표면 구조가 설계된 감지막을 이용한 고감도 확장 게이트 전계효과트랜지스터 바이오센서

국문 초록 (Abstract)

생체 분자의 신속하고 민감한 검출은 질병 진단, 약물 개발, 바이러스 검출 및 개인 건강 모니터링 등 다양한 분야에서 핵심적인 역할을 수행한다. 이에 따라 질병의 존재를 나타내는 바이오마커를 정량적으로 검출할 수 있는 고성능 바이오센서가 주목받고 있으며 그중 전계 효과 트랜지스터(Field-Effect Transistor, FET)기반 바이오센서는 높은 감도, 빠른 응답, 라벨링이 불필요한(label-free) 검출, 저비용 등의 장점으로 차세대 진단 플랫폼으로 주목받고 있다. 특히 감지 영역의 표면 구조를 조절해 표면적과 오목한 구조를 증가시키는 전략은 바이오센서의 감도를 향상시키고, 전해질 환경에서 발생하는 Debye Screening 한계를 완화할 수 있는 효과적인 접근법으로 제시된다.
본 연구에서는 표면 구조가 설계된 확장 게이트 전계 효과 트랜지스터(Extended-Gate FET, EG-FET)를 제작하여 이러한 구조적 접근의 효과를 검증하였다. 감지막은 용액 공정 기반 Nanoimprint lithography (NIL)로 제작되어 재현성과 대면적 공정이 가능함을 확인하였으며, Flat, Stripe, Grid 구조로 설계해 표면적과 오목한 구조가 점진적으로 증가하도록 하였다. 그 결과, pH 및 포도당 검출에서 표면적이 증가할수록 감도가 향상되었고, 오목한 구조가 많은 감지막에서는 전기 이중층(Electrical Double Layer, EDL) 형성이 억제되어 Debye screening이 완화되며 저농도의 Tau 단백질 검출이 가능함을 확인하였다. 본 연구의 표면 구조가 설계된 EG-FET 바이오센서는 현장 진단(Point-of-care) 및 의료 모니터링 응용에 높은 잠재력을 지님을 보여준다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As the demand for quantitative detection of biomarkers for disease diagnosis and personal health monitoring continues to grow, field-effect transistor (FET)-based biosensors have attracted significant attention due to their advantages of high sensitivity, rapid response, label-free detection, and excellent selectivity. In particular, the extended-gate FET (EG-FET), in which the sensing membrane is separated from the transistor, offers several benefits, including reusability of the FET transducer, elimination of additional passivation processes, and increased freedom in sensor design. However, because FET biosensors operate in electrolyte environments, their sensitivity is often degraded under high-ionic-strength conditions due to Debye screening caused by the electrical double layer (EDL).
To overcome this limitation, this study introduces a surface-structure-engineering strategy in which concave structures are incorporated into the EG-FET sensing membrane to enhance the sensor’s performance.
The surface structures were reproducibly fabricated using solution-processed nanoimprint lithography(NIL), and stable pattern formation was demonstrated even on a 4-inch wafer, confirming the potential for wafer-scale fabrication. As the surface transitioned from Flat to Stripe to Grid structures, the effective surface area increased accordingly, which led to improved sensing performance for pH, glucose, and Tau protein detection.
Across all sensing systems, the sensitivity consistently increased from Flat to Stripe to Grid structures, and both the glucose and Tau protein sensors exhibited low limits of detection(LoD). Moreover, reductions in EDL capacitance measured for these surface structures confirmed the extension of the Debye length resulting from EDL mitigation provided by the engineered geometries.
These findings demonstrate that surface-structure-engineered EG-FET biosensors offer enhanced sensitivity and strong reliability, highlighting their substantial potential for future point-of-care diagnostics and continuous health-monitoring applications.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 Extended-Gate Field-Effect Transistor 바이오센서 2
• 1.2.1 Field-Effect Transistor 바이오센서 2
• 1.2.2 Extended Gate-FET 바이오센서 4
• 1.3 EG-FET 기반 바이오센서 원리 6
• 1.3.1 pH 센서 6
• 1.3.2 포도당 센서 9
• 1.3.3 Tau 단백질 센서 11
• 1.4 EG-FET 기반 바이오센서의 한계 13
• 1.5 EG-FET 감지막 표면 구조 설계 16
• 2. 실험방법 18
• 2.1 기기 및 시약 18
• 2.2 Field-effect transistor(FET) 제작 20
• 2.3 감지막 표면 구조 조절 23
• 2.3.1 표면 patterning을 위한 도장 제작 23
• 2.3.2 표면 구조를 조절한 감지막 제작 25
• 2.3.3 EDL Capacitance 측정용 기판 제작 27
• 2.4 PDMS 우물 제작 29
• 2.5 감지막 표면 기능화 31
• 2.5.1 pH 검출용 감지막 표면 기능화 31
• 2.5.2 포도당 검출을 위한 감지막 표면 기능화 33
• 2.5.3 Tau 단백질 검출을 위한 감지막 표면 기능화 35
• 3. 본론 37
• 3.1 Extended-gate field-effect transistor 연구 37
• 3.1.1 연구방향 37
• 3.1.2 유전체, 반도체 전기적 특성 분석 38
• 3.1.3 EG-FET 전기적 특성 분석 40
• 3.2 감지막 분석 연구 42
• 3.2.1 연구방향 42
• 3.2.2 표면 morphology 분석 43
• 3.2.3 감지막 전기적 특성 분석 46
• 3.2.4 감지막 재현성, 대면적 제작 48
• 3.2.5 감지막 EDL Capacitance 분석 50
• 3.3 EG-FET 기반 pH 센서 연구 52
• 3.3.1 연구방향 52
• 3.3.2 pH 민감도 비교 53
• 3.3.3 신뢰성 측정(Hysteresis test) 55
• 3.3.4 안정성 측정(Drift test) 57
• 3.4 EG-FET 기반 포도당 센서 연구 59
• 3.4.1 연구방향 59
• 3.4.2 포도당 검출 민감도 비교 60
• 3.4.3 선택성 측정(Selectivity test) 62
• 3.5 EG-FET 기반 Tau 단백질 센서 연구 64
• 3.5.1 연구방향 64
• 3.5.2 Tau 단백질 검출 민감도 비교 65
• 3.5.3 선택성 측정(Selectivity test) 68
• 4. 결론 70
• 참고문헌 71
• Abstract 75