KR100451663B1 - 프로그래머블 마스크 및 이를 이용한 생체분자 어레이형성 방법 - Google Patents

프로그래머블 마스크 및 이를 이용한 생체분자 어레이형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 생체분자 어레이 형성을 위한 광 리소그라피 공정에 이용되는 프로그래머블 마스크 및 이를 이용한 생체분자 어레이 형성방법에 관한 것으로, 본 발명은 인가된 전기적 신호에 따라 입사된 UV 빛을 선택적으로 투과시킬 수 있는 TFT-LCD형 프로그래머블 마스크 및 이를 이용한 생체분자 어레이 형성방법을 제공한다. 본 발명에 의하면 UV 빛이 시료 기판에 선택적으로 조사되도록 하여 고밀도의 생체분자 어레이를 형성할 수 있다.

Description

프로그래머블 마스크 및 이를 이용한 생체분자 어레이 형성 방법 {Programmable mask and a method for fabricating biomolecule array using the same}
본 발명은 생체분자 어레이 형성을 위한 광 리소그라피 공정에 사용되는 프로그래머블 마스크 및 이를 이용한 생체분자 어레이 형성방법에 관한 것으로, 특히, UV(ultraviolet) 빛을 특정 셀에 조사하여 DNA 등의 생체분자 어레이를 형성하기 위한 프로그래머블 마스크 및 이를 이용한 생체분자 어레이 형성방법에 관한 것이다.
먼저, 기판상에 형성된 생체분자 또는 고분자 어레이에서 한 종류의 생체분자 혹은 고분자로 이루어진 영역을 셀(cell)이라고 명명하기로 한다.
생체분자 혹은 고분자 어레이를 이용하여 여러 종류의 실험을 한 번에 수행하는 작업에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 생체분자 혹은 고분자 어레이의 예로는 폴리펩티드(polypeptide), 탄수화물(carbohydrate), 핵산(nucleic acid)(DNA, RNA)의 어레이를 들 수 있다. 이러한 연구를 하기 위해서 가장 중요한 것은 효과적으로 기판에 싼 가격에 순도가 높은 고밀도의 어레이를 형성하는 것이다.
지금까지의 생체분자 혹은 고분자 어레이를 형성하는 방법에는 마이크로 로봇이 3차원적으로 움직이면서 원하는 위치에 선택적으로 생화학 물질을 떨어뜨리는 스폿팅(spotting) 방식, 원하는 위치에 선택적으로 빛을 쪼임으로써 표면을 변화시켜 표면과 생체분자와의 결합 반응이 특정 위치에만 일어나게 하는 광 리소그라피(photolithography) 방식, 미소전극 어레이(microelectrode array)의 전극 전압을 조절하여 생체분자가 특정 전극에만 고정되도록 하는 전자 어드레싱(electronic addressing) 방식이 있다.
스폿팅(Spotting) 방법에는 종이에 도장을 찍듯이 용액을 묻히는 접촉 인쇄(contact printing) 방법과 용액을 떨어뜨리는 비접촉 인쇄(non-contacting printing) 방법이 있다. 접촉 인쇄 방법은 XYZ 로봇에 의해 로딩, 인쇄 및 세척(loading-printing-washing) 순으로 진행된다. 만년필 촉과 같이 끝에 홈이 만들어진 핀을 사용하기 때문에 재현성 있게 시료의 부피를 조절할 수 있고 한 번 시료를 로딩(loading)하면 여러 번 인쇄할 수 있다. 그러나, 단위 면적 당 어레이의 수를 크게 할 수 없다는 단점이 있다. 비접촉 인쇄 방법에는 디스펜싱(dispensing)과 잉크 젯 인쇄(ink-jet printing)가 있다. 디스펜싱(Dispensing)은 마이크로 피펫(micropipette)을 사용할 때처럼 용액을 떨어뜨리는 것을 말하고, 잉크 젯 인쇄(ink jet printing)는 잉크통(reservoir)에 미세한 압력을 가해 용액이 뿜어 나오게 하는 방법이다. 잉크 젯 인쇄를 이용하면 시료 용액을 나노 리터(nanoliter) 수준까지 아주 미세하게 조절할 수가 있어 단위 면적 당 어레이의 수를 크게 증가시킬 수 있다. 시료 용액마다 잉크통이 필요하지만 로봇에 장착할 수 있는 잉크통의 수가 한정되기 때문에, 몇 개의 시료 용액만을 이용하여 어레이를 형성하는 경우에만 사용할 수 있다는 문제점이 있다.
반도체 공정에서 사용하던 광 리소그라피 방법은 아피메트릭스(Affymetrix)사에서 처음 사용하였다(미국특허공보 제5,959,098호). 표면에 고정되어 있으면서 보호기(protecting group)를 갖는 분자에 포토마스크(photomask)를 이용하여 선택적으로 UV 빛을 쪼이면, 보호기는 떨어져 나가고 OH 기는 노출되게 된다. 여기에 고정을 원하는 생체분자 혹은 고분자 모노머가 들어있는 용액을 흘려주면 OH 기가 노출된 부분에만 생체분자 혹은 고분자 모노머가 고정되게 된다. 이렇게 고정된 고분자의 모노머(monomer)에 또 다른 보호기가 있기 때문에, 다시 선택적으로 빛을 쪼이면 모노머를 하나 더 고정할 수 있게 되고, 이러한 작업을 반복하게 되면 원하는 배열을 갖은 생체분자 혹은 고분자 어레이를 만들 수 있다. 이 방법은 고밀도의 어레이를 만들 수 있고, 병렬 합성이 가능하다는 장점을 가진다. 하지만, 다수의 포토마스크가 필요하기 때문에 많은 비용과 시간이 든다는 문제점이 있다. 포토마스크를 쓰지 않고 미소거울 어레이(micromirror array)의 거울 조작을 통해 어레이를 형성하는 방법이 개발되었다(미국특허공보 제6,271,957호). 이 방법은 복잡한 광학시스템이 요구되고, 모자이크 형태의 패턴만을 얻을 수 있다는 단점이 있다.
전자 어드레싱(Electronic addressing) 방법은 미소전극 어레이의 전압 조절 기능을 이용하여 생체분자를 고정시키는 방법으로, 전하를 띠고 있는 생체분자가전극 표면으로 이동하게 하여 물리화학적인 결합이 일어나게 하는 방법과, 전기 증착(electrochemical deposition)에 의해 박막이 형성될 때 박막 내부에 생체분자가 고정되게 하는 방법이 있다(Cosnier, Serge, "Biomolecule immobilization on electrode surfaces by entrapment or attachment to electrochemically polymerized films. A review"Biosensors & Bioelectronics14: pp. 443-456 (1999)). 예를 들어, DNA는 강한 음(-) 전하를 띠고 있기 때문에 전극이 양(+) 전하를 띠면 DNA가 전극 쪽으로 이동한다. 이 때, DNA와 전극 사이에 물리화학적인 결합이 일어나면 DNA가 전극에 고정되게 된다(미국특허공보 제5,605,662호). 이러한 전자 어드레싱 방법은 어레이 수가 많을 경우 적용하기가 힘들고, 기본적으로 미소전극 어레이가 필요하다는 문제점이 있다. 또한, 전기화학적으로 전극 주위의 pH를 변화시켜 생체분자를 위치 선택적으로 고정하는 방법도 개발되었는데, 콤비매트릭스(Combimatrix)사는 이러한 개념을 이용하여 미소전극에 위치 선택적으로 올리고뉴클레오티드(oligonucleotide)를 합성하는 방법을 제시하고 있다(미국특허공보 제6,090,302호). 그러나, 이 방법은 각 반응의 수율이 낮아 각 셀의 순도가 매우 낮다는 문제점이 있다.
생체분자 혹은 고분자 어레이를 형성하는 방법으로 포토마스크, 미소거울 어레이 대신에 빛의 투과를 조절할 수 있는 LCD(liquid crystal display)형 프로그래머블 마스크(programmable mask)를 이용한 방법도 제시되고 있다(미국특허공보 제6,271,957호, 한국특허공보 특2001-0002915호). LCD형 프로그래머블 마스크에서 각 픽셀의 빛의 투과를 조절하여 대응하는 기판상의 셀에 광반응이 일어나게 하는것을 반복하여 생체분자 혹은 고분자 어레이를 형성한다. 하지만, 아직 LCD형 프로그래머블 마스크는 다음과 같은 편광, UV 투과도 및 UV에 의한 변성 등의 문제가 존재한다. 따라서, 다음과 같은 사항들은 충족하는 프로그래머블 마스크가 필요하다.
첫째, 일반적인 LCD에서 나오는 빛은 편광되어 있고, 기판상의 보호기가 방향성이 없이 존재하는 것이 일반적이므로, 기판상의 특정 셀에 존재하는 모든 보호기를 LCD에서 나온 빛으로 떨어뜨릴 수가 없다. 따라서, 어레이 형성시 반응 수율을 높이기 위해서는 LCD에서 나온 빛을 무편광된 빛으로 바꾸는 장치가 필요하다.
둘째, 일반적인 LCD에서는 가시광선 영역의 빛을 투과시키는 역할을 하지만, 보호기를 떨어뜨리기 위해서는 330-400nm 파장의 UV 빛이 필요하다. 일반 LCD에 들어가는 배향막 및 편광판의 경우 UV 빛에 의해 변성이 되기 쉬우므로 UV 빛에 영향을 받지 않는 배향막 및 편광판을 사용해야 한다. 그리고, UV 빛의 흡수가 적은 배향막 및 편광판을 사용해야 한다.
셋째, TFT-LCD형 프로그래머블 마스크의 경우에 UV 빛이 트랜지스터에 영향을 주는 것을 차광(light shield)(black matrix)을 이용하여 방지할 수 있지만, 산란된 UV 빛이 구동회로 비정질 실리콘 트랜지스터에 영향을 줄 수 있다. 이것은 종래의 프로그래머블 LCD 마스크의 단점으로서 비정질 실리콘은 광여기전도도(photo-conductivity)가 암전도도(dark-conductivity)보다 106배나 높아서 스위칭 소자로서 기능하기 어려우며, 따라서 액정의 배열 상태를 조절할 수 없다.
넷째, DNA 등의 합성시 보호기를 떨어뜨리기 위해서는 적절한 빛의 조사량이 필요하다. 경우에 따라 미소한 빛의 파장을 변화시키면서 합성해야 할 필요도 있다. 빛의 조사량은 광원의 세기, 빛의 조사 시간, LCD형 프로그래머블 마스크의 투과도 등에 의해 좌우되므로, 프로그래머블 마스크의 투과도를 전기적으로 조절하여 빛의 조사량을 조절할 필요가 있다.
다섯째, 생체분자에 UV 빛을 조사하면 반응이 일어나거나 변성이 될 가능성이 있다. 이것을 막기 위해서는 생체분자에 영향을 주지 않으면서 보호기는 잘 떨어뜨릴 수 있는 좁은 영역의 UV 파장의 빛만 셀에 조사할 필요가 있다.
여섯째, 단위면적당 셀의 수를 최대화하여 고밀도의 생체분자 어레이를 제작하기 위해서는 LCD의 픽셀의 크기를 최소화하여야 한다. 픽셀의 크기를 축소하기 위해서는 구동회로가 일체형으로 구비된 LCD를 제작하여야 한다.
상술한 바와 같이 생체분자 또는 고분자 어레이 형성을 위해서는 이와 같은 여러 가지 문제점을 해결한 LCD형 프로그래머블 마스크의 사용이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 UV 빛에 변성되지 않으면서 시료 기판 상의 특정 셀에 존재하는 보호기를 잘 떨어뜨릴 수 있고, 적절하게 빛의 조사량을 조절할 수 있으며, 고밀도의 생체분자 어레이를 형성할 수 있는 LCD형 프로그래머블 마스크를 제공함에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 프로그래머블 마스크를 이용하여 고밀도의 생체분자 어레이를 형성하는 방법을 제공함에 있다.
도 1a는 본 발명의 TFT-LCD(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display)형 프로그래머블 마스크의 평면도이고, 도 1b는 도 1a의 정면도이다.
도 2는 본 발명의 TFT-LCD형 프로그래머블 마스크를 이용한 광 리소그라피 작업을 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 구동회로 일체형 액티브 메트릭스 프로그래머블 마스크의 회로도이다.
도 4는 구동회로 일체형 액티브 메트릭스 프로그래머블 마스크의 단면도이다.
도 5는 편광소거기를 구비한 구동회로 일체형 액티브 메트릭스 프로그래머블 마스크의 단면도이다.
도 6은 구동회로 일체형 액티브 메트릭스 프로그래머블 마스크의 다른 실시예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 구동회로 일체형 액티브 메트릭스 프로그래머블 마스크의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100a: 하부 기판 100b: 상부 기판
106: 게이트 배선 110: 데이터 배선
116: 배향막 117: 하부 픽셀전극
118: 차단막 119: 상부 픽셀전극
120a, 120b: 편광판 124: 편광 소거기
126: 유전체 미러 130a, 130b: 게스트-호스트형 액정
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 프로그래머블 마스크는, 인가된 전기적 신호에 따라 픽셀 영역을 스위칭하기 위한 폴리실리콘 박막 트랜지스터, 상기 박막 트랜지스터의 드레인 전극과 연결된 투명전극으로 이루어진 하부 픽셀전극 및 상기 하부 픽셀전극 상에 형성된 배향막이 상부에 구비되고 하부에 편광판이 구비된 하부 기판과, 상기 박막트랜지스터로 유입되는 UV 빛을 차단하기 위한 차광막, 상기 차광막 하부에 형성된 보호절연막, 상기 보호절연막의 하부에 형성된 투명전극으로 이루어진 상부 픽셀전극 및 상기 상부 픽셀전극 하부에 형성된 배향막이 하부에 구비되고 상부에 편광판이 구비된 상부 기판과, 상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이에 주입되고 상기 박막트랜지스터의 전기적 신호에 따라 배열 상태가 변화하여 빛을 선택적으로 투과시키는 액정, 및 상기 픽셀 영역 외곽의 하부 기판 상에 상기 폴리실리콘 박막 트랜지스터를 구동하기 위한 구동회로를 포함하되, 상기 구동회로는 상기 폴리실리콘 박막 트랜지스터와 동시에 형성되며, 상기 픽셀 영역과 동일 평면상에 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 예에 따른 프로그래머블 마스크는, 인가된 전기적 신호에 따라 픽셀 영역을 스위칭하기 위한 폴리실리콘 박막 트랜지스터, 상기 박막 트랜지스터의 드레인 전극과 연결된 투명전극으로 이루어진 하부 픽셀전극 및 상기 하부 픽셀전극 상에 형성된 배향막이 상부에 구비된 하부 기판과, 상기 박막트랜지스터로 유입되는 UV 빛을 차단하기 위한 차광막, 상기 차광막 하부에 형성된 보호절연막, 상기 보호절연막의 하부에 형성된 투명전극으로 이루어진 상부 픽셀전극 및 상기 상부 픽셀전극 하부에 형성된 배향막이 하부에 구비되고 상부에 편광판이 구비된 상부 기판과, 상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이에 주입되고 상기 박막트랜지스터의 전기적 신호에 따라 배열 상태가 변화하여 빛을 선택적으로 투과시키는 액정, 및 상기 픽셀 영역 외곽의 하부 기판 상에 상기 폴리실리콘 박막 트랜지스터를 구동하기 위한 구동회로를 포함하되, 상기 구동회로는 상기 폴리실리콘 박막 트랜지스터와 동시에 형성되고 상기 픽셀 영역과 동일 평면상에 구비되며, 상기 액정은 네마틱(nematic) 액정에 염료가 첨가된 액정으로서 인가되는 전압에 따라 선편광된 빛의 진동 방향과 상기 염료의 광 흡수축이 일치 또는 직교됨으로써 빛을 차단하거나 투과시킬 수 있는 게스트-호스트형 액정인 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 예에 따른 프로그래머블 마스크는, 인가된 전기적 신호에 따라 픽셀 영역을 스위칭하기 위한 폴리실리콘 박막 트랜지스터, 상기 박막 트랜지스터의 드레인 전극과 연결된 투명전극으로 이루어진 하부 픽셀전극, 입사된 UV 빛의 보강 간섭을 일으키기 위한 상기 하부 픽셀전극 상에 형성된 유전체 미러 및 상기 유전체 미러 상에 형성된 배향막이 상부에 구비된 하부 기판과, 상기 박막트랜지스터로 유입되는 UV 빛을 차단하기 위한 차광막, 공통전압이 인가되는 투명전극으로 이루어진 상부 픽셀전극, 입사된 UV 빛의 보강 간섭을 일으키기 위한 상기 상부 픽셀전극 하부에 형성된 유전체 미러 및 상기 유전체 미러 상에 형성된 배향막이 하부에 구비된 상부 기판과, 상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이에 주입되고 상기 박막트랜지스터의 전기적 신호에 따라 배열 상태가 변화하여 빛을 선택적으로 투과시키는 액정, 및 상기 픽셀 영역 외곽의 하부 기판 상에 상기 폴리실리콘 박막 트랜지스터를 구동하기 위한 구동회로를 포함하되, 상기 구동회로는 상기 폴리실리콘 박막 트랜지스터와 동시에 형성되고 상기 픽셀 영역과 동일 평면상에 구비되며, 상기 하부 기판 상부에 구비된 유전체 미러 및 상기 상부 기판에 구비된 유전체 미러로 이루어진 패브리-패럿형 광 필터에 의하여 보강 간섭된 특정한 파장의 UV 빛만을 선택적으로 투과시키는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 프로그래머블 마스크를 이용한 생체분자 어레이 형성방법은, 상기 프로그래머블 마스크를 준비하는 단계와, 상기 프로그래머블 마스크 하부에 시료 기판을 설치하는 단계와, 상기 프로그래머블 마스크에 전기적 신호를 공급하여 선택된 픽셀 영역에서의 액정의 배열에 의해 UV 빛의 투과를 조절하는 단계와, 상기 픽셀 영역을 선택적으로 통과한 UV 빛을 상기 시료 기판에 조사하는 단계 및 상기 시료 기판에 조사된 UV 빛에 의해 상기 시료 기판에 구비된 생체 분자에 광반응이 일어나도록 하여 상기 프로그래머블 마스크의 패턴에 따른 생체분자 어레이를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 생체분자 어레이를 형성하는 방법에 있어서, 상기 픽셀 영역을 선택적으로 통과한 빛을 편광 소거기를 통해 무편광된 빛으로 전환하여 상기 시료 기판에 조사하고, 상기 시료 기판에서 무편광된 빛에 의해 광반응이 일어나도록 하여 생체 분자 어레이를 형성할 수도 있다.
상기 생체분자 어레이를 형성하는 방법에 있어서, 상기 액정은 네마틱(nematic) 액정에 염료가 첨가된 액정으로서 인가되는 전압에 따라 선편광된 빛의 진동 방향과 상기 염료의 광 흡수축이 일치 또는 직교됨으로써 빛을 차단하거나 투과시킬 수 있는 게스트-호스트형 액정으로 이루어져 있고, 상기 프로그래머블 마스크에 인가되는 전기적 신호에 의해 상기 게스트-호스트형 액정의 배열 상태를 조절함으로써 선택적으로 빛을 상기 시료 기판에 조사하여 생체분자 어레이를 형성할 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
이하, UV 빛의 광 스위칭을 위한 LCD형 프로그래머블 마스크의 구조, 제작 방법 등을 상세히 설명한다. LCD형 프로그래머블 마스크의 대략적인 구성을 도면과 함께 설명하고, 프로그래머블 마스크의 회로도, 프로그래머블 마스크의 단면도, 각 광밸브 액정의 동작, 그리고 프로그래머블 마스크를 투과하는 빛의 세기 조절, 파장 필터 기능, 무편광화 등에 대해서 설명한다. 프로그래머블 마스크의 이해를 돕기 위해서, TFT-LCD형 프로그래머블 마스크의 폴리실리콘 박막 트랜지스터의 패널 제작 방법, 픽셀의 형성 방법, 액정의 주입, 그리고 상, 하 패널의 합착 등의 제작 공정도 설명한다.
도 1a는 본 발명의 TFT-LCD형 프로그래머블 마스크를 설명하기 위한 평면도이고, 도 1b는 도 1a의 정면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하여 TFT-LCD형 프로그래머블 마스크의 개략적인 구성을 살펴보면, UV 빛의 투과도가 우수한 석영기판(100)은 일반적인 포토마스크와 같은 사각의 모양을 가지며, 그 면적의 일부에 TFT-LCD형 광밸브 영역, 즉 액티브 메트릭스 폴리실리콘 박막 트랜지스터 어레이와 액정으로 이루어진 실제 UV 빛의 조사가능 영역(140)이 형성되고, 그 영역(140)의 두 변에 위치하면서 메트릭스로 배치된 각각의 트랜지스터의 게이트 배선과 데이터 배선에 전기적 신호를 인가하기 위한 영역, 스위칭하고자 하는 픽셀(pixel)의 선택(선택하고자 하는 픽셀의 트랜지스터에 게이트 신호와 소오스 신호를 인가하는 것)을 수행하는 영역, 그리고 액티브 메트릭스 트랜지스터의 제작 공정과 동일 평면상에 함께 형성되는 구동회로 IC(integrated circuit) 영역(150)이 있고, 이 구동회로를 외부 IC와 연결하기 위한 전극 패드(152)가 있으며, 이 전극 패드(152)에 FPC(Flexible Printed Circuit) 본딩을 하게 된다. 또한, 폴리실리콘 박막 트랜지스터 어레이를 포함한 프로그래머블 마스크 석영 기판(100)의 외곽에는 얼라인 키(158)가 4곳에 구비되어 있다. 이렇게 구성된 석영기판(100)을 하부 기판(100a)이라 한다. 이렇게 하여, 폴리실리콘 박막 트랜지스터 어레이를 포함한 구동회로, 전극 패드(152) 등으로 구성된 하부 기판(100a)이 형성되면, 액정을 주입하기 위한 대항 기판이면서 하부 기판(100a) 상의 각각의 픽셀에 대응되는 픽셀이 형성되어 있는 상부 기판(100b)을 제작한다. 하부 기판(100a)은 마스크의 본체로서 외부의 힘에 의한 휨에 견딜수 있도록 2-5mm의 두께를 가지며, 상부 기판(100b)은 UV 빛에 의해 가능한 흡수를 최소화할 수 있도록 하기 위해 두께를 0.1mm-0.6mm가 되도록 한다. 액정이 일정한 두께를 유지하도록 하부 기판(100a)과 상부 기판(100b) 사이에 접착부(154)를 형성하고, 하부 기판(100a)과 상부 기판(100b) 사이의 액정 주입구(156)를 통하여 액정을 주입한 후 밀봉한다. 이렇게 하부 기판(100a)과 상부 기판(100b)을 합착하고 액정을 주입하여 밀봉함으로써 본 발명의 프로그래머블 마스크(100')를 제작할 수 있다.
도 2는 프로그래머블 마스크와 시료 기판에 UV 빛을 조사하여 수행하는 광 리소그라피 작업을 설명하기 위한 개략도이다. 도 2는 보통 콘택형 포토 마스크 얼라이너 등의 장치에 적용하여 광 리소그라피 작업을 수행하는 경우를 예로 든 것이다.
도 2를 참조하면, 보통의 경우 마스크는 석영기판에 크롬 금속 등으로 패턴된 마스크를 사용하나, 본 발명은 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한 하부 기판(100a), 상부 기판(100b)이 합착된 프로그래머블 마스크(100')를 사용한다. 이러한 마스크(100')를 지지대(170)에 올려놓고, 생체분자 혹은 고분자가 형성될 시료 기판(176)을 프로그래머블 마스크(100') 아래 위치하게 하고, 프로그래머블 마스크(100')와 시료 기판(176)의 얼라인 키가 서로 일치되도록 고정한 후, 개인용 컴퓨터(174)에서 프로그램된 데이터를 연결부위(172)를 통해 출력하여 메트릭스상의 원하는 트랜지스터를 작동시키면 선택된 트랜지스터는 액정 밸브를 스위칭한다. 도 2의 패턴(178)은 UV 빛(111)이 반복 조사되어 합성된 생체분자 혹은 고분자 어레이의 패턴이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예로서, 폴리실리콘 드라이브 IC를 내장한 구동회로 일체형 프로그래머블 마스크의 회로도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 프로그래머블 마스크의 특징은 고밀도 DNA의 합성이 목적이기 때문에 구동회로 일체형을 채택한다는 점과, 픽셀 부분에 폴리실리콘 박막 트랜지스터를 배치한다는 점 등이다. 도 3과 같이 픽셀 영역의 주변에 폴리실리콘 박막 트랜지스터로 이루어진 일체형 구동회로를 내장함으로서 고밀도의 어레이를 형성할 수 있다. 이러한 구동회로 일체형 액티브 메트릭스 프로그래머블 마스크는 UV 빛을 정밀하게 조절할 수 있으며, 고밀도를 구현할 수 있다는 장점이 있다. 본 발명의 프로그래머블 마스크는 픽셀에 폴리실리콘 박막 트랜지스터를 채용하고 픽셀 영역 주변에 픽셀의 제작 과정에서 동시에 형성되는 일체형의 구동회로를 갖는다. 게이트 배선(106)과 데이터 배선(110)에 회로를 직접 연결하기 위해 트랜지스터의 액티브층을 폴리실리콘으로 하여 픽셀 영역과 구동회로 부위를 동일 평면상에 구성한다. 안정된 액정의 구동을 위하여 상업용 TFT-LCD가 갖는 상기 언급한 스토리지 전극의 정전용량을 극대화하기 위한 넓은 면적의 스토리지 전극이 픽셀에 형성된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 구동회로 일체형 액티브 메트릭스 프로그래머블 마스크의 단면도이다.
도 4를 참조하여 제작 순서를 설명하면 다음과 같다. 두께 2-5mm의 석영 기판(100) 위에 폴리실리콘 박막(102)을 엑시머 레이저 어닐링법 혹은 퍼니스 어닐링법으로 형성하고, 그 위에 게이트 절연막(104)을 PECVD(Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition) 혹은 고온 산화막으로 형성한다. 게이트 전극(106)을 도핑된 폴리실리콘 혹은 금속 전극으로 형성한다. 층간 절연막(108)을 증착하고, 소오스와 드레인 전극(110 및 112)을 형성한 다음, 드레인 전극(112)과 연결되는 ITO(Indium Tin Oxide) 등의 투명전극으로 이루어진 하부 픽셀전극(117)을 형성한다. 그리고, 액정의 배향을 돕기 위한 배향막(116)을 형성한다. 여기까지가 마스크를 이루는 하부 기판(100a)의 제작 공정이다. 상부 기판(100b)에 대한 공정 순서는 다음과 같다. 두께 100-600um의 석영 기판(100)에 박막 트랜지스터로 조사되는 UV 빛을 차단하기 위한 차단막(118)을 형성하고, 보호절연막(미도시)을 형성한 후, 보호절연막 하부에 공통전압이 인가되는 투명 전극으로 이루어진 상부 픽셀전극(119) 및 배향막(116)을 형성한다. 이렇게 하여 제작된 상부 기판(100b)과 하부 기판(100a)을 일반적인 TFT-LCD 공정의 순서에 따라 합착한다. 합착 후 편광판(120a)과 직교된 편광판(120b)을 합착한다. 도 4의 (a) 및 (c)는 액정의 상, 하 양단에 접지전압(0볼트 전압)이 걸리고, 입사된 UV 빛(111)이 액정(122)을 90°회전하면서 통과하여 선편광(111a)이 투과되어 나옴을 표현한 것이다. 도 4의 (b)는 폴리실리콘 박막 트랜지스터가 동작하여 소스 전압이 드레인 전극(112)을 거쳐 드레인 전극(112) 위의 투명전극(117)에 걸려 액정이 구동되고, 상부 편광판(120a)을 거쳐 나온 선편광된 UV 빛이 액정(122) 부위에서 90°회전하지 않고 선편광의 방향을 유지한 채 하부 편광판(120b)에서 차단되는 모양을 나타낸 것이다. 도 4에 도시된 1개의 폴리실리콘 박막 트랜지스터와 1개의 액정 픽셀을 합하여 10-20um 크기의 고밀도 프로그래머블 마스크를 제조할 수 있다.
편광판(120a, 120b)은 330∼400nm 영역의 UV 빛에 대한 투과도와 내성이 있는 고분자 필름, 즉 유기고분자 물질을 이용하거나 복굴절 특성을 갖는 무기 결정체를 이용하여 구현할 수 있다. 대표적인 유기고분자로는 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol; PVA)과 같은 물질이 있고, 복굴절 특성을 갖는 무기 결정체로는 방해석(calcite), 석영(quartz), 전기석(tourmaline), 염화 질산염(sodium nitrate), 금홍석(rutile) TiO2등이 있다. 더욱 구체적으로는 뉴포트(Newport)사에서 판매하고 있는 유기고분자를 이용한 선형 편광판(모델명 20LP-UV)이나 무기 결정체로 제조된 그랜-톰슨 방해석(Glan-Thompson calcite) 편광판(모델명 10GT04)을 사용할 수 있다.
배향막(116)으로는 330 내지 400nm 파장의 UV 빛에 대해 투과도가 높고, 상기 UV 빛에 의해 변성이 일어나지 않는 물질을 사용한다. 예컨대, 배향막(116)으로 UV 빛에 내성을 갖는 폴리이미드, 경사 스퍼터링법 또는 경사 열증착법으로 형성된 실리콘 산화막 또는 이온빔(ion beam)을 조사하여 액정의 배향 효과를 갖게 한 DLC(diamond-like-carbon)를 사용할 수 있다.
도 5는 도 4의 제2 편광판(120b) 하부에 편광의 성질을 잃게 하는 편광소거기(depolarizer)(124)를 부착한 경우를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 편광소거기(124)를 통과하는 빛(111a)은 입사된 빛(111)과 빛의 세기를 제외하고 거의 유사하다. 이렇게 편광소거기(124)를 더 구비함으로써 무편광된 빛을 시료 기판(도 2의 '176' 참조)에 조사하여 광반응이 일어나도록 하여 생체분자 또는 고분자 어레이를 형성할 수 있다.
도 6은 구동회로 일체형 액티브 메트릭스 프로그래머블 마스크의 다른 실시예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6을 참조하면, 도 6에 도시된 프로그래머블 마스크는 도 4에 도시된 프로그래머블 마스크와 다른 방법으로 빛을 스위칭한다. 즉, 도 4에서는 두 개의 편광판(120a 및 120b)을 사용하지만, 도 6에서는 한 개의 편광판(120a)을 사용하며 액정도 다른 종류로서 게스트-호스트(Guest-Host)형 액정(130a, 130b)을 사용한다. 일반적인 액정(도 4의 122 참조)이 입사된 편광의 방향을 변화시키지 않고 통과시키거나 회전시켜 통과시키는데 반하여, 게스트-호스트형 액정(130a, 130b)은 액정 그 자체가 빛을 차단시킬 수 있는 것이 다르다. UV 빛(111)은 디클로릭(dichroic) 염료(dye)(130b)에 강한 흡수가 일어나는데, 게스트-호스트형 액정(130a, 130b)에 전압이 걸리지 않으면(도 6의 (b)), 편광판(120a)으로부터 선편광된 빛의 진동 방향과 염료(130b)의 광 흡수축이 일치하기 때문에 광 흡수가 생겨 투과광을 착색하기 때문에 염료(130b)에 의해서 UV 빛(111)이 강하게 흡수되어 결국 UV 빛(111)은 프로그래머블 마스크를 투과하지 못한다. 반면에, 게스트-호스트형 액정(130a, 130b)에 전압이 인가되면(도 6의(a), (c)), 편광판(120a)으로부터 선편광된 빛의 진동 방향과 염료(130b)의 광 흡수축이 직교하기 때문에 원리적으로 광흡수가 되지 않고 이로 인해 투과광이 착색되지 않기 때문에 UV 빛(111)의 흡수가 거의 일어나지 않아서 프로그래머블 마스크를 투과하게 된다. 입사된 UV 빛(111)의 파장이 하나이건 다수의 파장이 혼재되 있건 간에 마스크를 투과되어 나온 UV 빛(111a)은 입사된 UV 빛(111)의 파장과 같다. 즉, 입사 빛(111)의 세기 외에는 변한 것이 없다.
생체분자 혹은 고분자 어레이의 형성 시 특정한 파장의 빛만을 사용해야 한다면, 상기 본 발명의 실시예들이 갖는 입사 UV 빛의 발생장치는 기술적으로 매우 정교한 조절에 의한 광 필터를 UV 빛의 소오스 아래에 설치할 필요가 있거나 UV 레이저 소오스를 사용해야 할 것이다. 광 필터를 사용한다면 다수의 UV 노광이 필요할 때의 번거로움이 있고 UV 레이저 소오스의 설치는 펄스형이 대부분이므로 어레이 형성에 장치적인 제한 조건이 된다. 따라서, 본 발명은 혼재된 입사 빛의 파장들 중 필요한 파장의 빛만을 투과시키는 패브리-패럿(Fabry-Parot)형 파장 가변 액정 필터를 마스크상에 메트릭스형으로 배치한다. 액정을 사용한 패브리-패럿 필터의 기본 원리는 유전체 미러(dielectric mirror) 사이에서의 반복 반사되는 빛이 보강 간섭되는 조건 즉, ndcosθ=mλ/2 (n=굴절율, d= 액정의 두께)의 식에서 n 혹은 d의 변화에 의해 보강 간섭된 빛만이 투과되는 것이다. 액정 필터는 액정의 두께 d는 고정되어 있으므로 굴절율 n의 변화 즉, n의 변화에 의해 원하는 파장의 빛만을 투과시킬 수 있다. n의 변화는 실제로 액정 양단의 전극에 걸리는 전압의 변화로 조절된다. 이러한 형태의 필터는 광통신에 있어서, 파장 분할 다중(Wavelength Division Multiplexing)용 액정 필터를 프로그래머블 마스크상에 폴리실리콘 트랜지스터에 의해 구동되도록 메트릭스형으로 배치한 것이다.
도 7은 구동회로 일체형 액티브 메트릭스 프로그래머블 마스크의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 7을 참조하면, 도 7에 도시된 프로그래머블 마스크는 패브리-패럿형 파장가변 액정 필터를 포함하며, 유전체 미러(126)를 액정의 양단에 위치하게 하는 것이 도 4, 도 5 또는 도 6의 구조와 다른 점이다. 즉, 하부 기판(100a)에서 폴리실리콘 박막 트랜지스터의 드레인 전극(112)과 연결된 투명전극으로 이루어진 하부 픽셀전극(117) 위에 입사 UV 빛의 보강 간섭을 일으키기 위한 유전체 미러(126)가 구비되며, 유전체 미러(126) 위에 배향막(116)이 구비된다. 또한, 상부 기판(100b)에서 공통전압이 인가되는 투명전극으로 이루어진 상부 픽셀전극(119) 하부에 UV 빛의 보강 간섭을 일으키기 위한 유전체 미러(126)가 구비되고, 유전체 미러(126) 하부에 배향막(116)이 구비된다. 이때의 액정의 두께, 유전체 미러(126)의 반사도 등은 계산에 의해 결정된다. 이때 선택된 파장의 빛은 선편광 상태이므로 앞서 언급한 편광 소거기(도 5의 '124' 참조)로 무편광된 빛 등으로 변형시켜 사용할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 프로그래머블 마스크를 칼라 필터층이 제거된 LCD 패널과 편광 소거기(depolarizer)로 구성하여 무편광된 UV 빛의 투과를 조절함에 의해 DNA 등의 생체분자 혹은 고분자의 어레이를 효과적으로 제작할 수 있다.
기존의 광마스크나 미소거울 어레이를 사용하여 제작할 때에 비하여 장치의 부피를 줄일 수 있고 쉽고 값싸게 고밀도의 어레이를 형성할 수 있다는 장점이 있다. 그리고, 스탭핑(stepping) 기능이 존재하거나 하나의 프로그래머블 마스크에 여러 개의 어레이 패턴이 존재할 경우 쉽게 생체분자 혹은 고분자 어레이의 대량생산이 가능해 진다.
UV 빛이 잘 통과하고 UV 빛에 의해 변성되지 않는 액정, 배향막, 기판, 편광판을 사용하기 때문에 이 프로그래머블 마스크를 내구성 있게 오랫동안 사용할 수 있다. 게다가, 비정질 실리콘 대신에 폴리실리콘 박막 트랜지스터를 사용할 경우 UV 빛의 산란에 대한 안정성을 높일 수 있기 때문에 더욱 더 오래 사용할 수 있다.
구동회로 일체형 LCD를 사용할 경우 셀의 크기가 아주 작은 고밀도의 생체분자 혹은 고분자 어레이의 제작도 가능하다. 프로그래머블 마스크를 통과하는 빛의 세기 혹은 빛의 파장을 조절함으로써 쉽게 광 리소그래피 조건을 조절할 수 있으므로 수율이 높은 생체분자 혹은 고분자 어레이의 제작이 가능하다.
또한, 이러한 프로그래머블 마스크를 소형으로 제작할 경우 범용으로 병원 및 연구실에서 사용할 수 있는 DNA 칩 제조기로도 활용될 수 있다. 따라서, 싼 가격으로 고밀도의 DNA 칩 제작이 가능해 진다.

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 인가된 전기적 신호에 따라 픽셀 영역을 스위칭하기 위한 폴리실리콘 박막 트랜지스터, 상기 박막 트랜지스터의 드레인 전극과 연결된 투명전극으로 이루어진 하부 픽셀전극 및 상기 하부 픽셀전극 상에 형성된 배향막이 상부에 구비되고, 하부에 편광판이 구비된 하부 기판;
    상기 박막 트랜지스터로 유입되는 UV 빛을 차단하기 위한 차광막, 상기 차광막 하부에 형성된 보호절연막, 상기 보호절연막의 하부에 형성된 투명전극으로 이루어진 상부 픽셀전극 및 상기 상부 픽셀전극 하부에 형성된 배향막이 하부에 구비되고, 상부에 편광판이 구비된 상부 기판;
    상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이에 주입되고, 상기 박막 트랜지스터의 전기적 신호에 따라 배열 상태가 변화하여 빛을 선택적으로 투과시키는 액정; 및
    상기 픽셀 영역 외곽의 하부 기판 상에 상기 폴리실리콘 박막 트랜지스터를 구동하기 위한 구동회로를 포함하되,
    상기 구동회로는 상기 폴리실리콘 박막 트랜지스터와 동시에 형성되고 상기 픽셀 영역과 동일 평면상에 구비되며, 상기 액정은 네마틱(nematic) 액정에 염료가 첨가된 액정으로서 인가되는 전압에 따라 선편광된 빛의 진동 방향과 상기 염료의 광 흡수축이 일치 또는 직교됨으로써 빛을 차단하거나 투과시킬 수 있는 게스트-호스트형 액정인 것을 특징으로 하는 프로그래머블 마스크.
  3. 인가된 전기적 신호에 따라 픽셀 영역을 스위칭하기 위한 폴리실리콘 박막 트랜지스터, 상기 박막 트랜지스터의 드레인 전극과 연결된 투명전극으로 이루어진 하부 픽셀전극, 입사된 UV 빛의 보강 간섭을 일으키기 위해 상기 하부 픽셀전극 상에 형성된 유전체 미러 및 상기 유전체 미러 상에 형성된 배향막이 상부에 구비된 하부 기판;
    상기 박막 트랜지스터로 유입되는 UV 빛을 차단하기 위한 차광막, 공통전압이 인가되는 투명전극으로 이루어진 상부 픽셀전극, 입사된 UV 빛의 보강 간섭을 일으키기 위해 상기 상부 픽셀전극 하부에 형성된 유전체 미러 및 상기 유전체 미러 상에 형성된 배향막이 하부에 구비된 상부 기판;
    상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이에 주입되고, 상기 박막 트랜지스터의 전기적 신호에 따라 배열 상태가 변화하여 빛을 선택적으로 투과시키는 액정; 및
    상기 픽셀 영역 외곽의 하부 기판 상에 상기 폴리실리콘 박막 트랜지스터를 구동하기 위한 구동회로를 포함하되,
    상기 구동회로는 상기 폴리실리콘 박막 트랜지스터와 동시에 형성되고 상기 픽셀 영역과 동일 평면상에 구비되며, 상기 하부 기판 상부에 구비된 유전체 미러 및 상기 상부 기판에 구비된 유전체 미러로 이루어진 패브리-패럿형 광 필터에 의하여 보강 간섭된 특정한 파장의 UV 빛만을 선택적으로 투과시키는 것을 특징으로 하는 프로그래머블 마스크.
  4. 제3항에 있어서, 상기 액정은 네마틱(nematic) 액정에 염료가 첨가된 액정으로서 인가되는 전압에 따라 선편광된 빛의 진동 방향과 상기 염료의 광 흡수축이 일치 또는 직교됨으로써 빛을 차단하거나 투과시킬 수 있는 게스트-호스트형 액정인 것을 특징으로 하는 프로그래머블 마스크.
  5. 제2항에 있어서, 상기 편광판은 330 내지 400nm 파장의 UV 빛에 대해 투과도가 높고, 상기 UV 빛에 의해 변성이 일어나지 않는 고분자 필름 또는 복굴절 특성을 갖는 무기 결정체로 이루어진 것을 특징으로 하는 프로그래머블 마스크.
  6. 제5항에 있어서, 상기 고분자 필름은 폴리비닐 알코올로 이루어지고, 상기 무기 결정체는 방해석(calcite), 석영(quartz) 또는 전기석(tourmaline)인 것을 특징으로 하는 프로그래머블 마스크.
  7. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 하부 기판 하부에 입사된 UV 빛을 무편광된 빛으로 바꾸기 위한 편광 소거기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 프로그래머블 마스크.
  8. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 배향막은 330 내지 400nm 파장의 UV 빛에 대해 투과도가 높고, 상기 UV 빛에 의해 변성이 일어나지 않는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 프로그래머블 마스크.
  9. 제8항에 있어서, 상기 UV 빛에 의해 변성이 일어나지 않는 물질은 UV 빛에 내성을 갖는 폴리이미드, 경사 스퍼터링법 또는 경사 열증착법으로 형성된 실리콘 산화막 또는 이온빔을 조사하여 액정의 배향 효과를 갖게 한 DLC(diamond-like-carbon)인 것을 특징으로 하는 프로그래머블 마스크.
  10. 제2항 또는 제3항의 프로그래머블 마스크를 사용하여 생체분자 어레이를 형성하는 방법에 있어서,
    상기 프로그래머블 마스크를 준비하는 단계;
    상기 프로그래머블 마스크 하부에 시료 기판을 설치하는 단계;
    상기 프로그래머블 마스크에 전기적 신호를 공급하여 선택된 픽셀 영역에서의 액정의 배열에 의해 UV 빛의 투과를 조절하는 단계;
    상기 픽셀 영역을 선택적으로 통과한 UV 빛을 상기 시료 기판에 조사하는 단계; 및
    상기 시료 기판에 조사된 UV 빛에 의해 상기 시료 기판에 구비된 생체 분자에 광반응이 일어나도록 하여 상기 프로그래머블 마스크의 패턴에 따른 생체분자 어레이를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체분자 어레이 형성방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 픽셀 영역을 선택적으로 통과한 빛을 편광 소거기를 통해 무편광된 빛으로 전환하여 상기 시료 기판에 조사하고, 상기 시료 기판에서 무편광된 빛에 의해 광반응이 일어나도록 하여 생체 분자 어레이를 형성하는 것을 특징으로 하는 생체분자 어레이 형성방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 액정은 네마틱(nematic) 액정에 염료가 첨가된 액정으로서 인가되는 전압에 따라 선편광된 빛의 진동 방향과 상기 염료의 광 흡수축이 일치 또는 직교됨으로써 빛을 차단하거나 투과시킬 수 있는 게스트-호스트형 액정으로 이루어져 있고, 상기 프로그래머블 마스크에 인가되는 전기적 신호에 의해 상기 게스트-호스트형 액정의 배열 상태를 조절함으로써 선택적으로 빛을 상기 시료 기판에 조사하여 생체분자 어레이를 형성하는 것을 특징으로 하는 생체분자 어레이 형성방법.
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