WO2014092219A1 - Method for manufacturing gas chromatography chip through multi-etching and method for manufacturing chip laminate - Google Patents

Method for manufacturing gas chromatography chip through multi-etching and method for manufacturing chip laminate Download PDF

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WO2014092219A1
WO2014092219A1 PCT/KR2012/010902 KR2012010902W WO2014092219A1 WO 2014092219 A1 WO2014092219 A1 WO 2014092219A1 KR 2012010902 W KR2012010902 W KR 2012010902W WO 2014092219 A1 WO2014092219 A1 WO 2014092219A1
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WO
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substrate
gas
gas chromatography
chromatography chip
gas supply
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Application number
PCT/KR2012/010902
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Inventor
김상구
임성민
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한국기초과학지원연구원
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    • GPHYSICS
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    • G01N30/00Investigating or analysing materials by separation into components using adsorption, absorption or similar phenomena or using ion-exchange, e.g. chromatography or field flow fractionation
    • G01N30/02Column chromatography
    • G01N30/60Construction of the column
    • G01N30/6095Micromachined or nanomachined, e.g. micro- or nanosize
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N30/00Investigating or analysing materials by separation into components using adsorption, absorption or similar phenomena or using ion-exchange, e.g. chromatography or field flow fractionation
    • G01N30/02Column chromatography
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • B01D15/08Selective adsorption, e.g. chromatography
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N35/00Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor
    • G01N35/08Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor using a stream of discrete samples flowing along a tube system, e.g. flow injection analysis
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502707Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by the manufacture of the container or its components

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a gas chromatography chip through multiple etching, and a method for manufacturing the chip laminate, and more particularly, to a gas chromatography chip obtained through multiple etching and a gas chromatography chip.
  • a method for producing a gas chromatography chip laminate is a method for producing a gas chromatography chip laminate.
  • Chromatography relates to analytical techniques that precisely separate each component of a multicomponent mixture, from simple to very complex mixtures.
  • Chromatography can be classified into various types according to stationary phases and, in particular, mobile phases.
  • Chromatography may be classified into gas chromatography and liquid chromatography according to the type of the mobile phase. In the present invention, description of the liquid chromatography will be omitted.
  • the mixture to be separated is contained in the mobile phase.
  • the mixture components move through the stationary phase, where each component of the mixture separates while moving through the stationary phase.
  • gas chromatography is particularly characterized by high resolution even for simple, fast, highly sensitive, and thermally stable volatile materials.
  • any mixture can be precisely separated by each component.
  • the gas chromatography chip conventionally manufactured used DRIE (Dry Reactive Ion Etching) technique.
  • a substrate suitable for engraving a pattern is formed, a thin film is formed of a material suitable for etching on the substrate, and (2) a pattern to be etched on the substrate, that is, a blueprint is prepared.
  • etching etching
  • This pattern engraving can be roughly divided into a dry etching method and a wet etching method.
  • an etching gas to react with a substrate is brought into a plasma state, and the etching gas in the plasma state is collided with the substrate, thereby physically impacting the components forming the substrate and the etching gas.
  • a dry etching technique that etches a portion of the substrate as a result of a combined chemical reaction or the like.
  • the wet etching technique is a technique in which a liquid phase flows chemicals or chemicals to the substrate surface to remove unnecessary portions of the thin film formed on the substrate surface, and the implementation apparatus is relatively simple and inexpensive compared to the dry etching technique. There is an advantage.
  • an object of the present invention is to provide a method for producing a gas chromatography chip using a transparent substrate and using an inexpensive wet etching method.
  • the gas chromatography chip of the present invention using a transparent substrate cannot obtain a microchannel of a desired depth through a single etching, it is preferable to perform multiple etching.
  • the present invention also aims to control the polarity of the stationary phase formed in the microchannels on the substrate.
  • an object of this invention is to provide the gas chromatography chip laminated body which laminated
  • a method of manufacturing a gas chromatography chip through multiple etching of the present invention (A) preparing a top substrate and a lower substrate; (B) forming a micro channel pattern portion on opposite one or both surfaces of the upper substrate or the lower substrate; (C) etching the micro channel pattern portion three or more times to form a micro channel; (D) forming a gas supply connection on a surface opposite the substrate surface on which the micro channel pattern portion is formed; (E) forming a gas exhaust connection on an opposite surface of the substrate surface on which the micro channel pattern portion is formed or on an opposite surface of the opposite substrate on which the micro channel pattern portion is not formed; (F) applying a stationary phase on the inner surface of the substrate on which the micro channel pattern portion is formed by spin coating; And (G) manufacturing a gas chromatography chip by joining the coated surface of the substrate to which the stationary phase is coated with the opposite surface of the substrate to which the stationary phase is not applied, wherein the microchannel pattern unit has a circular cross section.
  • the gas supply connection portion is formed in a tapered shape in which a gas supply port side is wide and its width is narrowed as it proceeds to the microchannel;
  • One or more positioning markers are formed on opposite inner surfaces of the upper or lower substrate;
  • the gas supply connection part and the gas discharge connection part are formed in an EDM method or a sandblast method;
  • the temperature control device is characterized in that to prevent the loss of gas in the micro-channel formed on the substrate by performing a temperature control of the substrate and at the same time by applying a thermal pressure to the substrate.
  • the material of the substrate is preferably one selected from a glass wafer, a quartz wafer, a polydimethylsiloxane wafer, a silicon wafer, a silicate wafer, a borosilicate wafer, and a fused silica wafer.
  • the stationary phase is PDMS
  • step (F) may further include a step of sealing the bonding surface of the substrate when the upper substrate and the lower substrate are bonded.
  • the gas chromatography chip obtained through the method of manufacturing a gas chromatography chip through multiple etching, the gas supply connection of the preceding gas chromatography chip and the gas supply connection of the following gas chromatography chip to each other A method of manufacturing a gas chromatography chip stack that is connected to extend the length of the microchannel may be provided.
  • the stationary phase further coated on the stationary phase of the gas chromatography chip may be different for each layer of the gas chromatography chip stack.
  • the gas chromatography chip obtained by the present invention is bonded and sealed by a simple and efficient method during substrate bonding.
  • the gas chromatography chip obtained by the present invention can adjust the polarity of the fixed phase coated on the microchannel.
  • stacked the gas chromatography chip obtained by this invention in multiple layers can be provided.
  • FIG. 1 is a flow chart schematically illustrating a method of manufacturing a gas chromatography chip through multiple etching according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic plan view of a gas chromatography chip obtained through multiple etching, according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 4A is a view showing the same flow path width of the gas inlet path of the gas supply connection portion of the gas chromatography chip according to the preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 4B is the present invention.
  • the gas supply connection part of the gas chromatography chip obtained through the multiple etching is shown in the form
  • the width of the flow path of the gas inlet path of the gas supply connection is a diagram showing the tapered shape.
  • FIG. 5 is a partially enlarged view of a configuration of a gas supply connection of the gas chromatography chip, together with a schematic plan view of a gas chromatography chip obtained through multiple etching according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 shows actual pictures of the gas supply connection, the micro channel, and the gas discharge connection of the gas chromatography chip obtained through multiple etching, and the gas supply connection and the gas discharge connection according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing actual gas analysis results of a gas chromatography chip obtained through multiple etching according to a preferred embodiment of the present invention.
  • ECD detection results of chloroform and 4-bromofluorobenzene are shown.
  • FIG. 1 is a flow chart schematically illustrating a method of manufacturing a gas chromatography chip through multiple etching according to a preferred embodiment of the present invention.
  • a method of manufacturing a gas chromatography chip through multiple etching the substrate preparation step (S100), pattern forming step (S110), etching step (S120) , The stationary phase coating step (S130), and the substrate bonding step (S140).
  • Substrate preparation step (S100), according to a preferred embodiment of the present invention, is a step of preparing a substrate for use in the method of manufacturing a gas chromatography chip through multiple etching.
  • the material is preferably one selected from glass wafers, quartz wafers, polydimethylsiloxane wafers, silicon wafers, silicate wafers, borosilicate wafers, and fused silica wafers, and most preferably borosilicate wafers. desirable.
  • the present substrate is preferably a standard 4 inch size, but if necessary, the size of the substrate may be different.
  • the substrate is preferably separated into an upper substrate and a lower substrate.
  • the thickness of the substrate is not limited otherwise.
  • an Au / Cr deposited film in advance on the substrate to be used in the method of manufacturing a gas chromatography chip through multiple etching according to a preferred embodiment of the present invention.
  • this deposited film can withstand hydrofluoric acid, it can be useful for effective etching in the wet etching described later.
  • the thickness of the first deposited Cr film is about 200 ⁇ 300 ⁇ , its The thickness of the Au film deposited thereon is preferably about 2000 GPa.
  • the pattern forming step (S110) is a step of forming a pattern to be engrave on the prepared substrate.
  • the pattern referred to in this step S110 refers to a pattern similar to that shown in Fig. 2, and preferably, a pattern is formed in advance using a pattern forming program.
  • a pattern similar to that shown in FIG. 2 is pre-formed, and then the pattern is printed on a blank master (Model Plotter Mask, manufactured by Barco). And a method of etching and etching the substrate 10 by using the blank master as a photo mask used for pattern production of the substrate 10 (FIG. 2) of the present invention.
  • a person having ordinary skill in the art may form a desired pattern on the substrate 10 by using a photo mask and a photoresist applied on the substrate 10. You will know well.
  • SU-8 50 manufactured by Microchem, USA
  • the photoresist may be used as the photoresist.
  • the SU-8 50 is a negative photoresist, and the coating thickness at this time may be adjusted to 40 to 100 m.
  • a position alignment marker as a use for facilitating position alignment at the time of etching of the substrate is also formed at the same time.
  • the etching step S120 is a step of etching the substrate in a predetermined pattern shape.
  • etching step (S120) it is preferable to only etch the pattern formed on the substrate.
  • the etching may be performed by using the photoresist PR and the wet etching method by using the photomask on which the desired pattern is formed.
  • the wet etching is preferably repeated at least three times, until a desired etching depth, that is, about 50 ⁇ m comes out. This will be described later with reference to FIG. 3.
  • the stationary phase coating step S130 is a step of applying a stationary phase, preferably polydimethylsiloxane (PDMS), to the surface of the substrate etched in the etching step (S120).
  • a stationary phase preferably polydimethylsiloxane (PDMS)
  • the PDMS was applied by spin coating using a spin coater as a material that is optically transparent, nonpolar, and non-flammable.
  • a specific spin coating method will be described in more detail in the paragraphs of the following examples.
  • the substrate used in the present invention is also optically transparent.
  • a fixed phase having a different polarity may be further applied to the coating layer of the substrate, if necessary.
  • stationary phases having different polarities include silica gel, alumina, charcoal, molecular sieves, and porous polymers, and the polarity of the microchannels can be easily adjusted when these are applied as the stationary phase.
  • Substrate bonding step S140 is the step of bonding the board
  • the PDMS coated on either surface of the upper substrate or the lower substrate constituting the substrate not only performs the function of the stationary phase but also acts on the bonding of the substrate of the present invention.
  • the PDMS can simultaneously contribute to the role of the stationary phase in the microchannel and the sealing between the upper substrate and the lower substrate.
  • the PDMS may be coated on both surfaces of the upper substrate and the lower substrate.
  • the PDMS is a spin using a spin coater, rather than using a method of coating the wall of the microchannel by bonding the upper substrate and the lower substrate, and then pressing-injecting one of the openings of the microchannel. It should be noted that the coating can be applied very simply.
  • FIG. 2 is a schematic plan view of a gas chromatography chip obtained through multiple etching, according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the gas chromatography chip may include a substrate 10 formed in a circular shape, a position alignment marker 20 and 30 formed on one surface of the substrate 10, and a gas supply for supplying gas to the gas chromatography chip.
  • the channel 60 includes an extended micro channel pattern portion 70.
  • the substrate 10 may be separated into an upper substrate and a lower substrate, and the gas supply connection part 40, the gas discharge connection part 50, the micro channel 60, and the micro channel pattern part may be formed.
  • Each of the 70 substrates may be formed on any one side of the upper substrate and the lower substrate.
  • these components may be formed on either side of the upper substrate and the lower substrate of the substrate 10 and the remaining portions may be formed on opposite opposing surfaces of the upper substrate and the lower substrate of the substrate 10. It may be.
  • the material of the substrate 10 is preferably one selected from a glass wafer, a quartz wafer, a polydimethylsiloxane wafer, a silicon wafer, a silicate wafer, a borosilicate wafer, and a fused silica wafer, and a borosilicate wafer Is most preferred.
  • the alignment markers 20 and 30 are illustrated in the drawing on both sides of the substrate 10 to face each other with the micro channel pattern portion 70 therebetween on the substrate 10.
  • the position of the position alignment markers 20 and 30 is not limited thereto.
  • the positions of forming the alignment markers 20 and 30 may be formed on one surface of the substrate 10 or on one side and the other surface of the substrate 10, and may include at least one or more. have.
  • the alignment marker may be formed adjacent to one side of the substrate 10, or alternatively, only one side may be formed on one side of the substrate 10, and one side of the substrate 10 may be formed. After cutting, this cut surface can also be used as an auxiliary position alignment marker.
  • the gas supply connection part 40 is formed at one side of the upper end of the substrate 10, but the formation position may be any other position.
  • the gas supply connection part 40 is a part used when supplying a mixture gas as a mobile phase to a gas chromatography chip obtained in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
  • the gas supply side connector 80 which will be described later, and the gas supply column 100 (above, see FIG. 6) are connected to the gas supply side of the gas supply connection portion 40, and the mobile phase is connected through the gas supply column 100. Gas is supplied. At this time, it is preferable that a gas supply side connector 80 (see FIG. 6) is provided between the substrate 10 and the gas supply column 100.
  • the gas supplied to the gas supply connection part 40 flows into the micro channel 60 formed continuously.
  • the micro channel 60 is a micro channel constituting the micro channel pattern part 70, and serves to continuously flow the gas of the mobile phase flowing from the gas supply connection part 40.
  • the microchannel pattern portion 70 preferably constitutes a pattern in advance by using a pattern forming program. As described above, the microchannel pattern portion 70 prints the pattern on the blank master, and the blank master is printed on the substrate 10 of the present invention.
  • the substrate 10 is etched (etched) and formed by using as a photo mask used for the pattern production of ().
  • the width of the micro channel pattern portion 70 formed according to the preferred embodiment of the present invention was about 100 ⁇ m.
  • the width of the microchannel 60 formed on the substrate 10 is also substantially the same width.
  • the length of the micro channel 60 formed on the substrate 10 may be added or subtracted according to the pattern shape of the micro channel pattern part 70.
  • the gas discharge connecting portion 50 is formed in a direction opposite to the extending direction of the gas supply connecting portion 40 formed on one side of the upper end of the substrate 10, but this is not necessarily limited thereto.
  • the gas supply connection part 40 and the gas discharge connection part 60 are respectively shown in the shape of " ⁇ " and “ ⁇ ", but the gas supply connection part 40 and the gas discharge connection part, respectively. 50 may be formed to face each other like the shape of " ⁇ " and " ⁇ ".
  • gas supply connection part 40 and the gas discharge connection part 50 may be formed by gathering on one surface of the board
  • one of the gas supply connection part 40 and the gas discharge connection part 50 is formed on one surface of the substrate 10 and the other is formed on the opposite surface of any one side of the substrate 10. May be
  • the gas exhaust connection portion 50 is a portion where gas as a mobile phase supplied to a gas chromatography chip obtained in accordance with a preferred embodiment of the present invention is discharged.
  • the gas discharge side connector 90 and the gas discharge column 110 are connected to the gas discharge side of the gas discharge connection unit 50, and the gas discharge side connector 90 and the gas are connected to each other.
  • the mobile phase gas is discharged through the discharge column 110.
  • the gas discharged to the gas discharge connection unit 50 may be discharged to the outside, alternatively, when the gas chromatography chip stack is configured by stacking the gas chromatography chip, through the gas discharge column 110, It may be supplied to a gas supply connection (not shown) of another gas chromatography chip adjacent or remote.
  • the gas discharged from the gas discharge side connector provided in the gas discharge connection portion of the preceding gas chromatography chip can be continuously supplied to the gas supply side connector provided in the gas supply connection portion of the following gas chromatography chip.
  • the alignment markers 20 and 30, the gas supply connection part 40, the gas discharge connection part 50, and the micro channel 60 and the micro channel pattern formed on the substrate 10 are formed.
  • a heat transfer part may be further formed at portions except the portion 70.
  • the heat transfer part (not shown) heats the gas supply connection part 40, the gas discharge connection part 50, and the entirety of the micro channel 60 and the micro channel pattern part 70 formed on the substrate 10. It may be formed to be.
  • the heat transfer unit is further preferably provided with a temperature control device (not shown).
  • the temperature control device can control the temperature of the gas chromatography chip at high speed and precisely.
  • a peltier device may be used for the heat transfer part in consideration of the small size of the substrate 10.
  • FIG 3 is a table showing the etching depth of a substrate during multiple etching according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the depth of the microchannel 60 was about 17 ⁇ m to 20 ⁇ m (average depth: 18 ⁇ m).
  • the depth of 60 deepens to about 42 micrometers-57 micrometers (average depth: 50 micrometers).
  • the depth of the microchannel 50 formed in the preferred embodiment of the present invention was 50 ⁇ m.
  • FIG. 4A is a view showing the same flow path width of the gas inlet path of the gas supply connection portion of the gas chromatography chip according to the preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 4B is the present invention.
  • the gas supply connection part of the gas chromatography chip obtained through the multiple etching is shown in the form
  • the width of the flow path of the gas inlet path of the gas supply connection is a diagram showing the tapered shape.
  • the reason why the shape of the gas inlet path of the gas supply connection part is formed in a tapered shape is that the microchannel 60 of the substrate 10 is formed when a parallel flow path is formed as shown in FIG. This is because the amount of gas that flows through the exhaust gas to the gas exhaust connection part 50 of the substrate 10 is too small.
  • the gas supply port side is formed to have a width of about 500 ⁇ m, and the gas supply port side is reduced to a width of about 100 ⁇ m to a starting point of the microchannel pattern part 70, that is, a point where the microchannel 60 starts. It was formed in a tapered shape.
  • FIG. 5 is a partially enlarged view of a configuration of a gas supply connection of the gas chromatography chip, together with a schematic plan view of a gas chromatography chip obtained through multiple etching according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the width of the flow path in the vicinity of the gas supply port 42 formed in the gas supply connection portion 40 of the gas chromatography chip is about 500 ⁇ m, Since the width
  • FIG. 6 shows actual pictures of the gas supply connection, the micro channel, and the gas discharge connection of the gas chromatography chip obtained through multiple etching, and the gas supply connection and the gas discharge connection according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the gas supply side connector 80 is provided at the gas supply port 42 of the gas supply connection part 40 formed at one side of the substrate 10. It can be seen that the gas discharge side connector 90 is installed at the gas discharge port (not shown) of the gas discharge connection unit 50 formed on the other side of the substrate 10.
  • R Nanoport Assembly
  • FIG. 7 is a view showing actual gas analysis results of a gas chromatography chip obtained through multiple etching according to a preferred embodiment of the present invention, in which the ECD detection results of chloroform and 4-bromofluorobenzene are shown. It is shown.
  • analysis conditions are as follows.
  • the first peak of the graph is clearly shown as chloroform, and the second peak of the graph is clearly shown as 4-bromofluorobenzene.
  • a substrate consisting of an upper substrate and a lower substrate is prepared.
  • the material of the substrate is preferably one selected from a glass wafer, a quartz wafer, a polydimethylsiloxane wafer, a silicon wafer, a silicate wafer, a borosilicate wafer, and a fused silica wafer, and most preferably a borosilicate wafer.
  • a photoresist PR and a wet etching method are applied to the borosilicate wafer using a mask on which a desired pattern is formed to form a microchannel pattern portion having a width of about 100 ⁇ m.
  • the width of the microchannels in the mask was 0.1 mm, the diameter of the gas supply and gas outlet connections was 0.5 mm, and the length of the entire microchannel was 6054 mm.
  • the wet etching at this time is preferably repeated at least three times or more until a desired etching depth, that is, about 50 ⁇ m, is obtained.
  • the microchannel 60 or the microchannel pattern portion 70 may be formed on one side of one of the upper and lower substrates constituting the substrate 10 or the surfaces of both sides of the upper and lower substrates facing each other. It can be formed on.
  • the microchannel 60 and the microchannel pattern portion 70 having a desired pattern have a constant depth and width. Can be etched precisely and in engagement with each other.
  • the cross section of the microchannel 60 obtained can be circular.
  • the microchannel pattern portion 70 is formed on the substrate 10 in a simple manner inexpensively. can do.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • PDMS was applied by spin coating using a spin coater as a material having optically transparent, non-polar and non-flammable characteristics.
  • the spin coater had a rotation speed of about 4000 to 8000 RPM and a rotation duration of about 1 second during the spin coating.
  • spin coating is performed only on one surface of the upper substrate or the lower substrate constituting the substrate 10, and both substrates of the upper substrate and the lower substrate are bonded without applying to the other surface.
  • the oven it heated at the temperature of 70 degreeC for about 1 hour, and bonded together completely.
  • This coated PDMS not only performs the function of the stationary phase but can also be used directly for the bonding of silicate wafers, thereby simultaneously contributing to the flow of gas in the microchannel 60 and the sealing between the substrate 10.
  • the PDMS is a technically difficult method of forming a gas chromatography chip and then applying pressure injection to either the gas supply connection 40 or the gas discharge connection 50 to coat the wall of the microchannel 60. Rather, it can be produced by a simple coating method using a spin coater, it can be seen that it is very economical.
  • stationary phases having different polarities may include silica gel, alumina, charcoal, molecular sieves, and porous polymers, and the polarities of the microchannels 60 may be easily adjusted when they are applied as a stationary phase.
  • the stationary phases having different polarities may be applied to either the upper substrate or the lower substrate of the substrate 10, or may be applied to the entire microchannel 60.
  • the same stationary phase may be apply
  • the chip fabrication in the preferred embodiment of the present invention uses a wet etching technique, unlike in the conventional dry etching technique (DRIE), so that a spin coater having a low cost and simple structure can be used to simplify the process. Yet economically effective.
  • DRIE dry etching technique
  • the specifications of the substrate 10 used in the gas chromatography chip are as follows.
  • Micro channel width 100 ⁇ m
  • Substrate Material Borosilicate Wafer
  • the size of the gas supply port is 500 ⁇ m
  • the width of the micro channel is 100 ⁇ m
  • the flow path from the gas supply port to the micro channel is tapered.
  • the gas supply port and the gas discharge port can be accurately implemented even by sand blasting (sand blasting), but the sand blasting method is very inefficient in order to produce a small amount, according to a preferred embodiment of the present invention,
  • the gas outlet was fabricated using an electrical EDM (Electrical Discharge Machining) technique.
  • the electrode for electric discharge machining, a solution, etc. were changed suitably.
  • the gas supply port and the gas outlet may be simultaneously formed on one side of the gas chromatography chip, one of them may be formed on one side, and the other may be formed on the other side.
  • the former has the advantage of convenient operation, and the latter can be very advantageous when forming gas chromatography chip laminates.
  • the gas supply side connector 80 is installed at the gas supply port 42 of the gas supply connection part 40 formed at one side of the gas chromatography chip according to the preferred embodiment of the present invention.
  • the gas discharge side connector 90 was installed at the gas discharge port (not shown) of the gas discharge connection unit 50 formed on the other side of the chip.
  • the gas supply side connector 80 and the gas discharge side connector 90 may be connected to a gas supply column 100 and a gas discharge column 110 that are in charge of supplying gas from the outside, respectively.
  • the gas supply column 100 is a column for fluidly supplying a gas including a gas of a mobile phase and a mixture to be analyzed, and a gas discharge column 110 discharges the gas to the outside or the gas chromatography chip stack.
  • the column is connected to the gas supply connection of another gas chromatography chip.
  • the detection is connected to the gas chromatography chip.
  • Devices may be further included, such as a flame ionization detector (FID), an electron capture detector (ECD), and a mass spectrometer.
  • ECD is mainly useful for the detection of compounds containing halogen elements (eg, F, Cl, Br, I), mainly for the detection of pesticides, PCBs, N 2 O gas and the like.
  • FID is mainly used for the analysis of organic compounds such as HC, TCE, PCE and the like.
  • a heat transfer part may be further formed for temperature control.
  • the heat transfer part may be formed in a region where an accessory of the gas chromatography chip is not formed, or may be formed to heat the entire gas chromatography chip.
  • the temperature control apparatus is further provided in the said heat transfer part.
  • the temperature of the gas chromatography chip can be controlled at high speed and precisely by the temperature control device, the temperature control is immediate compared to the conventional gas chromatography technique. Because it is effectively controlled, very sharp peaks can be obtained in the analysis of gas mixtures.
  • the heat transfer unit may use a peltier device.
  • the heat transfer part not only regulates the temperature of the gas chromatography chip, but also serves to prevent gas loss in the microchannel by applying thermal pressure to the junction between the upper substrate and the lower substrate constituting the gas chromatography chip.
  • the method for producing a gas chromatography chip through the multiple etching of the present invention and the method for producing the chip laminate, it is economically advantageous because the gas chromatography chip is produced by the wet etching method.
  • the gas chromatography chip obtained by the present invention is bonded and sealed by a simple and efficient method during substrate bonding.
  • the gas chromatography chip obtained by the present invention can adjust the polarity of the fixed phase coated on the microchannel.
  • stacked the gas chromatography chip obtained by this invention in multiple layers can be provided.

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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing a gas chromatography chip through multi-etching and a method for manufacturing a chip laminate and, more specifically, to a gas chromatography chip obtained through multi-etching and a method for manufacturing a gas chromatography chip laminate by laminating the gas chromatography chip.

Description

다중 에칭을 통한 가스 크로마토그래피 칩의 제조 방법 및 상기 칩 적층체의 제조 방법Method for producing gas chromatography chip through multiple etching and method for manufacturing chip stack
본 발명은 다중 에칭을 통한 가스 크로마토그래피 칩의 제조 방법, 및 이 칩 적층체의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 다중 에칭을 통해 얻은 가스 크로마토그래피 칩, 및 상기 가스 크로마토그래피 칩을 적층한 가스 크로마토그래피 칩 적층체의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a gas chromatography chip through multiple etching, and a method for manufacturing the chip laminate, and more particularly, to a gas chromatography chip obtained through multiple etching and a gas chromatography chip. A method for producing a gas chromatography chip laminate.
크로마토그래피(chromatography)는, 단순 혼합물로부터 매우 복잡한 혼합물까지, 즉 다성분 혼합물을 이루고 있는 각 성분을 정밀하게 분리하는 분석 기술에 관한 것이다.Chromatography relates to analytical techniques that precisely separate each component of a multicomponent mixture, from simple to very complex mixtures.
크로마토그래피는 고정상(stationary phase)과, 특히 이동상(mobile phase; moving phase)의 종류에 따라서 여러 가지로 구분될 수 있다.Chromatography can be classified into various types according to stationary phases and, in particular, mobile phases.
크로마토그래피는 상기 이동상의 종류에 따라, 가스 크로마토그래피(gas chromatography)와 액체 크로마토그래피로 구분될 수 있다. 본 발명에서는 액체 크로마토그래피에 대한 설명은 생략하기로 한다.Chromatography may be classified into gas chromatography and liquid chromatography according to the type of the mobile phase. In the present invention, description of the liquid chromatography will be omitted.
상기 가스 크로마토그래피 기술은, 혼합물이 분산되어 있는 이동상(moving phase)을 고정상(stationary phase)을 통해서 이동시키면, 이동상에 포함된 혼합물 각각이 나타내는 고정상에 대한 인력 또는 흡착력의 차이에 따라서 고정상에 이동상의 흔적을 남기는 특징을 이용하고 있다.In the gas chromatography technique, when a moving phase in which a mixture is dispersed is moved through a stationary phase, the mobile phase is changed according to a difference in attraction force or adsorption force to the stationary phase represented by each mixture included in the mobile phase. Taking advantage of the trailing features.
즉, 가스 크로마토그래피 기술에서는, 분리하려는 혼합물이 이동상에 포함되어 있다.In other words, in the gas chromatography technique, the mixture to be separated is contained in the mobile phase.
상기 혼합물 성분은 고정상을 이동하며, 이때 혼합물을 이루는 각 성분은 고정상을 이동하면서 분리된다.The mixture components move through the stationary phase, where each component of the mixture separates while moving through the stationary phase.
이때, 가스 크로마토그래피는, 특히, 간편하고, 빠르며, 고감도이고, 열적으로(thermally) 안정된 휘발성 물질에 대해서도 분리능이 높다는 특징이 있다.In this case, gas chromatography is particularly characterized by high resolution even for simple, fast, highly sensitive, and thermally stable volatile materials.
크로마토그래피 기술을 이용하면, 임의의 혼합물을 각각의 성분별로 정밀하게 분리할 수 있다.Using chromatographic techniques, any mixture can be precisely separated by each component.
이때, 매우 복잡한 혼합물을 분석하고 하는 가스 크로마토그래피 칩의 경우, 마이크로 채널, 즉 고정상의 전체 길이와, 상기 마이크로 채널(고정상)에 형성한 극성에 의해서 분리능에 차이가 발생한다.At this time, in the case of a gas chromatography chip that analyzes a very complex mixture, a difference in resolution occurs due to the total length of the microchannel, that is, the stationary phase, and the polarity formed in the microchannel (the stationary phase).
한편, 종래 제작하고 있었던 가스 크로마토그래피용 칩은 DRIE(Dry Reactive Ion Etching) 기법을 이용하고 있었다.On the other hand, the gas chromatography chip conventionally manufactured used DRIE (Dry Reactive Ion Etching) technique.
여기서, 기판(웨이퍼)에 원하는 패턴을 새기는 방법에 대해서 간단하게 설명하기로 한다.Here, a method of carving a desired pattern on the substrate (wafer) will be described briefly.
기판 상에 원하는 패턴을 새기기 위해서는, (1) 패턴을 새기기에 적합한 기판을 준비하고, 이 기판 상에 식각에 적합한 물질로 박막을 형성하고, (2) 상기 기판 상에 새길 패턴, 즉 설계도를 준비한 다음, (3) 에칭(식각) 장비를 사용하여, 상기 설계도에 그려진 패턴대로, 상기 기판 상에 형성된 박막 중에서 불필요한 부분을 제거하여 원하는 패턴을 새길 수 있게 된다.In order to engrave a desired pattern on a substrate, (1) a substrate suitable for engraving a pattern is formed, a thin film is formed of a material suitable for etching on the substrate, and (2) a pattern to be etched on the substrate, that is, a blueprint is prepared. Next, (3) by using an etching (etching) equipment, it is possible to engrave the desired pattern by removing unnecessary portions of the thin film formed on the substrate as the pattern drawn in the schematic.
이 패턴 새기기는, 크게, 건식(Dry) 에칭 기법과 습식(Wet) 에칭 기법으로 나눌 수 있다.This pattern engraving can be roughly divided into a dry etching method and a wet etching method.
상기 DRIE 기법은, 기판(웨이퍼, wafer)과 반응시킬 에칭(etching, 식각) 가스를 플라즈마 상태로 만들고, 이 플라즈마 상태의 식각 가스를 기판에 충돌시켜서, 기판을 이루는 성분과 식각 가스와의 물리적 충격 및 화학 반응 등이 결합된 결과, 기판의 일부분을 에칭하는 건식(Dry) 에칭 기법이다. In the DRIE technique, an etching gas to react with a substrate (wafer) is brought into a plasma state, and the etching gas in the plasma state is collided with the substrate, thereby physically impacting the components forming the substrate and the etching gas. And a dry etching technique that etches a portion of the substrate as a result of a combined chemical reaction or the like.
이 건식 에칭 기법은 장치가 복잡하여 구현 방법이 까다롭고 비용이 과다한 문제가 있었다.This dry etching technique has been complicated and difficult to implement due to the complexity of the device.
반면, 습식 에칭 기법은 액상이 화학 약품 또는 화학 물질을 기판 표면에 흘려서 기판 표면 상에 형성된 박막 중에서 불필요한 부분을 제거하는 기술로, 건식 에칭 기법에 비해서 구현 장치가 비교적 간단하고 저렴하게 실시할 수 있다는 장점이 있다.On the other hand, the wet etching technique is a technique in which a liquid phase flows chemicals or chemicals to the substrate surface to remove unnecessary portions of the thin film formed on the substrate surface, and the implementation apparatus is relatively simple and inexpensive compared to the dry etching technique. There is an advantage.
본 발명에 관련된 종래 기술로는 대한민국 등록특허 제10-0243995호(2000.02.01. 공고)가 있다.The prior art related to the present invention is Republic of Korea Patent No. 10-0243995 (2000.02.01. Notification).
따라서, 본 발명은 투명한 기판을 사용하고, 저렴한 습식 에칭 방법을 이용하여 가스 크로마토그래피 칩을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.Therefore, an object of the present invention is to provide a method for producing a gas chromatography chip using a transparent substrate and using an inexpensive wet etching method.
이때, 투명한 기판을 사용한 본 발명의 가스 크로마토그래피 칩은 단일 에칭을 통해서는 원하는 깊이의 마이크로 채널을 얻을 수 없기 때문에, 다중 에칭을 행하는 것이 바람직하다.At this time, since the gas chromatography chip of the present invention using a transparent substrate cannot obtain a microchannel of a desired depth through a single etching, it is preferable to perform multiple etching.
또한, 본 발명은 상기 기판을 간단한 방법으로 접합하여 기판 사이의 밀봉을 효과적으로 제공하는 것을 목적으로 한다.It is also an object of the present invention to effectively bond the substrates in a simple manner to provide a seal between the substrates.
또한, 본 발명은 상기 기판 상의 마이크로 채널에 형성되는 고정상의 극성을 조절하는 것을 목적으로 한다.The present invention also aims to control the polarity of the stationary phase formed in the microchannels on the substrate.
또한, 본 발명은 다중 에칭을 통해서 얻은 단일한 가스 크로마토그래피 칩의 제조 방법 뿐만 아니라, 다중 에칭을 통해 얻은 가스 크로마토그래피 칩을 다층으로 적층한 가스 크로마토그래피 칩 적층체를 제공하는 것을 목적으로 한다.Moreover, an object of this invention is to provide the gas chromatography chip laminated body which laminated | stacked the gas chromatography chip obtained through multiple etching in multiple layers, as well as the manufacturing method of the single gas chromatography chip obtained through multiple etching.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to the problem (s) mentioned above, and other object (s) not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 다중 에칭을 통한 가스 크로마토그래피 칩의 제조 방법은, (A) 상부 기판과 하부 기판을 준비하는 단계; (B) 상기 상부 기판 또는 하부 기판의 대향하는 일측 또는 양측 표면 상에 마이크로 채널 패턴부를 형성하는 단계; (C) 3 회 이상 상기 마이크로 채널 패턴부를 에칭하여 마이크로 채널을 형성하는 단계; (D) 상기 마이크로 채널 패턴부가 형성된 기판 표면의 반대쪽 표면에 가스 공급 연결부를 형성하는 단계; (E) 상기 마이크로 채널 패턴부가 형성된 기판 표면의 반대쪽 표면, 또는 상기 마이크로 채널 패턴부가 형성되지 않은 대향 기판의 반대쪽 표면 상에 가스 배출 연결부를 형성하는 단계; (F) 상기 마이크로 채널 패턴부가 형성된 기판의 내측 표면 상에 스핀 코팅법에 의해서 고정상을 도포하는 단계; 및 (G) 상기 고정상이 도포된 기판의 도포면과, 상기 고정상이 도포되지 않은 기판의 대향면을 맞대어 접합하여 가스 크로마토그래피 칩을 제조하는 단계를 포함하며, 상기 마이크로 채널 패턴부는, 단면이 원형 형상이고, 상기 가스 공급 연결부로부터 상기 가스 배출 연결부까지 연속적으로 연장되는 마이크로 채널로 이루어지며; 상기 가스 공급 연결부는, 가스 공급구측이 넓고, 상기 마이크로 채널로 진행함에 따라서 그 폭이 좁아지는 테이퍼 형상으로 형성되며; 상기 상부 기판 또는 하부 기판의 대향 내측 표면 상에는 하나 이상의 위치 정렬 마커가 형성되며; 상기 기판의 온도를 제어하기 위한 열 전달부 및 온도 제어 장치;를 포함하고 있으며; 상기 가스 공급 연결부 및 상기 가스 배출 연결부는, EDM 방식 또는 샌드블래스트(sandblast) 방식으로 형성되며; 상기 온도 제어 장치는, 상기 기판의 온도 조절을 수행함과 동시에 상기 기판에 열압력을 가하여 상기 기판에 형성된 상기 마이크로 채널 내의 가스 손실을 방지하는 것을 특징으로 한다.In order to solve the above problems, a method of manufacturing a gas chromatography chip through multiple etching of the present invention, (A) preparing a top substrate and a lower substrate; (B) forming a micro channel pattern portion on opposite one or both surfaces of the upper substrate or the lower substrate; (C) etching the micro channel pattern portion three or more times to form a micro channel; (D) forming a gas supply connection on a surface opposite the substrate surface on which the micro channel pattern portion is formed; (E) forming a gas exhaust connection on an opposite surface of the substrate surface on which the micro channel pattern portion is formed or on an opposite surface of the opposite substrate on which the micro channel pattern portion is not formed; (F) applying a stationary phase on the inner surface of the substrate on which the micro channel pattern portion is formed by spin coating; And (G) manufacturing a gas chromatography chip by joining the coated surface of the substrate to which the stationary phase is coated with the opposite surface of the substrate to which the stationary phase is not applied, wherein the microchannel pattern unit has a circular cross section. A microchannel extending continuously from said gas supply connection to said gas discharge connection; The gas supply connection portion is formed in a tapered shape in which a gas supply port side is wide and its width is narrowed as it proceeds to the microchannel; One or more positioning markers are formed on opposite inner surfaces of the upper or lower substrate; A heat transfer part and a temperature control device for controlling the temperature of the substrate; The gas supply connection part and the gas discharge connection part are formed in an EDM method or a sandblast method; The temperature control device is characterized in that to prevent the loss of gas in the micro-channel formed on the substrate by performing a temperature control of the substrate and at the same time by applying a thermal pressure to the substrate.
여기에서, 상기 기판의 소재는, 글래스 웨이퍼, 석영 웨이퍼, 폴리디메틸실록산 웨이퍼, 실리콘 웨이퍼, 실리케이트 웨이퍼, 보로실리케이트 웨이퍼 및 용융 실리카 웨이퍼 중에서 선택되는 하나인 것이 바람직하다.Here, the material of the substrate is preferably one selected from a glass wafer, a quartz wafer, a polydimethylsiloxane wafer, a silicon wafer, a silicate wafer, a borosilicate wafer, and a fused silica wafer.
또한, 상기 (F) 단계에서 상기 고정상은 PDMS이며, 상기 마이크로 채널의 극성을 조절하기 위해서, 실리카겔, 알루미나, 숯, 분자체, 및 다공성 중합체 중 선택된 하나가 더 코팅되는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.In addition, in the step (F), the stationary phase is PDMS, and in order to control the polarity of the microchannel, it is preferable to further include a step of coating one selected from silica gel, alumina, charcoal, molecular sieve, and porous polymer. Do.
또한, 상기 (F) 단계는, 상부 기판과 하부 기판을 접합하였을 때, 상기 고정상이 상기 기판의 접합면을 밀봉(sealing)하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the step (F) may further include a step of sealing the bonding surface of the substrate when the upper substrate and the lower substrate are bonded.
한편, 본 발명에 따르면, 다중 에칭을 통한 가스 크로마토그래피 칩의 제조 방법을 통해 얻은 가스 크로마토그래피 칩을, 선행하는 가스 크로마토그래피 칩의 가스 배출 연결부와 후행하는 가스 크로마토그래피 칩의 가스 공급 연결부를 서로 연결하여 상기 마이크로 채널의 길이를 연장하는 가스 크로마토그래피 칩 적층체의 제조 방법이 제공될 수 있다.On the other hand, according to the present invention, the gas chromatography chip obtained through the method of manufacturing a gas chromatography chip through multiple etching, the gas supply connection of the preceding gas chromatography chip and the gas supply connection of the following gas chromatography chip to each other A method of manufacturing a gas chromatography chip stack that is connected to extend the length of the microchannel may be provided.
여기에서, 상기 가스 크로마토그래피 칩의 고정상에 더 코팅되는 고정상은 가스 크로마토그래피 칩 적층체의 각 층마다 서로 다를 수 있다.Here, the stationary phase further coated on the stationary phase of the gas chromatography chip may be different for each layer of the gas chromatography chip stack.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.Specific details of other embodiments are included in the detailed description and the accompanying drawings.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.Advantages and / or features of the present invention and methods for achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various forms, and only the present embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention, and the general knowledge in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is defined only by the scope of the claims.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 명세서의 명확성을 위하여 과장되어 기술되어 있을 수 있음을 알아야 한다.Throughout the specification, the same reference numerals refer to the same components, it should be understood that the size, position, coupling relationship, etc. of each component constituting the invention may be exaggerated for clarity of the specification.
이상, 본 발명의 다중 에칭을 통한 가스 크로마토그래피 칩의 제조 방법, 및 상기 칩 적층체의 제조 방법에 따르면, 습식 에칭 방법에 의해서 가스 크로마토그래피 칩을 제작하기 때문에 경제적으로 유리하다.As mentioned above, according to the manufacturing method of the gas chromatography chip through the multiple etching of this invention, and the manufacturing method of the said chip laminated body, since it produces a gas chromatography chip by a wet etching method, it is economically advantageous.
또한, 본 발명에 따르면, 본 발명에 의해서 얻어진 가스 크로마토그래피 칩은, 기판 접합시 간단하고 효율적인 방법으로 접합하여 밀봉된다.In addition, according to the present invention, the gas chromatography chip obtained by the present invention is bonded and sealed by a simple and efficient method during substrate bonding.
또한, 본 발명에 따르면, 본 발명에 의해서 얻어진 가스 크로마토그래피 칩은, 마이크로 채널에 코팅되는 고정상의 극성을 조절할 수 있다.Further, according to the present invention, the gas chromatography chip obtained by the present invention can adjust the polarity of the fixed phase coated on the microchannel.
또한, 본 발명에 따르면, 본 발명에 의해서 얻어진 가스 크로마토그래피 칩을 다층으로 적층한 가스 크로마토그래피 칩 적층체를 제공할 수 있다.Moreover, according to this invention, the gas chromatography chip laminated body which laminated | stacked the gas chromatography chip obtained by this invention in multiple layers can be provided.
도 1은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 다중 에칭을 통한 가스 크로마토그래피 칩의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.1 is a flow chart schematically illustrating a method of manufacturing a gas chromatography chip through multiple etching according to a preferred embodiment of the present invention.
도 2는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 다중 에칭을 통해 얻은 가스 크로마토그래피 칩의 개략적인 평면도이다.2 is a schematic plan view of a gas chromatography chip obtained through multiple etching, according to a preferred embodiment of the present invention.
도 3은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 다중 에칭시 기판의 에칭 깊이를 나타낸 표이다.3 is a table showing the etching depth of a substrate during multiple etching according to a preferred embodiment of the present invention.
도 4의 (a)는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 가스 크로마토그래피 칩의 가스 공급 연결부의 가스 유입로의 유로 폭이 동일한 형상을 나타낸 도면이고, 도 4의 (b)는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 다중 에칭을 통해 얻은 가스 크로마토그래피 칩의 가스 공급 연결부의 형성 모양을 나타낸 것으로, 가스 공급 연결부의 가스 유입로의 유로 폭이 테이퍼진 형상을 나타낸 도면이다.FIG. 4A is a view showing the same flow path width of the gas inlet path of the gas supply connection portion of the gas chromatography chip according to the preferred embodiment of the present invention, and FIG. 4B is the present invention. According to the preferred embodiment of the present invention, the gas supply connection part of the gas chromatography chip obtained through the multiple etching is shown in the form, the width of the flow path of the gas inlet path of the gas supply connection is a diagram showing the tapered shape.
도 5는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 다중 에칭을 통해 얻은 가스 크로마토그래피 칩의 개략적인 평면도와 함께, 상기 가스 크로마토그래피 칩의 가스 공급 연결부의 구성을 일부 확대하여 도시한 도면이다.FIG. 5 is a partially enlarged view of a configuration of a gas supply connection of the gas chromatography chip, together with a schematic plan view of a gas chromatography chip obtained through multiple etching according to a preferred embodiment of the present invention.
도 6은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 다중 에칭을 통해 얻은 가스 크로마토그래피 칩의 가스 공급 연결부, 마이크로 채널, 및 가스 배출 연결부의 실제 사진과, 상기 가스 공급 연결부 및 가스 배출 연결부에 형성한 가스 공급/배출 커넥터의 모습을 나타낸 도면이다.FIG. 6 shows actual pictures of the gas supply connection, the micro channel, and the gas discharge connection of the gas chromatography chip obtained through multiple etching, and the gas supply connection and the gas discharge connection according to a preferred embodiment of the present invention. A diagram showing a state of a gas supply / discharge connector.
도 7은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 다중 에칭을 통해 얻은 가스 크로마토그래피 칩의 실제 가스 분석 결과를 나타내는 도면으로, 도면에서는 클로로포름과 4-브로모플루오르벤젠의 ECD 검출 결과를 나타내고 있다.FIG. 7 is a view showing actual gas analysis results of a gas chromatography chip obtained through multiple etching according to a preferred embodiment of the present invention. In the drawings, ECD detection results of chloroform and 4-bromofluorobenzene are shown.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described embodiments of the present invention;
먼저, 본 발명에서 '코팅'과 '도포', '웨이퍼'와 '기판', 및 '에칭'과 '식각'은, 각각, 사실상 동등한 의미로 사용되었다는 것을 알아야 한다.First, it should be understood that in the present invention, 'coating' and 'application', 'wafer' and 'substrate', and 'etching' and 'etching' are used in substantially equivalent meanings, respectively.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 다중 에칭을 통한 가스 크로마토그래피 칩의 제조 방법에 대해서 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of manufacturing a gas chromatography chip through multiple etching according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1.
도 1은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 다중 에칭을 통한 가스 크로마토그래피 칩의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.1 is a flow chart schematically illustrating a method of manufacturing a gas chromatography chip through multiple etching according to a preferred embodiment of the present invention.
도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 다중 에칭을 통한 가스 크로마토그래피 칩의 제조 방법은, 기판 준비 단계(S100), 패턴 형성 단계(S110), 에칭 단계(S120), 고정상 도포 단계(S130), 및 기판 접합 단계(S140)를 포함하고 있다.As can be seen from Figure 1, according to a preferred embodiment of the present invention, a method of manufacturing a gas chromatography chip through multiple etching, the substrate preparation step (S100), pattern forming step (S110), etching step (S120) , The stationary phase coating step (S130), and the substrate bonding step (S140).
기판 준비Board Preparation
기판 준비 단계(S100)는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 다중 에칭을 통한 가스 크로마토그래피 칩의 제조 방법에서 사용할 기판을 준비하는 단계이다.Substrate preparation step (S100), according to a preferred embodiment of the present invention, is a step of preparing a substrate for use in the method of manufacturing a gas chromatography chip through multiple etching.
상기 기판은, 후술하지만, 그 소재로, 글래스 웨이퍼, 석영 웨이퍼, 폴리디메틸실록산 웨이퍼, 실리콘 웨이퍼, 실리케이트 웨이퍼, 보로실리케이트 웨이퍼 및 용융 실리카 웨이퍼 중에서 선택되는 하나인 것이 바람직하며, 보로실리케이트 웨이퍼인 것이 가장 바람직하다.Although the substrate is described later, the material is preferably one selected from glass wafers, quartz wafers, polydimethylsiloxane wafers, silicon wafers, silicate wafers, borosilicate wafers, and fused silica wafers, and most preferably borosilicate wafers. desirable.
또한, 본 기판은 표준 4 인치 크기인 것이 바람직하나, 필요에 따라서, 기판의 크기는 상이할 수도 있다.In addition, the present substrate is preferably a standard 4 inch size, but if necessary, the size of the substrate may be different.
여기에서, 상기 기판은 상부 기판과 하부 기판으로 분리되어 있는 것이 바람직하다.Here, the substrate is preferably separated into an upper substrate and a lower substrate.
당연하지만, 상기 기판의 두께에 대해서는 달리 한정하지 않는다.Naturally, the thickness of the substrate is not limited otherwise.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 다중 에칭을 통한 가스 크로마토그래피 칩의 제조 방법에서 사용할 기판에는 미리 Au/Cr 증착막을 형성하여 두는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable to form an Au / Cr deposited film in advance on the substrate to be used in the method of manufacturing a gas chromatography chip through multiple etching according to a preferred embodiment of the present invention.
증착막을 형성할 기판으로는 상부 기판이나 하부 기판을 특정하지는 않는다.The upper substrate or the lower substrate is not specified as the substrate on which the deposition film is to be formed.
이 증착막은 불산에 견딜 수 있기 때문에, 후술하는 습식 에칭에서의 효과적인 에칭에 도움이 될 수 있다.Since this deposited film can withstand hydrofluoric acid, it can be useful for effective etching in the wet etching described later.
상기 증착막을 형성하는데 사용한 증착 장비로는, 전자 빔 증착기(E-Beam Evaporator)(모델명: ei-5, 제조사: ULVAC)를 사용하였으며, 먼저 증착한 Cr막의 두께는 약 200 ~ 300 Å 정도, 그 위에 증착되는 Au막의 두께는 약 2000 Å 정도가 바람직하다.As the deposition equipment used to form the deposition film, an E-Beam Evaporator (Model: ei-5, manufacturer: ULVAC) was used, the thickness of the first deposited Cr film is about 200 ~ 300 Å, its The thickness of the Au film deposited thereon is preferably about 2000 GPa.
패턴 형성Pattern formation
패턴 형성 단계(S110)는, 상기 준비된 기판에 새길 패턴을 형성하는 단계이다.The pattern forming step (S110) is a step of forming a pattern to be engrave on the prepared substrate.
본 단계(S110)에서 말하는 패턴은, 도 2에 나타낸 것과 유사한 패턴을 가리키는 것으로, 바람직하게는, 패턴 형성 프로그램을 이용하여 미리 패턴을 구성하여 둔 것이다.The pattern referred to in this step S110 refers to a pattern similar to that shown in Fig. 2, and preferably, a pattern is formed in advance using a pattern forming program.
패턴 형성의 구체적인 예로는, 패턴 형성 프로그램을 사용하여, 도 2에 나타낸 것과 유사한 패턴을 미리 형성한 다음, 이 패턴을 블랭크 마스터(blank master)(모델명: Photo Plotter Mask, 제조사: Barco)에 프린팅하고, 이 블랭크 마스터를 본 발명의 기판(10, 도 2)의 패턴 제작에 이용되는 포토 마스크로 사용하여, 기판(10)을 에칭(식각)하여 형성하는 방법을 들 수 있다.As a specific example of pattern formation, using a pattern forming program, a pattern similar to that shown in FIG. 2 is pre-formed, and then the pattern is printed on a blank master (Model Plotter Mask, manufactured by Barco). And a method of etching and etching the substrate 10 by using the blank master as a photo mask used for pattern production of the substrate 10 (FIG. 2) of the present invention.
이때, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 포토 마스크와, 상기 기판(10) 상에 도포한 포토 레지스트를 이용하여, 상기 기판(10) 상에 원하는 패턴을 형성할 수 있음을 잘 알 것이다.In this case, a person having ordinary skill in the art may form a desired pattern on the substrate 10 by using a photo mask and a photoresist applied on the substrate 10. You will know well.
포토 레지스트로는 SU-8 50(미국 Microchem 제품)을 사용할 수 있다.SU-8 50 (manufactured by Microchem, USA) may be used as the photoresist.
상기 SU-8 50은 네거티브 에칭용 포토 레지스트이며, 이때의 코팅 두께는 40 ~ 100 m로 조절하여 도포할 수 있다.The SU-8 50 is a negative photoresist, and the coating thickness at this time may be adjusted to 40 to 100 m.
또한, 기판의 에칭시에 위치 정렬을 용이하게 하기 위한 용도로서의 위치 정렬 마커도 동시에 형성되는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that a position alignment marker as a use for facilitating position alignment at the time of etching of the substrate is also formed at the same time.
더욱 자세한 패턴 형성 방법에 대해서는, 후술한다.A more detailed pattern formation method is mentioned later.
에칭etching
에칭 단계(S120)는, 소정의 패턴 형상대로, 상기 기판을 에칭하는 단계이다.The etching step S120 is a step of etching the substrate in a predetermined pattern shape.
에칭 단계(S120)에서는, 기판 상에 형성된 패턴만을 에칭하도록 하는 것이 바람직하다.In the etching step (S120), it is preferable to only etch the pattern formed on the substrate.
이때, 상술한, 원하는 패턴이 형성된 포토 마스크를 이용하여, 포토 레지스크(PR)와 습식 에칭 방식을 적용하여 에칭을 수행할 수 있다.In this case, the etching may be performed by using the photoresist PR and the wet etching method by using the photomask on which the desired pattern is formed.
본 에칭 단계(S120)에서, 상기 습식 에칭은, 원하는 에칭 깊이, 즉 50 ㎛ 정도가 나올 때까지, 적어도, 3 회 이상 반복하는 것이 바람직하다. 이에 대해서는 도 3을 참조하여 후술한다.In this etching step (S120), the wet etching is preferably repeated at least three times, until a desired etching depth, that is, about 50 μm comes out. This will be described later with reference to FIG. 3.
고정상 도포Stationary phase
고정상 도포 단계(S130)는, 상기 에칭 단계(S120)에서 에칭을 끝난 기판의 표면에 대해서, 고정상, 바람직하게는 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 도포하는 단계이다.The stationary phase coating step S130 is a step of applying a stationary phase, preferably polydimethylsiloxane (PDMS), to the surface of the substrate etched in the etching step (S120).
상기 PDMS는 광학적으로 투명하고 비극성이며 비가연성의 특징을 갖는 물질로서 스핀 코터를 사용하여 스핀 코팅 방식으로 도포하였다. 구체적인 스핀 코팅 방식에 대해서는, 후술하는 실시예의 단락에서 더욱 자세하게 설명하기로 한다.The PDMS was applied by spin coating using a spin coater as a material that is optically transparent, nonpolar, and non-flammable. A specific spin coating method will be described in more detail in the paragraphs of the following examples.
참고로, 본 발명에서 사용한 기판 역시 광학적으로 투명하다는 것을 알아야 한다.For reference, it should be noted that the substrate used in the present invention is also optically transparent.
본 고정상 도포 단계(S130)에서는, 상술한 PDMS 이외에도, 필요에 따라서, 극성이 다른 고정상을 기판의 코팅층에 추가 도포할 수도 있다.In the present fixed phase application step (S130), in addition to the PDMS described above, a fixed phase having a different polarity may be further applied to the coating layer of the substrate, if necessary.
극성이 다른 고정상의 예로는, 실리카겔, 알루미나, 숯, 분자체, 및 다공성 중합체를 들 수 있으며, 이들을 고정상으로 도포하는 경우 마이크로 채널의 극성을 용이하게 조절할 수 있다.Examples of stationary phases having different polarities include silica gel, alumina, charcoal, molecular sieves, and porous polymers, and the polarity of the microchannels can be easily adjusted when these are applied as the stationary phase.
기판 접합Board Bonding
기판 접합 단계(S140)는, 고정상의 도포가 종료된 기판을 접합하는 단계이다.Substrate bonding step S140 is the step of bonding the board | substrate which application | coating of the stationary phase is complete | finished.
이때, 기판을 이루는 상부 기판 또는 하부 기판의 어느 한쪽 표면에 코팅된 PDMS가 고정상의 기능을 수행할 뿐만 아니라 본 발명의 기판의 접합(bonding)에도 작용한다는 점을 알아야 한다.At this time, it should be noted that the PDMS coated on either surface of the upper substrate or the lower substrate constituting the substrate not only performs the function of the stationary phase but also acts on the bonding of the substrate of the present invention.
따라서, 상기 PDMS는, 마이크로 채널 내에서 고정상으로의 역할, 및 상부 기판과 하부 기판 사이의 밀봉에 동시에 기여할 수 있다.Thus, the PDMS can simultaneously contribute to the role of the stationary phase in the microchannel and the sealing between the upper substrate and the lower substrate.
다르게는, 상기 PDMS는 상부 기판 및 하부 기판의 양 표면 모두에 코팅될 수도 있다.Alternatively, the PDMS may be coated on both surfaces of the upper substrate and the lower substrate.
여기에서, 상기 PDMS는, 상부 기판과 하부 기판을 접합한 다음, 마이크로 채널의 어느 한쪽의 개구에 대해서, 가압 주입함으로써, 마이크로 채널의 벽면을 코팅하는 방법을 사용하는 것이 아니라, 스핀 코터를 이용하는 스핀 코팅법에 의해서 매우 간단하게 도포될 수 있다는 점에 주목하여야 한다.Here, the PDMS is a spin using a spin coater, rather than using a method of coating the wall of the microchannel by bonding the upper substrate and the lower substrate, and then pressing-injecting one of the openings of the microchannel. It should be noted that the coating can be applied very simply.
다음으로, 도 2는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 다중 에칭을 통해 얻은 가스 크로마토그래피 칩의 개략적인 평면도이다.Next, FIG. 2 is a schematic plan view of a gas chromatography chip obtained through multiple etching, according to a preferred embodiment of the present invention.
여기에서, 상기 가스 크로마토그래피 칩은, 원형으로 형성된 기판(10), 상기 기판(10)의 일측 표면 상에 형성된 위치 정렬 마커(20, 30), 가스 크로마토그래피 칩에 가스를 공급하기 위한 가스 공급 연결부(40), 가스 크로마토그래피 칩에서 배출되는 가스의 배출 연결부(50), 마이크로 채널(60), 및 상기 기판(10)의 일측에서 시작하여 상기 기판(10)의 대부분의 평면을 덮도록 마이크로 채널(60)이 연장되어 있는 마이크로 채널 패턴부(70)를 포함하고 있다.The gas chromatography chip may include a substrate 10 formed in a circular shape, a position alignment marker 20 and 30 formed on one surface of the substrate 10, and a gas supply for supplying gas to the gas chromatography chip. The connection portion 40, the discharge connection portion 50 of the gas discharged from the gas chromatography chip, the micro channel 60, and the micro-channel to cover most of the plane of the substrate 10, starting at one side of the substrate 10. The channel 60 includes an extended micro channel pattern portion 70.
상기 기판(10)은, 상술한 바와 같이, 상부 기판과 하부 기판으로 분리되어 형성될 수 있으며, 상기 가스 공급 연결부(40), 가스 배출 연결부(50), 마이크로 채널(60) 및 마이크로 채널 패턴부(70)는, 각각, 상기 상부 기판과 하부 기판의 어느 일측에 모두 형성되어 있을 수 있다.As described above, the substrate 10 may be separated into an upper substrate and a lower substrate, and the gas supply connection part 40, the gas discharge connection part 50, the micro channel 60, and the micro channel pattern part may be formed. Each of the 70 substrates may be formed on any one side of the upper substrate and the lower substrate.
다르게는 이들 구성 요소는, 그 일부분만 상기 기판(10)의 상부 기판과 하부 기판의 어느 일측에 형성되고 나머지 일부분은 상기 기판(10)의 상부 기판과 하부 기판의 반대쪽 대향 표면 상에 형성되어 있을 수도 있다.Alternatively, these components may be formed on either side of the upper substrate and the lower substrate of the substrate 10 and the remaining portions may be formed on opposite opposing surfaces of the upper substrate and the lower substrate of the substrate 10. It may be.
상기 기판(10)의 소재는, 상술한 바와 같이, 글래스 웨이퍼, 석영 웨이퍼, 폴리디메틸실록산 웨이퍼, 실리콘 웨이퍼, 실리케이트 웨이퍼, 보로실리케이트 웨이퍼 및 용융 실리카 웨이퍼 중에서 선택되는 하나인 것이 바람직하며, 보로실리케이트 웨이퍼인 것이 가장 바람직하다.As described above, the material of the substrate 10 is preferably one selected from a glass wafer, a quartz wafer, a polydimethylsiloxane wafer, a silicon wafer, a silicate wafer, a borosilicate wafer, and a fused silica wafer, and a borosilicate wafer Is most preferred.
또한, 상기 위치 정렬 마커(20, 30)는, 도면에서, 상기 기판(10) 상에서 마이크로 채널 패턴부(70)를 사이에 두고 대향하여 상기 기판(10)의 양측면에 형성되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 위치 정렬 마커(20, 30)의 위치는 이에 한정되지 않는다.In addition, the alignment markers 20 and 30 are illustrated in the drawing on both sides of the substrate 10 to face each other with the micro channel pattern portion 70 therebetween on the substrate 10. The position of the position alignment markers 20 and 30 is not limited thereto.
즉, 상기 위치 정렬 마커(20, 30)의 형성 위치는, 상기 기판(10)의 일측 표면 또는 상기 기판(10)의 일측과 타측 표면 상에 각각 형성될 수 있으며, 적어도 하나 이상을 구비할 수 있다.That is, the positions of forming the alignment markers 20 and 30 may be formed on one surface of the substrate 10 or on one side and the other surface of the substrate 10, and may include at least one or more. have.
따라서, 상기 기판(10)의 일측면 상에 인접하여 위치 정렬 마커를 형성할 수도 있고, 다르게는, 상기 기판(10)의 일측면 상에 하나만 형성하여 두고, 상기 기판(10)의 일측면을 절단한 다음 이 절단한 면을 보조 위치 정렬 마커로 이용할 수도 있다.Accordingly, the alignment marker may be formed adjacent to one side of the substrate 10, or alternatively, only one side may be formed on one side of the substrate 10, and one side of the substrate 10 may be formed. After cutting, this cut surface can also be used as an auxiliary position alignment marker.
도면에서, 가스 공급 연결부(40)는 기판(10)의 상단의 일측에 형성되어 있으나, 그 형성 위치는 임의의 다른 위치일 수도 있다.In the drawing, the gas supply connection part 40 is formed at one side of the upper end of the substrate 10, but the formation position may be any other position.
상기 가스 공급 연결부(40)는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 얻은 가스 크로마토그래피 칩에, 이동상으로서의 혼합물 가스를 공급할 때 사용하는 부분이다.The gas supply connection part 40 is a part used when supplying a mixture gas as a mobile phase to a gas chromatography chip obtained in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
상기 가스 공급 연결부(40)의 가스 공급측에는, 후술하는, 가스 공급측 커넥터(80)와 가스 공급 컬럼(100)(이상, 도 6 참조)이 연결되며, 이 가스 공급 컬럼(100)을 통해서 이동상의 가스가 공급된다. 이때, 기판(10)과 상기 가스 공급 컬럼(100) 사이에는 가스 공급측 커넥터(80, 도 6 참조)가 설치되어 있는 것이 바람직하다.The gas supply side connector 80, which will be described later, and the gas supply column 100 (above, see FIG. 6) are connected to the gas supply side of the gas supply connection portion 40, and the mobile phase is connected through the gas supply column 100. Gas is supplied. At this time, it is preferable that a gas supply side connector 80 (see FIG. 6) is provided between the substrate 10 and the gas supply column 100.
상기 가스 공급 연결부(40)로 공급된 가스는, 연속하여 형성된 마이크로 채널(60)로 유동한다.The gas supplied to the gas supply connection part 40 flows into the micro channel 60 formed continuously.
상기 마이크로 채널(60)은 마이크로 채널 패턴부(70)를 구성하는 마이크로 채널로서, 상기 가스 공급 연결부(40)에서 유동되어 온 이동상의 가스를 연속적으로 유동시키는 역할을 한다.The micro channel 60 is a micro channel constituting the micro channel pattern part 70, and serves to continuously flow the gas of the mobile phase flowing from the gas supply connection part 40.
상기 마이크로 채널 패턴부(70)는, 바람직하게는, 패턴 형성 프로그램을 이용하여 미리 패턴을 구성한 것으로, 상술한 바와 같이, 이 패턴을 블랭크 마스터에 프린팅하고, 이 블랭크 마스터를 본 발명의 기판(10)의 패턴 제작에 이용되는 포토 마스크로 사용하여, 기판(10)을 에칭(식각)하여 형성한 것이다.The microchannel pattern portion 70 preferably constitutes a pattern in advance by using a pattern forming program. As described above, the microchannel pattern portion 70 prints the pattern on the blank master, and the blank master is printed on the substrate 10 of the present invention. The substrate 10 is etched (etched) and formed by using as a photo mask used for the pattern production of ().
본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 형성된 상기 마이크로 채널 패턴부(70)의 폭은 약 100 ㎛였다.The width of the micro channel pattern portion 70 formed according to the preferred embodiment of the present invention was about 100 μm.
따라서, 기판(10) 상에 형성되는 마이크로 채널(60)의 폭도 이와 사실상 동일한 폭으로 형성되는 것은 자명하다.Therefore, it is obvious that the width of the microchannel 60 formed on the substrate 10 is also substantially the same width.
한편, 기판(10) 상에 형성되는 마이크로 채널(60)의 길이는, 상기 마이크로 채널 패턴부(70)의 패턴 형상에 따라서 가감될 수 있다.Meanwhile, the length of the micro channel 60 formed on the substrate 10 may be added or subtracted according to the pattern shape of the micro channel pattern part 70.
또한, 가스 배출 연결부(50)는 기판(10)의 상단의 일측에 형성된 가스 공급 연결부(40)의 연장 방향과 반대 방향으로 형성되어 있으나, 이는 반드시 이에 한정되지는 않는다.In addition, the gas discharge connecting portion 50 is formed in a direction opposite to the extending direction of the gas supply connecting portion 40 formed on one side of the upper end of the substrate 10, but this is not necessarily limited thereto.
즉, 도시한 도면에서, 상기 가스 공급 연결부(40)와 가스 배출 연결부(60)는, 각각, "┑"와 "┎"의 형상으로 도시되어 있지만, 상기 가스 공급 연결부(40)와 가스 배출 연결부(50)는, "┎"와 "┑"의 형상처럼 서로 마주보도록 형성될 수도 있다.That is, in the figure, the gas supply connection part 40 and the gas discharge connection part 60 are respectively shown in the shape of "┑" and "┎", but the gas supply connection part 40 and the gas discharge connection part, respectively. 50 may be formed to face each other like the shape of "┎" and "┑".
또한, 상기 가스 공급 연결부(40)와 가스 배출 연결부(50)는, 기판(10)의 일측 표면 상에 모여서 형성될 수도 있지만, 기판(10)의 상측과 하측, 또는 우측과 좌측에, 각각, 이격되어 형성될 수도 있다.In addition, although the gas supply connection part 40 and the gas discharge connection part 50 may be formed by gathering on one surface of the board | substrate 10, in the upper side and the lower side of the board | substrate 10, or the right side and the left side, respectively, It may be formed spaced apart.
다르게는, 상기 가스 공급 연결부(40)와 가스 배출 연결부(50)는, 기판(10)의 어느 일측 표면 상에 하나가 형성되고, 기판(10)의 어느 일측의 반대쪽 표면 상에 다른 하나가 형성될 수도 있다.Alternatively, one of the gas supply connection part 40 and the gas discharge connection part 50 is formed on one surface of the substrate 10 and the other is formed on the opposite surface of any one side of the substrate 10. May be
상기 가스 배출 연결부(50)는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 얻은 가스 크로마토그래피 칩에 공급된 이동상으로서의 가스가 배출되는 부분이다.The gas exhaust connection portion 50 is a portion where gas as a mobile phase supplied to a gas chromatography chip obtained in accordance with a preferred embodiment of the present invention is discharged.
상기 가스 배출 연결부(50)의 가스 배출측에는, 후술하는, 가스 배출측 커넥터(90)와 가스 배출 컬럼(110)(이상, 도 6 참조)이 연결되며, 이 가스 배출측 커넥터(90)와 가스 배출 컬럼(110)을 통해서 이동상의 가스가 배출된다.The gas discharge side connector 90 and the gas discharge column 110 (see FIG. 6), which will be described later, are connected to the gas discharge side of the gas discharge connection unit 50, and the gas discharge side connector 90 and the gas are connected to each other. The mobile phase gas is discharged through the discharge column 110.
상기 가스 배출 연결부(50)로 배출된 가스는 외부로 배출될 수도 있으며, 다르게는, 가스 크로마토그래피 칩을 적층하여 가스 크로마토그래피 칩 적층체를 구성하는 경우, 상기 가스 배출 컬럼(110)을 통해서, 인접한, 또는 원격지의 다른 가스 크로마토그래피 칩의 가스 공급 연결부(미도시)로 공급될 수도 있다.The gas discharged to the gas discharge connection unit 50 may be discharged to the outside, alternatively, when the gas chromatography chip stack is configured by stacking the gas chromatography chip, through the gas discharge column 110, It may be supplied to a gas supply connection (not shown) of another gas chromatography chip adjacent or remote.
즉, 선행하는 가스 크로마토그래피 칩의 가스 배출 연결부에 설치된 가스 배출측 커넥터로부터 배출되는 가스는, 후행하는 가스 크로마토그래피 칩의 가스 공급 연결부에 설치된 가스 공급측 커넥터로 연속적으로 공급될 수 있다.That is, the gas discharged from the gas discharge side connector provided in the gas discharge connection portion of the preceding gas chromatography chip can be continuously supplied to the gas supply side connector provided in the gas supply connection portion of the following gas chromatography chip.
가스 크로마토그래피 기법에서는 장치 전체의 온도 제어가 매우 중요하며, 특히 혼합물을 고분리능으로 분석하기 위해서는 기판(10) 및 기판(10) 내에 형성한 마이크로 채널(60)의 온도를 정밀하게 제어할 필요가 있다.In the gas chromatography technique, temperature control of the entire apparatus is very important. In particular, in order to analyze the mixture with high resolution, it is necessary to precisely control the temperature of the substrate 10 and the microchannels 60 formed in the substrate 10. have.
이를 위해서, 도면에 도시하지는 않았지만, 상기 기판(10)에 형성한 위치 정렬 마커(20, 30), 가스 공급 연결부(40), 가스 배출 연결부(50), 및 마이크로 채널(60)과 마이크로 채널 패턴부(70)를 제외한 부분에 열 전달부가 더 형성되어 있을 수도 있다.To this end, although not shown in the drawings, the alignment markers 20 and 30, the gas supply connection part 40, the gas discharge connection part 50, and the micro channel 60 and the micro channel pattern formed on the substrate 10 are formed. A heat transfer part may be further formed at portions except the portion 70.
다르게는, 상기 열 전달부(미도시)는 상기 기판(10)에 형성된 가스 공급 연결부(40), 가스 배출 연결부(50), 및 마이크로 채널(60)과 마이크로 채널 패턴부(70) 전체를 가열할 수 있도록 형성될 수도 있다.Alternatively, the heat transfer part (not shown) heats the gas supply connection part 40, the gas discharge connection part 50, and the entirety of the micro channel 60 and the micro channel pattern part 70 formed on the substrate 10. It may be formed to be.
또한, 이 경우, 열 전달부에는 온도 제어 장치(미도시)가 더 설치되어 있는 것이 더욱 바람직하다.In this case, the heat transfer unit is further preferably provided with a temperature control device (not shown).
본 발명에 따른 가스 크로마토그래피 칩의 경우, 상기 온도 제어 장치에 의해서 가스 크로마토그래피 칩의 온도를 고속으로 또한 정밀하게 제어할 수 있다.In the case of the gas chromatography chip according to the present invention, the temperature control device can control the temperature of the gas chromatography chip at high speed and precisely.
이때, 상기 열 전달부에는 기판(10)의 크기가 소형인 점을 감안하여 펠티에(peltier) 소자를 사용할 수도 있다.In this case, a peltier device may be used for the heat transfer part in consideration of the small size of the substrate 10.
도 3은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 다중 에칭시 기판의 에칭 깊이를 나타낸 표이다.3 is a table showing the etching depth of a substrate during multiple etching according to a preferred embodiment of the present invention.
도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 에칭을 1 회 시행한 경우, 마이크로 채널(60)의 깊이는 17 ㎛ ~ 20 ㎛ 정도(평균 깊이: 18 ㎛)였으나, 에칭을 3 회 시행한 경우, 마이크로 채널(60)의 깊이는 42 ㎛ ~ 57 ㎛ 정도(평균 깊이: 50 ㎛)까지 깊어진다.As can be seen in FIG. 3, when the etching was performed once, the depth of the microchannel 60 was about 17 μm to 20 μm (average depth: 18 μm). The depth of 60 deepens to about 42 micrometers-57 micrometers (average depth: 50 micrometers).
본 발명의 바람직한 실시예에서 형성한 마이크로 채널(50)의 깊이는 50 ㎛였다.The depth of the microchannel 50 formed in the preferred embodiment of the present invention was 50 μm.
도 4의 (a)는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 가스 크로마토그래피 칩의 가스 공급 연결부의 가스 유입로의 유로 폭이 동일한 형상을 나타낸 도면이고, 도 4의 (b)는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 다중 에칭을 통해 얻은 가스 크로마토그래피 칩의 가스 공급 연결부의 형성 모양을 나타낸 것으로, 가스 공급 연결부의 가스 유입로의 유로 폭이 테이퍼진 형상을 나타낸 도면이다.FIG. 4A is a view showing the same flow path width of the gas inlet path of the gas supply connection portion of the gas chromatography chip according to the preferred embodiment of the present invention, and FIG. 4B is the present invention. According to the preferred embodiment of the present invention, the gas supply connection part of the gas chromatography chip obtained through the multiple etching is shown in the form, the width of the flow path of the gas inlet path of the gas supply connection is a diagram showing the tapered shape.
도 4의 (a)에 나타낸 가스 공급 유로는 유로 자체가 평행하게 형성되어 있고, 도 4의 (b)에 나타낸 가스 공급 유로는 유로 자체가 가스 공급구(도면에서 가운데 원형 부분) 부분의 폭이 가장 넓고 우측으로 갈수록 그 폭이 좁아지는 유로가 형성되어 있음을 알 수 있다.In the gas supply flow path shown in FIG. 4A, the flow path itself is formed in parallel, and in the gas supply flow path shown in FIG. It can be seen that a flow path is formed that is widest and narrows toward the right side.
본 발명에서, 상기 가스 공급 연결부의 가스 유입로의 형상을 테이퍼진 형상으로 형성한 이유는, 도 4의 (a)에서와 같이 평행한 유로를 형성한 경우, 기판(10)의 마이크로 채널(60)을 통해서 유동되어 기판(10)의 가스 배출 연결부(50)로 배출되는 가스의 양이 너무 적었기 때문이다.In the present invention, the reason why the shape of the gas inlet path of the gas supply connection part is formed in a tapered shape is that the microchannel 60 of the substrate 10 is formed when a parallel flow path is formed as shown in FIG. This is because the amount of gas that flows through the exhaust gas to the gas exhaust connection part 50 of the substrate 10 is too small.
도 4의 (b)에서는 가스 공급구측을 약 500 ㎛ 정도의 폭으로 형성하고, 마이크로 채널 패턴부(70)의 시작점, 즉 마이크로 채널(60)이 시작되는 지점까지 100 ㎛ 정도의 폭으로 줄어드는, 테이퍼진 형상으로 형성하였다.In FIG. 4B, the gas supply port side is formed to have a width of about 500 μm, and the gas supply port side is reduced to a width of about 100 μm to a starting point of the microchannel pattern part 70, that is, a point where the microchannel 60 starts. It was formed in a tapered shape.
그 구체적인 형상에 대해서는, 도 5를 참조하여 설명한다.The specific shape is demonstrated with reference to FIG.
도 5는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 다중 에칭을 통해 얻은 가스 크로마토그래피 칩의 개략적인 평면도와 함께, 상기 가스 크로마토그래피 칩의 가스 공급 연결부의 구성을 일부 확대하여 도시한 도면이다.FIG. 5 is a partially enlarged view of a configuration of a gas supply connection of the gas chromatography chip, together with a schematic plan view of a gas chromatography chip obtained through multiple etching according to a preferred embodiment of the present invention.
도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 가스 크로마토그래피 칩의 가스 공급 연결부(40)에 형성한 가스 공급구(42) 부근의 유로의 폭은 약 500 ㎛이고, 상기 가스 공급구(42)에서 멀리 떨어진 곳의 유로의 폭은 약 100 ㎛로 형성되어 있으므로, 이들은 테이퍼 형상 채널부(44)를 이루고 있다.As can be seen in Figure 5, according to a preferred embodiment of the present invention, the width of the flow path in the vicinity of the gas supply port 42 formed in the gas supply connection portion 40 of the gas chromatography chip is about 500 ㎛, Since the width | variety of the flow path far from the gas supply port 42 is formed in about 100 micrometers, they comprise the taper-shaped channel part 44. As shown in FIG.
도 6은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 다중 에칭을 통해 얻은 가스 크로마토그래피 칩의 가스 공급 연결부, 마이크로 채널, 및 가스 배출 연결부의 실제 사진과, 상기 가스 공급 연결부 및 가스 배출 연결부에 형성한 가스 공급/배출 커넥터의 모습을 나타낸 도면이다.FIG. 6 shows actual pictures of the gas supply connection, the micro channel, and the gas discharge connection of the gas chromatography chip obtained through multiple etching, and the gas supply connection and the gas discharge connection according to a preferred embodiment of the present invention. A diagram showing a state of a gas supply / discharge connector.
도 6으로부터, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가스 크로마토그래피 칩은, 기판(10)의 일측에 형성된 가스 공급 연결부(40)의 가스 공급구(42)에 가스 공급측 커넥터(80)가 설치되어 있고, 기판(10)의 타측에 형성된 가스 배출 연결부(50)의 가스 배출구(미도시)에 가스 배출측 커넥터(90)가 설치되어 있는 것을 알 수 있다.6, in the gas chromatography chip according to the preferred embodiment of the present invention, the gas supply side connector 80 is provided at the gas supply port 42 of the gas supply connection part 40 formed at one side of the substrate 10. It can be seen that the gas discharge side connector 90 is installed at the gas discharge port (not shown) of the gas discharge connection unit 50 formed on the other side of the substrate 10.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 가스 공급측 커넥터(80)와 가스 배출측 커넥터(90)로는 Nanoport Assembly(R)(제조사: Upchurch Scientific(미국))를 사용하였으며, 이들 커넥터의 소재는 PEEK(polyether ether ketone)이기 때문에 원하는 내열성 조건(m.p. = 340 ℃)을 만족하였고, 가스 크로마토그래피 칩에 고압이 걸리는 경우에도 기판(10) 내부로부터의 가스 유출이 발생하지 않았다.In a preferred embodiment of the present invention, as the gas supply side connector 80 and the gas outlet side connector 90, Nanoport Assembly (R) (manufactured by Upchurch Scientific, USA) was used, and the material of these connectors was PEEK (polyether). ether ketone), which satisfies the desired heat resistance condition (mp = 340 ° C.), and no gas leakage from the inside of the substrate 10 occurred even when the gas chromatography chip was subjected to high pressure.
마지막으로, 도 7은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 다중 에칭을 통해 얻은 가스 크로마토그래피 칩의 실제 가스 분석 결과를 나타내는 도면으로, 도면에서는 클로로포름과 4-브로모플루오르벤젠의 ECD 검출 결과를 나타내고 있다.Finally, FIG. 7 is a view showing actual gas analysis results of a gas chromatography chip obtained through multiple etching according to a preferred embodiment of the present invention, in which the ECD detection results of chloroform and 4-bromofluorobenzene are shown. It is shown.
도 7의 그래프를 얻기 위해서, 분석용 시료로서, 클로로포름(Chloroform) 9 μl와, 4-브로모플루오르벤젠(4-Bromofluorobenzene) 1 μl를 혼합한 다음, 헥산(Hexane)을 추가하여 1/200의 비율로 희석하였다.In order to obtain the graph of FIG. 7, as a sample for analysis, 9 µl of chloroform and 1 µl of 4-bromofluorobenzene were mixed, and then hexane was added to add 1/200 of chloroform. Diluted in proportions.
분석 장비로는 μECD 검출기(모델명: HP 6890, 제조사 : Agilent, 제조국 : USA)를 사용하였다.As an analytical instrument, a μECD detector (Model: HP 6890, manufacturer: Agilent, country of manufacture: USA) was used.
기타, 분석 조건은 다음과 같다.In addition, analysis conditions are as follows.
가스 공급 온도 : 300 ℃Gas supply temperature: 300 ℃
캐리어 가스 : HeCarrier Gas: He
압력 : 1.30 MPaPressure: 1.30 MPa
스플릿비 : 50:1Split ratio: 50: 1
공급량 : 1 ㎕Feed amount: 1 μl
사용한 컬럼 : Micro fab column (2 m x 0.10 mm ID x 0.1 ㎛)Used column: Micro fab column (2 m x 0.10 mm ID x 0.1 μm)
온도 구배(ramp) : 40 ℃ (2 min) → 10 ℃/min → 120 ℃ (10 min)Temperature gradient: 40 ℃ (2 min) → 10 ℃ / min → 120 ℃ (10 min)
검출기의 온도 : 300 ℃Detector temperature: 300 ℃
도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 그래프의 첫번째 피크(peak)는 클로로포름(Chloroform)임을 명확하게 나타내고 있고, 그래프의 두번째 피크는 4-브로모플루오르벤젠(4-Bromofluorobenzene)임을 명확하게 나타내고 있다.As can be seen in FIG. 7, the first peak of the graph is clearly shown as chloroform, and the second peak of the graph is clearly shown as 4-bromofluorobenzene.
다음으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가스 크로마토그래피 칩의 제조 방법 및 이의 적층체를 구현하는 방법에 대해서 설명하기로 한다.Next, a method of manufacturing a gas chromatography chip and a laminate thereof according to a preferred embodiment of the present invention will be described.
이와 관련하여, 도 1을 참조하여 설명한 바가 있으므로, 설명이 중복되거나 이미 설명한 부분에 대해서는 설명이 생략될 수도 있음을 알아야 한다.In this regard, since it has been described with reference to FIG. 1, it is to be understood that the description may be omitted or the descriptions thereof will be omitted.
먼저, 상부 기판과 하부 기판으로 이루어진 기판을 준비한다.First, a substrate consisting of an upper substrate and a lower substrate is prepared.
이때, 상기 기판의 소재는, 글래스 웨이퍼, 석영 웨이퍼, 폴리디메틸실록산 웨이퍼, 실리콘 웨이퍼, 실리케이트 웨이퍼, 보로실리케이트 웨이퍼 및 용융 실리카 웨이퍼 중에서 선택되는 하나인 것이 바람직하고, 보로실리케이트 웨이퍼인 것이 가장 바람직하다.At this time, the material of the substrate is preferably one selected from a glass wafer, a quartz wafer, a polydimethylsiloxane wafer, a silicon wafer, a silicate wafer, a borosilicate wafer, and a fused silica wafer, and most preferably a borosilicate wafer.
그리고, 상술한 바와 같이, 원하는 패턴이 형성된 마스크를 이용하여 상기 보로실리케이트 웨이퍼에 포토 레지스트(PR)와 습식 에칭 방식을 적용하여, 약 100 ㎛ 폭의 마이크로 채널 패턴부를 형성한다.As described above, a photoresist PR and a wet etching method are applied to the borosilicate wafer using a mask on which a desired pattern is formed to form a microchannel pattern portion having a width of about 100 μm.
상기 마스크에서 마이크로 채널의 폭은 0.1 mm, 가스 공급 연결부와 가스 배출 연결부의 직경은 0.5 mm, 전체 마이크로 채널의 길이는 6054 mm였다.The width of the microchannels in the mask was 0.1 mm, the diameter of the gas supply and gas outlet connections was 0.5 mm, and the length of the entire microchannel was 6054 mm.
이때의 습식 에칭은, 상술한 바와 같이, 원하는 에칭 깊이, 즉 50 ㎛ 정도가 나올 때까지 적어도, 3 회 이상 반복하는 것이 바람직하다.As described above, the wet etching at this time is preferably repeated at least three times or more until a desired etching depth, that is, about 50 μm, is obtained.
여기에서, 상기 마이크로 채널(60) 또는 마이크로 채널 패턴부(70)는, 기판(10)을 이루는 상부 기판과 하부 기판의 어느 한쪽의 일측면, 또는 상부 기판과 하부 기판의 서로 대향하는 양측면의 표면 상에 형성될 수 있다.Here, the microchannel 60 or the microchannel pattern portion 70 may be formed on one side of one of the upper and lower substrates constituting the substrate 10 or the surfaces of both sides of the upper and lower substrates facing each other. It can be formed on.
또한, 상술한 바와 같이 기판(10)에 형성한 위치 정렬 마커(20, 30)를 참조하여 에칭을 반복하므로, 마이크로 채널(60) 및 원하는 패턴의 마이크로 채널 패턴부(70)를 일정한 깊이와 넓이로 정확하게, 또한 서로 맞물리게 에칭할 수 있다.In addition, since the etching is repeated with reference to the alignment markers 20 and 30 formed on the substrate 10 as described above, the microchannel 60 and the microchannel pattern portion 70 having a desired pattern have a constant depth and width. Can be etched precisely and in engagement with each other.
그 결과, 얻어지는 마이크로 채널(60)의 단면은 원형 형태가 될 수 있다.As a result, the cross section of the microchannel 60 obtained can be circular.
이상과 같은 기법을 이용하면, 상술한 바와 같이, 기존의 DRIE 기법에서 필수였던 마스킹 레이어나 기타 특수 장비가 필요하지 않으므로, 간단한 방식으로 저렴하게 기판(10)에 마이크로 채널 패턴부(70)를 형성할 수 있다.Using the above technique, as described above, since the masking layer or other special equipment required in the existing DRIE technique is not required, the microchannel pattern portion 70 is formed on the substrate 10 in a simple manner inexpensively. can do.
다음으로, 고정상으로서 및 상부 기판과 하부 기판을 접합/밀봉하는 용도로서의 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 도포한다.Next, polydimethylsiloxane (PDMS) is applied as a stationary phase and as an application for bonding / sealing the upper substrate and the lower substrate.
이때, PDMS는 광학적으로 투명하고 비극성이며 비가연성의 특징을 갖는 물질로서 스핀 코터를 사용하여 스핀 코팅 방식으로 도포하였다.At this time, PDMS was applied by spin coating using a spin coater as a material having optically transparent, non-polar and non-flammable characteristics.
상기 스핀 코팅시의 스핀 코터의 회전 속도는 4000 ~ 8000 RPM 정도, 회전 지속 시간은 1 초 정도였다.The spin coater had a rotation speed of about 4000 to 8000 RPM and a rotation duration of about 1 second during the spin coating.
또한, PDMS의 점도를 낮추기 위하여, 1:1 또는 1:2(v/v)의 비율로 톨루엔(toluene)으로 희석하였으며, 따라서, PDMS의 코팅 높이 또한 최대한의 수준으로 억제되었다.In addition, in order to lower the viscosity of PDMS, it was diluted with toluene at a ratio of 1: 1 or 1: 2 (v / v), and thus, the coating height of PDMS was also suppressed to the maximum level.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판(10)을 이루는 상부 기판 또는 하부 기판의 어느 한쪽 표면에만 스핀 코팅을 행하고, 다른 한쪽 표면에는 도포하지 않고 상부 기판과 하부 기판의 양 기판을 접합하였으며, 이후, 오븐에서 70 ℃의 온도로 약 1 시간 정도 가열하여 완전하게 접합하였다.According to the exemplary embodiment of the present invention, spin coating is performed only on one surface of the upper substrate or the lower substrate constituting the substrate 10, and both substrates of the upper substrate and the lower substrate are bonded without applying to the other surface. In the oven, it heated at the temperature of 70 degreeC for about 1 hour, and bonded together completely.
이때, PDMS는 기판을 이루는 상부 기판 또는 하부 기판의 어느 한쪽 측면에 코팅되는 것이 바람직하며, 다르게는 양면에 모두 코팅될 수도 있다.At this time, the PDMS is preferably coated on either side of the upper substrate or the lower substrate constituting the substrate, alternatively may be coated on both sides.
이렇게 코팅된 PDMS는 고정상의 기능을 수행할 뿐만 아니라 실리케이트 웨이퍼의 접합(bonding)에도 직접 이용할 수 있기 때문에, 마이크로 채널(60) 내의 가스의 유동과 기판(10) 사이의 밀봉에 동시에 기여할 수 있다.This coated PDMS not only performs the function of the stationary phase but can also be used directly for the bonding of silicate wafers, thereby simultaneously contributing to the flow of gas in the microchannel 60 and the sealing between the substrate 10.
즉, 상기 PDMS는, 가스 크로마토그래피 칩을 형성한 다음, 가스 공급 연결부(40) 또는 가스 배출 연결부(50)의 어느 한쪽으로 가압 주입하여 마이크로 채널(60)의 벽면을 코팅하는 기술적으로 어려운 방법이 아니라, 스핀 코터를 이용하여 간단하게 코팅하는 방식으로 제작될 수 있으므로, 매우 경제적임을 알 수 있다.That is, the PDMS is a technically difficult method of forming a gas chromatography chip and then applying pressure injection to either the gas supply connection 40 or the gas discharge connection 50 to coat the wall of the microchannel 60. Rather, it can be produced by a simple coating method using a spin coater, it can be seen that it is very economical.
여기서, 상술한 바와 같이, 필요하다면, 극성이 다른 고정상을 기판(10)의 코팅층에 추가 도포할 수도 있다.Here, as described above, if necessary, a fixed phase having a different polarity may be further applied to the coating layer of the substrate 10.
극성이 다른 고정상의 예로는, 실리카겔, 알루미나, 숯, 분자체, 및 다공성 중합체를 들 수 있으며, 이들을 고정상으로 도포하는 경우 상기 마이크로 채널(60)의 극성을 용이하게 조절할 수 있다.Examples of stationary phases having different polarities may include silica gel, alumina, charcoal, molecular sieves, and porous polymers, and the polarities of the microchannels 60 may be easily adjusted when they are applied as a stationary phase.
또한, 상기 극성이 다른 고정상은, 기판(10)의 상부 기판 또는 하부 기판의 어느 한쪽에 도포될 수도 있고, 마이크로 채널(60) 전체에 도포될 수도 있다.In addition, the stationary phases having different polarities may be applied to either the upper substrate or the lower substrate of the substrate 10, or may be applied to the entire microchannel 60.
더 나아가, 가스 크로마토그래피 칩 적층체를 이루는 경우, 각각의 가스 크로마토그래피 칩에 동일한 고정상을 도포할 수도 있고, 각각의 가스 크로마토그래피 칩에 대해서 서로 다른 고정상을 도포할 수도 있다.Furthermore, when forming a gas chromatography chip laminated body, the same stationary phase may be apply | coated to each gas chromatography chip, and a different stationary phase may be apply | coated to each gas chromatography chip.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에서의 칩 제작은 종래의 건식 에칭 기법(DRIE)에서와는 달리, 습식 에칭 기법을 사용하고 있기 때문에, 저렴하고 간단한 구조의 스핀 코터를 사용할 수 있어서 공정이 간단하면서도 경제적인 효과가 있다.As described above, the chip fabrication in the preferred embodiment of the present invention uses a wet etching technique, unlike in the conventional dry etching technique (DRIE), so that a spin coater having a low cost and simple structure can be used to simplify the process. Yet economically effective.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 가스 크로마토그래피 칩에 사용된 기판(10)의 사양은 다음과 같다.According to a preferred embodiment of the present invention, the specifications of the substrate 10 used in the gas chromatography chip are as follows.
기판의 크기 : 4 인치Substrate Size: 4 inches
가스 공급구의 크기 : 500 ㎛Size of gas supply port: 500 ㎛
가스 배출구의 크기 : 500 ㎛Size of gas outlet: 500 μm
마이크로 채널의 폭 : 100 ㎛Micro channel width: 100 μm
기판의 소재 : 보로실리케이트 웨이퍼Substrate Material: Borosilicate Wafer
여기에서, 상기 가스 공급구의 크기는 500 ㎛이고, 마이크로 채널의 폭은 100 ㎛이며, 따라서 상기 가스 공급구로부터 상기 마이크로 채널까지의 유로는 테이퍼진 형상이라는 점에 유의하여야 한다.Here, it should be noted that the size of the gas supply port is 500 μm, the width of the micro channel is 100 μm, and thus the flow path from the gas supply port to the micro channel is tapered.
다음으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 가스 크로마토그래피 칩의 가스 공급 연결부(40)에 형성된 가스 공급구(42)와 가스 배출 연결부(50)에 형성된 가스 배출구(미도시)의 형성 방법에 대해서 설명한다.Next, a method of forming a gas supply port 42 formed at the gas supply connection part 40 of the gas chromatography chip and a gas discharge port (not shown) formed at the gas discharge connection part 50 according to a preferred embodiment of the present invention. Explain.
먼저, 상기 가스 공급구와 가스 배출구는 샌드 블라스트 방식(sand blasting)으로도 정확하게 구현할 수 있지만, 소량 생산하기 위해서는 상기 샌드 블라스트 방식은 매우 비효율적이기 때문에, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 가스 공급구와 가스 배출구는, 전기적인 방식의 EDM(Electrical Discharge Machining, 방전 가공) 기법을 이용하여 제작되었다.First, the gas supply port and the gas discharge port can be accurately implemented even by sand blasting (sand blasting), but the sand blasting method is very inefficient in order to produce a small amount, according to a preferred embodiment of the present invention, The gas outlet was fabricated using an electrical EDM (Electrical Discharge Machining) technique.
이때, 5 M KOH 용액을 만든 다음, 본 발명의 가스 크로마토그래피 칩을 상기 KOH 용액에 완전 침지(8 mm 이상 침지)하고, 40 V/3 A 전류를 흘려 보냈다.At this time, 5 M KOH solution was made, and then the gas chromatography chip of the present invention was completely immersed in the KOH solution (8 mm or more), and 40 V / 3 A current was flowed.
필요에 따라서 방전 가공용 전극과 용액 등을 적절히 교환해 주었다.As needed, the electrode for electric discharge machining, a solution, etc. were changed suitably.
상기 가스 공급구와 가스 배출구는 가스 크로마토그래피 칩의 일측면에 동시에 형성될 수도 있고, 한쪽 측면에 이들 중 하나가 형성되고 다른쪽 측면에 이들 중 다른 하나가 형성될 수도 있다.The gas supply port and the gas outlet may be simultaneously formed on one side of the gas chromatography chip, one of them may be formed on one side, and the other may be formed on the other side.
전자의 경우, 작업이 편리하다는 장점이 있고, 후자의 경우, 가스 크로마토그래피 칩 적층체를 형성할 때, 매우 유리할 수 있다.The former has the advantage of convenient operation, and the latter can be very advantageous when forming gas chromatography chip laminates.
다음으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 얻은 가스 크로마토그래피 칩에, 분석하고자 하는 가스 혼합물을 공급하기 위한 컬럼을 연결하였다. Next, a column for supplying the gas mixture to be analyzed was connected to the gas chromatography chip obtained according to the preferred embodiment of the present invention.
이를 위해서, 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가스 크로마토그래피 칩의 일측에 형성된 가스 공급 연결부(40)의 가스 공급구(42)에 가스 공급측 커넥터(80)를 설치하고, 칩의 타측에 형성된 가스 배출 연결부(50)의 가스 배출구(미도시)에 가스 배출측 커넥터(90)를 설치하였다.To this end, as shown in FIG. 6, the gas supply side connector 80 is installed at the gas supply port 42 of the gas supply connection part 40 formed at one side of the gas chromatography chip according to the preferred embodiment of the present invention. The gas discharge side connector 90 was installed at the gas discharge port (not shown) of the gas discharge connection unit 50 formed on the other side of the chip.
상기 가스 공급측 커넥터(80) 및 가스 배출측 커넥터(90)에는, 각각, 외부로부터의 가스 공급을 담당하는 가스 공급 컬럼(100)과 가스 배출 컬럼(110)이 연결될 수 있다.The gas supply side connector 80 and the gas discharge side connector 90 may be connected to a gas supply column 100 and a gas discharge column 110 that are in charge of supplying gas from the outside, respectively.
상기 가스 공급 컬럼(100)은 이동상의 가스 및 분석하고자 하는 혼합물이 포함된 가스를 유동 공급하기 위한 컬럼이며, 가스 배출 컬럼(110)은 상기 가스를 외부로 배출하거나, 가스 크로마토그래피 칩 적층체의 경우, 다른 가스 크로마토그래피 칩의 가스 공급 연결부로 연결되는 컬럼이다.The gas supply column 100 is a column for fluidly supplying a gas including a gas of a mobile phase and a mixture to be analyzed, and a gas discharge column 110 discharges the gas to the outside or the gas chromatography chip stack. In this case, the column is connected to the gas supply connection of another gas chromatography chip.
기타, PDMS의 도포, 기판의 접합, Au/Cr의 증착 등에 대해서는 상술한 바가 있으므로, 설명을 생략한다.In addition, since application | coating of PDMS, bonding of a board | substrate, vapor deposition of Au / Cr, etc. were mentioned above, description is abbreviate | omitted.
또한, 이상과 같이 하여 제조된, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가스 크로마토그래피 칩의 분석 성능에 대해서도, 도 7을 참조하여 설명한 바가 있다.In addition, the analysis performance of the gas chromatography chip according to the preferred embodiment of the present invention manufactured as described above has also been described with reference to FIG. 7.
여기에서, 본 발명의 다중 에칭을 통한 가스 크로마토그래피 칩의 제조 방법, 및 상기 칩 적층체의 제조 방법에 따라서 얻은 가스 크로마토그래피 칩의 분석 성능을 측정하기 위해서는, 상기 가스 크로마토그래피 칩에 연결되는 검출 장치, 예를 들면, FID(flame ionization detector), ECD(electron capture detector), 및 질량 분석 장치가 더 포함될 수 있다.Here, in order to measure the analytical performance of the gas chromatography chip obtained by the method of manufacturing the gas chromatography chip through the multiple etching of the present invention, and the method of manufacturing the chip laminate, the detection is connected to the gas chromatography chip. Devices may be further included, such as a flame ionization detector (FID), an electron capture detector (ECD), and a mass spectrometer.
ECD는 주로 할로겐(halogen) 원소(예: F, Cl, Br, I)를 포함하고 있는 화합물의 검출에 유용하며, 주로 농약, PCB, N2O 가스 등의 검출에 사용된다. FID는 HC, TCE, PCE 등의 유기 화합물의 분석에 주로 사용된다.ECD is mainly useful for the detection of compounds containing halogen elements (eg, F, Cl, Br, I), mainly for the detection of pesticides, PCBs, N 2 O gas and the like. FID is mainly used for the analysis of organic compounds such as HC, TCE, PCE and the like.
아울러, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 얻은 가스 크로마토그래피 칩에는, 상술한 바와 같이, 온도 제어를 위해서 열 전달부가 더 형성되어 있을 수 있다.In addition, in the gas chromatography chip obtained in accordance with the preferred embodiment of the present invention, as described above, a heat transfer part may be further formed for temperature control.
상기 열 전달부는 가스 크로마토그래피 칩의 부속물이 형성되지 않은 영역에 형성될 수도 있으며, 다르게는 가스 크로마토그래피 칩 전체를 가열할 수 있도록 형성될 수도 있다.The heat transfer part may be formed in a region where an accessory of the gas chromatography chip is not formed, or may be formed to heat the entire gas chromatography chip.
또한, 상술한 바와 같이, 상기 열 전달부에는 온도 제어 장치가 더 설치되어 있는 것이 바람직하다.Moreover, as mentioned above, it is preferable that the temperature control apparatus is further provided in the said heat transfer part.
따라서, 본 발명에 따른 가스 크로마토그래피 칩의 경우, 상기 온도 제어 장치에 의해서 가스 크로마토그래피 칩의 온도를 고속으로 또한 정밀하게 제어할 수 있으므로, 기존의 가스 크로마토그래피 기법과 비교하여 온도 조절이 즉각적이고 효과적으로 제어되므로, 가스 혼합물의 분석시 매우 선명한 피크(peak)를 얻을 수 있다.Therefore, in the case of the gas chromatography chip according to the present invention, since the temperature of the gas chromatography chip can be controlled at high speed and precisely by the temperature control device, the temperature control is immediate compared to the conventional gas chromatography technique. Because it is effectively controlled, very sharp peaks can be obtained in the analysis of gas mixtures.
이때, 상기 열 전달부는 가스 크로마토그래피 칩의 크기가 소형인 점을 감안하여 펠티에(peltier) 소자를 사용할 수도 있다.In this case, in consideration of the small size of the gas chromatography chip, the heat transfer unit may use a peltier device.
또한, 상기 열 전달부는 가스 크로마토그래피 칩의 온도를 조절할 뿐만 동시에 가스 크로마토그래피 칩을 이루는 상부 기판과 하부 기판 사이의 접합부에 열압력을 가하여 마이크로 채널 내의 가스 손실을 방지하는 역할을 수행한다.In addition, the heat transfer part not only regulates the temperature of the gas chromatography chip, but also serves to prevent gas loss in the microchannel by applying thermal pressure to the junction between the upper substrate and the lower substrate constituting the gas chromatography chip.
이는 가스 크로마토그래피 칩에 가해지는 열이 상부 기판과 하부 기판 사이에 도포된 PDMS의 접착력을 강화시켜 주기 때문이다.This is because the heat applied to the gas chromatography chip enhances the adhesion of the PDMS applied between the upper substrate and the lower substrate.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.While specific embodiments of the present invention have been described so far, various modifications are possible without departing from the scope of the present invention.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the claims below, but also by the equivalents of the claims.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.As described above, the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, which can be variously modified and modified by those skilled in the art to which the present invention pertains. Modifications are possible.
따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Accordingly, the spirit of the present invention should be understood only by the claims set forth below, and all equivalent or equivalent modifications thereof will belong to the scope of the present invention.
본 발명의 다중 에칭을 통한 가스 크로마토그래피 칩의 제조 방법, 및 상기 칩 적층체의 제조 방법에 따르면, 습식 에칭 방법에 의해서 가스 크로마토그래피 칩을 제작하기 때문에 경제적으로 유리하다.According to the method for producing a gas chromatography chip through the multiple etching of the present invention, and the method for producing the chip laminate, it is economically advantageous because the gas chromatography chip is produced by the wet etching method.
또한, 본 발명에 따르면, 본 발명에 의해서 얻어진 가스 크로마토그래피 칩은, 기판 접합시 간단하고 효율적인 방법으로 접합하여 밀봉된다.In addition, according to the present invention, the gas chromatography chip obtained by the present invention is bonded and sealed by a simple and efficient method during substrate bonding.
또한, 본 발명에 따르면, 본 발명에 의해서 얻어진 가스 크로마토그래피 칩은, 마이크로 채널에 코팅되는 고정상의 극성을 조절할 수 있다.Further, according to the present invention, the gas chromatography chip obtained by the present invention can adjust the polarity of the fixed phase coated on the microchannel.
또한, 본 발명에 따르면, 본 발명에 의해서 얻어진 가스 크로마토그래피 칩을 다층으로 적층한 가스 크로마토그래피 칩 적층체를 제공할 수 있다.Moreover, according to this invention, the gas chromatography chip laminated body which laminated | stacked the gas chromatography chip obtained by this invention in multiple layers can be provided.
<부호의 설명><Description of the code>
S100 : 기판 준비 단계S100: Substrate Preparation Step
S110 : 패턴 형성 단계S110: pattern forming step
S120 : 에칭 단계S120: etching step
S130 : 고정상 도포 단계S130: stationary phase application step
S140 : 기판 접합 단계S140: Substrate Bonding Step
10 : 기판10: substrate
20, 30 : 위치 정렬 마커20, 30: position alignment marker
40 : 가스 공급 연결부40: gas supply connection
42 : 가스 공급구42: gas supply port
44 : 테이퍼 형상 채널부44: tapered channel portion
50 : 가스의 배출 연결부50: gas exhaust connection
60 : 마이크로 채널60: microchannel
70 : 마이크로 채널 패턴부70: microchannel pattern portion
80 : 가스 공급측 커넥터80: gas supply side connector
90 : 가스 배출측 커넥터90: gas discharge connector
100 : 가스 공급 컬럼100: gas supply column
110 : 가스 배출 컬럼110: gas discharge column

Claims (6)

  1. (A) 상부 기판과 하부 기판을 준비하는 단계;(A) preparing an upper substrate and a lower substrate;
    (B) 상기 상부 기판 또는 하부 기판의 대향하는 일측 또는 양측 표면 상에 마이크로 채널 패턴부를 형성하는 단계;(B) forming a micro channel pattern portion on opposite one or both surfaces of the upper substrate or the lower substrate;
    (C) 3 회 이상 상기 마이크로 채널 패턴부를 에칭하여 마이크로 채널을 형성하는 단계;(C) etching the micro channel pattern portion three or more times to form a micro channel;
    (D) 상기 마이크로 채널 패턴부가 형성된 기판 표면의 반대쪽 표면에 가스 공급 연결부를 형성하는 단계;(D) forming a gas supply connection on a surface opposite the substrate surface on which the micro channel pattern portion is formed;
    (E) 상기 마이크로 채널 패턴부가 형성된 기판 표면의 반대쪽 표면, 또는 상기 마이크로 채널 패턴부가 형성되지 않은 대향 기판의 반대쪽 표면 상에 가스 배출 연결부를 형성하는 단계;(E) forming a gas exhaust connection on an opposite surface of the substrate surface on which the micro channel pattern portion is formed or on an opposite surface of the opposite substrate on which the micro channel pattern portion is not formed;
    (F) 상기 마이크로 채널 패턴부가 형성된 기판의 내측 표면 상에 스핀 코팅법에 의해서 고정상을 도포하는 단계; 및(F) applying a stationary phase on the inner surface of the substrate on which the micro channel pattern portion is formed by spin coating; And
    (G) 상기 고정상이 도포된 기판의 도포면과, 상기 고정상이 도포되지 않은 기판의 대향면을 맞대어 접합하여 가스 크로마토그래피 칩을 제조하는 단계를 포함하며,(G) manufacturing a gas chromatography chip by bonding the application surface of the substrate on which the stationary phase has been applied with the opposite surface of the substrate on which the stationary phase is not applied;
    상기 마이크로 채널 패턴부는, 단면이 원형 형상이고, 상기 가스 공급 연결부로부터 상기 가스 배출 연결부까지 연속적으로 연장되는 마이크로 채널로 이루어지며;The micro channel pattern portion is formed in a micro channel having a circular cross section and extending continuously from the gas supply connection portion to the gas discharge connection portion;
    상기 가스 공급 연결부는, 가스 공급구측이 넓고, 상기 마이크로 채널로 진행함에 따라서 그 폭이 좁아지는 테이퍼 형상으로 형성되며;The gas supply connection portion is formed in a tapered shape in which a gas supply port side is wide and its width is narrowed as it proceeds to the microchannel;
    상기 상부 기판 또는 하부 기판의 대향 내측 표면 상에는 하나 이상의 위치 정렬 마커가 형성되며;One or more positioning markers are formed on opposite inner surfaces of the upper or lower substrate;
    상기 기판의 온도를 제어하기 위한 열 전달부 및 온도 제어 장치;를 포함하고 있으며;A heat transfer part and a temperature control device for controlling the temperature of the substrate;
    상기 가스 공급 연결부 및 상기 가스 배출 연결부는, EDM 방식 또는 샌드블래스트(sandblast) 방식으로 형성되며;The gas supply connection part and the gas discharge connection part are formed in an EDM method or a sandblast method;
    상기 온도 제어 장치는, 상기 기판의 온도 조절을 수행함과 동시에 상기 기판에 열압력을 가하여 상기 기판에 형성된 상기 마이크로 채널 내의 가스 손실을 방지하는 것을 특징으로 하는,The temperature control device is characterized in that to prevent the loss of gas in the micro-channel formed in the substrate by applying a thermal pressure to the substrate while performing the temperature control of the substrate,
    다중 에칭을 통한 가스 크로마토그래피 칩의 제조 방법.Method for producing a gas chromatography chip through multiple etching.
  2. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 기판의 소재는,The material of the substrate,
    글래스 웨이퍼, 석영 웨이퍼, 폴리디메틸실록산 웨이퍼, 실리콘 웨이퍼, 실리케이트 웨이퍼, 보로실리케이트 웨이퍼 및 용융 실리카 웨이퍼 중에서 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는,Characterized in that the glass wafer, quartz wafer, polydimethylsiloxane wafer, silicon wafer, silicate wafer, borosilicate wafer and fused silica wafer,
    다중 에칭을 통한 가스 크로마토그래피 칩의 제조 방법.Method for producing a gas chromatography chip through multiple etching.
  3. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2,
    상기 (F) 단계에서 상기 고정상은 PDMS이며,In the step (F), the stationary phase is PDMS,
    상기 마이크로 채널의 극성을 조절하기 위해서, 실리카겔, 알루미나, 숯, 분자체, 및 다공성 중합체 중 선택된 하나가 더 코팅되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,To control the polarity of the micro-channel, further comprising the step of further coating one selected from silica gel, alumina, charcoal, molecular sieve, and porous polymer,
    다중 에칭을 통한 가스 크로마토그래피 칩의 제조 방법.Method for producing a gas chromatography chip through multiple etching.
  4. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein
    상기 (F) 단계는, 상부 기판과 하부 기판을 접합하였을 때, 상기 고정상이 상기 기판의 접합면을 밀봉(sealing)하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,In the step (F), when the upper substrate and the lower substrate is bonded, the fixed phase further comprises the step of sealing (sealing) the bonding surface of the substrate,
    다중 에칭을 통한 가스 크로마토그래피 칩의 제조 방법.Method for producing a gas chromatography chip through multiple etching.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 다중 에칭을 통한 가스 크로마토그래피 칩의 제조 방법을 통해 얻은 가스 크로마토그래피 칩을,A gas chromatography chip obtained through a method for producing a gas chromatography chip through multiple etching according to any one of claims 1 to 4,
    선행하는 가스 크로마토그래피 칩의 가스 배출 연결부와 후행하는 가스 크로마토그래피 칩의 가스 공급 연결부를 서로 연결하여 상기 마이크로 채널의 길이를 연장한 것을 특징으로 하는,Characterized in that the length of the microchannel is extended by connecting the gas outlet connection of the preceding gas chromatography chip with the gas supply connection of the following gas chromatography chip.
    가스 크로마토그래피 칩 적층체의 제조 방법.Method for producing a gas chromatography chip laminate.
  6. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5,
    고정상에 더 코팅되는 고정상은 가스 크로마토그래피 칩 적층체의 각 층마다 서로 다를 수 있는 것을 특징으로 하는,The stationary phase further coated on the stationary phase may be different for each layer of the gas chromatography chip stack,
    가스 크로마토그래피 칩 적층체의 제조 방법.Method for producing a gas chromatography chip laminate.
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