KR101933619B1

KR101933619B1 - 나노포어 소자 및 그 제조 방법, 나노포어 소자를 포함하는 핵산 검출 장치

Info

Publication number: KR101933619B1
Application number: KR1020110142388A
Authority: KR
Inventors: 전태한; 심저영; 엄근선; 이동호; 정희정
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2018-12-31
Also published as: US20130161194A1; US9128040B2; KR20130074351A

Abstract

나노포어를 통과하는 DNA의 통과 속도를 조절할 수 있는 나노포어 소자 및 그 제조 방법, 상기 나노포어 소자를 포함하는 핵산 검출 장치를 개시한다. 개시된 나노포어 소자는, 박막을 관통하여 형성된 나노포어, 상기 나노포어의 입구에 배치된 나노채널, 및 상기 나노채널 내에 채워진 충전재를 포함할 수 있다. 나노채널은 나노포어와 동축 상에 배치될 수 있으며, 또는 나노포어와 수직하게 배치될 수도 있다. 충전재는 샘플 내의 표적 생분자가 이동할 수 있도록 젤 형태를 가질 수 있다. 충전재 대신에 다수의 공극이 형성된 다공성 무기물이 나노채널 내에 배치되거나, 또는 다공성 무기물층이 나노채널을 대신할 수도 있다.

Description

나노포어 소자 및 그 제조 방법, 나노포어 소자를 포함하는 핵산 검출 장치 {Nanopore device, method of fabricating the same, and DNA detection apparatus including the same}

개시된 실시예들은 나노포어 소자 및 그 제조 방법, 나노포어 소자를 포함하는 핵산 검출 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나노포어를 통과하는 DNA의 통과 속도(translocation speed)를 조절할 수 있는 나노포어 소자 및 그 제조 방법, 상기 나노포어 소자를 포함하는 핵산 검출 장치에 관한 것이다.

시료 내에서 핵산(DNA)과 같은 표적 생분자를 검출하기 위해 다양한 방법이 개발되고 있는데, 그 중에서 나노포어(nanopore)를 이용한 방법은 고감도 DNA 검출 시스템으로 각광을 받고 있다. 나노포어를 이용한 DNA 검출 장치는, 박막을 관통하여 형성된 미세한 나노포어에 전기영동 방식으로 DNA를 이동시키면서, DNA가 나노포어를 통과할 때 발생하는 전류의 미세한 변동으로부터 DNA를 검출할 수 있다.

그런데, 나노포어를 이용한 DNA 검출 방법의 경우, 나노포어를 통과하는 DNA의 속도가 너무 빨라서 DNA를 정확하게 검출하기가 어렵다. 예를 들어, DNA가 나노포어를 통과하는 속도는 대략 10⁶~10⁷ bp/sec(여기서, bp는 "염기쌍(base pair)을 나타낸다)이다. 즉, 한 개의 DNA가 나노포어를 통과하는데 약 100nsec 정도의 시간밖에 걸리지 않기 때문에, DNA가 나노포어를 통과할 때 발생하는 전류의 미세한 변동(~1nA)을 측정하기 위해서는 약 10~100MHz 대역폭의 고성능 측정 장비가 필요하다. 이는 DNA 검출 장치의 소형화 및 제조비용의 저감을 어렵게 하며, 측정 오차를 발생시키는 원인이 된다.

또한, 일반적으로 DNA는 매우 긴 가닥이 복잡하게 꼬여 있는 상태로 존재하며, 그 꼬인 형태는 각각의 DNA마다 랜덤하게 달라질 수 있다. 이로 인해, DNA가 나노포어에 진입하는 순간의 DNA가 꼬인 형태에 따라, DNA가 나노포어 내에 진입하는 시간 및 나노포어 내에서의 이동 속도가 달라지게 된다. 이는 정확한 DNA의 측정을 방해하는 요소이다.

나노포어를 통과하는 DNA의 통과 속도를 조절할 수 있는 나노포어 소자 및 그 제조 방법을 제공한다.

또한, 상기 나노포어 소자를 포함하여 DNA의 측정 정확도가 향상된 핵산 검출 장치를 제공한다.

본 발명의 일 유형에 따르면, 나노 규모의 직경을 갖는 나노포어; 상기 나노포어의 입구에 연결되어 배치되며 상기 나노포어보다 큰 직경을 갖는 나노채널; 및 상기 나노채널 내에 채워지는 충전재;를 포함하는 나노포어 소자가 제공될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 충전재는 예를 들어 실리카젤(silica gel), 아가로오스젤(agarose gel) 및 폴리아크릴아마이드젤(poly acrylamide gel) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.

다른 실시예에서, 상기 충전재는 예를 들어 다공성 제올라이트(Zeolite) 및 다공성 양극 산화 알루미늄(anodized aluminum oxide; AAO) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 표적 생분자가 상기 나노채널 내에서 이동하는 방향이 표적 생분자가 상기 나노포어를 통과하는 방향과 같도록, 상기 나노채널은 상기 나노포어와 동축 상에 배치되어 있으며 상기 나노포어로부터 연장되어 배치될 수 있다.

상기 나노포어 소자는, 기판; 상기 기판 상에 배치되며 상기 나노포어를 포함하는 나노포어층; 및 상기 나노포어층 상에 배치되며 상기 나노채널을 포함하는 나노채널층;을 포함할 수 있다.

상기 나노포어 소자는 상기 나노포어층의 하부 표면의 일부가 노출되도록 상기 기판을 관통하여 형성된 개구를 더 포함하며, 상기 나노포어는 상기 개구에 의해 노출된 상기 나노포어층의 일부 영역을 관통하여 형성될 수 있다.

상기 나노채널은 상기 나노채널층을 수직으로 관통하여 상기 나노포어와 동축 상에 형성될 수 있다.

상기 개구는 경사진 표면을 가지며 입구로부터 안쪽으로 들어갈수록 좁아지게 형성될 수 있다.

다른 실시예에서, 표적 생분자가 상기 나노채널 내에서 이동하는 방향과 표적 생분자가 상기 나노포어를 통과하는 방향이 서로 수직하도록, 상기 나노포어와 상기 나노채널은 서로에 대해 수직한 방향으로 배치될 수 있다.

상기 나노포어 소자는 상기 나노채널에 연결되어 상기 나노채널에 시료를 유입시킬 수 있는 유입구를 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 나노채널의 상부면의 양단에 상기 유입구가 각각 배치될 수 있으며, 상기 나노채널의 하부면의 중심에 상기 나노포어가 배치될 수 있다.

다른 예에서, 상기 나노채널의 제 1 단부에 상기 유입구가 상방으로 형성될 수 있으며, 상기 나노채널의 제 1 단부의 반대쪽에 있는 제 2 단부에 상기 나노포어가 하방으로 형성될 수 있다.

상기 나노포어 소자는, 기판; 상기 기판 상에 배치되며 상기 나노포어를 포함하는 나노포어층; 상기 나노포어층 상에 배치되며 상기 나노채널을 포함하는 나노채널층; 및 상기 나노채널층 상에 배치되며 상기 유입구를 포함하는 커버층;을 포함할 수 있다.

상기 나노채널은 상기 나노채널층을 부분적으로 제거하여 상기 나노포어층과 상기 커버층 사이에 형성될 수 있다.

상기 유입구는 상기 나노채널에 대응하는 상기 커버층의 일부 영역을 관통하여 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 유형에 따르면, 상술한 구조를 갖는 나노포어 소자; 상기 나노포어를 통과한 시료를 담기 위한 수조; 및 시료 내의 표적 생분자를 이동시키기 위하여 상기 나노포어 주변에 전기장을 형성하는 전원부;를 포함하는 핵산 검출 장치가 제공될 수 있다.

본 발명의 또 다른 유형에 따르면, 기판의 상부 표면에 나노포어층을 형성하고, 하부 표면에 마스크를 형성하여 패터닝하는 단계; 상기 나노포어층 위에 나노채널층을 형성하는 단계; 상기 나노포어층의 하부 표면이 부분적으로 노출될 때까지 상기 기판을 에칭하여 상기 기판 내에 개구를 형성하는 단계; 상기 나노포어층의 상부 표면이 부분적으로 노출될 때까지 상기 나노채널층을 부분적으로 제거하여 나노채널을 형성하는 단계; 상부 표면과 하부 표면이 모두 노출된 상기 나노포어층의 일부 영역을 천공함으로써 상기 나노포어층을 관통하는 나노포어를 형성하는 단계; 및 상기 나노채널 내에 충전재를 채우는 단계;를 포함하는 나노포어 소자의 제조 방법이 제공될 수 있다.

상기 방법은 상기 나노채널과 나노포어를 덮기 위한 커버층을 상기 나노채널층 위에 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 방법은 상기 나노채널에 대응하는 상기 커버층의 일부 영역을 관통하여 유입구를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

개시된 나노포어 소자는 나노포어와 연결된 나노채널을 포함하고 있어서, 전기장이 나노포어에 집중되지 않고 나노채널에 의해 분산될 수 있다. 따라서, 나노포어에서 DNA의 통과 속도를 줄일 수 있다. 또한, 나노채널 내에 DNA가 통과할 수 있는 충전재를 채움으로써, DNA의 이동 속도를 더욱 줄일 수 있다. 더욱이, DNA가 충전재를 지나가는 동안 하나의 가닥으로 곧게 펼쳐질 수 있기 때문에, DNA가 일정한 모양으로 나노포어를 통과할 수 있다. 따라서, DNA가 나노포어 내에 진입하는 시간 및 나노포어 내에서의 이동 속도를 일정하게 유지할 수 있으며, DNA의 측정을 일관성 있고 정확하게 수행할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 나노포어 소자 및 나노포어 소자를 포함하는 DNA 검출 장치의 구조 및 동작 원리를 매우 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 나노포어 소자의 구조를 매우 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 나노포어 소자의 구조를 매우 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 4a 내지 도 4g는 도 2에 도시된 나노포어 소자의 일 실시예에 따른 제조 방법을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 5는 도 1에 도시된 나노포어 소자의 보다 상세한 구조를 보이는 개략적인 단면도이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 나노포어 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 나노포어 소자 및 그 제조 방법, 나노포어 소자를 포함하는 핵산 검출 장치에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 나노포어 소자 및 나노포어 소자를 포함하는 핵산 검출 장치의 구조 및 동작 원리를 매우 개략적으로 보이는 개념도이다.

도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 나노포어 소자(100)는 나노 규모의 미세한 직경을 갖는 나노포어(nanopre)(120), 상기 나노포어(120)의 입구에 연결되어 배치될 수 있으며 나노포어(120)보다 큰 직경을 갖는 나노채널(110), 및 상기 나노채널(110) 내에 채워지는 충전재(115)를 포함할 수 있다.

예컨대, 나노포어(120)의 직경은 약 5nm일 수 있으며, 나노채널(110)의 직경은 약 50nm 내지 500nm이고, 나노채널(110)의 길이는 약 50nm 내지 100um일 수 있다. 그리고, 나노포어(120)의 길이는 100nm 이하일 수 있다. 예컨대 나노포어(120)의 길이는 약 30nm일 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 나노채널(110)은 나노포어(120)와 동축 상에 배치되어 있으며, 나노포어(120)로부터 연장되어 배치될 수 있다. 이러한 구조에서, DNA와 같은 표적 생분자가 나노채널(110) 내에서 이동하는 방향은 표적 생분자가 나노포어(120)를 통과하는 방향과 같게 된다.

충전재(115)는 나노채널(110) 내에서 표적 생분자의 이동 속도를 감소시키는 역할을 한다. 또한, 충전재(115)는 DNA와 같이 랜덤하게 다양한 형태로 꼬여 있는 다수의 표적 생분자들이 충전재(115)의 내부를 이동하는 동안 곧은 형태로 일정하게 펼쳐지도록 하는 역할을 한다. 이를 위해, 충전재(115)는 표적 생분자들이 기계적 마찰을 일으키면서 통과할 수 있도록 젤(gel)의 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 그러한 충전재(115)로서 실리카젤(silica gel), 아가로오스젤(agarose gel), 폴리아크릴아마이드젤(poly acrylamide gel) 등을 사용할 수 있다.

또한, 도 1에 도시된 일 실시예에 따른 핵산 검출 장치는 상술한 구조를 갖는 나노포어 소자(100), 나노포어(120)를 통과한 시료를 담기 위한 수조(50), 및 시료 내의 표적 생분자를 이동시키기 위하여 나노포어(120) 주변에 전기장을 형성하는 전원부(150)를 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전원부(150)는 나노포어 소자(100)의 나노채널(110)의 입구에 제공되는 시료의 액적(10)에 배치되는 제 1 전극(151)과 수조(50) 내에 배치되는 제 2 전극(152)을 포함할 수 있다. 도 1에는 도시되지 않았지만, 전원부(150)는 표적 생분자가 나노포어(120)를 통과할 때 발생하는 전류의 변화를 탐지하기 위한 검출 장치를 더 포함할 수 있다.

이하, 상술한 나노포어 소자(100) 및 상기 나노포어 소자(100)를 포함하는 핵산 검출 장치의 동작을 설명한다. 먼저, 나노채널(110)에서부터 수조(50)까지 전류가 흐를 수 있도록, 나노채널(110)과 수조(50) 내에는 예를 들어 KCl 용액과 같은 전도성 용액을 채운다. 또한, 나노포어 소자(100)의 나노채널(110)의 입구 위에는 검출하고자 하는 표적 생분자(11)들이 분산되어 있는 시료의 액적(10)을 제공한다. 그런 후, 전원부(150)를 통해 액적(10)과 수조(50)에 전압을 소정의 인가하면, 액적(10)과 수조(50) 사이에 형성되는 전기장을 따라 액적(10) 내의 다수의 표적 생분자(11)들이 이동하게 된다. 즉, 액적(10)으로부터 나노채널(110)을 지나 나노포어(120)를 향해 표적 생분자(11)들이 이동하게 된다.

나노포어(120)에 도달한 표적 생분자(11)들은 나노포어(120)를 하나씩 통과하게 된다. 그러면, 표적 생분자(11)들이 좁은 나노포어(120)를 통과하는 동안 발생하는 전류의 변화를 탐지하여 표적 생분자(11)들을 검출할 수 있다. 이때, 표적 생분자(11)들이 나노포어(120)를 너무 빨리 통과하면 정확한 검출이 어려울 수 있다. 본 실시예의 경우, 나노채널(110) 내에 충전재(115)가 채워져 있기 때문에, 표적 생분자(11)들의 이동 속도가 너무 빠르지 않도록 억제될 수 있다. 또한, 본 실시예의 경우에는 전기장이 나노포어(120)에 집중되지 않고 나노채널(110)에 균일하게 분산될 수 있기 때문에, 나노포어(120) 근처에서의 강한 전기장으로 인해 표적 생분자(11)들의 속도가 빨라지는 것을 방지할 수 있으며, 나노채널(110)로부터 나노포어(120)까지 표적 생분자(11)들이 일정한 속도로 이동할 수 있다. 또한, DNA와 같은 표적 생분자(11)들은 나노채널(110) 내의 충전재(115)를 지나가는 동안 하나의 가닥으로 곧게 펼쳐질 수 있다. 따라서, 나노포어(120)에 도달한 각각의 표적 생분자(11)들은 일정한 모양으로 나노포어(120)를 각각 통과할 수 있다. 그 결과, 다수의 표적 생분자(11)들이 나노포어(120) 내에 진입하는 시간 및 나노포어(120) 내에서의 이동 속도를 일정하게 유지할 수 있으며, 표적 생분자(11)의 측정을 일관성 있고 정확하게 수행할 수 있다.

도 1에 도시된 나노포어 소자(100)의 경우, 나노채널(110)의 축 방향과 나노포어(120)의 축 방향이 서로 동일하게 배치되어 있다. 따라서, 나노채널(110) 내에서 표적 생분자(11)들이 이동하는 방향과 표적 생분자(11)가 나노포어(120)를 통과하는 방향이 동일하다. 그러나, 나노채널(110)과 나노포어(120)를 서로 수직하게 배치하는 것도 가능하다. 도 2는 나노채널(110)과 나노포어(120)가 수직하게 배치된 다른 실시예에 따른 나노포어 소자의 구조를 매우 개략적으로 보이는 개념도이다.

도 2를 참조하면, 나노포어 소자(200)는 나노 규모의 미세한 직경을 가지며 수직방향으로 형성된 나노포어(120), 상기 나노포어(120)의 입구에 연결되도록 수평방향으로 배치될 수 있으며 나노포어(120)보다 큰 직경을 갖는 나노채널(110), 상기 나노채널(110) 내에 채워지는 충전재(115), 및 상기 나노채널(110)과 연결되어 있는 유입구(130)를 포함할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 나노포어(120)는 수직방향으로 배치되어 있고 나노채널(110)은 수평방향으로 배치되어 있기 때문에, 나노채널(110)의 축 방향과 나노포어(120)의 축 방향은 서로 수직하다. 따라서, 나노채널(110) 내에서 표적 생분자(11)들이 이동하는 방향과 표적 생분자(11)가 나노포어(120)를 통과하는 방향은 서로 수직하게 된다. 즉, 표적 생분자(11)는 나노채널(110)을 따라 수평방향으로 이동한 후, 나노포어(120)를 수직방향으로 통과하게 된다. 시료의 액적(10) 내에 있는 표적 생분자(11)를 나노채널(110)에 제공하는 유입구(130)도 나노포어(120)와 마찬가지로, 나노채널(110)과 수직하게 배치될 수 있다.

또한 도 2의 예에서, 유입구(130)는 나노채널(110)의 상부면의 양단에 각각 형성되어 있고, 나노포어(120)는 나노채널(110)의 하부면의 중심에 형성된 것으로 도시되어 있으나, 이는 단지 일 예일 뿐이다. 나노채널(110)에 대한 유입구(130)와 나노포어(120)의 상대적인 위치는 설계 목적에 따라 다양하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 나노포어 소자(200')에서와 같이, 나노채널(110)의 한쪽 단부에 하나의 유입구(130)가 상방으로 형성되어 있고, 나노채널(110)의 반대쪽 단부에 하나의 나노포어(120)가 하방으로 형성되는 것도 가능하다.

도 4a 내지 도 4g는 도 2에 도시된 나노포어 소자(200)를 제조하기 위한 보다 구체적인 방법을 나타내는 개략적인 단면도이다. 이하, 도 4a 내지 도 4g를 참조하여, 나노포어 소자(200)의 제조 방법에 대해 설명한다.

먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이, 기판(101)의 상부 표면 위에 나노포어가 이후 형성될 나노포어층(102)을 형성하고, 기판(101)의 하부 표면에는 마스크(103)를 형성하여 패터닝한다. 기판(101)은 예를 들어 실리콘(Si)으로 이루어질 수 있으며, 기판(101)의 두께는 예를 들어 약 300um일 수 있다. 또한, 나노포어층(102)은 예컨대 실리콘 질화물(SiNx)으로 이루어질 수 있으며 두께는 약 20nm일 수 있다. 마스크(103)도 역시 실리콘 질화물(SiNx)로 이루어질 수 있으며 두께는 약 20nm일 수 있다. 마스크(103)는 기판(101)에 개구(105, 도 4c 참조)를 형성하기 위한 것이다. 따라서, 마스크(103)는 개구(105)가 형성될 기판(101)의 하부 표면의 중심 부분에서는 패터닝을 통해 제거되어 있으며, 기판(101)의 하부 표면의 주변부에만 배치될 수 있다.

다음으로, 도 4b에 도시된 바와 같이, 나노포어층(102)의 상부 표면 위에 나노채널이 이후 형성될 나노채널층(104)을 형성한다. 나노채널층(104)은 예를 들어 실리콘 산화물(SiO₂)로 이루어질 수 있으며 두께는 약 100nm일 수 있다. 그러나, 실리콘 산화물 대신에 나노포어층(102)의 재료와 동일한 실리콘 질화물을 사용하여, 나노채널층(104)이 형성될 수도 있다. 상기 나노포어층(102)과 나노채널층(104)은 기판(101)의 상부 표면 위에 일정한 두께로 평평하게 형성될 수 있다.

그런 후, 도 4c를 참조하면, 기판(101)의 상부 표면에 있는 나노포어층(102)의 하부 표면이 노출될 때까지 기판(101)의 재료인 실리콘을 에칭한다. 그러면, 기판(101)의 중심부를 관통하는 개구(105)가 형성될 수 있으며, 상기 개구(105)에 의해 나노포어층(102)이 기판(101)의 하부로 노출될 수 있다. 도 4c에 도시된 바와 같이, 개구(105)는 경사진 표면을 가지며 입구로부터 안쪽으로 들어갈수록 좁아질 수 있다. 따라서, 나노포어층(102)의 하부 표면의 좁은 일부 영역만이 기판(101)의 하부로 노출될 수 있다.

그리고, 도 4d에 도시된 바와 같이, 나노채널층(104)을 부분적으로 제거하여 나노채널(110)을 형성한다. 나노채널층(104)을 제거하여 나노채널(110)이 형성됨으로써, 나노포어층(102)의 상부 표면이 나노채널(110)을 통해 부분적으로 노출될 수 있다. 따라서, 나노포어층(102)의 중심부에서는 상부 표면과 하부 표면이 모두 노출될 수 있다. 나노포어층(102)의 노출된 상부 표면은 나노채널(110)의 바닥면이 될 수 있다. 상기 나노채널층(104)의 제거는 예를 들어, 집속이온빔(focused ion beam; FIB) 밀링 방식을 이용하여 수행될 수 있다.

이어서, 도 4e에 도시된 바와 같이, 상부 표면과 하부 표면이 모두 노출된 나노포어층(102)의 중심부의 일부 영역을 천공함으로써, 나노포어층(102)을 관통하는 나노포어(120)를 형성할 수 있다. 나노포어(120)는 예를 들어 TEM(Transmission Electron Microscope) 설비를 이용하여 제작될 수 있다.

이러한 방식으로 나노채널(110)과 나노포어(120)가 형성된 후에는, 도 4f에 도시된 바와 같이, 나노채널(110)과 나노포어(120)를 덮기 위한 커버층(106)을 나노채널층(104)의 상부 표면 위로 형성한다. 따라서, 나노채널(110)은 커버층(106)과 나노포어층(102) 사이에 형성될 수 있다. 그리고, 나노채널(110)의 양단부에 대응하는 커버층(106)의 일부 영역을 관통시켜 유입구(130)를 각각 형성할 수 있다. 커버층(106)은 예를 들어 PMMA(polymetylmethacrylate)와 같은 폴리머 재료로 이루어질 수 있다. 마지막으로, 도 4g에 도시된 바와 같이, 유입구(130)를 통해 나노채널(110) 내에 젤 형태의 충전재(115)를 채움으로써, 나노포어 소자(200)가 완성될 수 있다. 충전재(115)는 앞서 설명한 바와 같이 실리카젤, 아가로오스젤, 폴리아크릴아마이드젤 등을 사용할 수 있다.

지금까지 도 2에 도시된 나노포어 소자(200)를 제조하는 방법을 설명하였으나, 위에서 설명한 방식을 이용하여 도 1에 도시된 나노포어 소자(100)를 제조하는 것도 가능하다. 도 5는 상술한 방법으로 제조된 도 1의 나노포어 소자(100)의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.

도 5를 참조하면, 나노포어 소자(100)는 기판(102), 상기 기판(102) 상에 배치되며 나노포어(120)를 갖는 나노포어층(102), 및 상기 나노포어층(102) 상에 배치되며 나노채널(110)을 갖는 나노채널층(104)을 포함할 수 있다. 기판(102)의 중심부에는 나노포어층(102)의 하부 표면의 일부가 노출되도록 개구(105)가 형성되어 있다. 개구(105)는 경사진 표면을 가지며 입구로부터 안쪽으로 들어갈수록 좁아질 수 있다. 따라서, 나노포어층(102)의 좁은 일부 영역만이 기판(101)의 하부로 노출될 수 있다. 나노포어(120)는 개구(105)에 의해 노출된 나노포어층(102)의 일부 영역을 관통하여 형성되어 있다. 그리고, 나노채널층(104)을 수직으로 관통하여 나노채널(110)이 형성되어 있다. 나노채널(110)은 나노포어(120)와 동축 상에 수직하게 형성될 수 있다. 나노채널(110) 내에는 젤 형태의 충전재(115)가 채워져 있다. 도 5에 도시된 나노포어 소자(100)에서, 나노채널(110)의 직경(D1)은 예컨대 약 50nm 내지 500nm이고 나노채널층(104)의 두께(H1)는 약 50nm 내지 100um일 수 있다. 또한, 상기 나노포어(120)의 직경(D2)은 예컨대 약 5nm일 수 있으며 나노포어층(102)의 두께(H2)는 약 20nm일 수 있다.

한편, 상술한 젤 형태의 충전재(115) 대신에 나노 규모의 다수의 공극들을 갖는 다공성 재료를 이용할 수도 있다. 도 6은 그러한 다공성 재료를 이용하는 다른 실시예에 따른 나노포어 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.

도 6을 참조하면, 나노포어 소자(300)는 기판(102), 상기 기판(102) 상에 배치된 나노포어층(102), 상기 나노포어층(102) 상에 배치된 다공성 재료층(107), 및 상기 다공성 재료층(110) 상에 배치된 커버층(106)을 포함할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 기판(102)의 중심부에는 나노포어층(102)의 하부 표면이 노출되도록 개구(105)가 형성되어 있으며, 개구(105)에 의해 노출된 나노포어층(102)을 관통하여 나노포어(120)가 형성되어 있다.

그러나, 도 6에 도시된 나노포어 소자(300)의 경우, 젤 형태의 충전재(115) 대신에 다공성 재료층(107)이 나노채널(110) 내에 배치되어 있다. 상기 다공성 재료층(107)은 예를 들어 다공성 제올라이트(Zeolite) 또는 다공성 양극 산화 알루미늄(anodized aluminum oxide; AAO)으로 이루어질 수 있다. 표적 생분자는 상술한 재료로 이루어진 다공성 재료층(107)의 다수의 공극들을 통해 이동할 수 있기 때문에, 젤 형태의 충전재(115)의 역할을 그대로 수행할 수 있다. 커버층(106)에는 다공성 재료층(107)이 노출되도록 유입구(130)가 형성될 수 있다. 도 6에는 2개의 유입구(130)가 도시되어 있으나 단지 하나의 유입구(130)만이 형성될 수도 있다. 유입구(130)를 통해 제공된 표적 생분자는 다공성 재료층(107)으로 침투한 후, 다공성 재료층(107)의 다수의 공극들을 통과하면서 나노포어(120)로 이동할 수 있다.

도 6에는 나노포어(120)에 수직하게 배치된 나노채널(110) 내에 다공성 재료층(107)이 배치된 예를 도시하고 있으나, 도 5에 도시된 나노포어 소자(100)의 나노채널(110) 내에도 젤 형태의 충전재(115) 대신에 다공성 재료층(107)이 배치될 수 있다.

지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 나노포어 소자 및 그 제조 방법, 나노포어 소자를 포함하는 핵산 검출 장치에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.

10......시료 액적 11......표적 생분자
50......수조 100, 200, 200'.....나노포어 소자
101.....기판 102.....나노포어층
103.....마스크 104.....나노채널층
105.....개구 106.....커버층
107.....다공성 재료층 110.....나노채널
115.....충전재 120.....나노포어
130.....유입구 150.....전원부
151, 152.....전극

Claims

기판;
상기 기판 상에 배치된 것으로, 나노 규모의 직경을 갖는 나노포어를 포함하는 나노포어층;
상기 나노포어층 상에 배치된 것으로, 나노채널을 포함하는 나노채널층; 및
상기 나노채널 내에 채워지는 충전재;를 포함하며,
상기 나노채널은 상기 나노포어의 입구에 연결되어 배치되며 상기 나노포어보다 큰 직경을 갖고,
표적 생분자가 상기 나노채널 내에서 이동하는 방향이 표적 생분자가 상기 나노포어를 통과하는 방향과 같도록, 상기 나노채널은 상기 나노포어와 동축 상에 배치되어 있으며 상기 나노포어로부터 연장되어 배치되는 나노포어 소자.
제 1 항에 있어서,
상기 충전재는 실리카젤(silica gel), 아가로오스젤(agarose gel) 및 폴리아크릴아마이드젤(poly acrylamide gel) 중에서 적어도 하나를 포함하는 젤 형태의 충전재인 나노포어 소자.
제 1 항에 있어서,
상기 충전재는 다공성 제올라이트(Zeolite) 및 다공성 양극 산화 알루미늄(anodized aluminum oxide; AAO) 중에서 적어도 하나를 포함하는 다공성 재료층인 나노포어 소자.
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 나노포어층의 하부 표면의 일부가 노출되도록 상기 기판을 관통하여 형성된 개구를 더 포함하며,
상기 나노포어는 상기 개구에 의해 노출된 상기 나노포어층의 일부 영역을 관통하여 형성되어 있는 나노포어 소자.
제 6 항에 있어서,
상기 나노채널은 상기 나노채널층을 수직으로 관통하여 상기 나노포어와 동축 상에 형성되어 있는 나노포어 소자.
제 6 항에 있어서,
상기 개구는 경사진 표면을 가지며 입구로부터 안쪽으로 들어갈수록 좁아지게 형성되어 있는 나노포어 소자.
기판;
상기 기판 상에 배치된 것으로, 나노 규모의 직경을 갖는 나노포어를 포함하는 나노포어층;
상기 나노포어층 상에 배치된 것으로, 나노채널을 포함하는 나노채널층;
상기 나노채널층 상에 배치된 것으로, 상기 나노채널에 연결되어 상기 나노채널에 시료를 유입시킬 수 있는 유입구를 포함하는 커버층; 및
상기 나노채널 내에 채워지는 충전재;를 포함하며,
상기 나노 채널은 상기 나노포어의 입구에 연결되어 배치되며 상기 나노포어보다 큰 직경을 갖고,
표적 생분자가 상기 나노채널 내에서 이동하는 방향과 표적 생분자가 상기 나노포어를 통과하는 방향이 서로 수직하도록, 상기 나노포어와 상기 나노채널은 서로에 대해 수직한 방향으로 배치되어 있는 나노포어 소자.
삭제
제 9 항에 있어서,
상기 나노채널의 상부면의 양단에 상기 유입구가 각각 배치되어 있으며, 상기 나노채널의 하부면의 중심에 상기 나노포어가 배치되어 있는 나노포어 소자.
제 9 항에 있어서,
상기 나노채널의 제 1 단부에 상기 유입구가 상방으로 형성되어 있으며, 상기 나노채널의 제 1 단부의 반대쪽에 있는 제 2 단부에 상기 나노포어가 하방으로 형성되어 있는 나노포어 소자.
삭제
제 9 항에 있어서,
상기 나노포어층의 하부 표면의 일부가 노출되도록 상기 기판을 관통하여 형성된 개구를 더 포함하며,
상기 나노포어는 상기 개구에 의해 노출된 상기 나노포어층의 일부 영역을 관통하여 형성되어 있는 나노포어 소자.
제 9 항에 있어서,
상기 나노채널은 상기 나노채널층을 부분적으로 제거하여 상기 나노포어층과 상기 커버층 사이에 형성되어 있는 나노포어 소자.
제 9 항에 있어서,
상기 유입구는 상기 나노채널에 대응하는 상기 커버층의 일부 영역을 관통하여 형성되어 있는 나노포어 소자.
제 14 항에 있어서,
상기 개구는 경사진 표면을 가지며 입구로부터 안쪽으로 들어갈수록 좁아지게 형성되어 있는 나노포어 소자.
제 1 항 내지 제 3 항, 제 6 항 내지 제 9 항, 제 11 항, 제 12 항, 제 14 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 나노포어 소자;
상기 나노포어를 통과한 시료를 담기 위한 수조; 및
시료 내의 표적 생분자를 이동시키기 위하여 상기 나노포어 주변에 전기장을 형성하는 전원부;를 포함하는 핵산 검출 장치.
기판의 상부 표면에 나노포어층을 형성하고, 하부 표면에 마스크를 형성하여 패터닝하는 단계;
상기 나노포어층 위에 나노채널층을 형성하는 단계;
상기 나노포어층의 하부 표면이 부분적으로 노출될 때까지 상기 기판을 에칭하여 상기 기판 내에 개구를 형성하는 단계;
상기 나노포어층의 상부 표면이 부분적으로 노출될 때까지 상기 나노채널층을 부분적으로 제거하여 나노채널을 형성하는 단계;
상부 표면과 하부 표면이 모두 노출된 상기 나노포어층의 일부 영역을 천공함으로써 상기 나노포어층을 관통하는 나노포어를 형성하는 단계; 및
상기 나노채널 내에 충전재를 채우는 단계;를 포함하는 나노포어 소자의 제조 방법.
제 19 항에 있어서,
상기 충전재는 실리카젤(silica gel), 아가로오스젤(agarose gel) 및 폴리아크릴아마이드젤(poly acrylamide gel) 중에서 적어도 하나를 포함하는 젤 형태의 충전재인 나노포어 소자의 제조 방법.
제 19 항에 있어서,
상기 충전재는 다공성 제올라이트(Zeolite) 및 다공성 양극 산화 알루미늄(anodized aluminum oxide; AAO) 중에서 적어도 하나를 포함하는 다공성 재료층인 나노포어 소자의 제조 방법.
제 19 항에 있어서,
표적 생분자가 상기 나노채널 내에서 이동하는 방향이 표적 생분자가 상기 나노포어를 통과하는 방향과 같도록, 상기 나노채널은 상기 나노포어와 동축 상에 배치되어 있으며 상기 나노포어로부터 연장되어 배치되는 나노포어 소자의 제조 방법.
제 19 항에 있어서,
상기 나노채널과 나노포어를 덮기 위한 커버층을 상기 나노채널층 위에 형성하는 단계를 더 포함하는 나노포어 소자의 제조 방법.
제 23 항에 있어서,
상기 나노채널에 대응하는 상기 커버층의 일부 영역을 관통하여 유입구를 형성하는 단계를 더 포함하는 나노포어 소자의 제조 방법.
제 23 항에 있어서,
표적 생분자가 상기 나노채널 내에서 이동하는 방향과 표적 생분자가 상기 나노포어를 통과하는 방향이 서로 수직하도록, 상기 나노포어와 상기 나노채널은 서로에 대해 수직한 방향으로 배치되어 있는 나노포어 소자의 제조 방법.
제 19 항에 있어서,
상기 개구는 경사진 표면을 가지며 입구로부터 안쪽으로 들어갈수록 좁아지게 형성되어 있는 나노포어 소자의 제조 방법.