KR101563158B1 - 집적된 바이오칩 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

집적된 바이오칩 및 이의 제조방법이 개시된다. 개시된 집적된 바이오칩은, 시료에서 방출되는 형광을 검출하는 시료검출부 위에 시료가 부착될 수 있는 시료반응부와 광전달부가 형성되고, 윈도우가 시료 반응부에 이격되게 마련되어, 시료의 반응 및 검출을 하나의 칩으로 할 수 있도록 된 것으로, 윈도우는 시료에서 방출되는 형광을 시료 반응부 쪽으로 반사시켜 광효율을 향상시킨다.

Description

집적된 바이오칩 및 이의 제조방법{Integrated bio-chip and method of fabricating the integrated bio-chip}

본 발명은 집적된 바이오칩 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분광학적 방법으로 시료를 검출하는데 사용되는 집적된 바이오칩 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

바이오칩(bio-chip)은, 통상적으로 기판 상에 마이크로 단위의 매우 작은 셀들이 행렬 형태로 배열된 구조를 가지고 있으며, 이러한 셀들에는 핵산이나 단백질과 같은 생물질(bio-material)이 배열되어 있다. 바이오칩의 기판에 고정된 생물질(probe bio-material)은 타겟이 되는 생물질에 대해 생물학적 수용체로 기능한다.

바이오칩은 핵산의 혼성화(hybridization) 반응이나 항원-항체 반응과 같은 생물질들간의 상호작용을 이용하여 타겟이 되는 생물질을 검출한다. 이러한 바이오칩은, 특정의 염기서열을 갖는 핵산이나 단백질과 같은 생물질을 검출함으로써, 유전자 기능연구, 질병관련 유전자 검색, 유전자 발현, 단백질 분포등을 분석하는 도구로 사용될 수 있다.

생물질간의 상호작용의 검출은 형광 검출 방법을 주로 이용한다. 이러한 형광 검출 방법은, 생물질에 표지된 형광 물질에 소정의 여기광을 조사하여 얻어지는 형광 이미지를 검출하는 분광학적인 방법이다. 형광 이미지의 검출은, CCD(Charge Coupled Device) 스캐너나 CIS(CMOS Image Sensor) 스캐너와 같은 광 검출장치를 통해 이루어진다.

생물질에 표지된 형광 물질에 소정의 여기광을 조사하여 얻어지는 형광은, 조사되는 여기광에 비하여 매우 약한 광이므로, 여기광을 제거할 필요가 있다. 나아가 형광 자체가 매우 미약한 광이므로, 이를 효과적으로 검출할 필요가 있다. 한편, 현재 상용화된 바이오칩을 이용한 검출장치는 복잡하고 고가인 스캐너 장비를 광검출기로 사용하는바, 보다 컴팩트한 바이오칩 및 이의 제조방법이 요청된다.

본 발명의 실시예들에서는 일체로 집적된 칩에서 생물질과 같은 시료를 반응시키고, 이를 광학적으로 검출할 수 있는 집적된 바이오칩 및 이의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 집적된 바이오칩은 형광을 검출하는 적어도 하나의 수광소자가 마련된 시료검출부; 시료검출부의 상면에 마련되어 시료에서 방출되는 형광을 시료검출부에 전달하는 광전달부; 광전달부의 상면에 마련되어 시료가 부착될 수 있는 적어도 하나의 반응영역을 포함하는 시료반응부; 및 시료반응부에 이격되게 배치되어 시료에서 방출하는 형광을 반사시키는 형광반사막을 구비한 윈도우;를 포함한다.

형광반사막은 형광의 파장대를 반사대역으로 하는 이색미러 또는 형광의 파장대를 차단대역으로 하는 대역차단필터일 수 있다. 또한, 이러한 형광반사막은 여기광의 파장대를 통과대역으로 할 수 있다.

윈도우의 상면에는 여기광의 반사를 방지하는 여기광반사방지막이 마련될 수 있다.

윈도우는 시료에서 방출하는 형광을 집속시켜 반사사키는 적어도 하나의 마이크로미러를 포함할 수 있다. 이러한 마이크로미러는 윈도우의 시료반응부와 마주보는 하면에 오목한 형상으로 마련될 수 있다.

마이크로미러는 시료반응부의 반응영역와 일대일 또는 일대다로 대응될 수 있다.

마이크로미러가 시료반응부의 반응영역와 매칭되도록 하는 정렬마크가 윈도우 및 시료반응부 중 적어도 하나에 마련될 수 있다.

또한, 형광을 집광시키는 마이크로렌즈가 적어도 하나의 반응영역과 수광소자 사이의 광경로상에 마련될 수 있다.

윈도우는 시료반응부와 이격되게 접합되도록 하부로 돌출된 도출부를 포함할 수 있다. 도출부는 윈도우의 외곽 둘레의 적어도 일부분에 형성될 수 있다. 또는, 프레임에 시료반응부와 윈도우를 서로 이격되게 수용될 수도 있다.

광전달부는 적어도 하나의 반응영역의 하부에 마련되어 시료를 여기시키는 여기광은 흡수하고 시료에서 방출하는 형광은 투과시키는 적어도 하나의 여기광흡수도파로를 포함할 수 있다.

광전달부의 여기광흡수도파로를 둘러싸는 물질은 여기광 및 형광을 흡수하는 블랙 물질일 수 있다.

광전달부의 여기광흡수도파로를 둘러싸는 물질은 여기광흡수도파로의 굴절률 보다 낮은 굴절률을 가질 수 있다.

광전달부는 시료반응부의 하부에 마련되어 시료를 여기시키는 여기광은 흡수하고 시료에서 방출하는 형광은 투과시키는 단색 컬러 필터를 포함할 수 있다.

시료검출부는 CCD(Charge Coupled Device) 또는 CIS(CMOS Image Sensor)일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 집적된 바이오칩의 제조방법은 형광을 검출하는 적어도 하나의 수광소자가 마련된 시료검출부를 마련하는 단계; 시료검출부의 상면에 시료에서 방출되는 형광을 전달하는 광전달부를 형성하는 단계; 광전달부의 상면에 시료가 부착되는 적어도 하나의 반응영역을 포함하는 시료반응부를 형성하는 단계; 형광반사막을 구비한 윈도우를 마련하는 단계; 및 윈도우를 시료반응부에 이격되게 배치시키는 단계;를 포함할 수 있다.

윈도우를 마련하는 단계는, 윈도우에 시료에서 방출하는 형광을 집속시켜 반사사키는 적어도 하나의 마이크로미러를 마련하는 단계를 포함할 수 있다.

윈도우를 마련하는 단계는, 윈도우의 마이크로미러가 마련된 면의 이면에 여기광의 반사를 방지하는 여기광반사방지막을 마련할 수 있다.

윈도우를 마련하는 단계는, 윈도우에 시료반응부와의 정렬을 위한 정렬마크를 마련하는 단계를 더 포함할 수 있다.

광전달부를 형성하는 단계는, 시료검출부의 상면에 여기광은 흡수하고 형광은 흡수하는 여기광흡수물질을 도포하는 단계; 수광소자가 위치하는 영역을 제외한 나머지 영역의 시료검출부의 상부가 노출되도록 도포된 여기광흡수물질에 트렌치를 형성함으로써, 여기광흡수도파로를 형성하는 단계; 및 트렌치에 여기광흡수물질의 굴절률보다 작은 굴절률을 가진 유전물질을 채움으로써, 광차단부를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.

또는, 광전달부를 형성하는 단계는, 시료검출부의 상면에 여기광은 흡수하고 형광은 흡수하는 여기광흡수물질을 도포하는 단계; 수광소자가 위치하는 영역을 제외한 나머지 영역의 시료검출부의 상부가 노출되도록 도포된 여기광흡수물질에 트렌치를 형성함으로써, 여기광흡수도파로를 형성하는 단계; 및 트렌치에 여기광 및 형광을 모두 흡수하는 블랙 물질을 채움으로써, 광차단부를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.

수광소자가 위치하는 영역의 상부쪽에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 마이크로렌즈를 형성하는 경우 트렌치, 광흡수물질, 광차단부, 도파로 형성등과 같은 구조를 만들지 않고, 단순히 여기광흡수물질층만으로 광전달부를 형성할 수도 있다.

상기 마이크로렌즈위에 형광반사방지막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 생물질과 같은 시료를 부착되는 부분과 시료에서 방출되는 형광을 검출하는 부분을 일체의 칩으로 집적함으로써, 바이오칩 및 이를 이용한 생물질 검출 장치를 보다 콤팩트하게 할 수 있다.

또한, 시료에서 방출되는 형광 중 상부로 향하는 형광은 윈도우에 의해 시료 검출부 쪽으로 반사되므로, 광이용효율을 높일 수 있다.

나아가, 시료에서 방출되는 형광만을 효과적으로 시료검출부로 전달함으로써 시료검출 성능을 높일 수 있다.　

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 아래에 예시되는 실시예는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니며, 본 발명을 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 충분히 설명하기 위해 제공되는 것이다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 집적된 바이오칩을 개략적으로 도시한다.

도 1을 참조하면, 본 실시예의 집적된 바이오칩은 시료반응검출부와 윈도우(300)를 포함한다. 시료반응검출부는 시료가 부착될 수 있는 시료반응부(140)와, 시료에서 방출되는 형광을 검출하는 시료검출부(200)와, 시료반응부(140)와 시료검출부(200) 사이에 위치하는 광전달부(100)를 가진다. 여기서, '집적된'이라는 표현은, 시료반응검출부를 이루는 시료반응부(140)와 광전달부(100)와 시료검출부(200)가 일체의 칩으로 집적되어 있다는 것을 의미한다.

본 실시예의 집적된 바이오칩에 부착되는 시료(190)는, 형광 검출 방법으로 검출될 수 있는 시료로서, 예를 들어, 형광 표지된 핵산과 같은 생물질이 될 수 있 다. 시료반응부(140)의 반응영역(140a)에 부착되는 생물질은 검출용 생물질(probe)이거나 검출용 생물질과 결합된 타겟 생물질일 수 있다. 검출용 생물질은 핵산의 혼성화 반응이나 항원-항체 반응과 같이 타겟이 되는 생물질과 상호 작용할 수 있는 분자들로서, 예를 들어 검출하고자하는 핵산 분자에 대해 상보적 염기 서열을 갖는 핵산 분자를 들 수 있다. 한편, 타겟이 되는 생물질은 생물의 효소, 단백질, 항체, 핵산, 미생물, 동식물 세포 및 기관, 신경 세포 등과 같은 생체 유기물이 될 수 있다. 가령, DNA칩의 경우, 제조단계에서 검출용 생물질으로서 다종의 프로브 핵산이 단일 나선 형태로 시료반응부(140)의 소정의 반응영역(140a)에 부착된다. 이들 프로브 핵산의 염기서열에 대해 상보적인 염기서열을 갖는 타겟 핵산(가령, mRNA)이 프로브 핵산과 혼성화 반응을 하여 결합되면, 표지된 형광물질에 의하여 형광이 방출된다. 프로브 핵산들의 위치는 미리 결정되어 있으므로, 검출되는 2차원 형광 이미지를 통하여 동시에 복수의 타겟 핵산들의 존재 유무를 판단할 수 있다.

윈도우(300)는 검출하고자 하는 시료가 부착되는 시료반응부(140)를 보호하는 캡핑 부재로서, 시료반응부(140)로부터 소정 거리 이격되어 배치된다. 윈도우(300)는 투명 몸체(310)와 투명 몸체(310)의 하면에 마련된 형광반사막(320)과, 투명 몸체(310)의 상면에 마련된 여기광반사방지막(330)을 포함한다. 윈도우(300)의 투명 몸체(310)는 여기광에 대해 투명한 물질로 형성된다.

형광반사막(320)은 여기광은 통과시키고 형광은 반사시키는 것으로, 투명 몸체(310)의 하면에 코팅되어 형성될 수 있다. 일반적으로 형광의 파장은 형광을 여 기시키는 여기광의 파장보다 길므로, 형광반사막(320)을 적절히 설계함으로써, 형광 파장대의 광은 반사시키고 여기광 파장대의 광은 투과시킬 수 있다. 이러한 형광반사막(320)으로는 형광의 파장대를 반사대역으로 하는 이색미러(dichroic mirror) 또는 형광의 파장대를 차단대역으로 하는 대역차단필터(band stop filter)가 채용될 수 있다. 대역차단필터로 예를 들어 형광의 파장대만을 반사시킬 수 있는 노치필터(notch filter)를 사용할 수 있다.

형광반사막(320)은 시료반응부(140)의 시료(190)에서 방출되는 형광 중 상방으로 향하는 형광을 반사시켜 시료검출부(200)의 검출에 사용케 함으로써, 시료의 검출효율을 대폭적으로 향상시킬 수 있다. 또한, 형광반사막(320)의 대역차단의 특성은 양방향으로 유효할 수 있으므로, 백색광을 여기광으로 사용하는 경우, 백색광내에 포함된 형광의 파장대를 제거하여 노이즈를 감소시킬 수 있다.

적어도 하나의 마이크로미러(325)가 투명 몸체(310)의 하면에 마련될 수 있다. 마이크로미러(325)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 투명 몸체(310)에 오목하게 들어간 반구형 형상으로 형성된 오목면(310a)에 코팅된 형광반사막(320)으로 이루어질 수 있다. 투명 몸체(310)의 오목면(310a)에 코팅된 형광반사막(320), 즉 마이크로미러(325)는 오목면(310a)의 형상에 따라 곡면을 가지게 되므로, 반사되는 형광에 대한 집속력을 갖게 된다. 마이크로미러(325)는 시료반응부(140)의 반응영역(140a)과 일대일 또는 일대다로 대응될 수 있다. 상방으로 향하는 형광은 마이크로미러(325)에 의하여 시료반응부(140)의 반응영역(140a)에 효과적으로 집광될 수 있다. 마이크로미러(325)의 형상은 도 1에 도시된 오목한 반구형에 한정되지는 않 는다. 마이크로미러(325)의 횡단면의 형상은 후술하는 시료반응부(140)의 반응영역(140a)의 형상에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들어 원형 또는 다각형의 형상을 가질 수 있다. 마이크로미러(325)를 이루는 곡면은 윈도우(310)의 하면과 시료반응부(140)의 반응영역(140a)과의 거리 등에 의해 달라질 수 있다.

윈도우(300)의 상면에는 여기광의 반사를 방지하는 여기광반사방지막(330)이 마련될 수 있다. 나아가 여기광반사방지막(330)은 형광의 파장대에 대해서는 차단 특성을 지니도록 설계될 수도 있다.

시료반응부(140)는 시료(190)가 부착될 수 있는 복수의 반응영역(140a)을 포함한다. 이러한 복수의 반응영역(140a)은 광전달부(100)의 상면에 마련되며, 여기광흡수도파로(120)와 일대일 대응될 수 있다. 복수의 반응영역(140a)은 서로 이격되어 있으며, 예를 들어, 서브 μm 내지 수 μm의 직경을 가질 수 있으며 행렬과 같은 2차원으로 배열될 수 있다. 반응영역(140a)은 원형의 형상 또는 사각형과 같은 다각형의 형상으로 형성될 수 있다. 본 실시예의 집적된 바이오칩은 반응영역(140a)이 복수개 마련된 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 경우에 따라서는 반응영역(140a)이 하나만 마련되어 있을 수도 있다. 예를 들어, 본 실시예의 집적된 바이오칩이 DNA칩으로 사용되는 경우, 반응영역(140a) 각각은 동종의 핵산이 다수개 부착된 영역의 최소 단위가 되며, 타겟이 되는 핵산을 검출하기 위해 여기광을 DNA칩에 조명할 때 얻어지는 형광 이미지의 최소 픽셀이 된다.

광전달부(100)는 시료(190)에서 방출된 형광을 하부에 위치한 시료검출부(200)로 전달하는 것으로, 광차단부(110) 및 광차단부(110)로 둘러싸인 복수의 여기광흡수도파로(120)를 포함한다.

광차단부(110)는 여기광흡수도파로(120) 각각을 둘러싸는 것으로, 시료(190)를 여기시키는 여기광과 시료(190)에서 방출된 형광을 모두 흡수하는 블랙 물질로 형성될 수 있다.

여기광흡수도파로(120)는 시료(190)에서 방출된 형광을 시료검출부(200)로 가이드하는 한편, 여기광을 흡수하는 광통로이다. 일반적으로 형광의 파장은 형광을 여기시키는 여기광의 파장보다 길므로, 여기광흡수도파로(120)는 형광 파장대의 광은 투과시키고 여기광 파장대의 광은 흡수하는 컬러 필터 물질로 형성될 수 있다. 이러한 여기광흡수도파로(120)를 형성하는 컬러 필터 물질은 광차단부(110)를 이루는 물질의 굴절률보다 큰 굴절률을 가질 수 있다. 또는, 여기광 흡수 도파로(120)를 이루는 물질의 굴절률보다 작은 굴절를을 갖는 물질로 여기광 흡수 도파로(120)를 둘러싸는 클래드층(미도시)이 더 마련될 수도 있다. 이와 같은 굴절률 관계는 광섬유의 도파구조와 같으므로, 시료(190)에서 방출된 형광은 여기광흡수도파로(120) 내에서 전반사를 하면서 지나갈 것이다.

여기광흡수도파로(120)의 일 끝단은 시료가 부착되는 시료반응부(140)의 반응영역(140a)이 놓이며, 여기광흡수도파로(120)의 타 끝단은 시료검출부(200)에 맞닿는다. 여기광흡수도파로(120)의 횡단면은 반응영역(140a)의 형상에 대응되는 형상을 가질 수 있으며, 예를 들어 원형 또는 다각형의 형상을 가질 수 있다. 반응영역(140a)은 2차원으로 서로 이격되어 배열될 수 있으며, 이에 따라 여기광흡수도파로(120) 역시 2차원으로 서로 이격되어 배열될 수 있다. 여기광흡수도파로(120)의 횡단면이나 배열 구조는 본 실시예를 한정하지 않는다.

광차단부(110) 및 여기광흡수도파로(120)는 동일층에 형성될 수 있다. 광차단부(110) 및 여기광흡수도파로(120)의 두께는 재질의 여기광 흡수 정도에 따라 적절히 설계되어 여기광이 충분히 차단될 수 있도록 있도록 한다. 예를 들어, 광차단부(110)와 여기광흡수도파로(120)는 수 μm 내지 수십 μm정도의 두께로 형성될 수 있다.

여기광흡수도파로(120)의 상부, 즉 여기광흡수도파로(120)의 끝단 중 시료반응부(140)쪽 면에는 마이크로렌즈(160)가 마련될 수 있다

마이크로렌즈(160)는 여기광흡수도파로(120)의 끝단과 일대일로 대응되며, 마이크로렌즈(160)의 표면은 시료가 부착되는 시료반응부(140)가 된다. 마이크로렌즈(160)의 초점거리를 적절히 설계하면, 광전달부(100)는 도파로 구조가 아니어도 형광이 포토다이오드부(210)로 충분히 유도될 수 있다. 즉 광차단부(110)를 여기광흡수도파로(120)와 동일한 물질로 형성하여도 형광이 확산되지 않고 광전달부(100)과 배선라인부(230)을 잘 통과할 수 있도록 마이크로렌즈(160)를 설계할 수 있다.

시료가 마이크로렌즈(160)의 표면에만 잘 부착될 수 있도록, 마이크로렌즈(160)의 표면이나 마이크로렌즈(160)가 마련된 영역의 외곽은 표면처리될 수 있다. 가령, 마이크로렌즈(160)는 시료(190)나 시료(190)가 분산된 액체에 대해 친화성을 갖도록 표면처리될 수 있다. 이러한 표면처리는, 검출하고자 하는 시료(190)에 따라 달라질 수 있다. 일례로, 반응영역(140a)을 국소적으로 산화처리하거나 산화물을 도포, 또는 친수성 물질을 도포하여 반응영역(140a)이 친수성(hydrophilic) 특성을 갖도록 할 수 있다. 이러한 표면처리의 구체적 예는 본 실시예를 한정하지 않는다. 시료(190)에 따라서는 이온 교환용 표면(ion exchange surface) 또는 금속결합 표면(immobilized metal surface)이나 그밖에 다양한 표면처리 방법이 적용될 수도 있다. 복수의 반응영역(140a)은 타겟이 되는 생물질에 대해 생물학적 수용체로 기능하는 생물질(probe bio-material)이 고정된 영역일 수도 있다. 이때 프로브의 역할을 수행하는 생물질은 반도체 공정 등을 통해 시료반응부(140)에 고정될 수 있다. 이와 같이 시료(190)에 친화성을 갖는 재료로 형성되거나 표면처리된 마이크로렌즈(160)의 경우, 마이크로렌즈(160)의 표면 자체가 반응영역(140a)이 될 수 있다.

마이크로렌즈(160)의 표면에는 형광반사방지막(165)이 더 마련되어 형광이 마이크로렌즈(160)의 표면에서 손실되는 것을 억제할 수 있다. 형광반사방지막(165)은 시료나 시료가 분산된 액체에 대해 친화적인 재료로 형성될 수 있다.

마이크로렌즈(160)는 볼록한 형상을 가지며, 시료에서 방출하는 형광을 집광시키는 굴절력을 갖는다. 마이크로렌즈(160)의 표면은 볼록하므로, 평평한 경우에 비하여 그 넓이가 더 넓다. 마이크로렌즈(160)의 표면 자체는 시료가 부착되는 반응영역(140a)이 되므로, 본 실시예와 같이 볼록한 형상의 마이크로렌즈(160)를 채용하게 되면, 동일 단면적에 대하여 더 많은 시료가 부착될 수 있어, 검출하고자 하는 시료에서 방출하는 형광의 세기가 증대될 수 있다.

또한, 여기광흡수도파로(120)에 입사되는 형광은, 여기광흡수도파로(120) 내부에서 전반사 조건을 만족하는 경우, 광손실을 최소화하면서 전송될 수 있다. 본 실시예는, 입사되는 형광이 마이크로렌즈(160)에 의해 굴절되게 되므로, 마이크로렌즈(160)가 없는 경우에 비해 좀더 비스듬히 입사되는 형광도 여기광흡수도파로(120) 내의 전반사 조건을 만족하며 전송될 수 있다. 이에 따라 시료에서 방출되는 형광 중에서 보다 많은 양이 여기광흡수도파로(120)로 효율적으로 전송될 수 있다.

본 실시예는 마이크로렌즈(160)가 볼록한 반구형 형상을 가진 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 시료반응부(140)의 바깥 환경은 마이크로렌즈(160)의 굴절률보다 클 수도 있다. 예를 들어, 시료반응부(140)와 윈도우(300) 사이에 액체가 채워지고, 액체의 굴절률이 마이크로렌즈(160)의 굴절률보다 상대적으로 높은 경우라면, 마르크로렌즈(160)는 여기광흡수도파로(120)의 끝단에 오목한 반구형 형상을 가질 수도 있을 것이다.

본 실시예는 마이크로렌즈(160)가 시료반응부(140) 쪽에 형성된 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 마이크로렌즈(160)은 시료반응부(140)와 포토다이오드부(210)의 사이에 추가로 또는 독립적으로 위치할 수 있다. 예를 들어, 광전달부(100)와 시료검출부(200) 사이의 경계에 마련될 수 있으며, 시료검출부(200) 내부에 마련될 수도 있다.

또한 본 실시예는 광전달부(100)가 광차단부(110) 및 여기광흡수도파로(120)를 모두 구비한 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 광전달부(100)는, 별도의 광차단부(110) 없이, 여기광은 흡수하고 형광을 투과시키는 물질로 이루어진 여기광흡수물질층, 즉 단색 컬러 필터로만 형성될 수도 있다. 전술한 바와 같이 마이크로렌즈(160)의 초점거리를 적절히 설계하면 도파로구조가 아니어도 형광이 포토다이오드부(210)로 충분히 유도될 수 있다.

시료검출부(200)는 복수의 포토다이오드(220)가 마련된 포토다이오드부(210)와, 신호처리를 위한 제어회로 및 배선라인(239)이 마련된 배선라인부(230)를 포함한다. 포토다이오드(220)는 수광소자의 일례이다. 시료검출부(200)에는 검출된 형광 이미지의 신호를 처리할 수 있는 신호처리부(미도시)가 더 마련될 수도 있다.

시료검출부(200)의 포토다이오드(220)는 광전달부(100)의 하면으로부터 대략 레일리 길이 정도에 배치될 수 있다. 레일리 길이(Rayleigh length)란 광속이 집광되어 그 단면적이 최소가 되는 지점으로부터 그 단면적이 두 배가 되는 지점까지의 거리를 의미한다. 형광은 여기광흡수도파로(120)내에서 진행하다가 여기광흡수도파로(120)을 벗어나면 광속의 단면적이 점차 커지게 된다. 따라서, 시료검출부(200)의 포토다이오드(220)가 여기광흡수도파로(120)의 하단으로부터 대략 레일리 길이 정도에 배치되도록 시료검출부(200)를 설계함으로써, 광속이 최대로 집속된 위치에서 형광이 검출되도록 하여 형광 검출 효율을 높일 수 있다.

시료검출부(200)는 예를 들어, CCD(Charge Coupled Device)나 CIS(CMOS Image Sensor)와 같은 이미지 센서가 마련된 기판일 수 있다. CCD(Charge Coupled Device)나 CIS(CMOS Image Sensor)는 전면조명 방식이나 후면조명 방식 등에 제한되지 않는다. 이와 같은 이미지 센서 자체는 당해 분야에 잘 알려져 있으므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.

도 1에서는 마이크로미러(325), 마이크로렌즈(140), 여기광흡수도파로(120), 및 포토다이오드(220)가 일대일로 대응된 경우를 도시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 시료반응부(140)의 하나의 반응영역(140a)에 대하여 복수의 마이크로미러(325)가 대향하여 마주보고 있을 수 있으며, 복수의 반응영역(140a)이 하나의 픽셀 단위가 될 수 있다. 또한, 포토다이오드(220)는 형광이 방출되는 여기광흡수도파로(120)의 끝단과 일대일 또는 일대다로 대응될 수 있도록 배열될 수 있다.

도 2는 본 실시예에 따른 집적된 바이오칩에서의 시료에서 방출되는 형광의 광경로를 개략적으로 도시한다.

도 2를 참조하면, 시료에서 방출된 형광(L´)은 여기광(L)에 의해 발생되며, 하방으로 향하는 형광(L´)은 마이크로렌즈(140) 쪽으로 입사된다. 마이크로렌즈(140)에 입사된 형광(L´)은 여기광흡수도파로(120)를 경유하여 시료검출부(도 1의 200)로 향한다. 여기광흡수도파로(120)의 굴절률이 광차단부(110)의 굴절률 보다 크므로, 여기광흡수도파로(120)에 입사된 형광은 여기광흡수도파로(120)과 광차단부(110)의 경계면에서 전반사를 하면서 진행한다. 이와 같은 형광은 전반사를 하면서 여기광흡수도파로(120)를 지나므로 광손실을 최소한으로 할 수 있다. 만일 여기광흡수도파로(120)의 굴절률이 광차단부(110)의 굴절률과 같거나 작은 경우라면, 여기광흡수도파로(120)를 경유하는 형광(L´)의 일부가 손실될 수는 있으나, 광전달부(100)의 두께가 예를 들어, 수 μm 내지 수십 μm 정도이므로, 이러한 손실은 무시될 수도 있다.

그런데, 여기광(L)에 의해 발생되는 형광(L´)은 무지향적이므로, 사방으로 발산한다. 따라서, 여기광(L)에 의해 발생되는 형광(L´)의 상당량이 상방을 향하게 된다. 이와 같이 상방을 향하는 형광(L´)은 형광반사막(310)에서 반사되어 마이크로렌즈(140) 쪽으로 향한다. 전술한 바와 같이 형광반사막(310)의 집속력을 적절히 설계함으로써, 형광(L´)이 마이크로렌즈(140)에 집속되도록 할 수 있으므로, 상방을 향하는 형광(L´)도 시료검출에 이용되어, 손실되는 형광(L´)을 최소한으로 억제할 수 있다. 윈도우(300)는 시료(190)를 손상시키지 않는 범위 내에서 시료(190)에 인접하게 배치함으로써, 마이크로미러(325)가 대응되는 반응영역(140a) 내의 시료(190)를 커버하여, 광이용효율을 향상시킬 수 있다. 상방으로 발산되는 형광(L´)은 마이크로미러(325)에 의해 형광을 방출한 시료가 있던 반응영역(140a)으로 집속될 수 있으므로, 이웃하는 시료(190)의 상방으로 발산되는 형광(L´)에 의해 형광 이미지가 혼동되거나 흐려지는 것이 방지될 수 있다.

전술한 바와 같이 여기광흡수도파로(120)는 광섬유의 도파구조를 가지므로, 형광의 대부분은 여기광흡수도파로(120) 내에서 전반사를 통해 전송된다. 소정 각을 벗어나 입사하는 일부의 형광은 여기광흡수도파로(120)를 벗어나 광차단부(110) 쪽으로 향할 수 있으나, 이러한 형광은 광차단부(110)를 통과하면서 흡수된다. 또한, 하방을 향한 형광(L´) 중 광차단부(110) 쪽으로 입사한 광은 광차단부(110)의 표면에서 반사되거나 광차단부(110)를 통과하면서 흡수된다. 따라서, 형광(L´)은 자기 자신을 방출하는 시료(190)가 놓인 시료반응부(140) 하부의 여기광흡수도파로(120)를 통해서만 가이드되게 되어, 이웃하는 시료(190)의 하방으로 방출되는 형광(L´)에 의해 형광 이미지가 혼동되거나 흐려지는 것을 방지할 수 있다. 한편, 하방으로 향한 여기광(L)은 광전달부(100)의 표면에서 반사되거나 광전달부(100)를 경유하면서 흡수되어, 광전달부(100)의 하부쪽으로 새어나가지 않는다.

여기광흡수도파로(120)는 반응영역(140a)과 일대일 또는 일대다로 대응될 수 있으므로, 시료(190)에서 방출된 형광에 의한 이미지는 광전달부(100)의 시료검출부(200)쪽 면에 그대로 나타나게 된다. 따라서 시료검출부(200)는 시료(190)에서 방출되는 형광의 이미지를 추가적인 광학부재 없이 곧바로 읽어낼 수 있다. 이와 같이 칩 자체에서 직접적으로 형광 이미지를 읽어낼 수 있으므로, 본 실시예의 집적된 바이오칩을 이용하는 경우, 별도의 검출광학계를 필요로 하지 않아, 바이오 검출장치를 소형화시킬 수 있다.

본 실시예는, 여기광흡수도파로(120)를 형성하는 컬러 필터 물질은 광차단부(110)를 이루는 물질의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지는 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 이러한 굴절률 관계에 한정되는 것은 아니다. 여기광흡수도파로(120)를 형성하는 컬러 필터 물질의 굴절률이 광차단부(110)를 이루는 물질의 굴절률과 같거나 그보다 작은 경우라도, 광차단부(110)는 여기광(L) 및 형광(L´)을 차단하고, 여기광흡수도파로(120)는 형광(L´)만을 통과시키므로, 전술한 광전달부(100)의 기능 자체는 그대로 수행될 수 있다.

도 3는 본 발명의 다른 실시예에 따른 집적된 바이오칩을 도시한다. 본 실시예의 집적된 바이오칩은 마이크로렌즈(160)이 제외되었다는 점을 제외하고는 전술한 실시예와 동일하다.

도 3을 참조하면, 형광반사방지막(150)은 여기광흡수도파로(120)의 끝단 중 시료반응부(140)쪽 면에 마련된다. 형광반사방지막(150)은 시료(190)에서 방출되는 형광이 반사되는 것을 방지하여, 형광 검출효율을 향상시킨다. 이러한 형광반사방지막(150)은 노출된 여기광흡수도파로(120)의 끝단을 완전히 덮도록 형성될 수 있다. 형광반사방지막(150)은, 시료(190)가 잘 부착될 수 있도록, 시료(190)나 시료(190)가 분산된 액체에 대해 친화성을 갖는 재료로 형성될 수 있다. 형광반사방지막(150)이 시료(190)에 친화성을 갖는 재료로 형성되는 경우, 형광반사방지막(150)이 형성된 영역 자체가 반응 영역(140a)이 된다. 형광반사방지막(150)은 반응 영역(140a)의 하부쪽에 별도로 마련될 수도 있다. 형광반사방지막(150)은, 본 실시예의 필수적인 구성요소는 아니며 생략될 수 있다. 형광반사방지막(150)이 생략되는 경우, 반응 영역(140a)의 표면을 시료(190)나 시료(190)가 분산된 액체에 대해 친화성을 갖도록 표면처리될 수 있다. 이러한 표면처리는, 검출하고자 하는 시료(190)에 따라 달라질 수 있다. 일례로, 반응 영역(140a)을 국소적으로 산화처리하거나 산화물을 도포, 또는 친수성 물질을 도포하여 반응 영역(140a)이 친수성 특성을 갖도록 할 수 있다. 이러한 표면처리의 구체적 예는 본 실시예를 한정하지 않는다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 집적된 바이오칩을 도시한다. 본 실시예는 시료반응검출부에 윈도우가 결합되는 일례를 보여준다.

도 4를 참조하면, 시료반응부(140)와 광전달부(100)와 시료검출부(200)는 시료반응검출부를 이루는 바, 이러한 시료반응검출부는 후술하는 바와 같이 반도체 공정을 통해 웨이퍼 단위로 제조될 수 있다. 이때, 개별칩을 이루는 시료반응검출 부의 외곽은 시료검출부(200)의 신호처리나, 전기적 접속을 위한 공간이 된다. 이러한 시료반응검출부의 주변부(400)의 상면은 윈도우(301)와의 결합을 위해 사용될 수 있다.

윈도우(301)의 투명몸체(311)는 외곽 둘레로 측벽(311b)이 하방을 향해 돌출되어 있어, 시료반응검출부의 주변부(400)의 상면과 맞닿는다. 측벽(311b)은 투명몸체(311)의 외곽 둘레 중 일부에만 마련될 수도 있다. 윈도우(310)는 측벽(311b)에 의해 내부 공간이 마련되어, 시료반응검출부의 시료반응부(140)에 부착되는 시료가 손상되지 않도록 한다. 시료반응검출부의 상면이나 윈도우(310)에는 정렬마크(미도시)를 마련하여, 윈도우(310)와 시료반응검출부의 결합시, 윈도우(310)의 마이크로미러(311a)와 시료반응부(140)의 반응영역이 올바로 정렬될 수 있도록 할 수 있다.

윈도우(310)와 시료반응검출부의 결합은 시료(190)가 시료반응부(140)에 부착된 후에 이루어지게 되므로, 개별 칩단위에서 이루어질 수 있다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 집적된 바이오칩을 도시한다. 도 5를 참조하면, 본 실시예의 집적된 바이오칩(500)는 패키지화된 것으로, 시료반응검출부(510)와 윈도우(530)가 프레임(540)에 실장되어 있다. 시료반응검출부(510)의 상면은 시료가 부착될 수 있는 시료반응부(도 1의 140)가 마련된 면으로, 외부에 노출될 수 있다. 가령, DNA칩의 경우, 다종의 프로브 핵산이 반도체 공정등을 통해 시료반응검출부(510)의 시료반응부(140)에 고정되며, 이러한 DNA칩의 표면에 타겟 핵산이 포함된 액체를 흘려주게 되면, 타겟 핵산의 염기서열에 대해 상보적인 염기 서열을 갖는 프로브 핵산이 타겟 핵산과 혼성화 반응을 하여 결합되며, DNA칩의 프로브 핵산들과 결합되는 않은 핵산들은 씻겨 나가게 된다. 혼성화 반응을 하게된 핵산은 표지된 형광물질에 의하여 형광을 방출하게 되므로, 형광이 방출되는 위치를 검출하므로써 검출하고자 하는 타겟 핵산의 유무를 판단하게 된다.

윈도우(530)는 형광반사막(520)이 마련된 것으로, 프레임(540)에 설치된다. 이러한 윈도우(530)는 바이오칩(500)의 전면을 보호하는 커버글래스가 될 수 있다. 시료가 시료반응부(140)에 부착되면, 윈도우(530)가 시료반응검출부(510)의 상부에 이격된 상태로 덮힌다. 윈도우(530)와 시료반응검출부(510) 또는 프레임(540)는 정렬마크(미도시)가 마련될 수 있다. 이러한 정렬마크는, 윈도우(530)가 프레임(540)에 부착될 때, 올바로 정렬될 수 있도록 한다.

전술한 바와 같이 본 실시예의 바이오칩은 방출되는 형광을 칩 자체에서 검출할 수 있으므로, 패키지화된 집적된 바이오칩(500)에서 출력되는 전기신호를 통하여 시료의 검출유무를 판단할 수 있게 된다.

다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 집적된 바이오칩의 제조공정을 설명하기로 한다.

도 6a 내지 도 6f은 바이오칩의 시료반응검출부의 제조공정을 도시한다.

도 6a를 참조하면, 시료검출부(200)를 마련한다. 가령, 시료검출부(200)로 CMOS 이미지 센서가 마련된 기판을 사용할 수 있다. 프로트엔드(frontend) 공정으로 실리콘 기판 위에 포토다이오드(220)를 형성하고, 그 위에 CMOS 회로 및 배선라인(239)들이 마련된 배선라인부(230)를 형성한다. 다음으로 백엔드(backend) 공정 으로, 포토다이오드부(210)에 형성된 회로를 연결하는 수직 및 수평의 패시브 메탈층(passive metal layer)을 형성하여 CMOS 이미지 센서 기판을 제조한다. 통상적인 CMOS 이미지 센서의 제조공정에서는 이러한 CMOS 이미지 센서 기판에 컬러필터를 형성하는 공정등이 더 추가되나 본 실시예의 시료검출부(200)는 이러한 컬러필터를 형성하는 공정등을 더 포함하지는 않는다. 본 실시예의 시료검출부(200)는 통상의 이미지 센서와 실질적으로 동일하며, 실질적으로 동일한 공정을 통해 제조될 수 있으므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다. 가령 CCD의 경우, 전자를 생성시키는 수광영역, 즉 포토다이오드(220)와 전자 전송을 가능케하는 수평 수직의 메탈층들이 배선라인부(230)를 통하여 연결되어 있다. 메탈층의 전기장 이동 장치를 통하여 센서의 주변부로 광전자를 수송한 후 전압으로 전환하게 된다.

다음으로, 도 6b를 참조하면, 시료검출부(200)의 상부에 여기광흡수물질을 스퍼터링, CVD(Chemical vapor deposition), 또는 스핀-코팅(spin-coating) 등의 방법으로 증착하여 여기광흡수물질층(120´)을 형성한다. 여기광흡수물질은, 여기광 파장대의 광을 흡수하고 형광 파장대의 광을 통과시키는 물질로서, 가령, 투명한 재질의 반도체, 폴리머 또는 유전체 물질을 형광의 파장대에 속하는 염료로 염색하거나, 투명한 재질의 반도체, 폴리머 또는 유전체 물질에 형광의 파장대에 속하는 안료를 전착하거나 분산시켜 형성할 수 있다. 이러한 염료나 안료는 디스플레이 기술분야나 광학분야에 잘 알려져 있으므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.

다음으로, 도 6c를 참조하면, 포토다이오드(220)가 위치하는 영역을 제외한 나머지 영역의 시료검출부(200)의 상부가 노출되도록 도포된 여기광흡수물질층(도 6b의 120´)에 식각하여 트렌치(120a)를 형성한다. 이러한 트렌치(120a)는 예를 들어 건식 식각 방법을 이용하여 형성할 수 있다. 이와 같이 트렌치(120a)가 형성된 여기광흡수물질층(120´)은 여기광흡수도파로(120)를 이룬다.

다음으로, 도 6d를 참조하면, 여기광흡수도파로(120) 사이의 트렌치(120a)에 블랙 물질을 채워 광차단부(110)를 형성한다. 이러한 블랙 물질은 여기광과 형광을 모두 흡수하는 물질이다. 블랙 물질은 여기광흡수물질의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 물질일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

다음으로, 도 6e를 참조하면, 여기광흡수도파로(120) 및 광차단부(110)의 상부면을 CMP(Chemical Mechanical Polishing)와 같은 공정을 통해 평탄화시킨 후, 여기광흡수도파로(120)가 노출된 영역에 마이크로렌즈(160)를 형성한다. 마이크로렌즈(160)는 시료가 잘 부착될 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 또는, 마이크로렌즈(160)에 시료가 잘 부착될 수 있도록 표면처리할 수도 있다. 마이크로렌즈(160)는 가령, 포토 레지스트로 마이크로렌즈 배열의 패턴을 형성한 후 리플로우(reflow) 공정을 통해 주상 형상의 패턴된 포토 레지스트를 곡면 형태의 포토 레지스트로 변형함으로써 형성할 수 있다. 나아가, 마이크로렌즈(160)의 표면에 형광반사방지막(165)을 형성하고 또한 시료가 잘 부착되도록 표면처리를 할 수도 있다.

다음으로, 도 6f를 참조하면, 마이크로렌즈(160)에 시료(190)를 부착시키는 공정을 수행한다. 이러한 시료(190)는 검출하고자 하는 타겟 생물질과 상호작용할 수 있는 검출용 생물질(probe)일 수 있다. 가령, A(아데닌), G(구아닌), C(시토신), T(티민)와 같은 DNA 염기들을, 포토-리소그래피 공정을 이용하여 반응영역별로 서로 다른 순서로 적층함으로써, 소정의 염기 서열을 갖는 프로브 핵산이 부착된 DNA칩을 제조할 수 있다.

전술한 도 6a 내지 도 6f를 참조하여 설명한 제조공정은 웨이퍼 단위에서 수행될 수 있다. 다음으로, 각 칩별로 분리하고(dicing), 프레임에 실장하고 와이어 본딩 공정을 수행하여, 타겟이 되는 시료가 부착되지 않은 상태의 바이오 칩 상태로 출하될 수 있다.

전술한 도 6a 내지 도 6f를 참조하여 설명한 시료반응검출부의 제조공정은 일예일 뿐이고, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 광전달부(100)는 별도의 공정을 통해 제작된 후, 시료검출부(200)와 웨이퍼 본딩 공정을 통해 접합될 수도 있다. 또한, 마이크로렌즈는, 광전달부(100)의 상면 뿐만이 아니라, 광전달부(100)나 배선라인부(230)의 사이에 추가로 또는 독립적으로 형성할 수도 있다. 또한, 전술한 바와 같이 마이크로렌즈(150)가 광전달부(100)에 마련된 경우, 여기광흡수도파로(120)에 의한 도파구조는 필수적인 것은 아니므로, 광전달부(100)는 단순히 여기광을 흡수하는 물질로 도포하여 여기광흡수층으로 형성할 수도 있다.

다음으로, 도 7a 내지 도 7d를 참조하여, 윈도우의 제조공정을 도시한다.

도 7a를 참조하면, 먼저 볼록한 마이크로렌즈 몰드(390)를 마련한다. 예를 들어, 마이크로렌즈 몰드(390)는 기판에 포토레지스트 공정 및 식각 공정을 통해 주상 형상을 갖는 포토레지스트를 형성한 뒤, 리플로우 리플로우(reflow) 공정을 통해 주상의 형상을 갖는 포토레지스트를 라운드 형상의 포토레지스트로 변형시켜 형성할 수 있다. 도 7b 및 도 7c를 참조하면, 마이크로렌즈 몰드(390)를 주형으로 하여, 윈도우의 투명몸체(310)를 제조한다. 투명몸체(310)의 재질로는 마이크로렌즈 몰드(390)로부터 쉽게 떨어질 수 있는 재질을 선택할 수 있다. 투명몸체(310)는 마이크로렌즈 몰드(390)의 역상으로 형성된 오목면(310a)을 갖는다.

다음으로, 도 7d를 참조하면, 투명몸체(310)의 오목면(310a) 쪽에 형광반사막(320)을 코팅하여 마이크로렌즈를 형성함으로써, 윈도우를 완성힌다.

전술한 윈도우의 제조공정은 사출공정을 이용하여 투명몸체(310)를 제조한 경우를 예로 들어 설명하였으나, 그밖에 다양한 방법들이 가능하다. 예를 들어, 투명한 기판에 직접적으로 반구형의 오목면을 식각공정을 통해 형성할 수도 있을 것이다.

윈도우는 바이오칩에 시료가 부착된 상태에서 바이오칩의 시료반응부쪽을 덮어, 검출단계로 진입되는 바이오칩이 완성된다. 전술한 바와 같이 윈도우 내지 바이오칩 상부 쪽에 정렬마크가 마련되어, 윈도우가 바이오칩에 결합될 때, 고배율 광학장치등을 이용하여 올바로 정렬될 수 있도록 할 수 있다.

이하에서 전술한 실시예들에 따른 집적된 바이오칩을 이용한 검출 장치를 설명하기로 한다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 검출장치의 개략적인 구성을 도시하고 있다.

이하에서 전술한 실시예들에 따른 집적된 바이오칩을 이용한 검출 장치를 설명하기로 한다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 검출장치의 개략적인 구성을 도 시하고 있다. 도 8을 참조하면, 본 실시예의 바이오 검출장치는, 집적된 바이오칩(610)에 여기광을 조사하는 조명광학계인 광원(601), 광확산 소자(602), 콜리메이팅 렌즈(604) 및 집광 렌즈(607)를 포함한다. 참조번호 620은 집적된 바이오칩(610)이 탈착가능하게 설치되는 스테이지를 나타낸다.

광원(601)은 여기광(excitation light)(L)을 방출한다. 광원(601)으로 여기광(L)을 방출할 수 있는 것이면 제한이 없다. 예를 들어, 광원(601)으로 반도체 레이저 다이오드, LED, 백색 광원 등을 사용할 수 있다. 광원(501)에서 방출된 여기광(L)의 파장은 형광보다 짧을 수 있다. 만일 백색 광원을 광원(601)으로 채용하는 경우, 광원(601)과 집적된 바이오칩(610) 사이의 광경로상에 형광과 같은 파장대의 광은 차단하는 여기필터(excitation filter)(미도시)를 배치한다. 전술한 바와 같이, 본 실시예들의 바이오칩은 형광반사층이 윈도우에 마련되어 있으므로, 이러한 여기필터는 생략될 수도 있다.

여기광(L)은 집적된 바이오칩(610) 내의 시료에 부착되어 있는 형광 물질을 여기시키기 위한 광이다. 통상적으로 여기광으로서 대략 500nm의 파장을 갖는 광을 사용하나, 표지되는 형광 물질에 따라, 여기광(L)의 파장은 달라질 수 있다.

광확산 소자(602)는 여기광(L)을 고르게 확산시켜 그 전체 단면을 통해 균일한 세기를 갖도록 하는 것으로, 예를 들어 막대형의 광 인터그레이터가 될 수 있다. 여기광(L)이 전체적으로 균일한 세기를 갖는 것은 집적된 바이오칩(610)의 일부 영역 또는 전체 영역에 걸쳐 동일한 세기의 광을 조명하기 위한 것이다.

콜리메이팅 렌즈(604)는 여기광(L)을 평행하게 정형하는 것이다. 도 8은 광 학산 소자(602)와 집광 렌즈(607) 사이에 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 콜리메이팅 렌즈(604)는 광원(601)과 광확산 소자(602) 사이에 배치될 수도 있다. 나아가, 광원(601)에서 방출된 여기광(L)의 발산(divergence)이 크지 않고, 집광 렌즈(607)로 여기광(L)을 충분히 집광시킬 수 있는 경우에는 콜리메이팅 렌즈(604)를 사용하지 않을 수도 있다.

집광 렌즈(607)는 여기광(L)을 집광함으로써 소정의 직경을 갖는 광 스팟(light spot)을 집적된 바이오칩(610) 상에 제공한다. 광 스팟의 직경은 집적된 바이오칩(610)의 일부 영역 또는 전체 영역을 조명할 수 있는 정도의 크기를 가질 수 있다.

여기광(L)의 스폿이 집적된 바이오칩(610)의 전면을 커버하는 경우, 집적된 바이오칩(610)은 시료에서 방출하는 형광 이미지를 한꺼번에 검출할 수 있다. 만일 여기광(L)의 스폿이 집적된 바이오칩(610)의 일부만을 커버하는 경우, 스테이지(620) 또는 조명광학계는 이동을 하여 조명되는 여기광(L)이 집적된 바이오칩(610)의 전면을 시순차적으로 커버할 수 있도록 하며, 집적된 바이오칩(610)는 시순차적으로 방출하는 형광의 이미지를 종합하여 시료가 부착된 반응영역 전역에 대한 형광 이미지를 얻게 된다.

본 실시예의 집적된 바이오칩(610)은 조명된 여기광(L)에 의해 시료에서 발하는 형광을 직접적으로 검출하며, 검출된 형광에 대한 신호는 스테이지(620)를 통해 미도시된 신호처리시스템에 전달된다. 스테이지(620) 자체가 신호처리회로를 내장한 측정용 보드가 될 수 있다.

본 실시예의 바이오 검출장치는, 별도의 검출 광학계를 구비할 필요없이 집적된 바이오칩(610) 자체로서 시료에서 방출되는 형광의 이미지를 읽어낼 수 있다. 따라서 바이오 검출장치의 광학계는 조명광학계로만 충분하므로, 휴대용으로 제작하기에 용이하며, 장소에 구애없이 생물질과 같은 시료를 분석 및 검출할 수 있게 된다.

이러한 본 발명인 집적된 바이오칩 및 이의 제조방법은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 집적된 바이오칩의 개략적인 단면도이다.

도 2는 도 1의 집적된 바이오칩에서의 광경로를 도시한다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 집적된 바이오칩의 개략적인 단면도이다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 집적된 바이오칩의 개략적인 사시도이다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 집적된 바이오칩의 개략적인 단면도이다.

도 6a 내지 도 6f 및 도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일 실시예에 따른 집적된 바이오칩의 제조방법을 도시한다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 검출 장치의 개략적인 구성도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100...광전달부 110...광차단부

120...여기광흡수도파로 140...시료반응부

150,165...형광반사방지막 160...마이크로렌즈

190...생물질 200...시료검출부

210...포토다이오드부 220...포토다이오드

230...배선라인부 300, 301,530...윈도우

310,311...투명 몸체 310a,311a...마이크로미러

311b...측벽 320...형광반사막

330...여기광반사방지막 400...주변부

500,610...바이오칩 610...시료반응검출부

601...광원 602...광확산 소자

604..콜리메이팅 렌즈 607...집광 렌즈

620...스테이지

Claims (26)

1. 형광을 검출하는 적어도 하나의 수광소자가 마련된 시료검출부;

   상기 시료검출부의 상면에 마련되어 시료에서 방출되는 형광을 상기 시료검출부에 전달하는 광전달부;

   상기 광전달부의 상면에 마련되어 시료가 부착될 수 있는 적어도 하나의 반응영역을 포함하는 시료반응부; 및

   상기 시료반응부에 이격되게 배치되어 상기 시료에서 방출하는 형광을 반사시키는 형광반사막을 구비한 윈도우;를 포함하며,

   상기 형광반사막은 여기광의 파장대를 통과대역으로 가지며, 상기 윈도우의 상방에서 조사되는 여기광을 상기 시료반응부 쪽으로 통과시키는 집적된 바이오칩.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 형광반사막은 형광의 파장대를 반사대역으로 하는 이색미러 또는 형광의 파장대를 차단대역으로 하는 대역차단필터인 집적된 바이오칩.
3. 삭제
4. 제1 항에 있어서,

   상기 윈도우의 상면에는 여기광의 반사를 방지하는 여기광반사방지막이 마련된 집적된 바이오칩
5. 제1 항, 제2 항 및 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 윈도우는 상기 시료에서 방출하는 형광을 집속시켜 반사사키는 적어도 하나의 마이크로미러를 포함하는 집적된 바이오칩.
6. 제5 항에 있어서,

   상기 마이크로미러는 윈도우의 시료반응부와 마주보는 하면에 오목한 형상으로 마련된 집적된 바이오칩.
7. 제5 항에 있어서,

   상기 마이크로미러는 상기 시료반응부의 반응영역과 일대일 또는 일대다로 대응되는 집적된 바이오칩.
8. 제7 항에 있어서,

   상기 마이크로미러가 상기 시료반응부의 반응영역와 매칭되도록 하는 정렬마크가 상기 윈도우 및 시료반응부 중 적어도 하나에 마련된 집적된 바이오칩.
9. 제5 항에 있어서,

   상기 적어도 하나의 반응영역과 수광소자 사이의 광경로상에 마련된 형광을 집광시키는 마이크로렌즈를 더 포함하는 집적된 바이오칩.
10. 제1 항, 제2 항 및 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 윈도우는 상기 시료반응부와 이격되게 접합되도록 하부로 돌출된 도출부를 포함하는 집적된 바이오칩.
11. 제10 항에 있어서,

    상기 도출부는 상기 윈도우의 외곽 둘레의 적어도 일부분에 형성된 집적된 바이오칩.
12. 제1 항, 제2 항 및 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 시료반응부와 윈도우를 서로 이격되게 수용하는 프레임을 포함하는 바이오칩.
13. 제1 항, 제2 항 및 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 광전달부는 상기 적어도 하나의 반응영역의 하부에 마련되어 시료를 여기시키는 여기광은 흡수하고 시료에서 방출하는 형광은 투과시키는 적어도 하나의 여기광흡수도파로를 포함하는 집적된 바이오칩.
14. 제13 항에 있어서,

    상기 광전달부의 상기 여기광흡수도파로를 둘러싸는 물질은 상기 여기광 및 형광을 흡수하는 블랙 물질인 집적된 바이오칩.
15. 제13 항에 있어서,

    상기 광전달부의 상기 여기광흡수도파로를 둘러싸는 물질은 상기 여기광흡수도파로의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 집적된 바이오칩.
16. 제1 항, 제2 항 및 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 광전달부는 상기 시료반응부의 하부에 마련되어 시료를 여기시키는 여기광은 흡수하고 시료에서 방출하는 형광은 투과시키는 단색 컬러 필터를 포함하는 집적된 바이오칩.
17. 제1 항, 제2 항 및 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 시료검출부는 CCD(Charge Coupled Device) 또는 CIS(CMOS Image Sensor)인 집적된 바이오칩.
18. 형광을 검출하는 적어도 하나의 수광소자가 마련된 시료검출부를 마련하는 단계;

    상기 시료검출부의 상면에 시료에서 방출되는 형광을 전달하는 광전달부를 형성하는 단계;

    상기 광전달부의 상면에 시료가 부착되는 적어도 하나의 반응영역을 포함하는 시료반응부를 형성하는 단계;

    형광반사막을 구비한 윈도우를 마련하는 단계; 및

    상기 윈도우를 상기 시료반응부에 이격되게 배치시키는 단계;를 포함하며,

    상기 형광반사막은 여기광의 파장대를 통과대역으로 가지며 상기 윈도우의 상방에서 조사되는 여기광을 상기 시료반응부 쪽으로 통과시키는 집적된 바이오칩의 제조방법.
19. 제18 항에 있어서,

    상기 윈도우를 마련하는 단계는,

    상기 윈도우에 상기 시료에서 방출하는 형광을 집속시켜 반사사키는 적어도 하나의 마이크로미러를 마련하는 단계를 포함하는 집적된 바이오칩의 제조방법.
20. 제18 항에 있어서,

    상기 윈도우를 마련하는 단계는,

    상기 윈도우의 마이크로미러가 마련된 면의 이면에 여기광의 반사를 방지하는 여기광반사방지막을 마련하는 단계를 더 포함하는 집적된 바이오칩의 제조방법.
21. 제18 항에 있어서,

    상기 윈도우를 마련하는 단계는,

    상기 윈도우에 시료반응부와의 정렬을 위한 정렬마크를 마련하는 단계를 더 포함하는 집적된 바이오칩의 제조방법.
22. 제18 항 내지 제21 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 광전달부를 형성하는 단계는,

    상기 시료검출부의 상면에 상기 여기광은 흡수하고 상기 형광은 흡수하는 여기광흡수물질을 도포하는 단계;

    상기 수광소자가 위치하는 영역을 제외한 나머지 영역의 시료검출부의 상부가 노출되도록 상기 도포된 여기광흡수물질에 트렌치를 형성함으로써, 여기광흡수도파로를 형성하는 단계; 및

    상기 트렌치에 상기 여기광흡수물질의 굴절률보다 작은 굴절률을 가진 유전물질을 채움으로써, 광차단부를 형성하는 단계;를 포함하는 집적된 바이오칩의 제조방법.
23. 제18 항 내지 제21 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 광전달부를 형성하는 단계는,

    상기 시료검출부의 상면에 상기 여기광은 흡수하고 상기 형광은 흡수하는 여기광흡수물질을 도포하는 단계;

    상기 수광소자가 위치하는 영역을 제외한 나머지 영역의 시료검출부의 상부가 노출되도록 상기 도포된 여기광흡수물질에 트렌치를 형성함으로써, 여기광흡수도파로를 형성하는 단계; 및

    상기 트렌치에 여기광 및 형광을 모두 흡수하는 블랙 물질을 채움으로써, 광차단부를 형성하는 단계;를 포함하는 집적된 바이오칩의 제조방법.
24. 제18 항 내지 제21 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 수광소자가 위치하는 영역의 상부쪽에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 더 포함하는 집적된 바이오칩의 제조방법.
25. 제24 항에 있어서,

    상기 광전달부는 여기광흡수물질층으로 형성하는 바이오칩의 제조방법.
26. 제24 항에 있어서,

    상기 마이크로렌즈위에 형광반사방지막을 형성하는 단계를 더 포함하는 집적된 바이오칩의 제조방법.

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