KR100965632B1 - 박막 ｐｄｍｓ층을 포함하는 ｎｏａ채널로 이루어진마이크로 또는 나노 유체칩 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피디엠에스층을 포함하는 NOA채널층이 형성된 마이크로 또는 나노 유체칩 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 유체칩은 노아(Norland Optical Adhesive, NOA)로 이루어진 채널에 산소 플라즈마 처리된 박막 피디엠에스(poly(dimethylsiloxane), PDMS)층이 적층된 채널층과, 산소 플라즈마로 처리된 커버층의 결합으로 이루어진다.

유체칩, 친수성, 피디엠에스, 박막

Description

박막 ＰＤＭＳ층을 포함하는 ＮＯＡ채널로 이루어진 마이크로 또는 나노 유체칩 및 그의 제조방법{Micro or Nanofluidic Chip having PDMS Thin Coated-NOA Channel and Manufacture Method Thereof}

본 발명은 박막 피디엠에스층이 형성된 채널층을 포함하는 유체칩에 관한 것으로써, 보다 구체적으로는 노아로 이루어진 채널의 표면에 산소 플라즈마 처리된 박막 피디엠에스층을 포함하는 마이크로 또는 나노 유체칩 및 제조방법에 관한 것이다.

미세 유체 공학을 이용하여 제조한 마이크로 또는 나노 유체칩(micro or nanofluidic chip)은 마이크로 또는 나노 채널을 포함하고 있는 칩이다. 이러한 유체칩은 미세 채널을 통해 소량의 유체가 흘러가도록 하여 각종 반응과 작용이 일어나도록 함으로서 기존의 실험실에서 여러 복잡한 과정을 거쳐야 했던 일들이 칩 상에서 이루어지도록 한다. 그래서 유체칩을 랩온어칩(lab-a-chip)이라고도 부른다.

보다 자세하게 미세유체 칩(micro or nanofluidic chip)은 샘플 주입, 혼성화 반응과 검출 등 실험의 전 과정을 하나의 작은 칩으로 자동적으로 처리하려는 것으로 앞으로 실험실에서 플라스크와 실험관을 사라지게 할 획기적인 첨단기술 제 품이다. 이러한 유체칩의 내부는 머리카락보다 좁은 복수의 미세 유체홈이 엇갈려 있다.

미세한 유체칩 중에서 특히, 나노 유체칩은 생분자 물질의 분석, 분류, 단분자 레벨의 연구 등 나노 바이오 테크놀로지의 다양한 응용 분야에 적용될 수 있다.

이러한 나노 유체칩을 제조하는 여러 방법 중에 한 예로는 채널을 만들 때마다 전자 빔 리소그래피와 에칭 등의 복잡한 공정을 거친 후, 커버층을 덮는 방법이 있는데, 이 방법은 고온 고압을 이용해야 하므로 제작이 어렵다.

그래서 최근에는 마이크로 또는 나노 임프린팅 기술을 이용하여 미리 형성된 마스터 몰드에서 마이크로 또는 나노 채널 패턴을 형성하는 공정을 통해 마이크로 또는 나노 유체 채널층을 제조한 후 커버층을 덮는 방법들이 있다. 이때, 채널층에 커버층을 형성시킬 수 있는 방법은 비균일증착(non-uniform deposition)기술을 이용하는 것과 커버층에 접착층을 스핀코팅(spin coating)하여 이용하는 것이 있다.

하지만, 비균일 증착 기술은 채널층에 코팅물질을 증착시켜 커버층을 형성하면 채널 사이즈가 줄어들 뿐만 아니라, 줄러든 채널 사이즈도 불균일하여 유체 흐름에 방해가 된다. 또한, 커버층에 접착층을 스핀코팅한 방법은 커버층의 접착층이 채널층에 흘러들어가 채널층의 일부를 막음으로써, 채널 사이즈가 다를 뿐만 아니라, 채널이 막힐 위험이 있으므로 유체가 흐르지 못할 수도 있다.

따라서 유체칩은 커버층과 채널층이 결합하는데 필요한 공정을 줄이면서유체가 흘러가는데 필수적인 친수성을 오랜기간 유지할 뿐만 아니라, 유체가 흐를 수 있는 채널의 공간을 확보하는 것이 중요하다.

이에, 본 발명은 노아로 이루어진 채널에 박막 피디엠에스층을 형성하고 산소 플라즈마 처리를 한 채널층을 포함한 마이크로 또는 나노 유체칩 및 그의 제조방법을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명은 채널층을 덮는 커버층이 산소 플라즈마 처리만으로 이용될 수 있는 마이크로 또는 나노 유체칩 및 그의 제조방법을 제공하는데 있다.

이를 위하여, 본 발명의 마이크로 또는 나노 유체칩은 노아(NOA)로 이루어진 채널에 산소 플라즈마 처리된 박막의 피디엠에스(PDMS)층이 적층된 채널층과 이 채널층을 덮으며 산소 플라즈마로 처리된 커버층의 결합으로 이루어진다.

또한, 노아채널표면을 산소 플라즈마로 처리하고 샘(Self Assembled Monolayers, SAM)층을 형성한 후 박막 피디엠에스층을 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 마이크로 또는 나노 유체칩을 제조하는 방법은 마스터 몰드상에 노아를 붓고 경화시켜 채널을 형성하는 단계와, 경화된 채널표면 상면을 피디엠에스로 박막 코팅하는 단계와, 박막 피디엠에스층이 형성된 채널표면 상면을 산소 플라즈마로 처리하여 채널층을 형성하는 단계와, 산소 플라즈마로 처리한 커버층을 형성하는 단계와, 형성된 채널층과 커버층을 결합시키는 단계를 포함한다.

또한, 노아로 형성된 채널 상면에 산소 플라즈마로 차리하는 단계와 샘(SAM)층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명은 채널층에 포함된 산소 플라즈마로 처리된 박막 피디엠에스층에 의하여 최소 30일 정도 친수성을 유지함으로써 외부 압력없이 모세관 현상만으로 유체칩의 채널내부(유체홈)에 유체가 흐르게 할 수 있다.

또한, 채널층을 덮는 커버층은 노아 채널에 코팅된 산소 플라즈마가 처리된 박막 피디엠에스층에 의하여 산소 플라즈마 처리만으로 채널층과 쉽게 결합되므로 공정이 간단해진다.

또한, 채널층은 노아 채널에 의하여 채널층이 단단해짐으로써, 커버층과 결합시킬 때 밀리는 현상이 발생하지 않아 채널내부(유체홈)에 유체가 흐르는 공간을 보호하여 유체칩의 불량이나 손상을 가져오지 않는다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 마이크로 또는 나노 유체칩은 채널층과 이 채널층을 덮는 커버층으로 이루어진다.

채널층은 노아(Norland Optical Adhesive, NOA)로 이루어진 채널과, 아미노 실란으로 형성된 샘(Self Assembled Monolayers, SAM)층과, 산소 플라즈마 처리된 박막 피디엠에스(poly(dimethylsiloxane), PDMS)층으로 이루어진다. 이때, 채널층은 유체가 흐를 수 있는 유체홈이 형성된 것이며, 유체홈의 형태는 유체가 지날 수 있으면 어느 형태라도 상관없다. 또한, 산소플라즈마로 처리된 박막 피디엠에스층은 피디엠에스층 표면에 산소 플라즈마 처리한 것을 의미한다.

커버층은 채널층의 산소 플라즈마가 처리된 박막 피디엠에스층이 적층된 측면을 덮는다. 또한, 커버층은 산소 플라즈마로 처리된 기판으로써, 이때 이용되는 기판은 유리판, 실리콘 웨이퍼(wafer), 피디엠에스로 이루어진 판, 피디엠에스로 코팅된 판 등이다.

또한, 노아 채널, 박막 피디엠에스층, 커버층에 수산화기(OH)를 공급하는 방법으로는 산소 플라즈마 처리로 한정하는 것은 아니고, UVO(UV with Oxygen) 및 코로나 등을 이용할 수 있다.

채널층의 채널을 형성하는 노아(NOA, Norland products inc.의 제품명칭)는 아크릴레이티드 폴리우레탄 계열의 투명하고, 무색이며, 액상의 광중합성 폴리머 화합물로서, 자외선에 노출시켜 경화시킬 수 있다.

도 1은 박막 피디엠에스층을 형성한 마이크로 또는 나노 유체칩의 제조과정을 나타내는 설명도이다.

도 1을 참조하면, 마스터 몰드(master mold, 101)에 노아(102)를 부은 후 자외선불빛에 1시간 동안 노출시킴으로써 마이크로 또는 나노 크기의 경화된 채널(103)을 형성한다. 그런 후 경화된 채널(103)을 마스터 몰드(101)로부터 떼어내어 다시 자외선 불빛 아래에 12시간 노출시켜 2차 경화시킨다(도 1의 a).

이렇게 경화된 노아 채널(103)의 표면에 산소 플라즈마를 처리한다. 예를 들 어, 산소 플라즈마 처리는 25W 파워하에서 30초 동안 채널의 상면에서 이루어지며, 여기서 상면은 유체가 흐를 수 있는 다수의 유체홈이 형성된 면의 표면을 의미한다. 산소 플라즈마를 처리하는 조건은 이에 한정하는 것은 아니고 표면을 처리할 수 있는 정도의 조건이면 상관없다.

이 후 산소 플라즈마가 처리된 노아 채널표면(103)에 피디엠에스층을 코팅해야 하는데, 일반적으로 피디엠에스는 다른 물질과 비접착성이 우수하다. 따라서 노아로 형성된 채널표면(103)에 바로 피디엠에스를 코팅시키면 불량이 발생할 수 있으므로 산소 플라즈마로 처리된 채널표면(103)과 피디엠에스의 접착력을 높이기 위하여 샘층(104)을 포함한다.

노아 채널표면(103)에 차례로 진행되는 산소 플라즈마 처리, 샘층형성, 박막 피디엠에스층의 형성과정을 살펴보면 다음과 같다. 산소 플라즈마처리로 인해 생성된 수산화기(OH)와 아미노 실란이 반응하여 말단에 아미노기가 형성되는 샘층을 형성하며, 말단의 아미노기는 피디엠에스와 반응하여 화학적인 결합에 의해 피디엠에스가 코팅되는 피디엠에스층을 형성한다.

이러한 샘층(104)을 형성하기 위해서는 산소 플라즈마가 처리된 채널 표면에 아미노 실란 0.5 중량% 수용액을 도포하여 10분간 채널표면과 아미노 실란을 반응시킨다. 이때, 아미노 실란으로는 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-aminopropyltriethoxysilane), 4-아미노부틸트리에톡시실란(4-aminobutyltriethoxysilane), (아미노에틸아미노메틸)페네틸트리메톡시실란((aminoethylaminomethyl)phenethyltrimethoxysilane), N-(2-아미노에틸)-3-아미 노프로필실란트리올(N-(2-aminoethyl)-3-aminopropylsilane triol), N-(2-아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란(N-(2-aminoethyl) -3-aminopropyltrimethoxysilane), N-(2-아미노에틸)-3-아미노프로필트리에톡시실란(N-(2-aminoethyl)-3-aminopropyltriethoxysilane), N-(6-아미노헥실)아미노메틸트리메톡시실란(N-(6-aminohexyl)aminomethyl trimethoxysilane), N-(6-아미노헥실)아미노프로필메톡시실란(N-(6-aminohexyl)aminopropyltrimethoxysilane), N-(2-아미노에틸)-11-아미노운데실트리메톡시실란(N-(2-aminoethyl)-11-aminoundecyl trimethoxysilane)등 중에서 선택된 어느 하나를 이용한다. 예를 들어, 3-아미노프로필트리에톡시실란 0.5 중량% 수용액을 산소 플라즈마가 처리된 채널표면에 도포한다.

아미노 실란까지 처리된 채널표면은 수산화기와 반응하지 않은 아미노 실란이 존재할 수 있으므로 증류수로 세척해준다.

이렇게 샘층(104)이 형성된 채널표면에 피디엠에스(Mn=5000)를 떨어뜨려 코팅시키는데, 이때 피디엠에스 코팅층(105)은 약 10nm의 두께를 갖는다. 예를 들어, 박막의 피디엠에스층(105)은 샘층(104)이 형성된 채널표면에 피디엠에스를 80℃ 상에서 떨어뜨려 4시간동안 반응 시키면 두께가 8nm~10nm정도 되는 코팅층을 얻을 수 있다. 그런 후, 샘층(104)과 반응하지 않은 피디엠에스를 제거하기 위하여 피디엠에스층(105)이 형성된 채널(103)을 2-프로판올(2-propanol)에 담근 채로 1분간 소니케이션(sonication) 한다.

피디엠에스를 박막으로 코팅하는 것은 오랜 기간 친수성을 유지하기 위해서 이다. 박막 피디엠에스 코팅이 오랜 기간 친수성을 유지하는 이유는 피디엠에스층 상면에 산소 플라즈마 처리로 소수성에서 친수성으로 변한 피디엠에스층의 두께가 얇으면 피디엠에스층 표면으로부터 수십 혹은 수백 나노미터 아래에서 일어나는 피디엠에스 폴리머의 체인(chain)에 분열이 발생하지 않고, 그에 따라 분자량이 작은 폴리머가 생기지 않으므로 친수성으로 변한 피디엠에스층을 유지할 수 있기 때문이다. 그러나 피디엠에스의 두께가 두꺼울 경우에는 산소 플라즈마 처리로 인하여 친수성으로 변한 피디엠에스 표면이 일정한 시간이 경과하면 코팅된 피디엠에스 저면에 있는 피디엠에스 폴리머의 체인(chain)에 분열이 일어나고, 그렇게 해서 생성된 작은 분자량의 폴리머가 점차 표면쪽으로 확산됨으로써 표면이 원래의 소수성을 회복한다.

그러므로 피디엠에스 코팅층의 두께가 두꺼울 경우에는 산소 플라즈마 처리로 인하여 친수성으로 변했다가도 일정시간 또는 기간이 지난 후에는 원래의 소수성으로 회복할 가능성이 크다. (도 1의 b)

이렇게 노아로 이루어진 채널(103)에 산소 플라즈마 처리, 샘층(104) 형성, 박막 피디엠에스층(105) 형성, 산소 플라즈마처리를 차례로 진행함으로써 채널층(106)을 형성한다.

채널층(106) 외에 유체칩(100)을 이루는 커버층(107)은 채널층(106)을 덮는 것으로서, 기판 표면에 산소 플라즈마 처리를 한다. 최종으로 산소 플라즈마 처리된 채널층(106)과 커버층(107)은 이 두 층의 결합을 증진시키기 위하여 준비된 60℃의 핫 플레이트(hot plate) 상에서 결합되어 유체칩(100)을 완성한다. 이때, 커 버층(107)으로 사용된 기판은 유리판, 실리콘 웨이퍼(wafer), 피디엠에스로 이루어진 판, 피디엠에스로 코팅된 판 중에서 선택된 어느 하나를 이용할 수 있다 (도 1의 c).

이때, 채널층(106)은 산소 플라즈마 처리된 박막 피디엠에스 층으로 인하여 커버층(107)의 산소 플라즈마 처리만으로 쉽게 결합시킬 수 있으므로 유체칩 제조공정이 간단해진다. 또한, 채널층(106)은 노아 채널(103)에 의하여 강도가 강해짐에 따라 커버층(107)을 덮을 때 밀리는 현상이 발생하지 않으므로 채널 내부에 유체가 흐르는 공간을 보호하여 유체칩의 불량이나 손상을 가져오지 않는다.

도 2는 피디엠에스 채널층의 사진 및 노아 채널층의 사진이며, 도 3은 도 1의 방법으로 제조한 마이크로 또는 나노 유체칩의 단면사진이다.

도 2a는 산소 플라즈마 처리된 피디엠에스로 형성된 채널층의 사진이며, 도 2b는 산소 플라즈마 처리된 노아로 형성된 채널층의 사진이다. 또한, 도 3은 도 1의 방법으로 제조한 유체칩의 단면사진이다.

일반적으로, 피디엠에스로 이루어진 채널층은 산소 플라즈마 처리만으로 형성된 커버층과 쉽게 결합될 수 있다. 하지만, 도 2a의 사진에서 보듯이 피디엠에스는 유체홈을 포함한 채널의 모양을 제대로 형성할 수 없기 때문에 유체가 흐르는데 방해가 되는 등의 문제가 발생한다.

도 2b는 채널의 형성이 어려운 피디엠에스 대신에 노아를 사용하여 채널을 형성한 것으로서 사진에서 보듯이 노아로 형성된 채널은 유체홈을 포함한 채널의 모양을 정확히 형성한다. 하지만, 이 노아 채널층을 덮기 위한 커버층은 산소 플라즈마 처리만으로는 채널층과 결합되기 어렵다. 따라서 커버층은 노아가 용해된 톨루엔용액을 필름위에 스핀 코팅한 후 경화시키는 등의 복잡한 과정을 거쳐 형성됨으로써 채널층과 결합된다.

도 3을 참조하면, 채널층은 노아로 채널을 형성하고 이 채널 상면에 산소 플라즈마 처리된 박막 피디엠에스층이 형성된 것으로써, 산소 플라즈마 처리된 커버층과 결합된다. 여기서 커버층으로 사용된 기판은 실리콘 웨이퍼이다.

이렇게 노아 채널에 산소 플라즈마 처리된 박막 피디엠에스층이 형성된 채널층은 산소 플라즈마 처리만으로 이루어진 커버층과 쉽게 결합되어 공정을 줄일 수 있으며, 노아 채널로 인해 커버층을 덮을 때 밀림 현상 등이 발생하지 않는다.

도 4a는 도 1의 방법으로 제조된 지 한 달 후의 마이크로 또는 나노 유체칩의 친수성을 나타낸 사진이다.

도 4a를 참조하면, 도 1의 방법으로 유체칩을 제조한 후 일정기간(한달)이 지난 유체칩에 유체를 흘려줌으로써 유체가 외부의 압력 없이 모세관 현상만으로 채널내부(유체홈)에 흐르는지 확인한 사진이다.

사진을 보면 유체 즉, 녹색 형광을 보이는 BSA-FITC수용액 100ug/ml가 일정기간이 지난 500nm X 500nm 크기의 유체칩 채널내부(유체홈)를 외부 압력 없이 모세관 현상만으로 채운 사진이다. 이것으로 유체칩은 일정기간이 지나도 친수성을 유지하고 있다는 것을 알 수 있다.

도 4b는 도 1의 방법으로 노아 표면 상부에 형성된 박막 피디엠에스 표면 및 벌크(bulk) 피디엠에스 표면과 물과의 접촉각을 한 달 동안 비교 측정하여 나타낸 그래프이다.

도 4b를 참조하면, 도 1의 방법으로 노아 표면 위에 형성된 박막 피디엠에스 표면과 벌크(bulk) 피디엠에스 표면에 산소 플라즈마 처리를 하기 전과 후에 물을 떨어뜨려 물과 각 표면의 접촉각을 측정한 도면이다.

도 1의 방법으로 노아 표면 위에 형성된 피디엠에스 박막 표면 및 벌크 피디엠에스 표면에 산소 플라즈마를 처리 전과 처리 직후, 1일, 7일 및 30일 후에 각 표면에 물을 떨어뜨려 물과 각 채널층 표면의 접촉각을 측정한 도면이다. 여기서 벌크 피디엠에스는 mm 또는 cm두께의 피디엠에스 패드를 의미한다.

접촉각은 물과 표면의 각도가 90도를 넘을 경우 표면물질이 소수성을 갖는다고 하며, 물과 표면의 각도가 90도가 넘지 않을 경우 표면물질이 친수성을 갖는다고 한다.

도 4b의 막대 그래프를 보면, 산소 플라즈마를 처리하지 않은 피디엠에스는 기본적으로 소수성 성질을 가진다는 것을 알 수 있다. 그러나 꺽은선 그래프를 보면, 박막 피디엠에스가 형성된 표면이나 벌크 피디엠에스 표면 모두 산소 플라즈마 처리 후에는 접촉각이 20도 미만이므로 친수성 성질을 갖는다는 것을 알 수 있다.

꺽은선 그래프에서 산소 플라즈마 처리된 벌크 피디엠에스 표면은 시간이 흐를수록 접촉각이 커지면서 제조된 지 7일부터는 접촉각이 90도를 넘는 것으로 보아 소수성 성질로 돌아온다는 것을 알 수 있다. 그러나 산소 플라즈마 처리된 박막 피디엠에스층이 형성된 표면은 제조된 지 30일까지도 접촉각이 90도를 넘지 않으므로 친수성을 유지한다는 것을 알 수 있다. 이때, 박막 피디엠에스층이 형성된 표면의 친수성이 유지되는 기간은 30일까지로 한정하는 것은 아니며, 꺽은선 그래프에서 보듯이 제조된 지 7일부터 30일까지 50도를 넘지 않는 접촉각이 유지되므로 30일 이상이 되어도 친수성을 유지할 수 있다.

따라서 산소 플라즈마가 처리된 박막의 피디엠에스층을 채널 표면으로 가지는 유체칩은 오랜기간 친수성을 유지할 수 있으므로 모세관 현상만으로 유체를 채널내부(유체홈)에 흐르게 한다.

도 1은 박막 피디엠에스층을 형성한 마이크로 또는 나노 유체칩의 제조과정을 나타내는 설명도이다.

도 2a는 피디엠에스 채널층의 사진이며, 도 2b는 노아 채널층의 사진이다.

도 3은 도 1의 방법으로 제조한 마이크로 또는 나노 유체칩의 단면사진이다.

도 4a는 도 1의 방법으로 제조된 지 한 달 후의 마이크로 또는 나노 유체칩의 친수성을 나타낸 사진이다.

도 4b는 도 1의 방법으로 제조한 유체칩의 채널층, 벌크(bulk) 피디엠에스층이 형성된 채널층과 물과의 접촉각을 한 달 동안 비교 측정하여 나타낸 그래프이다.

*도면 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100: 유체칩 101: 마스터 몰드

102: 노아 103: 채널

104: 샘층 105: 박막 피디엠에스층

106: 채널층 107: 커버층

Claims (7)

1. 노아(Norland Optical Adhesive, NOA)로 이루어진 채널에 산소 플라즈마 처리된 박막 피디엠에스(poly(dimethylsiloxane), PDMS)층이 적층된 채널층 및 상기 채널층을 덮는 커버층으로 이루어지고,

   상기 커버층은 그의 산소 플라즈마 처리된 면이 상기 박막 피디엠에스층과 결합됨으로써 상기 채널층을 덮게 되는 마이크로 또는 나노 유체칩.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 박막 피디엠에스층 하부에 샘(Self Assembled Monolayers, SAM)층이 형성되어 있는 마이크로 또는 나노 유체칩.
4. 삭제
5. 노아로 이루어진 채널 표면에 피디엠에스로 박막 코팅하는 단계,

   박막 피디엠에스층이 형성된 채널표면 상면을 산소 플라즈마로 처리하여 채널층을 형성하는 단계,

   기판을 산소 플라즈마로 처리하여 커버층을 형성하는 단계, 및

   상기 채널층의 산소 플라즈마 처리된 면과 상기 커버층의 산소 플라즈마 처리된 면을 결합시키는 단계를 포함하는 마이크로 또는 나노 유체칩을 제조하는 방법.
6. 제 5항에 있어서, 상기 박막 피디엠에스층을 형성하기 전에 샘층을 형성하는 단계를 더 포함하는 마이크로 또는 나노 유체칩을 제조하는 방법.
7. 제 6항에 있어서, 상기 샘층을 형성하기 전 채널 표면에 산소 플라즈마 처리를 하는 단계를 더 포함하는 마이크로 또는 나노 유체칩을 제조하는 방법.

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