KR20100019520A

KR20100019520A - 유리 미세유체 장치 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR20100019520A
Application number: KR1020097026204A
Authority: KR
Inventors: 파울로 지. 마르크; 로버트 엠. 모레나; 카메론 더블유. 테너
Original assignee: 코닝 인코포레이티드
Priority date: 2007-05-18
Filing date: 2008-05-15
Publication date: 2010-02-18
Also published as: TW200911679A; CN101687693A; WO2008143918A1; JP2010530294A; US20100178214A1

Abstract

미세유체 장치(10)는 서브밀리미터 내지 밀리미터 범위에서 하나 이상의 디멘션을 갖는 유체 통로 또는 채널 또는 챔버(26,28)를 하나 이상 포함하는데, 여기서 상기 장치(10)는 유리 프릿과 필러(20,24,22,32)를 포함하는 고결화된 혼합물을 추가로 포함하며, 상기 필러는 유리 프릿보다 더 높은 열전도성을 가진다.

미세유체 장치, 유리 프릿, 필러, 고결된화 혼합물

Description

유리 미세유체 장치 및 이의 제조 방법{GLASS MICROFLUIDIC DEVICES AND METHODS OF MANUFACTURE THEREOF}

본 발명은 유리 미세유체 장치 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 미세유체 장치는 서브밀리미터 내지 밀리미터 범위에서 하나 이상의 디멘션(dimension)을 갖는 유체 통로 또는 채널 또는 챔버를 하나 이상 포함하며, 여기서 상기 장치는 유리 프릿과 필러를 포함하는 고결화된 혼합물을 추가로 포함하고, 상기 필러는 유리 프릿보다 더 높은 열전도성을 가진다.

본원에서 말하는 미세유체 장치(microfluidic device)란 통상 서브밀리미터 내지 밀리미터 범위에서 적어도 하나 그리고 일반적으로 그 이상의 디멘션을 갖는 유체 통로 또는 챔버를 포함하는 장치를 말한다. 미세유체 장치는 어렵고, 위험하거나 또는 그렇지 않으면 불가능한 화학 반응과 공정들조차도 유체가 100 ㎖/분으로 연속 유입되는 정도 및 이보다 현저하게 더 높을 수 있는 작업처리 속도에서 안전하고, 효율적이며 환경친화적인 방식으로 수행하는데 유용할 수 있는데, 이는 특히 낮은 이들의 총 공정에 있어서 유체 부피와 특히 높은 부피에 대한 표면적비에 부분적으로 기인하기 때문이다.

미세유체 장치는 예컨대 금속, 세라믹스, 규소 및 중합체를 비롯한 다양한 재료들로 제조되어 왔다. 이러한 재료들이 부딪힌 문제점들은 한 두가지가 아니다.

예를 들어, 중합체로 만들어진 장치는 통상 장시간 동안 200℃ 내지 300℃의 온도를 견뎌내지 못한다. 더욱이, 이러한 구조 내에서 표면 상태를 효과적으로 제어하기가 여간 어렵지 않다.

규소 장치는 값이 비싸고 특정 화학 유체 또는 생물학적 유체에는 부적절하다. 또한, 규소의 반도체적 특성상 전기수력학적 펌핑 및 전기삼투압적 펌핑과 같은 일부 펌핑 기법을 수행하는데 있어서 문제점이 발생한다. 또한, 규소 미세유체 장치를 제조하는데 사용되는 석판술 기법으로도 작은 채널(보통 100 ㎛ 이하)을 손쉽게 만들 수 있다. 하지만, 이러한 채널들은 높은 배압을 가져서 생산 작업 처리 조건을 달성하기가 어렵다.

금속으로 제조된 장치는 부식되기가 쉬워 통상적으로 특정 화학 유체 또는 생물학적 유체에는 부적절하다.

따라서, 이러한 여러 정황으로 보건대, 유리로 제조된 미세유체 구조 또는 적어도 유리로 라이닝된 반응 채널을 갖는 미체유체 구조를 가지는 것이 바람직하다.

유리로 제조된 미세유체 장치는 화학적 에칭 또는 물리적 에칭에 의해 만들어져 왔다. 에칭은 유리 기판에 예를 들어 유리 덮개로 밀봉될 수 있는 홈을 만드는데 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 기법은 전체적으로 만족스럽지 못하다. 등방성 화학 에칭으로는 유의한 종횡비를 수득할 수 없는 한편, 물리적 에칭은 고가의 비용과 한정된 생산 능력 때문에 수행하기가 어렵다. 이러한 개방 홈을 폐쇄시키기 위해, 덮개를 부착하거나 밀봉하는데 가장 흔히 사용되는 기법이 이온 부착이다. 그러나, 이 기법은 고가이며 먼지에 매우 민감하기 때문에 아직까지는 수행하기가 어렵다. 더욱이, 고품질의 밀봉성을 제공하기 위해서는 각 층의 표면이 가능한 극히 평평해야 한다.

2개 이상의 기판 사이에 홈(recess) 또는 통로를 규정하는 구조화된 고결화 프릿으로 제조된 미세유체 장치는, 미국 특허 제6,769,444호 "Microfluidic Device and Manufacture Thereof(미세유체 장치 및 이의 제조)" 및 관련 특허문헌 또는 특허 공보에 개시된 바와 같이, 본 발명자들 및/또는 이들의 동료 연구원들에 의해 이전의 연구에서 개발되었다. 이 특허에 개시된 방법은 제1 기판을 제공하는 단계, 제2 기판을 제공하는 단계, 상기 제1 기판의 접촉면에 제1 프릿 구조를 형성하는 단계, 상기 제2 기판의 접촉면에 제2 프릿 구조를 형성하는 단계, 및 상기 제1 기판과 제2 기판 사이에 하나 이상의 고결화-프릿으로 규정된 홈 또는 통로를 형성하기 위해, 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 및 상기 제1 프릿 구조와 제2 프릿 구조를 서로 접촉면끼리 대향시켜, 고결시키는 단계를 비롯한 여러 단계들을 포함한다. 이러한 유형의 장치에서는, 상기 고결화 프릿이 유체 통로를 만들기 때문에, 유리가 아닌 기판이 사용되는 경우조차도, 그 통로는 상기 고결화 프릿의 유리 또는 유리-세라믹 물질로 형성될 수 있다.

미국 특허 제6,769,444호에 개시된 유형의 장치가 일부 반응에서 우수한 성능을 나타냈다 하더라도, 특정 반응에서의 수율 또는 기타 성능 측정은 완화된 온도 구배(thermal gradient) 또는 열점에 대해서조차 아주 민감할 수 있다. 따라서, 이러한 온도 구배 또는 열점을 최소화하는 미세유체 장치 또는 미세반응기를 제공하는 것이 바람직하다.

발명의 개요

선행 기술의 장치에 비해 증가된 평균 열전도성을 가지면서도, 유리로 라이닝된 반응 채널의 장점을 보유하도록 제조되는 미세유체 장치 및 그의 제조 방법이 본원에 개시된다. 이러한 장치의 제조도 기술된다. 본원에 기술되는 재료, 방법 및 장치의 장점은 뒤따르는 상세한 설명에서 일부 기재될 것이며, 또한 하기 기술되는 양태들을 실시함으로써 알 수 있을 것이다. 하기 기술된 장점들은 첨부된 특허청구범위에서 특히 초점을 맞추고 있는 구성 요소들 및 이들의 조합 수단에 의하여 실현되어 달성될 것이다. 상기 일반적인 설명과 하기의 상세한 설명 모두는 예시적인 것으로 단지 설명을 위한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

도면의 간단한 설명

도 1은 본 발명의 한 측면에 따른 한 실시 양태로서 예시한 미세유체 장치의 단면도를 나타낸다.

도 2A-D는 선행 기술에서 사용된 유리 프릿 코팅의 SEM 사진(도 2A)과 본 발명의 다양한 대안적인 실시 양태에서 사용된 유리 프릿 코팅의 SEM 사진(2B-2D)을 나타낸 것이다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시 양태에서 사용된 프릿 재료의 분말 x-선 회절 ("XRD") 기록을 나타낸 것이다.

도 4A-C는 본 발명의 한 측면에 따른 공정의 실시 양태에서 수행 단계들을 나타낸 것이다.

도 5는 선행 기술의 미세반응기에 대한 본 발명의 미세반응기의 전력 교환 능력을 보여주는 그래프를 나타낸 것이다.

도 6은 알루미나를 첨가에 따른 유리 복합체의 열전도성의 변화를 측정하여 나타낸 것이다.

도 7은 알루미나의 첨가로 충전된 유리 복합체의 상대 밀도 변화를 총 부피에 대한 백분율로 나타낸 것이며, 상기 복합체의 예를 보여주는 디지털 현미경 사진도 함께 나타내었다.

발명의 상세한 설명

본 발명의 재료, 물품 및/또는 방법을 개시하여 기술하기 전에, 하기 기술되는 양태들은 특정 화합물, 특정 합성 방법 또는 특정 용법에 한정되는 것이 아니라, 이들은 물론 다양할 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 본원에 사용된 용어는 구체적인 측면을 기술하기 위한 목적으로만 쓰인 것이지, 본 발명을 한정하기 위한 의도가 아님을 이해해야 할 것이다.

본 명세서 및 하기 특허청구범위에서, 하기 의미로 정의되는 다수의 용어들이 언급될 것이다.

본 명세서 전반에 걸쳐, "포함하다" 또는 이의 변화된 쓰임인 "포함하여" 또는 "포함하(되)는"과 같은 표현은, 문맥상 달리 언급되지 않는 한, 언급된 정수 또는 단계 또는 정수들 또는 단계들의 군을 포함하지만, 임의의 다른 정수 또는 단계 또는 정수들 또는 단계들의 군을 배제하지는 않는다는 의미이다.

본 명세서 및 첨부되는 특허청구범위에서 사용되는 것과 같이, 단수형 명사 형태는, 문맥상 명백히 달리 지시되지 않는 한, 복수형 지시 대상을 포함한다는 것도 주지해야 한다. 따라서, 예를 들어, "약학적 담체"에 대한 언급은, 2종 이상의 이러한 담체 등의 혼합물을 포함한다.

본원에서는 평균 열전도성이 증가된 유리로 제조된 미세유체 장치가 기술된다. 본원에 기술된 미세유체 장치는 유리 프릿과 필러를 포함하는 혼합물 또는 복합체를 포함한다. 상기 필러는 유리 프릿보다 더 높은 열전도성을 가진다.

간략하면, 유리 프릿과 혼합된 필러는, 고결화 유리, 또는 필러를 포함하지 않는 고결화 유리 함유 혼합물 또는 복합체에 비하여, 평균 열전도성이 증가된 고결화 유리 함유 혼합물 또는 복합체를 생성한다. 고결화 혼합물 또는 복합체의 평균 열전도성은 임의의 필러와 나머지는 공극으로서 포함되는 소결된 프릿의 측정되거나 계산된 열전도성이다. 열전도성의 계산은 이방성 재료에 대한 열전도성의 방향성 평균을 취하는 단계를 포함한다. 한 양태에서, 상기 복합체의 평균 열전도성은 필러를 포함하지 않는 유리보다 10% 이상 또는 20% 이상 더 높은 열전도성을 가진다. 또 다른 양태에서, 상기 복합체는 1.2 W/m/K 초과, 또는 1.4 W/m/K 초과, 또는 1.6 W/m/K 초과의 평균 열전도성을 가진다.

본원에서 단위 W/m/K는 W.m^-1.K^-1로도 기재할 수 있다.

상기 혼합물 또는 복합체는 필러와 유리 프릿의 블렌드이다. 본 발명의 특정 실시 양태에 따르면, 이러한 블렌딩은 선택적으로 상기 유리 프릿과 필러를 열처리 전에 완전하게 혼합하여, 상기 필러가 복합체에 두루 고르게 분산되거나 융합되게 함으로써 달성될 수 있다. 이로써 전체 유리 복합체가 그 전체에 상대적으로 두루 균일한 평균 열전도성을 확실히 가지게 될 것이다. 본 발명의 다른 실시 양태에 따르면, 적어도 부분적으로 고결화된 혼합물 또는 복합체로 미리 형성된 시트 또는 블록이 사용될 수 있다. 그 어느 경우에서도, 상기 복합체는 유리의 표면에 코팅된 필러만을 갖는 유리는 아니다. 본원에서 유용한 유리 프릿과 필러 재료는 하기에 기술할 것이다.

유리 프릿은 가열시 점성 물질로 전환될 수 있는 임의의 유리 재료의 미립자이다. 본원에서 다양한 재료가 사용될 수 있다. 한 양태에서, 유리 프릿은 SiO₂와, 기타 알칼리 산화물, 알칼리토류 산화물, 전이 금속 산화물, 비금속 산화물(예를 들어, 알루미늄 산화물, 인 또는 붕소) 또는 이들의 혼합물을 적어도 하나 포함한다. 또 다른 양태에서, 유리 프릿은 알칼리 규산염, 알칼리토류 규산염 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 유리 프릿으로 유용한 물질의 예로서는, 이에 제한되지는 않지만, 붕규산염, 지르코니아가 용해된 붕규산염 또는 소듐 붕규산염을 포함한다.

필러로 돌아가서, 필러는 그 열적 특성 및 기계적 특성을 보존하기 위하여 유리 프릿에 대하여 거의 또는 완전히 불활성이다. 필러가 유리 프릿과 거의 또는 완전하게 불활성인 경우, 필러는 필러/프릿 매트릭스 내에서 반응이 없거나 최소한의 반응만이 발생하여, 바람직하지 않은 새로운 상을 형성하는 발포, 균열, 그리고 고결화를 방해하는 임의의 다른 작용이 실질적으로 없게 된다. 이러한 조건 하에서, 최소한의 다공도를 갖는 복합체를 생성하는 것이 가능하다.

또한, 상기 필러는 일반적으로 바람직하게는 비다공성이거나 또는 최소한의 다공도를 가지며, 낮은 표면적을 보유한다. 필러는 당업계에서 통상적으로 사용되는 유기 화합물처럼 소결시 불타 없어지지 않는다. 필러는 열처리시 경화된 상태, 연화된 상태, 또는 심지어 용융 상태로 존재할 수 있다. 한 양태에서, 필러는 유리 프릿보다 높은 연화점 또는 용융점을 가진다. 어떤 필러를 선택하느냐에 따라서, 필러는 최종 혼합물 또는 복합체로의 융합을 촉진시킬 산화물을 형성할 수 있다.

상기 거론된 바와 같이, 필러는 복합체의 평균 열전도성을 증가시킨다. 한 양태에서, 필러는 평균 열전도성이 2 W/m/K 이상, 3 W/m/K 이상, 4 W/m/K 이상 또는 5 W/m/K 이상이다. 본원에서 유용한 필러의 예로서는, 이에 제한되지는 않지만, 탄화 규소, 질화 알루미늄, 탄화 붕소, 질화 붕소, 붕화 티탄, 규산알루미늄, 알루미나, 은, 금, 몰리브덴, 텅스텐, 탄소, 규소, 다이아몬드, 니켈, 백금 또는 이들의 임의의 혼합물을 포함한다. 하기 표 1에 본원에서 유용한 필러의 일부 물리적 특성에 대해 기재하였다.

필러	α(W/m/K)	CTE ×10^-7/℃	E (GPa)
다이아몬드	2000	10	1200
탄화 규소	160	37	430
질화 알루미늄	150	46	320
질화 붕소	125	50	73
탄소 섬유/플레이크	125	30	225
알루미나	29	64	300
규소	150	35	165
은	430	190	103
금	318	140	171
몰리브덴	138	51	260
텅스텐	173	45	310

필러의 양은, 여럿 가운데에서도 특히, 선택된 유리 프릿의 유형 및 목적하는 평균 열전도성에 따라 다양할 수 있다. 한 양태에서, 필러의 양은 복합체 부피 중 5부피% 이상이다. 또 다른 양태에서, 필러의 양은 15 내지 60 부피%이다. 또 다른 양태에서, 필러의 양은 35 내지 55 부피%이다.

유리 프릿과 필러 모두를 포함하는 혼합물 또는 복합체를 포함하는 미세유체 장치의 제조 방법이 본원에 기술된다. 상기 언급된 바와 같이, 필러는 유리 프릿보다 큰 열전도성을 가진다. 본 발명에 따라서, 본 발명의 한 실시 양태로서 도 1을 참조하면, 혼합물 또는 복합체는 서브밀리미터 내지 밀리미터 범위에서 하나 이상의 디멘션을 갖는 유체 통로 또는 채널 또는 챔버(26, 28)를 포함하는 고결화된 본체(10)로 제조된다. 상기 혼합물은 유리 프릿과 필러 그리고 결합제를 포함하는 혼합물을 형성하거나 제공함으로써 준비될 수 있다. 다음으로, 상기 혼합물을 고결화된 본체로 형성시키는 단계는 상기 혼합물을 형성하는 단계, 이후 상기 혼합물을 분리 및 소결시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 성형 또는 형성 공정은 (1) 제1 기판, 예컨대 기판(12, 14, 16, 18) 상에 유리 프릿과 필러를 포함하는 유리 조성물을 형성시키는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 형성 단계는 주형을 사용한 열성형법의 형태를 취할 수 있거나, 또는 제1 기판(18)과 그 위에 형성된 프릿(20, 24)을 포함하는 제1 어셈블리를 형성하는 또 다른 성형법을 취할 수도 있다. 도 1과 관련된 공정에서, 기판(18) 상에 형성된 프릿(20, 24)은 통상 박층(20)과 벽 구조(24)를 포함한다. 프릿(20, 24)이 형성된 후, (2) 제1 어셈블리를 제2 기판(16)을 포함하는 제2 어셈블리와 함께 적층시켜, 형성된 유리 조성물(20, 24)을 제1 기판(18)과 제2 어셈블리 사이에 위치시키고, (3) 상기 조립된 제1 어셈블리와 제2 어셈블리를, 제1 및 제2 기판(18, 16) 사이에 통로(26, 28) 또는 열유체 통로(30)와 같은 하나 이상의 홈을 규정하는 일체형 미세구조를 형성시키기 위해, 상기 유리 조성물을 융합시키기에 충분한 온도까지 함께 가열시킨다.

조립 시, 제2 어셈블리는 평판층(32) 또는 유리 프릿과 필러를 포함하는 유리 조성물로 구축된 층과 같은 제2 기판 상에 형성된 유리 조성물을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 각각 형성된 유리 조성물(20, 24 및 32)은, 가열시 각 성형 유리 조성물의 인접 부위가 함께 고결화되어 제1 기판과 제2 기판 사이에 하나 이상의 홈(26,28,30)을 규정하는 일체형 미세구조(10)를 형성할 수 있도록, 조립 단계에서 서로 인접하게 위치할 수 있다. 기판 재료의 예로서는, 이에 제한되지는 않지만, 알루미나, 탄화 규소, 질화 규소 알루미늄, 질화 규소 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 또 다른 양태에서, 기판은 유리, 예컨대 Eagle

또는 코닝 인코포레이티드(Corning Incorporated) 사에서 제조한 다른 용융식(fusion-drawn) 유리일 수 있다.

다른 양태에서, 기판은 단지 선택적인 것이며, 미세유체 장치를 제조하기 위해 필요한 것은 아니다. 예를 들어, 도 4A-4C의 정면 단면도에서 개략적으로 도시되는 바와 같이, 유리 복합체로 구축된 층, 예컨대 기판에 벽을 추가하거나 또는 그 기판 위에 형성된 다른 구조를 더한 일반적인 형태의 층은 하기 단계들에 의해 전부 복합체 재료만으로 형성될 수 있다: (1) 지지체(36) 상에 유리 프릿과 필러의 혼합물(34)을 배치시키는 단계; (2) 상기 혼합물(34) 위에 제1 주형(38)을 배치하여 적층 시스템(40)을 제조하는 단계; (3) 상기 적층 시스템(40)을, 상기 혼합물 중의 적어도 일부의 유리 성분들을 점성 유리로 전환시키는데 충분한 시간과 온도에서 가열하는 단계(여기서, 제1 주형(38)은 도 4B에 나타난 바와 같이 상기 혼합물(34)을 관통하며, 상기 혼합물(34)은 적어도 다소 고결화되어 유리 및 필러의 고결화된 혼합물 또는 복합체를 형성한다); (4) 상기 적층 시스템(40)을 냉각시키는 단계; 및 (5) 상기 제1 주형(38)으로부터 혼합물 또는 복합체(34)를 제거하는 단계(여기서, 상기 혼합물 또는 복합체(34)가 상기 제1 주형(38)으로부터 제거되는 경우, 상기 혼합물 또는 복합체(34)는 상기 제1 주형(38)에 들러붙지 않는다). 물론, 혼합물(34)을 제1 주형(38) 위에 배치한 후, 지지체(36)를 혼합물(34) 위에 배치시키는 것과 같이 적층 순서도 반대로 할 수 있다. 지지체(36)는 그 자체를 제2 주형으로 취할 수 있어, 필요하다면 생성되는 혼합물 또는 복합체(34)의 양 표면은 단회의 가열 단계로 복잡 다단하게 구축시킬 수 있다. 상기 언급한 바와 같이, 원래 지지체(36) 상에 배치된 유리 프릿과 필러의 혼합물(34)은 선택적으로는 적어도 부분적으로 고결화된 혼합물 또는 복합체로 미리 형성된 시트(34) 또는 블록(34)의 형태를 취할 수 있다.

상기 방법의 여러 장점들 중의 하나는, 성형된 혼합물 또는 복합체(34)를 냉각할 때, 추가적인 시간을 들여야만 하는 단계가 요구되는 에칭과 같은 통상적인 기법에 의해서가 아니라 손으로 상기 성형된 혼합물(34)을 주형(38)으로부터 쉽게 떼어낼 수 있다는 것이다. 여기서, 상기 성형된 유리 혼합물(34)은 주형(38)에 들러붙지 않는다. 본원에서 사용된 "들러붙지 않는다"라는 말은 성형된 복합체와 주형 사이에 아무런 기계적 상호작용 또는 화학적 상호작용이 없다는 의미에 상당하는 것으로 명목상 정의된다.

유리 프릿/필러 재료 및 주형(38)을 제조하는데 사용되는 재료의 선택은, 성형된 유리가 주형에 들러붙느냐 그렇지 않느냐의 여부에 영향을 미친다. 유리 및 주형 재료의 선택시 고려해야 할 특성으로는 열팽창 계수(CTE), 영률(Young's modulus), 주형의 다공도 및 주형의 화학적 안정성을 들 수 있다. 이들 각각에 대해서 하기에서 상세히 기술한다.

CTE와 관련하여서는, 주형 재료의 CTE가 성형될 유리의 CTE와 근접하게 비슷한 것이 특정 양태에서 바람직하다. 한 양태에서, 제1 주형은 바람직하게는 유리 프릿/필러 복합체의 열팽창 계수인 300℃에서 10 × 10^-7/℃ 내의 열팽창 계수를 가지는 재료를 포함한다.

주형 재료 및 유리 복합체의 영률은 또 다른 고려 사항으로서 CTE와 연관이 있다. 주형 재료가 낮은 영률을 가지는 경우, 주형 재료는 보다 탄성적이며 유리 복합체와 주형 사이에 더 큰 CTE 차이를 용인할 수 있다. 반대로, 주형 재료가 높은 영률을 가지는 경우, 주형 재료는 탄성이 덜해져서(즉, 보다 강성해짐), 주형과 유리 복합체 사이의 CTE 차이는 더 작게 유지되어야만 한다. 한 양태에서, 제1 주형은 유리 복합체의 영률 이하의 영률을 가지는 재료를 포함한다.

주형을 만드는데 사용되는 재료와 관련하여서는, 유리 복합체에 대한 주형 재료의 CTE/영률 이외에, 주형의 다공도와 화학적 안정성이 고려되어야 한다. 다공도와 관련하여서는, 주형은 바람직하게는 특정 다공도를 보유하여 열처리 도중에 발생한 기체가 유리 안에 갇히지 않고 다공성 주형을 통해 용융 유리를 빠져나올 수 있는 것이 좋다. 대안으로는, 성형을 진공 하에 수행하면 포집되거나 유리로부터 빠져나온 기체가 제거될 수 있다. 한 양태에서, 제1 주형은 5% 이상의 개방 다공도(open porosity)를 가지는데, 즉 이것은 주형 부피의 5% 이상이 개방되어 있다는 의미이다. 또 다른 양태에서, 제1 주형은 5% 내지 20%의 개방 다공도 또는 약 10%의 개방 다공도를 가진다.

주형 재료를 선택할 때 또 다른 고려 사항은 주형이 높은 온도, 특히 유리 시트를 용융 유리로 전환시키는데 필요한 온도에서 화학적으로 안정해야 한다는 점이다. 주형 재료와 관련하여 본원에서 사용되는 "화학적으로 안정하다"라는 용어는, 주형 재료가 불활성 물질 상태로부터 용융 유리와 상호작용할 수 있는 물질로 전환되는 것을 저항하는 주형 물질의 저항력으로 정의된다. 예를 들어, 주형이 질화 붕소로 이루어지는 경우, 질화 붕소는 700℃ 이상의 온도에서 산화 붕소로 전환될 수 있다. 산화 붕소는 유리와 화학적으로 상호작용하여, 결과적으로 주형에 들러붙는 유리를 생성할 수 있다. 따라서, 성형 과정이 수행될 때의 온도에 따라서, 당업자라면 높은 온도에서 화학적으로 활성인 물질로 전환되지 않는 주형 재료를 선택할 수 있다.

본원에서 유용한 주형 재료의 예로서는, 이에 제한되지는 않지만, 흑연, 질화 붕소 세라믹 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 한 양태에서, 주형 재료는 카본 로렌(Carbone Lorraine) 사에 의해 제조된 등급 2450 PT 흑연을 포함한다. 이러한 등급의 흑연은 300℃에서 25×10^-7/℃의 CTE 및 약 10%의 개방 다공도 수준을 가진다. 통상적인 기법, 예컨대 CNC 기계 가공, 다이아몬드 초고속 기계 가공, 방전 기계 가공, 또는 이들을 조합한 방법이 특정 주형을 제조하는데 사용될 수 있다. 주형 디자인은 목적하는 특성에 따라 다양할 수 있다.

상기 공정에서, 분말(34) 또는 미리 형성된 시트 또는 블록(34)의 형태인 유리 프릿과 필러의 혼합물(34)을 지지체(36) 상에 위치시킨 후, 혼합물(34)의 다른 면에 주형(38)을 위치시킨다. 지지체(36)는 연화된 혼합물(34)의 고른 흐름을 확보하기 위해 가능한 평평하거나 수평이어야 한다. 지지체(36)와 주형(38)은 동일한 재료들 또는 서로 다른 재료들로 이루어질 수 있다. 한 양태에서, 지지체(36)는 흑연, 질화 붕소 세라믹, 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 또 다른 양태에서, 지지체 및 주형이 동일한 재료로 이루어지는 경우, 그 재료는 카본 로렌 사에 의해 제조된 등급 2450 PT 흑연이다.

한 양태에서, 성형된 유리가 주형에 부착되는 것을 막기 위해 이형제가 사용될 수 있다. 상기 이형제는 주형, 유리 시트 및 지지체의 어느 표면에도 사용될 수 있다. 적용될 수 있는 이형 물질의 양은 다양할 수 있다. 주형 재료와 이형제는 유사한 특성을 보유하거나 유사한 재료들로 이루어지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 주형이 흑연으로 이루어지는 경우, 이형제는 탄소 그을음(soot)이다.

실시예

본원에 기술되고 청구된 재료, 물품 및 방법들이 어떻게 만들어지고 평가되었는지에 대한 완전한 개시와 설명을 당업자에게 제공하기 위해 하기의 실시예를 기술하며, 이는 순전히 예시적일 뿐이지, 본 발명자들이 자신들의 발명이라고 간주하는 범위를 제한하는 것은 아니다. 숫자(예를 들어, 양, 온도 등)와 관련해서는 정확성을 기하기 위해 노력하였지만, 일부 오차 및 편차가 고려되어야 한다. 달리 지시하지 않는 한, 부는 중량부이며, 온도는 ℃ 또는 주위 온도(실온)이고, 압력은 대기압 또는 이와 가까운 압력이다.

알루미나-충전된 프릿의 제조 및 특징

알루미나는 규산염 유리보다 30배가 더 높은 열전도성을 가진다. 이것은 α=28 W/m/K의 열전도성을 가진다. 미립화 알루미나의 강도는 유리보다 통상 3-5배 이상으로, 350 대 100 MPa 정도이다. 알루미나는 유리에 비해 그 강성도가 5배 정도 좋아서 모세관 채널 내에서 압력에 의한 굽힘 응력에 보다 잘 저항할 수 있다. 또한, 알루미나는 공업품 표준 규격이다. 이것은 비싸지 않으며 쿄세라(Kyocera)와 쿠어스텍(CoorsTek) 사와 같은 여러 상업적인 공급처에서 시판된다. 또한, 알루미나는 Pyrex 7740과 같은 알칼리 붕규산염 유리처럼 특히 화학적 부식에 저항력을 가질 수 있다.

높은 열전도성을 가지는 알루미나 충전된 프릿은 알루미나 기판과 같이 사용하기 위해 맞춰진 적당한 CTE를 갖도록 개발되었다. 알루미나에 확대 적용을 위해 맞춰진 기재 유리(base glass) 조성물은, 하기 표 2에 기재된 바와 같은 조성으로 72 중량%의 유리 조성물 A와 28 중량%의 유리 조성물 B를 기계적으로 혼합하여 수득하였다.

몰%	A	B

SiO₂	68.97	70.2
B₂O₃		20.4
Al₂O₃	11.41	3.4
Li₂O		1.4
Na₂O	9.64	2.3
CaO	4.64	1.1
MgO	1.88
K₂O	1.78
ZrO₂	1.69
F		1.3

유리 조성물 A와 유리 조성물 B의 연화점은 각각 683℃와 757℃이다. 혼합물 내에 조성물 B 프릿 입자는 소결시 더욱 강성한 상태로 잔존할 것이며, 또한 벌크 유리로서 조성물 A 내에서 연화 필러로서 간주될 수도 있다. 프릿은 건식 분쇄하여 혼합하기 전에 63 ㎛의 개구를 가지는 체를 통해 체질하였다. α 알루미나 필러는 KC#50 (미국 캔자스주 66115 캔자스시 다지 로드 3140 소재의 케이.씨. 어브레시브 컴퍼니, 엘엘씨(K.C. Abrasive Company, LLC) 사 제조, 913-342-2900)과 A-3000 (알마티스 인코포레이티드(Almatis, Inc.) 사 제조, 1-800-643-8771) 분말의 3:2 혼합물이다. 상기 알루미나 필러를 0, 30, 40 및 50 부피%의 농도로 기재 유리 프릿에 첨가하였다. 성형용 페이스트를 프릿과 ~16 중량%의 MX-4462 왁스 (CERDEC 사 제조, 페로(Ferro) 사의 분사))를 혼합하여 수득하였다.

알루미나 기판 상에 프릿 페이스트를 100℃에서 용융시킨 후 압착하여 ~0.5-0.8 mm 두께의 코팅으로 만들어, 열전도성을 측정하기 위한 시료를 제조하였다. 모든 시료를 2시간 동안 불에 구웠다. 소결 온도는 필러의 농도를 기준으로 하여 선택하였다(705℃에서 0%, 825℃에서 30%, 1,050℃에서 40% 및 1,200℃에서 50%). 완성된 복합체 코팅 단면의 SEM 사진을 도 2A-2D에 나타내었다. 고결화 혼합물 또는 복합체의 열전도성을 하기 2가지 방법으로 측정하였다: (1) NIST (http://www.ctcms.nist.gov/oof/)에서 개발한 OOF 소프트웨어 패키지를 이용한 SEM 영상의 유한 요소 분석법(finite element analysis) 및 (2) 열확산율 측정을 위한 레이저 섬광법(외부 실험실(앤터 래버러토리즈, Anter Laboratories))과 열용량을 위한 시차주사열량계법("DSC")의 조합.

OOF 소프트웨어 패키지는 하나의 영상 내에서 각 상의 명암 대비에 기초하여, 공극 (0 W/m/K), 유리 (1 W/m/K) 및 알루미나 필러 (30 W/m/K)의 공지된 열전도성들을 지정하게 된다. 다음으로, 인위적인 고정 온도 구배를 부과하여, 영상의 디멘션들과 계산된 열류(heat flux)로부터 컴퓨터 연산 처리한다.

필러와 다공도의 분포 상태를 표 3에 나타내었다. 분포의 측정은 사실상 통계에 기초하기 때문에, SEM 영상의 소규모 길이 스케일에서 편차가 발생된다. 이러한 효과는 각 측정 단계와 연관된 실제 필러 농도와 다공도를 제시하면 설명이 된다.

소결된 충전 프릿(기판에 수직인 것과 평행인 것 모두)의 컴퓨터 연산된 열전도성 결과를, 500배와 1000배로 2번 확대하여 취한 SEM 영상을 기초로 표 4에 나타내었다. 표 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 열전도성은 알루미나 필러의 첨가에 의해 급격히 증가하였다. 50%의 필러 농도를 취하여 1000배 확대한 영상에 있어서, 소결 프릿의 열전도성은 기판에 수직 방향인 경우에 있어서는 5.5 W/m/K까지 증가하였다. 또한, 전도성에 대한 다공도의 역효과는 표 3에서 볼 수 있다. 필러는 소성을 지연시킴으로써 더 높은 수준의 다공도를 야기한다. 그러나, 페이스트는 성형 전에 탈기되지 않을 뿐더러 진공 챔버 내에서 기판 상에 성형되지도 않는다. 다공도를 감소시키기 위한 페이스트의 탈기 작업은 선택적으로 미세반응기 제조 공정의 일부로서 포함될 수 있다.

	영상에서 상들의 비율
배치	500X		1000X
Al₂O₃ (부피%)	Al₂O₃ (부피%)	다공도	Al₂O₃ (부피%)	다공도
30	24.3	1.9	28.9	4.2
40	30.8	15.8	28.2	17.8
50	38.69	12.2	55	0.2

열전도성 (W/m/K)
500X			1000X
평행	수직	MT-Eq.	평행	수직	MT-Eq.
2.13	1.69	2.04	2.35	2.06	2.27
2.59	1.67	2.00	1.74	1.79	1.78
3.59	2.61	2.74	7.46	5.49	5.67

열확산율 측정용 레이저 섬광법을 위한 직경 25mm의 실린더로 코팅된 기판에 천공하였다. 코팅과 동시에 불에 구웠던 펠렛 형태의 독립(free-standing)형 페이스트의 개별 시료들을 DSC에 의한 열용량 측정을 위해 사용하였다. 코팅을 갖는 시료들의 중량과 각 시료의 총 두께도 측정하였다. 코팅의 열확산율, 열전도성, 열용량 및 밀도를 표 5에 나타내었다. 알루미나 실린더의 전체 전도성도 알루미나 레퍼런스 버튼(reference button)과 비교를 위해 기재해 놓았다. 가장 높은 열전도성은 40%의 필러 농도에서 나타났다. 전도성은 50 부피%의 필러 농도에서 감소되었는데, 이는 코팅의 밀도 감소의 증거가 되는 더 높은 다공도 때문이다. 레이저 섬광법으로 측정된 기재 유리(즉, 필러가 없는 유리)의 열전도성은 2.2 W/m/K로 매우 높았다. 따라서, 표 5에서의 절대치에 대해서는 더 연구가 필요하지만, 코팅의 열전도성이 필러의 첨가에 의해 증가한다라는 경향은 유의성을 가지는 것으로 보인다.

필러 부피%	소결 온도 (℃)	열 확산율 (㎠/s)	프릿의 열용량 (J/g)	프릿의 밀도 (g/㎤)	전체 열전도성 (W/m/K)	프릿의 열전도성 (W/m/K)
0%	705	0.021	0.83	3.08	5.0	2.2
30	825	0.028	0.81	3.05	6.8	3.7
40	1050	0.037	0.74	3.12	8.9	4.4
50	1200	0.036	0.73	2.75	7.6	4.3
REF (Al₂0₃)	NA	0.0794	0.78	3.61	22.3	NA

알루미나 충전된 프릿의 펠렛 상에서의 소결 전과 소결 후에, 분말 XRD를 수행하였다. 도 3은 1,200℃에서 2시간 동안 소성 후에 50 부피%의 필러를 포함하는 시료에 대해 수득된 결과를 보여준다. 그래프에 나타난 기록선은 특징적인 유리 성질을 갖는 할로, 다량의 α-알루미나, 그리고 일부 규산알루미늄을 나타낸다. <5%인 소량의 규산알루미늄은 유리 내의 필러와 실리카의 반응 산물이다. 따라서, 알루미나 필러는 본래 1,200℃에서 조차도 불활성이다. 규산알루미늄의 생성은 그것이 6 W/m/K의 열전도성을 가지기 때문에 사실상 유익할 수 있다. 일부 규산알루미늄의 형성도 유리 매트릭스를 통해 알루미나 필러 입자들을 가교시킴으로써 열전도성 물질의 연속된 망상 조직을 구축하는데 도움이 될 수도 있다.

미세반응기의 제조

기재 유리 내에 0, 30, 40 및 50 부피%의 알루미나 필러를 포함하는 프릿 페이스트를 이용해 쿠어스텍(CoorsTek) 96R 알루미나 기판(12,14 16,18)(1.0 mm 두께) 상에서 미세반응기를 제조하였다. 하기의 차이점을 제외하고는, 미국 특허 제6,595,232호와 제6,769,444호에 개괄된 미세성형 기법을 사용하여 견본을 제조하였다. 첫째, 성형을 위한 알루미나 기판(12,14,16,18)을 레이저로 절단하여 유체 바이어스(fluidic vias)로 미리 천공하였다. 둘째, 예비소결의 열사이클 도중의 페이스트 흐름을 제어하기 위해 탄산칼슘 대신에 섬유상 셀룰로오스(Whatman CF-1)를 사용하였다. 셋째, 알루미나 기판의 열교환 면에 프릿-기재 물질의 얇은 평판층을 사용하지 않았다(예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이 층(22)이 없음). 처음 두 가지 변화를 준 것은 제조 공정을 단순화는 개량된 공정을 이용하기 위해서였다. 세번째 변화를 준 것은 장치의 내열성을 감소시키고자 한 것이다. 열사이클은 미세반응기에 내부 부피를 갖도록 선택하여, 이에 따라 사전에 테스트된 유리 반응기와 유사한 내부 디멘션 및 구조를 가지도록 하였다. 이는 열시험을 위한 수력학 조건과 유사한 조건을 갖추기 위해 수행한 것이다.

각 층들의 조립 전에 예비소결하여 결합제를 제거하고 예비소결된 층들의 적층 중량을 견딜 수 있도록 프릿 내에 기계적 특성을 부여하였다. 예비소결 열사이클은 하기와 같았다: 1) 4℃/분에서 0-300℃; 2) 120분 휴지기; 3) 4℃/분에서 300-630℃; 4) 30분 휴지기; 5) 2℃/분에서 610-25℃. 장치(10)과 같은 장치를 형성하는 조립체의 소결은 550 g의 중량을 이용하여 수행하였다. 중량의 추가적인 압력은 프릿 구조를 인접하는 층 내의 프릿 또는 알루미나 기판에 밀착시키는데 도움을 주는 것으로 보이는데, 이는 누수가 없는 유체 채널을 제조하는데 필수적이다. 상기 소결 열사이클은 다음과 같았다: 1) 2℃/분에서 0-MAX; 2) 120분 휴지기; 3) 2℃/분에서 MAX; 4) 60분 휴지기; 5) 2℃/분에서 400-25℃ (여기에서, MAX는 0, 30, 40 및 50 부피%의 필러 농도에 있어서, 각각 705, 825, 1,050 및 1,200℃임). 완성된 프릿 코팅의 단면 SEM 사진을 도 2A-2D(각각 0, 30, 40 및 50 부피%의 필러에서)에 나타내었다. 알마티스 A-3000의 작은 입자(42)와 케이.씨. 어브레시브 KC#50을 비롯하여 본원에서 사용된 알루미나 입자의 두 가지 변화된 크기는 도 2C에서 볼 수 있다. 필러의 백분율이 도 2B에서 도 2D로 증가함에 따라, 도 2D에 보여지는 것과 같이, 공극(46)의 존재와 상대적인 크기도 증가한다.

알루미나 견본의 열교환 성능을 이전에 시험한 동일한 크기와 형태의 유리 반응기와 비교하기 위해 열시험을 수행하였다. 이 열시험에서 사용된 빠른 발열 반응은 동일한 농도(6 N)에서 농축 염산과 수산화나트륨과의 반응이었다. 반응물들을 도 1에 개략적으로 나타난 반응물 포트 A와 B와 같은 반응물 포트로 공급하여 넣고, 반응 후에는 포트 C로 배출시켰다. 에탄올을 도 1의 포트 T로 흘려 넣어 포트 TE로 배출시키는 것과 같이 하여, 열교환 유체로서 사용하였다.

열시험 결과를 반응물의 유속(㎖/분)에 대한 전력 교환(W/m²K)의 플롯으로서 도 5에 나타내었다. 이 플롯은 참조 유리 반응기(사각형 기호), 필러 없이 기재 유리 프릿으로 제조된 알루미나 견본(삼각형 기호) 및 50 부피%의 필러를 포함하는 프릿을 갖는 알루미나 견본(다이아몬드형 기호)에 대한 결과를 보여준다. 알루미나 견본은 유리 반응기보다 2.5 내지 3배 더 많은 전력을 교환시킬 수 있다. 열전달 계수는 참조 유리 반응기에 대해서는 450, 필러를 포함하지 않는 프릿으로 제조된 알루미나 견본은 1,350 그리고 50% 알루미나 필러를 포함하는 프릿으로 제조된 알루미나 견본에 대해서는 1,400 W/m²K로 계산되었다. 물질의 열전달 계수는 공지된 물질의 특성 및 프릿의 층 두께로부터 계산하였다. 참조 유리 반응기 내에서 평판층과 나머지층의 두께는 각각 ~0.2 mm로 총 0.4 mm이다. 알루미나 견본 내의 나머지 층의 두께는 ~0.125 mm 이었고, 평판층은 사용되지 않았기 때문에 평판층 두께는 0 mm였다. 상기 세 가지 유형의 반응기에 있어서 물질 열전달 계수는 각각 670, 4,900 및 9,000 W/㎡K이었다. 유리 반응기에 있어서 각 물질의 열전달 계수와 총 열전달 계수를 비교함으로써, 유리 프릿과 기질이 열전달을 제한한다는 사실을 알 수 있다. 열교환 유체와 반응물 유체가 연합하여 열전달 계수에 기여하는 정도는 ~1,500 W/㎡K 차감되는 정도로 추론할 수 있다.

이러한 상세한 결과들은 알루미나 견본에 있어서 열전달이 유체의 특성에 의해 제한된다는 사실을 나타내지만, 본 발명의 미세유체 장치의 프릿 기반 물질에 제공된 개선된 전도성에서 알 수 있듯이, 프릿의 전도성 영향은 여전히 현저하다. 특히, 견본 장치에서와는 달리, 모든 기판의 모든 표면 상에 얇은 프릿 층을 포함하는 것이 적어도 다음의 두 가지 이유로 바람직할 수 있다: 첫째, 상기 얇은 층은 미세반응기의 제조시 밀착성을 증가시켜, 열제어 유체 순환의 압력 저항을 증가시킬 수 있으며, 둘째, 상기 얇은 층을 사용하면 미세유체 장치가 그 안에서 흐를 수 있는 다양한 반응 유체와 열교환 유체에 대해 단 하나의 물질만을 제공하여 상대하도록 하게 되므로, 내구성과 불활성 상태를 개선할 수 있게 된다.

잔여층의 치수가 참조 유리 반응기의 치수와 유사하여, 평판층을 장치 내에 도입할 경우, 계산된 물질의 열전달 계수는 알루미나 필러를 포함하지 않는 프릿으로 제조된 알루미나 견본에 있어서는 ~2,300 W/㎡K, 50 부피%의 알루미나를 포함하는 프릿에 있어서는 ~7,300 W/㎡K일 것이다. 표 3과 4의 데이터를 참조하면, 6,000 W/㎡K의 열전달 계수를 달성하기 위해서는 기재 유리 내에 약 30 부피% 이상의 알루미나의 필러 농도가 필요할 것이다.

추가적인 유리 재료

다른 유리들을 조사하였다: DD3009 (지르코늄 함유 붕규산염)와 붕규산염 나트륨을 30 부피%의 KC#40 알루미나 필러로 충전시켰다. 혼합된 분말의 일축 가압성형(uniaxial pressing) 후 1,000℃에서 30분 동안 소성하여 시험편을 합성하였다. 상기 양 시험편들을 95% 근방의 상대 밀도로 거의 완전하게 고결화하였다. 상기 복합체 모두 열전도성은 2.1 W/m/K였다. 유리의 조성은 열전도에 미치는 영향이 적었다.

도 6은 알루미나 필러의 첨가량(부피%로 계량됨)에 따른 열전도성(W/m/K)의 변화를 도시한 것이다. 필러의 부피 분획량이 증가함에 따라, 복합체의 열전도성도 최대 약 35 부피%로 급속하게 커진다. 40%를 초과하는 부피 분획에 있어서는, 열전도성 변화의 역전이 관찰되었다. 이것은 열전도율을 감소시키는 다공도의 증가에서 기인하는 것으로 보인다. 알루미나 필러는 50% 초과에서도 여전히 꽤 적당한 복합체 밀도를 달성하지만, 35 부피% 초과에서 유리의 치밀화를 방해하기 시작한다. 가장 높은 성능은 약 35 내지 약 55 부피%에서 달성되는 것으로 보인다.

도 7은 알루미나 필러의 중량%의 함수로서 최종 유리와 필러의 고결화된 혼합물 또는 복합체의 상대 밀도 백분율을 나타낸다. 그래프에서 볼 수 있는 것처럼, 약 35% 초과의 알루미나의 중량%는 생성된 고결화 혼합물의 밀도를 저하시키기 시작한다. 증가하는 다공도는 도 6에서의 피크점을 설명하는데 도움을 준다. 표시된 여러 백분율에서의 고결화 혼합물의 현미경 사진도 도 7에 포함되어 있다. 약 45 부피%의 필러를 함유하는 고결화 혼합물에 있어서는, 고결화 유리 매트릭스(48) 뿐만 아니라 필러(44)와 공극(46)도 현미경 사진에서 볼 수 있다.

유리 프릿, 필러 및 기판의 조성 및 처리 공정 조건은 원치 않는 반응을 피하도록 선택되어야 한다. 예를 들어, 고온에서 소결시 유리 재료와 필러를 접촉시키게 되면 바람직하지 못한 여러 반응을 초래할 수 있다. SiC 또는 AlN이 필러인 경우에는, 중성 대기(아르곤)에서조차 소성 시에 유리 프릿 매트릭스의 발포가 발생하는 것으로 밝혀졌다. 알루미나 지지체에 대한 BN 필러의 접착력은 불량한 것으로 밝혀졌다. 유리가 다이아몬드 필러로부터 삼출(발산)되어 나온다. 이러한 문제점들은 반응 (소결) 조건 및 개시 물질을 변화시킴으로써 피할 수 있다.

본 출원 전반에 걸쳐, 여러 간행 문헌들이 참조되었다. 이들 간행 문헌의 전체적인 개시 내용은 본원에 개시된 화합물, 조성물 및 방법을 보다 완전하게 설명하기 위하여 본 출원에 참조로서 포함된다.

본원에 기술된 재료, 방법 및 물품에 있어서 다양한 변형 및 변화를 가할 수 있다. 본원에 기술된 재료, 방법 및 물품의 다른 양태들은 본원에 개시된 재료, 방법 및 물품의 상술한 내용 및 그 실행을 고려하면 명백해 질 것이다. 본 상세한 설명과 실시예는 예시적인 것으로 간주되어야 한다.

Claims

서브밀리미터 내지 밀리미터 범위에서 하나 이상의 디멘션(dimension)을 갖는 유체 통로 또는 채널 또는 챔버(26,28)를 하나 이상 포함하는 미세유체 장치(10)로서, 상기 장치(10)는 유리 프릿과 필러(20,24,22,32)를 포함하는 고결화 혼합물을 더 포함하고, 상기 필러는 유리 프릿보다 더 높은 열전도성을 갖는 것을 특징으로 하는 미세유체 장치.
제1항에 있어서, 상기 유리 프릿은 SiO₂와, 알칼리 산화물, 알칼리토류 산화물, 금속 산화물, 비금속 산화물 또는 이들의 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체 장치.
제1항에 있어서, 상기 유리 프릿은 알칼리 규산염, 알칼리토류 규산염 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체 장치.
제1항에 있어서, 상기 유리 프릿은 붕규산염, 지르코늄 함유 붕규산염 또는 알칼리 붕규산염을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필러는 2 W/m/K 이상의 평 균 열전도성을 가지는 것을 특징으로 하는 미세유체 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필러는 5 W/m/K 이상의 평균 열전도성을 가지는 것을 특징으로 하는 미세유체 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필러는 탄화 규소, 질화 알루미늄, 탄화 붕소, 질화 붕소, 브롬화 티탄, 규산알루미늄, 알루미나, 은, 금, 몰리브덴, 텅스텐, 탄소, 규소, 다이아몬드, 니켈, 백금, 또는 이들의 임의의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체 장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필러의 양은 혼합물 중 5 부피% 이상에 해당하는 것을 특징으로 하는 미세유체 장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필러의 양은 혼합물 중 15 내지 60 부피%에 해당하는 것을 특징으로 하는 미세유체 장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필러의 양은 혼합물 중 35 내지 55 부피%에 해당하는 것을 특징으로 하는 미세유체 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고결화 혼합물의 평균 열 전도성은, 필러를 포함하지 않고 유리 프릿으로 이루어진 고결화 재료보다 10% 이상 더 높은 것을 특징으로 하는 미세유체 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고결화 혼합물의 평균 열전도성은, 필러를 포함하지 않고 유리 프릿으로 이루어진 고결화 재료보다 20% 이상 더 높은 것을 특징으로 하는 미세유체 장치.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체 장치.
제13항에 있어서, 상기 기판은 알루미나, 탄화 규소, 질화 규소 알루미늄, 질화 규소 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체 장치.
미세유체 장치의 제조 방법으로서,

유리 프릿과 필러를 포함하는 혼합물을 제공하는 단계; 및

상기 혼합물을, 서브밀리미터 내지 밀리미터 범위에서 하나 이상의 디멘션을 갖는 유체 통로 또는 채널 또는 챔버를 포함하는 고결화된 본체(consolidated body)로 형성시키는 단계

를 포함하며, 상기 필러의 열전도성은 유리 프릿보다 더 높은 것을 특징으로 하는 방법.
제15항에 있어서, 혼합물을 제공하는 상기 단계는 유리 프릿, 필러 및 결합제를 포함하는 혼합물을 제공하는 단계를 포함하며, 상기 혼합물을 고결화된 본체로 형성시키는 상기 단계는 상기 혼합물을 형성시키는 단계, 이후 분리 및 소성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제16항에 있어서, 상기 성형 단계는 평판 성형을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제15항에 있어서, 혼합물을 제공하는 상기 단계는 적어도 부분적으로 고결화된 시트 형태로 유리 프릿과 필러의 혼합물을 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제15항 또는 제18항에 있어서, 고결화된 본체를 형성시키는 상기 단계는, 다공성 탄소를 포함하는 하나 이상의 주형 표면을 이용하여 가열 하에 성형시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.