KR101353055B1 - Ionic device using nanopore structure on insulating member - Google Patents

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Abstract

절연성 지지 부재 상의 나노 포어 구조를 이용한 이온 소자가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 포어 구조를 이용한 이온 소자는, 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 챔버; 제1 영역에 위치하는 제1 전극; 제1 전극에 대향하여 상기 제2 영역에 위치하는 제2 전극; 제1 전극 및 제2 전극의 사이에 위치하고, 중심에 위치하는 나노 포어를 포함하는 나노 포어 막; 및 나노 포어 막을 지지하도록 나노 포어의 주변에 위치하는 절연성 지지 부재를 포함하고, 제1 전극 및 제2 전극에 인가되는 전기적 신호에 의해 나노 포어를 통과하는 이온 이동을 발시키는 것을 특징으로 한다.An ion device using a nano-pore structure on an insulating support member is provided. An ion device using a nano-pore structure according to an embodiment of the present invention, the chamber comprising a first region and a second region; A first electrode positioned in the first region; A second electrode positioned in the second region opposite the first electrode; A nano-pore membrane positioned between the first electrode and the second electrode and including a nano-pore positioned at the center thereof; And an insulating support member positioned around the nanopore to support the nanopore membrane, wherein the ion transporting through the nanopore is generated by an electrical signal applied to the first electrode and the second electrode.

Description

절연성 지지 부재 상의 나노 포어 구조를 이용한 이온 소자{Ionic device using nanopore structure on insulating member}Ionic device using nanopore structure on insulating member

본 발명은 절연성 지지 부재 상의 나노 포어 구조를 이용한 이온 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 나노 포어 막이 절연성의 지지 부재 상에 배치된 나노 포어 구조를 이용한 이온 소자에 관한 것이다.The present invention relates to an ion device using a nano-pore structure on an insulating support member, and more particularly, to an ion device using a nano-pore structure in which a nano-pore film is disposed on an insulating support member.

본 발명은 교육과학기술부 기초연구사업의 일환으로　수행한 연구로부터 도출된 것이다. The present invention is derived from the research carried out as part of the basic research project of the Ministry of Education, Science and Technology.

[과제관리번호: 2011-0016482, 과제명: 집적화된 나노포어 이온 트랜지스터 개발과 응용] [Task Management Number: 2011-0016482, Title: Development and Application of Integrated Nanopore Ion Transistor]

용매 내에 양이온과 음이온이 존재하는 경우, 이온의 움직임을 선택적으로 조절하여, 용매 내에서 전하를 갖고 있는 입자의 흐름을 조절할 수 있게 하기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 이와 같은 노력은 최근에 들어 DNA, RNA 및 단백질과 같은 생체 물질의 흐름을 조절함으로써, 생체 기작의 원리를 규명하고자 하는 전 세계적인 연구방향과 일치하여 많은 연구가 진행되고 있다.　 이러한 소자를 본 명세서에서 '이온 소자'라고 지칭하며, 이온 소자에서는 이온 및 상기와 같은 생체 물질이 나노미터 크기의 채널(channel) 구조 또는 포어(pore) 구조를 통과하도록 하여, 이로부터 발생하는 전기적 신호를 분석하는 방식이 사용된다.Research has been actively conducted to control the flow of charged particles in a solvent by selectively controlling the movement of ions when a cation and an anion are present in the solvent. In recent years, many researches are being conducted in accordance with the global research direction to determine the principle of biological mechanisms by regulating the flow of biological materials such as DNA, RNA and protein. Such devices are referred to herein as 'ion devices', in which ions and such biomaterials pass through nanometer-sized channel structures or pore structures, resulting in electrical The method of analyzing the signal is used.

상기 전기적 신호는 포어의 크기 및 상기 생체 물질의 크기를 고려할 때, 피코 암페어(pA) 내지 나노 암페어(nA)의 낮은 레벨을 가지는 전류인 경우가 대부분이다. 따라서, 상기 소자의 신뢰성 향상 및 분석의 정확성 향상을 위해서, 낮은 노이즈(noise) 레벨을 가지는 소자를 제조할 것이 요구된다.The electrical signal is most often a current having a low level of pico amps (pA) to nano amps (nA) in consideration of the pore size and the size of the biomaterial. Therefore, in order to improve the reliability of the device and to improve the accuracy of analysis, it is required to manufacture a device having a low noise level.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 절연성 지지 부재 상의 나노 포어 구조를 이용하여 전기적 신호를 용이하게 분석할 수 있는 이온 소자를 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide an ion device capable of easily analyzing an electrical signal using a nanopore structure on an insulating support member.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 포어 구조를 이용한 이온 소자가 제공된다. 상기 나노 포어 구조를 이용한 이온 소자는, 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 챔버; 상기 제1 영역에 위치하는 제1 전극; 상기 제1 전극에 대향하여 상기 제2 영역에 위치하는 제2 전극; 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 사이에 위치하고, 중심에 위치하는 나노 포어를 포함하는 나노 포어 막; 및 상기 나노 포어 막을 지지하도록 상기 나노 포어의 주변에 위치하는 절연성 지지 부재를 포함하고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 인가되는 전기적 신호에 의해 상기 나노 포어를 통과하는 이온 이동을 발생시키는 것을 특징으로 한다.An ion device using a nano-pore structure according to an embodiment of the present invention is provided. An ion device using the nano-pore structure may include a chamber including a first region and a second region; A first electrode positioned in the first region; A second electrode positioned in the second region opposite the first electrode; A nano pore film disposed between the first electrode and the second electrode and including a nano pore positioned at the center thereof; And an insulating support member positioned at the periphery of the nanopore to support the nanopore film, and generating an ion movement through the nanopore by an electrical signal applied to the first electrode and the second electrode. It features.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 지지 부재는 상기 지지 부재는 저유전(low-k) 물질을 포함할 수 있다. In some embodiments of the present invention, the support member may include a low- k material.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 저유전 물질은 실리콘(Si)보다 유전 상수가 작은 물질일 수 있다.In some embodiments of the present invention, the low dielectric material may be a material having a lower dielectric constant than silicon (Si).

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 저유전 물질은 유리, 석영(quartz), PET(polyethylene terephthalate), PTFE(polytetrafluoroethylene), PDMS(polydimethylsiloxane), PC(polycarbonate) 및 PE(polyethylene) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the low dielectric material is at least any one of glass, quartz, polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethylene (PTFE), polydimethylsiloxane (PDMS), polycarbonate (PC), and polyethylene (PE). It may include one.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 나노 포어 막은 단일층의 그래핀 시트(sheet)이거나 또는 다중층의 그래핀 시트들일 수 있다.In some embodiments of the present invention, the nano-pore film may be a single layer of graphene sheet or multiple layers of graphene sheets.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 챔버에는 전해질 용액이 수용되며, 상기 전해질 용액에 포함된 전해질에 의해 상기 이온 이동이 발생될 수 있다.In some embodiments of the present disclosure, an electrolyte solution is accommodated in the chamber, and the ion movement may be generated by an electrolyte included in the electrolyte solution.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 나노 포어 막은 도전층을 포함하고, 상기 나노 포어 막, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 인가되는 전기적 신호에 의해 상기 나노 포어를 통과하는 이온 이동을 발생시키거나 또는 차단시킬 수 있다.In some embodiments of the present invention, the nanopore film includes a conductive layer, and performs ion movement through the nanopore by electrical signals applied to the nanopore film, the first electrode, and the second electrode. Can be generated or blocked.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 이온 소자는 상기 나노 포어 막, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 인가되는 전압에 의하여 이온 전계 트랜지스터로 동작할 수 있다.In some embodiments of the present disclosure, the ion device may operate as an ion field transistor by a voltage applied to the nanopore film, the first electrode, and the second electrode.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 나노 포어의 내부가 상기 이온 이동을 구현하는 이온 채널(channel)로 동작할 수 있다.In some embodiments of the present disclosure, the interior of the nanopores may operate as an ion channel implementing the ion movement.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 나노 포어 막은, 상기 도전층의 상측, 하측, 또는 양측에 적층된 하나 또는 그 이상의 절연층들; 및 상기 도전층의 표면에 부착되어 나노 포어 내에 위치하는 유기 화합물;을 더 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the nano-pore film may include one or more insulating layers stacked on top, bottom, or both sides of the conductive layer; And an organic compound attached to the surface of the conductive layer and positioned in the nanopores.

본 발명의 절연성 지지 부재 상의 나노 포어 구조를 이용한 이온 소자에 따르면,　나노 포어 막을 절연성 지지 부재 상에 배치함으로써, 나노 포어 내부를 통과하는 이온에 의해 발생하는 전기적 신호의 노이즈 레벨을 낮출 수 있게 된다. 따라서, 이온 소자를 이용한 생체 물질 등의 분석에 있어, 신뢰성을 향상시킬 수 있다.According to the ion device using the nano-pore structure on the insulating support member of the present invention, by placing the nano-pore film on the insulating support member, it is possible to lower the noise level of the electrical signal generated by the ions passing through the nano-pores. Therefore, reliability can be improved in the analysis of biological materials and the like using an ion device.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연성 지지 부재 상의 나노 포어 구조를 이용한 이온 소자의 실시예들을 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상에 따른 나노 포어 구조를 이용한 이온 소자의 동작 원리를 도시하는 흐름도이다.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 포어 막을 제조하기 위한 예시적인 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 이온 소자의 노이즈 특성을 나타내는 그래프들이다.1A and 1B are cross-sectional views illustrating embodiments of an ion device using a nano-pore structure on an insulating support member according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating an operating principle of an ion device using a nano-pore structure according to the inventive concept.
3 to 7 are cross-sectional views according to a process sequence for explaining an exemplary method for manufacturing a nano-pore film according to an embodiment of the present invention.
8A and 8B are graphs illustrating noise characteristics of an ion device according to an exemplary embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments of the present invention are described in order to more fully explain the present invention to those skilled in the art, and the following embodiments may be modified into various other forms, It is not limited to the embodiment. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be more faithful and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.

도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다. In the figures, for example, variations in the shape shown may be expected, depending on manufacturing techniques and / or tolerances. Accordingly, embodiments of the present invention should not be construed as limited to any particular shape of the regions illustrated herein, including, for example, variations in shape resulting from manufacturing. The same reference numerals denote the same elements at all times. Further, various elements and regions in the drawings are schematically drawn. Accordingly, the invention is not limited by the relative size or spacing drawn in the accompanying drawings.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연성 지지 부재 상의 나노 포어 구조를 이용한 이온 소자(100, 200)의 실시예들을 도시하는 단면도이다.1A and 1B are cross-sectional views illustrating embodiments of the ion devices 100 and 200 using a nano-pore structure on an insulating support member according to an embodiment of the present invention.

도 1a를 참조하면, 이온 소자(100)는 챔버(10) 및 나노 포어(25)가 형성된 막(membrane)(이하, '나노 포어 막'이라 한다)(20)을 포함한다. 나노 포어 막(20)의 양 측에 챔버(10)의 제1 영역(12) 및 제2 영역(14)이 배치된다. 제1 영역(12) 및 제2 영역(14) 내에는 각각 제1 전극(30) 및 제2 전극(40)이 배치된다. 나노 포어 막(20)은 나노 포어(25)를 포함하며, 나노 포어(25)는 예를 들어 나노 포어 막(20)의 중앙에 위치할 수 있다. 제1 전극(30) 및 제2 전극(40)은 외부로부터 전기적 신호를 인가 받고 출력할 수 있다.Referring to FIG. 1A, the ion device 100 may include a membrane (hereinafter, referred to as a “nanopore membrane”) 20 in which a chamber 10 and nanopores 25 are formed. The first region 12 and the second region 14 of the chamber 10 are disposed on both sides of the nanopore film 20. The first electrode 30 and the second electrode 40 are disposed in the first region 12 and the second region 14, respectively. The nano pore membrane 20 includes a nano pore 25, which may be located at the center of the nano pore membrane 20, for example. The first electrode 30 and the second electrode 40 may receive and output an electrical signal from the outside.

챔버(10)는 나노 포어 막(20)에 의해 제1 영역(12) 및 제2 영역(14)으로 분리될 수 있으며, 각각 별개의 챔버로 구성되는 것도 가능하다. 챔버(10)는 전해질 용액을 수용하기 위한 것으로, 챔버(10)의 제1 영역(12) 및 제2 영역(14) 각각에 제1 전극(30) 및 제2 전극(40)을 배치한다. 챔버(10)는 유리, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 및 플라스틱 중 어느 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있다. 챔버(10)는 전해질을 포함하는 용액을 수용할 수 있으며, 상기 용액은 유체 상태로 준비될 수 있고 임의의 전도성 용매가 사용될 수 있다. 챔버(10)의 외부에서 챔버(10) 내에 상기 용액을 주입 및 배출할 수 있는 주입부(미도시) 및 배출부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 챔버(10)는 미소한 용량을 가질 수 있으며, 어느 한 방향의 길이가 수 마이크로 미터의 치수를 가질 수 있다.The chamber 10 may be separated into the first region 12 and the second region 14 by the nano-pore membrane 20, and may be configured as separate chambers, respectively. The chamber 10 is for accommodating an electrolyte solution, and the first electrode 30 and the second electrode 40 are disposed in each of the first region 12 and the second region 14 of the chamber 10. The chamber 10 may be made of one or more materials of glass, polydimethylsiloxane (PDMS), and plastic. Chamber 10 may contain a solution comprising an electrolyte, which solution may be prepared in a fluid state and any conductive solvent may be used. The apparatus may further include an injection unit (not shown) and a discharge unit (not shown) capable of injecting and discharging the solution into the chamber 10 outside the chamber 10. The chamber 10 may have a small capacity, and the length in either direction may have dimensions of several micrometers.

제1 전극(30)은 챔버(10)의 제1 영역(12)에 배치될 수 있고, 제2 전극(40)은 챔버(10)의 제2 영역(14)에 배치될 수 있다. 제1 전극(30) 및 제2 전극(40)은 챔버(10) 내의 용액에 전압(V)을 인가하여, 상기 용액 내의 이온을 유동시켜 결과적으로 전류의 흐름을 발생시킬 수 있다. 제1 전극(30) 및 제2 전극(40)은 알루미늄(Al), 금(Au), 베릴륨(Be), 비스무트(Bi), 코발트(Co), 하프늄(Hf), 인듐(In), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 납(Pb), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 로듐(Rh), 레늄(Re), 루테늄(Ru), 탄탈(Ta), 텔륨(Te), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 이들의 질화물, 및 이들의 실리사이드 중 어느 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 제1 전극(30) 및 제2 전극(40)은 각각 단일층이거나 또는 복합층일 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(30) 및 제2 전극(40)은 은(Ag) 또는 염화은(AgCl)의 복합층일 수 있다. 제1 전극(30) 및 제2 전극(40)은 동일한 물질을 포함하거나 또는 서로 다른 물질을 포함하도록 구성될 수 있다. 또한, 제1 전극(30) 및 제2 전극(40)은 나노 포어 막(20)에 근접하도록 배치될 수 있다.The first electrode 30 may be disposed in the first region 12 of the chamber 10, and the second electrode 40 may be disposed in the second region 14 of the chamber 10. The first electrode 30 and the second electrode 40 may apply a voltage V to a solution in the chamber 10 to flow ions in the solution, resulting in the flow of current. The first electrode 30 and the second electrode 40 are aluminum (Al), gold (Au), beryllium (Be), bismuth (Bi), cobalt (Co), hafnium (Hf), indium (In), and manganese. (Mn), molybdenum (Mo), nickel (Ni), lead (Pb), palladium (Pd), platinum (Pt), rhodium (Rh), rhenium (Re), ruthenium (Ru), tantalum (Ta), tellium (Te), titanium (Ti), tungsten (W), zinc (Zn), zirconium (Zr), nitrides thereof, and silicides thereof. The first electrode 30 and the second electrode 40 may each be a single layer or a composite layer. For example, the first electrode 30 and the second electrode 40 may be a composite layer of silver (Ag) or silver chloride (AgCl). The first electrode 30 and the second electrode 40 may be configured to include the same material or different materials. In addition, the first electrode 30 and the second electrode 40 may be disposed to be close to the nano-pore film 20.

나노 포어 막(20)은 중앙부에 형성된 나노 포어(25)를 포함하며, 나노 포어(25)는 나노 포어 막(20)을 관통한다. 예를 들어, 나노 포어 막(20)은 그래핀을 포함할 수 있다. 그래핀은 탄소 원자 한 층으로 이루어진 벌집 구조의 2차원 박막을 말하며, 나노 포어 막(20)은 단일층(monolayer) 또는 다중층(multilayer)의 그래핀을 포함할 수 있다. The nano pore membrane 20 includes a nano pore 25 formed at a central portion, and the nano pore 25 penetrates through the nano pore membrane 20. For example, the nano-pore film 20 may include graphene. Graphene refers to a two-dimensional thin film of a honeycomb structure composed of a layer of carbon atoms, and the nano-pore film 20 may include a monolayer or a multilayer of graphene.

지지 부재(50)는 이온 소자(100)의 설치 및 동작을 용이하게 하기 위해 나노 포어 막(20)을 지지하도록 배치된다. 지지 부재(50)는 절연성 물질로 이루어질 수 있다. 지지 부재(50)는 예를 들어, 유리, 석영, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 및 폴리에틸렌(polyethylene, PE) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 지지 부재(50)가 절연성 물질을 포함하는 경우, 지지 부재(50)는 상대적으로 큰 저항을 가질 수 있다. 이에 의해, 지지 부재(50)에 의해 발생하는 전기적 신호의 노이즈가 전체 전기적 신호에 미치는 영향이 감소할 수 있게 된다. The support member 50 is disposed to support the nanopore membrane 20 to facilitate installation and operation of the ion device 100. The support member 50 may be made of an insulating material. The support member 50 is, for example, glass, quartz, polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethylene (PTFE), polydimethylsiloxane (PDMS), polycarbonate (PC) ) And polyethylene (PE). When the support member 50 includes an insulating material, the support member 50 may have a relatively large resistance. As a result, the influence of the noise of the electrical signal generated by the supporting member 50 on the entire electrical signal can be reduced.

특히, 지지 부재(50)는 유전율이 낮은 물질 예컨대, 실리콘(Si)보다 유전 상수(dielectric constant)가 작은 물질을 포함할 수 있다. 지지 부재(50)가 저유전 물질을 포함하는 경우, 지지 부재(50)에 의한 커패시턴스(capacitance)가 감소될 수 있다. 지지 부재(50) 및 전기적 신호의 노이즈 사이의 상관 관계에 대해서는 도 8a 및 도 8b를 참조하여 하기에 상세히 설명한다.In particular, the support member 50 may include a material having a low dielectric constant, for example, a material having a lower dielectric constant than silicon (Si). When the support member 50 includes a low dielectric material, capacitance by the support member 50 can be reduced. The correlation between the support member 50 and the noise of the electrical signal is described in detail below with reference to FIGS. 8A and 8B.

제1 전극(30) 및 제2 전극(40)를 통해 인가되는 전압(V)에 의해 상기 이온 소자(100)의 나노 포어(25)를 통과하여 이온이 이동할 수 있게 된다. 상기 전압(V)은 직류 또는 교류 전압일 수 있다. 챔버(10) 내에 전해질 용액을 수용하는 경우, 이온화된 양이온 및 음이온이 제1 전극(30) 및 제2 전극(40)에 인가되는 전압(V)에 의해 어느 한 방향으로 이동할 수 있게 되며, 챔버(10) 내에 DNA 및 RNA와 같은 생체 물질이 존재하는 경우, 이들이 일정 전하를 띠게 되며, 이온과 마찬가지로 이동할 수 있게 된다.The ions may move through the nanopores 25 of the ion device 100 by the voltage V applied through the first electrode 30 and the second electrode 40. The voltage V may be a direct current or an alternating voltage. When the electrolyte solution is accommodated in the chamber 10, the ionized cations and anions can move in either direction by the voltage V applied to the first electrode 30 and the second electrode 40, and the chamber If biomaterials such as DNA and RNA exist in (10), they carry a constant charge and can move like ions.

도 1b를 참조하면, 이온 소자(200)는 챔버(10) 및 나노 포어(25)가 형성된 나노 포어 막(20)을 포함한다. 도 1b에서, 도 1a와 동일한 참조 번호는 동일한 부재를 나타내며, 중복되는 설명은 생략한다.Referring to FIG. 1B, the ion device 200 includes a nanopore membrane 20 in which a chamber 10 and nanopores 25 are formed. In FIG. 1B, the same reference numerals as in FIG. 1A denote the same members, and overlapping descriptions are omitted.

나노 포어 막(20)은 도전층을 포함하는 하나 이상의 막으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도전층 및 도전층 상하부의 절연층을 포함할 수 있으며, 나노 포어(25)의 내측벽은 상기 절연층으로 둘러싸일 수 있다. 또한, 나노 포어 막(20)은 그래핀을 포함할 수 있다. 본 실시예의 이온 소자(200)에서는, 나노 포어 막(20)도 상기 도전층을 통해 외부로부터 전기적 신호를 인가 받고 출력할 수 있다.Nanopore film 20 may be formed of one or more films including a conductive layer. For example, a conductive layer and an insulating layer above and below the conductive layer may be included, and an inner wall of the nano pore 25 may be surrounded by the insulating layer. In addition, the nano pore film 20 may include graphene. In the ion device 200 of the present embodiment, the nano-pore membrane 20 may also receive and output an electrical signal from the outside through the conductive layer.

나노 포어 막(20), 제1 전극(30) 및 제2 전극(40)은 외부 장치(미도시)에 연결되어 각각에 전기적 신호, 예를 들어 전압을 인가받고, 이로부터 전기적 신호, 예를 들어 전류를 출력할 수 있다. 나노 포어 막(20)에 인가되는 전압은 게이트 전압(VG), 제1 전극(30)에 인가되는 전압은 소스 전압(VS), 제2 전극(40)에 인가되는 전압은 드레인 전압(VD)으로 지칭할 수 있다. 외부 장치(미도시)는 도전성 부재, 예를 들어 도전성 와이어를 통해 나노 포어 막(20), 제1 전극(30) 및 제2 전극(40)과 전기적으로 연결될 수 있으며, 특히 나노 포어 막(20)과 연결되는 부분은 탐침(probe)(미도시)에 의해 연결될 수 있다. 또는, 상기 도전성 부재는 나노 와이어일 수 있으며, 상기 나노 와이어는 금속으로 일정한 패턴을 형성한 후 이온 주입(ion implantation) 또는 스퍼터링(sputtering)을 이용하여 도선으로 증착될 수 있다.The nano pore film 20, the first electrode 30, and the second electrode 40 are connected to an external device (not shown) to receive an electrical signal, for example, a voltage, from which an electrical signal, for example, For example, it can output a current. The voltage applied to the nano-pore film 20 is the gate voltage (V G ), the voltage applied to the first electrode 30 is the source voltage (V S ), the voltage applied to the second electrode 40 is the drain voltage ( V D ). The external device (not shown) may be electrically connected to the nano pore film 20, the first electrode 30, and the second electrode 40 through a conductive member, for example, a conductive wire, in particular the nano pore film 20 ) May be connected by a probe (not shown). Alternatively, the conductive member may be a nanowire, and the nanowire may be formed of a conductive pattern and then deposited as a conductive wire by using ion implantation or sputtering.

외부 장치(미도시)에 의해 인가되는 게이트 전압(VG), 소스 전압(VS) 및 드레인 전압(VD)에 의해 상기 이온 소자(100)는 이온 전계 트랜지스터(ionic field effect transistor, IFET)로 동작할 수 있다. 이온 전계 트랜지스터는 채널을 이동하는 캐리어들이 전자 또는 홀이 아닌 전해질 이온들이라는 점을 제외하고는 통상적인 반도체 전계 효과 트랜지스터와 그 원리가 유사하다. 따라서, 전자의 이동이 아닌 이온의 이동에 의한 이온 전류가 흐르게 되며 나노 포어(25)는 이온의 이동에 대한 채널로서 작용한다. 챔버(10) 내에 전해질 용액을 수용하는 경우, 이온화된 양이온 및 음이온이 챔버(10)에 인가되는 소스 전압(VS), 및 드레인 전압(VD)에 의해 어느 한 방향으로 이동할 수 있게 되며, 나노 포어 막(20)에 인가되는 게이트 전압(VG)에 의해 트랜지스터의 온(on) 상태 및 오프(off) 상태를 제어할 수 있다. By the gate voltage V G , the source voltage V S , and the drain voltage V D applied by an external device (not shown), the ion device 100 is an ion field effect transistor (IFET). It can work as Ion field transistors are similar in principle to conventional semiconductor field effect transistors except that the carriers traveling through the channel are electrolyte ions, not electrons or holes. Therefore, the ion current flows due to the movement of the ions, not the movement of the electrons, and the nanopores 25 serve as channels for the movement of the ions. When receiving the electrolyte solution in the chamber 10, the ionized cations and anions can be moved in either direction by the source voltage (V S ) and the drain voltage (V D ) applied to the chamber 10, The on state and the off state of the transistor may be controlled by the gate voltage V G applied to the nano pore film 20.

도 2는 본 발명의 기술적 사상에 따른 나노 포어 구조를 이용한 이온 소자의 동작 원리를 도시하는 흐름도이다.2 is a flowchart illustrating an operating principle of an ion device using a nano-pore structure according to the inventive concept.

도 1a 및 도 1b와 함께, 도 2를 참조하면, 먼저 외부 장치(미도시)에서 1 전극(30), 제2 전극(40) 및/또는 그래핀의 나노 포어 막(20)에 일정 전압을 인가하는 단계(S110)가 진행된다. 예를 들어, 양의 게이트 전압(VG) 및 드레인 전압(VD)과 음의 소스 전압(VS)을 인가할 수 있다. 본 단계(S110)에서 게이트 전압(VG)에 별도의 전압을 인가하지 않고, 소스 전압(VS) 및 드레인 전압(VD)만을 인가할 수도 있다. 이 경우가 도 1a의 이온 소자(100)에 해당할 수 있다.Referring to FIG. 2 together with FIGS. 1A and 1B, first, an external device (not shown) may apply a predetermined voltage to the first electrode 30, the second electrode 40, and / or the nanopore film 20 of graphene. The application step S110 is performed. For example, a positive gate voltage V G and a drain voltage V D and a negative source voltage V S may be applied. In operation S110, only the source voltage V S and the drain voltage V D may be applied without applying a separate voltage to the gate voltage V G. This case may correspond to the ion device 100 of FIG. 1A.

전압이 인가되면, 나노 포어(25) 내부에 전기적 이중층이 형성되는 단계(S120)가 진행될 수 있다. 게이트 전압(VG)이 인가되면, 나노 포어(25) 측면의 표면이 특정 전하를 띠게 되며, 반대 전하를 갖는 이온들로 구성된 전기적 이중층이 형성된다. 이와 같이 표면 전하를 가리는 현상은 드바이 길이(Debye leghth)에 의해 해석 가능하며, 드바이 길이는 용액 내의 전해질의 농도의 제곱근에 반비례한다. When a voltage is applied, step S120 of forming an electrical double layer in the nanopores 25 may be performed. When the gate voltage V G is applied, the surface of the side of the nano-pores 25 has a specific charge, and an electrical double layer composed of ions having opposite charges is formed. This phenomenon of masking the surface charge can be interpreted by Debye leghth, which is inversely proportional to the square root of the concentration of the electrolyte in the solution.

상기 전기적 이중층이 형성되면, 나노 포어(25) 내부는 이온 선택성을 갖게 된다(S130). 나노 포어(25)의 크기가 작은 경우, 나노 포어(25)의 내부에서 전기적 이중층이 겹쳐지게 되어 나노 포어(25)의 내부가 반대 이온들에 의해 채워지며, 나노 포어(25)가 이온 선택성을 가질 수 있게 된다. 이 경우, 나노 포어(25) 내에 존재하는 이온의 종류와 양이 용액의 농도에 따라 변하지 않게 되어 이온 컨덕턴스의 포화가 일어나게 농도 구간이 발생하게 되며, 이와 같은 이온 선택성은 이온 트랜지스터로 동작하는 기반이 된다. When the electrical double layer is formed, the interior of the nano-pores 25 will have ion selectivity (S130). When the size of the nano-pores 25 is small, the electrical double layer overlaps inside the nano-pores 25 so that the interior of the nano-pores 25 are filled with counter ions, and the nano-pores 25 have ion selectivity. I can have it. In this case, the type and amount of ions present in the nano-pores 25 do not change according to the concentration of the solution, so that a concentration section occurs to cause saturation of the ion conductance. Such ion selectivity is the basis for operating as an ion transistor. do.

나노 포어(25)가 상기와 같이 이온 선택성을 갖게 되면, 나노 포어(25) 내의 이온 전류의 흐름을 제어할 수 있게 된다(S140). 인가되는 게이트 전압(VG), 소스 전압(VS) 및 드레인 전압(VD)의 크기에 따라 특정 전하의 이온을 흐르게 할 수 있으며, 이온 전류의 양도 제어할 수 있다. 예를 들어, 게이트 전압(VG)에 양의 전압을 인가하는 경우, 나노 포어(25) 내에 음이온의 채널이 형성될 수 있으며, 상기 게이트 전압(VG)에 음의 전압을 인가하는 경우, 양이온의 채널이 형성될 수 있다.When the nano-pores 25 have ion selectivity as described above, it is possible to control the flow of the ion current in the nano-pores 25 (S140). According to the magnitude of the applied gate voltage (V G ), source voltage (V S ) and drain voltage (V D ) it is possible to flow ions of a specific charge, it is also possible to control the amount of ion current. For example, when applying a positive voltage to the gate voltage (V G), may be of the anion channel in the nano-pores 25 formed in the case of applying a negative voltage to the gate voltage (V G), Channels of cations can be formed.

일 실시예에서 이온 소자들(100, 200)은 생체 분자의 분석을 위한 DNA 분석용 장치로 사용될 수도 있다. 이 경우, 챔버(10)의 내부에는 DNA와 같은 생체 분자를 포함하는 용액이 수용된다. 분석의 대상은 DNA에 한정되지 않으며, DNA, RNA, 펩타이드(peptide) 또는 단백질일 수 있다. 상기 용액은 염산(HCl), 염화나트륨(NaCl) 또는 염화칼륨(KCl) 등의 전해질 용액를 사용할 수 있다.In one embodiment, the ion devices 100 and 200 may be used as a device for DNA analysis for the analysis of biomolecules. In this case, a solution containing a biomolecule such as DNA is accommodated in the chamber 10. The subject of analysis is not limited to DNA, but may be DNA, RNA, peptide or protein. The solution may be an electrolyte solution such as hydrochloric acid (HCl), sodium chloride (NaCl) or potassium chloride (KCl).

도 3 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 포어 막을 제조하기 위한 예시적인 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다.3 to 7 are cross-sectional views according to a process sequence for explaining an exemplary method for manufacturing a nano-pore film according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 기판(60) 상에 희생층(70) 및 예비 나노 포어 막(20a)을 적층한다. 기판(60)은, 예를 들어 실리콘(Si) 기판일 수 있다. 희생층(70)은, 예를 들어 실리콘 산화물(SiO2)을 포함할 수 있으며, 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD) 또는 반응성 스퍼터링(reactive sputtering) 등의 증착 방법을 이용하여 적층할 수 있다. 희생층(70)은 200nm 내지 400nm의 두께로 증착될 수 있다.Referring to FIG. 3, the sacrificial layer 70 and the preliminary nanopore film 20a are stacked on the substrate 60. The substrate 60 may be, for example, a silicon (Si) substrate. The sacrificial layer 70 may include, for example, silicon oxide (SiO 2 ), and may be deposited using a deposition method such as chemical vapor deposition (CVD) or reactive sputtering. . The sacrificial layer 70 may be deposited to a thickness of 200 nm to 400 nm.

예비 나노 포어 막(20a)은, 도전층을 포함하는 막으로 형성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 예비 나노 포어 막(20a)은, 제1 절연층, 도전층 및 제2 절연층을 순차적으로 적층하여 형성될 수 있다. 상기 도전층은 알루미늄(Al), 금(Au), 베릴륨(Be), 비스무트(Bi), 코발트(Co), 하프늄(Hf), 인듐(In), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 납(Pb), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 로듐(Rh), 레늄(Re), 루테늄(Ru), 탄탈(Ta), 텔륨(Te), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 이들의 질화물, 및 이들의 실리사이드 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층은 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 질화물(Si3N4), 실리콘 산질화물(SiON), 또는 고유전율(high-k) 유전물층 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 막들은 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD) 또는 반응성 스퍼터링(reactive sputtering) 등의 증착 방법을 이용하여 적층할 수 있다. The preliminary nanopore film 20a may be formed of a film including a conductive layer. According to an embodiment, the preliminary nano-pore film 20a may be formed by sequentially stacking a first insulating layer, a conductive layer, and a second insulating layer. The conductive layer is aluminum (Al), gold (Au), beryllium (Be), bismuth (Bi), cobalt (Co), hafnium (Hf), indium (In), manganese (Mn), molybdenum (Mo), nickel (Ni), lead (Pb), palladium (Pd), platinum (Pt), rhodium (Rh), rhenium (Re), ruthenium (Ru), tantalum (Ta), tellurium (Te), titanium (Ti), tungsten (W), zinc (Zn), zirconium (Zr), nitrides thereof, and silicides thereof. The first insulating layer and the second insulating layer may include any one of silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon oxynitride (SiON), or a high-k dielectric layer. can do. The films may be deposited using a deposition method such as chemical vapor deposition (CVD) or reactive sputtering.

다른 실시예에 따르면, 예비 나노 포어 막(20a)은 그래핀층일 수 있다. 상기 그래핀층은 탄화수소(hydrocarbon)의 CVD에 의해 형성할 수 있으며, 예컨대, 약 1000도에서 메탄(CH4), 수소(H2) 및 아르곤(Ar)의 혼합 기체를 주입하여 그래핀층을 증착할 수 있다.According to another embodiment, the preliminary nano pore film 20a may be a graphene layer. The graphene layer may be formed by CVD of hydrocarbon. For example, the graphene layer may be deposited by injecting a mixed gas of methane (CH 4 ), hydrogen (H 2 ) and argon (Ar) at about 1000 degrees. Can be.

도 4a 및 도 4b는 도 5의 지지 부재(50)를 형성하기 위한 두 가지의 예시적인 방법을 각각 도시한다.4A and 4B show two exemplary methods for forming the support member 50 of FIG. 5, respectively.

도 4a를 참조하면, 지지 기판(50a)이 제공되고, 가열 솔더(95)에 연결된 와이어(90)가 지지 기판(50a)에 마이크로 포어를 형성하기 위해 함입된다. 지지 기판(50a)은 고온의 와이어(90)가 통과할 수 있는 물질, 예컨대 PET, PDMS 또는 PVC와 같은 폴리머 계열 물질을 포함할 수 있다. 와이어(90)는 예컨대, 구리(Cu)를 포함하는 금속 물질일 수 있다. Referring to FIG. 4A, a support substrate 50a is provided, and a wire 90 connected to the heating solder 95 is embedded to form micropores in the support substrate 50a. The support substrate 50a may include a material through which the hot wire 90 can pass, such as a polymer-based material such as PET, PDMS, or PVC. The wire 90 may be, for example, a metallic material including copper (Cu).

도 4b를 참조하면, 마스크층(80)에 의해 패터닝된 지지 기판(50a)이 제공된다. 지지 기판(50a)은 유리 또는 석영을 포함할 수 있다. 마스크층(80)은 포토 리소그래피에 의해 패터닝된 포토 레지스트층일 수 있다. 도면에 도시되지는 않았으나, 지지 기판(50a)의 상하에 실리콘(Si)과 같은 불투명 물질이 형성된 후, 마스크층(80)이 형성될 수도 있다. 다음으로, 반응성 이온 식각법(reactive ion etching, RIE) 및/또는 습식 식각법을 이용하여 노출된 지지 기판(50a)을 제거할 수 있다. Referring to FIG. 4B, a support substrate 50a patterned by the mask layer 80 is provided. The support substrate 50a may include glass or quartz. The mask layer 80 may be a photoresist layer patterned by photo lithography. Although not shown in the drawings, an opaque material such as silicon (Si) is formed on and under the support substrate 50a, and then the mask layer 80 may be formed. Next, the exposed support substrate 50a may be removed by using reactive ion etching (RIE) and / or wet etching.

도 5를 참조하면, 중심에 마이크로 포어(55)가 형성된 지지 부재(50)가 제공된다. 이하에서, 마이크로 포어(55)가 형성되기 전과 구별하기 위해 지지 기판(50a)과 구별하여 지지 부재(50)라는 용어를 사용한다. 마이크로 포어(55)의 크기는 수십 마이크로 미터(㎛)일 수 있다. 본 단계에서 마이크로 포어(55)를 형성함으로써, 후 공정에서의 나노 포어(25, 도 7 참조)의 형성이 용이해질 수 있다.Referring to FIG. 5, a support member 50 having a micro pore 55 is formed in the center thereof. Hereinafter, the term support member 50 is used to distinguish it from the support substrate 50a to distinguish it from before the micropores 55 are formed. The size of the micropores 55 may be several tens of micrometers (μm). By forming the micro pores 55 in this step, the formation of the nano pores 25 (see FIG. 7) in a later process can be facilitated.

도 6을 참조하면, 지지 부재(50a) 상에 예비 나노 포어 막(20a)이 위치하도록 예비 나노 포어 막(20a)을 전달하는 단계가 수행될 수 있다. 예컨대, 불산(HF)을 이용한 습식 식각 공정을 통해, 도 3의 희생층(70)을 모두 제거할 수 있다. 이에 의해, 부유 상태가 된 예비 나노 포어 막(20a)을 지지 부재(50a) 상에 위치시킬 수 있다.Referring to FIG. 6, a step of transferring the preliminary nanopore membrane 20a may be performed such that the preliminary nanopore membrane 20a is positioned on the support member 50a. For example, all of the sacrificial layers 70 of FIG. 3 may be removed through a wet etching process using hydrofluoric acid (HF). Thereby, the preliminary nanopore film 20a which became floating state can be located on the support member 50a.

도 7을 참조하면, 예비 나노 포어 막(20a)의 중심부에 나노 포어(25)를 형성하는 단계가 수행될 수 있다. 예비 나노 포어 막(20a)상에 포토 레지스트층(미도시)을 적층한 후, 전자빔 리소그래피(e-beam lithography)를 이용하여 나노 포어(25) 형성을 위한 패턴을 형성한다. 상기 패턴을 이용하여, 예비 나노 포어 막(20a)를 식각하여 나노 포어(25)를 형성한다. 이 경우, 별도의 포토 레지스트층(미도시)의 도포없이 직접 전자빔을 이용하여 나노 크기의 나노 포어(25)를 형성할 수도 있다. 집속 이온빔(focused ion beam, FIB)과 같은 이온빔 밀링(ion-beam milling) 또는 투과전자 현미경(transmission electron microscope, TEM)의 집속 빔을 사용하여 나노 포어(25)를 직접 형성할 수도 있다. 또한, 나노 와이어와 같은 나노 구조를 마스크로 이용하여 식각 공정이 수행될 수도 있다.Referring to FIG. 7, a step of forming the nanopores 25 in the center of the preliminary nanopore film 20a may be performed. After stacking a photoresist layer (not shown) on the preliminary nanopore film 20a, a pattern for forming the nanopores 25 is formed by using electron beam lithography. By using the pattern, the preliminary nano-pore film 20a is etched to form the nano-pores 25. In this case, the nano-sized nanopores 25 may be formed using an electron beam directly without applying a separate photoresist layer (not shown). The nanopores 25 may also be directly formed using a focused beam of ion-beam milling or a transmission electron microscope (TEM), such as a focused ion beam (FIB). In addition, an etching process may be performed using a nanostructure such as a nanowire as a mask.

도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 이온 소자의 노이즈 특성을 나타내는 그래프들이다.8A and 8B are graphs illustrating noise characteristics of an ion device according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 8a를 참조하면, 도 1a 및 도 1b의 지지 부재(50)의 물질에 따른 전류의 표준 편차가 나타난다. 상기 전류 편차의 측정을 위해, 1M 농도의 KCl 용액 및 은(Ag)/염화은(AgCl) 다층구조의 전극들을 사용하였으며, 별도의 전기적 신호를 인가하지 않고, 250kHz의 주파수로 노이즈 특성을 조사하였다.Referring to FIG. 8A, the standard deviation of the current according to the material of the support member 50 of FIGS. 1A and 1B is shown. In order to measure the current deviation, 1M KCl solution and silver (Ag) / silver chloride (AgCl) multilayer electrodes were used, and noise characteristics were investigated at a frequency of 250 kHz without applying an electric signal.

실리콘(Si), 실리콘(Si) 상의 실리콘 산화물(SiO2), 및 실리콘(Si) 상의 실리콘 질화물(Si3N4)을 포함하는 지지 부재(50)의 경우, 전류의 표준 편차가 14 pA 이상으로 높게 나타난다. 실리콘(Si) 상의 실리콘 산화물(SiO2)의 경우를 보면, 실리콘 산화물(SiO2)의 두께에 따라 전류의 표준 편차가 다르게 나타나며, 실리콘 산화물(SiO2)의 두께가 두꺼울수록 전류의 표준 편차가 낮게 나타난다. PDMS, PET 및 유리의 경우, 전류의 표준 편차가 5 pA 이하로 낮게 나타난다. 다만, 유리의 경우, 두께에 따른 차이가 실리콘 산화물(SiO2)의 경우처럼 크지 않게 나타난다.In the case of the support member 50 including silicon (Si), silicon oxide (SiO 2 ) on silicon (Si), and silicon nitride (Si 3 N 4 ) on silicon (Si), the standard deviation of current is 14 pA or more. Appears high. In the case of silicon oxide (SiO 2) on a silicon (Si), appears and the standard deviation of the current depends on the thickness of the silicon oxide (SiO 2), the standard deviation of the thicker the thickness of the silicon oxide (SiO 2) current Appears low. For PDMS, PET, and glass, the standard deviation of currents is as low as 5 pA or less. However, in the case of glass, the difference in thickness does not appear as large as in the case of silicon oxide (SiO 2 ).

이와 같은 전류 특성을 통해 노이즈에 영향을 주는 요인을 몇 가지로 생각할 수 있다. Through these current characteristics, we can think of several factors that affect noise.

첫 번째로, 지지 부재(50)의 저항이 노이즈에 영향을 미치는 것으로 생각할 수 있다. PDMS, PET 및 유리와 같은 절연성 물질들은 상대적으로 낮은 전류의 표준 편차를 나타내는 반면, 실리콘(Si)을 포함하는 경우는 상대적으로 높은 전류의 표준 편차를 나타낸다. 이는 절연성 물질의 경우, 저항이 크기 때문에 지지 부재(50)에 의해 발생하는 전기적 신호가 작아서, 이에 의한 노이즈가 전체 전기적 신호에 크게 영향을 미치지 못하기 때문으로 해석할 수 있다.First, it can be considered that the resistance of the support member 50 affects the noise. Insulating materials such as PDMS, PET, and glass exhibit relatively low standard deviations of current, while those containing silicon (Si) exhibit relatively high standard deviations of current. This can be interpreted as the electrical material generated by the support member 50 is small in the case of the insulating material because the resistance is large, and thus the noise does not significantly affect the entire electrical signal.

두 번째로, 지지 부재(50)의 물질에 의한 커패시턴스가 노이즈에 영향을 미치는 것으로 생각할 수 있다. 이 경우, 두께가 두꺼운 경우 커패시턴스가 상대적으로 감소하기 때문에 실리콘 산화물(SiO2)의 두께가 두꺼울수록 전류의 표준 편차가 낮게 나타나는 것으로 이해할 수 있다. 또한, PDMS, PET 및 유리와 같은 저유전체 물질은, 커패시턴스가 낮기 때문에 전류의 표준 편차도 낮은 것으로 생각할 수 있다. 다만, 지지 부재(50)가 저항이 큰 절연성 물질로 이루어지는 경우, 커패시턴스의 영향은 상대적으로 크지 않을 수 있다.Second, it can be considered that the capacitance caused by the material of the support member 50 affects the noise. In this case, since the capacitance is relatively reduced when the thickness is thick, it can be understood that the thicker the thickness of the silicon oxide (SiO 2 ), the lower the standard deviation of the current. In addition, low dielectric materials such as PDMS, PET and glass can be considered to have low standard deviation of current because of low capacitance. However, when the support member 50 is made of an insulating material having high resistance, the influence of capacitance may not be relatively large.

따라서, 본 발명에 따른 지지 부재(50)는 노이즈를 감소시키기 위해 작은 유전 상수를 가지는 물질을 포함할 수 있다. 표 1은 물질에 따른 유전 상수를 나타낸다. 표 1을 참조하면, 진공 상태를 1이라고 할 때, 물질들의 유전 상수가 나타난다. 본 발명에 따른 지지 부재(50)는 실리콘(Si)과 비슷하거나 작은 유전 상수를 가지는 물질을 포함할 수 있다.
Thus, the support member 50 according to the present invention may comprise a material having a small dielectric constant to reduce noise. Table 1 shows the dielectric constants according to the materials. Referring to Table 1, when the vacuum state is 1, the dielectric constants of the materials are shown. The support member 50 according to the present invention may include a material having a dielectric constant similar to or smaller than that of silicon (Si).

물질matter 유전 상수Dielectric constant 물질matter 유전 상수Dielectric constant 진공vacuum 1One 파이렉스(Pyrex)Pyrex 4.74.7 TeflonTeflon 2.12.1 실리콘 질화물(Si3N4)Silicon Nitride (Si 3 N 4 ) 7.57.5 비정질 탄소Amorphous carbon 2.12.1 알루미늄 산화물(Al2O3)Aluminum Oxide (Al 2 O 3 ) 9.89.8 PDMSPDMS 2.552.55 실리콘(Si)Silicon (Si) 11.6811.68 폴리 이미드(polyimide)Polyimide 3.43.4 그래파이트Graphite 12.512.5 실리콘 산화물(SiO2)Silicon Oxide (SiO 2 ) 3.93.9 티타늄 산화물(TiO2)Titanium Oxide (TiO 2 ) 129.5129.5

세 번째로, 실리콘(Si) 원소에 의한 전기화학 반응의 발생을 통해 노이즈가 발생하는 것으로 생각할 수 있다. 높은 전류의 표준 편차를 나타내는 실리콘(Si), 실리콘(Si) 상의 실리콘 산화물(SiO2), 및 실리콘(Si) 상의 실리콘 질화물(Si3N4)을 포함하는 지지 부재(50)의 경우, 공통적으로 실리콘(Si) 원소를 포함한다. 반면, 낮은 전류의 표준 편차를 나타내는 PDMS, PET 및 유리의 경우, 실리콘(Si) 원소를 포함하지 않는다.Third, it can be considered that noise is generated through the generation of an electrochemical reaction by the silicon (Si) element. In the case of the support member 50 comprising silicon (Si), silicon oxide (SiO 2 ) on silicon (Si), and silicon nitride (Si 3 N 4 ) on silicon (Si) exhibiting a standard deviation of high current, they are common It contains a silicon (Si) element. On the other hand, PDMS, PET and glass, which exhibit standard deviations of low currents, do not contain silicon (Si) elements.

아래의 화학식 1과 같이 전해질 용액에 노출되는 지지 부재(50)의 실리콘(Si)이 전해질 용액 내의 물(H2O)과 반응하여 수소 이온(H+)을 발생하는 경우, 수소 이온이 이동하여, 노이즈가 발생될 수 있을 것이다. 이에 의하면 유리의 경우, 두께에 따른 차이가 크지 않다는 점이 어느 정도 설명될 수 있다. When the silicon (Si) of the support member 50 exposed to the electrolyte solution reacts with water (H 2 O) in the electrolyte solution to generate hydrogen ions (H + ), as shown in Formula 1 below, the hydrogen ions move to In this case, noise may be generated. According to this, in the case of glass, it can be explained to some extent that the difference with thickness is not large.

Si + 2H2O → SiO2 + 4H+ + 4e ----- (화학식 1)Si + 2H 2 O → SiO 2 + 4H + + 4e ----- (Formula 1)

따라서, 본 발명에 따른 지지 부재(50)는 절연성 물질을 포함할 수 있으며, 특히, 실리콘(Si) 원소를 포함하지 않으며, 유전 상수가 낮은 물질을 포함할 수 있다. Therefore, the support member 50 according to the present invention may include an insulating material, and in particular, may not include a silicon (Si) element, and may include a material having a low dielectric constant.

도 8b를 참조하면, 도 1a 및 도 1b의 지지 부재(50)의 물질에 따른 파워 스펙트럼(power spectrum)이 나타난다. 측정 조건은 도 8a에 상술한 것과 동일하다.Referring to FIG. 8B, a power spectrum according to the material of the support member 50 of FIGS. 1A and 1B is shown. Measurement conditions are the same as those described above in FIG. 8A.

실리콘(Si) 및 실리콘(Si) 상의 실리콘 산화물(SiO2)의 경우에 비하여, 유리 및 PDMS의 경우 낮은 노이즈 레벨을 나타낸다. 또한, 유리의 경우 두께가 160 ㎛인 경우와 500 ㎛인 경우를 비교하면, 500 ㎛인 경우 낮은 노이즈 레벨을 나타내며, 이는 상술한 바와 같이, 두께가 두꺼운 경우 커패시턴스가 상대적으로 감소하기 때문인 것으로 생각할 수 있다.Compared with silicon (Si) and silicon oxide (SiO 2 ) on silicon (Si), glass and PDMS exhibit lower noise levels. In addition, in the case of glass, when the thickness is 160 µm and when the thickness is 500 µm, the glass layer exhibits a low noise level when the thickness is 500 µm. As described above, it may be considered that the capacitance is relatively reduced when the thickness is thick. have.

이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. Will be clear to those who have knowledge of.

10 : 챔버 12 : 챔버의 제1 영역
14 : 챔버의 제2 영역 20a : 예비 나노 포어 막
20 : 나노 포어 막 25 : 나노 포어
30 : 제1 전극 40 : 제2 전극
50a: 지지 기판 50 : 지지 부재
60: 기판 70 : 희생층
80 : 마스크층 90: 와이어
95: 가열 솔더 10 chamber 12 first region of chamber
14 second region of chamber 20a preliminary nanopore membrane
20: nano-pore membrane 25: nano-pore
30: first electrode 40: second electrode
50a: support substrate 50: support member
60: substrate 70: sacrificial layer
80: mask layer 90: wire
95: heating solder

Claims (6)

제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 챔버;
상기 제1 영역에 위치하는 제1 전극;
상기 제1 전극에 대향하여 상기 제2 영역에 위치하는 제2 전극;
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 사이에 위치하고, 중심에 위치하는 나노 포어를 포함하는 나노 포어 막; 및
상기 나노 포어 막을 지지하도록 상기 나노 포어 막의 일 면에 접촉하여 위치하며 상기 나노 포어보다 큰 마이크로 포어를 포함하는 절연성 지지 부재를 포함하고,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 인가되는 전기적 신호에 의해 상기 나노 포어를 통과하는 이온 전류가 발생되고, 상기 이온 전류는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 통해 감지되며,
상기 지지 부재는 실리콘(Si)보다 유전 상수가 작은 저유전(low-k) 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 포어 구조를 이용한 이온 소자.A chamber comprising a first region and a second region;
A first electrode positioned in the first region;
A second electrode positioned in the second region opposite the first electrode;
A nano pore film disposed between the first electrode and the second electrode and including a nano pore positioned at the center thereof; And
An insulating support member positioned in contact with one surface of the nanopore film to support the nanopore film and including an micropore larger than the nanopore;
An ion current passing through the nanopores is generated by electrical signals applied to the first electrode and the second electrode, and the ion current is sensed through the first electrode and the second electrode.
The support member is an ion device using a nano-pore structure, characterized in that it comprises a low- k (low- k ) material having a lower dielectric constant than silicon (Si). 제1 항에 있어서,
상기 지지 부재는 유리, 석영(quartz), PET(polyethylene terephthalate), PTFE(polytetrafluoroethylene), PDMS(polydimethylsiloxane), PC(polycarbonate) 및 PE(polyethylene) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 포어 구조를 이용한 이온 소자.The method according to claim 1,
The support member is a nano-pore structure comprising at least one of glass, quartz, polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethylene (PTFE), polydimethylsiloxane (PDMS), polycarbonate (PC), and polyethylene (PE) Ion device using. 제1 항에 있어서,
상기 챔버에는 전해질 용액이 수용되며, 상기 전해질 용액에 포함된 전해질에 의해 상기 이온 전류가 발생되는 것을 특징으로 하는 나노 포어 구조를 이용한 이온 소자.The method according to claim 1,
The chamber is accommodated in the electrolyte solution, the ion device using a nano-pore structure, characterized in that the ion current is generated by the electrolyte contained in the electrolyte solution. 제1 항에 있어서,
상기 나노 포어 막은 도전층을 포함하고,
상기 나노 포어 막, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 인가되는 전기적 신호에 의해 상기 나노 포어를 통과하는 이온 전류를 발생시키거나 또는 차단시키는 것을 특징으로 하는 나노 포어 구조를 이용한 이온 소자.The method according to claim 1,
The nano pore film includes a conductive layer,
Ion device using a nano-pore structure, characterized in that for generating or blocking the ionic current passing through the nano-pores by electrical signals applied to the nano-pore membrane, the first electrode and the second electrode. 삭제delete 삭제delete
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