KR20020062657A - 미세반응 시스템 및 성형 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미세반응 주형 시스템, 및 기판 표면 위에 매우 얇은 막을 성형하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 주형 및 성형 방법을 사용하면 일정하고 균일한 두께로 막을 기판 표면에 도포할 수 있다. 주형은 식각 실리카와 같은 단일 재료이거나 석영/금속과 같은 복합재일 수 있다. 주형은 또한 조절가능한 주형 공동을 포함할 수 있다. 본 발명의 주형을, 특히 마이크로칩 기판 위에 중합체 박막을 형성하는데 이용할 수 있다.

Description

미세반응 시스템 및 성형 방법 {MICROREACTION SYSTEMS AND MOLDING METHODS}

지금부터 서술할 내용은 본 발명을 요약한 것이다. 여기서 제공된 어떠한 정보도 본 발명에 대한 선행기술로 인정되지 않으며, 본원에서 구체적으로 또는 암시적으로 언급된 어떠한 문헌도 본 발명에 대한 선행기술로 인정되지 않는다.

박막을 기판 표면에 미세규모로 도포하는 것은 전자산업에서 중요한 문제로 여겨져 왔다. 이러한 도포 과정은 대체로 스핀 코팅(spin coating) 및 마스킹 라미네이션 (masking lamination) 기술을 사용함을 포함한다. 그러나, 생체물질의 단리 및 검출에 사용되는 전자식으로 주소지정가능한 마이크로칩에 투과성 중합체 박막층을 도포하는데 있어서, 마스킹 라미네이션으로도 스핀 코팅으로도 특별히 좋은 결과를 얻지는 못하였다.

예를 들면, 완전한 평면이 아닌 전자식으로 주소지정가능한 마이크로칩 카트리지 설계를 포함하는 기판 위에 투과층을 스핀 코팅하는 경우, 마이크로칩의 특정 영역에서만 균일한 층이 형성되는 문제가 종종 발생한다. 결과적으로, 비-평면 표면 위에서 스핀 코팅을 수행하면, 투과층이 너무 다양한 두께로 도포된다.

마이크로칩의 작동 요건으로는 마이크로칩의 전극 위에 있는 층 표면에서 인가되는 전자 포텐셜 및 전류가 매우 좁은 허용범위를 가질 것이 포함된다. 따라서, 투과층 두께는 균일해야 한다. 두께가 일정하지 않으면, 마이크로칩의 전자식으로 주소지정가능한 포획부위들에 생체물질을 전송하려고 할 경우에 통제불가능한 변수들이 생길 수 있다.

또 다른 측면에서, 스핀 코팅으로 아가로스를 도포할 경우, 아가로스를 적절하게 퍼지게 하기 위해서는 특정 온도 범위내에서만 공정을 수행해야 한다. 온도가 너무 낮으면, 아가로스는 너무 일찍 굳어버려서 적당하게 퍼지지 않을 것이다. 단량체 용액을 기재로 하는 합성 하이드로겔을 스핀 코팅으로 도포한 후 가교결합시키는 경우, 적당한 두께의 막을 얻으려면, 가용성 중합체를 하이드로겔 용액에 첨가함으로써 점도를 증가시킬 필요가 있다. 그러나 이러한 증점성 중합체를 첨가하면 투과층의 최종 조성 뿐만 아니라 층의 성능까지 변화되어, 전극과 층의 맨 윗면 사이에서 다가전해질과 이온의 전기영동이 일어난다. 스핀 코팅을 수행하는데 있어서의 또 다른 문제는, 이 방법에서는 단량체 또는 단량체/중합체 혼합물을 방사상으로 퍼뜨리는 과정을 고속으로 수행해야 한다는 것이다. 이렇게 고속을 사용하는 과정에서 기판이 손상될 위험이 있다.

보다 균일한 두께를 달성하기 위해 다른 방법들도 사용해 왔다. 마이크로칩위에 박막을 성형하려는 시도의 예로 들 수 있는 것은 커버슬립(coverslip) 방법으로서, 이 방법은, 실제 중합 전에 중합성 재료의 용액에 직접 커버슬립을 씌우면 이 커버슬립이 마이크로칩 위에 균일한 중합체층을 이루게 해 줄 것이라는 생각에서 부터 나온 것이다. 이러한 방법을 사용하면 표면이 균일해지기는 하지만, 두께 변동이 크기 때문에, 감도 높은 전자식 주소지정 및 대량생산을 지향하는 본래의 취지와는 어긋난다.

또 다른 마이크로급 성형 도포법에 있어서, 몇몇 방법에서는 중합시 공극형성 또는 부피감소를 방지하기 위해 주형을 1 내지 50atm으로 가압하여 사용한다(문헌[Micro and Nano Patterning Polymers, Oxford University Press, 1993, ISBN 0841235813]을 참조). 또 다른 시스템에서는 미세반응 주형 안에 용액을 주입하거나 성분을 혼합한다.

이와 대조적으로, 본 발명의 발명자들은 마이크로칩과 같은 기판 표면에 매우 균일한 막을 직접 형성할 수 있으면서도, 기존의 스핀 코팅 및 커버슬립-중합 방법에서 나타났던 두께 변동 현상이 없는 단순한 미세반응 주형 시스템을 개발해 내었다. 더욱이, 본 발명의 발명자들은 전자식으로 주소지정가능한 마이크로칩 및 기타 기판 위에 투과층을 매번 똑같은 두께로 직접 형성할 수 있는 방법을 개발하였다. 저렴하고도 대량생산이 가능한 방식으로, 하나의 기판에 여러개의 박막 또는 하이드로겔층을 부착하거나 중합체층을 이식하는데에도 본 발명을 이용할 수 있다. 또한 이러한 주형 시스템을, 여러가지 특성을 갖는 여러개의 투과층을 갖는 기판을 만드는데에도 이용할 수 있다.

발명의 요약

본 발명의 한 실시양태에서는 투명창(transparent window)요소와, 금속 또는 중합체로 된 주형 케이스(casing) 또는 프레임(frame)을 갖는 2부품 주형을 포함하는 주형 시스템이 제공된다. 주형 케이스에 사용되는 금속은 바람직하게는 304 스테인레스강, 316 스테인레스강 또는 티탄일 수 있다. 중합체 재질의 케이스를 사용하는 실시양태의 경우, 적합한 중합체의 예에는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리플루오로알콕산(PFA) 및 폴리에테르에테르케톤(PEEK)이 포함된다.

이러한 2부품 주형에 있어서, 투명창은 하나 이상의 전자기복사선 파장(특히, 자외선, 가시광선 및 적외선의 파장)의 투과를 허용하는 임의의 재료로 만들어질 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 허용가능한 창 재료의 예로는 용융실리카, 석영, 사파이어, 게르마늄, 실리콘 또는 유리와 같은 결정질 물질 또는 플렉시글라스(Plexiglas), 폴리아크릴레이트 및 폴리카르보네이트와 같은 유기 중합체 재료를 들 수 있다. 이 창요소의 윗면은, 주형 프레임에 삽입되어 "기본판" 또는 주형 바닥으로서의 기능을 한다. 창요소의 윗면은 일반적으로, 박막으로서 성형될 재료 위에 패턴화된 표면을 제공할 수 있는 임의의 굴곡을 포함할 수 있다. 바람직한 실시양태에서는, 창요소의 윗면은 평면형이다. 평면형이란, 수직 높이의 변동량이 1㎛ 미만인 표면을 말한다. 패턴화된 표면(patterned surface)이란, 수직 굴곡 변동량이 1㎛보다 큰 표면을 말한다. 평면형이든 패턴화되었든 간에, 복사선을 받아들이는 창요소와 그 윗면은 주형 공동과 인접해 있다.

창요소가 주형 바닥을 형성하기 위해서는, 창요소의 윗면은 프레임요소의 맨위쪽 가장자리에서부터 함몰되어 있음으로써 주형 공동을 형성한다. 바람직한 실시양태에서, 창요소의 함몰깊이는 프레임의 맨 위쪽 가장자리에서부터 아래로 100㎚ 내지 100㎛이다. 추가로, 창요소를 프레임요소 안에 "미끄럼 방식으로(slidably)" 밀어넣음으로써 창요소의 함몰깊이를 조절할 수 있다. "미끄럼 방식"이란 창요소를 프레임요소 속으로 미끄러지듯 밀어넣음으로써 창요소의 위치를 조절할 수 있음을 뜻한다.

또 다른 실시양태에서, 본 발명의 시스템은 광중합과 성형을 단일 공정으로 통합한다. 이러한 실시양태에서, 창요소는 반응성 단량체 용액의 광중합을 개시하는 자외선 광에너지에 투과성이어서, 이 자외선 광에너지에 의해 단량체 용액은 박막으로 되고, 이 박막은 중합 동안에 마이크로칩 또는 기타 기판의 표면에 부착된다. 이러한 시스템에서는 중합을 개시하기 위해, 50% 2,4,6-트리메틸벤조일 디페닐포스핀 옥사이드와 50% 2-하이드록시-2-메틸-1-페닐-프로판-1-온(D 4265)과 같은 자외선 광개시제를 중합성 단량체와 함께 사용할 수 있다.

또 다른 실시양태에서는, 적외선 형태의 열에너지에 투과성인 창을 사용하여 중합 개시를 수행할 수 있다. 이러한 실시양태에서는, 단량체 용액 및 주형을 특정 온도범위로 가열하여 아조비스이소부티로니트릴(AIBN)과 같은 열-민감성 중합개시제를 활성화시킨다.

또 다른 실시양태에서는 화학에너지를 이용하여 중합을 개시하는데, 이 경우 암모늄 퍼설페이트/테트라메틸 에틸렌 디아민(APS/TEMED)과 같은 화학개시제에 의해 주형 공동에서 짧은 시간 동안 단량체 중합이 일어난다.

또 다른 실시양태에서는 가시광선에 투과성인 창요소를 사용하는데, 이 경우에는 가시광선 파장에 민감한 화학개시제를 중합반응에 사용한다.

또 다른 실시양태에서는, 마이크로칩 또는 기타 기판이 주형 시스템의 상판 또는 마개(cap)를 형성한다. 기판이 주형의 한 면을 구성하게 되면 주형 시스템이 단순하게 될 뿐만 아니라 동시에 기판 표면과 주형 공동 바닥 사이의 간격을 조절함으로써 막 두께를 한정할 수 있게 된다.

또 다른 실시양태에서 2부품 주형 시스템은 주형 웰(well) 충진관을 포함하는데, 이 경우 충진관의 한 쪽에는 단량체 용액을 유입시키기 위한 주입구가 있고 이 주입구 반대쪽에는 과량의 단량체 용액을 배출시키기 위한 배출구가 있다.

또 다른 실시양태에서, 주형 시스템은 2부품 주형 대신에, 하나 이상의 전자기복사선 파장에 투과성인 판을 포함하는 1부품 주형 또는 "비복합재질(noncomposite)" 주형을 포함할 수 있다. 이러한 실시양태에서는, 주형 공동은 판의 위쪽 가장자리에서부터 100㎚ 내지 100㎛의 깊이로 형성된다. 바람직한 실시양태에서, 판은 용융실리카, 석영, 사파이어, 게르마늄, 실리콘, 유리, 폴리아크릴레이트, 폴리카르보네이트 및 플렉시글라스와 같은 물질로 제조될 수 있다. 이 실시양태에서는 기판이 주형 상판으로서의 역할을 한다. 또 다른 실시양태에서, 이러한 비복합재질 주형에서는 개개의 "주형 블록"들이 추가로 한 표면에 부착되어 주형의 배열을 형성하거나, 개개의 주형들의 배열이 단일 블록 안에 직접 형성될 수 있다.

자외선 중합 개시를 이용하는 또 다른 실시양태에서는, 박막은 자외선 조사후 수초내에 기판 위에 형성될 수가 있다. 더욱이 이러한 박막을 한 주형으로부터 각 기판 위에 매우 균일하게 재생시킬 수 있다.

또 다른 실시양태에서, 기판 표면에 박막을 성형하는 시스템을 반복적으로 수행함으로써 하나의 기판 표면에 여러개의 박막층을 형성할 수 있다. 이러한 실시양태에서, 각 층은 투과층에 특별한 성질을 부여할 것이다.

본 발명은 미세규모의 주형 시스템, 및 평판 위에 재료를 성형 및 이식하는 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는 본 발명은 매우 균일하고 매우 얇은 중합체 재료층을 전자식으로 주소지정가능한 (electronically addressable) 마이크로칩 및 기타 작은 기판의 표면 위에 성형 및 이식하는 것에 관한 것이다.

도 1은 불화수소산(HF) 식각법에 의해 식각된 공동을 포함하는 상이한 세개의 유리 주형을 사용하여 상이한 마이크로칩 위에 형성한 박막들에 있어서, 그 두께의 변동계수(CV: coefficients of variability)를 보여주는 막대그래프이다.

도 2는 동일한 주형을 사용하여 상이한 여섯개의 마이크로칩 위에 형성한 박막들에 있어서, 각 마이크로칩 패드의 포획부위들 사이의 변동계수를 보여주는 막대그래프이다.

도 3은 석영/금속 복합재질 미세반응 주형의 투시도인데, 이 주형은 조절가능한 석영창을 갖고 있어서 창의 위치를 조절하여 다양한 깊이의 주형 공동을 형성할 수 있다. 이 주형 충진관의 양쪽에는 주입구 및 배출구가 있는 것을 볼 수 있다.

도 4는 복합재질 주형 시스템의 다양한 면모를 보여주는 측면도이다.

도 5A 내지 도 5F는 성형 순서를 보여주는 것으로, 단일 박막층이 기판에 도포되거나(도 5A), 여러개의 박막이 균일하게 적층되거나(도 5B), 여러개의 박막이 다양한 형태로 적층된다(도 5C 내지 5F).

도 6은 박막 두께가 5 또는 100㎛일 때 박막 두께 변동의 컨시스턴시(consistency)를 보여주는 그래프이다.

도 7은 석영/금속 복합재질 주형을 사용하여 칩 위에 박막을 형성한 경우 박막 두께 변동의 컨시스턴시를 보여주는 막대그래프이다.

본 발명의 특정 실시양태에서는, 하나 이상의 전자기복사선 파장에 투과성이어서 자외선, 가시광선 및 적외선과 같은 활성화에너지를 투과하는 창을 형성하는 주형 공동 바닥을 갖는 미세반응 주형 시스템이 제공된다. 주형 바닥에 있는 이러한 투명창요소는, 전자기복사선 파장에 민감한 화학적 잔기가 활성화되게 함으로써 주형 공동 내의 재료가 반응을 할 수 있게 한다. 바람직한 실시양태에서, 이러한 반응성 잔기는 특정 중합성 단량체의 중합을 개시하는 작용을 한다.

특히 바람직한 실시양태에서는, 화학적 잔기를 포함하는 중합성 단량체를, 자외선에 민감한 중합개시제와 예비혼합한 후 주형 공동에 넣을 수 있다. 주형 바닥을 향해 자외선을 조사하면, 단량체와 개시제는 중합 반응을 하도록 유도되어, 자외선광과 접촉된 지 수초 만에 용액은 중합체로 변한다.

또 다른 실시양태에서는, 적외선에 투과성인 주형 창요소를 열-민감성 개시제와 함께 사용할 수 있다. 이러한 실시양태에서는, 중합 유도에 필요한 시간 동안 주형을 15 내지 250℃로 유지하면서 주형 공동에 적외선 에너지를 조사한다.

또 다른 실시양태에서는, 중합성 재료를 자외선 또는 적외선 민감성과는 반대되는 화학적 민감성을 갖는 개시제와 함께 사용할 수 있다.

또 다른 실시양태에서는, 중합성 재료를 가시광선 파장에 민감한 개시제와 함께 사용할 수 있다.

따라서, 바람직한 실시양태에서, 중합개시제는 가시광선, 자외선 또는 열복사선(적외선)에 민감한 것을 포함하거나, 특정 화학적 잔기와 접촉하여 반응하는 것을 포함할 수 있다.

사용가능한 자외선 광개시제로서 대표적인 것들을 예로 들자면, 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논과 같은 벤질 케탈 광개시제, 2-메톡시-2-페닐아세토페논과 같은 벤조인 에테르, 2-하이드록시-2-메틸-1-페닐-프로판-1-온과 같은 하이드록시 알킬 페닐 케톤, 2,2-디에톡시 아세토페논과 같은 디알콕시 아세토페논, 1-하이드록시사이클로헥실 페닐 케톤과 같은 벤조일 사이클로헥산올 케톤, 2,4,6-트리메틸벤조일 디페닐포스핀 옥사이드와 같은 벤조일 포스핀 옥사이드, 1-메틸-1-(4-메틸티오페닐)-2-모르폴리노 프로판-1-온과 같은 알킬티오페닐 모르폴리노 케톤, 2-벤질-2-N,N-디메틸아미노-1-(4-모르폴리노페닐)-1-부타논과 같은 모르폴리노페닐 아미노 케톤이다. 수소 또는 전자 주개(donor)(공동개시제)의 존재하에서 작용하는 자외선 광개시제 화합물군의 또 다른 예에는 벤조페논과 같은 페논, 클로로티오크산톤과 같은 티오크산톤, 캄포르퀴논과 같은 퀴논, 1-페닐케토쿠마린과 같은 케토쿠마린 및 벤질류가 포함된다.

화학개시제 및 열개시제의 대표적인 것들을 예로 들자면, 2,2'-아조비스이소부티로니트릴과 같은 아조니트릴, 2,2'-아조비스이소부티르아미딘과 같은 아조 유도체, 3차-부틸 퍼옥사이드와 같은 알킬퍼옥사이드, 벤조일 퍼옥사이드와 같은 아실 퍼옥사이드, 3차-부틸 하이드로퍼옥사이드와 같은 하이드로퍼옥사이드, 아세톤 환상 디퍼옥사이드와 같은 케톤 퍼옥사이드, 암모늄 및 포타슘 퍼설페이트와 같은 퍼설페이트 개시제, 및 p-톨루엔설포닐 아지드와 같은 아지드 개시제이다. 이들중에서 APS와 같은 몇몇 물질은 TEMED와 같은 공동개시제의 존재하에서 기능을 발휘한다.

가장 바람직한 실시양태에서, 개시제는 아조비스이소부티로니트릴(AIBN), 암모늄 퍼설페이트/테트라메틸에틸렌디아민(APS/TEMED), 벤조일 퍼옥사이드, 50% 2,4,6-트리메틸벤조일 디페닐포스핀 옥사이드와 50% 2-하이드록시-2-메틸-1-페닐-프로판-1-온의 용액(D 4265)으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

본 발명에서는 일반적으로, 자외선, 가시광선, 적외선 또는 화학개시제를 사용하여 단량체를 중합체 박막으로 만들 수 있다. 단량체는 에폭사이드, 알케닐 잔기, 예를 들면(그러나 여기에만 국한되지는 않음) 산소와 이중결합되고 또 다른 산소, 질소, 황, 할로겐 또는 탄소와 단일결합된 탄소와 직접 이중결합된, 치환되거나 치환되지 않은 α,β 불포화 카보닐; 산소, 질소, 할로겐, 인 또는 황과 단일결합된 이중결합을 갖는 비닐; 산소, 질소, 할로겐, 인 또는 황과 결합된 탄소와 단일결합된 이중결합을 갖는 알릴; 산소, 질소, 할로겐, 인 또는 황과 단일결합된 탄소와 단일결합된 탄소와 단일결합된 이중결합을 갖는 호모알릴; 두 개의 탄소 사이에 삼중결합을 갖는 알키닐을 포함한다.

주형내에서 박막이 될 재료는 기판(예를 들면 전자식으로 주소지정가능한 마이크로칩) 표면에 접합되어야 하므로, 바람직한 실시양태에서는, 당업자들에게 공지된 시판 공유결합제(covalent coupling agent)로 기판을 예비도포시킨다. 예를 들면, 메타크릴옥시프로필 트리메톡시실란을 기판 표면에 도포하여 투과층 중합체 매트릭스의 화학적 잔기가 기판과 결합할 수 있게 한다.

바람직한 실시양태에서, 기판은 주형 "상판(top)"으로서의 기능을 한다. 중합성 단량체/개시제 성형 재료를 중합 개시 조사에 노출시키기 전에, 기판을 주형 공동 프레임 윗면에 고착시킨다. 이 프레임 윗면이 금속 또는 중합체이든, 비복합재(즉 예를 들면 석영, 실리케이트 또는 폴리카르보네이트)이든, 기판 표면이 중합성 단량체 용액과 접촉하도록 기판을 낮추면 기판이 주형 공동 프레임과 접촉하며 과량의 용액은 주형 공동으로부터 삐져나올 것이다. 화학개시제를 사용하는 실시양태에서는, 단량체/개시제 용액을 주형 공동에 넣기 전에 화학개시제를 단량체 혼합물에 첨가한다.

충진관을 포함하는 실시양태에서는, 중합성 용액을 넣기 전에 기판을 주형 공동 위에 놓는다. 이어서 용액을 주입구를 통해 주형 공동으로 밀어넣고, 과량의 유체는 반대쪽 배출구를 통해 배출시킨다.

바람직한 실시양태에서는, 음파파쇄(sonication)와 같이 기계적인 방법을 사용하거나 100㎚ 내지 100㎛의 깊이로 식각함으로써, 투명창 윗면에 주형 공동을 만들 수 있다. 금속프레임/투명창으로 된 복합재질 주형을 사용하는 실시양태에서는, 투명창 윗면이 금속프레임 위쪽 가장자리에서부터 아래로 깊이 100㎚ 내지 100㎛에 위치되도록, 투명창의 위치를 금속프레임에 대해서 조절함으로써 웰의 깊이를 조절할 수 있다.

프레임 재료로 금속을 사용하는 경우, 이러한 금속의 예에는 304 스테인레스강, 316 스테인레스강 또는 티탄이 포함될 수 있다. 중합체 재질의 프레임을 사용하는 실시양태의 경우, 적합한 중합체의 예에는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리플루오로알콕산(PFA) 및 폴리에테르에테르케톤(PEEK)이 포함된다.

주형이 복합재질이든 비복합재질이든 간에, 창 재료로는 예를 들면 용융실리카 및 그의 유도체와 같은 무기 유리, 석영, 사파이어, 게르마늄 및 실리콘과 같은 결정, 및 폴리아크릴레이트 또는 폴리카르보네이트와 같은 유기 중합체가 사용된다. 이 경우, 가시광선, 자외선 및 적외선 파장중 적어도 어느 하나를 투과시킬 수 있는 것으로 재료를 선택하도록 한다.

또 다른 실시양태에서는, 박막과 기판의 결합을 손상하지 않고 이 새로이 형성된 박막 자체를 손상하지 않으면서도 중합체 박막이 부착된 기판을 주형과 쉽게 분리한다. 기판을 주형과 쉽게 분리하려면 주형 표면(즉 주형 공동 바닥을 이루는 창 표면)을 비점착성 화학물질(즉 이형제)로 예비도포시킬 수 있다. 이러한 화학물질에는 헵타데카플루오로테트라하이드로데실트리클로로실란과 같은 퍼플루오로실란, 클로로트리메틸실란과 같은 클로로실란 및 메톡시트리메틸실란과 같은 알콕시실란이 포함되지만 여기에만 국한되는 것은 아니다. 사용가능한 다른 비점착성 물질의 예에는 플루오로중합체로 이루어진 군에서 선택되는 것들과, 플라즈마 중합성 단량체와 같은 반응 기체에 의해 증착되는 물질이 포함된다. 이러한 물질이 도포된 표면은 성형된 박막을 주형 공동에서 쉽게 떼어낼 수 있게 해 줄 뿐만 아니라, 용액으로의 자외선광 에너지 투과를 쉽게 함으로써 용액이 보다 쉽게 박막으로 중합될 수 있게 해 준다.

주형 공동의 크기는 기판의 매우 작은 표면적 상에 박막을 성형하기에 유용한 임의의 크기일 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 웰의 면적은 10㎛²정도로 작거나 100㎠ 이상 정도로 클 수 있다. 음파파쇄와 같이 기계적인 방법을 사용하거나 잘 공지된 불화수소산 식각 기법을 사용하거나, 완충된 옥사이드 식각 기법을 사용하여, 투명창 표면에 주형 공동을 쉽게 만들 수 있다.

추가로 본 발명의 주형 시스템을, 여러개의 박막층을 기판 표면 위에 쉽게 도포시키는 데에도 사용할 수 있다. 예를 들면 다양한 성질을 갖는 기저층(base layer)을 기판에 도포시킬 수 있다. 기저층에 유용한 성질에는 (1) 전자식으로 주소지정가능한 마이크로칩 기판의 전극에 바이어스 전압이 걸림으로써(biasing) 초래된 극한 pH로 인한 산성 및 염기성 환경에 대한 내성 및 (2) 전극 자체의 전기화학에 의해 분자가 이동하는 것을 막기 위한 절연성이 포함된다. 그 다음 제 2의 박막은, 포획 분자와 공유결합 또는 비공유결합할 수 있는 잔기를 포함할 수 있다. 다른 박막층들은 이온 또는 산소를 이동시키기 위한 물질, 자유 라디칼 소거제 또는 습윤성을 향상시키기 위한 물질을 포함할 수 있다.

예를 들면 성형 과정은 다음 단계를 포함할 수 있다.

단계(1): 우선 기판 표면을 공유결합제로 처리하여 표면 결합이 용이한 상태로 만들어 놓고, 주형 표면은 비점착성 이형제로 전처리해 둔다.

단계(2): 중합성 단량체/개시제 용액을 주형 표면에 도포한다(주형 표면이위로 향하게 두거나 아래로 향하게 놓는다. 주형 표면이 위로 향하는 경우, 용액은 웰 안에 고일 것이다. 주형 표면이 아래로 향하는 경우, 용액은 기판 표면 위에 고일 것이다.)

단계(3): 주형 공동을 둘러싸는 프레임과 기판이 접촉되도록, 기판 또는 주형 "상판"(예를 들면 마이크로칩)을 주형과 접촉시킨다.

단계(4): 단량체/개시제 용액을 개시제 활성화원과 접촉함으로써 이 용액을 중합 또는 "경화"시킨다. 바람직한 실시양태에서는, 이 활성화원은 일반적으로 2 내지 2000초, 통상적으로는 2 내지 300초, 바람직하게는 2 내지 30초 동안 창을 통해 흐르거나 균일하게 퍼지는 자외선이다.

자외선을 사용하는 경우, 광에너지는 0.1 내지 1000mW/㎠의 범위에 있다. 바람직하게는 자외선세기는 320 내지 390㎚ 파장을 사용하는 100mW/㎠이다. 열-민감성 개시제를 사용하는 경우, 주형을 5 내지 2000초 동안 15 내지 250℃로 가열할 수 있다. 열은 적외선 발광원 또는 비-광원으로부터 나올 수 있다. 화학개시제를 사용할 경우, 기판 위에서의 박막의 중합이 완결되도록 1분 내지 30분 동안 반응 용액을 주형 안에 그대로 둔다.

단계(5): 단계(4)에서 중합이 이루어진 후, 박막이 부착된 기판을 주형 공동과 분리한다.

단계(6): 박막이 부착된 기판을 세척하여 불필요한 반응물들을 제거한 후 건조시킨다.

단계(7): 이 주형을 즉시, 단계 (1) 내지 (6)을 반복하는 또 다른 성형 반응에 이용할 수 있다. 바람직한 실시양태에서는, 이러한 주형 시스템을 사용하여 여러층의 박막을 기판 위에 도포할 수 있다 .

주입구를 이용하여 단량체 용액을 주형 공동에 흘려보내는 경우, 주형에 중합성 용액을 채우기 전에 상판 또는 기판을 주형과 접촉시킬 수 있다.

결과

실시예 1-유리 슬라이드 방법

유리 슬라이드 주형 시스템에서는, 상이한 마이크로칩 기판 위에 형성된 박막들의 두께가, 마이크로칩 간의 변동계수(CV)가 11.1% 미만일 정도로 매우 균일한 박막을 얻었다. 더욱이, 마이크로칩의 각 전극 또는 포획부위(즉 패드)를 덮는 박막의 두께의 패드 대 패드(pad to pad) 변동계수는 6.3% 미만이었다. 이 결과를 도 1 및 2에 도시하였다. 도 1에서는 상이한 세개의 식각 유리 주형을 사용하여 아크릴아미드 용액(19:1 아크릴아미드:비스아크릴아미드)을 마이크로칩 표면에 도포하였다. 1번 주형을 사용하여 6개의 시험을 수행하였으며, 2번 주형을 사용하여 5개의 시험을 수행하였고, 3번 주형을 사용하여 7개의 시험을 수행하였다. 도면에서 보는 바와 같이, 변동계수는 각각 17.5%, 7.8% 및 1.9%였다. 각 주형을 HF 식각 기법으로 만들었다. (예를 들면, 최대 2분 동안 48% HF를 사용하여 보로실리케이트 유리창을 식각한 후, 이것을 물로 세척하여 깊이 약 10㎛의 웰을 얻었다.)

도 2에서는, 3번 주형을 사용하여 패드 대 패드 막두께 변동성을 시험하였다. 각 마이크로칩에 있어서, 동일한 칩 위의 7개의 상이한 패드를 시험하였다. 도면에서 보는 바와 같이, 1번 마이크로칩 패드는 CV가 1.5%였다. 마찬가지로 2내지 6번 마이크로칩 패드는 CV가 각각 3.1%, 2.2%, 6.3%, 2.6% 및 3.8%였다. 동일한 주형(3번 주형)을 사용하여 상이한 6개의 칩에 있어서의 변동계수는 11.1%였다.

실시예 2-석영/금속 복합재질 주형을 이용한 성형 방법

이 실시예에서는 도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 조절가능한 석영창을 갖는 석영/금속 복합재질 주형을 제조하였다. 도 3에서는 기본판(1)이 웰프레임(3)과 합체를 이룰 수 있다. 웰프레임(3) 안에는 투명창(2)이 웰프레임의 위쪽 가장자리에서부터 함몰되어서 주형 공동을 형성한다. 주형 충진웰(4)들이 서로 반대쪽 옆에 위치해 있다. 도 4는 도 3의 주형 시스템의 횡단면이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 투명창은 5㎛ 깊이로 함몰되어 있다. 또한 유체를 주형 동공으로 주입하고 배출하기 위한 충진관(5)도 도시되어 있다.

주형 공동 두께(및 결과적으로는 박막 두께)를, 투명창 위치를 조절함으로써 수% 이내에서 재현성있게(reproducibly) 조절할 수 있다. 예를 들면 도 6은 창을 상이한 세가지 위치로 설정했을 때의 박막의 두께 CV(변동계수)의 컨시스턴시를 측정한 결과를 보여준다. 시험된 두께는 5㎛, 11㎛ 및 100㎛였다. CV는 각각 0.9, 2.0 및 16.2%였다. 도 7에서 보는 바와 같이, 37개의 마이크로칩을 시험했을 때, 칩 대 칩 CV는 7.9%였고, 패드 대 패드 CV는 5.8% 미만이었다.

실시예 3-다층 성형 방법

본 실시예에서는 본 발명의 시스템을 사용하여, 여러개의 층을 한 기판 표면에 도포하였다. 도 5A 내지 5F에서 보는 바와 같이, 여러개의 층을 몇개의 형태로도포할 수 있다. 예를 들면, 중합성 용액을 수용할 수 있는 상태의 주형을 제조할 수 있다. 이러한 제조 과정에는 비점착성 이형제를 주형 공동(1)에 도포하는 것이 포함된다. 용액을 웰(2)에 떨어뜨린 후, 기판 표면을 주형(3)과 접촉시킬 수 있다. 용액을 복사에너지와 접촉시키면 용액이 중합되며, 이 제 1 층(기저층)이 부착된 기판을 주형과 분리해 낸다. 도 5B는 기저층이 부착된 기판을 동일하거나 상이한 주형과 접촉시켜 제 2 층을 도포시키는 과정을 보여준다.

또 다른 실시양태에서, 다층 성형 과정은 한 층이 그 아래층을 완전히 감싸거나 부분적으로만 감싸는 엇물림(staggered) 방식으로 층을 도포함을 포함한다. 도 5C에서 보는 바와 같이, 제 2 층은 제 1 층보다 작다. 이러한 예에서는, 제 2 층은 단순히 제 1 층 주형보다 면적이 더 작은 주형을 사용함으로써 제조할 수 있다. 도 5D에서는, 제 2 층보다 면적이 더 작은 제 3 층을 도포한다. 도 5E에서는 면적이 더 큰 반응 주형을 사용하여 후속 층을 도포한다. 도 5F에서는 후속층을 다양한 형태로 도포하는, 본 발명의 박막 도포법의 다양한 응용성을 보여준다. 여기서는, 제 1 층보다 큰 주형을 사용하여 제 2 층을 도포하기 때문에 제 1 층이 제 2 층으로 완전히 덮이며, 제 3 층은 제 2 층보다 더 작은 주형을 사용하여 도포한다. 이러한 방법으로 박막층들을 도포하면 기저층이 외층보다 더 조밀해지기 때문에, 전극 금속 표면 위에서의 가혹한 이온화 환경 및 극한 pH를 극복할 수 있다. 중간층은 기저층보다는 덜 조밀하며 전극으로 이동한 분자와 결합하기 위한 잔기를 갖는다. 중간층은 또한 포획된 분자를 쉽게 세척 제거할 수 있게 하는 성질을 가질 수 있다. 제 3 층은 시험 용액으로부터 흘러나온 특정 분자와 결합하는데 있어서 제 2 층과는 상이한 화학을 가지기 때문에, 포획 패드 하나를 가지고 관심이 있는 몇 개의 상이한 분자를 검출할 수 있다.

당업자라면 전술된 교시, 명세서 및 관련 도면을 참조로 하여 본 발명의 변형양태 및 또 다른 실시양태를 알아차릴 수 있을 것이다. 따라서 본 발명은 본원에서 개시된 특정 실지양태로만 한정되는 것이 아니라 첨부된 청구의 범위로 한정되는 변형양태 및 또 다른 실시양태를 포함한다. 모든 참고문헌은 본원에서 참고로 인용된다.

Claims (38)

1. (a) 하나 이상의 전자기복사선 파장에 투과성인 재료, 및 깊이가 100㎚ 내지 100㎛인 하나 이상의 주형 공동의 바닥을 이루는 상면을 포함하는 창(window)요소,

   (b) 하나 이상의 주형 공동의 가장자리, 및

   (c) 기판을 포함하는 상판

   을 포함하며, 주형 공동 안에 넣어진 응고성 화학 조성물이 상판과 접촉하게 되면 공동 내에서 응고됨과 동시에 기판과 결합하는 것인, 미세반응 주형 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 주형 공동의 가장자리를 형성하는 주형 프레임을 추가로 포함하며, 창요소는 주형 프레임 안에 삽입되는 미세반응 주형 시스템.
3. 제 2 항에 있어서, 창요소를 프레임 안에 미끄러지듯 밀어넣음으로써 주형 공동의 깊이를 조절할 수 있는 미세반응 주형 시스템.
4. 제 3 항에 있어서, 프레임과 투명창 윗면에 의해 한정되는 공동의 깊이가 0.1㎛ 내지 100㎛가 되도록, 투명창 윗면을 프레임에 대해 조절할 수 있는 미세반응 주형 시스템.
5. 제 2 항에 있어서, 프레임이 금속 및 중합체로 이루어진 군에서 선택되는 재료로 제조되는 미세반응 주형 시스템.
6. 제 5 항에 있어서, 금속이 304 스테인레스강, 316 스테인레스강 및 티탄으로 이루어진 군에서 선택되는 미세반응 주형 시스템.
7. 제 5 항에 있어서, 중합체가 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리플루오로알콕산(PFA) 및 폴리에테르에테르케톤(PEEK)으로 이루어진 군에서 선택되는 미세반응 주형 시스템.
8. 제 2 항에 있어서, 공동의 길이가 약 1㎜ 내지 3.5㎝이고 폭이 약 1㎜ 내지 3.5㎝인 미세반응 주형 시스템.
9. 제 1 항에 있어서, 주형 공동이 창요소 안에 형성됨으로써 창요소가 주형 공동의 가장자리를 이루는 미세반응 주형 시스템.
10. 제 9 항에 있어서, 상판을 창요소에 고착시키기 위한 수단을 추가로 포함하는 미세반응 주형 시스템.
11. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 공동의 면적이 10㎛²내지 100㎠인 미세반응 주형 시스템.
12. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 전자기복사선 파장이 자외선 파장, 가시광선 파장 및 적외선 파장으로 이루어진 군에서 선택되는 미세반응 주형 시스템.
13. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 기판이 마이크로칩인 미세반응 주형 시스템.
14. 제 13 항에 있어서, 마이크로칩이 전자식으로 주소지정가능한 마이크로칩인 미세반응 주형 시스템.
15. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 창요소가 무기 유리, 용융실리카, 실리콘 디옥사이드, 투명 결정, 석영, 사파이어, 게르마늄, 실리콘, 유기 중합체, 폴리아크릴레이트 및 폴리카르보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 재료를 포함하는 미세반응 주형 시스템.
16. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 주형 공동의 표면에 주형 형태 이형제가 도포된 미세반응 주형 시스템.
17. 제 16 항에 있어서, 이형제가 퍼플루오로실란, 클로로실란, 알콕시실란 및 플루오로중합체로 이루어진 군에서 선택되는 미세반응 주형 시스템.
18. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 주형 공동이 평면 바닥을 갖는 미세반응 주형 시스템.
19. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 주형 공동이 패턴화된 바닥을 갖는 미세반응 주형 시스템.
20. (a) 창요소를 투과할 수 있는 활성화에너지에 민감한 중합개시제 화합물 및 중합성 단량체를 포함하는 응고성 화학 조성물을, 제 1 항, 제 2 항 또는 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 미세반응 주형 시스템의 창요소 위에 떨어뜨리는 단계,

    (b) 기판 표면을 주형 공동의 가장자리와 밀착시켜 미세반응 주형 시스템의 상판을 형성하는 단계,

    (c) 이 미세반응 주형을 활성화에너지원에 노출시킴으로써, 주형 공동이 창요소를 투과한, 단량체의 중합을 개시하기에 충분한 세기의 활성화에너지에 2 내지 2000초 동안 노출되도록 하는 단계, 및

    (d) 주형과 기판을 분리하여 기판의 표면에 성형된 막을 얻는 단계

    를 포함하는, 기판의 표면 위에 박막을 성형하는 방법.
21. 제 20 항에 있어서, 중합성 단량체가 아크릴아미드, 비스아크릴아미드, 메타크릴아미드, N-알킬 아크릴아미드, 관능화된 에틸렌 글리콜 유도체, N-비닐 피롤리디논, 비스-시스타민, 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 아크릴로니트릴 및 그의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 방법.
22. 제 20 항에 있어서, 기판 표면이 마이크로칩을 포함하는 방법.
23. 제 22 항에 있어서, 마이크로칩이 전자식으로 주소지정가능한 마이크로칩인 방법.
24. 제 20 항에 있어서, 중합개시제 잔기가 아조비스이소부티로니트릴(AIBN), 암모늄 퍼설페이트/테트라메틸에틸렌디아민(APS/TEMED), 벤조일 퍼옥사이드, 및 50% 2,4,6-트리메틸벤조일 디페닐포스핀 옥사이드와 50% 2-하이드록시-2-메틸-1-페닐-프로판-1-온의 용액(D 4265)으로 이루어진 군에서 선택되는 방법.
25. 제 20 항에 있어서, 활성화에너지가 가시광선 스펙트럼의 전자기복사선인 방법.
26. 제 20 항에 있어서, 활성화에너지가 자외선 스펙트럼의 전자기복사선인 방법.
27. 제 26 항에 있어서, 주형 공동을 0.1mW/㎠ 내지 1000mW/㎠ 범위의 에너지 수준에 노출시키는 방법.
28. 제 26 항에 있어서, 자외선의 파장이 320 내지 390㎚인 방법.
29. 제 20 항에 있어서, 활성화에너지가 적외선 스펙트럼의 전자기복사선인 방법.
30. 제 29 항에 있어서, 적외선 전자기복사선을 사용해서 주형 공동내의 응고성 화학 조성물을 15 내지 250℃의 온도로 가열하는 방법.
31. 제 30 항에 있어서, 미세반응 주형을 5 내지 2000초 동안 적외선 전자기복사선에 노출시키는 방법.
32. 제 20 항에 있어서, 미세반응 주형 공동내의 구멍을 통해 주형에 응고성 화학 조성물을 채우는 방법.
33. 제 20 항에 있어서, 미세반응 주형을 2 내지 300초 동안 활성화에너지에 노출시키는 방법.
34. 제 20 항에 있어서, 미세반응 주형을 2 내지 30초 동안 활성화에너지에 노출시키는 방법.
35. 제 20 항에 있어서,

    (e) 주형을 세척하는 단계, 및

    (f) 단계(a) 내지 (d)를 한 번 이상 반복하여 단계(d)에서 형성된 박막층 위에 하나 이상의 추가의 박막층을 형성함으로써, 기판 표면 위에 여러개의 박막층을 형성하는 단계

    를 추가로 포함하는 방법.
36. 제 35 항에 있어서, 각 박막층이 서로 상이한 중합체 및(또는) 첨가제의 조성물을 포함하는 방법.
37. 제 20 항에 있어서,

    (e) 동일하거나 상이한 크기의 미세반응 주형을 사용하여 단계(a) 내지 (d)를 한 번 이상 반복하여 단계(d)에서 형성된 박막층 위에 하나 이상의 추가 박막층을 형성함으로써, 기판 표면 위에 여러개의 박막층을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
38. 제 37 항에 있어서, 각 박막층이 서로 상이한 중합체 및/또는 첨가제의 조성물을 포함하는 방법.