KR102308171B1 - 바이오 감지 장치 - Google Patents

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KR102308171B1 KR1020190054864A KR20190054864A KR102308171B1 KR 102308171 B1 KR102308171 B1 KR 102308171B1 KR 1020190054864 A KR1020190054864 A KR 1020190054864A KR 20190054864 A KR20190054864 A KR 20190054864A KR 102308171 B1 KR102308171 B1 KR 102308171B1
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Abstract

본 발명은 기판 상에 서로 이격되어 배치된 제 1 게이트 및 제 2 게이트; 제 1 게이트의 일측에 배치되되 서로 이격되어 배치된 제 1 전극 및 제 2 전극; 제 1 전극 및 제 2 전극 사이의 채널인 감지막; 및 기판 상에 형성되되, 표적 물질과 결합할 수 있는 리셉터가 제 1 게이트의 타측 상에 부착될 수 있도록 제 1 게이트의 일부가 노출되며 상기 제 1 게이트와 이격된 제 2 게이트의 일단이 노출되는 오픈(open) 영역을 구비하는, 패시베이션 패턴;을 포함하는, 바이오 감지 장치를 제공한다.

Description

바이오 감지 장치{Bio-sensing device}
본 발명은 바이오 감지 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극 구조를 가지는 바이오 감지 장치에 관한 것이다.
질병 진단에 사용되는 검사 방법은 주로 효소 반응에 의한 발색, 형광 등에 기반을 두고 있으나, 최근 항원과 항체 사이의 면역 반응을 이용한 면역검사를 이용하는 방법도 사용되고 있다. 기존의 면역분석법은 효소의 촉매 반응에 광 표지를 결합한 광학적 측정 방법이 가장 많이 이용되었다. 이러한 방법들은 주로 실험실 위주의 숙련된 연구원에 의해 수행될 수 있는 복잡한 절차가 필요하고, 분석을 위한 장치가 고가의 대형 장치이며, 분석 시간이 오래 소요되는 단점이 있다.
관련 선행기술로는 대한민국 특허공개번호 KR20110116461A호(2011.10.26. 공개, 발명의 명칭: 면역분석 진단 장치 및 이를 이용한 면역분석 방법)가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 표적 물질에 의하여 오염되지 않으면서 민감도를 향상시킬 수 있는 바이오 감지 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따른 바이오 감지 장치가 제공된다. 상기 바이오 감지 장치는 기판 상에 서로 이격되어 배치된 제 1 게이트 및 제 2 게이트; 제 1 게이트의 일측에 배치되되 서로 이격되어 배치된 제 1 전극 및 제 2 전극; 제 1 전극 및 제 2 전극 사이의 채널인 감지막; 및 기판 상에 형성되되, 표적 물질과 결합할 수 있는 리셉터가 제 1 게이트의 타측 상에 부착될 수 있도록 제 1 게이트의 일부가 노출되며 상기 제 1 게이트와 이격된 제 2 게이트의 일단이 노출되는 오픈(open) 영역을 구비하는, 패시베이션 패턴;을 포함한다.
상기 바이오 감지 장치에서, 패시베이션 패턴이 구비하는 상기 오픈 영역은, 표적 물질을 함유하는 액상 시료가 제공될 수 있는 영역이며, 감지막이 노출되지 않도록 감지막과 이격되어 형성될 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 제 1 게이트는 상기 오픈 영역의 하부에서 감지막의 아래로 일체로 연결되어 신장할 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 제 1 게이트와 제 2 게이트는 표적 물질을 함유하는 액상 시료에 의하여 전기적으로 연결될 수 있는 이격거리를 가지도록 배치될 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 제 2 게이트는 전압을 일정하게 유지하기 위한 기준전극일 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 제 1 게이트와 제 2 게이트는 같은 평면 상에 서로 나란하게 신장하도록 배치될 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 감지막은 리셉터 및 이와 결합되는 표적 물질에 따라 저항이 가변될 수 있는 물질로 이루어질 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 리셉터는 작용기에 의해 감지막 상에 부착되어 있으며, 효소기질, 리간드, 아미노산, 펩티드, 단백질, 핵산, 지질 및 탄수화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 작용기는 아민기, 카르복실기 및 티올기로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 표적 물질은 단백질, 핵산, 올리고당, 아미노산, 탄수화물, 용해 가스, 산화황 가스, 산화질소 가스, 잔류 농약, 중금속 및 환경유해물질로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 표적 물질에 의하여 오염되지 않으면서 민감도를 향상시킬 수 있는 바이오 감지 장치를 제공할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치의 일부 구성을 도해하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치의 A-A' 라인을 따라 절취한 단면을 도해하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치의 B-B' 라인을 따라 절취한 단면을 도해하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 비교예에 따른 바이오 감지 장치의 단면을 도해하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치에서 게이트 인가 전압과 채널 전류의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예들을 예시적으로 설명하기로 한다. 명세서 전체에 걸쳐서, 막, 패턴, 영역 또는 기판과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 상기 다른 구성요소 "상에" 접촉하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다.
도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것일 수 있다. 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치는 질병 진단에 사용되는 검사 장치로 사용될 수 있으며, 감지막과 리셉터의 종류에 따라 항원과 항체 사이의 면역 반응을 이용한 감지 장치로 활용될 수 있다. 이 경우, 전기적 측정 결과를 활용하기 때문에 분석 과정에서 복잡한 절차가 필요하지 않고, 분석을 위한 장치가 상대적으로 저가이며, 분석 시간이 오래 소요되지 않는다는 장점을 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치의 일부 구성을 도해하는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치의 A-A' 라인을 따라 절취한 단면을 도해하는 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치의 B-B' 라인을 따라 절취한 단면을 도해하는 도면이다. 특히, 도 1은 제 1 게이트, 제 2 게이트, 오픈 영역, 제 1 전극, 제 2 전극 및 감지막의 평면 상에서 상대적인 배치 관계를 개요적으로 도해하는 도면이다. 도 4는 본 발명의 비교예에 따른 바이오 감지 장치의 단면을 도해하는 도면이다.
먼저, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 바이오 감지 장치는 기판(105) 상에 서로 이격되어 배치된 제 1 게이트(112) 및 제 2 게이트(114); 제 1 게이트(112)의 일측에 배치되되 서로 이격되어 배치된 제 1 전극(140) 및 제 2 전극(150); 제 1 전극(140) 및 제 2 전극(150) 사이의 채널인 감지막(160); 및 기판(105) 상에 형성되되, 표적 물질과 결합할 수 있는 리셉터(195)가 제 1 게이트(112)의 타측에 부착될 수 있도록 제 1 게이트(112)의 일부가 노출되며 제 1 게이트(112)와 이격된 제 2 게이트(114)의 일단도 노출되는 오픈(open) 영역(185)을 구비하는, 패시베이션 패턴(180);을 포함한다
나아가, 상기 바이오 감지 장치는 제 1 게이트(112) 및 제 2 게이트(114)의 전기적 절연을 확보하기 위하여 제 1 게이트(112) 및 제 2 게이트(114) 상에 형성된 제 1 절연막(130)을 더 포함할 수 있다. 제 1 절연막(130)은 제 1 전극(140), 제 2 전극(150) 및 감지막(160)과 제 1 게이트(112) 사이에 개재될 수 있다. 제 1 절연막(130)은, 예를 들어, 산화알루미늄(Al2O3)막일 수 있다.
또한, 상기 바이오 감지 장치는 제 1 게이트(112) 및 제 2 게이트(114)와 기판(105) 사이에 제 2 절연막(111)을 더 포함할 수 있다. 제 2 절연막(111)은 게이트 절연막으로 이해될 수 있으며, 예를 들어, 기판(105)이 실리콘 기판인 경우 제 2 절연막(111)은 산화실리콘(SiO2)막일 수 있다.
제 1 전극(140)은 소스 전극 및 드레인 전극 중의 어느 하나의 전극일 수 있으며, 이 경우, 제 2 전극(150)은 소스 전극 및 드레인 전극 중의 나머지 어느 하나의 전극일 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극(140) 및 제 2 전극(150)은 각각 소스 전극 및 드레인 전극일 수 있다. 제 1 전극(140) 및 제 2 전극(150)은, 예를 들어, 각각 티타늄(Ti)층과 금(Au)층의 적층구조를 가질 수 있다.
패시베이션 패턴(180)이 구비하는 상기 오픈 영역(185)은 표적 물질을 함유하는 액상 시료가 제공될 수 있는 영역이며, 감지막(160)이 노출되지 않도록 감지막(160)과 이격되어 형성될 수 있다. 오픈 영역(185)은 서로 이격된 제 1 게이트(112) 및 제 2 게이트(114)의 양단의 일부가 노출되도록 패시베이션 패턴(180)의 일부를 제거하여 형성할 수 있다.
제 1 게이트(112)는 상기 오픈 영역(185)의 하부에서 감지막(160)의 아래로 일체로 연결되어 신장할 수 있다. 즉, 제 1 전극(140), 제 2 전극(150) 및 감지막(160)은 제 1 게이트(112)의 일측 상에 배치되고, 오픈 영역(185)은 제 1 게이트(112)의 타측 상에 배치될 수 있다. 제 1 게이트(112)는, 예를 들어, 티타늄(Ti)층과 금(Au)층의 적층구조를 가질 수 있다.
제 1 게이트(112)와 제 2 게이트(114)는 표적 물질을 함유하는 액상 시료에 의하여 전기적으로 연결될 수 있는 이격거리(d)를 가지도록 배치될 수 있다. 즉, 서로 이격된 제 1 게이트(112)와 제 2 게이트(114)는 오픈 영역(185) 내에 제공된 표적 물질을 함유하는 액상 시료에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다.
제 1 게이트(112)는 외부에서 직접적으로 전압이 인가되지도 않고 접지되지도 않은 플로팅 게이트(floating gate)로 이해될 수 있다. 한편, 제 2 게이트(114)는 전압을 일정하게 유지하기 위한 기준전극일 수 있다. 또한, 제 2 게이트(114)는 상기 액상의 전압을 일정하게 유지하게 할 수 있으며, 상기 액상에 전압을 인가하여 바이오 감지 장치의 전기적 특성 혹은 민감도를 조절하는 역할을 수행할 수도 있다.
리셉터(195)는 오픈 영역(185)에 의하여 노출된 제 1 게이트(112)의 타측에 부착될 수 있다. 리셉터(195)는 작용기에 의해 제 1 게이트(112) 상에 부착될 수 있다. 리셉터(195)는, 예를 들어, 효소기질, 리간드, 아미노산, 펩티드, 단백질, 핵산, 지질 및 탄수화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. 한편, 상기 작용기는, 예를 들어, 아민기, 카르복실기 및 티올기로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 또한, 상기 표적 물질은, 예를 들어, 단백질, 핵산, 올리고당, 아미노산, 탄수화물, 용해 가스, 산화황 가스, 산화질소 가스, 잔류 농약, 중금속 및 환경유해물질로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
감지막(160)은 리셉터(195) 및 이와 결합되는 표적 물질에 따라 저항이 가변될 수 있는 물질로 이루어질 수 있다. 감지막(160)의 재질은, 예를 들어, 탄소나노튜브 또는 그래핀(graphene)을 포함할 수 있다.
상기 표적 물질을 함유하는 액상 시료가 오픈 영역(185) 내에 제공되면, 표적 물질이 리셉터(195)와 결합하면서 제 1 게이트(112) 표면 부분의 전하 밀도 변화가 발생하게 된다. 제 1 게이트(112)는 상기 오픈 영역(185)의 하부에서 감지막(160)의 아래로 일체로 연결되어 신장하므로, 오픈 영역(185)의 하부에 발생하는 제 1 게이트(112) 표면 부분의 전하 밀도 변화는, 감지막(160)의 하부까지 일체로 연결된 제 1 게이트(112)를 통하여, 감지막(160)의 전기적 특성을 변화시킬 수 있다. 결국, 감지막(160)의 전기적 특성(예를 들어, 전기 전도도) 변화에 의하여 유도되는 제 1 전극(140)과 제 2 전극(150) 사이의 채널 전류 변화를 측정함으로써, 상기 표적 물질의 농도를 정량화할 수 있다.
다만, 감지막(160)이 표적 물질을 함유하는 액상 시료와 직접 접촉하는 경우 감지막(160)이 상기 액상 시료에 의하여 오염되어 전기적 특성의 정확한 측정이 어려워지는 문제점이 발생할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 비교예에 따른 바이오 감지 장치를 나타낸 도 4를 참조하면, 리셉터(195)가 감지막(160)에 바로 부착되는 구성을 도입하고 있는 바, 감지막(160)이 표적 물질(197)을 함유하는 액상 시료와 바로 접촉할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치는, 표적 물질을 함유하는 액상 시료가 주입되는 오픈 영역(185)에 감지막(160)이 노출되지 않으며, 감지막(160)은 패시베이션 패턴(180)에 의하여 외부로부터 보호되는 구조를 가지므로 이러한 문제점을 근본적으로 방지할 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 비교예에 따른 바이오 감지 장치는 기판(105) 상에 게이트 전극(112), 소스 전극(140), 드레인 전극(150)이 배치되며, 소스 전극(140)과 드레인 전극(150) 사이에 채널인 감지막(160)이 배치된다. 리셉터(195)는 감지막(160)에 바로 부착된다. 표적 물질(197)이 리셉터(195)와 결합하면서 감지막(160)의 전기적 특성이 변화되며 이에 의하여 유도되는 소스 전극(140)과 드레인 전극(150) 사이의 채널 전류 변화를 측정함으로써, 상기 표적 물질(197)의 농도를 정량화할 수 있다. 다만, 도 4에 도시된 게이트 전극(112)은 소정의 전압이 인가되므로 게이트 전극(112)에 의하여 상기 채널 전류에 미치는 영향이 클 수 있어 정밀한 측정에 한계가 있을 수 있다. 이와 달리, 도 1에 도시된 제 1 게이트(112)는 플로팅 게이트이므로 채널 전류에 미치는 영향을 최소화할 수 있어 정밀한 측정을 가능하게 할 수 있다.
나아가, 제 1 게이트(112)와 제 2 게이트(114)는 서로 나란하게 신장하도록 배치될 수 있으며, 제 1 게이트(112)와 제 2 게이트(114)는 같은 평면 상에 배치될 수 있다. 제 1 게이트(112)와 제 2 게이트(114)는, 예를 들어, 각각 티타늄(Ti)층과 금(Au)층의 적층구조를 가질 수 있다.
제 1 전극(140), 제 2 전극(150) 및 감지막(160)이 위치하는 제 1 게이트(112)에 이격되되 전압을 일정하게 유지하기 위한 기준전극으로서 제 2 게이트(114)를 추가로 제공함으로써 바이오 감지 장치의 민감도를 상승시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치에서 게이트 인가 전압과 채널 전류의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, R1 영역 보다 R2 영역에서 바이오 감지 장치의 민감도가 상승함을 이해할 수 있다. R1 영역은 제 1 게이트(112)만 존재하는 바이오 감지 장치에 해당하며, R2 영역은 상술한 제 1 게이트(112) 및 제 2 게이트(114)를 구비하는 바이오 감지 장치에 해당한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
105 : 기판
112 : 제 1 게이트
114 : 제 2 게이트
130 : 제 1 절연막
111 : 제 2 절연막
140 : 제 1 전극
150 : 제 2 전극
160 : 감지막
180 : 패시베이션 패턴
185 : 오픈 영역
195 : 리셉터

Claims (10)

  1. 기판 상에 서로 이격되어 배치된 제 1 게이트 및 제 2 게이트;
    제 1 게이트의 일측에 배치되되 서로 이격되어 배치된 제 1 전극 및 제 2 전극;
    제 1 전극 및 제 2 전극 사이의 채널인 감지막; 및
    기판 상에 형성되되, 표적 물질과 결합할 수 있는 리셉터가 제 1 게이트의 타측 상에 부착될 수 있도록 제 1 게이트의 일부가 노출되며 제 1 게이트와 이격된 제 2 게이트의 일단이 노출되는 오픈(open) 영역을 구비하는, 패시베이션 패턴;을 포함하되,
    상기 감지막은 리셉터 및 이와 결합되는 표적 물질에 따라 저항이 가변될 수 있는 물질로 이루어지되, 패시베이션 패턴에 의하여 외부로부터 보호되며,
    표적 물질을 함유하는 액상 시료가 주입되는 상기 오픈 영역에 감지막이 노출되지 않도록 상기 오픈 영역은 감지막과 이격되어 형성되며,
    상기 감지막의 재질은 탄소나노튜브 또는 그래핀을 포함하며,
    제 1 게이트 및 제 2 게이트는 각각 티타늄(Ti)층과 금(Au)층의 적층구조를 가지며,
    제 1 게이트는 외부에서 직접적으로 전압이 인가되지도 않고 접지되지도 않은 플로팅 게이트이며, 제 2 게이트는 전압을 일정하게 유지하기 위한 기준전극이며, 제 1 게이트와 제 2 게이트는 표적 물질을 함유하는 액상 시료에 의하여 전기적으로 연결될 수 있는 이격거리를 가지도록 배치되며,
    제 1 게이트는 상기 오픈 영역의 하부에서 감지막의 아래로 일체로 연결되어 신장하는,
    바이오 감지 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    제 1 게이트와 제 2 게이트는 같은 평면 상에 서로 나란하게 신장하도록 배치되는 것을 특징으로 하는,
    바이오 감지 장치.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    리셉터는 작용기에 의해 감지막 상에 부착되어 있으며, 효소기질, 리간드, 아미노산, 펩티드, 단백질, 핵산, 지질 및 탄수화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인, 바이오 감지 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    작용기는 아민기, 카르복실기 및 티올기로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인, 바이오 감지 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    표적 물질은 단백질, 핵산, 올리고당, 아미노산, 탄수화물, 용해 가스, 산화황 가스, 산화질소 가스, 잔류 농약, 중금속 및 환경유해물질로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인, 바이오 감지 장치.
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