KR101597210B1 - 비 포토리소그래피 기반의 랩온어칩용 마이크로채널 형성방법 - Google Patents

비 포토리소그래피 기반의 랩온어칩용 마이크로채널 형성방법 Download PDF

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이내윤
장민정
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가천대학교 산학협력단
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Abstract

비 포토리소그래피 기반의 랩온어칩용 마이크로채널 형성방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 랩온어칩용 마이크로채널 형성방법은 a) 제1 열가소성 플라스틱 기판 상에 단면이 반원형인 제1 채널 패턴을 음각으로 형성하는 단계; b) 평평한 제2 열가소성 플라스틱을 제1 열가소성 플라스틱 기판 상에 적층한 후, 적층체를 핫 엠보싱 처리하여 제2 열가소성 플라스틱 기판의 표면에 제1 채널 패턴을 양각으로 형성하는 단계; c) 적층체를 냉각 처리한 후에 해체시키고, 제2 열가소성 플라스틱을 몰드로 하여 양각으로 형성된 제1 채널 패턴을 폴리디메틸실록산 기판 상에 전사하는 단계; 및 d) c) 단계를 반복 수행하여 얻어진 한 쌍의 폴리디메틸실록산기판을 제1 채널 패턴이 형성된 면을 마주보도록 하여 접합하는 단계를 포함한다.

Description

비 포토리소그래피 기반의 랩온어칩용 마이크로채널 형성방법{METHOD FOR FORMING MICROCHANNELS OF LAB-ON-A-CHIP}
본 발명은 마이크로채널 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 포토리소그래피를 이용하지 않고 랩온어칩용 마이크로채널을 형성하기 위한 마이크로채널 형성방법에 관한 것이다.
마이크로유체 기술과 더불어 랩온어칩(lab-on-a-chip) 시스템은 PCR(중합효소 연쇄 반응), 세포 조작, 조직공학 등과 같은 생물학적 분석방법의 커다란 진전을 이끌었다. 랩온어칩 시스템에서 가장 많이 이용되는 소재는 PDMS(폴리디메틸실록산)인데, 이는 PDMS의 복제 몰딩 제작의 용이성, 쉬운 표면 개질, 접합 용이성, 우수한 생체적합성 등에 기인한다.
한편 대부분의 PDMS를 이용한 마이크로디바이스는 통상적으로 포토리소그래피 방법을 이용해 제작되고 있다. 그러나 포토리소그래피 방법은 그 장점에도 불구하고, 몇가지 단점이 지적된다. 첫째는 높은 비용이다. 포토리소그래피 방법은 값비싼 장비를 이용하므로 제조비용을 크게 증가시키기 때문이다. 둘째는 포토리소그래피 방법을 통해 제조된 마스터 몰드의 경우 사각 단면 형의 마이크로 패턴을 갖는다는 점이다. 따라서 원형 단면이 요구되는 마이크로 패턴의 제조에는 적합하지 않다는 한계가 있다. 즉 원형 단면을 갖는 마이크로채널(소위 실린더형 마이크로채널)이 요구되거나 경쟁력을 갖는 미세혈관계 제조, 세포 포획, 균일한 내벽 코팅, 밸브 적용 채널 등에서는 포토리소그래피 방법이 이용되기에 부적합하다.
다층 구조(내지 다단 구조)를 갖는 마이크로채널의 제조 역시 마찬가지다. 랩온어칩 디바이스에서 다층 구조를 갖는 마이크로채널은 유체영동기술에서의 마이크로비드 및 세포의 자가분류, 혈구분리, 미세혈관 모방 등에서 활용된다. 종래 다층 구조를 갖는 마이크로채널은 포토리소그래피 방법을 반복함으로써 형성되어 왔으나(또는 전자빔이나 이온빔을 이용), 장시간이 소요되고 높은 비용이 수반되는 단점이 있었고 복잡한 구조를 제조하기에는 적합하지 않다는 한계가 있다. 많은 연구자들이 포토리소그래피 방법에 기반하지 않은 미세구조를 제조하기 위한 방법 개발을 시도하는 이유다(비특허문헌 1,2 참고).
Zhoa et al, Lab Chip, 2003, 3, 93-99. Wilson et al, Lab Chip, 2011, 11, 1550-1555.
본 발명은 포토리소그래피 공정을 이용하지 않으면서도, 용이하고 높은 재현성을 갖도록 실린더형 또는 다층형 구조를 갖는 랩온어칩용 마이크로채널을 형성하는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, a) 제1 열가소성 플라스틱 기판 상에 단면이 반원형인 제1 채널 패턴을 음각으로 형성하는 단계; b) 평평한 제2 열가소성 플라스틱을 상기 제1 열가소성 플라스틱 기판 상에 적층한 후, 상기 적층체를 핫 엠보싱 처리하여 상기 제2 열가소성 플라스틱 기판의 표면에 상기 제1 채널 패턴을 양각으로 형성하는 단계; c) 상기 적층체를 냉각 처리한 후에 해체시키고, 상기 제2 열가소성 플라스틱을 몰드로 하여 양각으로 형성된 상기 제1 채널 패턴을 폴리디메틸실록산 기판 상에 전사하는 단계; 및 d) 상기 c) 단계를 반복 수행하여 얻어진 한 쌍의 상기 폴리디메틸실록산기판을 상기 제1 채널 패턴이 형성된 면을 마주보도록 하여 접합하는 단계를 포함하는 랩온어칩용 마이크로채널 형성방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, a) 제1 열가소성 플라스틱 기판 상에 깊이가 상이한 복수의 사각 단면을 갖는 다단형의 제2 채널 패턴을 음각으로 형성하는 단계; b) 평평한 제2 열가소성 플라스틱을 상기 제1 열가소성 플라스틱 기판 상에 적층한 후, 상기 적층체를 핫 엠보싱 처리하여 상기 제2 열가소성 플라스틱의 표면에 상기 제2 채널 패턴을 양각으로 형성하는 단계; c) 상기 적층체를 냉각 처리한 후에 해체시키고, 상기 제2 열가소성 플라스틱을 몰드로 하여 양각으로 형성된 상기 제2 채널 패턴을 폴리디메틸실록산 기판 상에 전사하는 단계; 및 d) 상기 폴리디메틸실록산 기판 상에 평평한 또 다른 폴리디메틸실록산 기판을 접합하는 단계를 포함하는 랩온어칩용 마이크로채널 형성방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 제1 열가소성 플라스틱 기판 및 상기 제2 열가소성 플라스틱 기판은 유리전이온도가 상이하고, 상기 b) 단계의 핫 엠보싱 처리는 상기 제1 열가소성 플라스틱 기판의 유리전이온도와 상기 제2 열가소성 플라스틱 기판의 유리전이온도 사이의 온도에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 제1 열가소성 플라스틱 기판은 폴리메틸메타크릴레이트 기판이고, 상기 제2 열가소성 플라스틱 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트 기판일 수 있다.
또한, 상기 a) 단계의 채널 패턴은 CNC 밀링(computer numerical control milling)을 이용해 형성될 수 있다.
또한, 상기 다단형의 제2 채널 패턴은 1 이하의 종횡비를 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 포토리소그래피 공정을 이용하여 마이크로채널을 형성하는 방법에 비해 빠르고, 간단하고, 저비용으로, 높은 재현성을 갖도록 실린더형 또는 다층형 구조를 갖는 랩온어칩용 마이크로채널을 형성할 수 있다.
나아가 상대적으로 비용이 저렴한 플라스틱 소재를 이용하여 마이크로채널을 형성할 수 있으므로, 미세구조의 디자인을 보다 유연성 있게 변형시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실린더형 마이크로채널 형성방법을 순차적으로 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다층형 마이크로채널 형성방법을 순차적으로 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 형성된 마이크로채널의 단면 이미지이다.
도 4는 빨간색 잉크로 채워진 인체 미세혈관성 망을 모사하는 본 발명의 실시예에 따른 실린더형 마이크로채널의 디지털 카메라 이미지 및 광학현미경 이미지다.
도 5는 칩 상에서의 인체 간 시누소이드 구조를 모사하는 본 발명의 실시예에 따른 다층형 마이크로채널을 나타낸다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실린더형 마이크로채널 형성방법을 순차적으로 도시한 개략도이다. 본 명세서에서 실린더형 마이크로채널이란 단면이 원형인 마이크로채널을 의미한다.
도 1을 참조하면, 우선 제1 열가소성 플라스틱 기판(110) 상에 단면이 반원형인 제1 채널 패턴(S1)을 음각으로 형성할 수 있다(도 1a 참고). 이 때, 상기 제1 채널 패턴은 CNC 밀링(computer numerical control milling)을 이용해 형성될 수 있다. CNC 밀링은 컴퓨터 수치제어를 이용한 밀링 절삭 방법 중 하나로, CNC 밀링 머신을 통해 가공품의 평면 절삭, 곡면 절삭, 홈 절삭, 절삭 가공 등을 정밀히 수행할 수 있다. CNC 밀링은 절삭 분야에서 통상적으로 알려져 있는 것이므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
제1 채널 패턴(S1)은 단면이 반원형으로 이루어져 전체적으로는 반-실린더형을 가지면 충분하고, 직경 등은 한정되지 않는다.
다음으로, 평평한 제2 열가소성 플라스틱 기판(120)을 제1 열가소성 플라스틱 기판(110) 상에 적층하고(도 1b 참고), 상기 적층체를 핫 엠보싱(hot embossing) 처리하여 제2 열가소성 플라스틱 기판(120)의 표면에 제1 채널 패턴(S1)을 양각으로 형성한다(도 1c에서 S2로 표기).
핫 엠보싱 처리는 패턴 형성 기술 중 하나로, 노광 또는 식각 공정을 거치지 않고 패턴을 복제하는 기술이다. 즉 광학적 패턴 형성 기술이 아닌 접촉식 패턴 형성 기술로 폴리머 기판을 폴리머의 유리전이온도 부근으로 가열한 후, 패턴이 형성되어 있는 마스터 스탬프를 이용하여 원하는 기판 위에 접촉 및 가압함으로써 스탬프 위의 패턴을 각인 또는 전사하는 방법을 말한다. 마스터 스탬프에 의해 폴리머의 형태가 변형되고 일정 시간 이후 폴리머의 온도를 유리전이온도 이하로 내림으로써 폴리머의 경화에 의하여 스탬프의 패턴이 복제되는 것이다.
본 실시예에서 제1 채널 패턴(S1)이 음각으로 형성된 제1 열가소성 플라스틱 기판(110)이 핫 엠보싱 처리에 있어 마스터 스탬프 역할을 수행하는 것이며, 제2 열가소성 플라스틱 기판(120)이 제1 채널 패턴(S1)이 각인/전사되는 타겟 기판의 역할을 수행하게 된다.
이와 같은 핫 엠보싱 처리는 공압식(pneumatic) 프레스 머신을 이용하여 이루어질 수 있다. 그리고 상기 핫 엠보싱 처리시의 온도는 제1 열가소성 플라스틱 기판(110)의 유리전이온도와 제2 열가소성 플라스틱 기판(120)의 유리전이온도 사이의 온도에서 수행될 수 있으며, 압력 및 처리 시간 등은 특정되지 않는다.
이에 따라 제1 열가소성 플라스틱 기판(110)과 제2 열가소성 플라스틱 기판(120)은 서로 다른 종류의 열가소성 플라스틱 기판일 수 있으며, 유리전이온도가 상이한 소재일 수 있다.
예컨대 제1 열가소성 플라스틱 기판(110) 및 제2 열가소성 플라스틱 기판(120)은 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 폴리에틸렌(PE), 아몰포스폴리에틸렌테레프탈레이트(APET), 폴리프로필렌테레프탈레이트(PPT), 폴리나프탈렌테레프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이트글리세롤(PETG), 폴리사이클로헥실렌디메틸렌테레프탈레이트(PCTG), 변성트리아세틸셀룰로스(TAC), 사이클로올레핀폴리머(COP), 사이클로올레핀코폴리머(COC), 디시클로펜타디엔폴리머(DCPD), 시클로펜타디엔폴리머(CPD), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리에테르술폰(PES), 폴리에테르이미드(PEI), 실리콘수지, 불소수지, 폴리아미드(PA) 및 변성 에폭시수지 등으로 이루어진 군에서 서로 다른 소재로 각각 선택될 수 있다. 이를 테면 제1 열가소성 플라스틱 기판(110)은 폴리메틸메타크릴레이트 기판이 선택되고, 제2 열가소성 플라스틱 기판(120)은 폴리에틸렌테레프탈레이트 기판이 선택될 수 있다.
한편, 제1 열가소성 플라스틱 기판(110)의 유리전이온도와 제2 열가소성 플라스틱 기판(120)의 유리전이온도의 차이가 클수록 핫 엠보싱 처리가 용이할 뿐더러 채널 패턴의 각인/전사가 정확히 이루어질 수 있다.
다음으로, 제1 열가소성 플라스틱 기판(110) 및 제2 열가소성 플라스틱 기판(120)의 적층체를 냉각 처리한 후에 물리적으로 분리시킨다(도 1c 참고). 분리된 제2 열가소성 플라스틱 기판(120) 상에는 제1 열가소성 플라스틱 기판(110) 상에 형성된 제1 채널 패턴(S1)이 양각으로 형성된 채널 패턴(S2)이 존재하게 된다.
다음으로, 제2 열가소성 플라스틱 기판(120)을 몰드로 하여 양각으로 형성된 제1 채널 패턴(S2)을 폴리디메틸실록산 기판(131) 상에 전사한다. 구체적으로는 제2 열가소성 플라스틱 기판(120)을 제1 채널 패턴(S2)이 위를 향하도록 배치한 후에, 제2 열가소성 플라스틱 기판(120) 상에 폴리디메틸실록산 프리폴리머 혼합물과 경화제를 부은 후에 특정온도에서 경화시킴으로써 제1 채널 패턴(S2)을 전사할 수 있다. 경화된 폴리디메틸실록산 기판(131)을 분리시키면, 폴리디메틸실록산 기판(131) 상에는 제1 채널 패턴(S3)이 음각으로 형성된다(도 1f 참고).
본 명세서에서는 구분을 위해 제1 열가소성 플라스틱 기판(110)에 형성된 제1 채널 패턴을 S1로 표기하고, 제2 열가소성 플라스틱 기판(120)에 형성된 제1 채널 패턴을 S2로 표기하고, 폴리디메틸실록산 기판(131)에 형성된 제1 채널 패턴을 S3으로 표기하고 있으나, S1 내지 S3은 모두 동일한 형태의 채널 패턴이며 단지 기판에 음각 또는 양각으로 형성되었을 뿐이다. 다시 말하면 제1 열가소성 플라스틱 기판(110)에 형성된 제1 채널 패턴이 두 번에 걸친 전사를 통해 폴리디메틸실록산 기판(131) 상에 형성된 것으로 볼 수 있다.
다음으로, 또 다른 폴리디메틸실록산 기판(132)을 앞서와 동일한 과정을 거쳐 표면에 제1 채널 패턴(S3)을 형성한다. 즉 하나의 제2 열가소성 플라스틱 기판(120)을 통해 한 쌍의 동일한 폴리디메틸실록산 기판(132)을 제조하는 것이다.
다음으로, 상기에서 제조된 한 쌍의 폴리디메틸실록산 기판(132)을 제1 채널 패턴(S3)이 형성된 면을 마주보도록 하여 접합한다(접합체는 100으로 표기함). 상기 접합은 통상의 플라즈마 접합 및 열처리를 통해 이루어질 수 있으며 공정 조건은 특정되지 않는다(도 1g 참고). 폴리디메틸실록산 기판(131,132)에 음각으로 형성된 제1 채널 패턴(S3)은 단면이 반원형이므로, 한 쌍의 폴리디메틸실록산 기판(131,132)을 제1 채널 패턴(S3)이 형성된 면을 마주보도록 접합하는 경우에는, 단면이 완전한 원형인 마이크로채널이 형성될 수 있다. 즉 상기 마이크로채널은 실린더형을 갖는다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다층형 마이크로채널 형성방법을 순차적으로 도시한 개략도이다. 본 명세서에서 다층형 마이크로채널이란 깊이가 상이한 복수의 사각 단면을 갖는 마이크로채널을 의미한다. 이하에서는 전술한 실시예에서와 동일 또는 유사한 부분에 대해서는 중복 설명은 생략하고 차이나는 부분을 중심으로 설명하도록 한다.
도 2를 참조하면, 우선 제1 열가소성 플라스틱 기판(210) 상에 깊이가 상이한 복수의 사각 단면을 갖는 제2 채널 패턴(m1)을 음각으로 형성할 수 있다(도 2a 참고). 이 때, 상기 제2 채널 패턴(m1)은 CNC 밀링을 이용해 형성될 수 있다. CNC 밀링에 대해서는 전술하였으므로 중복 설명은 생략한다.
제2 채널 패턴(m1)은 단면이 사각형으로 이루어지되, 복수개의 사각 단면을 가질 수 있으며, 상기 사각 단면의 깊이가 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 폭이나 깊이 등은 한정되지 않는다. 도 2a에서는 제2 채널 패턴(m1)이 3개의 홈으로 형성되되(단면은 사각형) 중앙에 있는 홈보다 양측에 있는 홈의 깊이가 보다 크게 형성되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 종횡비를 갖도록 형성될 수 있다.
다음으로, 평평한 제2 열가소성 플라스틱 기판(220)을 제1 열가소성 플라스틱 기판(210) 상에 적층하고(도 2b 참고), 상기 적층체를 핫 엠보싱 처리하여 제2 열가소성 플라스틱 기판(220)의 표면에 제2 채널 패턴(m1)을 양각으로 형성한다(도 2c에서 m2로 표기). 핫 엠보싱 처리에 대해서는 전술하였으므로 중복 설명은 생략한다.
본 실시예에서 제2 채널 패턴(m1)이 음각으로 형성된 제1 열가소성 플라스틱 기판(210)이 핫 엠보싱 처리에 있어 마스터 스탬프 역할을 수행하는 것이며, 제2 열가소성 플라스틱 기판(220)이 제2 채널 패턴(m1)이 각인/전사되는 타겟 기판의 역할을 수행하게 된다.
전술한 실시예에서와 마찬가지로 제1 열가소성 플라스틱 기판(210)과 제2 열가소성 플라스틱 기판(220)은 서로 다른 종류의 열가소성 플라스틱 기판일 수 있으며, 유리전이온도가 상이한 소재일 수 있다. 예컨대 제1 열가소성 플라스틱 기판(110)은 폴리메틸메타크릴레이트 기판이 이용될 수 있고, 제2 열가소성 플라스틱 기판(120)은 폴리에틸렌테레프탈레이트 기판이 이용될 수 있다.
다음으로, 제1 열가소성 플라스틱 기판(210) 및 제2 열가소성 플라스틱 기판(220)의 적층체를 냉각 처리한 후에 물리적으로 분리시킨다(도 2c 참고). 분리된 제2 열가소성 플라스틱 기판(220) 상에는 제1 열가소성 플라스틱 기판(210) 상에 형성된 제2 채널 패턴(m1)이 양각으로 형성된 채널 패턴(m2)이 존재하게 된다.
다음으로, 제2 열가소성 플라스틱 기판(220)을 몰드로 하여 양각으로 형성된 제2 채널 패턴(m2)을 폴리디메틸실록산 기판(231) 상에 전사한다. 전사 방법에 대해서는 전술하였으므로 중복 설명은 생략한다. 경화된 폴리디메틸실록산 기판(231)을 분리시키면, 폴리디메틸실록산 기판(231) 상에는 제2 채널 패턴(m3)이 음각으로 형성된다(도 2f 참고).
전술한 실시예에서와 마찬가지로 본 명세서에서는 구분을 위해 제1 열가소성 플라스틱 기판(210)에 형성된 제2 채널 패턴을 m1로 표기하고, 제2 열가소성 플라스틱 기판(220)에 형성된 제2 채널 패턴을 m2로 표기하고, 폴리디메틸실록산 기판(231)에 형성된 제2 채널 패턴을 m3으로 표기하고 있으나, m1 내지 m3은 모두 동일한 형태의 채널 패턴이며 단지 기판에 음각 또는 양각으로 형성되었을 뿐이다. 다시 말하면 제1 열가소성 플라스틱 기판(210)에 형성된 제2 채널 패턴이 두 번에 걸친 전사를 통해 폴리디메틸실록산 기판(231) 상에 형성된 것으로 볼 수 있다.
다음으로, 상기에서 제조된 폴리디메틸실록산 기판(231, 제2 채널 패턴이 음각으로 형성됨) 상에 평평한 또 다른 폴리디메틸실록산 기판(232)을 접합한다(접합체는 200으로 표기함). 상기 접합은 통상의 플라즈마 접합 및 열처리를 통해 이루어질 수 있으며 공정 조건은 특정되지 않는다(도 2g 참고). 이에 따라 상기 접합체(200)의 내부에는 다층형(다단형)의 마이크로채널이 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 포토리소그래피 공정을 이용하지 않으면서도 실린더형 또는 다층형 구조를 갖는 마이크로채널을 보다 빠르고, 간단하고, 저비용으로, 높은 재현성을 갖도록 형성할 수 있다. 포토리소그래피 공정을 이용하는 경우에는 본 발명의 실시예에서와 같은 실린더형 마이크로채널을 형성하기 어려우며, 다층형 마이크로 채널의 경우에는 형성하는 것이 가능하지만 수차례에 달하는 노광공정, 식각공정 등을 거쳐야 하므로 공정이 복잡해질 뿐더러 비용이 크게 상승하는 문제가 있다.
그러나 본 발명의 실시예들에서는 열가소성 플라스틱 소재를 몰드로 이용하여 마이크로채널을 형성하게 되므로, 빠르고 저비용으로 마이크로채널을 형성할 수 있으며, CNC 밀링을 이용하여 채널을 형성하게 되므로 복잡한 다층구조를 갖는 마이크로채널 역시 단일공정으로 형성 가능하다는 장점을 갖는다.
이하, 본 발명의 실시예 및 시험예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기의 실시예 및 시험예가 본 발명을 한정하지 않음은 자명하다.
1. 실시예
본 발명의 실시예들에 따른 마이크로채널(실린더형, 다층형)을 형성하기 위해 폴리메틸메타크릴레이트 기판(두께 2mm, Goodfellow社, 이하 PMMA 기판이라고 칭함)이 각각 준비되었고, CNC 밀링 머신(모델명 TinyCNC-SC, TINYROBO社)을 이용하여 단면이 각각 반원형(실시예 1) 및 다단형(실시예 2)을 갖는 마이크로채널을 상기 PMMA 기판 상에 음각으로 형성하였다. 상기 CNC 밀링 머신에 이용된 볼밀(ball mill)은 R이 0.1, 0.15, 0.25 및 0.5 mm 였으며, 평밀(end mill)은 D가 0.2, 0.3, 0.5 및 1.0 mm였다. 상기 CNC 밀링 머신의 스핀들 속도(spindle speed, 주축의 회전속도)는 13,500 rpm 이었고, 이송 속도(feed speed)는 30 mm/s였다.
다음으로, 평평한 폴리에틸렌테레프탈레이트 기판(두께 2mm, Goodfellow社, 이하 PET 기판이라고 칭함)을 상기 패턴이 형성된 PMMA 기판 상에 적층하고, 상기 적층체를 핫 엠보싱 처리하였다. 상기 핫 엠보싱은 주문 제작한 공압식(pneumatic) 프레스 머신을 이용하였으며, 85℃ 및 0.1 MPa 이하에서 30분 동안 이루어졌다. 상기 85℃는 PMMA(Tg=105℃) 및 PET(Tg=65~80℃)의 유리전이온도 값 사이의 온도값에 해당한다(중간값에 가까움). 두 기판 사이의 유리전이온도 차이가 클수록 PMMA 기판의 채널패턴을 PET 상에 전사하는 것이 보다 성공적이다(패턴이 녹거나 변형이 일어나지 않음).
상기 적층체의 냉각 후에, 상기 적층체는 물리적으로 해체되었으며, 상기 패턴이 양각으로 형성된 PET 기판을 몰드로 하여, 상기 패턴을 폴리디메틸실록산(이하, PDMS) 기판 상에 전사하였다(각각 한 쌍의 PDMS 기판 제작). 구체적으로는 10:1(w/w) PDMS 프리폴리머 혼합물과 경화제(Dow corning社)를 탈기하고, 상기 PET 기판 상에 부은 후에 80℃에서 30분동안 경화시켰다. 이어 유체 도입을 위한 유입 포트 및 유출 포트를 펀칭하여 형성한 후, 두 PDMS 기판을 산소 플라즈마 처리하였다(50W, 0.1 Torr). 이어 두 PDMS 기판을 채널이 서로 마주보도록 하여 현미경 하에서 정렬하고 접합하였다. 상기 접합은 80℃에서 30분간 이뤄졌다.
2. 미세구조 및 단면(surface profiles)의 분석
미세구조 및 단면은 도립 현미경(inverted microscope, 모델명 IX71, Olympus社)을 이용하여 관찰되었다. 잉크 흐름 현상 및 마이크로비드의 패킹 역시 상기 도립현미경을 이용하여 관찰되었다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로채널의 단면 이미지이다. 상술한 것과 같이 본 발명의 실시예에 따라 단면이 반원형인 실린더형 마이크로채널과, 단면이 다단형인 다층형 마이크로채널이 형성되었다. 도 3a 및 3b 모두에서 기준자(scale bar)는 300㎛이고, 각 이미지의 좌측 이미지는 PMMA 기판(채널이 음각으로 형성)이다. 그리고 각 이미지의 우측 이미지는 PET 기판(채널이 양각으로 형성)이다.
우선 단면이 다단형인 다층형 마이크로채널의 경우 CNC 밀링 머신으로 패턴 형성시에 평밀(end-mill)이 이용되었으며, 상기 평밀의 직경은 0.2, 0.3, 0.5 및 1.0mm 이었다. 그 결과 0.0625(1:16) 내지 2(2:1)에 이르는 다양한 종횡비(depth:width)를 갖는 채널이 형성되었다.
도 3a를 참고하면, 상기 패턴의 종횡비가 상대적으로 낮을수록 PET 기판에서의 양각 패턴 형성이 보다 정확하게 이루어짐을 확인하였다. 즉, 종횡비가 증가할수록 PET 기판이 PMMA 기판의 음각 패턴을 정확히 복제하기 어려워지는데, 그 이유는 부분적으로 용융된 PET가 상기 PMMA 기판 상의 음각 패턴 내부를 완전히 채울 수 없기 때문이다. 그 결과 PET 기판 상에 생성된 양각 패턴의 단부에는 소정 정도 라운드진 형태가 나타남을 확인하였다. 이는 도 3a에서 D가 0.2 mm일 때 종횡비 2:1 이미지에서, 그리고 D가 1.0 mm일 때 종횡비 1:2 이미지에서 확인할 수 있다. 이와 같은 결과로부터 본 발명의 발명자들은 다층형 마이크로채널을 형성하는 경우에는, 종횡비가 1 이하일 때 PET 기판 상에 성공적으로 패턴이 복제(패턴의 양각 형성)될 수 있음을 확인 할 수 있었으며, 이 때 CNC 밀링 머신에 이용된 평밀의 크기는 직경이 0.5mm 이하임을 확인하였다.
한편, 도 3b를 참고하면, 단면이 반원형인 실린더형 마이크로채널의 경우 CNC 밀링 머신으로 패턴 형성시에 볼밀(ball-mill)이 이용되었으며, 상기 볼밀의 반경은 0.1, 0.15, 0.25 및 0.5 mm 이었다.
상기 다층형 마이크로채널과는 달리, 상기 실린더형 마이크로채널 형성시에는 종횡비가 1로 고정되었는데, 이는 종횡비의 값이 1일 때 상기 실린더형 마이크로채널의 형성시 완전한 원형 단면을 만들 수 있기 때문이다(최적값). 또한 도 3b를 참고하면, 이용된 볼밀의 반경과 무관하게 PET 기판 상에는 정확한 양각 패턴이 형성됨을 확인할 수 있었다.
3. 마이크로 채널 내에서의 세포 배양
HUVECs(Human umbilical vein endothelial cells, 제대정맥 내피세포)가 F-12K 배지에 배양되었고, 이어 37℃에서 5% CO2 인큐베이터에서 배양되었다. 상기 F-12K 배지는 10% FBS(Fetal bovine serum, 소태아혈청), 0.1 mg mL-1 헤파린 및 0.05 mg mL-1 ECGS(endothelial cell growth supplement)을 포함하였다.
상기 배양 후, 상기 세포는 세포 탈착을 위해 2분간 0.25% 트립신-EDTA(Gibco社)로 처리되었으며, 이어 완전한 배지에서(보충된 F-12K 배지) 농축 및 재부상을 위해 원심분리되었다. 상기 PDMS 마이크로채널은 70% 에탄올로 살균되었으며, 하룻밤 동안 UV에 노출되었다. 상기 마이크로채널의 내부는 1 mg mL-1 피브로넥틴(사람의 혈장에서 추출) 수용액으로 코팅되었고 2시간 동안 37℃에서 반응되었다. 상기 피브로넥틴 코팅 후에, 상기 마이크로채널은 DPBS (Dulbecco's phosphate buffered saline, Sigma-Aldrich社)로 세척되었고, 상기 HUVECs가 상기 마이크로채널 내로 도입되었다. 세포 탈착을 위해 20분간 37℃의 5% CO2 인큐베이터에서 배양된 후에, 상기 마이크로채널은 HUVECs로 재처리되었고, 배양된 후, 90도로 장치를 회전하였다. 이러한 단계는 상기 마이크로채널의 전체 표면 상에 상기 세포들이 부착될 때까지 반복되었다. 이어서 상기 마이크로채널은 하룻밤 동안 배양되었다. 배양 후, 세포들은 15분간 5% 포르말린액(중성)에 담겼고, 10분간 0.1% Triton X-100로 처리되었다. 세포들은 플루오레세인이소티오시안산염(FITC)-공액 팔로이딘(Enzo Life Science社)으로 40분간 착색되었다(F-actin을 위한 세포 염색).
4. 미세혈관성 망을 모사하는 실린더형 마이크로채널
도 4는 빨간색 잉크로 채워진 인체 미세혈관성 망을 모사하는 본 발명의 실시예에 따른 실린더형 마이크로채널의 디지털 카메라 이미지 및 광학현미경 이미지다. 도 4a는 디지털 카메라 이미지이며, 도 4b 내지 도 4e는 각각 도 4a에 표기된 (1) 내지 (4)에 해당하는 광학현미경 이미지다. 도 4에서 스케일 바는 500㎛을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 단면 확인을 위해 PDMS 적층체를 수직 방향으로 절단했으며, 그 결과 미세혈관성 망을 모사하기 위한 200㎛ 내지 1mm 범위의 직경을 갖는 완전한 원형의 단면을 갖는 실린더형 마이크로채널이 형성 되었음을 확인할 수 있었다(도 4b 내지 도 4e). 상기 크기는 세동맥 및 세정맥(8㎛≤d<250㎛)뿐만 아니라 동맥 및 정맥(250㎛≤d<2mm)의 직경에 상응한다. 한편, 성공적인 채널 형성과 접합 성능을 확인하기 위해 빨간색 잉크를 채널 내로 도입하였으며, 도 4a에서와 같이 신뢰성 있는 채널이 형성되었음을 확인하였다.
5. 인체 간 시누소이드 ( human liver sinusoid )를 모사하는 다층형 마이크로 채널
도 5는 칩 상에서의 인체 간 시누소이드 구조를 모사하는 본 발명의 실시예에 따른 다층형 마이크로채널을 나타낸다. 이와 같은 다층형 마이크로채널은 유체영동기술에서의 마이크로비드 및 세포의 자가분류, 혈구분리 등에서 활용된다. 상기 다층형 마이크로채널은 실린더형 마이크로채널과 마찬가지로 CNC 밀링 머신에 의해 용이하게 형성될 수 있다.
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 다층형 마이크로채널을 포함하는 여과장치를 나타낸다. 우선, 깊이가 상이한 복수의 사각 단면을 갖는 다단형의 채널 패턴이 형성된 PMMA 기판이 제조되었다. 상기 깊이는 유체가 유입되는 마이크로채널의 유입부(도 5a에 도시된 여과장치의 중앙부)에서는 100㎛, 상기 유체가 유출되는 마이크로채널의 유출부(도 5a에 도시된 여과장치의 양측부)에서는 150㎛, 상기 유입부와 유출부를 연결하는 상기 마이크로채널의 마이크로 필터부에서는 40㎛였다. 그리고 상기 마이크로채널의 폭은 상기 유입부 및 유출부에서 1mm, 그리고 상기 마이크로 필터부에서는 200㎛였다.
도 5b는 빨간색 잉크 도입후의 디지털 카메라 이미지다. 도 5b에서 확인되듯이, 채널내에서의 누수는 없었으며, 빨간색 잉크가 모든 채널 내에서 성공적으로 흐름을 확인하였다.
도 5c는 도 5b에 표기된 (1) 부분의 광학현미경 이미지이다. Chelex 100 Molecular Biology Grade Resin(D=75~150㎛의 비드, Bio-Rad Laboratories社)이 상기 마이크로채널의 유입부에 도입되었고, 누출 없이 흐름을 확인하였다. 상기 마이크로 필터부의 폭은(200㎛) 상기 Chelex 수지의 직경보다 다소 넓지만, 상기 Chelex 수지는 물리적 응집으로 인한 누출이 일어나지 않았으며, 오직 용액만이 여과되었다.
도 5d 내지 도 5f는 본 발명의 실시예에 따른 다층형 마이크로채널에서 각각 PMMA, PET 및 PDMS 기판에 형성된 마이크로채널의 광학현미경 이미지이고, 도 5g 내지 도 5i는 각각 상기 PMMA, PET 및 PDMS 기판의 단면을 나타내는 이미지다(도 5b에 표기된 (2)에 해당). 도 5d 내지 5i를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 다층형 마이크로채널은 높은 패턴 정확도를 갖도록 성공적으로 형성되었음을 알 수 있다. PDMS에 최종적으로 형성된 채널 패턴은 PMMA에 형성된 채널 패턴과 동일하며, 두 번에 걸친 패턴 복제(PMMA→PET→PDMS)에도 불구하고, 상기 패턴들 간의 미세한 차이는 무시할 만한 정도였다.
도 5j는 접합된 PDMS 기판의 단면 이미지를 나타낸다. 앞서 설명한 것과같이, 상기 마이크로필터부는 마이크로채널의 유입부(중앙부)와 유출부(양측부) 사이에 선명하게 형성되어 있음을 확인할 수 있다.
도 5k는 도 5d 내지 5f에 나타낸 상기 마이크로채널의 높이를 측정한 테이블이며, 상기 마이크로채널의 15개 영역에서 측정하여 얻어진 CV값(coefficients of variation)으로 표현되었다. PMMA, PET 및 PDMS 상에 형성된 상기 마이크로채널의 평균 높이는 각각 200.0±3.1, 200.2±3.3, 및 199.6±2.0㎛ 으로 나타났으며, 각각 1.5%, 1.7% 및 1.0%의 CV값을 나타내어, 상기 패턴들이 동일 수준에 있음을 확인할 수 있었다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였다. 그러나 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 기술의 구체적 적용에 따른 단순한 설계변경, 일부 구성요소의 생략, 단순한 용도의 변경 등 본 발명을 다양하게 변형할 수 있을 것이며, 이러한 변형 역시 본 발명의 권리범위 내에 포함됨은 자명하다.
110, 210: 제1 열가소성 플라스틱 기판
120, 220: 제2 열가소성 플라스틱 기판
S1,S2,S3: 제1 채널 패턴
m1,m2,m3: 제2 채널 패턴

Claims (6)

  1. 비 포토리소그래피 기반의 랩온어칩용 마이크로채널 형성방법에 있어서,
    a) 폴리메틸메타크릴레이트 기판 상에 단면이 반원형인 제1 채널 패턴을 음각으로 형성하는 단계;
    b) 평평한 폴리에틸렌테레프탈레이트 기판을 상기 폴리메틸메타크릴레이트 기판 상에 적층한 후, 상기 적층체를 핫 엠보싱 처리하여 상기 폴리에틸렌테레프탈레이트 기판의 표면에 상기 제1 채널 패턴을 양각으로 형성하는 단계;
    c) 상기 적층체를 냉각 처리한 후에 해체시키고, 상기 폴리에틸렌테레프탈레이트 기판을 몰드로 하여 양각으로 형성된 상기 제1 채널 패턴을 폴리디메틸실록산 기판 상에 전사하는 단계; 및
    d) 상기 c) 단계를 반복 수행하여 얻어진 한 쌍의 상기 폴리디메틸실록산 기판을 상기 제1 채널 패턴이 형성된 면을 마주보도록 하여 접합하는 단계를 포함하는 랩온어칩용 마이크로채널 형성방법.
  2. 비 포토리소그래피 기반의 랩온어칩용 마이크로채널 형성방법에 있어서,
    a) 폴리메틸메타크릴레이트 기판 상에 깊이가 상이한 복수의 사각 단면을 갖는 다단형의 제2 채널 패턴을 음각으로 형성하는 단계;
    b) 평평한 폴리에틸렌테레프탈레이트 기판을 상기 폴리메틸메타크릴레이트 기판 상에 적층한 후, 상기 적층체를 핫 엠보싱 처리하여 상기 폴리에틸렌테레프탈레이트 기판의 표면에 상기 제2 채널 패턴을 양각으로 형성하는 단계;
    c) 상기 적층체를 냉각 처리한 후에 해체시키고, 상기 폴리에틸렌테레프탈레이트 기판을 몰드로 하여 양각으로 형성된 상기 제2 채널 패턴을 폴리디메틸실록산 기판 상에 전사하는 단계; 및
    d) 상기 폴리디메틸실록산 기판 상에 평평한 또 다른 폴리디메틸실록산 기판을 접합하는 단계를 포함하는 랩온어칩용 마이크로채널 형성방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 b) 단계의 핫 엠보싱 처리는 상기 폴리메틸메타크릴레이트 기판의 유리전이온도와 상기 폴리에틸렌테레프탈레이트 기판의 유리전이온도 사이의 온도인 80℃ 이상 105℃ 미만에서 수행되는 랩온어칩용 마이크로채널 형성방법.
  4. 삭제
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 a) 단계의 채널 패턴은 CNC 밀링(computer numerical control milling)을 이용해 형성되는 랩온어칩용 마이크로채널 형성방법.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 다단형의 제2 채널 패턴은 1 이하의 종횡비를 갖도록 형성되는 랩온어칩용 마이크로채널 형성방법.
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