KR101652629B1

KR101652629B1 - 유체흐름 소자

Info

Publication number: KR101652629B1
Application number: KR1020150031681A
Authority: KR
Inventors: 김용신; 전태선; 조영범
Original assignee: 한양대학교 에리카산학협력단
Priority date: 2015-03-06
Filing date: 2015-03-06
Publication date: 2016-08-31

Abstract

본 발명은 유체통로가 형성되며, 소수성 부재로 이루어진 중심구조체; 상기 중심구조체의 상면에 배치되며, 유체 주입구 및 유체 배출구를 구비하는 상부친수성 필름; 및 상기 중심구조체의 하면에 배치되는 하부친수성 필름; 을 포함하며, 상기 유체통로는 내측면이 다공성 부재로 이루어져, 중공-다공성 통로를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 유체흐름 소자에 관한 것이다.

Description

유체흐름 소자{fluidic devices}

본 발명은 빠른 자발성 흐름을 갖는 유체흐름 소자에 관한 것이다.

최근들어 생명공학, 화학 또는 제약 산업 등의 다양한 분야에서 랩온어칩(Lab-on-a-chip) 개념의 미세유체 소자(Microfluidic device)와 같이 화학물질이나, 혈액 또는 생체분자 등의 액체 시료를 원하는 방향으로 빠르게 전달하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 소자는 마이크로 크기의 속이 빈 유체흐름 통로를 이용하여 유체를 층류 (Laminar flow) 조건에서 제어하는 것을 기반으로 한다. 지금까지 이들은 주로 평면형 실리콘, 유리 또는 고분자 소재로 제작된 기판을 사용하여 제작되었고, 대표적인 고분자 소재로는 PDMS(Polydimethylsiloxane)이 존재한다.

이에 더하여, 셀룰로스(Cellulose)를 주성분으로 하는 종이 소재는 화학적으로 친수성 특성을 가지고, 섬유 형상 다공성 구조에서 발생하는 모세관 힘 때문에 수용액이 자발적으로 흡수/이동되는 특징을 갖기 때문에, 모세관 유체흐름 현상으로 인하여 종이를 자발 유체흐름 통로(flow channel)로 다양한 산업 분야에서 오래전부터 이용되어 왔다.

상기 셀룰로스와 같은 다공성 시트 기반의 유체흐름 소자는 종래의 실리콘 또는 고분자 소자에 비하여 유체흐름 통로의 크기가 크고 유체제어 기능 측면에서는 아직 원시적인 수준이지만, 소재 가격이 저렴하고 유체를 제어하기 위하여 추가적인 부품(예: 펌프)이 필요하지 않으므로 일회용 용도의 다양한 응용분야에서 큰 경쟁력을 가진다.

최근에는 다양한 제조기술을 이용하여 다공성 시트에 소수성 패턴을 형성하는 방법들이 개발되었다. 이러한 종래의 다공성 시트 기반의 유체흐름 소자(10)를 도 1과 도 2에 도시하였다. 도 1에는 소수성 종이(11b)와 다공성 시트(11a)를 포함하는 왁스인쇄 종이층(11)이 도시되어 있다. 보다 구체적으로, 도 1에 도시된 기술은 다공성 시트(11a)의 소정부분을 소수성 특성을 가지도록 유체흐름 장벽(소수성 종이, 11b)을 구현하여, 접착 테이프(12) 상부에 접착한 기술이다. 참고로, 도 1의 다공성 시트(11a) 기반의 유체흐름 소자(10)를 활용하면 2차원 평면 위에서 동시 분석이 가능한 다양한 형상의 자발 유체흐름 소자(10)들을 제조할 수 있었다.

그러나, 유체흐름 통로로 다공성 시트(11a)인 종이(paper channel)를 이용하는 경우에는 모세관 현상에 의하여 인가 압력이 없는 조건에서도 자발적인 흐름이 발생하지만 작은 기공들로 인하여 흐름에 대한 저항력이 커져서 흐름 속도가 이동 거리에 따라서 급속하게 감소한다. 이러한 유체흐름 저항력으로 인하여 10분 동안에 대략 50mm 정도 이동시킬 수 있고, 그 이후에는 이동 속도가 더욱 급격하게 감소하여 제한된 시간에 유체를 이동시키는 최대 거리는 현실적으로 100mm 이내이다. 이러한 문제점은 제작 가능한 소자의 크기를 제한하고 유체 이동에 많은 시간이 소모되는 문제점이 발생한다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 다공성 시트(11a)가 가지는 작은 기공들로 인하여 발생하는 유체흐름 저항을 감소하기 위하여, PDMS 유체흐름 소자처럼 시트를 제거하여 빈 공간을 가지는 중공 통로를 가지는 종이기반 소자들이 최근에 개발되었다.

도 2를 참조하면, 소수성 종이(13b)에 칼날을 이용하여 중공통로(13a)를 형성하여 중공통로(13a)를 구비한 종이층을 만들고, 상부에 접착 테이프(12)를 덮어서 다공성 시트(11a) 기반의 유체흐름 소자(10)를 제작하였다. 그러나, 이러한 중공 통로(Hollow channel)를 소수성 종이(13b)에 형성시키는 경우에는 유체흐름에 대한 저향력은 감소하여 가해준 압력을 이용하여 긴 거리까지 유체 운송은 가능하지만, 고분자 유체흐름 소자처럼 얍력을 제어하는 소자가 필요하여 종이 소자가 가지는 자발 흐름이라는 장점을 상쇄시키는 문제점이 발생하게 된다.

KR 10-1405787 (등록번호)

본 발명은 유체가 자발성 흐름을 가지며, 먼 거리까지 빠르게 이동할 수 있는 유체흐름 소자를 제공하고자 한다.

본 발명은 유체통로가 형성되며, 소수성 부재로 이루어진 중심구조체; 상기 중심구조체의 상면에 배치되며, 유체 주입구 및 유체 배출구를 구비하는 상부친수성 필름; 및 상기 중심구조체의 하면에 배치되는 하부친수성 필름; 을 포함하며, 상기 유체통로는 내측면이 다공성 부재로 이루어져, 중공-다공성 통로를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 유체흐름 소자를 제공한다.

본 발명은 (a) 중공-다공성 통로가 형성된 중심구조체를 제조하는 단계; (b) 소수성의 고분자 필름을 플라즈마 처리하여 상부친수성 필름 및 하부친수성 필름을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 중심구조체의 상하면에 상기 상부친수성필름 및 하부친수성 필름을 배치하고, 부착 또는 밀착의 압착공정을 이용하여 고정화하는 단계; 를 포함하는 유체흐름 소자의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 유체흐름 소자는 중공-다공성 통로를 포함하는 중심구조체에 의해서, 초기압력이 0인 조건에서 유체의 흐름이 가능하고, 먼 거리까지 빠르게 유체 운송이 가능하다.

도 1은 종이 통로(Paper channel)을 가지는 종래의 유체흐름 소자의 단면도이다.
도 2는 중공 통로(Hollow channel)을 가지는 종래의 유체흐름 소자의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 유체흐름 소자의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체흐름 소자의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체흐름 소자의 분해사시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체흐름 소자의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체흐름 소자의 분해사시도이다.
도 8은 종이통로를 구비한 유체흐름 소자(a) 및 중공통로를 구비한 유체흐름 소자(b) 를 나타낸 사진이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에서 PET 표면을 플라즈마 처리한 이후에 경과 시간에 따른 물에 대한 접촉각 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조되는 유체흐름 소자의 구성을 나타낸 사진이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 유체흐름 소자의 사진이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따라 제조되는 유체흐름 소자의 구성을 나타낸 사진이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예를 통해서 제조된 유체흐름 소자의 사진이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에서 플라즈마 처리된 PET 필름으로 제작된 유체흐름 소자들에 대한 유체 이동속도를 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에서 플라즈마 처리하지 않은 PET 필름으로 제작된 유체흐름 소자들에 대한 유체 이동속도를 나타낸 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에서 제작한 유체흐름 소자의 인가 압력에 따른 유체 이동속도를 나타낸 그래프이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예를 통해서 제조된 유체흐름 소자를 이용한 유체 이동속도를 나타낸 그래프이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 3은 본 발명의 유체흐름 소자의 단면도, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체흐름 소자의 단면도, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체흐름 소자의 분해사시도, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체흐름 소자의 단면도, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체흐름 소자의 분해사시도, 도 8은 종이통로를 구비한 유체흐름 소자(a) 및 중공통로를 구비한 유체흐름 소자(b) 를 나타낸 사진, 도 9는 본 발명의 일 실시예에서 PET 표면을 플라즈마 처리한 이후에 경과 시간에 따른 물에 대한 접촉각 변화를 나타낸 그래프, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조되는 유체흐름 소자의 구성을 나타낸 사진, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 유체흐름 소자의 사진, 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따라 제조되는 유체흐름 소자의 구성을 나타낸 사진, 도 13은 본 발명의 다른 실시예를 통해서 제조된 유체흐름 소자의 사진, 도 14는 본 발명의 일 실시예에서 플라즈마 처리된 PET 필름으로 제작된 유체흐름 소자들에 대한 유체 이동속도를 나타낸 그래프, 도 15는 본 발명의 일 실시예에서 플라즈마 처리하지 않은 PET 필름으로 제작된 유체흐름 소자들에 대한 유체 이동속도를 나타낸 그래프, 도 16은 본 발명의 일 실시예에서 제작한 유체흐름 소자의 인가 압력에 따른 유체 이동속도를 나타낸 그래프, 도 17은 본 발명의 다른 실시예를 통해서 제조된 유체흐름 소자를 이용한 유체 이동속도를 나타낸 그래프이다.

이하, 도 3 내지 도 17과 실시예를 통해 본 발명인 유체흐름 소자를 상세히 설명한다.

본 발명은 유체가 자발성 흐름을 가지며, 먼 거리까지 이동할 수 있는 유체흐름 소자(100)에 관한 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 유체흐름 소자(100)는 중심구조체(110), 상기 중심구조체(110)의 상면 및 하면에 배치되는 상부친수성 필름(120) 및 하부친수성 필름(130)을 포함하여 구성된다.

보다 구체적으로, 하부친수성 필름(130), 중심구조체(110) 및 상부친수성 필름(120)이 순서대로 적층되어 유체흐름 소자(100)를 이룰 수 있다. 상기 중심구조체(110)는 유체통로(112)가 형성되며, 소수성 부재(111)로 이루어진 것을 특징으로 한다. 여기서, 유체통로(112)라 함은 유체가 흐르는 통로를 의미하며, 일측에는 유체 주입구(121)가 형성되고, 타측에는 유체 배출구(122)가 형성될 수 있다.

상기 상부친수성 필름(120)은 상기 중심구조체(110)의 상면에 배치되며, 유체 주입구(121) 및 유체 배출구(122)를 포함할 수 있으며, 상기 하부친수성 필름(130)은 상기 중심구조체(110)의 하면에 배치되는 필름을 의미한다.

또한, 상부친수성 필름(120) 및 하부친수성 필름(130)은 친수성으로 상기 중심구조체(110)와는 다른 소재를 이용하였다. 이는 속이 빈 유체흐름을 통로를 형성하기 위해서는 유체통로(112)의 상하부를 중심구조체(110)와 다른 소재로 덮어서 용액이 누설되지 않도록 하기 위함이다. 일 예로, 본 발명의 중심구조체는 소수성 부재(111) 상기 중심구조체의 상하부에 위치하는 필름은 친수성 부재일 수 있다.

특히, 본 발명의 유체통로(112)는 소수성 부재(111)의 중심구조체(110)에 형성되어, 유체통로(112)의 내측면이 다공성 부재(113)로 이루어져, 중공-다공성 통로(115)를 이루는 것을 특징으로 한다. 상기 중공-다공성 통로(115)는 다공성 부재(113)에 의해서 모세관 힘이 발생하여 자발 유체흐름이 발생할 수 있으며, 중공(114) 통로 구조로 인하여 흐름에 대한 저항력을 최소화시킬 수 있다. 보다 구체적인 설명은 후술하도록 한다.

특정 양태로서, 도 4에 도시된 바에 따르면, 본 발명의 유체흐름 소자(100)는 상부친수성 필름(120)과 하부친수성 필름(130)은 접착층(140)에 의해서 상기 중심구조체(110)의 상면과 하면에 부착된다. 이때, 상부친수성 필름(120)과 중심구조체(110) 사이 또는 하부친수성 필름(130)과 중심구조체(110) 사이 둘 중에 한군데만 부착될 수 있다.

도 5는 도 4의 유체흐름 소자(100)의 분해사시도를 도시하였다. 도 5를 참조하여 보면, 상기 접착층(140)도 중심구조체(110)에 대응되도록, 유체통로(112)가 형성될 수 있다.

이때, 접착층(140)은 파라필름(parafilm) 및 접착성 페이스트로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.

여기서, 파라필름은 화학약품 내구성이 뛰어나 유로 내부로의 불순물 유입을 방지할 수 있으며, 접착성 페이스트는 아크릴 수지 또는 에폭시(epoxy)로 형성될 수 있다.

다른 양태로서, 도 6과 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 유체흐름 소자(100)는 상기 상부친수성 필름(120) 및 중심구조체(110)는 중간 접착층(150)에 의해서 서로 밀착되며, 상기 중간 접착층(150)은 상기 중심구초체(110)와 하부친수성 필름(130)을 수용할 수 있도록 공간(151)이 형성될 수 있다. 또한, 상기 하부친수성 필름(130)은 하면에 하부 접착층(160)을 추가로 포함할 수 있으며, 이때의 중간 접착층(150)은 PDMS(Polydimethylsiloxane), 파라필름(parafilm) 및 왁스 분자체로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 이러한 경우, 3층 구조의 유체흐름 소자를 형성할 수 있다.

한편, 본 발명에서 유체통로의 내측면을 이루는 다공성 부재(113)라 함은 고체가 내부 또는 표면에 작은 구멍을 가지고 있는 부재를 의미하며, 다공성 부재(113)는 셀룰로스(cellulose), 나이트로셀룰로스(nitrocellulose), 셀룰로스아세테이트 (cellulose acetate), 폴리비닐리덴 폴로라이드(polyvinylidene fluoride) 및 나일론(nylon)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있으며, 일 예로 셀룰로스(cellulose)를 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에서 다공성 부재(113)의 다공도(porosity)는 60 내지 75%인 것을 특징으로 한다.

특히, 본 발명에서 다공도가 60% 이하인 경우에는 유체흐름의 속도가 저하될 수 있으며, 다공도가 75% 이상일 경우에는 구조적인 안정도가 저하될 수 있으므로, 다공도가 60 내지 75%의 다공성 부재(113)를 사용하는 것이 바람직하다.

이에 더하여, 상기 상부친수성 필름(120) 및 하부친수성 필름(130)은 플라즈마를 이용하여 표면 처리한 고분자 필름일 수 있다. 즉, 소수성의 고분자 필름을 플라즈마 처리하여 친수성을 이루도록 할 수 있다.

이때의 상기 고분자 필름은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET, Polyethylen Terephthalate), 폴리스티렌(PS, Polystyrene), 폴리메틸메타크릴산(PMMA, Polymethylmethacrylate), 폴리에스테르(PES, Polyester), 폴리에틸렌(PE, Polyethylen) 및 환형 올레핀 공중합체(COC, Cyclic Olefine Copolymer)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있으며, 일 예로 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 사용할 수 있다

참고로, 상기 고분자 필름들도 플라즈마 처리로 산화 작용기를 도입하여 친수성 표면으로 개질하면 자발 유체흐름을 효과적으로 유도할 수 있으며, 다른 화학적인, 물리적인 방법을 통해서 고분자 필름의 친수성도 향상시킬 수 있다.

본 발명은 유체흐름 소자(100)의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, (a) 중공-다공성 통로(115)가 형성된 중심구조체(110)를 제조하는 단계; (b) 소수성의 고분자 필름을 플라즈마 처리하여 상부친수성 필름(120) 및 하부친수성 필름(130)을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 중심구조체(110)의 상하면에 상기 상부친수성필름 및 하부친수성 필름(130)을 배치하고, 부착 또는 밀착의 압착공정을 이용하여 고정화하는 단계; 를 포함한다.

이에 더하여, (a) 단계는 다공성 부재(113) 내에 유체통로(112)의 외벽을 형성하는 단계; 및 상기 유체통로(112)의 외벽과 소정간격 이격된 부분에 CO₂ 절단기를 이용하여 중공-다공성 통로(115)를 형성하는 단계; 를 포함할 수 있으며, 상기 유체통로(112)의 외벽은 광리소그래피(Photolithography), 잉크젯(ink-jet), 왁스인쇄법(wax printing), 침투-경화법(impregnation & hardening), 인장법(imprinting) 및 스크린 프린팅(Screen printing)의 군에서 선택되는 적어도 하나를 이용하여 형성할 수 있다.

후술하게 되는 하기 실시예에서는 왁스 프린터를 사용하여 패턴을 프린팅하였으나, 이에 제한되는 것은 아니며 종래기술에 의한 왁스 프린팅 기법을 이용할 수 있음은 당연하다. 즉, 왁스 프린터를 사용하지 않고 종이 위에 패턴에 해당하는 모양이 뚫린 마스크를 덮고 왁스를 처리하여 패턴을 왁스 프린팅할 수 있다. 이때 왁스는 고체 상태 그대로 마스크 상에 칠하여 프린팅할 수 있으며, 녹는점 이상의 온도로 가열하여 붓 등으로 도포하여도 무방하다.

또한, 상기 (b) 단계는 상부친수성 필름(120)에 절단 가공하여 유체 주입구(121) 및 유체 배출구(122)를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 (c) 단계는 접착층(140)을 이용하여, 상기 중심구조체(110)를 상부친수성 필름(120) 및 하부친수성 필름(130) 사이에 부착하는 단계; 및 압착을 하는 단계; 를 포함할 수 있다. 상기 압착을 하는 단계는 상온압착 또는 열압착일 수 있다.

특히, 파람필름은 상온 압착을 진행하는 경우에 열을 가해주지 않아도 일정한 압력이 있으면 변성이 일어나면서 접착이 가능할 수 있다. 이 때의 압력은 2kgf/cm² 내지 100kgf/cm² 일 수 있다. 일 예로, 본 발명의 접착층(140)으로 파라필름을 사용할 수 있으며, 이러한 파라필름은 상온에서도 가압에 의해 변성이 일어날 수 있다. 반면, 열압착이 진행되는 경우에는 45 - 90℃ 영역에서 일어날 수 있다. 참고로, 파라필름은 45℃ 근처의 온도부터 열 변형이 일어나고, 고온에서는 열 변형이 너무 잘 일어나 패턴 형상이 붕괴되는 현상이 발생한다.

한편, 중공-다공성 통로(115)를 포함하는 유체흐름 소자(100)는 유체에 가해주는 압력이 아주 낮아서 상대적으로 높은 압력을 가해서 흐름을 일으키는 Polydimethylsiloxane (PDMS) 소자에 비해서 누설 염려가 적어서 접착력이 아주 높지 않아도 된다. 다른 대안으로 접착성 페이스트를 스크린 프링팅하여 패턴된 접착층(140)을 친수성 필름 위에 직접 형성한 이후에 다공성 부재(113)에 부착하는 방법이 있다.

한편, 다른 양태로서, 상기 (c) 단계는 내부에 공간(151)이 형성된 중간 접착층(150) 내에 중심구조체(110)와 하부친수성 필름(130)을 삽입하는 단계; 상기 하부친수성 필름(130) 하부에 하부접착층을 밀착 고정시키는 단계; 를 포함할 수 있다. 이?, 하부접착층은 라미네이션(Lamination) 필름을 이용하고, 이를 70 내지 130℃ 조건에서 열압착하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.

< 실시예 1> 부착법을 이용한 유체흐름 소자의 제조

실시예 1-1. 다공성 부재의 평가

본 실시예에서는 본 발명의 유체통로(112)에 제공되는 다공성 부재(113)의 종류에 따라 퍼짐도, 퍼짐모양 및 퍼짐크기 등을 측정하여, 본 발명에 적합한 다공성 부재(113)를 채택하였다.

표 1에 주요 다공성 소재에 대한 다공도와 수용액 흡수도를 간단히 평가한 결과를 나타내었다. 보다 구체적으로 직경 4mm 인 시료를 사용하여 면적과 두께를 측정하여 부피를 결정하였고, 마이크로 저울을 이용하여 질량을 측정하였다. 이에 더하여, 상기 부피와 질량을 이용하여 밀도를 측정하였고, 측정된 밀도를 밀집 상태에서 알려진 시료의 표준밀도(다공도 0%)를 비교하여 시료의 다공도를 결정하였다. 또한, 녹색 수용액 잉크를 이용하여 물이 시트에 퍼지는 특성(퍼짐도)과 퍼짐 크기 및 모양을 간단하게 평가하였다.

	두 께 (mm)	부피 (mm³)	질량 (mg)	밀도 (mg/mm³)	다공도 (%)	퍼짐도	퍼짐모양	퍼짐크기 (mm)
크로마토종이(g1)	0.17	2.22	1.14	0.51	66	좋음	원형	15.2
여과종이 (g4)	0.22	2.72	2.28	0.47	69	좋음	원형	14.6
크로마토종이(3MM)	0.38	4.77	2.58	0.54	64	좋음	원형	11.1
복사 종이	0.11	1.44	1.10	0.77	49	나쁨	-	-
셀루로스아세테이트	0.13	1.60	0.54	0.34	74	좋음	타원	17.5
나이트로셀루로스	0.11	2.13	0.97	0.46	70	좋음	원형	15.1
나일론	0.16	3.14	1.28	0.41	66	좋음	원형	7.2
PVDF	0.12	2.31	1.24	0.54	70	나쁨	-	-

그 결과, 다공성 부재(113)는 여과(filtration)용으로 시판되는 대략 160㎛ 두께를 가지는 가지는 셀룰로스(cellulose) 여과종이(Whatman, Filter paper grade ＃1)가 바람직한 것으로 판단되었다. 또한, 다른 종류의 셀루로스 종이들(여과종이 ＃4, 크로마토종이 g1 및 3MM) 을 이용하여도 유사한 성능을 보이므로, 본 발명에서 사용한 여과종이 외에도 사용할 수 있을 것으로 판단된다.

이들은 친수성 셀룰로스 분자체로 구성되어있고, 기공도가 60 내지 70% 정도를 가지고 있다. 이에 더하여, 기공도가 65 내지 75%인 셀룰로스아세테이트(cellulose acetate), 나이트로셀룰로스(nitrocellulose) 및 나일론(nylon)도 퍼짐도를 측정한 결과, 본 발명의 다공도 부재로 적합할 것으로 판단된다.

본 실시예에서는 다공성 부재(113)로 셀룰로스(cellulose)인 여과종이(Whatman, Filter paper grade ＃1)를 사용하였으며, 이는 130×35×2mm³ (가로×세로×두께)의 크기를 가지도록 디자인하였다.

실시예 1-2. 중공-다공성 통로를 포함하는 중심구조체의 제조

본 실시예에서 중공-다공성으로 이루어진 유체통로(112)를 포함하는 중심구조체(110)를 제조하였다.

먼저, 실시예 1-1에서의 여과종이에 유체통로(112)를 디자인하고, 상기 유체통로(112)를 제외한 여과종이 위에 고체 왁스를 전사하였다. 이때, 유체통로(112)의 폭은 2mm 를 이루도록 하였다. 이에 더하여, 종이를 관통하는 방향으로 소수성 외벽을 형성시키기 위하여 후속 열처리 공정을 이용하여 표면에 존재하는 왁스를 종이 내부로 침투시켰다. 전형적인 후속 열처리 공정 조건은 130℃ 열판(Hotplate) 위에서 1분을 사용하였다. 또한, 더욱 정교한 열처리를 수행하기 위하여 대류식 오븐(제이오텍사, OF-E)을 이용하였다.

이렇게 왁스 프린팅/열처리 공정으로 제작된 여과종이는 도 8(a) 에 나타난 바와 같았다. 이에 더하여, 추가의 절단 공정을 이용하여 상기 여과종이에 중공-다공성 통로(115)를 제조하였다. 보다 구체적으로, CO₂ 절단기를 사용하여 절단 공정을 실시하였으며, 폭이 1mm 를 이루도록 여과종이를 절단하여 중공-다공성 통로(115)를 형성하였다. 이렇게 중공-다공성 통로(115)를 형성하는 여과종이는 도 8(b) 에 나타내었다.

실시예 1-3. 상부친수성 필름 및 하부친수성 필름 제조

본 실시예에서 두께가 100㎛의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET, Polyethylen Terephthalate)를 상부친수성 필름(120)과 하부친수성 필름(130)으로 이용하였다. 보다 구체적으로, 상부친수성 필름(120)으로 사용되는 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 적정크기로 자른 다음 용액의 주입 및 배출이 이루어지는 원형의 유체 주입구(121)와 배출구(122)를 만들어 주었다. 상기 주입구(121) 및 배출구(122)는 원형의 홀을 가지도록 형성하였다.

그 다음 상부친수성 필름(120)과 하부친수성 필름(130)으로 사용하게 되는 폴리에틸렌 테레프탈레이트가 친수성을 가지도록 하기 위해서 산소 플라즈마를 이용하여 표면을 개질하였다.

도 9는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 표면을 플라즈마 처리한 이후에 경과 시간에 따른 물에 대한 접촉각 변화를 보여주는 그래프이다.

보다 구체적으로, 플라즈마 처리 이전에 초기 접촉각은 70도 내외였고, 플라즈마 처리 이후에 0에 근접하는 값을 가지고, 그 다음 12 시간 동안은 접촉각이 빠르게 증가하고, 그 이후에는 50도 내외의 값으로 안정화되는 경향을 보여준다. 접촉각이 심하게 변화하면 유체 흐름의 재현성이 떨어지므로 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름은 플라즈마 처리 이후에 12시간 대기 조건에서 보관한 이후에 본 발명의 유체흐름 소자 제조에 사용하였다.

실시예 1-4. 열압착 공정

본 실시예에서 중심구조체(110)의 상하부면에 상부친수성 필름(120)과 하부친수성 필름(130)을 용이하게 부착하기 위한 접착층(140)으로 파라필름(Parafilm M)을 사용하였다. 이때, 상부친수성 필름(120)과 중심구조체(110)를 접착하기 위한 파라필름은 레이저 절단기를 이용하여, 유체통로(112)의 패턴과 동일한 형태로 가공하였다.

상기 접착층(140)과 실시예 1-1, 1-2, 1-3에서 제조된 중심구조체(110), 상부친수성 필름(120) 및 하부친수성 필름(130)을 도 10에 나열하였다.

이러한 하부친수성 필름(130), 접착층(140), 중심구조체(110), 접착층(140) 및 상부친수성 필름(120)을 순서대로 적층하여 열압착 공정을 실시하였다. 보다 구체적으로, 열압착 공정은 핫플레이트(Hot-plate) 위에서 실시하였으며, 파라필름은 45℃부터 열 변형이 일어나므로, 45 내지 90℃의 온도에서 열압착 공정을 실시하여, 도 11에 나타낸 유체흐름 소자(100)를 제조하였다.

< 실시예 2> 밀착 고정법을 이용한 유체흐름 소자의 제조

본 실시예에서 도 6과 도7에 도시된 3층 구조의 유체흐름 소자(100)에 포함되는 중심구조체(110)를 제조하였다.

보다 구체적으로, 다공성 부재(113)는 여과(filtration)용으로 시판되는 대략 160㎛ 두께를 가지는 셀룰로스(cellulose)인 크로마토그래피용 종이(Whatman, Chromatography paper grade ＃1)를 사용였으며, 이는 55×10mm² 절단하였고, 유체흐름 거리가 45mm 가 되도록 디자인 하였다.

그 다음 중공-다공성 통로(115)는 상기 실시예 1-2에서 수행한 동일한 방법인 왁스 및 레이저 절단을 이용하여 제작하였다.

상부친수성 필름(120)은 레이저 절단기를 65 x 25 mm² 크기로 외형을 절단하였고, 주입구(121), 배출구(122)를 위한 원형의 동공을 내부에 가공하였다. 사용한 소재는 100㎛의 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름이었다. 하부친수성 필름(130)은 50㎛ 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름을 사용하였고 레이저 절단기로 상기 실시예 2-1의 중심구조체(110)와 동일한 크기인 55 x 10 mm²로 가공하였다.

이에 더하여, 상기 중심구조체(110)와 하부친수성 필름(130)을 상부친수성 필름(120)의 중심부에 위치시키기 위하여, 외부는 상부친수성 필름(120)과 동일한 크기를 가지고, 내부에 공간(151)을 형성하여, 상기 공간(151)이 중심구조체(110)보다 약간 작은 크기를 갖는 중간 접착층(150)을 추가하였다.

제조된 중심구조체(110), 상부친수성 필름(120), 하부친수성 필름(130), 중간 접착층(150), 하부 접착층(160)을 도 12에 나열하였다.

그 다음 상기의 구성들을 밀착고정함으로써, 도 13에 나타나있는 유체흐름 소자를 제조하였다.

보다 구체적으로, 상기 중간 접착층(150)은 종이와 같은 다공성 부재(113) 내부로 접착성 분자체가 침투되어 제조된 혼성 접착시트나 양면에 접착 성분이 있는 상용 양면 테이프를 이용 가능할 수 있다. 본 실시예에서는 상부친수성 필름(120)에 중간 접착층(150)을 고정화한 이후에, 중간 접착층(150) 내부로 중심구조체(110), 하부친수성 필름(130)를 넣고, 그 위에 하부 접착층(160)을 정렬을 시킨 이후에 압착 공정을 통하여 5개의 층을 하나로 부착하였다. 구체적으로는 하부 접착층(160)으로 라미네이션 필름을 이용하였고, 이를 100℃ 조건에서 열압착(라미네이션) 공정으로 중간 접착층(150)과 상부친수성 필름(120)에 부착시켰다.

이렇게 밀착 고정법을 이용하여 유체흐름 소자(100)를 제조하였다.

< 실험예 1>

실험예 1-1. 유체의 이동속도 측정 - 1

본 실험예에서 상기 실시예 1-3에서 제조한 필름을 이용하여 제작한 유체흐름 소자(100)를 이용하여 시간에 따른 유체의 이동거리를 측정하였다.

본 실험예에서 중공-다공성 통로(115)를 포함하는 유체흐름 소자(100)가 유체의 흐름에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 3종류의 유체흐름 소자를 준비하였다. 보다 구체적으로, 2mm의 중공(114)이 형성된 소수성의 중심구조체(110), 2mm 의 중공(114)과 2mm 의 다공성 부재(113)가 형성된 중심구조체(110) 또는 1mm 의 중공(114)과 1mm 의 다공성 소재가 형성된 중심구조체(110)를 포함하는 유체흐름 소자를 이용하여 유체의 이동 거리를 측정하였다.

참고로, 2mm의 중공(114)이 형성된 소수성의 중심구조체(110)라 함은 다공성 소재를 포함하지 않은 중심구조체(110)를 의미하고, 2mm의 중공(114)과 2mm 의 다공성 소재가 형성된 중심구조체(110)라 함은 2mm 의 중공(114)의 양측벽에 각각 1mm 폭의 다공성 소재를 포함한 중심구조체(110)를 의미한다. 또한, 1mm 의 중공(114)과 1mm 의 다공성 소재가 형성된 중심구조체(110)라 함은 1mm 의 중공(114)의 양측벽에 각각 0.5mm 폭의 다공성 소재를 포함한 중심구조체(110)를 의미한다.

본 실험예에서 3종류의 유체흐름 소자의 유체 주입구(121)에 300㎍의 잉크를 떨어뜨린 이후에 상기 잉크가 100mm 를 이동하는 동안에 얻어진 시간에 따른 이동 거리를 측정하였고, 그 결과를 도 14에 나타내었다.

도 14을 참조하면, 잉크가 100mm를 이동할 때, 2mm의 중공(114)이 형성된 소수성의 중심구조체(110)를 포함하는 유체흐름 소자는 40초, 2mm의 중공(114)과 2mm 의 다공성 소재가 형성된 중심구조체(110)를 포함하는 유체흐름 소자는 25초, 1mm 의 중공(114)과 1mm 의 다공성 소재가 형성된 중심구조체(110)를 포함하는 유체흐름 소자는 15초가 걸렸다.

본 실험예에서는 중공-다공성 통로(115)를 포함하는 유체흐름 소자가 중공(114)만을 포함하는 유체흐름 소자보다 유체의 흐름이 빠름을 알 수 있었으며, 중공-다공성의 폭이 넓은 것보다 중공-다공성 폭이 좁은 중심구조체(110)를 포함하는 유체흐름 소자(100)의 흐름 속도가 더 빠른 유속을 보여주는 것을 확인할 수 있었다.

이는 초기 유체 압력을 0으로 제어한 실험에 있어서, 중공(114)만을 포함하는 유체흐름 소자(100)는 자발적 흐름이 발생하지 않지만, 중공-다공성 통로(115)를 포함하는 유체흐름 소자(100)는 유체가 스스로 통로를 따라서 이동할 수 있음을 나타낸다.

실험예 1-2. 유체의 이동속도 측정 - 2

도 15는 플라즈마 처리하지 않은 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름으로 제작된 3종류의 유체흐름 소자를 이용하여 시간에 따른 유체 이동거리 그래프를 나타낸 도면이다.

플라즈마를 이용하여 표면개질을 실시하지 않은 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 이용하였을 때도, 실험예 1-1와 동일한 경향이 나타났다.

그러나, 플라즈마 처리하지 않은 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름을 이용하여 제작한 유체흐름 소자는 필름 표면이 소수성을 더 많이 가지고 있어서, 플라즈마 처리하여 친수성으로 개질한 필름(실험예 1-1)에 비하여, 늦은 유체흐름 속도를 보여 주었다. 이는 자발 흐름을 유도하기 위해서는 상하부 필름 표면이 높은 친수성을 가져야 함을 나타내고 있다.

실험예 1-3. 압력변화에 따른 유체속도 측정

본 실험예에서는 초기 주입 수용액에 가해주는 인가 압력을 변화시키면서, 시간에 따른 유체의 이동거리를 관찰하였다.

본 실험예에서 압력의 제어는 유체흐름 소자의 유체흐름 면에 대하여 공급되는 유체를 보관하고 있는 수조 표면의 높이를 변화시키면서 압력을 제어하였고, 이때의 압력은 0 내지 2mbar 영역에서 실험을 실시하였다.

도 16에 인가압력에 따른 유체흐름 속도를 나타내었다.

그 결과, 압력이 증가할수록 유체흐름 속도가 빨라졌으며, 특히, 압력이 0인 상태에서도, 자발적으로 유체가 이동하였으며, 보다 구체적으로, 20초동안 100mm 를 이동한 것을 확인할 수 있었다. 이는 본 실시예에서 제작한 유체흐름 소자는 압력의 공급 없이도 자발적으로 이동할 수 있음을 보여준다.

< 실험예 2>

실험예 2-1. 유체의 이동속도 측정

본 실험예에서는 상기 실시예 2에서 제조한 유체흐름 소자(100)를 이용하여 수용액의 속도를 측정하였다. 실시예 2에서 제조한 유체흐름 소자(100)는 플라즈마로 처리하지 않은 상부 및 하부친수성 필름(130)을 밀착 고정법으로 제작한 것이다.

도 17을 참조하면, 실시예 1의 부착형 유체흐름 소자(100)에서 측정한 것과 유사하게, 40 mm 이동에 소모되는 시간이 25 초 이내로 매우 빠른 흐름을 보여줌을 알 수 있다. 실시예 1과 마찬가지로 플라즈마 처리한 필름을 사용한 경우에 흐름 속도는 더 빠라질 것이고, 전체 통로폭에 대한 중동 통로의 상대적인 폭에 따라서도 흐름 속도가 변화될 것이다. 이러한 상부친수성 필름(120), 다공성 부재(113) 및 하부친수성 필름(130)으로 구성된 3층 유체흐름 소자는 이전에 기술한 5층 구조 소자에 비해서 흐름 통로를 단순화 시킬 수 있다는 장점과 일반적으로 소수성을 가지는 접착층이 유체와 접촉하지 않는다는 장점을 갖는다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시예일 분이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

10: 다공성 시트 기반의 유체흐름 소자
11: 왁스인쇄 종이층
11a: 다공성 시트 11b: 소수성 종이
12: 접착 테이프
13: 중공통로를 구비한 종이층
13a: 중공통로 13b: 소수성 종이
100: 유체흐름 소자
110: 중심구조체
111: 소수성 부재 112: 유체통로
113: 다공성 부재 114: 중공
115: 중공-다공성 통로
120: 상부친수성 필름
121: 유체 주입구 122: 유체 배출구
130: 하부친수성 필름
140: 접착층
150: 중간 접착층 151: 공간
160: 하부 접착층

Claims

유체통로가 형성되며, 소수성 부재로 이루어진 중심구조체;
상기 중심구조체의 상면에 배치되며, 유체 주입구 및 유체 배출구를 구비하는 상부친수성 필름; 및
상기 중심구조체의 하면에 배치되는 하부친수성 필름; 을 포함하며,
상기 유체통로는 상기 유체통로를 따라 내측면에만 친수성 다공성 부재를 구비한 중공-다공성 통로를 포함하여 이루어져, 상기 중심구조체의 친수성 다공성 부재에서 발생하는 모세관력에 의한 자발흐름이 가능한 것을 특징으로 하는 유체흐름 소자.
제1항에 있어서,
상기 상부친수성 필름 및/또는 하부친수성 필름은
접착층에 의해서, 상기 중심구조체의 상면 및/또는 하면에 부착되는 것을 특징으로 하는 유체흐름 소자.
제2항에 있어서,
상기 접착층은
파라필름(parafilm) 및 접착성 페이스트로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 유체흐름 소자.
제1항에 있어서,
상기 상부친수성 필름 및 중심구조체는 중간 접착층에 의해서 서로 밀착되며,
상기 중간 접착층은 상기 중심구조체와 하부친수성 필름을 수용할 수 있도록 중공이 형성된 것을 특징으로 하는 유체흐름 소자.
제4항에 있어서,
상기 하부친수성 필름은 하면에 하부 접착층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 유체흐름 소자.
제4항에 있어서,
상기 중간 접착층은
PDMS(Polydimethylsiloxane), 파라필름(parafilm) 및 왁스 분자체로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 유체흐름 소자.
제1항에 있어서,
상기 다공성 부재는
셀룰로스(cellulose), 나이트로셀룰로스 (nitrocellulose), 셀룰로스아세테이트 (cellulose acetate), 폴리비닐리덴 폴로라이드 (polyvinylidene fluoride) 및 나일론(nylon)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 유체흐름 소자.
제1항에 있어서,
상기 다공성 부재의 다공도(porosity)는
60 내지 75%인 것을 특징으로 하는 유체흐름 소자.
제1항에 따른 유체흐름 소자의 제조방법은
(a) 중공-다공성 통로가 형성된 중심구조체를 제조하는 단계;
(b) 상부친수성 필름 및 하부친수성 필름을 제조하는 단계; 및
(c) 상기 중심구조체의 상하면에 상기 상부친수성필름 및 하부친수성 필름을 배치하고, 부착 또는 밀착의 압착공정을 이용하여 고정화하는 단계; 를 포함하는 유체흐름 소자의 제조방법.
제9항에 있어서,
상기 (a) 단계는
다공성 부재 내에 유체통로의 외벽을 형성하는 단계; 및
상기 유체통로의 외벽과 소정간격 이격된 부분에 CO₂ 절단기를 이용하여 중공-다공성 통로를 형성하는 단계; 를 포함하는 유체흐름 소자의 제조방법.
제10항에 있어서,
상기 유체통로의 외벽은
광리소그래피(Photolithography), 잉크젯(ink-jet), 왁스인쇄법(wax printing), 침투-경화법(impregnation & hardening), 인장법(imprinting) 및 스크린 프린팅(Screen printing)의 군에서 선택되는 적어도 하나를 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 유체흐름 소자의 제조방법.
제9항에 있어서,
상기 (b) 단계는
상부친수성 필름에 절단 가공하여 유체 주입구 및 유체 배출구를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체흐름 소자의 제조방법.
제9항에 있어서,
상기 (c) 단계는
접착층을 이용하여, 상기 중심구조체를 상부친수성 필름 및 하부친수성 필름 사이에 부착하는 단계; 및
압착을 하는 단계; 를 포함하는 유체흐름 소자의 제조방법.
제9항에 있어서,
상기 (c) 단계는
내부에 중공이 형성된 중간 접착층 내에 중심구조체와 하부친수성 필름을 삽입하는 단계;
상기 하부친수성 필름 하부에 하부접착층을 밀착 고정시키는 단계; 를 포함하는 유체흐름 소자 제조방법.
제14항에 있어서,
상기 하부접착층은
라미네이션(Lamination) 필름을 이용하고, 이를 70 내지 130℃ 조건에서 열압착하는 것을 특징으로 하는 유체흐름 소자 제조방법.