KR20170058823A - Nanoplasmonic biosensor - Google Patents

Abstract

The present invention relates to a nanoplasmonic biosensor comprising: a photodetection unit; a biomaterial reaction unit disposed directly on an incident surface of the photodetection unit; and a light source configured to irradiate light of a single wavelength to the incident surface. The photodetection unit comprises: a photoelectric conversion layer containing nanocrystals; a first and second charge transport layers arranged to face each other with the photoelectric conversion layer therebetween; and a transparent electrode on the second charge transport layer. The biomaterial reaction unit comprises a plurality of nanometal patterns in contact with an upper surface of the transparent electrode and disposed two-dimensionally thereon, and a microfluidic channel covering the nanometal patterns. The present invention intends to provide a nanoplasmonic biosensor with high sensitivity capable of being used for on-site diagnosis due to portability and low manufacturing costs.

Description

나노 플라즈모닉 바이오 센서{Nanoplasmonic biosensor}[0001] Nanoplasmonic biosensor [0002]

본 발명은 나노 플라즈모닉 바이오 센서에 관한 것으로, 상세하게는 실리콘 나노 결정 광 검출부를 구비한 나노 플라즈모닉 바이오 센서에 관한 것이다. The present invention relates to a nanoplasmonic biosensor, and more particularly, to a nanoplasmonic biosensor having a silicon nanocrystal photodetector.

바이오 센서는 바이오 감지 물질과 신호 감지부로 구성되어 분석하고자 하는 물질을 선택적으로 감지할 수 있는 센서이다. 바이오 감지 물질은 특정 물질과 선택적으로 반응 및 결합할 수 있는 효소, 항체 및 DNA 등일 수 있다. 신호 감지부는 바이오 물질의 유무에 따른 미세한 전기 변화(전압, 전류, 저항 등), 화학적 반응에 의한 형광의 세기 변화 및 광학적 스펙트럼의 변화 등 다양한 물리화학적 방법을 사용하여 바이오 물질의 신호를 감지한다. 이러한 바이오 센서는 의료 분야, 환경 분야, 및 감염성 병원균의 분석 등에 응용되며, 군대, 산업, 연구용 센서에 이르기까지 바이오 센서의 응용 분야는 매우 광범위하다.The biosensor is composed of a bio-sensing material and a signal sensing unit, and is a sensor capable of selectively sensing a substance to be analyzed. The bio-sensing substance may be an enzyme, an antibody, and DNA that can selectively react with and bind to a specific substance. The signal sensing unit senses signals of biomaterials using various physicochemical methods such as minute electrical changes (voltage, current, resistance, etc.) depending on the presence or absence of bio materials, changes in fluorescence intensity due to chemical reactions, and changes in optical spectrum. Such biosensors are applied to medical field, environmental field, and analysis of infectious pathogens, and applications of biosensors ranging from military, industrial, and research sensors are very broad.

일반적인 광학식 바이오 센서는 발광소자 및 광 검출기를 이용하여 바이오 물질로부터 나오는 신호를 전기적 신호로 변환시킴으로써 바이오 물질의 유무를 분석하는 방법을 이용한다. 이러한 광학식 바이오 센서는 전기화학적 방법을 이용하는 바이오 센서보다 상대적으로 센서를 구성하기가 간편하고 샘플 내에 존재하는 이온들의 영향을 덜 받는다는 장점이 있어 널리 이용되고 있다. 종래의 바이오 물질을 검출하는 광학적 방법으로, 주로 항체에 형광 물질 등으로 표지를 한 후 이에 대응하는 항원을 검출하고 바이오 센서로부터 측정되는 형광의 세기에 비례하여 분석하고자 하는 항원의 정량을 구현하는 표지식 바이오 센서가 널리 사용되고 있다. 또한, 최근에는 형광 물질과 같은 표지 물질을 사용하지 않는 형태의 비표지식 바이오 센서로서 표면 플라즈몬 바이오센서(Surface Plasmon Biosensor)에 대한 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있다.A typical optical biosensor uses a method of analyzing the presence or absence of a biomaterial by converting a signal emitted from the biomaterial into an electrical signal using a light emitting device and a photodetector. Such an optical biosensor is widely used because it is relatively easy to construct a sensor than a biosensor using an electrochemical method and is less affected by ions present in the sample. An optical method for detecting a conventional biomaterial is a method in which an antibody is labeled with a fluorescent substance or the like and then a corresponding antigen is detected and a table that realizes the quantification of an antigen to be analyzed in proportion to the intensity of fluorescence measured from the biosensor Knowledge Biosensors are widely used. In recent years, surface plasmon biosensors have been actively developed and developed as non-pictorial biosensors that do not use a labeling substance such as a fluorescent substance.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 제조 비용이 저렴하고 휴대가 가능하여 현장 진단에 사용할 수 있는 고감도의 나노 플라즈모닉 바이오 센서를 제공하는데 있다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] The present invention provides a nanoplasmonic biosensor with high sensitivity that can be used for on-site diagnosis because of low manufacturing cost and portability.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 나노 플라즈모닉 바이오 센서는 광 검출부; 상기 광 검출부의 입사면 상에 직접 배치되는 바이오 물질 반응부; 및 상기 입사면으로 단일 파장의 광을 조사하도록 구성되는 광원을 포함하되, 상기 광 검출부는 나노 결정들을 포함하는 광전 변환층; 상기 광전 변환층을 사이에 두고 서로 대향하도록 배치되는 제1 및 제2 전하 운반층들; 및 상기 제2 전하 운반층 상의 투명 전극을 포함하고, 상기 바이오 물질 반응부는 상기 투명 전극의 상면과 접하며, 상기 투명 전극의 상면 상에서 2차원적으로 배치되는 복수의 나노 금속 패턴들; 및 상기 나노 금속 패턴들을 덮는 마이크로 플루이딕 채널을 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a nanoplasmonic biosensor comprising: a photodetector; A bio-material reaction unit disposed directly on an incident surface of the light detecting unit; And a light source configured to irradiate light of a single wavelength to the incident surface, wherein the photodetector includes a photoelectric conversion layer including nanocrystals; First and second charge transport layers arranged to face each other with the photoelectric conversion layer therebetween; And a transparent electrode on the second charge transport layer, wherein the biomaterial reacting portion contacts a top surface of the transparent electrode, and a plurality of nano metal patterns arranged two-dimensionally on an upper surface of the transparent electrode; And a microfluidic channel covering the nano metal patterns.

일 실시예에 따르면, 상기 나노 금속 패턴들의 각각은 상기 투명 전극의 상면으로부터 돌출된 기둥 형상을 가질 수 있다.According to one embodiment, each of the nano metal patterns may have a columnar shape protruding from the upper surface of the transparent electrode.

일 실시예에 따르면, 상기 나노 금속 패턴들의 각각은 1 내지 100nm의 높이 및 1 내지 1000nm의 폭을 가질 수 있다.According to one embodiment, each of the nanostructured metal patterns may have a height of 1 to 100 nm and a width of 1 to 1000 nm.

일 실시예에 따르면, 상기 나노 금속 패턴들은 제1 방향 및 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 배치되되, 상기 나노 금속 패턴들은 상기 제1 방향 또는 상기 제2 방향으로 일정한 피치를 가질 수 있다. According to one embodiment, the nano metal patterns are arranged along a first direction and a second direction orthogonal to the first direction, wherein the nano metal patterns have a constant pitch in the first direction or the second direction have.

일 실시예에 따르면, 상기 나노 금속 패턴들은 제1 방향 및 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 지그재그 형태로 배치되되, 평면적 관점에서, 서로 인접하여 삼각형 형태로 배치되는 3개의 나노 금속 패턴들의 중심들 사이의 거리들은 실질적으로 서로 동일할 수 있다.According to one embodiment, the nanometal patterns are arranged in a zigzag pattern along a first direction and a second direction orthogonal to the first direction, and from the viewpoint of planar view, three nanometal patterns May be substantially the same as each other.

일 실시예에 따르면, 상기 나노 금속 패턴들의 각각은 그의 내부를 관통하는 개구부를 가질 수 있다.According to one embodiment, each of the nanostructured metal patterns may have openings therethrough.

일 실시예에 따르면, 상기 바이오 물질 반응부는 상기 나노 금속 패턴들의 표면에 고정된 바이오 항체를 더 포함할 수 있다.According to one embodiment, the bio-material reaction unit may further include a bio-antibody immobilized on the surface of the nanomaterial patterns.

일 실시예에 따르면, 상기 마이크로 플루이딕 채널은 상기 나노 금속 패턴들로 바이오 항체 또는 바이오 항원을 포함하는 유체의 흐름을 유도하도록 구성될 수 있다.According to one embodiment, the microfluidic channel may be configured to induce a flow of fluid including bio-antibodies or bio-antigens into the nanometric patterns.

일 실시예에 따르면, 상기 나노 금속 패턴들은 금, 은 또는 구리를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the nanostructured metal patterns may comprise gold, silver or copper.

일 실시예에 따르면, 상기 광전 변환층은 실리콘 나노 결정들을 포함하는 실리콘 카바이드층일 수 있다.According to one embodiment, the photoelectric conversion layer may be a silicon carbide layer comprising silicon nanocrystals.

일 실시예에 따르면, 상기 제1 전하 운반층은 제1 도전형의 불순물로 도핑된 실리콘 기판을 포함하고, 상기 제2 전하 운반층은 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형의 불순물로 도핑된는 실리콘 카바이드층 또는 실리콘 카본 나이트라이드층을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the first charge transport layer comprises a silicon substrate doped with an impurity of a first conductivity type, and the second charge transport layer is doped with an impurity of a second conductivity type different from the first conductivity type. May comprise a silicon carbide layer or a silicon carbon nitride layer.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 나노 플라즈모닉 바이오 센서는 제1 도전형을 갖는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 배치되고, 나노 결정들을 포함하는 광전 변환층; 상기 광전 변환층 상에 배치되고, 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 갖는 전하 운반층; 상기 전하 운반층 상의 투명 전극; 상기 투명 전극과 접하며, 상기 투명 전극 상에 주기적으로 배치되는 나노 금속 패턴들; 상기 나노 금속 패턴들 상의 마이크로 플루이딕 채널; 및 상기 마이크로 플루이딕 채널이 배치된 상기 투명 전극 상으로 단일 파장의 광을 조사하도록 구성되는 광원을 포함하되, 상기 나노 금속 패턴들은 상기 투명 전극으로부터 돌출된 기둥 형상을 갖는다.According to an aspect of the present invention, there is provided a nanoplatemonic biosensor comprising: a semiconductor substrate having a first conductivity type; A photoelectric conversion layer disposed on the semiconductor substrate and including nanocrystals; A charge transport layer disposed on the photoelectric conversion layer and having a second conductivity type different from the first conductivity type; A transparent electrode on the charge transport layer; Nano metal patterns in contact with the transparent electrode and periodically disposed on the transparent electrode; A microfluidic channel on the nanometal patterns; And a light source configured to emit light of a single wavelength onto the transparent electrode on which the microfluidic channel is disposed, wherein the nano metal patterns have a columnar shape protruding from the transparent electrode.

일 실시예에 따르면, 상기 나노 금속 패턴들은 제1 방향 및 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 배치되되, 상기 나노 금속 패턴들은 상기 제1 방향 또는 상기 제2 방향으로 일정한 피치를 가질 수 있다.According to one embodiment, the nano metal patterns are arranged along a first direction and a second direction orthogonal to the first direction, wherein the nano metal patterns have a constant pitch in the first direction or the second direction have.

일 실시예에 따르면, 상기 나노 금속 패턴들은 제1 방향 및 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 지그재그 형태로 배치되되, 평면적 관점에서, 상기 나노 금속 패턴들 중 서로 인접한 3개의 나노 금속 패턴들의 중심들 사이의 거리들은 실질적으로 서로 동일할 수 있다.According to one embodiment, the nano metal patterns are arranged in a zigzag shape along a first direction and a second direction orthogonal to the first direction, and from a plan view, three nano metal patterns adjacent to each other among the nano metal patterns May be substantially the same as each other.

일 실시예에 따르면, 상기 나노 금속 패턴들의 수평 단면의 형상은 원형 또는 사각형일 수 있다.According to one embodiment, the shape of the horizontal cross section of the nano metal patterns may be circular or rectangular.

일 실시예에 따르면, 상기 나노 금속 패턴들의 각각은 그의 내부를 관통하는 개구부를 갖되, 상기 나노 금속 패턴들 각각의 수평 단면의 형상은 원형 링 또는 사각형 링일 수 있다.According to one embodiment, each of the nanometal patterns has an opening through the interior thereof, wherein the shape of the horizontal cross section of each of the nanometal patterns can be a circular ring or a square ring.

본 발명의 실시예들에 따른 나노 플라즈모닉 바이오 센서는 실리콘 나노 결정 기반의 광 검출부의 입사면 상에 나노 플라즈모닉 구조체가 직접 배치된 구조를 가지며, 바이오 항원-항체 반응 전후에 따른 광 전류값의 변화량을 측정함으로써 바이오 물질을 검출한다. 이에 따라, 복잡한 광학계가 필요하지 않아 휴대형 현장 진단이 가능한 소형으로 구현되며, 제조 비용 또한 절감된 나노 플라즈모닉 바이오 센서가 제공될 수 있다.The nanoplatemonic biosensor according to embodiments of the present invention has a structure in which a nanoplasmonic structure is directly disposed on an incident surface of a silicon nanocrystal-based optical detector, and a photocurrent value before and after a bio- The biomaterial is detected by measuring the amount of change. As a result, a nanoplasmaic biosensor can be provided that is complicated and does not require a complex optical system, can be miniaturized so that a portable field diagnosis can be performed, and manufacturing cost is reduced.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 나노 플라즈모닉 바이오 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 A 부분의 확대도이다.
도 3a, 도 3b, 도 3c 및 도 3d는 도 1의 나노 금속 패턴을 나타내는 사시도들이다.
도 4a 및 도 4b는 도 1의 나노 금속 패턴들의 배열을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 5는 발명의 실시예들에 따른 나노 플라즈모닉 바이오 센서를 이용하여 바이오 물질을 검출하는 방법을 설명하기 위한 위한 순서도이다.
도 6은 도 1의 A 부분에 대응되는 확대도로서, 바이오 항체와 바이오 항원이 결합된 상태를 도시한다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따라 바이오 물질을 검출하는 동안, 바이오 항원-항체 반응 전후에 따른 파장 대 광 투과율을 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 발명의 실시예들에 따라 바이오 물질을 검출하는 동안, 바이오 항원-항체 반응 전후에 측정되는 광 전류 값을 나타내는 그래프이다.1 is a view for explaining a nanoplasmonic biosensor according to embodiments of the present invention.
2 is an enlarged view of a portion A in Fig.
FIGS. 3A, 3B, 3C and 3D are perspective views showing the nanometal pattern of FIG. 1. FIG.
FIGS. 4A and 4B are plan views for explaining the arrangement of the nano metal patterns of FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a flowchart illustrating a method of detecting a bio-material using a nanoplasmonic biosensor according to embodiments of the present invention. Referring to FIG.
FIG. 6 is an enlarged view corresponding to part A of FIG. 1, showing a state in which a bio-antibody and a bio-antigen are combined.
FIG. 7 is a graph showing changes in wavelength versus light transmittance before and after a bio-antigen-antibody reaction while detecting a bio-material according to embodiments of the present invention.
FIG. 8 is a graph showing photocurrent values measured before and after a bio-antigen-antibody reaction during detection of a biomaterial according to embodiments of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and how to accomplish them, will become apparent by reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the concept of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of illustrating embodiments and is not intended to be limiting of the present invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. As used herein, the terms 'comprises' and / or 'comprising' mean that the stated element, step, operation and / or element does not imply the presence of one or more other elements, steps, operations and / Or additions.

또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.In addition, the embodiments described herein will be described with reference to cross-sectional views and / or plan views, which are ideal illustrations of the present invention. In the drawings, the thicknesses of the films and regions are exaggerated for an effective description of the technical content. Thus, the shape of the illustrations may be modified by manufacturing techniques and / or tolerances. Accordingly, the embodiments of the present invention are not limited to the specific forms shown, but also include changes in the shapes that are generated according to the manufacturing process. For example, the etched area shown at right angles may be rounded or may have a shape with a certain curvature. Thus, the regions illustrated in the figures have schematic attributes, and the shapes of the regions illustrated in the figures are intended to illustrate specific types of regions of the elements and are not intended to limit the scope of the invention.

이하 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 나노 플라즈모닉 바이오 센서 및 이의 제조 방법에 대해 상세히 설명한다. Hereinafter, a nanoplatemonic biosensor according to embodiments of the present invention and a method of manufacturing the same will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 나노 플라즈모닉 바이오 센서를 설명하기 위한 도면이다. 도 2는 도 1의 A 부분의 확대도이다. 도 3a, 도 3b, 도 3c 및 도 3d는 도 1의 나노 금속 패턴을 나타내는 사시도들이다. 도 4a 및 도 4b는 도 1의 나노 금속 패턴들의 배열을 설명하기 위한 평면도들이다. 1 is a view for explaining a nanoplasmonic biosensor according to embodiments of the present invention. 2 is an enlarged view of a portion A in Fig. FIGS. 3A, 3B, 3C and 3D are perspective views showing the nanometal pattern of FIG. 1. FIG. FIGS. 4A and 4B are plan views for explaining the arrangement of the nano metal patterns of FIG. 1. FIG.

도 1을참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 나노 플라즈모닉 바이오 센서(10)는 광 검출부(140), 바이오 물질 반응부(170) 및 광원(180)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, a nanoplatemonic biosensor 10 according to embodiments of the present invention may include a photodetector 140, a biomaterial reaction unit 170, and a light source 180.

광 검출부(140)는 외부로부터 입사된 광을 흡수하여 광 전류를 발생시킬 수 있다. 바이오 물질 반응부(170)는 광 검출부(140)의 입사면에 직접 배치되며, 바이오 항원-항체 반응을 수행할 수 있다. 광원(180)으로부터 생성된 광(182)은 바이오 물질 반응부(170)를 통과하여 광 검출부(140)로 입사될 수 있다. 바이오 항원-항체 반응에 따라 바이오 물질 반응부(170)를 통과하여 광 검출부(140)로 입사되는 광량은 변화될 수 있으며, 나노 플라즈모닉 바이오 센서(10)는 이와 같은 광량의 변화를 광 검출부(140)를 이용하여 감지함으로써 바이오 항원을 검출할 수 있다. The photodetector 140 may generate a photocurrent by absorbing light incident from the outside. The bio-material reaction unit 170 is disposed directly on the incident surface of the photodetector 140, and can perform a bio-antigen-antibody reaction. The light 182 generated from the light source 180 may pass through the bio-material reaction unit 170 and may be incident on the optical detection unit 140. The amount of light incident on the photodetection unit 140 through the biosubstance reaction unit 170 may be changed according to the bio-antigen-antibody reaction, and the nano-plasmonic biosensor 10 may detect a change in the amount of light through the optical detection unit 140) to detect bio-antigens.

구체적으로, 광 검출부(140)는 제1 전하 운반층(100)과, 제1 전하 운반층(100) 상에 순차적으로 배치된 광전 변환층(110), 제2 전하 운반층(120) 및 투명 전극(130)을 포함할 수 있다. 달리 얘기하면, 광 검출부(140)는 광전 변환층(110), 광전 변환층(110)을 사이에 두고 서로 대향하도록 배치된 제1 및 제2 전하 운반층들(110, 120), 및 제2 전하 운반층(120) 상의 투명 전극(130)을 포함할 수 있다. Specifically, the photodetector 140 includes a first charge transport layer 100, a photoelectric conversion layer 110, a second charge transport layer 120, and a transparent electrode layer 130 sequentially disposed on the first charge transport layer 100, Electrode 130 as shown in FIG. In other words, the photodetector 140 includes a photoelectric conversion layer 110, first and second charge transport layers 110 and 120 disposed to face each other with the photoelectric conversion layer 110 therebetween, And may include a transparent electrode 130 on the charge transport layer 120.

제1 전하 운반층(100)은 반도체 기판일 수 있다. 예를 들어, 반도체 기판은 실리콘(Si) 기판을 포함할 수 있다. 더하여, 제1 전하 운반층(100)은 제1 도전형의 불순물로 도핑될 수 있다. 즉, 제1 전하 운반층(100)은 제1 도전형, 예컨대 p형의 도전형을 갖는 실리콘 기판일 수 있다. 이와 같은 제1 전하 운반층(100)은 광 검출부(140)의 상부 전극(즉, 투명 전극(130))에 대응하는 하부 전극으로서 기능할 수 있다.The first charge transport layer 100 may be a semiconductor substrate. For example, the semiconductor substrate may comprise a silicon (Si) substrate. In addition, the first charge transport layer 100 may be doped with an impurity of the first conductivity type. That is, the first charge transport layer 100 may be a silicon substrate having a first conductivity type, for example, a p-type conductivity type. The first charge transport layer 100 may function as a lower electrode corresponding to the upper electrode (i.e., the transparent electrode 130) of the light detecting portion 140.

광전 변환층(110)은 나노 결정들(112)을 포함한 반도체 물질로 제공될 수 있다. 예컨대, 광전 변환층(110)은 실리콘 나노 결정들을 함유한 실리콘 카바이드층을 포함할 수 있다. 이 경우, 광전 변환층(110)은 실란가스(SiH₄) 및 메탄가스(CH₄)를 반응 가스로 이용하는 화학 기상 증착(CVD) 공정을 통해 형성될 수 있다. 나노 결정들(112)은 일정 수준의 크기를 가지며, 광전 변환층(110) 내에 랜덤하게 분산될 수 있다. 예를 들어, 나노 결정들(112)은 1 내지 20nm의 입자 크기(예컨대, 직경)를 가질 수 있다. 나노 결정들(112)의 크기는 광전 변환층(110)의 형성을 위한 공정 조건(예컨대, 실란 가스와 메탄 가스의 함량비 및/또는 반응 온도 등)에 따라 달라질 수 있다. 광전 변환층(110)은 적어도 1nm 이상의 두께를 가질 수 있다. The photoelectric conversion layer 110 may be provided as a semiconductor material including the nanocrystals 112. For example, the photoelectric conversion layer 110 may comprise a silicon carbide layer containing silicon nanocrystals. In this case, the photoelectric conversion layer 110 may be formed through a chemical vapor deposition (CVD) process using silane gas (SiH ₄ ) and methane gas (CH ₄ ) as a reaction gas. The nanocrystals 112 have a certain level of size and can be randomly dispersed in the photoelectric conversion layer 110. For example, the nanocrystals 112 may have a particle size (e. G., Diameter) of 1 to 20 nm. The size of the nanocrystals 112 may vary depending on process conditions for forming the photoelectric conversion layer 110 (for example, the content ratio of the silane gas to the methane gas and / or the reaction temperature). The photoelectric conversion layer 110 may have a thickness of at least 1 nm or more.

광전 변환층(110)은 광 검출부(140)로 입사된 광을 흡수하여 전자 및 정공을 생성할 수 있다. 본 발명에서, 광전 변환층(110)이 나노 결정들(112)을 포함함으로써, 광전 변환층(110)에서 전자 및 정공이 생성되는 효율이 증가될 수 있다. 광전 변환층(110)에서 생성된 전자 및 정공이 제1 및 제2 전하 운반층들(110, 120)을 통해 이동함으로써 전류의 흐름이 생성될 수 있다. 즉, 광전 변환층(110)으로부터 생성된 전자 및 정공들은 전하 운반층들(100, 120) 및 투명 전극(130)을 지나 전기적 신호로 변환될 수 있으며, 광 검출부(140)는 이러한 전기적 신호를 검출하는 광 검출기로서 기능할 수 있다.The photoelectric conversion layer 110 absorbs light incident on the photodetector 140 to generate electrons and holes. In the present invention, since the photoelectric conversion layer 110 includes the nanocrystals 112, efficiency of generating electrons and holes in the photoelectric conversion layer 110 can be increased. A flow of electric current can be generated by moving electrons and holes generated in the photoelectric conversion layer 110 through the first and second charge transporting layers 110 and 120. [ That is, the electrons and holes generated from the photoelectric conversion layer 110 can be converted into an electrical signal through the charge transport layers 100 and 120 and the transparent electrode 130, And can function as a photodetector for detection.

제2 전하 운반층(120)은 탄소를 함유한 실리콘계 반도체물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 제2 전하 운반층(120)은 실리콘 카바이드(SiC) 층 또는 실리콘 카본 나이트라이드(SiCN)층을 포함할 수 있다. 더하여, 제2 전하 운반층(120)은 제1 도전형과 반대되는 제2 도전형의 불순물로 도핑될 수 있다. 예컨대, 제2 전하 운반층(120)은 n형의 도전형을 가질 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 예로, 제1 전하 운반층(100)은 n형의 도전형을 가질 수 있고, 제2 전하 운반층(120)은 p형의 도전형을 가질 수 있다. 제2 전하 운반층(120)은 약 1nm 이상의 두께를 가질 수 있다. The second charge transport layer 120 may comprise a silicon-based semiconductor material containing carbon. For example, the second charge transport layer 120 may comprise a silicon carbide (SiC) layer or a silicon carbon nitride (SiCN) layer. In addition, the second charge transport layer 120 may be doped with an impurity of the second conductivity type opposite to the first conductivity type. For example, the second charge transport layer 120 may have an n-type conductivity type. However, the embodiments of the present invention are not limited thereto. As another example, the first charge transport layer 100 may have an n-type conductivity and the second charge transport layer 120 may have a p-type conductivity. The second charge transport layer 120 may have a thickness of about 1 nm or more.

투명 전극(130)은 투명 전도성 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 투명 전극(130)은 ITO(Indium tin oxide), SnO₂, In₂O₃, Cd₂SnO₄, 또는 ZnO을 포함할 수 있다. 투명 전극(130)은 약 1nm 이상의 두께를 가질 수 있다. The transparent electrode 130 may include a transparent conductive material. For example, the transparent electrode 130 may include indium tin oxide (ITO), SnO ₂ , In ₂ O ₃ , Cd ₂ SnO ₄ , or ZnO. The transparent electrode 130 may have a thickness of about 1 nm or more.

광 검출부(140)의 입사면, 즉, 투명 전극(130)의 상면 상에 바이오 물질 반응부(170)가 배치될 수 있다. 구체적으로, 바이오 물질 반응부(170)는 투명 전극(130)의 상면에 직접 배치되는 나노 금속 패턴들(150) 및 나노 금속 패턴들(150)로 유체의 흐름을 유도하는 마이크로 플루이딕 채널(160)을 포함할 수 있다. 예컨대, 상기의 유체는 혈액, 배뇨, 타액 등 일 수 있으며, 바이오 항체(152) 또는 바이오 항원(154, 도 6 참조)과 같은 바이오 물질을 포함할 수 있다.The biomaterial reaction unit 170 may be disposed on the incident surface of the photodetector unit 140, that is, on the upper surface of the transparent electrode 130. The biomaterial reacting unit 170 includes nanofiber patterns 150 disposed directly on the upper surface of the transparent electrode 130 and microfluidic channels 160 guiding the flow of the fluid to the nanofiber patterns 150. [ ). For example, the fluid may be blood, urine, saliva, etc., and may include bio-materials such as bio-antibody 152 or bio-antigen 154 (see FIG. 6).

일 실시예에 따르면, 바이오 물질 반응부(170)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 나노 금속 패턴들(150)의 표면에 형성된 바이오 항체(152)를 더 포함할 수 있다. 즉, 바이오 항체(152)는, 바이오 물질 반응부(170)의 형성 단계에서, 나노 금속 패턴들(150)의 표면에 미리 고정될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 실시예에 따르면, 바이오 항체(152)는 나노 금속 패턴들(150)의 표면에 미리 고정되지 않을 수 있다. 분석하고자 하는 생체 물질에 따라 별도로 준비된 바이오 항체(152)가, 바이오 물질의 검출 단계에서, 마이크로 플루이딕 채널(160)을 통해 나노 금속 패턴들(150)로 공급되어 이들의 표면에 고정화될 수 있다.According to one embodiment, the bio-material reaction unit 170 may further include a bio-antibody 152 formed on the surface of the nanometal patterns 150, as shown in FIG. That is, the bio-antibody 152 can be previously fixed on the surface of the nanomaterial patterns 150 in the step of forming the bio-material reaction part 170. However, the embodiments of the present invention are not limited thereto. According to another embodiment, the bio-antibody 152 may not be pre-fixed on the surface of the nanometal patterns 150. The bio-antibody 152 separately prepared according to the biomaterial to be analyzed may be supplied to the nano-metal patterns 150 through the microfluidic channel 160 and immobilized on the surface thereof in the detection step of the biomaterial .

바이오 항체(152)의 고정은 화학적, 물리적 또는 생물학적 방법을 이용할 수 있다. 예컨대, 바이오 항체(152)는 나노 금속 패턴들(150)의 표면에 화학적 흡착(chemical adsorption), 공유결합(covalent-binding), 전기적 결합(electrostatic attraction), 공중합체(co-polymerization) 또는 아비딘-바이오틴 결합 시스템(avidin-biotin affinity system) 등에 의해 고정화될 수 있다.The immobilization of the bio-antibody 152 can be performed by a chemical, physical or biological method. For example, the bio-antibody 152 may be applied to the surface of the nanometal patterns 150 by chemical adsorption, covalent-binding, electrostatic attraction, co-polymerization, or avidin- A biotin affinity system or the like.

나노 금속 패턴들(150)은 광원(180)으로부터 입사되는 광(182)에 의해 표면 플라즈몬 현상을 일으킬 수 있는 금속 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 나노 금속 패턴들(150)은 금(Au), 은(Ag), 또는 구리(Cu)를 포함할 수 있다. 또한, 나노 금속 패턴들(150)은 실질적으로 서로 동일한 형상을 가지며, 투명 전극(130)의 상면 상에서 주기적으로 배열될 수 있다. 이와 같은 나노 금속 패턴들(150)은 나노 플라즈모닉 구조체(NPS)를 구성할 수 있다.The nano metal patterns 150 may include a metal material that can cause surface plasmon phenomenon by the light 182 incident from the light source 180. For example, the nano metal patterns 150 may comprise gold (Au), silver (Ag), or copper (Cu). In addition, the nano metal patterns 150 have substantially the same shape and can be periodically arranged on the upper surface of the transparent electrode 130. The nano metal patterns 150 may constitute a nanoplasmonic structure (NPS).

일 실시예에 따르면, 나노 금속 패턴들(150)은 투명 전극(130)의 상면으로부터 돌출될 기둥 형상을 가질 수 있다. 일 예로, 나노 금속 패턴들(150)은, 도 3a에 도시된 바와 같이, 원기둥 형상을 가질 수 있다. 이 때, 나노 금속 패턴들(150)의 각각은 일정한 높이(H)와 폭(W)(즉, 직경)을 가질 수 있다. 예컨대, 나노 금속 패턴들(150)의 높이(H)는 약 1 내지 100nm 이고, 폭(W)은 약 1 내지 1000nm 일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 나노 금속 패턴들(150) 각각의 폭(W)은 높이(H)보다 클 수 있다. 이 경우, 나노 금속 패턴들(150)의 상면의 면적이 상대적으로 증가하여, 바이오 항체(152)의 고정이 보다 효과적으로 수행될 수 있다.According to one embodiment, the nano metal patterns 150 may have a columnar shape projecting from the upper surface of the transparent electrode 130. For example, the nano metal patterns 150 may have a cylindrical shape as shown in Fig. 3A. At this time, each of the nano metal patterns 150 may have a constant height H and a width W (i.e., diameter). For example, the height H of the nanometal patterns 150 may be about 1 to 100 nm, and the width W may be about 1 to 1000 nm. In one embodiment, the width W of each of the nano metal patterns 150 may be greater than the height H. In this case, the area of the upper surface of the nano metal patterns 150 is relatively increased, so that the fixing of the bio-antibody 152 can be performed more effectively.

다른 예로, 나노 금속 패턴들(150)은 다각형의 기둥 형상을 가질 수 있다. 예컨대, 도 3b에 도시된 바와 같이, 나노 금속 패턴들(150)은 사각 기둥 형상을 가질 수 있다. 이 때, 나노 금속 패턴들(150)의 수평 단면의 형상은 정사각형일 수 있으나, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다. 나노 금속 패턴들(150)의 수평 단면의 형상은 직사각형일 수 있으며, 이 때 나노 금속 패턴들(150)의 폭(W)은 장축 방향의 폭으로 정의될 수 있다. 나노 금속 패턴들(150)의 크기(예를 들어, 높이(H) 및/또는 폭(W))는 광원(180)으로 입사되는 광(182)의 파장에 따라 다양하게 구현될 수 있다.As another example, the nanometal patterns 150 may have a polygonal columnar shape. For example, as shown in FIG. 3B, the nano metal patterns 150 may have a square pillar shape. At this time, the shape of the horizontal cross section of the nano metal patterns 150 may be a square, but the embodiments of the present invention are not limited thereto. The shape of the horizontal cross section of the nano metal patterns 150 may be rectangular, and the width W of the nano metal patterns 150 may be defined as the width in the major axis direction. The size (e.g., height H and / or width W) of the nano metal patterns 150 may be varied according to the wavelength of the light 182 incident on the light source 180.

다른 실시예에 따르면, 나노 금속 패턴들(150)은 투명 전극(130)의 상면으로부터 돌출될 중공(hollow)의 기둥 형상을 가질 수 있다. 예컨대, 도 3c 및 도 3d에 도시된 바와 같이, 나노 금속 패턴들(150)의 각각은 그의 내부를 관통하는 개구부(OP)를 가질 수 있다. 즉, 나노 금속 패턴들(150)의 수평 단면의 형상은 원형 링(도 3c 참조) 또는 사각형 링(도 3d 참조)일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 개구부(OP)는 각각의 나노 금속 패턴들(150)을 수직으로 전부 관통하는 오픈 홀 형태를 가질 수 있으나, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다. 나노 금속 패턴들(150)의 각각이 중공(hollow)의 기둥 형상을 가짐에 따라 그의 표면적이 증대될 수 있다. 이에 따라, 나노 플라즈모닉 구조체(NPS)의 플라즈몬 효과가 증대될 수 있다.According to another embodiment, the nanometal patterns 150 may have a hollow pillar shape protruding from the upper surface of the transparent electrode 130. For example, as shown in Figs. 3C and 3D, each of the nano metal patterns 150 may have an opening OP through the inside thereof. That is, the shape of the horizontal cross section of the nano metal patterns 150 may be a circular ring (see FIG. 3C) or a rectangular ring (see FIG. 3D). In one embodiment, the opening OP may have an open-hole shape that vertically penetrates each of the nano metal patterns 150, but the embodiments of the present invention are not limited thereto. As each of the nano metal patterns 150 has a hollow pillar shape, its surface area can be increased. Thus, the plasmon effect of the nanoplasmonic structure (NPS) can be increased.

상술한 나노 금속 패턴들(150)은 투명 전극(130)의 상면 상에서 2차원적으로 배열될 수 있다. 일 예로, 도 4a에 도시된 바와 같이, 나노 금속 패턴들(150)은 제1 방향(D1) 및 제1 방향(D1)과 교차(예컨대, 직교)하는 제2 방향(D2)을 따라 배치되어 복수의 행과 열을 이룰 수 있다. 이 때, 제1 방향(D1) 또는 제2 방향(D2)으로 서로 인접한 나노 금속 패턴들(150) 사이의 피치(p)는 일정할 수 있다. 여기서, 피치(P)는, 평면적 관점에서, 제1 방향(D1) 또는 제2 방향(D2)으로 서로 인접한 나노 금속 패턴들(150)의 중심들 사이의 거리로 정의될 수 있다. 예컨대, 나노 금속 패턴들(150) 사이의 피치(P)는 약 1 내지 10000nm 일 수 있다. 바람직하게, 나노 금속 패턴들(150) 사이의 피치(P)는 나노 금속 패턴들(150)의 폭(W)보다 클 수 있다. 다른 예로, 도 4b에 도시된 바와 같이, 나노 금속 패턴들(150)은 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)을 따라 지그재그 형태로 배치될 수 있다. 이 때, 서로 인접한 3개의 나노 금속 패턴들(150)의 중심들 사이의 거리들(d)은 서로 동일할 수 있다. 즉, 평면적으로 삼각형 형태로 배치되는 나노 금속 패턴들(150)의 중심들은 정삼각형을 이룰 수 있다.The nano metal patterns 150 may be two-dimensionally arranged on the upper surface of the transparent electrode 130. For example, as shown in FIG. 4A, the nanometal patterns 150 are disposed along a second direction D2 that intersects (e.g., orthogonally intersects) the first direction D1 and the first direction D1 A plurality of rows and columns can be formed. At this time, the pitch p between the nano metal patterns 150 adjacent to each other in the first direction D1 or the second direction D2 may be constant. Here, the pitch P can be defined as a distance between the centers of the nanometal patterns 150 adjacent to each other in the first direction D1 or the second direction D2, from a plan viewpoint. For example, the pitch P between the nanometal patterns 150 may be about 1 to 10,000 nm. Preferably, the pitch P between the nanometal patterns 150 may be greater than the width W of the nanometal patterns 150. As another example, as shown in FIG. 4B, the nano metal patterns 150 may be arranged in a zigzag manner along the first direction D1 and the second direction D2. At this time, the distances d between the centers of the three adjacent nanometal patterns 150 may be equal to each other. That is, the centers of the nano metal patterns 150 arranged in a triangular shape in a plan view can have an equilateral triangle.

일 실시예에 따르면, 나노 금속 패턴들(150)은 반도체 공정 기술을 이용하여 형성될 수 있다. 예컨대, 나노 금속 패턴들(150)은 투명 전극(130)의 상면에 금속막을 증착하고, 이를 패터닝하여 형성될 수 있다. 금속막의 증착은 화학 기상 증착 또는 물리 기상 증착 공정을 이용할 수 있다. 그리고, 금속막의 패터닝은 포리소그래피 공정 및 이방성 식각 공정을 이용할 수 있다. 반도체 공정 기술을 이용함에 따라, 요구되는 나노 금속 패턴들(150)의 크기 또는 주기적 배치의 구현이 용이할 수 있다.According to one embodiment, the nanometal patterns 150 may be formed using semiconductor processing techniques. For example, the nano metal patterns 150 may be formed by depositing a metal film on the upper surface of the transparent electrode 130 and patterning the metal film. Deposition of the metal film may utilize a chemical vapor deposition or physical vapor deposition process. The metal film may be patterned by using a poly-lithography process and an anisotropic etching process. Using semiconductor processing techniques, the size or periodic placement of the required nano metal patterns 150 may be readily implemented.

투명 전극(130)의 상면 상에 마이크로 플루이딕 채널(160)이 배치될 수 있다. 마이크로 플루이딕 채널(160)은 예컨대, 실리콘과 같은 무기물 또는 PDMS와 같은 유기물을 이용하여 형성될 수 있다. 마이크로 플루이딕 채널(160)은 바이오 물질(예컨대, 바이오 항체(152) 또는 바이오 항원(154))을 포함하는 유체(예컨대, 혈액, 배뇨, 타액 등)를 나노 금속 패턴들(150)로 유도할 수 있다. 이에 따라, 나노 금속 패턴들(150)의 표면에서 바이오 항체(152)와 바이오 항원(154)이 서로 결합될 수 있다.A microfluidic channel 160 may be disposed on the upper surface of the transparent electrode 130. The microfluidic channel 160 may be formed using, for example, an inorganic material such as silicon or an organic material such as PDMS. The microfluidic channel 160 may be configured to introduce a fluid (e.g., blood, urine, saliva, etc.) containing the biomaterial (e.g., bio- antibody 152 or bio- . Accordingly, the bio-antibody 152 and the bio-antigen 154 can be bonded to each other on the surface of the nanometal patterns 150.

광원(180)은 단일 파장의 광(182)을 생성할 수 있다. 예컨대, 광원(180)은 단일 파장의 광을 생성하는 발광 다이오드 또는 레이저일 수 있다. 광원(180)은 바이오 물질 반응부(170)가 배치된 투명 전극(130)의 상면 상으로 광을 조사할 수 있다. 예컨대, 광원(180)은 바이오 물질 반응부(170)의 상부(over)에 배치될 수 있다. 광원(180)로부터 조사되는 광(182)은 바이오 물질 반응부(170)를 지나 광 검출부(140)로 입사되어 광 전류로 변환될 수 있다. 광원(180)에서 생성되는 광(182)의 파장 대역은 광전 변환층(110) 내의 나노 결정들(112)의 크기에 따라 달라질 수 있다. 요컨대, 검출하고자 하는 바이오 물질에 따라 나노 결정들(112)의 크기, 광원(180)에서 생성된 광(182)의 파장 대역 및/또는 나노 금속 패턴들(150)의 크기가 조절될 수 있으며, 이에 따라 나노 플라즈모닉 바이오 센서(10)의 감도가 증대될 수 있다.The light source 180 may produce light 182 of a single wavelength. For example, the light source 180 may be a light emitting diode or a laser that produces light of a single wavelength. The light source 180 may irradiate light onto the upper surface of the transparent electrode 130 on which the bio-material reaction unit 170 is disposed. For example, the light source 180 may be disposed over the biomaterial reaction unit 170. The light 182 emitted from the light source 180 may enter the photodetector 140 through the bio-material reaction unit 170 and be converted into a photocurrent. The wavelength band of the light 182 generated by the light source 180 may vary depending on the size of the nanocrystals 112 in the photoelectric conversion layer 110. That is, the size of the nanocrystals 112, the wavelength band of the light 182 generated by the light source 180, and / or the size of the nanometal patterns 150 may be adjusted according to the biomaterial to be detected, Accordingly, the sensitivity of the nanoplasmonic biosensor 10 can be increased.

이하 상술한 나노 플라즈모닉 바이오 센서(10)를 이용하여 바이오 물질을 검출하는 방법에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, a method for detecting a bio-material using the nano-plasmonic biosensor 10 will be described in detail.

도 5는 발명의 실시예들에 따른 나노 플라즈모닉 바이오 센서를 이용하여 바이오 물질을 검출하는 방법을 설명하기 위한 위한 순서도이다. 도 6은 도 1의 A 부분에 대응되는 확대도로서, 바이오 항체와 바이오 항원이 결합된 상태를 도시한다. 도 7은 본 발명의 실시예들에 따라 바이오 물질을 검출하는 동안, 바이오 항원-항체 반응 전후에 따른 파장 대 광 투과율을 변화를 나타내는 그래프이다. 도 8은 발명의 실시예들에 따라 바이오 물질을 검출하는 동안, 바이오 항원-항체 반응 전후에 측정되는 광 전류 값을 나타내는 그래프이다.FIG. 5 is a flowchart illustrating a method of detecting a bio-material using a nanoplasmonic biosensor according to embodiments of the present invention. Referring to FIG. FIG. 6 is an enlarged view corresponding to part A of FIG. 1, showing a state in which a bio-antibody and a bio-antigen are combined. FIG. 7 is a graph showing changes in wavelength versus light transmittance before and after a bio-antigen-antibody reaction while detecting a bio-material according to embodiments of the present invention. FIG. 8 is a graph showing photocurrent values measured before and after a bio-antigen-antibody reaction during detection of a biomaterial according to embodiments of the present invention.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 나노 플라즈모닉 바이오 센서(10)를 이용한 바이오 물질의 검출 방법은 바이오 항체(152)를 나노 금속 패턴들(150)의 표면에 고정하는 단계(S10), 광 검출부(140)의 제1 광 전류를 측정하는 단계(S20), 바이오 항원-항체 반응을 수행하는 단계(S30) 및 광 검출부(140)의 제2 광 전류를 측정하는 단계(S40)를 포함할 수 있다.5, a method of detecting a bio-material using the nanoplasmonic biosensor 10 according to embodiments of the present invention includes the steps of fixing the bio-antibody 152 to the surface of the nano metal patterns 150 A step S30 of performing a bio-antigen-antibody reaction, and a step S40 of measuring a second photocurrent of the photodetector 140 ).

구체적으로, 바이오 항체(152)의 고정을 위해 바이오 항체(152)가 포함된 유체(예컨대, 혈액, 배뇨, 타액 등)를 마이크로 플루이딕 채널(160)을 통하여 나노 금속 패턴들(150)로 흘려줄 수 있다. 이 때, 바이오 항체(152)는 검출하고자 하는 바이오 물질(즉, 바이오 항원(154))과 특이 결합을 할 수 있는 물질일 수 있다. 나노 금속 패턴들(150)로 공급된 바이오 항체(152)는 화학적 흡착(chemical adsorption), 공유결합(covalent-binding), 전기적 결합(electrostatic attraction), 공중합체(co-polymerization) 또는 아비딘-바이오틴 결합 시스템(avidin-biotin affinity system) 등에 의해 나노 금속 패턴들(150)의 표면에 고정화될 수 있다(S10). 한편, 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 바이오 항체(152)가 나노 금속 패턴들(150)의 표면에 미리 고정된 경우에는 단계(S10)는 생략될 수 있다.Specifically, to immobilize the bio-antibody 152, a fluid (for example, blood, urine, saliva, etc.) containing the bio-antibody 152 is flowed through the microfluidic channel 160 into the nanometal patterns 150 You can give. At this time, the bio-antibody 152 may be a substance capable of specific binding with the bio-material to be detected (i.e., the bio-antigen 154). The bio-antibody 152 supplied to the nano metal patterns 150 may be chemically adsorbed by a chemical adsorption, a covalent-binding, an electrostatic attraction, a co-polymerization or an avidin- The nanoparticles may be immobilized on the surface of the nanometal patterns 150 by an avidin-biotin affinity system or the like (S10). On the other hand, as described with reference to FIG. 2, step S10 may be omitted if the bio-antibody 152 is previously fixed on the surface of the nanometal patterns 150.

이 후, 광원(180)을 이용하여 단일 파장(λ₁)의 광(182)을 광 검출부(140)로 조사할 수 있다. 광원(180)으로부터 조사된 광(182)은 바이오 항체(152)가 고정된 나노 플라즈모닉 구조체(NPS)를 통과하여 광 검출부(140)의 광전 변환층(110)으로 입사될 수 있고, 입사된 광(182)에 의해 발생된 광 검출부(140)의 제1 광 전류값이 측정될 수 있다(S20).Thereafter, the light 182 of a single wavelength? ₁ can be irradiated to the photodetector 140 by using the light source 180. The light 182 emitted from the light source 180 may be incident on the photoelectric conversion layer 110 of the optical detector 140 through the nanoplasmonic structure NPS on which the bio-antibody 152 is immobilized, The first photocurrent value of the photodetector 140 generated by the light 182 can be measured (S20).

광 검출부(140)의 제1 광 전류값을 측정(S20)한 후, 검출하고자 하는 바이오 항원(154)을 포함하는 유체를 바이오 항체(152)가 고정된 나노 금속 패턴들(150)로 흘려줄 수 있다. 이에 따라, 도 6에 도시된 바와 같이, 바이오 항원(154)과 바이오 항체(152)가 결합하여, 바이오 항원-항체 반응이 수행될 수 있다(S30). After measuring the first photocurrent value of the photodetector 140 (S20), the fluid containing the bio-antigen 154 to be detected is flowed into the nano-metal patterns 150 to which the bio-antibody 152 is immobilized . Accordingly, as shown in FIG. 6, the bio-antigen 154 and the bio-antibody 152 may be combined to perform the bio-antigen-antibody reaction (S30).

바이오 항원-항체 반응의 수행(S30) 후, 광원(180)에서 생성된 단일 파장(예컨대, λ₁)의 광(182)이 바이오 물질 반응부(170)를 통과하여 광 검출부(140)로 입사될 수 있고, 입사된 광(182)에 의해 발생된 광 검출부(140)의 제2 광 전류값이 측정될 수 있다(S40). 바이오 항원-항체 반응이 수행되면 바이오 물질 반응부(170)의 광 투과율(구체적으로, 나노 플라즈모닉 구조체(NPS)의 광 투과율)이 변화될 수 있다. 예컨대, 바이오 항원-항체 반응이 수행되면 나노 금속 패턴들(150)의 표면에 고정된 바이오 물질의 유전율이 변화될 수 있으며, 이는 나노 플라즈모닉 구조체(NPS)의 투과율 변화시키는 요인이 될 수 있다. 이에 따라, 바이오 항원-항체 반응의 수행 후 광전 변환층(110)으로 도달되는 광량이 변화될 수 있다. 그 결과, 광 검출부(140)의 제2 광 전류값은 제1 광 전류값과 다른 값을 가질 수 있다. After the bio-antigen-antibody reaction is performed (S30), light 182 of a single wavelength (for example,? ₁ ) generated in the light source 180 passes through the bio-material reaction unit 170 and enters into the optical detection unit 140 And the second photocurrent value of the photodetector 140 generated by the incident light 182 may be measured (S40). When the bio-antigen-antibody reaction is performed, the light transmittance (specifically, the light transmittance of the nanoplasmonic structure (NPS)) of the biomaterial reacting unit 170 may be changed. For example, when the bio-antigen-antibody reaction is performed, the permittivity of the biomaterial immobilized on the surface of the nanometal patterns 150 may be changed, which may cause a change in the transmittance of the nanoplasmonic structure (NPS). Accordingly, the amount of light reaching the photoelectric conversion layer 110 after the bio-antigen-antibody reaction is performed can be changed. As a result, the second photocurrent value of the photodetector 140 may have a different value from the first photocurrent value.

예컨대, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 단계(S20)에서 나노 플라즈모닉 구조체(NPS)를 통과하는 광(182)의 광 투과율은 T₁의 값을 가지며, 이에 해당하는 광 검출부(140)의 제1 광 전류값은 I₁의 값을 가질 수 있다. 그리고, 단계(S40)에서 나노 플라즈모닉 구조체(NPS)를 통과하는 광(182)의 광 투과율은 T₂의 값을 가지며, 이에 해당하는 광 검출부(140)의 제2 광 전류값은 I₂의 값을 가질 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 나노 플라즈모닉 바이오 센서(10)는 상술한 제1 광 전류값과 제2 광 전류값의 변화량(I₁-I₂)을 측정함으로써, 생체 성분 내에 함유된 바이오 항원(154)을 정성적, 정량적 및 고감도로 검출할 수 있다. 7 and 8, in step S20, the light transmittance of the light 182 passing through the nanoplasmonic structure NPS has a value of T ₁ , and the light detecting part 140 ) May have a value of I &_lt; ₁ >. The light transmittance of the light 182 passing through the nanoplasmonic structure NPS in step S40 has a value of T ₂ and the second photocurrent value of the photodetector 140 corresponding thereto is I ₂ Value. ≪ / RTI > The nanoplatemonic biosensor 10 according to the embodiments of the present invention measures the amount of change (I ₁ -I ₂ ) of the first photocurrent value and the second photocurrent value, (154) can be detected qualitatively, quantitatively, and with high sensitivity.

일반적인 나노 플라즈모닉 바이오 센서는 금속 박막으로 이루어진 센서의 표면 상에 바이오 물질을 흡착한 후 광의 공진 주파수(파장) 변화를 레이저 광원, 프리즘 및 광 검출기를 이용하여 감지함으로써 바이오 물질을 검출한다. 공진 주파수(파장) 변화를 검출하는 광 검출기로는 스캐너 또는 스펙트로미터가 일반적으로 사용된다. 광의 공진 주파수(파장) 변화 스펙트럼을 측정하기 위해서는 광을 생성하는 광원부가 효율이 높은 파장 가변형 광원이거나 또는 광 공진 주파수(파장) 변화를 검출하는 광 검출기를 스캐너 또는 스펙트로미터를 사용하여야 하기 때문에, 일반적인 나노 플라즈모닉 바이오 센서는 매우 복잡한 광학계가 필요하며, 고가의 제작 단가 및 소형(휴대형) 바이오 센서 제작이 불가능하다는 단점이 존재한다.A typical nanoplasmonic biosensor detects a biomaterial by detecting a change in resonance frequency (wavelength) of light using a laser light source, a prism, and a photodetector after adsorbing a biomolecule on the surface of a sensor made of a metal thin film. A scanner or a spectrometer is generally used as a photodetector for detecting resonance frequency (wavelength) change. In order to measure the resonance frequency (wavelength) change spectrum of light, since the light source section for generating light needs to be a wavelength variable light source having a high efficiency or a photodetector for detecting a change in light resonance frequency (wavelength) Nanoplasmonic biosensors require a very complex optical system, and there is a disadvantage in that it is not possible to manufacture an expensive production cost and a compact (portable) biosensor.

그러나, 본 발명의 실시예들에 따른 나노 플라즈모닉 바이오 센서는 실리콘 나노 결정 기반의 광 검출부의 입사면 상에 나노 플라즈모닉 구조체가 직접 배치된 구조를 가지며, 바이오 항원-항체 반응 전후에 따른 광 전류값의 변화량을 측정함으로써 바이오 물질을 검출한다. 이에 따라, 복잡한 광학계가 필요하지 않아 휴대형 현장 진단이 가능한 소형으로 구현되며, 제조 비용 또한 절감된 나노 플라즈모닉 바이오 센서가 제공될 수 있다. However, the nanoplasmonic biosensor according to embodiments of the present invention has a structure in which a nanoplasmonic structure is directly disposed on the incident surface of a silicon nanocrystal-based optical detector, and a photocurrent The biomaterial is detected by measuring the amount of change in the value. As a result, a nanoplasmaic biosensor can be provided that is complicated and does not require a complex optical system, can be miniaturized so that a portable field diagnosis can be performed, and manufacturing cost is reduced.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative and not restrictive in every respect.

Claims (16)

광 검출부;
상기 광 검출부의 입사면 상에 직접 배치되는 바이오 물질 반응부; 및
상기 입사면으로 단일 파장의 광을 조사하도록 구성되는 광원을 포함하되,
상기 광 검출부는:
나노 결정들을 포함하는 광전 변환층;
상기 광전 변환층을 사이에 두고 서로 대향하도록 배치되는 제1 및 제2 전하 운반층들; 및
상기 제2 전하 운반층 상의 투명 전극을 포함하고,
상기 바이오 물질 반응부는:
상기 투명 전극의 상면과 접하며, 상기 투명 전극의 상면 상에서 2차원적으로 배치되는 복수의 나노 금속 패턴들; 및
상기 나노 금속 패턴들을 덮는 마이크로 플루이딕 채널을 포함하는 나노 플라즈모닉 바이오 센서.A photodetector;
A bio-material reaction unit disposed directly on an incident surface of the light detecting unit; And
And a light source configured to irradiate light of a single wavelength to the incident surface,
Wherein the photodetector comprises:
A photoelectric conversion layer containing nanocrystals;
First and second charge transport layers arranged to face each other with the photoelectric conversion layer therebetween; And
And a transparent electrode on the second charge transport layer,
Wherein the bio-material reaction unit comprises:
A plurality of nano metal patterns disposed on the upper surface of the transparent electrode and two-dimensionally disposed on the upper surface of the transparent electrode; And
And a microfluidic channel covering the nano metal patterns. 제 1 항에 있어서,
상기 나노 금속 패턴들의 각각은 상기 투명 전극의 상면으로부터 돌출된 기둥 형상을 갖는 나노 플라즈모닉 바이오 센서.The method according to claim 1,
Wherein each of the nano metal patterns has a column shape protruding from an upper surface of the transparent electrode. 제 2 항에 있어서,
상기 나노 금속 패턴들의 각각은 1 내지 100nm의 높이 및 1 내지 1000nm의 폭을 갖는 나노 플라즈모닉 바이오 센서.3. The method of claim 2,
Wherein each of said nanometal patterns has a height of 1 to 100 nm and a width of 1 to 1000 nm. 제 3 항에 있어서,
상기 나노 금속 패턴들은 제1 방향 및 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 배치되되,
상기 나노 금속 패턴들은 상기 제1 방향 또는 상기 제2 방향으로 일정한 피치를 갖는 나노 플라즈모닉 바이오 센서.The method of claim 3,
Wherein the nano metal patterns are disposed along a first direction and a second direction orthogonal to the first direction,
Wherein the nano metal patterns have a constant pitch in the first direction or the second direction. 제 3 항에 있어서,
상기 나노 금속 패턴들은 제1 방향 및 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 지그재그 형태로 배치되되,
평면적 관점에서, 상기 나노 금속 패턴들 중 서로 인접하여 삼각형 형태로 배치되는 3개의 나노 금속 패턴들의 중심들 사이의 거리들은 서로 동일한 나노 플라즈모닉 바이오 센서.The method of claim 3,
Wherein the nano metal patterns are arranged in a zigzag pattern along a first direction and a second direction orthogonal to the first direction,
From a plan viewpoint, distances between centers of three nanometal patterns arranged in a triangular shape adjacent to each other among the nanometal patterns are equal to each other. 제 2 항에 있어서,
상기 나노 금속 패턴들의 각각은 그의 내부를 관통하는 개구부를 갖는 나노 플라즈모닉 바이오 센서.3. The method of claim 2,
Wherein each of said nano metal patterns has an opening penetrating the inside thereof. 제 1 항에 있어서,
상기 바이오 물질 반응부는 상기 나노 금속 패턴들의 표면에 고정된 바이오 항체를 더 포함하는 나노 플라즈모닉 바이오 센서.The method according to claim 1,
Wherein the bio-material reaction unit further comprises a bio-antibody immobilized on a surface of the nanometal patterns. 제 1 항에 있어서,
상기 마이크로 플루이딕 채널은 상기 나노 금속 패턴들로 바이오 항체 또는 바이오 항원을 포함하는 유체의 흐름을 유도하도록 구성되는 나노 플라즈모닉 바이오 센서.The method according to claim 1,
Wherein the microfluidic channel is configured to induce a flow of fluid including a bio-antibody or bio-antigen to the nanometal patterns. 제 1 항에 있어서,
상기 나노 금속 패턴들은 금, 은 또는 구리를 포함하는 나노 플라즈모닉 바이오 센서.The method according to claim 1,
Wherein the nano metal patterns comprise gold, silver or copper. 제 1 항에 있어서,
상기 광전 변환층은 실리콘 나노 결정들을 포함하는 실리콘 카바이드층인 나노 플라즈모닉 바이오 센서.The method according to claim 1,
Wherein the photoelectric conversion layer is a silicon carbide layer comprising silicon nanocrystals. 제 1 항에 있어서,
상기 제1 전하 운반층은 제1 도전형의 불순물로 도핑된 실리콘 기판을 포함하고,
상기 제2 전하 운반층은 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형의 불순물로 도핑된는 실리콘 카바이드층 또는 실리콘 카본 나이트라이드층을 포함하는 나노 플라즈모닉 바이오 센서.The method according to claim 1,
Wherein the first charge transport layer comprises a silicon substrate doped with an impurity of a first conductivity type,
Wherein the second charge transport layer comprises a silicon carbide layer or a silicon carbon nitride layer doped with an impurity of a second conductivity type different from the first conductivity type. 제1 도전형을 갖는 반도체 기판;
상기 반도체 기판 상에 배치되고, 나노 결정들을 포함하는 광전 변환층;
상기 광전 변환층 상에 배치되고, 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 갖는 전하 운반층;
상기 전하 운반층 상의 투명 전극;
상기 투명 전극과 접하며, 상기 투명 전극 상에 주기적으로 배치되는 나노 금속 패턴들;
상기 나노 금속 패턴들 상의 마이크로 플루이딕 채널; 및
상기 마이크로 플루이딕 채널이 배치된 상기 투명 전극 상으로 단일 파장의 광을 조사하도록 구성되는 광원을 포함하되,
상기 나노 금속 패턴들은 상기 투명 전극으로부터 돌출된 기둥 형상을 갖는 나노 플라즈모닉 바이오 센서.A semiconductor substrate having a first conductivity type;
A photoelectric conversion layer disposed on the semiconductor substrate and including nanocrystals;
A charge transport layer disposed on the photoelectric conversion layer and having a second conductivity type different from the first conductivity type;
A transparent electrode on the charge transport layer;
Nano metal patterns in contact with the transparent electrode and periodically disposed on the transparent electrode;
A microfluidic channel on the nanometal patterns; And
And a light source configured to irradiate a single wavelength of light onto the transparent electrode on which the microfluidic channel is disposed,
Wherein the nano metal patterns have a columnar shape protruding from the transparent electrode. 제 12 항에 있어서,
상기 나노 금속 패턴들은 제1 방향 및 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 배치되되,
상기 나노 금속 패턴들은 상기 제1 방향 또는 상기 제2 방향으로 일정한 피치를 갖는 나노 플라즈모닉 바이오 센서.13. The method of claim 12,
Wherein the nano metal patterns are disposed along a first direction and a second direction orthogonal to the first direction,
Wherein the nano metal patterns have a constant pitch in the first direction or the second direction. 제 12 항에 있어서,
상기 나노 금속 패턴들은 제1 방향 및 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 지그재그 형태로 배치되되,
평면적 관점에서, 상기 나노 금속 패턴들 중 서로 인접한 3개의 나노 금속 패턴들의 중심들 사이의 거리들은 서로 동일한 나노 플라즈모닉 바이오 센서.13. The method of claim 12,
Wherein the nano metal patterns are arranged in a zigzag pattern along a first direction and a second direction orthogonal to the first direction,
From a plan viewpoint, the distances between the centers of three nanometal patterns adjacent to each other among the nanometal patterns are equal to each other. 제 12 항에 있어서,
상기 나노 금속 패턴들의 수평 단면의 형상은 원형 또는 사각형인 나노 플라즈모닉 바이오 센서.13. The method of claim 12,
Wherein the shape of the horizontal cross section of the nano metal patterns is circular or rectangular. 제 12 항에 있어서,
상기 나노 금속 패턴들의 각각은 그의 내부를 관통하는 개구부를 갖되,
상기 나노 금속 패턴들 각각의 수평 단면의 형상은 원형 링 또는 사각형 링인 나노 플라즈모닉 바이오 센서.13. The method of claim 12,
Each of the nano metal patterns having an opening therethrough,
Wherein the shape of the horizontal cross section of each of the nano metal patterns is a circular ring or a rectangular ring.

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