KR20080087404A - 3차원 전극 구조를 갖는 유전영동 장치 - Google Patents

3차원 전극 구조를 갖는 유전영동 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 안정된 음의 유전영동을 일으킬 수 있도록, 안정된 음의 유전영동 트랩을 갖는 전극 구조 및 상기 전극 구조를 갖는 유전영동 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유전영동 장치는 하부 기판과, 상기 하부 기판의 윗면에 평행하게 적층되는 복수의 띠 형상의 제 1 전극과, 상기 하부 기판의 윗면 가장자리에 형성되어 소정의 유전입자를 포함하는 유체를 담지하는 스페이서와, 상기 스페이서 위에 형성되어 상기 하부 기판을 덮는 상부 기판과, 상기 상부 기판의 아랫면의 적어도 일부에 도포되는 제 2 전극을 포함한다.

Description

3차원 전극 구조를 갖는 유전영동 장치 {Dielectrophoretic device including three dimensional electrode}
도 1은 종래의 유전영동 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 부분 사시도이다.
도 2는 도 1에 따른 유전영동 장치의 전기장의 분포를 도시하는 도면이다.
도 3은 종래의 다른 유전영동 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 부분 사시도이다.
도 4(a)는 도 3에 따른 유전영동 장치의 A-A 단면의 전기장의 분포를 도시하는 도면이다.
도 4(b)는 도 3에 따른 유전영동 장치의 A-A 단면에서 유전입자의 이동 방향을 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전영동 장치의 제조방법을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 6은 도 5에 따라서 형성된 유전영동 장치의 구성을 도시하는 부분 사시도이다.
도 7(a)는 도 6에 따른 유전영동 장치의 B-B 단면의 전기장의 분포를 도시하는 도면이다.
도 7(b)는 도 6에 따른 유전영동 장치의 B-B 단면에서 유전입자의 이동 방향을 도시하는 도면이다.
도 8(a)는 도 6에 따른 유전영동 장치를 이용한 경우의 유전입자의 배치를 장치의 바닥면에 초점을 맞추어 관찰한 투시도이다.
도 8(b)는 도 6에 따른 유전영동 장치를 이용한 경우의 유전입자의 배치를 장치의 윗면에 초점을 맞추어 관찰한 투시도이다.
도 9(a)는 도 3에 따른 유전영동 장치를 이용한 경우의 유전입자의 배치를 장치의 바닥면에 초점을 맞추어 관찰한 투시도이다.
도 9(b)는 도 3에 따른 유전영동 장치를 이용한 경우의 유전입자의 배치를 장치의 윗면에 초점을 맞추어 관찰한 본 투시도이다.
<도면의 주요부분의 설명>
10: 하부기판 20: 전극
30: 스페이서 40: 상부 기판
50: ITO 전극 60: 접착제
본 발명은 유전영동(Dielectrophoresis) 장치, 더욱 구체적으로는 음의 유전 영동 영역을 안정적으로 갖는 3차원 전극 구조를 갖는 유전영동 장치에 관한 발명이다.
유전영동이란 유전입자가 불균일한 전기장 하에서 전기장의 크기가 크거나 작은 곳으로 움직이는 현상을 의미한다. 일반적으로 이러한 유전영동 현상으로 얻을 수 있는 힘의 크기는 매우 작아서 종래의 일반 기계 시스템에서는 사용되는 예가 거의 없었으나 최근들어 초소형 정밀 기계 시스템(Micro Electro Mechanical System; 이하 "MEMS"라 함) 분야가 발전함에 따라 전체적인 시스템의 크기가 작아지면서 그 활용이 급격하게 증가하고 있다. 이러한 유전영동 현상은 바이오-MEMS 분야에서 사용되는 예가 많은데, 예를 들면 죽은 세포와 살아있는 세포의 분리, 암 세포와 정상 세포의 분리, 서로 다른 크기나 종류의 입자 분리, 입자, 세포 및 액체 방울 등의 이송, 트래핑(trapping) 및 이송 경로의 변경 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 왜냐하면, 이러한 유전영동 현상은 별도의 이동수단이 없어도 단순히 전극 만으로 작동이 가능하고 샘플의 라벨링(labeling)할 필요가 없고, 특히 MEMS의 경우에는 10V 이하의 작은 전압에서도 작동이 가능하므로 다른 방법에 비하여 안정성이 높고, 세포 분리 등의 경우에 성공율이 매우 높기 때문이다.
한편, 유전입자가 전기장의 크기가 큰 곳으로 움직이는 현상을 양의 유전영동이라고 하고, 전기장의 크기가 작은 곳으로 움직이는 현상을 음의 유전영동이라고 한다. 또한, 한편 유전입자에 작용하는 유전영동력은 다음 식으로 표현된다.
Figure 112007023873352-PAT00001
단, r은 유전입자의 반경이고,
εm은 매질의 유전율이고, εp는 유전입자의 유전율이고,
Erms는 전기장의 rms 값이고,
α는 유전입자의 유효 분극성(polarizability) 변수로서, K(ω)의 실수부로서 -0.5 < α < 1의 값을 갖는다.
또한, K(ω)는 클라우시우스-모소티(Clausius-Mossotti; CM) 인자로서, 다음의 수학식 2로 표시된다.
Figure 112007023873352-PAT00002
단, εp*는 입자의 복합 유전율이고,
εm*은 매질의 복합 유전율이다.
또한, 상기 클라우시우스-모소티 인자의 실수부는 다음의 수학식 3으로 표시된다.
Figure 112007023873352-PAT00003
단, τMW = (εp + 2εm)/(σp + 2σm)이고, σ는 전기전도율이다.
즉, 상기 수학식 1과 3을 이용하면 유전영동력을 구할 수 있는데, 유전영동력은 입자의 크기, 유전입자와 매질의 유전율 및 전기전도율 등에 따라서 그 크기가 결정된다. 또한, 상기 수학식 1 및 수학식 2에서 보듯이 Re[K(ω)] > 0이면, DEP force는 양의 값을 가지므로 양의 유전영동이 일어나고, Re[K(ω)] < 0이면, 음의 유전영동이 일어난다.
한편, 마이크로 시스템에서는 전기장의 크기가 크기 때문에 물의 전기분해가 일어나 기체 버블(bubble)이 쉽게 생성되고, 이러한 전기분해로 인한 버블의 생성은 채널을 막아 유체의 흐름을 정지시킨다. 따라서 이러한 버블의 형성을 막기 위하여 통상적으로 유전영동 장치에는 교류 전기장을 사용하게 되며, 또한 이러한 교류 전기를 사용하게 되면 입자와 매질의 상대적 전기전도도와 유전율 특성에 의해 다양한 유전영동의 특성을 이용할 수 있는 이점도 있다. 앞서 기술한 유전영동을 이용하는 응용분야에 있어서 양의 유전영동과 음의 유전영동이 안정적으로 일어나는 유전영동 장치가 요청되고 있다. 하지만, 종래의 유전영동 장치는 양의 유전영동이 일어날 수 있는, 즉, 전기장의 크기가 최대인 지점(트랩; trap)은 명확하게 존재하지만, 음의 영동이 일어날 수 있는, 즉, 전기장의 크기가 최소인 지점은 명확하게 존재하지 않거나 존재하더라도 매우 불안정하다.
구체적으로, 도 1은 종래의 유전영동을 위한 유전영동 장치의 일례를 도시하 는 도면이고, 도 2는 도 1에 따른 유전영동 장치의 전기장의 분포를 도시하는 도면이다. 도 1에서 보듯이, 종래의 유전영동 장치는 실리콘, 유리 등으로 형성된 하부 기판(100) 위에 전극(200)을 형성하고, 하부 기판(100) 위에 스페이서(300)를 장착하여 그 내부에 채널을 형성한 후 그 위에 유리 등의 상부 기판(400)을 적층한 구성을 갖는다. 하지만, 상기 구성을 갖는 유전영동 장치는 도 2에서 보듯이 양의 유전영동 트랩(B)은 명확하게 존재하나(전기장의 크기가 큰 지점은 빨간색으로 표시), 음의 유전영동 트랩(A)으로 표시된 부분에서는 실제 위쪽 방향으로 유전영동 힘이 작용하므로 음의 유전영동 트랩으로 작용하기에는 부적당하다.
또한, 상기 도 1의 구성을 갖는 유전영동 장치의 문제점을 해결하기 위한 장치로서 도 3 및 도 4의 구성을 갖는 유전영동 장치가 제안되었다. 즉, 도 3에 따른 유전영동 장치는 하부기판(101) 위에 띠 형상의 전극(201, 202, 203, 204, 205, 206)이 복수로 평행하게 적층된 구성을 갖는다. 또한, 도 4(a)에서 보듯이 전극(201)은 교류 전원과 연결되고, 전극(202)은 접지된다. 상기 구성에 따른 전기장의 분포는 도 4(a)에 도시된 것과 같은데, 전극의 상부에 음의 유전영동 트랩(A)이 도 1의 구성과 비교하여 명확하게 존재하지만, 전극과 전극의 사이 부분(C)은 여전히 불안정한 상태로 존재하게 된다. 따라서, 도 4(b)에서 보듯이, 도 3의 구성을 갖는 유전영동 장치는 유전입자가 복수의 전극 부근에 위치하는 경우에는 음의 유전영동 트랩으로 정상적으로 이동한다. 하지만, 전극과 전극 사이에 위치하는 유전입자는 좌, 우측으로 작용하는 음의 유전영동 힘이 동일하고 또한 그 힘이 상대적으로 미약하므로 어느 특정한 음의 유전영동 트랩으로 이동하지 못하고 전극의 사이를 부유하게 되어 음의 유전영동이 완전하지 않고 불안정하게 되는 원인을 제공한다.
따라서 본 발명의 목적은 앞에서 설명한 종래의 음의 유전영동을 일으키기 위한 유전영동 장치의 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명은 안정된 음의 유전영동을 일으킬 수 있도록, 안정된 음의 유전영동 트랩을 갖는 전극 구조 및 상기 전극 구조를 갖는 유전영동 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유전영동 장치는 하부 기판과, 상기 하부 기판의 윗면에 평행하게 적층되는 복수의 띠 형상의 제 1 전극과, 상기 하부 기판의 윗면 가장자리에 형성되어 소정의 유전입자를 포함하는 유체를 담지하는 스페이서와, 상기 스페이서 위에 형성되어 상기 하부 기판을 덮는 상부 기판과, 상기 상부 기판의 아랫면의 적어도 일부에 도포되는 제 2 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 2 전극은 상기 상부 기판의 아랫면에 전부 도포되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 1 전극은 교류전원에 연결되고, 상기 제 2 전극은 접지되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 1 전극은 금(Au) 전극인 것이 바람직하다. 또한, 상기 제 2 전극은 예를 들면 인듐-주석 산화물(Indume-Tin Oxide; ITO)과 같은 투명 재질인 것이 바람직하다.
또한, 상기 상부 기판 및 하부 기판은 각각 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 웨이퍼 및 유리 웨이퍼 중 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우 상기 하부 기판은 실리콘 산화물 또는 실리콘 웨이퍼로 구성되고, 상기 상부 기판은 유리 웨이퍼로 구성되는 것이 바람직하다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전영동 장치를 첨부한 도면을 참고로 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 유전영동 장치의 제조방법의 일례를 도 5를 참고로 이하에서 설명한다.
먼저, 바닥부 형성단계로서 하부 기판(10)을 형성하기 위하여 실리콘 웨이퍼(11)에 실리콘 산화물(12)을 적층한다(도 5(a)). 이어서, 금으로 구성된 띠 형상의 전극(20)을 세로로 하부 기판(10) 윗면에 형성한다(도 5(b)). 이어서, 장착된 전극(21, 22)의 일 단부에 측벽용 스페이서(30)를 형성(도 5(c))한다. 이어서, 커버부 형성단계로서 유리 웨이퍼인 상부 기판(40)의 하면에 ITO(Indume Tin Oxide) 전극(50)을 형성하고(도5 (d)), 유체를 유입할 수 있는 공동을 형성한다(도 5(e)). 이어서, 상기 커버부를 상기 바닥부 위에 장착하고 결합을 위하여 접착제(60)를 도포한다(도 5(e)). 또한, 도면에는 도시하지 않았지만, 전극(21, 22)에는 전원을 연결하고, 전극(50)은 접지함으로써 본 실시예에 따른 유전영동 장치는 완성된다. 상기 방법에 의하여 완성된 유전영동 장치의 일례가 도 6에 도시된다.
한편, 본 실시예에서는 바닥부에 형성되는 전극의 재료로 금을 이용하고, 커버부에 형성되는 전극의 재료로 ITO를 이용하였지만, 상기 전극들은 다른 공지의 전극용 재료로 치환가능하다는 것은 당업자에게 자명하다. 마찬가지로, 상부 기판, 하부 기판 및 스페이서도 본 실시예와 다른 재료를 이용할 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다. 또한, 설명을 돕기 위하여 본 실시예는 바닥부의 전극을 2개의 띠 형상의 전극으로 형성되는 구성을 도시하였지만, 바닥부의 전극은 1개만 아니라면 얼마든지 2개 이상의 복수로 구성가능하다.
도 7은 상기 구성을 갖는 유전영동 장치의 C-C 단면에서 전기장의 분포와 유전입자의 이동방향을 시뮬레이션한 결과를 도시한다. 앞의 도 4(a)에서 설명한 바와 같이 종래의 유전영동 장치는 띠형상의 전극을 하부 기판에만 형성하므로 음의 유전영동 트랩(B)이 상부 기판 주변에 형성되고, 음의 유전영동 트랩의 사이에는 불안정안 영역(C)이 형성되므로, 음의 유전영동 트랩(B)으로 이동하지 않는 유전입자가 존재한다. 하지만, 도 7(a)에서 보듯이 본 실시예에 따른 유전영동 장치는 상부기판(40)의 아랫면에 형성된 ITO 전극(50)에서 발생하는 전기장의 영향을 받아서, 음의 유전영동 트랩(B)이 유전영동 장치의 상부 기판 쪽이 아닌 하부 기판의 사이에 형성되고, 음의 유전영동 트랩(B) 사이의 불안정한 영역도 존재하지 않게 된다. 따라서 도 7(b)에서 보듯이 본 실시예에 따른 유전영동 장치는 음의 유전영동 조건하에서 유체 내부에 존재하는 모든 유전입자(Cell)가 음의 유전영동 트랩(B)으로 이동하므로 바람직한 유전영동 결과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전영동 장치와 도 3에 도시된 종래의 유전영동 장치를 각각 이용하여 유전영동을 일으킨 경우의 결과를 구체적으로 실험한 결과를 다음에서 설명한다.
본 실시예에 따른 유전영동 장치와 비교예에 따른 유전영동 장치는 모두 하부기판에 띠 형상의 금 전극을 2개씩 형성하였으며, 각 전극의 폭은 20㎛이고, 전극 사이의 간격(즉, 채널의 폭)은 40㎛로 설정하였다. 또한, 본 실시예에 따른 유전영동 장치는 상부기판의 아랫면 전체에 ITO 전극을 도포하고, 띠 형상의 전극에 전원을 연결하고, ITO 전극을 접지하였다. 한편, 비교예에 따른 유전영동 장치는 상부기판의 아랫면에 전극을 도포하지 않았고, 하나의 띠 형상 전극에는 전원을 연결하고, 다른 하나의 띠 형상의 전극은 접지하였다. 또한, 각 장치의 채널에 투입된 유체는 초순수물(deionized water; DI water)이고, 유전입자로서 9㎛의 직경을 갖는 폴리스티렌을 투입하였다. 또한, 1MHz의 주파수로 2Vpp의 전압을 각각의 유전영동 장치에 가하였다. 또한, 효과적인 관찰을 위하여 상부기판 및 하부기판은 모두 유리 웨이퍼를 이용하였다.
상기 실험결과는 다음과 같다. 도 8은 본 발명의 바람직한 시험예에 따른 유전영동 장치(시험예)를 이용한 유전영동의 실험결과를 도시하는 도면이고, 도 9는 종래의 유전영동 장치(비교예)를 이용한 경우의 도면이다.
먼저, 8(a)에서 보듯이 본 실시예에 따른 유전영동 장치는 유전영동의 결과 유전영동 장치의 바닥부에서는 유전입자(도면에서 검은 점으로 표시)가 매우 진하게 표시되고 있는 반면, 8(b)에서 보듯이 커버부에서는 유전입자가 매우 연하게 표시되어 있음을 알 수 있다. 이는 유전입자가 상부기판의 주변에는 유전입자가 거의 위치하지 않고 하부 기판 중 두 개의 띠 형상의 전극 사이에 집중적으로 배치되어 있다. 또한, 유전입자는 모두 노란색의 띠 형상의 전극 사이의 중앙부에 일렬로 위치하고 있다. 이는 본 실시예에 따른 유전영동 장치를 이용하면 유전입자가 매우 고르게 애초에 원하는 위치에 배치된다는 것을 의미한다.
반면, 비교예에 따른 유전영동 장치는 유전영동의 결과 유전 입자가 하부기판에서 관찰한 경우(9(a))와 상부기판에서 관찰한 경우(9(b))에 유전입자가 수직위치상 상부기판 쪽에 위치해 있기는 하나, 수평위치 상으로는 띠 형상의 전극 위에서부터 전극 사이까지 다양한 위치에 유전입자가 존재한다. 이는 비교예에 따른 유전영동 장치를 이용하면 유전입자가 매우 불안정하게 애초에 원하는 위치와는 다른 위치에 배치된다는 것을 의미한다.
이상으로 본 발명에 따른 유전영동 장치의 바람직한 실시예를 도면을 참고로 상세하게 설명하였다. 하지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자는 본 실시예에 따른 유전영동 장치의 다양한 변형 및 수정이 가능하다는 점을 인식할 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 오직 뒤에서 기재할 특허청구범위에 의해서만 한정된다.
본 발명에 따른 유전영동 장치는 3차원 전극구조를 가지므로 2차원 전극구조에 비하여 매우 안정된 음의 유전영동 트랩을 갖는다. 또한, 단순히 상부기판에 전극을 평판 형상으로 도포하는 것만으로 충분한 효과를 얻을 수 있어서 그 제작이 매우 용이하다.
또한, 본 발명에 따른 유전영동 장치는 띠형상의 세로 중심선을 기준으로 좌우가 대칭이므로 다중 스페이서로의 확장이 용이하고, 전극이 직선 형태이므로 유체의 유동이 있는 시스템에서도 동일하게 적용이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 유전영동 장치는 종래의 2차원 전극구조에 비하여 유전영동을 위한 구동력이 강하므로, 보다 낮은 전압에서도 작동시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 유전영동 장치는 제어하고자 하는 입자나 세포 등의 크기에 따라서 전극 크기를 용이하게 조절할 수 있다.

Claims (7)

  1. 하부 기판과,
    상기 하부 기판의 윗면에 평행하게 적층되는 복수의 띠 형상의 제 1 전극과,
    상기 하부 기판의 윗면에 형성되어 소정의 유전입자를 포함하는 유체를 담지하는 스페이서와,
    상기 스페이서 윗면에 형성되어 상기 하부 기판을 덮는 상부 기판과,
    상기 상부 기판의 아랫면의 적어도 일부에 도포되는 제 2 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 유전영동 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 전극은 상기 상부 기판의 아랫면에 전부 도포되는 것을 특징으로 하는 유전영동 장치.
  3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 중의 하나의 전극은 교류전원에 연결되고, 다른 전극은 접지되는 것을 특징으로 하는 유전영동 장치.
  4. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 제 1 전극은 금(Au) 전극인 것을 특징으로 하는 유전영동 장치.
  5. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 제 2 전극은 인듐-주석 산화물인 것을 특징으로 하는 유전영동 장치.
  6. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 상부 기판 및 하부 기판은 각각 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 웨이퍼 및 유리 웨이퍼 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전영동 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 하부 기판은 실리콘 산화물 또는 실리콘 웨이퍼로 구성되고, 상기 상부 기판은 유리 웨이퍼로 구성되는 것을 특징으로 하는 유전영동 장치.
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KR1020070029579A KR20080087404A (ko) 2007-03-27 2007-03-27 3차원 전극 구조를 갖는 유전영동 장치

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105004759A (zh) * 2014-06-06 2015-10-28 浙江北微信息科技有限公司 纳米线传感器圆片级制备及封装方法
KR20180033712A (ko) * 2016-09-26 2018-04-04 울산과학기술원 유전영동과 전기삼투를 이용한 입자 분리 전극 및 이를 포함하는 입자 분리 장치
WO2019182186A1 (ko) * 2018-03-23 2019-09-26 한국과학기술연구원 수직 나노갭 유전영동 전극, 이의 제조방법 및 이를 이용한 입자 포집 및 분리 방법

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