이중 모드 탄성파 센서, 그 제조 방법 및 이를 이용한 바이오 센서 시스템

압전 소자는 전기적 에너지가 기계적 에너지로 변환 가능하고 기계적 에너지가 전기적 에너지로 변환되는 특성이 있으며, 이런 특성으로 인해 센서 및 엑츄에이터 소재로 많이 응용되고 있다. 압전 소자는 진동, 가속도, 각속도, 유량, 압력 센서 등으로 사용될 수 있으며, 특히 최근에는 소자 표면에 생화학적인 물질(antibody aptamer) 등이 포함된 검출막(detective layer), 증착 기술의 발달로 바이오 케미컬 센서(Bio chemical sensor) 분야에 많이 활용되고 있다. 상술한 압전 소자는 외부로부터 유입되어 센서 표면의 검출 막에 포획된 타겟(target, 측정 대상)의 미세한 질량에 의해 소자의 동작 주파수 또는 공진 주파수가 변경되는 원리를 통해 극소량의 물질을 검출하는 어쿠스틱 웨이브 센서(Acoustic wave sensor)로 이용될 수 있다. 상술한 방식의 어쿠스틱 센서로서는 민감도가 우수한 표면 탄성파 필터(SAW; Surface acoustic wave filter)와 표면 스킴 벌크파 필터(SSBW; Surface skimming bulk wave filter)가 있다. 도 1a는 표면 탄성파 필터를 이용한 어쿠스틱 센서의 일반적인 구조를 도시한 도면이다. 도 1a를 참조하면, 어쿠스틱 센서(100)는 압전 특성을 갖는 수정 기판(110)과, 상기 수정 기판(110) 위에 형성되어 RF 신호를 입력시키기 위한 입력 전극(111) 및 질량 변화로 인해 변화된 출력 주파수를 검출해내기 위한 출력 전극(112)와, 센싱 필름(113)을 포함해서 구성될 수 있다. 상술한 어쿠스틱 센서(100)는 상기 입력 전극(111)을 통해서 외부로부터 RF신호가 인가되고, 상기 센싱 필름(113)의 표면에 부착되는 극소량의 물질(기체 또는 액체)의 질량에 의해 변화된 동작 주파수가 상기 출력 전극(112)으로 출력됨으로서 타겟이 검출되었음을 감지할 수 있다. 상술한 어쿠스틱 센서들(100)은 센싱 필름(113)의 표면에 가스 또는 액체 형태의 타겟이 검출될 경우 수반되는 주파수 변화를 이용하는 센서로서, 아래의 003c#수학식 1003e# 및 003c#수학식 2003e#로 주파수 변화와 질량 변화의 관계를 설명할 수 있다. 위의 003c#수학식 1003e#에서 f는 주파수를 의미하고, λ는 상기 센싱 필름(113) 표면에 인가된 탄성파의 파장을 의미하고, v는 탄성파의 속도로서 아래의 003c#수학식 2003e#로 정의될 수 있다. v는 상기 센서를 진행하는 탄성파의 속도이고, c는 파가 진행하는 매질의 경도(stiffness)를 의미하며, ρ는 센서 표면의 질량 밀도를 의미한다. 003c#수학식 2003e#로부터 탄성파의 진행 속도가 질량 변화에 따라서 변화됨을 알 수 있고, 003c#수학식 1003e#의 주파수도 탄성파의 속도 변화에 따라 결정됨을 알 수 있다. 결국, 통상의 어쿠스틱 센서(100)는 검출된 타겟의 질량에 의해 탄성파의 속도가 변화되고, 그로 인해 변화된 주파수로부터 타겟이 검출되었음을 감지할 수 있다. 상술한 어쿠스틱 센서(100)는 수정 기판(110)의 커팅 방향에 따라서 흔히 레일레이파(Rayleigh Wave)라고 불리는 표면 탄성파(SAW) 또는 표면 스킴 벌크파(SSBW)를 발생시킬 수 있다. 레일레이 파(Rayleigh wave)와 SSBW는 둘 다 표면(surface)에 대부분의 어쿠스틱(acoustic) 에너지가 집중되어 있다는 점에서는 유사하나 물리적으로 서로 판이하게 다른 성질을 가지고 있다. 레일레이 파(Rayleigh wave)는 도 1c에서 웨이브가 매질 표면 위에서 z축으로 전파한다고 가정할 때 표면의 위 아래 방향인 y축 진동 성분이 존재한다. 이 때문에 표면의 상태 변화에 매우 민감한 반면, 표면에 액체가 접촉할 경우 y축 진동성분이 액체 속으로 종파를 발생시키는데 에너지를 사용하기 때문에 손실이 매우 크게 되어 결국 파형이 소멸된다. 반면 SSBW는 도 1c에서 파가 z축으로 전파한다고 가정할 때, x축 성분의 매질진동만 존재할 뿐 표면 위아래 방향인 y축 진동성분이 전혀 없는 shear horizontal wave이기 때문에 표면이 액체 환경 속에 있더라도 액체 속으로 종파를 발생시키기 않으므로 에너지 손실이 없게 되고 따라서 파형을 계속 유지하게 된다. 다시 말하면 레일레이 파(Rayleigh wave)는 민감도가 매우 높아서 센서 표면에 포착되는 극속량의 타겟을 검출할 수 있는 반면 습도가 높거나 액체환경에서는 신호가 급격히 감쇠되어 동작을 하지 못하므로 주로 기체 환경에서 기체 타겟의 검출에 이용된다. 표면 스킴 벌크파는 도 1b에서와 같이 매질 표면으로부터 매우 미세한 각도로 매질 안으로 파고들며 전파하는 탄성파로서 전파하는 특성상 엄밀하게는 표면 탄성파(SAW)라고 할 수 없으나 일반적으로 pseudo-SAW(P-SAW) 또는 leaky SAW(LSAW)라고 명명되며 종종 표면 탄성파로서 분류되기도 한다. 표면 스킴 벌크파는 매질 표면의 어쿠스틱 에너지가 매질 내부로 다소 분산되는 이유로 레일레이 파(Rayleigh wave)를 활용하는 센서에 비하여 민감도가 다소 떨어지지만 매질 전체에 에너지가 분산되는 다른 어쿠스틱 센서에 비해 여전히 높은 민감도를 가지고 있으며 액체 상태의 환경에서도 신호의 큰 감쇄가 없이 파형을 유지하는 장점이 있어서 습한 환경이나 액체 상태의 타겟 검출에 많이 응용된다. 즉, 레일레이 파(Rayleigh wave)를 응용한 센서는 ppb 및 ppt 정도의 극도로 민감한 성능을 제공하므로 가스 검출용 센서로서 적합하고, SSBW는 파의 특성상 액체환경에도 잘 견디므로 습한 환경이거나 액체 위상의 검출용 센서로서 이용 가능하다. 이하에서는 편의상 레일레이 파(Rayleigh wave)를 표면탄성파로 칭하기로 한다.