KR101091988B1 - 중합효소 연쇄반응 챔버 칩 및 그 제조방법 - Google Patents

중합효소 연쇄반응 챔버 칩 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

중합효소 연쇄반응 챔버 칩 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 챔버 칩은 생체시료 내에 존재하는 분석물질을 수용하는 복수의 챔버 및 서로 별개의 다른 층에 형성되는 가열기 및 센서를 포함한다.
랩온어칩, 중합효소 연쇄반응(PCR), 챔버, 마이크로 블라스터, 구조체, 공기 터널, 비아 홀, 펄스 변조 방식, DFR

Description

중합효소 연쇄반응 챔버 칩 및 그 제조방법{PCR chamber chip and method for manufacturing PCR chamber chip}
본 발명의 일 양상은 미세가공기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩 및 그 제조방법에 관한 것이다.
유전병 진단과 같은 질병 진단용 칩의 개발을 위해서는 결과의 정확성과 함께 사용의 간편성이 보장 되어야 한다. 지금까지의 질병진단은 환자의 혈액 또는 체액을 채취하여 분석자에게 의뢰를 하면 화학분석을 통하여 수 시간 혹은 수 일 내에 통보해주는 식이다.
최근의 기술동향은 유체 기술과 MEMS(Microelectromechanical Systems)를 이용한 미세가공기술을 기존의 분석기술에 접목시키는 추세이다. 이때 적은 양의 액체 시료를 단위 칩에서 다룰 수 있도록 시료분석에 필요한 모든 구성요소를 소형화(miniaturization) 및 집적화(integration)하여 온 칩(on-chip)화시켜 랩온어칩(lab-on-a-chip)을 구현한다.
특히, 랩온어칩 제조에 있어서 중요한 부분 중 하나는 유전자를 증폭 및 배양하는 부분이다. 유전자 증폭 및 배양을 위해 중합효소 연쇄반응(Polymer Chain Reaction, PCR)이 이용된다. PCR은 금세기 분자 생물학에 혁신을 가져다 준 기술 중 하나로 마이크로 칩에 집적화하기가 가장 힘든 부분으로 랩온어칩 구현에 있어서 가장 핵심사항 중 하나이다.
일 양상에 따라, 생체시료 내에 존재하는 분석물질의 유전자 증폭 및 배양을 효율적으로 구현할 수 있는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩 및 그 제조방법을 제안한다.
일 양상에 따른 중합효소 연쇄반응 챔버 칩은, 생체시료 내에 존재하는 분석물질을 수용하는 복수의 챔버 및 서로 별개의 다른 층에 형성되는 가열기 및 센서를 포함한다.
이때, 중합효소 연쇄반응 챔버 칩은 가열기를 포함하는 하부기판, 복수의 챔버를 포함하는 중간층 및 센서를 포함하는 상부기판을 포함할 수 있다.
나아가, 복수의 챔버는 미리 설정된 폭 및 간격으로 서로 이격되게 배치되거나 공기 터널을 포함하여 복수의 챔버 간 열 간섭을 최소화할 수 있다.
나아가, 가열기 및 센서의 배선은 비아 홀(via hole)을 이용한 3차원 전극 배선 구조일 수 있다.
나아가, 중간층, 하부기판 및 상부기판 중 적어도 두개는 드라이 필름 레지스트(Dry Film Resist)을 이용한 폴리머 본딩(Polymer Bonding)을 통해 접합될 수 있다.
나아가, 분석물질의 중합효소 연쇄반응 시에 펄스값을 조절하는 펄스 변조 방식을 이용하여 정량화된 온도값을 설정함에 따라 복수의 챔버가 동시에 작동 가 능하다.
한편 다른 양상에 따른 중합효소 연쇄반응 챔버 칩 제조방법은, 복수의 챔버를 포함하는 중간층이 형성되는 단계, 가열기를 포함하는 하부기판이 형성되는 단계, 센서를 포함하는 상부기판이 형성되는 단계 및 상부기판, 중간층 및 하부기판 중 적어도 두개가 본딩되는 단계를 포함한다.
이때 복수의 챔버를 포함하는 중간층이 형성되는 단계는, 사진석판술을 이용하여 복수의 챔버가 형성될 자리가 노출된 챔버용 패턴이 형성되는 단계, 노출된 챔버가 형성될 자리가 마이크로 블라스터 에칭(micro blaster etching)되는 단계 및 챔버용 패턴이 제거되는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 단일 중합효소 연쇄반응 챔버 칩 형태에서 발전된 복수의 챔버로 이루어진 중합효소 연쇄반응 챔버 칩을 통해 유전자의 증폭 및 배양을 쉽고 빠르게 할 수 있다.
나아가, 가열기와 센서를 공간적으로 분리시켜 가열하는 과정에서 발생되는 열 간섭을 없애주고 가열기-분석물질-센서 사이의 열적 평형을 이룰 수 있다.
또한 실리콘 구조체(mass) 또는 유리 공기 터널(air tunnel)을 통해 챔버 간 열 간섭을 방지하고, 열적 평형을 이룰 수 있다.
나아가, 3차원 전극 배선 공정 방식을 이용하여 가열기와 센서를 연결함에 따라 분석물질의 측정이 편리하다.
나아가, 분석물질의 중합효소 연쇄반응시에 펄스값을 조절하는 펄스 변조 방 식을 이용하여 정량화된 온도값을 설정함에 따라 복수의 챔버가 동시에 작동 가능하다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중합요소 연쇄반응 챔버 칩을 도시한 개관도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 챔버 칩(1)은 생체시료 내에 존재하는 분석물질을 수용하는 복수의 챔버(30)와 서로 별개의 다른 층(layer)에 형성되는 가열기(20) 및 센서(10)를 포함한다.
중합효소 연쇄반응 챔버 칩(1)은 중합효소 연쇄반응(Polymer Chain Reaction, PCR)을 이용하여 생체시료 내에 존재하는 분석물질을 분석한다. 중합효소 연쇄반응은 2가닥의 DNA의 3' 말단 측에 각각의 프라이머(primer)를 연결시키고 DNA 중합효소(DNA polymerase)를 이용하여 DNA의 합성 반응을 수행하는 것이다. 분석물질은 DNA가 존재하는 모든 생체시료가 그 대상일 수 있다.
이때 본 발명의 중합효소 연쇄반응 챔버 칩(1)은 단일 챔버가 아닌 여러 개의 챔버들(30)을 포함한다. 중합효소 연쇄반응 챔버 칩(1)이 챔버들(30)로 구성됨에 따라 동시에 그리고 빠른 시간 내에 분석물질의 중합효소 연쇄반응, 예를 들면 DNA의 증폭 및 배양을 수행할 수 있다. 챔버들(30)은 실리콘 웨이퍼(silicon wafer) 또는 유리 웨이퍼(glass wafer)로 제조될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
일 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 챔버 칩(1)은 가열기(20) 및 센서(10)가 서로 공간적으로 분리된다. 즉, 가열기(20) 및 센서(10)가 서로 다른 층에 형성됨으로써 서로간의 공간적인 거리가 유지된다. 예를 들면, 도 1에 도시된 바와 같이 중간층(32)에 복수의 챔버(30)가 형성되고, 상부기판(12)에 가열기(20)가 형성되며 하부기판(22)에 센서(10)가 형성될 수 있다. 가열기(20) 및 센서(10)가 서로 공간적으로 분리됨에 따라, 가열기(20) 및 센서(10)가 2차원 평면에 함께 집적되어 있는 경우 발생할 수 있는 가열기에 의한 센서로의 열 간섭 문제를 방지할 수 있다. 가열기(20) 및 센서(10)를 포함하는 기판은 유리 웨이퍼로 제조될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
한편, 일 실시예에 따른 가열기(20) 및 센서(10)의 배선은 비아 홀(via hole)(14,24)을 이용한 3차원 전극 배선 구조이다. 이때 비아 홀(14,24)은 마이크로 블라스터 에칭(micro blaster etching) 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 마이크로 블라스터는 일종의 물리적인 식각 공정 장치로, 높은 압력의 공기 또는 가스에 의해 가속되어 마이크로 노즐을 통해 분사되는 마이크로 단위의 연마제가 마이크로 머시닝에 어려움이 있는 기판을 다양한 형태로 식각할 수 있는 장치이다. 형 성된 비아홀(14,24)에는 디스팬스 장비를 이용하여 실버 패이스트(silver paste)가 채워진다.
한편, 중간층(32), 하부기판(22) 및 상부기판(12)은 드라이 필름 레지스트(Dry Film Resist, DFR)을 이용한 폴리머 본딩(Polymer Bonding)을 통해 접합될 수 있다. DFR을 이용한 중합효소 연쇄반응 챔버 칩(1)은 별도의 식각 공정 없이 오로지 사진 석판 공정(photolithography process)만으로 수백 마이크로 두께의 챔버가 형성될 수 있다. 또한 DFR은 열전도도가 실리콘에 비하여 매우 낮은 열전도도를 가지므로 챔버 내부 시료의 보온에 우수한 성능을 보이며 전력이 적게 소모된다. 그리고 DFR은 친수성을 띠기 때문에 별도의 처리 없이 쉽게 웨이퍼와 접합을 이루는 장점이 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 열 발산제(heat-sink)를 포함하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 챔버 칩의 챔버들은 내부에 열 발산제를 포함한다. 이때 챔버들은 미리 설정된 폭 및 간격으로 서로 이격되게 형성됨에 따라 챔버들 간의 열 간섭을 최소화할 수 있다. 챔버들을 이루는 층의 재질은 실리콘 웨이퍼일 수 있다.
챔버들이 위치하는 중간층의 재질로 실리콘 웨이퍼를 사용하는 경우 열전도가 좋아서 챔버 간의 열 간섭이 발생할 수도 있다. 그러나 일 실시예에 따르면, 실리콘 웨이퍼의 부피를 조절함에 따라서 챔버들 사이에 발생하는 열 간섭을 방지한다. 이 결과를 바탕으로 챔버 내부에 열 발산제(heat-sink)가 포함되는 경우 중 합요소 연쇄반응 칩의 가열 과정 동안 열에너지에 의해 순간적으로 발생되는 챔버 간의 열 간섭 현상을 차단할 수 있다. 또한 열에너지에 대한 열적인 안정성을 가지게 되어 분석물질의 분석에 사용되는 시약의 파괴 또는 변형을 방지할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 공기 터널(air tunnel)을 이용한 중합효소 연쇄반응 챔버 칩을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 챔버 칩은 챔버들 사이에 공기 터널을 포함한다. 이때 챔버들의 재질은 유리 웨이퍼일 수 있다. 전술한 공기 터널에 의해 챔버 간의 열 간섭이 최소화된다. 특히 중합요소 연쇄반응 칩의 냉각 과정 중에 챔버 내부의 열에너지를 공기 터널을 통하여 신속히 방출할 수 있다. 따라서 열적 지연 시간을 줄일 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 공기 터널을 통한 중합효소 연쇄반응 챔버 칩의 냉각 메커니즘을 도시한 참조도이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 챔버 칩은 하부기판, 상부기판 및 중간층이 모두 공기 터널을 포함하는 동일한 형태로 구성된다. 즉, 챔버들 내부뿐만 아니라 샌드위치 구조의 하부기판 및 상부기판 모두에 공기 터널이 형성될 수 있다. 이 경우 대류에 의한 챔버 간 열 간섭 및 냉각 효과를 이용하여 자연 대류와 강제 대류시 가장 효율적인 열 방출 효과를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같이 공기 터널을 통해 난기류(Warm air flow)가 빠져 나가고, 냉기류(Fresh air flow)가 유입됨에 따라 열 방출 효과를 나타낼 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 챔버 칩 제조 공정도 이다.
도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 챔버 칩은 복수의 챔버를 포함하는 중간층이 형성되는 단계(500), 가열기를 포함하는 하부기판이 형성되는 단계(510), 센서를 포함하는 상부기판이 형성되는 단계(520) 및 상부기판, 중간층 및 하부기판 중 적어도 두개가 본딩되는 단계(530)를 포함한다. 전술한 챔버, 하부기판 및 상부기판이 형성되는 각 단계(500,510,520)는 시간의 순서에 상관없이 별도로 또는 동시에 진행될 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 챔버 칩의 중간층의 세부 공정도이다.
도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 복수의 챔버를 포함하는 중간층이 형성되는 단계는 크게 사진석판술(photolithography)을 이용하여 복수의 챔버가 형성될 자리가 노출된 챔버용 패턴이 형성되는 단계, 노출된 챔버가 형성될 자리가 마이크로 블라스터 에칭(micro blaster etching)되는 단계 및 챔버용 패턴이 제거되는 단계를 포함한다.
구체적으로, 챔버용 패턴이 형성되는 단계에 있어서 우선 실리콘 또는 유리 재질의 웨이퍼가 초기 세척(Initial Cleaning)된다(600).
이어서, 세척된 실리콘 또는 유리 재질의 웨이퍼에 포토레지스트(photoresist)가 라미네이팅된다(610). 이때, 실시예에 따르면 웨이퍼에 드라이 필름 레지스트(Dry Film resist, DFR)가 라미네이팅된다. DFR은 음성 포토레지스트의 일종으로 DFR을 이용하면 기존의 스핀 코팅 과정을 간단한 라미네이 션(lamination) 과정으로 해결할 수 있기 때문에 품질개선, 비용절감, 시간절약의 면에서 효율적이다.
그리고, 라미네이팅된 포토레지스트에 마스크가 씌워진 후(620) 노광(exposure)(630) 및 현상(development) 공정(640)을 통해 챔버(110)가 형성될 자리가 노출됨에 따라 챔버 패턴이 형성된다. 노광(630) 과정에는 I-Line UV 광원이 이용될 수 있다. 현상(development) 과정에는 D.I water 및 Na2Co3가 결합된 용액이 이용될 수 있다. 이어서 D.I water가 씻겨지고(650), 하드 베이킹(Hard Baking)이 약 3분간 수행된다(660).
이어서, 복수의 챔버가 형성되는 단계는, 노출된 챔버가 형성될 자리에 마이크로 블라스터 에칭(micro blaster etching) 공정이 수행되는 단계(670) 및 에어 블로잉(Air blowing) 공정을 통해 입자들이 제거되는 단계(Remove particle)(680)를 포함한다. 마이크로 블라스터 에칭 공정이 수행되는 단계(670)에서는 에칭을 위해 Al2O3 파우더가 이용될 수 있다.
이어서 챔버용 패턴이 제거된다. 예를 들면, 챔버용 패턴 형성을 위해 DFR이 사용된 경우 DFR이 제거됨에 따라 챔버용 패턴이 제거되고 최종적으로 챔버들을 포함하는 중간층이 형성된다(690). 최종적으로 형성된 중간층은 도 7에서 후술할 상부기판 및 하부기판과 결합되어 결합형 타입 중합효소 연쇄반응 챔버 칩으로 제조될 수 있다. 또는 중간층은 상부기판과는 결합하지 않고 하부기판과 결합하여 분리형 타입 중합효소 연쇄반응 챔버 칩으로 제조될 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 챔버 칩의 상부기판 및 하부기판의 세부 공정도이다.
도 7을 참조하면, 가열기를 포함하는 하부기판 제조를 위해 우선 실리콘 또는 유리 재질의 웨이퍼가 초기 세척(Initial Cleaning)된다(700).
이어서, 세척된 웨이퍼에 백금(Pt)/티타늄(Ti) 증착(evaporation)이 수행된다(710). 증착 공정을 위해 이온 빔 증착기(e-beam evaporation)가 사용될 수 있다. 백금은 온도 저항 특성이 거의 일정하며 사용 온도 범위가 넓은 장점이 있다.
그리고 마스크 공정(720) 후 가열기 제조를 위해 포토레지스트 패턴이 형성된다(730). 이때 AZ1512 포토레지스트(PR)가 사용될 수 있다.
이어서, 포토레지스트(photoresist)가 라미네이팅되어 패턴이 형성(740)되는데, 일 실시예에 따르면 웨이퍼에 드라이 필름 레지스트(Dry Film resist, DFR)가 라미네이팅된다.
이어서, 가열기 형성을 위해 마스크가 씌워지고(750) DFR 패터닝(760)이 수행된 후, 가열기가 형성될 자리에 마이크로 블라스터 에칭(micro blaster etching)이 수행되어 가열기가 형성된다(770).
이어서, 3차원 배선 공정을 위해서 가열기의 패드 부분에 비아홀(via hole)이 형성된다. 그리고, 형성된 비아홀에 디스팬스 장비를 이용하여 실버 패이스트(silver paste)가 채워짐(780)에 따라 최종적으로 가열기를 포함하는 하부기판이 형성된다.
한편, 센서를 포함하는 상부기판 제조를 위해 우선 실리콘 또는 유리 재질의 웨이퍼가 초기 세척(Initial Cleaning)된다(700).
이어서, 백금(Pt)/티타늄(Ti) 증착(evaporation)이 수행된다(710). 증착 공정을 위해 이온 빔 증착기가 사용될 수 있다.
그리고 마스크 공정(722) 후 센서 제조를 위해 포토레지스트 패턴이 형성된다(732). 이때 AZ1512 포토레지스트(PR)가 사용될 수 있다.
이어서, 포토레지스트(photoresist)가 라미네이팅되어 패턴이 형성(742)되는데, 일 실시예에 따르면 웨이퍼에 드라이 필름 레지스트(Dry Film resist, DFR)가 라미네이팅된다.
이어서, 마스크가 씌워지고(752) 에칭을 위해 DFR 양면 패터닝 공정(double side patterning)(762)이 수행된다. 그리고, 센서가 형성될 자리에 마이크로 블라스터 에칭(micro blaster etching)이 수행된다(772). 그리고, 에어 블로잉 공정(air blowing)을 통해 입자가 제거된다(782). 이에 따라 센서를 포함하는 상부기판이 형성된다.
한편, 도 6 및 도 7에서 전술한 중간층, 하부기판 및 상부기판 중 적어도 두개가 서로 결합되어 중합효소 연쇄반응 챔버 칩이 형성될 수 있다. 즉, 상부기판, 중간층 및 하부기판이 결합되어 결합형 타입 중합효소 연쇄반응 챔버 칩이 형성될 수 있다. 또는 중간층이 상부기판과는 결합하지 않고 하부기판과 결합하여 분리형 타입 중합효소 연쇄반응 챔버 칩으로 형성될 수 있다. 전술한 결합은 DFR 본딩 결합을 이용할 수 있다.
도 8은 중합효소 연쇄반응 챔버 칩을 제조하기 위한 마스크 레이아웃(mask layout)을 나타낸 것이다.
도 8을 참조하면, 일 실시예에 따른 가열기는 도 8a에 도시된 바와 같이 하부기판인 유리 웨이퍼에 폭이 400㎛, 총 길이는 110㎜가 되도록 meander 형태로 제조된다.
한편, 일 실시예에 따른 센서는 도 8c에 도시된 바와 같이 상부기판인 유리웨이퍼에 폭이 40㎛, 총 길이는 115㎜를 가지도록 제조된다.
또한 다층 배선 공정을 방법을 이용하여 도 8b 및 도 8d에 도시된 바와 같이가열기 부분 및 센서 부분을 각각 연결할 부분의 비아홀 형성 마스크를 제조할 수 있다.
한편, 도 8e에 도시된 바와 같이 중간층인 실리콘 또는 유리 웨이퍼에 12개의 챔버(㎜2)와 폭 6㎜의 간격의 갭을 가지도록 제조될 수 있다. 이때 도 8g 및 도 8h에 각각 도시된 바와 같이 챔버 간 간격을 다르게 하여 8㎜, 4㎜의 간격의 갭 디자인 또한 제조될 수 있다.
또한 도 8i에 도시된 바와 같이 중간층인 실리콘 또는 유리 웨이퍼에 meander 타입으로 챔버 간 갭 폭을 1㎜ 간격으로 줄여서 공기 터널을 만들어 자연 대류와 강제 대류에 효과를 볼 수 있다.
한편, 두 가지 타입(결합형, 분리형)의 중합효소 연쇄반응 챔버를 제조하기 위하여 도 8o에 도시된 바와 같이 중합효소 연쇄반응 챔버 칩의 상부 센서 부분이 분리 되도록 아일랜드 마스크를 제조할 수 있다.
한편, 또 다른 형태인 결합형 중합효소 연쇄반응 챔버 칩을 제조하기 위해 도8f 및 도 8j에 도시된 바와 같이 상부층 마스크를 따로 제조할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 브라스터를 이용한 샌드위치 구조의 중합효소 연쇄반응 챔버 칩을 설명하기 위한 참조도이다.
일 실시예에 따르면 샌드위치 구조에서 중간층으로 사용될 실리콘 웨이퍼를 마이크로 블라스터를 이용하여 시료를 보관 및 수용할 수 있는 형태로 제조할 수 있다. 특히, 챔버들에서 실리콘의 우수한 열전도 특성을 이용할 수 있도록 미리 설정된 폭 및 간격으로 챔버들이 이격되게 배치될 수 있도록 실리콘 구조체(mass)를 조절하여 챔버들 간의 열 간섭문제를 최소화한다. 예를 들면, 도 9a에 도시된 바와 같이 4㎜ 간격의 실리콘 구조체를, 도 9b에 도시된 바와 같이 6㎜ 간격의 실리콘 구조체를, 도 9c에 도시된 바와 같이 8㎜ 간격의 실리콘 구조체를 각각 제조할 수 있다.
이 경우, 가열 과정시 발생한 열에너지가 남겨진 실리콘 구조체를 통해 열에너지를 저장하는 역할을 수행하여 챔버들 내의 갑작스런 온도 변화를 줄여주는 열안정기 역할을 한다.
다음으로 가열기에서 공급되는 열에너지가 사라졌을 경우, 즉 냉각 과정 시 챔버들을 이루고 있는 실리콘 구조체의 거친 측면을 통해 가지고 있던 열에너지가 자연냉각과 강제냉각에 의해 신속히 방출되도록 제조한다. 이에 따라 제조된 중합효소 연쇄반응 챔버 칩의 챔버 내에서 열적 지연시간이 줄어든다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 유리 웨이퍼를 이용하여 공기 터널을 포함하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩 제조과정을 설명하기 위한 참조도이다.
중간층의 소재 중 하나인 유리(glass)는 열전도도가 실리콘에 비하여 월등히 낮기 때문에 가열기에 의한 가열시 발생되는 열에너지의 손실은 줄여 줄 수 있다. 그러나, 냉각과정에서 열적 지연시간이 실리콘 보다 높기 때문에 자연 대류 및 강제 대류에 의한 효과를 극대화 할 수 있도록 챔버들 사이에 공기 터널을 포함하여 제조할 수 있다.
예를 들면, 도 10에 도시된 바와 같이 챔버 간 갭 폭을 1㎜ 간격으로 줄여서 meander 타입의 공기 터널을 형성할 수 있다. 마이크로 블라스터를 이용하는 식각 공정에서 실리콘이 결정성인데 비해 유리는 비정질 형태여서 결정방향에 따른 크랙의 위험이 없기 때문에 비교적 제조가 용이하다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 백금을 이용한 가열기 및 센서의 제조 공정을 설명하기 위한 참조도이다.
도 11을 참조하면, 유리 웨이퍼를 이용하여 챔버들에 필요한 가열기 및 센서를 제조할 수 있다. 이때 저항온도계수(temperature coefficient of resistance)가 우수한 백금(Pt)이 이용될 수 있다. 일 실시예에 따르면 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이 이온 빔 증착기를 사용하여 백금을 증착(evaporation)하고, 패터닝(patterning)하여 가열기 및 센서를 각각 제조할 수 있다.
도 12는 일 실시예에 따른 센서의 제조 공정을 설명하기 위한 참조도이다.
일 실시예에 따르면, 도 12a에 도시된 바와 같이 마이크로 블라스터 식각을 위해 패턴이 완성된 센서 부분을 양면 코팅한다. 이어서, 도 12b에 도시된 바와 같이 상부 유리 웨이퍼 윗면에 3차원 배선 공정을 위해서 센서의 패드 부분에 비아 홀을 형성시킨다. 이어서, 도 12c에 도시된 바와 같이 상부 유리 윗면의 비아홀에 디스팬스 장비를 이용하여 실버 패이스트(silver paste)를 채워 센서를 형성시킨다. 도 12c는 상부 유리 웨이퍼의 윗면이고, 도 12d는 아랫면을 보여준 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 블라스터 에칭 공정을 이용한센서 제조과정을 설명하기 위한 참조도이다.
도 13을 참조하면, 분리형 타입으로 센서 부분을 만들 경우 아일랜드 마스크를 이용하여 센서 파트로 남겨질 부분을 제외한 나머지 부분을 마이크로 블라스터 장비를 이용하여 대략 350㎛의 깊이로 식각한다.
한편, 일 실시예에 따르면 중간층 및 하판기판에 저온 공정이 가능한 드라이 필름 레지스트(DFR)을 이용하여 폴리머 접합을 시행한다. 이때 하부기판 유리에 DFR을 라미네이션 후 1MPa 압력의 90℃ 온도로 30분간 하판기판과 중간층을 접합한다. 결합형 타입으로 제조한 중합효소 연쇄반응 챔버 칩은 샌드위치 구조로 모든 층을 DFR을 이용한 폴리머 접합을 시행할 수 있다.
전술한 DFR은 폴리에틸렌 세퍼레이터 시트(polyethylene separator sheet)와 폴리이스터 서포트(polyester support) 사이에 위치하는 3층의 구조로 이루어져 있다. DFR을 이용한 중합효소 연쇄반응 챔버 칩은 어떠한 식각 공정 없이 오로지 사진 석판 공정(photolithography process)만으로 수백 마이크로 두께의 챔버를 형성 시킬 수 있다. 또한 DFR은 열전도도가 168W/mK인 실리콘에 비하여 2.33W/mK으로 매우 낮은 열전도도를 가지므로 챔버 내부 시료의 보온에 우수한 성능을 보이며 낮은 전력이 소모된다. 그리고 DFR은 친수성을 띠기 때문에 별 다른 처리 없이 쉽게 글래스와 접합을 이룬다.
따라서 기존의 실리콘 벌크 마이크로머시닝이나 PDMS 제조 기술에서 사용되었던 고전압의 양극 접합 공정(anodic bonding process)과 O2 플라즈마를 이용한 RIE 공정이 불필요하다. 이와 같은 장점으로 인해 중합효소 연쇄반응 챔버 칩 제조 공정이 대폭으로 줄어들어 제조비용의 절감도 기대할 수 있다.
도 14는 열 발산제(heat-sink) 또는 공기 터널(air-tunnel)을 포함하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩을 도시한 도면이다. 도 14a는 열 발산제(heat-sink)를 포함하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩을 도시한 도면이고, 도 14b는 공기 터널(air-tunnel)을 포함하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩을 도시한 도면이다.
일 실시예에 따르면 챔버의 사이즈는 가로와 세로가 각각 8㎜, 깊이가 550㎛이고 체적은 35.2㎕이다. 또한 센서 부분의 사이즈는 가로와 세로가 각각 7㎜, 높이가 350㎛이고 체적은 17.2㎕이다. 결합형 중합효소 연쇄반응 챔버의 경우 챔버 용량은 35.2㎕이고 분리형 챔버의 경우 대략 18~20㎕이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 따른 열 발산제(heat-sink)를 포함하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩의 열 간섭 차단 효과를 설명하기 위한 참조도이다.
도 15를 참조하면, 열 발산제로 사용하기 위한 중간층 유리와 실리콘의 경우 챔버들 사이에 일정한 간격을 유지하도록 부피를 조절하면 챔버들 간의 열 간섭은 거의 없음을 확인할 수 있다. 특히 도 15에 도시된 바와 같이 대류의 효과를 크게 하기 위하여 상부기판과 하부기판을 중간층과 동일하게 제조한 경우, 챔버들 간의 열 간섭이 전혀 발생하지 않는다.
도 16 내지 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 터널을 포함하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩의 열 간섭 차단 효과를 설명하기 위한 참조도이다.
일 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 챔버 칩은 복수의 챔버 간의 열 간섭을 차단하기 위해 중간층에 공기 터널을 포함할 수 있다. 도 16은 상부기판/중간층/하부기판이 유리/유리/유리인 경우의 중합효소 연쇄반응 챔버 칩의 열 분포 결과이고, 도 17은 유리/실리콘/유리인 경우의 중합효소 연쇄반응 챔버 칩의 열 분포 결과이다. 이 경우, 도 16에 도시된 바와 같이 유리/유리/유리 챔버의 경우 자연 대류만으로도 챔버 간의 열 간섭이 일어나지 않음을 알 수 있다.
나아가, 본 발명에 따르면 공기의 순환이 잘 되도록 유리를 이용하여 중간층뿐만 아니라 상부기판 및 하부기판 또한 중간층과 동일한 형상으로 제조할 수 있다. 이 경우 자연 대류만으로도 챔버 간의 열 간섭이 발생하지 않는다. 또한, 냉각 시에는 강제 대류를 가하게 대면 빠른 속도로 공기 터널로 빠르게 공기의 순환이 일어나 냉각시간 또한 단축할 수 있다. 이 결과를 바탕으로 실리콘의 열 손실적인 단점과 유리의 열 차단적인 장점을 상호 보안하여 중합효소 연쇄반응 챔버 칩을 제조할 수 있다.
도 18 및 도 19는 일 실시예에 따른 펄스 변조 방식을 이용한 중합효소 연쇄반응 챔버 칩을 설명하기 위한 참조도이다.
일 실시예에 따르면, 분석물질의 중합효소 연쇄반응시에 펄스값을 조절하는 펄스 변조 방식을 이용하여 정량화된 온도값을 설정함에 따라 복수의 챔버가 동시에 작동 가능하다.
중합효소 연쇄반응 챔버 칩의 가장 큰 문제 중 하나는 모든 챔버를 동시에 작동 시키는 것이다. 모든 챔버들을 동시에 동작 하도록 하려면 하나의 챔버에 하나의 온도 조절 시스템이 필요하다. 기존의 방식으로 중합효소 연쇄반응 챔버를 구동할 경우 수십 대의 온도 조절 시스템을 사용해야 하기 때문에 효율성이 떨어지며, 또한 비용도 많이 들게 된다. 일 실시예에 따르면 전술한 문제를 해결하기 위해서 펄스 변조 방식(pulse width modulation, PWM)을 이용한다. PWM 방식은 펄스폭을 조절하여 원하는 값을 만들어 내는 방식이다.
특히, 펄스를 이용하여 가열기에 전류를 흘러주면 시간에 따라 몇 개의 펄스가 인가 됐는지에 알 수 있기 때문에 PCR 과정에서의 온도에 관한 정량화된 값을 얻을 수 있다. 도 18은 PWM 형태의 전류를 프로그램화 하여 인가해 줄 수 있는 장비이다. 도 19를 참조하면, 챔버들에 전원 공급을 하기 위해서 가열기 부분을 3차원 배선 방식으로 제조하여 전원 공급용 PCB 기판과 접촉 방식으로 전류가 흐르도록 한다.
요약하면, 일 양상에 따른 중합효소 연쇄반응 챔버 칩은 생체시료 내에 존재하는 분석물질을 수용하는 복수의 챔버를 포함함에 따라 유전자의 증폭 및 배양을 쉽고 빠르게 할 수 있다.
나아가, 서로 별개의 다른 층에 형성되는 가열기 및 센서를 포함함에 따라 가열기와 센서를 공간적으로 분리시켜 가열하는 과정에서 발생되는 열 간섭을 없애주고 가열기-분석물질-센서 사이의 열적 평형을 이룰 수 있다.
나아가, 복수의 챔버는 미리 설정된 폭 및 간격으로 서로 이격되게 배치되거 나 공기 터널을 포함하여 복수의 챔버 간 열 간섭을 최소화할 수 있다.
나아가, 가열기 및 센서의 배선은 비아 홀(via hole)을 이용한 3차원 전극 배선 구조로 형성됨에 따라 분석물질의 측정이 편리하다.
나아가, 중간층, 하부기판 및 상부기판 중 적어도 두개가 드라이 필름 레지스트(Dry Film Resist)을 이용한 폴리머 본딩(Polymer Bonding)을 통해 접합될 수 있다.
나아가, 분석물질의 중합효소 연쇄반응시에 펄스값을 조절하는 펄스 변조 방식을 이용하여 정량화된 온도값을 설정함에 따라 복수의 챔버가 동시에 작동 가능하다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중합요소 연쇄반응 챔버 칩을 도시한 개관도,
도 2는 일 실시예에 따라 열 발산제(heat-sink)를 포함하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩을 도시한 도면,
도 3은 일 실시예에 따라 공기 터널(air tunnel)을 이용한 중합효소 연쇄반응 챔버 칩을 도시한 도면,
도 4는 일 실시예에 따른 공기 터널을 통한 중합효소 연쇄반응 챔버 칩의 냉각 메커니즘을 도시한 참조도,
도 5는 일 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 챔버 칩 제조 공정도,
도 6은 일 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 챔버 칩의 중간층의 세부 공정도,
도 7은 일 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 챔버 칩의 상부기판 및 하부기판의 세부 공정도,
도 8은 중합효소 연쇄반응 챔버 칩을 제조하기 위한 마스크 레이아웃(mask layout)을 나타낸 도면,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 브라스터를 이용한 샌드위치 구조의 중합효소 연쇄반응 챔버 칩을 설명하기 위한 참조도,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 유리 웨이퍼를 이용하여 공기 터널을 포함하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩 제조과정을 설명하기 위한 참조도,
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 백금을 이용한 가열기 및 센서의 제조 공정을 설명하기 위한 참조도,
도 12는 일 실시예에 따른 센서의 제조 공정을 설명하기 위한 참조도,
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 블라스터 에칭 공정을 이용한센서 제조과정을 설명하기 위한 참조도,
도 14는 열 발산제 또는 공기 터널을 포함하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩을 도시한 도면,
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 따른 열 발산제를 포함하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩의 열 간섭 차단 효과를 설명하기 위한 참조도,
도 16 내지 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 터널을 포함하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩의 열 간섭 차단 효과를 설명하기 위한 참조도,
도 18 및 도 19는 일 실시예에 따른 펄스 변조 방식을 이용한 중합효소 연쇄반응 챔버 칩을 설명하기 위한 참조도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 중합효소 연쇄반응 챔버 칩 10 : 센서
12 : 상부기판 20 : 가열기
22 : 하부기판 30 : 챔버
32 : 중간층

Claims (24)

  1. 삭제
  2. 가열기를 포함하는 하부기판;
    복수의 챔버를 포함하는 중간층; 및
    센서를 포함하는 상부기판을 포함하며,
    상기 복수의 챔버 사이에 공기 터널을 포함하는 것을 특징으로 하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 챔버는 내부에 열 발산제(heat-sink)를 포함하는 것을 특징으로 하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 중간층의 재질은 실리콘 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 복수의 챔버는 미리 설정된 폭 및 간격으로 서로 이격되게 배치되어 상기 복수의 챔버 간 열 간섭을 최소화하는 것을 특징으로 하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 실리콘 웨이퍼는 마이크로 블라스터 에칭 공정을 통해 실리콘 구조체(mass)가 형성되는 것을 특징으로 하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 중간층의 재질은 열 차단을 위한 유리 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩.
  8. 삭제
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 가열기 및 상기 센서를 포함하는 기판의 재질은 열 차단을 위한 유리 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 챔버 간의 열 간섭을 차단하기 위해 상기 하부기판 및 상기 상부기판을 상기 중간층과 동일한 형상으로 구성하는 것을 특징으로 하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 하부기판, 상기 상부기판 및 상기 중간층은 공기 터널을 포함하는 동일한 형태인 것을 특징으로 하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 상부기판 및 하부기판에 비아 홀(via hole)을 형성하되, 상기 가열기 및 상기 센서의 배선은 상기 비아 홀을 이용한 3차원 전극 배선 구조인 것을 특징으로 하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 비아 홀은 마이크로 블라스터 에칭 공정을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩.
  14. 제 2 항에 있어서,
    상기 중간층, 상기 하부기판 및 상기 상부기판은 드라이 필름 레지스트(Dry Film Resist)을 이용한 폴리머 본딩(Polymer Bonding)을 통해 접합되는 것을 특징으로 하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩.
  15. 제 2 항에 있어서,
    분석물질의 중합효소 연쇄반응시에 펄스값을 조절하는 펄스 변조 방식을 이용하여 정량화된 온도값을 설정함에 따라 상기 복수의 챔버가 동시에 작동 가능한 것을 특징으로 하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩.
  16. 제 2 항에 있어서,
    상기 중합효소 연쇄반응 챔버 칩은 랩온어칩(lab-on-a-chip)으로 구현되는 것을 특징으로 하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩.
  17. 복수의 챔버 사이에 공기 터널을 포함하는 중간층이 형성되는 단계;
    가열기를 포함하는 하부기판이 형성되는 단계;
    센서를 포함하는 상부기판이 형성되는 단계; 및
    상기 상부기판, 상기 중간층 및 상기 하부기판 중 적어도 두개가 본딩되는 단계를 포함하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩 제조방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 복수의 챔버 사이에 공기 터널을 포함하는 중간층이 형성되는 단계는,
    사진석판술을 이용하여 상기 복수의 챔버가 형성될 자리가 노출된 챔버용 패턴이 형성되는 단계;
    상기 노출된 챔버가 형성될 자리가 마이크로 블라스터 에칭(micro blaster etching)되는 단계; 및
    상기 챔버용 패턴이 제거되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩 제조방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 복수의 챔버 사이에 공기 터널을 포함하는 중간층이 형성되는 단계에서의 상기 복수의 챔버는 열 발산제(heat-sink)가 포함되는 것을 특징으로 하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩 제조방법.
  20. 제 17 항에 있어서, 상기 복수의 챔버 사이에 공기 터널을 포함하는 중간층이 형성되는 단계는,
    상기 복수의 챔버가 미리 설정된 폭 및 간격으로 서로 이격되게 배치되어 상기 복수의 챔버 간 열 간섭을 최소화하는 것을 특징으로 하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩 제조방법.
  21. 삭제
  22. 제 17 항에 있어서, 상기 가열기를 포함하는 하부기판이 형성되는 단계 및 상기 센서를 포함하는 상부기판이 형성되는 단계는,
    상기 가열기 및 상기 센서의 배선이 비아 홀(via hole)을 이용한 3차원 전극 배선 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩 제조방법.
  23. 제 17 항에 있어서, 상기 상부기판, 상기 중간층 및 상기 하부기판 중 적어도 두개가 본딩되는 단계는,
    상기 상부기판, 상기 중간층 및 상기 하부기판이 각각 결합되거나,
    상기 중간층 및 상기 하부기판이 결합되는 것을 특징으로 하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩 제조방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 상부기판, 상기 중간층 및 상기 하부기판의 결합 또는 상기 중간층 및 상기 하부기판의 결합시에 드라이 필름 레지스트(DFR)를 이용한 폴리머 본딩을 통해 결합되는 것을 특징으로 하는 중합효소 연쇄반응 챔버 칩 제조방법.
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