KR20130143429A - Ion device having vertical nano-channel and nanopore - Google Patents

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KR20130143429A
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김기범
김현미
이민현
박경범
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서울대학교산학협력단
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Abstract

An ion element with a vertical nanochannel and a nanopore is provided. The ion element according to an embodiment of the present invention includes: an insulating substrate that has a cavity formed on the center; a first membrane that is located on the substrate and has a vertical nanochannel located in the upper portion of the cavity and penetrating the first membrane while having a first mean diameter; and a second membrane that is located on the first membrane and has a nanopore located in the upper portion of the vertical nanochannel and penetrating the second membrane while having a second mean diameter smaller than the first mean diameter.

Description

수직적 나노 채널 및 나노 포어를 가지는 이온 소자{Ion device having vertical nano-channel and nanopore}Ion device having vertical nano-channel and nanopore

본 발명은 수직적 나노 채널 및 나노 포어를 가지는 이온 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 수직적 나노 채널과 나노 포어의 접합 구조를 가지는 이온 소자에 관한 것이다. The present invention relates to an ion device having vertical nanochannels and nanopores, and more particularly, to an ion device having a junction structure of vertical nanochannels and nanopores.

본 발명은 교육과학기술부 및 서울대학교 산학협력단의 도약연구지원사업의 일환으로　수행한 연구로부터 도출된 것이다. The present invention is derived from research carried out by the Ministry of Education, Science and Technology and the Seoul National University Industry &

[과제관리번호: 20110016482, 과제명: 집적화된 나노포어 이온 트랜지스터 개발과 응용] [Project number: 20110016482, Title: Development and application of integrated nanofoam ion transistor]

용매 내에 양이온과 음이온이 존재하는 경우, 이온의 움직임을 선택적으로 조절하여, 용매 내에서 전하를 갖고 있는 입자의 흐름을 조절할 수 있게 하기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 이온의 움직임을 선택적으로 조절하기 위해서는 수 내지 수십 나노미터 크기를 가지는 구조체의 제조 및 상기 구조체를 이용한 용매의 흐름 조절이 요구된다. 또한 이를 통해 나노미터 크기를 가지는 입자의 흐름의 제어가 가능해진다. Research has been actively conducted to control the flow of charged particles in a solvent by selectively controlling the movement of ions when a cation and an anion are present in the solvent. In order to selectively control the movement of ions, it is necessary to prepare a structure having a size of several tens to several tens of nanometers and to control the flow of a solvent using the structure. This also allows the control of the flow of nanometer-sized particles.

이와 같은 노력은 최근에 들어 DNA, RNA 및 단백질과 같은 생체 물질의 흐름을 조절함으로써 생체 기작의 원리를 규명하고, 나아가서 DNA, RNA 및 단백질의 시퀀싱(sequencing)을 알아내고자 하는 전 세계적인 연구방향과 일치하여 많은 연구가 진행되고 있다.　 이러한 소자를 제조하기 위해서는 나노미터 크기의 채널(channel) 구조 또는 포어(pore) 구조를 형성하는 것이 요구된다. These efforts are in line with recent research around the world to understand the principles of biomechanism by regulating the flow of biomaterials such as DNA, RNA and proteins, and further to sequencing DNA, RNA and proteins. Many studies are being conducted. In order to manufacture such a device, it is required to form a nanometer-sized channel structure or a pore structure.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 수직적 나노 채널과 나노 포어의 접합 구조를 이용하여 전기적 신호를 검출하고 분석할 수 있는 이온 소자를 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide an ion device capable of detecting and analyzing electrical signals using a junction structure of vertical nanochannels and nanopores.

본 발명의 일 실시예에 따른 이온 소자가 제공된다. 상기 이온 소자는, 중심에 캐비티가 형성된 절연성의 기판; 상기 기판 상에 위치하고, 상기 캐비티의 상부에 위치하며 제1 평균 지름을 가지고 관통하는 수직적 나노 채널을 가지는 제1 멤브레인; 및 상기 제1 멤브레인 상에 위치하고, 상기 수직적 나노 채널의 상부에 위치하며 상기 제1 평균 지름보다 작은 제2 평균 지름을 가지고 관통하는 나노 포어를 가지는 제2 멤브레인을 포함한다.An ion device according to an embodiment of the present invention is provided. The ion device, the insulating substrate having a cavity formed in the center; A first membrane positioned on the substrate, the first membrane positioned on top of the cavity and having vertical nanochannels having a first average diameter therethrough; And a second membrane located on the first membrane and positioned on top of the vertical nanochannel and having nanopores penetrating with a second average diameter smaller than the first average diameter.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 수직적 나노 채널의 일 단에서, 상기 수직적 나노 채널 표면의 상기 제1 멤브레인과 상기 제2 멤브레인이 접하여 절곡부가 형성될 수 있다.In some embodiments of the present invention, at one end of the vertical nanochannel, a bent portion may be formed by contacting the first membrane and the second membrane of the surface of the vertical nanochannel.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 멤브레인은 제1 두께를 가지고, 상기 제1 평균 지름 대 상기 제1 두께의 비율은 1:5 내지 1:100의 범위일 수 있다.In some embodiments of the present invention, the first membrane has a first thickness, and the ratio of the first average diameter to the first thickness may range from 1: 5 to 1: 100.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 멤브레인은, 도전층 및 상기 도전층의 상측 및 하측에 위치하는 절연층들을 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the first membrane may include a conductive layer and insulating layers positioned above and below the conductive layer.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 도전층은 상기 기판에 수직한 방향에서 상기 제1 멤브레인의 중심으로부터 소정 거리로 이격되어 위치할 수 있다.In some embodiments of the present disclosure, the conductive layer may be spaced apart from the center of the first membrane by a predetermined distance in a direction perpendicular to the substrate.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 수직적 나노 채널의 표면은 유기물 또는 무기물에 의해 적어도 부분적으로 커버될 수 있다.In some embodiments of the present invention, the surface of the vertical nanochannel may be at least partially covered by an organic or inorganic material.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 수직적 나노 채널 내에 위치하는 나노 입자를 더 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the nanoparticles may further include nanoparticles located in the vertical nanochannels.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 용액을 수용하며, 상기 기판, 상기 제1 멤브레인, 및 상기 제2 멤브레인의 적층 구조물이 위치하는 챔버; 상기 챔버 내에서, 상기 제1 멤브레인에 인접한 상기 적층 구조물의 일 측에 위치하는 제1 전극; 상기 제1 전극에 대향하여, 상기 제2 멤브레인에 인접한 상기 적층 구조물의 타측에 위치하는 제2 전극; 및 상기 도전층, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 전기적 신호를 인가하기 위한 전기 신호부를 더 포함하고, 상기 전기 신호부는 상기 도전층과 상기 제1 전극 사이에 제1 전기장을 형성하고, 상기 도전층과 상기 제2 전극 사이에 제2 전기장을 형성하도록 전기적 신호를 인가할 수 있다.In some embodiments of the present invention, there is provided a liquid crystal device comprising: a chamber containing a solution, wherein the stack structure of the substrate, the first membrane, and the second membrane is located; A first electrode located at one side of the stack structure adjacent to the first membrane in the chamber; A second electrode located on the other side of the stack structure adjacent to the second membrane, opposite the first electrode; And an electrical signal unit for applying an electrical signal to the conductive layer, the first electrode, and the second electrode, wherein the electrical signal unit forms a first electric field between the conductive layer and the first electrode, An electrical signal may be applied to form a second electric field between the conductive layer and the second electrode.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 전기장의 세기는 상기 제2 전기장의 세기보다 클 수 있다.In some embodiments of the present invention, the strength of the first electric field may be greater than the strength of the second electric field.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 평균 지름은 50 nm 내지 500 nm이고, 상기 제2 평균 지름은 0.1 nm 내지 10 nm일 수 있다.In some embodiments of the present invention, the first average diameter may be 50 nm to 500 nm, and the second average diameter may be 0.1 nm to 10 nm.

본 발명의 수직적 나노 채널 및 나노 포어를 가지는 이온 소자에 따르면,　생체분자가 수직적 나노 채널을 통과한 후 나노 포어를 통과하게 함으로써, 생체 분자의 포집 확률을 향상시키고 생체 분자를 분석이 용이한 선형의 형태로 변환시킬 수 있다.According to the ion device having the vertical nanochannels and nanopores of the present invention, the biomolecules pass through the nanopores after passing through the vertical nanochannels, thereby improving the probability of trapping the biomolecules and analyzing the biomolecules. Can be converted to a form.

또한, 본 발명의 이온 소자에 의하면, 수직적 나노 채널에 별도의 전기적 신호를 인가함으로써, 수직적 나노 채널 내로의 생체 분자의 포집 확률 및 나노 포어의 통과 속도를 개별적으로 제어하여, 생체 분자의 효율적인 분석이 가능하게 된다.In addition, according to the ion device of the present invention, by applying a separate electrical signal to the vertical nanochannel, by individually controlling the probability of trapping the biomolecule into the vertical nanochannel and the passage rate of the nanopore, efficient analysis of the biomolecule It becomes possible.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 소자의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 소자의 개략적인 단면도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 소자의 개략적인 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 소자의 개략적인 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 소자의 동작 원리를 설명하기 위한 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 소자를 이용한 생체 분자의 분석 과정을 도시하는 흐름도이다.1 is a schematic cross-sectional view of an ion device according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic cross-sectional view of an ion device according to an embodiment of the present invention.
3 to 5 are schematic cross-sectional views of an ion device according to an embodiment of the present invention.
6 is a schematic cross-sectional view of an ion device according to an embodiment of the present invention.
7 is a schematic diagram illustrating an operating principle of an ion device according to an embodiment of the present invention.
8 is a flowchart illustrating a process of analyzing biomolecules using an ion device according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. The embodiments of the present invention are described in order to more fully explain the present invention to those skilled in the art, and the following embodiments may be modified into various other forms, It is not limited to the embodiment. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be more faithful and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.

이하의 설명에서 어떤 층이 다른 층의 위에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 층의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다.　 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.　 In the following description, when a layer is described as being on top of another layer, it may be directly on top of the other layer, with a third layer intervening therebetween. In the drawings, the thickness and size of each layer are exaggerated for convenience and clarity of description, and the same reference numerals refer to the same elements in the drawings.

본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다.　 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다.　 따라서, 이하 상술할 제1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다. Although the terms first, second, etc. are used herein to describe various elements, components, regions, layers and / or portions, these members, components, regions, layers and / It is obvious that no. These terms are only used to distinguish one member, component, region, layer or section from another region, layer or section. Thus, a first member, component, region, layer or section described below may refer to a second member, component, region, layer or section without departing from the teachings of the present invention.

이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다.　 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다.　 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings schematically showing ideal embodiments of the present invention. In the figures, for example, variations in the shape shown may be expected, depending on manufacturing techniques and / or tolerances. Accordingly, embodiments of the present invention should not be construed as limited to any particular shape of the regions illustrated herein, including, for example, variations in shape resulting from manufacturing.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 소자의 개략적인 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of an ion device according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 이온 소자(100)는 기판(110), 기판(110) 상의 제1 멤브레인(membrane)(120), 및 제1 멤브레인(120) 상의 제2 멤브레인(130)의 적층 구조물을 포함한다. 제1 멤브레인(120)은 중심에 수직적 나노 채널(125)이 형성되고, 제2 멤브레인(130)은 중심에 나노 포어(135)가 형성된다. 수직적 나노 채널(125) 및 나노 포어(135)는 각각 제1 멤브레인(120) 및 제2 멤브레인(130)을 관통한다.Referring to FIG. 1, the ion device 100 may include a stack structure of a substrate 110, a first membrane 120 on the substrate 110, and a second membrane 130 on the first membrane 120. Include. The first membrane 120 is formed with a vertical nanochannel 125 in the center, the second membrane 130 is formed with a nano pore 135 in the center. The vertical nanochannel 125 and nanopores 135 penetrate the first membrane 120 and the second membrane 130, respectively.

상기 적층 구조물의 양 측에 제1 챔버(162) 및 제2 챔버(164)가 각각 배치될 수 있다. 제1 챔버(162) 및 제2 챔버(164) 내에는 각각 제1 전극(140) 및 제2 전극(150)이 배치될 수 있다. 제1 챔버(162) 및 제2 챔버(164)의 외부에는 제1 전극(140) 및 제2 전극(150)에 전기적 신호를 주고 받을 수 있는 전기 신호부(170)가 배치될 수 있다.The first chamber 162 and the second chamber 164 may be disposed on both sides of the laminated structure, respectively. The first electrode 140 and the second electrode 150 may be disposed in the first chamber 162 and the second chamber 164, respectively. Electrical signals 170 may be disposed outside the first chamber 162 and the second chamber 164 to transmit and receive electrical signals to the first electrode 140 and the second electrode 150.

기판(110)은 절연성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(110)은 유리, 석영, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 및 폴리에틸렌(polyethylene, PE) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 기판(110)은 절연성 물질을 포함함으로써, 기판(110)에 의한 전기적 노이즈(noise)의 발생을 감소시킬 수 있다. 기판(110)은 제1 멤브레인(120) 및 제2 멤브레인(130)을 지지하는 역할을 수행할 수 있으며, 제1 챔버(162) 내의 물질이 수직적 나노 채널(125)에 용이하게 접근할 수 있도록 캐비티(cavity)(115)가 형성될 수 있다.The substrate 110 may include an insulating material. For example, the substrate 110 may include glass, quartz, polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethylene (PTFE), polydimethylsiloxane (PDMS), polycarbonate (PC), and the like. And it may include at least one of polyethylene (PE, PE). The substrate 110 may include an insulating material, thereby reducing the occurrence of electrical noise by the substrate 110. The substrate 110 may serve to support the first membrane 120 and the second membrane 130, so that the material in the first chamber 162 may easily access the vertical nanochannel 125. A cavity 115 may be formed.

제1 멤브레인(120)은 이온 절연성 물질로 이루어질 수 있다. 본 명세서에서 '이온 절연성' 물질은, 이온과 산화 또는 환원 반응을 하지 않으며, 이온이 통과하지 못하는 물질을 널리 의미한다. 제1 멤브레인(120)은 예를 들어, 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 질화물(Si3N4), 실리콘 산질화물(SiON), 탄소(C), 붕소질화물(BN), 또는 고유전율(high-k) 유전물층 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또는 제1 멤브레인(120)은 PET 또는 폴리이미드(polyimide)를 포함할 수도 있다. 제1 멤브레인(120)은 제1 두께(T1)를 가지며, 제1 두께(T1)는 500 nm 내지 수 마이크로미터의 범위일 수 있다.The first membrane 120 may be made of an ion insulating material. In the present specification, an 'ion-insulative' material means a substance which does not undergo oxidation or reduction reaction with ions, and ions can not pass through. The first membrane 120 may be formed of, for example, silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon oxynitride (SiON), carbon (C), boron nitride (BN), or high dielectric constant (high). -k) at least one of the dielectric layers. Alternatively, the first membrane 120 may include PET or polyimide. The first membrane 120 has a first thickness T1, and the first thickness T1 may range from 500 nm to several micrometers.

수직적 나노 채널(125)은 예를 들어, 제1 멤브레인(120)의 중심에 형성될 수 있다. 수직적 나노 채널(125)은 원기둥 형상 또는 원뿔대 형상을 가질 수 있다. 수직적 나노 채널(125)은 제1 평균 지름(D1)을 가지며, 제1 평균 지름(D1)은 50 nm 내지 500 nm의 범위일 수 있다. 제1 평균 지름(D1)은 제1 상부 지름(D11)과 제1 하부 지름(D12)의 산술적 평균을 의미한다. 예를 들어, 수직적 나노 채널(125)이 원뿔형의 형상을 가지는 경우, 제1 상부 지름(D11)은 제1 하부 지름(D12)보다 작을 수 있다. 수직적 나노 채널(125)은 상술한 것과 같은 범위의 제1 두께(T1) 및 제1 평균 지름(D1)을 가지면서도, 5 내지 100의 종횡비(aspect ratio)를 가지도록 형성될 수 있다.The vertical nanochannel 125 may be formed at the center of the first membrane 120, for example. The vertical nanochannel 125 may have a cylindrical shape or a truncated cone shape. The vertical nanochannel 125 has a first average diameter D1, and the first average diameter D1 may range from 50 nm to 500 nm. The first average diameter D1 refers to an arithmetic mean of the first upper diameter D11 and the first lower diameter D12. For example, when the vertical nanochannel 125 has a conical shape, the first upper diameter D11 may be smaller than the first lower diameter D12. The vertical nanochannel 125 may be formed to have an aspect ratio of 5 to 100 while having a first thickness T1 and a first average diameter D1 in the range as described above.

제2 멤브레인(130)은 그래핀(graphene), 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 질화물(Si3N4), 탄소(C) 및 붕소질화물(BN) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며 이온 절연성 물질로 이루어질 수 있다. 제2 멤브레인(130)은 제2 두께(T2)를 가지며, 제2 두께(T2)는 5 nm 이하일 수 있다. 제2 멤브레인(130)은 중심부에서 제1 멤브레인(120)에 형성된 수직적 나노 채널(125)의 표면과 절곡부를 형성할 수 있다. 상기 절곡부는 제1 멤브레인(120)과 제2 멤브레인(130)의 계면으로부터 연장되며, 수직적 나노 채널(125)과 나노 포어(135) 사이의 크기의 차이에 의해 발생한다.The second membrane 130 may include at least one of graphene, silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), carbon (C), and boron nitride (BN), and an ion insulating material It may be made of. The second membrane 130 may have a second thickness T2, and the second thickness T2 may be 5 nm or less. The second membrane 130 may form a bent portion and a surface of the vertical nanochannel 125 formed in the first membrane 120 at the central portion. The bend extends from the interface of the first membrane 120 and the second membrane 130 and is caused by the difference in size between the vertical nanochannel 125 and the nanopores 135.

제1 멤브레인(120) 및 제2 멤브레인(130)은 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD) 또는 반응성 스퍼터링(reactive sputtering) 등의 증착 방법, 또는 전사법(transferring process) 등을 이용하여 형성할 수 있다.The first membrane 120 and the second membrane 130 may be formed using a deposition method such as chemical vapor deposition (CVD) or reactive sputtering, or a transfer process. have.

나노 포어(135)는 예를 들어, 제2 멤브레인(130)의 중심에 형성될 수 있다. 또한, 나노 포어(135)는 적어도 일부가 제1 멤브레인(120)에 형성된 수직적 나노 채널(125)과 연결되도록 위치할 수 있다. 나노 포어(135)는 원기둥 형상 또는 원뿔형 형상을 가질 수 있다. 나노 포어(135)는 제2 평균 지름(D2)을 가지며, 제2 평균 지름(D2)은 0.1 nm 내지 10 nm의 범위일 수 있다. 제2 평균 지름(D2)은 나노 포어(135)의 상부 지름과 하부 지름의 산술적 평균을 의미한다.The nano pores 135 may be formed at the center of the second membrane 130, for example. In addition, the nanopores 135 may be positioned such that at least a portion of the nanopores 135 is connected to the vertical nanochannels 125 formed in the first membrane 120. The nano pore 135 may have a cylindrical shape or a conical shape. Nanopore 135 has a second average diameter (D2), the second average diameter (D2) may be in the range of 0.1 nm to 10 nm. The second average diameter D2 means an arithmetic mean of the upper diameter and the lower diameter of the nanopores 135.

수직적 나노 채널(125) 및 나노 포어(125)는 집속 전자빔(focused electron beam), 집속 이온빔(focused ion beam, FIB), 반응성 이온 식각법(reactive ion etching, RIE), 또는 전자빔 리소그래피(e-beam lithography)를 이용하여 형성할 수 있다.The vertical nanochannels 125 and nanopores 125 are focused electron beams, focused ion beams (FIB), reactive ion etching (RIE), or electron beam lithography (e-beam). lithography).

제1 챔버(162) 및 제2 챔버(164)는 유리, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 및 플라스틱 중 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 제1 챔버(162) 및 제2 챔버(164) 내에는 임의의 전도성 용액이 채워질 수 있으며, 상기 전도성 용액 내에는 예를 들어, DNA, RNA, 펩타이드(peptide) 또는 단백질과 같은 생체 물질이 포함될 수 있다. 상기 전도성 용액은 염산(HCl), 염화나트륨(NaCl) 또는 염화칼륨(KCl) 등의 전해질 용액을 포함할 수 있다. 특히, 염화칼륨(KCl)의 경우 양이온과 음이온의 이온 이동도(mobility)의 차이가 거의 없는 특징을 갖는다. 제1 챔버(162) 및 제2 챔버(164)는, 외부에서 제1 챔버(162) 및 제2 챔버(164) 내에 상기 용액을 주입 및 배출할 수 있는 주입부(미도시) 및 배출부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 제1 챔버(162) 및 제2 챔버(164)는 미소한 용량을 가질 수 있으며, 예를 들어, 어느 한 방향의 길이가 수 마이크로 미터의 치수를 가질 수 있다.The first chamber 162 and the second chamber 164 may be made of at least one material of glass, polydimethylsiloxane (PDMS), and plastic. The first chamber 162 and the second chamber 164 may be filled with any conductive solution, and the conductive solution may include, for example, a biological material such as DNA, RNA, peptide or protein. have. The conductive solution may include an electrolyte solution such as hydrochloric acid (HCl), sodium chloride (NaCl), or potassium chloride (KCl). Particularly, potassium chloride (KCl) has a characteristic that there is little difference in ion mobility between a cation and an anion. The first chamber 162 and the second chamber 164 may include an injection part (not shown) and a discharge part (not shown) capable of injecting and discharging the solution from the outside into the first chamber 162 and the second chamber 164. Not shown) may be further included. The first chamber 162 and the second chamber 164 may have a small capacity, for example, the length of either direction may have a dimension of several micrometers.

제1 전극(140) 및 제2 전극(150)은 제1 챔버(162) 및 제2 챔버(164) 내의 용액에 전압을 인가하여, 상기 용액 내의 이온을 유동시켜 결과적으로 전류의 흐름을 발생시킬 수 있다. 제1 전극(140) 및 제2 전극(150)은 알루미늄(Al), 금(Au), 베릴륨(Be), 비스무트(Bi), 코발트(Co), 하프늄(Hf), 인듐(In), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 납(Pb), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 로듐(Rh), 레늄(Re), 루테늄(Ru), 탄탈(Ta), 텔륨(Te), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 이들의 질화물, 및 이들의 실리사이드 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제1 전극(140) 및 제2 전극(150)은 각각 단일층이거나 또는 복합층일 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(140) 및 제2 전극(150)은 은(Ag) 또는 염화은(AgCl)의 복합층일 수 있다. 제1 전극(140) 및 제2 전극(150)의 배치는 도면에 도시된 것에 한정되지 않으며, 제1 멤브레인(120) 및 제2 멤브레인(130)에 근접하도록 배치될 수도 있다.The first electrode 140 and the second electrode 150 apply a voltage to a solution in the first chamber 162 and the second chamber 164 to flow ions in the solution, resulting in the flow of current. Can be. The first electrode 140 and the second electrode 150 are aluminum (Al), gold (Au), beryllium (Be), bismuth (Bi), cobalt (Co), hafnium (Hf), indium (In), and manganese. (Mn), molybdenum (Mo), nickel (Ni), lead (Pb), palladium (Pd), platinum (Pt), rhodium (Rh), rhenium (Re), ruthenium (Ru), tantalum (Ta), tellium (Te), titanium (Ti), tungsten (W), zinc (Zn), zirconium (Zr), nitrides thereof, and silicides thereof. The first electrode 140 and the second electrode 150 may each be a single layer or a composite layer. For example, the first electrode 140 and the second electrode 150 may be a composite layer of silver (Ag) or silver chloride (AgCl). The arrangement of the first electrode 140 and the second electrode 150 is not limited to that shown in the drawings, and may be disposed to be close to the first membrane 120 and the second membrane 130.

전기 신호부(170)는 제1 전극(140) 및 제2 전극(150)에 전기적 신호를 인가할 수 있으며, 예를 들어 전압원일 수 있다. 이에 의해, 제1 전극(140)과 제2 전극(150)의 사이에 전기장이 형성될 수 있다. 또한, 전기 신호부(170)는 제1 전극(140) 및 제2 전극(150)으로부터 전기적 신호, 예를 들어 전류를 수신할 수 있다.The electrical signal unit 170 may apply an electrical signal to the first electrode 140 and the second electrode 150, and may be, for example, a voltage source. As a result, an electric field may be formed between the first electrode 140 and the second electrode 150. In addition, the electrical signal unit 170 may receive an electrical signal, for example, a current from the first electrode 140 and the second electrode 150.

전기 신호부(170)에 의해 인가되는 전기적 신호에 의해, 수직적 나노 채널(125)과 나노 포어(135) 사이로 이온이 이동하여 이온 소자(100) 내에 이온 전류가 흐를 수 있다. 제1 챔버(162) 및 제2 챔버(164) 내에 전해질 용액을 수용하는 경우, 이온화된 양이온 및 음이온이 상기 전기적 신호에 의해 어느 한 방향으로 이동할 수 있다. 용액 내에 DNA와 같은 생체 분자가 포함되는 경우, DNA가 나노 포어(135) 사이를 통과할 때 이온의 흐름을 변화시켜 전기적 신호를 발생시킬 수 있으며, 이에 의해 DNA와 같은 생체 분자의 검출 및 분석이 이루어질 수 있으며, 이에 대해서는 하기에 도 7 및 도 8을 참조하여 상세히 설명한다.By an electrical signal applied by the electrical signal unit 170, ions may move between the vertical nanochannel 125 and the nanopores 135 so that ion current may flow in the ion device 100. When the electrolyte solution is accommodated in the first chamber 162 and the second chamber 164, ionized cations and anions may move in either direction by the electrical signal. If a biomolecule such as DNA is included in the solution, the DNA can change the flow of ions as it passes between the nanopores 135 to generate an electrical signal, thereby detecting and analyzing the biomolecule such as DNA. It may be made, which will be described in detail with reference to FIGS. 7 and 8 below.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 소자의 개략적인 단면도이다.2 is a schematic cross-sectional view of an ion device according to an embodiment of the present invention.

도 2에서, 도 1과 동일한 참조 부호는 동일 요소를 의미하며, 이들에 대한 상세한 설명은 생략한다.In FIG. 2, the same reference numerals as used in FIG. 1 mean the same elements, and detailed description thereof will be omitted.

도 2를 참조하면, 이온 소자(200)는 기판(110), 기판(110) 상의 제1 멤브레인(120a), 및 제1 멤브레인(120a) 상의 제2 멤브레인(130)의 적층 구조물을 포함한다. 제1 멤브레인(120a)은 중심에 수직적 나노 채널(125)이 형성되고, 제2 멤브레인(130)은 중심에 나노 포어(135)가 형성된다. 수직적 나노 채널(125) 및 나노 포어(135)는 각각 제1 멤브레인(120a) 및 제2 멤브레인(130)을 관통한다.Referring to FIG. 2, the ion device 200 includes a stack structure of a substrate 110, a first membrane 120a on the substrate 110, and a second membrane 130 on the first membrane 120a. The first membrane 120a is formed with the nanochannel 125 perpendicular to the center, and the second membrane 130 is formed with the nanopores 135 in the center. The vertical nanochannel 125 and nanopores 135 penetrate through the first membrane 120a and the second membrane 130, respectively.

제1 멤브레인(120a)은 제1 절연층(121), 도전층(122) 및 제2 절연층(123)을 포함할 수 있다. 제1 절연층(121) 및 제2 절연층(123)은 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 질화물(Si3N4), 실리콘 산질화물(SiON), 또는 고유전율(high-k) 유전물층 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 고유전율(high-k) 유전물층은 알루미늄 산화물(Al2O3), 탄탈륨 산화물(Ta2O3), 티타늄 산화물(TiO2), 이트륨 산화물(Y2O3), 지르코늄 산화물(ZrO2), 지르코늄 실리콘 산화물(ZrSixOy), 하프늄 산화물(HfO2), 하프늄 실리콘 산화물(HfSixOy), 란탄 산화물(La2O3), 란탄 알루미늄 산화물(LaAlxOy), 란탄 하프늄 산화물(LaHfxOy), 하프늄 알루미늄 산화물(HfAlxOy), 및 프라세오디뮴 산화물(Pr2O3) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 제1 절연층(121) 및 제2 절연층(123)은 이온 절연성 물질을 포함할 수 있다. 도전층(122)은 알루미늄(Al), 금(Au), 베릴륨(Be), 비스무트(Bi), 코발트(Co), 하프늄(Hf), 인듐(In), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 납(Pb), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 로듐(Rh), 레늄(Re), 루테늄(Ru), 탄탈(Ta), 텔륨(Te), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 이들의 질화물, 및 이들의 실리사이드 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The first membrane 120a may include a first insulating layer 121, a conductive layer 122, and a second insulating layer 123. The first insulating layer 121 and the second insulating layer 123 may be formed of silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon oxynitride (SiON), or high-k dielectric layer. It may include at least one. The high-k dielectric layer includes aluminum oxide (Al 2 O 3 ), tantalum oxide (Ta 2 O 3 ), titanium oxide (TiO 2 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2) ), Zirconium silicon oxide (ZrSi x O y ), hafnium oxide (HfO 2 ), hafnium silicon oxide (HfSi x O y ), lanthanum oxide (La 2 O 3 ), lanthanum aluminum oxide (LaAl x O y ), lanthanum hafnium And at least one of an oxide (LaHf x O y ), a hafnium aluminum oxide (HfAl x O y ), and a praseodymium oxide (Pr 2 O 3 ). In addition, the first insulating layer 121 and the second insulating layer 123 may include an ion insulating material. The conductive layer 122 includes aluminum (Al), gold (Au), beryllium (Be), bismuth (Bi), cobalt (Co), hafnium (Hf), indium (In), manganese (Mn), and molybdenum (Mo). , Nickel (Ni), lead (Pb), palladium (Pd), platinum (Pt), rhodium (Rh), rhenium (Re), ruthenium (Ru), tantalum (Ta), tellurium (Te), titanium (Ti) , Tungsten (W), zinc (Zn), zirconium (Zr), nitrides thereof, and silicides thereof.

도전층(122)은 제1 멤브레인(120a)의 표면에 수직한 일 방향으로의 중심을 지나는 중심선(C)으로부터 소정 거리(D3) 이격되어 위치할 수 있다. 예를 들어, 도전층(122)은 중심선(C)으로부터 하부에 위치할 수 있다. 본 실시예에서, 도전층(122)은 제1 챔버(162)에 가깝게 배치됨으로써, 도전층(122)에 의해 발생되는 전기적 신호가 제1 챔버(162) 내의 물질, 예를 들어 생체 분자에 미치는 영향을 최대화할 수 있다. 이에 의해, 생체 분자가 수직적 나노 채널(125) 내로 포집되는 확률을 최대화할 수 있다. 다만, 이러한 도전층(122)의 위치는 도시된 것에 한정되지 않으며, 다른 실시예들에서, 도전층(122)은 중심선(C) 상에 위치하거나 중심선(C)의 상부에 위치할 수도 있다.The conductive layer 122 may be spaced apart from the center line C passing a center in one direction perpendicular to the surface of the first membrane 120a by a predetermined distance D3. For example, the conductive layer 122 may be located below the center line C. In the present embodiment, the conductive layer 122 is disposed close to the first chamber 162, so that the electrical signal generated by the conductive layer 122 is applied to the material in the first chamber 162, for example, biomolecules. The impact can be maximized. As a result, the probability of the biomolecule being collected into the vertical nanochannel 125 may be maximized. However, the location of the conductive layer 122 is not limited to that shown, and in other embodiments, the conductive layer 122 may be located on the center line C or above the center line C.

수직적 나노 채널(125)은 예를 들어, 제1 멤브레인(120)의 중심에 형성될 수 있다. 수직적 나노 채널(125)은 원기둥 형상 또는 원뿔형 형상을 가질 수 있다. 본 실시예에서, 수직적 나노 채널(125)의 표면의 일부를 통해 도전층(122)이 노출될 수 있다.The vertical nanochannel 125 may be formed at the center of the first membrane 120, for example. The vertical nanochannel 125 may have a cylindrical or conical shape. In this embodiment, the conductive layer 122 may be exposed through a portion of the surface of the vertical nanochannel 125.

전기 신호부(170a)는 제1 전극(140), 제2 전극(150) 및 도전층(122)에 전기적 신호, 예를 들어 전압을 인가할 수 있다. 이에 의해, 제1 전극(140)과 도전층(122)의 사이에 제1 전기장이 형성될 수 있으며, 도전층(122)과 제2 전극(150)의 사이에 제2 전기장이 형성될 수 있다. 상기 제1 전기장과 상기 제2 전기장은 동시에 또는 순차적으로 형성되도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 용액 내에 DNA와 같은 생체 분자가 포함되는 경우, 상기 제1 전기장에 의해 생체 분자가 수직적 나노 채널(125) 내로 이동될 수 있다. 또한, 상기 제2 전기장에 의해 수직적 나노 채널(125) 내의 생체 분자가 나노 포어(135) 사이로 이동할 수 있다. 이에 대해서는 하기에 도 7 및 도 8을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 전기 신호부(170a)는 제1 전극(140), 제2 전극(150) 및 도전층(122)으로부터 전기적 신호, 예를 들어 전류를 수신할 수 있다.The electrical signal unit 170a may apply an electrical signal, for example, a voltage, to the first electrode 140, the second electrode 150, and the conductive layer 122. As a result, a first electric field may be formed between the first electrode 140 and the conductive layer 122, and a second electric field may be formed between the conductive layer 122 and the second electrode 150. . The first electric field and the second electric field may be controlled to be formed simultaneously or sequentially. For example, when a biomolecule such as DNA is included in the solution, the biomolecule may be moved into the vertical nanochannel 125 by the first electric field. In addition, the bioelectric molecules in the vertical nanochannel 125 may move between the nanopores 135 by the second electric field. This will be described in detail with reference to FIGS. 7 and 8 below. In addition, the electrical signal unit 170a may receive an electrical signal, for example, a current, from the first electrode 140, the second electrode 150, and the conductive layer 122.

도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 소자의 개략적인 단면도이다.3 to 5 are schematic cross-sectional views of an ion device according to an embodiment of the present invention.

도 3 내지 도 5는 도 1의 P 영역에 대응하는 구조를 도시하며, 도 1과 동일한 참조 부호는 동일 요소를 의미하며, 이들에 대한 상세한 설명은 생략한다. 3 to 5 illustrate a structure corresponding to the region P of FIG. 1, and the same reference numerals as those of FIG. 1 denote the same elements, and detailed description thereof will be omitted.

도 3을 참조하면, 이온 소자(300)는 제1 멤브레인(120b) 및 제2 멤브레인(130)을 포함한다. 수직적 나노 채널(125a)이 예를 들어, 제1 멤브레인(120b)의 중심에 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 수직적 나노 채널(125a)은 원뿔형 형상을 가질 수 있다. 수직적 나노 채널(125a)은 제1 상부 지름(D13) 및 제1 상부 지름(D13)보다 큰 제1 하부 지름(D14)을 가질 수 있다. 즉, 수직적 나노 채널(125a)은 나노 포어(135)와 접하는 영역에서 상대적으로 작은 지름을 가질 수 있다.Referring to FIG. 3, the ion device 300 includes a first membrane 120b and a second membrane 130. Vertical nanochannels 125a may be formed, for example, in the center of the first membrane 120b. In the present embodiment, the vertical nanochannel 125a may have a conical shape. The vertical nanochannel 125a may have a first upper diameter D13 and a first lower diameter D14 larger than the first upper diameter D13. That is, the vertical nanochannel 125a may have a relatively small diameter in a region in contact with the nanopores 135.

본 실시예에서, 수직적 나노 채널(125a)의 표면에는 유기 물질(127)이 부착될 수 있다. 유기 물질(127)은 예를 들어, 고분자 화합물일 수 있다. 변형된 실시예들에서는, 유기 물질(127) 외에, 소정의 영전하점(point of zero charge)을 가지도록 유전 물질들이 소정 두께로 증착되어 표면이 개질될 수도 있다. 유기 물질(127) 및 상기 유전 물질은 예를 들어 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD), 분자층 증착법(molecular layer deposition, MLD) 또는 습식 공정에 의해 형성될 수 있다. 유기 물질(127) 및 상기 유전 물질과 같이 수직적 나노 채널(125a)의 표면에 부착되는 물질들에 의해, 생체 분자들에 대한 선택성이 향상될 수 있다. 또한, 본 실시예에서의 유기 물질(127)은 DNA와 같은 생체 분자들의 이동 속도에 영향을 줄 수 있으며, 예를 들어, 유기 물질(127)에 의한 저항으로 생체 분자들의 이동 속도가 감소될 수 있다.In the present embodiment, the organic material 127 may be attached to the surface of the vertical nanochannel 125a. The organic material 127 may be, for example, a high molecular compound. In modified embodiments, in addition to the organic material 127, dielectric materials may be deposited to a predetermined thickness to have a predetermined point of zero charge so that the surface may be modified. The organic material 127 and the dielectric material may be formed by, for example, atomic layer deposition (ALD), molecular layer deposition (MLD), or a wet process. By the organic material 127 and materials attached to the surface of the vertical nanochannel 125a such as the dielectric material, the selectivity to the biomolecules may be improved. In addition, the organic material 127 in the present embodiment may affect the moving speed of the biomolecules such as DNA, and, for example, the moving speed of the biomolecules may be reduced by resistance by the organic material 127. have.

도 4를 참조하면, 이온 소자(400)는 제1 멤브레인(120c) 및 제2 멤브레인(130)을 포함한다. 수직적 나노 채널(125)이 예를 들어, 제1 멤브레인(120c)의 중심에 형성될 수 있다.Referring to FIG. 4, the ion device 400 includes a first membrane 120c and a second membrane 130. Vertical nanochannels 125 may be formed, for example, in the center of the first membrane 120c.

본 실시예에서, 이온 소자(400)는 수직적 나노 채널(125) 내에 위치하는 적어도 하나의 나노 입자(129)를 더 포함한다. 나노 입자(129)는 예를 들어, 티올(thiol)기와 같은 유기 물질의 작용기들이 표면에 부착된 금(Au) 나노 입자일 수 있다. 일 실시예에서, 나노 입자(129)가 수직적 나노 채널(125) 내에 위치하도록 하기 위해 별도의 흡착층(미도시)이 수직적 나노 채널(125)의 표면에 형성될 수도 있다.In this embodiment, the ion device 400 further includes at least one nanoparticle 129 located in the vertical nanochannel 125. The nanoparticle 129 may be, for example, gold (Au) nanoparticles to which functional groups of an organic material, such as a thiol group, are attached to a surface. In one embodiment, a separate adsorption layer (not shown) may be formed on the surface of the vertical nanochannel 125 so that the nanoparticles 129 are located in the vertical nanochannel 125.

본 실시예에서의 나노 입자(129)는 수직적 나노 채널(125) 내에서 운동하며 DNA와 같은 생체 분자들의 이동 속도에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 나노 입자(129)에 의해 생체 분자들의 이동 속도가 감소될 수 있다.In the present embodiment, the nanoparticles 129 move in the vertical nanochannel 125 and may affect the movement speed of biomolecules such as DNA. For example, the movement speed of the biomolecules may be reduced by the nanoparticles 129.

도 5를 참조하면, 이온 소자(500)는 제1 멤브레인(120d) 및 제2 멤브레인(130)을 포함한다. 제1 멤브레인(120a)은 절연층(124) 및 도전층(122a)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 5, the ion device 500 includes a first membrane 120d and a second membrane 130. The first membrane 120a may include an insulating layer 124 and a conductive layer 122a.

절연층(124)은 도전층(122a)의 상측, 하측 및 측면을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 즉, 본 실시예의 도전층(122a)은 수직적 나노 채널(125)의 표면으로부터 소정 거리(D4) 이격되어, 수직적 나노 채널(125)의 표면에 노출되지 않도록 배치될 수 있다. 절연층(124)은 예를 들어, 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 질화물(Si3N4), 실리콘 산질화물(SiON), 알루미늄 산화물(Al2O3), 탄탈륨 산화물(Ta2O3), 티타늄 산화물(TiO2) 및 하프늄 산화물(HfO2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The insulating layer 124 may be disposed to surround the upper side, the lower side, and the side surfaces of the conductive layer 122a. That is, the conductive layer 122a of the present exemplary embodiment may be disposed to be spaced apart from the surface of the vertical nanochannel 125 by a predetermined distance D4 so as not to be exposed to the surface of the vertical nanochannel 125. The insulating layer 124 may be formed of, for example, silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon oxynitride (SiON), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and tantalum oxide (Ta 2 O 3 ). , Titanium oxide (TiO 2 ) and hafnium oxide (HfO 2 ).

본 실시예에 따르면, 도전층(122a)에 인가되는 전기적 신호에 의해 도 2의 제1 전극(140)과 제2 전극(150) 사이의 전기장이 변화될 수 있다. 따라서, 도전층(122a)은 DNA와 같은 생체 분자들이 수직적 나노 채널(125) 내로 이동되는 과정에서 이동 속도 등을 제어하여 생체 분자의 분석을 돕는 역할을 수행할 수 있게 된다.According to the present embodiment, an electric field between the first electrode 140 and the second electrode 150 of FIG. 2 may be changed by an electrical signal applied to the conductive layer 122a. Therefore, the conductive layer 122a may play a role of assisting the analysis of the biomolecule by controlling the moving speed and the like in the process of moving the biomolecule such as DNA into the vertical nanochannel 125.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 소자의 개략적인 단면도이다.6 is a schematic cross-sectional view of an ion device according to an embodiment of the present invention.

도 6에서, 도 1과 동일한 참조 부호는 동일 요소를 의미하며, 이들에 대한 상세한 설명은 생략한다.In FIG. 6, the same reference numerals as used in FIG. 1 mean the same elements, and detailed description thereof will be omitted.

도 6을 참조하면, 이온 소자(600)는 기판(110a), 기판(110a) 상의 제2 멤브레인(130), 및 제2 멤브레인(130) 상의 제1 멤브레인(120)의 적층 구조물을 포함한다. 본 실시예에서는 기판(110a) 상에 제2 멤브레인(130)이 먼저 적층된다는 점이 도 1의 이온 소자(100)와 다르다. 제1 멤브레인(120)은 중심에 수직적 나노 채널(125)이 형성되고, 제2 멤브레인(130)은 중심에 나노 포어(135)가 형성된다. 수직적 나노 채널(125) 및 나노 포어(135)는 각각 제1 멤브레인(120) 및 제2 멤브레인(130)을 관통한다.Referring to FIG. 6, the ion device 600 includes a stack structure of a substrate 110a, a second membrane 130 on the substrate 110a, and a first membrane 120 on the second membrane 130. In this embodiment, the second membrane 130 is first stacked on the substrate 110a, which is different from the ion device 100 of FIG. 1. The first membrane 120 is formed with a vertical nanochannel 125 in the center, the second membrane 130 is formed with a nano pore 135 in the center. The vertical nanochannel 125 and nanopores 135 penetrate the first membrane 120 and the second membrane 130, respectively.

기판(110a)은 절연성 물질을 포함할 수 있다. 기판(110a)은 절연성 물질을 포함함으로써, 기판(110a)에 의한 전기적 노이즈의 발생을 감소시킬 수 있다. 기판(110a)은 제1 멤브레인(120) 및 제2 멤브레인(130)을 지지하는 역할을 수행할 수 있으며, 제1 챔버(162) 내의 물질이 수직적 나노 채널(125)에 용이하게 접근할 수 있도록 캐비티(115)가 형성될 수 있다.The substrate 110a may include an insulating material. Since the substrate 110a includes an insulating material, it is possible to reduce generation of electrical noise by the substrate 110a. The substrate 110a may serve to support the first membrane 120 and the second membrane 130, so that the material in the first chamber 162 may easily access the vertical nanochannel 125. Cavity 115 may be formed.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 소자의 동작 원리를 설명하기 위한 개략도이다.7 is a schematic diagram illustrating an operating principle of an ion device according to an embodiment of the present invention.

도 7은 도 1의 P 영역에 대응하는 구조를 도시한다. 도 7을 참조하면, 생체 분자, 예를 들어 DNA를 포함하는 용액을 이용하는 이온 소자의 경우, DNA는 도시된 바와 같이 순차적으로 수직적 나노 채널(125) 및 나노 포어(135)를 통과하게 된다. 본 실시예의 DNA는 단일 가닥(single stranded) 또는 이중 가닥(double stranded)일 수 있다.FIG. 7 illustrates a structure corresponding to region P of FIG. 1. Referring to FIG. 7, in the case of an ion device using a solution including a biomolecule, for example, DNA, the DNA passes through the vertical nanochannel 125 and the nanopores 135 sequentially. DNA of this embodiment may be single stranded (single stranded) or double stranded (double stranded).

먼저, 용액에 포함된 생체 분자는 수직적 나노 채널(125) 내로 유입될 수 있다. 생체 분자, 예를 들어 DNA가 얽혀있는(entangled) 경우에도, 높은 종횡비를 가지는 수직적 나노 채널(125)을 통과하면서 DNA가 선형적으로 펼쳐질 수 있다. 이는 수직적 나노 채널(125)로 인한 기하학적 제약에 따라 나타날 수 있으며, DNA가 선형으로 이동함에 따라 일정한 범위의 크기를 가지는 전기적 신호를 안정적으로 수신할 수 있게 된다. First, biomolecules included in the solution may be introduced into the vertical nanochannel 125. Even when biomolecules such as DNA are entangled, the DNA can be linearly unfolded while passing through the vertical nanochannel 125 having a high aspect ratio. This may appear due to geometrical constraints due to the vertical nanochannel 125, and as the DNA moves linearly, it is possible to stably receive an electrical signal having a certain range of sizes.

또한, 수직적 나노 채널(125) 내에 하나 이상의 생체 분자를 유입시킴으로써, 생체 분자의 국부적으로 농도를 높임으로서, 나노 포어(135)를 통과하는 생체 분자의 포획 확률을 증가시킬 수 있다.In addition, by introducing one or more biomolecules into the vertical nanochannel 125, by increasing the local concentration of the biomolecules, it is possible to increase the capture probability of the biomolecules passing through the nanopores 135.

다음으로, DNA가 나노 포어(135)를 통과할 때, 나노 포어(135) 내의 정전기적 상호 작용(electrostatic interaction) 또는 기하학적인 제한 등의 요소들에 의한 에너지 장벽(energy barrier)이 존재한다. 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이, 제1 전극(140), 제2 전극(150) 및/또는 도전층(122)에 인가되는 전압에 의해 DNA는 상기 장벽을 극복하며 일 방향으로 통과할 수 있다. DNA는 뉴클레오티드(nucleotide)들의 중합체이며, 뉴클레오티드는 5탄당, 인산 및 염기로 구성되어 있으며, 상기 인산기는 인산기를 구성하는 산소와 인과의 전기 음성도의 차이에 의해 음전하를 갖는다. Next, when the DNA passes through the nanopores 135, there is an energy barrier due to elements such as electrostatic interaction or geometrical constraints within the nanopores 135. As shown in FIGS. 1 and 2, the DNA is applied to the first electrode 140, the second electrode 150, and / or the conductive layer 122 to overcome the barrier and pass in one direction. Can be. DNA is a polymer of nucleotides, and the nucleotide is composed of pentose sugar, phosphoric acid and base, and the phosphate group has a negative charge due to the difference in electronegativity between phosphorus and oxygen constituting the phosphate group.

따라서, 제1 전극(140), 제2 전극(150) 및 도전층(122)에 의해 발생하는 전기장에 의해 그 이동이 제어될 수 있다. 분석의 대상이 되는 DNA, RNA, 펩타이드 또는 단백질이 갖는 전하는 고유전하를 이용하거나, 특정 전하를 갖도록 용액의 pH를 제어할 수 있다. DNA가 나노 포어(135)를 통과하는 경우, 나노 포어(135) 내에 흐르는 이온에 의한 전류를 차단하게 되어 차단 신호(blockade signal)가 발생하게 되는데, 이에 의해 DNA의 구성 염기인 아데닌(A), 티민(T), 구아닌(G) 및 시토닌(C)의 종류에 따라 다른 전기적 신호, 예컨대 전류값을 나타낼 수 있다. 상기 전류는 도 1의 전기 신호부(170)에 의해 측정될 수 있으며, 이를 통해 DNA의 구성 염기를 분석할 수 있다. Therefore, the movement may be controlled by the electric field generated by the first electrode 140, the second electrode 150, and the conductive layer 122. The charge of the DNA, RNA, peptide or protein to be analyzed can be controlled by using a high charge or a specific charge to have a specific charge. When the DNA passes through the nano-pores 135, the current is blocked by the ions flowing in the nano-pores 135 to generate a blockade signal, thereby adenine (A), a constituent base of the DNA, Depending on the type of thymine (T), guanine (G), and cytokine (C), different electrical signals, such as current values, may be represented. The current may be measured by the electrical signal unit 170 of FIG. 1, thereby analyzing the constituent base of the DNA.

일반적으로 10nm 이하의 나노 포어(135)를 사용하는 경우, DNA의 단일 가닥 및 이중 가닥의 구별이 가능할 수 있으며, 본 발명에 따른 이온 소자에 의하면 10nm 이하의 나노 포어(135)를 사용하므로 상기와 같은 구별이 가능할 수 있다.In general, when using the nano-pores 135 or less of 10nm, it is possible to distinguish between a single strand and a double strand of DNA, according to the ion device according to the present invention because the nano-pores 135 or less of 10nm is used as described above and The same distinction may be possible.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 소자를 이용한 생체 분자의 분석 과정을 도시하는 흐름도이다.8 is a flowchart illustrating a process of analyzing biomolecules using an ion device according to an embodiment of the present invention.

도 2와 함께, 도 8을 참조하면, 먼저 도 2의 이온 소자(200)의 제1 챔버(162) 및 제2 챔버(164) 내에 용액을 수용시킨 후, 전기 신호부(170a)에서 제1 챔버(162) 내의 제1 전극(140) 및 제1 멤브레인(120a)의 도전층(122)에 제1 전기적 신호를 인가하는 단계(S110)가 진행된다. 이에 의해, 예를 들어, 제1 전극(140)과 도전층(122)의 사이에 제1 전압 차가 발생하고, 이로 인한 전기장이 형성될 수 있다. 이때, 제1 절연층(121) 및 제3 절연층(123)이 항복(breakdown)되거나 누설 전류(leakage current)가 흐르지 않도록 인가되는 전압의 크기가 제어될 수 있다.Referring to FIG. 8 together with FIG. 2, first, a solution is contained in the first chamber 162 and the second chamber 164 of the ion device 200 of FIG. In operation S110, a first electrical signal is applied to the first electrode 140 and the conductive layer 122 of the first membrane 120a in the chamber 162. As a result, for example, a first voltage difference may occur between the first electrode 140 and the conductive layer 122, and thus an electric field may be formed. In this case, the magnitude of the applied voltage may be controlled so that the first insulating layer 121 and the third insulating layer 123 do not breakdown or leak current flows.

이에 의해, 제1 챔버(162)의 용액 내의 생체 분자가 수직적 나노 채널(125) 내로 이동하는 단계(S115)가 진행될 수 있다. 예를 들어, 생체 분자가 음전하를 가지는 경우, 제1 전극(140)에 인가되는 전압보다 큰 전압을 도전층(122)에 인가하여 전기장을 형성함으로써 생체 분자가 수직적 나노 채널(125) 내로 이동할 수 있다. 또한, 상기 전기장의 크기를 제어하여 생체 분자의 포획 확률을 증가시킬 수 있다.As a result, the biomolecule in the solution of the first chamber 162 may move to the vertical nanochannel 125 (S115). For example, when the biomolecule has a negative charge, the biomolecule may move into the vertical nanochannel 125 by applying a voltage greater than the voltage applied to the first electrode 140 to the conductive layer 122 to form an electric field. have. In addition, it is possible to increase the capture probability of the biomolecule by controlling the size of the electric field.

다음으로, 전기 신호부(170a)에서 제1 멤브레인(120a)의 도전층(122) 및 제2 챔버(164) 내의 제2 전극(150)에 제2 전기적 신호를 인가하는 단계(S120)가 진행된다. 이에 의해, 예를 들어, 도전층(122)과 제2 전극(150)의 사이에 제2 전압 차가 발생하고, 이로 인한 전기장이 형성될 수 있다. 상기 제2 전압 차는 상기 제1 전압 차보다 작을 수 있다.Next, in operation S120, the second electrical signal is applied to the conductive layer 122 of the first membrane 120a and the second electrode 150 in the second chamber 164 by the electrical signal unit 170a. do. As a result, for example, a second voltage difference may occur between the conductive layer 122 and the second electrode 150, and thus an electric field may be formed. The second voltage difference may be smaller than the first voltage difference.

이에 의해, 수직적 나노 채널(125) 내의 생체 분자가 나노 포어(135)를 통과하도록 이동하는 단계(S125)가 진행될 수 있다. 예를 들어, 생체 분자가 음전하를 가지는 경우, 도전층(122)에 인가되는 전압보다 큰 전압을 제2 전극(150)에 인가하여 전기장을 형성함으로써 생체 분자가 나노 포어(135)를 통과할 수 있다. 이때, 상기 제2 전압 차를 상대적으로 작게 함으로써, 생체 분자가 나노 포어(135)를 통과하는 통과 시간이 충분히 확보되도록 할 수 있다. 또한, 생체 분자의 이동으로 인해 발생하는 미세한 전기적 신호의 변동을 용이하게 분석할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따르면, 상대적으로 큰 크기의 상기 제1 전압 차에 의해 하나 이상의 생체 분자를 효율적으로 수직적 나노 채널(125) 내로 이동시켜 포집할 수 있으며, 상대적으로 작은 상기 제2 전압 차에 의해 생체 분자의 분석의 정확성을 향상시킬 수 있다.As a result, the step S125 of moving the biomolecule in the vertical nanochannel 125 to pass through the nanopores 135 may proceed. For example, when the biomolecule has a negative charge, the biomolecule may pass through the nanopores 135 by applying a voltage greater than the voltage applied to the conductive layer 122 to the second electrode 150 to form an electric field. have. At this time, by making the second voltage difference relatively small, it is possible to ensure sufficient passage time for the biomolecule to pass through the nanopores 135. In addition, it is possible to easily analyze the fluctuation of the minute electrical signal generated by the movement of the biological molecules. That is, according to the exemplary embodiment of the present invention, one or more biomolecules may be efficiently collected into the vertical nanochannel 125 by the first voltage difference having a relatively large magnitude, and the second voltage may be relatively small. The difference can improve the accuracy of the analysis of the biomolecules.

다음으로, 도전층(122)과 제2 전극(150)의 사이에서 발생하는 제3 전기적 신호, 예컨대 전류를 수신하고 분석하는 단계(S130)가 진행된다. 상기 제3 전기적 신호는 이온의 흐름에 의해 발생하는 전류일 수 있다. 생체 분자가 나노 포어(135)를 통과하는 경우, 상술한 차단 신호가 발생하게 되어 상기 전류의 수신을 통해, 생체 분자의 검출이 가능하다. 예를 들어, 생체 분자가 DNA인 경우, DNA의 염기 서열의 시퀀싱이 가능하다.Next, a step (S130) of receiving and analyzing a third electrical signal, for example, a current generated between the conductive layer 122 and the second electrode 150, is performed. The third electrical signal may be a current generated by the flow of ions. When the biomolecule passes through the nanopores 135, the above-described blocking signal is generated, and thus, the biomolecule can be detected through the reception of the current. For example, when the biomolecule is DNA, sequencing of the nucleotide sequence of DNA is possible.

상기 생체 분자가 나노 포어(135)를 통과하도록 이동하는 단계(S125)에서와 같이, 생체 분자의 이동을 제어하면서 본 단계에서 생체 분자의 분석이 수행되며, 이러한 과정이 반복하여 수행될 수 있다.As in the step of moving the biomolecule to pass through the nano-pores (135) (S125), the analysis of the biomolecule is performed in this step while controlling the movement of the biomolecule, this process may be performed repeatedly.

본 발명에 따르면, 수직적 나노 채널(125) 내에 생체 분자를 포획하는 단계와 나노 포어(135)를 통과하게 하는 단계를 서로 다른 전기적 신호를 이용하여 개별적으로 제어할 수 있다. 따라서, 상대적으로 큰 크기의 전기적 신호를 인가하여 생체 분자의 포획 확률을 높이면서도, 이에 따라 발생할 수 있는 전기적 신호의 변동(fluctuation)이 분석을 위한 전기적 신호인 나노 포어(135)의 통과에 따른 신호의 변동과 구분되도록 할 수 있다. 따라서, 생체 분자의 거동에 따라 발생하는 전기적 신호에 대한 분석의 정확성이 향상될 수 있다.According to the present invention, capturing the biomolecule in the vertical nanochannel 125 and allowing the nanopore 135 to pass may be individually controlled using different electrical signals. Therefore, while increasing the probability of capturing the biomolecule by applying an electrical signal of a relatively large size, the fluctuation of the electrical signal that may occur according to the passage of the nano-por 135, which is an electrical signal for analysis Can be distinguished from. Therefore, the accuracy of the analysis of the electrical signal generated according to the behavior of the biomolecule can be improved.

이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. Will be clear to those who have knowledge of.

110: 기판 120: 제1 멤브레인
125: 수직적 나노 채널 127: 유기 물질
129: 나노 입자 130: 제2 멤브레인
135: 나노 포어 140: 제1 전극
150: 제2 전극 162: 제1 챔버
164: 제2 챔버 170: 전기 신호부110: substrate 120: first membrane
125: vertical nanochannel 127: organic material
129: nanoparticle 130: second membrane
135: nanopores 140: first electrode
150: second electrode 162: first chamber
164: second chamber 170: electrical signal portion

Claims (10)

중심에 캐비티가 형성된 절연성의 기판;
상기 기판 상에 위치하고, 상기 캐비티의 상부에 위치하며 제1 평균 지름을 가지고 관통하는 수직적 나노 채널을 가지는 제1 멤브레인; 및
상기 제1 멤브레인 상에 위치하고, 상기 수직적 나노 채널의 상부에 위치하며 상기 제1 평균 지름보다 작은 제2 평균 지름을 가지고 관통하는 나노 포어를 가지는 제2 멤브레인을 포함하는 이온 소자.An insulating substrate having a cavity formed in a center thereof;
A first membrane positioned on the substrate, the first membrane positioned on top of the cavity and having vertical nanochannels having a first average diameter therethrough; And
And a second membrane located on the first membrane and positioned above the vertical nanochannel and having a second pore having a second average diameter smaller than the first average diameter. 제1 항에 있어서,
상기 수직적 나노 채널의 일 단에서, 상기 수직적 나노 채널 표면의 상기 제1 멤브레인과 상기 제2 멤브레인이 접하여 절곡부가 형성되는 것을 특징으로 하는 이온 소자.The method according to claim 1,
At one end of the vertical nano-channel, the first device and the second membrane on the surface of the vertical nano-channel contact the second device, characterized in that the bent portion is formed. 제1 항에 있어서,
상기 제1 멤브레인은 제1 두께를 가지고, 상기 제1 평균 지름 대 상기 제1 두께의 비율은 1:5 내지 1:100의 범위인 것을 특징으로 하는 이온 소자.The method according to claim 1,
And the first membrane has a first thickness and the ratio of the first average diameter to the first thickness is in the range of 1: 5 to 1: 100. 제1 항에 있어서,
상기 제1 멤브레인은, 도전층 및 상기 도전층의 상측 및 하측에 위치하는 절연층들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 소자.The method according to claim 1,
The first membrane is an ion device, characterized in that it comprises a conductive layer and insulating layers located above and below the conductive layer. 제4 항에 있어서,
상기 도전층은 상기 기판에 수직한 방향에서 상기 제1 멤브레인의 중심으로부터 소정 거리로 이격되어 위치하는 것을 특징으로 하는 이온 소자.5. The method of claim 4,
And the conductive layer is spaced apart from the center of the first membrane by a predetermined distance in a direction perpendicular to the substrate. 제1 항 또는 제4 항에 있어서,
상기 수직적 나노 채널의 표면은 유기물 또는 무기물에 의해 적어도 부분적으로 커버되는 것을 특징으로 하는 이온 소자.The method according to claim 1 or 4,
And the surface of the vertical nanochannel is at least partially covered by an organic or inorganic material. 제1 항 또는 제4 항에 있어서,
상기 수직적 나노 채널 내에 위치하는 나노 입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 소자.The method according to claim 1 or 4,
Ion device further comprises nanoparticles located within the vertical nanochannel. 제4 항에 있어서,
용액을 수용하며, 상기 기판, 상기 제1 멤브레인, 및 상기 제2 멤브레인의 적층 구조물이 위치하는 챔버;
상기 챔버 내에서, 상기 제1 멤브레인에 인접한 상기 적층 구조물의 일 측에 위치하는 제1 전극;
상기 제1 전극에 대향하여, 상기 제2 멤브레인에 인접한 상기 적층 구조물의 타측에 위치하는 제2 전극; 및
상기 도전층, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 전기적 신호를 인가하기 위한 전기 신호부를 더 포함하고,
상기 전기 신호부는 상기 도전층과 상기 제1 전극 사이에 제1 전기장을 형성하고, 상기 도전층과 상기 제2 전극 사이에 제2 전기장을 형성하도록 전기적 신호를 인가하는 것을 특징으로 하는 이온 소자.5. The method of claim 4,
A chamber containing a solution, wherein the stack structure of the substrate, the first membrane, and the second membrane is located;
A first electrode located at one side of the stack structure adjacent to the first membrane in the chamber;
A second electrode located on the other side of the stack structure adjacent to the second membrane, opposite the first electrode; And
An electrical signal unit for applying an electrical signal to the conductive layer, the first electrode and the second electrode,
And the electrical signal unit applies an electrical signal to form a first electric field between the conductive layer and the first electrode and to form a second electric field between the conductive layer and the second electrode. 제8 항에 있어서,
상기 제1 전기장의 세기는 상기 제2 전기장의 세기보다 큰 것을 특징으로 하는 이온 소자.The method of claim 8,
The intensity of the first electric field is greater than the intensity of the second electric field. 제1 항에 있어서,
상기 제1 평균 지름은 50 nm 내지 500 nm이고, 상기 제2 평균 지름은 0.1 nm 내지 10 nm인 것을 특징으로 하는 이온 소자.The method according to claim 1,
The first average diameter is 50 nm to 500 nm, the second average diameter is 0.1 nm to 10 nm, characterized in that.
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