KR20180057915A - 바이오센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 바이오센서에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따른 바이오센서는 인쇄 기법으로 제조가 용이하고, 대량 생산이 가능하며, 하나의 용액 내에서 다량의 검출 인자를 개별적/연속적으로 측정할 수 있다.
Description
본 발명은 바이오센서에 관한 것이다.
바이오 물질을 검출하는 바이오센서 중 트랜지스터를 기반으로 하는 바이오센서에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
한편, 종래 트랜지스터를 이용하여 액상의 분자를 흡착/측정하는 바이오센서들은 상부에서 액체를 부어서 만들고, 이 용액 상에 기준전극인 Ag/AgCl을 담구어 사용하였으나, 이는 정밀한 용액의 정량 측정이 어려울 뿐만 아니라, 대량 양산형 인쇄전극 기판에 입체형 기준전극을 만들기 어려운 문제를 갖는다.
본 발명은 기준 전극층을 포함한 박막형 바이오센서 소자를 인쇄 기법으로 용이하게 제작할 수 있고, 대량 생산이 가능한 바이오센서를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 하나의 용액 내에서 다량의 검출 인자를 개별적/연속적으로 측정할 수 있는 바이오센서를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 관련된 바이오센서는 감지부 및 상기 감지부에 장착되어, 그 사이 공간에 유체 채널을 형성하는 커버부재를 포함한다.
상기 감지부는 기판과, 기판 상에 마련된 게이트 전극과, 게이트 전극 상에 마련된 절연과, 절연층 상에 마련된 n-type 채널, 및 n-type 채널층 상에 서로 떨어져 위치하는 소스 전극 및 드레인 전극을 각각 형성하는 제1 전극층을 포함한다.
또한, 상기 감지부는 제1 전극층을 둘러싸도록 마련된 제2 전극층 및 기판 상에 위치하고, 제1 전극층과 동일한 재질로 형성된 제3 전극층을 포함한다.
또한, 상기 감지부는 제3 전극층을 둘러싸도록 마련되며, 제2 전극층과 동일한 재질로 형성되고, 기준 전극을 제공하는 제4 전극층을 포함한다.
또한, 상기 커버부재는 제1 전극층의 소스 전극과 드레인 전극 사이로 노출된 n-type 채널과 기준 전극의 일부 영역을 함께 둘러싸는 내주면을 갖는다.
또한, 상기 커버부재는 n-type 채널과 내주면 사이 공간 및 기준 전극과 내주면 사이 공간으로 유체가 진입 가능하게 마련된 유체 채널을 형성한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 적어도 일 실시예와 관련된 바이오 센서에 따르면, 기준 전극층을 포함한 박막형 바이오센서 소자를 인쇄 기법으로 용이하게 제작할 수 있고, 대량 생산이 가능하며, 하나의 용액 내에서 다량의 검출 인자를 개별적/연속적으로 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 바이오센서의 개념도이다.
도 2는 도 1의 선 A-A'을 따라 절취한 상태의 단면도이다.
도 3은 도 1의 선 B-B'을 따라 절취한 상태의 단면도이다.
도 2는 도 1의 선 A-A'을 따라 절취한 상태의 단면도이다.
도 3은 도 1의 선 B-B'을 따라 절취한 상태의 단면도이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 바이오센서의 개념도이고, 도 2는 도 1의 선 A-A'을 따라 절취한 상태의 단면도이며, 도 3은 도 1의 선 B-B'을 따라 절취한 상태의 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 바이오센서(100)는 감지부 및 상기 감지부에 장착되며, 그 사이 공간에 유체 채널(C)을 형성하는 커버 부재(190)를 포함한다.
상기 감지부는 기판(110), 게이트 전극(140), 절연층(150), n-type 채널(160), 제1 전극층(170), 제2 전극층(180), 제3 전극층(200) 및 제4 전극층(210)을 포함한다.
상기 제1 전극층(170)은 n-type 채널(160) 상에 소스 전극(120) 및 드레인 전극(130)을 각각 형성한다.
도 2를 참조하면, 제2 전극층(180)은 제1 전극층(170)을 둘러싸도록 마련된다. 구체적으로, 제2 전극층(180)은 제1 전극층(170)인 소스 전극(120)과 드레인 전극(130)을 각각 둘러싸도록 마련된다.
도 3을 참조하면, 바이오센서(100)는 기판(110) 상에 위치하고, 제1 전극층(170)과 동일한 재질로 형성된 제3 전극층(200) 및 제3 전극층(200)을 둘러싸도록 마련되며, 제2 전극층(180)과 동일한 재질로 형성되고, 기준 전극을 제공하는 제4 전극층(180)을 포함한다.
구체적으로, 바이오센서(100)는 기판(110), 기판(110) 상에 마련된 게이트 전극(140), 게이트 전극(140) 상에 마련된 절연층(150) 및 상기 절연층(150) 상에 마련된 n-type 채널(160)을 포함한다.
상기 기판(110)으로는 유리 기판이나 플라스틱 기판이 사용될 수 있으며, 바이오센서(100)에 적용되는 것이면 특별히 제한되지 않는다.
상기 게이트 전극(140)은, 금속으로 형성될 수 있고, 예를 들어 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 티타늄/은(Ti/Au), 금(Ag), 구리(Cu), 및 백금(Pt)으로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
또한, 상기 절연층(150)은, SiO2, Al2O3, TiO2, ZrO2, HfO2, 또는 SiNx 등으로 형성될 수 있다.
본 발명에서 사용할 수 있는 n-type 채널(160)은 IGZO, ZnO, ZTO, IZO, IHZO, AIN, InN, GaN 및 InGaN으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나의 n-type 물질로 이루어질 수 있다.
특히, IGZO로 이루어진 n-type 채널(160)이 바람직한데, 이는 우수한 광학 투명성, 비결정 구조, 높은 전자 이동성을 가지고 있고, 나아가, IGZO 채널은 직접 active matrix backplane으로 기능할 수 있어, 별도의 집적화 공정이 생략될 수 있는 장점이 있다.
또한, 바이오센서(100)는 n-type 채널(160) 상에 소정 간격으로 떨어져 마련된 소스 전극(120) 및 드레인 전극(130)을 포함한다. 또한, 바이오센서(100)는 제1 전극층(170)인 소스 전극(120) 및 드레인 전극(130)을 각각 둘러싸도록 마련된 제2 전극층(180), 및 소스 전극(120) 및 드레인 전극(130)과 떨어져 위치하며, 제2 전극층(180)과 동일한 재질로 형성되고, 기준 전극을 제공하는 제4 전극층(210)을 포함한다.
상기 제1 전극층(170)인 소스 전극(120) 및 드레인 전극(130)은, 예를 들어, 각각 금속으로 형성될 수 있고, 예를 들어 크롬(Cr), 티타늄/은(Ti/Au), 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 음(Ag), 구리(Cu), 백금(Pt) 및 텅스텐(W)으로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
또한, 바이오센서(100)는 소스 전극(120)과 드레인 전극(130) 사이로 노출된 n-type 채널층(160)과 기준 전극의 일부 영역을 함께 둘러싸는 내주면(191)을 갖는 커버 부재(190)를 포함한다. 상기 커버부재(190)는 노출된 n-type 채널(160)과 내주면(191) 사이 공간 및 제4 전극층(200)인 기준전극과 내주면(191) 사이 공간으로 유체(예를 들어, 샘플 용액)가 진입 가능하게 마련된 유체 채널(C)을 형성한다. 상기 커버부재(190)는 실리콘 등으로 형성될 수 있고, 예를 들어, PDMS로 형성될 수 있다. 또한, 유체 채널(C) 내부로 노출된 n-type 채널(160) 상에는 포집부(R)가 마련될 수도 있다.
제1 전극층(170)인 소스 전극(120) 및 드레인 전극(130)은 유체 채널(C) 외부에 위치한다. 즉, 소스 전극(120) 및 드레인 전극(130)은 직접 샘플 용액과 접촉하지 않도록 마련된다. 또한, 제4 전극층(200)인 기준전극은 직접 샘플 용액과 접촉하도록 유체 채널(C) 내부로 노출된다.
한편, 제2 전극층(180)과 제1 전극층(170)은 서로 다른 재질(예를 들어, 서로 다른 금속 재질)로 형성될 수 있다. 또한, 제2 전극층(180) 및 제4 전극층(210)은, 예를 들어 귀금속(noble metal)로 형성될 수 있으며, 구체적으로, 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 은(Au), 및 루테늄(Ru)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상으로 형성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 게이트 전극(140) 및 절연층(150)은 기판(110)과 제3 전극층(200) 사이에 차례로 위치할 수 있다. 또한, n-type채널(160)은 절연층(150)과 제3 전극층(200) 사이에 차례로 위치할 수 있다.
이는 제조 공정의 단순화를 위한 것으로, 제4 전극층(210)이 n-type 채널(160) 상에 또는 제3 전극층(200) 상에 반드시 형성될 필요는 없다. 즉, 기준 전극을 제공하는 제4 전극층(210)은 기판(110) 상에 배치되어, 일부 영역이 유체 채널(C)내에 위치하도록 형성될 수 있다.
다만, 바이오센서(100)의 제조과정을 살펴보면, 제3 전극층(200)과 함께 제1 전극층(170)인 소스 전극(120)과 드레인 전극(130)을 형성할 때, 제4 전극층(210) 하부에도 제3 전극층(200)이 형성될 수 있다. 또한, 제1 전극층(170)과 제3 전극층(200) 형성 후, 동일 마스크(mask)로 제2 전극층(180)과 제4 전극층(210)을 함께 형성할 수 있다. 즉, 인쇄 기법을 이용해, 제조공정을 간소화할 수 있다.
TFT에서 소스 전극(120)과 게이트 전극(140) 사이에 일정한 전압이 인가되면, n-type 채널(160)에서 전도 채널(conduction channel)이 형성되고 이를 통하여 소스 전극(120)과 드레인 전극(130) 간에 전자가 이동할 수 있다. 그리고, 샘플 용액의 타겟 바이오 분자가 흡착되어 표면의 포텐셜(potential) 에너지가 변하게 되면, n-type 전도채널(160)에 흐르는 전류의 양이 변하게 되는데, 결국 이러한 전류의 변화로부터 타겟 바이오 분자의 유무 또는 농도를 산출하게 된다.
도 1을 참조하면, 바이오센서(100)는 하나의 용액 내에서 다량의 검출 인자를 개별적/연속적으로 측정할 수 있도록 마련될 수 있다.
이를 위하여, 바이오센서(100)는 기판(110)과, 기판(110) 상에 제1 방향을 따라 길게 연장된 게이트 전극(140)과, 게이트 전극(140) 상에 마련된 절연층(150) 및 절연층(150) 상에 마련된 n-type 채널(160)을 포함한다.
또한, 상기 바이오센서(100)는 n-type 채널(160) 상에 제1 방향과 다른 제2 방향을 따라 소정 간격으로 떨어져 마련된 제1 소스 전극(120-1) 및 제1 드레인 전극(130-1)과, 제1 소스 전극(120-1)과 제1 드레인 전극(130-1)과 제1 방향을 따라 떨어져 위치하고, n-type 채널(160) 상에 제2 방향을 따라 소정 간격으로 떨어져 마련된 제2 소스 전극(120-2) 및 제2 드레인 전극(130-2)을 각각 형성하는 제1 전극층(170)을 포함한다. 상기 제1 방향은 유체 채널에서 유체가 흘러가는 방향을 나타내고, 제2 방향은 소스 전극과 드레인 전극의 연결선 방향을 나타낼 수 있다. 또한, 제1 방향과 제2 방향을 실질적으로 직교하는 방향일 수 있다.
도 2를 참조하면, 바이오센서(100)는 제1 전극층(170)인 소스 전극(120) 및 드레인 전극(130)을 각각 둘러싸도록 마련된 제2 전극층(180)을 포함한다.
도 3을 참조하면, 바이오센서(100)는 기판(110) 상에 위치하고, 제1 전극층(170)과 동일한 재질로 형성된 제3 전극층(200)을 포함한다. 또한, 상기 바이오센서(100)는 제3 전극층(200) 상에 마련된 제4 전극층(210)을 포함하며, 제4 전극층(210)은 제1 기준전극 및 제2 기준전극을 각각 제공한다. 이때, 제1 기준전극(210-1)은 제1 소스/드레인 전극(120-1, 130-1)과 제1 감지부를 구성하고, 제2 기준전극(210-2)은 제2 소스/드레인 전극(120-2, 130-2)과 제2 감지부를 구성한다.
구체적으로, 제4 전극층(210)은 제1 소스 전극(120-1) 및 제1 드레인 전극(130-1)과 제1 방향을 따라 떨어져 위치하며, 제2 전극층(180)과 동일한 재질로 제3 전극층(200)을 둘러싸도록 형성된 제1 기준 전극(210-1) 및 제2 소스 전극(120-2) 및 제2 드레인 전극(130-2)과 제1 방향을 따라 떨어져 위치하며, 제2 전극층(180)과 동일한 재질로 제3 전극층(200)을 둘러싸도록 형성된 제2 기준 전극을 포함한다.
상기 바이오센서(100)에서, 제1 기준전극(210-1)을 반응의 기준 전위로 설정하고, 제1 소스 전극(120-1)과 제1 드레인 전극(130-1) 간의 전류를 측정하여 한 가지 센서(제1 감지부) 기능을 수행한다. 또한, 제2 기준전극(210-2)을 반응의 기준 전위로 설정하고, 제2 소스 전극(120-2)과 제2 드레인 전극(130-2) 간의 전류를 측정하여 또 다른 센서(제2 감지부) 기능을 수행한다. 이러한 방식으로 하나의 유체 채널(C)에 복수 개의 감지부를 형성할 수 있다.
또한, 바이오센서(100)는 커버 부재(190)를 포함하며, 상기 커버부재(190)는 제1 소스 전극(120-1)과 제1 드레인 전극(130-1) 사이로 노출된 n-type 채널과, 제2 소스 전극(120-2)과 제2 드레인 전극(130-2) 사이로 노출된 n-type 채널 및 제1 및 제2 기준 전극 각각의 일부 영역을 함께 둘러싸는 내주면(191)을 갖는다. 그리고, 상기 커버부재(190)는 노출된 n-type 채널과 내주면 사이 공간과, 제1 및 제2 기준 전극과 내주면 사이 공간으로 유체가 진입 가능하게 마련된 유체 채널(C)을 형성한다.
전술한 바와 같이, 상기 유체채널(C)은 제1 방향을 따라 길게 형성된다. 또한, 제1 방향을 따라, 제1 소스 및 드레인 전극(120-1, 130-1), 제1 기준전극(210-1), 제2 소스 및 드레인 전극(120-2, 130-2), 제2 기준전극(210-2)이 차례로 위치한다.
제1 소스 및 제1 드레인 전극(120-1, 130-1)과 제2 소스 및 제2 드레인 전극(120-2, 130-2)은 전술한 소스 전극 및 드레인 전극(120, 130)과 각각 동일하며, 다만 게이트 전극 상에서 제1 방향에 따라 형성된 위치만 상이하다. 또한, 제1 및 제2 기준전극(210-1, 210-2)은 전술한 기준 전극과 동일하다.
한편, 제1 감지부와 제2 감지부는 독립적으로 구동 가능하게 마련된다. 즉, 상기 바이오센서(100)는 복수 개의 감지부를 포함할 수 있고, 각각의 감지부는 독립적으로 구동 가능하게 마련될 수 있다. 또한, 바이오센서(100)는 유체 채널(C)로 샘플 용액을 흘리게 되면, 유체 채널(C)을 따라 복수 개의 감지부가 배열된 구조를 갖는다.
제1 및 제2 기준전극(210-1, 210-2)이 n-type 채널(160) 상에 또는 제3 전극층(200) 상에 반드시 형성될 필요는 없다. 즉, 각각의 기준 전극(210-1, 210-2)은 기판(110) 상에 배치되어, 일부 영역이 유체 채널(C) 내에 위치하도록 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 바이오센서(100)의 제조과정을 살펴보면, 제1 전극층(170)을 형성할 때, 해당 기준 전극(200-1, 200-2) 하부에도 제3 전극층(200)이 형성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 기판(110)과, 게이트 전극(140), 절연층(150), n-type 채널(160), 제3 전극층(200) 및 제4 전극층(210)이 차례로 마련될 수 있다. 또한, 제1 전극층(170)과 제3 전극층(200)을 형성할 때 사용했던 동일 마스크(mask)로, 제2 전극층(180)과 제4 전극층(210)을 동시에 형성할 수 있으며, 이와 같이 인쇄 기법을 이용해, 제조공정을 간소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예와 관련된 바이오센서(100)는 N(n>1) 개의 감지부를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 제3 소스전극(120-3)과 제3 드레인 전극(130-3) 및 제3 기준전극(210-3)을 포함하는 제3 감지부를 추가로 포함할 수 있다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100: 바이오센서
110: 기판
120: 소스 전극
130: 드레인 전극
140: 게이트 전극
150: 절연층
160: n-type 채널
170: 제1 전극층
180: 제2 전극층
190: 커버부재
200: 제3 전극층
210: 제4 전극층
110: 기판
120: 소스 전극
130: 드레인 전극
140: 게이트 전극
150: 절연층
160: n-type 채널
170: 제1 전극층
180: 제2 전극층
190: 커버부재
200: 제3 전극층
210: 제4 전극층
Claims (13)
- 기판;
기판 상에 마련된 게이트 전극;
게이트 전극 상에 마련된 절연층;
절연층 상에 마련된 n-type 채널;
n-type 채널 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 각각 형성하는 제1 전극층;
제1 전극층을 둘러싸도록 마련된 제2 전극층;
기판 상에 위치하고, 제1 전극층과 동일한 재질로 형성된 제3 전극층;
제3 전극층을 둘러싸도록 마련되며, 제2 전극층과 동일한 재질로 형성되고, 기준 전극을 제공하는 제4 전극층; 및
제1 전극층의 소스 전극과 드레인 전극 사이로 노출된 n-type 채널과 기준 전극의 일부 영역을 함께 둘러싸는 내주면을 갖고, n-type 채널과 내주면 사이 공간 및 기준 전극과 내주면 사이 공간으로 유체가 진입 가능하게 마련된 유체 채널을 형성하는 커버 부재를 포함하는 바이오센서. - 제 1 항에 있어서,
제1 전극층과 제2 전극층은 서로 다른 재질로 형성된 바이오센서. - 제 2 항에 있어서,
제2 전극층은 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 은(Au), 및, 루테늄(Ru)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상으로 형성된 바이오센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 n-type 채널은 IGZO, ZnO, ZTO, IZO, IHZO, AlN, InN, GaN 및 InGaN으로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 n-type 물질로 이루어진 바이오센서. - 제 1 항에 있어서,
제1 전극층인 소스 전극 및 드레인 전극은 유체 채널 외부에 위치하는 바이오센서. - 제 1 항에 있어서,
게이트 전극 및 절연층은 기판과 제3 전극층 사이에 차례로 위치하는 바이오 센서. - 제 6 항에 있어서,
n-type채널은 절연층과 제3 전극층 사이에 위치하는 바이오센서. - 기판;
기판 상에 제1 방향을 따라 길게 연장된 게이트 전극;
게이트 전극 상에 마련된 절연층;
절연층 상에 마련된 n-type 채널;
n-type 채널 상에 제1 방향과 다른 제2 방향을 따라 떨어져 마련된 제1 소스 전극 및 제1 드레인 전극과, 제1 소스 전극과 제1 드레인 전극과 제1 방향을 따라 떨어져 위치하고, n-type 채널 상에 제2 방향을 따라 소정 간격으로 떨어져 마련된 제2 소스 전극 및 제2 드레인 전극을 각각 형성하는 제1 전극층;
제1 전극층을 둘러싸는 제2 전극층;
기판 상에 위치하고, 제1 전극층과 동일한 재질로 형성된 제3 전극층;
제1 소스 전극 및 제1 드레인 전극과 제1 방향을 따라 떨어져 위치하며, 제2 전극층과 동일한 재질로 제3 전극층을 둘러싸도록 형성되는 제1 기준전극과, 제2 소스 전극 및 제2 드레인 전극과 제1 방향을 따라 떨어져 위치하며, 제2 전극층과 동일한 재질로 제3 전극층을 둘러싸도록 형성되는 제2 기준전극을 각각 제공하는 제4 전극층; 및
제1 소스 전극과 제1 드레인 전극 사이로 노출된 n-type 채널과, 제2 소스 전극과 제2 드레인 전극 사이로 노출된 n-type 채널 및 제1 및 제2 기준 전극 각각의 일부 영역을 함께 둘러싸는 내주면을 갖고, 노출된 n-type 채널과 상기 내주면 사이 공간과, 제1 및 제2 기준 전극과 상기 내주면 사이 공간으로 유체가 진입 가능하게 마련된 유체 채널을 형성하는 커버 부재를 포함하는 바이오센서. - 제 8 항에 있어서,
제1 소스 전극과 제1 드레인 전극 및 제1 기준전극은 제1 감지부를 구성하도록 마련되고,
제2 소스 전극과 제2 드레인 전극 및 제2 기준전극은 제2 감지부를 구성하도록 마련된 바이오센서. - 제 9 항에 있어서,
제1 감지부와 제2 감지부는 독립적으로 구동 가능한 바이오센서. - 제 8 항에 있어서,
제1 전극층과 제2 전극층은 서로 다른 재질로 형성된 바이오센서. - 제 11 항에 있어서,
제2 전극층은, 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 은(Au) 및 루테늄(Ru)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상으로 형성된 바이오센서. - 제 8 항에 있어서,
제1 전극층인 제1 및 제2 소스 전극과 제1 및 제2 드레인 전극은 각각 유체 채널 외부에 위치하는 바이오센서.
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