국민대학교 전자공학부 김동명, 김대환, 최성진 교수 공동 연구팀(반도체 소자 및 집적회로 연구실: SiLK)이 1차원 구조의 실리콘 나노선을 이용한 신개념 반도체 바이오센서 칩 개발에 성공했다.

반도체를 이용한 바이오센서에 관한 많은 연구 결과들이 기존에 이미 보고된 바 있으나, 이번 국민대학교 SiLK팀의 연구 결과는 센서의 민감도 향상, 잡음 제거 및 출력 안정성 등을 모두 확보했다는 점에서 기존 반도체 바이오센서의 기술적 난제를 극복하고 상용화에 보다 가까이 다가섰다는 평가를 받고 있으며, 원천기술과 실용성을 동시에 확보했다는 의의 또한 크다.

기존의 반도체 바이오센서는 미량의 생체분자나 질병 표시자를 안정적으로 검출하는데 큰 어려움이 있었고, 상용화에 어려운 복잡하고 값 비싼 미세 반도체 공정 기술이 요구되어 실용성이 떨어졌다. 이에 SiLK 연구팀은 반도체 칩 제작 기술을 그대로 사용하고 컴퓨터 칩에 사용하는 회로를 반도체 바이오센서와 같이 집적함으로써 기존의 바이오센서보다 미세량의 생체분자를 고해상도로 검출할 수 있는 반도체 바이오센서 칩 개발에 성공했다.

 

아이디어의 핵심은 신호를 증폭시켜주면서 잡음을 제거하는 회로의 동작 원리를 그대로 바이오센서에 적용하고 이를 기존 회로와 집적함으로써 검출하고자 하는 생체분자의 양을 고해상도 디지털 신호로 변화시키는 것이다.

한편 개발된 반도체 바이오센서에 사용된 제작 기술은 현재 사용되는 표준 반도체 설계 및 공정기술을 그대로 사용하기에 추가 비용 투자가 필요 없이 쉽게 제작이 가능하다. 또한, 반도체 바이오센서로부터의 디지털화 된 신호를 블루투스 통신을 통해 스마트폰에서 식별할 수 있는 어플리케이션 개발 및 시연을 완료함으로써, 향후 어디서나 간편하게 진단이 가능한 휴대용 자가 진단 및 원격 의료서비스, 국가 재난 상황에서의 신속한 질병 확산 제어 등이 가능할 것으로 예상된다. 나아가, 개발된 반도체 바이오센서 칩을 이용하여 산성, 알칼리성의 정도를 측정하는 휴대용 저가 pH 검출 응용이 시연된 바, 해당 기술을 통해 유속의 흐름 측정 및 수질 오염 관리, 식품안정성 확인에도 응용이 가능할 것으로 전망된다.

해당기술은 한국의 앞선 반도체 제작 기술과 접목돼 새로운 신성장동력을 창출할 것으로 기대되며, 향후 수 년 안에 상용화가 가능한 기술이라고 연구팀은 밝혔다. 현재 관련 기술로 10여 건의 특허 출원이 완료 혹은 진행 중이며, 연구 결과는 12월 9일부터 12월 11일까지 미국 워싱턴 DC에서 열리는 반도체 최대 규모 최고 권위의 학회인 IEDM(international electron device meeting)에서 하이라이트 논문으로 선정되어 발표될 예정이다. (논문명: A Novel SiNW/CMOS Hybrid Biosensor for High Sensitivity/Low Noise)

국민대학교 SiLK팀은 이미 중견도약연구사업(구 국가지정연구실)으로 지정되어 실리콘뿐만 아니라 산화물반도체 연구를 수행하고 있으며, 2013년 올해 재료-소자-회로 융합설계 인력양성을 위한 BK플러스 사업팀, 인쇄전자 반도체를 위한 기초연구사업, 반도체 다중검출 바이오센서 개발을 위한 모험연구사업, 탄소튜브소자를 이용한 디스플레이 및 센서 개발을 위한 신진연구사업, 반도체 특성분석 툴 개발을 위한 중견핵심연구사업 등 다수의 국가 연구개발 사업에 선정된 바 있다. 또한 삼성전자, 삼성디스플레이, LG 디스플레이, SK 하이닉스, 동부하이텍 등 반도체 관련 대기업과의 왕성한 산학협동으로 다수의 특허 보유 및 회사 사내 강의, 대학원 연구 인력의 해당기업 취업을 진행 중에 있으며, 반도체 및 융합 분야 상위 10-20% 이내 저널 논문을 연간 20-30여편 게재하는 등 연구 경쟁력을 인정받고 있다.

한편 반도체 바이오센서 개발에 필요한 융합연구에 있어 국민대 최선웅 교수, 서울대 박병국 교수, KAIST 최양규 교수, 광운대 정인영 교수, 국민대 정용주 교수, 중앙대 박태정 교수 등 많은 대내외 연구자들의 도움이 함께 하였다.