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NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 21, No. 5, 2003…577 1990년대 후반부에 시작된 초미세 화학공정시
스템 기술은 서로 다른 조건을 갖는 다량의 시료 를 빠른 시간 안에 제작하고 분석할 수 있는 기술 이다. 이 기술은 기존의 단일-시료, 단일-분석 기 술의 한계성을 극복할 수 있기 때문에 큰 파급 효 과를 가져올 것이다. 이에 세계 시장의 선점과 독 자적인 기술 확보를 위하여 기업 연구소 및 대학 연구소 등과 긴밀한 컨소시엄, 제휴 및 상호 약정 등을 통하여 대규모 프로젝트를 진행시키고 있다.
향후에는 개개의 초미세 화학공정 시스템이 하 나의 칩으로 집적되어, 여러 화학 반응을 대량으 로 처리하고 그 결과를 분석하게 될 것이다. 본 연 구실에서는 이와 같은 대량의 시료 처리 시스템의 구현에 있어서 핵심 구성 요소 중 하나인 공정 시 스템의 미소화 및 고속화를 위한 마이크로 기술 (micro manipulation)을 개발하고 있다.
초미세 공정의 미소 자동화에 필요한 기술은 다 음과 같다.
미세 구동
초미세 공정은 물질이동, 반응, 분석, 제어, 모니 터링 등의 거대 장치들을 모두 하나의 칩(process on chip)으로 융합(integration)하기 때문에, 반복 적인 미세 구동(fine motion)이 필요하다. 보다 빠른 시간 내에 많은 시료를 처리하기 위하여, 시 료의 집적도를 높이기 위해서는 반응물이나 시료
의 양이 미량이 되고, 각 시료간의 공간적인 간격 이 매우 작아지게 된다. 따라서 시료간의 이송이 나 반응, 분석 등을 위해서는 sub-µm 이하 분해 능의 구동을 필요로 한다. 또한 이러한 구동기술 은 극미량의 유체제어기술로도 활용된다.
시스템 융합
초미세 화학공정의 분석 및 평가 전반을 위해서 는 각종 엑츄에이터, 센서, 반응기 등을 유기적으 로 결합하는 시스템 융합(system integration)과 이것의 최적 운전 및 제어기술 개발이 요구된다.
현재 대부분의 연구는 lithography나 광중합 (photopolymerization)반응을 이용한 마이크로 밸브/펌프/압축기 등의 엑츄에이터 개발과 간단 한 혼합/분리/정제 반응기 제조, 모세관에서의 전 기적 특성을 이용한 나노유체이동기술, 미량 유체 의 압력/유량/점도/밀도 센서개발 등의 최소 단 위별 장치나 단위별 운전기술의 개발에 초점을 맞 추고 있다.
실제로 생명공학 분야에서는 종전에 사용되던 96 well microplate가 384 well plate로 대체되고 있는 추세이며, 여러 자동화 기기를 이용하여 일 정한 quality의 일정한 throughput을 내고 있다.
초미세 화학공정의 구현을 위해서는 측정 시료 의 고속 분석과 마이크로 manipulation이 필수적 이며, 이를 위해서는 정밀위치결정시스템의 개발 김 수 현
KAIST 기계공학과/초미세화학공정시스템 연구센터 [email protected]
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이 필요하다. 본 연구실에서는 이러한 미세 구동 및 자동화 시스템, 그에 필요한 측정 기술을 개발 하여, 초미세 화학공정 시스템의 실제 구현에 필 요한 시스템을 개발하고자 한다.
고속 위치 결정 메카니즘은 고속 성능평가 및 분석 시스템을 구성하는 요소들인 광학 스펙트럼 프로브, 질량 분석기 프로브, 반응 어레이 등의 정 밀한 상호 위치, 자세 결정, 고속 스캐닝 및 고속 이송을 구현한다. 이에 적용 가능한 미세 구동기 는 서보 모터, 스테핑 모터 등의 기존 방법 외에 정밀 구동 압전 소자, VCM 등의 새로운 구동기 를 사용할 수 있다.
대부분의 시스템에 사용하고 있는 linear guide, ball-screw 등의 범용적인 기계적인 부품들은µm 단위의 분해능 구현이 가능하지만, sub-µm 단위 의 분해능에는 구조적인 한계성이 따른다. 또한
이러한 장치들은 그 구조가 복잡하고 상당한 부피 를 차지하게 된다. 따라서 초미세 화학공정 시스 템의 초기 모델에는 적용 가능 하지만, 향후에 연 구 될 초미세 화학공정 시스템에 적용하기 어렵다.
따라서 sub-µm의 분해능을 가지는 소형화된 새 로운 메카니즘의 개발이 필요하다. 현재 반도체 공정이나 컴퓨터 보조 메모리장치 및 정밀 측정 장치에 주로 쓰이고 있는 압전소자나 VCM 방식 이 그 대안이 될 수 있다. 압전소자의 경우에는 위 치 분해능과 허용 하중에 있어서는 상당한 우위를 가지고 있지만, 100µm 이내의 짧은 작동영역을 가지고 있는 한계성이 있다. VCM 방식의 경우에 는 이론적으로 작동영역의 한계가 없으며µm 이 하의 위치 분해능을 가질 수 있는 장점이 있다. 하 지만 압전소자에 비하여 허용 가능한 하중이 작다.
이 밖에도 MEMS 기술을 이용한 초정밀 위치 결 그림 1. (A) MIT whitehead institute의 center for genome research, (B) Biochip arrayer(Perkin Elmer)350pL droplet from the 75µm orifice.
그림 2. 개발된 3축 manipulator.
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NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 21, No. 5, 2003…579 정 장치가 있지만 제작뿐 아니라 마이크로
manipulation 시스템에 적용하기에는 아직까지 어려운 실정이다. 따라서 연구 초기단계로서 macro-scale의 3축 매니퓰레이터(manipulator) 를 제작하였다. x-y-z 방향의 구동 범위는 840 mm×370mm×400mm이며, 분해능은 500µm×
380µm×40µm이다. End effector에는 미세 구동 기나 시료 핸들링에 필요한 별도의 구동기를 장착 할 수 있도록 설계되었다.
Gas detection probe
초미세 화학공정이 활발히 진행됨에 따라 micro scale의 물질을 효율적으로 검출할 수 있는 시스 템이 요구되기 시작하였다. 그 중에서도 DNA칩, catalyst analysis chip과 같은 array 형태의 샘플 의 구성 성분과 농도를 검출할 수 있는 multi- detection probe를 개발하고자 한다. Multi- detection probe는 gas를 검출할 수 있도록 2개의 tube로 구성된 2-coaxial type probe와 gas의 농 도 분석을 위한 표면 플라즈몬 공명(SPR) probe 로 구성되어 있다.
Gas detection probe는 array 형태의 catalyst 샘플을 가진 chip을 매개체인 가스와 반응시켜 반 응 결과물을 mass spectrometer에 빠르게 전송할
수 있도록 제작되어야 한다. 소량의 샘플에 대한 결과를 얻어야 하므로 수백µm의 직경을 가지며 미세한 probe 내에서 여러 가지 작업을 원활하게 수행할 수 있도록 정교하게 제작되어야 한다. 전 체적인 gas detection probe는 [그림 3]과 같이 silica capillary probe, gas inlet tube, gas outlet tube, micro pumping 연결 장치로 구성되어 있다.
Probe는 세 가지의 다른 gas의 통로를 가지고 있어야 하며 샘플의 직경인 250µm 범위 내에서 기능을 이행할 수 있도록 설계되었다. 제작은 quartz tube 가공 방식과 기계적 가공에 의한 성 형으로 이루어 질 수 있다.
SPR probe는 생화학 물질의 농도나 굴절률의 변화를 실시간으로 측정할 수 있는 시스템이다.
표면 플라즈몬 공명(SPR)은 측정 표면에서의 고 분자나 다른 물질에 의한 변화로 입사된 빛에 대 한 유전체의 굴절률이 달라지게 되어 표면 플라즈 몬파의 에너지와 운동량에 영향을 주게 되는데, 이러한 현상을 이용하여 측정 표면의 변화를 광학 적으로 측정하여 실시간으로 모니터링 함으로써 각종 반응, 생화할 물질의 결합의 모양, 반응속도, 샘플의 양 및 농도 등을 효율적으로 측정할 수 있 다. 특히 기존의 macro-scale 검출 방법으로 어려 웠던 gas, DNA, protein 등을 빠르고 정확하게 검 출할 수 있는 방법으로 생물적 화학적으로 유용성 이 큰 검출 시스템이다. 이러한 SPR 센서를 광섬 유 방식으로 개발하면 소형화와 휴대화에 적합하
그림 3. Gas detection probe. 그림 4. SPR 센서 시스템.
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여 기존의 측정기기로는 분석이 어려웠던 상황에 서도 샘플 측정이 가능해진다.
SPR probe는 샘플의 특성 변화를 민감하게 검 출할 수 있도록 구성되어 있다. 광섬유는 multimode 파이버(fiber)로 코어(core)의 재질은 silica, 클래딩(cladding)은 아세톤에 녹는 TECS 이다. SPR probe 형태로 제작하기 위하여 끝을 수직으로 polishing 처리하였고, 옆면은 SPR 현상 에 대한 민감도와 생체 고분자와의 친화성 및 보 존성이 좋은 금으로 코팅되었다. 또한, 광원부에서 진행하던 빛이 probe에서 반사되어 검출부로 갈 수 있도록 은거울이 500nm로 코팅되었다.
SPR probe를 이용하여 설탕물의 굴절률 변화 와 단백질의 농도 변화에 대한 SPR 현상을 측정 한 결과 SPR 파장값이 이론값과 매우 작은 오차
를 나타내었다. 이러한 실험 결과는 SPR probe가 초미세 화학공정 등 다른 분야에서 높은 감도를 가지는 측정 장치로 응용될 수 있다는 것을 보여 준다.
초미세 화학공정 시스템의 고속 성능 평가 및 분석 기술 개발을 위하여 현재 전체 시스템은 성 능 평가가 이루어져 실제 시스템에 통합되어 적용 되어 질 수 있어야 한다. 현재 각각의 요소를 결합 하고 다양한 샘플에 적용될 수 있도록 gas detection probe의 재질 및 형태를 최적화할 수 있 는 연구를 수행하고 있다. 향후 형광 분석을 위한 광학적인 시스템이 결합되면 현재 다량의 시료에 대해 많은 정보를 요구하는 초미세 화학공정에 있 어서 상당한 파급 효과를 보일 것으로 예상된다.
그림 5. SPR probe 실험 결과.
