Interdigitated array (IDA) electrodes have been researched extensively because they are one of the most effective structures for detecting electroactive species. Redox recycling of the species enables the signal to be amplified on repeated anode and cathode of IDA electrode. The key to the sensitivity of IDA electrode is narrow gap between anode and cathode. Moreover, IDA electrode applicable to flow systems is in the spotlight due to the high sensitivity.
The change of the structure from planar to 3D watches for two advantages. One is that the electrode at each side forms space which becomes a channel for sample flow. The other is that the gap can be controlled up to nanoscale not by patterning but by thickness of sacrificial layer between electrodes. Two approaches were proposed for the advantages; the first electrode was designated as channel integrated electrode and the last as air bridge type electrode.
Channel integrated electrode was made by high nickel electroplating. There is a channel between electrodes which has fingers. The fingers act as obstacles to generate turbulent flow, which results in amplified signal. The lengths of the fingers are 10, 20, 30, and 40um. Electrochemical techniques for characterizations were cyclic voltammetry and chronoamperometry. The chronoamperometric curve proved higher sensitivity of longer finger channel. The slopes of current with respect to concentration curve at chronoamperometry were $1.06×10^{-3}$ and $5.43×10^{-4}$ in 40㎛ and 10 ㎛ finger, respectively. During the experiment the flow rate was 0.5ml/h which was optimized value from 0 to 10ml/h. The mixing effect was established by the experiment as well as computer simulation by CFD.
Air bridge type electrode was completed by the following procedures; gold patterning for lower electrode, copper electroplating, gold deposition for upper electrode, PR patterning for gold support, and copper etching for gap formation. The thickness of copper electroplating is that of the gap. Because the growth rate of electroplating is 0.5㎛/min, the gap can be controlled up to hundreds of nanometers. Completed electrodes on the same wafer had 5㎛ electrode gap. The gaps between fingers are 10, 20, 30, and 40㎛ and the widths of fingers are 10, 20, 30, 40, and 50㎛. The performance of the air bridge type electrode having 5㎛ electrode gap was compared with a planar electrode that has the same finger gap by amperometric technique. The slope of current with respect to sample concentration was $9.1×10^{-4}$. The planar electrode showed the slope of $6.6×10^{-4}$.
The two approaches were realized by channel integrated electrode and air bridge type electrode. The channel integrated electrode systems are applicable to flow system because the fingers cause laminar flow to be mixed well. In planar IDA electrodes bonded by channel, the flow may be laminar that can decrease the sensitivity. The air bridge type electrode systems having very narrow space between anode and cathode were successfully fabricated by the control of sacrificial layer thickness. Existing planar electrodes and three dimensional electrodes are still dependent on patterning techniques that are very expensive and difficult to reduce the electrode gap down to nanometer scale. Nanoscale patterning can be replaced by the air bridge structure in designing very highly sensitive electrodes.
본 논문에서는 기존의 평면형 인터디지테이티드 어레이 전극의 성능 개선을 위해 3차원으로 구조를 바꾼 전극에 관한 미세제작과 제작된 전극의 성능평가에 관한 연구를 수행하였다. 산화환원종의 리사이클링 반응때문에 인터디지테이티드 어레이 전극은 산화환원종을 전기화학적 방법으로 검출하는데 가장 우수한 성능을 보이는 전극이다. 그러나 감도를 높이기 위해서는 전극간의 간격을 좁혀야 하는데 나노미터 수준의 패턴은 매우 어렵고 경제적인 부담이 따르게 된다. 또한 평면형 전극은 단순히 같은 평면에 전극이 있기 때문에 플로우 시스템에 적용할 경우 층류유동으로 인해 전극 근처의 샘플만 반응하여 감도가 낮아질 수 있는 위험이 있다.
본 논문에서는 이러한 단점을 극복하기 위해 두가지 3차원 전극 구조를 제안, 제작을 완료하였으며 그 특성을 시험하였다. 우선 플로우 시스템에 적용을 위한 채널 통합형 전극을 제작하였다. 감광제로 제작한 몰드에 니켈을 도금하여 두께 약 40㎛, 손가락 길이는 10㎛ 에서 40㎛ 까지 제작하였다. 최종적으로는 전극특성을 얻기 위하여 금을 무전해 도금하였다. 전기화학적 실험을 위한 샘플로는 대표적인 산화환원종인 페로시아나이드샘플이 흐르는데 적당한 유속을 찾기 위해 0에서 10ml/h 사이의 유속에서 전류를 측정하여 약 0.5ml/h에서 최적의 신호가 나오는 것을 확인한 후 손가락 길이가 10, 40㎛ 의 두 종류의 전극으로 실험을 하였다. 그 결과 10 ㎛ 인 전극에서는 농도대비 전류의 기울기가 $5.43×10^{-4}$ 으로 얻었고, 40㎛ 인 전극에서는 그 두배인 $1.06×10^{-3}$ 으로 측정되었다. 이 결과를 통하여 플로우 시스템에서 손가락의 길이가 길면 길수록 미세유체 채널에서 야기될 수 있는 층류유동을 저지하며 혼합이 효과적으로 일어나게 하여 증폭된 신호를 얻을 수 있다는 사실을 찾아냈다.
두번째 접근 방법인 공간교량 전극 (air bridge electrode)은 전극간의 간격을 좁히기 위해 개발중인 나노패턴 기술이 어렵고 자금이 많이 든다는 결점을 보완하기 위해 제안되었다. 아랫면 전극을 위해 금을 패턴한 후 구리를 전기도금하여 원하는 높이로 쌓아올린다. 그 위에 다시 윗면 전극 역할을 할 금을 도포하여 패턴한 후 구리도금을 제거하여 완성하였다. 전극의 손가락간 사이는 10에서 50㎛ 이며 손가락의 폭도 10에서 50㎛ 로 제작하였다. 구리도금의 높이는 5㎛ 로 쌓아올렸다. 곧 애노드와 캐쏘드의 사이에는 5㎛ 의 간격이 존재함을 의미한다. 현미경과 주사전자현미경 사진을 통하여 전극의 제작이 성공적으로 이루어졌음을 확인하였다. 전극의 성능시험은 채널 통합형 전극과 동일한 암페로메트리 방법을 사용하였다. 평면형 전극중 3차원 전극과 동일한 손가락 간격과 손가락 폭을 갖는 전극을 골라 3차원 전극과 비교 실험을 수행하였다. 그 결과 샘플 농도대비 전류의 기울기가 평면형 전극의 경우 $6.6×10^{-4}$, 공간교량 전극의 경우는 $9.1×10^{-4}$ 를 각각 얻었다. 큰 증가를 보였다는 경향을 예측할 수 있지만 앞으로 공정의 개선을 통하여 제작된 전극으로 실험하여 보다 많은 실험 결과를 통해 정량적인 분석까지 수행할 예정이다.
결론적으로 채널통합형 전극의 경우는 채널내에 돌출된 손가락들이 샘플의 흐름을 난류로 만들어 주어 애노드 / 캐쏘드와 이온간의 반응 가능성을 증가시켜 전류의 증폭 효과를 가져왔다. 이는 채널 통합형 전극은 플로우 시스템에 응용될 수 있음을 의미한다. 평면형 전극의 경우는 층류유동을 혼합시켜 줄 수 있는 구조가 없기 때문에 플로우 시스템에 적용이 많지 않은 실정이다. 또한 3차원 형태의 전극에 대한 연구에서는 아직 플로우에서 실험을 하지 않아왔기 때문에 본 논문에서 제시한 채널 통합형 전극은 3차원 형태의 전극을 플로우 시스템에 적용하기 위한 첫 시도라고 할 수 있다.
평면형 전극뿐만 아니라 몇몇 시도되고 있는 3차원 전극도 전극사이의 간격을 좁힐 수 있는 공정이 패터닝으로만이 가능므로 나노미터 규모의 간격은 매우 어렵다. 이 단점을 극복하기 위해 제안된 공간교량형 전극은 희생층의 두께를 조절하여 나노미터급의 전극간격을 나노패터닝 대신 값싸고 손쉽게 제작할 수 있다는 것을 보여주었다. 도금대신 스퍼터링 같이 두께 조절이 수 나노미터급까지 가능한 공정을 사용하면 전극간의 간격도 이론적으로 수 나노미터까지 제작이 가능할 것으로 보인다.
