KR100795759B1

KR100795759B1 - 미세유체 물품의 제조 방법

Info

Publication number: KR100795759B1
Application number: KR1020027016907A
Authority: KR
Inventors: 벤트슨제임스쥐; 데보로버트제이; 윌리엄스토드알
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 캄파니
Priority date: 2000-06-15
Filing date: 2001-06-14
Publication date: 2008-01-21
Also published as: EP1295180A2; AU2001269837A1; EP1295180B1; JP2004503392A; US20040042937A1; KR20030076231A; WO2001096958A3; WO2001096958A2; US7060419B2

Abstract

본 발명은 (a) (1) 중합체 또는 중합체 전구체로서, 산 또는 라디칼에 의해 개시되는 화학 반응을 수행할 수 있는 반응종 1종 이상 및 (2) 다광자 광개시제 시스템 1종 이상을 포함하는 광반응성 조성물을 제조하는 단계; (b) 2개 이상의 광자의 동시 흡수를 유발하기에 충분한 빛에 상기 조성물의 일부분을 노광시킴으로써, 상기 조성물의 노광 및 비노광 부분을 형성하고, 상기 노광된 부분 내에 산 또는 라디칼에 의해 개시되는 화학 반응을 유도하는 단계; 및 (c) 상기 조성물의 노광 또는 비노광 부분을 제거하여, 하나 이상의 유입구, 하나 이상의 유출구, 및 상기 유입구 및 상기 유출구와 유체 소통이 가능한 부분이 있고 그 이외의 부분은 중합체 매트릭스 내에 완전히 봉입되어 있는 미세유체 처리 아키텍쳐를 한정하는 이음매 없는 중합체 매트릭스를 포함하는 미세유체 물품을 형성하는 단계를 포함하여 미세유체 물품을 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

미세유체 물품의 제조 방법{PROCESS FOR PRODUCING MICROFLUIDIC ARTICLES}

우선권 주장

본 출원은 2000년 6월 15일에 출원된 미국 가명세서 출원 제60/211,707호의 우선권을 주장하며, 상기 출원의 내용은 본 명세서에서 참고문헌으로 포함한다.

본 발명은 미세유체 물품 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

최근 수년간, 유체(즉, 액체 물질 및 기체 물질)를 분석하거나 조작하는 데 사용되는 기구의 크기를 축소시키려는 추세가 지속되고 있다. 축소된 크기는 매우 작은 샘플을 분석하고 분석 속도를 증가시킬 수 있는 능력, 소량의 시약을 사용하여 전체 비용을 감소시킬 수 있는 능력을 비롯하여 몇 가지 이점을 제공한다.

미세유체적 용도를 위한 다양한 물품 또는 장치가 제안되었다. 이들 장치는 일반적으로 미세유체 처리 아키텍쳐(microfluid processing architecture)를 형성하는 1 가지 이상의 구조가 제공되도록 리소그래피로 패턴화하고 에칭한 표면을 지닌 유리 또는 실리콘 기판을 포함한다. 중합체 또는 플라스틱 기판, 예컨대 폴리아크릴레이트, 폴리에스테르 및 폴리카르보네이트 역시 사용되었다. 이 경우 미세유체 처리 아키텍쳐는 통상 플라스틱 기판의 한면 상에 일정한 구조를 정밀복제하여 형성한다.

유리 및 플라스틱을 주성분으로 하는 장치의 경우, 미세유체 처리 아키텍쳐를 형성하는 구조는 일반적으로 기판의 실질적으로 평평한 면 위에 패턴화한 후 커버 플레이트로 봉입하여, 미세유체 처리 아키텍쳐의 형성을 완료하고 봉입된 미세유체 아키텍쳐와 외부와의 유체 소통을 제공하기 위해 통상 유입구와 유출구를 갖는 장치를 제공한다. 유리 또는 실리콘 기판의 경우, 커버는 통상 유리로 제조되며, 약 800℃의 온도에서 리소그래피로 패턴화한 표면에 결합시켜야 한다. 종종 결합이 불완전하거나 기판이 공정 중에 균열되기도 한다. 플라스틱 장치의 경우, 커버 플레이트는 통상 접착제 또는 용매 용접에 의해 장치의 정밀복제된 표면에 부착된 다른 종류의 중합체 필름이다. 접착제가 봉입된 미세채널의 외면 중 한 면을 구성할 경우 불순물을 도입시킬 수 있고 장치의 성능에 영향을 줄 수 있다. 용매 용접은 유체 취급 아키텍쳐(fluid-handling architecture)의 미세채널에 변형을 일으킬 수 있다.

따라서, 본 발명자들은 커버 플레이트를 적층시키지 않는 방식으로 제작된 유리 및 중합체를 주성분으로 하는 미세유체 물품 또는 장치가 필요하다는 것을 인식하게 되었다. 본 발명자들은 또한 실질적으로 평면인 미세유체 처리 아키텍쳐로 얻을 수 있는 것 외에도 미세유체 부재(예, 미세채널, 혼합 교차점, 반응 마이크로웰, 분리 채널 및 검출 구역)의 밀도를 증가시킨 유리 및 중합체를 주성분으로 하는 미세유체 물품 또는 장치가 필요하다는 것도 인식하고 있다.

발명의 개요

요약하면, 본 발명의 한 측면은 다광자(예, 2광자) 흡수를 이용하여 미세유체 물품을 제조하는 방법을 제공한다. 이 방법은 (a) (1) 중합체 또는 중합체 전구체로서 산 또는 라디칼에 의해 개시되는 화학 반응을 수행할 수 있는 반응종 1종 이상 및 (2) (i) 2개 이상의 광자를 동시에 흡수할 수 있는 다광자 감광제 1종 이상, (ii) 경우에 따라, 감광제의 전자 여기 상태에 전자를 공여할 수 있고 다광자 감광제와는 다른 전자 공여체 화합물 1종 이상 및 (iii) 감광제의 전자 여기 상태로부터 전자를 수용하는 것에 의해 감광될 수 있어 그 결과 1종 이상의 자유 라디칼 및/또는 산을 형성하는 전자 수용체 화합물 1종 이상을 광화학적 유효량으로 포함하는 다광자 광개시제 시스템 1종 이상을 포함하는 광반응성 조성물을 제조하는 단계; (b) 2개 이상의 광자의 동시 흡수를 유발하기에 충분한 빛에 조성물의 일부분을 노광시킴으로써(바람직하게는 펄스 조사로), 조성물에 노광 부분과 비노광 부분을 형성하고, 노광 부분 내에 산 또는 라디칼에 의해 개시되는 1 이상의 화학 반응을 유도하는 단계; 및 (c) 조성물의 노광 부분 또는 비노광 부분을 제거하여, 하나 이상의 유입구, 하나 이상의 유출구, 그리고 유입구 및 유출구와 유체 소통이 가능한 부분이 있고 그 이외의 부분은 중합체 매트릭스 내에 완전히 봉입되어 있는 미세유체 처리 아키텍쳐(후술하는 바와 같은 하나 이상의 유체 처리 구조)를 한정하는 이음매 없는 중합체 매트릭스를 포함하는 미세유체 물품을 형성하는 단계를 포함한다.

반응종은 중합체 전구체이며, 다광자 감광제는 플루오레세인의 것보다 더 큰 2광자 흡수 단면적을 지니고, 전자 수용체 화합물은 요오도늄염, 설포늄염, 디아조늄염, 아지늄염, 클로로메틸화된 트리아진 및 트리아릴이미다졸릴 이량체로 이루어진 군에서 선택되고, 전자 공여체 화합물(사용된다면)은 산화 전위가 0보다 크고 p-디메톡시벤젠의 산화 전위와 같거나 작은 것이 바람직하다.

전술한 2- 및 3-성분 광개시제 시스템은 강화된 다광자 감광성을 제공하고 3차원 구조의 신속한 제작을 가능하게 한다. 따라서, 본 발명의 방법은 미세유체 물품의 이음매 없는 중합체 부분을 제조하는 데 이용될 수 있다. 보다 더 중요한 발견은 본 발명의 방법이 커버 플레이트 및 추가의 결합 단계 또는 적층 단계를 요하지 않고 이음매 없는 중합체 미세유체 물품 전체를 제조하는 데 이용될 수 있다는 것이다. 이는 본 발명의 방법을 이용하면 커버 플레이트의 사용과 관련된 문제점(예, 전술한 바와 같은 오염, 균열, 변형 및 불완전한 결합)을 피할 수 있음을 의미한다. 또한, 본 발명의 방법을 이용하면 실질적으로 평면인 미세유체 처리 아키텍쳐를 사용하여 얻을 수 있는 것 외에도 미세유체 부재 또는 유체 처리 구조(예, 미세채널, 혼합 교차점, 반응 마이크로웰, 분리 채널 및 검출 구역)의 밀도를 증가시킨 미세유체 처리 아키텍쳐를 갖는 이음매 없는 중합체 미세유체 물품을 제조할 수 있다.

또 다른 측면에서 본 발명은 또한 본 발명에 의해 제조된 미세유체 물품을 제공한다.

본 발명의 상기한 특징들과 기타 특징들, 양상 및 이점들은 후술하는 상세한 설명, 첨부된 특허청구범위 및 첨부 도면을 참조로 하면 보다 잘 이해될 것이다.

도 1 및 도 2는 각각 본 발명의 방법에 의해 제조된 미세유체 물품의 구체예의 평면도와 측면도를 나타낸 것이다.

이러한 도면들은 이상적인 것을 도시한 것으로 실제 크기로 나타낸 것이 아니며, 단지 예시를 목적으로 한 비제한적인 것이다.

용어 정의

본 명세서에서, "다광자 흡수"는 동일한 에너지의 단광자의 흡수에 의해서는 효과적으로 도달할 수 없는 반응성 전자 여기 상태에 도달하기 위한 2개 이상의 광자의 동시 흡수를 의미한다.

"동시"는 10^-14초 이하의 시간 내에 발생하는 2 가지 이상의 사건을 의미한다.

"전자 여기 상태"는 분자의 전자 바닥 상태보다 에너지가 높은 분자의 전자 상태로서, 즉 전자기 방사의 흡수를 통해 도달할 수 있으며 10^-13초 이상의 수명을 갖는 상태를 의미한다.

"경화"는 중합을 실시하고/하거나 가교를 실시하는 것을 의미한다.

"광학 시스템"은 빛을 조절하는 시스템을 의미하며, 이때 상기 시스템은 렌즈와 같은 굴절 광학 부재, 반사경과 같은 반사 광학 부재, 회절격자와 같은 회절 광학 부재 중에서 선택된 1 이상의 부재를 포함한다. 광학 부재는 확산기, 도파관, 및 기타 광학 기술 분야에서 알려진 부재를 포함할 수도 있을 것이다.

"3차원 광 패턴"은 광 에너지 분포가 단일 평면이 아닌 다중 평면 또는 체적 내에 존재하는 광학적 상을 의미한다.

"노광 시스템"은 광학 시스템 + 광원을 의미한다.

"충분한 빛"은 다광자 흡수를 유발시키기에 충분한 강도 및 적절한 파장의 빛을 의미한다.

"감광제"는 활성화를 위해 전자 수용체 화합물에 의해 요구되는 에너지보다 더 낮은 에너지의 빛을 흡수하여 전자 수용체 화합물과 상호작용하여 그로부터 광개시 화학종을 생성시킴으로써 전자 수용체 화합물을 활성화시키는 데 필요한 에너지를 감소시키는 분자를 의미한다.

(광개시제 시스템 성분의) "광화학적 유효량"은 반응종이 선택된 노광 조건(예를 들어 밀도, 점도, 색, pH, 굴절율 또는 기타의 물리적 또는 화학적 성질의 변화에 의해 입증된 조건) 하에서 적어도 부분적인 반응을 수행할 수 있도록 하기에 충분한 양을 의미한다.

"미세유체 처리 아키텍쳐"는 단일 평면("평면 아키텍쳐") 또는 다중 평면("3차원 아키텍쳐") 내에 소정의 패턴으로 배열된 하나 이상의 유체 처리 구조를 의미한다. 이 아키텍쳐는 단면적이 약 1000 ㎛ 이하인 하나 이상의 구조를 포함하는 것이 바람직하다. 유용한 유체 처리 구조는 미세채널, 유체 저장소, 샘플 취급 영역 및 이의 조합을 포함한다.

"유체"는 액체 및/또는 기체를 의미한다.

"유체 소통"은 유체의 수용 및 방출을 의미한다.

"중합체 전구체"는 단량체 및/또는 올리고머를 의미한다.

"광억제제"는 조사되면 광화학 반응을 실질적으로 억제하는 화학종을 의미한 다.

본 발명의 기타의 특징 및 이점은 후술하는 상세한 설명과 특허청구범위로부터 명백해질 것이다.

반응종

광반응성 조성물에 사용하기에 적합한 반응종은 경화성 및 비경화성 종을 모두 포함한다. 일반적으로 경화성 종이 바람직하며, 예를 들어 첨가 중합성 단량체 및 올리고머 및 첨가 가교성 중합체(자유 라디칼 중합성 또는 가교성 에틸렌계 불포화 화학종, 예를 들어 아크릴레이트, 메타크릴레이트 및 스티렌과 같은 특정 비닐 화합물) 뿐만 아니라, 양이온 중합성 단량체 및 올리고머 및 양이온 가교성 중합체(이들 화학종은 산 개시 화학종이 가장 많으며, 예를 들어 에폭시, 비닐에테르, 시아네이트 에스테르 등을 포함) 등과 이들의 혼합물을 포함한다.

적합한 에틸렌계 불포화 화학종은, 예를 들어 Palazzotto 등의 미국 특허 제5,545,676호 1열 65행에서 2열 26행에 기재되어 있으며, 모노-, 디-, 폴리-아크릴레이트 및 메타크릴레이트(예, 테트라히드로푸르푸릴 아크릴레이트, 메틸 아크릴레이트, 메틸 메타크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, 이소프로필 메타크릴레이트, n-헥실 아크릴레이트, 스테아릴 아크릴레이트, 알릴 아크릴레이트, 글리세롤 디아크릴레이트, 글리세롤 트리아크릴레이트, 에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 디에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 트리에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 1,3-프로판디올 디아크릴레이트, 1,3-프로판디올 디메타크릴레이트, 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트, 1,2,4-부탄트리올 트리메타크릴레이트, 1,4-시클로헥산디올 디아크릴레이트, 펜타에리트리톨 트리아크릴레이트, 펜타에리트리톨 테트라아크릴레이트, 펜타에리트리톨 테트라메타크릴레이트, 소르비톨 헥사크릴레이트, 비스[1-(2-아크릴옥시)]-p-에톡시페닐디메틸메탄, 비스[1-(3-아크릴옥시-2-히드록시)]-p-프로폭시페닐디메틸메탄, 트리스히드록시에틸-이소시아누레이트 트리메타크릴레이트, 분자량이 약 200∼500인 폴리에틸렌 글리콜의 비스-아크릴레이트 및 비스-메타크릴레이트, 미국 특허 제4,652,274호에 개시된 것들과 같은 아크릴화된 단량체의 공중합성 혼합물, 미국 특허 제4,642,126호에 개시된 것들과 같은 아크릴화된 올리고머); 불포화 아미드(예, 메틸렌 비스-아크릴아미드, 메틸렌 비스-메타크릴아미드, 1,6-헥사메틸렌 비스-아크릴아미드, 디에틸렌 트리아민 트리스-아크릴아미드 및 베타-메타크릴아미노에틸 메타크릴레이트); 비닐 화합물(예, 스티렌, 디알릴 프탈레이트, 디비닐 숙시네이트, 디비닐 아디페이트 및 디비닐 프탈레이트) 등과 이들의 혼합물을 포함한다. 적당한 반응성 중합체는 펜던트(메트)아크릴레이트기, 예를 들어 중합체 쇄당 1∼약 50개의 (메트)아크릴레이트기를 가진 중합체를 포함한다. 상기 중합체의 예로는 사토머에서 시판하는 Sarbox^TM 수지(예, Sarbox^TM 400, 401, 402, 404 및 405)와 같은 방향족 산 (메트)아크릴레이트 1/2 에스테르 수지를 들 수 있다. 자유 라디칼 화학 반응에 의해 경화될 수 있는 다른 유용한 반응성 중합체로는 히드로카르빌 주쇄와 이에 결합된 자유 라디칼 중합 작용성을 가진 펜던트 펩티드기를 보유하는 중합체를 들 수 있으며, 이는 예컨대 미국 특허 제5,235,015호(Ali 등)에 기재되어 있다. 필요에 따라 2종 이상의 단량체, 올리고머 및/또는 반응성 중합체의 혼합물이 사용될 수 있다. 바람직한 에틸렌계 불포화 화학종은 (메트)아크릴레이트, 방향족 산 (메트)아크릴레이트 1/2 에스테르 수지 및 히드로카르빌 주쇄와 이에 결합된 자유 라디칼 중합 작용성을 가진 펜던트 펩티드기를 보유한 중합체를 포함한다.

적합한 양이온 반응종은, 예컨대 Oxman 등의 미국 특허 제5,998,495호 및 제6,025,406호에 기재되어 있으며, 에폭시 수지를 포함한다. 이러한 물질은 광범위하게 에폭시드라고 불리우는데, 단량체 에폭시 화합물 및 중합체 형태의 에폭시드를 포함하며, 지방족, 지환족, 방향족 또는 복소환일 수 있다. 이들 물질은 통상 분자당 평균 1개 이상의 중합성 에폭시기(바람직하게는 약 1.5개 이상, 보다 바람직하게는 약 2개 이상)를 갖는다. 중합체 에폭시드는 말단 에폭시기를 갖는 선형 중합체(예, 폴리옥시알킬렌 글리콜의 디글리시딜에테르), 옥시란 단위체 골격을 갖는 중합체(예, 폴리부타디엔 폴리에폭시드) 및 펜던트 에폭시기를 갖는 중합체(예, 글리시딜 메타크릴레이트 중합체 또는 공중합체)를 포함한다. 에폭시드는 순수한 화합물일 수도 있고, 또는 분자당 1개, 2개 또는 그 이상의 에폭시기를 포함하는 화합물의 혼합물일 수도 있다. 이들 에폭시 함유 물질은 그들의 주쇄 및 치환기의 성질에 따라 매우 다양할 수 있다. 예를 들어, 주쇄는 임의 형태일 수 있고, 그 위의 치환기들은 실온에서 양이온성 경화를 실질적으로 방해하지 않는 임의의 기일 수 있다. 허용가능한 치환기의 예로는 할로겐, 에스테르기, 에테르기, 설포네이트기, 실록산기, 니트로기, 포스페이트기 등이 있다. 에폭시 함유 물질의 분자량은 약 58∼약 100,000 이상으로 다양할 수 있다.

유용한 에폭시 함유 물질은 3,4-에폭시시클로헥실메틸-3,4-에폭시시클로헥산카르복실레이트, 3,4-에폭시-2-메틸시클로헥실메틸-3,4-에폭시-2-메틸시클로헥산 카르복실레이트 및 비스(3,4-에폭시-6-메틸시클로헥실메틸)아디페이트로 예시되는 에폭시시클로헥산카르복실레이트와 같은 시클로헥센 옥시드기를 포함하는 것들을 포함한다. 이들 성질의 유용한 에폭시드의 보다 자세한 리스트는 미국 특허 제3,117,099호에 기재되어 있다.

유용한 기타 에폭시 함유 물질은 하기 화학식의 글리시딜 에테르 단량체를 포함한다.

상기 식에서, R'은 알킬 또는 아릴이고, n은 1∼6의 정수이다. 예로는 다가 페놀을 과량의 에피클로로히드린(예, 2,2-비스-(2,3-에폭시프로폭시페놀)-프로판의 디글리시딜 에테르)과 같은 클로로히드린과 반응시켜서 얻은 다가 페놀의 글리시딜 에테르를 들 수 있다. 이러한 유형의 에폭시드의 추가적인 예는 미국 특허 제3,018,262호 및 문헌[Handbook of Epoxy Resins, Lee and Neville, McGraw-Hill Book Co., New York(1967)]에 기재되어 있다.

다양한 시판중인 에폭시 수지를 사용할 수도 있다. 구체적으로, 쉽게 입수할 수 있는 에폭시드는 옥타데실렌 옥시드, 에피클로로히드린, 스티렌 옥시드, 비닐 시클로헥센 옥시드, 글리시돌, 글리시딜메타크릴레이트, 비스페놀 A의 디글리시딜 에테르(예, 전신이 쉘 케미칼 컴퍼니인 레졸루션 퍼포먼스 프로덕츠의 Epon^TM 828, Epon^TM 825, Epon^TM 1004, Epon^TM 1010 뿐 아니라, 다우 케미칼 컴퍼니의 DER^TM-331, DER^TM-332, DER^TM-334), 비닐시클로헥센 디옥시드(예, 유니온 카바이드 코포레이션의 ERL-4206), 3,4-에폭시시클로헥실메틸-3,4-에폭시시클로헥센 카르복실레이트(예, 유니온 카바이드 코포레이션의 ERL-4221 또는 Cyracure^TM UVR 6110 또는 UVR 6105), 3,4-에폭시-6-메틸시클로헥실메틸-3,4-에폭시-6-메틸-시클로헥센 카르복실레이트(예, 유니온 카바이드 코포레이션의 ERL-4201), 비스(3,4-에폭시-6-메틸시클로헥실메틸)아디페이트(예, 유니온 카바이드 코포레이션의 ERL-4289), 비스(2,3-에폭시시클로펜틸)에테르(예, 유니온 카바이드 코포레이션의 ERL-0400), 폴리프로필렌 글리콜에서 개질된 지방족 에폭시(예, 유니온 카바이드 코포레이션의 ERL-4050 및 ERL-4052), 디펜텐 디옥시드(예, 유니온 카바이드 코포레이션의 ERL-4269), 에폭시화된 폴리부타디엔(예, FMC 코포레이션의 Oxiron^TM 2001), 에폭시 작용기를 갖는 실리콘 수지, 내염성 에폭시 수지(예, 다우 케미칼 컴퍼니에서 시판하는 브롬화된 비스페놀형 에폭시 수지, DER^TM-580), 페놀포름알데히드 노볼락의 1,4-부탄디올 디글리시딜 에테르(예, 다우 케미칼 컴퍼니에서 시판하는 DEN^TM-431 및 DEN^TM-438), 레조르시놀 디글리시딜 에테르(예, 코퍼스 컴퍼니 인코포레이티드의 Kopoxite^TM), 비스(3,4-에폭시시클로헥실)아디페이트(예, 유니온 카바이드 코포레이션의 ERL-4299 또는 UVR-6128), 2-(3,4-에폭시시클로헥실-5,5-스피로-3,4-에폭시)시클로헥산-메타-디옥산(예, 유니온 카바이드 코포레이션의 ERL-4234), 비닐시클로헥센 모녹시드 1,2-에폭시헥사데칸(예, 유니온 카바이드 코포레이션의 UVR-6216), 알킬 C₈-C₁₀ 글리시딜 에테르(예, 레졸루션 퍼포먼스 프로덕츠의 Heloxy^TM Modifier 7), 알킬 C₁₂-C₁₄ 글리시딜 에테르(예, 레졸루션 퍼포먼스 프로덕츠의 Heloxy^TM Modifier 8), 부틸 글리시딜 에테르(예, 레졸루션 퍼포먼스 프로덕츠의 Heloxy^TM Modifier 61), 크레실 글리시딜 에테르(예, 레졸루션 퍼포먼스 프로덕츠의 Heloxy^TM Modifier 62), p-tert-부틸페닐 글리시딜 에테르(예, 레졸루션 퍼포먼스 프로덕츠의 Heloxy^TM Modifier 65)와 같은 알킬 글리시딜 에테르, 1,4-부탄디올의 디글리시딜 에테르(예, 레졸루션 퍼포먼스 프로덕츠의 Heloxy^TM Modifier 67)와 같은 다작용성 글리시딜 에테르, 네오펜틸 글리콜의 디글리시딜 에테르(예, 레졸루션 퍼포먼스 프로덕츠의 Heloxy^TM Modifier 68), 시클로헥산디메탄올의 디글리시딜 에테르(예, 레졸루션 퍼포먼스 프로덕츠의 Heloxy^TM Modifier 107), 트리메틸올 에탄 트리글리시딜 에테르(예, 레졸루션 퍼포먼스 프로덕츠의 Heloxy^TM Modifier 44), 트리메틸올 프로판 트리글리시딜 에테르(예, 레졸루션 퍼포먼스 프로덕츠의 Heloxy^TM Modifier 48), 지방족 폴리올의 폴리글리시딜 에테르(예, 레졸루션 퍼포먼스 프로덕츠의 Heloxy^TM Modifier 84), 폴리글리콜 디에폭시드(예, 레졸루션 퍼포먼스 프로덕츠의 Heloxy^TM Modifier 32), 비스페놀 F 에폭시드(예, 시바-가이기 코포레이션의 GY-281 또는 Epon^TM-1138) 및 9,9-비스[4-(2,3-에폭시프로폭시)-페닐]플루오레논(예, 레졸루션 퍼포먼스 프로덕츠의 Epon^TM 1079)을 들 수 있다.

기타 유용한 에폭시 수지는 글리시돌의 아크릴산 에스테르(예, 글리시딜아크릴레이트 및 글리시딜메타크릴레이트)와 1종 이상의 공중합성 비닐 화합물의 공중합체를 포함한다. 상기 공중합체의 예로는 1:1 스티렌-글리시딜메타크릴레이트, 1:1 메틸메타크릴레이트-글리시딜아크릴레이트 및 62.5:24:13.5 메틸메타크릴레이트-에틸아크릴레이트-글리시딜메타크릴레이트가 있다. 그밖의 유용한 에폭시 수지가 잘 알려져 있으며, 에피클로로히드린, 알킬렌 옥시드(예, 프로필렌 옥시드), 스티렌 옥시드, 알케닐 옥시드(예, 부타디엔 옥시드) 및 글리시딜 에스테르(예, 에틸 글리시데이트) 등의 에폭시드를 포함한다.

유용한 에폭시 작용성 중합체는 미국 특허 제4,279,717호(Eckberg)에 기재된 것들과 같은 에폭시 작용성 실리콘을 포함하며, 이는 제너럴 일렉트릭 컴퍼니로부터 구입할 수 있다. 이들은 1∼20 몰%의 규소 원자가 에폭시알킬기(바람직하게는 미국 특허 제5,753,346호(Kessel)에 기재된 에폭시 시클로헥실에틸)로 치환된 폴리디메틸실록산이다

다양한 에폭시 함유 물질의 블렌드 역시 사용될 수 있다. 이러한 블렌드는 에폭시 함유 화합물의 2 이상의 중량 평균 분자 중량 분포[예컨대, 저분자량(200 이하), 중간 분자량(약 200∼10,000) 및 고분자량(약 10,000 이상)]를 포함한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 에폭시 수지는 상이한 화학적 성질(예컨대, 지방족 및 방향족), 작용성(예컨대, 극성 및 비극성)을 가진 에폭시 함유 물질의 블렌드를 포함할 수 있다. 필요하다면, 기타의 양이온 반응성 중합체(예컨대, 비닐에테르 등)가 추가적으로 혼입될 수 있다.

바람직한 에폭시는 방향족 글리시딜 에폭시(예컨대, 레졸루션 퍼포먼스 프로덕츠의 Epon^TM 수지) 및 지환족 에폭시(예컨대, 유니온 카바이드 코포레이션의 ERL-4221 및 ERL-4299)를 포함한다.

적합한 양이온 반응종은 또한 비닐 에테르 단량체, 올리고머 및 반응성 중합체(예, 메틸 비닐 에테르, 에틸 비닐 에테르, tert-부틸 비닐 에테르, 이소부틸 비닐 에테르, 트리에틸렌글리콜 디비닐 에테르(Rapi-Cure^TM DVE-3, 뉴저지주 웨인 소재의 인터내셔널 스페셜티 프로덕츠에서 시판), 트리메틸올프로판 트리비닐 에테르(TMPTVE, 뉴저지주 마운트 올리브 소재의 BASF 코포레이션에서 시판), 얼라이드 시그널의 Vectomer^TM 디비닐 에테르 수지(예, Vectomer^TM 2010, Vectomer^TM 2020, Vectomer^TM 4010 및 Vectomer^TM 4020 및 다른 제조업체에서 시판하는 이들의 등가물) 및 이들의 혼합물을 포함한다. 1종 이상의 비닐 에테르 수지 및/또는 1종 이상의 에폭시 수지의 블렌드(임의의 비율) 역시 사용할 수 있다. 폴리히드록시 작용성 물질(예컨대 미국 특허 제5,856,373호(Kaisaki 등)에 기재된 것)을 에폭시- 및/또는 비닐 에테르-작용성 물질과 배합하여 사용할 수도 있다.

비경화성 종은, 예컨대 용해도가 산- 또는 라디칼-유도 반응시에 증가될 수 있는 반응성 중합체를 포함한다. 이러한 반응성 중합체는, 예컨대 빛에 의해 생성된 산에 의해서 수용성 산기로 전환될 수 있는 에스테르기 함유 수불용성 중합체[예, 폴리(4-tert-부톡시카르보닐옥시스티렌)]를 포함한다. 비경화성 종은 또한 화학적으로 증폭된 포토레지스트(R.D. Allen, G.M. Wallraff, W.D. Hinsberg 및 L.L. Simpson, "High Performance Acrylic Polymers for Chemically Amplified Photoresist Applications", J. Vac. Sci. Technol. B. 9, 3357(1991)에 기재)를 포함한다. 화학적으로 증폭된 포토레지스트 개념은 현재 마이크로칩 제조, 특히 0.5 마이크론 이하(또는 0.2 마이크론 이하)의 배선폭에 광범위하게 사용된다. 이러한 포토레지스트 시스템에서는 조사에 의해 촉매 화학종(통상 수소 이온)이 생성되어 이들이 화학 반응의 캐스케이드를 유도할 수 있다. 이러한 캐스케이드가 일어나면, 수소 이온이 보다 많은 수소 이온 또는 다른 산성 화학종을 생성하는 반응을 개시함으로써 반응 속도를 증가시킨다. 산 촉매에 의해 화학적으로 증폭된 포토레지스트 시스템의 대표적인 예로는 탈보호(예를 들어, 미국 특허 제4,491,628호에 기재된 t-부톡시카르보닐옥시스티렌 레지스트, 미국 특허 제3,779,778호에 기재된 테트라히드로피란(THP) 메타크릴레이트계 물질, THP-페놀계 물질, 예컨대 R.D. Allen 등의 문헌[Proc. SPIE 2438, 474(1995)]에 기재된 것들과 같은 t-부틸 메타크릴레이트계 물질 등); 탈중합(예, 폴리프탈알데히드계 물질); 및 재배열(예, 피나콜 재배열을 기초로 한 물질)을 들 수 있다.

필요하다면, 광반응성 조성물에 상이한 유형의 반응종의 혼합물을 이용할 수 있다. 예컨대 자유 라디칼 반응종과 양이온 반응종의 혼합물, 경화성 종과 비경화성 종의 혼합물 역시 유용하다. 광반응성 조성물은 비교적 점도가 낮은 반응종을 포함하는 것이 좋으며, 따라서 중합체 전구체(즉, 단량체 및/또는 올리고머)가 일반적으로 바람직한 반응종이다. 광반응성 조성물은 1종 이상의 다작용성 반응종(보다 바람직하게는 1종 이상의 다작용성 경화성 종)을 포함하는 것이 바람직하다.

광개시제 시스템

광반응성 조성물에 사용하기에 적합한 다광자 광개시제 시스템은 (1) 2개 이상의 광자를 동시에 흡수할 수 있는 다광자 감광제(바람직하게는, 플루오레세인[일반적으로 C. Xu 및 W.W. Webb의 문헌[J. Opt. Soc. Am. B, 13, 481(1996)에 기재된 방법에 의해 측정시 약 50 x 10^-50 cm⁴ 초/광자 이상]보다 2광자 흡수 단면적이 큰 다광자 감광제) 1종 이상; (2) 경우에 따라, 다광자 감광제와는 다르고 전자를 감광제의 전자 여기 상태로 공여할 수 있는 전자 공여체 화합물(바람직하게는 산화 전위가 0 이상이고 p-디메톡시벤젠의 산화 전위와 같거나 작은 전자 공여체 화합물) 1종 이상 및 (3) 감광제의 전자 여기 상태로부터 전자를 수용하는 것에 의해 감광될 수 있어 그 결과 1종 이상의 자유 라디칼 및/또는 산을 형성하는 전자 수용체 화합물(바람직하게는 요오도늄염, 설포늄염, 디아조늄염, 아지늄염, 클로로메틸화된 트리아진 및 트리아릴이미다졸릴 이량체로 이루어진 군에서 선택되는 전자 수용체 화합물) 1종 이상의 광화학적 유효량을 포함한다.

(1) 다광자 감광제

광반응성 조성물의 다광자 광개시제 시스템에 사용하기에 적합한 다광자 감광제는 충분한 빛에 노광되면 2개 이상의 광자를 동시에 흡수할 수 있는 것이다. 도달 가능한 파장 범위에서 다광자, 전자 흡수 대역을 갖는 사실상 모든 감광화 염료를 사용할 수 있다.

바람직한 감광제는 2광자 흡수 단면적이 플루오레세인의 것보다 큰(즉, 3',6'-디히드록시스피로[이소벤조푸란-1(3H),9'-[9H]크산텐]3-온보다 큰) 것이다. 통상, 바람직한 단면적은 C. Xu 및 W.W. Webb의 문헌[J. Opt. Soc. Am. B, 13, 481(1996)(Marder 및 Perry 등의 국제 특허 공개 WO 98/21521호의 85면 18-22행에서 참고문헌으로 인용됨)에서 기재된 방법에 의해 측정 시 약 50 x 10^-50 cm⁴ 초/광자 이상일 수 있다.

이 방법은 감광제의 2광자 형광 강도를 기준 화합물과 비교(동일한 여기 강도 및 감광제 농도 조건 하에서)하는 것을 포함한다. 기준 화합물은 감광제 흡수 및 형광에 의해 포괄되는 스펙트럼 범위와 가능한 한 근접하게 일치하도록 선택될 수 있다. 한 가지 가능한 실험적 설정에서, 여기 빔을 여기 강도의 50%는 감광제로, 그리고 50%는 기준 화합물로 가도록 2개의 아암(arm)으로 나눌 수 있다. 그 후 기준 화합물에 대한 감광제의 상대적인 형광 강도를 2개의 광전자 배증관 또는 기타의 구경 검출기를 이용하여 측정할 수 있다. 마지막으로, 1광자 여기 하에서 양 화합물의 형광 양자 효율을 측정할 수 있다.

형광 및 인광 양자 수율을 측정하는 방법은 당업계에 공지되어 있다. 통상, 목적 화합물의 형광(또는 인광) 스펙트럼 하의 영역을 공지된 형광(또는 인광) 양자 수율을 갖는 표준 발광 화합물의 형광(또는 인광) 스펙트럼 하의 영역과 비교하며, 적절한 보정을 실시한다(예컨대, 여기 파장에서의 조성물의 흡광도, 형광 검출 장치의 구조, 방출 파장의 차이 및 상이한 파장에 대한 검출기의 반응을 고려함). 표준 방법은, 예컨대 I.B. Berlman의 문헌[Handbook of Fluorescence Spectra of Aromatic Molecules, 2판, 24-27면, Academic Press, New York(1971)]; J.N. Demas 및 G.A. Crosby의 문헌[J. Phys. Chem. 75, 991-1024(1971)]; J.V. Morris, M.A. Mahoney 및 J.R. Huber의 문헌[J. Phys. Chem. 80, 969-974(1976)]에 기재되어 있다.

방출 상태가 1광자 및 2광자 여기 하에서 동일하다고 가정하면(통상의 가정), 감광제의 2광자 흡수 단면적(δ_sam)은 δ_ref K(I_sam/I_ref)(φ_sam/φ_ref)이며, 이때 δ_ref는 기준 화합물의 2광자 흡수 단면적이고, I_sam은 감광제의 형광 강도이며, I_ref는 기준 화합물의 형광 강도이고, φ_sam은 감광제의 형광 양자 효율이며, φ_ref는 기준 화합물의 형광 양자 효율이고, K는 2개의 검출기의 반응 및 광 경로의 근소한 차이를 설명하는 보정 인자이다. K는 샘플과 기준 아암 둘 다에서 동일한 감광제에 대한 반응을 측정함으로써 결정될 수 있다. 유효 측정임을 확인하기 위하여, 여기력에 대한 2광자 형광 강도의 명백한 2차 함수적 의존성을 확인할 수 있으며, (형광 재흡수 및 감광제 응집 효과를 피하기 위하여) 비교적 낮은 농도의 감광제와 기준 화합물을 이용할 수 있다.

감광제가 형광성이 아닌 경우, 전자 여기 상태의 수율을 측정하고 이를 기지의 표준과 비교할 수 있다. 전술한 형광 수율 측정 방법 외에도, 여기 상태 수율을 측정하는 다양한 방법이 알려져 있다[예컨대, 일시적 흡수, 인광 수율, (광반응으로부터의) 광생성물 형성 또는 감광제의 소멸 등].

감광제의 2광자 흡수 단면적이 플루오레세인의 흡수 단면적의 약 1.5배 이상(또는, 대안적으로 전술한 방법으로 측정시 약 75 x 10^-50 cm⁴ 초/광자 이상)인 것이 바람직하고, 플루오레세인의 흡수 단면적의 약 2배 이상(또는, 대안적으로 약 100 x 10^-50 cm⁴ 초/광자 이상)인 것이 보다 바람직하고, 플루오레세인의 흡수 단면적의 약 3배 이상(또는, 대안적으로 약 150 x 10^-50 cm⁴ 초/광자 이상)인 것이 가장 바람직하며, 플루오레세인의 흡수 단면적의 약 4배 이상(또는, 대안적으로 약 200 x 10^-50 cm⁴ 초/광자 이상)인 것이 최상이다.

감광제는 반응종에서 가용성이거나(반응종이 액체라면), 또는 반응종 및 본 조성물에 포함되는 기타 결합제(후술하는 것)와 상용성인 것이 바람직하다. 가장 바람직하게는 감광제가, 미국 특허 제3,729,313호에 기재된 테스트 방법을 이용하여 감광제의 단광자 흡수 스펙트럼과 중첩되는 파장 범위에서 연속적으로 조사하면(단광자 흡수 조건) 2-메틸-4,6-비스(트리클로로메틸)-s-트리아진을 감광시킬 수 있는 것이다. 현재 시판되는 물질을 이용하여, 상기 테스트는 다음과 같이 실시될 수 있다.

표준 테스트 용액은 다음의 조성을 갖도록 제조할 수 있다: 분자량 45,000∼55,000, 9.0∼13.0%의 히드록실 함량 폴리비닐 부티랄(Butvar^TMB76, 몬산토)의 메탄올 중의 5%(w/v) 용액 5.0 부; 트리메틸올프로판 트리메타크릴레이트 0.3 부 및 2-메틸-4,6-비스(트리클로로메틸)-s-트리아진(Bull. Chem. Soc. Japan, 42, 2924-2930 (1969) 참조) 0.03 부. 이 용액에 감광제로서 테스트할 화합물 0.01 부를 첨가할 수 있다. 그 후 생성된 용액을 0.05 mm의 투명한 폴리에스테르 필름 상에 0.05 mm의 나이프 오리피스를 이용하여 나이프 코팅하고, 코팅은 약 30분간 공기 건조시킬 수 있다. 건조되었지만 부드럽고 점착성인 코팅 상에 공기 포획량이 최소가 되도록 0.05 mm의 투명한 폴리에스테르 커버 필름을 조심스럽게 올려 놓을 수 있다. 그 후 형성된 샌드위치 구조는 가시광 및 자외선 범위의 빛을 제공하는 텅스텐 광원(FCH^TM 650 와트 석영-요오드 램프, 제너럴 일렉트릭)으로부터 나오는 161,000 룩스의 입사광에 3분간 노광시킬 수 있다. 노광은 스텐실을 통하여 실시하여 구조 내에 노광 영역 및 비노광 영역이 제공되도록 할 수 있다. 노광 후에 커버 필름을 제거할 수 있으며, 코팅은 미분된 착색 분말(예컨대, 건식인쇄술에서 통상 사용되는 유형의 컬러 토너 분말)로 처리할 수 있다. 테스트된 화합물이 감광제라면, 트리메틸올프로판 트리메타크릴레이트 단량체는 2-메틸-4,6-비스(트리클로로메틸)-s-트리아진으로부터 빛에 의해 생성된 자유 라디칼에 의해 빛에 노광된 영역에서 중합될 것이다. 중합된 영역은 사실상 점착성이 없을 것이기 때문에, 착색된 분말은 코팅의 비노광된 점착성인 영역에만 거의 선택적으로 부착되며 스텐실에서 그에 해당하는 가시적인 상을 제공한다.

바람직하게는 감광제는 부분적으로 저장 안정성을 고려하여 선택될 수도 있다. 따라서, 특정 감광제의 선택은 사용되는 특정 반응종에 따라(뿐만 아니라, 전자 공여체 화합물 및/또는 전자 수용체 화합물의 선택에 따라) 어느 정도 달라질 수 있다.

특히 바람직한 다광자 감광제는 다광자 흡수 단면적이 큰 것, 예를 들어 로다민 B(즉, N-[9-(2-카르복시페닐)-6-(디에틸아미노)-3H-크산텐-3-일리덴]-N-에틸에탄아미늄 클로라이드 또는 헥사플루오로안티모네이트) 및 예컨대, Marder 및 Perry 등의 국제 특허 공개 WO 98/21521호 및 WO 99/53242호에 기재된 4 종류의 감광제를 포함한다. 상기 4 종류는 다음과 같이 설명할 수 있다: (a) 2개의 공여체가 공액 π(pi)-전자 다리에 연결된 분자, (b) 2개의 공여체가 1개 이상의 전자 수용기로 치환된 공액 π(pi)-전자 다리에 연결된 분자, (c) 2개의 수용체가 공액 π(pi)-전자 다리에 연결된 분자 및 (d) 2개의 수용체가 1개 이상의 전자 공여기로 치환된 공액 π(pi)-전자 다리에 연결된 분자(이때, "다리"는 2개 이상의 화학기를 연결하는 분자 단편을 의미하고, "공여체"는 공액 π(pi)-전자 다리에 결합될 수 있는 낮은 이온화 전위를 가진 원자 또는 원자단을 의미하며, "수용체"는 공액 π(pi)-전자 다리에 결합될 수 있는 높은 전자 친화도를 가진 원자 또는 원자단을 의미한다).

이러한 바람직한 감광제의 대표적인 예는 다음의 것을 포함한다:

전술한 4 종류의 감광제는 표준 Wittig 조건 하에서 알데히드와 일리드를 반응시키거나, 또는 McMurray 반응을 이용하여 제조할 수 있다(국제 특허 공개 WO 98/21521호 참조).

Reinhardt 등(예, 미국 특허 제6,100,405호, 제5,859,251호 및 5,770,737호)은 다광자 흡수 단면적이 큰 다른 화합물들을 개시하고 있으나, 이 화합물들의 단면적은 전술한 것과는 다른 방법에 의해 측정되었다. 이러한 화합물의 대표적인 예는 다음의 것을 포함한다:

본 발명의 감광제로서 사용될 수 있는 기타 화합물의 비제한적인 예로는 플루오레세인, p-비스(o-메틸스티릴)벤젠, 에오신, 로즈 벵갈, 에리트로신, 쿠마린 307(이스트만 코닥), 캐스캐이드 블루 히드라지드 삼나트륨염, 루시퍼 옐로우 CH 암모늄염, 4,4-디플루오로-1,3,5,7,8-펜타메틸-4-보라-3α,4α-디아자인다센-2,6-디설폰산 이나트륨염, 1,1-디옥타데실-3,3,3',3'-테트라메틸인도카르보시아닌 퍼클로레이트, 인도-1 5칼륨염(몰리큘러 프로브즈), 5-디메틸아미노나프탈렌-1-설포닐 히드라진, 4',6-디아미디노-2-페닐인돌 디히드로클로라이드, 5,7-디요오도-3-부톡시-6-플루오론, 9-플루오레논-2-카르복실산 및 하기 화학식의 화합물들을 들 수 있다.

(2) 전자 공여체 화합물

광반응성 조성물의 다광자 광개시제 시스템에 임의로 사용될 수 있는 전자 공여체 화합물은 전자를 감광제의 전자 여기 상태에 공여할 수 있는 화합물(감광제 그 자체는 제외)이다. 이러한 화합물들은 경우에 따라 광개시제 시스템의 다광자 감광성을 증가시켜서 광반응성 조성물의 광반응이 일어나게 하는 데 필요한 노광을 감소시키는 데 사용될 수 있다. 전자 공여체 화합물은 산화 전위가 0 이상이고, p-디메톡시벤젠의 산화 전위와 같거나 작은 것이 바람직하다. 산화 전위가 표준 포화 감홍 전극("S.C.E")에 대하여 약 0.3∼1 볼트인 것이 바람직하다.

전자 공여체 화합물은 또한 반응종에 가용성인 것이 바람직하며 부분적으로는 (전술한 바와 같이) 저장 안정성을 고려하여 선택된다. 적합한 공여체는 일반적으로 목적 파장의 빛에 노광시 광반응성 조성물의 상 밀도 또는 경화 속도를 증가시킬 수 있다.

당업자는 양이온 반응종을 사용할 경우 전자 공여체 화합물(현저한 염기성일 경우)이 양이온 반응에 불리한 영향을 줄 수 있음을 알 것이다[예컨대 미국 특허 제6,025,406호(Oxman 등)의 7열 62행에서 8열 49행의 논의 참조].

일반적으로, 특정 감광제 및 전자 공여체 화합물과 함께 사용하기에 적합한 전자 공여체 화합물은 3 가지 성분의 산화 및 환원 전위를 비교하여 선택할 수 있다[예컨대 미국 특허 제4,859,572호(Farid 등) 참조]. 이러한 전위는 실험적으로 측정할 수 있거나[예컨대, R.J. Cox, Photographic Sensitivity, 15장, Academic Press(1973)에 기재된 방법에 의해], 또는 N.L Weinburg의 문헌[Technique of Electroorganic Synthesis Part II Techniques of Chemistry, Vol. V(1975)] 및 C.K. Mann 및 K.K. Barnes의 문헌[Electrochemical Reactions in Nonaqueous Systems(1970)] 등의 참고문헌으로부터 입수할 수 있다. 전위는 상대적인 에너지 관계를 나타내며, 전자 공여체 화합물 선택을 돕기 위해 하기 방식으로 사용될 수 있다.

감광제가 전자 여기 상태로 존재할 경우, 감광제의 최고 점유 분자 오비탈(HOMO)은 더 높은 에너지 레벨[즉, 감광제의 최저 비점유 분자 오비탈(LUBO)]로 상승되고, 빈자리는 최초에 점유한 분자 오비탈에 남겨진다. 전자 수용체 화합물은 더 높은 에너지 오비탈로부터 전자를 수용할 수 있고 전자 공여체 화합물은 일정한 상대적 에너지 관계가 만족된다면 처음에 점유된 오비탈의 빈자리를 채우도록 전자를 공여할 수 있다.

전자 수용체 화합물의 환원 전위가 감광제의 환원 전위보다 적은 음의 값(또는 큰 양의 값)이라면, 감광제의 더 높은 에너지 오비탈 내의 전자는 감광제로부터 전자 수용체 화합물의 최저 비점유 분자 오비탈(LUMO)로 쉽게 전달되는데, 이것이 발열 과정을 나타내기 때문이다. 이 과정이 오히려 다소 흡열 반응일지라도(즉, 감광제의 환원 전위가 전자 수용체 화합물의 환원 전위보다 0.1 볼트까지 더 큰 음의 값일지라도) 주위 열 활성화는 이러한 작은 장벽을 쉽게 극복할 수 있다.

유사한 방식으로, 전자 공여체 화합물의 산화 전위가 감광제의 산화 전위보다 더 작은 양의 값(또는 더 큰 음의 값)일 경우 전자 공여체 화합물의 HOMO로부터 감광제의 오비탈 빈자리로 이동하는 전자는 더 높은 전위에서 낮은 전위로 이동하며, 이 또한 발열 과정을 나타낸다. 이 과정이 약한 흡열 반응일지라도(즉, 감광제의 산화 전위가 전자 공여체 화합물의 산화 전위보다 0.1 볼트까지 더 큰 양의 값일지라도) 주위 열 활성화는 이러한 작은 장벽을 쉽게 극복할 수 있다.

감광제의 환원 전위가 전자 수용체 화합물의 환원 전위보다 0.1 볼트까지 더 큰 음의 값이거나, 또는 감광제의 산화 전위가 전자 공여체 화합물의 산화 전위보다 0.1 볼트까지 더 큰 양의 값인 약한 흡열 반응은 전자 수용체 화합물 또는 전자 공여체 화합물이 여기 상태의 감광제와 먼저 반응하는지 여부와 관계없이 모든 경우에 일어난다. 전자 수용체 화합물 또는 전자 공여체 화합물이 여기 상태의 감광 제와 반응할 경우, 반응은 발열 반응 또는 단지 약한 흡열 반응인 것이 바람직하다. 전자 수용체 화합물 또는 전자 공여체 화합물이 감광제 이온 라디칼과 반응하는 경우, 발열 반응이 여전히 바람직하지만, 많은 경우 더 많은 흡열 반응이 일어날 것으로 예상할 수 있다. 따라서, 감광제의 환원 전위는 세컨드-투-리액트(second-to-react) 전자 수용체 화합물의 환원 전위보다 0.2 볼트(또는 그 이상)까지 더 큰 음의 값일 수 있거나, 감광제의 산화 전위는 세컨드-투-리액트 전자 공여체 화합물의 산화 전위보다 0.2 볼트(또는 그 이상)까지 더 큰 양의 값일 수 있다.

적합한 전자 공여체 화합물의 예로는 D.F. Eaton의 문헌[Advances in Photochemistry, B.Voman 등 편저, Volume 13, pp. 427-488, John Wiley and Sons, New York(1986)]; Oxman 등의 미국 특허 제6,025,406호(7열 42-61행); 및 Palazzotto 등의 미국 특허 제5,545,676호(4열 14행에서 5열 18행)에 기술된 것들을 들 수 있다. 이러한 전자 공여체 화합물은 아민(예, 트리에탄올아민, 히드라진, 1,4-디아자비시클로[2.2.2]옥탄, 트리페닐아민[및 이의 트리페닐포스핀 및 트리페닐아르신 유사체], 아미노알데히드 및 아미노실란), 아미드(예, 포스포아미드), 에테르(예, 티오에테르), 우레아(예, 티오우레아), 설핀산 및 이의 염, 페로시안화물의 염, 아스코르브산 및 이의 염, 디티오카르밤산 및 이의 염, 크산틴산의 염, 에틸렌 디아민 테트라아세트산의 염, (알킬)_n(아릴)_m보레이트(n+m=4)의 염(테트라알킬암모늄염이 바람직함), 각종 유기금속 화합물, 예컨대 SnR₄ 화합물(여기서 각 R은 알킬, 아랄킬(특히, 벤질), 아릴 및 알카릴 기 중에서 독립적으로 선택됨)(예, n-C₃H₇Sn(CH₃)₃, (알릴)Sn(CH₃)₃ 및 (벤질)Sn(n-C₃H₇)₃와 같은 화합물), 페로센 등과 이들의 혼합물을 포함한다. 전자 공여체 화합물은 비치환되거나 또는 1개 이상의 비간섭 치환기로 치환될 수 있다. 특히 바람직한 전자 공여체 화합물은 전자 공여체 원자(예, 질소, 산소, 인 또는 황 원자) 및 전자 공여체 원자의 알파 위치에 있는 탄소 또는 규소 원자에 결합된 제거 가능한 수소 원자를 포함한다.

바람직한 아민 전자 공여체 화합물에는 알킬-, 아릴-, 알카릴- 및 아랄킬-아민(예, 메틸아민, 에틸아민, 프로필아민, 부틸아민, 트리에탄올아민, 아밀아민, 헥실아민, 2,4-디메틸아닐린, 2,3-디메틸아닐린, o-, m- 및 p-톨루이딘, 벤질아민, 아미노피리딘, N,N'-디메틸에틸렌디아민, N,N'-디에틸에틸렌디아민, N,N'-디벤질에틸렌디아민, N,N'-디에틸-1,3-프로판디아민, N,N'-디에틸-2-부텐-1,4-디아민, N,N'-디메틸-1,6-헥산디아민, 피페라진, 4,4'-트리메틸렌디피페리딘, 4,4'-에틸렌디피페리딘, p-N,N-디메틸-아미노펜에탄올 및 p-N-디메틸아미노벤조니트릴); 아미노알데히드(예, p-N,N-디메틸아미노벤즈알데히드, p-N,N-디에틸아미노벤즈알데히드, 9-줄로리딘 카르복스알데히드 및 4-모르폴리노벤즈알데히드); 및 아미노실란(예, 트리메틸실릴모르폴린, 트리메틸실릴피페리딘, 비스(디메틸아미노)디페닐실란, 트리스(디메틸아미노)메틸실란, N,N-디에틸아미노트리메틸실란, 트리스(디메틸아미노)페닐실란, 트리스(메틸실릴)아민, 트리스(디메틸실릴)아민, 비스(디메틸실릴)아민, N,N-비스(디메틸실릴)아닐린, N-페닐-N-디메틸실릴아닐린 및 N,N-디메틸-N-디메틸실릴아민); 및 이들의 혼합물을 들 수 있다. 3차 방향족 알킬아민, 특히 방향족 고리 상에 1개 이상의 전자 끄는 기(electron-withdrawing group)를 갖는 화합물은 특히 우수한 저장 안정성을 제공하는 것으로 확인되었다. 또한 우수한 저장 안정성은 실온에서 고체인 아민을 사용하여 얻을 수 있었다. 하나 이상의 줄로리디닐 부분을 포함하는 아민을 사용하면 우수한 사진촬영 속도가 얻어졌다.

바람직한 아미드 전자 공여체 화합물로는 N,N-디메틸아세트아미드, N,N-디에틸아세트아미드, N-메틸-N-페닐아세트아미드, 헥사메틸포스포아미드, 헥사에틸포스포아미드, 헥사프로필포스포아미드, 트리모르폴리노포스핀 옥시드, 트리피페리디노포스핀 옥시드 및 이들의 혼합물을 들 수 있다.

바람직한 알킬아릴보레이트염은

(상기 식에서 Ar은 페닐, 나프틸, 치환된(바람직하게는 플루오르 치환된) 페닐, 치환된 나프틸, 및 더 많은 수의 융합된 방향족 고리를 갖는 기임) 뿐만 아니라, 테트라메틸암모늄 n-부틸트리페닐보레이트 및 테트라부틸암모늄 n-헥실-트리스(3-플루오로페닐)보레이트(시바 스페셜티 케미칼스 코포레이션에서 CGI 437 및 CGI 746으로 시판됨) 및 이들의 혼합물을 포함한다.

적합한 에테르 전자 공여체 화합물로는 4,4'-디메톡시비페닐, 1,2,4-트리메톡시벤젠, 1,2,4,5-테트라메톡시벤젠 등과 이들의 혼합물을 들 수 있다. 적합한 우레아 전자 공여체 화합물로는 N,N'-디메틸우레아, N,N-디메틸우레아, N,N'-디페닐우레아, 테트라메틸티오우레아, 테트라에틸티오우레아, 테트라-n-부틸티오우레아, N,N-디-n-부틸티오우레아, N,N'-디-n-부틸티오우레아, N,N-디페닐티오우레아, N,N'-디페닐-N,N'-디에틸티오우레아 등과 이들의 혼합물을 들 수 있다.

자유 라디칼 유도 반응을 위한 바람직한 전자 공여체 화합물은 1 이상의 줄로리디닐 부분을 포함하는 아민, 알킬아릴보레이트염 및 방향족 설핀산의 염을 포함한다. 그러나, 상기 반응을 위해서는 전자 공여체 화합물이 필요에 따라(예컨대 광반응성 조성물의 저장 안정성을 개선시키거나, 또는 분해능, 콘트라스트 및 상호관계를 변화시키기 위해서) 제외될 수도 있다. 산 유도 반응을 위한 바람직한 전자 공여체 화합물은 4-디메틸아미노벤조산, 에틸 4-디메틸아미노벤조에이트, 3-디메틸아미노벤조산, 4-디메틸아미노벤조인, 4-디메틸아미노벤즈알데히드, 4-디메틸아미노벤조니트릴, 4-디메틸아미노펜에틸 알코올 및 1,2,4-트리메톡시벤젠을 포함한다.

(3) 전자 수용체 화합물

광반응성 조성물의 반응종의 광개시에 사용될 수 있는 전자 수용체 화합물은 다광자 감광제의 전자 여기 상태로부터 전자를 수용하여 감광되어 1종 이상의 자유 라디칼 및/또는 산을 형성할 수 있는 것들이다. 이러한 전자 수용체 화합물에는 요오도늄염(예, 디아릴요오도늄염), 클로로메틸화된 트리아진(예, 2-메틸-4,6-비스(트리클로로메틸)-s-트리아진, 2,4,6-트리스(트리클로로메틸)-s-트리아진 및 2-아릴-4,6-비스(트리클로로메틸)-s-트리아진), 디아조늄염(예, 알킬, 알콕시, 할로 또는 니트로 등의 기로 임의로 치환된 페닐디아조늄염), 설포늄염(예, 알킬기 또는 알콕시기로 임의로 치환되고 임의로 아릴 부분 근처에 2,2' 옥시기 가교를 갖는 트리아릴설포늄염), 아지늄염(예, N-알콕시피리디늄염) 및 트리아릴이미다졸릴 이량체(바람직하게는 2,4,5-트리페닐이미다졸릴 이량체, 예컨대 2,2',4,4',5,5'-테트라페닐-1,1'-비이미다졸, 경우에 따라 알킬, 알콕시 또는 할로 등의 기로 치환될 수 있음) 등과 이들의 혼합물이 포함된다.

전자 수용체 화합물은 반응종에 가용성인 것이 바람직하고 저장 안정성이 있는 것(즉, 감광제와 전자 공여체 화합물의 존재 하에 용해될 경우 반응종의 반응을 자발적으로 촉진하지 않는 것)이 바람직하다. 따라서, 특정 전자 수용체 화합물의 선택은 전술한 바와 같이 선택된 특정 반응종, 감광제 및 전자 공여체 화합물에 따라 어느 정도 달라질 수 있다. 반응종이 산 개시 화학 반응을 수행할 수 있다면 광개시제는 오늄염(예, 요오도늄, 설포늄 또는 디아조늄 염)이다.

적합한 요오도늄염은 Palazzotto 등의 미국 특허 제5,545,676호의 2열 28-46행에 기재된 것들을 포함한다. 적합한 요오도늄염은 또한 미국 특허 제3,729,313호, 제3,741,769호, 제3,808,006호, 제4,250,053호 및 제4,394,403호에 개시되어 있다. 요오도늄염은 단순한 염(예, Cl^-, Br^-, I^- 또는 C₄H₅SO₃ ^-와 같은 음이온을 함유한 염) 또는 금속 착염(예, SbF₆ ^-, PF₆ ^-, BF₄ ^-, 테트라키스(퍼플루오로페닐)보레이트, SbF₅ OH^- 또는 AsF₆ ^-를 함유한 염)일 수 있다. 필요에 따라 요오도늄염의 혼합물을 사용할 수 있다.

유용한 방향족 요오도늄 착염 전자 수용체 화합물의 예로는 디페닐요오도늄 테트라플루오로보레이트; 디(4-메틸페닐)요오도늄 테트라플루오로보레이트; 페닐-4-메틸페닐요오도늄 테트라플루오로보레이트; 디(4-헵틸페닐)요오도늄 테트라플루오로보레이트; 디(3-니트로페닐)요오도늄 헥사플루오로포스페이트; 디(4-클로로페닐)요오도늄 헥사플루오로포스페이트; 디(나프틸)요오도늄 테트라플루오로보레이트; 디(4-트리플루오로메틸페닐)요오도늄 테트라플루오로보레이트; 디페닐요오도늄 헥사플루오로포스페이트; 디(4-메틸페닐)요오도늄 헥사플루오로포스페이트; 디페닐요오도늄 헥사플루오로아르세네이트; 디(4-페녹시페닐)요오도늄 테트라플루오로보레이트; 페닐-2-티에닐요오도늄 헥사플루오로포스페이트; 3,5-디메틸피라졸릴-4-페닐요오도늄 헥사플루오로포스페이트; 디페닐요오도늄 헥사플루오로안티모네이트; 2,2'-디페닐요오도늄 테트라플루오로보레이트; 디(2,4-디클로로페닐)요오도늄 헥사플루오로포스페이트; 디(4-브로모페닐)요오도늄 헥사플루오로포스페이트; 디(4-메톡시페닐)요오도늄 헥사플루오로포스페이트; 디(3-카르복시페닐)요오도늄 헥사플루오로포스페이트; 디(3-메톡시카르보닐페닐)요오도늄 헥사플루오로포스페이트; 디(3-메톡시설포닐페닐)요오도늄 헥사플루오로포스페이트; 디(4-아세트아미도페닐)요오도늄 헥사플루오로포스페이트; 디(2-벤조티에닐)요오도늄 헥사플루오로포스페이트; 및 디페닐요오도늄 헥사플루오로안티모네이트 등과 이들의 혼합물을 들 수 있다. 방향족 요오도늄 착염은 Beringer 등의 문헌[J. Am. Chem. Soc. 81, 342(1959)]의 교시에 따라 해당하는 방향족 요오도늄 단순염(예, 디페닐요오도늄 비설페이트 등)의 복분해에 의해 제조할 수 있다.

바람직한 요오도늄염으로는 디페닐요오도늄염(예, 염화디페닐요오도늄, 디페 닐요오도늄 헥사플루오로포스페이트 및 디페닐요오도늄 테트라플루오로보레이트), 디아릴요오도늄 헥사플루오로안티모네이트(예, 사토머 컴퍼니에서 시판하는 SarCat^TM SR 1012)과 이들의 혼합물을 들 수 있다.

유용한 클로로메틸화된 트리아진은 미국 특허 제3,779,778호(Smith 등)의 8열, 45-50행에 기재된 것들을 들 수 있으며, 여기에는 2,4-비스(트리클로로메틸)-6-메틸-s-트리아진, 2,4,6-트리스(트리클로로메틸)-s-트리아진이 포함되며, 보다 바람직한 것은 미국 특허 제3,987,037호 및 제3,954,475호(Bonham 등)에 개시된 발색단 치환된 비닐할로메틸-s-트리아진이다.

유용한 디아조늄염으로는 미국 특허 제4,394,433호(Gatzke)에 개시된 것들을 들 수 있으며, 이는 외부 디아조늄기(-N⁺=N) 및 이와 결합된 음이온(예, 클로라이드, 트리-이소프로필 나프탈렌 설포네이트, 테트라플루오로보레이트 및 비스(퍼플루오로알킬설포닐)메타이드)를 갖는 감광성 방향족 부분(예, 피롤리딘, 모르폴린, 아닐린 및 디페닐 아민)을 포함한다. 유용한 디아조늄 양이온의 예로는 1-디아조-4-아닐리노벤젠, N-(4-디아조-2,4-디메톡시 페닐)피롤리딘, 1-디아조-2,4-디에톡시-4-모르폴리노 벤젠, 1-디아조-4-벤조일 아미노-2,5-디에톡시 벤젠, 4-디아조-2,5-디부톡시 페닐 모르폴리노, 4-디아조-1-디메틸 아닐린, 1-디아조-N,N-디메틸아닐린, 1-디아조-4-N-메틸-N-히드록시에틸 아닐린 등이 있다.

유용한 설포늄염에는 미국 특허 제4,250,053호(Smith)의 1열 66행에서 4열 2 행에 기재된 하기 화학식으로 표시될 수 있는 것이 포함된다.

상기 식에서, R₁, R₂ 및 R₃은 탄소 원자수가 약 4∼약 20인 방향족 기(예, 치환된 또는 비치환된 페닐, 나프틸, 티에닐 및 푸라닐, 이때 치환은 알콕시, 알킬티오, 아릴티오, 할로겐 등과 같은 기로 이루어질 수 있음) 및 탄소 원자수가 1∼약 20인 알킬기 중에서 각각 독립적으로 선택된다. 본 명세서에서 사용된 "알킬"이란 치환된 알킬(예, 할로겐, 히드록시, 알콕시 또는 아릴 등의 기로 치환된 것)을 포함한다. R₁, R₂ 및 R₃ 중 하나 이상은 방향족이며, 바람직하게는 각각 독립적으로 방향족이다. Z는 공유 결합, 산소, 황, -S(=O)-, -C(=O)-, -(O=)S(=O)- 및 -N(R)-[R은 아릴(탄소 원자수가 약 6∼약 20인 것, 예컨대 페닐), 아실(탄소 원자수가 약 2∼약 20인 것, 예컨대 아세틸, 벤조일 등), 탄소-탄소 결합, 또는 -(R₄)C(-R₅)-(R₄ 및 R₅는 수소, 탄소 원자수가 1∼약 4인 알킬기, 탄소 원자수가 약 2∼약 4인 알케닐기로 이루어진 군에서 독립적으로 선택됨)임]로 이루어진 군에서 선택된다. X^-는 하기하는 것과 같은 음이온이다.

설포늄염(및 임의의 다른 유형의 전자 수용체 화합물)에 적합한 음이온 X^-는 각종 음이온 유형, 예컨대 이미드, 메타이드, 보론 중심, 인 중심, 안티몬 중심, 비소 중심 및 알루미늄 중심 음이온을 포함한다.

적합한 이미드 및 메타이드 음이온의 비제한적인 예는 다음을 포함한다.

이러한 유형의 바람직한 음이온은 화학식 (R_fSO₂)₃C^-[R_f는 탄소 원자수 1∼약 4의 퍼플루오로알킬 라디칼임]로 표시되는 화합물을 포함한다.

적합한 보론 중심 음이온의 비제한적인 예는 다음을 포함한다.

바람직한 보론 중심 음이온은 일반적으로 보론에 결합된 3개 이상의 할로겐으로 치환된 방향족 탄화수소 라디칼을 포함하며, 플루오르가 가장 바람직한 할로겐이다. 바람직한 음이온의 비제한적인 예로는 (3,5-비스(CF₃)C₆H₃)₄B^-, (C₆F₅)₄B^-, (C₆F₅)₃(n-C₄H₉)B^-, (C₆F ₅)₃FB^- 및 (C₆F₅)₃(CH₃)B ^- 등이 있다.

기타의 금속 또는 반금속 중심을 포함하는 적합한 음이온의 예로는 (3,5-비스(CF₃)C₆H₃)₄Al^-, (C₆F₅)₄Al^-, (C₆F₅)₂F₄P^-, (C₆F₅)F₅P^-, F₆P^-, (C₆F₅)F₅Sb^-, F₆Sb^-, (HO)F₅SB^- 및 F₆As^- 등이 있다. 상기한 예들은 일부만을 제시한 것으로서, 다른 유용한 보론 중심 비친핵성 염과 다른 금속 또는 반금속을 함유하는 기타 유용한 음이온들도 상기 화학식으로부터 당업자는 쉽게 알 수 있을 것이다.

음이온 X^-는 테트라플루오로보레이트, 헥사플루오로포스페이트, 헥사플루오로아르세네이트, 헥사플루오로안티모네이트 및 히드록시펜타플루오로안티모네이트(예컨대, 에폭시 수지와 같은 양이온 반응종과 함께 사용하는 경우) 중에서 선택하는 것이 바람직하다.

적합한 설포늄염 전자 수용체 화합물의 예로는

트리페닐설포늄 테트라플루오로보레이트,

메틸디페닐설포늄 테트라플루오로보레이트,

디메틸페닐설포늄 헥사플루오로포스페이트,

트리페닐설포늄 헥사플루오로포스페이트,

트리페닐설포늄 헥사플루오로안티모네이트,

디페닐나프틸설포늄 헥사플루오로아르세네이트,

트리톨릴설포늄 헥사플루오로포스페이트,

아니실디페닐설포늄 헥사플루오로안티모네이트,

4-부톡시페닐디페닐설포늄 테트라플루오로보레이트,

4-클로로페닐디페닐설포늄 헥사플루오로포스페이트,

트리(4-페녹시페닐)설포늄 헥사플루오로포스페이트,

디(4-에톡시페닐)메틸설포늄 헥사플루오로아르세네이트,

4-아세토닐페닐디페닐설포늄 테트라플루오로보레이트,

4-티오메톡시페닐디페닐설포늄 헥사플루오로포스페이트,

디(메톡시설포닐페닐)메틸설포늄 헥사플루오로안티모네이트,

디(니트로페닐)페닐설포늄 헥사플루오로안티모네이트,

디(카르보메톡시페닐)메틸설포늄 헥사플루오로포스페이트,

4-아세트아미도페닐디페닐설포늄 테트라플루오로보레이트,

디메틸나프틸설포늄 헥사플루오로포스페이트,

트리플루오로메틸디페닐설포늄 테트라플루오로보레이트,

p-(페닐티오페닐)디페닐설포늄 헥사플루오로안티모네이트,

10-메틸페노크산티이늄 헥사플루오로포스페이트,

5-메틸티안트레늄 헥사플루오로포스페이트,

10-페닐-9,9-디메틸티오크산테늄 헥사플루오로포스페이트,

10-페닐-9-옥소티오크산테늄 테트라플루오로보레이트,

5-메틸-10-옥소티안트레늄 테트라플루오로보레이트,

5-메틸-10,10-디옥소티안트레늄 헥사플루오로포스페이트를 들 수 있다.

바람직한 설포늄염으로는 트리아릴 치환된 염, 예컨대 트리아릴설포늄 헥사플루오로안티모네이트(예, 사토머 컴퍼니에서 시판하는 SarCat^TM SR1010), 트리아릴설포늄 헥사플루오로포스페이트(예, 사토머 컴퍼니에서 시판하는 SarCat^TM SR1011), 및 트리아릴설포늄 헥사플루오로포스페이트(예, 사토머 컴퍼니에서 시판하는 SarCat^TM KI85) 등이 있다.

유용한 아지늄염으로는 미국 특허 제4,859,572호(Farid 등)의 8열 51행에서 9열 46행에 기재된 것들을 들 수 있으며, 여기에는 아지늄 부분, 예컨대 피리디늄, 디아지늄, 또는 트리아지늄 부분이 포함된다. 아지늄 부분은 아지늄 고리와 융합된 1개 이상의 방향족 고리, 통상적으로 탄소환 방향족 고리(예, 퀴놀리늄, 이소퀴놀리늄, 벤조디아지늄 및 나프토디아조늄 부분)를 포함할 수 있다. 아지늄 고리 내의 질소 원자의 4차화 치환기는 감광제의 전자 여기 상태로부터 아지늄 전자 수용체 화합물로 전자가 전달되면 자유 라디칼로서 해리될 수 있다. 바람직한 일 형태에서 4차화 치환기는 옥시 치환기이다. 아지늄 부분의 고리 질소 원자를 4차화시키는 옥시 치환기 -O-T는 합성이 용이한 각종 옥시 치환기 중에서 선택할 수 있다. T 부분은, 예컨대 메틸, 에틸, 부틸 등과 같은 알킬 라디칼일 수 있다. 알킬 라디칼은 치환될 수 있다. 예컨대 아랄킬(예, 벤질 및 펜에틸) 및 설포알킬(예, 설포메틸) 라디칼이 유용할 수 있다. 또 다른 형태에서 T는 아실 라디칼, 예컨대 -OC(O)-T¹ 라디칼[T¹은 전술한 각종 알킬 및 아랄킬 라디칼 중 임의의 것일 수 있음]일 수 있다. 또한, T¹은 아릴 라디칼, 예컨대 페닐 또는 나프틸일 수 있다. 아릴 라디칼 역시 치환될 수 있다. 예컨대 T¹은 톨릴 또는 크실릴 라디칼일 수 있다. T는 일반적으로 1∼18개의 탄소 원자를 함유하며, 전술한 각 경우 알킬 부분은 저급 알킬 부분인 것 이 바람직하고, 각 경우 아릴 부분은 약 6∼약 10개의 탄소 원자를 함유하는 것이 바람직하다. 옥시 치환기 -O-T-가 1개 또는 2개의 탄소 원자를 함유하는 경우 가장 높은 활성도가 실현되었다. 아지늄 핵은 4차화 치환기 외의 다른 치환기를 포함할 필요가 없다. 그러나, 다른 치환기의 존재가 이들 전자 수용체 화합물의 활성에 불리한 영향을 주지는 않는다.

유용한 트리아릴이미다졸릴 이량체로는 미국 특허 제4,963,471호(Trout 등)의 8열, 18-28행에 기재된 것들을 들 수 있다. 이러한 이량체의 예로는 2-(o-클로로페닐)-4,5-비스(m-메톡시페닐)-1,1'-비이미다졸; 2,2'-비스(o-클로로페닐)-4,4',5,5'-테트라페닐-1,1'-비이미다졸; 및 2,5-비스(o-클로로페닐)-4-[3,4-디메톡시페닐]-1,1'-비이미다졸 등이 있다.

바람직한 전자 수용체 화합물은 요오도늄염(보다 바람직하게는 아릴요오도늄염), 클로로메틸화된 트리아진, 트리아릴이미다졸릴 이량체(보다 바람직하게는 2,4,5-트리페닐이미다졸릴 이량체), 설포늄염 및 디아조늄염을 포함한다. 보다 바람직한 것은 아릴요오도늄염, 클로로메틸화된 트리아진 및 2,4,5-트리페닐이미다졸릴 이량체(아릴요오도늄염 및 트리아진이 가장 바람직함]이다.

광반응성 조성물의 제조

반응종, 다광자 감광제, 전자 공여체 화합물 및 전자 수용체 화합물은 전술한 방법 또는 당업계에 공지된 기타 방법에 의해 제조할 수 있으며, 다수는 시판된다. 이들 성분들은 임의의 조합 순서 및 방식을 이용하여 "안전한 광(safe light)" 조건 하에(경우에 따라 교반 또는 진탕시키면서) 배합하지만, 종종 (저장 수명 및 열 안정성 관점에서) 전자 수용체 화합물을 마지막에 첨가하는 것이 바람직하다(그리고 이후에 다른 성분들의 용해를 촉진하기 위해 경우에 따라 임의의 가열 단계를 이용한다). 필요에 따라 용매를 사용할 수 있으며, 단 용매는 조성물의 성분들과 현저하게 반응하지 않도록 선택되어야 한다. 적합한 용매의 예로는 아세톤, 디클로로메탄 및 아세토니트릴 등이 있다. 반응종 그 자체는 종종 다른 성분들에 대한 용매로서 작용할 수도 있다.

광개시제 시스템의 3 가지 성분들은 (상기한 바와 같은) 광화학적 유효량으로 존재한다. 일반적으로, 조성물은 고체 총 중량(즉, 용매 외의 다른 성분들의 총 중량)을 기준으로 하여 1종 이상의 반응종을 약 5 중량% 이상(바람직하게는 약 10 중량% 이상, 보다 바람직하게는 약 20 중량% 이상) 약 99.79 중량% 이하(바람직하게는 약 95 중량% 이하, 보다 바람직하게는 약 80 중량% 이하); 1종 이상의 감광제를 0.01 중량% 이상(바람직하게는 약 0.1 중량% 이상, 보다 바람직하게는 약 0.2 중량% 이상) 약 10 중량% 이하(바람직하게는 약 5 중량% 이하, 보다 바람직하게는 약 2 중량% 이하); 경우에 따라 1종 이상의 전자 공여체 화합물을 약 10 중량% 이하(바람직하게는 약 5 중량% 이하)(바람직하게는 약 0.1 중량% 이상, 보다 바람직하게는 약 0.1∼약 5 중량%); 그리고 1종 이상의 전자 수용체 화합물을 약 0.1∼약 10 중량%(바람직하게는 약 0.1∼약 5 중량%) 포함할 수 있다.

원하는 특성에 따라서 광반응성 조성물에 각종 보조제를 포함시킬 수 있다. 적합한 보조제로는 용매, 희석제, 수지, 결합제, 가소제, 안료, 염료, 무기 또는 유기 보강 또는 증량 충전제(바람직한 양은 조성물의 총 중량을 기준으로 약 10∼90 중량%), 요변성제, 반응지시약, 억제제, 안정화제, 자외선 흡수제, 약제(예, 다공성 불화물), 강화제, 연마 그래뉼, 광 안정화제, 항산화제, 유동제, 성형제, 평연제, 착색제, 발포제, 살진균제, 살균제, 계면활성제, 유리 및 세라믹 비이드, 보강재, 예컨대 유기 및 무기 섬유의 제직 및 부직 웹 등이 있다. 이러한 보조제의 양과 종류 및 조성물에 첨가하는 방식은 당업자에게 주지된 사항이다.

예컨대 점도를 조절하고 막 형성 특성을 제공하기 위해 조성물에 비반응성 중합체 결합제를 포함시키는 것은 본 발명의 범위에 속하는 것이다. 이러한 중합체 결합제는 일반적으로 반응종과 상용성이 되도록 선택할 수 있다. 예컨대, 반응종에 대해 사용되는 것과 동일한 용매에 가용성이고 반응종의 반응 과정에 불리한 영향을 줄 수 있는 작용기가 없는 중합체 결합제를 사용할 수 있다. 결합제는 목적하는 막 형성 특성과 용액 유동성을 얻기에 적절한 분자량을 지닐 수 있다(예컨대, 분자량이 약 5,000∼1,000,000 달톤, 바람직하게는 약 10,000∼500,000 달톤, 보다 바람직하게는 약 15,000∼250,000 달톤). 적합한 중합체 결합제의 예로는 폴리스티렌, 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리(스티렌)-코-(아크릴로니트릴), 셀룰로스 아세테이트 부티레이트 등이 있다.

노광 전에, 형성된 광반응성 조성물을, 예컨대 기판 위에 성형 또는 코팅하거나, 원하는 3차원 형상에 가까운 예비성형된 공극으로 도입 또는 주입하거나, 또는 그러한 형상에 가까운 형태로 패턴-코팅할 수 있다.

노광 및 제거

단광자 흡수와 입사 방사선 강도의 비례 함수는 1차인 반면, 2광자 흡수와의 비례 함수는 2차이다(입사광 강도가 더 크면 비례 함수의 차수가 더 커진다). 결과적으로, 3차원 공간 분해능으로 다광자 프로세스를 수행하는 것이 가능하다. 또한, 다광자 프로세스는 2개 이상의 광자의 동시 흡수와 관련이 있기 때문에, 각 광자는 개별적으로는 발색단을 여기시키기에 불충분한 에너지를 보유하지만 흡수 발색단은 총 에너지가 다광자 흡수 피크의 에너지와 동일한 다수의 광자에 의해 여기된다. 여기 광은 경화성 매트릭스 또는 재료 내에서 단광자 흡수에 의해 약화되지 않기 때문에, 재료 내의 해당 깊이에 초점을 맞춘 빔을 사용함으로써 단광자 여기를 통해 일어날 수 있는 것보다 재료 내의 더 깊은 위치에서 분자들을 선택적으로 여기시키는 것이 가능하다.

다광자 흡수 유도를 위한 유용한 노광 시스템은 하나 이상의 광원(통상 펄스 레이저) 및 하나 이상의 광학 부재를 포함한다. 적합한 광원의 예로는 아르곤 이온 레이저(예, 코히어런트 인노바)에 의해 펌핑되는 10^-15초 적외선 부근의 티탄 사파이어 진동자(예, Coherent Mira Optima 900-F)가 있다. 이 레이저는 76 MHz에서 작동하며 펄스 폭이 200 x 10^-15초 미만이며, 700∼980 nm에서 조율이 가능하고 평균 전력이 1.4 와트 이하이다. 그러나, 실제로 (광반응성 조성물에 사용되는) 감광제에 대해 적절한 파장에서 (다광자 흡수를 일으키기에) 충분한 강도를 제공하는 모든 광원을 이용할 수 있다. (이러한 파장은 일반적으로 약 300∼약 1500 nm, 바람직하게는 약 600∼약 1100 nm, 보다 바람직하게는 약 750∼약 850 nm 범위에 속할 수 있다. 피크 강도는 일반적으로 약 10⁶ W/cm² 이상일 수 있다. 펄스 영향력의 상한선은 일반적으로 광반응성 조성물의 융제 역치에 의해 결정된다). 예를 들어 Q-스위치 Nd:YAG 레이저(예, Spectra-Physics Quanta-Ray PRO), 가시광선 파장 색소 레이저(예, Spectra-Physics Quanta-Ray PRO에 의해 펌핑된 Spectra-Physics Sirah), 및 Q-스위치 다이오드 펌핑 레이저(예, Spectra-Physics FCbar^TM) 역시 이용될 수 있다. 바람직한 광원은 펄스 길이가 약 10^-8초 미만(보다 바람직하게는 약 10^-9초 미만, 가장 바람직하게는 약 10^-11초 미만)인 적외선 부근에서 펄스된 레이저이다. 상기한 세부적인 피크 강도 및 펄스 영향력 기준이 충족된다면 다른 펄스 길이를 이용할 수도 있다.

본 발명의 방법을 수행하는 데 유용한 광학 부재는 굴절 광학 부재(예, 렌즈 및 프리즘), 반사 광학 부재(예, 재귀반사경 또는 초점반사경), 회절 광학 부재(예, 회절격자, 상 마스크 및 홀로그램), 편광 광학 부재(예, 선형 편광자 및 파장판), 확산기, 포켈 셀(Pockels cell), 도파관, 파장판, 복굴절 액정 등이 있다. 이러한 광학 부재는 초점 조절, 빔 전달, 빔/모드 형상화, 펄스 형상화 및 펄스 타이밍에 유용하다. 일반적으로, 광학 부재의 조합을 이용할 수 있으며, 다른 적절한 조합도 당업자가 알 수 있을 것이다. 고초점의 빛을 제공하기 위해 다수의 유효 구경이 있는 광학 부재를 사용하는 것이 종종 바람직할 수 있다. 그러나, 원하는 강도 프로필(및 이의 공간적 배치)을 제공하는 어떠한 광학 부재 조합도 이용할 수 있다. 예를 들어 노광 시스템은 0.75 NA 대물렌즈(Zeiss 20X Fluar)가 장착된 주사 공초점 현미경(BioRad MRC600)을 포함할 수 있다.

일반적으로, 광반응성 조성물의 노광은 조성물 내에 광 강도의 3차원 공간적 분포를 제어하기 위한 수단으로서의 광학 시스템을 함께 사용하여 (전술한 바와 같은) 광원을 이용하여 수행할 수 있다. 예를 들어 펄스된 레이저로부터 나온 빛은 초점이 조성물의 체적 내에 존재하도록 초점 렌즈를 통과할 수 있다. 초점을 원하는 형상에 해당하는 3차원 패턴으로 주사하거나 변형하여 원하는 형상의 3차원 상을 형성할 수 있다. 조성물의 노광 또는 조명된 체적은 조성물 그 자체를 이동시키거나 광원을 이동시켜서(예컨대 갈보경을 사용하여 레이저 빔을 이동시켜서) 주사할 수 있다.

노광 시간은 일반적으로 상 형성을 유도하는 데 사용되는 노광 시스템의 유형(및 부수적인 변수, 예컨대 유효 구경의 수, 광 강도 공간 분포의 형태, 레이저 펄스 지속 중의 피크 광 강도[더 큰 강도 및 더 짧은 펄스 지속은 피크 광 강도와 대체로 일치한다]) 뿐 아니라 노광된 조성물의 성질(및 감광제의 농도, 전자 수용체 화합물의 농도 및 전자 공여체 화합물의 농도)에 따라 달라진다. 일반적으로, 초점 영역에서의 더 높은 피크 광 강도는 노광 시간을 더 짧게 하며 그외의 모든 것들은 동일하다. 선형의 상 형성 또는 "기록(writing)" 속도는 레이저 펄스 지속 시간 약 10^-8∼10^-15초(바람직하게는 약 10^-11∼10^-14초) 및 약 10²∼10⁹ 펄스/초(바람직하게는 약 10³∼10⁸ 펄스/초)를 이용하면 대체로 약 5∼100,000 마이크론/초가 될 수 있다.

빛이, 예컨대 반응종의 반응을 유도하여 반응종과는 다른 용해도 특성을 지닌 물질을 생성할 경우, 형성된 상 또는 구조는, 예컨대 적합한 용매(예, 유기 용매 또는 수성 염기)를 사용함으로써, 또는 당업계에 공지된 다른 수단을 이용하여 노광 또는 비노광된 영역을 제거함으로써 전개시킬 수 있다. 가용화된 물질의 제거(또는 경화성인 반응종을 사용할 경우, 비경화된 물질의 제거)는, 예컨대 차등 압력을 이용하여 실시할 수 있다[예컨대 구조의 유입구 또는 유출구 상에 진공을 걸거나, 또는 유입구 또는 유출구 또는 둘 다에서 (액체 또는 기체를 이용하여) 압력을 가함으로써]. 가용화된 또는 비경화된 물질의 점도는 일반적으로 유용한 차등 압력(예컨대, 1 기압 내지 수기압)하에 유동할 수 있도록 충분히 낮을 수 있다. (점도는 특정 반응종의 선택, 전개 용매의 사용, 또는 온도 조건의 선택 등에 의해 조절할 수 있다). 가용화된 또는 비경화된 물질을 제거한 후에 필요하다면 형성된 물품을 세척하여 임의의 잔류 물질을 제거할 수 있다. 이러한 방식으로 경화된 복잡한 평면 또는 3차원의 미세유체 물품을 제조할 수 있다.

바람직한 방법

중합체 매트릭스 내에 봉입된 미세유체 처리 아키텍쳐를 제조하기 위한 바람직한 방법은 (a) (1) 열가소성 결합제, (2) 경화성 종(바람직하게는 첨가중합에 의해 중합될 수 있는 것), 및 (3) 2개 이상의 광자의 동시 흡수시에 경화성 종의 경화를 개시할 수 있는 광개시제 시스템을 포함하는, 다광자 흡수를 유발하기에 충분한 빛에 노광시키면 중합체 매트릭스를 형성할 수 있는 광경화성 조성물을 제공하는 단계; (b) 광개시제 시스템이 2개 이상의 광자를 흡수할 수 있도록 하기에 충분한 빛으로 광경화성 조성물의 적어도 일부분을 상 형성 방식으로 노광시킴으로써 광경화성 조성물의 적어도 일부분을 경화시켜서, 미세유체 처리 아키텍쳐, 하나 이상의 유입구, 및 하나 이상의 유출구를 한정하는 3차원 패턴을 갖는 중합체 매트릭스를 형성하는 단계로서, 미세유체 처리 아키텍쳐를 한정하는 상기 중합체 매트릭스의 모든 벽 또는 부분들은 다광자 흡수에 의해 형성되는 것인 단계; 및 (c) 비경화 광경화성 조성물을 제거하여 미세유체 처리 아키텍쳐에 해당하는 공극을 형성하는 단계를 포함한다. 중합체 매트릭스는 얇은 시이트 또는 필름 형태보다는 3차원 구조의 형태[예, 단일체(monolith)]인 것이 좋다.

중합체 매트릭스 내에 봉입된 내부 용적 부재를 갖는 미세유체 처리 아키텍쳐를 제조하기 위한 제2의 바람직한 방법은 (a) 중합체 매트릭스를 제공하는 단계; (b) 2개 이상의 광자의 동시 흡수를 유발하고 중합체 매트릭스의 적어도 일부분이 제거될 수 있도록 하기에 충분한 빛에 중합체 매트릭스의 적어도 일부분을 노광시켜서, 하나 이상의 유입구 및 하나 이상의 유출구와 유체 소통이 가능한 미세유체 처리 아키텍쳐의 내부 용적 부재에 해당하는 3차원 패턴을 형성하는 단계; 및 (c) 중합체 매트릭스의 제거 가능한 부분을 제거하여 미세유체 처리 아키텍쳐의 내부 용적 부재에 해당하는 공극을 형성하는 단계를 포함한다. 중합체 매트릭스는 2개 이상의 광자를 동시에 흡수하면 유리 산을 생성할 수 있는 광개시제 시스템과, 산에 민감한 결합기를 가진 중합체를 포함하는 것이 바람직하다. 중합체 매트릭스는 3차원 구조의 형태인 것이 바람직하다. 제거 가능한 부분은 빛에 노광되면 유동화될 수 있거나(즉, 기체나 액체로 전환될 수 있거나), 또는 용매에 가용성이 되어서 제거 가능한 부분을 용매에 용해시키면 제거될 수 있다. 적어도 부분적 유동화를 나타낼 수 있는 조성물은, 예컨대 미국 특허 제3,779,778호의 2-7열에 기재되어 있는 산 불안정 기 함유 수불용성 유기 화합물과 같은 가용화성 양성 포토레지스트 물질을 포함한다.

중합체 매트릭스 내에 봉입된 한정된 용적을 갖는 미세유체 처리 아키텍쳐를 제조하기 위한 제3의 바람직한 방법은 (a) 에너지에 노출되면 중합체 매트릭스를 형성할 수 있고 다광자 광억제제의 존재 하에 2개 이상의 광자를 동시에 흡수하도록 하기에 충분한 빛에 노광시키면 비경화성으로 될 수 있는 경화성 조성물을 제공하는 단계; (b) 광억제제가 2개 이상의 광자를 흡수하도록 하기에 충분한 빛에 경화성 조성물의 적어도 일부분을 노광시킴으로써, 경화성 조성물의 적어도 일부분을 비경화성으로 만들고 하나 이상의 유입구 및 하나 이상의 유출구와 유체 소통이 가능한 미세유체 처리 아키텍쳐의 용적을 한정하는 3차원 패턴을 형성하는 단계; (c) 조성물을 경화시키기에 충분한 에너지에 경화성 조성물을 노광시켜서 중합체 매트릭스를 형성하는 단계; 및 (d) 조성물의 비경화성 부분을 제거하여 미세유체 처리 아키텍쳐에 해당하는 공극을 형성하는 단계를 포함한다. 경화성 조성물은 열가소성 결합제, 경화성 종(바람직하게는 첨가 중합에 의해 중합될 수 있는 것), 경화성 종의 중합을 일으킬 수 있는 광개시제 시스템 및 다광자 광억제제(바람직하게는 광개시제 시스템을 불활성화시키는 화학종)를 포함하는 것이 바람직하다. 중합체 매트릭스는 3차원 구조의 형태로 존재하는 것이 바람직하다.

상기 3 가지의 바람직한 방법은 플루오레세인의 것보다 2광자 흡수 단면적이 더 큰 (즉, 3',6'-디히드록시스피로[이소벤조푸란-1(3H),9'-[9H]크산텐]3-온의 흡수 단면적보다 더 큰) 바람직한 감광제를 포함하는 광개시제 시스템을 이용하는 것이 바람직하다. 일반적으로 바람직한 단면적은 C.Xu 및 W.W. Webb의 문헌[J. Opt. Soc. Am. B, 13, 481(1996); Marder 및 Perry 등의 국제 특허 공개 WO 98/21521호의 85쪽 18-22행에서 참고로 인용됨]에 기재된 방법에 의해 측정시 약 50 x 10^-50 cm⁴ 초/광자 이상일 수 있다.

미세유체 물품

본 발명의 방법은 다양한 미세유체 처리 아키텍쳐를 구비한 미세유체 물품을 제조하는 데 이용될 수 있다. 예를 들어 도 1 및 2는 본 발명의 방법에 의해 제조된 미세유체 물품의 간단한 구체예(10)를 도시하고 있다. 이 구체예는 유입구(30), 제1 유출구(40), 제2 유출구(50) 및 유입구와 유출구와 유체 소통이 가능한 부분이 있고, 그 이외의 부분은 중합체 매트릭스 내에 완전히 봉입되어 있는 미세유체 처리 아키텍쳐(60)를 한정하는 이음매 없는 중합체 매트릭스(20)를 포함한다. 후술하는 바와 같이 더 복잡한 미세유체 물품을 제조할 수도 있다. 미세유체 물품은, 예컨대 모세관 어레이 전기영동, 역학적 억제 분석, 경쟁 면역분석, 효소 분석, 핵산 하이브리드화 분석, 세포 분류, 조합 화학 및 전기크로마토그래피를 비롯한 다수의 기능을 수행하도록 제조될 수 있다.

본 발명의 방법은 미세유체 물품의 이음매 없는 1 이상의 중합체 부분을 제조하는 데 이용될 수 있다. 이러한 경우, 다른 통상적인 방법(예컨대, 커버 플레이트를 사용하여 봉입시키는 것을 포함하는 방법)을 나머지 부분(예컨대, 이음매가 없어야 한다는 점이 덜 중요한 부분들)의 제조에 이용할 수 있다. 이 방법은 특정 용도를 위해 물품 전체에 대해 이음매가 없어야 할 경우 이음매 없는 중합체 미세유체 물품을 전체를 제조하는 데 이용될 수도 있다.

바람직한 미세유체 물품은 하나 이상의 유입구 및 하나 이상의 유출구와 유체로 소통되는 3차원 중합체 구조 내에 보유된 미세유체 처리 아키텍쳐를 포함한다. 미세유체 처리 아키텍쳐는 구조에 커버 플레이트를 부착 또는 융합시킬 필요없이 본 발명의 방법에 의해 형성된 중합체 구조의 벽에 의해 모든 측면 상에서 한정된다. 미세유체 처리 아키텍쳐는 구조 내의 일정 깊이에 통로 또는 미세채널이 거의 평면으로 배열되도록 디자인될 수 있다. 대안으로 본 발명의 아키텍쳐는 서로 다른 구조를 함께 부착 또는 융합시킬 필요없이 구조 내의 다양한 깊이에 배열될 수 있는 거의 평면인 유체 취급 통로 또는 미세채널의 다수의 층을 포함할 수 있다. 이러한 다수의 층들은 구조 내의 한 면에서 다른 면으로 횡단하는 추가의 미세유체 채널에 의해 서로 유체 소통이 가능하다. 경우에 따라 이 구조는 추가 형상, 예컨대 정밀전자 부재, 정밀광학 부재 및/또는 정밀기계 부재(아래에서 추가 설명함)을 포함하여 디자인 융통성을 발휘할 수 있다.

본 발명의 방법은 높은 종횡비 및 다양한 종횡비 형상을 갖는 미세유체 처리 아키텍쳐의 제조를 가능하게 한다. 이 방법은 또 개선된 속도 및 분해능을 나타내는 물품을 제공한다. 예를 들어 미세채널의 깊이는 일정한 미세채널 폭을 유지하면서 다양하게 변화시킬 수 있다. 이러한 미세채널은 압전기 무밸브 확산기 마이크로펌프를 위한 수직으로 좁아지는 유입 확산기와 유출 확산기를 구성하는 데 이용될 수 있거나, 또는 동전기 구역 제어 또는 동전기 포커싱을 제공하는 데 이용될 수 있다. 유사하게, 높은 종횡비의 미세채널의 폭은 일정한 깊이에서 점점 좁아질 수 있다. 형성된 구조는 동전기 구역 제어를 제공하는 데에도 유용하다.

일정한 단면적 또는 일정한 단면 둘레 길이를 제공하도록 미세채널의 깊이와 폭을 둘 다 감소시키는 것도 가능하다. 단면적 또는 둘레를 일정하게 함으로써, 형성된 구조는 주로 전기영동 흐름 또는 전기삼투압 흐름을 위한 채널의 길이 전체에 걸쳐 일정한 전압 구배를 얻을 수 있어서 분해능을 잃지 않고 단일 분자 검출을 위한 광학적 범위를 제공하게 된다. 이러한 구조는 또한 동전기 분해능을 상실하지 않고 낮은 종횡비와 높은 종횡비 구조(예, 높은 종횡비의 주입 티(tee), 낮은 종횡비의 프로브의 캡쳐 구역, 마이크로웰 반응기, 또는 압전기 구동 부재) 사이의 전환을 제공하는 데 유용하다.

깊이가 서로 다른 두개의 교차하는 미세채널을 제조하는 것도 가능하다. 또한 이러한 형상은 소수성 기판에서 미세유체 스위치를 형성하는 데 이용될 수 있다. 깊이 차이로 인해 비교적 얕은 미세채널의 한 쪽 아암에 있는 유체는 완충액이 비교적 더 깊은 미세채널로 유입되어 교차점에 가교를 형성하지 않는다면 교차점을 통과하지 못할 것이다. 다양한 깊이의 형상은 면역분석 또는 핵산 분석에서 프로브 캡쳐 비이드는 가두면서, 동시에 리포터 시약과 유체 샘플은 자유롭게 흐를 수 있게 하는 포스트 어레이를 제조하는 데 유용하다.

시약, 생물학적 프로브, 생화합성 코팅 등을 구조의 다양한 영역에 선택적으로 배치하는 것도 가능하다.

바람직한 미세유체 물품은 하나 이상의 정밀전자 부재, 정밀광학 부재 및/또는 정밀기계 부재를 추가로 포함한다. 정밀전자 부재의 예로는 전도성 트레이스, 전극, 전극 패드, 마이크로히팅 부재, 정전기 구동 펌프 및 밸브, 정밀전자기계 시스템(MEMS) 등이 있다. 정밀광학 부재의 예로는 광학 도파관, 도파관 검출기, 반사성 부재(예, 프리즘), 빔 스플리터, 렌즈 부재, 고체 상태 광원 및 검출기 등이 있다. 정밀기계 부재의 예로는 필터, 밸브, 펌프, 기압 및 유압 라우팅 등이 있다.

이러한 정밀부재는 다양한 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어 미세유체 처리 아키텍쳐의 특정 지점에서 유체와 접촉하는 정밀전자 부재는 고도의 제어로 아키텍쳐를 통해 유체를 동전기로 구동시키도록 디자인될 수 있다. 이러한 정밀전자 부재는 동전기 주입, 모세관 전기영동 및 등전점 포커싱 등의 조작 뿐만 아니라, 모세관 어레이 전기영동 및 조합 화학과 같은 용도를 위해 정확한 양의 시약을 하나 이상의 샘플 취급 영역에 전달하는 것과 같은 더 복잡한 조작을 가능하게 한다.

유체와 접촉하지 않는 정밀부재를 디자인하는 것도 가능하다. 예를 들어 정밀전자 부재를 중합체 구조 내에 위치하지만 미세유체 처리 아키텍쳐에 가까이 위치하도록 디자인하여 이들이 미세유체 처리 아키텍쳐 전체에 걸쳐 상이한 온도 구역을 확립하거나 유체 샘플을 가열 및 냉각시키는 데 이용되도록 할 수 있다. 이러한 구역은 또 PCR(즉, 폴리머라제 연쇄 반응), 핵산 증폭 및 조합 화학 실험과 같은 용도에 요구되는 열 사이클링을 보조하는 데 이용될 수 있다. 또한, 정밀전자 부재를 미세유체 처리 아키텍쳐에 가까이 위치하도록 디자인하여 미세유체 분리 시스템에서 분석물을 검출하는 데 유용한 AC(교류) 임피던스 변화를 검출하는 안테나를 형성할 수 있다.

본 발명의 목적 및 이점이 하기의 실시예에 의해서 추가로 예시되지만, 이들 실시예에 인용된 구체적인 재료 및 양과 기타 조건 및 세부사항이 본 발명을 부당하게 한정하는 것으로 해석해서는 안된다.

N-{4-[(1E,3E)-4-(2,5-비스(데실옥시)-4-{(1E,3E)-4-[4-(디부틸아미노)페닐]부타-1,3-디에닐}페닐)부타-1,3-디에닐]페닐}-N,N-디부틸아민(감광제)의 제조

N,N-디부틸아미노-신나모일알데히드의 합성:

문헌[Chemical and Pharmaceutical Bulletin, 1984, 32 (5), 1770-1779]에 개시된 절차에 따라서 제조한 4-브로모-N,N-디부틸아닐린(10.18 g, 35.8 mmol)을 500 ㎖ 둥근 바닥 플라스크에 투입하였다. 눈금이 있는 적하 깔대기를 플라스크에 설치하고, 플라스크를 N₂로 씻어내리고, 격막으로 밀봉하였다. 테트라히드로푸란(THF, 118 g)을 도관을 통해 플라스크에 넣고 플라스크 내용물을 자기 교반한 다음 -78℃로 냉각하였다. t-부틸리튬(50 ㎖, 1.7 M)을 도관을 통해 적하 깔대기로 보내고, 10분 동안 교반된 아닐린 용액에 서서히 첨가하였다. 부틸리튬 첨가를 완료한 후에, 15분간 -78℃에서 플라스크를 교반한 다음, 가온하여 30분 동안 상온에서 교반하였다. 플라스크를 -78℃로 냉각하고, 교반하면서 3-(디메틸아미노)아크롤레인(4.0 ㎖, 39.9 mmol)을 플라스크에 적하하였다. 플라스크를 밤 새 교반하고 상온으로 가온하였다. 물(50 ㎖)을 첨가하고 용액을 잘 혼합하였다. 생성된 층들을 분리하고, 물을 Et₂O로 2회 추출하였다. 모아진 유기층을 포화된 수성 NaCl로 1회 추출하고, 무수 황산나트륨 상에서 건조하고, 여과한 다음, 마지막으로 진공에서 증발시켜 적색 오일을 얻었다. ¹H NMR 분석 결과는 이성체 혼합물의 시스/트랜스 구조와 일치하였으며, 생성물은 다음 단계에 직접 사용하기 적합하였다.

1,4-디데실옥시벤젠의 합성:

3 ℓ 둥근 바닥 플라스크에 히드로퀴논(75 g, 0.681 mol), 브로모데칸(461 g, 2.08 mol), 탄산칼륨(290 g, 2.09 mol), 및 아세토니트릴(1500 ㎖)을 투입하였다. 플라스크에는 기계적 교반기와 2개의 환류 응축기를 장착하였다. 질소 하에서 3일 동안 교반하면서 플라스크를 가열하였다. 플라스크를 상온으로 냉각하고, 물(2 ℓ)을 첨가하였다. 물과 함께 진탕시켜 생성된 고체를 분쇄하였다. 수거된 고체를 공기 건조시킨 다음 고온 헵탄(2000 ㎖)에 용해시켰다. 고온의 투명한 헵탄 용액을 CH₃0H(3 ℓ)에 첨가하여, 무색 응집체 고체를 형성하였다. 이 고체를 수거하여 공기 건조시켰으며, 이는 다음 단계에 직접 사용하기 적절하였다. ¹H NMR 결과는 제안된 구조와 일치하였다.

1,4-비스-브로모메틸-2,5-디데실옥시벤젠과 트리에틸 포스파이트의 반응:

문헌[Syper 등, Tetrahedron, 1983, 39, 781-792]에 개시된 절차에 따라서 1,4-비스-브로모메틸-2,5-디데실옥시벤젠을 제조하였으나, 단 1,4-디메톡시벤젠 대신에 1,4-디데실옥시벤젠을 사용하는 변형을 적용하였다. 1,4-비스브로모메틸-2,5-디데실옥시벤젠(253 g, 0.78 mol)을 1000 ㎖ 둥근 바닥 플라스크에 넣었다. 트리에틸 포스파이트(300 g, 2.10 mol)를 첨가하였다. 질소 대기 하에 48시간 동안 교반하면서 활발히 환류되도록 반응 혼합물을 가열하였다. 반응 혼합물을 냉각하고, Kugelrohr 장치를 사용하여 진공 하에 과량의 P(OEt)₃를 제거하였다. 목적하는 생성물은 실제로 증류되지 않았지만, Kugelrohr를 사용하여 증류시켜 생성물로부터 과량의 P(OEt)₃을 제거하였다. 0.1 mmHg에서 100℃로 가열시, 투명 오일이 생겼다. 냉각시 목적하는 생성물이 응고되었다. 이 생성물은 다음 단계에 직접 사용하기 적절하였으며, ¹H NMR 결과 제안된 구조와 일치하였다. 톨루엔으로부터의 재결정화로 무색 침상물이 생겼고, 더욱 순수한 생성물이 되었다. 그러나, 대부분의 경우 이러한 처리는 후속 단계를 위해 필요하지 않았다.

최종 생성물 합성

눈금이 있는 적하 깔대기와 자기 교반기를 1000 ㎖ 둥근 바닥 플라스크에 설치하였다. 플라스크에 상기 제조한 Horner Eamons 시약(11 g, 15.9 mmol)과 N,N-디부틸아미노-신나모일알데히드(9.4 g, 36 mmol)를 투입하였다. 플라스크를 질소로 씻어내리고 격막으로 밀봉하였다. 무수 테트라히드로푸란(THF, 500 ㎖)을 도관을 통해 플라스크에 넣고 모든 고체를 용해시켰다. 적하 깔대기에 KOtBu(40 ㎖, THF 중 1.0 M)를 투입하였다. 플라스크 내의 용액을 교반하고, 30분 동안 플라스크의 내용물에 KOtBu 용액을 첨가하였다. 용액을 상온에서 밤새 교반하였다. 이어서 H₂O(250 ㎖)를 첨가하여 반응 혼합물을 급랭시켰다. 반응 혼합물을 계속 교반한 결과, 약 30분 후에 플라스크 내에 고도의 형광성 황색 고체가 형성되었다. 여과시켜 고체를 분리하고 공기 건조하였다. 이어서 톨루엔(450 ㎖)으로부터 재결정화하였다. 목적하는 생성물을 형광성 침상물(5.75 g, 수율 47%)로서 얻었다. ¹H NMR 결과 제안된 구조와 일치하였다.

실시예 1

각 단부에 원형 웰이 있는 2개의 교차형 채널 패턴은 폴리이미드(미국 델라웨어주 윌밍톤에 소재하는 듀퐁의 Kapton^TM)에서의 레이저 삭마로 제조된다. 니켈에서의 전기성형으로 이 패턴을 복제하여 융기부가 있는 금속 스탬퍼를 형성한다. 이 스탬퍼를 사용하여 폴리카보네이트판(미국 매사츄세츠주 피츠필드에 소재하는 GE 플라스틱의 Lexan^TM)을 엠보싱처리하여 교차형 채널을 형성한다. 광학 현미경으로 사다리꼴 교차부를 갖는 이들 채널을 조사하면 깊이가 50 마이크론이고, 저부에서의 폭이 55 마이크론이며 상부에서의 폭이 79 마이크론인 것으로 나타난다. 교차 아암은 길이가 16, 8, 4 및 8 mm이고, 각 아암에서의 웰은 직경이 약 5 mm이다. 교차형 채널의 패턴을 #375 박스 밀봉 테이프(Kraton^TM 고무계 접착제와 폴리프로필렌 백킹을 포함함; 미국 미네소타주 세인트폴 소재의 3엠에서 시판함) 층으로 피복한다.

유체액 형태의 광반응성 조성물은, 0.5%의 N-{4-[(1E,3E)-4-(2,5-비스(데실옥시)-4-{(1E,3E)-4-[4-(디부틸아미노)페닐]부타-1,3-디에닐}페닐)부타-1,3-디에닐]페닐}-N,N-디부틸아민(전술한 바와 같이 제조), 2% 테트라부틸암모늄 n-헥실-트리스(3-플루오로페닐)보레이트(시바 스페셜티 케미칼스 코포레이션에서 CGI 437 및 CGI 746으로 시판함), 및 2% 디아릴요오도늄 헥사플루오로안티모네이트(예컨대 사토머 컴퍼니에서 시판하는 SarCat^TM SR 1012)를 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트 2부와 테트라히드로푸르푸릴 아크릴레이트 1부(SR 351 및 SR 285, 각각 사토머 컴퍼니에서 시판함)의 혼합물 중에서 혼합하여 제조한다. 이 조성물 소량을 더 긴쪽 아암의 한 단부에 있는 웰에 가하면, 모세관 작용에 의해 아암의 길이를 채운다. 생성된 샘플을 유리 슬라이드 위에 놓고 컴퓨터 제어형 정밀대에 둔다. 80 MHz와 약 100 fs의 펄스 폭에서 작동하는 스펙트라-피직스 인코포레이티드의 MaiTai^TM 모델 Ti:사파이어 레이저를 결합시킨 2광자 현미경을 사용하여 노광을 실시한다. 사용된 파장은 800 nm이고, 전력은 20 mW이며, NA=0.85인 대물 렌즈(60X)를 통해 빛을 집속한다. 경화되어 하부층, 벽면 및 상부층을 형성하도록 조성물의 일부분을 노광시키는 방식으로 대를 이동시킨다. 노광 후에, 채널의 한 쪽 단부에서 기압을 약하게 가하여, 비경화 조성물을 다른 쪽 단부로 방출함으로써 비경화 조성물을 제거한다. 이소프로판올을 안으로 넣고 기압으로 이를 방출시키는 방법으로 형성된 빈 채널을 2회 세정한다. 그 결과 모든 면이 경화된 중합체 조성물로 라이닝된 관(이음매 없는 중합체 매트릭스를 포함하는 미세유체 물품)이 형성된다. 이 관은 공칭 직경(현미경으로 측정)이 약 20 마이크론이다.

실시예 2

본 실시예는 폴리메틸메타크릴레이트 중합체 호스트 내에 캡슐화된 2개의 직교 채널을 특징으로 하는 미세유체 물품의 제조에 관해 개시한다. 이러한 구조는 전기영동 분리 실시에 유용하다.

디옥산 용제 중의 30% w/w 중합체 결합제(폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)) (120K, 미국 위스콘신주 밀워키에 소재하는 알드리치 케미칼 컴퍼니), 69.9% w/w 반응성 단량체 및 0.1% w/w 염료 1,4-비스(비스(디부틸아미노)스티릴)-2,5-디메톡시벤젠(국제 특허 출원 WO 98/21521호(Marder 및 Perry)의 실시예 62에 개시된 바와 같이 제조할 수 있음)으로 구성된 고체 샘플에서 3차원 미세가공을 실시한다. 단량체 부분은 50% Sartomer SR9008^TM(트리메틸올프로판 폴리(에톡시)트리아크릴레이트)와 50% SR368^TM(이소시아네이트 트리아크릴레이트)로서, 모두 펜실베니아주 엑스톤에 소재하는 사토머 코포레이션에서 시판한다. 적절한 점도를 얻기 위해서 PMMA 농도가 200 ㎎/㎖가 되도록 이 조성물 용액을 디옥산 중에서 제조한다. 폭 5 cm, 길이 7 cm 및 깊이 3 mm의 PMMA 주형에 습윤 두께가 약 2 mm가 되도록 용액을 넣는다. 건조 막 두께 500 ㎛가 남도록 디옥산을 증발시킨다.

75 MHz와 펄스 폭 약 150 fs에서 작동하는 Ti:사파이어 레이저를 결합시킨 2광자 현미경을 사용하여 노광을 실시한다. 사용된 파장은 730 nm이고, NA=1.4인 오일 침지 대물 렌즈를 사용하여 빛을 집속한다. 현미경대에 장착된 컴퓨터 제어형 조작기를 사용하여 샘플의 X-Y-Z 제어를 실시한다. 필름의 바닥에서부터 시작하여 상방으로 필름의 연속 깊이에서 X-Y면으로 현미경의 초점을 래스터 주사한다. 0∼200 ㎛ 범위의 깊이에서, 전체 X-Y면에 조사한다. 200∼250 ㎛ 깊이에서는 미세유체 채널이 필요한 영역을 제외한 X-Y면에 조사한다. 250 ㎛∼상부 표면의 깊이에서는 2개 채널의 말단(전부 4개의 원) 위의 중앙에 있는 500 ㎛ 직경의 저장소를 제외한 전체 X-Y면에 조사한다.

채널과 저장소가 필요한 영역을 제외하고 형성된 물품을 경화시킨다. 본 실시예에서, 2개의 교차 채널은 깊이가 50 ㎛이고 폭이 50 ㎛이다. 한 채널은 길이가 28.5 mm이고, 다른 채널은 길이가 9 mm이다. 이 단계에서, 채널은 완전히 캡슐화되고 비경화 재료로 충전된다. 채널을 통해 유체를 이동시키는 차등 압력을 이용하여 디메틸포름아미드(DMF)로 세척하여 채널과 저장소 내의 물질을 제거한다. 공기로 채워지거나 또는 발색 지시제 수용액으로 채워진 채널에 대해 광학 현미경 검사로 특징을 규명한다.

실시예 3

중합체 결합제(PMMA)를 사용하지 않은 것(그리고 이에 따라 조성물의 기타 성분량을 조정한 것) 외에는 실시예 2를 반복한다.

본 명세서에 인용된 특허, 특허 문헌 및 공개 문헌의 전체 개시물은, 각각이 개별적으로 포함되는 것 처럼 그 전문을 참고로 인용한다. 본 발명의 범위 및 취지를 벗어나지 않는 본 발명의 각종 변형예 및 변화예는 당업자에게는 자명할 것이다. 본 발명은 본 명세서에 개시된 예시적 구체예와 실시예에 의해 부당하게 한정되지 않으며, 이러한 실시예 및 구체예들은 예로서만 제시된 것으로서 본 발명의 범위는 하기에 개시된 청구범위에 의해서만 한정됨을 이해해야 한다.

Claims

미세유체 물품을 제조하는 방법으로서,

(a) (1) 중합체 또는 중합체 전구체로서, 산 또는 라디칼에 의해 개시되는 화학 반응을 수행할 수 있는 반응종 1종 이상과,

(2) (i) 2개 이상의 광자를 동시에 흡수할 수 있는 다광자 감광제 1종 이상, 및 (ii) 상기 감광제의 전자 여기 상태로부터 전자를 수용하는 것에 의해 감광될 수 있어 그 결과 1종 이상의 자유 라디칼 및/또는 산을 형성하는 전자 수용체 화합물 1종 이상을 광화학적 유효량으로 포함하는 다광자 광개시제 시스템 1종 이상

을 포함하는 광반응성 조성물을 제조하는 단계;

(b) 2개 이상의 광자의 동시 흡수를 유발하기에 충분한 빛에 상기 조성물의 일부분을 노광시킴으로써, 상기 조성물의 노광 및 비노광 부분을 형성하고 상기 노광 부분 내에 산 또는 라디칼에 의해 개시되는 1 이상의 화학 반응을 유도하는 단계; 및

(c) 상기 조성물의 노광 또는 비노광 부분을 제거하여, 하나 이상의 유입구, 하나 이상의 유출구, 및 상기 유입구 및 상기 유출구와 유체 소통이 가능한 부분이 있고 그 이외의 부분은 중합체 매트릭스 내에 완전히 봉입되어 있는 미세유체 처리 아키텍쳐(microfluid processing architecture)를 한정하는, 이음매 없는 중합체 매트릭스를 포함하는 미세유체 물품을 형성하는 단계

를 포함하는 방법.
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미세유체 물품을 제조하는 방법으로서,

(a) (1) 중합체 전구체로서, 라디칼 또는 산에 의해 개시되는 화학 반응을 수행할 수 있는 반응종 1종 이상과,

(2) (i) 로다민 B, 및 (ii) 요오도늄염 1종 이상을 광화학적 유효량으로 포함하는 다광자 광개시제 시스템 1종 이상

을 포함하는 광반응성 조성물을 제조하는 단계,

(b) 2개 이상의 광자의 동시 흡수를 유발하기에 충분한 빛에 상기 조성물의 일부분을 노광시킴으로써, 상기 조성물의 노광 및 비노광 부분을 형성하고 상기 노광 부분 내에 라디칼에 의해 개시되는 1 이상의 화학 반응을 유도하는 단계; 및

(c) 상기 조성물의 노광 또는 비노광 부분을 제거하여, 하나 이상의 유입구, 하나 이상의 유출구, 및 상기 유입구 및 상기 유출구와 유체 소통이 가능한 부분이 있고 그 이외의 부분은 중합체 매트릭스 내에 완전히 봉입되어 있는 미세유체 처리 아키텍쳐를 한정하는, 이음매 없는 중합체 매트릭스를 포함하는 미세유체 물품을 형성하는 단계

를 포함하는 방법.
중합체 매트릭스 내에 봉입된 미세유체 처리 아키텍쳐를 제조하는 방법으로서,

(a) (1) 열가소성 결합제, (2) 경화성 종, 및 (3) 2개 이상의 광자를 동시에 흡수하면 경화성 종의 경화를 개시할 수 있고 플루오레세인의 것보다 2광자 흡수 단면적이 더 큰 감광제 1종 이상을 포함하는 광개시제 시스템을 포함하는, 다광자 흡수를 유발하기에 충분한 빛에 노광되면 중합체 매트릭스를 형성할 수 있는 광경화성 조성물을 제공하는 단계;

(b) 상기 광개시제 시스템이 2개 이상의 광자를 흡수할 수 있도록 하기에 충분한 빛으로 상기 광경화성 조성물의 적어도 일부분을 상 형성 방식으로 노광시킴으로써 상기 광경화성 조성물의 적어도 일부분을 경화시켜, 미세유체 처리 아키텍쳐, 하나 이상의 유입구 및 하나 이상의 유출구를 한정하는 3차원 패턴을 갖는 중합체 매트릭스를 형성하는 단계로서, 상기 미세유체 처리 아키텍쳐를 한정하는 상기 중합체 매트릭스의 모든 벽은 상기 다광자 흡수에 의해 형성되는 것인 단계; 및

(c) 비경화 광경화성 조성물을 제거하여 상기 미세유체 처리 아키텍쳐에 해당하는 공극을 형성하는 단계

를 포함하는 방법.
중합체 매트릭스 내에 봉입된 내부 용적 부재를 갖는 미세유체 처리 아키텍쳐를 제조하는 방법으로서,

(a) 중합체 매트릭스를 제공하는 단계;

(b) 2개 이상의 광자의 동시 흡수를 유발하고 상기 중합체 매트릭스의 적어도 일부분이 제거될 수 있도록 하기에 충분한 빛에 상기 중합체 매트릭스의 적어도 일부분을 노광시켜서, 하나 이상의 유입구 및 하나 이상의 유출구와 유체 소통이 가능한 미세유체 처리 아키텍쳐의 내부 용적 부재에 해당하는 3차원 패턴을 형성하는 단계; 및

(c) 상기 중합체 매트릭스의 제거 가능한 부분을 제거하여 상기 미세유체 처리 아키텍쳐의 내부 용적 부재에 해당하는 공극을 형성하는 단계

를 포함하는 방법.
중합체 매트릭스 내에 봉입된 한정된 용적을 갖는 미세유체 처리 아키텍쳐를 제조하는 방법으로서,

(a) 에너지에 노출되면 중합체 매트릭스를 형성할 수 있고, 다광자 광억제제의 존재 하에 2개 이상의 광자의 동시 흡수를 유발하기에 충분한 빛에 노광되면 비경화성으로 될 수 있는 경화성 조성물을 제공하는 단계;

(b) 광개시제가 2개 이상의 광자의 흡수를 유발하기에 충분한 빛에 상기 경화성 조성물의 적어도 일부분을 노광시킴으로써, 상기 경화성 조성물의 적어도 일부분을 비경화성으로 만들고 하나 이상의 유입구 및 하나 이상의 유출구와 유체 소통이 가능한 미세유체 처리 아키텍쳐의 용적을 한정하는 3차원 패턴을 형성하는 단계;

(c) 조성물을 경화시키기에 충분한 에너지에 상기 경화성 조성물을 노출시켜서 중합체 매트릭스를 형성하는 단계; 및

(d) 상기 조성물의 비경화성 부분을 제거하여 상기 미세유체 처리 아키텍쳐에 해당하는 공극을 형성하는 단계

를 포함하는 방법.
제1항, 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 미세유체 물품.
제1항에 있어서, 단계 (a)의 광반응성 조성물의 다광자 광개시제 시스템이 상기 다광제 감광제와는 다르고 상기 감광제의 전자 여기 상태에 전자를 공여할 수 있는 전자 공여체 화합물 1종 이상을 더 포함하는 방법.
제3항에 있어서, 단계 (a)의 광반응성 조성물의 다광자 광개시제 시스템이 알킬아릴보레이트염 1종 이상을 더 포함하는 방법.
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