나노-바이오 센서 기술과 특성

윤여홍(Yeo Heung Yun),허신(Shin Hur),이성철(Seong Cheol Lee) Korean Society for Precision Engineering 2008 한국정밀공학회지 Vol.25 No.11

웰니스 의류에 적용 가능한 바이오센서 동향 연구

김효진 한국디지털정책학회 2017 디지털융복합연구 Vol.15 No.11

기술성장모형에 기반을 둔 기술수준평가 결과 및 시사점

한민규(Min-Kyu Han),김병수(Byoung Soo Kim),유지연(Jiyeon Ryu),변순천(Soon Cheon Byeon) 한국기술혁신학회 2010 기술혁신학회지 Vol.13 No.2

2008년 기술수준평가 대상기술 중 하나인 ‘바이오칩ㆍ센서기술’은 바이오 분야의 중점과학기술로서 세 가지 세부기술로 구성되어있다. 본 평가에서는 앞선 다른 수준평가의 한계를 극복하기 위하여 델파이와 함께 동태적 방법론(기술성장모형)을 분석틀로 사용하였다. 그 결과 바이오칩ㆍ센서기술은 ‘궁극의 기술’을 기준으로 한국 51.5%, 최고선진국(미국) 75.1%, 두 국가의 기술격차는 6.1년으로 분석되었으며, 5년 후에는 각각 60.1%, 78.4%, 4.3년이 될 것으로 예측되었다. 바이오 분야의 다른 기술과 비교했을 때, 해당 기술은 수준격차가 상대적으로 작았으며, 격차 역시 빠르게 좁혀질 것으로 나타났다. 이러한 특징은 세부기술 수준에서도 마찬가지였다. 설문 분석 결과 해당 기술의 강점은 전문인력 및 연구자금의 효과에 기인하는 것으로 나타났으며, 기초지원의 미비가 취약한 측면으로 지적되었다. 그 외에 이 기술이 상대적으로 신흥 분야이며, 집중적인 연구 활동이 이뤄지고 있다는 점 역시 높은 기술 수준의 요인으로 볼 수 있다. 따라서 바이오칩ㆍ센서 기술의 발전을 위해서는 이러한 강점을 더욱 지원하고, 약점을 보완하는 정책 방안이 필요할 것이다. In this paper, we analyze the result of the Technology Level Evaluation of ‘Biochip and biosensor (BB) Technology’ consisted of 3 sub-categorized technologies; biochip sensing (BS), lab on a chip and high-efficient customized health care technology. As an analysis tool, authors used a delphi (a repeated survey) and dynamic methodology with technology growth model to overcome limits of previous evaluations. As a result, levels of BB were evaluated 51.5% (Korea) and 75.1% (US), and the technology gap between two countries was 6.1 yrs. In 2013, these levels were expected to change to 60.1% (Korea), 78.4% (US) and 4.3 yrs, respectively. In comparison with other biotechnology, the gap of BB was smaller and expected to catch up with US faster. In the case of sub-categorized technologies, they showed the smallest gap and would have faster catch-up speed than other sub-categorized technologies in the Biotechnology field. Based on the result of the survey, relative superiority of BB in Korea was originated from competent researchers and research fund, but weak basic science would be weak points. We think that BB’s characteristic as an emerging technology and concentrated research activities on BB are additional strong points. This research proposes the supporting and supplemented points to promote the BB in Korea.

GMR-SV바이오센서를 이용한 적혈구와 붙은 미크론 자성비드 신호 검출 특성 연구

이재연,김문종,이상석 한국물리학회 2014 새물리 Vol.64 No.10

The magnetic properties for the glass/Ta (5 nm)/NiFe (10 nm)/Cu (2.5 nm)/NiFe (5 nm)/FeMn (10 nm)/Ta (5 nm) multilayer structure-type GMR-SV (giantmagneto resistance-spin valve) film deposited by using a dc magnetron sputtering system include a magnetoresistance ratio (MR) of 4.5% and a magnetic sensitivity (MS) of 2.4%/Oe. In order to analyze the magnetic output signal of several magnetic $\mu$-beads attached to RBCs (red blood cells), we fabricated a GMR-SV biosensor having a width of 2 μm ~ 10 μm by using the light lithography process. The magnitude of the output signal for several magnetic beads with diameters of 1 μm attached to RBCs dropped, as recorded by the GMR-SV device, appeared to be 0.25 mV around 0 Oe. This implies that the GMR-SV biosensor can analyze the coupling force between hemoglobin and the magnetic beads and changes in the features of RBCs. Dc 마그네트론 스퍼터링법으로 증착한 Ta (5.0 nm)/NiFe (10 nm)/Cu (2.5 nm)/NiFe (5 nm)/FeMn (10 nm)/Ta (5 nm) 다층구조형 거대자기저항-스핀밸브 (GMR-SV) 박막은 자기저항비 4.5%와 자장감응도 2.4%/Oe 인 자기저항 특성을 가진다. 적혈구에 1 μm 크기 초상자성체 자성비드 여러 개가 붙은 적혈구의 자성특성 신호를 분석할 수 있도록 GMR-SV 박막에 광 리소그래피 공정을 적용하여 1 μm ~ 10 μm 선폭을 갖는 바이오센서를 제작하였다. 적혈구와 붙은 미크론 자성비드를 검출한 출력신호 크기는 0 Oe 부근에서 0.25 mV를 나타냈다. 이것은 헤모글로빈에 붙은 자성비드가 붙은 결합력이나 미크론 크기인 적혈구 모양 변화를 분석하는 GMR-SV 바이오센서로 활용할 수 있으리라 사료된다.

원판 레조네이터를 기반으로 한 바이오센서 설계 및 공정

유제준(Jejun Ryu),최해진(Hae-jin Choi) 대한기계학회 2011 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2011 No.10

A wide range of biosensors is being used for quantifying biological and biochemical processes, which is very important for medical, biological, and biotechnological applications. A high performance and cost effective biosensor is designed using a contour-mode disk resonator (RCDR). This sensor measures tiny biological mass attached on a disk vibrating at a high frequency, producing high quality of output signal at atmospheric pressure. This paper proposes the fabrication process of radial contour-mode disk resonator. To realize the ideal biosensor, it is fabricated by Si and glass wafer. The fabrication steps include photolithography, etching, and deposition to get desired patterns in each fabrication process, followed by bonding process to each desired wafers.

미세전극 패터닝 기술을 이용한 바이오센서 패턴 구현

고정범(Jeong Beom Ko),김형찬(Hyung Chan Kim),양영진(Young Jin Yang),김현범(Hyun Bum Kim),양성욱(Seong Wook Yang),오승호(Seung Ho Oh),도양회(Yang Hoi Doh),최경현(Kyung Hyun Choi) 한국기계가공학회 2016 한국기계가공학회지 Vol.15 No.6

The Biosensor biosensor pattern was developed by via an EHD (electro-hydro-dynamics (EHD) patterning process that was performed under atmospheric pressure at room temperature in a single step. The drop diameter was smaller than nozzle diameter and applied high viscosity conductive ink was applied in the EHD patterning method to provide a clear advantage over the piezo and thermal inkjet printing techniques. The Biosensor’s biosensor’s micro electrode pattern was printed by via a continuous EHD patterning method using 3three- type types of control parameters parameter (input voltage, patterning speed, nozzle pressure). High viscosity (1000 cps) conductive ink with 75 wt% of silver nanoparticles was used for experimentation. The incremental result of impedance of biosensor impedance was measured between the antibody (10 ugμg/ml) to spore (0.1 ng/ml, 10 ng/ml, and 1 ugμg./ml) reaction at frequency 493 MHz frequency.

COVID-19 검출용 바이오센서의 학제적 연구 현황 및 전망

이철호 한국전시산업융합연구원 2022 한국과학예술융합학회 Vol.40 No.5

2019년, 코로나바이러스-19의 출현으로 인하여 전세계 거의 모든 나라는 사회, 경제, 의료, 방역 시스템의 붕괴를 체감하며 인류는 다시 한번 바이러스의 위력에 경악하고 있다. 원인 병원체인 바이러스의 높은 치사율과 전파력 및빈번한 변이체의 출현을 인식한 WHO는 감염병 경보단계 중 최고 위험 단계인 팬데믹을 선언했다. 바이러스의신속한 초기 진단은 COVID-19 확산 방지를 위해 매우중요성하다고 생각된다. 지난 몇 년 동안 COVID-19 진단 키트 개발을 위한 부단한 노력에도 불구하고 POCT 의 현실화에는 아직 갈 길이 멀다고 판단된다. 본 리뷰에서는 바이오센서 분야의 양적 방대함을다 다룰 수 없어 최근 화두가 되고 있는 전기화학 및SPR 현상에 기반을 둔 바이오센서들을 중점적으로다루고자 한다. 전기화학 및 SPR 바이오센서와 같은신기술은 COVID-19 및 다양한 변이체들의 진단에가장 효율적인 것으로 최근 주목받고 있다. 특히, 나노 공학 기술과 연계한 바이오센서의 개발은 극미량의 바이러스를 초고감도로 검출할 수 있는 획기적인수단으로 자리매김할 것이다. 또한, 초첨단 바이오센서의 개발은 생명공학과 전자공학 및 기계공학 등 다양한 분야와의 학제적 연구의 기초적인 플랫폼을 제공할 것으로 사료된다.

NIH/3T3 Cell을 사용한 임피던스 바이오센서의 패턴 너비와 간격에 따른 주파수 의존도

김예은,최지수,강다현,김용준,나지균,권정민,정지용,정재훈,이가영,장문규 한국물리학회 2022 새물리 Vol.72 No.9

This research presents impedance biosensors that can monitor the growth and drug reaction of NIH/3T3 cells in real time through semiconductor processes. Biosensors of 163, 211, 300, and 518 μm were fabricated in four different width/spacings. The change in capacitance with impedance was observed. According to the width and spacing of each sensor, the most sensitive frequency band was determined by measuring the capacitance-frequency through a frequency sweep at 1 k–1 MHz. Results showed that the 163, 211, 300, and 518 μm sensors had sensitive frequency at the range of 411–489, 367–440 and 221–274 kHz, respectively. After that, 1–800 kHz capacitance-time data was measured. The capacitance values were compared with the sensitive frequency range and outside range. The finding showed that the larger the width and spacing of the patterns, the more sensitive the sensors are in the low frequency range. The most accurate capacitance values were measured in the sensitive frequency range. This study showed the importance of frequency selection and the width/spacing design of electrodes relative to the frequency range to improve sensitivity in electrical impedance measurement. 본 연구는 NIH/3T3 세포의 성장 및 사멸과정을 실시간으로 모니터링 할 수 있는 임피던스 바이오센서를 반도체공정을 통하여 제작하였다. 163, 211, 300, 518 μm 로 4가지의 다른 너비/간격으로 제작하였다. 측정되는 임피던스 값에서 정전용량의 변화량을 관찰하였고, 1 k–1 MHz에서 주파수 휩씀을 통해 정전용량-주파수 데이터를 측정하여 각 센서의 너비/간격에 따른 가장 민감한 주파수 영역대를 알 수 있었다. 그 결과 163과 211 μm 센서는 411–489 kHz, 300 μm는 367–440 kHz, 518 μm는 221–274 kHz에서 민감한 주파수 대역을 확인하였다. 이후 1–800 kHz 정전용량-시간 데이터를 측정하였다. 민감한 주파수 범위와 그 범위 외의 정전용량 변화량을 비교하였다. 그 결과 패턴의 너비/간격이 증가할수록 낮은 주파수 영역대에서 민감하다는 것을 확인하였고, 민감한 주파수 영역대에서 측정된 정전용량의 변화량이 가장 정확하게 반영된 것을 관찰하였다. 본 연구는 전기 임피던스 측정 시 민감도 향상을 위하여 측정하는 주파수 선정의 중요성과 측정하는 주파수 영역에 따라 전극의 너비/간격 설계의 필요성을 제시한다.

다중 웰 어레이 바이오센서를 위한 패턴 크기 별 정전용량 변화 분석: ECIS 시스템을 활용한 세포 거동 연구

강다현,김석규,남수권,장문규 한국물리학회 2023 새물리 Vol.73 No.10

ECIS 시스템을 기반으로 하는 바이오센서를 제작하여 NIH/3T3 세포의 성장과정과 퓨로마이신 약물반응에 대한 정전용량을 측정하였다. 이때 센서의 패턴 사이즈의 변화가 정전용량 측정에 미치는 영향을 분석하기 위해 기존 패턴을 기준으로 확대 및 축소하여 바이오센서를 제작하고 측정을 수행하였다. 그 결과 100 kHz 이후에서 측정된 정전용량 변화 데이터가 세포의 구동을 올바르게 반영하였으며, 이는 패턴 사이즈에 관계없이 나타났다. 따라서 패턴사이즈의 변화가 정전용량 측정에 문제가 없음을 확인하고 축소된 패턴을 기준으로 다중 웰 어레이 바이오센서를 제작하였다. 동일한 측정을 수행한 결과 정전용량 변화 개형의 재현성과 웰 간의 데이터 균일성을 확보하였으며, 이를 통해 웰 사이 조건을 변경하여 독립적인 데이터를 동시에 얻는 실험을 진행하거나 3 × 3 등으로 배열하는 패턴의 수를 늘리는 등 다중 웰 바이오센서의 발전 가능성을 확인하였다. A biosensor was fabricated based on the ECIS system to measure the capacitance of NIH/3T3 cells during cell growth and drug reactions. At this time, the biosensors were fabricated by enlarging and reducing the existing pattern to analyze the effect of changing the sensor pattern size on capacitance measurement. Following the capacitance measurement, the capacitance change data, measured at a frequency larger than 100 kHz, correctly reflected the cell state, which occurred regardless of the pattern size. Therefore, the results confirmed that no problems were encountered in measuring capacitance due to pattern size variation, and 3 × 3 array biosensors were fabricated based on the reduced pattern. The same measurement ensured the reproducibility of the capacitance values and uniformity of data between wells.

바이오센서용 3가지 나선형 코일과 이중구조 GMR-SV 소자 제작과 특성 연구

최종구(Jong-Gu Choi),정훈모(Hoon-Mo Jung),이상석(Sang-Suk Lee) 한국자기학회 2017 韓國磁氣學會誌 Vol.27 No.6

We fabricated the GMR-SV device composed of three helical coils, for application as biosensors using by lithography. Ar-ion milling, and lift-off processes. Three different helical coils of Cu films were placed on the center of the GMR-SV with a width of 2 ㎛. A SiO₂ film of 100 nm thick was deposited as a insulating layer so that the center of the lower helical coil layer and the upper layer of coil electrode was separated. When the same dc current of 10 mA was applied to the coils of 2 turn, 3 turn, and 4 turn, the maximum magnetic flux density values at the center z = 0, which is perpendicular to the coil plane, were 1820 μT, 2400 μT and 3090 μT, respectively. The magnetoresistance ratio of the GMR-SV device measured with two terminals was 2.08 %, but it had almost linear hysteresis property and the average magnetic field sensitivity was 0.2%/Oe or less. When multiple magnetic beads adsorbed on the surface of red blood cells pass through a 8 ㎛ width of PR channel, the currents induced to the respective coils of three multi-turns are generated as an enough magnetic field to capture those. After stopping the red blood cells, there is a possibility that the output signal value of the GMR-SV device as bisosenor can be detected.