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KR102573785B1 - 그래핀을 기반으로 한 fet 바이오 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

그래핀을 기반으로 한 fet 바이오 센서 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR102573785B1
KR102573785B1 KR1020210098439A KR20210098439A KR102573785B1 KR 102573785 B1 KR102573785 B1 KR 102573785B1 KR 1020210098439 A KR1020210098439 A KR 1020210098439A KR 20210098439 A KR20210098439 A KR 20210098439A KR 102573785 B1 KR102573785 B1 KR 102573785B1
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Abstract

본 발명은 그래핀을 기반으로 한 FET 바이오 센서 및 그 제작 방법에 관한 것이다. 상기 FET 바이오센서는, 표면에 Cu층이 형성된 기판; 상기 기판위에 서로 이격 배치된 소스와 드레인; 상기 기판위에 배치되되, 상기 소스와 드레인의 사이에 배치된 그래핀; 상기 그래핀의 일측에 배치된 게이트; 내부에 바이오마커가 충진되어 상기 그래핀의 상부에 탑재된 바이오마커 고정용 지그;를 구비하며, 상기 바이오마커 고정용 지그는, 플라스틱 재질 또는 금속 재질로 이루어진 본체; 본체의 표면에 도금 처리된 제1 박막층; 및 상기 제1 박막층에 그래핀이 증착되어 형성된 제2 박막층;을 구비한다. 본 발명에 따른 FET 바이오센서는 소형화가 가능하며, 고성능의 신속 정확한 진단이 가능하다.

Description

그래핀을 기반으로 한 FET 바이오 센서 및 그 제조 방법{FET biosensor based on graphene and the method of fabricating the FET biosensor}
본 발명은 그래핀을 기반으로 한 바이오 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 소스, 드레인 및 게이트로 이루어진 FET 구조에 소스와 드레인의 사이에 그래핀 기반의 채널을 형성하고, 그 위에 바이오마커가 충진된 지그를 탑재하여 완성된 FET 바이오 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
바이오 센서는 생물학적 요소로부터 발생한 분석 물질 또는 분석 물질과 생물학적 요소의 상호작용을 물리적 또는 화학적 신호 변환기를 통해 검출하는 분석 장치를 일컫는다. 바이오센서는 분석 물질의 검출을 위한 바이오 수용체(Bio-receptor) 부분, 분석 물질-바이오 수용체 간의 상호 작용을 물리적 및 화학적 신호로 검출하는 센서(Sensor) 부분, 얻어낸 신호를 전기적 신호로 변환 및 증폭하는 변환기(Transducer) 부분으로 크게 볼 수 있다. 전술한 바이오 수용체로는 조직, 세포, 효소, 항체, 핵산 등이 있고, 생물 공학 기술을 이용하여 기존 생물학적 요소를 모방하거나 구조와 기능을 개선하여 사용하기도 한다.
센서에서 활용하는 검출 방식으로는 여러 물리/화학적 기술을 이용하며, 광학, 전기 화학적, 압전성 등이 있다. 최근에는 목적성에 따라 저렴한 가격, 휴대성, 초소형, 높은 신호대잡음비, 넓은 검출 한계, 다중 검출 기능 등을 갖춘 다양한 형태의 바이오 센서에 대한 개발이 활발하게 진행되고 있다.
한편, 변환기로는 전도성 고분자 나노 입자나 튜브, 카본나노라드, 그래핀 등과 같은 전도성 나노 구조체, 형광 구조체 등이 있으며, 최근 그래핀에 대한 연구가 증대됨에 따라 그래핀의 우수한 성능들이 보고되고 있다.
또한, 전술한 바이오센서들의 감지 방법은 측정하는 신호와 종류 및 방법에 따라 크게 광 에너지 전이/변환 및 전기 변환 방식들로 나뉘어진다. 특히, 전기 변환 방식 중 하나를 사용하는 전계유발 효과 트랜지스터(Field-Effect Transistor;이하 'FET'라 한다) 기반 바이오센서 장치는 소형화, 대량 생산, 단일세포, 단분자 분석, 실시간 관찰 및 공정 과정이 저렴하다는 장점을 가지고 있어 활발하게 연구되고 있는 실정이다.
최근, 생명공학의 바이오 마커의 기술이 발달됨에 따라, 바이오 마커에 의해 특정되는 전기적 신호를 인식 및 증폭하여 검사 및 진단할 수 있는 전자 센서의 기술이 현실화되고 있다. 이와 함께, 가정내 방역 시스템을 제공하기 위하여, 가정내 질병 진단에 대한 요구가 증대되고 있는 실정이다. 따라서, FET 바이오 센서가 고성능의 정확한 진단이 가능한 가정내 질병 진단을 위한 도구로서 사용될 수 있으며, 이에 대한 상용화가 시급하게 요구되고 있다.
한편, 바이오 마커에서 특정된 전기적 신호를 FET 기반의 바이오 센서에 전달하기 위하여, 그래핀을 이용한 PCB 모듈에 전달하는 방법이 가장 효율적이며 상용화시에 소형화가 가능할 뿐만 아니라 제작 비용을 감소시킬 수 있다. 하지만, 그래핀과 PCB 모듈의 전기적 연결을 위하여 통상적으로 금 와이어 본딩(Gold Wire-bonding)으로 이루어지게 되는데, 이 경우 그래핀과 PCB 모듈간의 접합의 신뢰성을 충분히 보장하기 어려운 문제가 발생한다. 이는, 금 와이어 본딩의 신뢰성을 확보하기 위하여, 접합 부문 표면의 금 도금부분의 두께가 적어도 일정하게 1-2㎛을 유지하여야 하나, 일반적으로 더미 실리콘 기판위에 그래핀을 증착후 Cr/Au 증착을 하므로 두께가 ㎚ 수준이 되기 때문에, 신뢰성을 확보할 수 없게 되는 것이다.
또한, 그래핀을 증착하는 기존의 방식은 그래핀 증착을 위한 촉매역할을 하는 구리 박막 필름에 그래핀을 증착시킨 후, 더미 실리콘 기판위에 전사시키게 된다. 이러한 그래핀 증착 방법은 그 공정이 복잡하고, 전사 공정이 용이하지 않은 문제점이 내포되어 있다.
한국등록특허공보 제 10-2059811호
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 그래핀을 인쇄회로기판 소재위에 직접 증착하여 제작할 수 있는 바이오 센서 제작 방법 및 이에 의하여 제작된 그래핀 기반의 FET 바이오 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제1 특징에 따른 그래핀 기반의 FET 바이오 센서는, 에폭시 수지층의 표면에 Cu 박막층이 형성된 기판; 상기 기판위에 서로 이격 배치된 소스와 드레인; 상기 기판위에 배치되되, 상기 소스와 드레인의 사이에 배치된 그래핀; 상기 그래핀의 일측에 배치된 게이트; 내부에 바이오마커가 충진되어 상기 그래핀의 상부에 탑재된 바이오마커 고정용 지그; 상기 그래핀 및 상기 바이오마커 고정용 지그를 덮을 수 있도록 구성되고, 상부면에는 상기 지그의 상면을 노출시키기 위한 개구부가 형성된 액체 시료 검사용 덮개;를 구비한다.
전술한 제1 특징에 따른 그래핀을 기반으로 한 FET 바이오 센서에 있어서, 상기 기판은 인쇄회로기판으로 구성된 것이 바람직하다.
전술한 제1 특징에 따른 그래핀을 기반으로 한 FET 바이오 센서에 있어서, 상기 바이오마커 고정용 지그는, 플라스틱 재질 또는 금속 재질로 이루어진 본체; 본체의 표면에 도금 처리된 제1 박막층; 및 상기 제1 박막층에 그래핀이 증착되어 형성된 제2 박막층;을 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 특징에 따른 그래핀 기반의 FET 바이오센서 제작 방법은, (a) 표면에 Cu 박막층이 형성된 기판을 준비하는 단계; (b) 기판의 표면에 사진 식각 공정을 이용하여 패터닝한 후, 소스, 드레인, 게이트를 형성하는 단계; (c) 그래핀 증착 부위의 감광 필름을 박리하여 그래핀을 증착하는 단계; (d) 바이오마커가 충진된 바이오마커 고정용 지그를 제작하는 단계; (e) 바이오마커 고정용 지그를 그래핀위에 탑재하여 고정시키는 단계; (f) 바이오마커 고정용 지그의 상부에 액체시료 검사용 덮개를 탑재하는 단계;를 구비한다.
본 발명에 따른 FET 바이오센서는 내부에 바이오마커가 충진된 바이오마커 고정용 지그를 그래핀 위에 탑재하여 고정시킴으로써, 시료에 대하여 간단하면서도 정확한 검사를 할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 FET 바이오센서는 인쇄 회로 기판의 구리 박막층을 이용하여 배선을 형성하고, 그 위에 그래핀을 증착시킴으로써, 기존의 전사 공정을 사용하지 않고 구리 박막층의 전극을 그대로 사용할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그래핀 기반의 FET 바이오 센서를 도시한 사시도이다.
도 2는 바이오마커가 탑재되지 않은 FET 바이오 센서에 대한 평면도 및 A-A 방향에 대한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그래핀 기반의 FET 바이오 센서에 있어서, 바이오 마커 고정용 지그를 도시한 단면도 및 평면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그래핀 기반의 FET 바이오 센서에 있어서, 바이오 마커 고정용 지그의 내부에 충진될 수 있는 바이오마커들을 예시적으로 도시한 모식도이다.
도 5은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그래핀 기반의 FET 바이오 센서에 있어서, 액체시료 검사용 덮개를 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그래핀 기반의 FET 바이오 센서의 제작 과정을 도시한 흐름도이며, 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그래핀 기반의 FET 바이오 센서의 제작 과정의 각 공정별 단면도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그래핀 기반의 FET 바이오 센서의 구조와 동작 및 그 제조 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그래핀 기반의 FET 바이오 센서를 도시한 사시도이며, 도 2는 바이오마커가 탑재되지 않은 FET 바이오 센서에 대한 평면도 및 A-A 방향에 대한 단면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 그래핀 기반의 FET 바이오 센서(10)는, 기판(100), 상기 기판위에 서로 이격 배치된 소스와 드레인(110, 120), 상기 기판위에 배치되되, 상기 소스와 드레인의 사이에 배치된 그래핀(130), 상기 그래핀의 일측에 배치된 게이트(140), 상기 그래핀의 상부에 탑재된 바이오마커 고정용 지그(150) 및 액체시료 검사용 덮개(160)를 구비한다.
상기 기판(100)은 본체(101)의 표면에 구리(Cu) 박막층(102)이 형성된 인쇄회로기판으로 구성되며, 상기 기판의 본체는 에폭시 계열의 수지층과 유리 섬유의 적층판, 실리콘, 유리, 기타 수지 재질의 필름 등으로 구성될 수 있다. 상기 기판의 구리 박막층은 포토 리소그래피 공정을 통해 패터닝되어 금속 배선을 구성할 수 있다.
상기 소스(110), 드레인(120), 게이트(140)는 상기 기판의 패터닝된 Cu 박막층(102)위에 전해 또는 무전해 방식의 금도금(112)으로 형성된 단자들로 이루어지며, 그 두께는 0.01㎛-20㎛으로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 금도금의 하지층(111)은 니켈(Ni) 도금 또는 크롬(Cr) 도금에 의해 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그래핀 기반의 FET 바이오 센서에 있어서, 바이오 마커 고정용 지그를 도시한 단면도 및 평면도이다. 도 3을 참조하면, 상기 바이오마커 고정용 지그(150)는 사각형, 오각형, 삼각형, 원형, 타원형 등의 형태로 구성되어, 그래핀(130) 위에 탑재될 수 있다. 상기 바이오마커 고정용 지그의 본체는 PP, PE, PET 등과 같은 플라스틱 재질 또는 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 알루미늄(Al)의 재질로 제작되며, 내부에 바이오마커 물질들이 충진될 수 있도록 구성된다. 한편, 상기 바이오마커 고정용 지그는 본체의 표면에 제1 박막층 및 제2 박막층을 더 구비하는 것이 바람직하다. 상기 제1 박막층은 바이오마커가 충진되는 고정용 지그의 본체의 내부 표면에 구리, 니켈, 크롬, 금, 백금 등의 도금 처리하여 완성되며, 상기 제2 박막층은 상기 제1 박막층의 표면에 그래핀을 증착하여 완성된다. 이와 같이, 바이오마커 고정용 지그는 충진된 바이오마커와 맞닿는 표면에 그래핀 재질의 제2 박막층을 형성함으로써, 바이오마커와 그래핀의 반응 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그래핀 기반의 FET 바이오 센서에 있어서, 바이오 마커 고정용 지그의 내부에 충진될 수 있는 바이오마커들을 예시적으로 도시한 모식도이다.
도 5은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그래핀 기반의 FET 바이오 센서에 있어서, 액체시료 검사용 덮개를 도시한 사시도이다. 도 5를 참조하면, 상기 액체시료 검사용 덮개(160)는 상기 그래핀 및 상기 지그를 덮을 수 있도록 구성되고, 상부면에는 지그의 상부면을 노출시키기 위한 개구부(162)가 형성된다. 상기 액체시료 검사용 덮개는 사각형, 오각형, 삼각형, 원형, 타원형 등의 형태로 구성되며, 방수를 위한 실링 처리를 하는 것이 바람직하다.
이하, 도 6 및 도 7을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그래핀 기반 FET 바이오 센서의 제작 과정에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그래핀 기반의 FET 바이오 센서의 제작 과정을 도시한 흐름도이며, 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그래핀 기반의 FET 바이오 센서의 제작 과정의 각 공정별 단면도들이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 먼저, 기판(100)을 준비한다(단계 600/ 도 7의 (a)). 상기 기판은 에폭시 수지층으로 이루어진 본체(101)위에 구리(Cu) 박막층(102)이 도포된 인쇄회로기판이 사용될 수 있다.
다음, 사진식각공정을 이용하여 기판의 구리박막층을 패터닝하여 금속 배선을 형성한 후, 금속 배선위의 소정 영역에 소스, 드레인, 게이트를 형성한다(단계 610). 소스, 드레인 및 게이트를 형성하는 과정을 보다 구체적으로 설명하면, 기판의 CU 박막층(102)위에 UV 감광액 또는 감광필름(103)을 도포한 후(도 7의 (b)), 소스, 드레인, 게이트에 해당하는 영역을 UV 차단 필름(104)으로 마스킹하고 UV 노광처리한 후(도 7의 (c)), 식각하여 패터닝하여 소스, 드레인, 게이트가 될 영역들을 노출시키고(도 7의 (d), 노출된 영역들에 Ni도금(111) 및 Au 도금(112)을 순차적으로 처리함으로써(도 7의 (e)) 기판에 소스, 드레인, 게이트를 각각 형성하게 된다.
다음, 소스와 드레인의 사이의 영역의 감광 필름을 박리하여, 그래핀이 증착될 영역('a')에 대응되는 기판의 Cu 박막층을 노출시킨 후(단계 620/도 7의 (f)), 노출된 Cu박막층의 표면에 그래핀(130)을 증착한다(단계 630/ 도 7의 (g)).
다음, 바이오마커가 충진된 바이오마커 고정용 지그(150)를 그래핀(130)의 표면에 고정한 후(단계 640 / 도 7의 (h)), 바이오마커 고정용 지그에 액체시료 검사용 덮개(160)를 탑재한다(단계 650 / 도 7의 (i)).
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 그래핀 기반의 FET 바이오 센서
100 : 기판
110 : 소스
120 : 드레인
130 : 그래핀
140 : 게이트
150 : 바이오마커 고정용 지그
160 : 액체시료 검사용 덮개

Claims (5)

  1. 표면에 패터닝된 Cu층을 구비하는 기판;
    상기 기판의 Cu층위에 서로 이격 배치된 소스와 드레인;
    상기 기판의 Cu층위에 배치되되, 상기 소스와 드레인의 사이에 배치된 그래핀;
    상기 기판의 Cu층위에 배치되되, 상기 그래핀의 일측에 배치된 게이트; 및
    내부에 바이오마커가 충진되어 상기 그래핀의 상부에 탑재된 바이오마커 고정용 지그;를 구비하고,
    상기 바이오마커 고정용 지그는,
    플라스틱 재질 또는 금속 재질로 이루어지고 내부에 바이오마커를 충진할 수 있도록 구성된 본체;
    바이오마커가 충진될 본체의 내부 표면에 도금 처리되어 형성된 제1 박막층; 및
    상기 제1 박막층의 표면에 그래핀이 증착되어 형성된 제2 박막층;
    을 구비하여, 바이오마커 고정용 지그에 충진된 바이오마커가 접촉되는 제2 박막층의 표면은 그래핀인 것을 특징으로 한 그래핀을 기반으로 한 FET 바이오 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 FET 바이오 센서는,
    상기 그래핀 및 상기 바이오마커 고정용 지그를 덮을 수 있도록 구성되고, 상부면에는 상기 지그의 상면을 노출시키기 위한 개구부가 형성된 액체 시료 검사용 덮개;를 더 구비하는 것을 특징으로 한 그래핀을 기반으로 한 FET 바이오 센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기판은 인쇄회로기판으로 구성된 것을 특징으로 한 그래핀을 기반으로 한 FET 바이오 센서.
  4. 삭제
  5. (a) 에폭시 수지 표면에 Cu층이 형성된 기판을 준비하는 단계;
    (b) 기판의 표면에 사진 식각 공정을 이용하여 Cu층을 패터닝하여 금속 배선을 형성한 후, 소스, 드레인, 게이트를 형성하는 단계;
    (c) 그래핀 증착 부위의 감광 필름을 박리한 후, 그래핀을 증착하는 단계;
    (d) 바이오마커가 충진된 바이오마커 고정용 지그를 제작하는 단계;
    (e) 바이오마커 고정용 지그를 그래핀위에 탑재하여 고정시키는 단계; 및
    (f) 바이오마커 고정용 지그의 상부에 액체시료 검사용 덮개를 탑재하는 단계;를 구비하고,
    상기 (d) 단계는,
    플라스틱 재질 또는 금속 재질로 이루어지고 내부에 바이오마커를 충진할 수 있도록 구성된 바이오마커 고정용 지그의 본체를 제작하고, 바이오마커 고정용 지그의 본체의 내부 표면에 도금 처리하여 제1 박막층을 형성하고, 상기 제1 박막층의 표면에 그래핀을 증착하여 제2 박막층을 형성하는 것을 특징으로 하는 그래핀 기반의 FET 바이오센서 제작 방법.

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