KR100968490B1

KR100968490B1 - 미세구조물 운반 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR100968490B1
Application number: KR1020080075190A
Authority: KR
Inventors: 권성훈; 박욱; 박현성
Original assignee: 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2010-07-07
Also published as: KR20100013593A

Abstract

내부에 유체가 흐르는 유체관, 및 상기 유체관의 내부에 위치하는 미세구조물을 구비하는 미세구조물 운반 시스템에 있어서, 상기 유체관은 홈 형태의 레일을 구비한다. 상기 미세구조물은 상기 레일을 따라 이동한다. 상기 미세구조물은 돌기 형태의 가이드를 구비한다. 상기 가이드는 상기 미세구조물이 상기 레일을 벗어나지 않도록 한다. 상기 가이드의 일단은 쐐기 형태을 가진다. 상기 쐐기의 첨단은 상기 가이드의 중심에 위치하지 아니하고, 상기 레일의 양 측면들 중 어느 하나의 방향으로 치우친다.

Description

미세구조물 운반 방법 및 시스템{method and system for transporting fine structure}

본 개시(disclosure)는 대체로 미세구조물 운반 방법 및 시스템에 관한 것이다.

마이크로미터 또는 나노미터 크기의 미세구조물들(fine structures such as microstructures and nanostructures)은 광재료(photonic materials), MEMS(micro-electromechanical systems), 생체재료(biomaterials) 및 자기-조립(self-assembly) 등 많은 응용분야를 가진다. 최근에, 이러한 미세구조물들을 생성하는 기술로서 연속흐름 리소그래피(continuous-flow lithography) 기술이 제안되었다(D. Dendukuri, D. Pregibon, J. Collins, T. Hatton, P. Doyle. "Continuous-flow lithography for highthroughput microparticle synthesis." Nature materials, vol. 5, pp. 365-369, 2006; 미국 공개 번호 제2007/0105972호, Microstructure synthesis by flow lithography and polymerization). 연속흐름 리소그래피 기술은 마이크로 유체관(micorfluidic channel) 내부에 광경화성 액체(photocurable liquid)를 흐르게 하고, 광경화성 액체에 소정 모양의 광을 노출 하여 광경화성 액체를 선택적으로 경화시킴으로써, 여러 종류의 자유로이 움직이는(free-floating) 마이크로구조물들을 연속적으로 생산하는 기술이다. 연속흐름 리소그래피 기술을 사용하면 다양한 형태, 크기 및 화학 조성의 마이크로 구조물들이 보다 빠르고 쉽게 생성될 수 있다.

그러나, 상기 선행 문헌에 제안된 연속흐름 리소그래피 기술은, 제작된 마이크로구조물의 위치를 제어하기 어렵다는 문제점이 있다. 보다 구체적으로, 상기 논문에 제안된 연속흐름 리소그래피 기술에 있어서, 마이크로구조물의 마이크로유체관과 평행한 방향의 위치는 유체의 흐름에 의하여 제어될 수 있으나, 마이크로구조물의 마이크로유체관과 직각 방향의 위치는 제어될 수 없다.

일 실시 예에 따르면, 내부에 유체가 흐르는 유체관, 및 상기 유체관의 내부에 위치하는 미세구조물을 구비하는 미세구조물 운반 시스템이 개시된다. 상기 유체관은 홈 형태의 레일을 구비한다. 상기 미세구조물은 상기 레일을 따라 이동한다. 상기 미세구조물은 돌기 형태의 가이드를 구비한다. 상기 가이드는 상기 미세구조물이 상기 레일을 벗어나지 않도록 한다. 상기 가이드의 일단은 쐐기 형태을 가진다. 상기 쐐기의 첨단은 상기 가이드의 중심에 위치하지 아니하고, 상기 레일의 양 측면들 중 어느 하나의 방향으로 치우친다.

또 일 실시 예에 따르면, 유체관의 내부에 위치한 미세구조물을 운반하는 방법이 개시된다. 상기 유체관은 홈 형태의 레일을 구비하며, 상기 레일은 분기점에 연결된 제1 분지, 제2 분지 및 제3 분지를 구비한다. 상기 미세구조물은 돌기 형태의 가이드를 구비하며, 상기 가이드는 상기 미세구조물이 상기 레일을 벗어나지 않도록 한다. 유체관의 내부에 위치한 미세구조물을 운반하는 방법으로, 먼저 상기 미세구조물을 상기 제1 분지를 따라 상기 분기점으로 이동시킨다. 그 후, 상기 제2 분지 및 상기 제3 분지 중에서 상기 가이드의 상기 분기점 방향의 일단의 형태에 따라 선택된 어느 하나의 분지를 따라, 상기 미세구조물을 이동시킨다.

또 일 실시 예에 따르면, 돌기 형태의 가이드를 구비하는 미세구조물이 개시된다. 상기 가이드의 일단은 쐐기 형태을 가진다. 상기 쐐기의 첨단은 상기 가이드의 중심에 위치하지 아니하고, 상기 가이드의 양 측면들 중 어느 하나의 방향으로 치우친다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 개시의 실시 예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 본 개시의 기술은 여기서 설명되어지는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 개시의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면에서 여러 층(또는 막), 영역 및 형상을 명확하게 표현하기 위하여 구조물들의 폭, 두께 또는 형상을 확대하여 나타내었다. 도면은 관찰자의 시점에서 설명되었고, 층, 막, 영역 등의 부분이 다른 부분 “상부에 또는 위에”있다고 표현된 경우에는, “바로 상부에 또는 바로 위에”있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.

도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 미세구조물 운반 시스템(system for transporting fine structure)을 설명하기 위한 도면으로서, 도 1의 (a)는 유체관(fluidic channel, 110)의 사시도이고, 도 1의 (b)는 미세구조물(fine structure, 120)의 사시도이고, 도 1의 (c)는 미세구조물 운반 시스템의 평면도이다. 도 1을 참조하면, 미세구조물 운반 시스템은 유체관(110) 및 미세구조물(120)을 구비한다.

유체관(110)의 내부에는 유체(130)가 흐른다. 유체(130)는 예로서 광경화성 유체일 수 있다. 이 경우, 유체(130)에 소정 모양의 빛을 제공하여, 유체(130)를 경화시킴으로써, 미세구조물(120)을 생성할 수 있다. 유체(130)는 광경화성 유체 이외의 유체 일례로 물일 수 있다. 이 경우, 유체(130)는 미세구조물(120)의 운반에 사용될 수 있으며, 미세구조물(120)의 제조에는 사용될 수 없다.

유체관(110)은 홈 형태의 레일(140)을 구비한다. 도면에는 단면이 사각형인 레일(140)이 도시되어 있으나, 이에 한정되지 아니한다. 예로서, 레일(140)의 단면은 삼각형 또는 반원일 수 있다. 레일(140)은 제1 분지(first branch, 142), 제2 분지(144) 및 제3 분지(146)를 구비한다. 제1 내지 제3 분지들(142, 144, 146)은 분기점(diverging point, 148)에 연결되어, Y자 모양을 가진다.

유체관(110)의 외피(170)는 다양한 물질을 사용하여 구현될 수 있다. 외피(170)은 예로서 PDMS(poly-dimethyl siloxane)를 구비할 수 있다. 또한 외피(170)은 예로서 유리를 구비할 수 있다.

미세구조물(120)은 유체관(110)의 내부에 위치한다. 미세구조물(120)은 예로서 유체(130)의 광경화에 의하여 형성될 수 있다. 미세구조물(120)은 돌기 형태의 가이드(150)을 구비한다. 가이드(150)는 미세구조물(120)이 레일(140)에서 벗어나지 않도록 하는 역활을 수행한다. 따라서, 미세구조물(120)은 레일(140)을 따라 이동하게 된다. 도면에는 단면이 사각형인 가이드(150)가 도시되어 있으나, 이에 한정되지 아니한다. 예로서, 가이드(150)의 단면은 삼각형 또는 반원일 수 있다.

가이드(150)의 일단은 쐐기(160) 형태를 가진다. 쐐기(160)의 첨단(162)은 가이드(150)의 중심(152)에 위치하지 아니하고, 가이드(150)의 양 측면들(154, 156) 중 어느 하나의 방향에 치우치게 위치한다. 쐐기(160)는 예로서 가이드(150) 의 양 측면(154, 156)을 연결하는 빗면(164)을 가진다.

쐐기(160)의 첨단(162)이 치우친 방향에 따라, 분기점(148)에서 다다른 미세구조물(120)이 어느 분지로 이동될 지가 결정된다. 도면에 표현된 예의 경우, 쐐기(160)의 첨단(162)이 제1 측면(154) 방향 즉 제2 분지(144) 방향에 치우치게 위치하므로, 제1 분지(142)를 따라 분기점(148)에 다다른 미세구조물(120)은 제2 분지(144)로 이동된다.

도 2는 도 1에 표현된 미세구조물 운반 장치를 사용한 미세구조물 운반 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도면에서 스케일 바(scale bar, 210)의 길이는 75μm이다.

도 2의 (a)를 참조하면, 미세구조물(120)을 제1 분지(142)를 따라 분기점(148)으로 이동시킨다. 도면에서 유체(130)은 유체관(110)을 따라 좌측에서 우측으로 흐른다.

도 2의 (b)를 참조하면, 미세구조물(120)이 분기점(148)에 다다름에 따라, 제2 분지(144) 및 제3 분지(146) 중에서 가이드(150)의 분기점(148) 방향의 일단의 형태에 따라 어느 하나의 분지가 선택된다. 예로서, 가이드(150)의 일단이 쐐기 형태를 가지며, 쐐기의 첨단(162)이 가이드(150)의 중심에 위치하지 아니하고, 가이드(150)의 양 측면들(154, 156) 중 어느 하나의 방향으로 치우칠 수 있다. 분기점(148)에 다다른 가이드(150)의 상기 일단은 제2 분지(144) 및 제3 분지(146)로 나뉘는 삼각형 모양의 레일 측면과 충돌하게 된다. 이때, 첨단(162)이 삽입되는 방 향에 따라 미세구조물(120)의 진행 방향이 결정된다. 도면에 표현된 예의 경우, 첨단(162)이 가이드(150)의 양 측면들(154, 156) 중 제1 측면(154) 방향 즉 제2 분지(144) 방향으로 치우쳐 있으므로, 제2 분지(144) 방향이 미세구조물(120)의 진행 방향으로 결정된다. 예로서, 쐐기(160)는 가이드(150)의 양 측면들(154, 156)을 연결하는 빗면(164)을 가진다.

도 2의 (c) 및 (d)를 참조하면, 미세구조물(120)이 선택된 분지(144)를 따라 이동한다.

도 3은 도 1에 표현된 미세구조물 운반 장치를 사용한 미세구조물 운반 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 추가적인 미세구조물(310)이 있는 경우의 도면이다. 도 3의 (a)는 미세구조물들(120, 310)이 분기점(148)을 통과하기 이전의 상태를 나타내는 도면이고, 도 3의 (b)는 미세구조물들(120, 310)이 분기점(148)을 통과한 이후의 상태를 나타내는 도면이다.

도 3의 (a)를 참조하면, 미세구조물들(120, 310)이 제1 분지(142)에 위치한다. 미세구조물(120)의 가이드(150)의 첨단(162)는 제2 분지(144) 방향으로 치우쳐 있다. 또한, 추가적인 미세구조물(310)의 가이드(312)의 첨단(314)는 제3 분지(146) 방향으로 치우쳐 있다.

도 3의 (b)를 참조하면, 제2 분지(144) 방향으로 치우친 첨단(162)를 가지는 미세구조물(120)은 제2 분지(144)로 이동된다. 또한, 제3 분지(146) 방향으로 치우친 첨단(314)를 가지는 미세구조물들(310)은 제3 분지(146)로 이동된다. 이와 같은 방식에 의하여 분기점(148)에서의 미세구조물들(120, 310)의 진행방향이 제어될 수 있다.

도 4는 도 1 내지 3에 표현된 미세구조물(120)을 형성하는 방법의 일례를 설명하기 위한 도면이다. 도 4의 (a)는 광경화성 유체(410)가 흐르는 유체관(420)을 나타내는 도면이며, 도 4의 (b)는 상기 유체관(420)에 제공되는 빛의 모양(430)을 나타내는 도면이며, 도 4의 (c)는 유체관(420)에 제공된 빛에 의하여 유체관(420) 내부에 형성된 미세구조물(120)을 나타내는 도면이다.

도 4의 (a)를 참조하면, 유체관(420)의 내부에는 광경화성 유체(410)가 흐른다. 광경화성 유체(410)는 일례로 PEG-DA(Polyethyleneglycol-Diacrylate)일 수 있다. 유체관(420)은 도 1에 표현된 유체관(도 1의 도면부호 110)과 동일한 유체관일 수도 있으며, 다른 별개의 유체관일 수도 있다. 유체관(420)이 도 1에 표현된 유체관(도 1의 도면부호 110)과 다른 별개의 유체관일 경우에는, 유체관(420)에서 생성된 미세구조물(120)이 도 1에 표현된 유체관(도 1의 도면부호 110)에 전달될 수 있도록, 유체관(420)은 도 1에 표현된 유체관(도 1의 도면부호 110)과 연결된다. 유체관(420)은 홈 형태의 레일(440)을 구비한다. 도면에는 단면이 사각형인 레일(440)이 도시되어 있으나, 이에 한정되지 아니한다. 유체관(420)의 외피(450)는 다양한 물질을 사용하여 구현될 수 있다. 외피(450) 중 적어도 1면은 광 투과성일 수 있다. 도면에는 외피(450) 중 적어도 아랫면이 광 투과성인 예가 표현되어 있다. 외피(450) 주변의 광경화성 유체(410)의 경화를 막기 위하여, 외피(450)는 일 례로 산소투과성 물질(일례: PDMS (Polydimethysiloxane))을 사용하여 제작될 수 있다.

도 4의 (b)를 참조하면, 유체관(420)에 제공되는 빛은 미세구조물(120)에 대응하는 모양(430)을 가진다. 빛은 일례로 자외선일 수 있다.

도 4의 (c)를 참조하면, 유체관(420)에 제공된 빛에 의하여 유체관(420) 내부에 도면과 같은 미세구조물(120)이 형성된다.

도 5는 도 4에 표현된 유체관(420)의 제조 공정을 나타내는 도면이다. 도 5를 참조하면, 먼저 실리콘 기판(510)을 준비한다 (도 5의 (a)). 그 후, 실리콘 기판(510) 위에 포토레지스트(photoresist, 520)를 코팅한다 (도 5의 (b)). 포토레지스트(520)는 일례로 SU-8 포토레지스트일 수 있다. 그 후, 포토레지스트(520)를 패터닝 (patterning) 하여 주 채널 층(main channel layer, 520)을 형성한다 (도 5의 (c), (d)). 포토레지스트의 패터닝은 포토마스크(530)를 정렬하고 노출 (exposure) 을 수행하는 단계 (도 5의 (c)) 및 현상 (development) 하는 단계 (도 5의 (d)) 를 구비한다. 그 후, 실리콘 기판(510) 및 주 채널 층(520) 위에 추가적인 포토레지스트(520`)를 코팅한다 (도 5의 (e)). 그 후, 추가적인 포토레지스트(520`)를 패터닝하여 레일 층(520`)을 형성한다 (도 5의 (f), (g)). 추가적인 포토레지스트(520`)의 패터닝에는 추가적인 포토마스크(530`)가 사용된다. 그 후, 주 채널 층(520)과 레일 층(520`)이 형성된 실리콘 기판(510)을 알루미늄 용기(550)에 담고, 경화되지 아니한 열경화성 중합체 (일례로 경화되지 아니한 PDMS(540))를 실리콘 기판(510) 위에 붓는다 (도 5의 (h)). 그 후, 경화되지 아니한 PDMS(540)를 경화된 PDMS(560)로 변환시킨다 (도 5의 (i)). PDMS의 경화를 위하여 알루미늄 용기(550)를 150℃의 핫플레이트 (hot plate) 에 10분간 또는 적당한 시간 올려놓는다. 도 5의 (a) 내지 (i)에 표현된 2 층 (2 layers) 몰드 제작 공정에 의하여 경화된 PDMS(560)가 얻어진다.

상기 공정 (도 5의 (a) 내지 (i)에 표현된 공정) 과 별개로 PDMS(570)가 코팅된 유리 기판(580)을 준비한다 (도 5의 (j)). 그 후, 도 5의 (a) 내지 (i)에 표현된 공정으로 얻어진 경화된 PDMS(560)를 유기 기판(580)에 코팅된 PDMS(570)와 결합시켜, 레일(440)을 구비한 유체관(420)을 형성한다(도 5의 (k)). PDMS(560, 570) 및 유리 기판(580)이 유체관의 외피(450)를 구성한다.

도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 미세구조물 운반 시스템(system for transporting fine structure)을 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 도 1에 표현된 미세구조물 운반 장치를 사용한 미세구조물 운반 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 3은 도 1에 표현된 미세구조물 운반 장치를 사용한 미세구조물 운반 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 추가적인 미세구조물(310)이 있는 경우의 도면이다.

도 4는 도 1 내지 3에 표현된 미세구조물(120)을 형성하는 방법의 일례를 설명하기 위한 도면이다.

도 5는 도 4에 표현된 유체관(420)의 제조 공정을 나타내는 도면이다.

Claims

내부에 유체가 흐르는 유체관; 및 상기 유체관의 내부에 위치하는 미세구조물을 구비하는 미세구조물 운반 시스템에 있어서,

상기 유체관은 홈 형태의 레일-상기 미세구조물은 상기 레일을 따라 이동함-을 구비하며,

상기 미세구조물은 돌기 형태의 가이드-상기 가이드는 상기 미세구조물이 상기 레일을 벗어나지 않도록 함-를 구비하며,

상기 가이드의 일단은 쐐기 형태을 가지며,

상기 쐐기의 첨단은 상기 가이드의 중심에 위치하지 아니하고, 상기 레일의 양 측면들 중 어느 하나의 방향으로 치우친 미세구조물 운반 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 쐐기는 상기 가이드의 상기 양 측면을 연결하는 빗변을 가지는 미세구조물 운반 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 레일은 제1 분지, 제2 분지 및 제3 분지를 가지며,

상기 제1 내지 제3 분지들은 분기점에 연결되어 Y자 모양을 가지는 미세구조물 운반 시스템.
제3 항에 있어서,

상기 제1 분지를 따라 상기 분기점으로 이동한 상기 미세구조물은 상기 첨단이 치우친 상기 어느 하나의 방향에 따라 상기 제2 분지 및 상기 제3 분지 중 어느 하나의 분지로 이동하는 미세구조물 운반 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 미세구조물은 상기 레일을 구비한 상기 유체관 내에서 상기 유체의 광경화에 의하여 형성된 미세구조물 운반 시스템.
유체관-상기 유체관은 홈 형태의 레일을 구비하며, 상기 레일은 분기점에 연결된 제1 분지, 제2 분지 및 제3 분지를 구비함-의 내부에 위치한 미세구조물-상기 미세구조물은 돌기 형태의 가이드를 구비하며, 상기 가이드는 상기 미세구조물이 상기 레일을 벗어나지 않도록 함-을 운반하는 방법에 있어서,

(a) 상기 미세구조물을 상기 제1 분지를 따라 상기 분기점으로 이동시키는 단계; 및

(b) 상기 제2 분지 및 상기 제3 분지 중에서 상기 가이드의 상기 분기점 방향의 일단의 형태에 따라 선택된 어느 하나의 분지를 따라, 상기 미세구조물을 이동시키는 단계

를 구비하는 방법.
제6 항에 있어서,

(c) 상기 (a) 단계 이전에 수행되며, 상기 유체관의 내부에 흐르는 유체를 경화시킴으로써 상기 미세구조물을 형성하는 단계를 더 구비하는 방법.
제7 항에 있어서,

상기 (c) 단계는 광경화성의 상기 유체에 상기 미세구조물에 대응하는 모양의 빛을 조사하는 방식으로 수행되는 방법.
제6 항에 있어서,

상기 가이드의 상기 일단은 쐐기 형태을 가지며,

상기 쐐기의 첨단은 상기 가이드의 중심에 위치하지 아니하고, 상기 가이드의 양 측면들 중 어느 하나의 방향으로 치우친 방법..
제9 항에 있어서,

상기 쐐기는 상기 가이드의 상기 양 측면을 연결하는 빗변을 가지는 방법.
돌기 형태의 가이드를 구비하는 미세구조물에 있어서,

상기 가이드의 일단은 쐐기 형태을 가지며,

상기 쐐기의 첨단은 상기 가이드의 중심에 위치하지 아니하고, 상기 가이드 의 양 측면들 중 어느 하나의 방향으로 치우친 미세구조물
제11 항에 있어서,

상기 돌기 형태의 가이드는 광경화성 유체의 경화에 의하여 형성된 미세구조물.
제11 항에 있어서,

상기 쐐기는 상기 가이드의 상기 양 측면을 연결하는 빗변을 가지는 미세구조물.