KR101443248B1

KR101443248B1 - 공면 미세유체 채널을 이용한 액체금속의 표면 산화막 제거방법

Info

Publication number: KR101443248B1
Application number: KR1020130119588A
Authority: KR
Inventors: 이동원; 이광용
Original assignee: 전남대학교산학협력단
Priority date: 2013-10-08
Filing date: 2013-10-08
Publication date: 2014-09-22

Abstract

본 발명은 공면 미세유체 채널을 이용한 액체금속의 표면 산화막 제거방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 공면 미세유체 채널을 이용한 액체금속의 표면 산화막 제거방법은, 실리콘 웨이퍼 상에 포토 레지스트(PR)를 이용하여 미세유체 채널 주물(mold)을 제작한 후 그 위에 폴리다이메틸실록세인(PDMS) 용액을 도포하는 단계, 상기 PDMS 용액의 도포가 완료되면 냉각 및 응고 과정을 거친 후 상기 PDMS 층을 상기 미세유체 채널 주물과 분리시키는 단계, 상기 분리된 PDMS 층 하부에 산소 플라즈마를 통해 유리판을 접착하여 공면 미세유체 채널을 형성하는 단계 및 상기 미세유체 채널의 메인 채널로 갈리스탄을 주입한 후 보조 채널로 염산 용액을 주입하여 메인 채널과 보조 채널 사이의 관벽으로 염산 증기가 투과되어 갈리스탄 산화막이 제거되도록 하는 단계를 포함한 방법을 제공함으로서, 액체금속인 수은을 대체하는 갈라스탄의 표면 산화막 제거가 용이하여 갈리스탄의 응용 범위를 확대시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.

Description

공면 미세유체 채널을 이용한 액체금속의 표면 산화막 제거방법{Method for removing surface oxide film of galinstan using coplanar microfluidic channels}

본 발명은 액체금속 표면의 산화막 제거방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폴리다이메틸실록세인(Polydimethylsiloxane, PDMS)으로 설계한 공면 미세유체 채널을 통하여 염산이 자유로이 이동하면서, 액체금속 채널과 염산의 채널사이에 PDMS로 형성된 벽을 염산이 투과하여, 액체금속의 표면 산화막을 제거하도록 하는 액체금속의 표면 산화층을 제거하는 방법에 관한 것이다.

미세유체 흐름 조절을 위하여 PDMS를 이용하는 기술과 관련해서는, 한국공개특허 10-2005-0028607호(이하, '선행문헌') 외에 다수 출원 및 공개되어 있다.

상기한 선행문헌은, 실리콘 기판상에 알루미늄층을 증착하는 공정과, 상기 알루미늄층을 패터닝하여 미세히터를 제작하는 공정과, 제작된 상기 미세히터의 전기적 절연을 위하여 SOG 코팅층을 형성하는 공정과, 상기 SOG 코팅층을 패터닝하는 공정과, 미세채널용 몰드를 제작하기 위하여, 상기 실리콘 기판상에 포토레지스트 코팅층을 형성하는 공정과, 상기 포토레지스트 코팅층을 패터닝하는 공정과, 제작된 몰드로 미세채널을 제작하기 위해, PDMS(polydimethyl siloxane)의 내부에 미세채널을 형성하는 공정과, 제작된 상기 PDMS를 몰드에서 떼어내는 공정과, 상기 PDMS와 실리콘 기판을 접합하여 그 사이에 미세채널을 형성하는 공정을 포함한다.

한편, 일반적으로 액체로 쉽게 변화할 수 있는 금속들(수은, 갈륨, 주석 등)은 열 전도도, 전기 전도도 및 전자 이동도 등의 고유한 물리적 특성으로 인해 전자장치 등에 폭 넓게 사용되고 있다.

상기 액체금속 중 갈리스탄(galinstan)은 녹는점이 -19℃로 68.5% Ga, 21.5% In, 10% Sn으로 이루어진 합금이다. 이 합금은 유독성이 있는 수은을 대체한 의료용 온도계에 널리 사용되며, 컴퓨터의 냉각제, 치과용 수은 아말감 대체물질 등으로도 사용되리라 기대된다.

그러나 상기 갈리스탄은 공기중에서 쉽게 산화되어 점성이 있는 젤 형태의 산화물 층이 표면에 생기는데, 이 산화물 층은 점성과 더불어 항복 응력이 발생하지 않는 탄성만 남아 있는 문제로 인하여 유동에 제한이 있어 응용범위가 제한적이었다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 공면 마이크로 파이프 라인으로 설계된 미세유체 채널을 통해 염산이 자유로이 이동하면서, 액체금속 체널과 염산의 채널 사이에 형성된 다공성 특성을 가지는 관벽을 염산이 투과하여, 액체금속의 표면 산화막을 제거하도록 하는 액체금속의 표면 산화층을 제거하는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 공면 미세유체 채널을 이용한 액체금속의 표면 산화막 제거방법은, 실리콘 웨이퍼 상에 포토 레지스트(PR)를 이용하여 미세유체 채널 주물(mold)을 제작한 후 그 위에 폴리다이메틸실록세인(PDMS) 용액을 도포하는 단계, 상기 PDMS 용액의 도포가 완료되면 냉각 및 응고 과정을 거친 후 상기 PDMS 층을 상기 미세유체 채널 주물과 분리시키는 단계, 상기 분리된 PDMS 층 하부에 산소 플라즈마를 통해 유리판을 접착하여 공면 미세유체 채널을 형성하는 단계 및 상기 미세유체 채널의 메인 채널로 갈리스탄을 주입한 후 보조 채널로 염산 용액을 주입하여 메인 채널과 보조 채널 사이의 관벽으로 염산 증기가 투과되어 갈리스탄 산화막이 제거되도록 하는 단계를 포함한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 공면 미세유체 채널을 이용한 액체금속의 표면 산화막 제거방법에 의하면, 액체금속인 수은을 대체하는 갈라스탄의 표면 산화막 제거가 용이하여 갈리스탄의 응용 범위를 확대시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.

도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 액체금속의 표면 산화막 제거를 위한 공면 미세유체 채널 제조 과정을 보인 일예시도.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 미세유체 채널의 구조를 간략하게 보인 일예시도.
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 갈리스탄 액체금속 생성에 관한 일예시도.
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 질소 등의 외부 공기를 주입시키기 위한 장치를 보이는 일예시도.
도 5 는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 선택 표면으로의 활용에 관한 일예시도.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.

도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 액체금속의 표면 산화막 제거를 위한 공면 미세유체 채널 제조 과정을 보인 일예시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 미세유체 채널의 구조를 간략하게 보인 일예시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 먼저 실리콘 웨이퍼(100) 상(A1)에 포토 레지스트(PR)를 이용하여 미세유체 채널 주물(mold, 200)을 제작한 후(A2), 그 위에 폴리다이메틸실록세인(PDMS) 용액을 도포한다(A3).

상기 PDMS 용액의 도포가 완료되면 냉각 및 응고 과정을 거친 후, 상기 PDMS 층(300)을 상기 미세유체 채널 주물(200)과 분리시킨다(A4).

이때, 상기 PDMS 층(300)은 갈리스탄(Galinstan) 입/출구(310, 320), 기체 입구(330), 염산 입/출구(340, 350)의 5개 포트를 포함한다.

상기 분리된 PDMS 층(300) 하부에 산소 플라즈마를 통해 유리판(400)을 접착하여 공면 미세유체 채널을 형성한다(A5).

이때, 상기 미세유체 채널은 메인 채널(500)이 보조 채널(600)에 둘러싸여 있는 형태로 형성하는데, 상기 메인 채널(500)에는 갈리스탄이 채워지고, 상기 보조채널(600)에는 염산 용액(HCI)이 채워진다.

상기 미세유체 채널의 메인 채널(500)로 갈리스탄을 주입한 후 보조 채널(600)로 염산 용액(HCI)을 주입하여 메인 채널(500)과 보조 채널(600) 사이의 관벽으로 염산 증기가 투과되어 갈리스탄 산화막이 제거되도록 한다(A6).

이때, 상기 미세유체 채널의 메인 채널(500)과 보조 채널(600) 사이의 관벽은 200 ㎛의 두께를 가지고, 상기 주입되는 염산 용액의 농도는 37 wt%이다. 여기서, 상온에서 염산 용액의 증기는 PDMS 관벽을 통과하는 것으로, 인가된 질소압은 액체금속의 이동을 위한 수단으로 활용된다.

그리고, 공면을 가지는 투명필름 즉, PDMS 상부 표면을 테플론으로 코팅하여, 내부채널에 주입된 염산 용액이 외부로 증발하는 것을 최대한 억제한다.

한편, 도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 갈리스탄 액체금속 생성에 관한 일예시도이며, 도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 질소 등의 외부 공기를 주입시키기 위한 장치를 보이는 일예시도이다.

도 4 에 도시된 바와 같이 질소 등의 외부 공기의 주입을 통해, 액체금속의 형상 및 위치를 제어할 수 있다. 즉, 표면의 금속산화막이 제거된 액체금속은 미소채널내에서의 이동이 매우 용이하게 되며, 추가적인 액체금속의 산화를 최소화하기 위해 액체금속 채널내에 질소의 주입을 통해 액체금속의 분리 및 결합 등을 수행할 수 있다. 이에 따라, 다양한 형성으로 구현가능하며, 이를 통해 주파수 선택 표면 등으로 활용할 수 있다.

그리고, 도 5 는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 선택 표면으로의 활용에 관한 일예시도로서, 금속의 반복적인 구조의 능동적 형상제어를 통해 가변형 주파수 선택 표면으로 활용할 수 있다. 일예로, 도시된 바와 같이 스텔스 기능, 전자파 차폐 등의 기능을 가지는 군사용/가정용 기기에 활용될 수 있다.

이때, 조정할 수 있는 주파수 선택 표면은 커패시턴스와 인덕턴스 변화에 의존하며, 갈리스탄은 가변 커패시턴스의 매체로 사용할 수 있으며, 그 위치는 커패시턴스의 크기를 결정한다. 따라서, 주파수 선택 표면의 공진 주파수를 변경할 수 있어, 마이크로 유체 도관에서 갈리스탄 금속크기를 제어할 수 있다.

이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

100 : 실리콘 웨이퍼 200 : 미세유체 채널 주물
300 : PDMS 층 310,320 : 갈리스탄 입/출구
330 : 기체 입구 340,350 : 염산 입/출구
400 : 유리판 500 : 메인채널
600 : 보조채널

Claims

실리콘 웨이퍼 상에 포토 레지스트(PR)를 이용하여 미세유체 채널 주물(mold)을 제작한 후 그 위에 폴리다이메틸실록세인(PDMS) 용액을 도포하는 단계;
상기 PDMS 용액의 도포가 완료되면 냉각 및 응고 과정을 거친 후 상기 PDMS 층을 상기 미세유체 채널 주물과 분리시키는 단계;
상기 분리된 PDMS 층 하부에 산소 플라즈마를 통해 유리판을 접착하여 공면 미세유체 채널을 형성하는 단계; 및
상기 미세유체 채널의 메인 채널로 갈리스탄을 주입한 후 보조 채널로 염산 용액을 주입하여 메인 채널과 보조 채널 사이의 관벽으로 염산 증기가 투과되어 갈리스탄 산화막이 제거되도록 하는 단계; 를 포함하는 공면 미세유체 채널을 이용한 액체금속의 표면 산화막 제거방법.
제 1 항에 있어서,
상기 PDMS 층은 갈리스탄(Galinstan) 입/출구, 기체 입구, 염산 입/출구의 5개 포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 공면 미세유체 채널을 이용한 액체금속의 표면 산화막 제거방법.
제 2 항에 있어서,
상기 기체 입구로 공기 압력을 주입하여 액체금속을 이동시키는 것을 특징으로 하는 공면 미세유체 채널을 이용한 액체금속의 표면 산화막 제거방법.
제 2 항에 있어서,
상기 기체 입구를 통해 주입된 공기 압력을 통해, 액체금속의 형상 및 위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 공면 미세유체 채널을 이용한 액체금속의 표면 산화막 제거방법.
제 1 항에 있어서,
상기 미세유체 채널의 메인 채널과 보조 채널 간의 관벽은 200 ㎛의 두께를 가지고, 상기 주입되는 염산 용액의 농도는 37 wt%인 것을 특징으로 하는 공면 미세유체 채널을 이용한 액체금속의 표면 산화막 제거방법.
제 1 항에 있어서,
상기 미세유체 채널은 메인 채널이 보조 채널에 둘러싸여 있는 형태로 형성하는 것을 특징으로 하는 공면 미세유체 채널을 이용한 액체금속의 표면 산화막 제거방법.
제 1 항에 있어서,
주입된 염산 용액의 외부 증발을 억제하기 위하여, 상기 PDMS 상부 표면에 테플론을 코팅하는 것을 특징으로 하는 공면 미세유체 채널을 이용한 액체금속의 표면 산화막 제거방법.