KR101741155B1

KR101741155B1 - 미세유체 디바이스 제조를 위한 무용매 열가소성-pdms 기판의 본딩 방법

Info

Publication number: KR101741155B1
Application number: KR1020150105684A
Authority: KR
Inventors: 이내윤
Original assignee: 가천대학교 산학협력단
Priority date: 2015-07-27
Filing date: 2015-07-27
Publication date: 2017-05-29
Also published as: KR20170012967A

Abstract

미세유체 디바이스 제조를 위한 무용매 열가소성-PDMS 기판의 본딩 방법이 개시된다. 본 발명의 일 구현예에 따른 열가소성-PDMS 본딩 방법은 a) 열가소성 기판 표면을 상기 기판 표면의 물 접촉각이 30° 내지 40° 범위 내로 감소할 때까지 UV로 조사하는 단계; b) 진공 오븐 내에서 상기 UV 조사된 기판 표면상에 실란 커플링제를 기상(gas-phase) 증착함으로써 상기 실란 커플링제의 자가 응집을 방지하면서 상기 실란 커플링제를 상기 기판 표면에 코팅하는 단계; c) 상기 실란 커플링제가 코팅된 기판 표면을 코로나 방전 처리하는 단계; 및 d) 상기 열가소성 기판 및 PDMS 기판 중 적어도 하나에 마이크로 채널을 형성하고, 상기 PDMS 기판을 코로나 방전 처리한 다음, 상기 PDMS 기판을 상기 열가소성 기판과 밀착시킨 후에 60℃ 및 0.1MPa 조건 하에서 프레싱하여 본딩하는 단계를 포함한다.

Description

미세유체 디바이스 제조를 위한 무용매 열가소성-PDMS 기판의 본딩 방법{METHOD FOR BONDING THERMOPLASTIC-PDMS SUBSTRATE FOR MANUFACTURING MICROFLUIDIC DEVICE}

본 발명은 열가소성-PDMS 기판의 본딩 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미세유체 디바이스 제조를 위해 용매를 사용하지 않고(solvent-free) 열가소성-PDMS 기판을 본딩하는 방법에 관한 것이다.

미세유체 디바이스는 질병 진단, 유전자 분석, 세포 분리, 세포 분석, 분석 화학, 가스 분석 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있다. 최근에는 낮은 가격을 갖는 미세유체 디바이스에 대한 수요가 증가하고 있는 바, 저비용으로 미세유체 디바이스를 제조하고자 하는 시도가 많이 이루어지고 있는 실정이다.

미세유체 디바이스에 사용되는 기판 소재로는 열가소성(thermoplastic) 기판이 많이 활용되고 있다. 높은 기계적 강도, 광학적 투명성, 저비용, 제조의 용이성, 대량 생산의 용이성 등의 이유로 본 기술분야에서의 전통적 기판 소재인 유리, 쿼츠, 실리콘 기판보다 많은 장점들을 가지고 있기 때문이다. 하지만 열가소성 기판의 경우 가장 널리 활용되는 기판간 본딩 방법인 열 본딩(thermal bonding)을 적용하기 어렵다는 한계가 있다. 열 본딩시에 발생하는 고온, 고압 조건이 채널 프로파일(channel profile)을 붕괴시키거나 변형시킬 가능성이 크기 때문이다. 나아가 열가소성 기판들은 유리 전이 온도에 가깝게 히팅되어야 할 필요가 있는 바, 이종 기판들 사이에서의 본딩이 용이하지 않다는 한계도 있다.

한편, 열가소성 어셈블리의 제조 이외에도 열가소성-엘라스토머 어셈블리를 형성하는 것과 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다. 열가소성-엘라스토머(대표적으로는 PDMS) 어셈블리는 마이크로 펌프나 마이크로 밸브와 같은 마이크로유체 시스템을 이루는 구성요소로 많이 이용된다. 관련하여 대부분의 이전 연구들에서는 열가소성-엘라스토머 어셈블리를 제조함에 있어, 본딩에 앞서 열가소성 기판의 표면을 플라즈마 처리를 통해 산화시키고, 용매를 이용한 방법으로 화학적 개질시킨다. 그러나, 플라즈마 처리에 이용되는 플라즈마 발생기는 매우 고가인데다가 부피가 클 뿐더러, 플라즈마 발생에 이용되는 가스와 전력 상황에 따라 매우 다양한 성능을 보이므로 균일한 표면 산화 결과를 얻어내기 어렵다는 문제가 있다. 게다가 용매를 이용한 화학적 개질 방법은 이종 표면 코팅에서의 결과로 발생하는 반응물들의 자가 응집(self-aggregation)을 종종 발생시키는 문제가 있다. 또한 수용액의 정밀한 침투가 어려우므로(특히 서브미크론 스케일의 미세패턴을 포함하는 기판인 경우) 높은 품질의 표면 코팅을 달성하기가 어렵다.

Sunkara V et al, 2011, Simple room temperature bonding of thermoplastics and poly(dimethylsiloxane), Lab Chip 11, pp.962-965. Vlachopoulou M-E et al, 2009, A low temperature surface modification assisted method for bonding plastic substrates, J.Micromech.Microeng.19 015007 Lee K S and Ram R J, 2009, Plastic-PDMS bonding for high pressure hydrolytically stable active microfluidics, Lab Chip 9, pp.1618-1624. Suzuki Y et al, 2010, Sol-gel based fabrication of hybrid microfluidic devices composed of PDMS and thermoplastic substrates, Sensors Actuators B 148, pp.328-329.

본 발명은 상대적으로 낮은 온도와 압력에서 열가소성-PDMS 본딩을 가능케하며, 채널 프로파일의 변형 없이 우수한 결합 강도를 갖는 열가소성-PDMS 어셈블리(접합 기판)을 제조 가능한 무용매 열가소성-PDMS 기판의 본딩 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 열가소성-PDMS 기판의 본딩 방법은 a) 열가소성 기판 표면을 상기 기판 표면의 물 접촉각이 30° 내지 40° 범위 내로 감소할 때까지 UV로 조사하는 단계; b) 진공 오븐 내에서 상기 UV 조사된 기판 표면상에 실란 커플링제를 기상(gas-phase) 증착함으로써 상기 실란 커플링제의 자가 응집을 방지하면서 상기 실란 커플링제를 상기 기판 표면에 코팅하는 단계; c) 상기 실란 커플링제가 코팅된 기판 표면을 코로나 방전 처리하는 단계; 및 d) 상기 열가소성 기판 및 PDMS 기판 중 적어도 하나에 마이크로 채널을 형성하고, 상기 PDMS 기판을 코로나 방전 처리한 다음, 상기 PDMS 기판을 상기 열가소성 기판과 밀착시킨 후에 60℃ 및 0.1MPa 조건 하에서 프레싱하여 본딩하는 단계를 포함하는 열가소성-PDMS 기판의 본딩 방법이 제공될 수 있다.

이 때, 상기 실란 커플링제는 N-(아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란, (3-아미노프로필)트리에톡시실란, (3-아미노프로필)트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필메틸디메톡시실란, 2-(3,4-에폭시사이클로헥실)에틸트리에톡시실란 및 3-메르캅토프로필트리메톡시실란으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

또한, 상기 열가소성 기판은 폴리카보네이트 기판, 폴리에틸렌테레프탈레이트 기판, 폴리비닐클로라이드 기판, 폴리프로필렌 기판, 폴리스티렌 기판, 폴리에틸렌 기판, 아몰포스폴리에틸렌테레프탈레이트 기판, 폴리프로필렌테레프탈레이트 기판, 폴리나프탈렌테레프탈레이트 기판, 폴리에틸렌테레프탈레이트글리세롤 기판, 폴리사이클로헥실렌디메틸렌테레프탈레이트 기판, 변성트리아세틸셀룰로스 기판, 사이클로올레핀폴리머 기판, 사이클로올레핀코폴리어 기판, 디시클로펜타디엔폴리머 기판, 시클로펜타디엔폴리머 기판, 폴리메틸메타크릴레이트 기판, 폴리아릴레이트 기판, 폴리에테르술폰 기판, 폴리에테르이미드 기판, 폴리아미드 기판 및 변성 에폭시 기판으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

삭제

본 발명에 따른 열가소성-PDMS 기판의 본딩 방법은 본딩에 앞서 열가소성 기판의 표면을 UV 조사함으로써, 플라즈마 발생기를 이용하는 경우보다 저비용으로 동등한 효과를 누릴 수 있으며 보다 균일한 표면 처리 결과를 얻을 수 있다. 또한 UV 조사를 통해 후속적으로 화학 결합을 형성하기에 보다 유리한 표면 상태를 만들 수 있다.

그리고 UV 조사 후, 열가소성 기판 표면 상에 실란 커플링제를 기상 증착함으로써, 수분을 이용하는 경우에 발생하는 자가 응집을 방지할 수 있으며 이에 따라 상대적으로 균질한 코팅 결과를 얻을 수 있을 뿐더러 용액 반응에서 용인될 수 있는 반응 온도보다 상대적으로 고온 조건하의 공정에도 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 열가소성-PDMS 기판의 본딩 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 UV 조사 시간에 따른 PMMA 기판 표면의 물접촉각 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3은 다양한 열가소성 기판의 표면 개질 단계별 물접촉각을 측정한 결과를 나타내는 이미지이다.
도 4는 XPS 분석 그래프이다.
도 5는 인장시험의 결과를 나타내는 이미지이다.
도 6은 박리 시험의 결과를 나타내는 이미지이다.
도 7은 누수 시험 및 파열 시험을 수행하는 이미지이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다. 하기의 설명은 본 발명을 구체적인 예시를 들어 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 기술적 사상이 하기의 설명에 한정되는 것은 아니다. 그리고 첨부된 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공되는 것으로, 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 구체예에 따른 열가소성-PDMS 기판의 본딩 방법은 a) 열가소성 기판 표면을 UV로 조사하는 단계와, b) 상기 UV 조사된 기판 표면상에 아민 작용기를 갖는 실란 커플링제를 기상(gas-phase) 증착하는 단계와, c) 상기 실란 커플링제가 코팅된 기판 표면을 코로나 방전 처리하는 단계와, d) 마이크로 채널이 형성된 PDMS 기판을 코로나 방전 처리하고, 상기 열가소성 기판과 밀착시킨 후에 프레싱하여 본딩하는 단계를 포함한다. 여기에서 PDMS 기판은 폴리디메틸실록산[Poly(dimethysiloxane)] 기판을 의미하는 것으로, 부분적으로 폴리디메틸실록산을 포함하는 엘라스토머 기판을 포함하는 용어로 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 열가소성-PDMS 기판의 본딩 방법을 개략적으로 도시한 도면이다. 이하에서는 도 1을 참조하여, 각 단계에 대해 구체적으로 설명한다.

a) 단계

열가소성-PDMS 기판의 본딩에 앞서, 열가소성 기판(도 1의 좌측, "Thermoplastics"로 표기됨)의 표면을 UV로 조사한다.

상기 열가소성 기판의 예로는 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 폴리에틸렌(PE), 아몰포스폴리에틸렌테레프탈레이트(APET), 폴리프로필렌테레프탈레이트(PPT), 폴리나프탈렌테레프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이트글리세롤(PETG), 폴리사이클로헥실렌디메틸렌테레프탈레이트(PCTG), 변성트리아세틸셀룰로스(TAC), 사이클로올레핀폴리머(COP), 사이클로올레핀코폴리머(COC), 디시클로펜타디엔폴리머(DCPD), 시클로펜타디엔폴리머(CPD), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리에테르술폰(PES), 폴리에테르이미드(PEI), 실리콘수지, 불소수지, 폴리아미드(PA) 및 변성 에폭시 수지 등으로 이루어진 기판을 들 수 있으며, 상기 나열된 것들로 한정되는 것은 아니다.

상기 열가소성 기판은 광 투과성을 갖는 기판, 구체적으로는 투명성 열가소성 기판일 수 있다. 투명성이 디바이스의 성능에 실질적인 영향을 미치는 것은 아니지만, 시약 검출 등의 미세유체 디바이스에서는 검출 용이성을 위해 투명성이 높은 열가소성 기판을 사용하는 것이 보다 유리할 수 있다.

상기 UV 조사는 UV 투광램프를 통해 이루어질 수 있으며, 예를 들어 고압수은 UV 램프, 메탈 할라이드 UV 램프, 메탈 UV 램프 등을 사용할 수 있다. UV 광원의 파장은 234~365 nm 범위일 수 있다. 한편 UV 조사 전에 상기 열가소성 기판은 에탄올 등으로 세척될 수 있다.

본 발명에 있어서, 열가소성 기판과 PDMS 기판의 본딩 전에 열가소성 기판을 UV 조사하는 이유는 상기 열가소성 기판의 표면을 1차적으로 친수성으로 처리하기 위함이며, 기존 연구들에서 이용되던 플라즈마 발생기(plasma generator)를 대체하여 적용되는 것이다. 이는 대부분의 열가소성 소재는 광분해성(photodegradable) 특성을 가지고 있는 바, UV 조사에 의한 에너지가 노출된 열가소성 기판 표면을 광분해 시켜 추가적인 화학 반응을 활성화할 수 있는 자유라디칼(free radical)을 형성할 수 있기 때문이다. 플라즈마 발생기의 경우 고가의 장비이며 부피가 크기 때문에 공정에 적용될 때에는 높은 비용을 수반할 수 있지만, 본 발명에서는 플라즈마 발생기를 사용하지 않음으로써 보다 저비용으로 수행될 수 있다. 나아가, 플라즈마 발생기의 경우 이용되는 가스나 전력 상황에 따라 매우 결과치의 편차가 크므로 균일한 표면 처리 결과를 얻기가 어려운데 반해, UV 조사는 균일한 표면 처리하기에 용이하므로 대면적 기판의 표면처리에 유리할 수 있다.

UV 조사 후에 열가소성 기판의 표면은 보다 친수성 특성을 갖게 된다. 열가소성 기판의 카본 백본(carbon backbone)이 사슬 절단(chain scission)을 일으키기 때문이다. 따라서 후속적으로 화학 결합을 형성하기에 보다 유리한 상태가 된다. 한편, UV 조사 시간은 상기 열가소성 기판 표면의 물접촉각이 30°내지 40°범위 내로 감소할 때까지 이루어질 수 있다. 시험을 통해 도출된 바람직한 UV 조사 시간은 대략 30분 가량으로 나타났으며, 이에 대해서는 후술할 시험예에서 구체적으로 설명하도록 한다.

b) 단계

다음으로 상기 UV 조사된 열가소성 기판의 표면 상에 아민 작용기를 갖는 실란 커플링제를 기상(gas-phase) 증착한다.

상기 실란 커플링제는 활성 수소 함유 아미노기, 에폭시기, 머캅토기 및 메타크릴록시기로부터 선택되는 적어도 1종의 반응성 기능기를 갖는 실란 커플링제이면 되고, 특별히 한정되는 것은 아니다. 상기 실란 커플링제의 구체적인 예로는, N-(아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란, (3-아미노프로필)트리에톡시실란, (3-아미노프로필)트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필메틸디메톡시실란, 2-(3,4-에폭시사이클로헥실)에틸트리에톡시실란, 3-메르캅토프로필트리메톡시실란 등을 들 수 있으며, 상기 나열된 것들로 한정되는 것은 아니다. 다만, 도면에서는 상기 실란 커플링제로 (3-아미노프로필)트리에톡시실란을 사용한 경우를 도시하였음을 밝혀둔다(농도 97%).

상기 기상(phase) 증착은 진공 기상 증착(vacuum evaporation)일 수 있으며, 구체적인 예로는 열증착(thermal evaporation), 전자빔 증착(e-beam evaporation), 유도 가열 증착(inductive heating evaporation) 등이 있다. 이러한 기상 증착은 진공 오븐 등의 장비를 통해 이루어질 수 있으며, 적절히 선택되는 온도 및 시간 조건 하에서 수행될 수 있다. UV 조사 처리된 상기 열가소성 기판의 표면이, 상기 기상 증착을 통해 도입된 아미노실란의 알콕시 기능기와 화학 결합을 형성하고, 그 결과 상기 열가소성 기판의 표면에는 Si-O-C 결합이 형성될 수 있다.

본 발명에 있어서, UV 조사된 열가소성 기판 표면상에 실란 커플링제를 증착시키는 이유는 상기 실란 커플링제를 PDMS 기판과의 본딩에 있어 접착 링커(adhesion linker)로 사용하기 위함이다. 실란 커플링제가 증착된 열가소성 기판을 산화 처리하고 마찬가지로 산화 처리된 PDMS 기판과 밀착시킨 후, 프레싱하면 양 기판 사이의 실란올기(silanol groups)들이 반응을 일으켜 상기 양 기판의 계면에서 실록산 결합(Si-O-Si)을 형성하는 바, 상기 양 기판이 본딩될 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서 상기 실란 커플링제를 기상 증착하는 이유는, 화학 반응물들의 자가 응집을 방지할 수 있으므로 상대적으로 균질한 코팅 결과를 얻을 수 있기 때문이다. 나아가 기상 증착에서는 수분이 이용되지 않으므로(무용성, Solvent-free) 용액 반응에서 용인될 수 있는 반응 온도보다 상대적으로 고온 조건 하의 공정에도 적용될 수 있다는 장점이 있다.

c) 단계

다음으로 상기 실란 커플링제가 코팅된 기판 표면을 코로나 방전 처리한다. 코로나 방전 처리하는 이유는 본딩을 위해 상기 열가소성 기판 표면을 2차적으로 친수성 처리하기 위함이다. 코로나 방전처리는 코로나 처리기로부터 발생된 고주파에 의해 방전전극과 처리롤 사이에 있는 공기를 이온화하여 전하를 띤 입자를 발생시키고, 상기 입자들이 전극과 처리롤 사이에 위치한 기판 표면에 충돌함으로써 상기 기판 표면을 산화시키는 방법이다. 이와같은 코로나 방전 처리는 양 기판의 결합 계면에서의 안정적 화학 결합을 가능케 한다. 또한 상기 코로나 처리기(예컨대 테슬라 코일)는 플라즈마 발생기에 비해 매우 저렴할 뿐더러, 표준화된 표면처리 결과를 얻을 수 있으므로 공정 비용 절감 및 균일한 표면처리 효과를 얻을 수 있다.

d) 단계

다음으로 PDMS 기판을 코로나 방전 처리한 후에 상기 c) 단계가 종료된 열가소성 기판과 밀착시킨 후, 프레싱하여 본딩함으로써 열가소성-PDMS 기판이 본딩될 수 있다.

PDMS 기판을 코로나 방전 처리하는 과정이나 이유는 전술한 것과 같으므로, 중복 설명은 생략하도록 한다.

코로나 방전 처리를 통해 표면이 산화된 상기 열가소성 기판과 PDMS 기판을 밀착시킨 후, 가열 및 가압하면(프레싱) 상술한 것과 같이 양 기판 사이의 실란올기(silanol groups)들이 반응을 일으켜 상기 양 기판의 계면에서 실록산 결합(Si-O-Si)을 형성하는 바, 상기 양 기판이 본딩되어 열가소성-PDMS 어셈블리를 제조할 수 있다. 이 때, 가열 및 가압 조건은 특정되지 않으며 적절한 온도 및 압력 조건이 선택될 수 있다. 관련하여 도 1에서는 일 구체예로 온도, 압력, 처리 시간이 각각 60℃, 0.1 MPa, 및 30분인 경우를 표기하였다.

상술한 것과 같은 방법을 통해 제조된 열가소성-PDMS 어셈블리는 미세유체 칩, 바이오 센서 등과 같은 미세유체 디바이스에 적용될 수 있으며, 이를 위해 상기 d) 단계 이전에 열가소성 기판 및 PDMS 기판 중 적어도 하나에는 마이크로 채널을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

마이크로 채널은 유체가 흐르는 공간에 해당하는 것으로, 치수(dimension)나 형태는 특정되지 않는다. 예컨대 마이크로 채널은 직선형, 직선패턴형, 곡선형, 곡선패턴형(나선형, 서펜틴형, 지그재그형 등) 등으로 다양하게 형성될 수 있다. 한편, 도 1에서 마이크로 채널의 도시는 생략되었음을 밝혀둔다. 마이크로 채널의 형성은 통상적인 방법으로 이루어질 수 있다. 예컨대 CNC(computer numerical control) 밀링 머신을 이용하여 형성될 수 있다. 보다 구체적으로는 PMMA 기판과 같은 열가소성 기판 상에 CNC 밀링 머신을 통해 음각으로 마이크로 채널이 형성될 수 있다. 또는 마이크로 채널이 음각으로 형성된 열가소성 기판의 표면을 복제하여 양각 패턴을 갖는 복제 몰딩을 제조한 후, 상기 복제 몰딩에 PDMS 프리폴리머(고분자 전구체)와 경화제의 혼합물을 부은 후 경화시킴으로써 마이크로 채널이 형성된 PDMS 기판을 얻을 수도 있다.

또한, 마이크로 채널의 양 단부에는 각각 샘플 주입구 및 배출구가 형성될 수 있다. 상기 주입구 및 배출구의 형성은 예컨대 기계적 천공, 레이저 천공, 화학적 에칭, 플라즈마 식각 등과 같이 당업계에서 그 원리가 알려진 방법을 이용하여 형성될 수 있다.

이하에서는 시험예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명이 하기 시험예에 의해 한정되는 것은 아니다.

시험예

1. 마이크로 채널의 제조

잉크 용액을 도입하여 누수 시험을 수행하기 위해, PDMS 상에 직선형의 마이크로 채널을 형성하였다. 상기 마이크로 채널은 CNC(computer numerical control) 밀링 머신에 의해 PMMA상에 음각으로 형성되었다. 이어서 상기 마이크로 채널의 양각 복제를 위해 상기 음각 패턴을 UV-경화 광학 접착제(NOA 63, Norland Company社)로 채웠고, 플렉서블한 NOA 63 템플릿을 제조하기 위해 PET 기판으로 프레스하고 UV(135 mWcm^-2) 하에서 하룻밤 동안 경화시켰다. PDMS 프리폴리머(Sylgard 184, 다우코닝社) 및 경화제의 10:1(w/w) 혼합물을 상기 NOA 63 템플릿에 부었고, 80℃에서 30분간 경화시킨 후 탈착시켰다. 상기 마이크로 채널이 형성된 PDMS 기판은 다양한 열가소성 기판과 본딩되었다. 고속 누수 시험 및 파열 시험을 수행하기 위해 폭 및 깊이가 300㎛이고, 총 길이가 246.5mm인 서펜틴형(serpentine) 마이크로 채널이 CNC 밀링 머신을 통해 PMMA 기판에 음각으로 형성되었고, 평평한 PDMS와 본딩되었다.

2. 표면 개질 및 본딩 방법

열가소성 기판이 에탄올로 세척되었고 234nm UV 투광램프(Dymax Model 5000 Flood)로 처리되었고, 이어 가열 조건 하에서 APTES((3-아미노프로필)트리에톡시실란)가 진공 기상 증착되었다. 구체적으로 APTES 용액이 진공 오븐(bell-jar-type, BV-001, Sibata)을 통해 70℃에서 증발되었으며, 20분 동안 상기 UV 처리된 열가소성 기판 상에 증착되었다. 증착 후, 상기 기판은 테슬라 코일(BD-10A, Electro-Technic Products, Chicago, IL, USA)을 이용하여 코로나 방전 처리 되었고, 상기 열가소성 기판은 코로나 방전 처리된 PDMS 기판과 본딩되었다. 밀폐 구조를 위하여, 상기 어셈블리는 공기 프레스(pneumatic press)를 이용하여 대략 0.1 MPa의 대기압 조건 하에 60℃에서 30분 동안 프레스되었다.

3. 접촉각 측정

표면 개질 확인을 위해 물접촉각이 측정되었다. 측정은 정적법(sessile drop method)을 이용하여 수행되었고(Phoenix 300 contact angle measuring system, Surface Electro Optics, 한국), Image Pro 300 S/W로 분석되었다. 물접촉각은 1차로 어떤 처리도 하지 않은 열가소성 기판 표면에서, 2차로 UV 조사 후 표면에서(UV 조사 시간을 달리함), 3차로 UV 조사된 기판상에 APTES를 코팅한 후 표면에서, 4차로 코로나 방전 처리 된 APTES 코팅된 기판의 표면에서 각각 측정되었다. 측정은 3회씩 반복되었고 평균치를 산출하였다.

도 2는 UV 조사 시간에 따른 PMMA 기판 표면의 물접촉각 변화를 나타내는 그래프이다. 도 2를 참조하면, PMMA 기판 표면에서 측정된 물접촉각은 UV 조사 시간이 증가함에 따라 점차 감소되었다. 상기 측정은 4회 반복되었고 평균치를 산출하였다. 산출된 값을 표 1에 정리하였다.

UV 조사 시간(분)	물접촉각(PMMA 기판 표면)
0	74.7±1.3°
5	68.5±1.0°
10	61.8±3.1°
15	55.5±3.5°
30	37.2±2.1°
40	34.9±3.6°

도 2 및 표 1에서 확인되듯이, 30분까지는 UV 조사 시간이 증가할수록 물접촉각이 거의 선형적으로 감소하였으나, UV 조사 시간이 40분일 때에 물접촉각 변화는 두드러지지 않았다. 물접촉각이 대략 30°내지 40°범위 내의 값인 경우 후속적으로 표면 기능화 공정을 수행하기에 충분한 값이라는 것과 상술한 UV 조사 시간에 따른 물접촉각의 변화를 고려할 때에, 본 발명에 있어 바람직한 UV 조사 시간이 30분임을 확인할 수 있었다.

한편, UV 조사를 통해 표면을 친수성으로 개질한 후, 상기 산화된 PMMA 기판의 표면을 APTES을 코팅하였다. APTES의 코팅은 진공 오븐 내에서 20분 동안 70℃에서 진공 기상 증착을 통해 이루어졌으며, 코팅 후 물접촉각을 측정함으로써 성공적인 코팅이 되었음을 확인하였다. 또한 상술한 공정을 다양한 열가소성 기판(PC, PET, PS)에도 적용한 후, 물접촉각을 측정하였다.

도 3은 다양한 열가소성 기판(PMMA, PC, PET, PS)의 표면 개질 단계별 물접촉각을 측정한 결과를 나타내는 이미지이다. 측정 결과를 표 2에 정리하였다.

	처리 없음	UV 조사 후	UV 조사+APTES 코팅 후	코로나 방전 처리 후
PMMA	73.9±1.1°	35.5±2.6°	63.0±0.6°	< 10°
PC	80.9±3.7°	59.5±1.8°	61.1±1.2°	< 10°
PET	64.7±2.7°	46.9±3.6°	64.1±2.9°	< 10°
PS	92.8±1.9°	59.3±2.1°	66.5±2.1°	< 10°

도 3 및 표 2를 참조하면, UV 조사 후(30분)에는 모든 열가소성의 물접촉각이 감소하였다. 다만 열가소성의 종류에 따라 물접촉각의 감소 정도는 상이하였는데, PMMA 기판의 경우 UV 조사 후에 물접촉각이 가장 크게 감소한 반면에 PS 기판의 경우에는 물접촉각이 가장 작게 감소하였음을 확인하였다. 한편, UV 조사 후 APTES 코팅 후의 물접촉각을 살펴보면, 기판의 종류에 상관없이 모든 열가소성의 물접촉각이 61°내지 67°범위 내로 수렴함을 확인할 수 있었으며 이는 아민 작용기 특유의 접촉각에 해당한다.

이어 APTES가 코팅된 열가소성 기판들은 1분동안 코로나 방전을 통해 산화되었는데, 코로나 방전 처리 후 측정된 물접촉각은 모든 기판들에서 10°미만인 것으로 나타나 친수성 특성이 크게 증가했음을 확인하였으며 이를 통해 아미노실란이 성공적으로 코팅되었음을 알 수 있었다. 나아가 APTES의 증착 후에도 기판 표면의 투명도가 유지됨을 확인하였다.

4. XPS 분석

표면 개질의 추가 확인을 위해 XPS 분석(X-ray photoelectron spectroscopy, Axis-His, Kratos Analytical)이 수행되었다. 데이터 취득 전 챔버의 압력은 5×10^-9Torr 미만이었고, 애노드의 전압 및 전류는 각각 15kV 및 10mA였다. 이륙각(take-off angle)은 45°였다. C1s의 결합 에너지(284.5 eV)가 레퍼런스로 활용되었고, 결합에너지 측정을 위한 에너지 분해능은 대략 0.1 eV였다.

도 4는 XPS 분석 그래프이다. 좌측에 배열된 그래프들은 아무 처리도 되지 않은 기판(pristine)의 XPS 분석 그래프이며, 우측에 배열된 그래프들은 아미노실란이 코팅된 기판의 XPS 분석 그래프이다. 도 4를 참조하면, 주로 탄소로 구성된 PS를 제외하고(도 4g 참고), 나머지 세 개 기판에서는 탄소(C1s, 282~288eV) 및 산소(O1s, 530~536eV) 피크가 나타나고 있음을 확인할 수 있다. 그러나, 진공 기상 증착에 의한 APTES를 상기 기판들에 코팅한 후에는, APTES를 나타내는 추가적인 피크가 발생하였음을 확인할 수 있다. 구체적으로는 N1s(397~399eV), Si2p(100~101eV), 및 Si2s(150~152eV) 피크들이다(도 4b, 4d, 4f, 4h 참고). 상기 새로 발생한 피크들의 존재는 실리콘 원자와 연결되는 아미노 및 알콕시 반응기들로 구성되는 APTES의 성공적인 코팅을 뒷받침하는 강한 증거에 해당한다. 특히 아미노실란 코팅 후, PS에 발생한 O1s 피크(530eV)는 상기 PS가 아미노실란으로 성공적으로 코팅되었음을 보여준다.

5. 결합 강도 분석

열가소성-PDMS 어셈블리의 결합 강도가 인장 시험(pull test)을 통해 측정되었다(texture analyzer를 이용, QTS25, Brookfield, Middleboro, MA, USA). 두꺼운 노끈이 상기 열가소성 기판들에 펀칭된 홀에 삽입되었다. 다른 두꺼운 노끈은 PDMS 기판에 삽입되었다. 부분적으로 중첩된 열가소성-PDMS 기판 어셈블리가 강도 측정 분석기에 고정되었고, 분당 100mm의 속도로 양쪽에서 잡아당겨졌다. 시험은 3회 반복되었으며, 측정된 결합 강도들의 평균치를 산출하였다.

도 5는 인장 시험 결과를 나타내는 이미지이다. 도 5a 내지 5d는 각각 PMMA-PDMS, PC-PDMS, PET-PDMS, 및 PS-PDMS 어셈블리의 풀 테스트 시험 이미지이다. 도 5를 참조하면, 부분적으로 어셈블리로부터 떨어진 PDMS 기판과 열가소성 기판(PMMA, PC, PET, PS)상에 남은 고르지 않은 PDMS 잔여물에서 알 수 있듯이, 상기 열가소성 기판들은 PDMS 기판과 강하게 결합되었음을 확인할 수 있다. 측정된 결합 강도는 PMMA-PDMS, PC-PDMS, PET-PDMS, PS-PDMS 순으로 각각 823.6, 379.3, 291.2 및 229.0 kPa였다.

추가적으로 박리 시험(delamination test)이 수행되었다. 박리 시험은 상기 열가소성 기판 표면에서 상기 PDMS 기판을 박리함으로써 수행되었다. 관련하여, 도 6은 박리 시험의 결과를 나타내는 이미지이다. 도 6을 참조하면, 각 열가소성 기판 상에 찢어진 PDMS 잔여물들로부터 확인되듯이 PDMS 기판은 상기 열가소성 기판들의 전체 표면 상에 강하게 화학적으로 부착되었음을 알 수 있다.

누수 시험(leakage test)과 파열 시험(burst test)도 각각 수행되었다. 누수 시험은 컬러 잉크를 마이크로 채널 내로 도입하는 방식으로 수행되었고, 파열 시험은 마이크로 채널 내부에 압축 공기를 도입함으로써 수행되었다. 관련하여, 도 7은 누수 시험 및 파열 시험을 수행하는 이미지이다. 도 7a 내지 7d를 참조하면 누수 시험을 위해 우선 PDMS 기판 상에 직선형 마이크로 채널을 형성하였고, 상기 PDMS 기판을 상대적으로 얇은 PMMA, PC, PET, PS 기판에 각각 본딩하였다. 이어 검은색 잉크 용액을 상기 마이크로 채널에 도입하였다. 그 결과, 열가소성 기판의 종류와 상관 없이 상기 마이크로 채널에서 누수가 일어나지 않음을 확인하였다.

한편, 도 7e에서와 같이 서펜틴형 마이크로 채널이 음각으로 형성된 PMMA-PDMS 어셈블리에 대해 고속 누수 시험(high-speed leakage test)이 수행되었다. 도 7e를 참조하면, 유속이 분당 3 mL로 증가될 때에도 누수가 일어나지 않았다. 분당 3 mL의 유속은 상기 서펜틴형 마이크로 채널의 총 용량보다 대략 135배 큰 유량에 해당한다.

또한, 도 7f에서와 같이 서펜틴형 마이크로 채널이 음각으로 형성된 PMMA-PDMS 어셈블리에 대해 파열 시험이 수행되었다. 파열 시험은 상기 서펜틴형 마이크로 채널 내부에 압축 공기를 도입하여 수행되었다. 시험 결과, 상기 서펜틴형 마이크로 채널이 파열되지 않는 최대 압력은 대략 90 psi(620.5 kPa)로 측정되었다. 여기에서 마이크로 채널이 파열되지 않음은 예컨대 밀봉 상태가 파괴되거나, 마이크로 채널 단부에 연결된 튜브가 압축 공기 도입 부분의 연결부로부터 물리적으로 분리되지 않음을 의미한다. 관련하여 도 7g는 대략 90 psi의 압력에서 튜브 연결부가 물리적으로 분리되는 순간을 촬영한 이미지이다.

상술한 결합 강도 분석 시험들을 통해 본 발명에 따른 열가소성-PDMS 기판의 본딩 방법의 밀봉이 우수함을 확인할 수 있었다.

이상, 본 발명을 구체적으로 설명하였다. 그러나 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 기술의 구체적 적용에 따른 단순한 설계변경, 일부 구성요소의 생략, 단순한 용도의 변경 등 본 발명을 다양하게 변형할 수 있을 것이며, 이러한 변형 역시 본 발명의 권리범위 내에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims

a) 열가소성 기판 표면을 상기 기판 표면의 물 접촉각이 30° 내지 40° 범위 내로 감소할 때까지 UV로 조사하는 단계;
b) 진공 오븐 내에서 상기 UV 조사된 기판 표면상에 실란 커플링제를 기상(gas-phase) 증착함으로써 상기 실란 커플링제의 자가 응집을 방지하면서 상기 실란 커플링제를 상기 기판 표면에 균일하게 코팅하여 접착 링커를 형성하는 단계;
c) 상기 실란 커플링제가 코팅된 기판 표면을 코로나 방전 처리하는 단계; 및
d) 상기 열가소성 기판 및 PDMS 기판 중 적어도 하나에 마이크로 채널을 형성하고, 상기 PDMS 기판을 코로나 방전 처리한 다음, 상기 PDMS 기판을 상기 열가소성 기판과 밀착시킨 후에 60℃ 및 0.1MPa 조건 하에서 프레싱하여 본딩하는 단계를 포함하는 열가소성-PDMS 기판의 본딩 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 실란 커플링제는 N-(아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란, (3-아미노프로필)트리에톡시실란, (3-아미노프로필)트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필메틸디메톡시실란, 2-(3,4-에폭시사이클로헥실)에틸트리에톡시실란 및 3-메르캅토프로필트리메톡시실란으로 이루어진 군에서 선택되는 열가소성-PDMS 기판의 본딩 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 열가소성 기판은 폴리카보네이트 기판, 폴리에틸렌테레프탈레이트 기판, 폴리비닐클로라이드 기판, 폴리프로필렌 기판, 폴리스티렌 기판, 폴리에틸렌 기판, 아몰포스폴리에틸렌테레프탈레이트 기판, 폴리프로필렌테레프탈레이트 기판, 폴리나프탈렌테레프탈레이트 기판, 폴리에틸렌테레프탈레이트글리세롤 기판, 폴리사이클로헥실렌디메틸렌테레프탈레이트 기판, 변성트리아세틸셀룰로스 기판, 사이클로올레핀폴리머 기판, 사이클로올레핀코폴리어 기판, 디시클로펜타디엔폴리머 기판, 시클로펜타디엔폴리머 기판, 폴리메틸메타크릴레이트 기판, 폴리아릴레이트 기판, 폴리에테르술폰 기판, 폴리에테르이미드 기판, 폴리아미드 기판 및 변성 에폭시 기판으로 이루어진 군에서 선택되는 열가소성-PDMS 기판의 본딩 방법.
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