KR102648887B1 - 그래핀 기반 센서, 센서 어레이 및 이를 이용한 측정장치 및 분석방법 - Google Patents

그래핀 기반 센서, 센서 어레이 및 이를 이용한 측정장치 및 분석방법 Download PDF

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Abstract

그래핀 기반 센서, 이를 이용한 측정장치 및 분석방법이 개시된다. 그래핀 기반 센서는 기판과, 기판의 일부영역에 불순물을 도핑하여 형성된 도핑영역과, 도핑영역의 일부를 제외하고 상기 기판 상에 적층된 부도체층과, 도핑영역 상에 적층되는 그래핀층과, 그래핀층에 연결된 제1 전극과, 도핑영역에 연결된 제2 전극을 포함한다.

Description

그래핀 기반 센서, 센서 어레이 및 이를 이용한 측정장치 및 분석방법{Graphene-based sensor, measuring device and analyzing method using graphene-based sensor}
본 발명의 실시 예는 그래핀 기반 센서, 이를 이용한 측정장치 및 분석방법에 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.
반도체를 대체할 수 있는 새로운 물질로 그래핀(graphene)이 활발히 연구되어 있다. 그래핀은 육각형 벌집 모양의 2차원 평면 결정 구조를 가지며, 얇고 가볍고 내구성과 전도성이 뛰어나 다양한 분야에서 활용되고 있다. 최근에는 그래핀을 활용하여 기능적으로는 트랜지스터이나 구조적으로는 다이오드에 가까운 새로운 소자(배리스터, barristor)가 등장하였다.
본 발명의 실시 예가 이루고자 하는 기술적 과제는, 검체에 의해 나타나는 미세한 전기 신호의 변화를 감지할 수 있는 그래핀 기반 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시 예가 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 그래핀 기반 센서를 이용한 측정장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시 예가 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 복수의 그래핀 기반 센서를 포함하는 센서 어레이의 측정값을 인공신경망을 이용하여 분석하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 기반 센서의 일 예는, 기판; 상기 기판의 일부영역에 불순물을 도핑하여 형성된 도핑영역; 상기 도핑영역의 일부를 제외하고 상기 기판 상에 적층된 부도체층; 상기 도핑영역 상에 적층되는 그래핀층; 상기 그래핀층에 연결된 제1 전극; 및 상기 도핑영역에 연결된 제2 전극;을 포함한다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 실시 예에 따른 측정장치의 일 예는, 기판에 형성된 도핑영역 상에 그래핀층을 적층한 그래핀 기반 센서; 및 상기 그래핀 기반 센서의 출력 전류를 전압으로 변환하여 출력하는 출력부;를 포함한다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 실시 예에 따른 분석방법의 일 예는, 그래핀 기반 센서를 1차원 또는 2차원으로 배열한 센서 어레이를 이용한 분석방법에 있어서, 상기 센서 어레이의 복수의 그래핀 기반 센서로부터 복수의 측정값을 수신하는 단계; 및 인공신경망에 상기 복수의 측정값을 입력하여 분석결과를 획득하는 단계;를 포함하고, 상기 인공신경망은 검체가 각 그래핀 기반 센서의 반응층의 물질과 반응하여 나타나는 측정값을 상기 검체의 종류, 세기, 양 또는 농도 중 적어도 하나 이상을 포함하는 분석결과로 라벨링한 학습데이터를 이용하여 학습된다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 그래핀 기반 센서는 일반 센서에 비해 반응 민감도가 크므로 항원-항체, 효소, DNA 등의 상호 작용에 따른 미세한 전기 신호의 변화를 정확하게 측정할 수 있다. 또한 그래핀 기반 센서는 바이오 분야뿐만 아니라 빛이나 가스, 압력 등을 측정하는 다양한 분야에 적용 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 그래핀 기반 센서의 제1 실시 예의 구조를 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 그래핀 기반 센서의 제2 실시 예의 구조를 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 그래핀 기반 센서의 제3 실시 예의 구조를 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 그래핀 기반 센서의 제4 실시 예의 구조를 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 센서 어레이의 제1 실시 예의 구조를 도시한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 센서 어레이의 제2 실시 예의 구조를 도시한 도면,
도 7은 본 발명에 따른 센서 어레이의 제3 실시 예의 구조를 도시한 도면,
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 센서 어레이의 제4 및 제5 실시 예의 구조를 도시한 도면,
도 10은 본 발명에 따른 센서 어레이의 제6 실시 예의 구조를 도시한 도면,
도 11은 본 발명에 따른 센서 어레이의 제7 실시 예의 구조를 도시한 도면,
도 12는 본 발명에 따른 센서 어레이의 제8 실시 예의 구조를 도시한 도면,
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 기반 센서의 전류 변화의 예를 도시한 도면,
도 14 및 도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 기반 센서를 이용한 측정장치의 일 예를 도시한 도면,
도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 측정장치의 피드백부 및 제어부의 상세 구성의 일 예를 도시한 도면,
도 17 내지 도 23은 본 발명의 실시 예에 따른 센서 어레이를 이용한 측정장치의 다양한 예를 도시한 도면,
도 24는 본 발명의 실시 예에 따른 측정장치의 사용 예를 도시한 도면,
도 25 및 도 26은 본 발명의 실시 예에 따른 측정장치의 구현 예를 도시한 도면,
도 27은 본 발명의 실시 예에 따른 센서어레이의 측정값을 인공신경망을 이용하여 분석하는 방법의 일 예를 도시한 도면이다.
이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 기반 센서, 이를 이용한 측정장치 및 분석방법에 대해 상세히 살펴본다.
도 1은 본 발명에 따른 그래핀 기반 센서의 제1 실시 예의 구조를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 그래핀 기반 센서는 기판(100), 부도체층(110), 그래핀층(120), 제1 전극(130), 제2 전극(140) 및 도핑영역(160)을 포함한다.
기판(100)에는 불순물을 도핑하여 형성된 도핑영역(160)이 존재한다. 일 실시 예로, 기판은 2차원 물질이 아닌 실리콘, 저마늄 또는 화합물 반도체 등 일반 반도체 물질로 구성된 반도체층일 수 있다. 도핑영역(160)은 n형 또는 p형으로 도핑될 수 있다. 일 실시 예로, 도핑영역(160)은 도핑 농도가 서로 다른 두 영역(150,155)으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도핑영역(160)은 제1 농도(예를 들어, 1*108/㎤~5*1019/㎤)로 도핑된 제1 도핑영역(150)과 제2 농도(>=제1 농도)(예를 들어, 1019/㎤ 이상)로 도핑된 제2 도핑영역(155)을 포함할 수 있다. 다른 실시 예로, 도핑영역(160) 전체는 동일한 농도로 도핑될 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 서로 다른 농도로 도핑된 두 영역(150,155)을 포함하는 도핑영역(160)을 도시하여 설명한다. 도핑영역(160)의 면적 및 깊이는 실시 예에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
부도체층(110)은 도핑영역(160)의 일부를 제외하고 기판(100) 상에 형성된다. 예를 들어, 제1 도핑영역(150)의 일부 또는 전체의 위쪽에는 부도체층(110)이 존재하지 않고 기판(100) 상에 노출된다. 일 실시 예로, 부도체층(110)은 실리콘 산화물, 하프늄 산화물, 알루미늄 산화물 등 다양한 산화물로 구성될 수 있다.
그래핀으로 구성되는 그래핀층(120)은 도핑영역(160) 중 부도체층(110)에 의해 가려지지 않은 도핑영역(160) 상에 적층된다. 예를 들어, 그래핀층(120)은 부도체층(110) 및 도핑영역(160)에 걸쳐 적층되는 구조일 수 있다.
제1 전극(130)은 그래핀층(120)에 연결된다. 제2 전극(140)은 기판(100)의 아래에서 도핑영역(160)과 연결된다. 다른 실시 예로, 기판(100)의 상면에는 기판 하면의 제2 전극(140)과 연결되는 비아전극(170)을 더 포함할 수 있다. 비아전극(170)은 부도체층(110) 및 기판(100)을 관통하여 기판(100) 아래의 제2 전극(140)과 연결될 수 있다. 본 실시 예의 제1 전극(130) 및 제2 전극(140)의 연결 구조는 본 발명의 이해를 돕기 위한 하나의 예일 뿐, 본 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 제1 전극(130) 및 제2 전극(140)의 다양한 연결 구조의 예가 도 2 내지 도 4에 도시되어 있다.
그래핀층(120)의 표면에 검체와 반응하는 물질 또는 압력을 감지하는 구조물로 형성된 반응층(180)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(120)에 도포하여 반응층(180)을 형성하거나, 압력을 측정하는 구조물로 구성된 반응층(180)을 그래핀층(120)에 적층할 수 있다. 다른 실시 예로, 반응층(180)은 여러 물질이나 여러 층으로 구성될 수 있다. 그래핀층(120)의 표면에 위치한 반응층(180)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 2는 본 발명에 따른 그래핀 기반 센서의 제2 실시 예의 구조를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 그래핀 기반 센서는 기판(200), 부도체층(210), 그래핀층(220), 제1 전극(230), 제2 전극(240) 및 도핑영역(260)을 포함한다. 기판(200), 부도체층(210), 그래핀층(220), 제1 전극(230)은 도 1의 구조와 동일하다. 도핑영역(260)의 깊이와 면적은 도 1의 제1 실시 예와 동일하거나 일부 변형될 수 있다.
제1 전극(230)은 도 1의 제1 실시 예와 동일하나, 제2 전극(240)은 도 1의 제1 실시 예와 상이하다. 제2 전극(240)은 제1 전극(230)과 이격된 위치에 형성되고, 부도체층(210) 및 기판(200)을 관통하여 도핑영역(260)(예를 들어, 제1 도핑영역(250) 및/또는 제2 도핑영역(255))과 연결된다.
도 3은 본 발명에 따른 그래핀 기반 센서의 제3 실시 예의 구조를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 그래핀 기반 센서는 기판(300), 부도체층(310), 그래핀층(320), 제1 전극(330), 제2 전극(340) 및 도핑영역(360)을 포함한다. 본 실시 예의 구성은 제1 전극(330)을 제외하면 도 1의 제1 실시 예의 구성과 동일한다. 그래핀 기반 센서는 반응층(380)을 더 포함할 수 있다.
도 1의 제1 실시 예는 그래핀층(120)의 일측에 제1 전극(130)이 위치한 구조인 반면, 본 실시 예의 제1 전극(330)은 그래핀층(320)의 둘레를 감싸는 형태(예를 들어, 사각형 형태)이다. 다른 실시 예로, 제2 실시 예의 제1 전극(230)을 본 실시 예의 제1 전극(330)처럼 그래핀층(220)을 둘러싸는 형태로 변형할 수 있다.
본 실시 예는 제2 전극(340)과 연결되는 두 개의 비아전극(370)을 도시하고 있으나, 비아전극(370)의 수는 실시 예에 따라 다양하게 변형 가능하다. 다른 실시 예로, 비아전극(370)은 생략될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 그래핀 기반 센서의 제4 실시 예의 구조를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 그래핀 기반 센서는 기판(400), 부도체층(410), 그래핀층(420), 제1 전극(430), 제2 전극(440) 및 도핑영역(460)을 포함한다. 제1 내지 제3 실시 예와 비교하면, 본 실시 예는 복수의 전극(432,434,470,472)을 더 포함한다. 본 실시 예는 설명의 편의를 위하여 제1 실시 예의 구조(비아전극 포함 구조)를 기반으로 추가 전극(432,434,470,472)을 도시하여 설명하고 있으나, 본 실시 예는 제2 또는 제3 실시 예의 구조를 기반으로 구현될 수 있다.
제3 전극(432) 및 제4 전극(434)은 제1 전극(430)과 이격된 위치에서 그래핀층(420)에 접하여 형성된다. 제3 전극(432) 및 제4 전극(434)은 제1 전극(430)과 함께 제1 전극(430)의 접합 오류(예를 들어, 제1 전극(430)과 그래핀층(420) 사이의 접합 오류 등)를 확인하는데 사용되거나, 제1 전극(430)의 접합 오류 시에 제3 전극(432) 또는 제4 전극(434)을 이용할 수 있다.
제5 전극(472) 및 제6 전극(474)은 부도체층(410) 및 기판(400)을 관통하여 기판(400) 하부에 형성된 제2 전극(440)과 각각 연결된다. 따라서 비아전극(470)의 접합 오류 등이 발생한 경우에, 제5 전극(472) 또는 제6 전극(474)을 사용할 수 있다. 또한 비아전극(470)과 제5 전극(472)(또는 제6 전극(474))을 통해 비아전극(470)이 제2 전극(440)에 정상적으로 접합되어 있는지 확인할 수 있다.
실시 예에 따라, 제3 전극 내지 제6 전극(432,434,470,472) 중 일부의 전극만을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제3 전극(432)만을 포함하거나, 제3 전극(432) 및 제5 전극(472)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 5는 본 발명에 따른 센서 어레이의 제1 실시 예의 구조를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 센서 어레이는 복수 개의 그래핀 기반 센서를 1차원으로 배열한 구조이다. 센서 어레이를 구성하는 그래핀 기반 센서는 도 3의 제3 실시 예의 구조를 기반으로 한다. 즉, 그래핀 기반 센서는 기판(500), 부도체층(510), 그래핀층(520), 제1 전극(530), 제2 전극(540) 및 도핑영역(560)을 포함한다. 센서 어레이는 각 그래핀 기반 센서의 측정값(즉, 전류 또는 전압 등의 전기적 신호)를 출력하는 출력단자(532)를 더 포함할 수 있다. 출력단자(532)는 도 4에서 살핀 제4 전극(434)에 대응될 수 있다.
센서 어레이를 구성하는 복수의 그래핀 기반 센서의 제2 전극(540)은 서로 연결된 공통전극이다. 다시 말해, 기판(500)의 뒷면에는 복수의 그래핀 기반 센서를 가로지르는 세로방향의 공통전극(590)이 형성될 수 있다. 본 실시 예는 비아전극(570)을 도시하고 있으나, 실시 예에 따라 비아전극(570)은 생략될 수 있다.
센서 어레이를 구성하는 복수의 그래핀 기반 센서의 반응층(580)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(580)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(580)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(580)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(580)을 구성하여, 하나의 센서 어레이를 통해 빛, 바이오분자, 가스분자 등을 동시에 검출할 수 있다.
센서 어레이의 각 그래핀 기반 센서의 반응층(580)을 구성하는 물질이나 구조 등이 서로 다른 경우에, 부도체층(510)의 두께는 각 그래핀 기반 센서의 반응층(580)의 물질 등이 서로 섞이는 것을 방지할 만큼 기 설정된 높이로 구현될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 센서 어레이의 제2 실시 예의 구조를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 센서 어레이는 복수 개의 그래핀 기반 센서를 포함한다. 센서 어레이를 구성하는 각 그래핀 기반 센서는 기판(600), 부도체층(610), 그래핀층(620), 제1 전극(630), 제2 전극(640) 및 도핑영역(660)을 포함한다. 본 실시 예의 그래핀 기반 센서는 도 2의 제2 실시 예의 구조를 일부 변형한 것이다.
복수 개의 그래핀 기반 센서의 그래핀층(620)은 서로 연결되어 있다. 다시 말해, 센서 어레이의 그래핀층(620)은 복수 개의 그래핀 기반 센서를 가로질러 적층된다. 따라서 그래핀층(620)에 연결된 제1 전극(630)은 복수 개의 그래핀 기반 센서에 대한 공통전극이다. 도 5의 센서 어레이의 경우에 제2 전극(540)이 공통전극인 반면, 본 실시 예는 제1 전극(630)이 공통전극이다. 제2 전극(640)은 각 그래핀 기반 센서마다 존재한다. 또한 각 그래핀 기반 센서에는 측정값을 출력하는 출력단자(642)가 더 존재할 수 있다.
또 다른 실시 예로, 부도체층(610)은 계단식으로 형성될 수 있다(B-B' 단면 참조). 본 실시 예는 부도체층(610)의 높이에 따른 두 가지 예를 함께 도시하고 있다. 예를 들어, 제1 전극(630)이 존재하는 부도체층(610)의 영역을 주변보다 더 높게 형성할 수 있다. 이 경우 검체가 센서 어레이의 바깥으로 흘러나가는 것을 방지할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 센서 어레이의 제3 실시 예의 구조를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 센서 어레이는 복수 개의 그래핀 기반 센서를 포함한다. 센서 어레이를 구성하는 각 그래핀 기반 센서는 기판(700), 부도체층(710), 그래핀층(720), 제1 전극(730), 제2 전극(740) 및 도핑영역(760)을 포함한다.
도핑영역(760)은 복수 개의 그래핀 기반 센서를 가로질러 기판(700)의 세로 방향으로 길게 형성된다. 예를 들어, 도핑영역(760)이 서로 다른 농도를 가진 복수의 영역으로 구성되는 경우에, 복수의 그래핀 기반 센서를 모두 가로지는 제2 도핑영역(755)과 각 그래핀 기반 센서의 그래핀층(720)에 대응되는 복수의 제1 도핑영역(750,751,752)을 포함한다.
제2 전극(730)은 도 2의 실시 예와 같이 부도체층(710)을 관통하여 도핑영역(760)과 연결된다. 본 실시 예는 두 개의 제2 전극(740,742)을 포함하는 구조를 도시하고 있으나, 제2 전극(740,742)의 수는 실시 예에 따라 다양하게 변형될 수 있다. 복수의 그래핀 기반 센서를 모두 가로지르는 도핑영역(760)에 제2 전극(740)이 연결되므로, 제2 전극(740)은 복수의 그래핀 기반 센서에 대한 공통전극이 된다. 제1 전극(730)은 각 그래핀 기반 센서마다 존재한다. 각 그래핀 기반 센서의 측정값을 출력하는 출력단자(732)를 더 포함할 수 있다.
다른 실시 예로, 부도체층(710)은 계단식으로 형성될 수 있다(B-B' 단면 참조). 본 실시 예는 부도체층(710)의 높이에 따른 두 가지 예를 함께 도시하고 있다. 예를 들어, 제2 전극(740)이 존재하는 부도체층(610)의 영역을 도 6의 실시 예와 같이 주변보다 더 높게 형성될 수 있다. 또 다른 실시 예로, 기판(700)의 하면에는 도핑영역(760)과 연결되는 별도의 추가전극(794,798)을 더 포함할 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 센서 어레이의 제4 및 제5 실시 예의 구조를 도시한 도면이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 센서 어레이는 기판(800,900)에 출력부(850,950)를 포함한다. 센서 어레이를 구성하는 각 그래핀 기반 센서는 기판(800,900), 부도체층(810,910), 그래핀층(820,920), 제1 전극(830,930), 제2 전극(840,940) 및 도핑영역(860,960)을 포함한다. 그래핀층(820,920)의 표면에 반응층(880,980)을 더 포함할 수 있다. 도 8의 센서 어레이의 구조는 도 6의 구조를 일부 변형한 구조이고, 도 9의 센서 어레이의 구조는 도 7의 구조를 일부 변형한 구조이다.
출력부(850,950)는 기판(800,900)에 반도체 회로로 구현될 수 있다. 출력부(850,950)는 주소 신호를 입력받는 단자(872,972) 및 출력단자(972,974) 등을 포함한다. 출력부(850,950)는 센서 어레이의 복수 개의 그래핀 기반 소자의 출력단자(870,932)와 연결된다. 출력부(850,950)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(850,950)는 멀티플렉서 회로로 구현될 수 있다. 출력부(850,950)의 다양한 실시 예가 도 14 내지 도 23에 도시되어 있다.
도 10은 본 발명에 따른 센서 어레이의 제6 실시 예의 구조를 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 센서 어레이는 n*m(n,m은 2 이상의 자연수)의 형태로 그래핀 기반 센서가 배열된 구조이다. 각 그래핀 기반 센서는 기판(1000), 부도체층(1010), 그래핀층(1020), 제1 전극(1030), 제2 전극(1040) 및 도핑영역(1060)을 포함한다. 이 외에도 센서 어레이의 각 그래핀 기반 센서는 도 1 내지 도 4에서 살핀 다양한 실시 예의 구조로 구현될 수 있다.
그래핀층(1020)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(1030)이 존재한다.
도핑영역(1060)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(1040)이 존재한다. 예를 들어, 도 7과 같이 부도체층(1010)을 관통하여 도핑영역(1060)에 연결된 제2 전극(1040)이 각 행마다 존재한다.
복수의 제1 전극(1030,1031,1032))과 복수의 제2 전극(1040,1041,1042)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(1050) 및 제2 멀티플렉서(1060)를 포함할 수 있다. 일 실시 예로, 제1 멀티플렉서(1050) 및 제2 멀티플렉서(1060)는 기판(1000)에 반도체 회로로 구현될 수 있다. 제1 멀티플렉서(1050)는 복수의 제2 전극(1040,1041,1042)과 연결되고, 제2 멀티플렉서(1050)는 복수의 그래핀 기반 센서의 출력단자(미도시)와 연결될 수 있다.
예를 들어, 제1 멀티플렉서(1050)는 주소 신호를 입력받으면 복수의 제2 전극(1040,1041,1042) 중 그 주소 신호에 해당하는 열의 신호를 입력받아 출력하고, 제2 멀티플렉서(1060)는 주소 신호를 입력받으면 해당하는 행의 신호를 입력받아 출력한다.
도 11은 본 발명에 따른 센서 어레이의 제7 실시 예의 구조를 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 센서 어레이의 복수 개의 그래핀 기반 센서(1110) 및 두 개의 멀티플렉서(1120,1140)의 구조는 도 10의 구조와 동일하다. 본 실시 예는 증폭기(1140)를 더 포함한다. 증폭기(1140)는 제2 멀티플렉서(1130)와 연결되어 제2 멀티플렉서(1130)의 출력신호를 증폭한다. 본 실시 예의 증폭기(1140)를 포함하는 센서 어레이는 칩(chip)(110) 형태로 구현될 수 있다.
도 12는 본 발명에 따른 센서 어레이의 제8 실시 예의 구조를 도시한 도면이다.
도 12를 참조하면, 센서 어레이는 복수 개의 그래핀 기반 센서(1260)를 포함한다. 센서 어레이의 구조는 도 5 내지 도 11의 구조 중 어느 하나일 수 있다. 센서 어레이(1260)는 또한 저장부(1240) 및 채널부(1250)를 포함한다.
저장부(1250)는 기판(1200)을 일정 깊이와 일정 너비로 식각하여 형성된다. 복수 개의 그래핀 기반 센서는 채널부(1250)를 통해 저장부(1240)와 연결된다. 채널부(1250)는 복수의 그래핀 기반 센서(1260)와 저장부(1240) 사이의 부도체층(1210)의 일부를 일정 깊이 및 일정 너비로 식각하여 형성될 수 있다.
채널부(1250)의 깊이 및 너비는 저장부(1240)의 깊이 및 너비보다 작게 형성하여, 저장부(1240)에 저장된 검체 중 일정 크기 이하의 물질만 채널부(1250)를 통해 복수의 그래핀 기반 센서(1260)로 전달되도록 할 수 있다. 예를 들어, 검체가 혈액인 경우에, 채널부(1250)를 일정 폭 미만(예를 들어, 6㎛ 미만)으로 형성하여 적혈구와 백혈구를 제외한 나머지 물질만 그래핀 기반 센서(1260)로 전달되도록 할 수 있다.
본 실시 예는 센서 어레이 구조에 저장부(1240) 및 채널부(1250)를 더 포함하는 구조를 도시하고 있으나, 저장부(1240) 및 채널부(1250)의 구성은 도 1 내지 도 4에서 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 13은 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 기반 센서의 전류 변화의 예를 도시한 도면이다.
도 13을 참조하면, 그래핀 기반 센서의 출력 전류(1300,1310)는 반응층의 반응 정도에 따라 변화한다. 또한 그래핀 기반 센서의 출력 전류(1310,1310)는 반응층을 구성하는 물질의 종류에 따라 달라질 수 있다. 다만, 종래의 트랜지스터 기반의 센서의 출력 전류(1350,1360)보다 본 실시 예의 그래핀 기반의 센서의 출력 전류(1300,1310)의 민감도가 더 크므로 미세한 전기 신호의 변화를 정확하게 측정 가능하다. 출력 전류(1300,1310)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(1300,1310)는 로그 스케일로 변화하므로 측정 범위가 매우 넓어 이를 정확하게 측정하는데 어려움이 있다. 따라서 도 14 내지 도 23에서는 그래핀 기반 센서의 출력 전류(1300,1310)를 일정 범위의 전압(예를 들어, 0~10V 등)으로 변환하여 측정하는 방법을 제시한다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 기반 센서를 이용한 측정장치의 일 예를 도시한 도면이다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 측정장치는 그래핀 기반 센서(1410)와 출력부(1420)를 포함한다. 그래핀 기반 센서(1410,1510)는 칩(1400,1500) 형태로 구현될 수 있다. 출력부(1420,1520)는 전치증폭부(pre-amplifier)(1430,1530) 및 피드백부(1440,1540)를 포함한다. 실시 예에 따라 측정장치는 제어부(1450,1550)를 더 포함할 수 있다.
전치증폭부(1430,1530)는 그래핀 기반 센서(1410,1510)의 출력 전류를 전압으로 변환한다. 다시 말해, 전치증폭부(1430,1530)는 전류를 입력받으면 일정 범위의 전압을 출력한다. 일 실시 예로, 전치증폭부(1430,1530)는 증폭기와 가변저항을 포함하고, 가변저항의 조정을 통해 증폭기의 출력전압이 일정 범위(예를 들어, 0~10V)가 되도록 조정할 수 있다. 본 실시 예의 전치증폭부(1430,1530)의 구조는 이해를 돕기 위한 하나의 예일 뿐이며, 전류 입력을 전압으로 변환하여 출력하는 종래의 다양한 회로구조가 본 실시 예의 전치증폭부(1430,1530)에 사용될 수 있다.
피드백부(1440,1540)는 전치증폭부(1430,1530)의 출력 전압을 제어부(1450)의 설정값(set point)에 맞도록 피드백 제어하여 출력한다. 도 13에서 살핀 바와 같이 그래핀 기반 센서(1410,1510)는 반응층의 반응 물질에 따라 출력 전류(1300,1310)의 그래프가 상이하므로, 피드백부(1440,1540)는 설정값에 따라 전치증폭부(1430,1530)의 출력 전압을 조정한다. 예를 들어, 전치증폭부(1430,1530)의 출력 전압의 범위가 0~10V이고, 설정값이 1V 이면, 피드백부(1440,1540)는 전치증폭부(1430.1530)의 출력 전압을 0~1V 사이의 값으로 조정하여 출력한다. 설정값에 따라 출력 전압의 범위를 조정하는 피드백부(1440,1540)는 아날로그 회로로 구성되거나 DSP(Digital Signal Processor)로 구현될 수 있다. DSP로 구현된 피드백부(1440)의 예가 도 16에 도시되어 있다.
전치증폭부(1430,1530)와 그래핀 기반 센서(1410,1510) 사이의 연결은 다양한 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 14를 참조하면, 증폭기의 (-) 단자는 그래핀 기반 센서(1410)의 출력단자와 연결되고, 증폭기의 (+) 단자는 피드백부(1440)의 출력에 연결될 수 있다. 도 15를 참조하면, 증폭기의 (-) 단자는 그래핀 기반 센서(1510)의 출력단자와 연결되고, 증폭기의 (+) 단자는 그라운드에 연결될 수 있다. 이때 그래핀 기반 센서(1510)의 나머지 전극은 피드백부(1540)의 출력에 연결될 수 있다.
도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 측정장치의 피드백부 및 제어부의 상세 구성의 일 예를 도시한 도면이다.
도 16을 참조하면, 피드백부(1600)는 DSP로 구현된다. 피드백부(1600)는 일정 범위(제1 범위)의 전압을 입력받으면, 앞서 살핀 전치증폭부(1430,1530)의 출력 전압의 값을 피드백 제어하여 일정 범위(제2 범위 < 제1 범위)의 전압으로 조정하여 출력한다. 전치증폭부(1430,1530)의 출력 전압을 피드백 제어하여 일정 범위의 전압으로 출력하는 종래의 다양한 회로구조가 본 실시 예의 피드백부(1600)에 적용될 수 있으며, 피드백부(1600)는 본 실시 예의 구조로 한정되는 것은 아니다. 측정장치는 제어부(1610)와 함께 표시부(1620), 통신부(1630), 입력부(1640) 등을 더 포함할 수 있다.
도 17 내지 도 23은 본 발명의 실시 예에 따른 센서 어레이를 이용한 측정장치의 다양한 예를 도시한 도면이다.
도 17을 참조하면, 측정장치는 센서 어레이(1700)에 포함된 복수의 그래핀 기반 센서(1710,1712,1714,1716)의 측정값을 출력하는 복수 개의 출력부(1720,1722,1724,1726)를 포함한다. 각 출력부(1720,1722,1724,1726)는 도 14 또는 도 15의 구조로 구현될 수 있다. 예를 들어, 센서 어레이(1700)가 4개의 그래핀 기반 센서(1710,1712,1714,1716)를 포함하면, 4개의 출력부(1720,1722,1724,1726)가 각 그래핀 기반 센서(1710,1712,1714,1716)에 연결된다. 센서 어레이(1700)에 포함되는 그래핀 기반 센서의 수 만큼 출력부가 필요하므로, 측정장치의 크기가 커지는 단점이 있다.
도 18 및 도 19를 참조하면, 측장장치는 멀티플레서(1800,1900)가 추가된 출력부를 포함한다. 도 17의 실시 예는 센서 어레이(1700)에 포함된 그래핀 기반 센서의 개수만큼 출력부를 포함하여야 하나, 본 실시 예는 하나의 출력부를 포함하면 된다. 멀티플렉서(1800,1900)는 센서 어레이(1700)의 복수 개의 그래핀 기반 센서로부터 출력 전류를 선택적으로 입력받아 전압을 출력한다. 도 18은 도 14의 출력부(1420)의 구성과 멀티플렉서(1800)를 연결한 구조이고, 도 19는 도 15의 출력부(1520)의 구성과 멀티플렉서(1900)를 연결한 구조이다.
도 20 및 도 21을 참조하면, 센서 어레이와 멀티플렉서(2000,2100)가 하나의 칩에 구현된 경우이다. 이 경우 센서 어레이는 멀티플렉서(2000,2100)를 통해 복수의 그래핀 기반 센서의 측정값을 선택적으로 출력하므로, 출력부(2010,2110)는 하나로 구성될 수 있다. 도 20의 출력부(2010)은 도 14의 출력부(1420)과 동일하고, 도 21의 출력부(2110)은 도 15의 출력부(1430)의 구성과 동일하다.
도 22 및 도 23을 참조하면, 센서 어레이, 멀티플레서(2210,2310) 및 전치증폭부(2220,2320)가 하나의 칩(2200,2300)으로 구현된 경우이다. 출력부(2230,2330)는 피드백부 및 제어부를 포함한다. 도 22는 도 14의 출력부(1420)의 구조를 기반으로 구현한 것이고, 도 23는 도 15의 출력부(1520)의 구성을 기반으로 구현한 것이다.
도 24는 본 발명의 실시 예에 따른 측정장치의 사용 예를 도시한 도면이다.
도 24를 참조하면, 측정장치(2410)는 스마트폰(2400)에 연결하여 사용할 수 있는 통신부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 측정장치(2410)는 이어폰 단자, 충전단자, 또는 블루투스 등을 통해 스마트폰에 연결될 수 있다. 측정장치(2410)의 다양한 예는 도 14 내지 도 23에서 도시되어 있다.
스마트폰(2400)은 측정장치(2410)로부터 수신한 전압값을 화면에 표시하거나 외부 기기로 전송할 수 있다. 다른 실시 예로, 스마트폰(2400)은 측정장치(2410)로부터 수신한 전압값을 분석하여 얻은 결과를 화면에 표시하거나 외부 기기로 전송할 수 있다. 예를 들어, 도 27의 분석방법을 구현한 소프트웨어가 스마트폰(2400)에 존재할 수 있다.
다른 실시 예로, 측정장치(2410)의 일측에는 QR 코드나 바코드 등 측정장치를 식별할 수 있는 정보가 존재할 수 있다. 측정장치(2410)에 QR 코드가 존재하는 경우, 스마트폰(2400)은 카메라를 통해 QR 코드를 인식하고, QR 코드의 값과 측정장치(2410)의 전압값(또는 분석결과)를 저장하거나 외부 기기로 전송할 수 있다.
도 25 및 도 26은 본 발명의 실시 예에 따른 측정장치의 구현 예를 도시한 도면이다.
도 25를 참조하면, 측정장치(2500)는 휴대할 수 있는 작은 크기로 구현될 수 있다. 측정장치(2500)의 일측에는 진단스트립을 삽입할 수 있는 삽입구(2510)가 존재한다. 진단스트립(2510)은 얇고 긴 막대 형태이며, 검체가 묻은 진단스트립(2510)을 측정장치의 삽입구(2510)에 삽입할 수 있다.
일 실시 예로, 측정장치(2500)는 그래핀 기반 센서의 측정값을 도 24와 같이 스마트폰 등의 외부기기로 전송할 수 있다. 다른 실시 예로, 측정장치(2500)는 그래핀 기반 센서의 측정값을 도 27의 방법 등으로 분석할 수 있는 내부회로를 더 포함할 수 있다. 또한 측정장치(2500)는 분석결과를 표시할 수 있는 디스플레이 또는 분석결과 등을 유선 또는 무선망을 통해 외부로 전송할 수 있는 통신부를 더 포함할 수 있다.
도 26을 참조하면, 측정장치(2600)는 복수의 진단스트립을 삽입할 수 있는 복수의 삽입구(2610)를 포함하고, 각 삽입구(2610)를 통해 삽입된 복수의 진단스트립을 동시에 분석할 수 있는 복수의 그래핀 기반 센서를 포함한다. 측정장치(2600)에 포함된 복수의 그래핀 기반 센서는 삽입구(2610)마다 각각 별개로 존재하거나, 앞서 살핀 센서 어레이 구조로 존재할 수 있다.
측정장치(2600)는 복수의 그래핀 기반 센서의 출력값을 도 27의 방법 등으로 분석할 수 있는 내부회로를 포함할 수 있다. 측정장치(2600)는 분석결과를 표시하는 표시부 및 분석결과를 외부기기로 전송할 수 있는 통신부를 더 포함할 수 있다.
다른 실시 예로, 도 25 또는 도 26의 측정장치(2500,2600)를 이용하여 검체의 정량분석을 수행할 수 있다. 도 25와 같이 측정장치(2500)에 하나의 삽입구(1510)가 존재하면, 복수의 서로 다른 농도의 표준시료가 존재하는 복수의 진단스트립과 검체의 진단스트립을 순차적으로 측정장치(2500)의 삽입구(2510)에 삽입하여 각 진단스트립에 대한 그래핀 기반 센서의 측정값을 얻을 수 있다. 또는 도 26과 같이 측정장치(2600)에 복수의 삽입구(2610)가 존재하면, 복수의 서로 다른 농도의 표준시료의 진단스트립과 검체의 진단스트립을 동시에 측정장치(2600)의 삽입구(1610)에 삽입하여, 복수의 진단스트립에 대한 그래핀 기반 센서의 측정값을 한꺼번에 얻을 수 있다. 측정장치(2500,2600)는 서로 다른 농도의 표준시료에 대한 시간에 따른 그래핀 기반 센서의 측정값의 변화(예를 들어, 전류 또는 전압의 변화)를 파악한다. 그리고 측정장치(2500,2600)는 농도별 표준시료의 측정값의 변화와 검체의 측정값의 변화를 비교하여 검체의 농도 또는 세기를 파악할 수 있다.
도 27은 본 발명의 실시 예에 따른 센서어레이의 측정값을 인공신경망을 이용하여 분석하는 방법의 일 예를 도시한 도면이다.
도 27을 참조하면, 센서 어레이(2700)는 복수의 그래핀 기반 센서의 측정값(2710)(예를 들어, 전류 또는 전압)을 출력한다. 센서 어레이(2700)의 구조는 도 5 내지 도 12에 도시되어 있다. 다른 실시 예로, 센서 어레이(2700)의 출력단에는 출력 전류를 전압으로 변환하는 출력부(도 13 내지 도 23 참조)가 존재할 수 있다. 다만 이하에서는 설명의 편의를 위하여 센서 어레이(2700)에서 출력되는 측정값은 도 13 내지 도 23에서 살핀 출력부를 통해 일정 범위의 전압값으로 조정된 값으로 가정하여 설명한다. 즉, 측정값의 범위는 모두 일정 범위 내의 값으로 정규화된다.
센서 어레이(2700)로부터 출력되는 복수의 측정값(2710)은 인공신경망(2720)으로 입력된다. 인공신경망(2720)은 CNN(Convolutional Neural Network) 등 종래의 다양한 딥러닝 모델로 구현될 수 있다. 인공신경망(2720)은 학습데이터를 이용하여 미리 학습된다. 예를 들어, 표준시료를 센서 어레이로 측정한 복수의 측정값(2710)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(2720)을 훈련시킬 수 있다. 학습완료된 인공신경망(2720)은 센서 어레이로 측정된 복수의 측정값(2710)을 입력받으면, 분석결과(2730)(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(2700) 및 인공신경망(2720)을 이용한 빛의 파장 또는 세기를 검출하는 방법을 살펴본다. 센서 어레이(2700)의 복수의 그래핀 기반 센서의 반응층은 서로 다른 파장의 빛을 감지하는 서로 다른 양자점의 물질을 포함한다. 예를 들어, 센서 어레이(2700)를 구성하는 복수의 그래핀 기반 센서의 반응층은 R,G,B에 각각 반응하는 양자점으로 구성할 수 있다. 미리 학습완료된 인공신경망(2720)은 센서 어레이의 복수의 측정값(2710)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(2700)의 각 그래핀 기반 센서의 반응층으로 구성하여, 신호의 파장을 분석할 수 있다.
분석 방법의 제2 실시 예로, 센서 어레이(2700) 및 인공신경망(2720)을 이용하여 바이오 분자의 종류와 양을 검출할 수 있다. 센서 어레이(2700)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(2700)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(2700)가 검체에 대하여 복수의 측정값(2710)을 출력하면, 인공신경망(2720)은 바이러스의 종류/양을 분석결과로 출력한다. 이를 위해 인공신경망(2720)은 다양한 종류의 바이러스에 대한 센서 어레이(2700)의 측정값(2710)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(2700)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(2700)의 반응층을 다시 만들 필요없이 기존의 센서 어레이(2700)를 그대로 사용하고 새로운 바이러스에 대한 학습데이터로 인공신경망을 학습시켜 새로운 바이러스의 검출이 가능하다.
분석 방법의 제3 실시 예로, 센서 어레이(2700) 및 인공신경망(2720)을 이용하여 질병을 진단하는 방법을 살펴본다. 센서 어레이(2700)의 복수의 그래핀 기반 센서에는 DNA, RNA, 항원, 항체, 효소 등 다양한 물질로 반응층이 형성된다. 예를 들어, 센서 어레이(2700)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(2720)은 센서 어레이(2700)의 복수의 측정값(2710)은 입력받으면 질병을 예측하여 출력한다. 즉, 다양한 측정값의 조합을 통해 특정 질병을 진단할 수 있다. 이를 위해, 인공신경망(2720)은 특정 질병을 가진 검체를 센서 어레이(2700)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.
100: 기판 110: 부도체층
120: 그래핀층 130: 제1 전극
140: 제2 전극

Claims (21)

  1. 복수 개의 그래핀 기반 센서가 배열된 센서 어레이에 있어서,
    상기 복수 개의 그래핀 기반 센서의 각각은,
    기판;
    상기 기판의 일부영역에 불순물을 도핑하여 형성된 도핑영역;
    상기 도핑영역의 전체 또는 일부가 노출되도록 상기 기판 상에 적층된 부도체층;
    상기 도핑영역 상에 적층되는 그래핀층;
    상기 그래핀층에 연결된 제1 전극;
    상기 도핑영역에 연결된 제2 전극; 및
    상기 그래핀층의 표면에 위치하며, 상기 그래핀층에 전하를 유도하는 물질을 포함하는 반응층;을 포함하고,
    상기 복수 개의 그래핀 기반 센서의 각 반응층의 전체 또는 일부는 서로 다른 물질을 포함하고,
    상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극은 상기 복수 개의 그래핀 기반 센서에 공통으로 연결된 전극인 것을 특징으로 하는 그래핀 기반 센서를 포함하는 센서 어레이.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 도핑영역은,
    제1 농도로 도핑된 제1 도핑영역; 및
    제2 농도로 도핑된 제2 도핑영역;을 포함하고,
    상기 제1 농도는 상기 제2 농도 이하이고,
    상기 그래핀층은 상기 제1 도핑영역에 연결되고,
    상기 제2 전극은 상기 제2 도핑영역에 연결되는 것을 특징으로 하는 그래핀 기반 센서를 포함하는 센서 어레이.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 기판은,
    2차원 물질을 제외한 반도체 물질을 포함하는 반도체층인 것을 특징으로 하는 그래핀 기반 센서를 포함하는 센서 어레이.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제1 전극은,
    상기 그래핀층의 둘레를 감싸는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 그래핀 기반 센서를 포함하는 센서 어레이.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 제2 전극은,
    상기 그래핀층과 마주보는 상기 기판의 아래쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 그래핀 기반 센서를 포함하는 센서 어레이.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제1 전극과 이격된 위치에서 상기 부도체층 및 상기 기판을 관통하여 형성된 적어도 하나 이상의 비아전극;을 더 포함하고,
    상기 제2 전극은 상기 적어도 하나 이상의 비아전극과 연결되는 것을 특징으로 하는 그래핀 기반 센서를 포함하는 센서 어레이.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 제2 전극은,
    상기 부도체층을 관통하여 상기 도핑영역과 연결되는 것을 특징으로 하는 그래핀 기반 센서를 포함하는 센서 어레이.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 전극과 이격된 위치에서 상기 그래핀층에 접한 제3 전극;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 기반 센서를 포함하는 센서 어레이.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 기판을 제1 깊이 및 제1 너비로 식각하여 형성된 저장부; 및
    상기 부도체층을 제2 깊이 및 제2 너비로 식각하여 형성된, 상기 저장부와 상기 그래핀층 사이를 연결하는 채널부;를 더 포함하고,
    상기 제2 깊이 및 제2 너비는 각각 상기 제1 깊이 및 상기 제1 너비보다 작은 것을 특징으로 하는 그래핀 기반 센서를 포함하는 센서 어레이.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 기판에는 상기 도핑영역이 복수 개 존재하고,
    상기 부도체층은 복수 개의 도핑영역이 노출되도록 적층되는 것을 특징으로 하는 그래핀 기반 센서를 포함하는 센서 어레이.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 그래핀층은 상기 복수 개의 도핑영역에 각각 이격되어 적층되고,
    상기 복수 개의 도핑영역에 각각 대응되는 복수 개의 제1 전극을 포함하고,
    상기 제2 전극은 상기 복수 개의 도핑영역에 공통으로 연결되는 것을 특징으로 하는 그래핀 기반 센서를 포함하는 센서 어레이.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 그래핀층은 상기 복수 개의 도핑영역에 걸쳐 적층되고,
    상기 복수 개의 도핑영역에 각각 연결되는 복수 개의 제2 전극을 포함하고,
    상기 제1 전극은 상기 복수 개의 도핑영역에 공통으로 연결되는 것을 특징으로 하는 그래핀 기반 센서를 포함하는 센서 어레이.
  14. 제 12항 또는 제 13항에 있어서,
    상기 복수 개의 도핑영역의 그래핀층을 통해 측정된 값을 출력하는 멀티플렉서;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 기반 센서를 포함하는 센서 어레이.
  15. 제 1항의 그래핀 기반 센서를 포함하는 센서 어레이; 및
    그래핀 기반 센서의 출력 전류를 전압으로 변환하여 출력하는 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정장치.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 출력부는,
    상기 그래핀 기반 센서의 출력전류를 전압으로 변환하여 출력하는 전치증폭부; 및
    상기 전치증폭부의 출력 전압을 일정 범위로 조정하는 피드백부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정장치.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 피드백부의 출력 전압을 표시하는 표시부; 및
    상기 피드백부의 출력 전압을 외부로 전송하는 통신부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 측정장치.
  18. 제 16항에 있어서,
    상기 그래핀 기반 센서를 1차원 또는 2차원으로 배열한 센서 어레이; 및
    상기 센서 어레이를 구성하는 복수 개의 그래핀 기반 센서와 연결된 멀티플렉서;를 포함하고,
    상기 전치증폭부는 상기 멀티플렉서를 통해 각 그래핀 기반 센서의 출력전류를 선택적으로 입력받는 것을 특징으로 하는 측정장치.
  19. 제 1항의 그래핀 기반 센서를 포함하는 센서 어레이를 이용한 분석방법에 있어서,
    상기 센서 어레이의 복수의 그래핀 기반 센서로부터 복수의 측정값을 수신하는 단계; 및
    인공신경망에 상기 복수의 측정값을 입력하여 분석결과를 획득하는 단계;를 포함하고,
    상기 인공신경망은 검체가 각 그래핀 기반 센서의 반응층의 물질과 반응하여 나타나는 측정값을 상기 검체의 종류, 세기, 양 또는 농도 중 적어도 하나 이상을 포함하는 분석결과로 라벨링한 학습데이터를 이용하여 학습된 것을 특징으로 하는 분석방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 복수의 그래핀 기반 센서의 그래핀층 위에 도포된 반응층의 물질은 서로 다른 물질인 것을 특징으로 하는 분석방법.
  21. 제 19항에 있어서,
    상기 복수의 그래핀 기반 센서의 반응층의 물질은 양자점, 바이오분자, 가스에 반응하는 분자, 압력에 반응하는 구조물 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 분석방법.
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