Gold Electrode introduction - WordPress.com · 3.2.1.2. DNA chip, Lab‐on‐a‐chip 제한된 면적 안에서 여러 기능을 수행하는 DNA chip 이나 Lab‐on‐a‐chip

Gold Electrode

기술 소개서

㈜마블덱스의 금전극에 대한 간략한 기술 소개

자료

2009.9.30

작성자 : (주)마블덱스 최세진

sehjin12@m‐dex.com

CONFIDENTIAL │

THIS PAGE LEFT BLANK

작성자: 최세진, 문서 담당자: 최세진, 1

Internal Report│ Low Impedance gold electrode │ Technical Overview

내부 사업 검토 자료 │ 2009년 10월 13일

본 문서는 ㈜마블덱스의 기술을 소개하기 위해 ㈜마블덱스에서 작성한

문서입니다.

이 문서에 해 ㈜마블덱스에서 허가 받은 회사 혹은 단체의 문서 담당자

이외의 어떤 사람/업체에도 배포/복사 혹은 사진 촬영, 번역, 열람을 허락하지

않았습니다. 만일 우연한 기회에 이 문서를 소지하게 될 경우 즉시 폐기처리

하시길 바랍니다. 만일 이를 어길 경우, ㈜마블덱스는 이 문서의 어떠한

내용과 관련된 모든 법적 책임과 금전적인 손해를 문서 열람자에게 청구할 수

있습니다.

문서 작성자 : ㈜마블덱스 최세진

Tel :+82‐(0)2‐2632‐3871, Fax : +82‐(0)2‐6442‐7749, Mobile: +82‐(0)10‐3320‐8239

E‐mail : sehjin12@m‐dex.co.kr

㈜마블덱스측 문서 담당자 : 최세진 표

2 Issue Date: October 2009 │

mailto:[email protected]

CONFIDENTIAL │





Table of Contents

1. 문서 개요 8

1.1. Introduction..........................................................................................8

1.2. 문서의 이력에 한 설명....................................................................8

2. 기술 소개 9

2.1. 소개. 9

2.2. 종래의 기술 ...........................................................................................9

2.2.1. PT black 도금...............................................................................9

2.2.2. 황산에 의한 식각 .....................................................................10

2.2.3. Gold nano particle.....................................................................10

2.2.4. Carbon Nano Tube (CNT) ........................................................11

2.3. 제안 기술 .............................................................................................12

2.3.1. 센서에서의 임피던스(Impedance)의 의미 ...........................12

2.3.2. 현미경 촬영...............................................................................13

2.3.3. AFM 측정 결과 .........................................................................14

2.3.4. Impedance 측정 결과 ..............................................................15

2.4. 비교 검토 결과 ...................................................................................15

3. 응용 분야 17

3.1. 소개. 17

3.2. 바이오 센서 전극 ...............................................................................17

3.2.1. 적용 가능 분야.........................................................................17

3.2.2. 상용화 자료...............................................................................20

3.3. 촉매 21

3.3.1. 적용 가능 분야.........................................................................21

3.3.2. 상용화 자료...............................................................................21

3.4. 터치스크린(터치패드, 촉각센서) ......................................................21

3.4.1. 적용 가능 분야.........................................................................21

3.4.2. 상용화 자료...............................................................................21

3.5. 접착력 향상 application...................................................................22

3.5.1. 적용 가능 분야.........................................................................22

4. 사업화 방안 ..............................................................24

4.1. 소개. 24

4.2. 지적재산권 ...........................................................................................24

4.3. 직접 생산 .............................................................................................24


CONFIDENTIAL │

4.4. 라이센스 ...............................................................................................24

5. 참고 자료 25

5.1. 소개. 25

5.2. 자료 목록 .............................................................................................25






CONFIDENTIAL │

REVISION HISTORY

Revision Date Comments

V1.0 2009.7.30 First Version

V.1.1.0 2009.10.13 Published

V.1.1.1 2009.10.14 Clause 2.3.2 is updated.

Height axis unit scale in the figures is commentated.

V.1.2 2009.10.21 Reference materials are added,

Published




1. 문서 개요

1.1. INTRODUCTION

본 문서는 ㈜마블덱스의 금전극을 소개하기 위해 작성되어진 문서이다.

1.2. 문서의 이력에 한 설명

없음.


CONFIDENTIAL │

2. 기술 소개

2.1. 소개.

골드전극의 표면적을 넓히고 임피던스를 낮추는 기술

2.2. 종래의 기술

2.2.1. PT black 도금

전극표면에 Pt를 도금시키는 방법. 기존의 금 전극에 비해 임피던스를 낮출

수 있는 장점이 있다.

‐ 문제점: 도금전극의 강도가 너무 약해, 아주 미약한 물리적 충격에도 벗겨

짐. 한번 닿으면 벗겨지는 수준이기 때문에 1회용으로 사용됨.

‐ 백금의 가격이 매우 고가임.

아래는 환원 전위를 바꿔가면서 백금을 금에 전착한 실험임.

실험의 목적은 신경 세포의 활동 전위를 측정하기 위한 평판형 다중 미세 전

극을 제작하는 것이며, 백금을 전착한 것은 임피던스를 낮추기 위한 시도이다.

출처: 신경신호 계측을 위한 평판형 다중미세전극에 관한 연구 (논문) - 전상범,박세익, 김성준

(서울 학교 공과 학 전기공학부)




아래는 논문의 원본이다.

미세전극의 임피던스와 전극넓이

2.2.2. 황산에 의한 식각

전극을 강산인 황산등의 용액에 담궈 부분적인 식각을 유도함

‐ 문제점: 표면적이 넓어지는 비율이 미약함(넓어지는 비율: 약 2%)

이 기술은 성능 향상이 매우 미미하므로, 참고 사항으로서의 기여도가 낮다.

다만 기존에 화학적인 시도로서의 성공 사례를 찾기가 힘들다는 것을 이야기

하기 위해 언급하였다.

2.2.3. Gold nano particle

금의 표면적을 넓히기 위해 수십~수백 나노 스케일의 입자를 만들어서 전극

표면 위에 고르게 분포시키는 기술.

‐ 문제점: 장비 구축에 고가의 비용이 들며, 공정 관리가 매우 엄격함.


CONFIDENTIAL │

2.2.4. Carbon Nano Tube (CNT)

전극을 황산등의 용액에 담궈 부분적인 식각을 유도함

‐ CNT끼리 잘 엉겨 붙어서 조직으로 뭉치는 경우가 발생함.

‐ 미세 조작이 매우 어려움.

‐ 장비구축에 매우 큰 비용이 발생하며, 아직 기술적인 난제가 많아서 상용

화에 무리가 있음.

아래 그림은 CNT를 체내에 넣어 실험할 때에 생기는 전형적인 부작용이다.

출처: 효소전극 기반 바이오센서 및 당센서 – 정택동 교수 (서울 학교 화학부)




2.3. 제안 기술

전기 화학 처리에 의해서 전기 분해(전해 식각)하여 표면적을 넓힌다. 금전극

의 표면이 최 100배까지 넓어지며, 그에 따라 임피던스도 1/50 수준으로 낮

아진다.

공정상의 변경이 용이하며, 결과가 거의 일정하기 때문에, 상용화 시키기가

수월하고, 경제성도 뛰어나다고 할 수 있다.

2.3.1. 센서에서의 임피던스(Impedance)의 의미

임피던스는 저항에 리액턴스(Reactance; 교류의 위상 변화에 한 저항)를 합

한 값이며, 저항의 포괄적인 개념이라고 볼 수 있다.

전자 센서의 경우, 발견하고자 하는 상을 검출해내는 반응체(Reactor 혹은

Binder등)와 그 뒷부분의 전기 회로로 구분이 된다. 반응체는 온도 센서, 습도

센서, 암 센서, 혈당 센서 등의 용도에 따라 그 특성에 맞는 여러가지 물질이

사용이 되는데 반해, 그 뒷단인 전기 회로의 경우에는 구리, 금, 백금 등의일

반적인 전도체가 사용이 된다.

전도체는 앞단인 반응체의 민감한 변화라도 정확하게 잡아낼 수 있는 것이 중

요한데, 임피던스라는 것은 그 반응체의 신호를 얼마나 노이즈 없이 받아들일

수 있는지에 한 척도이다. 임피던스가 낮다는 것은 노이즈가 낮다는 것을

의미하며, 좀 더 깨끗하게 신호를 받아들인다는 의미이다.

따라서 전자 센서의 경우, 성능은 반응체의 성능과 전도체의 성능으로 나뉘는

데, 반응체의 성능이 좋아진다는 것은, 보통 반응을 잘 하는 새로운 물질을 발

견했을 경우에 이루어지며, 새로운 물질에 한 False Positive, False Negative

등의 오동작에 해서도 광범위하게 실험이 이루어져야 한다. 이에 반해 전도

체의 성능 중에서 특히 임피던스의 성능이 좋아지는 것은 오로지 성능이 좋아

졌다는 것만을 의미한다고 볼 수가 있다. 노이즈가 없이 신호를 보다 정확하

게 전달하는 것이다.


CONFIDENTIAL │

2.3.2. 현미경 촬영

시간(sec) 전기분해 후 전극 모습 시간(sec) 전기분해 후 전극 모습

0

1

2

5

10

20

50

100




2.3.3. AFM 측정 결과

X, Y축의 한 눈금간의 간격: 1㎛ (micro meter)

높이 축의 한 눈금 간의 간격: 수십 nano scale.

(정확한 값은 각 그림마다 표시되어 있음. 예: 0초일 때 한 눈금 = 22nm, 1초 일 때 26nm, 20초 일

때 29 nm)

0sec 1sec 2sec

5sec 10sec 20sec

50sec 100sec

바닥의 X, Y 축의 scale이 1㎛ 인데 반해, 높이 축은 20~80nm scale이다. (한칸

의 정확한 길이는 그림에 나타나 있음.) X, Y 축에 비해 높이 축이 15~50배 가

량 확 시킨 것이라고 보면 될 것이다.

따라서 중간 중간의 피크 크기는 그림에서의 크기보다 훨씬 작다. 0sec에서 보

이는 우둘투둘한 모습은, 금 전극 자체의 표면이라기 보다, 먼지와 같은 이물

질일 가능성이 크다.


CONFIDENTIAL │

2.3.4. Impedance 측정 결과

임피던스는 표면적에 반비례하므로, 표면적이 늘어날수록 임피던스 값은 급격

히 감소한다. 기존 Impedance 값 비, 약 2% 정도의 크기로 줄어든다.

반복 실험에도 일정한 결과가 도출된다.

#3_C 전극 임피던스(+270uA 인가)

12.92

0.44 0.33 0.36 0.46 0.35 0.41 0.240.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

0 1 2 5 10 20 50 100

전류 인가시간(sec)

Z (K ohm)

2.4. 비교 검토 결과

금 전극 PT Black 전극

임피던스 성능 좋음 좋음

그 이외의 성능 좋음 내구성이 현저하게 떨어짐. (백금과 금

이 모두 안정한 금속이기 때문에 공고

하게 결합하기 어렵다.)

설비 투자 (공정) 적다 적다

제작 비용 거의 없음. 크다 (백금이 고가임)

금 전극 Gold Nano Particles

임피던스 성능 좋음 좋음

그 이외의 성능 좋음. 자료 부족

설비 투자 (공정) 적다 높다

제작 비용 거의 없음. 나노 파티클로 만드는 데에 돈이 들

고, 전극판 위에 일정하게 배열시키는

데에도 돈이 든다.

골드 나노 파티클의 표면에 우리 기술을 적용시켜서 표면적을 넓히는 경우를

고려해보고 있음.




금 전극 Carbon Nano Tube (CNT)

임피던스 성능 좋음 매우 좋음.

(Ideal한 상황일 경우에 한 추정치)

그 이외의 성능 좋음. 현재 기술 수준으로는 상용화하기에

많이 부족하다. 또한 인체에서 거부감

없이 쓰일 것인지에 한 실험에 많

은 시간과 돈이 든다.

설비 투자 (공정) 적다 매우 높다.

제작 비용 거의 없음. 매우 높다.

새롭게 제안된 금 전극의 경우, 종래에 금 전극으로 실험했던 거의 모든 데이

터를 그 로 사용할 수가 있다. 거기에 추가적으로 금 전극의 새로운 특성인

낮은 임피던스와 넓은 표면적에 한 임상 실험만 가하면 되는 것이다. 즉 금

이라는 물성에 해 인체에서 거부감이 없다는 것은 이미 증명이 된 것이다.

그에 반해, CNT의 경우에는 인체에서 일으킬 수 있는 여러가지 부작용에

해 모두 새로 실험을 실시해야 하므로 엄청난 시간과 돈이 투자되어야 한다.

또한 아직도 임상 실험에 들어가기 이전에 기술적인 난관들이 많이 있으며,

모든 임상 실험을 마친 이후에도 상용화하기 위해서는 설비에 한 투자가

적으로 이뤄져야 한다.

따라서 경제성이라는 측면과 검증된 물성이라는 측면에서 금 전극의 경쟁력은

월등하다고 할 수 있다.


CONFIDENTIAL │

3. 응용 분야

3.1. 소개.

이 장에서는 금전극을 이용하여 산업계에서 적용이 가능한 응용 분야를 예측

해 보았다.

3.2. 바이오 센서 전극

3.2.1. 적용 가능 분야

전극은 신호 감지물질(binder)와 함께 바이오 센서의 원천기술의 두 축이다.

바이오 센서내의 금전극 임피던스를 최 1/100수준으로 줄임으로써, 정밀도가

최 100배까지 향상

3.2.1.1. Bio Sensor 같은 면적에 다수의 전극을 형성, 즉 다수의 신호감지 물질을 붙일 수 있기

때문에, 여러 질병(ex. 암센서+ 혈당센서)을 동시에 정밀히 측정 가능함

그림 1. Biochip에 적용(wafer 상태)




그림 2. Biochip에 적용(dicing 상태: 바이오센서의 기본 단위)

3.2.1.1.1. Bio Chip의 종류 ● 단백질 칩: 현재 상용화 연구를 위한 초기 단계에 있다. DNA 칩이 DNA의

결합 성질을 이용해 목적으로 하는 현상을 관찰하는데 비해 이 칩은 항원. 항

체의 반응을 이용해 진단등을 하는 칩이다. 앞으로 결합 방식에 따라 효소와

기질 등을 이용한 칩이 출시될 전망이다.

● 익스프레션프로파일링 칩: DNA칩의 일종으로 반도체 소자위에 유전자를 삽

입, RNA의 패턴을 분석 한다. 현재 상용화 된 DNA 칩 중 50~60%를 차지하

고 있으며 유전자의 발현 현상을 관찰해 유전자 연구에 주로 쓰이고 있다.

● 지노타이핑 칩: 올리고 뉴크레오티드 칩으로도 불리며 염기의 차이를 주로

관찰 할 수 있는 칩이다. DNA 칩 중 30% 정도를 차지하고 있으며 이 칩은

유전자의 차이를 관찰해 진단용으로 사용되고 있다.

3.2.1.1.2. 시장의 주요 메이커들. 어피 매트릭스 (http://www.affymetrix.com/)

애질런트 (http://www.home.agilent.com)

ABI (http://www.appliedbiosystems.com)

3.2.1.2. DNA chip, Lab‐on‐a‐chip 제한된 면적 안에서 여러 기능을 수행하는 DNA chip 이나 Lab‐on‐a‐chip 분

야에서도 경쟁력이 있다.


http://www.affymetrix.com/

http://www.home.agilent.com/

http://www.appliedbiosystems.com/

CONFIDENTIAL │

현재 Sensitivity가 중요하게 두되는 경우에는, 백금 코팅을 사용하고 있으나,

가격과 내구성 문제가 심각하다.

3.2.1.3. 인공 와우 청각 세포가 마비되어서 인공 와우를 써야 하는 경우에도 큰 장점을 가질 수

있다. 인공 와우란, 달팽이관의 벽 내부에 있는 청신경에 전극이 닿도록 하여,

청신경에 직접 전기 신호를 주는 기구이다. 제안된 금전극은 표면적이 넓기

때문에, Sensitivity의 증가는 물론, 체내 조직과의 응집력도 좋아질 수 있다.




현재 인공 와우의 성능은 전극의 성능이 크게 좌우한다고 알려져 있다. 전극

의 T/C level값이 좋게 유지가 되어야 좋은 인공 와우로 인정을 받는데, T/C값

이란 Threshold level과 Comfortable level이다. Threshold level이란, 전극이 청

신경으로 신호를 전달할 수 있는지에 한 값이며, Comfortable level이란, 사

용자가 얼마나 편안하게 소리를 들을 수 있는지에 한 값이다.

시술이 잘 되어서 처음에 소리를 잘 듣는다고 하더라도, 시간이 지나면서 체

내 조직세포들이 전극을 둘러싸게 되는데, 이러면 점차 임피던스 값이 높아지

게 된다. 임피던스 값이 높아지면 소리에 노이즈가 많이 끼면서 Comfortable

level이 떨어지게 되는 것이다.

3.2.2. 상용화 자료

3.2.2.1. 시장 분석 세계 바이오 센서 시장 규모 및 예측.

출처: 2005년 BT 기술동향보고서 – 생명공학정책연구센터 (http://www.bioportal.or.kr)

3.2.2.2. 소요 자금 시제품 제작에 필요한 자금 규모: 총 1.6억 정도 예상 (장비 임 1천 만원,

인증 1.5억 정도)

시장화에 필요한 연구 기간: 시제품 제작 6개월 + 인증 기간(길 것으로 예상)


http://www.bioportal.or.kr/

CONFIDENTIAL │

3.3. 촉매


촉매의 기능은 촉매 넓이와 정비례함. 기술처리를 통한 금표면적을 넓혀서 적

은 양의 금으로도 더 큰 효과를 낼 수 있음.

또한, 겉넓이가 최 100배 넓어진 전극에 백금 같은 금속을 올려서 결과적으

로 백금의 넓이를 넓힐 수 있음

아래 그림에서 표면적: S1 << S2

<전기분해 전 전극: 표면넓이 S1> <전기분해 후 전극: 표면넓이 S2>

촉매 응용분야

: 연료전지, 태양열 전지 등 촉매가 들어가는 제품군

3.3.2. 상용화 자료

매출 형태: 금/백금 촉매 제조 업체에 한 지적 재산권 로열티.

시장 규모: TBD(To be defined)

시제품 제작에 필요한 자금 규모: TBD

시장화에 필요한 연구 기간: TBD

3.4. 터치스크린(터치패드, 촉각센서)


‘면저항 방식 터치스크린 양산화’의 가장 큰 문제점인 전극표면 편차문제를

해결할 수 있음.

3.4.2. 상용화 자료

매출 형태: 핸드폰/산업용 LCD 터치 스크린

시장 규모: 약 5조 (2007년 기준), 매해 50% 가량 성장 중.




양산시 투입 자금: 약 8억

시장화에 필요한 연구 기간: 약 1년 3개월 (성능 안정화 6개월, 양산 위한 준

비9개월)

3.5. 접착력 향상 APPLICATION


3.5.1.1. 반도체 packaging 반도체 패키징의 wire‐bonding시, 금의 접촉면이 넓힘으로써 금 리드선의 계

면의 접합력을 향상시킴 (ex. 반도체 패키징, MEMS 패키징)

ex1.) wire bonding 시 골드와 솔더볼의 접합력 향상

3.5.1.2. 반도체 전극(gate, source, Drain)의 접착력 향상. Staggered구조 뿐 아니라, Inverted staggered 구조, Coplanar 구조, Inverted

coplanar 구조 모두 응용 가능

<처리 전의 OTFT 구조> <처리 후의 OTFT 구조>


CONFIDENTIAL │

3.5.1.3. 전극 감도 극 화 민감도를 높일 수 있는CNT를 처리한 gold전극에 붙여서 민감도를 극 화 시

킴.

(a) (전기분해) 처리를 하지 않은 gold 위에 CNT를 성장

(b) (전기분해) 처리를 한 후, gold 위에 CNT를 성장

3.5.1.4. 반도체 방열판 반도체 기술이 발달할수록 반도체 칩의 발열량이 많아지는데, 효율적으로 냉

각시키기 위해 열전도도가 높은 금을 사용함(칩 내부는 공냉식). 이때, 공기와

닿는 면적을 극 화 시킴으로써, 냉각속도의 조절이 가능함

3.5.1.5. UV 램프 전극 산업에서 많이 사용하는 UV램프의 금전극의 수명은 전자의 attack 때문에 결

정되며, 이는 금전극의 넓이에 비례하게 된다. 전극의 넓이가 넓어지면, 소모

품인UV램프 전극의 수명을 오래 사용할 수 있다.




4. 사업화 방안

4.1. 소개.

이 장에서는 금전극이 어떤 사업화 방안을 통하여 수익을 창출할 수 있는 지

를 기술할 것이다.

4.2. 지적재산권

금 전극과 관련한 모든 기술은 특허 명세서에 명시되어 있으며, 이는 특허로

등록되어 법적 보호를 받게 된다. 본 기술과 관련된 제품의 제조, 사용, 영업

과 관련한 모든 활동은 ㈜마블덱스의 허락을 받아야만 가능하다.

현재는 국내에서만 보호를 받고 있으나, PCT에서 인정하는 기간 안에 다른 국

가에 특허 출원시켜서 등록이 될 경우, 미국/유럽/일본/중국 등 주요 시장에서

법적인 보호를 받을 수 있게 된다.

4.3. 직접 생산

4.4. 라이센스


CONFIDENTIAL │

5. 참고 자료

5.1. 소개.

이 장에서는 이 문서의 작성을 위해 참고한 자료의 목록을 나열한다.

5.2. 자료 목록

‐ 2005년 BT 기술동향보고서 – 생명공학정책연구센터

‐ 출처: 신경신호 계측을 위한 평판형 다중미세전극에 관한 연구 (논문) ‐ 전

상범,박세익, 김성준 (서울 학교 공과 학 전기공학부)

‐ 출처: 효소전극 기반 바이오센서 및 당센서 – 정택동 교수 (서울 학교 화

학부)

‐


Documents

Gold Electrode introduction - WordPress.com · 3.2.1.2. DNA chip, Lab‐on‐a‐chip 제한된 면적 안에서 여러 기능을 수행하는 DNA chip 이나 Lab‐on‐a‐chip