현대인의 질병, 심근 경색
심혈관계질환(이하 CVD)은 인류의 사망 원인 중 1위에 해당하는 대표적인 현대인의 질병이며, 우리나라에서는 암, 뇌혈관질환과 함께 3대 사망 원인으로 손꼽히는 질병이다. 2015년 기준, 향후 10년 내 심혈관계질환으로 인한 전 세계 사망자 수가 연간 780만 명으로 예측되는 결과가 발표됐으며, 늘어난 기대수명과 출산율 저하로 인한 노인 인구의 증가에 따라 CVD 사망자는 더욱 증가할 것으로 보인다. 심혈관계 질환에도 여러 종류가 있는데, 그중 가장 주요한 것은 심근경색으로, 심장 동맥이 막혀서 피의 공급을 받지 못한 심장 근육이 괴사하게 됨으로써 발생한다. 심근경색은 인간의 질병 중에서 사망률이 가장 높다고 알려져 있는데, 병원에 도착하기 전에 50%가 사망하고 적극적인 치료를 하여도 사망률이 10%에 이를 정도이다. 따라서 흡연, 고혈압, 고지혈증, 당뇨, 비만, 가족력 등의 위험요소를 가지고 있는 사람은 심근경색 초기 증상을 잘 인지하고 있어야 한다. 일단 심근경색이 발생하면 6시간 이내에 병원 치료를 받아야 심장의 괴사를 줄일 수 있고 12시간 안에 치료를 받아야 심근을 성공적으로 회복시킬 수 있다. 즉 심근경색은 초기 증상이 일어났을 때 이를 신속하고 정확하게 진단할 수 있는 실시간, 고민감도 진단센서가 필요하다. 심근경색 진단과 관련된 대표적인 표지자(biomarker)로는 트로포닌-I(cTnI)이 알려져 있다. 이 단백질은 심근경색 환자들의 혈액에서 정상인보다 높은 농도로 존재하기 때문에 환자 혈액 속의 트로포닌-I 농도를 측정, 비교함으로 심근 경색의 진단 및 판별이 가능하다.

왜 실리콘 나노선 FET인가?
기존 진단센서 진단법으로 널리 사용되는 방법은 효소면역측정법(ELISA)이다. 효소면역측정법은 높은 감도와 정확성을 가지고 있지만, 진단 시간이 오래 걸리고, 숙련된 장비 운전자와 고가의 장비가 요구되는 단점이 있다. 다른 진단법으로 표면 플라즈몬 공명(SPR), 면역형광측정법(IFA), 수정진동자저울(QCM) 등 여러 대체 기술들이 연구되고 있지만, 이들 또한 민감도의 한계, 긴 검출 시간, 복잡한 장비의 필요, 표지 물질(label)의 사용으로 인한 복잡도의 증가 등의 문제를 안고 있다. 최근 들어 실리콘 나노선 전계효과트랜지스터(field-effect transistor, FET)는 이러한 기존 방법들의 문제점을 효과적으로 해결할 진단 방법으로 각광받고 있다. 이를 이해하기 위해 먼저 나노선 FET 센서의 감지 원리를 살펴볼 필요가 있다(그림 1). 감지하고자 하는 표적 물질 (단백질, DNA 등)은 전해질 환경 안에서 양 또는 음의 전하를 띠게 되는데, 이러한 표적 물질이 센서 표면에 미리 부착시켜 놓은 수용 물질(receptor)과 결합하면 표적 물질의 전하에 의해 센서의 전기적 신호 값이 바뀌게 된다. 전기적 신호의 변화 정도를 정량화하여 표적 물질의 농도를 계산할 수 있다. 전계효과트랜지스터를 이용하는 방법은 표적 물질 자체의 전하를 출력 신호로 변환시켜 검출하기 때문에 별도의 표지물질이 필요 없고, 결합에 의한 전기적 특성의 변화가 바로 나타나기 때문에 비표지(label-free), 실시간(real-time) 감지가 가능하게 된다. 특히 나노반도체 공정을 이용한 나노선 구조를 센서에 응용할 경우, 나노선의 높은 비표면적(부피 대 면적비)으로 인해 매우 높은 민감도와 선택성을 가질 수 있다. 실리콘 나노선 FET 센서는 반도체 CMOS 공정과의 호환성으로 인해 대량 생산이 가능하고 신호처리 칩과의 집적화가 가능하다는 큰 장점이 있다. 또한, 고감도, 저전력, 빠른 반응속도, 낮은 단가, 고신뢰성을 가지면서 휴대용 IT기기와 연계될 수 있으므로 일상생활에서 쉽게 접근 가능한 센서 시스템을 구축할 수 있다.

그물 구조 나노선 FET 센서
본 연구실에서는 실리콘 나노선 FET의 성능을 더욱 향상시키기 위하여 벌집 구조와 같은 나노 그물 구조를 새로이 개발하였다. 그림 2(a)는 실리콘 나노 그물 FET 센서의 전자현미경 사진이다. 나노 그물구조는 100nm 이하의 나노선 가지(branch)들이 벌집 모양의 그물 구조를 이루는 형태이다. 나노 그물구조로 센서 감지부를 제작하면 다음과 같은 장점을 얻을 수 있다. 첫째 직선 구조에 비해 나노선의 표면적을 더욱 넓힐 수 있다. 표면적이 넓을 경우 표적 물질이 센서 표면에 부착된 수용 물질의 밀도를 증가시킬 수 있고, 동시에 시료 내 표적 물질이 결합할 확률을 높일 수 있어서 센서 민감도가 향상되는 효과를 얻을 수 있다. 둘째 직선형 다중 나노선 구조와 비교하여 그물 구조를 가짐으로써 채널에 흐르는 전류는 저항이 낮은 최적 경로를 찾아 흐름으로써 소자의 전기적 특성 향상을 꾀할 수 있다. 채널을 구성하고 있는 실리콘은 막질에 따라 선천적으로 어느 정도의 결함(defect)을 포함하고 있으며, 공정 과정에서 발생하는 손상들에 의해 그 수가 점점 늘어날 수밖에 없다. 이러한 결함들의 위치와 그 크기가 무작위적이므로, 네트워크 구조의 나노 그물에서 최적의 전류 경로를 찾아낼 수 있는 것은 큰 장점으로 작용한다. 마지막으로, 단순 직선 구조에 비해 물리적, 기계적 안정성이 높기 때문에 주로 액상에서 동작하는 센서의 신뢰성을 향상시키는 결과를 가져다준다. 그림 2(b)는 실리콘 나노 그물 FET를 이용하여 트로포닌-I의 농도별 특성 변화를 측정한 결과이다. 트로포닌-I의 농도에 따라 센서의 특성 곡선이 이동하는 것을 볼 수 있다. 최소 5pg/ml의 낮은 농도까지 구분하여 감지 가능한데, 이는 기존의 나노선 FET에서 측정 한계로 보고된 100pg/ml보다 20배, 그리고 진단에 필요한 최소 측정 한계인 40pg/ml보다 8배 작은 값이다.

진단 센서가 마주한 도전과제 및 미래
현대 인류는 단순히 수명연장을 원하는 것이 아니라, 건강하게 오래 사는 건강수명의 연장을 원하고 있다. 이에 따라 치료 중심이 아닌 예방 중심의 패러다임 변화가 진행되고 있으며, FET 진단 센서를 비롯하여 다양한 원리에 기반을 둔 진단 센서들이 활발히 연구, 개발 중이다. 아직 극복해야 할 기술적 과제들이 산적해 있지만, 진단 센서가 나아갈 방향은 명확하다. 누구나 쉽게 사용할 수 있고, 질병의 조기 자가 진단을 가능한 고성능의 진단 센서를 개발하여, 질병 발생과 이에 수반된 고통을 줄이는 것이 그것이다. 성공적인 진단 센서 개발을 위해서는 전자, 물리, 생명, 화학, 화공, 소재 등 많은 인접 학문 분야에서 소통과 협력이 활발하게 일어나야 하며, 타 분야에 대한 관용과 호기심으로 열려 있는 연구자들의 활발한 참여가 요청되고 있다.