KR20080023303A - 마이크로유체 그물구조 내 전도성 경로, 마이크로회로 및마이크로구조물의 제작 - Google Patents

마이크로유체 그물구조 내 전도성 경로, 마이크로회로 및마이크로구조물의 제작 Download PDF

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세르게이 셰브코플리아스
안드레스 마르티네즈
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Abstract

각종의 마이크로유체 소자 및 이 소자를 금형을 사용하여 제조될 수 있는 고형, 전형적으로 전기 전도성 소자들이 본원에 개시된다. 특정 실시태양에서, 형성되는 소자는 하나 이상의 마이크로유체 채널에 존재하는 액체 금속을 고화시킴으로써 형성된 전도성 경로를 포함한다(이후에 이러한 소자를 "마이크로고체" 소자로 언급한다). 특정 상기 소자에서, 마이크로유체 구조물 내 구역들 사이에 전기 접속이 형성 및/또는 재형성될 수 있으며; 일부 경우, 형성된 소자/회로는 가요성일 수 있고/있거나 가요성 전기 부품을 포함할 수 있다. 특정 실시태양에서, 마이크로유체 채널(들) 내에 형성된 고형 금속 선/전도성 경로는 마이크로유체 구조물 내에 포함된 채로 유지될 수 있다. 특정 상기 실시태양에서, 형성된 전도성 경로는, 전도성 경로가 순응적으로 상호작용하고/하거나 흐르는 유체 및/또는 그 안에 포함되거나 또는 그에 의해 운반되는 성분에 영향을 미치는 에너지(예를 들면, 전자기 및/또는 열 에너지)를 생성시킬 수 있도록, 유동하는 유체를 운반하는 구조물의 다른 마이크로유체 채널(들)에 근접하게 위치할 수 있다. 다른 실시태양에서, 마이크로고체 구조물은 마이크로유체 금형으로부터 제거되어 독립형 구조물을 형성할 수 있다. 특정 실시태양에서, 형성된 고형 금속 구조물은 구조물에 입사되는 광에너지와 상호작용할 수 있거나, 또는 경량 전극을 제작하는데 사용될 수 있다. 본 발명의 다른 면은 전기 전도성 경로/접속을 포함할 수 있는 자기-조립된 구조물의 형성에 관한 것이다.
마이크로유체 소자, 전기 전도성 소자, 마이크로회로, 마이크로구조물, 자기-조립된 구조물

Description

마이크로유체 그물구조 내 전도성 경로, 마이크로회로 및 마이크로구조물의 제작{FABRICATION OF CONDUCTIVE PATHWAYS, MICROCIRCUITS AND MICROSTRUCTURES IN MICROFLUIDIC NETWORKS}
<미연방에서 후원한 연구>
본 발명의 다양한 측면들은 미국립보건원(National Institutes of Health) (NIH) (Grant no. GM065364 및 GM067445), DARPA, 미국 해군연구국(Office of Naval Research) 및 미국립과학재단(National Science Foundation)(Grant no. DMR-Q213805)이 후원하였다. 정부가 본 발명에 특정 권리를 가질 수 있다.
본 발명의 한 측면은 일반적으로 구조물, 특히 마이크로유체 구조물(microfluidic structure) 내에 전도성 경로(conductive pathway) 및 전기 접속/회로가 형성될 수 있고/있거나 재형성될 수 있는 소자(device)에 관한 것이다. 일부 경우, 소자는 가요성 전기 회로 및/또는 부품을 포함한다.
마이크로유체 채널, 즉 적어도 한 치수가 마이크로미터 범위(1 밀리미터 미만)인 채널을 포함하는 채널을 통해 유체가 흐르도록 하는 시스템에 대한 용도가 많이 있다. 예를 들면, 매우 작은 유체 채널 및 작은 반응/분석 챔버를 포함하는 화학적 "칩(chip)" 상에서 매우 소량의 샘플 및 시약을 분석하기 위한 시스템의 예 가 많이 있다. 유전자 분석, 임상적 진단, 약물 스크리닝, 및 환경 모니터링을 위한 소규모 시스템이 현재 개발되고 있다. 이들 시스템은 매우 작은 규모로 액체 또는 기체 샘플을 취급해야 하고, 칩-기재 지지체와 상용성이어야 한다. 그러므로, 매우 소규모 시스템 내 유체 흐름 거동인 미세유체역학이 이들 시스템의 개발에 중추적이다. 이들 시스템들 중 다수는 또한 전기 회로의 사용을 필요로 한다. 종래의 소자에서는, 마이크로유체 부품 및 전기 전도성 경로와 부품들이 별도의 구조물이고, 이것은 함께 단일 소자로 결합 및 집적되기 어려울 수 있다.
3차원 금속 마이크로구조물을 제조하기 위한 몇몇 확립된 기술들이 있다. 전기도금 및 무전해 증착이 2- 또는 3개의 치수에서 수 나노미터 내지 수 마이크로미터 두께인 금속 층들을 갖는 마이크로구조물을 구성하기 위한 표준 방법이다(문헌[Schlesinger, M. and M. Paunovic, eds., Modern Electroplating, New York: John Wiley, 2000]). 이 접근법은 손으로-조립된 평면적인 부품들을 전기화학적으로 접합하는데 사용되어 왔다(문헌[Jackman, R. J. B., S.T.; Whitesides, G.M., Fabrication of Three-Dimensional Microstructures by Electrochemically Welding Structures Formed by Microcontact Printing on Planar and Curved Substrates. Journal of Microelectromechanical Systems 1998, 7, (2), 261-266]). 이 방법은 광학 마스크의 신속한 프로토타이핑(prototyping)에 사용되어 왔다(문헌[Wang, W. H., HoIl, M. R., Schwartz, D.T. Rapid prototyping of masks for through-mask electrodeposition of thick metallic components. J. Electrochem . Soc . 2001, 148(5):C363-C368). 모세관의 표면 상에 금속을 패턴화하는데 마이크로접촉 인쇄 가 또한 전기도금과 병용되거나(문헌[Jackman, R. J.; Brittain, S. T.; Adams, A.; Prentiss, M. G.; Whitesides, G. M., Design and fabrication of topologically complex, three-dimensional microstructures. Science 1998, 280, (5372), 2089-2091] 및 문헌[Jackman, R. J.; Brittain, S. T.; Adams, A.; Wu, H. K.; Prentiss, M. G.; Whitesides, S.; Whitesides, G. M., Three-dimensional metallic microstructures fabricated by soft lithography and microelectrodeposition. Langmuir 1999, 15, (3), 826-836.]), 또는 무전해 증착과 병용되었다(문헌[Wu, H. K.; Whitesides, S.; Whitesides, G. M., Fabrication of micro-chain mail by simultaneous, patterned electrodeposition on a plane and multiple cylinders. Angewandte Chemie - International Edition 2001, 40, (11), 2059-2060] 및 문헌[Wu, H.; Brittain, S.; Anderson, J.; Grzybowski, B.; Whitesides, S.; Whitesides, G. M., Fabrication of topologically complex three-dimensional microstructures: Metallic microknots. Journal of the American Chemical Society 2000, 122, (51), 12691-12699]). 이 기술은 금속의 자유롭게 직립한 상태의 입체적인 케이지(freestanding, three-dimensional cage)를 제작하는데 사용되었다. 패턴화된 금속 층들은 또한 평면적인 주형으로부터 이형되어 폴드형(foldable) 금속 구조물 및 자유롭게 직립한 상태의 물체를 생성시킨다(문헌[Brittain, S. T.; Schueller, O. J. A.; Wu, H. K.; Whitesides, S.; Whitesides, G. M., Microorigami: Fabrication of small, three-dimensional, metallic structures. Journal of Physical Chemistry B 2001, 105, (2), 347- 350]). 금속은 또한 마이크로유체 채널 내에서 전해질로 처리함으로써 평면 비-전도성 표면 상에 증착되었다(문헌[Yan, J. D., Y.; Liu, J.; Cao, W.; Sun, X.; Zhou, W.; Yang, X.; Wang, E., Fabrication of Integrated Microelecrodes for Electrochemical Detection on Electrophoresis Microchip by Electroless Deposition and Micromolding in Capillary Technique. Analytical Chemistry 2003, 75, 5406-5412]). 곡선 표면 상에 금속 패턴을 형성하는데 관련 기술이 사용되었다(문헌[LaVan, D. A. G., P.M.; Langer, R., Simple, Tliree-Dimensional Microfabrication of Electrodeposited Structures. Angewandte Chemie - International Edition 2003, 42, (11), 1262-1265]). 이들 방법들은 모두 오로지 평활한 표면을 패턴화하는데에 사용된 것으로 보인다.
입체적인 물체의 확실한 복제품을 생성시키기 위하여, 몇몇 연구자들은 '마이크로주조(microcasting)'로 불리는 기술을 사용하였다(문헌[Plotter, V.; Benzler, T.; Gietzelt, T.; Ruprecht, R.; Hausselt, J., Micro powder injection molding. Advanced Engineering Materials 2000, 2, (10), 639-642] 및 문헌[Chung, S.; Park, S.; Lee, I.; Jeong, H.; Cho, D., Replication techniques for a metal microcomponent having real 3D shape by microcasting process. Microsystem Technologies - Micro - and Nanosystems - Information Storage and Processing Systems 2005, 11, (6), 424-428]). LIGA(Lithographie, Galvanoformung und Abformung)에 기초한 기술은 이어서 제거되어 개방 구조물(예를 들면, 개방 셀들의 벌집형 배열)을 생성시키는 입체적으로 성형된 중합체 주형 상에 금속을 증착시킴으로써 금속 물체를 생산할 수 있다(문헌[Arias, F.; Oliver, S. R. J.; Xu, B.; Holmlin, R. E.; Whitesides, G. M., Fabrication of metallic heat exchangers using sacrificial polymer mandrills. Journal of Microelectromechanical Systems 2001, 10, (1), 107-112 및 문헌[Harris, C; Kelly, K.; Wang, T.; McCandless, A.; Motakef, S., Fabrication, modeling, and testing of micro-cross-flow heat exchangers. Journal of Microelectromechanical Systems 2002, 11, (6), 726-735]). 그러나, 값비싼 장비(금속 금형 포함) 및 금속, 예를 들면 금, 고압(저압 분말 사출 성형의 경우 3-5 MPa; 다른 기술의 경우 그 이상)을 필요로 하는 LIGA 및 다른 종래의 사출 성형 기술은 냉각시에 성형된 금속의 바람직하지 못한 수축(대표적으로는 15-22％)을 초래할 수 있다.
가요성 디스플레이에 대한 관심의 증대가 중합체-금속 복합체 및 다른 재료의 개발을 부추겼다. 이들 대부분의 종래의 접근법 및 복합체들은 적층된 재료를 제조하는데 층방식(layer-by-layer) 접근법을 필요로 하고, 나노입자에 기초한 방법은 최대 200 ℃ 온도에서의 어닐링을 필요로 한다.
또한, 자기 부품들이 랩온어칩(lab-on-a-chip) 시스템에 사용되어 왔다. 자석은 마이크로유체 펌프, 혼합기 및 밸브의 기초를 형성하였고, 상자성체 입자를 트랩핑 및 이동시키기 위하여(문헌[Deng, T.; Whitesides, G, M.; Radhakrishnan, M.; Zabow, G.; Prentiss, M. Manipulation of magnetic microbeads in suspension using micromagnetic systems fabricated with soft lithography. App . Phys . Lett . 2001, 78, 1775-1777] 및 문헌[Lee, C. S.; Lee, H.; Westervelt, R. M. Microelectromagnets for the control of magnetic nanoparticles. App . Phys , Lett. 2001, 79, 3308-3310]), 및 구조물 내로의 입자의 자기-조립을 안내하기 위하여(문헌[Hayes, M. A.; Poison, N. A.; Garcia, A. A. Active Control of Dynamic Supraparticle Structures in Microchannels. Langmuir 2001, 17, 2866- 2871]) 마이크로유체 시스템 내에 집적되었다. 예를 들면, 면역분석, DNA와 RNA 혼성화의 가속, 단백질의 소화 및 생체분자(biomolecule)의 분류를 포함하여, 자기장이 유용할 수 있는 몇 가지 생물학-관련 분야가 있다. 세포 생물학에서, 자석은 전혈로부터 세포를 단리하는데, 세포로부터 게놈 DNA를 추출하는데, 및 주자성 세균을 이동시키는데 사용되어 왔다. 마이크로유체 시스템 내 자기의 사용이 최근에 고찰되었다(문헌[Pamme, N. Magnetism and microfluidics. Lab Chip 2006, 6, 24-38]).
전자석이 영구 자석에 비하여 특정 이점들을 가질 수 있는데, 그 이유는 전자석은 전기 신호를 사용하여 신속하게 스위치 온/오프될 수 있고, 그의 장의 세기가 조절될 수 있기 때문이다. 전자석은 초상자성 비이드의 조작을 위해 마이크로유체 시스템에 포함되었다. 예를 들면, 전자석은 니켈-철 코어 주위에 구리선을 전기도금함으로써 마이크로유체 챔버를 둘러싸게 제작되고, 채널 내에 초상자성 비이드를 붙드는데 사용되었다(문헌[Ahn, C. H.; Allen, M. G.; Trimmer, W.; Jun, Y.; Erramilli, S. A fully integrated micromachined magnetic particle separator. J. Microelectromech . Syst . 1996, 5, 151-158]). 다른 연구자들은 다 른 방법들을 이용하여 전자석과 미세유체역학을 결합시켰다(문헌[Deng, T.; Whitesides, G, M.; Radhakrishnan, M.; Zabow, G.; Prentiss, M. Manipulation of magnetic microbeads in suspension using micromagnetic systems fabricated with soft lithography. App. Phys. Lett. 2001, 78, 1775-1777; Lee, C. S.]; 문헌[Lee, H.; Westervelt, R. M. Microelectromagnets for the control of magnetic nanoparticles. App . Phys . Lett . 2001, 79, 3308-3310]; 문헌[Wirix-Speetjens, R.; Fyen, W.; Xu, K.; De Boeck, J.; Borghs, G. A force study of on-chip magnetic particle transport based on trapped conductors. IEEE Trans . Mag . 2005, 41, 4128-4133]; 문헌[Smistrup, K.; Hansen, O.; Bruus, H.; Hansen, M. F. Magnetic separation in microfluidic systems using microfabricated electromagnets-experiments and simulations. J Mag . Mag . Mat . 2005, 293, 597-604]; 문헌[Choi, J.; Ahn, C. H.; Bhansali, S.; Henderson, H. T. A new magnetic bead-based, filterless bio-separator with planar electromagnet surfaces for integrated bio-detection systems. Sens. ＆ Act. B 2000, B68, 34-39] 및 문헌[Lee, H.; Purdon, A. M.; Westervelt, R. M. Manipulation of biological cells using a microelectromagnet matrix. App . Phys . Lett. 2004, 85, 1063-1065]).
이들 예들은 일정 범위의 유용한 소자 및 기술을 설명하지만, 전도성 경로, 회로, 전자석 등을 포함하는 다른 유형의 마이크로유체 소자에 대한 요구도 존재한다.
<발명의 요약>
각종의 마이크로유체 소자 및 이 소자를 금형을 사용하여 제조될 수 있는 고형, 전형적으로 전기 전도성 소자들이 본원에 개시된다. 특정 실시태양에서, 형성되는 소자는 하나 이상의 마이크로유체 채널에 존재하는 액체 금속을 고화시킴으로써 형성된 전도성 경로를 포함한다(이후에 이러한 소자를 "마이크로고체" 소자로 언급한다). 특정 상기 소자에서, 마이크로유체 구조물 내 구역들 사이에 전기 접속이 형성 및/또는 재형성될 수 있으며; 일부 경우, 형성된 소자/회로는 가요성일 수 있고/있거나 가요성 전기 부품을 포함할 수 있다. 특정 실시태양에서, 마이크로유체 채널(들) 내에 형성된 고형 금속 선/전도성 경로는 마이크로유체 구조물 내에 포함된 채로 유지될 수 있다. 특정 상기 실시태양에서, 형성된 전도성 경로는, 전도성 경로가 순응적으로 상호작용하고/하거나 흐르는 유체 및/또는 그 안에 포함되거나 또는 그에 의해 운반되는 성분에 영향을 미치는 에너지(예를 들면, 전자기 및/또는 열 에너지)를 생성시킬 수 있도록, 유동하는 유체를 운반하는 구조물의 다른 마이크로유체 채널(들)에 근접하게 위치할 수 있다. 다른 실시태양에서, 마이크로고체 구조물은 마이크로유체 금형으로부터 제거되어 독립형(stand-alone) 구조물을 형성할 수 있다. 특정 실시태양에서, 형성된 고형 금속 구조물은 구조물에 입사되는 광에너지와 상호작용할 수 있거나, 또는 경량 전극을 제작하는데 사용될 수 있다. 본 발명의 다른 면은 전기 전도성 경로/접속을 포함할 수 있는 자기-조립된 구조물의 형성에 관한 것이다. 본 발명의 주제는 일부 경우, 상관 제품, 특정 문제에 대한 다른 해결책 및/또는 하나 이상의 시스템 및/또는 용품의 복수개의 상이한 용도를 포함한다.
본 발명의 특정 면은 마이크로유체 시스템에서 전기 전도성 경로를 제작하는 방법을 포함한다. 특정 실시태양에서, 상기 방법은 하나 이상의 실질적으로 닫힌 마이크로유체 채널을 포함하는 마이크로유체 시스템을 형성하는 구조물을 제공하는 작업을 포함한다. 이 방법은 추가로 액체 금속을 실질적으로 닫힌 마이크로유체 채널의 적어도 일부분 내로 흐르도록 하는 것을 포함한다. 이어서 액체 금속은 실질적으로 닫힌 마이크로유체 채널 내에서 그의 융점 미만의 온도로 냉각되고, 이에 의해 금속이 고체로 되도록 한다. 고화된 금속은 마이크로유체 시스템 내에서 전기 전도성 경로를 형성한다.
특정 실시태양에서, 마이크로유체 시스템을 형성하는 구조물은 제1 방향을 따라 측정되는 층의 길이, 제1 방향에 수직인 제2 방향을 따라 측정되는 층의 폭 및 제1과 제2 방향 모두에 대해 수직인 제3 방향을 따라 측정되는 층의 두께를 갖는 하나 이상의 층을 포함한다. 층의 두께는 층의 폭보다 작고 층의 길이보다 작다. 실질적으로 닫힌 마이크로유체 채널은 층 내에 배치되지만, 층의 전체 두께를 관통하여 침투하지 못한다. 특정 상기 실시태양에서, 실질적으로 닫힌 마이크로유체 채널은 층의 모습에 의해 형성된 곡선 표면 또는 평면 내에 놓여진다.
방법을 실행하는 특정 실시태양에서는, 마이크로유체 채널의 벽의 적어도 일부분을, 벽이 액체 금속에 의해 보다 쉽게 젖을 수 있도록 처리한다. 이러한 처리는 예를 들면, 벽의 적어도 일부분을 화학적으로 변화시키는 것을 포함할 수 있다. 각종 재료들이 이러한 목적에 사용될 수 있으며, 예를 들면, 벽의 일부는 예를 들 면 땜납과 같은 저온 용융 금속으로의 습윤을 개선시킬 수 있도록 금 또는 다른 금속의 박층으로의 금속 증착에 의해 코팅될 수 있다. 다른 실시태양에서, 알칸티올 또는 실란과 같은 화학약품이 사용될 수 있다. 한 구체적인 예에서, 습윤을 개선하기 위해 마이크로유체 벽의 적어도 일부분을 처리하는데 사용된 화학약품은 3-머캅토프로필트리메톡시실란을 포함한다. 특정 실시태양에서, 마이크로유체 채널의 특정 부분은, 액체 금속이 다른 부분이 아닌 채널 구조물의 특정 부분을 우선적으로 습윤시키고 충전하도록, 처리되지 않을 수 있다.
본원에서 사용된 "마이크로유체 채널"은 적어도 한 횡단면 치수가 약 1 밀리미터 미만인 채널을 말한다. 특정 실시태양에서, 마이크로유체 채널의 적어도 한 횡단면 치수가 약 100 마이크로미터 미만이고, 다른 실시태양에서는 약 30 마이크로미터 미만이고, 다른 실시태양에서는 약 10 마이크로미터 미만이고, 또 다른 실시태양에서는 약 3 마이크로미터 미만이고, 또 다른 실시태양에서는 약 1 마이크로미터 미만이다. 특정 대표적인 실시태양에서, 마이크로유체 채널은 적어도 한 횡단면 치수가 약 1 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터 사이일 것이다.
특정 실시태양의 방법에서, 전기 부품, 예를 들면 저항기, 발광 다이오드(LED), 전극, 축전기, 인덕터, 집적 회로 칩 등이 구조물 내에 포함될 수 있고, 상기 방법은 마이크로유체 시스템 내에서 고화된 액체 금속의 적어도 일부분과 1개 이상의 상기 전기 부품들 사이에 전기 접속을 형성하는 것을 추가로 포함할 수 있다.
특정 실시태양에서, 마이크로유체 시스템은 복수개의 전기 부품들과 복수개 의 전도성 경로들 사이에 복수개의 전기 접속이 형성될 수 있고, 이에 의해 전기 회로 소자를 형성하도록, 액체 금속의 고화 후에 복수개의 전도성 경로를 제공하는 복수개의 실질적으로 닫힌 마이크로유체 채널들을 포함할 수 있다. 이러한 전기 회로 소자는 예를 들면, "랩온어칩" 소자, 변환기, 전자석, 안테나, 컴퓨터, 라디오 등에 대한 집적 회로를 포함할 수 있다. 특정 상기 전기 회로 소자에서, 본 방법에 의해 형성된 전도성 경로는 마이크로유체 구조물 내에 매립된 채 유지될 수 있다. 특정 경우, 마이크로유체 시스템을 형성하는 구조물은 가요성 물질, 예를 들면 엘라스토머와 같은 중합체 물질로 이루어진다. 특정 실시태양에서, 가요성 물질은 폴리디메틸실록산(PDMS)를 포함한다. 특정 경우, 전기 전도성 경로를 성형하는데 이용된 마이크로유체 시스템을 포함하는 구조물은 전기 절연성, 및 임의로 단열성이다.
다른 실시태양 세트에서, 본 발명은 마이크로유체 시스템의 제1 구역 및 제2 구역 사이에 전기 접속이 형성되도록 하는 방법을 포함한다. 특정 실시태양에서, 상기 방법은 적어도 제1 전기-전도성 구역 및 이 제1 구역에 전기 접속되지 않는 제2 전기-전도성 구역을 포함하고, 상기 제1 구역이 전기-전도성 금속을 포함하는 마이크로유체 시스템을 형성하는 구조물을 제공하는 작업을 포함한다. 이 방법은 전기-전도성 금속을 포함하는 제1 구역을 금속의 융점보다 높은 온도로 가열하여 금속이 액체가 되도록 하는 것을 추가로 포함한다. 이어서 액체 금속은 제2 전기-전도성 구역의 적어도 일부분과 접촉하도록 마이크로유체 시스템 내에서 흐르도록 한다. 이어서 액체 금속은 마이크로유체 시스템 내에서 금속의 융점 미만인 온도 로 냉각되고, 이에 의해 금속이 재고화된다.
특정 실시태양에서, 제1 전기-전도성 구역 및 제2 전기-전도성 구역 중 적어도 하나는 땜납 또는 땜납 합금을 포함한다. 특정 실시태양에서, 액체 금속은 주석, 인듐, 은, 납, 비스무스, 카드뮴, 아연 및 안티몬 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 특정 실시태양에서, 금속은 약 900 ℃ 미만, 다른 실시태양에서는 약 400 ℃ 미만, 및 또 다른 실시태양에서는 약 100 ℃ 미만, 및 또 다른 실시태양에서는 약 40 ℃ 미만의 융점을 가질 것이고, 특정 경우 금속은 약 40 ℃ 내지 약 400 ℃의 융점을 가질 것이다. 특정 실시태양에서, 제1 전기-전도성 구역은 마이크로유체 시스템을 형성하는 구조물을 가열시킴으로써 간접적으로 가열될 수 있다.
특정 실시태양에서, 제1 및 제2 전기-전도성 구역 중 적어도 하나는 전극에 전기 접속된다. 특정 상기 실시태양의 방법에서, 이 방법은 예를 들면 전기 회로를 생성시키기 위하여 제1 및 제2 전기-전도성 구역에 전위를 인가하는 것을 추가로 포함할 수 있다.
액체 금속이 마이크로유체 시스템 내에서 흐르도록 하기 위하여, 특정 실시태양에서는, 예를 들면 주사기, 펌프 등으로 액체 금속을 주입시키거나 또는 채널의 유입구가 액체 금속원과 유체 소통하고 있는 채널의 유출구에 진공을 인가함으로써 생긴 압력차가 사용된다. 특정 실시태양에서, 액체 금속은 예를 들면, 굴곡, 비틈, 압축, 연신 등에 의해 구조물의 적어도 일부분을 변형시킴으로써 마이크로유체 시스템 내에서 흐르게 된다. 또 다른 실시태양에서, 구조물은 구조물 내에서 액체 금속의 흐름을 용이하게 하기 위하여 음파처리될 수 있다.
다른 면에서, 본 발명은 마이크로유체 구조물을 포함한다. 특정 실시태양에서, 마이크로유체 구조물은 제1 마이크로유체 채널을 형성하는 제1 구조 부분, 제2 마이크로유체 채널을 형성하는 제2 구조 부분, 제1 마이크로유체 채널의 적어도 일부분 내에 포함된 약 900 ℃ 미만의 융점을 갖는 금속을 포함하는 제1 전기-전도성 구역, 제2 마이크로유체 채널의 적어도 일부분 내에 포함된 약 900 ℃ 미만의 융점을 갖는 금속을 포함하는 제2 전도성 구역, 제1 마이크로유체 채널에 전기 접속된 제1 전극, 및 제2 마이크로유체 채널에 전기 접속된 제2 전극을 포함한다. 게다가, 구조물은 제1 구조 부분이 제2 구조 부분 부근의 위치로 이동할 수 있도록 구성 및 배열될 수 있다.
또 다른 실시태양에서, 본 발명은 전기 소자의 자기-조립 방법을 제공한다. 특정 상기 방법은 제1 전기-전도성 구역을 포함하는 전기 소자의 제1 구조 부분을 제공하고, 제2 전기-전도성 구역을 포함하는 제2 구조 부분을 제공하고, 제1 또는 제2 부분이 서로 접촉하게 하기 위하여 이들 중 어느 하나를 제1 및 제2 부분 외부의 장치와 접촉시키지 않으면서, 적어도 제1 구조 부분이 이동 공정 동안에 상당히 변형되는 조건 하에서, 제1 및 제2 구조 부분들이 서로에 대하여 이동하고 제1 및 제2 전기-전도성 구역 사이에 전기 접속을 형성하도록 유도하는 것을 포함한다.
다른 실시태양 세트에서, 구조 엘레멘트를 포함하는 부품을 제공하고, 구조 엘레멘트를 포함하는 부품을 제2 형태로 만들기 위하여 부품을 외부 장치와 접촉시키지 않으면서, 부품이 제1 구조 엘레멘트가 제1의 보다 가요성 상태로 있는 조건 하에서 제1 형태로부터 제2 형태로 상당히 변형되도록 하고, 구조 엘레멘트를 제2 의 보다 경질 상태로 전환시키고, 이에 의해 부품이 적어도 부분적으로는 구조 엘레멘트에 의해 제2 형태로 유지되는 것을 포함하는 자기-조립된 구조물의 제조 방법이 제공된다.
전기 소자의 다른 자기-조립 방법은 제1 전기-전도성 구역을 포함하는 제1 구조 부분을 제공하고, 제2 전기-전도성 구역을 포함하는 제2 구조 부분을 제공하고, 제1 또는 제2 구조 부분이 서로 접촉하도록 하기 위하여 이들 중 어느 하나를 제1 및 제2 부분 외부의 장치와 접촉시키지 않으면서, 적어도 제1 구조 부분 및 제1 전기-전도성 구역이 이동 공정 동안에 상당히 변형되고 제1 전기-전도성 구역이 제1의 보다 가요성 상태로 있는 조건 하에서, 제1 및 제2 구조 부분이 제1 모습으로부터 제2 모습으로 서로에 대하여 이동하여 제1 및 제2 전기-전도성 구역 사이에 전기 접속을 형성하도록 하는 것을 포함한다. 이 방법은 제1 전기-전도성 구역을 제2 모습의 제2의 보다 경질 상태로 전환시키는 것을 추가로 포함한다.
다른 일련의 실시태양에서, 본 발명은 제1 전기-전도성 구역 및 이 제1 구역에 전기 접속되지 않는 제2 전기-전도성 구역을 포함하고, 상기 각 구역이 금속을 포함하는, 마이크로유체 채널을 형성하는 구조물을 제공하고, 전기-전도성 구역의 적어도 일부분을 금속의 융점보다 높은 온도로 가열하는 작업을 포함하는 방법을 포함한다. 상기 특정 실시태양에서, 이 방법은 가열된 금속을 흐르게 하여 제1 전기-전도성 구역과 제2 전기-전도성 구역 사이에 전기 접속을 형성하도록 하는 것을 포함한다.
또 다른 일련의 실시태양들에서, 본 발명은 액체 금속이 없는 실질적으로 닫 힌 마이크로유체 채널을 형성하는 구조물을 제공하고 액체 금속을 채널의 적어도 일부분 내로 흘려보내는 작업을 포함하는 방법을 포함한다. 특정 실시태양에서, 이 방법은, 액체 금속을 채널의 적어도 일부분 내로 흘려보낸 후에, 액체 금속을 고화시켜 고형 전기-전도성 경로를 형성하는 작업을 추가로 포함한다. 특정 실시태양에서, 구조물은 가요성이고 처음에 정해진 두께 및 실질적으로 평면 모습을 갖는 층 형태이고; 이 방법은 층을 실질적으로 비평면 모습으로 변형시키는 작업을 추가로 포함한다. 특정 실시태양에서, 층은 금속이 채널 내로 흘러들어가기 전에 변형되고; 다른 실시태양에서는, 층의 변형이 금속이 고화된 후에 일어난다. 특정 상기 실시태양에서, 구조물의 변형은 구조물을 예를 들면 타래송곳-유형 나선으로 나선형으로 비트는 것을 포함한다.
또 다른 일련의 실시태양에서, 본 발명은 각각 약 900 ℃ 미만의 융점을 갖는 금속을 함유하는, 제1 실질적으로 닫힌 마이크로유체 채널 및 제2 실질적으로 닫힌 마이크로유체 채널을 형성하고, 이 제1 및 제2 채널들이 서로 전기적으로 접속되어 있지 않은 구조물을 제공하고, 제1 및 제2 채널들을 전기 접속시키는 작업을 포함하는 방법을 포함한다.
본 발명의 다른 측면은 적어도 하나의 전기-전도성 경로를 포함하는 소자를 포함한다. 특정 실시태양에서, 소자는 적어도 하나의 마이크로유체 채널을 포함하고, 마이크로유체 채널의 적어도 일부분의 전체 횡단면이 약 900 ℃ 미만의 융점을 갖는 금속으로 충전되어 있는 마이크로유체 시스템을 형성하는 가요성 구조물을 포함한다.
다른 면에서, 본 발명은 하나 이상의 전기-전도성 경로를 포함하는 소자에 관한 것으로, 이 소자는 2개 이상의 마이크로유체 채널을 포함하는 마이크로유체 시스템을 형성하는 구조물을 포함하고, 여기서 제1 마이크로유체 채널의 적어도 일부분의 전체 횡단면이 약 900 ℃ 미만의 융점을 갖는 금속으로 충전되고, 제2 마이크로유체 채널의 적어도 일부분의 전체 횡단면이 액체 금속이 아닌 흐르는 유체를 함유한다. 특정 상기 실시태양에서, 제1 마이크로유체 채널은 실질적으로 닫힌 마이크로유체 채널을 포함한다. 소자의 특정 실시태양에서, 제1 마이크로유체 채널은 제2 마이크로유체 채널에 충분히 가깝게 근접하여 위치해서, 금속을 관통하여 전류가 흐를 때 제2 마이크로유체 채널 내 흐르는 유체의 성질 또는 흐르는 유체에 현탁된 입자에 실질적으로 영향을 줄 수 있는 전기장 및/또는 자기장 및/또는 열 에너지가 발생된다. 특정 상기 실시태양에서, 제1 마이크로유체 채널은 제2 마이크로유체 채널에 충분히 가깝게 근접하여 위치해서, 금속을 관통하여 전류가 흐를 때 흐르는 유체에 현탁된 입자의 궤적을 변화시킬 수 있는 전기장 및/또는 자기장이 발생된다. 특정 실시태양에서, 현탁된 입자는 자기 입자, 비-자기 금속 입자, 중합체 입자, 생물학적 세포, 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기한 소자의 특정 실시태양에서, 마이크로유체 시스템을 형성하는 구조물은 정해진 두께를 갖고 모습이 실질적으로 평면인 층을 포함한다. 특정 상기 실시태양에서, 제1 마이크로유체 채널 및 제2 마이크로유체 채널은 모두 단일 레벨 구조물 내에 및 층과 실질적으로 공면인(coplanar) 평면과 실질적으로 공면인 평면 내에 놓여진다. 특정 상기 실시태양에서, 제1 마이크로유체 채널 및 제2 마이크로 유체 채널은 그들 길이의 실질적인 부분에 걸쳐 서로에 대해 실질적으로 평행하다.
특정 실시태양에서, 본 발명은 제1 마이크로유체 유로가 모습이 나선형인 유로의 적어도 일부분을 형성하고 금속을 함유하는 소자에 관한 것이다. 특정 상기 실시태양에서, 제2 마이크로유체 채널의 적어도 일부분은 이러한 나선형 유로에 의해 경계가 정해진다. 한 상기 실시태양에서, 제1 마이크로유체 유로의 적어도 일부분은 제2 마이크로유체 채널에 충분히 가깝게 근접하여 위치해서, 금속을 관통하여 전류가 흐를 때 제2 마이크로유체 채널 내 흐르는 유체를 가열시킬 수 있는 충분한 열 에너지가 발생된다.
또 다른 일련의 실시태양에서, 본 발명은 하나 이상의 전기-전도성 경로를 포함하는 소자에 관한 것이다. 특정 상기 실시태양에서, 소자는 정해진 두께를 갖고 모습이 실질적으로 평면인 층을 포함하는 구조물을 포함한다. 이 구조물은 2개 이상의 마이크로유체 채널을 포함하며, 여기서 제1 마이크로유체 채널의 적어도 일부분의 전체 횡단면이 금속을 함유하고, 제2 마이크로유체 채널의 적어도 일부분의 전체 횡단면이 액체 금속이 아닌 흐르는 유체를 함유하는 마이크로유체 시스템을 형성한다. 제1 마이크로유체 채널 및 제2 마이크로유체 채널은 모두 단일 레벨 구조물 내에 및 층과 실질적으로 공면인 평면과 실질적으로 공면인 평면 내에 놓여진다.
본 발명의 다른 이점 및 신규한 특징들은 수반되는 도면과 함께 고려될 때 본 발명의 다양한 비제한적인 실시태양들에 대한 하기 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 본원에서 인용되는 모든 참고문헌는, 특허든, 특허 출원이든, 또는 기 술 문헌 출판물이든 본원에서 참고문헌으로 인용된다. 본 명세서 및 참고문헌으로 인용된 서류가 상반되는 및/또는 일치하지 않는 내용을 포함하는 경우, 본 명세서가 우선할 것이다. 참고문헌으로 인용된 2개 이상의 서류들이 서로에 대하여 상반되는 및/또는 일치하지 않는 내용을 포함한다면, 더 나중에 발행된 서류가 우선할 것이다.
본 발명의 비제한적인 실시태양들은 개략적이며 일벙한 비율로 그려진 것은 아닌 수반되는 도면을 참고로 하여 예로서 설명될 것이다. 도면에서, 예시된 각 동일한 또는 거의 동일한 성분은 대표적으로 하나의 도면부호에 의해 나타내어진다. 명료함을 위해 모든 도면에서 모든 성분이 표지되지 않고, 본 발명의 각 실시태양의 모든 성분을 나타내지도 않았으며, 여기서 예시가 반드시 당 업계의 통상의 숙련인이 본 발명을 이해할 수 있도록 하는 것은 아니다.
도 1A는 제1 및 제2 전기-전도성 구역을 갖는 마이크로유체 채널을 포함하는 구조물을 예시하고;
도 1B는 제1 및 제2 전기-전도성 구역을 갖는 마이크로유체 채널을 포함하고, 제1 전기-전도성 구역의 일부분이 용융된 구조물을 예시하고;
도 1C는 제2 전기-전도성 구역과의 전기 접속을 갖는 제1 전기-전도성 구역을 갖는 마이크로유체 채널을 포함하는 구조물을 예시하고;
도 2A는 제1 및 제2 실질적으로 닫힌 마이크로유체 채널을 포함하는 구조물을 예시하고;
도 2B는 각각 전기-전도성 금속으로 충전된 제1 및 제2 실질적으로 닫힌 마이크로유체 채널을 포함하는 구조물을 예시하고;
도 2C는 제1 채널 내 제1 전기-전도성 금속 및 제2 채널 내 제2 전기-전도성 금속에 전기 접속된 전자 소자를 포함하는 구조물을 예시하고;
도 3A는 실질적으로 닫힌 마이크로유체 채널을 포함하는 구조물을 예시하고;
도 3B는 벽이 액체 금속에 의해 습윤될 수 있도록, 화학약품이 그 위에 증착되어 있는 실질적으로 닫힌 마이크로유체 채널의 벽을 예시하고;
도 3C는 금속으로 충전된 실질적으로 닫힌 마이크로유체 채널을 포함하는 구조물을 예시하고;
도 4A는 "바구니 엮는 식의 직조법(basket weave)" 모습으로 배열된 일련의 상호접속된 채널을 갖고 특정 채널은 금속으로 충전되어 있는 멀티레벨 마이크로유체 그물구조 구조물을 개략적으로 예시하는 투시도이고;
도 4B는 중앙에 배치된 직선 채널 주위에 뚤뚤 감겨진 금속으로 충전된 유체 유로가 둘러싸고 있는 5-레벨 마이크로유체 그물구조를 개략적으로 예시하는 투시도이고;
도 5는 액체 땜납을 마이크로유체 채널 내로 주입시켜 가요성 금속 마이크로구조물을 제작하는 방법을 예시하는 일련의 개략적 횡단면도를 나타내고;
도 6은 마이크로유체 채널의 PDMS 표면을 처리하기 위해 특정 실시태양에서 이용된 실란의 화학 구조식 및 마이크로유체 채널의 표면에 화학적으로 결합된 실란의 구조를 보여주는 개략도이고;
도 7A-7F는 본 발명의 특정 실시태양에 따른, PDMS 마이크로유체 구조물에 매립된 각종 가요성 금속 와이어의 영상의 사진복사이고;
도 8A-8D는 본 발명의 특정 실시태양에 따라 제조된 PDMS에 매립된 가요성 금속 격자를 보여주는 영상의 사진복사이고;
도 9는 마이크로유체 채널의 멀티레벨 바구니 엮는 직조 패턴과 관련된 마이크로유체 및 마이크로고체 제작 방법의 단계들을 지시하는 개략적 횡단면을 예시하고;
도 10A-1OE는 본 발명의 특정 실시태양에 따라 제작된 각종 금속 마이크로구조물을 예시하는 영상의 사진복사이고;
도 11A-11D는 본 발명의 특정 실시태양에 따른 땜납 마이크로구조물의 치유 공정을 예시하는 영상의 사진복사이고;
도 12A는 본 발명에 따라 제조된 PDMS에 매립된 고주파수 마이크로트랜스포머의 확대된 상을 보여주는 사진의 사진복사이고;
도 12B는 도 12A의 변압기의 주파수 반응을 예시하는 그래프이고;
도 12C는 도 12A의 마이크로변압기의 제1 솔레노이드 및 제2 솔레노이드를 가로지르는 특징적인 파형을 나타내는 그래프이고;
도 13A는 본 발명의 특정 실시태양에 따라 제작된, PDMS에 매립된 코일 마이크로히터를 나타내는 사진의 사진복사이고;
도 13B는 마이크로히터의 코일을 관통하는 전류의 함수로서의 도 13A의 코일 마이크로히터의 마이크로유체 채널 내 온도를 나타내는 플롯이고;
도 14A는 본 발명의 특정 실시태양에 따른, PDMS 내 전자석의 제작을 묘사하는 개략적 횡단면도이고;
도 14B는 도 14A에 예시된 단계들에 따라 제작된 전자석 소자의 횡단면의 영상의 사진복사이고;
도 15는 도 14B의 전자석의 전자석 쌍을 구동시키는데 사용된 전자 회로의 개략도이고;
도 16A는 마이크로채널 내에 존재하는 상자성 비이드 상에 미치는 힘 및 발생된 자기장을 예시하는, 도 14B의 전자석의 일부분을 개략적으로 예시하고;
도 16B는 마이크로유체 채널 내 전자석으로부터의 거리의 함수로서의 도 14B의 전자석에 의해 발생된 자기장을 나타내는 그래프이고;
도 16C는 마이크로유체 채널 내에 존재하는 상자성 비이드 상에 발생된 힘을 보여주는, 도 16B의 그래프에 대응하는 그래프이고;
도 17A, 도 17B, 및 도 17C는 각각 수학식 1, 3, 및 11로부터 계산된, 자성 비이드에 미치는 최대 전류, 자기장 및 힘을 보여주는 그래프이고;
도 18A-18C는 전자석에 전류를 인가하지 않았을 때(도 18A), 상부 전자석에 전류를 인가한 후(도 18B) 및 하부 전자석에 전류를 인가한 후(도 18C)의 채널 내에 흐르는 상자성 비이드를 나타내는, 도 14B의 상자성 소자의 마이크로유체 채널의 영상의 사진복사이고;
도 18D는 도 14B의 전자석의 활성화 후 비이드를 포획하는데 필요한 반응 시간을 나타내는 그래프이고; 및
도 18E-18G는 도 14B의 전자석 소자의 마이크로유체 채널 내 상자성 비이드의 분류를 예시하는 영상의 사진복사이다.
각종 마이크로유체 소자 및 상기 소자를 금형으로 사용하여 제조될 수 있는 고체, 대표적으로 전기 전도성 소자가 본원에서 개시된다. 특정 실시태양에서, 제조되는 소자는 하나 이상의 마이크로유체 채널에 존재하는 액체 금속을 고화시켜 형성된 전도성 경로를 포함한다(상기 소자 및 구조물은 이후 "마이크로고체" 소자 및 구조물로 언급된다). 마이크로유체 구조물 내 구역들 사이에 전기 접속이 형성 및/또는 재형성될 수 있는 특정 상기 소자에서; 일부 경우, 형성된 소자/회로는 가요성일 수 있고/있거나 가요성 전기, 광학, 기계 등의 부품을 포함할 수 있다.
아래 실시예에 예시되는 바와 같이, 마이크로고체 구조물을 제조하기 위한 본 발명의 기술은 각종의 유용한 구조물 및 회로를 비교적 간단하게 및 저렴하게 만들기 위하여 2, 3 또는 그 이상의 평면 레벨의 가요성 또는 강성 금속 구조물을 제작하는데 사용될 수 있다. 특정 실시태양에서, 이 방법은 마이크로유체 시스템 또는 그물구조 내 마이크로유체 채널을 제작하고 채널 모두 또는 특정 채널의 일부분을 적어도 부분적으로 용융 금속으로 충전시키고, 그물구조를 냉각시켜 금속이 공화되도록 하여 고체 구조물을 형성하는 것을 포함한다. 아래에서 설명되는 바와 같이, 광범위의 다양한 재료 및 방법들이 마이크로유체 채널 및 그물구조를 형성하는데 사용될 수 있지만, 특정 바람직한 실시태양에서, 그물구조는 경화성 중합체 물질로 제작되는데, 이것은 특정 실시태양에서 엘라스토머(예를 들면, 폴리디메틸실록산 - PDMS)와 같이 경화되었을 때 가용성일 수 있다. 예를 들면, PDMS를 이용할 때, 마이크로유체 구조물은 아래에서 논의되는 바와 같이, 당 업계에 공지된 소프트 리소그래피 기술(soft lithography technique)을 이용하여 비교적 간단하게 형성될 수 있다. 상기 방법을 사용하면, 다중 레벨의 특징부를 갖는 복잡한 마이크로고체 구조물이 다층 리소그래피를 사용하는 기술에 의해 제조된 다층 마이크로유체 그물구조 구조물의 사용을 통해 제작될 수 있다(예를 들면, U.S. 특허 제 6,645,432호 참조). 다르게는, 마이크로유체 그물구조 구조물을 형성하는 물질이 가용성 및 변형가능한 실시태양의 경우, 입체적인 구조물은 금속의 채널 내로의 삽입 및 고화 전, 동안 또는 후에 마이크로유체 구조물을 변형시켜 제작될 수 있다. 이러한 변형은 예를 들면, 마이크로유체 구조물의 굴곡, 뒤틀림, 롤링 등을 포함할 수 있다. 실질적으로 액체 금속이 고화된 후에 구조물이 변형되는 특정 실시태양에서는, 액체 금속, 예를 들면 고체 상태에서 파괴되지 않고 실질적으로 변형될 수 있는 특정 땜납을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 특정 인듐-함유 땜납이 이러한 성질을 갖는다.
특정 실시태양에서, 본 발명에 따라 형성된 고체 구조물은 금속-충전된 채널을 함유하는 마이크로유체 구조물과 또한 관련되거나, 이들 내에 포함되거나, 또는 이들에 부착되어 있거나 할 수 있는, 각종 전기 소자 또는 부품들 사이에 전기 접속을 제공하는 복수개의 전기-전도성 경로를 제공할 수 있다. 특정 상기 실시태양에서, 구조물은 복합 가요성 회로 전자 소자, 예를 들면 "랩온어칩" 소자, 가요성 전자 소자, 예를 들면 가요성 라디오, 컴퓨터, 변압기, 가열기, 전자기 소자 등을 포함할 수 있다.
특정 실시태양에서, 본 발명은 유체가 그를 관통하여 흐를 수 있도록 구성된 유로 및 채널을 또한 함유하는 마이크로유체 그물구조 구조물 내에 고체 전기-전도성 경로를 제작하기 위한 방법을 제공한다. 특정 상기 실시태양에서, 전기-전도성 경로는 이들이 마이크로유체 그물구조 구조물의 채널 내에서 흐르거나 또는 내에 포함된 유체의 일부 성질 또는 상기 소자의 마이크로유체 채널 내의 유체 중에서 흐르거나 또는 포함되는 약제 및 입자에 영향을 미칠 수 있도록 구성 및 배열될 수 있다. 예를 들면, 하기 실시예 13에 논의된 바와 같이, 본 발명의 특정 기술을 이용하여 마이크로유체 소자 내 채널 안에서 흐르는 유체를 가열시킬 수 있는 코일 마이크로히터를 형성할 수 있다. 실시예 14에서 상세하게 기재된 다른 실시태양에서, 본 발명의 기술은 마이크로유체 채널에서 흐르는 스트림 내에 현탁된 자성 입자들의 포획, 분류, 방향전환 등에 사용될 수 있는 전자석 시스템을 제조하는데 이용된다. 사실상, 본 발명의 기술을 이용하여 제조될 수 있는 각종 소자는 본질적으로는 무제한적이다. 결코 포괄적이거나 또는 심지어는 완전히 대표적인 것은 아니지만, 아래에 제공된 예들은 본원에서 개시된 본 발명의 기술을 사용하여 구성될 수 있는 각종 소자들 중 일부를 예시한다. 예는 상기한 코일 마이크로히터 및 전자석, 뿐만 아니라 고주파 변압기(실시예 12) 및 가요성 FM 라디오(실시예 11)을 포함한다. 이들 외에, 본원에 개시된 기술은 또한 종래의 기술을 사용하여 제작하기 어렵거나 또는 엄청나게 비싼 매우 소규모의 복잡한 입체적인 안테나 디자인을 형성하는데 이용될 수 있다.
아래에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 특정 바람직한 실시태양에서, 특히 마이크로유체 그물구조가 매우 고온을 견딜 수 없는 중합체 물질로 구성된 것들에서, 전도성 경로 및 고체 구조물을 형성하는데 사용된 금속은 땜납 또는 땜납 합금과 같이 비교적 낮은 용융 온도를 갖는 1종 이상의 금속일 수 있다. 특정 상기 실시태양에서, 본 발명에 따라 제공된 마이크로유체 구조물의 전기 전도성 구역들 사이의 전기 접속 및 전기 전도성 경로는 선택적으로 형성되거나, 형성되지 않을 수 있고, 파괴된 경우 "치유가능(healable)"할 수 있다. 예를 들면, 각각 저용융 온도 금속을 함유하는 2개의 구역들을 포함하는 본 발명에 따른 마이크로유체 그물구조는 가열될 수 있거나, 또는 다르게는 전도성 금속을 함유하는 구역들 중 하나에 인접한 구조물 부분이 가열되어 구역들 중 적어도 하나에 포함된 금속을 용융시킬 수 있어, 다른 전도성 구역과 접촉하여 전기 접속을 형성하도록 하나 이상의 마이크로유체 채널을 통해 흐르거나 또는 흐르게 될 수 있다. 이러한 방식으로, 특정 시간 및 특정 위치에서 마이크로유체 그물구조에 포함된 저용융 온도 금속을 용융시키기 충분한 열을 선택적으로 인가함으로써, 전기 접속이 형성될 수 있고, 전체 소자의 배위 및 성능에 대한 광범위의 다양한 실시간 제어(real-time control)를 제공하도록 특정 회로가 만들어지거나 또는 만들어지지 않을 수 있다. 예를 들면, 이것은 아래 도 1, 2, 실시예 1 및 실시예 10에서 보다 상세하게 논의된다.
전기 접속 및 회로를 형성하는데 유용할 것 외에, 본 발명의 방법은 또한 각종 다른 마이크로고체 구조물을 형성하는데 유용하다. 예를 들면, 금속 및 땜납이 불투명하고 전형적으로는 반사성이기 때문에, 본 발명에 따라 제조된 마이크로고체 소자는 회절 격자, 간섭 필터 또는 다른 광학 부품으로 작용하도록 구성 및 이용될 수 있다. 예를 들면, 특정 실시태양에서, 본 발명의 기술은 광학용 목적으로 이용될 수 있는, 가요성 격자, 메쉬 등의 제작에 이용될 수 있다. 다르게는, 상기 격자는 또한 여과 분야에 또는 고표면적, 저질량 전극 또는 촉매 지지체의 제작에서 그 용도를 찾을 수도 있다. 아래 논의된 실시예 5는 마이크로유체 구조물 내 상기 격자의 제작을 예시한다.
특정 실시태양에서는 제작된 마이크로구조물이 특히 상기 구조물이 가요성일 때, 마이크로유체 그물구조 구조물의 채널에 매립된 채로 있게 되는 것이 유리하지만, 고체 금속 구조물을 형성하기 위한 금형 구조물로 이용되는 마이크로유체 그물구조로부터 고화된 금속 구조물을 제거함으로써 독립형 구조물을 제조하는 것이 또한 본 발명에 의해 가능하다. 상기 실시태양에서, 구조물은 기계적으로(예를 들면 실시예 7 참조) 및/또는 마이크로유체 구조물에 함유된 성형된 고화된 금속 구조물을 둘러싸고 있는 마이크로유체 구조물을 용해시킬 수 있는 화학약품을 사용함으로써(실시예 8 참조) 마이크로유체 그물구조로부터 제거될 수 있다. 특정 실시태양에서, 성형된 마이크로구조물의 마이크로유체 시스템으로부터의 제거 후에, 제거된 마이크로구조물은 다른 금속으로(예를 들면, 전기도금, 무전해 증착 등을 통해) 코팅될 수 있다. 특정 상기 실시태양에서, 코팅 후, 마이크로구조물은 마이크로유체 그물구조에서 성형된 저온 금속의 융점을 초과하지만 마이크로유체 그물구조로부터 이형된 마이크로구조물을 코팅하는데 이용된 금속의 융점을 초과하지는 않는 온도로 가열될 수 있다. 이러한 실시태양에서, 저용융 온도 금속 성분은 제거되어, 단지 마이크로구조물 상에 코팅된 금속만을 포함하는 독립형 중공 금속 구조물을 남겨놓을 수 있다(예를 들면, 실시예 9 참조). 이러한 기술은 금, 니켈, 구리 또는 다른 비교적 고용융 온도 금속으로 만들어진 경량의 고표면적 전극 또는 다른 구조물을 형성하는데 유리할 수 있다.
본원에서 설명된 마이크로유체 그물구조 구조물은 잠재적으로 종래의 포토리소그래피 방법, 레이저 화학적 입체적인 라이팅(writing)방법 또는 모듈 조립 방법을 통해 제작될 수 있고, 아래에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 특정 실시태양에서, 마이크로유체 그물구조 구조물은 아래에서 논의되는 바와 같이, 하나 이상의 레벨의 구조물을 포함하는 개별 층들을 제조하는데 복제품 성형 기술을 포함하는 공정에 의해 형성된다. 아래에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 상기 층들은 구조물의 채널을 제조하는데 그들의 표면(들) 상에 다양한 특징물을 갖는 금형 원형을 이용하여 성형될 수 있다. 일부 실시태양에서, 특징물은 포토리소그래피 방법을 통해 형성되거나, 또는 그 자체가 상기 표면의 성형된 복제물을 포함할 수 있다.
본원에서 설명된 본 발명의 방법을 실행하는데 유용할 수 있는 특정 마이크로유체 그물구조 구조물은 본질적으로 경화가능한 액체의 고화된 형태를 포함하는 고체 물질을 포함하는 임의의 물질로부터 형성될 수 있고, 일부 실시태양에서, 구조물은 사출 성형 또는 주조 성형될 수 있다. 경화가능한 액체는 중합체 구조물을 제조하기 위한 성형시에 경화되거나 또는 성형 동안에 경화되도록 유도될 수 있는 중합체 또는 중합체의 전구체를 포함할 수 있다. 본 발명을 실행하기 위해 마이크로유체 그물구조를 형성하는데 유용한 특정 중합체 물질은 엘라스토머 물질을 포함할 수 있다.
특정 실시태양에서, 본 발명에 따라 제공된 마이크로유체 그물구조는 중합체 물질로 된 하나 이상의 별도의 층으로 구성되고, 다른 실시태양에서는 중합체 물질로 된 2개, 3개 또는 그 이상의 별도의 층들로 구성된다. 본원에서 사용된 물질의 "별도의 층" 또는 "층"은 전체 마이크로유체 구조물의 별도로 형성된 하위부품 구조물을 말하며, 이 층은 마이크로유체 구조물의 전체 채널 그물구조의 1, 2 또는 3 또는 그 이상의 레벨을 포함 및/또는 함유할 수 있다. 아래에서 보다 상세하게 설명되고 예시되는 바와 같이, 구조물의 별도의 층들은 함께 적중되어 경우에 따라 입체적인 멀티레벨 그물구조 또는 다중 입체적인 그물구조를 형성할 수 있고, 또한 일부 실시태양에서는 마이크로유체 구조물의 하부 및 상부 레벨의 채널들을 에워싸고 유체적으로 밀봉하기 위하여 하나 이상의 지지 층들 또는 지지체 층들 사이에 위치할 수도 있다(예를 들면, 도 4A, 4B, 9, 및 10A-10E 및 실시예 6 참조).
마이크로유체 그물구조 구조물을 형성하는데 잠재적으로 유용한 경화가능한 액체는 본질적으로 마이크로유체 그물구조 구조물 내에 및 이와 함께 사용하도록 의도된 유체(예를 들면, 용융 땜납)를 함유 및 수송할 수 있는 고체로 유도 고화 또는 자발적으로 고화될 수 있는 당 업계의 통상의 숙련인에게 공지된 임의의 액체를 포함할 수 있다. 특정 실시태양에서, 경화가능한 액체는 중합체 액체 또는 액체 중합체 전구체(즉, "전구중합체")를 포함한다. 적합한 중합체 액체는 예를 들면, 열가소성 중합체, 열경화성 중합체 또는 그들의 융점 이상으로 가열된 상기 중합체들의 혼합물; 또는 적합한 용매 중의 1종 이상의 중합체의 용액(이 용액은 예를 들면 증발에 의한 용매의 제거시에 고체 중합체 물질을 형성함)을 포함할 수 있다. 예를 들면 용융 상태로부터 고화될 수 있거나 또는 용매 증발에 의해 고화될 수 있는 상기 중합체 물질은 당 업계의 통상의 숙련인에게 공지되어 있다.
특정 실시태양에서, 경화가능한 액체는 액체 중합체 전구체를 포함한다. 경화가능한 액체가 전구중합체 전구체를 포함하는 경우, 예를 들면 이것은 열의 인가를 통해 열 중합되어 고체 중합체 구조물을 형성할 수 있거나; 또는 다른 실시태양에서는 광중합될 수 있다. 유리-라디칼 중합을 통한 경화 및 고화 또한 수행될 수 있다. 이들 및 다른 형태의 중합은 당 업계의 통상의 숙련인에게 공지되어 있으며, 부당한 실험없이 본 발명의 기술에 적용될 수 있다. 양이온성, 음이온성, 공중합, 연쇄 공중합, 가교결합 등을 비롯한 모든 유형의 중합이 사용될 수 있으며, 액체 전구체로부터 형성될 수 있는 임의의 유형의 중합체 또는 공중합체는 본 발명에 따른 경화가능한 액체를 포함할 수 있다. 잠재적으로 적합한 중합체의 예시적인 비-제한적인 목록은 폴리우레탄, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이트, 폴리아세틸렌 및 폴리디아세틸렌, 폴리포스파젠, 폴리실록산, 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리에테르, 폴리(에테르 케톤), 폴리(알카리성 옥시드), 폴리(에틸렌 테레프탈레이트), 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리스티렌 및 유도체 및 블록, 랜덤, 방사상, 선형 또는 테트라블록 공중합체, 가교결합성 물질, 예를 들면 단백질성 물질 및/또는 상기한 것들의 블렌드를 포함한다. 금형 원형으로부터 제거시 구조적 일체성을 유지하기 충분하게 치수적으로 안정된 경우 겔이 적합하다. 단량체 알킬아크릴레이트, 알킬메타크릴레이트, 알파-메틸스티렌, 비닐 클로라이드 및 다른 할로겐-함유 단량체, 말레산 무수물, 아크릴산, 아크릴로니트릴 등으로부터 형성된 중합체도 또한 적합하다. 단량체는 단독으로 사용될 수 있거나 또는 상이한 단량체들의 혼합물을 사용하여 단일중합체 및 공중합체를 형성할 수 있다. 광범위의 다양한 잠재적인 용도들 중 임의의 것에 대하여 특정 물질을 맞출 수 있도록 쉽게 입수가능한 정보 및 일상적인 시험 및 실험을 사용하여 당 업계의 통상의 기술을 가진 자에 의해 특정 중합체, 공중합체, 블렌드 또는 겔이 선택될 수 있다. 액체 금속이 마이크로유체 채널에 첨가되게 되는 실시태양들의 경우에 고려되어야 하는 한 인자는 마이크로유체 그물구조 구조물을 형성하는데 사용된 중합체가 고체로 유지되어야 하고, 바람직하게는 용융 금속이 구조물의 채널에 첨가되게 되는 온도에서 화학적으로 및 치수적으로 안정해야 한다는 것이다.
본 발명의 일부 실시태양에 따라, 경화가능한 액체는 경화 및 고화시 엘라스토머 중합체를 형성하는 유체 전구중합체 전구체를 포함한다. 각종 엘라스토머 중합체 물질은 이러한 제작에 적합하다. 상기 중합체의 예에 대한 비-제한적인 목록은 실리콘 중합체, 에폭시 중합체 및 아크릴레이트 중합체의 일반적인 분류의 중합체를 포함ㅂ한다. 에폭시 중합체는 에폭시기, 1,2-에폭시드 또는 옥시란으로 일반적으로 언급되는 3원 시클릭 에테르 기가 존재하는 것을 특징으로 한다. 예를 들면, 방향족 아민, 트리아진, 및 지환족 주쇄에 기초한 화합물 외에, 비스페놀 A의 디글리시딜 에테르가 사용될 수 있다. 다른 예는 공지된 노볼락 중합체를 포함한다. 본 발명에 따라 사용하기 적합한 실리콘 엘라스토머의 예는 메틸클로로실란, 에틸클로로실란 및 페닐클로로실란 등과 같은 클로로실란을 포함하는 전구체로부터 형성된 것들을 포함한다. 바람직한 실리콘 엘라스토머는 폴리디메틸실록산(PDMS)이다. 예시적인 폴리디메틸실록산 중합체는 미시간주 미들랜드의 다우 케미칼 캄파니(Dow Chemical Co.)에 의해 상표명 실가드(Sylgard) 하에 시판되는 것들, 특히 실가드 182, 실가드 184, 및 실가드 186을 포함한다.
실리콘 중합체, 예를 들면 PDMS는 본원에서 기재되는 마이크로유체 그물구조 구조물의 제작을 단순화시키는 몇 가지 바람직한 유리한 성질들을 갖기 때문에 본 발명의 특정 실시태양에 사용하기 바람직하다. 첫째로, 상기 물질은 저렴하고, 쉽게 입수할 수 있고, 열을 이용한 경화를 통해 전구중합체 액체로부터 고화될 수 있다. 예를 들면, PDMS는 대표적으로는 전구중합체 액체의 예를 들면 약 65 ℃ 내지 약 75 ℃의 온도에의 예를 들면 약 1 시간의 노출 시간 동안의 노출에 의해 경화될 수 있다. 둘째로, 실리콘 중합체, 예를 들면 PDMS는 엘라스토머성이고, 엘라스토머 물질로부터 형성된 마이크로유체 그물구조는 가요성이며 일치한 구조물을 제공하는 이점을 가질 수 있고, 그 안에 활성 엘레멘트, 예를 들면 통합 밸브 및 펌핑 엘레멘트를 포함하도록 보다 쉽게 제작될 수 있고, 이 엘레멘트는 그들의 성능을 위하여 물질의 가요성 및 탄성을 이용할 수 있다.
실리콘 중합체, 예를 들면 PDMS로부터 마이크로유체 그물구조를 형성하기 위한 다른 이점은, 산화된 구조물이 그들의 표면 상에 다른 실리콘 중합체 표면과 또는 각종 다른 중합체 및 비-중합체 물질의 산화된 표면과 가교결합할 수 있는 화학 기를 함유하도록 예를 들면 산소-함유 플라즈마, 예를 들면 에어 플라즈마에의 노출에 의해 산화될 수 있는 능력이다. 따라서 PDMS와 같은 실리콘 중합체를 이용하여 제조된 마이크로유체 구조물은 산화될 수 있고, 별도의 접착제 또는 다른 밀봉 수단의 필요없이, 다른 실리콘 중합체 표면에 또는 산화된 실리콘 중합체 표면과 반응성인 다른 지지체의 표면에 본질적으로 가역적으로 밀봉될 수 있다. 또한, 산화된 실리콘 중합체로부터 형성된 마이크로유체 구조물은 산화된 실리콘 중합체로 이루어진 표면을 갖는 채널을 포함할 수 있고, 이 표면은 대표적인 엘라스토머 중합체의 표면보다 훨씬 더 많이 친수성이고 본 발명의 특정 실시태양을 실행하는데 유용한 특정 실란과 같은 특정 표면 처리제와 더 반응성일 수 있다. 따라서 상기 친수성 채널 표면은 대표적인 산화되지 않은 엘라스토머 중합체 또는 다른 소수성 물질로 구성된 구조물의 경우에서보다 더 쉽게 수용액으로 충전 및 습윤될 수 있다.
그 자체에 가역적으로 밀봉가능한 것 외에, 산화된 PDMS는 또한 예를 들면 PDMS 표면과 유사한 방식으로(예를 들면, 산소-함유 플라즈마에의 노출을 통해) 산화되어 있는, 유리, 규소, 산화규소, 석영, 질화규소, 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 유리질 탄소 및 에폭시 중합체를 비롯한, 그 자체 외의 일정 범위의 산화된 물질에 가역적으로 밀봉될 수 있다. 본 발명의 내용에서 유용한 산화 및 밀봉 방법은 아래에서 및 또한 본원에서 참고문헌으로 인용되는 문헌[Duffy et al., Rapid Prototyping of Microfluidic Systems and Polydimethylsiloxane, Analytical Chemistry, Vol. 70, pages 474-480, 1998]에서 보다 상세하게 설명된다.
본 발명은 특정 실시태양에서, 액체 금속, 예를 들면 땜납을 마이크로유체 채널 내로 주입시키고 금속이 냉각 및 고화되도록 함으로써 입체적인(1, 2, 3 또는 더 많은 평면 레벨) 복잡한 금속 마이크로구조물을 제작하는 방법을 제공한다. 제작 후, 특정 실시태양에서, 금속 구조물은 파괴되지 않고서 구부러지거나, 굴곡되거나 또는 뒤틀릴 수 있다. 또한 본원에서 "마이크로고체학"으로 불리는 제작 방법은 특정 실시태양에서, 성형가능한/경화가능한 중합체(예를 들면, 폴리(디메틸실록산)(PDMS))로 마이크로유체 채널을 제작하는, 특히 단일 및 다중-레벨/다층 PDMS 마이크로유체 그물구조를 제작하는 방법을 이용한다. 아래에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 특정 실시태양에서, 마이크로유체 그물구조는 적절한 표면 화학을 사용하여 금속-중합체 계면의 계면 유리 에너지를 제어하도록 처리된다. 본 발명의 접근법은 특정 실시태양에서 가요성 전자 회로 또는 회로들 사이의 접속, 복잡한 매립형 또는 독립형 3-D 금속 마이크로구조물, 3-D 전자 부품, 및 혼성 전자-마이크로유체 소자를 구성하는 것을 가능하게 만든다.
특정 실시태양에서, 본 발명은 용융된 땜납을 PDMS로 만들어진 마이크로유체 채널의 그물구조 내로 주입시켜 입체적인 금속 마이크로구조물을 제작하는 기술을 제공한다(예를 들면, 도 5 참조). 이 기술은 예를 들면, 매우 작은 횡단면 치수, 예를 들면 직경 50 ㎛ 및 두께 10 ㎛ - 1 ㎜를 갖는 금속 구조물을 제작할 수 있게 만든다. 한 세트의 실시태양들(예를 들면, 실시예 5 참조)에서, 본 발명의 절차는 적어도 다음의 5개 단계들을 포함한다: (i) 소프트 리소그래피 및 신속한 프로토타이핑 기술을 사용하여 PDMS 마이크로유체 그물구조 구조물 내에 마이크로유체 채널의 제작; (ii) 그들의 유리 표면 에너지를 감소시켜 이들을 금속에 대해 더 습윤성을 만들기 위한 하나 이상의 마이크로채널(예를 들면, 증착된 금속, 알칸티올 또는 실란으로, 예를 들면 3-머캅토프로필트리메톡시실란으로)의 적어도 일부분의 안쪽 표면의 산화 및 코팅; (iii) 개질되지 않은 벽 채널들은 습윤되지 않을 수 있어서, 이에 의해 구조물 내 공극을 남겨두면서 표면 처리된 채널의 벽은 액체 땜납에 의해 보다 신속하게 습윤될 수 있도록 가압 주입, 펌핑, 또는 금속을 채널 내로 끌어당기는 진공의 인가에 의한 용융 땜납의 채널 내로의 도입; (iv) 고체 금속 마이크로구조물을 형성시키는 채널의 냉각; 및 (v) 마이크로유체 그물구조 구조물의 굴곡, 뒤틀림, 롤링 등에 의한 땜납-충전된 채널 시스템의 비-평면 형태(경우에 따라)로의 성형(이러한 형태를 변화시키는 기술은 금속이 비교적 얇은(50-200 마이크로미터) PDMS 층들로 봉입되어 있을 때 특히 잘 작용한다). PDMS의 층내에 봉입된 금속 구조물을 갖는 것의 유용한 특징은 금속 구조물 내의 임의의 파단 및 결함(예를 들면 구조물의 굴곡으로부터 야기되는 것들)이 땜납 합금의 용융 온도 이상으로 채널을 가열하고 냉각함으로써 복구될 수 있다는 것이다. PDMS 매트릭스는 경우에 따라, 임의의 시간에 적합한 용매, 예를 들면 테트라부틸암모늄 플루오라이드(TBAF)로 용해되어, 도금 또는 다른 기술에 의해 추가로 변형될 수 있는 독립형 입체 금속 구조물을 생성시킬 수 있다(예를 들면, 실시예 7-9 참조).
금속 마이크로구조물을 제작하는 본 발명의 방법은 신속하고, 간단하며, 재현가능할 수 있고, 최소한의 장비를 필요로 한다. 금속이 전형적으로 경질 지지체 상에 층방식으로 패턴화되는 대표적인 종래의 마이크로제작 기술(예를 들면, 증발 또는 전기도금)과는 대조적으로, 본 발명의 마이크로고체 구조물에 사용된 금속은 한 단계에서 예를 들면 가요성 PDMS 금형에 매립된 마이크로유체 채널로 된 그물구조 내로 주입될 수 있다. 이 공정은 다른 방법을 사용할 때 만들기 어렵거나 또는 시간-소모적인 구조물의 제작을 가능하게 만들 수 있다. 본 발명에 따라 제작될 수 있는 마이크로고체 구조물의 예시적인 및 비-제한적인 목록은 파괴없이 3개의 치수에서 굴곡되거나, 뒤틀리거나, 뚤뚤 감거나, 묶거나, 롤링되거나 또는 땋을 수 있는 가요성 마이크로유체 그물구조의 평면 금속 구조물 및 입체적인 멀티레벨 형태, 예를 들면 바구니 엮는 직조법 패턴 또는 마이크로유체 채널 주위에 감겨진 코일을 갖는 가요성 마이크로유체 그물구조 내에 매립된 복잡한 금속 구조물을 포함한다(도 4A 및 4B 및 실시예 6 참조). 이러한 복잡한 구조물은 예를 들면 전자공학에서 그 용도를 갖는다. 예를 들면, 본 발명에 따라 제작된 PDMS에 매립된 몇가지 전자 소자들, 즉 가요성 FM 라디오, 고주파수 변압기, 마이크로유체 채널용 코일 가열기, 및 상자성 입자들을 포획, 방출 및 방향전환시키기 위한 전자석이 실시예 부분에서 상세하게 개시되어 있다. 한 실시예가 본 발명의 많은 가능성들 중 일부를 입증하는 것처럼, 8-핀(pin) DIP 프로세서, 저항기, 축전기, 외부 9 V 배터리, 및 외부 헤드폰을 포함하는 FM 라디오가 제작될 수 있다. 소자의 접속 선들은 본원에서 기재된 절차에 따라 마이크로유체 채널내로 주입된 금속 땜납들로 구성되었다. 라디오는 굴곡 및 뒤틀릴 수 있으며, 여전히 성공적으로 수신하여 FM 라디오 스테이션을 87.9 FM으로부터 107.9 FM으로까지 증폭시킬 수 있다.
특정 실시태양에서, 선/전도성 경로의 횡단면적을 변형시킴으로써, 물질의 형태를 조작한 후에 매립된 선/전도성 경로의 최종 형태를 제어하는 것도 또한 가능하다. 선/전도성 경로의 기계적인 성질은 또한 마이크로유체 채널 내로 주입된 금속 합금의 조성 또는 선/전도성 경로를 둘러싸는 마이크로유체 금형 구조물을 포함하는 물질의 두께를 증가시킴으로써 조작될 수도 있다.
본 발명에 의해 제공된 기술은 특정 경우, 대표적인 선행 기술의 마이크로제작 기술에 비하여 특정 이점들을 제공할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 땜납 마이크로구조물은 제작하기 간단할 수 있으며, 마이크로유체 시스템의 종래의 신속한 프로토타이핑에 이미 대표적으로 사용되는 것들 외에 최소한의 장비(예를 들면, 열판 및 주사기/펌프/진공원)를 필요로 할 수 있다. 또한, 본 발명의 땜납 마이크로구조물은 신속하게 제작될 수 있는데, 예를 들면 구조물의 크기에 따라, PDMS 금형의 가열, 액체 땜납의 마이크로유체 채널 내로의 주입 및 구조물의 25 ℃로의 냉각 공정은 5분 미만이 걸릴 수 있다. 또한, 본 발명의 특정 실시태양에서, 마이크로유체 채널 및 금속 특징부들은 단지 한 리소그래피 마스크를 사용하여 제작될 수 있으며, 마이크로고체 구조물의 형태는 임의적일 수 있고, 리소그래피에 의해 형성된다. 게다가, 본 발명의 기술은 특정 실시태양에서, 단일 단계로 특정 실시태양의 마이크로유테 채널에 매우 근접하게(예를 들면, <10 ㎛, <5 ㎛, <3 ㎛, <2 ㎛, 또는 <1 ㎛) 금속 구조물, 예를 들면 선, 전극 및 전자석의 제작을 가능하게 만들 수 있다. 앞에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 금속 마이크로고체 구조물은 많은 목적에, 예를 들면 마이크로유체 채널 내에 흐르는 액체를 가열하기 위하여 및/또는 전기 또는 자기장을 생성시키기 위하여 사용될 수 있다. 마이크로유체 금형 구조물을 형성하는데 절연 물질이 사용된 특정 실시태양에서, 전도성 경로가 형성되어 절연 물질(예를 들면, PDMS)의 박층에 의해 마이크로유체 채널로부터 절연된다.
게다가, 본 발명의 기술은 특정 실시태양에서, 평활한 표면 상에 금속 구조물을 패턴화하는 것에 한정되지 않는다. 특정 실시태양에서, 본 발명의 기술을 사용할 때 제작에 값비싼 도금 용액, LIGA용 장비 또는 긴 증발 단계를 필요로 하지 않으면서 수십 또는 수백 마이크로미터의 두께를 갖는 금속 구조물이 가능하다. 유리하게는, 특정 실시태양에서, 본 발명의 기술을 사용하여 제조된 금속 선은 높은 전기 전도도(예를 들면, 은의 전도도의 20％ 이상)를 가질 수 있다. 또한, 땜납과 같은 저용융 온도 금속을 사용할 때, 본 발명의 마이크로고체 구조물은 "치유될" 수 있다, 즉 소자내 땜납이 재용융되고 재유동되어 땜납 선의 연속성에서의 임의의 균열 또는 결함을 복구할 수 있다. 본 발명의 특정 실시태양에서, 본 발명의 기술은 대표적인 선행 기술의 방법을 사용하여 제조하기 어렵거나 또는 시간 소모적인 복잡한 형태를 갖는 멀티레벨/다층 금속 구조물을 제작하는 것을 가능하게 만든다. 특정 실시태양에서, 본 발명의 마이크로고체 구조물 내 금속은 마이크로유체 채널의 제작 후에 한 단계로 성형된다. 예를 들면, 특정 실시태양에서, 금속 특징부는 마이크로유체 채널의 복수개의 층들(1 내지 16 초과(예를 들면, 실시예 6 및 도 10C 참조))을 관통할 수 있고, 10 ㎛ 이하 내지 100 ㎛ 초과의 두께로 제작될 수 있다. 특정 실시태양에서, 예를 들면 금속의 하나 이상의 두께, 금속을 둘러싸는 마이크로유체 금형 구조물의 두께 및/또는 조성, 및/또는 채널 내로 주입된 금속의 성질 조작에 의해 그의 형태를 유지하는 구조물로 굴곡/뒤틀림/롤링되는 가요성 구조물을 사용하여 입체적인 형태/방향성을 갖는 가요성 금속선을 제작하도록 단층 구조물을 조작하는 것이 가능하다.
본 발명의 특정 실시태양은 마이크로유체 그물구조에 매립된 마이크로구조물 및 복잡한 입체 금속선 및 복잡한 독립형 금속 마이크로구조물을 제조하기 위한 새로운 접근법을 제공한다. 이러한 선 및 마이크로구조물은 가요성 전자 회로, 입체적인 전자 부품, 및 혼성 전자-마이크로유체 소자를 제조하는데 사용될 수 있다. 본 발명의 기술의 다양한 용도로는 고주파수 또는 전자파 안테나 또는 안테나의 어레이, 가요성 또는 마이크로규모 배터리용 양극, 마이크로규모 또는 경량 배터리 내 촉매 표면, 자기장 발생기, 3-D 마이크로시스템 내 빛 제어용 물질, 선-결합없이 만들어진 집적 회로 등의 제작을 포함하지만 이들로 제한되지는 않는다.
혼성 전자/마이크로유체 구조물을 제작하기 위한 본 발명의 한 특정 용도는 전자석 시스템의 제작을 포함한다. 이 용도는 아래 실시예 14에서 훨씬 더 상세하게 설명되고, 예시적인 소자는 도 14-18에 예시된다. 특정 실시태양에서, 본 발명은 마이크로유체 채널에 매우 근접한(예를 들면, 10 ㎛ 이하로 떨어져 있음) 마이크로유체 그물구조에서 마이크로규모 치수를 갖는 전자석을 제작하기 위한 간단한 방법을 제공한다. 선을 통해 전류를 흘려보냄으로써, 인접하는 마이크로유체 채널 내에 자기장 및 자기장 구배가 생성될 수 있다. 특정 실시태양에서, 본 발명의 특정 실시태양의 마이크로고체 전자석은 인접한 마이크로유체 채널들 내의 흐름 중에 현탁된 상자성 비이드 또는 다른 자성 입자들을 신속하게(예를 들면, 1s 미만) 포획 및 방출하는데 사용될 수 있다(도 18A-18C). 특정 전자석이 또한 채널을 관통하여 흐르는 입자, 예를 들면 초상자성 비이드의 현탁액을 접합점에서 2개의 마이크로유체 채널들 중 하나 내로 분류하는데 사용될 수도 있다(도 18E 내지 18G). 본 발명의 전자석 소자는 소자의 선들을 통해 전류가 흘러 인접하는 마이크로유체 채널들 내의 자기장 및 자기장 구배를 발생시킬 때, 이들 장 및 구배가 선 내 전류의 방향에 실질적으로 직교하도록 구성 및 배치될 수 있다. 자기장 구배 및 자기장의 강도는 선을 통과하는 전류의 크기를 조절함으로써 제어될 수 있다.
마이크로유체 채널 근처에 전자석을 제작하는 본 발명의 방법은 신속하고, 간단하며 재현가능할 수 있고, 최소한의 장비를 요구한다. 유체 및 전자석용 채널들은 또한 유리하게는 동일 평면내에서 및 단단계로 제작될 수도 있다. 게다가, 이러한 접근법이 리소그래피용 한 마스크를 사용하여 마이크로유체 시스템 내 복수개의 전자석을 제작하는 것으로 가능하게 만들 수 있으며, 정렬이 필수적이지도 않다. 본 발명의 기술은 규소 마이크로기계가공을 필요로 하지 않으면서, 전자석을 생성시킬 수 있다.
본 발명의 기술을 사용하여 만들어진 전자석은 영구 자석과는 달리, 특정 실시태양에서는 전기 스위치를 사용하여 켜지고 꺼질 수 있다. 전자석을 관통하는 전류는 다양한 파형을 취할 수 있고, 이에 의해 복잡한 시간 의존성을 갖는 자기장을 생성시킬 수 있다.
본 발명에 따라 제조될 수 있는 전자석은 4000 ㎛2 초과의 횡단면적을 가질 수 있고, 특정 실시태양에서는 1A 초과의 전류 및 22 kA/cm2 초과의 전류 밀도를 견딜 수 있다. 이들 특징들은 전자석에 인접한 마이크로유체 채널에서 2.8 mT 초과의 자기장 및 40 T/m 초과의 자기장 구배를 생성시킬 수 있게 만들 수 있다. 이들 자기장 구배는 3 pN 초과의 상자성 비이드에 미치는 힘을 발휘한다.
본 발명의 전자석 시스템은 마이크로시스템 기술자에게 마이크로유체역학 및 통합된 기능을 위한 새로운 부품을 제공하고, 응용 물리학자에세 마이크로시스템 내 전기적으로-제어가능한 자기장을 발생시키는 수단을 제공하고, 화학자 및 생명공학자에게 마이크로시스템 내에서 자성 비이드 또는 입자로 장식된 생체분자 및/또는 세포로 관능화된 비이드를 조작하기 위한 수단을 제공할 수 있다. 한 예시적인 일련의 용도에서, 본 발명의 전자석 시스템은 세포가 표면과 접촉하도록 하는데, 또는 관능화된 비이드가 마이크로유체 채널의 관능화된 벽과 접촉하도록 함으로써 비이드 표면 상에서 반응을 수행하는데 사용될 수 있다.
특정 실시태양에서는, 몇 개의 국소적인 자기장을 발생시키기 위하여 단일 마이크로유체 소자 내에 복수개의 전자석이 구성될 수 있다. 각 전자석은 독립적인 전기 신호를 사용하여 독립적으로 활성화될 수 있다. 자기장을 발생시키는 것 외에, 마이크로유체 채널을 가열하고 마이크로유체 채널을 가로질러 전기장을 인가하기 위해 전자석을 가용하는 것이 가능하다.
본 발명의 한 면은 서로 전기적으로 접속되어 있지 않은 제1 및 제2 전기-전도성 구역을 포함하는 마이크로유체 채널을 제공하는데, 이 전기 전도성 구역들은 예를 들면, 금속을 포함할 수 있고, 제1 전도성 구역의 금속이 용융될 수 있고, 액체 금속은 채널 내에서 유동하여 제2 전도성 구역과 전기 접속을 형성할 수 있다. 한 세트의 실시태양에서, 금속은 땜납을 포함하고, 마이크로유체 채널은 가요성 물질, 예를 들면 폴리(디메틸실록산)((PDMS)를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 면은 부품들 사이에 접속을 형성하는 것에 관한 것으로; 이들 접속은 자기-조립 공정에 의해 형성될 수 있다. 한 세트의 실시태양에서, 금속선을 포함하는 가요성 성분은 가열되어 금속선을 용융시킬 수 있고, 부품들은 조작 전과 상이한 부품들의 확립 또는 형태, 또는 다른 유기화를 갖는 구조물을 형성하도록 추가로 조작될 수 있고; 선을 포함하는 성분은 냉각될 수 있으며, 입체적인 전기 회로를 형성하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 한 면은 예를 들면 도 1에 예시된 실시태양에서 나타낸 바와 같이, 마이크로유체 시스템과 같은 구조물의 제1 구역 및 제2 구역 사이에 전기 접속이 형성되도록 구성된 시스템 및 방법을 제공한다. 도 1A에서는, 예를 들면 마이크로유체 소자일 수 있는 유체 소자(1-1)이 예시되어 있다. 소자(1-1)은 하나 이상의 중합체 물질(1-100), 예를 들면 PDMS로부터 형성될 수 있다. 다른 적합한 물질은 앞에서 설명되었고, 또한 아래에서 설명된다. 도 1A에 예시된 실시태양에서, 소자(1-1)은 2개의 일반적으로 평면적인 성분들, 또는 층(1-105 및 1-110)으로 이루어지는 것으로 나타나 있지만; 다른 실시태양에서는, 소자(1-1)은 더 많거나 또는 더 적은 물질의 층들로 형성될 수 있다. 소자(1-1) 내에는 포트(1-2 및 1-3)이 있는데, 이들은 유입구 및/또는 유출구일 수 있다. 포트(1-2 및 1-3)은 마이크로유체 채널(1-11)을 통해 유체 소통되고 있다. 도 1A에 예시된 실시태양에서, 포트(1-2 및 1-3)은 단일 채널(1-11)을 통해 접속된다. 예시된 실시태양에서, 채널(1-11)은, 구조물의 단일 레벨 내에 및 층(1-105 및 1-110)과 실질적으로 공면인 평면에 실질적으로 동일 평면상인 평면 내에(즉, 이와 정렬된 그의 길이방향 축) 및 구조물의 단일 레벨 내에 놓여지는, 아래에서 정의된 실질적으로 닫힌 마이크로유체 채널을 포함하였다. 다른 실시태양에서, 소자(1-1)은 포트(1-2 및 1-3) 외에 추가적인 포트들을 포함할 수 있고/있거나 추가적인 마이크로유체 채널을 포함할 수 있으며, 이들은 각각 마이크로채널(1-11)과 유체 소통가능하게 있을 수 있고/있거나 마이크로유체 채널(1-11)과는 독립적일 수 있다. 다른 배치에서는, 포트가 제공되지 않고; 단지 1개 이상의 채널만이 제공된다.
도 1A에 나타낸 바와 같이, 마이크로유체 채널(1-11)은 제1 전기-전도성 구역(1-5) 및 제2 전기-전도성 구역(1-15)를 포함한다. 나타낸 바와 같이, 이들 전기-전도성 구역들은 서로와 전기 접속되어 있지 않고 있다(전도성 구역들은 그대로 형성될 수 있거나 또는 접속의 결과로서 파괴되거나 또는 다른 방식으로 분리될 수 있다). 전기 전도성 구역들(1-5 및 1-15) 중 하나 또는 둘 모두는 전기-전도성 물질, 예를 들면 금속을 포함할 수 있다. 일부 경우, 금속은 아래에서 추가로 논의되는 바와 같이, 비교적 낮은 융점을 갖는다. 예를 들면, 제1 전기-전도성 구역(1-5)는 저융점 땜납(1-10)을 포함할 수 있고, 및 제2 전기-전도성 구역(1-15)는 다른 저용융 땜납(1-20)을 포함할 수 있다.
도 1A에는 또한 열원(1-50)이 예시되어 있다. 열원(1-50)은 예를 들면, 아래에서 추가로 논의되는 바와 같이 가열 엘레멘트, 열 램프, 전구 등일 수 있고, 열원(1-50)은 이것이 마이크로유체 채널(1-11) 및/또는 채널의 내용물 전부 또는 단지 일부분만을 가열하도록 위치할 수 있다. 도 1A에 나타낸 바와 같이, 열원(1-50)은 전기-전도성 구역(1-5)의 적어도 일부분을 가열할 수 있도록 위치한다. 구역(1-5) 내 땜납(1-10)의 일부분은 땜납의 융점보다 높은 온도로 가열되어, 땜납의 일부분(1-12)이 액체로 될 수 있다(도 1B). 액체 땜납은 이것이 제2 전기-전도성 구역(1-15)의 적어도 일부분과 접촉하여, 제2 전기-전도성 구역과의 전기 접속(1-60)을 만들도록 마이크로유체 시스템 내에서 흐를 수 있다(도 1C). 전기 접속은 금속(1-10 및 1-20) 중 하나 또는 둘 모두가 액체인 동안에 형성될 수 있다. 그러나, 액체 땜납은 마이크로유체 시스템 내에서 땜납의 융점 미만의 온도로 냉각되고, 이에 의해 땜납을 재고화시켜, 제1 및 제2 전기-전도성 구역들 사이에 고체 전기 접속(1-60)을 형성할 수 있다.
일부 경우, 후속 단계들에서 전기 접속의 재형성이 일어날 수 있다. 예를 들면, 도 1C에서의 제1 전기-전도성 구역(1-5) 및 제2 전기-전도성 구역(1-15) 사이의 것과 유사한 전기 접속(1-60)이 파괴된 경우, 파괴된 접속 근처에 열을 인가하여 제1 또는 제2 전기-전도성 구역 내 금속을 용융시켜 전기 접속(1-60)을 재형성시킬 수 있다. 이 방법은 경우에 따라 반복될 수 있다.
전기 접속의 형성 및/또는 재형성은 본 발명에 따라 자동화될 수 있다. 예를 들면, 특정 실시태양에서, 마이크로유체 그물구조는 서로 전기 소통하고 있고, 채널(들)을 따라 상이한 구역에서 중합체 내에 매립되어 있는 하나 이상의 센서(보이지 않음) 및 가열 엘레멘트를 포함할 수 있다. 센서 및 가열 엘레멘트는 채널 내 금속과 음성 피드백 루프를 만들 수 있다. 예를 들면, 센서는 센서가 위치하고 있는 채널의 구역 내에서 금속의 부재를 검출하고 신호를 하나 이상의 가열 엘레멘트에 보내어 가열 엘레멘트(들)이 채널의 그 구역에 국소적으로 열을 분포시키도록 할 수 있다. 가열 엘레멘트(들)로부터의 열은 그 구역 내 땜납이 채널 내에서 용융 및 유동하도록 만들고(도 1B), 이에 의해 채널을 충전시켜 센서로부터의 신호를 끌 수 있다.
본 발명의 다른 실시태양에서, 예를 들면 도 2에 나타낸 바와 같이, 구조물 내의 2개의 전기-전도성 구역들의 전기 부품을 통한 접속 방법이 개시된다. 이러한 구체적인 예에서, 소자(2-1)은 중합체 또는 다른 물질로 될 수 있고 제1 실질적으로 닫힌 마이크로유체 채널(2-5) 및 처음에는 제1 채널과 전기적으로 접속되어 있지 않은 제2 실질적으로 닫힌 마이크로유체 채널(2-50)을 포함하는 마이크로유체 구조물(2-100)을 포함한다(도 2A). 도 2A에 예시된 바와 같이, 제1 채널은 제1 유입구(2-10), 제1 유입구 근처의 제1 전극(2-15), 및 제1 터미날(2-20)(유출구일 수 있음)을 가질 수 있다. 제1 채널(2-50)은 제2 유입구(2-55), 제2 유입구 근처의 제2 전극(2-60), 및 제2 터미날 또는 유출구(2-65)를 가질 수 있다. 도 2B에 나타낸 바와 같이, 제1 채널(2-5)은 제1 전기-전도성 금속(2-30)으로 충전되고, 제1 전극(2-15)에 전기적으로 접속된다. 제2 채널(2-50)은 금속(2-30)과 동일하거나 또는 상이할 수 있는, 제2 전기-전도성 금속(2-70)으로 충전된다. 도 2C에서, 전기 부품(2-200), 예를 들면 LED는 제1 채널(2-5)의 제1 유출구(2-20)과 제2 채널(2-50)의 제2 유출구(2-65) 사이에, 예를 들면 2개의 유출구들을 가교연결시킴으로써 위치할 수 있다. 전기 성분(2-200)을 사용하여 예를 들면 다음과 같이, 제1 전기-전도성 금속(2-30) 및 제2 전기-전도성 금속(2-70) 사이에 전기 접속을 형성할 수 있다. 소자에 대하여 내부 또는 외부에 있는 임의의 에너지원일 수 있는 열원(2-300)이 아래에서 설명되는 바와 같이 전기 접속을 만들기에 충분한 에너지를 시스템에 인가하도록 위치할 수 있고(예를 들면, 유출구(2-20 및 2-65) 부근에 위치), 열을 그 구역들에 분포시켜 유출구(2-20 및 2-65) 내 전기-전도성 금속을 용융시킬 수 있다. 이어서 액체 금속이 LED와 접촉하여 제1 전기-전도성 금속(2-30)과 제2 전기-전도성 금속(2-70) 사이에서 소자와의 전기 접속을 달성할 수 있다. 물론, 제1 전기-전도성 금속(2-30)과 제2 전기-전도성 금속(2-70) 사이에 다른 전기 접속이 있을 수 있다. 예를 들면, 제1 전극(2-15) 및 제2 전극(2-60)은 전압원(2-90)과의 접속을 통해 서로에 전기 접속될 수 있다.
본 발명의 다른 실시태양에서, 예를 들면 도 3에 나타낸 바와 같이, 마이크로유체 시스템 내에 금속을 포함하는 전자 접속을 제작하는 방법이 설명된다. 이 방법은 마이크로유체 시스템을 형성하는 구조물(3-1)을 제공하는 작업을 포함한다. 마이크로유체 시스템은 일부 경우, 실질적으로 닫힌 마이크로유체 채널(3-5)를 포함한다. 마이크로유체 시스템은 예를 들면 PDMS 3-100에 매립된 마이크로유체 채널(3-5)일 수 있다. 마이크로유체 채널은 포트(3-2 및 3-3)을 가질 수 있고, 이것은 액체가 채널(3-5) 내로 및 채널(3-5)로부터 흐를 수 있도록 할 수 있는 유입구 및/또는 유출구일 수 있다. 마이크로유체 채널(3-5)는 부분적으로 또는 실질적으로 금속으로 충전될 수 있거나, 또는 3A에 나타낸 바와 같이, 마이크로유체 채널(3-5)에 금속이 없을 수 있다. 마이크로유체 채널(3-50)의 벽은 도 3B에 나타낸 바와 같이, 금속을 채널(3-5)에 첨가하기 전에, 임의로 채널의 벽 상으로의 화학물질(3-70)의 층의 증착과 같은 공정에 의해 처리된다. 아래에서 추가로 상세하게 설명되는 이 공정은 채널이 보다 쉽게 습윤되어 액체, 예를 들면 액체 금속(3-80)이 채널의 자발적인 데웨팅(dewetting) 없이 채널 내로 흐를 수 있도록 한다. 일부 경우, 액체 금속은 단지 부분적으로 채널(3-5)를 충전시키거나, 또는 도 3C에 예시되는 바와 같이, 액체 금속(3-80)은 채널(3-5)의 횡단면 및 길이 전체를 충전시킨다.
물론, 상기 설명한 것들과 다른 배열들이 본 발명의 범위 내에 포함된다. 예를 들면 본 발명은 유입구 또는 유출구가 있는 채널 그 자체를 갖지 않지만, 다른 방식으로 마이크로유체 구조물을 관통하여 상기한 바와 같이 파괴되고 재형성된 또는 상기한 바와 같이 형성된 전기-전도성 경로를 형성하는 시스템에도 적용될 수 있다. 예를 들면, 구조물 내에 전기 리드가 매립되어 상기한 바와 같이 전기-전도성 경로를 통해 서로에 접속될 수 있다.
본 발명의 다른 면에서, 금속은 용융되었을 때 채널 내로 흐를 수 있도록 위치할 수 있다. 예를 들면, 제1 전극 및 제2 전극 각각은 실질적으로 닫힌 마이크로유체 채널과 전기 소통하고 있을 수 있다. 금속은 용융되었을 때 채널 내로 흐를 수 있도록 위치할 수 있으며, 용융되었을 때 제1 전극 및 제2 전극 모두와 접촉할 수 있다. 금속은 소자를 조작하는 작업과 함께 용융되었을 때, 또는 용융되었을 때 원하는 채널 내로 흐를 수 있도록 채널 부근의 임의의 곳에 위치할 수 있다.
한 실시태양에서, 고체 땜납 덩어리가 용융되었을 때 채널 내로 흐를 수 있도록 하는 위치에, 예를 들면 마이크로유체 채널의 유입구 근처에 위치할 수 있다. 땜납은 땜납의 융점보다 높은 온도가 적용되도록, 가열 엘레멘트를 사용하여 예를 들면 땜납 근처의 영역에 국소적으로 열을 인가하여 실질적으로 닫힌 마이크로유체 채널의 적어도 일부분 내로 흐르도록 야기될 수 있다. 액체 땜납은 모세관력에 의해 또는 압력 또는 진공의 채널로의 인가에 의해 또는 임의의 다른 수단에 의해 채널을 충전시킬 수 있다. 액체 땜납이 채널 내로 들어간 후 임의의 시점에서, 이것은 실질적으로 닫힌 마이크로유체 채널 내에서 금속의 융점 미만의 온도로 냉각되어, 이에 의해 금속이 고체로 될 수 있다. 후속되는 땜납의 재용융 및/또는 재냉각 단계들도 또한 수행될 수 있다.
다른 실시태양에서, 소자는 제1 채널이 제2 채널 및 제3 채널과 유체 소통하고 있는 마이크로유체 시스템을 포함할 수 있다. 제2 채널은 제1 유출구 및 제1 유출구에 위치하는 제1 전극을 포함할 수 있다. 제3 채널은 제2 유출구 및 제2 유출구에 위치하는 제2 전극을 포함할 수 있다. 금속은 제1 채널에 함유될 수 있다. 가열 엘레멘트는 금속의 융점보다 높은 온도를 갖는 열은 인가하여 금속이 제2 채널 및 제3 채널 내로 용융될 수 있도록 하는데 사용될 수 있다. 제2 및 제3 채널 내 금속은 제1 전극 및 제2 전극과 전기 접속을 형성할 수 있다. 전극들은 소자 내에서 전기 회로를 완성할 수 있다.
다른 실시태양에서, 금속은 밸브 또는 차단층에 의해 채널로부터 분리된 채널에 인접하는 챔버에 위치할 수 있다. 소자를 조작하는 작업은 채널과 챔버 사이에 유체 소통을 만들기 위하여, 밸브를 돌리거나 또는 열을 차단층에 인가하여 차단층을 용융시키는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 면은 전기 소자의 자기-조립 방법을 제공한다. 자기-조립된 소자는 한 엔티티(entity) 중 적어도 2개의 구역들(또는 복수개의 엔티티를 나타내는 2개 이상의 구역들)이 서로에 대하여 이동할 수 있고, 물리적으로 엔티티(엔티티들)의 임의의 구역이 엔티티(또는 엔티티들) 외부의 장치와 접촉하고 있지 않으면서 서로 접촉할 수 있는) 구조 응집체로의 한 엔티티(또는 엔티티들)의 복수개의 구역들의 자발적인 회합으로 본원에서 정의되는 "자기-조립" 공정에 의해 형성된 소자이다. 자기-조립의 예로 자발적인 회합이 아래에서 설명된다.
한 실시태양에서, 자기-조립된 전기 소자의 형성 방법은 제1 전기-전도성 구역을 포함하는 제1 구조 부분을 제공하고, 제2 전기-전도성 구역을 포함하는 제2 구조 부분을 제공하는 작업들을 포함한다. 전기-전도성 구역들은 상기 정의된 바와 같은, 전기-전도성 금속, 뿐만 아니라 선, 전도성 패드, 전극 등을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 구조 부분들은 제1 및 제2 부분들이 서로 접촉하게 되도록 제1 또는 제2 부분들 중 하나와 물리적으로 접촉하기 위해 외부 장치를 필요로 하지 않는 임의의 방법에 의해 제1 모습으로부터 제2 모습으로 제1 및 제2 부분들이 서로에 대하여 이동하게 되는 경우 자발적으로 회합된다. 제1 및 제2 구조 부분들은 일체적일 수 있거나, 즉 단일 구조물의 2개의 부분들일 수 있거나, 또는 다르게 서로에 연결되거나 또는 자기-조립 전에 별도의 연결되지 않은 부품들일 수 있다. 제2의 자발적으로 회합된 모습은 일부 경우, 제1 및 제2 전기-전도성 구역들 사이에 전기 접속을 형성할 수 있다.
예를 들면, 제1 및 제2 구조 부분 각각이 자성 엘레멘트를 포함하는 경우, 자기장을 생성시키는 외부 장치를 가하여 제1 및 제2 부분의 자성 엘레멘트가 서로 끌어당기도록 할 수 있다. 제1 및 제2 부분의 자성 엘레멘트의 인력은 제1 및 제2 부분들이 서로 접촉하도록 할 수 있다. 이 방법은, 자기장이 상기 부분들 중 하나 또는 둘 모두와 물리적으로 접촉하는 장치 대신에 제1 및 제2 부분들이 접촉하게 하는데 사용되기 때문에 자발적인 회합의 한 예이다. 자발적인 회합의 다른 예는 모세관력, 반 데르 바알스력, 정전기력, 친수성/소수성 힘 등에 의한 인력을 포함한다. 제1 및 제2 부분들은 적어도 제1 구조 부분 및 제1 전기-전도성 구역이 이동 공정 동안에 상당히 변형되고, 일부 실시태양에서는, 제1 보다 가요성 상태로 있는 제1 전기-전도성 구역이 제2 모습의 제2의 보다 경성 상태로 전환되는(또는 그 반대의 경우) 조건 하에서 자발적으로 회합할 수 있다. 변형의 예는 굴곡, 스트레칭, 수축, 팽창 등을 포함한다. 본 문맥에서, "상당한 변형"은 인간에 의해 육안으로 또는 현미경을 통해서 등 쉽게 확인할 수 있을 정도의 변형을 의미한다. 예를 들면, 구조 부분의 한 구역의 상당한 변형은 예를 들면, 초기 선형 부분의 적어도 일부분이 초기 선형 부분의 다른 부분에 대하여 적어도 2 °, 5 °, 10 °, 15 °, 20 °, 30 ° 또는 더 큰 각도의 각을 형성하도록 하는 본질적으로 선형 부분의 변형을 포함할 수 있다. 다르게는, 한 구역의 상당한 변형은, 적어도 한 구간이 예를 들면 적어도 2％, 5％, 10％, 15％, 20％ 또는 그 이상의 양으로 육안으로 쉽게 확인할 수 있는 방식으로 늘어나거나 또는 줄어들도록 하는 만곡 유도, 스트레칭 또는 신장 또는 수축 또는 압축을 포함할 수 있다. 일부 경우, 제1 전기-전도성 구역은 예를 들면 제1 상태인 액체로부터 제2 상태인 고체로 상을 변화시켜 구역이 제2 상태보다 제1 상태에서 보다 가요성이도록 한다.
이제 다양한 정의가 제공되는데, 이들은 본 발명의 이해에 도움을 줄 것이다. 하기 이들 정의들 중간에 추가적인 측면 및 실시태양들을 비롯한 추가의 내용이 개시되는데, 이들은 본 발명의 보다 완전하게 설명할 것이다. 본원에서 사용된 "마이크로유체 채널 시스템"은 적어도 한 횡단면 치수가 1 밀리미터(㎜)인 적어도 한 채널을 포함하는 소자, 장치 또는 시스템을 말한다.
본원에서 사용된 "비-유체적으로 상호연결된" 유체 유로는 각각 하나의 채널 또는 복수개의 유체적으로 상호연결된 채널들을 포함하는 유체 유로를 말하는데, 여기서 상이한 유로를 갖는 채널들은 교차되지 않고 구조물 내에서 서로로부터 물리적으로 격리되어 있어서 이들은 유체 스트림의 벌크 혼합을 통해 서로들 사이에서 유체 소통하지 않을 수 있다.
본원에서 사용된 "유체 유로"는 유체 또는 고화된 유체를 함유할 수 있거나 또는 이를 통해 유체가 연속적으로 흐를 수 있는 마이크로유체 구조물 내에 공간을 제공하는 한 채널 또는 일련의 2개 이상의 상호연결된 채널들을 말한다. 구조물의 각 유체 유로는 마이크로유체 구조물 외부 환경과 유체 소통가능하게 놓여질 수 있는 하나 이상의 개구를 포함할 수 있고, 유체 유로의 일부 실시태양들은 마이크로유체 구조물 외부 환경과 유체 소통가능하게 놓여질 수 있는 2개 이상의 개구를 포함하여 유입구 및 유출구를 제공한다.
본원에서 사용된 "채널"은 마이크로유체 그물구조 구조물의 하나 이상의 레벨 안에 배치되고/되거나 마이크로유체 그물구조 구조물의 하나 이상의 레벨을 침투 통과하는 유로 또는 유로의 연속 단편을 말한다. 본원에서 사용된 "상호연결된 채널"은 서로 사이에서 및 서로를 관통하여 유체 소통할 수 있는 구조물 안의 2개 이상의 채널을 말한다. 본원에서 사용된 "실질적으로 닫힌" 채널은 실질적으로 닫힌 채널이 유입구, 유출구, 노출된 접촉 구역 등을 포함할 수 있는 것을 제외하고는, 벽(들)에 의해 실질적으로 포함되고 에워싸여지는 임의의 유로를 말한다. 본원에서 사용된 "비-선형" 유로 및/또는 채널은 채널 또는 유로의 최소 횡단면 치수와 같은 양 이상으로 그의 길이를 따른 직선으로부터 벗어나는 길이방향 축을 갖는 유로 또는 채널을 말한다. 본원에서 사용된 채널 또는 유로의 "길이방향 축"은 상기 채널 또는 유로의 전체 길이를 따라 배치된 축을 말하며, 이것은 상기 채널 또는 유로가 그를 관통하여 유체가 흐르도록 구성되어야 하는 채널 또는 유로를 관통하여 흐르는 임의의 벌크 유체의 방향의 기하학적 중심선과 같은 공간에 걸쳐있고 이에 의해 형성된다. 예를 들면, 선형 또는 "직선" 채널은 본질적으로 선형인 길이방향 축을 갖는 경향이 있는 반면, 유체적으로 상호연결된 일련의 상기 직선 채널들을 포함하는 유체 유로는, "비-선형"인, 유체 유로를 형성하는 개별적인 상호연결된 채널들의 상호연결된 길이방향 축들을 포함하는 길이방향 축을 가질 수 있다. 마이크로유체 구조물의 층들 또는 한 레벨 또는 복수개의 레벨 "안에 놓이는" 또는 "안에 배치되는" "에 배치되는", "안에 포함되는" 또는 "에 포함되는" 채널은 본원에서 그것이 그 안에 놓여지거나, 배치되거나 또는 포함되는 레벨(들)/층(들)과 동일평면인, 또는 곡선 표면에 의해 형성된 레벨/층의 경우, 표면의 윤곽을 따라 놓여지는 길이방향 축을 갖는 상기 채널을 말한다. 구조물의 레벨/층 또는 복수개의 레벨들/층들을 "침투하거나", "침투 통과하거나" 또는 "가로지르는" 채널은 본원에서 상기 채널의 길이방향 축이 그 레벨 안에 배치될 수 있는 임의의 선과 평행하지 않도록 레벨(들)/층(들)과 동일평면이 아닌, 또는 곡선 표면에 의해 형성된 레벨의 경우, 레벨(들)/층(들)의 표면의 윤곽을 따라 놓여지지 않는 길이방향 축을 갖는 상기 채널을 말한다.
본원에서 사용된 "멀티-레벨 마이크로유체 그물구조" 또는 "멀티-레벨 마이크로유체 그물구조 구조물"은 그 안에 3개 이상의 채널을 포함하고 더 많은 갯수를 포함할 수 있는, 고화될 수 있는 유체를 함유할 수 있는 및/또는 그를 관통하여 유체 흐름을 제공할 수 있는 구조물을 말하며; 추가로, 구조물은 3개의 채널들의 길이방향 축들이 그 안에 배치되어 있는 단일 평면 또는 곡선 평면 표면이 존재하지 않도록 서로에 대하여 배열된 3개 이상의 채널을 포함한다. 상기 멀티레벨 마이크로유체 그물구조는 그의 구조물의 입체성 때문에, 예를 들면 구조물 안에 공간의 x, y 및 z 방향 성분 각각을 따라 정렬된 길이방향 축들(채널 안의 벌크 유체 흐름의 방향과 평행하게 정렬된 채널의 축방향 중심선으로 정의됨)을 갖는 채널들을 제공할 수 있다. 상기 구조물은 도 4A, 4B, 9, lOA-lOF 및 13A에 예시되어 있다. 멀티-레벨 그물구조로 배열된 채널들을 갖는 마이크로유체 구조물을 제조할 수 있는 능력은 시스템이 그 안에 하나 이상의 독립적인 유체 유로를 제공하는 복수개의 채널들을 포함할 수 있도록 하고, 여기서 채널 및 유로들은 구조물의 채널들이 구조물 안에서 서로 위 및/또는 아래 교차할 수 있는 능력을 갖기 때문에 임의적으로 복잡한 기하형태 그물구조로 배열될 수 있다.
멀티-레벨 마이크로유체 그물구조가 평형 투영으로 그들의 교차점에서 채널들의 교차를 피하도록 하기 위하여, 전형적으로는, 구조물 안에 적어도 3개의 식별가능한 "레벨"들, 즉 바닥 레벨 내에 포함된 채널 "위"를 가로지르는 채널이 그 안에 배치되어 있는 "상부" 레벨 "아래"를 가로지르는 채널이 그 안에 배치되어 있는 "하부" 레벨, 및 하부 및 상부 레벨들의 채널들을 격리시키고 일련의 상호연결된 채널들로 구성된 유체 유로를 형성시키기 위하여 상부 레벨 상의 채널과 하부 레벨내 채널을 유체적으로 연결하는, 그를 침투 통과하는 연결 채널을 포함하는 중간 레벨이 제공된다. 본 내용상에서의 용어 "하부" 및 "상부"는 단지 구조물의 다양한 레벨들의 상대적 위치를 제시하기 위한 것으로 공간 내 구조물의 임의의 특정 배향을 암시하기 위한 것은 아니다. 예를 들면, 구조물은 "하부" 레벨이 "상부" 레벨 위에 위치하거나, 또는 레벨들이 나란하게 위치하거나 할 수 있도록 뒤집어지거나, 공간에서 회전하거나 할 수 있다. 가요성 구조물과 관련된 또 다른 실시태양에서, 구조물은 뒤틀리거나 또는 굴곡될 수 있고 이에 의해 평면 레벨이 공간 내의 곡선 표면으로 변형되어 구조물의 "상부" 및 "하부" 레벨들이 전체 구조물 내의 상이한 위치에서 서로에 대하여 상이하게 위치할 수 있게 된다. 임의적으로 복잡한 채널 그물구조를 갖는 마이크로유체 그물구조를 제조하기 위해서, 구조물 내의 채널들이 서로의 위 또는 아래로 가로질러서 구조물 내에서 "교차하는" 채널들의 물리적인 "교차"없이 공간 내에서 서로 교차하도록 하는데 투영에서 3중 또는 그 보다 더높은 차수의 점들이 필수적이지 않기 때문에, 전형적으로는 추가적인 레벨들이 필요하지 않다. 멀티-레벨 마이크로유체 그물구조 뿐만 아니라 이들의 제작 방법에 대한 추가의 논의는 본원에서 참고문헌으로 인용되는 미국 특허 제6,645,432호에 상세하게 개시된다.
본원에서 사용된 구조물의 "레벨"은 한 채널 또는 일련의 채널들이 그 안에 배치되고/되거나 침투 통과할 수 있는, 대표적으로는 구조물의 상부 표면 및 바닥 표면과 평행한, 구조물 내의 평면 또는 곡선 표면을 말한다. 도면 및 설명에서, 마이크로유체 그물구조 구조물은 구조물 내의 레벨들이 평면이도록 종종 평면 표면을 갖는 것으로 나타나 있지만, 복수의 구조물들은 예시된 평면 모습으로부터 굴곡되거나, 뒤틀리거나 또는 비틀릴 수 있는 가요성 및/또는 엘라스토머 물질로부터 제작된다. 이러한 실시태양에서, 구조물 내의 "레벨"은 구조물의 뒤틀린 평면 표면에 평행한 곡선 표면을 포함하게 되고, 본원에서의 구조물의 "레벨"에 관한 논의는 예시된 평면 표면 뿐만 아니라 상기 곡선 표면들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 공간 애에서의 2개의 표면들의 형태를 비교하는 내용에서 사용되는 "평행한"은 어디서든 서로로부터 동등한 거리로 이격되어 있는 2개의 표면을 말하는 일반적인 수학적 의미를 갖는다.
본 발명의 구조물 또는 소자는 위에서 언급한 바와 같이, 또한 유체를 수용 및/또는 배출할 수 있고, 구조물 또는 소자 내 하나 이상의 채널들에 유체적으로 연결될 수 있는, 하나의 또는 복수개의 포트, 예를 들면 유입구 및/또는 유출구를 포함할 수 있다. 한 실시태양에서, 전기-전도성 구역, 예를 들면 전극은 유입구 및/또는 유출구를 관통하여 연장될 수 있다. 다른 경우, 유입구 및/또는 유출구는 상기한 것들의 조합물 또는 모두를 포함할 수 있다. 본질적으로, 소자는 하나 이상의 전기 전도성 구역 및/또는 부품들과 유체 소통할 수 있는 하나 내지 수십 또는 수백의 임의의 수의 유입구 및/또는 유출구를 가질 수 있다.
본 발명의 다양한 실시태양에 유용한 마이크로유체 채널 시스템은 하나 이상의 채널 또는 유체 유로 및/또는 일련의 채널을 포함할 수 있으며, 이들 중 일부 또는 모두는 닫힐 수 있고, 채널들 중 일부 또는 모두는 서로연결될 수 있다. 채널들은 구조물의 하나 이상의 레벨과 동일한 일반적인 평면 내에 놓여지고/놓여지거나 교차하는 평면 내에 놓여질 수 있다. 유로는 직선일 필요는 없지만, 곡선 경로, 지그재그 경로 또는 다른 경로와 같은 비-선형 경로를 따를 수 있다. 채널은 일부 경우 약 1 밀리미터(㎜) 미만, 다른 경우 약 500 마이크로미터 미만, 약 300 마이크로미터 미만, 약 100 마이크로미터 미만, 약 50 마이크로미터 미만, 약 30 마이크로미터 미만, 약 10 마이크로미터 미만, 약 3 마이크로미터 미만, 또는 약 1 마이크로미터 미만의 하나 이상의 횡단면 치수를 가질 수 있다. 특정 경우, 하나 이상의 채널은 약 1 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터 사이의 하나 이상의 횡단면 치수를 갖는다. 각 채널의 형태, 종횡비 및/또는 횡단면 치수는 유체(들) 및 용도에 따라 변할 수 있음을 알아야 한다. 채널은 유체 수송을 가능하게 하는 임의의 적합한 횡단면 형태, 예를 들면 사각형 채널, 원형 채널, 둥근 채널, 직사각형 채널(예를 들면, 임의의 종횡비를 가짐), 삼각형 채널, 불규칙형 채널 등을 가질 수 있다. 예를 들면, 한 실시태양에서, 길이, 폭 및 두께를 갖는 하나 이상의 층을 포함하고 층의 두께가 층의 폭 미만 및 층의 길이 미만인 마이크로유체 채널 시스템은 그의 폭보다 더 큰 두께를 갖는 높고 좁은 채널(예를 들면, 약 80 마이크로미터의 두께 및 약 50 마이크로미터의 폭을 갖는 채널)을 포함한다. 유사하게, 특정 실시태양에서, 상기 마이크로유체 채널 시스템은 그의 길이를 초과하는 두께 및/또는 폭을 갖는 하나 이상의 채널을 포함할 수 있다. 물론, 채널의 수, 채널의 형태 또는 기하형태 및 시스템 내 채널의 위치는 당 업계의 통상의 숙련인에 의해 결정될 수 있다. 마이크로유체 채널 시스템은 당 업계의 통상의 숙련인에게 공지된 임의의 방법에 의해 제작될 수 있다. 예로는 성형, 엠보싱, 신속한 프로토타이핑, 마스킹 기술 또는 이들의 병용과 같은 방법들을 포함하지만 이들로 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 마이크로유체 채널 시스템은 본원에서 그의 전체가 참고문헌으로 인용되는 미국 특허 제6,719,868호; 제6,645,432호, 및 제6,686,184호에 기재된 방법에 따라 구성될 수 있다. 마이크로유체 채널의 제작 방법은 또한 아래 실시예에서 보다 상세하게 설명된다.
상기 언급한 바와 같이, 본 발명의 일부 구조물 또는 소자는 구조물의 제1 레벨 안에 배치된 하나 이상의 제1 채널 및 구조물의 제2 레벨 안에 배치된 하나 이상의 제2 채널을 포함할 수 있는 마이크로유체 그물구조를 사용한다. 마이크로유체 그물구조는 앞에서 설명된 바와 같이 당 업계의 통상의 숙련인에게 공지된 임의의 방법에 의해 제작될 수 있다. 한 특정 실시태양에서, 하나 초과의 레벨에 배치된 마이크로유체 채널을 포함하는 소자가 본원에서 설명된 바와 같은, 자기-조립에 의해 형성될 수 있다.
도 4a는 본 발명에 따른 입체적인 마이크로고체 구조물을 성형하는데 유용할 수 있는, 본질적으로 무한한 갯수의 멀티-레벨 마이크로유체 그물구조 구조물의 한 예시적인 실시태양을 예시한다. 마이크로유체 그물구조 구조물(100)은 7개의 비-유체적으로 상호연결된 유체 유로를 제공하는 일련의 상호연결된 채널들을 포함한다. 채널은 "바구니 엮는 방식의 직조법" 배열로 배열된다. 예시된 바와 같은 채널 시스템(100)은 y-z 좌표 평면에 평행한 평면들 내에 배열된 3개의 비-유체적으로 상호연결된 유체 유로(102, 104 및 106), 및 x-z 좌표 평면에 평행한 평면들 내에 배열된 4개의 비-유체적으로 상호연결된 유체 유로(108, 110, 112, 및 114)를 포함한다. 구조물의 각 유체 유로는 일련의 상호연결된 채널들을 포함한다(예를 들면, 유체 유로(102)는 구조물(100) 내에 상호연결된 채널들(113, 124, 126, 116, 118, 120, 128, 122 및 123)을 포함한다). 예시된 실시태양에서, 유로(102, 104 및 106)은 고화되어 멀티-레벨 입체 마이크로고체 선을 형성하는 액체 금속으로 충전되었다.
유로(102)는 예를 들면, 구조물(100)의 제1의 하부 레벨 안에 배치된 2개의 채널(116 및 122) 및 구조물의 제2의 상부 레벨 안에 배치된 2개의 채널(120 및 124)를 포함한다. 유로(102)는 또한 구조물의 제3의 중간 레벨을 가로지르고, 구조물의 제1의 하부 레벨 및 제2의 상부 레벨에 포함된 채널들을 상호연결시키는 많은 연결 채널들, 예를 들면 (118, 126, 및 128)을 포함한다. 구조물(100)에 의해 제공된 마이크로유체 그물구조는 상기 구조물의 단일 평면 또는 임의의 스택 또는 어레이 안에 배치된 일련의 상호연결된 채널들을 포함하는 평면적인 구조물에 의해 제조될 수 없다. 달리 말하면, 그물구조(100)은 구조물의 제2의 상부 레벨 안에 배치된 채널들에 평행하지 않는, 구조물의 제1의 하부 레벨 안에 배치된 채널들(예를 들면, 유체 유로(102)의 채널(116) 및 유체 유로(110)의 채널(130))을 포함한다.
마이크로유체 그물구조(100)의 유체 유로(102)는 바닥 표면(134)와 유체 소통하고 있는 유입구 개구(136) 및 상부 표면(132)와 유체 소통하고 있는 유출구 개구(138)을 통해 외부 환경과 소통한다. 그물구조의 다른 유체 유로는 예시된 바와 같이, 유사한 유입구 및 유출구 개구를 갖는다.
본 발명에 따라 제공된 마이크로유체 그물구조의 채널은 약 1 ㎜를 초과하지 않는, 다른 실시태양에서는 약 500 ㎛를 초과하지 않는, 다른 실시태양에서는 약 250 ㎛를 초과하지 않는, 또 다른 실시태양에서는 약 100 ㎛를 초과하지 않는, 다른 실시태양에서는 약 50 ㎛를 초과하지 않는, 다른 실시태양에서는 약 20 ㎛를 초과하지 않는, 다른 실시태양에서는 약 10 ㎛를 초과하지 않는, 다른 실시태양에서는 약 5 ㎛를 초과하지 않는, 및 또 다른 실시태양에서는 약 1 ㎛를 초과하지 않는, 적어도 하나의 횡단면 치수를 갖는다. 상기 문맥에 사용될 때, "횡단면 치수"는 채널의 길이방향 축에 수직으로 자른 채널의 횡단면에 대한 가장 작은 횡단면 치수를 말한다. 특정 실시태양에서, 채널들 중 적어도 일부는, 예를 들면 약 10, 50, 100, 500, 1000, 5000, 또는 10,000 또는 그 이상의 배수만큼 그들의 최소 횡단면 치수를 실질적으로 초과하는 길이를 가질 것이다. 그물구조(100)의 채널들은 서로 본질적으로 동일한 횡단면 치수를 갖는 반면, 다른 실시태양에서 채널은 동등하지 않은 횡단면 치수를 가질 수 있고, 일부 채널들은 이들이 예시된 바와 같이 단지 한 레벨에 배치되는 대신에, 구조물의 2개의 또는 모든 3개의 레벨들에 배치되도록 충분히 큰 구조물 안 깊이를 가질 수 있다. 또한, 그물구조(100)에서 채널들은 직선 및 선형이지만, 다른 실시태양에서, 채널들은 이들이 배치되는 레벨(들) 안에서 곡선일 수 있다.
도 4B는 그들의 길이방향 축이 각 레벨과 동일평면이도록 그 안에 배치된 채널을 갖는 3개의 레벨들을 그 안에 포함하고 전체적으로 총 5개의 레벨을 포함하는, 본 발명에 따른 코일 히터 성형된 마이크로고체 구조물을 형성하는데 유용한 멀티-레벨 마이크로유체 구조물(실시예 13 참조)의 한 실시태양을 예시한다. 구조물(220)은 제2 유체 유로(224)를 둘러싸는 코일로서 배열된 유체 유로(222)를 포함하는 마이크로유체 그물구조를 포함한다. 이러한 배열은 유체 유로(222 및 224) 안에 포함된 부품들 사이에서의 예를 들면, 열 전달 또는 질량 전달을 포함하는 특정 마이크로유체 분야에, 또는 각 유로내 물질들 사이에서의 전기적, 자기적, 광학적 또는 다른 환경적 상호작용이 요망되는 실시태양들에 특히 유용할 수 있다. 예시된 실시태양에서, 코일 유로(222)는 고화되어 멀티-레벨 입체적인 마이크로유체 선 코일을 형성하는 액체 금속으로 충전되었다.
구조물(220)의 제1 하부 레벨에는 코일 유로(222)의 채널들(226, 228, 230, 및 232)가 그 안에 배치되어 있다. 구조물(220)의 바닥으로부터의 제2 레벨에는 유로(222)의 연결되는 채널들(236, 238, 240, 242, 244, 246, 및 248)이 가장하부 구역(234)을 관통하여 배치되어 있다. 구조물(220)의 바닥으로부터의 제3 레벨에는 유체 유로(224)의 채널(250)이 그 안에 배치되어 있고, 채널들을 연결하는 중간 구역(251)을 또한 포함한다. 구조물(220)의 바닥으로부터의 제4 레벨에는 상부 구역(252)를 관통하여 연결 채널들이 가로지르고 있고, 구조물(220)의 가장상부 레벨은 유로(222)의 채널들(254, 256, 258 및 260)이 그 안에 배치되어 있다.
채널을 지지하는데 유용한 구조물은 본 발명에 따라 적합한 임의의 형태 및 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 구조물은 블록, 막, 관 등의 형태일 수 있다. 본 발명의 한 실시태양에서는, 중합체 구조물이 사용된다. 다른 실시태양에서는, 가요성 구조물이 사용된다. 또 다른 실시태양에서, 엘라스토머 구조물을 포함하는 마이크로유체 채널 시스템이 사용된다. 한 특정 실시태양에서, 엘라스토머 구조물은 PDMS를 포함한다. 일부 경우, 구조물은 열적으로 또는 전기적으로 절연성인 물질을 포함한다. 다른 경우, 구조물은 열 안정한 물질을 포함하는데, 예를 들면 이것은 전기-전도성 물질과 접촉할 때, 전기-전도성 물질을 용융시키기 위해 구조물에 열을 인가할 때, 및/또는 전기-전도성 물질에 전류를 인가할 때 실질적으로 용융되거나, 분해되거나 또는 그의 형태를 변형시키지 않는다. 구조물은 또한 이들 속성들의 임의의 조합 또는 모두를 갖는 물질을 포함할 수도 있다.
마이크로유체 채널 또는 채널들과 같은 하나 이상의 채널들을 포함하는 구조물은 채널 안에서 흐르는 물질, 예를 들면 전기-전도성 금속과 채널의 벽 사이의 계면의 표면 유리 에너지를 최소화시키기 위하여 물리적으로 및/또는 화학적으로 패턴화될 수 있으며, 여기서 전기-전도성 물질이 본원의 내용에서 채널 안의 물질로서 기재되는 경우, 다른 물질이 대체될 수 있으며, 이 용어는 단지 예시를 위한 목적임을 이해해야 한다. 채널의 벽은 전기-전도성 금속이 채널 안으로 및/또는 채널을 관통하여 흐르도록 하는 임의의 기술을 사용하여 패턴화될 수 있고, 여기서 벽은 채널의 자발적인 데웨팅을 막을 수 있다. 일부 경우, 이러한 기술은 구조물의 화학적 조성과 상이한 하나 이상의 화학약품들을 구조물의 벽 상에 증착시키는 것을 포함할 수 있다. 채널 벽의 화학적 또는 물리적 성질을 변경시키는 기술도 또한 사용될 수 있다. 채널에서 흘러야 하는 금속의 화학적 및/또는 물리적 성질 및 채널 벽의 화학적 및/또는 물리적 성질에 따라, 채널을 습윤시키는 상이한 화학약품 및/또는 방법이 사용될 수 있음을 주목해야 한다. 예를 들면, 한 실시태양에서, PDMS를 포함하는 구조물 안 마이크로유체 채널은 에탄올 중의 옥타데칸티올과 같은 알칸티올의 용액을 채널 내로 흘려보내고, 이에 의해 채널 벽 상에 알칸티올의 층을 증착시킴으로써 변경된다. 알칸티올은 사용된 기술에 따라 채널 벽에 공유 결합되거나 또는 물리적으로 흡착될 수 있다. 채널을 충분히 코팅하는 임의의 화학약품이 사용될 수 있다. 알칸티올은 또한 채널을 따라 연속적으로 또는 채널의 불연속 부분들에서 불연속적으로 증착될 수도 있다. 유사하게, 알칸티올 외에 또는 대신에, 특정 실시태양에서는, 얇은 금속 층, 예를 들면 금이 채널의 표면 상에 증착될 수 있다. 특정의 바람직한 실시태양에서, 표면은 실란, 예를 들면 3-머캅토프로필트리메톡시실란으로 코팅된다(실시예 3 및 도 6 참조).
금속을 우선적으로 습윤시키는 구역은 본원에서 "습윤 구역"으로 언급되고; 금속을 우선적으로 습윤시키지 않는 구역은 "비-습윤 구역"으로 언급된다. 제1 화학역품이 제2 화학약품에 비하여 보다 우선적으로 금속을 습윤시킬 수 있도록 하나 초과의 화학약품이 또한 채널에 증착될 수도 있다. 이들 화학약품들은 채널의 특정 부분이 채널의 다른 부분에 비하여 보다 우선적으로 금속을 습윤시키도록 증착될 수 있다.
언급한 바와 같이, 본 발명의 한 실시태양에서, 전기-전도성 물질은 본 발명의 구조물의 채널에 제공될 수 있고, 특정 조건 하에서 흐를 수 있고 다른 조건 하에 고체인 물질이도록 선택될 수 있다. 예를 들면, 물질은 제1의 보다 높은 온도에서는 흐르게 되고 제2의 보다 낮은 온도에서는 고체 상태로 존재하게 된다. 일부 실시태양에서, 이 물질은 실온에서 고체인 금속을 포함하지만, 쉽게 접근가능한 승온에서는 액체이다(즉, "저융점" 금속). 본원에서 사용된 "저융점 금속"은 일반적으로 약 30 ℃ 내지 약 900 ℃ 범위의 융점을 갖는 금속을 말하며; 일부 경우, 저융점 금속은 약 30 ℃ 내지 약 700 ℃ 범위의 융점을 가질 수 있고; 다른 경우, 금속은 약 30 ℃ 내지 약 500 ℃ 범위의 융점을 가질 수 있고; 일부 경우, 금속은 약 30 ℃ 내지 약 400 ℃ 범위의 융점을 가질 수 있고; 일부 경우, 금속은 약 30 ℃ 내지 약 330 ℃ 범위의 융점을 가질 수 있고; 및 일부 경우, 금속은 약 50 ℃ 내지 약 200 ℃ 범위의 융점을 가질 수 있다. 다른 실시태양에서, 전기-전도성 금속은 제1 금속의 적어도 일부분이 제1 금속이 액체 형태로 있을 때 마이크로유체 채널 시스템 안 유체 유로의 적어도 일부분에서 흐를 수 있는 한, 저융점 금속인 제1 금속 및 저융점 금속이 아닌 제2 금속을 포함할 수 있다.
일부 경우, 전기-전도성 금속은 땜납 또는 땜납 합금과 같은 저융점 금속을 포함한다. 예를 들면, 한 실시태양에서, 저융점 금속은 인듐(In), 주석(Sn), 은(Ag), 납(Pb), 비스무스(Bi), 카드뮴(Cd), 아연(Zn), 또는 안티몬(Sb) 중 하나를 포함할 수 있다. 다른 실시태양에서, 저융점 금속은 상기 열거된 금속들 중 2개 이상의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, 금속은 하기하는 금속의 임의의 조성 ％의 비제한적인 조합물들 중 하나를 포함할 수 있다: 주석과 인듐; 인듐과 은; 주석, 납과 은; 주석과 은; 주석과 납; 및 인듐과 납. 땜납의 예로는 주석과 납의 다양한 합금, 예를 들면 50％ Sn/50％ Pb, 60％ Sn/40％ Pb, 등과 같은 땜납을 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다. 다른 땜납은 주석 및/또는 납 외에 다른 금속, 예를 들면 비스무스, 카드뮴, 주석, 인듐, 아연, 안티몬, 구리, 은, 금 등을 포함할 수 있다. 땜납의 구체적인 비제한적인 예로는 45％ Bi/23％ Pb/8％ Sn/5％ Cd/19％ In(융점 약 47 ℃), 50％ Bi/25％ Pb/12.5％ Sn/12.5％ Cd(융점 약 70 ℃), 48％ Sn/52％ In(융점 약 118 ℃), 42％ Sn/58％ Bi(융점 약 138 ℃), 63％ Sn/37％ Pb(융점 약 183 ℃), 91％ Sn/9％ Zn(융점 약 199 ℃), 93.5％ Sn/3％ Sb/2％ Bi/1.5％ Cu (융점 약 218 ℃), 95.5％ Sn/3.5％ Ag/1％ Zn(융점 약 218 ℃ 내지 약 221 ℃), 99.3％ Sn/0.7％ Cu(융점 약 227 ℃), 95％ Sn/5％ Sb(융점 약 232-240 ℃), 65％ Sn/25％ Ag/10％ Sb(융점 약 233 ℃), 97％ Sn/2％ Cu/0.8％ Sb/0.2％ Ag(융점 약 226-228 ℃), 77.2％ Sn/20％ In/2.8％ Ag(융점 약 187 ℃), 84.5％ Sn/7.5％ Bi/5％ Cu/2％ Ag(융점 약 212 ℃), 81％ Sn/9％ Zn/10％ In(융점 약 178 ℃), 96.2％ Sn/2.5％ Ag/0.8％ Cu/0.5％ Sb(융점 약 215 ℃), 93.6％ Sn/4.7％ Ag/1.7％ Cu(융점 약 217 ℃), 또는 LMA-117(융점 약 45 ℃)을 들 수 있다. 특정 바람직한 땜납 조성물이 아래 표 2에 열거된다. 저융점 금속은 당 업계의 통상의 숙련인에 의해 예를 들면 융점, 공융 성질 등의 지식으로, 마이크로유체 채널에서 흐를 수 있는 적합한 용융 온도를 갖도록 선택될 수 있다.
따라서, 전기 전도성 물질은 본 발명의 공정 내 특정 시간에서 액체 형태로 존재할 수 있다. 본원에서 사용된 "액체"는 흐를 수 있는 성질로 정의되고, 액체 상태(즉, 고체 또는 기체가 아닌)에 있는 물질, 뿐만 아니라 고체 상태로 있을 수 있지만 흐를 수 있는 입자 및/또는 입자들을 포함할 수 있다. 예를 들면 금속이 사용된 경우, 고체 금속의 벌크의 융점 이상의 온도가 금속에 인가될 때, 또는 열이 금속의 단지 일부분에만 인가될 때, 금속의 단지 일부분 또는 모두가 용융될 수 있지만, 입자, 응집물, 불순물, 금속 내의 다른 엔티티, 또는 일부가 인가된 온도보다 높은 융점을 가질 수 있는 금속의 다른 부분은 고체 형태로 남아 있을 수 있다. 전기-전도성 금속의 적어도 일부분이 마이크로유체 채널의 적어도 일부분에서 흐를 수 있는 한, 전기-전도성 금속은 "액체"인 것으로 간주될 수 있고, 본 발명에 따라 사용될 수 있다.
전기-전도성 물질, 예를 들면 마이크로유체 채널 시스템 안의 금속은 적어도 부분적으로는 전기-전도성 구역을 형성할 수 있다. 일부 경우, 전도성 선으로서 작용하는 금속은 전기-전도성 구역을 형성할 수 있다. 다른 실시태양에서, 마이크로유체 채널 시스템은 적어도 제1 전기-전도성 구역 및 제1 구역과 전기적으로 접속되는 제2 전기-전도성 구역을 포함한다. 2개의 구역들 중 적어도 제1 구역이 일부 경우 저융점 금속을 포함한다. 제1 전기-전도성 구역은 제1 구역의 금속과 동일하거나 또는 상이한 저융점 금속을 포함할 수 있거나, 또는 제2 전도성 구역은 비-저융점 금속을 포함할 수 있다. 전기-전도성, 비-저융점 금속의 비제한적인 예는 구리(Cu), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au), 니켈(Ni) 등을 포함한다. 다른 실시태양에서, 마이크로유체 채널 시스템은 복수개의 전기-전도성 구역들을 포함할 수 있으며, 이 때 구역들 중 적어도 하나는 저융점 금속을 포함한다. 예를 들면, 채널은 3개 또는 4개의 전기-전도성 구역을 포함할 수 있고, 이 때 이들 중 적어도 하나는 저융점 금속을 포함한다. 다른 실시태양에서, 채널은 5개 또는 6개의 전기-전도성 구역을 포함할 수 있으며, 이들 중 적어도 하나는 저융점 금속을 포함한다. 다른 실시태양에서, 채널은 수십, 수백 또는 심지어는 수천의 전기-전도성 구역들을 포함할 수 있으며, 이들 중 적어도 하나는 저융점 금속을 포함한다.
"전기 접속"을 갖는 2개의 전기-전도성 구역은 전류 크기에 있어서의 실질적인 감소없이 전류가 제1 구역으로부터 제2 구역으로 통과할 수 있음(즉, 2개의 전기-전도성 구역들 중 보다 높은 저항율을 갖는 저항율과 비교하였을 때 무시할만한 추가적인 저항율을 가짐)을 의미한다. 따라서, 제2 전기-전도성 구역에 전기적으로 접속되어 있지 않은 제1 전기-전도성 구역의 경우, 제1 전류가 제1 구역 안에서 흐를 수 있고, 제2 전류가 제2 구역 안에서 흐를 수 있지만, 전류는 제1 구역으로부터 제2 구역으로 통과할 수 없다.
일부 경우, 제1 전기-전도성 구역에서 저융점 금속의 적어도 일부분을 용융시킴으로써 전기-전도성 구역들 사이에 전기 접속이 형성될 수 있으며; 금속이 흘러서 제2 전기-전도성 구역과 접촉할 수 있고, 이 제2 전기-전도성 구역은 저융점 금속을 포함할 수도 있고, 포함하지 않을 수도 있다. 유체, 예를 들면 액체 금속을 흐르게 하는 방법은 아래에서 논의된다. 제1 및 제2 전기-전도성 구역들의 접촉시, 제1 및 제2 전기-전도성 구역들 사이에 전기 접속이 형성된다. 일부 실시태양에서, 전기-전도성 구역들이 마이크로유체 채널 시스템 안에 존재한다. 제1 전기-전도성 구역의 적어도 일부분은 제2 전기-전도성 구역의 적어도 일부분과 전기 접속을 형성할 수 있고; 즉, 2개의 구역들 사이에 전기 접속을 형성시키기 위하여 채널의 전체 횡단면이 전기-전도성 금속으로 충전되어야 하는 것은 아니다. 예를 들면, 금속이 전기 접속을 형성할 때 금속은 채널 내에서 다양한 형태 및/또는 모습을 가질 수 있고, 예를 들면 금속은 적어도 채널의 일부분의 횡단면만을 충전시킬 수 있다. 다른 예에서, 금속은 흐를 수 있고 채널의 형태와 일치할 수 있다. 일부 경우, 금속은 일부 방식으로, 예를 들면 표면 장력을 사용하여(즉, 금속이 메니스커스, 예를 들면 오목 또는 볼록 메니스커스 내에서 채널 안에 보유되도록) 채널 또는 채널의 일부분 안에 보유 또는 제한될 수 있다. 다른 경우, 금속은 채널의 단지 일부분을 따라, 예를 들면 채널이 단지 부분적으로 충전되도록 채널의 한 벽을 따라 연속적으로 흐를 수 있다. 금속은 어느 정도까지 채널을 충전시킬 수 있다. 예를 들면, 금속은 채널의 부피의 50％ 초과, 70％ 초과, 또는 90％ 초과가 충전되도록 채널을 실질적으로 충전시킬 수 있다. 금속은 심지어 완전히 채널을 충전시킬 수 있다. 다른 경우, 금속은 채널의 부피의 50％ 미만, 30％ 미만, 또는 10％ 미만이 충전되도록 채널의 단지 일부분만을 충전시킬 수 있다.
예를 들면, 습윤제와 같은 화학약품이 채널의 별도의 부분들 또는 세그먼트들에 증착되는 경우, 금속은 그 화학약품을 포함하는 세그먼트들을 우선적으로 습윤시킬 수 있고, 이에 의해 채널 내 금속 플러그를 형성할 수 있다. 따라서, 예를 들면 금속/비-금속/금속/비-금속의 세그먼트가 채널에 형성될 수 있다. 이것은 채널 안에 뚜렷한 전기 전도성 구역들을 형성하는 방법일 수 있다. 제1 화학약품이 제1 화학약품보다 더 우선적으로 금속을 습윤시키도록 하나 초과의 화학약품도 또한 채널에 증착될 수 있다. 이들 화학약품은 채널의 한 특정 부분이 채널의 다른 부분에 비하여 더 우선적으로 금속을 습윤시키도록 증착될 수 있다. 예를 들면, 제1 화학약품은 "Y"자 형태의 유로의 제1 구역을 따라 및 접합점에서 증착될 수 있고; 제2 화학약품은 채널의 제2 구역을 따라 및 접합점에서 증착될 수 있다. 금속이 유로로 흐를 때, 이것은 제2 화학약품에 비하여 우선적으로 제1 금속을 습윤시킬 수 있고, 따라서 제1 화학약품을 포함하는 제1 구역으로 흐를 수 있다. 제1 구역이 충전될 때, 및 액체 금속을 흐르게 하는데 더 많은 압력이 첨가될 때, 제2 구역이 충전될 수 있다.
유체가 흐르도록 하는 많은 방법들이 있다. 예를 들면 고체로부터 액체로의 금속의 용융, 또는 소자의 조작 작업과 함께 금속의 용융은 액체 금속을 흐르도록 할 수 있다. 조작 작업은 제1 위치로부터 제2 위치로의 금속의 흐름을 돕는, 시스템에 인가되는 임의의 에너지 또는 힘을 포함한다. 한 실시태양에서, 유체 금속은 유체 금속을 채널을 통해 밀어 흐르게 된다. 유체는 예를 들면 중력, 펌프, 주사기, 가압 용기 또는 임의의 다른 압력원을 사용하여 압력을 유체 금속을 포함하는 채널에 인가함으로써 밀어질 수 있다. 다른 실시태양에서, 금속은 금속을 포함하는 채널의 유출구와 같은 포트에 인가된 진공 또는 감압 때문에 흐를 수 있다. 진공은 금속의 상류에 존재하는 것보다 낮은 압력 조건을 제공할 수 있는 임의의 공급원에 의해 제공될 수 있다. 이러한 공급원은 진공 펌프, 벤투리, 주사기, 배기 용기 등을 포함한다. 다른 실시태양에서, 기계적 구조물은 금속이 흐를 수 있도록 변경될 수 있다. 예를 들면, 한 구체적인 실시태양에서, 압력은 구조물 상에 균일하게 또는 불균일하게 아래로 밀어서 채널을 포함하는 구조물에 인가될 수 있다. 다른 실시태양에서, 구조물의 굴곡 또는 폴딩 작업은 채널이 굴곡 또는 폴딩되었을 때의 위치에서 채널의 형태를 변화시킬 수 있고, 채널의 횡단면이 그 위치에서 줄어들도록 할 수 있다. 이것은 채널 안 유체가 고압 영역으로부터 멀리 및 저압 영역으로 흐르도록 할 수 있다. 액체 금속을 흐르게 하여 전기 접속을 형성하도록 하기 위해 조작 작업들의 조합을 또한 사용할 수 있다. 또 다른 실시태양에서, 구조물은 채널 안 액체 금속의 흐름을 용이하게 하도록 음파처리될 수 있다.
본 발명의 한 면에서, 전기 접속은 채널 외부 연결을 통해 채널 안 전기-전도성 구역들 사이에 형성될 수 있다. 예를 들면, 한 실시태양에서, 마이크로유체 채널 시스템은 제2 마이크로유체 채널 부근에 있지만 제2 마이크로유체 채널과 유체 소통하고 있지 않은 제1 마이크로유체 채널을 포함한다. 제1 채널은 제1 유입구, 제1 유출구, 및 유입구와 유출구 사이의 제1 전기-전도성 금속을 포함할 수 있다. 제2 채널은 제2 유입구, 제2 유출구, 및 유입구와 유출구 사이의 제2 전기-전도성 금속을 포함할 수 있다. 전기-전도성 구역과 전기 접속을 형성할 수 있는 한, 임의의 크기, 형태 또는 조성을 갖는 임의의 전도체일 수 있는 제1 전극이 제1 유입구내 제1 금속과의 전기 접속에 위치할 수 있으며; 제2 전극이 제2 유입구내 제2 금속과의 전기 접속에 위치할 수 있다. 제1 및 제2 전극들은 예를 들면 소자의 밖에서, 예를 들면 각각의 전력원에의 연결에 의해 서로 전기적으로 접속될 수 있다. 물론, 전극은 오로지 유입구이어야 할 필요는 없는 임의의 위치의 다양한 전도성 물질과 전기 소통하게 위치할 수 있다. 제1 금속의 융점 이상의 제1 온도가 제1 채널의 제1 유출구 근처에 인가되어, 이에 의해 제1 금속이 그 구역에서 용융할 수 있게 된다. 제2 금속의 융점 이상의 제2 온도가 제1 채널의 제2 유출구 근처에 인가되어, 이에 의해 제2 금속이 그 구역에서 용융할 수 있게 된다. 전기 부품을 제1 및 제2 금속들과 전기 접속을 만들도록 제1 및 제2 유출구 사이에 위치시킴으로써, 제1 유출구 내 제1 액체 금속 및 제2 유출구 내 제2 액체 금속 사이에 전기 접속이 형성될 수 있다. 전기 부품은 또한 구조물의 2개 초과의 채널들과 2개 초과의 전기 접속을 만들 수 있다. 한 실시태양에서, 금속을 포함하는 복수개의 채널들을 함유하는 전체 구조물에 금속의 융점보다 높은 온도를 가함으로써 복수개의 접속들이 평행하게 만들어질 수 있다. 전기 부품의 예는 LED, 저항기, 다이오드 및 많은 다른 것들을 포함한다.
특정 실시태양에서, 제1 및 제2 전기-전도성 구역 사이의 전기 접속의 파괴는, 파괴가 2개의 구역들 사이에 인가된 전위에 반응하여 제1 구역으로부터 제2 구역으로 통과하는(심지어 전류 신호 부재시의 경우도 포함) 전류의 크기를 실질적으로 감소시키도록 발생할 수 있다. 전기 접속의 파괴는 제1 및 제2 전기-전도성 구역을 포함하는 소자의 정상적인 사용, 또는 과도한 힘이 소자에 인가될 때, 예를 들면 소자가 임의의 다른 수단에 의해 떨어뜨려지거나, 굴곡되거나 또는 뒤틀리는 경우를 포함하여 다양한 이유 때문에 발생될 수 있다. 전기 접속의 파괴는 다음과 같이, 본 발명에 따라 재형성될 수 있다. 파괴의 어느 한 면 상의 구역들은 제1 및 제2 구역들로 표시될 수 있다. 제1 구역의 금속 및/또는 제2 구역의 금속을 용융시켜 파괴가 재형성될 수 있으며, 금속은 상기 정의된 바와 같은 저융점 금속이다. 아래에서 추가로 논의되는 바와 같이, 제1 구역 내 저융점 금속의 융점보다 높은 온도가 금속을 용융시키는데 인가될 수 있으며; 용융은 금속의 적어도 일부분이 제2 구역 쪽으로 흐르도록 할 수 있다. 금속은 제2 구역의 적어도 일부분과 접촉하여 제2 구역과의 전기 접속을 재확립할 수 있다. 금속은 금속의 융점보다 낮은 온도로 냉각될 수 있다. 재확립된 전기 접속은 파괴가 발생되기 전에 구역들 사이의 전류와 비교하여, 제1 구역으로부터 제2 구역으로 통과하는 전류와 유사한 크기를 가질 수 있다.
금속은 당 업계의 통상의 숙련인에게 공지된 임의의 방법에 의해 용융될 수 있다. 예를 들면, 금속은, 금속이 금속의 융점보다 높은 온도를 가질 때까지 금속에 열을 인가함으로써 용융될 수 있다. 한 실시태양에서, 열은 전기-전도성 구역 근처에 국소적으로 인가될 수 있다. 한 특정 실시태양에서, 열은 금속에 직접 인가될 수 있다. 제2 특정 실시태양에서, 열은 제1 전기-전도성 구역 부근의 위치에서 금속이 그 안에 포함되는 구조물을 가열시킴으로써 금속에 간접적으로 인가될 수 있다. 일부 경우, 제1 전기-전도성 구역 부근 구조물에 열을 간접적으로 인가하면 열이 제1 금속으로 전달되게 된다. 제1 금속으로 전달되는 열이 금속을 제1 금속의 제1 융점보다 높은 온도로 가열시킬 수 있는 경우, 제1 금속은 완전하게 또는 불완전하게 용융될 수 있다. 열은 다양한 방법에 의해, 예를 들면 열원을 제1 전기-전도성 구역 부근에, 그러나 직접 접촉하지는 않게 위치시킴으로써 간접적으로 구조물에 인가될 수 있다. 예를 들면, 한 실시태양에서, 땜납 건이 제1 전기-전도성 구역 부근 구조물과 접촉하게 위치된다. 땜납 건은 구조물 및 제1 전기-전도성 구역 안의 금속을 가열시키고, 제1 전기-전도성 구역 내 금속의 적어도 일부분을 용융시킨다. 다른 실시태양에서, 금속은 마이크로유체 채널 시스템을 포함하는 전체 구조물에 열을 인가함으로써 용융될 수 있다. 열은 또한 다양한 방법에 의해, 예를 들면 구조물을 오븐 내에, 열판 상에, 고온 유체욕 중에, 가열 램프 또는 전구 아래에 위치시킴으로써, 또는 다른 방법에 의해 간접적으로 인가될 수 있다. 다른 배열에서, 하나 이상의 구역들은 구역들을 통해 전류를 통과시킴으로써 가열될 수 있다. 예를 들면, 비교적 낮은 저항율을 갖는 전기 유로가 존재하지만 파괴되거나 또는 다른 방식으로 저항율의 증가를 경험하게 되는 경우(하지만, 어느 정도의 전류가 여전히 흐를 수 있는 경우), 유로를 통해 전류를 통과시키는 것은 특히 부분적으로 파괴된 부분에서의 증가된 저항율로 인하여 부분적인 또는 전체적인 파괴가 발생된 구역에서 특히, 유로를 가열시킬 수 있다. 이것은 금속과 같은 전기-전도성 물질이 흐르게 되어 접속을 재형성하고, 저항율을 낮추며 소자를 수선할 수 있다. 다르게는, 가열 엘레멘트는 전기 전도성 구역을 포함하는 하나 이상의 채널들의 한 구역 부근에서 구조물 안에 매립될 수 있다. 제1 구역/채널에 직접적으로 또는 간접적으로 열을 인가하는 것은 금속이 용융되도록 할 수 있으며; 동일한 인가된 열은 금속이 가열 엘레멘트의 크기/공간/에너지 출력에 따라, 다른 구역/채널에서 용융될 수 있도록 또는 용융되지 않도록 할 수 있다. 금속은 소자의 용도 및 적용분야에 따라 다양한 정도로 용융될 수 있다. 예를 들면, 한 실시태양에서, 금속은 완전히, 즉 금속이 완전한 액체가 될 때까지 용융될 수 있고; 다른 실시태양에서, 금속은 불완전하게, 즉 금속의 단지 일부분만이 액체일 때까지 용융될 수 있다.
다른 실시태양에서, 마이크로유체 채널 시스템을 포함하는 구조물은 적어도 제1 융점을 갖는 제1 금속을 포함하는 제1 전기 전도성 구역, 및 제2 융점을 갖는 제2 금속을 포함하는 제2 전기 전도성 구역을 포함한다. 제1 융점은 제2 융점보다 더 낮을 수 있으며; 그러므로, 제1 및 제2 융점 사이의 온도가 전체 구조물에 적용되는 경우, 제1 전기 전도성 구역 내 제1 금속만이 용융될 것이다. 열은 다양한 방법에 의해, 예를 들면 구조물을 오븐 내에, 열판 상에, 고온 유체욕 중에 위치시킴으로써, 또는 다른 방법에 의해 간접적으로 인가될 수 있다.
본원에서 설명되는 바와 같이, 금속을 용융시키는데 사용될 수 있는 많은 기술들이 있다. 일부 경우, 열을 금속에 인가하고, 금속을 용융시키고, 및 금속이 채널 내로 흐르도록 하는 것이 유용할 수 있다. 채널 밖의 전기-전도성 구역(예를 들면, 전극)과 채널 안의 전기-전도성 구역 사이에 전기 접속을 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 다른 경우, 열을 채널 밖의 금속에 인가하고, 금속을 용융시키고, 및 금속이 채널 안에서 흐르도록 하는 것이 유용할 수 있다. 때때로, 채널 안에서 제1 및 제2 전기-전도성 구역 사이에 전기 접속을 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 다른 경우, 금속에 열을 인가하고, 금속을 용융시키고, 및 금속이 채널로부터 흐르도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 이것은 마이크로유체 채널 시스템을 포함하는 구조물의 밖 전기 부품, 또는 다른 엔티티와 전기 접속을 형성하기 위한 용도에 유용할 수 있다.
일부 경우, 열을 채널 내 금속의 한 단부에 간접적으로 인가하여 금속을 용융시켜 그것이 제1 채널의 제1 부분으로부터 제1 채널의 제2 부분으로, 제2 채널로, 및/또는 유출구를 통해 제1 또는 제2 채널의 외부로 향하도록 하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 한 실시태양에서, 채널의 제1 부분의 금속의 제1 단부는 열원에 의해 간접적으로 가열될 수 있다. 열이 국소적으로 인가되기 때문에, 단지 금속의 단부만이 흐를 수 있다. 금속은 단지 열원이 금속 부근에 열을 인가하는 한, 금속이 흐를 수 있다, 즉 열이 제거되는 경우, 금속은 고화될 수 있다. 따라서, 금속은 채널의 제1 부분 및 제2 부분을 연결시키는 경로를 따른 금속의 별개의 부분들을 가열함으로써 제1 채널의 제2 부분으로 보내질 수 있으며; 일부 경우, 전기 접속은 이 방법에 의해 형성될 수 있다.
한 실시태양에서, 구조물은 채널 내에 적어도 제1 전기 전도성 구역 및 제2 전기 전도성 구역을 포함하는 유로 또는 마이크로유체 채널을 포함할 수 있고, 여기서 제1 및 제2 전기 전도성 구역들은 서로 전기 소통하고 있지 않으며, 적어도 제1 구역은 제1 전기 전도성 금속을 포함한다. 일련의 센서 및 가열 엘레멘트들이 서로 전기 소통할 수 있으며, 채널을 따른 상이한 구역에서 구조물 안에 위치할 수 있다. 센서 및 가열 엘레멘트들은 채널 안의 금속과 음성 피드백 루프를 확립할 수 있다. 예를 들면, 센서는 센서가 위치하는 채널의 구역 안에 금속이 없음을 검출하고 신호를 하나 이상의 가열 엘레멘트로 보내어, 가열 엘레멘트(들)이 열을 채널의 그 구역에 국소적으로 분포시키도록 할 수 있다. 가열 엘레멘트(들)로부터의 열은 그 구역 내 땜납이 용융되어 채널 안에서 흐를 수 있도록 하고, 이에 의해 채널을 충전시켜 센서로부터의 신호를 끌 수 있다. 유사하게, 일련의 센서 및 냉각 엘레멘트들은 서로 전기 소통할 수 있으며, 채널을 따른 상이한 구역에서 구조물 안에 위치한다. 센서 및 냉각 엘레멘트들은 채널 안의 금속과 음성 피드백 루프를 확립할 수 있다. 예를 들면, 센서는 센서가 위치하는 채널의 구역 안의 높은 온도를 검출하고 신호를 하나 이상의 냉각 엘레멘트로 보내어, 냉각 엘레멘트(들)이 채널의 그 구역을 국소적으로 냉각하도록 할 수 있다. 이 냉각은 채널의 그 구역 내 금속의 적어도 일부분이 고화되도록 할 수 있다. 동일한 구역에서 특정 저온의 검출은 센서가 냉각을 위한 그의 신호를 끌 수 있게 한다. 따라서, 제1 전기 전도성 금속을 가열하고 금속이 흐르게 하고 제2 전기 전도성 구역과의 전기 접속을 만드는 것은 소자에 연결된 일련의 센서 및 가열 및/또는 냉각 엘레멘트들을 사용하여 자동적으로 수행될 수 있다. 달리 말하면, 전기 접속의 형성 및 재형성이 본 발명에 따라 자동화될 수 있다.
일부 경우, 금속을 융용시키는 것만으로 금속이 마이크로유체 그물구조 구조물의 채널 안에서 흐르도록 하지 못하고, 추가적인 에너지를 구조물에 인가해야 금속이 흐르도록 할 수 있다. 예를 들면, 한 실시태양에서, 마이크로유체 채널 시스템을 포함하는 구조물은 적어도 제1 융점을 갖는 제1 금속을 포함하는 제1 전기 전도성 구역, 및 제2 융점을 갖는 제2 금속을 포함하는 제2 전기 전도성 구역을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 전기 전도성 구역들은 금속을 습윤시키는 채널 벽 상의 구역(습윤 구역)과 정렬될 수 있다. 제1 및 제2 전기 전도성 구역들은 채널 내 갭에 의해 분리될 수 있고; 갭은 금속을 습윤시키지 않는 채널 벽 상의 구역(비-습윤 구역)과 정렬될 수 있다. 제1 및 제2 융점보다 이상의 온도를 갖는 열을 인가하는 것은 제1 및 제2 금속이 용융되도록 할 수 있다. 습윤 구역의 호의적인 표면 유리 에너지로 인하여, 금속은 갭 내로 흐르지 않을 수 있다. 금속/갭 계면의 에너지보다 더 큰 에너지가 인가되는 경우, 그러나 제1 또는 제2 금속이 갭의 적어도 일부분으로 흐를 수 있다. 이 에너지는 변형 에너지 형태일 수 있고, 예를 들면 채널 구조물을 굴곡시키는 것은 채널의 일부분을 수축시킬 수 있고 채널 안의 제1 또는 제2 액체 금속이 갭의 적어도 일부분으로 흐르게 할 수 있다. 에너지는 자기 에너지의 형태일 수 있고, 예를 들면 자성 입자들이 제1 액체 금속에 현탁되어 있는 경우, 자기장을 제1 금속에 인가하면 제1 금속이 갭의 적어도 일부분 내로 흐를 수 있다. 에너지는 진동 또는 음성 에너지(예를 들면, 음파처리) 형태 일 수 있다. 물론, 금속/갭 계면의 표면 유리 에너지를 극복하기 위하여 시스템에 에너지를 인가하기 위한 다른 적절한 방법은 당 업계의 통상의 숙련인에 의해 결정될 수 있다.
본 발명의 특정 실시태양에서, 금속은 용융되었을 때 제1 마이크로유체 채널에서 흐를 수 있도록 위치할 수 있다. 금속은 마이크로유체 구조물의 조작 작업과 함께 용융되었을 때, 또는 용융되었을 때 제1 채널 내로 흐를 수 있도록 제1 채널 부근의 임의의 곳에 위치할 수 있다. 조작 작업들의 조합도 또한 사용될 수 있다. 조작 작업은 제1 위치로부터 제2 위치로의 금속의 흐름을 돕는, 시스템에 인가되는 임의의 에너지 또는 힘을 포함한다. 제1 및/또는 제2 위치는 채널 안으로 제한되지 않는다. 예를 들면, 한 실시태양에서, 금속은 제1 채널의 밖에 위치할 수 있다. 구조물 외부에 있는 관은 금속으로 충전될 수 있으며; 금속은 관 내부에 있는 동안에 용융될 수 있고, 관을 제1 채널의 유입구로 삽입될 수 있으며, 금속이 제1 채널 내로 흐를 수 있도록 압력을 관에 인가할 수 있다. 다른 실시태양에서, 금속은 제1 채널을 포함하는 구조물의 상부에, 및 제1 채널의 유입구 부근에 위치할 수 있다. 금속은 유입구의 상부에 위치할 수 있다. 금속의 용융은 금속이 중력에 의해 유입구를 통해 제1 채널 내로 흐를 수 있도록 한다. 제1 채널의 유출구로의 진공의 인가는 금속의 채널 내로의 유동을 도울 수 있다.
상기 예에서, 마이크로유체 구조물은 금속이 용융되었을 때 구조물의 채널 내로의 금속의 흐름을 돕는 임의의 구성형태를 가질 수 있다. 예를 들면, 구조물은 금속이 용융되었을 때 중력에 의해 금속이 유입구로 흐를 수 있도록 유입구로 이어지는 경사진 표면을 가질 수 있다. 유입구는 금속이 유입구로 쉽게 들어가도록 채널의 직경보다 훨씬 더 큰 직경을 갖는 개구를 포함할 수 있다. 구조물의 일부분들은 금속이 용융되었을 때 패턴화된 구역들을 따라 및 채널(들) 내로 흐를 수 있도록 금속을 우선적으로 습윤시키는 화학약품으로 패턴화될 수 있다. 모든 경우, 채널은 소자의 용도에 따라, 완전히 또는 부분적으로 충전될 수 있다.
임의의 지점에서, 금속을 고화시키기 위하여 금속의 온도 미만의 온도에 금속을 노출시킴으로써 액체 금속을 냉각시킬 수 있다. 금속은 소자의 의도하는 용도에 따라, 완전히, 즉 금속이 완전히 고체이도록 고화될 수 있거나, 또는 금속은 불완전하게, 즉 금속의 단지 일부분만이 고체이도록 고화될 수 있다. 금속은 직접적으로 또는 간접적으로 냉각될 수 있다. 금속의 온도를 금속의 융점 아래로 감소시키는 임의의 방법은 당 업계의 통상의 숙련인에 의해 결정될 수 있다. 용융/냉각/용융/냉각 등으로 된 이들 단계들은 또한 임의의 횟수로 수행될 수 있다.
본 발명의 다른 면은 자기-조립된 구조물을 형성하는 방법을 제공한다. 이 방법은 구조 엘레멘트를 포함하는 부품을 제공하고, 구조 엘레멘트를 포함하는 부품이 제1 구조 엘레멘트가 제1의 보다 가요성 상태로 있는 조건 하에서 제1 형태로부터 제2 형태로 상당히 변형될 수 있게 하는 단계들을 포함할 수 있다. "상당한 변형" 또는 "상당히 변형됨"은 상기에서 정의된다. 부품은 최종 조립된 구조물의 부품인 임의의 유닛일 수 있다. "구조 엘레멘트"는 최종 조립된 구조물의 구조적 일체성의 적어도 일부분을 제공하는 임의의 유닛일 수 있다. 한 실시태양에서, 구조 엘레멘트는 부품에 포함될 수 있다. 예를 들면, 구조 엘레멘트는 가요성 평면 부품에 매립된 선일 수 있다.
부품 및 구조 엘레멘트 모두 상당히 변형될 수 있지만; 그러나 이들은 유사한 또는 유사하지 않은 방식으로 상당히 변형될 수 있다. 변형의 예는 굴곡, 스트레칭, 수축, 팽창 등을 포함한다. 한 실시태양에서, 구조 엘레멘트는 제1 상태로부터 제2 상태로 상을 변화(예를 들면, 액체로부터 고체로)시켜 구역이 제2 상태보다 제1 상태에서 보다 가요성이도록 한다. 제1 형태로부터 제2 형태로의 부품의 변형은 부품을 제2 형태로 강제하기 위하여 부품과 외부 장치와의 물리적 접촉없이 일어날 수 있다. 달리 말하면, 변형은 외부 장치 그 자체가 부품과 물리적으로 접촉하지 않는 한, 외부 장치의 도움으로 일어날 수 있다. 예를 들면, 부품과 물리적으로 접촉하지 않는 외부 장치는 부품에 자기장을 부여하는 장치, 또는 소자를 둘러싸는 영역의 온도를 가온시키는 열원일 수 있다. 변형은 자기력, 모세관력, 친수성/소수성 힘, 반 데르 바알스력, 또는 정전기력을 포함하지만 이들로 제한되지는 않는 힘에 의한, 성분들, 또는 성분들의 부품들의 자발적인 회합에 의해 발생할 수 있다.
최종 조립된 소자의 적어도 일부분은 조립되지 않은 부품(들)보다 더 많이 강성일 수 있다. 예를 들면, 한 실시태양에서, 부품들 또는 부품의 일부분들은 조립된 상태에서보다 조립되지 않은 상태에서 더 많은 자유 이동도를 가질 수 있다.
일부 경우, 조립된 소자는 조립되지 않은 부품(들)보다 더 많은 관능성을 포함한다. 예를 들면, 한 실시태양에서, 부품들 사이의 전기 접속은 자기 조립 후에 존재할 수 있으며, 예를 들면 부품들의 조립시에 전기 접속이 이루어질 수 있다. 전기 접속은 앞에서 본 발명의 한 실시태양에서 설명된 바와 같이, 제1 전기-전도성 구역을 포함하는 제1 마이크로유체 채널인 제1 구조 엘레멘트를 포함하는 제1 부품과 제2 전기-전도성 구역을 포함하는 제2 마이크로유체 채널인 제2 구조 엘레멘트를 포함하는 제2 부품 사이에서 만들어질 수 있다. 제1 또는 제2 부품들은 가요성 물질, 예를 들면 PDMS를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 전기-전도성 구역들의 적어도 일부분은 제1 조립되지 않은 상태에서, 액체 금속, 예를 들면 땜납을 포함할 수 있어, 구조 엘레멘트가 가요성이도록 할 수 있다. 제2 조립된 상태에서, 조립체는 액체 금속의 융점 아래 온도로 냉각되어 금속을 고화시킬 수 있다. 금속의 고화는 또한 조립체의 부품들 사이에 전기 접속이 형성되도록 할 수 있다. 소자의 전기 접속이 파괴된 경우, 금속의 용융, 전기 접속의 재형성 및 금속의 냉각에 의해 재형성될 수 있다.
다른 배열에서, 자기-조립 기술은 이전에 접합되지 않은 부품들을 접합시키고 및/또는 부품의 적어도 일부분을 연화시켜 그 부분이 변형되도록 하는, 부품과 접촉하는 외부 자극 없이 제1 형태로부터 제2 형태로 부품을 변형시킨 다음, 알려진 새로운 전기 접속이 형성된 경우, 부품을 경화시키는 것을 포함한다. 새로운 전기 접속이 형성된 실시태양에서, 자기-조립 후에 얻어지는 소자는 전원, 전기 회로 및 전기 자극시 이동하고/이동하거나 전기 자극 하에서 신호, 예를 들면 빛 또는 소리를 방출하는 부품, 또는 공지된 또는 개발된 전기 회로와 관련된 다른 기능을 포함하는 기능성 전기 소자의 일부분일 수 있거나,또는 기능성 전기 소자를 형성할 수 있다.
다른 실시태양에서, 구조물은 적어도 제1 구조 엘레멘트를 포함하는 부품을 포함할 수 있다. 제1 구조 엘레멘트는 적어도 마이크로유체 채널 내 제1 전기-전도성 구역을 포함할 수 있다. 구조물은 평면 층의 형태일 수 있고, 가요성 물질, 예를 들면 PDMS를 포함할 수 있다. 평면 층은 예를 들면 폴딩, 뒤틀림, 굴곡, 코일링 등에 의해서와 같이 입체적인 구조물로 변형될 수 있다. 제1 및 제2 채널들 사이에 전기 회로가 형성될 수 있으며, 이것은 예를 들면 입체적인 전기 그물구조를 구성할 수 있다. 소자의 전기 접속이 파괴되는 경우, 이것은 예를 들면 상기 설명된 바와 같이, 금속을 용융시키고, 전기 접속을 재형성시키고, 금속을 냉각시키는 것에 의해 재형성될 수 있다.
구조물 내 마이크로유체 채널을 제작하기 위한 절차의 한 예가 이제 설명된다. 이것은 단지 예를 드는 방식이며 다른 당 업계의 통상의 기술자들은 예를 들면, 각각 본원에서 참고문헌으로 인용되는 미국 특허 제6,719,868호, 제6,686,184호, 및 제6,645,432호에 논의된 바와 같이, 마이크로유체 구조물을 형성하는데 적합한 추가적인 기술들을 알 수 있을 것임을 이해해야 한다. 한 실시태양에서, 마이크로유체 채널은 표준 성형 물품을 적절한 원형에 적용시켜 만들어질 수 있다. 예를 들면, 마이크로채널은 PDMS 전구중합체(실가드 184, 다우 코닝)를 포토리소그래피에 의해 생긴 패턴화된 포토레지스트 표면 릴리프(원형) 상에 주조함으로써 PDMS로 만들어질 수 있다. 포토레지스트의 패턴은 바람직한 치수를 갖는 채널을 포함할 수 있다. 65℃에서 1시간 동안 경화 후, 중합체를 원형으로부터 제거하여 마이크로채널이 그의 표면 상에 엠보싱되어 있는 독립형 PDMS 금형을 제공할 수 있다. 유입구 및/또는 유출구를 PDMS 슬라브의 두께를 관통하여 잘라낼 수 있다. 실질적으로 닫힌 마이크로채널을 형성하기 위하여, 마이크로유체 채널은 하기하는 방식으로 밀봉될 수 있다. 우선, PDMS 금형 및 PDMS의 평면 슬라브(또는 임의의 다른 적합한 물질, 예를 들면 유리 슬라이드)를 플라즈마 산화 챔버에 두고 1분 동안 산화시킬 수 있다. PDMS 구조물을 이어서 PDMS 슬라브/유리 슬라이드 상에 ㅍ표면 릴리프와 슬라브가 접촉하게 위치시킬 수 있다. 플라즈마 산화 후 양 표면에 존재하는 실란올(SiOH)기 사이의 축합 반응으로부터 발생되는 2개의 지지체 사이의 가교형성 실록산 결합(Si-O-Si)의 형성의 결과가 비가역적인 밀봉이다. 이러한 절차는 아래 실시예 3 및 6에서 보다 상세하게 설명된다.
하기 실시예는 본 발명의 특정 실시태양들을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 전체 범위를 예시하는 것은 아니다.
실시예 1 - PDMS 마이크로유체 구조물을 사용한 LED 소자의 제작
서로 전기 접속되어 있지 않는 제1 및 제2 마이크로유체 채널을 포함하는 구조물을 PDMS를 사용하여 제작하였다. 채널을 0.01 mM 옥타데칸티올(HS(CH2)17CH3) 용액으로 충전시키고; 이어서 용액을 채널로부터 제거하여 채널 벽 상에 증착된 옥타데칸티올 층을 생성시켰다. 이 옥타데칸티올 층은 나중 단계에서 채널의 벽이 액체 금속에 의해 습윤될 수 있게 한다. LED의 터미날이 2개의 채널들을 가교연결시키도록 2개의 채널들의 유출구 사이에 LED를 위치시켰다. 이어서 채널을 투명한 저용융 땜납 합금(예를 들면, LMA-117; 땜납은 산화되지 않고 사용 전에 물 하에서 pH 1로 유지됨)으로 충전시켰다. 일단 채널 안에서, 땜납을 따뜻한 납땜 인두로 용융시켜 바깥으로부터 조작하였다. 땜납을 납땜 인두를 사용하여 이동시켜 채널 내에서 재배향시켰다. 납땜 인두를 사용한 온화한 가열 및/또는 압력은 땜납 소적을 채널로부터 내보내 LED의 터미날과 접촉하게 하고, 이것은 LED를 채널의 전기-전도성 구역에 전기 접속시킨다. 땜납이 냉각되도록 하여 고체가 되게 하였다. 이어서 제1 전극을 제1 채널 안 땜납에 전기 접속시키고, 제2 전극을 제2 채널 안 땜납에 전기 접속시켰다. 제1 및 제2 전극을 이어서 전원에 연결시켰다. 전원을 켤 때, LED는 점등되었다.
이어서 구조물을 기계적으로 굴곡시켜 제1 채널 내 땜납 구역들 중 하나를 파괴시키고, 이에 의해 소자의 전기 접속을 파괴시켰다. 제1 및 제2 전극을 전원에 연결시켰을 때 LED는 나중에 점등될 수 없었다. 납땜 인두를 파괴 위치에서 구조물에 위치시키고, 열을 인가하여 땜납을 재용융시켰다. 일단 땜납이 재용융되면, 제1 전도성 구역 안에서 전기 접속을 재형성시키고, 파괴를 밀봉시키고, LED는 다시 재점등되었다.
실시예 2 - 알칸티올을 사용한 PDMS 마이크로유체 채널의 액체 금속(땜납) 습윤의 개선
본 실시예는 채널을 만든 물질 및/또는 채널 벽 상에 패턴화된 화학약품에 따라 액체 금속(예를 들면, 저용융 땜납)이 채널의 상이한 벽을 습윤시키는 정도를 보여준다. 에탄올 중 10 mM 옥타데칸티올로 표면을 세척한 후에, 건조 PDMS 및 유리 상의 저용융 땜납 합금 LMA-117(스몰 파츠, 인크.(Small Parts, Inc.))의 10 마이크로리터(㎕) 액적의 접촉각을 측정하였다. 각 접촉각을 2회; 액적을 표면 상에 위치시킨 직후 및 다시 액적의 간략한 재용융(~70 ℃, 1분) 후에 측정하고, 이것을 실온으로 되돌렸다.
유리 및 건조 PDMS에 대한 저용융 땜납 합금 LMA-117의 접촉각(℃)
유리(투명) PDMS
티올 새로운 것 재가열 새로운 것 재가열
없음 145 139 133 123
헥사데칸티올 140 131 119 119
1-머캅토-운데칸산 140 135 90 88
실시예 3 - 마이크로유체 구조물 내 전도성 경로 제작에 사용된 기술
PDMS 로 마이크로유체 채널 제조 및 땜납으로 채널 충전시켜 "마이크로고체 구조물" 형성
마이크로고체 구조물을 도 5에 예시된 절차에 따라 제작하였다. 단계 A에서, 앞에서 미국 특허 제6,645,432호 및 문헌[Xia, Y.; Whitesides, G. M. Soft Lithography. Angew . Chem . Intl . Ed . 1998, 37, 550-575] 및 문헌[Duffy, D. C; McDonald, J. C; Schueller, O. J. A.; Whitesides, G. M. Rapid Prototyping of Microfiuidic Systems in Poly(dimethylsiloxane). Anal . Chem . 1998, 70, 4974-4984]에 기재된 절차를 사용하여 규소 웨이퍼(501) 상의 SU-8 포토레지스트(마이크로켐, 인크.(MicroChem, Inc.))(502)로(얕은 부조로) 마이크로유체 채널의 그물구조의 상부 및 하부 층들로 된 원형(500)을 제작하였다. 웨이퍼를 (트리데카플루오로-1,1,2,2-테트라히드로옥틸)-1-트리클로로실란으로 밤동안 실란화하였다. 단계 B에서, 방금 제조한 PDMS(실가드 184, 다우 코닝, 인크)를 원형 상에서 200 ㎛의 두께로 스핀-코팅하고, 열 경화시켜(70 ℃, 8 시간) 고체 층(504)를 형성하고 박리해냈다. 침(16.5 Ga)을 사용하여 닫히지 않은 채널(508)을 포함하는 PDMS 층504)에 유입구 및 유출구 홀(506)을 펀칭하였다.
PDMS로 된 제2 층을 실란화 규소 웨이퍼(보이지 않음) 상에서 100 ㎛의 두께로 스핀-코팅하고, 열 경화시켜(70 ℃, 8 시간) 고체 PDMS 기재(510)을 형성하였다. PDMS로 된 2개의 층들(504 및 510)을 산소 프라즈마에 1분 동안 노출시키고 서로 접촉시켜 영구 시일을 형성하였다. 소자를 취급 용이하게 만들기 위해, 패턴화되지 않은 기재 층(510)을 규소 웨이퍼(보이지 않음) 상에 남겨 두었다.
단계 C에서, 채널이 땜납에 의해 습윤될 수 있는 능력을 증가시키기 위해, 채널 벽을 실란화하였다. 아세토니트릴 중의 3-머캅토프로필트리메톡시실란의 용액(1:1000 농도)을 상기 설명된 바와 같이 산소 플라즈마를 가한지 15분 이내에 마이크로유체 채널의 그물구조 내로 도입시켜 채널을 완전히 충전시켰다. 최근에(<15분) 산소 플라즈마에 노출된 PDMS는 표면 상에 히드록실기의 형성에 의해 친수성으로 되었다. 3-머캅토프로필트리메톡시실란의 용액을 표면과 반응시켜 티올기를 제공하는 표면을 형성하고(도 6 참조); 티올은 PDMS의 표면 에너지를 변형시켜 액체 땜납에 습윤가능하게 만든다. 이어서 소자를 실란으로 충전된 채 22 ℃에서 1시간 동안 저장하였는데; 1 시간 후, 모든 용액이 채널로부터 증발되었다. 이 공정은 액체 땜납 주입을 위해 유리 에너지 방벽을 감소시킨 실란 층(514)으로 이제 닫힌 마이크로유체 채널(512)의 안쪽 표면을 코팅하였다.
액체 땜납을 단계 D에서 마이크로유체 채널 내로 주입하였다. 시험된 8개의 땜납 합금(AIM 스페셜티 솔더스, 인크.(AIM Specialty Solders, Inc.) In100, In97/Ag3, In80/Pbl5/Ag5, In52/Sn48 및 스몰 파츠, 인크. LMA-117, LMA-158, LMA-255, LMA-288)의 조성 및 물리적 성질을 표 2에 열거한다. 마이크로유체 소자를 열판 상에 위치시키고, 용융 땜납의 소적(~ 1 g)을 각 마이크로유체 채널로의 유입구에 위치시키고; 열판은 땜납의 용융 온도보다 20 ℃ 더 높았다. 소자 내의 온도 분포를 적외선 카메라(인프라메트릭스, 인크.(Inframetrics Inc.))를 사용하여 관찰하고; PDMS의 온도는 15％의 최대 편차로 열판의 온도 아래로 대략 균일하였다. 음압(120 Torr) 공급원을 마이크로유체 채널의 유출구에 가하고; 땜납을 신속하게(<1 s) 마이크로유체 채널을 통해 당겼다.
Figure 112007090538332-PCT00001
채널을 땜납으로 충전시킨 후, 소자(516)을 열판으로부터 제거하고 25 ℃로 냉각시키고; 땜납이 마이크로유체 채널/챔버 안에서 냉각되어 <5분 내에 고체 금속 구조물로 고화되었다. 중합체 소자를 규소 기재로부터 박리해내어(단계 E) PDMS(~300 ㎛ 두께)에 매립된 약 50 ㎛의 최소 횡단면 두께를 갖는 가요성 금속 구조물을 생성시켰다. 도 7A는 예시적인 완성된 소자의 사진을 나타낸다.
실시예 4 - 마이크로유체 구조물 내 가요성 선 구조물의 제작
상기 실시예 3에서 설명된 절차를 사용하여 PDMS에 매립된 가요성 금속 선을 제작하였다. 도 7A는 변형되지 않은(상부), 코일링된(8회, 중간) 및 과-코일링된(16회-하부) PDMS의 층(702)에 매립된 선(700)(길이 = 5 ㎝, 폭 = 50 ㎛, 높이 = 80 ㎛)을 나타낸다. 도 7B는 채널이 작은 PDMS 포스트(708)을 포함하는(직경 50 ㎛) PDMS(706)에 매립된 유사한 선(704)(길이 = 5 ㎝, 폭 = 200 ㎛, 높이 = 80 ㎛)을 나타낸다. 이 후자 예는 이 기술을 사용하여 다른 방법을 사용하여 쉽게 제작되지 않는 복잡한 패턴화 특징부를 갖는 선 또는 다른 구조물을 제조할 수 있음을 입증한다. PDMS에 매립된 패턴화된 및 패턴화되지 않은 선 모두 악어입 클립을 사용하여 코일링된 형태로 유지되었고, 클립을 떼냈을 때, PDMS 내의 장력이 선이 다시 그의 원 형태로 권출되게 하였다. 큰 횡단면적(20000 ㎛2)을 갖는 선은 작은 횡단면적(100900 ㎛2)을 갖는 선보다 어 오랜 기간 동안 조작된 형태를 유지하였음을 관찰하였다.
본 기술을 사용하여 제작된 선은 손으로 각종 형태로 습곡될 수 있으며; 예를 들면 이들은 모세관 주위에 감겨지거나(도 7C), 매듭으로 묶이거나(도 7D), "젤리롤 구조물"로 롤링되어(도 7E) 복잡한 직조 구조물(도 7F)을 제작하는데 사용될 수 있다. 도 7F의 직조 구조물을 형성하기 위하여, 3개의 패턴화된 선의 단부들을 입체적인 직조된 구조물로 땋았다.
실시예 5 - 마이크로유체 구조물 내 가요성 격자의 제작
본 발명의 "마이크로고체학" 기술은 또한 복잡한 가요성 금속 격자를 제작하는데 사용될 수 있다(도 8A-8D). 상기 실시예 3에서 설명된 제작 절차를 사용하여, 본질적으로 원형(도 8C), 사각형(도 8A(정렬됨) 및 8D(어긋남)) 또는 다이아몬드형(도 8B) 횡단면을 갖는 PDMS 800(직경 50-100 ㎛)의 포스트를 함유하는 PDMS 마이크로유체 채널에 땜납을 패턴화하였다(길이 = 2 ㎝, 폭 = 5 ㎜, 높이 = 80 ㎛). 마이크로유체 채널의 유출구에 진공의 인가는 채널을 재빨리(<1 s) 땜납으로 충전시키고 독특한 패턴을 갖는 금속 격자 및 메쉬를 생성시켰다. 냉각 후, 땜납-충전된 PDMS 구조물을 반 바퀴 축방향으로 비틀었다. 격자는 형태가 서서히 이완되기 전에 >1 시간 동안 형태를 유지하였다. 격자를 다른 형태로(상이 나타나있지 않음) 굴곡시키는 것도 또한 가능하였다. 오른쪽 상은 뒤에서 격자를 조명하는 광학 현미경을 사용한 패턴의 확대도를 나타내는데, 금속 층이 검게 나타난다. 각 경우, 금속 구조물은 폭 5 ㎜, 길이 2 ㎝ 및 두께 100 ㎛이었고; PDMS는 300 ㎛ 두께이었다. 격자를 한 쌍의 핀셋(802)으로 반 바퀴 축방향으로 비틀었다. 오른쪽 상에서, 물체는 금속 핀셋에 의해 제 자리에 유지된다.
실시예 6 - 멀티레벨 "3-D" 마이크로유체 구조물 내 마이크로고체 구조물의 제작
실시예 9에 예시된 절차에 따라 멀티레벨 마이크로고체 구조물을 제작하였다(또한 미국 특허 제6,645,432호 및 문헌[Anderson, J. R.; Chiu, D. T.; Jackman, R. J.; Cherniavskaya, O.; McDonald, J. C, Wu, H.; Whitesides, S. H.; Whitesides, G. M. Fabrication of Topologically Complex Three-Dimensional Microfluidic Systems in PDMS by Rapid Prototyping. Anal . Chem ., 2000, 72, 3158-3164] 참조). 앞에서 실시예 3에 설명된 바와 같이 규소 웨이퍼(904) 상의 포토레지스트(902)로 마이크로유체 채널의 그물구조의 상부 및 하부 층들을 위한 원형(900)을 제작하고, 실란화하였다. PDMS(실가드 184, 다우 코닝, 인크.)를 원형 상에 붓고, 열 경화시켜 고체 PDMS 층(906)을 형성하고, 박리해냈다. 침(각각 22 Ga 및 16,5 Ga)을 사용하여, 각각 PDMS의 하부(906) 및 상부(912) 층들에 바이어스(908) 및 유입구 홀(910)을 펀칭하였다. PDMS의 상부층(912)을 XYZ 스테이지를 사용하여 하부 층(906)에 정렬시키고, PDMS의 2개의 층들을 1분 동안 산소 플라즈마에 노출시켰다. 2개의 층들을 함께 결합시켜 영구 시일을 형성하였다. 2층/2 레벨 소자를 제2 산소 플라즈마로 처리하고, 지지체로 사용된 제3의 패턴화되지 않은 PDMS 층(914)에 밀봉하였다. 산소 플라즈마의 인가로부터 15분 이내에, 아세토니트릴 중의 3-머캅토프로필트리메톡시실란의 용액(0.1 M)을 마이크로유체 채널의 그물구조 내로 흐르게 하고 소자를 상기 실시예 3에 기재한 바와 같이 22 ℃에서 1 시간 동안 저장하였다. 마이크로유체 채널을 액체 땜납으로 충전시키고, 냉각시켜 상기 실시예 3에 기재된 바와 같이 PDMS에 매립된 고체 금속 구조물(916)을 형성하였다. 꾸부꾸불한 닫힌 유로(918)은 패턴에서 단일 "직조"를 나타낸다. 전체 마이크로유체 구조물은 앞에서 도 4에 예시된 구조물을 가졌다. 도 6A는 완성된 소자의 사진을 나타낸다.
이 실시예로부터 명백한 바와 같이, 본 발명의 "마이크로고체학" 기술은 다층 리소그래피에 의해 3 차원의 멀티레벨 소자를 제작할 수 있게 만든다(도 9). 도 10A-10E의 소자는 본 실시예의 기술을 사용하여 제작되었다. 도 10A는 도 4의 바구니 엮는 직조법으로 땜납 마이크로구조물의 확대된 상을 나타낸다.
도 10B는 앞에서 도 5에 나타낸 것과 실질적으로 유사한 구조물을 갖는 중앙 마이크로유체 채널 주위에 제작된 땜납 코일을 나타낸다. 코일은 PDMS의 4개의 층들을 정렬 및 결합시켜 구성되었고, 층들 중 3개는 마이크로유체 채널을 포함하였다. 밀봉 후, 땜납을 한 단계에서 코일에 주입하였다.
도 10C는 3 차원으로 많은 층들을 가로지르는 구조물을 생성하기 위한 마이크로고체 제작법의 용도를 예시한다. 상은 PDMS의 16개의 층들로 구성된 소자를 나타내며; 각 층은 본 실시예에 설명된 기술을 통해 제작된 특징부, 즉 2개의 평행한 마이크로유체 채널을 함유한다. 앞에서 설명된 바와 같이, 층들을 함께 정렬 및 결합한 후, 땜납을 한 단계에서 PDMS의 16개의 층들 모두를 관통하여 주입하고 금속을 냉각시키고 고화시켜 고체의 연속 땜납 선을 형성하였다.
실시예 7 - 독립형 금속 구조물을 생성시키기 위한 마이크로유체 구조물로부터 땜납 구조물의 기계적 이형
마이크로유체 채널로부터 독립형 구조물을 이형시키기 위하여, 그 안에 닫히지 않은 마이크로유체 채널이 있는 PDMS의 층들을 산소 플라즈마로 처리하고, 유리 슬라이드가 특징부가 없는 바닥 PDMS 층을 대신한 것을 제외하고는 앞에서 실시예 3에 설명된 것과 같은 방식으로 유리에 부착되어 닫힌 채널을 형성하도록 산화되지 않은 유리 슬라이드와 순응적인 접촉을 하도록 눌렀다. 패널을 앞에서 설명된 바와 같이 실란화하고, 땜납으로 충전시키고, 냉각시켰다. 금속 구조물을 유리 슬라이드로부터 PDMS 층을 박리해냄으로써 마이크로유체 그물구조로부터 이형시켰다. 고체 금속 구조물이 유리 슬라이드 상에 유지되었고, 면도날로 땜납과 유리의 계면을 절단하여 슬라이드로부터 제거하였다.
실시예 8 - 독립형 금속 구조물을 생성시키기 위한 마이크로유체 구조물로부터 땜납 구조물의 화학적 이형
본 실시예에서는 중합체를 교반없이 25 ℃에서 48시간 동안 N,N-디메틸포름아미드(DMF) 중의 테트라부틸 암모늄 플루오라이드(TBAF)의 1.0 M 용액 중에 용해시킴으로써 PDMS로부터 마이크로고체 구조물을 이형시켰다. 이 공정은 PDMS를 박리해내는 것에 의해 이형될 수 없는 멀티레벨 마이크로유체 그물구조로부터 금속 구조물을 유리시키는데 특히 유용하다. 이형 후, 금속 구조물을 핀셋으로 용액으로부터 제거하여 이것을 에폭시로 유리 슬라이드 상에 장착시켜 이들을 광 현미경을 사용하여 상형성하였다. 도 10D는 PDMS에 매립된 바구니엮는 직조 패턴을 갖는 금속 구조물을 나타낸다. 도 10E는 상기 기재된 화학약품 이형 공정을 사용하여 중합체로부터 이형된 후의 동일한 구조물을 나타낸다.
실시예 9 - 독립형 마이크로구조물의 다른 금속의 코팅
실시예 8에 설명된 바와 같이 마이크로구조물의 이형 후, 땜납 구조물을 전기도금 또는 무전해 증착에 의해 다른 금속 층들로 코팅하였다. 제조업체가 제공한 지시에 따라 무전해 구리 EC50 용액 A 및 B(로드 아일랜드주 크랜스톤의 테크닉, 인크.(Technic, Inc.))로 이형된 마이크로고체 구조물 상에 구리가 무전해 도금되었다. 땜납을 구리로 코팅(약 1 시간 침지, 궤도 진탕기에 의한 부드러운 교반)한 후, 1 마이크로미터 금(테크닉 골드(Technic Gold) 25; 로드 아일랜드주 크랜스톤의 테크닉, 인크.) 및 2 마이크로미터 니켈(니켈 도금액 SNlO 유형; 메사추세츠주 댄버스의 트랜신(Transene))을 포함하여 다른 금속을 전기도금하였다.
실시예 10 - 땜납 마이크로구조물의 "치유"
땜납 마이크로구조물 내 파괴 또는 결함은 수선 또는 "치유"될 수 있다(도 11A-11D 참조). 땜납 합금(In100)의 금속 선(1100)(높이 = 80 ㎛, 폭 = 500 ㎛, 길이 = 5 ㎜)을 상기 실시예 3에서 설명한 바와 같이 PDMS의 2개의 층들 사이에 제작하였다(도 11A - "파괴된 구역"(1102)는 도 11B-11D에 확대되어 나타나 있다). 파괴되지 않았을 때 선의 전기 저항은 0.40 Ω이었다(도 11B). PDMS 구조물을 180도 굴곡시켜 매립된 선을 파괴시켰다. 굴곡된 선의 저항은 무한하였다(도 11C). 이어서 소자를 100 ℃로 5분 동안 가열한 다음 초음파욕 중에 1초 동안 두었다. 이 절차 후에, 땜납 선의 저항은 다시 0.40 Ω이었다(도 11D). "치유"를 용이하게 하기 위해 초음파욕을 사용하는 것에 대한 대안으로, 초음파 프로브가 사용될 수 있거나, 선의 터미날을 가로질러 고전압을 인가하거나, 또는 PDMS 구조물을 용융 선 부근에서 압착시킬 수 있다.
전조 실시예 11 - 가요성 마이크로고체 FM 라디오의 제작
본 발명의 마이크로고체학 기술은 기능성 전기 회로 및 소자를 형성하기 위해 전자 부품들과 인터페이싱 및 이들을 상호접속시키기 위해 선들의 가요성 그물구조를 제작할 수 있게 만든다. 이 능력을 입증하기 위해, PDMS에 매립된 FM 라디오가 제작되었다. FM 라디오는 8-핀 DIP 프로세서, 저항기, 축전기 및 외부 9V 배터리 및 외부 헤드폰을 포함한다. 소자 내 연결 선들은 앞에서 설명된 절차에 따라 마이크로유체 채널 내로 주입된 금속 땜납을 포함한다. 라디오는 굴곡 및 뒤틀릴 수 있으며, 성공적으로 수신하여 FM 라디오 스테이션을 87.9 FM으로부터 107.9 FM으로까지 증폭시킬 수 있다.
실시예 12 - "마이크로고체" 고주파수 변압기의 제작
본 발명의 방법은 멀티레벨 마이크로유체 구조물 내에 복잡한 전자 소자 및 회로를 제작할 수 있게 만든다. 도 12A는 PDMS 구조물에 매립된 고주파수 변압기(1200)의 사진을 나타낸다. 변압기는 자기장의 배향을 위한 공기-충전된 코어(1020)(높이 = 80 ㎛, 폭 = 2.5 ㎜, 길이 = 31 ㎜), 1차 솔레노이드(1204)를 포함하는 나선형 선 및 2차 솔레노이드(1206)을 포함하는 나선형 선(둘 모두 In100으로 이루어짐, 높이 = 80 ㎛, 폭 = 800 ㎛)(이들 각각은 중심 코어(1202)의 대향하는 측면 주위에 감겨져 있음)을 포함하였다. 변압기는 실시예 6에 개괄한 것과 유사한 절차를 사용하여 제작하였다. 마이크로유체 채널을 포함하는 PDMS의 3개의 층들을 함께 정렬 및 결합시키고, 땜납을 1차 및 2차 솔레노이드를 위한 채널 내로 주입하고 냉각시켜 앞에서 설명된 바와 같이 고체 선을 형성하였다. 상으로 나타낸 변압기의 경우, 1차 솔레노이드 대 2차 솔레노이드의 회전의 비(회전 비)는 1/4이다.
변압기를 특성화하기 위하여, 소자의 입력(1차 솔레노이드(1204))을 가로질러 고주파 기능 발생기로부터 48 mV(피크-대-피크)의 진폭을 갖는 주기적인 신호를 가하였다. 전기 접속을 만들기 위하여, 구리선(디지키, 인크.(Digikey Inc), 직경 200 ㎛)을 땜납이 여전히 액체인 동안에 땜납 채널의 유입구 홀에 삽입하였다. 선들은 땜납이 냉각되었을 때 제자리에 고정되었다. 마이크로그래버(Micrograbber)TM 악어입 클립(포모나 인크(Pomona Inc))이 외부 전기 선 및 PDMS에 매립된 땜납 구조물의 그물구조를 연결시키기 위하여 구리선에 연결되었다. 변압기의 입력 및 출력(2차 솔레노이드(1206)) 신호를 고주파 오실로스코프로 측정하였다. 변압기의 입력을 통해 인가된 파형의 주파수를 증가시켜 소자의 주파수 반응을 알아보았다(도 12B 참조). 출력에서 측정하였을 때, 피크 공명 주파수는 30.82 MHz에서 관찰되었다. 도 12C는 오실로스코프로 측정하였을 때 공명 주파수(30.8 MHz)에서 변압기의 입력(1차 솔레노이드(1204)) 및 출력(2차 솔레노이드(1206))을 가로지르는 특징적인 파형을 보여준다. 입력 신호의 진폭은 48 mV 피크-대-피크(5 mV 오차)였다. 출력 신호의 진폭은 188 mV 피크-대-피크(5 mV 오차)여서, 전압 인자 계수 3.92 및 효율 98％를 산출하였다.
실시예 13 - 코일 마이크로히터의 제작
본 발명은 혼성 전자-마이크로유체 시스템을 제작하는데 유용한 기술을 제공한다. 이러한 소자의 한 예가 도 13A에 나타나 있다. 도 13A는 PDMS에 매립된 코일 마이크로히터(1300)을 나타낸다. 소자는 중앙의 마이크로유체 채널(1304)(높이 = 80 ㎛, 폭 = 800 ㎛, 길이 = 3 ㎝) 주위에 축대칭적으로 위치한 땜납 코일(1302)(In100, 높이 = 80 ㎛, 폭 = 800 ㎛, 길이 = 12 ㎝)을 포함하였다(중앙 마이크로유체 채널의 외부 벽은 명료함을 위해 도 13A에 검게되어 있다). 구조물의 전체 모습은 앞에서 도 4B 및 10B에 예시된 것과 유사하였다. 코일(1302)을 높이가 1.6 ㎝인 마이크로유체 채널(1304)의 한 구간 주위에 감겨진다(10회). 실시예 6에 개괄한 것과 유사한 절차를 사용하여 소자를 제작하였다. 마이크로유체 채널을 포함하는 PDMS의 3개의 층들을 함께 정렬 및 결합시켰다. 땜납을 코일요 채널에 주입시키고 냉각시켜 앞에서 설명된 바와 같이 고체 전도성 경로를 형성하였다.
마이크로히터를 특성화하기 위하여, 탈이온수를 중앙 채널을 통해 흐르게 하면서(유량 Q = 100 μL/분), 일련의 전류(I = 0 -600 mA, 100 mA 간격)를 코일을 통해 인가하였다. 전기 접속을 만들기 위하여, 구리선(디지키, 인크., 직경 200 ㎛)을 땜납이 여전히 액체인 동안에 땜납 채널의 유입구 홀에 삽입하였다. 선들은 땜납이 냉각되었을 때 제 자리에 고정되었다. 마이크로그래버TM 악어입 클립(포모나 인크)이 외부 전기 선 및 PDMS에 매립된 땜납 구조물의 그물구조를 연결시키기 위하여 구리선에 연결되었다. 마이크로유체 채널을 관통하여 흐르는 유체의 온도는 주울(Joule) 가열로인하여 땜납을 통해 흐르는 전류의 세기에 비례하였다(도 13B). 전류를 코일에 인가하고 유체가 5분 동안(평형화시키기 위하여) 연속적으로 마이크로유체 채널을 관통하여 흐른 후 물의 온도를 측정하였다. 정상 상태의 마이크로유체 채널 내 물의 온도를 적외선 카메라(인프라메트릭스, 인크.)를 사용하여 기록하였다.
실시예 14 - 혼성 마이크로유체 전자석 소자의 제작 및 이 소자의 마이크로유체 채널에 흐르는 상자성 비이드의 포획 및 유리
본 실시예에서, 마이크로유체 채널을 함유하는 PDMS 구조물에서 전자석을 제작하였는데, 상기 구조물은 위의 실시예 3 및 7에서 설명되고, 아래에 간략히 설명되는 것과 유사한 절차를 사용하여 유리 슬라이드에 결합되었다. 절차는 또한 도 14A에 개괄되었다. 이들 소자에서는, 도 14B를 살펴보면, 2개의 외부 채널(14040 및 1406)을 앞에서 설명한 바와 같이 땜납으로 충전시켜 전자석(1408 및 1410)을 형성하였다. 중앙 채널(1402)는 유체에 사용되었다. 본 발명자들은 2개의 전자석에 인가된 전류를 제어하기 위해 전자 회로를 사용하였다(하기 및 도 15 참조).
전자석에 의해 발생된 자기장의 모델링
본 발명의 마이크로유체 전자석 시스템의 작업에 대한 임의의 특정 이론으로 제한되지 않으면서, 본 발명에 따라 전자석 시스템을 형성할 때 고려해야 하는 작업 및 구성에 대한 세부사항 및 특정 파라미터에 관하여 당 업계의 통상의 숙련인을 안내하기 위해 다음의 논의가 제공된다. 도 16A를 살펴보면, 전기 회로가 선을 통과할 때, 이것은 자기장 B를 발생시킨다. 수학식 1은 무제한 길이를 갖는 원통형 파의 축 중심으로부터의 거리의 함수로서의 자기장의 세기를 설명한다. 여기서, I선은 선을 통과하는 전류(암페어(A))이고, x는 선의 중앙으로부터의 거리(m)이고, 및 μ0은 자유 공간의 투과율(1.26 x 10-6 H/m)이다.
Figure 112007090538332-PCT00002
선을 통과하여 흐르는 전류는 전류의 흐름 방향에 직교하는 방향의 1/x에 비례하는 세기를 갖는 자기장을 생성시킨다. 도 16B는 마이크로유체 채널 내 거리 x의 함수로서의 선을 통해 전류를 통과시킴으로써 생성되는 자기장의 크기를 입증하는 그래프를 포함한다.
자기장 구배는 그 장의 크기가 증가되는 방향에서 상자성 비이드에 미치는 힘을 생성시킨다. 수학식 2는 4개의 파라미터, 즉 자기장 구배 제곱, ▽B2(T2/m), 비이드의 부피, V(㎥), 비이드의 감수성, χ(단위없음), 및 자유 공간의 투과율, μ0의 함수로서 이 힘을 계산하기 위한 식이다(문헌[Lee, H.; Purdon, A. M.; Westervelt, R. M. Manipulation of biological cells using a microelectromagnet matrix. App . Phys . Lett . 2004, 85, 1063-1065]):
Figure 112007090538332-PCT00003
수학식 1 및 2를 합치면 선을 통해 DC 전류를 통과시킴으로써 x-방향에서 초상자성 비이드 상에 가해지는 힘에 대한 수학식(수학식 3)을 생성시킨다. 도 16C는 이 힘을 x의 함수로서 설명하는 그래프를 포함한다
Figure 112007090538332-PCT00004
도 16A는 마이크로유체 채널(1402)로부터 10 ㎛에 위치한 전자석(1408)을 통해 인가되는 전류에 의해 초상자성 비이드에 가해지는 힘(도 16C) 및 자기장(도 16B)의 대응하는 플롯을 갖는 전자석의 일부분에 대한 그래프 모델을 보여준다. 자기장 B는 전자석의 땜납 선의 배향에 직교하는 장 선으로 기재되고; 마이크로유체 채널 내 수평 선은 힘 장을 설명하고; x는 선의 중심으로부터의 거리를 설명한다. 본 모델링에서는 무한 길이를 갖는 땜납 선 및 균일한 전류 밀도로 가정된다. 또한 도 16C의 목적상, 비이드가 감소성 0.165 및 직경 5.9 ㎛을 갖는 완전히 구형인 비이드인 것으로 가정된다. 250 mA, 500 mA, 700 mA, 및 1000 mA의 전류에 대해, 피크 자기장 세기(및 피크 힘)을 측정하였더니 각각 0.714 mT(0.206 pN), 1.43 mT(0.823 pN), 2.14 mT(1.85 pN), 및 2.86 mT(3.29 pN)이었다.
마이크로채널 내 초상자성 입자 상에는, 현탁하는 액체에 의해 발휘되는 점성 드래그로 인하여 스토크스(Stokes) 힘, Fs,(수학식 4) 및 자기력, Fx(수학식 3)의 2가지 힘들이 작용된다. 수학식 4에서, η은 현탁 매질의 동적 점도(10-3 ㎏/m.s)이고, υ는 초상자성 입자의 속도(m/s)이고, R은 입자의 반경(m)이다:
Figure 112007090538332-PCT00005
수학식 3 및 4를 합침으로써, 마이크로채널의 한 벽으로부터 맞은편 벽으로 초상자성 입자가 이동하는 시간 T에 대한 한 수학식(수학식 5)이 유도되었다(아래 유도에 대한 자세한 설명 부분 참조). 여기서, a는 전자석의 중심으로부터 마이크로유체 채널의 측벽까지의 거리(m)이고, b는 전자석의 중심으로부터 초상자성 입자의 초기 위치까지의 거리(m)이고; 본 발명자들은 채널을 가로질러 입자들이 초기에 균일하게 분포되어 있는 것으로 가정하여 입자의 관성을 무시한다. 모델의 결과는 도 18D에 점선으로 나타나 있다(아래에서 보다 상세하게 논의되는 바와 같이 얻은, 관찰된 시간 캡쳐 날짜를 잘 핏팅한 것으로 나타나 있음).
Figure 112007090538332-PCT00006
마이크로유체 채널을 가로질러 초상자성 비이드가 이동하는 시간의 유도
마이크로채널 내 초상자성 입자에 작용하는 힘(x-방향)의 균형은 다음과 같다:
Figure 112007090538332-PCT00007
비이드의 관성을 무시하고(ma = 0), 대응하는 수학식을 자기력 Fx (수학식 3) 및 스톡스 힘 Fs (수학식 4)에 치환하여 하기 식을 얻었다:
Figure 112007090538332-PCT00008
음의 x-방향으로(전자석을 향해) 이동하는 초상자성 비이드의 경우, 수학식 7은 다음의 수학식으로 단순화된다:
Figure 112007090538332-PCT00009
수학식 8에서 독립 변수를 분리하여 입자의 부피를 그의 반경에 면에서 나타내면 다음의 식을 얻는다:
Figure 112007090538332-PCT00010
수학식 9를 초상자성 입자 b의 초기 위치로부터 마이크로유체 채널의 측벽의 위치, a까지 적분하여 하기 식을 얻는다:
Figure 112007090538332-PCT00011
수학식 10을 T에 대해 풀면, 마이크로유체 채널을 가로질러 비이드가 이동하는데 필요한 시간에 대한 수학식 5가 나온다:
<수학식 5>
Figure 112007090538332-PCT00012
전자석의 온도 특성
금속 선을 통과하여 흐르는 전류는 주울 가열을 생성시켜, 선의 온도를 증가시킨다. 선의 온도의 증가는 수학식 11로부터 계산될 수 있다:
Figure 112007090538332-PCT00013
여기서, T max 는 선의 최대 온도(°K)이고, T ref 는 유리 지지체의 온도(°K)이 고, x는 지지체의 두께(m)이고, σ는 선의 전도율(m/Ω)이고, k는 지지체의 열 전도율(W/m.°K)이고, t는 선의 두께(m)이고, w는 선의 폭(m)이다.
최대 정상 상태 온도를 초과하지 않으면서 초상자성 비이드에 최대 힘을 발생시키는 선의 폭을 알아보기 위하여 수학식 3 및 11에 기초하여 모델을 유도하였다. 5.9 ㎛의 평균 비이드 직경, χ = 0.165, r = 30 ㎛, x = 700 ㎛, σ = 1.20*107 mhos/m, k = 1.12 W/(m.°K), t = 40 ㎛, 지지체 온도 T ref = 22 ℃ 및 최대 정상 상태 온도 T max = 50 ℃을 사용하여, 선 대략 120 ㎛ 폭에 대해 1.71 pN의 최대 힘이 얻어졌음을 알아냈다(도 17A-17C). 본 실시예에서 전자석은 모두 이 최적 두께를 갖는 선으로 구성되었다.
도 17A-17C는 전자석 폭의 함수로서 수학식 1, 3 및 12로부터 계산된 자성 비이드 상에 미치는 최대 전류(도 17A), 자기장(도 17B), 및 힘(도 17C)에 대한 계산 모델을 예시한다. 다음 파라미터들로 가정하였다: 비이드 직경 = 5.9 ㎛, χ = 0.165, r = 30 ㎛, x = 700 ㎛, σ = 1.20*107 mhos/m, k = 1.12 W/(m.°K), t = 100 ㎛, 지지체 온도 T ref = 22 ℃ 및 최대 정상 상태 온도 T max = 50 ℃. 이들 파라미터들을 사용하여, 대략 120 ㎛의 선 폭에 대하여 1.71 pN의 최대 힘을 구하였다.
마이크로유체 채널의 제작
도 14A에 예시된 절차에 따라 마이크로유체 구조물을 제작하였다. 마이크로유체 채널의 원형(1401)을 상기 실시예 3에 설명된 바와 같이 규소 웨이퍼(1403) 상의 SU-8 포토레지스트(마이크로켐, 인크.)에 제작하였다. 원형을 (트리데카플루오로-1,1,2,2-테트라히드로옥틸)-1-트리클로로실란으로 밤동안 실란화하였다. PDMS(실가드 184, 다우 코닝, 인크)을 원형 상에 붓고, 열 경화시키고, 발기해냈다. 유입구 및 유출구 홀을 침(22 Ga)을 사용하여 채널의 층에 펀칭하였다.
PDMS 및 유리 지지체를 산소 플라즈마에 1분 동안 노출시키고, PDMS 및 유리를 접촉시켜 영구 시일을 형성하였다. 산소 플라즈마를 인가한 지 15분 이내에, 아세토니트릴 중의 3-머캅토프로필트리메톡시실란의 용액(0.1 M)을 마이크로유체 채널의 그물구조 내로 흐르게 하고 소자를 용액이 마이크로유체 채널로부터 증발될 때까지 22 ℃에서 저장하였다(~1 시간). 이 공정은 표면 자유 에너지를 감소시키고 액체 땜납이 마이크로유체 채널의 벽을 쉽게 습윤시키게 하는 실란으로 마이크로유체 채널의 안쪽 표면을 코팅하였다.
액체 땜납의 주입
~200 ℃로 가열된 실리콘 가열 테이프(다이거 인크(Daigger Inc))로 감겨진 유리 주사기(10 mL, 마이크로메이트 인크(MicroMate Inc))에 액체 땜납 합금(5 g, 99.99％ In, AIM 솔더스 인크.)을 충전시켰다. 마이크로유체 채널을 갖는 소자를 200 ℃로 설정된 열판 상에 위치시켰다. 주사기의 끝을 마이크로유체 채널의 한 유입구 내에 삽입하고 주사기에 압력을 가하여 땜납을 소자의 마이크로유체 채널로 주입하였다. 액체 땜납은 재빨리(< 1초) 채널을 충전시켰다.
전기 선을 형성하는 땜납의 냉각
구리선(디지키, 인크., 직경 200 ㎛)을 땜납이 여전히 액체일 때 땜납 채널 의 유입구 및 유출구 홀에 삽입하였다(도 14A, 하부). 이어서 소자를 열판으로부터 제거하고 유리 플레이트 상에서 25 ℃로 냉각시켰다. 땜납이 마이크로유체 채널 시스템의 형태로 고화되었다. 이 공정은 또한 구리 선들을 채널의 유입구 및 유출구의 위치에 고정시켰다. 전기선을 보강하기 위하여, 광경화성 폴리우레탄(1414)을 전기선과 땜납의 접촉점에서 가하여 경화시켰다(NOA81m 놀랜드 프로덕츠, 인크.(Norland Products, Inc.))(또 14A, 하부). 마이크로그래버TM 악어입 클립(포모나 인크)이 외부 전기 선 및 PDMS에 매립된 땜납 구조물의 그물구조를 연결시키기 위하여 구리선에 부착되었다.
전자공학 셋업
도 15는 전자석을 구동하는데 사용된 전자 회로의 개략도응 나타낸다. 10 V 전원(비케이 프리시젼, 인크(BK Precision, Inc)), 및 이중 6V, 10V 전원(아질런트, 인크.(Agilent, Inc))(집합적으로 1502)을 회로에 연결하였다. 가변 진폭 및 주파수를 갖는 신호를 기능 발생기(1504)(아질런트, 인크)를 사용하여 회로에 인가하였다. 신호의 진폭의 증가는 전자석을 통과하는 전류를 증가시키고 자기장의 세기를 증가시켰다.
마이크로유체 채널에 흐르는 초상자성 비이드의 분류
상기한 마이크로고체 전자석 소자를 사용하여 마이크로유체 채널(1402)에 흐르는 초상자성 비이드 스트림을 2개의 하류 마이크로유체 채널(1802, 1804) 중 하나로 분류시키기 위한 스위치를 구성하였다(도 18E-18F). 간략하게, 아래에서 보 다 상세하게 설명되는 바와 같이, 전자석을 모두 껐을 때, 초상자성 비이드의 현탁액은 접합점에서 왼쪽 및 오른쪽 마이크로유체 채널 모두로 흘렀다(도 18E). 왼쪽 전자석을 활성화시켰을 때(오른쪽 전자석을 껐을 때), 비이드는 채널의 왼쪽 표면으로 당겨져서 이어서 왼쪽 마이크로유체 채널로 향하였다(도 18F). 오른쪽 전자석을 활성화시켰을 때(왼쪽 전자석을 껐을 때), 비이드는 채널의 오른쪽 표면으로 당겨져서 이어서 오른쪽 마이크로유체 채널로 향하였다(도 18G).
중앙 마이크로유체 채널(1402)의 어느 한 면 상에 존재하는 전자석(1408, 1410)을 켜고/끄기 위하여 기능 발생기(1504)로부터 프로그램가능한 신호를 사용할 때, 초상자성 비이드(5.9 ㎛ 직경, χ = 0.165)는 100회 이상의 사이클 동안 0.5 Hz의 주파수에서 마이크로유체 채널의 어느 한 측면에 포획되어 이로부터 방출되었고, 비이드는 채널에 첨가되기 전에 대략 5 x 108 비이드/mL의 농도로 완충액(2％ 소 혈청 알부민, 0.05％ 트윈(Tween) 20, 0.1％ NaN3 부피 기준) 중에 현탁되었다. 비이드의 현탁액은 주사기를 사용하여 마이크로유체 채널에 주입되었고, 비이드는 실험을 시작하기 전에는 채널 전반에 걸쳐 균일하게 분산되어 움지이지 않고 있었다.
마이크로유체 채널 중에서 완충액 내 초상자성 비이드의 집단을 포획하는데 필요한 시간을 도 18D에 플롯팅하였다. 데이타를 얻기 위하여, 초상자성 비이드의 현탁액을 채널(1402) 내로 주입하고, 흐름을 멈추고 20개의 비이드를 포함하는 채널의 구간을 상형성하였다. 전류를 인접하는 전자석으로 통해 보내고, 비이드의 90％를 "포획"하는 시간, 즉 비이드가 마이크로채널 안에서부터 벽과 접촉하게 이동하는 시간을 기록하였다. 80 mA 내지 1080 mA의 다양한 전류를 선에 인가하여 "포획 시간"을 측정하였다.
도 18A-18C는 영상에서 마이크로유체 채널 위 및 아래에 위치하는 2개의 전자석(1408, 1410)(검게 나타남)에 근접한 마이크로유체 채널(1402)에서의 초상자성 비이드(1806)(5.9 ㎛ 직경)의 포획 및 방출을 보여주는 영상의 사진복사이다. 3초의 시간 간격으로 일련의 상들을 찍었다. 도 18A는 전자석에 전류기 인가되지 않았을 때의 마이크로유체 채널을 보여준다. 도 18B는 전류(1 A, 화살표 방향으로)를 1 s 동안 상부 전자석에 인가한 후의 마이크로유체 채널을 보여주는데; 전류는 그 페이지 평면으로 배향된 자기장을 발생시켰고, 마이크로유체 채널의 상부 표면에서 크기가 최대이다. 자기장의 구배가 비이드에 힘을 발휘하였다. 전류를 켜고/끄는 것으로 마이크로유체 채널의 표면으로부터 비이드를 포획 및 방출하는 것이 가능하게 된다. 도 18C는 상부 전자석(1408)의 전류를 끄고, 1 A의 전류를 하부 전자석(1410)에 1 s 동안 인가하였다. 공정을 100회 이상 반복하여 유사한 결과를 얻었다. 도 18D는 전자석의 활성화 수 비이드의 반응 시간에 대한 실험 측정치 및 모델 결과에 대한 데이타를 제공한다. 데이타 점들은 5번의 실험에 걸쳐 측정된 초상자성 비이드 집단의 90％를 포획(즉, 벽과 접촉하는 위치)하는 평균 시간을 나타낸다. 오차 막대는 측정된 값들의 범위를 나타낸다. 비이드 포획 시간은 전류와 전압 관계의 역을 따른다(수학식 5).
도 18E-18G는 마이크로유체 채널에 흐르는 초상자성 비이드의 분류 결과를 예시한다. 비이드의 현탁액을 ~10 μL/시의 속도로 마이크로유체 채널(1402)을 통과시켰다. 접합점(1801)의 1 ㎝ 상류의 마이크로유체 채널의 어느 한 면 상에 2개의 전자석(1408, 1410)을 제작하였다. 전자석을 사용하여 접합점에서 비이드가 상부(1802) 또는 하부(1804) 채널을 통해 흐르도록 나눠지게 하였다. 도 18E는 2개의 전자석을 모두 껐을 때의 접합점의 영상이다. 도 18F는 하부 전자석(1410)을 1 s 동안 활성화시킨(및 상부 전자석(1408)을 끈) 후의 접합점을 보여준다. 도 18G는 상부 전자석(1408)을 1 s 동안 활성화시킨(및 하부 전자석(1410)을 끈) 후의 접합점을 보여준다. 모든 실험의 경우, 초상자성 비이드는 마이크로유체 채널로 주입하기 전에, 5 x 108 비이드/mL의 농도로 완충액 중에 현탁되었다. 채널(1402)의 높이 및 폭은 40 ㎛이었다. 각 전자석과 채널 사이의 거리는 10 ㎛이었다.
본 발명의 몇몇 실시태양들을 본원에서 설명하고 예시하였지만, 당 업계의 통상의 숙련인은 본원에 설명된 1개 이상의 이점 및/또는 결과를 얻고/얻거나 기능을 수행하기 위하여 각종 다른 수단 및/또는 구조를 용이하게 계획할 것이고, 이러한 변화 및/또는 변형 각각은 본 발명의 범위 내인 것으로 간주된다. 보다 일반적으로, 당 업계의 통상의 숙련인들은 본원에서 설명된 모든 파라미터, 치수, 물질 및 형태들이 예시적인 것을 의미하며, 실제 파라미터, 치수, 물질 및/또는 형태는 본 발명의 내용이 사용되는 특정 용도 또는 용도들에 의존하게 된다는 것을 쉽게 알 수 있을 것이다. 당 업계의 통상의 숙련인은 거의 통상적인 실험을 사용하여 본원에 설명된 본 발명의 특정 실시태양에 대한 많은 등가물을 인식하거나 또는 확 인할 수 있다. 그러므로, 상기한 실시태양들은 단지 예로서 제공되고, 첨부된 특허청구의 범위 및 이에 대한 등가물의 범위 내에서, 본 발명은 구체적으로 설명되고 청구된 것과 다른 방식으로 실행될 수 있음을 알아야 한다. 본 발명은 본원에서 설명된 각각의 개별적인 특징, 시스템, 물품, 물질, 키트 및/또는 방법에 관한 것이다. 또한, 이러한 특징, 시스템, 물품, 물질, 키트 및/또는 방법들이 상호 불일치하지 않는 경우, 2개 이상의 이러한 특징, 시스템, 물품, 물질, 키트 및/또는 방법들의 임의의 조합은 본 발명의 범위 내에 포함된다.
본원에서 정의되고 사용된 모든 정의는 사전적 정의, 참고문헌으로 인용된 서류 중의 정의 및/또는 정의된 용어의 통상적인 의미에 걸쳐 통제하는 것으로 이해되어야 한다.
본원 명세서 및 특허청구의 범위에서 사용된 하나(부정관사 "a" 및 "an")는 분명히 반대로 지시되지 않는 한, "하나 이상"을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
본원 명세서 및 특허 청구의 범위에서 사용된 구 "및/또는"은 이렇게 상호연결된 엘레멘트들 중 "어느 하나 또는 둘 모두", 즉 일부 경우에는 결합하여 존재하고 다른 경우에는 나누어져 존재하는 엘레멘트들을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. "및/또는"과 함께 열거된 복수개의 엘레멘트들은 동일한 방식으로, 즉 이렇게 상호연결된 엘레멘트들 중 "하나 또는 그 이상"으로 간주되어야 한다. "및/또는" 절에 의해 구체적으로 명시된 엘레멘트들 외에 다른 엘레멘트들(구체적으로 명시된 엘레멘트들과 관련되든 또는 관련되지 않든)이 임의로 존재할 수 있다. 따라서, 비제한적인 예로서, "포함하는"과 같이 개방적 언어와 함께 사용될 때, "A 및/또는 B"에 대한 언급은 한 실시태양에서는 A만(임의로 B 이외의 엘레멘트들을 포함함); 다른 실시태양에서는 B만(임의로 A 이외의 엘레멘트들을 포함함); 또 다른 실시태양에서는, A 및 B 모두(임의로 다른 엘레멘트들을 포함함); 등을 언급할 수 있다.
본원 명세서 및 특허청구의 범위에서 사용된 "또는"은 상기 정의한 "및/또는"과 동일한 의미를 가짐을 알아야 한다. 예를 들면, 목록에서 품목들을 분리할 때, "또는" 또는 "및/또는"은 포함적인 것으로, 즉 많은 엘레멘트 또는 엘레멘트들의 목록들 중 하나(그러나 하나 초과도 또한 포함하) 이상의 엘레멘트 및 임의로 열거되지 않은 추가적인 품목들도 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다. 단지 명백하게 반대를 의미하는 용어, 예를 들면 "~중 단지 하나만" 또는 "~중 정확하게 하나" 또는 특허청구의 범위에 사용될 때의 "~로 이루어진"은 많은 엘레멘트 또는 엘레멘트의 목록 중 정확하게 하나의 엘레멘트를 포함하는 것을 의미하게 된다. 일반적으로, 본원에서 사용된 용어 "또는"은 단지 "어느 하나", "~중 하나", "~중 단 하나" 또는 "~중 정확하게 하나"와 같이 배타성을 갖는 용어가 선행될 때에만 다른 배타적인 것(즉, "둘다가 아닌 하나 또는 나머지 하나")을 나타내는 것으로 해석될 것이다. 특허청구의 범위에 사용될 때의 "~로 반드시 이루어진"은 특허법 분야에서 사용될 때의 그의 통상적인 의미를 가질 것이다.
본원 명세서 및 특허청구의 범위에서 사용된, 하나 또는 그 이상의 엘레멘트들의 목록에 대해 언급할 때의 구 "하나 이상"은 엘레멘트들의 목록 중의 임의의 하나 또는 그 이상의 엘레멘트들로부터 선택된 하나 이상의 엘레멘트를 의미하지 만, 반드시 엘레멘트들의 목록 내에 구체적으로 열거된 각각의 및 모든 엘레멘트들 중 하나 이상을 포함하는 것은 아니고, 엘레멘트들의 목록 내의 엘레멘트들의 임의의 조합물을 배제시키는 것이 아님을 알아야 한다. 이러한 정의는 또한 구 "하나 이상"이 언급하는 엘레멘트들의 목록 내에서 구체적으로 명시된 엘레멘트들 이외의 엘레멘트(구체적으로 명시된 엘레멘트들과 관련되든 또는 관련되지 않든)가 임의적으로 존재할 수 있음을 허용한다. 따라서, 비제한적인 예로서, "A 및 B 중 하나 이상"(또는 등가적으로, "A 또는 B 중 하나 이상", 또는 등가적으로 "A 및/또는 B 중 하나 이상")은 한 실시태양에서는 B가 존재하지 않는, 하나(임의로, 하나 초과를 포함함) 이상의 A(임의로 B 이외의 엘레멘트들을 포함함); 다른 실시태양에서는 A가 존재하지 않는, 하나(임의로, 하나 초과를 포함함) 이상의 B(임의로 A 이외의 엘레멘트들을 포함함); 또 다른 실시태양에서는, 하나(임의로, 하나 초과를 포함함) 이상의 A 및 하나(임의로, 하나 초과를 포함함) 이상의 B(임의로 다른 엘레멘트들을 포함함); 등을 언급할 수 있다.
1개 초과의 단계 또는 행위를 포함하는 본원에서 청구된 임의의 방법에서, 분명하게 반대로 지시되지 않는 한, 방법의 단계 또는 행위들의 순서는 반드시 방법의 단계 또는 행위가 인용된 순서로 제한되지는 않는다는 것도 또한 알아야 한다.
상기한 명세서에서 뿐만 아니라 특허청구의 범위에서, 모든 이행 구, 예를 들면 "구성하는", "포함하는", "운반하는", "갖는", "함유하는", "관련되는", "보유하는", "~로 구성되는" 등은 개방적으로 이해되어야, 즉 ~로 제한되는 것이 아니 고 ~를 포함하는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 단지 이행 구 "~로 이루어지는" 및 "~로 반드시 이루어지는"만이 특허 심사 절차, 섹션 2111.03의 미합중국 특허청 매뉴얼에 기재된 바와 같이, 각각 폐쇄적 또는 반-폐쇄적 이행 구가 될 것이다.

Claims (79)

  1. 실질적으로 닫힌(enclosed) 마이크로유체 채널을 포함하는 마이크로유체 시스템을 형성하는 구조물을 제공하고;
    금속의 융점보다 높은 온도를 갖는 액체 금속을 실질적으로 닫힌 마이크로유체 채널의 적어도 일부분 내로 흐르도록 하고;
    액체 금속을 실질적으로 닫힌 마이크로유체 채널 내에서 금속의 융점 미만의 온도로 냉각시켜 금속이 고체로 되어 마이크로유체 시스템 안에서 전기 전도성 경로를 형성하도록 하는
    작업들을 포함하는, 전기 전도성 경로의 제작 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 마이크로유체 시스템을 형성하는 구조물이 제1 방향을 따라 측정되는 층의 길이, 제1 방향에 수직인 제2 방향을 따라 측정되는 층의 폭 및 제1과 제2 방향 모두에 대해 수직인 제3 방향을 따라 측정되는 층의 두께를 갖는 층을 포함하고, 층의 두께가 층의 폭보다 작고 층의 길이보다 작으며, 상기 실질적으로 닫힌 마이크로유체 채널이 층의 전체 두께를 가로지르지 못하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 실질적으로 닫힌 마이크로유체 채널이 제1 및 제2 방향에 의해 형성된 곡선 표면 또는 평면 내에 놓여지는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 마이크로유체 채널의 벽의 적어도 일부분이, 금속이 채널 내로 흐르기 전에, 벽의 그 일부분이 금속에 의해 습윤될 수 있게 하는 공정에 의해 처리되는 방법,
  5. 제4항에 있어서, 상기 공정이 벽의 적어도 일부분을 화학적으로 변경시키는 것을 포함하는 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 공정이 벽을 벽에 부착되거나 또는 화학적으로 결합할 수 있는 화학약품에 노출시키는 것을 포함하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 화학약품이 알칸티올 또는 실란을 포함하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 화학약품이 3-머캅토프로필트리메톡시실란을 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 마이크로유체 채널의 적어도 한 횡단면 치수가 약 1 밀리미터 미만인 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 마이크로유체 채널의 적어도 한 횡단면 치수가 약 100 마이크로미터 미만인 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 마이크로유체 채널의 적어도 한 횡단면 치수가 약 30 마이크로미터 미만인 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 마이크로유체 채널의 적어도 한 횡단면 치수가 약 10 마이크로미터 미만인 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 마이크로유체 채널의 적어도 한 횡단면 치수가 약 3 마이크로미터 미만인 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 마이크로유체 채널의 적어도 한 횡단면 치수가 약 1 마이크로미터 미만인 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 마이크로유체 채널의 적어도 한 횡단면 치수가 약 1 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터인 방법.
  16. 제1항에 있어서, 고화된 금속의 적어도 일부분과 전기 부품 사이에 전기 접속을 형성하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 마이크로유체 시스템이 냉각 작업의 완료 후에 복수 개의 전도성 경로를 제공하는 복수개의 실질적으로 닫힌 마이크로유체 채널을 포함하고, 상기 복수개의 전기 부품들과 복수개의 전기 전도성 경로 사이에 복수개의 전기 접속이 형성되고, 이에 의해 전기 회로 소자를 형성하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 전기 회로 소자가 변환기, 전자석, 안테나, 컴퓨터, 또는 라디오를 포함하는 방법.
  19. 제2 또는 17항에 있어서, 상기 마이크로유체 시스템을 형성하는 구조물이 가요성 물질로 이루어진 방법.
  20. 제18항에 있어서, 상기 가요성 물질이 폴리디메틸실록산(PDMS)을 포함하는 방법.
  21. 적어도 제1 전기-전도성 구역 및 이 제1 구역에 전기 접속되지 않는 제2 전기-전도성 구역을 포함하고 상기 제1 구역이 전기-전도성 금속을 포함하는 마이크로유체 시스템을 형성하는 구조물을 제공하고;
    전기-전도성 금속을 포함하는 제1 구역을 금속의 융점보다 높은 온도로 가열하고, 이에 의해 금속이 액체가 되도록 하고;
    액체 금속을 제2 전기-전도성 구역의 적어도 일부분과 접촉하도록 마이크로유체 시스템 내에서 흐르게 하고;
    마이크로유체 시스템 안의 액체 금속을 금속의 융점 미만인 온도로 냉각시키고, 이에 의해 금속을 재고화시키는
    작업을 포함하는, 마이크로유체 시스템의 제1 구역 및 제2 구역 사이에 전기 접속을 형성하는 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 제1 전기-전도성 구역 및 제2 전기-전도성 구역 중 적어도 하나가 땜납 또는 땜납 합금을 포함하는 방법.
  23. 제21항에 있어서, 상기 제1 전기-전도성 구역 및 제2 전기-전도성 구역 중 적어도 하나가 주석, 인듐, 은, 납, 비스무스, 카드뮴, 아연 및 안티몬으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는 방법.
  24. 제21항에 있어서, 상기 제1 전기-전도성 구역 및 제2 전기-전도성 구역 중 적어도 하나가 약 200 ℃ 미만의 융점을 갖는 금속을 포함하는 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 제1 전기-전도성 구역 및 제2 전기-전도성 구역 중 적어도 하나가 약 40 ℃ 내지 약 400 ℃의 융점을 갖는 금속을 포함하는 방법.
  26. 제21항에 있어서, 상기 제1 전기-전도성 구역이 구조물의 가열에 의해 간접적으로 가열되는 방법.
  27. 제21항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전기-전도성 구역 중 적어도 하나가 전극에 전기 접속되어 있는 방법.
  28. 제21항에 있어서, 제1 및 제2 전기-전도성 구역에 전위를 인가하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  29. 제21항에 있어서, 금속을 마이크로유체 시스템 안에서 흐르게 하기 위하여 압력 차이를 사용하는 것을 포함하는 방법.
  30. 제21항에 있어서, 금속을 마이크로유체 시스템 안에서 흐르게 하기 위하여 구조물의 적어도 일부분을 변형시키는 것을 포함하는 방법.
  31. 제30항에 있어서, 상기 구조물의 변형이 굴곡을 포함하는 방법.
  32. 제21항에 있어서, 상기 구조물이 중합체를 포함하는 방법.
  33. 제32항에 있어서, 상기 중합체가 엘라스토머 중합체를 포함하는 방법.
  34. 제32항에 있어서, 상기 중합체가 PDMS를 포함하는 방법.
  35. 제21항에 있어서, 상기 구조물이 가요성인 방법.
  36. 제21항에 있어서, 상기 구조물이 전기 절연성인 방법.
  37. 제21항에 있어서, 상기 구조물이 열 절연성인 방법.
  38. 제1 마이크로유체 채널을 형성하는 제1 구조 부분;
    제2 마이크로유체 채널을 형성하는 제2 구조 부분;
    제1 마이크로유체 채널의 적어도 일부분 내에 포함된 약 900 ℃ 미만의 융점을 갖는 금속을 포함하는 제1 전기-전도성 구역;
    제2 마이크로유체 채널의 적어도 일부분 내에 포함된 약 900 ℃ 미만의 융점을 갖는 금속을 포함하는 제2 전도성 구역;
    제1 마이크로유체 채널에 전기 접속된 제1 전극;
    제2 마이크로유체 채널에 전기 접속된 제2 전극
    을 포함하고, 여기서 제1 구조 부분이 제2 구조 부분 부근의 위치로 이동할 수 있도록 소자가 구성 및 배열되는, 마이크로유체 구조물.
  39. 제1 전기-전도성 구역을 포함하는 제1 구조 부분을 제공하고;
    제2 전기-전도성 구역을 포함하는 제2 구조 부분을 제공하고;
    제1 또는 제2 구조 부분이 서로 접촉하게 하기 위하여 이들 중 어느 하나를 제1 및 제2 부분 외부의 장치와 접촉시키지 않으면서, 적어도 제1 구조 부분이 이동 공정 동안에 상당히 변형되는 조건 하에서, 제1 및 제2 구조 부분들이 서로에 대하여 이동하고 제1 및 제2 전기-전도성 구역 사이에 전기 접속을 형성하도록 유도하는 것을 포함하는, 전기 소자의 자기-조립 방법.
  40. 구조 엘레멘트를 포함하는 부품을 제공하고;
    구조 엘레멘트를 포함하는 부품을 제2 형태로 만들기 위하여 부품을 외부 장치와 접촉시키지 않으면서, 제1 구조 엘레멘트가 제1의 보다 가요성 상태로 있는 조건 하에서, 부품이 제1 형태로부터 제2 형태로 상당히 변형되도록 하고;
    구조 엘레멘트를 제2의 보다 경질 상태로 전환시키고, 이에 의해 부품이 적어도 부분적으로는 구조 엘레멘트에 의해 제2 형태로 유지되는
    것을 포함하는, 자기-조립된 구조물의 제조 방법.
  41. 제1 전기-전도성 구역을 포함하는 제1 구조 부분을 제공하고;
    제2 전기-전도성 구역을 포함하는 제2 구조 부분을 제공하고;
    제1 또는 제2 구조 부분이 서로 접촉하도록 하기 위하여 이들 중 어느 하나를 제1 및 제2 부분 외부의 장치와 접촉시키지 않으면서, 적어도 제1 구조 부분 및 제1 전기-전도성 구역이 이동 공정 동안에 상당히 변형되고 제1 전기-전도성 구역이 제1의 보다 가요성 상태로 있는 조건 하에서, 제1 및 제2 구조 부분이 제1 모습 으로부터 제2 모습으로 서로에 대하여 이동하여 제1 및 제2 전기-전도성 구역 사이에 전기 접속을 형성하도록 하고;
    제1 전기-전도성 구역을 제2 모습의 제2의 보다 경질 상태로 전환시키는 것을 포함하는, 전기 소자의 자기-조립 방법.
  42. 제1 전기-전도성 구역 및 이 제1 구역에 전기 접속되지 않는 제2 전기-전도성 구역을 포함하고, 상기 각 구역이 금속을 포함하는, 마이크로유체 채널을 형성하는 구조물을 제공하고;
    제1 전기-전도성 구역의 적어도 일부분을 금속의 융점보다 높은 온도로 가열하는
    것을 포함하는 방법.
  43. 제42항에 있어서, 상기 제1 또는 제2 금속이 금속을 포함하는 구조물의 가열에 의해 간접적으로 가열되는 방법.
  44. 제42항에 있어서, 가열된 금속을 흐르게 하여 제1 전기-전도성 구역과 제2 전기-전도성 구역 사이에 전기 접속을 형성하도록 하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  45. 액체 금속이 없는 실질적으로 닫힌 마이크로유체 채널을 형성하는 구조물을 제공하고;
    액체 금속을 채널의 적어도 일부분 내로 흐르게 하는
    것을 포함하는 방법.
  46. 제45항에 있어서, 흐르게 하는 작업 후에, 액체 금속을 고화시켜 고체 전기-전도성 경로를 형성하는 작업을 추가로 포함하는 방법.
  47. 제46항에 있어서, 상기 구조물이 가요성이고 처음에 정해진 두께 및 실질적으로 평면 모습을 갖는 층 형태이고; 제공하는 작업 후에 층을 실질적으로 비평면 모습으로 변형시키는 작업을 추가로 포함하는 방법.
  48. 제47항에 있어서, 상기 변형 작업이 흐르게 하는 작업 전에 일어나는 방법.
  49. 제47항에 있어서, 상기 변형 작업이 고화 작업 전에 일어나는 방법.
  50. 제47항에 있어서, 상기 변형 작업에서 구조물이 나선형으로 비틀어진 것인 방법.
  51. 각각 약 900 ℃ 미만의 융점을 갖는 금속을 함유하는, 서로 전기 접속되지 않고 있는 제1 실질적으로 닫힌 마이크로유체 채널 및 제2 실질적으로 닫힌 마이크 로유체 채널을 형성하는 구조물을 제공하고, 및
    제1 및 제2 채널들을 전기 접속시키는 것을 포함하는 방법.
  52. 적어도 하나의 마이크로유체 채널을 포함하고, 마이크로유체 채널의 적어도 일부분의 전체 횡단면이 약 900 ℃ 미만의 융점을 갖는 금속으로 충전되어 있는 마이크로유체 시스템을 형성하는 가요성 구조물
    을 포함하는, 적어도 하나의 전기-전도성 경로를 포함하는 소자.
  53. 제52항에 있어서, 상기 마이크로유체 채널의 적어도 한 횡단면 치수가 약 1 밀리미터 미만인 소자.
  54. 제52항에 있어서, 상기 마이크로유체 채널의 적어도 한 횡단면 치수가 약 100 마이크로미터 미만인 소자.
  55. 제52항에 있어서, 상기 마이크로유체 채널의 적어도 한 횡단면 치수가 약 30 마이크로미터 미만인 소자.
  56. 제52항에 있어서, 상기 마이크로유체 채널의 적어도 한 횡단면 치수가 약 10 마이크로미터 미만인 소자.
  57. 제52항에 있어서, 상기 마이크로유체 채널의 적어도 한 횡단면 치수가 약 3 마이크로미터 미만인 소자.
  58. 제52항에 있어서, 상기 마이크로유체 채널의 적어도 한 횡단면 치수가 약 1 마이크로미터 미만인 소자.
  59. 제52항에 있어서, 상기 마이크로유체 채널의 적어도 한 횡단면 치수가 약 1 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터인 소자.
  60. 제52항에 있어서, 상기 금속이 약 200 ℃ 미만의 융점을 갖는 소자.
  61. 제60항에 있어서, 상기 금속이 약 40 ℃ 내지 약 400 ℃의 융점을 갖는 소자.
  62. 제52항에 있어서, 상기 가요성 구조물이 중합체를 포함하는 소자.
  63. 제62항에 있어서, 상기 중합체가 엘라스토머 중합체를 포함하는 소자.
  64. 제63항에 있어서, 상기 중합체가 PDMS를 포함하는 소자.
  65. 2개 이상의 마이크로유체 채널을 포함하는 마이크로유체 시스템을 형성하는 구조물을 포함하고, 여기서 제1 마이크로유체 채널의 적어도 일부분의 전체 횡단면이 약 900 ℃ 미만의 융점을 갖는 금속으로 충전되고, 제2 마이크로유체 채널의 적어도 일부분의 전체 횡단면이 액체 금속이 아닌 흐르는 유체를 함유하는,
    하나 이상의 전기 전도성 경로를 포함하는 소자.
  66. 제65항에 있어서, 적어도 제1 마이크로유체 채널이 실질적으로 닫힌 마이크로유체 채널을 포함하는 소자.
  67. 제65항에 있어서, 상기 제1 마이크로유체 채널이 제2 마이크로유체 채널에 충분히 가깝게 근접하여 위치해서, 금속을 관통하여 전류가 흐를 때 제2 마이크로유체 채널 내 흐르는 유체의 성질 또는 흐르는 유체에 현탁된 입자에 실질적으로 영향을 줄 수 있는 전기장 및/또는 자기장 및/또는 열 에너지가 발생되는 소자.
  68. 제67항에 있어서, 상기 제1 마이크로유체 채널이 제2 마이크로유체 채널에 충분히 가깝게 근접하여 위치해서, 금속을 관통하여 전류가 흐를 때 흐르는 유체에 현탁된 입자의 궤적을 변경시킬 수 있는 전기장 및/또는 자기장이 발생되는 소자.
  69. 제68항에 있어서, 상기 입자가 자기 입자, 비-자기 금속 입자, 중합체 입자, 생물학적 세포, 및 이들 중 둘 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 소 자.
  70. 제67항에 있어서, 상기 구조물이 정해진 두께를 갖고 모습이 실질적으로 평면인 층을 포함하고, 상기 제1 마이크로유체 채널 및 제2 마이크로유체 채널 모두가 구조물의 단일 레벨로, 층과 실질적으로 공면인(coplanar) 평면과 실질적으로 공면인 평면 내에 놓여지는 소자.
  71. 제67항에 있어서, 상기 제1 마이크로유체 채널 및 제2 마이크로유체 채널이 그들 길이의 실질적인 부분에 걸쳐 서로에 대해 실질적으로 평행한 소자.
  72. 제67항에 있어서, 상기 제1 마이크로유체 채널이 모습이 나선형인 유로의 적어도 일부분을 형성하고, 상기 제2 마이크로유체 채널의 적어도 일부분이 이러한 나선형 유로에 의해 경계가 정해지는 소자.
  73. 제72항에 있어서, 상기 나선형 유로가 제2 마이크로유체 채널에 충분히 가깝게 근접하여 위치해서, 금속을 관통하여 전류가 흐를 때 제2 마이크로유체 채널 내 흐르는 유체를 가열시킬 수 있는 충분한 열 에너지가 발생되는 소자.
  74. 제65항에 있어서, 상기 적어도 하나의 마이크로유체 채널의 적어도 한 횡단면 치수가 약 1 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터인 소자.
  75. 제65항에 있어서, 상기 금속이 약 200 ℃ 미만의 융점을 갖는 소자.
  76. 제75항에 있어서, 상기 금속이 약 40 ℃ 내지 약 400 ℃의 융점을 갖는 소자.
  77. 정해진 두께를 갖고 모습이 실질적으로 평면인 층을 포함하는 구조물을 포함하고, 이 구조물이 마이크로유체 시스템을 형성하고, 2개 이상의 마이크로유체 채널을 포함하며, 여기서 제1 마이크로유체 채널의 적어도 일부분이 금속을 함유하고, 제2 마이크로유체 채널의 적어도 일부분이 액체 금속이 아닌 흐르는 유체를 함유하고, 여기서 제1 마이크로유체 채널 및 제2 마이크로유체 채널이 모두 구조물의 단일 레벨로, 층과 실질적으로 공면인 평면과 실질적으로 공면인 평면 내에 놓여지는,
    하나 이상의 전기-전도성 경로를 포함하는 소자.
  78. 제77항에 있어서, 상기 적어도 하나의 마이크로유체 채널의 적어도 한 횡단면 치수가 약 1 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터인 소자.
  79. 제77항에 있어서, 상기 금속이 약 200 ℃ 미만의 융점을 갖는 소자.
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