WO2018026024A1 - 액체 패터닝 장치 및 액체 패터닝 방법 - Google Patents

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강명우
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Abstract

액체 패터닝 장치 및 액체 패터닝 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 적어도 평평한 바닥면과 표면을 갖는 기판(substrate), 상기 기판의 표면에 수직으로 돌출된 형태로 형성되고, 원하는 하나의 형태를 이루도록 복수개의 단위 미세기둥을 갖는 적어도 하나 이상의 미세구조물, 상기 기판의 표면의 패터닝 하고자 하는 액체를 미세구조물의 일방향에서 타방향으로 이동시켜 주기 위한 액체 이동부를 포함한다.

Description

【명세서】
【발명의 명칭】
액체 패터닝 장치 및 액체 패터닝 방법
【기술분야】
본 발명은 액체 패터닝 장치 및 액체 패터닝 방법에 관한 것으로서， 보다 상세하게는 복수의 미세기등으로 이루어진 미세 구조물과 액체 사이의 표면장력에 의하여 원하는 위치에 액체의 패터닝이 가능한 비채널형 액체 패터닝 장치， 및 액체 패터닝 방법에 관한 것이다.
【발명의 배경이 되는 기술】
일반적으로， 액체의' 일 예로서 미세유체에 기반한 연구는 더 작은 부피의 제제를 사용하여 더 빠르고 감도 높은 탐지 결과를 제공하기 때문에， 통상적인 연구실 수준의 분석 공정에 비해 여러 가지 장점을 가지고 있다. 이러한 미세유체에 대한 연구는 세포 기반 연구 및 다른 웅용 연구의 실시에 점차적으로 사용 빈도가 증가하고 있다.
미세유체 기술은 미세유체공학， 유체 분리， 세포 포지셔닝, 3차원 복합세포 배양, 조화된 흐름 및 시공적인 변화를 사용하여 실제 장기를 성공적으로 모방할 수 있다. 고효율 스크리닝 및 장기-온-칩 활용에 대하여， 고정된 관심영역 (Region of Interest , ROI )은 자료 분석 및 세포 포지셔닝에 관한 중요한 항목이었다. 기존에는 표면에 화학물질을 코팅하는 화학적 패터닝， 세포외 기질 (ECM) 패터닝， 광학적 트위저 (tweezer) , 액적 형성， 자외선 경화성 물질을 이용한 패터닝, 또는 지속적으로 유체를 홀려주면서 원하는 미세 구조에 세포를 가두는 방법 등의 관심영역 (R0I )을 고정시키는 다양한 방법들을 사용하였다.
' 그러나， 상기 기재된 방법들은 관심영역 (R0I )을 효율적으로 고정시칼 수 있으나 추가적인 공정 (예， 지속적인 유체의 흐름， 광경화성 물질의 사용) 또는 장비 (예， 광 조사 장치)를 필요로 하였다.
이러한 문제를 해결하기 위하여， 추가 공정이나 부가 장비 없이 미세구조와 액체의 표면장력만을 사용하여 미세유체 플랫품 표면의 원하는 위치에 액체를 패터닝하는 채널형 액체 패터닝 방법이 제안되어 있다.
이러한 채널형 액체 패터닝 방법은， 마이크로유체 플랫품 상의 빠른 액체 패터닝에 대한 새로운 기술은 표면 장력 및 계면 동력학을 사용하여 개발되었다. 특정 기하학을 갖춘 포스트 배열을 포함하는 미세유체 장치를 고안하여 제조하였다. 미세유체 장치를 제조한 후， 마이크로채널에 액체 (흔합물)를 채우고， 액체 패터닝 중에， 마이크로채널 안쪽의 액체 (흔합물)는 60kPa 압력의 흡인 펌프를 사용하여 흡인하며， 흡인하는 동안， 액체 (흔합물)는 포스트 배열 내부에 포획되었으며， 이러한 방법을 사용하여 패턴화된 액체는 추가적인 표면 처리 또는 장비 없이 5초 이내에 획득할 수 있었다.
그러나， 종래의 채널형 액체 패터닝 방법은， 마이크로 채널 내에 액체를 채우게 되므로， 즉， 마이크로 채널 상부가 개방 (open)되어 있지 않으므로， 미세유체 장치의 표면은 물에 기반한 액체를 사용하기 위해 친수성이어야 하며， 미세유체와 포스트 재질간 친화도에 따라 패터닝이 균일하지 않게 되며， 패터닝할 수 있는 면적이 마이크로 채널의 크기에 영향을 받게 되므로 패터닝 면적이 상당히 제한적인 문제점이 있었다.
또한， 종래의 채널형 액체 패터닝 방법은， 마이크로 채널 내에 액체를 채운 후, 흡인 펌프를 사용하여 액체를 일정한 압력으로 흡인하여야 하므로, 그 만큼 패터닝이 복잡할 뿐만 아니라 패터닝 시간이 많이 소요되며， 여러 가지 모양과 크기의 액체 패턴을 형성하기 용이하지 않을 뿐만 아니라， 패턴된 액체의 회수가 용이하지 않다는 단점이 있었다.
또한, 종래의 채널형 액체 패터닝 방법에서 2개 이상의 액체를 패터닝 하기 위해서는 마이크로채널에 각각 액체를 채운 후 패터닝 해야 하기 때문에， 그 만큼 패터닝에 많은 시간이 소요될 뿐만 아니라 패터닝 작업이 곤란한 문제점이 있었다.
【발명의 내용】
【해결하고자 하는 과제】
본 발명은 기존의 채널형 패터닝 방법에 비하여 빠르고 간단하며 패턴의 형상 및 크기에 제약이 없이 원하는 위치에만 원하는 형태와 크기로 미량의 액체의 패터닝이 가능한 비채널형 액체 패터닝 장치를 제공하고자 한다.
또한， 본 발명은 액체， 특히， 미세 유체와 미세 기등 (mi crostructure)의 재질간 친화도와 무관하게 균일한 패터닝이 가능한 액체 패터닝 장치를 제공하고자 한다.
또한， 본 발명은 기존의 채널형에 비하여 상대적으로 대면적으로 패터닝 구현이 가능한 액체 패터닝 장치를 제공하고자 한다.
또한， 본 발명은 복수개의 노즐을 이용하여 빠르고 간단하게 2개 이상의 액체 패터닝이 가능한 액체 패터닝 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 미세 유체와 미세 기등 (mi crostructure)의 재질간 친화도와무관하게 균일한 패터닝이 가능한 액체 패터닝 방법을 제공한다. 【과제의 해결 수단】
본 발명의 일 실시예에 따르면， 적어도 평평한 바닥면과 표면을 갖는 기판 (substrate) ,
상기 기판의 표면에 수직으로 돌출된 형태로 형성되고， 원하는 하나의 형태를 이루도록 복수개의 단위 미세기등을 갖는 적어도 하나 이상의 미세구조물， 및
상기 기판의 표면에 패터닝 하고자 하는 액체를 미세구조물의 일방향에서 타방향으로 이동시켜 주기 위한 액체 이동부를 포함하는 액체 패터닝 장치가 제공될 수 있다.
상기 액체 패터닝 장치는， 상부가 개방된 형태인 것일 수 있다.
상기 단위 미세기등의 재질은 친수성 물질 또는 소수성 물질로 이루어지는 것일 수 있다.
상기 액체 이동부는 상기 기판 표면의 액체를 미세구조물의 단위 미세기등 위로 와이핑 (wiping) 하기 위한 와이퍼 (wiper )를 포함하는 것일 수 있다.
상기 액체의 패터닝 실시 시 와이퍼가 이동하면서 패터닝 하거나， 와이퍼는 고정되어있고 미세구조물을 포함한 기판 자체가 이동하면서 패터닝 하는 것일 수 있다.
상기 미세구조물의 상부에 제공되어, 상기 기판의 표면에 액체를 분사하기 위한 복수개의 노즐을 포함하는 것일 수 있다.
상기 기판의 재질은 친수성 물질 또는 소수성 물질로 이루어지는 것일 수 있다. 상기 기관은 그 표면과 패터닝 하고자 하는 액체가 0° ~ 170。의 접촉각을 갖는 재료로 이루어지는 것일 수 있다.
상기 단위 미세기등의 모양은 원기둥, 사각기등, 뿔 형태， 곡면 형태 중 적어도 어느 하나의 형태로 형성되는 것일 수 있다.
상기 와이퍼의 표면은 친수성 물질 또는 소수성 물질로 이루어지는 것일 수 있다.
상기 와이퍼의 재질은 기판 표면에 돌출된 단위 미세기등과 접촉시 단위 미세기등올 손상시키지 않을 정도의 일정한 크기의 연성을 갖는 재질로 이루어지는 것일 수 있다.
상기 와이퍼로 패터닝 하고자 하는 액체를 와이핑 (wiping)시， 상기 와이퍼와 상기 기판의 표면이 이루는 각도는 0°~90° 사이의 각도를 가지는 것일 수 있다.
복수개의 노즐은 동일한 색상의 액체 또는 각각 다른 색상의 액체를 분사하는 것일 수 있다.
복수개의 노즐은 동일한 액체 또는 각각 다른 종류의 액체를 분사하는 것일 수 있다.
상기 와이퍼의 표면은 평면으로 형성되는 것일 수 있다.
패터닝 하고자 하는 액체는， 기판과 단위 미세기둥의 변형을 일으킬 수 있는 물질을 제외한 액체， 또는 상기 액체에 세포나 DNA , 및 마이크로 비드 기타 고형물과의 흔합물을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면， 적어도 평평한 바닥면과 표면을 갖는 기판 (substrate) , 및 상기 기판의 표면에 수직으로 돌출된 형태로 형성되고， 원하는 하나의 형태를 이루도록 복수개의 단위 미세기등을 갖는 적어도 하나 이상의 미세구조물을 포함하는 장치의 상기 미세구조물 내부에 액체를 패터닝하는 방법으로서， 상기 기판의 일방향에서 타방향으로 액체를 이동시켜， 미세구조물의 상부 및 측면에서 발생하는 액체와 미세구조물간의 표면장력을 이용하여， 미세구조물 내부에 액체를 패터닝하는 액체 패터닝 방법이 제공될 수 있다.
상기 기판은 상부가 개방된 형태인 것일 수 있다.
상기 단위 미세기등의 재질은 친수성 물질 또는 소수성 물질로 이루어지는 것일 수 있다.
【발명의 효과】
본 실시예에 따르면， 기존의 채널형 패터닝 방법에 비하여 빠르고 간단하며 패턴의 형상 및 크기에 제약이 없으며， 또한， 액체, 특히， 미세 유체와 미세 구조물 (microstructure) 재질간 친화도와 무관하게 균일한 패터닝이 가능하고，
기존의 채널형에 비하여 상대적으로 대면적으로 패터닝 구현이 가능하며， 또한， 원하는 위치에만 미량의 액체의 패터닝이 가능하다.
또한， 정해진 위치에만 액체가 패터닝 되므로 세포생물학 및 기타 생물학 실험에 두루 응용될 수 있고， 가장 큰 장점은 패턴된 액체 (또는 세포， 물질 등)의 회수가 용이하다는 것이다.
또한， 복수개의 노즐을 이용하여 빠르고 간단하게 2종류 이상의 액체 패터닝이 가능하다. ·
【도면의 간단한 설명】
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 패터닝 장치의 예시적인 일부 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 패터닝 장치의 노즐 적용 상태를 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 패터닝 장치를 이용한 액체의 패터닝 과정 중 액체 흡수 (liquid imbibition) 과정을 나타낸 개략적인 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 패터닝 장치를 이용한 액체의 패터닝 과정 중 액체 분리 (liquid isolation) 과정을 나타낸 개략적인 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 패터닝 장치를 이용한 액체의 패터닝 과정 중 액체 흡수 (liquid imbibition) 과정을 나타낸 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 패터닝 장치를 이용한 액체의 패터닝 과정 중 액체 분리 (liquid isolation) 과정을 나타낸 사진이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 패터닝 장치를 이용하여 와이핑시 (패터닝시) 단위 미세구조물 간 거리에 따른 최대 와이핑 속도와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 패터닝 장치를 이용하여 액체 패터닝 하는 상태를 나타낸 사진이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 패터닝 장치의 다양한 패턴 형상과 크기로 형성된 미세구조물를 나타낸 사진이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 패터닝 장치를 이용하여 다양한 패턴 형상과 크기로 액체를 패터닝한 결과를 나타낸 사진이다
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 패터닝 장치를 이용하여 기판 표면에 형성된 액체 패턴을 나타낸 사진이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 패터닝 장치를 이용하여 액체 패터닝 후 복수의 미세구조물들 사이에 패터닝 된 세포와 하이드로젤의 흔합물을 나타낸 사진이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 패터닝 장치를 이용하여 액체 패터닝 후 미세구조물 내의 물질을 회수하는 상태를 나타내고.있다. 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 패터닝 장치를 이용하여 액체 패터닝 후 특정 위치의 세포 또는 물질의 좌표를 확인할 수 있는 상태를 나타내고 있다.
도 15은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 패터닝 장치가 웅용될 수 있는 컴퓨터를 이용한 실험 및 결과 분석 시스템의 모식도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 패터닝 장치의 미세구조물의 위치정보 (좌표)를 표시하는 하나의 예시적인 방법에 관한 것이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 패터닝 장치를 이용하여 패터닝 하는 상태를 나타내고 있다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 패터닝 장치의 와이핑 속도별 실험 결과를 나타내고 있다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 패터닝 장치에서 여러 개의 노즐을 이용하면 동시에 2종 이상의 액체 패턴을 만들 수 있는 상태를 나타내고 있다.
【발명을 실시하기 위한 구체적인 내용】
이하, 첨부한 도면을 참조하여， 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이， 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며， 본 발명올 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들아 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는" 의 의미는 특정 특성， 영역， 정수， 단계, 동작, 요소 및 /또는 성분을 구체화하며， 다른 특정 특성， 영역, 정수， 단계， 동작， 요소， 성분 및 /또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고， 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 패터닝 장치의 예시적인 일부 구성도이고， 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 패터닝 장치의 노즐 적용 상태를 도시한 구성도이고，
도 1 및 도 2를 참고하면， 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 패터닝 장치는， 액체와 복수의 단위 미세기등 (mi crostructure)으로 이루어진 미세구조물 사이의 표면장력에 의해 원하는 위치에 액체를 패터닝 하는 장치이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액체 패터닝 장치는， 적어도 평평한 바닥면 (110)과 표면 (120)을 갖는 기판 (substrateXlOO) ,
상기 기판 ( 100)의 표면 (110)에 수직으로 돌출된 형태로 형성되고， 원하는 하나의 형태를 이루도록 복수개의 단위 미세기등 (210)을 갖는 적어도 하나 이상의 미세구조물 (200) , 및
상기 기판 (100)의 표면 (120)에 패터닝 하고자 하는 액체 (300)를 미세구조물 (200)의 일방향에서 타방향으로 이동시켜 주기 위한 액체 이동부 (400)를 포함할 수 있다.
상기 액체 이동부 (400)는 기판 상에 도포된 액체에 물리적 힘을 가하여 액체를 이동시킬 수 있는 수단이라면， 모두 동일한 작용을 통해 동일한 효과를 구현할 수 있기 때문에 모두 채용 가능하고, 특정 수단에 한정하는 것은 아니다.
액체 이동부 (400)는 비한정적인 예시로， 상기 기판 표면의 액체 (300)를 미세구조물 (200)의 단위 미세기등 (210) 위로 와이핑 (wiping) 하기 위한 와이퍼 (wiper)를 포함할 수 있다. 이하， 본 발명의 일 실시예의 액체 패터닝 장치의 구동을 설명하기 위해서， 비한정적인 예시로서 액체 이동부를 와이퍼 (wiper)인 경우로 설명한다. 구체적이며 비한정적인 다른 예시로， 기체를 불어서 유체를 이동시키거나, 기름 (친수성 액체의 패터닝의 경우)과 같이 액체와 섞이지 않는 유체를 홀려 패터닝하고자 하는 유체를 이동시키는 방식 등의 수단의 채용이 가능함은 물론이다.
또한， 상기 미세구조물 (200)의 상부에 제공되어， 상기 기판 (100)의 표면 (120)에 액체를 분사하기 위한 복수개의 노즐 (미도시)을 포함할 수 있다.
또한, 효과적인 액체 (300)의 패터닝을 위해서는， 상기 각 단위 미세기등간의 거리 (L1)는 미세구조물 (300)간 거리 (L2)보다 작게 형성될 수 있다.
상기 액체 (300)의 와이핑 (wiping)시 상기 와이퍼 (410)를 미세구조물 쪽으로 직접 움직여도 되지만， 상기 기판 (100)을 와이퍼 (410) 방향으로 움직여도 액체의 패터닝이 가능함은 물론이다.
상기 기판 (100)의 재질은 기판의 상부에서도 액체가 유입될 수 있게 상부가 개방되어 있으므로 친수성 물질은 물론 소수성 물질도 가능하다. 상기 기판 ( 100)의 재질은, 폴리스티렌 (Polystyrene , PS) , 폴리카보네이트 (Polycarbonate , PC) , 폴리메틸메타크릴레이트
(polymethylmethacrylate , PMMA) , 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (Polyethylene terephthalate , PET) 등과 같은 대부분의 폴리머와， SU-8 , PEG-DA 등의 광경화성 물질， 알루미늄， 철 등의 금속， 실리콘과 같은 연성 재질의 물질 모두 사용 가능하다.
또한， 기판 ( 100)은 효과적인 액체 (300)의 패터닝을 위해서는 그 표면 ( 120)과 패터닝 하고자 하는 액체 (300)가 60°~ 120°의 접촉각을 갖는 재료로 이루어질 수 있다.
또한， 상기 기판 ( 100)의 재질은 소성을 갖는 재질 또는 탄성을 갖는 재질 모두 가능하다.
상기 미세구조물 (200)은 원하는 하나의 형태를 이루면서 상, 하， 좌, 우 매니스커스 (meni scus)를 형성할 수 있도록 배열된 복수개의 단위 미세기등 (210)을 포함하며， 상기 단위 미세기등 (210)은 상기 기판 ( 100)의 표면 ( 120)에 수직 방향으로 돌출된 형태로 형성될 수 있다.
상기 단위 미세기등 (210)의 재질은 친수성 물질 또는 소수성 물질 모두 가능하다.
상기 단위 미세기등 (210)의 재질은 기판의 재질과 동일한 물질로서 기판과 한 몸체로 이루어질 수 있지만， 목적 (필요)에 따라 기판과 상이한 물질을 사용할 수 있음은 물론이다.
또한, 상기 단위 미세기등 (210)의 재질로서 가능한 물질은 상기한 기판의 재질로서 사용한 물질과 동일하다.
상기 미세구조물 (200)간 거리는 필요에 따라 동일한 거리 또는 상이한 거리로 형성될 수 있다.
또한， 상기 각 단위 미세기등간의 거리도 필요에 따라 동일한 거리 또는 상이한 거리로 형성될 수 있다.
상기 단위 미세기둥 (210)은 상기 기판 ( 100)과 일체 (하나의 몸체)로 형성되거나， 별개로 제작한 후 기판 ( 100)의 표면 ( 120)에 부착하여도 무방하다.
상기 단위 미세기둥 (210)의 모양은 원기등에 한정되지 않으며， 사각기둥, 뿔 형태, 곡면 형태 등으로 형성될 수 있으며, 필요한 용도에 따라 여러 가지 모양으로 변경할 수 있음은 물론이다.
또한， 상기 미세구조물 (200)를 구성하는 각각의 단위 미세기등 (210)은 동일한 모양으로 형성될 수 있지만， 필요에 따라 각각 다른 모양으로 형성될 수 있음은 물론이다.
상기 단위 미세기등 (210)의 크기， 높이， 및 각 단위 미세기등 (210) 간의 거리는 패터닝 하고자 하는 액체의 종류 및 패터닝 속도에 따라 조절 가능하다.
상기 단위 미세기등 (210)의 모양이 원기등 형태일 경우， 예컨대 상기 단위 미세기둥 (210)의 직경은 100 /m~300 이고， 단위 미세기등 (210)의 높이는 100 ~500^이며， 단위 미세기둥 간의 거리 또는 미세구조물 사이의 거리는 100 /m~500 zm이되， 단위 미세기등간의 거리는 미세구조물 사이의 거리보다 짧을 수 있다. 다만， 이는 예시적인 것으로 이에 한정하는 것은 아니다.
또한, 패터닝 하고자 하는 액체 (300)의 종류는 크게 제한이 없으나， 지나치게 높은 표면 장력을 갖거나 지나치게 높은 점성을 갖는 액체는 패터닝 효율 및 균일성을 감소시킬 수 있으므로， 패터닝 하고자 하는 액체의 종류 및 패터닝 속도에 따라 표면 장력의 크기와 점성의 점도를 변경 (조절)할 수 있다.
패터닝 하고자 하는 액체 (300)의 가능한 물질은， 물, 기름， 하이드로젤 등 기판과 미세구조물의 변형을 일으킬 수 있는 물질을 제외한 대부분의 액체가 사용 가능하며， 특히， 콜라겐， 피브린젤， 마트리젤 등의 하이드로젤， PEG_DA 등의 감광제 및 기타 여러 종류의 액체 상태 물질이 모두 가능하다. 그리고， 패터닝 시 목적 (필요)에 따라 액체에 세포나 DNA, 및 마이크로 비드 기타 고형물과의 흔합물도 모두 사용 가능하다.
또한， 상기 액체 이동부 (400)의 와이퍼 (410)는 패터닝 하고자 하는 액체 (300)를 와이핑 (이동)하기 위한 것으로， 상기 와이퍼 (340)의 표면은 친수성 물질 또는 소수성 물질 모두 가능하다.
상기 와이퍼 (410)의 표면은 효과적인 액체 (300)의 패터닝을 위하여 평면으로 형성될 수 있다. 상기 액체 이동부 (300)의 와이퍼 (310)의 재질은 기판 표면에 돌출된 단위 미세기등과 접촉시 단위 미세기등을 손상시키지 않을 정도의 일정한 크기의 연성 (유연성 )을 갖는 재질로 이루어질 수 있다.
상기 와이퍼 (410)의 재질로는 실리콘이나 고무， PET 필름， PS 필름 등 연성 재질이 사용될 수 있다.
상기 와이퍼 (410)로 패터닝 하고자 하는 액체 (300)를 와이핑 (wiping)시， 와이퍼와 기판의 표면이 이루는 각도는 0°~90° 사이의 각도를 가질 수 있다.
그리고， 액체 패터닝 장치는 예컨대， 신약 개발 또는 화장품 개발을 위한 세포 독성 테스트， 질병 진단, 중합효소 연쇄 반응 (PCR: polymerase chain react ion) , 세포 생물학 연구 등과 같은 분야에 웅용 가능하다.
상기 노즐 (500)의 크기는 필요에 따라 조절될 수 있으며, 예컨대, 5~10인치의 직경을 가질 수 있다.
또한, 복수개의 노즐 (500)은 필요에 따라 각각 동일한 크기 또는 서로 다른 크기로 형성될 수도 있다.
복수개의 노즐 (500)은 필요에 따라 동일한 색상의 엑체 또는 각각 다른 색상의 액체를 분사할 수 있다.
또한， 복수개의 노즐 (500)은 필요에 따라 동일한 액체 또는 각각 다른 종류의 액체를 분사할 수 있다. 본 발명의 다른 일 실시예는， 적어도 평평한 바닥면과 표면을 갖는 기판 (substrate) , 및 상기 기판의 표면에 수직으로 돌출된 형태로 형성되고， 원하는 하나의 형태를 이루도록 복수개의 단위 미세기등을 갖는 적어도 하나 이상의 미세구조물을 포함하는 장치의 상기 미세구조물 내부에 액체를 패터닝하는 방법으로서， 상기 기판의 일방향에서 타방향으로 액체를 이동시켜, 미세구조물의 상부 및 측면에서 발생하는 액체와 미세구조물간의 표면장력을 이용하여， 미세구조물 내부에 액체를 패터닝하는 액체 패터닝 방법을 제공한다.
이는， 전술한 액체 패터닝 장치에서， 액체 이동부를 제외한 기판, 및 기판 상의 미세구조물을 포함하는 구조의 장치를 이용한 액체 패터닝 방법일 수 있다.
이러한 액체 패터닝 방법은， 미세구조물의 측면 뿐 아니라， 상부에서 발생하는 액체와 미세구조물간의 표면장력에 따라 발생하는 매니스커스는 이용할 수 있다. 이에， 측면에서 발생하는 매니스커스와 상부에서 발생하는 매니스커스가 합쳐져 미세구조물 내에 액체가 패터닝 될 수 있으며， 액체와 미세구조물 사이의 친화도와 관 계 없이 액체의 패터닝이 가능하다.
상기 기판은 상부가 개방된 형태인 것일 수 있다. 상부가 개방됨으로써， 미세구조물 상부에서의 매니스커스 활용이 용이할 수 있으며， 액체 패터닝 후 회수 또한 용이할 수 있다.
상기 단위 미세기등의 재질은 친수성 물질 또는 소수성 물질로 이루어지는 것일 수 있다. 이는， 상부에서 발생하는 매니스커스를 활용함으로써 가능해 지는 것으로서， 액체와의 친화도화 무관하게 단위 미세기둥의 재질은 친수성, 또는 소수성 물질 모두의 사용아 가능하다. 이하에서， 도 1 내지 도 6을 참조하여， 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 패터닝 장치의 작동에 대해서 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액체 패터닝 장치는, 수직으로 돌출된 형태의 단위 미세기둥 (microstructure)(210)을 갖는 복수개의 미세구조물 (200)을 갖는 기판 (100)의 표면 (120)에 패터닝 하고자 하는 예컨대， 액체 (300) 또는 히드로겔 (hydrogel)을 떨어뜨린 후 평평한 표면을 갖는 액체 이동부 (400)의 와이퍼 (410)로 상기 기판 (100) 표면 (120)의 액체 또는 히드로겔을 도 1의 화살표 방향과 같이 상기 기판 (100)의 일방향에서 타방향으로 쓸어 주면 (wiping) 액체 (300) 또는 히드로겔과 단위 미세기등 (microstructure)(210) 사이의 표면장력에 의해 원하는 위치에 액체가 패터닝 되는 것이다.
액체 패터닝은 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이， 액체 흡수 (liquid imbibition), 액체 분리 (liquid isolation)의 2단계로 구분될 수 있다.
[Phase 1： 액체 흡수 (Liquid Imbibition)]
액체 (300)를 와이핑하면 단위 미세기둥 (210)과 액체 (300) 사이에 매니스커스가 형성되며 액체 (300)가 미세구조물 (200) 안쪽으로 밀려 들어가게 된다. 이 때， 기판 ( 100)이 소수성 재질일 경우에는， 도 3， 도 5과 같이 미세구조물 (200) 가운데 부분으로는 유체가 들어가지 않지만 기판 ( 100) 위쪽에서 밀려 내려오는 매니스커스에 의해 측면 3개의 매니스커스가 합쳐지면서 미세구조물 (200) 안쪽이 액체로 다 차게 된다. 또한， 기판 (100)과 단위 미세기등 (210)이 친수성 재질일 경우에는， 무조건 액체가 잘 들어가므로 고려할 필요가 없다.
[Phase 2： 액체 분리 (Liquid Isolat ion) ]
액체 (300)가 미세구조물 (200) 안쪽에 들어 찬 이후에 계속 와이핑을 해주면 매니스커스를 형성하면서 액체 (300)가 와이핑 방향으로 이동된다. 이 때， 단위 미세기등 (210) 사이에 형성된 매니스커스와 외부의 매니스커스는 모두 같은 크기의 곡를반경을 가지므로 미세구조물 (200) 바깥쪽의 매니스커스가 훨씬 빨리， 그리고 멀리 이동하게 되면서 결과적으로는 미세구조물 (200) 내에 액체가 패터닝 된다.
또한， 본 발명의 액체 패터닝 장치는 액체의 표면장력을 이용한 방법이므로 액체 이동 시 관성의 영향보다 표면장력의 영향이 더 클 경우에만 가능하다. 따라서， 표면장력과 관성력 사이의 관계를 나타내는 웨버넘버 (Weber number )를 이용하면 패터닝이 가능한 유체의 종류， 단위 미세기등 간의 거리 및 와이핑 속도의 계산 및 예측이 가능하다.
We=(pLu2)/
p =densi ty of l iquid (액체의 밀도)
o =surface tension of l iquid (액체의 표면장력)
L= length between two mi crostructures(2개의 단위 미세기등 사이의 거리)
u=veloci sy of moving l iquid (wiping speed) [액체의 이동 속도 (와이핑 속도) ]
이 때， 표면장력의 영향이 더 크다는 것은 웨버넘버 (Weber number )가 1보다 작다는 의미이므로
Figure imgf000015_0001
을 만족시키는 조건에서만 패터닝이 가능하다.
예를 들어， 100 um 간격으로 배열된 미세 구조물에 물을 패터닝 할 경우
^e plu 2 ) /σ= ( ΙΟΟΟχΙΟΟχ ( 10 ) ~6xu2 )/0.07« l
을 만족시켜야 한다.
이 식을 계산하면 lOOum 간격으로 배열된 미세구조물이 (200)에 액체， 예컨대， 물을 패터닝 하려면 와이핑 속도는 약 0.8½/s 보다 느려야 한다는 것을 알 수 있다.
이와 같은 방법으로 물 이외의 다른 액체의 패터닝이나 간격이나 크기가 다른 미세구조물 (200)에서의 패터닝 시 결과를 예측할 수 있고， 이를 고려하여 액체 패터닝 장치 및 자동 패터닝 시스템을 설계할 수 있다. 도 7을 참조하면， 하기와 같이, 단위 미세기등간 거리가 멀수록 천천히 와이핑 (wiping) 해야 하는 것을 알 수 있다.
Umax@100um = 0.8367 m/s
Umax@200um = 0.5916 m/s
Figure imgf000016_0001
Umax@400um = 0.4183 m/s
Umax@500um = 0.3742 m/s
Umax@600um = 0.3416 m/s
Umax@700um = 0.3162 m/s
Umax@800um = 0.2958 m/s
U @900um = 0.2789 m/s
도 8 내지 도 10을 참고하면， 본 발명의 비채널형 액체 패터닝 장치는 기존의 채널형 액체 패터닝 장치에 비해 빠르고 간단하며 패턴 형상 및 크기의 제한이 없음을 알 수 있다.
도 11은 50 mm X 50 隱 기판 표면에 형성된 8000개 액체 패턴을 나타낸 사진이다.
도 12는 단위 미세기등 사이에 패터닝된 Hydrogel+mi croalgae 흔합물을 나타낸 사진이다.
도 12에 도시된 바와 같이， 본 발명의 액체 패터닝 장치를 이용하여 원하는 위치에만 미량의 세포 또는 액체 패터닝 가능함을 알 수 있다 (R0I f ix , 기존 페트리디쉬 등의 방법에 비해 극소량의 세포 및 액체만 필요) . 도 13， 및 도 14를 참고하면， 본 발명에 따른 액체 패터닝 장치는 상단이 오픈된 기판 표면 상에서 이루어 지기 때문에， 기존 마이크로 채널 안에서의 패터닝 방법으로는 불가능했던 물질의 회수가 가능하다.
와이핑을 통한 액체 패터닝 후， 현미경으로 관찰하며 원하는 결과를 나타내는 특정 위치의 세포 또는 물질의 좌표를 확인하고 직접 눈으로 보며 좌표의 위치상에 패터닝 된 세포 또는 물질을 피펫 (700) 등을 이용하여 회수가 가능하다.
또한， 도 15， 및 도 16과 같이 각 미세구조물마다 고유의 위치 정보 (예 ： 좌표)를 표시하여 매 실험시 마다 특정 위치를 찾아야 하는 번거로움을 없앨 수 있으며 컴퓨터를 이용한 패턴 인식을 통해 별도의 모니터링 (motor ized stage) 없이 정확한 위치를 확인할 수 있으며 이미지의 크기, 밝기， 회전 등 편집이 자동으로 이루어지는 시스템 개발에 이용 가능하다. 또한 실험 결과 분석을 위한 이미지 편집도 자동으로 이루어질 수 있다.
도 17은 본 발명에 따른 액체 패터닝 장치를 이용하여 패터닝 하는 상태를 나타내고 있으며， 도 18은 본 발명에 따른 액체 패터닝 장치의 와이핑 속도별 실험 결과를 나타내고 있고, 도 19는 본 발명에 따른 액체 패터닝 장치에서 여러 개의 노즐을 이용하면 동시에 2종 이상의 액체 패턴을 만들 수 있는 상태를 나타내고 있다.
【부호의 설명】
100 : 기판 110： 바닥면
120： 표면 300： 액체
400： 액체 이동부 410： 와이퍼
500： 노즐

Claims

【청구범위】
【청구항 1]
적어도 평평한 바닥면과 표면을 갖는 기판 (substrate) ,
상기 기판의 표면에 수직으로 돌출된 형태로 형성되고， 원하는 하나의 형태를 이루도록 복수개의 단위 미세기등을 갖는 적어도 하나 이상의 미세구조물， 및
상기 기판 표면의 패터닝 하고자 하는 액체를 미세구조물의 일방향에서 타방향으로 이동시켜 주기 위한 액체 이동부
를 포함하는 액체 패터닝 장치 .
【청구항 2】
제 1항에 있어서，
상기 액체 패터닝 장치는， 상부가 개방된 형태인 것인 액체 패터닝 장치.
【청구항 3】
거 12항에 있어서，
상기 단위 미세기등의 재질은 친수성 물질 또는 소수성 물질로 이루어지는 것인 액체 패터닝 장치.
【청구항 4]
제 1항에 있어서，
상기 미세구조물의 상부에 제공되어， 상기 기판의 표면에 액체를 분사하기 위한 복수개의 노즐을 포함하는 것인 액체 패터닝 장치.
【청구항 5】
제 1항에 있어서,
상기 기판의 재질은 친수성 물질 또는 소수성 물질로 이루어지는 것인 액체 패터닝 장치.
【청구항 6】
제 5항에 있어서，
상기 기판은 그 표면과 패터닝 하고자 하는 액체가 0°~ 170°의 접촉각을 갖는 재료로 이루어지는 것인 액체 패터닝 장치.
【청구항 7】
게 1항에 있어서， 상기 단위 미세기등의 모양은 원기등， 사각기등， 뿔 형태， 곡면 형태 중 적어도 어느 하나의 형태로 형성되는 것인 액체 패터닝 장치.
【청구항 8]
제 1항에 있어서，
상기 액체 이동부는 상기 기판 표면의 액체를 미세구조물의 단위 미세기등 위로 와이핑 (wiping) 하기 위한 와이퍼 (wiper )를 포함하는 것인 액체 패터닝 장치.
【청구항 9】
제 7항에 있어서，
상기 와이퍼의 표면은 친수성 물질 또는 소수성 물질로 이루어지는 것인 액체 패터닝 장치.
【청구항 10]
제 9항에 있어서，
상기 와이퍼의 재질은 기판 표면에 돌출된 단위 미세기등과 접촉시 단위 미세기등을 손상시키지 않을 정도의 일정한 크기의 연성을 갖는 재질로 이루어지는 것인 액체 패터닝 장치.
【청구항 11]
제 10항에 있어서，
상기 와이퍼로 패터닝 하고자 하는 액체를 와이핑 (wiping)시， 상기 와이퍼와 상기 기판의 표면이 이루는 각도는 0°~90° 사이의 각도를 가지는 것인 액체 패터닝 장치.
【청구항 12]
제 4항에 있어서,
복수개의 노즐은 동일한 색상의 액체 또는 각각 다른 색상의 액체를 분사하는 것인 액체 패터닝 장치.
【청구항 13]
제 4항에 있어서，
복수개의 노즐은 동일한 액체 또는 각각 다른 종류의 액체를 분사하는 것인 액체 패터닝 장치.
【청구항 14】 제 8항에 있어서，
상기 와이퍼의 표면은 평면으로 형성되는 것인 액체 패터닝 장치.
【청구항 15]
제 8항에 있어서，
상기 액체의 패터닝 실시 시 와이퍼가 이동하면서 패터닝 하거나， 와이퍼는 고정되어있고 미세구조물을 포함한 기판 자체가 이동하면서 패터닝 하는 것인 액체 패터닝 장치.
【청구항 16】
제 1항에 있어서，
패터닝 하고자 하는 액체는， 기판과 미세구조물의 변형을 일으킬 수 있는 물질을 제외한 액체， 또는 상기 액체에 세포나 DNA, 및 마이크로 비드 기타 고형물과의 흔합물을 포함하는 것인 액체 패터닝 장치 .
【청구항 17]
적어도 평평한 바닥면과 표면을 갖는 기판 (substrate) , 및
상기 기판의 표면에 수직으로 돌출된 형태로 형성되고, 원하는 하나의 형태를 이루도록 복수개의 단위 미세기등을 갖는 적어도 하나 이상의 미세구조물을 포함하는 장치의 상기 미세구조물 내부에 액체를 패터닝하는 방법으로서,
상기 기판의 일방향에서 타방향으로 액체를 이동시켜， 미세구조물의 상부 및 측면에서 발생하는 액체와 미세구조물간의 표면장력을 이용하여， 미세구조물 내부에 액체를 패터닝하는 액체 패터닝 방법.
【청구항 18]
계 17항에 있어서，
상기 기판은 상부가 개방된 형태인 것인， 액체 패터닝 방법.
【청구항 19】
제 17항에 있어서，
상기 단위 미세기등의 재질은 친수성 물질 또는 소수성 물질로 이루어지는 것인， 액체 패터닝 방법.
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