Lab-on-a-chip 의특허동향 민경필 조사분석 4 팀 Ⅰ. 서론 랩온어칩 (Lab-on-a-chip) 기술은새로운생명과학의위대한발견과연구업적들을 IT산업에연결함으로서이러한생명과학의업적을산업적으로활용, 응용하는필요불가결한도구로서그중요성이높아져가고있다. 더불어, 새로운생명과학, 생화학, 의학의연구와발견, 치료법의개발을위한새로운도구로서보다새롭게인식되고있으며이는 Genome Project를통해서확보된인간유전자에대한막대한정보의효율적활용과원격진단. 현장진료등의새로운의료및생명공학산업환경을위한필수핵심기술로서점차중요성이더욱높게부각되고있다. Ⅱ. 본론 1. 개요 랩온어칩 (Lab-On-a-Chip, LOC) 은말그대로생물학, 화학실험실의구성요소를미세화 (scale down) 하여하나의칩에구현함으로써기존의실험을하나의칩에서수행할수있도록하는것을의미하는것으로 - 미소한하나의칩위에분석을위해서, 미량의생체시료의채취운반처리측정하기위한마이크로유체소자 ( 마이크로밸브, 마이크로펌프, 마이크로채널, 마이크로필터, 혼합기등 ), 항원이나유전자와같은생물분자를이동조작하기위한바이오필터, 시료를분석감지하기위한반응기및센서 ( 면역센서, 생화학센서등 ), 마이크로유체소자를구동시키기위한엑츄에이터, 주변회로부등의소자를 MEMS공정을이용하여집적화시킨작은화학 / 생물마이크로프로세서이다. 즉, 수cm2정도되는하나의칩위에서생체시료의전처리과정, 운송, 제어, 분석과모두일어나게하는
것이다. 2. 특징 초고속분석 ( 수초 ~ 수분 ), 시료및시약의소모량최소화 (~nl), 다종시료의동시분석, 자동화로인한높은재현성, 휴대가능 저가, 대량생산가능 3. 응용분야 바이오랩온어칩의응용분야및관련산업은매우다양하며 질병진단 : 의료 신약물질스크리닝 : 제약 신약물질의타겟발굴 : 의료, 제약 독성시험 : 제약, 식품, 화장품 약리, 약효시험 : 제약 환경오염물질 ( 예 : 다이옥신등 ) 탐지 : 환경, 식품 독성물질탐지 ( 예 : 신경가스등 ) : 환경 바이러스검출 : 환경, 식품 기타 : 4. 기술개발동향 4-1 국외의기술개발현황 대표적인예로서 DNA chip과연계되는미소유체제어소자및 DNA 증폭소자 (PCR) 를포함하는 Michigan 대학의랩온어칩 ( 그림1) 과, 플라스틱소재의칩들을이용한마이크로시스템설계개발연구를미국국방부고등연구기획국 (DARPA) 의지원하에수행하고있는신시내티대학의 MEMS 기술을이용한생화학분석용랩온어칩 ( 그림2) 개발이있다.
또한미국의 Oak Ridge National Lab. 및 Caliper Technology에서는랩온어칩을이용한전기영동분리소자를개발하여응용한상품을개발중이며, Cepheid에서는 micromachining과 microfluidics 및 microelectronics 기술을이용하여생물학적연구나유전자관련진단및처지에사용될자동화된랩온어칩시스템개념의 MicroBE를개발하고있다. 이시스템은 PCR과정을빠르게진행할수있을뿐만아니라휴대가가능하다는장점이있으며또한 on-board 상에서시료가준비되며, 시료를카트리지에채우고삽입한후단추만누르면자동으로작동하는간단한구조로되어있어기존의실험과정을정확하고간단하게진행할수있다는장점이있다. Caliper Technologies에서는랩온어칩기술을이용한 Multi-sipper chip을적용한 continuous-flow HTS(High Throughput Screening) 시스템을개발하였다. 이는기존의 plate-based HTS 시스템에비하여훨씬빠르고경제적이며재현성이우수한것으로보고되고있다. Caliper Technologies( 미 ) - HP와함께 LabChip이라는 DNA와 RNA를전기영동을거쳐분석할수있는 chip을제작하여 1999년부터시판 Gamera Bioscience사 - LabCD 구조의 chip을개발하여보통 CD를돌리는원리를이용하여원심력으로혈액을분리하는장치개발
Sandia 국립연구소 - μchemlab이라는휴대용화학분석시스템개발하여군사적화학작용제을검출하는데, 1분정도의분석시간으로 ppb 수준까지검출 Gyros Microlab System사 ( 스웨덴 ) - CD모양의원반형 Protein chip을개발중으로, 시료가원심력에의해원주방향으로이송되는 Lab-on-a-chip 개념의설계 4-2 국내의기술개발현황 국내의경우, 삼성전자, 엘지전자, 포항공대, 디지털바이오테크놀러지등에서랩온어칩관련연구를수행중이며, 특히디지털바이오테크놀러지의경우최근상품화에성공하였으며이는미세유체를이용하여미세유동내에있는세포의개수를측정하고원하는세포를분리할수있도록한것으로 Cell viability test, GFP detection, Apoptosis analysis 등다양한기능을수행할수있다. 이외에도혈액을이용하여혈액의특성을분석하고더나아가혈액속에있는적혈구의특성을분석할수있는랩온어칩및시스템도개발중인것으로알려져있다. 삼성전자- Micro-PCR 반응을위한미세냉각장치및온도센서와미세전극연구를이용한소자개발 LG - 생체물질의고정화기술, 마이크로패터닝 (microstamping, self-assembly 등 ) 기술보유, 후막 / 박막센서제조, 측정기술과독성센서및신경센서개발능력을확보 Digital BioTechnology - 최근자체적으로클린룸및바이오랩온어칩공정기기를구입하여세포개수측정기등의개발에열중 케이맥 - 표면플라즈몬공명원리를이용해생체물질간상호작용을실시간으로측정할수있는분석장치개발 바이오메드랩 - 급성장염환자의가검물등으로부터장질환을일으키는바이러스를검출할수있는 DNA 칩키트 (Enteric Virus DNA Chip) 를개발
5. 시장규모 SRI 등을비롯한시장전문조사기관에따르면바이오칩으로대표적인 DNA 칩의시장규모를 2004년에 20억달러정도로잡고있으며국내특허청에서는 1998년에 3000만달러에서매년 40% 씩증가하여 2010년에는 150억달러에이를것으로예상하고있다. 여기에휴먼게놈프로젝트의후속작업이될프로테옴프로젝트가진행되면단백질칩시장도 2010년이후에는크게열릴것으로전망되고있다. D&MD 보고서에서나온 Bio-chip 자료에서시장동향을보면 2006년까지 DNA 분야는 33%, 랩온어칩분야는 10 라는놀라운시장확대를예측하고있다. Cahners In-Stat/MDR에서나온최신자료에서도 MEMS 기술의의료분야에서의시장규모를 12억 $ 로예상하고있으며, 역시매년 10% 이상의고성장을기록할것으로예상되고있다. 또한장수명, 내장형, 실시간분석이가능한시스템이구현될경우그산업수요는기하급수적으로확대될것이다. Ⅲ. 특허동향 Lab on a chip, micro Total Analysis System,,m-TAS, Microfluidic chip등의간단한키워드를통해초록수준에서특허출원조사를수행하였으며이결과대부분의특허출원이미국에집중되어있으므로미국내특허출원및한국내출원을중심으로특허동향을파악함
1. 한국내특허동향 한국내출원사분포 삼성전자 26% 마크로젠삼성전자아람바이오엘지전자 포항공대 40% 엘지전자 포항공대 9% 엘지전자 5% 엘지전자 포항공대자링크세미컨덕터포항공대 포항산업과학연구원 국내출원동향및출원사분포를보면 2001년포항공대에의해출원이시작되었으며 2001년~2002년에걸쳐삼성전자, 포항공대 엘지전자, 엘지전자등의출원이나타나고는있으나몇몇대기업을제외하고는대학을중심으로한연구랩에서주로연구되어지는것으로나타나고있으며특허출원양은절대적으로부족하여국내산업적으로초기단계에해당하는것으로보여짐. 랩온어칩과같은바이오칩관련분야가주요차세대성장엔진으로써향후국내경제를뒷받침할산업으로예측되고정부의투자및학계및산업계의연구개발노력이증대될것으로예측되고있으므로출원양은꾸준히증가할것으로보여짐. 2. 미국내특허동향 출원수 30 25 20 15 출원수 10 5 0 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004
미국내출원동향 Caliper Tech 기타 17% 3% 3% 5% 5% 5% 6% 8% Caliper Tech 28% Orchid BioSciences 10% Orchid BioSciences STAATS, Sau, Lan, Tang ACLARA BIOSCIENCES David Sarnoff Research Center Sandia Corp Sarnoff Corp Sandia Corporation Orchid 7% BioSciences 17% Quantum Design 4% 다출원사 ACLARA BIOSCIENCES 15% ADVION BIOSCIENCES 6% David Sarnoff Research Center 7% Caliper Tech 40% Agilent Technologies 4% 미국에는 1994년중반부터랩온어칩관련출원이시작되었으며출원양이많지않아큰의미는부여할수없지만 1996 ~1997년및 1998~2002의기간에급격한출원증가로보아상당한연구가이루어진것으로보여지며 2002년이후출원양이감소하는것은출원후공개되지않은건이그이유일것으로생각된다. 미국내출원동향및다출원사분석을통해서알수있듯이 Caliper, Orchid Biosciences, Aclara biosciences등의출원동향의상위사가다출원사를이루고있으며 1998 ~ 2003년에걸쳐많은출원을보이고있다. 또한미국내출원동향중기타로표시된다수의회사들에의해 2002년이후출원이꾸준히이루어지고있는것으로보아출원양은미미하지만산업적으로성숙되어가는과정으로보여진다.
Ⅳ. 결론 앞서살펴본것과같이랩온어칩은실리콘이나유리폴리머등에반도체의미세전자기계기술 (MEMS) 과마이크로일렉트로닉스유체제어 DNA칩고정기술등다양한기술이복합된제품으로의료, 환경, 화학및생물공정, 식품, 그리고정보통신등다양한분야에서사용될수있다. 또한, 대상시스템의다양성, 여러기술의복합성, 다품종소량생산이란시장의특이성을가지며, 새로운아이디어가시장개척에서특히중요시되고있다. 그래서, 정보통신기술이잘발달되어있고, 우수한연구인력을잘갖추어진우리나라여건에가장적합한분야중하나로서반도체등의주요수출산업을대체할차세대성장엔진으로까지예측되고있다. 반면에바이오와정밀기계반도체화학등다양한기술이융합돼만들어지는랩온어칩의퓨전기술특성상기초기술이부족한우리나라로서는향후특허분쟁에휘말릴가능성이대단히높을것으로예상된다. 이에따라캘리퍼애피매트릭스아클라바이오사이언스등의세계적바이오기업들이선점한공정기술이나바이오미세전자기계기술디바이스분야의특허범위를회피하는노력을해야하며, 외국계회사특허의대다수가디바이스분야관련특허임을인식하고공정기술쪽에연구개발의무게를두고이에대한특허를획득하는데노력해야할것으로생각된다. 이를통해향후특허분쟁에대비함으로써날로경쟁이격화되어가는세계무역전쟁의환경속에서반도체나 CDMA관련산업등에서나타났던부품, 장비산업의종속화및과도한기술료부담의문제를개선해나아가야하겠다. [ 참고자료 ] - http://tic.kribb.re.kr - http://http://www.procon.co.kr/img/2002 4/2002 4-special-8.htm - http://www.khidi.or.kr/business/periodical/upfiles2/11-08.pdf - http://gene.hanyang.ac.kr/%7ewebmaster/pro/nano/2002itep.html 본리포트에대한상세특허정보DB를신청하고자하거나기타문의사항이있으신분은한국특허정보원 (www.kipi.or.kr) 으로연락주시기바랍니다. Tel : 02-3452-8144(532) Fax : 02-3453-2966 Homepage : 한국특허정보원 www.kipi.or.kr Kipis 온라인서비스 www.kipris.or.kr 선행기술조사본부 www.forx.org