[논문]silicon nanowire의 원리를 이용한 바이오센서 피드백 회로 설계

문준일; 신종영; 정일권

silicon nanowire의 원리를 이용한 바이오센서 피드백 회로 설계
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문준일 (광운대학교) , 신종영 (광운대학교) , 정일권 (광운대학교)

21세기는 유전자, 질병검사를 통해 질병 예방, 예후 관리, 재택 및 원격 진료 시스템을 구축하여 초고감도, 실시간으로 환자의 건강 상태를 모니터링 하고, 진단, 처방할 수 있는 IT/BT/NT를 결합한 유비쿼터스 의료 시스템이 대두할 것으로 기대되고 있다. 유비쿼터스 의료 시스템의 핵심적인 역할을 할 것으로 기대되는 바이오센서는 측정 기술로서 획기적인 발전을 거듭하고 있으며 생물학, 화학, 의학, 전자, 물리, 컴퓨터, 기계 공학 등 최첨단 학문의 관련 기술이 복합적으로 융합되면서 실용화에 필요한 요소 기술들이 접목되고 점점 소형화, 시스템화 되어 가고 있는 추세이다. 특히 SiNW(silicon nanowire) 바이오센서 같은 경우 양쪽의 전극이 소스와 드레인 역할을 하고 SiNW receptor가 검출대상과 결합하면 게이트 역할을 하게 된다. 불순물의 농도에 따라 전기적 특성이 결정되는데 검출하고자하는 대상이 receptor와 결합하게 되면 마치 MOS에서 게이트에 전압을 인가한 동작과 같은 역할을 하게 되어 소소와 드레인 사이에 채널이 형성되고 하나의 저항처럼 동작하게 된다. 본 논문에서는 기존의 MOS를 이용하여 현재 전자소자나 바이오센서 등 많은 분야에서 응용되고 있는 SiNW 바이오센서의 기능과 유사하게 피드백 회로를 통해 구현하였다. 피드백 회로의 정상 작동 확인과 SiNW 바이오센서의 역할을 대체한 MOS 소자의 정상 작동을 확인을 위해 블루투스 통신을 이용하여 모니터에 전압 값을 표시한다.

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문제 정의

본 논문에서는 silicon nanowire 바이오센서를 이용하여 검출하고자 하는 대상의 유무를 확인하는 방법을 제안하였다. 이를 위해 피드백 회로를 설계하고 controller를 구현하였으며, 모니터링 시스템을 사용하여 출력전압 값을 모니터로 출력하였다.
본 논문에서는 silicon nanowire의 원리를 이해하고 그와 동작 원리가 유사한 MOSFET으로 구성된 바이오센서 피드백 회로를 제안한다.

가설 설정

피드백 회로는 동작을 멈추고 출력전압은 일정한 전압을 나타낸다. 이 때 검출대상이 silicon nanowire 바이오센서와 접촉하였다고 가정하고, 가변저항 값을 변화시킨다. 저항의 변화에 따른 출력전압의 변화 값으로 검출대상의 유무를 파악한다.

제안 방법

이번 실험에서는 silicon nanowire 바이오센서 대신 MOSFET과 가변저항으로 대체하였다. 검출 대상의 유무의 따라 가변 저항 값을 변화시킴으로써 silicon nanowire 바이오센서의 동작을 표현하였으며 실험을 통한 출력 전압의 변화로 검출대상의 유무를 파악할 수 있었다. 또한 출력 전압의 변화를 블루투스 통신을 이용하여 모니터로 나타내었다.
silicon nanowire 바이오센서를 통해 검출하고자하는 대상의 유무를 파악하기 위해서는 사전에 회로의 안정화가 필요하다. 그래서 이와 유사하게 동작하는 MOSFET을 사용하여 피드백 회로를 설계한다.
검출 대상의 유무의 따라 가변 저항 값을 변화시킴으로써 silicon nanowire 바이오센서의 동작을 표현하였으며 실험을 통한 출력 전압의 변화로 검출대상의 유무를 파악할 수 있었다. 또한 출력 전압의 변화를 블루투스 통신을 이용하여 모니터로 나타내었다. 본 논문에서 다룬 silicon nanowire 바이오센서 피드백 회로는 세포, 효소, DNA 및 다양한 검출대상을 검출할 수 있고, 저 복잡도로 구현될 수 있어 다양한 분야에 효과적으로 응용될 수 있다.
본 연구에서는 MOSFET, 비교기, 업/다운 카운터, DAC 등을 통하여 피드백 회로를 구성한다.
아날로그신호로 출력되는 출력전압을 양자화 시켜 디지털코드로 변환해야 한다. 이를 위해 ADC를 사용한다. 마이크로프로세서를 통해 ADC동작을 위한 clock신호를 넣어주며 데이터 입출력을 한다.
본 논문에서는 silicon nanowire 바이오센서를 이용하여 검출하고자 하는 대상의 유무를 확인하는 방법을 제안하였다. 이를 위해 피드백 회로를 설계하고 controller를 구현하였으며, 모니터링 시스템을 사용하여 출력전압 값을 모니터로 출력하였다. 이번 실험에서는 silicon nanowire 바이오센서 대신 MOSFET과 가변저항으로 대체하였다.
이를 위해 피드백 회로를 설계하고 controller를 구현하였으며, 모니터링 시스템을 사용하여 출력전압 값을 모니터로 출력하였다. 이번 실험에서는 silicon nanowire 바이오센서 대신 MOSFET과 가변저항으로 대체하였다. 검출 대상의 유무의 따라 가변 저항 값을 변화시킴으로써 silicon nanowire 바이오센서의 동작을 표현하였으며 실험을 통한 출력 전압의 변화로 검출대상의 유무를 파악할 수 있었다.
피드백 회로에서 출력된 전압을 시각적으로 나타내기 위하여 모니터링 시스템을 구현 한다. 모니터링 시스템은 피드백 회로가 기준 전압에 수렴하는 과정, 검출과정의 결과를 출력 전압 값의 변화를 통해 보여준다.
블루투스 통신을 통한 데이터는 하이퍼 터미널 형태로 저장된다. 하이퍼 터미널을 통해 데이터를 전송시켜야 하는 어려움을 피하기 위해 비주얼 베이직을 기반으로 하여 소스코드를 작성한다. 이를 통해 컴퓨터로 자동 데이터 연결을 가능하게 한다.

이론/모형

마이크로프로세서를 통해 ADC동작을 위한 clock신호를 넣어주며 데이터 입출력을 한다. 마이크로프로세서의 통신 속도, 외부 clock등을 설정하기 위해 CodeVision AVR C Compiler을 이용하여 제어한다. 소스코드를 작성 후 ISP Cable을 이용하여 작성한 코드를 입력한다.

성능/효과

) 값에 수렴함을 확인할 수 있다. 가변 저항을 통해 저항의 값이 변해도 출력 전압 값이 기준 전압 값에 수렴함을 확인하여 피드백 회로가 정상 작동함을 알 수 있다.
앞서 제안한 피드백 회로를 통하여 회로가 일정한 전압을 유지하는 것을 확인하였다. 검출 대상의 유무를 확인하기 위해 피드백 회로의 동작을 멈추고 검출대상을 접촉시켜 출력전압의 변화를 살펴보아야 한다.

후속연구

또한 출력 전압의 변화를 블루투스 통신을 이용하여 모니터로 나타내었다. 본 논문에서 다룬 silicon nanowire 바이오센서 피드백 회로는 세포, 효소, DNA 및 다양한 검출대상을 검출할 수 있고, 저 복잡도로 구현될 수 있어 다양한 분야에 효과적으로 응용될 수 있다.

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