KR101887554B1 - Method for bonding heterogeneous substrates for fabricating elastomer-plastic hybrid microdevices - Google Patents

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Abstract

본 발명은, (a) 실리콘(silicone)계 재료로 이루어진 제1 기판 표면을 산화시키는 단계; (b) 상기 산화된 제1 기판 표면에 아미노기를 도입하는 단계; 및 (c) 상기 아미노기가 도입된 제1 기판 표면과, 열가소성 플라스틱(thermoplastic)으로 이루어진 제2 기판의 표면이 서로 접하도록 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 접촉시키는 단계;를 포함하는 이종 기판 접합방법에 대한 것으로서, 본 발명에 따른 이종 기판 접합방법에 의하면, 이종(heterogeneous) 기판 간의 접합시에 기판 표면 개질을 위해 단지 1종의 화학물질을 사용하고, 모든 과정이 상온에서 수행 가능하며, 나아가, 디바이스 접합에 일반적으로 요구되는 최종 산화 단계를 생략할 수 있어 대면적 이종 기판 접합이 종래에 비해 보다 간단하고 신속하게 이루어질 수 있다.(A) oxidizing a surface of a first substrate made of a silicone-based material; (b) introducing an amino group to the surface of the oxidized first substrate; And (c) bringing the first substrate and the second substrate into contact with each other such that a surface of the first substrate on which the amino group is introduced and a surface of a second substrate made of thermoplastic are in contact with each other, According to the bonding method of the present invention, it is possible to use only one kind of chemical substance for modifying the surface of a substrate at the time of bonding between heterogeneous substrates, all processes can be performed at room temperature, Furthermore, since the final oxidation step, which is generally required for device bonding, can be omitted, large-area heterogeneous substrate bonding can be made simpler and quicker than in the prior art.

Description

엘라스토머-플라스틱 하이브리드 마이크로 디바이스 제조를 위한 이종 기판 접합방법{METHOD FOR BONDING HETEROGENEOUS SUBSTRATES FOR FABRICATING ELASTOMER-PLASTIC HYBRID MICRODEVICES}≪ Desc / Clms Page number 1 > METHOD FOR BONDING HETEROGENEOUS SUBSTRATES FOR FABRICATING ELASTOMER-PLASTIC HYBRID MICRODEVICES FOR ELEVATOR-PLASTIC HYBRID MICRO DEVICES

본 발명은 마이크로 디바이스 제조를 위한 이종(heterogeneous) 기판 간의 접합방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는, 엘라스토머 소재 기판과 플라스틱 기판 간의 상온 접합방법에 대한 것이다.The present invention relates to a method of joining heterogeneous substrates for micro device manufacture, and more particularly, to a method of joining a room temperature bonding between an elastomeric substrate and a plastic substrate.

마이크로 디바이스(microdevice) 제조의 마지막 단계로서, 보다 빠르고 간편하고 견고한 실링(sealing)이 이뤄지도록 표면 화학 개질(surface chemical modification)을 통한 표면 산화(surface oxidation), 졸-겔 코팅(sol-gel coating), 화학적 접착(chemical gluing), 초음파 접합(ultrasonic bonding) 및 이중 경화 건조 접착 접합(dual-cure dry adhesive bonding) 등의 다양한 방법이 시도되었다.As a final step in microdevice fabrication, surface oxidation, surface-chemical modification, sol-gel coating, and the like are performed to achieve faster, simpler and more robust sealing. Various methods such as chemical gluing, ultrasonic bonding and dual-cure dry adhesive bonding have been attempted.

상기 방법들은 접합 공정의 일부 또는 전체 과정에서 높은 접합 강도, 우수한 장기 가수분해 안정성, 및 상온 접합 가능성을 제공하지만, 많은 종류의 화학물질 사용과 다단계의 표면 개질 공정 등은 여전히 해결되지 않은 문제점으로 남아 있다.These methods provide high bond strength, good long term hydrolytic stability, and room temperature bonding potential during some or all of the bonding process, but many types of chemical use and multi-step surface modification processes remain unresolved. have.

한편, 열에 매우 취약하고 외부 자극에 민감한 항체, 펩티드, 단백질 등과 같은 생체분자(biomolecule)는, 마이크로 디바이스를 실링(sealing)하기 전에 마이크로 구조 내부에 캡슐화되거나 또는 마이크로 어레이의 형태로 캡슐화되어야 하는 경우가 있다. 또한, 광섬유(optical fiber), 도파관(waveguide) 등과 같이 파손되기 쉬운 구조물은 전체 마이크로 유체 시스템이 조립되기 전에 마이크로 유체 시스템에 매설(embedding)될 필요가 있다.On the other hand, biomolecules such as antibodies, peptides, proteins and the like that are very sensitive to heat and susceptible to external stimuli must be encapsulated within the microstructure or encapsulated in the form of microarrays prior to sealing the microdevice have. Also, fragile structures such as optical fibers, waveguides, etc. need to be embedded in the microfluidic system before the entire microfluidic system is assembled.

따라서, 전체 공정에 걸쳐 상온 접합이 가능하되, 표면 개질에 단일 화학물질을 사용하는 접합방법의 개발이 절실히 필요하다.Therefore, it is urgently necessary to develop a bonding method that allows bonding at room temperature throughout the entire process, but uses a single chemical for surface modification.

이와 관련된 종래의 기술 중에는, 아민(amine)-PDMS(poly(dimethylsiloxane) 링커로서 아민 측쇄기를 가지는 PDMS 유도체인 poly[dimethylsiloxane-co-(3-aminopropyl)-methylsiloxane]만을 사용해, 열가소성 플라스틱(thermoplastics)을 PDMS와 접합하는 방법이 알려져 있다. 해당 기술에 따르면, 먼저 아민-PDMS 링커가 상온에서 가아민 분해(aminolysis)를 통해 플라스틱 표면에 코팅되고, 이어서, 상기 아민PDMS 링커가 코팅된 플라스틱 기판과 이와 접합될 PDMS 기판을 산화시킨 후 정합성 접촉(conformal contact)을 실시했다. 이에 의해, 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리비닐클로라이드(poly(vinyl chloride), PVC), 및 폴리이미드(polyimide, PI) 등의 다양한 플라스틱이 PDMS에 영구적으로 접합시킬 수 있었다.Among the conventional techniques related to this, there is a method of using thermoplastic resin (thermoplastic) alone, using poly [dimethylsiloxane-co- (3-aminopropyl) -methylsiloxane], which is a PDMS derivative having an amine side chain group as an amine-PDMS PDMS linker is first coated on the surface of the plastic through aminolysis at room temperature and then the amine PDMS linker is coated on the coated plastic substrate with the adhesive (PC), polyethylene terephthalate (PET), polyvinyl chloride (PVC), and polyvinyl chloride (PVC) were prepared by oxidizing the PDMS substrate. , And polyimide (PI) could be permanently bonded to the PDMS.

또 다른 종래 기술에서는, 상온에서 친핵성 반응(nucleophilic reaction)을 통해 플라스틱, 세라믹스 및 금속 등의 비실리콘(non-silicone)계 기판 표면을 메르캅토실란(mercaptosilane)을 사용해 순간적으로 개질한 후, 상기 기판들과 PDMS를 산화시킨 후 영구적으로 접합시켰다.In another conventional technique, a surface of a non-silicone substrate such as plastic, ceramics and metal is instantaneously modified with mercaptosilane through a nucleophilic reaction at room temperature, The substrates and PDMS were oxidized and then permanently bonded.

전술한 종래 기술을 살펴보면, 표면 개질시 하나의 화학물질만을 사용하고 상온에서 코팅이 이루어지긴 했지만, 접합을 위한 주된 구동력(driving force)인 강한 실록산 결합(Si-O-Si)을 형성하기 위해, 실링 과정에서 최종 표면 산화 과정이 반드시 필요했다. 하지만, 이러한 최종 표면 산화 공정은 마이크로 디바이스를 캡핑(capping)하기에 앞서 마이크로채널 내부로 특정 화학 기능기를 도입하거나 생체분자를 고정할 때 심각한 악영향을 미칠 수 있다.In order to form a strong siloxane bond (Si-O-Si), which is the main driving force for bonding, although only one chemical substance is used at the time of surface modification and coating is performed at room temperature, The final surface oxidation process was essential during the sealing process. However, this final surface oxidation process can have serious adverse effects when introducing certain chemical functional groups into the microchannel or fixing biomolecules prior to capping the microdevice.

한국공개특허 제10-2015-0104321 호 (공개일 : 2015.09.15)Korean Patent Publication No. 10-2015-0104321 (Publication date: 2015.09.15) 한국공개특허 제10-2014-0143514호 (공개일 : 2014.12.17)Korean Patent Publication No. 10-2014-0143514 (published on Dec. 17, 2014) 한국공개특허 제10-2001-0071745호 (공개일 : 2001.11.19.)Korean Patent Publication No. 10-2001-0071745 (published on November 19, 2001).

V. Sunkara, D.-K. Park, H. Hwang, R. Chantiwas, S. A. Soper and Y.-K. Cho, Lab Chip, 2011, 11, 962-965. V. Sunkara, D.-K. Park, H. Hwang, R. Chantiwas, S. A. Soper and Y.-K. Cho, Lab Chip, 2011, 11, 962-965. Y. Suzuki, M. Yamada and M. Seki, Sens. Actuators, B, 2010, 148, 323-329. Y. Suzuki, M. Yamada and M. Seki, Sens. Actuators, B, 2010, 148, 323-329. N. Y. Lee and B. H. Chung, Langmuir, 2009, 25, 3861-3866. N. Y. Lee and B. H. Chung, Langmuir, 2009, 25, 3861-3866. T. Kasahara, S. Matsunami, T. Edura, J. Oshima, C. Adachi, S. Shoji and J. Mizuno, Sens. Actuators, A, 2013, 195, 219-223. T. Kasahara, S. Matsunami, T. Edura, J. Oshima, C. Adachi, S. Shoji and J. Mizuno, Sens. Actuators, A, 2013, 195, 219-223. K. G. Lee, S. Shin, B. I. Kim, N. H. Bae, M.-K. Lee, S. J. Lee and T. J. Lee, Lab Chip, 2015, 15, 1412-1416. K. G. Lee, S. Shin, B. I. Kim, N. H. Bae, M.-K. Lee, S. J. Lee and T. J. Lee, Lab Chip, 2015, 15, 1412-1416. F. Saharil, F. Forsberg, Y. Liu, P. Bettotti, N. Kumar, F. Niklaus, T. Haraldsson, W. van der Wijngaart and K. B. Gylfason, J. Micromech. Microeng., 2013, 23, 025021. F. Saharil, F. Forsberg, Y. Liu, P. Bettotti, N. Kumar, F. Niklaus, T. Haraldsson, W. van der Wijngaart and K. B. Gylfason, J. Micromech. Microeng., 2013, 23, 025021. H.-W. Shim, J.-H. Lee, T.-S. Hwang, Y. W. Rhee, Y. M. Bae, J. S. Choi, J. Han and C.-S. Lee, Biosens. Bioelectron., 2007, 22, 3188-3195. H.-W. Shim, J.-H. Lee, T.-S. Hwang, Y. W. Rhee, Y. M. Bae, J. S. Choi, J. Han and C.-S. Lee, Biosens. Bioelectron., 2007, 22, 3188-3195. J. Wu and N. Y. Lee, Lab Chip, 2014, 14, 1564-1571. J. Wu and N. Y. Lee, Lab Chip, 2014, 14, 1564-1571. W. Wu, J. Wu, J.-H. Kim and N. Y. Lee, Lab Chip, 2015, 15, 2819-2825. W. Wu, J. Wu, J.-H. Kim and N. Y. Lee, Lab Chip, 2015, 15, 2819-2825.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 마이크로 디바이스 제조 등의 기술 분야에 있어서, 이종(heterogeneous) 기판 간의 접합시에 기판 표면 개질을 위해 단지 1종의 화학물질을 사용하고, 모든 과정이 상온에서 수행 가능하며, 나아가, 디바이스 접합에 일반적으로 요구되는 최종 산화 단계를 생략할 수 있는 이종 기판 접합방법의 제공을 그 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a semiconductor device, The present invention aims at providing a heterogeneous substrate joining method capable of performing all the processes at room temperature and omitting the final oxidation step generally required for device joining.

상기한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은 (a) 실리콘(silicone)계 재료로 이루어진 제1 기판 표면을 산화시키는 단계; (b) 상기 산화된 제1 기판 표면에 아미노기를 도입하는 단계; 및 (c) 상기 아미노기가 도입된 제1 기판 표면과, 열가소성 플라스틱(thermoplastic)으로 이루어진 제2 기판의 표면이 서로 접하도록 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 접촉시키는 단계;를 포함하는 이종 기판 접합방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, including: (a) oxidizing a surface of a first substrate made of a silicone material; (b) introducing an amino group to the surface of the oxidized first substrate; And (c) bringing the first substrate and the second substrate into contact with each other such that a surface of the first substrate on which the amino group is introduced and a surface of a second substrate made of thermoplastic are in contact with each other, A bonding method is provided.

또한, 상기 단계 (a)에서 상기 제1 기판 표면을 산소 플라즈마(oxygen plasma)로 처리해 산화막을 기판 표면에 형성하는 것을 특징으로 하는 이종 기판 접합방법을 제공한다.Also, in the step (a), the surface of the first substrate is treated with an oxygen plasma to form an oxide film on the surface of the substrate.

또한, 상기 단계 (b)에서 상기 산화된 제1 기판을 아미노 실란(amino silane)을 포함하는 용액에 침지시켜 기판 표면에 아미노기를 도입하는 것을 특징으로 하는 이종 기판 접합방법을 제공한다.In the step (b), the oxidized first substrate is immersed in a solution containing amino silane to introduce an amino group onto the surface of the substrate.

또한, 상기 아미노 실란은 3-아미노프로필트리에톡시실란(APTES), 3-아미노프로필트리메톡시실란(APTMS), N-(6-아미노헥실)-3-아미노프로필트리메톡시실란(AHAPS), N-(2-아미노에틸)-3-아미노프로필메틸디메톡시실란(AEAPS), 3-아미노프로필-디메틸에톡시실란(APMES) 및 3-(N,N-디메틸)-아미노프로필트리메톡시실란(DMAPS)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 이종 기판 접합방법을 제공한다.Also, the aminosilane may be at least one selected from the group consisting of 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES), 3-aminopropyltrimethoxysilane (APTMS), N- (6-aminohexyl) (APMES) and 3- (N, N-dimethyl) -aminopropyltrimethoxysilane (AEAPS), N- (2-aminoethyl) -3-aminopropylmethyldimethoxysilane Silane (DMAPS). The present invention also provides a method for bonding a different substrate.

또한, 상기 제1 기판은 PDMS(poly(dimethylsiloxane))로 이루어진 것을 특징으로 하는 이종 기판 접합방법을 제공한다.Also, the first substrate may be made of PDMS (poly (dimethylsiloxane)).

또한, 상기 단계 (a) 내지 단계 (c)는 상온(room temperature)에서 실시하는 것을 특징으로 하는 이종 기판 접합방법을 제공한다.Also, the steps (a) to (c) are performed at room temperature.

또한, 상기 단계 (b)를 완료하고 단계 (c)를 실시하기 전에, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판을 산화시키는 공정을 실시하지 않는 것을 특징으로 하는 이종 기판 접합방법을 제공한다.And a step of oxidizing the first substrate and the second substrate is not performed before the step (b) is completed and the step (c) is performed.

또한, 상기 제2 기판은 폴리카보네이트(PC), 폴리이미드(PI), 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA), 폴리스티렌(PS) 또는 폴리(에틸렌테레프탈레이트)(PET)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이종 기판 접합방법을 제공한다.The second substrate may be formed of polycarbonate (PC), polyimide (PI), poly (methyl methacrylate) (PMMA), polystyrene (PS), or poly (ethylene terephthalate) Thereby providing a heterogeneous substrate bonding method.

그리고, 본 발명은 발명의 다른 측면에서, 상기 방법에 의해 제조된 이종 기판 접합체를 제공한다.And, in another aspect of the invention, the present invention provides a heterogeneous substrate assembly produced by the above method.

나아가, 본 발명은 발명의 또 다른 측면에서, 상기 이종 기판 접합체를 포함하는 마이크로 디바이스를 제공한다.Further, in another aspect of the present invention, the present invention provides a microdevice including the above-described heterogeneous substrate junction.

본 발명에 따른 이종 기판 접합방법에 의하면, 이종(heterogeneous) 기판 간의 접합시에 기판 표면 개질을 위해 단지 1종의 화학물질을 사용하고, 모든 과정이 상온에서 수행 가능하며, 나아가, 디바이스 접합에 일반적으로 요구되는 최종 산화 단계를 생략할 수 있어 대면적 이종 기판 접합이 종래에 비해 보다 간단하고 신속하게 이루어질 수 있다.According to the method for bonding a heterogeneous substrate according to the present invention, it is possible to use only one kind of chemical substance for modifying the surface of a substrate at the time of bonding between heterogeneous substrates, the whole process can be performed at room temperature, It is possible to omit the final oxidation step required for large-area heterogeneous substrate bonding, which is simpler and quicker than in the prior art.

따라서, 본 발명에 따른 이종 기판 접합방법은 열(heat) 또는 플라즈마 처리(plasma treatment) 등 외부 자극에 민감한 생체분자를 캡슐화(encapsulation)하고, 접합 단계 전에 파손되기 쉬운 물질을 매설(embedding)할 경우에 대단히 유용한 접합방법이다.Accordingly, the method for bonding a heterogeneous substrate according to the present invention is a method of encapsulating a biomolecule sensitive to an external stimulus such as heat or plasma treatment, and embedding a fragile substance before the bonding step Which is a very useful joining method.

또한, 본 발명에 따른 이종 기판 접합방법은 마이크로 디바이스 구현을 위해 유용하게 사용될 수 있으며, 특히, DNA, 항체, 효소, 펩티드, 단백질 마이크로 어레이 등 생체분자가 고정된 표면(biomolecule-immobilized surface)이 장착된 폐쇄된 미세 유체 시스템(closed microfluidic system)의 안정적인 구축에 있어서 매우 유용하다.In addition, the method for bonding a heterogeneous substrate according to the present invention can be effectively used for implementing a microdevice. In particular, a biomolecule-immobilized surface such as a DNA, an antibody, an enzyme, a peptide or a protein microarray Which is very useful in the stable construction of a closed microfluidic system.

도 1(a) 내지 (d)는 본원 실시예에 따른, 접합방법을 모식적으로 보여주는 개념도이고, 도 1(e)는 상기 접합방법에 의해 접합시 APTES 코팅된(APTES-coated) PDMS표면과 열가소성 플라스틱 기판 표면 간에 일어날 것으로 예상되는 반응 메커니즘을 보여주는 개념도이다.
도 2(a) 내지 (d)는 각각 표면처리 하지 않은(pristine) PDMS; 산소 플라즈마 처리된(O2 plasma-treated) PDMS; APTES 코팅된(APTES-coated) PDMS; 및 TEOS 코팅된(TEOS-coated) PDMS 상에서의 물접촉각(water contact angle)을 보여주는 사진이다.
도 3(a) 내지 (c)는 각각 표면처리 하지 않은(pristine) PDMS; APTES 코팅된(APTES-coated) PDMS(삽입도는 N1s 피크의 확대도); 및 TEOS 코팅된(TEOS-coated) PDMS 표면에 대한 X-선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) 분석 결과이다.
도 4는 아민 농도 변화(1, 2, 및 5%) 및 반응시간 변화(10, 20, 및 30분)에 따른 PDMS 표면상의 아민 밀도(surface amine density)를 나타낸 그래프(삽입도는 표준곡선(standard curve))이다.
도 5(a) 내지 (e)는 각각 박리시험(peel test)을 위한 실험 설정(experimental set-up); PDMS-PC 접합체의 분리; 분리 후의 PDMS 및 PC 표면; 면적 9cm2 및 100cm2 PDMS-PC 접합체에 대해 실시된 박리시험(delamination test) 결과; 및 면적 9 cm2 및 100 cm2인 PDMS-PI 접합체에 대해 실시된 박리시험(delamination test) 결과를 보여주는 사진이다.
도 6(a) 내지 (d)는 각각 PDMS를 TEOS로 코팅할 경우 접합되지 않은 PDMS-PC 접합체; PDMS를 TEOS로 코팅할 경우 접합되지 않은 PDMS-PI 접합체; PDMS를 APTES로 코팅할 경우 접합된 PDMS-PC 접합체; PDMS-PC 마이크로 디바이스를 이용해 유량을 달리하면서 실시한 누설 시험 결과에 대한 사진이고, 도 6(e) 및 (f)는 95 psi의 압력으로 실시한 파열시험(burst test) 결과를 보여주는 사진이다.
도 7(a) 내지 (d)는 각각 PDMS 상에 흡착된 카르복실레이트 관능화(carboxylate-functionalized) 형광구에 의해 발광된 형광신호; PDMS 상에 흡착된 아민 관능화(amine-functionalized) 형광구에 의해 발광된 형광신호; APTES가 코팅된(APTES-coated) PDMS 상에 흡착된 카르복실레이트 관능화(carboxylate-functionalized) 형광구에 의해 발광된 형광신호; 및 APTES가 코팅된(APTES-coated) PDMS상에 흡착된 아민 관능화(amine-functionalized) 형광구에 의해 발광된 형광신호를 보여주는 사진이며, 도 7(e)는 GA(glutaraldehyde) 코팅을 매개로 해, APTES 코팅된 PDMS 상에 아민으로 관능화된 형광구를 부착하는 것을 보여주는 개념도이고, 도 7(f)는 GA 처리 후에 PDMS-PC 마이크로 디바이스의 내벽에 부착된 에 부착된 아민 말단(amine-terminated) 형광구의 형광 이미지를 보여주는 사진이다.
도 8(a)는 각각 평행 다중 중합효소 연쇄 반응(parallel multiplex polymerase chain reaction(PCR)) 수행을 위한 3개의 마이크로 챔버를 구비한 PDMS-PC 마이크로 디바이스 사진이고; 도 8(b)는 열순환(thermal cycling)의 3개 단계 각각에 대한 적외선(IR) 카메라 사진이며; 도 8(c)는 초기 변성(denaturation) 및 최초 4회 사이클에서의 온도 프로파일을 보여주는 그래프이고; 도 8(d)는 E. coli O157의 eaeA 유전자 101 bp 단편(fragment) 및 S. typhimurium의 invA 유전자 183 bp 단편에 대해 PDMS-PC 마이크로 디바이스를 이용해 실시한 다중 PCR 결과(레인 1 및 2는 각각 기존의 열순환기(thermal cycler)를 사용해 분석한 음성 대조군(negative control) 및 양성 대조군(positive control)을 나타내며, 레인 3 내지 5는 PDMS-PC 마이크로 디바이스를 사용해 실시한 다중 PCR 결과이며, 레인 M은 100 bp DNA 사이즈 마커(size marker)임)이며; 도 8(e)는 도 8(d)에 도시된 표적 증폭산물(amplicon)의 상대적인 강도를 보여주는 그래프이다.
도 9(a) 내지 (e)는 DNA 증폭산물의 마이크로 챔버 내 공간적 고정화(spatial immobilization) 과정을 보여주는 모식도로서, 도 9(a) 내지 (e)는 각각 APTES 코팅된 PDMS 상의 GA 코팅; 아민으로 관능화된 DNA 증폭산물의 공간적 배치(spatial spotting); 고정되지 않은 DNA 제거; SYBR Green I 염료 착색(staining); 및 청색광 조사(Illumination)를 나타내며, 도 9(f)는 마이크로 챔버 내부에 위치된 DNA 증폭산물의 형광 이미지이다.
1 (a) to 1 (d) are conceptual views schematically showing a bonding method according to the present embodiment. FIG. 1 (e) is a cross-sectional view of an APTES-coated PDMS surface and This is a conceptual diagram showing the reaction mechanism expected to occur between thermoplastic plastic substrate surfaces.
Figs. 2 (a) to 2 (d) each show a PDMS that is not surface-treated; O 2 plasma-treated PDMS; APTES-coated PDMS; And water contact angle on TEOS-coated PDMS.
Figs. 3 (a) to 3 (c) each show a PDMS without pristine treatment; APTES-coated PDMS (magnification of N1s peak for insertivity); And X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis of the TEOS-coated PDMS surface.
4 is a graph showing the surface amine density on the surface of PDMS according to amine concentration changes (1, 2 and 5%) and reaction time changes (10, 20 and 30 min) standard curve).
Figures 5 (a) through 5 (e) are experimental set-ups for peel testing, respectively; Separation of PDMS-PC junctions; PDMS and PC surfaces after separation; Area of 9 cm 2 and 100 cm 2 Results of delamination tests performed on PDMS-PC junctions; And PDMS-PI conjugates having areas of 9 cm 2 and 100 cm 2 , respectively.
Figures 6 (a) - (d) show PDMS-PC junctions not bonded when PDMS is coated with TEOS; Non-bonded PDMS-PI conjugates when PDMS is coated with TEOS; Bonded PDMS-PC junction when PDMS is coated with APTES; 6 (e) and 6 (f) are photographs showing burst test results at a pressure of 95 psi. Fig. 6 (b) is a photograph of leakage test results obtained by varying the flow rate using a PDMS-PC micro device.
Figures 7 (a) - (d) show fluorescence signals emitted by carboxylate-functionalized fluorophore adsorbed on PDMS, respectively; Fluorescence signals emitted by amine-functionalized fluorophore adsorbed on PDMS; A fluorescent signal emitted by a carboxylate-functionalized fluorophore adsorbed on APTES-coated PDMS; And fluorescence signals emitted by amine-functionalized fluorophore adsorbed on APTES-coated PDMS. Fig. 7 (e) is a photograph showing fluorescence signals emitted by a glutaraldehyde (GA) FIG. 7 (f) is a conceptual diagram showing the attachment of an amine-functionalized fluorescent moiety onto the APTES-coated PDMS, and FIG. 7 (f) terminated fluorescence image of a fluorescent sphere.
Figure 8 (a) is a PDMS-PC microdevice photograph with three microchambers for performing parallel multiplex polymerase chain reaction (PCR); Figure 8 (b) is an infrared (IR) camera photograph for each of the three stages of thermal cycling; Figure 8 (c) is a graph showing the initial denaturation and the temperature profile in the first four cycles; Fig. 8 (d) shows multiplex PCR results using a PDMS-PC microdevice for the 101 bp fragment of the eaeA gene of E. coli O157 and the 183 bp fragment of the invA gene of S. typhimurium (lanes 1 and 2 are Lanes 3 to 5 represent multiplex PCR results using PDMS-PC microdevices, lane M represents 100 bp (negative control) and lanes 3 to 5 represent multiplex PCR results using a thermal cycler A DNA size marker); Fig. 8 (e) is a graph showing the relative intensity of the target amplicon shown in Fig. 8 (d).
FIGS. 9 (a) to 9 (e) are schematic diagrams showing a spatial immobilization process of DNA amplification products in a microchamber. FIGS. 9 (a) to 9 (e) are GA coatings on APTES coated PDMS; Spatial spotting of DNA amplification products functionalized with amines; Removal of unfixed DNA; SYBR Green I dye staining; And blue light illumination, and Fig. 9 (f) is a fluorescence image of the DNA amplification product located inside the micro chamber.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Embodiments in accordance with the concepts of the present invention can make various changes and have various forms, so that specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in this specification or application. It should be understood, however, that the embodiments according to the concepts of the present invention are not intended to be limited to any particular mode of disclosure, but rather all variations, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the present invention.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises ", or" having ", or the like, specify that there is a stated feature, number, step, operation, , Steps, operations, components, parts, or combinations thereof, as a matter of principle.

이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 이종 기판 접합방법은, (a) 실리콘(silicone)계 재료로 이루어진 제1 기판 표면을 산화시키는 단계; (b) 상기 산화된 제1 기판 표면에 아미노기를 도입하는 단계; 및 (c) 상기 아미노기가 도입된 제1 기판 표면과, 열가소성 플라스틱(thermoplastic)으로 이루어진 제2 기판의 표면이 서로 접하도록 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 접촉시키는 단계;를 포함한다.The method of bonding a hetero-substrate according to the present invention comprises the steps of: (a) oxidizing a surface of a first substrate made of a silicon-based material; (b) introducing an amino group to the surface of the oxidized first substrate; And (c) bringing the first substrate and the second substrate into contact with each other so that the surface of the first substrate, on which the amino group is introduced, and the surface of the second substrate made of thermoplastic come into contact with each other.

상기 단계 (a)에서는 실리콘(silicone)계 재료로 이루어진 제1 기판 표면에 아미노기 도입에 앞서 반응성을 가지는 기능기가 형성되도록 산화 공정을 수행한다.In the step (a), an oxidation process is performed so that a functional group having reactivity is formed prior to the introduction of an amino group onto the surface of a first substrate made of a silicone material.

바람직하게는, 본 단계에서 제1 기판 표면을 산소 플라즈마(oxygen plasma)로 처리하여 하이드록실기(hydroxyl group) 등의 반응성을 가지는 기능기가 노출된 산화막을 기판 표면에 형성하게 된다. Preferably, in this step, the surface of the first substrate is treated with an oxygen plasma to form an oxide film on the surface of the substrate where a functional group having a reactivity such as a hydroxyl group is exposed.

상기 산소 플라즈마 처리는 코로나 방전기(corona discharger), 플라즈마 발생기(plasma system), 플라즈마 애셔(plasma asher) 등 다양한 형태의 플라즈마 발생 장치를 사용할 수 있으며, 산소 플라즈마의 세기(power) 처리 시간은 기판의 소재 등을 고려하여 적절히 선택할 수 있다.The oxygen plasma treatment may be performed using various types of plasma generating devices such as a corona discharger, a plasma generator, and a plasma asher. And the like.

한편, 상기 제1 기판을 이루는 실리콘계 재료는 그 종류가 특별히 제한되지 않으며, 일례로 PDMS(poly(dimethylsiloxane))일 수 있다.On the other hand, the kind of the silicon-based material forming the first substrate is not particularly limited, and may be, for example, poly (dimethylsiloxane) (PDMS).

참고로, 기존에 마이크로 디바이스는 유리, 금속 등 경질의 소재를 이용해 MEMS(Microelectromechanical Systems) 기술을 적용해 만들어졌으나, 상기 소재의 미세유체 장치는 제조 공정이 복잡성 및 고비용의 단점을 가져, 고분자 재료가 미세유체 장치를 이루는 소재로서 사용되는 추세인데, 이와 같이 고분자 재료로 미세유체 장치를 제조할 경우 제작 비용이 저렴해 일회용으로 사용할 수 있고, 유연성(flexibility)을 부여할 수 있고, 소프트리소그래피(soft lithography) 공정을 통해 대량 생산이 가능하다는 점 등의 여러가지 장점을 가진다. 특히, PDMS는 보다 저렴한 가격, 소프트리소그래피를 통한 우수한 가공성, 기체 투과성, 높은 투명도 등의 여러가지 장점을 보유하고 있어서 미세유체 장치의 소재로서 널리 사용되고 있다. Conventionally, microdevices have been made by applying MEMS (Microelectromechanical Systems) technology using hard materials such as glass and metal, but the microfluidic devices of the materials have disadvantages such as complicated manufacturing process and high cost, The microfluidic device is manufactured using a polymeric material as a material for forming a microfluidic device. The fabrication cost of the microfluidic device is low, so that it can be used for a single use, flexibility can be given, and soft lithography ) Process and mass production is possible. In particular, PDMS has been widely used as a material for microfluidic devices because it has various advantages such as lower cost, excellent processability through soft lithography, gas permeability, and high transparency.

다음으로, 상기 단계 (b)에서는 후술할 제2 기판과의 계면에서 견고한 화학적 결합을 형성할 수 있도록 상기 산화된 제1 기판 표면에 아미노기를 도입한다.Next, in step (b), an amino group is introduced to the surface of the oxidized first substrate so as to form a strong chemical bond at an interface with a second substrate to be described later.

본 단계에서 제1 기판 표면에 아미노기를 도입하기 위한 구체적인 방법은 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 실란기(silane group) 및 아미노기를 가지는 아미노 실란(amino silane)을 포함하는 용액에 기판을 침지시키거나 상기 용액을 스핀 코팅(spin coating)을 통해 기판 상에 도포하여 수행될 수 있으며, 이러한 공정을 통해 산화된 제1 기판 상의 수산기(-OH)와, 아미노실란의 알콕시기(-OR) 사이에 실록산 결합(Si-O-Si)이 형성되어, 표면에 아민기가 도입된 아민-말단(amine-terminated) 제1 기판이 형성된다.A specific method for introducing an amino group to the surface of the first substrate in this step is not particularly limited, but it is preferable to immerse the substrate in a solution containing a silane group and an amino silane having an amino group (-OH) on the oxidized first substrate and the alkoxyl group (-OR) of the aminosilane on the oxidized first substrate through the spin coating process, Bonding (Si-O-Si) is formed, and an amine-terminated first substrate having an amine group introduced into its surface is formed.

이때, 상기 아미노 실란은 그 종류가 특별히 제한되지 않으며, 3-아미노프로필트리에톡시실란(APTES), 3-아미노프로필트리메톡시실란(APTMS), N-(6-아미노헥실)-3-아미노프로필트리메톡시실란(AHAPS), N-(2-아미노에틸)-3-아미노프로필메틸디메톡시실란(AEAPS), 3-아미노프로필-디메틸에톡시실란(APMES), 3-(N,N-디메틸)-아미노프로필트리메톡시실란(DMAPS) 등을 그 구체적인 예로 들 수 있다.The aminosilane is not particularly limited in its kind, and examples thereof include 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES), 3-aminopropyltrimethoxysilane (APTMS), N- (6-aminohexyl) Aminopropyl-dimethylethoxysilane (APMES), 3- (N, N- (2-aminoethyl) -3-aminopropylmethyldimethoxysilane (AEAPS) Dimethyl) -aminopropyltrimethoxysilane (DMAPS), and the like.

마지막으로, 상기 단계 (c)에서는 단계 (a) 및 (b)를 거쳐 아미노기가 도입된 제1 기판 표면과, 열가소성 플라스틱(thermoplastic)으로 이루어진 제2 기판의 표면이 서로 접하도록 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 접촉시켜 이종 기판 접합체를 완성시키게 된다.Finally, in the step (c), the surface of the first substrate, on which the amino group is introduced, and the surface of the second substrate made of thermoplastic are connected to each other through the steps (a) and (b) And the second substrate is brought into contact with each other to complete the heterogeneous substrate bonding body.

본 단계에서의 접합 공정은, 종래 기술과는 달리 아민기가 도입된 제1 기판 표면 및 열가소성 플라스틱으로 이루어진 제2 기판 표면을 산화하는 공정을 실시하지 않고 곧바로 상온(room temperature)에서 실시할 수 있으며, 이와 같이 후속 산화 공정 및 고온 접합을 실시하지 않더라도 이종 기판 간에 영구적인 견고한 접합을 이룰 수 있다.Unlike the prior art, the bonding step in this step can be carried out at room temperature immediately without oxidizing the surface of the first substrate having the amine group introduced therein and the surface of the second substrate made of the thermoplastic plastic, Thus, even if no subsequent oxidation and high temperature bonding is performed, a permanent rigid bond can be achieved between the dissimilar substrates.

구체적으로, 제1 기판 표면의 아민 관능기는 열가소성 플라스틱을 이루는 카보네이트(carbonate) 주골격(backbone), 카보닐(carbonyl) 주골격 등을 공격해서 상온에서 강한 우레탄 결합(urethane linkage)을 형성할 수 있기 때문에, 제1 기판 말단의 아민기가 가아민 분해(aminolysis)를 통해 플라스틱과 직접 반응해 상온에서도 영구적인 견고한 접합이 이루어질 수 있는 것이다.Specifically, the amine functional group on the surface of the first substrate can attack a carbonate main backbone, carbonyl main skeleton, etc. forming a thermoplastic plastic to form a strong urethane linkage at room temperature As a result, the amine groups at the end of the first substrate react directly with the plastic through aminolysis and permanent solid bonding can be achieved even at room temperature.

따라서, 본 발명에 따른 이종 기판 접합방법은 접합 전에 형성된 마이크로채널의 본래의 형태 및 프로파일을 해하지 않으며, 플라스틱 기판이 가지는 본연의 광 투광성도 보존할 수 있음은 물론, 열(heat) 또는 플라즈마 처리(plasma treatment) 등 외부 자극에 민감한 생체분자를 캡슐화(encapsulation)하고, 접합 단계 전에 파손되기 쉬운 물질을 매설(embedding)할 경우에 매우 유용하다.Accordingly, the method of bonding a different substrate according to the present invention does not damage the original shape and profile of the microchannel formed before bonding, preserves the inherent light transmittance of the plastic substrate, as well as heat or plasma treatment plasma treatment, and the like, and is useful for encapsulating biomolecules sensitive to external stimuli and embedding fragile substances before the bonding step.

한편, 상기 제2 기판은 공지의 열가소성 플라스틱(thermoplastic)으로 이루어지는데, 그 종류는 특별히 제한되지 않으며, 폴리카보네이트(PC), 폴리이미드(PI), 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA), 폴리스티렌(PS) 또는 폴리(에틸렌테레프탈레이트)(PET) 등을 그 구체적인 예로 들 수 있다.On the other hand, the second substrate is made of a known thermoplastic material, and the kind thereof is not particularly limited, and polycarbonate (PC), polyimide (PI), poly (methylmethacrylate) (PMMA), polystyrene (PS) or poly (ethylene terephthalate) (PET).

앞서 상세히 설명한 본 발명에 따른 이종 기판 접합방법에 의하면, 이종(heterogeneous) 기판 간의 접합시에 기판 표면 개질을 위해 단지 1종의 화학물질(아미노실란)을 사용하고, 모든 과정이 상온에서 수행 가능하며, 나아가, 디바이스 접합에 일반적으로 요구되는 최종 산화 단계를 생략할 수 있어 대면적 이종 기판 접합이 종래에 비해 보다 간단하고 신속하게 이루어질 수 있다.According to the method for bonding a heterogeneous substrate according to the present invention described above in detail, it is possible to use only one kind of chemical substance (aminosilane) for modifying the substrate surface at the time of bonding between heterogeneous substrates, Furthermore, since the final oxidation step, which is generally required for device bonding, can be omitted, large-area heterogeneous substrate bonding can be made simpler and quicker than in the prior art.

따라서, 본 발명에 따른 이종 기판 접합방법은 열(heat) 또는 플라즈마 처리(plasma treatment) 등 외부 자극에 민감한 생체분자를 캡슐화(encapsulation)하고, 접합 단계 전에 파손되기 쉬운 물질을 매설(embedding)할 경우에 대단히 유용한 접합방법이다.Accordingly, the method for bonding a heterogeneous substrate according to the present invention is a method of encapsulating a biomolecule sensitive to an external stimulus such as heat or plasma treatment, and embedding a fragile substance before the bonding step Which is a very useful joining method.

또한, 본 발명에 따른 이종 기판 접합방법은 마이크로 디바이스 구현을 위해 유용하게 사용될 수 있으며, 특히, DNA, 항체, 효소, 펩티드, 단백질 마이크로 어레이 등 생체분자가 고정된 표면(biomolecule-immobilized surface)이 장착된 폐쇄된 미세 유체 시스템(closed microfluidic system)의 안정적인 구축에 있어서 매우 유용하다.In addition, the method for bonding a heterogeneous substrate according to the present invention can be effectively used for implementing a microdevice. In particular, a biomolecule-immobilized surface such as a DNA, an antibody, an enzyme, a peptide or a protein microarray Which is very useful in the stable construction of a closed microfluidic system.

이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples with reference to the drawings. However, the embodiments according to the present disclosure can be modified in various other forms, and the scope of the present specification is not construed as being limited to the embodiments described below. Embodiments of the present disclosure are provided to more fully describe the present disclosure to those of ordinary skill in the art.

<실시예><Examples>

도 1은 본 실시예에 따른 기판 표면 개질 및 이후의 접합 공정을 도시한 개념도로서, 도 1(a) 내지 (d)는 본원 실시예에 따른, 접합방법을 모식적으로 보여주는 개념도이고, 도 1(e)는 상기 접합방법에 의해 접합시 APTES 코팅된(APTES-coated) PDMS의 아민 관능기와 열가소성 플라스틱 기판의 카보네이트 혹은 카보닐기와 반응하여 우레탄 결합을 형성하는 반응 메커니즘을 보여주는 개념도이다.1 (a) to 1 (d) are conceptual views schematically showing a joining method according to the embodiment of the present invention, and Fig. 1 (e) is a conceptual diagram showing a reaction mechanism for forming an urethane bond by reacting with an amine functional group of an APTES-coated PDMS and a carbonate or carbonyl group of a thermoplastic plastic substrate at the time of bonding by the above bonding method.

먼저, PDMS 프리폴리머(prepolymer)(Sylgard 184)와 경화제를 10 : 1(w/w)로 혼합하고 80 ℃에서 30분 동안 경화시켜 PDMS를 제조했다(도 1a). 그리고, 열경화된 PDMS(3cm×3cm 및 10cm×10cm)를 산소 플라즈마(60W)로 1분간 활성화시켰다(도 1b). 다음으로, 1%(v/v) 3-Aminopropyltriethoxysilane(APTES; ≥98.0%) 수용액에 상온에서 20분간 침지시킨 후(도 1c), 완전히 건조시키고 플라스틱 기판 즉, PC 시트(두께:2.0mm) 또는 PI 박막(두께:0.07mm)과 접촉시켰다(도 1d). 그리고, PDMS 기판과 플라스틱 기판이 접촉된 상태로 상온에서 0.5kg의 하중을 가하면서 5분 간 유지했다. 접촉된 두 개의 기판은 기판 간 계면에서의 우레탄 결합의 형성을 통해 접합되었으며, 마이크로채널 내부에 아민 관능기는 미반응 상태로 남았다(도 1e).First, a PDMS prepolymer (Sylgard 184) and a curing agent were mixed at 10: 1 (w / w) and cured at 80 ° C for 30 minutes to prepare PDMS (FIG. Then, thermosetting PDMS (3 cm x 3 cm and 10 cm x 10 cm) was activated with an oxygen plasma (60 W) for 1 minute (Fig. 1B). Next, the substrate was immersed in an aqueous solution of 1% (v / v) 3-Aminopropyltriethoxysilane (APTES; ≥98.0%) at room temperature for 20 minutes PI thin film (thickness: 0.07 mm) (Fig. 1d). The PDMS substrate and the plastic substrate were maintained in contact with each other for 5 minutes under a load of 0.5 kg at room temperature. The two substrates contacted were bonded through the formation of urethane bonds at the interfacial interface, leaving the amine functionalities in the microchannels unreacted (Fig. 1e).

<비교예><Comparative Example>

산소 플라즈마 처리를 통해 활성화된 PDMS 기판을 1%(v/v) TEOS(tetraethyl orthosilicate) 수용액에 침지시킨 것을 제외하고는, 상기 실시예와 동일한 공정을 이용해 접합체를 제조하였다.A bonded body was prepared using the same process as in the above example, except that the PDMS substrate activated by oxygen plasma treatment was immersed in a 1% (v / v) TEOS (tetraethyl orthosilicate) aqueous solution.

<실험예 1> 실시예 및 비교예에서 처리된 PDMS 기판에 대한 시간 경과에 따른 물접촉각(water contact angle) 변화 측정 및 분석Experimental Example 1 Measurement and Analysis of Water Contact Angle Change over Time for PDMS Substrates Treated in Examples and Comparative Examples

도 2(a) 내지 (d)는 각각 표면처리 하지 않은(pristine) PDMS; 산소 플라즈마 처리된(O2 plasma-treated) PDMS; APTES 코팅된(APTES-coated) PDMS; 및 TEOS 코팅된(TEOS-coated) PDMS 상에서의 물접촉각(water contact angle) 측정 결과이다.Figs. 2 (a) to 2 (d) each show a PDMS that is not surface-treated; O 2 plasma-treated PDMS; APTES-coated PDMS; And water contact angle measurements on TEOS-coated PDMS.

표면처리 하지 않은 PDMS, 산소 플라즈마 처리된 PDMS, APTES 코팅된 PDMS, 및 TEOS 코팅된 PMDS에 대한 물접촉각은 각각 약 100.8 ± 1.4° (도 2a), <10° (도 2b), 67.0 ± 2.8° (도 2c), 및 30.1 ± 2.3° (도 2d)인 것으로 측정되었다.The water contact angles for the untreated PDMS, oxygen plasma treated PDMS, APTES coated PDMS, and TEOS coated PMDS were about 100.8 ± 1.4 ° (FIG. 2a), <10 ° (FIG. 2b), 67.0 ± 2.8 ° (Figure 2c), and 30.1 ± 2.3 ° (Figure 2d).

도 2(a) 및 (b)에 도시된 것처럼, PDMS의 접촉각은 플라즈마 처리 후에 100.8°에서 10° 미만으로 감소했다가, 1% APTES 용액으로 처리한 후 67.0°로 증가했으며(도 2(c) 참조), 이는 기존 연구와 동일하게 아민 관능기가 성공적으로 생성되었음을 나타낸다. 플라즈마 처리 후에 1% TEOS 용액으로 처리할 때 접촉각이 약간 증가하는 것(도 2(d) 참조)은, TEOS의 에톡시기(-OC2H5)와 산소 플라즈마 처리된 PDMS 표면 상의 수산기(-OH) 간의 반응을 통해 PDMS 표면 상에 실리콘(Si) 함유 관능기가 도입되었기 때문이다. 참고로, 에톡시기가 존재하는 자리에 아민기(-NH2)가 대신 존재하는 것이 APTES와 TEOS의 화학구조의 주요한 상이점이다.As shown in Figures 2 (a) and 2 (b), the contact angle of PDMS decreased from 100.8 ° to less than 10 ° after plasma treatment and then increased to 67.0 ° after treatment with 1% APTES solution ), Indicating that the amine functional groups have been successfully produced as in the previous studies. (Fig. 2 (d)) shows a slight increase in the contact angle when treated with a 1% TEOS solution after the plasma treatment was attributable to the fact that the addition of the ethoxy group (-OC 2 H 5 ) of TEOS and the hydroxyl group (Si) -containing functional groups have been introduced onto the surface of the PDMS through the reaction between the silicon-containing functional groups. For reference, the major difference between the chemical structure of APTES and TEOS is the presence of an amine group (-NH 2 ) in place of the ethoxy group.

<실험예 2> 실시예 및 비교예에서 처리된 PDMS 기판 표면에 대한 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 분석Experimental Example 2 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis on the surface of the PDMS substrate processed in Examples and Comparative Examples

도 3(a) 내지 (c)는 각각 표면처리 하지 않은(pristine) PDMS; APTES 코팅된(APTES-coated) PDMS(삽입도는 N1s 피크의 확대도); 및 TEOS 코팅된(TEOS-coated) PDMS 표면에 대한 X-선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) 분석 결과이다.Figs. 3 (a) to 3 (c) each show a PDMS without pristine treatment; APTES-coated PDMS (magnification of N1s peak for insertivity); And X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis of the TEOS-coated PDMS surface.

도 3(a)에 도시된 바와 같이, PDMS에 대해서는 Si2p, Si2s, C1s, 및 O1s의 4개의 원소 피크가 각각 대략 102, 151, 284, 및 532 eV에서 검출되었다. APTES 코팅에 의해 N1s 피크가 약 399 eV에서 추가적으로 발생했으며(이에 대한 확대도는 도 3(b) 내의 삽입도 참조), 이로부터 PDMS 표면 상에 아민 관능기가 성공적으로 도입되었음을 확인할 수 있다. 한편, APTES 및 TEOS 처리로 O1s 피크의 강도는 현저히 증가했으며, 이는 산화된 PDMS 표면의 수산기가 APTES 및 TEOS의 에톡시기와 응축(condensation)됨에 따른 것으로 보인다. 따라서, 이들 코팅의 마스킹(masking) 효과에 의해, 개질된 시편들의 Si2p, Si2s 및 C1s 피크 강도는 표면처리 하지 않은 시편에 비해 감소했다.As shown in Fig. 3 (a), for PDMS, four element peaks of Si2p, Si2s, C1s, and O1s were detected at approximately 102, 151, 284, and 532 eV, respectively. The N1s peak was further generated at about 399 eV by the APTES coating (see also the inset in FIG. 3 (b) for an enlarged view), which confirms the successful introduction of the amine functionalities onto the PDMS surface. On the other hand, the intensity of the O1s peak was significantly increased by APTES and TEOS treatment, which seems to be due to the condensation of the hydroxyl groups of the oxidized PDMS surface with the ethoxy groups of APTES and TEOS. Thus, by the masking effect of these coatings, the Si2p, Si2s and C1s peak intensities of the modified specimens were reduced compared to the untreated specimens.

<실험예 3> 실시예 및 비교예에서 처리된 PDMS 기판 표면 상의 아민 관능기 정량(quantification) 분석Experimental Example 3 Analysis of Amine Functional Quantification on the Surface of PDMS Substrate Treated in Examples and Comparative Examples

도 4는 아민 농도 변화(1, 2, 및 5%) 및 반응시간 변화(10, 20, 및 30분)에 따른 PDMS 표면상의 아민 밀도(surface amine density)를 나타낸 그래프(삽입도는 표준곡선(standard curve))이다.4 is a graph showing the surface amine density on the surface of PDMS according to amine concentration changes (1, 2 and 5%) and reaction time changes (10, 20 and 30 min) standard curve).

참고로, 몰 농도(molar concentration)와 백분율 농도(percentage concentration)는 아래의 관계를 가진다. For reference, the molar concentration and the percentage concentration have the following relationship.

몰 농도(molarity) = [(% × d)/MW] × 10Molarity = [(% x d) / MW] x 10

(상기 식에서, %는 백분율 농도, d는 밀도(또는 비중), MW는 분자량을 나타내며, 1% APTES는 42mM ATPES에 해당됨)(%) Is the percent concentration, d is the density (or specific gravity), MW is the molecular weight, 1% APTES corresponds to 42 mM ATPES)

도 4 내의 삽입도에 나타낸 것처럼, PDMS 기판 상의 1차 아민(primary amine)과 반응하는 FITC(fluorescein-5-isothiocyanate)의 형광 강도(fluorescence intensity)는 아민기의 농도와 강한 상관관계를 나타냈다(R2 = 0.9968).As shown in the inset in FIG. 4, the fluorescence intensity of fluorescein-5-isothiocyanate (FITC) reacting with the primary amine on the PDMS substrate showed a strong correlation with the amine group concentration (R 2 = 0.9968).

아민기의 밀도는 APTES의 농도가 5%에 이를 때까지 증가했다. 도 4에 도시된 것처럼 표면 아민 밀도는 반응시간이 20분에 이를 때까지는 증가했으나 반응시간이 30분까지 증가할 경우에는 감소했으며, 이는 아마도 반응시간이 증가해 APTES의 최외곽층이 두꺼워져 반응할 수 있는 아민기를 마스킹했기 때문인 것으로 보인다. 이는 아민기가 가수분해에 덜 노출되도록 하여 FITC와의 아민 반응을 막게 된다. 산화된 PDMS 상에서 20분 동안 1, 2, 및 5% APTES와 반응시킨 후의 아민기 밀도는 각각 0.83 ± 0.04, 0.92 ± 0.05, 및 1.35 ± 0.07 nmol cm-2인 것으로 나타났다. PDMS 상에 그라프트된(grafted) 아민기의 밀도는 PMMA 상에서의 밀도(0.29 ± 0.02 및 0.16 ± 0.01) 보다 높았으나, 유리 표면에서의 밀도보다는 낮은 것으로 드러났다. 0.83 ± 0.04 nmol cm-2의 아민 밀도는 DNA 고정을 위해서는 상당히 충분한 값이므로, 접합을 위한 PDMS 코팅을 위해 1% APTES가 최종적으로 선택되었다.The density of amine groups increased until the concentration of APTES reached 5%. As shown in FIG. 4, the surface amine density increased until the reaction time reached 20 minutes, but decreased when the reaction time increased by 30 minutes. This was probably because the reaction time increased and the outermost layer of APTES became thicker It seems to be because the masking of the amine groups that can be done. This allows the amine groups to be less exposed to hydrolysis, thereby blocking the amine reaction with FITC. The amine group densities after reacting with 1, 2, and 5% APTES on oxidized PDMS for 20 minutes were 0.83 ± 0.04, 0.92 ± 0.05, and 1.35 ± 0.07 nmol cm -2 , respectively. The density of amine groups grafted onto PDMS was found to be higher than the density on the PMMA (0.29 ± 0.02 and 0.16 ± 0.01), but lower than the density on the glass surface. The amine density of 0.83 ± 0.04 nmol cm -2 was a fairly sufficient value for DNA fixation, so 1% APTES was finally selected for PDMS coating for bonding.

<< 실험예Experimental Example 4>  4> PDMSPDMS -PC 접합체 및 -PC conjugates and PDMSPDMS -PI 접합체의 박리 시험(peel and delamination tests)Peel and delamination tests of the PI conjugate

도 5(a) 내지 (e)는 각각 박리시험(peel test)을 위한 실험 설정(experimental set-up); PDMS-PC 접합체의 분리; 분리 후의 PDMS 및 PC 표면; 면적 9cm2 및 100cm2 PDMS-PC 접합체에 대해 실시된 박리시험(delamination test) 결과; 및 면적 9cm2 및 100cm2인 PDMS-PI 접합체에 대해 실시된 박리시험(delamination test) 결과를 보여주는 사진이다.Figures 5 (a) through 5 (e) are experimental set-ups for peel testing, respectively; Separation of PDMS-PC junctions; PDMS and PC surfaces after separation; Area of 9 cm 2 and 100 cm 2 Results of delamination tests performed on PDMS-PC junctions; And a PDMS-PI conjugate having an area of 9 cm 2 and 100 cm 2 , respectively.

PDMS-PC 접합체의 평균 접합강도는 409 ± 6.6 kPa이었다. PC (2 × 2 cm) 상에 파열된 상태로 부착되어 남아있는 PDMS는 APTES 코팅된 PDMS와 PC 사이에 영구적인 접합이 이루어졌음을 확인시켜준다(도 5(c) 참조). 이러한 접합 강도가 Sunkara et al. 및 Wu et al.에 의해 보고된 접합 강도(각각 528 및 428.5 kPa)에 비해서는 다소 낮다고 하더라도, 본 실시예는 80 ℃가 아닌 상온에서 수행되었음을 감안할 필요가 있다. 더욱이, 상온에서 실시된 이전의 다른 방법에 의해 얻어지는 강도보다는 높은 것으로 나타났으며, 특히, 본 실시예에서는 훨씬 간단하고 신속한 공정을 통해 이루어졌음을 주목해야 한다. 이러한 이유로, 본 발명에 다른 접합방법은 세포 패터닝(cell patterning)과 상대적으로 낮은 압력(~35 kPa)의 실험 조건을 요구하는 특정 유형의 장치, 또는 125 내지 300 kPa의 압력을 견뎌야 하는 마이크로 디바이스 내로 전극을 통합(intergration)시킬 경우 등에 있어서 기존 방법과 비교해 유망한 대안으로 고려될 수 있다.The average bond strength of the PDMS-PC junction was 409 ± 6.6 kPa. The remaining PDMS attached ruptured on the PC (2 x 2 cm) confirms that a permanent bond has been established between the APTES coated PDMS and the PC (see Fig. 5 (c)). These bond strengths are described by Sunkara et al. And the bond strengths reported by Wu et al. (528 and 428.5 kPa, respectively), it is necessary to consider that this embodiment was carried out at room temperature rather than 80 ° C. Furthermore, it has been shown that the strength obtained by the previous method performed at room temperature is higher than the strength obtained by other methods, and in particular, this embodiment is achieved through a much simpler and faster process. For this reason, other joining methods according to the present invention require a specific type of device that requires cell patterning and experimental conditions of relatively low pressure (~ 35 kPa), or a microdevice that must withstand pressures of 125 to 300 kPa It can be considered as a promising alternative to the existing methods in case of intergration of the electrodes.

도 5(d) 및 (e)는 서로 다른 면적(9 cm2(3 × 3 cm) 및 100 cm2(10 × 10 cm))의 접합체에 대한 박리시험 결과를 보여준다. 구체적으로, 표면에 수산기를 형성시키는 플라즈마 처리를 통해 PDMS를 산화시키면 이들 수산기는 APTES의 에톡시기와 반응해 아민-말단(amine-terminated) PDMS를 형성시킨다. 이들 아민 관능기는 PC와 PI 등의 몇몇 플라스틱의 카보네이트 주골격과 함께 화화적으로 안정한 우레탄 또는 우레탄 유도체 결합을 형성해 견고한 접합이 이루어진다.Figures 5 (d) and 5 (e) show the peel test results for the junctions of different areas (9 cm 2 (3 × 3 cm) and 100 cm 2 (10 × 10 cm)). Specifically, when PDMS is oxidized by plasma treatment to form a hydroxyl group on the surface, these hydroxyl groups react with the ethoxy group of APTES to form amine-terminated PDMS. These amine functionalities, together with the carbonate backbones of some plastics such as PC and PI, form a chemically stable urethane or urethane derivative bond, resulting in a rigid bond.

도 6(a) 내지 (c)는 박리시험(delamination test)의 결과로서, 각각 PDMS를 TEOS로 코팅할 경우 접합되지 않은 PDMS-PC 접합체; PDMS를 TEOS로 코팅할 경우 접합되지 않은 PDMS-PI 접합체; PDMS를 APTES로 코팅할 경우 접합된 PDMS-PC 접합체를 보여주는 사진이다.Figures 6 (a) - (c) illustrate the results of a delamination test, showing that when PDMS is coated with TEOS, unbonded PDMS-PC conjugates; Non-bonded PDMS-PI conjugates when PDMS is coated with TEOS; This is a photograph showing a bonded PDMS-PC junction when PDMS is coated with APTES.

PDMS를 APTES 대신에 1% TEOS 수용액으로 처리하면 PDMS 조각들이 파열되지 않고 플라스틱 기판으로부터 완벽히 박리된다(도 6(a) 및 (b) 참조). 반면, 단지 5분 동안의 물리적 접촉만으로도 APTES 코팅된 PDMS와 표면처리 하지 않은 PC 사이에는 영구적인 접합이 이루어졌다(도 6(c) 참조). 낮은 온도에서 이종 기판들 간에 신속하고 견고한 접합이 형성되는 것은 본 발명에 따른 접합방법의 우수성을 확인시켜준다.When PDMS is treated with 1% TEOS aqueous solution instead of APTES, the PDMS pieces are completely peeled off from the plastic substrate without rupturing (see FIGS. 6 (a) and 6 (b)). On the other hand, only a physical contact for 5 minutes resulted in a permanent bond between the APTES coated PDMS and the untreated PC (see Fig. 6 (c)). The rapid and robust bonding between the dissimilar substrates at low temperatures confirms the superiority of the bonding method according to the present invention.

<실험예 5> PDMS-PC 접합체 및 PDMS-PI 접합체의 누설 및 파열 시험(leak and burst tests)Experimental Example 5 Leakage and Burst Tests of PDMS-PC Conjugate and PDMS-PI Conjugate

도 6(d)은 PDMS-PC 마이크로 디바이스 내부에서의 다양한 유속 하에서 수행된 누설 시험 결과를 나타내고, 도 6(e) 및 (f)는 95 psi의 압력으로 실시한 파열시험(burst test) 결과를 보여주는 사진이다.6 (e) and 6 (f) show the burst test results obtained at a pressure of 95 psi. Fig. 6 (d) shows leakage test results performed at various flow rates within the PDMS- It is a photograph.

분당 주입 부피(per-minute injection volume)가, 실험에 사용된 마이크로채널의 총 내부부피(total internal volume)의 2000배에 해당되는 유속(7000 μL min-1)으로 실험한 경우에도 누설이 일어나지 않았다. PDMS-PC 접합체의 경우, 파열 시험을 3회 반복한 후에 기록된 최대 압력은 모두 약 95 psi(655 kPa)에 이르렀다. 이러한 높은 압력에서, 유입구(inlet)에 연결된 실리콘(silicone) 튜브가 팽창되었으나(도 6(e) 참조), 접합체는 온전한 상태를 유지했고, 파열 시험 후 바로 마이크로채널로 유입된 적색 잉크가 누설되지 않았다(도 6(f) 참조). 이러한 결과는 액적 기반의 미세유체 기술(droplet-based microfluidics), 혈장 분리(blood plasma separation) 등을 포함하는 광범위한 응용 분야에 있어서 고압 실험을 위한 접합방법으로서의 잠재성을 확인시켜주었다.No leakage occurred when the per-minute injection volume per minute was tested at a flow rate (7000 μL min -1 ) that was 2000 times the total internal volume of the microchannels used in the experiment . For the PDMS-PC conjugate, the maximum pressure recorded after three repetitions of the burst test reached approximately 95 psi (655 kPa). At this high pressure, the silicone tube connected to the inlet was expanded (see Fig. 6 (e)), but the junction maintained its integrity and the red ink flowing into the microchannel immediately after the burst test did not leak (See Fig. 6 (f)). These results have confirmed the potential for conjugation methods for high pressure experiments in a wide range of applications, including droplet-based microfluidics, blood plasma separation, and the like.

<실험예 6> 마이크로채널 내 형광구의 선택적 고정화(selective immobilization) 실험 및 분석Experimental Example 6 Experimental and Analysis of Selective Immobilization of Fluorescent Sphere in Microchannel

대부분의 접합 공정에 있어서 장치 접합의 최종 단계에서 표면 산화가 필요한데, 표면 산화를 할 경우 표면 개질 공정에서 도입된 표면 아민 관능기가 소실될 수 있다. 예를 들면, 아민 코팅된 PDMS의 산소 플라즈마 처리 후의 물접촉각 변화를 측정한 결과, 산소 플라즈마 처리 후에 표면에서 아민 관능기가 소실되어 친수성이 매우 컸던 표면은 플라즈마 처리 후에는 시간 경과에 따라 물접촉각이 서서히 증가하는 것으로 확인된 바있다. 그러나, 산소 플라즈마 처리가 없으면 아민 말단 PDMS은 60일 동안 외부 자극이 없을 경우 아민 코팅 상태를 그대로 유지하였으며, 이러한 거동은 안정한 표면 특성을 요구하는 응용 분야에 있어서 대단히 바람직한 현상으로서, 본 발명에 따른 접합방법을 사용할 경우에 달성될 수 있다. 생체분자는 마이크로채널 내부에 고정되야 할 경우가 자주 발생하며, 많은 생체분자들은 단백질로 구성되기 때문에 아민기와 카르복실기를 포함한다. 이러한 이유로, 아민 코팅된 표면은 마이크로 채널 내부에 생체분자를 고정함에 있어서 큰 장점을 가진다.In most bonding processes, surface oxidation is required at the final stage of device bonding. Surface oxidation can eliminate the surface amine functionalities introduced in the surface modification process. For example, as a result of measuring the change in water contact angle after the oxygen plasma treatment of the amine-coated PDMS, the surface of the hydrophilic surface due to disappearance of the amine functional group on the surface after the oxygen plasma treatment, , Respectively. However, in the absence of oxygen plasma treatment, amine-terminated PDMS maintained the amine-coated state in the absence of external stimulation for 60 days, which is a highly desirable phenomenon in applications requiring stable surface properties, Method can be used. Biomolecules often need to be immobilized within microchannels, and many biomolecules contain amines and carboxyls because they are proteins. For this reason, the amine coated surface has great advantages in fixing biomolecules inside the microchannel.

본 발명에 따른 접합방법은 최종 단계에서 산화 공정 및 고온 조건을 필요로 하지 않기 때문에, 상온에서 아민 코팅된 PDMS 상에 플라스틱을 캡핑하기만 하면 접합을 완료할 수 있어서, 본 발명에 따른 접합방법은 장치를 실링하기 전에 세포, 단백질, 펩티드, 효소, 항체 등과 같이 열 및 외부 자극에 민감한 생체분자를 고정할 때 특히 유리하다. 때때로, 생체분자는 마이크로채널 전체가 아니라 공간적으로 정의된 위치에 고정되어야 한다. 그러나, 생체분자 고정을 위해 종래의 표면 코팅 방법을 사용하면 마이크로채널의 내벽(inner wall) 전체가 완전히 코팅될 수 있어 코팅되는 영역을 제어할 수 없다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 기존의 몇몇 연구자들은 표적 생체분자의 공간 코팅(spatial coating)을 실현할 목적으로 마이크로 접촉(micro-contacting) 기법을 채택하였으나, 이에 의하더라도 접촉 인쇄된(contact-printed) 영역이 장치 실링 과정에서 손상되지 않도록 보호해야 한다는 점이 여전히 해결할 문제로 남았다.Since the bonding method according to the present invention does not require an oxidation step and a high temperature condition in the final step, the bonding can be completed only by capping the plastic on the amine-coated PDMS at room temperature, It is particularly advantageous to immobilize biomolecules sensitive to heat and external stimuli such as cells, proteins, peptides, enzymes, antibodies and the like before sealing the device. Occasionally, biomolecules must be immobilized at spatially defined locations, not entire microchannels. However, if a conventional surface coating method is used for biomolecule fixing, the entire inner wall of the microchannel can be completely coated, so that the coated area can not be controlled. To solve this problem, some existing researchers have adopted a micro-contacting technique for the purpose of realizing a spatial coating of a target biomolecule, but the contact-printed region Which must be protected against damage during the device sealing process.

하지만, 본 발명에 따른 접합방법을 이용하면 마이크로 디바이스를 실링하기 전에 고정이 요구되는 특정 지점 또는 영역에만 표면 관능화를 위한 화학물질 또는 생체분자 용액을 곧바로 위치시킬 수 있다.However, with the bonding method according to the present invention, it is possible to directly place the chemical or biomolecule solution for surface functionalization only at specific points or regions where fixation is required before sealing the microdevice.

본 발명에 따른 접합방법은 전술한 응용 분야에만 제한되는 것은 아니며, 광섬유나 도파관 등과 같이 물리적으로 파손되기 쉬운 마이크로 구조물을 장치 실링 전에 둘러쌀 때 큰 장점을 발휘할 수 있으며, 이러한 선택적인 고정화 성능을 보여주기 위해서 아래와 같이 실험 및 분석을 실시하였다.The bonding method according to the present invention is not limited to the above-described application fields, and can exhibit a great advantage when the microstructure, which is easily damaged by physical damage such as an optical fiber or a waveguide, is surrounded before the device is sealed. The experiment and analysis were carried out as follows.

도 7(a) 내지 (d)는 각각 PDMS 상에 흡착된 카르복실레이트 관능화(carboxylate-functionalized) 형광구에 의해 발광된 형광신호; PDMS 상에 흡착된 아민 관능화(amine-functionalized) 형광구에 의해 발광된 형광신호; APTES가 코팅된(APTES-coated) PDMS 상에 흡착된 카르복실레이트 관능화(carboxylate-functionalized) 형광구에 의해 발광된 형광신호; 및 APTES가 코팅된(APTES-coated) PDMS상에 흡착된 아민 관능화(amine-functionalized) 형광구에 의해 발광된 형광신호를 보여주는 사진이며, 도 7(e)는 GA(glutaraldehyde) 코팅을 매개로 해, APTES 코팅된 PDMS 상에 아민으로 관능화된 형광구를 부착하는 것을 보여주는 개념도이고, 도 7(f)는 GA 처리 후에 PDMS-PC 마이크로 디바이스의 내벽에 부착된 에 부착된 아민 말단(amine-terminated) 형광구의 형광 이미지를 보여주는 사진이다.Figures 7 (a) - (d) show fluorescence signals emitted by carboxylate-functionalized fluorophore adsorbed on PDMS, respectively; Fluorescence signals emitted by amine-functionalized fluorophore adsorbed on PDMS; A fluorescent signal emitted by a carboxylate-functionalized fluorophore adsorbed on APTES-coated PDMS; And fluorescence signals emitted by amine-functionalized fluorophore adsorbed on APTES-coated PDMS. Fig. 7 (e) is a photograph showing fluorescence signals emitted by a glutaraldehyde (GA) FIG. 7 (f) is a conceptual diagram showing the attachment of an amine-functionalized fluorescent moiety onto the APTES-coated PDMS, and FIG. 7 (f) terminated fluorescence image of a fluorescent sphere.

도 7(a) 및 (b)에 도시된 것처럼, PDMS을 APTES로 코팅하지 않았을 때에는 형광이 거의 검출되지 않았다. 그러나, APTES 코팅된 PDMS를 사용하면, 형광구의 카르복실기(-COOH)와 코팅된 PDMS의 아민 관능기 간의 공유 결합을 통해, 카르복실레이트(carboxylate)로 관능화된 형광구가 성공적으로 고정화되어 강한 녹색 형광을 나타낸다(도 7(c) 참조). 카르복실레이트로 관능화된 형광구와 아민으로 관능화된 채널 벽간의 이러한 결속은 형광구 표면의 카르복실기를 활성화시키는 N-[3-(dimethylamino)propyl]-N′-ethylcarbodiimide hydrochloride (EDC)N-Hydroxysulfosuccinimide(NHS;98.5%) 완충액을 사용해 촉진되었다. 아민 코팅된 PDMS를 25 wt% GA(glutaraldehyde) 수용액으로 처리하는 추가 공정을 실시해 GA가 형광구의 아민기와 반응함으로써 아민으로 관능화된 형광구의 부착도 실현되었다. 실제로, 아민기와 알데히드기는 가교(crosslink)하는 것으로 알려져 있다. 도 7(d)는 APTES가 코팅된 PDMS상에 흡착된 아민 관능화 형광구에 의해 강한 적색 형광이 발생됨을 보여준다.As shown in Figs. 7 (a) and (b), almost no fluorescence was detected when PDMS was not coated with APTES. However, when APTES-coated PDMS is used, the carboxylate-functionalized fluorescent moiety is successfully immobilized through the covalent bond between the carboxyl group (-COOH) of the fluorescent moiety and the amine functional group of the coated PDMS, (See Fig. 7 (c)). This bond between the carboxylate-functionalized fluorophore and the amine-functionalized channel wall causes the N- [3- (dimethylamino) propyl] -N'-ethylcarbodiimide hydrochloride (EDC) N-Hydroxysulfosuccinimide (NHS; 98.5%) buffer. A further step of treating amine coated PDMS with 25 wt% aqueous glutaraldehyde (GA) solution resulted in the reaction of the GA with the amine group of the fluorophore, resulting in the attachment of the functionalized fluorescent dye to the amine. In fact, it is known that amine groups and aldehyde groups crosslink. Figure 7 (d) shows that strong red fluorescence is generated by the amine-functionalized fluorophore adsorbed on the APTES coated PDMS.

또한, 도 7(e)에 도시된 것처럼, GA 코팅은 GA의 알데히드기와, 아민으로 관능화된 PDMS 및 아민으로 개질된 형광구의 아민기 사이에 시프 염기(Schiff base) 결합을 형성시켜, APTES 코팅된 PDMS 상에 아민 말단 형광구의 부착을 가능케 했다. PDMS 및 플라스틱 마이크로채널 벽에 아민으로 관능화된 형광구가 성공적으로 부착되었는지는 강한 적색 형광에 의해 확인되었다(도 7(f) 참조). 이와 같은 발견은 표면 개질을 위해 아민 말단 종(species)을 사용하면 카르복실레이트 말단 종을 사용하는 경우에 비해 보다 적은 공정 단계를 필요로 한다는 점에서 대단히 주목할 만하다. 전술한 바와 같이 카르복실레이트 관능기를 활성화시키기 위해서는 EDC/NHS 반응이 필요한데, 이는 GA 코팅을 사용하는 것에 비해 번거로울 수 있다. 또 다른 장점은 4개의 모든 내부 마이크로채널 벽들이 동일한 표면 특성을 갖도록 조정할 수 있다는 것이며, 이는 APTES 코팅된 PDMS을 GA로 코팅해 아민 말단 형광구와 반응시킬 수 있기 때문이다. 그리하여, 4개의 모든 벽들이 아민 관능기를 갖도록 개질될 수 있다. 한편, GA 코팅은 PC 표면에 영향을 주지 않는 것으로 확인되었다.7 (e), the GA coating also forms a Schiff base bond between the aldehyde group of the GA and the amine group of the fluorophore modified with amine functionalized PDMS and amine to form APTES coating &lt; RTI ID = 0.0 &gt;Lt; RTI ID = 0.0 &gt; PDMS. &Lt; / RTI &gt; It was confirmed by the strong red fluorescence that the PDMS and plastic microchannel walls were successfully adhered to the amine functionalized fluorophore (see Fig. 7 (f)). This finding is very noteworthy in that the use of amine end species for surface modification requires fewer steps than the use of carboxylate end species. As described above, an EDC / NHS reaction is required to activate the carboxylate functionality, which can be cumbersome compared to using a GA coating. Another advantage is that all four internal microchannel walls can be tuned to have the same surface properties, because APTES coated PDMS can be coated with GA and reacted with amine-terminated fluorophore. Thus, all four walls can be modified to have amine functionalities. On the other hand, it was confirmed that the GA coating does not affect the PC surface.

<실험예 7> PDMS-PC 마이크로 디바이스의 열적 안정성(thermal stability) 실험 및 분석<Experimental Example 7> Thermal stability test and analysis of PDMS-PC micro device

도 8(a) 및 (b)는 PDMS-PC 마이크로 디바이스를 이용해 제조된 챔버형 반응기와, 적외선(IR) 카메라를 이용해 측정된 온도를 보여준다. 이때, 3개의 마이크로 챔버가 복제 몰딩(replica moulding)을 통해 PDMS측 위에 형성되었고, 동시에 3개 세트의 다중 PCR을 수행할 수 있도록 사용되었다. 마이크로 챔버를 이용해 다중 PCR을 수행하기 위해 온도가 정밀하게 제어되었으며, 증폭 개시 후 최초 20분에 걸쳐 측정되었다(도 8(c) 참조). 변성(denaturation), 결합(annealing), 및 신장(extension)의 단계가 이루어지는 동안의 평균 온도는 각각 95.1 ± 0.26 ℃, 48.3 ± 0.3 ℃, 및 72.2 ± 0.28 ℃이었으며, 변동계수(coefficient of variation, CV) 값으로 표시되는 각 단계의 온도 정확성은 각각 0.3% (n = 10), 0.6% (n = 10), 및 0.4% (n = 10)이었다. 이러한 결과로부터 PC를 통해 전달되는 열이 매우 균일한 분포를 가지며, 상대적으로 낮은 변동성(variability)을 가짐을 알 수 있었다.Figures 8 (a) and 8 (b) show the temperature measured using a chamber-type reactor made using a PDMS-PC microdevice and an infrared (IR) camera. At this time, three microchambers were formed on the PDMS side through replica molding and were used to simultaneously perform three sets of multiplex PCR. The temperature was precisely controlled to perform multiple PCR using the micro chamber, and was measured over the first 20 minutes after initiation of amplification (see FIG. 8 (c)). The mean temperatures during denaturation, annealing and extension stages were 95.1 ± 0.26 ° C, 48.3 ± 0.3 ° C, and 72.2 ± 0.28 ° C, respectively, and the coefficient of variation (CV) ) Values were 0.3% (n = 10), 0.6% (n = 10), and 0.4% (n = 10), respectively. From these results, it can be seen that the heat transmitted through the PC has a very uniform distribution and relatively low variability.

PC는 상대적으로 낮은 열전도도((0.19-0.22W K-1 m-1, at 23 ℃)를 가지기 때문에, PC 기판의 전체 표면 온도는 약 1분 경과 후 31.0 ± 0.06 ℃에서 95.0 ± 0.18 ℃에 도달한 후 소정의 시간 동안 온도가 유지되었다. eaeA (E. coli O157:H7) 및 invA (S. typhimurium)를 대상으로 105 ℃에서 60초간 변성(denaturation), 48 ℃에서 45초간 결합(annealing), 79 ℃에서 50초간 신장(extension) 단계를 수행하면서 30 사이클로 실시하였다.Since the PC has a relatively low thermal conductivity (0.19-0.22 WK -1 m -1, at 23 ° C), the entire surface temperature of the PC substrate reaches 95.0 ± 0.18 ° C at 31.0 ± 0.06 ° C after about 1 minute The denaturation was carried out at 105 ° C for 60 seconds, annealing at 48 ° C for 45 seconds, Followed by 30 cycles of extension at 79 DEG C for 50 seconds.

<실험예 8> PDMS-PC 마이크로 디바이스를 이용한 다중 중합효소 연쇄 반응(chamber-type multiplex polymerase chain reaction(PCR)) 실험 및 분석Experimental Example 8 Experiments and Analysis of Multiplex Polymerase Chain Reaction (PCR) Using PDMS-PC Microdevice

도 8(d)는 E. coli O157의 eaeA 유전자(183 bp) 및 S. typhimurium의 invA 유전자(101 bp)의 다중 PCR 결과를 나타낸다. 음성 대조군(negative control) (레인 1) 및 양성 대조군(positive control) (레인 2)은 기존의 열순환기(thermal cycler)를 사용해 분석하였다. 레인 3 내지 5는 PDMS-PC 마이크로 디바이스를 사용해 실시한 다중 PCR 결과를 나타낸다. 마이크로 디바이스를 사용해 얻어진 증폭산물(amplicon)의 평균 강도는 E. coli O157:H7 및 S. typhimurium 각각에 대해 양성 대조군과 비교해 14-28% 및 18-27%이었다(도 8(e) 참조). 다중 PCR은 성공적으로 이루어졌으며, 이로부터 본 발명에 따른 접합방법을 이용하면 대단히 경제적으로 다수의 병원균을 동시에 검출하고 실시간으로 모니터링 하는 것이 가능한 것으로 확인되었다. 본 방법에 의한 접합이 제공하는 높은 열안정성으로 인해 상기 장치는 약 2시간 동안의 연속적인 열 순환을 누설 발생 없이 견뎌냈다. 이러한 결과는 고압 및 고온 조건을 요구하는 응용 분야에 있어서 본 방법에 의해 접합된 장치의 응용 가능성 및 잠재성을 확인시켜주었다.Fig. 8 (d) shows multiplex PCR results of E. coli O157 eaeA gene (183 bp) and S. typhimurium invA gene (101 bp). The negative control (lane 1) and the positive control (lane 2) were analyzed using a conventional thermal cycler. Lanes 3 to 5 show multiplex PCR results using PDMS-PC microdevices. The mean intensities of the amplicons obtained using microdevices were 14-28% and 18-27%, respectively, as compared to the positive control for E. coli O157: H7 and S. typhimurium (see FIG. 8 (e)). Multiplex PCR has been successfully performed. From this, it was confirmed that it is possible to simultaneously detect a large number of pathogens in an economical manner and monitor them in real time by using the junction method according to the present invention. Due to the high thermal stability provided by the bonding by the present method, the device sustained a continuous thermal cycling for about two hours without leaking. These results confirmed the applicability and potential of the bonded device by this method in applications requiring high pressure and high temperature conditions.

<실험예 9> PDMS-PC 마이크로 디바이스의 마이크로 챔버 내부의 PCR 증폭산물 직접 검출Experimental Example 9 Direct Detection of PCR Amplification Products in a Microchamber of PDMS-PC Microdevice

위치 특이적(site-specific) 고정에 있어서 본 발명에 따른 접합방법의 장점을 확인하기 위해, 아민이 태그된 프라이머(amine-tagged primer)를 사용해 5′-말단이 아민기로 관능화된 153 bp PCR 증폭산물을, GA로 처리된 PDMS 표면 상에 고정했다(도 9 참조).To identify the advantages of the conjugation method according to the invention in site-specific fixation, a 153 bp PCR (5'-terminal) functionalized with an amine group using an amine-tagged primer The amplification product was immobilized on the PDMS surface treated with GA (see Fig. 9).

도 9(a) 내지 (e)는 DNA 증폭산물의 마이크로 챔버 내 공간적 고정화(spatial immobilization) 과정을 보여주는 모식도로서, 도 9(a) 내지 (e)는 각각 APTES 코팅된 PDMS 상의 GA 코팅; 아민으로 관능화된 DNA 증폭산물의 공간적 배치(spatial spotting); 고정되지 않은 DNA 제거; SYBR Green I 염료 착색(staining); 및 청색광 조사(Illumination)를 나타내며, 도 9(f)는 마이크로 챔버 내부에 위치된 DNA 증폭산물의 형광 이미지이다.FIGS. 9 (a) to 9 (e) are schematic diagrams showing a spatial immobilization process of DNA amplification products in a microchamber. FIGS. 9 (a) to 9 (e) are GA coatings on APTES coated PDMS; Spatial spotting of DNA amplification products functionalized with amines; Removal of unfixed DNA; SYBR Green I dye staining; And blue light illumination, and Fig. 9 (f) is a fluorescence image of the DNA amplification product located inside the micro chamber.

구체적으로, 마이크로 챔버가 형성된(microchamber-engraved) PDMS 기판을 먼저 1% APTES으로 처리하고 나서, 100 mM Na3PO4 완충액(pH 7.0)에 2.5% GA가 용해된 용액으로 마이크로 챔버의 바닥을 코팅하였다(도 9(a) 참조). 상온에서 30분간 유지한 후, Na3PO4 완충액(pH 7.0)를 이용해 표면으로부터 GA를 3회 씻어낸 다음, 마이크로 챔버를 동일한 크기의 PC 슬래브(slab)로 실링하기 전에, 약 1 μM의 최종 농도를 갖도록 100 mM Na3PO4 완충액(pH 7.0)으로 희석시킨 아민 관능화 DNA를 몇 방울(0.2 μL)을 GA로 처리된 표면의 소정의 영역에 나누어 떨어뜨렸다(도 9(b) 참조). DNA 타겟의 고정을 위해 30 ℃에서 2시간 동안 가습된(humidified) 챔버에서 유지한 후, 마이크로 챔버를 증류수로 세척하고, 이어서 고정되지 않은 DNA를 제거하기 위해 5× SSC 완충액/0.1% Tween 20을 이용해 15분 동안 인큐베이션(incubation)을 실시했다(도 9(c) 참조). 마지막으로, 마이크로 챔버를 증류수로 다시 세척하고 염료(SYBR Green I dye)를 착색시켰다(도 9(d) 참조). DNA 스팟(spot)의 이미지는 청색 광원((497 nm) 하에서 촬영되었다(도 9(e) 참조). 도 9(f)에 도시된 것처럼, 뚜렷하게 나타난 형광 신호를 통해, 아민으로 관능화된 DNA 표적은 마이크로 챔버 표면의 특정 위치에 성공적으로 고정되었음을 확인할 수 있었다.Specifically, a microchamber-engraved PDMS substrate was first treated with 1% APTES and then the bottom of the microchamber was coated with a solution in which 2.5% GA was dissolved in 100 mM Na 3 PO 4 buffer (pH 7.0) (See Fig. 9 (a)). After holding at room temperature for 30 minutes, the GA was rinsed 3 times from the surface using Na 3 PO 4 buffer (pH 7.0), and then the microchamber was sealed with a PC slab of the same size, A few drops (0.2 μL) of the amine-functionalized DNA diluted with 100 mM Na 3 PO 4 buffer (pH 7.0) were added to a predetermined area of the surface treated with GA (see FIG. 9 (b)) . After holding in a humidified chamber for 2 hours at 30 ° C to immobilize the DNA target, the microchamber was washed with distilled water and then 5 × SSC buffer / 0.1% Tween 20 was added to remove the unfixed DNA , And incubation was carried out for 15 minutes using the same (Fig. 9 (c)). Finally, the micro chamber was again washed with distilled water and the dye (SYBR Green I dye) was colored (see Fig. 9 (d)). An image of a DNA spot was photographed under a blue light source (497 nm) (see Figure 9 (e)). As shown in Figure 9 (f), through the fluorescent signal, It was confirmed that the target was successfully fixed at a specific position on the micro chamber surface.

<실험예 10> PDMS-PC 마이크로 디바이스의 마이크로채널 내부에 광섬유 캡슐화(encapsulation) 실험EXPERIMENTAL EXAMPLE 10 Optical Encapsulation Experiment in Microchannel of PDMS-PC Microdevice

본 발명에 따른 접합방법을 이용해 PDMS-PC 마이크로 디바이스의 마이크로채널 내부에 광섬유(직경 200 μm)를 캡슐화를 수행하였다. 캡슐화하기 전에 광섬유에서 글래스 코어에 대한 물리적 보호 역할을 수행하는 외곽 코팅층 및 클래딩층을 제거하였다. 이와 같이 외곽 코팅층 및 클래딩층 제거할 경우 광섬유는 캡슐화시의 온도 및 압력 등 외부압력에 극히 민감해지는데, 본 발명에 따른 상온 접합방법을 이용하면 두 기판이 단 5분 동안의 정합성 접촉(conformal contact)을 통해 치밀하게 접합된다. 캡슐화된 광섬유의 안정성은 광섬유 내로 백색광(white light)을 통과시켜 확인하였으며, 열 및 압력이 가해질 때, 광섬유에 물리적 손상이 발생했다.An optical fiber (diameter 200 μm) was encapsulated in the microchannel of the PDMS-PC microdevice using the bonding method according to the present invention. The outer coat layer and the cladding layer, which serve as physical protections for the glass core in the optical fiber, were removed before encapsulation. When the outer coat layer and the cladding layer are removed as described above, the optical fiber is extremely sensitive to external pressure such as temperature and pressure at the time of encapsulation. When the room temperature bonding method according to the present invention is used, the two substrates are subjected to a conformal contact ). The stability of the encapsulated optical fiber was confirmed by passing white light through the optical fiber, and physical damage to the optical fiber occurred when heat and pressure were applied.

Claims (10)

(a) 실리콘(silicone)계 재료로 이루어진 제1 기판 표면을 산화시키는 단계;
(b) 상기 산화된 제1 기판 표면을 아미노 실란으로 처리하여 실록산 결합(Si-O-Si)을 통해 제1 기판 표면에 아미노기를 도입하는 단계; 및
(c) 상기 아미노기가 도입된 제1 기판 표면과, 카보네이트 기 또는 카보닐 기를 갖는 열가소성 플라스틱(thermoplastic)으로 이루어진 제2 기판의 표면이 서로 접하도록 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 접촉시켜 제1 기판 표면과 제2 기판 표면을 우레탄 결합을 통해 접합시키는 단계;를 포함하되,
상기 단계 (b)를 완료하고 단계 (c)를 실시하기 전에, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판을 산화시키는 공정을 실시하지 않는 것을 특징으로 하는 이종 기판 접합방법.
(a) oxidizing a first substrate surface made of a silicon-based material;
(b) treating the surface of the oxidized first substrate with aminosilane to introduce an amino group to the surface of the first substrate through a siloxane bond (Si-O-Si); And
(c) bringing the first substrate and the second substrate into contact with each other so that the surface of the first substrate on which the amino group is introduced and the surface of the second substrate formed of a thermoplastic thermoplastic having a carbonate group or a carbonyl group are in contact with each other, Bonding the first substrate surface and the second substrate surface via urethane bonding,
Wherein the step of oxidizing the first substrate and the second substrate is not performed before the step (b) is completed and the step (c) is performed.
제1항에 있어서,
상기 단계 (a)에서 상기 제1 기판 표면을 산소 플라즈마(oxygen plasma)로 처리해 산화막을 기판 표면에 형성하는 것을 특징으로 하는 이종 기판 접합방법.
The method according to claim 1,
Wherein the oxide film is formed on the surface of the substrate by treating the surface of the first substrate with oxygen plasma in the step (a).
제1항에 있어서,
상기 단계 (b)에서 상기 산화된 제1 기판을 아미노 실란(amino silane)을 포함하는 용액에 침지시켜 기판 표면에 아미노기를 도입하는 것을 특징으로 하는 이종 기판 접합방법.
The method according to claim 1,
Wherein the oxidized first substrate is immersed in a solution containing amino silane in step (b) to introduce an amino group onto the surface of the substrate.
제3항에 있어서,
상기 아미노 실란은 3-아미노프로필트리에톡시실란(APTES), 3-아미노프로필트리메톡시실란(APTMS), N-(6-아미노헥실)-3-아미노프로필트리메톡시실란(AHAPS), N-(2-아미노에틸)-3-아미노프로필메틸디메톡시실란(AEAPS), 3-아미노프로필-디메틸에톡시실란(APMES) 및 3-(N,N-디메틸)-아미노프로필트리메톡시실란(DMAPS)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 이종 기판 접합방법.
The method of claim 3,
Aminopropyltriethoxysilane (APTES), 3-aminopropyltrimethoxysilane (APTMS), N- (6-aminohexyl) -3-aminopropyltrimethoxysilane (AHAPS), N - (2-aminoethyl) -3-aminopropylmethyldimethoxysilane (AEAPS), 3-aminopropyl-dimethylethoxysilane (APMES) and 3- (N, DMAPS). &Lt; / RTI &gt;
제1항에 있어서,
상기 제1 기판은 PDMS(poly(dimethylsiloxane))로 이루어진 것을 특징으로 하는 이종 기판 접합방법.
The method according to claim 1,
Wherein the first substrate is made of PDMS (poly (dimethylsiloxane)).
제1항에 있어서,
상기 단계 (a) 내지 단계 (c)는 상온(room temperature)에서 실시하는 것을 특징으로 하는 이종 기판 접합방법.
The method according to claim 1,
Wherein the steps (a) to (c) are performed at room temperature.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제2 기판은 폴리카보네이트(PC), 폴리이미드(PI), 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA), 폴리스티렌(PS) 또는 폴리(에틸렌테레프탈레이트)(PET)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이종 기판 접합방법.
The method according to claim 1,
Characterized in that the second substrate is made of polycarbonate (PC), polyimide (PI), poly (methyl methacrylate) (PMMA), polystyrene (PS) or poly (ethylene terephthalate) Bonding method.
제1항 내지 제6항 및 제8항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 제조된 이종 기판 접합체. A heterogeneous substrate assembly produced by the method of any one of claims 1 to 6 and 8. 제9항의 이종 기판 접합체를 포함하는 마이크로 디바이스.A microdevice comprising a heterogeneous substrate junction of claim 9.
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