KR20220107708A - 바이오 센서 - Google Patents

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KR20220107708A
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optical
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김진태
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 기판, 상기 기판 상에 제공되는 광학 구조체, 및 상기 기판 상에 제공되며, 상기 광학 구조체의 양 측에서 상기 기판의 상면과 접촉하는 브릿지 형태를 갖는 덮개를 포함하되, 상기 덮개는 제1 방향으로 연장되는 채널을 갖고, 상기 광학 구조체는 상기 채널 내부에 제공되고, 상기 광학 구조체는 상기 채널을 통해 진행하는 바이오 물질들을 포집하도록 구성되는 바이오 센서를 제공한다.

Description

바이오 센서{BIOSENSOR}
본 발명은 바이오 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 크기가 작고 정밀한 나노 광학 구조체를 포함하는 광학식 바이오 센서에 관한 것이다.
바이오　센서는　바이오　물질과 신호 감지부로 구성되어 분석하고자 하는 물질을 선택적으로 감지할 수 있는　센서이다.　바이오　감지 물질은 특정 물질과 선택적으로 반응 및 결합할 수 있는 효소, 항체 및 DNA 등일 수 있다. 신호 감지부는　바이오　물질의 유무에 따른 미세한 전기 변화(전압, 전류, 저항 등), 화학적 반응에 의한 형광의 세기 변화 및 광학적 스펙트럼의 변화 등 다양한 물리화학적 방법을 사용하여　바이오　물질의 신호를 감지한다. 이러한　바이오　센서는 의료 분야, 환경 분야, 및 감염성 병원균의 분석 등에 응용되며, 군대, 산업, 연구용　센서에 이르기까지　바이오　센서의 응용 분야는 매우 광범위하다.
광학식　바이오　센서는 발광소자 및 광 검출기를 이용하여　바이오　물질로부터 나오는 광 신호를 전기적 신호로 변환시킴으로써　바이오　물질의 유무를 분석하는 방법을 이용한다.　바이오　물질을 검출하는 광학적 방법으로, 주로 항체에 형광 물질 등으로 표지를 한 후 이에 대응하는 항원을 검출하고　바이오　센서로부터 측정되는 형광의 세기에 비례하여 분석하고자 하는 항원의 정량을 구현하는 표지식　바이오　센서가 널리 사용되고 있다.
본 발명은 크기가 작고 정밀한 나노 광학 구조체를 포함하는 바이오 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 바이오 센서는 기판, 상기 기판 상에 제공되는 광학 구조체, 및 상기 기판 상에 제공되며, 상기 광학 구조체의 양 측에서 상기 기판의 상면과 접촉하는 브릿지 형태를 갖는 덮개를 포함하되, 상기 덮개는 제1 방향으로 연장되는 채널을 갖고, 상기 광학 구조체는 상기 채널 내부에 제공되고, 상기 광학 구조체는 상기 채널을 통해 진행하는 바이오 물질들을 포집하도록 구성될 수 있다.
상기 광학 구조체는 상기 기판 상에 차례로 적층된 하부층, 활성층 및 상부층을 포함하되, 상기 활성층은 상기 하부층 및 상기 상부층 사이에 개재될 수 있다.
상기 광학 구조체는 III-V족 반도체 물질을 포함하고, 상기 하부층 및 상기 상부층은 동일한 반도체 물질을 포함하고, 상기 활성층은 상기 하부층 및 상기 상부층과 다른 반도체 물질을 포함할 수 있다.
상기 광학 구조체는 상기 하부층, 상기 활성층 및 상기 상부층을 관통하는 복수의 나노 홀들을 갖고, 상기 나노 홀들은 상기 제1 방향을 따라 배열되며, 서로 상기 제1 방향으로 이격되고, 상기 나노 홀들 각각의 직경 및 주기는 상기 제1 방향으로 가면서 변화할 수 있다.
상기 나노 홀들 각각의 직경은 상기 광학 구조체의 일 단부로부터 상기 광학 구조체의 중앙부까지 상기 제1 방향으로 가면서 감소하고, 상기 중앙부로부터 상기 일 단부와 마주보는 상기 광학 구조체의 타 단부까지 상기 제1 방향으로 가면서 증가할 수 있다.
상기 광학 구조체 상에 제공되는 CMOS 카메라 또는 CCD 카메라를 더 포함할 수 있다.
상기 광학 구조체는 상기 기판 상의 하부층 및 상기 하부층의 일부 영역 상의 상부층을 포함하되, 상기 광학 구조체는 상기 하부층을 관통하여 상기 기판의 상면을 노출시키는 복수의 나노 홀들을 갖고, 상기 나노 홀들은 상기 제1 방향을 따라 배열되며, 서로 상기 제1 방향으로 이격되고, 상기 나노 홀들 각각의 직경 및 주기는 상기 제1 방향으로 가면서 변화할 수 있다.
상기 상부층은 반도체 물질 또는 전이금속 디칼코게나이드, 그래핀 및 육방정 질화붕소(hexagonal boron nitride; hBN) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 광학 구조체 상에 제공되는 복수의 항체들을 더 포함하되, 상기 항체들은 상기 광학 구조체의 상면 상에 상기 제1 방향을 따라 배열되고, 상기 항체들은 상기 채널을 통해 진행하는 상기 바이오 물질들을 포집하도록 구성될 수 있다.
상기 광학 구조체는 기하학적 주기를 갖는 복수의 메타 물질 단위 소자들을 포함하되, 상기 메타 물질 단위 소자들은 상기 기판의 하면으로부터 상기 광학 구조체를 향하여 조사되는 입사 광을 회절시키도록 구성될 수 있다.
상기 광학 구조체는 복수로 제공되고, 상기 광학 구조체들은 상기 제1 방향 및 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 배열될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 바이오 센서는 기판, 상기 기판 상에 제1 방향으로 연장되는 바(bar) 형태의 광학 구조체, 및 상기 기판 상에 제공되며, 상기 광학 구조체의 양 측에서 상기 기판의 상면과 접촉하는 브릿지 형태를 갖는 덮개를 포함하되, 상기 덮개는 상기 제1 방향으로 연장되는 채널을 갖고, 상기 광학 구조체는 상기 채널 내부에 제공되고, 상기 광학 구조체는 상기 기판 상의 하부층, 상기 하부층 상의 상부층, 및 상기 하부층 및 상기 상부층 사이에 개재되는 활성층을 포함하고, 상기 광학 구조체는 상기 하부층, 상기 활성층 및 상기 상부층을 관통하는 복수의 나노 홀들을 가질 수 있다.
상기 활성층은 상기 광학 구조체로부터 방출되는 레이저 광의 포톤을 제어하는 양자 점들을 갖고, 상기 활성층은 상기 하부층 및 상기 상부층과 다른 물질을 포함할 수 있다.
상기 광학 구조체의 중앙부에 위치한 상기 나노 홀들의 직경은 상기 광학 구조체의 양측 단부들에 위치한 상기 나노 홀들의 직경보다 작을 수 있다.
상기 광학 구조체는 복수로 제공되고, 상기 광학 구조체들은 상기 제1 방향 및 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 배열되고, 상기 제1 방향을 따라 배열되는 상기 광학 구조체들은 서로 상기 제1 방향으로 이격되며 각각의 측벽이 서로 정렬되고, 상기 제2 방향을 따라 배열되는 상기 광학 구조체들은 서로 상기 제2 방향으로 이격되며 각각의 측벽이 서로 정렬될 수 있다.
발광 패턴 또는 회절 패턴을 측정하는 측정부, 상기 측정부에서 측정된 상기 발광 패턴 또는 상기 회절 패턴을 포함하는 데이터들을 저장하는 데이터 저장부, 상기 데이터 저장부로부터 전송된 상기 데이터들을 통한 기계 학습을 수행하며, 상기 데이터들을 통해 바이오 물질 유무 및 바이오 물질의 개수를 판단하는 데이터 학습부, 및 상기 데이터 학습부에 의해 판단된 정보를 시각화하는 표시부를 포함하되, 상기 측정부는 기판, 상기 기판 상에 제공되는 광학 구조체, 및 상기 광학 구조체의 양 측에서 상기 기판의 상면과 접촉하는 브릿지 형태를 갖는 덮개를 포함하되, 상기 덮개는 제1 방향으로 연장되는 채널을 갖고, 상기 광학 구조체는 상기 채널 내부에 제공되고, 상기 광학 구조체는 상기 채널을 통해 진행하는 바이오 물질들을 포집하도록 구성될 수 있다.
상기 데이터 학습부는 상기 발광 패턴 또는 상기 회절 패턴의 공진 파장, 위상 및 편광 중 적어도 어느 하나의 변화를 통해 바이오 물질 유무 및 바이오 물질의 개수를 판단하도록 훈련될 수 있다.
상기 광학 구조체는, 상기 기판 상의 하부층, 상기 하부층 상의 상부층, 및 상기 하부층 및 상기 상부층 사이에 개재되는 활성층을 포함하고, 상기 광학 구조체는 상기 하부층, 상기 활성층 및 상기 상부층을 관통하는 복수의 나노 홀들을 가질 수 있다.
상기 광학 구조체는 기하학적 주기를 갖는 복수의 메타 물질 단위 소자들을 포함하되, 상기 메타 물질 단위 소자들은 상기 기판의 하면으로부터 상기 광학 구조체를 향하여 조사되는 입사 광을 회절시키도록 구성될 수 있다.
상기 광학 구조체는 복수로 제공되고, 상기 광학 구조체들은 상기 제1 방향 및 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 배열될 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 센서는 크기가 작고 정밀한 나노 광학 구조체를 이용하며, 공진 파장, 위상 및/또는 편광 등의 광 정보 변화를 통해 바이오 물질 유무를 간편하고 효과적으로 판단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 바이오 센서를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 바이오 센서의 광학 구조체를 설명하기 위한 사시도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예들에 따른 바이오 센서의 광학 구조체를 설명하기 위한 평면도 및 단면도로, 도 3b는 도 3a를 Ⅰ-Ⅰ'선으로 자른 단면에 대응된다.
도 4a, 도 5a, 도 6a 및 도 7a는 본 발명의 실시예들에 따른 바이오 센서의 동작을 설명하기 위한 사시도들이다.
도 4b, 도 5b, 도 6b 및 도 7b는 본 발명의 실시예들에 따른 바이오 센서의 광학 구조체의 발광 패턴을 나타내는 사진들이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 바이오 센서를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 9a 내지 도 9h는 본 발명의 실시예들에 따른 바이오 센서의 광학 구조체를 설명하기 위한 평면도들이다.
도 10a 내지 도 17a는 본 발명의 실시예들에 따른 바이오 센서의 동작을 설명하기 위한 사시도들이다.
도 10b 내지 도 17b는 본 발명의 실시예들에 따른 바이오 센서의 광학 구조체의 회절 패턴을 나타내는 사진들이다.
도 18은 본 발명의 실시예들에 따른 바이오 센서 및 이를 이용한 바이오 물질 유무 판단 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기가 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성 요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 또한 본 명세서에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 ‘포함한다(comprises)’ 및/또는 ‘포함하는(comprising)’은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 어떤 층이 다른 층 '상(上)에' 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 상면에 직접 형성되거나 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 영역, 층 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 층이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 층을 다른 영역 또는 층과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에서 제1 부분으로 언급된 부분이 다른 실시예에서는 제2 부분으로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바이오 센서의 실시예들에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 바이오 센서를 설명하기 위한 분해 사시도이다. 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 바이오 센서의 광학 구조체를 설명하기 위한 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 바이오 센서는 기판(10), 광학 구조체(30) 및 덮개(50)를 포함할 수 있다. 기판(10)은 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)과 나란하게 연장되는 평판 형태를 가질 수 있다. 기판(10)의 상면은 제3 방향(D3)과 직교하는 평면일 수 있다. 제1 방향(D1) 내지 제3 방향(D3)은, 예를 들어, 서로 직교하는 방향들일 수 있다. 기판(10)은 광학 구조체(30)로 입사되는 빛의 파장 및 광학 구조체(30)로부터 방출되는 빛의 파장에 대하여 투명한 물질을 포함할 수 있다.
기판(10) 상에 광학 구조체(30)가 제공될 수 있다. 광학 구조체(30)는, 예를 들어, 제1 방향(D1)으로 연장되는 바(bar) 형태의 나노 레이저일 수 있다. 다시 말하면, 광학 구조체(30)의 제1 방향(D1)으로의 길이는 광학 구조체(30)의 제2 방향(D2)으로의 길이보다 클 수 있다. 광학 구조체(30)의 제1 방향(D1)으로의 길이는, 예를 들어, 약 3 ㎛ 이상일 수 있다. 광학 구조체(30)의 제2 방향(D2)으로의 길이는, 예를 들어, 약 200 nm 내지 700 nm 일 수 있다. 광학 구조체(30)의 제3 방향(D3)으로의 두께는, 예를 들어, 약 100 nm 내지 300 nm 일 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것일 뿐 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 광학 구조체(30)는 다양한 형태 및 크기를 가질 수 있다.
광학 구조체(30)는 기판(10) 상에 차례로 적층된 하부층(31), 활성층(32) 및 상부층(33)을 포함할 수 있다. 광학 구조체(30)는, 예를 들어, III-V족 반도체 물질을 포함할 수 있다. 하부층(31) 및 상부층(33)은 동일한 반도체 물질을 포함할 수 있다. 하부층(31) 및 상부층(33)은, 예를 들어, InP를 포함할 수 있다.
활성층(32)은 하부층(31)과 상부층(33) 사이에 개재될 수 있다. 활성층(32)은 하부층(31) 및 상부층(33)과 다른 반도체 물질을 포함할 수 있다. 활성층(32)은, 일 예로, InGaAsP를 포함할 수 있다. 활성층(32)은 양자 점들을 가질 수 있고, 양자 점들은 광학 구조체(30)로부터 방출되는 레이저 광의 포톤을 제어할 수 있다.
광학 구조체(30)는 하부층(31), 활성층(32) 및 상부층(33)을 관통하는 복수의 나노 홀들(35)을 가질 수 있다. 나노 홀들(35)은 제1 방향(D1)을 따라 배열될 수 있고, 서로 제1 방향(D1)으로 이격될 수 있다. 나노 홀들(35) 각각의 직경(35r)은 광학 구조체(30)의 제2 방향(D2)으로의 길이보다 작을 수 있다. 나노 홀들(35) 각각의 직경(35r)은, 예를 들어, 약 100 nm 내지 500 nm 일 수 있다. 나노 홀들(35) 각각의 상면은, 예를 들어, 원 형상 또는 타원 형상을 가질 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
나노 홀들(35) 각각의 직경(35r) 및 주기(35p)는 일정하지 않을 수 있다. 나노 홀들(35) 각각의 직경(35r) 및 주기(35p)는 제1 방향(D1)으로 가면서 변화할 수 있다. 예를 들어, 나노 홀들(35) 각각의 직경(35r) 및 주기(35p)는 광학 구조체(30)의 일 단부로부터 광학 구조체(30)의 중앙부까지 제1 방향(D1)으로 가면서 감소할 수 있고, 광학 구조체(30)의 중앙부로부터 상기 일 단부와 마주보는 광학 구조체(30)의 타 단부까지 제1 방향(D1)으로 가면서 증가할 수 있다.
상대적으로 직경(35r)이 작은 나노 홀들(35)이 위치한 광학 구조체(30)의 중앙부는 나노 레이저의 공진기 영역에 해당할 수 있다. 상대적으로 직경(35r)이 큰 나노 홀들(35)이 위치한 광학 구조체(30)의 양측 단부들은 나노 레이저의 미러 영역들에 해당할 수 있다. 구체적으로, 광학 구조체(30)에 빛이 입사되면 광학 구조체(30)의 중앙부는 공명을 발생시킬 수 있고, 광학 구조체(30)의 양측 단부들은 빛이 흩어지지 않고 광학 구조체(30)의 중앙부에 포획될 수 있도록 빛을 반사할 수 있다.
광학 구조체(30)의 중앙부에서의 공명 파장은 나노 홀들(35)의 배열, 나노 홀들(35) 각각의 직경(35r) 및/또는 주기(35p)에 따라 달라질 수 있다. 또한, 나노 레이저의 양호도(quality factor)는 광학 구조체(30)의 크기 및 입사되는 빛의 파장에 따라 달라질 수 있다.
다만, 이는 예시적인 것일 뿐 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 나노 홀들(35)의 배열, 나노 홀들(35) 각각의 직경(35r) 및/또는 주기(35p)는 도시된 것과 다를 수 있다.
덮개(50)는 기판(10) 상에 제공될 수 있고, 광학 구조체(30)의 양 측에서 기판(10)의 상면과 접촉하는 브릿지 형태를 가질 수 있다. 덮개(50)는 광학 구조체(30)로 입사되는 빛의 파장 및 광학 구조체(30)로부터 방출되는 빛의 파장에 대하여 투명한 물질을 포함할 수 있다.
덮개(50)는 제1 방향(D1)으로 연장되는 채널(51)을 가질 수 있다. 채널(51) 내부에 광학 구조체(30)가 제공될 수 있다. 채널(51)의 제1 방향(D1)으로의 폭은 광학 구조체(30)의 제1 방향(D1)으로의 길이보다 클 수 있다. 채널(51)의 제2 방향(D2)으로의 폭은 광학 구조체(30)의 제2 방향(D2)으로의 길이보다 크거나 같을 수 있다. 즉, 덮개(50)는 광학 구조체(30)의 양 측면들과 접촉할 수도 있고, 제2 방향(D2)으로 이격될 수도 있다. 채널(51)의 제3 방향(D3)으로의 높이는 광학 구조체(30)의 제3 방향(D3)으로의 두께보다 클 수 있다. 즉, 덮개(50)는 광학 구조체(30)의 상면과 제3 방향(D3)으로 이격될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예들에 따른 바이오 센서의 광학 구조체를 설명하기 위한 평면도 및 단면도로, 도 3b는 도 3a를 Ⅰ-Ⅰ'선으로 자른 단면에 대응된다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 광학 구조체(30)는 기판(10) 상의 하부층(37) 및 하부층(37)의 일부 영역 상의 상부층(39)을 포함할 수 있다. 상부층(39)의 상면은 제1 방향(D1)으로의 길이가 제2 방향(D2)으로의 길이보다 큰 타원 형상 또는 직사각형 형상을 가질 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
기판(10)은, 예를 들어, 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 하부층(37)은, 예를 들어, 실리콘을 포함할 수 있다. 상부층(39)은 2차원 물질을 포함할 수 있다. 상부층(39)은, 예를 들어, 반도체 물질(일 예로, InGaAsP) 또는 전이금속 디칼코게나이드(예를 들어, MoS2, MoSe2, WS2, WSe2, MoTe2, 또는 WTe2 등), 그래핀 및 육방정 질화붕소(hexagonal boron nitride; hBN) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
하부층(37)은, 예를 들어, 포토닉 크리스탈(photonic crystal) 구조를 가질 수 있다. 상부층(39)은, 예를 들어, 연속 준위 속박 상태(bound state in the continuum; BIC) 구조를 가질 수 있다.
광학 구조체(30)는 복수의 나노 홀들(38)을 가질 수 있다. 나노 홀들(38)은 상부층(39)의 아래에는 제공되지 않을 수 있다. 즉, 나노 홀들(38)은 상부층(39)과 제3 방향(D3)으로 중첩되지 않을 수 있다. 나노 홀들(38)은 하부층(37)을 관통하여 기판(10)의 상면을 노출시킬 수 있다. 나노 홀들(38)은 제1 방향(D1)을 따라 배열될 수 있고, 서로 제1 방향(D1)으로 이격될 수 있다. 나노 홀들(38) 각각의 직경(38r)은 하부층(37)의 제2 방향(D2)으로의 길이보다 작을 수 있다. 나노 홀들(38) 각각의 직경(38r)은, 예를 들어, 약 100 nm 내지 500 nm 일 수 있다. 나노 홀들(38) 각각의 상면은, 예를 들어, 원 형상 또는 타원 형상을 가질 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
나노 홀들(38) 각각의 직경(38r) 및 주기(38p)는 일정하지 않을 수 있다. 예를 들어, 나노 홀들(35) 각각의 직경(35r) 및 주기(35p)는 하부층(37)의 일 단부로부터 하부층(37)의 중앙부까지 제1 방향(D1)으로 가면서 감소할 수 있고, 하부층(37)의 중앙부로부터 상기 일 단부와 마주보는 하부층(37)의 타 단부까지 제1 방향(D1)으로 가면서 다시 증가할 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 센서의 광학 구조체(30)는 도 2, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명한 것에 제한되지 않으며, 반도체 물질 기반의 다양한 평면형 레이저들이 광학 구조체(30)로 이용될 수 있다.
도 4a, 도 5a, 도 6a 및 도 7a는 본 발명의 실시예들에 따른 바이오 센서의 동작을 설명하기 위한 사시도들이다. 도 4b, 도 5b, 도 6b 및 도 7b는 본 발명의 실시예들에 따른 바이오 센서의 광학 구조체의 발광 패턴을 나타내는 사진들이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 광학 구조체(30)의 중앙부에 제1 입사 광(IL1)이 조사될 수 있고, 광학 구조체(30)의 중앙부로부터 제1 방출 광(EL1)이 생성될 수 있다. 제1 입사 광(IL1)은 광학 구조체(30)의 상면으로 비스듬하게 입사되는 것으로 도시되었으나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 제1 입사 광(IL1)은 도시된 것과 다른 각도로 입사될 수 있다. 제1 입사 광(IL1)은 광학 구조체(30)의 III-V족 반도체 물질의 에너지 갭보다 큰 에너지를 가질 수 있다. 제1 입사 광(IL1)은, 예를 들어, 가시광선 대역의 파장을 가질 수 있다. 광학 구조체(30)는 다운 컨버젼(down conversion)을 통해 III-V족 반도체 물질의 에너지 갭에 해당하는 제1 방출 광(EL1)을 생성할 수 있다. 제1 방출 광(EL1)은, 예를 들어, 적외선 대역의 파장을 가질 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 광학 구조체(30)가 III-V족 반도체 물질의 에너지 갭을 조정하는 물질을 포함하는 경우, 제1 방출 광(EL1)은 가시광선 대역의 파장을 가질 수도 있다.
제1 방출 광(EL1)은 광학 구조체(30) 상의 CMOS 카메라 또는 CCD 카메라에 의해 측정될 수 있고, 도 4b의 발광 패턴은 제1 방출 광(EL1)을 나타낸다. 이하에서, 설명의 편의를 위해 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명한 것과 실질적으로 동일한 사항에 대한 설명을 생략하고 차이점에 대해 상세히 설명한다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 바이오 물질들(BM)을 포함하는 유체가 덮개(50)의 채널(51)을 통해 제1 방향(D1)으로 진행할 수 있다. 바이오 물질들(BM)은, 예를 들어, 단백질, 질병 진단 관련 바이오 마커, 바이러스, 박테리아 등을 포함할 수 있다. 바이오 물질들(BM) 중 적어도 일부는 광학 구조체(30)의 나노 홀들(35)에 포집될(captured) 수 있다.
이후, 광학 구조체(30)의 중앙부에 제2 입사 광(IL2)이 조사될 수 있고, 광학 구조체(30)의 중앙부로부터 제2 방출 광(EL2)이 생성될 수 있다. 제2 입사 광(IL2)은 제1 입사 광(IL1)과 실질적으로 동일한 파장 및 세기를 가질 수 있다.
나노 홀들(35)에 포집된 바이오 물질들(BMc)로 인해, 제2 방출 광(EL2)은 제1 방출 광(EL1)과 다른 파장 및 세기를 가질 수 있고, 이에 따라 도 5b의 발광 패턴(제2 방출 광(EL2)의 발광 패턴)은 도 4b의 발광 패턴(제1 방출 광(EL1)의 발광 패턴)과 다를 수 있다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 본 발명에 따른 바이오 센서는 광학 구조체(30) 상에 제공되는 복수의 항체들(AB)을 더 포함할 수 있다. 항체들(AB)은 광학 구조체(30)의 상면 상에 제1 방향(D1)을 따라 배열될 수 있고, 서로 제1 방향(D1)으로 이격될 수 있다. 예를 들어, 항체들(AB)은 광학 구조체(30)의 상면 상에 2열로 배열될 수 있고, 상기 열들은 서로 제2 방향(D2)으로 이격될 수 있다. 항체들(AB) 각각은, 예를 들어, Y자 형상을 가질 수 있다.
그의 상면에 항체들(AB)이 제공된 광학 구조체(30)의 중앙부에 제3 입사 광(IL3)이 조사될 수 있고, 광학 구조체(30)의 중앙부로부터 제3 방출 광(EL3)이 생성될 수 있다. 제3 입사 광(IL3)은 제1 및 제2 입사 광들(IL1, IL2)과 실질적으로 동일한 파장 및 세기를 가질 수 있다. 제3 방출 광(EL3)은 제1 방출 광(EL1)과 유사한 파장 및 세기를 가질 수 있다. 도 6b의 발광 패턴(제3 방출 광(EL3)의 발광 패턴)은 도 4b의 발광 패턴(제1 방출 광(EL1)의 발광 패턴)과 유사할 수 있다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 바이오 물질들(BM)을 포함하는 유체가 덮개(50)의 채널(51)을 통해 제1 방향(D1)으로 진행할 수 있다. 바이오 물질들(BM) 중 적어도 일부는 광학 구조체(30) 상의 항체들(AB)(또는 광학 구조체(30)의 나노 홀들(35))에 포집될 수 있다.
이후, 광학 구조체(30)의 중앙부에 제4 입사 광(IL4)이 조사될 수 있고, 광학 구조체(30)의 중앙부로부터 제4 방출 광(EL4)이 생성될 수 있다. 제4 입사 광(IL4)은 제1 내지 제3 입사 광들(IL1, IL2, IL3)과 실질적으로 동일한 파장 및 세기를 가질 수 있다.
항체들(AB)(또는 나노 홀들(35))에 포집된 바이오 물질들(BMc)로 인해, 제4 방출 광(EL4)은 제3 방출 광(EL3)과 다른 파장 및 세기를 가질 수 있고, 이에 따라 도 7b의 발광 패턴(제4 방출 광(EL4)의 발광 패턴)은 도 6b의 발광 패턴(제3 방출 광(EL3)의 발광 패턴)과 다를 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 바이오 센서를 설명하기 위한 분해 사시도이다. 이하에서, 설명의 편의를 위해 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 것과 실질적으로 동일한 사항에 대한 설명을 생략하고 차이점에 대해 상세히 설명한다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 바이오 센서는 기판(10), 광학 구조체(30) 및 덮개(50)를 포함할 수 있다. 광학 구조체(30)는 복수의 메타 물질 그룹들(MG)을 포함할 수 있고, 각각의 메타 물질 그룹들(MG)은 기하학적 주기를 갖는 복수의 메타 물질 단위 소자들(MU)을 포함할 수 있다. 복수의 메타 물질 단위 소자들(MU)은 각각의 메타 물질 그룹들(MG) 내에서 특정한 주기로 배열될 수 있다. 본 명세서에서, '메타 물질(meta material)'이란, 특정한 물질이 아닌 기존에 존재하는 물질들을 이용하여 설계된 기하학적 주기를 갖는 구조를 의미하고, 메타 물질이 제공되는 평면은 '메타 표면(meta surface)'으로 지칭될 수 있다.
메타 물질 단위 소자들(MU) 각각의 상면은, 예를 들어, 원 형상 또는 타원 형상을 가질 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며 메타 물질 단위 소자들(MU) 각각의 상면은 도 9a 내지 도 9h를 참조하여 설명하는 것과 같이 다양한 형상을 가질 수 있다.
도 9a 내지 도 9h는 본 발명의 실시예들에 따른 바이오 센서의 광학 구조체를 설명하기 위한 평면도들이다. 구체적으로, 도 9a 내지 도 9h는 도 8을 참조하여 설명한 광학 구조체의 메타 물질 그룹(MG) 또는 메타 물질 단위 소자(MU)의 상면을 나타낸다.
도 9a를 참조하면, 메타 물질 그룹(MG)은 2개의 메타 물질 단위 소자들(MU)을 포함할 수 있다. 메타 물질 단위 소자들(MU) 각각의 상면은, 예를 들어, 타원 형상을 가질 수 있다. 메타 물질 그룹(MG)의 메타 물질 단위 소자들(MU)은 좌우 대칭적(bilateral symmetric)으로 배치될 수 있다.
도 9b 및 도 9c를 참조하면, 메타 물질 그룹(MG)은 하나의 메타 물질 단위 소자(MU)를 포함할 수 있다. 도 9b를 참조하면, 메타 물질 단위 소자(MU)의 상면은, 예를 들어, 내부에 구멍이 있는 도넛 형상을 가질 수 있다. 상기 구멍은 메타 물질 단위 소자(MU)의 중심에 위치할 수도 있고, 가장자리에 가깝게 위치할 수도 있다. 상기 구멍은 원 형상을 가질 수도 있고, 타원 형상 또는 다각형 형상을 가질 수도 있다.
도 9c를 참조하면, 메타 물질 단위 소자(MU)의 상면은 다각형 형상을 가질 수 있다. 메타 물질 단위 소자(MU)의 상면은, 예를 들어, 적어도 하나의 내각이 180도 내지 360도 사이인 오목 다각형 형상을 가질 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 메타 물질 단위 소자(MU)의 상면은 볼록 다각형 형상을 가질 수도 있다.
도 9d 및 도 9e를 참조하면, 메타 물질 그룹(MG)은 2개의 메타 물질 단위 소자들(MU)을 포함할 수 있다. 도 9d를 참조하면, 메타 물질 단위 소자들(MU) 각각의 상면은, 예를 들어, 아크(arc) 형상을 가질 수 있다. 메타 물질 단위 소자들(MU) 각각의 크기 및/또는 길이는 서로 다를 수 있다.
도 9e를 참조하면, 메타 물질 단위 소자들(MU) 각각의 상면은, 예를 들어, 직사각형 형상을 가질 수 있고, 메타 물질 단위 소자들(MU)은 서로 나란하게 연장될 수 있다. 메타 물질 단위 소자들(MU) 각각의 크기 및/또는 길이는 서로 다를 수 있다.
도 9g 및 도 9h를 참조하면, 메타 물질 그룹(MG)은 3개 이상의 메타 물질 단위 소자들(MU)을 포함할 수 있다. 도 9g를 참조하면, 메타 물질 단위 소자들(MU) 각각의 상면은 원 형상 또는 타원 형상을 가질 수 있고, 메타 물질 단위 소자들(MU)은 서로 동일한 크기를 가질 수 있다. 메타 물질 단위 소자들(MU)은 일정한 주기로 배열될 수 있고, 서로 교차하는 두 개의 방향으로 정렬될 수 있다.
도 9h를 참조하면, 메타 물질 단위 소자들(MU) 각각의 상면은 원 형상 또는 타원 형상을 가질 수 있다. 메타 물질 단위 소자들(MU) 중 어느 하나(one of the meta material unit)는 메타 물질 그룹(MG)의 중심에 위치할 수 있고, 다른 것들(the others)은 중심에 위치한 것을 둘러쌀 수 있다. 중심에 위치한 메타 물질 단위 소자들(MU) 중 하나의 크기는 다른 것들의 크기와 다를 수 있다.
도 9a 내지 도 9h의 메타 물질 그룹(MG) 및 메타 물질 단위 소자들(MU)은 예시적인 것일 뿐 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 메타 물질 그룹(MG) 또는 메타 물질 단위 소자들(MU)은 기하학적 주기를 갖는 구조를 가질 수 있고, 그 자체가 반복되며 기하학적 주기를 가질 수 있다. 또한, 도 9a 내지 도 9h의 메타 물질 그룹(MG) 및 메타 물질 단위 소자들(MU) 각각은 빛을 발생시키는 양자 점들을 가질 수 있다.
도 10a 내지 도 13a는 본 발명의 실시예들에 따른 바이오 센서의 동작을 설명하기 위한 사시도들이다. 도 10b 내지 도 13b는 본 발명의 실시예들에 따른 바이오 센서의 광학 구조체의 회절 패턴을 나타내는 사진들이다.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 광학 구조체(30)에 제5 입사 광(IL5)이 조사될 수 있다. 제5 입사 광(IL5)은, 예를 들어, 기판(10)의 하면으로부터 광학 구조체(30)를 향하여 제3 방향(D3)으로 조사될 수 있다. 제5 입사 광(IL5)은 메타 물질 그룹들(MG) 중 어느 하나를 향해 조사될 수 있다.
제5 입사 광(IL5)은 메타 물질 그룹들(MG)의 메타 물질 단위 소자들(MU)에 의해 회절될 수 있고, 제5 방출 광(EL5)으로 방출될 수 있다. 제5 방출 광(EL5)은, 예를 들어, 기판(10)의 상면으로부터 덮개(50)를 향하여 제3 방향(D3)으로 방출될 수 있다. 제5 방출 광(EL5)은 메타 물질 그룹들(MG) 중 어느 하나로부터 방출될 수 있다.
제5 방출 광(EL5)은 광학 구조체(30) 상의 CMOS 카메라 또는 CCD 카메라에 의해 측정될 수 있고, 도 10b의 회절 패턴은 제5 방출 광(EL5)을 나타낸다. 이하에서, 설명의 편의를 위해 도 10a 및 도 10b를 참조하여 설명한 것과 실질적으로 동일한 사항에 대한 설명을 생략하고 차이점에 대해 상세히 설명한다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 바이오 물질들(BM)을 포함하는 유체가 덮개(50)의 채널(51)을 통해 제1 방향(D1)으로 진행할 수 있다. 바이오 물질들(BM)은, 예를 들어, 단백질, 질병 진단 관련 바이오 마커, 바이러스, 박테리아 등을 포함할 수 있다. 바이오 물질들(BM) 중 적어도 일부는 광학 구조체(30)의 메타 물질 단위 소자들(MU)에 포집될 수 있다.
이후, 광학 구조체(30)에 제6 입사 광(IL6)이 조사될 수 있고, 광학 구조체(30)로부터 제6 방출 광(EL6)이 방출될 수 있다. 제6 입사 광(IL6)은 제5 입사 광(IL5)과 실질적으로 동일한 파장 및 세기를 가질 수 있다.
메타 물질 단위 소자들(MU)에 포집된 바이오 물질들(BMc)로 인해, 도 11b의 회절 패턴(제6 방출 광(EL6)의 회절 패턴)은 도 10b의 회절 패턴(제5 방출 광(EL5)의 회절 패턴)과 다를 수 있다.
도 12a 및 도 12b를 참조하면, 본 발명에 따른 바이오 센서는 광학 구조체(30) 상에 제공되는 복수의 항체들(AB)을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 항체들(AB)은 메타 물질 단위 소자들(MU) 각각의 상면 상에 제공될 수 있다. 항체들(AB)은 광학 구조체(30)의 상면 상에 제1 방향(D1)을 따라 배열될 수 있고, 서로 제1 방향(D1)으로 이격될 수 있다. 예를 들어, 항체들(AB)은 광학 구조체(30)의 상면 상에 2열로 배열될 수 있고, 상기 열들은 서로 제2 방향(D2)으로 이격될 수 있다. 항체들(AB) 각각은, 예를 들어, Y자 형상을 가질 수 있다.
그의 상면에 항체들(AB)이 제공된 광학 구조체(30)에 제7 입사 광(IL7)이 조사될 수 있고, 광학 구조체(30)로부터 제7 방출 광(EL7)이 방출될 수 있다. 제7 입사 광(IL7)은 제5 및 제6 입사 광들(IL5, IL6)과 실질적으로 동일한 파장 및 세기를 가질 수 있다. 도 12b의 회절 패턴(제7 방출 광(EL7)의 회절 패턴)은 도 10b의 회절 패턴(제5 방출 광(EL5)의 회절 패턴)과 유사할 수 있다.
도 13a 및 도 13b를 참조하면, 바이오 물질들(BM)을 포함하는 유체가 덮개(50)의 채널(51)을 통해 제1 방향(D1)으로 진행할 수 있다. 바이오 물질들(BM) 중 적어도 일부는 광학 구조체(30) 상의 항체들(AB)(또는 광학 구조체(30)의 메타 물질 단위 소자들(MU))에 포집될 수 있다.
이후, 광학 구조체(30)에 제8 입사 광(IL8)이 조사될 수 있고, 광학 구조체(30)로부터 제8 방출 광(EL8)이 방출될 수 있다. 제8 입사 광(IL8)은 제5 내지 제7 입사 광들(IL5, IL6, IL7)과 실질적으로 동일한 파장 및 세기를 가질 수 있다.
항체들(AB)(또는 메타 물질 단위 소자들(MU))에 포집된 바이오 물질들(BMc)로 인해, 도 13b의 회절 패턴(제8 방출 광(EL8)의 회절 패턴)은 도 12b의 회절 패턴(제7 방출 광(EL7)의 회절 패턴)과 다를 수 있다.
도 14a 내지 도 17a는 본 발명의 실시예들에 따른 바이오 센서의 동작을 설명하기 위한 사시도들이다. 도 14b 및 도 15b는 본 발명의 실시예들에 따른 바이오 센서의 광학 구조체의 발광 패턴을 나타내는 사진들이고, 도 16b 및 도 17b는 본 발명의 실시예들에 따른 바이오 센서의 광학 구조체의 회절 패턴을 나타내는 사진들이다. 구체적으로, 도 14a 내지 도 17a는 어레이 형태로 배열된 복수의 광학 구조체(30) 또는 복수의 메타 물질 그룹들(MG)을 나타내며, 이를 통해 대용량 시료에 대한 검사를 수행할 수 있다.
도 14a 및 도 14b를 참조하면, 본 발명에 따른 바이오 센서는 기판(10) 및 기판(10) 상에 배열된 복수의 광학 구조체들(30)을 포함할 수 있다. 광학 구조체들(30) 각각은 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 광학 구조체(30)와 실질적으로 동일할 수 있다. 광학 구조체들(30)은 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)을 따라 배열될 수 있다. 제1 방향(D1)을 따라 배열되는 광학 구조체들(30)은 서로 제1 방향(D1)으로 이격되며 각각의 측벽이 서로 정렬될 수 있고, 제2 방향(D2)을 따라 배열되는 광학 구조체들(30)은 서로 제2 방향(D2)으로 이격되며 각각의 측벽이 서로 정렬될 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것일 뿐 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 복수의 광학 구조체들(30)의 배열 방식은 도시된 것과 다를 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 센서는 기판(10)의 상면을 덮으며 광학 구조체들(30) 각각의 상면을 노출시키는 유전층(20)을 더 포함할 수 있다. 유전층(20)은 광학 구조체들(30) 각각의 측벽을 덮을 수 있다. 유전층(20)의 상면은, 예를 들어, 광학 구조체들(30) 각각의 상면과 실질적으로 공면을 이룰 수 있다.
광학 구조체들(30) 각각에 유체를 흐르게 하는 경우, 광학 구조체들(30) 중 적어도 일부 상에 바이오 물질들(BM)이 포집될 수 있다. 광학 구조체들(30)의 나노 홀들(35)에 포집된 바이오 물질들(BMc)로 인해, 바이오 물질들(BM)이 포집된 광학 구조체들(30)은 바이오 물질들(BM)이 없는 광학 구조체들(30)과 다른 발광 패턴을 나타낼 수 있다. 도 14b의 발광 패턴은 복수의 광학 구조체들(30)로부터 생성되는 발광 패턴들을 나타낸다.
도 15a 및 도 15b를 참조하면, 도 14a 및 도 14b를 참조하여 설명한 것에 더하여 광학 구조체들(30) 중 적어도 일부 상에 복수의 항체들(AB)이 제공될 수 있다. 항체들(AB)의 배열 방식은 도 6a를 참조하여 설명한 것과 실질적으로 동일할 수 있다.
광학 구조체들(30) 각각에 유체를 흐르게 하는 경우, 광학 구조체들(30) 중 적어도 일부 상의 항체들(AB)(또는 광학 구조체들(30) 중 적어도 일부의 나노 홀들(35)) 상에 바이오 물질들(BM)이 포집될 수 있다. 항체들(AB)(또는 나노 홀들(35))에 포집된 바이오 물질들(BMc)로 인해, 바이오 물질들(BM)이 포집된 광학 구조체들(30)은 바이오 물질들(BM)이 없는 광학 구조체들(30)과 다른 발광 패턴을 나타낼 수 있다. 도 15b의 발광 패턴은 복수의 광학 구조체들(30)로부터 생성되는 발광 패턴들을 나타낸다.
도 16a 및 도 16b를 참조하면, 본 발명에 따른 바이오 센서는 기판(10) 및 기판(10) 상의 광학 구조체(30)를 포함할 수 있다. 광학 구조체(30)는 복수의 메타 물질 그룹들(MG)을 포함할 수 있다. 메타 물질 그룹들(MG)은 각각 복수의 메타 물질 단위 소자들(MU)을 포함할 수 있다. 메타 물질 그룹들(MG)은 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)을 따라 배열될 수 있다. 제1 방향(D1)을 따라 배열되는 메타 물질 그룹들(MG)은 서로 제1 방향(D1)으로 이격될 수 있고, 제2 방향(D2)을 따라 배열되는 메타 물질 그룹들(MG)은 서로 제2 방향(D2)으로 이격될 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것일 뿐 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 복수의 메타 물질 그룹들(MG)의 배열 방식은 도시된 것과 다를 수 있다.
메타 물질 그룹들(MG) 각각에 유체를 흐르게 하는 경우, 메타 물질 그룹들(MG) 중 적어도 일부 상에 바이오 물질들(BM)이 포집될 수 있다. 메타 물질 그룹들(MG)의 메타 물질 단위 소자들(MU)에 포집된 바이오 물질들(BMc)로 인해, 바이오 물질들(BM)이 포집된 메타 물질 그룹들(MG)은 바이오 물질들(BM)이 없는 메타 물질 그룹들(MG)과 다른 회절 패턴을 나타낼 수 있다. 도 16b의 회절 패턴은 복수의 메타 물질 그룹들(MG)로부터 생성되는 회절 패턴들을 나타낸다.
도 17a 및 도 17b를 참조하면, 도 16a 및 도 16b를 참조하여 설명한 것에 더하여 메타 물질 그룹들(MG) 중 적어도 일부 상에 복수의 항체들(AB)이 제공될 수 있다. 항체들(AB)의 배열 방식은 도 12a를 참조하여 설명한 것과 실질적으로 동일할 수 있다.
메타 물질 그룹들(MG) 각각에 유체를 흐르게 하는 경우, 메타 물질 그룹들(MG) 중 적어도 일부 상의 항체들(AB)(또는 메타 물질 그룹들(MG) 중 적어도 일부의 메타 물질 단위 소자들(MU)) 상에 바이오 물질들(BM)이 포집될 수 있다. 항체들(AB)(또는 메타 물질 단위 소자들(MU))에 포집된 바이오 물질들(BMc)로 인해, 바이오 물질들(BM)이 포집된 메타 물질 그룹들(MG)은 바이오 물질들(BM)이 없는 메타 물질 그룹들(MG)과 다른 회절 패턴을 나타낼 수 있다. 도 17b의 회절 패턴은 복수의 메타 물질 그룹들(MG)로부터 생성되는 회절 패턴들을 나타낸다.
도 18은 본 발명의 실시예들에 따른 바이오 센서 및 이를 이용한 바이오 물질 유무 판단 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 18을 참조하면, 본 발명에 따른 바이오 센서는 측정부(1000), 데이터 저장부(2000), 데이터 학습부(3000) 및 표시부(4000)를 포함할 수 있다.
측정부(1000)는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 기판(10), 광학 구조체(30), 덮개(50) 및 광학 구조체(30)로부터 방출되는 빛을 측정하는 CMOS 카메라 또는 CCD 카메라를 포함할 수 있고, 이를 통해 바이오 센서의 방출 광의 발광 패턴 또는 회절 패턴을 측정(또는 촬영)할 수 있다.
데이터 저장부(2000)는 측정부(1000)에서 측정된 데이터들을 저장할 수 있다. 구체적으로, 데이터 저장부(2000)는 측정부(1000)에서 측정된 방출 광의 발광 패턴 또는 회절 패턴을 포함하는 데이터들을 저장할 수 있다.
데이터 학습부(3000)는 데이터 저장부(2000)로부터 전송된 데이터들을 통한 기계 학습을 수행할 수 있다. 구체적으로, 데이터 학습부(3000)는 발광 패턴들 또는 회절 패턴들의 공진 파장, 위상 및/또는 편광 등의 광 정보 변화를 통해 바이오 물질 유무 및/또는 바이오 물질의 개수 등을 판단하도록 훈련될 수 있다.
데이터 학습부(3000)의 알고리즘은, 예를 들어, 신경망(neural network; NN), 컨벌루션 신경망(convolutional neural network; CNN), 그래프 신경망(graph neural network; GNN) 및 가우스 프로세스 회귀(Gaussian process regression; GPR) 중 어느 하나일 수 있다.
표시부(4000)는 데이터 학습부(3000)에 의해 판단된 바이오 물질 유무 및/또는 바이오 물질의 개수 등의 정보를 시각화하여 표시할 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 센서는 광원, 분광기, 검출기 또는 필터 등 다양한 광학 부품 없이 크기가 작고 정밀한 나노 광학 구조체를 이용하며, 공진 파장, 위상 및/또는 편광 등의 광 정보 변화를 통해 바이오 물질 유무를 간편하고 효과적으로 판단할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 기판
30: 광학 구조체
35: 나노 홀
50: 덮개
51: 채널
BM: 바이오 물질
AB: 항체
MG: 메타 물질 그룹
MU: 메타 물질 단위 소자

Claims (20)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 제공되는 광학 구조체; 및
    상기 기판 상에 제공되며, 상기 광학 구조체의 양 측에서 상기 기판의 상면과 접촉하는 브릿지 형태를 갖는 덮개를 포함하되,
    상기 덮개는 제1 방향으로 연장되는 채널을 갖고,
    상기 광학 구조체는 상기 채널 내부에 제공되고,
    상기 광학 구조체는 상기 채널을 통해 진행하는 바이오 물질들을 포집하도록 구성되는 바이오 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 구조체는 상기 기판 상에 차례로 적층된 하부층, 활성층 및 상부층을 포함하되,
    상기 활성층은 상기 하부층 및 상기 상부층 사이에 개재되는 바이오 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 광학 구조체는 III-V족 반도체 물질을 포함하고,
    상기 하부층 및 상기 상부층은 동일한 반도체 물질을 포함하고,
    상기 활성층은 상기 하부층 및 상기 상부층과 다른 반도체 물질을 포함하는 바이오 센서.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 광학 구조체는 상기 하부층, 상기 활성층 및 상기 상부층을 관통하는 복수의 나노 홀들을 갖고,
    상기 나노 홀들은 상기 제1 방향을 따라 배열되며, 서로 상기 제1 방향으로 이격되고,
    상기 나노 홀들 각각의 직경 및 주기는 상기 제1 방향으로 가면서 변화하는 바이오 센서.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 나노 홀들 각각의 직경은 상기 광학 구조체의 일 단부로부터 상기 광학 구조체의 중앙부까지 상기 제1 방향으로 가면서 감소하고, 상기 중앙부로부터 상기 일 단부와 마주보는 상기 광학 구조체의 타 단부까지 상기 제1 방향으로 가면서 증가하는 바이오 센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 구조체 상에 제공되는 CMOS 카메라 또는 CCD 카메라를 더 포함하는 바이오 센서.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 구조체는 상기 기판 상의 하부층 및 상기 하부층의 일부 영역 상의 상부층을 포함하되,
    상기 광학 구조체는 상기 하부층을 관통하여 상기 기판의 상면을 노출시키는 복수의 나노 홀들을 갖고,
    상기 나노 홀들은 상기 제1 방향을 따라 배열되며, 서로 상기 제1 방향으로 이격되고,
    상기 나노 홀들 각각의 직경 및 주기는 상기 제1 방향으로 가면서 변화하는 바이오 센서.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 상부층은 반도체 물질 또는 전이금속 디칼코게나이드, 그래핀 및 육방정 질화붕소(hexagonal boron nitride; hBN) 중 어느 하나를 포함하는 바이오 센서.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 구조체 상에 제공되는 복수의 항체들을 더 포함하되,
    상기 항체들은 상기 광학 구조체의 상면 상에 상기 제1 방향을 따라 배열되고,
    상기 항체들은 상기 채널을 통해 진행하는 상기 바이오 물질들을 포집하도록 구성되는 바이오 센서.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 구조체는 기하학적 주기를 갖는 복수의 메타 물질 단위 소자들을 포함하되,
    상기 메타 물질 단위 소자들은 상기 기판의 하면으로부터 상기 광학 구조체를 향하여 조사되는 입사 광을 회절시키도록 구성되는 바이오 센서.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 구조체는 복수로 제공되고,
    상기 광학 구조체들은 상기 제1 방향 및 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 배열되는 바이오 센서.
  12. 기판;
    상기 기판 상에 제1 방향으로 연장되는 바(bar) 형태의 광학 구조체; 및
    상기 기판 상에 제공되며, 상기 광학 구조체의 양 측에서 상기 기판의 상면과 접촉하는 브릿지 형태를 갖는 덮개를 포함하되,
    상기 덮개는 상기 제1 방향으로 연장되는 채널을 갖고,
    상기 광학 구조체는 상기 채널 내부에 제공되고,
    상기 광학 구조체는:
    상기 기판 상의 하부층;
    상기 하부층 상의 상부층; 및
    상기 하부층 및 상기 상부층 사이에 개재되는 활성층을 포함하고,
    상기 광학 구조체는 상기 하부층, 상기 활성층 및 상기 상부층을 관통하는 복수의 나노 홀들을 갖는 바이오 센서.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 활성층은 상기 광학 구조체로부터 방출되는 레이저 광의 포톤을 제어하는 양자 점들을 갖고,
    상기 활성층은 상기 하부층 및 상기 상부층과 다른 물질을 포함하는 바이오 센서.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 광학 구조체의 중앙부에 위치한 상기 나노 홀들의 직경은 상기 광학 구조체의 양측 단부들에 위치한 상기 나노 홀들의 직경보다 작은 바이오 센서.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 광학 구조체는 복수로 제공되고,
    상기 광학 구조체들은 상기 제1 방향 및 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 배열되고,
    상기 제1 방향을 따라 배열되는 상기 광학 구조체들은 서로 상기 제1 방향으로 이격되며 각각의 측벽이 서로 정렬되고,
    상기 제2 방향을 따라 배열되는 상기 광학 구조체들은 서로 상기 제2 방향으로 이격되며 각각의 측벽이 서로 정렬되는 바이오 센서.
  16. 발광 패턴 또는 회절 패턴을 측정하는 측정부;
    상기 측정부에서 측정된 상기 발광 패턴 또는 상기 회절 패턴을 포함하는 데이터들을 저장하는 데이터 저장부;
    상기 데이터 저장부로부터 전송된 상기 데이터들을 통한 기계 학습을 수행하며, 상기 데이터들을 통해 바이오 물질 유무 및 바이오 물질의 개수를 판단하는 데이터 학습부; 및
    상기 데이터 학습부에 의해 판단된 정보를 시각화하는 표시부를 포함하되,
    상기 측정부는:
    기판;
    상기 기판 상에 제공되는 광학 구조체; 및
    상기 광학 구조체의 양 측에서 상기 기판의 상면과 접촉하는 브릿지 형태를 갖는 덮개를 포함하되,
    상기 덮개는 제1 방향으로 연장되는 채널을 갖고,
    상기 광학 구조체는 상기 채널 내부에 제공되고,
    상기 광학 구조체는 상기 채널을 통해 진행하는 바이오 물질들을 포집하도록 구성되는 바이오 센서.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 데이터 학습부는 상기 발광 패턴 또는 상기 회절 패턴의 공진 파장, 위상 및 편광 중 적어도 어느 하나의 변화를 통해 바이오 물질 유무 및 바이오 물질의 개수를 판단하도록 훈련되는 바이오 센서.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 광학 구조체는:
    상기 기판 상의 하부층;
    상기 하부층 상의 상부층; 및
    상기 하부층 및 상기 상부층 사이에 개재되는 활성층을 포함하고,
    상기 광학 구조체는 상기 하부층, 상기 활성층 및 상기 상부층을 관통하는 복수의 나노 홀들을 갖는 바이오 센서.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 광학 구조체는 기하학적 주기를 갖는 복수의 메타 물질 단위 소자들을 포함하되,
    상기 메타 물질 단위 소자들은 상기 기판의 하면으로부터 상기 광학 구조체를 향하여 조사되는 입사 광을 회절시키도록 구성되는 바이오 센서.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 광학 구조체는 복수로 제공되고,
    상기 광학 구조체들은 상기 제1 방향 및 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 배열되는 바이오 센서.
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