Special 질병 진단용 소재 및 센서 기술 개발 동향

그래핀 기반의 나노 바이오센서 개발

김경호_한국생명공학연구원 연구원
권오석_한국생명공학연구원 책임연구원

1. 서론
나노바이오 센서는 특이적 분자의 검출, 감지를 위하여 수용체, 항체, 압타머 등의 다양한 bioprobe를 활용하여 분자 수준의 물질을 검출하고, 이 때의 상호작용에 의한 아날로그 신호를 transducer를 통해 인지하는 장치는 바이오센서 기반과 나노구조체, 나노패턴, 나노채널 등의 나노 기술을 통해 바이오센서의 성능 향상시킨 센서 플랫폼이다(그림 1). 
  
   그림 1. 나노바이오 센서 구성 개략도
  
   나노바이오 센서는 단일세포 검출, 질병 조기진단, 현장진단이 가능한 초고감도, 초소형으로 기존의 바이오센서의 기술적 한계를 극복한 센서를 일컫는다. 특히, 헬스케어 시대에 있어, 신속 진단, 자가 진단 등의 고감도, 고선택도, 정확성, 신뢰성 등 고성능, 용이성, 편리성을 요구하는 바이오 센서 플랫폼이 요구됨에 따라 다양한 나노바이오 센서의 개발 속도가 급격하게 진행되고, 수많은 센서 플랫폼들이 개발되었다. 나노바이오 센서는 수많은 나노 소재와 나노 기술들이 접목되어, 다양한 광학적, 전기적 등의 특성을 이용하여 개발되었다. 나노바이오 센서개발에 활용된 수많은 나노 소재 중 그래핀(graphene)은 우수한 성질도 인하여 각광받고 수많은 연구에 도입되었다. 그래핀은 원자간 sp2 결합으로 육각 벌집 형태의 2차원 구조로 이론적으로 존재했던 이상적인 물질이었으며, 스카치 테이프를 사용하여 흑연으로부터 그래핀을 얻어내는 방식으로 Andre Geim과 Konstantin Novoselov에 의해 발견되었으며, 현존하는 물질 중 초경량, 구리 대비 10배 높은 열전도율, 100만배 높은 전류밀도의 전도성, 강철대비 200배의 인장강도, 실리콘 대비 100배 높은 전자 이동도, 초박막 두께, 가변 컨덕턴스, 밴드 갭 조절, 양자효과 등의 특유의 우수한 전기적, 물리적, 기계적 특성으로 발견 이 후 급격한 그래핀 소재의 제조 기술 및 응용이 다방면으로 연구되었다(그림 2).1
  
   그림 2. 다양한 합성 방법 기반의 그래핀 제조 기술

　　일반적으로 알려져 있는 기계적 박리법을 통해 flake 형태의 단층 그래핀을 제조함으로써 고품질의 소량, 소규모 샘플 제조에는 유용하지만, 대면적, 대량 생산 기반의 소자 제작의 어려움이 존재함에 따라 실용화 및 산업화 진입에 한계가 있다.2,3 이를 극복하기 위해, bottom-up 방식으로 그래핀을 성장시키는 기술이 개발되었으며, 대표적으로 epitaxial 성장법, 화학적 박리법, 유기합성법, 레이저 합성법, 열분해 및 화학기상증착법(chemical vapor deposition;CVD)이 개발되었다.[ref] 특히, CVD 기반의 그래핀 성장 기술은 마이크로 플라즈마 CVD, 저압 CVD, 대기압 CVD, 고주파 PE CVD, 열 CVD 등 수많은 기술들이 개발되었으며, 그 중 열을 사용한 CVD 기반 기술은 고품질의 대면적 그래핀을 얻을 수 있으며, 층 수의 제어가 용이한 장점이 있다.4,5 이러한 기술 기반으로 고성능의 그래핀을 제조하고, 나노바이오 센서의 소재로 활용함에 따라 바이오센서의 성능을 향상시켜 다양한 연구가 진행되고 있으며, 본고에서는 질병과 관련된 그래핀 기반의 나노바이오센서의 연구, 산업 현황에 대해 알아보고자 한다.

2. 그래핀 나노바이오센서 연구동향
그래핀을 활용하여 다양한 기술 기반의 나노바이오 센서가 개발되어 왔지만, 양극성, 전자이동도 등 신호 증폭을 통한 미량의 표적물질의 검출이 용이한 전기적 센서 플랫폼 연구가 가장 활발히 이루어지고 있다. 특히, 단일 층 그래핀, 겹층 그래핀 등을 이용해 다양한 전기화학적 나노바이오 센서 개발 및 응용이 수없이 이루어지고 있다. 따라서, 본 고에서 진단용 그래핀 나노바이오 센서 개발 연구에 대해 살펴보고자 한다.

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