KR101252378B1 - 헤미실린더 렌즈, 헤미실린더 렌즈 마이크로칩 및 이의 제조방법 - Google Patents

헤미실린더 렌즈, 헤미실린더 렌즈 마이크로칩 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미세 크기의 헤미실린더 렌즈의 내부에 액체를 위부의 시린지 펌프를 사용하여 주입함으로써 다양한 크기의 광학 빔을 발생시킬 수 있을 뿐만 아니라 광학 빔의 조사 방향을 조절하여 광학 스캐닝을 할 수 있는 헤미실린더 렌즈, 헤미실린더 렌즈 마이크로칩 및 이의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 제조 과정에서 헤미실린더 렌즈를 구성하는 폴리머 재료가 상부 유연성이 있는 박막 필름부와 하부 지지 기판의 재료가 같은 재료일 뿐만 아니라 일체형으로 제조됨으로써 헤미실린더 렌즈를 사용하는 과정에서 주입되는 유체의 유실이나 유체 압력에 의한 헤미실린더 렌즈 구조물의 손상을 막을 수 있는 헤미실린더 렌즈, 헤미실린더 렌즈 마이크로칩 및 이의 제조방법을 제공한다.

Description

헤미실린더 렌즈, 헤미실린더 렌즈 마이크로칩 및 이의 제조방법{Hemicylindrical lens, hemicylindrical lens microchip and its fabrication method}
본 발명은 헤미실린더 렌즈, 헤미실린더 렌즈 마이크로칩 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미세 크기의 헤미실린더 렌즈의 내부에 액체를 외부의 시린지 펌프를 사용하여 주입함으로써 헤미실린더 렌즈 크기 변화를 통한 다양한 크기의 광학 빔을 발생시킬 수 있을 뿐만 아니라 광학 빔의 조사 방향을 조절하여 광학 스캐닝을 할 수 있는 헤미실린더 렌즈, 헤미실린더 렌즈 마이크로칩 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
나노테크놀로지(nanotechnology)의 발달에 의해서 마이크로미터 크기 범위의 미세 구조물의 제조기술이 지난 십여 년 동안 비약적으로 발전을 하였다. 현재 포토리소그라피(photolithography) 공정에 의해서 수 마이크로미터에서 수백 마이크로미터의 구조물을 아주 정교하게 제조하는 기술이 발달하였다. 또한 이와 더불어 포토리소그라피 공정에 의해 제조한 마이크로미터 크기의 정교한 마이크로 구조물에 경화반응에 의해 폴리머 재료가 형성되는 용액을 사용하여 마이크로 구조물을 갖는 다양한 형태의 마이크로 패턴 또는 마이크로 플루이딕 칩을 제조하는 소프트리소그라피(softlithography) 공정도 최근에 비약적으로 발전하고 있다.
유전공학과 바이오테크놀로지(biotechnology)의 발달로 인해서 박테리아와 동식물 세포 내의 생체 대사 과정과 유전체 속의 유전자의 기능에 대해서 많은 새로운 발견을 하였다. 최근에는 세포 내의 DNA에 있는 유전자의 기능에 대한 연구에서부터 단백질의 기능에 대한 연구에 이르기까지 바이오테크놀로지의 다양한 연구개발이 다양한 학문분야 및 기술분야에서 이루어지고 있다. 이러한 상황 가운데서 나노테크놀로지 기술을 바이오테크놀로지에 접목시켜 보다 효율적이고 정교한 연구를 진행하기 위한 장치와 방법들이 다양하게 개발되고 있다.
랩온어칩(lab-on-a-chip)으로 대표되는 마이크로미터 크기의 채널이나 챔버 등의 구조물을 칩 내부에 갖는 소형화된 마이크로칩을 사용하여 화학 및 생물학적 시료를 분석 또는 합성 등의 조작을 하는 개발이 최근 세계적으로 활발하게 진행되고 있다. 또한 다양한 형태와 크기를 갖는 마이크로 플루이딕 채널(microfluidic channel)들을 갖는 마이크로 플루이딕 칩(microfluidic chip)을 사용하여 DNA 등과 같은 유전물질, 아미노산, 유해 화합물 등을 분석하는 데에 사용하고 있으며, 살모넬라(Samonella)나 리스테리아(Listeria) 등과 같은 식중독균이나 동물세포를 검출 또는 분석하는 데에 사용하고 있다.
랩온어칩을 사용한 분석 및 관찰의 대상이 되는 DNA, 아미노산, 유해 화합물, 박테리아 등은 크기가 수 나노미터에서 수 마이크로미터 정도의 크기이기 때문에 육안으로는 관찰이 불가능하다. 따라서 랩온어칩 내의 이러한 대상 물질을 관찰하고 분석하기 위해서 광학현미경, 형광현미경 또는 전자현미경 등을 사용한다. 주사 전자현미경(scanning electron microscope, SEM)이나 투과 전자현미경(transmission electron microscope)은 분해능이 뛰어나서 수십에서 수백나노미터 크기의 구조물을 관찰할 수 있지만, 관찰 대상 시료를 처리하여 그 시료의 표면이나 내부를 투과하여 보는 과정이 필요하다. 이에 반해서 형광현미경이나 일반 광학현미경을 사용한 관찰 및 분석은 특별한 전처리 과정이 필요없이 실시간으로 랩온어칩 내부를 확대하여 관찰 및 분석하는 것이 가능하다.
형광현미경이나 일반 광학현미경을 사용하여 랩온어칩이나 마이크로 플루이딕 칩의 내부의 특정 시료를 관찰하기 위해서 램프에 의한 백색광 또는 레이저 등의 광원으로부터 주사되는 빛을 랩온어칩이나 마이크로 플루이딕 칩의 전체 또는 넓은 면적에 비추면서 현미경의 배율에 따른 관찰 대상 시료의 명암이나 형광색 등을 검출한다.
그러나 현재 사용하고 있는 이와 같은 형광현미경이나 광학현미경을 사용하여 랩온어칩이나 마이크로 플루이딕 칩의 넓은 면적에 빛을 비추게 되면 그 빛이 쬐어지는 구역에서 온도가 상승하는 문제와 조사되는 빛에 의해서 분석 대상 시료물질이 손상될 수 있다는 문제가 있다.
형광현미경을 사용하여 형광을 관찰하는 것에 의한 분석 시, 랩온어칩의 시료 용액 속에 있는 형광염료가 외부 광원으로부터 조사되는 빛을 받아서 형광빛을 낸다. 그러나 형광염료에 빛을 장시간 동안 지속적으로 쬐어주면 형광염료가 형광을 내는 기능을 잃어가는 포토블리칭(photobleaching) 현상이 나타나게 된다.
특히, 랩온어칩이나 마이크로 플루이딕 칩에서의 형광염료를 사용한 분석에서는 시료용액의 양과 관찰 및 분석 대상 물질의 농도가 적기 때문에 이와 같은 포토블리칭 현상이 중요한 문제이다.
따라서, 일반적인 광학현미경이나 형광현미경에서 사용하는 크기가 큰 고체렌즈를 사용하여 광학 빔을 대면적에 지속적으로 오래도록 쬐는 형식이 아니라, 마이크로미터 크기의 구조물을 관찰하기에 적합한 소형화되고 랩온어칩의 관찰하고자 하는 특정 부위에만 광학 빔을 조사하기 위한 유연성이 있으며 고효율의 액체렌즈의 제조방법의 개발과 최적 작동방법의 개발이 필요하다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 마이크로미터 크기의 구조물을 광학 스캐닝할 수 있는 헤미실린더 렌즈, 헤미실린더 렌즈 마이크로칩 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 관찰하고자 하는 특정 부위에 광학 빔을 조사할 수 있도록 유연성이 있고 상대적으로 저비용이 소요되는 헤미실린더 렌즈, 헤미실린더 렌즈 마이크로칩 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 광학스캐닝이 가능한 헤미실린더 렌즈 마이크로칩의 제조 방법과 제조된 헤미실린더 렌즈 마이크로칩을 사용하여 입사광의 광학 빔의 방향을 다양한 각도로 바꾸어 조사하는 헤미실린더 렌즈, 헤미실린더 렌즈 마이크로칩 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 헤미실린더 렌즈, 헤미실린더 렌즈 마이크로칩 및 이의 제조방법은 (a) 실리콘 웨이퍼 상부에 일정한 형태의 렌즈 몰드를 형성하는 단계; (b) 상기 형성된 렌즈 몰드 상부에 탄성체 폴리머 구조물을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 형성된 탄성체 폴리머 구조물을 상기 렌즈 몰드로부터 분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (a) 단계는, (a1) 실리콘 웨이퍼 상부에 포토리지스트를 코팅하는 단계; (a2) 상기 코팅된 포토리지스트 상부에 포토마스크를 적층하는 단계; 및 (a3) 상기 적층된 포토마스크 상부에 자외선을 조사하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (b) 단계는, (b1) 상기 렌즈 몰드 및 상기 실리콘 웨이퍼 상부에 탄성체 폴리머 혼합액을 주입하는 단계; (b2) 상기 실리콘 웨이퍼의 하부에는 하부 가압판을 위치시키고, 상기 탄성체 폴리머 혼합액의 상부에는 평면판과 상부 가압판을 순차적으로 적층하여 상기 탄성체 폴리머 혼합액에 압력을 가하는 단계; 및 (b3) 상기 탄성체 폴리머 혼합액을 경화시켜 상기 탄성체 폴리머 구조물을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (b2) 단계에서, 상부 및 하부 가압판에 가해지는 압력을 조절하여 상기 탄성체 폴리머 혼합액에 적용되는 압력을 조절하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (c) 단계는, 상기 탄성체 폴리머 구조물을 상기 실리콘 웨이퍼 및 상기 렌즈 몰드로부터 분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 렌즈 몰드는 에폭시(epoxy)계, 우레탄(urethane)계, 아크릴레이트(acrylate)계 및 메틸에테르(methylether)계 화합물 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 탄성체 폴리머 구조물은 실록세인(siloxane)을 갖는 PDMS(polydimethylsioxane) 또는 탄화수소화합물로 구성된 아이소프렌(isoprene)계 폴리머 탄성체 중의 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 전술한 헤미실린더 렌즈 제조 방법에 의해 제조된 헤미실린더 렌즈를 제공하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 헤미실린더 렌즈의 넓이는 0.1 mm 내지 10 mm 범위이고, 높이는 0.1 mm 내지 5 mm 범위이며, 길이는 0.1 mm 내지 50 mm 범위인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, (a) 전술한 방법에 의해 헤미실린더 렌즈를 제조하는 단계; 및 (b) 상기 제조된 헤미실린더 렌즈를 슬라이드 글라스에 접합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (b) 단계는, (b1) 상기 탄성체 폴리머 구조물의 마이크로 플루이딕 채널의 양끝단과 다수의 플라스틱 튜브를 연결하는 단계; (b2) 상기 탄성체 폴리머 구조물의 하단과 마이크로칩 바닥판의 상단에 플라즈마를 처리하는 단계; 및 (b3) 상기 플라즈마 처리된 탄성체 폴리머 구조물의 하단과 상기 마이크로칩 바닥판의 상단을 접촉시켜 결합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 헤미실린더 렌즈 마이크로칩 제조 방법에 의해 제조된 헤미실린더 렌즈 마이크로칩을 제공하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 마이크로 플루이딕 채널의 넓이와 높이는 50 μm 내지 1000μm 범위이며, 길이는 3 mm 내지 50 mm 범위인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 마이크로칩 바닥판은 PDMS 폴리머판, 실리콘 고무판 및 폴리에틸렌 등의 얇은 플라스틱 비닐 판 중 어느 하나를 적용하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 전술한 헤미실린더 렌즈 마이크로칩 제조 방법에 의해 제조된 헤미실린더 렌즈 마이크로칩을 이용한 광학 스캐닝 방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 광학 스캐닝 방법으로는, 상부의 광원장치로부터 조사되는 광학 레이저 빔이 고체 렌즈 칩의 중앙에 있는 고체 렌즈를 통과하는 단계; 상기 고체 렌즈를 통과한 광학 레이저 빔이 일 방향으로 넓게 펼쳐진 광학 빔의 상태로 하부의 헤미실린더 렌즈로 주입되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 광학 레이저 빔은 굴절각의 차이에 따라 광학스캐닝 기판의 일측에서 타측으로 이동하면서 광학 스캐닝할 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 본 발명은 외부의 시린지펌프로부터 헤미실린더 내부로 주입되는 액체의 양에 따라서 렌즈의 크기가 변함으로써 입사광의 광학 빔을 렌즈를 통해 내보낼 때에 조사되는 광학 빔의 초점 거리와 조사 방향을 쉽게 바꿀 수 있는 효과가 발생한다.
또한, 본 발명은 저렴한 폴리머 재료를 사용하여 상온에서 소프트리소그라피 공정에 따라 빠르게 제조함으로써 경제적인 효과가 발생한다.
또한, 본 발명은 제조 과정에서 헤미실린더 렌즈를 구성하는 폴리머 재료가 상부 유연성이 있는 박막 필름부와 하부 지지 기판의 재료가 같은 재료일 뿐만 아니라 일체형으로 제조됨으로써 헤미실린더 렌즈를 사용하는 과정에서 주입되는 유체의 유실이나 유체 압력에 의한 헤미실린더 렌즈 구조물의 손상을 막을 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 랩온어칩이나 마이크로 플루이딕 칩의 마이크로 채널이나 마이크로 챔버 내의 특정 물질을 관찰 및 분석할 수 있는 효과가 발생한다.
또한, 헤미실린더 렌즈 마이크로칩을 사용함으로써 랩온어칩이나 마이크로 플루이딕 칩의 관찰 및 분석하고자 하는 특정 위치에만 정확하게 광학 빔을 조사하여 관찰 및 분석을 시행함으로써 관찰 및 분석 대상 물질의 손상과 변형을 최소화할 수 있는 효과가 발생한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 스캐닝을 위한 헤미실린더 렌즈의 제조 과정을 단계적으로 나타내는 모식도,
도 1b는 도 1a의 과정을 통하여 제조된 헤미실린더 렌즈 마이크로칩의 구조를 나타내는 구조도,
도 2는 다양한 유체 압력을 헤미실린더 렌즈에 부가함에 따라 렌즈의 크기가 다양하고 빠르게 변하는 것을 나타내는 실험 사진,
도 3은 다양한 유체 압력을 헤미실린더 렌즈에 부가함에 따라 다양하게 변하는 렌즈의 측면 형상을 나타내는 실험 사진,
도 4는 부가하는 유체 압력에 의해서 헤미실린더 렌즈의 형태 변화에 따른 접촉각의 변화를 나타내는 실험결과 그래프,
도 5는 광학 스캐닝을 위한 헤미실린더 렌즈 마이크로칩과 이를 사용한 광학 스캐닝 과정을 나타내는 모식도,
도 6은 유체 압력에 의해 크기가 변하는 헤미실린더 렌즈에 의해 조사되는 광학 빔의 형태 변화를 나타내는 실험결과 사진,
도 7은 상부 고정렌즈를 통해 입사된 광학 빔이 헤미실린더 렌즈 마이크로칩에 의해서 한쪽 방향으로 이동하는 광학 스캐닝 과정을 구현하는 실험사진, 및
도 8은 헤미실린더 렌즈의 유체 압력에 따른 광학 스캐닝 범위를 나타내는 실험결과 그래프이다.
본 발명에 따른 헤미실린더 렌즈 마이크로칩(100)의 바람직한 실시 예를 도 1 내지 도 8을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 기술되어야 할 것이다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 스캐닝을 위한 헤미실린더 렌즈 마이크로칩(100)의 제조 과정을 단계적으로 나타내는 모식도이고, 도 1b는 도 1a의 과정에 따라 제조된 헤미실린더 렌즈 마이크로칩(100)의 구조를 나타내는 구조도이다.
도 1a에서 나타낸 제조과정의 모식도 순서에 따라 본 발명의 헤미실린더 렌즈의 제조과정을 다음과 같이 설명한다.
우선, 렌즈 몰드(12)를 제조하는 단계로서, 실리콘 웨이퍼(11) 위에 에폭시(epoxy)계 또는 우레탄(urethane)계의 포토리지스트를 스핀코팅한 후 헤미실린더 렌즈(21) 모양의 패턴을 갖는 포토마스크(13)를 사용한 포토리소그라피(10) 공정에 의해서 양각으로 형성된 포토리지스트 마이크로 구조물을 갖는 렌즈 몰드(12)를 제조한다. 여기서, 렌즈 몰드(12)는 얇은 막으로 도포된 포토리지스트이며, 그 상부에서 자외선(14)이 조사되어 탄성체 폴리머(20)를 제조하는 틀을 형성한다. 여기서, 에폭시계로 사용될 수 있는 재료로는 SU-8 PR 등이 있고, 우레탄계로 사용될 수 있는 재료로는 AZ PR 등이 있으며, 이러한 에폭시계 또는 우레탄계는 사용자의 목적이나 의도에 따라 적절한 재료를 선택하여 적용시킬 수 있다.
다음, 탄성체 폴리머를 제조하는 단계는 렌즈 몰드(12) 상단에 용액을 주입하여 열경화반응으로 인해 탄성체 폴리머가 형성될 수 있다. 여기서, 주입하는 용액으로는 PDMS(polydimethylsiloxane) 등을 적용할 수 있다.
다음, 탄성체 폴리머에 압력을 가하는 단계에서는 상부 가압판(31) 및 하부 가압판(32)을 사용하여 탄성체 폴리머(20)에 압력을 가한다. 여기서, 상부 가압판(31)의 하부에는 평면판(30)이 위치함으로써 공정상의 불편함을 제거하며, 이때 부가하는 압력의 크기에 따라서 헤미실린더 렌즈(21)의 두께가 최종적으로 정해지게 된다.
다음, 탄성체 폴리머 구조물(20)을 형성하는 단계에서는 탄성체 폴리머에 압력이 가해진 상태에서 열이 가해짐으로써 용액이 경화반응하게 되고, 이로써 탄성체 폴리머 구조물(20)이 형성된다.
다음, 경화반응에 의해 형성된 탄성체 폴리머 구조물(20)을 렌즈 몰드(12)로부터 분리하는 단계를 거치게 된다.
다음, 렌즈 몰드(12)와 분리한 탄성체 폴리머 구조물(20)의 마이크로 플루이딕 채널(22)의 양단 끝에 첨공기로 구멍을 뚫고 플라스틱 튜브(48)를 연결하여 본딩하는 단계를 거치게 된다.
다음, 탄성체 폴리머 구조물(20)의 하단과 슬라이드 글라스(40) 상단에 놓인 마이크로칩 바닥판(41)의 상단에 플라즈마를 처리하는 단계를 거친다.
다음, 탄성체 폴리머 구조물(20) 하단과 마이크로칩 바닥판(41)의 상단을 접촉시켜 결합하는 단계를 거침으로써 헤미실린더 렌즈 마이크로칩(100)의 제조가 완료된다.
이하에서는 도 1의 (b)에 도시한 바와 같이 전술한 바에 의한 헤미실린더 렌즈를 적용한 헤미실린더 렌즈 마이크로칩(100)에 대해 설명한다.
탄성체 폴리머 구조물(20)의 중앙에 헤미실린더 렌즈(21)가 있고, 양쪽에 마이크로 플루이딕 채널(22)이 있으며, 마이크로 플루이딕 채널(22)의 양단 끝에는 외부의 시린지 펌프와 연결하기 위한 플라스틱 튜브(48)가 연결되어 있다.
여기서, 마이크로 플루이딕 채널(22)은 시린지 펌프에 장착된 주사기의 액체가 주입되어서 헤미실린더 렌즈(21)로 주입되는 유체가 흘러가는 통로역할을 한다. 또한, 마이크로 플루이딕 채널(22)은 플라스틱 튜브(48)와 헤미실린더 렌즈(21) 사이를 연결하는 역할을 수행한다.
슬라이드 글라스(40)는 마이크로칩 바닥판(41), 마이크로칩 바닥판(41)의 상단에 위치하는 헤미실린더 렌즈(21), 마이크로 플루이딕 채널(22), 접착제(45), 플라스틱 튜브(48)를 안정적으로 지지하는 역할을 한다.
마이크로칩 바닥판(41)은 헤미실린더 렌즈(21)와 마이크로 플루이딕 채널(22) 등의 구조물을 갖는 PDMS 폴리머 구조물과의 강한 결합력을 형성하는 재료를 사용할 수 있는데, 이러한 마이크로칩 바닥판(41)은 유연한 재질, 특히 PDMS 폴리머 판, 실리콘 고무판, 또는 폴리에틸렌 등의 얇은 플라스틱 비닐 판 등으로 적용될 수도 있다.
접착제(45)는 마이크로채널과 플라스틱 튜브의 연결부분에서 액체가 새는 것을 막는 역할을 하며, 장기간의 사용에서 본 발명의 렌즈 장치가 안정적으로 작동하도록 내구성을 향상시킨다.
플라스틱 튜브(48)는 본 발명의 헤미실린더 렌즈의 마이크로 플루이딕 채널(22)과 외부에 설치되는 시린지펌프를 연결한다. 즉, 플라스틱 튜브(48)의 일측 끝단은 마이크로 채널(22)에 연결되고 타측 끝단은 시린지펌프에 장착된 주사기 바늘 끝에 연결된다. 여기서, 시린지 펌프는 액체가 들어있는 주사기를 장착하여 극미량의 액체를 일정한 속도로 밀어내거나 또는 흡입하는 펌프를 말한다.
도 2는 다양한 유체 압력을 헤미실린더 렌즈(21)에 부가함에 따라 헤미실린더 렌즈(21)의 크기가 다양하고 빠르게 변하는 것을 나타내는 실험사진이다. 도 2에서 유체에 부가한 압력은 (a) 0 psi, (b) 1 psi, (c) 2 psi, (d) 3 psi이며, 이때 헤미실린더 렌즈의 두께는 약 80 μm이다.
우선, 외부의 시린지 펌프를 사용하여 액체를 플라스틱 튜브(48)에 연결된 마이크로 플루이딕 채널(22)을 통해 탄성체 폴리머 구조물(20)의 중앙에 위치하는 헤미실린더 렌즈(21)에 주입한다. 이때, 주입되는 유체의 압력이 커지면 헤미실린더 렌즈(21)의 상부의 얇은 막이 부풀어오르면서 크기가 커지는 반면, 주입되는 유체의 압력이 작아지면 헤미실린더 렌즈(21)의 크기가 작아진다. 즉, 헤미실린더 렌즈(21)의 크기는 주입되는 유체의 양이나 부가되는 유체의 압력에 의해서 커지고 작아지는 것을 반복한다.
도 3은 다양한 유체 압력을 헤미실린더 렌즈(21)에 부가함에 따라 다양하게 변하는 헤미실린더 렌즈(21)의 측면 형상을 나타내는 실험 사진이다. 도 3에 도시된 헤미실린더 렌즈(21)의 직경은 3mm이고, 길이는 15mm이며, 스케일 바(scale bar)의 길이는 1.5mm이다. 또한, 도 3에서 헤미실린더 렌즈(21)에 가해진 유체의 압력은 (a) 0.5 psi, (b) 1 psi, (c) 1.5 psi, (d) 2 psi이다.
도 3에서 볼 수 있는 것처럼, 헤미실린더 렌즈(21)에 부가되는 유체의 압력이 증가함에 따라 헤미실린더 렌즈(21)의 상부가 부풀어 올라 커지는 것을 볼 수 있다. 즉, 주입되는 유체의 압력에 따라서 크기가 변하는 헤미실린더 렌즈(21)는 주입되는 광학 빔을 받아서 굴절시켜서 통과시킴으로써 빛의 조사 방향을 바꿀 수 있다.
도 4는 부가하는 유체 압력에 의해 헤미실린더 렌즈(21)의 형태 변화에 따른 접촉각의 변화를 나타내는 실험결과 그래프이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 헤미실린더 렌즈(21)에 부가되는 유체의 압력이 증가함에 따라서 접촉각(contact angle)이 증가하는 것을 볼 수 있다.
도 5는 광학 스캐닝을 위한 헤미실린더 렌즈 마이크로칩(100)과 이를 사용한 광학 스캐닝 과정을 나타내는 모식도이다.
상부의 광원장치(300)로부터 나온 광학레이저 빔(310)은 고정 고체 렌즈 칩(200)의 중앙에 있는 고체 렌즈(210)를 통과하면서 한쪽 방향으로 넓게 펼쳐진 광학 빔(320)의 상태로 바로 밑의 헤미실린더 렌즈 마이크로칩(100)의 중앙에 있는 헤미실린더 렌즈(21)로 주입된다. 이때, 헤미실린더 렌즈 마이크로칩(100)에 주입되는 유체의 압력에 따라서 주입되는 광학 빔(310)은 굴절하는 각도가 차이가 나게 되어서 하부 광학 스캐닝 기판(350)의 한쪽에서 반대쪽으로 이동하면서 광학 스캐닝(330)하는 것이 가능하도록 한다.
이와 같은 과정에 의해서 헤미실린더 렌즈 마이크로칩(100)은 주입되는 광학 빔의 방향을 바꾸면서 내보낼 수 있는 광학 스캐닝(330)을 한다. 본 발명에 따른 헤미실린더 렌즈(21)에 의한 광학 스캐닝의 실험결과 사진 및 데이터는 다음 그림에서 자세히 보여준다.
도 6은 유체 압력에 의해 크기가 변하는 헤미실린더 렌즈(21)에 의해 조사되는 광학 빔(310)의 형태 변화를 나타내는 실험결과 사진이다. 도 6에서 헤미실린더 렌즈(21)에 부가되는 유체의 압력은 (a) 0 psi, (b) 2 psi, (c) 4 psi, (d) 6 psi이다. 또한, 헤미실린더 렌즈의 직경은 1mm이고, 길이는 5mm이다.
도 6에서 보는 바와 같이, 헤미실린더 렌즈(21)에 유체의 압력을 부가하지 않았을 때에 원형의 광학빔을 조사하는 데 반하여, 부가하는 유체의 압력이 증가할수록 조사 광학 빔의 형태가 길어지는 것을 볼 수 있다.
도 7은 상부 고체 고정렌즈를 통해 입사된 광학 빔(310)이 헤미실린더 렌즈 마이크로칩(100)에 의해서 한쪽 방향으로 이동하는 광학 스캐닝 과정을 구현하는 실험사진이다. 여기서, 헤미실린더 렌즈 마이크로칩(100)에 부가되는 유체의 압력은 (a) 0 psi, (b) 0.2 psi, (c) 0.4 psi, (d) 0.6 psi이다. 또한, 상부 고체 고정렌즈의 1×5mm이고, 헤미실린더 렌즈(21)의 크기는 3×15mm이다.
도 7은 도 5에 모식적으로 나타낸 과정을 따라서 실험하여 얻은 결과로서, 헤미실린더 렌즈 마이크로칩(100)에 유체의 압력을 부가함으로써 조사되는 광학 빔이 중앙에서 점차 왼쪽으로 이동하는 것을 볼 수 있다.
도 8은 헤미실린더 렌즈(21)의 유체 압력에 따른 광학 스캐닝 범위를 나타내는 실험결과 그래프이다. 도 8에서 보는 바와 같이, 헤미실린더 렌즈(21)에 부가되는 유체 압력이 증감함에 따라서 조사거리(scanning distance)가 증가하는 것을 볼 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 헤미실린더 렌즈 마이크로칩
10 : 포토리소그라피
11 : 실리콘 웨이퍼
12 : 포토리지스트
13 : 포토마스크
14 : 자외선
20 : 탄성체 폴리머 구조물
21 : 헤미실린더 렌즈
22 : 마이크로 플루이딕 채널
30 : 평면판
31 : 상부 가압판
32 : 하부 가압판
40 : 슬라이드 글라스
41 : 마이크로칩 바닥판
45 : 접착제
48 : 플라스틱 튜브
200 : 고정 고체 렌즈 칩
210 : 고체 렌즈
300 : 광원장치
310 : 광학 빔
320 : 입사 광학 빔
330 : 조사 광학 빔
350 : 광학 스캐닝 기판

Claims (17)

  1. (a) 실리콘 웨이퍼 상부에 일정한 형태의 렌즈 몰드를 형성하는 단계;
    (b) 상기 형성된 렌즈 몰드 상부에 탄성체 폴리머 구조물을 형성하는 단계; 및
    (c) 상기 형성된 탄성체 폴리머 구조물을 상기 렌즈 몰드로부터 분리하는 단계;를 포함하고,
    상기 (b) 단계는,
    (b1) 상기 렌즈 몰드 및 상기 실리콘 웨이퍼 상부에 탄성체 폴리머 혼합액을 주입하는 단계;
    (b2) 상기 실리콘 웨이퍼의 하부에는 하부 가압판을 위치시키고, 상기 탄성체 폴리머 혼합액의 상부에는 평면판과 상부 가압판을 순차적으로 적층하여 상기 탄성체 폴리머 혼합액에 압력을 가하는 단계; 및
    (b3) 상기 탄성체 폴리머 혼합액을 경화시켜 상기 탄성체 폴리머 구조물을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    헤미실린더 렌즈 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    (a1) 실리콘 웨이퍼 상부에 포토리지스트를 코팅하는 단계;
    (a2) 상기 코팅된 포토리지스트 상부에 포토마스크를 적층하는 단계; 및
    (a3) 상기 적층된 포토마스크 상부에 자외선을 조사하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    헤미실린더 렌즈 제조 방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b2) 단계에서,
    상부 및 하부 가압판에 가해지는 압력을 조절하여 상기 탄성체 폴리머 혼합액에 적용되는 압력을 조절하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    헤미실린더 렌즈 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    상기 탄성체 폴리머 구조물을 상기 실리콘 웨이퍼 및 상기 렌즈 몰드로부터 분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    헤미실린더 렌즈 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈 몰드는 에폭시(epoxy)계, 우레탄(urethane)계, 아크릴레이트(acrylate)계 및 메틸에테르(methylether)계 화합물 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는,
    헤미실린더 렌즈 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성체 폴리머 구조물은 실록세인(siloxane)을 갖는 PDMS(polydimethylsioxane) 또는 탄화수소화합물로 구성된 아이소프렌(isoprene)계 폴리머 탄성체 중의 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는,
    헤미실린더 렌즈 제조 방법.
  8. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 헤미실린더 렌즈 제조 방법에 의해 제조된 헤미실린더 렌즈.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 헤미실린더 렌즈의 넓이는 0.1 mm 내지 10 mm 범위이고, 높이는 0.1 mm 내지 5 mm 범위이며, 길이는 0.1 mm 내지 50 mm 범위인 것을 특징으로 하는,
    헤미실린더 렌즈.
  10. (a) 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 헤미실린더 렌즈를 제조하는 단계; 및
    (b) 상기 제조된 헤미실린더 렌즈를 슬라이드 글라스에 접합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    헤미실린더 렌즈 마이크로칩 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    (b1) 상기 탄성체 폴리머 구조물의 마이크로 플루이딕 채널의 양끝단과 다수의 플라스틱 튜브를 연결하는 단계;
    (b2) 상기 탄성체 폴리머 구조물의 하단과 마이크로칩 바닥판의 상단에 플라즈마를 처리하는 단계; 및
    (b3) 상기 플라즈마 처리된 탄성체 폴리머 구조물의 하단과 상기 마이크로칩 바닥판의 상단을 접촉시켜 결합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    헤미실린더 렌즈 마이크로칩 제조 방법.
  12. 제 10 항에 따른 헤미실린더 렌즈 마이크로칩 제조 방법에 의해 제조된 헤미실린더 렌즈 마이크로칩.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 마이크로 플루이딕 채널의 넓이와 높이는 50 μm 내지 1000μm 범위이며, 길이는 3 mm 내지 50 mm 범위인 것을 특징으로 하는,
    헤미실린더 렌즈 마이크로칩.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 마이크로칩 바닥판은 PDMS 폴리머판, 실리콘 고무판 및 폴리에틸렌 등의 얇은 플라스틱 비닐 판 중 어느 하나를 적용하는 것을 특징으로 하는,
    헤미실린더 렌즈 마이크로칩.
  15. 제 12 항에 의해 제조된 상기 헤미실린더 렌즈 마이크로칩을 이용한 광학 스캐닝 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 광학 스캐닝 방법으로는,
    상부의 광원장치로부터 조사되는 광학 레이저 빔이 고체 렌즈 칩의 중앙에 있는 고체 렌즈를 통과하는 단계; 및
    상기 고체 렌즈를 통과한 광학 레이저 빔이 일 방향으로 넓게 펼쳐진 광학 빔의 상태로 하부의 헤미실린더 렌즈로 주입되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    헤미실린더 렌즈 마이크로칩을 이용한 광학 스캐닝 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 광학 레이저 빔은 굴절각의 차이에 따라 광학스캐닝 기판의 일측에서 타측으로 이동하면서 광학 스캐닝할 수 있는 것을 특징으로 하는,
    헤미실린더 렌즈 마이크로칩을 이용한 광학 스캐닝 방법.




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