KR102624827B1 - 고해상도 형광 이미징 장치 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 일 실시예에 따른 고해상도 형광 이미징 장치는, 형광 시료가 포함된 용액을 통과시키는 유체 채널이 형성된 도광판; 상기 도광판의 측면에 위치하며 상기 도광판 내부를 향해 빛을 조사하는 광원; 상기 도광판 아래에 위치한 이미지 센서; 및 상기 도광판과 상기 이미지 센서 사이에 위치한 박막을 포?K마며, 상기 박막의 제1면에는 상기 도광판과 상기 이미지 센서를 이격시키기 위한 복수의 기둥이 형성되고, 제2면은 상기 도광판에 접합된다. 실시예에 따르면, 도광판이 필터 요소의 역할을 대체함으로써 초소형으로 제작 가능하며 필터의 교체 없이 다중 형광 이미징이 가능하다. 또한, 렌즈를 사용하지 않아 넓은 관측 시야(FOV)를 가지며, 도광판 아래에 기둥 박막을 집적하여 이미지 센서와 형광 시료의 간격을 최소한으로 유지함으로써 고해상도의 이미지를 얻을 수 있다.
Description
본 발명은 고해상도 형광 이미징 장치 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기둥 박막이 집적된 도광판을 사용하여 별도의 필터나 렌즈 없이도 형광 시료의 고해상도 촬영이 가능한 이미징 장치 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
[국가지원 연구개발에 대한 설명]
본 연구는 과학기술정보통신부의 정보통신방송기술개발 및 표준화사업(감염성 호흡기 RNA 바이러스 동시 다중 신속 진단을 위한 양자 CMOS 이미징 형광 검출 시스템 개발, 과제고유번호:1711134734)의 지원에 의하여 이루어진 것이다.
물리, 바이오, 화학 분야 등에서 미세 크기의 시료를 관찰하기 위해 광학 이미징 기술이 널리 사용되고 있다. 특히, 형광 현미경은 일반 광학 현미경에 비해 선명한 영상을 얻을 수 있어 바이오 칩과 같은 시료를 관찰하는 데에 보편적으로 쓰이고 있다.
최근 이미지 센서 기술의 발달로, 기존의 형광 시료 관찰이 가능한 소형 형광 이미징 시스템이 소개되었다. 형광 이미징 시스템은, 형광체가 특정 파장의 빛을 흡수하면 형광을 발하는 원리를 이용하여, 시료에 형광 물질(형광 색소)을 처리한 후 시료에 형광 물질의 흡수 파장의 여기광을 조사하고 시료로부터 발산되는 방출광을 통해 시료를 관찰할 수 있도록 이미지화하는 시스템이다. 이 때, 형광 물질에 조사하는 여기광이 방출광과 함께 관찰되는 경우 관찰 결과의 정확성 및 신뢰성을 저하시키므로 이를 제거할 필요가 있다. 이를 위해, 종래의 형광 이미징 시스템은 대체로 특정 파장의 빛을 차단하는 필터를 포함하여 광원, 렌즈 등을 필요로 하고 있다.
따라서, 종래의 형광 이미징 시스템은 특정 파장의 빛을 차단하는 필터의 필요성으로 인해 여러 파장의 형광 신호를 동시에 측정해야 하는 다중 형광 이미징에 적합하지 않으며, 이를 가능하게 하기 위해서는 복잡한 구조의 비교적 큰 크기와 무게를 가지게 되어 휴대하기에 적합하지 않다. 또한, 고가의 장비로서 폭넓게 활용되기에 적합하지 않고, 렌즈를 이용한 형광 이미징 시스템은 관측 시야(field of view, FOV)가 좁다는 제약이 있다. 무렌즈 형광 이미징 시스템은 비교적 단순한 구조로 휴대하기 적합하고 상대적으로 넓은 관측 시야(FOV)를 가지나, 위와 마찬가지로 특정 파장의 빛을 차단하는 필터의 필요성으로 인해 다중 형광 이미징에 적합하지 않다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 기둥 박막이 집적된 도광판을 사용하여 별도의 필터나 렌즈 없이도 형광 시료의 고해상도 촬영이 가능한 다중 형광 이미징 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
일 실시예에 따른 고해상도 형광 이미징 장치는, 형광 시료가 포함된 용액을 통과시키는 유체 채널이 형성된 도광판; 상기 도광판의 측면에 위치하며 상기 도광판 내부를 향해 빛을 조사하는 광원; 상기 도광판 아래에 위치한 이미지 센서; 및 상기 도광판과 상기 이미지 센서 사이에 위치한 박막을 포함하되, 상기 박막의 제1면에는 상기 도광판과 상기 이미지 센서를 이격시키기 위한 복수의 기둥이 형성되고, 제2면은 상기 도광판에 접합된 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따르면, 상기 광원으로부터 조사된 빛은 상기 유체 채널을 통과하는 용액 내 형광 시료를 여기시키고, 상기 형광 시료로부터 방출된 빛은 상기 박막을 통과하여 상기 이미지 센서에 전달될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광원으로부터 조사된 빛은 상기 도광판 내부에서 전반사될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광원은 복수 개의 광원 유닛들로 구성되며, 상기 복수의 광원 유닛들은 각각 서로 다른 여기 파장의 빛을 조사한다.
일 실시예에 따르면, 상기 이미지 센서와 상기 도광판을 이격시키기 위한 기둥의 높이는 2 μm 이하일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 도광판 및/또는 상기 박막은 PDMS(polydimethylsiloxane)로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 이미지 센서는 CCD 이미지 센서 또는 CMOS 이미지 센서일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 고해상도 형광 이미징 장치는 외부로부터의 빛을 차단하기 위한 차광막을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 고해상도 형광 이미징 장치의 제조방법은, 도광판을 제작하는 단계; 상기 도광판의 측면에 상기 도광판 내부를 향해 빛을 조사하는 광원을 부착하는 단계; 제1면에 복수의 기둥이 형성된 박막을 제작하는 단계; 상기 박막의 제2면을 상기 도광판에 접합시키는 단계; 및 상기 박막의 제1면이 이미지 센서를 향하도록 상기 이미지 센서 위에 상기 박막과 도광판을 배치하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 박막을 제작하는 단계는, PDMS(polydimethylsiloxane)와 경화제의 비율을 5:1로 배합하는 단계; 및 상기 PDMS와 상기 경화제의 배합체를 200℃이상의 온도로 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 고해상도 형광 이미징 장치의 제조방법은, 상기 도광판 및 상기 이미지 센서를 외부로부터의 빛을 차단하기 위한 차광막으로 둘러싸는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 형광 이미징 장치는, 도광판 아래에 집적된 기둥 박막을 통해 이미지 센서와 도광판을 이격시켜 도광판 내에서 여기광의 전반사가 일어나도록 한다. 여기광은 도광판 외부로 유출되거나 이미지 센서에 도달하지 않고 유체 채널을 따라 흐르는 형광 시료를 여기시키며, 형광 시료에서 방출된 빛은 도광판 하부에 위치한 이미지 센서에서 감지된다. 이러한 구조에 의하면, 형광 시료와 이미지 센서의 거리를 최소한으로 유지하면서도 도광판이 센서와 접촉하는 것을 방지하여 고해상도의 이미지를 획득할 수 있다. 또한, 도광판이 필터 요소의 역할을 대체할 수 있어 초소형으로 제작 가능하며 필터의 교체 없이 다중 형광 이미징이 가능하다. 나아가, 도광판 내부에 형성된 미세 유체 채널을 통해 형광 시료를 주입할 수 있어 실험과 동시에 시료의 변화를 실시간으로 관찰할 수 있도록 한다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명 또는 종래 기술의 실시예의 기술적 해결책을 보다 명확하게 설명하기 위해, 실시예에 대한 설명에서 필요한 도면이 아래에서 간단히 소개된다. 아래의 도면들은 본 명세서의 실시예를 설명하기 목적일 뿐 한정의 목적이 아니라는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 설명의 명료성을 위해 도면의 일부 구성요소들에 대한 표현이 과장되거나 생략될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 형광 이미징 장치를 도시한 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 형광 이미징 장치를 도시한 사시도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 형광 이미징 장치에서, 여기광이 도광판 내부에서 진행하는 경로를 도시한다.
도 4는 일 실시예에 따른 형광 이미징 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다
도 5a는 이미지 센서와 도광판을 이격시키는 기둥 박막이 없는 구조의 장치에서 형광 시료를 이미징한 결과를 나타낸다.
도 5b는 이미지 센서와 도광판을 이격시키는 기둥 박막이 집적된 구조의 장치에서 형광 시료를 이미징한 결과를 나타낸다.
도 6a는 내지 6c는 기둥 박막의 PDMS 배합 비율에 따른 이미징 결과를 나타낸다.
도 7은 일 실시예에 따른 고해상도 형광 이미징 장치의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 1은 일 실시예에 따른 형광 이미징 장치를 도시한 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 형광 이미징 장치를 도시한 사시도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 형광 이미징 장치에서, 여기광이 도광판 내부에서 진행하는 경로를 도시한다.
도 4는 일 실시예에 따른 형광 이미징 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다
도 5a는 이미지 센서와 도광판을 이격시키는 기둥 박막이 없는 구조의 장치에서 형광 시료를 이미징한 결과를 나타낸다.
도 5b는 이미지 센서와 도광판을 이격시키는 기둥 박막이 집적된 구조의 장치에서 형광 시료를 이미징한 결과를 나타낸다.
도 6a는 내지 6c는 기둥 박막의 PDMS 배합 비율에 따른 이미징 결과를 나타낸다.
도 7은 일 실시예에 따른 고해상도 형광 이미징 장치의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 형광 이미징 장치를 도시한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 형광 이미징 장치(1)는, 빛의 진행 경로를 제공하는 도광판(10), 상기 도광판(10)의 측면에 위치하며 상기 도광판(10) 내부를 향해 빛을 조사하는 광원(20), 상기 도광판(10) 아래에 위치한 이미지 센서(30), 및 상기 도광판(10)과 상기 이미지 센서(30) 사이에 위치한 박막(40)을 포함한다.
도광판(10)은 측면부에 위치한 광원(20)으로부터 빛이 진행하는 경로를 제공하는 판으로서, 판의 너비에 비해 두께가 매우 얇은 형태일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 도광판(10)은 광원(20)으로부터 이미지 센서(30)에 직접 조사되는 빛과 전반사 이외의 각도의 빛을 차단하기 위해 이미지 센서(30)보다 크게 제작되어 광원과 이미지 센서 간에 충분한 거리를 제공할 수 있다. 도광판(10)은 빛의 굴절률이 공기(n=1)보다 큰 임의의 물질로 제작이 가능하다. 예컨대, PDMS(polydimethylsiloxane)가 이용될 수 있다.
도광판(10)의 측면부에는 도광판(10) 내부를 향해 빛을 조사하는 광원(20)이 위치한다. 예를 들어, 다이오드(diode), 레이저(laser) 또는 LED(light emitting diode)와 같이 여기 파장의 빛을 제공할 수 있는 다양한 수단이 광원으로 이용될 수 있다. 도광판(10)은 빛의 굴절률이 공기보다 큰 물질로 제작되며, 도광판(10) 내부에서 전반사가 일어난다.
일 실시예에 따르면, 광원(20)은 서로 다른 여기 파장을 제공하는 복수 개의 광원 유닛들로 구성될 수 있으며, 이를 통해 다중 형광 이미징이 가능하다. 예를 들어, 각각의 광원 유닛은 녹색 LED, 청색 LED, 적색 LED로 구성되어 특정 형광 시료의 발광을 유도할 수 있다.
도광판(10) 내부에는 도광판(10)의 저면을 따라 형성된 유체 채널(100)이 존재한다. 상기 유체 채널(100)을 통해 촬영하고자 하는 형광 시료(110)가 포함된 용액이 주입된다. 일 실시예에 따르면 유체 채널(100)은 촬영 면적을 최대화하기 위해 도광판(10)의 저면에 지그재그 형태로 형성될 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 고해상도 형광 이미징 장치를 도시한 사시도이다. 도 2를 참조하면, 도광판(10)에는 형광 시료가 포함된 용액을 주입하거나 추출하기 위해 도광판(10)의 외부와 유체 채널(100)을 연결하는 출입구(101, 102)가 존재한다. 예를 들어, 출입구(101)를 통해 형광 시료 용액을 주입하면, 용액은 도광판(10) 저면에 형성된 유체 채널(100)을 따라 흐르고, 이때 광원에 의해 여기된 형광 시료가 빛을 방출하면 도광판(10)의 저면 아래에 위치한 이미지 센서(30)가 상기 빛을 감지함으로써 형광 시료의 이미지를 획득한다. 유체 채널(100)을 통과한 용액은 출입구(102)를 통해 도광판(10) 외부로 추출될 수 있다.
이미지 센서(30)는 유체 채널(100) 내 형광 시료로부터 발생하는 방출 파장의 빛을 전달받아 디지털 영상 데이터로 변환하는 요소이다. 예를 들어, 이미지 센서(30)는 CCD(charge coupled device) 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서일 수 있다. 형광 시료 용액이 도광판(10)의 저면에 형성된 유체 채널(100)을 통과하면, 도광판(10)의 저면 아래에 위치한 이미지 센서(30)는 형광 시료(110)로부터 발생하는 방출 파장의 빛을 전달받는다. 이 때, 도광판(10)의 저면과 이미지 센서(30) 사이에 렌즈를 필요로 하지 않는다. 렌즈를 사용할 경우 시료를 관찰하기 위해 배율을 확대하는 만큼 관측 시야(FOV)가 좁아지게 되나, 렌즈 없이 이미지 센서(30)를 사용하는 본 발명의 경우 이미지 센서(30)의 크기가 관측 시야(FOV)에 해당하며 일반적으로 렌즈에 비해 넓은 관측 시야(FOV)를 제공할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 도광판(10)의 광원에서 이미지 센서(30)로 직접 조사되는 빛과 전반사 이외의 각도의 빛이 이미지 센서(30)에 전달되는 것을 차단하기 위해 이미지 센서(30)는 도광판(10)보다 작은 면적을 갖도록 제작될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 박막(40)은 도광판(10)과 이미지 센서(30) 사이에 위치한다. 박막(40)의 제1면에는 도광판(10)과 이미지 센서(30)를 이격시키기 위한 복수의 기둥(400)이 형성되며, 제1면과 대향하는 제2면은 도광판(10) 아래에 접합된다. 일 실시예에 따르면, 상기 박막(40)과 기둥(400)은 빛의 굴절률이 공기(n=1)보다 크고 도광판(10)의 굴절률보다 작은 임의의 물질로 제작될 수 있다. 예를 들어, 박막(40)은 도광판(10)과 같은 PDMS(polydimethylsiloxane)로 형성될 수 있으나, 배합 비율을 조정하여 도광판(10)보다는 작은 굴절률을 갖도록 한다.
박막(40)의 일면에 형성된 복수의 기둥(400)은, 도광판(10)과 박막(40)을 이미지 센서(30)로부터 일정 거리만큼 이격시키기 위한 요소로서, 각 기둥의 높이는 바람직하게는 2 μm 이하로 제작될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 박막의 재질과 강도에 따라 박막이 이미지 센서와 접촉하지 않을 만큼의 높이로 제작될 수 있다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 형광 이미징 장치는, 외부로부터의 빛을 차단하기 위한 차광막(50)을 더 포함할 수 있다. 차광막(50)은 도광판(10)과 이미지 센서(30)를 둘러싸는 검정색의 막으로서, 외부로부터 유입된 빛이 도광판(10) 또는 이미지 센서(30)에 도달하지 않도록 차단한다.
광원(20)에서 조사된 빛은 도광판(10) 내부에서 전반사되며 형광 시료(110)를 여기시키고 시료에서 방출된 빛은 이미지 센서(30)에 전달된다. 이때, 형광 시료(110)와 이미지 센서(30) 간의 거리가 멀면 빛 퍼짐으로 인해 해상도가 감소한다(즉, 독립된 형광 시료 개체를 구분하기 위한 최소 거리가 증가함). 반대로 형광 시료(110)와 이미지 센서(30)의 거리가 가까울수록 해상도가 증가하는데, 도광판(10)과 이미지 센서(30)의 거리가 너무 가깝거나 접촉하게 되면 도광판(10) 내부에서 빛의 전반사가 일어나지 않아 이미징이 어려워진다.
본 발명에서는 도광판(10)과 이미지 센서(30)를 이격시키면서 이들 간의 거리를 최소한으로 유지하기 위해, 도광판(10)을 지지할 수 있는 복수의 기둥(400)이 형성된 박막(40)을 도광판(10) 저면에 접합한다. 전술하였듯이, 박막(40)은 굴절률이 공기보다 크고 도광판(10)보다는 작은 물질로 구성되므로, 광원(20)에서 출력된 빛은 도광판(10) 및 박막(40) 내부에서 전반사가 일어난다.
도 3은 일 실시예에 따른 고해상도 형광 이미징 장치에서, 여기광이 도광판 내부에서 진행하는 경로를 도시한다. 도 3을 참조하면, 도광판(10)의 측면에 위치한 광원(20)으로부터 여기 파장의 빛(L1)이 경로를 따라 진행한다. 여기 파장의 빛은 도광판(10)의 저면에 도달하는 경우 박막(40)과 공기의 계면에서 전반사되고, 이미지 센서(30)로는 전달되지 않는다. 반면, 여기 파장의 빛이 유체 채널(100)을 따라 흐르는 용액에 전달되면, 형광 시료(110)는 여기광에 의해 발광한다. 형광 시료(110)로부터 방출된 빛은 박막(40)을 통과하여 이미지 센서(30)로 전달된다. 이처럼 도광판(10) 자체가 이미지 센서(30)로 전달되는 여기 파장의 빛을 최소화하는 필터의 역할을 대체하게 되며, 필터 없이 다중 형광 시료로부터의 방출되는 다중 파장을 동시에 이미지화할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 고해상도 형광 이미징 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 4를 참조하면, 도광판(10)의 측면 광원으로부터 내부를 향해 출력된 여기 파장의 빛(L1)은 도광판(10)의 상면에 도달하면 전반사되고, 저면에 도달하면 박막(40)과 공기의 계면에서 전반사되면서 우측을 향해 진행한다. 진행하던 여기 파장의 빛(L1)이 유체 채널(100) 내 형광 시료(110)에 도달하면, 형광 시료(110)는 여기되어 특정 파장의 빛(L2)을 방출한다. 형광 시료(110)에서 방출된 빛(L2)은 박막(40)을 통과하여 이미지 센서(30)에 도달한다. 이때, 이미지 센서(30)의 영역 중 센서 위에 박막 기둥(401)이 위치하지 않은 영역(A), 즉 도광판(10)과 이미지 센서(30)가 이격되어 공기층에 의해 전반사가 일어나는 영역에서는 형광 시료(110)가 관찰될 수 있고, 박막 기둥(401)이 바로 위에 위치한 영역(B), 즉 이미지 센서(30)와 박막(40)이 접촉하여 전반사가 일어나지 않은 영역에서는 형광 시료(110)가 관찰되지 않는다.
이처럼, 본 발명의 형광 이미징 장치에 따르면 별도의 필터 없이 도광판의 전반사 원리를 이용하여 형광 시료를 이미징 할 수 있다. 그러나 어떠한 이유로든 도광판과 이미지 센서가 접촉된 상태에서는 전반사가 일어나지 않아 고해상도의 이미지 촬영이 불가능하다. 이에 본 발명은 도광판에 기둥 박막을 집적하여 도광판과 이미지 센서를 이격시키고, 광원의 여기 파장 빛이 도광판 내에서 전반사될 수 있도록 설계하여 형광 시료의 고해상도 이미징이 가능하게 하였다.
도 5a는 이미지 센서와 도광판을 이격시키는 기둥 박막이 없는 상태에서 형광 시료를 이미징한 결과를 나타내고, 도 5b는 이미지 센서와 도광판을 이격시키는 기둥 박막이 집적된 상태에서 형광 시료를 이미징한 결과를 나타낸다.
도 5a에서 형광 시료와 이미지 센서 간의 거리는 250 μm로 설정되며, 이미지 센서와 도광판을 이격시키는 기둥 박막이 없는 경우 도광판과 이미지 센서가 서로 접촉하여 전반사가 일어나지 않는다. 이 경우 도시된 것처럼 해상도가 감소한다.
반면, 도 5b에서는 형광 시료와 이미지 센서 간의 거리가 8 μm로 설정되며, 기둥 박막을 이용하여 도광판과 이미지 센서를 이격시키고, 그 결과 도광판 내부에서 전반사가 일어난다. 이 경우 도시된 것처럼 해상도가 증가한다.
도 6a는 내지 6c는 기둥 박막의 PDMS 배합 비율에 따른 이미징 결과를 나타낸다. 기둥 박막은 도광판을 지지하여 이미지 센서와 이격시키는 요소인데, 박막의 강도가 충분히 높지 않으면 도광판과 이미지 센서의 간격을 유지하지 못해 박막 저면이 이미지 센서에 접촉하게 되고, 도광판 내 전반사가 일어나지 않게 된다. 따라서 도광판과 그 위에 집적되는 구성요소의 무게로 인해 이미지 센서와 박막이 접촉하지 않을 만큼 강도가 높은 기둥 박막을 형성하는 것이 중요하다.
도 6a는 PDMS(polydimethylsiloxane)와 경화제의 비율을 10:1로 배합한 후, 80℃ 이하의 온도에서 경화하여 제작된 기둥 박막을 적용한 결과이다. 실험예에서 각 기둥의 지름은 30 μm, 이웃한 기둥 간의 간격은 200 μm로 설정되었다. 도시된 것처럼, 이 경우 기둥 박막의 강도가 충분하지 않아 박막 저면이 이미지 센서와 맞닿게 되어 바람직한 결과를 얻을 수 없다.
도 6b는 PDMS(polydimethylsiloxane)와 경화제의 비율을 5:1로 배합한 후, 200℃ 이상의 온도에서 경화하여 제작된 기둥 박막을 적용한 결과이다. 실험예에서 각 기둥의 지름은 도 5a와 마찬가지로 30 μm, 이웃한 기둥 간의 간격은 200 μm로 설정되었다. 도시된 것처럼, 이 경우 기둥 박막의 강도가 충분하여 박막 저면이 이미지 센서와 분리되어 바람직한 결과를 얻을 수 있다.
도 6c는 PDMS(polydimethylsiloxane)와 경화제의 비율을 5:1로 배합한 후, 200℃ 이상의 온도에서 경화하여 제작된 기둥 박막을 적용한 결과이다. 실험예에서 각 기둥의 지름은 와 10 μm, 이웃한 기둥 간의 간격은 200 μm로 설정되었다. 이 경우 도 5b에 비해 기둥의 충전율(전체 박막 면적에서 기둥이 차지하는 면적의 비율)을 더 낮게 설정하여도 기둥 박막의 강도가 충분하여 박막 저면이 이미지 센서와 분리되어 바람직한 결과를 얻을 수 있다.
이처럼, 충분한 강도의 기둥 박막을 도광판 저면에 집적함으로써 도광판 내부에서 전반사가 일어나도록 이미지 센서와의 거리를 유지하고, 충전율을 최소화하여 형광 시료의 관찰 범위를 확대할 수 있다.
이때, 기둥에 의한 박막과 이미지 센서의 간격은 공기와 박막의 굴절률 차이에 의해 전반사가 일어날 수 있을 정도로 충분히 이격되어야 하나, 이미지 센서에서 획득하는 이미지의 해상도를 고려하여 최소의 간격으로 이격되는 것이 바람직하다. 예컨대, 기둥의 높이(즉, 박막과 이미지 센서의 간격)은 2 μm 이하로 제작될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 박막의 강도와 탄성계수에 따라 적절하게 제작될 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 고해상도 형광 이미징 장치의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 7을 참조하면, 먼저 도광판을 제작하는 단계(S10)를 수행한다. 도광판은 측면부에 위치한 광원으로부터 빛이 진행하는 경로를 제공하는 판으로서, 판의 너비에 비해 두께(예: 100 μm 내외)가 매우 얇은 형태를 갖는다. 일 실시예에 따르면, 도광판은 광원으로부터 입사된 빛이 전반사될 수 있도록 빛의 굴절률이 공기(n=1)보다 큰 임의의 물질(예를 들어, PDMS 등)로 제작될 수 있다. 도광판의 내부에는 저면을 따라 형성된 유체 채널이 존재한다. 유체 채널은 이미징하고자 하는 형광 시료가 포함된 용액을 통과시킨다.
이어서, 도광판의 측면에 상기 도광판 내부를 향해 빛을 조사하는 광원을 부착하는 단계(S20)를 수행한다. 광원은 다이오드(diode), 레이저(laser) 또는 LED(light emitting diode)와 같이 여기 파장의 빛을 제공할 수 있는 수단으로서, 일 실시예에 따르면 광원은 서로 다른 여기 파장을 제공하는 복수 개의 광원 유닛들로 구성될 수 있다.
이어서, 박막을 제작하는 단계(S30)를 수행한다. 박막의 제1면에는 도광판과 이미지 센서를 이격시키기 위한 복수의 기둥이 형성되며, 제1면과 대향하는 제2면은 평평한 형태로 제작된다. 상기 박막과 기둥은 빛의 굴절률이 공기(n=1)보다 크고 도광판의 굴절률보다 작은 임의의 물질로 제작될 수 있다. 예를 들어, 박막은 도광판과 같은 PDMS로 형성될 수 있으나, 배합 비율을 조정하여 도광판보다는 작은 굴절률을 가진다. 박막의 제1면에 형성된 복수의 기둥은 도광판과 박막을 이미지 센서로부터 이격시키기 위한 요소로서, 각 기둥의 높이는 바람직하게는 2 μm 이하로 제작될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 박막의 재질과 강도에 따라 박막이 이미지 센서와 접촉하지 않을 만큼의 높이로 제작될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 박막을 제작하는 단계(S30)는, PDMS와 경화제의 비율을 5:1로 배합하는 단계 및 상기 PDMS와 상기 경화제의 배합체를 200℃이상의 온도로 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 도 6a 내지 6c를 참조하여 설명하였듯이, 박막의 강도가 너무 낮으면 도광판의 무게로 인해 박막이 이미지 센서와 접촉하게 되며, 이 경우 전반사가 일어나지 않아 형광 이미징이 어렵게 된다. 따라서, 상기한 단계를 통해 고강도의 박막을 제작할 수 있으며, 도광판 내 전반사를 유도하여 고해상도의 이미지 촬영이 가능하도록 한다.
이어서, 상기 박막의 제2면을 도광판에 접합시키는 단계(S40)를 수행한다. 도광판의 저면, 즉 이미지 센서와 마주보는 면에 박막의 평평한 제2면을 접합시킨다.
이어서, 복수의 기둥이 형성된 박막의 제1면이 이미지 센서를 향하도록 상기 이미지 센서 위에 박막과 도광판을 배치하는 단계(S50)를 수행한다. 제1면에 형성된 복수의 기둥은 이미지 센서와 접촉하여 박막과 도광판을 지지하며, 박막과 이미지 센서가 접촉하지 않도록 이격시켜 도광판과 박막 내부에서 전반사가 일어나도록 만든다. 여기광의 전반사를 통해 형광 시료가 발광하고, 형광 시료에서 방출된 빛을 이미지 센서에서 감지하는 동작 원리는 전술하였기에 생략하기로 한다.
일 실시예에 따르면, 형광 이미징 장치의 제조 방법은 상기 도광판 및 상기 이미지 센서를 외부로부터의 빛을 차단하기 위한 차광막으로 둘러싸는 단계(S60)를 더 포함할 수 있다. 차광막은 외부로부터 유입된 빛이 도광판 또는 이미지 센서에 도달하지 않도록 차단하기 위한 검정색 막이다.
이상에서 설명한 고해상도 형광 이미징 장치는, 도광판이 필터 요소의 역할을 대체함으로써 초소형으로 제작 가능하며 필터의 교체 없이 다중 형광 이미징이 가능하다. 또한, 렌즈를 사용하지 않아 넓은 관측 시야(FOV)를 가지며, 도광판 아래에 기둥 박막을 집적하여 이미지 센서와 형광 시료의 간격을 최소한으로 유지함으로써 고해상도의 이미지를 얻을 수 있다. 나아가, 도광판 내부에 형성된 미세 유체 채널을 통해 형광 시료를 주입할 수 있어 실험과 동시에 시료의 변화를 실시간으로 관찰할 수 있도록 한다.
상술한 구체적인 실시예들에서, 발명에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다. 그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 상술한 실시 예들이 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.
한편 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 다양한 실시예들이 내포하는 기술적 사상의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
Claims (11)
- 고해상도 형광 이미징 장치로서,
형광 시료가 포함된 용액을 통과시키는 유체 채널이 형성된 도광판;
상기 도광판의 측면에 위치하며 상기 도광판 내부를 향해 빛을 조사하는 광원;
상기 도광판 아래에 위치한 이미지 센서; 및
상기 도광판과 상기 이미지 센서 사이에 위치한 박막을 포함하되, 상기 박막의 제1면에는 상기 도광판과 상기 이미지 센서를 이격시키기 위한 복수의 기둥이 형성되고, 제2면은 상기 도광판에 접합된 것을 특징으로 하고,
상기 박막과 상기 기둥은 빛의 굴절률이 공기(n=1)보다 크고 상기 도광판의 굴절률보다 작은 물질로 구성되는, 고해상도 형광 이미징 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 광원으로부터 조사된 빛은 상기 유체 채널을 통과하는 용액 내 형광 시료를 여기시키고,
상기 형광 시료로부터 방출된 빛은 상기 박막을 통과하여 상기 이미지 센서에 전달되는 것을 특징으로 하는, 고해상도 형광 이미징 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 광원으로부터 조사된 빛은 상기 도광판 내부에서 전반사되는 것을 특징으로 하는, 고해상도 형광 이미징 장치.
- 제3항에 있어서,
상기 광원은 복수 개의 광원 유닛들로 구성되며, 상기 복수의 광원 유닛들은 각각 서로 다른 여기 파장의 빛을 조사하는 것을 특징으로 하는, 고해상도 형광 이미징 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 이미지 센서와 상기 도광판을 이격시키기 위한 기둥의 높이는 2 μm 이하인 것을 특징으로 하는, 고해상도 형광 이미징 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 도광판 및 상기 박막은 PDMS(polydimethylsiloxane)로 형성된 것을 특징으로 하는, 고해상도 형광 이미징 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 이미지 센서는 CCD 이미지 센서 또는 CMOS 이미지 센서인 것을 특징으로 하는, 고해상도 형광 이미징 장치.
- 제1항에 있어서,
외부로부터의 빛을 차단하기 위한 차광막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 고해상도 형광 이미징 장치.
- 고해상도 형광 이미징 장치의 제조방법으로서,
도광판을 제작하는 단계;
상기 도광판의 측면에 상기 도광판 내부를 향해 빛을 조사하는 광원을 부착하는 단계;
제1면에 복수의 기둥이 형성된 박막을 제작하는 단계;
상기 박막의 제2면을 상기 도광판에 접합시키는 단계; 및
상기 박막의 제1면이 이미지 센서를 향하도록 상기 이미지 센서 위에 상기 박막과 도광판을 배치하는 단계를 포함하고,
상기 박막과 상기 기둥은 빛의 굴절률이 공기(n=1)보다 크고 상기 도광판의 굴절률보다 작은 물질로 구성되는, 고해상도 형광 이미징 장치의 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 박막을 제작하는 단계는,
PDMS(polydimethylsiloxane)와 경화제의 비율을 5:1로 배합하는 단계; 및
상기 PDMS와 상기 경화제의 배합체를 200℃이상의 온도로 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고해상도 형광 이미징 장치의 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 도광판 및 상기 이미지 센서를 외부로부터의 빛을 차단하기 위한 차광막으로 둘러싸는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 고해상도 형광 이미징 장치의 제조방법.
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