KR102222511B1 - Pcr용 웰 어레이 - Google Patents

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KR102222511B1
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Abstract

인렛을 통해 유입되는 용액을 웰에 채움과 동시에 아웃렛으로 흐를 수 있도록 용액의 주된 흐름의 방향을 제어할 수 있는 PCR용 웰 어레이가 개시된다. PCR용 웰 어레이는, 상부와 하부가 서로 관통하는 복수의 웰들이 형성된 베이스; 및 상기 베이스에 형성되어 외부의 인렛을 통해 유입되는 용액이 상기 웰들 각각에 채워지도록 습윤특성을 향상시키는 습윤특성향상부를 포함한다. 웰들 각각의 주변에 친수성 패턴을 형성하거나 PCR용 웰 어레이의 최외곽 영역에 소수성 패턴을 형성함으로써, 인렛을 통해 유입되는 용액을 웰에 채움과 동시에 아웃렛으로 흐를 수 있도록 용액의 주된 흐름의 방향을 제어하고, 웰들에서 에어 포켓이 생성되는 것을 차단할 수 있다.

Description

PCR용 웰 어레이{WELL ARRAY FOR PCR}
본 발명은 PCR용 웰 어레이에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인렛(inlet)을 통해 유입되는 용액을 웰에 채움과 동시에 아웃렛(outlet)으로 흐를 수 있도록 용액의 주된 흐름의 방향을 제어할 수 있는 PCR용 웰 어레이에 관한 것이다.
유전자 증폭기술은 분자진단에 있어서 필수적인 과정으로서 시료 내 미량의 디옥시리보핵산(Deoxyribonucleic Acid; DNA) 또는 리보핵산(Ribonucleic Acid; RNA)의 특정 염기서열을 반복적으로 복제하여 증폭하는 기술이다. 그 중 중합효소 연쇄반응(Polymerase chain reaction; PCR)은 대표적인 유전자 증폭 기술로서 DNA 변성단계(denaturation), 프라이머(Primer) 결합단계(annealing), DNA 복제단계(extension)의 3단계로 구성되어 있으며 각 단계는 시료의 온도에 의존되어 있으므로 시료의 온도를 반복적으로 변하게 함으로서 DNA를 증폭할 수 있다.
PCR 기술에서 웰(well)이란 이미지 센서를 적용한 반응 챔버로 사용하는 구성요소이다. 더 자세하게는, 웰은 진단하고자 하는 DNA를 함유한 용액을 주입시킬 수 있는 챔버이며, 이때 DNA를 증폭시키고, 증폭된 DNA에 있는 형광체의 발광 유/무를 포토 센서가 감지할 수 있는 영역이다.
용액 주입 관점에서, 통상적으로 웰 안에 용액을 주입할 때 웰 안에 용액 주입시 접촉각이 90도 이상으로 커져 소수화된 표면이 형성되면 Cassie Baxter 효과로 인해 웰 안으로 주입되지 않거나, 또는 주입되는 도중 용액이 고정되어 웰의 바닥까지 채워지지 않아 대부분의 용액이 웰과 웰 사이 표면으로 흐르는 문제가 발생할 수 있다. 또는 접촉각이 높은 상태에서 웰 안으로 주입되어 이것이 기포를 발생시키는 문제가 있다.
바이오 관점에서, 포토 센서를 적용하는 PCR 칩의 경우, 웰 안에 용액이 주입되는 대신 공기 또는 기포가 공간을 차지하게 된다면, 웰 영역 안에서 증폭되는 질병 DNA 및 형광체의 개체수가 포토센서가 감지할 만큼 충분하지 못하다는 문제점이 있다.
뿐만 아니라, PCR 칩의 경우, 각각의 웰이 진단하고자 하는 영역이므로, 웰에 기포가 발생한 만큼 반응 부피가 일정하지 않아 검출 정확도가 감소하는 문제점이 있다.
또한 기포는 PCR 과정 중의 온도변화에 의해 팽창하거나 수축하여 시험결과에 오류가 발생한다.
또한 포토 센서의 관점에서, 공기 또는 기포로 인해 광학적으로 왜곡이 발생하여 포토센서가 정확하게 신호를 감지하기 어렵다는 문제점이 있다.
한국공개특허 제2017-0024827호(2017. 03. 08.) 한국공개특허 제2016-0086937호(2016. 07. 20.)
이에 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 인렛을 통해 유입되는 용액을 웰에 채움과 동시에 아웃렛으로 흐를 수 있도록 용액의 주된 흐름의 방향을 제어하여 웰들에서 에어 포켓이 생성되는 것을 차단할 수 있는 PCR용 웰 어레이를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위하여 일 실시예에 따른 PCR용 웰 어레이는, 상부와 하부가 서로 관통하는 복수의 웰들이 형성된 베이스; 및 상기 베이스에 형성되어 외부의 인렛을 통해 유입되는 용액이 상기 웰들 각각에 채워지도록 습윤특성을 향상시키는 습윤특성향상부를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 습윤특성향상부는, 친수성을 갖고서 상기 웰들 각각의 주변에 형성되어 상기 인렛부터 용액이 유출되는 아웃렛 방향까지 주된 흐름을 형성하는 친수성 패턴을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 친수성 패턴은 물질의 표면 에너지를 증가시켜 획득되되, 상기 친수성 패턴은 표면에 OH- 그룹이 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 친수성은 물질의 표면 에너지를 증가시켜 획득되되, 상기 친수성 패턴은 코팅된 친수성 폴리머를 포함하고, 코팅된 친수성 폴리머의 표면에 OH- 그룹이 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 친수성은 표면 거칠기를 증가시켜 획득되되, 평활면에서의 접촉각(θr)이 0 < θr < 90이고, 상기 표면 거칠기(r)는 1 보다 크고 60보다 작을 수 있다.
일 실시예에서, 상기 친수성 패턴은, 인렛을 통해 유입된 용액이 웰들에 채워진 후 아웃렛을 통해 유출될 때, 용액이 웰들에 드롭되는 표면 영역에 대응하여 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 친수성 패턴은 상기 웰의 주변 영역 중 상기 인렛에 가까운 영역에 인접하게 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 습윤특성향상부는, 소수성을 갖고서 상기 웰들을 둘러싸는 최외곽 영역에 웰들을 둘러싸는 형상으로 형성되어 상기 인렛을 통해 유입되는 용액이 상기 베이스의 외부로 유출되는 것을 차단하는 소수성 패턴을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 소수성 패턴은 표면 에너지를 낮추기 위해 최외곽 영역의 표면에 배향된 CF3, CF2 및 CH2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 소수성은 표면 거칠기를 증가시켜 획득되되, 평활면에서의 접촉각(θr)이 90 < θr이고, 상기 표면 거칠기(r)는 1 보다 크고 60보다 작을 수 있다.
일 실시예에서, 상기 습윤특성향상부는 상기 웰들 각각의 상부 모서리가 라운드 처리되어 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 습윤특성향상부는 상기 웰들 각각의 내부 측면이 90도 보다 작은 각도로 처리되어 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 웰의 상부와 하부를 연결하는 가상선을 기준으로 상기 내부 측면은 평행하고, 상기 내부 측면은 플랫할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 웰의 상부와 하부를 연결하는 가상선을 기준으로 상기 내부 측면은 오목할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 웰의 상부와 하부를 연결하는 가상선을 기준으로 상기 내부 측면은 볼록할 수 있다.
이러한 PCR용 웰 어레이에 의하면, 웰들 각각의 주변에 친수성 패턴을 형성하거나 PCR용 웰 어레이의 최외곽 영역에 소수성 패턴을 형성함으로써, 인렛을 통해 유입되는 용액을 웰에 채움과 동시에 아웃렛으로 흐를 수 있도록 용액의 주된 흐름의 방향을 제어하여 웰들에서 에어 포켓이 생성되는 것을 차단할 수 있다. 또한 반응 공간인 PCR용 웰 어레이의 코너나 에지 영역에 형성된 웰들에서 에어 포켓이 생성되는 것을 차단할 수 있다. 이에 따라, PCR 시험결과에서 에어포켓에 의한 오류가 발생되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR용 웰 어레이를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 PCR용 웰 어레이를 설명하기 위한 평면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 친수성 패턴을 촬영한 사진이다.
도 4는 표면 거칠기가 증가되었을 때 용액이 표면에 습윤(wetting)된 모습을 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 PCR용 웰 어레이를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 소수성 표면을 위한 Cassi-Baxter 모델을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 Wenzel 모델에 따라 표면 거칠기가 증가되었을 때 소수성이 증가된 모습을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 PCR용 웰 어레이를 설명하기 위한 단면도이다.
도 9는 모서리가 라운드지지 않은 웰에 용액이 드롭되는 것을 개략적으로 설명하기 위한 단면도들이다.
도 10은 본 발명에 따라 모서리가 라운드진 웰에 용액이 드롭되는 것을 개략적으로 설명하기 위한 단면도들이다.
도 11은 도 8에 도시된 PCR용 웰 어레이의 제조 방법의 일례를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 12는 도 8에 도시된 도 12는 PCR용 웰 어레이의 제조 방법의 다른 예를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 13a는 일반적인 PCR용 웰 어레이에 용액이 주입되는 과정들을 순차적으로 촬영한 사진들이고, 도 13b는 본 발명에 따른 PCR용 웰 어레이에 용액이 주입되는 과정들을 순차적으로 촬영한 사진들이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 PCR용 웰 어레이를 설명하기 위한 단면도이다.
도 15는 도 14에 도시된 PCR용 웰 어레이의 웰을 상면에서 촬영한 사진이다.
도 16은 도 15에 도시된 웰을 절단한 단면도이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 PCR용 웰 어레이를 설명하기 위한 단면도이다.
도 18은 도 17에 도시된 PCR용 웰 어레이의 웰을 상면에서 촬영한 사진이다.
도 19는 도 18에 도시된 웰을 절단한 단면도이다.
도 20은 본 발명의 다른 실시예에 따른 PCR용 웰 어레이를 설명하기 위한 단면도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR용 웰 어레이를 설명하기 위한 사시도이다. 도 2는 도 1에 도시된 PCR용 웰 어레이를 설명하기 위한 평면도이다. 도 3은 도 1에 도시된 친수성 패턴을 촬영한 사진이다.
도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR용 웰 어레이(100)는 베이스(110) 및 친수성 패턴(120)을 포함한다. 본 실시예에서, PCR용 웰 어레이(100)는 실리콘 챔버(미도시)의 하부 면에 부착되고, CMOS 이미지 센서(미도시) 위에 배치될 수 있다. PCR용 웰 어레이(100)는 플라즈마 또는 열 또는 UV 경화 접착제에 의해 상기 실리콘 챔버에 부착될 수 있다. PCR용 웰 어레이(100)는 에칭된 실리콘 재질로 구성될 수 있다. 상기 CMOS 이미지 센서는 PCR용 웰 어레이(100) 아래에 배치되고, PCR용 웰 어레이(100)의 웰들(112)에서 PCR 반응 산물을 촬영한다. 구체적으로, 상기 CMOS 이미지 센서는 PCB(미도시)에 형성된 기판홀에 대응하도록 배치되어 PCR용 웰 어레이(100)에서 방출되는 광을 수용하여 PCR 장치에서 수행되는 PCR 반응 산물을 측정한다. 상기 CMOS 이미지 센서의 상부면에는 밀봉 후 웰의 바닥을 형성하기 위해 PDMS와 같은 물질의 얇은 층이 코팅될 수 있다.
베이스(110)에는 PCR 반응 위치의 역할을 수행하는 복수의 웰들(112)이 형성된다. 웰들(112)의 형태, 크기 및 부피는 조절이 가능하다. 웰들(112) 각각은 상부와 하부가 서로 관통한다. 본 실시예에서, 웰은 육각 형상, 원형상 등과 같은 다양한 형상을 가질 수 있다. 본 실시예에서, 웰들(112)의 개수는 3*3개이다.
친수성 패턴(120)은 상기 웰들(112) 각각의 주변에 형성되어 용액이 유입되는 인렛(inlet)(또는 유입구)에서 용액이 유출되는 아웃렛(ouylet)(또는 배출구)으로 주된 흐름을 형성한다. 용액의 주된 흐름이 형성됨에 따라, 유입되는 용액은 웰들(112) 각각에 채워질 확률이 높아져 습윤특성이 향상될 수 있다. 이에 따라 친수성 패턴(120)은 습윤특성향상부의 기능을 수행할 수 있다. 상기 친수성 패턴(120)은 상기 인렛에 가까운 영역에 형성된다.
상기 친수성 패턴(120)은 물질의 표면에너지를 증가시키는 방식으로 형성될 수도 있고, 표면 거칠기를 증가시키는 방식으로 형성될 수도 있고, 위의 두가지 방식을 혼합하여 형성될 수도 있다.
물질의 표면에너지를 증가시키는 방식으로 친수성 패턴(120)을 형성하는 방식은 포토리소그래피 공정이나 프린팅 공정을 이용해 웰 구조물의 표면을 해치 패턴 모양으로 노출시킨 후 산소 플라즈마 공정을 통해 물질 표면에 OH- 그룹을 형성해 친수성을 증가시킬 수 있다. 또는 하이드로겔(hydrogel)과 같은 친수성 폴리머를 코팅하여 표면에 OH- 그룹을 형성해 친수성을 증가시킬 수 있다.
한편, 표면 거칠기를 증가시키는 방식으로 친수성 패턴(120)을 형성하는 방식은 Wenzel 공식을 이용할 수 있다. 즉, 웰들(112) 각각의 주변에 인공적으로 표면 거칠기를 증가시켜 인렛을 통해 유입되는 용액을 웰에 채움과 동시에 아웃렛으로 흐를 수 있도록 용액의 주된 흐름의 방향을 제어할 수 있다.
표면 거칠기(r)를 1 < r < 60 사이로 증가시켜 본래 표면이 갖고 있는 친수성을 더 강화시킬 수 있다.
표면 거칠기(r)를 향상시킴에 따라 친수성이 증가되는 원리를 아래와 같다.
호모지니어스(Homogeneous) 표면(공기 등이 포함되지 않은 동종 고체 물질로만 이루어진 표면)을 가질 때, 표면 거칠기가 증가하면 용액이 고체 표면에 습윤(wetting)될 때, Wenzel 공식을 대입할 수 있다.
표면 거칠기(roughness, r)(또는 조도)의 정의는, 아래의 수식 1에 나타낸 바와 같이, 실제 표면적(real surface area)을 겉보기 표면적(apparent surface area)으로 나눠준 값으로, 1 보다 항상 크거나 같은 값을 가진다.
[수식 1]
Figure 112019057101626-pat00001
실제 투영되는 면적을 기준으로 평평한 면보다 거칠기가 있는 면의 표면적의 비율이 크므로 r은 1 이상이다. 거칠기에 따른 접촉각 변화는 Wenzel 공식으로 설명이 가능하다.
도 4는 표면 거칠기가 증가되었을 때 용액이 표면에 습윤(wetting)된 모습을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4를 참조하면, Wenzel 공식은 cosθm = rcosθr이다. 여기서, θm은 실제 접촉각이고, θr은 평활면(r=0)에서의 접촉각이다.
이때, 조면(거칠기가 있는 표면)에서는 반드시 r > 1이므로, θr이 90도 이상이면 θr < θm되어 소수성이 더 증가하고, θr이 90도 미만이면 θr > θm되어 친수성이 더 증가한다.
따라서, 적용할 수 있는 범위는 평활면에서의 접촉각이 0 < θr < 90일 때이며, 이때 친수성을 증가시킬 수 있는 표면 거칠기의 범위는 1 < r < 60이다.
본 발명에 따르면, Wenzel 공식을 이용하여 웰들(112) 각각의 주변에 인공적으로 표면 거칠기를 증가시켜 친수성 패턴(120)을 형성한다. 이에 따라, 인렛을 통해 유입되는 용액을 웰들(112) 각각에 채움과 동시에 아웃렛으로 흐를 수 있도록 용액의 주된 흐름의 방향을 제어할 수 있다.
친수성 기판이나 친수성 폴리머가 코팅된 기판을 이용해 공정 진행하면 더욱 친수성을 증가시킬 수 있으며, 표면 거칠기를 증가시키는 방법은 레이저(피코 레이저, 펨토 레이저)를 이용하거나, 건식 에칭 공정이나 습식 에칭 공정, 샌드 블라스터 공정 등이 있으며, 소수성 기판이나 소수성 폴리머가 코팅된 기판을 이용해 공정을 진행하면 소수성 효과를 더욱 증가시킬 수 있다.
이상에서 설명된 바와 같이, PCR용 웰 어레이에 형성된 웰의 테두리 표면과 용액 흐름의 방향이 일치하는 곳에 해치 패턴으로서 친수성 처리된 친수성 패턴을 형성하여, 인렛에서 투입된 용액이 웰을 채워 나가면서 아웃렛으로 빠져 나갈 수 있도록 용액의 주된 흐름을 형성할 수 있다. 용액의 주된 흐름이 형성됨에 따라, 웰들에서 에어 포켓이 생성되는 것을 차단할 수 있고, 유입되는 용액이 웰들 각각에 채워질 확률이 높아져 습윤특성이 향상될 수 있다. 이에 따라, PCR 시험결과에서 에어포켓에 의한 오류가 발생되는 것을 방지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 PCR용 웰 어레이를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 PCR용 웰 어레이(200)는 베이스(210) 및 소수성 패턴(220)을 포함한다.
베이스(210)에는 복수의 웰들(212)이 형성된다. 상기 웰들(212) 각각은 상부와 하부가 서로 관통한다. 본 실시예에서, 웰들(212)의 개수는 3*3개이다.
소수성 패턴(220)은 상기 웰들(212)이 형성된 PCR용 웰 어레이(200)의 최외곽 영역에 형성되어 용액이 유입되는 인렛에서 용액이 유출되는 아웃렛으로 주된 흐름을 형성한다. 본 실시예에서, 평면상에서 관찰할 때, 인렛 부위와 아웃렛 부위를 ㄱ-자 형상으로 연결하면서 웰들(212)을 둘러싸는 패턴과, 인렛 부위와 아웃렛 부위를 ㄴ-형상으로 연결하면서 웰들(212)을 둘러싸는 패턴이 소수성 패턴(220)을 형성한다. 인렛 부위와 아웃렛 부위를 연결하는 주된 흐름이 형성됨에 따라, 인렛 부위를 통해 유입되는 용액은 PCR용 웰 어레이(200)의 외곽 부위에 도달하는 것이 차단되어 웰들(212) 각각에 채워질 확률이 높아져 습윤특성이 향상될 수 있다. 이에 따라 소수성 패턴(220)은 습윤특성향상부의 기능을 수행할 수 있다.
물질의 소수성을 증가시키는 방법으로 물질의 표면 에너지를 감소시키는 방법과 표면 거칠기를 증가시키는 방법이 있다. 또는 두 가지 방법을 혼합하는 방법도 가능하다.
먼저, 물질의 표면 에너지를 감소시켜 소수성을 증가시키는 방법에 관해 설명한다.
불소계 고분자 또는 실란 화합물은 대표적으로 낮은 표면 에너지를 가지는 물질이다. 포토리소그래피 공정이나 프린팅 공정을 이용해 PCR용 웰 어레이(200) 주변부(즉, 최외곽 영역)만 노출시킨 후 C2F6 또는 SF6 플라즈마 공정을 통해 노출된 표면에 -CF3, -CF2, -CH2 를 배향시켜 표면 에너지를 감소시키는 방법이 있다.
또는 실리콘 및 폴리머 기반의 재료를 코팅해 -CH3를 배향시켜 표면 에너지를 낮추어 표면의 소수성을 증가시킬 수 있다.
한편, 표면 거칠기를 증가시켜 소수성을 증가시키는 방법에 관해 설명한다.
물질의 소수성을 증가시키기 위해 표면 거칠기를 증가시키는 방법은 Cassi-Baxter 원리를 이용하는 방법과 Wenzel 원리를 이용하는 방법이 있다.
Cassi-Baxter 모델에서는 표면의 물리적 형상인 거칠기에 의해서 용액 아래에 거칠 표면의 일부가 빈 곳, 즉 공기로 채워진 복합 계면이 형성된다.
도 6은 소수성 표면을 위한 Cassi-Baxter 모델을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, Cassi-Baxter 수식은 아래의 수식 2와 같다.
[수식 2]
Figure 112019057101626-pat00002
여기서, f는 전체 표면 면적 대비 고체 표면에 닿는 액적의 면적 비율이고, r은 거칠기이다.
표면의 물리적 형상 제어에 의해 구현되는 더 작은 값의 f(전체 표면 면적 대비 고체 표면에 닿는 액적의 면적 비율)로 인하여 더 큰 접촉각을 형성할 수 있다. 다시 말해, 용액이 표면에 닿는 면적을 줄일 수 있다면 표면의 소수성이 증가한다.
이러한 기술을 기반으로 레이저 공정, 에칭 공정, 전기 방사, 나노 입자 코팅 공정 등을 통해 나노필러(nanopillar), 마이크로필러(micropillar), 다공성 구조, 피라미드 어레이, 로투스 구조(마이크로 패턴 위에 나노 돌기를 갖는 패턴)을 형성할 수 있고, 그에 따라 소수성을 갖는 소수성 패턴(220)을 PCR용 웰 어레이(200)의 테두리 영역에 형성할 수 있다.
한편, Wenzel 공식을 이용하여 소수성 표면을 갖는 PCR용 웰 어레이(200)의 테두리 영역에 인공적으로 표면 거칠기를 증가시켜 소수성 패턴(220)을 형성함으로써, 표면 소수성을 더욱 증가시킬 수 있다.
도 7은 Wenzel 모델에 따라 표면 거칠기가 증가되었을 때 소수성이 증가된 모습을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, Wenzel 공식은 아래의 수식 3과 같다.
[수식 3]
Figure 112019057101626-pat00003
여기서, θm은 실제 접촉각이고, θr은 평활면(r=0)에서의 접촉각이다.
이때, 조면(거칠기가 있는 표면)에서는 반드시 r > 1이므로, θr이 90도 이상이면 θr < θm되어 소수성이 더 증가한다.
따라서, 적용할 수 있는 범위는 평활면에서의 접촉각이 90 < θr 일 때이며, 소수성을 증가시킬 수 있는 표면 거칠기의 범위는 1 < r < 60이다.
한편, 물질의 표면 에너지와 거칠기를 동시에 증가시켜 초소수성을 갖는 초소수성 패턴을 형성할 수도 있다.
표면 거칠기를 증가시키는 방법은 레이저(피코 레이저, 펨토 레이저)를 이용하거나, 건식 에칭 공정이나 습식 에칭 공정, 샌드 블라스터 공정 등이 있으며, 소수성 기판이나 소수성 폴리머가 코팅된 기판을 이용해 공정을 진행하면 소수성 효과를 더욱 증가시킬 수 있다.
이상에서 설명된 바와 같이, PCR용 웰 어레이의 주변부(테두리 또는 최외곽 영역)에 소수성 처리된 패턴을 형성하므로써, 용액의 주된 흐름이 샘플의 테두리로 흐르는 것을 막을 수 있을 뿐만 아니라, 인렛에서 투입된 용액이 웰들을 채워 나가면서 아웃렛으로 용액이 흘러 나갈 수 있도록 용액의 주된 흐름을 형성할 수 있다. 용액의 주된 흐름이 형성됨에 따라, 유입되는 용액이 웰들 각각에 채워질 확률이 높아져 습윤특성이 향상될 수 있고, 웰들에서 에어 포켓이 생성되는 것을 차단할 수 있다. 이에 따라, PCR 시험결과에서 에어포켓에 의한 오류가 발생되는 것을 방지할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 PCR용 웰 어레이를 설명하기 위한 단면도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 PCR용 웰 어레이(300)는 상부와 하부가 서로 관통하는 복수의 웰들(312)이 형성된 베이스(310) 및 상기 웰들(312) 각각의 상부 모서리가 라운드 처리되어 외부의 인렛을 통해 유입되는 용액이 상기 웰들(312) 각각에 채워지도록 습윤특성을 향상시키는 습윤특성향상부(320)를 포함한다.
웰들(312) 각각의 상부 모서리가 라운드진 구조를 갖는다면, 웰들(312) 안에 용액이 주입될 때 낮은 접촉각을 습윤(wetting) 특성이 개선되어 용액의 주입 특성이 향상될 수 있다.
웰 표면 테두리 자체를 가공하여 라운드진 구조를 형성하는 방법으로, 습식 에칭, 건식 에칭, 레이저를 이용한 에칭, 펨토초(femtosecond) 레이저를 이용한 패터닝 등과 같은 다양한 에칭 방법이 이용될 수 있다. 마스크없이 블랭켓 에칭(blanket etching)을 하게 되면, 상대적으로 취약한 모서리 부분이 먼저 에칭되어 라운드진 구조를 갖게 된다. 또는 레이저를 이용하여 모서리 부분을 라운드지게 에칭할 수도 있다.
한편, 기존의 반도체 공정에서 트렌치의 탑 코너 라운드 구조를 형성하는 공정법을 적용할 수도 있다. 구체적으로, 산화층 패턴 밑에 노출된 실리콘 오버행(Si overhang)을 H2 분위기 및 섭씨 1000도 이상의 고온에서 어닐링 분위기에 노출시키면 라운드진 모서리 구조를 얻을 수 있다.
한편, 웰 표면에 라운드진 구조를 갖는 다른 층을 이용하여 형성할 수도 있다. 즉, PDMS(polydimethylsiloxane　rubber), PA(polyamide), TPE(Thermoset Polyester) 등과 같은 다양한 폴리머 용액을 웰의 경사면 표면에 코팅하여 라운드진 층을 형성할 수 있다.
일례로, 웰(312)을 둘러싸는 주변부에 라운드진 층을 형성할 수 있다. 즉, 실리사이드 유리 기판에 PDMS 용액을 코팅한 후 웰 표면에 스탬프 방식으로 라운드진 층을 형성할 수 있다.
다른 예로, 웰(312)을 둘러싸는 주변부와 웰(312) 내부에 라운드진 구조를 갖는 층을 형성할 수도 있다. 즉, 실리콘 웰에 PDMS 용액을 분사하는 방식으로 라운드진 구조를 갖는 층을 형성할 수 있다.
본 실시예에서는 웰들 각각의 상부 모서리를 라운드 처리하여 웰들 안에 용액이 주입될 때 용액과 표면간의 접촉각이 낮아져 습윤 특성을 개선한 것을 설명하였으나, 웰들 각각의 상부 모서리를 모따기 형상으로 처리하더라도 용액과 표면간이 접촉각을 낮출 수 있다.
도 9는 모서리가 라운드지지 않은 웰에 용액이 드롭되는 것을 개략적으로 설명하기 위한 단면도들이다. 도 10은 본 발명에 따라 모서리가 라운드진 웰에 용액이 드롭되는 것을 개략적으로 설명하기 위한 단면도들이다.
도 9를 참조하면, 모서리가 라운드지지 않은 웰에 용액이 드롭되면, 용액은 웰의 수직 경사면에 대해 높은 접촉각, 예를 들어, 대략 90도 보다 큰 각도의 접촉각으로 웰 내부로 드롭된다. 이에 따라, 용액은 웰 내부로 빠르게 채워져서 미처 외부로 빠져 나가지 못한 공기가 존재할 수 있고, 이러한 공기는 웰 내부에 채워진 용액 내에서 기포로 발생된다.
도 10을 참조하면, 모서리가 라운드진 웰에 용액이 드롭되면, 용액은 웰의 라운드진 경사면에 대해 낮은 접촉각, 예를 들어, 대략 90도 보다 작은 각도의 접촉각으로 웰 내부로 드롭된다. 이에 따라, 용액이 웰 내부로 채워질 때, 웰 내에 존재하는 공기를 밀어 내면서 웰 내부에 채워져 웰 내부에 채워진 용액에는 기포가 존재하지 않게된다.
도 11은 도 8에 도시된 PCR용 웰 어레이의 제조 방법의 일례를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 11을 참조하면, 용액이 주입되는 부분이 경사진 웰을 형성하기 위해, 실리콘(Si) 재질의 베이스(BAS)에 형성하고자 하는 웰 영역에 대응하여 실리콘의 결정성 방향에 따라 수산화칼륨(KOH)을 이용한 습식 에칭 공정을 진행하여 베이스(BAS)의 상부면에 경사진 홈을 형성한다.
이어, 경사진 홈을 포함하여 베이스(BAS) 전체면에 포토레지스트층(PHL)을 형성한 후, 경사진 홈의 바닥부에 대응하는 포토레지스트층(PHL)을 제거한다.
이어, 깊은 반응성 이온 에칭 공정(DRIE 공정)을 통해 쓰루홀(through hole)을 형성하여 상부 모서리가 라운드 처리된 웰들, 즉 용액이 주입되는 부분이 경사진 웰들이 형성된 PCR용 웰 어레이(300)를 제조한다.
도 12는 도 8에 도시된 도 12는 PCR용 웰 어레이의 제조 방법의 다른 예를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 12를 참조하면, 용액이 주입되는 부분이 경사진 웰을 형성하기 위해, 실리콘(Si) 재질의 베이스(BAS)에 형성하고자 하는 웰 영역에 대응하여 실리콘의 결정성 방향에 따라 수산화칼륨(KOH)을 이용한 습식 에칭 공정을 진행하여 베이스(BAS)의 상부면에 경사진 홈을 형성한다.
이어, 경사진 홈이 형성된 베이스(BAS)를 뒤집은 후, 테이프와 같은 지지 기판(SSU)을 붙이고, 지지 기판(SSU)의 반대면인 베이스(BAS)의 하부면에 포토레지스트층(PHL)을 형성한다. 이어, 경사진 바닥부에 대응하는 포토레지스트층(PHL)을 제거한 후, 깊은 반응성 이온 에칭 공정(DRIE 공정)을 진행하여 쓰루홀을 형성한다.
이어, 베이스(BAS)에 붙여진 지지 기판(SSU)을 제거하여 상부 모서리가 라운드 처리된 웰들, 즉, 용액이 주입되는 부분이 경사진 웰들이 형성된 PCR용 웰 어레이(300)를 제조한다.
한편, DRIE 공정 시, 경사를 형성할 때는 화학적으로 에칭을 하여 등방성 에칭을 하고, 플라즈마의 파워를 증가시켜 방향성 식각 공정을 통해 상기한 쓰루홀을 형성할 수 있다.
도 13a는 일반적인 PCR용 웰 어레이에 용액이 주입되는 과정들을 순차적으로 촬영한 사진들이고, 도 13b는 본 발명에 따른 PCR용 웰 어레이에 용액이 주입되는 과정들을 순차적으로 촬영한 사진들이다. 도 13a 및 도 13b에서, 인렛과 아웃렛은 설명의 편의를 위해 사진 위에 사각 형상으로 표시하였다.
도 13a를 참조하면, 인렛을 통해 용액이 주입됨에 따라, 용액은 인렛에 가까운 웰부터 채워지기 시작한다. 용액이 웰에 모두 채워진 후 잔여 용액은 아웃렛을 통해 외부로 유출된다.
하지만, 기존 웰의 경우, 웰 내부에 용액이 채워지는 과정에서 기포가 발생될 수 있고 발생된 기포는 용액과 함께 웰 내부에 잔류하게 된다.
도 13b를 참조하면, 인렛을 통해 용액이 주입됨에 따라, 용액은 인렛에 가까운 웰부터 채워지기 시작한다. 용액이 웰에 모두 채워진 후 잔여 용액은 아웃렛을 통해 외부로 유출된다.
하지만, 본 발명의 실리콘 웰의 경우, 웰의 상부 모서리 영역이 라운드 처리되므로 용액과 표면이 접촉하는 접촉각이 기존의 웰에 비해 작다. 따라서, 설령 기포가 발생되더라도 발생된 기포는 웰 내부에 용액이 채워지면서 웰 외부로 밀어내게 되어 웰에는 용액만 채워진다.
이상에서 설명된 바와 같이, PCR용 웰 어레이의 웰들 각각의 상부 모서리를 라운드 처리하여 PCR용 웰 어레이를 형성함으로써, 용액과 웰 표면 간의 접촉각을 감소시켜 습윤 특성을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 용액의 주입 특성이 개선되어 반응 공간의 코너나 에지 영역에서 에어포켓의 발생을 방지하여 에어포켓에 의한 오류가 PCR 시험결과에서 발생되는 것을 방지할 수 있다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 PCR용 웰 어레이를 설명하기 위한 단면도이다. 도 15는 도 14에 도시된 PCR용 웰 어레이의 웰을 상면에서 촬영한 사진이다. 도 16은 도 15에 도시된 웰을 절단한 단면도이다.
도 14, 도 15 및 도 16을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 PCR용 웰 어레이(400)는 상부와 하부가 서로 관통하는 복수의 웰들(412)이 형성된 베이스(410) 및 상기 웰들(412) 각각의 경사면이 바닥면을 기준으로 대략 90도 보다 작은 완만한 경사각과 플랫한 경사면을 갖도록 형성되어 외부의 인렛을 통해 유입되는 용액이 상기 웰들(412) 각각에 채워지도록 습윤특성을 향상시키는 습윤특성향상부(420)를 포함한다.
웰들(412) 각각이 바닥면을 기준으로 대략 90도 보다 작은 완만한 경사각과 플랫한 경사면을 갖는 구조를 갖는다면, 대략 90도 경사각을 갖는 구조에 비해 웰들(412) 안에 용액이 주입될 때 낮은 접촉각으로 용액이 웰들(412)에 주입되므로 습윤(wetting) 특성이 개선되어 용액의 주입 특성이 향상될 수 있다.
상기한 플랫한 경사면의 웰을 갖는 PCR용 웰 어레이(400)는 수산화칼륨(KOH) 만을 이용하여 제작할 수 있다.
이상에서 설명된 바와 같이, PCR용 웰 어레이의 웰들 각각이 바닥면을 기준으로 대략 90도 보다 작은 완만한 경사각과 플랫한 경사면을 갖도록 PCR용 웰 어레이를 형성함으로써, 용액과 웰 표면 간의 접촉각을 감소시켜 습윤 특성을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 용액의 주입 특성이 개선되어 반응 공간의 코너나 에지 영역에서 에어포켓의 발생을 방지하여 에어포켓에 의한 오류가 PCR 시험결과에서 발생되는 것을 방지할 수 있다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 PCR용 웰 어레이를 설명하기 위한 단면도이다. 도 18은 도 17에 도시된 PCR용 웰 어레이의 웰을 상면에서 촬영한 사진이다. 도 19는 도 18에 도시된 웰을 절단한 단면도이다.
도 17, 도 18 및 도 19를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 PCR용 웰 어레이(500)는 상부와 하부가 서로 관통하는 복수의 웰들(512)이 형성된 베이스(510) 및 상기 웰들(512) 각각의 상부와 하부를 연결하는 가상선을 기준으로 내부 측면이 오목하게 형성되어 외부의 인렛을 통해 유입되는 용액이 상기 웰들(512) 각각에 채워지도록 습윤특성을 향상시키는 습윤특성향상부(520)를 포함한다.
웰들(512) 각각이 바닥면을 기준으로 대략 90도 보다 작은 완만한 경사각과 오목한 경사면을 갖는 구조를 갖는다면, 대략 90도 경사각을 갖는 구조에 비해 웰들(512) 안에 용액이 주입될 때 낮은 접촉각으로 용액이 웰들(512)에 주입되므로 습윤(wetting) 특성이 개선되어 용액의 주입 특성이 향상될 수 있다.
상기한 오목한 경사면의 웰을 갖는 PCR용 웰 어레이(500)의 경우, 등방성 식각이 가능한 HNA(불산+질산+초산), 또는 샌드블라스트와 같은 공정법을 이용해 형성할 수 있다.
이상에서 설명된 바와 같이, PCR용 웰 어레이의 웰들 각각이 바닥면을 기준으로 대략 90도 보다 작은 완만한 경사각과 오목한 경사면을 갖도록 PCR용 웰 어레이를 형성함으로써, 용액과 웰 표면 간의 접촉각을 감소시켜 습윤 특성을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 용액의 주입 특성이 개선되어 반응 공간의 코너나 에지 영역에서 에어포켓의 발생을 방지하여 에어포켓에 의한 오류가 PCR 시험결과에서 발생되는 것을 방지할 수 있다.
도 20는 본 발명의 다른 실시예에 따른 PCR용 웰 어레이를 설명하기 위한 단면도이다.
도 20를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 PCR용 웰 어레이(600)는 상부와 하부가 서로 관통하는 복수의 웰들(612)이 형성된 베이스(610) 및 상기 웰들(612) 각각의 상부와 하부를 연결하는 가상선을 기준으로 내부 측면이 볼록하게 형성되어 외부의 인렛을 통해 유입되는 용액이 상기 웰들(612) 각각에 채워지도록 습윤특성을 향상시키는 습윤특성향상부(620)를 포함한다.
웰들(612) 각각이 바닥면을 기준으로 대략 90도 보다 작은 완만한 경사각과 볼록한 경사면을 갖는 구조를 갖는다면, 대략 90도 경사각을 갖는 구조에 비해 웰들(612) 안에 용액이 주입될 때 낮은 접촉각으로 용액이 웰들(612)에 주입되므로 습윤(wetting) 특성이 개선되어 용액의 주입 특성이 향상될 수 있다.
상기한 볼록한 경사면의 웰을 갖는 PCR용 웰 어레이(600)의 경우, 등방성 식각이 가능한 HNA(불산+질산+초산), 또는 샌드블라스트와 같은 공정법을 이용해 형성할 수 있다.
이상에서 설명된 바와 같이, PCR용 웰 어레이의 웰들 각각이 바닥면을 기준으로 대략 90도 보다 작은 완만한 경사각과 볼록한 경사면을 갖도록 PCR용 웰 어레이를 형성함으로써, 용액과 웰 표면 간의 접촉각을 감소시켜 습윤 특성을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 용액의 주입 특성이 개선되어 반응 공간의 코너나 에지 영역에서 에어포켓의 발생을 방지하여 에어포켓에 의한 오류가 PCR 시험결과에서 발생되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명은 생화학물질의 검사를 수행하는 장치, 혈액검사장치, 질병 검사장치 등으로 연구용, 재난방지용, 의료용, 축산용, 애완동물치료용 등으로 사용될 수 있는 산업상 이용가능성을 갖는다.
이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100, 200, 300, 400, 500, 600 : PCR용 웰 어레이
110, 210, 310, 410, 510, 610 : 베이스
120, 220, 320, 420, 520, 620 : 습윤특성향상부
112, 212, 312, 412, 512, 612 : 웰들

Claims (15)

  1. 상부와 하부가 서로 관통하는 복수의 웰들이 형성된 베이스; 및
    상기 베이스에 형성되어 외부의 인렛을 통해 유입되는 용액이 상기 웰들 각각에 채워지도록 습윤특성을 향상시키는 습윤특성향상부를 포함하는 PCR용 웰 어레이.
  2. 제1항에 있어서, 상기 습윤특성향상부는, 친수성을 갖고서 상기 웰들 각각의 주변에 형성되어 상기 인렛부터 용액이 유출되는 아웃렛 방향까지 주된 흐름을 형성하는 친수성 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 PCR용 웰 어레이.
  3. 제2항에 있어서, 상기 친수성 패턴은 물질의 표면 에너지를 증가시켜 획득되되, 상기 친수성 패턴은 표면에 OH- 그룹이 형성된 것을 특징으로 하는 PCR용 웰 어레이.
  4. 제2항에 있어서, 상기 친수성은 물질의 표면 에너지를 증가시켜 획득되되, 상기 친수성 패턴은 코팅된 친수성 폴리머를 포함하고, 코팅된 친수성 폴리머의 표면에 OH- 그룹이 형성된 것을 특징으로 하는 PCR용 웰 어레이.
  5. 제2항에 있어서, 상기 친수성은 표면 거칠기를 증가시켜 획득되되, 평활면에서의 접촉각(θr)이 0 < θr < 90이고, 상기 표면 거칠기(r)는 1 보다 크고 60보다 작은 것을 특징으로 하는 PCR용 웰 어레이.
  6. 제2항에 있어서, 상기 친수성 패턴은, 인렛을 통해 유입된 용액이 웰들에 채워진 후 아웃렛을 통해 유출될 때, 용액이 웰들에 드롭되는 표면 영역에 대응하여 형성된 것을 특징으로 하는 PCR용 웰 어레이.
  7. 제2항에 있어서, 상기 친수성 패턴은 상기 웰의 주변 영역 중 상기 인렛에 가까운 영역에 인접하게 형성된 것을 특징으로 하는 PCR용 웰 어레이.
  8. 제1항에 있어서, 상기 습윤특성향상부는, 소수성을 갖고서 상기 웰들을 둘러싸는 최외곽 영역에 웰들을 둘러싸는 형상으로 형성되어 상기 인렛을 통해 유입되는 용액이 상기 베이스의 외부로 유출되는 것을 차단하는 소수성 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 PCR용 웰 어레이.
  9. 제8항에 있어서, 상기 소수성 패턴은 표면 에너지를 낮추기 위해 최외곽 영역의 표면에 배향된 CF3, CF2 및 CH2 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 PCR용 웰 어레이.
  10. 제8항에 있어서, 상기 소수성은 표면 거칠기를 증가시켜 획득되되, 평활면에서의 접촉각(θr)이 90 < θr이고, 상기 표면 거칠기(r)는 1 보다 크고 60보다 작은 것을 특징으로 하는 PCR용 웰 어레이.
  11. 제1항에 있어서, 상기 습윤특성향상부는 상기 웰들 각각의 상부 모서리가 라운드 처리되어 형성된 것을 특징으로 하는 PCR용 웰 어레이.
  12. 제1항에 있어서, 상기 습윤특성향상부는 상기 웰들 각각의 내부 측면이 90도 보다 작은 각도로 처리되어 형성된 것을 특징으로 하는 PCR용 웰 어레이.
  13. 제11항에 있어서, 상기 웰의 상부와 하부를 연결하는 가상선을 기준으로 상기 내부 측면은 평행하고, 상기 내부 측면은 플랫한 것을 특징으로 하는 PCR용 웰 어레이.
  14. 제11항에 있어서, 상기 웰의 상부와 하부를 연결하는 가상선을 기준으로 상기 내부 측면은 오목한 것을 특징으로 하는 PCR용 웰 어레이.
  15. 제11항에 있어서, 상기 웰의 상부와 하부를 연결하는 가상선을 기준으로 상기 내부 측면은 볼록한 것을 특징으로 하는 PCR용 웰 어레이.
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