KR101359735B1 - 연장된 게이트 전극이 형성된 전계효과 트랜지스터형 신호변환기를 이용한 투명성 이온 감지 센서칩 및 이의 제조방법 - Google Patents

연장된 게이트 전극이 형성된 전계효과 트랜지스터형 신호변환기를 이용한 투명성 이온 감지 센서칩 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전해질의 다양한 이온 농도를 선택적으로 측정할 수 있고, 동시에 투명하게 제조됨으로써 광학적 측정이 가능하여 셀의 거동현상도 측정이 가능하며, 용액에 의한 이온 감지부의 열화를 방지하기 위해 이온 감지부가 트랜지스터의 채널부로부터 연장된 게이트 전극 상에 위치하도록 구성되어 내구성이 향상된 전계효과 트랜지스터형 신호변환기를 이용한 투명성 이온 감지 센서칩 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

연장된 게이트 전극이 형성된 전계효과 트랜지스터형 신호변환기를 이용한 투명성 이온 감지 센서칩 및 이의 제조방법{TRANSPARENT ION DETECTION SENSOR CHIP COMPRISING FIELD EFFECT TRANSISTOR SIGNAL TRANSDUCER WITH EXTENDED GATE ELECTRODE AND PREPARATION METHOD THEREOF}
본 발명은 연장된 게이트 전극이 형성된 전계효과 트랜지스터형 신호변환기를 이용한 투명성 이온 감지 센서칩 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연장된 게이트 전극을 포함하여 내구성이 향상된 전계효과 트랜지스터형 신호변환기를 이용하여 다양한 이온 (H+, K+, Ca2+, Na+)의 농도를 감지할 수 있고, 동시에 투명한 재질로 제조됨으로써 광학적 측정이 가능하여 셀의 거동현상도 동시에 측정할 수 있는, 세포 거동의 실시간 광학적 관찰이 가능한 투명성 이온 감지 센서칩 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
전기적인 신호로 생분자(Biomolecule)를 검출하는 센서 중 전계효과 트랜지스터를 포함하는 구조를 지닌 트랜지스터기반 바이오 센서가 있다. 이는 반도체 공정을 이용하여 제작되는 것으로, 전기적인 신호의 전환이 빠르고, 집적회로(integrated circuit)와 멤스(MEMS)의 접목이 용이한 장점이 있어, 그 동안 이에 대한 많은 연구가 진행되어 왔다.
전계 효과 트랜지스터(이하, 'FET'라고도 함)를 사용하여, 생물학적 반응을 측정하는 원천 특허로 미국특허 제4,238,757호가 있다. 이는 항원-항체 반응을 표면 전하 밀도(surface charge concentration) 변화로 인한 반도체 반저층(inversion layer)의 변화를 전류로 측정하는 바이오 센서에 관한 것으로 생분자 중 단백질(protein)에 관한 것이다.
이와 같은 전계 효과 트랜지스터(FET)를 바이오 센서로 사용하는 경우에는 종래의 방식에 비해 비용 및 시간이 적게 들고, IC(integrated circuit)/MEMS 공정과의 접목이 용이하다는 점에서 큰 장점을 지니고 있다.
전계 효과 트랜지스터를 이용하여 제조된 이온 선택성 전계 효과 트랜지스터형 센서는 소스(source), 게이트(gate) 및 드레인(drain)의 세 개의 전극을 사용하여 드레인-소스 간의 전압 VDS 및 게이트 기준전극-소스 간의 전압 VGS를 인가하여, 게이트 절연막에 형성되는 이온 농도에 따른 표면 전위 변화에 따른 반도체에서의 캐리어의 축적(accumulation) 및 공핍(depletion)에 따른 드레인 전류 IDS를 변화를 측정하는 방법으로 H+(pH), Ca2+, K+, Na+, O2 -, NO- 중에서 특정한 이온을 선택적으로 동시에 감지할 수 있다. 이러한 이온을 선택적으로 감지할 수 있는 이온 선택성 전계 효과 트랜지스터형 센서는 셀 (cell)이 성장하는 과정 중 셀 대사에 의하여 변화되는 다양한 이온 농도의 추이를 관찰할 수 있는 셀 기반 바이오 센서의 신호 변환기로서 이용될 수 있다.
이온 선택성 전계 효과 트랜지스터형 센서는 1970년 Bergveld에 의해서 제안되어, 그 이후에 많은 연구가 이루어졌는데 최근 들어 이온 센서뿐만이 아니라, 가스 센서 등 기체 상태를 측정할 수 있는 화학센서로도 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이온 선택성 전계 효과 트랜지스터형 센서는 트랜지스터의 일종으로 절연성 게이트형 전계효과 트랜지스터(insulated gate field effect transistor, IGFET)와 이온 센서를 집적화한 것이다. 절연막에 의한 전위가 측정되는 이상적인 전위차 측정검출기이기 때문에 출력 임피던스를 피드백(feed-back) 회로에 의해 최저로 낮출 수 있는데, 기존의 이온 센서와는 전혀 다른 극히 소형이고, 또한 저출력 임피던스의 이온 센서이다. 작동원리는 용액과 감지막 계면의 전기화학적 전위차가 용액 중의 이온농도에 따라 변하는데 이 전위차의 변화가 문턱전압(threshold voltage, VT)의 변화에 따라 유효 게이트 전압(effective gate voltage, VG)의 변화를 유발하고, 이는 전장 효과에 의하여 채널 전도도를 변화시킴으로써 드레인 전류의 변화를 발생시킨다. 이 드레인 전류의 변화분을 측정함으로써 용액 중의 특정이온 농도의 변화를 감지하게 된다. 이러한 이온 선택성 전계 효과 트랜지스터형 센서에서 특정이온에 선택적으로 민감한 이온 감지막을 형성함으로서 각종 이온을 감지할 수 있는 센서를 제작할 수 있다.
최근 바이오센서의 개발 추이는 초소형으로 측정이 어려웠던 미소부위의 성분측정이 쉽게 적용할 수 있게 되었으며 효소나 항체, 셀, 미생물 등의 분자식별 기능을 갖는 생체 관련 물질과 전기 소자 등의 각종 소자를 조합한 바이오센서가 개발되고 있으나 소자가 투명하지 않아 셀 기반의 소자에서는 광학적 측정이 어려워 실시간의 셀의 거동현상 측정에 관하여 보고된 바가 없다.
또한 이온 선택성 전계 효과 트랜지스터형 센서에서 측정을 위한 유기 유전체 및 반도체층이 용액에 직접적으로 노출되어 열화됨으로써 내구성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 전해질의 다양한 이온(H+, K+, Ca2+, Na+)을 감지할 수 있고, 동시에 투명하게 제조됨으로써 광학적 측정이 가능하여 셀의 거동현상도 측정이 가능하며, 용액에 의한 이온 감지부의 열화를 방지하기 위해 이온 감지부가 트랜지스터의 채널부로부터 연장된 게이트 전극 상에 위치하도록 구성되어 내구성이 향상된 전계효과 트랜지스터형 신호변환기를 이용한 투명성 이온 감지 센서칩 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 투명성 이온 감지 센서칩은 투명 기판; 상기 투명 기판 상에 형성되고 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 그라핀으로 이루어진 검출 박막, 상기 검출 박막 상부에 위치하는 선택적 이온 투과막 및 상기 선택적 이온 투과막을 둘러싸고 전해질을 수용하는 웰을 구비하는 이온 감지 센서부; 및 상기 검출 박막과 전기적으로 연결된 게이트 전극을 포함하는 전계효과 트랜지스터형 신호변환기; 및 상기 전계효과 트랜지스터형 신호변환기 상에 형성된 패시베이션 박막을 포함할 수 있다.
상기 전계효과 트랜지스터형 신호변환기는 상기 게이트 전극 상부에 형성된 절연체층; 상기 절연체층 상부에 형성된 반도체층; 상기 반도체층을 사이에 두고 서로 이격되게 상기 절연체층 상부에 형성된 드레인 전극 및 소스 전극을 더 포함할 수 있다. 상기 게이트 전극은 상기 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 상기 그라핀으로 형성될 수 있다.
상기 절연체층은 폴리(4-비닐페놀), 폴리이미드, 폴리비닐 아세테이트, Al2O3, SiO2, PVP-Al2O3 및 PVP-TiO2 로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 사용하여 형성될 수 있다.
상기 투명 기판은 유리 기판 또는 투명 플라스틱 기판일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 투명성 이온 감지 센서칩의 제조방법은 투명 기판 상에 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 그라핀을 이용하여 도전막을 형성하는 단계; 상기 도전막을 패터닝하여 게이트 전극 및 상기 게이트 전극과 전기적으로 연결된 검출 박막을 형성하는 단계; 상기 검출 박막 상부에 선택적 이온 투과막을 형성하는 단계; 상기 게이트 전극 상부에 절연체층을 형성하하는 단계; 상기 절연체층 상부에 반도체층을 형성하는 단계; 상기 절연체층 상부에 상기 반도체층을 사이에 두고 서로 이격된 드레인 전극 및 소스 전극을 형성하는 단계; 상기 반도체층, 상기 드레인 전극 및 상기 소스 전극이 형성된 상기 절연체층 상부에 패시베이션 박막을 형성하는 단계; 및 상기 투명 기판 상부에 전해질을 수용하도록 상기 선택적 이온 투과막을 둘어싸는 웰(Well)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 반도체층은 유기 반도체, 산화물 반도체 및 그라핀으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 상기 반도체층은 열증착법, 전사방법 또는 자기조립화 방법으로 형성될 수 있다.
상기 드레인 전극 및 상기 소스 전극은 금속을 열증착법에 의해 증착하여 형성할 수 있다.
상기 패시베이션 박막은 무기물 박막 또는 유기물 박막을 화학기상증착법, 원자층 증착법, 열증착법, 스핀코팅법 또는 프린팅 방법에 의해 형성될 수 있다. 상기 투명 기판은 유리 기판 또는 투명 플라스틱 기판일 수 있다.
본 발명의 투명성 이온 감지 센서칩은 투명성 재료를 사용하여 제조함에 따라 세포의 실시간 태동을 광학적으로 관찰할 수 있으며, 전계효과 트랜지스터형 신호변환기에서는 다양한 이온의 농도 변화에 의한 전위차를 전류값의 변화로 변환시켜 선택적으로 이온을 검출할 수 있는 효과를 갖는다. 본 발명에 따른 투명성 이온 감지 센서칩은 광학적 측정이 가능하며, H+ 이온에 대한 선형 민감도가 우수하여 전해질 내에 K+, Ca2+, Na+ 등에 대해 방해받지 않고 선택적으로 pH를 감지할 수 있다. 그리고 K+, Ca2+, Na+ 이온에 대해서도 ITO 또는 그라핀 전극 상에 산화물 (Ta2O5, Al2O3, Si3N4, SiO2) 또는 이온 선택성 멤브레인을 형성하여 선택적으로 감지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 투명성 이온 감지 센서칩의 구성을 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 절단선 A-A'를 따라 절단한 투명성 이온 감지 센서칩의 단면도이다.
도 3은 이온 감지 센서부를 형성하기 위한 공정도이다.
도 4는 전계효과 트랜지스터형 신호변환기를 형성하기 위한 공정도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 투명성 이온 감지 센서칩을 이용하여 측정한 pH 감지 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이온 감지 센서칩을 이용하여 측정한 Ca2+, K+ 감지 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 투명성 이온 감지 센서칩의 구성을 개략적으로 나타낸 평면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 절단선 A-A'를 따라 절단한 투명성 이온 감지 센서칩의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 투명성 이온 감지 센서칩(200) 투명 기판(100), 이온 감지 센서부(120, 130, 140), 전계효과 트랜지스터형 신호변환기(150, 160, 170 및 180) 및 패시베이션 박막(190)을 포함할 수 있다.
상기 투명 기판(100)으로는 유리 기판 또는 투명 플라스틱 기판 등이 사용될 수 있다.
상기 이온 감지 센서부(120, 130, 140)는 상기 투명 기판(100) 상에 형성되고, 다양한 이온을 감지할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 이온 감지 센서부(120, 130, 140)는 검출박막(120), 선택적 이온투과막(130) 및 웰(Well)(140)을 포함할 수 있다. 상기 검출박막(120)은 상기 투명 기판(100) 상부에 형성되고, 투명 도전성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 검출박막(120)은 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide, ITO) 또는 그라핀(Graphene)으로 형성될 수 있다. 상기 선택적 이온투과막(130)은 상기 검출박막(120) 상부에 형성되고, 이온을 선택적으로 투과시킬 수 있다. 상기 선택적 이온투과막(130)으로는 유리 멤브레인, 결정 멤브레인, 폴리머 멤브레인 등이 사용될 수 있다. 상기 웰(Well)(140)은 선택적 이온 투과막(130)의 상부에 형성되어 전해질을 수용할 수 있다. 일례로, 상기 웰(Well)(140)은 폴리디메틸실옥산(polydimethylsiloxane; PDMS) 등을 사용하여 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 이온 감지 센서부(120, 130, 140)는 상기 검출 박막(120)과 상기 선택적 이온 투과막(130) 사이에 위치하는 절연체 이온 감응막(미도시)을 더 포함할 수 있다. 상기 절연체 이온 감응막은 Ta2O5, Al2O3, Si3N4, SiO2, ZrO2, HfO2, Y2O3 및 Gd2O3으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나 이상으로 이루어질 수 있다. 상기 절연체 이온 감응막은 이온 감지에 대한 선택적인 감도 향상시킬 수 있다.
상기 전계효과 트랜지스터형 신호변환기(110, 150, 160, 170, 180)는 상기 이온 감지 센서부(120, 130, 140)에 전기적으로 연결되어 다양한 이온의 농도 변화에 의해 발생되는 전위차를 전류값의 변화로 변환시킬 수 있다. 상기 전계효과 트랜지스터형 신호변환기(110, 150, 160, 170, 180)는 상기 투명 기판(100)의 타측에, 즉 상기 이온 감지 센서부(120, 130, 140)와 인접하게 형성될 수 있다. 상기 전계효과 트랜지스터형 신호변환기(110, 150, 160, 170, 180)는 연장된 게이트 전극(110), 절연체층(150), 반도체층(160), 드레인 전극(170) 및 소스 전극(180)을 포함할 수 있다.
상기 연장된 게이트 전극(110)은 상기 이온 감지 센서부(120, 130, 140)의 상기 검출 박막(120)과 전기적으로 연결되고, 상기 투명 기판(100) 상부에 형성된다. 일례로, 상기 연장된 게이트 전극(110)은 상기 이온 감지 센서부(120, 130, 140)의 상기 검출 박막(120)과 동일한 재질로 형성되고, 동일한 공정을 통해 일체로 형성될 수 있다.
상기 검출 박막(120)은 상기 연장된 게이트 전극(110)에 비해 확장된 면적을 가질 수 있다. 상기 절연체층(150)은 상기 연장된 게이트 전극(110) 상부에 형성된다.
상기 절연체층(150)은 절연 특성의 향상을 위해 형성되된다. 일례로, 상기 절연체층(150)은 폴리(4-비닐페놀), 폴리이미드, 폴리비닐 아세테이트, Al2O3, SiO2, PVP-Al2O3, PVP-TiO2 등을 사용하여 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 반도체층(160)은 상기 절연층(150) 상부에 형성된다. 상기 반도체층(160)은 펜타신(pentacene)과 같은 유기물 반도체이거나 산화아연(ZnO), 인듐갈륨아연산화물(InGaZnO) 등과 같은 무기 투명성 산화물 반도체이거나 화학기상증착법에 의한 그라핀, 환원된 산화 그라핀 등과 같은 그라핀 재료 중에 하나를 드레인 전극(170) 및 소스 전극(180) 사이에 증착시켜 형성한다. 보다 구체적으로 상기 반도체층(160)을 형성하는데 사용될 수 있는 유기물 반도체로는 Me2-펜타신, 비스-벤조디티오펜(bis-Benzodithiophene; bis-BDT), 비스-티오펜 다이머(bis-thiophene dimer; bis-TDT), 섹시티오펜(sexithiphene; 6T), 헥실-치환된 티오펜 올리고머(Hexyl-substituted thiophene oligomers; DH-6T), 혼합된 티오펜-페닐렌 올리고머(mixed thiophene-phenylene oligomers; dH-PPTPP, dH-PTTP), 안트라디티오펜(anthradithiophene; ADT), 루브린(rubrene), 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine; PcCu) 등의 p형 올리고머 또는 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene); P3HT), 폴리콰터티오펜(polyquaterthiophenes; PQTs), 폴리[9,9-디옥틸플루오렌-코-바이티오펜])(poly[9,9-dioctylfluorene-co-bithiophene]; F8T2), 99,9-디알킬플루오렌-알트-트리아릴아민(99,9-dialkylfluorene-alt-triarylamine; TFB), 카바졸(carbazole; PCB), 폴리트리아릴아민(polytriarylamines; PTAA) 폴리머 또는 퀴노이메탄 터트티오펜(quinoimethane terthiophene; QM3T), 퍼플루오로아렌-티오펜 올리고머(perfluoroarene-thiophene oligomers; FTTTTF), 나프탈렌 카르보디이미드(naphthalene carbodiimide; NTCDI) 단량체, 플러렌(fullerenes; C60)의 n형 올리고머 중 적어도 하나 이상을 사용하여 형성될 수 있다.
상기 드레인 전극(170) 및 상기 소스 전극(180)은 상기 반도체층(160)을 사이에 두고 서로 이격되게 상기 절연체층(150) 상부에 형성된다. 상기 드레인 전극(170)의 일부 및 상기 소스 전극(180)의 일부는 상기 반도체층(160)과 중첩할 수 있다. 상기 드레인 전극(170) 및 소스 전극(180)의 재질 및 이의 형성방법은 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 실시될 수 있는 것이므로 상세한 설명은 생략한다.
전해질이 상기 이온 감지 센서부(120, 130, 140)의 웰(well)(140) 내부에 수용되면, 전해질에 포함된 이온들에 의해 야기되는 전위차 변화가 이온 감지 센서부(120, 130, 140)의 상기 검출박막(120)에 의해 검출되고, 이러한 전위차 변화는 연장된 게이트 전극(110)에 인가되며, 연장된 게이트 전극(110)에 인가된 전위차 변화는 소스-드레인 전극(170, 180) 사이의 전류 변화를 유발시키게 된다.
상기 패시베이션 박막(190)은 상기 상기 전계효과 트랜지스터형 신호변환기(110, 150, 160, 170, 180)의 상부에 형성된다.
본 발명의 실시예에 따른 투명성 이온 감지 센서칩(200)은 상기 전계효과 트랜지스터형 신호변환기(110, 150, 160, 170 및 180)의 연장된 게이트 전극(110)과 상기 이온 감지 센서부(120, 130 및 140)의 검출박막(120)을 전기적으로 연결시킴으로써, 상기 투명 기판(100) 상에 이온 감지 센서부(120, 130 및 140)와 전계효과 트랜지스터형 신호변환기(150, 160, 170 및 180)가 서로 전기적으로 연결된 구조로 구성된다. 이와 같이 본 발명에 따른 투명성 이온 감지 센서칩(200)은 다양한 이온을 감지할 수 있는 이온 감지 센서부(120, 130 및 140)와 다양한 이온의 농도 변화에 의해 발생되는 전위차를 전류값의 변화로 변환시키는 전계효과 트랜지스터형 신호변환기(110, 150, 160, 170 및 180)를 공간적으로 분리하여 구성함으로써 전해질에 의해 상기 전계효과 트랜지스터형 신호변환기(110, 150, 160, 170, 180)가 열화되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 연장된 게이트 전극(110)과 상기 검출 박막(120)을 투명 전도성 물질인 인듐주석 산화물(ITO) 또는 그라핀을 이용하고 동일한 공정을 통해 일체로 형성함으로써, 셀의 거동현상을 광학적으로 측정할 수 있게 할 뿐만 아니라 절연체층(150)과의 접착성을 향상시킬 수 있다.
도 3은 이온 감지 센서부를 형성하기 위한 공정도이고, 도 4는 전계효과 트랜지스터형 신호변환기를 형성하기 위한 공정도이다.
도 1, 도 2, 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 투명성 이온 감지 센서칩을 제조하기 위하여, 우선 아세톤, 알콜, 증류수 등을 세정한 투명 기판(100)을 준비한다. 상기 투명 기판(100)으로는 유리 기판 또는 투명 플라스틱 기판을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 준비된 투명 기판(100)상에 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 그라핀을 이용하여 도전막(110)을 형성한다. 이후, 도전막(110)을 일반적인 리소그래피 방법을 사용하여 패터닝함으로써 연장된 게이트 전극(110) 및 검출 박막(120)을 포함하는 투명 전극층(110, 120)을 형성한다. 상기 검출 박막(120)은 상기 연장된 게이트 전극(110)보다 확장된 면적을 가질 수 있다. 이어서, 상기 검출 박막(120) 상부에 선택적 이온 투과막(130)을 형성한다. 상기 선택적 이온 투과막(130)은 유리 멤브레인, 결정 멤브레인, 폴리머 멤브레인 등으로 형성될 수 있다.
이어서, 상기 연장된 게이트 전극(110) 상에 절연체층(150)을 형성한다. 상기 절연체층(150)은 스핀코팅법을 이용하여 폴리(4-비닐페놀), 폴리이미드, 폴리비닐 아세테이트, Al2O3, SiO2, PVP-Al2O3, PVP-TiO2 등의 절연 물질을 코팅함으로써 형성될 수 있다.
이어서, 상기 절연체층(150) 상부에 반도체층(160)을 형성할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 반도체층(160)은 상술한 유기물 반도체 또는 무기 투명성 산화물 반도체 물질을 사용하여 열증착법에 의해 증착하여 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 반도체층(160)은 화학기상증착 방법으로 성장한 그라핀, 용액에서 화학적으로 환원된 산화 그라핀등의 그라핀을 전사법 혹은 자기 조립화 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있다.
이어서, 상기 반도체층(160)이 형성된 상기 절연체층(150) 상부에 드레인 전극(170) 및 소스 전극(180)을 형성할 수 있다. 상기 드레인 전극(170) 및 상기 소스 전극(180)은 금속 등의 도전성 물질을 증착 후 패터닝함으로써 형성될 수 있다.
이어서, 상기 반도체층(160), 상기 드레인 전극(170) 및 상기 소스 전극(180)이 형성된 상기 절연체층(150) 상부에 패시베이션 박막(190)을 형성한다. 상기 패시베이션 박막(190)은 전계효과 트랜지스터형 신호변환기의 안정성 향상을 위하여 형성한다.
이어서, 상기 검출박막(120) 및 상기 선택적 이온투과막(130)을 둘러싸도록 웰(Well)(140)을 형성한다. 상기 웰(140)은 폴리디메틸실옥산(PDMS)을 몰딩하여 특정 형상의 구조물을 형성한 후 이를 에폭시 글루 등과 같은 접착제를 사용하여 투명 기판(100) 및 연장된 게이트 전극(110)에 부착함으로써 형성될 수 있다.
상술한 바에 따라 제조된 본 발명의 실시예에 따른 투명성 이온 감지 센서칩(200)은 투명성 재료를 사용하여 제조됨에 따라 세포의 실시간 태동을 광학적으로 관찰할 수 있으며, 다양한 이온의 농도 변화에 의한 전위차를 전류값으로 변화시켜 감지함으로써 선택적으로 이온을 측정할 수 있다.
실시예 1
유리 기판 상에 인듐 주석 산화물(ITO)을 80nm의 두께로 증착하였다. 이후 상기 ITO가 증착된 유리 기판 상에 연장된 게이트 전극 및 검출 박막을 형성하기 위하여 24 중량%의 염산을 포함하여 구성된 에칭액을 사용하여 포토리소그래피 방법에 의해 에칭함으로써 유리 기판 상에 40 ㎛의 채널 길이로 연장된 게이트 전극 및 검출 박막을 형성하였다. 상기 검출박막 상의 주변에 폴리디메틸실옥산을 사용하여 웰(Well)을 형성하였다. 이후 상기 연장된 게이트 전극 상에 폴리(4-비닐페놀)(PVP)을 스핀코팅법에 의해 250 nm의 두께로 증착시켜 절연체층을 형성하였고, 펜타신을 80℃에서 열증착법에 의해 60 nm의 두께로 증착시켜 반도체층을 형성하다. 이후 반도체층 상부에 금을 증착시켜 드레인 전극 및 소스 전극을 형성하고, TTC (n-tetratetracontane)의 유기물을 증착하여, 본 발명에 따른 투명성 이온 감지 센서칩을 형성하였다.
도 5는 상기 실시예1 에 따른 투명성 이온 감지 센서칩을 이용하여 측정한 pH 감지 결과를 나타내는 그래프이고, 도 6은 상기 실시예 1에 따른 이온 감지 센서칩을 이용하여 측정한 Ca2+, K+ 감지 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, pH 농도가 증가함에 따라 전계효과 트랜지스터의 전류전달특성에서 임계 전압값이 감소하게 되고, 이는 동일한 전류값에서 비교하면 전압이 작아지게 된다. pH 농도별 게이트 전압을 도시한 결과에서, 높은 선형성과 57~59 mV/pH의 감도를 가지는 것을 확인하였다. 그리고 Ca2+와 K+ 이온에 대해서도 동일한 결과를 가지는 것을 알 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 투명성 이온 감지 센서칩 및 이의 제조방법에 따르면, 투명성 재료를 사용하여 제조함에 따라 세포의 실시간 태동을 광학적으로 관찰할 수 있으며, 전계효과 트랜지스터형 신호변환기에서는 다양한 이온의 농도 변화에 의한 전위차를 전류값의 변화로 변환시켜 선택적으로 이온을 검출할 수 있는 효과를 갖는다. 본 발명에 따른 투명성 이온 감지 센서칩은 광학적 측정이 가능하며, H+ 이온에 대한 선형 민감도가 우수하여 전해질 내에 K+, Ca2+, Na+ 등에 대해 방해받지 않고 선택적으로 pH를 감지할 수 있다. 그리고 K+, Ca2+, Na+ 이온에 대해서도 ITO 또는 그라핀 전극 상에 산화물 (Ta2O5, Al2O3, Si3N4, SiO2) 또는 이온 선택성 멤브레인을 형성하여 선택적으로 감지할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 투명 기판 110: 연장된 게이트 전극
120: 검출 박막 130: 선택적 이온 투과막
140: 웰 150: 절연체층
160: 반도체층 170: 드레인 전극
180: 소스 전극 190: 패시베이션 박막
200: 투명성 이온 감지 센서칩

Claims (13)

  1. 투명 기판;
    상기 투명 기판 상에 형성되고 그라핀으로 이루어진 검출 박막, 상기 검출 박막 상부에 위치하는 선택적 이온 투과막 및 상기 선택적 이온 투과막을 둘러싸고 전해질을 수용하는 웰을 구비하는 이온 감지 센서부;
    상기 검출 박막과 동일한 재료로 일체로 형성된 게이트 전극, 상기 게이트 전극 상에 형성되고 유기절연체로 이루어진 절연막, 상기 절연막 상에 형성되고 유기반도체, 산화물반도체 또는 그라핀으로 이루어진 반도체층 및 상기 반도체층을 사이에 두고 서로 이격된 소스 전극과 드레인 전극을 포함하는 전계효과 트랜지스터형 신호변환기; 및
    상기 전계효과 트랜지스터형 신호변환기 상에 형성되고 TTC(n-tetratetracontane)로 이루어진 패시베이션 박막을 포함하는 투명성 이온 감지 센서칩.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이온 감지 센서부는 상기 검출 박막과 상기 선택적 이온 투과막 사이에 위치하는 절연체 이온 감응막을 더 포함하고,
    상기 절연체 이온 감응막은 Ta2O5, Al2O3, Si3N4, SiO2, ZrO2, HfO2, Y2O3 및 Gd2O3으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 투명성 이온 감지 센서칩.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 투명 기판은 유리 기판 또는 투명 플라스틱 기판인 것을 특징으로 하는 투명성 이온 감지 센서칩.
  6. 투명 기판 상에 그라핀을 이용하여 도전막을 형성하는 단계;
    상기 도전막을 패터닝하여 게이트 전극 및 상기 게이트 전극과 전기적으로 연결된 검출 박막을 형성하는 단계;
    상기 검출 박막 상부에 선택적 이온 투과막을 형성하는 단계;
    상기 게이트 전극 상부에 유기절연체를 코팅하여 절연체층을 형성하는 단계;
    상기 절연체층 상부에 유기반도체, 산화물반도체 또는 그라핀을 증착하여 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 절연체층 상부에 상기 반도체층을 사이에 두고 서로 이격된 드레인 전극 및 소스 전극을 형성하는 단계;
    상기 반도체층, 상기 드레인 전극 및 상기 소스 전극이 형성된 상기 절연체층 상부에 TTC(n-tetratetracontane)의 유기물을 증착하여 패시베이션 박막을 형성하는 단계; 및
    상기 투명 기판 상부에 전해질을 수용하도록 상기 선택적 이온 투과막을 둘어싸는 웰(Well)을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 웰에 세포를 배양하고 물질대사에 의한 이온 농도를 선택적으로 검출할 수 있는 투명성 이온 감지 센서칩의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제6항에 있어서, 상기 드레인 전극 및 상기 소스 전극은 금속을 열증착법에 의해 증착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 투명성 이온 감지 센서칩의 제조방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 패시베이션 박막은 무기물 박막 또는 유기물 박막을 화학기상증착법, 원자층 증착법, 열증착법, 스핀코팅법 또는 프린팅 방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 투명성 이온 감지 센서칩의 제조방법.
  11. 제6항에 있어서, 상기 투명 기판은 유리 기판 또는 투명 플라스틱 기판인 것을 특징으로 하는 투명성 이온 감지 센서칩의 제조방법.
  12. 제6항에 있어서, 상기 선택적 이온 투과막을 형성하기 전에, 상기 검출 박막 상부에 절연체 이온 감응막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투명성 이온 감지 센서칩의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 절연체 이온 감응막은 Ta2O5, Al2O3, Si3N4, SiO2, ZrO2, HfO2, Y2O3 및 Gd2O3으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 투명성 이온 감지 센서칩의 제조방법.
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