KR20220107377A - 인듐주석 산화물을 이용한 이온 검출 센서 - Google Patents

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KR20220107377A
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송광섭
박석현
장성혁
박혜민
손민경
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금오공과대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 인듐주석 산화물을 이용한 이온 검출 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 ITO가 증착된 전계효과트랜지스터에 특정이온과 결합 및 반응하는 이온선택성 막을 도포하여 전기적 특성의 변화를 통해 특정이온의 농도를 측정하는 센서에 관한 것이다.
본 발명에 따른 인듐주석 산화물을 이용한 이온 검출 센서는 게이트, 드레인, 소스를 포함하며, ITO가 증착된 전계효과트랜지스터;와 상기 게이트에 도포되는 이온선택성막;과 상기 드레인, 소스를 덮는 경화층;을 포함한다.

Description

인듐주석 산화물을 이용한 이온 검출 센서{Ion Detection Sensor using Indium Tin Oxide}
본 발명은 인듐주석 산화물을 이용한 이온 검출 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 ITO가 증착된 전계효과트랜지스터에 특정이온과 결합 및 반응하는 이온선택성 막을 도포하여 전기적 특성의 변화를 통해 특정이온의 농도를 측정하는 센서에 관한 것이다.
이온 센서는 크게 의료용, 산업용으로 나눌 수 있다. 먼저 의료용 센서는 체내에 소변, 혈액을 포타슘 ISM을 적용하여 체내 포타슘 이온의 농도를 측정하는 진단기기로 적용할 수 있다. 병원에서 실시하는 검사 비용이 회당 3~8만원 선으로 환자에게 부담될 수 있는 금액이기에, 일회용 센서를 이용하여 저렴하게 진단할 수 있다. 산업용 센서는 정수 처리 과정에서 사용되는 염소의 과다한 잔류량이 인간에게 치명적일 수 있기 때문에, 이를 방지하기 위해 이온 센서를 적용할 수 있다.
의료용 센서로 이용한다면, 보건소, 병원 등의 의료기관과 체외진단 의료기기 제작업체에서 병을 진단하는 기기로 사용할 수 있다. 한편, 산업용 센서로 이용한다면, 하수처리장의 정수 기관이나 빈번히 물의 구성성분을 민감하게 확인해야하는 연구실에서 수요가 있을 것으로 예상한다.
최근 들어 수돗물의 과다 검출된 염소 농도로 인해 아토피가 발병하고, 그로 인해 아이들의 피부를 위해 샤워기 필터를 구매하는 주부들이 적지 않게 보인다. 실제로도 필터가 내장된 샤워기는 수차례 연달아 완판되는 현상 또한 자주 볼 수 있다. 또한 열대어와 같은 반려동물을 기르는 경우, 물에 포함된 염소이온을 줄이기 위해 신경을 많이 쓰게 된다. 사람 뿐만 아니라 생물체라면 물과 밀접하게 연관될 수밖에 없어 지속적인 물의 안정성 보장은 필수적이라고 할 수 있다. 또한 환자의 소변에서 ISFET전극을 활용하여 체내의 염소 이온농도를 측정한다. 저렴한 일회용 센서를 제작하여 환자의 부담을 줄이고자 한다. 그래서 ITO를 이용한 이온 센서는 비교적 저렴한 재료비로, 산업용과 의료용 모두 사용할 수 있는 센서가 될 것으로 기대된다.
국내등록특허 제 10-1515491호는 FET를 이용하여 수소이온농도를 측정하는데 관한 것으로, 절연막에 형성되는 채널에 의해 결정되는 전류의 크기로 농도를 측정하는 수소이온 감지센서에 관한 것이다.
국내공개특허 제 10-2015-0126454호는 그래핀 산화물의 환원 전위의 변화를 이용함으로써 표적물질에 대한 민감도 및 선택성의 우수성을 이용하여 표적물질에 대한 농도 분석을 하는 그래핀 산화물을 이용한 표적물질 검출용 바이오센서에 관한 것이다.
상기 특허문헌에 따르면, 그래핀 산화물을 이용하는데, 그래핀 산화물은 반도체 소자로써 이용하기 위해서는 양자화의 과정을 거쳐야 하는데 양자화된 그래핀을 양산하는 것이 경제적이지 않다.
이에 경제적인 산화물을 활용하여 일회용으로 제작이 가능하며, 사용자가 비용부담없이 구매가능하고, 민감도가 우수한 센서의 제작이 필요하다.
국내등록특허 제 10-1515491호 국내공개특허 제 10-2015-0126454호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 ITO가 증착된 전계효과트랜지스터에 특정이온과 결합 및 반응하는 이온선택성 막을 도포하여 전기적 특성의 변화를 통해 특정이온의 농도를 측정하는 센서를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 인듐주석 산화물을 이용한 이온 검출 센서는 게이트, 드레인, 소스를 포함하며, ITO가 증착된 전계효과트랜지스터;와 상기 게이트에 도포되는 이온선택성막;과 상기 드레인, 소스와 연결되는 은 와이어;와 상기 드레인, 소스, 은 와이어를 덮는 경화층;을 포함한다.
상기 이온선택성막은 포타슘, 염소 중 어느 하나의 이온에 대해 선택적으로 반응 또는 결합하는 것을 이온운반체를 포함한다.
상기 이온선택성막은 용매, 응고제, 이온운반체, 친유성염을 포함한다.
상기 이온선택성막은 용매 100중량부에 대하여, 응고제 40 내지 50중량부, 이온운반체 1 내지 5중량부, 친유성염 0.1 내지 3중량부를 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 인듐주석 산화물을 이용한 이온 검출 센서에 의하면, ITO가 증착된 전계효과트랜지스터에 특정이온과 결합 및 반응하는 이온선택성 막을 도포하여 전기적 특성의 변화를 통해 특정이온의 농도를 측정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 인듐주석 산화물을 이용한 이온 검출 센서가 적용되는 예시.
도 2는 본 발명에 따른 인듐주석 산화물을 이용한 이온 검출 센서의 적층구조를 보여주는 단면도.
도 3은 본 발명의 인듐주석 산화물을 이용한 이온 검출 센서가 의료용(K+)으로 적용된 실시예의 Sensitivity.
도 4는 본 발명의 인듐주석 산화물을 이용한 이온 검출 센서가 의료용(K+)으로 적용된 실시예의 Real time 그래프.
도 5는 본 발명의 인듐주석 산화물을 이용한 이온 검출 센서가 산업용(Cl-)으로 적용된 실시예의 Sensitivity.
도 6은 본 발명의 인듐주석 산화물을 이용한 이온 검출 센서가 산업용(Cl-)으로 적용된 실시예의 Real time 그래프로서, (A)는 이온운반체로서 Chloride ionophore1 을 사용한 경우, (B)는 이온운반체로서 Chloride ionophore2를 사용한 경우
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 이하에서 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 구체적인 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 인듐주석 산화물을 이용한 이온 검출 센서가 적용되는 예시이고, 도 2는 본 발명에 따른 인듐주석 산화물을 이용한 이온 검출 센서의 적층구조를 보여주는 단면도이며, 도 3은 본 발명의 인듐주석 산화물을 이용한 이온 검출 센서가 의료용(K+)으로 적용된 실시예의 Sensitivity이고, 도 4는 본 발명의 인듐주석 산화물을 이용한 이온 검출 센서가 의료용(K+)으로 적용된 실시예의 Real time 그래프이며, 도 5는 본 발명의 인듐주석 산화물을 이용한 이온 검출 센서가 산업용(Cl-)으로 적용된 실시예의 Sensitivity이고, 도 6은 본 발명의 인듐주석 산화물을 이용한 이온 검출 센서가 산업용(Cl-)으로 적용된 실시예의 Real time 그래프로서, (A)는 이온운반체로서 Chloride ionophore1 을 사용한 경우, (B)는 이온운반체로서 Chloride ionophore2를 사용한 경우이다.
본 발명은 인듐주석 산화물을 이용한 이온 검출 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 ITO가 증착된 전계효과트랜지스터에 특정이온과 결합 및 반응하는 이온선택성 막을 도포하여 전기적 특성의 변화를 통해 특정이온의 농도를 측정하는 센서에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 인듐주석 산화물을 이용한 이온 검출 센서가 적용되는 예시를 보여주며, 도 2는 본 발명에 따른 인듐주석 산화물을 이용한 이온 검출 센서의 적층구조를 보여주는 단면도이다.
본 발명의 인듐주석 산화물을 이용한 이온 검출 센서는 게이트, 드레인, 소스를 포함하며, ITO가 증착된 전계효과트랜지스터와 상기 게이트에 도포되는 이온선택성막과 상기 드레인, 소스를 덮는 경화층을 포함한다.
도 2에서 도시되는 바와 같이, 본 발명에 따른 인듐주석 산화물을 이용한 이온 검출 센서의 전계효과트랜지스터(FET)는 게이트, 드레인, 소스를 포함하며, ITO가 증착된다.
상기 소스와 드레인은 전기적으로 이격되어 있으며, 상기 소스 및 드레인은 전기도전성을 확보할 수 있는 것이라면 한정하지 않으나, 구체적인 예로는 금, 백금, 은을 사용할 수 있으며, 바람직하게는, 금을 사용할 수 있다.
이때, 전계효과트랜지스터의 드레인과 소스에 전압을 쉽게 인가하기 위하여 은(Silver)이 와이어로 연결되며, 은이 용액에 드러나면 게이트 전극에 영향을 주기 때문에 드레인과 소스에 경화층이 형성될 수 있다.
이때, 상기 경화층은 에폭시계, 실리콘계 또는 이들의 조합 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 이온선택성막은 특정 이온에 대해 선택적으로 반응 또는 결합하는 이온운반체를 포함하며, 측정하고자 하는 이온에 따라 이온 운반체의 종류를 달리함으로써 다양한 이온을 측정할 수 있게 된다.
이때, 이온운반체는 포타슘, 염소, 나트륨, 칼슘, 리튬, 암모늄 중 어느 하나의 이온에 대해 선택적으로 반응 또는 결합할 수 있으며, 이온운반체로는 Valinomycin(K+), Crown ester(Na+, Li+), Nonactin(NH4+) 등이 알려져 있다.
또한, 상기 이온선택성막은 용매, 응고제, 이온운반체, 친유성염을 포함할 수 있으며, 상기 응고제는 도막을 경화시키기 위하여 사용되며, 친유성염은 이온운반체의 용해성을 증가시키며 이온의 교환장소를 제공하여 막의 저항을 낮추고 농도별 sensitivity를 개선하는 역할을 한다.
구체적인 예로는, 용매로는 염기성 유기용매(tetrahydrofuran), 응고제로는 PVC, 친유성염으로는 potassium tetrakis(pchlorophenyl) borate(KTpClB)를 사용할 수 잇다.
이때, 상기 이온선택성막은 용매 100중량부에 대하여, 응고제 40 내지 50중량부, 이온운반체 1 내지 5중량부, 친유성염 0.1 내지 3중량부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 이온선택성막은 가소제를 더 포함할 수 있으며, 상기 가소제는 응고제에 유연성을 주어 이온운반체와 친유성염이 잘 용해될 수 있도록 한다.
이하, 본 발명을 바람직한 일 실시예를 참조하여 다음에서 구체적으로 상세하게 설명한다. 단,다음의 실시예는 본 발명을 구체적으로 예시하기 위한 것이며, 이것만으로 한정하는 것은 아니다.
1. 이온 검출 센서의 제조
절연기판 위에 ITO가 증착된 FET를 부착한 다음 FET의 드레인, 소스단자에 전압을 쉽게 인가하기 위해 silver를 이용하여 wire를 연결한다. silver가 용액에 드러나게 되면 게이트 전극에 영향을 주기 때문에, 경화제를 이용하여 shielding 해준다. 정상적으로 미세한 이온차에도 반응하는 센서를 제작하는 것이 숙련도가 필요한 과정이기 때문에, 이 과정을 반복적으로 실시했다.
또한 게이트단에는 ISM을 도포한다. ISM은 PVC, Ionophore, 그리고 기타 첨가물을 활용하여 제작하였다.
기준전극은 Ag/AgCl을 사용하였으며, 용액이 기준전극에 침투하면 센서가 고장남과 동시에 결과값도 정확하게 나오지 않을 위험이 있기 때문에 이중으로 내극을 감싸는 복합접합형 기준전극을 사용하였다.
외부로부터 전원을 공급받아서 드레인 단자에 전압을 인가하고 농도에 따라서 센서의 sensitivity를 측정하였다. 용액을 튜브에 가득 찰 정도(기준전극의 액락부가 충분히 실험용액에 담길 정도)로 담고 드레인, 게이트 그리고 소스단자에 전압을 인가하고 멀티미터로 전류를 측정하였으며, 정상 수치의 전류값과 비교하여 실험용액 내의 이온의 농도를 유추하였다.
2. 의료용 센서(K + 센서)
의료용 센서로서의 성능을 확인하기 위하여 이온운반체로는 Valinomycine을 사용하였다. 상술된 1.이온 검출 센서의 제조에서 언급된 바와 같이 센서를 제작하고, 정상동작이 확인된 3개의 센서로 측정을 시행하였다. 50mMol의 HCl Tris용액에 KCl을 첨가하였으며, 간섭이온 NaCl을 첨가하여 시험용액을 제조하였으며, 100mol/ℓ~10-6mol/ℓ 총 7개의 시약을 제조하였다. 샘플의 성능은 K+ 이온이 시험 용액에 각 100mol/ℓ~10-6mol/ℓ존재할 때 K+ 이온의 mol 농도에 따른 일정한 전류, 전압 변화를 띄는지 관찰하였다. 제작한 샘플의 sensitivity측정은 Vds-Ids, Vg-Ids plotting과 real time을 통한 분석 두가지 방식으로 진행하였다.
도 3은 본 발명의 인듐주석 산화물을 이용한 이온 검출 센서가 의료용(K+)으로 적용된 실시예의 Sensitivity이고, 도 4는 본 발명의 인듐주석 산화물을 이용한 이온 검출 센서가 의료용(K+)으로 적용된 실시예의 Real time 그래프이다.
그 결과, 평균 Sensitivity가 약 63mV로 측정되엇으며, 농도에 따라 real time 데이터의 변화가 뚜렷하게 측정되어 전기적인 특성 변화를 통해 농도변화를 관찰할 수 있을 것으로 예상하였다.
3. 산업용 센서(Cl - 센서)
산업용 센서로서의 성능을 확인하기 위하여 이온운반체로 Chloride ionophore 1, 2 을 준비하였다. Tris 용액(약 pH 11.5)과 HCl 대신 C6H10O8(함수 구연산)을 첨가하여 체내와 같은 pH(약 7.4)를 띠는 Base용액을 제조하고, Base 용액에 1Mol의 KCl과 Cl에 대한 간섭이온인 100mMol KBr을 첨가하여 실험용액을 제조한다. KCl의 농도에 따라 100mol/ℓ~10-6mol/ℓ 총 7개의 시약을 제조하였다.
각각의 ISM을 도포한 샘플이 여러 농도의 실험용액에서 일정한 변화량을 보이는지 Vg-Ids, Vds-Ids, Realtime test의 결과를 관찰한다.
도 5는 본 발명의 인듐주석 산화물을 이용한 이온 검출 센서가 산업용(Cl-)으로 적용된 실시예의 Sensitivity이고, 도 6은 본 발명의 인듐주석 산화물을 이용한 이온 검출 센서가 산업용(Cl-)으로 적용된 실시예의 Real time 그래프로서, (A)는 이온운반체로서 Chloride ionophore1 을 사용한 경우, (B)는 이온운반체로서 Chloride ionophore1 을 사용한 경우이다.
그 결과, 평균 Sensitivity가 약 71mV로 측정되었으며, 농도에 따라 real time 결과값이 상이하게 측정되어 전기적인 특성 변화를 통해 농도변화를 관찰할 수 있을 것으로 예상하였다.
FET가 n-type 소자이기 때문에 발생하는 차이가 있다. n형 반도체는 전자가 전류를 형성하는 원인이 되며, 게이트단이 양이온(K+)을 띨 경우, 많은 전자가 층을 이루므로, 양이온의 수, 즉 용액속의 포타슘이온의 농도가 높을수록 흐르는 전류의 크기는 커진다. 반대로, 게이트단이 음이온(Cl-)을 띨 경우, 층을 이루는 전자의 수가 줄어들어서 전류의 크기가 작아진다. 그러므로, 포타슘 이온의 반응성을 볼 경우, 농도가 커질수록 전류의 크기가 커지고, 그와 반대로 염소이온의 반응성을 볼 경우, 농도가 커질수록 전류의 크기가 작아진다.
이상과 같이 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형의 예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어야 한다.

Claims (4)

  1. 게이트, 드레인, 소스를 포함하며, ITO가 증착된 전계효과트랜지스터;와
    상기 게이트에 도포되는 이온선택성막;과
    상기 드레인, 소스를 덮는 경화층;을 포함하는 것을 특징으로 하는
    인듐주석 산화물을 이용한 이온 검출 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 이온선택성막은
    포타슘, 염소 중 어느 하나의 이온에 대해 선택적으로 반응 또는 결합하는 것을 이온운반체를 포함하는 것을 특징으로 하는
    인듐주석 산화물을 이용한 이온 검출 센서.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 이온선택성막은
    용매, 응고제, 이온운반체, 친유성염을 포함하는 것을 특징으로 하는
    인듐주석 산화물을 이용한 이온 검출 센서.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 이온선택성막은
    용매 100중량부에 대하여, 응고제 40 내지 50중량부, 이온운반체 1 내지 5중량부, 친유성염 0.1 내지 3중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는
    인듐주석 산화물을 이용한 이온 검출 센서.
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