KR101260004B1 - 경사진 자외선 리소그래피를 이용하여 마이크로 채널 내에 기하학적 구조물을 형성하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 마이크로 채널 내에 기하학적 구조물을 형성하는 방법에 있어서, 실리콘 웨이퍼 위에 감광제를 스핀 코팅하고 경화시키는 단계; 상기 실리콘 웨이퍼 상에서 경화된 상기 감광제 위에 상기 기하학적 구조물 및 상기 마이크로 채널이 프린팅된 필름 마스크를 정렬시키는 단계; 상기 감광제를 노광기 아래에 위치시키는 단계; 상기 노광기를 이용하여 상기 감광제를 경사지게 노광하는 단계; 상기 필름 마스크를 제거하고 상기 감광제를 현상하는 단계; 및 현상된 상기 감광제 위에 PDMS 몰드를 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 PDMS 몰드를 형성하는 단계에서는 상기 기하학적 구조물과 상기 마이크로 채널이 일체로 구비된 PDMS 몰드가 형성되는, 경사진 자외선 리소그래피를 이용하여 마이크로 채널 내에 기하학적 구조물을 형성하는 방법을 제공한다. 이로 인해, 혼합 성능이 좋은 수동형 마이크로 믹서의 제작 공정을 단순화할 수 있다.

Description

경사진 자외선 리소그래피를 이용하여 마이크로 채널 내에 기하학적 구조물을 형성하는 방법 {Method for forming geometric structure in micro channel by inclined UV lithography}
본 발명은 2차원 또는 3차원의 기하학적 구조물이 배열된 마이크로 채널을 구비한 마이크로 믹서 제작시 경사진 자외선 리소그래피(inclined UV lithography)를 이용하여 기하학적 구조물과 마이크로 채널을 동시에 일체로 제작하는 방법에 관한 것이다.
현재 분석기술의 소형화에 따라 많은 시료와 시약을 작은 단위로 처리, 분석이 가능한 초소형 장치에 대한 연구 및 개발이 진행되고 있으며, 바이오 칩, 랩-온-어-칩(lab on a chip) 및 마이크로 토탈 분석 시스템(micro total analysis system) 등의 기술이 이러한 범주에 속한다. 바이오 칩, 랩-온-어-칩 및 마이크로 토탈 분석 시스템 등의 초소형 장치는 분석에 필요한 모든 과정들을 하나의 작은 칩 위에서 수행될 수 있도록 여러 개의 채널이나 미세 구조물들을 포함한다. 이 때 이러한 초소형 장치에는 분석 또는 생화학 반응을 위해 마이크로 채널에 의해 운반되는 시료와 시약 등의 효과적인 혼합은 필수적이라고 할 수 있다. 기존의 대규모 시스템의 경우, 유체 내에서 프로펠러를 돌리거나 자기 구슬 등의 움직이는 파트를 유체 내에 도입할 경우 레이놀즈 수가 충분히 크기 때문에 난류를 유발하는 것이 가능하여 유체의 혼합을 얻을 수 있었다. 그러나 초소형 시스템의 경우, 레이놀즈 수가 작기 때문에 층류(laminar flow) 외에 난류가 형성되지 않으므로, 확산(diffusion)에 의한 혼합 밖에 기대할 수 없게 되어 결과적으로 균일한 유체의 혼합물을 얻기 어렵다.
이에 대규모 시스템의 혼합 성능을 기대하여 마이크로 채널 내부에 움직이는 파트를 도입하여 능동 혼합(active mixing) 방법을 통해 혼합 성능의 향상을 가져오기도 하지만, 이 경우 마이크로 채널 내부의 미세 소량 유체의 누출의 가능성과 함께 제조가 어려워 제조 원가가 비싸게 되며, 사용, 세척 및 다른 마이크로 장치들과의 통합에 상당한 어려움이 따른다. 이와 달리 마이크로 채널 내부에 정적인 여러 미세 구조 또는 3차원 구조물을 도입함으로써 유체가 혼합될 수 있게 유도하는 수동형 혼합(passive mixing) 방법이 있다. 이 경우 상기 능동 혼합 방법 보다 혼합 성능은 떨어질 수 있으나, 능동 혼합 방법의 많은 문제점을 해결할 수 있으며 특히 제조 원가가 크게 떨어지고, 다른 마이크로 장치들과의 통합을 용이하게 하는 장점을 가질 수 있다.
3차원 구조물을 이용하여 마이크로 채널 내 유동의 혼합 성능을 높이는 것은 수동형 믹서로서 대표적인 예로 헤링본 배열 믹서(staggered herringbone mixer: SHM)가 있다. 상기에서 설명한 바와 같이, 수동형 마이크로 믹서는 기하학적 형상 및 구조물을 마이크로 채널 내에 설치한 혼합장치이다. 수동형 마이크로 믹서는 낮은 레이놀즈 수(Re)로 인해 마이크로 채널 내 유동의 혼합이 분자 확산만을 통해 느리게 일어나는 미세유동시스템에서 서로 다른 시료간의 혼합을 촉진시키는 매우 중요한 요소이다.
특히 장애물을 이용한 혼돈류 믹서(chaotic advection mixer)는 효율이 매우 높다는 장점이 있으며, 최근 고효율의 수동형 믹서에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 일반적으로 수동형 마이크로 믹서가 높은 혼합 효율을 얻기 위해서는 복잡한 형상 및 제작과정이 요구되며, 그에 따라 많은 시간과 비용이 들기 때문에 통합적인 미세유동시스템에 적용하는데 어려움이 있다.
3차원 마이크로 구조물을 손쉽게 원반 형태의 웨이퍼 위에 제작하는 방법은 기존에 소개되었다. 예를 들어, UV를 웨이퍼에 수직이 아닌 경사진 각으로 노광하여 마이크로섬유 홀더, 격자 등의 복잡한 3차원 마이크로 구조물들을 제작하는 방법이 소개된 바 있지만, 이러한 종래의 기술을 마이크로 믹서 혹은 마이크로 채널에 적용하여 제작 공정을 단순화한 사례는 보고된 바 없다.
기존의 기술로 헤링본 배열 믹서를 제작할 때 3차원 구조물(헤링본 배열)과 마이크로 채널을 각각 별도의 공정으로 제작해야 하는 문제가 있다.
본 발명은 기하학적인 3차원 구조물인 헤링본 이랑과 마이크로 채널을 경사진 UV 리소그래피를 사용하여 하나의 몰드로 간단히 제작할 수 있는 방법을 제공한다.
본 발명은 헤링본 이랑과 같은 3차원 구조물의 높이를 손쉽게 제어할 수 있으며, 매우 뛰어난 혼합성능을 가지는 마이크로 믹서를 제조하는 방법을 제공한다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 마이크로 채널 내에 기하학적 구조물을 형성하는 방법에 있어서, 실리콘 웨이퍼 위에 감광제를 스핀 코팅하고 경화시키는 단계; 상기 실리콘 웨이퍼 상에서 경화된 상기 감광제 위에 상기 기하학적 구조물 및 상기 마이크로 채널이 프린팅된 필름 마스크를 정렬시키는 단계; 상기 감광제를 노광기 아래에 위치시키는 단계; 상기 노광기를 이용하여 상기 감광제를 경사지게 노광하는 단계; 상기 필름 마스크를 제거하고 상기 감광제를 현상하는 단계; 및 현상된 상기 감광제 위에 PDMS 몰드를 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 PDMS 몰드를 형성하는 단계에서는 상기 기하학적 구조물과 상기 마이크로 채널이 일체로 구비된 PDMS 몰드가 형성되는, 경사진 자외선 리소그래피를 이용하여 마이크로 채널 내에 기하학적 구조물을 형성하는 방법을 제공한다.
상기 감광제를 경사지게 노광하는 단계는, 상기 필름 마스크에 패턴된 채널의 길이 방향에 대해서 수직인 면 또는 선을 기준으로 대칭이 되도록 동일한 각도만큼 기울어진 상태 또는 다른 크기의 각도만큼 기울어진 상태로 노광할 수 있다.
상기 PDMS 몰드를 형성하는 단계는, 상기 노광기에서 입사되는 자외선의 입사각도를 고정하고 상기 필름 마스크에 프린트되는 상기 기하학적 구조물 패턴의 두께를 조절하여 상기 PDMS 몰드에 형성되는 상기 기하학적 구조물의 높이를 조절할 수 있다.
상기 PDMS 몰드를 형성하는 단계는, 상기 노광기에서 입사되는 자외선의 입사각도를 조절하여 상기 PDMS 몰드에 형성되는 상기 기하학적 구조물의 높이를 조절할 수도 있다.
상기 PDMS 몰드를 형성하는 단계에서, 상기 기하학적 구조물은 상기 마이크로 채널의 윗면, 아랫면 또는 측면 중 적어도 한 곳에 배열될 수 있다.
상기 필름 마스크를 정렬시키는 단계에서 상기 필름 마스크는 상기 기하학적 구조물에 대응하는 제1패턴과 상기 마이크로 채널의 측벽에 대응하는 제2패턴을 포함할 수 있다.
상기 감광제를 현상하는 단계는 상기 감광제 중 상기 제1패턴 및 상기 제2패턴에 의해 노광이 차단된 부분을 제거할 수 있다.
상기 PDMS 몰드를 형성하는 단계에서 상기 감광제 중 상기 제1패턴에 대응하여 제거된 부분에 상기 기하학적 구조물이 형성되고, 상기 감광제 중 상기 제2패턴에 대응하여 제거된 부분에는 상기 마이크로 채널의 측벽이 형성되며, 상기 감광제 중 상기 필름 마스크에 의해 노광이 차단되지 않은 부분에는 상기 마이크로 채널이 형성될 수 있다.
상기 필름 마스크를 정렬시키는 단계는 상기 제1패턴과 상기 제2패턴이 일체로 형성된 필름 마스크를 이용할 수 있다. 상기 PDMS 몰드를 형성하는 단계에서, 상기 기하학적 구조물은 상기 마이크로 채널에 배열된 헤링본(herringbone) 형태를 가질 수 있다.
상기 PDMS 몰드를 형성하는 단계는, 상기 마이크로 채널 내에 상기 기하학적 구조물이 일체로 구비된 마이크로 믹서를 형성할 수 있다.
상기 PDMS 몰드를 형성하는 단계에서, 상기 기하학적 구조물은 2차원 또는 3차원 형상을 가지도록 형성될 수 있다.
상기 PDMS 몰드를 형성하는 단계에서, 상기 기하학적 구조물은 상기 마이크로 채널 내를 유동하는 유체의 유동 방향을 따라 경사지도록 헤링본 이랑 형태로 형성되며, 상기 기하학적 구조물은 상기 마이크로 채널의 길이방향을 따라 서로 다른 패턴이 반복적으로 배열될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 경사진 자외선 리소그래피를 이용하여 마이크로 채널 내에 기하학적 구조물을 형성하는 방법은 일반적으로 널리 알려진 PDMS (polydimethylsiloxane) molding 기술 이용하여 마이크로 채널과 그 안에 배열되는 3차원 구조물인 헤링본 이랑을 만들 수 있는 몰드를 제작하되, 몰드 제작을 위한 기존의 복잡한 제조 공정과는 달리 경사진 UV 리소그래피를 이용하였다. 이로 인해, 경사진 UV 리소그래피를 이용하면 마이크로 채널을 위한 몰드와 헤링본 이랑을 위한 몰드를 별도로 제작하지 않고, 한 번의 공정으로 하나의 몰드를 제작하여 마이크로 채널과 헤링본 이랑을 동시에 제작할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 경사진 UV 리소그래피를 이용하여 헤링본 이랑이 배열된 마이크로 채널을 이용하여 마이크로 유동의 혼합 성능을 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 3차원 구조물 또는 헤링본 이랑의 높이를 쉽게 변경하거나 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 경사진 자외선 리소그래피를 이용하여 마이크로 채널 내에 기하학적 구조물을 형성하는 과정을 개략적으로 도시한 단면도 및 평면도이다.
도 2는 도 1에 따른 과정을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 경사진 자외선 리소그래피를 이용하여 마이크로 채널 내에 기하학적 구조물을 형성하는 방법을 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 방법에 의해 제조된 마이크로 믹서를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 경사진 UV 리소그래피를 이용하여 제작한 마이크로 채널 윗면에 배열된 이랑의 단면 모습을 보여주는 사진이다.
도 6은 본 발명에 따라 제조된 마이크로 믹서의 성능평가를 위한 실험 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7의 (A)는 본 발명에 따라 제조된 마이크로 믹서에 형성된 마이크로 채널에서의 혼합 변화를 보여주는 사진이고, (B)는 마이크로 믹서의 혼합 성능 실험의 결과를 보여주는 그래프이다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 경사진 자외선 리소그래피를 이용하여 마이크로 채널 내에 기하학적 구조물을 형성하는 과정을 개략적으로 도시한 단면도 및 평면도, 도 2는 도 1에 따른 과정을 개략적으로 도시한 사시도, 도 3은 본 발명에 따른 경사진 자외선 리소그래피를 이용하여 마이크로 채널 내에 기하학적 구조물을 형성하는 방법을 도시한 순서도, 도 4는 본 발명에 따른 방법에 의해 제조된 마이크로 믹서를 개략적으로 도시한 도면, 도 5는 본 발명에 따른 경사진 UV 리소그래피를 이용하여 제작한 마이크로 채널 윗면에 배열된 이랑의 단면 모습을 보여주는 사진이다.
본 발명의 실현을 위해, 아래에서 제시되는 구체적인 수치는 그 값을 달리하여도 본 발명의 실현에 큰 영향을 주지 않음을 밝혀둔다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 경사진 자외선 리소그래피(inclined UV lithography)를 이용하여 마이크로 채널(144) 내에 기하학적 구조물(142)을 형성하는 방법은 실리콘 웨이퍼(110) 위에 감광제(120)를 스핀 코팅하고 경화시키는 단계(1100), 실리콘 웨이퍼(110) 상에서 경화된 감광제(120) 위에 기하학적 구조물(142) 및 마이크로 채널(144)이 프린팅된 필름 마스크(130)를 정렬시키는 단계(1200), 감광제(120)를 노광기(L) 아래에 위치시키는 단계(1300), 노광기(L)를 이용하여 감광제(120)를 경사지게 노광하는 단계(1400), 감광제(120)에서 필름 마스크(130)를 제거하고 감광제(120)를 현상(development)하는 단계(1500) 및 현상된 감광제(120) 위에 PDMS 몰드(polydimethylsiloane molding, 140)를 형성하는 단계(1600)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 상기한 바와 같이 경사진 UV 리소그래피를 이용하여 PDMS 마이크로 채널(144)과 채널 위쪽 벽면에 배열된 기하학적 구조물(142)에 해당하는 헤링본 이랑(herringbone ridge)를 경사진 자외선 리소그래피를 이용하여 동시에 제작할 수 있는 몰드를 먼저 준비하고, 일반적으로 널리 알려진 PDMS 몰딩(molding) 기술을 이용하여 마이크로 믹서(100)를 제작할 수 있다.
도 1의 각 단계에 대해서 위쪽에 도시된 그림은 단면도이고 아래쪽에 도시된 그림은 평면도이다. 우선 도 1의 (a)를 참조하면, 감광제(120)를 실리콘 웨이퍼(110) 위에 80㎛높이로 스핀코팅(spin-coating)하고, 코팅된 감광제(120)를 65℃에서 3분 또는 95℃에서 13분 동안 경화시킨다(1100). 여기서, 감광제(120)로는 SU-8 등의 포토레지스트(photoresist)를 사용할 수 있다. 본 발명에서는 감광제(120)로 네거티브 포토레지스트(negative photoresist)를 사용한다. 네거티브 포토레지스트는 노광기에 의해 빛을 받은 부분은 굳어지고 빛을 받지 않은 부분은 현상에 의해 제거되는 포토레지스트이다.
이 상태에서 실리콘 웨이퍼(110) 상에 마이크로 채널(144)과 기하학적 구조물(142)인 헤링본 패턴(herringbone pattern)이 프린팅된 필름 마스크(130)와 정렬시킨다(1200). 필름 마스크(130)를 정렬시킨 실리콘 웨이퍼(110)와 감광제(120)는 UV 노광기(L)의 아래에 위치시킨다(1300). 도 1의 (b)를 참조하면, 필름 마스크(130)는 헤링본 모양의 기하학적 구조물(142)에 대응하는 제1패턴(131)과 마이크로 채널(144)의 측벽에 대응하는 제2패턴(132)을 포함할 수 있다. 필름 마스크(130)의 제1패턴(131) 및 제2패턴(132)은 빛이 감광제(120)에 닿는 것을 차단하는 부분으로서 현상 단계에서 감광제(120)가 제거되는 부분과 대응한다. 제1패턴(131) 사이의 빈 공간부분을 통해서 빛이 감광제(120)에 닿게 되고, 이 부분은 현상 단계에서 감광제(120)가 제거되지 않는 부분과 대응한다.
필름 마스크(130)의 제1패턴(131)과 제2패턴(132)은 일체로 형성될 수 있다. 이와 같이 기하학적 구조물(142)에 대응하는 제1패턴(131)과 마이크로 채널(144)에 대응하는 제2패턴(132)이 일체로 형성된 필름 마스크(130)를 이용하기 때문에 한 번의 리소그래피를 이용하여 기하학적 구조물(142)과 마이크로 채널(144)을 한꺼번에 제조할 수 있다.
그 다음에는 도 1의 (c) 및 (d)에 도시된 바와 같이, 감광제(120)를 경사진 상태로 노광시킨다(1400). 즉, 필름 마스크(130)에 패턴된 마이크로 채널(144)의 측벽에 대응하는 제2패턴(132)의 길이 방향에 대해 수직인 면 또는 선(측면에 볼 경우에는 수직선(VL)으로 보임)을 기준으로 대칭이 되도록 양각(θ)과 음각(-θ)만큼 기울어진 상태로 노광할 수 있다. 즉, 수직선(VL)을 기준으로 동일한 각도로 기울어진 상태로 노광할 수 있다. 또한, 수직선(VL)에 대해 양각과 음각이 서로 다른 크기의 각도만큼 기울어진 상태로 노광할 수도 있다.
도 1의 (c)에 도시된 바와 같이, 수직선(VL)에 대해 양각(θ)만큼 기울어진 상태로 감광제(120)를 노광한다. 그 다음에는 도 1의 (d)에 도시된 바와 같이 수직선(VL)에 대해 음각(-θ)만큼 기울어진 상태로 감광제(120)를 노광한다.
이러한 노광 과정을 거치면 도 1의 (e)에 도시된 바와 같이, 필름 마스크(130)의 패턴 아래에는 삼각 단면 형태의 골짜기 부분(121)이 노광기(L)의 자외선(UV)에 노광되지 않고 이 부분은 현상단계(1500)를 거치고 PDMS 몰드(140)를 형성하면(1600) 헤링본 형태의 이랑(ridge) 즉, 기하학적 구조물(142)이 형성된다. 한편, 노광기(L)의 자외선(UV)에 의해 노광되는 부분(123)은 헤링본 이랑(142)이 배열된 마이크로 채널(144)을 위한 몰드(140)로 경화된다(1600).
웨이퍼(110) 상에서 경화된 감광제(120)위에 필름 마스크(130)를 정렬시키는 단계(1200)에서 사용되는 필름 마스크(130)에는 기하학적 구조물(142)에 대응하는 제1패턴(131)과 마이크로 채널(144)의 측벽(144a)에 대응하는 제2패턴(132)이 형성될 수 있다. 제1패턴(131) 및 제2패턴(132)은 노광단계(1400)에서 빛이 감광제(120)에 닿는 것을 차단할 수 있다.
여기서, 제1패턴(131) 및 제2패턴(132) 아래에 위치하여 빛이 차단된 감광제(120) 부분은 현상 단계(1500)에서 제거된다. 즉, 감광제(120) 중 제1패턴(131) 및 제2패턴(132)에 의해 노광이 차단된 부분은 현상단계(1500)에서 제거될 수 있다.
노광 및 현상을 거치면서 필름 마스크(130)의 제1패턴(131) 아래에 있는 감광제(120)는 제거 또는 식각되어 단면이 삼각형 모양의 이랑 부분(121, 도 2의 (c) 참고)이 되고, 제2패턴(132) 아래에 있는 감광제(120)는 제거 또는 식각되어 일정한 높이를 가지는 직육면체 형태로서 마이크로 채널(144)의 측벽(144a)에 해당하는 부분(122, 도 2의 (c) 참고)이 된다.
한편, 제1패턴(131) 사이에 형성된 공간 부분에는 빛이 도달하고 도달된 빛은 감광제(120)에 도달하게 된다. 빛이 닿은 감광제(120) 부분은 현상 단계(1500)에서 경화되고 제거되지 않는다. 따라서, 이 부분은 향후 PDMS 몰드(140)를 형성하는 단계(1600)를 거치면서 마이크로 채널(144)를 형성하게 된다.
다시 설명하면, PDMS 몰드(140)를 형성하는 단계(1600)에서 감광제(120) 중 제1패턴(131)에 대응하여 제거된 부분(121)에 기하학적 구조물(142)이 형성되고, 감광제(120) 중 제2패턴(132)에 대응하여 제거된 부분(122)에는 마이크로 채널(144)의 측벽(144a)이 형성되며, 감광제(120) 중 필름 마스크(130)에 의해 노광이 차단되지 않은 부분에는 마이크로 채널(144)이 형성될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 한 번의 리소그래피 공정을 이용하여 헤링본 이랑 형태의 기하학적 구조물(142)과 마이크로 채널(144)을 구비하는 PDMS 몰드(140)를 하나로 합쳐서 제작할 수 있기 때문에, 각각의 몰드를 따로 제작하고 이들을 결합하기 위해 정밀한 결합 공정을 거쳐야 하는 기존의 방법에 비해 본 발명의 경우 제작이 간편하다.
즉, 본 발명에 따른 방법에 의하면, PDMS 몰드(140)를 형성하는 단계(1600)에서는 헤링본 이랑 형태의 기하학적 구조물(142)과 마이크로 채널(144)이 일체로 구비된 PDMS 몰드(140)를 얻을 수 있다. 나머지 제작 공정은 기존의 PDMS 제작공정과 동일하며, 이를 통해 제작한 마이크로 믹서(100)의 개략도는 도 4에 도시된 바와 같다.
한편, 본 발명에 의한 마이크로 믹서(100)의 제조 방법 또는 경사진 자외선 리소그래피를 이용하여 마이크로 채널(144) 내에 기하학적 구조물(142)을 형성하는 방법은 기하학적 구조물(142)에 해당하는 헤링본 형태 이랑의 높이를 용이하게 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 방법에 의하면, 헤링본 형태 기하학적 구조물(142)의 높이는 2가지 방법에 의해서 조절될 수 있다. 첫째 방법은 노광기(L)의 자외선(UV) 입사각을 고정시키고 필름 마스크(130)의 이랑 패턴 두께를 조절하여 자외선(UV)이 노광되는 영역을 제어하는 방법이다. 이러한 방법에 의하면, 필름 마스크(130)의 이랑 패턴의 두께가 클수록 같은 자외선 입사각에 대해 이랑의 높이가 커지게 된다.
둘째 방법은 동일한 패턴의 두께를 가지는 필름 마스크(130)를 사용하되 노광기(L)의 자외선 입사각을 조절하는 방법이다. 두 번째 방법에 의하면 실리콘 웨이퍼(110)에 수직한 선(VL)을 기준으로 자외선 입사각이 커질수록(즉, 수평에 가까워질수록) 이랑의 높이가 낮게 형성할 수 있다. 이하에서 설명할 마이크로 믹서(100)의 성능시험 예에서는 두 번째 방법을 이용하여 이랑의 높이를 제어하였다.
정리하면, 본 발명에 따른 방법의 PDMS 몰드(140)를 형성하는 단계(1600)는 노광기(L)에서 입사되는 자외선의 입사각도를 고정하고 필름 마스크(130)에 프린트되는 기하학적 구조물(142) 패턴의 두께를 조절하여 PDMS 몰드(140)에 형성되는 기하학적 구조물(142)의 높이를 조절할 수 있다. 또한, PDMS 몰드(140)를 형성하는 단계(1600)는 필름 마스크(130)의 두께는 일정하게 유지한 상태에서 노광기(L)에서 입사되는 자외선의 입사각도를 조절하여 PDMS 몰드(140)에 형성되는 기하학적 구조물(142)의 높이를 조절할 수도 있다.
도 5에는 서로 다른 헤링본 이랑 높이를 가진 네 개의 마이크로 믹서를 자외선(UV)의 입사각을 바꿔가며 제작한 경우가 도시되어 있다. 사용된 입사각은 각각 6.5, 9.0, 12.0, 16.0도이며 이에 따른 이랑의 높이는 각각 30, 25, 17, 11 μm으로서 광학현미경을 통해 확인한 헤링본 이랑의 단면 모습 도시되어 있다. 여기서 헤링본 이랑의 모서리가 날카롭지 않은데, 이는 자외선(UV)의 회절과 굴절에 의한 영향 및 실리콘 웨이퍼(110)에서 반사된 자외선(UV)에 의한 영향 때문이라고 할 수 있다. 만약, 단면의 모양이 날카로운 모서리를 가진 헤링본 이랑을 제조하고자 하는 경우에는 자외선(UV) 반사가 억제된 웨이퍼(Fused Silica 웨이퍼 등)를 사용하는 것이 바람직하다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 방법에 의해 제조된 마이크로 믹서(100)가 도시되어 있다. 본 발명에 따른 방법은 마이크로 믹서(100) 뿐만 아니라, 마이크로 믹서를 목적으로 하지 않는 마이크로 채널에 2차원 또는 3차원의 구조물을 제조하는 경우에도 적용될 수 있으며, 입자 분리, 입자 포획, 입자 분석, 입자 검출 등 각종 미세 고정 등을 달성하기 위한 장치의 제조에도 사용될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 마이크로 믹서(100)를 일예로서 설명한다.
본 발명에 따른 방법에 의해서 제조된 마이크로 믹서(100)는 혼합하고자 하는 시료 또는 시약이 주입되는 Y자 형태로 형성된 2개의 입구채널(145a,145b), 입구채널(145a,145b)은 하나의 마이크로 채널(144)과 연결되며, 마이크로 채널(144)의 내부에는 헤링본 이랑 형태의 2차원 또는 3차원의 기하학적 구조물(142)이 배열되어 있다.
본 발명의 PDMS 몰드(140)를 형성하는 단계(1600)에서, 기하학적 구조물(142)은 마이크로 채널(144)의 윗면, 아랫면 또는 측면 중 적어도 한 곳에 배열될 수 있다. 즉, 헤링본 이랑과 같은 2차원 또는 3차원의 기하학적 구조물(142)은 마이크로 채널(144)의 내부에서 제한 없이 형성될 수 있다.
또한, 2차원 또는 3차원 형태의 기하학적 구조물(142)은 헤링본 이랑 형태 뿐만 아니라 헤링본 이랑(herringbone ridge) 형태를 응용한 보다 복잡한 형태의 이랑(예를 들면, 한 번 이상 방향이 꺾여진 이랑 등)을 가지도록 형성될 수도 있다.
본 발명에 의한 방법은 2차원 또는 3차원의 기하학적 구조물(142)의 단면 형상을 다양하게 형성할 수도 있다. 예를 들면, 기하학적 구조물(142)이 헤링본 이랑 형태인 경우 헤링본 이랑의 단면 형상은 삼각형, 반원,반구 뿐만 아니라 임의의 곡면 형태 등 다양한 형상을 가질 수 있다. 이와 같이 기하학적 구조물의 다양한 단면 모양은 필름 마스크(130)에 프린팅되어 있는 기하학적 구조물의 패턴을 변경하면 쉽게 얻을 수 있다. 기하학적 구조물(142)에 해당하는 헤링본 이랑의 단면 형상이 반원 또는 반구인 경우에는 노광 시간을 조절하거나 웨이퍼(110)를 회전시키면서 노광하여 얻을 수 있다.
한편, PDMS 몰드(140)를 형성하는 단계(1600)에서, 헤링본 형태의 기하학적 구조물(142)은 마이크로 채널(144) 내를 유동하는 시료 또는 시약 등 유체의 유동 방향을 따라 경사지도록 형성될 수 있다. 도 2 또는 도 3을 참조하면, 헤링본 이랑의 형태를 가지는 기하학적 구조물(142)은 대략 V자 형태를 가지며 입구채널(145a,145b)에 주입된 시료 또는 시약 등의 유체의 흐름을 방해하지 않도록 유체의 흐름 방향을 따라 경사지게 형성되어 있음을 알 수 있다. 도 4에는 유체의 흐름 방향에 대해 45도의 각도를 가지도록 경사지게 형성된 기하학적 구조물(142)이 예시적으로 도시되어 있다.
또한, 기하학적 구조물(142)은 마이크로 채널(144)의 길이방향을 따라 서로 다른 패턴이 반복적으로 배열될 수 있다. 즉, 도 4를 참조하면, 기하학적 구조물(142)은 1/2 사이클 마다 반복적으로 배치됨을 알 수 있으며 상호 인접한 기하학적 구조물(142)의 패턴이 서로 다름을 볼 수 있다. 이와 같이, 서로 다른 패턴이 반복될 수 있도록 기하학적 구조물(142)을 형성하거나 배열함으로써 시료 또는 시약 등 유체의 혼합 성능을 높일 수도 있다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 방법에 의해 제조된 마이크로 믹서의 성능에 대해서 설명한다.
도 6은 본 발명에 따라 제조된 마이크로 믹서의 성능평가를 위한 실험 장치를 개략적으로 도시한 도면, 도 7의 (A)는 본 발명에 따라 제조된 마이크로 믹서에 형성된 마이크로 채널에서의 혼합 변화를 보여주는 사진이고, (B)는 마이크로 믹서의 혼합 성능 실험의 결과를 보여주는 그래프이다.
우선 도 6에는 본 발명의 방법에 의해 제조된 마이크로 믹서(100)의 성능을 평가하기 위한 실험장치(200)가 개략적으로 도시되어 있다. 성능 실험장치(200)는 슬라이드 글래스(230)의 위에 배치된 마이크로 믹서(100), 마이크로 믹서(100)의 입구채널(145a,145b)에 시료 또는 시약 등을 주입하기 위한 주사기 펌프(210, syringe pump), 주사기 펌프(210)에 연결된 미소유체 피팅(260, microfluidic fitting), 마이크로 채널(144)에서의 혼합 상태를 관찰하기 위한 형광 현미경(240), 형광 현미경(240)에서 촬영한 이미지를 전송 받아 이를 분석하고 사용자에게 보여주는 컴퓨터(250) 등을 포함할 수 있다.
마이크로 믹서(100)의 입구채널(145a,145b)에는 로다민 B(Rhodamine B) 형광입자가 포함된 메탄올 수용액(2.5 μM, 1:1 MeOH과 증류수 혼합액)과 그렇지 않은 용액을 각각의 주사기 펌프(210), 주사기, 모세관 등을 사용하여 주입한다. 마이크로 믹서(100)의 성능을 평가하기 위해 20배율 대물렌즈 및 컬러 CCD 카메라가 딸린 형광현미경(240)을 사용하여, 믹서 내 유동을 촬영한다. 또한 촬영된 이미지의 형광세기를 분석하여 마이크채널(144) 내의 혼합성능을 파악하며, 이 때 혼합성능은 아래의 수학식으로 정의된 혼합지수(Mixing Index)를 이용할 수 있다.
Figure 112010086726183-pat00001
상기 수학식에서 I는 이미지 각 픽셀의 수치를 정규화(0~1)한 값이며, < >는 이미지 내의 픽셀 값에 대한 평균을 의미한다. 따라서 이 혼합지수는 혼합이 전혀 진행되지 않았을 때 0.5이며, 완전 혼합시에는 0의 값을 지닌다.
도 7은 헤링본 이랑의 높이가 30㎛인 마이크로 믹서(100)의 혼합성능을 보여주고 있다. 도 7의 (A)에는 마이크로 믹서(100)의 두 입구채널(145a,145b)에 주입된 용액이 마이크로 채널(144)을 따라 혼합되는 형광이미지를 보여주고 있다. 왼쪽부터 각각 입구채널(145a,145b)이 서로 교차하는 지점에서 0.2mm, 2.2mm, 4.2mm, 6.2mm 그리고 12.2mm 하류 지점의 이미지이다.
또한, 도 7의 (B)는 마이크로 채널(144)을 따라 혼합지수가 어떻게 변하는지를 여러 페클릿수(Peclet Number)에 대해서 보여주고 있다. 페클릿수(Peclet Number)는 분자 확산에 의한 혼합과 유동 관성의 비로 정의되는 무차원 수로서, 큰 값을 지닐수록 유동 관성의 영향이 지배적임을 나타내준다. 비교를 위해 헤링본 이랑이 전혀 없는 직선 형태의 마이크로 채널에서 실험한 경우의 결과 값과 참고문헌 A. D. Strook, S. K. W. Dertinger, A. Ajandari, I. Mezic, H. A. Stone, G. M. Whitesides, Science 295, 647-651 (2002)에 기재된 마이크로 믹서에 대한 혼합지수도 함께 표시되어 있다.
도 7의 (B)에 도시된 그래프에서, 본 발명에 따른 마이크로 믹서(◆, ▲, ●, ■, ▼), 참고문헌의 마이크로 믹서(◇, ○, △, □) 및 이랑이 없는 단순 채널(▶)의 혼합지수 변화를 나타낸다. 여기서, 각 경우에 있어서 페클릿수(Pe)는 다음과 같다. Pe=1,000 (◆), 3,000 (▲), 5,000 (●), 10,000 (■), 30,000 (▼), 2,000 (◇), 20,000 (○), 200,000 (△), 900,000 (□), 10,000 (▶)을 나타낸다.
본 발명에 의한 헤링본 형태의 이랑 배열에 의해 마이크로 채널의 하류로 갈수록 혼합지수가 빠르게 낮아지고 있으며, 이는 빠르게 혼합이 일어남을 의미한다. 또한 페클릿수(Peclet Number)가 감소할수록 혼합이 더 잘 되는 것을 알 수 있다. 상기 참고 문헌의 마이크로 믹서와 비교해 볼 때, 본 발명에 의한 마이크로 믹서(100)가 같은 페클릿수(Peclet Number)에 대해 더 빨리 혼합이 진행됨을 알 수 있다.
상기에서는 기하학적 구조물(142)의 한 예로서 헤링본 이랑 형태를 설명하였으나, 기하학적 구조물(142)의 형상은 헤링본 이랑 형태 뿐만 아니라 다양하고 보다 복잡한 형상을 포함할 수 있음은 당연하다.
이상과 같이 본 발명의 일실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 마이크로 믹서 110: 실리콘 웨이터
120: 감광제 130: 필름 마스크
140: PDMS 몰드 142: 기하학적 구조물
144: 마이크로 채널 145a,145b: 입구채널
200: 성능 시험장치 210: 주사기 펌프
230: 슬라이드 글래스 240: 형광 현미경
250: 컴퓨터 260: 미소유체 피팅

Claims (13)

  1. 마이크로 채널 내에 기하학적 구조물을 형성하는 방법에 있어서,
    실리콘 웨이퍼 위에 감광제를 스핀 코팅하고 경화시키는 단계;
    상기 실리콘 웨이퍼 상에서 경화된 상기 감광제 위에 상기 기하학적 구조물 및 상기 마이크로 채널이 프린팅된 필름 마스크를 정렬시키는 단계;
    상기 감광제를 노광기 아래에 위치시키는 단계;
    상기 노광기를 이용하여 상기 감광제를 경사지게 노광하는 단계;
    상기 필름 마스크를 제거하고 상기 감광제를 현상하는 단계; 및
    현상된 상기 감광제 위에 PDMS 몰드를 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 필름 마스크를 정렬시키는 단계에서 상기 필름 마스크는 상기 기하학적 구조물에 대응하는 제1패턴 및 상기 마이크로 채널의 측벽에 대응하며 상기 제1패턴과 일체로 형성된 제2패턴을 포함하고,
    상기 감광제를 경사지게 노광하는 단계에서는 상기 제2패턴의 길이 방향에 대해 수직인 면 또는 선을 기준으로 대칭이 되도록 상기 제2패턴의 길이 방향과 평행한 방향으로 기울어진 상태로 노광하며,
    상기 PDMS 몰드를 형성하는 단계에서는 상기 기하학적 구조물과 상기 마이크로 채널이 일체로 구비된 PDMS 몰드가 형성되는, 경사진 자외선 리소그래피를 이용하여 마이크로 채널 내에 기하학적 구조물을 형성하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 감광제를 경사지게 노광하는 단계는,
    상기 필름 마스크에 패턴된 채널의 길이 방향에 대해서 수직인 면 또는 선을 기준으로 대칭이 되도록 동일한 각도만큼 기울어진 상태 또는 다른 크기의 각도만큼 기울어진 상태로 노광하는, 경사진 자외선 리소그래피를 이용하여 마이크로 채널 내에 기하학적 구조물을 형성하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 PDMS 몰드를 형성하는 단계는,
    상기 노광기에서 입사되는 자외선의 입사각도를 고정하고 상기 필름 마스크에 프린트되는 상기 기하학적 구조물 패턴의 두께를 조절하여 상기 PDMS 몰드에 형성되는 상기 기하학적 구조물의 높이를 조절하는, 경사진 자외선 리소그래피를 이용하여 마이크로 채널 내에 기하학적 구조물을 형성하는 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 PDMS 몰드를 형성하는 단계는,
    상기 노광기에서 입사되는 자외선의 입사각도를 조절하여 상기 PDMS 몰드에 형성되는 상기 기하학적 구조물의 높이를 조절하는, 경사진 자외선 리소그래피를 이용하여 마이크로 채널 내에 기하학적 구조물을 형성하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 PDMS 몰드를 형성하는 단계에서,
    상기 기하학적 구조물은 상기 마이크로 채널의 윗면, 아랫면 또는 측면 중 적어도 한 곳에 배열되는, 경사진 자외선 리소그래피를 이용하여 마이크로 채널 내에 기하학적 구조물을 형성하는 방법.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서,
    상기 감광제를 현상하는 단계는,
    상기 감광제 중 상기 제1패턴 및 상기 제2패턴에 의해 노광이 차단된 부분을 제거하는, 경사진 리소그래피를 이용하여 마이크로 채널 내에 기하학적 구조물을 형성하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 PDMS 몰드를 형성하는 단계에서,
    상기 감광제 중 상기 제1패턴에 대응하여 제거된 부분에 상기 기하학적 구조물이 형성되고, 상기 감광제 중 상기 제2패턴에 대응하여 제거된 부분에는 상기 마이크로 채널의 측벽이 형성되며, 상기 감광제 중 상기 필름 마스크에 의해 노광이 차단되지 않은 부분에는 상기 마이크로 채널이 형성되는, 경사진 자외선 리소그래피를 이용하여 마이크로 채널 내에 기하학적 구조물을 형성하는 방법.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 PDMS 몰드를 형성하는 단계에서,
    상기 기하학적 구조물은 상기 마이크로 채널에 배열된 헤링본(herringbone) 형태인, 경사진 자외선 리소그래피를 이용하여 마이크로 채널 내에 기하학적 구조물을 형성하는 방법.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 PDMS 몰드를 형성하는 단계는,
    상기 마이크로 채널 내에 상기 기하학적 구조물이 일체로 구비된 마이크로 믹서를 형성하는, 경사진 자외선 리소그래피를 이용하여 마이크로 채널 내에 기하학적 구조물을 형성하는 방법.
  12. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 PDMS 몰드를 형성하는 단계에서,
    상기 기하학적 구조물은 2차원 또는 3차원 형상을 가지도록 형성되는, 경사진 자외선 리소그래피를 이용하여 마이크로 채널 내에 기하학적 구조물을 형성하는 방법.
  13. 제5항에 있어서,
    상기 PDMS 몰드를 형성하는 단계에서,
    상기 기하학적 구조물은 상기 마이크로 채널 내를 유동하는 유체의 유동 방향을 따라 경사지도록 헤링본 이랑 형태로 형성되며,
    상기 기하학적 구조물은 상기 마이크로 채널의 길이방향을 따라 서로 다른 패턴이 반복적으로 배열되는, 경사진 자외선 리소그래피를 이용하여 마이크로 채널 내에 기하학적 구조물을 형성하는 방법.
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