In lab-on-a-chip (LOC) applications, a sample preparation is a key process to remove contaminants and to separate target components in a sample for precise clinical analysis. For these purposes, various meth-ods of sample preparation have been developed, and a sample preparation using porous membrane filter is one of the leading candidates owing to its simple processing and high throughput.
The goal of this work is to develop porous membrane filter with high performance for LOC applica-tions. Especially, this work focused on the development of membrane filters with optimal pore shape for high performance since the shape of pores in membrane filter has a great effect on the performance of the mem-brane. Here, two types of membrane filters with optimal pore shape were newly proposed and demonstrated. The membrane filters were fabricated using conventional semiconductor process and three-dimensional (3D) micromachining technologies to realize optimal pore shape and improve the performance of membrane fil-ters, and their performance was experimentally demonstrated.
First, a new columnar membrane filter with cylindrical pore shape was successfully proposed and demonstrated. Cylindrical pore shape is an ideal structure for size-based filtration since it can improve filtra-tion time and prevents membrane fouling. Therefore, unlike polymer-based membrane filter with tortuous pore shape, numerous solid-state nanoporous membranes with cylindrical pore shape have been studied re-cently. However, manufacturing the membrane filter with sub-10 nm cylindrical pores is still a challenging problem. Numerous studies on manufacturing the membrane with sub 10 nm-sized cylindrical pores have been performed, but most of them are very expensive or require complex and additional process. Therefore, in this work, a new-type of nanoporous membrane prepared by a handy and mass-producible fabrication process was proposed. The proposed membrane is unique in that it is a general thin film formed by physical vapor deposition (PVD). Whereas other researchers have employed additional processes to make nanopores, numerous voids naturally formed among grains during PVD were focused in this work. Interestingly, pore size is controlled by a conventional ion milling system. Since the thin film formed by PVD has vertically-grown columnar grains, the fabricated membrane has numerous cylindrical (straight-opened) nanopores, which is an ideal structure for a size-based filtration. The fabricated nanosieve endured pressure up to 2 atm, and it sepa-rated ?uorescent dyes from a mixture of fluorescent dyes and common proteins very fast owing to its ideal cylindrical pore shape and its thinness.
Second, a membrane filter with engineered pore shape was proposed and demonstrated to improve the functionality of the membrane filter. Since the shape of the pores in the membrane filter gives significant effects in the movement of particles in sample during filtration process, numerous useful functions can be given to the membrane filter by controlling the pore shape. Therefore, in this work, to give the membrane functionality, a structural approach was newly proposed and demonstrated. In order to realize the structural approach, a novel fabrication method to control pore shape in membranes was developed. In this work, 3D diffuser lithography was employed to make the various 3D micro- and nano-structures, and nickel electro-plating technique was employed to replicate the 3D structures and form membranes. Using these fabrication methods, various membranes with round-, conical-, funnel-, and double-funnel pores were manufactured in 4-inch wafer level. Also, by controlling the undercut depth of diffuser lithography, the shape of nano-sized pores was also successfully engineered. Finally, to demonstrate potential of structural approach for a func-tional membrane filter, single cell capturing efficiency of the microporous membrane with conical micropores was experimentally demonstrated. Compared with conventional cylindrical micropores, microparticles sunk in the conical pores maintained their positions very well in very fast lateral-flow condition, and the stress ap-plied microparticles can be also reduced dramatically owing to its unique and engineered pore shape.
랩온어칩(Lab-on-a-chip)에서 다수의 물질들이 섞여 있는 샘플 안에서 원하는 물질 만을 선택적으로 분리해 내는 샘플 준비 과정은 정확한 진료 및 진단을 위해 필수적인 단계이다. 이러한 목적으로 최근 불순물 분리를 위한 샘플 준비와 관련된 연구가 많이 진행되고 있으며, 이 중 다공성 멤브레인 필터를 이용한 방법은 빠르고 간단한 처리 과정으로 인해 큰 관심을 받고 있다.
이 연구의 목적은 랩온어칩에 응용 가능한 고성능의 마이크로/나노 다공성 멤브레인 필터의 개발이다. 특히, 멤브레인 필터 상에 뚫려 있는 구멍의 구조적인 특징이 멤브레인의 투과 특성에 큰 영향을 미친다는 점을 고려하여 구멍의 구조적인 측면을 설계의 중요 요소로 설정하여 고성능의 멤브레인 필터를 구현하기 위해 노력하였다. 본 연구에서는 혈액의 구성 요소의 크기를 기준으로 두 가지 종류의 멤브레인 필터가 새롭게 제안되고 구현되었다. 제안된 멤브레인 필터는 일반적인 반도체 공정 기술과 3차원 마이크로머시닝(micromachining) 기술을 바탕으로 제작되었으며, 응용 분야에 맞게 최적화된 구멍 구조를 가지도록 설계되었다.
첫 번째로, 혈액 안에 있는 단백질들을 크기 기반으로 선택적으로 분리할 수 있는 원통형의 구멍 구조를 가지는 멤브레인 필터의 제작 방법을 제안하였으며, 이를 성공적으로 구현하였다. 원통형의 구멍 구조는 멤브레인의 상면에서 하면까지 직선 형태로 뚫려 있기 때문에 스폰지와 같이 구불구불한 복잡한 형태의 구멍 구조에 비해 투과 속도가 매우 빠르고 멤브레인의 막힘 (membrane clogging) 현상이 매우 적다. 따라서, 이러한 원통형 형태의 멤브레인의 제작 기술에 대한 연구가 최근 활발하게 이루어지고 있다. 혈액 내 단백질의 선택적인 분리를 위해서는 구멍 지름이 10 nm 이하인 것이 바람직하다. 하지만, 10 nm 크기의 구멍 지름을 가지면서도 원통형의 구조를 가지는 멤브레인 필터의 제작하는 것은 쉽지 않다. 몇몇 연구 그룹에 의해 10 nm 이하의 구멍을 가지는 멤브레인의 제작 기술이 개발되었으나, 이러한 기술들 역시 그 제작 공정이 매우 복잡하거나 가격이 비싸 일회용 진단 키트를 위한 멤브레인 필터로는 적합하지 않다. 따라서, 본 연구에서는 값 비싸고 복잡한 나노 다공성 멤브레인의 제작 기술의 개발 대신, 일반적으로 반도체 산업에서 많이 사용되는 원주상 구조의 박막을 나노 크기의 물질을 선택적으로 투과 시킬 수 있는 멤브레인 필터로 사용할 것을 제안하였다. 일반적인 반도체 공정에서는 금속 전극 등을 형성 할 때 물리적 기상 증착법 (PVD, physical vapor deposition)을 많이 사용하는데, 이러한 물리적 기상 증착법으로 형성된 박막은 원자의 그림자 효과 덕분에 그레인 사이에 수많은 구멍(void)이 필연적으로 형성되게 된다. 사실, 이러한 구멍들이 많다는 것은 일반적으로 박막의 기계적, 전기적 특성에 안 좋은 영향을 미치기 때문에 그 동안의 연구는 이를 최소로 하는 방향으로 이루어져 왔다. 하지만, 본 연구에서는 역발상으로 이러한 구멍을 나노 물질이 통과할 수 있는 나노 유체 채널로 사용 할 것을 처음으로 제안하였다. 특히, 그레인들의 형성되는 모양을 살펴보게 되면, 그레인들이 원주 형태로 수직하게 자라나기 때문에 그 사이에 존재 하는 구멍 역시 수직한 형태로 자라나게 되고, 이는 멤브레인 필터의 구멍 구조로 매우 이상적이다. 이러한 아이디어를 바탕으로 제작된 원주상 구조의 나노 다공성 멤브레인은 300 nm의 매우 얇은 두께에도 불구하고 대기압의 2배 압력까지 기계적으로 버틸 수 있었다. 또한, 투과 실험에서는 1 nm 크기의 형광 물질과 7 nm 크기의 단백질을 완벽하게 분리하였으며, 그 투과 속도 역시 기존 상용화된 멤브레인과 비교하여 매우 빠른 특성을 보였다.
두 번째로, 멤브레인을 크기 기반의 분리 이외의 많은 응용 분야에 적용하기 위해 다양한 구조의 구멍을 가지는 멤브레인 필터를 제작하였다. 멤브레인 필터의 구멍 구조는 샘플 안에 있는 세포 등이 구멍을 통과할 때의 움직임에 직접적인 영향을 미친다. 따라서, 공학적으로 설계된 구멍의 구조를 가지는 멤브레인 필터를 개발한다면 다양한 기능의 멤브레인 필터를 구현 할 수 있을 것이라는 것이 본 연구의 기본적인 아이디어이다. 따라서, 본 연구에서는 구멍의 구조를 자유롭게 구현할 수 있는 제작 방법을 개발하고, 이를 통해 크기 기반의 분리 이외의 다른 응용 분야에서 사용될 수 있는 멤브레인 필터에 대해 연구하였다. 공학적으로 설계된 구멍 구조를 정확하게 구현하기 위해서 3차원 디퓨져 리쏘그래피 (diffuser lithography)와 전기 도금 방식이 적용되었으며, 이를 통해 원뿔 (conical), 반구 (round), 깔때기 (funnel) 모양과 같이 다양한 모양의 구멍 구조를 가지는 마이크로 다공성 멤브레인 필터를 성공적으로 개발하였다. 뿐만 아니라, 디퓨져 리쏘그래피 공정 중 발생되는 언더 컷(undercut)을 조정하여 나노 크기의 지름을 가지는 구멍의 모양도 성공적으로 조절하였다. 마지막으로, 공학적으로 설계 된 구멍 구조를 가지는 멤브레인 필터가 진단 및 진료를 위한 다양한 응용 분야에 사용 가능하다는 것을 검증하기 위해서, 원뿔 모양의 구멍을 가지는 멤브레인 필터를 단일 세포 분석을 위한 플랫폼으로 사용해 보았다. 사용된 원뿔 모양의 구멍은 하면의 구멍보다 큰 상면의 구멍 덕분에 일반적인 원통형 형태의 구멍에 비해 기계적으로 단단히 세포를 고립시킬 수 있었으며, 수직으로 가해주는 유체의 압력에도 세포를 안전하게 잡아 줄 수 있는 장점을 가지고 있다.
이상에서 본 것과 같이 본 연구에서는 두 가지 종류의 다공성 멤브레인 필터를 구현하고 이들에 대한 특성평가를 진행하였다. 제안된 멤브레인 필터의 제작 방식은 일반적인 반도체 및 멤스 공정만을 사용하였기 이용하였기 때문에 낮은 가격으로 대량 생산 가능하며, 이는 일회용 진단 키트의 샘플 준비 과정을 위한 소재로써 매우 적합하다. 또한, 개발된 멤브레인 필터는 구조적인 접근을 통해 구현된 구멍 덕분에 높은 성능을 보장되며 따라서, 이를 통해 랩온어칩과 같은 의료 분야뿐만 아니라, 환경, 에너지 등과 같은 다양한 분야에 널리 활용 될 것이라 기대 된다.
