바이오인

핵심내용

고감도 반도체 바이오센서 신기술 개발   
- 반도체 바이오센서 기술 개발 더욱 탄력 붙을 것으로 기대 -

□ 미래창조과학부(장관 최양희)와 한국연구재단(이사장 정민근)은 “국내 연구진이 잡음비 대비 높은 신호를 가지는 고감도 반도체 바이오센서 신기술을 개발하였다”고 밝혔다. 

□ 최성진 교수, 김동명 교수, 김대환 교수(이상 국민대), 최양규 교수(카이스트), 이지은 박사(예일대 박사후연구원) 등은 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하고 있는 기초연구사업(신진연구자지원)을 통해 잡음 환경 속에서 효율적으로 작동하는 고감도의 반도체 바이오센서를 개발하기 위한 공동 연구를 수행하였다. 이번 연구의 결과물은 생물, 물리, 화학 등을 다루는 권위 있는 과학 및 기술 학술지인 사이언티픽리포트(Scientific Reports) 온라인판 7월 21일 자에 게재되었다.

○ 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
  - 논문명: A Highly Responsive Silicon Nanowire/Amplifier MOSFET Hybrid Biosensor
   - 저자 정보: 이지은(제1저자, 국민대 박사, Yale대 박사 후 연구원), 장재만(공동저자, 국민대 박사과정), 최봉식(공동저자, 국민대 박사과정), 윤진수 (공동저자, 국민대 석사과정), 김지연(공동저자, 카이스트 박사과정), 최양규(공동저자, 카이스트 교수), 김동명(공동저자, 국민대교수), 김대환(공동저자, 국민대교수), 최성진(교신저자, 국민대교수)

□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.

 1. 연구의 필요성

  가. 나노 기술의 발전으로 인해 나노 반도체 소자를 기반으로 한 바이오센서연구에 대한 보고가 매우 활발히 이루어지고 있다. 특히, 컴퓨터 칩 제작에 사용되는 실리콘 반도체 공정 기술에 기반을 둔 1차원 실리콘 나노선 제작과 함께, 이를 바이오센서에 성공적으로 응용한 사례들이 세계적으로 주목을 받고 있다.

  나. 바이오센서로 미세한 양의 생체 분자를 검출하기 위해서는 잡음이 있는 일반적인 환경 속에서도 작은 신호(전류)의 변화를 효과적으로 검출해야 한다. 기존에 다양한 구조의 반도체 소자로 이루어진 바이오센서가 개발되었지만, 모두 잡음 환경 속에서 고감도의 성능을 구현하는 데 한계가 있었다. 이를 해결하기 위해서는 개발된 센서에 신호 증폭을 위한 별도의 복잡한 회로를 붙여야 했기 때문에 부피가 커지고 추가적인 비용이 발생했다. 
    ＊ 생체분자: 검출하고자 하는 항원, 항체 등의 바이오물질.

 2. 개발 원리: 실리콘 나노선에서 검출하고자 하는 미세한 양의 생체 분자가 선택적으로 흡착되면 나노선을 흐르는 전류가 미세하게 변화하게 된다. 실리콘 나노선과 별도의 트랜지스터*의 게이트 전극을 결합시키면, 실리콘 나노선에 흐르는 미세한 전류의 변화를 게이트에 축적되는 전하의 변화로 변환할 수 있게 된다. 그 뒤 게이트 전극의 미세한 전하의 변화가 트랜지스터의 원리에 따라 전류를 매우 크게 변환시킬 수 있다. 
    * 트랜지스터: 일반 컴퓨터칩 등에 사용되는 반도체 소자로, 3개의 전극(게이트, 소스, 드레인)으로 구성되어 있으며, 게이트 전극을 통해 소스와 드레인 전극 사이를 흐르는 전류를 기하급수적으로 증폭시킬 수 있음.

3. 연구 성과: 개발한 바이오센서에서 나노선과 결합된 트랜지스터는 전류 변화를 약 25만 배 증폭시킬 수 있어 잡음 대비 높은 신호 전달력을 달성할 수 있기 때문에, 고감도의 바이오센서 구현이 가능하다. 또한 별도의 바이오 신호 증폭을 위한 복잡한 회로도 필요하지 않다. 

□ 한편, 이번 연구에 참여한 최성진 교수는 “개발된 표준 반도체 설계 및 공정 기술을 바탕으로 한 실리콘 나노선-트랜지스터 결합 바이오센서는 잡음 환경 속에서도 높은 신호 전달력으로 인해 미세 량의 생체분자를 효율적으로 검출할 수 있다. 이 원리는 향후 다양한 반도체 센서에 적용이 가능하기에 때문에 이번 연구 성과가 갖는 의미는 더욱 크다”고 밝혔다.   

상세내용

 연 구 결 과  개 요

1. 연구배경

  ㅇ 반도체 나노 기술의 발전으로 나노 반도체 소자를 기반으로 한 바이오센서에 대한 보고가 활발히 이루어지고 있다. 특히, 컴퓨터 칩 제작 등에 사용되는 실리콘 반도체 공정 기술을 바탕으로 저차원의 실리콘 나노선 제작과 함께 이를 바이오센서에 성공적으로 응용한 사례들이 세계적으로 주목을 받고 있다. 이는 현재 사용되는 표준 반도체 설계 및 공정 기술을 그대로 사용하기 때문에 추가 비용 투자 없이 쉽게 제작이 가능하고, 실리콘 나노선이 가진 면적 대비 부피의 비가 매우 크기 때문에 미세량의 생체분자를 용이하게 검출할 수 있는 장점 때문이다.
  ㅇ 반도체 소자 기반의 바이오센서의 성능을 거론할 경우, 민감도와 잡음에 대한 이슈가 매우 중요하다. 효율적인 바이오센서는 잡음 환경 속에서도 생체분자에 대한 높은 민감도가 유지되도록 설계되어야 하는데 이는 미세량의 생체분자 검출 시 바이오센서에서 발생하는 전류의 작은 변화량을 잡음 환경 속에서도 뚜렷하게 구별할 수 있는 능력을 가져야 한다는 것을 의미한다. 따라서 실제 바이오센서 제품의 실용화 및 상용화 시에는 미세량의 생체분자 검출이 용이하도록 주변에 별도의 복잡한 회로를 바이오센서와 함께 집적하여 작은 전류의 변화량 증폭 및 잡음비 대비 높은 신호를 가질 수 있도록 해야 한다. 이는 값비싼 미세 반도체 공정 기술이 부가적으로 필요함을 의미한다.

 2. 연구내용

  ㅇ 바이오센서로의 응용이 가능한지 검증하기 위해서는 pH 센서로의 응용을 필수적으로 먼저 살펴보는 것이 중요하다. 이유는 반도체 pH 센서가 바이오센서와 동작 방법이 비슷하고 쉽게 구현이 가능하기 때문에 기본적인 바이오센서의 동작을 예측해 볼 수 있기 때문이다.  반도체 소자 기반의 pH 센서는 이론적으로 pH 1의 변화 당 (예: pH 6에서 pH 7로 변화) 약 60 mV 전압의 변화가 발생하는데 이때 이상적인 반도체 pH 센서의 경우 약 10배의 전류 변화량을 가져오게 된다. 하지만 실제 센서를 제작하여 측정할 경우에는 여러 가지 비이상적인 효과들로 인해 이보다 훨씬 작은 전류 변화량이 관측되고, 잡음 환경 속에서의 pH 미세 변화를 검출하기가 매우 어렵게 된다. 또한 이는 바이오센서로 응용 시 미세량의 생체분자를 검출하기가 어려운 것을 의미한다.

  ㅇ 본 연구에서는 기존에 바이오센서로 널리 응용되던 실리콘 나노선과 별도의 트랜지스터(MOSFET)를 기존 반도체 금속 배선 공정 기술을 통해 접합, 미세량의 생체분자 검출 시 바이오센서의 전류 변화량을 기존 대비 약 20만 배 증가시킨 실리콘 나노선-트랜지스터 결합 바이오센서를 개발하였다. (그림 1 참고) 통상적으로 두 개의 전극으로 구성된 실리콘 나노선 기반의 pH 센서 중 하나의 전극을 반도체 공정 기술을 통해 제작된 트랜지스터 게이트 전극에 금속 배선 반도체 공정 기술로 접합하게 되면, pH 1의 변화 당 전류의 변화량이 기존 실리콘 나노선 기반 pH 센서 대비 약 25만 배 증가시킬 수 있음을 발견하였다.(그림 2 참고)
  ㅇ 동작 원리는 다음과 같다. pH의 변화로 인해 실리콘 나노선에 흐르는 전류가 미세하게 변화하고, 이러한 전류 변화량이 금속 배선 공정을 통해 접합된 트랜지스터의 게이트 전극에 축적되는 전하량을 미세하게 변화시킨다. 비록 전하량의 변화는 미세하지만, 소스와 드레인 전극 사이를 흐르는 전류의 양을 기하급수적으로 조절하는 트랜지스터의 게이트 전극의 역할에 착안하였다. 따라서 기존 실리콘 나노선 pH 센서에서 흐르는 작은 전류량의 변화 대신, 트랜지스터에서 흐르는 전류의 큰 변화로 변환하여 그 크기를 약 25만 배 증폭시켰다. 이로 인해 보다 쉽게 미세량의 생체분자 검출이 가능하다.
  ㅇ 바이오센서로의 응용 가능 평가를 위해 전하가 축적된 분자(charged molecule)도 역시 실험에 사용되었고, 이도 역시 기존 실리콘 나노선 기반 바이오센서 대비 약 45만 배의 전류 변화량을 가질 수 있음을 발견하였다.

3. 기대효과

 ㅇ  본 연구결과를 통해 개발된 실리콘 나노선-트랜지스터 결합 바이오센서는 표준 반도체 설계 및 공정 기술을 기반으로 소자를 제작하기 때문에 실용화 가능성을 더욱 높일 것으로 기대된다. 또한 잡음비 대비 높은 신호를 쉽게 얻을 수 있기 때문에 미세량의 생체 분자를 효율적으로 검출할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 여러 종류의 반도체 센서에도 원리 적용이 가능하기에 그 활용도가 무궁무진 할 것으로 예상된다.

 연 구 결 과 문 답

...................(계속)

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