KR102183456B1 - 3차원 나노구조의 고정상을 갖는 가스 크로마토그래피용 마이크로 분별기 및 그 제조 방법 - Google Patents

3차원 나노구조의 고정상을 갖는 가스 크로마토그래피용 마이크로 분별기 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

개시된 가스 크로마토그래피용 마이크로 분별기는, 트렌치를 갖는 베이스 기판, 상기 트렌치 내부에 배치되는 채널 칼럼 및 상기 베이스 기판과 결합하여 상기 채널 칼럼을 커버하는 커버 부재를 포함한다. 상기 채널 칼럼은, 3차원으로 서로 연결되는 정렬된 기공을 갖는 고정상을 포함한다.

Description

3차원 나노구조의 고정상을 갖는 가스 크로마토그래피용 마이크로 분별기 및 그 제조 방법{MICRO-SEPARATOR HAVING STATIONARY PHASE WITH THREE-DIMENSIONAL NANO-STRUCTURE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 가스 크로마토그래피용 마이크로 분별기에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 3차원 나노구조의 고정상을 갖는 가스 크로마토그래피용 마이크로 분별기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
가스 크로마토그래피(GC)는 운반 기체(carrier gas)에 실려 시료(analyte)가 이동하여 칼럼(column)을 지나면서 각 혼합 성분을 단일 성분별로 분리하는 분석법이다. GC 시스템은, 운반 기체, 주입구, 물질 분별기 칼럼, 오븐, 검출기, 데이터 시스템으로 구성되는데, 이 중에서도 물질 분별기 칼럼의 성능이, 시스템 전체 성능을 결정하는 중요한 요인일 수 있다.
물질 분별기 칼럼 내에서, 운반 기체(이동상)에 실려 있는 기상의 시료와 칼럼 내 코팅되어있는 고정상(stationary phase)과의 화학적 특성 차이에 의해 고정상과 각기 다른 화학적 평형, 흡착, 분배가 일어나 화합물마다 칼럼을 통과하는 시간 차이를 발생시킴으로써, 물질이 분리된다.
일반적으로 물질 분별기 칼럼으로서, 충진 칼럼(Packed Column) 또는 모세관 칼럼(Capillary Column)이 사용된다. 충진 칼럼은, 내부 충진 물질(Inert material), 고체 지지체(Solid Support, 일반적으로 diatomaceous earth 재질), 코팅된 고정상(Coated liquid stationary phase)으로 구성된다. 상기 충진 칼럼은, 관 내부가 전체적으로 채워진 형태이기 때문에 대략적으로 내부 직경 2-4 mm, 길이 1.5-10m 정도의 비교적 큰 직경 및 짧은 길이를 가질 수 있다. 모세관 칼럼은, 액체 고정상이 코팅되어있는 Wall Coated Open Tubular(WCOT) 칼럼, 그리고 고체 상태의 다공성 물질이 내벽에 박막 고정상으로 코팅되어있는 형태인 Porous Layer Open Tubular(PLOT) 칼럼으로 구분될 수 있다. 기상 시료의 검출을 위해 사용되는 대표적인 고정상 재료는 polysiloxane(PE-1, PE-5 등), polyethlylene glycols (PE-Wax, FFAP(상품명)), polydimethylsiloxane(PDMS), silica nanoparticles 등 사용될 수 있다. 모세관 칼럼에서 고정상은, 관 내벽에 코팅되어 있기 때문에 기상의 시료가 충돌되는 확률을 높일 수 있도록, 충진 칼럼 대비 좁은 직경(1 mm 이내) 및 긴 길이(수십 m)를 가질 수 있다.
종래의 GC 시스템은, 다른 분별시스템에 비해 신뢰성이 우수하고 분리효율이 우수하다는 장점이 있지만, 이를 위한 수 미터에 이르는 긴 칼럼과 이 칼럼의 적정 온도를 유지해 주기 위한 오븐, 신호 처리 시스템으로 인해 m3 수준의 큰 부피를 갖는다. 따라서 폭발물 및 마약 등등 사건 현장에서 채취한 미지의 시료에 대한 정밀분석을 위하여 적용되기에는 근본적인 어려움이 있다. 최근에 이를 극복하기 위해, Microelectromechanical systems(MEMS) 기술을 이용한 마이크로 가스 크로마토그래피(u-Gas Chromatography, u-GC)에 관한 연구들이 보고되고 있다. 예를 들어, 스퍼터링 된 open tubular 칼럼 내에 직사각형 기둥 array를 갖는 semi-packed 칼럼은 짧은 탄화수소 및 천연가스를 분리 할 수 있음이 입증되었다(J. Vial et al., "Silica sputtering as a novel collective stationary phase deposition for microelectromechanical system gas chromatography column: Feasibility and first separations", J. Chromatogr. A 1218, 3262-3266, 2011). 또 다른 예시로, 온도 프로그래밍을 위한 금속 필라멘트를 갖는 실리카 또는 흑연 스퍼터링 된 마이크로 칼럼을 사용하여 포화 및 불포화 탄화수소 사슬을 분리시키는데 성공하였다(R. Haudebourg et al. "Temperature-Programmed Sputtered Micromachined Gas Chromatography Columns: An Approach to Fast Separations in Oilfield Applications", Anal. Chem. 85, 114-120, 2013). 이와 더불어, 레이저 에칭된 아크릴 마이크로 분별기 칼럼 내에 ZIF-8-PVA cryogel을 집적시킴으로써 Polycyclic aromatic 탄화수소로 분별해냄으로써 마이크로-GC의 실용적인 응용 가능성을 제시하였다(C. Siritham et al. "A preconcentrator-separator two-in-one online system for polycyclic aromatic hydrocarbons analysis", Talanta 167, 573-582, 2017).
그러나, 종래의 연구에 따른 물질 분별기는, 대부분 기상 시료와 반응 비표면적이 적고, 실리카 나노파티클 등을 이용한 경우 불균일한 집적이 발생한다. 이로 인하여, 좌우 비대칭 peak 발생, peak broadening, tailing effect 등 재료적인 문제점에서 기인한 분별 성능 저하가 발생하여, 실질적인 응용으로 이어지지 못하고 있다.
(1) 국내등록특허 10-2015-0100209
(1) Micromech. Microeng. 2009, 19, 065032 (2) Micromech. Microeng. 2017, 27, 035012 (3) Environ. Sci. Technol. 2012, 46, 6065 (4) Chem. Commun., 2015, 51, 8920 (5) Anal. Chem. 2013, 85, 114 (6) Anal. Chem. 2018, 90, 13133
본 발명의 일 과제는, 종래의 가스 크로마토그래피 시스템의 근본적인 기술적 한계를 극복하기 위하여, 물질 분별기용 마이크로 칼럼 내 3차원 나노구조를 집적시키고 이를 고정상으로 활용함으로써, 3차원 나노구조의 고정상을 갖는 가스 크로마토그래피용 마이크로 분별기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 과제는 상기 3차원 나노구조의 고정상을 갖는 가스 크로마토그래피용 마이크로 분별기의 제조 방법을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급된 과제에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
상술한 본 발명의 일 과제를 달성하기 위한 본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 가스 크로마토그래피용 마이크로 분별기는, 트렌치를 갖는 베이스 기판, 상기 트렌치 내부에 배치되는 채널 칼럼 및 상기 베이스 기판과 결합하여 상기 채널 칼럼을 커버하는 커버 부재를 포함한다. 상기 채널 칼럼은, 3차원으로 서로 연결되는 정렬된 기공을 갖는 고정상을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 베이스 기판은, 실리콘, 유리, 쿼츠, 사파이어 및 고분자로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 고정상은 고분자, 금속 또는 세라믹으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 고정상은 상기 트렌치 저면 상에 배치되고, 상기 커버 부재와 이격되어 기체 유로를 형성한다.
일 실시예에 따르면, 상기 고정상은 상기 트렌치 저면 상에 배치된 하부 고정상 및 상기 커버 부재 하면에 결합되어 상기 하부 고정상과 적어도 일부가 이격되는 상부 고정상을 포함하여, 상기 하부 고정상과 상기 상부 고정상 사이에 기체 유로를 형성한다.
일 실시예에 따르면, 상기 고정상은 상기 채널 칼럼 내부를 전체적으로 충진한다.
일 실시예에 따르면, 상기 트렌치의 저면은 오목한 형상을 가지며, 상기 고정상은 상기 트렌치의 저면을 따라 오목한 상면을 갖는다.
일 실시예에 따르면, 가스 크로마토그래피 시스템은 마이크로 분별기, 상기 마이크로 분별기에 농축된 시료를 제공하는 전처리 농축기 및 상기 마이크로 분별기로부터 분별된 시료로부터 시료의 종류 또는 농도를 검출하는 센서를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 가스 크로마토그래피용 마이크로 분별기의 제조 방법은, 베이스 기판의 트렌치 내부에 감광성 필름을 형성하는 단계, 위상 마스크를 통해 3차원 분포를 갖는 광을 제공하여 상기 감광성 필름을 노광하는 단계 및 상기 노광된 감광성 필름을 현상하여, 서로 연결되는 정렬된 기공을 갖는 3차원 나노구조의 고분자 고정상을 형성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 위상 마스크는 상기 베이스 기판의 배면에 배치된다.
일 실시예에 따르면, 상기 감광성 필름 위에는 광학 매질 부재가 제공되고, 상기 위상 마스크는, 상기 광학 매질 부재 위에 배치된다.
일 실시예에 따르면, 상기 광학 매질 부재는 적어도 일부가 상기 트렌치 내에 배치되며, 굴절율 매칭 윤활제, 유리, 폴리디메틸실록산(polydimetyl siloxane: PDMS), 폴리우레탄 아크릴레이트(polyurethane acrylate: PUA) 및 퍼플루오로폴리에테르(perfluoropolyether: PFPE)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 가스 크로마토그래피용 마이크로 분별기의 제조 방법은, 상기 고분자 고정상의 기공의 적어도 일부를 충진하고 금속 또는 세라믹을 포 함하는 치환 고정상을 형성하는 단계, 및 상기 고분자 고정상을 제거하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에 따르면, 가스 크로마토그래피용 마이크로 분별기의 제조 방법은, 커버 부재의 일면에 서로 연결되는 정렬된 기공을 갖는 3차원 나노구조의 상부 고정상을 형성하는 단계 및 상기 상부 고정상이 상기 베이스 기판의 트렌치에 삽입되도록 상기 커버 부재와 상기 베이스 기판을 결합하는 단계를 더 포함한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 마이크로 분별기의 고정상은, 나노 스케일의 기공들이 3차원적으로 서로 연결되며, 주기성을 갖도록 정렬된 3차원 네트워크 구조를 가질 수 있다. 따라서, 구조물 내에서 효율적인 물질 이동이 가능하며, 표면적을 최대화할 수 있으므로, 분별기의 분배 성능을 증가시킬 수 있다. 따라서, 보다 작은 길이의 칼럼으로도 종래의 대형 분별기와 동등한 또는 이상의 성능을 가질 수 있다. 따라서, 분별기를 휴대용 기기 수준으로 소형화할 수 있다. 따라서, 빠른 피드백이 요구되는 다양한 현장에서 사용가능한 가스 크로마토그래피 시스템을 구축할 수 있다.
또한, 기상 시료가 고정상과 표면 반응하기 적합한 3차원의 정렬 다공성 구조를 갖기 때문에 향상된 비표면적을 바탕으로 기존 비정렬 마이크론 수준의 다공체 대비 단일 부피 당 흡착/탈착 분자 개수가 10배 내지 1,000배 향상될 수 있으며, 이는 검출 한계를 10배 내지 100,000배 향상시키는 것을 가능하게 한다. 따라서, 분별된 시료가 센서를 통해 검출될 때, 피크 강도, 피크 샤프니스, 해상도를 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 채널 칼럼의 길이가 단축되기 때문에 별도의 가열을 통한 표면 반응 유도 단계가 생략될 수 있어서 저온에서도 분별이 가능하다. 따라서, 소비전력이 절약되고, 가열원의 제거 혹은 소형화를 통한 전체 시스템 제작 공정이 간단해짐으로써, 양산화 관점에서 큰 장점이 있다.
또한, 고정상의 물질 치환을 통하여 내열성 등과 같은 물리적 특성 및 시료에 대한 선택성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 크로마토그래피용 마이크로 분별기를 도시한 평면도이다.
도 2는 도 1의 I-I' 선을 따라 도시한 단면도이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 크로마토그래피용 마이크로 분별기의 제조 방법을 도시한 단면도들이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 크로마토그래피용 마이크로 분별기의 제조 방법에서 고정상을 물질 치환하는 단계를 도시한 사시도이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 크로마토그래피용 마이크로 분별기의 제조 방법을 도시한 단면도들이다.
도 11 내지 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 크로마토그래피용 마이크로 분별기를 도시한 단면도들이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 크로마토그래피 시스템을 도시한 평면도이다.
도 16은 실시예 1의 3차원 나노구조의 고분자 고정상이 형성된 유리 기판의 평면 디지털 사진 및 단면 SEM(주사전자현미경) 사진이다.
도 17은 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1(Agilent J&W GC 칼럼)의 분별 테스트 결과를 도시한 그래프이다.
도 18은 실시예 1의 상온 분별 테스트 결과를 확대 도시한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 가스 크로마토그래피용 마이크로 분별기 및 그 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
본 출원에서 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 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 크로마토그래피용 마이크로 분별기를 도시한 평면도이다. 도 2는 도 1의 I-I' 선을 따라 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 마이크로 분별기(100)는 기상의 시료를 분배하기 위한 채널 칼럼(120)을 포함한다. 상기 채널 칼럼(120)은, 마이크로 분별기(100)의 용도, 분별 대상 등에 따라 다양한 형상 및 길이를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 지그재그 형상 외에도, 나선 형상, 방사 형상 등을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 채널 칼럼(120)의 길이는 수cm 내지 수십m일 수 있다. 또한, 상기 채널 칼럼(120)의 폭은 200 내지 1,000㎛ 이고, 깊이는 100 내지 500㎛ 일 수 있다.
상기 마이크로 분별기(100)는, 베이스 기판(110을 포함한다. 상기 베이스 기판(110)의 일면을 따라, 상기 채널 칼럼(120)을 위한 공간을 형성하는 트렌치가 형성될 수 있다. 상기 채널 칼럼(120)의 양단은 기상 시료가 주입되는 주입부(130) 및 분별된 기상 시료가 방출되는 방출부(140)에 각각 연결될 수 있다.
예를 들어, 상기 베이스 기판(110)은 실리콘, 유리, 쿼츠, 사파이어, 고분자, 금속 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자는, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리이미드(PI), 폴리아미드(PA), 폴리프로필렌(PP) 등을 포함할 수 있다.
상기 채널 칼럼(120)은 고정상(122)을 포함한다. 일 실시예에 따르면, 상기 마이크로 분별기(100)는 모세관 칼럼 타입일 수 있다. 모세관 칼럼 타입을 갖는 채널 칼럼(120)의 경우, 상기 고정상(122)이 배치되지 않는 빈 공간을 포함할 수 있으며, 이는 기체 유로(124)로 정의될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 고정상(122)은 3차원 다공성 나노구조를 갖는다. 바람직하게, 상기 고정상(122)은 3차원으로 서로 연결되는 정렬된 기공들을 갖는다. 상기 고정상(122)은, 금속, 세라믹, 반도체, 고분자 등과 같은 다양한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 고정상(122)은, 세륨 산화물(CeO2), 알루미늄 산화물(Al2O3), 티타늄 산화물(TiO2), 지르코늄 산화물(ZrO2), 아연 산화물(ZnO), 티타늄 질화물(TiN) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 고정상(122)은, 금, 은, 백금, 팔라듐, 루테늄, 로듐, 이리듐, 바나듐, 니켈, 코발트, 구리, 텅스텐, 몰리브덴, 망간, 알루미늄, 철 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자는, 가교 결합된 에폭시 수지, 아크릴 수지, 페놀 수지 등을 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명에서 사용 가능한 고정상 구성 물질은 이에 한정되지 않으며, 분별 대상 물질 등에 따라 다양한 물질이 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 마이크로 분별기(100)는, 상기 베이스 기판(110)과 결합되며, 상기 채널 칼럼(120)을 커버하는 커버 부재(150)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 마이크로 분별기(100)는 가열 부재(152)를 더 포함할 수 있다. 상기 가열 부재(152)는, 열 전도성이 높은 구리, 알루미늄, 니켈, 은 등과 같은 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 가열 부재(152)는 줄 가열(Joule heating)을 통해 상기 채널(120) 내의 온도를 조절 또는 유지할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 가열 부재(152)는 상기 커버 부재(150)의 상면에 결합될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않으며, 상기 가열 부재(152)는 상기 커버 부재(150)의 하면에 결합되거나, 상기 베이스 기판(110)의 하면 또는 측면에 결합될 수도 있다. 또한, 상기 가열 부재(152)는 생략될 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 고정상(122)은, 나노 스케일의 기공들이 3차원적으로 서로 연결되며, 주기성을 갖도록 정렬된 3차원 네트워크 구조를 가질 수 있다. 따라서, 구조물 내에서 효율적인 물질 이동이 가능하며, 표면적을 최대화할 수 있으므로, 분별기의 분배 성능을 증가시킬 수 있다. 따라서, 보다 작은 길이의 칼럼으로도 종래의 대형 분별기와 동등한 또는 이상의 성능을 가질 수 있다. 따라서, 분별기를 휴대용 기기 수준으로 소형화할 수 있다.
또한, 기상 시료가 고정상과 표면 반응하기 적합한 3차원의 정렬 다공성 구조를 갖기 때문에 향상된 비표면적을 바탕으로 기존 비정렬 마이크론 수준의 다공체 대비 단일 부피 당 흡착/탈착 분자 개수가 10배 내지 1,000배 향상될 수 있으며, 이는 검출 한계를 10배 내지 100,000배 향상시키는 것을 가능하게 한다. 따라서, 분별된 시료가 센서를 통해 검출될 때, 피크 강도, 피크 샤프니스, 해상도를 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 채널 칼럼의 길이가 단축되기 때문에 별도의 가열을 통한 표면 반응 유도 단계가 생략될 수 있어서 저온에서도 분별이 가능하다. 따라서, 소비전력이 절약되고, 가열원의 제거 혹은 소형화를 통한 전체 시스템 제작 공정이 간단해짐으로써, 양산화 관점에서 큰 장점이 있다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 크로마토그래피용 마이크로 분별기의 제조 방법을 도시한 단면도들이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 크로마토그래피용 마이크로 분별기의 제조 방법에서 고정상을 물질 치환하는 단계를 도시한 사시도이다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 나노구조의 고정상을 형성하기 위하여, 자가조립(Self-Assembly), 간섭 리소그라피(Interference Lithography), 스테레오 리소그라피(Stereo Lithography), 홀로그래픽 리소그라피(Holographic Lithography), 직접 잉크 라이팅(Direct Ink Writing), 3D 프린팅(3D Printing) 등 다양한 기술이 사용될 수 있으며, 3차원 나노구조의 고정상을 형성하는 방법을 설명하기 위하여, 동 출원인의 한국특허출원 2018-0041150, 2017-0041150 및 2016-0116160, 그리고 한국등록특허 1391730, 1400363, 1358988, 1919906 및 1902382에 기술된 방법이 본 출원에 참조로 병합될 수 있다.
이하에서는 예시로서, 근접장 나노패터닝 기술(Proximity-Field Nanopatterning, PnP)을 이용한 실시예를 설명하기로 한다.
도 3을 참조하면, 베이스 기판(110)의 트렌치 내에, 감광성 필름(128)을 형성한다. 상기 트렌치는 알려진 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 깊은 반응성 이온 에칭(DRIE), 습식 리소그래피 갈바노 폼 성형(LIGA) 등이 이용될 수 있다.
상기 감광성 필름(128)은, 감광성 조성물을 상기 트렌치 내부에 제공한 후, 예를 들면 약 50℃ 내지 약 100℃ 범위의 온도로 소프트 베이킹(soft baking) 처리하여 형성될 수 있다. 가열 시간은 적절하게 조절될 수 있으며, 예를 들어 약 5분 내지 3시간 동안 가열될 수 있다.
예를 들어, 상기 감광성 필름(128) 형성을 위한 감광성 조성물은, 광가교성을 갖는 유-무기 하이브리드 물질, 하이드로 젤, 페놀릭 수지, 에폭시 수지 등을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 상기 감광성 조성물로는 SU-8 시리즈, KMPR 시리즈, ma-N 1400 (이상 MicroChem) 등의 포토레지스트가 사용될 수 있다.
상기 감광성 조성물을 상기 트렌치에 제공하기 위하여 알려진 다양한 방법이 사용될 수 있으나, 상기 채널의 폭을 고려할 때, 마이크로 피펫 또는 주사기를 통하여 채널 내로 흘려주는 방법이 바람직하게 사용될 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 근접장 나노 패터닝을 수행하여 고분자 고정상(122a)을 형성한다. 일 실시예에 따르면, 상기 베이스 기판(110)의 하면에 위상 마스크(170)를 접촉시키고, 상기 위상 마스크(170) 및 상기 베이스 기판(110)을 통해, 3차원 분포를 갖는 광을 상기 감광성 필름(128)에 조사한다.
상기 PnP 방법에 있어서, 예를 들면 엘라스토머(elastomer) 물질을 포함하는 위상 마스크에 투과되는 빛의 간섭 현상으로부터 발생된 주기적인 3차원 분포가 활용되어 상기 감광성 필름(128)이 패터닝될 수 있다. 예를 들면, 표면에 요철 격자 구조가 형성된 유연한 탄성체 기반의 위상 마스크(170)를 상기 베이스 기판(110)에 접촉시키면 반 데르 발스(Van der Waals) 힘에 기반하여 상기 위상 마스크(170)가 자연적으로 상기 베이스 기판(110)에 밀착(예를 들면, 콘포멀(conformal) 접촉)할 수 있다.
상기 위상 마스크(170)의 격자 주기와 유사한 범위의 파장을 갖는 레이저를 상기 위상 마스크(170) 표면에 조사하면 탈봇 효과에 의해 3차원적인 빛의 분포가 형성될 수 있다. 네거티브 톤의 포토레지스트를 사용하는 경우, 보강 간섭으로 빛이 강하게 형성된 부분만 선택적으로 포토레지스트의 가교가 일어나고 상대적으로 빛이 약한 나머지 부분은 가교를 위한 노광량이 충분하지 못하기 때문에 현상(developing) 과정에서 용해되어 제거될 수 있다. 최종적으로 건조(drying) 과정을 거치면 상기 레이저의 파장 및 상기 위상 마스크의 디자인에 따라 수 백 나노미터(nm) ~ 수 마이크로미터(㎛) 수준의 주기적인 3차원 구조가 네트워크로 연결된 다공성 고분자 소재가 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 PnP 방법에 사용되는 위상 마스크(170)의 패턴 주기 및 입사광의 파장을 조절하여 고분자 고정상(122a)의 기공 사이즈 및 주기성을 조절할 수 있다.
예를 들어, 상기 PnP 방법에 사용되는 상기 위상 마스크는 폴리디메틸실록산(polydimetyl siloxane: PDMS), 폴리우레탄 아크릴레이트(polyurethane acrylate: PUA), 퍼플루오로폴리에테르(perfluoropolyether: PFPE) 등의 물질을 포함할 수 있다.
예를 들어, 노광을 위하여 i- 라인(365 nm) 광원이 사용될 수 있으며, 노광량(exposing dose energy)은 막 두께에 따라 10 내지 30 mJ/cm2 일 수 있다.
예를 들어, 노광된 감광성 필름은, 약 50℃ 내지 약 100℃ 범위의 온도로 다시 베이킹될 수 있다. 가열 시간은 적절하게 조절될 수 있으며, 예를 들어 약 5분 내지 30분 동안 가열될 수 있다.
예를 들어, 상기 감광성 필름(128)이 네거티브 톤 포토레지스트로 형성된 경우, 현상액에 의해 비노광부가 제거되고 노광부가 잔류할 수 있다. 이에 따라, 3차원 나노 기공을 포함하는 고분자 고정상(122a)이 형성될 수 있다.
상기 현상액으로서 예를 들면, 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트(propylene glycol monomethyl ether acetate: PGMEA), 에틸 락테이트(ethyl lactate), 디아세톤알콜(diacetone alcohol), 테트라메틸암모늄 히드록시드(TMAH), Su-8용 현상액 등이 사용될 수 있다. 또한, 린싱을 위하여 에탄올 또는 이소프로필 알콜 등과 같은 알콜이 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 고분자 고정상(122a)은 약 1 nm 내지 약 2,000 nm 범위의 나노 스케일의 기공들이 3차원적으로 서로 연결되며, 주기성을 갖도록 정렬된 3차원 네트워크 구조를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 고분자 고정상(122a)은 자체로서 분별을 위한 고정상으로 사용될 수도 있으나, 물질 치환을 위한 주형으로 사용될 수도 있다. 예를 들어, 도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 고분자 고정상(122a)의 기공의 적어도 일부를 충진하여 치환 고정상(122b)을 형성하고, 상기 고분자 고정상(122a)을 제거함으로써, 상기 고분자 고정상(122a)에 대응되는 기공을 갖는 치환 고정상(122b)을 형성할 수 있다.
상기 치환 고정상(122b)은 목적에 따라 다양한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 치환 고정상(122b)은 세라믹 또는 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 세라믹은 세륨 산화물(CeO2), 알루미늄 산화물(Al2O3), 티타늄 산화물(TiO2), 지르코늄 산화물(ZrO2), 아연 산화물(ZnO), 티타늄 질화물(TiN) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 금속은, 금, 은, 백금, 팔라듐, 루테늄, 로듐, 이리듐, 바나듐, 니켈, 코발트, 구리, 텅스텐, 몰리브덴, 망간, 알루미늄, 철 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 치환 고정상(122b)은 알려진 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 치환 고정상(122b)은 화학기상증착, 원자층 증착, 전기 도금, 무전해 도금, 용융 금속 함침법 등을 통해 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 치환 고정상(122b)은 알루미늄 산화물 등과 같은 세라믹을 포함하고, 원자층 증착에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 디에틸아연(DEZ), 물(H2O), 암모니아(NH3), 테트라키스(디메틸아미도)티타늄(IV)(TDMAT), 트리메틸알루미늄(TMA) 등의 전구체가 사용될 수 있으나, 본 발명의 실시예는 이에 한정되지 않으며, 타겟 물질에 적합한 알려진 다양한 전구체들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 원자층 증착은, 40 내지 100 ℃에서, 목적하는 두께에 따라 100 내지 1,000 사이클을 반복하여 수행될 수 있다. 세라믹을 포함하는 3차원 나노구조의 고정상은, 가열 및 온도 변화에 대하여 높은 안정성을 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 치환 고정상(122b)은, 상기 고분자 고정상(122a)의 기공을 완전히 충진하여, 상기 고분자 고정상(122a)의 역상을 가질 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 상기 고분자 고정상(122a)의 기공 내벽에 박막으로 코팅되어 나노 쉘 구조를 형성할 수도 있다.
상기 주형으로 사용된 고분자 고정상(122a)은 열처리, 유기 용매를 이용한 초음파 처리, 플라즈마 식각, 습식 식각 등에 의해 제거될 수 있다. 예를 들어, 1 내지 5 ℃/min의 속도로 승온하여, 200 내지 600 ℃에서 10분 이상 가열을 수행함으로써, 상기 고분자 고정상(122a)을 제거할 수 있다. 상기 승온 속도가 과도하게 높을 경우, 상기 고분자 고정상(122a)의 변형으로 인하여, 상기 치환 고정상(122b)의 3차원 구조가 손상될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 고분자 고정상(122a) 또는 상기 치환 고정상(122b)의 표면에는 반응 활성화 물질이 추가로 제공될 수 있다. 상기 반응 활성화 물질은, 분별 성능을 개선하기 위하여, 대상 시료와의 반응성 또는 흡착성을 증가시키는 목적으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 상기 반응 활성화 물질은 용액 공정을 통해 상기 고분자 고정상(122a) 또는 상기 치환 고정상(122b)의 표면에 코팅될 수 있다.
상기 반응 활성화 물질로는, 검출 대상의 종류에 따라 다양한 물질이 사용될 수 있다. 예를 들어, 검출 대상이 다음의 화학식 1-1에 나타낸 것과 같이, 수소 결합 받개(H-bond acceptor) 작용기(점선 안)를 갖는 물질(코타인, 헤로인, 모르핀, 메타암페타민, 엑스타시, 케타민 등)인 경우, 다음의 화학식 1-2에 나타낸 것과 같이, 수소 결합 주개(H-bond donor) 작용기를 갖는 물질이 반응 활성화 물질로 사용될 수 있다.
<화학식 1-1>
Figure 112019033849517-pat00001
<화학식 1-2>
Figure 112019033849517-pat00002
또한, 검출 대상이 다음의 화학식 2-1에 나타낸 것과 같이, 전하 이동 주개(charge-transfer donor) 작용기(점선 안)를 갖는 물질(LSD, 마리화나, 모르핀 등)인 경우, 다음의 화학식 2-2에 나타낸 것과 같이, 전하 이동 받개(charge-transfer acceptor) 작용기를 갖는 물질이 반응 활성화 물질로 사용될 수 있다.
<화학식 2-1>
Figure 112019033849517-pat00003
<화학식 2-2>
Figure 112019033849517-pat00004
상기 화학식 1-2 또는 2-2의 작용기를 갖는 물질들은 종래에 알려진 것들이 다양하게 사용될 수 있다.
상기 고분자 고정상(122a) 또는 상기 치환 고정상(122b)을 형성한 후, 상기 베이스 기판(110) 위에 커버 부재(150)를 결합시킨다.
상기 커버 부재(150)는, 상기 베이스 기판(110)과 동일 또는 유사한 물질, 예를 들어, 실리콘, 유리, 쿼츠, 사파이어, 고분자, 금속 등을 포함할 수 있다. 상기 베이스 기판(110)과 상기 커버 부재(150)는, 양극 접합, 결정 접합, 융합, 접착제 등을 이용한 알려진 웨이퍼 본딩 기술에 의해 결합될 수 있다. 일 실시예에 따르면 상기 베이스 기판(110)을 실리콘을 포함하고, 상기 커버 부재(150)는 유리를 포함할 수 있다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 크로마토그래피용 마이크로 분별기의 제조 방법을 도시한 단면도들이다.
도 8을 참조하면, 트렌치 내에 배치된 감광성 필름(128) 위에 광학 매질 부재(160)를 제공한다. 상기 광학 매질 부재(160)는, 근접장 나노 패터닝 공정(PnP)에서, 상기 감광성 필름(128)에 효율적으로 전달하는 역할을 할 수 있다.
앞서 설명한 것과 같이, 모세관 칼럼 타입을 갖는 채널 칼럼의 경우, 고정상이 배치되지 않는 빈 공간을 형성하기 위하여, 상기 감광성 필름(128) 상면의 높이는, 상기 베이스 기판(110) 상면의 높이보다 낮다. 이 경우, 상기 베이스 기판(110)에 위상 마스크를 밀착시키더라도, 위상 마스크와 감광성 필름(128) 사이에 발생한 갭으로 인하여 패터닝 균일성이 저하될 수 있다. 또한, 도 4에서는 배면 노광을 통해 PNP 방법을 수행하는 방법을 설명하였으나, 도 8에 도시된 것과 같이, 베이스 기판(110)의 배면에 금속 필름 또는 가열 부재(152) 등과 같은 투명도가 낮은 부재가 배치되는 경우 배면 노광을 수행하기 어렵다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기와 같은 패터닝 불량과 배면 노광의 한계를 극복하기 위하여, 위상 마스크와 감광성 필름(128) 사이에 광학 매질 부재(160)를 제공함으로써, 패터닝이 균일하게 수행될 수 있다. 또한, 하부의 금속 박막에 의한 광 반사에 의해 패터닝의 균일성이 향상될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광학 매질 부재(160)는, 고분자를 포함하는 고분자 필름일 수 있다. 바람직하게, 상기 광학 매질 부재(160)는 위상 마스크와 동일한 계열의 고분자를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 폴리디메틸실록산(polydimetyl siloxane: PDMS), 폴리우레탄 아크릴레이트(polyurethane acrylate: PUA), 퍼플루오로폴리에테르(perfluoropolyether: PFPE) 등을 포함할 수 있다. 상기 광학 매질 부재(160)를 형성하기 위하여, 상기 고분자의 조성물 또는 모노머 조성물을 상기 감광성 필름(128) 위에 코팅하고 건조 또는 경화할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 광학 매질 부재(160)는 유리를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 광학 매질 부재(160)는 상기 트렌치에 대응되는 돌출부를 가질 수 있으며, 상기 돌출부가 상기 트렌치에 삽입되도록 얼라인 될 수 있다. 유리는 PDMS(굴절율: 1.45) 보다 큰 굴절율(1.46 이상)을 가짐으로써, 상기 감광성 필름(굴절율: 예를 들어, 1.65 내지 1.7, Su-8(제품명)의 경우 1.67)과 보다 가까운 굴절율을 가질 수 있다. 이로 인하여, PDMS를 사용하는 경우에 비하여 3차원 분포 광이, 상기 감광성 필름(128)에 보다 잘 전달될 수 있다. 바람직하게, 상기 유리는 일반 유리보다 굴절율이 큰 소다라임 유리가 사용될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 광학 매질 부재(160)는 굴절율 매칭 윤활제를 포함할 수 있다. 상기 굴절율 매칭 윤활제는 액상의 혼합물일 수 있으며, 상기 트렌치를 채우도록 제공될 수 있다.
도 9를 참조하면, 근접장 나노 패터닝을 수행하여 고분자 고정상(122a)을 형성한다. 일 실시예에 따르면, 상기 광학 매질 부재(160)의 상면에 위상 마스크(170)를 접촉시키고, 상기 위상 마스크(170) 및 상기 광학 매질 부재(160)를 통해, 3차원 분포를 갖는 광을 상기 감광성 필름(128)에 조사하여 고분자 고정상(122a)을 형성한다.
일 실시예에 따르면, 본 발명의 마이크로 분별기의 고정상은, 베이스 기판의 트렌치 내에 형성되지 않고, 커버 부재 상에 형성될 수도 있다. 예를 들어, 도 10에 도시된 것과 같이, 3차원 나노구조의 고정상(126)을 커버 부재(150)의 일면에 패턴으로 형성한 후, 상기 고정상(126)이 베이스 기판(110)의 트렌치 내에 삽입되도록, 상기 커버 부재(150)와 상기 베이스 기판(110)을 결합시킬 수 있다.
도 11을 참조하면, 상기 고정상(126)은 상기 커버 부재(150)의 하면에 결합되고, 상기 고정상(126)과 트렌치의 저면 사이에 기체 유로(124)가 정의될 수 있다.
도 12 및 도 13은 채널 칼럼 내에서 고정상과 시료의 접촉 면적을 증가시키기 위한 실시예들을 도시한다.
도 12를 참조하면, 베이스 기판(110)의 트렌치 저면에 하부 고정상(122)이 배치되고, 커버 부재(150)의 하면에 상부 고정상(126)이 배치되며, 기체 유로(124)는 상기 하부 고정상(122) 및 상부 고정상(126) 사이에 정의된다.
도 13을 참조하면, 베이스 기판(110)의 트렌치는 오목한 형상의 단면을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 트렌치는 반원 또는 오목한 삼각형 모양의 단면을 가질 수 있다.
이러한 구조와 함께, 베이스 기판(110)에 대한 감광성 조성물의 젖음성을 증가시키면(예를 들어, 친수성 용매 사용), 상기 트렌치 내에 형성되는 하부 고정상(122)이 비교적 콘포말하게 형성되어 오목한 상면을 가짐으로써, 시료와의 접촉 면적이 증가될 수 있다. 또한, 선택적으로, 커버 부재(150)의 하면에 상부 고정상(126)이 추가 배치되어 기체 유로(124)는 상기 하부 고정상(122) 및 상부 고정상(126) 사이에 정의될 수 있다.
일 실시예에 따른 3차원 나노구조의 고정상을 포함하는 마이크로 분별기는 전술한 것과 같이 기체 유로를 포함하는 모세관 칼럼 타입에 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 충진 칼럼 타입에 적용될 수도 있다.
예를 들어, 도 14를 참조하면, 마이크로 분별기는 베이스 기판(110)의 트렌치에 배치된 칼럼 채널(120)은, 고정상에 의해 전체적으로 충진될 수 있다. 예를 들어, 상기 베이스 기판(110)의 트렌치 저면에 하부 고정상(122)을 형성한 후, 도 10에 도시된 것과 같이, 커버 부재(150)의 일면에 형성된 상부 고정상(126)을 삽입함으로써, 전체적으로 고정상에 의해 충진된 칼럼 채널(120)을 얻을 수 있다. 본 발명의 실시예에서 3차원 나노구조의 고정상을 형성하기 위하여 PNP 기술을 이용할 경우, 포토레지스트의 광흡수로 인하여 트렌치 내부를 전체적으로 충진하는 고정상을 형성하기 어렵다. 그러나, 본 실시예에 따르면, 베이스 기판(110)의 트렌치 내부에 형성된 하부 고정상(122)와 커버 부재(150)의 일면에 형성된 상부 고정상(126)을 조립하여, 트렌치를 충진할 수 있는 두께를 갖는 고정상을 얻을 수 있다.
또한, 상기 3차원 나노 구조의 고정상은, 3차원으로 서로 연결된 정렬된 기공들을 포함한다. 따라서, 충진 칼럼 타입에서도 시료의 이동이 가능할 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 크로마토그래피 시스템을 도시한 평면도이다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 크로마토그래피 시스템은, 전처리 농축기, 마이크로 분별기 및 센서를 포함한다. 상기 전처리 농축기는 기체 시료를 농축하여 고농도의 시료를 상기 마이크로 분별기로 제공할 수 있다. 상기 마이크로 분별기는 시료를 분별하여 순차적으로 센서로 제공할 수 있다. 상기 센서는 상기 마이크로 분별기로부터 제공된 시료의 종류 및 농도를 검출할 수 있다.
상기 마이크로 분별기는, 기상의 시료를 분배하기 위한 채널 칼럼(120)을 포함한다. 상기 마이크로 분별기(100)는, 베이스 기판(110)을 포함하고, 상기 베이스 기판(110)의 일면을 따라, 상기 채널 칼럼(120)을 위한 공간을 형성하는 트렌치가 형성된다. 상기 채널 칼럼(120)의 양단은 기상 시료가 주입되는 주입부(130) 및 분별된 기상 시료가 방출되는 방출부(140)에 각각 연결될 수 있다. 상기 마이크로 분별기의 구성은 기설명된 실시예와 실질적으로 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
상기 전처리 농축기는 트렌치가 형성된 베이스 기판(210)을 포함한다. 상기 트렌치는 농축부(212), 주입부(220) 및 방출부(230)를 포함할 수 있다. 상기 농축부(212)에는 3차원 다공성 나노구조물이 배치된다. 상기 3차원 다공성 나노구조물은, 3차원으로 서로 연결되는 정렬된 기공들을 갖는다. 상기 3차원 다공성 나노구조물은, 금속, 세라믹, 반도체, 저분자 유기 화합물, 고분자 등과 같은 다양한 물질을 포함할 수 있다.
상기 주입부(220)를 통해 기체 시료가 주입되어, 상기 농축부(212)로 전달 될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 기체 시료는 적절한 운반 기체와 함께 제공될 수 있다. 상기 농축부(212)에서 흡착 및 탈착에 의해 농축된 기체 시료는 방출부(230)를 통해, 상기 마이크로 분별기의 주입부(130)에 제공될 수 있다. 상기 전처리 농축기의 방출부(230)와 상기 마이크로 분별기의 주입부(130)는 튜브 등을 이용한 연결 칼럼(10)에 의해 연결될 수 있다.
또한, 다른 실시예에서 상기 마이크로 분별기 및 상기 전처리 농축기는 동일한 기판 내에 배치될 수 있다. 이 경우, 별도의 튜브 없이, 기판에 형성된 트렌치를 연결 칼럼으로 이용할 수 있다. 필요에 따라, 상기 마이크로 분별기의 고정상 및 상기 농축부(212)의 3차원 다공성 나노구조물은 동일한 공정을 통해 형성될 수도 있다.
상기 전처리 농축기의 3차원 다공성 나노구조물은, 마이크로 분별기의 고정상과 유사하게, 근접장 나노패터닝 등을 통해 형성될 수 있다. 따라서, 상기 3차원 다공성 나노구조물은 서로 연결된 네트워크 구조를 가짐으로써 열전달이 균일하고 빠르고, 높은 기공율로 인하여 낮은 중량을 갖는다. 따라서, 낮은 에너지로 가열될 수 있으며, 빠른 시간에 균일한 가열이 가능함으로써, 가스 시료를 높은 밀도로 단시간에 방출할 수 있다. 따라서, 사전 농축기의 농축 성능을 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 3차원 다공성 나노 구조물은 압력 강하(back-pressure)를 최소화할 수 있다.
예를 들어, 상기 센서(300)는 자외선(UV)을 인가하여 해리되는 전자로 인한 전압 변화를 측정하는 광이온화 방식(PID) 센서, 수소용 이온화 검출(FID) 센서, 전기화학 센서, 표색(colorimetric) 센서, 표면 탄성파 센서 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 크로마토그래피 시스템은, 3차원 나노 구조가 도입된 전처리 농축기 및 마이크로 분별기를 이용함으로써, 소형화가 가능하여 현장 검출에 가능한 휴대용 기기로 제공될 수 있다. 또한, 기존의 센서 시스템으로 정확한 식별이 어려운 일부 마약류, 폭발성 화합물, 휘발성 유기 화합물(상온에서 낮은 증기압으로 인하여 공기 중에 극미량의 농도로 존재)에 대한 검출이 가능하다.
이하에서는 본 발명의 효과에 대하여 구체적인 실시예 및 실험을 참조하여 설명하기로 한다.
실시예 1
유리 기판에 형성된 트렌치 내에 포토레지스트(상품명: SU-8, MicroChem사 제조)를 흘려준 후에, 핫 플레이트 상에서 50℃ 내지 100℃로 60분 동안 가열하였다. 다음으로 상기 유리 기판의 배면에 주기적인 요철 구조를 갖는 PDMS 재질의 위상 마스크를 접촉시키고 배면으로부터 광을 조사하였다. 상기 위상 마스크는 600nm의 주기를 가지며 사각 격자형으로 배열된 구멍을 가졌으며, i- 라인(365 nm) 광원으로 노광량(exposing dose energy)은 약 20 mJ/cm2 으로 노광 공정을 수행하였다.
다음으로, 상기 노광된 감광성 필름을 다시 가열하고(50℃ 내지 100℃로 10분), 현상하여 3차원 나노구조의 고정상을 형성하였다.
실시예 2
실시예 1의 3차원 나노구조의 고분자 고정상이 형성된 유리 기판을 챔버에 반응 챔버에 투입하고, 트리메틸알루미늄을 알루미늄 전구체로 이용하여 약 80℃에서 원자층 증착 공정을 수행하였다(압력: 약 10-3 Torr, 700 사이클).
다음으로, 상기 챔버 온도를 약 500℃로 승온한 후(3 ℃/min), 약 2시간 동안 공기 분위기에서 열처리하여 상기 고분자 고정상을 제거함으로써, 상기 유리 기판의 트렌치 내에 3차원 나노구조의 알루미늄 산화물(Al2O3) 고정상을 얻었다.
도 16은 실시예 1의 3차원 나노구조의 고분자 고정상이 형성된 유리 기판의 평면 디지털 사진 및 단면 SEM(주사전자현미경) 사진이다.
도 16을 참조하면, 실시예 1을 통해 정렬된 기공을 갖는 3차원 나노구조의 고분자 고정상이 유리 기판의 트렌치 내에 형성된 것을 확인할 수 있다.
도 17은 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1(Agilent J&W GC 칼럼)의 분별 테스트 결과를 도시한 그래프이다. 도 18은 실시예 1의 상온 분별 테스트 결과를 확대 도시한 그래프이다. 상기 실험에서, 용매 기체로는 메탄올을 사용하였으며, 센서는 FID 방식을 사용하였다.
도 17 및 도 18을 참조하면, 비교예 1의 경우 상온(25℃) 및 고온(95℃)에서 모두 분별능을 갖지 못하였으나, 고분자 고정상을 이용한 실시예 1(3D SU-8)의 경우, 상온에서 분별능을 가졌으며, 알루미늄 산화물 고정상을 이용한 실시예 2(3D Al2O3)의 경우, 고온에서 분별능(피크 분리 나타남)을 갖는 것을 확인할 수 있었다.따라서, 본 발명의 실시예들을 통하여, 매우 작은 길이(3cm)의 채널 칼럼에서도 작은 농도의 시료를 분별할 수 있으며, 이를 통해 가스 크로마토그래피의 응용 및 성능 향상을 기대할 수 있음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 마이크로 분별기는 마약류, 휘발성 유기 화합물, 폭발성 화합물 등과 같은 다양한 기체 시료의 검출에 이용될 수 있다. 예를 들어, 센서와의 연결을 통해 휴대용 다종 기상 시료 검출 센서 시스템으로의 응용이 가능하다. 이는 범죄 및 테러 등 다양한 사건 현장에서의 실시간 다종 시료검출이 가능한 휴대용 마이크로 가스 크로마토그래피 시스템(Portable μ-GC System)으로 응용될 수 있다.

Claims (14)

  1. 베이스 기판의 트렌치 내부에 감광성 필름을 형성하는 단계;
    상기 감광성 필름 위에 적어도 일부가 상기 트렌치 내부에 배치되며, 굴절율 매칭 윤활제, 유리, 폴리디메틸실록산(polydimetyl siloxane: PDMS), 폴리우레탄 아크릴레이트(polyurethane acrylate: PUA) 및 퍼플루오로폴리에테르(perfluoropolyether: PFPE)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 광학 매질 부재를 배치하는 단계;
    상기 광학 매질 부재 위에 위상 마스크를 배치하는 단계;
    상기 위상 마스크를 통해 3차원 분포를 갖는 광을 제공하여 상기 감광성 필름을 노광하는 단계;
    상기 노광된 감광성 필름을 현상하여, 서로 연결되는 정렬된 기공을 갖는 3차원 고분자 나노구조를 형성하는 단계;
    상기 3차원 고분자 나노구조의 기공의 적어도 일부를 충진하고 금속 또는 세라믹을 포함하는 고정상을 형성하는 단계;
    상기 3차원 고분자 나노구조를 제거하는 단계; 및
    상기 베이스 기판과 커버 부재를 결합하여 상기 커버 부재와 상기 고정상 사이에 기체 유로를 형성하는 단계를 포함하는 가스 크로마토그래피용 마이크로 분별기의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 베이스 기판은, 실리콘, 유리, 쿼츠, 사파이어 및 고분자로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 크로마토그래피용 마이크로 분별기의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 위상 마스크와 상기 광학 매질 부재는 동일한 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 크로마토그래피용 마이크로 분별기의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 광학 매질 부재는 상기 위상 마스크 보다 큰 굴절율을 갖는 것을 특징으로 하는 가스 크로마토그래피용 마이크로 분별기의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 광학 매질 부재는 유리를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 크로마토그래피용 마이크로 분별기의 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 트렌치의 저면은 오목한 형상을 가지며, 상기 고정상은 상기 트렌치의 저면을 따라 오목한 상면을 갖는 것을 특징으로 하는 가스 크로마토그래피용 마이크로 분별기의 제조 방법.
  8. 제1항 내지 제5항 및 제7항 중 어느 하나에 의해 제조된 마이크로 분별기;
    상기 마이크로 분별기에 농축된 시료를 제공하는 전처리 농축기; 및
    상기 마이크로 분별기로부터 분별된 시료로부터 시료의 종류 또는 농도를 검출하는 센서를 포함하는 가스 크로마토그래피 시스템.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
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