KR101138468B1 - 마이크로플루이딕 채널을 이용한 유체 내 시료 분리방법 - Google Patents

마이크로플루이딕 채널을 이용한 유체 내 시료 분리방법 Download PDF

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Abstract

마이크로플루이딕 채널을 이용한 유체 내 시료 분리방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로플루이딕 채널을 이용한 유체 내 시료 분리방법은 상부, 하부가 유체 연통하며, 하부에 홀이 형성된 곡면 구조로서, 시료가 함유된 유체를 상기 곡면 구조의 상부에서 하부로 흘림으로써 상기 곡면 구조 내에 시료를 포획하기 위한 마이크로플루이딕 채널을 이용한 유체 내 시료 분리방법으로, 상기 방법은 상부, 하부가 유체 연통하며, 하부에 홀이 형성된 곡면 구조의 마이크로플루이딕 채널의 상부로부터 하부 홀 방향으로 유체를 흘리는 단계; 및 상기 유체 내 시료를 상기 채널 내에서 포획하는 단계를 포함하며, 여기에서 상기 시료의 크기는 상기 하부 홀 보다 큰 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 마이크로플루이딕 채널은 하부에 소정 크기의 홀이 형성된 곡면 구조로서, 채널 하부에 구비되는 홀보다 큰 크기를 갖는 유체 내 시료는 상기 곡면 형태의 마이크로플루이딕 채널 내에서 포획되어, 유체로부터 분리될 수 있다. 또한, 하부 홀의 크기를 폴리머 전사층 높이의 식각 조절만으로 간단히 조절할 수 있으므로, 다양한 크기의 유체 내 시료를 효과적으로 분리할 수 있다.

Description

마이크로플루이딕 채널을 이용한 유체 내 시료 분리방법{Method for separating sample in fluid using microfluidic channel}
본 발명은 마이크로플루이딕 채널을 이용한 유체 내 시료 분리방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하부에 소정 크기의 홀이 형성된 곡면 구조로서, 채널 하부에 구비되는 홀보다 큰 크기를 갖는 유체 내 시료는 상기 곡면 형태의 마이크로플루이딕 채널 내에서 포획되어, 유체로부터 분리될 수 있고, 또한, 하부 홀의 크기를 폴리머 전사층 높이의 식각 조절만으로 간단히 조절할 수 있으므로, 다양한 크기의 유체 내 시료를 효과적으로 분리할 수 있는, 마이크로플루이딕 채널을 이용한 유체 내 시료 분리방법에 관한 것이다.
마이크로플루이딕 채널이란 유체가 흐르는 채널로서, 채널의 크기가 마이크론 또는 나노의 단위를 가지는 채널을 말한다.
마이크로플루이딕 채널은 랩온어칩(Lab-on-a-chip, LOC : 칩 위의 실험실이라는 의미)과 같이 작은 칩에서 유체 채널로 널리 사용되는데, 랩온어칩을 개발하기 위해서는 플라스틱이나 유리, 실리콘 등의 표면에 용액이 흐를 수 있는 미세 채널인 마이크로플루이딕 채널 회로를 제작한 후, 시료의 전처리, 분리, 희석, 혼합, 생화학 반응, 검출 등을 하나의 칩에 소형화 및 집적화시킬 수 있어야만 한다. 따라서, 상기 랩온어칩에 있어서 마이크로플루이딕 공학 기술은 매우 중요하다.
일반적인 마이크로플루이딕 채널은 포토리소그래피 공정 등의 미세가공 기술로 만들어진 미세채널 구조에 덮개를 덮는 방식으로 제조되는데, 포토리소그래피 공정은 경제성이 떨어지고, 기판이 주로 실리콘 기판으로 제한된다는 문제가 있다. 또한, 종래의 마이크로플루이딕 채널은 그 자체로서 유체에 포함된 시료의 분리 공정을 수행하기보다는 유체를 특정 기능을 수행하는 챔버로 보내는 이송통로로만 기능하였다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 유체에 함유된 시료의 분리를 효과적으로 수행할 수 있는 새로운 마이크로플루이딕 채널을 이용한 시료분리 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상부, 하부가 유체 연통하며, 하부에 홀이 형성된 곡면 구조로서, 시료가 함유된 유체를 상기 곡면 구조의 상부에서 하부로 흘림으로써 상기 곡면 구조 내에 시료를 포획하기 위한 마이크로플루이딕 채널을 이용한 유체 내 시료 분리방법으로, 상기 방법은 상부, 하부가 유체 연통하며, 하부에 홀이 형성된 곡면 구조의 마이크로플루이딕 채널의 상부로부터 하부 홀 방향으로 유체를 흘리는 단계; 및 상기 유체 내 시료를 상기 채널 내에서 포획하는 단계를 포함하며, 여기에서 상기 시료의 크기는 상기 하부 홀 보다 큰 것을 특징으로 하는 마이크로플루이딕 채널을 이용한 유체 내 시료 분리방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유체는 상기 하부 홀을 통하여 외부로 흐르게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유체는 펌프 또는 중력에 의하여 흐른다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 곡면 구조는 반구 형상이며, 상기 시료는 세포로서, 특히 단일 세포일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 마이크로플루이딕 채널은 곡면 형상을 포함하는 주형 패턴에 폴리머 전사층을 상기 주형 패턴 높이보다 두꺼운 두께로 적층하여, 상기 곡면 형상을 상기 폴리머 전사층에 전사시키는 단계; 상기 전사된 폴리머 전사층의 두께를 감소시켜 상기 주형 패턴의 일부가 노출되도록 하여, 폴리머 전사층에 전사된 상기 곡면 형상에 상기 하부에 홀이 형성된 곡면 구조를 형성시키는 단계; 및 상기 주형 패턴으로부터 상기 폴리머 전사층을 분리하는 단계를 포함하는 공정에 의하여 제조되며, 상기 폴리머 전사층의 두께 감소는 반응성 이온 식각 공정에 의하여 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로플루이딕 채널은 하부에 소정 크기의 홀이 형성된 곡면 구조로서, 채널 하부에 구비되는 홀보다 큰 크기를 갖는 유체 내 시료는 상기 곡면 형태의 마이크로플루이딕 채널 내에서 포획되어, 유체로부터 분리될 수 있다. 또한, 하부 홀의 크기를 폴리머 전사층 높이의 식각 조절만으로 간단히 조절할 수 있으므로, 다양한 크기의 유체 내 시료를 효과적으로 분리할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 마이크로플루이딕 채널의 사시도이다.
도 2a 내지 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로플루이딕 채널 제조방법의 단계도이다.
이하, 본 발명의 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 발명은 곡면 구조로서, 하부에는 소정 크기의 홀이 형성된 마이크로플루이딕 채널을 제공한다. 만약, 유체가 액체만으로 이루어진 경우, 마이크로플루이딕 채널의 하부 홀을 통하여 유체는 위-아래로 연통할 수 있지만, 상기 유체 내에서 액체 상태가 아닌 고형화된 시료가 함유된 경우, 마이크로플루이딕 채널은 상기 시료를 분리시키는 분리챔버로서 기능하게 된다.
이하 도면을 이용하여 본 발명에 따른 마이크로플루이딕 채널을 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 마이크로플루이딕 채널의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 마이크로플루이딕 채널(110)은 곡면 형상, 즉, 반구 형상으로서 하부에 소정 크기의 홀(120)이 형성되어 있다. 마이크로플루이딕 채널은 상기 홀(120)을 통하여 위, 아래가 유체 연통한다. 여기에서 유체 연통이란, 액체 등의 유체가 상기 홀을 통하여 자유롭게 아래로 이동하는 것을 말한다.
본 발명은 상기 홀(120)의 크기 조절을 통하여, 유체 내에 함유된 시료의 분리, 포획을 달성하는데, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로플루이딕 채널 제조방법은 상기 홀(120) 크기 조절이 용이하다는 장점이 있는데, 이는 이하 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로플루이딕 채널 제조방법을 상세히 설명한다.
도 2a 내지 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로플루이딕 채널 제조방법의 단계도이다.
도 2a를 참조하면, 먼저, 기판, 예를 들면, 실리콘 또는 유리 기판(100) 위에 반구 형상의 주형 패턴(110)을 제조한다. 상기 반구 형상의 주형 패턴은 유리 등의 기판 자체를 반구 형상으로 제조하는 방식으로 제조되거나, 또는 기판에 폴리머인 포토레지스트층을 적층한 후, 노광, 현상 공정을 통하여 제조할 수 있는데, 이는 아래에서 보다 상세히 설명한다.
도 2b를 참조하면, 상기 반구 형상의 주형 패턴(110) 위에 상기 주형 패턴의 높이(즉, 기판으로부터의 반구 패턴 높이) 이상의 두께로 폴리머 전사층(130)이 도포된다. 상기 폴리머는 PDMS, PMMA와 같은 가요성 폴리머, 또는 도포된 후 열 또는 광에 의하여 경화되는 경화성 수지일 수 있다. 상기 주형 패턴(110) 위에는 소정의 식각 보호막(120)이 선택적으로 적층될 수 있는데, 특히 주형의 재질이 폴리머인 경우, 상기 보호막(120)은 매우 중요한 기능을 수행하는데, 이는 아래에서 상세히 설명한다.
도 2c를 참조하면, 주형 패턴(110)에 도포된 폴리머 전사층(130)의 높이를 감소시키는데, 상기 높이 감소는 폴리머 전사층(130)에 대한 산소 반응성 이온 식각 공정 등에 의하여 수행될 수 있다. 상기 높이의 감소에 따라 반구의 하부 홀 크기가 결정되는데, 만약 높이 감소가 큰 경우 보다 넓은 크기의 홀이 형성되지만, 그 반대인 경우 작은 크기의 하부 홀이 형성된다. 이와 같이 식각 공정 시간의 조절 등을 통하여 홀 크기를 간단히 조절할 수 있다.
또한, 폴리머 전사층(130) 높이의 감소에 따라 노출되는 반구 형상의 주형 패턴을 식각 공정으로부터 보호하는 것이 중요한데, 만약, 식각 공정에 따라 노출되는 반구 형상의 주형 패턴 자체가 감소하는 경우, 반구 형상으로서 하부의 소정 크기 홀이 형성된 마이크로플루이딕 채널을 제조할 수 없으며, 더 나아가, 한 번 사용한 주형을 또 다른 공정에 사용할 수 없기 때문에, 공정 경제성이 떨어진다.
이러한 측면에서, 주형 자체가 유리나 실리콘인 경우에는 산소 반응성 이온 식각 공정으로부터 주형이 보호되나, 주형이 폴리머인 경우가 문제가 된다.
이를 위하여, 본 발명의 또 다른 일 실시예는 상기 주형 패턴 위에 금속 박막을 보호막으로 적층시키는 방식으로 반구 형상의 주형을 보호하는데, 이는 다음에 보다 상세히 설명한다.
도 2c에서 도시한 바와 같이, 높이가 낮아지는 폴리머 전사층(130) 사이로 반구 형상의 주형 패턴(120)이 일부 노출되게 되며, 이로써 폴리머 전사층(130)에는 곡면 구조 형상으로서 하부에 소정 크기의 홀이 형성된 반구 모양의 마이크로플루이딕 채널이 형성된다.
도 2d를 참조하면, 주형 패턴(120)으로부터 폴리머 전사층(130)은 분리되며, 상기 폴리머 전사층(130)에는 반구 형상으로서 하부에 소정 크기의 홀이 형성되어, 위, 아래가 유체 연통하는 마이크로플루이딕 채널이 형성된다. 폴리머 주형(110)의 경우 폴리머 전사층(130)과의 인터렉션 때문에 미분리 또는 분리 시의 뒤틀림 문제 등이 발생하나, 이러한 문제는 상기 주형 패턴에 적층된 금속 박막에 의하여 방지될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에서는 반구 형상의 폴리머 주형을 리플로우 공정으로 제조한 후, 이에 금속 박막을 적층시키는 방식으로, 하부에 소정 크기의 홀이 형성된 반구 형상의 마이크로플루이딕 채널을 제조하는 데, 이하 도면을 이용하여 이를 상세히 설명하다.
도 2a 및 2b를 다시 참조하면, 먼저 실시예 1 또는 2에 따라 실리콘 또는 유리 기판(100) 위에 제조된 반구 형상의 폴리머 주형(110) 위에 금속 박막인 금 박막(120)이 적층된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 금속 박막은 금이었으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다. 폴리머 주형(110) 패턴 위에 적층된 상기 금속 박막(120)은 두 가지 기능을 수행하는데, 그 중 하나는 이후 진행되는 식각 공정에서 폴리머 주형을 보호하는 것이고, 또 하나는 폴리머-폴리머 간의 인터렉션에 따른 접착을 방지하는 것이다. 또한, 본 실시예에서 폴리머 주형의 곡면 구조, 즉, 반구 형태의 폴리머 주형은 노광, 현상 공정을 통하여 제조된 수직 구조의 포토레지스트인 폴리머 주형 패턴을 열처리하여 리플로우시킴으로써 제조되었다. 본 실시예에서 상기 포토레지스트는 양성 포토레지스트인 AZ 40XT-D11이었으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다.
상기 포토레지스트층의 기판 도포 후 노광 공정 전 별도의 열처리를 수행함으로써 폴리머 주형인 포토레지스트에 함유된 기포 등을 제거하였다. 상기 기포 제거 열처리는 단계별 온도 상승 또는 가열된 플레이트와 기판 사이의 이격거리를 단계별로 감소시키는 방식으로 수행되었다.
도 2b를 다시 참조하면, 금속 박막(120)이 적층된 폴리머 주형에 또 다른 폴리머 전사층(130)이 접촉되어 적층되며, 이로써, 상기 폴리머 주형(110) 패턴은 상기 폴리머 전사층(130)에 전사된다. 반구 형상의 폴리머 주형의 패턴이 전사될 수 있도록, 상기 폴리머 전사층(130)은 PMMA나 PDMS 등과 같이 일정한 가요성을 갖는 폴리머 물질로 이루어질 수 있으나, 이 외에도 열이나 광 등의 조건에 따라 경화되는 경화성 수지도 상기 폴리머 전사층(130)으로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 도포되는 상기 폴리머 전사층(130) 두께는 폴리머 주형(110) 패턴의 높이보다 두껍지만, 이후 진행되는 반응성 이온 식각 공정에 의하여 상기 두께는 전체적으로 균일하게 감소된다. 그 결과, 반구 하부에는 소정 크기의 홀이 형성되며, 도 1에서 도시한 바와 같이 유체가 연통되는 반구 구조의 마이크로플루이딕 채널이 상기 폴리머 전사층(130)에 제조된다.
본 발명은 이와 같이 폴리머 전사층(130) 두께를 먼저 두껍게 하고, 다시 식각 공정으로 폴리머 전사층(130) 두께를 전체적으로 균일하게 감소시키는 방식으로 상부-하부가 유체 연통하는 반구 형상을 폴리머 전사층에 형성시킨다. 만약, 처음부터 얇은 두께로 폴리머 전사층을 적층하여 주형 패턴의 전사 공정을 수행하는 경우, 전체적으로 균일한 형상의 반구 패턴, 특히 하부 홀이 형성되기 어렵고, 또한 미세 크기의 하부 홀이 형성되기 어렵다.
도 2c를 다시 참조하면, 폴리머 주형(110)에 적층된 폴리머 전사층(130)은 식각되는데, 본 발명의 일 실시예에서 상기 식각은 산소 반응성 이온 식각 방식으로 수행되었다. 하지만, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않으며, 다양한 이온 식각 공정이 적용될 수 있다. 상기 산소 반응성 이온 식각에 의하여 폴리머 재질인 폴리머 전사층(130)만이 전체적으로 균일하게 식각되며, 상기 식각 공정의 진행에 따라 폴리머 주형(110)은 폴리머 전사층(130) 사이로 노출된다. 상기 주형의 노출에 따라 폴리머 전사층(130) 내의 반구 형상에는 하부 홀이 형성된다. 또한, 반응성 이온 식각 공정에 노출되는 상기 폴리머 주형(110)은 상부에 적층된 금속 박막(120)에 의하여 보호되므로, 상기 주형의 곡면 패턴은 반응성 이온 식각 공정에도 불구하고 계속 유지될 수 있다.
상기 주형 패턴이 전사된 폴리머 전사층(130)은 폴리머 주형(110)으로부터 분리된다. 이때, 상기 폴리머 주형(110)위에 적층된 금과 같은 금속 박막(120)은 전사층(130)과 주형(110) 사이의 폴리머간 인터렉션에 따른 접착을 방지하여, 주형(110)으로부터 전사층(130)이 용이하게 분리되게 한다. 상기 분리된 폴리머 전사층에는 하부가 소정 크기로 개방된 반구 구조의 마이크로플루이딕 채널이 형성되며, 상기 채널로 유입되는 유체는 아래로 흘러나가게 된다.
상술한 방법에 의하여 제조된 상기 마이크로플루이딕 채널을 이용하는 경우, 물과 같은 용매에 존재하는 시료, 예를 들면 단일 세포 등만을 상기 반구 구조의 마이크로플루이딕 채널 내에 가두어, 유체로부터 분리할 수 있다.
이를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시된 본 발명의 마이크로플루이딕 채널의 아래쪽, 즉, 반구 형상의 아래쪽으로 유체가 흐르는데, 이러한 유체 흐름의 방향은 펌프 등을 이용하거나, 자체 중력 등에 의하여 조절될 수 있다. 그 결과 마이크로플루이딕 채널 아래로 흐르는 유체는 마이크로플루이딕 채널의 하부 홀(410)을 통하여 흐르게 된다. 하지만, 상기 하부 홀의 크기보다 큰 유체 내 시료는 상기 하부 홀(410)을 통과하지 못하며, 그 결과 반구 형태의 마이크로플루이딕 채널에 갇히게 되며, 아래쪽으로 흐르는 유체에 의하여 마이크로플루이딕 채널에 고정된다. 이러한 방식으로 본 발명에 따른 마이크로플루이딕 채널은 유체의 통과, 시료의 포획이라는 두 가지 기능을 한꺼번에 수행할 수 있으므로, 단순히 유체 유동의 통로만을 제공하는 종래의 마이크로플루이딕 채널과는 그 구조, 효과가 구별된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 상부, 하부가 유체 연통하며, 하부에 홀이 형성된 곡면 구조로서, 시료가 함유된 유체를 상기 곡면 구조의 상부에서 하부로 흘림으로써 상기 곡면 구조 내에 시료를 포획하기 위한 마이크로플루이딕 채널을 이용한 유체 내 시료 분리방법으로, 상기 방법은
    상부, 하부가 유체 연통하며, 하부에 홀이 형성된 곡면 구조의 마이크로플루이딕 채널의 상부로부터 하부 홀 방향으로 유체를 흘리는 단계; 및
    상기 유체 내 시료를 상기 채널 내에서 포획하는 단계를 포함하며, 여기에서 상기 시료의 크기는 상기 하부 홀 보다 큰 것을 특징으로 하는 마이크로플루이딕 채널을 이용한 유체 내 시료 분리방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 유체는 상기 하부 홀을 통하여 외부로 흐르게 되는 것을 특징으로 하는 마이크로플루이딕 채널을 이용한 유체 내 시료 분리방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 유체는 펌프 또는 중력에 의하여 흐르는 것을 특징으로 하는 마이크로플루이딕 채널을 이용한 유체 내 시료 분리방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 곡면 구조는 반구 형상인 것을 특징으로 하는 마이크로플루이딕 채널을 이용한 유체 내 시료 분리방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 시료는 세포인 것을 특징으로 하는 마이크로플루이딕 채널을 이용한 유체 내 시료 분리방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 세포는 단일 세포인 것을 특징으로 하는 마이크로플루이딕 채널을 이용한 유체 내 시료 분리방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 마이크로플루이딕 채널은
    곡면 형상을 포함하는 주형 패턴에 폴리머 전사층을 상기 주형 패턴 높이보다 두꺼운 두께로 적층하여, 상기 곡면 형상을 상기 폴리머 전사층에 전사시키는 단계;
    상기 전사된 폴리머 전사층의 두께를 감소시켜 상기 주형 패턴의 일부가 노출되도록 하여, 폴리머 전사층에 전사된 상기 곡면 형상에 상기 하부에 홀이 형성된 곡면 구조를 형성시키는 단계; 및
    상기 주형 패턴으로부터 상기 폴리머 전사층을 분리하는 단계를 포함하는 공정에 의하여 제조된 것을 특징으로 하는 마이크로플루이딕 채널을 이용한 유체 내 시료 분리방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 폴리머 전사층의 두께 감소는 반응성 이온 식각 공정에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 마이크로플루이딕 채널을 이용한 유체 내 시료 분리방법.
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