Development of Glass Micro-capillary Resonators for Mass Sensing Applications in Liquid

Abstract

마이크로 구조물을 갖는 기계적 공진 센서 플랫폼은 미세입자의 질량 및 검출에 널리 사용되어 왔다. 이 센서는 센서의 구조적 형상에 의거한 공진주파수 발생을 이용해 입자가 구조물에 로딩되었을 때 변화된 센서의 질량을 공진주파수 쉬프트 방법으로 검출할 수 있다. 이와 같은 주파수-쉬프트 방식의 센서 구동 플랫폼은 발달된 전자공학 기술로 인해 실시간 계측이 가능하여 빠르게 변화하는 미세환경 하에서도 정확한 입자의 질량을 확인할 수 있다는 장점이 있다.<br/> 이 센서 플랫폼에 속하는 마이크로튜브 레조네이터는 특히 유체에 부유하는 살아있는 세포나 마이크로 입자들의 질량을 실시간으로 계측할 수 있다는 점에서 톡특한 센서 플랫폼으로 주목되었다. 마이크로튜브 레조네이터는 구조물 내부에 내장된 유체 채널을 이용해 계측 입자를 센서 내부로 자유롭게 이송할 수 있게 하고 유체 및 입자를 센서 본체 내부에 위치시킴으로써 센서가 공진을 일으킬 때 유체와 구조물 간의 댐핑 효과를 줄여 높은 공진 품질을 유지할 수 있다는 장점을 가지고 있다. <br/> 이러한 특성을 바탕으로, 그동안 마이크로튜브 레조네이터는 다양한 유체기반 질량계측 연구를 수행해 왔다. 그러나, 반도체 미세공정을 기반으로 제작되는 이 센서는 고가의 비용과 복잡한 개발 공정으로 인해 낮은 수율을 수반하고 숙련된 오퍼레이터의 필요, 그리고 개발이 느리다는 문제점 때문에 뛰어난 성능에도 불구하고 다양한 연구분야에 널리 활용되기 어려웠다.<br/> 본 연구에서는, 기존의 미세공정 과정을 대체할 수 있는 유리모세관 인장 가공 방식을 새롭게 도입하였다. 1-mm 직경을 갖는 유리 모세관을 레이저 풀링 기법을 이용하여 3초 이내에 임의의 마이크로 수준 (10-200 µm)의 직경을 갖는 마이크로튜브로 가공할 수 있고, 이를 이용해 제작된 마이크로튜브 레조네이터는 기존 반도체 공정으로 제조된 디바이스의 질량 민감도에 상응하는 수준을 보여주었다. 본 연구에서 제시하는 새로운 제조법은 마이크로튜브의 크기를 자유롭게 설정할 수 있어 다양한 크기의 입자 계측 연구에 빠르게 활용될 수 있는 장점이 있다.<br/> 본 연구에서는 유리모세관으로 제작된 마이크로튜브 레조네이터의 특성을 분석하었다. 단면이 타원 형상을 가질 때 발생하는 모드 스플릿 현상에 대해 이론 및 실험을 통해 검증하였고, 센서를 파이펫 형태의 플랫폼으로 구현하여 사용성이 높도록 개선하였다. 또한 제작된 센서 플랫폼을 이용해 원생생물 및 다양한 미세입자 질량 계측을 시연하였다. <br/> 본 연구에서 제안한 유리모세관 마이크로튜브 레조네이터 플랫폼은 바이오, 미세입자 및 미세유체 등의 다양한 연구분야 활용될 수 있을 것으로 기대된다.<br/>