KR20170058187A - 통신 안테나가 구비된 생체용 바이오 센서 - Google Patents

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KR20170058187A
KR20170058187A KR1020150162086A KR20150162086A KR20170058187A KR 20170058187 A KR20170058187 A KR 20170058187A KR 1020150162086 A KR1020150162086 A KR 1020150162086A KR 20150162086 A KR20150162086 A KR 20150162086A KR 20170058187 A KR20170058187 A KR 20170058187A
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KR1020150162086A
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최경현
고정범
양봉수
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제주대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 통신 안테나(81), 박테리아 검출부(82), 측정 전극(83), 및 검출부 전극(84a, 84b)으로 구성된 바이오 센서가 구비되며, (+) 전원이 연결되는 측정 전극(83)에 다수개의 프러스(+) 검출부 전극(84a)이 연결되어 갈라진 형태로 형성되며, (-) 전원이 연결되는 측정 전극(83)에도 다수개의 마이너스(-) 검출부 전극(84b)이 연결되어 갈라진 형태로 형성되고, 상기 다수개의 프러스(+) 검출부 전극(84a)과 다수개의 마이너스(-) 검출부 전극(84b)이 하나 하나씩 교대로 맞물린 형태로 위치하여, 박테리아 검출부(82)가 만들어지게 되고, 상기 박테리아 검출부(82)에 그라핀을 증착하고, 또한, 박테리아 검출부(82)에 항체를 증착하므로서, 바이오 센서를 생체 표면에 부착하거나 삽입하지만, 전원 공급 문제도 해결되고 바이오 센서의 검출 결과를 간단하게 수신 받고, 수신 받은 데이터를 효율적으로 저장하고, 필요에 따라서는 제 3의 장소에 센서 데이터를 전송할 수있는 인공 치아에 구비된 센서를 제공할 수 있게 된다.

Description

통신 안테나가 구비된 생체용 바이오 센서{BIOSENSOR WITH COMMUNICATION ANTENNA}
본 발명은 통신 안테나가 구비된 생체용 바이오 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 통신 안테나와 박테리아 검출부가 구비된 바이오 센서가 출력한 데이터를 다시 무선으로 전송 받음으로서 별도의 데이터 연결 장치를 구비하지 않아도 되는 통신 안테나가 구비된 생체용 바이오 센서에 관한 것이다.
최근 전 세계적인 초 고령화 사회 구조 형성에 따라 세계 각국은 의료 기기 산업, 고령 인구의 체계적인 관리 시스템, 및 인체 집적 모니터링 시스템에 대한 커다란 관심을 나타내고 있다. 따라서 생체용 센서 시스템에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있다.
그리고 생체용 센서를 위해서는 초소형 센서 이를테면의 압력센서도 초 소형으로의 개발이 필요하다. 그리고, 생체용 센서는 IC회로를 갖는 능동 시스템과 에너지 원을 함유하지 않은 수동형 시스템으로 구분된다. 능동형 시스템은 IC 회로를 동작시키기 위해 에너지원이 필요하게 되고 에너지원의 크기에 의해 전체 시스템의 사이즈가 한계를 갖게 된다 . 그러나 IC회로의 정밀성으로 인해 측정값의 정확도 및 측정거리 확보가 용이하다는 특성을 갖는다. 수동형 시스템은 LC 공진을 이용한 telemetry방식을 주로 사용하는데 전체 시스템이 매우 간단한 구조를 갖는다. 따라서 시스템 구성의 용이성이 있다.
그리고, 경우에 따라서는 magnetic coupling을 이용하여 측정이 이루어짐으로 측정 장소의 전기적 환경에 매우 민감하고 측정거리가 다소 짧다는 단점을 갖는다. 수동형 생체용 센서 시스템에 대한 연구는 주로 고분자 물질을 기판으로 제작되므로 장시간 인체 환경에 노출될 경우 기판 물질의 인체와의 화학적 반응에 의해 기계적 변형이 이루어진다.
또한, 미세 유체 기술은 기존 진단장치의 문제를 해결할 수 있는 강력한 방법으로 떠오르고 있다. 이러한 방식은 on-chip POC 진단과, 적은 부피의 체액에서 전염성질병의 센서링을 가능하게 한다.
한편, 현실적인 방법으로 대한민국 등록특허 제 10-0793933호에는 “센서망을 이용하여 인체를 진단하기 위한 시스템으로서, 체내 삽입이 용이한 캡슐 형태를 가지며, 체내에 삽입된 타 센서와 무선으로 정보를 주고 받아 센서망을 구성하고, 체내에서 획득한 센싱정보를 데이터 수집 장치 및 센서망 내의 타 센서로 무선으로 전송하기 위한 다수의센서; 및 상기 체내에 삽입된 다수의 센서로부터 무선으로 전송받은 센싱정보를 수집하여 저장하기 위한 데이터 수집 장치를 포함하는 센서망을 이용한 인체 진단 시스템“을 제시하고,
또한, 대한민국 등록특허 제 10-1278605호에는 “혈액중의 특정 분석물에 선택적으로 응답하여 그 존재 혹은 농도를 검지하기 위한 시약을 배치한 시약 배치면을 가지는 바이오 센서와, 상기 바이오 센서를 사용해 상기 특정 분석물의 농도를 측정하는 분석물 측정 수단과, 중력방향에 대해 소정의 각도를 갖도록 설정된 상기 시약 배치면의 기준 상태에 대한 경사각 또는 회전각, 또는 상기 시약 배치면에 가해지는 진동 중 어느 하나를 측정하여, 생체 활동에 수반하는 움직임 정보로서 출력하는 움직임 측정 수단과, 상기 특정 분석물의 농도와 상기 움직임 정보를 기록하는 기록 수단과, 상기 움직임 정보에 기초하여, 상기 분석물 측정 수단 및 상기 기록 수단을 제어하는 제어 수단을 구비하는 측정 장치.”를 제시한다.
그러나, 현실적이고 실용적인 데이터 검출 수단과 데이터 저장 수단 및 데이터 전송 수단을 제시하시 못하고 있으며, 또한 별도의 전원 공급장치를 대신하기 위한 가능한 수단도 제공되지 않고 있다.
따라서, 소형 센서를 피부 표면 내에 삽입하지만, 전원 공급 문제도 해결되고 센서의 검출 결과를 간단하게 수신 받고, 수신 받은 데이터를 효율적으로 저장하고, 필요에 따라서는 제 3의 장소에 센서 데이터를 전송할 수도 있는 기술에 대한 개발이 절실한 실정이다.
선행기술1: 대한민국 등록특허 제 10-0793933호, 등록일(2008년01월04일) 선행기술2: 대한민국 등록특허 제10-1278605호, 등록일(2013년06월19일)
본 발명은, 소형 센서를 피부 표면 내에 삽입하거나 피부 표면에 부착하지만, 소형 센서를 피부 표면 내에 삽입하지만, 전원 공급 문제도 해결되고 센서의 검출 결과를 간단하게 수신 받고, 수신 받은 데이터를 효율적으로 저장하고, 필요에 따라서는 제 3의 장소에 센서 데이터를 전송할 수도 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적은, 통신 안테나(81), 박테리아 검출부(82), 측정 전극(83), 및 검출부 전극(84a, 84b)으로 구성된 바이오 센서가 구비되며, (+) 전원이 연결되는 측정 전극(83)에 다수개의 프러스(+) 검출부 전극(84a)이 연결되어 갈라진 형태로 형성되며, (-) 전원이 연결되는 측정 전극(83)에도 다수개의 마이너스(-) 검출부 전극(84b)이 연결되어 갈라진 형태로 형성되고, 상기 다수개의 프러스(+) 검출부 전극(84a)과 다수개의 마이너스(-) 검출부 전극(84b)이 하나 하나씩 교대로 맞물린 형태로 위치하여, 박테리아 검출부(82)가 만들어지게 되고, 상기 박테리아 검출부(82)에 그라핀을 증착하고, 또한, 박테리아 검출부(82)에 항체를 증착하므로서 달성된다,
그리고, 상기 통신 안테나(81)에서 박테리아 검출부에서 검출된 신호를 송신하고, 바이오 센서로 균주를 검출할 주파수 값에 따른 임피던스 값의 변화를 사용하며, 바이오 센서 패턴을 할 때, 스크린 마스크 프린팅 공정 기술 혹은 비접촉식 미세 패터닝 기술(EHD)을 사용한다.
또한, 상기 비접촉식 미세 패터닝 기술(EHD)에서는 Step Pulse방식 DOD 토출제어 방법 혹은 DC voltage 방식 Continuous 토출 제어 방법을 사용한다.
한편, 통신 안테나(81), 박테리아 검출부(82), 측정 전극(83), 및 검출부 전극(84a, 84b)으로 구성된 바이오 센서와 스마트폰과 연결 가능하고 내부에 안테나 코일(110b)이 구비된 통신 박스(110)가 구비되고, 상기 통신 박스는 유에스비 연결 단자(105)와 연결선(101)을 통하여 스마트폰에 연결되어 스마트폰에서 바이오 센서의 데이터를 확인할 있다.
이때, 스마트폰에서 무선 전력 에너지를 바이오 센서에 전송할 수 있고, 상기 바이오 센서에 중앙처리 장치와 정류기가 더 구비된다,
아울러, 상기 바이오 센서는 생체 표면 혹은 생체 내에 삽입될 수 있는 것을 특징으로 한다,
본 발명에 따르면, 바이오 센서를 인체 내 생체 표면에 삽입하거나 부착하지만, 전원 공급 문제도 해결되고 바이오 센서의 검출 결과를 간단하게 수신 받고, 수신 받은 데이터를 효율적으로 저장하고, 필요에 따라서는 제 3의 장소에 센서 데이터를 전송할 수있는 인공 치아에 구비된 센서를 제공할 수 있게 된다.
도 `1은 센서 및 전기 부품 회로의 블록도를 나타낸 실시예의 도면이다.
도 2는 센서 부품과 송수신 코일을 하나의 세트 개념으로 제조한 실시예의 도면이다.
도 3은 하나의 세트(200)화한 센서가 인공 치아 몸체에 구비된 실시예의 도면이다.
도 4는 본원 발명의 원리로 작동되고 인체 내 생체 표면에 삽입하거나 부착 가능한 또 다른 센서의 실시예인 바이오 센서의 실시예의 도면이다.
도 5와 도 6은 바이오센서용 비접촉식 미세 패터닝 방법을 나타낸 실시예의 도면이다.
도 7과 8은 비접촉식 미세 패터닝 기술(EHD)의 방법을 나타내는 실시예의 도면이다.
도 9내지 11은 본원 발명에 적용될 수 있는 박테리아 및 세균 검출용 바이오 센서 제작과정을 나타낸 도면이다.
도 12 내지 14는 Paenibacilus larvae 균주 측정을 나타낸 그래프이다.
도 15와 도 16은 바이오 센서용 IDT(inter-digital transducer) 제작을 나타낸 사진 및 그래프이다.
도 17 내지 도 19는 본원 발명의 바이오 센서와 스마트폰이 통신되는 방법을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다.
또한 공지된 기술 구성에 대해서는 구체적인 설명은 생략할 수도 있다.
종래에는 혈당이나 혈압등 지속적이며서 반복적으로 측정할 필요가 있는 값을 얻기 위하여 생체 삽입용(또는 생체 표면 부착형) 센서 시스템에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있다. 특히 서구적 식생활의 전세계화에 의한 혈관시스템 관리는 의료적 관점에서 매우 중요한 분야로 여겨진다. 그러나, 의료 기술과 다양한 센서의 발달로 혈압과 혈당 이외에 체액의 화학 성분이나 세균 감염 여부 등의 측정도 생체 삽입용(또는 생체 표면 부착형) 센서로 시도되고 있는 실정이다. 그러나 에너지 원의 확보와 센서에 의하여 감지된 센서 값의 추출에 어려움이 존재하는 것은 사실이다,
본원 발명에서는 생체 삽입용(또는 생체 표면 부착형) 센서의 에너지원의 문제도 해결될 뿐 아니라 센서가 감지한 센서 값의 추출도 용이하게 하기 위하여 제안된 기술이다,
본원 발명의 마이크로 바이오 센서는 인체와 동물 등 생체의 피부나 표면에 부착하거나, 인체와 동물 등 생체의 피부나 표면 아래로 삽입되어 사용될 수 있음을 특징으로 한다.
도 `1은 센서 및 전기 부품 회로의 블록도를 나타낸 실시예의 도면이다.
송수신 코일(60)에서 전기 에너지를 수신 받으면 정류기(14)에 의하여 직류 전원으로 변환되고, 중앙처리장치(10)가 동작을 시작하여 바이오 센서(80)에도 전원이 공급되고, 바이오 센서(80)에도 감지된 센서 값을 중앙처리장치(10)에 전달하게 된다.
그리고, 중앙처리장치(10)는 미리 정해진 알고리즘에 의하여 파형 발생기(12)를 제어하여 바이오 센서(80)에도 의하여 검출된 센서 데이터를 송수신 코일(60)을 통하여 전송하게 된다.
한편, 위의 실시예에서는 하나의 안테나 코일을 송수신 코일(60)로 사용하여 에너지를 수신 받는 수신 코일과 센서 데이터를 송신하는 송신 코일로 사용하게 되고, 이를 위하여 중앙처리장치 내부에는 스위칭 소자 기능을 구비하여, 송신 코일을 사용할 때에는 정류기 쪽의 전기 연결을 차단하고, 정류기 기능을 사옹하게 될 경우에는 파형 발생기 쪽의 전기 연결을 차단하게 된다. 즉, 하나의 안테나 코일로 송수신 코일 기능을 모두 사용할 수 있게 된다.
물론 수신용 코일과 송신용 코일을 각각 구비하여 2 개의 코일을 사용할 수도 있다.
즉, 에너지 수신용 코일(60-1)에서 무선 에너지를 받아 중앙처리장치(10)와 바이오 센서(80)에도를 동작 시키는 동력원으로 사용하고, 센서에 의하여 감지된 센서 데이터는 중앙처리장치(10)의 제어에 의하여 파형발생기(12)를 통하여 데이터 송신 코일(60-2)를 통하여 외부로 전송되게 된다.
한편, 본원 발명에서 사용될 수 있는 센서로는 상기 바이오 센서(Gas Sensor) 이외에 반도체식뿐 아니라 고체전해질 방식, 열전도 방식 등이 있으며, 온도 측정 기능도 더 부가될 수가 있다.
그리고 본원 발명에서 사용되는 송수신 코일(60)은 무선으로 에너지를 수신 받을 수 있는 안테나 코일이며, 또한, 센서 감지 데이터를 무선으로 송신할 수 있는 안테나 코일이다.
일반적으로 스마트폰은 NFC(near field communication) 기능이 부과되고 있으며, NFC 기능을 갖기 위해서는 NFC를 위한 안테나[Antenna]가 구비되어야 하며, 상기 안테나는 무선 근거리(최대 10cm) 통신 목적으로 사용된다.
실제 NFC에 대한 PCB 안테나를 설계할 때 주파수(13.56MHz)에 맞는 인덕턴스 값을 계산하여 4.92uH 나오게 설계해야 한다. 그러나 이것을 계산하기란 쉽게 할 수 없는 것이므로 더 쉽게 할 수 있도록 STMicroelectronics (이하 ST)에서 제공하는 공개용 Antenna Tool을 이용하여 안테나를 설계하게 된다.
예를들어, 안테나의 크기가 "15mm X 15mm" 이면 1Cm 이내에서 통신이 가능하고, 또한, "75mm X 45mm" 이면 "5~6Cm" 이내에서 통신이 가능하다. 또한 인덕턴스 4.6~4.9uH값에서 원활하게 데이터는 송/수신된다.
즉, 상기 NFC 안테나는 근접 거리의 전기 자장을 흡수하거나 반대로 근접 거리로 전기 자장을 방출하기도 한다.
따라서, NFC에서 근접거리로 방출하는 전기 자장을 흡수하여 전기 에너지로 바꾸고, 바뀌어진 전기 에너지를 생체용 바이오 센서(80)의 에너지원으로 사용하게 되는 것이다.
그러므로, 본원 발명의 송수신 코일(60)에는 NFC에서 근접거리로 방출하는 전기 자장을 흡수할 수 있는 수신 코일이 구비된다.
아울러, 본원 발명의 송수신 코일(60)에는 센서에서 감지된 센서 값을 송신하는 데이터 송신 코일이 구비된다.
한편, 인체 삽입 센서는 생체 적합성 물질, 좋은 전기 절연체 및 상용화된 의료 제품에서 전자기 통신 환경에 유리한 저유전 손실 물질로 인정받고 있는 유리 기판 (fusedsilica)에 제조된다. 센서의 전체 제조 공정은 초 클린 공정룸 (class 10)에서 이루어지고, 센서는 하부와 상부 웨이퍼의 두께가 같은 두 개의 유리 기판 (500μm 두께)으로 제조 가능하다. 센서 제작은 반도체 공정인 surface micromachining과 식각, 포토리소그래피에 의해 이루어지며, 생체 호환성을 고려하여 기판물질을 선정하여야 하고, 체액, 혈액 및 수분으로부터 센서의 완벽한 격리를 위해 CO2 레이저를 사용하여 두장의 fused silica 기판을 완전 접합시키는 구조로 사용이 가능하다. 센서의 형성은 500 μm silica 웨이퍼(아래 기판)에 센서가 존재할 수 있는 22 μm의 홈을 49% HF (hydrogenfluoride) 식각을 이용하여 형성한 후 10 μm 두께의copper를 DC sputtering을 이용 증착한다. 그리고, 증착된 copper layer는 포토 리소그래피와 금속 에칭에 의해 두 기판에 같은 모양의 spiral inductor가 형성된다.
즉, 상기 실시예의 한 예로 제조되는 센서는 “2 mm × 5 mm × 0.5 mm” 의 크기 내외로 제조가 가능하다.
한편, 생체용 센서의 또 다른 방법으로 체액을 분석하는 POC(Point-of-care) 법을 사용하기도 한다. 예를 들면, 혈액, 타액과 소변의 소량을 분석 할 수 있어야 한다. 이러한 방식은 on-chip POC 법은 적은 부피의 체액에서 전염성질병의 실시간 모니터링을 가능하게 한다.
도 2는 센서 부품과 송수신 코일을 하나의 세트 개념으로 제조한 실시예의 도면이다.
기판(93)에 송수신 코일을 형성하고, 상기 송수신 코일 내부에 센서 및 부품을 형성하여 하나의 세트화한 구조이다.
즉, 기판에 코일을 형성하므로서 제조 생산시 유리하고 비용 절감의 효과를 가져 올수가 있는 것이다. 그리고 코일의 턴수(Turns, 감김 횟수)도 5회 이하로 한다. 그리고 코일의 최 외각 직경은 5mm(혹은 3mm 이내도 가능하다.) 를 넘지 않도록 매우 작게 한다.
즉, 기판에 송수신 코일(60), 센서(50) 및 중앙처리장치(10)를 장착하여 구비된 하나의 Set를 Cell 화하고, 상기 셀(200)을 인공 치아 내부에 장착하게 되면 센서가 동작하고 감지된 센서 데이터는 무선으로 송신하게 되는 것이다.
그리고, 상기 송수신 코일은 수지층인 기판(93)에 형성되는 데, 기판(93) 점성과 탄성이 존재하여 층간에 발생하는 전단력을 흡수 완충시켜줄수 있는 합성수지 재질이어야 한다. 이와 같은 합성수지는,에폭시/알킬에스텔, 염화비닐/초산비닐공중합체, 폴리비닐부치랄, 폴리우레탄고무등이라 할수 있으며 코일은 구리 합금 층 이외에, 알루미늄(Al), 티타니움(Ti) 등을 사용할수 있으며, 증착방법은 E-Beam 진공중착법, R-F-Sputtering 법, Bias Sputtering(Ion-plating)등 통상의 방법을 사용할 수 있다.
도 3은 하나의 세트(200)화한 본원 발명의 생체용 센서가 인체 피부에 부착된 실시예의 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 인체 피부인 손의 피부 표면에 센서 세트(200)가 부착된 실시예의 도면이다.
그리고, 본원 발명의 생체용 마이크로 바이오 센서는 인체와 동물 등 생체의 피부나 표면에 부착하거나, 인체와 동물 등 생체의 피부나 표면 아래로 삽입되어 사용될 수 있음을 특징으로 한다.
한편, 본원 발명의 센서는 다음과 같은 단계에 의하여 수행된다,
(1) 스마트폰에서 전기 자장을 발생시킨다,
NFC 안테나 혹은 무선 충전 안테나(무선 충전을 할 수 있는 스마트폰에 구비된 무선 충전 수신용 안테나)가 전기 에너지를 송신한다,
이때, 스마트폰에서는 미리 정해진 알고리즘과 제어에 의하여 전기 에너지를 송신하는 것이며, 별도의 어플리케이션 프로그램을 제작하여 상기 제작된 프로그램을 통하여 기능 제어와 실행을 가능하게 할 수 있다. 그리고, 스마트폰 내에서 어플리케이션 프로그램을 실행하여 NFC 안테나를 제어하거나 무선 충전 코일을 제어하는 방법은 통상의 방법에 준하게 된다.
(2) 송수신 코일은 전기 에너지를 수신하여 센서를 동작시키게 된다.
센서 세트(200)에 장착된 송수신 코일(60)은 전기 에너지를 수신하고, 수신 받은 전기 에너지는 정류기를 통하여 중앙처리장치(10)에 전달되면, 상기 중앙처리장치(10)는 정해진 알고리즘에 의하여 센서(80)를 동작시키게 된다.
그리고, 상기 센서(80)는 센싱 동작에 의하여 센서 데이터를 중앙처리장치(50)로 출력하게 된다.
또한, 상기 중앙처리장치(10)는 파형 발생기를 제어하여 센서 데이터를 무선 안테나를 통하여 송신하게 된다.
(3) 스마트폰은 센서 데이터를 수신받는다.
센서 세트(200)의 송수신 코일(60)이 송신한 센서 데이터를 스마트폰의 안테나를 통하여 수신 받는다.
수신 받는 안테나는 스마트폰에 구비된 근거리 통신용 안테나일 수도 있고, NFC 안테나일 수 있다. 그리고, 스마트폰에서는 미리 정해진 알고리즘과 제어에 의하여 센서 데이터를 수신 받는 것이며, 별도의 어플리케이션 프로그램을 제작하여 상기 제작된 프로그램을 통하여 기능 제어와 실행을 가능하게 할 수 있다.
도 4는 본원 발명의 원리로 작동되고 인체에 삽입 가능한 또 다른 센서의 실시예인 바이오 센서의 실시예의 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이 본원 발명에서 사용 가능한 바이오 센서(83)는 통신 안테나(81), 박테리아 검출부(82) 및 측정 전극(83)으로 구성되어, 박테리아 검출부(82)에서 검출된 신호를 출력하게 된다.
도 5와 도 6은 바이오센서용 비접촉식 미세 패터닝 방법을 나타낸 실시예의 도면이다.
즉, 스크린 프린팅 공정 기술로서, 페이스트(94) 형태의 잉크를 스크린 마스크(90)(패턴 모양이 되어 있는 천 형태) 에서 스퀴지(92)로 압착하여 기판(93)위에 패턴을 인쇄하며, 압착력과 스퀴지 이동 속도도 인쇄 조건을 제어한다, 이때 스크린 마스크(90)는 스크린 프레임(91)에 고정된다.
그리고, 상기 스크린 프린팅 공정 기술은 패턴 인쇄를 쉽게 할 수 있지만, 40um이하의 패터닝이 불가능하고, 다양한 잉크 대응에 한계를 보이며, 얇은 박막 기판 대응에 한계를 보이고, 재료 소모량이 크다는 단점을 가진다, 그러나 반면에, 고점성 잉크를 사용할 수 있고, 높은 전도성 확보할 수 있으며, 균일도 직진도를 가진 패턴이 가능하다,
도 5는 스크린 프린팅 공정 기술의 방법을 나타낸 실시예의 도면이며, 도 6은 스크린 프린팅 공정 기술의 방법에 의하여 패턴이 인쇄되어 지고 소결되어 패턴이 만들어짐을 보이는 공정 순서도이다,
즉, 도 6에서 도시된 바와 같이, 기판(93) 위에 스크린 마스크(90)를 위치시키고, 스크린 마스크(90) 위에 페이스트(94)를 올려 놓고 스퀴지(92)로 압착하여, 기판 위에 패턴을 형성하는 방법이 스크린 프린팅 방법이다.
도 7과 8은 비접촉식 미세 패터닝 기술(EHD)의 방법을 나타내는 실시예의 도면이다.
도 7은 정전기력 잉크젯 헤드의 장치의 실제 사진이고, 도 8의 (A)는 Step Pulse방식 DOD 토출제어에 의하여 만들어진 패턴을 나타낸 이미지이고, 도 8의 (B)는 DC voltage 방식 Continuous 토출 제어에 의하여 만들어진 패턴을 나타낸 이미지이다,
즉, 잉크 토출에는 "DOD"와 "Continuous" 두가지 형태가 존재하며, 적용 가능한 잉크 특성 범위가 넓고, 고점도, 고함량에서 기존 잉크젯 잉크보다 패턴 성능이 뛰어아다. 그리고, 기존 전도성 패턴의 종횡비(Aspect ratio)를 높일 수 있으며, 동일 선폭에 높이 차를 두므로서 전도성이 향상될 수 있다. 또한 다양한 잉크가 적용 가능하여, 폴리머 잉크, 금속입자잉크, UV잉크, CNT 잉크, ITO잉크, ZnO 잉크, PR 등도 사용될 수가 있다,
- 스크린 프린팅 기술과 비접촉식 미세 패터닝 기술의 비교 -
스크린 프린팅 기술은 40um 선폭 패턴의 인쇄가 가능하고, 박막 웨이퍼에는 적용하기가 어려우며, 페이스트(100,000cps ) 형태의 재료로 인쇄가 가능하고 재료의 소비와 생산성에서 효율이 높지를 못하여 한계성을 가진다.
반면, 비접촉식 미세 패터닝 기술은 10um이하의 미세 패터닝 형성이 가능하고, 유연기판 적용이 가능하고 연속 및 Step& repeat 공정을 사용할 수가 있으며, 고점도 재료(10,000cps 급)로도 패턴을 형성할 수가 있고, 대량생산이 가능한 저비용/고효율 공정이다,
도 9내지 11은 본원 발명에 적용될 수 있는 박테리아 및 세균 검출용 바이오 센서 제작과정을 나타낸 도면이다.
도 9의 (A)는 바이오 센서(80)의 패턴 형상을 나타낸 도면으로, 본원 발명의 바이오 센서 패턴은 통신 안테나(81)와 박테리아 검출부(82)로 구성된다. 그리고, 도 9의 (B)는 다수개의 바이오 센서(80) 패턴이 형성되어 만들어진 기판을 나타낸 이미지 사진이다.
즉, 유리 기판 등에 바아오 센서 패턴을 여러개 형성하여 절단하여 사용하게 된다.
도 10은 바이오 센서의 제작 방법을 나타낸 이미지이다. 도 10의 (A)에서처럼 박테리아 검출부(82)에 그라핀을 증착하고, 또한, 도 10의 (B)에서 처럼 박테리아 검출부(82)에 항체를 증착하고, 박테리아 검출부(82)쪽에 측정 전극(83)을 형성하므로서, 바이오 센서(80)가 만들어지게 된다.
도 11은 주파수 Sweep 임피던스 측정의 방법을 나타낸 사진이다.
도 12 내지 14는 Paenibacilus larvae 균주 측정을 나타낸 그래프이다.
도 12는 주파수와 임피던스와의 상관 관계를 나타낸 도면이고, 도 13은 주파수가 158 MHz일때, 임피던스(impedance) 값이 각각 3070Ω과 3492Ω 의 값을 보이고 있다. 이때, 임피던스(impedance) 값이 3070Ω는 균주(spore) 값이 0.01μg 일때의 값이고, 값이 3492Ω 인 균주(spore) 값이 0.1μg 일때의 값이다.
즉, P. larvae 비 검출시에는 주파수 158Mhz에서 임피던스 값이 1489Ω로 측정되고, P. larvae 검출시에는 주파수 158Mhz에서 임피던스 값이 3492Ω로 측정되므로서, 세균 혹은 바이러스의 검출이 가능함을 보이게 된다.
또한, 도 14는 Paenibacilus larvae 균주 회석 농도를 나타내는 그림이다. 즉, 기존 측정기에서 측정되는 균주의 농도인 10μg 보다 훨씬 작은 균주의 농도로도 측정이 가능함을 보인다.
도 15와 도 16은 바이오 센서용 IDT(inter-digital transducer) 제작을 나타낸 사진 및 그래프이다.
도 15는 실제 제작된 박테리아 검출부(82)를 확대하여 표시된 사진으로, 사진 이미지에서처럼 처럼 박테리아 검출부(82)에는 검출부 전극(84a, 84b)이 서로 맞 물린 형태로 만들어지고, 상기 검출부 전극에 그라핀과 항체가 층착된다.
즉, (+) 전원이 연결되는 측정 전극(83)에 다수개의 프러스(+) 검출부 전극(84a)이 연결되어 갈라진 형태로 형성되며, (-) 전원이 연결되는 측정 전극(83)에도 다수개의 마이너스(-) 검출부 전극(84b)이 연결되어 갈라진 형태로 형성되고, 상기 다수개의 프러스(+) 검출부 전극(84a)과 다수개의 마이너스(-) 검출부 전극(84b)이 하나 하나씩 교대로 맞물린 형태로 위치하여, 박테리아 검출부(82)가 만들어지게 된다.
도 16은 주파수 값에 따른 임피던스 값의 변화를 나타낸 그래프이며, 균주가 검출됨에 따라 피크의 형태도 변함을 보이고 있다. 즉, 본원 발명의 바이오 센서로 균주를 검출할 주파수 값에 따른 임피던스 값의 변화를 사용한다.
도 17 내지 도 19는 본원 발명의 바이오 센서와 스마트폰이 통신되는 방법을 나타낸 도면이다
도 17의 도면에서처럼 바이오 센서와 통신을 하므로서, 스마트폰(110)에서 전기 자장을 발생시키고, 송수신 코일은 전기 에너지를 수신하여 센서를 동작시키게 되고, 스마트폰은 센서 데이터를 수신받는 과정의 수행이 가능하게 된다,
즉, 상기 통신 안테나(81)에서 박테리아 검출부에서 검출된 신호를 송신하고 그 송신 신호를 스마트폰이 수신하게 된다.
도 18은 스마트폰의 USB 연결단자에 통신 박스(110)를 연결하고, 상기 통신 박스(110)를 바이오 센서(80)에 가까이 하여, 바이오 센서에 전원을 공급하거나 바이오 센서의 데이터를 수신 받을 수가 있다. 즉, 상기 통신 박스는 유에스비 연결 단자(105)와 연결선(101)을 통하여 스마트폰에 연결되어 스마트폰에서 바이오 센서의 데이터를 확인할 수가 있다.
도 19은 통신 박스(110)의 내부 구조를 나타낸 도면으로 나선 구조의 안테나 코일(110b)이 통신 박스(110) 내부에 형성된 구조이다,
14 : 정류기 80 ; 센서
60: 송수신 코일 70 : 인공치아
71 : 틀니 몸체 80 : 바이오 센서
81 : 통신 안테나 82 : 박테리아 검출부
83 : 측정 전극 84a, 84b : 검출부 전극
90 : 스크린 마스크 91 : 스크힌 프레임
92 : 스퀴즈 93 : 기판
94 : 페이스트 95 : 패턴
100 : 스마트폰 110 : 통신 박스
110b : 안테나 코일 200 : 센서 세트

Claims (6)

  1. 통신 안테나(81), 박테리아 검출부(82), 측정 전극(83), 및 검출부 전극(84a, 84b)으로 구성된 바이오 센서가 구비되며,
    (+) 전원이 연결되는 측정 전극(83)에 다수개의 프러스(+) 검출부 전극(84a)이 연결되어 갈라진 형태로 형성되며,
    (-) 전원이 연결되는 측정 전극(83)에도 다수개의 마이너스(-) 검출부 전극(84b)이 연결되어 갈라진 형태로 형성되고,
    상기 다수개의 프러스(+) 검출부 전극(84a)과 다수개의 마이너스(-) 검출부 전극(84b)이 하나 하나씩 교대로 맞물린 형태로 위치하여, 박테리아 검출부(82)가 만들어지게 되고,
    상기 박테리아 검출부(82)에 그라핀을 증착하고, 또한, 박테리아 검출부(82)에 항체를 증착하는 것을 특징으로 하는 통신 안테나가 구비된 생체용 바이오 센서.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 통신 안테나(81)에서 박테리아 검출부에서 검출된 신호를 송신하는 것을 특징으로 하는 통신 안테나가 구비된 생체용 바이오 센서.
  3. 제 1항에 있어서, 바이오 센서로 균주를 검출할 주파수 값에 따른 임피던스 값의 변화를 사용하는 것을 특징으로 하는 통신 안테나가 구비된 생체용 바이오 센서.
  4. 제 1항에 있어서, 바이오 센서 패턴을 할 때, 스크린 마스크 프린팅 공정 기술 혹은 비접촉식 미세 패터닝 기술(EHD)을 사용하는 것을 특징으로 하는 통신 안테나가 구비된 인체 삽입용 바이오 센서.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 비접촉식 미세 패터닝 기술(EHD)에서는 Step Pulse방식 DOD 토출제어 방법 혹은 DC voltage 방식 Continuous 토출 제어 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 통신 안테나가 구비된 생체용 바이오 센서.
  6. 통신 안테나(81), 박테리아 검출부(82), 측정 전극(83), 및 검출부 전극(84a, 84b)으로 구성된 바이오 센서와
    스마트폰과 연결 가능하고 내부에 안테나 코일(110b)이 구비된 통신 박스(110)가 구비되고,
    상기 통신 박스는 유에스비 연결 단자(105)와 연결선(101)을 통하여 스마트폰에 연결되어 스마트폰에서 바이오 센서의 데이터를 확인할 있는 것을 특징으로 하는 통신 안테나가 구비된 생체용 바이오 센서.
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US11950896B2 (en) 2018-03-22 2024-04-09 Arnold Chase Blood glucose tracking system

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