62 공업화학 전망, 제10권 제3호, 2007

나노기술 개발동향

휴대용 나노바이오센서의 연구개발 동향 및 정보분석

강 상 규†⋅최 붕 기⋅김 경 호⋅최 정 우*⋅오 수 민*

한국과학기술정보연구원, *서강대학교

R&D Trend and Information Analysis of Potable Nanobiosensors

Sang-Kyu Kang†, Boong-Kee Choi, Kyung-ho Kim, Jeong Woo Choi*, and Soo Min Oh*

Korea Institute of Science and Technology Information (KISTI)

*Center for Bioelectronic Device, Sogang University

Abstract: 나노구조체 제작기술을 이용하여 휴대용 나노바이오센서로 응용 가능한 대표적 센서는 광섬유 나노바이오센

서, 나노입자 바이오센서, 캔틸레버 나노바이오센서, 나노와이어/탄소나노튜브 나노바이오센서 및 전자 코/전자 혀 나

노바이오센서가 있으며, 최근 국내외에서 다양한 방법의 연구가 수행되고 있다. 본 고에서는 이러한 나노바이오센서에

대하여 문헌 및 특허분석을 통하여 국내외의 연구개발동향을 분석하였다.

Keywords: portable nanobiosensors, CNT, nanoparticles, nanowire, fiber optic, cantilever, electronic noses/tongues

1. 서 론1)

통신매체의 발달과 다양한 바이오센서가 개

발되면서 NT, BT, IT 기술 융합을 통해 언

제, 어느 곳에서나 개인질병을 조기에 진단하

고, 지능형 치료를 할 수 있는 유비쿼터스

(ubiquitous) 의료시스템이 대두되고 있다.

품질 의료서비스를 제공할 수 있는 휴대용

나노바이오센서 기술은 현재 의료용 진단분야

에서 응용성이 가장 크지만, 식품 안정성 분석

분야, 환경 계측분야 등에서도 유용하게 쓰일

수 있어 개발 필요성이 크게 증대되고 있다.

이를 위해 나노기술을 이용해 기존 바이오

센서의 한계를 극복하고, 고안정화, 신속성, 초

고감도성, 고선택성 등의 동작특성이 향상된

극소형 나노바이오센서를 개발하고자 하는 연

구는 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다.

바이오센서란 유전자, 암세포, 환경호르몬 등

특정물질의 존재 여부를 확인하기 위하여, 특

†주저자(E-mail: skkang@kisti.re.kr)

정 물질과 선택적으로 반응 및 결합할 수 있

는 생체감지 물질(bioreceptor)과 신호변환기

(signal transducer)로 구성되어 있는 장치를

말하며, 나노바이오센서는 나노기술을 이용하

여 바이오센서의 성능을 개선하거나 나노 구

조체를 이용하여 분자수준에서 물질을 검출하

는 센서이다. 이 센서는 기존의 바이오센서가

가지고 있는 기술적 한계를 극복하여 단일세

포 검출(single-molecule detection : SMD), 최

소 침습진단, 현장진단(point of care), 질병

조기진단이 가능한 초고감도, 초소형 센서를

말한다.

나노바이오센서는 특정 분자의 감지를 위하

여 효소, 항체, 항원, 수용체, DNA 등 여러

종류의 생물분자를 이용하여 분자 수준에서

물질을 검출할 수 있다. 이를 위해서는 생물분

자와 특정분자와의 결합으로 생기는 분자수준

의 미묘한 변화를 측정할 수 있는 방법이 필

수적으로 개발되어야 한다.

최근 나노기술의 급격한 발달로 나노광섬유,

나노입자, 나노와이어, 나노튜브 등과 같은 나

KIC News, Volume 10, No. 3, 2007 63

노 구조체를 이용하여 바이오센서에 응용하고

자 하는 연구는 전 세계적으로 매우 활발하게

진행되고 있다. 나노 구조체의 크기는 보통 검

출하고자 하는 물질의 크기가 일반적으로 비

슷하다는 특징이 있다. 이러한 특징을 이용하

면 매우 적은 양의 시료만 있어도 정밀한 분

석이 가능한 고감도, 초소형, 고집적 센서를

제작할 수 있다는 점 때문에 나노기술을 이용

한 바이오센서 기술이 크게 각광받고 있다.

현재 21세기 정보사회에서는 유비쿼터스 지

능사회로 발전하고 있고, 현장진단서비스에 대

한 수요가 점점 증가함에 따라 나노바이오센서

가 이동통신 단말기나 휴대단말기 형태의 혁신

적인 모델로 출현하고 있다. 측정이 간편하고,

실시간으로 측정할 수 있는 휴대용 나노바이오

센서는 환자의 생체신호를 감지하는 의료보건

분야, 신약 후보물질 개발에 필수적인 임상진

단 분야, 대기오염 또는 수질오염 등을 감지하

는 환경보전 분야 등에서 응용될 수 있다.

또한, 식품 신선도 유지를 위한 유통물류 분

야, 교량붕괴 감지 등의 방재분야, 탄저균 등

의 바이오테러를 감지하는 군사 분야, 산업현

장 유해 가스 등을 감지하는 산업분야 등 많

은 다양한 용도도 있다. 한편, 의료 및 환경용

연속측정, 식품 및 생화학 무기 등의 분야에서

는 실시간 측정에 응용할 수 있는 휴대용 나

노바이오센서가 이미 개발되었거나 곧 개발될

예정이다.

본고에서는 나노구조체 제작기술을 이용하

여 휴대용 나노바이오센서로 응용 가능한 대

표적 센서는 광섬유 나노바이오센서, 나노입자

바이오센서, 캔틸레버 나노바이오센서, 나노와

이어/탄소나노튜브 나노바이오센서 및 전자

코/전자 혀 나노바이오센서에 대하여 국내외

연구개발 동향과 아울러 문헌정보 및 특허정

보 분석을 통하여 다각적으로 고찰하고자 하

였다.

2. 국내외 연구개발 동향

2.1. 국외 연구개발동향

2.1.1. 광섬유 나노바이오센서

광섬유를 이용한 나노바이오센서는 미국 Oak

Ridge National lab의 Vo-Dinh 그룹이 1987년

에 처음으로 개발한 이후, 지속적으로 연구를

수행해서 현재 이 그룹은 광섬유 나노바이오

센서 분야에서 독보적인 위치를 점유하고 있

다. 개발에 성공한 단일세포 분석용 나노스케

일 광섬유 바이오센서는 극미량 물질을 선택

적으로 분석하는 데 유용한 도구가 될 수 있다

(Vo-Dinh 등, 1987, 1991, 1993, 2005, Cullum

등, 2000).

광섬유 나노바이오센서 팁은 먼저 큰 직경

(600 µm)의 실리카 광섬유를 이산화탄소 레

이저로 섬유에 열을 가하여 원하는 두께로 만

드는 “가열 및 당김(heat and pull)” 방법으로

50 nm 직경의 광섬유 팁을 만들고, 팁 위에

100~200 nm 두께로 알루미늄, 은 혹은 금을

증착한 후, 생체 인식 분자를 고정화할 수 있

도록 화학처리를 하는 3단계 방법으로 제작된

다(Figure 1, Vo-Dinh & Kasili, 2005).

광학변환기 역할을 하는 광섬유의 생체물질

부착은 공유 결합 가능한 고정 수용체, 항체,

핵산(DNA)과 같은 생물 또는 화학적 감도층

을 이용해서 진행하며, 제작된 센서는 나노 수

준의 측정장치가 된다.

제작된 이 단일세포 분석용 광섬유 나노바

이오센서는 극미량 물질을 선택적으로 분석할

수 있다는 특징을 가지고 있다. 분석한 연구결

과의 한 예로, 단일세포 내에 있는 carcinogen,

benzo(a) pyrene 대사물질인 benzo(a) pyrene

tetrol (BPT)를 항체 나노바이오 센서를 이용

하여 분석하였다. Figure 2는 개발된 광섬유를

이용한 나노바이오센서가 크기 10 µm인 단일

동물세포(MCF-7)에 침투하여 분석하는 장면

을 보여주고 있다(Figure 2, Cullum 등, 2000,

Vo-Dinh 등, 2006).

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Figure 1. 나노스케일 광섬유 팁(a. 50 nm 직경

광섬유 팁, b. 은으로 코팅한 후의 250 nm 직경 광

섬유 팁).

또한 Vo-Dinh 그룹에서는 환경 발암물질

측정분야에 응용할 수 있는 방법으로서, 세포

에너지 생산과 세포자살(apoptosis)에서 중요

한 역할을 하는 단백질인 싸이토크롬 c 활성

도를 정량할 수 있는 나노바이오센서를 개발

하였다. 특히 세포파괴 모니터링 분야에서는

바이오마커인 캅세이즈-9 (capsase-9)의 활성

도를 측정하는 장치 등 다양한 생물을 이용한

광섬유 나노바이오센서를 개발하였다(Song 등

2004, Vo-Dinh & Kasili 2005).

2.1.2. 나노입자 나노바이오센서

Northwestern 대학의 Mirkin 그룹 연구진은

DNA와 단백질 검출 과정에서 기존에 주로

사용해오던 형광이나 전기화학적 방법이 아닌

나노입자를 바이오센서에 응용하는 새로운 기

술을 선보였다.

개발한 기술은 전극 위에 금 나노입자를 도

Figure 2. 광섬유 나노바이오센서가 단일 동물세

포에 침투하여 분석하는 모습(a. 광섬유 나노바이

오센서가 MCF-7 단일 세포에 침투하기 전, b. 광

섬유 나노바이오센서가 MCF-7 단일 세포에 침투

한 후).

입하고, 다시 은입자로 증강시켜서 전류를 흐

르게 한 후, 혼성화 유무에 따라 달라지게 되

는 양 전극 사이의 저항값을 측정하여 염기

한 개 차이로 타겟 올리고(oligonucleotide)를

분리⋅검출하는 것이다(Figure 3, Nam 등,

2002).

또한, 이 연구팀은 DNA 바코드(barcodes)

를 갖는 금 나노입자(30 nm)를 개발하여 한

번에 한 개의 돌연변이만 탐지할 수 있던 기

술적 한계를 뛰어넘어 네 개의 돌연변이를 동

시에 탐지할 수 있는 혁신적인 DNA 서열 탐

지 기술을 개발하였다.

이 기술은 향후 복합 시스템(multiplexed

system)으로 응용할 수 있는 차세대 핵심기술

이며, 이 방법을 사용하면 DNA는 수 백 zM

(zetomole, 10-21)까지, 단백질은 aM (attomole,

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Figure 3. 금 나노입자 도입과 은 증강(Enhance-

ment) 방법을 이용한 바이러스 DNA의 전기적 검출.

Figure 4. DNA-바이오바코드 증폭 분석 a) 나노

입자와 자성마이크로 입자 탐침 준비, b) 나노입자

기반 PCR-less DNA 증폭 개략도.

10-18)까지 검출할 수 있다(Figure 4, 5, Stoeva

등, 2006).

단일 나노입자를 이용한 광학센서 개발 연

구로서, 미국의 노스웨스턴 대학의 Duyne 그

룹진은 헥사데칸사이올(hexadecanthiol) 분자

를 제토몰 민감도로 검출할 수 있는 단일 입

자 기반 국소 표면 플라즈몬 공명(localized

surface plasmon resonance, LSPR) 나노바이

오센서를 개발하였다(Adam 등, 2003).

또 다른 단일 나노입자 이용 센서 연구로,

Raschke 연구팀은 바이오틴으로 개질한 40

nm의 금나노입자를 이용하여 50개 정도까지

스트렙트아비딘(streptavidin)을 검출할 수 있

는 단일 나노입자 광학센서를 개발하였고, 이

Figure 5. 상이한 10개의 시료의 30 nm 금 나노입

자에서 방출된 바코드-DNA 줄기의 탐지.

Figure 6. DNA 분자를 이용하여 Pb 센서의 선택

성을 조사한 실험결과(농도변화에 따라 센서의 색

이 달라짐).

센서는 향후 물 속에 있는 바이러스, 박테리아

또는 다른 미생물 등의 검출과 같은 환경분야

에 응용될 것으로 기대하고 있다(Raschke 등,

2003).

Liu 연구팀은 나노입자가 서로 가까워져서

클러스터를 형성하면 색깔이 붉은 색에서 푸

른 색으로 변화한다는 성질을 이용하여, 나노

입자 결합 여부에 영향을 미치는 Pb이온으로

금 나노입자 표면을 개질하여 색도(colorime-

tric) 나노센서를 제조하였다(Figure 6, Liu &

Lu, 2003, 2004).

Cao 연구팀은 금 나노입자를 이용한 표면증

강라만산란(Surface Enhancement Raman

Scattering, SERS) 나노바이오센서를 이용하여

DNA 및 RNA를 검출하였다(Cao 등, 2002).

이 센서는 라만 활성(Raman active) 염료

와 올리고뉴클레로타이드(oligonucleotide)로 라

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Figure 7. 실리카-은 나노껍질의 표면에서 전자기

장의 크기.

벨링된 금 나노입자 프로프를 이용하여, 20 펨

토몰(femto mole = 1 × 10-15) 한계까지 감지

할 수 있었다.

환경응용관점에서 이러한 종류의 바이오센

서는 물속의 병원균(pathogen) 검출 가능성을

높였다는 점에서 큰 의의가 있다.

미국 미시간대학의 Kopelman 그룹은 나노크

기의 구형소자로서 검출대상물에 의해 형광이

사라지는 염료를 포함하고 있는 PEBBLEs

(Probe Encapsulated by Biologically Localized

Embedding) 나노바이오센서를 개발하였다(Cao

등, 2004).

미국 라이스대학의 Halas 교수 연구진들은

세계에서 최초로 특정 화학적 정보를 얻는 용

도로 나노바이오센서를 설계, 제작했다고 발표

하였다(Jackson, 2003). 개발된 센서는 나노입

자 형태로서 수십 나노미터 직경을 가진 금속

나노 껍질(Nanoshell)의 광학적 특성을 이용

한 것이다. 이 기술은 나노쉘의 전기적 광학적

특성을 정밀하게 제어하여 분석할 수 있는 것

으로, 향후 바이오센서 분야에서 폭넓게 응용

될 수 있고, 암 검진 등에도 중요하게 이용될

것으로 예상된다(Figure 7, Jackson 등, 2003).

미국 매사추세츠 종합병원의 연구진은 암

치료에 의한 세포사멸이 진행될 때 신호를 발

생하는 자기 산화철 나노입자(magnetic iron

oxide nanoparticle)기반 센서를 개발하였다

(Quinti 2006). 한편, 하버드대학교 분자영상연

구센터 연구진은 나노입자 센서를 이용하여

인체 조직에 존재하는 바이러스를 탐지하는 실

험에 성공하였다고 발표하였다(Perez 등, 2003).

싱가폴 물질연구 및 공학연구소의 Su 연구진

은 은 이온이 금속적 은으로 환원되도록 촉매

작용을 하기 위하여 금 나노입자를 사용하는

면역금 은 착색(Immuno Gold Silver Staing-

ing: IGSS)법을 이용하여, 분자 입자의 질량

과 크기를 효과적으로 증가시키는 고감도 센

서를 개발하였다(Su 등, 2001).

일본 도쿄대학의 Ishihara 연구팀은 나노입자

표면에 인지질 극성기를 고도로 직접화한 후,

표면개질된 나노입자 표면에 항체 및 효소를

고정화하여 진단과 치료를 동시에 진행하는 나

노진단입자 센서기술을 개발하였다(Figure 8).

일본 히다치제작소의 기계연구소에서는 나

노입자를 바이오센서로 사용하여 생체분자간

상호작용을 해석하는 소형장치를 개발하였다.

이 장치는 최대 4개까지 1회용 센서 셀 내에

주입한 단백질 등의 결합과 해리 등의 상호작

용을 실시간으로 계측할 수 있다(Figure 9).

이 장치는 표면에 금박막을 한 직경 100

nm의 미립자를 바이오센서로 사용하여 표면

플라즈몬을 계측할 수 있다. 이 미립자는 나노

영역에서 나타나는 공명장(국소표면플라즈몬)

에 의해 독특한 발색을 나타내며 표면에 미량

물질(단백질 등)이 흡착하면 변색하게 된다.

센서표면에 단백질을 결합시켜 반사광의 색변

화를 측정하여 결합량을 계측한다.

본 장치는 표식을 할 필요가 없으므로 생체

분자의 결합을 실시간으로 측정할 수 있고, 기

존 표면플라즈몬공명과 달리 프리즘이 필요하

지 않다. 또한, 나노입자의 색변화를 측정함으

로써 상호작용을 해석할 수 있으므로 장치구

성이 간단하고, 소형이며 가격이 싸다는 장점

이 있어 프로테옴 연구 발전에 크게 공헌할

것으로 예상된다.

2.1.3. 캔틸레버 나노바이오센서

스위스 바젤대학 Arntz 연구팀과 IBM 쮜리

KIC News, Volume 10, No. 3, 2007 67

Figure 8. 면역글로블린G(Ing)의 신호증폭에 대한 AFM 이미지(1 µm × 1 µm) (a: 은 증강용액에서 노

출하기 전 금 코팅, b: 은 증강용액에서 10 min 노출 한 금 코팅 표면, c: 은 증강용액에서 30 min 노출한

금 코팅 표면).

Figure 9. 생체분자간 상호작용 해석장치.

히 연구소의 연구진들이 혈액 내 단백질을 검

출하기 위하여 만든 밀리미터 미만 크기의 단

백질 항체로 코팅되고 캔틸레버 어레이를 최

초로 만들어 생분자 구성체나 역할 연구 및

바이오센서로 응용할 수 있는 연구를 시작하

게 하였다(Figure 10, Arntz 등, 2003).

이스라엘 Willner 연구진은 캔틸레버를 이용

한 자기-기계적(magneto-mechanical)방법을

이용하여 DNA 사슬을 분해하는 효소인 엔도

뉴클레아제(endonucleases)를 민감하게 감지하

는 기술을 개발하였다(Figure 11).

미국 퍼듀 대학 연구진은 초극미량 병원체

를 감지하기 위하여 표면에 항체를 도포, 설계

한 초고감도 나노캔틸레버 바이오센서 제조기

술을 개발하였다.

연구진은 캔틸레버를 특정 항체를 함유하는

용액에 넣었다 빼는 간단한 방법으로 표면에

항체가 도포된 캔틸레버 나노바이오센서를 만

Figure 10. 캔틸레버 어레이를 이용한 바이오센서.

Figure 11. 기능화한 캔틸레버에서 엔도뉴클레

아제를 감지하는 자기기계적 검출(a: 기기 셋업

b: 특이 엔도뉴클레아제 활동에 대한 자기기계

적 검출).

68 공업화학 전망, 제10권 제3호, 2007

Figure 12. 캔틸레버 말단으로 갈수록 항체의 도

포 밀도가 증가하는 모습과 바이러스가 항체와 강

한 상호작용을 통해 선택적으로 결합하는 모습.

들고, 나노캔틸레버 말단으로 갈수록 항체의

밀도가 높게 나타난다는 결과를 보고하였다.

이러한 나노 캔틸레버의 거동 성질을 이용하

면 바이러스처럼 질량이 작은 물질을 아토그

램(0.018분의 1그램) 수준 이하까지 매우 민감

하게 측정할 수 있다.

이 연구결과는 특정 바이러스나 박테리아에

강한 친화력을 나타내는 항체를 나노캔틸레버

에 도입하는 신개념 ‘초극소형 병원체 검출 센

서 설계 기법’을 제시했다는 점에서 큰 의의가

있다(Figure 12).

또한 퍼듀대학의 Bashir 연구팀은 바이러스

입자 수의 증가에 따라 공명주파수변위(resonant

frequentcy shift)가 증가하는 것을 확인하여

바이러스 1개의 입자를 측정하였다(Figure 13,

Gupta 등, 2004).

스페인 Spanish Microelectronics National

Center의 Lechuga 연구진은 마이크로플루이딕

스 소자 내에 타겟 유전자에 상보적인 헥산시

퀀스로 코팅된 나노캔틸레버 20개, 발광(emitt-

ing) 레이저 20개, 경량센싱회로(light-sensing

circuitry)가 직접된 새로운 센서를 개발하였

Figure 13. 캔틸레버를 이용한 바이러스의 검출.

Figure 14. 나노-기계적 바이오센서의 작동원리.

다. 이 소자는 환자 침상 옆이나 진료실에서

암과 관련된 유전적 변화를 검출할 수 있다

(Figure 14).

2.1.4. 나노와이어/탄소나노튜브 나노바이오센서

나노와이어를 이용한 나노바이오센서는 미

국 하버드 대학의 Lieber 연구그룹에서 처음

발표하였고, 현재 이 분야에서 최고 수준의 기

술을 보유하고 있다(Figure 15, Hahm 등,

2004).

이 연구그룹에서는 음전하를 띤 스트랍트아

비딘(straptavidin)을 나노와이어 표면에 고정

하고, 나노와이어 표면에 스트랍트아비딘이 붙

으면 p-type Si 나노와이어의 전기전도도가

증가하는 반면, 양전하를 띤 안티바이오틴

(antibiotin)이 나노선 표면에 붙은 경우에는

나노와이어의 전기전도도가 감소한다는 연구

결과를 발표하였다.

또한 Lieber 연구그룹에서는 Si 나노와이어

바이오센서를 이용하여 나노미터까지 측정할

수 있는 센서를 만들었는데, 이 센서는 부피

KIC News, Volume 10, No. 3, 2007 69

Figure 15. 실리콘 나노와이어에서 바이오물질 검

출. a) 바이오틴이 도입된 실리콘 나노와이어에서

스트렙트아비딘 검출, b) PNA가 도입된 실리콘

나노와이어에서 DNA 검출.

대 표면적이 크기 때문에 선택성이 매우 우수

하다(Figure 16, Cui 등, 2001, Bestman 등,

2003).

한편 Lieber 연구그룹은 전립선암을 진단하

는 데에도 활용하는 연구도 수행하였다. 이 연

구에서 10-15 M 수준의 민감도를 측정한 결과

를 보여주었는데, 향후 혈액검사의 전립선특이

항원(prostate-specific antigen, PSA)의 검출

을 통해 전립선암을 조기에 진단할 수 있다

(Zheng 등, 2005, Besteman 등, 2003).

이 연구그룹에서는 실리콘 나노와이어에 전

립선특이항원 등 전립선암에 특이적으로 나타

나는 암표지 분자들에 대한 항체를 결합시키

고, 항체에 항원이 결합할 때 나노와이어의 전

기전도도가 일시적으로 변하는 것을 실시간으

로 검출하는 센서를 개발하여 항원의 존재 여

부 및 농도를 측정하였다.

이 기술은 여러 가지 암에 특이적인 반응을

하는 마커를 검출하여 암의 형태와 상태까지

정확하게 진단하는 센서의 개발 가능성을 보

여주었다.

네덜란드 델프트 공대 Dekker 교수 연구그룹

Figure 16. 나노와이어를 이용한 생체물질의 검출.

에서는 Si 나노와이어 바이오센서와 비슷한 방법

으로 탄소나노튜브를 이용하여 FET 구조를 제

작하는 기술을 개발하였다(Figure 17, Besteman,

2003).

연구결과, 포도당이 존재할 때는 효소로 코

팅된 탄소나노튜브의 전기전도도가 크게 증가

한다는 것을 밝혀 단일탄소나노튜브 수준에서

효소활성을 실시간으로 측정할 수 있는 센서

를 개발하였다.

미국 아리조나 주립대학교 Tau 교수 연구그

룹에서는 디바이스와 센서 네트워크에 나노센

서 집적을 통하여 매우 낮은 온도로 존재하는

생물 혹은 화학시약 탐지가 가능한 탄소나노튜

브 바이오센서를 개발하였다(Figure 18).

이 센서는 뛰어난 감도와 선택성을 갖고 있

는 펩티드와 우수한 전자적 성질을 가지고 있

는 탄소나노튜브를 조합하여 제작하였고, 향후

다양한 화학종의 인지 및 탐지를 가능하게 만

들었다.

제작된 탄소나노튜브 나노바이오센서는 복잡

한 전자회로를 설치할 필요없이 간단한 장치를

이용해 극한 농도의 검출물을 탐지할 수 있으

므로 향후 잠재성은 매우 크다고 기대된다.

미항공우주국(NASA)의 연구팀은 플라즈마

증강 화학증착법(PECVD)을 이용하여 패턴이

형성된 마이클 전극상에 다중벽 탄소나노튜브

의 수직 어레이를 성장시켜 낮은 온도의 DNA

를 초고감도로 검출할 수 있는 탄소나노튜브

바이오센서를 개발하였다(Figure 19, NASA).

70 공업화학 전망, 제10권 제3호, 2007

Figure 17. a) GOx 효소로 표면을 고정화한 반도

체 특성 보유 탄소나노튜브를 두 개의 전극에 연

결한 탄소나노튜브 나노바이오센서의 개략도, b)

액체 게이트 전압의 함수로 측정한 전기전도도.

이 기술은 효소를 기반으로 하는 바이오센

서와 생체분자들에 적절한 작용기를 부여하여

항체-항원을 기본으로 하는 면역센서(immu-

nosensor)에 도입을 통해서 임상 분자진단(cli-

nical molecular dignostics), 병리학, 약물전달

에 이르는 다양한 분야에 응용될 수 있다.

이러한 DNA 검출 기술은 초기 암진단, 현

장진료 등 즉각적인 결과를 요구하는 분자검

진용 휴대용 장비로 개발될 것으로 기대하고

있다.

2.1.5. 전자 코/전자 혀 나노바이오센서

1982년 Persaud와 Dodd가 처음 화학센서와

패턴 인지형태로 전자코를 처음 보고한 이후

로, 많은 연구자들이 인간의 코 또는 혀를 흉

내내기 위해 세포의 병합에 의해 발생하는 전

자 charge에 따른 신호를 한 연구를 수행하고

있다.

영국 사우샘프턴 대학의 Morgan과 Roach 연

구그룹은 기존에 이용되고 있던 전자 코보다

Figure 18. 니켈을 탐지할 수 있는 센서 메카니즘

의 개략도(a: bare SWNT b: 펩타이드 결합된 고

분자로 개질한 SWNT, c: SWNT 소자).

Figure 19. 탄소나노튜브 나노전극어레이 기반 초

고감도 바이오센서.

천배 이상의 감도를 가지고 있는 장치를 개발

했다. 개발한 이 장치는 호르몬을 측정하거나

질병을 진단할 수 있고, 폭발물의 존재도 파악

할 수 있는 기술을 선보였다(Sciencedaily).

미국 스탠포드 대학교의 Dai 연구그룹은 농

도가 낮은 기체를 감지할 수 있는 단일겹 탄

소나노튜브로 이루어진 감지기를 개발하였는

데, 이 장치는 감지기능을 향상시키기 위하여

마이크로스폿(microspot) 기술을 이용하여 고

분자로 코팅을 한 것이다. 이 과정을 통하여

감지기는 특정 기체에 대한 감도가 선택적으

로 향상되었고, 기체 혼합물에서 10~50 ppm

농도 정도의 이산화질소를 검출할 수 있었다.

KIC News, Volume 10, No. 3, 2007 71

Dai 교수는 개발한 기술이 주거환경이나 산

업환경을 감시할 수 있고, 화학, 의학, 군사 또

는 국가 보안에 사용될 차세대 초고감도의 선

택적 나노감지기를 만드는 데 큰 역할을 할

것으로 전망하였다(Qi 등, 2003).

미국 Argonne National Laboratory의 Stetter

연구그룹은 ppm 농도로 유독성 가스를 검출,

분류, 모니터링하기 위하여 휴대용 소자를 개

발하였다(Stetter, 1986). 이 프로토(proto) 타

입의 소자는 4개의 서로 다른 모드로 작동되

는 4개의 전류 감시센서를 사용하였다. 개발된

센서는 실제로 16개 센서 효과를 나타내는 것

으로서, 22개의 유해가스를 감지할 수 있고,

이 시스템은 향후 곡물의 품질 분류에 응용될

수 있다(Figure 20, Stetter 등, 1986, 1993).

스위스 바젤대학교의 Knake와 Hauser 연구

진은 SO2와 NO를 측정하기 위하여 전류 감지

센서와 전압감지 센서를 직렬 또는 병렬로 연

결한 휴대용 가스 어레이를 제작하였다(Knake

& Huaser, 2003).

Zhou 등은 CO2 가스 감지를 위하여 전극직

경이 30 µm인 고체전해질 마이크로 전류감지

센서를 개발하였는데, 이 시스템의 포텐셜 측

정 센서로 고체전해질을 사용한 박막 가스 센

서를 사용하였다. 이 기술로 개발된 센서의 크

기가 향후 줄어들면 전자코 시스템의 응용가

능성이 더 커질 것이다(Zhou 등, 2001).

2.2. 국내 연구개발동향

최근 NT 및 IT 기술이 급격히 발전함에 따

라 센서는 다양한 분야의 특성을 접목한 융합

기술의 특성을 나타내게 됨에 따라 휴대가능

하고, 원격 건강진단을 할 수 있는 초소형 나

노바이오센서를 개발하고자 활발한 연구를 진

행하고 있다.

국내의 초소형, 초고감도 나노바이오센서 시

장은 아직 초기 형성 단계이지만, IT, BT, NT

기술 융합을 통해 근시일 내에 가시적인 연구

성과가 나올 것으로 예상되고 있으며, 연속형,

고감도 측정 나노바이오센서 기반기술 개발에

Figure 20. 센서 어레이를 사용하여 얻은 특징적

패턴.

성공하고 있다.

기술개발에 성공한 대표적인 예로 KAIST

에서 전도성 탄소나노튜브 및 나노자성입자를

이용한 초고감도 나노바이오센서, 포항공대에

서 산화아연계 나노막대를 이용한 바이오센서,

바이오디지트에서 현장 진단이 가능한 의료용

바이오시스템 개발, 삼성전자의 회전하는 프리

즘 디스크 및 마이크로스캐닝 미러를 채용한

휴대용 바이오칩 스캐너 등이 있다.

또한, KIST 디지털바이오테크놀러지, 엠아이

텍 등에서 개발한 구동 기능과 센서 기능을 동

시에 가진 일체형, 휴대용 고속 질병 진단 바이

오센서 기술을 세계에서 최초로 개발하였다.

개발된 센서는 혈액 속에 미량(약 1 ng/mL)

으로 존재하고 있는 질병과 관련된 단백질을

전기적으로 측정할 수 있는 휴대용 마이크로

바이오센서이다.

향후 손목시계형 개인 진단 시스템이나 군

용 정밀 감지장치 등으로 활용될 것으로 예상

하고 있으며, 각종 진단장치에 탑재해 휴대형

진단시스템으로 몇 년 내에 실용화 가능할 것

이다.

요업(세라믹)기술원 나노소재응용본부와 벤

처기업인 코아바이오시스템은 직경 1나노미터

크기의 기능성 실리카 코팅 자성나노입자(Ma-

gnetic Nanoparticles)를 국내에서 최초, 세계

72 공업화학 전망, 제10권 제3호, 2007

에서는 미국, 일본, 독일에 이어 4번째로 개발

했다. 개발된 나노입자 제어기술은 극소량

DNA를 분리할 수 있는 원천 기술로서 바이

오 관련 전 분야에 다양하게 응용할 수 있는

기술이다.

2.3. 국내외 기술수준 비교분석

광섬유 나노바이오센서 분야는 최근 미국을

중심으로 광섬유를 바이오분야에 활용하는 연

구를 진행하고 있으나, 전 세계적으로 기술 초

기 단계이고, 국내에서는 아직 활발히 연구하

지 않고 있다.

나노입자 나노바이오센서 분야는 국내 연구

진이 보유하고 있는 수준급 나노기술을 활용

하여 나노입자 표면 개질 기술 등의 연구를

다양하게 수행하고 있으므로 기술경쟁력이 있

는 분야이다. 아직은 국내 기술이 미국, 유럽,

호주, 일본 등의 선진국과 기술격차가 다소 있

지만 그 차이를 좁혀가고 있는 상황이다.

캔틸레버 나노바이오센서는 생체 분자간의

정밀한 상호작용을 측정할 수 있는 일체형 칩

으로 제작할 수 있어 휴대용 개인 건강진단

시스템으로 실용화될 수 있다. 이 센서는 향후

막대한 규모로 성장할 생체진단 칩 시장에서

휴대용 고속 질병진단 칩으로 상용화될 것으

로 전망되고 있다. 국내 연구진이 세계최초로

캔틸레버를 이용하여 혈액 속에 존재하는 질

병 관련 단백질 측정하는 칩을 개발하는 등

일부 가시적인 성과를 배출하고 있으므로 경

쟁력이 있을 것으로 예상된다.

나노와이어/탄소나노튜브 나노바이오센서는

저렴하고 편리하다는 장점 때문에 향후 가장

각광받는 센서로 주목받고 있다. 역시 세계적

으로도 나노프로프 및 나노크기 전극개발은

기술 개발 초기단계에 있다. 우리나라가 바이

오, 화학센서 제작 기술은 세계수준과 그리 큰

차이는 없지만 나노수준의 프로브를 이용하여

질병진단용으로 실용화 가능한 나노바이오센

서는 아직 개발하지 못하고 있다. 국내에서는

고집적 어레이형 구조를 만드는 기술분야 등

이 취약한 기술 분야이므로 집중적인 개발을

한다면 경쟁력을 확보할 것으로 예상한다.

전자 코/전자 혀 나노바이오센서도 역시 최

근 들어 기술개발이 급격히 증가하고 있는 분

야로서, 현재는 전 세계적으로 기술개발 초기

단계이나 향후 상용화가 성공했을 때 핵심적

인 기술이 될 것으로 기대되는 분야이다. 국내

기술은 선진국에 비해 기술수준이 낮은 편이

지만 현 시점에서 체계적인 연구를 진행한다

면 원천기술 확보를 할 수 있을 것이다.

나노바이오센서에 대한 연구는 전 세계적으

로도 아직 초기 단계로 기술수준이 낮은 편이

지만, 수많은 혁신적인 기술들이 계속해서 개

발되고 있는 상황이다.

기술수준이 급격히 향상되고 있는 국내 나

노기술과 세계적으로 기술 우위에 있는 국내

정보기술을 접목함으로써, 정확하고, 신속하고,

실시간으로 질병을 진단할 수 있는 휴대용 나

노바이오센서 개발을 위하여 집중적으로 지원

한다면 한국이 세계적인 기술 선도국가가 될

수 있다.

3. 문헌정보 및 특허정보 분석

휴대용 나노바이오센서는 최근 5년 동안 급

속한 기술개발이 이루어져 왔을 뿐만아니라

현재에도 계속 연구개발이 이루어지고 있으며,

일종의 BT, NT, IT와 복합 특성을 가지고 있

으므로 기술 자료가 아직까지는 정리되어 있

는 것이 많지 않은 실정이다.

3.1. 문헌정보 분석

문헌정보분석은 휴대용으로 사용할 수 있는

나노바이오센서를 종류별로 구분하여 키워드

검색을 통한 정량적인 수치분석을 수행하였다.

휴대용 나노바이오센서에 대한 기술흐름을 파

악하기 위한 문헌분석 대상 DB는 미국의 민

간학술정보전문기관인 Thomson사에서 구축한

주요과학기술문헌 인용색인정보가 수록된 SCIE

KIC News, Volume 10, No. 3, 2007 73

Table 1. 휴대용 나노바이오센서에 대한 문헌 검색어 및 결과

구 분 세부 키워드 결과

나노입자 나노바이오센서 Nanoparticle-based nanobiosensors 736

나노와이어/CNT 나노바이오센서

Nanowire/CNT nanbiosensors 388

광섬유 나노바이오센서

Fiber-Optic nanobiosensors Fiber Optical nanobiosensors Fiber Optochemical nanobiosensorsNanoscale optical nanobiosensors

77

캔틸레버 나노바이오센서Cantilever nanobiosensors Cantilever array nanobiosensors

52

후각/미각 나노바이오센서 Electronic noses/tongues nanobiosensor 11

(Science Citation Index Expanded) 데이터베

이스를 활용하였다.

문헌 검색 조건은 1987년부터 2006년 10월

까지의 SCI논문 중에서 휴대용으로 가능한 나

노바이오센서에 대한 세부키워드로 구분하여

전체를 합산하였다.

연도별 SCI의 문헌건수는 총 1,185건이 검

색되었으며, 1987년 처음으로 광섬유를 이용한

나노바이오센서에 대한 문헌이 발표되었다.

나노바이오센서에 대한 연도별 문헌추이는

1996년까지는 대부분 바이오센서에 대한 것으

로 나노로 적용할 수 있다는 내용이며, 1997년

에 비로소 나노바이오센서라는 용어를 사용하

여 문헌에 등장하였다. 1997년 8건, 2000년 23

건, 2002년 53건, 2003년 126건, 2004년 227건,

2005년 425건 등 최근 5년 동안 활발한 연구

가 진행되었다. 이는 바이오 관련 연구가 마이

크로 단위에서 나노로 2000년 이후에 비로소

급속하게 진행되었으며, 또한 BT와 NT의 융

합분야의 수요가 많아졌기 때문이다.

휴대용 나노바이오센서에 대한 연도별⋅분

야별 문헌을 보면 1987년 광섬유를 이용한 나

노바이오센서의 문헌에서 가능성을 제기한 후

1997년 이후에 본격적으로 광섬유를 이용한

나노바이오센서가 연구되었다. 1993년 이후 나

노입자를 이용한 바이오센서가 개발되면서 본

격적으로 나노바이오센서에 대한 연구가 진행

되었으며, 현재에도 나노입자를 이용한 나노바

이오센서가 주류를 이루고 있다. 또한 2003년

부터 나노와이어 및 탄소나노튜브를 이용한

나노바이오센서도 논문발표가 급증하고 있는

추세이다.

나노바이오센서를 연구하여 논문을 발표한

국가는 41개국에서 1,185건이 발표되었다. 주

요 국가로는 미국이 419건(35%)으로 가장 많

았고, 중국이 317건(27%), 일본이 72건(6%),

독일이 49건(4%), 한국이 25건(2%), 프랑스

가 25건(2%), 스페인이 24건(2%), 영국이 23

건(2%), 이탈리아가 19건(2%)으로 나타났다.

주요 4개국이 전체의 72.3%를 차지하여 선

두그룹이 주도하고 있으며, 대만과 한국, 프랑

스, 스페인 등이 그 뒤를 바짝 추격중이며, 나

노바이오센서 분야의 연구개발을 한시도 늦출

수 없는 상황이다.

그밖에 기타 국가로는 캐나다, 이스라엘, 싱

가포르, 스위스, 오스트리아 등이 근소한 차이

로 뒤를 잇고 있다.

특히 나노바이오센서분야에서 중국의 논문

발표가 27%를 차지할 뿐만 아니라 대만 3%,

한국 2% 등 나노바이오센서에 대한 연구가

선진국 위주의 연구보다 개발도상국에서 국가

의 전략적인 연구개발로 부각하고 있다.

나노입자 바이오센서의 주요 연구기관은 주

로 중국의 Nanjing 대학 44건, Southwest 대학

38건, Hunan 대학 34건, CAS (과학원) 32건,

East China 대학 18건, Beijing (Beiking) 대학

74 공업화학 전망, 제10권 제3호, 2007

Figure 21. 나노바이오센서의 연도별⋅분야별 문

헌추이.

10건 등으로 연구발표를 한 30개 대학 중 주

요 6개 대학이 241건(72%)을 발표하여 연구

가 집중된 것을 알 수 있다.

미국은 Northwestern 대학 28건, California

대학 18건, Michigan 대학 11건, Illinois 대학

10건 등으로 연구발표 한 70개 기관 중 주요

4개 기관이 62건(29%) 밖에 되지 않아 중국

에 비해 매우 많은 연구기관이 골고루 연구하

고 있음을 보여주고 있다.

이스라엘은 Hebrew 대학 16건(100%)이며,

타 연구기관의 발표실적이 없다. 나노입자 관

련 나노바이오센서에 대한 연구는 Hebrew 대

학에 특화되어 있는 것으로 나타났다.

일본은 Tokyo 대학 11건으로 22개 연구기

관에서 발표한 46건 중 24%를 나타내고 있으

며, Osaka 대학, JAIST, NTT가 각각 3건씩

발표하였다.

한국은 서울대학이 4건, 부산대학이 3건, 기

계연구원, 연세대학, 서강대학, 광운대학, 동아

대학이 각각 1건씩을 발표하였다.

연구발표의 상위 대부분은 중국으로 Hunan

대학의 Shen Guoli와 Yu Ruqin, Southwest

China 대학의 Yuan Ruo, Chai Yaqin와 Tang

Dianping, CAS (과학원)의 Chen Hongyuan,

Nanjing 대학의 Xu Jing Yuan이며, Hong Kong

대학의 Liu Yan이다.

미국은 Northwestern 대학의 Van Duyne 그

룹과 Iowa 대학의 Haes Amanda 그룹이었다.

Figure 22. 주요국가의 논문 발표 점유율.

이스라엘은 Hebrew 대학의 Willner Itamar 그

룹이 상위에 랭크되었다.

나노와이어 바이오센서 분야를 연구하고 있

는 주요 기관은 주로 중국의 Hunan 대학 19

건, Zhejiang 대학 13건, Nanjing 대학 13건,

CAS (과학원) 10건, East China 대학 8건,

Anhui 대학 7건 등으로 연구발표를 한 22개

대학 중 주요 7개 대학이 70건(73%)을 발표

하여 연구가 집중된 것을 알 수 있다.

미국은 UC (Berkeley, Riverside, San Diego,

LA, Davis, Santa Cruz, San Francisco, Santa

Barbara) 대학 17건, Pennsylvania 대학 12

건, Pacific Northwest 국립연구소 9건, New

Mexico 대학 8건, Harvard 대학 7건 등 이

분야에 대하여 발표한 65개 연구기관 중 7개

대학이 53건(34%)을 발표하여 여러 곳에서 골

고루 연구가 진행되고 있는 것으로 나타났다.

한국은 서울대학이 3건, KAIST가 3건, 포

항공대가 2건, 성신여대, 화학연구원, 인하대가

각각 1건씩 발표하였다. 연구발표의 상위 대부

분은 중국이며, East China 대학의 He Pingang

그룹, Hunan 대학의 Yu Ruqin, Tao Shouzhuo,

Shen Guoli, AHNU 대학의 Zhao, Guang-

Chao 그룹, Nankai 대학의 Liu Guodong 그룹

등이었으며, 미국은 New Mexoco 대학의 Wang

Joseph 그룹과 Pacific Northwest 국립연구소

(PNNL)의 Liu Yuehe 그룹, Harvard 대학의

Lieber Charles 그룹이었다. 일본은 오사카 대

학의 Matsumoto Kazuhiko 그룹 등이 상위에

랭크되어 있다.

KIC News, Volume 10, No. 3, 2007 75

광섬유를 이용한 나노바이오센서를 연구하

고 있는 주요기관은 미국 Oak Ridge 국립연

구소 13건, Michigan 대학 8건, Maryland 대

학 5건 등 주요 3개 기관에서 26건으로 미국

전체의 46%를 차지하였다. 그밖에 Tufts 대학

3건, Nanosonic 기업 2건, Virginia Polytech

대학 2건, Massachusetts 대학 2건, Florida 대

학 2건 등 26개 대학에서 54%를 차지하여 여

러 곳에서 연구가 골고루 진행된 것을 알 수

있다.

일본은 Tokyo Institute Technology 3건,

Japan Science Technology 2건, Tokushima

대학 1건이었다. 프랑스는 Lyon 1 대학 2건,

Jean Monnet 대학이 1건이었다. 한국은 서울

대학에서 1건을 발표하였고 중국은 2건을 발

표하였는데 타 휴대용 나노바이오센서분야에

비하여 응용기술이 상대적으로 미약한 것으로

보인다.

연구발표의 상위 대부분은 미국이며, Oak

Ridge 국립연구소의 Vo-Dihn Tuan 그룹, Kasili

Paul M, Michigan 대학의 Koprlman Raoul

그룹, Maryland 대학의 Cullum Brian M 그룹

과 Griffin Guy D (Oak Ridge 국립연구소에

도 근무), Florida 대학의 Tan Weihong 그룹

등이 있으며, 일본은 Tokyo Institue of Tech-

nology의 Kajikawa Group이 상위에 랭크되어

있다. 한국은 서울대 송준명 교수이다.

캔틸레버를 이용한 나노바이오센서 분야를

연구하고 있는 주요 기관은 미국과 Georgia

연구소 4건, Louisiana Tech 대학 3건,

Tennessee 대학 2건이었으며, 스위스는 Basel

대학 3건, IBM이 2건이었다. 한국은 KIST 3

건이 있으며, 프랑스는 LAAS-CNRS 3건,

TIBA 연구소 2건이었다 스페인은 Mi- croe-

lectronica 중앙연구소 2건, Barcelona 대학이 2

건이었다. 중국은 CAS (과학원) 2건이었으며,

브라질은 Sao Paulo 대학이 2건이었다.

그 밖에 미국의 Boston 대학을 비롯한 22개

의 연구기관에서 22건의 논문 발표를 하였다.

연구발표의 상위 대부분은 미국이지만 저자는

스위스 Basel 대학의 Hegner, Martin와 Gerber,

Christoph 그룹이 각각 5건씩으로 상위를 차지

하고 있다. 스페인은 Microelectronica 중앙연

구소의 Tamayo, Javier 그룹, Lechuga, Laura

M. 그룹이다. 미국은 Minnesota 대학의 Yan

Xiadong 그룹, Louisiana Tech 대학의 Ji

Haifeng 그룹이며, 스위스는 Lang, Hans Peter

가 Basel과 Ibm에서 공동연구하고 있다. 한국

은 KIST 김태송 박사이다.

전자코나 혀를 이용한 나노바이오센서에 관

한 문헌은 11건으로 타분야에 비해 매우 미미

하다. 시초는 1995년 독일 Tubingen 대학의

Gopel, Wolfgang 그룹에 의해 처음 시작되었

으며, 그 후 2002년부터 여러 나라에서 연구발

표가 시작되었다. 2002년 스위스 Basel 대학

Lang, H. P 교수, 독일 Muenster 대학의 Galla,

Hans-Joachim, 2004년 일본 국립농생명자원연

구소의 Tamada,Yasushi. 그 해 중국 Zhejiang

대학 Liao, Jingmin, 2005년 미국 Pennsylva-

nia 대학의 Staii Cristian, 그해 브라질 상울파

울로 물리연구소 Oliveira, Osvaldo N. 2006년

인도 국립물리연구소 Arora, Kavita. 스페인의

Barcelona 대학의 Gomila, G.그룹이 2005년

2006년에 발표하였다.

3.2. 특허정보 분석

휴대용 나노바이오센서에 대한 기술흐름을

파악하기 위한 특허분석 대상 DB는 미국의

민간학술정보전문기관인 Thomson사에서 구축

한 주요 특허가 수록된 PATENT 데이터베이

스를 활용하였다.

특허 검색 조건은 문헌검색과 동일하게 1987

년부터 2006년 10월까지이며, 휴대용 나노바이

오센서에 대한 세부키워드로 구분하여 전체를

합산하였다.

2006년 말까지 출원된 건수는 286건이 검색

되었으며, 나노입자를 이용한 나노바이오센서

가 159건(56%), 나노와이어를 이용한 나노바

이오센서 95건(33%), 광섬유를 이용한 나노바

이오센서는 27건(9%), 캔틸레버를 이용한 나

76 공업화학 전망, 제10권 제3호, 2007

Table 2. 휴대용 나노바이오센서에 대한 검색어 및 결과

구 분 세부 키워드 결 과

나노입자 나노바이오센서 Nanoparticle-based nanobiosensors 159

나노와이어/CNT 나노바이오센서

Nanowire/CNT nanbiosensors 95

광섬유 나노바이오센서

Fiber-Optic nanobiosensors Fiber Optical nanobiosensors Fiber Optochemical nanobiosensorsNanoscale optical nanobiosensors

27

캔틸레버 나노바이오센서Cantilever nanobiosensors Cantilever array nanobiosensors

3

후각/미각 나노바이오센서 Electronic noses/tongues nanobiosensor 2

Figure 23. 나노바이오센서의 연도별 분야별 특허

출원 추이.

노바이오센서는 3건, 후각/미각을 이용한 나노

바이오센서는 2건이었다.

문헌에 비해 특허출원 건수가 현저히 적은

것은 아직 나노바이오센서라는 분야는 시장이

미약하거나 상용화에 시간이 더 필요한 이유

일 것이다.

나노바이오센서에 대한 연도별 특허출원은

1995년부터 나노입자를 이용하여 바이오센서

를 제작할 수 있다는 보고가 나온 이후에 나

노와이어와 광섬유를 이용한 특허가 발표되기

시작했다. 또한 1997년에는 전자 후각을 이용

한 인공 코의 가능성을 보여주어 바이오센서

에 대한 가능성을 보여주었다.

1997년 5건, 1998년 6건, 1999년 7건, 2000년

2001년 19건, 2002년 24건, 2003년 38건, 2004

년 50건, 2005년 66건, 2006년 60건 등 최근 5

년 동안 활발한 연구가 진행되었다.

Figure 24. 주요국가의 특허 출원 점유율.

나노바이오센서를 연구개발하여 특허를 출

원한 국가는 23개국이며, 286건이 발표되었다.

특허 출원 주요 국가로는 WO 특허가 23%를

차지하고 있어 자국 출원보다는 월드 특허를

통해 지적재산권을 확보하려는 움직임이 있다.

그리고 미국이 21%, 유럽이 13%, 일본이 11%,

중국이 9%, 오스트레일리아가 8%, 캐나다가

6%, 독일이 3%, 한국이 1% 였다.

휴대용 나노바이오센서와 관련된 특허는 보

건산업이 발달한 주요 선진국 위주로 출원되

어 있었다.

휴대용나노바이오센서 중 나노입자를 이용

한 나노바이오센서가 159건으로 전체의 56%를

차지하고 있다. 나노입자 바이오센서 분야의

주요 출원인은 미국 휴러패커드의 자회사인

Agilent Tech가 5건으로 선두를 차지하고 있

KIC News, Volume 10, No. 3, 2007 77

고, Penn 주립연구재단과 프랑스 Centre Nat.

Res. Sci., 독일 Fraunhofer Gesellschaft Zur

Foerderung, 중국의 Chengdu Kuachang Medical

Industrial Limited, Chengdu Kuachang Sci.

Tech. Hunan 대학이 각각 4건씩이었다. 한국은

포항공대에서 2건을 출원하였다. 나노와이어

바이오센서분야는 미국 Nanomix사 4건, Nano

proprietary사와 Du Pont사가 각각 3건이었으

며, 일본의 AIST, JST, 중국의 Zhujiang 대학

이 각각 3건을 출원하였다. 한국은 KAIST가

3건, GIST가 1건 그밖에 개인이 5건을 출원하

였다. 광섬유를 이용한 나노바이오센서분야의

주요 출원인은 미국의 Louisville 대학과 Meso

Scale Technology사가 각각 2건을 출원하였고,

Vanderbilt 대학, Tufts 대학, Sru Biosystems

사, Quantum Dot사, Igen사, Genospectra사,

California Tech. American Environmental

Systems사가 각각 1건씩을 출원하였다. 그밖

에 개인출원이 있었다. 캔틸레버를 이용한 나

노바이오센서의 주요출원인은 미국에서 3건으

로 2001년 미국 Bioelastics Research사, 2003

년 Melker, Richard J, Penn 대학 Mayer에서

WO로 출원하였다. 전자 코⋅혀 분야의 주요

출원인은 1997년 일본 Kokai Tokkyo Koho

와 2004년 미국 Rochester 대학에서 WO특허

를 출원하였다.

4. 향후 전망

21세기는 유전자, 질병검사를 통해 질병예

방, 예후관리, 재택 및 원격 진료시스템 구축

하여 초고감도, 실시간으로 환자의 건강상태를

모니터링하고, 진단, 처방할 수 있는 IT/BT/

NT를 결합한 유비쿼터스 의료시스템이 대두

할 것으로 기대되고 있다.

또한 의료용 나노바이오센서 뿐만 아니라

생화학 무기 탐지(탄저균 등)를 비롯해 환경

오염 감시(환경호르몬 및 농약 등의 검출), 식

품가공(식품 품질 분야) 등의 분야에서도 휴

대용나노바이오센서 활용이 급속히 확대되고

있다.

국내에서도 나노기술을 접목하여 다양한 바

이오센서 개발에 성공하고 있고, 나노 특허가

급증하고 있으며, 특히 기술력에 있어서 이미

세계 10위권에 도달한 것으로 분석되었다.

따라서 향후 이 분야에 집중적으로 연구개발

을 한다면, 전 세계적으로 아직 연구개발 초기

단계에 있는 초소형, 초고감도성을 가진 나노

바이오센서 개발분야에서 우리나라가 세계적인

경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 예상된다.

참 고 문 헌

1. Adam, D., McFarland and Richard, P.,

Van, Duyne., Single Silver Nanoparticles as

Real–Time Optical Sensors with Zeptomole

Sensitivity, Nano Lett., 3, 1057 (2003).

2. Arntz, Y., Seeling, J. D., Lang H. P.,

Zhang, P Hunziker, Ramseyer, J. P.,

Meyer, E, Hegner, M, Gerber, Ch,

Label-free protein assay based on a

nanomechanical cantilever array, Nano-

technology, 14, 86 (2003).

3. P. A. Bertin, J. M. Gibbs, C. K.-F. Shen,

C. S. Thaxton, W. A. Russin, C. A.

Mirkin, and S. T. Nguyen, Multifuntional

polymeric nanoparticles from diverse bio-

active agents, J. Am, Chem. Soc, 128,

4168 (2006).

4. Besteman, Koen., Lee, Jeong-O., Wiertz,

Frank G. M., Heering, Hendrik A., and

Dekker, Cees., Enzyme-coated carbon

nanotubes as single-molecule biosensors,

Nano Lett., 3, 727 (2003).

5. Cao, Youfu., Koo, Young-Eun Lee., and

Kopelman, Raoul., Poly(decyl methacry-

late)-based fluorescent PEBBLE swarm

nanosensors for measuring dissolved oxy-

78 공업화학 전망, 제10권 제3호, 2007

gen in biosamples, Analyst, 129, 745

(2004).

6. Cao, Yunwei Charles., Jin, RongCaho.,

Mirkin, ChadA., Nanoparticles with raman

spectroscopic fingerprints for DNA and

RNA detection, Sci., 297, 1536 (2002).

7. Cullum, Brian M., Griffin, Guy D., Miller

Gordon H., and Vo-Dinh, Tuan., Intrace-

lluar measurement in mammary carcinoma

cells using fiber-optic nanosensors, Analyti-

cal Biochemistry, 277, 25 (2000).

8. Elibol, O. H., Morisette, D., Akin, D.,

Denton, and J. P., Bashir, R., Integrated

nano-scale silicon sensors using top-down

fabrication, Appl. Phys. Lett., 83, 4613

(2003).

9. Forzani, Erica S., Li, Xiulan., Zhang,

Peiming., Tao, Nongjian., Zhang, Ruth.,

Amlani, Islamshah., Tsui, Raymond., and

Nagahara Larry A., Tuning the chem-

ical selectivity of SWNT-FETs for detec-

tion of heavy-metal ions, Small, 11, 1283

(2006).

10. Fritz, J., Baller, M. K., Lang, H. P.,

Rothuizen, H., Vettiger, P., Meyer, E.,

Guntherodt, H., Gerber, C., and Gimzewski,

J. K., Translating biomolecular recognition

into nanomechanics, Sci., 288, 316 (2000).

11. Gupta, A., Akin, D., and Bashir, R.,

Single virus particle mass detection using

microresonators with nanoscale thickness,

Appl. Phys. Lett., 84, 1976 (2004).

12. Hahm, Jong-in., and Lieber, Charles M.,

Direct ultrasensitive electrical detection of

DNA and DNA sequence variatoins using

nanowire nanosensors, Nano Lett., 4, 51

(2004).

13. Jackson, J. B., Westcott, S. L., Hirsch, L.

R. and West, J. L., and Halas, N. J.,

Controlling the surface enhanced Raman

effect via the nanoshell geometry, Appl.

Phys. Lett., 82, 257 (2003).

14. James, David., Scott, Simon M., Ali,

Zulfiqur., and O’hare William T., Chem-

ical sensors for electronic nose systems,

Microchim. Acta, 149, 1 (2005).

15. Knake, R., Hauser, and Peter C., Por-

table instrument for electro-chemical gas

sensing, Analytica Chimica Acta, 500,

145 (2003).

16. Kolmakov, Andrei., and Moskovits, Martin.,

Chemical sensing and catalysis by one-di-

mensional metal-oxide nanostructure, Annu.

Rev. Mater. Res., 34, 151 (2004).

17. Liu, Juewen., and Lu, Yi., A colorimetric

lead biosensor using DNAzyme-directed

assembly of gold nanoparticles, J. Am.

Chem. Soc., 125, 6642 (2003).

18. Liu, Juewen., and Lu, Yi., Colorimetric

biosensors based on DNAzyme-assem-

bled gold nanoparticles, J. Fluorscence,

14, 353 (2004).

19. Monk, David J., Walt, David R., Optical

fiber-based biosensors, Anal. Bioanal.

Chem., 379, 931 (2004).

20. Nam, J.-M., Stoeva, S. I., and Mirkin C.

A., Bio-bar-code DNA detection with

PCR-like sensitivity, J. Am. Chem. Soc.,

126, 5932 (2004).

21. NASA Ames Researdch Center(http://

www.ipt.arc.nasa.gov/).

22. Perez, J. M., Simeone, F. J., Saeki, Y.,

Josephson, L., and Weissleder, R., Viral-

induced self-assembly of magnetic nano-

particles allows the detection of viral par-

ticles in biological media, J. Am. Chem.

Soc., 125, 10192 (2003).

23. Qi, Pengfei., Vermesh, Ophir., Grecu,

Mihai., Javey, Ali., Wang, Qian., and Dai,

Hongjie., Peng, Shu., and Cho, K. J.,

KIC News, Volume 10, No. 3, 2007 79

Toward large arrays of multiplex func-

tionalized carbon nanotube seonsors for

highly sensitive and selective molecular

detection, Nano Lett., 3, 347 (2003).

24. Quinti, Luisa., Weiddleder, Ralph., and

Tung, Ching-Hsuan., A fluorescent nano-

sensor for apoptotic cells, Nano Lett., 6,

488 (2006).

25. Raschke, G., Kowarik, S., Franzl, T.,

Sönnichsen, C., Klar, T. A., and Feldmann

J., Nichtl, A., and Kurzinger, K., Bi-

omolecular recognition based on single

gold nanoparticle light scattering, Nano

Lett., 3, 935 (2003).

26. Song, Joon Myong., Kasili, Paul M.,

Griffin, Guy D., and Vo-Dinh, Tuan.,

Detection of cytochrome c in a single cell

using an optical nanobiosensor, Anal. Chem.,

76, 2591 (2004).

27. Stetter, Joseph R., Jurs, Peter C., Rose,

and Susan L., Detection of hazardous

gases and vapors: Pattern recognition

analysis of data from an electrochemical

sensor array, Anal. Chem., 58, 860 (1986).

28. Stetter, J. R., Findlay, Jr. M. W.,

Schroeder, K. M., Yue, C., and Penrose,

W. R., Quality classification of grain using

a sensor array and pattern recognition,

Analytica Chim. Acta, 284, 1 (1993).

29. Stoeva, Savka I., Lee, Jae-Seung., Shad

Thaxton, C., and Mirkin Chad A., Multi-

plexed DNA detection with biobarcoded

nanoparticle probes, Angew. Chem. Int.

Ed., 45, 3303 (2006).

30. Su, Xiaodi., Yau Li, Sam Fong., and

O’Shea, S. J., Au nano-particle-and sil-

ver-enhancement reaction-amplified mi-

crogravimetric biosensor, Chem. Commun.,

755 (2001).

31. Vo-Dinh, T. et al, Antibody–based fiber

optics biosensor for the carcinogen ben-

zo[a]pyrene, Appl. Spectrosc., 41, 735

(1987).

32. Vo-Dinh Tuan., Griffin, G. D., and Se-

paniak, MJ., Fiberoptic immunosensors, in

Fiber Opt. Chem. Sensors and Biosensors,

O. S. Wolfbeis, Ed., Vol. 2, 217, CRC

Press, Boca Raton, FL (1991).

33. Vo-Dinh, Tuan., Sepanik MJ., Griffin,

GD., and Alarie JP. Immuno-sensors:

principles and Applications, Immunome-

thods, 3, 85 (1993).

34. Vo-Dinh, Tuan., Nanobiosensors: probing

the sanctuary of individual living cells, J.

Cellular Biochemistry Supplement, 39, 154

(2002).

35. Vo-Dinh, Tuan., and Kasili, Paul., Fiber-

optic nanosensors for single-cell monitor-

ing, Anal. Bioananl. Chem., 382, 918

(2005).

36. Vo-Dinh, Tuan., Kasili Paul., and Wabuyele,

Musundi., Nanoprobes and nanobiosensors

for monitoring and imaging individual

living cells, Nanomedicine: Nanotechnol-

ogy, Biology, and Medicine, 2, 22 (2006).

37. Weizmann, Yossi., Elnathan, Roey., Liou-

bashevski, Oleg., and Willner, Itamar.,

Magnetomechanical detection of the spe-

cific activities of endonucleases by canti-

levers, Nano lett., 5, 741 (2005).

38. Zheng, Gengfeng., Patolsky, Fernando.,

Cui, Yi., Wang, Wayne U., & Lieber,

Charles M., Multiplexed electrical de-

tection of cancer markers with nanowire

sensor arrays, Nature Biotechnology, 23,

1294 (2005).

39. Zhou, Zhong-Bai., Feng, Liang-Dong.,

Zhou, Ya-Min., Micro- amperometric sol-

id-electrolyte CO2 gas sensors, Sensors

and Actuators B, 76, 600 (2001).

80 공업화학 전망, 제10권 제3호, 2007

% 저 자 소 개

강 상 규

1988 강원대학교 재료공학과 학사1991 강원대학교 재료공학과 석사2000 강원대학교 신소재공학과 박사1991～현재 한국과학기술정보연구원

나노정보분석실 선임연구원

최 붕 기

1997 한국항공대학교 기계설계학과 학사

1999 한국항공대학교 기계설계학과 석사

2001～현재 한국과학기술정보연구원 나노정보분석실 연구원

김 경 호

1979 서울대학교 화학공학과 학사1981 한국과학기술원(KAIST)

화학공학과 석사1981～1984 한국화학연구소 연구원1997 서울시립대 환경공학과

박사수료 1984～현재 한국과학기술정보연구원

나노정보분석실 실장/책임연구원

최 정 우

1982 서강대학교 화학공학과 학사1984 서강대학교 화학공학과 석사1987～1990 미국 Rutger Univ.

생물화학공학 박사1997～2003 일본 Tokyo Institute of Tech.

D. Eng 1990～ 현재 서강대학교 화학생명공학과

교수

오 수 민

1991 숭실대학교 의류학과 학사1993 숭실대학교 의류학과 석사1999 숭실대학교 의류학과 박사 1996～2002 숙명여대, 청주대, 경북대,

경상대 강사 2005～현재 서강대학교

바이오전자소자사업단 선임연구원