KR102007963B1 - 나노 입자를 포함하는 잉크를 인쇄하는 프린팅 장치 및 나노 입자를 포함하는 잉크의 인쇄 방법, 이를 이용한 신경세포칩 및 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 표면에 극성을 갖는 기판 상에 나노 입자를 포함하는 잉크를 인쇄하는 프린팅 장치에 있어서, 기판의 표면의 극성과 반대되는 극성을 갖는 나노 입자를 포함하는 잉크를 포함하는 잉크 저장부; 및 잉크 저장부에 연결되고, 잉크를 분사함으로써 기판 상에 잉크를 배치하여 마이크로 패턴을 형성하는 프린팅 노즐부;를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.

Description

나노 입자를 포함하는 잉크를 인쇄하는 프린팅 장치 및 나노 입자를 포함하는 잉크의 인쇄 방법, 이를 이용한 신경세포칩 및 제조 방법{PRINTING DEVICE FOR PRINTING INK CONTAINING NANOPARTICLES AND PRINTING METHOD OF INK CONTAINING NANOPARTICLES, NEURAL INTERFACE CHIP AND MANUFACTURING METHOD USING SAME THEREOF}

본 발명은 프린팅 장치 및 프린팅 장치에 의해서 제조된 신경세포칩에 관한 것으로서, 특히 나노 입자를 포함하는 잉크를 인쇄하는 프린팅 장치 및 나노 입자를 포함하는 잉크의 인쇄방법과, 이를 이용한 신경세포칩 및 제조 방법에 관한 것이다.

잉크젯 프린팅 장치는 저비용, 고해상도, 대면적 패터닝 등의 기술이슈를 포함한다. 특히, 나노 입자의 잉크젯 프린팅 장치는 적용 분야에 따라 나노 입자 특유의 화학적, 물리적, 광학적, 전기적 특성이 적절히 접목되어 이용된다. 잉크젯 프린팅 장치가 인쇄 전자, 화학, 생명공학, 의공학 등 다양한 응용 연구에 적합하기 위해서는, 고차원적이고 복잡한 패턴의 나노 입자 프린팅이 가능해야 하는 성능적인 측면이 크게 좌우한다. 보다 고차원적인 패터닝이 가능하고, 복합적이고 다양한 소재의 프린팅 기판과 시스템 및 실험 환경에 적용되기 위해서는 다양한 소재에도 프린팅이 가능하며 분사되는 잉크 패턴의 정밀한 조절이 필수적이라 할 수 있다.

기존의 인쇄 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 인쇄 기판인 종이는 흡수성 소재로서 분사된 잉크의 접촉 고정이 용이하다. 그러나 기존의 프린팅 장치에 비흡수성 소재를 인쇄 기판으로 이용하게 된다면 소재의 표면 상에 잉크가 고정되지 않아 잉크가 의도한 패턴의 형상을 유지하지 못하게 된다.

한편, 나노 물질의 프린팅은 유리, 플라스틱, 금속 등 다양한 비흡수성 기판을 대상으로 적용되고 있다. 하지만, 이 경우에도 비흡수성 기판에서는 프린팅 된 기판의 표면에 접촉된 나노 잉크 방울의 표면장력이 최소화되어 접촉선이 움직이게 된다. 이처럼, 잉크가 비흡수성 기판의 표면에서 떨어지는 dewetting 현상으로 인하여, 나노 물질의 프린팅에는 정밀한 프린팅 패턴의 조절이 주요한 기술적 해결과제 중 하나이다.

종래의 경우, 나노 잉크 방울이 비흡수성 소재의 표면에서 고정되지 못하는 문제를 해결하기 위하여 나노 입자 잉크에 첨가물을 추가하여 잉크의 특성을 조절하거나, 잉크의 증발 과정을 변화하거나, 기판의 식각을 통해 표면 거칠기를 변화시킴에 따라 접촉선을 고정(contact line pinning) 유도하는 방법 등을 사용하였다. 그러나 나노 입자 잉크에 첨가물을 추가하게 될 경우 기존의 잉크 성분을 변화시키는 것으로 물질의 특성 변화가 야기되어 실험의 영역에서 적절하게 활용되기 어렵다. 또한, 원치 않는 첨가물이 발생시키는 오염(contamination)이 응용 분야에 따라 문제를 야기할 수 있는 단점이 있다. 또한, 기판의 식각을 통해 표면 거칠기를 변화시키는 경우 기판을 손상시킬 수 있으며 값비싼 공정이 요구되는 단점이 있다. 또한, 바이오공학의 실험 영역에서 사용되는 기판은 그 표면을 가공할 경우 적용시킬 수 있는 실험의 영역이 현저히 한정되는 단점이 있다.

일 예시로, 신경세포의 활성을 조절하는 것은 신경생리학 연구와 임상적 질병의 완화에 있어서 필수적이다. 이를 위해, 신경세포를 배양하고 네트워크를 형성시킨 뒤, 전기 약물 등과 같은 다양한 방법을 사용하여 신경세포의 활동특성을 조절하고 있다. 특히, 빛을 이용한 신경세포의 활동 조절은 매우 높은 공간 해상도를 가지며 여러 지역을 세포 해상도로 조절할 수 있다는 장점을 갖는다. 특정 뇌부위에서 발생되는 전기적 활동의 변화가 인간의 행동 및 감정에 어떻게 영향을 미치고 질병과 어떠한 연관이 있는지 연구하기 위해, 임의의 외부 자극을 통해 신경세포의 전기적 활동을 조절하고자 하는 기술들이 쓰이고 있으며, 계속해서 새로운 기술개발이 이뤄지고 있다. 현재 널리 쓰이는 외부 자극 방법으로는 크게 전기적, 화학적, 광학적 방법으로 분류할 수 있다. 비침습적이고 고효율적인 광학적 방법가운데 적외선 레이저를 이용한 자극과 광유전학이 있다.

광유전학은 빛에 의해 특이적으로 개폐가 이루어지는 이온 채널을 인위적으로 신경세포에 발현시킨 후, 가시광선 영역대의 빛을 이용해 세포의 활동전위를 만들거나 없애는 기술이다. 다만, 광유전학은 신경세포의 유전적 변이가 필요하기 때문에 임상에서 적용이 힘든 단점을 갖는다. 이를 보완하기 위해 유전적 변이가 요구되지 않는 다른 광기반 기술들이 개발되었다. 특히, 광 민감성 실리콘이나 폴리머가 코팅된 기판이 이용되고 있다.

최근에는 금 나노 입자를 매개로 광열효과를 유도하여, 신경세포의 발화를 억제하는 기술이 개발되기도 하였다. 해당 연구분야에서는 대면적으로 네트워크 전체를 억제하는 실험을 통해 신경억제기술의 가능성을 보여주었다. 게다가, 국소적 신경네트워크 억제기술은 신경의 연결성 분석, 학습과 기억과 같은 기초적인 신경생리학 연구부터 인지 행동에 이르기 까지 넓은 연구를 가능하게 하기 때문에 주목받고 있다. 이에 따라, 빛의 조사로 만들어 내는 광열효과를 패터닝하는 방법을 활용하여 국소적 신경 네트워크를 억제할 수 있는 방법이 요구된다.

여기서, 신경네트워크를 국소적으로 억제하는 금 나노 입자는 세포의 국소적 영역을 자극하므로 자극하고자 하는 영역에 따라 정밀하고 미세하게 패터닝 될 수 있어야 한다.

이에 본 출원인은 저비용이며 간단한 제작 절차로 다양한 비흡수성 소재를 인쇄 기판으로 사용할 수 있으면서도 프린팅 되는 나노 입자 잉크를 정밀하게 패터닝할 수 있도록 접촉선을 고정시켜 생명공학 분야의 다양한 실험용 칩에 특히 유용하게 적용될 수 있는 프린팅 장치를 고안하게 되었다.

한국등록특허 제10-1396216호 한국등록특허 제10-1519451호

본 발명은 다양한 소재의 비흡수성 기판에 나노 입자를 함유한 잉크의 접촉선이 고정되어 잉크가 증발된 이후에도 나노 입자의 패턴이 초기 의도한 패턴과 동일하게 형성될 수 있는 나노 입자를 포함하는 잉크를 인쇄하는 프린팅 장치 및 나노 입자를 포함하는 잉크의 인쇄 방법을 제공하고자 한다. 또한, 본 발명은 저비용에 간단한 제작 절차로 나노 입자의 잉크를 모노레이어로 정밀하게 패터닝 할 수 있는 잉크를 인쇄하는 프린팅 장치 및 나노 입자를 포함하는 잉크의 인쇄 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기의 프린팅 장치를 이용하여 신경세포의 신경네트워크 중 국소적인 영역을 광열효과를 이용하여 억제할 수 있는 나노 입자의 미세 패턴이 형성된 신경세포칩 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 표면에 극성을 갖는 기판 상에 나노 입자를 포함하는 잉크를 인쇄하는 프린팅 장치에 있어서, 기판의 표면의 극성과 반대되는 극성을 갖는 나노 입자를 포함하는 잉크를 포함하는 잉크 저장부; 및 잉크 저장부에 연결되고, 잉크를 분사함으로써 기판 상에 잉크를 배치하여 마이크로 패턴을 형성하는 프린팅 노즐부;를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.

또한, 기판의 표면은 양극(+)을 갖고, 잉크에 포함된 나노 입자는 음극(-)인 나노 입자를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 신경세포칩은, 잉크가 프린팅 되는 비흡수성 기판; 비흡수성 기판의 상면에 제1 극성을 갖는 고분자 전해질 막과, 제2 극성을 갖는 고분자 전해질 막이 교대로 적층 코팅되며 제2 극성을 갖는 고분자 전해질 막이 상부 표면에 위치한 코팅층; 및 제1 극성을 갖고 근적외선 파장 대역에서 흡광도를 갖는 금 나노 입자가 함유된 용액이 상기 코팅층 상부면에 형성하는 마이크로 패턴;을 포함하고, 마이크로 패턴은 금 나노 입자가 제1 극성과 반대되는 제2 극성을 갖는 고분자 전해질 막이 상부 표면에서 접촉시 최상층의 제1 극성 또는 제2 극성을 갖는 고분자 전해질 막의 증가된 표면 거칠기와 정전기적 인력으로 접촉선이 고정되어 마이크로 단위의 이격 거리로 패턴이 형성되며, 패턴에 위치한 금 나노 입자가 근적외선의 파장을 흡광하여 코팅층 위에 마련된 신경세포의 국소적 신경활동을 억제하는 것을 다른 특징으로 한다.

본 발명에 따른 나노 입자를 포함하는 잉크의 인쇄 방법은, 기판을 준비하는 단계; 기판의 표면이 제1 극성을 갖도록 상기 기판을 제1 고분자 전해질로 적층하는 단계; 기판의 표면이 제2 극성을 갖도록 기판을 제2 고분자 전해질로 적층하는 단계; 용매에 나노 입자가 분산된 잉크를 기판 상에 배치하여 패턴을 형성하는 단계; 및 잉크의 용매를 제거하는 단계;를 포함하고, 용매에 나노 입자가 분산된 잉크를 기판 상에 배치하여 패턴을 형성하는 단계에서 나노 입자의 극성은 기판의 표면의 극성과 반대인 것을 다른 특징으로 한다.

또한, 용매에 나노 입자가 분산된 잉크를 기판 상에 배치하여 패턴을 형성하는 단계에서 잉크가 배치되는 기판의 표면의 극성은 양극(+)일 수 있다.

또한, 상기 제1 고분자 전해질은 PAH(Poly Allyamine Hydrochloride)일 수 있다.

또한, 상기 제2 고분자 전해질은 PSS(Poly-4-StyreneSulfonic Acid)일 수 있다.

또한, 상기 제1 고분자 전해질 및 제2 고분자 전해질에 의해 적층된 층은 10층 이상일 수 있다.

본 발명에 따른 신경세포칩의 제조 방법은, 기판을 준비하는 단계; 기판의 표면이 제1 극성을 갖도록 기판을 제1 고분자 전해질로 적층하는 단계; 기판의 표면이 제2 극성을 갖도록 기판을 제2 고분자 전해질로 적층하는 단계; 용매에 나노 입자가 분산된 잉크를 기판 상에 배치하여 패턴을 형성하는 단계; 및 잉크의 용매를 제거하는 단계;를 포함하고, 용매에 금 나노 입자가 분산된 잉크를 기판 상에 배치하여 패턴을 형성하는 단계에서 금 나노 입자의 극성은 기판의 표면의 극성과 반대인 것을 다른 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 상반된 극성의 고분자 전해질 막이 기판 위에 적층 코팅되어 다양한 비흡수성 소재를 대상으로 정밀한 미세 패터닝이 가능한 이점이 있다. 비흡수성 기판 상부에 형성된 코팅층은 기판 소재의 친수성, 소수성의 특성에 관계없이 표면에 접촉되는 잉크의 접촉선을 고정시킬 수 있으며, 기판 소재 고유의 전하 특성 등을 상쇄시켜 소재의 종류에 영향을 받지 않고 프린팅 기판으로 이용할 수 있도록 한다.

본 발명에 따른 코팅층은 프린팅된 액체 방울의 축소, 움직임, 흩어짐 등의 정밀 패터닝을 방해하는 요인을 간단하게 제거할 수 있다. 이를 통해 어느 기판에든지 나노 물질의 특수한 효과를 적용시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 경우 고분자 전해질 층의 두께 역시 수 나노미터에 불과하여 기판의 구조적 형태가 갖는 본연의 특성을 유지할 수 있다.

본 발명은 저렴하며 간편하게 사용되고 있는 고분자 전해질 코팅 기술을 이용하여 생산이 용이하고, 사용될 수 있는 소재가 범용적임에 따라 기존의 기판을 제조하는 기업이 낮은 진입 장벽으로 본 발명에 따른 프린팅 장치 및 신경세포칩을 제작할 수 있을 것이다.

또한, 본 발명에 따른 신경세포칩은 코팅층이 표면에 분사된 잉크의 접촉선을 고정함에 따라 기판 상에 미세한 패턴의 형성을 형성하여 신경세포의 신경네트워크 중 국소적인 영역을 의도한 패턴의 영역으로 억제할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 프린팅 장치를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 비흡수성 기판에 코팅층을 형성하는 과정을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 나노 입자의 제타 전위 실험예를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 비흡수성 기판의 소재 종류에 따른 접촉각 실험예를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 코팅층의 유무 및 코팅층의 상부 표면 극성의 종류 별 접촉선 고정 여/부의 실험예를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 코팅층이 형성된 비흡수성 기판과 코팅층이 없는 비흡수성 기판에서 프린팅 패터닝을 비교한 실험예를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 코팅층에 프린팅된 잉크의 증발 후 나노 입자의 패턴 모양을 확인한 실험예를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 코팅층에 프린팅된 잉크의 고정 및 부동화를 확인한 실험예를 나타낸 것이다.
도 9는 마이크로 패턴이 형성된 신경세포칩의 실시 예를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 인쇄 및 신경세포칩의 제조 방법의 단계도이다.

이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.

본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 프린팅 장치(10)를 나타낸다. 대표적인 출력 장치인 프린터 장치는 일반적으로 흡수성 소재인 용지 상에 잉크를 지정된 패턴으로 분사함으로써 문자를 형성한다. 본 명세서에서 지칭하는 잉크젯 프린팅 장치(10)는 용액 상태의 잉크를 지정된 패턴으로 분사하는 장치를 폭넓게 의미할 수 있다.

도 1을 참조하면, 프린팅 장치(10)는 프린팅 노즐부(101)를 포함할 수 있으며, 극성을 갖는 코팅층(105)이 포함된 비흡수성 기판(103)을 잉크(3)의 프린팅 대상으로 하며 근적외선 레이저(30)가 조사될 수 있다.

잉크 저장부는 기판(103)의 표면의 최종 극성과 반대되는 극성을 갖는 나노 입자를 포함하는 잉크를 저장할 수 있다.

본 실시 예에서, 잉크 저장부는 프린팅 하고자 하는 잉크(3)를 저장하기 위해 마련될 수 있다. 또한, 잉크 저장부에 저장된 잉크(3)는 프린팅 노즐부(101)로 전달되어 프린팅 대상으로 분사될 수 있다.

프린팅 노즐부(101)는 잉크 저장부에 연결되고, 잉크(3)를 분사함으로써 기판(103) 상에 잉크(3)를 배치하여 마이크로 패턴을 형성할 수 있다.

본 실시 예에 따르면, 프린팅 노즐부(101)는 제1 극성을 갖는 나노 입자가 첨가된 용액을 잉크로 분사할 수 있다. 프린팅 노즐부(101)에서 분사되는 잉크에는 양극(+) 또는 음극(-)의 전하로 대전된 나노 입자가 함유될 수 있다. 본 명세서에서 제1 극성은 음극(-)으로 예시하여 설명하며, 제2 극성은 양극(+)으로 예시하여 설명한다. 제1 극성과 제2 극성의 표현은 서로 반대되는 전하를 의미하며 제2 극성이 양극(+), 제1 극성이 음극(-)이 되어도 무방하다.

한편, 본 실시 예에서 용액의 특성을 변화시키는 것이 요구되지 않는다. 따라서, 나노 입자가 함유된 잉크에 별도의 첨가물을 추가할 필요 없다. 프린팅 노즐부(101)에서 분사된 잉크는 비흡수성 기판(103)에 접촉된 이후 잉크의 용액성분은 휘발된다. 휘발 과정에서 액상이 기판(103)의 다른 표면으로 이동되더라도 고정된 접촉선 경계 내에서 잉크 내의 나노 입자는 정전기적 인력으로 기판 표면에 고정되고, 결국, 액상이 휘발되어 최종적으로 형성된 프린팅 패턴은 초기에 접촉된 라인으로 기판상에 새겨지게 되어 미세한 프린팅이 가능하도록 한다.

본 실시 예로, 나노 입자는 금(Au) 나노 막대일 수 있다. 금 나노 막대는 합성 과정에서 가로와 세로의 비율을 조정함으로써 785 nm의 근적외선 파장 부근에서 큰 흡광도를 갖는다. 금 나노 막대는 비흡수성 기판(103)을 이용한 세포 실험에서 신경세포에 열을 발생시키고자 하는 모양으로 모노레이어의 미세한 패턴으로 프린팅될 수 있고, 이와 같이 제작된 비흡수성 기판(103)은 신경세포칩으로 사용될 수 있다. 신경세포칩에 근적외선 레이저(30)를 조사할 경우, 패터닝된 금 나노 입자의 흡광 및 발열으로 기판 상부의 신경세포 중 자극하고 싶은 국소 영역에 신경 네트워크를 억제할 수 있다.

기판(103)의 표면은 양극(+)을 갖고, 잉크(3)에 포함된 나노 입자는 음극(-)일 수 있다. 전술한 바와 같이, 기판(103)과 잉크(3)에 포함된 나노 입자는 상이한 극성을 가질 수 있다. 기판(103)이 제1 극성으로 양극(+)을 갖는 경우, 나노 입자는 제2 극성으로 음극(-)을 가질 수 있다. 반면, 기판(103)이 제1 극성으로 음극(-)을 갖는 경우, 나노 입자는 제2 극성으로 양극(+)을 가질 수 있다.

기판(103)은 비흡수성을 갖는 기판을 포함할 수 있다. 비흡수성 기판(103)은 잉크가 프린팅 되는 소자를 지칭하는 것으로 수분 등의 기타 용액이 흡수되지 않고 표면장력을 최소화시키는 소재로 제공될 수 있다. 본 실시 예로, 다양한 접촉각 범위를 갖는 비흡수성 기판(103)은 질화 규소, 이산화 규소, 유리, 플라스틱, 금속 또는 이들의 조합으로 이루어진 소재로 제공될 수 있다. 바람직하게, 비흡수성 기판(103)은 소재의 종류에 상관없이 고분자 전해질 코팅을 통해 프린팅 성능이 향상될 수 있다. 후술하게 될 실험예에서, 종래기술에 따른 기판 소재의 친수성 또는 소수성 여부와 무관하게 코팅층(105)이 형성된 경우, 접촉각이 90도 미만을 유지하고 특히 양극(+)을 갖는 고분자 전해질 막(1051)의 경우 상대적으로 높은 접촉각을 유지하여 해상도가 향상될 수 있다. 동시에, 나노 입자 잉크의 표면 접촉선 고정 현상이 발생하여 코팅층(105)이 형성된 경우, 프린팅을 통한 나노 입자의 패터닝이 효과적으로 형성됨을 확인할 수 있다.

코팅층(105)은 비흡수성 기판(103)의 상면에 제1 극성을 갖는 고분자 전해질 막(1051)과 제2 극성을 갖는 고분자 전해질 막(1053)이 교대로 적층 코팅되어 형성될 수 있다. 코팅층(105)은 제1 극성과 반대되는 제2 극성을 갖는 고분자 전해질 막(1053)이 상부 표면으로 배치되어 프린팅 노즐부(101)가 분사한 잉크 내의 나노 입자 잉크가 제2 극성의 고분자 전해질 막(1053)에 접촉시 고분자 전해질 막(1053)의 증가된 표면 거칠기와 정전기적 인력으로 접촉선이 고정되어 나노 입자의 모노레이어 정밀 패턴이 가능하도록 한다.

모노레이어 정밀 패턴은 마이크로 패턴으로 표현될 수 있다. 마이크로 패턴은 제1 극성을 갖고 근적외선 파장 대역에서 흡광도를 갖는 금 나노 입자가 함유된 용액이 코팅층(105) 상부면에 형성된 형태일 수 있다. 마이크로 패턴은 금 나노 입자가 제1 극성과 반대되는 제2 극성을 갖는 고분자 전해질 막이 상부 표면에서 접촉시 최상층의 제1 극성 또는 제2 극성을 갖는 고분자 전해질 막의 증가된 표면 거칠기와 정전기적 인력으로 접촉선이 고정되어 마이크로 단위의 이격 거리로 정밀한 패턴이 형성될 수 있다. 마이크로 패턴에 위치한 금 나노 입자는 근적외선의 파장(30)을 흡광하여 코팅층(105) 위에 마련된 신경세포의 국소적 신경활성을 억제할 수 있다.

코팅층(105)은 비흡수성 기판(103)의 상부에 레이어가 적층 형성된 구조로서, 비흡수성 기판(103)의 표면이 친수성 또는 소수성 특성을 나타내는 것과 관계없이 잉크의 프린팅이 가능하도록 한다. 또한, 비흡수성 기판(103)의 다양한 소재에 따라서 특정한 극성으로 대전된 경우일지라도, 고분자 전해질 막이 교대로 적층됨에 따라 기판(103)의 상부 표면 특성을 충분히 중화시키고, 최종적으로는 코팅층(105)의 상부 전해질 막이 갖는 극성으로 일원화된 특성을 발현시킬 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 비흡수성 기판(103)에 코팅층(105)을 형성하는 과정을 나타낸다. 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 나노 입자의 제타 전위 실험예를 나타낸다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 코팅층(105)은 제1 극성을 갖는 고분자 전해질이 녹아 있는 용액과 제2 극성을 갖는 고분자 전해질이 녹아 있는 용액에 비흡수성 기판(103)이 반복적으로 침지되는 LBL 공정으로 형성될 수 있다. 본 실시 예로, 코팅층(105)을 형성하는 전해질 막 중, 제1 극성(+)을 갖는 고분자 전해질은 PAH(Poly Allylamine Hydrochloride)이고, 제2 극성(-)을 갖는 고분자 전해질은 PSS(Poly-4-StyreneSulfonic Acid)일 수 있다. LBL 공정은 층간 적층 코팅법으로서, 본 실시 예에서는 5mM~15mM의 NaCI 용액에 양극(+)의 PAH와 음극(-)의 PSS가 5mg/ml~15mg/ml의 농도로 각각 녹아있는 고분자 전해질을 사용하였다. 보다 바람직하게 NaCI의 농도는 10mM일 수 있다. 또한, 보다 바람직하게 고분자 전해질의 농도는 10mg/ml일 수 있다. 비흡수성 기판(103)은 두 종류의 고분자 전해질 용액에 각각 3~5분 정도 침지시킨 후 DI water로 세척하는 것을 교대로 반복하여 코팅층(105)을 형성할 수 있다.

본 실시 예로, 코팅층(105)은 제1 극성을 갖는 고분자 전해질 막(1051)과 제2 극성을 갖는 고분자 전해질 막(1053)이 5쌍 이상으로 적층 형성되는 것이 바람직하다. 즉, LBL 공정으로 반복 코팅되는 과정은 최소 각각 5회 이상으로 수행하는 것이 바람직하다. 비흡수성 기판(103)이 가장 마지막에 침지되는 고분자 전해질 용액이 PAH라면 코팅층(105)의 상부 표면은 NH₃ ⁺의 양극 성질을 갖게 된다. 이와는 반대로 비흡수성 기판(103)이 가장 마지막에 침지되는 고분자 전해질 용액이 PSS라면 SO₃ ^-의 음극 성질을 갖게 된다.

본 실시 예로, 코팅층(105)은 양극(+)을 갖는 고분자 전해질 막이 상부 표면에 위치하는 것이 프린팅 된 패턴의 해상도를 향상시키기 위해 보다 바람직하다. 후술하게 될 실험예에서 코팅층(105)의 상부 표면이 양극(+)으로 코팅된 경우 음극(-)으로 코팅된 경우와 비교하여 접촉각이 큰 특징이 확인되었으며, 이는 프린팅 된 패턴의 크기가 더 작아져 해상도가 향상되었음을 의미한다.

코팅층(105)의 상부는 양극(+)과 음극(-) 중 어떠한 극성일지라도 고분자 전해질 막의 증가된 표면 거칠기와 나노 입자와의 정전기적 인력으로 나노 입자 잉크의 접촉선을 고정시킨다. 여기서, 보다 큰 접촉각을 형성시키는 양극(+)의 상부 고분자 전해질 막(1053)은 음극(-)의 경우 대비 동일 잉크 용량에 대한 잉크 방울 크기가 작아지므로, 패터닝되는 나노 입자의 단위 면적 당 밀도가 높다. 이는 비흡수성 기판(103)에 형성되는 패턴의 선명도 및 해상도가 상부면 코팅층(105)이 음극(-)인 경우보다 높아지는 것으로 이해될 수 있다. 또한, 양극(+)의 상부 고분자 전해질 막(1051)은 음극(-)의 상부 고분자 전해질 막(1053) 보다 높은 접촉각(105)을 형성하기 때문에 패턴이 형성하는 라인의 간격을 보다 작게 프린팅할 수 있으므로 패턴의 복잡도 및 민감도가 우수하다.

근적외선 레이저(30)는 프린팅 장치(10)의 하부에 마련되어 비흡수성 기판(103)으로 약 720nm 내지 1300nm 대역의 근적외선 광을 방출할 수 있다. 근적외선 레이저(30)는 반드시 프린팅 장치(10) 상에 구성되어야 하는 것은 아니며, 국소적인 신경네트워크의 억제 실험을 수행하기 위한 신경세포칩을 프린팅과 동시에 실험하기 위하여 필요에 따라 프린팅 장치(10) 상에 탈부착 될 수 있다. 본 실시 예에서, 프린팅이 완료된 비흡수성 기판(103)은 신경세포칩으로 사용될 수 있으며, 실험자는 마이크로 패턴이 프린팅 된 코팅층(105)의 상부에 뉴런 세포를 배양하여 금 나노 입자가 위치한 영역의 신경 네트워크를 선택적으로 억제할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 비흡수성 기판(103)의 소재 종류에 따른 접촉각 실험예를 나타낸 것이다. 도 4를 참조하면, 비흡수성 기판(103)의 물질이 질화 규소 1인 경우, 코팅층(105)이 없는 경우와 코팅층(105)의 상부 고분자 전해질 막이 양극(+)인 경우 접촉각의 변화가 작게 나타났으며, 코팅층(105)이 형성되었음에도 기판의 특성이 잘 반영된 것으로 판단할 수 있다. 비흡수성 기판(103)의 물질이 질화 규소 2인 경우, 코팅층(105)이 없는 경우 접촉각이 90도 이상으로 원형 이외의 모양 프린팅이 힘든 소수성 표면이지만, 고분자 전해질 코팅 후 다양한 모양의 패터닝을 위한 안정적인 접촉각 영역인, 90도 아래로 접촉각이 낮아지는 현상을 확인할 수 있었다.

비흡수성 기판(103)의 소재가 이산화규소와 질화규소가 혼합된 물질일 경우, 접촉각이 가장 낮게 확인되었고, 이와 같이 접촉각이 낮은 경우에는 코팅층(105)이 없는 경우와 코팅층(105)의 상부 고분자 전해질 막이 양극(+)인 경우 접촉각의 변화가 작게 나타남으로써 기존 표면의 해상도를 동일 수준으로 유지할 수 있었다. 또한, 코팅층(105)의 상부 고분자 전해질 막이 양극(+)인 경우와 음극(-)인 경우에 있어서 접촉각의 변화도 다른 물질 대비 작게 나타났다. 도 4에 따른 실험예에서 비흡수성 기판(103)의 소재가 질화 규소이고, 코팅층(105)이 형성되었을 경우 접촉각이 가장 크게 나타났다. 이처럼, 90도 이상의 접촉각을 갖는 소수성 기판에서는 프린팅을 통한 복잡한 패턴 형성이 불가능한데, 본 실시 예에 따른 고분자 전해질 코팅 후에는 친수성 접촉각 영역으로 변화하여 패터닝에 적합해짐을 확인할 수 있었다.

또한, 질화 규소에 이산화 규소를 조합할 경우 기판의 특성이 반영되면서 코팅층(105)의 극성에 관계없이 안정적인 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 비흡수성 기판(103)의 다양한 소재에서 공통적으로 코팅층(105)의 상부 고분자 전해질 막이 양극(+)인 경우, 음극(-)인 경우보다 접촉각이 더 높게 형성되어 향상된 패턴 해상도를 갖는 것을 확인할 수 있었다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 코팅층(105)의 유무 및 코팅층(105)의 상부 표면 극성의 종류 별 접촉선 고정 여/부의 실험예를 나타낸 것이다. 도 5를 참조하면, 도 4에서 확인된 특성을 가시적으로 확인할 수 있다. 비흡수성 기판(103)에 코팅층이 없는 경우, 프린팅 직후와 잉크 용매의 증발하는 과정 모두에서 접촉각이 크게 형성되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 비흡수성 기판(103)에 코팅층이 없는 경우, 프린팅 직후와 용매의 증발과정 모두에서 접촉선이 고정되지 않아 접촉선이 움직이게 되어 droplet을 초기 프린팅한 패턴의 형태로 제어할 수 없음을 확인할 수 있다. 반면, 코팅층(105)이 형성된 경우, 프린팅 직후의 droplet에서 코팅층(105)이 없는 경우와 비교하여 접촉각이 감소되며, 용매의 증발 과정에서 접촉선이 고정되어 접촉선이 유지된 상태로 존재하는 것을 확인할 수 있다.

또한, 코팅층(105) 상부의 고분자 전해질 막이 양극(+)일 경우 음극(-)인 경우보다 접촉각이 크게 형성되어 코팅층(105) 상부의 고분자 전해질 막은 양극(+)으로 형성되는 것이 프린팅의 해상도 및 패턴 복잡도 측면에서 장점을 갖는 것을 확인할 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 코팅층이 형성된 비흡수성 기판과 코팅층이 없는 비흡수성 기판에서 프린팅 패터닝을 비교한 실험예를 나타낸 것이다. 도 6을 참조하면, 비흡수성 기판(103)에 코팅층(105)이 형성되지 않는 경우 접촉선이 고정되지 않아 초기 격자 형상의 패턴이 유지되지 않고 잉크의 droplet이 서로 뭉쳐서 의도한 패턴으로 프린팅이 되지 않음을 확인할 수 있다. 반면, 비흡수성 기판(103)에 코팅층(105)이 형성된 경우, 패턴의 간격이 미소하여 잉크의 droplet이 서로 뭉치는 경우에도 접촉선이 고정되어 코팅층(105)의 표면에 초기 접촉했던 패턴의 라인이 유지되는 것을 확인할 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 코팅층에 프린팅된 잉크의 증발 후 나노 입자의 패턴 모양을 확인한 실험예를 나타낸 것이다. 도 7을 참조하면, 비흡수성 기판(103)의 상부에 코팅층(105)이 형성된 경우 용매가 증발된 후에도 나노 입자가 프린팅 된 모양대로 형태를 유지하고, 내부적으로도 나노 입자가 균일한 밀도로 유지됨을 확인할 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 코팅층에 프린팅된 나노 입자의 고정 및 부동화를 확인한 실험예를 나타낸 것이다. 도 8을 참조하면, 비흡수성 기판(103)의 상부에 코팅층(105)이 형성되지 않은 경우, 프린팅된 비흡수성 기판(103)을 물로 세척했을 시 프린팅 된 나노 입자가 고정되지 않아 비흡수성 기판(103)에서 떨어지게 되는 부동화 현상을 나타냈다. 반면, 비흡수성 기판(103)의 상부에 코팅층(105)이 형성된 경우 비흡수성 기판(103)을 물로 세척하여도 나노 입자가 서로 다른 극성으로 인한 정전기적 인력으로 거의 모든 입자가 떨어지지 않고 코팅층(105) 상에 유지됨을 암시야 현미경으로 확인할 수 있었다.

도 9는 마이크로 패턴이 형성된 신경세포칩의 실시 예를 나타낸다. 도 9를 참조하면, 전술한 프린팅 장치(10)로 프린팅이 완료된 비흡수성 기판(103)은 국소적 신경네트워크 억제를 위한 신경세포칩으로 사용될 수 있다. 신경세포칩은 잉크가 프린팅 되는 비흡수성 기판(103)과, 비흡수성 기판(103)의 상면에 제1 극성을 갖는 고분자 전해질 막(1051) 및 제2 극성을 갖는 고분자 전해질 막이 교대로 적층 코팅되며 제2 극성을 갖는 고분자 전해질 막(1053)이 상부 표면에 위치한 코팅층(105)과, 제1 극성을 갖고 근적외선 파장 대역에서 흡광도를 갖는 금 나노 입자가 함유된 용액이 코팅층(105) 상부에 형성하는 마이크로 패턴을 포함할 수 있다.

마이크로 패턴은 금 나노 입자가 제1 극성과 반대되는 제2 극성을 갖는 고분자 전해질 막(1053)이 상부 표면에서 접촉시 갖는 정전기적 인력과 고분자 전해질 막의 증가된 표면 거칠기로 인한 나노 입자 잉크의 접촉선이 고정되어 마이크로 단위의 이격 거리로 라인이 형성되며, 라인의 금 나노 입자가 근적외선 파장을 흡광하여 국소적으로 열을 발생시켜 코팅층(105) 위에 배양된 신경세포의 국소적 신경활성을 억제할 수 있도록 한다. 마이크로 패턴은 수 내지 수십 마이크로 미터의 간격으로 나노 입자가 ‘점’ 또는 ‘라인’의 형태로 프린팅된 패턴으로 이해될 수 있다. 도 9는 금 나노 입자가 ‘점’상으로 기판의 중간에서 세로 방향으로 패터닝 된 예시이다. 전술한 바와 같이, 금 나노 입자가 패터닝 된 신경세포칩 상에 뉴런 신경 세포가 기존의 신경세포칩과 성능의 차이 없이 잘 배양 될 수 있음을 확인할 수 있다. 이를 통해, 나노 입자가 패터닝 된 신경세포칩은 근적외선 레이저(30)에 의한 광열 자극으로 마이크로 패턴이 형성된 영역에서의 신경네트워크만 선택적으로 억제할 수 있도록 한다.

도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 잉크의 인쇄 방법 및 이를 통한 신경세포칩의 제조 방법의 단계도를 나타낸다.

나노 입자를 포함하는 잉크의 인쇄 방법은 기판 준비 단계, 제1 고분자 전해질 적층 단계, 제2 고분자 전해질 적층 단계, 패턴 형성 단계 및 용매 제거 단계를 포함할 수 있다. 잉크의 인쇄 방법은 전술한 프린팅 장치(10) 및 비흡수성 기판(103)에 대한 기재에서 설명한 바, 중복되는 설명을 제외한 상세한 설명을 기재하도록 한다.

기판 준비 단계는 비흡수성 기판(103)을 준비할 수 있다. 제1 고분자 전해질 적층 단계는 준비된 기판(103)의 표면이 제1 극성을 갖도록 기판(103)을 제1 고분자 전해질로 적층할 수 있다. 제1 고분자 전해질은 PAH(Poly Allyamine Hydrochloride)일 수 있다. 제2 고분자 전해질 적층 단계는 기판(103)의 표면이 제2 극성을 갖도록 기판(103)을 제2 고분자 전해질로 적층할 수 있다. 제2 고분자 전해질은 PSS(Poly-4-StyreneSulfonic Acid)일 수 있다. 패턴 형성 단계는 용매에 나노 입자가 분산된 잉크를 기판(103) 상에 배치하여 패턴을 형성할 수 있다. 제1 고분자 전해질 적층단계와 제2 고분자 전해질 적층 단계는 각 단계가 교번하여 반복적으로 수행될 수 있으며 이에 따라 제1 고분자 전해질과 제2 고분자 전해질이 교대로 적층될 수 있으며, 적층된 층은 10층 이상일 수 있다. 패턴 형성 단계에서 나노 입자의 극성은 기판(103)의 표면의 극성과 반대일 수 있다. 용매 제거 단계는 잉크(3)의 용매를 제거할 수 있다. 패턴 형성 단계는 잉크(3)가 배치되는 기판(103)의 표면의 극성은 양극(+)일 수 있다.

한편, 해당 인쇄 방법은 신경세포칩의 제조 방법에 적용될 수 있다. 이때, 전술한 잉크의 인쇄 방법 중, 패턴 형성 단계에서 금 나노 입자가 분산된 잉크를 기판(103) 상에 배치하여 패턴을 형성하며, 이를 통해 금 나노 입자의 극성이 기판(103)의 표면의 극성과 반대인 신경세포칩을 제조할 수 있다.

이상에서 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.

10: 프린팅 장치
101: 프린팅 노즐부
103: 비흡수성 기판
105: 코팅층
1051: 제1 극성의 고분자 전해질 막
1053: 제2 극성의 고분자 전해질 막
3: 잉크
30: 근적외선 레이저

Claims (9)

1. 삭제
2. 삭제
3. 잉크가 프린팅 되는 비흡수성 기판;
   상기 비흡수성 기판의 상면에 제1 극성을 갖는 고분자 전해질 막과, 제2 극성을 갖는 고분자 전해질 막이 교대로 적층 코팅되며 상기 제2 극성을 갖는 고분자 전해질 막이 상부 표면에 위치한 코팅층; 및
   상기 제1 극성을 갖고 근적외선 파장 대역에서 흡광도를 갖는 금 나노 입자가 함유된 용액이 상기 코팅층 상부면에 형성하는 마이크로 패턴;을 포함하고,
   상기 마이크로 패턴은,
   상기 금 나노 입자가 상기 제1 극성과 반대되는 상기 제2 극성을 갖는 고분자 전해질 막이 상부 표면에서 접촉시 최상층의 상기 제1 극성 또는 제2 극성을 갖는 고분자 전해질 막의 증가된 표면 거칠기와 정전기적 인력으로 접촉선이 고정되어 마이크로 단위의 이격 거리로 패턴이 형성되며,
   상기 패턴에 위치한 상기 금 나노 입자가 근적외선의 파장을 흡광하여 상기 코팅층 위에 마련된 신경세포의 국소적 신경활동을 억제하는 것을 특징으로 하는 신경세포칩.
   
4. 기판을 준비하는 단계;
   상기 기판의 표면이 제1 극성을 갖도록 상기 기판을 제1 고분자 전해질로 적층하는 단계;
   제1 고분자 전해질로 적층된 기판의 표면을 최종적으로 제2 극성을 갖도록 제2 고분자 전해질로 추가로 적층하는 단계; 반복적으로 서로 다른 극성의 적층 법을 교대로 수차례 적용하는 단계; 최종적으로 원하는 극성에 따라 알맞은 고분자 전해질을 마지막으로 적층하는 단계;
   용매에 나노 입자가 분산된 잉크를 상기 기판 상에 배치하여 패턴을 형성하는 단계; 및
   상기 잉크의 용매를 제거하는 단계;를 포함하고,
   상기 용매에 나노 입자가 분산된 잉크를 상기 기판 상에 배치하여 패턴을 형성하는 단계에서 상기 나노 입자의 극성은 상기 기판의 표면의 극성과 반대인 나노 입자를 포함하는 잉크의 인쇄 방법.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 용매에 나노 입자가 분산된 잉크를 상기 기판 상에 배치하여 패턴을 형성하는 단계에서 상기 잉크가 배치되는 기판의 표면의 극성은 양극(+)인 나노 입자를 포함하는 잉크의 인쇄 방법.
   
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 제1 고분자 전해질은 PAH(Poly Allyamine Hydrochloride)인 나노 입자를 포함하는 잉크의 인쇄 방법
   
7. 제 4 항에 있어서,
   상기 제2 고분자 전해질은 PSS(Poly-4-StyreneSulfonic Acid)인 나노 입자를 포함하는 잉크의 인쇄 방법.
   
8. 제 4 항에 있어서,
   상기 제1 고분자 전해질 및 제2 고분자 전해질에 의해 적층된 층은 10층 이상인 나노 입자를 포함하는 잉크의 인쇄 방법.
   
9. 기판을 준비하는 단계;
   상기 기판의 표면이 제1 극성을 갖도록 상기 기판을 제1 고분자 전해질로 적층하는 단계;
   제1 고분자 전해질로 적층된 기판의 표면을 최종적으로 제2 극성을 갖도록 제2 고분자 전해질로 추가로 적층하는 단계; 반복적으로 서로 다른 극성의 적층 법을 교대로 수차례 적용하는 단계; 최종적으로 원하는 극성에 따라 알맞은 고분자 전해질을 마지막으로 적층하는 단계;
   용매에 나노 입자가 분산된 잉크를 상기 기판 상에 배치하여 패턴을 형성하는 단계; 및
   상기 잉크의 용매를 제거하는 단계;를 포함하고,
   상기 용매에 금 나노 입자가 분산된 잉크를 상기 기판 상에 배치하여 패턴을 형성하는 단계에서 상기 금 나노 입자의 극성은 상기 기판의 표면의 극성과 반대인 신경세포칩의 제조 방법.

Images