KR101533646B1 - 금속 박막 패터닝 방법 및 이에 의해 제조된 검출기판을 이용한 생물화학 대상물질 검출 방법 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내부에 미세유체채널이 형성된 기판부를 가열하는 단계, 미세유체채널로 금속 전구체 용액을 주입하는 단계 및 미세유체채널의 내부면에 금속 박막을 패터닝 하는 단계를 포함하는 금속 박막 패터닝 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 금속 박막 패터닝 방법에 의해 제조된 검출기판을 이용한 물질 검출 방법에 있어서 검출채널로 생물화학 대상물질을 주입하는 단계 및 라만 분광계를 이용하여 생물화학 대상물질을 검출하는 단계를 포함하는 물질 검출 방법을 제공한다.

Description

금속 박막 패터닝 방법 및 이에 의해 제조된 검출기판을 이용한 생물화학 대상물질 검출 방법 방법 {METHOD OF PATTERNING METAL THIN FILM TO SENSING SUBSTRATE, AND SENSING BIOCHEMICAL TARGET MATERIALS USING THEREOF}

본 발명은 미세유체채널 내부면에 금속 박막을 패터닝하는 방법 및 이에 의해 제조된 검출기판을 이용하여 생물화학 대상물질을 검출하는 방법에 관한 것이다.

미세유체채널이란 일반적으로 마이크론 수준의 미세한 크기의 유체채널을 의미하며, 이러한 유체채널을 통하여 흐르는 유체는 다양한 생물학적, 화학적 반응기로 기능할 수 있다.

이러한 미세유체채널을 구비한 미세유체소자는 의약산업의 신약 탐색, 의료 진단, 약물 전달체, DNA 분석시스템 등의 랩온어칩(Lab-on-a-chip) 시스템에 활용되고 있으며, 통합적 공정 시스템의 구현을 위한 화학생물 공정에도 적용되고 있다.

이처럼 미세유체소자가 분석화학, 생명공학 및 입상화학 등 다방면에 걸쳐 적용되면서 관련 연구 또한 활발히 이루어지고 있다. 기존의 미세유체채널 제작에는 유리, 실리콘 등의 소재가 사용된 반면, 최근에는 폴리디메틸실록산(이하 PDMS)과 같은 폴리머 소재가 사용된다.

또한, 미세유체채널을 이용하여 매우 정교한 수준의 생물 화학적 물질 검출이 요구되는 화학 또는 바이오 센서를 제작할 경우, 대상물질의 검출을 위하여 미세유체채널의 내부면에 박막의 형태로 패터닝 되는 금속 구조체를 포함한다.

하지만, 현재까지 보고된 미세유체채널 내부면에 금속 박막을 패터닝하는 방법은 다음과 같은 문제가 있다.

먼저, 스퍼터링(Sputtering)이나 물리 기상 증착법(Physical vapor deposition, 이하 PVD)와 같은 패터닝 공정에는 고온 및 고압 조건이 요구되는 바, PDMS와 같은 폴리머 기반의 소재로 구성된 미세유체채널에 적용하기 어렵다.

또한 폴리머 기반 소재에 일반적으로 응용되는 리소그래피법(Lithography)은 별도의 패터닝 마스크가 필요한 점, 금속 박막이 기판에 패터닝 되기까지 다수의 공정을 거치므로 실시간으로 기판에 패턴을 형성하기 어려운 점에서 불편함이 있다.

상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 미세유체채널 내부에 금속 구조체를 박막의 형태로 패터닝 하는 방법 및 이에 의해 제조된 검출기판을 이용하여 생물화학 대상물질을 검출하는 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 금속 박막 패터닝 방법은 내부에 미세유체채널이 형성된 기판부를 가열하는 단계, 상기 미세유체채널로 금속 전구체 용액을 주입하는 단계 및 상기 미세유체채널의 내부면에 금속 박막을 패터닝 하는 단계를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 기판부는 상기 미세유체채널이 하방으로 개구된 하방개구부를 포함하는 채널기판 및 상기 하방개구부를 덮기 위해 상기 채널기판의 하부면에 부착되는 베이스기판을 포함할 수 있다.

이 때, 상기 베이스기판은 상기 하방개구부와 접촉하는 면에 금속 박막이 패터닝될 수 있다.

이 때, 상기 금속 전구체 용액은 은(Ag) 전구체 용액일 수 있다.

이 때, 제조된 검출기판은 상기 미세유체채널 내부면에 상기 금속 박막이 패터닝 된 검출채널을 포함할 수 있다.

한편, 제조된 패턴기판은 상기 베이스기판 일면에 상기 금속 박막이 패터닝될 수 있다.

한편, 검출기판을 이용한 물질 검출 방법은 상기 검출채널로 생물화학 대상물질을 주입하는 단계 및 라만 분광계를 이용하여 상기 생물화학 대상물질을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 검출기판은 검출채널이 상부로 개구된 상부개구부 및 상기 상부개구부를 덮기 위해 상기 검출기판 상부면에 부착되는 투명부재를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 라만 분광계는 상기 검출채널로 주입되는 상기 생물화학 대상물질을 실시간으로 검출할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 금속 박막 패터닝 방법은 상압에서 해당 폴리머의 용융점 아래의 온도로 공정이 진행되므로 폴리머 기반의 미세유체채널에도 패터닝이 가능하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 금속 박막 패터닝 방법은 별도의 패터닝 마스크 없이도 금속 박막이 미세유체채널 내에서 실시간 패터닝될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 검출기판은 검출채널을 통해 주입된 생물화학 대상물질을 실시간 검출할 수 있다.

도 1 과 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 박막 패터닝 방법을 설명하기 위하여 도시한 사시도이다.
도 3은 금속 전구체 용액의 주입시간 변화에 따른 금속 박막 입자 크기 변화를 나타낸 금속 입자 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 검출기판의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 패턴기판의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 물질 검출 방법을 설명하는 단면도이다.
도 7은 본 발명은 라만 분광계를 이용하여 실시간으로 검출된 생물화학 대상물질의 농도변화를 나타낸 평면(a) 및 입체(b) 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

본 발명에 있어서 "~상에" 라 함은 대상부재의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력방향을 기준으로 상부에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.

도 1 과 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 박막 패터닝 방법을 설명하기 위하여 도시한 사시도이다.

도 1과 도 2를 참조하면, 내부에 미세유체채널(4)이 형성된 기판부(2)를 가열하는 단계, 상기 미세유체채널(4)로 금속 전구체 용액(P)을 주입하는 단계 및 상기 미세유체채널(4)의 내부면에 금속 박막(6)이 패터닝 되는 단계를 포함하는 금속 박막 패터닝 방법이 개시된다.

이 때, 내부에 미세유체채널(4)이 포함된 기판부(2)는 채널기판(21)과 베이스기판(22)을 포함한다.

채널기판(21)은 금속 전구체 용액(P)이 통과할 수 있도록 상기 채널기판(21) 상부면에 각각 유체주입구(21a)와 유체배출구(21b)가 형성된다. 이 때, 도 1에 도시된 바와 같이 채널기판(21) 내부에서 상기 유체주입구(21a)와 유체배출구(21b)를 연결하는 미세유체채널(4)이 형성된다. 이 때, 도 1을 다시 참조하면 상기 미세유체채널(4)은 상기 채널기판(21)의 하방으로 개구된다. 즉, 채널기판(21)의 하부면에는 미세유체채널(4)의 길이방향 단면적의 형상으로 하방개구부(21c)가 형성된다. 한편, 본 발명의 일 실시예에서 채널기판(21)은 PDMS로 형성되나, 반드시 이러한 소재에 제한되는 것은 아니다.

베이스기판(22)은 채널기판(21)의 하부면과 평행하게 상기 채널기판(21) 하부면에 부착된다. 이 때, 베이스기판(22)은 하방개구부(21c)와 접촉하여 상기 하방개구부(21c)를 폐쇄한다. 이를 통해, 하방 개구된 미세유체채널(4)로 흐르는 금속 전구체 용액(P)이 상기 채널기판(21)외부로 누설되는 것을 방지할 수 있다. 한편, 도 1과 도 2에서는 베이스기판(22)은 채널기판(21)의 면적보다 크게 형성되었으나 반드시 이에 제한되는 것은 아니고, 하방개구부(21c)를 폐쇄할 수 있도록 상기 하방개구부(21c)의 면적보다 큰 면적으로 형성될 수 있다.

금속 전구체 용액(P)은 상기 유체주입구(21a)로 주입되어 미세유체채널(4) 내부에서 금속 박막(6)을 형성한다. 본 발명의 일 실시예에서 금속 전구체 용액(P)은 은(Ag) 전구체 용액이나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 한편, 금속 전구체 용액(P)은 상기 미세유체채널(4) 내부에서 금속 박막(6)을 형성하는 화학반응이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 화학반응은 에틸렌글리콜(Ethylene Glycol) 및 질산은(AgNO3), 폴리비닐피로리돈(PVP) 및 염화구리(CuCl2) 수용액을 이용한 폴리올 반응이나, 반드시 이러한 조성이나 화학반응의 종류에 제한되는 것은 아니다.

한편, 도 1을 다시 참조하면 기판부(2)는 주입되는 상기 금속전구체(P)가 미세유체채널(4) 내부에 금속 박막(6)을 패터닝 할 수 있도록 적정 온도로 가열된다. 본 발명의 일 실시예에서는 베이스기판(22)만 가열되나, 채널기판(21) 또는 기판부(2) 전체가 가열될 수 있다. 한편, 베이스기판(22)의 가열 온도는 폴리올 반응에 의해 금속 전구체(P) 내부의 금속 시드가 미세유체채널(4) 내부면에 달라붙어 박막의 형상으로 성장할 수 있기 위한 온도일 수 있다. 본 발명은 상기 베이스기판(22)의 가열 온도를 150˚C로 설정하였으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 상기 기판부(2)의 변성점 아래이자 상기 폴리올 반응이 활성화되는 90˚C 내지 160˚C의 온도일 수 있다.

한편, 도 2를 다시 참조하면, 유체주입구(21a)를 통해 미세유체채널(4)로 주입되는 금속 전구체 용액(P)은 상기 폴리올 반응을 통해 미세유체채널(4) 내부면에 금속 박막(6)을 패터닝 하게 된다. 이 때, 도 2에 도시된 바와 같이 미세유체채널(4) 내부로 금속 전구체 용액(P)을 연속적으로 주입함으로써 패터닝 마스크 등의 별도 구성 없이도 실시간으로 금속 박막(6)을 패터닝 할 수 있다. 이 때, 금속 박막(6)은 하부개구부(21c)와 접촉하는 베이스기판(22)의 상부면에 함께 형성될 수 있다. 즉, 금속 박막(6)은 미세유체채널(4) 내부면에 형성된 채널기판측 금속박막(6a)과, 베이스기판(22) 상부면에 형성된 베이스기판측 금속박막(6b)을 포함한다. 이 때, 베이스기판측 금속박막(6b)은 미세유체채널(4)의 길이방향 단면에 상응하는 바(bar) 형 구조체로 형성될 수 있다.

도 3은 금속 전구체 용액의 주입시간 변화에 따른 금속 박막 입자 크기 변화를 나타낸 금속 입자 이미지이다.

도 3을 참조하면, 금속 전구체 용액(P)의 주입 시간을 각각 1시간, 2시간, 3시간 및 4시간으로 조절할 때, 금속 박막(6) 내부 금속 입자(M)들의 크기가 주입시간의 증가와 비례하여 조대하게 변화하는 것을 확인할 수 있다. 이는 상기 금속 전구체 내부에 존재하는 금속 입자(M)들이 이미 형성된 금속 박막(6)에 추가로 달라붙어 상기 금속 박막(6)을 두텁게 하기 때문이다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 박막 패터닝 방법은 형성된 상기 금속 박막(6)을 세척하는 단계를 더 포함한다. 상기 세척 단계를 통하여 상기 화학반응 직후 금속 박막(6)에 잔존하는 금속 전구체 용액(P) 및 기타 이물질을 제거할 수 있다. 이 때, 세척 단계는 세척 물질을 유체주입구(21a)를 통해 일정 시간 주입하는 과정을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 세척 단계는 에탄올을 상기 10μL/min의 속도로 10시간 주입하였으나 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 금속 박막(6)과 화학반응하지 않는 세척물질을 생성된 금속 박막(6)이 박리되지 않을 정도의 유속으로 주입할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 검출기판의 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 패턴기판의 사시도이다.

도 4를 참조하면, 상기 금속 박막 패터닝 방법에 의해 채널기판측 금속 박막(6a)이 패터닝 된 미세유체채널(4)을 일면에 포함하는 검출기판(210)이 제조된다. 이 때, 도 4에 도시된 바와 같이 채널기판측 금속 박막이 패터닝 된 미세유체채널을 검출채널(40)로 규정한다. 검출채널(40)은 상기 검출기판(210)의 상방으로 개구되어 형성된다. 이 때, 검출기판(210)의 상부면은 검출채널(40)의 길이방향 단면적의 형상으로 상방개구부(210c)가 형성된다. 또한, 검출 채널(40)의 양 단부에는 각각 상기 검출기판(210)의 하방으로 개구되는 검출기판측 유체주입구(210a)와 검출기판측 유체배출구(210b)가 연결된다.

도 5를 참조하면, 상기 금속 박막 패터닝 방법에 의해 베이스기판측 금속 박막(6b)이 패터닝 된 패턴기판(220)이 상기 검출기판(210)과 동시에 제조된다. 또한 상기 제조된 패턴기판(220)은 생물화학 물질의 검출을 위한 센서 등 다양한 용도로 활용될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 박막 패터닝 방법은 하나의 제조 공정을 통하여 서로 다른 두 종류의 기판을 함께 제조할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 물질 검출 방법을 설명하는 단면도이고, 도 7은 본 발명은 라만 분광계를 이용하여 실시간으로 검출된 생물화학 대상물질의 농도변화를 나타낸 평면(a) 및 입체(b) 그래프이다.

도 6을 참조하면, 상기 금속 박막 패터닝 방법에 의해 제조된 검출기판(210)을 이용한 물질 검출 방법으로, 상기 검출채널(40)로 생물화학 대상물질(T)을 주입하는 단계 및 라만 분광계(R)를 이용하여 상기 생물화학 대상물질(T)을 검출하는 단계를 포함하는 물질 검출 방법이 개시된다.

도 6을 다시 참조하면, 검출기판(210)의 상부면에는 투명부재(211)가 부착된다. 투명부재(211)는 상기 상부개구부(210a)와 접촉하여 상기 하방개구부(21c)를 폐쇄하기 위해 상기 하방개구부(21c)의 면적보다 큰 면적을 구비하도록 형성될 수 있다. 이를 통해, 상방 개구된 검출채널(40)로 흐르는 생물화학 대상물질(T)이 상기 검출기판(210)외부로 누설되는 것을 방지할 수 있다. 이 때, 투명부재(211)는 상기 검출기판(210)의 상부면에 평행한 판형 구조체로 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 투명부재(211)는 글라스(glass)이나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.

도 6을 다시 참조하면, 투명부재(211)의 상측부에는 생물화학 대상물질(T)을 검출하기 위한 라만분광계(R)가 위치한다. 라만분광계는(R) 도 7에 도시된 바와 같이 라만분광계(R)는 생물화학 대상물질(T)이 흐르는 검출채널(40) 일측을 기점으로 생물화학 대상물질(T)의 실시간 농도 변화를 검출할 수 있다. 한편, 라만분광계(R)가 생물화학 대상물질을 검출하는 과정 자체는 이미 공지된 기술로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.

이상으로 본 발명의 일 실시예에 따른 발명의 구성, 제조 방법 및 검출 방법을 설명하였다. 이하는 본 발명의 일 실시예에 따른 실험예를 설명한다.

실험예 1

미세유체채널을 이용한 금속 박막 패터닝 방법

미세유체채널이(4) 하방으로 개구된 채널기판(21)의 하방개구부(21c)를 폐쇄하도록 상기 채널기판(21)에 베이스기판(22)을 부착하였다. 그 후, 도 1 과 도 2에 도시된 바와 같이 베이스기판(22)을 150˚C의 온도로 가열하고, 유체 주입구(21a)를 통해 금속 전구체 용액(P) (에틸렌 글리콜(Ethylene Glycol), 0.094M 질산은(AgNO3), 0.147M PVP, 4mM 염화구리(CuCl2) 혼합 용액)을 10μL/min 으로 1시간 내지 4시간 주입하였다.

이 때, 도 3에 도시된 바와 같이 금속 전구체 용액(P)은 미세유체채널(4) 내부에서 폴리올 반응을 하여 금속 입자(M)를 성장시켰다. 금속 입자(M)는 금속 전구체 용액(P)의 투입시간 증가에 따라 조대하게 변화하였다.

한편, 상기 금속 박막(6)이 패터닝 된 미세유체채널(4)에는 미처 배출되지 못한 전구체 용액 및 기타 이물질이 달라붙어 있었다. 따라서 본 발명의 일 실시예는 상온에서 유체주입구(21a)를 통해 에탄올을 10μm/min 의 유속으로 10시간 가량 주입하여 금속 박막(6) 표면에 존재하는 이물질을 제거하였다.

상기 단계가 완료되면, 채널기판(21)과 베이스기판(22)을 분리하여 도 4와 도 5에 도시된 바와 같이 채널기판측 금속 박막(6a)이 패터닝 된 미세유체채널(4)을 일면에 포함하는 검출기판(210)과, 베이스기판측 금속 박막(6b)이 패터닝 된 패턴기판(220)을 동시에 얻을 수 있었다.

실험예 2

생물화학 대상물질 검출 방법

도 6을 참조하면, 검출기판(210)은 금속 박막이 패터닝 된 검출채널(6a)이 상부로 개구된다. 이 때, 상부개구부(210c)의 상부에 투명부재(211)를 부착하여 대상물질(T)의 범람을 방지하는 동시에, 라만 분광계(R)가 유리 덮개를 투과하여 상기 생물화학 대상물질(T)을 검출할 수 있을 정도의 투명도를 확보하였다. 이 때, 라만 분광계(R)를 이용하여 도 7에 도시된 바와 같이 검출채널(40)을 흐르는 생물화학 대상물질(T)의 실시간 농도 변화를 검출해낼 수 있었다.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

2: 기판부 4: 미세유체채널
6: 금속 박막 6a: 채널기판측 금속박막
6b: 베이스기판측 금속박막 21: 채널기판
21a: 유체주입구 21b: 유체배출구
21c: 하방개구부 22: 베이스기판
40: 검출채널 210: 검출기판
210a: 검출기판측 유체주입구 210b: 검출기판측 유체배출구
210c: 상방개구부 211: 투명부재
220: 패턴기판 M: 금속 입자
P: 금속 전구체 용액 R: 라만 분광계
T: 생물화학 대상물질

Claims (9)

1. 내부에 미세유체채널이 형성된 기판부를 가열하는 단계;
   가열된 상기 미세유체채널로 금속 전구체 용액을 주입하는 단계; 및
   상기 미세유체채널의 내부면에 금속 박막을 패터닝 하는 단계를 포함하되,
   상기 금속 박막 패터닝 단계에서 상기 금속 전구체가 상기 미세유체채널로 연속적으로 주입되고,
   상기 기판부는 상기 미세유체채널이 하방으로 개구된 하방개구부를 포함하는 채널기판 및 상기 하방개구부를 덮기 위해 상기 채널기판의 하부면에 부착되는 베이스기판을 포함하여 상기 채널기판과 상기 베이스기판에 각각 상기 금속 박막이 패터닝되는 금속 박막 패터닝 방법.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 베이스기판은 상기 하방개구부와 접촉하는 면에 상기 금속 박막이 패터닝되는 것을 특징으로 하는 금속 박막 패터닝 방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 금속 전구체 용액은 은(Ag) 전구체 용액인 것을 특징으로 하는 금속 박막 패터닝 방법.
5. 제 4 항에 따른 방법에 의해 제조된, 상기 미세유체채널 내부면에 상기 금속 박막이 패터닝 된 검출채널을 포함하는 검출기판.
6. 제 4 항에 따른 방법에 의해 제조된, 상기 베이스기판 일면에 상기 금속 박막이 패터닝 된 패턴기판.
7. 제 5 항의 검출기판을 이용한 물질 검출 방법에 있어서,
   상기 검출채널로 생물화학 대상물질을 주입하는 단계; 및
   라만 분광계를 이용하여 상기 생물화학 대상물질을 검출하는 단계를 포함하는 물질 검출 방법.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 검출기판은 검출채널이 상부로 개구된 상부개구부; 및.
   상기 상부개구부를 덮기 위해 상기 검출기판 상부면에 부착되는 투명부재를 포함하는 물질 검출 방법.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 라만 분광계는 상기 검출채널로 주입되는 상기 생물화학 대상물질을 실시간으로 검출하는 것을 특징으로 하는 물질 검출 방법.

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