WO2011122883A2 - 자성 구조물을 자기적으로 제어하는 방법 - Google Patents

자성 구조물을 자기적으로 제어하는 방법 Download PDF

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Definitions

  • Techniques disclosed herein generally relate to a method of magnetically controlling a magnetic structure.
  • Coded particle-based complex analysis methods have attracted much attention in the field of high-efficiency biomolecular testing such as drug discovery and clinical diagnosis due to their scalability and rapid response.
  • Complex assay methods can be achieved by mixing together many coded ram needle particles in a vial containing a target analyte.
  • the spectral coding scheme has limitations in controlling the overlapping of the spectrum, the limited number of substances, the high cost, and the loading of a small amount of indicator substances in terms of dealing with different materials to implement the code.
  • a graphical encoding method such as a binary barcode
  • resolution which requires a larger area in order to implement a large number of codes, and thus the number of codes is limited by the particle size. Therefore, binary or more multilevel coding schemes have been proposed, but the process is very complicated and accurate loading of various kinds of indicator materials is required as in the case of spectral coding schemes.
  • the movement may be a rotation by a magnetic torque of the magnetic shaft or a force in a direction in which the density of the external magnetic field is pushed.
  • Probe molecules are present on the surface of the magnetic structure, and the magnetic structure is rotated by the rotation of the external magnetic field to promote reaction with the target molecule in the solution.
  • the method comprises: introducing a solution containing a color coded magnetic structure by alignment of magnetic nanoparticles into a container; Applying an external magnetic field to the solution to collect the color coded magnetic structures onto the wall of the vessel; And analyzing the information of the color code, wherein a magnetic control method of the magnetic structure is provided such that the surface on which the magnetic structure enhancement color code is located is two-dimensionally arranged with respect to the wall surface of the container.
  • a solid matrix And a magnetic axis fixed in the solid matrix, wherein the magnetic axis has an alignment structure of magnetic nanoparticles aligned in the uniaxial direction at a predetermined interval, and is caused by the magnetic torque of the magnetic axis according to a change in an external magnetic field. Forced magnetic structures are provided.
  • Probe molecules may be immobilized on the surface of the solid matrix.
  • a solid matrix A first region located at a portion of the solid matrix and having a fixed magnetic axis; And a second region connected to the first region and positioned at another portion of the solid matrix and having a fixed magnetic axis, wherein the orientations of the magnetic axis of the first region and the magnetic axis of the second region are opposite to each other.
  • the magnetic structure having different movements between the first region and the second region is provided by heterogeneous magnetic anisotropy of the magnetic axis of the first region and the magnetic axis of the second region according to the application of an external magnetic field. do.
  • At least one portion of the solid matrix may be fixed to an external object.
  • the method comprises the steps of: dispersing a magnetic nanoparticle composition dispersed in a curable medium in an incompatible solvent to form an emulsion; Applying a magnetic field to the emulsion dog and performing photolithography to prepare a magnetic structure having a microsphere shape in which a magnetic axis is embedded; Immobilizing probe molecules on a surface of the magnetic structure; Mixing the magnetic structure with a solvent containing a target molecule; And by applying an external magnetic field to provide a method of magnetic control of the magnetic structure comprising the step of promoting the reaction with the target molecule by rotating or moving the magnetic structure is fixed to the probe molecules.
  • the magnetic control method may further include separating the magnetic structure from the solvent by applying a lean external magnetic field in the reaction post intensity. Can be.
  • a first raw material supply having a probe molecule and providing a color coded magnetic structure by alignment of magnetic nanoparticles
  • a second raw material supply unit for providing a solution containing a target molecule
  • a raw material mixing part in which the magnetic structure and the solution are mixed so that the probe molecule and the target molecule can react with each other
  • a magnetic field applying unit for applying a magnetic field to the solution to rotate or move the magnetic structure in the solution.
  • the magnetic control device may further include a decoder unit for observing and decoding the magnetic structure in which the probe molecule and the target molecule are bound.
  • 1 shows an embodiment of a composition for color coding.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a principle in which magnetic nanoparticles are aligned in the direction of a magnetic field.
  • FIG. 3 is a diagram showing the kind of force applied to a magnetic axis composed of aligned magnetic nanoparticle stones and the principle thereof.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a process of generating a multicolor coded magnetic structure.
  • ⁇ 22>. 5 is a photograph showing examples of magnetic structures color coded in various forms.
  • FIG. 6 shows a process of magnetically separating and solution exchanging color coded magnetic structures.
  • FIG. 7 shows a schematic diagram showing the magnetic control of magnetic fine particles using a magnet rotation setup and micrographs of the actual particles.
  • FIG. 8 is an example of detecting and identifying DNA localization by controlling color coded magnetic structures.
  • FIG. 9 shows an embodiment of a magnetic control device of a magnetic structure for biochemical analysis.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a process of fabricating a polymer microstructure including multidirectional magnetic axes.
  • FIG. 11 is a photograph showing examples of microstructures having magnetic nanoparticles aligned in various directions in various shapes.
  • FIG. 12 illustrates a uniform magnetic field in a microstructure including magnetic axes in various directions. It shows the result of implementing various movements by walking.
  • color coding may be performed in the following manner.
  • a composition comprising a liquid medium and magnetic nanoparticles dispersed in the liquid medium.
  • the liquid medium may be a curable material.
  • the magnetic nanoparticles may include a superparamagnetic material.
  • a magnetic field is then applied to the composition to align the magnetic nanoparticles.
  • the patterned energy source is irradiated to solidify the composition.
  • color-coded structures may be manufactured by fixing a plurality of color gamut stones by sequentially solidifying various parts of the composition while changing the intensity of the magnetic field.
  • Suitable patterned energy sources for solidification can include, without limitation, heat, ultraviolet light, visible light, infrared light and electron ranges.
  • Irradiation of the patterned ultraviolet rays may be performed by DMD.
  • the one-dimensional chain structure may be formed by the alignment of the magnetic nanoparticles, and the structure color may be determined according to the distance between the magnetic nanoparticles forming the chain structure.
  • a patterned ultraviolet light can be irradiated using a mask to apply the patterned energy source.
  • Photo-fluidic maskless lithography to prevent the diffusion of free radicals during the polymerization and to produce high resolution microscale patterns
  • the composition 100 for color coding may include a curable material 110 and magnetic nanoparticles 120 dispersed in the curable material 110.
  • Magnetic nanoparticles 120 may include clusters of magnetic nanocrystals 122.
  • the size of the magnetic nanoparticles 120 may have a size of several tens to hundreds of nm, and the magnetic nanocrystals may have a size of several tens of nm.
  • Examples of the magnetic nanocrystals may include a magnetic material or a magnetic alloy.
  • the magnetic material or the magnetic alloy is Co, Fe 3 0 4 , CoFe 2 0 4 , ⁇ ⁇ ⁇ , MnFe 2 0 4 ,
  • It may be at least one selected from the group consisting of CoCu, CoPt, FePt, CoSm, NiFe, and NiFeCo.
  • the magnetic nanoparticles 120 may include a superparamagnetic material.
  • a superparamagnetic material is magnetic only when an external magnetic field is present, unlike a ferromagnetic material in which the magnetic field remains magnetic even when the magnetic field is removed.
  • the particle size of the ferromagnetic material is several to several hundred nm, it can be phase-transferred into a superparamagnetic material.
  • iron oxide may have superparamagnetism at a size of about 10 nm.
  • the magnetic nanoparticle 120 is a cluster of magnetic nanocrystals, as shown
  • Shell layer 124 surrounding the core of 122.
  • Shell layer 124 allows magnetic nanoparticles 120 to disperse well within curable material 110.
  • the shell layer 124 may promote solvation repulsion on the surface of each magnetic nanoparticle 120 to offset the strong magnetic attraction between the magnetic nanoparticles 120.
  • Shell layer 124 may include, for example, silica.
  • silica For surface modification using silica as shell layer 124, a known sol-gel process can be used.
  • the composition 100 for color coding may further comprise a hydrogen bonding solvent.
  • a hydrogen bonding solvent various alkanes such as ethanol, isopropyl alcohol, and ethylene glycol may be used as the solvent.
  • the solvation layer 126 surrounding the magnetic nanoparticles 120 may be formed.
  • a solvation layer 126 is formed under the influence of silanol (Si-0H) functional groups on the surface of the shell layer 124 with silica, thereby inducing repulsion between the magnetic nanoparticles 120.
  • the shell layer 124 and / or the solvation layer 126 may not be present in the magnetic nanoparticle 120. In this case, an electrostatic force on the surface of the magnetic nanoparticle 120 may act as a repulsive force.
  • ⁇ 40> is a mixture of magnetic nanoparticles (120) to the curable material (110) can 'be prepared composition 100 for all the color-coded by mechanical agitation or ultrasonic treatment.
  • the magnetic nanoparticles 120 may include, for example, 0.01% to 20% by volume fraction in the curable material 110. If the magnetic nanoparticles 120 have a volume ratio of less than 0.01%, the reflectance may drop, and if the volume ratio exceeds 20%, the reflectance may no longer increase. have.
  • the ⁇ 4i> curable material 110 serves as a dispersion medium for stably dispersing the magnetic nanoparticles 120 forming the photonic crystal.
  • by fixing the interval between the magnetic nanoparticles 120 by cross-linking it is possible to continue to express a certain structural color even after the magnetic field is removed.
  • the curable material 110 may include a liquid monomer or oligomer containing a crosslinkable moiety for curing reaction.
  • the curable material 110 may include a liquid hydrophilic polymer capable of forming a hydrogel.
  • the hydrophilic polymer has a hydrophilic group and is suitable for the dispersion of the magnetic nanoparticles 120.
  • the magnetic nanoparticles 120 are fixed. Can be.
  • the curable material 110 capable of forming a hydrogel examples include silicone-containing polymers, polyacrylamides, polyethylene oxides, polyethylene glycol diacrylates, polypropylene glycol diacrylates, polyvinylpyridones, poly Vinylalcohols, polyaractates and copolymers thereof.
  • silicone-containing polymers polyacrylamides, polyethylene oxides, polyethylene glycol diacrylates, polypropylene glycol diacrylates, polyvinylpyridones, poly Vinylalcohols, polyaractates and copolymers thereof.
  • PEGDA polyethylene glycol diacrylate
  • a curable material (110) has a acrylate functional group at both ends of polyethylene glycol (PEG), resulting in a three-dimensional hydrogel with free radical polymerization. Can be bridged.
  • the curable material 110 can include any type of medium that can vary from liquid to solid.
  • the curable material 110 may further include an initiator and may cause free radical polymerization by an external energy source.
  • the initiator may be an azo compound or a peroxide.
  • the curable material 110 may further include a suitable crosslinking agent, and examples thereof include ⁇ , ⁇ ′—methylenebisacrylamide, methylenebismethacrylamide, ethylene glycoldimethacrylate, and the like.
  • the magnetic nanoparticles 120 may be aligned in the curable material 110 to express a structural color upon application of the magnetic field.
  • the magnetic nanoparticles 120 may be aligned in the curable material 110 to express a structural color upon application of the magnetic field.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a principle in which magnetic nanoparticles are aligned in the direction of a magnetic field.
  • the magnetic nanoparticles 120 randomly dispersed in the curable material 110 are applied with a magnetic field by a magnet around them, the magnetic field is aligned with the direction of the magnetic field so that the chain-oriented direction Branches form a structure.
  • the magnetic nanoparticles 120 aligned by the magnetic field may return to an unaligned state by removing the magnetic field.
  • the magnetic nanoparticles 120 present in the colloidal state have a magnetic field from the outside.
  • the magnetic nanoparticles 120 When the magnetic force is applied between the magnetic nanoparticles 120 present in the curable material 110, the magnetic attraction force and at the same time the repulsive force due to the electrostatic force and the solvation force can act.
  • the magnetic nanoparticles 120 form a magnetic axis while aligning toward the magnetic field direction.
  • the magnetic axis refers to the spatial axis that can show the strongest pottery in the unit volume.
  • One magnetic nanoparticle 120 forms an induction magnet according to permeability when exposed to a magnetic field.
  • Each magnetic nanoparticle 120 is intended to be aligned in a direction that minimizes the energy of the system as a result of the interaction of the induced magnetic moments. This direction becomes a direction parallel to the direction of the magnetic field, and becomes a magnetic axis.
  • the distance d between the magnetic nanoparticles 120 forming the magnetic axis may depend on the strength of the magnetic field. For example, as the strength of the magnetic field increases, the distance d between the magnetic nanoparticles 120 aligned according to the magnetic field direction may be smaller.
  • the distance d can be from several kilowatts to several hundred nm depending on the strength of the magnetic field. That is, since the lattice spacing of the photonic crystal is changed, the wavelength of the reflected light may be changed according to the Bragg law. As a result, the wavelength of the reflected light may be determined according to the strength of a specific magnetic field.
  • the photonic crystals can exhibit a fast, wide and reversible optical response to an external magnetic field. As the lattice spacing changes according to the change of the surrounding magnetic field, it may cause reflected light of a specific wavelength from external incident light.
  • a magnetic structure including a magnetic axis is provided.
  • the magnetic axis is fixed in the solid matrix.
  • the magnetic axis has an alignment structure of magnetic nanoparticles aligned in a uniaxial direction at a predetermined interval.
  • the magnetic shaft is forced to move in parallel with the magnetic force line.
  • the magnetic structure can rotate so that the magnetic axes can be aligned side by side.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the kind of force applied to a magnetic axis composed of aligned magnetic nanoparticles and its principle.
  • FIG. 3A is a view showing the properties of magnetic nanoparticles aligned with an external magnetic field when placed in an environment with an external magnetic field
  • FIG. 3B is a structure having a magnetic axis in an environment with an external magnetic field that is not completely uniform. It is a diagram showing two kinds of power received.
  • Magnetic nanoparticles are stable because they have the lowest total magnetic energy when they are aligned in the direction of the external magnetic field. In this state, when the direction of the external magnetic field is changed, in order to lower the total magnetic energy, the magnetic axis tries to rotate along the changed direction, thereby generating a magnetic rotation force.
  • the total magnetic torque T lotal
  • the rotational force of the fine particles is expressed as follows.
  • N is the number of hex structures in a magnetic structure
  • X is the initial mass susceptibility of the superparamagnetic nanoparticles
  • R is the radius of the superparamagnetic nanoparticles
  • d is the interparticle distance
  • n is the superparamagnetic nanoparticles in a single chain.
  • ⁇ 0 is the magnetic permeability in vacuum
  • m is the magnetization of the magnetic nanoparticles
  • H is the strength of the external magnetic field.
  • ⁇ is the angle formed between the magnetic axis of the fine particles and the external magnetic field lines during rotation. The maximum torque value is when ⁇ is 45 degrees.
  • the magnetic nanoparticles are subjected to a force (translational force) that is attracted in the direction of densification of the external magnetic field due to their magnetic properties.
  • This force (11 ⁇ 2) is expressed by
  • V P is the volume of microparticles and ⁇ ⁇ is the initial mass susceptibility of magnetic nanoparticles
  • X f is the initial mass susceptibility of the external environment.
  • the magnetic structure can simultaneously receive the two forces shown above in a non-uniform magnetic field.
  • Magnetic structures having magnetic nanoparticles can be manufactured in various ways.
  • a method of manufacturing a color coded magnetic structure using 0FML technology comprises the steps of filling the microfluidic channelol with a composition comprising a curable material and magnetic nanoparticles dispersed in the curable material; Applying a magnetic field to the composition in the microfluidic channel to form a one-dimensional chain structure of the magnetic nanoparticles; And irradiating patterned ultraviolet rays to the composition. And forming free-floating particles having a fixed chain structure.
  • the mask pattern may be changed with respect to the composition flowing in the microfluidic channel, and may be encoded in a multicolored color by sequentially irradiating the patterned ultraviolet rays.
  • Each of the free floating particles expressing a structural color may include a plurality of color dots.
  • Each of the plurality of color dots is determined in color according to the strength of the magnetic field at the time of curing. Can be.
  • the color of the free floating particles is determined according to the strength of the magnetic field during the curing, and the shape and color pattern of the free floating particles may be fixed by the pattern of ultraviolet rays.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a process of generating a multicolor coded magnetic structure. Sequential processes are used that involve coordination of magnetic field control and spatially controlled UV exposure. First is prepared a composition comprising the photo-curable, resin and superparamagnetic nanoparticles dispersed in the photo-curing resin. The polydimethylsiloxane (PDMS) channel is then filled with the composition. The color of the composition is then tuned by adjusting the external magnetic field. According to the intensity of the magnetic field, the period of the 1D chain structure by the superparamagnetic nanoparticles is changed to reflect light of a corresponding wavelength.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • DMDs Digital micromirror devices
  • patterned UV is created as the UV is reflected off the DMD. Irradiation of the patterned UV causes some areas to be coded in a specific color.
  • applying the method of simply changing the strength of the magnetic field and changing the pattern of the DMD sequentially generates the next code bits. This color tuning and immobilization process takes approximately tens of minutes to generate each bit and can be performed quickly.
  • each color eliminates the need for the realignment process required for the process using a general mask, which simplifies the process.
  • an oxygen lubricant layer, or inhibition layer, inside the PDMS channel allows the microparticles produced by radical photopolymerization to move along the flow stream without sticking to the channel walls.
  • magnetic structures can be generated in various colors and shapes under different levels of magnetic field strength with patterned UV using photofluidic maskless lithography (0FML). That is, magnetic structures can be prepared by injecting liquid curable resin containing photonic crystals into the microfluidic channel and in-situ photopolymerization induced by UV patterned under various magnetic fields.
  • the magnetic structures are not limited to polygonal shapes, but can be designed in any desired shape.
  • Heterogeneous coded magnetic structures with small colored dots can be produced by sequential UV exposure under various magnetic fields. In this case, the representation of the graphical code is not limited due to the flexibility of color and shape.
  • a color coded magnetic structure that includes a solid medium and a magnetic axis in which magnetic nanoparticles are aligned at regular intervals in the solid medium.
  • the color coded magnetic structure may be multi-level coded color coded by having a code region expressing a structure color by diffraction of light according to the size of the aligned predetermined intervals.
  • FIG. 5 is a photograph showing examples of magnetic structures color coded in various forms.
  • the scale bars are A and B are 200, C is 500 jMn, D and E are 250, respectively.
  • A, C, and D of FIG. 5 magnetic structures having various shapes and colors may be manufactured.
  • B and E are transmission micrographs of the samples corresponding to A and D, respectively. Unlike A and D, which have colorful reflection images, B and E have brown transmission images, indicating that the color of the magnetic structure is due to the structure of the superparamagnetic nanomaterials, not by coloring.
  • the color-coded magnetic structure has magnetic axes therein and can be magnetically controlled by an external magnetic field.
  • a magnetic nanoparticles provide a solution containing a magnetic structure with an aligned magnetic axis.
  • the external magnetic field is then changed with respect to the solution to control the movement of the magnetic structure.
  • the movement may be attributable to the rotational force due to the magnetic torque of the magnetic shaft or the force in the direction in which the density of the external magnetic field is pushed.
  • the external magnetic field may be rotated to promote the reaction with the target molecule in the solution.
  • the reaction since the magnetic structure rotates together and the collision frequency between the timber needle molecule and the target molecule in the solution increases, the reaction may be promoted.
  • color coded magnetic structures can be easily analyzed through color control.
  • FIG. 6 shows the process of magnetic separation and solution exchange of color coded magnetic structures.
  • the final speed of the magnetic structures can be about 4 mm / sec. The time it takes to reach the final rate for the entire solution exchange time scale is negligible.
  • the behavior of the magnetic structure with time after applying the external magnetic field can be seen.
  • the magnetic axes are arranged in a direction parallel to the lines of magnetic force, and the magnetic structures can be magnetically attracted towards the vial wall.
  • the magnetic axes are oriented in the thickness direction of the magnetic structures in the form of plates so that the coded region can be displayed two-dimensionally with respect to the surface of the vial wall.
  • FIG. 7 shows a schematic diagram showing the magnetic control of the magnetic fine particles using the magnet rotation setup and a micrograph of the actual particles.
  • FIG. 7A shows the motion of the fine particles when code reading or solvent exchange for the fine particles attached horizontally to the micro channel or vial.
  • 7B shows the flipping of the fine particles.
  • the rotation of the magnet about the Y axis (direction perpendicular to the XZ plane of the figure) changes the direction of the line of magnetic force perpendicularly across the fine particles.
  • C represents the movement of microparticles due to magnet rotation about the Z axis.
  • the Y axis rotation may determine that the microparticles will stand vertically with respect to the flow to facilitate micro reactions or adhere to microchannels or the like for code reading or solvent exchange.
  • Z axis electrolysis can allow fine particles to tumble around the Z axis to effectively increase the response area. After replacing the existing solution with another solution for the next reaction, the external magnetic field can be rotated again to activate the reaction, and after completion of the reaction, the fine particles are flattened on the vial surface to read the code repeatedly. .
  • FIG. 7D is a reflective photomicrograph of coded particles placed under a perpendicular magnetic field line.
  • 7E is a photograph showing the rotation of the encoded particles. ⁇
  • the color coded fine particles It may be set horizontally as shown in FIG. 7D or directly as shown in FIG. 7E.
  • the rotating horizontal external magnetic lines of force rotate the vertically aligned coded particles around their own vertical axis to maximize the reaction between the probe and the target in solution.
  • the non-rotating microparticles in FIG. 7E are microparticles containing intentionally prepared randomly dispersed magnetic nanoparticles. Fine particles that do not rotate have an original brown color without any structural color. Rotating fine particles, on the other hand, contain magnetic nanoparticles with a one-dimensional chain structure. As a result, the magnetic axis made of magnetic nanoparticles enables the rotation of fine particles containing the same.
  • magnetic structures having a magnetic axis are capable of multi-extension control including flipping and rotation.
  • FIG. 8 illustrates an example of detecting and identifying DM localization by controlling a color coded magnetic structure.
  • the color coded particles may comprise a code region and a ligonucleotide probe region.
  • the oligonucleotide probe region was separated from the code region to avoid overlapping the fluorescence signal for detection of hybridization and the structural color signal spectrum for color coding.
  • the code region was synthesized from the composition for preparing the color coded magnetic structure, and the probe region was formed from a mixture of PEG ⁇ DA and buffer solution of an acrylate modified DNA oligomer probe.
  • DNA probes with various nucleotide sequences were introduced into the fine particles encoded in several colors.
  • 1 ⁇ DNA oligomer targets labeled with fluorescent material were introduced and incubated for 10 minutes.
  • T1 and ⁇ 2 are targets complementary to probe 1 and probe 2, respectively, (+) indicates the presence of a hit, and (-) indicates the absence of a target.
  • T1 and ⁇ 2 are targets complementary to probe 1 and probe 2, respectively, (+) indicates the presence of a hit, and (-) indicates the absence of a target.
  • Conventional magnetic beads contain magnetic materials randomly dispersed therein, so there may be a limit in controlling such movement. Specifically, in the case of magnetic beads containing randomly dispersed magnetic materials, only the force attracted to the magnetic field lines and the force to turn the magnetization direction of each magnetic material toward the direction of the external magnetic field may disappear. On the other hand, in the case of fine particles having a magnetic axis, a one-dimensional chain structure is formed, and the forces that cause the magnetization direction of each magnetic nanoparticle to go in the same direction as the external magnetic field are combined to act as a force to move the entire particle in that direction. . Such a castle Quality can be used to control the movement of particles.
  • fine particles with magnetic axes can be operated in cooperation with one another as millions of micro-scale rotary stirrers.
  • FIG. 8B when the magnetic fine particles themselves are reacted using rotation through magnetic control, the contact with surrounding materials increases due to the electroporation of the fine particles, thereby increasing the reactivity of the biomaterial reaction. Observed.
  • the fluorescence intensity of the boundary portion of the microparticle probe region was increased more than four times compared to the reaction for 10 minutes after the rotation. This increase in reaction was much greater than when reacted for 30 minutes without rotation.
  • the biochemical analysis method through the reaction of the probe molecule and the target molecule in the emulsion-type magnetic structure may be achieved by magnetically controlling the magnetic structure.
  • the magnetic nanoparticle composition dispersed in the curable medium is dispersed in a non-volatile solvent to form an emulsion.
  • a magnetic field is applied to the emulsion, and photolithography is performed to prepare a magnetic structure in the form of a microsphere having an internal magnetic axis. Immobilize the probe molecules on the surface of the magnetic structure for biochemical analysis.
  • the magnetic structure is mixed with a solvent containing the target molecule.
  • An external magnetic field is applied to facilitate the reaction with the target molecule by rotating or moving the magnetic structure to which the probe molecule is fixed.
  • the magnetic structure can be separated from the solvent by applying a lean external magnetic field to the strength.
  • a magnetic control device capable of magnetically controlling a magnetic structure to perform biochemical analysis.
  • the magnetic control apparatus 900 of the magnetic structure includes a first raw material supply unit 910, a second raw material supply unit 920, a raw material mixing unit 930, a magnetic field applying unit 940, and a decoder unit. 950.
  • the first raw material supplier 910 serves to store and provide the magnetic structure as a raw material.
  • the magnetic structure is color coded by the alignment of the magnetic nanoparticles and includes probe molecules.
  • the second raw material supply part 920 serves to store and provide a solution containing the target molecule.
  • the raw material mixing unit 930 is a space in which the magnetic structure and the solution are mixed so that the probe molecules and the target molecules can react.
  • the magnetic field applying unit 940 applies a magnetic field to the solution to move or move the magnetic structure in the solution.
  • the magnetic field applying unit 940 includes a magnet that can move and adjust the intensity for various magnetic field changes. Phosphorus of the magnetic field may promote the reaction between the raw materials.
  • the decoder unit 950 observes and decodes the magnetic structure in which the probe molecule and the target molecule are bound to each other.
  • the decoder 950 may include a charge coupled device (CCD) camera to simultaneously obtain the position and color information of each code from the position information and RGB information of the pixels obtained through imaging.
  • CCD charge coupled device
  • the magnetic field applying unit 940 may apply a magnetic field to collect the magnetic structure to which the reaction has been made.
  • the magnetic structure having a magnetic axis may be a structure having a multi-directional magnetic axis in addition to the color coded microparticles.
  • a solid matrix A first region located at a portion of the solid matrix and having a fixed magnetic axis; And a crab region, which is connected to the first region and is located in another portion of the solid matrix, and has a fixed magnetic axis.
  • the orientations of the magnetic axis of the first region and the magnetic axis of the second region are different from each other.
  • the first region and the second region may have different movements by heterogeneous magnetic anisotropy of the magnetic axis of the first region and the magnetic axis of the second region according to the application of an external magnetic field.
  • the solid matrix may be made of a high molecular material.
  • the magnetic structure includes magnetic axes having different directions for each region, thereby realizing a micro actuator moving in different directions in a uniform magnetic field.
  • At least one portion of the solid matrix may be fixed to an external object.
  • at least one portion of the solid matrix can be fixed to the inner wall of the microfluidic channel.
  • a cantilever type micro actuator can be implemented.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a process of fabricating a polymer microstructure including multidirectional magnetic axes.
  • FIG. In each step, the left side is the front view and the right side is the cross-sectional view.
  • Experimental equipment first consists of a maskless 0FML device that enables the fabrication of polymer microstructures of various shapes and permanent magnets to create and control external magnetic fields. With this equipment, a sequential process is carried out. First, a forbidden layer that prevents the glass substrate from sticking a portion of the microstructure to the substrate. It is thinly coated with a polymeric material that creates an inhibition layer. The coating material of the desired part is removed to make a part of the microstructure adhere to the glass substrate coated with the polymer material.
  • a microfluidic channel is attached to it and filled with a liquid mixed with a curable material and magnetic nanoparticles.
  • the magnetic nanoparticles form a chain of nanoparticles along the direction of the generated magnetic force lines.
  • the chain is fixed in a part of the fluid through a 0FML system without using a mask, and photocured in a desired shape in a short time to form a first region in which a magnetic axis is fixed in a desired direction.
  • the direction of the magnetic field is changed to a desired direction, and the liquid having a magnetic axis in the direction of the newly applied magnetic field is newly photocured to form a second region.
  • FIG. 11 is a photograph showing examples of microstructures having magnetic nanoparticles aligned in various directions in various shapes.
  • the scale bars are all 200 ms.
  • the polymer microstructure having various magnetic axes in one structure can be easily manufactured in a wide variety of shapes.
  • the high molecular microstructures made in this way can be magnetically controlled to have complex movements that go beyond the control limits of the existing polymer microstructures.
  • FIG. 12 illustrates a result of implementing various movements by applying a uniform magnetic field to a microstructure including magnetic axes in various directions.
  • the microstructure of FIG. 12A includes magnetic nanoparticles in four directions perpendicular to each other, and shows a new movement that was difficult to observe in the existing microstructure because each part receives rotational force in different directions when an external magnetic field is applied. . Since it is possible to make various shapes using 0FML and to freely set the direction of magnetic nanoparticle chains, various movements can be produced regardless of 2D or 3D as shown in FIGS. 12B and 12 (:).

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Abstract

자성 나노입자들이 정렬된 자성축을 구비한 자성 구조물을 함유한 용액을 제공하는 단계; 및 상기 용액에 대해 외부 자기장을 인가하여 상기 자성 구조물의 움직임을 제 어하는 단계를 포함하는 자성 구조물의 자기적 제어방법이 제공된다.

Description

【명세서】
【발명의 명칭】
자성 구조물을 자기적으로 제어하는 방법
[기술분야】
<1> 본 명세서에 개시된 기술은 일반적으로 자성 구조물을 자기적으로 제어하는 방법에 관한 것이다.
【배경기술】
<2> 코드화된 입자 기반의 복합 분석 방법은 그 방식이 가지는 확장성과 빠른 반 응성 덕분에 신약발굴 및 임상진단과 같은 고효율 바이오분자 검사 분야에서 많은 주목을 받고 있다. 복합 분석 방법은 타겟 분석물을 함유하는 바이알 내에 많은 코 드화된 람침 입자들을 함께 흔합함으로써 달성될 수 있다.
<3> 다양한 샘플들에 있어서, 높은 분석 효율올 위해 많은 수의 구분되는 코드들 을 사용하는 것이 필요하다. 충분히 많은 수의 코드를 확보하기 위해 양자점 또는 형광체를 이용한 스펙트 ¾ 코드화 방식과 미세입자 표면 상에 광학적으로 측정가능 한 요소를 패터닝하는 것에 기초한 그래피 ¾ 코드화 방식이 제안되어 왔다.
<4> 하지만， 스펙트럴 코드화 방식은 코드를 구현할 여러 물질을 다루는 것과 관 련하여 스펙트럼의 겹침， 한정적인 물질 수, 고비용 및 미세한 양의 지시 물질 로 딩을 정교하게 제어함에 있어 한계가 있다. 또한 2진 바코드와 같은 그래피컬 코드 화 방식의 경우 해상도의 한계가 있어 층분한 수의 코드를 구현하기 위해 보다 넓 은 면적을 필요로 하여 결국 입자의 크기에 의해 코드 수가 한정된다. 따라서, 2진 이상의 멀티레벨 코딩방식이 제안되었으나 그 공정이 매우 복잡하고 스펙트럴 코드 화 방식의 경우와 같이 여러 종류의 지시 물질의 정확한 로딩이 요구된다.
<5> 또한, 코드화된 입자 기반 복합 분석방법에서 코드를 읽어내기 위해 미세 입 자들을 적절하게 핸들링하는 방법이 필요하다. 예를 들어 미세 입자들을 흔합용액 으로부터 선택적으로 분리해 내는 것은 그리 간단하지 않다.
【발명의 상세한 설명】
<6> 개시된 기술의 일 측면에 의하면, 자성 나노입자들이 정렬된 자성축을 구비 한 자성 구조물을 함유한 용액을 제공하는 단계; 및 상기 용액에 대해 외부 자기장 을 인가하여 상기 자성 구조물의 움직임을 제어하는 단계를 포함하는 자성 구조물 의 자기적 제어방법이 제공된다ᅳ
<7> 상기 움직임은 상기 자성축이 갖는 자성 토크에 의한 회전 또는 상기 외부 자기장의 밀도가 밀해지는 방향의 힘에 의한 이동일 수 있다. <8> 상기 자성 구조물의 표면에 탐침 분자가 존재하며， 상기 외부 자기장의 회전 에 따라 상기 자성 구조물이 회전되어 상기.용액 내의 목적 분자와의 반응을 촉진 할 수 있다.
<9> 개시된 기술의 다른 축면에 의하면， 자성 나노입자들의 정렬에 의해 컬러 코 드화된 자성 구조물을 함유한 용액을 용기에 도입하는 단계; 상기 용액에 외부 자 기장을 인가하여 상기 컬러 코드화된 자성 구조물들을 용기의 벽면으로 수집하는 단계; 및 상기 컬러 코드의 정보를 분석하는 단계를 포함하되， 상기 자성 구조물 증 컬러 코드가 위치하는 면이 상기 용기의 벽면에 대해 이차원적으로 배열되도록 하는 자성 구조물의 자기적 제어방법이 제공된다 .
<!0> 개시된 기술의 또 다른 측면에 의하면, 고체 매트릭스; 및 상기 고체 매트릭 스 내에 고정된 자성축올 포함하되, 상기 자성축은 일정 간격을 두고 일축 방향으 로 정렬된 자성 나노입자들의 정렬구조를 가지며， 외부 자기장의 변화에 따라 상기 자성축이 갖는 자성 토크에 의해 힘을 받아 움직이는 자성 구조물이 제공된다.
<11> 상기 고체 매트릭스의 표면에 탐침 분자가 고정될 수 있다.
<12> 개시된 기술의 또 다른 측면에 의하면, 고체 매트릭스; 상기 고체 매트릭스 의 일 부분에 위치하며 고정된 자성축을 구비한 제 1 영역; 및 상기 제 1 영역과 연 결되면서 상기 고체 매트릭스의 다른 부분에 위치하며 고정된 자성축을 구비한 제 2 영역을 포함하되， 상기 게 1 영역의 자성축과 상기 제 2 영역의 자성축의 배향이 서 로 다르며, 외부 자기장의 인가에 따라 상기 제 1 영역의 자성축과 상기 제 2 영역의 자성축이 각각 가지는 이종 자기 이방성에 의하여 상기 계 1 영역과 상기 계 2 영역 이 서로 다른 움직임을 갖는 자성 구조물이 제공된다.
<13> 상기 고체 매트릭스의 적어도 한 부분이 외부 물체에 고정될 수 있다.
<14> 개시된 기술의 또 다른 측면에 의하면， 경화성 매질에 분산된 자성 나노입자 조성물을 비흔화성 용매 중에 분산시켜 에멀견을 형성하는 단계; 상기 에멀견에 자 기장을 인가하고 광조영하여 자성축이 내재된 미세구체 형태의 자성 구조물을 제조 하는 단계; 상기 자성 구조물의 표면에 탐침 분자를 고정화하는 단계; 상기 자성 구조물을 목적 분자를 함유한 용매에 흔합하는 단계; 및 외부 자기장을 인가하여 상기 탐침 분자가 고정된 상기 자성 구조물을 회전 또는 이동시킴으로써 목적 분자 와의 반웅을 촉진시키는 단계를 포함하는 자성 구조물의 자기적 제어방법이 제공된 다.
<15> 상기 자기적 제어방법은 상기 반웅 후 세기에 기을기가 있는 외부 자기장을 인가함으로써 상기 자성 구조물을 상기 용매로부터 분리해 내는 단계를 더 포함할 수 있다.
<16> 개시된 기술의 또 다른 측면에 의하면 , 탐침 분자를 구비하면서 자성 나노입 자들의 정렬에 의해 컬러 코드화된 자성 구조물을 제공하는 제 1 원료 공급부; 목적 분자를 함유한 용액을 제공하는 제 2 원료 공급부; 상기 탐침 분자와 상기 목적 분 자가 반웅할 수 있도록 상기 자성 구조물과 상기 용액이 흔합되는 원료 혼합부; 및 상기 자성 구조물을 상기 용액 중에서 회전시키거나 이동시키도록 상기 용액에 자 기장을 가하는 자기장 인가부를 포함하는 자성 구조물의 자기적 제어장치가 제공 된다.
<17> 상기 자기적 제어장치는 상기 탐침 분자와 상기 목적 분자가 결합한 상기 자성 구 조물을 관측하고 디코드화하기 위한 디코더부를 더 포함할 수 있다.
【도면의 간단한 설명】
<18> 도 1은 컬러 코드화를 위한 조성물의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
<19> 도 2는 자성 나노입자들이 자기장의 방향에 따라 정렬되는 원리를 나타내는 도면이다.
<20> 도 3은 정렬된 자성 나노입자돌로 이루어진 자성축이 받는 힘의 종류와 그 원리를 나타낸 도면이다ᅳ
<21> 도 4는 다중컬러 코드화된 자성 구조물의 생성과정을 나타낸 개략도이다.
<22> . 도 5는 다양한 형태로 컬러 코드화된 자성 구조물들의 예들을 나타낸 사진이 다.
<23> 도 6은 컬러 코드화된 자성 구조물들을 자기적으로 분리하고 용액 교환하는 과정을 나타낸다.
<24> 도 7은 자석 회전 셋업을 이용한 자성 미세 입자의 자기적 제어를 나타낸 개 략도 및 실제 입자의 현미경 사진을 나타낸다.
<25> 도 8은 컬러 코드화된 자성 구조물을 제어하여 DNA 흔성화의 탐지 및 식별 실험을 한 예이다.
<26> 도 9는 생화학적 분석을 위한 자성 구조물의 자기적 제어장치의 일 실시예를 나타낸다.
<27> 도 10은 다중 방향성 자성축들을 포함하는 고분자 미세 구조물을 제작하는 과정을 나타낸 도면이다.
<28> 도 11은 다양한 형태로 여러 방향으로 정렬된 자성 나노입자를 가진 미세 구 조물의 예들을 나타낸 사진이다.
<29> 도 12는 다양한 방향의 자성축들을 포함한 미세 구조물에 균일한 자기장올 걸어주어 다양한 움직임을 구현한 결과를 나타낸다.
【발명의 실시를 위한 형태】
<30> 이하， 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 기술의 실시예들에 대해 상세히 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 개시된 사상이 층분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서 개시된 기술은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서， 구성요소의 폭, 길이， 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타 낸다. 전체적으로 도면 설명시 관찰자 시점에서 설명하였고， 일 구성요소가 다른 구성요소 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 구성요소 "바로 위에" 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 또 다른 구성요소가 있는 경우도 포함한다 .
<31> 일 실시예에 따르면, 컬러 코드화는 이하의 방식으로 수행될 수 있다. 먼저 액체 매질 및 상기 액체 매질에 분산된 자성 나노입자들을 포함하는 조성물을 제공 한다. 상기 액체 매질은 경화성 물질일 수 있다. 또한 상기 자성 나노입자들은 초 상자성 물질을 포함할 수 있다. 다음 상기 조성물에 자기장을 인가하여 상기 자성 나노입자들을 정렬시킨다. 동시에 패턴화된 에너지원을 조사하여 상기 조성물을 고 체화시킨다. 이때， 자기장의 세기를 변화시키면서 상기 조성물의 여러 부분들을 순 차적으로 고체화시켜 복수의 컬러 영역돌을 고정시킴으로써 컬러 코드화된 구조물 이 제조될 수 있다. 고체화를 위해 적절한 상기 패턴화된 에너지원은 열， 자외선, 가시광선, 적외선 및 전자범을 제한 없이 포함할 수 있다.
<32> 상기 패턴화된 자외선의 조사는 DMD에 의해 수행될 수 있다.
<33> 상기 자성 나노입자들의 정렬에 의해 상기 일차원적 사슬 구조가 만들어질 수 있으며， 상기 사슬 구조를 이루는 상기 자성 나노입자들 사이의 간격에 따라 구 조색이 결정될 수 있다.
<34> 예를 들어， 상기 패턴화된 에너지원의 인가를 위해 마스크를 사용하여 패턴 화된 자외선 (UV)을 조사할 수 있다. 증합 도중에 자유 라디칼의 확산을 막고 고해 상도의 마이크로 스케일 패턴을 생성하기 위해 광유체적 무마스크 리소그래피
(0FML)와 같은 기술을 사용할 수도 있다.
<35> 도 1은 컬러 코드화를 위한 조성물의 일 실시예를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면， 컬러 코드화를 위한 조성물 (100)은 경화성 물질 (110) 및 경화성 물질 (110) 내에 분산되어 있는 자성 나노입자들 (120)을 포함할 수 있다.
<36> 자성 나노입자 (120)는 자성 나노결정들의 클러스터 (122)를 포함할 수 있다. 자성 나노입자 (120)의 크기는 수십 내지 수백 nm의 크기를 가질 수 있으며， 상기 자성 나노결정은 수 내지 수십 nm의 크기를 가질 수 있다. 상기 자성 나노결정의 예로 자성 물질 (magnetic material) 또는 자성 합금 (magnetic alloy)이 포함될 수 있다. 상기 자성 물질 또는 상기 자성 합금은 Co, Fe304, CoFe204 , ΜηΟ, MnFe204,
CoCu, CoPt, FePt, CoSm, NiFe, 및 NiFeCo로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이 상일 수 있다.
<37> 자성 나노입자 (120)는 초상자성 물질 (superparamagnetic material)을 포함할 수 있다. 초상자성 물질은 자기장이 제거되어도 자성이 유지되는 강자성 물질 (ferromagnetic material)과 달리 외부 자기장이 존재할 때에만 자성을 갖게 된다. 대체로 강자성 물질의 입자 크기가 수 내지 수백 nm가 되면 초상자성 물질로 상전 이될 수 있다. 예를 들면 산화철의 경우 10nm 정도의 크기에서 초상자성을 가질 수 있다.
<38> 또한 자성 나노입자 (120)는 도시한 바와 같이， 자성 나노결정들의 클러스터
(122)로 된 코어를 둘러싼 쉘 층 (124)을 구비할 수 있다. 쉘 층 (124)은 자성 나노 입자들 (120)이 경화성 물질 (110) 내에서 잘 분산되도록 한다. 또한 후술하겠지만， 쉘 층 (124)은 자성 나노입자들 (120) 사이의 강력한 자성 인력을 상쇄하도록 각각의 자성 나노입자 (120) 표면에 용매화 반발을 촉진할 수 있다. 쉘 층 (124)은 예를 들 어 , 실리카를 포함할 수 있다. 쉘 층 (124)으로서 실리카를 사용하여 표면개질할 경 우, 공지된 졸-겔 공정을 사용할 수 있다.
<39> 컬러 코드화를 위한 조성물 (100)은 또한 수소결합 용매를 더 포함할 수 있 다. 상기 수소결합 용매로서 에탄올， 이소프로필알코올， 에틸렌 글리콜 등의 다양 한 알칸을 용매가 사용될 수 있다. 이때 자성 나노입자 (120)를 둘러싼 용매화 층 (126)이 형성될 수 있다. 예를 들어， 실리카를 갖는 쉘 층 (124) 표면의 실란올 (Si- 0H) 작용기의 영향으로 용매화 층 (solvation layer, 126)이 형성됨으로써 자성 나 노입자들 (120) 간에 척력을 유도할 수 있다. 일 실시예에 의하면, 자성 나노입자 (120)에 쉘 층 (124) 및 /또는 용매화 층 (126)이 존재하지 않올 수도 있다. 이 경우， 자성 나노입자 (120) 표면의 정전기적 힘이 척력으로 작용할 수 있다.
<40> 자성 나노입자 (120)를 경화성 물질 (110)에 혼합하여 기계적인 교반 또는 초 음파 처리를 함으로써 컬러 코드화를 위한 조성물 (100)올 제조할 '수 있다. 자성 나 노입자 (120)는 경화성 물질 (110) 내에 부피율 (volume fraction)로 예를 들어 0.01% 내지 20%가 포함될 수 있다. 자성 나노입자 (120)가 부피율 0.01% 미만이면 반사율 이 떨어질 수 있으며 부피율이 20%를 초과하면 반사율이 더 이상 증가하지 않을 수 있다.
<4i> 경화성 물질 (110)은 광결정을 이루는 자성 나노입자들 (120)을 안정적으로 분 산시키는 분산매의 역할을 한다. 또한 가교결합에 의해 자성 나노입자들 (120)간의 간격을 고정함으로써， 자기장이 제거된 이후에도 일정한 구조색을 지속적으로 발현 하도록 할 수 있다. ■
<42> 경화성 물질 (110)은 경화반웅을 위해 가교결합가능 부위를 함유하는 액상의 단량체 또는 올리고머를 포함할 수 있다. 경화성 물질 (110)은 하이드로젤을 형성할 수 있는 액상의 친수성 고분자를 포함할 수 있다. 친수성 고분자는 친수성 그룹을 가지고 있어서 자성 나노입자 (120)의 분산에 적합한 고분자로서， 적절한 에너지원 에 의해 가교되어 3차원 망상구조를 갖는 하이드로젤을 형성하게 되면 자성 나노입 자들 (120)을 고정시킬 수 있다.
<43> 하이드로젤을 형성할 수 있는 경화성 물질 (110)의 예는 실리콘함유 고분자, 폴리아크릴아마이드， 폴리에틸렌옥사이드， 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트， 폴 리프로필렌 글리콜 디아크릴레이트, 폴리비닐피를리돈, 폴리비닐알코올, 폴리아크 릴레이트 및 이들의 공중합체일 수 있다. 예를 들어, 경화성 물질 (110)인 폴리에틸 렌 글리콜 디아크릴레이트 (PEGDA)는 폴리에틸렌글리콜 (PEG) 양 말단에 아크릴레이 트 작용기가 있^서 자유라디칼 증합이 일어날 경우 3차원 구조의 하이드로젤로 가 교될 수 있다. 기타， 경화성 물질 (110)은 액체에서 고체로 변할 수 있는 어떠한 형 태의 매질도 포함할 수 있다.
<44> 경화성 물질 (110)은 개시제를 더 포함할 수 있으며 외부의 에너지원에 의해 자유라디칼 중합을 유발할 수 있다. 개시제는 아조계 화합물 또는 과산화물이 될 수 있다. 경화성 물질 (110)은 적당한 가교제를 더 포함할 수 있으며, 예를 들면, Ν,Ν'—메틸렌비스아크릴아마이드, 메틸렌비스메타크릴아마이드 및 에틸렌글리콜디메 타크릴레이트 등을 들 수 있다. 자성 나노입자 (120)는 자기장의 인가시 경화성 물 질 (110) 내에서 정렬되어 구조색을 발현할 수 있다. 자성 나노입자 (120)는 자기장 의 인가시 경화성 물질 (110) 내에서 정렬되어 구조색을 발현할 수 있다.
<45> 도 2는 자성 나노입자들이 자기장의 방향에 따라 정렬되는 원리를 나타내는 도면이다. 경화성 물질 (110) 증에 랜덤하게 분산되어 있는 자성 나노입자 (120)가 주위의 자석 (magnet)에 의해 자기장 (magnetic field)이 인가될 경우, 자기장의 방 향과 나란히 정렬되어 사슬 모양의 방향성을 가지는 구조를 형성한다. 자기장에 의 해 정렬된 자성 나노입자 (120)은 자기장을 제거하면 다시 정렬되지 않은 상태로 돌 아갈 수 있다. 콜로이드 상태로 존재하는 자성 나노입자 (120)들은 외부에서 자기장 을 인가하면 경화성 물질 (110) 내에 존재하는 자성 나노입자들 (120) 간에 자성에 의한 인력이 작용함과 동시에 정전기적 힘 및 용매화 힘에 기인한 척력이 작용할 수 있다ᅳ 상기 인력과 상기 척력의 균형으로 자성 나노입자 (120)들이 자기장 방향 을 향해 정렬하면서 자성축을 이루게 된다. 자성축이란 단위부피에서 가장 강한 유 도자기를 보일 수 있는 공간상 축을 의미한다. 하나의 자성 나노입자 (120)는 자기 장에 노출될 경우 투자율 (permeability)에 따른 유도자기를 형성한다. 각각의 자성 나노입자 (120)는 유도자기 모멘트의 상호작용 결과 계의 에너지가 최소가 되는 방 향으로 정렬이 되려고 한다. 이 방향이 바로 자기장의 방향과 나란한 방향이 되며， 자성축이 된다.
<46> 자성축을 이루는 자성 나노입자들 (120) 간의 거리 d는 자기장의 세기에 의존 할 수 있다. 예를 들어， 자기장의 세기가 강할수록 자기장 방향에 따라 정렬된 자 성 나노입자들 (120) 간의 거리 d가 작아질 수 있다. 거리 d는 자기장의 세기에 따 라 수 訓 내지 수백 nm이 될 수 있다. 즉 광결정의 격자 간격이 바뀌므로 브래그 법칙에 따라 반사되는 광의 파장이 변경될 수 있다. 결국 특정 자기장의 세기에 따 라 반사광 파장이 결정될 수 있다. 일정한 파장에서만 반사되는 종래의 광결정과는 달리 상기 광결정은 외부 자기장에 대해 빠르고， 폭넓으며, 가역적인 광감응 (optical response)을 나타낼 수 있다. 주위의 자기장 변화에 따라 격자 간격이 변 화함에 의해 외부 입사광으로부터 특정 파장의 반사광을 유발할 수 있다.
<47> 일 실시예에 따르면， 자성축을 포함하는 자성 구조물이 제공된다. 여기서， 상기 자성축은 고체 매트릭스 내에 고정되어 있다. 상기 자성축은 일정 간격을 두 고 일축 방향으로 정렬된 자성 나노입자들의 정렬구조를 가진다. 이때 상기 자성 구조물에 외부 자기장이 인가되면 자기력선의 방향에 따라 자성축이 나란한 방향으 로 정렬되도록 이동하는 힘을 받게 된다 . 결국 자성 구조물은 자성축이 나란한 방 향으로 정렬될 수 있도록 회전할 수 있다.
<48> 도 3은 정렬된 자성 나노입자들로 이루어진 자성축이 받는 힘의 종류와 그 원리를 나타낸 도면이다. 도 3A는 자성 나노입자가 외부 자기장이 걸린 환경에 놓 였을 때, 외부 자기장을 따라 정렬하는 성질을 보여주는 도면이고， 도 3B는 완전히 균일하지는 않은 외부 자기장이 걸린 환경에 자성축을 가지는 구조물이 놓였을 때 받는 두 가지 종류의 힘을 보여주는 도면이다. 자성 나노 입자들은 외부 자기장의 방향에 라 정렬되어 있을 때 전체 자성 에너지가 가장 낮아 안정한 상태가 된다. 이 상태에서 외부 자기장의 방향이 바뀌면 전체 자성 에너지를 낮추기 위해 변화된 방향을 따라 자성축이 회전하려 하고 그에 따라 자성 회전력이 발생한다. 하나의 자성 구조물 내에 N개의 사슬이 존재할 때 총 자성 토크 (Tlotal)는 각 단일 사슬의 토크 의 N 배가 되며， 아래와 같은 식으로 나타낼 수 있다. 이때 미세 입자의 회전력은 아래와 같 으로 표현된다.
Figure imgf000009_0001
여기서 N은 한 자성 구조물 내에 들어간 사술 구조의 개수， X는 초상자성 나노입자의 초기 매스 자화율, R은 초상자성 나노입자의 반지름， d는 입자간 거리 및 n은 단일 사슬 내에 존재하는 초상자성 나노입자들의 개수이다. ^0는 진공에서 의 투자율， m은 자성 나노입자의 자화도， H는 외부 자기장의 세기를 의미한다. α 는 회전시 미세입자의 자성축과 외부 자기력선이 이루는 각도이다. 최대 토크값은 α가 45도일 때이다.
이와 동시에, 만약 외부 자기장이 완전히 균일하지 않은 상태라면, 자성 나 노입자들은 스스로의 자성 때문에 외부 자기장의 밀도가 밀해지는 방향으로 끌려가 는 힘 (병진력 )을 함께 받게 된다. 이 힘 (1½)은 아래와 같은 식으로 표현된다.
, = 丄 ( ᅳ긔 )^ 여기서 VP는 미세입자의 부피이고 χρ는 자기 나노입자의 초기 매스 자화율，
Xf는 외부 환경의 초기 매스 자화율이다. 자성 구조물은 균일하지 않은 자기장 내 에서 위에서 나타낸 두 가지 힘을 동시에 받을 수 있다.
자성 나노입자들을 구비한 자성 구조물은 여러 가지 방법으로 제조될 수 있 다.
일 실시예에 따르면， 0FML 기술을 이용한 컬러 코드화된 자성 구조물의 제조 방법이 제공된다. 상기 제조방법은 경화성 물질 및 상기 경화성 물질에 분산된 자 성 나노입자들을 포함하는 조성물로 미세유체 채널올 채우는 단계; 상기 미세유체 채널 내의 상기 조성물에 자기장을 인가하여 상기 자성 나노입자들의 일차원적 사 슬구조를 형성하는 단계; 및 상기 조성물에 패턴화된 자외선을 조사하여 상기 일차. 원적 사슬 구조가 고정된 자유부유 입자를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 미세유체 채널 속을 흐르는 상기 조성물에 대해 마스크 패턴을 변경하며 순차적으 로 상기 패턴화된 자외선을 조사함에 따라 다증 컬러로 코드화할 수 있다. 구조색 을 발현하는 상기 자유부유 입자 각각은 복수의 컬러 도트들을 구비할 수 있다. 상 기 복수의 컬러 도트들 각각은 경화 당시 상기 자기장의 세기에 따라 컬러가 결정 될 수 있다. 상기 경화시 자기장의 세기에 따라 상기 자유부유 입자의 컬러가 결정 되며， 상기 자외선의 패턴에 의해 자유부유 입자의 형태 및 컬러 패턴이 고정될 수 있다.
<-«> 도 4는 다중컬러 코드화된 자성 구조물의 생성과정을 나타낸 개략도이다. 자 기장 조절과 공간적으로 제어된 UV 노출의 협동 작용을 포함하는 순차적인 공정이 사용된다. 먼저 광경화성 '수지 및 상기 광경화성 수지에 분산된 초상자성 나노입자 들을 포함하는 조성물을 준비한다. 다음 상기 조성물로 폴리디메틸실록산 (PDMS) 채 널을 채운다. 이어 외부 자기장을 조절함으로써 상기 조성물의 색상이 튜닝된다. 상기 자기장의 세기에 따라 초상자성 나노입자들에 의한 1D 사슬구조의 주기가 변 하면서 상당하는 파장의 빛을 반사시키게 된다. 일단 외부 자기장에 의해 특정 컬 러 코드가 도입되면 상기 조성물의 일부 영역에 국소적으로 패턴화된 UV를 조사한 다. 상기 패턴화된 UV의 조사를 위해 물리적인 마스크가 아닌 디지털 마이크로미러 장치 (DMD)가 사용될 수 있다. DMD는 컴퓨터로 제어되는 공간적 광조절기 (computer control led spatial light modulator)의 역할을 한다. '도 4에서， UV가 DMD로부터 반사되어 나오면서 패턴화된 UV가 만들어진다. 상기 패턴화된 UV의 조사에 의해 일 부 영역은 특정 컬러로 코드화된다. 다음 단순히 자기장의 세기를 바꾸고 DMD의 패 턴을 변경시키는 방식을 순차적으로 적용하면 연속하여 다음 코드 비트들을 생성 할 수 있다. 이러한 컬러 튜닝 및 고정화 공정은 각 비트를 생성하는 데 대략 수십 분의 일초가 걸리므로 신속하게 수행될 수 있다. 또한 각 컬러의 도입마다 일반적 인 마스크를 사용한 공정에 필요한 재정렬과정이 필요없어 공정이 간단하다. 더욱 이， PDMS 채널 내부의 산소 윤활층 (oxygen lubricant layer), 즉 금지층 (inhibition layer)은 라디칼 광중합에 의해 생성된 미세입자들이 채널 벽에 들러 붙지 않고 플로우 스트림을 따라 움직일 수 있게 한다.
<57> 이러한 성질을 이용함으로써, 광유체적 무마스크 리소그래피 (0FML)를 사용하 여 패턴화된 UV와 함께 여러 가지 레벨의 자기장의 세기 하에 다양한 색상과 모양 으로 코드화된 자성 구조물들이 생성될 수 있다. 즉, 광결정을 함유한 액체 경화성 수지를 미세유체 채널에 주입시키고 여러 가지 자기장 하에 패턴화된 UV에 의해 유 도되는 인 -시튜 광중합에 의해 자성 구조물들이 제조될 수 있다. 상기 자성 구조물 들은 다각형 모양에만 국한되지 않으며, 임의의 소망하는 모양으로 디자인될 수 있 다. 작은 컬러 도트들을 구비한 이종의 코드화된 자성 구조물들이 여러 가지 자기 장 하에서 순차적인 UV 노출에 의해 제조될 수 있다. 이 경우， 그래피컬 코드의 표 현은 색상 및 모양의 유연성 때문에 제한이 없다. <5S> 일 실시예에 따르면， 고체 매질 및 상기 고체 매질 내에 자성 나노입자들이 일정 간격으로 정렬된 자성축을 포함하는 컬러 코드화된 자성 구조물이 제공된다. . 상기 컬러 코드화된 자성 구조물은 상기 정렬된 일정 간격의 크기에 따라 빛의 회 절에 의한 구조색을 발현하는 코드 영역을 구비함으로써 멀티레벨로 코드화된 컬러 코드화될 수 있다.
<59> 도 5는 다양한 형태로 컬러 코드화된 자성 구조물들의 예들을 나타낸 사진이 다. 스케일 바는 각각 A 및 B는 200 , C는 500 jMn, D 및 E는 250 이다. 도 5의 A, C 및 D에서 보듯이 여러 가지 모양과 여러 가지 컬러를 가진 자성 구조물들이 제조될 수 있다. 도 5에서， B 및 E는 각각 A 및 D에 해당하는 샘플의 투과형 현미 경 사진이다. 컬러풀한 반사 이미지를 갖는 A 및 D와 달리 B 및 E는 갈색의 투과 이미지를 가지는데 이는 자성 구조물의 색상이 착색에 의한 것이 아니라 초상자성 나노물질의 구조에 기인한 것임을 보여준다.
<60> 상술한 방식으로 인한 컬러 코드화의 경우 여러 색이 독립적으로 분리된 국
• 소 공간에 배치되어 있다. '또한， 그 국소 공간에서 구조색의 스펙트럼은 단일 피크 값을 가진다. 따라서 저렴한 전하결합소자 (CCD) 카메라를 사용하면 픽샐의 위치정 보와 RGB 정보로부터 각 코드의 위치 및 색상 정보를 동시에 얻을 수 있다.
<61> 상기 컬러 코드화된 자성 구조물은 내부에 자성축들을 구비하며, 외부 자기 장에 의해 자기적으로 제어가 가능하다. 일 실시예에 따르면, 자성 나노입자들이 정렬된 자성축을 구비한 자성 구조물을 함유한 용액을 제공한다. 다음 상기 용액에 대해 외부 자기장을 변화시켜 상기 자성 구조물의 움직임을 제어한다. 이때, 상기 움직임은 상기 자성축이 갖는 자성 토크에 의한 회전력 또는 상기 외부 자기장의 밀도가 밀해지는 방향의 힘에 의한 병진력에 기인할 수 있다. 상기 자성 구조물의 표면에 탐침 분자가 존재할 경우， 상기 용액 내의 목적 분자와의 반응을 촉진시키 기 위해 상기 외부 자기장을 회전시킬 수 있다. 이때 상기 자성 구조물이 함께 회 전하여 상기 팀ᅳ침 분자와 상기 용액 내의 목적 분자와의 충돌 빈도가 높아지므로 반응이 촉진될 수 있다.
<62> 또한 컬러 코드화된 자성 구조물을 자기적 제어를 통해 용이하게 컬러 코드 의 정보를 분석할 수 있다 . 일 실시예에 따르면 , 자성 나노입자들의 정렬에 의해 컬러 코드화된 자성 구조물을 함유한 용액을 용기에 도입하는 단계; 상기 용액에 외부 자기장을 인가하여 상기 컬러 코드화된 자성 구조물들을 용기의 벽면으로 수 집하는 단계; 및 상기 컬러 코드의 정보를 분석하는 단계를 포함하되, 상기 자성 구조물 중 컬러 코드가 위치하는 면이 상기 용기의 벽면에 대해 이차원적으로 배열 되도록 하는 자성 구조물의 자기적 제어방법이 제공된다.
<63> 도 6은 컬러 코드화된 자성 구조물들을 자기적으로 분리하고 용액 교환하는 과정올 나타낸다. 도 6A를 참조하면, 컬러 코드화된 자성 구조물들을 함유하는 용 액 A가 담긴 바이알 근처에 자석을 수 초간 위치시켜 자성 구조물 입자들을 자기력 에 의해 바이알 벽에 모은 다음， 용액 A를 용액 B로 교환하는 과정을 나타내고 있 다. 수력학적 끌기 힘 (hydrodynamic drag force)과 자기력을 고려하면， 자성 구조 물들의 최종 속도는 약 4 mm/초가 될 수 있다. 전체 용액 교환 시간 스케일에 대해 최종 속도에 도달하는 데 걸리는 시간은 무시할 만한 수준이다.
<64> 도 6B를 참조하면 , 외부 자기장을 인가한 후 시간에 따른 자성 구조물의 거 동을 볼 수 있다. 자기장의 인가에 의해 자기력선과 나란한 방향으로 자성축들이 배열되고, 자성 구조물들이 바이알 벽 쪽으로 자기적으로 끌릴 수 있다. 자성축들 은 평판 형태의 자성 구조물들의 두께 방향으로 배향되므로 코드화된 영역이 바이 알 벽의 표면에 대해 이차원적으로 전시될 수 있다. 그리하여 바이알 표면을 카메 라가 단순히 포커싱함으로써 코드들을 쉽게 판독할 수 있다.
<65> 도 7은 자석 회전 셋업을 이용한 자성 미세 입자의 자기적 제어를 나타낸 개 략도 및 실제 입자의 현미경 사진을 나타낸다. 도 7A는 마이크로 채널이나 바이알 에 수평하게 부착된 미세 입자들에 대해 코드 판독하거나 용매 교환할 경우의 미세 입자들의 움직임올 나타낸다. 도 7B는 미세 입자들의 플립핑을 나타낸다. Y 축 (그 림의 XZ 평면에 수직인 방향)에 대한 자석의 회전이 미세 입자들을 가로질러 수직 하게 자기력선의 방향을 변화시킨다. C는 Z 축에 대한 자석 회전에 의해 미세입자 들이 희전하는 움직임을 나타낸다.
<66> 도 7A 및 7B에 있어서, Y 축 회전은 코드 판독 또는 용매 교환을 위해 마이 크로 채널 등에 미세입자들이 부착되거나 반웅을 촉진하기 위해 플로우에 대해 미 세 입자들이 수직하게 바로 서도록 결정할 수 있다. 한편， 도 7B 및 도 7C에 있어 서 , Z 축 희전은 미세 입자들이 Z 축 주위로 빙글빙글 돌게 (tumble around)하여 반 응 영역을 효율적으로 증대시키도록 할 수 있다. 다음 새로운 반응을 위한 다른 용 액으로 기존 용액을 교환한 후 다시 외부 자기장을 회전시켜 반웅을 활성화시키고 반응 종결 후 미세 입자들을 바이알 표면에 편평하게 부착하여 코드를 판독하는 과 정을 반복적으로 할 수 있다.
<67> 도 7D는 수직한 자기력선 하에 놓인 코드화된 입자들의 반사형 현미경 사진 이다. 도 7E는 코드화된 입자들이 회전하는 모습을 나타낸 사진이다. ■
<68> 외부 자기력선의 방향에 따라， 컬러 코드화된 미세 입자들은 바이알 표면에 대해 도 7D와 같이 수평하게 또는 도 7E와 같이 바로 설 수 있다. 미세 입자들이 바이알 표면에 수평하게 위치할 경우 코드화된 컬러를 판독하기 쉽게 된다. 도 7E 에서， 회전하는 수평형 외부 자기력선은 수직하게 정렬된 코드화된 입자들을 그 자신의 수직 축 주위로 회전시켜서, 용액 내에서 탐침과 타겟 사이의 반웅을 최대 화한다. 도 7E에서 회전하지 않는 미세 입자는 의도적으로 제조된 무작위로 분산된 자성 나노입자들을 함유한 미세입자이다. 회전하지 않는 미세 입자는 구조색을 발 현하지 않고 본래의 갈색을 띠고 있다. 반면， 회전을 하고 있는 미세 입자들은 일 차원적 사슬구조를 갖는 자성 나노입자들을 함유하고 있다. 결국 자성 나노입자들 로 이루어진 자성축은 이를 함유한 미세 입자의 회전을 가능하도록 한다.
<69> 상술한 바와 같이 통상적인 자성 비드들에 비해 자성축을 구비한 자성 구조 물들은 플립핑 및 회전을 포함하는 다증축 제어가 가능하다.
<70> 도 .8은 컬러 코드화된 자성 구조물을 제어하여 DM 흔성화의 탐지 및 식별 실험을 한 예이다. 도 8C에 도시한 바와 같이, 컬러 코드화된 입자는 코드 영역 및 을리고뉴클레오티드 탐침 영역을 구비할 수 있다. 혼성화의 탐지를 위한 형광 시그 널과 컬러 코드화를 위한 구조색 시그널 스펙트럼의 겹침을 피하기 위해 올리고뉴 클레오티드 탐침 영역을 코드 영역으로부터 분리하였다. 코드 영역은 컬러 코드화 된 자성 구조물 제조용 조성물로부터 합성되었으며, 탐침 영역은 PEGᅳ DA와 아크릴 레이트 개질된 DNA 을리고머 탐침의 버퍼 용액의 흔합물로부터 형성되었다.
<7i> 도 8A에 도시한 바와 같이, 여러 가지 뉴클레오티드 시퀀스를 갖는 12.5 μΜ 의 DNA 탐침들 (탐침 1: 5'-ACA CTC TAC AAC TTC-3' , 탐침 2: 5'— ATC AGA TTG GTT AGT-3' 및 대조 표준으로서 DNA 탐침이 없는 것)을 여러 색상으로 코드화된 미세 입자들에 도입하였다. 형광물질로 라벨링된 1 μΜ의 DNA 올리고머 타겟들을 도입하 여 10 분간 배양하였다. T1 및 Τ2는 각각 탐침 1 및 탐침 2에 상보적인 타켓이며， (+)표시는 타갯의 존재를 나타내고， (-)표시는 타겟의 부재를 나타낸다. 그 결과 DNA 올리고머 타겟들에 상보적인 DNA 탐침을 갖는 입자들만이 형광을 나타내었다ᅳ
<72> 종래의 자성 비드들은 내부에 무작위로 분산된 자성 물질들을 함유하므로 이 러한 움직임의 제어에 한계가 있을 수 있다. 구체적으로는 무작위로 분산된 자성 물질들을 함유한 자성 비드의 경우, 자기력선에 끌려가는 힘만을 받고 각 자성 물 질의 자화 방향을 외부 자기장의 방향으로 돌리려는 힘이 평균화되어 사라질 수 있 다. 반면, 자성축을 구비한 미세 입자들의 경우 일차원적 사슬 구조가 형성되어 각 자성 나노입자의 자화 방향이 외부 자기장과 같은 방향으로 가도록 하는 힘들이 합 쳐져서 전체 입자를 그 방향으로 움직이게 하는 힘으로 작용할 수 있다. 이러한 성 질을 이용해 입자들의 움직임을 제어할 수 있다. 예를 들어， 자성축을 구비한 미세 입자들은 수백만 개의 마이크로 스케일 회전 교반기들로서 서로 협동하여 작동될 수 있다. 도 8B에 도시한 바와 같이， 실제로 이렇게 자성 미세 입자 자체를 자기적 제어를 통한 회전을 이용해 반응을 시켰을 경우, 미세 입자의 희전으로 인해 주위 물질과의 접촉이 증가해 생체물질 반응의 반응성이 증가하는 것을 관찰했다. 자성 미세 입자의 회전 없이 미세 입자와 DNA를 10분 간 반웅시켰을 경우의 미세 입자 탐침 영역의 경계 부분의 형광 세기는 회전을 주어 10분 간 반웅시켰을 경우에 비 해 4배가 넘게 증가하였다. 이러한 반웅성의 증가는 회전 없이 30분 간 반웅시켰을 때보다 훨씬 크게 나타났다.
<73> 상술한 예는 DNA 혼성화의 탐지 및 식별에 관한 것이나 다양한 복합 생체분 자들에 대해서도 가능하다.
<74> 일 실시예에 따르면， 에멀젼 형태의 자성 구조물에 있어서 탐침 분자와 목적 분자의 반웅을 통한 생화학적 분석방법도 자성 구조물을 자기적으로 제어함으로씨 달성될 수 있다. 이를 위해 먼저 경화성 매질에 분산된 자성 나노입자 조성물을 비 흔화성 용매 중에 분산시켜 에멀견을 형성한다 . 다음 상기 에멀젼에 자기장을 인가 하고 광조영하여 자성축이 내재된 미세구체 형태의 자성 구조물을 제조한다. 생화 학적 분석을 위해 상기 자성 구조물의 표면에 탐침 분자를 고정화한다. 상기 자성 구조물을 목적 분자를 함유한 용매에 흔합한다. 외부 자기장을 인가하여 상기 탐침 분자가 고정된 상기 자성 구조물을 회전 또는 이동시김으로써 목적 분자와의 반응 을 촉진시킨다. 반응이 끝난 후에， 세기에 기을기가 있는 외부 자기장을 인가함으 로써 상기 자성 구조물을 수집하는 방식으로 상기 용매로부터 분리할 수 있다.
<75> 일 실시예에 따르면， 자성 구조물을 자기적으로 제어하여 생화학적 분석을 할 수 있는 자기적 제어장치가 제공된다 .
<76> 도 9는 생화학적 분석을 위한 자성 구조물의 자기적 제어장치의 일 실시예를 나타낸다. 도 9를 참조하면 , 자성 구조물의 자기적 제어장치 (900)는 제 1 원료 공급 부 (910)， 제 2 원료 공급부 (920)， 원료 흔합부 (930)， 자기장 인가부 (940) 및 디코더 부 (950)를 포함한다.
<77> 제 1 원료 공급부 (910)는 자성 구조물을 원료로 보관 및 제공하는 역할을 한 다. 상기 자성 구조물은 자성 나노입자들의 정렬에 의해 컬러 코드화되어 있으며 탐침 분자를 구비한다
<78> 제 2 원료 공급부 (920)는 목적 분자를 함유한 용액을 보관 및 제공하는 역할 을 한다. <79> 원료 혼합부 (930)는 상기 탐침 분자와 상기 목적 분자가 반응할 수 있도록 상기 자성 구조물과 상기 용액이 흔합되는 공간이다.
<80> 자기장 인가부 (940)는 상기 자성 구조물을 상기 용액 중에서 희전시키거나 이동시키도록 상기 용액에 자기장을 가한다. 자기장 인가부 (940)는 다양한 자기장 변화를 위해 이동할 수 있고 세기가 조절될 수 있는 자석을 구비한다. 자기장의 인 가를 통해 상기 원료들 간의 반응을 촉진시킬 수 있다.
<8i> 디코더부 (950)는 상기 탐침 분자와 상기 목적 분자가 결합한 상기 자성 구조 물을 관측하고 디코드화한다. 디코더부 (950)는 전하결합소자 (CCD) 카메라를 구비하 여 촬영을 통해 얻은 픽샐의 위치정보와 RGB 정보로부터 각 코드의 위치 및 색상 정보를 동시에 얻을 수 있다. 디코더부 (950)에서의 측정을 위해 자기장 인가부 (940)는 반응이 이루어진 자성 구조물을 수집하기 위해 자기장을 인가할 수 있다.
<82> 자성축을 갖는 자성 구조물은 상기 컬러 코드화된 미세입자 외에도 다중 방 향성 자성축을 갖는 구조물일 수 있다.
<83> 일 실시예에 따르면， 고체 매트릭스; 상기 고체 매트릭스의 일 부분에 위치 하며 고정된 자성축을 구비한 제 1 영역; 및 상기 제 1 영역과 연결되면서 상기 고체 매트릭스의 다른 부분에 위치하며 고정된 자성축을 구비한 게 2 영역을 포함하는 자 성 구조물이 제공된다. 여기서 상기 제 1 영역의 자성축과 상기 제 2 영역의 자성축 의 배향이 서로 다르다. 또한 외부 자기장의 인가에 따라 상기 제 1 영역의 자성축 과 상기 제 2 영역의 자성축이 각각 가지는 이종 자기 이방성에 의하여 상기 제 1 영 역과 상기 제 2 영역은 서로 다른 움직임을 가질 수 있다. 상기 고체 매트릭스는 고 분자 재질로 이루어질 수 있다. 상기와 같이 자성 구조물이 영역별로 방향이 다른 자성축들을 구비함으로써 균일한 자기장 내에서 서로 다른 방향으로 움직이는 마이 크로 액츄에이터를 구현할 수 있다.
<84> 상기 고체 매트릭스의 적어도 한 부분이 외부 물체에 고정될 수 있다. 예를 들어 상기 고체 매트릭스의 적어도 한 부분은 미세유체 채널 내벽에 고정될 수 있 다. 이 경우 캔틸레버 형태의 마이크로 액츄에이터를 구현할 수 있다.
<85> 도 10은 다중 방향성 자성축들을 포함하는 고분자 미세 구조물을 제작하는 과정을 나타낸 도면이다. 각 과정에서 왼쪽은 정면도이고 오른쪽은 측면에서 바라 본 단면도이다. 실험 장비는 먼저 다양한 모양의 고분자 미세 구조물의 제작을 가 능하게 하는 마스크를 사용하지 않는 0FML 장비와 외부 자기장을 생성하고 조절하 기 위한 영구 자석으로 이루어진다. 이 장비로， 순차적인 과정이 진행된다. 먼저， 유리 기판이 미세 구조물의 일부분을 기판에 붙지 않도록 해주는 금지층 (inhibition layer)을 만들어 주는 고분자 물질로 얇게 i팅된다. 이렇게 고분자 물질이 코팅된 유리 기판에 ᅵ미세 구조물의 일부가 붙게 만들기 위해 원하는 부분의 코팅 물질을 제거한다. 그리고 그 위에 미세유체 채널이 부착되고 그 안으로 경화 성 물질과 자성 나노 입자들이 섞인 액체가 채워진다. 균질한 자기장이 이 미세유 체 채널을 가로질러 형성이 되면， 자성 나노입자들은 생성된 자기력선 방향을 따라 나노 입자의 사슬을 형성하게 된다. 이 상태에서 마스크를 사용하지 않는 0FML 시 스템을 통해 유체의 일부 안에 이 사슬들을 고정하면서 짧은 시간 안에 원하는 모 양으로 광경화하여 원하는 방향으로 자성축이 고정된 제 1 영역을 형성한다. 경화 후에 자기장의 방향을 원하는 방향으로 바꾸고 새로 부여한 자기장의 방향으로 자 성축을 갖는 액체를 새로 광경화시켜 제 2 영역을 형성한다. 이러한 반복적인 자기 력선 방향의 재설정과 고분자 광경화를 통한 고정 과정이 미세 구조물을 완성할 때 까지 반복된다. 구조물의 제작이 완료되면 남은 액체는 미세 구조물을 제어하기 적 합한 액체 환경으로 바꾸어 준다. 이 방법은， 열경화법에 비해 매우 빠른 시간 내 에 이루어지므로 다양한 방향으로 자기 조립된 나노 입자들의 상태를 고해상도로 고분자 내에 고정시킬 수 있고， 그러므로 다증 방향성 자성 나노입자를 포함한 마 이크로 구조물의 완전한 제작까지 걸리는 시간은 매우 짧다.
<86> 도 11은 다양한 형태로 여러 방향으로 정렬된 자성 나노입자를 가진 미세 구 조물의 예들을 나타낸 사진이다. 스케일 바는 모두 200 卿이다. 도 11의 A, B, C 및 D에서 볼 수 있듯이 한 구조물 내에 다양한 자성축들을 가지는 고분자 미세 구 조물올 매우 다양한 모양으로 용이하게 제작할 수 있다. 이러한 방법으로 만든 고 분자 미세 구조물은 기존의 고분자 미세 구조물이 가지고 있던 제어의 한계를 뛰어 넘어 복잡한 움직임을 갖도록 자기적으로 제어할 수 있다.
<87> 도 12는 다양한 방향의 자성축들을 포함한 미세 구조물에 균일한 자기장을 걸어주어 다양한 움직임을 구현한 결과를 나타낸다. 도 12A의 미세 구조물은 서로 수직한 네 방향의 자기 나노입자 사술을 포함하고 있고， 외부 자기장을 걸어주었을 때 각 부분이 서로 다른 방향으로 회전력을 받기 때문에 기존의 미세 구조물에서는 관찰하기 어려웠던 새로운 움직임을 보여준다. 0FML을 이용하여 다양한 모양으로 만드는 것이 가능하고 자기 나노입자 사슬의 방향도 자유롭게 설정할 수 있기 때문 에 도 12B와 12(：에서 보이는 바와 같이 2D 혹은 3D에 상관없이 다양한 움직임을 연 출할 수 있다.
<88>
<S9> 이상에서 개시된 기술의 실시예돌에 대해 상세히 기술하였지만， 해당 기술분 야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면， 개시된 기슬의 정신 및 범위를 벗어 나지 않으면서 개시된 기술을 여러 가지로 변형하여 실시할 ' 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

【청구의 범위】
【청구항 1】
자성 나노입자들이 정렬된 자성축을 구비한 자성 구조물올 함유한 용액을 제 공하는 단계; 및
상기 용액에 대해 외부 자기장을 인가하여 상기 자성 구조물의 움직임을 제 어하는 단계를 포함하는 자성 구조물의 자기적 제어방법.
【청구항 2]
제 1 항에 있어서,
상기 움직임은 상기 자성축이 갖는 자성 토크에 의한 회전 또는 상기 외부 자기장의 밀도가 밀해지는 방향의 힘에 의한 이동인 자성 구조물의 자기적 제어방
【청구항 3】
제 1 항에 있어서，
상기 자성 구조물의 표면에 탐침 분자가 존재하며， 상기 외부 자기장의 회전 에 따라 상기 자성 구조물이 회전되어 상기 용액 내의 목적 분자와의 반응을 촉진 하는 자성 구조물의 자기적 .제어방법 .
【청구항 4】
자성 나노입자들의 정렬에 의해 컬러 코드화된 자성 구조물을 함유한 용액을 용기에 도입하는 단계 ;
상기 용액에 외부 자기장을 인가하여 상기 컬러 코드화된 자성 구조물들을 용기의 벽면으로 수집하는 단계; 및
상기 컬러 코드의 정보를 분석하는 단계를 포함하되，
상기 자성 구조물 중 컬러 코드가 위치하는 면이 상기 용기의 벽면에 대해 이차원적으로 배열되도록 하는 자성 구조물의 자기적 제어방법 .
【청구항 5]
고체 매트릭스; 및 상기 고체 매트릭스 내에 고정된 자성축을 포함하되， 상기 자성축은 일정 간격을 두고 일축 방향으로 정렬된 자성 나노입자들의 정렬구조를 가지며， 외부 자기장의 변화에 따라 상기 자성축이 갖는 자성 토크에 의해 힘을 받아 움직이는 자성 구조물.
【청구항 6】
제 5 항에 있어서，
상기 고체 매트릭스의 표면에 탐침 분자가 고정된 자성 구조물.
【청구항 7】
고체 매트릭스; 상기 고체 매트릭스의 일 부분에 위치하며 고정된 자성축을 구비한 제 1 영역; 및 상기 제 1 영역과 연결되면서 상기 고체 매트릭스의 다른 부분 에 위치하며 고정된 자성축을 구비한 제 2 영역을 포함하되 ,
상기 제 1 영역의 자성축과 상기 제 2 영역의 자성축의 배향이 서로 다르며, 외부 자기장의 인가에 따라 상기 제 1 영역의 자성축과 상기 제 2 영역의 자성 축이 각각 가지는 이종 자기 이방성에 의하여 상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역이 서 로 다른 움직임을 갖는 자성 구조물.
【청구항 8】
제 7 항에 있어서 ,
상기 고체 매트릭스의 적어도 한 부분이 외부 물체에 고정되는 자성 구조물.
【청구항 9】
경화성 매질에 분산된 자성 나노입자 조성물을 비혼화성 용매 중에 분산시켜 에멀견을 형성하는 단계;
상기 에멀젼에 자기장을 인가하고 광조영하여 자성축이 내재된 미세구체 형 태의 자성 구조물을 제조하는 단계;
상기 자성 구조물의 표면에 탐침 분자를 고정화하는 단계;
상기 자성 구조물을 목적 분자를 함유한 용매에 흔합하는 단계; 및
외부 자기장을 인가하여 상기 탐침 분자가 고정된 상기 자성 구조물을 회전 또는 이동시킴으로써 목적 분자와의 반웅을 촉진시키는 단계를 포함하는 자성 구조 물의 자기적 제어방법.
【청구항 10]
제 9 항에 있어서,
상기 반웅 후 세기에 기을기가 있는 외부 자기장을 인가함으로써 상기 자성 구조물을 상기 용매로부터 분리해 내는 단계를 더 포함하는 자성 구조물의 자기적 제어방법.
【청구항 11]
탐침 분자를 구비하면서 자성 나노입자들의 정렬에 의해 컬러 코드화된 자성 구조물을 제공하는 제 1 원료 공급부;
목적 분자를 함유한 용액을 제공하는 거 12 원료 공급부;
상기 탐침 분자와 상기 목적 분자가 반웅할 수 있도록 상기 자성 구조물과 상기 용액이 흔합되는 원료 흔합부; 및 상기 자성 구조물을 상기 용액 중에서 회전시키거나 이동시키도록 상기 용액 에 자기장을 가하는 자기장 인가부를 포함하는 자성 구조물의 자기적 제어장치.
【청구항 12]
제 11 항에 있어서，
상기 탐침 분자와 상기 목적 분자가 결합한 상기 자성 구조물을 관측하고 디 코드화하기 위한 디코더부를 더 포함하는 자성 구조물의 자기적 제어장치.
PCT/KR2011/002239 2010-03-31 2011-03-31 자성 구조물을 자기적으로 제어하는 방법 Ceased WO2011122883A2 (ko)

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