DGIST, 잉크젯처럼 뿌려 만드는 초고감도 바이오센서 개발

대구경북과학기술원(DGIST) 바이오메디컬연구부 이윤희 연구팀이 프린터처럼 잉크를 뿌리는 간단한 방식으로 초고감도 바이오센서를 대략 제작할 수 있는 기술을 개발했다.

개발된 센서는 탄소나노튜브(CNT) 기반 전계효과 트랜지스터(FET)는 전기가 잘 통하고 표면이 민감해 아주 작은 물질까지 잡아낼 수 있는 차세대 바이오센서다.

다만, 센서 성능을 높이려면 전극 사이에 단일 CNT가 일정하게 정렬돼야 하는데 지금까지는 이를 위해 복잡한 장비와 고비용 공정이 필요했다.

리소그래피나 화학기상증착(CVD) 및 스핀코팅 같은 기존 방식은 제작 과정이 까다롭고 넓은 면적에 적용하기도 어려워 상용화에 한계가 있었다. 이에 연구팀은 표면장력을 활용한 드롭-앤-스프레드(Drop-and-Spread) 잉크젯 프린팅 기법을 개발했다.

드롭-앤-스프레드(Drop-and-Spread) 기법은 피코리터(pL) 수준의 CNT 잉크 방울을 전극에 떨어뜨리면 잉크가 표면장력으로 자연스럽게 퍼지면서 나노튜브가 줄 맞춰 정렬되는 원리다.

이 방식으로 연구팀은 별도의 추가 공정 없이도 균일한 소자를 제작하는데 성공했다. 전체 제작 소자의 72%가 원하는 형태로 만들어질 만큼 제작 안정성과 재현성을 확보했다.

연구팀은 제작된 소자에 특정 분자와만 결합하는 DNA 조각(압타머)를 붙여 뇌 신경전달물질인 세로토닌을 잡아내는 데도 성공했다.

특히, 머리카락 한 올 보다 훨씬 적은 양(42 피코몰)도 감지할 만큼 높은 민감도를 보였다. 또 이는 우울증 및 파킨슨병과 같은 신경계 질환의 조기 진단이나 실시간 모니터링 등 다양한 분야에 적용될 수 있는 가능성을 보여준다.

이윤희 선임연구원은 “잉크젯 프린팅처럼 간단한 방법으로 고성능 센서를 제작할 수 있다는 점이 이번 연구의 큰 의의가 있다”며, “특히 해당 기술을 기반으로 다양한 질병 바이오마커 검출을 위한 맞춤형 고감도 바이오센서 제작 플랫폼으로 확장할 계획”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 바이오메디컬연구부 이윤희 선임연구원이 교신저자, 서울대 의과대학 의공학교실 강홍기 교수가 공동 교신저자, 바이오메디컬연구부 박사후연수연구원 박수현(제1저자)·DGIST 전기전자컴퓨터공학과 석사 졸업생 신민혜(공동 제1저자)·김은의(공동) 등이 참여했다.

연구 결과는 재료 및 응용화학 분야의 저명한 국제학술지 ACS 어플라이드 머테리얼 앤 인터페이스(Applied Materials & Interfaces)에 8월6일자로 온라인에 게재됐으며 서플리먼터리 저널 커버(Supplementary Journal Cover)로 선정됐다.