KR101920826B1 - 광학 바이오센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광학 바이오센서에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 바이오센서는, 기판; 상기 기판 상에 배치되고, 조사된 광에 의해 전기신호를 생성하는 포토센서; 및 상기 포토센서 상에 배치되며, 분석하고자 하는 대상물질과 조사된 광에 의해 형광, 흡광 또는 발광하는 유도물질이 포함된 바이오샘플층을 포함하고, 상기 포토센서에 조사된 광은 상기 바이오샘플층에서 형광, 흡광 또는 발광된 광이 조사될 수 있다. 본 발명에 의하면, 조사된 광에 의해 변화된 스펙트럼을 포토센서부를 통해 감지하여 전기적 신호로 변환하여 바이오샘플을 분석함에 따라 별도의 디텍터를 이용하지 않더라도, 바이오샘플을 분석할 수 있는 효과가 있다.

Description

광학 바이오센서{OPTICAL BIOSENSOR}
본 발명은 광학 바이오센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 포토센서부를 이용하여 바이오샘플을 측정할 수 있는 광학 바이오센서에 관한 것이다.
임상학적으로 중요한 바이오샘플을 분석하는 것은 진단 및 건강관리를 위해 중요한 사항이다. 특히, DNA, RNA, protein, enzyme, cell, hormone 등의 바이오샘플은 광학적인 방법으로 분석할 필요가 있다. 이를 위해 형광, 흡광 또는 발광 현상을 이용한 광학 바이오센서 시스템을 구성하여 해당 바이오샘플에 대한 분석이 이루어진다.
이러한 종래의 광학 바이오센서 시스템은 레이저나 LED 등의 광원(light source), 포톤 카운팅 디텍터(photon counting detector), PMT나 CCD 카메라 등의 디텍터(detector)가 필요하며, 추가로, 여기필터(excitation filter), 에미션필터(emission filter) 및 거울(mirror) 등의 장비가 추가로 필요하여 그 부피가 상당하다.
종래의 광학 바이오센서 시스템은 플레이트 상에 바이오샘플을 배치시키고, 외부의 광원에서 광이 조사되면, 바이오샘플에 배치된 거울을 통해 반사된 광을 디텍터에서 감지하는 방식으로 바이오샘플을 분석하기 위한 시스템이다. 이때, 여기필터는 광원 측에 배치되며, 에미션필터는 디텍터 측에 배치된다.
상기와 같은 종래의 광학 바이오센서 시스템은 그 구성이 복잡하기 때문에 사용에 대한 비용이 많이 발생하고, 종래의 광학 바이오센서 시스템의 사용을 위한 추가적인 교육이 필요하고, 운용비용이 높은 단점이 있다.
더욱이, 종래의 광학 바이오센서 시스템의 큰 크기로 인해 실험실이 아닌 현장진단(POCT, point of care testing)이 어렵고, 종래의 광학 바이오센서 시스템을 소형화하는 것이 매우 어려운 단점이 있다.
게다가, 디텍터를 통해 입력된 영상을 영상 처리하여 분석하기 때문에, 바이오샘플에 대한 분석 오차가 크며, 온도나 습도의 영향을 받을 수 있어 안정된 실험실 외의 다른 장소에서 정확한 분석이 이루어지는 것이 쉽지 않은 문제가 있다.
대한민국 공개특허 제10-2013-0109470호(2013.10.08)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 실험실이 아닌 현장에서 직접 사용할 수 있고, 낮은 분석비용과 운용비용이 소요되는 광학 바이오센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 바이오센서는, 기판; 상기 기판 상에 배치되고, 조사된 광에 의해 전기신호를 생성하는 포토센서; 및 상기 포토센서 상에 배치되며, 분석하고자 하는 대상물질과 조사된 광에 의해 형광, 흡광 또는 발광하는 유도물질이 포함된 바이오샘플층을 포함하고, 상기 포토센서에 조사된 광은 상기 바이오샘플층에서 형광, 흡광 또는 발광된 광이 조사될 수 있다.
그리고 상기 포토센서와 바이오샘플층 사이에 배치되며, 상기 바이오샘플층에서 포토센서로 조사되는 광의 일부를 차단하는 파장필터를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 파장필터는 상기 포토센서에 조사되는 광의 위치에 따라 상기 포토센서와 바이오샘플층 사이에서 분리 또는 결합될 수 있다.
여기서, 상기 포토센서는 다수의 서브셀을 포함하고, 상기 파장필터는, 상대적으로 짧은 파장 대역의 광을 차단하는 숏 파장필터, 상대적으로 중간 파장 대역의 광을 차단하는 미들 파장필터 및 상대적으로 긴 파장 대역의 광을 차단하는 롱 파장필터 중 어느 하나 이상을 포함하며, 상기 숏 파장필터, 미들 파장필터 및 롱 파장필터 중 어느 하나 이상이 상기 다수의 서브셀 각각에 배치될 수 있다.
또한, 상기 바이오샘플층이 상기 포토센서의 일부에 배치되어 분석 센싱 영역을 이루고, 상기 바이오샘플층이 배치되지 않은 상기 포토센서의 나머지는 기준 센싱 영역을 이룰 수 있다.
이때, 상기 포토센서는, 조사된 광에 의해 전기신호를 생성하는 포토다이오드; 및 상기 포토다이오드에서 생성된 전기신호를 처리하는 제1 박막트랜지스터를 포함할 수 있으며, 상기 포토다이오드 및 상기 제1 박막트랜지스터에 축적된 잔류 전류 성분을 제거하는 제2 박막트랜지스터를 더 포함할 수 있다.
또한, 게이트 라인, 게이트 리셋 라인 및 데이터 라인을 더 포함하고, 상기 제1 및 제2 박막트랜지스터는 각각 상기 게이트 라인, 게이트 리셋 라인 및 데이터 라인이 형성된 영역에 배치될 수 있다.
그리고 상기 제1 박막트랜지스터는 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하고, 상기 제1 박막트랜지스터의 드레인 전극은 상기 데이터 라인에 연결되며, 상기 제1 박막트랜지스터의 게이트 전극은 상기 게이트 라인에 연결될 수 있다.
또, 상기 제2 박막트랜지스터는 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하며, 상기 제2 박막트랜지스터의 게이트 전극이 상기 게이트 리셋 라인에 연결될 수 있다.
그리고 상기 포토다이오드의 출력 값을 증폭하는 제3 박막트랜지스터를 더 포함할 수 있으며, 게이트 라인, 게이트 리셋 라인 및 데이터 라인을 더 포함하고, 상기 제3 박막트랜지스터는 상기 게이트 라인, 게이트 리셋 라인 및 데이터 라인이 형성된 영역에 배치될 수 있다.
또한, 상기 포토센서는, 조사된 광에 의해 전기신호를 생성하는 포토다이오드와 MOSFET이 조합된 상보형 금속산화물 반도체(CMOS)를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 조사된 광에 의해 변화된 스펙트럼을 포토센서부를 통해 감지하여 전기적 신호로 변환하여 바이오샘플을 분석함에 따라 별도의 디텍터를 이용하지 않더라도, 바이오샘플을 분석할 수 있는 효과가 있다. 그에 따라 실험실이 아닌 현장에서 즉시 바이오샘플에 대한 분석이 이루어질 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 바이오센서를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 절취선 AA'를 따라 취한 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 바이오센서에서 바이오샘플을 분석하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 바이오센서를 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 절취선 BB'를 따라 취한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학 바이오센서를 도시한 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 바이오센서의 각 단위 서브셀에 적용될 수 있는 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 바이오센서의 포토센서부에 하나의 박막트랜지스터가 적용된 일례를 설명하기 회로도, 단면도 및 평면도이다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 바이오센서의 포토센서부에 두 개의 박막트랜지스터가 적용된 일례를 설명하기 위한 회로도, 단면도 및 평면도이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 바이오센서의 포토센서부에 세 개의 박막트랜지스터가 적용된 일례를 설명하기 위한 회로도 및 평면도이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 바이오센서의 포토다이오드의 양자효율과 출력신호를 도시한 그래프이다.
도 12a 및 도 12b는 광학 바이오센서의 형광 바이오샘플층에 포함된 형광유도 물질을 통한 반응에 따른 형광감도의 증가를 나타내는 그래프와 전기적 신호 출력값을 나타낸 그래프이다.
도 13a 내지 도 13e는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 바이오센서의 파장필터의 역할을 설명하기 위한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 바이오센서와 분석기를 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 바이오센서와 분석기의 변형 예를 도시한 도면이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 바이오센서를 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 절취선 AA'를 따라 취한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 바이오센서(100)는 마운트(110), 포토센서부(120), 파장필터(125, wavelength filter), 형광 바이오샘플층(135, sample with fluorescence), 벽부(140), 리드아웃 패드(160) 및 게이트 드라이빙 패드(170)를 포함한다.
마운트(110, mount)는 포토센서부(120), 파장필터(125), 형광 바이오샘플층(135), 벽부(140), 리드아웃 패드(160) 및 게이트 드라이빙 패드(170)를 지지한다. 마운트(110)는 형광 바이오샘플층(135)에 형광유도 물질과 바이오샘플이 포함된 상태에서, 광학 바이오센서(100)를 후술할 분석기에 결합시키는 역할을 한다.
포토센서부(120)는 기본 단위로 서브셀(122, 또는 픽셀)을 갖고, 복수의 서브셀(122)이 규칙적으로 배열될 수 있다. 포토센서부(120)는 조사된 광을 분석하여 광의 스펙트럼을 전기적인 신호로 변환하는 역할을 한다. 이러한 포토센서부(120)는 내부에 포토다이오드(37)와 하나 이상의 박막트랜지스터를 포함할 수 있으며, 이에 대한 자세한 사항은 후술한다. 포토센서부(120)는 마운트(110) 상에 배치될 수 있다.
여기서, 포토센서부(120)에 하나 이상의 박막트랜지스터 대신 MOSFET이 포함될 수도 있다. 또는, 포토센서부(120)는 MOSFET과 포토다이오드(37)가 조합된 상보형 금속산화물 반도체(CMOS)를 포함할 수 있다.
그리고 포토센서부(120) 상에 파장필터(125, wavelength filter)가 배치될 수 있다. 파장필터(125)는 숏 파장필터(short wavelength filter)와 롱 파장필터(long wavelength filter)를 포함한다. 숏 파장필터는 가시광선 파장대역에서 낮은 파장대역의 광을 차단하는 필터이고, 롱 파장필터는 가시광선 파장대역에서 높은 파장대역의 광을 차단하는 필터이다.
형광 바이오샘플층(135)은 파장필터(125) 상애 배치될 수 있고, 광원에서 특정 파장대역이나 다수의 파장대역의 광이 조사되면, 형광, 흡광 또는 발광 현상을 일으킨다. 형광 바이오샘플층(135)은 멤브레인(membrane), 흡착패드(absorbent pad) 및 결합패드(conjugate pad) 중 어느 하나일 수 있다. 그리고 형광 바이오샘플층(135)에는 DNA, RNA, 단백질(protein), 효소(enzyme), 세포(cell) 및 호르몬(hormone) 등의 분석하고자 하는 물질이 형광, 흡광 또는 발광 유도물질과 혼합된 상태로 포함될 수 있다.
그리고 벽부(140)는 포토센서부(120)의 상부에 배치되며, 포토센서부(120)의 가장자리를 따라 내측에 소정의 영역이 형성되도록 배치될 수 있다. 그에 따라 파장필터(125)와 형광 바이오샘플층(135)은 벽부(140)의 내측에 배치되어 외측으로 벗어나지 않을 수 있다. 이때, 벽부(140)의 내측 영역이 분석 센싱 영역(SA)이다.
리드아웃 패드(160) 및 게이트 드라이빙 패드(170)는 각각 마운트(110) 상부에 배치되며, 벽부(140)의 외측에 배치될 수 있다. 이때, 리드아웃 패드(160)와 게이트 드라이빙 패드(170)는 각각 마운트(110)의 네 면 중 서로 다른 면에 배치될 수 있으며, 포토센서부(120)와 전기적으로 연결될 수 있다. 리드아웃 패드(160) 및 게이트 드라이빙 패드(170)는 각각 포토센서부(120)에 포함된 다수의 서브셀(122)과 전기적으로 연결되며, 각 서브셀(122)에 전원을 공급하고, 각 서브셀(122)에서 분석된 정보에 대한 전기신호를 외부로 출력할 수 있다.
상기와 같은 광학 바이오센서(100)는 환경과 비용에 따라 일회용 또는 수회 사용할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 바이오센서에서 바이오샘플을 분석하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 3a는 마운트(110)를 기준으로 상부에 광원이 배치되어 있는 경우에 대한도면으로, 광원은 형광 바이오샘플층(135)의 상부에 배치된다. 이때, 광원과 형광 바이오샘플층(135) 사이에 여기필터(145, excitation filter)가 배치될 수 있다.
광원은 레이저나 LED(light emitting diode)일 수 있고, LED는 다양한 파장대역의 광을 조사할 수 있도록 적색 LED, 녹색 LED 및 청색 LED 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 광학 바이오센서(100)의 상부에 광원이 배치되는 경우, 광원에서 형광 바이오샘플층(135)으로 광이 조사되면, 광원의 특정 파장 또는 다수의 파장에 의해 형광 바이오샘플층(135)에서 형광, 흡광 또는 발광 현상이 발생하고, 이렇게 발생된 형광, 흡광 또는 발광된 파장과 강도를 포토센서부(120)에서 감지한다. 그리고 포토센서부(120)는 광전효과에 의해 발생된 전류 또는 전압의 차이를 박막트랜지스터나 MOSFET에서 전기적인 신호로 변환되어 리드아웃 패드(160)를 통해 외부로 출력될 수 있다.
이렇게 포토센서부(120)가 형광 바이오샘플층(135)에서 바로 전기적인 신호로 직접 변환하기 때문에 정확도가 높고, 온도나 습도의 영향을 받지 않으므로 분석 장소에 대해 구애받지 않을 수 있다. 또한, 구성이 간단하여 경량화 및 소형화가 가능하여 현장분석(POCT) 장비로 이용될 수 있다.
다음으로, 도 3b에 도시된 바와 같이, 마운트(110)를 기준으로 하부에 광원이 배치될 수 있다. 그에 따라 광원과 포토센서부(120) 사이에 여기필터(145)가 배치될 수 있다.
그리고 형광 바이오샘플층(135)과 포토센서부(120) 사이에 배치된 파장필터(125)를 제거하거나 교체할 수 있다. 이는 하부에서 조사된 광에 의해 형광 바이오샘플층(135)을 여기(excitation)시키기 위해 파장필터(125)를 제거할 수 있다. 또한, 형광 바이오샘플층(135)에서 여기된 형광, 흡광 또는 발광의 광을 파장대역의 광으로 필터링하기 위해 형광 바이오샘플층(135)과 포토센서부(120) 사이에 파장필터(125)를 배치시킬 수 있다. 이를 위해 도 3b에 도시된 바와 같이, 파장필터(125)의 일 측에 별도의 벽부(140)가 구비되지 않을 수 있다.
또한, 하부에서 조사된 광이 형광 바이오샘플층(135)에 도달할 수 있게 포토센서부(120)는 투명기판을 포함할 수 있으며, 마운트(110)도 투명할 수 있다.
상기와 같이, 광원을 광학 바이오센서(100)의 하부에 배치함으로써, 광원으로부터 오는 광열이나 부가적으로 발생하는 열을 포토센서부(120)에서 차단하여, 열에 의해 형광 바이오샘플층(135) 내의 대상물질이 오염되거나 변질되는 것을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 바이오센서를 도시한 도면이고, 도 5는 도 4의 절취선 BB'를 따라 취한 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 바이오센서(100)에 대해 설명한다. 본 실시예에 따른 광학 바이오센서(100)는 일 실시예에서와 거의 유사한 구성을 가지지만, 일 실시예와 달리, 분석 센싱 영역(SA)뿐만 아니라, 기준 센싱 영역(RA)을 포함한다. 기준 센싱 영역(RA)은 분석 센싱 영역(SA)에서 분석된 결과에 대한 기준 값을 얻기 위해 구비되며, 또한, 분석 센싱 영역(SA)에서의 실측값을 보정하기 위해 구비된다.
그에 따라, 도 4에 도시된 바와 같이, 분석 센싱 영역(SA)은 포토센서부(120) 상의 영역 중 일부 영역일 수 있고, 기준 센싱 영역(RA)은 포토센서부(120) 상의 나머지 영역일 수 있다. 이때, 분석 센싱 영역(SA)은 게이트 드라이빙 패드(170) 측에 배치될 수 있다.
이러한 본 실시예에 따른 광학 바이오센서(100)에 대해 도 5에 도시된 단면도를 참조하면, 분석 센싱 영역(SA)의 구성은 일 실시예에서 설명한 광학 바이오센서(100)와 동일한 구조를 갖는다. 그리고 기준 센싱 영역(RA)의 구성은 마운트(110) 상에 포토센서부(120)만 배치되고, 포토센서부(120)의 상부에 파장필터(125) 및 형광 바이오샘플층(135)은 배치되지 않는다. 그에 따라 기준 센싱 영역(RA)은 광원에서 조사된 광에 의해 형광, 흡광 또는 발광 현상이 없는 상태의 광전효과의 기준값을 측정할 수 있다.
본 실시예에서, 광원은 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 광학 바이오센서(100)의 상부 또는 하부에 배치될 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학 바이오센서를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학 바이오센서(100)에 대해 설명한다. 본 실시예에 따른 광학 바이오센서(100)는 일 실시예에서와 거의 유사한 구성을 갖는다. 다만, 포토센서부(120) 상의 영역에 배치된 복수의 서브셀(122) 중 어느 하나의 서브셀(122)을 기준 센싱 영역(RA)으로 설정할 수 있다. 물론, 하나의 서브셀(122)이 아닌, 수 개의 서브셀(122)을 기준 센싱 영역(RA)으로 설정할 수도 있다. 이때, 기준 센싱 영역(RA)으로 설정된 서브셀(122)의 위치는 포토센서부(120) 상의 중앙이나 가장자리 등 어느 위치에 배치될 수 있다.
포토센서부(120) 상에서 분석 센싱 영역(SA)의 구조는 일 실시예에서의 구성과 동일한 구성을 가질 수 있고, 기준 센싱 영역(RA)의 구조는 다른 실시예에서 설명한 기준 센싱 영역(RA)의 구성과 동일할 수 있다. 그러므로 구조에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 바이오센서의 각 단위 서브셀에 적용될 수 있는 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 및 도 7b에 도시된 도면은 광학 바이오센서(100)를 구성하는 단위 서브셀(122)들의 일부를 도시한 것으로, 파장필터(125)의 유무, 형광 바이오샘플층(135)의 유무 및 포토센서부(120)로의 광 조사 여부 등을 다르게 설정한 일례이다.
도 7a에 도시된 단위는 네 개의 서브셀(A, C, D, E영역)을 하나의 단위로 설정한 것이며, 도 7b에 도시된 단위는 여섯 개의 서브셀(A, B, C, D, E, F영역)을 하나의 단위로 설정한 것이다.
이때, 서브셀(122) 중 A영역에 포함된 파장필터(125)는 숏 파장필터가 적용된 것으로 짧은 파장대역의 광을 차단한 것이고, B영역에 포함된 파장필터(125)는 미들 파장필터가 적용된 것으로 중간 파장대역의 광을 차단한 것이며, C영역에 포함된 파장필터(125)는 롱 파장필터가 적용된 것으로 긴 파장대역의 광을 차단한 것이다. 여기서, 짧은 파장대역, 중간 파장대역 및 긴 파장대역의 구분은 서로 상대적인 것이며, 필요에 따라 차단하고자 하는 파장대역은 달라질 수 있다.
그리고 D영역은 형광 바이오샘플층(135)과 파장필터(125)를 제거한 기준 센싱 영역(RA)으로, 포토센서부(120)에 광이 조사되지 않게 완전히 차단한 상태에서의 포토 전류를 측정하기 위한 영역이다. 또한, E영역은 형광 바이오샘플층(135)과 파장필터(125)를 제거한 기준 센싱 영역(RA)으로, 포토센서부(120)에 광이 완전히 포화되도록 광이 조사된 상태에서의 포토 전류를 측정하기 위한 영역이다. 또, F영역은 형광 바이오샘플층(135)과 파장필터(125)만 제거한 기준 센싱 영역(RA)이다.
도 7a 및 도 7b에 도시된 단위 서브셀(122)들의 각 영역(A, B, C, D, E, F영역)은 그 배치가 달라질 수 있고, 각 영역들(A, B, C, D, E, F영역) 간의 조합도 필요에 따라 달라질 수 있다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 바이오센서의 포토센서부에 하나의 박막트랜지스터가 적용된 일례를 설명하기 회로도, 단면도 및 평면도이다.
도 8a 내지 도 8c에 도시된 포토센서부(120)는 하나의 서브셀(122)을 나타낸 것으로, 도 8a에 도시된 바와 같이, 하나의 박막트랜지스터와 포토다이오드(37)를 포함할 수 있다.
포토센서부(120)의 구성에 대해 보다 자세히 설명하면, 포토센서부(120)는, 기판(21), 제1 게이트 전극(23a), 제1 절연층(25), 제1 반도체 활성층(27a), 오믹컨택층(28), 드레인 전극(29), 제2 절연층(33), 하부전극, 포토다이오드(37), 투명 전극(39), 데이터 라인(43), 차광막(44), 바이어스 라인(45) 및 보호층(47)을 포함한다.
도 8b 및 도 8c를 참조하면, 하부에 기판(21)이 배치되고, 기판(21) 상에 각 구성이 적층될 수 있다. 기판(21) 상에 제1 게이트 전극(23a)이 배치되는데, 제1 게이트 전극(23a)은 기판(21)을 가로질러 소정의 길이를 갖게 배치된다. 그리고 길이 방향에 수직한 방향으로 돌출된 돌출부를 가질 수 있다. 이때, 제1 게이트 전극(23a)은 Al, Al-Nd, Al-Cu, Mo, Ti, Ta 및 Cr 중 어느 하나 이상을 포함하는 단종 또는 합금일 수 있으며, 또한, 단일층 또는 다중층일 수 있다. 제1 게이트 전극(23a)은 게이트 드라이빙 패드(170)와 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 게이트 전극(23a) 상에 제1 절연층(25)이 배치될 수 있다. 제1 절연층(25)은 기판(21) 전면을 덮도록 배치될 수 있고, 다른 전극들과 제1 게이트전극을 전기적으로 절연할 수 있으며, SiO2 등을 포함할 수 있다.
그리고 제1 절연층(25)의 상부에 제1 반도체 활성층(27a)이 배치된다. 제1 반도체 활성층(27a)은 제1 게이트 전극(23a) 상에만 배치될 수 있으며, 도시된 바와 같이, 기판(21) 상의 전면을 덮도록 배치될 수 있다. 제1 반도체 활성층(27a)은, 각각 비정질 실리콘, 저온 다결정 실리콘 및 산화물 반도체 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 이때, 산화물 반도체는, In, Ga 및 Zn 중 적어도 하나의 산화물일 수 있다.
제1 반도체 활성층(27a) 상에 드레인 전극(29) 및 하부 전극(35)이 배치될 수 있다. 드레인 전극(29)과 하부 전극(35)은 서로 동일한 소재를 포함하고, 동시에 형성될 수 있다. 드레인 전극(29)과 하부 전극(35)은 길이 방향을 갖는 하나의 전극부재에 의해 형성될 수 있으며, 게이트 전극 상에서 에칭되어 서로 분리될 수 있다.
제1 반도체 활성층(27a)과 제1 게이트 전극(23a), 드레인 전극(29) 및 하부 전극(35)은 하나의 박막트랜지스터를 이룰 수 있다. 이때, 하부 전극(35)은 박막트랜지스터의 소스 전극(31)일 수 있다. 여기서, 드레인 전극(29) 및 하부 전극(35)은, 각각 Al, Al-Nd, Al-Cu, Mo, Ti, Ta 및 Cr 중 어느 하나 이상을 포함하는 단종 또는 합금일 수 있고, 또한, 단일층 또는 다중층일 수 있다.
여기서, 제1 반도체 활성층(27a) 및 제2 반도체 활성층(27b)과 드레인 전극(29) 및 하부 전극(35)의 오믹 컨택을 높이기 위한 오믹컨택층(28)이 사이에 개재될 수 있다. 즉, 오믹컨택층(28)은 제1 반도체 활성층(27a)과 드레인 전극(29) 사이 및 제2 반도체 활성층(27b)과 하부 전극(35) 사이에 배치될 수 있다.
하부 전극(35) 상에 포토다이오드(37)가 배치될 수 있다. 포토다이오드(37)는 PIN 다이오드, APD(avalanche photo diode) 등이 이용될 수 있으며, 포토다이오드(37)로 조사된 광에 의해 전기신호를 생성할 수 있다.
포토다이오드(37)는 n형 반도체층(37a), 진성 반도체층(37b) 및 p형 반도체층(37c)을 포함할 수 있고, n형 반도체층(37a), 진성 반도체층(37b) 및 p형 반도체층(37c)은 각각 비정질 실리콘, 나노결정 실리콘, 마이크로결정 실리콘, 또는 갈륨(Ga), 인듐(In), 주석(Sn), 아연(Zn) 중 하나 이상의 원소를 포함하는 산화물 반도체일 수 있다. 일례로, 포토다이오드(37)는 n+ 나노결정 실리콘층, 나노결정 실리콘층 및 p+ 나노결정 실리콘층의 적층 구조로 이루어질 수 있으며, 이러한 경우 나노결정 실리콘의 상대적으로 높은 전자 이동도 및 낮은 누설전류 덕분에 포토다이오드(37)의 특성을 향상시킬 수 있다.
그리고 포토다이오드(37)의 상부에 투명전극이 배치될 수 있다. 투명전극은 투명한 도전 물질을 포함하고, 도전 물질은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), AZO(Aluminum Zinc Oxide) 또는 ZnO이 될 수 있다.
상기와 같이, 포토다이오드(37)는 하부 전극(35) 상에만 배치되며, 드레인 전극(29), 하부 전극(35), 드레인 전극(29)과 하부 전극(35) 사이에 노출된 제1 반도체 활성층(27a), 포토다이오드(37) 및 상부 전극을 모두 덮도록 제2 절연층(33)이 배치된다. 이때, 제2 절연층(33)은 투명할 수 있다.
그리고 제2 절연층(33) 상부에 데이터 라인(43), 차광막(44) 및 바이어스 라인(45)이 배치된다. 데이터 라인(43)은 드레인 전극(29) 상에 소정의 길이를 갖도록 배치되며, 제1 비아홀(H1)을 통해 드레인 전극(29)과 전기적으로 연결된다. 바이어스 라인(45)은 상부 전극 상에 소정의 길이를 갖도록 배치되고, 제2 비아홀(H2)을 통해 상부 전극과 전기적으로 연결된다. 차광막(44)은 제2 절연층(33) 상의 제1 게이트 전극(23a) 상에 배치된다.
상기와 같이, 데이터 라인(43), 차광막(44) 및 바이어스 라인(45)이 배치되면, 데이터 라인(43), 차광막(44) 및 바이어스 라인(45)을 덮도록 보호층(47)이 배치된다. 이때, 보호층(47)은 투명할 수 있으며, 제1 내지 제2 절연층(35, 33)과 동일한 소재일 수 있다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 바이오센서의 포토센서부에 두 개의 박막트랜지스터가 적용된 일례를 설명하기 위한 회로도, 단면도 및 평면도이다.
도 9a 내지 도 9c에 도시된 포토센서부(120)는 하나의 서브셀(122)을 나타낸 것으로 도 9a에 도시된 바와 같이, 두 개의 박막트랜지스터와 포토다이오드(37)를 포함할 수 있다.
제1 박막트랜지스터(TFT1)는 포토다이오드(37)가 가시광선에 의해 여기되어 출력한 신호를 처리한다. 그리고 제2 박막트랜지스터(TFT2)는 제1 박막트랜지스터(TFT1)와 포토다이오드(37)에 축적된 잔류 전류 성분을 제거한다.
이를 위해, 제1 박막트랜지스터(TFT1)는 픽셀의 출력 값을 처리하고, 제1 박막트랜지스터(TFT1)의 소스 단자는 제2 박막트랜지스터(TFT2)의 드레인 단자와 연결되고, 제1 박막트랜지스터(TFT1)의 드레인 단자는 데이터 라인(43)을 통해 리드아웃 소자와 연결될 수 있다. 그리고 제1 박막트랜지스터(TFT1)의 게이트 단자는 게이트 라인과 연결될 수 있다.
제2 박막트랜지스터(TFT2)는 제1 박막트랜지스터(TFT1)와 포토다이오드(37)에 축적된 잔류 전류 성분을 제거하여 기저 상태로 낮춤으로써, 실질적인 감도 및 신호대 잡음비를 개선하는 역할을 한다. 이를 위해, 제2 박막트랜지스터(TFT2)의 소스 단자는 VDD 라인과 연결되고, 제2 박막트랜지스터(TFT2)의 드레인 단자는 포토다이오드(37)와 제1 박막트랜지스터(TFT1)의 소스 단자에 동시에 연결된다. 그리고 제2 박막트랜지스터(TFT2)의 게이트는 게이트 리셋 라인과 연결될 수 있다.
그리고 포토다이오드(37)는 앞서 설명한 바와 같이, 일 측이 제2 박막트랜지스터(TFT2)의 드레인 단자에 연결되고, 타 측이 바이어스 라인(45)에 연결될 수 있다.
두 개의 박막트랜지스터가 포함된 포토센서부(120)는, 기판(21), 제1 게이트 전극(23a), 제2 게이트 전극(23b), 제1 절연층(25), 제1 반도체 활성층(27a), 제2 반도체 활성층(27b), 드레인 전극(29), 연결전극, 소스 전극(31), 제2 절연층(33), 하부 전극(35), 포토다이오드(37), 투명 전극(39), 제3 절연층(41), 데이터 라인(43), 바이어스 라인(45) 및 보호층(47)을 포함한다.
기판(21) 상에 제1 게이트 전극(23a) 및 제2 게이트 전극(23b)이 각각 소정의 길이를 가지며 배치된다. 그리고 제1 게이트 전극(23a) 및 제2 게이트 전극(23b)은 각각 길이 방향에 수직한 방향으로 돌출된 돌출부를 각각 가질 수 있으며, 이들 돌출부는 서로를 향해 돌출되되, 서로 이격 배치될 수 있다.
제1 게이트 전극(23a) 및 제2 게이트 전극(23b)의 상부를 덮도록 제1 절연층(25)이 배치되며, 제1 절연층(25)에 의해 제1 게이트 전극(23a) 및 제2 게이트 전극(23b)은 서로 절연될 수 있다.
제1 절연층(25) 상에 제1 반도체 활성층(27a) 및 제2 반도체 활성층(27b)이 각각 배치되며, 제1 반도체 활성층(27a) 및 제2 반도체 활성층(27b)은 각각 제1 게이트 전극(23a) 및 제2 게이트 전극(23b) 상에 배치된다. 이때, 제1 반도체 활성층(27a) 및 제2 반도체 활성층(27b)은 각각 서로 일정 거리 이상 이격 배치된다.
제1 반도체 활성층(27a) 및 제2 반도체 활성층(27b) 상에 드레인 전극(29), 연결 전극(30) 및 소스 전극(31)이 각각 배치된다. 이때, 드레인 전극(29), 연결 전극(30) 및 소스 전극(31)은 서로 동일한 소재를 포함할 수 있고, 각각 제1 반도체 활성층(27a) 및 제2 반도체 활성층(27b)과 전기적으로 연결될 수 있다.
여기서, 드레인 전극(29)은 제1 반도체 활성층(27a)의 일부를 덮도록 배치되고, 연결 전극(30)은 제1 반도체 활성층(27a) 및 제2 반도체 활성층(27b)의 일부를 각각 덮도록 배치되며, 소스 전극(31)은 제2 반도체 활성층(27b)의 일부를 덮도록 배치된다.
드레인 전극(29)은, 데이터 라인(43)을 통해 리드아웃 패드(160)와 전기적으로 연결될 수 있고, 연결 전극(30)은 VDD 라인과 전기적으로 연결될 수 있다.
드레인 전극(29), 연결 전극(30) 및 소스 전극(31)을 덮도록 상부에 제2 절연층(33)이 배치되며, 제2 절연층(33)은 기판(21) 전체를 덮도록 배치될 수 있다.
제2 절연층(33) 상에 하부 전극(35)이 배치된다. 하부 전극(35)은 제1 반도체 활성층(27a) 및 제2 반도체 활성층(27b)을 덮을 수 있을 정도의 너비를 가지며, 제1 비아홀(H1)을 통해 연결 전극(30)과 전기적으로 연결될 수 있다.
하부 전극(35) 상에 포토다이오드(37)가 배치될 수 있다. 포토다이오드(37)는 하부 전극(35) 전체를 덮도록 배치될 수 있고, 조사된 광에 의해 전기신호를 생성할 수 있다. 포토다이오드(37)의 세부 구성은 도 8a 내지 도 8c에 대해 설명할 때와 동일하게 자세한 설명은 생략한다.
포토다이오드(37) 상부에 투명 전극(39)이 배치될 수 있다. 투명 전극(39)은 포토다이오드(37)의 전체를 덮도록 배치될 수 있고, 포토다이오드(37)보다 작은 크기를 가질 수도 있다.
그리고 하부 전극(35)이 덮지 않아 노출된 제2 절연층(33) 및 투명 전극(39)을 덮도록 상부에 제3 절연층(41)이 배치된다. 제3 절연층(41)은 제1 및 제2 절연층(25, 33)과 같은 소재를 가질 수 있다.
제3 절연층(41) 상에 데이터 라인(43) 및 바이어스 라인(45)이 배치될 수 있다. 데이터 라인(43)은 제2 절연층(33) 및 제3 절연층(41)에 형성된 제2 비아홀(H2)을 통해 드레인 전극(29)과 전기적으로 연결될 수 있다. 그리고 바이어스 라인(45)은 제3 절연층(41)에 형성된 제3 비아홀(H3)을 통해 투명 전극(39)과 전기적으로 연결될 수 있다.
그리고 데이터 라인(43) 및 바이어스 라인(45)을 덮도록 보호층(47)이 상부에 배치될 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 바이오센서의 포토센서부에 세 개의 박막트랜지스터가 적용된 일례를 설명하기 위한 회로도 및 평면도이다.
도 10a 및 도 10b에 도시된 포토센서부(120)는 하나의 서브셀(122)을 나타낸 것이며, 도 10a에 도시된 바와 같이, 세 개의 박막트랜지스터와 포토다이오드(37)를 포함한다.
제1 박막트랜지스터(TFT1)는 포토다이오드(37)가 가시광선에 의해 여기되어 출력된 신호를 처리한다. 그리고 제2 박막트랜지스터(TFT2)는 제1 박막트랜지스터(TFT1)와 포토다이오드(37)에 축적된 잔류 전류 성분을 제거하는 역할을 하고, 제3 박막트랜지스터(TFT3)는 포토다이오드(37)에서 출력된 명암(dark and bright)에 대한 신호를 증폭하는 역할을 한다.
이를 위해, 제1 박막트랜지스터(TFT1)는 픽셀의 출력 값을 처리하고, 제1 박막트랜지스터(TFT1)의 소스 단자는 제3 박막트랜지스터(TFT3)의 드레인 단자와 연결되고, 제1 박막트랜지스터(TFT1)의 드레인 단자는 데이터 라인(43)을 통해 리드아웃 소자와 연결될 수 있다. 그리고 제1 박막트랜지스터(TFT1)의 게이트 단자는 게이트 라인과 연결될 수 있다.
제2 박막트랜지스터(TFT2)는 제1 박막트랜지스터(TFT1)와 포토다이오드(37)에 축적된 잔류 전류 성분을 제거하여 기저 상태로 낮춤으로써, 실질적인 감도 및 신호대잡음비를 개선하는 역할을 한다. 이를 위해, 제2 박막트랜지스터(TFT2)의 소스 단자는 포토다이오드(37)와 제3 박막트랜지스터(TFT3)의 게이트 단자와 동시에 연결되고, 제2 트랜지스터(TFT2)의 드레인 단자는 VDD 라인과 연결된다. 그리고 제2 박막트랜지스터(TFT2)의 게이트 단자는 게이트 리셋 라인과 연결될 수 있다.
또한, 제3 박막트랜지스터(TFT3)는 포토다이오드(37)에서 출력된 명암(dark and bright)에 대한 신호를 증폭하고, 증폭된 신호를 제1 박막트랜지스터(TFT1)로 전송하는 역할을 한다. 이를 위해, 제3 박막트랜지스터(TFT3)의 소스 단자는 VDD 라인과 제1 박막트랜지스터(TFT1)의 드레인 단자에 동시에 연결되고, 제3 박막트랜지스터(TFT3)의 드레인 단자는 제1 박막트랜지스터(TFT1)의 소스 단자와 연결될 수 있다. 그리고 제3 박막트랜지스터(TFT3)의 게이트 단자는 포토다이오드(37)와 제2 박막트랜지스터(TFT2)의 소스 단자에 동시에 연결될 수 있다.
세 개의 박막트랜지스터가 포함된 포토센서부(120)는, 기판(21), 제1 게이트 전극(23a), 제2 게이트 전극(23b), 제3 게이트 전극(23c), 제1 절연층(25), 제1 반도체 활성층(27a), 제2 반도체 활성층(27b), 제3 반도체 활성층(27c), 드레인 전극(29), 제1 연결전극, 제2 연결전극, 소스 전극(31), 제2 절연층(33), 하부 전극(35), 포토다이오드(37), 투명 전극(39), 제2 절연층(33), 데이터 라인(43), 바이어스 라인(45) 및 보호층(47)을 포함한다.
기판(21) 상에 제1 게이트 전극(23a), 제2 게이트 전극(23b) 및 제3 게이트 전극(23c)이 각각 소정의 길이를 가지며 배치된다. 그리고 제1 게이트 전극(23a), 제2 게이트 전극(23b) 및 제3 게이트 전극(23c)은 각각 길이 방향에 수직한 방향으로 돌출된 돌출부를 가질 수 있다.
제1 게이트 전극(23a), 제2 게이트 전극(23b) 및 제3 게이트 전극(23c)의 상부를 덮도록 제1 절연층(25)이 배치되며, 제1 게이트 전극(23a), 제2 게이트 전극(23b) 및 제3 게이트 전극(23c)을 서로 절연될 수 있다.
제1 절연층(25) 상에 제1 반도체 활성층(27a), 제2 반도체 활성층(27b) 및 제3 반도체 활성층(27c)이 각각 배치되며, 각각 제1 게이트 전극(23a), 제2 게이트 전극(23b) 및 제3 게이트 전극(23c)의 상부에 배치될 수 있다.
제1 반도체 활성층(27a), 제2 반도체 활성층(27b) 및 제3 반도체 활성층(27c)의 일부를 덮도록 드레인 전극(29), 제1 연결 전극(30a), 제2 연결 전극(30b) 및 소스 전극(31)이 배치될 수 있다. 드레인 전극(29)은 제1 반도체 활성층(27a)의 일부를 덮도록 배치되고, 제1 연결 전극(30a)은 제1 반도체 활성층(27a) 및 제3 반도체 활성층(27c) 각각의 일부를 덮도록 배치된다. 제2 연결 전극(30b)은 제3 게이트 전극(23c)과 제1 절연층(25)을 관통하는 제1 비아홀(H1)에 의해 전기적으로 연결되며, 제2 반도체 활성층(27b)의 일부를 덮도록 배치된다. 소스 전극(31)은 제2 반도체 활성층(27b) 및 제3 반도체 활성층(27c)의 일부를 각각 덮도록 배치된다. 이때, 소스 전극(31)은 VDD라인으로 연장될 수 있다.
드레인 전극(29), 제1 연결 전극(30a), 제2 연결 전극(30b) 및 소스 전극(31)을 덮도록 제2 절연층(33)이 배치된다.
그리고 제2 절연층(33) 상부에 하부 전극(35)이 배치되며, 하부 전극(35)은 제2 절연층(33)을 관통하는 제2 비아홀(H2)에 의해 제2 연결전극과 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 하부 전극(35)은 Au, Ag, Al, Al-Nd, Al-Cu, Mo, Ti, Ta 및 Cr 중 어느 하나 이상을 포함하는 단종 또는 합금일 수 있으며, 또한, 단일층 또는 다중층일 수 있다.
하부 전극(35) 상에 포토다이오드(37)가 배치되고, 포토다이오드(37) 상에 투명 전극(39)이 배치될 수 있다.
투명 전극(39) 상에 제3 절연층(41)이 배치되며, 제3 절연층(41)은 기판(21) 전체를 덮을 수 있는 크기를 가질 수 있다.
제3 절연층(41) 상에 데이터 라인(43) 및 바이어스 라인(45)이 배치될 수 있다. 데이터 라인(43)은 제2 절연층(33) 및 제3 절연층(41)을 관통하는 제3 비아홀(H3)에 의해 드레인 전극(29)과 전기적으로 연결될 수 있다. 그리고 바이어스 라인(45)은 제3 절연층(41)을 관통하는 제4 비아홀에 의해 투명 전극(39)과 전기적으로 연결될 수 있다.
그리고 데이터 라인(43) 및 바이어스 라인(45)을 덮도록 보호층(47)이 상부에 배치될 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 바이오센서의 포토다이오드의 양자효율과 출력신호를 도시한 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에서, 포토다이오드(37)의 양자효율(quantum efficiency)과 출력신호를 확인하기 위해, 포토다이오드(37)가 완전히 포화될 정도의 광의 세기로 광을 조사한다. 이때, 광원은 적색 LED, 녹색 LED 및 청색 LED를 혼용한 광원을 이용하여, 400nm 내지 750nm 대역의 피크 파장을 갖는 광을 포토다이오드(37)에 조사한다.
그에 따라 비정질 실리콘(amorphous silicon) 포토다이오드(37)의 파장에 따른 양자효율은 도 11a에 도시된 바와 같이 나타난다. 그리고 도 11a와 같이, 나타난 양자효율에 의해 포토다이오드(37)의 광전효과로 포토다이오드(37)의 리드아웃 소자인 박막트랜지스터에 전달되어 외부로 전류 또는 전압신호가 출력된다. 이때의 출력신호는 도 11b에 도시된 바와 같다.
여기서, 포토다이오드(37)이 일정하고 완전하게 포화(saturation)될 정도의 가시광이 입사되면, 그 대의 출력 값은 포토다이오드(37)의 파장에 따른 양자효율의 적분값과 일치할 수 있다.
도 12a 및 도 12b는 광학 바이오센서의 형광 바이오샘플층에 포함된 형광유도 물질을 통한 반응에 따른 형광감도의 증가를 나타내는 그래프와 전기적 신호 출력값을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 바이오센서(100)의 형광 바이오샘플층(135)에 포함된 형광 유도물질이나 반응 물질의 농도가 증가하면, 그에 따라 도 12a에 도시된 바와 같이, 형광감도가 증가한다.
종래에는 이렇게 형광 유도물질의 농도가 증가하더라도 해당 형광감도를 CCD 카메라 등의 디텍터를 이용하여 촬영하고, 촬영된 영상을 영상 처리하여 전기적인 신호로 변환하는 과정을 거쳐야 결과값을 얻을 수 있었다. 하지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 바이오센서(100)를 이용하면, 도 12a에 도시된 바와 같은 형광감도를 포토센서에서 감지하여 박막트랜지스터나 TFT에서 전기적인 신호로 변환하여 도 12b에 도시된 바와 같이, 출력할 수 있어 별도의 처리과정이 필요하지 않다.
더욱이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 바이오센서(100)를 이용하여 도 12a 및 도 12b에 도시된 결과를 동시에 얻을 수 있는 장점이 있다.
도 13a 내지 도 13e는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 바이오센서의 파장필터의 역할을 설명하기 위한 그래프이다.
도 13a 내지 도 13e를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 이용된 파장필터(125)의 역할에 대해 설명한다. 이때, 도 13a 내지 도 13e에 도시된 그래프에서 Y축은 절대 값이 아닌 상대적인 값이며, X축의 피크는 일례를 나타낸 값이다.
즉, 도 13a에 도시된 바와 같은, 피크 파장을 갖는 광이 도 13b에 도시된 바와 같은 숏 파장필터를 통과하면, 도 13c에 도시된 바와 같이, 피크파장이 높은 대역의 광만 통과된다. 그리고 도 13a에 도시된 바와 같은, 피크 파장을 갖는 광이 도 13d와 같은 롱 파장필터를 통과하면, 도 13e에 도시된 바와 같이, 피크파장이 낮은 대역의 광만 통과된다.
그에 따라 일례로, DNA나 생화학 물질에 대해 형광 공명 에너지 전달(fluorescence resonance energy transfer, FRET) 분석을 수행할 때, 한 개 이상의 파장을 갖는 형광 또는 발광 전이 현상이 발생할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 바이오센서(100)에 포함된 포토센서는 가시광선에서 합쳐진 감도 광도를 전기적인 신호로 변환하기 때문에 특정 파장대역의 선별적 분석을 하기 위해 포토센서 상에 파장필터(125)를 이용한다.
다만, 본 발명의 일 실시예에서 파장필터(125)가 포함된 것으로 각 예를 설명하였지만, 필요에 따라 파장필터(125)는 생략될 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 바이오센서와 분석기를 도시한 도면이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 바이오센서(100)를 분석기를 통해 분석하기 위해 분석기에 구비된 광학 바이오센서(100) 삽입구에 삽입할 수 있다. 광학 바이오센서(100)가 삽입구에 삽입되어 광학 바이오센서(100)에 전원이 공급되면, 광학 바이오센서(100)에 광이 조사되고, 조사된 광에 의해 바이오샘플이 반응하여 그 결과가 분석기의 표시부에 표시될 수 있다. 그리고 표시부의 하부에 입력부가 구비될 수 있으며, 입력부는 사용자가 분석을 위한 정보를 입력할 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 바이오센서와 분석기의 변형 예를 도시한 도면이다.
도 15에 도시된 분석식의 변형 예를 보면, 분석기는 표시부의 하부에 광학 바이오센서(100)를 장착할 수 있다. 다른 구성은 제1 실시예에서 설명한 분석기와 동일하며, 광학 바이오센서(100)를 입력부 하부에 장착할 수 있도록 할 수 있다. 이때, 도 15에 도시된 분석기는 광학 바이오센서(100)의 하부에서 광을 조사할 수 있는 분석기일 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이므로, 본 발명이 상기 실시예에만 국한되는 것으로 이해돼서는 안 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어야 할 것이다.
100: 광학 바이오센서
110: 마운트 120: 포토센서부
122: 서브셀
21: 기판 23a: 제1 게이트 전극
23b: 제2 게이트 전극 23c: 제3 게이트 전극
25: 제1 절연층 27a: 제1 반도체 활성층
27b: 제2 반도체 활성층 27c: 제3 반도체 활성층
28: 오믹컨택층
29: 드레인 전극 30: 연결 전극
30a: 제1 연결 전극 30b: 제2 연결 전극
31: 소스 전극 33: 제2 절연층
35: 하부 전극 37: 포토다이오드
37a: n형 반도체층 37b: 진성 반도체층
37c: p형 반도체층
39: 투명 전극 41: 제3 절연층
43: 데이터 라인 44: 차광막
45: 바이어스 라인 47: 보호층
H1 ~ H3: 제1 내지 제3 비아홀
TFT1 ~ TFT3: 제1 내지 제3 박막트랜지스터
125: 파장필터 135: 형광 바이오샘플층
140: 벽부 145: 여기필터
160: 리드아웃 패드 170: 게이트 드라이빙 패드
SA: 분석 센싱 영역 RA: 기준 센싱 영역

Claims (13)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 배치되고, 조사된 광에 의해 전기신호를 생성하는 포토센서; 및
    상기 포토센서 상에 배치되며, 분석하고자 하는 대상물질과 조사된 광에 의해 형광, 흡광 또는 발광하는 유도물질이 포함된 바이오샘플층을 포함하고,
    상기 포토센서에 조사된 광은 상기 바이오샘플층에서 형광, 흡광 또는 발광된 광이 조사되며,
    상기 포토센서는,
    조사된 광에 의해 전기신호를 생성하는 포토다이오드;
    상기 포토다이오드에서 생성된 전기신호를 처리하는 제1 박막트랜지스터; 및
    상기 포토다이오드 및 상기 제1 박막트랜지스터에 축적된 잔류 전류 성분을 제거하는 제2 박막트랜지스터를 포함하는 광학 바이오센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 포토센서와 바이오샘플층 사이에 배치되며, 상기 바이오샘플층에서 포토센서로 조사되는 광의 일부를 차단하는 파장필터를 더 포함하는 광학 바이오센서.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 파장필터는 상기 포토센서에 조사되는 광의 위치에 따라 상기 포토센서와 바이오샘플층 사이에서 분리 또는 결합되는 광학 바이오센서.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 포토센서는 다수의 서브셀을 포함하고,
    상기 파장필터는, 상대적으로 짧은 파장 대역의 광을 차단하는 숏 파장필터, 상대적으로 중간 파장 대역의 광을 차단하는 미들 파장필터 및 상대적으로 긴 파장 대역의 광을 차단하는 롱 파장필터 중 어느 하나 이상을 포함하며,
    상기 숏 파장필터, 미들 파장필터 및 롱 파장필터 중 어느 하나 이상이 상기 다수의 서브셀 각각에 배치된 광학 바이오센서.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 바이오샘플층이 상기 포토센서의 일부에 배치되어 분석 센싱 영역을 이루고, 상기 바이오샘플층이 배치되지 않은 상기 포토센서의 나머지는 기준 센싱 영역을 이루는 광학 바이오센서.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    게이트 라인, 게이트 리셋 라인 및 데이터 라인을 더 포함하고,
    상기 제1 및 제2 박막트랜지스터는 각각 상기 게이트 라인, 게이트 리셋 라인 및 데이터 라인이 형성된 영역에 배치된 광학 바이오센서.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 박막트랜지스터는 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하고,
    상기 제1 박막트랜지스터의 드레인 전극은 상기 데이터 라인에 연결되며, 상기 제1 박막트랜지스터의 게이트 전극은 상기 게이트 라인에 연결된 광학 바이오센서.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2 박막트랜지스터는 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하며,
    상기 제2 박막트랜지스터의 게이트 전극이 상기 게이트 리셋 라인에 연결된 광학 바이오센서.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 포토다이오드의 출력 값을 증폭하는 제3 박막트랜지스터를 더 포함하는 광학 바이오센서.
  12. 청구항 11에 있어서,
    게이트 라인, 게이트 리셋 라인 및 데이터 라인을 더 포함하고,
    상기 제3 박막트랜지스터는 상기 게이트 라인, 게이트 리셋 라인 및 데이터 라인이 형성된 영역에 배치된 광학 바이오센서.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 포토센서는, 조사된 광에 의해 전기신호를 생성하는 포토다이오드와 MOSFET이 조합된 상보형 금속산화물 반도체(CMOS)를 포함하는 광학 바이오센서.
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