KR101259355B1 - 실리콘 나노와이어 바이오센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실리콘 나노와이어 바이오센서 및 이를 이용한 생화학적 측정장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 타겟분자의 검출 및 농도를 측정하는 과정이 신속하고, 정확하며, 이를 위한 소요비용을 최소화할 수 있는 실리콘 나노와이어 바이오센서 및 이를 이용한 생화학적 측정장치에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 바이오센서는 서로 다른 크기 파라미터를 가지는 복수의 실리콘 나노와이어 ­ 상기 크기 파라미터는 상기 실리콘 나노와이어의 길이, 폭, 둘레 및 양상비(aspect ratio) 중 적어도 하나를 포함함 - ; 상기 실리콘 나노와이어의 표면에 형성되어 외부로부터 제공되는 타겟단위와 반응하는 복수의 검지단위; 상기 실리콘 나노와이어의 양측에 전기적으로 연결되어 상기 실리콘 나노와이어에 전압 또는 전류를 인가하는 전극; 및 상기 복수의 실리콘 나노와이어가 배치되는 기판; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 의하면, 실리콘 나노와이어 바이오센서 상에 크기가 다양한 상기 복수의 실리콘 나노와이어를 배열하여 복수의 실리콘 나노와이어 각각에 고정된 상기 복수의 검지단위의 수가 다양한 값을 가지도록 함으로써, 제조공정을 줄일 수 있고, 상기 타겟단위의 농도가 높든지 낮든지 간에 한번의 작업으로 상기 타겟단위의 농도를 검출할 수 있어 검출과정이 간편하며, 이에 소요되는 노력과 비용을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

Description

실리콘 나노와이어 바이오센서 {SILICON NANOWIRE BIO-SENSOR}
본 발명은 바이오센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 타겟분자를 검출하는 검지단위(또는 프로브)가 실리콘 나노와이어 상에 배열되는 실리콘 나노와이어 바이오센서에 관한 것이다.
일반적으로 바이오센서는 생화학적, 광학적, 열적 또는 전기적 반응에 따른 변화를 측정하는 소자로서, 최근에 전기화학적 바이오센서에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 전기화학적 바이오센서는 주로 탄소 나노튜브(carbon nano tube, CNT) 또는 실리콘 나노와이어와 같은 기저 물질에 프로브가 배열되고 타겟분자와 프로브분자 간의 상호반응 시 발생하는 기저 물질의 변화, 예컨대, 전기 전도도(conductivity)의 변화를 감지하여 특정 바이오 물질을 검출한다. 전기화학적 바이오센서의 구조 및 동작원리에 대하여 도 1을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 전기화학적 바이오센서의 구조 및 동작원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 전기화학적 바이오센서(1)의 반도체 기판(10) 상에 소스(S)와 드레인(D)이 형성되어 있으며, 소스(S)와 드레인(D) 사이에 직선 형상의 실리콘 나노와이어(13A, 13B)가 형성되어 있다. 실리콘 나노와이어(13A, 13B)는 절연층(12)에 의해 반도체 기판(10) 및 유체관(31)과 절연되며, 실리콘 나노와이어(13A, 13B)의 표면에는 프로브분자(40)들이 고정되어 있다. 유체관(31)을 통해 타겟분자(41)가 주입되면, 타겟분자(41)들이 프로브분자(40)들과 결합하게 되고, 타겟분자(41)들과 프로브분자(40)들의 전기적 특성에 의해 실리콘 나노와이어(13A, 13B)의 전기장이 변화되며, 이에 따라 실리콘 나노와이어(13A, 13B) 표면에 양(+) 또는 음(-)의 전하가 축적되어 결국 실리콘 나노와이어(13A, 13B)의 전기 전도도가 변화된다. 이러한 전기 전도도의 변화를 실시간으로 관찰함으로써 유체관(31)을 통해 주입된 타겟분자(41)를 검출할 수 있다.
그런데 종래의 실리콘 나노와이어(13A, 13B)를 이용한 검출 방법은 타겟분자(41)의 농도를 넓은 범위에서 정확하게 측정하기 어려운 문제점이 있다. 일반적으로, 실리콘 나노와이어(13A, 13B)의 전기 전도도는 비교적 좁은 농도 범위에서만 타겟분자(41)의 농도에 따라 선형적으로 변화하고, 그 외의 농도 범위에서는 정확한 농도 측정이 불가능하다.
이러한 이유로 인하여 대부분의 바이오센서는 측정하고자 하는 타겟분자(41)의 농도의 범위를 미리 예측하고, 예측된 범위에 따라 실리콘 나노와이어(13A, 13B)의 크기 또는 형태를 설계하여 그 범위에서만 최적화된 측정이 이루어지도록 구성되는 것이 일반적이다.
이러한 경우에는, 타겟분자(41)의 농도 측정에 영향을 줄 수 있는 불순물이 측정 대상에 함께 포함된 경우에 정확한 측정이 이루어지기 어려우며, 타겟분자(41)의 농도가 미리 예측된 범위를 크게 벗어나는 경우에는 효과적인 측정이 이루어지지 않는 문제점이 있었다. 이로 인하여 타겟분자(41)의 농도의 범위가 넓은 경우에는 여러 종류의 바이오센서 칩을 설계 및 구현해 두고, 타겟분자(41)의 농도의 범위를 보다 상세히 예측하여 예측 결과에 따라 선택적으로 바이오센서 칩을 사용하는 방법이 이용되었다.
즉, 바이오센서 칩을 이용하여 타겟분자(41)의 농도를 측정하는 사용자는 사용 전에 그 타겟분자(41)의 농도를 미리 예측해야만 어느 바이오센서 칩을 사용할 것인지를 결정할 수 있어 바이오센서 칩을 사용하기 위해서는 타겟분자(41)의 농도에 대한 예비적인 판단이 일차로 이루어져야만 하는 불편함이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 하나의 바이오센서 칩을 이용하여 타겟분자의 넓은 범위의 농도에 대응할 수 있는 바이오센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 한번의 측정으로 타겟분자의 농도를 정밀하게 파악할 수 있는 바이오센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 반복적인 측정이 필요 없이 신속하게 타겟분자를 검출하거나 타겟분자의 농도를 측정할 수 있으며 이를 위한 소요비용을 최소화하는 실리콘 나노와이어 바이오센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 서로 다른 크기 파라미터를 가지는 복수의 실리콘 나노와이어 ­ 상기 크기 파라미터는 상기 실리콘 나노와이어의 길이, 폭, 둘레 및 양상비(aspect ratio) 중 적어도 하나를 포함함 - ; 상기 실리콘 나노와이어의 표면에 형성되어 외부로부터 제공되는 타겟단위와 반응하는 복수의 검지단위(프로브); 상기 실리콘 나노와이어의 양측에 전기적으로 연결되어 상기 실리콘 나노와이어에 전압 또는 전류를 인가하는 전극; 및 상기 복수의 실리콘 나노와이어가 배치되는 기판; 을 포함하는 실리콘 나노와이어 바이오센서를 제공한다.
본 발명은 복수의 실리콘 나노와이어; 상기 실리콘 나노와이어의 표면에 형성되어 외부로부터 제공되는 타겟단위와 반응하는 복수의 검지단위; 상기 실리콘 나노와이어의 양측에 전기적으로 연결되어 상기 실리콘 나노와이어에 전압 또는 전류를 인가하는 전극; 및 상기 복수의 실리콘 나노와이어가 배치되는 기판; 을 포함하고, 상기 복수의 실리콘 나노와이어 각각에 형성되는 상기 검지단위의 수가 복수의 다양한 값을 가지는 실리콘 나노와이어 바이오센서를 제공한다.
복수의 실리콘 나노와이어 각각에 형성되는 검지단위의 수는 검지단위가 형성되는 실리콘 나노와이어의 길이, 폭, 둘레 및 양상비 중 적어도 하나에 의하여 결정된다.
예를 들어 제1 실리콘 나노와이어와 제2 실리콘 나노와이어가 그 폭은 같으며 제2 실리콘 나노와이어의 길이가 제1 실리콘 나노와이어의 길이의 두 배인 경우, 제2 실리콘 나노와이어에는 제1 실리콘 나노와이어에 형성되는 검지단위(프로브)의 수의 2배의 검지단위가 형성될 수 있다.
본 발명은 실리콘 나노와이어 바이오센서; 상기 실리콘 나노와이어 바이오센서와 연결되어 상기 복수의 실리콘 나노와이어 각각의 전기 전도도를 측정하는 측정수단; 및 상기 복수의 실리콘 나노와이어 각각의 전기 전도도를 조합하여, 측정 대상 내의 상기 타겟단위의 농도를 연산하는 처리수단; 을 포함하는 실리콘 나노와이어 바이오센서를 이용한 생화학적 측정장치를 제공한다.
복수의 실리콘 나노와이어의 각각의 전기 전도도는 상기 타겟단위의 농도와 상기 복수의 실리콘 나노와이어 각각의 길이, 폭, 둘레 및 양상비 중 적어도 하나에 따라 결정된다.
이를 다르게 설명하면, 복수의 실리콘 나노와이어 각각의 전기 전도도는 상기 타겟단위의 농도와 상기 복수의 실리콘 나노와이어 각각에 형성된 검지단위의 수에 따라 결정된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 복수의 실리콘 나노와이어 각각은 서로 다른 크기를 가질 뿐 아니라, 서로 다른 타입의 반도체로 구성될 수 있다.
즉, 실리콘 나노와이어의 일부 그룹은 n-타입의 실리콘 나노와이어이며, 또 다른 일부 그룹은 p-타입의 실리콘 나노와이어일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.
실리콘 나노와이어 바이오센서 상에 크기가 다양한 상기 복수의 실리콘 나노와이어를 배열하여 복수의 실리콘 나노와이어 각각에 고정된 상기 복수의 검지단위의 수가 다양한 값을 가지도록 함으로써, 제조공정을 줄일 수 있고, 상기 타겟단위의 농도가 높든지 낮든지 간에 한번의 측정으로 상기 타겟단위의 농도를 검출할 수 있어 검출과정이 간편하며, 이에 소요되는 노력과 비용을 최소화할 수 있다.
실리콘 나노와이어의 크기를 다양하게 하여 검출 감도를 각각 다르게 함으로써, 한번의 검출과정으로 다양한 감도를 동시에 측정하여 타겟단위를 검출할 수 있고, 한번의 측정으로 타겟분자의 농도를 보다 정밀하게 파악할 수 있다. 즉 타겟분자의 농도가 상대적으로 큰 경우 및 낮은 경우에 모두 적용 가능한 범용 바이오센서를 구현할 수 있다.
사용자는 타겟분자가 취할 수 있는 농도 범위가 광범위한 경우에도 바이오센서의 사용을 위하여 타겟분자의 농도를 미리 예측할 필요없이 본 발명의 측정장치를 이용하여 타겟분자의 정확한 농도를 측정할 수 있다.
종래에는 타겟분자의 농도 검출을 위하여 여러 종류의 바이오센서를 미리 구비해 두어야 했으나, 본 발명에 따르면 한 종류의 바이오센서만으로도 타겟분자의 정확한 농도를 검출할 수 있다.
도 1은 종래의 전기화학적 바이오센서의 구조 및 동작원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 바이오센서의 개략적인 구성도이다.
도 3의 (a) 내지 (d)는 도 2에서 복수의 실리콘 나노와이어 중 일부를 각각 확대한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 바이오센서를 이용한 생화학적 측정장치의 개략적인 구성도이다.
도 5의 (a) 내지 (d)는 서로 다른 크기 파라미터를 가진 실리콘 나노와이어 및 각각의 전기 전도도를 그래프로 도시한 도면이다.
도 6은 도 5의 (a) 내지 (d)에서의 각각의 전기 전도도가 조합된 상태를 그래프로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한 본 발명의 도면 상에 나타난 길이 또는 폭은 설명의 편의를 위하여 과장된 것일 수 있으며 실제와는 다소 상이할 수 있다. 이러한 과장 또는 차이로 인하여 본 발명의 사상이 한정되지 않음은 당업자에게 자명하다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 바이오센서의 개략적인 구성도이고, 도 3의 (a) 내지 (d)는 도 2에서 복수의 실리콘 나노와이어 중 일부를 각각 확대한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 바이오센서(100)는 실리콘 나노와이어(110), 유체관(미도시), 검지단위(120), 전극(130) 및 기판(140)을 포함하여 구성된다.
복수의 실리콘 나노와이어(silicon nanowires)(110: 110a, 110b, 110c...)는 서로 다른 크기 파라미터를 가지며, 각각의 표면에는 복수의 검지단위(120)가 고정된다. 상기 크기 파라미터는 상기 실리콘 나노와이어(110)의 길이, 폭, 둘레 및 양상비(aspect ratio) 중 적어도 하나를 포함한다. 복수의 실리콘 나노와이어(110) 각각은 서로 다른 크기 파라미터를 가지며, 직선 형상을 가지거나, 도 3의 (a)나 (b)와 같이 직육면체의 형상을 가질 수도 있다. 복수의 실리콘 나노와이어(110)의 형태는 이와 같은 형상에 의하여 제한되지는 않는다. 또한, 본 발명에서 상기 복수의 실리콘 나노와이어(110)의 길이는 100nm~1mm로 다양하다.
상기 유체관은 외부로부터 타겟단위(T)를 주입하기 위한 통로를 제공한다. 상기 유체관은 필요에 따라 구비되지 않을 수도 있으며, 이 경우에는 측정 대상 물질을 상기 실리콘 나노와이어센서(100)에 떨어뜨리거나 나노와이어센서(100)을 측정 대상 물질(액체인 경우)에 담그는 방법으로 측정이 가능하다.
상기 실리콘 나노와이어(110)의 표면에 복수의 검지단위(120)가 형성되어 외부로부터 제공되는 상기 타겟단위(T)와 반응한다. 그리고 도 3과 같이, 상기 복수의 실리콘 나노와이어(110) 각각은 크기 파라미터가 다르므로, 여기에 형성되는 상기 검지단위(120)의 수는 복수의 다양한 값을 가지며, 하기에서는 이에 관해 살펴보기로 한다.
먼저, 실리콘 나노와이어(110a)가 도 3의 (a)와 같이 형성된 경우를 살펴보면, 상기 실리콘 나노와이어(110a)는 길이 L1, 폭 W2의 상기 검지단위(120)가 고정되는 면적(이하, 고정 면적이라 한다)을 가진다. 그리고 실리콘 나노와이어(110b)가 도 3의 (b)와 같이 형성된 경우를 살펴보면, 상기 실리콘 나노와이어(110b)는 길이 L2, 폭 W2의 고정 면적을 가지므로, 이는 (a)에서의 고정 면적보다 크다는 것을 알 수 있다. 따라서, 그만큼 보다 많은 수의 상기 검지단위(120)가 상기 실리콘 나노와이어(110b)에 고정될 수 있는 것이다. 다음, 실리콘 나노와이어(110c)가 도 3의 (c)와 같이 형성된 경우를 살펴보면, 상기 실리콘 나노와이어(110c)는 길이 L3, 폭 W3의 고정 면적을 가지며, (b)에서 고정된 상기 검지단위(120)의 수보다 많은 수의 상기 검지단위(120)가 상기 실리콘 나노와이어(110c)에 고정될 수 있다. 그리고 도 3의 (d)에서 실리콘 나노와이어(110d)는 길이 L4, 폭 W4의 고정 면적을 가져 도 3에서 가장 큰 고정 면적을 가지며, 이에 따라 가장 많은 수의 상기 검지단위(120)가 고정되는 것을 알 수 있다. 상기와 같이, 상기 복수의 실리콘 나노와이어(110) 각각에 형성되는 상기 검지단위(120)의 수는 상기 검지단위(120)가 형성되는 상기 실리콘 나노와이어(110)의 길이, 폭, 둘레 및 양상비 중 적어도 하나에 의하여 결정된다. 즉, 상기 실리콘 나노와이어(110) 각각의 크기 파라미터가 다르면 상기 실리콘 나노와이어(110) 각각에 고정된 검지단위(120)의 수는 다르다. 일반적으로 상기 실리콘 나노와이어(110) 표면에는 상기 검지단위(120)가 무작위한 패턴으로 고정되는데, 상기 실리콘 나노와이어(110)의 크기에 따라 고정 면적은 한정적일 수밖에 없으므로, 상기 고정 면적이 클수록 보다 많은 수의 상기 검지단위(120)가 고정될 수 있는 것이다. 상기 실리콘 나노와이어 바이오센서(100) 상에 크기 파라미터가 다양한 상기 복수의 실리콘 나노와이어(110)를 형성시키는 이유는 하기의 측정장치(도 4 참조, 200)를 설명하면서 살펴보기로 한다.
한편, 본 발명에서 상기 검지단위(120) 및 타겟단위(T)는 항원, 항체, DNA 및 단백질로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 또는 이들을 조합하여 이루어지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 혈액 속에 포함된 전립선특이항원을 검출하고자 할 때, 전립선특이항원과 상호반응하는 항체를 (검지단위(120)로서) 상기 실리콘 나노와이어(110)에 고정시킨 후, 외부로부터 혈액을 주입하게 되면, 혈액 속에 포함된 전립선특이항원은 상기 실리콘 나노와이어(110)에 고정된 항체(검지단위(120))와 특이반응을 하게 된다. 이에 따라, 상기 실리콘 나노와이어(110) 표면 주위에 전하가 축적되어 채널 영역의 캐리어 숫자가 모듈레이션 되므로, 상기 실리콘 나노와이어(110)의 전기 전도도(conductivity)가 변화된다(도 5 참조).
상기 전극(130)은 상기 기판(140) 상에 형성되고, 상기 실리콘 나노와이어(110)의 양측에 전기적 연결되어 상기 실리콘 나노와이어(110)에 전압 또는 전류를 인가하며, 소스 전극(131)과 드레인 전극(132)을 포함하고, 상기 소스 전극(131)과 드레인 전극(132) 사이에는 상기 실리콘 나노와이어(110)가 형성되어 있다.
상기 기판(140)은 저농도의 실리콘막으로 형성된 실리콘층(142) 및 상기 실리콘층의 상부에 배치되고, 산화막 또는 질화막 등으로 이루어진 절연층(141)으로 구성된다. 그리고 상기 절연층(141) 상에는 상기 복수의 실리콘 나노와이어(110) 및 전극(130)이 형성되어 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 바이오센서를 이용한 생화학적 측정장치의 개략적인 구성도이고, 도 5는 서로 다른 크기 파라미터를 가진 실리콘 나노와이어 및 각각의 전기 전도도를 그래프로 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 측정장치(200)는 실리콘 나노와이어 바이오센서(100) 및 측정수단(211)과 처리수단(212)으로 구성된 측정/처리수단(210)을 포함하여 구성된다.
상기 실리콘 나노와이어 바이오센서(100)는 전술한 바와 동일한 구성을 가지므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 측정수단(211)은 상기 실리콘 나노와이어 바이오센서(100)와 전기적으로 연결되어 상기 복수의 실리콘 나노와이어 (110)각각의 전기 전도도를 측정한다. 도 4와 도 5를 함께 참고하면, 상기 복수의 실리콘 나노와이어(110) 각각의 전기 전도도는 상기 타겟단위(T)의 농도와 상기 복수의 실리콘 나노와이어(110) 각각의 길이, 폭, 둘레 및 양상비 중 적어도 하나에 따라 결정된다. 이를 다르게 설명하면, 상기 복수의 실리콘 나노와이어(110) 각각의 전기 전도도는 상기 타겟단위(T)의 농도와 상기 복수의 실리콘 나노와이어(110) 각각에 형성된 상기 검지단위(120)의 수에 따라 결정된다는 것을 의미한다.
검지단위(120)가 고정되는 상기 실리콘 나노와이어(110)의 표면적이 작으면 작을수록 타겟단위(T)의 검출 감도가 높아진다. 타겟단위(T)의 농도가 낮은 경우에도 실리콘 나노와이어(110)의 전기 전도도를 변화시키기에 충분한 수의 타겟단위(T)가 검지단위(120)와 반응하기 때문이다.
반면, 상기 실리콘 나노와이어(110)의 면적이 큰 경우에는 실리콘 나노와이어(110)의 표면에 고정된 검지단위(120)의 수가 많으므로 보다 많은 수의 타겟단위(T)가 검지단위(120)와 결합해야만 실리콘 나노와이어(110)의 전기 전도도가 변화한다.
한편 실리콘 나노와이어(110)의 표면적이 작으면 타겟단위(T)를 민감하게 검출할 수 있는 반면, 타겟단위(T)의 농도가 임계치 이상으로 높은 경우에는 실리콘 나노와이어(110)의 전기 전도도가 포화(saturation) 상태가 되어 표면적이 작은 실리콘 나노와이어(110)로 타겟단위(T)의 농도를 정확히 측정하기가 어렵다.
즉, 표면적이 작은 실리콘 나노와이어(110)는 낮은 농도의 타겟단위(T)를 민감하게 검출할 수 있는 반면 표면적인 큰 실리콘 나노와이어(110)는 타겟단위(T)의 농도가 높은 경우에 유용하다.
따라서 본 발명은 하나의 바이오센서(100)에 다양한 크기의 실리콘 나노와이어(110)를 배치하여 측정 가능한 타겟단위(T)의 농도의 범위를 크게 넓힐 수 있다.
상기 처리수단(212)은 상기 복수의 실리콘 나노와이어(110) 각각의 전기 전도도를 조합하여, 측정 대상 내의 상기 타겟단위(T)의 농도를 연산한다.
이러한 구조를 가지는 상기 측정장치(200)의 동작원리를 설명하면 다음과 같다.
상기 타겟단위(T)가 주입되면, 상기 타겟단위(T)가 상기 검지단위(120)와 결합하게 되고, 상기 타겟단위(T)에 의해 상기 실리콘 나노와이어(110)의 전기장이 변하며, 이에 따라 상기 실리콘 나노와이어(110) 표면의 전위가 변하게 되어 결국 상기 실리콘 나노와이어(110)의 전기 전도도가 변하게 된다. 이를 상기 측정수단(211)이 측정하고, 상기 처리수단(212)이 측정된 전기 전도도를 조합하여 상기 타겟단위(T)의 농도를 연산한다.
측정 과정에서 상기 타겟단위(T)의 농도가 기준치 이상이 되어야 전기 전도도가 변하는데 농도가 낮은데 반해 상기 검지단위(120)의 수가 많으면 전기 전도도가 변하지 않으므로 상기 타겟단위(T)는 검출되지 않는다. 즉, 상기 타겟단위(T)의 농도에 따라 검출 감도는 다르기 때문에 상기 실리콘 나노와이어(110)의 크기를 크게 하여 상기 검지단위(120)에 상기 타겟단위(T)가 흡착될 수 있는 면적을 작게 하든지, 상기 실리콘 나노와이어(110)의 크기를 크게 하여 상기 검지단위(120)에 상기 타겟단위(T)가 흡착될 수 있는 면적을 크게 하든지 해야 한다. 상기와 같이 타겟단위(T)의 농도에 따라 실리콘 나노와이어(110)를 선택하여야 타겟단위(T)의 검출이 가능하다. 따라서, 종래 기술에서는 타겟단위와 검지단위(120)의 상호반응에 의한 실리콘 나노와이어의 전기 전도도의 변화에 따라 측정 대상을 실리콘 나노와이어 바이오센서에 여러번 주입해야 했으므로, 그 과정이 번거롭고, 그만큼 많은 시간이 소요되었다. 또한, 타겟단위의 농도의 범위를 미리 예측하고, 예측된 범위에 따라 실리콘 나노와이어의 크기 또는 형태를 설계하여 그 범위에서만 최적화된 측정이 이루어지도록 구성되어야 하므로, 제조비용이 상승하며, 타겟단위의 농도가 미리 예측된 범위를 크게 벗어나는 경우에는 효과적인 측정이 이루어지지 않는 문제점이 있었다. 즉, 종래에는 타겟단위의 농도를 넓은 범위에서 정확하게 측정하기 어려울 뿐만 아니라, 타겟단위의 농도에 대한 예비적인 판단이 일차로 이루어져야만 하는 불편함이 있었다.
하지만, 본 발명에서는 상기 실리콘 나노와이어 바이오센서(100) 상에 크기가 다양한 상기 복수의 실리콘 나노와이어(110)를 배열하여 상기 복수의 실리콘 나노와이어(110) 각각에 고정된 상기 복수의 검지단위의 수가 다양한 값을 가지도록 함으로써, 제조공정을 줄일 수 있고, 상기 타겟단위(T)의 농도가 높든지 낮든지 간에 한번의 작업으로 상기 타겟단위(T)의 농도를 검출할 수 있어 검출과정이 간편한 동시에 한번의 측정으로 상기 타겟단위(T)의 농도를 보다 정밀하게 파악할 수 있으며, 이에 소요되는 노력과 비용을 최소화할 수 있는 이점이 있다. 또한, 사용자는 상기 타겟단위(T)의 농도를 미리 예측할 필요 없이 농도 범위가 광범위한 경우에 본 발명의 상기 측정장치(200)를 이용하여 상기 타겟단위(T)의 정확한 농도를 측정할 수 있는 효과가 있다. 이에 관해 도 5 및 도 6을 참조하여 설명하면, 다음과 같다.
도 5의 (a) 내지 (d)는 서로 다른 크기 파라미터를 가진 실리콘 나노와이어 및 각각의 전기 전도도를 그래프로 도시한 도면이고, 도 6은 도 5의 (a) 내지 (d)에서의 각각의 전기 전도도가 조합된 상태를 그래프로 도시한 도면이다.
도 5의 (a) 내지 (d)의 그래프의 가로축은 타겟단위(T)의 농도이며, 세로축은 실리콘 나노와이어의 전기 전도도이다. 설명의 편의 상 전기 전도도 S1은 낮은 전기 전도도이도, 전기 전도도 S2는 높은 전기 전도도라 가정한다.
도 5에서는 실리콘 나노와이어(110)를 원기둥의 형태를 띠는 것으로 도시하였다. 이는 실리콘 나노와이어(110)가 제조 방법에 따라서는 원기둥 또는 반원기둥의 형태를 취할 수도 있음을 나타내고자 한 것이며, 이러한 형태로 인하여 본 발명의 사상이 제한되는 것은 아니다.
도 5를 참조하면, (a)에서 실리콘 나노와이어(110w)는 상기 타겟단위(T)의 농도 X1에서 감응하고, 농도 X1 미만에서는 전기 전도도 S1을 나타내고, 농도 X1 이상에서는 포화상태를 이루어 전기 전도도 S2를 나타낸다. 만일 실리콘 나노와이어(110w)의 전기 전도도가 측정 결과 S2였다면 상기 타겟단위(T)의 농도는 X1 보다 크다는 것을 알 수 있다. (b)에서는 (a)에서보다 실리콘 나노와이어(110x)에 고정된 상기 검지단위(120)의 수가 많으므로, 상기 실리콘 나노와이어(110x)는 X1 보다 큰 X2에서 감응할 수 있다. 실리콘 나노와이어(110x)의 전기 전도도가 S1으로 측정되고 실리콘 나노와이어(110w)의 전기 전도도는 S2로 측정된다면 타겟단위(T)의 농도는 X1과 X2의 값을 가지는 것으로 파악할 수 있다.
이와 마찬가지로 (c)에서의 실리콘 나노와이어(110y)는 농도 X3에서 감응하며 타겟단위(T)의 농도가 X3 미만이면 실리콘 나노와이어(110y)의 전기 전도도는 S1을 나타내고 타겟단위(T)의 농도가 X3보다 크면 실리콘 나노와이어(110y))의 전기 전도도는 S2를 나타낸다.
(d)에서는 실리콘 나노와이어(110z)에 고정된 상기 검지단위(120)의 수가 실리콘 나노와이어(110w, 110x, 110y)보다 많으며, 이때 실리콘 나노와이어(110z)의 전기 전도도는 상기 타겟단위(T)의 농도가 X4 이상일 경우에 변한다.
처리수단(212)은 복수의 실리콘 나노와이어(110)의 전기 전도도를 모두 수집하여 그 결과를 조합함으로써 측정 대상 내의 타겟단위(T)의 농도를 연산할 수 있다. 또는 처리수단(212)은 전기 전도도의 변화가 발생한 실리콘 나노와이어(110)에 대하여 전기 전도도를 측정함으로써 데이터의 양을 효과적으로 줄일 수도 있다.
따라서, 본 발명에서는 상기 타겟단위(T)의 농도에 따라 실리콘 나노와이어를 선택하지 않아도, 상기 측정장치(200)를 이용하여 상기 타겟단위(T)의 검출을 빠른 시간에 달성함과 동시에 정확한 분석을 가능하게 한다. 즉, 상기 실리콘 나노와이어(110)의 크기를 다양하게 하여 검출 감도를 각각 다르게 함으로써, 한번의 검출과정으로 다양한 감도를 동시에 측정하여 상기 타겟단위(T)를 검출할 수 있고, 보다 정확한 농도 측정이 가능한 이점이 있다. 이를 이용하면, 신속하게 간암, 위암, 식도암 등과 관련된 각각의 암세포를 검출할 수 있고, 혈당을 정확히 측정하여 의사나 환자에게 혈당치에 맞는 적절한 대처를 할 수 있도록 한다.
또한, 상기 실리콘 나노와이어 바이오센서(100)와 측정/처리수단(210)이 별도로 구성됨에 따라서, 두 구성요소 중 어느 하나가 손상되면, 손상된 구성요소만 교체하면 되므로, 경제적으로도 효율적인 이점이 있다.
실리콘 나노와이어 바이오센서(100)와 측정/처리수단(210)은 하나의 칩으로서 구현될 수도 있고, 반대로 측정/처리수단(210)은 칩과 별개로, 리더기의 형태로 구현될 수도 있다.
한편, 본 발명에서 상기 측정장치(200)는 상기 측정/처리수단(210)으로부터 생성된 정보를 저장하는 저장수단(220)을 더 포함할 수 있으며, 상기 측정장치(200)에 상기 실리콘 나노와이어 바이오센서(100)가 접속되면, 상기 저장수단(220)은 상기 실리콘 나노와이어 바이오센서(100)에 관한 초기 정보를 분석하여 저장할 수도 있다.
또한 저장수단(220)은 어레이로 구현된 각 실리콘 나노와이어의 크기 정보, 타겟단위(T)의 농도와 전기 전도도의 관계 정보를 저장해 두고 측정/처리수단(210)에 이를 제공할 수도 있다.
저장수단(220)은 측정/처리수단(210)에서 수행되는 일련의 프로세스를 프로그램 형태로 저장할 수 있으며, 필요에 따라 측정/처리수단(210)에 이러한 프로그램을 제공할 수 있다.
한편, 하나의 바이오센서(100)에 포함되는 복수의 실리콘 나노와이어의 일부는 n-타입, 또 다른 일부는 p-타입일 수 있다. 실리콘 나노와이어가 n-타입인 경우와 p-타입인 경우에 용이하게 검출할 수 있는 타겟단위(T)의 종류가 타겟단위가 띄게 되는 전하에 따라 서로 다르며 하나의 바이오센서(100)에 p-타입 나노와이어와 n-타입 나노와이어가 함께 포함되는 경우 검출할 수 있는 타겟단위(T)의 종류가 더욱 다양해질 수 있다.
이와 관련하여, 실리콘 나노와이어와 대비되는 소재로서 탄소나노튜브를 들 수 있다. 탄소나노튜브는 저렴한 비용으로 제조 가능한 장점이 있으나, 현재까지는 p-타입의 탄소나노튜브만이 알려져 있고 n-타입 탄소나노튜브의 제조 방법은 알려져 있지 않다. 반면 실리콘 나노와이어는 n-타입과 p-타입의 제조 방법이 잘 알려져 있어 본 발명과 같이 하나의 바이오센서 칩에서 두 타입의 실리콘 나노와이어를 함께 구현할 수도 있다.
한편, 다양한 크기의 실리콘 나노와이어 어레이를 형성하기 위하여 포토 리쏘그래피(photo lithography) 공정을 이용할 수 있다. 포토 리쏘그래피 공정은 마스크(mask)에 구현된 패턴을 이용하여 반도체 칩 상에 패턴을 형성하는 공정을 말한다. 본 발명에 따르면, 마스크에 다양한 크기의 실리콘 나노와이어 패턴을 구현해 두고 마스크를 이용하여 다양한 크기의 실리콘 나노와이어 어레이를 형성한다.
이 과정에서 마스크의 종류를 달리 하여 n-타입 실리콘 나노와이어와 p-타입 실리콘 나노와이어를 하나의 칩 상에 구현할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
200: 측정장치
100: 실리콘 나노와이어 바이오센서
110: 실리콘 나노와이어 120: 검지단위
130: 전극 140: 기판
210: 측정/처리수단
211: 측정수단 212: 처리수단
220: 저장수단

Claims (7)

  1. 검출하고자 하는 농도범위를 분할해서 얻어진 분할된 농도범위들 각각을 감지할 수 있는 감도를 가진 실리콘 나노와이어들;
    상기 실리콘 나노와이어들의 표면에 형성되어 외부로부터 제공되는 타겟단위와 반응하는 복수의 검지단위;
    상기 실리콘 나노와이어들의 양측에 전기적으로 연결되어 상기 실리콘 나노와이어들에 전압 또는 전류를 인가하는 전극들; 및
    상기 실리콘 나노와이어들이 배치되는 기판을 포함하고,
    상기 실리콘 나노와이어들 각각은 길이, 폭, 둘레 및 양상비(aspect ratio) 중 적어도 하나가 다른 실리콘 나노와이어와 다름을 특징으로 하고,
    상기 실리콘 나노와이어들의 일부는 n-타입 실리콘 나노와이어이고, 또 다른 일부는 p-타입 실리콘 나노와이어임을 특징으로 하는
    실리콘 나노와이어 바이오센서.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 나노와이어들 각각에 형성되는 상기 검지단위의 수는 상기 검지단위가 형성되는 상기 실리콘 나노와이어의 길이, 폭, 둘레 및 양상비 중 적어도 하나에 의하여 결정되는
    실리콘 나노와이어 바이오센서.
  4. 제1항의 실리콘 나노와이어 바이오센서;
    상기 실리콘 나노와이어 바이오센서와 연결되어 상기 실리콘 나노와이어들 각각의 전기 전도도를 측정하는 측정수단; 및
    상기 실리콘 나노와이어들 각각의 전기 전도도를 조합하여, 측정 대상 내의 상기 타겟단위의 농도를 연산하는 처리수단; 을 포함하는
    실리콘 나노와이어 바이오센서를 이용한 생화학적 측정장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 실리콘 나노와이어들 각각의 전기 전도도는 상기 타겟단위의 농도와 상기 실리콘 나노와이어들 각각의 길이, 폭, 둘레 및 양상비 중 적어도 하나에 따라 결정되는
    실리콘 나노와이어 바이오센서를 이용한 생화학적 측정장치.
  6. 제4항에 있어서,
    측정되는 상기 실리콘 나노와이어들 각각의 전기 전도도는 상기 타겟단위의 농도와 상기 실리콘 나노와이어들 각각에 형성된 상기 검지단위의 수에 따라 결정되는
    실리콘 나노와이어 바이오센서를 이용한 생화학적 측정장치.
  7. 삭제
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