Fabrication of the CNT-FET biosensors with a double-gate structure

더블 게이트 구조의 탄소 나노 튜브 트랜지스터 바이오 센서의 제작

조병현·임병현·신장규

^†

*

*

Fabrication of the CNT-FET biosensors with a double-gate structure Byunghyun Cho, Byounghyun Lim, Jang-Kyoo Shin ^† , Sung-Wook Choi ^* , and Hyang Sook Chun ^*

Abstract

In this paper, we present the carbon nanotube field-effect transistor(CNT-FET) with a double-gate structure. A Carbon nanotube film was aligned by the Langmuir-Blodgett technique and SiN

was deposited to protect from water, oxygen, and other contaminants. We measured the electrical characteristics of the proposed device as the function of the V

, V

. From this result, we can confirm that proposed device might be employed as a biosensor.

Key Words : CNT-FET, biosensor, langmuir-blodgett

1. 서 론

최근 탄소 나노 튜브의 우수한 전기적 특성을 이용 한 탄소 나노 튜브 트랜지스터 (carbon nanotube field effect transistor, CNT-FET) 의 연구가 활발히 진행되어 지고 있다 ^[1] . ^{그 중} CNT-FET ^{바이오 센서는 광 분석법} (optical measurement), 전기 화학적 분석법 (electro- chemistry), 질량 분석법 (mass measurement) 과는 달리 고가의 장비가 필요가 없고 소형화 , ^{집적화 및 실시간}

측정을 할 수 있으며 , 특히 금속 - 산화막 - 반도체 전계 효 과 트랜지스터 (metal-oxide-semiconductor field effect

transistor, MOSFET) ^{를 이용한 바이오센서보다 우수한}

감도 특성을 가지고 있다 ^[2-8] . 일반적으로 탄소 나노 튜

브 트랜지스터 소자에서 탄소 나노 튜브를 성장 시키 는 방법은 아크 방전법 (arc discharge), 레이저 애블레 이션 (laser ablation), 화학 기상 증착법 (chemical vapor deposition, CVD) ^{등이 있다 [9]} . ^{본 연구에서는 더블 게}

이트 구조의 탄소 나노 튜브 트랜지스터 바이오 센서 를 제안하였다 . 탄소 나노 튜브는 랭뮤어 - 블로젯 (Lang-

muir-Blodgett) ^{법을 이용하여 정렬시킨 후 소스와 드레}

인 전극을 증착시켰다 ^[10] . 또한 물 , 산소 그리고 다른

오염으로부터 노출된 탄소 나노 튜브를 보호하기 위하 여 SiN x 를 증착하였다 ^[11,12] . SiN x 의 증착으로 인한 탄

소 나노 튜브의 감도를 보상하기 위하여 back gate ^전

극을 형성시키고 전압을 인가하였다 . 이렇게 제작된 탄 소 나노 튜브 트랜지스터가 바이오 센서로서의 응용 가능성을 검토하기 위하여 streptavidin ^과 biotin ^단백질

복합체의 결합 반응에 대해 전기적 특성을 평가하였다 .

2. 센서의 동작 원리

CNT-FET 바이오 센서의 동작 원리는 반도체성 탄

소 나노 튜브와 금속의 접합 사이의 일함수 (work

function) 차이에 의해 발생하는 쇼트키 장벽 (schottky

barrier) ^{의 변화를 이용한다} . P ^{형 반도체의 특성을 가진}

탄소 나노 튜브와 사용된 탄소 나노 튜브보다 일함수 가 큰 Au 사이 접합에서 두 물질의 일함수 차이에 의

한 쇼트키 장벽이 발생한다 . Fig. 1(a) ^{는 전압이 인가되}

지 않았을 때 탄소 나노 튜브와 Au 사이의 에너지 밴 드 다이어그램이고 Fig. 1(b) 는 back gate 와 드레인에 음의 전압을 인가해 주었을 때의 에너지 밴드 다이어 그램이다 .

Back gate 전압에 의해 에너지 밴드가 위로 휘게 되

면 쇼트키 장벽이 더욱 좁아지게 되고 정공 (hole) ^{의 터}

널링이 일어나게 되어 전류가 흐르게 된다 . 이 때 바이

오 물질들이 top gate 표면위에 고정화 및 결합으로 발

경북대학교전자전기컴퓨터학부

(School of Electrical Engineering and Computer Science, Kyungpook National University)

*

(Korea Food Research Institute)

†

Corresponding author : [email protected]

(Received : February 17, 2009, Accepted : March 13, 2009)

생하는 전하들에 의해 쇼트키 장벽에 영향을 주고 탄 소 나노 튜브를 통해 흐르는 전류를 변화시키게 된다 .

이러한 동작 원리로 인해 제작된 소자는 바이오 물질 을 검출한다 .

3. 소자 제작

Fig. 2 ^{는 본 연구에서 제작된} CNT-FET ^{바이오 센서}

의 단면도를 나타낸 것이다 . 제작 순서는 다음과 같다 .

먼저 , SiO 2 /Si 기판 위에 감광액 (AZ 5214) 을 이용하여 탄소 나노 튜브가 정렬될 위치를 패터닝한다 . ^성장된

탄소 나노 튜브를 랭뮤어 - 블로젯법을 이용하여 정렬 시

킨 후 리프트 오프 (lift-off) 하여 원하는 곳에 탄소 나노

튜브를 위치시킨다 . ^{다음으로 소스와 드레인을 형성하}

기 위하여 감광액 (AZ 5214) 을 이용하여 패터닝하고

electron beam evaporator 를 이용하여 Ti/Au (10 nm/

100 nm) 를 증착한 후 리프트 오프를 하여 전극을 형성

시킨다 . ^{그 후} back gate ^{전극을 형성하기 위하여} elec- tron beam evaporator 를 이용하여 Ti/Au(10 nm/100 nm)

를 증착시킨다 . ^물 , ^{산소 그리고 다른 오염으로부터 탄}

소 나노 튜브를 보호하기 위하여 플라즈마 화학 증착

(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)

를 이용하여 250 ^o C ^에서 SiN x 절연막 (100 nm) ^{을 증착한}

다 . 이렇게 제작된 기판위에 감광액 (AZ 5214) 을 이용하

여 패터닝하고 electron beam evaporator 를 이용하여 Ti/

Au(10 nm/100 nm) ^{를 증착한 후 리프트 오프하여 바이}

오 물질의 고정 및 감지 영역 역할을 하는 top gate 전

극을 형성한다 . Fig. 3 은 실제 제작된 소자의 사진을 나

타낸 것이다 . ^{소스와 드레인 사이의 간격은} 20 ^µ m ^이다

4. 측정 및 결과

Fig. 4 는 제작된 소자의 전기적 특성 및 바이오 물질의

반응을 위한 측정 시스템이다 . 측정을 위하여 PCB (printed circuit board) 를 제작하여 패키징 (packaging) 을 Fig. 1. Energy band diagram of the CNT-FET with p-type

characteristics (a) non bias (b) negative drain bias.

Fig. 2. Cross-sectional view of the CNT-FET biosensor.

Fig. 3. Photograph of the fabricated CNT-FET biosensor.

하였고 기준 전극으로 Pt ^{기준 전극을 사용하였다} .

먼저 제작된 소자에 정렬된 탄소 나노 튜브의 전기 적 특성을 조사하였다 . Fig. 5(a) 는 제작된 소자에 드레

인과 소스 사이의 전압을 − 1 V ^{로 고정 시킨 후} back

gate ^{전압을 −} 5 V ^에서 5 V ^{로 증가시켰을 때의 드레인}

전류 그래프를 나타낸 것이다 . Fig. 5(a) 에서 알 수 있

듯이 back gate 전압이 음의 방향으로 증가 할수록 드

레인 전류가 증가함을 알 수 있다 . Fig. 5(b) ^는 top gate

전압을 − 1 V 에서 1 V 로 증가 시키고 back gate 전압을 각각 5 V, 0 V 그리고 − 5 V 로 각각 변화 시켰을 때 드

레인 전류를 나타낸 것이다 . Back gate ^{전압이 음의 방}

향으로 증가하고 top gate 전압이 음의 방향으로 증가

할수록 드레인 전류가 증가함을 알 수 있다 . 따라서

Fig. 5 ^{를 통하여 정렬된 탄소 나노 튜브의 특성이} P ^형

반도체의 특성을 나타냄을 알 수 있다 .

제작된 소자의 바이오 물질에 대한 전기적 특성 측

정 과정은 다음과 같다 . 먼저 인산 완충 용액 (phos-

phate buffered saline, PBS, pH 7.4) 내에 thiol 용액인

6-mercaptohexanol ^{을 주입하여} top gate ^{표면 위에 자}

기 조립 단분자막 (self-assembled monolayer, SAM) 을 형성시킨다 . 그 후 streptavidin 용액을 주입시키면

streptavidin ^{은 자기 조립 단분자막과의 결합으로 인해}

고정된다 . 동일한 방법으로 biotin 을 주입하고 strepta- vidin 과 biotin 을 결합시킨다 .

Fig. 6 ^{은 자기 조립 단분자막} , streptavidin ^및 biotin

을 주입하였을 때 back gate 전압에 대한 드레인 전류 의 변화를 나타낸 것이다 . 먼저 인산 완충 용액에서 드 레인 전류를 측정하였다 . 다음으로 자기 조립 단분자막

이 top gate 표면에 결합한 후 드레인 전류를 측정하였

다 . Fig. 6 에서 알 수 있듯이 자기 조립 단분자막의 끝

부분에 위치하는 thiol 그룹의 음전하 때문에 드레인 전

류가 증가함을 볼 수 있다 . 다음으로 , streptavidin 용액 을 주입하였을 때 streptavidin ^{과 자기 조립 단분자막의}

결합에서 streptavidin 의 말단의 양전하 때문에 전류가

Fig. 4. System diagram.

Fig. 5. Electrical characteristics of the fabricated CNT-FET.

(a) I

-V

characteristics (b) I

-V

characteristics.

Fig. 6. I

-V

characteristics of the CNT-FET biosensor

for biomolecules.

감소함을 알 수 있다 . ^{마지막으로} , biotin(1 mg/ml) ^용액

을 주입하였을 때 streptavidin 과 biotin 의 결합으로 발 생한 양전하의 의해서 드레인 전류가 감소함을 확인 할 수 있다 .

Fig. 7 은 streptavidin 과 biotin 의 결합을 top gate 전

압에 대한 드레인 전류 변화를 나타낸 것이다 . Back

gate ^{전압을 −} 5 V ^{로 고정하고} Pt ^{기준전극을 이용하여} top gate 전압을 − 1 V 에서 1 V 로 증가시켰을 때 드레 인 전류를 측정하였다 . Fig. 7 에서 볼 수 있듯이

Streptavidin ^과 biotin ^{의 결합으로 드레인 전류가 감소함}

을 확인할 수 있다 . 따라서 제안한 소자가 바이오 센서 로서의 적용 가능성을 예상할 수 있다 .

5. ^{결 론}

본 연구에서는 더블 게이트 구조의 탄소 나노 튜브 트랜지스터 바이오 센서를 제안하였다 . 제안한 바이오 센서는 랭뮤어 - ^{블로젯법을 이용하여 탄소 나노 튜브를}

정렬하였고 주변의 오염으로부터 탄소 나노 튜브를 보 호하기 위하여 SiN x 막을 증착시켰다 . SiN x 로 인한 감

도 저하는 back gate ^{전압을 인가하여 그 영향을 감소}

시켰다는 것이 특징이다 . 먼저 , 제작된 소자의 전기적 특성을 측정하여 정렬된 탄소 나노 튜브가 P 형 반도체 의 특성을 나타냄을 확인하였다 . ^그리고 top gate ^표면

에 자기 조립 단분자막 , streptavidin 그리고 biotin 을 고 정화 및 결합에 시켜 제작된 소자의 전기적 특성을 측 정하고 각각의 물질이 가진 전하에 따라 드레인 전류 가 변화함을 확인하였다 . 특히 , streptavidin 과 biotin 의 결합에 대한 전기적 특성을 확인하여 제작된 소자가 바이오 물질 반응에 대한 검출할 수 있음을 확인하였

다 . 따라서 제안된 소자는 바이오센서로서 이용할 수 있는 충분한 가능성이 있을 것으로 예상된다 .

Acknowledgement

본 연구는 한국식품연구원 및 BK21 의 지원으로 수 행되었습니다 .

참고 문헌

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Fig. 7. I

-V

characteristics of interaction of streptavidin

and biotin of the fabricated CNT-FET biosensor.

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조 병 현

• 2004년 경북대학교 전자전기컴퓨터학부 졸업(공학사)

• 현재 경북대학교 대학원 전자전기컴퓨터 학부 석사과정

• 주관심 분야: FET형 바이오센서

임 병 현

• 2008년 경북대학교 전자전기컴퓨터학부 졸업(공학사)

• 현재 경북대학교 대학원 전자전기컴퓨터 학부 석사과정

• 주관심 분야: FET형 바이오센서

신 장 규

• 센서학회지, 제3권, 제1호, p. 26 참조

• 현재 경북대학교 전자전기컴퓨터학부 교 수

최 성 욱

• 2007년 아주대학교 분자과학기술학과 박사

• 현재 한국식품연구원 안전성연구단 연구 원

• 주관심 분야: 식품위해요소 신속검출

전 향 숙

• 1993년 이화여자대학교 식품영양학과 박사

• 현재 한국식품연구원 안전성연구 단장

• 주관심 분야: 식품위해요소의 안전