KR102186264B1 - 개방형 미세유체 채널 일체형 바이오센서 및 이의 제조 방법 - Google Patents

개방형 미세유체 채널 일체형 바이오센서 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

개방형 미세유체 채널 일체형 바이오센서 및 이의 제조 방법이 개시된다. 일 실시예에 따른 바이오센서는, 기판(substrate)과, 상기 기판 위에 형성되며, 공동(cavity)을 포함하는 옥사이드 층(oxide layer)과, 상기 옥사이드 층 위에 형성되며, 복수의 나노(nano) 기둥들을 포함하는 미세유체 채널이 형성되는 멤브레인 층(membrane layer)을 포함한다.

Description

개방형 미세유체 채널 일체형 바이오센서 및 이의 제조 방법{OPEN MICROFLUIDIC CHANNEL INTEGRATED BIOSENSOR AND MANUFACTURING METHOD THE SAME}
아래 실시예들은 개방형 미세유체 채널 일체형 바이오센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
실시간 바이오센서(real time biosensor)는 기존의 치료 위주의 의학에서 질병의 예방 위주의 의학으로 패러다임 변화를 가져왔다. 바이오센서의 기술 발전에 따라 만성질환에 대한 관리, 급성 질환에 대한 진단을 위한 지속적인 모니터링 시스템 기술에 대해 점차 관심이 커지고 있다.
실시간 바이오센서는 질병 메커니즘 규명에 대한 바이오센서의 활용 가능성을 높였다. 실시간 바이오센서를 활용함으로써 단순한 예방과 진단을 넘어서 질병 메커니즘 규명이 가능하고, 바이오 물질 간 상호작용의 실시간 측정이 가능하다.
현재, 바이오센서는 POC(Point of Care) 분야만이 아니라 환경 모니터링, 제약, 군사 분야와 같이 다양한 분야에서 시장규모를 넓혀가고 있다. 최근 헬스케어에 대한 관심 증대로 그와 함께 바이오센서 시장도 급속도로 팽창하고 있다.
현재 상용화된 실시간 바이오센서는 목표 물질을 검출하고자 할 때 실시간 검출을 위하여 폐쇄형 미세유체 채널을 이용한다. 폐쇄형 미세유체 채널을 이용하는 바이오센서는 낮은 검출 민감도를 가지며, 복잡한 제조 공정을 거쳐야 하고, 검출 장치의 크기가 크다.
실시예들은 공동(cavity)를 포함하는 옥사이드 층(oxide layer) 위에 나노 기둥들이 형성된 개방형 미세유체 채널을 포함하는 멤브레인 층(membrane layer)을 일체형으로 형성함으로써, 미세유체 채널의 위킹(wicking) 현상 및 넓은 검사 표면적을 통해 초소형 고감도 바이오센서 기술을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 바이오센서는, 기판(substrate)과, 상기 기판 위에 형성되며, 복수의 나노(nano) 기둥들을 포함하는 미세유체 채널이 형성되는 멤브레인 층(membrane layer)을 포함한다.
상기 바이오센서는 상기 기판과 상기 멤브레인 층 사이에 형성되며, 공동(cavity)을 포함하는 절연층(insulator)를 더 포함할 수 있다.
상기 공동은 기체 매질(gas medium)로 채워질 수 있다.
상기 미세유체 채널은 상기 멤브레인 층의 상부에 개방형으로 형성될 수 있다.
상기 바이오센서는 상기 미세유체 채널이 상기 멤브레인 층에 일체형으로 형성될 수 있다.
상기 복수의 나노 기둥들은, 상기 복수의 나노 기둥들 사이의 간격이 일정하게 형성될 수 있다.
상기 복수의 나노 기둥들은, 기둥의 높이, 기둥 사이의 너비, 및 기둥의 물성 중에서 적어도 하나를 변화하여 형성될 수 있다.
상기 멤브레인 층의 상부는, 상기 복수의 나노 기둥의 상부에 친수성으로 코팅되는 제1 코팅층과, 상기 멤브레인 층의 상부에서 상기 복수의 나노 기둥의 상부를 제외한 나머지 영역에 소수성으로 코팅되는 제2 코팅층을 포함할 수 있다.
상기 제1 코팅층 및 상기 제2 코팅층은, 상기 멤브레인 층의 상부에 iCVD(initiated chemical vapor deposition) 방법으로 코팅될 수 있다.
일 실시예에 따른 바이오센서 제조 방법은, 기판(substrate)을 형성하는 단계와, 상기 기판 위에 복수의 나노(nano) 기둥들을 포함하는 미세유체 채널이 형성되는 멤브레인 층(membrane layer)을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 방법은 상기 기판과 상기 멤브레인 층 사이에 공동(cavity)을 포함하는 절연층(insulator)을 형성하는 단계와
상기 공동은 기체 매질(gas medium)로 채워질 수 있다.
상기 멤브레인 층을 형성하는 단계는, 상기 절연층 위에 실리콘 막을 형성하는 단계와, 상기 실리콘 막을 식각하여 상기 미세유체 채널을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 미세유체 채널을 형성하는 단계는, 상기 실리콘 막 위에 순차적으로 형성되는 코팅 입자, 감광액 층, 및 마스크 층을 이용하여 소정의 형태 및 소정의 패턴으로 상기 실리콘 막을 식각하여 상기 미세유체 채널을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 미세유체 채널을 형성하는 단계는, 상기 실리콘 막 위에 코팅 입자를 소정의 형태로 형성하는 단계와, 상기 은 나노 입자를 포함하는 상기 실리콘 막 위에 감광액(photoresist) 층을 코팅하는 단계와, 상기 감광액 층 위에 소정의 패턴으로 마스크 층을 적층하는 단계와, 상기 소정의 패턴으로 상기 감광액 층을 식각하는 단계와, 상기 마스크 층을 제거하는 단계와, 상기 소정의 형태로 상기 실리콘 막을 식각하여 상기 미세유체 채널을 형성하는 단계와, 상기 감광액 층 및 상기 코팅 입자를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 감광액 층을 식각하는 단계는, 노광(light exposure) 공정으로 상기 감광액 층을 상기 소정의 패턴으로 식각하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 소정의 형태로 상기 실리콘 막을 식각하여 상기 미세유체 채널을 형성하는 단계는, RIE(reactive ion etching) 공정으로 상기 실리콘 막을 상기 소정의 형태로 식각하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 코팅 입자를 소정의 형태로 형성하는 단계는, 상기 코팅 입자를 소정의 온도로 어닐링(annealing)하여 소정의 형태로 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 바이오센서 제조 방법은, 상기 복수의 나노 기둥의 상부에 친수성의 제1 코팅층을 코팅하는 단계와, 상기 멤브레인 층의 상부에서 상기 복수의 나노 기둥의 상부를 제외한 나머지 영역에 소수성의 제2 코팅층을 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 코팅층을 코팅하는 단계는, 상기 멤브레인 층의 상부에 제1 코팅층을 iCVD(initiated chemical vapor deposition) 방법으로 코팅하는 단계를 포함하고, 상기 제2 코팅층을 코팅하는 단계는, 상기 멤브레인 층의 상부에 제1 코팅층을 iCVD(initiated chemical vapor deposition) 방법으로 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.
도 1은 CMUT 센서의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 폐쇄형 미세유체 채널 CMUT 센서의 동작 원리를 나타내는 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 바이오센서를 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5는 개방형 미세유체 채널의 구현 예들을 설명하기 위한 도면들이다.
도 6 내지 도 8은 일 실시예에 따른 바이오센서의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 9는 일 실시예에 따른 바이오센서의 제조 공정 중의 은나노 입자가 코팅된 실리콘 막의 표면을 나타낸다.
도 10은 일 실시예에 따른 바이오센서의 제조 공정 중의 개방형 미세유체 채널이 형성된 멤브레인 층을 나타낸다.
도 11은 일 실시예에 따른 바이오센서의 목표 물질 검출 원리를 나타낸 도면이다.
도 12는 일 실시예에 따른 바이오센서의 미세유체 채널의 기둥 구조가 목표 물질을 검출하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 13은 기존의 폐쇄형 CMUT의 목표 물질 검출 원리와 일 실시예에 따른 바이오센서의 목표 물질 검출 원리를 비교하기 위한 도면이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1 또는 제2등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 실시예의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 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.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 CMUT 센서의 구조를 나타낸 도면이고, 도 2는 폐쇄형 미세유체 채널 CMUT 센서의 동작 원리를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, CMUT(capacitive micromachined ultrasonic transducers) 센서는 멤브레인(m)에 목표 물질이 결합될 때 멤브레인(m)의 질량 변화로 인해 발생하는 공진 주파수의 변화로 목표 물질을 검출할 수 있다.
도 2를 참조하면, CMUT 센서와 폐쇄형 미세유체 채널을 집적하는 경우, 유체가 유입되는 채널 내 유체의 압력(pressure)과 유체에 의한 에너지 손실로 인해 폐쇄형 미세유체 채널 내에 댐핑(damping) 현상이 일어날 수 있다. 폐쇄형 미세유체 채널 내의 댐핑 현상으로 인해 CMUT 센서의 민감도인 Q-factor(Quality factor)가 감소할 수 있다. 따라서 CMUT 센서와 폐쇄형 미세유체 채널을 집적하여 실시간 검출을 위한 바이오센서 플랫폼으로써 사용하는 것은 댐핑 현상으로 인해 목표 물질의 실시간 검출이 불가능할 수 있어 그 효용성이 낮을 수 있다. CMUT 센서를 폐쇄형 미세유체 채널에 적용하는 경우 낮은 민감도를 가지기 때문에 극소량의 목표 물질은 검출이 어려울 수 있다. 또한, CMUT 센서와 폐쇄형 미세유체 채널을 집적하는 경우 큰 크기의 검출 장치로 인해 소형화, 집적의 한계가 있을 수 있다.
폐쇄형 미세유체 채널 적용에 따른 한계를 해결하기 위해, 실시예들은 개방형 미세유체 채널이 일체화된 바이오센서를 제공할 수 있다. 이를 통해, 센서의 민감도도 향상시킬 수 있다.
이하에서는, 도 3 내지 도 13을 참조하여 실시예들을 설명하도록 한다.
도 3은 일 실시예에 따른 바이오센서를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 바이오센서(10)는 기판(100, substrate), 및 절연층(200)멤브레인 층(300)을 포함한다. 또한, 바이오센서(10)는 기판(100)과 멤브레인 층(300) 사이에 형성되는 절연층(insulator; 200)을 더 포함할 수 있다.
바이오센서(10)는 위킹(wicking) 현상에 의한 자발적 유체 흐름을 기반으로 나노 기둥들(310)을 통해 목표 물질을 검출함으로써, 센서의 민감도를 향상시키고 센서의 크기를 소형화 할 수 있다. 바이오센서(10)는 센서의 목적에 따라 원하는 형태의 나노 기둥들(310)을 형성하여 구체화할 수 있다.
바이오센서(10)는 MEMS 나노 공정 기술을 이용하여, 개방형의 기둥 구조(pillar structure)를 가지는 미세유체 채널을 CMUT 센서의 실리콘 멤브레인 층에 형성함으로써, CMUT 센서와 개방형의 기둥 구조를 가지는 미세유체 채널이 일체형으로 구현되는 센서일 수 있다.
바이오센서(10)는 나노 기둥들(310)에 검출하고자 하는 목표 물질과 반응하는 바이오 물질(항체 및 수용체 등)을 결합하여, 목표 물질을 나노 기둥들(310)에 결합시킴으로써 목표 물질을 검출할 수 있다.
기판(100)은 멤브레인 층(300)에 목표 물질이 결합될 때 멤브레인 층(300)의 질량 변화로 인해 발생하는 공진 주파수의 변화를 전기적 신호로 전달하는 역할을 할 수 있다.
절연층(200)은 기판(100) 위에 형성될 수 있다. 절연층(200)은 oxide, nitride 등으로 형성될 수 있다. 이때, 절연층(200)은 공동(cavity; 210)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 공동(210)은 기체 매질(gas medium)로 채워질 수 있다. 또한, 공동(210)은 진공일 수 있다.
멤브레인 층(300)은 절연층(200) 위에 형성되며, 복수의 나노 기둥들(310)을 포함하는 미세유체 채널을 포함할 수 있다. 멤브레인 층(300)의 상부에는 복수의 나노 기둥들(310)을 포함하는 미세유체 채널이 개방형으로 형성될 수 있다. 개방형 미세유체 채널이라 함은 기존의 폐쇄형 CMUT 센서의 채널과 같이 폐쇄형 통로로 형성된 채널에 유체가 압력으로 흐르는 형태가 아닌, 유체가 외부 압력이 없이도 나노 기둥들(310)의 반복적인 구조를 통한 위킹 현상으로 인해 나노 기둥들(310)사이를 흐를 수 있는 구조의 채널을 의미할 수 있다.
예를 들어, 멤브레인 층(300)과 나노 기둥들(310)을 포함하는 미세유체 채널은 일체형으로 형성될 수 있다. 멤브레인층(300)과 기판(100) 및 절연층(200)은 일체형으로 형성될 수 있다. 멤브레인 층(300), 절연층(200) 및 기판이 형성되는 공정이 같은 웨이퍼(wafer) 상에서 진행되어 일체형으로 형성됨으로써, 폐쇄형 미세유체 채널이 갖는 PDMS(Polydimethylsiloxane)나 glass를 이용한 bonding 과정과 같은 추가적인 공정 과정을 생략할 수 있다. 또한, 바이오센서(10)가 일체형으로 형성됨으로써, 바이오센서(10)의 공정 수율을 높이고 제작 비용을 줄일 수 있다.
도 4 및 도 5는 개방형 미세유체 채널의 구현 예들을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4의 및 도 5를 참조하면, 바이오센서(10)는 나노 기둥들(310, 310a, 310b, 310c)을 포함하는 미세유체 채널의 너비와 높이가 다른 비대칭적 채널이 포함될 수 있다. 나노 기둥들(310)은 하나의 채널과 같이 작용하여 위킹 효과를 발생시킬 수 있다.
바이오센서(10)는, 나노 기둥들 사이의 너비 변화(310b), 나노 기둥들의 높이 변화(310c), 및 미세유체 채널의 물성의 변화(311, 312) 등을 통해 나노 기둥들(310) 사이를 흐르는 유체의 속도, 유체의 양 등을 조절할 수 있다.
도 4는 기둥 사이의 너비 변화가 있는 형태를 각각 나타낸다. 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 멤브레인 층(300)에 포함되는 나노 기둥들(310)은 나노 기둥들 사이의 간격이 일정하게 형성(310a)될 수 있다. 반면에, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 멤브레인 층(300)에 포함되는 나노 기둥들(310)은 나노 기둥들 사이의 너비가 변화되어 생성(310b)될 수 있다.
도 5는 기둥 높이 변화가 있는 형태와 기둥의 물성을 변화시킨 형태를 각각 나타낸다. 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이, 멤브레인 층(300)에 포함되는 나노 기둥들(310)은 나노 기둥들의 높이가 변화되어 생성(310c)될 수 있다.
또한, 도 5의 (d)에 도시된 바와 같이, 멤브레인 층(300)의 상부는 친수성인 제1 코팅층(311) 및/또는 소수성인 제2 코팅층(312)으로 코팅될 수 있다. 제1 코팅층(311)은 나노 기둥들(310)의 상부에 친수성으로 코팅될 수 있다. 제2 코팅층(312)은 멤브레인 층(300)의 상부에서 제1 코팅층(311)이 코팅된 나노 기둥들(310)의 상부를 제외한 나머지 영역에 소수성으로 코팅될 수 있다. 제1 코팅층(311) 및 제2 코팅층(312)은 iCVD(initiated chemical vapor deposition) 방법으로 코팅될 수 있다. 멤브레인 층(300)의 상부에 제1 및 제2 코팅층(311, 312)을 코팅함으로써 나노 기둥들(310) 사이에 흐르는 유체의 흐름을 더욱 원활히 유지할 수 있다.
이처럼 바이오센서(10)는 나노 기둥들(310)의 너비, 높이 및 물성 등을 변화시킴으로써 다양한 물질을 실시간으로 검출해야 하는 환경 모니터링, 헬스케어, 제약, 군사 분야 등과 관련된 넓은 분야에 이용할 수 있다. 또한, 바이오센서(10)는 전기화학 센서, 압력 센서, 기체 센서 등 다양한 분야의 센서에 적용될 수 있다.
도 6 내지 도 8은 일 실시예에 따른 바이오센서의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다
바이오센서(10)는 도 6의 (a), (b), 도 7의 (c), (d), 및 도 8의 (e), (f), (g) 순서로 제조될 수 있다. 도 6의 (a), (b), 도 7의 (c), (d), 및 도 8의 (e), (f), (g) 순서로 바이오센서(10)의 제조 방법을 설명하도록 한다.
도 6의 (a)에서, 절연층(200)은 기판(100) 위에 형성될 수 있다. 절연층(200)은 공동(210)을 포함할 수 있다. 실리콘 막(300a)은 절연층(200) 위에 형성될 수 있다. 코팅 입자(500)는 실리콘 막(300a) 위에 스핀 코팅(spin coating)으로 형성될 수 있다. 코팅 입자(500)는 소정의 온도로 어닐링(annealing)되어 소정의 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 코팅 입자(500)는 은 나노 입자, 금 나노 입자 등의 나노 입자일 수 있다. 코팅 입자(500)는 나노 입자에 한정되는 것은 아니며, 미세유체 채널을 형성하기 위한 다양한 입자일 수 있다.
도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 감광액(photoresist) 층(600)코팅 입자(500)를 포함하는 실리콘 막(300a) 위에 코팅될 수 있다.
도 7의 (c)에서, 마스크 층(700)은 감광액 층(600) 위에 소정의 패턴으로 적층될 수 있다. 감광액 층(600)은 노광 공정(light exposure, UV & Wash)을 통해 소정의 패턴으로 식각될 수 있다.
이후 도 7의 (d)에서, 마스크 층(700)은 제거될 수 있다. 실리콘 막(300a)은 RIE(reactive ion etching) 공정을 통해 소정의 형태로 식각될 수 있다.
도 8의 (e)에서는, 멤브레인 층(300)은 RIE 공정을 통해 형성될 수 있다. 다음으로, 도 8의 (f)에서, 감광액 층(600a)은 제거될 수 있다. 코팅 입자(500)는 에칭(etching) 공정으로 제거될 수 있다.
다음으로, 도 8의 (f)에서, 감광액 층(600a)은 제거될 수 있다. 코팅 입자(500)는 에칭(etching) 공정으로 제거될 수 있다.
도 8의 (g)에서는, 바이오센서(10) 제조 방법을 통해 실리콘 막(300a)을 소정의 형태로 식각하여 나노 기둥들(310)을 포함하는 멤브레인 층(300)을 형성한 것을 나타낸다.
나노 기둥들(310)의 기둥의 길이와 나노 기둥들(310) 간의 너비는 에칭 공정의 파워 및 시간을 조절하여 변화시킬 수 있다. 나노 기둥들(310)의 길이와 나노 기둥들 간의 너비 변화를 통해서 유체의 흐름을 조절할 수 있다.
나노 기둥들(310)을 이용한 개방형 미세유체 채널을 CMUT 센서와 함께 형성하면 폐쇄형 CMUT 센서에 비해 채널의 목표 물질 검출 표면적이 넓어지는 효과가 있어 고감도의 검출이 가능해질 수 있다.
바이오센서(10)의 제조 방법은 MEMS 공정을 통해 wafer-level에서 제작할 수 있기 때문에 바이오센서(10)의 대량 생산 및 상용화에 유리할 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 바이오센서의 제조 공정 중의 은나노 입자가 코팅된 실리콘 막의 표면을 나타내고, 도 10은 일 실시예에 따른 바이오센서의 제조 공정 중의 개방형 미세유체 채널이 형성된 멤브레인 층을 나타낸다.
도 9를 참조하면, 바이오센서(10) 제조 공정 중에서 수백 나노 크기의 코팅 입자(500)가 실리콘 막(300)에 코팅된 후, 어닐링 온도를 조절하여 은 나노 입자(500, Ag nanoparticle)를 소정의 형태로 형성한 모습을 볼 수 있다. 에칭 공정으로 실리콘 기판을 에칭하는 경우 소정의 형태의 코팅 입자(500)가 금속 마스크 역할을 하며, 에칭 파워와 가스의 유입량을 조절하여 에칭 높이를 조절할 수 있다.
도 10을 참조하면, 감광액을 제거하고, 코팅 입자 또한 금속 에칭 공정을 통하여 제거하면 기둥 구조(pilla structure)를 가지는 나노 기둥들(310)이 형성될 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 바이오센서의 목표 물질 검출 원리를 나타낸 도면이고, 도 12는 일 실시예에 따른 바이오센서의 미세유체 채널의 기둥 구조가 목표 물질을 검출하는 모습을 나타낸 도면이고, 도 13은 기존의 폐쇄형 CMUT의 목표 물질 검출 원리와 일 실시예에 따른 바이오센서의 목표 물질 검출 원리를 비교하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 유체(Liquid)가 나노 기둥 구조(Nano-pillar structure)의 멤브레인 층(300)으로 위킹 현상에 의해 흐르는(flow) 것을 알 수 있다. 유체(Liquid)는 위킹 현상에 의해 Flow 방향으로 흐를 수 있다. 유체(Liquid)에 포함된 목표 물질은 절연층(200)의 공동(210)이 존재하는 영역(Sensing part)에서 검출될 수 있다.
도 12를 참조하면, 바이오 센서(10)는 나노 기둥들(310)에 포함된 목표 물질과 반응하는 바이오 물질(항체 및 수용체 등)과 목표 물질(Target)의 결합(Binding)으로 목표 물질(Target)을 검출할 수 있다.
도 13을 참조하면, 폐쇄형 미세유체 채널의 목표 물질 검출 표면적(a)보다 일 실시예에 따른 바이오 센서(10)의 나노 기둥들(310)이 가지는 목표 물질 검출 표면적(b)이 나노 기둥 구조(nano-pillar structure)로 인하여 더욱 넓게 형성되는 것을 알 수 있다. 바이오 센서(10)는 나노 기둥들(310)을 통해 검출 표면적을 넓힘으로써 동일 면적 대비 많은 항체 및/또는 수용체가 결합 가능하여 센서의 민감도를 향상시킬 수 있다. 바이오 센서(10)는 센서의 민감도 향상으로 목표 물질의 농도의 차이를 감지할 수 있다.
상술한 바와 같이, 나노 기둥들이 형성된 개방형 미세유체 채널을 포함하는 멤브레인 층(membrane layer)을 일체형으로 형성함으로써, 미세유체 채널의 위킹(wicking) 현상 및 넓은 검사 표면적을 통해 초소형 고감도 바이오센서 기술을 제공할 수 있다.
또한, 실시예들은 바이오센서 제조에 MEMS(Micro electro mechanical systems, 미세 전자 기계 시스템) 나노 공정 기술을 이용하고 개방형 미세유체 채널과 CMUT 센서를 일체화 시킴으로써, 댐핑 현상을 최소화할 수 있으며, 제조 공정이 간단한 초소형 고감도 바이오센서를 제작할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (20)

  1. 기판(substrate); 및
    상기 기판 위에 형성되며, 복수의 나노(nano) 기둥들을 포함하는 미세유체 채널이 형성되는 멤브레인 층(membrane layer)
    을 포함하고,
    상기 멤브레인 층은 상기 복수의 나노 기둥들에 친수성 또는 소수성으로 코팅된 코팅층을 포함하고,
    상기 멤브레인 층의 상부는,
    상기 복수의 나노 기둥의 상부에 친수성으로 코팅되는 제1 코팅층; 및
    상기 멤브레인 층의 상부에서 상기 복수의 나노 기둥의 상부를 제외한 나머지 영역에 소수성으로 코팅되는 제2 코팅층
    을 포함하는 바이오센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판과 상기 멤브레인 층 사이에 형성되며, 공동(cavity)을 포함하는 절연층(insulator)
    를 더 포함하는 바이오센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공동은 기체 매질(gas medium)로 채워지는
    바이오센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 미세유체 채널은 상기 멤브레인 층의 상부에 개방형으로 형성된
    바이오센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 미세유체 채널이 상기 멤브레인 층에 일체형으로 형성되는
    바이오센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 나노 기둥들은,
    상기 복수의 나노 기둥들 사이의 간격이 일정하게 형성되는
    바이오센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 나노 기둥들은,
    기둥의 높이, 기둥 사이의 너비, 및 기둥의 물성 중에서 적어도 하나를 변화하여 형성되는
    바이오센서.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 코팅층 및 상기 제2 코팅층은,
    상기 멤브레인 층의 상부에 iCVD(initiated chemical vapor deposition) 방법으로 코팅되는
    바이오센서.
  10. 기판(substrate)을 형성하는 단계; 및
    상기 기판 위에 복수의 나노(nano) 기둥들을 포함하는 미세유체 채널이 형성되는 멤브레인 층(membrane layer)을 형성하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 형성하는 단계는, 상기 복수의 나노 기둥들에 친수성 또는 소수성으로 코팅층을 코팅하는 단계
    를 포함하고,
    상기 코팅층을 코팅하는 단계는,
    상기 복수의 나노 기둥의 상부에 친수성의 제1 코팅층을 코팅하는 단계; 및
    상기 멤브레인 층의 상부에서 상기 복수의 나노 기둥의 상부를 제외한 나머지 영역에 소수성의 제2 코팅층을 코팅하는 단계
    를 더 포함하는 바이오센서 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 기판과 상기 멤브레인 층 사이에 공동(cavity)을 포함하는 절연층(insulator)을 형성하는 단계
    를 더 포함하는 바이오센서 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 공동은 기체 매질(gas medium)로 채워지는
    바이오센서 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 멤브레인 층을 형성하는 단계는,
    상기 절연층 위에 실리콘 막을 형성하는 단계; 및
    상기 실리콘 막을 식각하여 상기 미세유체 채널을 형성하는 단계
    를 포함하는 바이오센서 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 미세유체 채널을 형성하는 단계는,
    상기 실리콘 막 위에 순차적으로 형성되는 코팅 입자, 감광액 층, 및 마스크 층을 이용하여 소정의 형태 및 소정의 패턴으로 상기 실리콘 막을 식각하여 상기 미세유체 채널을 형성하는 단계
    를 포함하는 바이오센서 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 미세유체 채널을 형성하는 단계는,
    상기 실리콘 막 위에 코팅 입자를 소정의 형태로 형성하는 단계;
    상기 코팅 입자를 포함하는 상기 실리콘 막 위에 감광액(photoresist) 층을 코팅하는 단계;
    상기 감광액 층 위에 소정의 패턴으로 마스크 층을 적층하는 단계;
    상기 소정의 패턴으로 상기 감광액 층을 식각하는 단계;
    상기 마스크 층을 제거하는 단계;
    상기 소정의 형태로 상기 실리콘 막을 식각하여 상기 미세유체 채널을 형성하는 단계; 및
    상기 감광액 층 및 상기 코팅 입자를 제거하는 단계
    를 포함하는 바이오센서 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 감광액 층을 식각하는 단계는,
    노광(light exposure) 공정으로 상기 감광액 층을 상기 소정의 패턴으로 식각하는 단계
    를 포함하는 바이오센서 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 소정의 형태로 상기 실리콘 막을 식각하여 상기 미세유체 채널을 형성하는 단계는,
    RIE(reactive ion etching) 공정으로 상기 실리콘 막을 상기 소정의 형태로 식각하는 단계
    를 포함하는 바이오센서 제조 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 코팅 입자를 소정의 형태로 형성하는 단계는,
    상기 코팅 입자를 소정의 온도로 어닐링(annealing)하여 소정의 형태로 형성하는 단계
    를 포함하는 바이오센서 제조 방법.
  19. 삭제
  20. 제10항에 있어서,
    상기 제1 코팅층을 코팅하는 단계는,
    상기 멤브레인 층의 상부에 제1 코팅층을 iCVD(initiated chemical vapor deposition) 방법으로 코팅하는 단계를 포함하고,
    상기 제2 코팅층을 코팅하는 단계는,
    상기 멤브레인 층의 상부에 제1 코팅층을 iCVD(initiated chemical vapor deposition) 방법으로 코팅하는 단계를 포함하는
    바이오센서 제조 방법.
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