Fabrication of thermoelectric temperature sensors for paper-based microfluidic chip

국문 초록 (Abstract)

최근에 랩온어칩(lab-on-a-chip, LOC)을 구현하기 위한 방법으로 종이에 미세유체칩을 제조하는 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 방식은 환경 친화적이고 간단하며 경제적인 방법이라는 점에서 큰 장점을 지닌다. 그러나 금 나노 입자의 합성, 단백질 결정화 및 중합효소 연쇄 반응(PCR)과 같은 화학 반응에서 시료를 가열하고 온도를 정확하게 제어하는 것이 점점 더 요구되고 있다. 기존의 미세유체칩 연구의 대부분은 외부 히터 및 온도 센서를 사용하여 이러한 과정들을 진행하였기에 시스템의 간소화에 어려움이 컸다. 특히 LOC를 이용하여 POC(point of care) 장치를 구현하는 것에는 더욱 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 온도 제어가 가능한 미세유체칩을 만들기 위해 종이에 히터 및 온도 센서의 인쇄 제조가 연구되었다. 이를 위해 적절하게 제조된 PEDOT:PSS, MWCNTs 잉크의 제조를 연구하였고 이것을 스크린 프린팅 및 스프레이 프린팅과 같은 방식을 통하여 미세유체칩을 만드는 방법에 대해 연구하였다. 이 두 물질의 제벡계수는 은 나노 입자 (AgNP)로 구성된 금속 기반 전극을 상대 전극으로 이용하여 측정되었다. 제벡계수는 스크린 인쇄 된 PEDOT : PSS 및 MWCNTs에 대하여 각각 19.86μV/K 및 2.66μV/K였다.
재료의 특성을 분석한 후 미세유체칩과 센서가 같이 인쇄 제작되었다. PEDOT:PSS와 MWCNTs로 만든 온도센서와 히터는 가깝게 배치되어 시료가 오가면서 온도를 측정할 수 있도록 설계되었으며 시료가 전기습윤방식을 이용하여 미세유체칩의 길을 따라 이동할 수 있게 설계되었다. 온도 센서와 히터는 Labview 컨트롤러 프로그램에 의해 자동 제어되고 미리 측정된 기울기 및 절편을 이용하면 온도를 계산하여 나타낼 수 있다. AgNP와 인쇄된 PEDOT : PSS의 열전 패턴은 11.90 μV/K의 기울기를 보였으며, 절편은 -44 μV였다. MWCNTs로 인쇄된 패턴은 7.06μV/K, 절편은 -100μV였다. 센서의 성능은 실온과 100 ℃ 사이의 범위에서 ± 2 ℃의 오차로 일반적인 온도 변화를 감지하기에 충분하다고 할 수 있다.