KR101099089B1 - 다층 버스 바를 이용한 미세입자 분류기 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

다층 버스 바 배열(multilayered bus bar design)을 이용하여 미세전극 트랙의 면적을 넓히고, 미세 전극 간의 간격에 구배(gradient)를 형성하여 속도 차에 의해 미세 입자를 분류하기 위한 다층 버스 바를 이용한 미세입자 분류기 및 그 제조방법이 개시된다.

개시된 다층 버스 바를 이용한 미세입자 분류기는, 서로 다른 위상을 공급하기 위한 다층 버스 바와 상기 다층 버스 바에 연결되는 전극 트랙을 구비하고, 상기 다층 버스 바를 이용하여 상기 전극 트랙의 면적을 넓혀 다량의 미세입자를 분류하는 것으로서, 다층 버스 바 구조를 통해 기존 버스 바의 저항 문제를 제거함으로써, 넓은 면적의 TwDEP 칩을 제공해주게 되며, 미세 전극 간의 간격에 전기장구배(gradient)를 형성하여, 전극들 간에 간격이 10㎛부터 40㎛까지 점진적으로 증가하도록 미세전극 트랙을 구현함으로써, 미세 입자에 작용하는 중력, TwDEP힘과 네거티브 DEP힘의 균형이 이루어지는 위치가 미세전극 트랙에 따라 점진적으로 변화하여, 최종적으로 미세 입자를 그들의 물리적 속성(크기, 전기적 속성)에 따라 특정 위치에 트랩 시켜 분류하게 되는 것이다.

입자분리, 다층 버스 바, 미세전극 트랙, 전극 트랙의 면적

Description

다층 버스 바를 이용한 미세입자 분류기 및 그 제조방법{Microbead separator using a multilayered bus bar and manufacturing method thereof}

본 발명은 다층 버스 바 배열(multilayered bus bar design)을 이용하여 미세전극 트랙의 면적을 넓히고, 미세 전극 간의 간격에 전기장 구배(gradient)를 형성하여 속도 차에 의해 미세 입자를 분류하기 위한 다층 버스 바를 이용한 미세입자 분류기 및 그 제조방법에 관한 기술이다.

최근 의학 치료나 줄기세포(stem cell) 등을 이용한 세포대체요법(cell replacement therapy), 약물 검사(drug screening), 세포 역학 연구 등에서 살아있는 세포(미세입자)를 분류하여 분석하는 방법이 많이 쓰이고 있다.

세포를 분류하는 방법에는 주로 FACS(fluorescenceactivated cell sorting)와 MACS(magnetic-activated cell sorting)가 사용되어 왔다. 이러한 방법들은 원하는 세포의 항원-항체반응을 이용하여 분류를 하기 때문에, 특정 세포에 대한 항체가 개발되어 있지 않으면 적용이 불가능하며, 항체 및 형광 분자 부착 등의 분류를 위한 실험 과정이 복잡하다는 단점이 있다.

하지만, 교류 전기장과 세포와의 전기적 특성과의 상관 관계를 이용한 유전 영동(dielectrophoresis, DEP)을 이용한다면, 복잡한 준비 과정이 없이 분류가 가능하며 MEMS기술을 이용하여 칩을 제작하기 때문에 단가도 싸다. 또한, 바이러스나 줄기세포, 암세포, 박테리아 등 다양한 세포의 분류가 가능하다는 장점도 있다. 유전 영동을 이용한 분류 방법으로는 유전 영동 기반의 dielectric affinity column 방법, 세포를 집중(concentration) 시키는 방법, 진행파 유전영동(travelling wave dielectrophoresis: TwDEP)을 이용한 방법 등이 제안되어 왔다. Dielectric affinity column과 세포를 집중시키는 방법은 음과 양(negative and positive)의 유전 영동을 이용하여 한 종류의 세포를 전극에 붙잡고 다른 종류의 세포를 전극으로부터 밀어내는 방식으로 이루어진다. 하지만, 두 세포 간에 전기적 특성이 크게 다를 경우에 분류가 가능하며 여러 종류의 세포를 한꺼번에 분류하기가 힘들다.

진행파 유전 영동이란 분극(polarization)이 가능한 입자들이 선형적으로 진행하는 전기장에 의하여 힘을 받아 움직이는 것을 말한다. 선형적으로 진행하는 전기장은 도 1과 같이 미세전극(microelectrode)에 0°, 90°, 180°, 270°의 위상 차(quadrature phase)를 갖는 교류 사인(sinusoidal)파를 각각의 미세전극에 차례대로 반복하여 주면 발생하게 된다. 진행파 유전 영동에 의한 힘은 입자와 그 입자가 들어있는 배양액(medium)에 따라 받는 힘이 다른데, 이를 이용한 세포 분류에 관한 연구들이 진행되어왔다. TwDEP 칩의 전극은 다양한 방법으로 제작되어 왔는데, 나선(spiral) 모양, 버스 바와 기찻길형태의 트랙을 분리한 다층 전극 형태와 버스 바와 트랙을 분리하지 않은 형태 등이 있다. 이중 일반적으로 가장 넓은 면적

의 TwDEP를 제작할 수 있는 형태가 도 2a 및 도 2b에 개시된 'ㄹ'자 모양의 버스 바(bus bar)를 이용한 트랙 모양의 전극이며, 여러 종류가 섞인 세포를 고속으로 분류가능하다. 기존 연구에 따르면 미세 전극과 전극 사이를 10μm간격으로 평행하게 배열 한 이 트랙의 길이가 적어도 2mm가 되었을 때 충분한 양의 세포를 순도 높게 분류를 할 수 있고, 그 면적이 넓어질수록 더 많은 양의 세포를 분류할 수 있다. 즉 트랙 면적의 세로길이 역시 늘이면 고 처리량(high throughput)으로 세포를 분류할 수 있게 된다. 현재 이러한 특성을 적용하여 만든 TwDEP칩 중 20×20㎟ 크기의 칩이 가장 넓다.

하지만, 기존의 버스 바를 이용한 다층구조의 미세 전극 배열 기술은, 도 2a 및 도 2b에 도시한 바와 같이 'ㄹ'자 형태의 버스 바의 저항에 의하여 면적을 더 넓히는데 그 한계를 드러내고 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 기존 'ㄹ'자 버스 바를 이용한 다층구조의 미세 전극 배열 기술을 이용한 세포 분리 방법에서 발생하는 제반 문제점을 해소하기 위해서 제안된 것으로서,

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 다층 버스 바 배열(multilayered bus bar design) 기술을 이용하여 미세전극 트랙의 면적을 넓힐 수 있도록 한 다층 버스 바를 이용한 미세입자 분류기 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 미세 전극 간의 간격에 전기장 구 배(gradient)를 형성하여 속도 차에 의해 미세 입자를 분류하도록 한 다층 버스 바를 이용한 미세입자 분류기 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 과제들을 해결하기 위한 본 발명에 따른 "다층 버스 바를 이용한 미세입자 분류기"는,

서로 다른 위상을 공급하기 위한 다층 버스 바와 상기 다층 버스 바에 연결되는 전극 트랙을 구비하고, 상기 다층 버스 바를 이용하여 상기 전극 트랙의 면적을 넓혀 다량의 미세입자를 분류하는 것을 특징으로 한다.

상기 다층 버스 바를 이용한 미세입자 분류기의 전극 트랙은,

다수의 미세 전극이 평행하게 배열된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전극 트랙은 미세 전극 간의 간격에 전기장 구배를 형성하여, 상기 미세입자를 물리적 속성(크기, 전기적 속성)에 따라 특정 위치에 트랩시켜 분류하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전극 트랙은 모든 영역에 걸쳐 저항값을 일정하게 유지하여 동일한 입자가 같은 행에 위치하도록 하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 과제들을 해결하기 위한 본 발명에 따른 "다층 버스 바를 이용한 미세입자 분류기"는,

서로 다른 위상을 공급하기 위한 제1 버스 바와 상기 서로 다른 위상 중 특 정의 위상을 외부와 연결하기 위한 패드를 포함하는 위상 공급부와;

상기 서로 다른 위상 중 상기 특정의 위상을 제외한 위상을 외부와 연결하기 위한 패드와 제 2 버스 바를 구비하고, 전극 트랙을 이용하여 다량의 미세입자를 고속 분리하는 입자 분류부; 및

상기 위상 공급부와 입자 분류부 사이에 게재되고, 상기 전극 트랙과 위상 공급부의 버스 바를 선택적으로 연결해주는 절연부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 다층 버스 바를 이용한 미세입자 분류기의 전극 트랙은,

다수의 미세 전극이 평행하게 배열된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전극 트랙은 미세 전극 간의 간격에 전기장 구배를 형성하여, 상기 미세입자를 물리적 속성(크기, 전기적 속성)에 따라 특정 위치에 트랩시켜 분류하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전극 트랙은 모든 영역에 걸쳐 저항값을 일정하게 유지하여 동일한 입자가 같은 행에 위치하도록 하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 과제들을 해결하기 위한 본 발명에 따른 "다층 버스 바를 이용한 미세입자 분류기 제조방법"은,

세정이 이루어진 유리 기판 위에 크롬(Cr)과 금(Au)을 전자빔 증착기를 이용해 소정 두께로 증착한 후, 사진공정을 통해 버스 바와 제1 위상 공급용 패드를 패 터닝하고 습식 식각을 이용해 전극을 제외한 나머지 금속을 제거하는 제1공정과;

상기 제1공정이 이루어진 후 남은 금속 및 유리 가판 위에 플라스마 화학기상 증착장치(PECVD)를 이용하여 이산화규소(SiO2)와 질화 규소(silicon nitride) 및 이산화규소를 차례대로 증착하여 절연 층을 형성하는 제2공정과;

하부의 버스 바와 상부 전극 트랙을 선택적으로 연결하기 위해 반응성 이온식각장치(RIE)를 이용하여 상기 절연 층에 구멍을 형성하는 제3공정과;

상기 전자빔 증착기를 이용하여 크롬과 금을 순서대로 증착하고, 건식 식각(dry etching)하여 전극 트랙과 제2 위상 공급용 패드를 패터닝하는 제4공정과;

상기 절연층 위에 상기 PECVD를 이용하여 질화 규소를 소정 두께로 증착하여 상기 전극 트랙을 보호하는 제5공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 기존의 'ㄹ'자 형태의 버스 바에 기반한 다층 전극 배열의 칩이 아닌 다층 버스 바에 기반한 칩(미세입자 분류기)을 이용하여 다량의 미세입자를 고속으로 분류할 수 있는 장점이 있다.

또한, 기존에 제작되었던 칩은 면적을 증가시키기 위해 버스 바의 길이를 늘이면 저항이 급격히 증가하여 면적에 한계가 있었으나, 본 발명에 따르면 다층 버스 바 구조를 통해 기존 버스 바의 저항 문제를 제거함으로써, 넓은 면적의 TwDEP 칩을 제공해주는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 미세 전극 간의 간격과 미세 전극 넓이를 동일하게 제작하는 기존의 방식과는 달리 전극들 간에 간격이 10㎛부터 40㎛까지 점진적으로 증가하도록 미세전극 트랙을 구현함으로써, 미세 입자에 작용하는 중력, TwDEP힘과 네거티브 DEP힘의 균형이 이루어지는 위치가 미세전극 트랙에 따라 점진적으로 변화하여, 최종적으로 미세 입자를 그들의 물리적 속성(크기, 전기적 속성)에 따라 특정 위치에 트랩 시켜 분류되도록 하는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 무한한 양의 다양한 세포를 한번에 고속으로 분류할 수 있으므로, 다양한 세포의 분류는 살아있는 단일 세포를 이용하여 연구를 진행하고 있는 세포 대체요법, 약물 검사 및 세포 역학 기초 분석에 적용 가능한 장점이 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기에 앞서, 미세입자와 유전 영동과의 관계에 대해서 이론적인 고찰을 하면 다음과 같다.

구형 입자가 균질한 배양액(homogeneous medium)에 담겨 있을 때 사인 파를 주었을 경우 유전 영동의 힘은 아래의 식과 같다.

여기서

은 배양액의 유전율(permittivity)을 나타내며, r은 입자의 직경, Re(fcm)은 클라우시우스-모소티 인자(Clausius-Mossotti factor)의 실수부(in-phase)를, IM(fcm)는 허수부(out-phase)를 나타낸다. Clausius-Mossotti factor는 다음과 같다.

은 각각 입자와 미디엄의 복소 유전율(complex permittivity)을 나타내며, 복소 유전율은

로 나타낸다.

ε는 유전율, σ는 전도율(conductivity), ω는 각 주파수(angular frequency) 그리고

이다. 이 Clausius-Mossotti 인자는 유전 영동 힘의 방향을 결정하게 되는데, 양의 값일 때 전기장의 구배(gradient)가 증가하는 방향으로, 음의 값일 때는 전기장의 구배가 감소하는 쪽으로 힘이 작용하게 된다.

특히, 진행파 유전 영동은 Clausius-Mossotti factor가 음의 값을 갖게 될 때 발생하게 되는데, 서로 다른 네 개의 사인 신호 파(0°, 90°, 180°, 270°)를 주게 되면 전극에서 음의 유전 영동 힘에 의해 전극에서 멀어져 부상(levitation)하게 되고, Im( fcm)과 값에 의하여 진행파 유전 영동 힘을 받게 된다. 이때 진행 파 유전 영동에 의한 힘은 다음 식과 같이 나타낸다.

여기서 λ는 4d1 + 4d2로서, 도 1에서 보이듯이 d1은 미세 전극의 폭을 나타내고, d2는 미세 전극과 미세 전극 사이의 거리를 나타낸다. Im(fcm)이 양의 값일 경우 진행파 유전 영동의 반대방향으로, 음일 경우는 진행파 유전 영동의 방향으로 미세 입자가 움직이게 된다. Stokes 정리에 의하여 진행파 유전 영동 힘은 점성에 의한 항력과 균형을 이루게 되며 속도는 다음과 같다.

여기서 η는 미디엄의 점성을 나타낸다. 전극 간격이 증가할수록 TwDEP 힘이 감소, 미세 입자의 속도가 느려질 뿐만 아니라 미디엄 내에서 미세입자가 뜨는 높이가 점점 감소하고, 결국 전극 넓이보다 줄어들어 부양(levitation) 힘을 받지 못하고 멈추게 된다. 또한, 서로 다른 전기적 특성을 갖는 미세 입자들은 각각의 선형적인 속도가 다르기 때문에 미세전극 트랙의 가로방향으로 분류를 할 수 있다.

본 발명에서는 트랙 내 미세전극 간의 간격을 10μm에서 40μm까지 점진적으로 증가시켜 파장에 전기장 구배(gradient)를 만들어, 미세 입자에 작용하는 중력, TwDEP힘과 네거티브 DEP힘의 균형이 이루어지는 위치가 미세전극 트랙에 따라 점진적으로 변화하여, 최종적으로 미세 입자를 그들의 물리적 속성(크기, 전기적 속성)에 따라 특정 위치에 트랩 시켜 분류하도록 하였다.

도 3a는 본 발명에 따른 다층 버스 바를 이용한 미세입자 분류기의 구조를 도시한 것이고, 도 3b는 개략적인 단면도이다.

이에 도시한 바와 같이, 서로 다른 네 가지 위상을 공급하기 위한 제1 버스 바(11 ~ 14)와 상기 네 가지 위상 중 특정의 위상(90°, 180°)을 외부와 연결하기 위한 패드(15)(16)를 포함하는 위상 공급부(10)와, 상기 네 가지 위상 중 상기 특정의 위상을 제외한 위상(0°, 270°)을 외부와 연결하기 위한 패드(31)(32)와 제 2 버스 바(33)(34)를 구비하고, 전극 트랙(35)을 이용하여 다량의 미세입자를 고속 분리하는 입자 분류부(30); 및 상기 위상 공급부(10)와 입자 분류부(30) 사이에 게재되고, 상기 전극 트랙(35)과 위상 공급부(10)의 버스 바(11 ~ 14)를 선택적으로 연결해주는 구멍(21)을 구비한 절연부(20)로 이루어진다.

기존의 다층 배열 전극 기술을 이용한 TwDEP 칩(분류기)은 도 2a에 도시한 바와 같이, 세 층으로 구성되어 있다. 첫 번째 층은 네 가지 위상을 공급하기 위한 버스 바와 이를 외부 전원과 연결하는 네 개의 패드, 두 번째 층은 마지막에 배열하게 될 미세 전극과 선택적으로 연결할 수 있게 구멍을 낸 절연 층, 마지막 세 번째 층은 실제 진행파를 주는 미세전극이 배열되어있다. 하지만, 한 층에만 버스 바를 배열하였기 때문에 전체적인 칩의 크기가 증가하게 되면 저항에 의하여 전압을 충분히 공급할 수가 없다.

이러한 저항 문제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 다층으로 버스 바를 배열 하였다.

제안하는 칩 구조 역시 크게 세 층으로 나누었지만, 도 3a에 도시된 바와 같이, 외부 전원과 연결하는 패드와 버스 바의 배열에서 차이가 있다. 첫 번째 층(a)은 네 가지의 위상 차를 줄 수 있는 버스 바와 이 중 90°, 180°위상을 외부와 연결할 수 있는 패드, 두 번째 층(b)은 세 번째 층에서 배열하게 될 전극과 아래층의 버스 바가 필요한 부분만 선택적으로 연결될 수 있게 구멍을 낸 절연 층, 마지막 층(c)은 0°, 270°위상을 외부와 연결할 수 있게 하는 패드 및 버스 바와 넓이

10μm의 미세 전극(microelectrode)이 평행하게 배열되어 트랙(track)을 이루고 있는 층이다. 트랙의 미세전극은 다음 전극과의 간격이 1mm 구간마다 1μm씩 늘어나 10μm에서 40μm까지 점차 증가하게 하였다. 도 5는 실제로 제작한 31×25㎟ 크기의 진행파 유전 영동 미세입자 분류 칩의 사진이다.

이러한 다층 버스 바를 이용한 미세입자 분류기(칩)를 제조하는 방법이 도 4a 내지 도 4e에 개시된다.

4a는 클리닝을 한 유리 기판(101) 위에 전자빔 증착기(electron beam evaporator; E-beam evaporator)를 이용하여 크롬(Cr)을 300Å, 금(Au)을 2500Å 두께로 증착 한 후, 사진공정(photolithography)을 통해 버스 바(103)와 위상 공급용 패드(105)를 패터닝을 하고, 습식 식각(wet etching)을 이용해 전극을 제외한 나머지 금속을 제거한다.

다음으로, 4b와 같이, 플라스마 화학기상 증착장치(Plasma enhanced chemical vapor deposition; PECVD)를 이용하여 이산화규소(SiO2)를 5000Å, 질화 규소(silicon nitride)를 2500Å, 마지막으로 다시 이산화규소를 2500Å을 차례대로 쌓아 절연층(107)을 형성한다.

다음으로, 4c와 같이, 아래층의 버스 바와 세 번째 전극 층의 전극을 선택적으로 연결하기 위해 반응성 이온식각장치(reactive ion etching; RIE)를 이용하여 구멍(109)을 뚫는다.

다음으로, 4d와 같이, E-beam evaporator를 이용하여 크롬을 300Å, 금을 2500Å을 증착하고, 건식 식각(dry etching)으로 미세전극 트랙과 나머지 두 패드(111)를 패터닝한다.

다음으로, 4e와 같이 PECVD를 이용하여 질화 규소를 2500Å을 적층하여 미세 전극 배열을 보호하기 위한 보호층(113)을 형성하여, 미세입자 분류기를 제조하게 된다.

상기와 같이 제조된 미세입자 분류기를 이용하여 실제 세포를 분류하는 실험을 하였다.

미세입자는 표면을 카르복실화(COOH)한 폴리스티렌 고무 미세입자(polystyrene latex microsphere with carboxylate surface, Polysciences, Warrington, PA, USA)를 사용하였다. 미세입자의 크기는 10μm, 20μm이며, 0.1

배양액에 섞어 사용했다. 네 가지 서로 다른 위상의 교류 사인 파를 주기 위해 두 개 채널의 함수발생기(WF1944A, Wavefactory)를 사용하였다. 한 채널 에서 0°의 신호와 나머지 채널에서 90°의 신호가 연산증폭기(OP AMP: LMH6628, National semiconductor)를 통해 각각 180°와 270°로 반전이 되어 나와 네 개의 사인파 신호를 줄 수 있게 하였다. 이 실험에서는 100kHz 주파수에 3V peak-peak의 전압을 주었고, 미세 입자의 움직임 관찰은 현미경(Axiotech, Karl Zeiss)으로 하였으며, CCD 카메라(DV-2M, Blue focus, Inc.)를 이용하여 디지털로 촬영하였다.

OrCAD(Candence Design Systems, Inc.)를 통해 기존에 제작되고 있는 'ㄹ'자 형태의 버스 바와 본 발명에서 제안된 다층 버스 바의 저항을 비교해 보았다.

등가 회로의 전체에 걸리는 총 저항을 알아보기 위하여 단순히 직류 전원을 공급하였다. 먼저, 미세 전극을 연결하지 않은 버스 바만을 시뮬레이션 한 결과 기존의 버스 바는 칩의 세로길이가 늘어날수록 그 저항이 길이에 비례하면서 많이 증가함을 알 수 있다. 반면, 제안하는 칩의 버스 디자인의 경우는 디바이스의 세로크기가 증가하여도 그 저항이 변하지 않고 일정하게 유지되었다. 도시한 도 6은 면적의 세로 길이가 3.36mm라고 가정했을 때 기존의 버스 바에 실제 미세입자 분류를 위한 미세 전극을 하나씩 증가시키면서 디바이스의 전체 저항의 변화를 시뮬레이션 한 결과 그래프이다. 미세 전극이 증가할수록 전체 저항이 반비례하여 감소하지만 결국, 일정한 값으로 그 저항값이 수렴하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 기존에는 버스의 길이를 더욱 증가시킬수록, 즉, 디바이스의 크기가 커질수록 수렴하는 디바이스의 전체 저항값 역시 증가하였으나, 그에 비해 본 발명은 수렴된 디바이스의 전체 저항값이 디바이스의 크기가 증가하더라도 일정하게 유지된다. 이와 같은 시뮬레이션 결과는 제안된 방법을 사용하면 세로 방향으로 무한대로 긴 TwDEP 칩을 만들 수 있음을 보인다.

본 발명에서 제안한 다층 버스 바를 이용한 TwDEP 칩이 구동하는지의 여부를 실험으로 증명하기 위하여 크기가 서로 다른 고무 미세 입자(carboxylated latex microbeads)를 사용하여 크기별로 분류한 실험을 하였다.

여기서 고무 미세입자의 유전율

는

이고, 매질의 유전율(permittivity of medium)

은

이다. 여기서

은 자유공간(free space)의 유전율이다. 분산매(suspending medium)의 전도도(conductivity)는 0.1

이고, 함수 발생기를 이용하여 200kHz 주파수에 8V peak-peak의 전압을 주었다.

도 7a는 카르복실기 마이크로비드의 크기에 따른 실험에 의한 크로스오버 주파수의 플롯을 보여주고 있다. 크로스오버 주파수는 10㎛ 너비와 30㎛ 간격을 가진 마이크로비드를 사용하여 측정하였다. 0.1

전도율을 가진 샘플 솔루션 한 방울을 마이크로비드에 적용하였고, 입자의 움직임이 현미경으로 관찰되었다. 포지티브 DEP가 저주파에서 관찰되었고, 네거티브 DEP가 고주파에서 관찰되었다. 크로스오버 주파수는 조정에 의해 측정되었다. 결과적으로 마이크로비드의 크기가 증가함에 따라 크로스오버 주파수가 감소하는 것을 발견하였다.

도 7b는 다른 크기를 가진 카르복실기 라텍스 마이크로비드에 대한 전도율과 커브 피트(curve fit)의 플롯을 보여주고 있다. 표면 전도도

가 <수학식2>와 크로스오버 주파수로부터

임을 알아냈다. Arnold에 따르면 카르복실기 라텍스 마이크로비드의 전도도가 0.2nS에서 2.1nS범위임을 발견했다.

특정 영역에 미세입자를 트래핑하기 위해서 10㎛부터 40㎛까지 미세전극 사이의 간격을 점진적으로 증가시켰다. 미세전극의 간격을 증가하는 것은 속도를 줄이게 만든다. 즉, 도 9a에 도시한 바와 같이, 3㎛, 6㎛, 10㎛ 및 20㎛ 마이크로비드를 트랙에 따라 다른 속도에서 움직이게 하였고, 상기 입자들이 다른 위치에 트랩 될 때까지 속도를 줄였다. 미세전극 간격이 13㎛로 증가함에 따라 3㎛ 마이크로비드의 속도가

까지 감소되었다. 마침내 9b에 나타난 것처럼, 다양한 크기의 마이크로비드가 미세전극의 간격이 각각 14㎛, 17㎛, 22㎛ 및 38㎛일 때 트랩되었다.

도 8a 내지 도 8d에서 볼 수 있듯이 서로 다른 10μm, 20μm미세입자가 위상이 감소하는 방향으로 움직이다가 파장의 구배에 따른 속도 차에 의하여 분류가 되는 것을 알 수 있다.

8a는 전극 간의 간격이 10μm구간에서 10μm입자와 20μm입자 모두 위상이 감소하는 쪽(오른쪽)으로 움직였으며 10μm입자의 속도는 약 35μm/sec, 20μm입자는 23μm/sec로 10μm입자가 더 빠르게 움직였다.

8b는 전극 간의 간격이 20μm구간이면 모두 오른쪽으로 움직이나 10μm입자

는 21μm/sec, 20μm입자는 13.5μm/sec로 10μm구간에서 보다 상대적으로 속도가 감소하였다.

8c는 전극 간의 간격이 30μm인 구간이면 20μm 미세입자는 전극에 트랩(trap)이 되고, 10μm 미세입자는 13.7μm/sec로 전 구간보다 더 느려진 속도로 오른쪽으로 움직였다.

8d는 20μm입자는 보이지 않으며 10μm미세입자가 오른쪽으로 속도를 잃어가며 결국 트랩이 되었다.

도 10은 이론상 속도와 관측된 속도를 비교하는 플롯(Plot)을 보여주고 있다. 실험값을 이론값과 비교하기 위해 다음과 같은 식을 기본으로 이론 그래프를 그렸다.

상기 [수학식5]에서

(0)은 전기장 세기의 제곱을 나타낸 것이며, η는

,

=78ε0, ε0은 자유 공간에서의 유전율이다. Morgan 등의 결과에서와 같이, E(0)의 값을 구하기 위해서 실험에 의하여 구한 미세입자의 속도를 상기 [수학식5]에 대입하여 가장 잘 맞는 값을 적용했다. 3㎛입자일 때 E(0)의 값은

이고, 6μm, 10μm, 20μm 입자일 때 E(0)의 값은 각각

,

,

이다.

부상 높이(levitation height)가

보다 작을 때, TwDEP힘과 관계된 미세입자의 움직임을 정확하게 나타내지는 못했기 때문에, 각 미세입자들의 트랩된 영역 바로 앞에 이론상 커브(curve)를 만들었다.

즉, 이론상 속도는 미세입자들에서의 트래핑 현상을 다룰 수 없다. 트랩된 영역에서 네가티브 DEP힘은 중력의 힘(

)보다 작았으며, 미세입자가 미세전극들 간의 간격 위에 트랩되게 하였다. 이론상 트랩된 영역들은 네거티브 DEP와 중력의 힘(

) 간의 힘 균형을 가지고 예측될 수 있습니다.

상기에서 λ는 4d1 + 4d2이며, d1은 미세 전극의 넓이로 10μm로 고정이 되며, d2는 칩의 면적이 1mm씩 늘어날 때마다 전극 간의 거리가 1μm벌어져 그 간격이 10μm부터 40μm까지 순차적으로 증가하게 된다.

안정된 상태 부상 높이는 다음과 같이

에 의해 창출될 수 있습니다.

이 λ값이 증가하게 될수록 미세 입자의 속도가 감소하여 멈추게 된다. 미세 전극의 너비와 미세 전극 간의 간격이 동일하게 d라고 했을 때, 입자가 배양액에 뜨는 높이가 1.5d보다 작게 될 경우 정상 상태의 유동을 하지 못하고 제자리에서 돌거나(rotation) 미세 전극의 모서리에 트랩(trap)될 뿐만 아니라 순환적 급회전과 갑작스러운 역행을 나타낼 수 있기 때문에, 개략적으로 부상 높이가 1.5d에서 트래핑이 이루어질 때 미세전극 간격을 측정할 수 있다. 미세입자들의 크기가 20μm였을 때, 트래핑이 시작되는 간격은 87μm로 측정되었다. 이값은 실험결과 38μm보다 훨씬 큰 값이다. 그 이유는 미세전극들 부군의 열이나 AC삼투의 효과 때문이거나 실제 부상 높이가 이론값보다 작기 때문이다. 그럼에도, 동종의 미세입자들은 미세입자들의 크기에 따라 특정 영역에서 성공적으로 분류되었다.

이론 그래프는 계속 일정하게 감소 되도록 나오지만 실제로 10μm입자의 경우 미세 전극 간의 간격이 40μm인 구간에서는 물에 뜨는 높이가 1.5d값 보다 작기 때문에 정상 상태의 힘을 받지 못하고 전극에 트랩 된다.

이상에서 상술한 본 발명은 기존의 'ㄹ'자 형태의 버스 바에 기반한 다층 전극 배열의 칩이 아닌 다층 버스 바에 기반한 칩을 이용하여 대량의 미세입자를 분류할 수 있는 TwDEP칩을 성공적으로 만들었다. 기존에 제작되었던 칩은 면적을 증 가시키기 위해 버스 바의 길이를 늘이면 저항이 급격히 증가하여 면적에 한계가 있었다. 하지만, 제안된 전극 설계에 의해서 버스 바의 저항 문제를 없애 넓은 면적의 TwDEP칩의 제작이 가능해 졌으며, 또한 저항 시뮬레이션을 통해 제안된 방법은 세로 방향으로 무한대의 길이를 갖는 디바이스가 제작될 수 있음을 보였다. 또한, 미세 전극 간의 간격과 미세 전극 넓이를 동일하게 제작하는 기존의 방식과는 다르게 간격에 전기장 구배(gradient)를 줘서 그 간격이 넓어질수록 속도는 점점 감소하게 되고 10μm입자와 20μm입자가 서로 다른 위치에서 트랩 되어 분류된다. 다시 말해, 제안된 TwDEP칩을 이용하면 앞으로 무한한 양의 다양한 세포를 한번에 고속으로 분류를 할 수 있게 된다. 이러한 다양한 세포의 분류는 살아있는 단일 세포를 이용하여 연구가 진행되고 있는 세포 대체요법, 약물 검사 및 세포 역학 기초 분석에 큰 도움이 될 것이다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1은 기존 TwDEP를 설명하기 위한 설명도.

도 2a는 기존 미세입자 분류기의 구조도이고, 도 2b는 'ㄹ'자 버스 바에 의해 전체 저항이 증가하는 것을 설명하기 위한 설명도.

도 3a는 본 발명에 따른 다층 버스 바를 이용한 미세입자 분류기의 구조도이고, 도 3b는 미세전극 분류기의 단면도.

도 4a 내지 도 4e는 본 발명에서 다층 버스 바를 이용한 미세입자 분류기의 제조공정도.

도 5는 본 발명에서 실제로 제작한 다층 버스 바를 이용한 미세입자 분류기의 사진.

도 6은 전극 트랙의 길이와 저항과의 관계 그래프.

도 7a는 마이크로비드의 크기와 크로스오버 주파수의 관계 그래프, 도 7b는 마이크로비드의 크기와 전도도와의 관계 그래프.

도 8a 내지 도 8d는 본 발명에서 미세입자의 분류예시도.

도 9a는 구배에 따른 TwDEP의 실험 결과 예시도, 도 9b는 미세입자의 크기에 따른 트랩 상태도.

도 10은 이론상 속도와 관측된 속도를 비교하는 플롯(Plot).

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10… 위상 공급부

20… 절연부

30… 입자 분류부

Claims (9)

1. 삭제
2. 미세입자를 분류하는 분류기에 있어서,

   서로 다른 위상을 공급하기 위한 다층 버스 바와 상기 다층 버스 바에 연결되는 전극 트랙을 구비하고, 상기 다층 버스 바를 이용하여 상기 전극 트랙의 면적을 넓혀 다량의 미세입자를 분류하며,

   상기 전극 트랙은 다수의 미세 전극이 평행하게 배열된 것을 특징으로 하는 다층 버스 바를 이용한 미세입자 분류기.
3. 제2항에 있어서, 상기 전극 트랙은 미세 전극 간의 간격에 전기장 구배를 형성하여, 상기 미세입자를 물리적 속성(크기, 전기적 속성)에 따라 특정 위치에 트랩시켜 분류하는 것을 특징으로 하는 다층 버스 바를 이용한 미세입자 분류기.
4. 제3항에 있어서, 상기 전극 트랙은 모든 영역에 걸쳐 저항값을 일정하게 유 지하여 동일한 입자가 같은 행에 위치하도록 하는 것을 특징으로 하는 다층 버스 바를 이용한 미세입자 분류기.
5. 미세입자를 분류하는 분류기에 있어서,

   서로 다른 위상을 공급하기 위한 제1 버스 바와 상기 서로 다른 위상 중 특정의 위상을 외부와 연결하기 위한 패드를 포함하는 위상 공급부와;

   상기 서로 다른 위상 중 상기 특정의 위상을 제외한 위상을 외부와 연결하기 위한 패드와 제 2 버스 바를 구비하고, 전극 트랙을 이용하여 다량의 미세입자를 분리하는 입자 분류부; 및

   상기 위상 공급부와 입자 분류부 사이에 게재되고, 상기 전극 트랙과 위상 공급부의 버스 바를 선택적으로 연결해주는 절연부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 다층 버스 바를 이용한 미세입자 분류기.
6. 제5항에 있어서, 상기 전극 트랙은,

   다수의 미세 전극이 평행하게 배열된 것을 특징으로 하는 다층 버스 바를 이용한 미세입자 분류기.
7. 제6항에 있어서, 상기 전극 트랙은 미세 전극 간의 간격에 전기장 구배를 형성하여, 상기 미세입자를 물리적 속성(크기, 전기적 속성)에 따라 특정 위치에 트랩시켜 분류하는 것을 특징으로 하는 다층 버스 바를 이용한 미세입자 분류기.
8. 제7항에 있어서, 상기 전극 트랙은 모든 영역에 걸쳐 저항값을 일정하게 유지하여 동일한 입자가 같은 행에 위치하도록 하는 것을 특징으로 하는 다층 버스 바를 이용한 미세입자 분류기.
9. 미세입자 분류기를 제조하는 방법에 있어서,

   세정이 이루어진 유리 기판 위에 크롬(Cr)과 금(Au)을 전자빔 증착기를 이용해 소정 두께로 증착한 후, 사진공정을 통해 버스 바와 제1 위상 공급용 패드를 패터닝하고 습식 식각을 이용해 전극을 제외한 나머지 금속을 제거하는 제1공정과;

   상기 제1공정이 이루어진 후 남은 금속 및 유리 가판 위에 플라스마 화학기상 증착장치(PECVD)를 이용하여 이산화규소(SiO2)와 질화 규소(silicon nitride) 및 이산화규소를 차례대로 증착하여 절연 층을 형성하는 제2공정과;

   하부의 버스 바와 상부 전극 트랙을 선택적으로 연결하기 위해 반응성 이온식각장치(RIE)를 이용하여 상기 절연 층에 구멍을 형성하는 제3공정과;

   상기 전자빔 증착기를 이용하여 크롬과 금을 순서대로 증착하고, 건식 식 각(dry etching)하여 전극 트랙과 제2 위상 공급용 패드를 패터닝하는 제4공정과;

   상기 절연층 위에 상기 PECVD를 이용하여 질화 규소를 소정 두께로 증착하여 상기 전극 트랙을 보호하는 제5공정을 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 다층 버스 바를 이용한 미세입자 분류기 제조방법.

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