KR102606910B1 - 센서측정방법 및 그 장치 - Google Patents

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Abstract

센서측정방법 및 그 장치가 개시된다. 센서측정장치는 센서에 전압을 1차 인가하여 센서의 저항 또는 전류를 1차 측정하고, 센서에 검체를 인가한 후 센서에 전압을 2차 인가하여 센서의 저항 또는 전류를 2차 측정하고, 검체 인가 전의 제1 측정값과 상기 검체 인가 후의 제2 측정값 사이의 차이를 파악한다.

Description

센서측정방법 및 그 장치{Sensor measurement method and apparatus}
본 발명의 실시 예는 센서의 검체를 측정하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
센서는 효소나, 항체, DNA 등 생물학적 물질을 검출하는 바이오센서, 가스 등의 농도를 검출하는 가스센서, 압력을 감지하는 압력센서 등 다양한 종류가 존재한다. 이 중에서 바이오센서는 크게 광학방식, 전기화학방식, 압전방식으로 구분된다. 광학방식은 발색, 형광, 화학발광, 표면 플라즈몬 공명 등의 광학적 방법을 이용하는 방식이고, 전기화학방식은 분석 물질과 바이오 수용체의 상호 작용을 전위, 전류, 전하량, 전도도, 임피던스 등과 같은 전기 화학 신호로 측정하는 방법이다. 압전방식은 질량 변화를 측정하는 방법이다. 전기화학방식의 바이오센서는 다른 방법에 비하여 휴대성 및 소형화 측면에서 장점이 있으며, 표지 및 비표지 방식이 모두 가능하고 검출 신호 또한 전기 신호이므로 광학적 방법에 비해 신호 변환 과정이 용이하다. 전기화학방식의 센서는 미세한 전기 신호의 변화를 정확하게 측정하기 위하여 트랜지스터 기반으로 구현될 수 있다.
본 발명의 실시 예가 이루고자 하는 기술적 과제는, 센서에 전압을 인가하여 검체를 측정하는 방법 및 그 장치를 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 실시 예에 따른 센서측정방법의 일 예는, 센서에 전압을 1차 인가하는 단계; 전압의 인가에 따른 상기 센서의 저항 또는 전류를 1차 측정하는 단계; 상기 센서에 검체를 인가하는 단계; 상기 센서에 전압을 2차 인가하는 단계; 전압의 인가에 따른 상기 센서의 저항 또는 전류를 2차 측정하는 단계; 및 상기 검체 인가 전의 제1 측정값과 상기 검체 인가 후의 제2 측정값 사이의 차이를 파악하는 단계;를 포함한다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 실시 예에 따른 센서측정장치의 일 예는, 센서에 기 정의된 일정범위 내에서 전압을 인가하는 전압인가부; 및 검체 인가 전에 전압의 인가에 따른 센서의 저항 또는 전류의 제1 측정값을 파악하고, 검체 인가 후에 전압의 인가에 따른 센서의 저항 또는 전류의 제2 측정값을 파악하여 출력하는 측정부;를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 센서를 이용하여 검체를 정확하게 측정할 수 있다. 검체의 인가 전후의 센서의 측정값의 차이를 기반으로 측정의 정확성을 높일 수 있다. 다른 실시 예로, 그래핀 기반 센서를 이용하여 검체의 측정 민감도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 센서측정장치의 일 예를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 센서측정장치를 이용한 검체의 측정방법의 일 예를 도시한 흐름도,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 센서의 측정 방법의 일 예를 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 센서 측정 결과의 일 예를 도식화한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 그래핀 기반 센서의 제1 실시 예의 구조를 도시한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 그래핀 기반 센서의 제2 실시 예의 구조를 도시한 도면,
도 7은 본 발명에 따른 그래핀 기반 센서의 제3 실시 예의 구조를 도시한 도면,
도 8는 본 발명에 따른 그래핀 기반 센서의 제4 실시 예의 구조를 도시한 도면,
도 9는 본 발명에 따른 센서 어레이의 제1 실시 예의 구조를 도시한 도면,
도 10은 본 발명에 따른 센서 어레이의 제2 실시 예의 구조를 도시한 도면,
도 11은 본 발명에 따른 센서 어레이의 제3 실시 예의 구조를 도시한 도면,
도 12 및 도 13은 본 발명에 따른 센서 어레이의 제4 및 제5 실시 예의 구조를 도시한 도면,
도 14는 본 발명에 따른 센서 어레이의 제6 실시 예의 구조를 도시한 도면,
도 15는 본 발명에 따른 센서 어레이의 제7 실시 예의 구조를 도시한 도면,
도 16은 본 발명에 따른 센서 어레이의 제8 실시 예의 구조를 도시한 도면,
도 17은 본 발명에 따른 그래핀 기반 센서의 제5 실시 예의 구조를 도시한 단면도,
도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 센서 어레이의 제9 실시 예의 구조를 도시한 평면도,
도 19는 본 발명의 실시 예에 따른 센서 어레이의 제10 실시 예의 구조를 도시한 평면도,
도 20은 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 기반 센서의 전류 변화의 예를 도시한 도면,
도 21 및 도 22는 본 발명의 실시 예에 따른 센서측정장치의 일 예를 도시한 도면,
도 23은 본 발명의 실시 예에 따른 센서측정장치의 피드백부 및 제어부의 상세 구성의 일 예를 도시한 도면,
도 24 내지 도 30은 본 발명의 실시 예에 따른 센서 어레이를 위한 센서측정장치의 다양한 예를 도시한 도면,
도 31은 본 발명의 실시 예에 따른 센서측정장치의 사용 예를 도시한 도면,
도 32 및 도 33은 본 발명의 실시 예에 따른 센서측정장치의 구현 예를 도시한 도면,
도 34는 본 발명의 실시 예에 따른 센서어레이의 측정값을 인공신경망을 이용하여 분석하는 방법의 일 예를 도시한 도면, 그리고,
도 35는 본 발명의 실시 예에 따른 센서에 버퍼용액을 인가하는 방법의 일 예를 도시한 도면이다.
이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 센서 측정 방법 및 그 장치에 대해 상세히 살펴본다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 센서측정장치의 일 예를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 센서측정장치(100)는 전압인가부(102) 및 측정부(104)를 포함한다. 센서측정장치(100)는 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 일 예가 도 21 내지 도 33에 도시되어 있다. 센서(110)는 검체에 종류에 따라 서로 다른 전류 또는 저항을 출력할 수 있다. 다양한 종류의 센서(110)가 본 실시 예에 사용될 수 있다. 다른 실시 예로, 센서의 민감도를 높이기 위하여 그래핀 기반의 센서를 이용할 수 있다. 그래핀 기반의 센서에 대해서는 도 5 내지 도 19에서 다시 살펴본다.
전압인가부(102)는 센서(100)에 기 정의된 전압범위 내에서 적어도 하나 이상의 전압을 인가한다. 예를 들어, 전압인가부(102)는 0~2V 사이의 전압을 일정간격(예를 들어, 0.1V 간격)으로 센서(110)에 입력한다. 실시 예에 따라 전압범위 및 전압인가 간격은 다양하게 변형될 수 있다.
측정부(104)는 전압의 인가에 따른 센서(110)의 저항 또는 전류를 측정한다. 측정부(104)는 전압별 센서의 저항 또는 전류를 파악한다. 예를 들어, 측정부(104)는 검체 인가 전에 전압의 인가에 따른 센서(110)의 저항 또는 전류의 측정값을 파악하고, 검체 인가 후에 전압의 인가에 따른 센서(110)의 저항 또는 전류의 측정값을 파악한다. 측정방법에 대해서는 도 2 이하에서 다시 설명한다.
측정부(106)는 화면 인터페이스를 통해 측정 결과를 표시하거나, 소리 등을 통해 검체의 인식 여부를 출력하거나, 또는 유무선 통신망을 통해 외부기기로 측정 결과를 전송할 수 있다. 측정부(104)가 표시하거나 전송하는 정보의 종류는 실시 예에 따라 다양하게 변형 가능하다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 센서측정장치를 이용한 검체의 측정방법의 일 예를 도시한 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 센서측정장치(100)는 검체의 인가 전에 센서(110)에 일정범위의 전압을 인가한다(S200). 예를 들어, 센서측정장치(100)는 0~2V 사이의 전압을 일정간격으로 일정시간마다 센서에 인가할 수 있다.
다른 실시 예로, 센서측정장치(100)는 센서(110)에 버퍼 용액을 인가한 후 전압을 인가할 수 있다. 버퍼 용액의 예로 PBS(Phosphate Buffered Saline), UTM(Universal Transport Medium), PBST(PBS+Tween-20), ADA(C6H10N2O5), AMP (C4H11NO), BES(C6H15NO5S), Bicine(C6H13NO4), BIS-TRIS(C8H19NO5), Bis-Tris Propane(C11H26N2O6), Boric Acid(H3BO3), CAPS(C6H11NH(CH2)3SO3H), CAPSO sodium salt(C9H18NO4SNa), CHES(C8H17NSO3), DIPSO(C7H17NO6S), DIPSO monosodium salt(C7H16NO6SNa), EDTA, Glycine-HCI, HEPBS(C10H22N2O4S), HEPES Free Acid(C8H18N2O4S), HEPES Sodium Salt(C8H17N2O4SNa), HEPPS(C9H20N2O4S), HEPPSO FREE ACID(C9H20N2O5S), HEPPSO sodium salt(C9H19N2O5SNa), MES free acid monohydrate(C6H13NO4S · H2O), MES sodium salt(C6H12NNaO4S), MOPS free acid(C7H15NO4S), MOPS sodium salt(C7H14NO4SNa), MOPSO FREE ACID(C7H15NO5S), MOPSO SODIUM SALT(C7H14NO5SNa), PIPES free acid(C8H18N2O6S2), PIPES sodium salt(C8H16.5N2 Na1.5O6S2), POPSO free Acid(C10H22N2O8S2), POPSO disodium salt(C10H20N2O8S2Na2), Satellite free Ampicillin, SDS(Sodium dodecyl sulfate)-Urea-Tris solution, Sodium acetate, SSC, SSPE, TAE, TAPS free acid(C7H17NO6S), TAPS sodium salt(C7H17NO6SNa), TAPSO free acid(C7H17NO7S), TAPSO sodium salt(C7H16NO7SNa), TBS (TRIS-BUFFER SALINE), TBST (TBS-Tween 20), TE Buffer (Tris-EDTA), TES free acid(C6H15NO6S), TG Buffer (TRIS-GLYCINE), TG-SDS Buffer (TRIS-GLYCINE-SDS), Tris(C4H11NO3), Tris-HCl, Tris Hydrochloride(C4H11NO3 ·HCl), Tris-(hydroxymethyl) propane(C6H14O3), TT-SDS (Tris-Tricine-SDS buffer), TTE (Tris-TAPS-EDTA Buffer) 등이 있다. 실시 예에 따라 버퍼 용액은 생략될 수 있다. 버퍼용액(3510)을 센서(3500)에 인가하는 방법의 일 예가 도 35에 도시되어 있다.
센서측정장치(100)는 전압의 인가에 따른 센서(110)의 저항 또는 전류를 측정한다(S210). 이하에서는 검체 인가 전에 측정한 센서(110)의 저항 또는 전류를 제1 측정값이라고 명명한다. 센서측정장치(100)는 일정 전압 범위 내에서 전압별 제1 측정값을 파악한다. 예를 들어, 0~2V 사이에서 0.1V 간격으로 전압을 인가하였다면, 센서측정장치(100)는 0.1V, 0.2V,...2V 등의 각 전압에 대한 센서의 저항 또는 전류를 나타내는 복수의 제1 측정값을 파악한다.
센서(110)에 검체를 인가한다(S220). 일 실시 예로, 센서(110)에 버퍼 용액이 인가되어 있다면 버퍼 용액이 인가된 상태에서 검체를 센서(110)에 인가한다. 센서측정장치(100)는 검체 인가 후에 센서에 일정범위의 전압을 인가한다(S230). 검체 인가 전에 센서(110)에 1차 인가한 전압과 검체 인가 후에 센서(110)에 2차 인가한 전압은 동일한 조건의 전압일 수 있다. 예를 들어, 1차 인가한 전압이 0~2V 사이의 0.1V 단위의 전압이었다면, 2차 인가한 전압도 0~2V 사이의 0.1V 단위의 전압일 수 있다.
센서측정장치(100)는 전압의 인가에 따른 센서(110)의 저항 또는 전류를 측정한다(S240). 이하에서는 검체 인가 후에 측정한 센서(110)의 저항 또는 전류를 제2 측정값이라고 명명한다. 센서측정장치(100)는 검체 인가 전의 제1 측정값과 검체 인가 후의 제2 측정값 사이의 차이를 파악한다(S250). 즉, 센서측정장치(100)는 제1 측정값과 제2 측정값 사이의 차이를 전압별로 파악한다. 예를 들어, 검체 인가 전에 0.2V 및 0.5V를 인가하여 측정한 복수의 제1 측정값과 검체 인가 후에 0.2V 및 0.5V를 인가하여 측정한 복수의 제2 측정값이 존재하면, 센서측정장치(100)는 검체 인가 전 0.2V에 대한 제1 측정값과 검체 인가 후 0.2V에 대한 제2 측정값을 비교하고, 검체 인가 전 0.5V에 대한 제1 측정값과 검체 인가 후 0,5V에 대한 제2 측정값을 비교한다. 검체 인가 전후의 측정값의 비교 방법에 대해서는 도 3에서 다시 살펴본다.
일 실시 예로, 센서측정장치(100)는 제1 측정값과 제2 측정값을 화면에 출력하거나 외부 기기로 전송할 수 있다. 다른 실시 예로, 센서측정장치(100)는 제1 측정값과 제2 측정값 사이의 차이를 화면에 출력하거나 외부 기기로 전송할 수 있다.
또 다른 실시 예로, 센서측정장치(100)는 제1 측정값과 제2 측정값 사이의 최대 차이를 화면에 출력하거나 외부 기기로 전송할 수 있다. 예를 들어, 0.2V 전압에 대한 제1 측정값과 제2 측정값 사이의 차이가 A이고, 0.5V 전압에 대한 제1 측정값과 제2 측정값 사이의 차이가 B(>A)이면, 센서측정장치는 차이값이 더 큰 B를 출력할 수 있다.
또 다른 실시 예로, 센서측정장치(100)는 제2 측정값을 측정하는 과정을 반복 수행할 수 있다. 예를 들어, 센서측정장치(100)는 t1 시점에 0~2V 사이의 전압을 일정 간격으로 센서(110)에 입력하여 t1 시점의 복수의 제2 측정값을 획득할 수 있다. 센서측정장치(100)는 t2 시점에 다시 0~2V 사이의 전압을 일정 간격으로 센서(110)에 입력하여 t2 시점의 복수의 제2 측정값을 획득할 수 있다. 이와 같은 방법으로 tn 시점의 복수의 제2 측정값을 획득할 수 있다. 제2 측정값을 반복 측정하는 횟수 및 반복 측정 간격(즉, t2-t1)은 실시 예에 따라 다양하게 변형 가능하다.
센서측정장치(100)는 t1 시점에 측정한 복수의 제2 측정값과 이전에 측정한 제1 측정값을 비교하여 최대 차이를 파악할 수 있다. 또한 센서측정장치(100)는 t2 시점에 측정한 복수의 제2 측정값과 제1 측정값을 비교하여 최대 차이를 파악할 수 있다. 이와 같은 방법으로 tn 시점에 측정한 복수의 제2 측정값과 제1 측정값을 비교하여 최대 차이를 파악할 수 있다. 예를 들어, t1 시점에서는 0.5V에서 측정한 제1 측정값과 제2 측정값 사이의 차이가 최대이고, t2 시점에서는 0.2V에서 측정한 제1 측정값과 제2 측정값 사이의 차이가 최대일 수 있다. 즉, 각 측정시점(t1,t2,...tn)에서 제1 측정값과 제2 측정값의 최대 차이가 나타나는 인가 전압은 서로 상이할 수 있다.
일 실시 예로, 센서측정장치(100)는 제1 측정값과 제2 측정값의 차이를 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure 112023053745115-pat00001
여기서, 센서측정장치(100)가 센서(110)로부터 측정하는 값이 전류이면, 제1 측정값 및 제2 측정값은 센서의 전류값이다. 센서측정장치(100)가 센서(110)로부터 측정하는 값이 저항이면, 제1 측정값 및 제2 측정값은 센서의 저항값이다.
본 실시 예는 검체를 센서(110)에 인가하기 전에 측정한 제1 측정값과 검체를 센서에 인가한 후 측정한 제2 측정값을 파악하여 검체에 의한 센서의 영향을 정확하게 측정할 수 있다. 다른 실시 예로, 센서측정장치(100)는 제2 측정값을 일정 시간 간격으로 반복 측정한 후 각 시점(t1,t2,...tn)에서 구한 제2 측정값과 검체 인가 전의 제1 측정값 사이의 최대 차이값의 변화를 이용하여 검체를 보다 정확하게 측정할 수 있다.
센서측정장치(100)는 각 시점에서 파악된 제2 측정값과 검체 인가 전에 측정한 제1 측정값의 차이를 화면에 출력하거나 외부 기기로 전송할 수 있다. 다른 실시 예로, 센서측정장치(100)는 각 시점에서 파악된 제2 측정값과 검체 인가 전에 측정한 제2 측정값 사이의 차이값 중 최대 차이값을 화면에 출력하거나 외부 기기로 전송할 수 있다. 예를 들어, 센서측정장치(100)는 최대 차이값을 숫자나 그래프(예를 들어, 막대바 또는 선 그래프 등)로 표시할 수 있다. 다른 실시 예로, 센서측정장치(100)는 최대 차이값의 변화를 기반으로 검체를 식별한 결과를 화면에 출력하거나 외부 기기로 전송할 수 있다. 또 다른 실시 예로, 센서측정장치(100)는 최대 차이가 나타나는 각 측정시점의 인가전압 등 다양한 값을 함께 출력할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 센서의 측정 방법의 일 예를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 센서측정장치(100)는 검체 인가 전(300)에 센서에 전압을 인가하여 센서의 전류 또는 저항을 포함하는 제1 측정값(310)을 파악한다. 일 실시 예로, 센서측정장치(100)는 적어도 하나 이상의 전압을 센서에 인가하여 제1 측정값(310)을 파악할 수 있다. 예를 들어, 센서측정장치는 0~2V 사이에서 일정 간격의 전압을 인가하여 복수의 제1 측정값(310)을 파악할 수 있다.
센서측정장치(100)는 검체 인가 후(320)에 센서에 전압을 인가하여 센서의 전류 또는 저항을 포함하는 제2 측정값을 파악한다. 검체 인가 후에 센서에 입력하는 전압은 검체 인가 전에 센서에 입력하는 전압과 동일하다. 센서측정장치(100)는 제2 측정값을 측정하는 과정을 반복 수행할 수 있다. 예를 들어, 센서측정장치(100)는 t1 시점에 전압을 인가하여 제2-1 측정값(330)을 파악한다. 또한 센서측정장치는 t2 내지 tn 시점에서 각각 제2-2 측정값(332) 내지 제2-N 측정값(334)을 파악한다.
센서측정장치(100)는 제1 측정값(310)과 제2 측정값 사이의 차이를 전압별로 파악한다. 예를 들어, 제1 측정값(310) 및 제2 측정값이 모두 V1, V2, V3의 전압에 대하여 측정되었다고 가정한다. 센서측정장치(100)는 제1 측정값(310)과 t1 시점의 제2 측정값(즉, 제2-1 측정값(330))을 각 전압별로 비교한다. t1 시점에서 V2를 인가하여 측정한 제1 측정값(310)과 제2-1 측정값(330) 사이의 차이가 가장 크다면, 센서측정장치는 V2에서의 제1 측정값(310)과 제2-1 측정값(330) 사이의 차이값을 t1 시점에서의 최대 차이(340)로 파악한다. 이와 같은 방법으로 t2 시점에서 제1 측정값(310)과 제2-2 측정값(332) 사이의 전압별 차이를 비교하여 최대 차이(342)를 파악하고, tn 시점에서 제1 측정값(310)과 제2-N 측정값(334) 사이의 전압별 차이를 비교하여 최대 차이(344)를 파악한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 센서 측정 결과의 일 예를 도식화한 도면이다.
도 4를 참조하면, 검체 인가 전에 센서에 일정 범위 내의 전압을 인가하여 전류를 측정한 결과를 나타내는 제1 그래프(400)와 검체 인가 후에 센서에 일정 범위 내의 전압을 인가하여 전류를 측정한 결과를 나타내는 제2 그래프(410)가 도시되어 있다. 그래프(400,410)는 일정 간격의 전압별 센서 측정값을 연결하여 곡선 형태로 나타낸 것이다. 또한 본 실시 예의 그래프는 이해를 돕기 위한 하나의 예일 뿐 센서 측정 결과는 다양한 종류의 그래프 또는 숫자 등으로 표시될 수 있다.
일 실시 예로, 도 3과 같이 제2 측정값을 파악하는 과정을 반복 수행하면, 제2 그래프(410)는 복수 개 존재할 수 있다. 즉, t1 시점에서 측정한 센서의 제2-1 측정값(330)을 나타내는 제2-1 그래프, t2 시점에서 측정한 센서의 제2-2 측정값(332)을 나타내는 제2-2 그래프, tn 시점에서 측정한 센서의 제2-N 측정값(334)을 나타내는 제2-N 그래프가 존재할 수 있다. 다만 본 실시 예에서는 설명의 편의를 위하여 하나의 그래프만 도시하고 있다.
센서측정장치(100)는 수학식1을 이용하여 제1 그래프와 제2 그래프의 전압별 센서 측정값 사이의 차이를 파악할 수 있다. 측정값 사이의 차이는 수학식1로 한정되는 것은 아니며 다양한 방법으로 구할 수 있다. 제1 그래프(400)와 제2 그래프(410)의 차이가 제3 그래프(420)에 도시되어 있다. 예를 들어, 도 3을 참조하면, 제2-1 측정값(330)과 제1 측정값(310) 사이의 차이를 나타내는 그래프(420)와 제2-2 측정값(332)과 제1 측정값(310) 사이의 차이를 나타내는 그래프(430)가 각각 존재할 수 있다. 두 그래프(430,440)에서 최대값 지점(432,442)의 위치 변화를 기반으로 검체를 식별할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 그래핀 기반 센서의 제1 실시 예의 구조를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 그래핀 기반 센서는 기판(500), 부도체층(510), 그래핀층(520), 제1 전극(530), 제2 전극(540) 및 도핑영역(560)을 포함한다.
기판(500)에는 불순물을 도핑하여 형성된 도핑영역(560)이 존재한다. 일 실시 예로, 기판은 2차원 물질이 아닌 실리콘, 저마늄 또는 화합물 반도체 등 일반 반도체 물질로 구성된 반도체층일 수 있다. 도핑영역(560)은 n형 또는 p형으로 도핑될 수 있다. 일 실시 예로, 도핑영역(560)은 도핑 농도가 서로 다른 두 영역(150,155)으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도핑영역(560)은 제1 농도(예를 들어, 1*108/㎤~5*1019/㎤)로 도핑된 제1 도핑영역(550)과 제2 농도(>=제1 농도)(예를 들어, 1019/㎤ 이상)로 도핑된 제2 도핑영역(555)을 포함할 수 있다. 다른 실시 예로, 도핑영역(560) 전체는 동일한 농도로 도핑될 수 있다. 실리콘 접합 및 전극 역할을 위하여, 도핑영역(560)은 1019/㎤ 이상의 동일한 농도를 가진 단일 영역으로 형성될 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 서로 다른 농도로 도핑된 두 영역(550,555)을 포함하는 도핑영역(560)을 도시하여 설명한다. 도핑영역(560)의 면적 및 깊이는 실시 예에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
부도체층(510)은 도핑영역(560)의 일부를 제외하고 기판(500) 상에 형성된다. 예를 들어, 제1 도핑영역(550)의 일부 또는 전체의 위쪽에는 부도체층(510)이 존재하지 않고 기판(500) 상에 노출된다. 일 실시 예로, 부도체층(510)은 실리콘 산화물, 하프늄 산화물, 알루미늄 산화물 등 다양한 산화물로 구성될 수 있다.
그래핀으로 구성되는 그래핀층(520)은 도핑영역(560) 중 부도체층(510)에 의해 가려지지 않은 도핑영역(560) 상에 적층된다. 예를 들어, 그래핀층(520)은 부도체층(510) 및 도핑영역(560)에 걸쳐 적층되는 구조일 수 있다.
제1 전극(530)은 그래핀층(520)에 연결된다. 제2 전극(540)은 기판(500)의 아래에서 도핑영역(560)과 연결된다. 다른 실시 예로, 기판(500)의 상면에는 기판 하면의 제2 전극(540)과 연결되는 비아전극(570)을 더 포함할 수 있다. 비아전극(570)은 부도체층(510) 및 기판(500)을 관통하여 기판(500) 아래의 제2 전극(540)과 연결될 수 있다. 본 실시 예의 제1 전극(530) 및 제2 전극(540)의 연결 구조는 본 발명의 이해를 돕기 위한 하나의 예일 뿐, 본 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 제1 전극(530) 및 제2 전극(540)의 다양한 연결 구조의 예가 도 6 내지 도 10에 도시되어 있다.
그래핀층(520)의 표면에 검체와 반응하는 물질 또는 압력을 감지하는 구조물로 형성된 반응층(580)을 더 포함할 수 있다. 검체(예를 들어, 빛, 바이오물질, 가스 등)의 종류에 따라 반응층을 구성하는 물질의 종류는 다양할 수 있다. 예를 들어, 바이오 물질(DNA, 항원, 항체 또는 효소 등), 양자점(예를 들어, 황화납 양자점) 또는 고분자 필름 등을 그래핀층(520)에 도포하여 반응층(580)을 형성하거나, 압력을 측정하는 구조물로 구성된 반응층(580)을 그래핀층(520)에 적층할 수 있다. 다른 실시 예로, 반응층(580)은 여러 물질이나 여러 층으로 구성될 수 있다. 그래핀층(520)의 표면에 위치한 반응층(580)의 물질 종류에 따라, 본 실시 예의 그래핀 기반 센서는 빛을 감지하는 광학센서, 바이오물질을 검출하는 바이오센서, 가스나 온도, 습도 등을 검출하는 환경센서 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 그래핀 기반 센서의 제2 실시 예의 구조를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 그래핀 기반 센서는 기판(600), 부도체층(610), 그래핀층(620), 제1 전극(630), 제2 전극(640) 및 도핑영역(660)을 포함한다. 기판(600), 부도체층(610), 그래핀층(620), 제1 전극(630)은 도 1의 구조와 동일할 수 있다. 도핑영역(660)의 깊이와 면적은 도 5의 제1 실시 예와 동일하거나 일부 변형될 수 있다.
제1 전극(630)은 도 5의 제1 실시 예와 동일하나, 제2 전극(640)은 도 5의 제1 실시 예와 상이하다. 제2 전극(640)은 제1 전극(630)과 이격된 위치에 형성되고, 부도체층(610) 및 기판(600)을 관통하여 도핑영역(660)(예를 들어, 제1 도핑영역(650) 및/또는 제2 도핑영역(655))과 연결된다.
도 7은 본 발명에 따른 그래핀 기반 센서의 제3 실시 예의 구조를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 그래핀 기반 센서는 기판(700), 부도체층(710), 그래핀층(720), 제1 전극(730), 제2 전극(740) 및 도핑영역(760)을 포함한다. 본 실시 예의 구성은 제1 전극(730)을 제외하면 도 5의 제1 실시 예의 구성과 동일한다. 그래핀 기반 센서는 반응층(780)을 더 포함할 수 있다.
도 5의 제1 실시 예는 그래핀층(520)의 일측에 제1 전극(530)이 위치한 구조인 반면, 본 실시 예의 제1 전극(730)은 그래핀층(720)의 둘레를 감싸는 형태(예를 들어, 사각형 형태)이다. 다른 실시 예로, 제2 실시 예의 제1 전극(630)을 본 실시 예의 제1 전극(730)처럼 그래핀층(720)을 둘러싸는 형태로 변형할 수 있다.
본 실시 예는 제2 전극(740)과 연결되는 두 개의 비아전극(770)을 도시하고 있으나, 비아전극(770)의 수는 실시 예에 따라 다양하게 변형 가능하다. 다른 실시 예로, 비아전극(770)은 생략될 수 있다.
도 8는 본 발명에 따른 그래핀 기반 센서의 제4 실시 예의 구조를 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 그래핀 기반 센서는 기판(800), 부도체층(810), 그래핀층(820), 제1 전극(830), 제2 전극(840) 및 도핑영역(860)을 포함한다. 제1 내지 제3 실시 예와 비교하면, 본 실시 예는 복수의 전극(832,834,870,872)을 더 포함한다. 본 실시 예는 설명의 편의를 위하여 제1 실시 예의 구조(비아전극 포함 구조)를 기반으로 추가 전극(832,834,870,872)을 도시하여 설명하고 있으나, 본 실시 예는 제2 또는 제3 실시 예의 구조를 기반으로 구현될 수 있다.
제3 전극(832) 및 제4 전극(834)은 제1 전극(830)과 이격된 위치에서 그래핀층(820)에 접하여 형성된다. 제3 전극(832) 및 제4 전극(834)은 제1 전극(830)과 함께 제1 전극(830)의 접합 오류(예를 들어, 제1 전극(830)과 그래핀층(820) 사이의 접합 오류 등)를 확인하는데 사용되거나, 제1 전극(830)의 접합 오류 시에 제3 전극(832) 또는 제4 전극(834)을 이용할 수 있다.
제5 전극(872) 및 제6 전극(874)은 부도체층(810) 및 기판(800)을 관통하여 기판(800) 하부에 형성된 제2 전극(840)과 각각 연결된다. 따라서 비아전극(870)의 접합 오류 등이 발생한 경우에, 제5 전극(872) 또는 제6 전극(874)을 사용할 수 있다. 또한 비아전극(870)과 제5 전극(872)(또는 제6 전극(874))을 통해 비아전극(870)이 제2 전극(840)에 정상적으로 접합되어 있는지 확인할 수 있다.
실시 예에 따라, 제3 전극 내지 제6 전극(832,834,870,872) 중 일부의 전극만을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제3 전극(832)만을 포함하거나, 제3 전극(832) 및 제5 전극(872)만을 포함하는 등 다양하게 변형 가능하다.
제1 내지 제4 실시 예의 그래핀 기반 센서를 복수 개 배열하여 센서 어레이를 만들 수 있다. 센서 어레이는 모두 동일한 구조의 그래핀 기반 센서를 포함하거나, 제1 내지 제4 실시 예의 그래핀 기반 센서를 혼합하여 포함할 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 모두 동일한 구조의 그래핀 기반 센서가 배열된 센서 어레이에 대하여 살펴본다.
도 9는 본 발명에 따른 센서 어레이의 제1 실시 예의 구조를 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 센서 어레이는 복수 개의 그래핀 기반 센서를 1차원으로 배열한 구조이다. 센서 어레이를 구성하는 그래핀 기반 센서는 도 7의 제3 실시 예의 구조를 기반으로 한다. 즉, 그래핀 기반 센서는 기판(900), 부도체층(910), 그래핀층(920), 제1 전극(930), 제2 전극(940) 및 도핑영역(960)을 포함한다. 센서 어레이는 각 그래핀 기반 센서의 측정값(즉, 전류 또는 전압 등의 전기적 신호)를 출력하는 출력단자(932)를 더 포함할 수 있다. 출력단자(932)는 도 8에서 살핀 제4 전극(834)에 대응될 수 있다.
센서 어레이를 구성하는 복수의 그래핀 기반 센서의 제2 전극(940)은 서로 연결된 공통전극이다. 다시 말해, 기판(900)의 뒷면에는 복수의 그래핀 기반 센서를 가로지르는 세로방향의 공통전극(990)이 형성될 수 있다. 본 실시 예는 비아전극(970)을 도시하고 있으나, 실시 예에 따라 비아전극(970)은 생략될 수 있다.
센서 어레이를 구성하는 복수의 그래핀 기반 센서의 반응층(980)은 모두 동일한 물질을 포함하거나, 서로 다른 물질(A1,A2,A3)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 서로 다른 양자점의 물질을 각 그래핀 기반 센서의 반응층(980)으로 구성하여, 빛의 파장 또는 세기를 검출하는 센서 어레이를 구현할 수 있다. 또는 바이오 분자(예를 들어, DNA, RNA, 항원, 항체, 효소 중 적어도 하나 이상)에 반응하는 정도가 서로 다른 바이오 분자를 각 그래핀 기반 센서의 반응층(980)으로 구성하여 바이오 분자의 종류 및/또는 양을 검출하는 센서 어레이를 구현할 수 있다. 예를 들어, 센서 어레이는 코로나 바이러스와 조류독감 바이러스는 구분하거나, 코로나 바이러스 중에서도 SARS-CoV-1, SARS-CoV-2를 구분할 수 있다.
또는 특정 가스 분자에 반응하는 정도가 서로 다른 분자를 각 그래핀 기반 센서의 반응층(980)으로 구성하여, 가스의 종류 및/또는 양을 검출하는 센서 어레이를 구현할 수 있다. 또는 양자점, 바이오 분자, 가스 분자에 반응하는 물질 등을 조합하여 센서 어레이의 반응층(980)을 구성하여, 하나의 센서 어레이를 통해 빛, 바이오분자, 가스분자 등을 동시에 검출할 수 있다.
센서 어레이의 각 그래핀 기반 센서의 반응층(980)을 구성하는 물질이나 구조 등이 서로 다른 경우에, 부도체층(910)의 두께는 각 그래핀 기반 센서의 반응층(980)의 물질 등이 서로 섞이는 것을 방지할 만큼 기 설정된 높이로 구현될 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 센서 어레이의 제2 실시 예의 구조를 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 센서 어레이는 복수 개의 그래핀 기반 센서를 포함한다. 센서 어레이를 구성하는 각 그래핀 기반 센서는 기판(1000), 부도체층(1010), 그래핀층(1020), 제1 전극(1030), 제2 전극(1040) 및 도핑영역(1060)을 포함한다. 본 실시 예의 그래핀 기반 센서는 도 6의 제2 실시 예의 구조를 일부 변형한 것이다.
복수 개의 그래핀 기반 센서의 그래핀층(1020)은 서로 연결되어 있다. 다시 말해, 센서 어레이의 그래핀층(1020)은 복수 개의 그래핀 기반 센서를 가로질러 적층된다. 따라서 그래핀층(1020)에 연결된 제1 전극(1030)은 복수 개의 그래핀 기반 센서에 대한 공통전극이다. 도 9의 센서 어레이의 경우에 제2 전극(1040)이 공통전극인 반면, 본 실시 예는 제1 전극(1030)이 공통전극이다. 제2 전극(1040)은 각 그래핀 기반 센서마다 존재한다. 또한 각 그래핀 기반 센서에는 측정값을 출력하는 출력단자(1042)가 더 존재할 수 있다.
또 다른 실시 예로, 부도체층(1010)은 계단식으로 형성될 수 있다(B-B' 단면 참조). 본 실시 예는 부도체층(1010)의 높이에 따른 두 가지 예를 함께 도시하고 있다. 예를 들어, 제1 전극(1030)이 존재하는 부도체층(1010)의 영역을 주변보다 더 높게 형성할 수 있다. 이 경우 검체가 센서 어레이의 바깥으로 흘러나가는 것을 방지할 수 있다.
도 11은 본 발명에 따른 센서 어레이의 제3 실시 예의 구조를 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 센서 어레이는 복수 개의 그래핀 기반 센서를 포함한다. 센서 어레이를 구성하는 각 그래핀 기반 센서는 기판(1100), 부도체층(1110), 그래핀층(1120), 제1 전극(1130), 제2 전극(1140) 및 도핑영역(1160)을 포함한다.
도핑영역(1160)은 복수 개의 그래핀 기반 센서를 가로질러 기판(1100)의 세로 방향으로 길게 형성된다. 예를 들어, 도핑영역(1160)이 서로 다른 농도를 가진 복수의 영역으로 구성되는 경우에, 복수의 그래핀 기반 센서를 모두 가로지는 제2 도핑영역(1155)과 각 그래핀 기반 센서의 그래핀층(1120)에 대응되는 복수의 제1 도핑영역(1150,1151,1152)을 포함한다.
제2 전극(1130)은 도 2의 실시 예와 같이 부도체층(1110)을 관통하여 도핑영역(1160)과 연결된다. 본 실시 예는 두 개의 제2 전극(1140,1142)을 포함하는 구조를 도시하고 있으나, 제2 전극(1140,1142)의 수는 실시 예에 따라 다양하게 변형될 수 있다. 복수의 그래핀 기반 센서를 모두 가로지르는 도핑영역(1160)에 제2 전극(1140)이 연결되므로, 제2 전극(1140)은 복수의 그래핀 기반 센서에 대한 공통전극이 된다. 제1 전극(1130)은 각 그래핀 기반 센서마다 존재한다. 각 그래핀 기반 센서의 측정값을 출력하는 출력단자(1132)를 더 포함할 수 있다.
다른 실시 예로, 부도체층(1110)은 계단식으로 형성될 수 있다(B-B' 단면 참조). 본 실시 예는 부도체층(1110)의 높이에 따른 두 가지 예를 함께 도시하고 있다. 예를 들어, 제2 전극(1140)이 존재하는 부도체층(1110)의 영역을 도 10의 실시 예와 같이 주변보다 더 높게 형성될 수 있다. 또 다른 실시 예로, 기판(1100)의 하면에는 도핑영역(1160)과 연결되는 별도의 추가전극(1194,1198)을 더 포함할 수 있다.
도 12 및 도 13은 본 발명에 따른 센서 어레이의 제4 및 제5 실시 예의 구조를 도시한 도면이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 센서 어레이는 기판(1200,1300)에 출력부(1250,1350)를 포함한다. 센서 어레이를 구성하는 각 그래핀 기반 센서는 기판(1200,1300), 부도체층(1210,1310), 그래핀층(1220,1320), 제1 전극(1230,1330), 제2 전극(1240,1340) 및 도핑영역(1260,1360)을 포함한다. 그래핀층(1220,1320)의 표면에 반응층(1280,1380)을 더 포함할 수 있다. 도 12의 센서 어레이의 구조는 도 10의 구조를 일부 변형한 구조이고, 도 13의 센서 어레이의 구조는 도 8의 구조를 일부 변형한 구조이다.
출력부(1250,1350)는 기판(1200,1300)에 반도체 회로로 구현될 수 있다. 출력부(1250,1350)는 주소 신호를 입력받는 단자(1272,1372) 및 출력단자(1272,1374) 등을 포함한다. 출력부(1250,1350)는 센서 어레이의 복수 개의 그래핀 기반 소자의 출력단자(1270,1332)와 연결된다. 출력부(1250,1350)는 주소 신호를 입력받으면 복수 개의 그래핀 기반 소자 중 해당하는 그래핀 기반 소자의 출력단자를 통해 입력받은 신호(즉, 측정값)를 선택적으로 출력한다. 예를 들어, 출력부(1250,1350)는 멀티플렉서 회로로 구현될 수 있다. 출력부(1250,1350)의 다양한 실시 예가 도 21 내지 도 30에 도시되어 있다. 일 실시 예로, 출력부(1250,1350)는 도 1의 센서측정장치의 일부로 구현될 수 있다.
도 14는 본 발명에 따른 센서 어레이의 제6 실시 예의 구조를 도시한 도면이다.
도 14를 참조하면, 센서 어레이는 n*m(n,m은 2 이상의 자연수)의 형태로 그래핀 기반 센서가 배열된 구조이다. 각 그래핀 기반 센서는 기판(1400), 부도체층(1410), 그래핀층(1420), 제1 전극(1430), 제2 전극(1440) 및 도핑영역(1460)을 포함한다. 이 외에도 센서 어레이의 각 그래핀 기반 센서는 도 5 내지 도 9에서 살핀 다양한 실시 예의 구조로 구현될 수 있다.
그래핀층(1420)은 행 단위로 복수 개의 그래핀 기반 센서에 걸쳐 적층된다. 예를 들어, 제1 행에 위치한 3개의 그래핀 기반 센서의 그래핀층은 서로 연결된다. 따라서 행 단위로 공통된 제1 전극(1430)이 존재한다.
도핑영역(1460)은 열 단위로 복수 개의 그래핀 기반 센서에 걸쳐 존재한다. 예를 들어, 제1 행에 위치한 3개의 그래핀 기반 센서의 도핑영역이 서로 연결되고, 제2 행에 위치한 3개의 그래핀 기반 센서의 도핑영역이 서로 연결되고, 제3 행에 위치한 3개의 그래핀 기반 센서의 도핑영역이 서로 연결된다. 따라서 열 단위로 공통된 제2 전극(1440)이 존재한다. 예를 들어, 도 11과 같이 부도체층(1410)을 관통하여 도핑영역(1460)에 연결된 제2 전극(1440)이 각 행마다 존재한다.
복수의 제1 전극(1430,1431,1432))과 복수의 제2 전극(1440,1441,1442)을 통해 복수 개의 그래핀 기반 센서 중에 원하는 그래핀 기반 센서의 측정값을 출력할 수 있다. 예를 들어, 제1 행의 제1 전극과 제2 열의 제2 전극에 신호를 인가하여 B2 센서를 동작시킬 수 있다.
각 그래핀 기반 센서의 동작을 선택적으로 제어하고 각 그래핀 기반 센서의 측정값을 선택적으로 출력하도록 제1 멀티플렉서(1450) 및 제2 멀티플렉서(1460)를 포함할 수 있다. 일 실시 예로, 제1 멀티플렉서(1450) 및 제2 멀티플렉서(1460)는 기판(1400)에 반도체 회로로 구현될 수 있다. 제1 멀티플렉서(1450)는 복수의 제2 전극(1440,1441,1442)과 연결되고, 제2 멀티플렉서(1450)는 복수의 그래핀 기반 센서의 출력단자(미도시)와 연결될 수 있다.
예를 들어, 제1 멀티플렉서(1450)는 주소 신호를 입력받으면 복수의 제2 전극(1440,1441,1442) 중 그 주소 신호에 해당하는 열의 신호를 입력받아 출력하고, 제2 멀티플렉서(1460)는 주소 신호를 입력받으면 해당하는 행의 신호를 입력받아 출력한다.
도 15는 본 발명에 따른 센서 어레이의 제7 실시 예의 구조를 도시한 도면이다.
도 15를 참조하면, 센서 어레이의 복수 개의 그래핀 기반 센서(1510) 및 두 개의 멀티플렉서(1520,1540)의 구조는 도 14의 구조와 동일하다. 본 실시 예는 증폭기(1540)를 더 포함한다. 증폭기(1540)는 제2 멀티플렉서(1530)와 연결되어 제2 멀티플렉서(1530)의 출력신호를 증폭한다. 본 실시 예의 증폭기(1540)를 포함하는 센서 어레이는 칩(chip) 형태로 구현될 수 있다.
도 16은 본 발명에 따른 센서 어레이의 제8 실시 예의 구조를 도시한 도면이다.
도 16을 참조하면, 센서 어레이는 복수 개의 그래핀 기반 센서(1660)를 포함한다. 센서 어레이의 구조는 도 9 내지 도 15의 구조 중 어느 하나일 수 있다. 센서 어레이(1660)는 또한 저장부(1640) 및 채널부(1650)를 포함한다.
저장부(1650)는 기판(1600)을 일정 깊이와 일정 너비로 식각하여 형성된다. 복수 개의 그래핀 기반 센서는 채널부(1650)를 통해 저장부(1640)와 연결된다. 채널부(1650)는 복수의 그래핀 기반 센서(1660)와 저장부(1640) 사이의 부도체층(1610)의 일부를 일정 깊이 및 일정 너비로 식각하여 형성될 수 있다.
채널부(1650)의 깊이 및 너비는 저장부(1640)의 깊이 및 너비보다 작게 형성하여, 저장부(1640)에 저장된 검체 중 일정 크기 이하의 물질만 채널부(1650)를 통해 복수의 그래핀 기반 센서(1660)로 전달되도록 할 수 있다. 예를 들어, 검체가 혈액인 경우에, 채널부(1650)를 일정 폭 미만(예를 들어, 6㎛ 미만)으로 형성하여 적혈구와 백혈구를 제외한 나머지 물질만 그래핀 기반 센서(1660)로 전달되도록 할 수 있다.
본 실시 예는 센서 어레이 구조에 저장부(1640) 및 채널부(1650)를 더 포함하는 구조를 도시하고 있으나, 저장부(1640) 및 채널부(1650)의 구성은 도 5 내지 도 9에서 살핀 단일 그래핀 기반 센서에도 적용될 수 있다.
센서 어레이를 이용하여 빛의 주파수나 세기, 바이오 분자나, 가스 분자 또는 압력 등을 검출할 수 있다. 예를 들어, 각 그래핀 기반 센서의 그래핀층 표면에 위치한 반응층을 다양한 바이러스나 박테리아의 항체로 구성하여, 검체가 보유하고 있는 항원의 종류를 검출할 수 있다. 또는 반응층을 다양한 바이러스나 박테리아의 특정 단백질로 구성된 항원으로 구성하면, 검체가 보유하고 있는 항체의 종류를 검출할 수 있다. 또는 다양한 병원체에 서로 다른 정도로 반응하는 항체를 반응층으로 구성하여, 병원체의 종류를 검출할 수 있다. 또는 다양한 효소를 반응층으로 구성하면, 효소에 반응하는 다양한 물질의 종류를 검출할 수 있다.
또 다른 실시 예로, 센서 어레이를 구성하는 그래핀 기반 센서의 반응층을 특정 가스 분자에 반응하는 정도가 서로 다른 분자로 구성하여, 가스 분자의 종류와 양을 검출할 수 있다. 또 다른 실시 예로, 반응층을 압력에 반응하는 구조물로 만들어, 압력의 세기를 검출할 수 있다.
또 다른 실시 예로, 센서 어레이를 구성하는 복수의 그래핀 기반 센서의 반응층을 핵산으로 구성하여 핵산의 시퀀스를 검출할 수 있다. 일 예로, 반응층의 물질을 20 염기쌍(base-pair) 내외의 단일 가닥(singel strain) 핵산으로 구성하여 1 염기쌍까지 검출할 수 있는 센서 어레이를 구현할 수 있다. 예를 들어, 특정 시퀀스를 가진 제1 핵산에 대하여 상보 시퀀스(complementary sequence)를 가진 핵산을 제1 그래핀 기반 센서의 반응층으로 구성하고, 제1 핵산의 일부의 염기쌍이 변형(mutation)된 제2 핵산에 대하여 상보 시퀀스를 가진 핵산을 제2 그래핀 기반 센서의 반응층으로 구성할 수 있다. 제1 핵산과 제2 핵산의 농도가 각각 C1, C2인 검체를 센서 어레이에 입력하면, 센서 어레이의 측정값(S1,S2)은 다음과 같이 표시된다.
여기서, Mnm은 n의 시퀀스를 가지는 핵산을 m의 시퀀스를 상보 시퀀스와 결합하였을 때 그래핀 기반 센서가 나타내는 신호의 크기를 의미한다. Mnm은 미리 실험적으로 파악하여 정의될 수 있다. 위 수학식으로부터 검체의 제1 핵산 및 제2 핵산의 농도는 다음과 같이 구할 수 있다.
즉, 센서 어레이의 측정값(S1,S2)을 알면 검체의 제1 핵산과 제2 핵산의 농도를 알 수 있다. 위 예는 2종류의 핵산을 이용하여 설명하고 있으나, 동일 방법으로 3종류 이상의 핵산을 검출할 수 있다.
또 다른 실시 예로, 혈액 내 다양한 물질(칼슘, 나트륨, 혈당 등)의 농도를 측정할 수 있다. 센서 어레이를 구성하는 그래핀 기반 센서의 반응층을 다양한 효소 또는 채널로 구성하여, 혈액 내의 이온, 혈당 등의 농도를 검출할 수 있다. 예를 들어, 제1 그래핀 기반 센서의 반응층을 글루코스산화효소(glucose oxidase)로 구성하고, 제2 그래핀 기반 센서의 반응층을 칼륨채널(potassium channel)로 구성하여, 혈액 내의 글루코스 농도 및 칼륨 농도를 측정할 수 있다. 이 외에도 다양한 효소반응과 다양한 채널을 포함하도록 센서 어레이를 구성하여 검체 내 다양한 물질의 농도를 한꺼번에 측정할 수 있다.
도 17은 본 발명에 따른 그래핀 기반 센서의 제5 실시 예의 구조를 도시한 단면도이다.
도 17을 참조하면, 그래핀 기반 센서(1700)는 기판(1710), 2차원 반도체층(1720), 그래핀층(1730), 제1 전극(1740) 및 제2 전극(1750)을 포함한다. 실시 예에 따라, 그래핀 기반 센서(1700)는 반응층(1760)을 포함하여 구현되거나 반응층(1760) 없이 구현될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 반응층(1760)이 존재하는 경우를 가정하여 설명한다. 이 외에도, 반응층의 주변을 감싸는 구조물을 만들어 검체가 반응층의 바깥으로 흘러나가는 것을 방지할 수도 있다.
2차원 반도체층(1720)은 기판(1700) 상에 2차원 물질을 적층하여 형성된다. 예를 들어, 2차원 반도체층(1720)은 Si, Ge, WS2, MoS 등으로 구현될 수 있다. 이 외에도, 2차원 반도체층(1720)은 다양한 종류의 2차원 물질로 구현될 수 있다.
그래핀층(1730)은 기판(1710)과 2차원 반도체층(1720)에 걸쳐 그래핀을 적층하여 형성된다.
제1 전극(1740)은 2차원 반도체층(1720)에 접하여 적층되고, 제2 전극(1750)은 그래핀층(1730)에 접하여 적층된다. 즉, 제1 전극(1740)은 2차원 반도체층(1720)에 연결되고, 제2 전극(1750)은 그래핀층에 연결된다.
반응층(1760)은 2차원 반도체층(1720)과 그래핀층(1730)이 적층된 영역의 표면에 위치한다. 반응층(1760)은 그래핀층(1730)에 전하를 유도하는 물질을 포함한다. 검체(예를 들어, 빛, 바이오물질, 가스 등)의 종류에 따라 반응층(1760)을 구성하는 물질의 종류는 다양할 수 있다.
도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 센서 어레이의 제9 실시 예의 구조를 도시한 평면도이다.
도 18을 참조하면, 센서 어레이(1800)는 2차원 반도체층(1810,1812,1814,1816)과 그래핀층(1820)이 적층된 복수 개의 센싱영역(1830,1832,1834,1836)을 포함한다. 복수 개의 센싱영역(1830,1832,1834,1836)은 각각 도 17에서 살핀 그래핀 기반 센서의 역할을 수행한다.
복수 개의 2차원 반도체층(1810,1812,1814,1816)은 서로 이격되어 기판 상에 배치되고, 그래핀층(1820)은 복수 개의 2차원 반도체층(1810,1812,1814,1816)에 걸쳐 적층될 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 2차원 반도체층(1810,1812,1814,1816)은 제1 방향(예를 들어, 세로방향)으로 일정 간격 이격되어 배열되고, 그래핀층(1820)은 제1 방향에 수직인 제2 방향(예를 들어, 가로방향)으로 복수 개의 2차원 반도체층(1810,1812,1814,1816)을 가로질러 적층될 수 있다. 그래핀층(1820)은 복수의 센싱영역(1830,1832,1834,1836)에 공통으로 연결된다.
일 실시 예로, 복수 개의 2차원 반도체층(1810,1812,1814,1816)은 동일한 2차원 물질로 구현되거나 서로 다른 2차원 물질로 구현될 수 있다. 또는 일부의 2차원 반도체층(1810,1812,1814,1816 중 적어도 둘 이상)만 서로 상이한 2차원 물질로 구현될 수 있다.
다른 실시 예로, 복수 개의 2차원 반도체층(1810,1812,1814,1816)과 그래핀층(1820)이 적층된 센싱영역(1830,1832,1834,1836)의 크기는 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 적어도 둘 이상의 2차원 반도체층(1810,1812,1814,1816)의 폭을 서로 다르게 구현할 수 있다. 또는 센싱영역(1830,1832,1834,1836)에 해당하는 그래핀층(1820)의 폭을 서로 다르게 구현할 수 있다.
본 실시 예는 설명의 편의를 위하여 2차원 반도체층(1810,1812,1814,1816)과 그래핀층(1820)만을 도시하고 있으나 각 센싱영역(1830,1832,1834,1826)의 구조는 도 17과 같은 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 제1 전극(미도시)은 복수 개의 2차원 반도체층(1810,1812,1814,1816)에 각각 연결되고, 하나의 제2 전극(미도시)은 그래핀층(1820)에 연결될 수 있다.
반응층(미도시)은 2차원 반도체층(1810,1812,1814,1816)과 그래핀층(1820)이 적층된 각 센싱영역(1830,1832,1834,1836)마다 존재할 수 있다. 각 센싱영역의 반응층을 구성하는 물질은 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
도 19는 본 발명의 실시 예에 따른 센서 어레이의 제10 실시 예의 구조를 도시한 평면도이다.
도 19를 참조하면, 센서 어레이(1900)는 2차원 반도체층(1910,1912,1914,1916,1918,1920)과 그래핀층(1930)이 적층된 복수의 센싱영역(1980,1982,1984,1986,1988,1990)을 포함한다. 복수 개의 2차원 반도체층(1910,1912,1914,1916,1918,1920)은 서로 이격되어 기판 상에 방사형으로 배치되고, 그래핀층(1930)은 원형의 띠 모양으로 복수 개의 2차원 반도체층(1910,1912,1914,1916,1918,1920)에 걸쳐 적층될 수 있다.
복수 개의 제1 전극(1940,1942,1944,1946,1948,1950)은 복수 개의 2차원 반도체층(1910,1912,1914,1916,1918,1920)에 각각 연결되고, 제2 전극(1970)은 그래핀층(1930)에 연결된다.
센서 어레이(1900)는 복수 개의 2차원 반도체층(1910,1912,1914,1916,1918,1920)에 공통으로 연결된 제3 전극(1960)을 더 포함할 수 있다. 복수 개의 2차원 반도체층(1910,1912,1914,1916,1918,1920)이 방사형으로 배치되므로 제3 전극(1960)은 방사형 배치의 안쪽에서 복수 개의 2차원 반도체층(1910,1912,1914,1916,1918,1920)에 공통으로 연결되도록 형성될 수 있다. 복수 개의 제1 전극(1940,1942,1944,1946,1948,1950)과 제3 전극(1960)을 통해 각 2차원 반도체층(1910,1912,1914,1916,1918,1920)의 상태(고장 여부 등)를 확인할 수 있다.
센서 어레이(1900)는 그래핀층(1930)에 연결된 제4 전극(1972)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 그래핀층(1930)은 일부가 개방된 원형의 띠 모양이며, 그래핀층(1930)의 양단에 각각 제2 전극(1970) 및 제4 전극(1972)이 연결될 수 있다. 제2 전극(1970)과 제4 전극(1972)을 통해 그래핀층(1930)의 상태(고장 상태 등)를 확인할 수 있다.
복수 개의 2차원 반도체층(1910,1912,1914,1916,1918,19320)에 각각 연결된 복수 개의 제1 전극(1940,1942,1944,1946,1948,1950)과 제2 전극(1970)을 통해 각 센싱영역(1980,1982,1984,1986,1988,1990)의 센싱값을 측정할 수 있다.
도 20은 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 기반 센서의 전류 변화의 예를 도시한 도면이다.
도 20을 참조하면, 그래핀 기반 센서의 출력 전류(2000,2010)는 반응층의 반응 정도에 따라 변화한다. 또한 그래핀 기반 센서의 출력 전류(2010,2010)는 반응층을 구성하는 물질의 종류에 따라 달라질 수 있다. 다만, 종래의 트랜지스터 기반의 센서의 출력 전류(2050,2060)보다 본 실시 예의 그래핀 기반의 센서의 출력 전류(2000,2010)의 민감도가 더 크므로 미세한 전기 신호의 변화를 정확하게 측정 가능하다. 출력 전류(2000,2010)의 변화를 이용하여 빛의 파장이나 세기, 바이오 분자의 종류나 양, 가스 분자의 종류나 양, 또는 압력의 세기 등을 검출할 수 있다.
그래핀 기반 센서의 출력 전류(2000,2010)는 로그 스케일로 변화하므로 측정 범위가 매우 넓어 이를 정확하게 측정하는데 어려움이 있다. 따라서 도 21 내지 도 30에서는 그래핀 기반 센서의 출력 전류(2000,2010)를 일정 범위의 전압(예를 들어, 0~10V 등)으로 변환하여 측정하는 방법을 제시한다.
도 21 및 도 22는 본 발명의 실시 예에 따른 센서측정장치의 일 예를 도시한 도면이다.
도 21 및 도 22를 참조하면, 센서측정장치의 출력부(2120,2220)는 그래핀 기반 센서(2110,2210)와 연결된다. 그래핀 기반 센서(2110,2210)는 칩(2100,2200) 형태로 구현될 수 있다. 출력부(2120,2220)는 전치증폭부(pre-amplifier)(2130,2230) 및 피드백부(2140,2240)를 포함한다. 실시 예에 따라 출력부(2120,2220)는 제어부(1450,1550)를 더 포함할 수 있다.
전치증폭부(2130,2230)는 그래핀 기반 센서(2110,2210)의 출력 전류를 전압으로 변환한다. 다시 말해, 전치증폭부(2130,2230)는 전류를 입력받으면 일정 범위의 전압을 출력한다. 일 실시 예로, 전치증폭부(2130,2230)는 증폭기와 가변저항을 포함하고, 가변저항의 조정을 통해 증폭기의 출력전압이 일정 범위(예를 들어, 0~10V)가 되도록 조정할 수 있다. 본 실시 예의 전치증폭부(2130,2230)의 구조는 이해를 돕기 위한 하나의 예일 뿐이며, 전류 입력을 전압으로 변환하여 출력하는 종래의 다양한 회로구조가 본 실시 예의 전치증폭부(2130,2230)에 사용될 수 있다.
피드백부(2140,2240)는 전치증폭부(2130,2230)의 출력 전압을 제어부(2150,2250)의 설정값(set point)에 맞도록 피드백 제어하여 출력한다. 도 20에서 살핀 바와 같이 그래핀 기반 센서(2110,2210)는 반응층의 반응 물질에 따라 출력 전류(2000,2010)의 그래프가 상이하므로, 피드백부(2140,2240)는 설정값에 따라 전치증폭부(2130,2230)의 출력 전압을 조정한다. 예를 들어, 전치증폭부(2130,2230)의 출력 전압의 범위가 0~10V이고, 설정값이 1V 이면, 피드백부(2140,2240)는 전치증폭부(2130,2230)의 출력 전압을 0~1V 사이의 값으로 조정하여 출력한다. 설정값에 따라 출력 전압의 범위를 조정하는 피드백부(2140,2240)는 아날로그 회로로 구성되거나 DSP(Digital Signal Processor)로 구현될 수 있다. DSP로 구현된 피드백부(2140,2240)의 예가 도 23에 도시되어 있다.
전치증폭부(2130,2230)와 그래핀 기반 센서(2110,2210) 사이의 연결은 다양한 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 21을 참조하면, 증폭기의 (-) 단자는 그래핀 기반 센서(2110)의 출력단자와 연결되고, 증폭기의 (+) 단자는 피드백부(2140)의 출력에 연결될 수 있다. 도 22를 참조하면, 증폭기의 (-) 단자는 그래핀 기반 센서(2110)의 출력단자와 연결되고, 증폭기의 (+) 단자는 그라운드에 연결될 수 있다. 이때 그래핀 기반 센서(2210)의 나머지 전극은 피드백부(2240)의 출력에 연결될 수 있다.
도 23은 본 발명의 실시 예에 따른 센서측정장치의 피드백부 및 제어부의 상세 구성의 일 예를 도시한 도면이다.
도 23을 참조하면, 피드백부(2300)는 DSP로 구현된다. 피드백부(2300)는 일정 범위(제1 범위)의 전압을 입력받으면, 앞서 살핀 전치증폭부(2130,2230)의 출력 전압의 값을 피드백 제어하여 일정 범위(제2 범위 < 제1 범위)의 전압으로 조정하여 출력한다. 전치증폭부(2130,2230)의 출력 전압을 피드백 제어하여 일정 범위의 전압으로 출력하는 종래의 다양한 회로구조가 본 실시 예의 피드백부(2300)에 적용될 수 있으며, 피드백부(2300)는 본 실시 예의 구조로 한정되는 것은 아니다. 센서측정장치는 제어부(2310)와 함께 표시부(2320), 통신부(2330), 입력부(2340) 등을 더 포함할 수 있다.
도 24 내지 도 30은 본 발명의 실시 예에 따른 센서 어레이를 위한 센서측정장치의 다양한 예를 도시한 도면이다.
도 24를 참조하면, 센서측정장치는 센서 어레이(2400)에 포함된 복수의 그래핀 기반 센서(2410,2412,2414,2416)의 측정값을 출력하는 복수 개의 출력부(2420,2422,2424,2426)를 포함한다. 각 출력부(2420,2422,2424,2426)는 도 21 또는 도 22의 구조로 구현될 수 있다. 예를 들어, 센서 어레이(2400)가 4개의 그래핀 기반 센서(2410,2412,2414,2416)를 포함하면, 4개의 출력부(2420,2422,2424,2426)가 각 그래핀 기반 센서(2410,2412,2414,2416)에 연결된다. 센서 어레이(2400)에 포함되는 그래핀 기반 센서의 수 만큼 처리부가 필요하므로, 센서측정장치의 크기가 커지는 단점이 있다.
도 25 및 도 26을 참조하면, 센서측장장치는 멀티플레서(2500,2600)가 추가된 출력부를 포함한다. 도 24의 실시 예는 센서 어레이(2400)에 포함된 그래핀 기반 센서의 개수만큼 처리부를 포함하여야 하나, 본 실시 예는 하나의 출력부를 포함하면 된다. 멀티플렉서(2500,2600)는 센서 어레이(2400)의 복수 개의 그래핀 기반 센서로부터 출력 전류를 선택적으로 입력받아 전압을 출력한다. 도 25는 도 21의 출력부(2120)의 구성과 멀티플렉서(2500)를 연결한 구조이고, 도 26은 도 22의 출력부(2220)의 구성과 멀티플렉서(2600)를 연결한 구조이다.
도 27 및 도 28을 참조하면, 센서 어레이와 멀티플렉서(2700,2800)가 하나의 칩에 구현된 경우이다. 이 경우 센서 어레이는 멀티플렉서(2700,2800)를 통해 복수의 그래핀 기반 센서의 측정값을 선택적으로 출력하므로, 출력부(2710,2810)는 하나로 구성될 수 있다. 도 27의 출력부(2710)는 도 21의 출력부(2120)와 동일하고, 도 28의 출력부(2810)은 도 22의 출력부(2230)의 구성과 동일하다.
도 29 및 도 30을 참조하면, 센서 어레이, 멀티플레서(2910,3010) 및 전치증폭부(2920,3020)가 하나의 칩(2900,3000)으로 구현된 경우이다. 출력부(2930,3030)는 피드백부 및 제어부를 포함한다. 도 29는 도 21의 출력부(2120)의 구조를 기반으로 구현한 것이고, 도 30은 도 22의 출력부(2220)의 구성을 기반으로 구현한 것이다.
도 31은 본 발명의 실시 예에 따른 센서측정장치의 사용 예를 도시한 도면이다.
도 31을 참조하면, 센서측정장치(3110)는 스마트폰(3100)에 연결하여 사용할 수 있는 통신부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서측정장치(3110)는 이어폰 단자, 충전단자, 또는 블루투스 등을 통해 스마트폰에 연결될 수 있다. 센서측정장치(3110)의 출력부의 다양한 예는 도 21 내지 도 30에 도시되어 있다.
스마트폰(3100)은 센서측정장치(3110)로부터 수신한 전류나 저항 또는 전압 등의 측정값을 화면에 표시하거나 외부 기기로 전송할 수 있다. 다른 실시 예로, 스마트폰(3100)은 센서측정장치(3110)로부터 수신한 측정값을 분석하여 얻은 결과를 화면에 표시하거나 외부 기기로 전송할 수 있다. 예를 들어, 도 34의 분석방법을 구현한 소프트웨어가 스마트폰(3100)에 존재할 수 있다.
다른 실시 예로, 센서측정장치(3110)의 일측에는 QR 코드나 바코드 등 측정장치를 식별할 수 있는 정보가 존재할 수 있다. 센서측정장치(3110)에 QR 코드가 존재하는 경우, 스마트폰(3100)은 카메라를 통해 QR 코드를 인식하고, QR 코드의 값과 센서측정장치(3110)의 전압값(또는 분석결과)를 저장하거나 외부 기기로 전송할 수 있다.
도 32 및 도 33은 본 발명의 실시 예에 따른 센서측정장치의 구현 예를 도시한 도면이다.
도 32를 참조하면, 센서측정장치(3200)는 휴대할 수 있는 작은 크기로 구현될 수 있다. 센서측정장치(3200)의 일측에는 진단스트립을 삽입할 수 있는 삽입구(3210)가 존재한다. 진단스트립(3210)은 얇고 긴 막대 형태이며, 검체가 묻은 진단스트립(3210)을 센서측정장치의 삽입구(3210)에 삽입할 수 있다.
일 실시 예로, 센서측정장치(3200)는 그래핀 기반 센서의 측정값을 도 31과 같이 스마트폰 등의 외부기기로 전송할 수 있다. 다른 실시 예로, 센서측정장치(3200)는 그래핀 기반 센서의 측정값을 도 34의 방법 등으로 분석할 수 있는 내부회로를 더 포함할 수 있다. 또한 센서측정장치(3200)는 분석결과를 표시할 수 있는 디스플레이 또는 분석결과 등을 유선 또는 무선망을 통해 외부로 전송할 수 있는 통신부를 더 포함할 수 있다.
도 33을 참조하면, 센서측정장치(3300)는 복수의 진단스트립을 삽입할 수 있는 복수의 삽입구(3310)를 포함하고, 각 삽입구(3310)를 통해 삽입된 복수의 진단스트립을 동시에 분석할 수 있는 복수의 그래핀 기반 센서를 포함한다. 센서측정장치(3300)에 포함된 복수의 그래핀 기반 센서는 삽입구(3310)마다 각각 별개로 존재하거나, 앞서 살핀 센서 어레이 구조로 존재할 수 있다.
센서측정장치(3300)는 복수의 그래핀 기반 센서의 출력값을 도 34의 방법 등으로 분석할 수 있는 내부회로를 포함할 수 있다. 센서측정장치(3300)는 분석결과를 표시하는 표시부 및 분석결과를 외부기기로 전송할 수 있는 통신부를 더 포함할 수 있다.
다른 실시 예로, 도 32 또는 도 33의 센서측정장치(3200,3300)를 이용하여 검체의 정량분석을 수행할 수 있다. 도 32와 같이 센서측정장치(3200)에 하나의 삽입구(3210)가 존재하면, 복수의 서로 다른 농도의 표준시료가 존재하는 복수의 진단스트립과 검체의 진단스트립을 순차적으로 측정장치(3200)의 삽입구(3210)에 삽입하여 각 진단스트립에 대한 그래핀 기반 센서의 측정값을 얻을 수 있다. 또는 도 33과 같이 센서측정장치(3300)에 복수의 삽입구(3310)가 존재하면, 복수의 서로 다른 농도의 표준시료의 진단스트립과 검체의 진단스트립을 동시에 센서측정장치(3300)의 삽입구(3310)에 삽입하여, 복수의 진단스트립에 대한 그래핀 기반 센서의 측정값을 한꺼번에 얻을 수 있다. 센서측정장치(3200,3300)는 서로 다른 농도의 표준시료에 대한 시간에 따른 그래핀 기반 센서의 측정값의 변화(예를 들어, 전류 또는 전압의 변화)를 파악한다. 그리고 센서측정장치(3200,3300)는 농도별 표준시료의 측정값의 변화와 검체의 측정값의 변화를 비교하여 검체의 농도 또는 세기를 파악할 수 있다.
도 34는 본 발명의 실시 예에 따른 센서어레이의 측정값을 인공신경망을 이용하여 분석하는 방법의 일 예를 도시한 도면이다.
도 34를 참조하면, 센서 어레이(3400)는 복수의 그래핀 기반 센서의 측정값(3410)(예를 들어, 전류 또는 전압)을 출력한다. 센서 어레이(3400)로부터 출력되는 복수의 측정값(3410)은 인공신경망(3420)으로 입력된다. 인공신경망(3420)은 CNN(Convolutional Neural Network) 등 종래의 다양한 딥러닝 모델로 구현될 수 있다. 인공신경망(3420)은 학습데이터를 이용하여 미리 학습된다. 예를 들어, 표준시료를 센서 어레이로 측정한 복수의 측정값(3410)을 미리 알고 있는 표준시료의 정보(예를 들어, 빛의 파장/세기, 바이오분자의 종류/양, 가스분자의 종류/양, 압력의 세기 등)로 라벨링한 학습데이터를 이용하여 지도학습방법으로 인공신경망(3420)을 훈련시킬 수 있다. 학습완료된 인공신경망(3420)은 센서 어레이로 측정된 복수의 측정값(3410)을 입력받으면, 분석결과(3430)(즉, 빛의 파장/세기, 바이오분자의 종류/양, 가스분자의 종류/양, 압력의 세기 등)를 출력한다. 이하에서는 다양한 분석 방법에 대해 살펴본다.
먼저, 분석 방법의 제1 실시 예로, 센서 어레이(3400) 및 인공신경망(3420)을 이용한 빛의 파장 또는 세기를 검출하는 방법을 살펴본다. 센서 어레이(3400)의 복수의 그래핀 기반 센서의 반응층은 서로 다른 파장의 빛을 감지하는 서로 다른 양자점의 물질을 포함한다. 예를 들어, 센서 어레이(3400)를 구성하는 복수의 그래핀 기반 센서의 반응층은 R,G,B에 각각 반응하는 양자점으로 구성할 수 있다. 미리 학습완료된 인공신경망(3420)은 센서 어레이의 복수의 측정값(3410)을 입력받으면, 가시광선 영역의 파장을 분석결과로 출력한다. 또 다른 예로, 복수의 그래핀 기반 센서의 반응층을 서로 다른 파장대의 적외선을 감지하는 양자점으로 구성하여 적외선 영역의 파장을 검출할 수 있다. 이 경우, 피부의 적외선 감지를 통해 혈중 글루코스의 양을 측정할 수 있다. 또 다른 예로, UV-IR 영역의 서로 다른 파장대를 검출할 수 있는 서로 다른 양자점을 센서 어레이(3400)의 각 그래핀 기반 센서의 반응층으로 구성하여, 신호의 파장을 분석할 수 있다.
분석 방법의 제2 실시 예로, 센서 어레이(3400) 및 인공신경망(3420)을 이용하여 바이오 분자의 종류와 양을 검출할 수 있다. 센서 어레이(3400)의 복수의 그래핀 기반 센서의 반응층은 반응 정도가 서로 다른 바이오 분자(DNA, RNA, 항원, 항체, 효소 등)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서 어레이(3400)의 제1 그래핀 기반 센서의 반응층의 제1 항체가 다양한 바이러스(예를 들어, SARS-CoV-1, SARS-CoV-2, MERS-Cov 등)에 반응하는 정도와 제2 그래핀 기반 센서의 반응층의 제2 항체가 다양한 바이러스에 반응하는 정도(즉, 측정값의 신호)가 서로 다를 수 있다. 다시 말해, 제1 항체가 제1 바이러스에 반응하는 정도가 r1이고 제2 바이러스에 반응하는 정도가 r2이고, 제2 항체가 제1 바이러스 및 제2 바이러스에 반응하는 정도가 각각 r3, r4로서 서로 다를 수 있다.
센서 어레이(3400)가 검체에 대하여 복수의 측정값(3410)을 출력하면, 인공신경망(3420)은 바이러스의 종류/양을 분석결과로 출력한다. 이를 위해 인공신경망(3420)은 다양한 종류의 바이러스에 대한 센서 어레이(3400)의 측정값(3410)을 바이러스의 종류 및/또는 양으로 라벨링한 학습데이터로 미리 학습 완료된다. 이와 같이 다양한 바이러스에 대한 반응 정도가 서로 다른 항체를 각 그래핀 기반 센서의 반응층으로 구성하고, 각 항체의 반응정도에 따라 검체의 종류와 양을 검출할 수 있다. 따라서 센서 어레이(3400)에 포함된 그래핀 기반 센서의 숫자보다 더 많은 수의 바이러스를 검출할 수 있다. 또한 새로운 바이러스에 대하여 그래핀 기반 센서의 반응층의 각 항체의 반응 정도가 서로 다르다면, 센서 어레이(3400)의 반응층을 다시 만들 필요없이 기존의 센서 어레이(3400)를 그대로 사용하고 새로운 바이러스에 대한 학습데이터로 인공신경망을 학습시켜 새로운 바이러스의 검출이 가능하다.
분석 방법의 제3 실시 예로, 센서 어레이(3400) 및 인공신경망(3420)을 이용하여 질병을 진단하는 방법을 살펴본다. 센서 어레이(3400)의 복수의 그래핀 기반 센서에는 DNA, RNA, 항원, 항체, 효소 등 다양한 물질로 반응층이 형성된다. 예를 들어, 센서 어레이(3400)의 제1 그래핀 기반 센서에는 DNA을 검출할 수 있는 물질의 반응층을 포함하고, 제2 그래핀 기반 센서에는 효소를 검출할 수 있는 물질의 반응층을 포함할 수 있다. 인공신경망(3420)은 센서 어레이(3400)의 복수의 측정값(3410)은 입력받으면 질병을 예측하여 출력한다. 즉, 다양한 측정값의 조합을 통해 특정 질병을 진단할 수 있다. 이를 위해, 인공신경망(3420)은 특정 질병을 가진 검체를 센서 어레이(3400)에 입력하여 얻은 복수의 측정값을 질병명 이름으로 라벨링한 학습데이터로 미리 학습될 수 있다.
본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 프로그램 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 있다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 센서에 전압을 1차 인가하는 단계;
    전압의 인가에 따른 상기 센서의 저항 또는 전류를 1차 측정하는 단계;
    상기 센서에 검체를 인가하는 단계;
    상기 센서에 전압을 2차 인가하는 단계;
    전압의 인가에 따른 상기 센서의 저항 또는 전류를 2차 측정하는 단계;
    상기 검체 인가 전의 제1 측정값과 상기 검체 인가 후의 제2 측정값 사이의 차이를 파악하는 단계; 및
    상기 제1 측정값과 상기 제2 측정값의 전압별 차이값 중 최대 차이를 포함하는 결과값을 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 측정 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 전압을 1차 인가하는 단계는,
    기 정의된 일정 범위 내에서 일정 간격으로 전압을 인가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 측정 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 전압을 2차 인가하는 단계는,
    상기 1차 인가하는 단계에서 인가한 전압과 동일한 전압을 인가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 측정 방법.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 전압을 2차 인가하는 단계 및 상기 2차 측정하는 단계를 일정 시간 간격으로 반복 수행하는 단계; 및
    상기 제1 측정값과 일정 시간 간격마다 반복 수행하여 파악한 상기 제2 측정값 사이의 최대 차이를 파악하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 측정 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    일정 시간 마다 파악된 최대 차이의 변화를 기반으로 검체의 종류를 식별하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 측정 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 차이를 파악하는 단계는,
    "(상기 제2 측정값 - 상기 제1 측정값) / 상기 제1 측정값"을 기반으로 차이값을 파악하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 측정 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 센서는, 제1 전극; 제2 전극; 상기 제1 전극에 연결된 반도체층; 및 상기 제2 전극에 연결된 그래핀층;을 포함하고, 상기 반도체층과 상기 그래핀층이 정합된 구조인 것을 특징으로 하는 센서 측정 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 1차 측정하기 단계 전에 상기 센서에 버퍼용액을 인가하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 측정 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 버퍼용액은 PBS(Phosphate Buffered Saline) 또는 UTM(Universal Transport Medium)을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 측정 방법.
  11. 삭제
  12. 센서에 기 정의된 일정범위 내에서 전압을 인가하는 전압인가부; 및
    검체 인가 전에 전압의 인가에 따른 센서의 저항 또는 전류의 제1 측정값을 파악하고, 검체 인가 후에 전압의 인가에 따른 센서의 저항 또는 전류의 제2 측정값을 파악하여 출력하는 측정부;를 포함하고,
    상기 측정부는,
    상기 제1 측정값과 상기 제2 측정값 사이의 전압별 차이값 중 최대 차이를 포함하는 결과값을 출력하는 것을 특징으로 하는 센서측정장치.
  13. 센서에 기 정의된 일정범위 내에서 전압을 인가하는 전압인가부; 및
    검체 인가 전에 전압의 인가에 따른 센서의 저항 또는 전류의 제1 측정값을 파악하고, 검체 인가 후에 전압의 인가에 따른 센서의 저항 또는 전류의 제2 측정값을 파악하여 출력하는 측정부;를 포함하고,
    상기 측정부는,
    일정 시간 간격으로 상기 제2 측정값을 측정하는 과정을 반복 수행하고, 상기 반복 수행시마다 전압의 인가에 따른 센서의 저항 또는 전류의 제2 측정값을 파악하여 출력하는 것을 특징으로 하는 센서측정장치.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 측정부는,
    상기 반복 수행시마다 상기 제1 측정값과 상기 제2 측정값 사이의 최대 차이의 변화를 파악하여 출력하는 것을 특징으로 하는 센서측정장치.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090033261A (ko) * 2006-07-05 2009-04-01 파나소닉 주식회사 액체 시료 측정 방법 및 장치
KR20100065039A (ko) * 2008-12-05 2010-06-15 한국전자통신연구원 바이오 센서 리더기 및 바이오 센서 리더기 시스템
KR20210141124A (ko) * 2020-05-15 2021-11-23 성균관대학교산학협력단 이종 접합 채널을 이용한 바이오 센서 및 제조 방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090033261A (ko) * 2006-07-05 2009-04-01 파나소닉 주식회사 액체 시료 측정 방법 및 장치
KR20100065039A (ko) * 2008-12-05 2010-06-15 한국전자통신연구원 바이오 센서 리더기 및 바이오 센서 리더기 시스템
KR20210141124A (ko) * 2020-05-15 2021-11-23 성균관대학교산학협력단 이종 접합 채널을 이용한 바이오 센서 및 제조 방법

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