Laser polymerization을 이용한 polydiacetylene 센서 미세유동칩 개발

Abstract

본 논문에서는 유리 미세유동칩에 열 및 화학적인 자극을 검출할 수 있는 폴리머 구조물을 칩 내부에 설치하여 그 기능을 확인해 보고자 한다. 이를 위해 습식 에칭으로 유리 웨이퍼를 가공하는 방법을 자체적으로 개발하고, 폴리머 구조물을 UV 레이저를 이용하여 고분해능으로 중합할 수 있는 시스템을 개발하였다. 폴리머 구조물을 미세유동칩 내부에 설치하기 위하여, 표면 처리가 간단한 유리를 미세유동칩의 재료로 선택해야 한다. 칩 제작에 필요한 하드마스크는 두 가지 물질을 서로 다른 방식으로 제작하여 그 결과를 비교하였다. 선택한 물질은 폴리 실리콘과 크롬으로, 폴리 실리콘은 LPCVD(Low Pressure Chemical Deposition) 방식을 이용하여 하드마스크 층을 만들었으며, 크롬은 열증착(thermal evaporation) 방법으로 만들었다. 각 하드마스크 층이 증착된 유리 웨이퍼는 리소그래피 공정으로 PR(photo resistor)을 패턴한 후 에칭되었다. 두 하드마스크 중 폴리 실리콘 하드마스크가 깨끗하고 우수한 품질의 마이크로 채널을 만들었다. 칩 내에 센서를 고정하는 폴리머 구조물을 만들기 위한 단량체로 친수성의 SPE를 사용하였고, 자극 검출을 위한 센서로 PDA(Polydiacetylene)을 사용하였다. 폴리머 구조물은 렌즈, 슬릿 등의 광학 부품과 UV 레이저를 사용하는 레이저 중합 방법으로 마이크로 채널 내에 가공하고, 리포좀 형태의 PDA 센서는 중합과정 중에 이 폴리머 구조물 안에 자리잡도록 하였다. 미세유동칩 내에 PDA 센서를 함유한 가로, 세로 약 50 μm 150 μm 크기의 폴리머 구조물을 가공하고 열을 가한 결과 이 열적 자극에 대해 형광 물질을 발현한다는 것을 확인할 수 있었다.; We investigated the function of a microfluidic sensor chip detecting thermal and chemical stimulus by fabricating a polymer structure trapping sensor materials on a glass chip. In order to achieve the goal, we developed a recipe to wet-etch a glass wafer and a laser polymerization station where the polymer structure was fabricated at a high resolution using a UV laser. To integrate a polymer structure on a microfluidic chip, one should select glass as the chip material whose surface is readily modified. We prepared two hard-mask types and compared the qualities: poly silicon and chrome masks. A poly-Si mask was fabricated using LPCVD, and a chrome mask using thermal evaporation. Glass wafers with each hard mask were wet-etched after photoresist was patterned on them. Among the two masks, the microchannel fabricated with a poly-Si mask exhibited superior quality so that the channel walls were clean and nice. We used SPE, hydrophilic monomers, to fabricate a polymer structure trapping sensor materials in a microchannel, and selected polydiacetylene (PDA) as the sensor materials for stimulus detection. The SPE monomers were photo-polymerized in a microchannel using optical lenses, slit and 365 nm UV laser. The liposomes of PDA sensors were trapped in the polymer structure during the polymerization. After integrating a 50 μm × 100 μm polymer structure with the sensors on a chip, we applied thermal stress and identified red fluorescence resulted from the stress.