KR20160063900A - Sensor for Measuring blood glucose and Manufacturing Methods thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 혈당 측정을 위한 혈당 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a blood glucose sensor for blood glucose measurement and a method of manufacturing the same.
당뇨병은 인슐린의 분비량이 부족하거나 정상적인 기능이 이루어지지 않는 등의 대사질환의 일종으로, 혈중 혈당의 농도가 높아지는 고혈당으로 인하여 여러 증상 및 징후를 일으킨다. 이러한 당뇨병을 비롯하여 많은 질환의 경우 혈당을 통해 건강의 이상을 확인할 수 있기에, 상당수의 의료진단에 혈당 측정이 수반되는 경우가 많다.Diabetes is a type of metabolic disease that lacks insulin secretion or does not function normally. It causes various symptoms and signs due to hyperglycemia, which increases blood glucose level. Many diseases, including diabetes, can detect abnormalities in health through blood sugar, so many of the medical diagnoses often involve blood glucose measurement.
혈당 측정 분석은 주로 광도법과 전기화학적 방법이 사용되고 있다. 광도법은 당산화효소와 과산화효소에 의한 당의 산화반응을 이용하며, 반응 후 나타나는 색깔의 차이를 이용하여 혈당의 양을 결정한다. 전기화학적 방법은 당산화효소와 전자수용체의 연속된 산화 환원 반응에 의하여 전달되는 전자의 흐름을 혈당 센서에 내장된 전극으로 측정함으로써 혈당의 농도를 결정하는 원리이다. 전기화학적 방법은 광도법에 비하여 혈액 내의 다른 물질들에 의해 발생하게 되는 오차를 줄일 수 있으며, 혈당의 측정시간이 단축되고, 조작이 간편하여 최근에 주로 선택되는 방법이다.Blood glucose measurement is mainly performed by photometric and electrochemical methods. The photometric method utilizes the oxidation reaction of sugar by peroxidase and peroxidase, and determines the amount of blood glucose using the difference in color after reaction. The electrochemical method is a principle for determining the concentration of blood glucose by measuring the flow of electrons transferred by the continuous redox reaction between the glucose oxidase and the electron acceptor to an electrode built in the glucose sensor. The electrochemical method is a method recently selected mainly because it can reduce the error caused by other substances in the blood as compared with the photometric method, shortens the measurement time of the blood glucose, and is easy to operate.
도 1은 혈당 측정을 위하여 사용되는 종래의 혈당 센서(10)를 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하여 설명하면, 종래의 혈당 센서(10)는 기판(40) 위에 전극부(30)가 형성되어 있고, 그 위에 혈당 산화효소(Glucose Oxidase, GOX) 및 페로센(ferrocene) 등 매개체의 코팅막(50)이 형성된 구조로 되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 이러한 코팅막(50) 위에 별도의 채혈 도구를 통하여 채취된 혈액(20)을 떨어뜨리면, 혈당 산화효소는 혈액(20) 내의 혈당 및 코팅막(50) 내의 페로센 등 매개체와 순차적으로 반응하면서 산화 및 환원을 반복하게 되고, 이러한 전기화학적 과정에 의해 발생하는 전류를 전극부(30)를 통해 측정할 수 있다. 이러한 전류량은 혈당 농도에 의존하므로, 측정기 미터(60)에 혈당 센서(10)를 끼워 전류량을 측정함으로써 혈당 농도를 측정할 수 있다. 1 is a view showing a conventional
상기와 같은 종래의 혈당 센서는 도면에 도시하지는 않았으나 혈액을 채혈하기 위한 별도의 채혈 도구가 필요하다. 일반적으로 사용되는 채혈 도구는 선단에 수 밀리미터 직경의 바늘이 구비되어 있으며, 스프링과 버튼에 의하여 순간적으로 바늘을 채혈도구로부터 튀어나오게 하여 인체의 피부에 구멍을 뚫어 혈액을 채취하게 되어 있다. 하지만 이러한 채혈 도구는 사용자들에게 통증과 두려움을 유발시켜 수시로 혈당을 검사하여야 하는 당뇨병 환자들에게 큰 고통을 주고 있다. 또한, 이러한 채혈 도구가 혈당 센서와는 별도로 구비되어야 하므로, 혈당 측정 과정이 번거롭다는 단점이 있다.Although the conventional blood glucose sensor as described above is not shown in the drawing, a separate blood collection tool for blood collection is needed. A commonly used blood collecting tool has a needle having a diameter of several millimeters at its tip, and a needle is pushed out from the blood collecting tool instantaneously by a spring and a button, and a hole is made in the skin of the human body to collect blood. However, these blood collecting tools cause pain and fear to the users, which is causing great pain for the diabetic patients who need to check blood glucose from time to time. In addition, since such a blood collecting tool must be provided separately from the blood glucose sensor, there is a disadvantage that the blood glucose measurement process is cumbersome.
또한, 종래의 혈당 센서는 혈당 산화효소와 같은 효소가 코팅되어 있는 효소 기반 혈당 센서인데, 효소는 그 활성도(activity)가 온도, 습도, pH 등 환경 조건에 많은 영향을 받아 안정성에 문제가 있고, 대량 생산 시 보관 및 품질관리 등이 어려워 제품화하는데 한계가 있다.In addition, the conventional blood glucose sensor is an enzyme-based blood glucose sensor coated with an enzyme such as a glucose oxidase. The activity of the enzyme is greatly affected by environmental conditions such as temperature, humidity and pH, Storage and quality control in mass production is difficult, which limits its commercialization.
따라서, 사용자들에게 통증과 고통을 최소화시킬 수 있고, 혈당 측정 과정이 편리하며, 특성의 안정성이 우수하고 대량 생산에 적합한 혈당 센서가 요구된다. Therefore, there is a need for a blood glucose sensor that can minimize pain and pain to users, has a convenient blood glucose measurement process, is excellent in stability of characteristics, and is suitable for mass production.
본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 혈당 측정 과정에서 채혈로 인한 사용자의 고통을 최소화시킬 수 있는 혈당 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide a blood glucose sensor capable of minimizing a user's suffering due to blood collection during a blood glucose measurement process.
또한, 본 발명은 채혈 도구를 별도로 구비할 필요가 없어 사용이 편리한 혈당 센서를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.It is another object of the present invention to provide a blood glucose sensor that is easy to use because it is not necessary to separately provide a blood collecting tool.
또한, 본 발명은 특성의 안정성이 우수하고 대량 생산에 적합한 혈당 센서를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.It is another object of the present invention to provide a blood glucose sensor that is excellent in stability of characteristics and is suitable for mass production.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 혈당 센서는, 기판의 혈액 센싱 영역에 복수의 마이크로 니들이 배열된 마이크로 니들 어레이를 포함하고, 상기 혈액 센싱 영역은 서로 이격된 작동 전극 영역과 상대 전극 영역을 포함하며, 상기 작동 전극 영역과 상대 전극 영역에 각각 대응되는 상기 마이크로 니들 어레이 상에 형성된 작동 전극(WE)과 상대 전극(CE)을 포함하는 것을 특징으로 한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a blood glucose sensor including a micro needle array in which a plurality of micro needles are arranged in a blood sensing area of a substrate, And a working electrode (WE) and a counter electrode (CE) formed on the microneedle array corresponding to the working electrode region and the counter electrode region, respectively.
또한, 상기 작동 전극 영역 및 상대 전극 영역과 이격된 기준 전극 영역이 더 포함되고, 상기 기준 전극 영역에 대응되는 상기 마이크로 니들 어레이 상에 형성된 기준전극(RE)을 더 포함할 수 있다.The reference electrode region may further include a reference electrode region spaced apart from the working electrode region and the counter electrode region, and may include a reference electrode RE formed on the array of the microneedles corresponding to the reference electrode region.
이때, 상기 작동 전극 및 상기 상대 전극은, 상기 마이크로 니들 어레이 상에 성장된 탄소나노튜브 포레스트(CNT Forest)를 포함하고, 상기 탄소나노튜브 포레스트 표면에는 백금 나노입자가 형성되는 것일 수 있다.At this time, the working electrode and the counter electrode may include a carbon nanotube forest (CNT forest) grown on the microneedle array, and platinum nanoparticles may be formed on the carbon nanotube forest surface.
또한, 상기 기판 상에 상기 작동 전극, 상기 상대 전극 및 상기 기준 전극으로부터 각각 연장된 작동 연결전극, 상대 연결전극 및 기준 연결전극을 더 포함하는 것일 수 있다.
Further, it may further comprise an operation connecting electrode, a counter connection electrode, and a reference connection electrode extending from the working electrode, the counter electrode, and the reference electrode, respectively, on the substrate.
본 발명의 다른 측면에 따른 혈당 센서 제조 방법은, 기판의 혈액 센싱 영역에 복수의 마이크로 니들이 배열된 마이크로 니들 어레이를 형성하는 마이크로 니들 어레이 형성 단계, 상기 혈액 센싱 영역을 서로 이격된 작동 전극 영역과 상대 전극 영역으로 구분하고 상기 작동 전극 영역과 상대 전극 영역에 각각 대응되는 상기 마이크로 니들 어레이 상에 작동 전극(WE)과 상대 전극(CE)을 형성시키는 전극 형성 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a blood glucose sensor, including: forming a micro needle array in which a plurality of micro needles are arranged in a blood sensing area of a substrate; forming a micro needle array in the blood sensing area, And forming an electrode (WE) and a counter electrode (CE) on the array of micro-needles, which are divided into electrode regions and correspond to the working electrode region and the counter electrode region, respectively.
상기 전극 형성 단계는, 상기 혈액 센싱 영역을 서로 이격된 작동 전극 영역과 상대 전극 영역으로 구분하는 전극 영역 구분 단계, 상기 작동 전극 영역과 상대 전극 영역에 대응되는 상기 마이크로 니들 어레이에 탄소나노튜브를 성장시켜 탄소나노튜브 포레스트(CNT Forest)를 형성시키는 탄소나노튜브 형성 단계, 및 상기 탄소나노튜브 포레스트 상에 백금 나노 입자를 증착하여 작동 전극영역과 상대 전극 영역에 각각 백금 나노 입자를 증착하는 백금 증착 단계를 포함할 수 있다. The electrode forming step may include: an electrode area dividing step of dividing the blood sensing area into a working electrode area and a counter electrode area spaced apart from each other; growing carbon nanotubes in the microneedle array corresponding to the working electrode area and the counter electrode area; Forming a carbon nanotube forest (CNT Forest) by depositing platinum nanoparticles on the carbon nanotube forest, and depositing platinum nanoparticles on the working electrode region and the counter electrode region, respectively, . ≪ / RTI >
이때, 상기 전극 형성 단계는, 상기 탄소나노튜브 형성 단계 이전에, 작동 전극 영역과 상대 전극 영역에 대응되는 상기 마이크로 니들 어레이의 표면에 탄소나노튜브의 성장을 위한 촉매층으로서 철 촉매층(iron catalyst)을 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다. At this time, the electrode forming step may include forming an iron catalyst as a catalyst layer for growing carbon nanotubes on the surface of the microneedle array corresponding to the working electrode region and the counter electrode region, prior to the carbon nanotube- And forming the second electrode.
또한, 상기 전극 형성 단계는, 상기 전극 영역 구분 단계에서, 상기 작동 전극 영역 및 상대 전극 영역과 이격된 기준 전극 영역을 더 구분하며, 상기 기준 전극 영역에 대응되는 상기 마이크로 니들 어레이에 기준 전극을 형성시키는 기준 전극 형성 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 기준 전극을 형성하는 단계는, 은(Ag)을 증착한 후 상기 은 표면에 염화은(AgCl)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.The electrode forming step may further include the step of separating the working electrode region and the reference electrode region separated from the counter electrode region in the electrode region dividing step and forming a reference electrode in the array of microneedles corresponding to the reference electrode region And a reference electrode forming step of forming a reference electrode. At this time, the step of forming the reference electrode may include forming silver chloride (AgCl) on the silver surface after depositing silver (Ag).
또한, 상기 마이크로 니들 어레이 형성 단계는, 상기 복수의 마이크로 니들이 형성되는 영역에 포토레지스트 막으로 마스크 패턴을 형성하는 단계, 상기 마스크 패턴을 이용하여 상기 기판을 건식 식각하는 단계, 상기 마스크 패턴을 제거하는 단계 및 상기 기판을 습식 식각하는 단계를 포함할 수 있다. The step of forming the micro-needle array may include the steps of: forming a mask pattern with a photoresist film in a region where the plurality of micro needles are to be formed; dry-etching the substrate using the mask pattern; And wet etching the substrate.
또한, 상기 기판 상에 상기 작동 전극, 상기 상대 전극 및 상기 기준 전극으로부터 각각 연장된 작동 연결전극, 상대 연결전극 및 기준연결 전극을 형성시키는 연결전극 형성 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include forming a connection electrode extending from the working electrode, the counter electrode, and the reference electrode on the substrate, a counter connection electrode, and a reference connection electrode.
본 발명에 따르면, 혈당 센서에 선단이 마이크로미터 수준인 미세한 마이크로 니들 어레이가 구비됨으로써 채혈로 인한 사용자의 고통을 최소화시킬 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, the blood glucose sensor is provided with a fine microneedle array having a micrometer-level tip, thereby minimizing the user's pain due to blood collection.
또한, 본 발명에 따르면, 채혈을 위한 마이크로 니들 어레이가 혈당 센서에 일체로 구비됨으로써, 별도의 채혈 도구를 구비할 필요가 없어 사용이 편리한 효과가 있다.Further, according to the present invention, since the micro needle array for collecting blood is integrally provided in the blood glucose sensor, there is no need to provide a separate blood collecting tool, which is convenient to use.
또한, 본 발명은 마이크로 니들 어레이에 탄소나노튜브 포레스트 및 백금 나노입자를 형성한 구조의 전극을 사용함으로써, 전기활성 영역의 표면적이 극대화되어 효소가 없이도 높은 감도로 혈당을 측정할 수 있어, 특성 안정성이 우수하고 대량 생산에 적합한 효과가 있다.In addition, the present invention uses electrodes having a structure in which a carbon nanotube forest and platinum nanoparticles are formed on a microneedle array, thereby maximizing the surface area of the electroactive region and measuring blood glucose with high sensitivity without enzymes, And is suitable for mass production.
도 1은 종래의 혈당 센서를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 혈당 센서의 사시도이다.
도 3은 마이크로 니들 어레이를 형성하는 제조 흐름도이다.
도 4는 마이크로 니들 어레이 위에 전극들을 형성하는 제조 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 니들 어레이의 주사전자현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 니들 어레이 및 전극 표면 사진이다.
도 7는 본 발명의 실시예에 따른 백금 나노입자가 도금된 탄소나노튜브 포레스트의 X-선 회절분석 결과이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 백금 나노입자가 도금된 탄소나노튜브 포레스트의 원자력 현미경 분석 결과이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 혈당 센서의 전류밀도 응답특성 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 혈당 센서의 혈당 농도에 따른 전류밀도 그래프이다.1 is a view showing a conventional blood glucose sensor.
2 is a perspective view of a blood glucose sensor according to the present invention.
3 is a manufacturing flow chart for forming a microneedle array.
4 is a manufacturing flow chart for forming electrodes on a microneedle array.
5 is a scanning electron micrograph of a microneedle array according to an embodiment of the present invention.
6 is a photograph of a surface of a microneedle array and electrodes according to an embodiment of the present invention.
7 is a result of X-ray diffraction analysis of a platinum nanoparticle-plated carbon nanotube forest according to an embodiment of the present invention.
8 is a result of an atomic force microscope analysis of a platinum nanoparticle-plated carbon nanotube forest according to an embodiment of the present invention.
9 is a graph showing a current density response characteristic of a blood glucose sensor according to an embodiment of the present invention.
10 is a graph of current density according to blood glucose concentration of a blood glucose sensor according to an embodiment of the present invention.
첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 한정되거나 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 다양한 실시예들을 설명함에 있어서, 대응되는 구성요소에 대해서는 동일한 명칭 및 동일한 참조부호를 부여하여 설명하도록 한다.
The preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to or limited by the embodiments. In describing the various embodiments of the present invention, corresponding elements are denoted by the same names and the same reference numerals.
도 2는 본 발명에 따른 혈당 센서(100)의 사시도이다. 도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 혈당 센서(100)는 기판(110), 기판(110)의 혈액 센싱 영역에 형성된 마이크로 니들 어레이(150), 마이크로 니들 어레이(150) 상에 서로 이격되어 형성된 작동 전극(WE; Working Electrode)(200), 상대 전극(CE; Counter Electrode)(300) 및 기준 전극(RE; Reference Electrode)(400), 각 전극들(200, 300, 400)과 전기적으로 연결되어 기판(110)의 일측으로 연장 형성된 연결 전극들(210, 310, 410)을 포함한다. 2 is a perspective view of the
기판(110)은 마이크로 니들 어레이(150) 및 전극들(200, 300, 400)을 지지하면서 혈당 센서(100)의 몸체를 이루는 구성으로, 도 2와 같이 직사각형의 판상으로 이루어질 수 있다. 기판(110) 재질은 특별히 한정하는 것은 아니나, 반도체 제조공정을 이용해 마이크로 니들 어레이(150)를 용이하게 형성할 수 있도록 실리콘(Si) 기판을 사용하는 것이 바람직하다.The
마이크로 니들 어레이(150)는 기판(110) 위 적어도 일부분에 형성되고 뾰족한 복수의 마이크로 니들이 배열된 구성으로, 마이크로 니들을 이용하여 피부의 각질층을 뚫고 채혈할 수 있도록 구성된다. 각 마이크로 니들의 선단의 직경은 마이크로미터 범위로 매우 미세하게 형성되어 무고통의 채혈이 가능하도록 할 수 있다. The
마이크로 니들 어레이(150)의 상부에는 작동 전극(200), 상대 전극(300) 및 기준 전극(400)이 서로 이격 형성되어, 채혈된 혈액을 별도의 혈당 센서로 옮기지 않고 마이크로 니들로 채혈된 혈액과 반응하여 혈당을 측정할 수 있도록 구성되어 있다. 작동 전극(200) 및 상대 전극(300)은 마이크로 니들 어레이(150) 위에 성장된 탄소나노튜브 포레스트(carbon nanotube forest) 및 그 위에 코팅된 금속 나노입자를 포함하며, 금속 나노입자는 백금(Pt) 나노입자일 수 있다. 이때 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브가 바람직하지만, 이에 한정되지 않으며 단일벽 탄소나노튜브를 사용할 수도 있다. 또한, 마이크로 니들 어레이(150)와 탄소나노튜브 사이에는 전극(200, 300, 400)들과 기판(110)의 절연을 위한 절연막, 탄소나노튜브를 성장시키기 위한 촉매층이 형성될 수 있다. 이때 절연막은 실리콘 산화막, 촉매층은 철(Fe)을 포함할 수 있다.The working
기준 전극(400)은 작동 전극(200) 및 상대 전극(300)과 이격 형성되며, 은(Ag) 및 염화은(AgCl)의 적층 구조를 포함할 수 있다. 이때 염화은(AgCl)은 나노입자 형태로서 은(Ag) 층 위에 형성된 구조일 수 있다. 또한, 은(Ag) 층과 기판(110) 사이에는 다른 층, 예를 들어 티타늄(Ti) 층이 더 형성될 수 있다.The
연결전극들(210, 310, 410)은 각 전극들(200, 300, 400)과 전기적으로 연결되어 기판(110)의 일측으로 연장 형성된 구성으로, 각 전극들(200, 300, 400)을 외부의 측정기 미터에 전기적으로 연결하는 역할을 한다. 작동 연결전극(210)은 작동전극(200)과, 상대 연결전극(310)은 상대 전극(300)과, 기준 연결전극(410)은 기준 전극(400)과 각각 전기적으로 연결된다. 상기 연결 전극들(210, 310, 410)은 구리(Cu) 또는 금(Au)으로 이루어질 수 있으나 이에 한정되지 않는다. The
이와 같은 구성의 본 발명에 따른 혈당 센서(100)는 미세한 선단의 마이크로 니들 어레이(150)가 형성되어 이를 통해 채혈을 수행할 수 있으므로, 종래의 채혈 도구에 비해 채혈로 인한 사용자의 고통을 최소화시킬 수 있다. 또한, 채혈을 위한 마이크로 니들 어레이가 혈당 센서에 일체로 구비되어 있으므로, 별도의 채혈 도구를 구비할 필요가 없어 사용이 편리하다. 또한, 길쭉한 형태의 마이크로 니들 어레이(150) 위에 탄소나노튜브 포레스트 및 백금 나노입자를 형성한 구조의 전극을 사용함으로써, 전극의 전기활성 영역의 표면적이 극대화되어 효소가 없이도 높은 감도(sensitivity)로 혈당을 측정할 수 있다.Since the
도 2에는 기준 전극(400)이 구비되는 것으로 도시하였으나, 기준 전극(400)은 선택적인 구성으로 이해하여야 한다. 즉, 3 전극계를 사용하지 않고 2 전극계를 사용하는 경우에는 기준 전극(400)을 생략하고 작동 전극(200) 및 상대 전극(300)만이 형성되어 있을 수 있다.Although the
본 발명에 따른 혈당센서(100)에 의하면, 마이크로 니들 어레이(150)에 의해 채혈된 혈액이 바로 전극들(200, 300, 400)에 접하게 되며, 혈액 내의 혈당 농도에 측정 전류값이 의존하는 특성을 이용하여 혈당 농도를 측정한다. 이러한 작동 원리는 해당 기술분야에서 잘 알려져 있으므로 상세한 설명은 생략한다. According to the
도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 혈당센서 제조방법을 설명한다. 도 3은 마이크로 니들 어레이(150)를 형성하는 방법을 설명하기 위한 제조 흐름도이며, 도 4는 마이크로 니들 어레이(150) 위에 전극들(200, 300, 400)을 형성하는 방법을 설명하기 위한 제조 흐름도이다. 도 3 및 도 4는 혈당 센서(100) 중 마이크로 니들 어레이(150) 및 전극들(200, 300, 400)이 형성되는 부분만을 개념적으로 도시한 것이며, 기판으로 실리콘(Si) 기판을 사용하는 경우를 예시한 것이다.A method of manufacturing a blood glucose sensor according to the present invention will be described with reference to FIGS. 3 and 4. FIG. FIG. 3 is a manufacturing flow chart for explaining a method of forming the
먼저 도 3을 참조하여 설명하면, 기판(110)으로서 실리콘(Si) 웨이퍼를 준비하고(a), 그 표면에 포토레지스트(PR; photoresist) 막을 도포한다(b). 포토레지스트 막은 스핀코팅(Spin Coating)으로 형성할 수 있으며, 포토레지스트 도포 전에 실리콘 웨이퍼와 포토레지스트 막 사이의 점착력을 좋게 하기 위하여 헥사메틸다이사이레인(HMDS) 프라이밍 처리를 할 수 있다. 3, a silicon (Si) wafer is prepared as a
포토레지스트 막 도포 후에는 패턴 형성을 위한 노광 공정을 진행하며, 노광 공정 후에는 현상액을 이용하여 현상(develop)함으로써 포토레지스트 패턴을 형성한다(c). 노광 공정 전에 포토레지스트 막 내의 용제를 증발시키기 위한 소프트 베이크(Soft-baked)공정을 수행할 수 있다. 또한, 현상 공정 후 포토레지스트 막에 흡수된 용제, 수분 등을 제거하기 위한 하드 베이크(Hard-baked) 공정을 수행할 수 있다.After the photoresist film is applied, an exposure process for pattern formation is performed. After the exposure process, a photoresist pattern is formed by developing using a developer (c). A soft-baked process for evaporating the solvent in the photoresist film before the exposure process can be performed. In addition, a hard-baked process for removing the solvent, water, etc., absorbed in the photoresist film may be performed after the development process.
이후, 형성된 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 하여 실리콘 웨이퍼의 건식 식각(Dry Etching) 공정을 진행한다(d). 건식 식각 공정은 플라즈마 식각 공정을 사용할 수 있으며, 플라즈마에 의해 형성된 이온들이 실리콘 웨이퍼 표면에 수직 방향으로 입사되므로 도3(d)와 같이 수직 방향으로 긴 기둥 모양의 실리콘 기둥 어레이를 형성할 수 있다. 이때, 직사각형 실리콘 기둥은 대략 100㎛ x 100㎛의 넓이와 수백 ㎛의 길이를 가지도록 형성할 수 있다. Thereafter, the dry etching process of the silicon wafer is performed using the formed photoresist pattern as an etching mask (d). The dry etching process can use a plasma etching process, and the ions formed by the plasma are vertically incident on the surface of the silicon wafer, so that a columnar silicon columnar array having a long columnar shape in the vertical direction as shown in FIG. 3 (d) can be formed. At this time, the rectangular silicon pillars can be formed to have a width of about 100 탆 x 100 탆 and a length of several hundred 탆.
이후, 건식 식각을 통하여 형성된 실리콘 기둥 어레이 상부에 남아있는 포토레지스트 막를 제거하고(e), 습식 식각(Wet ethcing) 공정을 진행한다(f). 습식 식각 용액으로는 불산(HF), 질산(HNO3) 혼합물을 사용할 수 있다. 습식 식각 공정은 건식 식각과는 달리 식각의 방향성이 없고, 실리콘 기둥의 모서리 부분의 식각률이 상대적으로 더 크므로, 도 3(f)와 같은 날카롭고 뾰족한 니들 형태의 어레이를 형성할 수 있다. 이때 형성된 각 마이크로 니들의 선단 직경은 수 ㎛ 이하일 수 있다. Then, the photoresist film remaining on the silicon pillar array formed through the dry etching is removed (e), and the wet etching process is performed (f). As the wet etching solution, a mixture of hydrofluoric acid (HF) and nitric acid (HNO 3 ) can be used. In the wet etching process, unlike the dry etching, there is no directionality of the etching, and the etching rate at the corner portion of the silicon column is relatively larger, so that a sharp and sharp needle-like array as shown in FIG. 3 (f) can be formed. The tip diameter of each microneedle formed at this time may be several 占 퐉 or less.
다음 도 4를 참조하여 마이크로 니들 어레이(150) 상부에 혈당 센싱을 위한 전극을 형성하는 과정을 설명한다. 먼저 마이크로 니들 어레이(150)가 형성된 실리콘 기판 위에 기판(110)과 전극들(200, 300, 400) 및 전극들 사이의 절연을 위해 절연막을 증착 시킨다(a). 이때 절연막으로는 실리콘 산화막(SiO2)을 사용할 수 있다. Next, a process of forming an electrode for blood glucose sensing on the
그 다음 도 4(b)와 같이 작동 전극(200) 및 상대 전극(300)이 형성될 영역만이 열려 있는 섀도우 마스크를 사용하여 마이크로 니들 어레이(150) 위에 탄소나노튜브 성장을 위한 촉매층을 형성한다. 촉매층은 철(Fe) 촉매층일 수 있으며, 5nm의 두께로 진공 전자빔 증착을 통하여 형성시킬 수 있다. 섀도우 마스크에 의해 작동 전극(200) 및 상대 전극(300) 영역에 각각 형성되는 촉매층은 서로 분리되도록 형성할 수 있다.Next, as shown in FIG. 4B, a catalyst layer for growing carbon nanotubes is formed on the
그 다음은 탄소나노튜브 포레스트를 형성하는 단계로, 촉매층 위에 선택적으로 성장함으로써 작동 전극(200) 및 상대 전극(300) 영역에 각각 형성되는 탄소나노튜브 포레스트는 서로 이격 형성된다. 탄소나노튜브 형성 공정은 공지된 방법을 사용할 수 있으며, 본 발명에서 특정 공정으로 한정되는 것은 아니다. 탄소나노튜브 포레스트 형성 후에는 상기 탄소나노튜브 포레스트 표면에 금속 나노입자를 형성한다(c). 금속 나노입자는 백금 나노입자일 수 있으며, 염화백금산(hexachloroplatinic acid hydrate, H2PtCl6)을 사용하여 전기도금으로 형성될 수 있다. 이 경우, 탄소나노튜브 포레스트의 표면에 형성된 백금 나노입자는 크기는 50~100nm 범위의 직경으로 형성할 수 있다.The carbon nanotube forests formed in the working
기준 전극(400)을 포함한 3 전극계 혈당 센서의 경우 도 4(d)의 기준 전극 형성 단계를 더 진행한다. 기준 전극 형성 단계는 도 4(d)와 같이 작동 전극(200) 및 상대 전극(300)이 형성된 영역은 가리고 그 영역들과 이격되는 기준 전극 형성 영역만이 열려있는 섀도우 마스크를 사용하여 진행될 수 있다. 기준 전극으로는 은(Ag)/염화은(AgCl)을 사용할 수 있는데, 먼저 기준 전극에 대응하는 패턴이 형성된 섀도우 마스크를 통하여 300nm 두께의 은(Ag) 층을 증착한 후, 염소처리(chlorination)를 통해 은(Ag) 표면에 염화은(AgCl)을 형성할 수 있다. 염소처리는 예를 들어 1M KCl/HCl 버퍼 용액 내에서 소정의 전류를 흘리면서 처리할 수 있으며, 이러한 방법으로 은(Ag) 표면에 염화은(AgCl) 나노입자를 형성할 수 있다. 또한, 은(Ag) 층 증착 전에 은(Ag) 층의 기판에 대한 접착력(adhesion) 개선을 위해 약 100nm 두께의 티타늄(Ti) 또는 크롬(Cr) 층 등의 접착층을 더 증착할 수도 있다. In the case of the three-electrode blood glucose sensor including the
도 4에서는 작동 전극(200) 및 상대 전극(300)을 형성한 후 기준 전극(400)을 형성하는 것으로 설명하였으나, 그 순서는 바뀌어도 무방하다. 또한, 도 4에는 도시하지 않았으나, 상기 기판 상에 작동 전극(200), 상대 전극(300) 및 기준 전극(400)과 전기적으로 연결되어 기판(110) 표면에 연장 형성되는 작동 연결전극(210), 상대 연결전극(310) 및 기준 연결전극(410)을 형성시키는 단계를 더 진행할 수 있다. 이러한 연결전극들(210, 310, 410)은 전극들(200, 300, 400) 형성 공정 후에 형성되어야 하는 것은 아니며, 그 전에 미리 형성될 수도 있다.In FIG. 4, the
또한, 마이크로 니들 어레이(150) 상에 수직으로 성장된 탄소나노튜브 포레스트가 피부의 각질층을 뚫고 피를 채혈하는 과정에서 마이크로 니들 어레이 표면에서 박리되어 체내로 유실될 가능성을 제거하기 위해, 적어도 작동 전극(200) 및 상대 전극(300) 형성 공정 이후 전극 형성 부분을 에탄올에 담가 탄소나노튜브 포레스트를 붕괴(collapse)시키는 공정을 추가로 진행할 수 있다.
In order to eliminate the possibility that the carbon nanotube forest grown vertically on the
이하 본 발명에 따른 혈당 센서의 구체적인 구조 및 혈당 감지 특성을 실시예로 설명한다.
Hereinafter, the specific structure of the blood glucose sensor according to the present invention and the blood glucose sensing characteristics will be described as examples.
<실시예><Examples>
본 발명의 제조 방법에 따라 혈당 센서를 제조하였으며, 마이크로 니들 어레이(150) 및 전극들의 구조를 주사전자현미경(SEM; Scanning electron microscope) 및 투과전자현미경(TEM; Transmission electron microscop)로 분석하였다. 도 5(a)는 실리콘 기판을 건식 식각한 후의 실리콘 기둥 어레이의 SEM 사진이고, 도 5(b)는 습식 식각을 진행한 후의 마이크로 니들 어레이(150)의 SEM 사진이다. 도 5의 SEM 사진으로부터, 건식 식각 후에는 직사각형 형상의 기둥이 형성되었으나 습식 식각을 진행한 후에는 매우 뾰족하고 날카로운 형상의 마이크로 니들 어레이(150)가 형성되었음이 확인되었다. 각 마이크로 니들의 선단 직경은 1㎛ 보다 작은 매우 미세한 형상이었다.
The blood glucose sensor was manufactured according to the manufacturing method of the present invention and the structures of the
도 6(a)는 마이크로 니들 어레이(150) 위에 형성된 다중벽 탄소나노튜브의 TEM 사진이며, 도 6(b)는 마이크로 니들의 팁(tip) 부분에 성장된 다중벽 탄소나노튜브 포레스트의 SEM 사진이다. 도 6(c)는 탄소나노튜브 포레스트 표면에 형성된 백금 나노입자의 SEM 사진으로, 약 50~100nm 크기의 백금 나노입자들이 균일하게 형성되었음을 확인 할 수 있었다. 도 6(d)는 은(Ag) 기준전극 표면에 형성된 염화은(AgCl) 나노입자에 대한 SEM 이미지로서, 약 260nm 크기의 염화은 나노입자들이 균일하게 형성되었음이 확인되었다.6 (a) is a TEM photograph of a multi-walled carbon nanotube formed on a
백금 나노입자가 도금된 탄소나노튜브 포레스트의 결정 구조를 X-선 회절분석(XRD; X-ray diffraction)으로 분석하였고, 분석 결과를 도 7에 도시하였다. 분석 결과, 약 39.68도, 46.4도, 67.7도에 각각 백금의 면심 입방 격자의 (111), (200) 및 (220)면 회절 피크가 나타났으며, 26도에서 탄화된 탄소의 (002)면에 의한 피크를 확인할 수 있었다. The crystal structure of the platinum nanoparticle-plated carbon nanotube forest was analyzed by X-ray diffraction (XRD), and the results of the analysis are shown in FIG. (111), (200) and (220) plane diffraction peaks were observed at about 39.68, 46.4 and 67.7 degrees, respectively, and the (002) plane of carbonized carbon at 26 degrees Can be confirmed.
백금 나노입자가 형성된 탄소나노튜브 포레스트의 평균 표면 거칠기를 분석하기 위해 원자력 현미경(AFM; Atomic Force Microscope) 분석을 수행하였고, 분석 결과를 도 8에 도시하였다. AFM 데이터의 분석 결과 백금 나노입자가 형성된 탄소나노튜브 포레스트의 평균 표면 거칠기는 150±16 nm로 나타났다. 이러한 거칠기는 평면 상에 증착된 백금 표면의 거칠기인 0.493±0.3 nm 와 큰 차이가 있는 것으로, 본 발명의 구성에 의해 전극 부분의 표면적이 크게 증가하였다는 점을 확인할 수 있다.Atomic Force Microscope (AFM) analysis was performed to analyze the average surface roughness of the carbon nanotube forest formed with platinum nanoparticles, and the results of the analysis are shown in FIG. Analysis of AFM data showed that the average surface roughness of the carbon nanotube forest with platinum nanoparticles was 150 ± 16 nm. This roughness largely differs from the roughness of the platinum surface deposited on the plane of 0.493 + - 0.3 nm, and it can be seen that the surface area of the electrode portion is greatly increased by the constitution of the present invention.
본 발명의 실시예에 따라 제조된 무효소 혈당 센서의 전류밀도 응답특성을 도 9 및 도 10에 도시하였다. 도 9는 전류 밀도 응답특성 측정법인 크르노암페로메트리(chronoamperometry)를 통해 측정한 그래프로, 혈당 센서의 전극 부분이 담긴 0.01 M PBS(Phosphate Buffered Saline; Ph 7.4) 용액에 혈당을 3mM 씩 추가하면서 3~20mM 농도 범위에서 전류 밀도를 측정한 결과이다. 측정 결과 혈당을 추가할 때마다 측정 전류가 선형적으로 증가하였다. 9 and 10 show the current density response characteristics of the ineffective glucose sensor manufactured according to the embodiment of the present invention. FIG. 9 is a graph obtained through a cronoamperometry which is a current density response measurement method. In FIG. 9, 3 mM of glucose is added to 0.01 M PBS (Phosphate Buffered Saline; Ph 7.4) solution containing an electrode portion of a glucose sensor It is the result of measuring the current density in the concentration range of 3 ~ 20mM. As a result, the measurement current increased linearly with each addition of blood glucose.
또한, 도 10은 도 9의 실험을 복수 회 반복한 후 혈당 농도에 따른 전류 응답 특성을 계산한 결과이다. 도 10를 참조하면, 3~20mm 범위의 혈당 농도에 따른 전류 밀도가 선형적으로 증가함을 알 수 있으며, 그 감도는 17.73±3㎂/mM-cm2 였다. 이러한 높은 감도는 마이크로 니들 어레이에 탄소나노튜브 포레스트 및 백금 나노입자가 형성된 본 발명 특유의 구성에 의해 달성되는 것이며, 단순히 백금 나노입자만을 사용하거나 탄소나노튜브 및 백금 나노입자를 사용하는 경우에는 기대할 수 없는 결과이다.
FIG. 10 shows the result of calculating the current response characteristic according to the blood glucose concentration after repeating the experiment of FIG. 9 several times. Referring to FIG. 10, it can be seen that the current density linearly increases with blood glucose concentration in the range of 3 to 20 mm, and the sensitivity was 17.73 ± 3 μA / mM-cm 2 . This high sensitivity is achieved by the unique configuration of the present invention in which a carbon nanotube forest and platinum nanoparticles are formed in a microneedle array, and can be expected only when using only platinum nanoparticles or using carbon nanotubes and platinum nanoparticles. No result.
이상 한정된 실시예 및 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하다는 점은 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 특허청구범위의 기재 및 그 균등 범위에 의해 정해져야 한다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the scope of protection of the present invention should be determined by the description of the claims and their equivalents.
10, 100: 혈당 센서
20: 혈액
30: 전극부
40, 110: 기판
150: 마이크로 니들 어레이
200: 작동 전극
210: 작동 연결전극
300: 상대 전극
310: 상대 연결전극
400: 기준 전극
410: 기준 연결전극10, 100: blood sugar sensor
20: blood
30:
40, 110: substrate
150: Micro needle array
200: working electrode
210: Working connection electrode
300: counter electrode
310: Relative connecting electrode
400: reference electrode
410: Reference connecting electrode
Claims (13)
상기 혈액 센싱 영역을 서로 이격된 작동 전극 영역과 상대 전극 영역으로 구분하고,
상기 작동 전극 영역과 상대 전극 영역에 각각 대응되는 상기 마이크로 니들 어레이 상에 작동 전극(WE)과 상대 전극(CE)을 형성시키는 전극 형성 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 혈당 센서 제조 방법.A microneedle array forming step of forming a microneedle array in which a plurality of microneedles are arranged in a blood sensing area of a substrate; And
The blood sensing region is divided into a working electrode region and a counter electrode region which are spaced apart from each other,
And an electrode forming step of forming a working electrode (WE) and a counter electrode (CE) on the microneedle array corresponding to the working electrode area and the counter electrode area, respectively.
상기 전극 형성 단계는,
상기 혈액 센싱 영역을 서로 이격된 작동 전극 영역과 상대 전극 영역으로 구분하는 전극 영역 구분 단계;
상기 작동 전극 영역과 상대 전극 영역에 대응되는 상기 마이크로 니들 어레이에 탄소나노튜브를 성장시켜 탄소나노튜브 포레스트(CNT Forest)를 형성시키는 탄소나노튜브 형성 단계; 및
상기 탄소나노튜브 포레스트 상에 백금 나노 입자를 증착하여 작동 전극영역과 상대 전극 영역에 각각 백금 나노 입자를 증착하는 백금 증착 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 혈당 센서 제조 방법.The method according to claim 1,
The electrode forming step may include:
An electrode region dividing step of dividing the blood sensing region into a working electrode region and a counter electrode region which are spaced apart from each other;
Forming a carbon nanotube forest (CNT forest) by growing carbon nanotubes on the microneedle array corresponding to the working electrode region and the counter electrode region; And
Depositing platinum nanoparticles on the carbon nanotube forest and depositing platinum nanoparticles on the working electrode region and the counter electrode region, respectively;
Wherein the blood glucose sensor is a blood glucose sensor.
상기 전극 형성 단계는,
상기 탄소나노튜브 형성 단계 이전에, 작동 전극 영역과 상대 전극 영역에 대응되는 상기 마이크로 니들 어레이의 표면에 탄소나노튜브의 성장을 위한 촉매층으로서 철 촉매층(iron catalyst)을 형성시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혈당 센서 제조 방법. 3. The method of claim 2,
The electrode forming step may include:
Forming an iron catalyst as a catalyst layer for growing carbon nanotubes on the surface of the microneedle array corresponding to the working electrode region and the counter electrode region before the step of forming the carbon nanotubes Wherein the blood glucose sensor is a blood glucose sensor.
상기 전극 형성 단계는,
상기 전극 영역 구분 단계에서, 상기 작동 전극 영역 및 상대 전극 영역과 이격된 기준 전극 영역을 더 구분하며,
상기 기준 전극 영역에 대응되는 상기 마이크로 니들 어레이에 기준 전극을 형성시키는 기준 전극 형성 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혈당 센서 제조 방법.3. The method of claim 2,
The electrode forming step may include:
In the electrode region dividing step, the reference electrode region spaced apart from the working electrode region and the counter electrode region is further divided,
And forming a reference electrode on the array of microneedles corresponding to the reference electrode region.
상기 마이크로 니들 어레이 형성 단계는,
상기 복수의 마이크로 니들이 형성되는 영역에 포토레지스트 막으로 마스크 패턴을 형성하는 단계;
상기 마스크 패턴을 이용하여 상기 기판을 건식 식각하는 단계;
상기 마스크 패턴을 제거하는 단계; 및
상기 기판을 습식 식각하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 혈당 센서 제조방법. The method according to claim 1,
The microneedle array forming step may include:
Forming a mask pattern with a photoresist film in a region where the plurality of microneedles are formed;
Dry-etching the substrate using the mask pattern;
Removing the mask pattern; And
Wet etching the substrate;
Wherein the blood glucose sensor is a blood glucose sensor.
상기 기준 전극을 형성하는 단계는,
은(Ag)을 증착한 후 상기 은 표면에 염화은(AgCl)을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 혈당 센서 제조방법.5. The method of claim 4,
Wherein forming the reference electrode comprises:
And forming silver chloride (AgCl) on the silver surface after depositing silver (Ag).
상기 기판 상에 상기 작동 전극 및 상기 상대 전극으로부터 각각 연장된 작동 연결전극과 상대 연결전극을 형성시키는 연결전극 형성 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혈당 센서 제조 방법.3. The method according to claim 1 or 2,
Further comprising a connection electrode forming step of forming an operation connection electrode and a counter connection electrode extending from the working electrode and the counter electrode on the substrate, respectively.
상기 기판 상에 상기 작동 전극, 상기 상대 전극 및 상기 기준 전극으로부터 각각 연장된 작동 연결전극, 상대 연결전극 및 기준연결 전극을 형성시키는 연결전극 형성 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혈당 센서 제조 방법.5. The method of claim 4,
Further comprising forming a connection electrode extending from the working electrode, the counter electrode, and the reference electrode on the substrate, a counter connection electrode, and a reference connection electrode, respectively.
상기 혈액 센싱 영역은 서로 이격된 작동 전극 영역과 상대 전극 영역을 포함하고,
상기 작동 전극 영역과 상대 전극 영역에 각각 대응되는 상기 마이크로 니들 어레이 상에 형성된 작동 전극(WE)과 상대 전극(CE);
을 포함하는 혈당 센서.A micro needle array in which a plurality of micro needles are arranged in a blood sensing area of a substrate; And
Wherein the blood sensing area includes a working electrode area and a counter electrode area spaced from each other,
A working electrode (WE) and a counter electrode (CE) formed on the microneedle array corresponding to the working electrode region and the counter electrode region, respectively;
.
상기 작동 전극 영역 및 상대 전극 영역과 이격된 기준 전극 영역이 더 포함되고,
상기 기준 전극 영역에 대응되는 상기 마이크로 니들 어레이 상에 형성된 기준전극(RE)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혈당 센서.10. The method of claim 9,
Further comprising a reference electrode region spaced apart from the working electrode region and the counter electrode region,
Further comprising a reference electrode (RE) formed on the array of micro-needles corresponding to the reference electrode region.
상기 작동 전극 및 상기 상대 전극은,
상기 마이크로 니들 어레이 상에 성장된 탄소나노튜브 포레스트(CNT Forest)를 포함하는 것을 특징으로 하는 혈당 센서.10. The method of claim 9,
Wherein the working electrode and the counter electrode are electrically connected to each other,
And a carbon nanotube forest (CNT Forest) grown on the microneedle array.
상기 탄소나노튜브 포레스트 표면에는 백금 나노입자가 형성되는 것을 특징으로 하는 혈당 센서.12. The method of claim 11,
And platinum nanoparticles are formed on the surface of the carbon nanotube forest.
상기 기판 상에 상기 작동 전극, 상기 상대 전극 및 상기 기준 전극으로부터 각각 연장된 작동 연결전극, 상대 연결전극 및 기준 연결전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혈당 센서.11. The method of claim 10,
Further comprising: an operation connection electrode, a counter connection electrode, and a reference connection electrode extending from the working electrode, the counter electrode and the reference electrode on the substrate, respectively.
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KR1020140167776A KR101747118B1 (en) | 2014-11-27 | 2014-11-27 | Sensor for Measuring blood glucose and Manufacturing Methods thereof |
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