KR101025904B1 - Fabrication Apparatus of Polymeric Microbeads Comprising Microfluidic Chip Increasing UV Irradiation Time and Fabrication Method of Polymeric Microbeads Using the Same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자외선 조사 시간을 늘린 미세유체 칩을 포함하는 마이크로 비드 제조장치 및 이를 이용한 고분자 마이크로 비드의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모노머 주입구(1b), 연속상 주입구(1a), 연속상과 모노머의 접합점(2a), 미세 유로(2) 및 배출구(2b)를 포함하는 미세유체 칩, 및 수조(5)를 포함하며, 상기 모노머 주입구(1b)로 주입된 모노머가 상기 연속상과 모노머의 접합점(2a)을 지나며 형성된 모노머 액적이 미세 유로(2)를 지나 배출구(2b)를 통해 배출되면서 자외선 조사수단(6)에 의해 실시간으로 완전히 경화되어 고분자 마이크로 비드가 제조되는 것을 특징으로 하는 마이크로 비드 제조장치 및 상기 마이크로 비드 제조장치를 사용한 고분자 마이크로 비드 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 마이크로 비드 제조장치는 미세유체 칩 내에서 형성된 모노머 액적에 대한 자외선 조사 시간을 늘릴 수 있는 장치로 상기 장치를 이용하면 완전히 경화된 고분자 비드를 실시간으로 제조할 수 있다.The present invention relates to a microbead manufacturing apparatus including a microfluidic chip with increased ultraviolet irradiation time and a method for producing polymer microbeads using the same, more specifically, a monomer injection port (1b), a continuous phase injection port (1a), a continuous phase And a microfluidic chip including a junction point (2a) of the monomer and a microchannel (2) and an outlet (2b), and a water tank (5), wherein the monomer injected into the monomer inlet (1b) includes the continuous phase and the monomer. The monomer droplet formed passing through the junction point (2a) of the micro-channel, characterized in that the micro-channel (2) is discharged through the outlet (2b) is completely cured in real time by the ultraviolet irradiation means 6 to produce a polymer microbead The present invention relates to a bead manufacturing apparatus and a polymer microbead manufacturing method using the microbead manufacturing apparatus. Microbead manufacturing apparatus of the present invention is a device that can increase the UV irradiation time for the monomer droplets formed in the microfluidic chip can be used to prepare a fully cured polymer beads in real time.
미세유체 칩, 광중합, 단분산, 폴리우레탄, 마이크로 비드 Microfluidic Chips, Photopolymerization, Monodispersion, Polyurethanes, Micro Beads
Description
본 발명은 자외선 조사 시간을 늘린 미세유체 칩을 포함하는 마이크로 비드 제조장치 및 이를 이용한 고분자 마이크로 비드의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미세유체 칩 내에서 형성된 모노머 액적에 대한 자외선 조사 시간을 늘릴 수 있는 마이크로 비드 제조 장치를 제작하고 상기 장치를 이용하여 완전히 경화된 고분자 비드를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a microbead manufacturing apparatus including a microfluidic chip with increased ultraviolet irradiation time and a method for producing polymer microbeads using the same, and more particularly, to increase ultraviolet irradiation time for monomer droplets formed in the microfluidic chip. A method of making a microbead manufacturing apparatus which can be used and producing a fully cured polymer beads using the apparatus.
일반적으로 마이크로 사이즈의 고분자 비드를 얻기 위해 이전에는 중합 하고자 하는 모노머와 섞이지 않는 유체를 연속상으로 사용하여 교반을 통해 모노머 액적을 형성한 후 자외선 조사나 가열 등을 통해 경화된 비드를 얻는 유화중합을 사용하였다. 하지만 이 방법으로는 입자의 사이즈가 균일한 단분산성 비드를 얻기가 힘들었다.Generally, in order to obtain micro-sized polymer beads, emulsion polymerization is performed in which a liquid droplet, which is not mixed with a monomer to be polymerized, is continuously used to form monomer droplets through stirring, and then cured beads are obtained by UV irradiation or heating. Used. This method, however, made it difficult to obtain monodisperse beads of uniform particle size.
최근 들어, 사이즈가 균일한 단분산성 고분자 비드를 얻기 위해 미세유체 칩이 이용되고 있다. 미세유체 칩에 형성된 유로를 통해 반응시키고자 하는 모노머, 그 모노머와 섞이지 않는 용액을 함께 주입해 줌으로써 구형의 모노머 액적을 형성시키고, 여기에 자외선을 조사하여 고형화된 고분자 비드를 얻는 방법이 주로 이용되었다.Recently, microfluidic chips have been used to obtain monodisperse polymer beads of uniform size. Spherical monomer droplets are formed by injecting together a monomer to be reacted with a monomer that is not mixed with the monomer through a flow path formed in the microfluidic chip, and a method of obtaining polymer beads solidified by irradiation with ultraviolet rays is mainly used. .
하지만, 미세유체 칩의 특성상 자외선의 조사 시간이 종래의 유화중합에 비해 상대적으로 짧기 때문에 긴 자외선 조사 시간을 필요로 하는 모노머를 사용할 경우, 혹은 생산속도를 높이기 위해 유체의 유속을 높일 경우에는 완전히 경화된 비드를 실시간으로 얻을 수 없었다. 어느 정도 경화된 비드를 얻은 경우라도 1차적으로 얻은 비드를 모아서 다시 2차적으로 자외선 조사를 해 주는 후 조사 공정이 필요했다. 또한, 미세유체 칩의 미세 유로 내에서 자외선 조사를 하기 때문에 미세 유로의 높이 혹은 폭보다 큰 직경을 갖는 고분자 마이크로 비드를 얻는 것이 불가능했다.However, due to the characteristics of the microfluidic chip, the irradiation time of ultraviolet rays is relatively shorter than that of conventional emulsion polymerization, so that curing is completely performed when using a monomer requiring a long ultraviolet irradiation time or increasing the flow rate of the fluid to increase the production speed. Beads could not be obtained in real time. Even if the cured beads were obtained to some extent, the irradiation process was required after collecting the beads obtained first and irradiating them again with UV. In addition, since ultraviolet irradiation is performed in the microchannel of the microfluidic chip, it is impossible to obtain polymer microbeads having a diameter larger than the height or width of the microchannel.
이에, 본 발명자들은 고분자 마이크로 비드를 연속적으로 제조하는 방법을 강구하던 중, 미세유체 칩에 수직 아래 방향으로 향하는 유체 배출구를 적용시킴으로써 상기 배출구를 통해 빠져나오는 광경화성 고분자 액적에 대한 자외선 조사 시간을 획기적으로 늘릴 수 있어 완전히 경화된 고분자 비드를 얻을 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the inventors of the present invention devised a method of continuously manufacturing the polymer microbeads, by applying a fluid outlet directed vertically downward to the microfluidic chip breakthrough UV irradiation time for the photocurable polymer droplets exiting through the outlet The present invention was completed by confirming that the polymer beads could be expanded to obtain fully cured polymer beads.
본 발명은 기존의 미세유체 칩을 이용한 고분자 마이크로 비드 제조 공정에서 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것이다. 결국, 본 발명의 목적은 미세유체 칩 내부의 유체의 유속에 제약이 없이 완전히 경화된 고분자 마이크로 비드를 실시간으로 제조할 수 있는 마이크로 비드 제조장치 및 이를 이용한 제조방법을 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above in the manufacturing process of polymer microbeads using the conventional microfluidic chip. After all, it is an object of the present invention to provide a microbead manufacturing apparatus and a manufacturing method using the same that can be produced in real time a fully cured polymer microbeads without restriction on the flow rate of the fluid inside the microfluidic chip.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 모노머 주입구(1b), 연속상 주입구(1a), 연속상과 모노머의 접합점(2a), 미세 유로(2) 및 배출구(2b)를 포함하는 미세유체 칩, 및 수조(5)를 포함하며, 상기 모노머 주입구(1b)로 주입된 모노머가 상기 연속상과 모노머의 접합점(2a)을 지나며 형성된 모노머 액적이 미세 유로(2)를 지나 배출구(2b)를 통해 배출되면서 자외선 조사수단(6)에 의해 실시간으로 완전히 경화되어 고분자 마이크로 비드가 제조되는 것을 특징으로 하는 마이크로 비드 제조장치를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a microfluidic chip including a monomer inlet (1b), a continuous phase inlet (1a), a junction point (2a) of the continuous phase and the monomer, a micro-channel (2) and outlet (2b), And a water tank (5), wherein monomer droplets formed while the monomer injected into the monomer injection port (1b) pass through the junction point (2a) of the continuous phase and the monomer are discharged through the discharge port (2b) through the micro-channel (2) While being completely cured in real time by the ultraviolet irradiation means 6 provides a microbead manufacturing apparatus characterized in that the polymer microbeads are manufactured.
또한, 본 발명은 상기 마이크로 비드 제조장치를 사용한 고분자 마이크로 비드 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a polymer microbead manufacturing method using the microbead production apparatus.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 미세유체 칩을 연속상이 담겨진 수조에 넣고 유체의 배출구를 미세유체 칩의 아래쪽에 만들어 줌으로써 미세유체 칩 내에서 생성된 모노머 액적이 배출구를 통해 아래쪽으로 배출되게 되고, 이 모노머 액적이 연속상이 담겨진 수조 내에서 중력에 의해 아래쪽으로 이동하는 동안 자외선을 조사해 완전히 경화된 고분자 마이크로 비드를 실시간으로 제조하는 것에 특징이 있다.The present invention is to put the microfluidic chip in the tank containing the continuous phase to make the outlet of the fluid to the bottom of the microfluidic chip, the monomer droplets generated in the microfluidic chip is discharged downward through the outlet, the monomer droplet is a continuous phase It is characterized by the production of fully cured polymer microbeads in real time by irradiating ultraviolet rays while moving downwards by gravity in the contained bath.
본 발명은 모노머 주입구(1b), 연속상 주입구(1a), 연속상과 모노머의 접합점(2a), 미세 유로(2) 및 배출구(2b)를 포함하는 미세유체 칩, 및 수조(5)를 포함하며, 상기 모노머 주입구(1b)로 주입된 모노머가 상기 연속상과 모노머의 접합점(2a)을 지나며 형성된 모노머 액적이 미세 유로(2)를 지나 배출구(2b)를 통해 배출되면서 자외선 조사수단(6)에 의해 실시간으로 완전히 경화되어 고분자 마이크로 비드가 제조되는 것을 특징으로 하는 마이크로 비드 제조장치를 제공한다.The present invention includes a
본 발명의 마이크로 비드 제조장치에 있어서, 상기 배출구(2b)는 자외선 조사 시간을 증가시키기 위해 수직 아래쪽으로 향해 있는 것이 바람직하고, 상기 수조(5)는 배출구(2b)를 경계로 미세유체 칩 내부와 외부의 조건을 동일하게 만들어 주기 위해 연속상(4)이 담겨진 것이 바람직하다.In the microbead manufacturing apparatus of the present invention, the
또한, 본 발명의 마이크로 비드 제조장치에 있어서, 상기 배출구(2b)를 통해 배출되는 모노머 액적이 수조(5) 바닥에 닿기까지의 시간을 증가시켜 주기 위하여, 상기 미세유체 칩 하단에 수직 아래쪽으로 향해 있는 마이크로 비드 제조장치 받 침(3)이 설치되는 것이 바람직하고, 상기 모노머 주입구(1b) 및 연속상 주입구(1a)는 각각 2개로 구성되는 것이 바람직하다.In addition, in the microbead production apparatus of the present invention, in order to increase the time until the monomer droplets discharged through the outlet (2b) to the bottom of the water tank (5), it is directed vertically downward to the bottom of the microfluidic chip It is preferable that the microbead manufacturing apparatus base 3 is provided, and the
또한, 본 발명은 상기 마이크로 비드 제조장치를 사용한 고분자 마이크로 비드 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a polymer microbead manufacturing method using the microbead production apparatus.
본 발명의 고분자 마이크로 비드 제조방법에 있어서, 상기 제조방법은 ⅰ) 모노머 주입구(1b)에 모노머를 주입하고, 연속상 주입구(1a)에 연속상을 주입하는 단계; ⅱ) 상기 모노머와 연속상이 연속상과 모노머의 접합점(2a)을 지나며 모노머 액적이 형성되는 단계; ⅲ) 상기 모노머 액적이 미세 유로(2)를 지나 배출구(2b)를 통해 배출되는 단계; 및 ⅳ) 상기 모노머 액적이 자외선 조사수단(6)에 의해 실시간으로 경화되어 마이크로 비드가 제조되는 단계를 포함하는 것이 바람직하고, 이때 상기 ⅳ) 단계의 자외선 조사는 수직 아래쪽으로 향하는 배출구(2b)로 모노머 액적이 배출될 때 자외선을 조사함으로써 실시간으로 모노머 액적을 완전히 경화시키거나, 상기 ⅳ) 단계의 자외선 조사는 배출구(2b) 아래쪽으로 모노머 액적이 이동할 때 자외선을 조사함으로써 미세 유로(2)의 높이 혹은 폭보다 더 큰 지름을 가지는 마이크로 비드를 제조하는 것이 보다 바람직하다.In the polymer microbead production method of the present invention, the method comprises the steps of: i) injecting a monomer into the monomer injection port (1b), and injecting a continuous phase into the continuous phase injection port (1a); Ii) the monomer and the continuous phase pass through the junction point (2a) of the continuous phase and the monomer to form monomer droplets; Iii) discharging the monomer droplets through the fine passage (2) and through the outlet (2b); And iii) the monomer droplets are cured in real time by the ultraviolet irradiation means 6 to produce microbeads, wherein the ultraviolet irradiation of the iii) step is directed to the
또한 본 발명의 고분자 마이크로 비드 제조방법에 있어서, 상기 각 유체의 주입구(1a, 1b)에 주입된 모노머와 연속상은 상기 모노머가 미세 유로(2)에 흡착이 되는 것을 방지하기 위해 먼저 연속상을 상기 미세유로(2)에 완전히 채운 후, 상기 모노머를 주입하는 것이 보다 바람직하고, 상기 모노머는 폴리우레탄의 전구체가 주성분인 것이 보다 바람직하며, 이때 상기 연속상은 SDS(Sodium dodecyl sulfate) 수용액이고, 상기 모노머는 아세톤에 희석된 NOA63(Norland optical adhesive 63)인 것이 가장 바람직하다.In addition, in the polymer microbead production method of the present invention, the continuous phase and the monomer injected into the inlet (1a, 1b) of the respective fluids, first to prevent the monomer is adsorbed to the fine flow path (2) It is more preferable to inject the monomer after completely filling the micro-channel 2, and the monomer is more preferably a precursor of polyurethane, the continuous phase is an aqueous solution of sodium dodecyl sulfate (SDS), the monomer Is most preferably NOA63 (Norland optical adhesive 63) diluted in acetone.
또한 본 발명의 고분자 마이크로 비드 제조방법에 있어서, 상기 각 유체의 주입구(1a, 1b)를 통해 주입되는 유체의 부피유속을 조절하여 최종적으로 얻어지는 마이크로 비드의 크기를 실시간으로 제어하는 것이 보다 바람직하다.In addition, in the polymer microbead manufacturing method of the present invention, it is more preferable to control the size of the finally obtained microbeads in real time by adjusting the volume flow rate of the fluid injected through the inlet (1a, 1b) of each fluid.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, 소프트리소그래피 공정을 통해 투명한 탄성 고분자로 만들어진 미세유체칩의 위쪽에 위치한 연속상의 주입구(1a)와 모노머의 주입구(1b)를 통해 주입된 두 유체가 연속상과 모노머의 접합점(2a)에서 만나 모노머가 구 형태의 액적을 형성하게 된다. 이렇게 형성된 모노머 액적은 연속상의 흐름에 의해 미세 유로(2)를 거쳐 이동을 하게 되고, 수직 아래 방향으로 향하고 있는 배출구(2b)를 통해 연속상(4)이 채워져 있는 수조(5)로 배출이 된다. 이때, 마이크로 비드 제조장치 받침(3)에 의해 확보된 공간을 통해 모노머 액적이 수직 아래 방향으로 이동하면서 수평방향으로의 속도가 현저히 줄어들게 되고 이는 자외선을 조사할 수 있는 충분한 시간을 제공해 준다. 따라서, 배출구(2b)를 통해 배출되는 모노머 액적은 수조(5) 바닥에 닿기 전에 자외선 조사수단(6)에 의하여 고형화되어 별도의 후 조사 공정 없이 완전히 경화된 마이크로 비드(7)가 된다.According to a feature of the present invention for achieving the object as described above, as shown in Figure 1, through the soft lithography process of the continuous injection hole (1a) and the monomer located above the microfluidic chip made of a transparent elastic polymer The two fluids injected through the
미세유체 칩(100)으로 주입되는 모노머의 부피유속이 일정량 이상으로 증가하면, 미세 유로(2) 내에 형성되는 모노머 액적이 완전한 구형이 아니라 미세 유로(2)를 꽉 막은 마개 형태가 된다. 이렇게 형성된 마개형태의 모노머 액적은 배출구를 통해 배출되게 되고, 미세 유로(2)에 비해 상대적으로 넓은 수조(5)에서 표면장력에 의해 다시 구 형태의 액적으로 형태가 바뀌게 된다. 이렇게 구 형태로 바뀐 모노머 액적이 중력에 의해 아래 방향으로 이동하며 자외선 조사 수단(5)에 의해 실시간으로 완전히 경화가 된다. 따라서 본 발명의 미세유체 칩(100)을 이용한 마이크로 비드 제조장치에 의하여 미세 유로(2)의 크기와 관계없이 미세 유로(2)의 높이 혹은 폭보다 큰 지름을 가지는 완전히 경화된 고분자 마이크로 비드도 실시간으로 제조하는 것이 가능하다.When the volume flow rate of the monomer injected into the
이를 입증하기 위하여, 본 발명자들은 마이크로 비드 제조용 미세유체 칩(100)을 제작하고, 이것을 연속상(4)이 차있는 수조(5)에 놓고 아래쪽으로 향해 있는 배출구(2b)와 수조(5) 바닥 사이에 공간을 만들어 주기 위해 유리 기판 조각으로 만들어진 마이크로 제조장치 받침(3)을 배출구(2b)와 수조(5) 사이에 위치시켜 최종적으로 마이크로 비드 제조장치를 제작하였다.To demonstrate this, the inventors fabricated the
상기 제작된 미세유체 칩(100)에 모노머와 연속상을 각각의 주입구(1a, 1b)를 통해 주입하였다. 이때, 모노머가 미세 유로(2)에 흡착이 되는 것을 방지하기 위해 먼저 연속상을 주입하고, 미세유로(2)가 완전히 연속상으로 채워진 후 모노머를 주입하였다. 상기 주입된 연속상 수용액과 모노머는 연속상과 모노머의 접합 점(2a)에서 만나게 되고, 서로 섞이지 않는 성질로 인해 구 형태의 모노머의 액적이 연속상 내에 형성된다. 이렇게 형성된 모노머 액적은 연속상의 흐름에 따라 미세 유로(2)를 통해 이동하게 되고, 수직 아래 방향으로 향하고 있는 배출구(2b)를 통해 배출된다. 배출된 모노머 액적은 연속상이 채워져 있는 공간을 통해 아래로 이동하게 되는데 이때, 수평방향으로의 속도가 현저히 줄어들었기 때문에 자외선을 조사하여 모노머 액적이 수조(5)의 바닥에 닿기 전에 완전히 경화된 폴리우레탄 마이크로 비드를 제조할 수 있다. 상기 제조된 폴리우레탄 마이크로 비드는 폴리우레탄 비드들이 완전히 경화되어 비드 간에 유착이 발생하지 않는다(도 3 참조). 또한, 폴리우레탄 마이크로 비드들의 분산도는 약 1%로, 본 발명에 의해 제조된 폴리우레탄 마이크로 비드의 크기가 매우 균일하다(도 4 참조). 또한, 본 발명에 의해 제조된 폴리우레탄 마이크로 비드의 표면구조 확인을 통해 입자가 둥근 구 형태를 갖는다는 것을 알 수 있었다.(도 5 참조).The monomer and the continuous phase were injected into the prepared
아울러, 주입되는 연속상과 모노머의 유속과 마이크로 비드의 직경과의 상관관계를 관찰한 결과, 미세유체 칩(100)내로 유입되는 두 유체의 부피유속을 조절함으로써 제조되는 마이크로 비드의 크기를 실시간으로 조절할 수 있다(도 6 참조).In addition, as a result of observing the correlation between the injected continuous phase and the flow rate of the monomer and the diameter of the microbeads, the size of the microbeads produced by adjusting the volume flow rate of the two fluids introduced into the
본 발명의 마이크로 비드 제조장치는 미세유체 칩을 연속상이 담겨진 수조에 넣고 유체의 배출구를 미세유체 칩의 하단에 위치시켜 미세유체 칩 내에서 생성된 모노머 액적이 배출구를 통해 아래쪽으로 배출되게 되고, 이 모노머 액적이 연속상 이 담겨진 수조 내에서 중력에 의해 아래쪽으로 이동하는 동안 자외선을 조사해 완전히 경화된 고분자 마이크로 비드를 실시간으로 제조하는 것이다. 이와 같이, 본 발명의 마이크로 비드 제조장치는 미세유체 칩에 수직 아래 방향으로 향하는 유체 배출구를 적용시킴으로써 상기 배출구를 통해 빠져나오는 광경화성 고분자 액적에 대한 자외선 조사 시간을 획기적으로 늘릴 수 있다. 이로써 상대적으로 긴 자외선 조사 시간이 요구 되어지는 모노머의 경우도 미세유체 칩 내에서 실시간 생산이 가능해 지고, 유체의 유속을 빠르게 증가시키는 경우에도 완전히 경화된 고분자 비드를 실시간으로 얻을 수 있기 때문에 상업적으로 대량생산을 할 경우 고분자 마이크로 비드의 생산량을 획기적으로 늘릴 수 있다.In the microbead manufacturing apparatus of the present invention, the microfluidic chip is placed in a water tank containing a continuous phase, and the outlet of the fluid is positioned at the bottom of the microfluidic chip so that the monomer droplets generated in the microfluidic chip are discharged downward through the outlet. The monomer droplets are irradiated with ultraviolet light while being moved downward by gravity in a continuous water-containing bath to produce fully cured polymer microbeads in real time. As described above, the microbead manufacturing apparatus of the present invention can significantly increase the UV irradiation time for the photocurable polymer droplets exiting through the outlet by applying a fluid outlet directed vertically downward to the microfluidic chip. As a result, even monomers requiring relatively long UV irradiation time can be produced in real time in microfluidic chips, and even when the flow velocity of the fluid is rapidly increased, fully cured polymer beads can be obtained in real time. In production, the production of polymer microbeads can be dramatically increased.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 마이크로 비드 제조장치 및 이를 이용한 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명은 하기 실시예에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 치환 및 균등한 타 실시예로 변경할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings a preferred embodiment of the microbead manufacturing apparatus and a manufacturing method using the same according to the present invention having the configuration as described above will be described in detail. However, the following examples are only for illustrating the present invention, and the present invention is not limited to the following examples and may be changed to other embodiments equivalent to substitutions and equivalents without departing from the technical spirit of the present invention. Will be apparent to those of ordinary skill in the art.
<실시예 1> 미세유체 칩을 포함한 마이크로 비드 제조장치의 제작 Example 1 Fabrication of Micro Bead Manufacturing Device Including Microfluidic Chip
실리콘 웨이퍼 위에 네가티브형 감광제(SU-8)를 고르게 도포한 후, 1,000 rpm으로 스핀 코팅하여 100 ㎛ 높이의 감광제를 올려주었다. 미세유로 형상이 있는 마스크를 통해 UV를 조사하여 채널과 반대 형상을 갖는 마스터 몰드를 제작하였다. 이후, PDMS를 제작된 마스터 몰드에 부어준 후 오븐에서 경화시켜 원하는 형상의 미세유로를 가진 PDMS 몰드를 제작하였다. 이렇게 만들어진 PDMS 몰드에 드릴을 이용해 미리 구멍을 뚫어 놓은 유리 기판을 산소 플라즈마 처리를 통해 붙여 미세유체 칩(100)을 제작하였다. 상기 미세유체 칩(100)을 미리 준비된 연속상(4)이 차있는 수조(5)에 놓았다. 이때, 아래쪽으로 향해 있는 배출구(2b)와 수조(5) 바닥 사이에 공간을 만들어 주기 위해 유리 기판 조각으로 만들어진 마이크로 제조장치 받침(3)을 배출구(2b)와 수조(5) 사이에 위치시켜 최종적으로 마이크로 비드 제조장치를 제작하였다.The negative photosensitive agent (SU-8) was evenly coated on the silicon wafer, and then spin-coated at 1,000 rpm to raise a 100 μm high photosensitive agent. UV was irradiated through a mask having a microfluidic shape to prepare a master mold having a shape opposite to that of the channel. Thereafter, the PDMS was poured into the prepared master mold and cured in an oven to produce a PDMS mold having a microchannel having a desired shape. The
<실시예 2> 시린지 펌프를 이용하여 모노머와 연속상 주입 Example 2 Injection of Monomer and Continuous Phase Using a Syringe Pump
상기 실시예 1에서 제작된 미세유체 칩(100)이 담긴 수조를 현미경(NIKON, T2000-U, Japan) 스테이지위에 올려 놓고, 시린지 펌프를 이용하여 모노머와 연속상을 타이곤튜브(Tygon tube)를 거쳐, 각각의 주입구(1a, 1b)를 통해 주입하였다. 모노머가 미세 유로(2)에 흡착이 되는 것을 방지하기 위해 먼저 연속상인 SDS(Sodium dodecyl sulfate) 수용액을 주입하였고, 미세유로(2)가 완전히 SDS 수용액으로 채워진 후 모노머로서 폴리우레탄의 전구체가 주성분을 이루는 자외선에 의해 고형화되는 접착제인 NOA63(Norland optical adhesive 63)을 아세톤(acetone)에 70%로 희석한 용액을 주입하였다. The tank containing the
<실시예 3> 자외선 조사를 통한 폴리우레탄 비드 제조 Example 3 Preparation of Polyurethane Beads by UV Irradiation
상기 실시예 2에서 주입된 SDS 수용액과 NOA63은 연속상과 모노머의 접합점(2a)에서 만나게 되고, 서로 섞이지 않는 성질로 인해 구 형태의 NOA63의 액적이 연속상인 SDS 수용액 내에 형성되게 되었다. 이렇게 형성된 NOA63 액적은 SDS 수용액의 흐름에 따라 미세 유로(2)를 통해 이동하게 되고, 수직 아래 방향으로 향하고 있는 배출구(2b)를 통해 배출되었다. 배출된 NOA63 액적은 SDS 수용액이 채워져 있는 공간을 통해 아래로 이동하게 되는데 이때, 수평방향으로의 속도가 현저히 줄어들었기 때문에 여기에 자외선 조사장치를 통해 자외선을 조사하여 NOA63 액적이 수조(5)의 바닥에 닿기 전에 완전히 경화된 폴리우레탄 마이크로 비드를 제조할 수 있었다. 이렇게 얻어진 폴리우레탄 마이크로 비드의 현미경 사진을 관찰한 결과, 폴리우레탄 비드들이 완전히 경화되어 비드 간에 유착이 발생 하지 않았음을 확인하였다(도 3). 또한, 폴리우레탄 마이크로 비드들을 이미지 분석 프로그램을 이용하여 분산도를 측정하였다(도 4). 그 결과, 측정된 분산도는 약 1%이므로, 본 발명에 의해 제조된 폴리우레탄 마이크로 비드의 크기가 매우 균일함을 확인하였다. 또한, 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope) 사진을 통하여 본 발명에 의해 제조된 폴리우레탄 마이크로 비드의 표면구조를 확인하였다(도 5). 그 결과, 본 발명에 의해 제조된 입자가 둥근 구 형태를 가지는 마이크로 비드라는 것을 확인하였다.The SDS aqueous solution and NOA63 injected in Example 2 meet at the
<실시예 4> 마이크로 비드의 크기 조절을 위한 유체의 유속 조절 Example 4 Control of Flow Rate of Fluid for Size Control of Micro Beads
상기 실시예 3에서 제조되는 폴리우레탄 비드의 크기조절을 위해 SDS 수용액과 NOA63의 유속을 조절하였다. 주입되는 연속상과 모노머의 유속과 마이크로 비드의 직경과의 상관관계를 관찰하였다(도 6).In order to control the size of the polyurethane beads prepared in Example 3, the flow rates of the SDS aqueous solution and NOA63 were adjusted. The correlation between the flow rate of the continuous phase and the monomer injected and the diameter of the microbeads was observed (FIG. 6).
구체적으로, 먼저 연속상으로 사용한 SDS 수용액의 부피유속에 대한 효과 실험으로 동일한 유속의 NOA63 조건에서, 연속상의 부피유속을 변화시킴으로써 생성되는 폴리우레탄 비드의 크기를 조절하였다. 단위시간당 공급되는 NOA63의 부피는 SDS 수용액의 부피유속이 증가함에 따라 감소하게 되고, 따라서 미세유체 칩 내에서 형성되는 NOA63 액적의 크기가 감소하게 된다. 이로 인해, SDS 수용액의 부피유속 증가에 따라 최종적으로 생성되는 폴리우레탄 마이크로 비드의 크기는 감소하게 되었다. 반대로 동일한 유속의 SDS 수용액 조건에서 NOA63의 부피유속을 증가시켰을 경우는 단위시간당 공급되는 NOA63의 부피는 증가하게 되고, 이로 인해 최종적인 비드의 크기는 증가하였다. 상기 실험으로 미세유체 칩(100)내로 유입되는 두 유체의 부피유속을 조절함으로써 제조되는 마이크로 비드의 크기를 실시간으로 조절할 수 있음을 확인하였다.Specifically, in the effect experiment on the volume flow rate of the SDS aqueous solution used in the continuous phase, the size of the polyurethane beads produced by changing the volume flow rate of the continuous phase in the NOA63 conditions of the same flow rate was adjusted. The volume of NOA63 supplied per unit time decreases as the volumetric flow rate of the SDS aqueous solution increases, thus reducing the size of the NOA63 droplets formed in the microfluidic chip. As a result, the size of the finally produced polyurethane microbeads decreases with increasing volume flow rate of the SDS aqueous solution. On the contrary, when the volumetric flow rate of NOA63 was increased in the SDS aqueous solution at the same flow rate, the volume of NOA63 supplied per unit time was increased, thereby increasing the final bead size. The experiment confirmed that the size of the microbeads produced can be adjusted in real time by adjusting the volume flow rates of the two fluids introduced into the
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 비드 제조장치의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a microbead manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 비드 제조장치의 분해 사시도이다.2 is an exploded perspective view of a microbead manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 비드 제조장치를 이용하여 제조된 마이크로 비드를 확대하여 나타낸 사진이다.3 is an enlarged photograph of the microbeads manufactured using the microbead manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 비드 제조장치를 이용하여 제조된 마이크로 비드의 균일성을 보여주는 분산도 그래프이다.Figure 4 is a dispersion graph showing the uniformity of the microbeads manufactured using the microbead manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 비드 제조장치를 이용하여 제조된 마이크로 비드의 표면구조를 보여주는 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope) 사진이다.Figure 5 is a scanning electron microscope (Scanning Electron Microscope) photograph showing the surface structure of the microbead prepared using the microbead manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 6은 주입되는 연속상과 모노머의 유속과 마이크로 비드의 직경과의 상관관계를 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing the correlation between the flow rate of the monomer and the diameter of the microbeads and the continuous phase injected.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
100 : 미세유체 칩, 1a : 연속상 주입구,100: microfluidic chip, 1a: continuous phase inlet,
1b : 모노머 주입구, 2 : 미세 유로,1b: monomer injection port, 2: fine flow path,
2a : 연속상과 모노머의 접합점, 2b : 배출구,2a: junction of continuous phase and monomer, 2b: outlet,
3 : 마이크로 비드 제조장치 받침, 4 : 연속상,3: micro bead manufacturing apparatus support, 4: continuous phase,
5 : 수조, 6 : 자외선 조사 수단5: water tank, 6: ultraviolet irradiation means
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