이중 게이트 구동을 통한 확장 게이트 전계효과트랜지스터 바이오센서의 민감도 향상 연구

국문 초록 (Abstract)

바이오마커를 신속하고 정확하게 검출·정량화하기 위한 바이오센서의 수요가 증가함에 따라, 전계 효과 트랜지스터(Field-Effect-Transistor, FET) 기반 바이오센서가 높은 감도, 빠른 응답, 비표지(label-free) 검출, 저비용 등의 장점으로 주목받고 있다. FET 바이오센서는 분석물의 전하 변화를 전기적 신호로 변환하여 pH, 포도당, 단백질 등 다양한 생체 분석에 활용된다.
최근에는 감도 향상을 위한 전기적 증폭 전략으로 이중 게이트(Dual-gate, DG) 구조가 주목받고 있다. 두 게이트 간의 정전용량 결합(capacitive coupling) 효과를 통해 문턱전압(threshold voltage)의 변화를 증폭시켜 감도를 향상할 수 있으며, 별도의 표면 구조 변형 없이도 신호 증폭이 가능하다.
본 연구에서는 이중 게이트 구동을 적용한 확장 게이트 전계 효과 트랜지스터(Extended-Gate FET, EG-FET) 기반 바이오센서를 제작하여 pH, 포도당, Tau 단백질의 감도를 평가하였다. 특히, pH 센서의 경우 이중 게이트 구동을 통해 네른스트 한계(Nernst limit, 59.16 mV/pH)를 초과하는 감도를 달성하였으며, 전체적으로 단일 게이트 구조 대비 약 4배 향상된 감도와 낮은 검출한계(limit of detection, LOD)를 보였다. 이러한 성능 향상은 두 게이트 간 정전용량 결합으로 자연적으로 유도된 전압 증폭 효과에 기인한다. 본 연구는 전기적 이중 게이트 구동을 통한 고감도 FET 바이오센서 설계 전략을 제시하며, 차세대 의료 진단 및 현장 분석 기술로의 응용 가능성을 보여준다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As the demand for rapid and accurate detection of biomarkers continues to grow, field-effect transistor (FET)-based biosensors have attracted significant attention due to their high sensitivity, fast response, label-free operation, and low-cost fabrication. These devices convert charge variations induced by target analytes into electrical signals, enabling versatile detection of pH, glucose, proteins, and other biologically relevant molecules. Recently, the dual-gate (DG) architecture has emerged as an effective electrical amplification strategy for enhancing the sensing capability of FET biosensors. By exploiting the capacitive coupling between the two gates, DG structures amplify threshold-voltage modulation without requiring additional surface modification, thereby improving signal transduction efficiency. In this study, we developed an extended-gate FET (EG-FET) biosensor incorporating dual-gate operation and evaluated its performance in detecting pH, glucose, and Tau protein. The pH sensor demonstrated a sensitivity exceeding the theoretical Nernst limit (59.16 mV/pH) and exhibited approximately fourfold enhancement in sensitivity and a reduced limit of detection (LOD) compared to single-gate operation. These improvements originate from the intrinsic voltage amplification generated through dual-gate capacitive coupling. Overall, this work presents an effective designstrategy for high-performance FET-based biosensors using purely electrical dual-gate modulation, highlighting their potential for next-generation medical diagnostics and point-of-care applications.These improvements originate from the intrinsic voltage amplification generated through dual-gate capacitive coupling. Overall, this work presents an effective designstrategy for high-performance FET-based biosensors using purely electrical dual-gate modulation, highlighting their potential for next-generation medical diagnostics and point-of-care applications.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 전해질 게이트 트랜지스터 3
• 1.3 확장 게이트 트랜지스터 5
• 1.4 여러 바이오센서 작동 원리 8
• 1.4.1 pH 센서 8
• 1.4.2 포도당 센서 11
• 1.4.3 Tau 단백질 센서 13
• 1.5 이중 게이트 FET 기반 센서의 민감도 증폭 원리 17
• 1.5.1 정전용량 결합(Capacitive coupling) 메커니즘 17
• 1.5.2 DG 구조의 센싱 성능 한계 극복 효과 20
• 2. 실험방법 21
• 2.1 기기 및 시약 21
• 2.2 전계효과트랜지스터 제작 23
• 2.3 전해질 게이트 구동을 위한 전극의 passivation 26
• 2.4 PDMS 우물 제작 28
• 2.5 바이오센싱을 위한 감지막 표면 기능화 30
• 2.5.1 pH 감지막 표면 기능화 30
• 2.5.2 포도당 감지막 표면 기능화 32
• 2.5.3 Tau 단백질 감지막 표면 기능화 34
• 3. 본론 36
• 3.1 확장 게이트 트랜지스터의 이중 게이트 구동 연구 36
• 3.1.1 연구방향 36
• 3.1.2 전극 passivation 검증 37
• 3.1.3 확장 게이트 트랜지스터 전기적 특성 분석 39
• 3.1.4 단일 게이트와 이중 게이트 특성 분석 41
• 3.1.5 Capacitive coupling 효과 분석 43
• 3.2 이중 게이트 구동을 통한 확장 게이트 트랜지스터 기반 pH 센서 연구 45
• 3.2.1 연구방향 45
• 3.2.2 pH 민감도 비교 46
• 3.2.3 신뢰성 측정(Hysteresis test) 48
• 3.2.4 안정성 측정(Drift test) 50
• 3.3 이중 게이트 구동을 통한 확장 게이트 트랜지스터 기반 포도당 센서 연구 52
• 3.3.1 연구방향 52
• 3.3.2 포도당 검출 민감도 비교 53
• 3.3.3 선택성 측정(Selectivity test) 56
• 3.4 이중 게이트 구동을 통한 확장 게이트 트랜지스터 기반 Tau 단백질 센서 연구 58
• 3.4.1 연구방향 58
• 3.4.2 Tau 단백질 검출 민감도 비교 59
• 3.4.3 선택성 측정(Selectivity test) 61
• 4. 결론 63
• 참고문헌 64
• Abstract 67