KR101375572B1 - 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체제어장치 및 이를 이용한 미세입자 또는 미세유체방울 구동방법 - Google Patents

수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체제어장치 및 이를 이용한 미세입자 또는 미세유체방울 구동방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자를 포함한 광전기유체제어장치에 관한 것으로서, 빛이 조사되는 경로에 위치하고, 주입되는 미세입자 또는 미세유체방울을 독립적으로 포획할 수 있는 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자, 상기 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자에 빛을 조사하는 광원 및 상기 광전기유체소자에 전압을 인가하는 전원장치를 포함하며, 본 발명에 따르면, 간단한 광학 장치를 이용하여 비교적 낮은 전기적 에너지로 미세입자 및 미세유체방울의 프로그램화 포획 및 배출을 수행할 수 있으며, 이를 통해 서로 다른 종류의 미세입자 또는 서로 다른 두 개 이상의 시료를 가지는 미세유체방울의 선별적 회수가 가능하다. 또한, 제작이 용이하고 높은 생체 적합성을 가지는 수화젤 마이크로웰 어레이를 이용하면 세포 및 생체분자 등의 시료를 조작해야 하는 생물학적 응용 및 분석 분야에 이용될 수 있을 것이다. 특히, 대면적에서 다수의 미세방울을 동시에 구동할 수 있다는 장점은 초고속 스크리닝(High-throughput screening)에 기여할 수 있을 것이라 기대한다.

Description

수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체제어장치 및 이를 이용한 미세입자 또는 미세유체방울 구동방법{OPTOELECTROFLUIDIC CONTROL DEVICE INTEGRATED WITH HYDROGEL MICROWELL ARRAYS AND MANIPULATION METHOD OF MICROPARTICLE AND MICRODROPLET USING THE SAME}
본 발명은 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자를 포함한 광전기유체제어장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수화젤 마이크로웰 어레이 내에서 미세입자 또는 미세유체방울이 포획되고, 빛에 의해 유도된 유전영동(Dielectrophoresis) 및 전기습윤(Electrowetting) 원리를 이용하여 미세입자 또는 미세유체방울을 구동시키는 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자를 포함한 광전기유체제어장치 및 이를 이용한 미세입자와 미세유체방울의 구동방법에 관한 것이다.
최근 마이크로미터 단위의 다수의 미세구조가 배열된 미세유체 소자 내에서 단일 세포 및 미세입자를 빠른 속도로 특정 미세구조 내에 포획하고 주위 환경을 변화시키면서 나타나는 결과에 대해서 현미경을 통해 실시간으로 관찰하는 자동화된 미세유체 시스템이 많은 각광을 받고 있다. 특히, 단일 세포 및 미세입자에 대한 단시간 내에 높은 포획률을 달성하기 위하여 마이크로웰 어레이(microwell array) 등 새로운 디자인이 계속 제안되고 있다.
포획된 단일 세포 및 미세입자를 선택적으로 구동하고 선별하기 위해서 미세유체 밸브의 집적을 통한 기계적 유체 제어(J Am Chem Soc 129, 8825, 2007), 평판전극의 집적을 통한 유전영동과 전기습윤 원리를 이용한 전기적 조작(Lab Chip 11, 1292, 2011), 레이저를 이용한 광학 집게(optical tweezer)(Anal Chem 79, 9321, 2007) 등 다수의 미세유체제어 방법이 제안되었다.
미세유체 밸브를 이용할 경우에는 복잡한 공정과정 및 구동과정이 필요하고, 유전영동이나 전기습윤과 같은 기술의 경우에는 고정된 미세전극이 포함된 소자를 제작하기 위한 패터닝 등의 고비용의 공정과정이 동반되며 복잡한 배선작업이 필요하다. 또한, 광학 집게와 같은 광학 소자를 이용하는 경우에는 레이저 등을 구동하기 위한 복잡한 장치 구성이 필요하고 높은 광학 및 전기적 에너지에 따른 광손상(Photodamage)이 우려된다. 뿐만 아니라, 상기와 같은 기술은 소자의 특성상 휴대용 장치의 개발에는 부적합하다.
수화젤(hydrogel)은 수용성 고분자가 물리적 혹은 화학적 공유결합에 의하여 3차원의 가교를 형성하고 있는 구조로서, 다량의 물을 함유할 수 있는 물질이다. 이는 다양한 수용성 고분자로부터 제작될 수 있기 때문에 화학적 조성 및 물성을 다양하게 조절할 수 있으며 UV 및 다양한 화학적 가교 반응을 통하여 제작방법이 용이하다. 특히, 높은 물 함유율과 세포 외 기질(extracellular matrix)과의 물리화학적인 유사성으로 인하여 높은 생체적합성을 갖기 때문에 단일 세포 및 생체분자의 포획, 세포의 장시간 배양 등에 다양하게 적용될 수 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자 내에서 다양한 종류의 미세입자와 미세유체방울을 포획하고, 휴대용으로 제작할 수 있는 간단한 광학 시스템과 비교적 낮은 전압으로 포획된 미세입자 및 미세유체방울의 프로그램화된 구동 및 선별회수 등을 가능하게 하는 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체제어장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 광전기유체제어장치를 이용하여 미세입자와 미세유체방울을 구동할 수 있는 미세입자 또는 미세유체방울의 구동방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여,
빛이 조사되는 경로에 위치하고, 주입되는 미세입자 또는 미세유체방울을 독립적으로 포획할 수 있는 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자;
상기 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자에 빛을 조사하는 광원; 및
상기 광전기유체소자에 전압을 인가하는 전원장치;를 포함하는 광전기유체제어장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 광원으로부터 조사된 빛의 경로에는 상기 빛의 패턴을 변화시키기 위한 디스플레이 장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 디스플레이 장치와 상기 광전기유체소자 사이에는 디스플레이 장치로부터 출력되는 패턴이 변화된 빛을 집광시키는 하나 이상의 집광 렌즈를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 수화젤은 알지네이트, 젤라틴, 콜라겐, 키토산, 폴리에틸렌글리콜(PEG) 및 폴리(N-이소프로필아크릴아마이드)(PNIPAM) 중에서 선택되는 고분자 물질일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 미세입자 및 미세 유체 방울은 세포, 단백질 및 나노 크기의 고분자성 입자 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 광전기유체소자는,
상기 빛이 조사되는 면에 위치하고, 빛이 조사되는 영역에만 선택적으로 전압이 인가되어 전류가 도통되는 광전도성층;
상기 광전도성층 상부 표면에 형성되고, 미세입자 및 미세유체방울을 독립적으로 포획할 수 있는 수화젤 마이크로웰 어레이;
상기 광전도성층 하면에 부착되는 하부 접지층과 상기 광전도성층 상부 대향되는 면에 이격되어 위치하는 상부 접지층; 및
상기 상부 접지층과 상기 광전도성층을 이격시키는 스페이서;를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 상부 및 하부 접지층은 광전도성층에 인가되는 전압으로부터 상기 광전기유체소자에 전기장을 형성시킬 수 있으며, 상기 스페이서에 의해 이격된 공간에는 미세입자 및 미세유체방울이 주입될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 광전도성층은 상기 전원장치를 이용하여 전압을 인가하는 평판 전극; 및 상기 빛이 조사된 영역에만 선택적으로 전압을 인가시키도록 하는 광전도성 물질;을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 평판 전극은 투명한 전도성 물질로 이루어질 수 있으며, 상기 광전도성 물질은 수소화된 진성의 비정질 실리콘, 황화카드뮴 및 npn 포토트랜지스터 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 광전도성층은 상기 광전도성 물질과 상기 평판 전극 사이에 상기 광전도성 물질과 상기 전극 사이의 접촉 저항을 줄이기 위한 도핑된 중간층을 더 포함할 수 있으며, 상기 중간층은 비정질 실리콘 또는 몰리브덴으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 광전도성층은 상기 광전도성 물질상에 광전도성 물질을 보호하기 위하여 보호층을 더 포함할 수 있으며, 상기 보호층은 질소화 실리콘 또는 산화 실리콘으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 광전도성층은 상기 보호층 상에 흡착 방지층을 더 포함할 수 있으며, 상기 흡착 방지층은 무정형 불소중합체(Amorphous fluoropolymer)로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 상부 및 하부 접지층은 투명한 전도성 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 광전기유체소자의 상부 접지층에는, 연속적인 미세유동을 유도하기 위하여 미세입자 또는 미세유체방울을 포함하는 미세 유체를 수화젤 마이크로웰 어레이상에 주입할 수 있는 복수 개의 주입부; 및
상기 조사된 빛에 의해 상기 수화젤 마이크로웰 어레이로부터 배출되는 미세입자 또는 미세유체방울을 회수할 수 있는 복수 개의 배출부;가 연통되어 설치되어 있을 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 전압이 인가되고 상기 빛이 조사될 때, 상기 수화젤 마이크로웰 어레이내의 상기 미세입자 또는 미세유체방울이 전기영동 또는 전기습윤에 의해서 상기 빛이 조사된 영역 방향으로 움직이거나, 그 반대 방향으로 움직이게 되는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 빛이 조사된 영역 방향으로 움직인 상기 미세입자 또는 미세유체방울은 상기 수화젤 마이크로웰 어레이 내부로 포획될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 빛이 조사된 반대 방향으로 움직인 상기 미세입자 또는 미세유체방울은 상기 수화젤 마이크로웰 어레이 외부로 배출될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 빛이 조사되는 위치를 제어함에 따라 상기 주입된 미세입자 또는 미세유체방울이 상기 수화젤 마이크로웰 어레이 외부로 배출되는 방향성을 조절할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 전원장치로부터 인가되는 전압은 교류 또는 직류 전압일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 교류 전압이 인가될 경우, 주파수에 따라 상기 미세입자 또는 미세유체방울의 구동 방향이 변경되고, 상기 직류 전압이 인가될 경우, 전기영동에 의해 상기 수화젤 마이크로웰 어레이 내에서 상기 미세입자 또는 미세유체방울이 이동된다.
또한, 본 발명은 상기 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자를 포함하는 광전기유체제어장치를 이용한 미세입자와 미세유체방울 구동방법에 있어서,
(a) 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자에 미세입자 또는 미세유체방울을 주입하는 단계;
(b) 상기 수화젤 마이크로웰 어레이에 주입된 미세입자 또는 미세유체방울을 포획하는 단계;
(c) 상기 광전기유체소자에 광원으로부터 빛을 조사하고 전압을 인가하여 상기 미세입자 또는 미세유체방울을 구동하여 배출시키는 단계;를 포함하는 미세입자와 미세유체방울 구동방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 (c) 단계는 상기 광원에서 조사되는 빛을 상기 미세입자 또는 미세유체방울의 구동을 위한 특정 영역으로 조사하여 미세입자 또는 미세유체방울을 구동하여 배출시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 (c) 단계는 상기 빛을 조사하고 전압을 인가할 경우 상기 미세입자 또는 미세유체방울이 전기영동 또는 전기습윤에 의해 상기 특정 영역을 향해 움직이거나 그 반대 방향으로 움직일 수 있다.
본 발명에 따른 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자를 포함한 광전기유체제어장치를 이용한 미세입자와 미세유체방울 구동방법을 이용하면, 간단한 광학 장치를 이용하여 비교적 낮은 전기적 에너지로 미세입자 및 미세유체방울의 프로그램화 포획 및 배출을 수행할 수 있으며, 이를 통해 서로 다른 종류의 미세입자 또는 서로 다른 두 개 이상의 시료를 가지는 미세유체방울의 선별적 회수가 가능하다. 또한, 제작이 용이하고 높은 생체 적합성을 가지는 수화젤 마이크로웰 어레이를 이용하면 세포 및 생체분자 등의 시료를 조작해야 하는 생물학적 응용 및 분석 분야에 이용될 수 있을 것이다. 특히, 대면적에서 다수의 미세방울을 동시에 구동할 수 있다는 장점은 초고속 스크리닝(High-throughput screening)에 기여할 수 있을 것이라 기대한다.
도 1은 본 발명에 따른 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자의 구조 및 내부를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자의 제조공정을 나타낸 공정도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자에서 수화젤 마이크로웰 어레이에 의해서 미세입자 및 미세유체방울이 포획된 결과를 보여주는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자에서 미세입자 및 미세유체방울의 선별적 배출 결과를 보여주는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자에 주입부 및 배출부를 추가하여 상기 미세입자 및 미세유체방울의 선별적 배출 및 회수의 실시예를 보여주는 개념도이다.
도 6은 본 발명에 따른 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자를 이용한 미세입자 구동장치에 발생되는 전기장을 시뮬레이션한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자에서 미세입자 및 미세유체방울의 배출 방향성을 조절하는 실시예을 보여주는 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 미세입자의 구동 및 배출 결과를 보여주는 이미지이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 서로 다른 미세입자의 구동 및 배출 결과를 보여주는 이미지이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.
본 발명은 기존의 복잡한 소자와 장치 구성 대신에, 간단한 구성을 지닌 광전기유체소자와 수화젤 마이크로웰 어레이를 집적함으로써 간단한 광학 장치의 구현이 가능하도록 하고, 또한 비교적 낮은 전기적 에너지로 수화젤 마이크로웰 어레이 내에 포획된 미세입자 및 미세유체방울의 프로그램화 구동이 가능하도록 하며, 소자 제작에 필요한 시간과 비용을 절약할 수 있으며, 외부 에너지로부터 시료의 손상을 최소화할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
하기 도 1은 본 발명에 따른 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자의 구조 및 내부 구성 요소를 분리하여 개략적으로 도시한 단면도이다.
하기 도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자(1)는 수화젤 마이크로웰 어레이(10), 광전도성층(20), 상부 및 하부 접지층(30a, 30b) 및 스페이서(70)를 포함하여 이루어진다.
보다 구체적으로는 상기 빛이 조사되는 면에 위치하고, 빛이 조사되는 영역에만 선택적으로 전압이 인가되어 전류가 도통되는 광전도성층(20), 상기 광전도성층(20) 상부 표면에 형성되고, 미세입자 또는 미세유체방울(50)을 독립적으로 포획할 수 있는 수화젤 마이크로웰 어레이(10), 상기 광전도성층(20) 하면에 부착되는 하부 접지층(30a)과 상기 광전도성층 상부 대향되는 면에 이격되어 위치하는 상부 접지층(30b) 및 상기 상부 접지층(30b)과 상기 광전도성층을 이격시키는 스페이서(70)를 포함하여 구성된다.
또한, 광전도성층은 상기 전원장치를 이용하여 전압을 인가하는 평판 전극(211) 및 상기 빛이 조사된 영역에만 선택적으로 전압을 인가시키도록 하는 광전도성 물질(210)을 포함하고, 상기 광전도성 물질(210)과 상기 평판 전극(211) 사이에는 상기 광전도성 물질(210)과 상기 전극(211) 사이의 접촉 저항을 줄이기 위한 도핑된 중간층(212)을 포함하며, 상기 광전도성 물질(210)상에는 광전도성 물질(210)을 보호하기 위하여 보호층(213)을 더 포함하고, 상기 보호층(213) 상에는 흡착방지층(214)을 포함한다.
상기 수화젤 마이크로웰 어레이(10)는 알지네이트, 폴리에틸렌글리콜(PEG, Polyethylene glycol), 젤라틴, 콜라겐, 폴리(N-이소프로필아크릴아마이드(PNIPAM, Poly(N-isopropylacrylamide)), 키토산 등의 고분자 물질의 수화젤로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 의하면, 상기 수화젤 마이크로웰 어레이(10) 위에 미세유체(40)에 포함된 미세입자 또는 미세유체방울(50)을 떨어트려 주면, 상기 미세입자 또는 미세유체방울(50)의 침전 현상에 의해 상기 수화젤 마이크로웰 어레이(10) 내에 포획된다. 상기 미세입자 또는 미세유체방울(50)은 세포, 단백질 및 나노 크기의 입자 상태로 제공되어야 하는 고분자성 입자 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 수화젤 마이크로웰 어레이(10)의 높이 및 너비는 특정한 목적에 따라 조절하여 형성할 수 있다. 상기 미세입자 또는 미세유체방울(50)의 크기 및 상기 수화젤 마이크로웰 어레이(10)의 크기에 따라 복수의 미세입자 및 미세방울이 독립적으로 포획될 수 있다. 상기 스페이서(70)는 상기 광전도성층(20)과 상기 접지층(30)을 이격시키는 역할을 한다.
하기 도 2는 본 발명에 따른 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자의 제조공정을 나타낸 공정도이다.
먼저, 포토레지스트(201)가 패터닝된 실리콘 웨이퍼(202) 위에 PDMS 중합체(203)를 이용하여 몰드를 제작한다.
포토레지스트(201)는 반도체 또는 평판형 소자의 공정에 사용되는 것이라면 특별히 한정하지 않으며, 상기 포토레지스트의 형성방법 역시 상기 공정에서 사용되는 방법이라면 특별히 한정하지 않으나, UV(Ultra Violet)가 조사된 부분만 경화되는 음성 포토레지스트인 SU-8이 바람직하며, 디자인 및 공정조건에 따라 포토레지스트의 길이, 너비 및 높이가 조절될 수 있다.
다음으로 PDMS 미세채널(204)을 유리 기판(205)에 부착 후 미세채널 내에 수화젤(206)을 주입한다.
그리고, 주입된 수화젤(206)의 가교 반응(207)을 유도하여 미세채널 내에서 고체화시킨다. 일례로, PEG의 경우에는 UV를 조사하여 가교 반응을 유도하고, 알지네이트의 경우 칼슘 이온이 포함된 물질을 추가로 주입하여 가교 반응을 유도할 수 있다.
이후 상기 PDMS 미세채널(204)을 제거하면 수화젤 마이크로웰 어레이(208)가 제조된다.
상기 광전도성층(30)은 투명한 전도성 물질(예를 들면, ITO(Indium tin oxide) 또는 금 박막과 같은 투명전극)로 이루어진 평판 전극(211) 및 빛이 조사된 영역에만 선택적으로 전압을 인가하는 광전도성 물질(210)을 포함할 수 있다. 또한, 접지층(30a, 30b) 역시 상술한 평판 전극(211)과 동일한 물질로 제조될 수 있다.
상기 광전도성 물질(210)은 포토 트랜지스터 특성을 가지는 비정질 실리콘 또는 황화카드뮴(CdS)으로 이루어지는데, 유리 기판상에 투명한 전극인 상기 ITO 전극(211)이 일정 패턴으로 증착되고 나서, 그 상부면에 상기 비정질 실리콘이 증착된다.
또한, 상기 광전도성 물질(210)과 상기 ITO 전극(211) 사이에는 중간층(212)이 형성될 수 있으며, 이 중간층은 도핑된 비정질 실리콘(Doped amorphous silicon) 또는 몰리브덴(Molybden)으로 제조될 수 있다. 그리고, 상기 광전도성 물질(210)을 보호하기 위해 상기 광전도성 물질(210) 상에 보호층(213)이 형성될 수 있으며, 상기 보호층(213)은 질화 실리콘(Silicon nitride) 또는 산화 실리콘(Silicon oxide)으로 제조될 수 있다. 또한, 미세방울의 흡착현상을 방지하기 위하여 상기 보호층(213) 상에 Cytonix 社의 FluoroPel, Asahi Glass社의 CYTOP, DuPont 社의 Teflon AF 등과 같은 무정형 불소중합체(Amorphous fluoropolymer)로 이루어진 흡착 보호층(214)이 형성될 수 있다.
상기 수화젤 마이크로웰 어레이(208)는 핀셋 등을 이용하여 자유자재로 조작 및 운반 가능하므로, 상기 광전도성층(20) 상에 올려놓는다.
이후 상기 광전도성층(20)과 상기 상부 접지층(30b)을 이격시키기 위한 스페이서(70)가 포함된 상기 상부 접지층(30b)을 상기 수화젤 마이크로웰 어레이(208)가 포함된 광전도성층(20) 상에 적층시키면 본 발명에 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자가 제조된다.
본 발명은 상기 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자를 포함하는 광전기유체제어장치를 이용한 미세입자와 미세유체방울 구동방법에 있어서, (a) 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자에 미세입자 및 미세유체방울을 주입하는 단계, (b) 상기 수화젤 마이크로웰 어레이에 주입된 미세입자 및 미세유체방울을 포획하는 단계, (c) 상기 광전기유체소자에 광원으로부터 빛을 조사하고 전압을 인가하여 상기 미세입자 및 미세유체방울을 구동하여 배출시키는 단계를 포함하는 미세입자와 미세유체방울 구동방법을 제공하고, 이하에서 이에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
하기 도 3은 본 발명에 따른 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자를 포함한 광전기유체제어장치를 이용하여 미세입자 및 미세유체방울의 포획 결과를 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 광전기유체제어장치는 상기 수화젤 마이크로웰 어레이(10)에 빛(82)을 조사하는 광원(80)을 포함할 수 있다.
상기 광원(80)은 사용자가 원하는 영역 및 형상으로 명암을 형성시킬 수 있으며, 상기 하부 접지층(30a) 및 광전도성층(20)과 평행하게 배열되어 입사되도록 구비된다. 이를 위하여, 상기 광원(80)은 상기 광전기유체소자(1)에 전기장을 형성시키고 제어하며, 상기 광전기유체소자(1)에 주입되는 미세입자 또는 미세유체방울(50)을 조작하기 위한 것으로서, 할로겐 램프, 발광 다이오드 및 레이져 중 선택되는 어느 하나일 수 있고, 본 발명의 바람직한 구현예에 의하면 파장의 범위가 가시광 영역인 것이 바람직하다.
또한, 상기 광원(80)으로부터 조사된 빛의 경로에는 상기 빛(82)의 패턴을 변화시키기 위한 디스플레이 장치(미도시)를 더 포함할 수 있고, 상기 디스플레이 장치는 DMD(Digital Micromirror Device), LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), OLED(Organic Light Emitting Diode), 레이저 등이 적용될 수 있으며, 일정 신호로 사용자가 원하는 영역에 상기 빛(82)을 입사시키도록 부분적으로 발광하거나 또는 일정 신호로 사용자가 원하는 패턴을 형성시켜, 패턴이 비추는 부분에 상기 빛(82)을 입사시킬 수도 있으며, 패턴이 비추는 영역에는 명(明), 그 외의 부분에는 암(暗)을 형성시킬 수 있는 장치로 대체되는 것도 바람직하다.
또한, 상기 디스플레이 장치를 통과한 빛을 집광시키기 위해 하나 이상의 집광 렌즈(81)가 설치될 수 있다.
전원장치(60)에 의해 인가되는 전압은 교류 또는 직류 전압일 수 있으며, 교류 전압이 인가될 경우 주파수에 따라 미세입자 또는 미세유체방울(50)의 구동방향이 변경될 수 있다. 그리고, 직류 전압이 인가될 경우 전기영동에 의해 미세입자 또는 미세유체방울(50)이 이동될 수 있다.
상기 광원(80)으로부터 빛(82)이 조사되어 전압이 인가되었을 때, 상기 수화젤 마이크로웰 어레이(10) 부근에 주입된 상기 미세입자 또는 미세유체방울(50)은 전기영동 또는 전기습윤에 의해 빛이 조사된 영역의 방향 또는 반대 방향으로 움직일 수 있다.
이와 같은 특징을 이용하여, 상기 미세입자 또는 미세유체방울(50)을 상기 수화젤 마이크로웰 어레이(10) 내부에 독립적으로 포획할 수 있다. 이를 이용하면, 상기 미세입자 또는 미세유체방울(50)의 침전 현상을 통해 포획하는 것보다 보다 효과적으로 포획할 수 있다.
상기 미세입자 또는 미세유체방울(50)의 포획 속도는 상기 수화젤 마이크로웰 어레이(10)에 집속되는 전기장의 세기에 따라 달라질 수 있다. 이는 수화젤 마이크로웰 어레이(10) 단면의 모양 및 높이, 상기 스페이서(70)의 높이, 상기 전원(60)을 통해 인가된 전압의 세기에 의해 결정된다.
하기 도 4에서는 본 발명에 따른 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자를 포함하는 광전기유체제어장치를 이용한 미세입자 또는 미세유체방울의 선별적 배출 실시예를 보여준다.
본 발명에 따른 수화젤 마이크로웰 어레이(10)가 집적된 광전기유체소자(1)에 광원(80)으로부터 빛이 조사되면서 시작된다. 사용자가 원하는 영역으로 조사된 빛(82)이 상기 광전도성층(20)에 입사되면, 상기 광전도성층(20) 상부면으로 전기장이 집속되면서 미세입자 또는 미세유체방울(50)이 유전영동, 전기영동, 전기삼투, 전열효과 등에 따라 이동될 수 있다.
이와 같이 상기 미세입자 또는 미세유체방울(50)을 움직이는 영상 패턴을 이용하여 사용자가 원하는 위치로 이동시키는 광전자적 미세입자 구동장치의 기능을 이용하여, 상기 수화젤 마이크로웰 어레이(10) 내에 포획된 미세입자 또는 미세유체방울(50) 중 사용자가 원하는 타겟 미세입자 및 타겟 미세유체방울(51)을 선별적으로 구동할 수 있다. 전기장의 집속에 의해 상기 타겟 미세입자 및 타겟 미세유체방울(51)이 상기 수화젤 마이크로웰 어레이(10)로부터 z축 방향으로 멀어지게 되고, 결과적으로 상기 타겟 미세입자 및 미세유체방울(51)은 상기 수화젤 마이크로웰 어레이(10) 외부로 배출되게 된다.
하기 도 5에서는 본 발명에 따른 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자에 주입부 및 배출부를 추가하여 상기 미세입자 또는 미세유체방울의 선별적 배출 및 회수의 실시예를 보여준다.
상기 상부 접지층(30b)의 상부에 주입부(90) 및 배출부(91)를 연통하여 미세유체를 주입할 수 있다. 외부에서 가하는 일정한 주입 속도로 인하여, 일정 속도를 가지는 미세유체는 상기 광전기유체소자(1) 내부를 이동하면서, 광전기유체효과에 의해 상기 수화젤 마이크로웰 어레이(10) 외부로 배출된 상기 타겟 미세입자 및 타겟 미세유체방울(51)을 사용자가 원하는 위치로 이동시킬 수 있다. 또한, 연속적인 주입을 통하여, 상기 타겟 미세입자 및 타겟 미세유체방울(51)을 상기 배출부(91)를 통해 상기 광전기유체소자(1) 외부로 회수할 수 있다. 또한, 상기 주입부(90)는 구동 초기에 상기 미세입자 또는 미세유체방울(50)을 주입하는 역할로도 활용할 수 있다.
상기와 같이 본 발명은 미세유체를 주입하는 펌프를 이용하여 미세유체의 유동성을 기반으로 선별 회수가 가능한 다양한 생물학적 응용 실험에 적용될 수 있다.
하기 도 6은 본 발명에 따른 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자를 이용한 미세입자 구동장치에 발생되는 전기장을 시뮬레이션한 결과이다.
본 발명에 따른 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자(1)에는 전기장이 다음과 같이 형성된다.
상기 빛 패턴(82)이 광전도성층(20)의 특정 영역에 조사되면, 그 영역에만 전압이 인가되고, 이에 따라 상기 광전기유체소자(1) 내부에 전기장이 형성된다. 따라서 상기 수화젤 마이크로웰 어레이(10) 내부 영역에 빛을 조사하게 되면, 그 부분에 전기장이 높게 나타난 것을 알 수 있으며, 이에 따라 상기 포획된 미세입자 및 미세유체방울(50)을 이동시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 광전기유체제어장치를 이용하면, 순차적으로 또는 병렬적으로 원하는 입자를 포획된 수화젤 마이크로웰 어레이(10)로부터 배출이 가능하다. 또한, 빛을 조사하는 위치를 제어함으로써 하기 도 7에서와 같이 배출되는 입자의 방향성도 조절할 수 있다.
하기 도 7에서는 본 발명에 따른 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자를 이용하여 상기 미세입자 및 미세유체방울의 배출 방향 조절의 실시예를 보여준다.
상기 수화젤 마이크로웰 어레이(10) 내에서의 빛 패턴 조사 위치에 따라 상기 광전도성층(20)의 전도화 부분(21)이 달라질 수 있으며 이에 따라 상기 수화젤 마이크로웰 어레이(10) 내에서의 전기장 분포가 달라질 수 있다. 상기 수화젤 마이크로웰 어레이(10) 내에 포획된 타겟 미세입자 및 타겟 미세유체방울(51)은 상기 전원(60)을 통해 인가된 전압으로 유도된 음의 유전영동에 의해 빛 패턴으로부터 멀어지게 된다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 마이크로웰 어레이(10) 내의 우측면(21)에 빛 패턴을 조사할 경우, 상기 타겟 미세입자 및 미세유체방울(51)은 상기 마이크로웰 어레이(10)의 좌측 상단 방향으로 움직여 배출된다. 반대로, 상기 마이크로웰 어레이(10) 내의 좌측면(22)에 빛 패턴을 조사할 경우, 상기 타겟 미세입자 및 미세유체방울(51)은 상기 마이크로웰 어레이(10)의 우측 상단 방향으로 움직여 배출된다. 이러한 방향성을 이용하여, 사용자가 원하는 구동 방향에 맞게 상기 빛 패턴을 조사하여 상기 타겟 미세입자 및 미세유체방울(51)이 배출되는 입자의 방향성을 조절할 수 있다.
하기 도 8에서는 수화젤 마이크로웰 어레이(10) 내부에 빛을 조사하여, 상기 수화젤 마이크로웰 어레이(10)에 포획된 75 ㎛ 폴리스티렌 미세입자가 빛에 의해 유도된 음의 유전영동에 의해 상기 수화젤 마이크로웰 어레이(10) 외부로 배출되는 결과를 보여준다.
20 Vpp, 100 kHz을 인가하였을 경우 5초 이내에 배출 가능함을 확인할 수 있다. 이 때 사용한 광원은 할로겐 램프이고, 조사된 빛의 패턴을 변화시키기 위한 디스플레이 장치로서 LCD(Liquid crystal display)를 사용하였다. 또한, 조사된 빛을 집광시키기 위해 집광 렌즈(Condenser lens)를 사용하였고, 관찰을 위한 렌즈로서는 대물렌즈, 검출기로서는 CCD(Charge coupled device)를 사용하였다. 상기 수화젤 마이크로웰 어레이(10)의 너비는 120 ㎛, 높이는 70 ㎛으로 설계하였다.
하기 도 9에서는 상기 수화젤 마이크로웰 어레이(10) 내부에 빛을 순차적으로 조사하여, 상기 수화젤 마이크로웰 어레이(10)에 포획된 서로 다른 75 ㎛ 폴리스티렌 미세입자를 순차적으로 상기 수화젤 마이크로웰 어레이(10) 외부로 배출한 결과를 보여준다. 인가된 전압은 20 Vpp, 주파수는 100 kHz이다.
이상과 같이 본 발명에 따른 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자 이를 이용한 미세입자와 미세유체방울 구동방법을 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있다.
1 : 광전기유체소자
10 : 수화젤 마이크로웰 어레이 20 : 광전도성층
21 : 마이크로 웰 어레이 내의 우측면
22 : 마이크로 웰 어레이 내의 좌측면
30a : 하부 접지층 30b : 상부 접지층
40 : 미세 유체 50 : 미세입자 또는 미세유체방울
51 : 타겟 미세입자 또는 타겟 미세유체방울
60 : 전원장치 70 : 스페이서
80 : 광원 81 : 집광렌즈
82 : 빛(빛 패턴) 90 : 주입부
91 : 배출부
201 : 포토레지스트 202 : 실리콘 웨이퍼
203 : PDMS 중합체 205 : 유리 기판
206 : 수화젤 207 : 수화젤의 가교반응
208 : 수화젤 마이크로웰 어레이
210 : 광전도성 물질 211 : 투명 전극
212 : 중간층 213 : 보호층
214 : 흡착보호층

Claims (26)

  1. 빛이 조사되는 경로에 위치하고, 주입되는 미세입자 또는 미세유체방울을 독립적으로 포획할 수 있는 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자;
    상기 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자에 빛을 조사하는 광원; 및
    상기 광전기유체소자에 전압을 인가하는 전원장치;를 포함하며,
    상기 수화젤 마이크로웰 어레이는 자유자재로 조작 및 운반이 가능한 것을 특징으로 하는 광전기유체제어장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원으로부터 조사된 빛의 경로에는 상기 빛의 패턴을 변화시키기 위한 디스플레이 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기유체제어장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 디스플레이 장치와 상기 광전기유체소자 사이에는 디스플레이 장치로부터 출력되는 패턴이 변화된 빛을 집광시키는 하나 이상의 집광 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기유체제어장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 수화젤은 알지네이트, 젤라틴, 콜라겐, 키토산, 폴리에틸렌글리콜(PEG) 및 폴리(N-이소프로필아크릴아마이드)(PNIPAM) 중에서 선택되는 고분자 물질인 것을 특징으로 하는 광전기유체제어장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세입자 및 미세 유체 방울은 각각 독립적으로 세포, 단백질 및 나노 크기의 고분자성 입자 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 것을 특징으로 하는 광전기유체제어장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광전기유체소자는 상기 빛이 조사되는 면에 위치하고, 빛이 조사되는 영역에만 선택적으로 전압이 인가되어 전류가 도통되는 광전도성층;
    상기 광전도성층 상부 표면에 형성되고, 미세입자 또는 미세유체방울을 독립적으로 포획할 수 있는 수화젤 마이크로웰 어레이;
    상기 광전도성층 하면에 부착되는 하부 접지층과 상기 광전도성층 상부 대향되는 면에 이격되어 위치하는 상부 접지층; 및
    상기 상부 접지층과 상기 광전도성층을 이격시키는 스페이서;를 포함하고,
    상기 상부 및 하부 접지층은 광전도성층에 인가되는 전압으로부터 상기 광전기유체소자에 전기장을 형성시키고,
    상기 스페이서에 의해 이격된 공간에 미세입자 또는 미세유체방울이 주입되는 것을 특징으로 하는 광전기유체제어장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 광전도성층은 상기 전원장치를 이용하여 전압을 인가하는 평판 전극; 및 상기 빛이 조사된 영역에만 선택적으로 전압을 인가시키도록 하는 광전도성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기유체제어장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 평판 전극은 투명한 전도성 물질로 이루어지고, 상기 광전도성 물질은 수소화된 진성의 비정질 실리콘, 황화카드뮴 및 npn 포토트랜지스터 중 선택되는 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 광전기유체제어장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 광전도성층은 상기 광전도성 물질과 상기 평판 전극 사이에 상기 광전도성 물질과 상기 전극 사이의 접촉 저항을 줄이기 위한 도핑된 중간층을 더 포함하고, 상기 중간층은 비정질 실리콘 또는 몰리브덴으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광전기유체제어장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 광전도성층은 상기 광전도성 물질상에 광전도성 물질을 보호하기 위하여 보호층을 더 포함하며, 상기 보호층은 질소화 실리콘 또는 산화 실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광전기유체제어장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 광전도성층은 상기 보호층 상에 흡착 방지층을 더 포함하며, 상기 흡착 방지층은 무정형 불소중합체(Amorphous fluoropolymer)로 이루어진 것을 특징으로 하는 광전기유체제어장치.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 상부 및 하부 접지층은 투명한 전도성 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 광전기유체제어장치.
  13. 제 6 항에 있어서,
    상기 광전기유체소자의 상부 접지층에는 연속적인 미세유동을 유도하기 위하여 미세입자 또는 미세유체방울을 포함하는 미세 유체를 수화젤 마이크로웰 어레이 상에 주입할 수 있는 복수 개의 주입부; 및
    상기 조사된 빛에 의해 상기 수화젤 마이크로웰 어레이로부터 배출되는 미세입자 또는 미세유체방울을 회수할 수 있는 복수 개의 배출부;가 연통되어 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 광전기유체제어장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압이 인가되고 상기 빛이 조사될 때, 상기 수화젤 마이크로웰 어레이내의 상기 미세입자 또는 미세유체방울이 전기영동 또는 전기습윤에 의해서 상기 빛이 조사된 영역 방향으로 움직이거나, 그 반대 방향으로 움직이게 되는 것을 특징으로 하는 광전기유체제어장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 빛이 조사된 영역 방향으로 움직인 상기 미세입자 또는 미세유체방울은 상기 수화젤 마이크로웰 어레이 내부로 포획되는 것을 특징으로 하는 광전기유체제어장치.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 빛이 조사된 반대 방향으로 움직인 상기 미세입자 또는 미세유체방울은 상기 수화젤 마이크로웰 어레이 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 광전기유체제어장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 빛이 조사되는 위치를 제어함에 따라 상기 주입된 미세입자 또는 미세유체방울이 상기 수화젤 마이크로웰 어레이 외부로 배출되는 방향성을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 광전기유체제어장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 전원장치로부터 인가되는 전압은 교류 또는 직류 전압인 것을 특징으로 하는 광전기유체제어장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 교류 전압이 인가될 경우, 주파수에 따라 상기 미세입자 또는 미세유체방울의 구동 방향이 변경되는 것을 특징으로 하는 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체제어장치.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 직류 전압이 인가될 경우, 전기영동에 의해 상기 수화젤 마이크로웰 어레이 내에서 상기 미세입자 또는 미세유체방울이 이동되는 것을 특징으로 하는 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체제어장치.
  21. 제 1 항에 따른 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자를 포함하는 광전기유체제어장치를 이용한 미세입자 구동방법에 있어서,
    (a) 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자에 미세입자를 주입하는 단계;
    (b) 상기 수화젤 마이크로웰 어레이에 주입된 미세입자를 포획하는 단계;
    (c) 상기 광전기유체소자에 광원으로부터 빛을 조사하고 전압을 인가하여 상기 미세입자를 구동하여 배출시키는 단계;를 포함하는 미세입자 구동방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는 상기 광원에서 조사되는 빛을 상기 미세입자의 구동을 위한 특정 영역으로 조사하여 미세입자를 구동하여 배출시키는 것을 특징으로 하는 미세입자 구동방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는 상기 빛을 조사하고 전압을 인가할 경우 상기 미세입자가 전기영동에 의해 상기 특정 영역을 향해 움직이거나 그 반대 방향으로 움직이는 것을 특징으로 하는 미세입자 구동방법.
  24. 제 1 항에 따른 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자를 포함하는 광전기유체제어장치를 이용한 미세유체방울 구동방법에 있어서,
    (a) 수화젤 마이크로웰 어레이가 집적된 광전기유체소자에 미세유체방울을 주입하는 단계;
    (b) 상기 수화젤 마이크로웰 어레이에 주입된 미세유체방울을 포획하는 단계;
    (c) 상기 광전기유체소자에 광원으로부터 빛을 조사하고 전압을 인가하여 상기 미세유체방울을 구동하여 배출시키는 단계;를 포함하는 미세유체방울 구동방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는 상기 광원에서 조사되는 빛을 상기 미세유체방울의 구동을 위한 특정 영역으로 조사하여 미세유체방울을 구동하여 배출시키는 것을 특징으로 하는 미세유체방울 구동방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는 상기 빛을 조사하고 전압을 인가할 경우 상기 미세유체방울이 전기습윤에 의해 상기 특정 영역을 향해 움직이거나 그 반대 방향으로 움직이는 것을 특징으로 하는 미세유체방울 구동방법.

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