KR20230090625A - 바이오 센서 - Google Patents

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KR20230090625A
KR20230090625A KR1020210179552A KR20210179552A KR20230090625A KR 20230090625 A KR20230090625 A KR 20230090625A KR 1020210179552 A KR1020210179552 A KR 1020210179552A KR 20210179552 A KR20210179552 A KR 20210179552A KR 20230090625 A KR20230090625 A KR 20230090625A
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KR
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biosensor
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inlet
layer
electrode
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KR1020210179552A
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이동엽
김동옥
마동희
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동우 화인켐 주식회사
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Abstract

바이오 센서가 제공된다. 바이오 센서는 주입구를 포함하는 기판, 기판 상에서 서로 이격되어 배치된 작업 전극 및 기준 전극을 각각 포함하는 복수의 전극 반응부들, 기판 상에 배치되고, 측정 대상 물질이 주입구로 주입되어 이동되며, 주입구로부터 멀어질수록 단계적으로 부피가 감소하는 제1 유로, 및 제1 유로로부터 분기되며, 전극 반응부들 각각을 노출시키는 복수의 제2 유로들을 포함한다. 유로의 내부 압력을 조절하여 순차적으로 감지 반응이 수행될 수 있다.

Description

바이오 센서{BIO SENSOR}
본 발명은 바이오 센서에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 작업 전극 및 기준 전극을 포함하는 바이오 센서에 관한 것이다.
인간의 평균 수명이 증가함에 따라, 헬스 케어 산업이 급속히 팽창하고 있다. 특히, 여러 가지 생체 신호들을 편리하게 측정할 수 있는 바이오 센서에 대한 요구가 점차 증가하고 있다.
바이오 센서는 체액(땀, 눈물, 혈액 등)에 포함된 화학종들과 반응하는 효소를 사용할 수 있다. 상기 효소가 상기 화학종과 반응하여 전류가 발생하면, 이를 측정하여 해당 화학종의 농도를 측정한다.
바이오 센서의 측정 대상 물질은 예를 들면, 젖산(락테이트), 글루코스, 콜레스테롤, 아스코빅산, 알코올 및/또는 글루탐산일 수 있다.
각 측정 물질의 산화 효소 또는 탈수소 효소를 사용하여 해당 측정 대상 물질의 농도를 측정하는 연구가 활발히 수행되고 있다.
예를 들면, 바이오 센서에 대한 연구들은 대한민국 등록특허공보 제10-1107506호에 개시된 바와 같이, 글루코스의 글루코노락톤 (gluconolactone)으로의 산화를 촉진하는 글루코스 산화 효소(glucose oxidase) 또는 글루코스 탈수소 효소와 같은 효소의 고정에 기반을 두고 있다.
바이오 센서를 부착 후 장시간 활동함에 따라 바이오 센서의 실시간 감지 성능 및 신뢰성이 저하될 수 있다. 따라서, 장시간 운동/활동 시에도 감지 성능 및 신뢰성이 유지되는 작업 전극 및 이를 포함하는 바이오 센서의 연구 개발이 필요하다.
대한민국 등록특허공보 제10-1107506호
본 발명의 일 과제는 감지 성능 및 신뢰성이 향상된 바이오 센서를 제공하는 것이다.
1. 주입구를 포함하는 기판, 상기 기판 상에서 서로 이격되어 배치된 작업 전극 및 기준 전극을 각각 포함하는 복수의 전극 반응부들, 상기 기판 상에 배치되고, 측정 대상 물질이 상기 주입구로 주입되어 이동되며, 상기 주입구로부터 멀어질수록 단계적으로 부피가 감소하는 제1 유로, 및 상기 제1 유로로부터 분기되며, 상기 전극 반응부들 각각을 노출시키는 복수의 제2 유로들을 포함하는, 바이오 센서.
2. 위 1에 있어서, 상기 제1 유로는 상기 제2 유로들 각각이 분기되는 병합부들을 포함하고, 상기 병합부들 중 상기 주입구에서 가장 멀리 위치한 병합부를 제외한 병합부들은 각각 상기 제1 유로의 너비가 좁아지도록 형성된 단차부를 포함하는, 바이오 센서.
3. 위 2에 있어서, 상기 제1 유로는 상기 병합부들 중 서로 인접한 두 병합부들 사이에 형성된 돌출부를 포함하는, 바이오 센서.
4. 위 3에 있어서, 상기 돌출부는 평면 방향에서 쐐기 형상을 갖는, 바이오 센서.
5. 위 1에 있어서, 상기 전극 반응부들, 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로들을 덮는 상부 커버를 더 포함하는, 바이오 센서.
6. 위 5에 있어서, 상기 상부 커버는 상기 제2 유로들과 중첩되는 부분들에 각각 형성된 복수의 배기구들을 포함하는, 바이오 센서.
7. 위 6에 있어서, 상기 복수의 배기구들의 직경은 상기 주입구로부터 멀어질수록 작아지는, 바이오 센서.
8. 위 6에 있어서, 상기 복수의 배기구들의 직경은 상기 주입구로부터 멀어질수록 증가하는, 바이오 센서.
9. 위 6에 있어서, 상기 복수의 배기구들의 직경은 모두 동일한, 바이오 센서.
10. 위 1에 있어서, 상기 제2 유로들 각각은 상기 전극 반응부가 배치된 제1 부분 및 상기 전극 반응부가 배치되지 않은 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 부분의 너비는 상기 제2 부분의 너비보다 큰, 바이오 센서.
11. 위 1에 있어서, 상기 제1 유로의 연장 방향 및 상기 제2 유로들의 연장 방향 사이의 각도는 각각 5 내지 150°인, 바이오 센서.
12. 위 1에 있어서, 상기 기판 상에 배치되어 상기 전극 반응부들 각각과 전기적으로 연결된 배선을 포함하는 배선층, 및 상기 배선층 상에 배치되어 상기 배선의 적어도 일부를 덮는 절연층을 더 포함하는, 바이오 센서.
13. 위 11에 있어서, 상기 전극 반응부는 상기 절연층으로부터 노출된, 바이오 센서.
14. 위 1에 있어서, 상기 작업 전극은 상기 기판 상에 형성된 도전층, 상기 도전층 상에 형성되고 상기 측정 대상 물질과 반응하는 효소층, 및 상기 효소층 상에 형성되는 배리어층을 포함하는, 바이오 센서.
15. 위 1에 있어서, 상기 측정 대상 물질은 젖산, 글루코스, 콜레스테롤, 아스코빅산, 알코올 및 글루탐산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나인, 바이오 센서.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 바이오 센서는 측정 대상 물질이 상기 주입구로 주입되어 이동되며, 상기 주입구로부터 멀어질수록 단계적으로 부피가 감소하는 제1 유로, 및 제1 유로에서 분기되어 전극 반응부를 노출시키는 제2 유로를 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 유로의 내부 압력은 주입구에서 멀어질수록 증가할 수 있다. 이에 따라, 주입구와 가까운 제2 유로부터 측정 대상 물질이 순차적으로 주입될 수 있다. 따라서, 주입구와 가까운 전극 반응부부터 순차적으로 감지가 수행될 수 있다.
이에 따라, 바이오 센서가 장시간 동안 우수한 감지 성능을 유지할 수 있다. 예를 들면, 실시예들에 따른 바이오 센서를 인체에 부착하고 활동하는 경우 장시간 동안 실시간으로 측정 대상 물질을 감지할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 제1 유로는 제2 유로들이 분기되는 병합부들 중 서로 인접한 두 병합부 사이에 형성된 돌출부를 포함할 수 있다. 이 경우, 돌출부는 측정 대상 물질이 한 병합부에서 다른 병합부로 이동하는 것을 일정 시간 동안 억제할 수 있다. 이에 따라, 측정 대상 물질이 한 병합부에서 분기된 제2 유로에 충분히 주입되지 않고 다른 병합부로 이동하는 것이 방지될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 복수의 배기구들의 직경은 주입구와 가까운 배기구로부터 주입구와 먼 배기구로 갈수록 작아질 수 있다. 이 경우, 주입구와 가까운 제2 유로부터 주입구와 먼 제2 유로로 갈수록 제2 유로의 내부 압력이 증가할 수 있다. 이에 따라, 측정 대상 물질이 주입구와 가까운 제2 유로에 충분히 주입되기 전에 주입구와 상대적으로 먼 제2 유로로 이동하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 주입구에서 가까운 제2 유로부터 순차적으로 측정 대상 물질이 주입될 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 바이오 센서를 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 바이오 센서를 나타내는 개략적인 단면도이다.
본 발명의 실시예들은 작업 전극 및 기준 전극을 포함하는 바이오 센서를 제공한다.
이하 도면을 참고하여, 본 발명의 실시예들을 보다 구체적으로 설명하도록 한다. 다만, 본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 바이오 센서를 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 1을 참조하면, 예시적인 실시예들에 따른 바이오 센서는 기판(100), 기판(100) 상에 배치된 복수의 전극 반응부(200)들, 기판(100) 상에 배치된 제1 유로(310) 및 제1 유로(310)에서 분기되는 제2 유로(320)를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제2 유로(320)는 제1 유로(310)로부터 분기되며, 전극 반응부(200)들 각각을 노출시키는 복수의 제2 유로(320)들을 포함할 수 있다.
예를 들면, 기판(100)은 플렉서블 특성을 갖는 기재 필름일 수 있다.
예를 들면, 기판(100)은 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌이소프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트 등의 폴리에스테르계 수지; 디아세틸셀룰로오스, 트리아세틸셀룰로오스 등의 셀룰로오스계 수지; 폴리카보네이트계 수지; 폴리메틸(메타)아크릴레이트, 폴리에틸(메타)아크릴레이트 등의 아크릴계 수지; 폴리스티렌, 아크릴로니트릴-스티렌 공중합체 등의 스티렌계 수지; 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 시클로계 또는 노보넨 구조를 갖는 폴리올레핀, 에틸렌-프로필렌 공중합체 등의 폴리올레핀계 수지; 염화비닐계 수지; 나일론, 방향족 폴리아미드 등의 아미드계 수지; 이미드계 수지; 폴리에테르술폰계 수지; 술폰계 수지; 폴리에테르에테르케톤계 수지; 황화 폴리페닐렌계 수지; 비닐알코올계 수지; 염화비닐리덴계 수지; 비닐부티랄계 수지; 알릴레이트계 수지; 폴리옥시메틸렌계 수지; 에폭시계 수지 등과 같은 열가소성 수지로 구성된 필름을 들 수 있으며, 상기 열가소성 수지의 블렌드물로 구성된 필름이 사용될 수 있다. 또한, 상기 기판(100)은 (메타)아크릴계, 우레탄계, 아크릴우레탄계, 에폭시계, 실리콘계 등의 열경화성 수지 또는 자외선 경화형 수지로 된 필름을 포함할 수 있다.
기판(100)의 두께는 제한되지 않으나, 강도, 취급성, 작업성, 박층성 등을 고려하여 1 내지 500 ㎛일 수 있다. 바람직하게는, 기판(100)의 두께는 1 내지 300 ㎛일 수 있고, 더욱 바람직하게는 5 내지 200 ㎛일 수 있다.
예를 들면, 기판(100)에는 1종 이상의 첨가제가 함유될 수 있다. 첨가제는 예를 들면, 자외선흡수제, 산화방지제, 윤활제, 가소제, 이형제, 착색방지제, 난연제, 핵제, 대전방지제, 안료, 착색제 등을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 기판(100)은 필름의 일면 또는 양면에 하드코팅층, 반사 방지층 및/또는 가스 배리어층과 같은 다양한 기능성층을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 기재 필름은 표면 처리될 수 있다. 예를 들면, 표면 처리는 플라즈마(plasma) 처리, 코로나(corona) 처리, 프라이머(primer) 처리 등의 건식 처리, 검화 처리를 포함하는 알칼리 처리 등의 화학 처리를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 기판(100)은 측정 대상 물질이 주입되는 주입구(130)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 주입구(130)는 기판(100), 후술할 배선층(110) 및 절연층(120)을 관통하는 홀(hole) 형태를 가질 수 있다.
예를 들면, 주입구(130)는 바이오 센서의 하부에 형성되어 피부에 인접하게 배치될 수 있다. 이에 따라, 신체 활동 중에 발생하는 체액(예를 들면, 땀)이 바이오 센서에 실시간으로 주입될 수 있다.
측정 대상 물질은 예를 들면, 젖산, 글루코스, 콜레스테롤, 아스코빅산, 알코올 및 글루탐산으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 상기 측정 대상 물질은 인체의 타액, 땀, 체액 및 혈액 중 적어도 하나에 함유된 것일 수 있다. 이에 따라, 바이오 센서의 목적에 따라 근육의 피로도, 혈당 수치 등을 감지할 수 있다.
예를 들면, 주입구(130)의 직경은 측정 대상 물질의 종류, 농도, 측정 시간 등을 고려하여 조절될 수 있다.
예를 들면, 제1 유로(310)의 너비/부피가 일정할 수 있다. 이 경우, 제1 유로(310) 내부 압력이 균일하므로 복수의 제2 유로(320)들에 실질적으로 동시에 측정 대상 물질이 주입될 수 있다. 이에 따라, 복수의 전극 반응부(200)들에서 실질적으로 동시에 감지 반응이 수행되어 바이오 센서의 감지 성능이 짧은 시간에 열화될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 제1 유로(310)는 측정 대상 물질이 주입구(130)로 주입되어 이동되며, 주입구(130)로부터 멀어질수록 단계적으로 부피가 감소할 수 있다. 이 경우, 제1 유로(310)의 내부 압력은 주입구(130)에서 멀어질수록 증가할 수 있다. 이에 따라, 주입구(130)와 가까운 제2 유로(320)부터 측정 대상 물질이 순차적으로 주입될 수 있다.
따라서, 주입구(130)와 가까운 전극 반응부(200)부터 순차적으로 감지가 수행될 수 있다. 예를 들면, 주입구(130)와 가장 가까운 전극 반응부(200)에서 감지가 수행된 후, 일정 시간 후에 주입구(130)와 두 번째로 가까운 전극 반응부(200)에서 감지가 수행될 수 있다. 다른 전극 반응부(200)들도 같은 방식으로 일정 시간 간격을 두고 측정 대상 물질을 감지할 수 있다.
이에 따라, 바이오 센서가 장시간 동안 우수한 감지 성능을 유지할 수 있다. 예를 들면, 실시예들에 따른 바이오 센서를 인체에 부착하고 활동하는 경우 장시간 동안 실시간으로 측정 대상 물질을 감지할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 제1 유로(310)는 제2 유로(320)들 각각이 분기되는 병합부(312)들을 포함할 수 있다.
예를 들면, 병합부(312)는 제1 유로(310) 및 제2 유로(320)가 병합되는 부분일 수 있고, 병합부(312)는 제1 유로(310)로부터 제2 유로(320)들 각각이 분기되는 부분일 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 병합부(312)들 중 주입구(130)에서 가장 멀리 위치한 병합부를 제외한 병합부(312)들 각각은 제1 유로(310)의 너비가 좁아지도록 형성된 단차부(312a)를 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 유로(310)의 너비/부피가 주입구(130)에서 멀어질수록 감소할 수 있다. 이에 따라, 바이오 센서의 상술한 순차적인 감지 반응이 구현될 수 있다.
예를 들면, 상기 병합부(312)들 각각은 주입구(130)에서 가까운 부분의 너비보다 주입구(130)에서 먼 부분의 너비가 좁을 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 제1 유로(310)는 병합부(312)들 중 서로 인접한 두 병합부(312)들 사이에 형성된 돌출부(314)를 포함할 수 있다. 이 경우, 돌출부(314)는 측정 대상 물질이 한 병합부(312)에서 다른 병합부(312)로 이동하는 것을 일정 시간 동안 억제할 수 있다. 이에 따라, 측정 대상 물질이 한 병합부(312)에서 분기된 제2 유로(320)에 충분히 주입되지 않고 다른 병합부(312)로 이동하는 것이 방지될 수 있다.
예를 들면, 돌출부(314)는 평면 방향에서 쐐기 형상으로 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 제2 유로(320)들 각각은 전극 반응부(200)가 배치된 제1 부분(322) 및 전극 반응부가 배치되지 않은 제2 부분(324)을 포함하고, 제1 부분(322)의 너비는 제2 부분(324)의 너비보다 클 수 있다. 이 경우, 감지 반응이 일어나는 전극 면적이 증가하면서도 제2 유로(320)의 너비/부피가 지나치게 증가하는 것을 억제할 수 있다. 이에 따라, 감지에 필요한 체액 양의 증가를 억제하면서도 우수한 감지 성능을 구현할 수 있다.
예를 들면, 제1 부분(322)은 작업 전극(210)을 노출시키는 작업 전극부 및 기준 전극(220)을 노출시키는 기준 전극부를 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 작업 전극부의 너비는 기준 전극부의 너비보다 클 수 있다. 이에 따라, 측정 대상 물질이 작업 전극(210)과 충분히 반응하여 바이오 센서의 감도가 향상될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 제1 유로(310)의 연장 방향 및 제2 유로(320)의 연장 방향 사이의 각도는 5 내지 150°일 수 있다. 바람직하게는 공정의 편의성 및 감지 성공률을 고려하여 30 내지 150°일 수 있고, 더욱 바람직하게는 30 내지 120°일 수 있다. 상기 각도 범위에서, 제1 유로(310) 및 제2 유로(320) 사이에서 측정 대상 물질이 원활히 이동할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 기판(100) 상에 격벽(315)들을 배치하여 제1 유로(310) 및 제2 유로(320)들을 형성할 수 있다. 예를 들면, 복수의 격벽(315)들을 배치하여 격벽(315)들 사이로 측정 대상 물질이 이동하는 유로를 형성할 수 있다.
예를 들면, 격벽(315)은 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌이소프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트 등의 폴리에스테르계 수지; 디아세틸셀룰로오스, 트리아세틸셀룰로오스 등의 셀룰로오스계 수지; 폴리카보네이트계 수지; 폴리메틸(메타)아크릴레이트, 폴리에틸(메타)아크릴레이트 등의 아크릴계 수지; 폴리스티렌, 아크릴로니트릴-스티렌 공중합체 등의 스티렌계 수지; 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 시클로계 또는 노보넨 구조를 갖는 폴리올레핀, 에틸렌-프로필렌 공중합체 등의 폴리올레핀계 수지; 염화비닐계 수지; 나일론, 방향족 폴리아미드 등의 아미드계 수지; 이미드계 수지; 폴리에테르술폰계 수지; 술폰계 수지; 폴리에테르에테르케톤계 수지; 황화 폴리페닐렌계 수지; 비닐알코올계 수지; 염화비닐리덴계 수지; 비닐부티랄계 수지; 알릴레이트계 수지; 폴리옥시메틸렌계 수지; 에폭시계 수지; 우레탄계 혹은 아크릴우레탄계 수지; 실리콘계 수지 등을 포함할 수 있다. 이들은 단독으로 혹은 2 이상이 조합되어 사용될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 감압 접착제(Pressure sensitive adhesive, PSA), 광학 투명 점착제(Optically clear Adhesive: OCA), 광학 투명 수지(Optically Clear Resin: OCR) 등과 같은 점접착 필름이 격벽(315)에 포함될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 격벽(315)의 두께는 1 내지 500 ㎛일 수 있다. 상기 두께 범위에서, 측정 대상 물질이 모세관 효과(capillary effect)에 의하여 원활하게 이동할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 제1 유로(310) 및/또는 제2 유로(320)의 너비는 30 내지 300 ㎛일 수 있고, 바람직하게는 50 내지 200 ㎛일 수 있다. 상기 너비 범위에서, 소량의 체액도 충분히 이동하여 감지 횟수가 증가할 수 있다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 바이오 센서를 나타내는 개략적인 단면도이다. 구체적으로, 도 2는 도 1의 I-I' 선을 따라 바이오 센서를 절단한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 바이오 센서는 상술한 제1 유로(310), 제2 유로(320)들 및 전극 반응부(200)들을 덮는 상부 커버(350)를 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 상부 커버(350)는 제2 유로(320)들과 중첩되는 부분(350a)들에 각각 형성된 복수의 배기구(330)들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 배기구(330)는 제2 유로(320)의 말단부를 커버하는 제2 유로 커버 부분(350a)에 형성될 수 있다. 이 경우, 배기구(330)에 의하여 제2 유로(320) 내의 압력이 감소하여, 측정 대상 물질이 제1 유로(310)에서 제2 유로(320)로 원활히 이동할 수 있다.
예를 들면, 배기구(330)들은 바이오 센서의 상부에 형성되어 피부와 직접 접촉하지 않을 수 있다. 이에 따라, 배기구(330)의 통기가 촉진되어 상술한 제2 유로(320)의 내부 압력 조절이 충분히 구현될 수 있다.
예를 들면, 배기구(330)가 복수의 제2 유로 커버 부분(350a)들 중 하나에만 형성될 수 있다. 이 경우, 배기구(330)가 형성되지 않는 제2 유로 커버 부분(350a)이 커버하는 제2 유로(320)는 내부 압력이 높아 측정 대상 물질의 진입이 억제될 수 있다. 이에 따라, 바이오 센서의 감지 성능이 저하되며, 장시간 측정이 구현되지 않을 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 복수의 배기구(330)들의 직경은 모두 동일하거나, 주입구(130)와 가까운 배기구(330)로부터 주입구(130)와 먼 배기구(330)로 갈수록 증가 혹은 감소할 수 있다. 바람직하게는, 주입구(130)와 먼 제2 유로(320)일수록 내부 압력이 증가하도록 배기구(330)의 직경이 감소할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 복수의 배기구(330)들의 직경은 주입구(130)와 가까운 배기구(330)로부터 주입구(130)와 먼 배기구(330)로 갈수록 작아질 수 있다. 이 경우, 주입구(130)와 가까운 제2 유로(320)부터 주입구(130)와 먼 제2 유로(320)로 갈수록 제2 유로(320)의 내부 압력이 증가할 수 있다. 이에 따라, 측정 대상 물질이 주입구(130)에서 가까운 제2 유로(320)에 충분히 주입되기 전에 주입구(130)에서 상대적으로 먼 제2 유로(320)로 이동하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 주입구(130)에서 가까운 제2 유로(320)부터 순차적으로 측정 대상 물질이 주입될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 배기구(330)의 직경은 100 내지 3,000 ㎛일 수 있고, 바람직하게는 200 내지 2,000 ㎛일 수 있다. 상기 직경 범위에서, 측정 대상 물질을 포함한 시료의 누출을 방지하고 제작 공정의 편의성이 향상될 수 있다.
예를 들면, 상부 커버(350)는 상술한 기판(100)과 실질적으로 동일한 종류의 물질을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 전극 반응부(200)들은 기판(100) 상에서 서로 이격되어 배치된 작업 전극(working electrode)(210) 및 기준 전극(reference electrode)(220)을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 작업 전극(210)은 도전층(212), 효소층(214) 및 배리어층(216)을 포함할 수 있다.
작업 전극(210)은 예를 들면, 효소층(214)을 구성하는 물질 및 측정 대상 물질의 반응에 의해 발생된 전기적 신호를 감지할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 도전층(212)은 기판(100) 상에 배치되어 측정 대상 물질의 화학 반응에서 발생한 전자 또는 정공이 배선층(110)으로 전달되는 통로로 제공될 수 있다.
예를 들면, 기판(100) 상에 배선을 포함하는 배선층(110)이 배치될 수 있고, 배선층(110) 상에 도전층(212)이 배치되어 상기 배선과 도전층(212)이 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 도전층(212)은 상기 전자 또는 정공이 배선층(110)에 포함된 배선으로 전달되는 통로로 제공될 수 있다. 배선층(110)에 관한 상세한 내용은 후술한다.
예를 들면, 도전층(212)은 카본 페이스트(carbon paste)로 형성될 수 있다. 상기 카본 페이스트는 예를 들면, 카본블랙(Carbon black), 흑연, 산화 흑연, 그래핀, 산화 그래핀 등을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 도전층(212)은 카본 페이스트 단일층으로 형성될 수 있다. 이 경우, 추가적인 금속층 및/또는 금속 보호층의 적층 없이 작업 전극(210)이 형성될 수 있다. 이에 따라, 바이오 센서가 박막화될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 도전층(212)은 카본 페이스트에 외에 금속을 더 포함할 수 있다.
도전층(212)에 포함되는 금속은 산화-환원이 가능한 물질이면 제한되지 않으며 예를 들면, 루테늄계 물질, 후술할 프러시안 블루 등을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 도전층(212) 상에 효소층(214)이 배치될 수 있다.
예를 들면, 효소층(214)은 측정 대상 물질과 화학 반응하여 전기적 신호를 발생시키는 층으로 제공될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 효소층(214)은 측정 대상 물질의 산화 효소 또는 탈수소 효소를 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 산화 효소는 젖산 산화 효소(lactate oxidase), 글루코스 산화 효소(glucose oxidase), 콜레스테롤 산화 효소(cholesterol oxidase), 아스코빅산 산화 효소(ascorbic acid oxidase) 및 알코올 산화 효소(alcohol oxidase)로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다.
예를 들면, 상기 탈수소 효소는 젖산 탈수소 효소(lactate dehydrogenase), 글루코스 탈수소 효소(glucose dehydrogenase), 알코올 탈수소 효소(alcohol dehydrogenase) 및 글루탐산 탈수소 효소(glutamate dehydrogenase)로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다.
따라서, 바이오 센서는 효소층(214)을 통해 글루코스, 콜레스테롤, 락테이트, 아스코빅산, 알코올 또는 글루탐산의 농도를 측정할 수 있다.
예를 들면, 측정 대상 물질이 젖산인 경우, 효소층(214)은 젖산 산화 효소 또는 젖산 탈수소 효소를 포함할 수 있다. 예를 들면, 효소층(214)은 바이오 센서의 측정 대상 물질에 따라 대응되는 산화 효소 및/또는 탈수소 효소를 포함할 수 있다.
예를 들면, 측정 대상 물질을 포함하는 시료가 작업 전극(210)에 접촉하면, 시료에 포함되어 있는 측정 대상 물질이 산화 효소 또는 탈수소 효소에 의하여 산화되고, 산화 효소 또는 탈수소 효소는 환원될 수 있다.
이 경우, 후술할 전자 수송층에 포함된 전자 수송체는 환원된 산화 효소 또는 탈수소 효소를 산화시키고, 자신은 환원될 수 있다. 환원된 전자 수송체는 예를 들면, 일정 전압이 가해진 전극 표면에서 전자를 잃고 전기화학적으로 다시 산화될 수 있다. 시료 내의 측정 대상 물질의 농도는 전자 수송체가 산화되는 과정에서 발생되는 전류량에 비례하므로, 이 전류량을 측정함으로써 측정 대상 물질의 농도를 측정할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 산화 효소 또는 탈수소 효소는 바인더를 통해 고정될 수 있다. 상기 바인더는 당분야에서 통상적으로 사용되는 바인더를 포함할 수 있으며 예를 들면, 나피온(Nafion), 나피온의 유도체 또는 키토산(Chitosan)을 포함할 수 있다.
예를 들면, 효소층(214)은 산화 효소 또는 탈수소 효소를 바인더와 혼합한 조성물을 도전층(212) 상에 도포 및 건조하여 형성될 수 있다.
예를 들면, 효소층(214)은 산화 효소 또는 탈수소 효소를 도전층(212) 상에 도포한 후, 그 위에 바인더를 적층하여 형성될 수 있다.
상기 도포는 당 분야에서 통상적으로 사용되는 도포법에 의하여 수행될 수 있으며, 예를 들면, 드랍 캐스팅(drop casting) 등의 프린팅 방법이 사용될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 효소층(214)의 두께는 1 내지 30 ㎛일 수 있고, 바람직하게는 3 내지 25 ㎛일 수 있다. 이 경우, 센싱 농도의 상한이 적절히 유지되면서 센싱 감도 및 센싱 속도가 증가할 수 있다. 이에 따라, 작업 전극(210)의 감지 성능 및 신뢰성이 개선될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 도전층(212) 및 효소층(214) 사이에 전자 수송체를 포함하는 전자 수송층이 더 포함될 수 있다.
예를 들면, 상기 전자 수송층은 상술한 측정 대상 물질의 화학 반응에서 발생한 전자 또는 정공을 도전층(212)까지 전달할 수 있다.
전자 수송체는 예를 들면, 효소층(214)에서 일어나는 측정 대상 물질의 화학 반응에서 발생한 전자/정공을 수용하여 산화 또는 환원되는 물질을 포함할 수 있다. 상기 산화 또는 환원을 통해 전자/정공을 도전층(212)에 전달할 수 있다.
예를 들면, 전자 수송체는 산화-환원이 가능한 물질이면 제한없이 포함할 수 있다.
전자 수송체는 예를 들면, 프러시안 블루(Prussian blue, Fe4[Fe(CN)6]3), 포타슘 페리시아나이드(Potassium ferricyanide, K3[Fe(CN)6]), 포타슘 철 페로시아나이드(Potassium iron ferrocyanide, KFe(III)[Fe(II)(CN)6]·xH2O, x는 양수), 루테늄(Ru) 착화합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들면, 프러시안 블루는 청색 안료로서, 높은 산화성을 가질 수 있다. 이에 따라, 전자 수송체로 프러시안 블루를 사용하여 작업 전극(210)의 전기적 감도가 향상될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 효소층(214) 상에 배리어층(216)이 형성될 수 있다. 예를 들면, 배리어층(216)은 효소층(214)의 상면 상에 직접 접촉할 수 있다. 이에 따라, 효소층(214)이 외부의 물리력으로부터 보호될 수 있고, 반응 속도가 조절될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 배리어층(216)은 수용성 고분자 및/또는 비수용성 고분자를 포함할 수 있다. 예를 들면, 배리어층(216)은 수용성 고분자 및/또는 비수용성 고분자를 포함하는 고분자 막일 수 있다.
예를 들면, 상기 수용성 고분자는 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol: PVA), 하이드록시에틸 셀룰로오즈(hydroxyethyl cellulose: HEC), 하이드록시프로필 셀룰로오즈(hydroxypropyl cellulose: HPC), 카르복시메틸 셀룰로오즈(carboxymethyl cellulose: CMC), 셀룰로오즈 아세테이트(cellulose acetate) 및 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone: PVP)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나일 수 있고, 바람직하게는 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone: PVP)일 수 있다.
예를 들면, 수용성 고분자는 효소층(214)의 효소를 안정화하고 바이오 센서 표면의 막을 형성하여 외부의 물리력으로부터 효소층(214)을 보호할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 수용성 고분자의 함량은 배리어층(216) 형성용 용액의 전체 부피 기준 1 내지 10 부피%일 수 있다. 이 경우, 효과적으로 배리어층(216)이 형성되면서 기질(예를 들면, 측정 대상 물질)의 확산 속도를 적절히 유지할 수 있다. 이에 따라, 바이오 센서의 측정 범위, 감도 및 분해능이 향상될 수 있다.
예를 들면, 상기 비수용성 고분자는 폴리우레탄(polyurethane, PU), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 및 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride, PVC) 중 적어도 하나일 수 있다.
예를 들면, 비수용성 고분자는 배리어층(216)의 안정화 역할을 수행할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 비수용성 고분자의 함량은 배리어층(216) 형성용 용액의 전체 부피 기준 0.5 내지 5 부피%일 수 있다. 이 경우, 배리어층(216)이 안정적으로 형성될 수 있고, 비수용성 고분자 용해를 위한 유기 용매의 과다 투입이 방지될 수 있다. 이에 따라, 바이오 센서의 기계적 안정성이 향상되면서 작업 전극(210)의 손상을 방지할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 배리어층(216)은 단층 혹은 다층 구조로 형성될 수 있다. 예를 들면, 배리어층(216)은 1 내지 5층 구조를 가질 수 있다. 상기 층수 범위에서, 바이오 센서 제작 시간이 감소되면서 기질의 확산 속도를 적절히 유지할 수 있다.
예를 들면, 배리어층(216)은 수용성 고분자 및 비수용성 고분자를 포함하는 조성물을 효소층(214) 상에 도포 및 건조하여 형성될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 기준 전극(220)은 작업 전극(210)에 대응하도록 형성될 수 있다. 예를 들면, 기준 전극(220)은 작업 전극(210) 주변에서 작업 전극(210)과 전기적으로 분리되어 배치될 수 있다.
기준 전극(220)은 예를 들면, 측정 대상 물질의 감지 시 작업 전극(210)에서 측정되는 전류 값 또는 전위 값에 대한 기준치를 제공할 수 있다. 예를 들면, 기준 전극(220)의 전위 값을 기준치로 하여 작업 전극(210)에서 일어나는 산화-환원 반응의 정도를 특정할 수 있다.
또한, 기준 전극(220)에서 측정된 전류 값과 작업 전극(210)에서 측정된 전류 값을 비교하여 순수하게 측정 대상 물질에 의해 변화한 전류의 양을 계산할 수 있다. 이에 따라, 상기 변화한 전류의 양으로부터 측정 대상 물질의 농도를 도출할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 기준 전극(220)은 배선층(110) 상에 형성되어 배선층(110)과 전기적으로 연결된 기준 전극 도전층(222)을 포함할 수 있다.
상기 기준 전극 도전층(222)은 예를 들면, Ag/AgCl 페이스트를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 바이오 센서는 기판(100) 상에 배치되며 전극 반응부(200)들 각각과 전기적으로 연결된 배선을 포함하는 배선층(110), 및 배선층(110) 상에 배치되어 배선의 적어도 일부를 덮는 절연층(120)을 더 포함할 수 있다.
예를 들면, 절연층(120)은 배선층(110) 중 전극 반응부(200)와 평면 방향에서 중첩되는 부분을 제외한 배선층(110) 및/또는 배선을 덮을 수 있다.
예를 들면, 배선층(110)에 포함된 배선은 작업 전극(210) 및 기준 전극(220)에 각각 연결될 수 있다. 예를 들면, 작업 전극(210)에 연결된 배선 및 기준 전극(220)에 연결된 배선은 서로 전기적으로 분리될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 배선층(110) 및/또는 배선은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 주석(Sn), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 팔라듐(Pd) 및 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 배선층(110)은 APC 합금(Ag-Pd-Cu alloy)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 배선층(110)은 Au, Ag, APC 합금(Ag-Pd-Cu alloy) 및 Pt 중 적어도 하나로 형성될 수도 있다. 이 경우, 배선층(110)에 포함된 배선의 전기 전도성이 향상되어 저항이 감소될 수 있다. 이에 따라, 전극 반응부(200)의 감지 성능을 향상시킬 수 있다.
예를 들면, 상기 배선층(110)은 기판 상에 상술한 금속 및/또는 합금을 포함하는 금속막을 형성한 후, 이를 패터닝(patterning)하여 형성될 수 있다.
패터닝은 예를 들면, 포토리소그래피(photolithography)를 통해 수행될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 배선층(110) 및/또는 배선의 두께는 500 내지 4,000 Å일 수 있다. 상기 두께 범위 내에서 낮은 저항을 가지면서 박막화된 전극 반응부(200) 및 배선층(110)이 구현될 수 있다. 바람직하게는, 상기 배선층(110)의 두께는 1,000 내지 3,000 Å일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 배선층(110)은 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide) 층을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 배선층(110)은 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide)만으로 형성될 수 있다. 상기 ITO 및 IZO는 전기 전도성을 가지면서도 화학적으로 안정하여 상기 배선층(110)을 산화-환원 반응으로부터 효과적으로 보호할 수 있다.
예를 들면, 상기 배선층(110)은 상술한 금속 상에 ITO 및/또는 IZO를 사용하여 도전성 산화물막을 형성한 후, 패터닝하여 형성될 수 있다.
예를 들면, 금속막 상에 도전성 산화물막을 형성한 후, 패터닝하여 2층 구조를 갖는 배선을 포함하는 배선층(110)을 형성할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 배선층(110)은 작업 전극(210)의 도전층(212)과 실질적으로 동일한 소재를 사용하여 일체로 형성될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 배선들은 구동 집적 회로(IC) 칩에 전기적으로 연결될 수 있다.
예를 들면, 작업 전극(210) 및 기준 전극(220)으로부터 측정된 전기적 신호가 배선을 통해 구동 IC 칩에 전달될 수 있으며, 구동 IC 칩이 측정 대상 성분의 농도를 계산할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 작업 전극(210)의 도전층(212) 및 기준 전극(220)의 기준 전극 도전층은 배선층(110) 상에 직접 형성되어 배선과 전기적으로 연결될 수 있다.
예를 들면, 도전층(212)은 배선층(110) 상면 상에 직접 형성되며, 효소층(214) 및 배리어층(216)은 도전층(212)의 상면 상에 순차적으로 적층될 수 있다. 예를 들면, 효소층(214) 및 배리어층(216)의 일부는 절연층(120)의 상면 상에도 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 절연층(120)은 배선을 덮어 배선이 외부에 노출되는 것을 차단할 수 있다. 이에 따라, 배선 및 시료의 접촉으로 인한 산화-환원 반응을 방지하고 배선에서의 노이즈 발생을 억제할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 전극 반응부(200)는 절연층(120)으로부터 노출될 수 있다.
절연층(120)의 소재로 당 분야에서 통상적으로 사용되는 절연소재가 사용될 수 있다. 예를 들면, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 금속 산화물 등과 같은 무기 절연 물질, 또는 에폭시 수지, 아크릴계 수지, 이미드계 수지 등과 같은 유기 절연 물질을 사용하여 절연층(120)이 형성될 수 있다.
절연층(120)은 상술한 유로 형성용 격벽(315)과 실질적으로 동일한 물질을 사용하여 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 예시적인 실시예들에 따른 바이오 센서는 단계적으로 부피가 감소하는 제1 유로(310) 및 제1 유로(310)에서 분기되며 전극 반응부(200)들을 노출시키는 제2 유로(320)들을 포함한다. 이에 따라, 주입구(130)에서 가까운 제2 유로(320)부터 순차적으로 측정 대상 물질의 감지 반응이 수행될 수 있다. 따라서, 바이오 센서의 감지 성능이 장시간 동안 일정하게 유지될 수 있다.
100: 기판 110: 배선층
120: 절연층 130: 주입구
200: 전극 반응부 210: 작업 전극
212: 도전층 214: 효소층
216: 배리어층 220: 기준 전극
222: 기준 전극 도전층 224: 기준 전극 물질층
310: 제1 유로 320: 제2 유로
330: 배기구 350: 상부 커버

Claims (15)

  1. 주입구를 포함하는 기판;
    상기 기판 상에서 서로 이격되어 배치된 작업 전극 및 기준 전극을 각각 포함하는 복수의 전극 반응부들;
    상기 기판 상에 배치되고, 측정 대상 물질이 상기 주입구로 주입되어 이동되며, 상기 주입구로부터 멀어질수록 단계적으로 부피가 감소하는 제1 유로; 및
    상기 제1 유로로부터 분기되며, 상기 전극 반응부들 각각을 노출시키는 복수의 제2 유로들을 포함하는, 바이오 센서.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 유로는 상기 제2 유로들 각각이 분기되는 병합부들을 포함하고,
    상기 병합부들 중 상기 주입구에서 가장 멀리 위치한 병합부를 제외한 병합부들은 각각 상기 제1 유로의 너비가 좁아지도록 형성된 단차부를 포함하는, 바이오 센서.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 제1 유로는 상기 병합부들 중 서로 인접한 두 병합부들 사이에 형성된 돌출부를 포함하는, 바이오 센서.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 돌출부는 평면 방향에서 쐐기 형상을 갖는, 바이오 센서.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 전극 반응부들, 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로들을 덮는 상부 커버를 더 포함하는, 바이오 센서.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 상부 커버는 상기 제2 유로들과 중첩되는 부분들에 각각 형성된 복수의 배기구들을 포함하는, 바이오 센서.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 복수의 배기구들의 직경은 상기 주입구로부터 멀어질수록 작아지는, 바이오 센서.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 복수의 배기구들의 직경은 상기 주입구로부터 멀어질수록 증가하는, 바이오 센서.
  9. 청구항 6에 있어서, 상기 복수의 배기구들의 직경은 모두 동일한, 바이오 센서.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 제2 유로들 각각은 상기 전극 반응부가 배치된 제1 부분 및 상기 전극 반응부가 배치되지 않은 제2 부분을 포함하고,
    상기 제1 부분의 너비는 상기 제2 부분의 너비보다 큰, 바이오 센서.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 유로의 연장 방향 및 상기 제2 유로들의 연장 방향 사이의 각도는 각각 5 내지 150°인, 바이오 센서.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 기판 상에 배치되어 상기 전극 반응부들 각각과 전기적으로 연결된 배선을 포함하는 배선층, 및
    상기 배선층 상에 배치되어 상기 배선의 적어도 일부를 덮는 절연층을 더 포함하는, 바이오 센서.
  13. 청구항 11에 있어서, 상기 전극 반응부는 상기 절연층으로부터 노출된, 바이오 센서.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 작업 전극은
    상기 기판 상에 형성된 도전층;
    상기 도전층 상에 형성되고 상기 측정 대상 물질과 반응하는 효소층; 및
    상기 효소층 상에 형성되는 배리어층을 포함하는, 바이오 센서.
  15. 청구항 1에 있어서, 상기 측정 대상 물질은 젖산, 글루코스, 콜레스테롤, 아스코빅산, 알코올 및 글루탐산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나인, 바이오 센서.
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KR101107506B1 (ko) 2011-09-08 2012-01-31 한국지질자원연구원 이산화티타늄-그래핀 복합체가 구비된 글루코스 센서

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