지난 수십 년간 반도체 IC의 기술이 지수적으로 발전함에 따라, 최근 들어서는 생물, 화학의 분야 에서도 반도체 IC에서와 같이 집적화를 이루려는 연구가 진행되어 왔다. 반도체 IC의 제조에 사용 된 기술을 응용함으로써 반도체 칩과 비슷한 크기 의 칩 위에 여러 종류의 단위조작과 분석의 기능 을 집적시킬 수 있었으며, 최근에는 이러한 칩의 상용화 단계까지 이르렀다. 칩 위에 여러 가지 기 능을 가지는 마이크로디바이스 혹은 나노디바이 스를 집적시키게 되면 여러 가지 장점을 가지는데, 예를 들면 매우 적은 양의 시료만을 필요로 하고, 응답시간의 감소, 표면적과 부피의 비가 증가함에 따라 가열/냉각 등 열전달속도가 증가하고, 휴대 를 가능하게 하고, 칩의 적층에 의하여 공정을 병 렬로 진행시킬 수 있으며, 반도체 칩에서 각 트랜 지스터에 개별적으로 신호를 주고 받듯이 각 셀에 신호를 보내고, 그에 따른 결과를 받는 것이 가능 하게 된다.
반도체 IC의 경우에는 칩 위에 패턴된 회로를 따라 전자가 움직이지만, 생물, 화학에 사용하는 칩에서는 패턴된 채널을 따라 유체가 움직이게 된 다. 그런데, 크기가 작은 채널에서 유체의 흐름에 수반되는 이동현상은 매크로스케일에서의 거동과 는 다른 특성을 보이게 됨에 따라, 마이크로스케일 에서의 이동현상을 연구할 필요가 생기게 되었다.
‘마이크로플루이딕스’는 특성길이가 마이크론 의 단위를 가지는 시스템에서 유체의 거동을 연구 하는 학문분야라고 할 수 있는데, 보다 넓게는 유 체역학, 열전달, 물질전달, 전하(charge)전달 등을 포함하는 이동현상 전체를 다룬다. 마이크로플루 이딕스가 대상으로 하는 시스템은 유체가 흐르는 채널이 여러 개 있을 때, 채널을 정의하는 길이 중 의 하나가 1mm보다 작은 경우에 해당하며 이 때 다루는 유체는 보통의 물방울 부피의 수천분의 일 로, picoliter(10-9 liter)~microliter(10-6 liter)의 범위에 속한다. 최근에는 특성길이가 마이크론보 이루고 있다. 이를 위해서 시료제조 반응기, 성
능 평가 시스템들의 크기가 작아질 수밖에 없 다. 또한 미세 생명·화학 시스템을 작게 만들어 서 휴대가능하게 되면, 인간의 복지, 건강을 크 게 증진시킬 수 있는 휴대용 미세 device가 휴 대용 전화처럼 상용화시킬 수 있게 될 것이다.
본고에서는 2회에 나누어 고속 R&D용 장비
와 미세 생명·화학 시스템을 만드는데 필요한 기술, 획기적인 재료 및 신촉매를 탐색할 수 있 는 고집적박막 chip 및 병렬 미세 반응기 제작 및 응용, 고속 R&D용 장비 및 미세 반응기에 서 나오는 미세 시료의 고속성능평가와 분석기 법, 그리고 초미세 공정 소자(process-on-chip) 의 응용분야를 간략하게 소개하고자 한다.
김 도 현
KAIST 생명화학공학과/초미세화학공정시스템 연구센터 [email protected]
다 작은 시스템에서의 플루이딕스는 마이크로플 루이딕스와 구별하여 ‘나노플루이딕스’라고도 하 는데 일반적으로 나노플루이딕스도 마이크로플루 이딕스에 포함시킨다.
마이크로플루이딕 흐름의 특성
마이크로플루이딕 시스템에서 대상이 되는 유 체는 액체인 경우 대개 물이나 용질이 포함된 수 용액이며, 기체일 경우도 있다. 마이크로플루이딕 흐름의 특성은 레이놀즈 수(Re=ρul/µ)로 대표될 수 있다. 여기서ρ와 µ는 유체의 밀도와 점도이며, u와 l은 유체의 특성 속도와 유체가 흐르는 마이 크로채널의 특성길이다. u는 액체인 경우에 수 cm/s 정도까지 이를 수 있으며, l은 대개의 경우 1~500µm의 범위에 속한다. 이 경우 레이놀즈 수 는 100보다 작으며, 1.0보다 작은 경우도 잦다. 레 이놀즈 수는 물리적으로 관성력과 점성력의 비에 해당하므로 레이놀즈 수가 1보다 작은 경우에는 점성력이 지배적이 되며, 그렇지 않더라도 유체의 흐름은 층류의 특성을 띠게 된다. 작은 특성 길이 에 의해 레이놀즈 수가 작고, 표면적/부피의 비가 커짐에 따라 마이크로플루이딕 디바이스에서는 표면 장력, 전기적 효과, van der Waals 상호작용, 표면 거칠기와 같이 표면에 관련되는 효과의 중요 성이 부각된다. 그리고, 제한된 면적을 효율적으로 사용하기 위해 유체가 흐르는 채널을 삼차원으로 제작함에 따라, 기하학적 구조의 영향이 증가한다.
많은 경우에 유체는 단백질 등의 입자를 포함하게 되는데, 이러한 입자의 크기가 채널의 크기와 엇 비슷한 경우가 많아 마이크로플루이딕 디바이스 의 설계와 해석에 어려움을 주고 있다.
마이크로플루이딕 시스템의 요소
마이크로플루이딕스는 시스템의 목적에 따라 원하는 방향으로 원하는 양의 유체가 흐르도록 하
는 유체의 교통제어 시스템이라고 할 수 있다. 이 를 위해서는 유체가 흐르는 채널, 유체의 흐름을 제어하는 밸브, 유체가 흐르는 구동력을 제공하는 펌프 등이 기본적으로 필요하며, 혼합을 위해서는 혼합기, 반응을 위해서는 반응기 등이 추가로 필 요하다.
마이크로플루이딕 시스템을 소형으로 만들기 위하여 채널은 굴곡이 매우 심하게 설계되거나, 삼차원으로 만들어지기 때문에 용질이 포함된 경 우에는 분산(dispersion)이 필연적으로 발생한다.
분산을 최소화시키기 위하여 속도 분포가 균일한 전기삼투흐름을 적용하기도 하지만 전기삼투흐름 에서도 채널의 굴곡이 심한 경우에는 분산이 관찰 된다.
마이크로플루이딕 시스템에 사용되는 밸브는 수 동밸브(passive valve)와 능동밸브(active valve) 로 구분할 수 있다. 능동밸브는 밸브의 작동을 위 하여 외부에서 구동(actuation)을 하고, 수동밸브 는 구동이 없이 밸브의 기하학적 구조에 의하여 유체의 흐름이 한쪽 방향으로 진행하도록 한다.
수동밸브는 대개 유로를 완전히 열거나 닫지는 못 하고, 한쪽 방향의 유량이 크고, 반대 방향의 유량 이 작아 알짜 유량(net flow rate)이 한쪽 방향으 로 양의 값을 가지도록 설계한다. 수동밸브에는 캔티레버 밸브, 다이아프램 밸브, 디퓨저-노즐 밸 브 등이 있다. 능동밸브는 일종의 나비 밸브(flap valve)로 구동력에 의하여 나비를 열고 닫음으로 써 유체의 흐름을 제어한다. 구동을 위해서 바이 메탈을 사용하거나, 정전기력, 전자기력 등의 외부 힘을 사용하며, 가열에 의해 기체를 팽창시켜 밸 브를 구동하는 열공압식 밸브(thermopneumatic valve)도 채용되고 있다.
일반적으로 사용되는 펌프는 대개 전기 모터를 사용하여 유체의 압력을 증가시켜 유체가 흐르도 록 하는데 마이크로플루이딕 시스템에서는 압력
차를 만드는 것 외에 여러 가지 방법으로 유체가 흐르도록 한다. 압력차에 의한 흐름은 유체역학에 서 다루는 프와즈유 흐름(Poiseuille flow)에서와 같이 채널을 가로질러 포물선형의 속도 분포를 가 진다. 전기장을 가하면 채널 벽 근처에 전하를 띤 데바이 이중층(Debye double layer)이 형성되며 이 이중층에서의 응력에 의하여 유체를 흐르게 할 수 있는데, 이러한 흐름을 전기 삼투 흐름(electro- osmotic flow)이라고 한다. 이 경우 속도는 채널 을 가로 질러 거의 균일한 분포를 보인다. 마이크 로플루이딕 시스템에서는 유체에 여러 가지 입자 들이 포함되어 흐르는 경우가 많다. 전기장에 의 하여 전하를 띤 입자들이 채널을 따라 흐르는 것 은 전기영동(electrophoresis)이라고 하며, 전기쌍 극자와 전기장의 기울기의 상호 작용에 의하여 입 자들이 움직이는 것은 유전영동(dielectrophoresis) 이라고 한다.
유체와 채널 벽의 상호 작용에 의하여 유체가 채널 벽을 적시는 경우에는 모세관 현상에 의하여 유체 내에 압력 기울기가 발생하며 이에 의해서도 유체가 흐른다. 이 경우의 속도 분포는 압력차에 의한 경우와 비슷하다. 마이크로플루이딕 시스템 에서는 표면적/부피의 비가 커서 표면 효과가 큰 비중을 차지하는데, 표면 장력의 기울기에 의해서 도 유체가 흐른다. 표면 장력은 온도나 용질의 농 도에 따라 변하므로, 온도나 농도의 기울기에 의 하여 유체의 흐름을 유도할 수 있다.
마이크로플루이딕 시스템에서 널리 사용되는 펌프 중에 하나는 화학공장에서 볼 수 있는 양변 위 펌프(positive-displacement pump)와 같은 원 리로 동작하는 막구동 펌프(membrane-actuated pump)다. 막구동 펌프에서는 막의 진동에 의한 변위를 펌프실(chamber)에 가함으로써, 펌프실 의 용적이 변하도록 한다. 펌프실의 용적이 증가 하면 유체가 펌프실의 입구로 유입되고, 용적이 감소하면 출구를 통하여 유체가 유출된다. 유체가 유입될 때는 입구로만 유입되고, 유출될 때는 출 구로만 유출되도록 하기 위해서는 입구와 출구에 적절한 밸브가 채용되어야 한다. 일반적으로는 앞 서 언급한 수동밸브를 사용하여 입구와 출구를 설 계한다. 막을 구동시키는 기구로는 공압식, 열공압 식, 압전식, 정전기식 등이 있으며, 바이메탈이나 형상기억합금을 사용하기도 한다. [표 1]에는 각 구동 방식의 특성을 비교하였다.
마이크로플루이딕 시스템의 제작
마이크로플루이딕 시스템의 제작 기술은 처음 에는 일반적인 MEMS(micro electro mechanical system) 기술을 사용하였고, MEMS 기술의 근 원은 반도체 집적회로를 제작하는 집적회로공정 에서 찾아 볼 수 있다. 집적회로공정에서는 실리 콘 웨이퍼 위에 박막층을 증착이나 성장에 의하여 형성하고, 이 박막층을 포토레지스트로 덮은 후, 포토리소그라피에 의하여 패턴을 전사시킨다. 패
표 1. 마이크로펌프의 구동방식의 비교
Electrostatic Small Small Fast High Simple Simple
Piezoelectric Large Small Fast High Simple Complex
Electromagnetic Moderate Moderate Moderate Moderate Complex Complex
Bimetallic Moderate Large Moderate Low Simple Moderate
Thermopneumatic Large Large Slow Low Simple Moderate
Microactuation Performance Input
Structure Fabrication
Methods Force Displ. Response Speed Voltage Process
턴에서 필요 없는 부분은 식각에 의하여 제거하면, 한 박막층의 구조가 완성된다. 원하는 집적회로의 구조를 구현하기 위해서는 여러 층의 박막이 필요 하며, 각 층마다 이와 같은 일련의 공정을 계속적 으로 반복한다. 원하는 물들이개(dopant)를 주입 하기 위해서는 이온주입(ion implantation)이나 확산 등의 방법을 사용한다. 집적회로공정 기술이 MEMS 기술의 근간이 되었지만, 집적회로공정 기술은 기본적으로 기판의 표면만을 사용하여 연 속적으로 적층하는 기술이라고 할 수 있다. 그러 나 MEMS 디바이스를 만들기
위해서는 실리콘으로 삼차원 구 조를 만들 필요가 있어, 집적회로 공정에 기초를 둔 MEMS 기술 이 개발되었다. 그 중에는 실리콘 의 습식 등방/비등방 식각 기술, 실리콘과 Pyrex의 접합 기술, 표 면 미세가공기술, RIE(Reactive Ion Etching)에 기반을 둔 Deep Dry Etching 기술, Ion Beam Milling, 졸-겔법에 의한 막형성 기술 등이 있다. 이 기술들은 MEMS 디바이스를 제작하기 위 하여 개발된 기술로 마이크로플 루이딕 시스템에도 사용이 되었 으나, 가속도계와 같이 유체가 흐 르지 않는 시스템을 제작하는 데 에 주로 채용되었다. 그 외에 LIGA가 종횡비가 큰 구조를 제 작하는 목적으로 사용되었다.
LIGA는 독 일 어 의 X-ray lithographie(X선 리소그라피), galvanoformung(전기화학적 막 형성), abformtechnik(몰딩)의 합성어다. PMMA와 같은 포토
레지스트를 싱크로트론에 의한 X선으로 패턴을 형성하고, 패턴의 빈 공간에 전기화학적으로 금속 을 채운 후, 포토레지스트를 제거하고 남은 금속 구조물을 최종적으로 사용하든지 혹은 금속 구조 물을 몰드로 사용하여 사출성형한 고분자 구조물을 최종적으로 사용한다. 최근에는 실리콘 대신에 PDMS(polydimethylsiloxane)와 같은 탄성체를 사 용하여 구조물을 제작하는 soft lithography 기술이 개발되었고, 삼차원레이저로 유리 기판에 미세한 채널을 형성하는 기술의 연구도 진행 중에 있다.
그림 1. Soft lithography에 의한 마이크로플루이딕 채널의 제작.
[그림 1]에는 포토레지스트와 PDMS를 사용하 여 채널을 형성하는 개념도와 실제 제작과정을 보 였다. 포토레지스트를 자외선에 노광시켜 패턴을 형성하고, 이 패턴에 PDMS 용액을 부어 굳힌 후 벗겨내면 마이크로플루이딕 채널을 가지는 구조 물을 얻는다. 이 구조물을 PDMS나 유리 기판 위 에 결합시키고, 외부로 연결하는 포트를 만들어 마이크로플루이딕 시스템을 제작한다. Soft lithography로 마이크로플루이딕 시스템을 제작하 는 것의 장점은 반도체공정을 사용하는 것에 비해, 설계에서 제작까지의 소유되는 시간을 줄일 수 있 고, 비용이 적게 들며, 거의 모든 고분자를 사용할 수 있다는 것이다. 그러나, 고온에서 사용할 수 없 는 점을 단점으로 들 수 있고, 대량 생산을 위한 기술의 개발이 필요하다.
마이크로플루이딕 시스템의 적용
마이크로플루이딕 시스템은 화학, 생명분야의 DNA 분석, 항원-항체 분석, 고속분석(HTS, high throughput screening), 질병의 진단 등에 사용되 는µ-TAS(micro total analysis system), DNA칩, 단백질칩, lab-on-a-chip 등에서 [그림 2]에서와 같이 전체 시스템의 필수적인 요소로 포함된다.
분석 외에는 고분자 중합반응, 개질반응, 합성반 응 등을 수행할 수 있는 마이크로반응기를 포함하 는 소위 process-on-a-chip 등에 유체의 수송을 위하여 마이크로플루이딕 요소들이 포함된다. 어 레이로 배열된 마이크로반응기들에서 각 반응기의
반응조건과 반응물의 조성을 다르게 하고, 생성물 을 분석함으로써 원하는 제품을 위한 최적의 반응 조건과 반응물의 조성을 결정할 수 있게 하는 조 합화학(combinatorial chemistry)에도 적용되며, 마이크로스케일에서의 분리공정에도 사용된다.
맺음말
반도체공정, 전산학, 정보학, 분석화학, 분자생 물학, 제노믹스 등이 융합된 -TAS, DNA칩, 단백 질칩 등의 개발은 생물, 화학, 광학, 전자공학, 화 학공학 등의 학제적인 연구라고 할 수 있는데 지 금까지는 주로 화학, 생물, 전자공학 분야에서 활 발한 연구가 이루어져 왔다. 비록 스케일이 작고, 매크로스케일에서와는 다른 현상이 관찰되기도 하지만, 이들 칩들은 화학공학자들에게 익숙한 단 위조작, 단위공정의 조합이라고 볼 수 있다. 특히, 마이크로플루이딕스와 마이크로반응기 분야는 다 른 분야보다 화학공학자들이 앞서갈 수 있는 장점 이 많은 분야다. 반도체산업이 일련의 화학공정으 로 이루어지고, 화학공학자들이 큰 기여를 할 수 있는 분야임에도 불구하고, 반도체공정 기술에 대 한 교육과 연구가 뒤늦어 반도체산업에 종사하는 화학공학인력이 다른 전공의 인력보다 적은 경험 을 우리는 가지고 있다. 화학공학의 정체성을 유지 하면서 새로운 분야를 받아 들이는 지혜와 열린 마 음이 이 분야에도 절실히 요구된다고 할 수 있다.
그림 2. µ-TAS의 기능적 요소.
