KR101699072B1 - 플렉서블 바이오센서, 이의 제조 및 사용방법 - Google Patents

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Abstract

플렉서블 바이오센서, 이의 제조 및 사용방법이 제공된다.
본 발명에 따른 플렉서블 바이오센서는 플렉서블 기판; 및 상기 플렉서블 기판상에 구비되며, 생물학적 활성 물질이 고정화된 바이오센서를 포함하며, 여기에서 상기 바이오센서는 소스, 게이트, 드레인 전극을 구비하고, 상기 게이트 전극에 상기 생물학적 활성 물질이 고정화된다. 본 발명에 따른 바이오센서는 플렉서블 기판상에 구현되므로, 종래의 실리콘 기판상에 구현된 바이오센서가 갖는 기판의 딱딱함에 기인한 한계를 매우 효과적으로 극복할 수 있다. 더 나아가, 본 발명에 따른 바이오센서 제조방법은 실리콘 기판상에 바이오센서의 소스 및 드레인 영역만을 형성한 후, 이를 실리콘 기판으로부터 분리하므로, 대면적의 실리콘 기판을 이용하여 다수의 바이오센서를 제조할 수 있다.

Description

플렉서블 바이오센서, 이의 제조 및 사용방법{flexible biosensor, method for manufacturing and using the same}
본 발명은 플렉서블 바이오센서, 그 제조 및 사용방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래의 실리콘 기판상에 구현된 바이오센서가 갖는 기판의 딱딱함에 기인한 한계를 매우 효과적으로 극복할 수 있고, 소자의 정렬구조가 우수하면서도, 우수한 신뢰도를 갖는 플렉서블 바이오센서, 그 제조 및 사용방법에 관한 것이다.
인간을 포함한 생물 개체들은 많은 감각기관을 가지고 있어서 오감은 물론 아픔이나 물론 아픔이나 온도감지 등 외부에서 오는 여러 가지 자극을 감지한다. 이렇게 감지된 자극은 뇌에서 이미 경험에 의하여 교육된 자극자료와 비교함으로써 미묘한 맛이나 향의 변화 등을 인지하게 된다. 이러한 기능을 생명체에서는 감각기관이라고 하고, 기계나 기구에서는 센서라고 한다. 생물기능을 모사하여 전자 공학을 응용함으로써 외부로부터 받은 물리·화학적 자극을 감지할 수 있는 생명소자를 보통 바이오센서라 한다.
하지만, 종래의 바이오센서는 실리콘 기판과 같이 딱딱한 기판상에 형성된 마이크로어쎄이 또는 마이크로플루이딕채널(microfluidic, 이하 미세유체 채널이라 한다) 상에서 제조되므로, 다양한 구조를 가지기 어려웠다. 이러한 기판의 한계를 극복하기 위하여 Lieber 등은 기판 상에서 촉매를 이용하여 실리콘 나노와이어를 성장시키는, 이른바 바텀-업(bottome-up) 방식의 센싱 소자 제조방법을 개시한다. 하지만 이러한 바텀-업 방식의 센싱소자는 나노와이어를 기판상에 직접 성장시켜야하므로, 전체적인 반도체 소자의 성능이 떨어지고, 또한 균질성이 떨어진다는 문제가 있다 (nature biotechnology vol. 23, 1294, 2005).
상기 바텀-업 방식의 센싱소자 제조방법의 단점을 해결하고자, McAlpine 등은 마이크로구조-반도체(Microstructure Semiconductor, μs-Sc)기술을 이용한 탑-다운(top-down)방식으로, 플라스틱 기판상의 나노와이어를 이용하는 화학 센서를 개시한다(Nature Materials, Vol6, May 2007, 이하 종래기술). 하지만, 상기 종래기술은 기체의 일정 성분을 검출하는 기술에 관한 것으로서, 물과 같은 용매에 의하여 이루어지는 바이오센서에는 바로 적용하기는 어렵고, 또한, 복수 종류의 물질을 검출하고자 하는 경우 복수 개의 센서를 제조하여야 한다는 문제가 있다.
따라서, 플렉서블 기판상에 구현되며, 복수 종류의 검출물질을 고성능 반도체를 이용하여 매우 효과적으로 센싱할 수 있는 새로운 개념의 플렉서블 고감도 바이오 센서, 특히 반도체 센서는 아직까지 구현되지 않았다. 특히 반도체 제조공정의 극심한 조건과 플렉서블 기판(일반적으로 고분자 재질) 및 바이오 물질의 약한 내열성, 내화학 특징 등은 아직까지 양립하기 어려운 것으로 고려되었으며, 그 결과 플렉서블 기판상에 구현된 바이오 소자, 특히 반도체를 이용하는 바이오 소자는 아직까지 개시되지 못한 실정이다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 탑-다운방식의 단결정 고성능 반도체를 이용하여 제조된 새로운 플렉서블 바이오센서를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 탑-다운 방식으로 단결정 고성능 반도체를 이용한 바이오센서의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 세 번째 과제는 본 발명의 첫 번째 과제를 통하여 제시된 새로운 플렉서블 바이오센서의 사용방법을 제공하는 데 있다.
상기 첫 번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 플렉서블 기판; 및 상기 플랙서블 기판상에 구비되며, 생물학적 활성 물질이 고정화된 바이오센서를 포함하며, 여기에서 상기 바이오센서는 소스, 게이트, 드레인 전극을 구비하고, 상기 게이트 전극에 상기 생물학적 활성 물질이 고정화된 것을 특징으로 하는 플렉서블 바이오센서를 제공한다.
상기 첫 번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 플렉서블 기판; 상기 플렉서블 기판 상에 적층된 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판상에 적층된 소스, 게이트, 드레인 전극, 상기 게이트 전극; 및 상기 게이트 전극에 고정화된 생물학적 활성 물질을 포함하는 바이오 센서를 제공하며, 여기에서 상기 실리콘 기판은 상기 소스 및 드레인 전극에 대응하는 소스 및 드레인 영역이 형성된 후, 상기 플렉서블 기판 상에 전사되고, 이후 상기 전사된 실리콘 기판 상에 소스, 게이트 전극이 적층되고, 상기 게이트 전극에 상기 생물학적 활성 물질이 고정화된다.
상기 첫 번째 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 일 실시예는 플렉서블 기판; 상기 플렉서블 기판 상에 적층된 실리콘 기판; 및 상기 실리콘 기판상에 적층된 소스, 게이트, 드레인 전극을 구비하며, 상기 게이트 전극에 생물학적 활성 물질이 고정화된 바이오센서를 포함하며, 여기에서 상기 실리콘 기판은 소스 및 드레인 영역이 형성된 후, 상기 플렉서블 기판상에 전사되고, 상기 전사된 실리콘 기판 상에 소스, 게이트 전극이 적층되고, 상기 생물학적 활성 물질이 고정화된 것을 특징으로 하는 플렉서블 바이오 센서를 제공한다.
상기 첫 번째 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 일 실시예는 플렉서블 기판; 및 상기 플렉서블 기판상에 구비된 바이오센서를 포함하며, 여기에서 상기 바이오센서는, 상기 플렉서블 기판상의 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판에 p형 또는 n형 불순물을 주입함으로써 형성되며, 소정 간격으로 이격된 소스 및 드레인 영역; 상기 소스 및 드레인 영역에 각각 연결된 소스 및 드레인 전극; 상기 소스 및 드레인 영역 사이에 실리콘 기판상에 순차적으로 적층된 게이트 산화막 및 게이트 전극을 포함하는 플렉서블 바이오센서를 제공한다.
상기 첫 번째 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 일 실시예는 플렉서블 기판; 및 상기 플렉서블 기판상에 하나 이상의 상기 바이오센서가 소정 간격으로 이격된 플렉서블 바이오센서를 제공하며, 상기 하나 이상의 바이오센서의 게이트 전극에 고정화된 생물학적 활성 물질은 각기 상이할 수 있으며, 상기 생물학적 활성 물질은 항체일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에서 상기 플렉서블 바이오센서는 상기 바이오센서 상에 적층된 플렉서블 고분자층을 더 포함하며, 여기에서 상기 플렉서블 고분자층은 마이크로 유체채널을 구비하고, 상기 마이크로 유체 채널을 통하여 상기 게이트 전극에 검출하고자 하는 물질이 흐르는 플렉서블 바이오센서를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 고분자층은 PDMS일 수 있으며, 상기 물질은 항원일 수 있다.
상기 두 번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 실리콘 기판상의 바이오센서가 제조되는 영역에 소스 및 드레인 영역을 형성하는 단계; 상기 실리콘 기판상에 절연막을 적층한 후, 패터닝하여 상기 바이오센서가 제조되는 영역의 실리콘 기판을 절연막으로 마스킹하는 단계; 상기 바이오센서가 제조되는 영역의 실리콘 기판을 하부 실리콘 기판으로부터 분리하는 단계; 및 상기 분리된 실리콘 기판상에 바이오센서를 제조하는 단계를 포함하는 바이오센서 제조방법을 제공한다.
상기 두 번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 실리콘 기판상의 바이오센서가 제조되는 영역에 소스 및 드레인 영역을 형성하는 단계; 상기 실리콘 기판상에 절연막을 적층한 후, 패터닝하여 상기 바이오센서가 제조되는 영역의 실리콘 기판을 절연막으로 마스킹하는 단계; 상기 절연막 사이에 노출되는 실리콘 기판을 제 1 식각하는 단계; 상기 제 1 식각에 의하여 노출된 실리콘 기판의 측면에 스페이서를 형성하는 단계; 상기 스페이서 사이에 노출되는 실리콘 기판을 제 2 식각하는 단계; 상기 바이오센서 제조영역의 실리콘 기판을 플렉서블 기판에 전사시키는 단계; 상기 플렉서블 기판에 전사된 실리콘 기판상에 바이오센서를 제조하는 단계를 포함하는 바이오센서 제조방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 바이오센서 제조 영역의 실리콘 기판상에는 하나 이상의 바이오 센서가 구비되는 크기를 가지며, 상기 전사는 상기 하나 이상의 바이오센서가 제조될 수 있는 실리콘 기판 영역의 일부 또는 전부를 선택적으로 전사시킨다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에서 상기 제 2 식각은 비등방식각이며, 상기 바이오센서 제조는 상기 플렉서블 기판에 전사된 실리콘 기판상에 게이트 산화막을 적층한 후, 패터닝하는 단계; 상기 패터닝된 게이트 산화막 및 실리콘 기판상에 금속층을 증착하는 단계; 상기 증착된 금속층을 패터닝하여, 소스, 게이트 및 드레인 전극을 형성하는 단계; 상기 게이트 전극을 지나는 상기 실리콘 기판의 제 1 마이크로 유체 채널을 형성하는 단계; 상기 마이크로 유체 채널에 생물학적 활성 물질을 흘림으로써, 상기 게이트 전극에 생물학적 활성 물질을 고정화시키는 단계; 및 상기 게이트 전극을 지나는 제 2 마이크로 유체 채널이 구비된 고분자층을 제조한 후, 이를 상기 게이트 전극에 적층시키는 단계를 포함하는 플렉서블 바이오센서 제조방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에서 상기 바이오 센서는 플렉서블 기판상에 하나 이상이 구비되며, 상기 제 2 마이크로 유체 채널은 상기 하나 이상의 바이오 센서의 게이트 전극을 동시에 지난다.
상기 세 번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상기 방법에 의하여 제조된 플렉서블 바이오센서의 제 2 마이크로 유체 채널을 통하여 검출하고자 하는 물 질을 상기 게이트 전극으로 흘리는 플렉서블 바이오센서의 사용방법을 제공한다.
본 발명에 따른 바이오센서는 플렉서블 기판상에 구현되므로, 종래의 실리콘 기판상에 구현된 바이오센서가 가지는 기판의 한계를 효과적으로 극복할 수 있다. 더 나아가, 본 발명에 따른 바이오센서 제조방법은 실리콘 기판상에 바이오센서의 소스 및 드레인 영역만을 형성한 후, 이를 실리콘 기판으로부터 분리하므로, 대면적의 실리콘 기판을 이용하여 다수의 바이오센서를 제조할 수 있다. 또한 고성능 반도체 제조에 필요한 고온 도핑을 플라스틱 기판에 전사하기 전에 수행함으로써 기존에 불가하던 고성능 반도체를 플라스틱 바이오칩상에 구현할 수 있다. 또한, 선택적인 전사방식을 활용하므로, 원하는 종류의 바이오 센서를 손쉽게 제조할 수 있으며, 저가로 대량생산이 가능하며 더 나아가 실리콘 기판에 바이오센서의 기본 구조를 정의한 후 이를 그대로 플렉서블 기판에 전사시키므로 바이오센서 소자의 정렬구조가 우수하다. 또한 본 발명에 따른 바이오센서 소자는 고성능 마이크로 구조 반도체를 이용하여 플라스틱 기판에서 바이오 물질을 검출하기 때문에, 기존 바이오 센서보다 우수한 감응도를 갖는다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타내며, 본 명세서에 첨부된 도면은 모두 전체 평면도 및 부분 단면(A-A')을 절개한 단면도의 형식으로 해석된다.
본 발명은 상술한 바와 같이 실리콘 기판상에 소스, 드레인을 형성함으로써 바이오센서 영역을 정의한 후, 해당영역을 플렉서블 기판에 전사하는 방식의 플렉서블 바이오센서 제조방법 및 이에 의하여 제조된 플렉서블 바이오센서를 제공한다. 상기 실리콘 기판은 Si (111) 기판으로부터 분리, 전사되거나 또는 절연체위에 적층된 실리콘 기판(SOI 기판)으로부터 분리, 전사될 수 있다. 본 발명에서 사용되는 "플렉서블(flexible)"이라는 용어는 딱딱한(rigid) 특성을 갖는 실리콘 기판 등과 구별되는 용어로서, 플라스틱 기판 등과 같이 기판이 일정각도로 휘어지거나, 접혀질 수 있는 특성을 모두 포함하는 용어이다.
본 발명은 또한 소스, 드레인 영역이 형성된 실리콘 기판을 플렉서블 기판에 전사한 후, 다시 플렉서블 기판상에서 나머지 후속공정을 진행하게 된다. 특히, 본 발명은 상기 바이오센서의 게이트 전극에 마이크로 유체 채널을 형성시켜 항체 등과 같은 생물학적 활성 물질을 고정화(immobilize)시키며, 더 나아가, 생물학적 활성 물질이 고정화된 상기 게이트 전극에 대하여, 또 다른 마이크로 유체 채널을 형성시키고, 상기 마이크로 유체 채널에 검출하고자 하는 물질을 흘림으로써, 게이트 전극의 전압변화를 유도하게 된다. 특히 본 발명에서는 고온의 도핑 공정을 실리콘 기판에서 먼저 수행하고, 상기 형성된 도핑 영역을 선택적으로 플렉서블 기판 상에 전사시키게 된다. 이 경우, 보다 마일드한 조건에서 플렉서블 바이오 센서를 제조 할 수 있으므로, 종래의 기술이 가지는 한계-극심한 조건의 반도체 공정을 플렉서블 기판에 그대로 적용하는 것은 어려움-를 효과적으로 극복하였다.
이하, 도면을 이용하여 본 발명에 따른 플렉서블 바이오센서의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 플렉서블 바이오센서를 설명한다. 하기 예시되는 도면은 모두 Si (111) 기판으로부터 바이오 센서를 제조하는 실시예를 설명하는 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명에서 바이오센서가 구현되는 (1,1,1)의 배향구조를 갖는 실리콘 기판(100)을 나타낸다. 본 발명은 특히 대면적화되는 경우 더욱 중요해지는 소자 정렬 특성(alignment)을 향상시키고자 실리콘 기판상에 바이오센서의 기본영역을 정의한 후, 이를 응용하고자 하는 플렉서블(flexible, 가요성, 이하 플렉서블이라 한다) 기판에 전사시키고, 다시 정의된 실리콘 기판상에 바이오센서를 제조하는 방식을 제안한다. 아래에서 전사 및 고정화 단계는 보다 상세히 설명된다.
도 2를 참조하면, 상기 실리콘 기판(100)에 소스 및 드레인 영역(110, 120)을 제조하기 위하여, 소정 간격으로 이격된 실리콘 기판(100)에 불순물(impurity)을 주입하게 된다. 상기 공정은 당업계에서 일반적으로 적용되는 모든 공정이 가능하며 예를 들면 이온 임플란트(ion implant)후에 RTP 확산(diffusion)공정에 의하여 수행될 수 있다. 상기 공정에 의하여 바이오센서가 제조되는 실리콘 기판 영역과 그 외의 실리콘 기판 영역이 정의된다.
도 3 및 4를 살펴보면, 상기 확산 공정에 의하여 바이오 센서 영역이 정의된 후, SiN와 같은 절연막(130)이 상기 기판상에 적층되고, 패터닝된다. 상기 패터닝 공정에 의하여, 기본적으로 바이오 센서가 제조되는 실리콘 기판 영역은 절연막(130)에 의하여 마스킹되고, 그 외의 실리콘 기판 영역은 노출된다. 이후, 상기 노출된 실리콘 기판 영역을 비등방식각하게 되는데, 상기 식각 공정에 의하여 상기 바이오 센서 영역 사이에 소정 높이의 트렌치가 형성된다. 상기 식각공정은 후속하는 등방식각 공정과 구별되는 공정으로, 이하 제 1 식각공정이라 한다.
이때, 본 발명은 식각공정에 의하여 노출되는 바이오센서의 하부기판(110a)의 측면이 후속되는 식각 공정에 의하여 식각되는 문제에 주목하였고, 이를 해결하기 위하여, 상기 하부기판(110a)의 측면에 형성된 스페이서(140)를 제안한다. 상기 스페이서(140)는 상부 절연막(130)과 동일한 물질일 필요는 없으며, 공정 조건상 자유로이 물질을 선택할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 SiN이 사용되었다. 특히, 본 발명에서는 스페이서(140)에 의하여 소자 기판을 보호(마스킹)하는 경우, 경사 이온빔 증착 공정에 비하여, 트렌치 깊이에 비하여 넓은 너비를 갖는 구조에서도 효과적으로 소자 측면을 보호할 수 있어, 너비 조건에 따른 제한없이 자유로이 Si 기판을 분리할 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 스페이서 사이에 노출되는 실리콘 기판을 식각하게 되는데, 상기 식각공정은 상기 비등방식각(제 1 식각)과 구별되는 공정으로, 이하 제 2 식각공정이라 한다.
본 발명에서는 상기 제 2 식각공정을 통하여, 스페이서(140) 사이에 노출된 실리콘 기판을 비등방식각을 하는 경우, 도 5에서 도시된 바와 같이, 스페이서(190)에 의하여 보호되는 단위 바이오센서의 하부 기판(100a)이 아닌, 상 기 스페이서 (140) 사이의 실리콘 기판(100)만이 부분 식각되는 점을 이용한다. 즉, 본 발명은 (1,1,1) 실리콘 배향구조인 경우, 습식식각에 의한 비등방식각의 식각방향의 배향이 (1,1,0)이 되면 균일한 측면 식각의 방향성을 달성할 수 있는 점을 이용한다. 즉, TMAH 또는 KOH 용액 등과 같은 식각 용액을 사용하는 경우 결정방향에 따라 식각 속도가 상이해지며((101):(100):(111)=300:600:1의 식각속도), 그 결과 (110) 방향으로의 비등방성 식각이 이루어진다.
도 6은 바이오 센서가 제조되는 실리콘 기판 영역(100a)을 실리콘 기판(100)으로부터 분리한 후, 플렉서블 기판(160)에 전사하는 방법을 나타낸다. 본 발명의 일 실시예에서는 PDMS와 같은 고분자층(150)을 이용하여, 상기 실리콘 기판을 플렉서블 기판(160)에 전사하였다.
특히, 본 발명에 따른 플렉서블 기판의 제조방법은 상기 바이오 센서 제조 영역 중 일부 또는 전부를 선택적으로 분리, 전사하는 것이 가능하며, 도 7은 선택적으로 일부 바이오 센서 영역만이 분리, 전사된 후의 실리콘 기판(100)의 평면도이다. 이와 같은 방식으로, 대면적의 실리콘 기판을 이용하는 경우, 다수의 바이오센서를 경제성있는 방식으로 제조할 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 전사공정 후, 플렉서블 기판(160)상에 소스 및 드레인 영역이 형성된 실리콘 기판(100a)이 적층된다. 이후 도 9 및 10에서 보는 바와 같이, 상기 실리콘 기판(100a) 및 플렉서블 기판(160) 상에 게이트 산화막(170)이 적층된 후, 패터닝 된다.
도 11 및 12를 참조하면, 상기 패터닝된 게이트 산화막(170) 및 실리콘 기판(100a)상에 금속층(170)이 적층되고, 패터닝된다. 상기 패터닝 공정에 의하여 소스, 드레인 전극(180b, 180c)과 게이트 전극(180a)이 형성되며, 본 발명은 특히 상기 게이트 전극(180a)으로부터 연장되며, 상기 게이트 전극의 너비보다 보다 넓은 너비를 갖는 게이트 전극 패드(190)를 제공한다. 상기 게이트 전극 패드(190)에는 생물학적 활성물질이 고정화(immobilize)되어, 생물학적 반응이 일어나는 영역이 된다. 하지만, 상기 게이트 전극 패드(190)는 게이트 전극의 일부에 해당하며, 따라서 임의의 게이트 전극에 생물학적 활성물질을 고정화할 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다. 더 나아가, 본 발명은 상기 소스 및 드레인 전극으로부터 연장되며, 검출되는 전류를 측정하기 위한 센싱패드를 제공한다.
이후, 바이오센서에 있어서 가장 핵심적인 생물학적 반응(예를 들면, 항원-항체 반응)을 유도하기 위하여, 본 발명은 생물학적 활성 물질(예를 들면, 항체)을 바이오소자에 고정화시키는 공정을 진행하게 된다. 상기 고정화(immobilize) 공정은 다음과 같다.
먼저 마이크로 유체 채널(microfluidic channel, 200)을 게이트 전극 패드(150) 영역상에 제조한다(도 13 참조). 이때, 상기 하나 이상의 단위 바이오센서 각각에 상기 마이크로 유체 채널(200)이 구비된다. 이로써, 상기 마이크로 유체 채널에 흘리는 물질이 상기 게이트 전극(게이트 전극 패드, 150)과 직접 접촉하며, 이로써 생물학적 반응에 따라 게이트 전극의 전압을 변화시키게 되는 항체 등과 같은 검출 물질이 상기 게이트 전극(150)에 고정화(immobilize)될 수 있다. 즉, 도 13을 참조하면, 상기 마이크로 유체 채널(200)에 항체 등과 같은 검출물질을 흘리 며, 이러한 과정을 통하여 상기 게이트 전극(150)에 항체 등이 고정화된다.
더 나아가, 각각의 바이오센서에 구비된 별도의 마이크로 채널을 통하여 상이한 항체(210a, 210b, 210c)를 흘리는 경우, 각각의 바이오센서는 상이한 기능의 바이오센서로 기능할 수 있다(도 14 참조). 이 경우, 비록 하나의 플렉서블 기판상에서 구현된 바이오센서이지만, 하나 이상 종류의 항원을 단 1회의 공정만으로도 효과적으로 검출할 수 있다. 하지만, 항체 이외에도 그 목적에 따라 상이한 생물학적 물질(예를 들면, 면역 물질) 등에 대하여도 본 발명이 사용될 수 있으며, 본 발명은 일 실시예에서 사용된 항체 자체에 본 발명의 범위가 한정되지 않는다.
이상의 과정을 통하여, 플렉서블 기판 및 상기 플렉서블 기판상에 구비되며, 항체 등과 같은 생물학적 활성 물질이 고정화된 바이오센서가 제조된다. 이후 상기 바이오센서에 항원 등과 같이 검출대상물질을 흘리게 되는데, 이는 아래에서 설명된다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 항체가 고정된 게이트 전극(190)에 항원을 반응시키는 방법을 설명하는 도면이다.
도 15를 참조하면, 마이크로 유체 채널(230)이 구비된 PDMS와 같은 고분자로 이루어진 고분자층(220)을, 바이오센서, 특히 항체와 같은 생물학적 활성 물질이 고정된 게이트 전극에 접촉시키게 된다. 이때, 상기 고분자층(220)의 마이크로 유체 채널(230)은 항체가 고정된 상기 게이트 전극(190) 영역을 지나게 된다. 상기 공정에서 PDMS와 같이 가요성을 갖는 고분자를 이용하는 경우, 일정한 단차(즉, 플렉서블 기판과 바이오센서 사이의 높이)가 있더라도, 마이크로 유체 채널(230)이 충분한 밀폐성을 유지할 수 있으며, 그 결과 마이크로 유체 채널(230)을 흐르는 검출대상물질(예를 들면 항원)이 외부로 누출되는 문제 없이 상기 마이크로 유체 채널(230)을 원활히 유동할 수 있다. 더 나아가, 본 발명에서의 바이오센서는 상기 제 2 식각 공정의 공정조건 및 시간에 따라 다양한 높이를 가질 수 있다. 따라서, 제 2 식각 공정의 조건을 적절히 선택하는 경우, 낮은 높이의 바이오센서가 제조될 수 있으며, 이 경우 마이크로 유체 채널을 구비한 상기 PDMS의 가요성은 마이크로 유체 채널에서 항원 등이 누출되는 문제를 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 구조를 갖는 바이오센서는 특히 하나의 항원에 대한 다양한 항체 후보군을 테스트하거나, 또는 하나의 항체를 하나 이상의 항원에 대하여 테스트하는 경우 매우 효과적이다. 즉, 하나 이상의 게이트 전극 패드(190) 상에 각기 상이한 항체 후보를 고정화시키고, 다시 마이크로 유체 채널을 구비한 PDMS를 이용하여, 하나의 항원을 상기 하나 이상의 게이트 전극 패드(190)에 동시에 흘리는 경우, 각각의 바이오센서에 대한 전류 변화의 검출이 가능하며, 이로써 최적 효과를 갖는 항체를 효과적으로 선별할 수 있다.
도 1은 바이오센서 소자가 제조되는 실리콘 기판의 평면도 및 단면도이다.
도 2는 실리콘 기판에 소스 및 드레인 영역이 형성된 후의 평면도 및 단면도이다.
도 3은 상기 실리콘 기판상에 절연막이 적층된 후의 평면도 및 단면도이다.
도 4는 상기 절연막을 패터닝하고, 식각한 후, 스페이서를 실리콘 기판의 측면에 형성한 후의 평면도 및 단면도이다.
도 5는 상기 실리콘 기판을 제 2식각한 후의 평면도 및 단면도이다.
도 10은 PDMS에 바이오센서 영역 3개가 접합된 모습을 나타내는 도면이다.
도 7은 일부 바이오 기판 영역을 분리한 후의 실리콘 기판의 평면도이다.
도 8은 플렉서블 기판상에 실리콘 기판을 전사한 후의 평면도 및 단면도이다.
도 9 및 10은 상기 실리콘 기판상에 게이트 산화막을 적층하고, 다시 패터닝한 후의 평면도 및 단면도이다.
도 11은 상기 게이트 산화막 및 실리콘 기판상에 금속층을 적층한 후의 평면도 및 단면도이다.
도 12는 상기 금속층을 패터닝하여, 소스, 게이트 및 드레인 전극 및 검출패드 등을 제조한 후의 평면도 및 단면도이다.
도 13은 바이오센서의 게이트 전극에 제 1 마이크로 채널을 형성하여, 생물학적 활성물질을 게이트 전극에 고정화한 후의 평면도 및 단면도이다.
도 14는 각각 상이한 생물학적 활성물질이 고정화된 후의 평면도 및 단면도이다.
도 15는 제 2 마이크로 유체 채널이 형성된 PDMS를 바이오센서 상에 올려놓은 모습을 나타내는 평면도 및 단면도이다.

Claims (17)

  1. 플렉서블 기판; 및
    상기 플렉서블 기판상에 구비되며, 생물학적 활성 물질이 고정화된 바이오센서;
    상기 바이오센서의 게이트 전극에 형성되어져, 상기 생물학적 활성 물질이 고정화(immobilize)되는 제1 마이크로 유체 채널;
    상기 게이트 전극에 적층되며, 상기 게이트 전극을 지나는 제 2 마이크로 유체 채널이 구비된 고분자층;을 포함하며,
    여기에서 상기 바이오센서는 소스, 게이트, 드레인 전극을 구비하고, 상기 게이트 전극에 상기 생물학적 활성 물질이 고정화되며,
    상기 제 2 마이크로 유체 채널에 검출하고자 하는 물질을 흘림으로써, 게이트 전극의 전압변화를 유도하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 바이오센서.
  2. 바이오 센서에 있어서,
    상기 바이오 센서는 플렉서블 기판; 상기 플렉서블 기판 상에 적층된 실리콘 기판;
    상기 실리콘 기판상에 적층된 소스, 게이트, 드레인 전극, 상기 게이트 전극;
    상기 게이트 전극에 고정화된 생물학적 활성 물질;
    상기 바이오센서의 게이트 전극에 형성되어져, 상기 생물학적 활성 물질이 고정화(immobilize)되는 제1 마이크로 유체 채널; 및
    상기 게이트 전극에 적층되며, 상기 게이트 전극을 지나는 제 2 마이크로 유체 채널이 구비된 고분자층;을 포함하며, 여기에서 상기 실리콘 기판은 상기 소스 및 드레인 전극에 대응하는 소스 및 드레인 영역이 형성된 후, 상기 플렉서블 기판상에 전사되고, 이후 상기 전사된 실리콘 기판 상에 소스, 게이트 전극이 적층되고, 상기 게이트 전극에 상기 생물학적 활성 물질이 고정화되며,
    상기 제 2 마이크로 유체 채널에 검출하고자 하는 물질을 흘림으로써, 게이트 전극의 전압변화를 유도하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 바이오 센서.
  3. 플렉서블 기판; 및
    상기 플렉서블 기판상에 구비된 바이오센서를 포함하며, 여기에서 상기 바이오센서는, 상기 플렉서블 기판상의 실리콘 기판;
    상기 실리콘 기판에 p형 또는 n형 불순물을 주입함으로써 형성되며, 소정 간격으로 이격된 소스 및 드레인 영역;
    상기 소스 및 드레인 영역에 각각 연결된 소스 및 드레인 전극;
    상기 소스 및 드레인 영역 사이에 실리콘 기판상에 순차적으로 적층된 게이트 산화막 및 게이트 전극;
    상기 소스 및 드레인 전극으로부터 연장되며, 전류 변화를 검출하기 위한 전류 측정 패드;
    상기 바이오센서의 게이트 전극에 형성되어져, 생물학적 활성 물질이 고정화(immobilize)되는 제1 마이크로 유체 채널; 및
    상기 게이트 전극에 적층되며, 상기 게이트 전극을 지나는 제 2 마이크로 유체 채널이 구비된 고분자층;을 포함하며,
    상기 제 2 마이크로 유체 채널에 검출하고자 하는 물질을 흘림으로써, 게이트 전극의 전압변화를 유도하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 바이오센서.
  4. 플렉서블 기판; 및
    상기 플렉서블 기판 상에 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 따른 바이오센서 복수개가 소정 간격으로 이격된 것을 특징으로 하는 플렉서블 바이오센서.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 하나 이상의 바이오센서의 게이트 전극에 고정된 생물학적 활성 물질이 각기 상이한 것을 특징으로 하는 플렉서블 바이오센서.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 생물학적 활성 물질은 항체인 것을 특징으로 하는 플렉서블 바이오센서.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 플렉서블 바이오센서는 상기 하나 이상의 바이오센서 상에 적층된 플렉서블 고분자층을 더 포함하며, 여기에서 상기 플렉서블 고분자층은 마이크로 유체채널을 구비함으로써, 상기 마이크로 유체 채널을 통하여 상기 게이트 전극에 검출하고자 하는 물질이 흐르는 것을 특징으로 하는 플렉서블 바이오센서.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 고분자층은 PDMS인 것을 특징으로 하는 플렉서블 바이오센서.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 물질은 항원인 것을 특징으로 하는 플렉서블 바이오센서.
  10. 실리콘 기판상의 바이오센서가 제조되는 영역에 소스 및 드레인 영역을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 기판상에 절연막을 적층한 후, 패터닝하여 상기 바이오센서가 제조되는 영역의 실리콘 기판을 절연막으로 마스킹하는 단계;
    상기 바이오센서가 제조되는 영역의 실리콘 기판을 하부 실리콘 기판으로부터 분리하는 단계; 및
    상기 분리된 실리콘 기판상에 바이오센서를 제조하는 단계;를 포함하고,
    상기 바이오센서 제조는,
    플렉서블 기판에 전사된 실리콘 기판상에 게이트 산화막을 적층한 후, 패터닝하는 단계;
    상기 패터닝된 게이트 산화막 및 실리콘 기판상에 금속층을 증착하는 단계;
    상기 증착된 금속층을 패터닝하여, 소스, 게이트 및 드레인 전극을 형성하는 단계;
    상기 게이트 전극을 지나는 상기 실리콘 기판의 제 1 마이크로 유체 채널을 형성하는 단계;
    상기 마이크로 유체 채널에 생물학적 활성 물질을 흘림으로써, 상기 게이트 전극에 생물학적 활성 물질을 고정화시키는 단계; 및
    상기 게이트 전극을 지나는 제 2 마이크로 유체 채널이 구비된 고분자층을 제조한 후, 이를 상기 게이트 전극에 적층시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서 제조방법.
  11. 실리콘 기판상의 바이오센서가 제조되는 영역에 소스 및 드레인 영역을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 기판상에 절연막을 적층한 후, 패터닝하여 상기 바이오센서가 제조되는 영역의 실리콘 기판을 절연막으로 마스킹하는 단계;
    상기 절연막 사이에 노출되는 실리콘 기판을 제 1 식각하는 단계;
    상기 제 1 식각에 의하여 노출된 실리콘 기판의 측면에 스페이서를 형성하는 단계;
    상기 스페이서 사이에 노출되는 실리콘 기판을 제 2 식각하는 단계;
    상기 바이오센서 제조영역의 실리콘 기판을 플렉서블 기판에 전사시키는 단계; 및
    상기 플렉서블 기판에 전사된 상기 바이오센서 제조영역의 실리콘 기판 상에 바이오센서를 제조하는 단계를 포함하고,
    상기 바이오센서 제조는,
    상기 플렉서블 기판에 전사된 실리콘 기판상에 게이트 산화막을 적층한 후, 패터닝하는 단계;
    상기 패터닝된 게이트 산화막 및 실리콘 기판상에 금속층을 증착하는 단계;
    상기 증착된 금속층을 패터닝하여, 소스, 게이트 및 드레인 전극을 형성하는 단계;
    상기 게이트 전극을 지나는 상기 실리콘 기판의 제 1 마이크로 유체 채널을 형성하는 단계;
    상기 마이크로 유체 채널에 생물학적 활성 물질을 흘림으로써, 상기 게이트 전극에 생물학적 활성 물질을 고정화시키는 단계; 및
    상기 게이트 전극을 지나는 제 2 마이크로 유체 채널이 구비된 고분자층을 제조한 후, 이를 상기 게이트 전극에 적층시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서 제조방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 바이오센서가 제조 영역 상에 하나 이상의 바이오 센서가 제조되는 것을 특징으로 하는 바이오센서 제조방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 전사는 상기 하나 이상의 바이오센서가 제조되는 실리콘 기판 영역의 일부 또는 전부를 선택적으로 전사하는 것을 특징으로 하는 바이오센서 제조방법.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 제 2 식각은 비등방식각인 것을 특징으로 하는 플렉서블 바이오센서 제조방법.
  15. 삭제
  16. 제 11항에 있어서,
    상기 바이오 센서는 플렉서블 기판상에 하나 이상 구비되며, 상기 제 2 마이크로 유체 채널은 상기 하나 이상의 바이오 센서의 게이트 전극을 동시에 지나는 것을 특징으로 하는 플렉서블 바이오센서 제조방법.
  17. 제 11항에 따라 제조된 플렉서블 바이오센서의 제 2 마이크로 유체 채널을 통하여 검출하고자 하는 물질을 상기 게이트 전극으로 흘리는 것을 특징으로 하는 플렉서블 바이오센서의 사용방법.
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