Development of high-speed 3D optical imaging device and high-sensitivity thermal sensor in microfluidic system

Abstract

Part 1: 미세 유체 시스템 내에서의 유체의 움직임은 작은 채널의 크기로 인해 낮은 레이놀즈 수 (Re), 즉 점성의 효과 대비 관성의 효과는 무시되는 것일 일반적인 가정이다. 그러나 미세 유체 내에서의 유체의 속도가 0.1~10 ms에 이르게 되면 Re가 10이상의 값을 갖게 되고, 이로 인해 유체의 흐름에 여러 가지 관성의 효과를 관찰할 수가 있다. 대표적인 현상으로 미세유체 칩 내에서 랜덤하게 분포되어 있는 입자들이 채널 내의 특이점에 정렬하게 되는 관성이동 및 관성 집중 현상을 들 수가 있다. 이는 입자에 작용하는 두 가지 양력인, shear gradient lift force와 wall effect lift force의 상호 작용으로 설명되고 채널 단면의 모양에 따라 집중점이 달라지게 된다. 이러한 관성 집중 현상을 이용하면 미세 입자를 입자의 크기와 모양에 따라 정렬하거나 분리할 수가 있어 입자 조작의 다양한 응용이 가능하다. 만약 관성미세유체 시스템 내에서의 입자의 거동을 3차원 적으로 관찰할 수 있다면, 채널 구조와 입자간의 상호작용 및 관성효과에 대한 근본적인 이해가 가능하다. 본 연구에서는, 관성미세유체 시스템에서의 빠른 속도로 움직이는 입자의 3차원적 움직임을 광학적으로 관찰하기 위한 기술로서 미러 코팅한 45도 각도의 마이크로 프리즘 제작 방법 및 미러를 미세유체 채널에 결합하기 위한 구조를 제안하였다. 제안한 디바이스의 장점은, 작은 사이즈로 인해 투과 현미경을 이용하여 초고속 카메라 측정이 가능하며, 투과 이미지와 거울면에 반사된 반사 이미지를 한 개의 대물렌즈를 이용하여 동시에 관찰함으로써 3차원적인 움직임을 분석할 수 있다. 먼저 마이크로 프리즘은 실리콘 비등방 에치 및 폴리머를 이용한 소프트리소그래피 기술을 이용하여 제작하였다. 이때 프리즘의 반사면의 각도는 실리콘의 두 결정면인 <110>과 <100> 사이의 각도 관계로서 정확히 45각도로 제작이 된다. 미세유체 칩은 프리즘 미러를 삽입하기 위한 임베딩 채널과 미세유체 채널이 동시에 형성된 PDMS 채널과 각각의 채널을 덮어주기 위한 또 다른 PDMS채널 두 개로 구성이 된다. 이러한 구조적인 특징으로 프리즘 미러를 미세유체에 정렬오차 없이 쉽게 결합할 수 있다는 장점을 가진다. 관성미세유체 칩 내에서의 입자의 3차원 이미징의 응용으로, 직사각형 단면을 가지는 미세유체 칩에 직경 10 μm 입자를 0.3 m/s (Re=11) 의 빠른 속도록 흘려주면서 입자의 관성 이동 현상을 채널의 평면이미지와 반사된 채널의 측면이미지를 동시에 관측함으로써 3차원적으로 성공적으로 분석하였다. Part 2: 세포 대사량을 측정할 수 있는 바이오센서로써 미세유체 칩 열량계에 대한 개발에 대한 연구가 많이 진행되어왔다. 칩 열량계는 적은 양의 샘플을 이용하여 빠른 시간에 반응열을 측정할 수 있다는 장점이 있지만, 동시에 적은 열량을 측정하기 위해서 높은 민감도를 요구한다. 칩 열량계의 민감도는 열 센서 자체의 민감도와 칩 열량계의 단열 특성에 의해 결정된다. 본 연구에서는, 미세유체 칩 열량계 플랫폼에 적용 가능한 고감도 열 센서의 개발과, 단열특성 확보를 위한 미세유체채널에 대한 연구를 진행하였다. 먼저, 고감도 열 센서 제작을 위해 오산바나듐 써미스터를 열 센서로 선택하였고, RF스퍼터링과 후속 열처리 조건을 통해 높은 TCR 값과 열적으로 안정한 오산화바나듐 써미스터를 성공적으로 제작하였다. 고감도 칩 칼로리미터의 구조적 특징은, 실리콘질화막이 형성된 실리콘 기판 위에 골드 전극과 오산화바나듐 센서를 광 식각 기술을 이용하여 형성하고 센서의 단열 특성을 높여주기 위해 센싱 영역 아래의 실리콘 기판을 KOH습식 에치를 통하여 제거하다. 이러한 얇은 막 형태의 열 센서 구조에서는 주변 공기로의 전도를 통한 열 손실이 문제가 되는데, 이는 센서 주변을 진공처리 함으로써 해결할 수 있다. 진공에서 측정한 칩 열량계의 열 전도도는 12.3 μW/K 수준이었고, 센서의 Johnson noise를 NETD로 가정한 온도 분해능은 16 μK 이다. 이를 통한 칩 열량계의 민감도는 196 pW 수준으로, 이는 크기가 큰 지방세포 1~2개의 기초 대사량을 측정할 수 있는 수준의 민감도이다. 두 번째로, 실제 미세 유체 칩을 적용한 응용을 위해, 단열특성이 우수한 페릴린 미세유체 채널에 대한 연구를 진행하였다. 페릴린은 박막형태로 기판 위에 코팅을 할 수 있으며, 일반적인 미세유체채널로 사용하는 PDMS채널에 비해 단열 특성이 우수하다. 특히 추가 단열특성 개선을 위해서, 나이트라이드 및 페릴린 박막 층의 에치를 통한 브리지 구조 적용을 제안하였고, FEM 시뮬레이션 결과 열 전도 통로 감소에 따른 단열 특성이 브리지 적용 전의 구조에 비해 5배 개선됨을 확인하였다.