KR102539836B1

KR102539836B1 - 피부 부착형 유체 포집 패치 및 그의 제조방법

Info

Publication number: KR102539836B1
Application number: KR1020210049851A
Authority: KR
Inventors: 조길원; 손종현
Original assignee: 재단법인 나노기반소프트일렉트로닉스연구단; 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2021-04-16
Filing date: 2021-04-16
Publication date: 2023-06-07
Also published as: KR20220143395A; WO2022220369A1

Abstract

피부 부착형 유체 포집 패치 및 그의 제조방법이 개시된다. 본 발명의 피부 부착형 유체 포집 패치는 발수성부/친수성부 지 패턴을 형성함으로써 기존의 유체 포집 장치보다 빠른 속도의 유체의 포집을 가능케 하며, 피부 부착 시 신체 움직임에 따른 기울기 변화에 관계가 없고, 다양한 종류의 센서와 결합하여 사용이 가능하다.

Description

피부 부착형 유체 포집 패치 및 그의 제조방법{SKIN-ATTACHABLE FLUID COLLECTING PATCH COMPRISING SAME AND METHOD OF FABRICATING SAME}

본 발명은 피부 부착형 유체 포집 패치 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 발수성/친수성 지 패턴을 형성함으로써 기존의 유체 포집 장치보다 빠른 속도의 유체의 포집을 가능케 하며, 피부 부착 시 신체 움직임에 따른 기울기 변화에 관계가 없고, 다양한 종류의 센서와 결합하여 사용이 가능한 유체 포집 패치 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

마이크로플루이딕스 채널을 이용한 유체 포집 기술은 다양한 산업 전반에 걸쳐 활용되고 있는 기술로 소량의 유체를 포집 및 보존, 운반함으로써 미지의 유체 분석을 용이하게 만드는 기술이다. 특별히, 이러한 유체 포집 기술은 신체에 존재하는 체액 분석을 위해서 또한 효과적으로 사용될 수 있는데, 1차적으로는 체액을 포집하는데 효과적으로 사용되며, 2차적으로는 분석 장치와 결합하여 체액 분석을 위한 하나의 장치로서 사용되기도 한다.

체액은 혈액, 땀, 눈물, 침 등을 포함하며, 이러한 체액들 안에는 우리 몸의 건강상태를 나타내는 다양한 물질(대사물질, 전해질, 아미노산, 호르몬, 미세 화학물질 등)이 포함되어 있다. 따라서 우리는 체액 분석을 통해 건강 상태에 대한 정보를 얻을 수 있는데, 이러한 이유로 다양한 체액 분석 센서들이 개발되었다. 특별히, 다양한 종류의 체액들 중 땀이나 눈물, 침의 경우 혈액과 달리 비침습성의 특징을 갖는 체액으로서 고통 없이 지속적으로 포집이 가능하다. 따라서 이러한 비침습성 포집이 가능한 체액 대상의 웨어러블 타입의 센서 개발이 활발하게 이루어지고 있다.

웨어러블 타입 센서의 경우, 기존의 고정형 체액 분석 장비들과 달리 피부에 부착된 상태에서 자체적으로 체액을 포집한 뒤, 분석하여야 하는데, 체액 포집 시 오염이 일어나거나 충분한 양의 체액을 포집하지 못할 경우 또 너무 느리게 포집이 될 경우 그 측정값의 오류가 생길 수 있으므로 정확한 분석을 위해서는 효과적인 체액 포집 기술이 매우 중요하다. 따라서 웨어러블 센서의 효과적인 사용을 위해서는 지속적으로 신체에서 분비되는 체액의 빠르고 효율적인 포집 및 운반이 가능한 유체 포집 시스템의 개발이 필요하다. 또한 체액을 신체 위에서 포집해야 하므로 유연한 구조체를 기반으로 제작되어야 하며, 신체의 움직임에 관계없는 포집 및 운반이 가능하도록 제작되어야 한다.

최근 마이크로플루이딕스 채널을 이용하여 땀 포집 및 오염에 의한 문제를 해결하려는 시도들이 등장하였다. 그러나 현재 이용되고 있는 마이크로플루이딕스 채널의 경우, 단순히 유체를 이동시키는 관의 역할을 하며, 땀이 나오는 압력에 의해 땀을 이동시키므로 감지부까지 땀을 이동시키기 위해서는 채널 자체를 땀으로 채워야 하므로, 감지부로 땀을 이동시키는데 시간이 많이 걸리며, 채널을 채우는데 땀이 낭비되어 포집 효율이 떨어진다는 문제점이 있다.

따라서 신체에서 분비되는 체액을 빠르고 효율적으로 포집 및 운반할 수 있고, 신체 위에서 신체의 움직임에 관계없이 포집 및 운반이 가능한 유체 포집 장치 연구가 필요하다.

중국특허공개공보 111759359 A (2020.10.13.) 미국 특허출원공개공보 2020-0041319 A1 (2020.02.06.)

J. Songok, M. Toivakka, ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 30523-30530 K. M. A. Uddin, V. Jokinen, F. Jahangiri, S. Franssila, O. J. Rojas, S. Tuukkanen, Global Challenges 2019, 3, 1800079

본 발명의 목적은 상기 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 빠른 속도로 유체를 포집할 수 있고, 피부 부착시 신체 움직임에 관계없이 유체를 포집할 수 있는 유체 포집 패치 및 그의 제조방법을 제공하는데 있다.

또한, 다양한 종류의 센서와 결합하여 사용 가능한 유체 포집 패치 및 그의 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 유연기판(100); 상기 제1 유연기판(100) 상에 형성된 채널부(200); 상기 채널부(200) 상에 형성된 제2 유연기판(300); 및 상기 제1 유연기판(100)과 상기 제2 유연기판(300) 사이에 위치하고, 상기 채널부(200)의 외측에 형성되는 기둥(410)을 포함하는 지지부(400);를 포함하고, 상기 채널부(200)는 상기 제1 유연기판(100) 상에 형성되고, 친수성 표면을 갖는 제1 친수성부(211) 및 발수성 표면을 갖는 제1 발수성부(212)를 포함하는 제1 패턴층(210); 상기 제1 패턴층(210) 상에 이격되어 형성되고, 친수성 표면을 갖는 제2 친수성부(221) 및 발수성 표면을 갖는 제2 발수성부(222)를 포함하는 제2 패턴층(220); 및 상기 제1 패턴층(210)과 상기 제2 패턴층(220) 사이에 형성된 채널 공간(230);을 포함하는 것인 유체 포집 패치(10)가 제공된다.

또한, 상기 친수성 표면이 초친수성 표면이고, 상기 발수성 표면이 초발수성 표면인 것일 수 있다.

또한, 상기 친수성 표면의 수접촉각이 0 내지 20˚이고, 상기 발수성 표면의 수접촉각이 120 내지 180˚인 것일 수 있다.

또한, 상기 친수성 표면의 수접촉각이 0 내지 10˚이고, 상기 발수성 표면의 수접촉각이 150 내지 180˚인 것일 수 있다.

또한, 상기 친수성 표면의 수접촉각이 0 내지 5˚이고, 상기 발수성 표면의 수접촉각이 160 내지 180˚인 것일 수 있다.

또한, 상기 친수성 표면 상기 친수성 표면 및 발수성 표면이 각각 미세 요철(凹凸) 형상을 가질 수 있다.

또한, 상기 제1 패턴층(210) 및 제2 패턴층(220)이 서로 상응하는 패턴을 가질 수 있다.

또한, 상기 제1 친수성부(211) 및 상기 제2 친수성부(221)가 패치의 중심에서 수평방향 가장자리로 직경이 감소하는 패턴을 가질 수 있다.

또한, 상기 패턴이 지(wedge) 패턴일 수 있다.

또한, 상기 제1 발수성부(212)가 제1' 발수성부(2121) 및 상기 제1' 발수성부(2121)와 이격되어 위치하는 제1" 발수성부(2122)를 포함하고, 상기 제1 친수성부(211)가 상기 제1' 발수성부(2121)와 상기 제1" 발수성부(2122) 사이에 위치하고, 상기 제2 발수성부(222)가 제2' 발수성부(2221) 및 상기 제2' 발수성부(2221)와 이격되어 위치하는 제2" 발수성부(2222)를 포함하고, 상기 제2 친수성부(221)가 상기 제2' 발수성부(2221)와 상기 제2" 발수성부(2222) 사이에 위치할 수 있다.

또한, 상기 제1 친수성부(211) 및 상기 제2 친수성부(221)가 각각 독립적으로 상기 기둥(410)와 접하지 않는 것일 수 있다.

또한, 상기 제1 친수성부(211) 및 상기 제2 친수성부(221)는 각각 제1 친수성층(21101, 22101), 발수성층(21102, 22102), 및 제2 친수성층(21103, 22103)이 순서대로 적층된 것일 수 있다.

또한, 상기 제1 유연기판 및 상기 제2 유연기판이 각각 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리아미드(polyamide), 폴리부타디엔(Polybutadiene), 스타이렌-부타디엔 고무(Styrene-butadiene rubber), 스타이렌-에틸렌-부타디엔-스타이렌 고무(Styrene-Ethylene-butadiene-styrene rubber, SEBS), 에코플렉스(Ecoflex), 폴리파라자일릴렌(poly(p-xylylene), parylene), 시톱(Cytop), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methyl methacrylate, PMMA), 폴리비닐피롤리돈(poly(vinyl pyrrolidone), PVP), 폴리우레아, 폴리우레탄, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 친수성부 또는 제2 친수성부가 각각 친수성 고분자 및 친수성 입자를 포함할 수 있다.

또한, 상기 친수성 입자가 실리카(Silica), 산화 알루미늄(Al₂O₃), 산화 티타늄(TiO₂), 산화주석(SnO₂), 산화철(Al₂O₃), 산화마그네슘(MgO), 그래파이트(Graphite) 및 셀룰로오스(Cellulose)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 친수성 고분자가 폴리비닐알코올(PVA), 폴리아크릴릭애씨드(PAA), 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리락틱애씨드(PLA), 폴리글리콜라이드(PGA) 및 폴리락테이트코글라이클레이트(PLGA)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 발수성부(212) 및 상기 제2 발수성부(222)는 각각 제1 친수성층(21211, 21221, 22211, 22221) 및 발수성층(21212, 21222, 22212, 22222)이 순서대로 적층된 것일 수 있다.

또한, 상기 제1 발수성부 또는 제2 발수성부가 각각 발수성 물질을 포함할 수 있다.

또한, 상기 발수성 물질이 메틸트리클로로실란(methyltrichlorosilane), 메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilane), 메틸트리에톡시실란(methyltriethoxysilane), 메틸프로프옥시실란(methyltri-n-propoxysilane), 메틸트리스메톡시에톡시실란(methyltrismethoxyethoxysilane), 메틸트리아세트옥시실란(methyltriacetoxysilane), 트리스다이메틸아미노메틸실란(tris(dimethylamino)methylsilane), 트리스사이클로헥실아미노메틸실란(tris(cyclohexylamino)methylsilane), 메틸트리스메틸에틸케톡시미노실란(methyltris(methylethylketoximino)silane), 에틸트리크로로실란(ethyltrichlorosilane), 에틸트리메톡시실란(ethyltrimethoxysilane), 에틸트리에톡시실란(ethyltriethoxysilane), 에틸트리아세트옥시실란(ethyltriacetoxysilane), 프로필트리클로로실란(propyltrichlorosilane), 프로필트리메톡시실란(propyltrimethoxysilane), 프로필트리에톡시실란(propyltriethoxysilane), 부틸트리클로로실란(n-butyltrichlorosilane), 부틸트리메톡시실란(n-butyltrimethoxysilane),부틸트리에톡시실란(n-butyltriethoxysilane), 페닐트리클로로실란(pentyltrichlorosilane), 페닐트리에톡시실란(pentyltriethoxysilane), 헥실트리클로로실란(hexyltrichlorosilane), 헥실트리메톡시실란(hexyltrimethoxysilane), 헥실트리에톡시실란(hexyltriethoxysilane), 헵틸트리클로로실란(heptyltrichlorosilane), 옥틸트리클로로실란(Octyltrichlorosilane), 옥틸트리메톡시실란(octyltrimethoxysilane), 옥틸트리에톡시실란(octyltriethoxysilane), 데실트리클로로실란(decyltrichlorosilane), 데실트리메톡시실란(decyltrimethoxysilane), 데실트리에톡시실란(decyltriethoxysilane), 운데실트리클로로실란(undecyltrichlorosilane), 도데실트리클로로실란(dodecyltrichlorosilane), 도데실트리메톡시실란(dodecyltrimethoxysilane), 도데실트리에톡시실란(dodecyltriethoxysilane), 테트라데실트리클로로실란(tetradecyltrichlorosilane), 헥사데실트리클로로실란(hexadecyltrichlorosilane), 헥사데실트리메톡시실란(hexadecyltrimethoxysilane), 헥사데실트리에톡시실란(hexadecyltriethoxysilane), 옥타데실트리클로로실란(octadecyltrichlorosilane), 옥타데실트리메톡시실란(octadecyltrimethoxysilane), 옥타데실트리에톡시실란(octadecyltriethoxysilane), 옥타데실트리다이메틸아미노실란(octadecyltris(dimethylamino)silane), 트리클로로퍼플루오로옥틸실란(Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane), 트리데카플루오로테트라하이드로옥틸트리메톡시실란((tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl)trimethoxysilane), 트리데카플루오로테트라하이드로옥틸트리에톡시실란((tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl)triethoxysilane), 헵타데카플루오로테트라하이드로데실트리클로로실란((heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl)trichlorosilane), 헵타데카플루오로테트라하이드로데실트리메톡시실란((heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl)trimethoxysilane), 헵타데카플루오로테트라하이드로데실트리에톡시실란((heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl)triethoxysilane), 헤네코실테트라하이드로데실트리에톡시실란(heneicocyl-1,1,2,2-tetrahydrodecyltrichlorosilane), 헵타플루오로이소프로프옥시프로필트리클로로실란(heptafluoroisopropoxypropyltrichlorosilane) 및 헵타플루오로이소프로프프로필트리메톡시실란(heptafluoroisopropoxypropyltrimethoxysilane)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 유체 포집 패치(10)가 포집부(500); 및 상기 포집부(500) 상에 위치하고, 상기 채널공간(230)과 연결된 포집공간(600);을 추가로 포함할 수 있다.

또한, 상기 유체 포집 패치(10)가 복수의 채널부(200)를 포함하고, 복수의 상기 채널부(200)가 상기 포집부(500)를 중심으로 방사형으로 배치될 수 있다.

또한, 상기 유체 포집 패치(10)가 혈당센서, 젖산센서, 알코올센서 및 전해질센서로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 센서(700)를 추가로 포함하고, 상기 센서(700)가 상기 포집공간(600) 상에 위치할 수 있다.

또한, 상기 유체 포집 패치(10)가 상기 제1 유연기판(100) 및 상기 제1 친수성부(211)를 수직 방향으로 관통하는 복수의 유체 투입구(800); 및 상기 제1 유연기판(100) 하부에 위치하는 점착층(900);을 추가로 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 하나의 측면에 있어서, (a) 제1 유연기판(100)과, 상기 제1 유연기판(100) 상에 형성된 기둥(410)을 포함하는 지지부(400)와, 상기 제1 유연기판(100) 상에 형성되고, 친수성 표면을 갖는 제1 친수성부(211) 및 발수성 표면을 갖는 제1 발수성부(212)를 포함하는 제1 패턴층(210)을 포함하는 하판을 제조하는 단계; (b) 제2 유연기판(300)과, 상기 제2 유연기판 상에 형성되고 친수성 표면을 갖는 제2 친수성부(221) 및 발수성 표면을 갖는 제2 발수성부(222)를 포함하는 제2 패턴층(220)을 포함하는 상판을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 하판의 지지부(400) 상에 상기 상판의 제2 유연기판(300)을 위치시켜 제1항에 따른 유체 포집 패치를 제조하는 단계;를 포함하는 유체 포집 패치의 제조방법이 제공된다.

또한, 상기 단계 (a)가 (a-1) 기둥(410)을 포함하는 지지부(400) 및 상기 지지부와 결합된 제1 유연기판(100)을 준비하고 상기 유연기판의 표면을 친수성으로 표면처리하는 단계; (a-2) 표면처리된 상기 제1 유연기판(100)의 친수성 표면에 친수성 입자 및 친수성 고분자를 포함하는 용액을 코팅하여 제1 친수성층(21101, 21211, 21221)을 형성하는 단계; (a-3) 상기 제1 유연기판(100)의 상기 제1 친수성층(21101, 21211, 21221)에 발수성 물질을 포함하는 용액을 코팅하여 상기 제1 친수성층(21101, 21211, 21221) 상에 발수성층(21102, 21212, 21222)을 형성하는 단계; (a-4) 상기 발수성층(21102) 표면을 친수성으로 표면처리하는 단계; 및 (a-5) 표면처리된 상기 발수성층(21102)의 친수성 표면에 친수성 입자 및 친수성 고분자를 포함하는 용액을 코팅하여 제2 친수성층(21103)을 형성하여 상기 하판을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 단계 (a-5)에서, 상기 코팅이 상기 발수성층의 일부분에 진행됨에 따라 상기 제2 친수성층이 패턴을 가질 수 있다.

또한, 상기 단계 (a)가 (a-1') 기둥(410)을 포함하는 지지부(400) 및 상기 지지부와 결합된 제1 유연기판(100)을 준비하는 단계; (a-2') 상기 제1 유연기판(100)에 발수성 물질을 포함하는 용액을 코팅하여 상기 제1 유연기판(100) 상에 제1 발수성부(212)를 형성하는 단계; 및 (a-3') 상기 제1 발수성부(212)의 일부를 친수성으로 처리하여 제1 친수성부(211)를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 단계 (a-3')에서, 상기 제1 발수성부(212)의 일부를 친수성으로 처리함에 따라 상기 제1 친수성부(211)가 패턴을 가질 수 있다.

또한, 상기 단계 (a-3')의 상기 친수성으로 처리가 Reactive ion etching(RIE) 및 UV plasma treatment로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나로 수행될 수 있다.

또한, 상기 단계 (b)가 (b-1) 제2 유연기판(300)의 표면을 친수성으로 표면처리하는 단계; (b-2) 표면처리된 상기 제2 유연기판(300)의 친수성 표면에 친수성 입자 및 친수성 고분자를 포함하는 용액을 코팅하여 제2 친수성층(22101, 22211, 22221)을 형성하는 단계; (b-3) 상기 제2 유연기판(300)의 상기 제2 친수성층(22101, 22211, 22221)에 발수성 물질을 포함하는 용액을 코팅하여 상기 제2 친수성층(22101, 22211, 22221) 상에 발수성층(22102, 22212, 22222)을 형성하는 단계; (b-4) 상기 발수성층(22102) 표면을 친수성으로 표면처리하는 단계; 및 (b-5) 표면처리된 상기 발수성층(22102)의 친수성 표면에 친수성 입자 및 친수성 고분자를 포함하는 용액을 코팅하여 제2 친수성층(22103)을 형성함으로써 상기 상판을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 단계 (b-5)에서, 상기 코팅이 상기 발수성층의 일부분에 진행됨에 따라 상기 제2 친수성층이 패턴을 가질 수 있다.

또한, 상기 단계 (b)가 (b-1') 제2 유연기판(300)을 준비하는 단계; (b-2') 상기 제2 유연기판(300)에 발수성 물질을 포함하는 용액을 코팅하여 상기 제2 유연기판(300) 상에 제2 발수성부(222)를 형성하는 단계; 및 (b-3') 상기 제2 발수성부(222)의 일부를 친수성으로 처리하여 제2 친수성부(221)를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 단계 (b-3')에서, 상기 제2 발수성부(222)의 일부를 친수성으로 처리함에 따라 상기 제2 친수성부(221)가 패턴을 가질 수 있다.

또한, 상기 단계 (b-3')의 상기 친수성으로 처리가 Reactive ion etching(RIE) 및 UV plasma treatment로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나로 수행될 수 있다.

본 발명의 피부 부착형 유체 포집 패치는 빠른 속도로 유체를 포집할 수 있고, 피부 부착시 신체 움직임에 관계 없이 유체를 포집할 수 있다.

또한, 본 발명의 피부 부착형 유체 포집 패치는 다양한 종류의 센서와 결합하여 사용 가능하므로 센서 사용의 효용가치를 전반적으로 높여줄 수 있다.

또한, 본 발명의 피부 부착형 유체 포집 패치는 초발수/초친수 지 패턴 위에서 물방울이 이동하는 현상을 이용하여, 채널에 들어온 유체의 자발적인 이동이 가능하다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니 된다.
도 1a는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치의 제1 유연기판, 채널부 및 제2 유연기판의 단면도를 나타낸 것이다.
도 1b는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치의 구조를 나타낸 것이다.
도 1c는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치의 제1 유연기판, 채널부 및 제2 유연기판의 단면도를 나타낸 것이다.
도 1d는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치의 구조 및 단면도, 채널부에서 유체 이동 현상을 간략화하여 나타낸 것이다.
도 1e는 본 발명 하나의 실시예에 따라 유체 포집 패치를 제조할 때, 패턴층에서 표면의 화학구조 및 물 접촉각(표면에너지)을 나타낸 것이다.
도 1f는 실시예 1에 따라 제조된 유체 포집 패치의 패턴층에서 지 패턴 표면을 안정적으로 유지될 수 있도록 만드는 핵심 공정의 역할을 설명한 것이며, 제조예 2에 따라 제조된 상판을 1,000 사이클 인장시험 후 표면 상태를 광학현미경(OM) 이미지로 나타낸 것이다.
도 1g는 제조예 2-1에 따라 제조된 상판에서 발수성부/친수성부 각각 표면의 시간에 따른 접촉각 변화를 관찰 그래프로 나타낸 것이다.
도 1h는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치를 제조하는 방법에 관한 모식도이다.
도 1i는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치를 제조하는 방법에 관한 모식도이다.
도 2a는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치의 패턴층에서 지 패턴 위에 있는 땀방울이 받는 표면장력에 의한 힘을 간략화하여 표현한 것이다.
도 2b는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치의 패턴층에서 지 패턴 위에 있는 땀방울이 받는 표면장력에 의한 힘을 간략화하여 표현한 것이다.
도 2c는 제조예 2-1에 따라 제조된 상판에서 패턴층의 지각도에 따른 Laplace pressure의 변화 및 속도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2d는 제조예 2-1에 따라 제조된 상판만 이용한 경우(열린 구조)와 실시예 1에 따라 제조된 유체 포집 패치를 이용할 경우(밀폐 구조) 각각의 지 패턴 상에 유체(땀)이 존재할 때 부피 및 면적의 차이를 비교하여 나타낸 것이다.
도 2e는 실시예 1에 따라 제조된 유체 포집 패치에서 채널 공간의 높이 변화에 따른 상기 채널 공간에 위치한 유체의 부피와 길이를 비교하여 나타낸 것이다.
도 2f는 실시예 1에 따라 제조된 유체 포집 패치의 채널부(우측 그림)와 비교예 1에 따라 제조된 유체 포집 패치의 채널부(좌측 그림)의 유체 이동속도를 비교하여 나타낸 것이다.
도 3a는 실시예 1에 따라 제조된 유체 포집 패치의 기울기를 변화시켜 가며, 중력변화에 따른 유체의 이동속도 변화를 관찰, 측정하여 그래프로 나타낸 것이다.
도 3b는 상기 도 3a를 측정할 때 초고속 카메라로 유체의 이동을 실제 관찰한 사진이다.
도 4a는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치에서 복수의 채널부를 이용해 유체를 포집할 경우, 빠르게 유체를 포집할 수 있는 것을 설명한 것이다.
도 4b는 실시예 2에 따라 제조된 유체 포집 패치의 실제 피부 부착 이미지를 나타낸 것이다.
도 4c는 실시예 1에 따라 제조된 유체 포집 패치와 비교예 1에 따라 제조된 유체 포집 패치를 사용할 경우, 각각의 유체가 모이는 포집부에서 유체가 포집되는 속도를 비교하여 나타낸 것이다.
도 4d는 마이크로플루이딕스 채널을 이용하지 않은 경우(No micro-channel), 기존 마이크로플루이딕스 채널을 이용한 경우(Micro-channel), 실시예 2에 따라 제조된 유체 포집 패치(Wedge patterned channel)를 이용한 경우를 대상으로 포집부를 채우는데 걸리는 시간(Sampling time)을 계산 모델을 이용해 예측하여 그래프로 나타낸 것이다.
도 4e는 상기 도 4d의 예측 결과를 증명하기 위해 인공 땀 분비 시스템을 이용해 2μL/min-cm²의 속도로 땀을 주입하였을 때, 실시예 2에 따라 제조된 유체 포집 패치에 땀이 모이는 현상을 시간에 따라 관찰한 결과를 나타낸 것이다.
도 4f는 상기 도 4d의 예측 결과를 증명하기 위해 도 4e와 같은 조건에서 실시예 2에 따라 제조된 유체 포집 패치의 포집부에 땀이 채워지는 시간을 측정한 것이다.
도 4g는 상기 도 4f에서 진행한 실험을 실제 피부 위에서 진행한 결과를 나타낸 것이다.
도 5a는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치와 웨어러블 땀 센서를 결합한 형태를 그림으로 나타낸 것이다.
도 5b는 도 5a를 참고하여 실시예 2에 따라 제조된 유체 포집 패치와 웨어러블 글루코스 센서를 결합하여 땀에 있는 글루코스 농도를 측정, 혈당 농도와 비교하여 나타낸 것이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.

그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본원에서 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.

또한, 이하에서 사용될 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 "형성되어" 있다거나 "적층되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 표면 상의 전면 또는 일면에 직접 부착되어 형성되어 있거나 적층되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 더 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

이하, 본 발명의 피부 부착형 유체 포집 패치 및 그의 제조방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

도 1a 및 1c는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치의 제1 유연기판, 채널부 및 제2 유연기판의 단면도를 나타낸 것이고, 도 1b는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치의 구조를 나타낸 것이다. 도 1d는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치의 구조 및 단면도, 채널부에서 유체 이동 현상을 간략화하여 나타낸 것이다.

도 1a 내지 1d를 참고하면, 본 발명은 제1 유연기판(100); 상기 제1 유연기판(100) 상에 형성된 채널부(200); 상기 채널부(200) 상에 형성된 제2 유연기판(300); 및 상기 제1 유연기판(100)과 상기 제2 유연기판(300) 사이에 위치하고, 상기 채널부(200)의 외측에 형성되는 기둥(410)을 포함하는 지지부(400);를 포함하고, 상기 채널부(200)는 상기 제1 유연기판(100) 상에 형성되고, 친수성 표면을 갖는 제1 친수성부(211) 및 발수성 표면을 갖는 제1 발수성부(212)를 포함하는 제1 패턴층(210); 상기 제1 패턴층(210) 상에 이격되어 형성되고, 친수성 표면을 갖는 제2 친수성부(221) 및 발수성 표면을 갖는 제2 발수성부(222)를 포함하는 제2 패턴층(220); 및 상기 제1 패턴층(210)과 상기 제2 패턴층(220) 사이에 형성된 채널 공간(230);을 포함하는 것인 유체 포집 패치(10)를 제공한다.

또한, 상기 친수성 표면의 수접촉각이 0 내지 20˚이고, 상기 발수성 표면의 수접촉각이 120 내지 180˚인 것일 수 있고, 바람직하게는 상기 친수성 표면의 수접촉각이 0 내지 10˚이고, 상기 발수성 표면의 수접촉각이 150 내지 180˚인 것일 수 있다.

상기 친수성 표면의 수접촉각이 20˚를 초과할 경우, 물을 표면으로 충분히 끌어당기지 못하여 바람직하지 않고, 상기 발수성 표면의 수접촉각이 120˚ 미만일 경우, 물을 표면으로부터 밀어내지못하고, 잡아당겨 물방울의 이동을 방해하므로 바람직하지 않다.

또한, 상기 친수성 표면 및 발수성 표면이 각각 미세 요철(凹凸) 형상을 가질 수 있다.

또한, 상기 제1 친수성부(211) 및 상기 제2 친수성부(221)가 각각 패치의 중심에서 수평방향 가장자리로 직경이 감소하는 패턴을 가질 수 있고, 상세하게는 상기 패턴이 지(wedge) 패턴일 수 있다.

또한, 상기 제1 유연기판 및 상기 제2 유연기판이 각각 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리아미드(polyamide), 폴리부타디엔(Polybutadiene), 스타이렌-부타디엔 고무(Styrene-butadiene rubber), 스타이렌-에틸렌-부타디엔-스타이렌 고무(Styrene-Ethylene-butadiene-styrene rubber), 에코플렉스(Ecoflex), 폴리파라자일릴렌(poly(p-xylylene), parylene), 시톱(Cytop), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methyl methacrylate, PMMA), 폴리비닐피롤리돈(poly(vinyl pyrrolidone), PVP), 폴리우레아, 폴리우레탄, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 폴리디메틸실록산(PDMS)을 포함할 수 있다.

상기 친수성 입자가 실리카(Silica), 산화 알루미늄(Al₂O₃), 산화 티타늄(TiO₂), 산화주석(SnO₂) 산화철(Al₂O₃), 산화마그네슘(MgO), 그래파이트(Graphite) 및 셀룰로오스로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 실리카를 포함할 수 있다.

상기 친수성 고분자가 폴리비닐알코올(PVA), 폴리아크릴릭애씨드(PAA), 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리락틱애씨드(PLA), 폴리글리콜라이드(PGA) 및 폴리락테이트코글라이클레이트(PLGA)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 폴리비닐알코올을 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 발수성부(212) 및 상기 제2 발수성부(222)가 각각 발수성 물질을 포함할 수 있고, 상기 발수성 물질이 메틸트리클로로실란(methyltrichlorosilane), 메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilane), 메틸트리에톡시실란(methyltriethoxysilane), 메틸프로프옥시실란(methyltri-n-propoxysilane), 메틸트리스메톡시에톡시실란(methyltrismethoxyethoxysilane), 메틸트리아세트옥시실란(methyltriacetoxysilane), 트리스다이메틸아미노메틸실란(tris(dimethylamino)methylsilane), 트리스사이클로헥실아미노메틸실란(tris(cyclohexylamino)methylsilane), 메틸트리스메틸에틸케톡시미노실란(methyltris(methylethylketoximino)silane), 에틸트리크로로실란(ethyltrichlorosilane), 에틸트리메톡시실란(ethyltrimethoxysilane), 에틸트리에톡시실란(ethyltriethoxysilane), 에틸트리아세트옥시실란(ethyltriacetoxysilane), 프로필트리클로로실란(propyltrichlorosilane), 프로필트리메톡시실란(propyltrimethoxysilane), 프로필트리에톡시실란(propyltriethoxysilane), 부틸트리클로로실란(n-butyltrichlorosilane), 부틸트리메톡시실란(n-butyltrimethoxysilane),부틸트리에톡시실란(n-butyltriethoxysilane), 페닐트리클로로실란(pentyltrichlorosilane), 페닐트리에톡시실란(pentyltriethoxysilane), 헥실트리클로로실란(hexyltrichlorosilane), 헥실트리메톡시실란(hexyltrimethoxysilane), 헥실트리에톡시실란(hexyltriethoxysilane), 헵틸트리클로로실란(heptyltrichlorosilane), 옥틸트리클로로실란(Octyltrichlorosilane), 옥틸트리메톡시실란(octyltrimethoxysilane), 옥틸트리에톡시실란(octyltriethoxysilane), 데실트리클로로실란(decyltrichlorosilane), 데실트리메톡시실란(decyltrimethoxysilane), 데실트리에톡시실란(decyltriethoxysilane), 운데실트리클로로실란(undecyltrichlorosilane), 도데실트리클로로실란(dodecyltrichlorosilane), 도데실트리메톡시실란(dodecyltrimethoxysilane), 도데실트리에톡시실란(dodecyltriethoxysilane), 테트라데실트리클로로실란(tetradecyltrichlorosilane), 헥사데실트리클로로실란(hexadecyltrichlorosilane), 헥사데실트리메톡시실란(hexadecyltrimethoxysilane), 헥사데실트리에톡시실란(hexadecyltriethoxysilane), 옥타데실트리클로로실란(octadecyltrichlorosilane), 옥타데실트리메톡시실란(octadecyltrimethoxysilane), 옥타데실트리에톡시실란(octadecyltriethoxysilane), 옥타데실트리다이메틸아미노실란(octadecyltris(dimethylamino)silane), 트리클로로퍼플루오로옥틸실란(Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane), 트리데카플루오로테트라하이드로옥틸트리메톡시실란((tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl)trimethoxysilane), 트리데카플루오로테트라하이드로옥틸트리에톡시실란((tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl)triethoxysilane), 헵타데카플루오로테트라하이드로데실트리클로로실란((heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl)trichlorosilane), 헵타데카플루오로테트라하이드로데실트리메톡시실란((heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl)trimethoxysilane), 헵타데카플루오로테트라하이드로데실트리에톡시실란((heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl)triethoxysilane), 헤네코실테트라하이드로데실트리에톡시실란(heneicocyl-1,1,2,2-tetrahydrodecyltrichlorosilane), 헵타플루오로이소프로프옥시프로필트리클로로실란(heptafluoroisopropoxypropyltrichlorosilane) 및 헵타플루오로이소프로프프로필트리메톡시실란(heptafluoroisopropoxypropyltrimethoxysilane)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 옥타데실트리클로로실란을 포함할 수 있다.

도 1c는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치 단면도를 나타낸 것이다.

도 1c를 참고하면, 상기 제1 친수성부(211)의 제1 친수성층(21101)은 상기 제1 발수성부(212)의 제1 친수성층(21211, 21221)과 같은 물질일 수 있고, 상세하게는 동일한 층일 수 있다. 또한, 상기 제2 친수성부(221)의 제1 친수성층(22101)은 상기 제2 발수성부(212)의 제1 친수성층(22211, 22221)과 같은 물질일 수 있고, 상세하게는 동일한 층일 수 있다.

도 1c를 참고하면, 상기 제1 친수성부(211)의 발수성층(21102)은 상기 제1 발수성부(212)의 발수성층(21212, 21222)과 같은 물질일 수 있고, 상세하게는 동일한 층일 수 있다. 또한, 상기 제2 친수성부(221)의 발수성층(22102)은 상기 제2 발수성부(212)의 발수성층(22212, 22222)과 같은 물질일 수 있고, 상세하게는 동일한 층일 수 있다.

도 4a는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치에서 복수의 채널부를 이용해 유체를 포집할 경우, 넓은 면적의 피부에서 땀을 포집, 한 곳으로 모아 그 포집 속도를 높일 수 있는 것을 설명한 것이다.

도 4a를 참고하면, 상기 유체 포집 패치(10)가 복수의 채널부(200)를 포함하고, 복수의 상기 채널부(200)가 상기 포집부(500)를 중심으로 방사형으로 배치된 것일 수 있다.

또한, 도 4a를 참고하면, 상기 유체 포집 패치의 크기가 직경 3 cm, 두께 1 mm일 수 있다.

또한, 상기 유체 포집 패치(10)가 글루코스(Glucose)를 감지하는 혈당센서, 젖산염(Lactate)을 감지하는 젖산센서, 에탄올(Ethanol)을 감지하는 알코올센서 및 소듐이온(Na⁺), 포타슘이온(K⁺), 마그네슘이온(Mg²⁺) 및 칼슘이온(Ca²⁺)을 감지하는 전해질센서로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 센서(700)를 추가로 포함할 수 있고, 바람직하게는 혈당센서를 추가로 포함할 수 있다.

또한, 상기 센서(700)가 화학센서 또는 생물센서(바이오센서)일 수 있다.

또한, 상기 센서(700)가 상기 포집공간(600) 상에 위치할 수 있다.

도 1d는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치의 구조 및 단면도, 채널부에서 유체 이동 현상을 간략화하여 나타낸 것이다.

도 1d를 참고하면, 상기 유체 포집 패치(10)가 상기 제1 유연기판(100) 및 상기 제1 친수성부(211)를 수직 방향으로 관통하는 복수의 유체 투입구(800); 및 상기 제1 유연기판(100) 하부에 위치하는 점착층(900);을 추가로 포함할 수 있다.

또한, 상기 점착층의 두께가 0.1 mm일 수 있다.

도 1e는 본 발명 하나의 실시예에 따라 유체 포집 패치를 제조할 때, 패턴층에서 표면의 화학구조 및 물 접촉각(표면에너지)을 나타낸 것이고, 도 1f는 본 발명 하나의 실시예에 따라 제조된 유체 포집 패치의 패턴층에서 지 패턴 표면을 안정적으로 유지될 수 있도록 만드는 핵심 공정의 역할을 설명한 것이다.

초발수 표면의 경우 일반적으로 유연 고분자가 탄소를 기반으로 이루어져 소수성의 성질을 가지므로 유연기판의 표면을 마이크로/나노 사이즈의 요철이 있는 형태로 만들면 초발수성의 표면으로 만들 수 있다.

그러나 초친수 표면의 경우, 초발수 표면 제작과 달리 유연 고분자의 표면 성질을 친수성으로 만들어줘야 하는데, 유연 고분자들의 경우 탄소 기반으로 이루어져 소수성을 띄며, O₂Plasma etching 또는 UV treatment를 통해서 친수성으로 만들어 준다고 하더라도 유연 고분자의 경우 Chain-entanglement 현상에 의해서 반나절이면 소수성을 회복하게 된다. 따라서 근본적으로 친수성 성질이 유지 가능한 표면을 제작하기 위해서는 Chain-entanglement가 일어나지 않는 물질로 표면을 만들어야 한다. 하지만 일반적으로 Chain-entanglement가 일어나지 않는 고분자의 경우, 인장에 약한 특성을 갖는다. 따라서 이상적인 표면 구조체의 제작을 위해 기판 전체적으로는 유연하면서도 표면에너지는 안정적으로 유지할 수 있는 특성의 구조체를 고안하여야 했다.

도 1e 및 1f를 참고하면, 본 발명은 상기 기판 전체적으로는 유연하면서도 표면은 유연하지 않은 특성을 충족하기 위해 아일랜드 형태의 딱딱한 친수성 입자가 유연 고분자 위에 코팅된 표면구조를 고안하였다.

친수성 성질을 가지며 표면에너지 변화가 크지 않은 친수성 입자를 유연기판 상에 화학 결합시킴으로써 요철이 있는 형태의 초친수성층을 형성하였고, 상기 초친수성층의 표면 작용기와 초발수 물질을 화학반응 시킴으로써, 요철이 있는 형태의 초발수성층을 안정적으로 형성할 수 있다.

도 2a는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치의 채널부에서 지 패턴 위에 있는 땀방울이 받는 표면장력에 의한 힘을 간략화하여 표현한 것이고, 도 2b는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치의 채널부에서 지 패턴 위에 있는 땀방울이 받는 표면장력에 의한 힘을 간략화하여 표현한 것이다.

도 2a 및 2b를 참고하면, 지 패턴 위에 있는 유체를 움직이는 그 근본적인 힘은 유체를 구성하는 입자 사이의 인력에 의해 발생하는 것으로, 유체 표면에 위치한 입자들 사이에 작용하는 분자간 인력과 유체 내부에 위치한 입자들 사이에 작용하는 분자간 인력의 차이에 의해 발생한다. 이러한 표면 장력의 차이에 의해 발생하는 힘을 Laplace pressure라고 하며, 이 힘은 유체의 표면장력이 강하고, 유체 방울의 곡률이 커질수록 증가한다(도면 2a). 따라서 지 패턴 위에 있는 유체의 경우, 지 패턴의 비스듬한 경계면에서 발생하는 라플라스 압력을 받는데, 이때 받는 힘은 초발수/초친수 표면이 나뉘는 경계면의 수직방향, 유체 방울의 볼록한 곡면을 포함하는 면의 반대 방향으로 발생하므로 지패턴의 너비보다 지름의 크기가 큰 유체 방울의 경우 라플라스 압력의 합력에 의해 초친수 방향으로 이동한다(도면 2b).

본 발명은 (a) 제1 유연기판(100)과, 상기 제1 유연기판(100) 상에 형성된 기둥(410)을 포함하는 지지부(400)와, 상기 제1 유연기판(100) 상에 형성되고, 친수성 표면을 갖는 제1 친수성부(211) 및 발수성 표면을 갖는 제1 발수성부(212)를 포함하는 제1 패턴층(210)을 포함하는 하판을 제조하는 단계; (b) 제2 유연기판(300)과, 상기 제2 유연기판 상에 형성되고 친수성 표면을 갖는 제2 친수성부(221) 및 발수성 표면을 갖는 제2 발수성부(222)를 포함하는 제2 패턴층(220)을 포함하는 상판을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 하판의 지지부(400) 상에 상기 상판의 제2 유연기판(300)을 위치시켜 상기 유체 포집 패치를 제조하는 단계;를 포함하는 유체 포집 패치의 제조방법을 제공한다.

도 1h는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치를 제조하는 방법에 관한 모식도이다.

도 1h를 참고하면, 상기 단계 (a)가 (a-1) 기둥(410)을 포함하는 지지부(400) 및 상기 지지부와 결합된 제1 유연기판(100)을 준비하고 상기 유연기판의 표면을 친수성으로 표면처리하는 단계; (a-2) 표면처리된 상기 제1 유연기판(100)의 친수성 표면에 친수성 입자 및 친수성 고분자를 포함하는 용액을 코팅하여 제1 친수성층(21101, 21211, 21221)을 형성하는 단계; (a-3) 상기 제1 유연기판(100)의 상기 제1 친수성층(21101, 21211, 21221)에 발수성 물질을 포함하는 용액을 코팅하여 상기 제1 친수성층(21101, 21211, 21221) 상에 발수성층(21102, 21212, 21222)을 형성하는 단계; (a-4) 상기 발수성층(21102) 표면을 친수성으로 표면처리하는 단계; 및 (a-5) 표면처리된 상기 발수성층(21102)의 친수성 표면에 친수성 입자 및 친수성 고분자를 포함하는 용액을 코팅하여 제2 친수성층(21103)을 형성하여 상기 하판을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.

도 1i는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치를 제조하는 방법에 관한 모식도이다.

도 1i를 참고하면, 상기 단계 (a)가 (a-1') 기둥(410)을 포함하는 지지부(400) 및 상기 지지부와 결합된 제1 유연기판(100)을 준비하는 단계; (a-2') 상기 제1 유연기판(100)에 발수성 물질을 포함하는 용액을 코팅하여 상기 제1 유연기판(100) 상에 제1 발수성부(212)를 형성하는 단계; 및 (a-3') 상기 제1 발수성부(212)의 일부를 친수성으로 처리하여 제1 친수성부(211)를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 단계 (a-3')에서, 상기 제1 발수성부(212)의 일부를 친수성으로 처리함에 따라 상기 제1 친수성부가 패턴을 가질 수 있다.

또한, 상기 단계 (b-3')에서, 상기 제2 발수성부(222)의 일부를 친수성으로 처리함에 따라 상기 제2 친수성부(212)가 패턴을 가질 수 있다.

상기 발수성 물질이 발수성인 실란 커플링제(silane coupling agent)로 코팅된 친수성 입자이다. 상기 단계 (a-3') 또는 (b-3')에서 Reactive ion etching(RIE) 및 UV plasma treatment로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나로 상기 실란 커플링제로 코팅된 친수성 입자를 처리함으로써 상기 실란 커플링제가 산화되고, 동시에 표면에 히드록시기를 형성함으로써 친수성부가 형성된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

제조예 1: 하판 제조

제조예 1-1: 제1 친수성층/발수성층/제2 친수성층의 제1 패턴층을 갖는 하판 제조

도 1h는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치를 제조하는 방법에 관한 모식도이다. 도 1h의 하판 제작을 참고하여 제조예 1-1의 하판을 제조하였다.

알루미늄 몰드 위에 액체상태의 폴리디메틸실록산(Poly(dimethylsiloxane), PDMS) 용액(PDMS base와 curing agent의 비율 10 : 1 로 제조)을 부은 뒤, 120℃ 오븐에서 30분 동안 경화시켜 기둥(410)을 포함하는 지지부(400) 및 상기 지지부와 결합된 PDMS 제1 유연기판(100)을 제작하였다. 이때, 알루미늄 몰드를 이용하여 상기 제1 유연기판(PDMS)의 채널부를 관통하는 복수개의 유체투입구(지름 : 0.5 mm)를 생성하였다. 상기 PDMS 유연기판의 표면을 친수성으로 표면처리하였다. 상세하게는, RIE(Reactive ion plasma)를 이용하여 상기 PDMS 유연기판 표면에 히드록시기를 만들었다.

표면에 히드록시기가 존재하는 상기 PDMS 유연기판 상에 Polyvinyl-alcohol(PVA) in water solution, Silica particle, Ammonium dichromate(ADC)를 혼합한 'PVA/Silica/ADC' 혼합액을 스프레이 코팅하여 제1 친수성층(21101, 21211, 21221)을 형성하였다. 상기 스프레이팅 코팅은 140℃ 고온의 핫플레이트 위에 표면에 하이드록실 작용기가 존재하는 상기 PDMS 유연기판을 올린 상태에서 이루어졌으며, 스프레이 코팅 시 Shadow mask를 이용하여 패터닝하였다. 상기 'PVA/Silica/ADC' 혼합액을 이용함으로써 PDMS 유연기판 위에 있는 히드록시기와 PVA, Silica particle에 있는 히드록시기기가 ADC에 의해 개시되어 화학적으로 결합함으로 PDMS 유연기판 표면 위에서도 안정적으로 코팅 상태를 유지할 수 있었다.

상기 제1 친수성층이 형성된 PDMS 유연기판을 Octadecyltrichlorosilane (ODTS) in toluene 용액에 넣어 화학반응 시켜 상기 제1 친수성층 상에 접촉각 160°이상의 발수성층(21102, 21212, 21222)을 형성하였다.

상기 발수성층 표면을 RIE(Reactive ion plasma)를 이용해 친수성으로 표면처리 하였다. 이때 Shadow mask를 이용해 제2 친수성층을 올리고자 하는 부분만 노출시킨 상태로 매우 짧게 RIE 처리를 진행해 상기 발수성층의 일부 표면에 히드록시기를 만들었다.

일부 표면에 히드록시기가 존재하는 상기 초발수성층을 포함하는 PDMS 유연기판을 140℃ 고온의 핫플레이트로 옮긴 후, 일부 표면에 히드록시기가 존재하는 상기 발수성층 상에 상기 'PVA/Silica/ADC' 혼합액을 스프레이 코팅하였으며, Shadow mask의 패턴을 따라 지 패턴(wedge pattern)의 제2 친수성층(21103)을 상기 초발수성층 상에 형성하여 제1 친수성층(21101, 21211, 21221)/발수성층(21102, 21212, 21222)/제2 친수성층(21103)의 제1 패턴층(210)을 갖는 하판을 제조하였다.

제조예 1-2: 제1 친수성부/제1 발수성부의 제1 패턴층을 갖는 하판 제조

도 1i는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치를 제조하는 방법에 관한 모식도이다. 도 1i의 하판 제작을 참고하여 제조예 1-2의 하판을 제조하였다.

알루미늄 몰드 위에 액체상태의 폴리디메틸실록산(Poly(dimethylsiloxane), PDMS) 용액을 부은 뒤, 120℃ 오븐에서 30분 동안 경화시켜 기둥(410)을 포함하는 지지부(400) 및 상기 지지부와 결합된 PDMS 제1 유연기판(100)을 제작하였다. 이때, PDMS 용액은 PDMS base와 curing agent의 비율을 10 : 1 로 제조하였다.

친수성 입자 Silica particle와 발수성 물질 Octadecyltrichlorosilane (ODTS)을 화학 반응시킨 뒤, 원심분리기를 이용하여 발수성 입자를 추출하였다. 추출한 발수성 입자를 미량의 발수성 고분자 용액 Poly(dimethylsiloxane)/Hexane solution 1wt%에 분산시켜, 발수성 실리카-고분자 분산액을 제조하였다. 상기 발수성 실리카-고분자 분산액을 유연기판 위에 스프레이 코팅하여 제1 발수성부를 형성하였다.

상기 제1 발수성부 표면에 새도우 마스크(shadow mask)를 밀착시킨 뒤, 제1 친수성부를 형성하고자 하는 부분만 노출시킨 상태로 RIE(Reactive ion plasma) 처리를 진행하였다. 상기 RIE 처리에 의해 상기 발수성 실리카 표면의 발수성 고분자가 산화하여 제거됨과 동시에 표면에 히드록시기를 생성하여 지 패턴(wedge pattern)의 제1 친수성부를 형성하였다. 따라서, 제1 친수성부(211)/제1 발수성부(212)의 제1 패턴층(210)을 갖는 하판을 제조하였다.

제조예 2: 상판 제조

제조예 2-1: 제1 친수성층/발수성층/제2 친수성층의 제2 패턴층을 갖는 상판 제조

도 1h는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치를 제조하는 방법에 관한 모식도이다. 도 1h의 상판 제작을 참고하여 제조예 2-1의 상판을 제조하였다.

기둥(410)을 포함하는 지지부(400) 및 상기 지지부와 결합된 PDMS 제1 유연기판(100)을 제작하여 사용한 것 대신에, 평평한 구조의 PDMS 제2 유연기판(300)을 제작하여 사용한 것을 제외하고는 제조예 1-1과 동일한 방법으로 제1 친수성층(22101, 22211, 22221)/발수성층(22102, 22212, 22222)/제2 친수성층(22103)의 제2 패턴층(220)을 갖는 상판을 제조하였다.

제조예 2-2: 제2 친수성부/제2 발수성부의 제2 패턴층을 갖는 상판 제조

도 1i는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치를 제조하는 방법에 관한 모식도이다. 도 1i의 상판 제작을 참고하여 제조예 2-2의 상판을 제조하였다.

기둥(410)을 포함하는 지지부(400) 및 상기 지지부와 결합된 PDMS 제1 유연기판(100)을 제작하여 사용한 것 대신에, 평평한 구조의 PDMS 제2 유연기판(300)을 제작하여 사용한 것을 제외하고는 제조예 1-2와 동일한 방법으로 제2 친수성부(221)/제2 발수성부(222)의 제2 패턴층(220)을 갖는 상판을 제조하였다.

제조비교예 1: 하판 제조

지 패턴(wedge pattern)의 제2 친수성층을 형성한 것 대신에 스트라이프 패턴(stripe pattern)의 제2 친수성층을 형성한 것을 제외하고는 제조예 1-1과 동일한 방법으로 제1 유연기판(100)/제1 친수성층(21101, 21211, 21221)/발수성층(21102, 21212, 21222)/제2 친수성층(21103)의 하판을 제조하였다.

제조비교예 2: 상판 제조

지 패턴(wedge pattern)의 제2 친수성층을 형성한 것 대신에 스트라이프 패턴(stripe pattern)의 제2 친수성층을 형성한 것을 제외하고는 제조예 2-1과 동일한 방법으로 제2 유연기판(300)/제1 친수성층(22101, 22211, 22221)/발수성층(22102, 22212, 22222)/제2 친수성층(22103)의 상판을 제조하였다.

실시예 1: 유체 포집 패치 제조

도 1b는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치의 단면도를 나타낸 것이고, 도 1c는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치의 제1 유연기판, 채널부 및 제2 유연기판의 단면도를 나타낸 것이다. 도 1d는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치의 구조 및 단면도, 채널부에서 유체 이동 현상을 간략화하여 나타낸 것이고, 도 1h는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치를 제조하는 방법에 관한 모식도이다. 도 1b 내지 1d, 1h의 상-하판 결합을 참고하여 실시예 1의 유체 포집 패치를 제조하였다.

상기 제조예 1-1에 따라 제조된 하판의 지지부에 점성이 높은 폴리디메틸실록산(Poly(dimethylsiloxane), PDMS)을 얇게 도포한 뒤, 상기 제조예 2-1에 따라 제조된 상판을 부착하였다. 이때, 상기 상판의 제2 친수성층(22103)의 패턴과 상기 하판의 제2 친수성층(21103)의 패턴이 서로 마주보는 상태에서 일치하는 형태를 갖도록 하였다. 이후, 진공을 통해 기포를 제거한 뒤 120 ℃ 오븐에서 30분 동안 반응시켜 상기 상판의 제2 친수성층(22103)의 패턴과 상기 하판의 제2 친수성층(21103)의 패턴 사이에 형성된 채널공간(230)을 포함하는 채널부(200)를 제조하였다.

상기 하판의 상기 제2 친수성층(21103) 상에 위치하고, 상기 채널공간(230)과 연결된 포집공간(510)을 포함하는 포집부(500)를 포함하는 유체 포집 패치를 제조하였다.

실시예 2: 복수의 채널부를 포함하는 유체 포집 패치 제조

도 4a는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치에서 복수의 채널부를 이용해 유체를 포집할 경우, 빠르게 유체를 포집할 수 있는 것을 설명한 것이다.

도 4a를 참고하여, 상기 실시예 1에 따라 제조된 7개의 채널부가 포집부를 중심으로 방사형으로 배치되고, 직경(diameter) 3 cm, 두께 1 mm인 유체 포집 패치를 제조하였다. 상기 유체 포집 패치는 하부에 0.1 mm 두께의 점착층을 포함하고, 도 4b에 실제 피부 부착 이미지를 나타내었다.

실시예 3: 유체 포집 패치 제조

도 1a는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치의 제1 유연기판, 채널부 및 제2 유연기판의 단면도를 나타낸 것이고, 도 1b는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치의 단면도를 나타낸 것이다. 도 1d는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치의 구조 및 단면도, 채널부에서 유체 이동 현상을 간략화하여 나타낸 것이고, 도 1h는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치를 제조하는 방법에 관한 모식도이다. 도 1a, 1b, 1d 및 1h의 상-하판 결합을 참고하여 실시예 3의 유체 포집 패치를 제조하였다.

제조예 1-1에 따라 제조된 하판 및 제조예 2-1에 따라 제조된 상판을 사용한 것 대신에 제조예 1-2에 따라 제조된 하판 및 제조예 2-2에 따라 제조된 상판을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유체 포집 패치를 제조하였다.

비교예 1: 유체 포집 패치 제조

제조예 1-1에 따라 제조된 하판 대신에 비교제조예 1에 따라 제조된 하판을 사용하고, 제조예 2-1에 따라 제조된 상판 대신에 비교제조예 2에 따라 제조된 상판을 이용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유체 포집 패치를 제조하였다.

[시험예]

시험예 1: 유연기판 위 초발수/초친수 표면 제작에 관하여

도 1e는 제조예 2-1에 따라 제조된 상판에서, 발수성부/친수성부 표면의 화학구조 및 물 접촉각(표면에너지)을 나타낸 것이고, 도 1f는 실시예 1에 따라 제조된 유체 포집 패치의 패턴층에서 지 패턴 표면을 안정적으로 유지될 수 있도록 만드는 핵심 공정의 역할을 설명한 것이며, 제조예 2-1에 따라 제조된 상판을 1,000 사이클 인장시험 후 표면 상태를 광학현미경(OM) 이미지로 나타낸 것이다. 도 1g는 제조예 2-1에 따라 제조된 상판에서 발수성부/친수성부 각각 표면의 시간에 따른 접촉각 변화를 관찰 그래프로 나타낸 것이다.

발수성부 표면의 경우 일반적으로 유연 고분자가 탄소를 기반으로 이루어져 소수성의 성질을 가지므로 표면을 마이크로/나노 사이즈의 요철이 있는 형태로 만들면 초발수성의 표면으로 만들 수 있다. 그러나 친수성부 표면의 경우, 초발수 표면 제작과 달리 유연 고분자의 표면 성질을 친수성으로 만들어줘야 하는데, 유연 고분자들의 경우 탄소 기반으로 이루어져 소수성을 띄며, O₂ Plasma etching, UV treatment를 통해서 친수성으로 만들어 준다고 하더라도 유연 고분자의 경우 Chain-entanglement 현상에 의해서 반나절이면 소수성을 회복하게 된다. 따라서 근본적으로 친수성 성질이 유지 가능한 표면을 제작하기 위해서는 Chain-entanglement가 일어나지 않는 물질로 표면을 만들어야 한다. 하지만 일반적으로 Chain-entanglement가 일어나지 않는 고분자의 경우, 인장에 약한 특성을 갖는다. 따라서 이상적인 표면 구조체의 제작을 위해, 기판 전체적으로는 유연하면서도 표면에너지는 안정적으로 유지할 수 있는 특성의 구조체를 고안하여야 했다.

도 1e를 참고하면, 본 발명은 PDMS 기판 위에 친수성 성질을 가지며 시간에 따른 표면에너지 변화가 크지 않은 실리카 파티클을 화학 결합시킴으로써 요철이 있는 형태의 친수성 표면을 제작하였고, 결과적으로 초친수성을 띄는 표면을 제작할 수 있는 것을 확인하였다.

도 1f를 참고하면, 제조예 2-1에 따라 제조된 상판은 발수성부/친수성부 표면 모두, PVA 고분자를 통해 강하게 결합되어 물방울이 떨어지는 세기에 관계 없이 안정적으로 형태를 유지하였으며, 인장 시 실리카 파티클 사이의 간격이 벌어지기는 하였지만, PDMS와 강하게 결합되어 표면에너지를 안정적으로 유지하는 것을 확인할 수 있다.

도 1g를 참고하면, 제조예 2-1에 따라 제조된 상판에서, 초발수성 성질은 시간에 관계없이 유지되는 경향을 보였으며, 초친수성 성질의 경우 약 2주 이상 안정적으로 유지되는 것을 확인할 수 있다.

시험예 2: 지 패턴의 지 각도에 따른 속도 변화

도 2c는 제조예 2-1에 따라 제조된 상판에서 패턴층의 지 각도에 따른 Laplace pressure의 변화 및 속도 변화를 나타낸 그래프이다.

발수성부/친수성부 지패턴 위에서 물방울의 이동 현상은 패턴 위 물방울의 경계면 위치에 따른 곡률 차이 및 유체의 표면장력에 의해 발생하는 Laplace pressure에 의해서 발생한다. 따라서 물방울을 효과적으로 이동시키기 위해서는 Laplace pressure를 극대화 시켜야 하는데, 이를 위해서는 (1) 초발수/초친수 표면의 접촉각(표면에너지) 차이를 극대화 시켜야 하며, (2) 지앵글을 조절하여 위치에 따른 표면에너지의 변화율을 증가시켜야 하고, (3) Droplet의 좌우 너비가 지패턴의 너비보다 커서 초발수/초친수 경계면을 중심으로 초발수 표면으로 일정 정도 볼록하게 튀어 나와, 곡률에 의한 Laplace pressure가 존재할 수 있도록 지패턴을 디자인해야 한다. 이때, 첫번째로 조건 (1)의 경우 초발수 표면의 Contact angle을 160°이상으로 제작, 초친수 표면을 ~0°도로 제작하여 그 차이를 극대화 한 상태로 고정하였다. 그러나 조건 (2)와 조건 (3)의 경우 반비례하는 경향이 있어 실험적으로 적절한 값을 찾기 위해서 조건 실험을 진행하였다.

도 2c를 참고하면, 표면에너지에 의해서 Droplet을 움직이는 힘은 조건 (2)에 따라 Wedge angle이 커질수록 커지는 특성을 보였다(Tilting angle을 변화시켜 가며 물방울에 작용하는 중력의 세기를 조절하여, 물방울에 작용하는 표면에너지에 의한 힘을 계산하였다). 그러나 평면에서 물방울이 이동하는 속도의 경우 Wedge angle이 3.4°일 때 가장 빠르게 움직이는 것을 볼 수 있었는데, 이러한 현상은 조건 (3)과 관련된 것으로 지 앵글(Wedge angle)이 너무 클 경우 움직이는 Droplet의 너비가 지 패턴의 너비보다 작아지는 시간이 빨라져 초발수/초친수 경계면에서 물방울의 형태가 빠르게 볼록한 형태에서 오목한 형태로 변하게 되고, 이로 인해 곡률이 변하여 더이상 Laplace pressure의 영향을 받지 못해 이동속도가 떨어지기 때문인 것으로 추측할 수 있었다.

따라서 결과적으로 유체를 가장 빠르게 움직일 수 있는 지 패턴은 지 앵글이 3.4°인 경우라는 것을 확인할 수 있다.

시험예 3: 지 패턴을 포함하는 적층체의 열린 구조와 밀폐 구조 비교

도 2d는 제조예 2-1에 따라 제조된 상판만 이용한 경우(열린 구조)와 실시예 1에 따라 제조된 유체 포집 패치를 이용할 경우(밀폐 구조) 각각의 지 패턴 상에 유체(땀)이 존재할 때 부피 및 면적의 차이를 비교하여 나타낸 것이다.

도 2d를 참고하면, 열린 구조의 발수성부/친수성부 지 패턴 위에 있는 물방울은 중력에 의한 영향을 많이 받으며, 표면의 기울기에 따라 유체의 이동속도가 크게 영향 받는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 열린 구조 지 패턴 채널의 경우 신체 부착시 신체 움직임에 관계없이 물방울을 안정적으로 이동시키지 못한다는 것을 확인할 수 있다.

이러한 현상을 극복하기 위해서는 유체에 작용하는 중력에 의한 힘을 줄이고, 표면에너지에 의한 힘을 극대화 시켜야 하는데, 이를 위해서 채널 내에서 이동하는 유체가 표면에너지의 영향을 배로 받는 동시에 상대적으로 중력에는 영향을 적게 받을 수 있는 구조가 요구되고, 본 발명 하나의 실시예에 따라 제조된 적층체 두 개를 이용해 상기 적층체가 마주보는 구조(밀폐 구조)를 고안하였다.

도 2e는 실시예 1에 따라 제조된 유체 포집 패치에서 채널 공간의 높이 변화에 따른 상기 채널 공간에 위치한 유체의 부피와 길이를 비교하여 나타낸 것이다.

도 2e를 참고하면, 상기 채널 공간의 높이를 조절함으로써 상기 채널 공간에 위치한 유체의 높이를 제한함으로써 유체의 부피 대비 표면적의 넓이를 증가시켜 유체가 받는 표면 에너지에 의한 힘을 극대화할 수 있다.

시험예 4: 지 패턴과 스트라이프 패턴의 유체 이동속도 비교

도 2f는 실시예 1에 따라 제조된 유체 포집 패치의 채널부(우측 그림)와 비교예 1에 따라 제조된 유체 포집 패치(좌측 그림)의 채널부의 유체 이동속도를 비교하여 나타낸 것이다.

도 2f를 참고하면, 지 패턴을 포함하는 실시예 1에 따라 제조된 유체 포집 패치(우측 그림)가 훨씬 더 빠른 속도로 유체(땀)을 이동시키는 것을 확인할 수 있다.

시험예 5: 실제 피부 부착시 신체 움직임과 관계없이 땀 포집 가능 여부 확인

도 3a는 실시예 1에 따라 제조된 유체 포집 패치 (지 패턴)의 기울기를 30°, 60°, 90°, 120°, 150°, 180°로 변화시켜 가며, 중력변화에 따른 유체의 이동속도 변화를 관찰, 측정하여 그래프로 나타낸 것이고, 도 3b는 상기 도 3a를 측정할 때 초고속 카메라로 유체의 이동을 실제 관찰한 사진이다.

도 3a 및 3b를 참고하면, 기울기를 변화시켜 가며 유체의 이동 속도를 관찰해본 결과, 중력에 관계없이 매우 빠른 속도로 유체 이동이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.

따라서 결과적으로 90도 기울어진 상태는 물론, 뒤집어진 상태에서도 빠른 유체 포집이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.

시험예 6: 포집부에서 땀이 포집되는 속도 비교

도 4c는 실시예 1에 따라 제조된 유체 포집 패치와 비교예 1에 따라 제조된 유체 포집 패치를 사용할 경우, 각각의 유체가 모이는 감지부에서 유체가 포집되는 속도를 비교하여 나타낸 것이다.

도 4c를 참고하면, 기존 마이크로플루이딕스 채널과 유사한 스트라이프 패턴을 포함하는 유체 포집 패치(비교예 1)의 경우 유체가 채널을 채우며 이동하므로 채널을 채우는데 100초 이상의 시간이 걸리는 것을 확인할 수 있다.

반면에, 지 패턴을 포함하는 유체 포집 패치(실시예 1)의 경우, 채널에 유입된 유체가 포집부로 바로 이동하여 포집되므로 초고속 카메라로 관찰, 기록한 결과 훨씬 더 빠르고 효율적인 포집이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.

시험예 7: 복수의 채널부를 이용할 경우, 유체 포집 패치에서 지 패턴의 우수성 확인

시험예 7-1: 계산 모델을 이용하여 포집부를 유체로 채우는데 걸리는 시간 예측 비교

도 4d는 마이크로플루이딕스 채널을 이용하지 않은 경우(No micro-channel), 기존 마이크로플루이딕스 채널을 이용한 경우(Micro-channel), 실시예 2에 따라 제조된 유체 포집 패치(Wedge patterned channel)를 이용한 경우를 대상으로 포집부를 채우는데 걸리는 시간(Sampling time)을 계산 모델을 이용해 예측하여 그래프로 나타낸 것이다. 상세하게는 상기 계산모델은 포집부에 7개의 채널부가 연결된 것으로 한정하여 예측하였다.

상기 기존 마이크로플루이딕스 채널은 절단면이 직사각형 구조인 관의 형태를 가졌으며 윗면 및 아랫면이 친수성 물질로 코팅(바닥면을 전면 코팅, 초발수면 없음)된 채널부를 포함하는 것이다. 기존 마이크로플루이딕스 채널은 스트라이프 패턴이 있지는 않지만 코팅된 친수성 표면의 넓이 변화가 없으므로 비교예 1의 스트라이프 패턴을 갖는 유체 포집 패치와 유사한 구조를 가지며 유체가 이동하는 현상 역시 비교예 1의 유체 포집 패치와 거의 동일하다.

도 4d를 참고하면, 채널부가 없는 포집부를 피부에 부착해 놓은 경우(No micro-channel), 유체 포집이 가능한 면적이 적어 전체적인 포집 속도가 줄어들어, 포집부를 유체로 채우는데 상대적으로 가장 많은 시간이 걸린 것을 확인할 수 있다.

기존의 마이크로플루이딕스 채널을 이용한 경우, 채널을 이용하지 않은 경우보다 포집 면적이 넓어져 전체 포집 속도가 증가하여, 포집부를 채우는데 걸리는 시간이 줄어든 것을 확인할 수 있다. 하지만, 기존의 마이크로플루이딕스 채널을 이용한 경우, 감지부뿐만 아니라 마이크로플루이딕스 채널 역시 유체로 채워야 포집이 가능하므로 실시예 2에 따라 제조된 유체 포집 패치(Wedge patterned channel)보다 포집 효율이 떨어지므로 샘플링하는데 시간이 더 많이 걸리는 것을 확인할 수 있다.

실시예 2에 따라 제조된 유체 포집 패치(Wedge patterned channel)를 이용한 경우 역시 포집 면적이 넓어져 전체 포집 속도가 증가하였는데, 이때 마이크로플루이딕스 채널과 달리 채널부 자체에 남는 유체의 양은 거의 없으므로 포집에 걸리는 시간이 상대적으로 짧아진 것을 확인할 수 있다.

시험예 7-2: 상기 예측 결과를 증명하기 위한 실험

도 4e는 상기 도 4d의 예측 결과를 증명하기 위해 인공 땀 분비 시스템을 이용해 2μL/min-cm²의 속도로 땀을 주입하였을 때, 실시예 2에 따라 제조된 유체 포집 패치에 땀이 모이는 현상을 시간에 따라 관찰한 결과를 나타낸 것이고, 도 4f는 상기 도 4d의 예측 결과를 증명하기 위해 도 4e와 같은 조건에서 실시예 2에 따라 제조된 유체 포집 패치의 포집부에 땀이 채워지는 시간을 측정한 것이다.

상세하게는, 도 4f는 상기 유체 포집 패치의 포집부에 땀이 채워지는 시간 측정을 총 3회 시도하여 각각 검은색(1차), 빨간색(2차), 파란색(3차)로 표시하여 나타낸 것이고, 상기 땀이 채워지는 시간은 전극에 땀이 접촉했을 때 분리된 전극 사이의 임피던스가 변하는 현상을 이용해 측정한 것이다.

도 4e를 참고하면, 포집부를 가득 채우는데 까지 걸리는 시간을 샘플링 타임으로 정하고, 땀 주입 속도에 따라서 포집부가 채워지는 샘플링 타임을 카메라를 통해 관찰해 본 결과, 예측 결과와 유사한 시간 안에 포집부가 채워지는 것을 육안으로 확인할 수 있다.

도 4f를 참고하면, 포집부에 습도 센서를 부착, 시간에 따른 임피던스 변화를 측정해 본 결과, 예측 결과와 일치하는 샘플링 시간 이후에 임피던스 값의 변화가 생기는 것을 확인함으로써 예측 결과와 실험 결과가 상당히 유사한 결과를 보여주는 것을 확인할 수 있다. 또한, 1차(검은색 라인), 2차(빨간색 라인), 3차(파란색 라인) 시도 모두 비슷한 시간안에 땀 포집부를 채우는 결과를 확인할 수 있다.

시험예 7-3: 실제 피부 위에서 상기 예측 결과를 증명하기 위한 실험

도 4g는 상기 도 4f에서 진행한 실험을 실제 피부 위에서 진행한 결과를 나타낸 것으로, 센서 및 패치를 실제 피부에 부착한 상태로 사이클을 탈 경우 임피던스 값이 변화하는 데까지 걸리는 시간을 측정한 것이다.

도 4g를 참고하면, 실제 피부 위에 패치 부착 후 습도 센서를 결합하여 샘플링 시간을 측정해 본 결과, 약 1분에서 2분 사이에 임피던스 값이 변화되는 것을 확인할 수 있었고, 이를 통해 실제 피부 위에서 역시 샘플링이 빠르게 이루어진다는 것을 확인할 수 있다.

시험예 8: 유체 포집 패치와 화학 센서 결합

도 5a는 본 발명 하나의 실시예에 따른 유체 포집 패치와 웨어러블 땀 센서를 결합한 형태를 그림으로 나타낸 것이다. 도 5b는 도 5a를 참고하여 실시예 2에 따라 제조된 유체 포집 패치와 웨어러블 글루코스 센서를 결합하여 땀에 있는 글루코스 농도를 측정, 혈당 농도와 비교하여 나타낸 것이다.

도 5b를 참고하면, 패치를 실제 피부 위에 붙인 뒤, 웨어러블 글루코스 센서를 결합하여 운동 중에 땀을 포집하여 측정해 본 결과, 혈액 내 포도당의 농도와 상관 관계가 있음을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 약 10~15분 정도의 시간 차이를 두고 혈당과 땀의 농도 변화를 지속적으로 측정 가능하며, 패치가 실용적으로 사용 가능한 것을 확인할 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 유체 포집 패치
100: 제1 유연기판
200: 채널부
210: 제1 패턴층
211: 제1 친수성부
21101: 제1 친수성부의 제1 친수성층
21102: 제1 친수성부의 발수성층
21103: 제1 친수성부의 제2 친수성층
212: 제1 발수성부
2121: 제1' 발수성부
2122: 제1" 발수성부
21211, 21221: 제1 발수성부의 제1 친수성층
21212, 21222: 제1 발수성부의 발수성층
220: 제2 패턴층
221: 제2 친수성부
22101: 제2 친수성부의 제1 친수성층
22102: 제2 친수성부의 발수성층
22103: 제2 친수성부의 제2 친수성층
222: 제2 발수성부
2221: 제2' 발수성부
2222: 제2" 발수성부
22211, 22221: 제2 발수성부의 제1 친수성층
22212, 22222: 제2 발수성부의 발수성층
230: 채널 공간
300: 제2 유연기판
400: 지지부
410: 기둥
500: 포집부
600: 포집공간
700: 센서
800: 유체 투입구
900: 점착층

Claims

제1 유연기판;
상기 제1 유연기판 상에 형성된 채널부;
상기 채널부 상에 형성된 제2 유연기판; 및
상기 제1 유연기판과 상기 제2 유연기판 사이에 위치하고, 상기 채널부의 외측에 형성되는 기둥을 포함하는 지지부;를 포함하고,
상기 채널부는
상기 제1 유연기판 상에 형성되고, 친수성 표면을 갖는 제1 친수성부 및 발수성 표면을 갖는 제1 발수성부를 포함하는 제1 패턴층;
상기 제1 패턴층 상에 이격되어 형성되고, 친수성 표면을 갖는 제2 친수성부 및 발수성 표면을 갖는 제2 발수성부를 포함하는 제2 패턴층; 및
상기 제1 패턴층과 상기 제2 패턴층 사이에 형성된 채널 공간;을 포함하고,
상기 제1 패턴층 및 제2 패턴층이 서로 상응하는 패턴을 갖고,
상기 제1 친수성부 및 상기 제2 친수성부가 각각 패치의 중심에서 수평방향 가장자리로 직경이 감소하는 지(wedge) 패턴을 갖는 것인 유체 포집 패치.
제1항에 있어서,
상기 친수성 표면이 초친수성 표면이고, 상기 발수성 표면이 초발수성 표면인 것을 특징으로 하는 유체 포집 패치.
제1항에 있어서,
상기 친수성 표면의 수접촉각이 0 내지 20˚이고, 상기 발수성 표면의 수접촉각이 120 내지 180˚인 것을 특징으로 하는 유체 포집 패치.
제1항에 있어서,
상기 친수성 표면 및 발수성 표면이 각각 미세 요철(凹凸) 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 유체 포집 패치.
삭제
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 제1 발수성부가 제1' 발수성부 및 상기 제1' 발수성부와 이격되어 위치하는 제1" 발수성부를 포함하고,
상기 제1 친수성부가 상기 제1' 발수성부와 상기 제1" 발수성부 사이에 위치하고,
상기 제2 발수성부가 제2' 발수성부 및 상기 제2' 발수성부와 이격되어 위치하는 제2" 발수성부를 포함하고,
상기 제2 친수성부가 상기 제2' 발수성부와 상기 제2" 발수성부 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 유체 포집 패치.
제1항에 있어서,
상기 제1 친수성부 및 상기 제2 친수성부가 각각 독립적으로 상기 기둥과 접하지 않는 것을 특징으로 하는 유체 포집 패치.
제1항에 있어서,
상기 제1 친수성부 또는 제2 친수성부가 각각 친수성 고분자 및 친수성 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 포집 패치.
제1항에 있어서,
상기 제1 발수성부 또는 제2 발수성부가 각각 발수성 물질을 포함 하는 것을 특징으로 하는 유체 포집 패치.
제1항에 있어서,
상기 유체 포집 패치가 포집부; 및 상기 포집부 상에 위치하고, 상기 채널공간과 연결된 포집공간;을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 포집 패치.
제12항에 있어서,
상기 유체 포집 패치가
복수의 채널부를 포함하고,
복수의 상기 채널부가 상기 포집부를 중심으로 방사형으로 배치된 것을 특징으로 하는 유체 포집 패치.
제12항에 있어서,
상기 유체 포집 패치가 혈당센서, 젖산센서, 알코올센서 및 전해질센서로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 센서를 추가로 포함하고, 상기 센서가 상기 포집공간 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 유체 포집 패치.
제1항에 있어서,
상기 유체 포집 패치가
상기 제1 유연기판 및 상기 제1 친수성부를 수직 방향으로 관통하는 복수의 유체 투입구; 및
상기 제1 유연기판 하부에 위치하는 점착층;을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 포집 패치.
(a) 제1 유연기판과, 상기 제1 유연기판 상에 형성된 기둥을 포함하는 지지부와, 상기 제1 유연기판 상에 형성되고, 친수성 표면을 갖는 제1 친수성부 및 발수성 표면을 갖는 제1 발수성부를 포함하는 제1 패턴층을 포함하는 하판을 제조하는 단계;
(b) 제2 유연기판과, 상기 제2 유연기판 상에 형성되고 친수성 표면을 갖는 제2 친수성부 및 발수성 표면을 갖는 제2 발수성부를 포함하는 제2 패턴층을 포함하는 상판을 제조하는 단계; 및
(c) 상기 하판의 지지부 상에 상기 상판의 제2 유연기판을 위치시켜 제1항에 따른 유체 포집 패치를 제조하는 단계;를 포함하는 유체 포집 패치의 제조방법.
제16항에 있어서,
상기 단계 (a)가
(a-1) 기둥을 포함하는 지지부 및 상기 지지부와 결합된 제1 유연기판을 준비하고 상기 유연기판의 표면을 친수성으로 표면처리하는 단계;
(a-2) 표면처리된 상기 제1 유연기판의 친수성 표면에 친수성 입자 및 친수성 고분자를 포함하는 용액을 코팅하여 제1 친수성층을 형성하는 단계;
(a-3) 상기 제1 친수성층에 발수성 물질을 포함하는 용액을 코팅하여 상기 제1 친수성층 상에 발수성층을 형성하는 단계;
(a-4) 상기 발수성층 표면을 친수성으로 표면처리하는 단계; 및
(a-5) 표면처리된 상기 발수성층의 친수성 표면에 친수성 입자 및 친수성 고분자를 포함하는 용액을 코팅하여 제2 친수성층을 형성하여 상기 하판을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 포집 패치의 제조방법.
제16항에 있어서,
상기 단계 (a)가
(a-1') 기둥을 포함하는 지지부 및 상기 지지부와 결합된 제1 유연기판을 준비하는 단계;
(a-2') 상기 제1 유연기판에 발수성 물질을 포함하는 용액을 코팅하여 상기 제1 유연기판 상에 제1 발수성부를 형성하는 단계; 및
(a-3') 상기 제1 발수성부의 일부를 친수성으로 처리하여 제1 친수성부를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 포집 패치의 제조방법.
제16항에 있어서,
상기 단계 (b)가
(b-1) 제2 유연기판의 표면을 친수성으로 표면처리하는 단계;
(b-2) 표면처리된 상기 제2 유연기판의 친수성 표면에 친수성 입자 및 친수성 고분자를 포함하는 용액을 코팅하여 제2 친수성층을 형성하는 단계;
(b-3) 상기 제2 유연기판의 상기 제2 친수성층에 발수성 물질을 포함하는 용액을 코팅하여 상기 제2 친수성층 상에 발수성층을 형성하는 단계;
(b-4) 상기 발수성층 표면을 친수성으로 표면처리하는 단계; 및
(b-5) 표면처리된 상기 발수성층의 친수성 표면에 친수성 입자 및 친수성 고분자를 포함하는 용액을 코팅하여 제2 친수성층을 형성함으로써 상기 상판을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 포집 패치의 제조방법.
제16항에 있어서,
상기 단계 (b)가
(b-1') 제2 유연기판을 준비하는 단계;
(b-2') 상기 제2 유연기판에 발수성 물질을 포함하는 용액을 코팅하여 상기 제2 유연기판 상에 제2 발수성부를 형성하는 단계; 및
(b-3') 상기 제2 발수성부의 일부를 친수성으로 처리하여 제2 친수성부를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 포집 패치의 제조방법.