KR101125604B1 - 패턴화된 캔틸레버 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

캔틸레버 센서; 및 상기 센서 표면에 형성된 패턴층을 포함하며, 상기 패턴층은, 친수성 영역 및 소수성 영역 중 어느 하나 이상을 포함하는 표면 패턴화된 캔틸레버 센서 및 그 제조방법이 개시된다. 상기 캔틸레버 센서는 구조가 간단하면서도 분석능이 매우 우수하며, 한번의 측정을 통해 다수의 시료를 동시 분석할 수 있다.

Description

패턴화된 캔틸레버 센서 및 그 제조방법{Patterned Cantilever and Preparation Method of the Same}
본 발명은 캔틸레버 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 표면 패턴화를 통해 시료의 이동을 제어하고, 다수의 시료에 대한 동시 분석이 가능한 캔틸레버 센서에 관한 것이다.
캔틸레버, 특히 마이크로 캔틸레버는 MEMS(micro electromechanical systems), NEMS(nano electromechanical systems)의 발전과 함께 구조적, 재료적 발전을 이루었을 뿐만 아니라 나노?생명공학의 대두로 인하여 응용 분야를 비약적으로 확장시킬 수 있었다. 바이오 센서로서의 캔틸레버는 고감도(high sensitivity), 고선택성(high selectivity) 및 비표지 검출(labeling-free detection)을 특징으로 하고 있으며, DNA, 질병 표지 단백질(marker protein) 및 저분자 생체물질을 포함한 병원성 물질(pathogen) 등을 분석 대상으로 포함하고 있다.
현재 연구되고 있는 캔틸레버를 이용한 센서들은 대기 중 또는 액체 내에서의 열 또는 가스의 흡착에 의한 질량 변화를 레이저와 같은 광원을 이용하여 측정하는 방식을 택하고 있다. 즉, 캔틸레버 표면의 변화에 의한 정적인 휨(static deflection)을 광학계를 이용하여 측정하는 방식이 대부분의 캔틸레버를 이용한 센서의 동작 원리이다.
정적인 휨에 의한 센싱 방법은 레이저와 같은 광원을 캔틸레버 표면에 조사하여 위치인식 다이오드(sensing position diode)로 집광시킴으로써 단백질 또는 유전자의 존재 여부를 파악하는 방식으로 진행된다. 그러나, 캔틸레버의 변위를 측정하는 시스템에서 생물학적 반응의 측정은 주로 액체 내에서 이루어진다. 액체 내 측정 방식은, 액체의 밀도, 점도 변화에 따른 공진 주파수의 변화 등으로 인해 실험적 오차가 크며, 댐핑(damping)으로 인한 낮은 감도(sensitivity)를 감수해야 한다.
액체 내 측정 방식으로 인한 문제점들을 해결하기 위한 예로, 버그 등(T.P. Burg et al)의 Weighing of Biomolecules, Single Cells, and Single Nanoparticles in Fluid. Nature, 446 1066 (2007)과 Nonmonotonic Energy Dissipation in Microfluidic Resonators, Physical Review Letters (2009)에는, 캔틸레버 내에 유동 채널(fluidic channel)이 결합된 구조가 소개되어 있다(도 2 참조). 그러나, 유동 채널이 결합된 캔틸레버는, 캔틸레버 내에 별도의 유동 채널이 형성되도록 가공하여야 하기 때문에 제조공정이 매우 복잡하고 수율이 낮다는 한계가 있다. 또한, 캔틸레버 내의 유동 채널을 통한 시료의 이동이 원할하게 이루어지지 않을 수 있으며, 경우에 따라서는 별도의 시료 공급장치가 요구될 수 있다.
본 발명의 일실시예의 목적은, 측정 감도가 우수하고 다양한 시료에 대한 동시분석이 가능한 캔틸레버 센서 및 상기 센서를 포함하는 측정장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 일실시예의 목적은, 상기 캔틸레버 센서의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은, 캔틸레버 센서; 및 상기 센서 표면에 형성된 표면 패턴층을 포함하며, 상기 표면 패턴층은, 친수성 영역 및 소수성 영역 중 어느 하나 이상을 포함하는 표면 패턴화된 캔틸레버 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 표면 패턴화된 캔틸레버 센서는 구조가 간단하면서도 분해능이 매우 우수하다. 또한, 한번의 측정을 통해 다수의 시료를 동시 분석할 수 있으며, 다양한 형태의 바이오 센서 또는 화학적 센서로 활용 가능하다.
도 1은 일실시예에 따른 캔틸레버 센서의 사시도이다;
도 2는 유체 채널이 결합된 종래의 캔틸레버에 대한 사시도 및 부분 확대도들이다;
도 3은 또 다른 일실시예에 따른 캔틸레버 센서의 사시도이다;
도 4 내지 7은 본 발명의 일실시예에 따른 캔틸레버 센서를 이용한 시료의 분석 과정을 나타낸 모식도들이다;
도 8은 친수성 영역의 패턴화에 사용 가능한 후보물질들에 대한 접촉각(contact angle) 측정결과를 나타낸 그래프이다;
도 9은 소수성 영역의 패턴화에 사용 가능한 후보물질들에 대한 접촉각(contact angle) 측정결과를 나타낸 그래프이다;
도 10은 개별 물질별로 채널 너비에 따른 유체의 이동 속도를 측정한 결과를 나타낸 그래프들이다;
도 11은 단차가 형성된 캔틸레버 센서를 도시한 사시도이다;
도 12는 일실시예에 따른 캔틸레버 센서의 제조방법을 나타낸 공정도이다.
본 발명은 표면이 패턴화된 캔틸레버 센서에 관한 것으로, 구체적으로는 캔틸레버 센서; 및 상기 센서 표면에 형성된 패턴층을 포함하며, 상기 패턴층은 친수성 영역 및 소수성 영역 중 어느 하나 이상을 포함하는 표면 패턴화된 캔틸레버 센서에 관한 것이다.
일실시예에서, 상기 패턴층은 유체의 이동을 유도하는 친수성 영역; 및 유체의 이동을 차단하는 소수성 영역을 포함할 수 있다. 예를 들어, 분석대상이 되는 시료가 이동하는 경로를 친수성 물질이 포함된 친수성 영역으로 형성함으로써 시료의 이동을 유도하고, 그 외 부분은 소수성 물질이 포함된 소수성 영역으로 형성함으로써 시료가 원하지 않는 방향으로는 이동하지 않도록 차단하게 된다.
캔틸레버 센서의 표면에 형성되는 패턴층을 구성하는 물질은, 친수성 또는 소수성 물질이라면 특별한 제한 없이 사용가능하다. 예를 들어, 상기 친수성 영역에 사용되는 물질로는 이산화규소(SiO2), 질화규소(SiNx), 이산화티타늄(TiO2), 금(Au) 및 친수성 자가조립단분자층(self assembled monolayer, SAM)으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하며, 상기 소수성 영역에 사용되는 물질로는 PTFE(polytetrafluoroethylene), 실란(Silane), 테트라플루오로메탄(CF4), 에폭시수지(예, SU-8 감광제) 및 소수성 자가조립단분자층으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 친수성 자가조립단분자층의 예로는, MHA(Mercaptohexadecanoic acid; (COOH(CH2)15SH), SAMs(self-assembled monolayer), MNA(mercaptoundecanoic acid) 등이 있으며, 소수성 자가조립단분자층의 예로는, HDT(hexadecanethiol; CH3(CH2)15SH), ODT-SAMs(octanedithiol self-assembled monolayer) 또는 OTS-SAMs(octadecyltrichloro-silane self-assembled monolayer) 등이 있다.
상기 자가조립단분자층(SAM)은, 화학적 구조는 동일하지만 분자들의 배열되어 있는 결정구조가 서로 달라지는 다형 현상(polymorphism)을 방지할 수 있으며, 센서 표면에 자가조립단분자층을 형성함으로써 정확한 구조의 결정을 만들어낼 수 있다는 장점이 있다. 열거된 친수성 물질 또는 소수성 물질들은, 물질의 고유 특성에 따라 유체의 이동을 유도 또는 차단하게 된다. 필요에 따라서는 유체의 이동을 촉진하기 위해서 패턴층의 두께를 각각 달리할 수 있다. 또한, 유체의 이동을 촉진하기 위해 다공성 물질이 사용될 수 있다.
일실시예에서, 표면 패턴화된 캔틸레버 센서는 친수성 영역과 소수성 영역간의 높이차를 제공하는 단차가 형성된 구조일 수 있다. 예를 들어, 유체가 이동하는 친수성 영역의 높이를 낮게 형성하고, 유체의 이동을 차단하는 소수성 영역을 상대적으로 높게 형성함으로써, 유체의 이동을 촉진 및 제어하는 효과를 높일 수 있다. 또한, 상기 단차의 높이 차이를 크게 하기 위해서, 캔틸레버 제조시 하단면에 단차를 형성한 후, 상하를 역전시킨 구조일 수 있다. 구체적으로는, 캔틸레버 센서 제조시, 돌출된 구조의 센싱부가 연결된 캔틸레버 몸체의 하단, 예를 들어, 실리콘 재질의 받침 부분에 시료가 이동할 수 있는 홈을 형성한 상태에서 상하를 역전시킨 구조이다. 일실시예에서, 상기 유체 채널의 홈은 10 내지 200 um일 수 있다. 이는 공급된 시료가 원하는 방향으로 이동하는 것을 제어하게 되고, 시료의 외부 유출을 차단하기 위한 것이다.
또 다른 일실시예에서, 캔틸레버 센서에 형성된 단차와 관련하여, 높이가 높은 단차의 상면과 벽면은 소수성 영역으로 형성하고, 높이가 상대적으로 낮은 바닥면은 친수성 영역으로 형성된 구조일 수 있다. 즉, 공급된 시료는 친수성 바닥면과 소수성 벽면으로 이루어진 채널을 통해 이동하게 된다. 이를 통해, 친수성과 소수성 영역으로 나누어진 표면의 성질 차이와 더불어, 유체가 이동하는 경로의 높이를 상대적으로 낮게 설정함으로써, 유체의 이동을 제어하는 효과를 더욱 높일 수 있다.
또 다른 일실시예에서, 캔틸레버 센서 표면에 형성된 표면 패턴층의 일부는, 셀룰로오스; 또는 기공율(prosity)이 0.2~95%이고, 기공 크기가 0.4~500 nm인 나노기공 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 패턴층 중에서 친수성 영역을 셀룰로오스 또는 나노기공 물질이 포함되도록 제조하거나, 또는 단차 형성으로 인해 낮아진 부분이 셀룰로오스 또는 나노기공 물질로 충진된 구조일 수 있다. 다공성 물질 내의 기공을 통해 유체의 이동을 보다 촉진하기 된다.
본 발명에 따른 캔틸레버 센서는, 표면에 형성된 패턴층 위에 표면 보호층을 더 포함할 수 있다. 상기 표면 보호층은, 특별히 제한되는 것은 아니나, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 또는 붕규산 유리(borosilicate glass)로 이루어진 보호층일 수 있다. 예를 들어, 친수성 영역의 높이가 상대적으로 낮게 형성한 구조의 단차를 포함하는 캔틸레버 센서의 경우에는, 높이가 낮은 친수성 영역을 폴리디메틸실록산 또는 붕규산 유리 성분으로 도포함으로써, 유체가 이동하는 친수성 영역을 보호하는 효과를 유도할 수 있다.
본 발명은 상기 표면 패턴화된 캔틸레버 센서를 포함하는 생체 물질 검출장치를 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 생체 물질 검출장치는, 멀티플렉싱(multiplexing) 캔틸레버를 포함할 수 있다. 본 발명에서 “멀티플렉싱 캔틸레버”란, 한번의 측정으로 복수 개의 서로 다른 샘플에 대한 동시 분석이 가능한 캔틸레버 센서를 의미한다. 구체적으로는, 본 발명에 따른 생체 물질 검출장치는, 나노 패턴화 기술을 이용하여, 서로 다른 유체가 흐를 수 있도록 표면을 패턴화한 복수개의 마이크로 또는 나노 사이즈의 캔틸레버를 포함한다. 패턴화된 캔틸레버 센서들이 집적화된 장치는, 각각의 캔틸레버가 개별적인 수용기(receptor)로 작용하게 된다. 예를 들어, 생체분자 (ex) DNA, 항체, 세포 또는 압타머)에 대한 바이오 센서, 또는 다양한 유기 또는 무기 화합물에 대한 화학적 센서를 위한 수용기로 활용 가능하다.
또한, 시료 투입구(reservoir)로부터 캔틸레버의 끝단까지 형성되는 패턴은 셀룰로우스 혹은 나노기공 물질을 포함할 수 있으며, 이를 통해 혈구(적혈구, 백혈구, 혈소판) 등의 제거를 위한 기능성 재료로 활용 가능하다. 따라서, 상기 측정장치는 나노기공 소재의 최적화 설계를 통해 혈장(serum 또는 plasma)내의 생체물질에 대한 속도 조절이 가능하며, 이를 통해 생체물질 분리(biosample separation)에 의한 감지(detection)가 가능하다.
또한, 본 발명은 상기 표면 패턴화된 캔틸레버 센서를 제조하는 방법을 제공한다. 일실시예에서, 표면 패턴화된 캔틸레버 센서의 제조방법은, 캔틸레버 센서의 표면에 패턴층을 형성하는 패턴화 공정을 포함하며, 상기 패턴층은 친수성 영역 및 소수성 영역 중 어느 하나 이상을 포함한다.
일실시예에서, 상기 제조방법은 센서 표면에 패턴에 따른 높이차를 제공하는 단차 형성 공정을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 캔틸레버 센서 표면의 패턴층은 친수성 영역과 소수성 영역간의 높이차를 제공하는 단차가 형성된 구조일 수 있다. 즉, 유체가 이동하는 친수성 영역의 높이를 낮게 형성하고, 유체의 이동을 차단하는 소수성 영역을 상대적으로 높게 형성함으로써, 유체의 이동을 촉진 및 제어하는 효과를 높일 수 있다. 형성된 단차의 높이는 특별히 제한되는 것은 아니나, 10 내지 200 um 범위일 수 있다.
캔틸레버 센서의 표면에 단차를 형성하는 방법은, 특별히 제한되지 않으나, 미세 기계가공을 통해 캔틸레버의 높이차를 형성하는 방법, 또는 캔틸레버 센서의 표면에 형성되는 패턴층의 도포 두께를 달리하는 방법 등이 활용될 수 있다.
일실시예에서, 캔틸레버 센서의 표면에 단차를 형성하는 방법은, 캔틸레버를 형성하는 일차 에칭 공정; 및 캔틸레버의 후면을 식각하여 단차를 형성하는 이차 에칭 공정을 포함할 수 있다. 제조된 캔틸레버는, 단차가 형성된 면이 위로 오도록 캔틸레버의 상하를 역전시켜 사용하게 된다.
예를 들어, 실리콘 질화물층, 실리콘층 및 실리콘 질화물층이 순차적으로 적층된 구조로부터 캔틸레버 센서를 제조할 수 있다. 먼저, 실리콘층의 위?아래에 적층된 실리콘 질화물층에 에칭을 가하지 않을 부분에는 표면보호층을 형성하고, 그 외 부분에 대해서는 에칭을 가하게 된다 (포토리토그래피(photolithography) 기법). 그런 다음, 실리콘층의 하단부를 실리콘 습식 에칭(Si wet etching)하여 캔틸레버 구조를 형성하게 된다. 또한, 실리콘의 바닥면을 10 내지 200 um 깊이로 홈을 식각함으로써, 단차를 형성할 수 있다. 제조된 캔틸레버 센서는, 상하를 역전시킨 상태에서 시료에 대한 분석을 실시하게 된다. 또한, 형성된 단차는 캔틸레버 센서에 공급된 시료의 흐름을 유도하는 역할을 한다.
일실시예에서, 상기 패턴층은 친수성 영역 또는 수소성 영역을 포함하거나, 혹은 친수성 영역과 소수성 영역을 모두 포함할 수 있다. 캔틸레버 센서의 표면에 형성되는 패턴층을 구성하는 물질은, 친수성 또는 소수성 물질이라면 특별한 제한 없이 사용가능하다. 예를 들어, 상기 친수성 영역에 사용되는 물질로는 이산화규소(SiO2), 질화규소(SiNx), 이산화티타늄(TiO2), 금(Au) 및 친수성 자가조립단분자층(self assembled monolayer, SAM)으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하며, 상기 소수성 영역에 사용되는 물질로는 PTFE(polytetrafluoroethylene), 실란(Silane), 테트라플루오로메탄(CF4), 에폭시수지(예, SU-8 감광제) 및 소수성 자가조립단분자층으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 친수성 자가조립단분자층의 예로는, MHA(Mercaptohexadecanoic acid; (COOH(CH2)15SH), SAMs(self-assembled monolayer), MNA(mercaptoundecanoic acid) 등이 있으며, 소수성 자가조립단분자층의 예로는, HDT(hexadecanethiol; CH3(CH2)15SH), ODT-SAMs(octanedithiol self-assembled monolayer) 또는 OTS-SAMs(octadecyltrichloro-silane self-assembled monolayer) 등이 있다.
또 다른 일실시예에서, 캔틸레버 센서에 형성된 단차와 관련하여, 높이가 높은 단차의 상면과 벽면은 소수성 영역으로 형성하고, 높이가 상대적으로 낮은 바닥면은 친수성 영역으로 형성할 수 있다. 이를 통해, 친수성과 소수성 영역으로 나누어진 표면의 성질 차이와 더불어, 유체가 이동하는 경로의 높이를 상대적으로 낮게 설정함으로써, 유체의 이동을 제어하고, 이동 속도를 높일 수 있다는 장점이 있다.
일실시예에서, 상기 제조방법은, 패턴화 공정 이후에, 자외선(UV)을 조사하여 표면을 활성화하는 공정을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, UV 램프를 이용하여 표면처리를 하면, 패턴층을 활성화시켜 유체의 이동을 촉진할 수 있다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 표면 패턴화된 캔틸레버 센서의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다. 도 1에는, 다수의 캔틸레버 센서(10)가 연결된 멀티플렉싱 구조의 캔틸레버 센서가 도시되어 있다. 캔틸레버 센서(10)의 상단 표면은 친수성 영역(20)과 소수성 영역(30)으로 나뉘어져 패턴화되어 있는 구조이다. 액상의 시료(40)를 캔틸레서 센서(10)에 공급하게 되면, 친수성 영역(20)을 따라 시료가 이동하게 되며, 소수성 영역(30)으로는 시료의 이동이 차단된다.
도 3에는 캔틸레버 센서(10)의 표면 패턴층에 단차(50)가 형성되어 있는 구조가 도시되어 있다. 구체적으로는, 시료가 이동하는 친수성 영역(20)을 상대적으로 낮게 형성하고, 시료의 흐름을 차단하는 소수성 영역(30)은 상대적으로 높게 형성되어 있는 구조이다. 또한, 시료가 이동하는 부분의 바닥면은 친수성 영역(20)으로 형성하고, 단차(50)의 벽면은 소수성 영역으로 형성함으로써, 시료의 이동을 제어 및 촉진하는 효과를 높일 수 있다.
도 4 내지 7은 본 발명의 일실시예에 따른 캔틸레버 센서를 이용한 시료의 분석과정을 순서대로 나타낸 모식도이다. 먼저, 도 4를 참조하면, 캔틸레버 센서(100)의 상부 표면 중에서 시료가 이동하는 부분은 친수성 영역(200)으로 형성하고, 그 외 부분은 소수성 영역(300)으로 형성하였다. 액상의 시료(400)를 캔틸레버 센서(100)에 공급하면(도 5 참조), 공급된 시료(400)는 친수성 영역(200)을 따라 캔틸레버 센서(100)의 끝단으로 이동하게 되며, 소수성 영역(300)으로는 이동이 차단된다(도 6 및 7 참조).
도 11에는 본 발명의 일실시예에 따른 캔틸레버 센서의 사시도가 도시되어 있다. 도 11을 참조하면, 다수의 캔틸레버 센서가 연결된 멀티플렉싱 구조이다. 또한, 시료의 이동을 위한 단차가 형성되어 있으며, 기존이 캔틸레버 센서와는 달리 상하가 역전된 구조이다. 액상의 시료를 캔틸레서 센서에 공급하게 되면, 홈이 깊게 파인 홈을 따라 시료가 이동하게 되며, 형성된 단차는 시료가 이동 경로를 이탈하는 것을 방지하게 된다.
도 12에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 캔틸레버 센서의 제조방법이 순차적으로 도시되어 있다. 상기 제조방법은 캔틸레버를 형성하는 일차 에칭 공정((a)~(c) 공정)과, 유체 채널을 형성하는 이차 에칭 공정((d)~(e) 공정)을 포함한다. 또한, 도 12에 도시된 캔틸레버는 실리콘 질화물층, 실리콘층, 및 실리콘 질화물층이 순차적으로 적층된 적층 구조체로부터 제조하게 된다. 먼저, 포토리토그래피(photolithography) 방법을 통해 에칭을 가하지 않을 부분은 보호 필름으로 도포한다((a) 공정). 보호 필름으로 도포되지 않은 부분의 실리콘 질화물은 에칭을 통해 제거한다((b) 공정)). 실리콘 습식 에칭(Si wet etching)을 통해 실리콘층의 하단부를 에칭하여 캔틸레버의 구조를 형성한다((c) 공정)). 그런 다음, 다시 포토리토그래피 방법을 이용하여, 적층 구조체의 하단에 단차를 형성할 부분의 보호 필름을 제거한다((d) 공정). 단차를 형성할 부분의 실리콘 질화물층을 제거하고, 실리콘층을 식각한다((e) 공정). 단차 형성을 위한 식각이 마무리되면, 보호 필름을 제거한 후, 캔틸레버 센서의 상하를 역전시킨다.
이하, 실험예 등을 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
[실험예 1] 패턴화를 위한 후보 물질들에 대한 접촉각(contact angle) 측정실험
표면 패턴화된 캔틸레버 센서 제조시, 패턴을 형성하기에 최적화된 물질을 선별하기 위한 실험을 실시하였다. 캔틸레버 센서의 표면 패턴화를 위해 사용할 친수성 물질과 소수성 물질을 선별하였으며, 구체적으로는 각 후보 물질들의 접촉각(contact angle)를 측정하였다.
친수성 물질로는 이산화규소(SiO2), 질화규소(SiNx), 이산화티타늄(TiO2), 금(Au) 및 자가조립단분자층(SAM)을 대상으로 실험을 진행하였으며, 소수성 물질로는 테프론(Teflon; polytetrafluoroethylene), 실란(silane), 테트라플루오로메탄(CF4), 및 SU-8 감광제(에폭시 수지)를 대상으로 각각 실험을 진행하였다.
실험결과는 도 8 및 9에 나타내었다. 도 8을 참조하면, 친수성 후보 물질들 중에서는, 이산화티타늄(TiO2)의 접촉각이 가장 낮게 측정되어, 친수성이 가장 높은 것으로 나타났다. 다음으로 질화규소(SiNx), 자가조립단분자층(SAM), 이산화규소(SiO2) 순이었으며, 금(Au)의 친수성이 가장 낮은 것으로 나타났다. 또한, 도 9를 참조하면, 테트라플루오로메탄(CF4)의 접촉각이 가장 높게 측정되어, 소수성이 가장 높은 것으로 나타났다.
[실험예 2] 채널의 폭에 따른 유체의 이동속도 측정실험
친수성 물질로 금(Au)을 사용하고, 소수성 물질로 SU-8 감광제를 사용하여, 도 1에 도시된 바와 같이, 캔틸레버 센서의 표면을 패턴화하였다. 포토리토그라피(photolithography) 기술을 이용하여 캔틸레버의 표면을 패턴화하였으며, 유체의 이동 통로가 되는 채널의 폭을 각각 달리하였다.
그런 다음, 채널의 폭을 달리한 각각의 캔틸레버에 액체 상태의 시료를 투입한 후, 유체의 이동 속도(velocity(um/s))를 측정하였다. 또한, 친수성 영역(Au)에 UV 램프로 표면 처리한 경우[Au + SU-8(UV lamp)], SAM(self assembled monolayer)을 처리한 경우[Au + SU-8(SAM)], 그리고 추가적인 처리를 하지 않은 경우(as-received)[Au + SU-8]에 대해서 각각 실험을 진행하였다. 측정결과는 도 10과 같다.
도 10에는 유체가 흘러가는 이동 속도(volumetric velocity)를 측정한 결과를 나타내었으며, x 축은 채널의 폭을 의미한다. 채널의 폭이 약 40 um 이하인 경우에는 항력(drag force)에 의해 유체가 흐르지 않으나, 임계 폭 이상일 경우 유체가 흐른다는 것을 확인하였다. 또한, 패턴화된 표면을 표면 처리함으로써, 유체의 이동 속도가 향상되었으며, 특히 UV 램프로 표면 처리한 경우에 효과가 우수한 것으로 나타났다.
[실험예 3] 채널의 폭에 따른 유체의 이동속도 측정실험
친수성 물질로 이산화규소(SiO2)를 사용하고, 소수성 물질로 테프론(Teflon; polytetrafluoroethylene)을 사용하여, 도 1에 도시된 바와 같이, 캔틸레버 센서의 표면을 패턴화하였다. 포토리토그라피(photolithography) 기술을 이용하여 캔틸레버의 표면을 패턴화하였으며, 유체의 이동 통로가 되는 채널의 폭을 각각 달리하였다.
그런 다음, 채널의 폭을 달리한 각각의 캔틸레버에 액체 상태의 시료를 투입한 후, 유체의 이동 속도(velocity(um/s))를 측정하였다. 또한, 패턴화된 표면에 별도의 표면처리를 하지 않은 경우[SiO2 + Teflon], 그리고 UV 램프로 표면처리한 경우[SiO2 + Teflon(UV lamp)]에 대해서 각각 실험을 진행하였다. 실험결과, UV 램프로 표면처리한 경우[SiO2 + Teflon(UV lamp)]에 유체의 이동 속도가 2 배 가량 향상되는 것으로 나타났다.
10, 100: 캔틸레버 센서, 20, 200: 친수성 영역,
30, 300: 소수성 영역, 40, 400: 분석대상 시료,
50: 단차

Claims (15)

  1. 캔틸레버 센서; 및 상기 센서 표면에 형성된 패턴층을 포함하며,
    상기 패턴층은, 친수성 영역 및 소수성 영역을 포함하는 채널을 형성하며,
    상기 채널은 소수성 영역의 벽면과 친수성 영역의 바닥면을 포함하는, 표면 패턴화된 캔틸레버 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴층은, 유체의 이동을 유도하는 친수성 영역; 및 유체의 이동을 차단하는 소수성 영역을 포함하는 유체 채널을 형성하는 표면 패턴화된 캔틸레버 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 친수성 영역은 이산화규소(SiO2), 질화규소(SiNx), 이산화티타늄(TiO2), 금(Au) 및 친수성 자가조립단분자층(self assembled monolayer, SAM)으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상을 함유하고,
    상기 소수성 영역은 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE), 실란(Silane), 테트라플루오로메탄(CF4), 에폭시수지 및 소수성 자가조립단분자층으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상을 함유하는 표면 패턴화된 캔틸레버 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 캔틸레버 센서는, 친수성 영역과 소수성 영역간의 높이 차이를 제공하는 단차가 형성된 구조인 표면 패턴화된 캔틸레버 센서.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 단차의 높이는 10 내지 200 um인 표면 패턴화된 캔틸레버 센서.
  6. 제 4 항에 있어서,
    소수성 영역이 친수성 영역보다 높은, 표면 패턴화된 캔틸레버 센서.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면 패턴층의 일부는,
    셀룰로오스; 또는
    기공율(porosity)이 0.2~95%이고, 기공 크기가 0.4~100 nm인 나노기공 물질을 포함하는 표면 패턴화된 캔틸레버 센서.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 캔틸레버 센서는, 패턴층 위에, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 또는 붕규산 유리(borosilicate glass)로 이루어진 표면 보호층을 포함하는 표면 패턴화된 캔틸레버 센서.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 상기 캔틸레버 센서를 포함하는 표면 패턴화된 캔틸레버 센서 기반 생체 물질 검출장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 캔틸레버 센서는 동시분석이 가능한 멀티플렉싱(multiplexing) 캔틸레버인 표면 패턴화된 캔틸레버 센서 기반 생체 물질 검출장치.
  11. 제 1 항에 따른 표면 패턴화된 캔틸레버 센서의 제조방법으로서,
    상기 제조방법은,
    캔틸레버 센서의 표면에 패턴층을 형성하는 패턴화(patterning) 공정을 포함하며,
    상기 패턴층은 유체의 이동을 유도하는 친수성 영역과 유체의 이동을 차단하는 소수성 영역으로 구성되는 표면 패턴화된 캔틸레버 센서의 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 캔틸레버 센서의 제조방법은, 패턴화 공정 이전에,
    센서 표면에 패턴에 따른 높이차를 제공하는 단차 형성 공정을 더 포함하는 표면 패턴화된 캔틸레버 센서의 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    형성된 단차의 높이는 10 내지 200 um인 표면 패턴화된 캔틸레버 센서의 제조방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 친수성 영역은 이산화규소(SiO2), 질화규소(SiNx), 이산화티타늄(TiO2), 금(Au) 및 친수성 자가조립단분자층(self assembled monolayer; SAM)으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 물질을 함유하고,
    상기 소수성 영역은 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE), 실란(Silane), 테트라플루오로메탄(CF4), 에폭시수지 및 소수성 자가조립단분자층으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상을 함유하는 표면 패턴화된 캔틸레버 센서의 제조방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 표면 패턴화 공정 이후에, 자외선(UV)을 조사하여 표면을 활성화하는 공정을 더 포함하는 표면 패턴화된 캔틸레버 센서의 제조방법.
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