KR101406809B1 - 모듈레이터를 구비한 다차원 가스 크로마토그래피 칩 - Google Patents

모듈레이터를 구비한 다차원 가스 크로마토그래피 칩 Download PDF

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Abstract

모듈레이터를 구비한 다차원 가스 크로마토그래피 칩이 개시된다.
상기 모듈레이터를 구비한 다차원 가스 크로마토그래피 칩은, 제 1 기판, 제 2 기판, 및 제 3 기판을, 이 순서대로 접합하여 이루어지는 칩 본체; 상기 제 1 기판 및 상기 제 2 기판의 마주보는 양측 표면 상에 형성되는 제 1 마이크로 채널, 및 상기 제 1 마이크로 채널로 이루어지는 제 1 마이크로 채널 패턴부; 상기 제 2 기판 및 상기 제 3 기판의 마주보는 양측 표면 상에 형성되는 제 2 마이크로 채널, 및 상기 제 2 마이크로 채널로 이루어지는 제 2 마이크로 채널 패턴부; 상기 제 1 기판의 상기 마이크로 채널이 형성된 반대측 표면의 일측 표면 상에 형성되는 가스 유입구; 상기 제 1 기판의 상기 마이크로 채널이 형성된 반대측 표면의 타측 표면 상에 형성되는 가스 유출구; 상기 제 1 기판의 마이크로 채널이 형성되는 일측 표면, 상기 제 2 기판의 양측 표면, 및 상기 제 3 기판의 마이크로 채널이 형성되는 일측 표면 상에 각각 형성되는 위치 정렬 마커; 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에 스핀 코팅되는 제 1 고정상, 및 상기 제 2 기판과 상기 제 3 기판 사이에 스핀 코팅되는 제 2 고정상; 및 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판이 접합된 유출측이면서 동시에 상기 제 2 기판과 상기 제 3 기판이 접합되는 유입측에 형성되는 모듈레이터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

모듈레이터를 구비한 다차원 가스 크로마토그래피 칩{MULTI-DEIMENSIONAL GAS CHROMATOGRAPHY CHIP WITH MODULATOR}
본 발명은 다차원 가스 크로마토그래피 칩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모듈레이터를 구비한 다차원 가스 크로마토그래피 칩에 관한 것이다.
크로마토그래피(chromatography)는, 단순 혼합물로부터 매우 복잡한 혼합물까지, 즉 다성분 혼합물을 이루고 있는 각 성분을 정밀하게 분리하는 분석 기술에 관한 것이다.
크로마토그래피는 고정상(stationary phase)과, 특히 이동상(mobile phase; moving phase)의 종류에 따라서 여러 가지로 구분될 수 있다.
크로마토그래피는 상기 이동상의 종류에 따라, 가스 크로마토그래피(gas chromatography)와 액체 크로마토그래피로 구분될 수 있다. 본 발명에서는 액체 크로마토그래피에 대한 설명은 생략하기로 한다.
상기 가스 크로마토그래피 기술은, 혼합물이 분산되어 있는 이동상(moving phase)을 고정상(stationary phase)을 통해서 이동시키면, 이동상에 포함된 혼합물 각각이 나타내는 고정상에 대한 인력 또는 흡착력의 차이에 따라서 고정상에 이동상의 흔적을 남기는 특징을 이용하고 있다.
즉, 가스 크로마토그래피 기술에서는, 분리하려는 혼합물이 이동상에 포함되어 있다.
상기 혼합물 성분은 고정상을 이동하며, 이때 혼합물을 이루는 각 성분은 고정상을 이동하면서 분리된다.
이때, 가스 크로마토그래피는, 특히, 간편하고, 빠르며, 고감도이고, 열적으로(thermally) 안정된 휘발성 물질에 대해서도 분리능이 높다는 특징이 있다.
크로마토그래피 기술을 이용하면, 임의의 혼합물을 각각의 성분별로 정밀하게 분리할 수 있다.
이때, 매우 복잡한 혼합물을 분석하려고 하는 가스 크로마토그래피 칩의 경우, 마이크로 채널, 즉 고정상의 전체 길이와, 상기 마이크로 채널(고정상)에 형성한 고정상의 극성에 의해서 분리능에 차이가 발생한다.
한편, 종래 제작하고 있었던 가스 크로마토그래피용 칩은 DRIE(Dry Reactive Ion Etching) 기법을 이용하고 있었다.
여기서, 기판(웨이퍼)에 원하는 패턴을 새기는 방법에 대해서 간단하게 설명하기로 한다.
기판 상에 원하는 패턴을 새기기 위해서는, (1) 패턴을 새기기에 적합한 기판을 준비하고, 이 기판 상에 식각에 적합한 물질로 박막을 형성하고, (2) 상기 기판 상에 새길 패턴, 즉 설계도를 준비한 다음, (3) 식각(에칭) 장비를 사용하여, 상기 설계도에 그려진 패턴대로, 상기 기판 상에 형성된 박막 중에서 불필요한 부분을 제거하여 원하는 패턴을 새길 수 있게 된다.
이 패턴 새기기는, 크게, 건식(Dry) 에칭 기법과 습식(Wet) 에칭 기법으로 나눌 수 있다.
상기 DRIE 기법은, 기판(웨이퍼, wafer)과 반응시킬 식각(에칭, etching) 가스를 플라즈마 상태로 만들고, 이 플라즈마 상태의 식각 가스를 기판에 충돌시켜서, 기판을 이루는 성분과 식각 가스와의 물리적 충격 및 화학 반응 등이 결합된 결과, 기판의 일부분을 에칭하는 건식(Dry) 에칭 기법이다.
이 건식 에칭 기법은 장치가 복잡하여 구현 방법이 까다롭고 비용이 과다한 문제가 있었다.
반면, 습식 에칭 기법은 액상이 화학 약품 또는 화학 물질을 기판 표면에 흘려서 기판 표면 상에 형성된 박막 중에서 불필요한 부분을 제거하는 기술로, 건식 에칭 기법에 비해서 구현 장치가 비교적 간단하고 저렴하게 실시할 수 있다는 장점이 있다.
한편, 종래의 가스 크로마토그래피 칩은 이동상의 혼합물을 분리할때, 분리 피크능에서 일부 제약, 즉 감도가 뛰어나지 못한 점이 있었기 때문에 다차원의 가스 크로마토그래피 분석을 통한 입체적인 가스 혼합물의 분석에는 미흡하였다.
본 발명에 관련된 종래 기술로는 대한민국 등록특허 제10-0243995호(2000.02.01. 공고)가 있다.
따라서, 본 발명은, 다차원 가스 크로마토그래피 칩에 있어서, 피크를 리포커싱(refocusing)하여 고감도의 가스 혼합물의 분석을 가능하게 하는, 모듈레이터를 구비한 다차원 가스 크로마토그래피 칩을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 습식 에칭 기법을 이용함으로써 경제적으로 매우 효율적이며 내구성이 좋은 다차원 가스 크로마토그래피 칩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈레이터를 구비한 다차원 가스 크로마토그래피 칩은, 제 1 기판, 제 2 기판, 및 제 3 기판을, 이 순서대로 접합하여 이루어지는 칩 본체; 상기 제 1 기판 및 상기 제 2 기판의 마주보는 양측 표면 상에 형성되는 제 1 마이크로 채널, 및 상기 제 1 마이크로 채널로 이루어지는 제 1 마이크로 채널 패턴부; 상기 제 2 기판 및 상기 제 3 기판의 마주보는 양측 표면 상에 형성되는 제 2 마이크로 채널, 및 상기 제 2 마이크로 채널로 이루어지는 제 2 마이크로 채널 패턴부; 상기 제 1 기판의 상기 제 1 마이크로 채널이 형성된 반대측 표면의 일측 표면 상에 형성되는 이동상을 공급하기 위한 가스 유입구; 상기 제 1 기판의 상기 제 1 마이크로 채널이 형성된 반대측 표면의 타측 표면 상에 형성되는 이동상이 유출되는 가스 유출구; 상기 제 1 기판의 제 1 마이크로 채널이 형성되는 일측 표면, 상기 제 2 기판의 양측 표면, 및 상기 제 3 기판의 제 2 마이크로 채널이 형성되는 일측 표면 상에 각각 형성되는 위치 정렬 마커; 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에 스핀 코팅되는 제 1 고정상, 및 상기 제 2 기판과 상기 제 3 기판 사이에 스핀 코팅되는 제 2 고정상; 및 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판에 형성된 상기 제 1 마이크로 채널 패턴의 유출측이면서 동시에 상기 제 2 기판과 상기 제 3 기판에 형성된 상기 제 2 마이크로 채널 패턴의 유입측에 형성되는 모듈레이터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 제 1 기판, 제 2 기판, 및 제 3 기판의 소재는, 글래스 웨이퍼, 석영 웨이퍼, 폴리디메틸실록산 웨이퍼, 실리콘 웨이퍼, 실리케이트 웨이퍼, 보로실리케이트 웨이퍼 및 용융 실리카 웨이퍼로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다.
또한, 상기 가스 유입구는, 가스 공급측이 넓고, 상기 제 1 마이크로 채널 패턴부로 진행함에 따라서 그 폭이 좁아지는 테이퍼 형상으로 형성되며; 상기 제 1 마이크로 채널 패턴부 및 상기 제 2 마이크로 채널 패턴부는, 3 회 이상 에칭을 행하는 다중 에칭을 통해서 형성되며; 상기 다차원 가스 크로마토그래피 칩의 온도 제어를 위한 열 전달 접촉부 및 그 열 전달 접촉부를 제어하기 위한 온도 제어 장치를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 모듈레이터는, 냉각된 헬륨 가스 또는 가열된 헬륨 가스를 단속적으로 주입하여 열 펄스(heat pulse)를 생성하는 냉각 액화 트랩인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 1 마이크로 채널 패턴부의 패턴 폭과 상기 제 2 마이크로 채널 패턴부의 패턴 폭은 서로 다를 수 있으며, 상기 제 1 마이크로 채널 패턴부에 도포된 제 1 고정상과 상기 제 2 마이크로 채널 패턴부에 도포된 제 2 고정상도 서로 다를 수 있다.
또한, 상기 가스 유입구는, 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이의 제 1 마이크로 채널 패턴부를 통과하고, 상기 제 2 기판을 관통하여 형성된 제 1 관통홀과 연결되는 상기 제 2 기판과 상기 제 3 기판 사이의 제 2 마이크로 채널 패턴부를 유동하고 상기 제 2 마이크로 채널 패턴부의 유출측에서 상기 제 2 기판을 관통하여 형성된 제 2 관통홀과 상기 제 2 관통홀에 대응하는 위치에 형성된 상기 제 1 기판의 상기 가스 유출구까지 연결되어 있으며, 상기 가스 유입구, 상기 가스 유출구, 및 제 1 및 제 2 관통홀은, EDM 방식 또는 샌드블래스트(sandblast) 방식으로 형성될 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 특허청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 명세서의 명확성을 위하여 과장되어 기술되어 있을 수 있음을 알아야 한다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 종래 기술에 비해서 매우 경제적이면서도 내구성이 뛰어난 다차원 가스 크로마토그래피 칩을 제공할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 종래 기술에 비해서 초고감도의 가스 혼합물의 분석이 가능하게 된다.
도 1은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 다차원 가스 크로마토그래피 칩을 형성하기 위해 제작한 서로 다른 네 개의 마이크로 채널 패턴부를 형성한 포토 마스크를 나타내는 평면도이다.
도 2는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 도 1에 나타낸 네 개의 마이크로 채널 패턴부를 기판에 에칭하고 이들 기판을 접합하였을 때의 평면도이다.
도 3은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 도 1에 나타낸 네 개의 마이크로 채널 패턴부를 기판에 에칭한 이후 이들을 접합하였을 때의 대략적인 접합 관계를 나타내는 개략도이다.
도 4는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 다차원 가스 크로마토그래피 칩에 형성한 가스 도입부의 테이퍼진 형상을 나타내는 사진이다.
도 5는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 다차원 가스 크로마토그래피 칩의 단면도로서, 냉각 액화 트랩의 개략적인 구조 및 작동 방식을 나타내는 설명도이다.
도 6의 (a)는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제작한 다차원 가스 크로마토그래피 칩의 상부를 나타내는 사진이며, 도 6의 (b)는, 상기 도 6의 (a)를 더욱 상세하게 나타낸 확대도이다.
도 7은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제작한 다차원 가스 크로마토그래피 칩을 사용한 실제 극미량의 가스 혼합체를 분석한 결과를 나타내는 도면으로, 도면에서는 클로로포름과 4-브로모플루오르벤젠의 ECD 검출 결과를 나타내고 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈레이터를 구비한 다차원 가스 크로마토그래피 칩에 관하여 자세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명에 도달하게 된 기본적인 착상에 대해서 설명한다.
본원 발명자들은, 상술한 종래 기술의 문제를 감안하였을 때, 원하는 패턴이 형성된 포토 마스크를 사용하는 경제적인 방식의 습식 에칭 기술을 사용하여, 투명한 기판 상에 마이크로 채널 패턴을 형성하고, 이 기판을 다차원으로 적층하여 가스 크로마토그래피 칩을 형성할 수 있다고 생각하게 되었다.
특히, 이 경우에는 장치의 소형화도 기대할 수 있다고 판단하였다.
이때, 장치의 소형화를 도모하면서도 동시에 안정적인 고분리능을 달성하기 위해서는, 가스 크로마토그래피 칩 내부를 유동하는 이동상을 조절하는 모듈레이터(modulator)의 구성을 부가하면서 냉각 액화 트랩(cryogenic cold trap)을 형성하면, 이동상으로서의 가스 혼합물의 2 차적인 분리가 가능해지면서 가스 크로마토그래피 칩 내부에서의 머무름 시간(retention time)을 원하는 대로 조절할 수 있을 것으로 기대할 수 있었다.
즉, 이동상으로서의 가스 혼합물을 2 차적으로 분리하여 피크(peak)를 리포커싱(refocusing)함으로써 가스 혼합물의 고분리능이 가능해질 수 있다고 판단하였다.
도 1은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 다차원 가스 크로마토그래피 칩을 형성하기 위해 제작한 서로 다른 네 개의 마이크로 채널 패턴부를 형성한 포토 마스크를 나타내는 평면도이다.
도 1에서, 포토 마스크(A 내지 D)는 필요로 하는 마이크로 채널 패턴부를 형성한 것으로, 본 발명에 따라서 다중 에칭될 포토 마스크이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 습식 에칭을 사용하고 있으나, 이 습식 에칭은 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 용이하게 실시할 수 있다고 판단되므로, 습식 에칭의 구체적인 방법에 대한 설명은 생략한다.
여기에서, 포토 마스크(A)와 포토 마스크(B)는 대칭적이며, 다만, 포토 마스크(C)와 포토 마스크(D)도 대칭적으로 형성되어 있다는 것에는 주목해야 한다.
이와 같이, 포토 마스크(A, B; C, D)를 대칭적으로 형성하여 두면, 에칭한 칩을 적층하였을 때, 사실상 무제한적인 적층을 기대할 수 있다.
따라서, 포토 마스크에 형성되는 마이크로 채널의 길이를 사실상 무제한적으로 연장할 수 있다.
포토 마스크(A)는, 위치 정렬 마커(10, 20), 마이크로 채널(30), 상기 마이크로 채널(30)로 이루어지는 마이크로 채널 패턴부(40), 상기 마이크로 채널 패턴부(40)의 일단을 이루는 가스 유입구(50), 상기 가스 유입구(50)로부터 상기 마이크로 채널 패턴부(40)의 마이크로 채널(30)에 도달하기 전의 가스 도입부(35), 상기 마이크로 채널 패턴부의 타단을 이루는 제 1 가스 출구(55), 및 가스 유출구(95)를 포함하고 있다.
상기 포토 마스크(A)의 양쪽 측면에는 다중 습식 에칭시 각 기판 간의 정렬(alignment)을 유지하기 위한 위치 정렬 마커(10, 20)가 형성되어 있다.
이때, 상기 위치 정렬 마커(10, 20)의 위치 및 개수는 도시한 위치 및 개수에만 국한되지는 않는다.
포토 마스크(A)의 좌우측에 형성될 수도 있고, 상하측에 두 개 형성될 수도 있고, 도면의 좌측에 하나 도면의 하측에 하나 형성될 수도 있고, 도면의 네 귀퉁이 모두 하나씩 형성될 수도 있다.
상기 위치 정렬 마커(10, 20)는, 요컨대, 마이크로 채널 패턴부(40)의 제작 및 향후 칩을 제작할 때 방해가 되지 않는 위치라면 어떤 위치라도 무방하다.
다르게는, 상기 포토 마스크(A)의 일부를 절단하여, 절단면을 만들고, 이 절단면을 기준면으로 하여 기판의 위치 정렬을 수행할 수도 있다.
상기 가스 유입구(50) 및 가스 유출구(95)에는, 적절한 커넥터, 예를 들면, Nanoport Assembly(R)(제조사: Upchurch Scientific(미국))를 설치할 수 있다.
이때, 상기 커넥터는 PEEK(polyether ether ketone) 소재로 형성되어 있으므로 소정의 내열성(m.p. = 340 ℃) 조건을 만족할 뿐만 아니라, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 최종 완성된 다차원 가스 크로마토그래피 칩에 고압이 걸리는 경우에도 칩 내부로부터의 가스 유출이 발생하지 않았다.
포토 마스크(A)에 형성한 마이크로 채널 패턴부(40)는, 포토 마스크(A)의 거의 전면을 덮고 있도록 형성되어 있으며, 소정의 패턴을 미리 형성하여 둔 것이다.
상기 포토 마스크(A)에 형성한 마이크로 채널(30)의 폭은 100 ㎛이다. 따라서, 상기 포토 마스크(A)를 사용하여 기판에 습식 에칭을 실시하는 경우, 기판 상에 형성되는 마이크로 채널 패턴부의 폭도 100 ㎛가 될 것이라고 기대할 수 있다.
도 1에서 상기 가스 유입구(50)로부터 상기 마이크로 채널(30)로 진행하는 가스 유입구의 형상은 테이퍼지도록 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 테이퍼진 형상에 대해서는 도 4를 참조하여 후술한다.
상기 포토 마스크(A)는 기판에 에칭될 때, 제 1 기판의 일측 표면 상에 에칭될 수 있다.
포토 마스크(A)를 이루는 마이크로 채널 패턴부(40)의 타단인 제 1 가스 출구(55)는, 포토 마스크(B)를 이루고 상기 마이크로 채널 패턴부(40)와 동일한 형상과 폭을 갖는 마이크로 채널 패턴부의 일단을 이루는 제 1 가스 출구(60)와 연결된다.
이하의 포토 마스크(B, C, D)의 설명에서, 포토 마스크(A)의 구성과 동일한 구성에 대해서는 설명이 생략될 수 있음을 알아야 한다.
한편, 포토 마스크(B)의 가스 유입구(65)의 위치는 포토 마스크(A)의 가스 유입구(50)의 위치에 대응한다.
마찬가지로, 포토 마스크(B)의 제 1 가스 출구(60)의 위치는 포토 마스크(A)의 제 1 가스 출구(55)의 위치에 대응하고 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 포토 마스크(B)의 마이크로 채널 패턴부의 형상은 포토 마스크(A)의 마이크로 채널 패턴부(40)의 형상과 동일하다.
포토 마스크(B)에 형성한 가스 유출구(90)는 포토 마스크(A)의 도면 번호 95로 표시되는 가스 유출구(95)의 위치에 대응하여 형성되어 있다.
상기 포토 마스크(B)는 기판에 에칭될 때, 제 2 기판의 어느 일측 표면을 에칭할 수 있다.
후술하겠지만, 상기 제 1 가스 출구(55)가 형성되는 제 1 기판(100)의 마이크로 채널 패턴부(40)가 형성되지 않는 측면의 표면 상에 상기 제 1 가스 출구(55)의 위치에 대응하여 모듈레이터(modulator)가 형성되어 있는 것이 바람직하다.
도 1에서 포토 마스크(C)는, 포토 마스크(B)의 제 1 가스 출구(60)에 연결되는 제 1 가스 입구(75), 상기 제 1 가스 입구(75)로부터 일단이 연장되는 마이크로 채널 패턴부(45), 상기 마이크로 채널 패턴부(45)의 타단을 이루는 제 2 가스 출구(70)를 포함하고 있다.
여기에서, 상기 마이크로 채널 패턴부(45)는 상기 마이크로 채널 패턴부(40)와 폭이 다르다는 점에 주목하여야 한다.
예를 들면, 포토 마스크(A, B)의 마이크로 채널 패턴부(40)의 폭은 100 ㎛로 형성하였으며, 포토 마스크(C, D)의 마이크로 채널 패턴부(45)의 폭은 200 ㎛로 형성하였다.
상기 포토 마스크(C)의 제 2 가스 출구(70)는 포토 마스크(D)의 제 2 가스 출구(85)에 연결되어 있다.
상기 마이크로 채널 패턴부(45)의 폭을 상기 마이크로 채널 패턴부(40)의 폭보다 넓게 형성한 이유는, 상기 마이크로 채널 패턴부(40)를 유동하는 이동상의 흐름 속도가 상기 마이크로 채널 패턴부(45)를 유동하는 이동상의 흐름 속도에 비해서 느리게 하도록 하기 위한 것이다.
상기 마이크로 채널 패턴부(40)를 유동하는 이동상의 흐름 속도가 느리므로, 마이크로 채널 패턴부(40)에서의 이동상의 머무름 시간(retention time)이 연장되는 효과를 기대할 수 있다.
이와 같이, 마이크로 채널 패턴부(40)와 마이크로 채널 패턴부(45)로 이루어지는 다층 구조는 단일 마이크로 패턴부만 형성한 구조에 비해서 이동상의 이동 경로가 길기 때문에 머무름 시간 역시 훨씬 더 길어질 수 있다.
도 1에서, 포토 마스크(D)는, 제 1 가스 입구(80)와 제 2 가스 출구(85)를 포함하고 있다.
상기 제 1 가스 입구(80)의 위치는 포토 마스크(C)의 제 1 가스 입구(75)의 위치와 대응하고 있으며, 상기 제 2 가스 출구(85)의 위치는 포토 마스크(C)의 제 2 가스 출구(70)의 위치와 대응하고 있다.
포토 마스크(D)의 제 2 가스 출구(85)는, 후술하는, 제 2 기판을 관통하는 관통홀을 통해서, 제 1 기판에 형성될, 상기 포토 마스크(A)에 형성되는 가스 유출구(95)로 연결된다.
이상, 도 1을 참조하여, 이동상의 유동 경로를 설명하자면, 이동상으로서의 가스 혼합물은 포토 마스크(A)의 가스 유입구(55)와 포토 마스크(B)의 가스 유입구(65)로 유입되며, 이어서, 가스 도입부(35)를 지나, 마이크로 채널(30)로 이루어진 마이크로 채널 패턴부(40)를 통과하여 포토 마스크(A)의 제 1 가스 출구(55)와 포토 마스크(B)의 제 1 가스 출구(60)로 빠져나간다.
상기 제 1 가스 출구(55, 60)로 빠져 나온 이동상은, 포토 마스크(C)에 형성한 제 1 가스 입구(75)와, 상기 제 1 가스 입구(75)와 관통홀을 통해서 연결된, 포토 마스크(D)에 형성한 제 1 가스 입구(80)로 진입하여, 마이크로 채널 패턴부(45)를 통과하여 포토 마스크(C)의 제 2 가스 출구(70)와 포토 마스크(D)의 제 2 가스 출구(85)를 통해서, 제 2 기판(200)을 관통하는 관통홀을 통과하여 과 제 1 기판(100)에 형성한 가스 유출구(95)로 유출된다.
도 2는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 도 1에 나타낸 네 개의 마이크로 채널 패턴부를 기판에 에칭하고 이들 기판을 접합하였을 때의 평면도이다.
도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 형성한 다차원 가스 크로마토그래피 칩의 평면도로부터, 상기 다차원 가스 크로마토그래피 칩은, 도 1의 포토 마스크(A)에서와 마찬가지로, 위치 정렬 마커(10, 20), 마이크로 채널(30), 상기 마이크로 채널(30)로 이루어지는 마이크로 채널 패턴부(40), 상기 마이크로 채널 패턴부(40)의 일단을 이루는 가스 유입구(50), 상기 가스 유입구(50)로부터 상기 마이크로 채널 패턴부(40)의 마이크로 채널(30)에 도달하기 전의 가스 도입부(35), 상기 마이크로 채널 패턴부의 타단을 이루는 제 1 가스 출구(55), 및 가스 유출구(95)를 포함하고 있다.
도 3은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 도 1에 나타낸 네 개의 마이크로 채널 패턴부를 기판에 에칭한 이후 이들을 접합하였을 때의 대략적인 접합 관계를 나타내는 개략도이다.
도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 다차원 가스 크로마토그래피 칩은, 상단의 제 1 기판(100), 가운데 부분의 제 2 기판(200), 및 하단의 제 3 기판(300)으로 이루어진다.
상기 제 1 기판(100)의 하측면 표면 상에는, 도 1의 포토 마스크(A)의 마이크로 채널 패턴부(40)가 에칭되며, 이때, 가스 유입구(50)와 가스 유출구(95)는 상기 제 1 기판(100)의 상측면 표면 상에 형성되어 있음에 주목하여야 한다.
상기 제 2 기판(200)의 상측면 표면 상에는, 도 1의 포토 마스크(B)의 마이크로 채널 패턴부(40)가 에칭되어 있으며, 상기 제 2 기판(200)의 하측면 표면 상에는, 도 1의 포토 마스크(C)의 마이크로 채널 패턴부(45)가 에칭되어 있다.
상기 제 3 기판(300)의 상측면 표면 상에는, 도 1의 포토 마스크(D)의 마이크로 채널 패턴부(45)가 에칭되어 있다.
이때, 상술한 바와 같이, 마이크로 채널 패턴부(40)의 패턴 폭과 마이크로 채널 패턴부(45)의 패턴 폭은 서로 상이하게 형성되어 있다.
따라서, 제 2 기판(200)의 상측면 표면 상에 형성된 마이크로 채널 패턴부(40)의 패턴 폭과 제 2 기판(200)의 하측면 표면 상에 형성된 마이크로 채널 패턴부(45)의 패턴 폭은 서로 다르다는 점에 주목하여야 한다.
또한, 도 3으로부터, 가스 유입구로(50)로 유입된 이동상으로서의 가스 혼합물이, 제 1 기판(100)의 가스 유입구(50) -> 제 2 기판(200)의 제 1 가스 출구(60) -> 제 3 기판(300)의 제 2 가스 출구(85) -> 제 2 기판(200)에 형성한 관통홀(제 2 가스 출구(70)와 이에 대응하는 가스 유출구(90)을 연결하는 관통홀) -> 제 1 기판(100)의 가스 유출구(95)까지 연속적으로 유동하는 일련의 흐름을 한 눈에 알 수 있다.
도 4는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 다차원 가스 크로마토그래피 칩에 형성한 가스 도입부의 테이퍼진 형상을 나타내는 사진이다.
도 4의 가운데 부분은 가스 유입구(50)를 나타내며, 도 4의 우측은, 도 2의 다차원 가스 크로마토그래피 칩 내부에 형성한 마이크로 채널 패턴부(40)의 마이크로 채널(30)로 연결되는 가스 도입부(35) 부분이다.
도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 가스 도입부(35)의 가스 유입구(50) 측의 폭은 넓고, 가스 도입부(35) 우측의 폭은 좁게 형성되어 있다.
가스 유입구(50)로부터 가스 도입부(35)의 유로를 테이퍼지게 형성함으로써, 가스 유출구(95)에서의 이동상의 검출이 더욱 용이하다는 효과를 얻을 수 있었다.
도 5는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 다차원 가스 크로마토그래피 칩의 단면도로서, 냉각 액화 트랩의 개략적인 구조 및 작동 방식을 나타내는 설명도이다.
도 5로부터, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다차원 가스 크로마토그래피 칩(500)은, 우측의 제 1 기판(100), 가운데의 제 2 기판(200), 및 좌측의 제 3 기판(300)으로 이루어져 있음을 알 수 있다.
도 5의 다차원 가스 크로마토그래피 칩(500)의 하단에는 화살표로 표시한 바와 같이, 제 1 가스 출구(55)에 일체로 형성되는 모듈레이터가 결합된다.
상기 모듈레이터로부터, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 다차원 가스 크로마토그래피 칩을 본격적으로 구현할 수 있게 된다.
상기 모듈레이터는 냉각 액화 트랩의 기능을 수행할 수 있다. 상기 냉각 액화 트랩의 기능에 대해서는 후술한다.
또한, 도 5의 최하단에는 열 펄스(heat pulse)를 가하는 구성이 언급되어 있는데, 이때 열 펄스는, 상기 모듈레이터로부터 가해지는 단속적인 냉각 액화 트랩 기능에 대응하는 구성이며, 열 펄스의 구성에 대해서도, 상기 냉각 액화 트랩의 기능과 함께 후술하기로 한다.
도 5에서는, 도면의 우측에 나타낸 유입측으로부터 이동상이 유입되며, 이 이동상은 제 1 기판(100)과 제 2 기판(200) 사이의 틈을 지나서 제 2 기판(200) 하부로 이동상이 유동하며, 제 2 기판(200) 하부의 틈을 지난 이동상은 도면 좌측의 제 3 기판(300) 사이의 틈을 통해서 유출측으로 빠져 나가게 된다.
도 6의 (a)는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제작한 다차원 가스 크로마토그래피 칩의 상부를 나타내는 사진이며, 도 6의 (b)는, 상기 도 6의 (a)를 더욱 상세하게 나타낸 확대도이다.
도 6의 (a) 및 (b)로부터, 가스 유입구(50)와 가스 유출구(95), 및 제 1 가스 출구(55)에, 각각, 접속되어 있는, 커넥터의 모습을 볼 수 있다.
도 6의 (a) 및 (b)에서, 도면의 상측에 있는 두 개의 커넥터는 가스 유입구 및 가스 유출구의 기능을 수행하며, 도면 가운데 부분의 커넥터는 모듈레이터의 기능을 수행하고 있다.
도 7은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제작한 다차원 가스 크로마토그래피 칩을 사용한 실제 극미량의 가스 혼합체를 분석한 결과를 나타내는 도면으로, 도면에서는 클로로포름과 4-브로모플루오르벤젠의 ECD 검출 결과를 나타내고 있다.
도 7의 실험 결과에 따른 그래프를 얻기 위해서, 분석용 시료로서, 클로로포름(Chloroform) 9 ㎕와 4-브로모플루오르벤젠(4-Bromofluorobenzene) 1 ㎕를 혼합한 다음, 헥산(Hexane)을 추가하여 1:200의 비율로 희석하였다.
분석 장비로는 μECD 검출기(모델명: HP 6890, 제조사 : Agilent, 제조국 : USA)를 사용하였다.
기타, 분석 조건은 다음과 같다.
가스 혼합물의 공급 온도 : 300 ℃
캐리어 가스 : He
압력 : 15 MPa
스플릿비 : 50:1
공급량 : 1 ㎕
사용한 채널 : Micro fab column multilayer (3 m x 0.10 mm/0.20 mm). 이때, 0.10 mm는 마이크로 채널 패턴부(40)의 패턴 폭이며, 0.20 mm는 마이크로 채널 패턴부(45)의 패턴 폭을 나타낸다.
온도 구배(ramp) : 40 ℃ (1 min) → 10 ℃/min → 60 ℃ (5 min) → 15 ℃/min → 120 ℃ (10 min) → 15 ℃/min → 160 ℃ (5 min)
검출기의 온도 : 300 ℃
도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 그래프의 좌측 피크(peak)는 클로로포름(Chloroform)을 나타내고 있고, 그래프의 우측 피크는 4-브로모플루오르벤젠(4-Bromofluorobenzene)을 나타내고 있다.
도 7의 피크 그래프로부터, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다차원 가스 크로마토그래피 칩의 클로로포름과 4-브로모플루오르벤젠의 분리능이 높다는 점을 알 수 있다.
다음으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈레이터를 구비한 다차원 가스 크로마토그래피 칩을 구현하는 방법에 대해서 설명하기로 한다.
본 설명에서, 이미 설명한 부분을 다시 설명할 수도 있고, 중복되는 부분에 대해서는 설명이 생략될 수도 있음을 알아야 한다.
1. 포토 마스크 준비
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다차원 가스 크로마토그래피 칩을 제조하기 위해서는, 먼저, 원하는 패턴이 새겨진 포토 마스크(A, B, C, D)를 준비하여야 한다.
상기 포토 마스크(A, B, C, D)는, 패턴 형성 프로그램을 이용하여 미리 패턴을 형성하여 두는 것이 바람직하다.
상기 패턴의 예로는, 도 1에 나타낸 포토 마스크(A, B, C, D)에 각각 나타낸 마이크로 채널 패턴부(40, 45)의 패턴을 들 수 있다.
상기 마이크로 채널 패턴부를 이루는 마이크로 패턴을 미리 형성한 다음, 이 패턴을 블랭크 마스터(blank master)에 프린팅하고, 이 블랭크 마스터를 본 발명의 다차원 가스 크로마토그래피 칩의 패턴 제작에 이용되는 포토 마스크로 사용하여, 제 1 기판(100) 내지 제 3 기판(300)을 식각(에칭)할 수 있다.
2. 에칭
이때, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 포토 마스크와, 상기 기판(100, 200, 300) 상에 도포한 포토 레지스트를 이용하여, 상기 기판(100, 200, 300) 상에 원하는 패턴을 형성할 수 있음을 잘 알 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 에칭되는 상기 마이크로 채널 패턴부(40)의 폭은, 상술한 바와 같이, 약 100 ㎛였다.
따라서, 제 1 기판(100)과 제 2 기판(200)의 일측 표면 상에 형성되는 마이크로 채널(40)의 폭도 이와 사실상 동일한 폭으로 형성될 것이라고 기대할 수 있다.
한편, 제 1 기판(100)과 제 2 기판(200)의 일측 표면 상에 형성되는 마이크로 채널 패턴부(40)를 이루는 마이크로 채널(30)의 전체 길이는, 상기 마이크로 채널 패턴부(40)의 패턴의 폭, 및 특히 패턴의 디자인에 따라서 늘어나거나 줄어들 수 있다.
이때, 상기 기판의 소재는, 글래스 웨이퍼, 석영 웨이퍼, 폴리디메틸실록산 웨이퍼, 실리콘 웨이퍼, 실리케이트 웨이퍼, 보로실리케이트 웨이퍼 및 용융 실리카 웨이퍼 중에서 선택되는 하나인 것이 바람직하고, 보로실리케이트 웨이퍼인 것이 가장 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 습식 에칭은, 원하는 에칭 깊이, 즉 대략 50 ㎛ 정도가 나올 때까지 적어도 3 회 또는 3 회 이상 반복하여 수행하는 것이 바람직하다.
도 1에서, 포토 마스크(A)는 제 1 기판(100)의 일측면 표면을 에칭하는데 사용되며, 포토 마스크(B)는 제 2 기판(200)의 양측면 표면 중의 제 1 기판(100)과 접합되는 표면을 에칭하는데 사용되며, 포토 마스크(C)는 제 2 기판(200)의 양측면 표면 중의 제 3 기판(300)과 접합되는 표면을 에칭하는데 사용되며, 포토 마스크(D)는 제 3 기판(300)의 일측면 표면을 에칭하는데 사용된다.
따라서, 포토 마스크(A)는 포토 마스크(B)와 대응하고, 포토 마스크(C)는 포토 마스크(D)와 대응한다.
당연하지만, 포토 마스크(B)는 포토 마스크(C)와 대응한다. 따라서, 도 1을 참조하면, 포토 마스크(B)의 제 1 가스 출구(60)와 포토 마스크(C)의 제 1 가스 입구(75)는 서로 대응하는 위치에 형성되어 있음에 주의하여야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 포토 마스크(A, B, C, D)에는 각각 위치 정렬 마커(10, 20)가 형성되어 있는 바, 3 회 이상의 다중 습식 에칭을 반복하여 수행하는 경우에라도, 다차원 가스 크로마토그래피 칩을 제조할 때, 마이크로 채널 패턴부(40, 45)의 정확한 형상 및 패턴 폭을 일정하게 유지할 수 있게 된다.
포토 마스크(A, B, C, D)에 위치 정렬 마커(10, 20)가 형성되어 있기 때문에, 에칭이 종료된 후, 제 1 기판(100)과 제 2 기판(200)과 제 3 기판(300)이 서로 정확하게 맞물릴 수 있게 된다.
여기에서, 마이크로 채널 패턴부(45)의 패턴 폭이 마이크로 채널 패턴부(40)의 패턴 폭보다 더 넓게 형성되어야 하기 때문에, 상기 마이크로 채널 패턴부(45)가 형성되는 제 2 기판(200)의 일측 표면과, 제 3 기판(300)의 일측 표면에 대한 습식 에칭의 횟수는, 상술한 3 회 이상 보다 훨씬 더 많아질 수도 있다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 습식 에칭의 횟수는, 원하는 패턴 깊이인 50 ㎛가 나올 때까지 습식 에칭을 반복하는 것이 바람직하다.
그 결과, 얻어지는 마이크로 채널 패턴부(40, 45)의 단면은, 바람직하게는, 원형 형태가 될 수 있다.
이상과 같은 습식 에칭 기법을 이용하면, 기존 DRIE 기법에서 필수적으로 요구되었던 특수 기법이나 장비가 필요하지 않으므로, 간단한 방식으로 저렴하게 마이크로 채널 패턴부(40, 45)를 형성할 수 있다.
3. 고정상의 도포
다음으로, 제 1 기판(100)과 제 2 기판(200)의 마주보는 표면에 고정상으로서의 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 도포한다.
이때, PDMS는 광학적으로 투명하고 비극성이며 비가연성의 특징을 갖는 물질로서 스핀 코터를 사용하여 스핀 코팅 방식으로 도포하였다.
참고로, 본 발명의 바람직한 실시예에서 사용한 실리케이트 웨이퍼 역시 광학적으로 투명하다.
스핀 코터를 사용하는 스핀 코팅 방법은, 본 기술이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구라도 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
다만, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 고정상의 스핀 코팅은 가능한 얇게 하는 것이 바람직하다.
또한, 제 2 기판(200)와 제 3 기판(300)이 마주보는 표면에는 고정상으로서의 PEG(Polyethylene Glycol)을 스핀 코팅한다. PDMS와 마찬가지로 PEG도 가능한한 얇게 코팅되는 것이 바람직하다.
고정상을 PDMS와 PEG로 분리하여 도포하는 이유는, 마이크로 채널 패턴부(40)를 통과하는 이동상과 마이크로 채널 패턴부(45)를 통과하는 이동상의 극성을 서로 다르게 하기 위한 것이다.
4. 기판 접합
고정상으로서의 PDMS와 PEG를 스핀 코팅한 다음, 적당한 방법으로 이들 기판(100, 200; 200, 300)을 접합한다.
이때, 상기 PDMS와 PEG는 기판(100, 200; 200, 300)을 접합하면서도 동시에 이들 접합면을 밀봉하는 역할도 할 수 있다.
예를 들어, 상기 접합 방법의 일례로는, 상기 접합된 기판(100, 200, 300)을 오븐(oven)에 넣고, 70 ℃의 온도로 약 1 시간 정도 가열하여 달성될 수 있다.
여기서, PDMS와 PEG는, 다차원 가스 크로마토그래피 칩을 형성한 다음, 마이크로 채널 패턴부(40 또는 45)의 가스 유입구(50 또는 65)를 통해서, 고정상을 가압해서 주입하여 마이크로 채널 패턴부(40 또는 45)의 채널 벽면을 코팅하는 어려운 방법이 아니라, 스핀 코터를 이용하는 스핀 코팅법에 간단하게 코팅될 수 있다.
여기서, 필요하다면, 극성이 다른 고정상을 기판의 코팅층에 추가 도포할 수도 있다.
극성이 다른 고정상의 예로는, 실리카겔, 알루미나, 숯, 분자체, 및 다공성 중합체를 들 수 있으며, 이들을 고정상으로 도포하는 경우 마이크로 채널 패턴부(40, 45)의 극성을 용이하게 조절할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에서의 칩 제작은 종래의 건식 에칭 기법(DRIE)에서와는 달리, 습식 에칭 기법을 사용하고 있기 때문에, 저렴하고 간단한 구조의 스핀 코터를 사용할 수 있어서 공정이 매우 간단해진다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명의 다차원 가스 크로마토그래피 칩에 사용된 기판의 사양은 다음과 같다.
기판의 크기 : 4 인치
가스 유입구의 크기 : 600 ㎛
가스 유출구의 크기 : 600 ㎛
마이크로 채널 패턴부(40)의 채널 폭 : 100 ㎛
마이크로 채널 패턴부(45)의 채널 폭 : 200 ㎛
기판의 소재 : 보로실리케이트 웨이퍼
여기에서, 상기 가스 유입구의 크기는 600 ㎛이고, 마이크로 채널 패턴부(40)의 마이크로 채널(30)의 채널 폭은 100 ㎛임에 주의하여야 하며, 따라서, 상술한 바와 같이, 상기 가스 유입구로부터 상기 마이크로 채널까지의 유로는 테이퍼진 형상이라는 점에 유의하여야 한다.
5. 추가 작업
다음으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 다차원 가스 크로마토그래피 칩의 가스 유입구(50), 상기 가스 유입구(50)로부터 연장되어 형성되는 가스 도입부(35), 가스 유출구(95), 및 제 2 기판(200)을 관통하는 관통홀(도 1의 포토 마스크(B)에 형성한 제 1 가스 출구(60)와, 도 1의 포토 마스크(C)에 형성한 제 1 가스 입구(75)가 중첩되는 부분)의 형성 방법에 대해서 설명한다.
먼저, 가스 유입구(50), 가스 도입부(35), 가스 유출구(95), 및 관통홀은 샌드 블라스트 방식(sand blasting)으로 정확하게 구현할 수 있음을 알아야 한다.
하지만, 본 발명의 바람직한 실시예에서와 같이 다차원 가스 크로마토그래피 칩을 소량 생산하기 위해서는 상기 샌드 블라스트 방식은 매우 비효율적이기 때문에, 상기 가스 유입구(50), 가스 도입부(35), 가스 유출구(95), 및 관통홀은 전기적인 방식의 EDM(Electrical Discharge Machining, 전기 방전 가공) 기법을 이용하여 제작되었다.
이때, 5 M KOH 용액을 만든 다음, 본 발명의 다차원 가스 크로마토그래피 칩을 상기 KOH 용액에 완전하게 침지(8 mm 이상 침지)하고, 40 V/3 A 전류를 흘려 보냈다.
필요에 따라서, 방전 가공용 전극과 용액 등을 적절히 교환해 주었다.
상기 가스 유입구와 가스 유출구는 다차원 가스 크로마토그래피 칩의 일측면에 동시에 형성될 수도 있고, 한쪽 측면에 이들 중 하나가 형성되고 다른쪽 측면에 이들 중 다른 하나가 형성될 수도 있다.
전자의 경우, 작업이 편리하며, 필요에 따라서, 후술하는 열 전달부를 부착하기 용이하다는 장점이 있고, 후자의 경우, 다차원 가스 크로마토그래피 칩을 적층한 칩 적층체를 형성할 때, 이들 다차원 가스 크로마토그래피 칩을 연속적으로 연결하기 쉽다는 장점이 있을 수 있다.
특히, 후자의 경우, 다차원 가스 크로마토그래피 칩을 무제한으로 연결하여, 마이크로 채널의 길이를 무제한으로 연장하는 효과를 기대할 수 있다.
6. 외부 컬럼 연결
다음으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 얻은 다차원 가스 크로마토그래피 칩에, 분석하고자 하는 가스 혼합물을 공급하기 위한 컬럼을 연결하였다.
이를 위해서, 도 6의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 얻은 다차원 가스 크로마토그래피 칩의 일측에 형성된 가스 유입구(50)와 가스 유출구(95)에 커넥터를 접속하였다.
상술한 바와 같이, 도 6의 (a) 및 (b)에서, 도면의 상측에 있는 두 개의 커넥터는 가스 유입구 및 가스 유출구의 기능을 수행할 수 있다.
상기 가스 유입구측 커넥터로부터는, 이동상으로서의 가스 혼합물이 공급되며, 상기 가스 유출구측 커넥터로부터는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다차원 가스 크로마토그래피 칩을 통과한 가스 혼합물이 유출될 수 있다.
이때, 상기 가스 유출구측 커넥터로부터 유출되는 가스 혼합물은 다른 다차원 가스 크로마토그래피 칩의 가스 유입구측 커넥터로 재차 공급될 수도 있다.
이 경우, 이동상으로서의 가스 혼합물의 이동 경로가 매우 길게 연장될 수 있으므로, 가스 혼합물의 더욱 높은 분리능을 기대할 수 있다.
여기에서, 본 발명에 따라서 얻은 다차원 가스 크로마토그래피 칩의 분석 성능을 측정하기 위해서는, 상기 다차원 가스 크로마토그래피 칩에 연결되는 검출 장치, 예를 들면, FID(flame ionization detector), ECD(electron capture detector), 및 질량 분석 장치를 더 포함할 수 있다.
여기서, FID는 HC, TCE, PCE 등의 유기 화합물의 분석에 주로 사용될 수 있으며, ECD는 주로 할로겐(halogen) 원소(예: F, Cl, Br, I)를 포함하고 있는 화합물의 검출에 유용하며, 주로 농약, PCB, N2O 가스 등의 검출에 사용될 수 있다는 점을 알아야 한다.
7. 열 전달부
본 발명의 바람직한 실시예에 따라 얻은 다차원 가스 크로마토그래피 칩에는 온도 제어를 위해서 열 전달부가 더 형성되어 있을 수 있다.
상기 열 전달부는 다차원 가스 크로마토그래피 칩의 부속물이 형성되지 않은 영역에 형성될 수도 있으며, 다르게는 다차원 가스 크로마토그래피 칩 전체를 가열할 수 있도록 형성될 수도 있다.
상술한 바와 같이, 가스 유입구와 가스 유출구가 형성되지 않은 다차원 가스 크로마토그래피 칩의 표면 상에 열 전달부를 설치할 수도 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 상기 열 전달부에는 온도 제어 장치가 더 설치되어 있는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명에 따른 다차원 가스 크로마토그래피 칩의 경우, 상기 온도 제어 장치에 의해서 다차원 가스 크로마토그래피 칩의 온도를 고속으로 또한 정밀하게 제어할 수 있으므로, 기존의 가스 크로마토그래피 기법과 비교하여 온도 조절이 즉각적이고 효과적으로 제어되므로, 극미량 가스 혼합물의 분석시 매우 선명한 피크(peak)를 얻을 수 있다.
이때, 상기 열 전달부로는, 다차원 가스 크로마토그래피 칩의 크기가 소형인 점을 감안하여 펠티에(peltier) 소자를 사용할 수도 있다.
또한, 상기 열 전달부는 다차원 가스 크로마토그래피 칩의 온도를 조절할 뿐만 동시에 다차원 가스 크로마토그래피 칩의 접합부에 열압력을 가하여 마이크로 채널 내의 가스의 누설을 방지하는 역할을 수행한다.
이는 다차원 가스 크로마토그래피 칩에 가해지는 열이 기판 사이에 도포된 고정상에 열압력을 가하면서 기판 사이의 접착력을 강화하여 주기 때문이다.
8. 모듈레이터
상술한 바와 같이, 제 1 기판(100)의 마이크로 채널 패턴부(40)가 형성되지 않은 표면 상의, 제 1 가스 출구(55)에 대응하는 위치에는 모듈레이터가 부가될 수 있다.
상기 모듈레이터의 구성에 대해서 설명하기 전에, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 이동상으로서의 가스 혼합물에 대한 피크의 리포커싱 효과에 대해서 간단하게 설명한다.
다차원 가스 크로마토그래피 칩에 이동상으로서의 가스 혼합물이 유입되어 유동할 때, 이 가스 혼합물을 2 차적으로 분리할 수 있다면, 상기 가스 혼합물의 분리 피크(peak)를 리포커싱(refocusing)하는 효과를 기대할 수 있다.
이 경우, 특히, 상기 가스 혼합물에 극저온 효과를 가해주면, 상기 가스 혼합물의 이동 시간이 길어지게 되면서 분석 시간이 늘어나게 되고, 따라서 분리능이 획기적으로 향상되어 극미량 가스 혼합물 시료의 분석을 기대할 수 있다.
상기 모듈레이터의 구성에 대해서는 도 5를 참조하여 간단하게 언급한 바가 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는 극저온 장치로서의 냉각 액화 트랩 및 열 펄스(heat pulse) 기능을 갖춘 모듈레이터를 사용하였다.
상기 모듈레이터는 극저온 장치이며, 마이크로 채널 패턴부(45)로 유입되는 가스 혼합물을, 단속적으로, 응축시키고 다시 열 펄스(heat pulse)를 주어서 다시 2 차적인 분석을 가능하게 된다.
상기 모듈레이터의 바람직한 동작의 예로는, 먼저, 액체 질소로 냉각된 냉각 헬륨 가스를 공급하고, 이어서, 필요에 따라서, 375 ℃ 정도의 고온으로 가열한 헬륨 가스를 공급할 수 있다. 이 경우, 공급되는 헬륨 가스는 추가 기체로 간주할 수 있다.
또한, 상기 냉각된 헬륨 가스와 가열된 헬륨 가스는 교대로 공급될 수 있으며, 대략 1 분 내지 2 분 정도의 시간 간격을 두고 교대로 공급되도록 하는 것이 바람직하다.
필요하다면, 상기 교대 공급 주기는 분 단위가 아니라 초 단위로 행해질 수 있지만, 헬륨 가스의 냉각이나 가열에 소요되는 시간을 고려하였을 때는 분 단위로 공급하는 것이 더욱 바람직하다.
이때, 고온으로 가열되는 헬륨 가스는, 별도로 형성한 히터(heater) 또는 불꽃(flame)으로 가열될 수 있다.
상기 헬륨 가스는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다차원 가스 크로마토그래피 칩의 제 1 기판의 외측면 표면 상에 형성한, 제 1 가스 출구(55)에 대응한 위치의 관통홀을 통해서 공급될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다차원 가스 크로마토그래피 칩에서의 피크 리포커싱은, 마이크로 채널 패턴부(40)를 유동한 이동상이, 모듈레이터로부터 공급되는 냉각된 헬륨 가스에 의해서 응축되며, 이 응축 과정에 의해서 피크의 리포커싱이 이루어진다.
이때, 상술한 바와 같이, 적절한 주기로, 냉각된 헬륨 가스와 가열된 헬륨 가스에 의한 열 펄스를 교대로 가하게 되면, 응축된 가스 혼합물이 마이크로 채널 패턴부(45)로 진입/유동하면서 분리 분획이 이루어진다.
이 때, 필요하다면, 상술한, 펠티에 소자를 사용하여 국소 냉각할 수도 있다.
9. 가스 혼합물 시료의 분리 실험
가스 혼합물의 분리 실험 결과에 대해서는, 도 7을 참고하여 이미 설명한 바가 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다차원 가스 크로마토그래피 칩은, 간단하고 저렴한 방식에 의해서 형성되며, 분리능이 우수하기 때문에, 극미량의 가스 혼합물도 정확하게 분리해 낼 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10 : 위치 정렬 마커
20 : 위치 정렬 마커
30 : 마이크로 채널
35 : 가스 도입부
40 : 마이크로 채널 패턴부
45 : 마이크로 채널 패턴부
50 : 가스 유입구
55 : 제 1 가스 출구
60 : 제 1 가스 출구
65 : 가스 유입구
70 : 제 2 가스 출구
75 : 제 1 가스 입구
80 : 제 1 가스 입구
85 : 제 2 가스 출구
90 : 가스 유출구
95 : 가스 유출구
100 : 제 1 기판
200 : 제 2 기판
300 : 제 3 기판
500 : 다차원 가스 크로마토그래피 칩
A, B, C, D : 포토 마스크

Claims (6)

  1. 제 1 기판, 제 2 기판, 및 제 3 기판을, 이 순서대로 접합하여 이루어지는 칩 본체;
    상기 제 1 기판 및 상기 제 2 기판의 마주보는 양측 표면 상에 형성되는 제 1 마이크로 채널, 및 상기 제 1 마이크로 채널로 이루어지는 제 1 마이크로 채널 패턴부;
    상기 제 2 기판 및 상기 제 3 기판의 마주보는 양측 표면 상에 형성되는 제 2 마이크로 채널, 및 상기 제 2 마이크로 채널로 이루어지는 제 2 마이크로 채널 패턴부;
    상기 제 1 기판의 상기 제 1 마이크로 채널이 형성된 반대측 표면의 일측 표면 상에 형성되는 이동상을 공급하기 위한 가스 유입구;
    상기 제 1 기판의 상기 제 1 마이크로 채널이 형성된 반대측 표면의 타측 표면 상에 형성되는 이동상이 유출되는 가스 유출구;
    상기 제 1 기판의 제 1 마이크로 채널이 형성되는 일측 표면, 상기 제 2 기판의 양측 표면, 및 상기 제 3 기판의 제 2 마이크로 채널이 형성되는 일측 표면 상에 각각 형성되는 위치 정렬 마커;
    상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에 스핀 코팅되는 제 1 고정상, 및 상기 제 2 기판과 상기 제 3 기판 사이에 스핀 코팅되는 제 2 고정상; 및
    상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판에 형성된 상기 제 1 마이크로 채널 패턴의 유출측이면서 동시에 상기 제 2 기판과 상기 제 3 기판에 형성된 상기 제 2 마이크로 채널 패턴의 유입측에 형성되는 모듈레이터;를 포함하며,
    상기 제 1 마이크로 채널 패턴부의 패턴 폭과 상기 제 2 마이크로 채널 패턴부의 패턴 폭은 서로 다르며,
    상기 제 1 마이크로 채널 패턴부에 도포된 제 1 고정상과 상기 제 2 마이크로 채널 패턴부에 도포된 제 2 고정상은 서로 다른 것을 특징으로 하는,
    모듈레이터를 구비한 다차원 가스 크로마토그래피 칩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 기판, 제 2 기판, 및 제 3 기판의 소재는,
    글래스 웨이퍼, 석영 웨이퍼, 폴리디메틸실록산 웨이퍼, 실리콘 웨이퍼, 실리케이트 웨이퍼, 보로실리케이트 웨이퍼 및 용융 실리카 웨이퍼로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
    모듈레이터를 구비한 다차원 가스 크로마토그래피 칩.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 유입구는, 가스 공급측이 넓고, 상기 제 1 마이크로 채널 패턴부로 진행함에 따라서 그 폭이 좁아지는 테이퍼 형상으로 형성되며;
    상기 제 1 마이크로 채널 패턴부 및 상기 제 2 마이크로 채널 패턴부는, 3 회 이상 에칭을 행하는 다중 에칭을 통해서 형성되며;
    상기 다차원 가스 크로마토그래피 칩의 온도 제어를 위한 열 전달 접촉부 및 그 열 전달 접촉부를 제어하기 위한 온도 제어 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    모듈레이터를 구비한 다차원 가스 크로마토그래피 칩.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 모듈레이터는, 냉각된 헬륨 가스 또는 가열된 헬륨 가스를 단속적으로 주입하여 열 펄스(heat pulse)를 생성하는 냉각 액화 트랩인 것을 특징으로 하는,
    모듈레이터를 구비한 다차원 가스 크로마토그래피 칩.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 유입구는, 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이의 제 1 마이크로 채널 패턴부를 통과하고, 상기 제 2 기판을 관통하여 형성된 제 1 관통홀과 연결되는 상기 제 2 기판과 상기 제 3 기판 사이의 제 2 마이크로 채널 패턴부를 유동하고 상기 제 2 마이크로 채널 패턴부의 유출측에서 상기 제 2 기판을 관통하여 형성된 제 2 관통홀과 상기 제 2 관통홀에 대응하는 위치에 형성된 상기 제 1 기판의 상기 가스 유출구까지 연결되어 있으며,
    상기 가스 유입구, 상기 가스 유출구, 및 제 1 및 제 2 관통홀은, EDM 방식 또는 샌드블래스트(sandblast) 방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는,
    모듈레이터를 구비한 다차원 가스 크로마토그래피 칩.
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