KR20070061039A

KR20070061039A - 플라스틱 미세가열 시스템, 그 미세가열 시스템을 이용한랩온어칩, 및 그 미세가열 시스템의 제조방법

Info

Publication number: KR20070061039A
Application number: KR1020060035769A
Authority: KR
Inventors: 이대식; 정광효; 김기현; 표현봉; 최창억
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2005-12-08
Filing date: 2006-04-20
Publication date: 2007-06-13
Also published as: KR100779083B1

Abstract

본 발명은 반도체 공정, 특히 포토 리소그라피 공정을 이용할 수 있는 내열성 및 표면 편평도를 가지면서도 열 질량이 적은 플라스틱 구조체를 이용하여 형성된 미세가열 시스템, 그 미세가열 시스템을 이용한 랩온어칩 및 그 미세가열 시스템을 제조방법을 제공한다. 그 미세가열 시스템은 플라스틱(plastic) 필름 및 플라스틱 필름에 코팅된 내화학성 및 내열성의 박막을 구비한 플라스틱 구조체; 및 플라스틱 구조물 상에 형성된 미세 전극 및 가열기(heater)를 구비한 가열기부;를 포함한다. 본 발명의 미세가열 시스템은 플라스틱 필름에 무기 및/또는 유기물 박막을 코팅함으로써, 포토 리소그라피 공정을 통해 미세 전극, 가열기 및 온도 센서 등이 용이하게 형성될 수 있다.

플라스틱 필름, 플라스틱 가열 시스템, 바이오 칩, 랩온어칩

Description

플라스틱 미세가열 시스템, 그 미세가열 시스템을 이용한 랩온어칩, 및 그 미세가열 시스템의 제조방법{Plastic micro heating system, lap-on-a-chip using the same micro heating system, and method of fabricating the same micro heating system}

도 1은 본 발명의 미세가열 시스템에 이용되는 플라스틱 구조체에 대한 단면도이다.

도 2a ~ 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세가열 시스템에 대한 단면도들이다.

도 3a ~ 3d는 본 발명의 미세가열 시스템이 실제로 제작된 모습에 대한 사진들이다.

도 4a ~ 4f는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세가열 시스템의 제조 방법을 보여주는 단면도들이다.

도 5a 및 5b는 본 발명의 랩온어칩에 대한 제1 실시예에 따른 미세가열 시스템을 이용한 미세반응 시스템에 대한 단면도 및 사시도이다.

도 6a 및 6b는 본 발명의 랩온어칩에 대한 제2 실시예에 따른 미세반응 시스템 어레이에 대한 단면도 및 사시도이다.

도 7은 본 발명의 랩온어칩에 대한 제3 실시예에 따른 미세가열 시스템을 이 용한 미세반응 시스템에 대한 단면도이다.

도 8은 본 발명의 랩온어칩에 대한 제4 실시예에 따른 미세가열 시스템을 이용한 미세반응 시스템에 대한 단면도이다.

도 9a 및 9b는 본 발명의 랩온어칩에 대한 제5 실시예에 따른 미세가열 시스템을 이용한 미세반응 시스템에 대한 단면도 및 사시도이다.

도 10은 본 발명의 랩온어칩에 대한 제6 실시예에 따른 미세가열 시스템을 이용한 미세반응 시스템에 대한 단면도이다.

도 11a 및 11b는 본 발명의 플라스틱 구조체를 이용한 마이크로 어레이에 대한 사시도들이다.

<도면의 주요부분에 대한 설명>

100:플라스틱 구조체 110:플라스틱 필름

120:무기물 박막 130:유기물 박막

200:가열기부 210,220:미세 전극

230:가열기 240:온도 센서

250:전기 절연막 255:컨택 홈

260:열 확산용 금속막 270:관통 홀

300:지지체 기판 320:접착 물질

400,400I,400Ⅱ,400Ⅲ,400a,400b,400c,400d,400e:상부 구조체

410,410I:상부 구조체 기판 420,420I,420Ⅱ,420Ⅲ:반응 챔버

440,440a,440b:지지체 기판 460:상판 기판

470:입구 밸브 475:입구

480:출구 밸브 485:출구

500:마이크로 어레이 자리 520:탐침자

본 발명은 미세 전자기계 시스템(Micro Electro-Mechanical System:MEMS)에 관한 것으로, 특히 포토 리소그라피 공정이 가능하고, 열 질량이 낮아 가열 시에 저전력으로 동작할 수 있는 미세가열 시스템, 그 미세가열 시스템을 이용한 랩온어칩 및 그 미세가열 시스템의 제조방법에 관한 것이다.

미세 전자기계 시스템 분야에서, 특히 랩온어칩(Lap-On-a-Chip)이라고도 불리는 바이오 칩을 사용하는 의료용 질병 진단용 마이크로 소자 분야는 소형화, 저가격화, 그리고 실시간 진단이 가능하다는 장점 때문에 크게 연구가 진행되고 있는 중이다.

랩온어칩으로 사용되기 위해서는 휴대용 배터리에 적합하도록 저전력 소모와 실시간 진단을 위한 분석 시간의 단축이 필요하다. 이를 위하여, 열적으로 고립이 가능하면서도, 열 질량이 적은 구조물의 설계 및 제작이 필요하다.

예컨대, 디엔에이(DNA) 랩온어칩의 경우 DNA를 처리하는 과정에서 가열하는 작업이 많이 필요한데, 특히 세포 분해(cell lysis), PCR(polymerase chain reaction)에서 주로 사용하는 DNA 증폭, 반응 조절(reaction control), 또는 유체 이송 등에서 40 ~ 100 ℃ 정도로 열을 가열하는 작업이 요구된다. 이러한 작업을 위한 미세가열소자들은, 주로 실리콘 또는 유리를 이용하여 제작되고 있다. 특히, 미세가열소자들은 실리콘을 소재로 하여 반도체 공정 기술을 적용하여 제작되는데, 그 이유는 반도체 공정 기술이 현실적으로 안정적으로 잘 확립되어 있고 미세 패턴의 형성이 가능하기 때문이다.

그러나 실리콘을 이용하는 경우 성능은 뛰어날 수 있으나, 반도체 공정이 가능한 고청도의 실험실과 고비용의 장비들이 이용되기 때문에 제작비용이 높고, 시간이 많이 소요되어 일회용 의료 진단 도구로 사용되기에는 문제점이 있다.

한편, 유리 기판을 이용하는 경우에는, 유리 기판을 가공하기 어렵기 때문에, 열 질량이 작은 가열 박막을 제작하기가 어렵고, 그에 따라 전력 소모가 크고, 반응 속도가 아주 느려서 별도의 PID(proportional-integrate-derivative) 제어기를 부착해야 하는 문제점이 있다.

이에 실리콘 또는 유리에서와 같은 동일한 열적 특성을 가지면서도, 가격 면에서 저렴하고, 가공성이 용이하여 실리콘과 유리를 대체할 수 있는 다른 소재의 개발이 절실히 요구되고 있다.

범용 의료 진단기의 경우 일반적으로 일회용이 선호되는데, 그에 따라 최근에 실리콘 또는 유리와 같은 재료에 비해 상대적으로 가격이 저렴한 플라스틱을 이용하려는 연구가 특히 주목을 받고 있다.

플라스틱은 가격이 저렴하고, 가공이 용이하며, 열전도율이 극히 낮아 가열체 간의 열 간섭이 작은 장점이 있다. 그러나 플라스틱은 열에 약하고, 반도체 공 정 기술과의 호환성 부족, 기판 편평도 유지의 어려움 그리고 열 질량이 적은 구조물을 제작하는 기술의 부재 등의 이유로 플라스틱을 이용한 미세 구조물은 의료용 랩온어칩에서 가열기 또는 가열시스템으로 이용될 수 없었다.

위와 같은 플라스틱의 한계 때문에, 현재 랩온어칩에서 플라스틱은 대부분 유체 흐름(microfluidics)을 위한 구조체, 즉 유로, 챔버 등의 구조체 제작에 크게 국한되어 사용되고 있는 추세이다.

플라스틱을 가열시스템으로 이용하려면, 내열성, 포토 리소그라피(photolithography) 작업을 가능할 정도의 표면 편평도, 반도체 공정상의 까다로운 조건을 견딜 수 있는 재료 선정 및 그 재료를 이용한 열 질량이 적은 미세 구조물 가공 제작기술이 절실히 요구된다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 반도체 공정, 특히 포토 리소그라피 공정을 이용할 수 있는 내열성 및 표면 편평도를 가지면서도 열 질량이 적은 플라스틱 구조체를 이용하여 형성된 미세가열 시스템, 그 미세가열 시스템을 이용한 랩온어칩 및 그 미세가열 시스템을 제조방법을 제공하는 데에 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 플라스틱(plastic) 필름 및 상기 플라스틱 필름에 코팅된 내화학성 및 내열성의 박막을 구비한 플라스틱 구조체; 및 상기 플라스틱 구조물 상에 형성된 미세 전극 및 가열기(heater)를 구비한 가열기부;를 포함하는 플라스틱 미세가열 시스템(micro heating system)을 제공한 다.

본 발명에 있어서, 상기 플라스틱 구조체는 0.1 ~ 50 nm의 표면 편평도를 가지며, 1 ~ 2000 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 또한, 상기 가열기부에는 온도 센서를 포함할 수 있다. 한편, 상기 박막은 무기물 박막 및 유기물 박막 중 적어도 하나의 박막일 수 있으며, 바람직하게는 상기 플라스틱 필름 상면으로 무기물 박막이 코팅되고 상기 무기물 박막 상면과 상기 플라스틱 필름 하면으로 유기물 박막이 코팅될 수 있다.

이와 같은 무기물 박막 및 유기물 박막은 포토 리소그라피 공정에 내성이 강하여 상부로 포토 리소그라피 공정이 가능하며, 열적 단열 특성이 높고 열 질량이 낮아 열가열 시스템의 하부층으로 적절한 재질을 선택하는 것이 바람직하다.

상기 미세가열 시스템은 랩온어칩(lap-on-a-chip)에 이용될 수 있으며, 이러한 랩온어칩은 미소반응시스템, 미세분석시스템, 약물 전달시스템, 및 미세유체 제어시스템 중 어느 하나일 수 있다.

본 발명은 또한 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 상기 미세가열 시스템; 및 상기 미세가열 시스템에 접합된 랩온어칩(lap-on-a-chip)을 형성하는 상부 구조체;를 포함하는 미세가열 시스템을 이용한 랩온어칩을 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 랩온어칩은 미소반응시스템, 미세분석시스템, 약물 전달시스템 및 미세유체 제어시스템 중 어느 하나일 수 있다. 상기 랩온어칩이 미소반응시스템인 경우, 상기 상부 구조체는 반응 챔버 및 반응 챔버에 연결된 유로(micro channel)가 형성된 적어도 하나의 기판일 수 있고, 상기 상부 구조체 상 부로 상기 반응 챔버를 밀폐하는 상기 미세가열 시스템을 더 포함할 수도 있다.

더 나아가 본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 플라스틱(plastic) 필름 및 상기 플라스틱 필름에 코팅된 내화학성 및 내열성의 박막을 구비한 플라스틱 구조체; 및 상기 플라스틱 구조체 상에 형성된 마이크로 어레이(micro array) 자리:를 포함하는 마이크로 어레이를 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 마이크로 어레이 자리는 금속으로 형성되거나 상기 미세가열 시스템의 표면을 선택적으로 개질하여 형성될 수 있다. 상기 어레이 자리가 선택적 개질로 형성된 경우는 플라즈마 표면 처리 방법을 통해 형성될 수 있고, 상기 개질된 어레이 자리에는 탐침자(probe)가 선택적으로 배열될 수 있다.

한편, 본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 플라스틱(plastic) 필름 상에 내화학성 및 내열성의 유기물 또는 무기물 박막을 코팅하여 플라스틱 구조체를 형성하는 단계; 상기 플라스틱 구조체를 지지 기판에 고정하는 단계; 및 상기 플라스틱 구조체 상에 미세 전극 및 가열기를 포함하는 가열기부를 형성하는 단계;를 포함하는 미세가열 시스템의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 가열기부를 형성하는 단계는 상기 플라스틱 구조체에 전도성 박막을 형성하는 단계; 및 상기 전도성 박막을 패터닝하여 상기 미세 전극 및 가열기를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다. 또한, 상기 미세 전극 및 가열기 형성단계 이후에 상기 미세 전극 및 가열기를 덮는 전기 절연막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있고, 전기 절연막 형성단계 이후에는 상기 미세 전극 상부의 상기 전기 절연막 일부를 식각하여 전극 패드를 형성하는 단계를 포함할 수도 있 다. 더 나아가, 전기 절연막 형성단계 이후에 상기 가열기 상부의 절연막 상에 열 확산용 금속막을 형성하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 가열기 외곽으로 다수의 관통 홀을 형성하는 단계를 포함할 수도 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이하의 설명에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 상부에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 구성 요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었고, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 한편, 사용되는 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.

도 1을 참조하면, 플라스틱 구조체(100)는 플라스틱 기판 또는 플라스틱 필름(110) 상면에 무기물 박막(120)이 코팅되고, 플라스틱 필름(110) 하면과 무기물 박막(120) 상면으로 유기물 박막(130)이 코팅되어 형성된다.

플라스틱 필름(110)은 COC(cyclo olefin copolymer), PMMA(polymethylmethacrylate), PC(polycarbonate), COP(cyclo olefin polymer), LCP (liquid Crystalline Polymers), PDMS(polydimethylsiloxane), PA(polyamide), PE(polyethylene), PI(polyimide), PP(polypropylene), PPE(polyphenylene ether), PS(polystyrene), POM(polyoxymethylene), PEEK(polyetheretherketone), PES(polyethylenephthalate), PET(polyethylenephthalate), PTFE(polytetrafluoroethylene), PVC(polyvinylchloride), PVDF(polyvinylidene fluoride), PBT(polybutyleneterephthalate), FEP(fluorinated ethylenepropylene), PFA(perfluoralkoxyalkane) 중 적어도 하나의 물질을 포함한 다양한 폴리머 등으로 형성될 수 있다.

또한, 이러한 플라스틱 필름(110)은 사출성형(Injection Molding), 압출 성형(Etrusion molding), 핫엠보싱(Hot Embossing), 캐스팅(Casting), 광성형(Stereolithography), 레이저 어블레이션(Laser Ablation), 쾌속조형(Rapid Prototyping), 실크스크린뿐만 아니라, NC(Numerical Control) 머시닝과 같은 전통적인 기계가공법을 이용하여 제작될 수 있다.

무기물 박막(120)은 물유리(water glass) 등을 이용해서 1 ~ 100 μm 두께로 스핀(spin) 또는 스프레이(spray) 코팅법으로 성막할 수 있으며, 50-300℃ 사이의 열처리를 통해 플라스틱 필름(110)의 거친 표면을 아주 평탄하게 해 줄 수 있다. 유기물 박막(130)은 역시 에폭시(epoxy) 수지 등을 이용해서 1 ~ 100 μm 두께로 스핀 또는 스프레이 코팅법으로 성막할 수 있으며, 50-300℃ 사이의 열처리를 통해 플라스틱 필름(110)에 내화학성 및 내열성을 부가할 수 있다.

이와 같이 무기 및/또는 유기물 박막이 코팅된 플라스틱 구조체(100)는 전체적으로 1 ~ 2000 ㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성할 수 있으며, 포토 리소그라피 공정이 용이하도록 0.1 ~ 50 nm의 표면 편평도를 가지도록 형성할 수 있다.

플라스틱 구조체(100)는 도 1과 같이 플라스틱 필름(110)에 무기물 박막(120) 및 유기물 박막(130)을 함께 코팅하는 형태로 형성될 수 있지만, 때에 따라 무기물 박막 또는 유기물 박막 하나만을 코팅하거나, 또는 플라스틱 필름(110)의 양면이 아닌 한쪽으로만 코팅하는 형태로 형성될 수도 있다. 또한, 플라스틱 구조체(100)는 플라스틱 필름(110) 상에 얇은 도전성 박막을 형성한 후에 무기물 박막(120) 및/또는 유기물 박막(130)을 코팅할 수도 있다. 이러한 얇은 도전성 박막을 형성함으로써, 플라스틱 구조체(100)를 가열 시스템에 이용하는 경우 가열의 균일성을 향상시킬 수 있다.

플라스틱 구조체(100)는 솔벤트(solvent) 등에 약한 플라스틱 필름(110)에, 재료적으로 내열성 및/또는 내화학성을 가지면서 포토 리소그라피 공정에 사용되는 약품들에 내성을 가지는 액상의 무기물 혹은 유기물 박막을 코팅 및 열처리함으로써, 포토 리소그라피 공정이 가능하고 열적 단열이 되며 열 질량이 낮아 미세가열 시스템의 하부 기판으로 사용될 수 있다.

이러한 플라스틱 구조체(100)는 웨이퍼 정도의 크기로 제작될 수 있고, 상부로 포토 리소그라피 고정이 가능하여, 0.01 ㎛ 정도의 두께를 가진 층에 1 ㎛ 정도 선폭을 가진 미세 패턴을 용이하게 제작할 수 있다. 또한, 플라스틱 구조체(100)를 전체적으로 매우 얇게 만들므로써, 열적으로 고립(thermal isolation)되면서도 열 질량이 적어 열 응답 특성이 크게 향상되게 할 수 있다. 그에 따라, 전력 소모가 작고, 반응 속도가 향상된 미세가열 시스템을 제작하는 데에 용이하게 이용될 수 있다.

도 2a를 참조하면, 미세가열 시스템은 도 1의 플라스틱 구조체(100) 상부로 가열기부(200)를 포함하는데, 가열기부(200)는 플라스틱 구조체(100) 상부로 집적된 미세 전극(210,220), 가열기(230,heater) 및 온도 센서(240) 등의 각 소자 및 각 소자 상부로 전기 절연막(250)을 포함한다. 한편, 전극(210,220) 상부의 전기 절연막(250)의 일부가 식각되어 전극 패드 형성을 위한 컨택 홈(255)이 형성되어 있다. 이러한 각 소자 및 컨택 홈(255)은 플라스틱 구조체(100)의 특성에 기인하여 포토 리소그라피 공정을 통해서 형성될 수 있다.

미세 전극(210,220), 가열기(230) 및 온도 센서(240)는 도전성 물질로 형성할 수 있는데, 예컨대 금속, 전도성 산화막, 또는 접착향상 박막층(glue layer)을 포함하는 도전성 후막 등으로 형성될 수 있다. 전기 절연막(250)은 절연성 물질, 즉 절연성의 금속 산화물 박막, 플라스틱 박막 또는 절연성의 후막 등으로 형성될 수 있다.

도 2b를 참조하면, 가열기(230) 및 온도 센서(240) 상부의 전기 절연막(250) 상에 열 확산용 금속막(260)이 형성되게 되는데, 이러한 열 확산용 금속막(260)은 가열부, 즉 가열기(230) 및 온도 센서(240)에서 생길 수 있는 국부 가열을 방지하고, 열 균일성을 향상시키는 역할을 할 수 있다.

도 2c를 참조하면, 미세가열 시스템은 가열기(230) 및 온도 센서(240), 즉 가열부를 주변과 열적으로 고립시키기 위해서 다수의 관통 홀(270)이 형성될 수 있다. 이러한 관통 홀(270)은 플라스틱 구조체(100)의 재질 및 미세가열 시스템의 용도 등을 적당히 고려하여 적정한 개수로 형성하는 것이 바람직하다.

도 3a 및 3b를 참조하면, 얇은 투명한 플라스틱 구조체(100)에 미세 패턴, 즉 미세 전극, 가열기 및 온도 센서 등이 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 이러한 미세 패턴들은 전기 절연막(250)에 의해 도포되어 있어서, 사진상으로는 전기 절연막(250)의 패턴만이 도시되고 있다. 사진 상의 미세가열 시스템은 50 ㎛ 정도 두께의 플라스틱 필름에 30 ㎛ 정도의 무기 박막 및 2 ㎛ 정도의 유기물 박막을 코팅한 플라스틱 구조체(100)를 이용하고 있다.

도 3c의 경우, 플라스틱 구조체(100) 상에 포토 리소그라피 공정을 이용하여 5 ㎛ 선폭을 가진 금(gold) 미세 패턴이 형성된 온도 센서(240) 및 20 ㎛ 정도의 선폭을 가진 가열기(230)를 보여주고 있다. 도 3d는 도 3c 와는 다른 부분 패턴에 대한 사진으로, 가열기(230) 및 온도 센서(240)와 가열기(230) 사이에 형성되어 있는 전극(220)의 모습을 볼 수 있다.

도 3c 및 3d를 통해서, 실리콘이나 유리 기판이 아닌 플라스틱 기판, 즉 플라스틱 구조체(100)에서도 수 ㎛ 정도의 미세 패턴이 포토 리소그라피 공정을 이용하여 충분히 형성될 수 있음을 알 수 있다. 이러한 미세가열 시스템은 플라스틱 구조체(100)의 두께 조절 등을 통해 0.01 ~ 0.5 mm까지 다양한 두께로 형성할 수 있 고, 마이크로 전극 어레이 패턴을 형성함으로써, 하나의 미세가열 시스템 상부로 랩온어칩을 위한 다수의 다양한 상부 구조체를 형성할 수 있다.

도 4a ~ 4f는 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세가열 시스템의 제조 방법을 보여주는 단면도들이다.

도 4a를 참조하면, 먼저 도 1에서 설명한 바와 같이 플라스틱 필름(110)에 무기 및 유기물 박막(120,130)을 코팅하여 플라스틱 구조체(100)를 형성한다. 플라스틱 필름(110)은 앞서 예시한 대로 압출 성형법 등의 다양한 기계공작법을 이용하여 제작할 수 있고, 무기 및 유기물 박막(120,130)은 내열성 및 내화학성의 특성을 가진 재질을 선택하여 스핀 코팅법 등을 통해 적절한 두께로 형성한다.

도 4b를 참조하면, 플라스틱 구조체(100)는 유연성이 큰 플라스틱 재질로 형성되므로, 차후의 포토 리소그라피 공정을 위해, 플라스틱 구조체(100)를 실리콘 또는 유리 웨이퍼와 같은 단단한 지지체 기판(300)에 접착 물질(320) 등을 통해 고정한다. 이러한 접착물질(320)은 탈착 제어가 용이한 접착 물질을 선택하는 것이 바람직하다.

도 4c를 참조하면, 플라스틱 구조체(100)에 도전성 박막을 증착하고 포토 리소그라피 공정을 통해 패턴 및 식각을 통해 도전성 박막 패턴을 가진 가열부기(200)를 형성한다. 여기서 형성된 도전성 박막 패턴은 각각 미세 전극(210,220), 가열기(230) 및 온도 센서(240) 등이 될 수 있다. 도전성 박막은 금속, 전도성 산화막 및 접착향상 박막(glue layer)을 포함하는 도전성 후막 등으로 형성할 수 있다.

도 4d를 참조하면, 도전성 박막 패턴 상부로 전기 절연막(250)을 증착한다. 이와 같은 전기 절연막(250)은 도전성 박막 패턴의 외부 공기층과의 차단 또는 인접 패턴 간의 전기적 절연을 위해 형성된다. 전기 절연막(250)은 절연성의 금속 산화물 박막, 플라스틱 박막 및 절연성의 후막 등으로 형성할 수 있다.

도 4e를 참조하면, 도전성 박막 패턴 중 미세 전극(210,220) 상부의 전기 절연막(250)의 일부분을 식각하여 전극 패드 형성을 위한 컨택 홈(255)을 형성한다. 이러한 컨택 홈(255)으로 전극 패드가 형성되어 외부로의 컨택 배선이 형성될 수 있다.

도 4f를 참조하면, 도전성 박막 패턴 중 가열부를 이루는 가열기(230) 및 온도 센서(240) 주변으로 다수의 관통 홀(270)을 형성한다. 이러한 관통 홀(270)은 가열부를 주변과 열적으로 차단하기 위하여 형성한다. 따라서, 열적 차단이 용이하게 구형될 수 있으면, 생략할 수 있음은 물론이다. 이러한 관통 홀은 전술한 바와 같이 플라스틱 구조체(100)의 재질 및 미세가열 시스템의 용도 등을 적당히 고려하여 적정한 개수로 형성하는 것이 바람직하다.

도 5a를 참조하면, 미세반응 시스템은 플라스틱 구조체(100) 및 가열기부(200)로 형성된 미세가열 시스템(이하 '하부 구조체'라 한다) 상부로 미세반응 시스템을 위한 상부 구조체(400)를 포함한다. 상부 구조체(400)는 반응 챔버(420)가 형성된 상부 구조체 기판(410)이 하부 구조체에 접합되어 형성된다.

상부 구조체(400)는 미세가열 시스템 상부로 접착 물질(320)을 통해 접합되는데, 이러한 접착 물질은 액체형의 접착 재료뿐만 아니라 분말형이나 종이와 같은 얇은 판 형태의 접착 재료도 사용될 수 있다. 특히 접합 시 생화학물질의 변성을 막기 위하여 상온 또는 저온 접합이 필요한 경우에는 압력만으로 접합이 이루어지는 접착제(Pressure Sensitive Adhesive)를 사용한다. 또한, 접합을 위해서 초음파 에너지를 이용하여 기판을 국부적으로 용융하여 접합하는 초음파접합(Ultrasonic Bonding) 방법이나 열을 이용하여 기판을 국부적으로 용융하여 접합하는 열접합(Thermal Bonding) 방법이 사용될 수도 있다.

하부 및 상부 구조체(400)의 접합에 있어서 반드시 고려해야 할 사항 중 하나가 주입된 용액이 외부로 빠져나오거나 또는 이미 형성된 유로(microchannel)를 통하지 않은 채 미세한 틈새나 공극을 통해 다른 곳으로 흘러들어가지 않도록 유로와 반응 챔버 주위로의 완벽하게 밀봉하는 접합이 이루어져야 한다는 것이다.

접합 방법은 위에서 예시한 것 외에, 하부 및 상부 구조체를 클립형태의 부가적인 구조물을 이용하여 강제적으로 체결하거나 하부 및 상부 구조체 중 하나에 양각 모양의 홈을 만들고 나머지 하나에 음각 모양의 홈을 만들어 끼우는 방법으로 두 기판을 접합할 수 있다. 위와 같이 클립 또는 홈을 이용한 접합의 경우에는 미세한 틈새가 발생하지 않도록 접촉면에 탄성을 가진 폴리머 층을 덧댈 수도 있다.

도 5b를 참조하면, 미세반응 시스템의 상부 구조체의 일부를 절단하여 반응 챔버(420)가 개방된 모습을 보여주고 있는데, 플라스틱 구조체(100) 상부로 미세 전극(210,220), 가열기(230) 및 온도 센서(240)가 형성된 가열기부가 형성되어 있 고, 가열기부 상부로 내부로 일정 공간, 즉 반응 챔버(420)가 형성된 상부 구조체 기판(410)이 접착 물질(320)을 통해 접착되어 있다. 실제로 가열기부의 가열기(230) 및 온도 센서(240) 등은 전기 절연막(250)에 의해 도포되어 있는 상태이다. 미세 전극(210,220) 역시 전기 절연막(250)으로 도포되게 되나, 도 5a에서 컨택 홈을 고려하여, 노출된 형태로 표현되었다.

상부 구조체 기판(410)에는 반응 챔버(420)와의 연결을 위한 유로(430)가 형성되는 데, 유로의 입구(432)가 상부 구조체 기판(410) 상부로 보여진다. 이러한 유로(430)의 형태는 한 예시에 불과하며, 랩온어칩의 다양한 모습에 맞추어 적절하게 형성될 수 있음은 물론이다. 이러한 유로(430)를 통해 가열 또는 분석하고자 하는 물질을 반응 챔버(420)에 주입하고 미세가열 시스템을 이용하여 가열 등의 실험을 진행하게 된다.

도 6a를 참조하면, 도 5a의 미세반응 시스템이 하나의 미세가열 시스템에 다수 형성될 수 있음을 보여준다. 즉, 미세가열 시스템에 포토 리소그라피 공정을 통해 동일한 패턴의 도전성 박막 패턴 어레이를 형성하고, 그 상부로 필요한 각각의 상부 구조체를 접합하여 미세반응 시스템 어레이를 형성할 수 있다. 도 6b의 경우, 도 6a의 미세가열 시스템의 반응 챔버 내부를 좀더 상세하게 보여주기 위한 사시도로서, 반응 챔버의 일부분이 개방된 형태로 표현하고 있다.

본 실시예에서는 상부 구조체(400I,400Ⅱ,400Ⅲ)가 3 개가 형성되어 있지만, 그 이상 또는 이하로 형성할 수 있음은 물론이다. 또한, 각 상부 구조체(400I,400Ⅱ,400Ⅲ)가 각각의 반응 챔버(420I,420Ⅱ,420Ⅲ)를 가지는 동일한 상부 구조체 기판(410I,410Ⅱ,410Ⅲ)형태로 형성되었지만, 다른 형태의 상부 구조체가 형성될 수 있음은 물론이다.

도 7은 본 발명의 랩온어칩에 대한 제3 실시예에 따른 미세가열 시스템을 이용한 미세반응 시스템에 대한 단면도이다.

도 7을 참조하면, 도 5a의 미세반응 시스템 2개를 상부 구조체(400b)를 통해 서로 마주보게 하고 접착 물질(320)을 통해 접합하여 형성된 미세반응 시스템을 보여준다. 상부 구조체(400b)는 상하로 미세반응 시스템과 접합되어 반응 챔버(420)를 밀폐시키고 전체적으로 미세반응 시스템을 지지하는 지지체 기판(440)으로 형성된다. 지지체 기판(440)에는 유로(미도시)가 형성될 수 있다.

본 실시예와 같은 형태의 미세반응 시스템 역시 단일의 미세가열 시스템에 도전성 패턴 어레이를 형성하여 미세반응 시스템 어레이 형태로 제작될 수 있음은 물론이다.

도 8을 참조하면, 미세가열 시스템을 플랫폼으로 해서 그 위에 반응을 위한 상부 구조체(400c) 또는 반응 용기를 올려 사용할 수 있는 미소반응 시스템을 보여주고 있다. 따라서, 상부 구조체(400c)는 다른 실시예와 달리 미세가열 시스템에 접합 고정된 형태가 아니라 탈착이 가능한 형태로 형성된다.

본 실시예의 미세반응 시스템 역시 어레이 형태로 제작하여 미세반응 시스템 어레이를 제작할 수 있음은 물론이다.

도 9a 참조하면, 미세가열 시스템 하부로 상부 또는 하부 구조체(400d)가 형성되는데, 이러한 상부 구조체(400d)는 도 7의 상부 구조체(400b)의 반응 챔버를 다른 미세가열 시스템으로 밀폐하는 것이 아니라 별개의 상판 기판(460)을 통해 밀폐하는 구조로 형성된다. 이러한 형태의 미세반응 시스템은 마이크로 생화학 반응기로 주로 이용될 수 있다. 도 9b의 경우, 도 9a의 미세가열 시스템의 반응 챔버 내부를 좀더 상세하게 보여주기 위한 사시도로서, 반응 챔버의 일부분을 개방된 형태로 도시되어 있다.

본 실시예의 미세반응 시스템 역시 어레이 형태로 제작할 수 있음은 물론이다.

도 10을 참조하면, 미세반응 시스템은 미세가열 시스템 상부로 상부 구조체(400e)를 포함하는데, 상부 구조체(400e)는 반응 챔버(420)가 형성된 하부 지지체 기판(440a) 및 유로 제어를 위한 지지체 기판(440b)으로 형성된다. 하부 지지체 기판(440a)에는 유로 제어를 위한 입구 및 출구 밸브(470,480)가 형성되어 있는데, 이러한 입구 및 출구 밸브(470,480)는 지지체 기판(440b)에 형성된 유로의 입 구(475) 및 출구(485)에 각각 연결되는 구조로 형성된다.

본 실시예의 미세반응 시스템은 미세 유체를 제어하는 저가격형 및 휴대용의 마이크로 펌프로서 주로 사용된다. 이러한 형태의 구조 역시 어레이 형태로 제작될 수 있음은 물론이다.

지금까지 미세반응 시스템의 여러 가지 실시예를 설명하였지만, 미세가열 시스템은 미세반응 시스템뿐만 아니라 미세분석시스템, 약물 전달시스템 및 미세유체 제어시스템 등의 여러 분야의 랩온어칩에 이용될 수 있다. 또한, 단일 구조가 아닌 시스템 어레이 구조로 각 시스템들이 형성될 수 있음은 물론이다.

도 11a를 참조하면, 마이크로 어레이는 동시에 수천 개의 유전자나 단백질 간의 상호작용을 알 수 있도록 도 1의 플라스틱 구조체(100) 상부로 미세 패턴의 표면 처리자리 또는 마이크로 어레이 자리(500) 형성된다. 이러한 어레이 자리(500)는 표면 개질을 통한 친수성 조절을 통해 형성되거나 또는 부가적으로 금속전극을 코팅하여 형성된다.

마이크로 어레이는 유전자 발현, 질병진단, 신약 개발, 독성물질 반응 규명 등에 응용되고 있는데, 기존에는 유리 기판이나, 실리콘 기판이 주로 이용되어 미소 패턴 형성에 유리하나, 가격이 비싼 단점이 있었다. 그러나 본 실시예의 마이크로 어레이는 포토 리소그라피 공정이 가능한 플라스틱 구조체(100)를 이용함으로써, 저가격으로도 어레이 자리(500)를 손쉽게 제작할 수 있는 장점이 있다.

이러한 어레이 자리(500)는 포토 리소그라피 공정을 이용하여, 수 마이크로 미터 정도의 미소 전극들을 가지는 형태로 제작될 수 있는데, 어레이 자리(500)의 재료로는 금이나 백금 같은 금속이 사용될 수 있다. 한편, 금속 대신에 플라스틱 구조체 상부에 포토 리소그라피 공정과 플라즈마 표면 처리만으로 선택적인 표면 처리를 하여 친수성(hydrophilicity) 및 소수성(hydrophobicity)을 조절하여 표면 개질된 어레이 자리(500)가 형성될 수도 있다. 표면 개질된 어레이 자리(500)의 경우 탐침자(probe)를 선택적으로 배열할 수 있는 장점을 가진다.

도 11b를 참조하면, 도 11(a)에서 제작된 미소 전극 어레이 자리(500)에 DNA 혹은 단백질 등의 바이오 분자로 이루어진 탐침자(520)들이 형성된 모습을 보여주고 있다. 도시된 탐침자(520)들은 이해를 쉽게 하기 위하여 과장하여 표현되어 있으나, 좀더 미세하고 정교한 구조로 형성되어 있음은 물론이다.

본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD_ROM, 자기테이프, 플로피디스크 및 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 저장되고 실행될 수 있다.

지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예 시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 미세가열 시스템은 플라스틱 필름에 무기 및/또는 유기물 박막을 코팅함으로써, 포토 리소그라피 공정을 통해 미세 전극, 가열기 및 온도 센서 등이 용이하게 형성될 수 있다.

또한, 플라스틱 구조체의 무기 및/또는 유기물 박막의 재질을 적절히 선택하여 열적 단열을 높이고 열 질량을 낮춤으로써, PCR 칩, 단백질 칩, DNA 칩, 약물 주입기(Drug Delivery System), 미세 생물/화학 반응기(Micro Biological/Chemical Reactor), 마이크로 어레이 등의 다양한 랩온어칩(Lab-on-a-chip) 바이오 소자의 저전력 소모 및 정확한 온도 제어를 위해 용이하게 이용될 수 있다.

Claims

플라스틱(plastic) 필름 및 상기 플라스틱 필름에 코팅된 내화학성 및 내열성의 박막을 구비한 플라스틱 구조체; 및

상기 플라스틱 구조물 상에 형성된 미세 전극 및 가열기(heater)를 구비한 가열기부;를 포함하는 플라스틱 미세가열 시스템(micro heating system).
제1 항에 있어서,

상기 플라스틱 구조체는 0.1 ~ 50 nm의 표면 편평도를 가지며, 1 ~ 2000 ㎛의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 플라스틱 미세가열 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 가열기부에는 온도 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 미세가열 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 박막은 무기물 박막 및 유기물 박막 중 적어도 하나의 박막인 것을 특징으로 하는 플라스틱 미세가열 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 플라스틱 필름 및 상기 박막 사이에 도전성 박막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 미세가열 시스템(micro heating system).
제1 항에 있어서,

상기 박막은 상기 플라스틱 필름 상면으로 코팅된 무기물 박막 및 상기 무기물 박막 상면과 상기 플라스틱 필름 하면으로 코팅된 유기물 박막인 것을 특징으로 하는 플라스틱 미세가열 시스템.
제6 항에 있어서,

상기 유기물 박막은 1 ~ 100 ㎛의 두께로 형성되고, 상기 무기물 박막은 1 ~ 100 ㎛ 의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 플라스틱 미세가열 시스템.
제6 항에 있어서,

상기 유기물 박막은 에폭시(epoxy)로 형성되고,

상기 무기물 박막은 물유리(water glass)로 형성된 것을 특징으로 하는 플라스틱 미세가열 시스템.
제6 항에 있어서,

상기 유기물 박막 및 무기물 박막은 포토 리소그라피(photolithography) 공정에 내성을 가지며,

열적 단열 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 플라스틱 미세가열 시스템.
제6 항에 있어서,

상기 유기물 박막 및 무기물 박막은 스핀(spin) 코팅 또는 스프레이(spray) 코팅 방법으로 형성된 것을 특징으로 하는 플라스틱 미세가열 시스템.
제10 항에 있어서,

상기 유기물 박막 및 무기물 박막이 열처리되어 상기 플라스틱 구조체는 평탄화된 표면을 가지는 것을 특징으로 하는 플라스틱 미세가열 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 가열기부는 상기 미세 전극 및 가열기를 덮는 전기 절연막을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 미세가열 시스템.
제12 항에 있어서,

상기 전기 절연막은 절연성의 금속 산화물 박막, 플라스틱 박막 및 절연성의 후막 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플라스틱 미세가열 시스템.
제12 항에 있어서,

상기 미세 전극 상부의 상기 절연막의 일부가 식각되어 상기 미세 전극에 연 결된 전극 패드가 형성된 것을 특징으로 하는 플라스틱 미세가열 시스템.
제12 항에 있어서,

상기 가열기 상부의 상기 절연막 상에 열 확산용 금속막이 형성된 것을 특징으로 하는 플라스틱 미세가열 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 플라스틱 구조체는 상기 가열기 외곽으로 다수의 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 플라스틱 미세가열 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 미세가열 시스템은 랩온어칩(lap-on-a-chip)에 이용되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 미세가열 시스템.
제1 항의 미세가열 시스템; 및

상기 미세가열 시스템에 접합된 랩온어칩(lap-on-a-chip)을 형성하는 상부 구조체;를 포함하는 미세가열 시스템을 이용한 랩온어칩.
제18 항에 있어서,

상기 랩온어칩은 미세반응 시스템이고,

상기 상부 구조체는 반응 챔버 및 상기 반응 챔버에 연결된 유로(micro channel)가 형성된 적어도 하나의 기판인 것을 특징으로 하는 미세가열 시스템을 이용한 랩온어칩.
제19 항에 있어서,

상기 미세가열 시스템이 상기 상부 구조체 상부로 하나 더 접합되어 상기 반응 챔버를 밀폐하는 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 미세가열 시스템을 이용한 랩온어칩.
플라스틱(plastic) 필름 및 상기 플라스틱 필름에 코팅된 내화학성 및 내열성의 박막을 구비한 플라스틱 구조체; 및

상기 플라스틱 구조체 상에 형성된 마이크로 어레이(micro array) 자리:를 포함하는 마이크로 어레이.
제21 항에 있어서,

상기 마이크로 어레이 자리는 금속으로 형성되거나 상기 미세가열 시스템의 표면을 선택적으로 개질하여 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로 어레이.
제22 항에 있어서,

상기 선택적 개질은 플라즈마 표면 처리 방법을 통해 이루어지고,

상기 개질된 어레이 자리에 탐침자(probe)가 선택적으로 배열될 수 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 어레이.
제23 항에 있어서,

상기 탐침자는 DNA 또는 단백질의 바이오 분자인 것을 특징으로 하는 마이크로 어레이.
플라스틱(plastic) 필름 상에 내화학성 및 내열성의 유기물 또는 무기물 박막을 코팅하여 플라스틱 구조체를 형성하는 단계;

상기 플라스틱 구조체를 지지 기판에 고정하는 단계; 및

상기 플라스틱 구조체 상에 미세 전극, 가열기를 포함하는 가열기부를 형성하는 단계;를 포함하는 플라스틱 미세가열 시스템의 제조방법.
제25 항에 있어서,

상기 가열기부는 포토 리소그라피(photolithography) 공정을 통해 형성하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 미세가열 시스템의 제조방법.
제25 항에 있어서,

상기 가열기부를 형성하는 단계는 상기 플라스틱 구조체에 전도성 박막을 형성하는 단계; 및

상기 전도성 박막을 패터닝하여 상기 미세 전극 및 가열기를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 미세가열 시스템의 제조방법.
제27 항에 있어서,

상기 전도성 박막은 금속, 전도성 산화막 및 접착향상 박막(glue layer)을 포함하는 도전성 후막 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플라스틱 미세가열 시스템의 제조방법.
제27 항에 있어서,

상기 가열기부를 형성하는 단계는 상기 미세 전극 및 가열기 형성단계 이후에 상기 미세 전극 및 가열기를 덮는 전기 절연막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 미세가열 시스템의 제조방법.
제29 항에 있어서,

상기 가열기부를 형성하는 단계는 상기 미세 전극 상부의 상기 전기 절연막 일부를 식각하여 전극 패드를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 미세가열 시스템의 제조방법.
제29 항에 있어서,

상기 가열기부를 형성하는 단계는 상기 가열기 상부의 절연막 상에 열 확산 용 금속막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 미세가열 시스템의 제조방법.
제29 항에 있어서,

상기 가열기부를 형성하는 단계는 상기 가열기 외곽으로 다수의 관통 홀을 형성하는 단계를 포함하는 플라스틱 미세가열 시스템의 제조방법.