[논문]바이오멤스 기술을 이용한 생체물질의 분리분석 소자의 개발

윤현철; 이준황

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문제 정의

앞서 살펴본 유체제어의 원리와 제작기법을응용하여 랩온어칩에 대한 개발연구가활발히수행되고 있다. 이 지면에서는 최근까지 본 연구팀과 아주대학교 전자공학부，한국전자통신연구원의 공동연구로 개발된 랩온어 칩을 간단히 소개하고자 한다. 현재 제작되는 칩들은 에너지 효율면에서 우수성을 가지며 양산이 용이한 형식인 수동적 방식에 의한 유체제어소자의 방향으로 개발되고 있다.

제안 방법

이 구조적인 특징은 병목현상을 유발시켜 유체의 흐름을 지연시고 이를 통해 유체가 측정챔버에 이르기 전에 타겟물질과 신호항체간에 경쟁반응이 진행될 수 있는 시간을 확보하게 된다 （그림 lb, 세번째 패널）. 또한 측정챔버에 도달한 유체는 더 이상의 모세관력을 받지 않도록 구조를 설계함으로써 전기화학적 면역센싱을 용이하게 하였다 （그림 lb, 네번째 패널）. 하지만 이 칩의 단점은 측정챔버에서 진행되어야 하는 세척과정이 외부펌프를 이용하게 됨으로써 외부의 동력원을 이용하게 된다.
이 칩 또한 모세관력만을 이용하여 자가세척이 가능한 칩의 형태로 제작되었다. 이 유체이송 칩의 가장 큰 특징은 채널표면의 화학적 성질을 그대로 두고 유체이송채널의 구조변화와 길이변화만을 이용하여 원하는 유체제어를 이루어냈으며， 또한 채널의 깊이를 단일화 한 설계를 함으로써 양산에 용이하도록 하였다는 것이다. 그림 3에서 보는 것처럼 칩은 두 개의 주입구를 가진 형태이다.
이러한 접근방법의 성공적인 예는 스탠포드 대학에서 개발한 'LabCD가 대표적이다 (Duffy et al, 1999). 이 장치는 CD 드라이브에서 CD가 회전하면서 발생하는 원심력을 이용하여 유체의 흐름을 제어하는 방식으로 설계되었다. 이런 능동적 방식은 유체의 흐름을 정확하게 제어할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
고분자의 단량체와 중합 개시제를 주형 (master) 틀에 넣어 주조하는 방법feasting)과 미세채널의 설계도가 식각된 금속 주형판을 경화된 고분자 칩 위로 전사하는 핫엠보싱(hot-emtossing) 기법이 이용되고 있다. 첫째로，고분자를 주조하여 제작하는 방법은 정밀가공이 용이한 알루미늄이나 반도체 공정에서 이용되는 PR(photoresist) 고분자 막을 이용하여 미세채널의 설계도를 가진 주형 틀을 제작한다. 그리고 이 주형 틀에 원하는 고분자 물질을 주입, 경화시켜 가공한다.

대상 데이터

이 기술은 반도체 칩 등에 전극，밸브，채널，기어 등을 제작，구성하여 다양한 센서나 정밀 기기에 이용하는 소자를 제작하는데 응용되고 있다. 이 기술을 이용한 결과물들은 수 밀리미터에서 수 마이크로미터에 이르는 미세장치들이다. 이러한 멤스 기술은 각 소자를 소형화할 수 있는 강점을 가지고 있어 랩온어칩에 응용될 수 있다.
이 칩은 원터치 형식으로 공기주머니의 공기를 밀면서 생기는 공압을 이용하여 세척과정을 진행하고 있다. 칩의 제작은 그림 1의 칩과 유사한 방법으로 수행되었지만，주조주형 틀이 알루미늄이 아닌 SU-8 PR을 이용한 실리콘 웨이퍼를 사용하였다. 실리콘 웨이퍼를 사용함으로써 더욱 평탄한 구조의 칩 표면을 만들 수 있으며，이는 lamination을 더욱 강하게 유지할 수 있게 되는 장점을 갖는다.

후속연구

이 모든 요소를 하나의 칩 위에 통합하기 위해서 반도체 공학의 집적소자 제작기술을 이용하게 되며，따라서 생체분석의 목적과 수행되는 반응단계에 맞도록 설계에서부터 제작，운용에 이르기까지 생명공학자와 멤스전문가 간의 유기적인 협조가 필요하다. 개발되는 랩온어칩의 구현은 의심되는 환자의 샘플에서 질병 진단까지의 시간을 단축시킬 뿐만 아니라 소형화，경량화로 휴대용 진단시스템을 구축하게 될 것이다. 이는 위급한 현장에서 빠르고 정확한 환자 상태의 분석이 가능해져 현장진단 시스템으로 적용 될 수 있다.
아직 경험이 부족한 연구자로써 어떤 융합된 그리고 통합된 연구결과물이 나올지를 예상하기란 쉽지 않다. 하지만 다양한 분야의 많은 뛰어난 연구자들이 랩온어칩의 연구에 힘을 쏟는 것을 지켜보면서，학문적인 발전에 그치지 않는 실질적인 결과물이 도출되어 우리 미래의 ’well-being'에 크게 기여할 것임을 기대해본다. ©

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

랩온어칩이란?

랩온어칩이란 앞에서도 언급한 바와 같이 하나의 칩 위에 진단에 관련된 모든 요소들이 집적화된 소자를 말한다. 집적화를 위해서는 다양한 기술들이 필요 하지만 전자공학과 기계공학의 정밀공정에서 사용되는 멤스(MEMS: Micro-Electro Mechanical System) 기술이 가장중요하게 요구된다.

랩온어칩은 어떤 식으로 설계되는가?

랩온어칩은 기존의 진단 시스템을 대부분 그대로 채용하여 소형화，집적화하는 형식으로 설계된다. 따라서 환자의 혈액이나 타액，조직 샘플을 정제하는 전처리 과정을 담당하는 파트와 표적물질을 증폭 하거나 농축시키는 파트로 구성되며, 표적물질을 측정하고 정량화하기 위한 광학적 또는 전기화학적 분석을 수행하는 바이오센싱 파트 또한 랩온어칩의 구성요소이다.

MEMS 기술은 어디에 응용되고 있는가?

집적화를 위해서는 다양한 기술들이 필요 하지만 전자공학과 기계공학의 정밀공정에서 사용되는 멤스(MEMS: Micro-Electro Mechanical System) 기술이 가장중요하게 요구된다. 이 기술은 반도체 칩 등에 전극，밸브，채널，기어 등을 제작，구성하여 다양한 센서나 정밀 기기에 이용하는 소자를 제작하는데 응용되고 있다. 이 기술을 이용한 결과물들은 수 밀리미터에서 수 마이크로미터에 이르는 미세장치들이다.

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