KR100758273B1 - 플라스틱 기반 미소 가열기 및 그 제조방법, 이를 이용한ｄｎａ 증폭칩 및 그 제조방법 - Google Patents

플라스틱 기반 미소 가열기 및 그 제조방법, 이를 이용한ｄｎａ 증폭칩 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바이오 미소 전기기계 소자(Bio-Micro Electric-Mechanical Systme, Bio-MEMS)에 관한 것으로, 특히 바이오 미소 전기기계 소자 분야에서 나선구조의 핵산(Deoxyribo Nucleic Acid, 이하, DNA라 함) 관련 진단 및 분석에 필수적인 DNA 증폭, 즉 중합효소 연쇄반응(Polymerase Chain Reaction, 이하, PCR이라 함)에 사용될 수 있는 박막형 플라스틱 기판을 이용한 미소 가열기와 실리콘 구조체, 그리고, 이들을 결합하여 구현된 DNA 증폭칩 및 DNA 증폭칩 어레이에 관한 것이다.
Bio MEMS, 바이오 칩, DNA 증폭칩, PCR, 미소 가열기, 실리콘 구조체, 반응챔버

Description

플라스틱 기반 미소 가열기 및 그 제조방법, 이를 이용한 ＤＮＡ 증폭칩 및 그 제조방법{A PLASTIC BASED MICROFABRICATED THERMAL DEVICE AND A METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME, AND A DNA AMPLIFICATION CHIP AND A METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME USING THE SAME}
도 1은 본 발명의 실시예1에 따른 미소 가열기를 설명하기 위하여 도시한 단면도.
도 2a 내지 도 2e는 도 1에 도시된 미소 가열기의 제조방법을 설명하기 위하여 도시한 공정 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예2에 따른 실리콘 마이크로 챔버를 설명하기 위하여 도시한 단면도.
도 4a 내지 도 4c는 도 3에 도시된 실리콘 마이크로 챔버의 제조방법을 설명하기 위하여 도시한 공정 단면도.
도 5는 본 발명의 실시예3에 따른 나선 구조의 핵산(DNA) 증폭칩을 설명하기 위하여 도시한 단면도.
도 6은 도 5에 도시된 DNA 증폭칩을 여러 개 배열하여 제작된 DNA 증폭칩 어레이를 도시한 단면도.
도 7은 본 발명의 실시예4에 따른 DNA 증폭칩을 설명하기 위하여 도시한 단면도.
도 8은 도 7에 도시된 DNA 증폭칩을 여러 개 배열하여 제작된 DNA 증폭칩 어레이를 도시한 단면도.
도 9의 (a)는 도 1에 도시된 미소 가열기를 실제 구현한 사진.
도 9의 (b)는 도 5에 도시된 DNA 증폭칩을 실제 구현한 사진.
도 10은 전형적인 중합효소 연쇄반응(PCR) 방법의 온도-시간 응답 특성 그래프.
도 11은 도 5에 도시된 DNA 증폭칩을 도 10에 도시된 PCR 방법의 온도 제어를 수행하기 전, 수행한 후, 일반적인 기계 PCR 장치에서 수행한 후로 각각 분리하여 각각의 PCR 결과물을 전기영동법(electrophoresis)을 통한 형광 사진법으로 비교 분석한 사진.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 미소 가열기 11 : 플라스틱 기판
12A : 히터 12B : 온도센서
12C : 전극 12D, 12E : 패드
12F : 열확산층 13A : 절연막
20 : 실리콘 마이크로 챔버 21A : 실리콘 기판
23 : 반응챔버 30 : 무기물 오일 덮개
40 : 평판
본 발명은 바이오 미소 전기기계 소자(Bio-Micro Electric-Mechanical System, Bio-MEMS)에 관한 것으로, 특히 바이오 미소 전기기계 소자 분야에서 나선구조의 핵산(Deoxyribo Nucleic Acid, 이하, DNA라 함) 관련 진단 및 분석에 필수적인 DNA 증폭, 즉 중합효소 연쇄반응(Polymerase Chain Reaction, 이하, PCR이라 함)에 사용될 수 있는 박막형 플라스틱 기판을 이용한 미소 가열기와 실리콘 마이크로 챔버 및 이들의 제조방법, 그리고, 이들을 결합하여 구현된 DNA 증폭칩과 DNA 증폭칩 어레이 및 이들의 제조방법에 관한 것이다.
최근들어, 바이오 기술(biotechnology)이 발달함에 따라 DNA 등을 이용하여 질병을 진단할 수 있는 의료용 마이크로 소자(lap on a chip)에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이러한 의료용 마이크로 소자는 실시간 진단과 일회용 사용이 가능하도록 하기 위해 소형화 및 저가격화가 추구되고 있다.
의료용 마이크로 소자 중 DNA를 처리하기 위한 DNA 마이크로 소자는 DNA를 처리하기 위해 높은 온도로 가열하는 작업이 필요하다. 특히, 세포 분해, DNA 증폭-PCR(Polymerase Chain Reaction)-, 반응 조절, 유체 이송 등을 위해서는 40~100℃ 정도의 열로 가열하는 작업이 필요하다. 현재 이와 같은 DNA 처리를 위한 미소 가 열 소자들이 많이 개발되고 있으나, 주로 실리콘과 유리를 이용한 경우가 대부분이다.
특히, DNA 마이크로 소자를 적용하기 위해서는 휴대용 배터리에 적합하도록 전력 소모가 적고, 실시간 진단을 위해 짧은 분석 시간이 요구된다. 이를 위해, 열적 고립이 가능하고, 열적 질량이 적은 구조체의 설계 및 제작이 필요하다. 지금까지의 구조체들은 대부분 실리콘을 소재로 한 반도체 제조 기술로 제조되었다. 그 이유는 반도체 제조 기술이 잘 확립되어 있고, 미소한 패턴 형성이 가능하기 때문이다.
예를 들면, 미국특허 제5,589,136호(Northrup et al., 1996. 12.), 미국특허 제5,716,842호(William J. Benett et al., 1998. 2.) 및 대한민국 특허 제10-0450818호(Yoon D et al., 2004. 09.)에서는 여러 개의 챔버(chamber)를 갖는 열순환 소자, 즉 DNA 증폭칩을 실리콘 기판에 가열 열선과 온도센서가 형성하는 포토리소그래피(photolithography) 공정과 실리콘 에칭(etching) 기술을 이용하여 제조하였다.
이러한 기술들을 이용하면, 모든 반응 챔버에 대해 가열 히터를 구현할 수 있지만, 반응 챔버 간의 제한된 열적 고립 특성 때문에 열적 간섭(cross-talk)을 제거하기는 어렵다. 따라서, 독립된 온도 순환 규칙을 갖는 챔버에는 적용이 어려운 문제점이 있다. 또한, 실리콘을 이용하기 때문에 소자의 성능은 우수하지만, 반도체 제조 기술이 가능한 고청도의 실험실과 고비용의 장비들이 필요하기 때문에 제조 비용이 상승되고, 시간이 많이 소요되어 일회용 진단 도구에는 적용이 어렵 다.
한편, 또 다른 기술로, UC Berkeley 대학의 R.A. Mathies 그룹은 2001년 2월 1일, 'Analytic Chemistry'지, "single-molecule DNA amplification and analysis in an integrated microfluidic device"라는 제목으로 미소 전기영동소자(Capillary Electrophoresis, CE) 및 반응 챔버와 결합한 시스템을 유리기판을 이용하여 제조하고, 유리기판 상에서 PCR을 실시하는 기술을 제안하였다. 그러나, 이 기술은 유리기판의 가공이 어렵기 때문에 열적 질량이 작은 가열 박막을 만들지 못한다. 그러므로, 전력 소모가 크고, 반응 속도가 아주 느려 별도의 PID(Proportion-Integration-Devivation) 제어기를 부가해야 하는 문제점을 갖고 있다.
전술한 바와 같이, 실리콘이나 유리를 사용하면 열적 고립 특성이 낮고, 기판의 가공이 어려운 단점이 있다. 또한, 실리콘이나 유리의 가격이 높기 때문에 제조 비용이 많이 소요된다. 이에 따라, 실리콘과 유리와 같은 열적 특성을 가지면서 실리콘과 유리에 비해 가격면에서 저렴하고, 가공성이 용이한 다른 소재의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 다음과 같은 목적들이 있다.
첫째, 본 발명은 실리콘이나 유리보다 가격이 저렴하여 제조 단가를 크게 개 선시키면서 저전력으로도 균일한 온도 제어가 가능한 미소 가열기 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
둘째, 본 발명은 열적 질량을 감소시킬 수 있는 미소 가열기 및 그 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
셋째, 본 발명은 새로운 제조 기술을 개발하지 않고도 일반적으로 널리 알려진 반도체 제조 기술을 이용하여 제조할 수 있는 미소 가열기 및 그 제조방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
넷째, 본 발명은 열 균일성을 높일 수 있는 미소 가열기 및 그 제조방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
다섯째, 본 발명은 열 균일성 및 응답시간을 개선시킬 수 있는 반응챔버를 구비한 실리콘 마이크로 챔버 및 그 제조방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
여섯째, 본 발명은 상기 미소 가열기와 상기 실리콘 마이크로 챔버를 결합하여 제조된 DNA 증폭칩 및 그 제조방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
일곱째, 본 발명은 상기한 DNA 증폭칩 제조방법을 통해 제조된 DNA 증폭칩 어레이 및 그 제조방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 일 측면에 따른 본 발명은, 플라스틱 기판과, 상기 플라스틱 기판 상면에 형성되어 상기 플라스틱 기판에 열을 가하는 가열수단과, 상기 플라스틱 기판 상면에 형성되어 열을 감지하는 감지수단과, 상기 플라스 틱 기판 배면에 형성되어 상기 플라스틱 기판으로 열을 확산시키는 확산수단을 포함하는 플라스틱 기반 미소 가열기를 제공한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 다른 측면에 따른 본 발명은, 플라스틱 기판과, 상기 플라스틱 기판 상면에 형성되어 상기 플라스틱 기판에 열을 가하는 가열수단과, 상기 플라스틱 기판 상면에 형성되어 열을 감지하는 감지수단과, 상기 플라스틱 기판 배면에 형성되어 상기 플라스틱 기판으로 열을 확산시키는 확산수단을 포함하는 플라스틱 기반 미소 가열기를 구비하고, 오목부를 구비하고, 상기 오목부가 상부를 향하도록 상기 미소 가열기 상부에 접합된 실리콘 마이크로 챔버와, 상기 실리콘 마이크로 챔버의 상기 오목부를 덮어 반응챔버를 형성하는 덮개를 포함하는 DNA 증폭칩을 제공한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 또 다른 측면에 따른 본 발명은, 플라스틱 기판을 제공하는 단계와, 상기 플라스틱 기판의 상면에 히터, 전극, 패드 및 온도 센서를 형성하는 단계와, 상기 플라스틱 기판의 배면에 열확산층을 형성하는 단계와, 상기 히터, 상기 전극, 상기 패드, 상기 온도 센서 및 상기 열확산층을 덮도록 상기 플라스틱 기판의 상면과 배면에 각각 절연막을 형성하는 단계와, 상기 전극 및 상기 패드의 일부분이 노출되도록 상기 절연막을 식각하는 단계를 포함하는 플라스틱 기반 미소 가열기의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 또 다른 측면에 따른 본 발명은, 플라스틱 기판을 제공하는 단계와, 상기 플라스틱 기판의 상면에 히터, 전극, 패드 및 온도 센서를 형성하는 단계와, 상기 플라스틱 기판의 배면에 열확산층을 형성하는 단 계와, 상기 히터, 상기 전극, 상기 패드, 상기 온도 센서 및 상기 열확산층을 덮도록 상기 플라스틱 기판의 상면과 배면에 각각 절연막을 형성하는 단계와, 상기 전극 및 상기 패드의 일부분이 노출되도록 상기 절연막을 식각하는 단계를 통해 형성된 미소 가열기를 제공하는 단계와, 오목부를 갖는 실리콘 마이크로 챔버를 상기 미소 가열기 상부에 접합시키는 단계와, 상기 오목부를 덮어 반응챔버를 형성하는 단계를 포함하는 DNA 증폭칩의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 도면부호(또는, 참조부호)로 표시된 부분은 동일한 요소들을 나타낸다.
실시예1
도 1은 본 발명의 실시예1에 따른 미소 가열기를 설명하기 위하여 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예1에 따른 미소 가열기는 플라스틱 기판(11) 상면에 형성된 히터(heater, 12A), 온도센서(12B), 전극(12C) 및 다수의 패드(12D, 12E)를 포함하고, 또한, 플라스틱 기판(11)의 배면에 형성된 열확산층(12F)을 포함한다. 그리고, 히터(12A), 온도센서(12B), 전극(12C), 패드(12D, 12E) 및 열확산층(12F)을 덮도록 플라스틱 기판(11)의 상면과 배면에는 절연막(13A)이 형성된다. 이때, 절연막(13A)은 전극(12C)과 패드(12D, 12E)의 일정 부 위가 노출되도록 패터닝된다.
플라스틱 기판(11)은 포토리소그래피 공정을 적용할 수 있을 정도의 표면 편평도(예컨대, 0.1~500nm), 포토리소그래피 공정에 사용되는 약품들과의 호환성, 그리고 얇은 두께(예컨대, 1~500㎛)를 가지며, 열전도가 낮고, 열적 질량이 아주 적은 플라스틱으로 이루어진다. 이에 따라, 플라스틱 기판(11)의 표면 편평도와 두께는 웨이퍼 정도의 크기에서 0.01㎛의 두께와 1㎛ 정도의 넓이로 미세패턴 형성이 가능하도록 한다. 예컨대, 플라스틱 기판(11)은 포토리소그래피 공정에 사용되는 약품들과의 호환성을 위해 액상의 무기물(water glass) 혹은 유기물 박막-예컨대 에폭시(epoxy) 등 내열성 및 내화학성 유기물- 등으로 코팅(coating)된 후 열처리될 수 있다.
예컨대, 플라스틱 기판(11)으로는 COC(Cyclo Olefin Copolymer), PMMA(PolyMethylMethAcrylate), PC(PolyCarbonate), COP(Cyclo Olefin Polymer), LCP(Liquid Crystalline Polymers), PDMS(PolyDiMethylSiloxane), PA(PolyAmide), PE(PolyEthylene), PI(PolyImide), PP(PolyPropylene), PPE(PolyPhenylene Ether), PS(PolyStyrene), POM(PolyOxyMethylene), PEEK(PolyEtherEtherKetone), PET(PolyEthylenephThalate), PTFE(PolyTetraFluoroEthylene), PVC(PolyVinylChloride), PVDF(PolyVinyliDene Fluoride), PBT(PolyButyleneTerephthalate), FEP(Fluorinated EthyleneproPylene), PFA(PerFluorAlkoxyalkane) 등의 폴리머(polymer) 또는 이들의 혼합물을 이용할 수 있다.
또한, 플라스틱 기판(11)은 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정으로 처리된 금형을 이용한 사출성형(injection molding)이나, 압출성형(extrusion molding), 핫 엠보싱(hot embossing) 방법 또는 캐스팅(casting), 광성형(stereolithography), 레이저 어블레이션(laser ablation), 쾌속조형(rapid prototyping), 주조, 실크스크린(silk screen)방법뿐만 아니라, NC(Numerical Control) 기계가공(machining)과 같은 기계가공법 또는 포토리소그래피 공정과 식각공정을 이용한 반도체 제조기술을 이용하여 제조할 수 있다.
한편, 히터(12A)와, 온도센서(12B)와, 전극(12C)과, 다수의 패드(12D, 12E)와, 열확산층(12F)은 백금 또는 금과 같은 귀금속 물질을 이용하여 동시에 형성할 수 있다.
히터(12A)는 플라스틱 기판(11)에 열을 제공하고, 전극(12C)과 다수의 패드(12E, 12E)는 히터(12A)에 전원을 공급하며, 온도센서(12B)는 플라스틱 기판(11)의 온도를 감지한다.
열확산층(12F)은 플라스틱 기판(11)의 배면에 형성되고, 이를 통해 플라스틱 기판(11)에 발생된 열을 균등하게 확산시켜 전체 플라스틱 기판(11)의 열균일성을 높여 준다. 이러한 열확산층(12F)은 열전도성 물질을 사용하며, 예컨대 금속 또는 흑연을 사용한다.
절연막(13A)은 유기물 또는 무기물을 이용하여 형성할 수 있다. 먼저, 무기물을 이용하는 경우에는 물유리(water glass) 등을 이용해서 수 내지 수십 ㎛ 두께로 스핀(spin), 스프레이(spray) 혹은 합판(laminating) 코팅 방식으로 성막이 가 능하며, 50~300℃의 온도에서의 열처리 공정을 통해 플라스틱 기판(11)의 거친 표면을 평탄화할 수 있다. 유기물을 이용하는 경우에는 에폭시 수지 등을 이용해서 수 ㎛ 두께로 스핀 혹은 스프레이 코팅 방식으로 성막이 가능하며, 50~300℃의 온도의 열처리 공정을 통해 플라스틱 기판(11)에 대해 내화학성 및 내열성을 부가시킬 수 있다.
한편, 플라스틱 기판(11)의 배면에 형성된 절연막(13A)은 절연뿐만 아니라, 열확산층(12F)에 의한 열 확산을 플라스틱 기판(11)의 상면으로 유도하는 기능을 수행한다.
이하, 도 1에 도시된 본 발명의 실시예1에 따른 미소 가열기의 제조방법을 설명하기로 한다.
도 2a 내지 도 2e는 미소 가열기의 제조방법을 설명하기 위하여 도시한 공정 단면도이다.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 두께가 1~500㎛인 박막형 플라스틱 기판(11)을 제공한다. 이때, 플라스틱 기판(11)은 전술한 바와 같이 COC, PMMA, PC, COP, LCP, PDMS, PA, PE, PI, PP, PPE, PS, POM, PEEK, PET, PTFE, PVC, PVDF, PBT, FEP, PFA 등의 폴리머 또는 이들의 혼합물을 이용하여 CMP 공정으로 처리된 금형을 이용한 사출성형이나, 핫 엠보싱 방법 또는 캐스팅, 광성형, 레이저 어블레이션, 쾌속조형, 실크스크린 방법뿐만 아니라, NC 기계가공과 같은 기계가공법 또는 포토리소그래피 공정과 식각공정을 이용한 반도체 제조 기술을 이용하여 제조할 수 있다. 또한, 플라스틱 기판(11)에서 가열영역, 즉 히터(12A, 도 2d참조)와 온도 센서(12B, 도 2d참조)가 형성될 영역을 일부 식각하여 가열영역에 오목부(미도시)를 형성할 수도 있으며, 이를 통해 히터(12A)와 온도센서(12B)가 상기 오목부에 형성되도록 하여 열적 고립을 향상시킬 수도 있다.
한편, 도 2a를 통해 설명한 바와 같이 플라스틱 필름(11)은 유연성이 커 반도체 제조 공정이 용이하지 않기 때문에 실리콘 혹은 유리 웨이퍼와 같은 단단한 기판에 접착 및 탈착 제어가 용이한 접착물질을 이용하여 고정시켜 작업할 수도 있다.
이어서, 도 2b에 도시된 바와 같이, 플라스틱 기판(11) 상면과 배면에 각각 금속층(12)을 증착한다. 이때, 금속층(12)으로는 도전성을 갖는 물질은 모두 사용할 수 있으나, 백금 또는 금과 같이 열 전도성이 높은 귀금속 계열의 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
이어서, 도 2c에 도시된 바와 같이, 포토리소그래피 공정과 식각공정을 실시하여 플라스틱 기판(11)의 상면에 형성된 금속층(12)을 식각한다. 이로써, 플라스틱 기판(11) 상면에는 히터(12A), 온도센서(12B), 전극(12C), 패드(12D, 12E)가 형성된다.
이어서, 플라스틱 기판(11)을 180°회전시켜 플라스틱 기판(11)의 배면이 위로 향하게 한 다음 다시 포토리소그래피 공정과 식각공정을 실시하여 플라스틱 기판(11)의 배면에 형성된 금속층(12)을 식각한다. 이로써, 플라스틱 기판(11)의 배면에는 열확산층(12F)이 형성된다.
이어서, 도 2d에 도시된 바와 같이, 히터(12A), 온도센서(12B), 전극(12C), 패드(12D, 12E) 및 열확산층(12F)을 덮도록 플라스틱 기판(11)의 상면과 배면에 각각 절연막(13)을 형성한다. 이때, 절연막(13)은 전술한 바와 같이 유기물 또는 무기물을 이용하여 형성할 수 있다. 먼저, 무기물을 이용하는 경우에는 물유리 등을 이용해서 수 내지 수십 ㎛ 두께로 스핀, 스프레이 혹은 합판 코팅 방식으로 성막이 가능하며, 50~300℃의 온도에서의 열처리 공정을 통해 플라스틱 기판(11)의 거친 표면을 평탄화할 수 있다. 유기물을 이용하는 경우에는 에폭시 수지 등을 이용해서 수 ㎛ 두께로 스핀 혹은 스프레이 코팅 방식으로 성막이 가능하며, 50~300℃의 온도의 열처리 공정을 통해 플라스틱 기판(11)에 대해 내화학성 및 내열성을 부가시킬 수 있다.
이어서, 도 2e에 도시된 바와 같이, 포토리소그래피 공정 및 식각공정을 순차적으로 실시하여 절연막(13, 도 2d참조)을 식각한다. 이로써, 플라스틱 기판(11)의 상면에 형성된 전극(12c)과 다수의 패드(12d, 12e)의 일부가 노출되는 절연막 패턴(13A)이 형성된다. 이때, 식각공정은 습식식각 또는 건식식각공정 모두 사용할 수 있다.
상기에서 포토리소그래피 공정이라 함은 감광막을 도포한 후 포토 마스크를 이용한 노광 및 현상공정을 순차적으로 실시하여 감광막 패턴을 형성하기 위한 공정을 말한다.
실시예2
도 3은 본 발명의 실시예2에 따른 실리콘 마이크로 챔버를 설명하기 위하여 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예2에 따른 실리콘 마이크로 챔버는 실리콘 기판(21A)으로 이루어진다. 여기서, 실리콘 기판(21A)은 열 균일성 및 응답 시간이 실시예1의 플라스틱 기판(11)을 기반으로 하는 미소 가열기의 열 특성과 부합되며, 미소 유체에 대한 온도 및 생화학적 반응을 조절하기 위해 유체가 유입 및 유출되는 입구 및 출구(미도시), 반응이 일어나도록 유체를 한정하는 반응챔버(23), 밸브 및 믹서(미도시)와, 입구 및 출구와 반응챔버(23)를 연결하는 유로(미도시) 등이 형성된다.
한편, 반응챔버(23)는 미소 가열기의 가열영역과 대응되는 실리콘 기판(21A)의 중앙부에 오목부 형태로 형성되며, 이 오목부는 다른 부위에 비해 얇기 때문에 열적으로 고립(thermal isolation)되고 열적 질량이 적어 열 응답 특성이 양호하다.
이하, 도 3에 도시된 본 발명의 실시예2에 따른 실리콘 마이크로 챔버의 제조방법을 설명하기로 한다.
도 4a 내지 도 4c는 실리콘 마이크로 챔버의 제조방법을 설명하기 위하여 도시한 공정 단면도이다.
먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(21) 상에 절연막(22)을 증착한다. 이때, 절연막(22)은 실리콘 기반의 산화물(예컨대, SiO2) 또는 질화물(예컨대, SiON)로 형성하거나, 혹은 감광막으로 형성한다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 절연막(22)을 감광막으로 형성하는 경우를 일례로 들어 설명하며, 감광막을 '22'로 표기한다.
이어서, 도 4b에 도시된 바와 같이, 감광막(22)을 포토 마스크(photo mask)를 이용한 노광 공정 및 현상 공정을 순차적으로 실시하여 감광막 패턴(22A)을 형성한다.
이어서, 도 4c에 도시된 바와 같이, 감광막 패턴(22A)을 이용한 식각공정을 실시하여 실리콘 기판(21, 도 4b참조)을 식각한다. 이로써, 실시예1을 통해 제조된 미소 가열기(10)의 가열영역-도 1에 도시된 미소 가열기에서 히터(12A), 온도센서(12B) 및 전극(12C)이 형성된 영역-에 대응되는 중앙부에 반응챔버(23)가 형성된다. 이때, 반응챔버(23)를 형성하기 위한 식각공정은 습식식각 또는 건식식각공정 모두 적용할 수 있다. 예컨대, 습식식각공정의 경우에는 수산화 칼륨(KOH), TMAH(Tetra-Methyl Ammonium Hydroxide) 등이 사용될 수 있고, 건식식각공정의 경우에는 깊은 반응성 이온식각(Deep Reactive Ion Etching, DRIE) 공정으로 SF6 등의 화학 약품이 사용될 수 있다.
상기에서는 실리콘 마이크로 챔버를 일체형으로 형성된 구조에 대해 설명하였으나, 이는 일례로서 반응챔버(23)를 둘러싸는 지지벽을 별도로 분리하여 형성할 수도 있다.
한편, '21A'는 반응챔버(23)가 형성된 실리콘 기판을 표시한다.
실시예3
도 5는 본 발명의 실시예3에 따른 DNA 증폭칩 및 그 제조방법을 설명하기 위 하여 도시한 단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예3에 따른 DNA 증폭칩은 도 1에 도시된 실시예1에 따른 미소 가열기(10)와, 도 3에 도시된 실시예2에 따른 실리콘 마이크로 챔버(20)를 접합시켜 제조한다. 또한, 실리콘 마이크로 챔버(20) 상부에는 무기물 오일로 이루어진 덮개(30)가 결합된다.
이하, 본 발명의 실시예3에 따른 DNA 증폭칩의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
도 5에 도시된 바와 같이, 미소 가열기(10) 상부에 실리콘 마이크로 챔버(20)가 안착되도록 상호 물리적으로 접합시킨다. 이때, 접합방법은 접합을 돕고 열전도를 원활하게 하기 위하여 패스트(paste) 또는 컴파운드(compound) 등과 같은 고전도성 재료로 사용할 수 있다. 또한, 미소 가열기(10)와 실리콘 마이크로 챔버(20)를 클립 형태의 부가적인 구조체를 이용하여 강제적으로 체결하거나, 미소 가열기(10)와 실리콘 마이크로 챔버(20) 중 하나에 양각 모양의 홈을 만들고, 나머지 하나에 음각 모양의 홈을 만들어 끼우는 방법으로 두 기판을 접합할 수 있으며, 이러한 접합을 사용할 경우에는 미세한 틈새가 발생하지 않도록 접촉면에 탄성을 가진 폴리머층을 개재시킬 수도 있다.
한편, PCR 방법을 이용한 DNA 증폭 과정에서 유전자 샘플의 증발을 막기 위하여 미소 가열기(10)와 접합된 실리콘 마이크로 챔버(20)의 반응챔버(23)를 덮도록 무기물 오일로 이루어진 덮개(30)를 결합시킨다. 이와 같이, 실리콘 마이크로 챔버(20)의 반응챔버(23)를 덮도록 무기물 오일 덮개(30)를 결합시키는 이유는 실 리콘 마이크로 챔버(20) 내부에 가열 도중에 발생되는 기포를 방출시키는 동시에 유전자 샘플의 증발을 방지하기 위함이다.
한편, 도 6은 도 5에 도시된 DNA 증폭칩을 여러 개 배열하여 형성한 DNA 증폭칩 어레이(array)를 도시한 단면도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, DNA 증폭칩 어레이는 도 5에 도시된 단일 DNA 증폭칩 제조방법을 이용하여 일괄적으로 제조할 수 있다.
실시예4
도 7은 본 발명의 실시예4에 따른 DNA 증폭칩 및 그 제조방법을 설명하기 위하여 도시한 단면도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예4에 따른 DNA 증폭칩은 실시예3의 DNA 증폭칩과 유사하며, 단지 실시예3의 DNA 증폭칩에서 사용된 무기물 오일 덮개(30) 대신 평판 덮개(40)를 사용한다. 즉, 평판 덮개(40)를 제외한 다른 구성은 실시예3의 DNA 증폭칩과 동일함에 따라 공통 구성요소에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예4에 따른 DNA 증폭칩은 실리콘 마이크로 챔버(20)의 덮개로 평판을 사용한다. PCR 방법을 이용한 DNA 증폭 과정 중 평판 덮개(40)에 압력(50)을 가함으로써 반응챔버(23) 내에서 가열 도중에 발생하는 기포 확대를 억제하면서 동시에 샘플의 증발을 방지해 주는 역할을 하도록 하기 위함이다.
한편, 도 8은 도 7에 도시된 DNA 증폭칩을 여러 개 배열하여 형성한 DNA 증 폭칩 어레이를 도시한 단면도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, DNA 증폭칩 어레이는 도 7에 도시된 단일 DNA 증폭칩 제조방법을 이용하여 일괄 병렬적으로 제조할 수 있다.
도 9의 (a)는 도 1에 도시된 미소 가열기(10)의 전면 사진으로서, 실제 폴리이미드(polyimide) 플라스틱 필름 상에 FPC 공정으로 제조된 플라스틱 미소 가열기의 사진이다. 또한, 도 9의 (b)는 도 5에 도시된 미세 DNA 증폭칩의 전면 사진이다.
도 9의 (a)에 도시된 사진은 70㎛ 두께의 투명한 폴리이미드 플라스틱 기판을 이용하여 미소 가열기를 제조한 도면으로서, 표시하진 않았지만 플라스틱 기판의 상면에는 히터, 전극, 온도센서가 형성되고, 그 배면에는 열확산층 등 다양한 소자들이 미소 패턴으로 형성되어 있다. 도 9의 (b)에 도시된 사진은 도 9의 (a)에 도시된 미소 가열기 상에 실리콘 마이크로 챔버가 접합된 DNA 증폭칩을 도시한 사진으로서, 미소 가열기의 플라스틱 기판(11) 상에 패드(12E), 그리고 미소 가열기와 접합된 실리콘 마이크로 챔버의 실리콘 기판(21A), 반응챔버(23) 등이 표시되어 있으며, 또한, 반응챔버(23)를 덮도록 그 상부에 무기물 오일 덮개(30)가 결합되어 있는 것을 알 수 있다.
이하, 도 5에 도시된 실시예3을 통해 제조된 DNA 증폭칩의 특성을 설명하기로 한다.
도 5에 도시된 DNA 증폭칩의 증폭 특성을 비교하기 위하여 전형적인 PCR 방법을 이용하였다.
도 10은 전형적인 PCR 방법의 온도-시간 응답 특성 그래프이고, 도 11은 실시예3의 DNA 증폭칩을 PCR 방법의 온도 제어를 수행하기 전("칩 PCR 이전"으로 표기), 수행한 후("칩 PCR 이후"로 표기), 그리고 실시예3의 DNA 증폭칩 대신에 일반적으로 사용되고 있는 기계 PCR 장치에서 수행한 후('기계 PCR 후'로 표기), 각각의 PCR 결과물을 전기영동법(electrophoresis)을 통한 형광 사진법으로 비교 분석한 사진이다.
각 실험군-칩 PCR 이후, 기계 PCR 후-에 사용된 PCR 증폭 대상은 인간 유방암 억제 유전자인 'BRCA1'를 사용하였다. 각 PCR 과정은 각 실험군마다 동일하게 적용되었다. 즉, 혈액을 채취한 후 그 혈액으로부터 'BRCA1'을 추출하여 게놈(genomic) DNA 유전자 증폭을 수행하였다. 이때, 증폭과정은 DNA 가닥의 열 변성 단계(denaturation step-95℃), 결합 단계(annealing step-54℃), DNA 합성 신장 반응 단계(extension step-72℃)를 순차적으로 대략 18분 동안 30회 사이클(cycle) 동안 수행하였다.
그 결과, 도 11에 도시된 바와 같이, 실시예3을 통해 제조된 DNA 증폭칩에서 DNA 증폭한 결과는 일반적인 기계 PCR 장치를 이용하여 수행한 결과와 아주 비슷하거나, 오히려 더 선명한 패턴을 보였다. 즉, 실시예3을 통해 제조된 DNA 증폭칩이 우수한 DNA 증폭 특성을 보이는 것을 전기영동을 통한 형광 사진으로 확인할 수 있었다.
상기에서 설명한 바와 같이 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예들을 통해 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제 한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명은 이 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예들이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과들을 얻을 수 있다.
첫째, 본 발명에 의하면, 박막 플라스틱 기판을 이용하여 미소 가열기를 제조함으로써 실리콘이나 유리보다 가격이 저렴하여 제조 단가를 크게 개선시킬 수 있으며, 더욱이, 가열영역이 플라스틱 기판으로 이루어짐에 따라 저전력으로도 균일한 온도 제어가 가능하며, 여러 가지 시료들을 빠르게 열처리하여 반응 및 분석할 수 있다.
둘째, 본 발명에 의하면, 열적 질량이 작은 얇은 두께(1~500㎛)의 절연성 박막 플라스틱 기판을 이용하여 미소 가열기를 제조함으로써 열적 질량을 감소시킬 수 있다.
셋째, 본 발명에 의하면, 포토리소그래피 공정과 같은 반도체 제조 기술을 이용하여 플라스틱 기판 상면에 미세 패턴을 형성하고, 이를 통해 히터, 온도센서, 전극 및 패드와 같은 미세 소자를 제조함으로써 새로운 제조 기술의 개발없이 일반적인 반도체 제조 장비를 그대로 이용하여 제조하는 것이 가능하여 그 만큼 공정을 단순화할 수 있으며, 별도의 공정 개발비를 절약할 수 있다.
넷째, 본 발명에 의하면, 상면에 히터, 온도센서, 전극 및 패드와 같은 미세 소자가 형성된 플라스틱 기판의 배면에 열확산층을 형성함으로써 열 균일성을 높일 수 있다.
다섯째, 본 발명에 의하면, 플라스틱 기반의 미소 가열기의 열 특성에 부합하는 실리콘을 이용하여 반응챔버를 구비한 실리콘 마이크로 챔버를 제조함으로써 열 균일성 및 응답시간을 개선시키는 것이 가능하여 실시간 휴대용 소형 반응기에 적용할 수 있다.
여섯째, 본 발명에 의하면, 상기한 미소 가열기와 실리콘 마이크로 챔버를 접합시켜 DNA 증폭칩을 제조함으로써 미세하고 정확한 온도 제어를 필요로 하는 PCR 칩, 단백질 칩, 약물주입기(drug delivery system), DNA 마이크로 소자, 미소 생물/화학 반응기(micro biological/chemical reactor)를 포함한 다양한 바이오 소자에 적용할 수 있다.

Claims (27)

  1. 플라스틱 기판;
    상기 플라스틱 기판 상면에 형성되어 상기 플라스틱 기판에 열을 가하는 가열수단;
    상기 플라스틱 기판 상면에 형성되어 열을 감지하는 감지수단; 및
    상기 플라스틱 기판 배면에 형성되어 상기 플라스틱 기판으로 열을 확산시키는 확산수단
    을 포함하는 플라스틱 기반 미소 가열기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열수단, 상기 감지수단 및 상기 확산수단을 덮도록 상기 플라스틱 기판의 상면과 배면에 각각 형성된 절연막을 더 포함하는 플라스틱 기반 미소 가열기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열수단은,
    상기 플라스틱 기판 상면에 형성된 히터;
    상기 플라스틱 기판 상면에 형성되어 상기 히터와 연결된 전극; 및
    상기 플라스틱 기판의 상면에 형성되어 상기 전극을 통해 상기 히터로 전원을 공급하는 패드
    를 포함하는 플라스틱 기반 미소 가열기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 확산수단은 상기 가열수단과 상기 감지수단과 동일한 물질로 이루어진 플라스틱 기반 미소 가열기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열수단, 상기 감지수단 및 상기 확산수단은 금속패턴으로 이루어진 플라스틱 기반 미소 가열기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 확산수단은 금속 또는 흑연으로 이루어진 플라스틱 기반 미소 가열기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라스틱 기판은 폴리머 또는 상기 폴리머가 조합된 혼합물로 이루어진 플라스틱 기반 미소 가열기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라스틱 기판은 COC, PMMA, PC, COP, LCP, PDMS, PA, PE, PI, PP, PPE, PS, POM, PEEK, PET, PTFE, PVC, PVDF, PBT, FEP 및 PFA 중 선택된 어느 하나 또는 이들이 조합된 혼합물로 이루어진 플라스틱 기반 미소 가열기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라스틱 기판은 액상의 무기물 또는 유기물 박막으로 코팅 처리된 플라스틱 기반 미소 가열기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라스틱 기판은 상기 가열수단과 상기 감지수단이 형성된 부위가 오목하게 들어간 오목부를 갖는 플라스틱 기반 미소 가열기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라스틱 기판은 1~500㎛ 두께로 형성된 플라스틱 기반 미소 가열기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라스틱 기판은 0.1~500nm의 표면 평면도를 갖는 플라스틱 기반 미소 가열기.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 하나의 구성을 갖는 미소 가열기;
    오목부를 구비하고, 상기 오목부가 상부를 향하도록 상기 미소 가열기 상부에 접합된 실리콘 마이크로 챔버; 및
    상기 실리콘 마이크로 챔버의 상기 오목부를 덮어 반응챔버를 형성하는 덮개
    를 포함하는 DNA 증폭칩.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 실리콘 마이크로 챔버는 접합물질을 통해 상기 미소 가열기의 절연막에 접착된 DNA 증폭칩.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 덮개는 무기물 오일 또는 평판으로 이루어진 DNA 증폭칩.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 미소 가열기, 상기 실리콘 마이크로 챔버 및 상기 덮개는 단일 플라스틱 기판 상에 복수 개가 어레이 형태로 배치된 DNA 증폭칩.
  17. 플라스틱 기판을 제공하는 단계;
    상기 플라스틱 기판의 상면에 히터, 전극, 패드 및 온도 센서를 형성하는 단계;
    상기 플라스틱 기판의 배면에 열확산층을 형성하는 단계;
    상기 히터, 상기 전극, 상기 패드, 상기 온도 센서 및 상기 열확산층을 덮도록 상기 플라스틱 기판의 상면과 배면에 각각 절연막을 형성하는 단계; 및
    상기 전극 및 상기 패드의 일부분이 노출되도록 상기 절연막을 식각하는 단계
    를 포함하는 플라스틱 기반 미소 가열기의 제조방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 히터, 상기 전극, 상기 패드 및 상기 온도 센서를 형성하는 단계는,
    상기 플라스틱 기판의 상면에 금속층을 증착하는 단계; 및
    상기 금속층을 식각하여 금속패턴을 형성하는 단계
    를 포함하는 플라스틱 기반 미소 가열기의 제조방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 플라스틱 기판의 배면에 상기 열확산층을 형성하는 단계는,
    상기 플라스틱 기판의 배면에 금속층을 형성하는 단계; 및
    상기 금속층을 식각하여 금속패턴을 형성하는 단계
    를 포함하는 플라스틱 기반 미소 가열기의 제조방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 플라스틱 기판은 폴리머 또는 상기 폴리머가 조합된 혼합물로 형성하는 플라스틱 기반 미소 가열기의 제조방법.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 플라스틱 기판은 COC, PMMA, PC, COP, LCP, PDMS, PA, PE, PI, PP, PPE, PS, POM, PEEK, PET, PTFE, PVC, PVDF, PBT, FEP 및 PFA 중 선택된 어느 하나 또는 이들이 조합된 혼합물로 형성하는 플라스틱 기반 미소 가열기의 제조방법.
  22. 제 17 항에 있어서,
    상기 플라스틱 기판은 액상의 무기물 또는 유기물 박막으로 코팅 처리하여 형성하는 플라스틱 기반 미소 가열기의 제조방법.
  23. 제 17 항에 있어서,
    상기 플라스틱 기판은 사출성형, 압출성형, 광성형, 레이저 어블레이션, 쾌속조형, 주조, 실크스크린 또는 기계가공법으로 형성하는 플라스틱 기반 미소 가열기의 제조방법.
  24. 제 17 항 내지 제 23 항 중 어느 하나의 제조방법을 통해 제조된 미소 가열기를 제공하는 단계;
    오목부를 갖는 실리콘 마이크로 챔버를 상기 미소 가열기 상부에 접합시키는 단계; 및
    상기 오목부를 덮어 반응챔버를 형성하는 단계
    를 포함하는 DNA 증폭칩의 제조방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 덮개는 무기물 오일 또는 평판으로 형성하는 DNA 증폭칩의 제조방법.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 실리콘 마이크로 챔버를 형성하는 단계는,
    실리콘 기판 상에 절연막을 증착하는 단계;
    상기 절연막을 식각하여 식각 마스크를 형성하는 단계; 및
    상기 식각 마스크를 이용한 식각공정을 통해 상기 실리콘 기판을 일정 깊이로 식각하여 상기 오목부를 형성하는 단계
    를 포함하는 DNA 증폭칩의 제조방법.
  27. 제 24 항에 있어서,
    상기 실리콘 마이크로 챔버를 상기 미소 가열기 상부에 접합시키는 단계는 접착물질을 이용하는 DNA 증폭칩의 제조방법.
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