KR100563834B1

KR100563834B1 - 미세유체 채널이 집적화된 3차원 전극시스템

Info

Publication number: KR100563834B1
Application number: KR1020030033064A
Authority: KR
Inventors: 박제균; 이유헌; 강승주
Original assignee: 주식회사 올메디쿠스; 한국과학기술원
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2003-05-23
Publication date: 2006-03-28
Also published as: WO2004105153A2; KR20040100646A; WO2004105153A3

Abstract

미세유체 채널이 집적화된 3차원 전극시스템이 개시된다. 제1 절연성 기판과, 상기 제1 절연성 기판과 소정 간격을 두고 대향하여 상기 미세유체 채널을 형성하는 제2 절연성 기판과, 상기 제1 절연성 기판 위에서 상기 미세유체 채널에 대해 대략 수직 방향으로 소정 간격을 두고 형성되며, 서로간에 전기적으로 연결되어 있는 복수의 산화용 전극과, 상기 제2 절연성 기판 위에서 상기 미세유체 채널에 대해 대략 수직 방향으로 소정 간격을 두고 형성되며, 서로간에 전기적으로 연결되어 있는 복수의 환원용 전극을 포함하고 있다. 본 발명에 의하면 미세유체 채널이 전극과 집적화된 3차원형태의 구조로서, 미세유체 채널로 흐르는 전극활성물질의 흐름을 직선형이 아닌 지그재그 형태로 만들어 채널내로 흐르는 바이오 유체의 혼합효과를 촉진시키고, 전극활성물질의 산화, 환원반응을 동시에 고효율로 측정할 수 있는 전기화학적 분석시스템을 제공해 준다.

전극시스템, 3차원, 미세유체 채널, 산화, 환원

Description

미세유체 채널이 집적화된 3차원 전극시스템{MICOR/NANO FLUIDIC 3 DIMENSIONAL ELECTRODE SYSTEM}

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따라 절연판 위에 금속 전극을 입힌 3차원 IDA 전극시스템의 사시도.

도 2는 도 1의 평면 A-B 에 따라 취한 사시 단면도

도 3은 도 1의 평면 A-B에 따라 취한 단면도.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 도체판 위에 절연 패턴을 입힌 3차원 IDA 전극시스템의 사시도.

도 5는 도 4의 평면 C-D에 따라 취한 사시 단면도.

도 6은 도 4의 평면 C-D에 따라 취한 단면도.

도 7은 본 발명에 의한 3차원 IDA 전극시스템의 제조 공정 중에서 제1 절연체 기판과 제2 절연체 기판을 부착하기 직전의 단계를 설명하는 분해 사시도.

도 8은 본 발명에 의한 완성된 3차원 IDA 전극시스템의 사시도.

본 발명은 미세유체 채널이 집적화된 3차원 전극시스템에 관한 것이다. 본 발명은 특히 단백질 칩, DNA 칩 등의 바이오칩, 미세유체 제어 소자, 랩온어칩(lab-on-a-chip), HPLC (high performance liquid chromatography), FIA (flow injection analysis) 시스템 등에서 전기화학적 검출기로서 활용할 수 있다.

의료용 나노스케일 혈액분석시스템을 구현하기 위해서는 미세유체 제어기술 (micro/nano fluidics)과 관련된 미소기전 집적시스템(micro/nano electro mechanical systems, MEMS or NEMS) 기술을 이용하여, 수 나노리터에 해당하는 적은 양의 액체시료를 단위 칩(chip) 상에서 다룰 수 있도록 시료분석에 필요한 모든 구성요소를 소형 집적화시켜야 한다. 그러나 현재까지의 검출기술은 외부 측정기에 의한 광학적 방법이 주가 되고 있기 때문에 나노바이오 측정시스템 구축에 제약이 되고 있는 실정이다. 특히, 혈액분석의 경우는 혈액 시료로부터 상대적으로 체내에 적은 양으로 존재하는 생체분자를 분석하기 위해서는 원하는 생체성분만을 선택적으로 구별해서 고감도로 검출할 수 있는 센서기술과, 측정에 저해요인이 되는 간섭물질을 제거해 주기 위한 전처리 과정 등이 매우 중요하다.

최근 활발히 연구 개발되고 있는 DNA 칩이나 단백질 칩의 경우도 이를 진단 및 환경, 식품 모니터링용 센서 등으로 활용하기 위해서는 휴대하기 쉽고, 현장에서 시료를 분석할 수 있는 바이오센서 형태가 바람직하다. 예로서, 항원 및 항체간의 면역반응을 이용하는 단백질 칩에서는 반응에 참여하지 않은 물질을 제거해 주는 단계가 필요할 때가 많다. 반응 및 세척 등 일련의 분석단계는 단백질 칩을 연구용으로 사용할 때는 문제가 안되지만, 일반인들이 사용할 수 있는 정도가 되기 위해서는 일련의 시료 전처리 과정 등이 자동화되고 간편화되어야 한다. 그래서 대 두된 것이 마이크로타스(μ-TAS : micro total analysis system) 개념이며, 이를 칩 상으로 구현시키게 되면 랩온어칩(Lab-on-a-chip)이 된다. 랩온어칩에 대한 연구에 있어서 가장 중요한 것 중의 하나가 바로 미세유체 제어 소자 기술과 검출 기술이다.

미세유체 제어 소자 기술이란 플라스틱이나 유리, 실리콘 등의 표면에 용액이 흐를 수 있는 미세 채널로 회로를 만들어 시료의 전처리, 분리, 희석, 혼합, 생화학반응, 검출 등을 하나의 칩에 소형화, 집적화 시키는 기술이다. 특히 바이오 관련 물질의 미세유체 제어는 시료의 전처리 과정 및 일련의 분석 단계에 필요한 핵심기술이다.

한편, 랩온어칩 구현에 유리한 검출기술 중의 하나가 소형화 및 측정장치의 단순화가 가능한 전기화학적 검출기술이다. 특히, 반도체 소자를 이용한 바이오센서 개발에 있어서, 손가락 모양의 금속 전극을 아주 미세한 폭으로 중첩시켜 전극반응을 순차적으로 발생하도록 고안된 인터디지테이티드 어레이(interdigitated array : IDA) 전극의 경우 효소반응으로 유발되는 전도도의 변화 및 전극활성물질의 연쇄적인 산화환원반응을 감지할 수 있는 구조를 제공해 줌으로서 전기화학적 바이오센서 및 바이오칩 검출기 개발에 유리하다(Biosensors and Bioelectronics 9: 697-705, 1994). 특히, 항원-항체(antigen-antibody) 반응을 이용하는 면역센서(immunosensor) 및 단백질 칩의 경우 결합에 수반되는 물리 화학적 변화를 측정함으로써 분석하고자 하는 항원(또는 항체)의 양을 측정할 수 있다. 전기화학적 방법으로 이러한 항원-항체 반응 정도를 검출하기 위해서는 항체 또는 항원에 효소 또는 전극활성물질(electroactive species)을 표지물질로 하여 면역반응 전, 후의 그들의 상대적인 활성을 측정하는 원리를 적용할 수 있다 (Anal. Chem. 65: 1559-1563, 1993). 그러나 지금까지 보고된 IDA 전극 구조 대부분은 이차원 평면상에 구현된 IDA 구조를 갖고 있어 FIA 시스템 및 HPLC 등의 분석 시스템이나 랩온어칩 구현을 위해 마이크로 채널과의 집적화가 어려운 단점이 있다 (Anal. Chim. Acta 326: 155-161, 1996; Sensors and Actuators B49: 73-80, 1998; Sensors and Actuators B71: 82-89, 2000).

의료용 혈액분석 나노시스템에 있어서 나노바이오 기술은 효율적인 검출원리에 의한 센서 감도의 증진, 무통증의 혈액 채취방법 제공, 소량의 유체를 다루기 위한 미세유체 제어 기술(micro/nano fluidics) 제공 등 단일 생체분자의 나노조작을 가능케 하는 핵심 기술이다.

기존의 IDA 구조는 산화반응과 환원반응을 측정할 수 있는 두 지시전극이 이차원 기판 상에 구현된 구조를 공통적으로 갖고 있다. 이러한 구조는 기본적으로 바이오 유체를 센서 감지부에 접촉시키기 위해 전극표면에 플로우셀(flow cell)을 추가로 부착해야 하므로 랩온어칩 상부에 센서 감지부를 동시에 구현시키는 데 한계가 있었고, 소량의 바이오 유체 시료에 포함된 전극활성물질의 산화환원 전류를 측정하는 데 검출 효율이 낮은 단점이 있었다. 특히, 수 나노리터에 해당되는 미세유체를 대상으로 하는 랩온어칩의 전기화학적 검출시스템으로서는 감도가 낮아 적당치 못한 단점이 있었고, 면역반응 측정 시스템과 같이 시료의 주입과 완충용액에 의한 클리닝과정을 자동화 하는 데도 많은 어려움이 따랐다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 이루어진 본 발명은 나노스케일의 IDA 전극과 미세유체 채널을 동시에 구현시킬 수 있는 전극시스템을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

또한 본 발명은 전극활성물질의 산화환원반응을 고효율로 검출하여 전체적으로 센서의 감도를 증진시킬 수 있는 전극시스템을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

또한 본 발명은 시료 전처리 과정을 집적화시킨 랩온어칩 개발에 유리한 3 차원 구조의 IDA 전극시스템을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위해 양극용 IDA 전극과 음극용 IDA 전극이 나노스케일의 간격을 갖으면서 미세유체 채널을 중간에 두고 서로 마주보는 형태로 제작된 3차원 구조의 IDA 전극시스템이 개시된다. 본 발명에서 고안된 미세유체 채널이 집적화된 3차원 IDA 전극시스템은 일반적인 후막, 박막 공정에 의해 양극과 음극으로 사용되는 두 개의 지시전극(working electrode)으로 구성되며, 두 개의 지시전극은 유체 채널을 사이에 두고 서로 교차하며 마주보는 구조를 갖는다. 3 차원 IDA 전극시스템의 미세유체 채널의 입구와 출구는 랩온어칩 상의 미세유체 채널과 연결될 수 있는 구조를 갖고 있다. 전기화학 측정시스템을 구성하기 위해서는 3 차원 IDA 전극시스템 상의 지시전극 외에 전극시스템 입구 또는 출구 상에 기준전극(reference electrode) 및 대전극 (counter electrode)으로 구성된 3 전극 계, 또는 기준전극만으로 구성된 2 전극계로 측정시스템을 구성할 수 있다.

본 발명은 미세유체 채널이 집적화된 3차원 전극시스템에 있어서, 제1 절연성 기판과, 상기 제1 절연성 기판과 소정 간격을 두고 대향하여 상기 미세유체 채널을 형성하는 제2 절연성 기판과, 상기 제1 절연성 기판 위에서 상기 미세유체 채널에 대해 대략 수직 방향으로 소정 간격을 두고 형성되며, 서로간에 전기적으로 연결되어 있는 복수의 산화용 전극과, 상기 제2 절연성 기판 위에서 상기 미세유체 채널에 대해 대략 수직 방향으로 소정 간격을 두고 형성되며, 서로간에 전기적으로 연결되어 있는 복수의 환원용 전극을 포함하는 것을 일 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 복수의 산화용 전극과 상기 복수의 환원용 전극은 상기 미세유체 채널을 사이에 두고 지그재그 형태로 배치되어 있다. 그리고 복수의 산화용 전극과 상기 복수의 환원용 전극은 소정의 두께를 가지므로 각각 상기 제1 절연성 기판과 상기 제2 절연성 기판의 표면이 요철 모양을 갖도록 한다. 상기 미세유체 채널을 통해 흐르는 유체는 지그재그 형태로 산화 반응과 환원 반응을 교대로 일으킨다. 상기 미세유체 채널을 통해 흐르는 유체는 전극 활성 물질을 함유하고 있다. 상기 산화용 전극과 상기 환원용 전극은 나노 스케일(nano scale)의 간격을 갖는다.

또한 본 발명은 미세유체 채널이 집적화된 3차원 전극시스템에 있어서, 제1 도체판과, 상기 제1 도체판과 나노 스케일의 간격을 두고 대향하여 상기 미세유체 채널을 형성하는 제2 도체판과, 상기 제1 도체판 위에서 상기 미세유체 채널에 대해 대략 수직 방향으로 소정 간격을 두고 형성되는 복수의 절연체와, 상기 제2 도 체판 위에서 상기 미세유체 채널에 대해 대략 수직 방향으로 소정 간격을 두고 형성되는 복수의 절연체를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.

이러한 본 발명의 구성에 의하면, 전극시스템에서 미세유체 채널로 흐르는 전극활성물질의 흐름은 산화환원반응과 관련하여 직선형이 아닌 지그재그 형태로 만들어 채널내에 흐르는 바이오 유체의 혼합 효과를 촉진시킬 수 있다. 또한 마주보는 두 전극과의 간격을 조절함으로써 바이오유체의 속도, 유체 양, 유체 흐름양상, 혼합, 전극활성물질의 전류 측정효율을 변형시킨 미세유체 제어 소자(micro/nanofluidic device)를 구현할 수 있다. 또한 전압전류법이나 전도도 측정법등과 같은 전기화학적인 방법을 이용하여 시료 중의 전극활성물질의 산화, 환원반응을 동시에 고효율로 측정할 수 있다. 또한 3차원 IDA 전극시스템을 반도체 일괄공정으로 대량으로 제작할 수 있다. 또한 단백질 칩, DNA 칩 등의 바이오칩과 미세유체 제어 소자 및 랩온어칩(lab-on-a-chip), HPLC (high performance liquid chromatography), FIA (flow injection analysis) 시스템 등에서 전기화학적 검출기 (detector) 로서 활용할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.

먼저 도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따라 절연판 위에 금속 전극을 입힌 3차원 IDA 전극시스템의 사시도이고, 도 2는 도 1의 평면 A-B 에 따라 취한 사시 단면도이다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의해 미세유체 채널이 집적화된 3차원 전극시스템은 2개의 절연성 기판(1)과, 복수의 환원용 전극(2)과, 복수의 산화용 전극(3)을 포함하고 있다. 본 명세서에서 "산화용 전극"이란 전극활성물질이 산화되는 전극을 가리키고, "환원용 전극"은 전극활성물질이 환원되는 전극을 가리키는 것으로 사용된다.

2개의 절연성 기판(1)은 소정 간격을 두고 대향하여 미세유체 채널을 형성하고 있다. 복수의 산화용 전극(3)은 어느 하나의 절연성 기판 위에서 상기 미세유체 채널에 대해 대략 수직 방향으로 소정 간격을 두고 형성되며, 서로간에 전기적으로 연결되어 있다. 복수의 환원용 전극(2)은 다른 하나의 절연성 기판 위에서 상기 미세유체 채널에 대해 대략 수직 방향으로 소정 간격을 두고 형성되며, 서로간에 전기적으로 연결되어 있다. 복수의 산화용 전극(3)과 복수의 환원용 전극(2)은 상기 미세유체 채널을 사이에 두고 지그재그 형태로 배치되어 있다. 또한 복수의 산화용 전극(3)과 복수의 환원용 전극(2)은 소정의 두께를 가지므로 각각에 해당하는 절연성 기판의 표면이 요철 모양을 갖도록 한다. 또한 산화용 전극(3)과 환원용 전극(2)은 나노 스케일(nano scale)의 간격을 갖는다.

절연성 기판(1)을 오목과 볼록이 각각 교차하도록 식각한 후 볼록한 부분에 도체를 입혀 지시전극(2, 3)를 구성한다. 위 판의 지시전극(3)을 양극으로 사용하면 전극활성물질의 산화가 일어나고, 아래 판의 지시전극(2)은 음극으로서 환원과정이 일어나게 된다. 물론 위 판의 전극과 아래판의 전극은 양극과 음극 작용을 반대로 적용할 수 있다.

도 3은 도 1의 평면 A-B에 따라 취한 단면도이다. 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 미세유체 채널을 통해 흐르는 유체는 지그재그 형태로 산화 반응과 환원 반응을 교대로 일으킨다. 미세유체 채널을 통해 흐르는 유체는 전극 활성 물질을 함유하고 있다. 실제 전극활성물질의 산화환원 반응은 도 3에서와 같이 전극활성물질의 흐름방향에 평행한 단면을 통해 양극의 지시전극(3)에서는 전극활성물질의 산화반응이, 음극의 지시전극(2)에서는 환원반응이 일어나며 인접한 지시전극간에 산화환원 반응이 연쇄적으로 일어나게 된다.

예로서, 면역분석에 표지물질로 많이 사용되는 알칼라인 포스퍼테이즈(alkaline phosphatase) 라는 효소는 파라-아미노페닐 포스페이트(p-aminophenyl phosphate)를 기질로 전극활성물질인 파라-아미노페놀(p-aminophenol)을 생성하는 데, 이때 생성된 파라-아미노페놀의 양을 전기화학적으로 측정함으로써 항원-항체반응을 정량화 할 수 있다. 즉, 양극의 지시전극 3에서 기준전극대비 약 250 mV 의 전압이 인가되면 파라-아미노페놀이 산화되어 퀴논이민(quinoneimine)으로 되며 생성된 퀴논이민은 다시 기준전극대비 약 -50 mV 의 전압이 인가된 음극의 지시전극 2에서 파라-아미노페놀로 환원반응이 일어난다. 따라서 3차원 IDA 전극시스템 내 형성된 유체채널로 파라-아미노페놀이 흘러가면서 연쇄적인 산환환원반응에 따른 전류값이 증가하게 되므로 고감도의 신호증폭 효과를 보이게 된다.

이와 유사하게 3차원 IDA 전극시스템에 사용될 수 있는 전극활성물질로는 훼로신(ferrocene), 다이메틸훼로신(dimethylferrocene) 과 같은 훼로신 유도체, 포타시움 훼리시아나이드 (potassium ferricyanide), 바이올로겐(viologen) 유도체, DCPIP(2,6-dichlorophenolindophenol), TTF (tetrathiafulvalene), TCNQ (tetarcyanoquinodimethane), PMS(phenazine methosulphate), 멜돌라블루(Meldola's Blue, 7-dimethylamino-1,2-benzophenoxazine), BPO(1,2-benzophenoxazine-7-one), 시오닌(thionin) 등 일반적으로 전극에서 산화 환원반응을 유발할 수 있는 모든 유기화합물을 적용할 수 있다. 따라서 이들 전극활성물질이 수반되는 모든 생화학분석에 있어 3차원 IDA 전극시스템을 적용하여 전기화학적으로 생화학물질을 측정할 수 있게 된다.

본 발명에 의한 미세유체 채널이 집적화된 3차원 IDA 전극시스템은 유리나 실리콘 기판 상에 금 전극을 입혀 박막형태로도 제작이 가능하며, 3차원 전극의 제작과 동시에 두 전극 사이에 전극활성물질의 흐름을 만들어주는 채널이 자연히 만들어지므로 별도의 플로우 셀(flow cell)을 제작하여 합하는 과정이 필요 없는 장점이 있어 검출시스템의 소형화 및 값싼 대량생산 공정 개발에도 유리할 것이다.

본 발명을 이용하면 측정감도의 향상측면에서 기존의 전기화학적 분석시스템과 분명한 제품의 차별성을 기대할 수 있을 것이다. 기존의 IDA 전극 구조와 달리 바이오 유체내에 함유된 전극활성물질의 고효율 측정으로 측정의 재현성 확보가 용이하고, 3차원 IDA 전극시스템 정지계 (static mode)에서 뿐 아니라 흐름계 (flowing mode)에서 극소량의 시료를 측정할 때에도 손쉽게 적용이 가능하며, 전기화학분석의 가장 큰 단점인 높은 감응한계(detection limit)를 극복할 수 있기 때문이다.

또한, 본 발명에 의한 미세유체 채널이 집적화된 3차원 IDA 전극시스템은 의료용 혈액분석을 위한 나노감지부의 제작을 유리하게 하여 혈액내 존재하는 비단백 질 및 단백질의 극미량 분석을 위한 효율적 신호증폭의 효과를 가져올 수 있어 초소형의 분석시스템에서 요구되는 적은양의 시료만으로도 원하는 성분의 고감도 검출이 가능할 수 있다. 나노스케일의 IDA 전극에 의한 전기화학적 분석법은 의료용 나노스케일 혈액분석시스템에서 가장 중요한 검출부의 집적화가 용이한 방법을 제공해 줄 수 있어 혈액시료의 생화학적 반응 및 세척 등 일련의 분석과정이 칩 상에서 일어나는 혈액 분석용 랩온어칩 개발에 크게 기여를 할 수 있을 것이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 도체판 위에 절연 패턴을 입힌 3차원 IDA 전극시스템의 사시도이고, 도 5는 도 4의 평면 C-D에 따라 취한 사시 단면도이다. 도 6은 도 4의 평면 C-D에 따라 취한 단면도이다. 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 의한 미세유체 채널이 집적화된 3차원 전극시스템은 제1 도체판(5)과, 제1 도체판(5)과 나노 스케일의 간격을 두고 대향하여 미세유체 채널을 형성하는 제2 도체판(6)과, 제1 도체판(5)과 제2 도체판(6) 위에서 미세유체 채널에 대해 대략 수직 방향으로 소정 간격을 두고 형성되는 절연체(7)를 구비하고 있다. 즉, 지시전극 역할을 하는 도체판(5, 6)에 절연체로 제작한 구조물(7)을 이용하여 전극시스템을 구성하고 있다.

도 5에 도시되어 있는 바와 같이 제1 도체판(5) 위의 절연체와 제2 도체판(6) 위의 절연체는 미세유체 채널을 사이에 두고 지그재그 형태로 배치되어 있다. 또한 제1 도체판(5) 위의 절연체와 제2 도체판(6) 위의 절연체는 소정의 두께를 가지므로 각각 제1 도체판(5)과 제2 도체판(6)의 표면이 요철 모양을 갖도록 한다.

도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 3차원 IDA 전극시스템과 유사하게 양극의 지시전극을 기능을 하는 도체판(6)에서 전극활성물질의 산화가 일어나고, 음극의 지시전극을 기능을 하는 도체판(5)에서 전극활성물질의 환원반응이 일어나게 된다. 또한 도 1 내지 도 3에서의 3차원 IDA 전극시스템에서는 전극 및 절연층(4)의 두께와 두개의 절연성 기판(1)의 간격을 조절함으로써, 도 4 내지 도 6에서의 3차원 IDA 전극시스템에서는 절연체 구조물(7)의 높이를 조절하거나, 도체판(5, 6)간의 간격을 조절함으로써, 전극간에 형성된 미세유체 채널로 흐르는 바이오 유체의 흐름이 지그재그로 형성되어 인접한 전극간에 효율적인 산화 환원 반응이 일어날 수 있게 된다.

이하, 도 7 및 도 8를 참조하여 본 발명에 따른 전극시스템을 제작하는 방법을 설명한다. 도 7은 본 발명에 의한 3차원 IDA 전극시스템의 제조 공정 중에서 제1 절연체 기판과 제2 절연체 기판을 부착하기 직전의 단계를 설명하는 분해 사시도이고, 도 8은 본 발명에 의한 완성된 3차원 IDA 전극시스템의 사시도이다.

우선, 두께 약 500 μm 두께의 단결정 실리콘 웨이퍼(8)를 습기를 제거하기 위해 200μ℃의 대류식 오븐에 약 30분간 건조시킨다. 그 위에 약 1 μm 두께의 실리콘 산화막을 약 1100℃의 산화막 증착용 용광로(furnace)에서 2시간 정도 습식으로 증착시킨다. 포토레지스트(photoresist : PR)과의 접착이 잘 일어나도록 실리콘 웨이퍼를 한두 방울의 HMDS와 120℃의 오븐안에 약 3분간 둔다. 그 위에 포지티브(positive) PR인 Shipley 1827을 스핀 코팅(spin coating)한다. 처음에는 1000 rpm에서 5초간 회전시키고, 두 번째에는 7000 rpm에서 35초간 회전시킨다. 이 웨이퍼를 90℃의 오븐에 20분간 두어 PR을 약간 경화시킨다. 카스퍼 접촉 마스크 정렬기(Kasper Contact Mask Aligner)를 사용하여 15초간 자외선에 노출시킨다. 다음에 5분간 클로로벤젠에 담가 자외선을 받은 부분이 현상 과정에서 언더커트(undercut)이 일어나게 하여 스텝 카버리지(step coverage) 특성이 나빠지게 한다. MF319 현상액에 담가 현상하여 자외선을 받은 PR을 제거한다.

현상이 끝난 웨이퍼를 증류수에 잘 씻은 후 질소를 불어 잘 건조시킨 후 금을 스퍼터(sputter)를 사용하여 고루 도포한다. 이 웨이퍼를 아세톤에 5분간 담가 PR이 모두 녹아서 PR이 현상된 부분에만 금 전극을 남긴다. 이 첫 번째 금 전극(9)을 인쇄한 후 높게 쌓을 수 있는 포지티브 PR인 AZ9260을 1500 rpm으로 스핀 코팅하여 약 14μm 높이로 쌓은 후 110℃에서 80초간 대류형 오븐에서 소프트 베이크(soft bake)를 한다. 마스크를 덮고 Ultratech stepper model 1500으로 정렬한 후에 자외선을 쬔다. 그 후 AZ400K 현상액으로 현상을 하여 전극을 3차원으로 구성할 수 있도록 스페이서(spacer)(10)를 만든다. 첫 번째 금 전극을 인쇄한 과정과 동일하게 두 번째 금 전극(11)을 인쇄한다. 다음에 스페이서 역할을 한 PR만 제거하면 전극으로 둘러싸인 채널이 만들어지는데 두 번째 금 전극은 매우 가늘고 길기 때문에 외부의 충격에 의해 함몰될 우려가 있다. 그래서 도 7에 도시되어 있는 바와 같이 스페이서 PR을 제거하기 전에 폴리디메틸실록산(PDMS : polydimethylsiloxane)를 두 번째 금 전극부분 위에 고루 부은 후, 약 80℃의 오븐에 한시간 정도 양생하여 보호막(12)을 형성시켜 준다. PDMS가 충분히 굳은 후에 AZ400T나 AZ300T 용액에 담가 스페이서 PR을 완전히 제거하였다. 완성된 3차원 IDA 전극시스템을 아세톤과 에탄올로 다시 세척한다. 전극의 패키징(packaging)은 인쇄회로기판(printed circuit board : PCB)로 제작된 접촉 패드(connection pad)를 이용하였다. 1 M H₂SO₄ 용액속에서 사이클 볼타메트리(cyclic voltammetry)를 반복 수행하여 전기화학적인 세정(cleaning) 작업을 완료한다.

전술한 바와 같은 본 발명의 실시예들을 단지 본 발명의 설명을 위한 것이며, 권리범위를 한정하려는 것은 아니다. 당업자들은 전술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 대한 단순한 변형이나 변경 역시 본원의 권리범위에 포함되는 것에 주의하여야 한다. 본원의 권리범위는 원칙적으로 후술하는 특허청구범위에 의해 특정된다.

Claims

미세유체 채널이 집적화된 3차원 전극시스템에 있어서,

제1 절연성 기판과,

상기 제1 절연성 기판과 소정 간격을 두고 대향하여 상기 미세유체 채널을 형성하는 제2 절연성 기판과,

상기 제1 절연성 기판 위에서 상기 미세유체 채널에 대해 대략 수직 방향으로 소정 간격을 두고 형성되며, 서로간에 전기적으로 연결되어 있는 복수의 산화용 전극과,

상기 제2 절연성 기판 위에서 상기 미세유체 채널에 대해 대략 수직 방향으로 소정 간격을 두고 형성되며, 서로간에 전기적으로 연결되어 있는 복수의 환원용 전극을

포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 전극시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 복수의 산화용 전극과 상기 복수의 환원용 전극은 상기 미세유체 채널을 사이에 두고 지그재그 형태로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 3차원 전극시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 복수의 산화용 전극과 상기 복수의 환원용 전극은 소정의 두께를 가지므로 각각 상기 제1 절연성 기판과 상기 제2 절연성 기판의 표면이 요철 모양을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 3차원 전극시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 미세유체 채널을 통해 흐르는 유체는 지그재그 형태로 산화 반응과 환원 반응을 교대로 일으키는 것을 특징으로 하는 3차원 전극시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 미세유체 채널을 통해 흐르는 유체는 전극 활성 물질을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 3차원 전극시스템.
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미세유체 채널이 집적화된 3차원 전극시스템에 있어서,

제1 도체판과,

상기 제1 도체판과 나노 스케일의 간격을 두고 대향하여 상기 미세유체 채널을 형성하는 제2 도체판과,

상기 제1 도체판 위에서 상기 미세유체 채널에 대해 대략 수직 방향으로 소정 간격을 두고 형성되는 복수의 절연체와,

상기 제2 도체판 위에서 상기 미세유체 채널에 대해 대략 수직 방향으로 소정 간격을 두고 형성되는 복수의 절연체를

포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 전극시스템.
제 7 항에 있어서,

상기 제1 도체판 위의 절연체와 상기 제2 도체판 위의 절연체는 상기 미세유체 채널을 사이에 두고 지그재그 형태로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 3차원 전극시스템.
제 7 항에 있어서,

상기 제1 도체판 위의 절연체와 상기 제2 도체판 위의 절연체는 소정의 두께를 가지므로 각각 상기 제1 도체판과 상기 제2 도체판의 표면이 요철 모양을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 3차원 전극시스템.
제 7 항에 있어서,

상기 미세유체 채널을 통해 흐르는 유체는 지그재그 형태로 산화 반응과 환원 반응을 교대로 일으키는 것을 특징으로 하는 3차원 전극시스템.
제 7 항에 있어서,

상기 미세유체 채널을 통해 흐르는 유체는 전극 활성 물질을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 3차원 전극시스템.