KR101443074B1 - 마이크로 채널의 수동형 펌프 구현을 위한 친수성 필라 제작 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로 채널 내부에 친수성 필라들(pillar)을 형성함으로써 모세관 원리에 따라 수동형 펌프 방식의 미세 유동을 발생시킬 수 있는 마이크로 채널을 갖는 바이오칩 및 그 제작 방법에 관한 것이다.

Description

마이크로 채널의 수동형 펌프 구현을 위한 친수성 필라 제작 방법 {Method for Fabricating Hydrophile Pillars for Passive-Pump in Micro Channel}

본 발명은 바이오칩 및 그 제작 방법에 관한 것으로서, 특히, 마이크로 채널 내부에 친수성 필라들(pillar)을 형성함으로써 모세관 원리에 따라 수동형 펌프 방식의 미세 유동을 발생시킬 수 있는 마이크로 채널을 갖는 바이오칩 및 그 제작 방법에 관한 것이다.

최근에 혈액에서 단백질 등의 각종 바이오 마커를 검출하기 위해서 마이크로미터 크기의 채널을 이용한 바이오칩이 연구되고 있다. 바이오 마커 검출용 바이오칩은 진단검사학에서 널리 활용되는 면역반응분석을 숙련된 인력의 요구없이 신속하고 정밀하게 수행할 수 있는 기회를 제공해줄 것으로 예상하고 있다.

바이오칩은 플라스틱이나 유리 표면 위에 미세 마이크로미터 채널, 필터, 반응기, 펌프 등이 연결되어 있는 형태를 가지며, 혈액과 같은 액체 시료는 이들을 통과하게 된다. 이때, 액체 시료의 유동은 바이오칩에 내재되어 있는 펌프에 의해서 구동되는 방식에 따라 능동형과 수동형으로 구분할 수 있다. 능동형의 펌프 방식은 바이오칩의 외부에서 전기 에너지의 인가를 통해 유동이 발생하는 형태를 가지며, 유동을 자유롭게 제어할 수 있는 장점을 가지지만, 제작이 어렵고 제조 단가도 비싸지는 문제점을 가지고 있다. 이에 반해 수동형 펌프 방식은 외부에서의 에너지 인가 없이 유동을 발생시키는 형태로써, 대표적으로 모세관 원리(capillary flow)를 이용한다. 이러한 수동형 펌프 방식은 능동형 펌프 방식에 비하여 제작이 쉽고 제조 단가도 저렴하기 때문에, 일회용 바이오칩의 제작에 널리 활용될 수 있다.

이러한 수동형 펌프 방식의 모세관 원리를 좀 더 살펴 보면, 가느다란 마이크로 채널 내부에서 유체의 표면 장력에 의해서 유체와 기체의 계면에서 압력차가 발생하며, 이러한 압력 차를 모세관 압력 ΔP라 부르며, 아래의 식에 의해서 표현될 수 있다. 아래의 식에서, σ는 표면 장력, w는 마이크로 채널의 폭, h는 마이크로 채널의 높이, θ는 내벽과 유체 간의 접촉각이다.

[식]

이러한 모세관 압력 ΔP에 의해서 유체와 기체와의 계면이 이동하게 되며, 이러한 계면의 이동에 의한 유동이 발생하게 된다. 기술적 측면에서 압력차를 발생시키기 위해서는 위의 식에 나와 있는 바와 같이 마이크로채널 내벽과 유체 간의 접촉각이 90도보다 작아야 하며 이를 위해서는 마이크로채널의 내벽이 친수성 특징을 가져야 한다. 따라서, 친수성 특징을 가지는 유리와 같은 재료를 이용하여 바이오칩을 제작한다. 그러나, 일회용 바이오칩을 개발하기 위해서는 가공성과 단가가 저렴한 플라스틱 재료의 이용이 불가피하지만, 대부분의 플라스틱은 소수성 특징을 가진다. 이에 따라, 플라스틱을 이용한 모세관 펌프의 개발을 위해서, 플라스틱의 표면을 친수성으로 개질하기 위한 기술이 개발되고 있다. 그러나, 플라스틱의 표면을 친수성으로 개질하기 위해서는 복잡한 프로세스가 요구되며, 플라스틱의 특성상 친수성 표면을 장시간 유지하기가 어려운 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 바이오칩의 마이크로 채널 내부에 친수성 필라들(pillar)을 형성하여, 모세관 원리에 따라 수동형 펌프 방식으로 액체 시료가 모세관 압력에 의해 용이하게 마이크로 채널에서 유동될 수 있도록 한 바이오칩의 마이크로 채널을 제작하는 방법을 제공하는 데 있다. 특히, 본 발명은 바이오칩의 마이크로 채널 내에 친수성 필라들을 손쉽게 제작하기 위한 방법을 제공한다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 본 발명의 일면에 따른, 바이오칩의 마이크로 채널은, 액체 시료의 유동을 위해 유로를 형성하도록 결합된 하판과 소수성 상판을 포함하며, 상기 하판과 상기 소수성 상판 사이의 유로 내부에 1차원 또는 2차원 배열로 형성된 친수성 필라들을 포함하고, 상기 친수성 필라들은 상기 하판과 친수성 상판 사이의 유로에 하이드로겔 용액을 채운 후 광마스크를 이용해 노광함으로써 상기 친수성 필라들이 형성될 위치의 상기 하이드로겔 용액을 겔 상태로 경화하여 형성되며, 상기 친수성 필라들이 형성된 후 상기 친수성 상판이 상기 소수성 상판으로 교체되어 형성된 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 바이오칩의 마이크로 채널 제작 방법은, 유로를 형성하도록 하판과 친수성 상판이 봉함되도록 접합하는 단계; 접합된 상기 하판과 상기 친수성 상판 사이의 내부에 하이드로겔 용액을 봉입하는 단계; 상기 친수성 상판 위에 일정 패턴을 갖는 광마스크를 놓고 노광하는 단계; 상기 하판으로부터 상기 친수성 상판을 제거하고, 상기 노광에 의해 상기 하이드로겔 용액이 겔 상태로 경화되지 않은 용액을 제거하는 단계; 및 상기 하판 위에 소수성 상판을 접합하는 단계를 포함하고, 접합된 상기 하판과 상기 소수성 상판 사이의 내부에 상기 노광에 의해 상기 하이드로겔 용액을 겔 상태로 경화하여 1차원 또는 2차원 배열로 형성된 친수성 필라들을 형성하기 위한 것을 특징으로 한다.

상기 하판은 소수성인 플라스틱류 재질일 수 있으며, 또한, 상기 하판은 친수성인 유리 또는 실리콘 재질일 수도 있다.

상기 유로를 통과하는 액체 시료의 유동량이 상기 친수성 필라들의 형성 형태 또는 간격에 따라 조절될 수 있다.

본 발명에 따른 바이오칩의 마이크로 채널에 따르면, 바이오칩을 위한 마이크로 채널 내부에 친수성 필라들(pillar)을 형성함으로써, 수동형 펌프 방식의 마이크로 채널을 효율적으로 구현할 수 있으며, 액체 시료의 유동량 제어가 용이해지며, 일회용 바이오칩을 저렴한 방법으로 양산할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오칩의 마이크로 채널을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 내지 도 2d는 유체와 기체와의 계면에서의 유체 이동에 대한 해석의 일례이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오칩의 마이크로 채널의 제작 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 도 3의 제작 과정에서 형성된 필라들의 확대 영상의 일례이다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오칩의 마이크로 채널(10)을 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 바이오칩의 마이크로 채널(10)은, 서로 밀착 결합되어 액체 시료가 새지 않고 통과되도록 유로가 형성된 하판(20)과 상판(30)을 포함하며, 하판(20)과 상판(30) 사이의 유로 내부에 형성된 친수성 필라들(40)을 포함한다. 친수성 필라들(40)은 불규칙하게 배열될 수도 있지만, 하기의 제작과정에서 설명하는 바와 같이 광마스크를 통해 형성되므로 일정 간격으로 규칙적으로 형성되는 것이 바람직하며, 1차원 또는 2차원 배열로 이루어질 수 있다. 또한, 친수성 필라들(40)이 형성된 분포(또는 밀도)에 따라 마이크로 채널(10)의 입구에서 들어가 출구로 빠져 나가는 액체 시료의 유동량이 조절될 수 있으므로, 사용 목적에 따라 친수성 필라들(40)은 단위 면적당 적절한 수로 형성될 수 있다.

위에서도 기술한 [식]과 같이, 모세관 압력차는 친수성 표면에서의 유체의 표면 장력에 의해서 발생한다. 따라서, 마이크로 채널(10) 내에 위와 같이 친수성 필라들(40)에 의한 친수성 표면이 존재하면 모세관 압력차를 발생시킬 수 있다. 여기서, σ는 표면 장력, w는 마이크로 채널의 폭, h는 마이크로 채널의 높이, θ는 내벽과 유체 간의 접촉각이다.

[식]

하판(20)과 상판(30)는 플라스틱이나 유리, 실리콘 등의 재질로 이루어질 수 있으며, 이에 따라 하판(20)과 상판(30)에 의해 형성되는 내부의 액체 시료와 접촉되는 내벽은 친수성 또는 소수성이 될 수 있다. 친수성 필라들(40)(배열)은 미세유로 내부에 형성되는 구조물로써 표면이 친수성을 가져야 한다. 친수성 필라들(40)은 하기하는 바와 같이 하이드로겔(hydrogel)이 이용될 수 있다. 하이드로겔은 그 성분에 따라 물을 흡수할 수 있으며, 친수성 특성을 가지는 고분자 중합체이다.

이와 같은 친수성 필라들(40)을 가진 마이크로 채널(10)의 유로의 입구에 물, 혈액 등 사용 목적에 맞는 액체 시료가 들어오면 친수성 필라들(40)과 접촉하게 되며, 이에 의해서 모세관 압력차가 발생하며, 결과적으로 유체(액체 시료)와 기체와의 계면은 미세유로 내부로 이동하게 된다. 이러한 계면의 이동은 유체의 유동을 발생시키며, 유체는 미세 유로 내부로 전송되어 소정의 출구 쪽으로 이동되어 간다.

이와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오칩의 마이크로 채널(10)은, 진단검사학의 면역반응분석에서 각종 바이오 마커를 검출하기 위해 사용될 수 있으며, 도 1과 같이 일자형 유로를 예사하였지만, 이에 한정되지 않고 굴곡형 유로, 다채널형 유로, 원형 유로 등 다양한 형태로 제작되어, 이러한 바이오칩에 구비되는 필터, 반응기 등과 결합되어 사용될 수 있다.

도 2a 내지 도 2d는 유체와 기체와의 계면에서의 유체 이동에 대한 해석의 일례이다.

도 2a는 친수성 필라들(40)의 배열을 갖는 마이크로 채널(10)을 위에서 본 2차원 평면도의 일례이고, 유로가 입구로부터 확장되어가는 형태를 가정하였으며, 친수성 필라들(40)은 직경 50㎛의 필라들이 x-축 방향으로 70㎛ 및 y-축 방향으로 70㎛의 주기적인 간격으로 배열된 형태를 가정하였다.

유체와 기체의 계면이 이동하는 과정은 유한요소해석 기법의 소프트웨어를 이용하여 확인할 수 있다. 필라(40)와의 친수성 접촉각은 20도, 기타 유로에서의 소수성 접촉각은 90도로 설정하였을 때, 시간에 따른 유체 계면의 이동은 도 2b, 도 2c, 도 2d와 같이, 시간이 지남에 따라, 유체의 계면은 x-방향으로 진행하면서 유체가 미세 유로를 채워 나가는 것을 확인할 수 있다. 이에 반해, 친수성 필라(40)가 없는 경우에는 미세유로의 표면이 소수성임에 따라 유체 계면의 이동이 발생하지 않았다. 친수성 필라들(40) 간의 간격을 변화시키면 유체 계면의 이동 속도를 변화시킬 수 있으며, 이에 따라, 시간에 따른 유동량을 조절할 수 있다.

이하 본 발명의 일실시예에 따른 바이오칩의 마이크로 채널(10)의 제작 과정을 도 3의 흐름도를 참조하여 자세히 설명한다.

먼저, 필요한 미세 유로 형태(예, 일자형, 굴곡형, 다채널형, 원형 등의 유로)에 맞게 제작된 하판(20)과 상판(31)을 서로 밀착되도록 접합한다(S10). 입구와 출구쪽으로도 유체가 흐르지 않도록 입구와 출구쪽도 적절한 수단으로 봉함(seal)할 수 있다. 여기서, 하판(20)과 상판(31)의 재질은 플라스틱, 유리, 실리콘 등의 소수성 또는 친수성 등 모든 재질로 이루어질 수 있으나, 하기의 S20 단계에서의 하이드로겔용액 주입이 원활히 이루어지도록 상판(31)은 친수성인 유리, 실리콘 등의 재질인 것이 바람직하다.

다음에, 위와 같이 하판(20)과 상판(31)이 봉함되도록 접합되면, 시린지(syringe) 등을 이용해 그 내부에 하이드로겔용액(41)을 채운다(S20). 이때, 위와 같이 상판(31)이 친수성 재질로 이루어짐으로써 하이드로겔용액(41)이 하판(20)과 상판(31)의 접합물 내부로 쉽게 주입되어 봉입될 수 있다. 하이드로겔용액은 광이니시에이터(photoinitiator)와 하이드로겔전구체(hydrogel precusor)로 구성되며, 필요에 따라서 물을 첨가할 수 있다. 이러한 하이드로겔용액은 자외선에 노출되었을 때, 하이드로겔로 중합되어 겔의 형태로 바뀐다.

이 후, 친수성 필라들(40)이 형성될 위치에 대응되는 패턴을 갖는 광마스크를, 위와 같이 하이드로겔용액(41)이 봉입된 하판(20)과 상판(31)의 접합물의 위에 놓고, 광마스크 위에서 자외선을 노광한다(S30). 광마스크는 친수성 필라(40) 배열의 위치에만 자외선이 투과될 수 있도록 일정 패턴을 갖도록 제작될 수 있다. 이에 따라 자외선에 노출된 친수성 필라(40) 배열의 부분만이 경화되어 겔 형태의 친수성 필라가 형성이 되며, 노출되지 않은 부분은 중합되지 않은 하이드로겔용액의 형태로 남아 있게 된다.

이와 같은 자외선 노광 단계가 끝나면, 친수성 재질인 상판(31)을 제거하고 경화되지 않은 하이드로겔용액을 물 등으로 씻어 낼 수 있다. 이에 따라 하판 (20) 위에는 친수성 필라들(40)의 배열이 형성된다 (S40).

이와 같이 친수성 필라들(40)의 배열이 형성되면, 동일한 구조(모양)를 갖는 소수성 재질의 상판(30)을 하판(20)과 밀착되도록 접합한다(S50). 제거된 친수성 재질인 상판(31)은 재사용될 수 있다.

이와 같이 형성된 친수성 필라들(40)이 도 4에 도시한 바와 같이, 일정 간격으로 규칙적으로 배열될 수 있으며, 그 형태(원형, 사각, 삼각 등 등)와 간격은 광마스크의 패턴에 따라 조절할 수 있다.

이와 같은 친수성 필라들(40)이 바이오칩의 마이크로 채널(10)에 구비됨으로써, 기존의 플라스틱 표면의 친수성 개질 대신에 효율적으로 모세관 압력차를 발생시켜 액체 시료의 유동을 원활히 이루어지도록 할 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

마이크로 채널(10)
하판(20)
상판(소수성)(30)
상판(친수성)(31)
친수성 필라들(40)
하이드로겔 용액 (41)
광마스크 (60)

Claims (5)

1. 액체 시료와 친수성 필라들의 표면 장력과 액체 시료의 유로 내벽과의 접촉각, 및 채널 폭과 높이에 따른 모세관 압력차를 발생시키기 위한 친수성 필라들을 형성하기 위한 바이오칩의 마이크로 채널에 있어서,
   액체 시료의 유동을 위해 유로를 형성하도록 결합된 하판과 소수성 상판을 포함하며,
   상기 하판과 상기 소수성 상판 사이의 유로 내부에 1차원 또는 2차원 배열로 형성된 친수성 필라들을 포함하고,
   상기 친수성 필라들은 상기 하판과 친수성 상판 사이의 유로에 하이드로겔 용액을 채운 후 광마스크를 이용해 노광함으로써 상기 친수성 필라들이 형성될 위치의 상기 하이드로겔 용액을 겔 상태로 경화하여 형성되며, 상기 친수성 필라들이 형성된 후 상기 친수성 상판이 상기 소수성 상판으로 교체되어 형성된 것이며,
   상기 유로를 통과하는 액체 시료의 유동량이 상기 친수성 필라들의 형성 형태 또는 간격에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 바이오칩의 마이크로 채널.
2. 액체 시료와 친수성 필라들의 표면 장력과 액체 시료의 유로 내벽과의 접촉각, 및 채널 폭과 높이에 따른 모세관 압력차를 발생시키기 위한 친수성 필라들을 형성하기 위한 바이오칩의 마이크로 채널 제작 방법에 있어서,
   유로를 형성하도록 하판과 친수성 상판이 봉함되도록 접합하는 단계;
   접합된 상기 하판과 상기 친수성 상판 사이의 내부에 하이드로겔 용액을 봉입하는 단계;
   상기 친수성 상판 위에 일정 패턴을 갖는 광마스크를 놓고 노광하는 단계;
   상기 하판으로부터 상기 친수성 상판을 제거하고, 상기 노광에 의해 상기 하이드로겔 용액이 겔 상태로 경화되지 않은 용액을 제거하는 단계; 및
   상기 하판 위에 소수성 상판을 접합하는 단계를 포함하고,
   접합된 상기 하판과 상기 소수성 상판 사이의 내부에 상기 노광에 의해 상기 하이드로겔 용액을 겔 상태로 경화하여 1차원 또는 2차원 배열로 형성된 친수성 필라들을 형성하기 위한 것으로서,
   상기 유로를 통과하는 액체 시료의 유동량이 상기 친수성 필라들의 형성 형태 또는 간격에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 바이오칩의 마이크로 채널 제작 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 하판은 소수성인 플라스틱류 재질인 것을 특징으로 하는 바이오칩의 마이크로 채널 제작 방법.
4. 제2항에 있어서,
   상기 하판은 친수성인 유리 또는 실리콘 재질인 것을 특징으로 하는 바이오칩의 마이크로 채널 제작 방법.
5. 삭제

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