서울시립대학교 전자전기컴퓨터공학부 박동욱 교수와 미국 위스콘신 대학교(University of Wisconsin-Madison)공동연구팀이 전계효과 트랜지스터와 미세유체칩의 융합을 통해 형광 나노입자의 전기적, 광학적 특성을 동시에 검출하는 센서를 개발했다.

해당 연구는 응용과학 국제 저명학술지 Applied Physics Letters 최신호에 게재되었으며 그 우수성을 인정받아 Featured paper 및 Editor’s pick에 선정됐다.

전계효과 트랜지스터(Field-Effect Transistor, FET)는 시스템 반도체와 메모리 반도체의 핵심소자로 이용되어 왔으나 최근 바이오센서와 같은 응용분야로 연구개발이 확대되고 있다. 미세유체칩(Microfluidic chip)은 나노입자, 세포, DNA와 같은 분석 대상을 마이크로 혹은 나노 단위의 미세유체관에서 제어하는 기기로서 진단검사 등에 응용이 증가하고 있다.

공동연구진은 실리콘 반도체 기반의 전계효과 트랜지스터를 트랜치 형태로 제작하고, 고분자와 유리의 장점을 취한 하이브리드 미세유체 커버를 적용하여 두 기술을 성공적으로 집적하였다. 이를 통해 미세유체칩을 통과하는 직경 100nm 형광입자를 전기적, 광학적 방법으로 실시간 검출하는 데 성공하였다.

본 연구는 상용화가 용이한 실리콘 반도체 트랜지스터를 구조 변형하여 미세유체칩에 적용했다는 점, DNA 관찰이 가능한 정도의 표면형광법(Epifluorescence microscopy)을 적용했다는 점에서 그 의미가 있다.

위스콘신대 데이비드 슈왈츠(David Schwartz)교수는“나노단위의 작은 물체를 매우 작은 관 안에서 감지하기 위해 특별히 고안한 트랜지스터를 배치하는 것은 쉽지 않은 작업이었다. 이는 전자공학자와 화학·재료공학자의 놀라운 협업으로 가능한 일이었다.”라고 밝혔다.

서울시립대 박동욱 교수는“센서의 정확도와 반응속도 개선을 위해 전계효과 트랜지스터와 같은 반도체 기술의 접목이 더욱 중요해질 것으로 예상되며, 향후 상용화 가능한 수준의 반도체 기반 바이오센서를 지속적으로 연구개발 할 것”이라고 밝혔다.

한편, 미세유체칩 및 바이오전극과 같은 생체적합형 센서는 디지털 치료제, 뇌-기계 인터페이스(BMI) 등의 산업 성장과 함께 수요가 지속적으로 증가할 것으로 보이며, 그 과정에서 초미세화, 고기능화가 가능한 반도체 기술의 접목이 더욱 중요해질 전망이다.

본 연구는 미국 국립 보건원(National Institute of Health), 한국연구재단/과학기술정보통신부의 개인기초연구사업 및 시스템반도체융합전문인력육성사업의 지원을 받아 수행되었다.