고감도 실리콘 나노선-트랜지스터 결합…"기존 대비 신호변화량 25만 배↑"

국내 연구진이 잡음비 대비 높은 신호를 가지는 고감도 반도체 바이오센서 신기술을 개발했다.

최성진 국민대 교수, 김동명 국민대 교수, 김대환 국민대 교수, 최양규 KAIST 교수, 이지은 예일대 박사후연구원이 참가한 공동 연구팀은 잡음 환경 속 효율적으로 작동하는 고감도 반도체 바이오센서를 개발했다고 6일 밝혔다.

최근 반도체를 나노미터 수준에서 다루는 기술이 발전하며 반도체 소자를 기반으로 한 바이오 센서 개발이 활발하다.

반도체 소자 기반 바이오센서는 민감도와 잡음에 대한 문제가 중요하다. 효율적인 바이오센서는 잡음 환경 속에서도 생체분자에 대한 높은 민감도가 유지되도록 설계돼야 한다.

미세량 생체분자 검출 시 바이오센서에서 발생하는 전류의 작은 변화량을 잡음 환경 속에서도 뚜렷하게 구별할 수 있는 능력을 갖춰야 한다는 것을 의미한다.

실리콘 나노선-트랜지스터 결합 바이오센서의 구성도와 전자현미경 사진.<사진=연구팀 제공>
실리콘 나노선-트랜지스터 결합 바이오센서의 구성도와 전자현미경 사진.<사진=연구팀 제공>

연구팀은 실리콘 나노선과 별도의 트랜지스터를 기존 반도체 금속 배선 공정 기술을 접합해 미세량의 생체분자 검출 시 바이오센서의 전류 변화량을 기존 대비 약 20만 배 증가시킨 실리콘 나노선-트랜지스터 결합 바이오센서를 개발했다.

연구팀은 센서 역할을 하는 실리콘 나노선에 신호를 증폭하는 트랜지스터를 붙이는 방식으로 고감도 바이오 센서를 만들었다.

실리콘 나노선에 흐르는 미세한 전류 변화량이 금속 배선 공정을 통해 접합된 트랜지스터의 게이트 전극에 축적되는 전하량을 미세하게 변화시킨다.

전하량의 변화는 미세하지만, 소스와 드레인 전극 사이를 흐르는 전류의 양을 기하급수적으로 조절하는 트랜지스터의 게이트 전극의 역할에 착안했다.

기존 실리콘 나노선 pH 센서에서 흐르는 작은 전류량의 변화 대신, 트랜지스터에서 흐르는 전류의 큰 변화로 변환해 그 크기를 약 25만 배 증폭시켰다. 이로써 미세량의 생체분자 검출이 가능하다.

최성진 교수는 "실리콘 나노선-트랜지스터 결합 바이오센서는 표준 반도체 설계 및 공정 기술을 기반으로 소자를 제작하기 때문에 실용화 가능성을 더욱 높일 것"이라며 "여러 종류의 반도체 센서에도 원리 적용이 가능하기에 활용도가 클 것으로 예상된다"고 말했다.

한편, 연구 결과는 생물, 물리, 화학 등을 다루는 과학·기술 학술지인 '사이언티픽리포트'(Scientific Reports) 온라인판에 7월 21일 자로 게재됐다.

저작권자 © 헬로디디 무단전재 및 재배포 금지