KR101204320B1 - 미세유체 장비에서 퍼짐계수 제어에 의한 마이크로 구조물의 선택적 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미세유체 장비에 고분자상, 액체주형상 및 연속상을 주입하여 제조하는 마이크로 구조물의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상기 연속상의 퍼짐계수는 0이하이고, 고분자상 및 액체주형상과 혼합되지 않으며(immiscible), 상기 고분자상과 액체주형상의 퍼짐계수(spreading coefficient)에 의해 생성되는 마이크로 구조물의 단면 구조를 제어하는 것을 특징으로 하는 마이크로 구조물의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면 종래기술에서 고분자상과 혼합되지 않는 액체주형상과 복잡한 구조의 고가의 장비를 사용하여 제조하던 마이크로 구조물을 단순한 마이크로 장비를 사용하여 간편하고 경제적으로 제조할 수 있다.

Description

미세유체 장비에서 퍼짐계수 제어에 의한 마이크로 구조물의 선택적 제조방법{Selctive preparation method for microstructure by controlling spreading coefficient in microfluidic apparatus}
본 발명은 미세유체 장비에서 퍼짐계수의 제어에 의해 균일한 크기와 구조의 다양한 마이크로 구조물들을 선택적으로 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.
다양한 구조의 고분자 마이크로 구조물은 촉매, 세포 배양 골격, 조직 공학 등 다양한 분야에 적용 가능하여 많은 관심을 받고 있다.
고분자 마이크로 섬유는 방사(spinning) 또는 사출(extrusion)에 의해 제조된다.
방사에 의한 마이크로 섬유 제조방법은 다양한 형상과 크기의 섬유를 제조하는 데 제약이 있을 뿐 아니라, 방사과정의 특성 상 제조된 마이크로 섬유의 구조가 균일하지 않다. 이에 비해 사출방식은 대량생산과 복잡한 구조물의 제조가 가능하다는 장점이 있어 널리 사용되고 있다. 그러나 사출성형은 열가소성 수지만을 다룰 수 있으므로 그 소재가 제한되고, 고온에서 녹여 고온 및 초고압 상태에서 마이크로 구조물을 제조하게 되므로 이를 견딜 수 있도록 설비에 비용이 많이 소요되며, 제조시의 변수를 조절하기 위한 전문성이 요구된다. 또한 고온 고압 상태에서 제조되는 구조물의 특성 상 열에 약한 여러 가지 화합물이 결합된 상태에서 제작할 수 없다는 단점이 있다.
이러한 단점을 해소하기 위하여 최근에는 미세유체 장치를 이용한 마이크로 섬유의 제조방법이 많이 연구되고 있다. 미세유체 장비를 이용한 마이크로 섬유의 제조는 고온, 고압을 요하지 않기 때문에 비용, 공간의 측면에서 유리하고 열에 약한 효소, 항원-항체 등의 생물이나 화학물질들을 부착시키는 것이 용이하며, 부수적인 장치들도 간소화할 수 있다.
마이크로 섬유의 제조에 사용되는 대표적인 장비는 유리 모세관을 이용하는 것으로, 유리관에 열을 가하여 길게 늘인 후 모세관의 끝부분을 원하는 직경이 되도록 잘라서 수십 마이크로미터의 직경을 갖는 모노머 분사노즐을 만들어 사용한다. 그러나 이러한 공정에 의하면 매번 같은 크기를 갖는 모노머 분사노즐을 얻기 힘들고, 깨지기 쉬운 유리의 특성 상 소형의 상기 장비을 제작 및 사용하는 과정에서 파손될 우려가 있어 내구성이 매우 낮다는 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제588805호는 미세유체 장비를 이용한 마이크로 구조물의 제조장치와 제조방법에 대한 것으로 도 1의 장비를 이용하여 마이크로 튜브를 제조하는 방법을 게시하고 있다. 즉, 도 1의 주입공 1b를 통하여 광경화성 폴리머용액을 주입하면서, 광경화성 폴리머용액의 내부를 관통하도록 폴리머용액과 혼합되지 않는 제1혼합액이 분사공(4a)으로 흐르도록 하여 분사노즐 2로부터 분사되는 폴리머용액의 내부로 흐르도록 하며, 중공부(3a)를 통과하는 폴리머용액의 외부에는 폴리머용액과 혼합되지 않는 제2혼합액이 흐르로록 하여 마이크로 튜브를 제조하고 있다. 그러나 전술한 문제와 더불어 도 1에서 확인할 수 있듯이 상기 장치는 모세관 형태의 제1 분사노즐(2)과 제2 분사노즐(4)이 배출관(3) 내에 나란히 배열된 상태로 조립된 것으로, 미세장치의 노즐이 일직선상에 있도록 배열하여 조립해야 하므로 장비의 제작이 복잡하다.
이하에서는, 광중합성 폴리머용액을 '폴리머상', 상기 등록특허 제588805호의 제1혼합액에 대응하며 폴리머상과 합류하여 생성되는 폴리머의 형상을 결정하는 주입액을 '액체주형상(Liquid template)', 상기 등록특허 제588805호의 제2혼합액에 대응하며 폴리머상과 액체주형상의 흐름과 합류하여 폴리머상과 액체주형상의 외부에 흐르는 주입액을 '연속상'으로 기술한다.
대한민국 등록특허 제588805호
본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 간단한 장치를 이용하여 크기와 구조가 균일한 다양한 구조의 마이크로 구조물을 선택적으로 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 미세유체 장비에 고분자상, 액체주형상 및 연속상을 주입하여 제조하는 마이크로 구조물의 제조방법에 있어서, 상기 연속상의 퍼짐계수는 0이하이고, 고분자상 및 액체주형상과 혼합되지 않으며(immiscible), 상기 고분자상과 액체주형상의 퍼짐계수(spreading coefficient)에 의해 생성되는 마이크로 구조물의 단면 구조를 제어하는 것을 특징으로 하는 마이크로 구조물의 제조방법에 관한 것이다.
종래기술에서는 액체주형상과 연속상이 고분자상과 섞이지 않으며, 액체주형상 및 고분자상의 분사구의 상대적인 위치에 의해 제조되는 마이크로 구조물의 구조가 결정되는 것을 특징으로 하나, 본 발명에서는 연속상이 고분자상 및 액체주형상과 섞이지 않으며, 고분자상과 액체주형상의 퍼짐계수에 의해 제조되는 마이크로 구조물의 단면 구조가 제어되는 것을 특징으로 한다.
퍼짐계수는 3개의 상이 만날 때, 이들의 퍼짐(wetting)을 결정하는 계수로 a, b, c 세 개의 상이 만날 때의 퍼짐계수 Sa=γbc -γca - γab로부터 계산된다. γ는 두 상에 대한 계면장력으로, γab는 a와 b 상 간의 계면장력을 나타낸다. 예를 들어, 고분자상의 퍼짐계수 Sp = γLC - γPL - γCP로 나타낼 수 있다(p: 고분자상, L: 액체주형상, c: 연속상). 연속상은 고분자상 및 액체주형상과 섞이지 않기 때문에 Sc는 음수의 값을 갖게 된다.
Sc가 0보다 작을 때, 고분자상과 액체주형상의 퍼짐계수에 따라 고분자상과 액체주형상 및 연속상이 합류하여 생긴 흐름은 각각 고유의 단면 형상을 갖게 된다. 도 2는 각 퍼짐계수에 대한 미세유로에서 상기 흐름의 단면 형상을 보여주는 모식도이다.
도 2로부터 (1) 상기 액체주형상의 퍼짐계수가 0초과이고, 고분자상의 퍼짐계수가 0이하이면, 생성되는 마이크로 구조물은 횡단면이 원인 구조물, 즉, 마이크로 비드 또는 마이크로 섬유이며, (2) 상기 액체주형상의 퍼짐계수가 0이하이고, 고분자상의 퍼짐계수가 0초과이면, 생성되는 마이크로 구조물은 횡단면이 중공을 갖는 원인 마이크로 캡슐 또는 중공 마이크로 섬유이며, (3) 상기 액체주형상의 퍼짐계수가 0이하이고, 고분자상의 퍼짐계수가 0이하이면, 생성되는 마이크로 구조물은 횡단면이 반달형인 마이크로 입자 또는 마이크로 벨트인 것을 추정할 수 있다. 이에, 본 발명자들은 이를 실시예를 통하여 마이크로 구조물의 제조 시 퍼짐계수의 제어에 의해 마이크로 구조물의 구조를 제어할 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하게 되었다.
추가적으로 SL≤0, SP<0이라면 상대적인 크기에 따라 고분자상과 액체주형상의 경계면이 오목 또는 볼록하게 된다. 보다 구체적으로, SL < SP인 경우 고분자상과 액체주형상이 경계면이 오목한 형태의 마이크로 구조물이 생성되고 SL > SP인 경우에는 액체주형상이 경계면이 오목한 형태의 마이크로 구조물이 생성된다. 또한 SL과 SP 의 차이가 커질수록 오목, 또는 볼록한 정도 즉 곡률이 더욱 커진다.
본 발명에서 고분자상이란 광개시제와 고분자 모노머를 포함한 용액으로 그 종류에 제한을 받는 것은 아니며, 종래기술에서 미세유체 장비를 사용한 마이크로 구조물의 제조 시 사용될 수 있는 것으로 알려진 것이라면 어떤 것이라도 사용할 수 있음은 당연하다. 또한 종래기술에서 알려져 있던 고분자상이 아니라고 하더라도 동일한 원리에 의해 미세유체 장비에서 고분자화되어 마이크로 구조물을 형성할 수 있는 것이라면 역시 사용이 가능하다.
본 발명에서 연속상은 고분자상이 자외선의 조사에 의해 고분자화되었을 때 미세유체 장비의 벽에 달라붙어 미세유로가 막히지 않도록 미세유체 장비의 미세유로와 고분자상 사이에 막을 형성하는 것으로 고분자상과 섞이지 않는 것이라면 어떤 것이라도 사용할 수 있다. 연속상 역시 그 종류를 제한하는 것은 무의미하며, 퍼짐계수가 0이하라면 그 종류에 상관없이 어떤 것이라도 사용이 가능하다.
본 발명에서 액체주형상은 제조되는 마이크로 구조물의 단면형상에 영향을 미치는 것으로 역시 연속상과 섞이지 않는 것이라면 어떤 것이라도 사용이 가능하다. 전술한 바와 같이 퍼짐계수가 전술한 범위에 있는 것을 사용하여 제조하고자 하는 마이크로 구조물의 구조를 제어할 수 있다.
전술한 본 발명에 의하면, 하나의 미세유체 장비를 사용하여 단순히 고분자상과 액체주형상의 퍼짐계수를 조절하는 것만으로 마이크로 섬유, 마이크로 튜브, 마이크로 벨트, 마이크로 비드, 마이크로 캡슐, 마이크로 입자와 같은 다양한 형상의 마이크로 구조물을 제조할 수 있다.
본 발명에서 고분자상과 연속상과 액체주형상의 상대적인 주입속도에 의해 생성되는 마이크로 구조물의 구조를 추가적으로 제어할 수 있다. 이의 한 예를 도 7에 도시하였다. 도 7에서 고분자상, 액체주형상, 연속상의 구체적인 주입속도와 생성되는 마이크로 구조물의 구조는 사용하는 고분자상, 액체주형상, 연속상의 종류, 미세유체 장비의 구조, 재질, 크기, 마이크로 구조물을 제조하는 온도 등 여러 가지 요인에 따라 영향을 받으므로 각 구조물의 제조에 대해 주입속도를 한정하는 것은 의미가 없을 것이다. 그러나, 상기 요인들에 의해 구체적인 수치는 달라진다고 하더라도 그 경향은 동일하므로, 도 7을 참조하면 실질적인 마이크로 구조물의 제조조건에서 제조하고자 하는 마이크로 구조물의 구조에 적합한 조건을 설정하는 것은 용이할 것이다. 더 나아가 액체주형상과 고분자상의 상대적인 속도를 조절하는 것에 의해 제조되는 입자(여기서는 비드, 캡슐, 입자를 통칭함) 또는 섬유(섬유, 튜브, 벨트를 통칭함)의 굵기, 중공이 있는 경우 중공의 크기 등을 조절하는 것이 가능하다. 또한, 마이크로 캡슐 또는 중공 마이크로 섬유의 경우 자외선을 조사하는 위치에 따라 캡슐 또는 섬유 내 중공의 위치를 조절할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 미세유체 장비는 고분자상 주입구(11), 액체주형상 주입구(12), 연속상 주입구(13) 및 배출구(14)를 포함하며, 상기 고분자상 주입구(11)와 액체주형상 주입구(12)에 각각 연결된 미세유로(21, 22)는 제1접합점(31)에서 합류하여 상기 배출구(14)에 연결되고, 상기 연속상 주입구(13)에 연결된 미세유로(23)는 상기 제1접합점(31)의 후단에 위치한 제2접합점(32)에서 고분자상 및 액체주형상이 합류된 미세유로(24)와 합류하여 상기 배출구에 연결되는 것을 사용할 수 있다.
상기 제1접합점은 도 3에 도시된 바와 같이 고분자상 주입구와 액체주형상 주입구에 각각 연결된 하나씩의 미세유로가 접합하는 Y-정션(Y-junction)일 수 있다. 상기 제1접합점이 도 8에 도시된 것과 같이 액체주형상 주입구에 연결된 두 개의 미세유로가 고분자상 주입구에 연결된 미세유로의 양측에서 각각 접합하는 크로스-정션(cross-junction)일 수도 있으며, 이때에는 두 개의 중공이 포함된 마이크로 섬유와 같이 보다 복잡한 구조의 마이크로 구조물을 제조할 수 있다. 액체주형상과 고분자상이 교차 접합점을 갖는 미세유체 장비에서 액체주형상 주입구는 하나일 수도 있으며(하나의 주입구에서 미세유로가 갈라져 나오는 경우), 각각의 미세유로가 연결된 두 개의 액체주형상 주입구를 형성할 수도 있다. 하기 실시예에서는 한가지 종류의 액체주형상을 두 개의 미세유로에 동시에 주입하여 두 개의 중공이 포함된 마이크로 섬유를 제조하였으나, 두 개의 액체주형상 주입구에 연결된 미세유로에 두가지 종류의 액체주형상을 각각 주입하면 보다 복잡한 구조의 마이크로 구조물을 제조할 수도 있다. 예를 들어, 한쪽의 액체주형상 주입구에는 고분자상의 퍼짐계수가 0 초과가 되게하고, 자신의 퍼짐계수는 0이하인 제1 액체주형상을 주입하고, 다른 한쪽의 액체주형상 주입구에는 고분자상의 퍼짐계수가 0이하가 되게하고, 자신의 퍼짐계수가 0이하인 제2액체주형상을 주입한다면 내부에 중공이 있는 반달형의 횡단면을 갖는 마이크로 입자 또는 섬유를 제조할 수 있다. 퍼짐계수는 접족하는 세가지 상의 상대적인 계면장력에 의해 결정되는 것이므로, 하나의 고분자상이라고 하더라도 액체주형상의 종류에 따라 퍼짐계수가 달라지므로 제1액체주형상에 대해서는 0초과, 제2액체주형상에 대해서는 0이하의 퍼짐계수를 가질 수 있다.
상기 제2접합점은 연속상이 고분자상과 액체주형상을 에워쌀 수 있도록, 연속상 주입구에 연결된 두 개의 미세유로가 고분자상 및 액체주형상이 합류된 미세유로의 양측에서 각각 접합하는 크로스-정션인 것이 보다 바람직하다.
이상과 같이 본 발명에 의하면 종래기술에서 고분자상과 혼합되지 않는 액체주형상과 복잡한 구조의 고가의 장비를 사용하여 제조하던 마이크로 구조물을 단순한 마이크로 장비를 사용하여 간편하고 경제적으로 제조할 수 있다.
본 발명에 의하면, 하나의 미세유체 장비를 사용하여 단순히 고분자상과 액체주형상의 퍼짐계수만를 제어하는 것에 의해 복잡한 구조의 다양한 마이크로 구조물을 균일한 크기와 형상으로 제조하는 것이 가능하다.
또한 본 발명에 의하면 고분자상과 액체주형상 및 연속상의 유속을 조절하는 것에 의해 입자의 크기와 복잡한 구조물의 세부적인 형상을 추가적으로 조절할 수 있다.
도 1은 종래기술에 의한 마이크로 구조물(마이크로 튜브)의 제조장치.
도 2는 퍼짐계수에 따란 두 액체의 흐름을 나타내는 모식도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로 구조물의 제조장비와 그에 의한 마이크로 구조물(마이크로 튜브)의 형성과정을 보여주는 개념도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 마이크로 구조물(마이크로 튜브)의 SEM 사진.
도 5는 본 발명의 일 실시예의 의해 제조된 마이크로 구조물(마이크로 튜브)의 외경 및 중공의 직경과 고분자상 및 액체주형상의 주입속도의 상관관계를 나타내는 그래프 및 SEM 사진.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의해 제조되는 마이크로 구조물(마이크로 벨트)의 형상에 대한 고분자상 및 액체주형상의 주입속도의 영향을 보여주는 개념도 및 광학이미지와 SEM 사진
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의해 제조되는 마이크로 구조물의 세부 구조에 대한 연속상, 고분자상 및 액체주형상의 상대적인 속도의 상관관계를 보여주는 그래프 및 일 예의 SEM 사진.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 의한 마이크로 구조물의 구조를 보여주는 SEM 사진.
이하 첨부된 도면과 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 이러한 도면과 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.
실시예
실시예 1 : 미세유체칩의 제작
미세유체 칩은 도 3의 A와 같이 4개의 주입구와 1개의 Y-접합점 및 1개의 크로스-정션 및 1개의 배출구를 갖도록 고안하여 통상의 소프트 리쏘그라피(soft lithography)의 방법에 의해 제조하였다.
보다 구체적으로, 실리콘 웨이퍼 위에 네가티브형 감광제(SU-8, Microchem Co., USA)를 고르게 도포한 후, 1,000rpm으로 스핀 코팅하여 100 ㎛ 높이의 감광제를 올려주었다. 각 주입구~T-junction 영역의 미세유로는 50㎛, T-juction~배출구 영역의 미세유로는 200 ㎛ 폭을 갖는 미세유로 형상이 있는 마스크를 통해 UV를 조사하여 채널과 반대 형상을 갖는 마스터 몰드를 제작하였다. 이후, PDMS(Sylgard 184; Dow Corning, Midland, MI)를 제작된 마스터 몰드에 부어준 후 65℃에서 4시간 경화시켜 원하는 형상의 미세유로를 가진 PDMS 몰드를 제작하였다. 이렇게 만들어진 PDMS 몰드를 30초간 산소 플라즈마 처리하여 PDMS가 코팅된 유리 기판에 붙이는 것에 의해 미세유체 칩을 제작하였다.
실시예 2 : 중공 마이크로 섬유(hollow microfiber)의 제조
상기 실시예 1에서 제작한 미세유체 칩의 네 개의 주입구에 구멍을 통해 타이곤튜브(Tygon tube)를 삽입하고, 각각의 튜브에는 마이크로시린지(Norm-Ject, Germany)를 연결하여 각각 시린지 펌프(Harvard Apparatus, USA)를 사용하여 해당 용액을 미세유로로 펌핑할 수 있도록 하였다. 상기 미세유체 칩을 미리 준비된 연속상이 차있는 수조에 넣었다. 자외선 조사 장치로 형광현미경에 연결된 자외선 램프를 이용하기 위하여 상기 수조를 현미경(NIKON, T2000-U, Japan) 스테이지위에 올려 놓고 원하는 영역에 자외선이 조사될 수 있도록 위치시켜 마이크로 섬유 제조장치를 완성하였다.
먼저 고분자상(polymerizin fluid) 주입구와 액체주형상(liquid template)을 각각 5㎕/min와 2㎕/min의 속도로 주입하고 이들과 섞이지 않는 연속상(immiscible fluid)을 T-junction의 양쪽 주입구를 통해 연속상의 주입 속도의 합이 20㎕/min이 되도록 주입하였다. 고분자상과 액체주형상 및 연속상의 조성은 하기 표 1과 같으며, 이때 두 유체 간의 계면장력(interfacial tension)을 광학장력계(optical tensiometer, KSV Instruments, Finland)를 이용하여 pendant drop method로 측정하고, 이로부터 계산된 퍼짐계수(spreading coefficent)와 함께 나타내었다.
Figure 112011051961750-pat00001
미세유체 칩 내에서 각 유체의 흐름이 안정적이 되면 T-junction~배출구에 이르는 미세유로의 현미경 사진(NIKON, TE2000-U, Japan)을 찍어 액체주형상이 고분자상의 흐름 내에 에워싸이는 것을 확인하였으며, 이를 각 구간에서의 단면 개념도와 함께 도 3의 B에 도시하였다.
도 4는 상기 표 1의 (1)의 조성을 사용하여 도 3의 B의 단면이 표시된 구간에 255nm 자외선을 조사했을 때 각각의 경우 생성된 마이크로 섬유의 현미경 사진으로 T-juntion을 지난 후 1번째 구간에서는 고분자상이 액체주형상을 완전히 에워싸지 못하여 생성된 형상이 unstable하나, 2번째 부터는 고분자상이 액체주형상을 완전히 에워싸 중공형 마이크로 섬유를 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다. 3번째 구간에서는 2번째 구간보다는 비대칭 형상이 완화되어 4번째 구간에서 자외선을 조사하여 광중합을 시키는 경우 완전히 대칭을 이루는 중공 마이크로 섬유가 제조되었다.
표 1의 #1의 주입상을 이용하여, 연속상의 주입속도를 20㎕/min, 고분자상의 주입속도를 4㎕/min으로 일정하게 유지하면서, 액체주형상의 주입속도를 1~4㎕/min으로 변화시키면서 제조되는 마이크로 섬유의 구조를 확인하고 그 결과를 도 5의 D에 도시하였다. 연속상과 고분자상의 유속이 일정할 때 액체주형상의 주입속도가 증가하면 제조되는 마이크로 섬유의 직경과 중공의 직경이 모두 증가하며, 특히 중공의 직경은 액체주형상의 유속에 선형적으로 비례하는 것을 확인할 수 있었다. 도 5의 A와 B는 고분자상의 유속이 8㎕/min, 액체주형상의 유속이 6㎕/min일 때 제조되는 마이크로 섬유의 명시야상(bright filed image)과 SEM 이미지를 각각 도시한 것으로, 연속상의 주입속도를 일정하게 유지하면서 고분자상과 액체주형상의 주입속도를 12㎕/min, 2㎕/min로 각각 바꾸어 제조한 마이크로 섬유의 SEM 이미지를 도시한 도 5의 C와 비교하면 고분자상과 액체주형상의 주입속도의 합이 동일한 경우 마이크로섬유의 직경에는 거의 변화가 없으나 액체주형상의 속도가 감소함에 따라 중공의 크기가 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
실시예 3 : 마이크로 벨트 섬유의 제조
고분자상으로 92wt% PEG-DA와 8wt% DEAP의 혼합물을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법에 의해 마이크로 구조물을 제조하였다. 이때 연속상의 주입속도는 24㎕/min으로 고정하였으며, 고분자상과 액체주형상의 유속(QP:QL)을 1:10, 2.5:8.5 및 4.5:6.5 (㎕)로 변화시켜 가면서 마이크로 섬유를 제조하고 명시야상과 SEM 이미지를 관측하여 미세유로에서의 현미경 사진 및 단면구조의 개념도와 함께 그 결과를 도 6에 도시하였다. 표 2에 각 주입상의 성분과 이들간의 계면장력 및 퍼짐계수를 함께 나타내었다.
표 2와 도 6을 참조하면, 실시예 2의 경우와 달리 SL~0인 한편 Sp가 음의 값을 갖기 때문에 마이크로 칩의 T-junction에서 배출구에 이르는 구간에서 고분자상이 액체주형상을 에워싸지 않고 고분자상과 액체주형상이 층류를 형성하며 흐르게된다. 따라서 광중합에 의해 구조물은 단면이 원형이 아닌 띠모양의 마이크로 섬유, 즉 마이크로 벨트가 형성된다. 마이크로 벨트의 세부적인 단면 구조는 고분자상과 액체주형상의 유속에 따라 달라지며, 액체주형상의 주입속도가 빨라짐에 따라 도 5에서 확인할 수 있듯이 단면이 더 얇은 마이크로 벨트가 형성된다.
Figure 112011051961750-pat00002
실시예 4 : 각 주입상의 유속에 따른 마이크로 구조물의 구조 확인
고분자상과 액체주형상 및 연속상의 주입속도를 달리하며, 미세유체 칩내 유체의 흐름을 관측하고, 이때 광중합에 의해 생성되는 마이크로 구조물의 구조를 관측하고 그 결과를 도 7에 도시하였다.
도 7의 A에서 QP는 고분자상의 주입속도, QL은 액체주형상의 주입속도, QC 는 연속상의 주입속도를 의미하며, QT는 이들의 총합을 나타낸다.
도 7의 A에서 ☆로 표시된 영역은 미세체널 내 흐름이 불안정한 영역으로, T-junction 영역의 현미경 사진을 보여주는 도 7의 B의 I에서 유체간의 압력의 불균형으로 인해 주입속도가 낮은 주입구쪽으로 주입한 물질이 역류하는 것을 확인할 수 있다. 도 7의 A에서 QP/QT축을 따라 오른쪽 아래 영역(□)에서는 고분자상이나 액체주형상의 주입속도에 비해 연속상의 주입속도가 상대적으로 매우 빠르기 때문에 고분자상과 액체주형상은 연속적인 흐름을 형성하지 못하고 액적을 형성한다. 이때, 고분자상과 액체주형상 및 연속상의 퍼짐계수에 따라 마이크로 캡슐 또는 마이크로 비드 또는 구의 일부가 오목 또는 볼록하게 잘라진 마이크로 입자를 생성한다. 예를 들어, SL<0, Sp>0, SC<0인 경우 액적의 바깥부분이 고분자상으로 둘러쌓이기 때문에 더블 이멀전 액적을 형성하게 되고 이를 광중합시키면 마이크로 캡슐을 얻게 된다(도 7의 B의 II 참조). 반대로 액체주형상이 고분자상을 둘러싸는 경우 마이크로 비드가 생성되며, 액체주형상과 고분자상이 층류를 형성하는 경우 SL와 Sp의 상대적인 값에 따라 오목 또는 볼록한 단면 형상의 마이크로 입자를 얻을 수 있다(미도시).
QP/QT축과 QL/QT가 만나는 오른 쪽 아래부분의 ● 영역은 안정된 층류를 형성하는 영역으로 역시 고분자상과 액체주형상 및 연속상의 퍼짐계수에 따라 중공 마이크로 섬유 또는 마이크로 섬유 또는 마이크로 벨트를 생성한다. 퍼짐계수에 의한 층류의 형상은 상기 액적 형상과 동일한 원리에 의한 것으로 마이크로 캡슐이 형성되는 주입액 조건에서는 중공 마이크로 섬유가, 마이크로 비드가 형성되는 조건에서는 마이크로 섬유가, 마이크로 입자가 형성되는 조건에서는 동일 단면형상을 갖는 마이크로 벨트가 형성된다. 도 7의 B의 III에는 중공 마이크로 섬유가 형상되는 모양을 도시하였다. 마지막으로 ▲로 표시된 영역에서는 연속상의 유속이 매우 낮기 때문에 고분자상과 액체주형상을 충분히 에워싸지 못하기 때문에(도 7의 B의 IV) 중합되는 마이크로 구조물이 PDMS 미세체널에 엉겨붙어 마이크로 입자의 생산이 어려웠다.
실시예 5 : 변형된 구조의 마이크로 섬유의 제조
본 발명을 다양한 구조의 마이크로 구조물을 제조하는 데 응용할 수 있음을 확인하기 위하여, 변형된 구조의 마이크로 섬유를 제조하였다. 도 8에 도시된 바와 같이 고분자상의 양측의 주입구를 통해 액체주형상을 주입하고 (혹은 고분자상과 액체주형상이 T-junction에서 합해지도록 하고) 이들이 다시 연속상과 T-junction에서 만나는 미세유로를 갖는 미세유체 칩을 제조하고, 실시예 2의 #1 또는 실시예 3의 #6 주입상 들을 사용하여 마이크로 섬유를 제조하였다. 이때 연속상은 20㎕/min, 고분자상은 12㎕/min, 액체주형상은 2㎕/min의 속도로 주입하였다.
도 8에서 확인할 수 있듯이 #1의 주입상을 사용한 A에서는 고분자상이 양측의 액체주형상을 애워싸 2개의 중공이 형성된 마이크로 섬유가 제조되었으며, #6 주입상을 사용한 B에서는 액체주형상-고분자상-액체주형상이 다층류를 형성하여 양면이 평평한 마이크로 벨트가 형성되었다.
11 : 고분자상 주입구 12 : 액체주형상 주입구
13 : 연속상 주입구 14 : 배출구
21, 22, 23, 24 : 미세유로
31 : 제1접합점 32 : 제2접합점

Claims (9)

  1. 미세유체 장비에 고분자상, 액체주형상 및 연속상을 주입하여 제조하는 마이크로 구조물의 제조방법에 있어서,
    상기 연속상의 퍼짐계수는 0이하이고, 고분자상 및 액체주형상과 혼합되지 않으며(immiscible),
    상기 고분자상과 액체주형상의 퍼짐계수(spreading coefficient)에 의해 생성되는 마이크로 구조물의 단면 구조를 제어하는 것을 특징으로 하는 마이크로 구조물의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 액체주형상의 퍼짐계수가 0초과이고,
    고분자상의 퍼짐계수가 0이하이며,
    생성되는 마이크로 구조물은 횡단면이 원인 마이크로 비드 또는 마이크로 섬유인 것을 특징으로 하는 마이크로 구조물의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 액체주형상의 퍼짐계수가 0이하이고,
    고분자상의 퍼짐계수가 0초과이며,
    생성되는 마이크로 구조물은 횡단면이 중공을 갖는 원인 마이크로 캡슐 또는 중공 마이크로 섬유인 것을 특징으로 하는 마이크로 구조물의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 액체주형상의 퍼짐계수가 0이하이고,
    고분자상의 퍼짐계수가 0이하이며,
    생성되는 마이크로 구조물은 횡단면이 반달형인 마이크로 입자 또는 마이크로 벨트인 것을 특징으로 하는 마이크로 구조물의 제조방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    고분자상과 연속상과 액체주형상의 상대적인 주입속도에 의해 생성되는 마이크로 구조물의 3차원 구조를 추가적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 마이크로 구조물의 제조방법.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미세유체 장비는

    고분자상 주입구, 액체주형상 주입구, 연속상 주입구 및 배출구를 포함하며,
    상기 고분자상 주입구와 액체주형상 주입구에 각각 연결된 미세유로는 제1접합점에서 합류하여 상기 배출구에 연결되고,
    상기 연속상 주입구에 연결된 미세유로는 상기 제1접합점의 후단에 위치한 제2접합점에서 고분자상 및 액체주형상이 합류된 미세유로와 합류하여 상기 배출구에 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로 구조물의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1접합점은 고분자상 주입구와 액체주형상 주입구에 각각 연결된 하나씩의 미세유로가 접합하는 Y-정션(Y-junction)인 것을 특징으로 하는 마이크로 구조물의 제조방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1접합점은 액체주형상 주입구에 연결된 두 개의 미세유로가 고분자상 주입구에 연결된 미세유로의 양측에서 각각 접합하는 크로스-정션(cross-junction)자형 접합점인 것을 특징으로 하는 마이크로 구조물의 제조방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제2접합점은 연속상 주입구에 연결된 두 개의 미세유로가 고분자상 및 액체주형상이 합류된 미세유로의 양측에서 각각 접합하는 크로스-정션인 것을 특징으로 하는 마이크로 구조물의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2004195338A (ja) 2002-12-17 2004-07-15 Tosoh Corp 粒子製造方法及びそのための微小流路構造体
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