This thesis presents two types of approaches for enhancement of a typical optoelectronic tweezers (OET). OET has been a powerful tool for cellular-scale manipulation of microparticles in medical and biological applications. However, in a typical OET, non-specific interactions between particles and device surfaces interfere with the effective particle manipulation. Under applied electric fields, some attached particles induce strong dipole forces and pull other particles around them. In order to overcome these problems, we suggest a novel platform called three dimensional optoelectronic tweezers (3D OET) composed of double photoconductive layers to focus microparticles vertically, providing adsorption-free microparticle manipulation. The 3D OET was successfully applied to focus and manipulate polystyrene microbeads in a channel-less microenvironment without adsorptions. It showed higher particle trapping efficiency and stability than a typical OET.
There are three types of OET platforms; digital micro-mirror display (DMD) OET, image DEP and lab-on-a-display. DMD OET and image DEP, which uses a DMD and a projector for image generation respectively, require complex optical structures constructed with lens and mirror for reflecting and focusing the light. In the case of a lab-on-a-display, it has the simplest structure for portable application because it uses a direct light transfer of LCD without any optical components. However, the lab-on-a-display has lower performances than others. To overcome the limitations and to harmonize the advantages of each platform, we report a LCD-based OET system integrated with a condenser lens and an interactive control system. The LCD OET provides much higher performances than lab-on-a-display and simpler structures than DMD OET and image DEP. The well-integrated system is successfully utilized for interactive manipulation of red and white blood cells. This new LCD-based OET system using a condenser lens and an LCD may be a usable integrated system for optoelectronic manipulation of microparticles in many biological applications.
본 연구에서는 미세입자 및 혈액세포를 자유자재로 구동하기 위한 액정 디스플레이 (LCD; Liquid crystal display) 기반의 새로운 광전자집게 (OET; Optoelectronic tweezers)를 제안하였다.
광전자집게란 움직이는 디스플레이 영상을 광전도성 층에 조사함으로써 가상의 전극을 형성시키고, 이로 인해 발생한 불균일한 전기장을 이용하여 유전영동 (DEP; Dielectrophoresis)을 유도, 미세입자를 자유자재로 구동하는 기술이다. 이러한 광전자집게는 세포와 같은 미세입자들을 제어하여 여러 가지 생물학적 또는 화학적 실험을 진행하는데 매우 유용하다. 그러나 기존의 광전자집게의 경우 2차원 상에서 형성되는 가상 전극을 이용하기 때문에 미세입자의 수직 운동을 제어할 수 없다는 한계가 있다. 그러므로 수직방향으로 작용하는 유전영동력에 의해 현미경 초점으로부터 벗어나게 되는 현상이나 정전기적 표면-입자 반응에 의한 미세입자의 표면 흡착 현상 때문에 미세입자의 포획 및 구동 효율이 감소하는 문제점이 존재하였다.
본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 두 개의 광전도성 층으로 이루어진 3차원 광전자집게 (3D OET; Three-dimensional optoelectronic tweezers)를 제안하였다. 3차원 광전자집게는 하나의 광전도성 층 및 하나의 투명한 접지전극 층을 사용하는 기존의 광전자집게와 달리, 두 개의 광전도성 층을 이용하기 때문에 미세입자를 중심으로 상하로 형성되는 가상의 전극을 이용할 수 있다. 이 때 상하로 형성된 가상의 전극은 음의 유전영동력을 발생시켜 3차원 상에서 미세입자를 포획할 수 있도록 하며 이로 인해 미세입자의 흡착과 같은 현상이 제거되며, 결과적으로 미세입자의 포획 및 구동 효율이 크게 향상될 수 있다.
3차원 광전자집게를 형성하는 광전도성 층은 투명한 전도성 물질인 ITO (Indium tin oxide)가 코팅된 유리웨이퍼 위에 PECVD (Plasma enhanced chemical vapor deposition)를 이용하여 접촉 저항 감소를 위한 n형의 도핑된 비정질 실리콘 $(n^+ doped amorphous silicon)$, 광전도성 물질인 진성의 비정질 실리콘 (intrinsic amorpous silicon) 및 샘플의 전기분해를 막기 위한 질화 실리콘 (silicon nitride)을 차례로 증착시킨 후, ITO에 전압인가를 하기 위한 일부 영역을 RIE (Reactive ion etch)를 이용하여 식각함으로써 제작되었다. 이렇게 제작된 두 개의 광전도성 층을 미세입자가 들어있는 미세유체 방울을 사이에 두고 서로 마주보도록 포개어 3차원 광전자집게를 완성하였다. 미세입자를 구동하기 위한 영상은 액정 디스플레이를 통해 조사되었으며, 렌즈가 없는 랩온어디스플레이(Lab-on-a-display) 플랫폼을 이용함으로써 상하 두 개의 광전도성 층에 똑 같은 모양의 가상의 전극을 형성시킬 수 있었다.
3차원 광전자집게를 이용한 미세입자의 구동 속도 및 구동 효율을 측정한 후 기존의 광전자집게와 비교한 결과, 3차원 광전자집게에서 음의 유전영동력에 의하여 유체 층의 중심으로 포커싱된 미세입자의 경우 기존의 광전자집게에서보다 구동 속도 및 구동효율이 증가함을 알 수 있었다. 특히 기존의 광전자집게에서는 절반가량의 미세입자들이 흡착되었던 반면, 3차원 광전자집게에서는 그러한 흡착현상이 거의 완벽하게 제거됨으로써 90%이상의 매우 높은 구동효율을 얻어 낼 수 있었다. 이러한 3차원 광전자집게는 완벽히 비접촉(non-contact)된 구동환경을 제공함으로써 흡착이나 외부에서 가해지는 힘에 특히 민감한 생물학적 세포의 구동에 매우 적합하다.
광전자집게는 영상을 조사하는 장치의 종류 및 렌즈의 유무에 따라 다양한 종류가 존재한다. 지금까지 개발된 광전자집게 플랫폼으로는 디지털 미세거울 장치 (DMD; Digital micromirror device)를 이용한 DMD OET, 프로젝터를 이용한 iDEP (image DEP), 액정 디스플레이를 이용한 lab-on-a-display가 있다. DMD OET와 iDEP의 경우에는 빛이 반사되어 분산되는 형식의 영상표시장치를 이용하기 때문에, 광전도성 층에 정확하게 상을 맺히게 하기 위해서 복잡한 렌즈 및 거울 장치를 필요로 한다. 반면에 lab-on-a-display의 경우에는 복잡한 광학계 없이 액정 디스플레이 위에 바로 광전자집게 장치를 위치 시킴으로써 매우 단순한 구조와 휴대성 (portability)을 갖추고 있다. 이는 빛을 반사시키는 디지털 미세거울장치나 프로젝터와 달리 빛을 통과시킴으로써 영상을 만들어 내는 액정 디스플레이 특징 때문에 가능한 것이다. 그러나 lab-on-a-display의 경우에는 렌즈와 같은 광학장치가 없기 때문에 빛이 분산되는 현상이 발생하고 이로 인해 흐릿한 영상이 광전자집게에 맺혀 흐릿한 가상의 전극이 형성되었고, 그로 인해 미세입자를 구동하기 위한 성능이 다른 장치에 비해 현저히 감소하는 문제점이 있었다.
본 연구에서는 사용하기 편리하고 단순한 구조를 지닌 동시에 뛰어난 미세입자 구동성능을 가진 새로운 광전자집게 플랫폼으로서 렌즈가 통합된 새로운 액정 디스플레이 기반의 광전자집게 시스템을 제안하였다. 본 연구에 따른 새로운 플랫폼은 빛을 통과시켜 상을 맺히게 하는 액정 디스플레이의 특성을 이용하여, 단순히 현미경의 광원 위에 액정 디스플레이를 올려놓음으로써 현미경에 통합되어 설치된 집광렌즈를 거쳐 재물대 위의 광전자집게 장치에 정확하게 상이 맺히도록 하는 원리를 이용하였다. 이러한 단순한 구조의 통합 플랫폼은 현미경과 액정 디스플레이, 광전자집게 장치만으로 우수한 구동성능을 보이며 사용자 입장에서 그 실용성이 매우 뛰어나다고 볼 수 있다.
본 논문에서 사용한 광전자집게 장치는 앞서 서술한 것과 똑같은 방식으로 제작된 광전도성 층과 ITO로 만들어진 접지전극 층으로 이루어져 있다. 액정 디스플레이는 최소한의 가상 전극 크기를 얻기 위해 픽셀 크기가 14 μm 인 프로젝터용 흑백 액정 디스플레이를 사용하였으며, 현미경에 통합된 집광렌즈는 개구수가 0.9, 배율이 5배인 것을 사용하였다. 이로서 우리는 최소 2.8 μm의 크기를 지닌 가상 전극을 광전도성 층에 뚜렷하게 형성되도록 할 수 있었다. 이는 기존의 lab-on-a-display에 비해 약 100배 정도 더 작은 크기이다. 뚜렷한 영상에 의한 가상의 전극과 흐릿한 영상에 의한 가상의 전극에 의해 각각 형성되는 전기장의 기울기 및 유전영동력을 시뮬레이션을 통해 확인한 결과 영상이 뚜렷할 경우 약 1.5배 정도 그 크기가 컸다. 실제 광전자집게에 조사되는 빛의 세기를 측정한 결과 렌즈를 이용하였을 때 빛의 세기는 약 10배 정도 크게 측정되었다. 미세입자를 구동한 결과 렌즈를 사용한 새로운 플랫폼에서는 구동 속도가 10배 이상 빠르게 측정된 것도 앞서 서술한 몇 가지 요소들이 미세입자에 작용하는 유전영동력의 크기에 영향을 미쳤기 때문일 것이다. 뿐만 아니라 광전자집게의 유체 층의 높이가 유전영동력에 미치는 영향에 관한 실험도 수행하였다. 유체 층의 높이가 낮아질수록 더 작은 미세입자를 더 빠르게 구동할 수 있었다. 이는 유체 층의 높이가 낮아질수록 전기장 기울기가 커지고 따라서 유전영동력도 증가하기 때문이다.
본 연구에서는 위의 새로운 액정디스플레이 기반의 광전자집게 시스템에 미세입자의 인터랙티브한 제어를 위한 플래쉬 기반의 컨트롤 프로그램을 적용하여 미세입자 및 혈액세포의 인터랙티브한 구동에 성공하였다. 혈액은 쥐로부터 채취하여 원심분리 한 후 상층액을 제거하고 등장성 용액으로 10:1로 희석시켜준 것을 최종적으로 사용하였다. 인터랙티브 컨트롤 프로그램을 이용하면 현미경과 카메라를 통해 컴퓨터 전송되는 실시간 영상을 보면서 원하는 세포나 미세입자를 키보드나 마우스를 이용하여 선택하고 움직일 수 있다.
본 연구에서 제안한 렌즈 및 컨트롤 프로그램이 통합된 액정 디스플레이 기반의 광전자집게는 기존의 광전자집게 플랫폼에 비해 뛰어난 성능은 물론, 단순하고 사용하기에 편리한 구조와 인터페이스를 제공함으로써 보다 실용적인 통합 시스템을 구축할 수 있도록 하였다. 이러한 새로운 액정 디스플레이 기반의 광전자집게 시스템은 세포나 미세입자를 구동하는 여러 가지 생물학적 응용분야에 이용될 수 있을 것이다. 예를 들어 세포와 세포간의 상호작용 및 결합력 등을 측정하거나, 단백질이 코팅된 미세입자를 이용하여 세포 표면의 특이적으로 결합하는 단백질의 농도를 모니터링 하는 등의 단일 세포, 단일 미세입자 기반의 생물, 화학적 실험과 세포들을 일정한 패턴으로 고정화하여 단일 세포 어레이 등을 제작하는데 응용될 수 있으리라 기대된다. 뿐만 아니라, 영상 장치를 이용하여 가상의 전극을 형성시키는 광전자적 구동원리는 자동화된 미세입자 및 세포 분석 실험에 좋은 도구로서 이용될 수 있을 것이다.
