KR20020060687A - 미세하게 제조되는 장치 및 그의 제조방법 - Google Patents

미세하게 제조되는 장치 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

미세하게 제조된 장치 및 그 장치를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 장치는 미세한 유체 채널을 가지며, 장치의 자극물 반응 동작 구성부품을 형성하도록 채널내에 중합가능한 혼합물을 중합하는 기판으로부터 제조된다. 동작 구성부품은 기능적 또는 구조적 구성부품일수 있다. 제조방법은, 미세구성부품이 인시츄로 또는 장치내에서 형성되기 때문에 종래의 미세 구성부품의 조립을 없애고 장치를 형성한다.

Description

미세하게 제조되는 장치 및 그의 제조방법{Microfabricated Devices and Method of Manufacturing The Same}
밸브, 펌프 및 액추에이터등의 미세유체 장치와 같은 미세장치(Microscale devices)를 제조하기 위한 현존의 제조방법은 미세장치설계, 제조 및 조립공정을 전형적으로 병행하며 이들을 확장한 것이다. 예를들면 리소그래픽 프로세스는 기판에 재료를 첨가하거나 또는 기판으로부터 재료를 제외시키기 위해 사용된다. 미세장치를 제조하는 병행의 접근방법은, 특히 미세장치 조립의 어려움, 오랜 개발시간 및 고비용 때문에 복잡한 미세장치의 발전을 저지하여왔으나, 현재 2가지의 접근방법이 전형적으로, 미세장치의 제조에서 사용되고 있다. 그 첫째 방법으로는 예를들어 다결정표면 미세가공방법과 같은 단일 프로세스를 사용하여 모든 필요하게된 장치의 구성부품을 제조하기 위하여 리소그래피 프로세스가 사용되는 진정한 집적화방법이다. 둘째 방법으로는 개개 구성부품의 제조에 이어 장치를 형성하기 위한 구성부품조립을 하는 것이다. 이 접근방법에서 일반적이 아닌 방법이 미소규모의 구성부품을 조립하는데 필요하게되는 것이외에는 미세장치의 조립은 거시적장치(Macroscale device)의 조립과 같다. 예를들면, 슬러리 어셈블리는 미세장치를 형성하는 미세구성부품 조립의 한 방법이다.
마이크로일렉트론메카니컬(MEM) 시스템분야를 조사하여 보면, 미세화된 펌프 및 밸브와 같은 미세유체장치의 많은 예가 있다. 미세밸브의 많은 종류가 능동 및 수동밸브를 포함하여 제조되었다. 그러나, 미세유체장치들의 미세한 밸브 및 다른 미세한 구성부품을 미세한 유체장치들에 일체화는, 유용한 밸브를 제공하는 제조공정이 유용한 펌프 또는 센서를 제공하는 제조공정과는 흔히 다르기 때문에, 어려움이 있는 것으로 증명되었다.
다시 말하면, 상이한 장치의 구성부품들은 흔히 상이한 구성재료와 상이한 종류의 제조공정을 필요로하기 때문에 단일장치로 여러 미세규모의 구성부품을 일체화하는 것은 어렵다.
상술한 바와 같이, 미세한 장치를 제조하는 2개의 일반적인 방법이 현재 사용되고 있다. 구성부품이 개별적으로 만들어진 다음, 거시적 장치의 조립과 같이, 미세장치를 형성하기 위해 조립되는 것이거나 또는 전통적인 리소그래피 기술이 모든 장치의 구성부품을 제조하기 위하여 사용되는 것이다. 조립방법은 용이하게 알 수 있는 이유때문에 미세규모의 범위에서 어렵다. 예를들면, 미크론범위크기의 구성부품은 취급 및 조립이 어렵다. 또한, 정전력 및 다른 표면력(surface force)이 미세한 구성부품의 적은 사이즈에서 현저하며, 이것에 의해 구성부품 취급을 어렵게 만든다. 리소그래픽 프로세스는 조립 프로세스에 관련된 일부의 문제점들을 극복하지만, 많은 구성부품을 단일 장치로 일체화하는 것은 여러 본질적으로 다른 구성 재료 및 장치에 대한 상이한 개개의 미세 구성부품을 제조하는데 흔히 필요하게 되는 제조방법에 의하여 장애가 된다.
채널내에서의 금속와이어 제조, 도전성 폴리머 박스의 폴딩(folding), 마이크로스탬핑 및 마이크로 몰딩 및 2개의 공양자 중합을 포함하는 많은 미세크기의 제조방법이 연구되었지만, 그 미세장치의 제조와 관련된 상술한 문제점들중 많은 것들이 극복되지 못하였다. 예를들면, T Breen등은 Science, 284, PP.948-951(1999)에 미소채널내에 조직화된 웰을 형성하여 메탈트레이스(metal trace)들을 위치하도록 층류(laminar flow)를 이용하는 인-채널 제조기술을 개시하고 있다. Smela등은 Science, 268,PP.1735-1738(1995)에 편평한 기판상에 도전 폴리머를 리소그래픽으로 패터닝하여 구성된 도전성 미소 액추에이터를 개시하고 있다. 2개-광양자 중합이 폴리머겔 선구물질(precursor)로부터 3-차원 구조를 제공하기 위해 사용되었다.(S. Maruo, J. Microelectro-mechanical Systems, 7, PP.411~415(1998)와 B.H. Cumpston등의 Nature, 398, PP. 51-54(1999)참조).
본발명은 전통적인 조립, 리소그래픽 및 다른 방법들에 관련된 문제점들을 극복하는 미세장치를 제조하는 새로운 방법에 지향되어 있다. 본 발명은 상이한 구조의 재료로 제조될 수 있는 여러 가지의 상이한 미세구성부품은, 장치를 형성하기 위하여 개개의 미소규모의 구성부품을 조립할 필요없이 단일의 미세장치로 일체화를 허용하여준다.
관련출원의 상호인용
본발명은 1999. 07. 23.일자에 출원한 미국 가특허출원 No.60/145,554의 국내우선권을 주장한다.
본발명은 미세하게 제조된 장치 및 그의 제조방법에 지향되있으며, 미세장치를 사용하여 화학적 변화, 물리적 변화, 화학작용제(chemical agent), 생물학작용제(biological agent)를 검출하는 방법에 지향되어 있다. 구체적으로는 상기 장치는 미세유체채널(microscale fluid channel)들을 가지며, 상기 장치의 동작구성부품을 형성하기 위해, 채널내에 하나나 그 보다 많은 중합가능한 혼합물을 중합시키는 기판으로 제조된다. 제조방법은 장치를 형성하는 개개의 미세구성부품의 전통적인 조립을 배제한다.
도 1은 분석물질(analyte)의 감지 및 분석물질에 반응하는 장치의 활성화를 나타내는 장치의 개략도;
도 2는 본발명의 방법에 의하여 제조된 폴리머-기지(base)의 PH센서/액추에이터의 개략도;
도 3은 PH 변화에 반응하는 미세 구성부품의 량적 변화를 나타낸 도면;
도 4 및 6은 본발명의 미세장치를 제조하는 방법을 나타낸 도면;
도 5는 본발명의 미세장치를 위한 마이크로채널 형상의 예를 나타낸 도면;
도 7은 층류를 이용하는 마이크로채널의 웰상에 기능적 히드로겔(functional hydrogel)형성을 나타낸 도면,
도 9는 미세장치의 미세구성부품으로서 사용될 수 있는 바이오 반응 히드로겔을 나타낸 도면;
도 9는 PH 변화에 반응하여 미세 히드로겔의 량적 변화를 나타낸 도면;
도 10은 본발명의 방법에 의해 제조된 프로우 라우터를 나타낸 도면;
도 11은 본발명의 PH 감지 비드 및 PH 변화에 대한 비드의 재생 가능한 반응을 나타낸 도면;
도 12 및 13은 미세구성부품의 상이하고 복잡한 외형을 나타낸 도면;
도 14 및 15는 미세채널내에 제조된 폴리머 히드로겔의 다른 형상들을 나타낸 도면;
도 16은 본발명의 미세검출장치를 나타낸 도면;
도 17은 본발명에 의해 제조된 생물측정 밸브를 나타낸 도면,
도 18은 본발명의 방법에서 혼돈의(choatic) 유체흐름의 사용을 개략적으로 나타낸 도면.
본발명은 미세장치의 제조방법, 이 방법에 의하여 만들어지는 미세장치 및 이 미세장치를 사용하여 화학 또는 물리변화, 또는 화학적 혹은 생물학적 작용제(agent)를 검출하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 본발명은 근본적으로 종래의 제조방법과는 상이하고 종래 제조방법에 관련된 문제점들과 불리한 점들을 해결하며 종래 제조방법에 관련된 장점들을 유지하는 미세장치들 제조방법에 관한 것이다. 특히, 본발명의 방법은(조립을 피하는) 리소그래픽 프로세스의 장점을 보유하고(상이한 구성재료로 만들어지는 장치 구성부품들의 집적화를 허용하는) 조립 프로세스의 장점들을 보유한다. 본발명의 제조방법은 또한, 미세장치의 기능을 확장하는 능력을 제공하고 이것에 의해 오늘날의 한계점 이상으로, 장치의 종류 및 실질적인 적용 모두에 있어서, 미세장치의 범위를 확장하도록 하여준다.
따라서, 본발명의 한면(aspect)은 미세장치의 미세한 구성부품의 제조방법, 즉, 완료된 미세장치를 제공하도록 기판상이나 또는 기판내에 개개의 미세장치 구성부품을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
미세의 구성부품은 장치의 구조상 구성부품(즉, 장치의 웰 또는 채널)이거나 또는 장치의 기능상 구성부품(즉 밸브, 펌프, 광전자부품 또는 센서) 일수 있다.
구조상의 구성부품은 물리적 및 화학적 변화 및 화학적 및 생물학적 작용제에 반응하지 않는다. 기능적 구성부품은 생물학적 작용제에 반응성(즉, 생물학 반응성)이거나 또는 물리학적 혹은 화학적 변화에 반응성이거나 또는 비생물학적 화학작용제에 반응성(즉, phisiol-chemo 반응성), 중의 어느하나일수 있다.
본발명의 또하나의 다른 면은 하나이상의 미세채널, 미세채널내에서 종류의 성질, 및 채널내의 기선택 위치에서의 중합가능한 혼합물의 중합을 가지는 기판을 사용하여 미세장치를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 기판은 미리형성된 채널, 예를들어 리소그래피 기술에 의해 마련된 채널을 가질수 있다. 또한 본발명의 방법은 기판내에 미세채널들을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 어느한 실시예에서 본발명의 방법은, 미세장치의 제조가 완성될 때까지, 동일 또는 상이한 구성재료로부터 채널내 개개의 미세구성부품을 제조하기 위하여 필요한 만큼 반복된다.
본발명의 또하나의 다른 면은 미세구성부품으로부터 미세장치를 형성하기 위하여 어느 손으로 교묘하게 다루는 조립단계가 결코 필요하지 않은 미세장치를 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
본발명의 다른 또하나의 면은 개개의 구성부품이 상이한 구성재료로 제조될수 있는 복수의 미세한 기능성 구성부품을 가지는 미세장치를 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 따라서, 본발명의 방법에 의하여 제조되는 미세장치는 특히 임의의 여러 가지 특정의 최종 용도적용을 위하여 설계될 수 있다. 따라서, 본발명의 제조방법은 미세장치에 대한 많은 실질적 적용을 크게 확장한다.
본발명의 또하나의 다른 면은 개발 및 제조 시간이 단축되고 그 결과의 장치는 비용이 효율적인 미세장치를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본발명의 다른 또하나의 면은 센서, 액추에이터 또는 검출기로서 작동하고 화학 혹은 생물학적 화합물이나 또는 온도나 혹은 PH 변화의 물리 혹은 화학적 변화와 같은 관심대상의 기선택 자극물에 빠르고 정확하게 반응을 제공하는 미세장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 이와같은 면은 관심대상의 자극물에 반응하는 적절한 기능을 가진 미세 구성부품을 제조함으로써 달성된다.
본발명의 또하나의 다른면은, 외부의 전원이나 또는 미시적인 이벤트를 거시적인 반응으로 변환하는 다른 외부수단을 필요로 하지 않고, 미세한 물리적 혹은 화학적 변화나 화학적 혹은 생물학적 작용제의 미소량을 거시적인 검출가능의 응답으로 직접 변환할수 있는 미세 장치를 제공하는 것이다. 따라서, 미세장치는 예를들어, 환경 및 식품오염, 화학적 프로세스에서의 변화 또는 질병처리처방을 검출하거나 모니터 하기위해 물리적 혹은 화학적 변화나 화학적 혹은 생물학적 작용제에 대한 휴대용 검출기 및 센서로서 유용하다.
본 발명의 또하나의 다른 면은 미시적 및 거시적 환경사이의 중개 역할을 하는 오랜 문제점을 해결하는 것이다. 본발명의 이들 및 다른면 및 장점들은 다음의 도면에 관련한 바람직한 실시예의 상세설명으로부터 명료하게 될것이다.
미세 유체시스템을 제조하는 기존 방법 및 일반적인 미세장치는 주로 미세장치 제조 및 조립 기술의 연장이다. 현재의 미세구조 제조방법은 굉장한 값을 가지고 있지만, 또한 한계를 가지고 있다. 구체적으로는 복잡한 미세장치를 빠르게 제조하는 것이 매우 어렵다. 중요한 것으로써, 센싱 및 검출 구성부품을 포함하는 기능적 구성부품을 미세장치에 집적하는 것이 어렵다. 전형적으로 많은 설계 및 제조프로세스가 요구된다. 예를들면, 현 방법을 사용하는 복잡한 미세장치의 개발은 몇 달에서부터 수년까지의 시간짜임이 필요하다. 그와같은 긴개발 및 제조시간은 수시간 내지 수일내에 복잡한 장치의 설계, 및 제조를 필요로하는 응용에서의 미세장치의 사용을 못하게 한다.
본발명에 의해 제조된 미세장치는 화학적 에너지를 물리적인 일로의 변환을 이용하며, 이것은 생활시스템의 운동을 기초로 하고 있다. 그와 같은 프로세스의 본질은 그들의 주위환경에서 화학적 또는 물리적 자극에 응답하여 양적 변화를 당하게 되는 여러 가지 천연 및 합성의 폴리머겔에 의해 포착된다. 그와같은 폴리머겔은 액추에이터 센서, 분리용의 제어가능한 얇은막(membrane) 및 작용제 교부용의 모듈레이터와 같은 여러 가지 응용을 위해 연구되어 왔다. 이들 모든 응용에서 부딪치게되는 불리한 점은 특정의 자극물에 대한 반응의 특이성에 대한 부족 뿐만 아니라 그와 같은 화학 기계적(chemomechanical) 재료에 의해 나타나게 되는 느린 반응 시간이다. 예를들면, 거시적인 폴리머구조에 대하여, 폴리머의 망(network)속으로 주위 매질의 확산은 폴리머 팽창을 지배하는 반응 속도-제한 요소이기 때문에 반응시간은, 종종 수일내에 측정된다. 임의의 확산 제한 프로세스로, 표면영역 대 체적에 대한 비율을 상당히 증가시키는 것은 프로세스의 속도를 증가시킨다. 예를들면, 폴리머 히드로겔 체적변경은 칫수의 자승에 따라 증감되는 것이 찾아지게 되었다. 그래서, 미세하게 히드로겔을 축소시키는 것은 실질적으로 향상된 반응시간이 얻어진다. 따라서 미세유체 채널내에 위치되는 자극-반응 폴리머겔을 구비하는 미세장치는 장치의 미세크기로 인해 빠른 반응시간을 얻는다. 예를들면, 제조의 간편성 및 팽창에 의해 발생되는 큰힘은 미세한 시스템에 유체흐름을 조절하는데 폴리머겔을 이상적인 기능성재료로 만들어준다.
종래의 액추에이터, 예를들면, 전자적, 정전적 및 열공기식(themopneumatic) 액추에이터는 비교적 조립이 복잡하고 동작을 위한 외부 전원을 필요로하며, 이것은 실제적 응용에 있어서 그들의 사용을 제한한다. 이와는 대조적으로, 자극-반응성 히드로겔은 외부 전원을 필요로하지 않고 주위 환경에 반응하여 급격한 량적 변화를 하는 능력 때문에 종래의 미세 유체식 액추에이터보다 상당한 장점을 가진다. 더욱이나, 자극-반응성 히드로겔은 PH, 온도, 전계, 광, 화합물(예를들면, 탄수화물) 및 생물학적 작용제(예를들면, 항원)과 같은 여러 가지 자극물에 반응할 수 있다. 주위 매질로의 폴리머 히드로겔 팽창은 부플음(swelling) 프로세스를 좌우하는 속도-제한 요인이기 때문에 히드로겔의 크기를 미크론 칫수로 축소시키는 것은미시적인 이벤트에 대한 제상의 거시적인 검출을 달성하는데 필요한 빠른 용적 천이(Volumetric transition)를 가능하게 한다.
따라서, 본발명은 조립하는데 간편한 복잡한 미세장치에 대한 급속한 개발 및 제조를 하게하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 복잡한 미세장치의 새로운 방법을 제공하기 위해 전통 및 비전통의 제조프로세스(예를들어, 리소그래피/마이크로몰딩), 미세구조의 물리적 특성(예를들어, 층류(laminar flow), 짧은 확산통로) 및 합성유기 화학특성(예를들어, 기능적 폴리머)을 이용한다.
본발명은 미세채널 및 중합 가능한 혼합물의 중합 반응을 이용하는, 미세 구성부품과 미세장치의 새로운 제조방법을 제공한다. 본발명의 방법은 미세구성부품 및 미세장치에 대한 종래의 방법에 대하여 많은 장점을 가지고 있다. 예를들면, 본발명의 방법은 미세장치를 형성하기 위해 개개의 미세구성부품에 대한 교묘한 수작업에 의한 조립을 제거한다. 특히, 미세장치는 액체층류(laminar fluid flow), 기판표면처리, 폴리머 화학특성 및 중합반응개시 중의 하나 이상의 적절한 응용에 의하여 단지 제조된다. 따라서, 본발명의 방법은 복잡한 미세장치의 제조를 아주 간편하게 한다.
본발명의 미세장치는 예를들면, 화학적 화합물 및 생물학적 작용제의 검출에 있어서 유용하다. 본발명의 미세장치는 간단한 장치의 제조, "인 시츄(in situ)" 구성부품제조를 통한 장치 기능성의 집적화, 단순한 조작, 외부전원의 불필요성 및 조작이 간단하면서도 복잡한 기능성의 장점을 가지고 있다. 미세장치는 물리적 변화(온도변화와 같은), 화학적 변화(PH 변화와 같은), 화학화합물 생물학적 작용제(병원체나 또는 독소와 같은) 또는 생물학적 작용제에 대한 숙주 방어 반응을 검출하기 위해 사용될수 있다. 본발명의 장치는 또한 환경 독물학, 임상검출 및 진단, 그리고 화학적 프로세스 스트림(process stream)에 관련된 응용에 사용될수 있다.
본발명에 대한 다음 설명에서, 이것에 제한되지는 않지만, 실시예의 상세한 설명은 먼저 본 발명을 광범위하게 설명하기 위하여 개시된다. 그다음 본발명의 여러 가지 특성을 개별적이며 상세하게 설명된다.
한 상정의 미세장치가 도 1에 도시되어 있다. 도 1의 장치는 생물학적 액체(예를들어, 타액, 땀, 피 또는 오줌)나 다른 유체 매질(예를들어, 공장증기나 또는 물흐름) 내의 성분에 대한 검출장치를 나타낸 것이다. 도 1에서, 장치(100)는 마이크로채널(104)내에 반응성 히드로겔(102)을 포함한다. 반응성 히드로겔(102)은 관심대상의 분석물질에 노출되게 접촉되어 있고 이것에 의해 마이크로채널(108)내의 성분 A가 쳄버(106)로 흐르게하여 성분 B와 혼합하고 검출가능한 변화 예를들어 쳄버(106)내에서 색상변화를 만들어낸다. 색상변화는 미시적 사건, 예를들어 반응성 히드로겔(102)과 관심대상의 분석물질의 접촉에 거시적 반응을 제공하여 준다. 장치(100)는 결코 전원을 필요로 하지 않고 전자장치를 결코 이용하지도 않으며, 복잡한 미세하게 제조된 구성부품을 포함하지도 않는다. 반응성 히드로겔(102)은 센서 및 액추에이터 모두로 작용하여서 분자적인 사건으로부터 거시적인 검출로의 직접적인 링크를 제공하여 준다. 히드로겔(102)은 또한 마이크로 채널(104)내에서 물리적 변화나 또는 화학적 변화를 반응하게 접촉되어서 미시적 이벤트에 대하여 거시적 반응을 제공하여 줄수 있다.
본발명의 방법에 의해 마련된 또하나의 다른 장치가 도 2에 도시되어 있는 바와 같은, 미세장치이며, 이 미세장치는 PH의 자기-조절을 제공하여 준다. 구체적으로는 PH는 여러 가지 바이오 유체 시스템(예를들면, 모세관 전기 영동 및 단일 세모/태아 분석기)내에서 임계적인 파라미터이다. 단일 동물 태아의 수송, 조작 및 분석에 있어서, 태아 발육의 장기간에 걸쳐서의 분석을 용이하게 하기 위하여 분석실 내의 PH를 엄밀히 조절하는 것이 중요하다. 태아의 경우에, 0.3PH 범위내의 PH 조절이 필요하게 된다. 본발명의 방법은 PH 변화를 감지하여 PH 변화에 빠르게 반응할 수 있는 폴리머-기지의 액추에이터/센서장치를 통합시키는 미세 유체장치의 제조를 할수있게 하여준다. 미세장치는 개별적인 센서, 액추에이터 및 콘트롤 프로세스를 이용하는 것이 아니라 오히려 PH 내의 변화에 반응하여 수용용기로부터 적절한 액체를 배출함으로써 PH를 감지하여 조절하는 단일의 "고성능(smart)"이거나 또는 반응성의 폴리머겔(polymer gel)을 이용한다
일반적으로 폴리머-기지 PH 액추에이터/센서는 적어도 부분적으로 미세 유체장치의 기본구조를 가지는 기판과 기판의 채널내에서 공간적으로 제어되는 중합 반응을 이용하여 제조된다. 이와같이 공간적으로 제어되는 중합 반응에 있어서, 필요하다면, 임의의 고정재료가 기판내에 형성된 미세채널내에 패터닝 될 수 있다. 임의의 고정 재료인 지로코늄은 예를들어 PH 액추에이터/센서를 구비하는 폴리머겔에 대하여 높은 친화력을 가져서 채널의 표면으로 폴리머 겔을 고정한다.
폴리머겔은 채널을 통한 유체 이송을 이용하는 채널내에 위치되어 있다. 즉, 폴리머 겔과 중합 개시제를 형성하는 모노머를 구비한 중합 가능의 혼합물이미세채널을 통하여 흐르게되고, 미리 공간적으로 정의된 채널내의 영역으로 광이나 또는 다른 적절한 에너지원을 인가함으로써 이 채널내의 정의된 영역에서 중합 반응이 실행 된다. 폴리머겔이 없게되는 채널내의 영역들은 중합 반응 기폭제 예를들면 입사광선으로부터 마스크된다. 따라서 중합 반응을 소정의 공간적으로 정의된 영역에만 한정되고 임의의 미반응의 중합 가능한 혼합물은 채널로부터 씻어내어진다.
중합 반응은 여러 가지의 에너지원, 예를들면, 광, 열, 진동, 전기력 또는 자력에 의하여 개시될 수 있다. 상세한 개시내용의 나머지 부분에 대하여서는 설명을 간략하게 하기 위하여 광 개시 중합반응, 예를들어 광중합 반응을 주로 인용한다. 그러나, 본발명은 광중합 반응에만 한정되는 것은 아니며 본발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 공지된 다른 형태의 중합 반응 기폭제도 이용할수 있다.
상기 방법에 의한 장치는 도 2에 도시된 바와 같이 분석쳄버내의 PH를 자기 조절할 수 있다. 동작에 있어서, PH반응 폴리머-기지의 센서/액추에이터는 높은 PH에서 급속하고 실질적인 체적의 수축을 하게 되는 폴리머겔을 구비한다. 폴리머겔의 수축은 부가적인 수소이온이 수용용기로부터 분석쳄버내로 흐르도록 하여 주며, 이것에 의해 PH를 낮춘다. PH의 하강에 반응하여 폴리머겔은 팽창되어서 용기로부터 수소이온의 흐름을 감소시켜서 PH의 자기-조절(self-regulation)을 제공하여 준다.
도 2에 도시되어 있는 미세 PH 센서/액추에이터(10)는 다음과 같이 제조된다. 표준 에칭 기술이 쳄버(12) 및 채널(14)을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 레이저 트랜스퍼 프로세스(layer transfer process)가 폴리머-기지의 센서/액추에이터(22)의 체적 수축 및 팽창에 의하여 변형되는 가요성 얇은막(16)을 형성하기 위해 사용된다. 그래서, 장치(10)는 하나의 기판, 예를들어 기판(18)으로 전달되는 가요성 얇은막(16)을 가진 2개의 분리된 기판(18, 20)(예를들어 유리 또는 실리콘)에서 에칭된 채널(14)과, 쳄버(12)로 형성되며 폴리머겔(22)은 기판(18, 20)이 서로 본딩되기 전에 패터닝되어 형성된다.
폴리머 센서/액츄에이터(22)는 어느때나 채널(14)내에 유체와 접촉을 유지하는 팽창 가능한 3차원의 폴리머겔이다. 폴리머 센서/액추에이터(22)는 얇은막(16)과 채널(14)의 웰과 공유 결합되어 있고 균일하게 채널(14)내의 공간을 채우고 있다. 폴리머 센서/액추에이터(22)가 유체 흐름을 저항하지만 유체는 유체의 PH를 계속적으로 감지하도록 다공성 폴리머 겔을 통하여 이송될 수 있다.
폴리머 센서/액추에이터(22)는 전형적으로 적어도 3개의 구성부품인(1) 예를들어 채널(14)의 표면에 부착되어 있는 중합 개시제나 또는 모노머나 또는 지주(post)와 같은 물리적 혹은 화학적 앵커의 어느 하나인 임의의 고정 재료, (2) 중합가능의 모노머, 그리고 (3) 중합가능의 가교제(corss linker)를 구비한다. 임의의 고정재료가 사용되는 경우, 채널(14)의 표면에 부착되어 있는 모노머나 또는 중합 개시제는 채널(14)의 미리 선택된 영역에 선택적으로 증착될수 있다. 예를들면, 인삼염 기는 공지의 지르코늄 포스틴산염/인산염의 상호작용을 이용함으로써 지르코늄으로 패터닝된 표면상으로의 이들 분자의 직접적인 흡수를 표면-결합 개시제 또는 모노머 상에서 나타낸다. (G. Caoet al, Acc. Chem. Res., 25, P. 420(1992), 및 H.Katz et al, Science, 254, P. 1485(1991)참조)
쳄버(14)내의 기선택 위치에서의 폴리머 센서/액추에이터(22)의 형성은 적절한 모노머/가교제 혼합물(예를들면, 비닐 이미다졸, N-이소프로필 아크릴레미드 및 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트 가교제의 혼합물)을 포함하는 중합가능한 혼합물의 미세유체전달(microfluidic delivery)에 의하여 달성된다. 중합가능한 혼합물의 중합반응은 폴리머 형성의 기선택위치로 입사광선이나 다른 적절한 에너지원을 인가함으로써 개시될 수 있다. 임의의 고정 모노머가 채널(14)의 표면에 부착되는 경우, 고정 모노머는 중합가능한 혼합물로 고정 모노머의 중합반응이 진행함에 따라 폴리머 겔의 네트워크 속으로 들어가게 된다.
폴리머겔을 형성하고자하는 위치 밖에 있는 채널(14)내의 위치에서의 중합은 입사광이나 또는 다른 에너지원으로부터 그와같은 위치를 마스크함으로써 피하게 된다. 중합후에, 영역의 잉여 비 반응 중합가능한 혼합물은 도 2에 도시된바와 같이, 채널(14)내에 폴리머 센서/액추에이터(22)를 위치시키기 위해 채널(14)로부터 씻어내어진다. 그 결과의 폴리머겔은 바람직하게 가요성 얇은막(16)과 채널(14)의 웰사이의 갭을 채워서 이들 표면에 강하게 부착된다. 폴리머겔은 높은 PH에서 수축하고 0.8이하의 PH에서 팽창한다(예를들면 부풀다). 팽창과 수축상태사이의 폴리머겔의 체적 변화는 약 10의 계수이며 폴리머 센서/액추에이터(22)의 작은 크기 때문에 빠르게 된다. 수축 및 팽창의 속도 및 정도는 PH의 적절한 자기 조절을 제공하는데 충분하다. 폴리머 겔(22)은 외부의 모니터링과 콘트롤에 대한 필요없이 유체흐름을 조절하는 센서 및 액추에이터 양자로서 기능을 한다. 센싱 및 액추에이터 기능은 유체스트림에 대한 화학적 환경, 예를들어 PH에 반응하여 불연속적인 체적변화를 나타내는 폴리머 재료의 사용에 기인된 것이다. 폴리머 겔의 체적 변화가 도 3에 예시되어 있다.
도 2에 도시된 PH 센서/액추에이터는 기능적 폴리머 겔을 이용하는 하나의 미세장치 및 이 미세장치를 제조하는 한 방법을 예시한 것이다. 그러나 본발명은 상술한 PH 센서/액추에이터에만 한정되는 것은 아니다. 본발명의 방법은 예를들면 분석물질이나 물리적 성질의 변화의 검출이나 밸브 혹은 펌프로서의 작동과 같은 특정의 기능을 수행하기 위해 설계된 하나이상의 폴리머 겔을 포함할 수 있고 하나이상의 미세채널의 기선택 어레이를 가지는 많은 다른 미세장치를 제조하는 것에도 일반적이다.
일반적으로, 본발명의 미세구조는 (a) 비 반응성의 구성재료, (b) 반응성 재료를 구비한다. 반응성재료는 바이오 반응성 및/또는 물리적/화학적 반응성재료일수 있다. 반응성 재료는 전형적으로 폴리머 히드로겔이다. 반응성 재료는 모노머, 및 전형적으로 광 중합가능한 모노머로부터 제조되며 상술한 바와 같이 장치내로 직접 집적화된다. 반응성 재료는 전형적으로 다기능 아크릴레이트, 하이드록시 에틸메타크릴레이트(HEMA) 탄성중합체 또는 클릴레이트 및 관련 모노로부터 제조되는 폴리머이다. 비 반응성 재료는 채널의 웰을 정의하고 투과성, 반투과성 및 불투광성의 구부러질수 있는 장벽의 구조적 구성부품을 형성하기 위해 사용된다. 비 반응성재료는 전형적으로 디사이클로편타이엔과 같은 탄화수소 모노머로부터 제조된다.
물리적/화학적 반응성 재료는 여러자극물의 기능으로써 빠르고 실질적인 체적변화를 나타내며 히드로겔이며 온도, PH, 이온강도, 특정화합물의 존재 및 다른 환경적 변수를 조절 및/또는 모니터하는 미세 구성부품을 제조하기 위하여 사용된다. 물리적/ 화학적 반응재료는 또한 바이오 반응성재료를 포함하는 미세구성부품을 제조하기 위한 기본적인 빌딩블럭(biulding block)이다.
바이오 반응성재료는 전형적으로 함성 히드로겔 및 유생분자(biomolecule)를 구비한다. 바이오 반응성재료는 예를들어, 독소나 또는 병원체의 존재시에 체적변화를 나타낼수 있으며 바이오 반응성 자료의 합성구조에 따라 가역 및 반복형태에서 다수배로 체적변화를 겪게 될 수 있거나 또는 비가역적 체적 변화를 겪게되는 "원-쇼트(one-shot)"재료일수 있다.
본발명에 의한 미세장치, 예를들면, T채널내의 히드로겔 자켓밸브의 제조방법이 도 4 및 도 6에 도시되어있다. 일반적으로, 마이크로몰딩 기술은 넓고 얇은 카트리지를 제공하기 위해 사용된다. 기능적 및 구조적 양자의 폴리머 구성부품이 액상의 중합가능한 혼합물의 직접적인 광패터닝을 통하여 카트리지 내측에 만들어진다. 액상중합, 리소그래피, 및 층류(laminar flow)의 응용을 통하여, 비 반응성 마이크로 채널을 포함하는, 장치의 모든 구성부품이 용이하게 구성된다.
도 4에 도시된 전형적인 과정에서 예를들어 약 100 내지 250㎛길이와 각각 약 500 내지 25,000㎛ 폭과 길이의 카트리지(200)가 모노머 및 광 개시제를 구비하는 중합가능한 혼합물로 채워진다. 이 혼합물이 정지상태에 도달하게 허용된후 자외선에 노출된다. 카트리지(200)의 윗표면상에 위치되어 있는 포토마스크(204)가 장치 및 마이크로채널의 구조적 구성부품의 기하학적 형상을 결정한다. 포토마스크(204)에 의하여 보호되지 않는 중합가능한 혼합물이 중합하여 미세장치의 비 기능성의 구조적 재료를 형성한다. 중합시간은 광 개시제, 모노머 혼합물, 및 광세기에 따라 약 5초 내지 10분이다. 편리한 광원은 표준 형광 현미경으로부터 필터링된 광원이다.
중합이 완료될 때 잔여의 중합되지 않은 중합가능한 혼합물은 카트리지(200)로부터 씻어 내게 되어 채널(202)을 제공한다. 포노마스크 아래의 중합되지 않은 혼합물을 제거하도록 중합되지 않는 혼합물은 적절한 용제(예를들어 물이나 또는 메탄올)로 씻어 내게 된다.
다중 구조패턴을 가진 포토마스크를 사용하거나 또는 동일 부분을 다른 것으로 카트리지를 다시 채우거나 또는 다른 중합가능한 혼합물을 다시 채우는 순차적인 방법으로 중합을 반복함으로써, 다양의 구조들이 동시에 만들어질 수 있다. 도 4는 마이크로채널(202)내에 위치되는 미세구성부품(212)을 가지는 미세장치(210)를 나타낸 것이다.
서로 근접하여(예를들어 300㎛미만) 있는 구조물은 대상물 사이에서 일어나는 부분적인 중합 때문에 일반적으로 동시에 제조될 수 없으나, 이러한 문제점을 피하기 위하여 순차적 중합이 사용될 수 있다. 이방법은 다른 형태 및 크기이며 다른 화학적종의 물질이, 도 5에 도시된바와 같이, 미세 유체시스템으로 직접 집적화 되도록 하여준다.
도 5는 본발명의 미세장치에 대한 마이크로채널의 여러 가지 기하학적 모형의 예를 포함한다. 도 5에 도시된 마이크로채널을 구성하기 위해 사용되는 구성재료는 이소보닐 아크릴레이트(IBA), 2-2-비스[P-2'-하이드록시-3'-메타크릴옥시프로폭시] 페닐렌-프로판, 또는 테트라에틸렌글리콜 디메타클릴레이트(TeEGDMA)의 혼합물과, 광 개시제로서 IRGACURE 651 이었다. 이들 및 유사한 모노머는 그들이 중합 동안 낮은 정도의 수축을 가지고 빠른 중합 운동에너지를 나타내며 관심 대상의 자극물에 대하여 비 기능성 및 비 반응성인 뛰어난 구성재료이기 때문에 바람직하다. 전형적인 중합 시간은 약 5 내지 40초 이였다.
자외선 노출후에 액체의 중합가능한 혼합물은 투명하고 단단한 구조물질로 변환된다. 중합가능한 혼합물 내의 구성부품의 적절한 선택에 의해 여러 가지 일반 용제(예를들면, 물, 에탄올 및 아세톤)에 대하여 내성이 있는 마이크로채널이 제조될 수 있다. 구체적으로, 도 5A-C는 마이크로채널의 제조에 있어서 기본공정으로써, (a) 채널의 형상을 결정하는 카트리지의 채널표면위에 위치된 포토마스크 (b) 포토중합후의 마이크로채널, (c) 중합되지 않은 모노머 혼합물을 제거하도록 메탄올로 씻어낸후의 채널을 나타낸 것이다. 도 5d-f는 각도면의 상부 오른쪽 모서리에 축소된 크기로 표시된 상응하는 광마스크를 가진 여러 가지 마이크로채널의 기하학적 모형을 나타낸 것이다. 스케일 바(scale bar)는 500㎛이다.
본발명의 방법을 모든 장치 구성 및 구성부품을 결합하도록 하여주며 따라서 미세장치를 한번에 제조하도록 하여준다. 예를들면, 기판내의 미세유체 채널의 기설정 배열은 본발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 공지된 기술, 예를들면 그라스의 에칭이나 본딩, 또는 폴리리메틸실록산의 마이크로몰딩이나 본딩을 사용하여 제조될 수 있다. 다음에 적절한 중합가능한 혼합물이 채널대로 도입된다. 예를들면 제 1 단계는 기판상에 장치의 "웰(wall)"을 형성할 수 있다. 구체적으로는 채널들은 적절한 중합가능한 혼합물로 채워진후 웰로써 지정된 영역은 광이나 또는 다른 적절한 에너지원에 노출되어서 중합가능한 혼합물 내의 모노머를 중합한다. 채널의 다른 영역은 마스크되어 중합가능한 혼합물의 중합을 저지한다. 그 다음 비 반응의 중합가능한 혼합물(예를들면 마스크 아래의 혼합물)을 채널로부터 씻어내어진다. 그리고나서, 다른 중합가능의 혼합물이 채널내로 도입된후, 예를들면, 기 선택 영역의 광노출은 장치의 구성부품(예를들어, 밸브)를 형성한다. 웰은 구조적 폴리머로부터 제조되고, 이와반면에 구성부품은 기능적 폴리머 겔, 예를들면 자극물(예를들면 열, 광, PH 또는 유생분자)에 반응하여 변화를 겪게 하는 폴리머로부터 제조된다. 이 프로세스는 상이한 기능적 폴리머겔을 구비하는 부가적인 장치구성부품을 제조하기 위하여 하나 또는 그 이상 반복될 수 있다. 따라서 채널의 기 설정 어레이를 가지는 기판이 장치내로 도입되어서 이장치는 주문의 미세장치를 제조하도록 프로그램 되는 한장치를 가정할 수 있다. 따라서 본발명은 마이크로 시스템을 위한 여러 가지 실제응용에서 유용한 미세장치를 제조하기 위한 새로운 프로세스를 제공한다. 본발명의 다른 실시예가 이하에 설명된다. 또하나의 실시예에서, 복잡한 2차원 미세장치가 넓고 얇은 공정쳄버(flow chember)가 제공되는 큰 헬-쇼우 플로워 셀(hele-shaw flow cell)을 사용하여 제조된다. 그다음 공정쳄버는 제 1 중합가능한 혼합물로 채워진다. 전형적으로, 제 1 중합가능한 혼합물은 예를들면 장치웰을 제조하도록 비기능의 구조적 물질이다. 광학 마스크가 공정 쳄버의 기 선택영역을 광과 같은 입사에너지원에 선택적으로 노출시키기 위해 사용되어서 이들 영역에 나타난 중합가능한 혼합물을 중합시킨다. 그후 잔여의 비 반응 중합가능한 혼합물이 공정쳄버로부터 씻어내어진다. 이 프로세스는 도 6a에 도시된바와 같이, 공정 쳄버내에서 다른 기 선택된 영역에서 중합되는 다른 중합가능한 혼합물을 사용하여 원하는 바와 같이, 장치에, 기능적 구성부품(예를들면, 밸브, 센서 및 디스플레이)를 부가하기 위하여 반복된다.
보다 상세히 후술하는 바와 같이, 채널내로의 유체 흐름은 유체 체널의 미소규모의 크기 때문에 박막형상이다. 따라서, 3-차원 기능의 장치가 본발명의 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 구체적으로는 넓고 얇은 공정 쳄버를 사용하기 보다는 비교적 높이와 폭의 비율이 같은 플로워 채널(flow channel)(예를들면 1의 차수 또는 정사각형)이 사용된다. 그와 같은 미세채널을 사용할 때, 2개 혹은 그 보다 많은 다른 중합가능의 혼합물이 유체흐름은 난류상태와는 대조적으로 층류로되기 때문에 동시에 또는 순차적으로 채널내로 도입될수 있다. 또하나의 대안으로서, 중합가능한 혼합물과 비활성 액체가 동시에 또는 순차적으로 쳄버내로 도입 될 수 있다.
여기 및 이후에 사용되는 바와같이, "비활성 액체"라는 용어는 광이나 또는 다른 중합 개시 에너지원에 쪼이게 될 때 중합 반응을 겪지 않는 액체를 말한다. 따라서, 비활성 액체는 용매나 글리세린과 같은 캐리어이거나 또는 링-오픈 복분해(ring-open methahesis) 중합을 수행하기 위한 금속천이 복분해-활성 촉매등의 중합촉매와 동일 유사한 중합을 돕는 구성부품을 운반하는 액체일수 있다.
광중합 기술로 결합되어 있는 미세구조에서의 액체층류(luminar fluid flow)는 마이크로채널내에서 3차원 구조를 제공하여 준다. 도 6a에 도시된바와 같이, 층류 및 광중합을 사용하는 것만으로 만들어지는 여러 가지 기하학적 모양의 구조를 나타낸 것이다. 도 6a에 도시된 장치는 3개의 유체 스트림이 혼합되어지게 하여준다. 2개의 유체 스트림(302,304)이 외부에서 제어되고 한편 제 3 스트림(306)이 기능적 밸브(308)에 의하여 자동적으로 제어된다.
도 6a에 도시되어 있는 장치(300)는 기판, 예를들면 간단한 헬-쇼우 플로워 셀(즉, 넓고 얇은 미소유체 채널)으로부터 구성된다. 첫째, 비 기능적(즉, 구조적) 중합가능한 혼합물이 셀내로 흐르게되고 선택영역이 자외선에 노출되어서 채널웰을 형성하며 비 노출된 영역은 씻어 내어져서 채널(302,304,306)을 형성한다. 그다음, 제 2 중합가능한 혼합물이 새롭게 형성된 채널내로 흐르게 된다. 중합후에 PH 감지 히드로겔(308)을 제공하는, 이 혼합물을 PH 감지 밸브가 소망되는 부분에만 노출되고 비 노출된 중합가능한 혼합물은 채널로부터 씻어내어진다. 마지막으로 수동 혼돈 수평기류 믹서(passive chaotic advection mixer)(310)가 채널(302)의 하부스트림에 마련된다.
믹서(310)의 3-차원 기하학적 모형을 만들기 위해 층류가 흐름에 수직한 평면내에서의 디멘션(demension)을 정의하기 위해 사용되고 리소그래픽 프로세스가 흐름 방향에서의 디멘션을 정의하기 위해 사용된다.
도 6b는 4개의 동등한 상한으로 나누어진 미세채널의 단면을 나타낸 것이다.다른 중합가능한 혼합물과 불활성 액체 화합물이 층류에 의하여 각 상한으로 도입된다. 중합가능한 혼합물은 예를들면 다른 파장의 광에 대한 노출에 반응하여 중합한다. 적절한 에너지원, 필터 및 마스크를 사용하여, 다른 상한에 있는 혼합물을 선택적으로 중합시키는 것이 가능하다. Y-Z 평면을 장치의 웰과 유체 스트림간의 유체 인터페이스를 정의하고 X칫수는 마스킹에 의하여 정의된다. 다른 대안으로서, 장치가 다만 일상한만이 중합가능한 혼합물을 포함하게 하고 다른것들은 불활성 액체, 예를들면 글리세린을 포함하게 순차적으로 형성될수 있다. 이와같은 방법에 의하여 제조된 장치의 한예가 도 6a의 수동 마이크로믹서(310)이며, 이예에서, 각 채널은 혼합특성이 혼합되어질 용액의 온도나 또는 PH에 반응하여 변화 하도록 다른 기능적 폴리머로부터 제조되는 장애물을 포함하고 있다. 1999. 04. 01. 발행된 R.H. Liu, Journal of Microelectronechamical Systems을 참고하라.
믹서(310)를 구성하기 위하여, 제 1 중합가능한 혼합물은 스트림(2,3,4)내의 불활성 유체와 같이 스트림1(도 6b)에서 액화된다. 이 과정은 3차원의 뱀모양과 같은 채널을 형성하도록 반복된다. 채널구조는 기능적이며(즉 이채널은 PH 변화에 반응하여 팽창 및 수축한다.) 혼합될 스트립(즉 PH) 변화에 반응하여 혼합동작을 조절할 수 있다. 다른 대안으로서, 믹서구조는 다른 파장의 광으로 노출시에 중합하는 다른 중합가능한 혼합물을 동시에 사용함으로써 형성될 수도 있다.
본발명의 다른 실시예는 작은 직경의 폴리머 슬레드(thread)를 연속하여 제조하도록 유체역학적인 집속(focusing)을 사용한다. 이 실시예에서, 중합가능한 혼합물과 불활성 액체가 층류를 이용하여 미세한 채널로 도입된다. 구체적으로는박판 형상의 유체 스트림은 중합가능한 혼합물이 불활성 액채에 의하여 둘러싸여지는 단면, 즉, 불황성 액체가 예를들면 중합가능한 혼합물의 코어(core) 주위에 외피를 형성하기 때문에 이른바 "시스 플로워(sheath flow)"인 단면을 가진다.
유체 스트림의 적절한 설계를 통하여, 예를들면, 공동, 덩어리, 다층, 지느머리 형상 및 리본모양과 같은 광범위한 여러 가지의 다른 기하학적 단면을 가진 슬레드가 형성될 수 있다. 또한, 유체 스트림내에서 운반될수 있는 구형상 또는 임의의 입자형상이 제조동안에 슬레드내에 위치될수 있다. 슬레드 및/또는 비드(bead)의 어느 하나가 기능적 폴리머로부터 제조될수 있다.
슬레드를 형성함에 있어서, 전형적으로 디이클로펜타디엔이나 노르보렌을 포함하는 중합가능한 혼합물과 불활성 액체가 채널을 통하여 연속적으로 흐르도록 하여준다. 중합은 채널의 기 선택된 영역에서 실행되며 슬레드는 채널로부터 빠져나온다. 이 프로세스는 어떤 외부 자극물(예를들어, 광 또는 열)을 통하여 용액으로 운반될수 있고 응고될수 있는 임의의 물질에 적응할수 있다. 슬레드내에서의 대상물의 배치는 일련의 유체역학적 집속요소의 사용과 예를들면 밀도, 점도 및 유체속도와 같은 유체 성질의 적절한 선택을 통하여 제어될수 있다. 그와 같은 시스플로워(sheath flow)의 결과는 외부자극에 반응하여 섬유속을 짜여 질수 있는 기능적 플레드 즉 PH 변하나 또는 온도변화에 반응하여 팽창하거나 또는 수축하는 슬레드가 제조된다.
광마스크 없이, 층류가, 도 7에 도시된바와 같이 미세장치의 제조동안 미세구성부품의 기하학적 모양을 제어하기 위하여 사용될수 있다. 도 7a에서, 3개의유체 스트림이 마이크로채널을 통하여 펌프된다. 2개의 외측 스트림은 기능적 중합가능한 혼합물을 포함하고, 다른 한편 중간스트림은 불활성 유체를 구비한다(도 7a), 예를들면, 중합가능한 혼합물의 외측 스트림은 아크릴산, 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 물 및 광 개시제를 구비한다. 중간의 불활성 스트림은 글리세린을 구비할수 있다. 안정된 층류가 시링펌프를 사용하여 확립된후에 흐름속도가 점점 재료로 감소되고(도 7b), 중합을 개시하도록 소망 영역내 자외선 조사가 뒤따른다. 중합의 결과는 채널이 오프상태로 남아 있는 동안 마이크로채널의 웰에 따른 PH 감지 히드로겔의 형성이다. (도 5c) 기능화된 웰은 채널을 통하여 통과하는 유체의 PH에 기초하여 흐름을 조절하기 위하여 사용될수 있다. 염기성 용액에 노출될 때 (도 7d) PH 감지 히드로겔은 팽창되어서 채널을 밀봉한다. 도 7에서의 스케일바는 500㎛이다. 한편, 불활성 스트림이 두 개의 외측 스트림 사이에서 직접적인 접촉의 필요성을 제거하여주기 때문에 호환성 있는 다른 기능적 물질로 만들어진 기능적 구성부품이 이 방법을 이용하여 동시에 제조될수 있다.
이전의 전반적인 설명은 미세크기의 채널에서 층류를 이용하는 능력에 대하여 예시하였으며, 이어서, 상술한 PH 센서/액추에이터와 같은 기능적 미세장치를 제공하기 위해, 채널내의 기 선택된 위치에서 광으로 개시되는 중합에 대하여 설명한다. 구체적으로는 도 3은 광으로 개시되는 중합을 통하여 미세크기의 채널에서 제조되는 원형 폴리머겔을 나타낸 것이다. 도 3a에서, 폴리머겔은 산에서 팽창되었고, 한편 도 3b에서 폴리머겔은 염기성 용액에서 수축하였으며, 이것에 의해 PH 감도를 나타낸다. PH 센서의 작은 크기 때문에 PH에서의 변화에 대한 반응, 즉 수축과 팽창이 빠르다. 반응 역시 재생적이다.
본 발명의 또하나의 실시예는 광선으로 기록하는 것을 포함하며, 이 실시에에서, 도 6c에서 도시된 바와 같이, 중합가능한 혼합물을 포함하는 채널에 걸쳐서 광선을 단순하고 느리게 이동시킴으로써 임의의 2차원 형상이 형성된다. 또하나의 다른 실시예는 선택적인 표면처리를 이용하는 것으로, 이 실시예에서 채널 표면상에 개시제를 선택적으로 패터닝하는 것으로 중합 패턴을 정의 하는데 이용될수 있다. 본 발명의 방법은 개개 장치의 구성부품을 조립할 필요없이, 미세장치용의 센서, 밸브 빛 펌프와 같은 기능적 구성부품 양자를 제조하는데 이용될수 있다.
이하에 본 발명의 여러 가지 특징을 더욱 상세히 설명하며 본발명의 특정예를 더욱 설명한다.
본발명의 방법에서 사용되는 기판은 제한되지 않으며 임의의 구성 재료일수 있다. 기판이 모노리딕, 즉, 싱글 구성부품이라면, 기판은 광이 기판을 통하여 투과하도록 투명하며 미세크기의 채널내에서 중합가능한 혼합물과 접촉하여 중합을 하게된다. 기판이 기판을 형성하도록 서로 고정된 2개 이상의 구성부품을 구비한 것이라면, 적어도 하나의 기판 구성부품은 미세크기의 채널에서 광개시의 중합이 일어나게 하여주도록 투명하다. 제한하는 것은 아니지만, 기판의 실시예는 그라스, 프라스틱, 투명 광물 및 유사기판을 포함한다.
예를들면, 기판은 실리콘 일수 있다. 그와 같은 기판을 사용할 때 실리콘 프래너 프로세싱(planar processing)이 전자 구성부품들을 위치시키기 위해 사용될수 있으며 본발명은 전자 구성부품들로 서로 접속시키기 위해 전자 구성부품들에걸쳐서 폴리머겔을 위치시키도록 사용될수 있다.
기판상에 나타난 채널들은 크기가 미세하다. 기판은 미세장치의 최종 용도 적용에 따라 하나나 또는 복수개의 미세크기의 채널을 포함할 수 있다. 채널은 리소그라피와 같은, 본발명의 기술분야에서 잘 알려진 방법에 의하여 기판에 미리 형성될수 있다. 다른 대안으로서, 채널은 본 발명을 사용하여 제조될수 있다. 이 방법에서 구조적 폴리머가 기판상의 기 선택된 위치에 선택적으로 형성되어 관심대상의 채널 어레이를 제공하여준다. 구조적 폴리머는 전형적으로 탄화수소 모노머로부터 제조된다.
채널은 채널을 통한 유체흐름이 층류가 되도록 미세크기이다. 이것은 2개 이상의 액체가 혼합하는 일이 없이 동시에 채널을 통하여 흐르게 하여준다. 따라서 채널은 약 1 미크론 내지 약 1 미리미터의 단면 직경을 가지며, 바람직하기로는 약 2 미크론 내지 약 500 미크론의 단면 직경을 가진다.
본발명의 충분한 장점을 달성하기 위하여, 채널은 약 5내지 250 미크론의 단면직경을 가진다. 미세크기의 채널로 도입되는 중합가능한 혼합물은 액체이다. 게다가, 액체는 층류 형상으로 흐르게 하여주는 성질을 가진다. 층류 모양으로 몹시 심한 혼합없이 흐르는 액체는 복수의 액체 스트림이 혼합됨이 없이 동시에 쳄버를 통하여 흐르게 하여준다. 미세한 크기에서 흐르는 유체는 거시적인 유체흐름과는 여러 가지 차이를 보인다. 미세채널크기에서, 교란운동이 존재하지 않게되어 액체흐름은 층류가 된다. 층류에서는 단일채널로 복수의 유체 스트림의 동시 도입을 정밀하게 제어하는 것이 가능하다. 층류의 예는 유체동력학의집속(hydrodynamic focusing)이 용액내에서 셀을 정밀하게 정렬시키기 위해 사용되는 플로워 사이트 메트리 시스템(flow cyto metry system)에서 시스 플로워(sheath flow)이다. 층류는 또한 P.J. Kenis et al., Science, 285 PP. 83-85(1999)에 개시되어 있다.
층류를 나타낼수 있는 액체는 아래의 레이놀드수(Reynold's number:RE)를 가진다. 레이놀드수는 교란운동을 발생시키는 다음 액체의 경향에 관계되어 있다. 레이놀드수는 다음과 같이 정의된다.
여기에서, 유체흐름의 속도(V, 단위 m/s), 채널 직렬(I, 단위 m) 및 액체밀도(ρ, 단위 kg/㎥)가 더욱 낮고, 액체점도(μ, 단위 kg/㎳)가 더욱 높을수록 Re는 더욱 낮아진다.
일반적으론, 층류는 약 2000미만의 Re를 가지는 유체에서 일어난다. 교란스런 흐름은 2000 이상의 Re를 가지는 유체에서 일어난다. 따라서, 본 발명에서 사용되고 미세크기의 채널로 도입되는 유체는 약 1 내지 2000, 바람직하기로는 약 2 내지 1000의 레이놀드수를 가진다. 본 발명의 충분한 장점은 얻기위하여서는 유체는 약 5 내지 약 500 미만, 특히 100미만의 Re를 가진다. 2개 이상의 다른 유체 스트림이 동일의 미세크기의 채널로 동시에 흐르고 낮은 Re를 가지면, 교란운동을 발생하지 않으며 유체 스트림을 혼합시키는 유일한 방법은 유체계면에서의 확산이다. 따라서, 낮은 Re를 가진 유체의 각각의 흐름층들은 동시에 미세크기의 채널을통하여 흐를수 있다. 미세크기으 채널로 도입되는 하나의 유체 또는 여러 유체는 중합가능한 혼합물 이거나 또는 불활성 액체일수 있다. 단일의 유체가 채널로 도입될수 있거나 또는 하나이상의 층류로 채널에 도입될수 있다. 예를들면, 2개 내지 5개와 분리되는 유체가 층류를 이용하여 채널로 도입될수 있다. 하나보다더 많은 유체가 채널로 도입될 때, 적어도 유체중의 하나는 중합가능한 혼합물이다. 불활성 액체와 중합가능한 혼합물의 임의 다른 결합이 쳄버로 도입될수 있다. 전형적으로, 중합가능한 혼합물은 이 혼합물이 채널의 표면을 접촉하도록 도입될수 있으며, 그 결과의 폴리머겔이 표면에 부착된다. 그러나, 슬레드(thread)의 제조에서, 중합가능한 혼합물은, 이 혼합물이 채널표면을 접촉하지 않도록, 즉 코어 외피(core/sheath) 흐름의 코어가 되도록 도입될수 있다.
채널로 흐르는 불활성 가스는 층류를 제공하도록 낮은 Re를 필요로한다. 불활성 가스 역시 중합단계 동안 중합될수 없다. 불활성 유체는 채널로 도입되어서, 예를들면, "스페이셔(spacer)"로서 작동한다. 즉, 폴리머겔의 두께가 채널의 단면칫수보다 작은 실시예에서, 중합가능한 혼합물의 소정 두께의 도입이나 또는 이 혼합물의 단면의 기하학적 모양을 허용하여준다. 중합단계후에, 불활성 유체는 쳄버로부터 씻어내여진다. 제한하는 것은 아니지만 불활성 액체의 예는 글리세린이다.
미세한 채널로 흐르는 중합가능한 혼합물은 액체이며 또한 층류를 제공하도록 낮은 Re를 필요로한다. 중합가능한 혼합물은 광이나 또는 다른 폴리머-개시 에너지원에 노출될 때 중합될수 있는 모노머를 포함한다. 중합가능한 혼합물은 바람직하기로는 광개시 중합을 할수 있는 높은 퍼센트의 모노머를 포함한다. 혼합물은또한 광 개시제를 포함할수 있다. 가장 바람직하기로는 중합가능한 혼합물은 모노머와 광 개시제의 순수한 혼합물, 즉 용제가 없는 것이다. 그러나 고형의 모노머나 광 개시제를 용해시키거나 또는 분산시키기 위해 또는 중합가능한 혼합물의 물리적 성질을 조정하기 위해 용제가 필요한 경우에는, 용제는 중합 가능한 혼합물에 포함될수 있다. 전형적으로 일단 용제가 들어간다면, 용제는 중량으로 중합가능한 혼합물의 약 1% 내지 약 25%, 바람직하기로는 약 1% 내지 약 10%의 량이다.
용제는 중합 개시제 에너지원에 쪼이게 될 때 반응하지 않으며 전형적으로 낮은 분자중량과 낮은 비등점을 가지고 있다. 이것에 제한하는 것은아니지만, 용제의 예는 메탄올 및 에탄올과 같은 알콜, 에틸, 지방족 및 방향족 탄화수소, 아세톤과 같은 케톤, 및 물을 포함한다.
중합가능한 혼합물에 나타나는 모노머는 전형적으로 (a) 알카리 폴리머 구조를 제공하는 단일 불포화 에틸렌성 모노머와 같은 하나이상의 단일 기능성 모노머, (b) 가교제로서 작용하는 하나이상의 다불포화 모노머를 포함한다. 중합 가능한 혼합물은 모노머와 같은 다불포화 모노머 만을 포함할 수 있다. 모노머는 장치가 설계되는 최종용도를 실행하기 위해 소망의 물리적 및 화학적 성질을 가지는 폴리머겔을 제공하도록 선택된다. 따라서, 모노머는 폴리머겔에게 기능성을 주도록 하나이상의 작용기(functional group)를 가질수 있거나, 또는 모노머는 채널 웰등의 제조에 있어서, 장치내에 구조를 제공하도록 비 기능적 일 수 있다.
특히, 기능적 폴리머겔 구성부품을 제조하기 위해 사용되는 모노머는 전형적으로 미시적 화학적 또는 생물학적 자극물에 반응하여 거시적 물리적 변화를 나타낸다. 겔은 거시-대-미시(macro-to-micro) 크기의 갭을 매워서 화학적/생물학적 신호들을 물리적 거시세계로 직접 결합시킴으로써 상기 신호들의 큰 증폭을 제공하여준다. 이와같은 특징은 많은 전형적인 시스템의 구성부품(즉, 검출, 측정, 분리)에 대한 필요성을 제거하여주고 분석물질을 분리, 격리 및 순화시키는 여러 제조단계에 대한 필요성을 제거하여준다.
단일 불포화 에틸렌성 모노머는 매달린 산성기나 또는 염기성기를 가지는 폴리머를 제공하기 위해 치활될수 있다. 마찬가지로, 모노머는 실리콘기, 에폭시기, 하이드록시기, 아미노기 또는 시아노기등의 가수분해 가능기와 같은 다른 종류의 치환기들을 포함할수 있다. 중합가능한 혼합물은 그의 의도되는 기능을 실행하도록 소망의 화학적 물리적 성질을 가지는 폴리머 겔을 제공하기 위해 하나의 단일 불포화 모노머나 또는 복수의 코모노머(comonomer)들을 포함할수 있다.
매달린 산성기(pendont acid group)들을 포함하는 폴리머는 강 또는 약산의 어느 하나일수 있다. 폴리머는 호모 폴리머(homopolymer) 또는 코폴리머(copolymer)일수 있다. 산성 폴리머는 전형적으로 경 가교결합의 폴리 아크릴성 산과 같은 경 가교결합의 아크릴성 폴리머이다.
경 가교결합의 산성수지는 전형적으로 아실 부분(acyl moiety), 예를들어 아크릴성 산이나 또는 그의 염 또는 가교결합제 즉, 다불포화 모노머의 존재시에, 산성기, 즉 아크릴로니트릴을 제공할수 있는 부분을 포함하는 산성 모노머를 중합함으로써 제조된다.
산성 폴리머는 다른 공중합가능한 단위들, 즉 상세치환기가 없는 다른 모노에틸렌성의 불포화 코모노머들을 포함할수 있다. 산성 폴리머는 전형적으로 적어도 10%, 더욱 바람직하기로는 적어도 25%에서 100% 까지의 산성 모노머 단위를 포함한다. 다른 공중합가능한 단위는, 폴리머겔등의 친수성 또는 소수성을 개선하는데 도울수 있다. 산성 폴리머는 중화된 산성 폴리머를 제공하도록, 수산화 나트륨과 같은 알카리로 0 내지 100 %까지 중화 될 수 있다.
일반적으로 산성 폴리머는 폴리머 사슬(chain)에 따라 나타난 매달린 카르복실기, 황산염기, 술폰산염기 또는 인삼염기를 가진다. 그와 같은 산성 부분 (acidic moiet)들을 포함하는 폴리머는 하나이상의 산성 치환기를 미리 치환된 모노머로부터 합성되거나 또는 합성후에 산성치환기를 폴리머로 편입시킴으로써 합성된다. 카르복실기를 폴리머로 편입시키기 위해, 많은 에틸렌성 불포화 카르복실산 중 임의의 것이 동종중합되거나 공중합될 수 있다. 카르복실기는 또한 아크릴아미드, 아크릴로니트릴, 메타아크릴아미드 및 알킬(메타)아크릴레이트와 같은 모노머의 동종중합체와 공중합체를 간접적으로 가수 분해함으로써 폴리머 사슬로 편입될수 있다.
에틸렌성 불포화 카르복실산과 카르복실산 무수물 모노머는 예를들면, 아크릴산, 메타아크릴산, 에타아크릴산, α-클로로아크릴산, α-시아노아크릴산, β-메틸아크릴산(크로톤산), α-페닐아크릴산, β-아크릴옥시프로피온산, 소르브산, α-클로로소르브산, 안젤산(angelic acid), 계피산(cinnamic acid), p-클로로계피산, β-스테아릴아크릴산, 이타콘산, 시트라콘산, 메사콘산, 플루타콘산, 아코니트산(aconitic acid), 말레인산, 푸마르산, 트리카르복시 에틸렌, 2-메틸-2-부텐 디카르복실산, 말레암산(maleamic acid), 말레아미드, N-페닐레아미드, 무수 말레인산, 무수 푸마르산, 무수 이타콘산, 무수 시트라콘산, 무수 메사콘산, 무수 메틸 이타콘산, 무수 에틸 말레인산, 디에틸 말레에이트(diethy maleate), 메틸 말레에이트, 무수 말레인산, 및 이들의 혼합물을 포함한다.
에틸렌성 불포화 술폰산 모노머들은 비닐 술폰산, 알릴 술폰산, 비닐 톨루엔 술폰산, 스티렌 술폰산 등의 지방족 및 방향족 비닐 술폰산, 술포에틸 아크릴레이트, 술포에틸 메타크릴레이트, 술포프로필 아크릴레이트, 폴로프로필 메타크릴레이트, 2-히드록시-3-메타크릴옥시프로필 술폰산, 및 2-아크릴아미드-2-메틸프로판 술폰산 등의 아크릴 및 메타크릴 술폰산을 포함한다. 술포네이트-함유 산성 폴리머는 또한 에를 들어, 알케닐 술폰산 화합물 및 술포알킬아크릴레이트 화합물 등의 술폰산 형태로 가수분해 가능한 작용기를 함유하는 모노머로부터 제조될수 있다.
황산염 함유 산성 폴리머는 히드록시기 또는 잔여 에틸렌성 불포화를 함유하는 호모폴리머 또는 코폴리머를 황산 또는 삼산화황과 반응시킴으로써 제조된다. 그와 같이 처리된 폴리머의 예는 황산화 폴리비닐 알콜, 황산화 히드록시에틸 아크릴레이트, 및 황산화 히드록시프로필 메타아크릴레이트를 포함한다. 인산염 함유 산성수지는 메타아크릴록시 에틸 인산염과 같은 에틸렌성 불포화 모노머 함유 인산부분을 동종 중합하거나 공중합 함으로써 제조된다.
산성 폴리머로 도입하기 위한 공중합 가능한 모노머는, 이것에 제한되는 것은 아니지만, 에틸렌, 프로필렌, 이소부틸렌, C1-16알킬아크릴레이트 및 메타아크릴레이트, 비닐 아세트산염, 메틸비닐 에테르, 하기 화학식을 가지는 스티렌성 화합물을 포함한다.
여기에서, R은 수소 또는 C1-16알킬기를 나타내며, 페닐 링은 임의로 하나 내지 4개의 C1-4알킬 또는 히드록시기로 치환된다.
적절한 알킬 아크릴레이트 및 메타아크릴레이트는 이것에 제한되는 것은 아니지만, 메틸 (메타)아크릴레이트, 에틸 (메타)아크릴레이트, 이소프로필 (메타)아크릴레이트, n-프로필 (메타)아크릴레이트, n-부틸 (메타)아크릴레이트 등과 그들의 혼합물을 포함한다. 알킬 (메타)아클릴레이트의 추가예는, 이것에 제한되는 것은 아니지만, 이소부틸, 펜틸, 이소아밀, 헥실, 2-에틸헥실, 시클로헥실, 디실, 이소디실, 벤질, 라우릴, 이소보르닐, 옥틸, 그리고 노닐 (메타)아크릴레이트를 포함한다. 적절한 스티렌 및 비닐 화합물을 이것에 한정되는 것은 아니지만, 스티렌, α-메틸스티렌, β-메틸스티렌, ρ-메틸스티렌, t-부틸스티렌, 비닐 벤조에이트, 비닐 나프탈렌, 아크릴로니트릴, 아크릴아미드, 메타아크릴아미드, 메타아크릴로니트릴, 비닐 아세테이트, 비닐 프로피온에이트, 비닐 부티르산염, 비닐 스테아르산염, 이소부톡시메틸, 아크릴아미드, 비닐 클로라이드등과 그들의 혼합물을 포함한다.
산성 폴리머겔과 유사하게, 염기성 폴리머겔은 강 또는 약 염기성 일수 있다. 염기성 폴리머는 호모폴리머나 또는 코폴리머일수 있다. 강 염기성 폴리머는 전형적으로 히드록시드(OH)나 또는 비카르보네이트(HCO3)형에 나타난다.
염기성 폴리머겔은 전형적으로 폴리(비닐아민)등의 경 가교결합의 아크릴성 수지이다. 염기성 폴리머는 또한 폴리에틸렌이민, 폴리(알릴아민), 폴리(알릴구아니딘), 폴리(디메틸디알릴암모늄 히드록시드), 다음과 같은 4기로되는 폴리스티렌 유도체,
다음과 같은 구아니딘(guanidin)-변형 폴리스티렌,
다음과 같은 4기로되는 폴리((메타) 아크릴아미드) 또는 에스테르 아나로그
여기에서 Me는 메틸, R1은 수소 또는 메틸, n은 1 내지 8 수, q는 10 내지 약 100,000의 수, 또는 폴리(비닐 구아니딘), 즉 폴리(VG), 다음과 같은 일반구조식을 가지는 강 염기성 폴리머
여기서, q는 10 내지 약 100,000 까지의 수, R2및 R3는 각각, 수소, C1-C4알킬, C3-C6시클로알킬, 벤질, 페닐, 알킬-치환 페닐, 나프틸 및 유사한 지방족 및 방향족으로 구성되는 그룹으로부터 선택된다. 산성 폴리머겔과 마찬가지로, 염기성 폴리머겔은 다른 공중합 가능한 단위(units)를 포함할수 있고 다불포화된 모노머를 사용하여 가교결합되어 있다.
단일포화된 에틸렌성 모노머는 히드록시알킬 (메타)아크릴레이트, 아미노알킬 (메타)아크릴레이트, 또는 글리시딜 (메타)아크릴레이트 등의 역시 기능화된 모노머 일수 있다. 그러한 모노머는 그 상태대로 이용할수 있는 매달린 작용기를 가진 폴리머를 제공하도록 광 중합 될 수 있거나 또는 특정 자극물에 반응하는 폴리머를 제공하도록 후속반응에 의하여 유도될수 있다. 예를들면 상기 폴리머는 항체나 화학적 또는 물리적 분류된 그룹을 폴리머에 부착함으로써 유도될수 있다.
기능적 모노머 부류의 예는 글리시딜 (메타)아크릴레이트등의 글리시딜기를 포함하는 모노머이다. 이러한 부류에서의 모노머는 탄소-탄소 이중결합과 글리시딜기를 가지는 임의의 모노머이다. 전형적으로, 상기 모노머는 α,β-불포화산의 글리시딜 에스테르, 또는 그의 무수물이다. α,β-불포화산은 모노카르복실산 또는 디카르복실산 일수 있다. 그와같은 카르복실산의 예는, 이것에 제한되는 것은 아니지만, 아크릴산, 메타아크릴산, 에타아크릴산, α-클로로아크릴산, α-시아노아크릴산, β-메틸아크릴산(크로톤산), α-페닐아크릴산, β-아크릴록시프로피온산, 소르브산, α-클로로소르브산, 안젤산, 계피산, p-클로로계피산, β-스테아릴아크릴산, 이타콘산, 시트라콘산, 메사콘산, 플루타콘산, 아코니트산, 말레인산, 푸마르산, 트리카르복시 에틸렌, 무수밀레인산 및 그들의 혼합물을 포함한다. 글리시딜기를 함유하는 모노머의 특정예들은 글리시딜 (메타)아크릴레이트(즉, 글리시딜 메타아크릴레이트와 글리시딜 아크릴레이트), 모노 및 디 글리시딜 이타콘산염, 모노 및 디-글리시딜 말레에이트과 모노 및 디-글리시딜 프롬산염이다. 알릴 글리시딜 에테르 및 비닐 글리시딜 에테르는 또한 본 발명의 방법에서 단일 불포화 모노머로서 사용될수 있다.
게다가, 폴리머겔은 처음에는 α,β-불포화산 및 알킬 (메타)아크릴레이트의 코폴리머 일수 있으며, 그후, 글리시딜 할라이드 또는 토실레이트, 예를들어 글리시딜 클로라이드와 반응하여 매달린 글리시딜기를 폴리머겔에 위치시킨다. α,β-불포화 카르복실 산은 예를들면 상술한 리스트의 산 일수 있다.
또하나의 대안의 실시예에서, 매달린 히드록실기를 가지는 폴리머겔이 먼저 형성된다. 그다음 폴리머가 반응하여 폴리머에 매달린 글리시딜기를 위치시킨다. 매달린 히드록실 기를 가진 폴리머는 2-히드록시에틸 메타아크릴레이트나 또는 3-히드록시프로필 메타아크릴레이트등의 모노머를 폴리머겔로 편입시킴으로써 제조될수 있다.
바람직한 글리시딜기를 함유하는 단일불포화 모노머는 다음과 같은 구조식을 갖는 글리시딜 (메타)아크릴레이트이다.
여기서 R4는 수소 또는 메틸이다.
작용기를 함유하는 모노머 부류의 다른 예는 2-히드록시에틸 메타아크릴레이트, 2-히드록시에틸 아크릴레이트, 2-히드록시프로필 메타아크릴레이트 및 3-히드록시프로필 메타아크릴레이트 등의 히드록시(C1-C6)알킬 (메타)아크릴레이트이다. 플리머겔은 처음 알킬 (메타)아크릴레이트의 코폴리머 일수 있으며, 그다음 이 폴리머겔은 에틸렌 글리콜 또는 프로필렌 글리콜 등의 글리콜이나 또는 폴리올과 반응하여 매달린 글리콜기를 아크릴레이트 코폴리머 상에 위치시킨다.
또다른 대안의 예에서, 매달린 글리시딜기를 가지는 폴리머겔이 먼저 형성된다. 그다음 폴리머겔은 시약(reagent)과 반응되어서 글리시딜 에폭시 링을 열어서 아크릴레이트 폴리머에 매달린 히드록시기를 위치시킨다. 매달린 글리시딜기를 가진 아크릴레이트 코폴리머는 글리시딜 아크릴레이트, 글리시딜 메타아크릴레이트, 알릴 글리시딜 에테르 혹은 비닐 글리시딜 에테르등의 모노머를 폴리머겔로 편입시킴으로써 제조될수 있다.
히드록시기를 함유하는 바람직한 단일 불포화 모노머는 다음 구조식을 가지는 히드록시 알킬 (메타)아크릴레이트이다.
여기서, R4는 수소 또는 메틸이고, R5는 C1에서 C6까지의 알킬렌기 또는 아릴렌기 이다. 예를들면, R5는 (-CH2-)n'에 한정되는 것은 아니고, 단 n은 1 내지 6, 아래의 구조식의 것일수도 있고,
3 내지 6개 카본 원자를 함유하는 알킬렌기의 임의의 다른 구조의 이성질체(isomer) 또는 고리형 C3-C6알킬렌기 일수도 있다.
R5는 또한 페닐렌(즉 C6H4) 또는 나프틸렌(즉, C10H6)등의 아릴렌기일수 있다. R5는 C1-C6알킬, 할로(즉, Cl, Br, F 및 Z), 페닐, 알콕시 및 아릴록시(즉, OR2치환기)등의 치환기들로 임의로 치환될수 있다.
추가의 작용기를 가진 모노머는 하기구조를 가진다.
여기서 R4는 수소 또는 메틸이고, R6은 1 내지 16의 카본원자를 함유하는 치환된 알킬기이다. R6은 할로, 아미노, 페닐 및 알콕시등의 하나이상 및 전형적으로는 하나 내지 3개의 부분(moieties)들로 치환되어 있다. 따라서 구조는 아미노알킬(메타)아크릴레이트를 포함한다. 가장 바람직하기로는, R1은 메틸이고 R2는 2개내지 4개의 탄소원자를 가지는 아미노-치환 알킬기이다.
추가의 작용기를 가지는 모노머들은 알킬화된 알킬롤 아크릴아미드 모노머들을 포함하며, 예를들어 아크릴아미드, 메타아크릴아미드, 메틸올아미드의 유도체 또는 본 발명에 참조로 통합되는 미국특허 No. 3.9713216, 4.097.438 및 4.305.859에 개시된 바와 같은 유사한 알킬 변형 모노머이다. 아크릴아미드 모노머들은 바람직하기로는 메틸, 에틸, 프로필, n-부틸, 또는 이소부틸등의 알킬기로 알킬화되며, 그리고 유사한 알킬화된 알킬롤 아크릴아미드 모노머들이다.
본발명의 방법에서 유용한 모노머들은 아크릴레이트나 또는 비닐-형 모노머들에 한정되는 것은 아니며 광중합가능한 다른 임의의 단일 불포화 또는 다 불포화의 모노머를 포함할수 있다. 광중합가능한 모노머들의 다른 형태의 예는 에폭시 작용기가 있는 실리콘 화합물을 포함하는 에폭시 화합물이다.
광범위한 여러 가지 광중합가능한 모노머들은 본발명의 기술분야에서 공지되어 있으며, 예를들면, 상술한 여러 가지 아크릴 화합물 및 비닐 화합물을 포함한다. 모노머 홀로 또는 모노머 혼합물을 사용되는 다른 적절한 부류의 광중합 가능한 모노머들의 예는, 이것에 한정되는 것은 아니지만, 에폭시 실리콘 화합물, 에폭시 화합물, 중합가능한 에테르 화합물 및 폴리히드록시 유기화합물을 포함한다.
많은 광중합 가능한 에폭시 실리콘 화합물을 상업적으로 활용할수 있다. 예를들면, 상품명 UV 9400 및 UV 500A로 판매되는 에폭시 실리콘은 New York, Waterford의 GE silicones 사로부터 입수할수 있다. UV9400는 80-99 중량%의 각각(디메틸(2-(7-옥사비시클로(4.1.0)헵트-3-일)에틸실릴)옥시)말단기를 가진 디메틸, 메틸, 2-(7-옥사비시클로(4.1.0)헵트-3-일)에틸 실리콘을 함유한다. UV 500A는 약 10-30 중량%의 (디메틸(2-(7-옥사비시클로(4.1.0)헵트-3-일)에틸실릴)-옥시)말단기를 가지는 디메틸, 메틸, 2-(7-옥사비시클로(4.1.0)헵트-3-일)에틸 실리콘을 함유한다. UV 9400 및 UV 500A 내의 에폭시 실리콘은 CAS No. 150678-61-8을 가진다. UV 9300은 또하나의 다른 에폭시 실리콘(80-99중량%의 디메틸, 메틸, 2-(7-옥사비시클로(4.1.0)헵트-3-일)-에틸) 실리콘(CAS NO. 67762-95-2)이며 역시 제너럴 일렉트릭사로부터 입수가능하다.
추가의 에폭시 작용기가 있는 실리콘 화합물은 상표명 UV 9315 및 UV 9320 로 제너럴 일렉트릭사로부터 입수가능하다. UV 9315는 80-99중량%의 디메틸(2-(7-옥사비시클로(4.1.0) 헵트-3-일) 에틸 실릴)옥시 말단기를 각각 가지는 디메틸, 메틸 2-(7-옥사비시클로(4.1.0)헵트-3-일)에틸실리콘(CAS-NO 150678-61-8)을 함유한다.
UV9320은 80-99중량%의 디메틸 실록시 말단기를 가지는 (2-히드록시페닐)프로필, 트리메틸-헵트-3-일)에틸, 메틸-3-메틸-2-(7-옥사비시클로(4.1.0)헵트-3-일)에틸-실릴)-옥시)실리콘(CAS NO. 130885-21-1)를 함유한다.
다른 광중합가능한 실리콘 화합물을 미시칸, 플린트 젠니시 폴리머 코오퍼레이션으로부터 입수가능하다. 예를들면 광중합가능한 실리콘 화합물은 상품명 EXP-29 및 EXP-32 실리콘 유체로 판매되고 있다. EXP-29는 약 5700의 분자중량을 가지는 에폭시 작용기가 있는 디메틸 폴리실록산 코폴리머이며 다음구조를 가진다.
EXP-32는 약 8300의 분자중량을 가지는 에폭시 작용기가 있는 디멜티 폴리 실록산 코폴리머 유체이며 다음의 구조를 가진다.
추가의 에폭시 실리콘 화합물은 Koshar et al. U.S. patent No. 4,313,988에 개시되어 있으며 본 발명에서 참조로 통합된다.
그이외의 광 중합가능한 모노머들은 상품명 UVR-6110하의 Unioncarbide 사로부터 입수가능한 생산품을 포함한다. UVR-6110은 2개작용기를 가진 에폭시 화합물, 3-4-에폭시시클로헥실메틸-3,4-에폭시시클로헥산 카르복실레이트를 포함한다.중합가능한 혼합물내에 포함될수 있는 다른 에폭시 화합물은, 예를들면 비스(3,4-에폭시시클로-헥실메틸) 아미페이트, 2-(3,4-에폭시시클로헥실-5.5-스피로-3, 4에폭시) 시클로헥산-메탈-디옥산, 프탈산의 디글리시딜 에테르, 헥사히드로프탈산의 디글리시딜 에테르, 비스 페놀 A의 디글리시딜 에테르, 크레솔-노보락 에폭시 수지, 다른 2개 작용기 및 다수작용기를 가진 에폭시 화합물 및 그들의 혼합물이다. C8-C18알킬글리시딜 에테르등의 모노에폭시 화합물은 또한 중합가능한 혼합물에 사용될수 있다.
PH 센서/액추에이터에서 사용하기 위한 바람직한 모노머들은 이것에 한정되는 것은 아니지만, 아크릴산, 부틸 메타아크릴레이트, 2-(디메틸아미노)에틸 메타아크릴레이트, 2-히드록시에틸 메타아크릴레이트, 히드록시프로필 메타아크릴레이트, 메타아크릴산, 메틸 메타아크릴레이트 및 에틸렌 글리콜 디메타아크릴레이트를 포함한다.
산성이나 염기성 모노머들 또는 다른 작용기를 가진 모노머들을 포함하는 불포화 에틸렌 모노머 및 임의의 공중합 가능한 모노머들의 중합은 전형적으로 기존의 다 불포화유기 화합물인 중합가능한 가교결합제의 존재하에서 자유 라디칼 프로세스에 의하여 실행된다. 폴리머는 이 폴리머가 불용성 겔이 되도록 충분한 정도로 가교결합된다. 많은 응용에서 사용하기 위해, 폴리머겔은 가볍게 가교결합되며, 즉 약 20%미만, 바람직하기로는 10%미만, 가장 바람직하기로는 약 0.01% 내지 약 7%의 가교결합밀도를 가지며, 이것은 폴리머겔이 확장 및 수축을 하도록 하여준다.
중합가능한 가교결합제는 가장 바람직하기로는 모노머들의 전체 중량에 의거하여, 약 7중량% 미만의 량, 전형적으로는 약 0.1중량% 내지 약 5중량%의 량에서 사용된다. 가교결합하는 폴리비닐 모노머들의 예는 이것에 한정되는 것은 아니지만, 다음 화학식(Ⅰ)에 의하여 표시되는 폴리 아크릴(또는 폴리메타아크릴)산 에스테르 및 다음 화학식(Ⅱ)에 의하여 표시되는 비사아크릴아미드를 포함한다.
여기서, X는 에틸렌, 프로필렌, 트리 메틸렌, 시클로헥실, 헥사메틸렌, 2-히드록시프로필렌, -(CH2CH2O)PCH2CH2-, 또는
p와 r은 각각 5 내지 40의 정수, 그리고 k는 1 또는 2이다.
여기서 l은 2 또는 3이다.
화학식(Ⅰ)의 화합물은 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 트리메틸올프로판,1,6-헥산디올, 글리세린, 펜타에리tm리톨, 폴리에틸렌 글리콜, 또는 폴리 프로필렌 글리콜등의 폴리올을 아크릴산 또는 메타아크릴산과 반응함으로써 제조된다. 화학식(Ⅱ)의 화합물을 디에틸렌에테르아민과 트리에틸렌에테르아민등의 폴리알킬렌 폴리아민을 아크릴산과 반응함으로써 얻어진다.
특정 가교결합 모노머들은 이것에 한정되는 것은 아니지만, 1,4-부탄디올 디아크릴레이트, 1,4-부탄디올 디메타크릴레이트, 1,3-부틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 1,3-부틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 디에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 디에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 에톡실레이트화된 비스페놀 A 디아크릴레이트, 에톡실레이트화된 비스페놀 A 디메타크릴레이트, 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 1,6-헥산디올 디아크릴레이트, 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트, 네오펜틴 글리콜 디메타크릴레이트, 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 폴리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 트리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 트리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 트리프로필렌 글리콜 디아크릴레이트, 테트라에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 테트라에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 디펜타에리스리톨 펜타아크릴레이트, 펜타에리스리톨 테트라아크릴레이트, 펜타에리스리톨 트리아크릴레이트, 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트, 트리메틸올프로판 트리메타크릴레이트, 트리스(2-히드록시에틸)이소시아누레이트 트리아크릴레이트, 트리스(2-히드록시에틸)이소시아누레이트 트리메타크릴레이트, 폴리카르복실산의 디비닐 에스테르, 폴리카르복실산의 디알릴 에스테르, 트리알릴 테레프탈레이트, 디알릴 말레에이트, 디알릴 푸마레이트, 헥사메틸렌비스말레이미드, 트리비닐 트리멜리테이트, 디비닐 아디페이트, 디알릴숙시네이트, 에틸렌 글리콜의 디비닐 에테르, 시클로펜타디엔 디아크릴레이트, 테트라알릴 암모늄 할라이드, 또는 이들의 혼합물을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 디비닐벤젠 및 디비닐에테르와 같은 화합물은 또한 폴리(디알킬아미노알킬 아크릴아미드)를 가교결합하기 위해 사용될 수 있다. 특히 바람직한 가교결합제는 N,N'-메틸렌비스아크릴아미드, N,N'-메틸렌비스메타크릴아미드, 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트 및 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트이다.
중합가능한 모노머에 부가하여, 중합가능한 혼합물은 상기 중합가능한 혼합물이 광에 노출될 때 중합반응을 촉진하는 광 개시제를 포함한다. 대안으로는, 광 개시제가 폴리머 겔을 형성하기 위해 기선정되는 위치에서 미소규모 채널의 표면에 부착될 수 있다.
광 개시제는 상기 개시제가 중합을 달성하기 위해 사용된 파장에서 기능해야만 한다는 것을 제외하고는 한정되지 않는다. 광 개시제는 실제로 유기성이거나 또는 무기성이고, 수성 용매 또는 유기성 용매계 중합 혼합물에서 유용할 수 있다. 광 개시제는 광 또는 복사 에너지로 유도되는중합반응을 촉진하기 위해서 중합가능한 혼합물에 충분한 양으로, 즉, 폴리머가능한 혼합물에 있는 모노머의 전체 중량에 대해서, 약 0.1 중량% 내지 약 5 중량%로 존재한다.
광 개시제는 광자로부터 나온 에너지를 직접적으로나 또는 간접적으로 흡수하고, 그 다음에 중합 반응을 개시하는 화합물이다. 특히, 광 개시제는 UV-가시 스펙트럼 범위(즉, 250 내지 450 ㎚)의 빛을 흡수하고, 바로 다음에 단량체의 중합 반응을 개시하는 자유 라디칼 또는 반응성 양이온과 같은 반응성 중간체의 형태로이러한 빛에너지를 화학 에너지로 변환시킨다.
자유 라디칼 UV 경화를 위한 광 개시제는 2가지 부류, 즉 타입 Ⅰ 및 타입 Ⅱ 개시제로 분류된다. 광조사시에 타입 Ⅰ 개시제는 분절증식을 당하게되어 개시 라디칼을 생기게 한다. 타입 Ⅰ 개시제의 대부분은 직접적인 광분절증식을 촉진시키는 적절한 치환기를 함유하는 방향족 카르보닐 화합물이다. 타입 Ⅱ개시제는 주로 두가지 반응 경로, 즉 여기된 개시제에 의한 수소추출과 광으로 유기된 전자이동을 당하게 된후 분절증식이 뒤따른다.
타입 Ⅰ 광 개시제들은 벤조인 유도체, 감지가능한 벤조인 에테르; 2, 2-디메톡시-2-페닐레이스토페논(DMPA), α-히드록시알킬페논을 포함하는 벤질케탈, 2-히드록시-2-메틸-1-페닐프로판-1-온(HMPP)와 1-히드록시-시클로헥실-페닐케톤 (HCPK)등의 벤질 유도체; α-아미노 알킬 페논; 및 아실 포스핀 산화물들을 포함한다. 타입 Ⅱ 광 개시제들을 알칸올아민(예를들면 트리에탄올아민, N,N-디메틸에탄올아민 및 N-메틸디에탄올아민)등의 삼차 아민 효력증진제의 사용에 의해 증진되는 성능을 가진 방향족 케톤(예를들면, 벤조페논, 치환된 벤조페논, 벤질, 플로오렌논, 크산톤, 티오크산톤) 및 P-N,N-디메틸아미노벤조산의 유도체들을 포함한다. 아미노의 한 부류는 지방족 아민이고 다른 부류는 방향족아민이다. 지방족아민은 260㎚ 아래 까지 투명하며 따라서 아민은 260㎚ 아래까지의 UV 램프의 광을 사용할수 있다. 방향족 아민은 300㎚ 부근에서 강한흡수를 나타내며 따라서 많은 UV광을 차폐한다. 타입 Ⅱ 광 개시제들의 예는 벤조페논-아민과 티옥산톤-아민이다.
타입 Ⅰ 광 개시제의 특정예는, 이것에 한정되는 것은 아니지만, α-알콕시디옥시벤조인, α,α-디알킬옥시디옥시벤조인, α,α-디알콕시아세톤페논, α,α-히드록시알킬페논, 0-아크릴α-옥시미노케톤, 디벤조일 디술파이드(disulphide), S-페닐 티오베조에이트, 아크릴포시핀 산화물, 디벤조일메탄, 페닐아조-4-디페닐술폰, 4-모르폴리노-α-디알킬아미노아세토페논 및 그들의 혼합물을 포함한다. 타입 Ⅱ 광 개시제의 특정예는, 이것에 한정되는 것은 아니지만, 벤조페논, 캄파퀴논, 풀루오레논, 크산톤, 벤질, α-케토코우마린, 안트라퀴논, 테레프탈로페논 및 이들의 혼합물을 포함한다.
비닐형 모노머들의 중합에 이용되는 수용성 광 개시제들은 과산화수소, 퍼옥시디술페이트, 및 퍼옥시디포스페이트등의, 200-300㎚영역에서 흡수를 보이는 과산화물과 같은 유니몰레큘러(unimolecular) 광 개시제; 아조이소부틸아미드, α,α'-아조비스(2-아미디노) 프로판 히드로콜로라이드 및 4,4'-아조비스(4-시안노발레)등의 알킬아조 화합물; 4-치환 (z-히드록시-2-프로필) 페닐 케톤 및 벤조일-메틸 티오술페이트 등의 알킬 페논과 같은 카르보닐 화합물; 용매화된 2,3-부탄디온과 같은 α-디 카르보닐 화합물; 리튬 및 마그네슘 페닐1-2, 4,6-트리메틸벤조일포스핀에이트등의 아크릴포스핀 산화물 및 아크릴포스폰에이트와 같은 포스핀; 그리고 여러 가지 아미노산(예들들어 글루탐산, 세린 또는 바린)를 가진 동(Ⅱ)-비스(아미노산) 킬레이트와 같은 동(Ⅱ)착물(complex)들을 포함한다.
2분자 수용액 광 개시제들은, 트리뉴크리어(trinuclear) 전이 금속물등의 철(Ⅲ), 코발트(Ⅲ) 및 크롬(Ⅵ) 착물과 같은 배위착물들(Coordination complexes); 트리메틸암모늄 또는 술폰에이트등의 이온기를 부착함으로써 물을 용해할수 있도록 하는, 수소 도너(donor)들과 같은 지방족 아민의 존재하에서의 벤조페논 또는 티옥산톤 유도체등의 방향족 카르보닐 화합물과 같은 카르보닐 화합물; 페렌과 같은 방향족 탄화수소; 아민, 술핀네이트, 포스핀, 에놀레이트, α-아미노술폰 또는 카르복실레이트등의 염료와 환원제를 구비하는 염료감지시스템을 포함한다.
광 개시제의 또하나의 다른 부류는 UV 또는 가시광선의 조사의 영향하에서 산이 방출하게되어, 소망의 중합 프로세스를 촉진시키는 화합물인 양이온 개시제이다. 양이온 광 개시제는 디아조늄염, 이오도늄염 및 술포늄염을 포함한다.
광 개시제들의 특정예는, 이것에 한정되는 것은 아니지만, 벤조페논; 4,4'-비스(N,N'-디멜틸아미노)벤조페논(미히라-케톤(Micher's ketone)); α,α-디메틸-α-히드록시아세토페논; 1-페닐-1,2-프로판디온,2-(0-벤조일)옥심; 4-페닐벤조페논; 벤질; (1-히드록시시클로헥실)-페닐메탄올; 디페닐(2,4,6-트리메틸벤조일)-포스핀산화물; 크산톤; 티오크산톤; 2-클로로티오크산톤; 9-10-페난트라퀴논; 벤조인 에스테르(예를들면, 메틸, 에틸, 또는 이소브틸); α-디메틸아미노-α-에틸-α-벤질-3,5-디메틸-4-모르폴리노아세토페논; α,α-디메톡시-α-페닐아세토페논; 9,10-안트라퀴논; 및 α,α-디에폭시아세토페논을 포함한다.
광 개시제들의 추가예는, 이것에 한정되는 것은 아니지만, 이오도늄염과 술포늄염을 포함한다. 이들 염들의 음이온은 제한되는 것은 아니지만, 바람직하기로는, 그룹 Va 또느 Vla 원소를 함유하는 착물 음이온이다. 이것에 한정되는 것은 아니지만, 음이온의 원소들의 예는 보론, 인, 안토미니, 비소 및 주석이다. 이것에 한정되는 것은 아니지만, 적절한 비 염기성과 비 구핵성(nonnucleophilic) 음이온의 예는 BF4 -, PF6 -, AsF6 -, SbF6 -, SnCl6, SbCl6, BiCl5 -2, ClO4, HSO4 -, ZrF6 -2, GaCl4 -1, InF4 -, FiF6 -2, AlF6 -2및 FeCl4 -2를 포함한다.
특정 술포늄염 광 개시제의 예는, 제한되는 것은 아니나, 페녹시페닐 술포늄 헥사플루오로포스페이트; 트리플루오로메틸 디페닐 술포늄 테트라플루오로보레이트; 트리페닐 술포늄 테트라플루오로보레이트, 메틸 디페닐 술포늄 테트라플루오로보레이트, 디메틸 페닐 술포늄 헥사플루오로보레이트, 트리페닐 술포늄 헥사플루오로포스페이트, 트리페닐 술포늄 헥사플루오로포스페이트, 트리페닐 술포늄 헥사플루오로안티모네이트, 디페닐 나프틸 술포늄 헥사플루오로아르세네이트, 트리톨릴 술포늄 헥사플루오로포스페이트, 아니실 디페닐 술포늄 헥사플루오로안티메노이트, 4-부톡시페닐 디페닐 술포늄 테트라플루오로보레이트, 4-클로로페닐 디페닐 술포늄 헥사플루오로포스페이트, 트리(4-페녹시페닐) 술포늄 헥사플루오로포스페이트, 디(4-에톡시페닐)메틸 술포늄 헥사플루오로아르세네이트, 4-아세토닐 페닐 디페닐 술포늄 테트라플루오로보레이트, 4-티오메톡시페닐 디페닐 술포늄 헥사플루오로포스페이트, 디(메톡시술포닐페닐) 메틸 술포늄 헥사플루오루안티모네이트, 디(니트로 페닐) 페닐 술포늄 헥사플루오로안티모네이트, 디(카르보 메톡시페닐) 메틸 술포늄 헥사플루오로포스페이트, 4-아세타미도페닐 디페닐 술포늄 테트라플루오로보레이트, P-(페닐티오페닐) 디페닐 술포늄 헥사플루오로안티모네이트, 10-메틸페녹시 아티이늄 헥사플루오로포스페이트, 5-메틸티안트레늄 헥사플루오로포스레이트, 10-페닐-9,9-디메틸-티옥산테늄 헥사플루오로포스페이트, 10-페닐-9-옥소티옥산테튬 테트라플루오로보레이트, 5-메틸-10-옥소티안트레늄 테트라플루오로보레이트, 5-메틸-10,10-디옥소티안트레늄 헥사플루오로포스페이트, 디메틸 나프틸 술포늄 헥사플루오로포스페이트, 및 그들의 혼합물을 포함한다. 예를들면, 비스-(4-(디페닐 술포니오)페닐) 술파이드 비스-헥사 플루오로포스페이트와 같은 비스-타입 술포늄염 광 개시제가 역시 사용될 수 있다.
많은 술포늄염 광 개시제들은 상업적으로 이용가능하다. 예를들면, 바람직한 술포늄염 개시제는 상품명 CYRACURE UV1-6974를 Union Carbide Corporation of Danbury, Connecticut로부터 입수할수 있다. CYRACURE UV1-6974는 CAS NOS. 89452-37-9 및 71449-78-0을 가지는 트리아릴(triaryl)술포늄 헥사플루오로안티모네이트염의 혼합물을 함유하고 프로필렌 카보네이트내에 50중량%용액으로 녹아 있다.
CAS NO.89452-37-9는 (티오디-4,1-페닐렌) 비스(디페닐-술포늄) 헥사플루오로안티모네이트이다. CAS NO. 71449-78-0은 디페닐(4-페닐티오페닐) 술포늄 헥사 플루오로 안티모네이트 이다. Union Carbide Corporation으로부터 입수가능한 또하나의 적절한 술포늄 광 개시제는 CYRACURE UV1-6990이다. UV1-6990은 CAS NOS. 74227-35-3과 68156-13-8을 가지는 트리아릴 술포늄 헥사플루오로포스페이트 염을 함유하며 프로필렌 카보네이트내에 50중량% 용액으로 녹아 있다. CAS NO. 74227-35-3은 비스(4-(디페닐술포니오)페닐) 술피드 비스(헥사플루오로포스페이트)이다.CAS NO. 68156-13-8은 디페닐 페닐티오페닐 술포늄 헥사플루오로포스페이트이다.
이것에 한정하지는 않지만, 유용한 이오도늄염 개시제의 예는 디페닐이-오도늄 테트라플루오로 보레이트, 디(2,4-디클로로페닐) 이오도늄 헥사 플루오로포스페이트, 디페닐이오도늄 헥사플루오로포스페이트, 디페닐이오도늄 헥사플루오로아르세네이트, 디페닐이오도늄 이오다이드, 디페닐 이오도늄 헥사플루오로안티모네이트, 4-클로로페닐 페닐이오도늄 테트라플루오로보레이트, 디(4-클로로페닐) 이오도늄 헥사플루오로안티모네이트, 디페닐이오도늄, 헥사플루오로포스페이트, 디페닐이오도늄 트리플루오로아세테이트, 4-트리 플루오로메틸 페닐 페닐 이오도늄 테트라플루오로보레이트, 디톨릴이오도늄 헥사플루오로포스페이트, 디(4-메톡시페닐) 이오도늄 헥사플루오로안티모네이트, 디(4-메톡시페닐)이오도늄 클로라이드, (4-메틸페닐) 페닐이오도늄 테트라플루오로보레이트, 디-(2,4-디메틸 페닐) 이오도늄 헥사플루오로안티모네이트, 디-(4-티-부틸페닐) 이오도늄 헥사플루오로안티모네이트, 2,2'-디페닐 이오도늄 테트라플루오로포스페이트, 디(4-메틸페닐) 이오도늄 테트라플루오로보레이트, 디(3-니트로페닐) 이오도늄 헥사플루오로포스페이트, 디(4-클로로페닐) 이오도늄 헥사플루오로포스페이트, 디(나프틸) 이오도늄 테트라플루오로보레이트, 디(4-트리플루오로메틸페닐) 이오도늄 테트라플루오로보레이트, 디(4-메틸페닐) 이오도늄 헥사플루오로포스페이트, 디페닐이오도늄 헥사플루오로아르세네이트, 디(4-페녹시페닐) 이오도늄 테트라플루오로보레이트, 디페닐이오도늄 헥사클로로스탄네이트, 페닐-2-티엔닐-이오도늄 헥사플루오로포스페이트, 디페닐이오도늄 헥사플루오로스탄네이트, 2,2'-디페닐이오도늄 테트라플루오로보레이트, 디(2,4-디클로페닐) 이오도늄 헥사플루오로포스페이트, 디(4-브로모페닐) 이오도늄 헥사플루오로포스페이트, 디(4-메톡시페닐) 이오도늄 헥사플루오로포스페이트, 디(3-카르복시페닐) 이오도늄 헥사플루오로포스페이트, 디(3-메톡시카르보닐페닐) 이오도늄 헥사플루오로포스페이트, 디(3-메톡시술포닐페닐) 이오도늄 헥사플루오로포스페이트, 디(4-아세타 미도페닐) 이오도늄 헥사플루오로포스페이트, 디(2-벤조티에닐) 이오도늄 헥사플루오로포스페이트, 비스(4-도데실 페닐) 이오도늄 헥사플루오로안티모네이트, 비스(4-도레실페닐) 이오도늄 헥사플루오로아르세네이트, 및 이들의 혼합물을 포함한다.
많은 이오도늄염 개시제들은 역시 상업적으로 이용가능하다. 이오도늄염은 상품명 UV9380C로 뉴욕 제너럴 일렉트릭사로부터 입수가능하다. UV9380C는 약 30 내지 약 60중량%의 비스(4-도데실페닐) 이오도늄 헥사플루오로안티모네이트(CAS NO. 71786-70-4를 함유한다. UV9380C의 다른 성분은 2-이소프로필 티옥산톤, C12와 C14알킬글리시딜 에테르(약 30 내지 약 60의 중량%), 그리고 선형 알킬레이트 도데실벤젠이다. C12와 C14알킬 글리시딜 에테르는 모노에폭시 화합물이고 광중합가능한 모노머로 고려될수 있다.
다른 이오도늄 염은 상품명 UV9310C 하에서 제너럴 일렉트릭사로부터 입수가능하다. UV9310C의 활성 개시제 성분은 약 30 내지 약 60 중량%의 비스(4-도데실페닐) 이오도늄 헥사플루오로안티모네이트(CAS NO. 71786-70-4)이다. UV9310C의 다른 성분들은 2-에틸-1, 3-헥산네디올(약 30-60중량 %) 및 선형 알킬레이트 도데실벤젠(약 5-10중량%)이다. UV9310C에 나타난 2-에틸-1, 3-헥산디올은 에폭시 작용기를 가진 알리티와 반응할수 있는 폴리히드록시 화합물이며 광중합 가능한 모노머로서 생각될수 있다.
술포늄염과 이오도늄염 광 개시제들의 다른 예는 예를들면 Guarnery et al U.S. Patent No. 4,250,006; Schlesinger U.S. Patent 4,287,228) 및 Smith U.S. Patent No. 4,250,053에서 발견되며, 이들의 개시내용들은 본발명에 참조로서 통합된다. 중합가능한 혼합물 및 이로부터 제조되는 폴리머겔은 원한다면, 염료, 증량제(filler), 색소, 흐름조절제(flow agent), 농후제, 틱소트로피조절제 (thixotropic agents), 계면활성제, 점성조절제, 가소제 및 중합가능한 혼합물 또는 폴리머겔의 물리적 또는 기능적 성질을 변경시키기 위해 본발명의 기술분야에서 통상적인 사람에게 알려진 유사한 첨가물등의 선택적인 첨가물을 포함할수 있다.
이들 선택적인 원료는 그들의 의도하는 바의 목적을 수행하는데 충분한 량으로, 전형적으로는 중합가능한 혼합물의 0.01 내지 5 중량 퍼센트의 량으로 중합가능한 혼합물에 포함되어있다.
중합가능한 혼합물은, 원하다면, 하나이상의 유체 흐름이 그들의 혼합없이 동시에 또는 순차적으로 채널로 도입될수 있도록 층류를 이용하는 미세한 채널로 도입된다. 채널은 중합이 원해지는 채널의 기선택 위치를 제외하고는 선택적으로 마스크된다. 적절한 파장의 광과 같은 중합반응에 영향을 주는 충분한 에너지가 혼합물내의 모노머들은 중합시키는데 충분한 시간동안, 전형적으로는 약 20초 내지 5분동안 기선택 위치로 향하게 된다. 그후 채널의 마스크 위치에 나타나는 반응되지 않은 중합가능한 혼합물은 채널로부터 씻어내어져서 채널내의 기선택위치에서 폴리머겔을 남긴다. 폴리머겔은 채널의 전단면이나 단면의 일부를 점유할수 있다.
마이크로채널 표면은 소수성으로부터 친수성으로 구성이 변할수 있다. 표면변경은 습식, 부착, 생물학적 반응 및 소수성 배출구의 구성에 대하여 중요하다. 이것은, 예를들면, 여러 가지 치환된 아크릴레이트(예를들면, 퍼플루오로아크릴레이트)를 사용함으로써 용이하게 달성될수 있다. 표면의 화학적 성질을 공간적으로 변경하는 것은 필요로 하는 장치에 대하여, 이식 히드로겔을 표면에 나타내는 인 시츄(in situ) 방법이 사용될 수 있다.
예를들면, 폴리머는 채널내의 기선택위치에서 채널표면에 정착물질을 도포함으로써 채널의 표면에 부착된다. 임의의 정착물질은 채널내의 기선택된 위치에 폴리머겔을 위치시키는 역할을 하여주며, 후속의 제조공정단계나 또는 장치의 사용동안 폴리머겔이 흐르는 유체에 의하여 움직이지 않도록 확실하게 도와준다.
임의의 정착물질은 폴리머겔에 부착하여 채널내 기선택된 위치에서 폴리머겔을 유지하는 채널표면상에 박막형태의 물질로 있을수 있다. 또하나의 실시예에서, 정착물질은 구조적물질로부터 후에 제조되어서 폴리머겔에 대한 기선택된 위치에서 미세채널내에 위치되는 지주형태이다. 지주는 전형적으로 단단하고, 비기능적 프라스틱이나 또는 금속 물질이며 기능적, 반응성의 폴리머 히드로겔은 지주를 눌러 싸도록 제조된다. 폴리머겔을 고정하는 또하나의 다른 방법은 폴리머겔에 대한 기선택 위치에서 경감된 단면 직경을 가지는 미세채널을 제공하는 것이다. 이실시예에서, 채널의 웰은 원하는 기설정 위치에서 폴리머겔을 물리적으로 유지한다. 본발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진자는 다른 고정물질을 선택하여 제조나 사용동안에 장치내의 미세 구성부품의 움직임을 표시하도록 채널을 설계할 수 있다.
채널에서 제조되는 미세한 구성부품은 직경대높이 비율 즉 아스펙비율은 약 10 대 1에서 0.5 대 1 바람직하기로는 약 5 대 1에서 0.5 대 1 까지이다.
본발명의 충분한 장점을 얻기위하여, 폴리머겔 또는 미세구성부품은 약 2 대 1에서 약 0.5 대 1까지의 아스펙비를 가진다. 구성부품의 작은크기로 결합되는 낮은 아스펙트비를 가지는 구성부품은 자극물에 빠르게 반응하는 구성부품을 제공하여준다.
히드로겔 대상물의 기하학적 구조를 변경하는 것에 부가하여, 다공정이 유체확산 속도 및 히드로겔 확산 또는 수축을 증가시키도록 히드로겔구조로 도입될수 있다. 다공성의 도입은 중합가능한 혼합물에 계면활성제 및 물을 첨가함으로써 달성된다. 계면활성제제 교질입자 형성은 중합반응동안에 다공성 히드로겔 구조로 된다는 것이 이론화 되어 있다. 다공성을 도입함으로써, 히드로겔 확장 및 수축 모두에 대한 반응 시간이 10배이상으로 개선되는 것이 관찰되고 있다.
더욱이나, 채널내의 폴리머겔 또는 미세크기의 구성부품은 그의 의도된 바의 기능을 실행하고자하는 바와 같이 사용될수 있거나 폴리머겔은 소망의 기능을 실행하기 위하여 유도 될 수있다. 예를들면, 항체는 면역학적 평가를 실행하기 위하여 폴리머겔의 표면에 결합될수 있다. 또한, 폴리머겔에 대한 작용기가 폴리머가 선택적으로 분석물질이나 또는 관심대상의 물리적 성질을 선택적으로 검출 또는 측정할수 있도록 폴리머겔은 화학적으로 변경될수 있다.
예를들면, 히드로겔은 바이오 반응성의 미세장치를 제공하기 위하여 유도될수 있다. 많은 극히 반응성 있고 및 정밀한 천연의 메커니즘은 조직체내에서의 여러 가지 다른 이질적 또는 손상 물질을 검출하여 반응한다. 세포 및 조직의 바이오 감지 방법이 연구되어 있지만 세포/조직 반응 및 거시적 검출사이에서 접속시키는 것이 자명하지 않으며 복잡한 분석적 기술의 새로운 사태를 포함하고 있다. 바이오 감지성의 히드겔을 이용하는 본발명의 미세장치는 현존의 방법에서의 고질적인 많은 불리한 점을 피하면서도, 새롭고 효율적인 셀/조직 바이오센서를 제공한다. 히드로겔의 표면으로 또는 위에 바이오 분자를 일체화함으로써 나노(nano)로 거시규모를 직접 연결시켜주는 선택적이고 고감도의 센서가 만들어질수 있다. 바이오 반응성 히드로겔은 예를들면, 여러종류의 독소 및 병원균을 고감도로 검출할수 있다.
일반적으로, 미세장치를 형성하는 히드로겔은 부플게된 탄력성 겔을 형성하도록 많은 량의 유체를 흡수할수 있는 친수성 폴리머의 3차원망이다. 3차원 구조를 유지하기 위하여, 히드로겔의 폴리머사슬은 수소결합 및 이온 상호작용과 같은 화학적인 공유결합을 통하거나 또는 물리적인 비 공유의 상호작용을 통하여 가교결합되어 있다. 관심대상의 히드로겔은 팽창 및 수축성질 이외에, PH, 온도, 전계, 이온강도, 광, 압력, 또는 항원이나 다른 화학작용제와 같은 외부자극물에 정의된 방법으로 반응하는 능력을 가지는 것들이다.
그와 같은 자극물 반응 히드로겔은 고성능이거나 또는 지능적인 히드로겔로 불러지고 있으며 제어된 약투척, 생물의학의 진단장치 및 분리 및 정화기술에서 광범위한 응용을 가지고 잇다. 그러나, 느린 반응시간은 많은 응용에서 그들의 사용을 제한하여 왔다. 히드로겔을 미소크기로 축소함으로써, 이와 같은 불이익이 극복되었으며, 그것에 의해 생물 및 화학작용제를 검출하기 위한 미소유체장치(microfluidic devices)에서 사용하기 위한 이상적 히드로겔을 만들게 되었다. 많은 물리적 변화를 유발시키는 미세한 자극물의 능력은 다른 검출 장치의 이용을 제한하는 여러 가지 물제점을 제거한다. 예를들면, 바이오반응의 히드로겔은 빠르고 검출가능한 체적 변화에 결합되는 바이오인식을 가진 부류의 고성능 히드로겔을 만들도록 기존의 병원체 및 독소반응의 생체 역학 메커니즘을 사용하여 개발될수 있다.
적절한 생체역할은 히드로겔로 통합함으로써, 특정의 생물학적 또는 화학적 작용제에 대한 특성이 얻어진다. 이와 같은 접근방식을 예시하기 위하여 생물학적 및 화학적 작동의 3개 다른 모드에 의하여 반응하는 히드로겔이 개발되었다. 특히, 의류 및 환경 건강 연구중에 에스트로겐 리셉터(estrogen receptor; ER)에서 현존의 가장 큰 관심 내용은 신호 형질도입에 대한 중심점으로서 리셉터 역할의 파생이다. 많은 천연 발생 및 합성 화학작용제는 ER의 많은 소수성 리간드 결합 광소(hydrophobic ligand binding pocket)에 결합될수 있고 에스트로겐 및/또는 안티에스트로겐 효과를 이끌어낸다. 제독제(antagonist)를 포함하는 이들 리간드들은 ER의 형태를 변경할뿐만아니라, 천연 호르몬 에스틀아디오(estradio)(E2) 결합을 저지하는, 생성 메카니즘에 의하여 동작할수 있어 결국 상이한 다운스트림 이벤트로된다. 여러 가지 연구들은 ER 형태에 있어서의 리간드 유도변경은 코엑티베이터(coactivator) 단백질로 ER 상호작용을 조절시켜서, 결국 변경된 유전자 전사(gene transcription)로 되게 한다는 것을 증명하고 있다.
내분비선 분열 화학작용제(EDC)에 반응하는 히드로겔은 독소의 특정부류를 검출하는 능력을 나타나도록 개발될수 있다. 하나의 설계는 리셉더-리간드(receptor-ligand) 상호작용을 이용하여 에스트로겐 리셉터(ER)와 그의 천연리간드 에스트라디올을 히드로겔 망(network)으로 결합시키는 것을 포함한다. 비공유가교결합은 히드로겔을 수축상태로 천이시켜서 ER로, 에스트라디올의 상호작용에 의하여 형성될 수 있다.
상기 경쟁적인 리간드(즉 임의의 EDC)의 임계농도이상에서는 비공유 가교결합은 해체되어서 히드로겔이 그의 팽창된 상태로 환원되게 한다.
독소의 미세검출의 또하나의 다른 예는 보툴리누스균 독소(BONT)이다. 보툴리누스균 독소는 알려진 가장 맹독성의 독소중의 하나로서 아주 낮은 농도에서도 인간을 독살시키게 한다. 보툴리누스균 신경독소의 특별한 효능은 그의 극단적인 신경 특이성과 극단적으로 낮은 독소 농도에서 엑오시토시스(exocytosis)내에 포함된 신경단위 기질의 촉매분해에 의한 것으로 추정된다. 에어로졸 노출시에, 장내의 음식물 섭취 또는 상처 감염내에 보툴리누스균의 여러 가지 항원형은 빠르게 (수시간내에)말초신경에 결합한다. 그래서, 매우좁은 기회의 창은 면역에 대한 장관외(parenteral)의 관리와 같은 종래의 조정방법을 위해 존재한다. 따라서 맹독성 레벨의 보눌리누스균 독소를 빨리 검출할수 있는 장치를 가지는 것은 아주 중요하다.
BONT 역시 포컬 디스토니아스(focal dystonias), 경련, 전율, 편두통, 긴장성 두통, 그리고 다른 병들을 포함하는 무수한 신경근육질환의 치료를 위한 아주 중요한 작용제로 나왔다. BONT 치료법의 불리한점은 어떤 개개인은 독소에 대한 면역을 얻으며 치료에 대하여 난치료 된다는 진찰이다. 그래서 BONT의 치료를 받는 개개인들의 혈청내의 항체를 검출하는 고감도 방법은 투약처방을 하는데 있어서 외과의사에게 도움을 줄 수 있다. 그와 같은 분석표는 또한 개개인의 면역상태를 빠르고 고감도로 평가하기 위하여 사용될 수 있다. 보툴리누스균 독소에 대한 빠르고 고성능의 분석표는 또한 작용제적용에서 주입자리로부터 독수의 확산을 검출하기 위해 사용될수 있고, 그래서 바라지 않는 2차적 조직의 효과나 또는 시스템의 중독을 피할수 있다. 따라서 BONT에 대한 신속하고 정확한 평가는 BONT의 의료적용을 향상시키는데 상당히 유용할수 있다.
현재 이용가능한 BONT에 대한 가장 감도가 높은 테스트는 마우스 생물학적 정량테스트(1 마우스 단위 또는 약 10pg의 감도; 펨토모러(femtomolar)범위)이다. 그러나 마이스 평가(mice assay)는 마우스 균체들(mouse colonies)을 유지하는 실용성 검출에 대한 장시간(2일까지) 및 면역학상의 확인에 대한 필요성등과 같은 많은 결점을 가지고 있다. ELISA와 같은 현존의 시험관내의 분석은 상당히 감도가 낮고 가장 양호한 조건하에서 ml용액당 약 10-100 마우스단위(약 100~1000pg)를 검출한다. 문제점들은 또한 에어로졸, 분말, 토양 및 다른 기질등의 생물학적 견본 및 다른 소오스로부터 독소를 샘플링하여 농축시키는데에 존재하고 있다.
본발명의 미세장치는 BONT에 의해 분열되는 특정의 펩티드 시퀀스인 교차결합을 가지는 히드로겔의 사용에 의하여 단백질 독소의 신속한 검출을 제공하여 준다. 더욱이나 단일 BONT 분자는 활성의 그의 촉매모드 때문에 다수 교차결합을 분열시킬수 있다. 따라서 그와같은 미세장치는 BONT에 가역적으로 반응하며 "바이오-퓨즈(bio-fuse)"의 형태로 되어 있는 히드로겔을 함유할수 있으며, 여기에서 독소는 교차결합의 히드로겔을 비가역적으로 변화시킨다.
BONT의 검출을 위한 본발명의 미세장치에서 유용한 히드로겔은 도 8에 예시되어 있다. 특히 도 8a는 숙주반응(Host responce)의 검출을 위한 히드로겔을 나타내며, 이것에 의해 어느 개개인이 독소에 의해 감염되고, 어느정도까지 인지를 결정하는 방법을 제공하여 준다. 특히, 도 8a는 BONT에 대한 인체의 면역반응을 활성화시키는 것으로 알려진 항원에 접합시키는 히드로겔 망을 나타낸다. BONT으로 감염된 개개인의 혈청으로 부터의 항체는 또한 가교 결합하며 따라서 도 8a에 도시된바와 같은 히드로겔을 분열시킨다. 특히 감염된 혈청에 노출시에, 항원-항체는 쌍은 비공유 가교결합을 형성하여 히드로겔이 접속시키도록 야기시킨다. 히드로겔로 접합시키는데 적절한 항원은 BONT의 중 사슬의 C-말단(C-terminus)을 포함한다.
도 8b는 가교결합이 BONT에 의해 인식되어서 분열되는 특정의 폅티드시퀀스인 히드로겔 "바이오-퓨즈"를 나타낸다. 가교결합의 분열은 체적 변화의 지시적 검출에 결합되어 있는 히드로겔 팽창으로 된다.
도 8에 도시되어 있는 바와 같이 가교결합의 정도는 자극물에 노출될 때 변하한다. 폴리머망의 부를리는 정도는, 특히 낮은 가교결합 밀도의 영역에서 가교결합의 정도에 역비례한다. 자극물에 노출시에 가교결합을 형성하거나 또는 파괴시키는 폴리머 망으로 반응성 세그먼트를 부착함으로써, 개시의 가교결합 밀도가 충분히 낮다면 즉 15미만, 바람직하기로는 10 미만 가장 바람직하기로는 7 미만의 가교결합 밀도를 가진다면, 히드로겔은 체적에서 극적인 변화를 받을수 있다. 그러나, 가교결합 밀도는 히드로겔을 구비하는 폴리머의 가요성을 방지하는데 충분하다. 이것은 미시적인 이벤트가 항원의 거시적 검출을 만들도록 하여준다.
따라서, 다른 화학적 및 생물학적 자극물에 반응하는 미세장치가 제조될수 있다. 미세장치는 예를들어, 화학작용제를 분열시키는 내분비선에 특정한 환경적 독소; BONT에 특정한 숙주-방어 반응; 그리고 박테리아의 단백질독소를 검출할 수 있다. 검출될수 있는 BONT 이외의 다른 독수에 대한 예는, 이것에 한정되는 것은 아니지만, 탄저균 및 이볼라(Ebola)를 포함한다. 특정한 화학적 또는 생물학적 작용제에게 특정한 유생분자와 접합되는 히드로겔은 히드로겔 및 유생분자의 적절한 장치를 이용하여 제조될수 있다. 그와 같은 선택은 본발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 용이하게 결정될수 있다.
또하나의 다른 실시예에서, 히드로겔은 생물학적 반응의 미세구성부품을 제공하도록 도출하거나 또는 변경될수 있다. 예를들면, 히드로게은 "겔 셀(gell cell)"을 형성하기 위하여 채널 담백질이나 리셉터를 포함하는 지방질 이중층으로 변형된 PH 고감도의 히드로겔 매트릭스 표면을 제공하도록 폴리머겔은 지방질이나 지방산으로 피복될 수 있다. 지방질 코팅층은, 이온에 불침투성이기 때문에, 주위매질의 PH와 다른 PH가 히드로겔 내부에 유지될수 있어, 정상적으로 체적팽창을 야기하는 PH환경내에 둘러싸있는 동안 히드로겔이 수축되어 유지하도록 하여준다. 특정 자극물에 표면이 노출될 때 지방질 이중층은 분열되어서 히드로겔의 부플림을 야기시키고, 이것에 의해 자극물의 존재를 나타낸다.
겔셀은 구체적으로 설명하기 위하여, 히드록시 말단기를 가지며 PH 지시약(예를들어, 페놀프탈레인)을 함유하는 PH 감지 히드로겔이 상술한 기술을 이용하여 마이크로채널내에 제조된다. 히드로겔은 400㎛의 직경을 가진다. 그후 히드로겔은 벤젠내에 침투되어서 히드로겔 히드록시 기를 통하여 히드로겔의 표면으로 지방산을 공유결합함으로써 의하여 변경된다.
그다음, 변경된 히드로겔은 알칼리용액(정상적으로는 히드로겔이 부플게 야기시켜줌으로)에 노출되어서 히드로겔 직경이 시기적절한 인크리멘트에서 측정되어 베리어로서의 지방산층의 효율을 테스트한다. 지방산 피복으로 변형된 히드로겔은 색상이나 체적에 있어서, 관측 가능하게 변경됨이 없이 수일동안 안정하게 유지한다. 이와는 대조적으로, PH 지지약을 함유하는 변형되지 않은 히드로겔은 색상범위가 투명에서 핑크색으로 됨과 동시에 40분내에 알카리 용액에서 충분히 팽창된다. 알칼리 완충용액(PH12)에 노출될 때, 마이크로피페트 팁(micropipette tip)으로 겔을 침투시킴으로써 지방산이 물리적으로 분열되고, 겔이 급하게 부풀고 색을 변경하도록 야기시키게 될 때까지 지방산으로 변형된 히드로겔을 어떠한 체적이나 또는 색상의 변화가 나타나지 않는다. 따라서, 변형된 히드로겔은 지방산층이 분열된후에 부풀고 색상이 변화될 수 있어서 미세이벤트를 검출하기 위하여 사용될수 있다.
마이크로 전자장치의 제조에서 중합가능한 혼합물의 광 중합은 중합가능한 혼합물을 미리 제조된 마이크로 채널속으로 흐르게함으로써, 보다 높은 해상도로, 더욱더, 실제로 나타나게 되었다. 전형적인 과정에서, 약 500내지 약 2000㎛ 폭과 약 50내지 약 180㎛ 깊이를 가진 그라스 채널이 아크릴레이트산 및 2-히드록시 에틸메타크릴레이트(HEMA)(1:4 몰비율)로 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트(EGDMA)(1중량%) 그리고 광-감지성의 개시제(3중량%)를 함유하는 중합가능한 혼합물로 채워졌다. 중합가능한 혼합물은 정지상태에 도달하도록 하여 주었으며, 그후 채널의 위에 놓여진 포토마스크를 통하여 자외선광에 노출되었다. 중합반응이 완료되었을 때, 채널은 탈이온수로 씻어져서 반응되지 않은 폴리머 가능한 혼합물을 제거하였다. 중합반응시간은 광 강도와 개시제에 따라 변동하였지만, 광 개시제와 표준형광 현미경으로부터의 필터링되지 않은 광원을 사용하여 20초만큼 빠르게 되었다. 그결과의 폴리머겔은 PH 센서/액추에이터로 사용될수 있다.
포토마스크의 패턴은 양호한 해상도와 높은 충실도를 가지는 패턴형상의 폴리머겔을 제공하였다. 25㎛만큼 작은 특징을 가진 폴리머겔이 제조되었으며, 겔 사이즈는 마스크의 해상도에 의하여서만 제한된다. 다수의 미세구성부품의 제조는 단일 마스크상에 정의되는 다수의 미세구성부품으로 순차적으로 또는 동시에 얻어질수 있다. 다른 폴리머로 만들어진 구성부품들은 순차적으로 만들어질수 있다.
도면을 다시 참조하면 상기에서 개시된 여러 가지 실시예들이 예시되었다.
도 9는 미세채널내에 위치되는 PH-감지의 폴리머겔의 반응을 나타낸 것이다. 폴리머겔은 1몰의 히드로클로르산에서 380㎛로부터 1몰의 수산화나트륨에서 680㎛까지 크기가 변하는 공간적으로 정의되느 구조를 제공하도록 채널내에 다중화되었다(도 9a-c). 도 9는 또한 채널내의 유체흐름이 산성에서 염기성으로, 그 다음 다시 산성으로 변함에 따라, PH 감지의 폴리머겔이 가역적이며 재생적으로 크기가 변경되는 것을 나타낸다(도 9d-f).
따라서, 적절한 조성 및 기하학적 모양의 폴리머겔은 가역적으로 팽창 및 수축을 하지만, 만약 그렇지 않다면 마이크로 유체 스트림내에서 안정되어 있다. 예를들면, 폴리(HEMA)를 구비하는 폴리머겔은 피로없이 많은 사이클의 체적천이를 받을수 있다. 바람직하기로는 체적변화에 기인한 폴리머겔의 포개짐과 굽어짐을 감소하도록 폴리머겔의 측면 칫수는 높이와 같거나 높이보다 더 크다 그와 같은 칫수는 또한 또한 겔을 고정시키는데 도움이 되며 겔이 유체흐름동안 하류로 이동하는 것을 방지한다. 어떤 겔의 크기 및 형상, 특히 큰 아스펙트비를 가지는 겔은 높은 내부의 스트레스 집중의 발달 때문에 반복되는 체적천이로부터 쉽게 피로하게 된다. 체적변화의 시간반응은 대략 칫수의 자승으로 된다. 10초 미만의 반응은 직경 100㎛, 길이 50㎛ 채널의 폴리머겔에 대하여 관측되었다.
도 10은 2개의 다른 폴리머겔을 포함하는 미세 플로워라우팅 장치(microscale flow routing device)를 나타낸 것이다. 플로워라우팅장치의 기능은 예를들면, 화살표 방향으로 흐르는 유체의 흐름을 제어하는 것이다.
마이크로채널내에 위치되는 2개의 폴리머겔은 예를들면 산성이나 염기성의존재에 다르게 반응한다. 구체적으로는, 겔A는 염기성의 존재에서 팽창하며 산성의 존재에서 수축한다. 이와대조적으로 겔B는 염기성의 존재시에 수축하며 산성의 존재시에 팽창한다. 따라서 화살표 방향에서 흐르는 산성유체는 왼쪽 방향으로 돌게된다. 화살표방향으로 흐르는 알칼리 유체는 오른쪽방향으로 돌게된다. 따라서, 도 10에 도시된 PH 방응의 미세장치는 일반적으로 종래의 시스템에서의 분리된 장치의 구성요소(예를들어, 밸브, 센서 및 전자장치)에 의하여 정상적으로 수행되는 센서 및 액추에이터기능을 수행한다.
도 10의 2개의 다른 폴리머겔은 채널내에 순차적으로 위치된다. 먼저 중합 가능한 혼합물A가 채널내로 도입된후, 채널의 나머지 부분을 마스킹하면서 위치A에서 중합 반응된다. 잔여의 비 반응 중합가능한 혼합물A가 채널로부터 씻어 내어진다. 그다음 중합가능한 혼합물B가 채널로 도입되고 이어서 위치B에 대한 것을 제외하고 채널을 마스킹하여 위치B에서 광중합 함으로써 혼합물B를 중합한다.
그다음 반응되지 않은 잔여의 중합 가능한 혼합물B는 채널로부터 씻어내어져서 도 10에 도시된 플로워라우팅 장치를 제공한다. 일반적으로, 채널내에서의 흐름은 폴리머겔의 체적변화에 의하여 조절될수 있다. 흐름조절은 폴리머겔을 포함하는 채널에 걸쳐서 일정한 유속에서 압력 강하를 측정함으로써 나타나게 되었다. 이 테스트에서, 각각 300×700㎛인 1×9 어레이의 타원형 구성요소가 1000㎛ 폭 그라스 채널의 길이에 따라 중합되었다. 폴리머겔이 PH를 변경함으로써 팽창과 수축이 되게 하면서, 압력강하 측정이 0.15ml/min의 일정 음속에서 행하여졌다. 1.8의 PH에서 겔은 수축상태에 있었고 0.09psi의 압력강하를 발생하였다. PH를 12.9로올린후에 겔은 충분히 팽창되어서 압력강하를 거의 8배로 증가되도록 야기하였다. 따라서, 본발명은 마이크로유체공학용의 PH-감지 스로틀 밸브(throtte valve)로써 기능하는 간단한 제조의 미세장치를 제공한다.
도 11은 마이크로채널에서 제조되는 PH-감지 폴리머겔을 더 나타낸 것이다. PH-감지 폴리머겔은 코어 표면상에 PH-반응의 히드로겔을 가진 폴리스티렌 코어를 구비한다. 도 11은 또한 PH 변화에 대한 PH 센서의 재생 가능한 반응을 나타낸다.
다음의 반응하는 본발명의 마이크로구조의 제조방법에서 사용되는 여러 가지 특정의 중합가능한 혼합물을 나타낸다. 반응구조는 미세크기의 채널내 기설정 위치에서 제조되는 PH-감지의 폴리머겔이 수성(water based)이거나 또는 유성(organic based)일수 있음을 나타낸다. 반응구조는 또한 기능적과는 대립되는 것으로써 예를들면, 미세 크기채널의 웰을 제조하도록, 구조적으로 사용될수 있는 강건하고, 높은 가교 결합된 폴리머를 나타낸다.
a) 수성 PH-감지 폴리머
b) 유성 PH-감지 폴리머
c) 강건하고, 불침누성, 높은 가교결합망
도 12는 여러 가지 형장의 폴리머겔이 미세크기 채널내에서 합성될 수 있음을 나타낸다. 각형상에 대응하는 폴리머는 적절한 형상의 마스크를 사용함으로써 제조될수 있다.
이것은, 곡선마서크와 그 마스크의 결과로서 상기는 곡선 폴리머겔을 도시하는 도 13에, 더 도시되어 있다. 도 13은 채널내에 제조된 폴리머겔이 날카로우며 마스크의 형상과 근본적으로 동일한 기하학적 형상을 더 도시하고 있다.
따라서 광개시의 중합은 근본적으로 입사방사에 노출되는 채널의 위치로 제한되어 있다. 중합반응은 어떤 상당한 정도까지 마스크 아래에서 방사상으로 확장되지 않는 것이 관측되었다. 열 개시의 중합 반응은 마스크하에서 방사상으로 일어나지 않을 정도로 그와 같은 미세한 반응에서의 발열이 충분히 낮기 때문에 중합반응은 채널내의 노출된 위치로 한정되는 것은 이론적이지만 본발명에서는 신뢰하지 않는다.
도 14~15는 광개시의 중합에 의하여 미세채널내에서 제조된 폴리머겔의 여러형태를 나타낸 것이다. 도 14는 비교적 복잡한 기하학적 형상이 제조될수 있고 자극물, 예를들면 PH에 재생적으로 반응할수 있으며 이것에 의해 센서로서 작동할수 있음을 나타낸다. 도 15는 개개의 폴리머겔이 마스크의 위치를 조절함으로써 순차적으로 제조될수 있음을 더욱 나타낸 것이다. 도 15에 있어서의 3개의 폴리머겔이 동일하다면, 폴리머겔의 미세제조는 채널내는 단일의 중합가능한 혼합물을 도입하고 단일 마스크는 모든 폴리머겔이 동시에 제조되도록 하여주거나 또는 채널의 다른 위치 (및 중합가능한 혼합물)가 입사방사에 노출되게 하여주도록 마스크가 조절되게하여 단일 또는 순차적인 광개시의 중합을 수행함으로써 얻어진다. 다른 형태의 반응이나 또는 다른 반응시간 또는 반응량의 장점을 취하도록 채널내에서 제조되는 다른 폴리머겔을 가지는 것이 바람직한 실시예에서, 예를들면, 각각의 광개시의 중합과 쳄버의 세정에 뒤따라서 적절한 마스크의 조절 이후에 다른 중합 가능한 혼합물이 쳄버내로 순차적으로 도입된다. 또한 대안으로서, 3개의 분리된 중합 가능한 혼합물이 층류를 이용하여 미세 채널내로 도입될수 있다. 그때 3개의 폴리머겔이 적절한 형상의 마스크를 이용하여 그 채널을 적절한 입사 방사로 노출시킴으로써 동시에 제조될수 있다. 각 중합가능한 혼합물의 중합을 실행하는 적절하거나 또는 이상적인 파장은, 예를들면 필터를 사용함으로써 얻을수 있다. 도 15는 PH 변화에 반응하여 흐름을 조절하기 위하여 채널내의 폴리머겔의 어레이가 사용될수 있음을 나타낸 것이다.
도 16은 미시적인 이벤트에 대한 거시적인 검출방법을 나타낸 것이다. 도 16a는 하나이상의 화학적 또는 생물학적 작용제에 센서의 평면 및 측면을 나타낸 것이다. 자극물이 없을 경우에, 히드로겔은 수축상태에 있고 장치는 평면도로부터 채색되게 나타난다. 히드로겔 센서는 자극물에 반응하여 팽창하고(오른쪽 아래) 장치의 상부 내 표면을 눌러서 그 영역으로부터 염료를 배제시킴으로써 광학적 성질을 변화시킨다. 각 히드로겔 구성부품은 다른 화학적 및 생물학적 작용제에 대한 독특한 패턴을 생기게 하는 다른 자극물에 반응한다.
도 16b에서 탄성 얇은막(membrane) 및 센서/액추에이터가 본 발명의 방법에 의하여 양자 모두 만들어진다. 탄성 얇은 막이 먼저 형성되고, 그다음 히드로겔 센서/액추에이터가 제조된다. 소수성 배출구가 쳄버를 씻어내거나 또는 채우기 위해 사용되며 소수성 밸브는 2개의 용액을 분리된체 유지하기 위하여 사용된다. 샘플이 도입된후 검출이 발생할 때, 히드로겔은 제 1 용액을 제 2 용액으로 밀어내게 팽창하여 착색된 제품을 생성한다.
도 17은 본 발명에 의해 제조되는 바이오측정 밸브를 나타낸 것이다. 전형적인 과정에서, 2개 PH-감지의 스트립이 동시에 제조된다(도 17a). 그다음 비-PH-감지(non-PH-sensitive) 스트립이 고정장치를 가진 바이-스트립(bi-strips) 히드로겔 밸브로 형성된 HEMA, DGDMA(1.0중량%) 및 IRGACURE 651(3.0중량%)로부터 제조된다. 염기성 용액에 노출될 때, 바이-스트립 히드로겔은 팽창하고 구브러져서 정상상태에서 폐쇄 밸브를 형성한다.(도 17c) 바이-스트립은 개방되게 밀어질수 있어(도 17d) 일방향으로 (왼쪽에서 오른쪽으로) 흐름을 허용주고 이와 반면에 반대 방향으로 흐름을 금지한다.(도 17e) 산성용액에 노출될 때 (도 17f), 밸브가 비활성화 되어서 영구적인 개방상태로 되돌아간다. 도 17에서의 스칼라바는 500㎛이다. 비-PH-감지 히드로겔 스트립은 또한 소정위치의 채널 위 및 아래로 바이-스트립 히드로겔의 한단부를 고정하는 고정장치를 가진다. 비-PH-감지 스트립은 동일한 체적으로 남아있게되어 바이-스트립 겔이 비-PH-감지 스트립을 향하여 구브러지도록 야기시킨다. 미세밸브는 베인(vein)에서 발견되는 수동밸브와 같이 동작하며 다만 한 방향으로만 유체흐름을 허용한다. PH-감지 스트립은 밸브에 복원력을 제공하도록 스프링과 같은 역할을 한다. 산성용액에서 수축될 때, 밸브는 비 활성화되어 영구적인 오픈 상태로 남아 있는다(도 17d). 이 예에서, 밸브는 국부적 유체 흐름 특성이외에 국부적 화학적 환경에 반응한다.
이전의 설명은 중합가능한 혼합물, 층류 및 광 마스크의 사용에 의해 미세 채널내에 플리머 겔을 위치시키고 고정시키는 것을 예시하고 있다. 그러나 중합 가능한 혼합물은 또한 난류를 이용하여 미세채널내에 적절히 위치되게 할수 있다. 무질서한 흐름에서 2개의 액체가 혼합된 상태에서 있는 것으로 나타나지만 혼합된 상태는 일정하다. 예를들면, 흐름의 영상은 어떤 변화도 나타나지 않으며 영상은 본질적으로 정지사진이다. 이와 대조적으로 난류(turbulent flow)의 이론적 영상은 일정변화를 나타내는 것으로, 즉 정지사진이 아니라 동적 사진이다.
도 18은 중합가능한 혼합물과 무질서한 흐름에서의 불활성 액체와의 혼합을 나타낸 것이다. 무질서한 흐름은 채널의 길이를 가로질러서 연속적으로 기선택된 위치에서 중합 가능한 혼합물을 위치시킨다. 후속의 광-유기 중합반응은 도 18에도시된 바와 같이, 채널의 길이에 따라 기선택된 패턴을 가지는 연속적인 폴리머겔을 제공하여 준다. 그와 같은 패터닝은 미세장치의 설계 능력을 크게 확장하고 그와같은 미세장치에 대한 유용한 응용 범위를 확대시킨다.
본 발명의 중요한 특징에 따라, 폴리머겔은 마이크로 채널내에 제조될수 있고, 이 채널에서 폴리머겔은 열적, 물리적, 화학적 또는 생물학적 자극물에 대하여 반응할수 있는 기능을 가진다. 이와 같은 기능은 폴리머겔을 구비하는 모노머들의 적절한선택이나 또는 예를들어 채널내에서 미세 제조후에 폴리머겔을 적절하게 유도함으로써, 또는 세포나 또는 생물학적 분자를 폴리머겔로 편입시킴으로써 얻어질수 있다. 본 발명의 방법은 미세장치용의 그와같은 폴리머의 기능적 구성요소를 가장 빠르게 제조하는 방법을 제공하여 준다. 중합 반응시간은, 예를들어 약 20초이고, 폴리머겔은 형상이나 또는 외형에 관계 없이 외부자극물에 재생적으로 반응한다. 겔들은 이루를 폴리머겔의 작은 크기 때문에 빨리 그리고 정확하게 외부자극물에 반응한다.
따라서 본발명은 미세한 유체 채널내에서 한정되는 기능적 폴리머겔을 가지는 미세장치를 제조하는 새로운 방법에 지향되어 있다. 미세유체 채널내에서 여러 가지의 기하학적 형상 및 크기를 가지는 기능적 구조에 대한 간단하고 신속한 미세제조는 구체적으로 설명되었다. 한실시예에서, 기능적 구조, 즉 폴리머겔은 PH에서의 변화에 반응하여 팽창 및 수축을 하는 PH-감지 폴리머이다. 본발명의 방법에 따라, 중합은 마스킹을 통하여 폴리머겔의 기하학적 형상을 정의하기 위하여 사용되고 그 결과의 폴리머겔 구조는 명확하게 정의되며 미세 유체장치내의 기능적 구성요소로써 사용될수 있다. PH-반응 스로틀 밸브가 명백하게 예시하여 설명되었다. 온도, 전계, 이온강도, 광, 압력, 탄수화물 및 단백질에 반응하는 폴리머겔을 함유하는 미세구성요소가 또한 예시하여 설명되었다.
본발명의 방법은 미세크기의 구성요소가 채널내에서 인시튜(in situ) 방법으로 형성되기 때문에, 센서, 밸브, 펌프, 및 광학전기 구성부품을 포함하는 복수의 기능적 구성부품을 가지는 복잡한 미세크기의 유체흐름장치를 종래의 조립 프로세 없이 제조할수 있게 하여준다. 본발명의 방법은 또한 기판상에 미세채널을 제조하기 위하여 사용될수 있다.
더욱이나, 그결과로 생기는 폴리머겔 구성부품은 기능적(예를들어, PH 감지)이기 때문에, 전원, 전자장치 및 구동, 제어 및 피드백용의 센서에 대한 필요가 제거되며, 이것에 의해 장치의 설계 및 제작을 크게 간편하게 하여준다. 본발명의 방법은 또한, 기 선택의 화학약품 그자체와 칫수의 폴리머겔 제조를 허용하도록 층류의 특징을 이용하며 그것에 의해 장치의 기능상의 유연성을 증가시키고 빠른 응답 시간을 가지는 장치를 제공할 수 있다.
지금까지 설명된 본발명에 대한 많은 수정과 변경이 본발명의 기술사상과 범위를 일탈함이 없이 이루어질수 있음을 유념하여야 한다.
상기 내용에 포함되어 있음.

Claims (40)

  1. (a) 기판을 준비하는 단계;
    (b) 상기 기판내에 하나이상의 미세채널(micro scale channels)을 형성하는 단계;
    (c) 상기 채널내로 액체의 중합 가능한 혼합물을 도입하는 단계;
    (d) 채널에 따라 기 선택된 위치에서 중합-개시 에너지원에 중합가능한 혼합물의 노출을 허용하도록 상기 채널을 광학적으로 마스킹하는 단계;
    (e) 채널의 기 선택된 위치에서 중합가능한 혼합물을 중합하여 폴리머겔을 형성하도록 충분한 시간동안 상기 채널을 에너지원에 노출시키는 단계;
    (f) 폴리머겔과 같은 상기 채널내에 미세 구성부품을 제공하도록 잔여의 비 반응의 중합가능한 혼합물을 상기채널로부터 제거하는 단계를 구비하는, 미세장치(microscale device)의 미세구성부품(microscale component) 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기판은 투명한 미세장치의 미세구성부품 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 기판은 그라스, 프라스틱, 실리콘 또는 투명 재료를 구비하는 미세장치의 미세구성부품 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 채널은 리소그라픽 프로세스에 의하여 형성되는 미세장치의 미세구성부품 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 기판은 약 1㎛ 내지 약 1mm의 단면직경을 가지는 미세장치의 미세구성부품 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 중합가능한 혼합물은 약 1 내지 약 2000의 레이놀드 수(Reynold's number)를 가지는 미세장치의 미세구조부품 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 액체 중합가능한 혼합물은 적층 어레이내의 채널로 동시 또는 순차적으로 도입되는 미세장치의 미세구성부품 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 하나이상의 액체 중합가능한 혼합물과 하나이상의 불활성 액체가 적층 어레이내의 채널로 동시 또는 순차적으로 도입되는 미세장치의 미세구성부품 제조방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 하나이상의 액체의 중합가능한 혼합물과 하나이상의 불활성 액체가 무질서한 흐름 스트림내로 동시또는 순차적으로 도입 되는 미세장치의 미세구성부품 제조방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 불활성 액체는 약 1 내지 약 2000의 레이놀드수를 가지는 미세장치의 미세구성부품 제조방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 중합가능한 혼합물은 모노 작용기를 가진 모노머, 폴리작용기를 가진 가교결합 모노머 또는 그들의 혼합물인 미세장치의 미세구성부품 제조방법.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 중합가능한 혼합물은 광 개시제, 임의의 표면활성제 또는 이들의 혼합물은 더 구비하는 미세장치의 미세구성부품 제조방법.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 미세 구성부품은 직경 대 높이의 비가 약 10 대 1 내지 약 0.5 대 1인 미세장치의 미세구성부품 제조방법.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 중합-개시 에너지원은 광, 열, 진동, 전계 또는 자계를 구비하는 미세장치의 미세구성부품 제조방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 에너지원은 자외선광을 구비하는 미세장치의 미세구성부품 제조방법.
  16. 제 1항에 있어서,
    고정재료가 채널의 기 설정위치에 위치되는 미세장치의 미세구성부품 제조방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 고정재료는 화학 고정제를 구비하는 미세장치의 미세구성부품 제조방법.
  18. 제 17항에 있어서
    상기 고정재료는 금속막, 광 개시제, 모노머 또는 이들의 혼합물을 구비하는미세장치의 미세구성부품 제조방법.
  19. 제 17항에 있어서
    상기 고정재료는 기구적 또는 물리적 고정장치인 미세장치의 미세구성부품 제조방법.
  20. 제 1항에 있어서,
    폴리머겔을 유도하는 단계를 더 구비하는 미세장치의 미세구성부품 제조방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 폴리머겔은 폴리머겔에 유생분자(biomolecule)를 부착함으로써 유도되는 미세장치의 미세구성부품 제조방법.
  22. 제 20항에 있어서,
    상기 폴리머겔은 지방산이나 또는 지방질(lipid)로 폴리머겔을 피복함으로써 유도되는 미세장치의 미세구성 부품 제조방법.
  23. 제 1항에 있어서,
    상기 폴리머겔이 기설정 자극물에 반응하며 체적변화를 받는 미세장치의 미세구성부품 제조방법.
  24. 제 23항에 있어서,
    상기 자극물은 겔을 접촉하는 매질에서의 물리적 변화인 미세장치의 미세구성부품 제조방법.
  25. 제 24항에 있어서,
    상기 물리적변화는 온도변화, 전계변화, 광변화 또는 압력변화인 미세장치의 미세구성부품 제조방법.
  26. 제 23항에 있어서,
    상기 자극물은 겔을 접촉하는 매질에서 화학적 변화인 미세장치의 미세구성부품 제조방법.
  27. 제 26항에 있어서,
    상기 화학적 변화는 PH변화나 또는 이온강도 변화인 미세장치의 미세구성부품 제조방법.
  28. 제 23항에 있어서,
    상기 자극물은 겔을 접촉하는 매질내의 화학적 화합물인 미세장치의 미세구성부품 제조방법.
  29. 제 23항에 있어서,
    상기 자극물은 겔을 접촉하는 매질내의 생물학적 작용제인 미세장치의 미세 구성부품 제조방법.
  30. 제 29항에 있어서,
    상기 생물학적 작용제는 독소, 병원균 또는 항원 인 미세장치의 미세구성부품 제조방법.
  31. 제 29항에 있어서
    상기 생물학적 작용제는 보툴리누스균 독소, 탄저균 또는 이블라(Ebola)인 미세장치의 미세구성부품 제조방법.
  32. 제 1 항의 방법에 의하여 제조되는 미세구성부품.
  33. 제 32항에 있어서,
    상기 구성부품이 물리적 변화는 검출할 수 있도록 구성한 미세구성 부품.
  34. 제 32항에 있어서,
    상기 구성부품이 화학적 변화를 검출할 수 있도록 구성한 미세구성부품.
  35. 제 32항에 있어서,
    상기 구성부품은 화학적 화합물을 검출할 수 있도록 구성한 미세구성부품.
  36. 제 32항에 있어서,
    상기 구성부품은 생물학적 화합물을 검출할수 있도록 구성한 미세구성부품.
  37. 제 32항에 있어서,
    상기 구성부품은 펌프, 밸브, 센서, 플로워라우터, 액추에이터, 광전자 구성부품 및 분석물질 검출기로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 미세구성부품.
  38. 제 32항에 있어서,
    상기 구성부품은 PH 센서/액추에이터인 미세구성부품.
  39. (a) 공동을 가지는 투명셀을 준비하는 단계;
    (b) 구조적 모노머들의 혼합물을 상기 공동으로 도입하는 단계;
    (c) 상기 셀내에서 하나 이상의 채널을 정의하고 중합 개시 에너지원에 마스크 되지 않은 구조적 모노머 혼합물의 노출을 허용하도록 상기 공동을 선택적으로 마스킹 하는 단계;
    (d) 상기 셀내의 마스크되지 않은 위치에서 구조적 모노머 혼합물을 중합하여 마이크로채널을 형성하도록 충분한 시간동안 상기 에너지원에 상기 셀을 노출시키는 단계;
    (e) 상기 셀내에 채널을 제공하도록 기판으로부터 잔여의 비 반응 모노머 혼합물을 제거하는 단계;
    (f) 기능적 모노머를 구비하는 제 2 액체의 중합가능한 혼합물을 상기 채널로 도입하는 단계;
    (g) 상기 채널에 따라 기 선택된 위치에서 제 2 중합 가능한 혼합물을 중합하도록 충분한 시간동안 상기 에너지원에 채널을 노출시키는 단계;
    (h) 폴리머겔과 같은 채널내의 기능적 미세 구성부품을 제공하도록 채널로부터 잔여의 비반응 제 2 중합 가능한 혼합물을 제거하는 단계를 구비하는 미세장치의 기능적 미세구성부품의 제조방법.
  40. 제 35 항에 있어서,
    상기 셀내의 공동은 높이가 약 50 내지 250㎛이고 폭과 길이가 각각 약 500 내지 2500 인 제조방법.
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