KR20150014423A - 확산 흐름을 이용하여 해수에 포함된 유해물질을 검출하는 유해물질 검출센서 구조체 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 포어 구조체를 구비하여 외부의 전원 공급없이 오염 해수의 확산 흐름을 이용함으로써 오염 해수 내에 포함되어 있는 유해물질(HNS, Hazardous and Noxious Substance)의 유무 및 그 농도를 검출할 수 있는 확산 흐름을 이용하여 해수에 포함된 유해물질(HNS)을 검출하는 유해물질 검출센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 유해물질 검출센서 구조체는 오염 해수를 공급하는 기판의 상측에 중공 형태로 형성된 나노포어와, 상기 나노포어의 양단으로부터 단차지게 형성되고, 상기 나노포어 보다 직경이 큰 제 1 마이크로포어 및 상기 제 1 마이크로포어의 양단으로부터 단차지게 형성되고, 상기 제 1 마이크로포어 보다 직경이 큰 제 2 마이크로포어를 포함하고, 상기 기판의 하측에는 상기 오염 해수보다 낮은 이온 농도를 함유하는 정상 해수를 공급하는 것을 특징으로 한다.

Description

확산 흐름을 이용하여 해수에 포함된 유해물질을 검출하는 유해물질 검출센서 구조체 및 이의 제조방법{SENSOR STRUCTURE FOR DETECTING HAZARDOUS AND NOXIOUS SUBSTANCE COMPRISED IN SEAWATER BY USING DIFFUSIVE FLOW AND FABRICATING METHOD THEREOF}
본 발명은 유해물질(HNS, Hazardous and Noxious Substance) 검출센서 구조체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 포어 구조체를 구비하여 외부의 전원 공급없이 오염 해수의 확산 흐름을 이용함으로써 오염 해수 내에 포함되어 있는 유해물질의 유무 및 그 농도를 검출할 수 있는 확산 흐름을 이용하여 해수에 포함된 유해물질을 검출하는 유해물질 검출센서 구조체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근, 유해물질(HNS, Hazardous and Noxious Substance) 물동량의 증가와 국내 및 국제적 오염사고 위험성 인식을 바탕으로 유해물질 안전관리에 대한 관심이 높아지고 있다.
특히, 해상으로 운송되는 유해물질은 3,000여종 이상으로 매우 다양하며, 이의 유출로 인해 발생될 수 있는 사고 유형 및 특성도 복잡하게 나타나기 때문에 유출되는 유해물질의 확산예측 및 모니터링 기술이 필요한 실정이다.
시료 내에서 생체분자(biomolecule)를 검출하기 위한 바이오센서가 다양하게 개발되고 있는데, 그 중에서 100㎚의 직경을 가지는 나노포어(nanopore)가 주로 사용되고 있다.
현재 해상에서 유출된 유해물질에 대한 검출 및 분석방법은 주로 원격탐지방법(Remote Sensing)과 실험실 분석법(Lab Analysis)이 사용되고 있으나, 유해물질의 확산예측을 실시간으로 검증 보정하기 위해서는 신속한 측정이 필요하기 때문에 원격탐지방법이 활용될 필요가 있다.
이러한 유해물질을 검출하는 기술과 관련하여, 대한민국 공개특허 제10-2012-0067840호는, 가변적인 전압을 공급받아 전압 전류법을 이용함으로써 시료의 전위차를 측정하여 시료에 함유된 중금속을 검출하는 기술이 개시되고 있다.
또한, 나노포어 구조를 이용한 분석장치와 관련하여, 대한민국 공개특허 제10-2012-0000520호는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 도전층(511), 도전층(511)의 양측의 제 1 절연층들(512a, 512b) 및 이 제 1 절연막들(512a, 512b)을 둘러싸는 제 2 절연층(513)을 포함하는 나노포어 막(500)이 형성되고, 이 나노포어 막(500)에 나노포어(520)를 형성함으로써 이 나노포어 막(520)을 통과하는 시료로부터 DNA를 검출하는 기술이 개시되고 있다.
그러나, 이러한 종래의 나노포어와 관련한 기술에 있어서는, 시료 등의 테스트 샘플의 유체 흐름을 생성하기 위해, 즉 시료 내 이온을 흐르게 하려면 외부의 보조 유닛, 예를 들어 외부 전원의 인가가 필요하다. 따라서, 이러한 외부 유닛으로 인하여, 설비의 증대 및 인가하는 전원을 제어하기 위한 구성이 복잡해진다는 문제점이 있다.
상기한 문제점을 개선하기 위해 안출된 본 발명의 기술적 과제는, 기판에 형성된 나노포어(nanopore)와 마이크로포어(micropore) 사이의 농도 기울기(concentration gradient)를 이용함으로써, 외부 전원 공급없이 나노포어를 통해 유입되는 해수 내에 포함되어 있는 유해물질을 검출할 수 있는 확산 흐름을 이용한 유해물질 검출센서 구조체 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 오염 해수와 정상 해수 사이에 나노포어를 형성하고, 유해물질이 포함된 오염 해수의 이온 농도 차에 의해 외부의 전원 공급없이 나노포어를 통해 오염 해수의 입자를 이동시킬 수 있는 확산 흐름을 이용한 유해물질 검출센서 구조체 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 확산 흐름을 이용하여 해수에 포함된 유해물질(HNS)을 검출하는 유해물질 검출센서 구조체는, 오염 해수를 공급하는 기판의 상측에 중공 형태로 형성된 나노포어와, 상기 나노포어의 양단으로부터 단차지게 형성되고, 상기 나노포어 보다 직경이 큰 제 1 마이크로포어 및 상기 제 1 마이크로포어의 양단으로부터 단차지게 형성되고, 상기 제 1 마이크로포어 보다 직경이 큰 제 2 마이크로포어를 포함하고, 상기 기판의 하측에는 상기 오염 해수보다 낮은 이온 농도를 함유하는 정상 해수를 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 유해물질 검출센서 구조체는, 상기 기판이 소자층, SiO2 매립층 및 P형 핸들 웨이퍼로 이루어지는 SOI(Silicon-On-Insulator) 웨이퍼인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 유해물질 검출센서 구조체는, 상기 오염 해수의 이온 입자가 상기 나노포어를 통해 상기 제 2 마이크로포어로 이동되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 유해물질 검출센서 구조체는, 상기 오염 해수의 이온 입자가 상기 나노포어와 상기 제 1 마이크로포어 및 제 2 마이크로포어의 농도 기울기(concentration gradient)를 통한 확산 흐름으로 이동되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 확산 흐름을 이용하여 해수에 포함된 유해물질(HNS)을 검출하는 유해물질 검출센서 구조체의 제조방법은, 기판의 상측에 반응성 이온 에칭(Reactive Ion Etching)법을 이용하여 중공 형태의 나노포어(nanopore)를 형성하는 제 1 단계와, 상기 기판의 하측에 상기 나노포어의 중심과 일치하는 지점에서 중공 형태의 제 2 마이크로포어(micropore)를 형성하는 제 2 단계 및 상기 나노포어와 상기 제 2 마이크로포어 사이에 제 1 마이크로포어를 형성하는 제 3 단계를 포함하고, 상기 제 1 마이크로포어는 상기 나노포어의 양단으로부터 단차지게 형성되어 상기 나노포어 보다 직경이 크고, 상기 제 2 마이크로포어는 상기 제 1 마이크로포어의 양단으로부터 단차지게 형성되어 상기 제 1 마이크로포어 보다 직경이 큰 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 유해물질 검출센서 구조체의 제조방법은, 상기 제 2 단계에서, 상기 제 2 마이크로포어는 DRIE(Deep Reactive Ion Etching)에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따른 유해물질 검출센서 구조체의 제조방법은, 상기 제 3 단계에서, 상기 제 1 마이크로포어는 열 산화 공정을 통해 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 유해물질 검출센서 구조체에 따르면, 기판에 형성된 나노포어(nanopore)와 마이크로포어(micropore) 사이의 농도 기울기(concentration gradient)를 이용함으로써, 외부 전원 공급없이 나노포어를 통해 유입되는 해수 내에 포함되어 있는 유해물질(HNS)을 검출할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 유해물질 검출센서 구조체에 따르면, 오염 해수와 정상 해수 사이에 나노포어를 형성하고, 오염 해수의 이온 농도를 높게 함으로써 외부의 전원 공급 없이 나노포어를 통해 오염 해수의 입자를 이동시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래의 나노포어 막 구조를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 나노포어 및 마이크로포어로 구성된 포어 구조체를 포함하는 유해물질 검출센서 구조체를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 유해물질 검출센서 구조체의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 포어 구조체에 대해 마이크로포어 측에서 본 광학 현미경 사진을 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유해물질 검출센서 구조체의 단면을 주사전자현미경으로 관찰한 예시도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노포어 및 마이크로포어로 구성된 포어 구조체를 포함하는 유해물질 검출센서 구조체를 나타내는 단면도이다.
도시한 바와 같이, 확산 흐름을 이용한 유해물질 검출센서 구조체(1)에 있어서의 포어 구조체(10)는 오염 해수를 공급하는 기판의 상측에 중공 형태로 형성된 나노포어(20), 나노포어(20)의 양단으로부터 단차지게 형성되고, 나노포어(20) 보다 직경이 큰 제 1 마이크로포어(30)를 포함한다.
또한, 제 1 마이크로포어(30)의 양단으로부터 단차지게 형성되고, 제 1 마이크로포어(30) 보다 직경이 큰 제 2 마이크로포어(40)를 포함할 수 있으며, 기판의 하측에는 정상 해수가 공급될 수 있다.
본 발명에 있어서, 나노포어(20)의 직경은 175㎚, 제 1 마이크로포어(30)의 직경은 2.0㎛, 그리고 제 2 마이크로포어(40)의 직경은 100㎛인 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 나노포어(20)는 형태에 따라 콘(깔대기) 형, 원형, 또는 사각형 형태 등 다향한 형태로 이루어질 수 있다.
또한, 기판의 하측에 공급되는 정상 해수는 기판의 상측에 공급되는 오염 해수보다 낮은 이온 농도를 함유할 수 있다. 따라서, 오염 해수의 이온 입자는 나노포어(20)를 통해 제 2 마이크로포어(40)로 이동될 수 있으며, 특히, 오염 해수의 이온 입자는 나노포어(20)와 제 1 마이크로포어(30) 및 제 2 마이크로포어(40)의 농도 기울기(concentration gradient)를 통해 확산 흐름(Diffusive flow)으로 이동된다.
기판은 도시하지는 않았지만, 소자층, SiO2 매립층 및 P형 핸들 웨이퍼로 이루어지는 SOI(Silicon-On-Insulator) 웨이퍼일 수 있으며, 하나의 기판에는 나노포어(20)를 포함하는 다수의 포어 구조체가 형성될 수 있다. 또한, 도시하지는 않았지만, 나노포어(20)는 소자층에, 제 1 마이크로포어(30)는 SiO2 매립층에 형성될 수 있으며, 제 2 마이크로포어(40)는 P형 핸들 웨이퍼에 형성될 수 있다. 특히, P형 핸들 웨이퍼 대신 N형 핸들 웨이퍼로 이루어진 기판을 사용하여도 괜찮다.
도 3은 본 발명에 따른 유해물질 검출센서 구조체의 제조방법을 나타내는 흐름도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 유해물질 검출센서 구조체(1)는, 소자층, SiO2 매립층 및 P형 핸들 웨이퍼로 이루어지는 SOI(Silicon-On-Insulator) 웨이퍼로 이루어지는 기판(도시하지 않음)에 나노포어(20), 제 1 마이크로포어(20) 및 제 2 마이크로포어(30)를 포함하는 다수의 포어 구조체(10)를 형성하는 것으로, 먼저 기판의 상측에 반응성 이온 에칭(Reactive Ion Etching)법을 이용하여 중공 형태의 나노포어(nanopore)(20), 예를 들어 직경이 175㎚인 나노포어를 형성한다(S101).
이후, 기판의 하측에 상기 나노포어의 중심과 일치하는 지점에서 DRIE(Deep Reactive Ion Etching)을 통하여 중공 형태의 제 2 마이크로포어(micropore)(40), 예를 들어, 100㎛의 직경을 가지는 제 2 마이크로포어를 형성하고(S102), 다음에 나노포어(20)와 제 2 마이크로포어(40) 사이에 열 산화 공정을 통하여 2㎛의 직경을 가지는 제 1 마이크로포어를 형성한다(S103).
즉, 제 1 마이크로포어(30)는 나노포어(20)의 양단으로부터 단차지도록 형성되고, 제 2 마이크로포어(40)는 제 1 마이크로포어(30)의 양단으로부터 단차지게 형성될 수 있다.
<실시예>
본 발명에 따른 나노포어(nanopore)는 2개의 리소그래피 단계 및 3개의 에칭 단계를 이용하여 SOI(silicon-on-insulator) 웨이퍼 상에 제조한다.
1) 샘플은 340㎚ 소자층, 1㎛ 두께의 SiO2 매립층 및 450㎛ 두께의 P형 핸들 웨이퍼를 가지는 양면이 사용가능한, 연마된 100㎜ 직경의 SOI(silicon-on-insulator) 웨이퍼를 사용한다.
2) 소자층을 에칭하기 위해 60분 동안 1000℃로 건식 산화 분위기에서 60㎚ SiO2 층을 열 성장시켜 하드 마스크로 기능한다.
3) 소자층은 100㎚의 필름 두께를 얻기 위해 5,000rpm으로 메톡시벤젠(methoxybenzene)에 3% PPMA(poly(methyl methacrylate))으로 스핀코팅 되고, PPMA는 핫 플레이트 상에서 15분 동안 175℃로 소프트 베이크된다.
4) 서클을 패턴하기 위해 전자 빔 리소그래피(Electron beam lithography, EBL)가 사용되고 이후 패턴이 성장된다.
5) PPMA 내의 개구(opening)는 반응성 이온 식각(reactive ion etching, RIE)에 의해 SiO2 하드 마스크로 전달된다.
6) 일반 에칭 설비를 이용하여 500W 코일 전원, 50W 플래턴 전원 및 2분 동안 Cl2의 10sccm으로 유도결합 플라즈마(inductively coupled plasma, ICP) RIE에서 SiO2 하드 마스크를 활용함으로써, 상부 실리콘 소자층이 에칭된다.
이후, 웨이퍼의 후면 측 공정을 수행한다.
7) 웨이퍼의 후면은 2,500rpm에서 AZ4620으로 스핀 코팅되고 핫 플레이트 상에서 90초 동안 90℃로 소프트 베이크된다.
8) 소자 측 서클의 맞은편에 수직으로 100㎛ 서클 패턴을 형성하도록, 참고 정렬 마커(reference alignment marker)로서 전면 측에 EBL을 통해 패턴된 특징을 활용함으로써, 후면 포토리소그래피가 완료된다.
9) 핸들 웨이퍼는 보쉬(Bosch) 공정을 이용하여 SF6 및 C4F8로 DRIE(deep reactive ion etcher)에서 식각된다.
10) 그리고 나서 후면 측은 AZ4620으로 스핀 코팅되고 100㎛ 애퍼쳐를 채우기 위해 소프트 베이크 된다.
11) 상부측 애퍼쳐를 통해 매립된 SiO2를 식각하기 위해 완화된 산화물 에칭제(20:1)에 웨이퍼를 담근다.
12) 그리고 나서 SiO2의 층을 성장시키기 위해, 웨이퍼를 열산화 퍼니스 내에 위치시킨다. 열산화 공정은 등각이며, 따라서 필름은 포어의 측벽에서 성장하고, 포어의 직경을 제어 가능하게 감소시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 포어 구조체에 대해 마이크로포어 측에서 본 광학 현미경 사진을 나타낸 예시도로, 특히 100㎛의 직경과 2㎛이하의 직경이 서로 연결된 영역을 가지는 유해물질 검출센서 구조체(1)의 후면 측 마이크로포어의 광학 현미경 사진을 나타낸다.
또한, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유해물질 검출센서 구조체의 단면을 주사전자현미경으로 관찰한 예시도로, 도시한 바와 같이, 40㎚ 나노포어의 단면의 SEM 이미지를 나타낸다.
나노포어 아래의 넓은 영역은 2㎛이하의 연결된 영역, 즉, 마이크로포어와 연결되는 영역을 나타낸다.
상술한 바와 같이, 유해물질 검출센서 구조체(1)에 형성된 나노포어(20)와 마이크로포어(30, 40) 사이의 농도 기울기에 의한 확산 흐름을 이용함으로써, 오염 해수에 함유된 이온입자가 이온 농도가 낮은 정상 해수 측으로의 이동에 의해 변화되는 이온 전류를 측정하고, 측정된 이온 전류를 통해 오염 해수 등을 검출할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 유해물질 검출센서 구조체(1)를 통하여 별도의 에너지, 즉 외부 전원의 인가 없이도 이온 입자의 흐름을 유도할 수 있는 특징이 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 2㎛ 및 100㎛의 직경을 가지는 2개의 마이크로포어에 연속하여 175㎚의 직경을 가지는 나노포어를 SOI 웨이퍼를 사용하여 유해물질 검출센서 구조체를 제조하였다. 본 발명에 따른 유해물질 검출센서 구조체는, 나노포어와 마이크로포어 측 사이의 농도 기울기(concentration gradient)의 사용을 통해 확산 흐름(Diffusive flow)이 얻어질 수 있기 때문에, 오염 해수의 흐름(유동)을 생성하기 위해 외부 유닛, 즉 외부 전원을 사용할 필요가 없다.
따라서, 외부 유닛을 필요로 하지 않는 간단하고 휴대용의 랩-온-칩 디바이스에 본 발명을 적용할 수 있는 특징이 있다.
상기 본 발명의 내용은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1 : 유해물질 검출센서 구조체 10 : 포어 구조체
20 : 나노포어 30 : 제 1 마이크로포어
40 : 제 2 마이크로포어

Claims (1)

  1. 확산 흐름을 이용하여 해수에 포함된 유해물질(HNS)을 검출하는 유해물질 검출센서 구조체에 있어서,
    소자층, SiO2 매립층 및 P형 핸들 웨이퍼로 이루어지는 SOI(Silicon-On-Insulator) 웨이퍼인 기판의 상측에 중공 형태로 형성된 나노포어;
    상기 나노포어의 하측 양단으로부터 단차지게 형성되고, 상기 나노포어의 중심과 일치하는 지점에서 상기 나노포어의 직경 보다 큰 직경을 가지는 제 1 마이크로포어;
    상기 제 1 마이크로포어의 하측 양단으로부터 단차지게 형성되고, 상기 나노포어 및 상기 제 1 마이크로포어의 중심과 일치하는 지점에서 상기 제 1 마이크로포어의 직경 보다 큰 직경을 가지는 제 2 마이크로포어;
    상기 나노포어의 상부에 채워지는 상기 유해물질이 포함된 해수; 및
    상기 나노포어의 하부에 채워지고, 상기 유해물질이 포함된 해수보다 낮은 이온 농도를 함유하는 정상 해수;를 포함하고,
    상기 유해물질이 포함된 해수의 이온 입자는 상기 나노포어와 상기 제 1 마이크로포어 및 제 2 마이크로포어의 농도 기울기(concentration gradient)를 통한 확산 흐름으로 외부 전원 공급없이 상기 나노포어를 통해 상기 제 1 마이크로포어 및 상기 제 2 마이크로포어를 거쳐 정상 해수로 이동됨으로써, 변화되는 이온 전류량을 측정하여 유해물질을 검출할 수 있는 것을 특징으로 하는 유해물질 검출센서 구조체.
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