고종횡비 단면 채널을 갖는 미세유체 디바이스 제작과 이를 이용한 입자 집중 및 카운팅 = Fabrication of microfluidic device with high-aspect-ratio cross-sectional channel and its application for particle focusing and counting

국문 초록 (Abstract)

제 목 : 고종횡비 단면 채널을 갖는 미세유체 디바이스 제작 과 이를 이용한 입자 집중 및 카운팅 본 연구에서는 고종횡비의 단면을 갖는 미세유체 디바이스를 이용하여 입자를 집중 및 분리하였다. 실험에 사용된 고종횡비 미세유체 디바이스는 실리콘 웨 이퍼 위에 포지티브 PR을 이용한 실리콘 에칭 방식과 네거티브 PR을 이용한 PR 몰딩 방식으로 제작할 수 있다. 각 방식을 이용하여 만들어진 PDMS 몰드 를 플라즈마 본딩을 통해 좁은 폭의 채널이 형성되도록 디바이스를 제작하였 다. 완성된 디바이스를 지나는 입자들은 고종횡비 부분에서 비뉴턴 유체의 도 움을 받아 작용하는 탄성력의 영향으로 중앙으로 집중된다. 이후 폭이 넓어지 는 확장 부분에서 PFF 현상에 의해 퍼지게 되고, 다시 채널 중앙으로 이동하 려는 과정에서 입자 크기에 따라 작용하는 탄성력의 정도에 따라 거동하는 위 치의 차이가 발생하게 된다. 이를 확인하고자 고종횡비 부분이 확장되는 채널 의 중앙에 위치한 디바이스를 이용하여 선행 실험을 진행하였고 각각 레이놀 즈 수와 탄성력 그리고 단면의 종횡비에 따라 입자 거동의 경향성이 달라지는 것을 확인하였다. 이를 통해 고종횡비 단면이 입자들의 거동에 미치는 영향을 이용하여 입자의 집중과 분리가 가능함을 알 수 있었고, 분리에 적용하고자 고종횡비 단면 구 조가 한 쪽 벽면에 붙어있는 형태의 디바이스를 설계하여 입자 분리 실험을 진행하였다. 그 결과 2.1, 0.87, 0.5 ㎛ 크기의 세 종류의 입자가 고종횡비 채 널을 지나며 한 줄로 집중되고, 폭 확장 부분을 지나며 서로 다른 위치에서 거동하는 것을 확인하였다. 이를 고려하여 디바이스의 분기점을 설계하였고, 마이크로 스케일인 2.1 ㎛ 입자와 나노 스케일인 0.87, 0.5 ㎛ 입자간의 분리가 가능함을 보였다. 본 연구진은 이를 통해 수백 나노미터의 크기를 갖는 세포 소포체 물질은 엑소좀의 농축을 위한 실험을 진행하였고, 그 결과 투입한 Inlet 대비 약 2배의 비율로 엑소좀이 농축되었음을 확인하였다. 또한 입자 집중과 분리에 적용한 고종횡비 단면 구조를 응용하여 저종횡비 단면을 갖는 디바이스를 제작하여 입자들을 하나의 레이어에 정렬시켜 카운팅 하기 위한 실험을 진행하였다. 또한 비구형 형태인 미세조류인 유글레나를 대 상으로 진행한 실험을 통해 유량 조건에 따라 비구형 입자의 정렬 각도 변화 와 같은 경향성을 확인하였다. 간단한 MEMS 공정을 통해 적은 비용으로 고종횡비 디바이스를 제작하였고, 어떠한 외력 없이 수동적인 방법을 통해 샘플 소비량을 줄이고 처리량을 높이 는 등 마이크로 스케일의 입자 혹은 세포를 대상으로 적용 가능하다는 장점을 보였다. 이를 바탕으로 향후 연구에서 다양한 입자 및 세포를 집중시켜 분리 하거나 하나의 레이어로 정렬시켜 카운팅하는 실험에 적용 가능할 것으로 예 상된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper proposes a method of fabricating a microfluidic device with a high-aspect-ratio (HAR) cross-sectional channel using simple MEMS
processes for particle separation and counting. The proposed device was made of PDMS structures, which were fabricated from Si molds. This method has the advantage of being able to replace the existing expensive and complicated processes. Particle separation and counting experiments were conducted using microchannel with various aspect ratio. In HAR cross-sectional structure with 10 or more, particles were focused in a single point due to the characteristics of the HAR cross-sectional microchannel and the elasticity of the viscoelastic fluid, and moved to different positions in the expanded section depending on their sizes. Using this HAR microchannel, 2.1, 0.87, 0.5 μm particles could be separated, and it was shown that it could be used for the isolation of nanoparticles such as exosomes. In addition, it was confirmed that depending on their sizes, the particles were located and aligned in one different layer in microchannl with low-aspect-ratio cross-section, so their counting could be also conducted. Furthermore, microalgae such as Euglena was aligned parallel to the direction of fluid flow by the elastic force in a low-aspect-ratio cross-sectional channel. It is expected that this could be applied to the barcoding of non-spherical particles.

목차 (Table of Contents)

• 요약 ⅰ
• 표목차 ⅳ
• 그림목차 ⅴ
• 1. 서론 1
• 2. 연구 배경 및 실험 방법 ·3
• 2.1 미세유체역학을 이용한 입자 조작 ·3
• 2.1.1 능동적 방법을 통한 입자 조작 ·3
• 2.1.2 수동적 방법을 통한 입자 조작 ·6
• 2.2 고종횡비 미세 채널 제작 및 입자 조작 ·13
• 3. 고종횡비의 단면을 갖는 디바이스를 이용한 입자 조작 ·17
• 3.1 고종횡비 채널 디바이스 설계 및 제작 ·17
• 3.2 다양한 요인에 따른 입자 거동 조작 실험 ·20
• 3.2.1 채널 단면의 종횡비에 따른 입자 거동 ·20
• 3.2.2 유량에 따른 입자 거동 ·28
• 3.2.3 PEO 농도에 따른 입자 거동 ·31
• 3.3 결론 및 고찰 ·36
• 4. 고종횡비의 단면을 갖는 디바이스를 이용한 입자 집중 ·37
• 4.1 고종횡비 채널 디바이스 설계 및 제작 ·37
• 4.1.1 고종횡비 채널 설계 ·39
• 4.1.2 Si 몰드를 이용한 고종횡비 디바이스 제작 ·40
• 4.1.3 Negative PR 몰드를 이용한 고종횡비 디바이스 제작 ·42
• 4.2 고종횡비 채널에서의 입자 집중 및 분리 ·43
• 4.2.1 마이크로 / 나노 입자 집중 및 분리 ·44
• 4.2.2 엑소좀 집중 및 농축 ·48
• 4.2.3 결론 및 고찰 ·50
• 5. 저종횡비의 단면을 갖는 디바이스를 이용한 입자 카운팅 ·51
• 5.1 저종횡비 채널 디바이스 설계 및 제작 ·51
• 5.2 저종횡비 채널에서의 입자 정렬 및 카운팅 ·53
• 5.2.1 마이크로 입자 정렬 및 카운팅 ·53
• 5.2.2 미세조류의 정렬 및 카운팅 ·56
• 5.2.3 결론 및 고찰 ·60
• 6. 결 론 ·61
• 참고문헌 ·62
• Abstract ·66
• 감사의 글 ·68