KR102594790B1

KR102594790B1 - 광경화성 폴리머 재료의 3차원 마이크로 채널 제작을 위한 버블 보조 제조 방법

Info

Publication number: KR102594790B1
Application number: KR1020220003522A
Authority: KR
Inventors: 이상민
Original assignee: 동의대학교 산학협력단
Priority date: 2022-01-10
Filing date: 2022-01-10
Publication date: 2023-10-30
Also published as: KR20230109190A

Abstract

본 발명은 광경화성 액상 재료 내에 노즐을 이용해 미세기포를 형성하고, 형성된 기포에 광원을 조사하여 경화시키면서 선행 기포와 접하는 새로운 기포를 생성하고 이러한 기포를 다시 경화시키는 반복작업을 통해 연속적인 미세기포 채널을 만드는 방식으로 3차원 마이크로 채널을 형성하는 마이크로 채널 형성 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 하부가 광투과성 재질로 이루어진 수조에 액상 광경화성 폴리머를 담지하는 단계; 상기 담지된 광경화성 폴리머 내의 채널 생성 시점에 노즐을 위치시키는 단계; 상기 위치된 노즐에 공압을 인가하여 기포를 형성하는 단계; 상기 수조의 광투과성 하부를 통해 상기 생성 기포에 광원을 조사하여 기포 계면의 광경화성 폴리머를 경화 시키는 단계; 목적하는 채널 생성 방향으로 노즐을 이동시켜 상기 계면이 경화된 기포 접면에 신규 기포를 형성하는 단계; 상기 신규 기포에 광원을 조사하여 기포 계면을 경화시키는 단계; 목적하는 채널의 길이에 도달할 때 까지 신규기포 형성 및 경화 단계를 반복하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

광경화성 폴리머 재료의 3차원 마이크로 채널 제작을 위한 버블 보조 제조 방법{BUBBLE-ASSISTED FABRICATION METHOD FOR MANUFACTURING THREE-DIMENSIONAL MICRO CHANNELS OF PHOTOCURABLE POLYMER MATERIALS}

본 발명은 광 경화성 재료 내에서 기포를 이용한 3차원 마이크로 채널 제작 방법에 관한 것으로써 보다 상세하게는 광경화성 액상 재료 내에 노즐을 이용해 미세기포를 형성하고, 형성된 기포에 광원을 조사하여 경화시키면서 선행 기포와 접하는 새로운 기포를 생성하고 이러한 기포를 다시 경화시키는 반복작업을 통해 연속적인 미세기포 채널을 만드는 방식으로 3차원 마이크로 채널을 형성하는 광경화성 폴리머 재료의 3차원 마이크로 채널 제작을 위한 버블 보조 제조 방법에 관한 것이다.

마이크로유체 기술과 더불어 랩온어칩(Lab-on-a-Chip) 시스템은 PCR(중합효소 연쇄 반응), 세포 조작, 조직공학 등과 같은 생물학적 분석방법의 커다란 진전을 이끌었다. 랩온어칩 시스템에서 가장 많이 이용되는 소재는 PDMS(폴리디메틸실록산)인데, 이는 PDMS의 복제 몰딩 제작의 용이성, 쉬운 표면 개질, 접합 용이성, 우수한 생체적합성 등에 기인한다.

한편 대부분의 PDMS를 이용한 마이크로디바이스는 통상적으로 포토리소그래피(Photolithography) 방법을 이용해 제작되고 있다. 그러나 포토리소그래피 방법은 그 장점에도 불구하고, 몇가지 단점이 지적된다. 첫째는 높은 비용이다. 포토리소그래피 방법은 값비싼 장비를 이용하므로 제조비용을 크게 증가시키기 때문이다. 둘째는 포토리소그래피 방법을 통해 제조된 마스터 몰드의 경우 사각 단면 형의 마이크로 패턴을 갖는다는 점이다. 따라서 원형 단면이 요구되는 마이크로 패턴의 제조에는 적합하지 않다는 한계가 있다. 즉 원형 단면을 갖는 마이크로채널(소위 실린더형 마이크로채널)이 요구되거나 경쟁력을 갖는 미세혈관계 제조, 세포 포획, 균일한 내벽 코팅, 밸브 적용 채널 등 에서는 포토리소그래피 방법이 이용되기에 부적합하다.

다층 구조(내지 다단 구조)를 갖는 마이크로채널의 제조 역시 마찬가지다. 랩온어칩 디바이스에서 다층 구조를 갖는 마이크로채널은 유체영동기술에서의 마이크로비드 및 세포의 자가분류, 혈구분리, 미세혈관 모방 등에서 활용된다. 종래 다층 구조를 갖는 마이크로채널은 포토리소그래피 방법을 반복함으로써 형성되어 왔으나(또는 전자빔이나 이온빔을 이용), 장시간이 소요되고 높은 비용이 수반되는 단점이 있었고 복잡한 구조를 제조하기에는 적합하지 않다는 한계가 있다. 많은 연구자들이 포토리소그래피 방법에 기반하지 않은 미세구조를 제조하기 위한 방법 개발을 시도하는 이유다.

이외에도, 마이크로 채널 제작을 위해 3D 프린팅을 이용하여 직접적으로 3차원 채널을 제조하는 방법이 있으나, 3D 프린팅에 적용 가능한 재료가 제한적이며, 제조 과정에서 서포트(Support) 재료가 필수적이며, 마이크로 채널 형상 같은 경우 프린팅 후 내부 서포트를 제거하기 어려운 문제점이 있다.

KR

10-1910185

B1

KR

10-2010-0015329

A

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로, 본 발명의 목적은, 기존 마이크로 채널의 제조방법이 장시간이 소요되고 높은 비용이 수반되며, 그 과정이 복잡한 단점을 가지므로, 이를 해소 하기 위하여, 광경화성 폴리머를 이용하여, 제조시간과 비용을 단축하고, 제조과정을 단순하게 함과 동시에 고품질의 마이크로 채널을 수득할 수 있도록 하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광경화성 폴리머 재료의 3차원 마이크로 채널 제작을 위한 버블 보조 제조 방법은, 하부가 광투과성 재질로 이루어진 수조에 액상 광경화성 폴리머를 담지하는 단계; 상기 담지된 광경화성 폴리머 내의 채널 생성 시점에 노즐을 위치시키는 단계; 상기 위치된 노즐에 공압을 인가하여 기포를 형성하는 단계; 상기 수조의 광투과성 하부를 통해 상기 생성 기포에 광원을 조사하여 기포 계면의 광경화성 폴리머를 경화 시키는 단계; 목적하는 채널 생성 방향으로 노즐을 이동시켜 상기 계면이 경화된 기포 접면에 신규 기포를 형성하는 단계; 상기 신규 기포에 광원을 조사하여 기포 계면을 경화시키는 단계; 목적하는 채널의 길이에 도달할 때 까지 신규기포 형성 및 경화 단계를 반복하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명은 액상의 광경화성 폴리머 내에 노즐을 통한 미세 기포를 형성하고 이러한 미세기포에 광원을 조사하예 계면을 경화 시키면서 기포의 접면에 또다른 기포를 형성하고 경화하는 것을 반복하는 방식으로, 마이크로 채널을 형성하므로, 노즐의 압력 조절을 통해 기포의 사이즈를 제어하여 마이크로 채널의 직경을 자유롭게 조절 가능하며, 신규 생성 기포의 위치 설정을 통해 다양한 3차원 형상으로 생성이 가능하므로, 기존 마이크로 채널 방식의 단점 이었던 복잡한 3차원 형상 제조 불가 및 사각형상의 채널 단면을 한번에 해소할 수 있으며, 제조속도와 단가를 크게 낮추어 생산 효율을 극대화하는 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광경화성 폴리머 재료의 3차원 마이크로 채널 제작을 위한 버블 보조 제조 방법의 순서도이다;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광경화성 폴리머 재료의 3차원 마이크로 채널 제작을 위한 버블 보조 제조 방법의 예시도이다;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광경화성 폴리머 재료의 3차원 마이크로 채널 제작을 위한 버블 보조 제조 방법의 순서에 따른 예시도이다;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐의 단면도이다;
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수조 하부 단면도이다;

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 광경화성 폴리머 재료의 3차원 마이크로 채널 제작을 위한 버블 보조 제조 방법은, 수조(100)에 액상 광경화성 폴리머(200)를 담지하는 단계(S100); 상기 담지된 광경화성 폴리머(200) 내의 채널 생성 시점에 노즐(300)을 위치시키는 단계(S200); 상기 위치된 노즐(300)에 공압을 인가하여 기포(400)를 형성하는 단계(S300); 상기 생성 기포(400)에 광원(500)을 조사하여 기포 계면(410)의 광경화성 폴리머(200)를 경화 시키는 단계(S400); 목적하는 채널 생성 방향으로 노즐(300)을 이동시켜 상기 계면(410)이 경화된 기포(400) 접면에 신규 기포(400)를 형성하는 단계(S500); 상기 신규 기포(400)에 광원(500)을 조사하여 기포 계면(410)을 경화시키는 단계(S600); 목적하는 채널의 길이에 도달할 때 까지 신규 기포(400) 형성 및 경화 단계를 반복하는 단계(S700);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광경화성 폴리머 재료의 3차원 마이크로 채널 제작을 위한 버블 보조 제조 방법의 순서도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광경화성 폴리머 재료의 3차원 마이크로 채널 제작을 위한 버블 보조 제조 방법의 예시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광경화성 폴리머 재료의 3차원 마이크로 채널 제작을 위한 버블 보조 제조 방법의 순서에 따른 예시도이다.

도 1 내지 3을 참고하여 보다 상세하게 설명하면, 먼저 경화 되지 않은 액상의 광경화성 폴리머(200)를 수조(100)에 담지하게 된다.

다음으로, 상기 담지된 광경화성 폴리머(200) 내에 노즐(300)을 삽입하여 마이크로 채널의 생성 시점에 위치시킨다. 이때, 상기 광경화성 폴리머(200)의 담지 높이는 노즐(300)을 삽입하여 기포(400)를 발생할 수 있는 최소한의 높이가 충족 되면 가능하며, 상기 마이크로 채널의 생성 시점은 수조(100) 하부 저면에 접하여 형성하거나 수조(100) 하부 저면에서 떨어져 담지된 광경화성 폴리머(200) 중에 형성될 수 있다.

이러한 마이크로 채널 생성 방식에 따라 수조(100) 하부의 재질을 광투과성으로 할지, 불투명 재질로 선택할 지를 결정할 수 있게 되는데, 즉, 기포를 경화 시킬 광원(500)의 조사 위치에 따라 구분되며, 수조(100)의 하부를 광투과성 재질로 구성하는 경우에는, 이러한 광투과성 하부를 통해 외부에서 상기 생성 기포(400)에 광원(500)을 조사하게 되고, 불투명 재질로서 구성하는 경우에는, 상기 노즐(300)의 끝단에 광원조사 장치를 구비하고, 노즐(300)을 통한 공압인가 후 노즐(300) 끝에서 직접적으로, 상기 생성 기포(400)에 광원(500)을 조사하게 된다.

다음으로, 위치된 노즐(300)에 공압을 인가 하여 기포(400)를 형성하게 되는데, 이러한 기포(400)는, 상기 노즐(300)에서 인가하는 공기 압력의 세기에 따라 부피를 조절할 수 있게된다.

따라서, 본 발명에서 이러한 기포(400)의 직경은 곧 생성될 마이크로 채널의 직경과 일치 하므로, 노즐(300)로 인가되는 공기압의 미세 컨트롤을 통해 생성할 마이크로 채널의 직경에 대한 제어가 가능하다.

다음으로, 상기와 같이 생성된 기포(400)에 광원(500)을 조사하여 기포(400) 계면(410)의 광경화성 폴리머(200)를 경화 시키게 되는데, 즉, 도 3에서 보는 바와 같이, 기포(400)를 생성하고, 이러한 기포(400)에 광원(500)을 조사하게 되면, 광경화성 폴리머(200)의 특성에 의해 기포(400)의 계면(410)이 경화되게 되는 것이다. 여기서 상기 광원(500)은 일반적으로 자외선(UV : Ultra Violet)을 특정방향으로 조사 가능한 레이저인 것이 바람직하다.

이러한 계면(410) 경화 작업은, 조사하는 광원(500)의 광량 및 조사 시간에 따라 경화되는 광경화성 폴리머(200)의 두께가 변화하므로, 이를 제어하여 상기 기포 계면(410)의 경화 두께에 대한 제어가 가능하여 궁극적으로 생성하고자 하는 마이크로 채널의 두께에 대한 미세 제어가 가능하게 된다.

또한, 도 4를 참고하면, 상기 노즐(300)은, 내부에 자외선(UV : Ultra Violet) 레이저 장치(310)를 구비하거나, 내부에 노즐(300) 끝단으로 연결된 광섬유(320)를 구비하고 외부에서 상기 광섬유(320)를 통해 자외선(UV : Ultra Violet) 레이저를 조사함으로써 상기 노즐(300)의 끝단으로부터 상기 기포(400)에 직접적인 자외선 조사가 가능하다.

또한, 상기 노즐(300)은, 내부에, 공기 외에 이종 재료를 주입할 수 있는 재료 주입 채널을 더 포함할 수 있는데, 이를 통하여 기포(400)를 생성 후, 이러한 기포(400) 내부에 이종 재료를 주입할 수 있으므로, 기포의 계면(410)이 경화 되기전 이종재료를 상기 기포(400) 내로 주입하여 기포 계면(410)의 광경화성 폴리머(200)와 이종 재료가 상호 융합되도록 하거나, 기포의 계면(410)이 경화 된 후 이종재료를 상기 기포(400) 내로 주입하여 기포 계면(410)내부를 이종 재료로 코팅하는 것이 가능하다.

또한, 도 5에서 보는 바와 같이, 상기 수조(100) 하부를 광투과성 재질로 구성한 후, 광경화성 폴리머(200)가 담지되는 하부 내면에 원하는 채널의 단면을 갖도록 요철(100)을 형성할 수 있는데, 이러한 요철(110)이 형성된 수조(100) 저면에 밀착하여 기포(400)를 형성하게 되면, 기포(400)의 형상이 요철(100)의 외경 형상에 맞게 변형되므로, 이 상태로 광원(500)을 조사하여 경화시키게 되면, 마이크로 채널의 단면을 원하는 형상으로 조성할 수 있다.

다음으로, 목적하는 채널 생성 방향으로 노즐(300)을 이동시켜 상기 계면(410)이 경화된 기포(400) 접면에 신규 기포(400)를 형성하게 되는데, 즉, 기 생성되어 경화된 기포(400)의 접면에 도 3에서 보는 바와 같이, 신규 기포(400)를 형성함으로써 생성 하고자하는 마이크로 채널을 연장하는 것으로, 이후, 상기 신규 기포(400)에 광원(500)을 조사하여 기포 계면(410)을 경화시키게 된다.

이러한 신규 기포(400) 생성과 기포 계면(410)의 경화는, 목적하는 마이크로 채널의 길이가 될 때까지 반복하게 되며, 채널 길이 달성 후 작업을 종료 하게 된다.

이상과 같이 본 발명은 액상의 광경화성 폴리머(200) 내에 노즐(300)을 통한 미세 기포(400)를 형성하고 이러한 미세 기포(400)에 광원(500)을 조사하예 계면(410)을 경화 시키면서 기포(400)의 접면에 또 다른 기포(400)를 형성하고 경화하는 것을 반복하는 방식으로, 마이크로 채널을 형성하므로, 노즐(300)의 압력 조절을 통해 기포(400)의 사이즈를 제어하여 마이크로 채널의 직경을 자유롭게 조절 가능하며, 신규 생성 기포(400)의 위치 설정을 통해 다양한 3차원 형상으로 생성이 가능하므로, 기존 마이크로 채널 방식의 단점 이었던 복잡한 3차원 형상 제조 불가 및 사각형상의 채널 단면을 한번에 해소할 수 있으며, 제조속도와 단가를 크게 낮추어 생산 효율을 극대화하는 효과를 갖는다.

100 : 수조 200 : 광경화성 폴리머
300: 노즐 400 : 기포
500 : 광원

Claims

수조에 액상 광경화성 폴리머를 담지하는 단계;
상기 담지된 광경화성 폴리머 내의 채널 생성 시점에 노즐을 위치시키는 단계;
상기 위치된 노즐에 공압을 인가하여 기포를 형성하는 단계;
상기 생성 기포에 광원을 조사하여 기포 계면의 광경화성 폴리머를 경화 시키는 단계;
목적하는 채널 생성 방향으로 노즐을 이동시켜 상기 계면이 경화된 기포 접면에 신규 기포를 형성하는 단계;
상기 신규 기포에 광원을 조사하여 기포 계면을 경화시키는 단계;
목적하는 채널의 길이에 도달할 때 까지 신규기포 형성 및 경화 단계를 반복하는 단계;를 포함하고,
상기 수조는,
하부를 광투과성 재질로 구성하고, 광경화성 폴리머가 담지되는 하부 내면에 원하는 채널의 단면을 갖도록 요철을 형성하는 것을 특징으로 하는 광경화성 폴리머 재료의 3차원 마이크로 채널 제작을 위한 버블 보조 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 광원의 조사는,
상기 수조의 하부를 광투과성 재질로 구성하여, 이러한 광투과성 하부를 통해 외부에서 상기 생성 기포에 광원을 조사하는 것을 특징으로 하는 광경화성 폴리머 재료의 3차원 마이크로 채널 제작을 위한 버블 보조 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 광원의 조사는,
상기 노즐의 끝단에 광원조사 장치를 구비하고, 노즐을 통한 공압인가 후 노즐 끝에서 직접적으로, 상기 생성 기포에 광원을 조사하는 것을 특징으로 하는 광경화성 폴리머 재료의 3차원 마이크로 채널 제작을 위한 버블 보조 제조 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 노즐은,
내부에 자외선(UV : Ultra Violet) 레이저 장치를 구비하고, 상기 노즐의 끝단으로부터 자외선을 조사 할 수 있도록 하여, 직접적으로 상기 생성 기포에 광원을 조사하는 것을 특징으로 하는 광경화성 폴리머 재료의 3차원 마이크로 채널 제작을 위한 버블 보조 제조 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 노즐은,
내부에 노즐 끝단으로 연결된 광섬유를 구비하고 외부에서 상기 광섬유를 통해 자외선(UV : Ultra Violet) 레이저를 조사 함으로써, 상기 노즐의 끝단으로부터 자외선을 조사 할 수 있도록 하여, 직접적으로 상기 생성 기포에 광원을 조사하는 것을 특징으로 하는 광경화성 폴리머 재료의 3차원 마이크로 채널 제작을 위한 버블 보조 제조 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 노즐은,
내부에, 공기 외에 이종 재료를 주입할 수 있는 재료 주입 채널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광경화성 폴리머 재료의 3차원 마이크로 채널 제작을 위한 버블 보조 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 기포는,
상기 노즐에서 인가하는 압력의 세기에 따라 부피를 조절하는 것을 특징으로 하는 광경화성 폴리머 재료의 3차원 마이크로 채널 제작을 위한 버블 보조 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 광원은,
조사하는 광원의 광량 및 조사 시간을 제어하여 상기 기포 계면의 경화 두께를 제어하는 것을 특징으로 광경화성 폴리머 재료의 3차원 마이크로 채널 제작을 위한 버블 보조 제조 방법.
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