KR100958307B1

KR100958307B1 - 나노채널이 집적된 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을포함하는 바이오센서, 그 제작방법 및 상기 바이오센서를포함하는 바이오 디스크 시스템

Info

Publication number: KR100958307B1
Application number: KR1020080009649A
Authority: KR
Inventors: 이병철; 문성욱
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2008-01-30
Filing date: 2008-01-30
Publication date: 2010-05-19
Anticipated expiration: 2028-01-30
Also published as: US20090188784A1; JP4932860B2; CN101571535A; JP2009180726A; EP2088430A1; KR20090083689A

Abstract

본 발명은 나노채널이 집적된 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오센서, 그 제작방법 및 상기 바이오센서를 포함하는 바이오 디스크 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상부 및 하부 기판 상에 금속 나노와이어를 형성하고 상기 금속 나노와이어를 이용하여 상·하부 기판을 정렬한 후 이들을 접착함으로써 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오센서를 제작하는 방법, 상기 방법에 의해 제작된 바이오센서 및 상기 바이오센서를 이용하여 바이오 물질을 검출하기 위한 바이오 디스크 시스템에 관한 것이다.

바이오센서, 금속 나노와이어, 나노채널, 수직형 갭 전극

Description

나노채널이 집적된 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오센서, 그 제작방법 및 상기 바이오센서를 포함하는 바이오 디스크 시스템 {BIO-SENSORS INCLUDING NANOCHANNEL INTEGRATED 3-DEMENSIONAL METALLIC NANOWIRE GAP ELECTRODES, MANUFACTURING METHOD THEREOF, AND BIO-DISK SYSTEM COMPRISING SIAD BIO-SENSORS}

최근 수십 년간 인간의 수명 연장 및 질병의 조기진단에 관한 관심이 고조되 는 가운데, 첨단 기술의 융합 중 하나인 나노바이오 기술(Nano-Bio Technology)이 이를 위한 하나의 수단으로 부상했다. 그 중 나노바이오 센서/칩(Nano-Bio Sensor/Chip)은 나노바이오 기술의 핵심 기술로서, 여러 선진국에서는 나노바이오 센서/칩의 감도와 정확도 등을 높이기 위한 노력들이 시도되고 있다.

DNA, RNA, PNA 또는 단백질 등과 같은 바이오 물질의 크기는 보통 수 nm 내지 수백 nm 사이이기 때문에, 바이오 물질을 검출하기 위한 센서의 크기뿐만 아니라 검출을 위해 바이오 물질이 이동하는 통로인 채널도 나노미터의 크기를 가져야 감도 및 정확도를 높일 수가 있다. 특히, 고감도의 센서를 만들기 위해서 나노갭(Nanogap) 또는 나노와이어(Nanowire)를 사용하면 더 효과적인 검출이 가능하다.

도 1a는 종래의 나노바이오 센서에서 사용되는 평면상의 금속 나노와이어 전극의 모식도이다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 종래의 나노바이오 센서들은 기판부상에 평면으로 배열된 금속 나노와이어(10) 위에 항체(1)를 고정시켜놓은 상태에서 항원(2)이 포함된 샘플이 들어올 경우 항원·항체 반응을 측정함으로써 바이오 물질들을 검출하였다. 그러나, 이 경우, 항원이 항체에 붙을 수 있는 확률이 낮고 항원의 농도가 낮을 경우 검출할 수 있는 범위가 좁아서 감도가 낮아질 수 있다. 즉, 종래의 나노바이오 센서는 고감도 및 고효율의 검출을 위해 사용하기에는 한계가 있고, 이를 사용하는 경우 바이오 물질과 바이오 물질을 검출하는 센서부의 접촉 확률이 매우 낮기 때문에 바이오 물질을 포함하는 샘플의 양이 매우 많이 필요하다는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 상부 및 하부 기판 상에 금속 나노와이어를 형성하고 상기 금속 나노와이어를 이용하여 상·하부 기판을 정렬한 후 이들을 접착함으로써 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오센서를 제작하는 방법, 상기 방법에 의해 제작된 바이오센서 및 상기 바이오센서를 이용하여 바이오 물질을 검출하기 위한 바이오 디스크 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오센서는, 하부 면에 복수의 금속 나노와이어가 형성되고, 바이오 물질이 포함된 샘플이 주입되는 주입구를 구비하는 상부기판부; 상부 면에 복수의 금속 나노와이어가 형성된 하부기판부; 및 상기 상부 및 하부 기판부가 이격되도록 지지하여 일정 간격의 나노채널을 형성하는 지지부를 포함하며, 상기 상부 및 하부 기판부에 형성된 금속 나노와이어가 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 형성한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오센서 제작방법은, (a) 하부기판의 상부 면에 금속 전극을 형성하는 단계; (b) 나노채널의 폭과 길이를 결정하기 위해 상부기판의 하부 면에 도포된 레지스트에 나노채널을 패터닝하는 단계; (c) 상기 (b)단계에서 형성된 패턴을 마스크로 이용하여 나노채널을 식각하는 단계; (d) 상기 (c)단계에서 형성된 나노채널상에 금속 전극을 형성하는 단계; (e) 상기 상부 및 하부 기판에 형성된 금속 전극을 이용하여 상기 상부 및 하부 기판을 정렬하는 단계; 및 (f) 상기 (e)단계에서 정렬된 상기 상부 및 하부 기판을 접착하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 의한 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오센서 제작방법은, (a) 하부기판의 상부 면에 복수의 금속 나노와이어를 형성하는 단계; (b) 상부기판의 하부 면에 복수의 금속 나노와이어를 형성하는 단계; (c) 하부기판의 상부 면에 나노채널을 형성하기 위한 폴리머를 스핀코팅(spin-coating)하는 단계; (d) 나노채널의 폭과 길이를 결정하고 마스크 패턴을 이용하여 폴리머를 식각하는 단계; (e) 상기 상부 및 하부 기판에 형성된 금속 나노와이어를 이용하여 상기 상부 및 하부 기판을 정렬하는 단계; 및 (f) 상기 (e)단계에서 정렬된 상기 상부 및 하부 기판을 접착하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오센서 제작방법은, (a) 하부기판의 상부 면에 복수의 금속 나노와이어를 형성하는 단계; (b) 상부기판의 하부 면에 복수의 금속 나노와이어를 형성하는 단계; (c) 하부기판의 상부 면에 나노채널을 형성하기 위한 폴리머를 스핀코 팅(spin-coating)하는 단계; (d) 상기 상부 및 하부 기판에 형성된 금속 나노와이어를 이용하여 상기 상부 및 하부 기판을 정렬하는 단계; (e) 상기 (d)단계에서 정렬된 상기 상부 및 하부 기판을 접착하는 단계; 및 (f) 나노채널의 폭과 길이를 결정하고 마스크 패턴을 이용한 감광을 통해 폴리머를 제거하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명에 의한 바이오 디스크 시스템은 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 하나에 의한 바이오센서를 이용하여 주입되는 샘플로부터 바이오 물질을 검출하는 것으로, 상기 바이오센서는 CD-ROM, DVD, 바이오 CD 또는 바이오 DVD와 같은 박막 형태의 디스크형 몸체에 배치된다.

상술한 바와 같이 상부 및 하부 기판 상에 금속 나노와이어를 형성하고 상기 금속 나노와이어를 이용하여 상·하부 기판을 정렬한 후 이들을 접착함으로써 제작한 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오센서를 이용하면, 실시간으로 전기적인 신호를 검출하여 고감도 및 고효율의 검출을 수행할 수 있고, 바이오 물질과 바이오 물질을 검출하는 센서부의 접촉 확률을 높여 저농도 샘플 또는 소량의 샘플로부터 바이오 물질을 검출할 수 있다. 또한, 상기 바이오센서를 이용하여 만든 바이오 디스크 시스템은 그 제작 비용이 저렴할 뿐만 아니라 종래의 광디스크 등을 이용하여 가정에서 손쉽게 제작할 수 있어 가정 내에서의 자가진단 방법을 제공할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시형태가 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

도 1b는 본 발명에 의한 나노바이오 센서를 위한 3차원 금속 나노와이어 갭 전극의 모식도이다.

도 1b를 참조하면, 본 발명에 의한 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오센서에서는, 금속 나노와이어(10) 위에 이격하여 금속 나노와이어(10)를 배치시킴으로써, 상·하부의 금속 나노와이어(10) 사이에 갭이 형성되도록 한다. 따라서, 본 발명을 이용하면, 평면상의 금속 나노와이어 사이의 갭뿐만 아니라, 상·하부의 금속 나노와이어(10) 사이의 갭(이하, 3차원 금속 나노와이어 갭이라 함)을 통해 항원이 항체에 붙을 수 있는 확률을 높일 수 있다. 또한, 3차원 금속 나노와이어 갭에 의해 전기적으로 검출할 수 있는 전극의 개수가 증가하므로 센싱(sensing) 감도가 높아진다.

더 구체적으로 설명하면, 본 발명에 의한 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오센서를 이용하여 분석하는 경우, 각각의 기판부상의 금속 나노와이어 사이의 저항, 커패시턴스(Capacitance), 인덕턴스(Inductance) 또는 임피던스(Impedance) 측정방법뿐만 아니라, 상·하부의 금속 나노와이어(10) 사이의 저항, 커패시턴스, 인덕턴스 또는 임피던스 측정방법을 함께 이용할 수 있게 되므로, 센싱 감도가 높이지게 된다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오센서의 단면도 및 상부 평면도이다.

도 2a를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 의한 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오센서는, 하부 면에 복수의 금속 나노와이어(210)가 형성되고, 바이오 물질이 포함된 샘플이 주입되는 주입구(310)를 구비하는 상부기판부(200), 상부 면에 복수의 금속 나노와이어(110)가 형성된 하부기판부(100), 및 상기 상부 및 하부 기판부(200, 100)이 이격되도록 지지하여 일정 간격의 나노채널(300)을 형성하는 지지부(150)를 포함한다.

이 때, 상기 금속 나노와이어(210, 110)는 Ag, Cu, Au, Al, Pt 및 이들 금속들을 포함하는 합금 등과 같은 저항이 작은 금속으로 이루어진다. 또한, 상기 지지부(150)는, 평면 형태의 상부 기판부(200) 및 하부 기판부(100) 사이에 상기 기판부(200, 100)와는 상이한 물질(예를 들어, 폴리머)로 형성될 수도 있고, 또는 상부 기판부(200) 또는 하부 기판부(100)와 일체를 이루는 것일 수도 있다.

도 2b에 도시된 바와 같이, 상부 및 하부 기판부에 형성된 금속 나노와이 어(210, 110)는 나노채널(300)과 수직으로 배열되며, 서로 겹치도록 배열된다. 즉, 상부에서 바라볼 경우, 하부 기판부의 금속 나노와이어(110)는 상부 기판부의 금속 나노와이어(210)에 가려지도록 배열된다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오센서의 단면도 및 상부 평면도이다.

도 3a를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 의한 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오 센서는, 상술한 본 발명의 제 1실시예와 마찬가지로, 하부 면에 복수의 금속 나노와이어(210)가 형성되고, 바이오 물질이 포함된 샘플이 주입되는 주입구(310)를 구비하는 상부기판부(200), 상부 면에 복수의 금속 나노와이어(110)가 형성된 하부기판부(100), 및 상기 상부 및 하부 기판부(200, 100)이 이격되도록 지지하여 일정 간격의 나노채널(300)을 형성하는 지지부(150)를 포함한다

도 3b에 도시된 바와 같이, 상부 및 하부 기판부(200, 100)에 형성된 금속 나노와이어(210, 110)는 나노채널(300)과 수직으로 배열되며, 하나씩 교대로 배열된다. 즉, 상부에서 바라볼 경우, 복수의 상부 기판부의 금속 나노와이어(210) 사이로 하부 기판부의 금속 나노와이어(110)가 보이도록 배열된다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제 3 실시예에 의한 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오센서의 단면도 및 상부 평면도이다.

도 4a를 참조하면, 본 발명의 제 3 실시예에 의한 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오 센서는, 상술한 본 발명의 실시예들과 마찬가지로, 하부 면에 복수의 금속 나노와이어(210)가 형성되고, 바이오 물질이 포함된 샘플이 주입되는 주입구(310)를 구비하는 상부기판부(200), 상부 면에 복수의 금속 나노와이어(110)가 형성된 하부기판부(100), 및 상기 상부 및 하부 기판부(200, 100)이 이격되도록 지지하여 일정 간격의 나노채널(300)을 형성하는 지지부(150)를 포함한다.

도 4b에 도시된 바와 같이, 상부 및 하부 기판부(200, 100)에 형성된 금속 나노와이어(210, 110) 중 어느 하나, 예를 들어 제 3 실시예의 경우에 상부 기판부의 금속 나노와이어(210)는 나노채널(300)과 수직으로 배열되며, 나머지 하나, 예를 들어 하부 금속 나노와이어(110)는 나노채널(300)과 수평으로 배열된다. 즉, 상부에서 바라볼 경우, 상부 기판부의 금속 나노와이어(210)와 하부 기판부의 금속 나노와이어(110)는 서로 수직으로 교차하도록 배열된다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제 4 실시예에 의한 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오센서의 단면도 및 상부 평면도이다.

도 5a를 참조하면, 본 발명의 제 4 실시예에 의한 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오 센서는, 상술한 본 발명의 실시예들과 마찬가지로, 하부 면에 복수의 금속 나노와이어(210)가 형성되고, 바이오 물질이 포함된 샘플이 주입되는 주입구(310)를 구비하는 상부기판부(200), 상부 면에 복수의 금속 나노와이어(110)가 형성된 하부기판부(100), 및 상기 상부 및 하부 기판부(200, 100)이 이 격되도록 지지하여 일정 간격의 나노채널(300)을 형성하는 지지부(150)를 포함한다.

도 5b에 도시된 바와 같이, 상부 및 하부 기판부에 형성된 금속 나노와이어(210, 110)는 나노채널(300)과 수직 및 수평이 아닌 임의의 각도를 가지도록 배열된다. 즉, 상부에서 바라볼 경우, 상부 기판부의 금속 나노와이어(210)와 하부 기판부의 금속 나노와이어(110)는 서로 임의의 각도인 θ의 각을 가지도록 배열된다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제 5 실시예에 의한 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오센서의 단면도 및 상부 평면도이다.

도 6a를 참조하면, 본 발명의 제 5 실시예에 의한 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오 센서는, 하부 면에 복수의 금속 나노와이어(210)가 형성되고, 바이오 물질이 포함된 샘플이 주입되는 주입구(310)를 구비하는 상부기판부(200), 상부 면에 금속 전극(110)이 형성된 하부기판부(100), 및 상기 상부 및 하부 기판부(200, 100)이 이격되도록 지지하여 일정 간격의 나노채널(300)을 형성하는 지지부(150)를 포함한다.

또한, 도 6b를 참조하면, 본 발명의 제 5 실시예에 의한 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오 센서는, 하부 면에 금속 전극(210)이 형성되고, 바이오 물질이 포함된 샘플이 주입되는 주입구(310)를 구비하는 상부기판부(200), 상부 면에 복수의 금속 나노와이어(110)가 형성된 하부기판부(100), 및 상기 상부 및 하부 기판부(200, 100)이 이격되도록 지지하여 일정 간격의 나노채널(300)을 형성하는 지지부(150)를 포함한다.

즉, 본 발명의 제 5 실시예에 의하면, 상부 및 하부 기판부(200, 100) 중 어느 하나의 전극만 금속 나노와이어로 구성되며, 나머지 하나는 평면형태의 금속 전극으로 구성된다.

상술한 본 발명의 다양한 실시예에 의하면, 본 발명의 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오 센서는 복수의 금속 나노와이어를 포함하는 상·하부기판부(200, 100)와 상·하부기판부가 일정 간격으로 이격되도록 지지하는 지지부(150)로 구성된다. 검출하고자 하는 바이오 물질이 포함된 샘플은 주입구(310)를 통해 들어와서 나노채널(300)을 통해 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 거쳐 배출구(320)로 빠져나가게 된다. 이때, 주입구(310)를 통해 들어온 샘플은 나노채널(300)에 의한 모세현상으로 인해 별도의 펌핑(Pumping) 없이도 나노채널(300)을 통과할 수 있다.

한편, 상·하부기판부(200, 100)상에 금속 나노와이어를 다양한 형태, 예를 들어, 나노채널(300)과 수직, 수평, 또는 수직 및 수평이 아닌 임의의 각도를 가지도록 배치함으로써, 검출하고자 하는 샘플의 종류에 따라 나노채널(300)의 전단에서 발생할 수 있는 블로킹(Blocking) 현상을 완화 또는 방지할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함 하는 바이오센서 제작방법에 관한 흐름도이다.

우선, 하부기판(100)의 상부 면에 레지스트(400)를 도포한 후(S1), 예를 들어 전자빔 리소그래피(e-beam lithography) 기술 또는 나노 임프린팅 (nanoimprinting) 기술 등과 같은 나노 패턴이 가능한 방법으로 레지스트(400)에 금속 나노와이어를 패터닝(410)한다(S2). 이때, 패터닝된 위치 및 정렬에 의해서 상·하부 기판(200, 100)의 금속 나노와이어(210, 110) 및 나노채널(300)의 배열을 다양하게 형성할 수 있다. 이후, 하부 기판(100)에 금속 나노와이어(110)를 형성하기 위해 하부기판(100)의 패터닝(410)에 금속을 증착한다(S3). 이때, 하부 기판의 금속 나노와이어(110)는 Ag, Cu, Au, Al, Pt 및 이들 금속들을 포함하는 합금 등과 같은 저항이 작은 금속으로 이루어진다. 이후, 레지스트(400)를 제거함으로써(S4) 하부기판(100)의 상부 면에 복수의 금속 나노와이어(110)를 형성한다.

한편, 상부기판(200)의 경우에는, 상부기판(200)의 하부 면에 레지스트(400)를 도포한 후(S11), 나노채널(300)의 폭과 길이를 결정하기 위해 레지스트(400)에 나노채널을 패터닝한다(S12). 이후, 상기 패터닝된 레지스트(400)를 마스크로 이용하여 상부기판(200)을 식각하는데(S13), 식각 과정에서 나노채널(300)의 깊이를 조절할 수 있다. 상기 식각은, 화학적인 습식식각, VPE(Vapor-Phase Etching), 플라즈마 에칭(Plasma Etching) 또는 RIE(Reactive ion etching) 공정 중 어느 하나의 공정에 의해 행해질 수 있다. 이후, 하부기판(100)의 경우와 마찬가지로, 상부기판(200)의 하부 면에 레지스트(400)를 다시 도포하고(S14), 레지스트(400)에 금속 나노와이어를 패터닝(410) 한 후(S15), 상부기판(200)의 패터닝(410)에 금속을 증 착하고(S16), 레지스트(400)를 제거함으로써(S17) 상부기판(200)의 하부 면에 복수의 금속 나노와이어(210)를 형성한다. 이후, 상부기판(200)에 샘플을 주입하기 위한 주입구(310)를 형성한다(S18).

마지막으로, 상부 및 하부 기판의 금속 나노와이어(210, 110)를 이용하여 광학적 방법 또는 기계적 방법을 통해 상부 및 하부 기판(200, 100)을 정렬한 후, 정렬된 상·하부 기판(200, 100)을 접착한다(S21). 상기 접착은, 양극 본딩(anodic bonding), 융합 본딩(fusion bonding), 폴리머를 이용한 본딩(bonding) 또는 SAM(Self Assembled Monolayer)을 이용한 본딩 중 어느 하나의 공정에 의해 행해질 수 있다.

상술한 과정을 거쳐 제작된 본 발명에 의한 3차원 금속 나노와이어 갭의 거리는 나노채널(300)의 깊이 및 상·하부 금속 나노와이어(210, 110)의 증착 두께를 조절함으로써 상이하게 형성될 수 있다.

또한, 상기 실시예에서는, 상·하부 기판(200, 100)에 금속 나노와이어를 증착하는 것으로 설명하였으나, 상부 및 하부 기판(200, 100) 중 어느 하나에는 평면형태의 금속 전극을 증착하고, 나머지 하나에는 복수의 금속 나노와이어를 증착할 수도 있다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 의한 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오센서 제작방법에 관한 흐름도이다.

우선, 도 7을 참조하여 상술한 방법을 이용하여, 하부기판(100)의 상부 면에 복수의 금속 나노와이어(110)를 형성한다(S31 내지 S34). 이와 마찬가지로, 상부기판(200)의 하부 면에 복수의 금속 나노와이어(210)를 형성한 후(S41 내지 S44), 상부기판(200)에 샘플을 주입하기 위한 주입구(310)를 형성한다(S45).

이후, 금속 나노와이어(120)가 형성된 하부기판(100)의 상부 면에 나노채널(300)을 형성하기 위한 폴리머(500)를 스핀코팅(spin-coating) 한다(S35). 이때, 폴리머(500)의 점도와 스핀코팅 하는 RPM(Revolutions Per Minute) 및 시간에 의해서 나노채널(300)의 두께가 결정된다.

이후, 나노채널(300)의 폭과 길이를 결정하고 마스크 패턴을 이용하여 폴리머(500)를 식각한다(S36). 상기 식각은, 화학적인 습식식각, VPE(Vapor-Phase Etching), 플라즈마 에칭(Plasma Etching) 또는 RIE(Reactive ion etching) 공정 중 어느 하나의 공정에 의해 행해질 수 있다.

마지막으로, 상부 및 하부 기판(200, 100)의 금속 나노와이어(210, 110)를 이용하여 광학적 방법 또는 기계적 방법을 통해 상부 및 하부 기판(200, 100)을 정렬한 후, 정렬된 상·하부 기판(200, 100)을 접착한다(S51). 상기 접착은, 양극 본딩(anodic bonding), 융합 본딩(fusion bonding), 폴리머를 이용한 본딩(bonding) 또는 SAM(Self Assembled Monolayer)을 이용한 본딩 중 어느 하나의 공정에 의해 행해질 수 있다.

상술한 과정을 거쳐 제작된 본 발명에 의한 3차원 금속 나노와이어 갭의 거리는 나노채널(300)의 깊이 및 상·하부 기판부의 금속 나노와이어(210, 110)의 증착 두께를 조절함으로써 상이하게 형성될 수 있다.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오센서 제작방법에 관한 흐름도이다.

우선, 도 7을 참조하여 상술한 방법을 이용하여, 하부기판(100)의 상부 면에 복수의 금속 나노와이어(110)를 형성한다(S61 내지 S64). 이와 마찬가지로, 상부기판(200)의 하부 면에 복수의 금속 나노와이어(210)를 형성한 후(S71 내지 S74), 상부기판(200)에 샘플을 주입하기 위한 주입구(310)를 형성한다(S75).

이후, 금속 나노와이어(110)가 형성된 하부기판(100)의 상부 면에 나노채널(300)을 형성하기 위한 폴리머(500)를 스핀코팅 한다(S65). 이때, 폴리머(500)의 점도와 스핀코팅 하는 RPM 및 시간에 의해서 나노채널(300)의 두께가 결정된다.

이후, 상부 및 하부 기판의 금속 나노와이어(210, 110)를 이용하여 광학적 방법 또는 기계적 방법을 통해 상부기판(200) 및 하부기판(100)을 정렬한 후, 정렬된 상·하부 기판(200, 100)을 접착한다(S81). 상기 접착은, 양극 본딩(anodic bonding), 융합 본딩(fusion bonding), 폴리머를 이용한 본딩(bonding) 또는 SAM을 이용한 본딩 중 어느 하나의 공정에 의해 행해질 수 있다.

마지막으로, 나노채널(300)의 폭과 길이를 결정하고, 상술한 바와 같이 폴리머(500)를 지지부로 하여 접착된 상·하부 기판(200, 100)에 마스크 패턴을 이용하여 폴리머(500)를 감광한 후, 주입구(310) 및 배출구(320)를 통해 감광된 폴리머를 제거한다(S82).

상술한 과정을 거쳐 제작된 본 발명에 의한 3차원 금속 나노와이어 갭의 거 리는 나노채널(300)의 깊이 및 상·하부 기판부의 금속 나노와이어(20, 10)의 증착 두께를 조절함으로써 상이하게 형성될 수 있다.

도 10a는 본 발명에 의해 제작된 바이오센서를 포함하는 바이오 디스크 시스템의 구성도이다.

도 10a를 참조하면, 본 발명에 의한 바이오 디스크 시스템은, 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오센서(650), 버퍼주입챔버(610, 610'), 샘플주입챔버(620), 전처리챔버(630), 캘리브런트(calibrant) 주입챔버(640), 배출챔버(660), 배출구(670) 및 마이크로 채널(680)로 구성되며, 상기 구성요소들이 디스크형 몸체에 배치되어 Lab-on-a-Chip(LOC)으로 구성된다.

상기 바이오 디스크 시스템의 동작원리에 대해서 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

우선, 샘플주입챔버(620)에 검출하고자 하는 바이오 물질을 포함하는 샘플을 주입하고 디스크를 회전시키면, 그 원심력으로 인해 하부 버퍼주입챔버 (610')로부터 나오는 버퍼에 의해 바이오센서(650)가 세척되고, 이후, 캘리브런트 주입챔버(640)로부터 나오는 캘리브런트 용액에 의해 바이오센서(650)의 신호의 원점이 보정된다.

이와 동시에, 상부 버퍼주입챔버(610)로부터 나오는 버퍼에 의해 전처리챔버(630)가 세척되고, 이후, 샘플주입챔버(620)에 주입된 샘플이 전처리챔버(630)로 흘러 들어와 전처리 과정을 거치게 된다. 이때, 바이오 디스크 시스템을 이용하여 검출하고자 하는 바이오 물질의 종류에 따라 그에 적합한 전처리 과정을 거치게 된다.

이후, 전처리챔버(630)에서 전처리된 샘플이 마이크로채널(680)을 통해서 바이오센서(650)로 흘러들어와 본 발명에 의한 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오센서를 이용한 검출 과정이 수행된다.

이 후, 검출 과정을 거친 모든 샘플은 배출챔버(660)에 모여서 배출구(670)를 통해서 배출된다.

도 10b는 본 발명에 의해 제작된 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오센서의 구성도이다.

도 10b를 참조하면, 상기 바이오 디스크 시스템에 포함되는 바이오센서 (650)는 크게 입력단(651), 신호처리단(652) 및 출력단(653)으로 구성된다. 입력단(651)은 본 발명에 의한 바이오센서를 포함하며, 신호처리단(652)은 입력단(651)의 전극으로부터 나온 신호를 처리하고, 출력단(653)은 신호처리단(652)에서 처리된 신호를 전기적, 자기적 또는 광학적 신호로 출력한다.

도 10c는 도 10a에 도시된 바이오 디스크 시스템이 디스크형 몸체에 배열된 것을 나타낸 평면도이다.

도 10a를 참조하여 상술한 바이오 디스크 시스템은, 도 10c에 도시된 바와 같이 디스크형 몸체에 하나 이상 배열될 수 있다. 이때, 디스크형 몸체는 CD-ROM, DVD, 바이오 CD 또는 바이오 DVD 등과 같은 박막 형태의 디스크 몸체를 포함할 수 있다.

이상에서 설명한 상세한 설명 및 도면의 내용은, 본 발명의 바람직한 실시예에 한정하여 설명한 것이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 사상 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변경 또는 삭제가 가능할 것이다.

따라서, 본 발명의 권리범위는 상기한 설명 및 도면에 의해 결정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위에 의해 결정되어져야 한다.

도 1a는 종래의 나노바이오 센서에서 사용되는 평면상의 금속 나노와이어 전극의 모식도,

도 1b는 본 발명에 의한 나노바이오 센서를 위한 3차원 금속 나노와이어 갭 전극의 모식도,

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오센서의 단면도 및 상부 평면도,

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오센서의 단면도 및 상부 평면도,

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제 3 실시예에 의한 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오센서의 단면도 및 상부 평면도,

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제 4 실시예에 의한 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오센서의 단면도 및 상부 평면도,

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제 5 실시예에 의한 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오센서의 단면도 및 상부 평면도,

도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오센서 제작방법에 관한 흐름도,

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 의한 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오센서 제작방법에 관한 흐름도,

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오센서 제작방법에 관한 흐름도,

도 10a는 본 발명에 의한 바이오센서를 포함하는 바이오 디스크 시스템의 구성도,

도 10b는 본 발명에 의한 금속 나노와이어 갭 전극을 포함하는 바이오센서의 구성도, 그리고,

도 10c는 디스크형 몸체에 배열된 바이오 디스크 시스템을 나타낸 평면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1: 항체 2: 항원

10: 금속 나노와이어 100: 하부기판부

110: 금속 나노와이어(또는 금속전극) 150: 지지부

200: 상부기판부 210: 금속 나노와이어(또는 금속전극)

300: 나노채널 310: 주입구

320: 배출구 400: 레지스트

410: 패터닝 500: 폴리머층

610: 버퍼주입챔버 620: 샘플주입챔버

630: 전처리챔버 640: 캘리브런트주입챔버

650: 바이오센서 660: 배출챔버

670: 배출구 680: 마이크로채널

Claims

하부 면에 복수의 금속 나노와이어가 형성되고, 바이오 물질이 포함된 샘플이 주입되는 주입구를 구비하는 상부기판부;

상부 면에 복수의 금속 나노와이어가 형성된 하부기판부; 및

상기 상부 및 하부 기판부가 이격되도록 지지하여 일정 간격의 나노채널을 형성하는 지지부를 포함하고,

상기 상부 및 하부 기판부에 형성된 금속 나노와이어가 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 바이오센서.
제 1 항에 있어서,

상기 상부 및 하부 기판부에 형성된 금속 나노와이어는 상기 바이오센서의 상부에서 투과하여 볼 때 상기 나노채널의 진행 방향과 수직을 이루도록 배열되는 것을 특징으로 바이오센서.
제 2 항에 있어서,

상기 바이오센서의 상부에서 투과하여 볼 때 상기 하부 기판부에 형성된 금속 나노와이어의 배열이 상기 상부 기판부에 형성된 금속 나노와이어의 배열과 겹치는 것을 특징으로 하는 바이오센서.
제 2 항에 있어서,

상기 바이오센서의 상부에서 투과하여 볼 때 상기 상부 기판부에 형성된 금속 나노와이어 다음에 상기 하부 기판부에 형성된 금속 나노와이어가 교대로 배열되는 것을 특징으로 하는 바이오센서.
제 1 항에 있어서,

상기 상부 및 하부 기판부에 형성된 금속 나노와이어 중 어느 하나는 상기 바이오센서의 상부에서 투과하여 볼 때 상기 나노채널의 진행 방향과 수직을 이루도록 배열되고, 나머지 하나는 상기 나노채널과 수평으로 배열되는 것을 특징으로 하는 바이오센서.
제 1 항에 있어서,

상기 상부 기판부에 형성된 금속 나노와이어와 상기 하부 기판부에 형성된 금속 나노와이어는 상기 바이오센서의 상부에서 투과하여 볼 때 서로 임의의 각도를 형성하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 바이오센서.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 상부 및 하부 기판부에 형성된 금속 나노와이어는 Ag, Cu, Au, Al, Pt 중 어느 하나, 혹은 이들 중 어느 하나를 포함하는 합금으로 이루어지는 것을 특징 으로 하는 바이오센서.
하부 면에 금속 전극이 형성되고, 바이오 물질이 포함된 샘플이 주입되는 주입구를 구비하는 상부기판부;

상부 면에 금속 전극이 형성된 하부기판부; 및

상기 상부 및 하부 기판부가 이격되도록 지지하여 일정 간격의 나노채널을 형성하는 지지부를 포함하고,

상기 상부 및 하부 기판부에 형성된 금속 전극 중 어느 하나는 복수의 금속 나노와이어로 형성되며,

상기 상부 및 하부 기판부에 형성된 금속 전극이 3차원 금속 나노와이어 갭 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 바이오센서.
제 8 항에 있어서,

상기 상부 및 하부 기판부에 형성된 금속 전극은 Ag, Cu, Au, Al, Pt 중 어느 하나, 혹은 이들 중 어느 하나를 포함하는 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 바이오센서.
(a) 하부기판의 상부 면에 금속 전극을 형성하는 단계;

(b) 나노채널의 폭과 길이를 결정하기 위해 상부기판의 하부 면에 도포된 레지스트에 나노채널을 패터닝하는 단계;

(c) 상기 (b)단계에서 형성된 패턴을 마스크로 이용하여 나노채널을 식각하는 단계;

(d) 상기 (c)단계에서 형성된 나노채널상에 금속 전극을 형성하는 단계;

(e) 상기 상부 및 하부 기판에 형성된 금속 전극을 이용하여 상기 상부 및 하부 기판을 정렬하는 단계; 및

(f) 상기 (e)단계에서 정렬된 상기 상부 및 하부 기판을 접착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서 제작방법.
제 10 항에 있어서,

상기 상부 및 하부 기판에 형성하는 금속 전극 중 하나 이상은 복수의 금속 나노와이어로 구성하는 것을 특징으로 하는 바이오센서 제작방법.
(a) 하부기판의 상부 면에 복수의 금속 나노와이어를 형성하는 단계;

(b) 상부기판의 하부 면에 복수의 금속 나노와이어를 형성하는 단계;

(c) 하부기판의 상부 면에 나노채널을 형성하기 위한 폴리머를 스핀코 팅(spin-coating)하는 단계;

(d) 나노채널의 폭과 길이를 결정하고 마스크 패턴을 이용하여 폴리머를 식각하는 단계;

(e) 상기 상부 및 하부 기판에 형성된 금속 나노와이어를 이용하여 상기 상부 및 하부 기판을 정렬하는 단계; 및

(f) 상기 (e)단계에서 정렬된 상기 상부 및 하부 기판을 접착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서 제작방법.
(a) 하부기판의 상부 면에 복수의 금속 나노와이어를 형성하는 단계;

(b) 상부기판의 하부 면에 복수의 금속 나노와이어를 형성하는 단계;

(c) 하부기판의 상부 면에 나노채널을 형성하기 위한 폴리머를 스핀코팅(spin-coating)하는 단계;

(d) 상기 상부 및 하부 기판에 형성된 금속 나노와이어를 이용하여 상기 상부 및 하부 기판을 정렬하는 단계;

(e) 상기 (d)단계에서 정렬된 상기 상부 및 하부 기판을 접착하는 단계; 및

(f) 나노채널의 폭과 길이를 결정하고 마스크 패턴을 이용한 감광을 통해 폴리머를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서 제작방법.
제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 식각하는 단계는, 화학적인 습식식각, VPE(Vapor-Phase Etching), 플라즈마 에칭(Plasma Etching) 및 RIE(Reactive ion etching) 공정 중 어느 하나의 공정에 의해 행해지는 것을 특징으로 하는 바이오센서 제작방법.
제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 상부 및 하부 기판을 접착하는 단계는, 양극 본딩(anodic bonding), 융합 본딩(fusion bonding), 폴리머를 이용한 본딩(bonding) 및 SAM(Self Assembled Monolayer)을 이용한 본딩 중 어느 하나의 공정에 의해 행해지는 것을 특징으로 하는 바이오센서 제작방법.
제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 상부 및 하부 기판에 형성된 금속 나노와이어 사이, 또는 금속 전극 사이에 형성되는 갭의 거리는 상기 나노채널의 깊이 및 상기 금속 나노와이어 또는 상기 금속 전극의 증착 두께를 조절함으로써 상이하게 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오센서 제작방법.
제 1 항 또는 제 8 항에 의한 바이오센서를 이용하여 주입되는 샘플로부터 바이오 물질을 검출하는 바이오 디스크 시스템.
제 17 항에 있어서,

상기 바이오센서는 CD-ROM, DVD, 바이오 CD 또는 바이오 DVD와 같은 박막 형태의 디스크형 몸체에 배치되는 것을 특징으로 하는 바이오 디스크 시스템.