KR20170103487A - 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치에 관한 것으로서, 표면탄성파를 발생시키도록 경사 교차 배열 형상을 가지고 SIDT(Slanted Finger Interdigital Transducer) 전극이 형성된 피에조 기판; 상기 SIDT 전극이 형성된 상기 피에조 기판상에 교접하며, 상기 피에조 기판에 발생된 표면탄성파를 흡수하여 발열되는 점탄성 물질로 이루어지는 가열체; 및 상기 SIDT 전극내 각 가열 영역들을 시공간적으로 가진 제어하도록 전류 신호를 발생시키는 신호 발생기;를 포함하도록 구성되어, 미소 구조체 내에 음향열적으로 직접 가열하여 샘플 내에 자유 형태의 온도구배를 동적으로 형성할 수 있도록 함과 아울러 시간 분할 신호 발생 방식을 통해 가 음향열적 가열을 시공간적으로 제어할 수 있도록 하는 효과를 갖는다.
Description
본 발명은 음향열적 미소 가열 장치에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 SIDT(Slanted Interdigital Transducer)과 시간 분할 신호 발생법의 활용을 통해 자유 형태의 온도구배를 형성함과 아울러 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 액체 내 분자들을 제어하는 방법은 매우 드물다. 전기장을 활용하는 방법을 제외하면 액체 내 분자들을 제어할 수 있는 유일한 방법은 온도구배를 이용하는 것이다(참고문헌 1).
액체 내 표적 분자들의 분리 및 추출을 용이하게 하기 때문에, 온도구배는 온도기울기 농축(TGF; Temperature Gradient Focusing), 온도 기울기 겔 전기영동(Temperature Gradient Gel Electrophoresis), 온도 증감 상호 작용 색층 분석(Temperature Gradient Interaction Chromatography)등 다양한 기술들에 활용되어 왔다 (참고문헌 2-4).
온도구배의 또 다른 큰 응용은 생화학 연구시 필요한 열적 환경의 제공이다. 마이크로 유체 및 미세전자제어기술(MEMS; Micro Electro Mechanical System)의 출현은 마이크로 스케일의 온도제어를 가능하게 함으로써, 온도구배 활용 분야의 급속한 발전을 가능케 했다.
온도구배는 시공적 역학의 초기 패턴 형성(Spatiotemporal Dynamics of Embryonic Pattern Formation), 신경세포내의 축삭 생성(Neurite Outgrowth in Nerve Cells), 단백질 열적 안정성(Protein Thermal Stability), 바이오필름 형성(Biofilm Formation), 효소 활성도 연구(Study of Enzymatic Activity), 중합효소연쇄반응의 온도구배(Thermal Gradient PCR), 주열성(Thermotaxis)등의 응용에 중추적인 역할을 도맡아왔으며(참고문헌 6-14), 나아가 온도의 함수로 주어지는 화학 및 생화학 실험 데이터를 단번에 얻을 수 있어, 수십 배 이상의 시간과 비용을 절감할 수 있다 (참고문헌 12).
온도구배를 만드는 데 가장 널리 쓰이는 방법은 한 쪽에 열 생성원을 놓고 다른 한 흡수원을 놓아, 선형 온도구배를 만드는 것이다(참고문헌 7-9, 12, 13).
따라서, 양 끝의 고정된 온도를 알면, 그 사이의 온도 분포를 정확히 예측할 수 있으나 이는 많은 단점을 가지고 있다.
첫째, 이 방법이 제공할 수 있는 온도구배는 종류가 매우 제한적일 뿐 아니라 시간에 따라 거의 변화가 불가능하다. 자연 조건과 흡사하도록 가변적인 온도 조건을 요구하는 생물학 또는 생화학 연구의 필요에 부응하지 못한다.
둘째, 가열 면적이 넓어 동일기판 위에 다양한 기능을 집적하기 어렵게 만든다.
셋째, 시스템 공정이 모두 리소그라픽(Lithographic)방식이 아니고 서모스탯(Thermostat)이나 펠티어 소자 등의 기본 히터를 활용하기 때문에 매우 복잡하다.
상기한 단점들을 극복하기 위한 좋은 해결방안은 온도 제어가 용이한 새로운 가열 방식을 적용하는 것이며 다양한 방식이 개발되어 왔다. 그 일예로 금속저항선의 패터닝을 최적화하여 원하는 온도구배를 얻되 가열 면적을 최소화하는 방법(참고문헌 15), 마이크로웨이브를 이용하여 액체의 가열 속도를 크게 증가시키는 방법 (참고문헌 15), 이온화된 액체를 줄 가열하여 시스템 공정을 간단하게 하는 방법 (참고문헌 17)이 있다. 그러나 위 언급된 방법들은 여전히 제한된 종류의 정적인 온도구배 밖에 만들어내지 못하는 단점을 갖는다.
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상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 미소 구조체 내에 음향열적으로 직접 가열하여 샘플 내에 자유 형태의 온도구배를 동적으로 형성할 수 있도록 함과 아울러 시간 분할 신호 발생 방식을 통해 음향열적 가열을 시공간적으로 제어할 수 있는 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치는, 표면탄성파를 발생시키도록 경사 교차 배열 형상을 가지고 SIDT(Slanted Finger Interdigital Transducer) 전극이 형성된 피에조 기판; 상기 SIDT 전극이 형성된 상기 피에조 기판 상에 교접하며, 상기 피에조 기판에 발생된 표면탄성파를 흡수하여 발열되는 점탄성 물질로 이루어지는 가열체; 및 상기 SIDT 전극내 각 가열 영역들을 시공간적으로 가진 제어하도록 전류 신호를 발생시키는 신호 발생기;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 SIDT(Slanted Finger Interdigital Transducer) 전극은 교차 배열되는 손가락 전극들이 일측에서 타일측으로 갈수록 점진적으로 넓어지거나 또는 좁아지게 지간 거리의 변화를 가지고 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 손가락전극들은 가열 영역을 형성하는 동일 지점에서 손가락 전극들의 두께와 지간 거리가 서로 동일하게 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 신호 발생기를 통해 상기 SIDT 전극 내에 가진되는 상기 표면탄성파는 5MHz 내지 200MHz 주파수 범위 이내로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 신호 발생기는 상기 SIDT 전극 내에 선정된 상기 가열 영역들 중 적어도 하나 이상을 동시에 또는 순차적으로 가열하도록 MATLAB CODE;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 피에조 기판은 리튬리니오베이트(LiNbO3), 석영(quartz), 리튬탄탈레이트 (LiTaO3), 리튬보레이트(Li2B4O7) 또는 랑가사이트(La3Ga5SiO14) 중에서 선택된 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 가열체 상에 교접하며 내부에 유체 유동을 위한 유체 채널이 형성되는 유체칩;을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 가열체는 내부에 유체 유동을 위한 유체 채널이 형성되어 유체칩을 구성할 수 있으며, 이때 상기 유체 채널은 상기 유체칩 내에서 폐쇄 수로(Closed Channel) 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 가열체는 실리콘 기반 폴리머(Silicone-based polymers), 고분자화합물(Plastics), 고무(Rubber), 종이(Paper), 음식물(Food) 또는 생체 조직(Biological tissue)중에 선택된 어느 하나 이상의 점탄성 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 가열체는 상기 실리콘 기반 폴리머(Silicone-Based Polymer)는 PDMS(Polydimethylsiloxane)인 것을 포함할 수 있다.
또한, 상기 고분자화합물(plastic)은 PMMA(Polymethyl Methacrylate), PP(polypropylene) 또는 PETE(Polyethylene Terephthalate)을 포함할 수 있다.
상기한 본 발명의 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치에 따르면, SIDT(Slanted Interdigital Transducer)과 시간 분할 신호 발생법의 활용을 통해 자유 형태의 온도구배를 형성함과 아울러 동적 제어가 가능하도록 하는 효과를 갖는다.
또한, 피에조 기판 상에 형성된 SIDT(Slanted Interdigital Transducer)를 통해 마이크로 구조물 및 마이크로 유체 채널 내의 물질을 음향열적으로 정교하고 빠르게 가열하여 에너지 효율을 높일 수 있다.
또한, 일회용 PDMS 재질의 마이크로 유체칩 내에 다양한 형태의 동적 온도구배 형성을 가능케 할 수 있음으로, 단일 마스크 단일 공정만 사용되기 때문에 제조 공정을 단순화시켜 대량생산 및 제조 원가의 절감이 가능한 효과를 갖는다
또한, 가열체 상측에 내부 유체 채널이 형성된 일회용 유체칩이 교체 사용 가능하게 올려질 수 있도록 함으로써, 유체칩을 가열체와 동일 점탄성 물질 이외의 좀더 다양한 종류의 재질을 적용할 수 있을 뿐만 아니라 일회 사용 후 교체 가능한 형태로 제작할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 음향열적 미소가열 장치를 적용해 구현된 high-resolution DNA melting analysis를 통해 통상적인 PCR 기기들로 수행할 수 있는 기능을 대체 실시할 수 있을 뿐 아니라, 해상도가 열 배 이상 증가하고 신호대비잡음비율이 획기적으로 증가하는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치에 대한 SIDT 전극이 형성된 피에조 기판의 평면도이다.
도 4는 표면탄성파를 이용한 음향열정 음향열적 미소 가열 장치의 가열 원리를 설명한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 실험예에 따른 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치의 제작 사진 및 이를 통해 온도구배를 이룬 상태의 적외선 카메라 사진이다.
도 6은 도 5의 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치에서 SIDT 전극의 특성을 네트워크 애널라이져를 통해 측정한 S11 parameter를 나타낸다.
도 7은 도 5의 도 5의 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치를 통해 만들어진 온도구배의 형태를 도시한 그래프이다.
도 8은 calibration curve 측정 시 마이크로 유체 채널 내 온도를 추정하기 위해 수행된 수치해석 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 PDMS 가열체 내에 흐르는 로다민 B 액상 염료의 calibration data를 참고문헌의 데이터와 비교한 그래프이다.
도 10은 유체 채널 내 액체 샘플에 형성된 온도구배의 형상을 나타낸다.
도 11은 G-C match를 가진 DNA mixture 내 SYBR Green I의 normalized 형광을 온도의 함수로 그린 melting curve 그래프이다.
도 2는 도 1의 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치에 대한 SIDT 전극이 형성된 피에조 기판의 평면도이다.
도 4는 표면탄성파를 이용한 음향열정 음향열적 미소 가열 장치의 가열 원리를 설명한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 실험예에 따른 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치의 제작 사진 및 이를 통해 온도구배를 이룬 상태의 적외선 카메라 사진이다.
도 6은 도 5의 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치에서 SIDT 전극의 특성을 네트워크 애널라이져를 통해 측정한 S11 parameter를 나타낸다.
도 7은 도 5의 도 5의 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치를 통해 만들어진 온도구배의 형태를 도시한 그래프이다.
도 8은 calibration curve 측정 시 마이크로 유체 채널 내 온도를 추정하기 위해 수행된 수치해석 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 PDMS 가열체 내에 흐르는 로다민 B 액상 염료의 calibration data를 참고문헌의 데이터와 비교한 그래프이다.
도 10은 유체 채널 내 액체 샘플에 형성된 온도구배의 형상을 나타낸다.
도 11은 G-C match를 가진 DNA mixture 내 SYBR Green I의 normalized 형광을 온도의 함수로 그린 melting curve 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치의 분해 사시도이며, 도 3은 도 2의 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치에 대한 SIDT 전극이 형성된 피에조 기판의 평면도이다.
도 1 내지 3을 참조하여 설명하면, 본 실시예의 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치(1)는 SIDT(Slanted Finger Interdigital Transducer) 전극(20)이 형성된 피에조 기판(10)과, 상기 피에조 기판(10) 상에 교접하며, 상기 피에조 기판(10)에 발생된 표면탄성파를 흡수하여 발열되는 가열체(30)와, 상기 SIDT 전극(20)내 각 가열 영역들을 시공간적으로 가진 제어하도록 전류 신호를 발생시키는 신호 발생기(40)를 포함하여 구성된다.
피에조 기판(10)은 전기적 에너지를 기계적인 에너지로 변환 가능한 압전 물질로 이루어지며, 전기장을 형성하도록 인가된 교류 전류를 통해 기설정된 주파수의 표면탄성파를 발생시킬 수 있게 SIDT(Slanted Finger Interdigital Transducer) 전극(20)이 기설정된 패턴 형상을 갖도록 인쇄하여 제작한다.
그러나, 본 발명에서 피에조 기판(10)이 상기한 리튬리니오베이트(LiNbO3) 이루어지는 것으로 반드시 한정되는 것은 아니며, SIDT 전극(20)을 통해 전기장을 형성하도록 인가된 교류 전류를 통해 기설정된 주파수의 표면탄성파를 발생시킬 수 있는 한, 석영(Quartz), 리튬탄탈레이트 (LiTaO3), 리튬보레이트(Li2B4O7) 또는 랑가사이트(La3Ga5SiO14)을 포함하여 좀더 다양한 종류의 피에조 물질로 이루어질 수 있음은 당연하다.
상기 SIDT 전극(20)은 기본적으로 피에조 기판의 서로 양측 단부에 형성된 각각의 제1 전극 단자(21) 및 제2 전극 단자(25)로부터 이들의 방향을 따라 서로 교번하며 서로를 향해 폭 방향으로 연장 형성되는 복수의 제1 손가락 전극(22) 및 제2 손가락 전극(26)이 서로의 사이 사이에 끼워져 마치 포크 2개의 끝이 마주보도록 겹치되 서로 닿지 않도록 엇갈리게 놓인 것과 같은 패턴 형상을 갖도록 형성된다.
본 실시예에서 상기한 SIDT 전극(20)은 바닥층을 이루는 크롬과 상부층을 이루는 금(Au)이 서로 적층 형성된 Cr/Au 적층 구조로 이루어지는 것을 예시한다.
그러나, 상기한 SIDT 전극(20)은 전술한 Cr/Au 적층 구조뿐만 아니라 Ti/Au 또는 Ti/Al 조합의 적층 구조로 이루어질 수 있음은 물론, 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 니켈(Ni) 또는 이들을 포함하는 금속화합물들 중에서 선택된 하나 이상의 전극 물질로 이루어질 수 있음은 당연하다.
특히, 본 발명의 SIDT 전극(20)은 이를 이루는 제1 및 제2 손가락 전극들(22, 26)이 일측에서 타일측으로 갈수록 제1 및 제2 손가락 전극들(22, 26) 지간 거리(finger gap width)와 주기(period)가 선형적으로 가변되게 형성되어, 전체적으로 사다리꼴 형상의 경사 교차 배열 형태를 이룬다.
따라서, SIDT 전극(20)에 대응되게 사용되는 교류전류 주파수 대역을 확장할 수 있을 뿐만 아니라 신호 발생기에서 인가되는 교류 전류의 주파수 값에 따라 제1 및 제 2 손가락 전극들(22, 26)의 길이 방향을 따라 이동하며 이에 대응되는 지간 거리를 갖는 위치로 가열 영역을 가변시킬 수 있도록 한다.
여기서, SIDT 전극(20)은 선택된 가열 영역을 이루는 부분에서는 제1 및 제2 손가락 전극(22, 26)의 폭과 이들 사이의 지간 거리가 서로 동일하게 형성되는 것이 바람직하다.
즉, 제1 및 제2 손가락 전극(22, 26)의 폭과 이들 사이의 지간 거리가 "H"로 고정되었을 때 그 영역에서만 생성되는 표면탄성파의 파장(lambda)은 4H가 된다.
이 가열 영역에 표면탄성파가 발생하도록 가진시키기 위해 신호 발생기(40)를 통해 인가해 주어야 하는 교류 전류의 주파수는 아래 수학식1과 같다.
여기서, c는 표면탄성파 진행 방향의 피에조 물질의 음속이다.
따라서, 신호 발생기(40)를 통해 SIDT 전극(20)에 인가하는 교류전류의 주파수를 얼마에 맞추느냐에 따라 원하는 위치의 가열 영역을 선택하여 부분적으로 가열할 수 있게 표면탄성파를 발생시킬 수 있다.
만일, 신호 발생기(40)를 통해 여러 신호로 구성된 교류 전류를 MATLAB CODE를 활용하여 인가하면, SIDT 전극(20) 내에 형성될 수 있는 각 가열 영역들 중 적어도 하나 이상을 동시에 또는 순차적으로 발생시킬 수 있게 된다.
한편, SIDT 전극(20) 내에서 발생되는 상기 표면탄성파는 5MHz 내지 200MHz 주파수 범위 이내로 이루어지는 것이 바람직하다.
여기서, 표면탄성파의 주파수가 5MHz 미만인 경우 SIDT 전극(20) 사이즈가 2.4cm를 초과하게 되어 집적하기기 어렵고, 200MHz 초과인 경우 SIDT 전극(20) 사이즈가 5um 미만으로 제조 가격대비 효율이 저하되는 단점을 갖는다.
한편, 가열체(30)는 상기 SIDT 전극(20)이 형성된 상기 피에조 기판(10) 상에 교접하도록 올려져, 상기 피에조 기판(10) 상에 발생된 표면탄성파(SAW)를 흡수하여 이를 통해 발열되는 점탄성 물질로 이루어진다.
본 실시예에서 가열체(30)는 실리콘 기반 폴리머(Silicone-Based Polymer)계열의 PDMS(Polydimethylsiloxane)로 이루지는 것을 예시한다.
그러나, 본 발명에서 상기 가열체(30)가 PDMS(Polydimethylsiloxane)로 반드시 한정되는 것은 아니며 PDMS(Polydimethylsiloxane)와 같은 실리콘 기반 폴리머들(Silicone-based polymers) 이외에도 고분자화합물들(Plastics), 고무(Rubber), 종이(Paper), 음식물(food; Organic Polymer) 또는 생체 조직(Biological tissue)들을 포함하여 다양한 종류의 점탄성 물질들이 모두 적용될 수 있음은 당연하다.
한편, 상기한 고분자화합물(Plastic) 중에서는 주로 PMMA(Polymethyl Methacrylate), PP(polypropylene) 또는 PETE(Polyethylene Terephthalate) 등이 주로 사용될 수 있다.
본 실시예에서 상기 가열체(30)는 내부에 유체 유동을 위한 유체 채널(35)이 형성되는 유체칩을 구성하고, 상기 유체 채널(35)은 유체칩 내에서 폐쇄 수로(Closed Channel) 형태로 이루어지는 것을 예시한다.
그러나, 본 발명이 이에 반드시 한정되는 것은 아니며 상기 가열체(30) 상에 교접하며 내부에 유체 유동을 위한 폐쇄 수로(Closed Channel) 형태의 유체 채널이 형성된 별도의 유체칩(미도시)을 더 포함하여 구성될 수 있음은 당연하다.
또한, 전술한 바와 같이 내부에 유체 채널(35)을 가지고 유체칩을 형성하는 가열체(30)는 SIDT 전극(20)에 교접한 상태로 피에조 기판(10) 상에 단순히 '얹혀져' 있도록 구성하여 얼마든지 쉽게 교체 가능하게 구성할 수 있다.
한편, 가열체(30)의 발열 효율을 높일 수 있도록 SIDT 전극(20)을 통해 피에조 기판(10) 상에 형성된 표면탄성파가 가열체(30) 내부로 좀더 잘 전파될 수 있도록 SIDT 전극(20)이 형성된 상기 피에조 기판(10) 상면과 상기 가열체(30) 하면 사이에 발생하는 미소 틈새를 채울 수 있게 액상 또는 겔 상태의 교접 충진재(미도시)를 더 사용할 수 있다.
여기서, 상기한 교접 충진재는 물 이나 초음파 겔 상태로 사용하는 것 이외에도 상기 피에조 기판(10)과 상기 가열체(30) 사이의 접촉율을 높여 가열체 내부로 표면탄성파의 전파 효율을 높일 수 있는 한 다양한 종류 및 형태의 물질이 적용될 수 있음은 당연하다.
또한, 상기한 교접 충진재 이외에 가역 접합 수단(미도시)를 사용하여 상기 가열체(30)를 상기 피에조 기판(10) 상에 분리 및 교체 가능하게 가역적으로 고정할 수도 있으며, 여기서, 상기한 가역 접합 수단으로는 가열체(30)의 가장자리부를 잡아 상기 피에조 기판(10) 상에 밀착 고정하는 고정 집게 등이 사용될 수 있다.
도 4는 표면탄성파를 이용한 음향열정 음향열적 미소 가열 장치의 가열 원리를 설명한 모식도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 신호 발생기(40)를 통해 기설정된 주파수의 전류 신호를 발생시키게 되면 이에 대응되는 SIDT 전극(20)의 제1 및 제2 손가락 전극(22, 26)의 폭과 이들 사이의 지간 거리를 가지는 해당 가열 영역 부분에서 표면탄성파(SAW)를 일으키게 된다.
발생된 상기 표면탄성파는 피에조 기판10()의 표면을 따라 진행하다가 PDMS 가열체(30) 내로 굴절되어 압축된 체적파(Compressional bulk Wave) 형태의 누설 표면탄성파(Leaky SAW)가 PDMS 가열체(30) 내에 흡수되며 열을 발생시키게 된다.
PDMS 가열체(30) 내의 상기 표면탄성파의 굴절각(θt)은 스넬의 법칙에 의해 결정된다. 참고로, 피에조 기판(10) 표면을 타고 전파되는 표면탄성파가 피에조 기판(10) 상에 놓인 PDMS 가열체(30) 안으로 굴절되어 침투 깊이(Penetration Depth) 또한 주파수의 함수로 주어진다. 즉, 침투 깊이(Penetration depth)는 표면탄성파의 주파수가 작을수록 크고, 주파수가 클수록 작은 특징을 갖는다 (참고문헌 18).
따라서, PDMS 가열체(30) 내로 침투한 누설 표면탄성파(Leaky SAW)는 압축된 체적파(Compressional Bulk Wave)이기 때문에, PDMS 가열체(30)는 표면 가열이 아니라 체적 가열을 겪게 된다.
따라서 PDMS 가열체(30)의 가열은 균일하고 급속하다. 이러한 특성은 열전도도가 높아 표면가열을 통한 전도 열전달 방식으로 PDMS 가열체(30)를 가열하기 어려웠던 기존의 단점을 완전히 극복할 수 있을 뿐 아니라, 오히려 열을 잘 보존하는 PDMS 가열체(30)의 장점을 살려 음향열적 미소가열 장치의 열에너지효율을 증가시킬 수 있게 된다.
물론, PDMS 가열체(30) 상에 별도의 유체 채널(35)을 형성하는 유체칩(미도시)을 사용하는 경우에는, 가열체(30)로부터 유체칩에 전달되는 전도열에 의해 유체 샘플이 가열되기 때문에 가열체를 통해 가열되어 열전달 가능한 한 전술한 바와 같이 유체칩을 가열체(30)와 동일 점탄성 물질 이외의 좀더 다양한 종류의 재질을 적용할 수 있을 뿐만 아니라 일회 사용 후 교체 가능한 형태로 제작할 수 있다.
따라서, 전술한 바와 같이 본 발명의 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치(1)는 미소 구조체 내에 음향열적으로 직접 가열하여 샘플 내에 자유 형태의 온도구배를 형성할 수 있도록 함과 아울러 시간 분할 신호 발생 방식을 통해 음향열적 가열을 시공간적으로 제어할 수 있게 된다.
즉, 가열체(30) 내에 가열하고자 하는 공간상의 위치 및 범위를 SIDT 전극(20)의 패턴 형상에 따라 구획된 가열 영역들 중에서 선정하도록 한다.
선정된 상기 가열 영역들을 시간 함수로 구분하여 가열 순서(Heating Turn) 및 가열 기간(Heating Period)을 선정하도록 한다.
그리고, 상기 신호 발생기(40)를 통해 선정된 가열 영역들의 가열순서 및 기간에 따라 선정된 상기 가열 영역들에 대응되는 주파수의 전류신호를 인가하여 가열체(30)의 선정된 가열 영역들을 가열하도록 한다.
이때, 상기 신호 발생기(40)는 MATLAB CODE를 통해 선정된 상기 가열 영역들 중 적어도 하나 이상을 동시에 또는 순차적으로 가열하도록 전류신호를 인가하여 가열체 내의 가열 부위를 시공간적으로 좀더 자유롭게 제어할 수 있도록 한다
실험예
이하, 본 발명의 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치(1)에 대한 실험예를 첨부한 도 5 내지 11을 참조하여 설명한다.
도 5는 실험예에 따른 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치의 제작 사진 및 이를 통해 온도구배를 이룬 상태의 적외선 카메라 사진이다. 여기서, 인서트(Inset)는 온도구배를 나타낸다.
제작된 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치(1)는 500 μm 두께의 128° y-x 절단 x-전파 리튬 니오베이트(Lithium Niobate; LiNbO3)로 이루어지는 피에조(Piezoelectric) 기판(10) 상에 금속층(Au/Cr, 1000/300Å)으로 구성되는 IDT전극(20)들을 전자빔 증발 증착 리프트 오프(E-beam Evaporation Lift Off) 방식으로 인쇄하여 제작하였다.
한편, PDMS 가열체(30)는 SU-8 Replica Molding Protocol에 따른 기존의 소프트 리소그래피(Soft Lithography) 방식으로 제작하였다.
여기서, 상기한 PDMS 가열체(30)의 제조 과정은 먼저 PDMS Base (Sylgard 184A, Dow Corning, MI, USA)와 경화제(Curing Agent; Sylgard 184B, Dow Corning, MI, USA)를 10:1 비율로 섞은 뒤, SU-8 몰드에 붓고 90°C 오븐에서 2시간 이상 굳힌다.
이때, PDMS 가열체(30) 내에 유체 유동을 위한 유체 채널은 전술한 바와 같이 폐쇄 수로(Closed Channel) 형태로 이루어지도록 한다. 따라서, 유체 채널 바닥면이 될 얇은 PDMS를 같은 방식으로 준비한다.
그리고, 실레인(Trichloro(1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl; Silane(Aldrich, MO, USA))처리를 하여 친수성(Hydrophobic)을 갖도록 표면 코팅된 실리콘 웨이퍼 위에 PDMS 혼합물(PDMS Mixture)를 부은 뒤 스핀코팅(500rpm, 30 sec)을 하여 200μm 두께의 얇은 막을 만든 후, 마찬가지로 오븐에서 굳힌 뒤 유체 채널 바닥면에 접착하여 유체 채널이 폐쇄 수로(Closed Channel) 형태를 가지는 PDMS 가열체(30)를 만든다. 그 다음, 만들어진 PDMS 가열체(30)를 웨이퍼에서 도려내어져서 상기한 피에조 기판(10) 위에 교체 사용 가능하도록 가역적으로 접합하여 완성한다.
여기서, SIDT 전극(20)을 이루는 제1 및 제2 손가락 전극들(22, 26)의 지간 거리 및 주기는 125~222 um 범위 이내로 설계하였고, 이는 리튬 니오베이트(Lithium Niobate; LiNbO3)로 이루어지는 피에조(Piezoelectric) 기판(10) 상에 기판 위에서 32~18 MHz의 표면탄성파를 발생시킬 수 있는 주파수에 해당한다. 이때, 음속은 대략 3,960 ms-1이고, SIDT 전극의 제1 및 제2 손가락 전극(22, 26)의 개수는 22개이며 가로 길이는 8 mm 가 되도록 하였다.
도 6은 도 5의 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치에서 SIDT 전극의 특성을 네트워크 애널라이저를 통해 측정한 S11 parameter를 나타낸다.
도 6에 도시한 바와 같이, S11 parameter를 통해 가진 주파수 범위 내에서 SIDT 전극이 안정된 반응을 보이고 있음을 알 수 있다.
따라서, PDMS 가열체(30)가 SIDT 전극(20)이 형성된 피에조 기판(10) 상에 올려지면, PDMS 가열체(30) 내의 일차원 온도분포를 시공간적으로 제어할 수 있게 된다.
도 7은 도 5의 도 5의 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치를 통해 만들어진 온도구배의 형태를 도시한 그래프이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 본 실험예의 음향열적 미소 가열 장치(1)를 이용해 선형, 단봉형, 양봉형 등 4 종류의 온도구배를 도 5의 (b)에 도시한 A-B 상에 형성해 본 결과, 자동제어를 통해 매우 빠르게 온도 굽를 제어 및 변형할 수 있음을 알 수 있다. 이때, PDMS 가열체(30)는 섭씨 -45℃에서 200℃의 온도 범위에서 안정한 물질이기 때문에 열화의 문제는 발생하지 않았다.
실제 몇 달간 18℃도와 150℃를 오가는 수많은 실험 속에서 PDMS 가열체(30)의 열적 손상은 전혀 발견되지 않았으며, PDMS 가열체 내 형성된 온도구배는 즉, PDMS 가열체(30) 표면 바로 위 공기의 온도구배이기도 하기 때문에 본 발명은 기체 내 온도구배 형성에도 쓰일 수 있음을 알 수 있다.
따라서, SIDT 전극(20)이 형성된 피에조 기판(10) 상에 폴리머 막을 입힌 것으로 고체 및 기체 내 자유형태 온도구배를 동적으로 제어할 수 있으며, 이는 가스 크로마토그래피나 가스 센서에 크게 응용될 수 있을 것으로 전망된다.
액체 내 온도구배를 형성하는 시스템은 SIDT 전극(20) 상에 마이크로 사이즈의 유체 채널(35)이 형성된 마이크로 단위의 PDMS 가열체(30)를 얹는 것으로 구성된다.
여기서, 유체 채널(35)은 200 um 두께(꼭 200일 필요는 없다. 충분히 얇으면 된다)의 PDMS 막으로 아래가 닫혀져 있다. 여기에 쓰인 SIDT 전극(20)을 이루는 손가락 전극들(22, 26)의 주기는 100에서 200um에 이른다. SIDT 전극(20)에 교접하는 PDMS 가열체(30)는 전술한 바와 같이 단순히 '얹혀져' 있도록 하여 얼마든지 쉽게 교체가 가능하게 구성된다.
도 8은 calibration curve 측정 시 유체 채널 내 온도를 추정하기 위해 수행된 수치해석 결과를 나타낸 것이고, 도 9는 PDMS 가열체 내에 흐르는 로다민 B 액상 염료의 calibration data를 참고문헌의 데이터와 비교한 그래프이다.
도 8 및 도 9를 참조하여 설명하면, 유체 채널(35) 내의 액체의 온도는 적외선 카메라로 측정할 수 없어, 온도에 의해 형광이 변하는 염료를 사용하여 온도를 측정하였다.
이때, 로다민 B 염료를 이용했는데, 온도에 따라 정상화된 형광 세기가 Ross et al.에 의해 이미 보고되었으나(참고문헌 19), 로다민 B 염료가 PDMS 가열체(30)에 들러붙는 문제 때문에 이 관계를 새로 측정해야만 했다.
액체 내 온도구배에 쓰인 똑 같은 유체칩을 이용하여 calibration curve를 측정했다. 이때, 유입 포트(Inlet port)의 온도는 적외선 카메라로 잴 수 있었으나, 유체 채널(36) 내의 온도는 수치해석을 통해 추정할 수 밖에 없었다 (도 8).
Calibration curve는 data를 3차원 polynomial fitting을 통해 얻어졌다 (도 9). 액체 온도(T, 섭씨)를 Normalized 형광 세기(I)의 함수로 표현하면, 아래 수학식 2와 같다.
Calibration curve를 이용하여 유체 채널 내 온도를 측정할 수 있었다. 현미경을 통해 CCD 카메라로 형광세기를 측정한다. 가열되었을 때 형광세기를 실온에서의 값으로 나눠준 뒤 calibration equation을 적용하면, 도 8에 도시한 바와 같이 액체 내 온도분포를 얻을 수 있다. 가열 시 RF signal은 30 MHz 0.6 W가 주어졌다.
도 10은 유체 채널 내 액체 샘플에 형성된 온도구배의 형상을 나타낸다.
여기서, 10의 (a)는 실온(22°C)에서 현미경을 통해 CCD로 촬영된 형광세기를 나타내고. 10(b)는 온도구배가 형성된 이후 같은 곳을 촬영한 형광세기를 나타내며, 10의 (c)는 b값을 a값으로 나눠준 것이고, 10의 (d)는 calibration curve에 기반하여 A-B 상의 온도구배를 측정한 것이다.
본 실험예의 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치(1)를 high-resolution DNA melting analysis에 응용하였다. Melting analysis는 qPCR 기계를 이용하여 PCR이 잘 되었는지 판단하는데 널리 이용된다.
본 실험예의 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치(1)를 이용하여 DNA의 melting curve를 정밀하게 측정할 수 있으며, 이를 통하여 DNA에 대한 많은 정보를 얻을 수 있었다. 또한, Base pair의 차이를 melting curve의 차이를 통해 검출할 수 있었다.
2002년도에 소개된 high-resolution melting (HRM) 기법은 genotyping, mutation scanning, sequence matching을 할 수 있는 가장 간단한 방법으로 큰 인기를 얻었다 (참고문헌 21).
특히, melting temperature의 측정은 대부분의 변이를 검출할 수 있게 해준다. HRM은 다른 방법에 비해 압도적인 시간과 비용을 절감하며 유전이상을 검출할 수 있게 해주어 이 방면에서 차세대 기술로 손꼽힌다 (참고문헌 22).
일반적으로 고성능 고가의 qPCR 기계를 이용하여 HRM을 측정하는데, 100개 데이터를 얻는데 50분 가량이 소요된다.
그러나, 본 발명의 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치(1)를 이용하여 DNA 내 single nucleotide polymorphism (SNP)을 검출하는 응용을 실시하였다. 오직 하나의 베이스 페어만이 다른 네 종류의 DNA 샘플을 준비하였고 (표1), melting temperature (Tm)을 측정하여, 이 차이를 성공적으로 검출해 내었다.
아래 표 1은 high-resolution melting analysis 실험에 사용된 네 종류의 DNA 배열을 나타낸다.
도 11은 G-C match를 가진 DNA mixture 내 SYBR Green I의 normalized 형광을 온도의함수로 그린 melting curve 그래프이다.
도 11에 도시한 바와 같이, 본 실험예의 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치(1)는 G0.5도 내지는 1도 간격으로 데이터를 측정하는 qPCR 기계와 넓은 범위의 온도구배 내 형광 세기를 단번에 측정할 수 있다.
따라서, CCD 카메라의 해상도만큼 데이터를 얻을 수 있어, 약 10 이상의 해상도를 갖는 데이터를 구할 수 있다. CCD 노이즈 탓에 melting curve가 두껍게 밴드를 형성하나 6차 polynomial curve fitting을 통해 매우 정밀한 Tm 측정을 할 수 있다.
Positive control로써 qPCR 기계를 이용한 측정을 하였는데, 근본적으로 같은 Tm값을 얻었으되 훨씬 표준편차가 적은 데이터를 얻었다 (표 2).
아래 표 2는 기존의 qPCR 기계와 본 발명 장치로 측정한 melting temperature를 비교한 것이다.
따라서, 신호대비잡음비율이 현저하게 개선된 것이다. 그뿐이 아니다. 온도구배를 샘플의 종류에 맞게 다양하게 변화시킴으로써 이상적인 melting curve 형태를 얻을 수 있었는데, 이는 기존의 qPCR 장비로 구현하기 어려운 것이며 아울러, Flow-through system이기 때문에 upstream 및 downstream process와 결부시키기 좋아 랩온어칩(lab-on-a-chip) 시스템에 적합한 것임을 알 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
1: 음향열적 미소 가열 장치 10: 피에조 기판
20: SIDT 전극 21: 제1 전극 단자
22: 제1 손가락 전극 25: 제2 전극 단자
26: 제2 손가락 전극 30: 가열체(유체칩)
35: 유체 채널 40: 신호 발생기
20: SIDT 전극 21: 제1 전극 단자
22: 제1 손가락 전극 25: 제2 전극 단자
26: 제2 손가락 전극 30: 가열체(유체칩)
35: 유체 채널 40: 신호 발생기
Claims (9)
- 표면탄성파를 발생시키도록 경사 교차 배열 형상을 가지고 SIDT(Slanted Finger Interdigital Transducer) 전극이 형성된 피에조 기판;
상기 SIDT 전극이 형성된 상기 피에조 기판 상에 교접하며, 상기 피에조 기판에 발생된 표면탄성파를 흡수하여 발열되는 점탄성 물질로 이루어지는 가열체; 및
상기 SIDT 전극내 각 가열 영역들을 시공간적으로 가진 제어하도록 전류 신호를 발생시키는 신호 발생기;를 포함하는 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치.
- 제1항에서,
상기 SIDT(Slanted Finger Interdigital Transducer) 전극은 교차 배열되는 손가락 전극들이 일측에서 타일측으로 갈수록 점진적으로 넓어지거나 또는 좁아지게 지간 거리의 변화를 가지고 형성되는 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치.
- 제2항에서,
상기 손가락전극들은 가열 영역을 형성하는 동일 지점에서 손가락 전극들의 두께와 지간 거리가 서로 동일하게 형성되는 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치.
- 제1항에서,
상기 신호 발생기를 통해 상기 SIDT 전극 내에 가진되는 상기 표면탄성파는 5MHz 내지 200MHz 주파수 범위 이내로 이루어지는 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치.
- 제1항에서,
상기 신호 발생기는,
상기 SIDT 전극 내에 선정된 상기 가열 영역들 중 적어도 하나 이상을 동시에 또는 순차적으로 가열하도록 MATLAB CODE;를 포함하는 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치.
- 제1항에서,
상기 가열체 상에 교접하며 내부에 유체 유동을 위한 유체 채널이 형성되는 유체칩;을 더 포함하는 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치.
- 제1항에서,
상기 가열체는,
내부에 유체 유동을 위한 유체 채널이 형성되어 유체칩을 구성하는 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치.
- 제3항 또는 제4항에서,
상기 유체 채널은 상기 유체칩 내에서 폐쇄 수로(Closed Channel) 형태로 이루어지는 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치.
- 제1항에서,
상기 가열체는,
실리콘 기반 폴리머(Silicone-based polymers), 고분자화합물(Plastics), 고무(Rubber), 종이(Paper), 음식물(Food) 또는 생체 조직(Biological tissue)중에 선택된 어느 하나 이상의 점탄성 물질로 이루어지는 자유형태 온도구배의 형성 및 동적 제어가 가능한 음향열적 미소 가열 장치.
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