에 따른 유효 게 이트 전압의 변화를 유발하고, 이 변화가 채널 전도도를 변화시켜 드레인 전류의 변화를 유발한다. 이 드레인 전류의 변화를 측정함으로써 용액에 존재하는 특정 이온의 농도 변화를 감지할 수 있으며, 특정 이온에 선택적으로 민감한 이온감지막을 형성함으로써 각종 이온을 감지할 수 있는 센서를 제작할 수 있다.
전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오센서는 하나의 칩 위에 많은 센서 소자를 집적할 수 있으므로, 같은 종류의 센서를 다수 배열함으로써 다차원화할 수 있고, 다른 종류의 센서를 여러 개 배열함으로써 다기능화할 수 있다. 또한 지능회로와 함께 집적하여 지능화하거나, 관련회로 및 장치들을 함께 집적함으로써 시스템화할 수 있기 때문에 최첨단 센서로 각광을 받고 있다.
하지만, 종래의 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오센서는 실리콘 기판을 사용하고 있기 때문에 실리콘 기판의 가격이 비싸고, 실리콘 기판의 크기가 제한되어 있기 때문에 바이오센서를 대면적으로 제작하기 어려우며, 소스 전극과 드레인 전극을 이온주입 공정을 이용하여 형성하기 때문에 생산 공정이 복잡한 문제가 있다. 또한, 실리콘 기판을 사용하는 경우 최근에 각광받고 있는 이동형, 부착형 센서를 위한 유연한 소자로 적용하기 어렵기 때문에, 다른 소재의 기판을 이용하여 바이오센서를 만들려는 노력이 계속되고 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 유기 반도체를 증착하는 방법으로 제조된 유기 전계효과 트랜지스터를 이용하여 바이오센서를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 유기 전계효과 트랜지스터를 적용한 바이오센서 제조방법은, 제1기판 밑면에 절연체 게이트를 형성하는 1단계; 반응조를 형성하기 위해 제1기판을 식각하는 2단계; 상기 절연체 게이트의 밑면에 유기반도체 층을 증착하는 3단계; 상기 유기 반도체 층 밑면에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 4단계; 및 기준전극을 제작하여 상기 반응조에 설치하는 5단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 절연체 게이트, 유기반도체 및 전극을 증착하는 방법을 이용해서 형성하기 때문에 간단한 공정으로 대면적의 센서를 제작할 수 있다.
이때 기준전극을 제작 설치하는 방법은 제2기판에 기준전극을 제작하고 제1기판과 제2기판을 접합하는 방법이 좋으며, 기준전극은 제2기판에 은을 증착하고 은의 표면을 염소화하여 형성된 은/염화은 미세기준 전극이다.
또한, 제1기판과 접합되는 제2기판 표면에는 미세유동채널이 형성된 미세유동채널벽을 감광성 고분자 또는 실리콘 중합체를 이용하여 형성함으로써 감지대상 용액이 반증조에 들어가는 것을 조절할 수 있다.
여기서, 제1기판과 제2기판은 플라스틱 기판 또는 글라스 기판일 수 있다.
그리고 절연체 게이트는 SiO2, SiOxNy, Si3N4, Al2O3, Ta2O5, Al2O3-ZrO2, Al2O3-Ta2O5, SnO2, ZrO2, PbTiO2, WO3, AlN 중에서 선택된 하나 이상의 무기물을 재료로 하는 이온 민감성 절연체층이거나, 유기막과 무기막의 적층구조인 이온 민감성 절연체층, 또는 유기물과 무기물의 나노복합체로 구성된 이온 민감성 절연체층일 수 있다.
또 본 발명에서 사용하는 유기 반도체는 n형 올리고머, 또는 p형 올리고머가 사용될 수 있다. p형 올리고머의 예로는 펜타센(pentacene), 다이메틸 펜타센(Me2-pentacene), 비스-벤조디티오펜(bis-benzodithiophene), 비스-티오펜 다이머(bis-thiophene dimer), 섹시티펜(sexithiphene), 헥실 치환 티오펜 올리고머(hexyl-substituted thiophene oligomers), 믹스트 티오펜-페닐렌 올리고머(mixed thiophene-phenylene oligomers), 안트라디티오펜(anthradithiophene), 루벤(rubene), 카퍼 프탈로시아닌(copper phthalocyanine) 등이 있다. 또 n형 올리고머의 예로는 폴리(3-헥실티펜)(poly(3-hexylthiphene)), 폴리쿼터티오펜(polyquarterthiophenes), 폴리[9,9-디옥틸플루오렌-코-바이티오펜](poly[9,9-dioctylfluorene-co-bithiophene]), 9,9-디알킬플루오렌-알트-트리아릴아민(9,9-dialkylfluorene-alt-triarylamine), 카바졸(carbazole), 폴리트릴아릴아민(polytriarylamines) 폴리머 또는 퀴노이메탄 테르티오펜(quinoimethane terthiophene), 퍼플루오로아렌-티오펜 올리고머(perfluoroarene-thiophene oligomers) , 나프탈렌 카르보다이이미드(naphthalene carbodiimide) 단량체, 플러렌(fullerenes) 등이 있다.
나아가 본 발명의 소스 전극 및 드레인 전극은 재질이 금, 니켈, 알루미늄, 은 또는 크롬 중에 하나이다.
본 발명에 의한 유기 전계효과 트랜지스터를 적용한 바이오센서는, 옆면은 제1기판을 식각하고 남은 벽으로 둘러싸이고, 밑면은 절연체 게이트이며, 윗면은 기준전극이 형성된 제2기판으로 덮인 반응조; 상기 절연체 게이트의 밑면에 증착된 유기 반도체층; 상기 유기 반도체층의 밑면에 형성된 소스 전극 및 드레인 전극; 및 상기 반응조의 옆면인 제1기판과 윗면인 제2기판의 접합부분이 미세유동채널이 형성된 미세유동채널벽인 것을 특징으로 한다. 이때 기준전극은 은/염화은 미세기준 전극일 수 있다.
전술한 본 발명의 제조방법에 따르면, 일반적인 전계효과 트랜지스터에 비하여 상대적으로 가격이 저렴한 유기반도체를 사용함으로써 생산비용을 줄일 수 있고, 유기반도체를 증착하는 방법을 사용하기 때문에 생산 공정이 간단해지는 효과가 있다. 또한, 본 발명의 바이오센서는 유연한 특성을 갖는 유기 반도체를 사용함으로써 이동형 또는 부착형 센서 등에 적용이 가능하고, 여러 개의 바이오센서를 집적한 바이오칩을 제작하기 쉬워지는 효과가 있다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 유기 전계효과 트랜지스터를 적용한 바이오센서 제조방법을 나타내는 공정도이고, 도 2의 (a) 내지 (j)는 도 1의 공정에 따라 제조되는 바이오센서의 단면을 나타내는 도면이다.
도 2의 (a)에 나타난 바와 같이 먼저 제1기판(110)을 준비한다. 제1기판(110)은 플라스틱 또는 글라스 재질의 기판이 가능하며, 폴리이미드(polyimide)를 사용하면 유연성이 뛰어난 바이오센서를 만들 수 있다.
다음으로 도 2의 (b)와 같이 제1기판(110)의 밑면에 절연체 게이트(120)를 증착한다. 절연체(120)는 무기물 산화막이거나, 유기물과 무기물의 적층구조일 수 있으며, 또 유기물과 무기물의 나노복합체일 수도 있다.
이때 증착되는 무기물 산화막은 SiO2, SiOxNy, Si3N4, Al2O3, Ta2O5, Al2O3-ZrO2, Al2O3-Ta2O5, SnO2, ZrO2, PbTiO2, WO3, AlN의 무기물 중에 하나로 이온 민감성 절연체이다. 이 무기물을 증착하는 방법은 화학기상증착법, 물리기상증착법 및 원자층증착법 등을 사용할 수 있다.
그리고 유기물과 무기물의 적층구조는 유기물 절연막을 증착한 뒤에 Ta2O5, Al2O3 및 HfO2 박막을 증착하고, 다시 유기물 절연막을 증착하여 형성한다. 이러한 유기물과 무기물의 적층구조를 이용하면 저온에서 높은 품질의 이온 민감성 절연층을 형성할 수 있다. 또 유기물과 무기물의 나노복합체는 나노입자를 유기절연체에 복합화시킨 것으로, 나노입자가 높은 표면적 분율을 갖기 때문에 절연체 게이트(120)의 이온 민감성이 향상되고 저온 액상 공정이 가능하다.
도 2의 (c)는 절연체 게이트(120)가 증착된 제1기판(110)을 식각하여 반응조(300)를 형성한 모습을 나타낸다. 반응조(300)는 감지대상 용액이 고이는 우물형태의 공간으로, 제1기판(110)의 잔류부분이 옆면의 벽을 형성하고 바닥에는 절연체 게이트(120)가 드러나 있다. 제1기판(110)을 식각하는 방법은 노광공정을 포함하는 사진식각공정을 이용할 수 있다.
도 2의 (d)는 절연체 게이트(120) 밑면에 유기 반도체층(130)을 증착한 모습을 나타낸다. 실리콘 기판이 아닌 유기 반도체를 증착하여 유기 전계효과 트랜지스터를 제조하기 때문에 재료비가 매우 저렴하고 생산 공정이 간단해져 전체적인 생산비용을 절감할 수 있다. 또한 증착에 의하기 때문에 넓은 면적의 센서를 만들 수 있고, 유기 반도체의 특성상 유연한 센서를 만들 수 도 있다. 이러한 유기 반도체층(130)에 사용되는 유기 반도체는 n형 올리고머, 또는 p형 올리고머가 사용될 수 있다. p형 올리고머의 예로는 펜타센(pentacene), 다이메틸 펜타센(Me2-pentacene), 비스-벤조디티오펜(bis-benzodithiophene), 비스-티오펜 다이머(bis-thiophene dimer), 섹시티펜(sexithiphene), 헥실 치환 티오펜 올리고머(hexyl-substituted thiophene oligomers), 믹스트 티오펜-페닐렌 올리고머(mixed thiophene-phenylene oligomers), 안트라디티오펜(anthradithiophene), 루벤(rubene), 카퍼 프탈로시아닌(copper phthalocyanine) 등이 있다. 또 n형 올리고머의 예로는 폴리(3-헥실티펜)(poly(3-hexylthiphene)), 폴리쿼터티오펜(polyquarterthiophenes), 폴리[9,9-디옥틸플루오렌-코-바이티오펜](poly[9,9- dioctylfluorene-co-bithiophene]), 9,9-디알킬플루오렌-알트-트리아릴아민(9,9-dialkylfluorene-alt-triarylamine), 카바졸(carbazole), 폴리트릴아릴아민(polytriarylamines) 폴리머 또는 퀴노이메탄 테르티오펜(quinoimethane terthiophene), 퍼플루오로아렌-티오펜 올리고머(perfluoroarene-thiophene oligomers) , 나프탈렌 카르보다이이미드(naphthalene carbodiimide) 단량체, 플러렌(fullerenes) 등이 있다.
도 2의 (e)는 유기 반도체층(130)의 밑면에 소스 전극(140)과 드레인 전극(150)을 형성한 모습을 나타낸다. 유기 전계효과 트랜지스터를 완성하기 위하여 전극(140, 150)을 형성하는 과정이며, 이 전극(140, 150)은 금, 니켈, 알루미늄, 은, 크롬 중에서 선택될 수 있다.
도 2의 (f)는 본 발명의 유기 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오센서의 기준전극을 형성하기 위한 제2기판(210)을 나타낸다. 제2기판(210)도 역시 플라스틱 또는 글라스 재질의 기판이 가능하며, 폴리이미드(polyimide)를 사용하면 유연성이 뛰어난 바이오센서를 만들 수 있다.
도 2의 (g)는 제2기판(210)에 기준전극을 형성하기 위한 은 금속층(220)을 증착한 모습을 나타낸다.
도 2의 (h)는 제2기판(210)에 미세유동채널벽(230)을 형성한 모습이다. 미세유동채널벽(230)은 미세유동채널이 형성된 부분으로서, 감광성 고분자 또는 실리콘 공중합체를 이용하여 형성할 수 있다. 실리콘 고분자의 일종인 PDMS(polydimethylsiloxane)를 이용할 수 있다.
도 2의 (i)는 은 금속층(220)을 염소화하여 은/염화은 미세기준 전극(224)을 형성한 모습을 나타낸다. 은 금속층(220)의 표면을 습식 또는 건식 방법을 이용하여 염소화하여 염화은층(222)을 형성하며, 은/염화은 미세기준 전극(224)의 안정성을 위해서 표면을 코팅할 수 있다.
도 2의 (j)는 제1기판(110)과 제2기판(210)을 접합한 모습을 나타낸다. 이때, 제1기판(110)의 잔류부분과 제2기판(210)에 형성된 미세유동채널벽(220)을 자외선 경화형(UV-curable) 에폭시 또는 열 경화형(thermal-curable) 에폭시를 이용하여 접합한다. 이로써, 내부에 반응조(300)가 형성된 바이오센서가 완성되며, 이러한 구조의 바이오센서는 다수 개의 센서가 집적된 바이오칩을 제작하기 쉽다.
상기 방법의 제조된 유기 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오센서의 작용을 설명하면 다음과 같다.
미세유동채널벽(220)에 형성된 미세유동채널을 통하여 감지대상 물질이 포함된 용액이 반응조(300)에 유입되면, 용액이 접하는 절연체 게이트(120)가 감지대상 이온에 민감하기 때문에 절연체 게이트(120)와 용액 사이의 전기 화학적 전위차가 감지대상 이온의 농도에 따라 변화한다. 이 전위차의 변화는 문턱 전압(VT)의 변화를 가져오며, 문턱 전압의 변화는 유효 게이트 전압(Vgd)의 변화를 유발한다. 이때 발생하는 전계효과에 의해서 컨덕턴스가 게이트 전압에 비례하여 변화한다. 따라서 드레인 전류(Ids)의 변화는 이온 농도의 변화를 타나내므로, 이를 측정하여 이온 농도의 변화를 감지할 수 있는 것이다.
다른 측정방법은 다음과 같다. 일정한 드레인 전압(Vds)에서 용액 내의 이온 농도에 변화(ΔCi)가 생기면 일정한 드레인 전류(Ids)를 유지하기 위해서 게이트 전압(Vgs)이 변화한다. 이 게이트 전압의 변화량(ΔVgs)을 측정하여 이온 농도의 변화를 감지할 수 있다.
이때, 절연체 게이트(120)의 종류를 바꾸면 다양한 이온을 검출하는 바이오센서를 제조할 수 있다. 나아가 도 3에 나타낸 바와 같이 절연체 게이트(120)의 표면에 항체(122)를 고정하면, 항원-항체 반응에 따른 드레인 전류의 변화를 측정하여 항원(124)의 밀도를 측정할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에만 국한되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위는 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 첨부된 특허청구범위에 의해 정해지는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 유기 전계효과 트랜지스터를 적용한 바이오센서 제조방법을 나타내는 공정도이다.
도 2는 본 발명의 유기 전계효과 트랜지스터를 적용한 바이오센서의 기본 구조를 나타내는 도면이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
110: 제1기판 120: 절연체 게이트
130: 유기 반도체층 140: 소스 전극
150: 드레인 전극 210: 제2기판
220: 은 금속층 224: 은/염화은 미세기준 전극
225: 염화은층 230: 미세유동채널벽
300: 반응조

Claims (15)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 제1기판 밑면에 절연체 게이트를 형성하는 1단계;
    반응조를 형성하기 위해 제1기판을 식각하는 2단계;
    상기 절연체 게이트의 밑면에 유기 반도체 층을 증착하는 3단계;
    상기 유기 반도체 층 밑면에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 4단계; 및
    제2기판에 기준전극을 제작하여 상기 제1기판과 제2기판을 접합하여 상기 반응조에 설치하는 5단계를 포함하며,
    상기 기준전극을 제작하는 단계가, 상기 제2기판에 은을 증착하는 단계 및 상기 은의 표면을 염소화하여 은/염화은 미세기준 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 전계효과 트랜지스터를 적용한 바이오센서 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1기판과 제2기판을 접합하는 단계 전에 제2기판에 미세유동채널벽을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 전계효과 트랜지스터를 적용한 바이오센서 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 미세유동채널벽이 감광성 고분자 또는 실리콘 중합체를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 유기 전계효과 트랜지스터를 적용한 바이오센서 제조방법.
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1기판 및 제2기판이 플라스틱 또는 글라스 기판인 것을 특징으로 하는 유기 전계효과 트랜지스터를 적용한 바이오센서 제조방법.
  7. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연체 게이트가 SiO2, SiOxNy, Si3N4, Al2O3, Ta2O5, Al2O3-ZrO2, Al2O3-Ta2O5, SnO2, ZrO2, PbTiO2, WO3, AlN로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나의 무기물을 재료로 하는 것을 특징으로 하는 유기 전계효과 트랜지스터를 적용한 바이오센서 제조방법.
  8. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연체 게이트가 유기막과 무기막의 적층구조로 형성된 것을 특징으로 하는 유기 전계효과 트랜지스터를 적용한 바이오센서 제조방법.
  9. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연체 게이트가 유기물과 무기물의 나노복합체로 구성되는 것을 특징으로 하는 유기 전계효과 트랜지스터를 적용한 바이오센서 제조방법.
  10. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    3단계에서 증착되는 유기 반도체가 n형 올리고머 또는 p형 올리고머인 것을 특징으로 하는 유기 전계효과 트랜지스터를 적용한 바이오센서 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 p형 올리고머가, 펜타센(pentacene), 다이메틸 펜타센(Me2-pentacene), 비스-벤조디티오펜(bis-benzodithiophene), 비스-티오펜 다이머(bis-thiophene dimer), 섹시티펜(sexithiphene), 헥실 치환 티오펜 올리고머(hexyl-substituted thiophene oligomers), 믹스트 티오펜-페닐렌 올리고머(mixed thiophene-phenylene oligomers), 안트라디티오펜(anthradithiophene), 루벤(rubene), 및 카퍼 프탈로시아닌(copper phthalocyanine)으로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 유기 전계효과 트랜지스터를 적용한 바이오센서 제조방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 n형 올리고머가, 폴리(3-헥실티펜)(poly(3-hexylthiphene)), 폴리쿼터티오펜(polyquarterthiophenes), 폴리[9,9-디옥틸플루오렌-코-바이티오펜](poly[9,9-dioctylfluorene-co-bithiophene]), 9,9-디알킬플루오렌-알트-트리아릴아민(9,9-dialkylfluorene-alt-triarylamine), 카바졸(carbazole), 폴리트릴아릴아민(polytriarylamines) 폴리머 또는 퀴노이메탄 테르티오펜(quinoimethane terthiophene), 퍼플루오로아렌-티오펜 올리고머(perfluoroarene-thiophene oligomers), 나프탈렌 카르보다이이미드(naphthalene carbodiimide) 단량체, 및 플러렌(fullerenes)으로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 유기 전계효과 트랜지스터를 적용한 바이오센서 제조방법.
  13. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소스 전극 및 드레인 전극의 재질이 금, 니켈, 알루미늄, 은 또는 크롬 중에 하나인 것을 특징으로 하는 유기 전계효과 트랜지스터를 적용한 바이오센서 제조방법.
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