[특별기획] 초미세센서 및 마이크로프로세서의 제작과 동향

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특·별·기·획

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 21, No. 6, 2003…731 초미세화학공정시스템 연구센터에서는 이와 같은

micro 질량분석기법을 이용한 미세병렬반응시스 템을 구축중에 있다. 본 시스템이 완성될 경우 상 온~500℃의 온도범위에서 수백

µm크기를 갖는

15×15의 박막 및 분말 촉매 array에 대하여 성능 평가가 가능할 것으로 판단된다. 본 시스템을 이 용한 촉매성능평가는 모두 computer 프로그램에

의하여 자동으로 수행될 수 있도록 구축을 하고 있다.

본 분석기법이 완성될 경우, 특히 분말 또는 박 막 형태를 갖는 다양한 종류의 촉매성능평가가 가 능하기 때문에, 광촉매, 연료전지, 환경촉매 등의 HTS 성능평가 장비로 활용이 가능할 것으로 판 단된다.

최근 초미세 가공기술은 반도체 산업의 집적화 라는 차원을 넘어 실험 및 생산, 그 응용에서 개념 적 혁신을 일으키고 있다. 그 대표적인 예인 lab- on-a-chip은 유리, 실리콘 또는 플라스틱으로 된 수 cm² 크기의 chip 위에 분석에 필요한 여러 가 지 장치들을 미세가공 기술을 이용하여 집적시킨 화학 마이크로프로세서로서 고속, 고효율, 저비용 의 자동화된 분석을 가능하게 한 것이다. 이러한 lab-on-chip은 [그림 1]에서 보여주듯이 (생)화 학물질의 분석시 사용되는 자동분

석 장치의 시료 전처리 과정에 필 수적인 펌프, 밸브, 액체양 측정기, 반응 기, 추출기, 분리 시스템의 기능과 마이크로센서/액츄에이터 기술을 하나의 chip 상에 접목시 킨 형태로서 분석에 필요한 시료 와 시약의 소모량을 최소화 할 수 있기 때문에 운용 비용을 절감시 킬 수 있고, 분석의 자동화가 용이

하며, chip의 대량 생산에 따라 그 제조비용을 절 감시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 그리고 다수 의 시료에 대한 동시분석이 가능하여 기존의 분석 시스템에서 소요되는 분석시간 및 소요비용을 현 저히 줄일 수 있다. 또한 소형으로 휴대가 가능하 기 때문에 현장에서 바로 의학적, 생물학적인 정 보를 신속하게 획득할 수 있다.

이러한 lab-on-chip의 구현을 위해서는 환경조 건의 변화나 화학반응의 결과를 고속으로 평가하 김종득·류정아

KAIST 생명화학공학과/초미세화학공정시스템 연구센터 {kjd, lutts79}@kaist.ac.kr

그림 1. Lab-on-chip의 모식도.

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732…NICE, 제21권 제6호, 2003

여 신속하게 신호를 전달하는 고속 분석기술과 센 서 기술이 매우 중요하며, 이를 소형 chip 위에 구 성하기 위해서는 센서의 소형화가 필수적이다. 마 이크로 센서 기술은 반응의 지시나 결과를 신호화 하는 기능을 담당하는데 그 감응속도와 신뢰성 그 리고 저전력화를 가능하게 하는 첨단기술로서, lab-on-chip의 고속화와 소형화를 위해서는 미량 시료의 성능과 특성을 신속하게 해석할 수 있는 분석 기법과 전기적 신호를 전달하여 구동소자의 작동을 이루게 마이크로센서의 개발이 무엇보다 필요하다.

마이크로센서 기술분야는 이미 혈당측정기, 혈 액이온성분 분석기, 생체시료 연구용기기 등과 같 이 의료 및 환경산업 분야에 사용 될 수 있는 휴대 용 측정기와 연구 목적의 자동화 분석기기 형태로 관련 시장이 급속히 확장되고 있으며, 새로운 원 리 탐구보다는 실용화에 필요한 요소기술의 접목 을 통해 소형화, 시스템화 시켜가고 있는 추세이 다. 특히 단일분자 검출과 관련된 새로운 분석도 구 기능으로서의 고속선별(high throughput screening) 기능이 강조되고 있는 실정이다.

이와 같이 공정을 집적화하고 좁은 면적상에서 필요한 연속공정을 수행하게 하여 분석기로서 활 용하는 이외에도 국부적인 용도에 사용하기위한 전달 장치로 사용하거나 소량의 생산 시설(POC, process-on-a-chip)로 활용할 수도 있다. 그리고

이러한 초미세 분석기(LOC) 혹은 생산시설 (POC)은 반드시 평면위에서만 가능한 것이 아니 며 실리카나 고분자의 작은 입자를 이용하여 이러 한 기능을 갖도록 설계 제작할 수도 있다.

나노닥터는 약물과 조영제를 국부적인 세포 및 표적에 전달하고 전달 전보를 실시간으로 전달할 수 있는 지능화된 3차원 전달체다. 마이크로캡슐 에 정보감지 장치나 전달제어장치를 가진 경우 국 부적으로 필요한 약물이나 생리활성 물질을 생산 하여 전달할 수 있다. 또한 pH, 용매, 온도, 전기장 등의 자극에 의해 현저한 부피변화를 나타내는 성 질을 나타내는 스마트 소재로 널리 알려진 하이드 로젤을 이용한 마이크로액츄에이터(microactuator) 로서의 응용 연구가 많이 이루어지고 있다. 기존의 액츄에이터가 외부전력을 필요로 하는 데에 반해 이러한 하이드로젤 시스템은 외부전원 없이도 외 부환경의 조건을 탐지하여 조건에 따라 반응을 나 타냄으로서 미세센서 및 마이크로프로세서의 기 능을 수행할 수 있다[그림 2]. 이러한 기능은 lab- on-chip 상의 microfuidics에도 응용될 수 있는데 미세채널을 따라 흐르는 유체의 조건에 따라 미세 채널의 개폐작용을 조절하게 된다. [그림 3(A)]

는 미세채널에 설치된 하이드로젤 밸브의 모식도 로서, 미세채널의 중간에 하이드로젤을 코팅한 기 둥을 설치함으로써 만들어진 하이드로젤 밸브를 나타낸다. [그림 3(B)]는 크기가 작은 하이드로

그림 2. 외부자극에 따른 하이드로젤 밸브의 개폐작용.

VALVES OFF

ACTIVE AGENTS

HYDROGEL VALVE

Temperature, PH, Heat, Electric field, etc.

VALVES ON

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젤 밸브 다수를 채널입구에 배열시킴으로써 하이 드로젤 밸브의 단위응답속도를 향상시킨 결과를 나타낸다.

바이오센서 분야에서 미국 Oak Ridge 국립 연 구소에서 개발한

‘Nose on a chip’은 수은, 천연가

스, 일산화탄소와 같은 화학물질의 냄새를 맡을 수 있다. 또한 Texas 대학은 액체의 맛과 화학성 분을 가릴 수 있는 전자혀(electronic tongue)를 개발했다고 보고한 바 있다. 이 chip은 고분자 비 드(bead)를 Ce³⁺, Ca²⁺, pH 등에 반응하도록 화 학적으로 수식시킨 다음, 마이크로머시닝에 의해 제작된 실리콘 면에 고정화시켜 실제 혀의 미뢰 (taste bud)의 기능을 모방할 수 있도록 제작되었 다[그림 4]. 각 성분에 따라 반응하는 색의 강도 및 패턴은 CCD를 이용하여 분석하게 된다.

이러한 분석용 센서들은 현재 주로 형광 표식인 자, 전기적 신호, 컬러 센서 등으로 나눌 수 있는 데 기존에 사용되는 대부분의 핵심 기술은 이미 선진국의 특허에 걸려있는 실정이다. 따라서 선진 국과의 경쟁에서 기술적 우위를 점하기 위해서는

새로운 분자의 설계가 중요하다. 이 예로 현재 초 미세화학공정시스템 연구센터에서 연구 중인 폴 리디아세틸렌 센서가 있다. 이 폴리디아세틸렌을 이용한 센서는 분자인식리간드가 말단에 수식되 어 있는 디아세틸렌 모노머를 폴리디아세틸렌으 로 합성하고, 그 수식된 리간드와 반응하는 목표 물질을 폴리디아세틸렌 필름의 색변화에 의해 탐 지해 내는 시스템이다[그림 5]. 이 시스템은 말단 에 수식되는 분자인식기능을 가진 리간드의 종류 에 따라 환경 호르몬의 분석에서부터 식중독균, DNA 및 생리활성물질의 분석에 이르기까지 다 양한 응용가능성을 지니고 있으며 신약후보물질 의 탐색 등의 고속분석 기능을 지닌 분석센서로서 도 그 이용가능성이 높다.

이와 같이, 현재 조합형 감응막, 분자인식 등의 능력을 갖춘 감응제어형 미세센서 및 마이크로 프 로세서 기술은 국내외 여러 분야에 있어서 이미 lab-on-chip 기술의 발전과 함께 많은 연구와 개 발이 이루어지고 있다.

이러한 지능형 마이크로센서 시스템의 개발은

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 21, No. 6, 2003…733 그림 3. 미세채널에 설치된 하이드로젤 밸브, 스케일바는 300µm (A) 하이드로젤 밸브의 모식도와 그 부피변화, (B) 단위응답속도 비교(하이드로젤 밸브 array : ●, 단일 하이드로젤 밸브 : ■).

INFLOW

HYDROGEL OUTFLOW OUTFLOW

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734…NICE, 제21권 제6호, 2003

앞으로 환경오염물질 분석기기, 화생방용 무인 화 학/생물 작용제 탐지/식별 장치, 화학/생물공정 모니터링, 가정이나 병상에서의 건강 검진 기기, 제약산업의 신약 탐색 분야에의 이용, 의료 진단 장비 등의 다양한 분야에 응용됨은 물론, 특히 초 미세 화학공정이 이용될 수 있는 많은 연구 분야에 있어서 그 연구수행에 필요한 시간과 노력을 최소 화시킬 수 있는 기반기술을 제공함으로써 산업적, 사회적으로 막대한 그 파급 효과가 예상된다.

그러나 아직까지 이러한 지능형 미세센서 시스

템의 개발에 있어서 제조된 소자의 기계적/전기 적 물성의 불안정성, 짧은 내구성, 특히 바이오 분 야에 있어서의 생물분자의 박막화에 대한 제한 요 소, 주변 환경 조건에 따른 생체 분자의 비활성화 등의 문제점의 해결이 필요한 실정이다. 이러한 문제점의 해결과 동시에 신속하고 정확한 첨단의 신호처리를 위해서는 화학 분야은 물론 분자생물 학, 전자공학, 의과학 등 보다 총체적이고 다양한 기술의 접목이 무엇보다 필요하다.

그림 5. 폴리디아세틸렌 센서.

그림 4. 전자혀의 측정원리 (A)전자혀의 구성도, (B)미뢰에 해당하는 비드와 CCD 검출패턴, (C)센서부위의 모식 도, (D)시제품 사진.