펨토초 레이저 삼차원 가공 기술 개발

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-23

- 바이오 칩 내부에 삼차원 미세 구조를 부가하여 고기능화를 실현 - 독립 행정법인 이화학 연구소(이하, RIKEN) 광양자 공학 연구 영역 이화학 연구소-SIOM 제휴 연구 유닛 연구팀은 2광자 조형법(주 1)에 의해 유리 마이크로 유체 구조 내부에 정밀한 삼차원 구조를 가지는 기능 소자를 형성하는 기술을 개발하였다. 고속・고감도로 분석할 수 있는 바이오칩은 의료나 바이오 화학, 환경 등의 분야에서 주목받고 있어 마이크로 유체 디바이스 등 여러 가지 기기는 시판되고 있다. 연구팀은 지금까지 펨토초 레이저(주 2)를 이용하여 투명 재료인 유리 내부에 유리 마이크로 유체 구조를 작성하는 기술 개발을 실시하고 있었다. 펨토초 레이저는 레이저광의 집광조사에 의해서 본래 빛을 투과하는 투명 재료에 다광자 흡수(주 3)를 야기한다. 이 때 레이저광의 집광점을 투명 재료 내부로 설정하면 재료 내부의 집광점에서만 강한 흡수를 일으키게 할 수 있다. 집광한 레이저를 삼차원 주사하는 것으로 투명 재료 내부의 직접 삼차원 가공이 가능하게 된다. 그러나 기존 기술로는 유리 마이크로 유체 구조의 제작 시 내부에 몇 개의 기능 소자를 형성할 수 있지만 가공 해상도의 제약으로부터 마이크로/나노 스케일보다 복잡한 삼차원 구조를 가지고 있는 기능 소자의 형성은 곤란하였다. 따라서 연구팀은 기존과 동일한 펨토초 레이저를 이용하여 보다 미소하고 복잡한 삼차원 구조를 유리 마이크로 유체 구조 내부에 형성할 수 있는 신기술 개발에 임하였다고 한다. 연구팀은 우선 제작이 끝난 유리 마이크로 유체 구조 안에 네가티브형 레지스터로 부르는 폴리머를 유입한다. 다음에 펨토초 레이저를 이용하여 광 파장의 몇 분의 1 이하인 가공 패턴을 얻을 수 있는 2광자 조형을 실시하여 레이저광 조사 영역의 폴리머끼리만을 연결시켜 그 외의 부분을 씻어 흘리는 것에 의해서 유리 마이크로 유체 구조 내부에 삼차원 폴리머 마이크로/나노 구조체를 형성하였다. 본 기술은 제작이 끝난 유리 마이크로 유체 구조 내부에 나중에 삼차원 폴리머의 마이크로/나노 구조체를 형성할 수 있기 때문에 ′펨토초 레이저 삼차원 가공 기술′이라고 이름을 붙였다고 한다. 개발한 기술을 이용하여 유리 마이크로 유체 구조 내부에 2액을 효율적으로 혼합하는 마이크로 믹서나 세포의 검출・계수를 실시하는 마이크로 렌즈 어레이를 부가한 바이오칩을 제작하여 그 기능을 실증하였다. 본 기술에 의해 다양한 고기능 바이오칩의 실현을 기대할 수 있다. 최근 의료나 바이오 화학, 환경 등 다양한 분야에서 고감도・고속・저환경 부하로 분석할 수 있는 바이오칩의 이용이 주목받고 있어 마이크로 유체 디바이스 등이 이미 시판되고 있다. 연구팀도 지금까지 펨토초 레이저를 이용하여 유리 내부에 마이크로 유체 구조를 형성하는 ′펨토초 레이저에 의한 유리 마이크로 유체 구조 가공 기술′을 개발하고 있다. 펨토초 레이저는 피크 강도가 상당히 높기 때문에 비선형 다광자 흡수에 의해 유리 등의 투명 재료에 대해서도 강한 흡수를 일으키게 한다. 다광자 흡수가 일어나기 쉬움은 레이저 강도에 의존하기 때문에 레이저의 펄스 에너지를 적절한 값에 조정하여 투명 재료의 내부에 집광 조사하면 집광 영역 근방에서만 다광자 흡수를 일으키게 할 수 있다. 집광한 펨토초 레이저광을 삼차원 주사하는 것으로 유리 내부에 직접 마이크로 유체 구조를 형성하는 것이 가능하게 된다(그림 1(a)~(c)). 그러나 이 수법으로는 유리 마이크로 유체 구조 제작 시 내부에 몇 개의 기능 소자를 형성할 수 있어도 가공 해상도의 제약으로부터 마이크로 또는 나노 스케일의 복잡한 삼차원 구조를 가지는 기능 소자를 형성하는 것은 곤란하였다. 따라서 연구팀은 같은 펨토초 레이저를 이용하여 보다 미소하면서 복잡한 삼차원 마이크로 기능 소자를 유리 마이크로 유체 구조 내부에 형성할 수 있는 기술 개발에 임했다. 연구팀은 유리 마이크로 유체 구조 내부에 삼차원의 미세 기능 소자를 형성하기 위하여 우선 제작이 끝난 유체 구조 안에 네가티브형 레지스터로 부르는 폴리머를 유입하여 프리베이크(Prebake)(주 4)한 후(그림 1(d)) 기존과 동일한 펨토초 레이저를 이용하여 2광자 조형을 실시해 레이저광 조사 영역의 폴리머끼리만을 연결시켰다(그림 1(e)). 마지막으로 현상액을 이용하여 레이저를 조사하고 있지 않는 영역을 씻어 흘려 레이저광 조사 영역을 현상하면 유리 마이크로 유체 구조 내부에 삼차원 폴리머 마이크로/나노 구조체를 형성할 수 있었다(그림 1(f)). 이것은 2광자 광 조형 기술을 조합하여 유리 마이크로 유체 구조 내부에 폴리머로부터 구성되는 삼차원 마이크로 기능 소자를 형성하는 새로운 기술이다. 우선 유리 안에 제작된 유리 마이크로 유체 구조 내부에 삼차원 폴리머 마이크로 구조를 부가하기 때문에 ′펨토초 레이저 삼차원 가공 기술′이라고 한다. 다른 수법으로는 이와 같이 고체 내부에 나중에 삼차원 구조체를 형성하는 것은 불가능하다. 펨토초 레이저의 다광자 흡수를 이용한 것으로 처음으로 실현되었다고 한다. 본 기술에 의해 제작한 유리 내부에 2액을 효율적으로 혼합하는 마이크로 믹서를 갖춘 Y자형 마이크로 유체 소자의 모식도 (<그림 2> (a))이다. 마이크로 믹서를 구비하지 않은 마이크로 유체 소자로는 다른 종류의 용액을 혼합하는 것은 매우 어렵고 각각의 용액이 층이 되어 흐른다(<그림 2> (b)). 한편 2광자 조형에 의해 마이크로 믹서를 형성한 마이크로 유체 소자로는 매우 짧은 거리로 2액을 효율적으로 혼합할 수 있었다(<그림 2> (c)). 또한 본 기술에 의해 제작한 생 세포의 병렬 검출・계수가 가능한 바이오칩을 (<그림 3>)에 나타내었다. (<그림 3> (a))와 같은 마이크로 렌즈와 센터 패스 유닛이 복합한 소자를 유리 내부에 매립한 Y자형 마이크로 유체 소자 내에 형성하였다(<그림 3> (b)). 7개의 마이크로 렌즈가 채널이 배열하고 있어 이것에 의해 동시에 7개의 생 세포를 검출할 수 있었다. 1개의 마이크로 렌즈에 1개 부속한 센터 패스 유닛은 9미크론(μm) 지름의 구멍이 있어 세포의 사이즈를 선별하는 기능과 세포를 마이크로 렌즈의 중앙 부근을 통과시키는 기능을 겸비하고 있다. 세포 검출은 마이크로칩 하부에서 백색광을 조사하여 마이크로 렌즈에 의해서 집광된 빛의 시간적인 강도 변화를 관찰하는 것으로써 실시한다. 마이크로 렌즈 위를 세포가 통과하면 세포에 의한 빛의 산란, 흡수, 굴절 등에 의해 빛의 강도가 감소하기 때문에 이것을 검출하는 것으로써 세포의 검출・계수를 실시할 수 있다. 2광자 조형법은 마이크로~나노 스케일의 복잡하고 다양한 삼차원 구조를 형성할 수 있기 때문에 1개의 바이오칩에 다양한 기능 디바이스를 복수 집적화하는 것이 가능하다. 이것에 의해 고기능 바이오칩의 실현을 기대할 수 있다고 한다. 이번에는 펨토초 레이저 유리 삼차원 가공 기술에 의해 형성한 유리 마이크로 유체 구조를 이용하였다. 펨토초 레이저에 의한 유리 삼차원 가공 기술은 유체 구조를 유리에 다층 형성하는 것도 가능하고 이것에 의해 삼차원 다층 바이오칩을 실현할 가능성이 있다고 한다. 한편 펨토초 레이저 삼차원 가공은 시판되는 마이크로 유체 디바이스에도 적용 가능하고 시판의 바이오칩의 고기능화에서의 응용도 기대할 수 있다. (주 1) 2광자 조형 적외 또는 가시광선 영역의 펨토초 레이저광을 통상 흡수하지 않는 재료(자외선 경화 수지 또는 레지스터 등)에 대해서 레이저광을 집광하여 다광자 흡수를 발생시키는 것으로 집광점에서만 빛을 흡수시켜 조형을 실시하는 수법으로 이러한 경우의 다광자 흡수는 2광자로 생기기 때문에 펨토초 레이저에 의한 광 조형은 2광자 조형으로 부른다. (주 2) 펨토초 레이저 펄스폭이 수십~수백 펨토초(펨토=1 x10^-15)의 레이저로 펄스폭이 상당히 짧기 때문에 매우 높은 피크 파워(펄스 에너지를 펄스폭으로 나눈 것)를 가지고 있어 이것을 집광하는 것으로써 용이하게 수십 페타 와트/cm2(페타=10^15)의 피크 강도를 얻을 수 있다. (주 3) 다광자 흡수 반도체나 절연체와 같은 재료로는 그 재료의 밴드 갭보다 작은 광자 에너지의 빛을 입사했을 경우 전자를 여기할 수 없기 때문에 흡수는 발생하지 않는다. 그러나 레이저 강도를 크게 하여 단위시간당 광자 밀도를 크게 하면 속박 전자가 복수의 광자를 동시에 흡수하고 이온화가 생기는 현상이 발생한다. 이러한 비선형인 흡수를 다광자 흡수라고 부른다. 펨토초 레이저는 피크 강도가 상당히 높기 때문에 투명 재료에 대해서 효율적으로 다광자 흡수를 야기할 수 있다. (주 4) 프리베이크 본 연구에서는 2광자 조형의 재료로서 네가티브형 레지스터로 불리는 폴리머를 이용하고 있다. 네가티브형 레지스터로는 가열에 의해서 폴리머를 고체로 한 후 레이저를 조사하여 조형을 실시한다. 레이저 조사 전의 가열을 프리베이크라고 부른다. <그림 1> 펨토초 레이저 삼차원 가공에 의한 바이오칩의 제작 순서((a)~(c)는 펨토초 레이저에 의한 유리 마이크로 유체 구조 가공 기술의 순서로 펨토초 레이저 묘화 후 불화수소산으로 에칭을 실시하는 것으로 유리 내부에 유리 마이크로 유체 구조를 제작한다. (d)~(f)는 펨토초 레이저 삼차원 가공의 순서로 제작한 유리 마이크로 유체 구조 안에 네거티브형 레지스터를 유입한 후 펨토초 레이저에 의한 2광자 조형과 현상을 실시하는 것으로 기존의 유리 마이크로 유체 구조 내부에 나중에 삼차원 미세 구조를 형성한다.) <그림 2> 마이크로 믹서가 형성된 Y자형 마이크로 유체 소자((a)는 Y자형 마이크로 유체 소자의 모식도로 삽입 사진이 마이크로 믹서이며 마이크로 믹서가 없는 (b)에서는 투명한 용액과 붉은 용액은 섞이지 않고 다른 층이 되어 흐르고 있는데 대해 (c)에서는 마이크로 믹서를 통과하는 것으로 2개의 용액이 혼합되고 있다.) <그림 3> 생 세포 검출・계수용 바이오칩(2광자 조형에 의해서 제작한 마이크로 렌즈-센터 패스 유닛 복합 구조(a)를 Y자형 마이크로 유체 소자 내에 형성한 모습(b)으로 센터 패스 유닛에 열린 9μm 지름에 의해서 세포의 사이즈 선별과 세포가 마이크로 렌즈 중앙을 통과하도록 조정한다.) ref_kwon-RIKENLaser-20150116-1.jpg ref_kwon-RIKENLaser-20150116-2.jpg ref_kwon-RIKENLaser-20150116-3.jpg http://www.riken.jp/pr/press/2015/20150116_1/