나노입자 부유 게이트(nanoparticle floating gate, NPFG) 트랜지스터는 이산적인 전하 저장 능력으로 인해 누설 전류를 최소화하고 메모리 윈도우를 향상시킨다는 점에서 시냅스 소자로서 주목받아 왔다. 본 연구에서는 NPFG 트랜지스터의 특성을 모사하도록 설계된 메쉬형 부유 게이트 트랜지스터(mesh-type floating gate transistor, Mesh-FGT)를 제안하고 평가하였다. 부유 게이트는 각각 3 µm × 3 µm의 크기를 가지며, 배열 구성으로 배치되어 부유 게이트 구조를 형성한다. Mesh-FGT는 Al/Pt/Cr/HfO2/Pt/Cr/HfO2/SiO2/SOI(실리콘 온 인슐레이터) 스택으로 구성된다. 전달 및 출력 곡선에서 추출한 문턱전압(Threshold voltage, Vth)은 지우기(erase, ERS) 상태와 프로그램(program, PGM) 상태 각각에 대해 가우스 분포를 따랐으며, 평균값은 0.063 V (σ = 0.100 V) 및 1.810 V (σ = 0.190 V)이었다. 배수 수준의 구현에서 배수 전류(Ids)와 Vth를 변화시켜 시냅스 가중 증대(synaptic potentiation)와 감쇠(synaptic depression)를 성공적으로 시연하였다. Mesh-FGT는 누설 전류에 대한 높은 내성, 우수한 반복성 및 보존성을 보였으며, 초기 측정 메모리 윈도우는 2.4 V로 안정적이었다. 이러한 결과는 Mesh-FGT가 고성능 뉴로모픽(neuromorphic) 소자로서의 잠재력을 지니며, 어레이 소자 아키텍처 및 뉴로모픽 신경망 구현에 유망한 응용 가능성을 갖는다는 점을 시사한다.

NIH/3T3 세포에서 퓨로마이신의 농도 값은, 정전용량 기반 임피던스 분석(capacitance-based impedance analysis)을 통해 3.96 µM로 확인되었다. 본 연구의 결과는 다중 웰 어레이 임피던스 바이오센서가 약물 독성 평가를 위한 신속하고 정량적인 방법을 제공함을 보여주며, 약물 스크리닝 및 생체적합성 평가를 위한 유용한 플랫폼을 제공한다.

임피던스 바이오센서는 반도체 공정으로 유리 슬라이드 위에 제조되어 세포 성장 및 세포-약물 반응을 실시간으로 모니터링하며, 임피던스 측정 방법의 타당성을 확인하기 위해 그 결과를 생물학적 분석 결과와 비교하였다. 각 웰에 약 10,000개의 세포를 48시간 동안 배양한 후, 이어지는 48시간 동안 세포자멸사를 관찰하기 위해 6.67 μg/mL 푸로마이신을 주입하였다. 1 kHz부터 1 MHz까지의 주파수 스윕을 수행하여 최적 주파수 범위를 결정하였고, 임피던스 변화 감지에 가장 민감한 범위로 367–440 kHz를 확인하였다. 임피던스는 96시간 동안 10분마다 측정하였다. 세포 증식 동안 정전용량이 점진적으로 증가하였으나, 약물 투여 후 9시간 이내에 일시적인 증가가 나타났고 이후 급격히 감소하여 24시간 이내의 세포사멸을 시사하였다. 본 센서는 염색이나 파괴 없이도 세포 상태의 실시간 변화를 검출하기 위해 Electrical Cell-substrate Impedance Sensing (ECIS)를 사용하였다. MTS 및 FACS와 같은 기존의 생물학적 분석과의 비교를 통해, 임피던스 바이오센서가 세포 증식과 세포자멸사 모두를 모니터링함에 있어 더 높은 민감도와 정량적 정확도를 제공함이 확인되었다. 본 연구는 개발된 바이오센서가 라벨-프리, 비침습적이며 연속적인 세포 거동 모니터링을 가능하게 하면서, 3가지 서로 다른 생물학적 분석 결과와 허용 가능한 일치도를 보인다는 점을 입증한다. 임피던스 바이오센서는 기존 생물학적 분석에 대한 유망한 대안이며, 약물 스크리닝, 세포독성 평가, 실시간 생물학적 모니터링에 대한 잠재적 응용을 제공한다.

나노입자 부유 게이트(nanoparticle floating gate, NPFG) 트랜지스터는 이산적인 전하 저장 능력으로 인해 누설 전류를 최소화하고 메모리 윈도우를 향상시킨다는 점에서 시냅스 소자로서 주목받아 왔다. 본 연구에서는 NPFG 트랜지스터의 특성을 모사하도록 설계된 메쉬형 부유 게이트 트랜지스터(mesh-type floating gate transistor, Mesh-FGT)를 제안하고 평가하였다. 부유 게이트는 각각 3 µm × 3 µm의 크기를 가지며, 배열 구성으로 배치되어 부유 게이트 구조를 형성한다. Mesh-FGT는 Al/Pt/Cr/HfO2/Pt/Cr/HfO2/SiO2/SOI(실리콘 온 인슐레이터) 스택으로 구성된다. 전달 및 출력 곡선에서 추출한 문턱전압(Threshold voltage, Vth)은 지우기(erase, ERS) 상태와 프로그램(program, PGM) 상태 각각에 대해 가우스 분포를 따랐으며, 평균값은 0.063 V (σ = 0.100 V) 및 1.810 V (σ = 0.190 V)이었다. 배수 수준의 구현에서 배수 전류(Ids)와 Vth를 변화시켜 시냅스 가중 증대(synaptic potentiation)와 감쇠(synaptic depression)를 성공적으로 시연하였다. Mesh-FGT는 누설 전류에 대한 높은 내성, 우수한 반복성 및 보존성을 보였으며, 초기 측정 메모리 윈도우는 2.4 V로 안정적이었다. 이러한 결과는 Mesh-FGT가 고성능 뉴로모픽(neuromorphic) 소자로서의 잠재력을 지니며, 어레이 소자 아키텍처 및 뉴로모픽 신경망 구현에 유망한 응용 가능성을 갖는다는 점을 시사한다.

NIH/3T3 세포에서 퓨로마이신의 농도 값은, 정전용량 기반 임피던스 분석(capacitance-based impedance analysis)을 통해 3.96 µM로 확인되었다. 본 연구의 결과는 다중 웰 어레이 임피던스 바이오센서가 약물 독성 평가를 위한 신속하고 정량적인 방법을 제공함을 보여주며, 약물 스크리닝 및 생체적합성 평가를 위한 유용한 플랫폼을 제공한다.

임피던스 바이오센서는 반도체 공정으로 유리 슬라이드 위에 제조되어 세포 성장 및 세포-약물 반응을 실시간으로 모니터링하며, 임피던스 측정 방법의 타당성을 확인하기 위해 그 결과를 생물학적 분석 결과와 비교하였다. 각 웰에 약 10,000개의 세포를 48시간 동안 배양한 후, 이어지는 48시간 동안 세포자멸사를 관찰하기 위해 6.67 μg/mL 푸로마이신을 주입하였다. 1 kHz부터 1 MHz까지의 주파수 스윕을 수행하여 최적 주파수 범위를 결정하였고, 임피던스 변화 감지에 가장 민감한 범위로 367–440 kHz를 확인하였다. 임피던스는 96시간 동안 10분마다 측정하였다. 세포 증식 동안 정전용량이 점진적으로 증가하였으나, 약물 투여 후 9시간 이내에 일시적인 증가가 나타났고 이후 급격히 감소하여 24시간 이내의 세포사멸을 시사하였다. 본 센서는 염색이나 파괴 없이도 세포 상태의 실시간 변화를 검출하기 위해 Electrical Cell-substrate Impedance Sensing (ECIS)를 사용하였다. MTS 및 FACS와 같은 기존의 생물학적 분석과의 비교를 통해, 임피던스 바이오센서가 세포 증식과 세포자멸사 모두를 모니터링함에 있어 더 높은 민감도와 정량적 정확도를 제공함이 확인되었다. 본 연구는 개발된 바이오센서가 라벨-프리, 비침습적이며 연속적인 세포 거동 모니터링을 가능하게 하면서, 3가지 서로 다른 생물학적 분석 결과와 허용 가능한 일치도를 보인다는 점을 입증한다. 임피던스 바이오센서는 기존 생물학적 분석에 대한 유망한 대안이며, 약물 스크리닝, 세포독성 평가, 실시간 생물학적 모니터링에 대한 잠재적 응용을 제공한다.

본 연구에서는 NIH/3T3 세포를 이용하여 성장 및 약물 반응을 실시간으로 모니터링할 수 있는 임피던스 바이오센서를 반도체 공정으로 제작하였다. 제작된 임피던스 바이오센서를 이용하여 세포 성장 및 약물 반응 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있었으며, 이는 개발된 바이오센서의 유효성을 보여준다. 개발된 임피던스 바이오센서를 사용하여 전극 위에 존재하는 NIH/3T3 세포와 전극 사이에 존재하는 NIH/3T3 세포의 축전용량 기여도를 조사하였다. 전극 위 및 전극 사이에 존재하는 세포의 축전용량 값 기여도를 비교하기 위해, 각각 3.7 mm 및 0.3 mm의 전극 간격을 갖는 광폭 및 협폭 갭 전극 패턴을 제작하였다. 상세 분석 결과, 전극 위에 존재하는 NIH/3T3 세포의 축전용량 기여도는 전극 사이에 존재하는 세포에 비해 20% 미만 수준으로 추정되었다. 즉, 전극 면적은 최소화하고 전극 간격은 최대화하는 것이 정확한 세포 축전용량 측정을 위한 유망한 임피던스 바이오센서 설계 지침이다.