Recently, MEMS are now enabling lab-on-a-chip (LOC) and micro total analysis systems (mTAS), which allow \"devices or systems\" for processing, delivery, manipulation, analysis of chemical or biological molecules. Detection of chemical or biological molecules using micro- or nano-fabricated sensors is receiving great attention. There are many detection methods utilizing electrical, optical, and mechanical properties. Especially, despite the apparent advantages of nanomaterial-based sensors, there are ongoing technological challenges such as assembly or chirality selection. Low-cost batch-fabrication of free-style, free-standing nanostructures can improve existing nanomaterial- and silicon-based devices and widen future nanotechnology applications.
Pyrolyzed carbon, which is fabricated by pyrolysis of patterned resist, has been investigated extensively for applications in various fields. Pyrolyzed carbon has many advantages for the fabrication of free-handed micro- or nano-structures on a silicon substrate because the carbon structures are fabricated through lithography processes. While electrochemical behaviors and various applications are extensively studied, mechanical and electrical property utilizations, especially overhanging nanostructures for sensor and actuator applications, are rarely reported. In this study, the fabrication and characterization of pyrolyzed carbon micro- or nano-structures are described for use in various fields. Novel schemes for applications in biosensor and fabrication processes of devices have been proposed.
For use in the various bioMEMS/MEMS field, the fabrication and characterization of pyrolyzed carbon microstructures with various photoresists are described. The microstructures with various shapes are fabricated by photolithography, which are converted to pyrolyzed carbon by heat treatment for 30 min in the temperature range of 600 oC ~ 1000 oC. The heat treatment is carried out using an open-ended quartz tube furnace in a N2 atmosphere. The pyrolyzed carbon films were characterized using a surface profiler, a precision semiconductor parameter analyzer, a nanoindentor, scanning electron microscopy (SEM), Hall measurement system, and atomic force microscopy (AFM).
Using pyrolyzed carbon film as a working electrode, an electrochemical impedance biosensor for detection of target molecules is presented. Because the pyrolyzed carbon film is fabricated by photolithography and thermal treatment of a photoresist in inert ambient, we can obtain batch-fabricated carbon biosensors. The target molecules, avidin and thrombin, detection using electrochemical impedance spectroscopy based on the electrostatic interaction between protein and negatively-charged ferricyanide was carried out successfully using pyrolyzed carbon films modified with receptors. From the results, pyrolyzed carbon can be very useful as a working electrode in electrochemical biosensors and also provide a new approach for miniaturization, integration, and low-cost fabrication.
Using pyrolyzed carbon nanowire as a conducting channel region, a novel approach for real-time detection of biomolecules in a bio-chemical field effect transistor (FET) is presented. To verify the usefulness of the pyrolyzed carbon nanowires as recognition elements in a biosensor, interactions between streptavidin and biotin on the nanowires were studied via the conductance change induced from negatively-charged streptavidin binding to biotin on the pyrolyzed carbon channel. The binding event was demonstrated successfully utilizing a carbon nanowire pyrolyzed at 700 oC with p-type conduction behavior. From the results, it is expected that pyrolyzed carbon nanowires will be a useful material in an extremely low-cost point-of-care testing tool with a fast response and real-time measurement and in NEMS devices with a variety of nanostructures.
We can tailor the resistivity of pyrolyzed carbon film for various applications such as insulators, high value resistors, and conductors by varying the pyrolysis temperature and also fabricate free-standing carbon devices and versatile, 2D/3D mechanical micro- or nano-structures using MEMS techniques. Using these methods, pyrolyzed carbon can have outstanding potential for various sensor and actuator applications and its utilization to biosensor.
바이오센서는 전극, 반도체, 광디바이스, 압전소자 등의 신호변환장치가 이용되고 있으며, 멤스 (MEMS) 기술을 이용하여 전기소자적인 부분과 기계적인 작용을 하는 구동장치, 감지센서 등이 미세 크기로 제작될 수 있다. 멤스는 반도체 공정기술을 기계공학에 접목시킨 것으로 이해될 수 있으며, 1980년대 후반부터 본격적인 연구가 시작되어 지난 10여 년간 마이크론 단위의 단순 기계구조물, 초소형 센서/액튜에이터, 그리고 최근에는 기계-전자-화학-생명 등의 학제간 연구로 이루어진 초소형 복합시스템의 제작 공정기술과 응용연구로 발전되고 있다. 이러한 기술의 발전을 통해, 과거에는 불가능했었던 많은 단위 소자나 시스템의 초소형, 집적화, 복합화가 가능해졌으며, 이미 산업화에도 깊게 확산되어 시장 규모와 그 성장률은 확대되고 있는 실정이다. 최근 몇 년간의 멤스 연구흐름은 기계 및 전자분야 뿐만 아니라 생명과학 분야까지 응용연구 분야를 확대해 이미 바이오멤스라는 새로운 세계를 열어가고 있다. 1990년대 후반 바이오센서, DNA칩, mTAS (Micro Total Analysis System), LOC (Lab-on-a-chip) 등의 이름으로 시작된 바이오멤스 분야는 DNA, 단백질, 생체이온 등과 같은 미세 생체시료의 크기로 인해 극미세 가공의 특징을 갖는 나노 기술과 결합하여 NEMS (Nano Electro Mechanical System)로 발전하면서 초소형 진단용 시스템분야에서 새로운 혁명을 일으키고 있다.
열분해 탄소 (pyrolyzed carbon)는 리소그래피 기술을 이용하여 감광재의 구조물을 제작하고 산소가 없는 환경에서 고온 열처리를 하면 만들어지는 물질이다. 리소그래피 기술을 기반으로 하기 때문에 기판위에 다양한 2차원 혹은 3차원의 형상을 가지는 구조물의 제작이 용이하며, 특히 탄소 재질의 나노 구조물을 제작하는 데 탁월한 방법이라 하겠다. 본 논문에서는 열분해 탄소의 다양한 형상을 가지는 마이크로 및 나노구조물을 제작하는 방법과 기본적인 물성에 대한 연구를 수행하였다. 확보된 제작기술과 기본적인 물성을 기반으로 하여 새로운 개념의 바이오센서를 제시하고 생체 분자를 이용한 실험으로 열분해 탄소가 가질 수 있는 응용가능성에 대해서 알아보았다.
바이오멤스 혹은 멤스 분야에서 다양한 응용을 위해서, 열분해 탄소의 마이크로 및 나노구조체를 제작하고 물리적, 기계적, 전기적인 특성에 대해서 연구하였다. 제작된 열분해 탄소는 surface profiler, a precision semiconductor parameter analyzer, a nanoindentor, scanning electron microscopy (SEM), Hall measurement system, atomic force microscopy (AFM) 등의 분석기기를 이용하여 물성연구를 수행하였다. 1000 oC에서 제작된 열분해 탄소를 전기화학 임피던스 바이오센서에서 작동전극으로 응용하여 실험을 수행하였다. 전기화학 임피던스 분광법 (Electrochemical impedance spectroscopy, EIS)은 작동 전극위에 형성된 생체 분자간의 결합체(biotin-avidin, aptamer-thrombin)는 전해질 내에 존재하는 ferricyanide의 전극으로 전자 전달을 방해해서 전기화학 임피던스의 증가를 초래하게 되어 원하는 단백질을 검출하게 되는 원리를 기반으로 한다. EIS를 이용하여 성공적으로 원하는 단백질들 (avidin, thrombin)을 검출하였고 열분해 탄소는 작동전극으로 유용할 뿐만 아니라, 전기화학센서에서 소형화, 집적화, 저가격화에 기여할 수 있을 것으로 생각된다.
열분해 탄소는 열분해 온도에 따라 절연체, 반도체, 전도체의 특성을 가지며, 반도체 특성을 기반으로 한 새로운 개념의 바이오센서를 제시하였다. 700 oC에서 제작된 열분해 탄소 나노와이어를 전기장 효과 트랜지스터 (field effect transistor, FET)에서 전도성 채널로써 응용하였다. 수용액상에서 열분해 탄소 나노와이어위에 고정화된 biotin에 streptavidin을 반응시키면 음전하를 가지는 streptavidin은 홀을 캐리어로 가지는 열분해 탄소 나노와이어의 전도도를 증가시키게 된다. 탄소 재질을 가지는 나노 구조물의 제작이 용이할 뿐만 아니라 FET 기반 바이오센서에서 전도성 채널로써 유용한 물질임을 확인하였다.
