KR20100047977A - 친수성 필름을 이용한 무동력 미세 유체 칩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 친수성 필름을 이용한 무동력 미세 유체 칩 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 미세 유체 칩과 친수성 필름을 이용하여 별도의 구동수단 없이 모세관에 의한 유체 이송이 가능한 무동력 미세 유체 칩 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 친수성 필름을 이용하여 별도의 구동수단 없이 유체를 이송할 수 있으며 동시에 낮은 제조원가로 간단하게 제조 및 내구성 향상 시킬 수 있는 무동력 미세 유체 칩을 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 양단부에 검체주입부와 배출부가 각각 형성된 제1기판; 상기 검체주입부를 통해 유입되는 시료의 이송을 유도하도록 제1기판의 하면에 부착되는 친수성 필름; 베이스 기판으로 상기 제1기판 및 친수성 필름이 상면에 적층결합되는 제2기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 무동력 미세 유체 칩을 제공한다.
친수성 필름, 유체 칩, 모세관, 기판

Description

친수성 필름을 이용한 무동력 미세 유체 칩{Microfluidic chip using hydrophillic film}
본 발명은 친수성 필름을 이용한 무동력 미세 유체 칩 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 미세 유체 칩과 친수성 필름을 이용하여 별도의 구동수단 없이 모세관에 의한 유체 이송이 가능한 무동력 미세 유체 칩 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
미세 유체 칩은 바이오(Biochip) 칩 영역의 한 부분이며, 샘플 주입에서 검출에 이르기까지 전 과정을 하나의 작은 칩으로 자동적으로 처리할 수 있기 때문에 랩온어칩(Lab-on-a-chip, LOC)이라고도 불리며, 실험실에서 플라스크와 시험관을 사라지게 할 획기적인 첨단 기술 제품이다.
이 미세 유체 칩은 유리, 석영, 플라스틱 또는 실리콘 등의 다양한 재료로 되어 있으며, 빠른 진단과 실험을 가능하게 하는 제품들은 유체 이송을 위한 특수한 표면 처리 및 시약을 고정하여 제품으로 출시되고 있으며, 이러한 미세 유체 칩 의 특수한 표며 처리는 제품의 핵심 기술이라 할 수 있다.
일반적으로 미세 유체 칩은 외부 구동력(예, 실린지 펌프) 및 물리적/화학적 표면 개질을 통하여 유체 이송을 유도한다.
물리적 표면 개질 방법으로 플레임 처리(flame treatment), 코로나 방전(corona discharge treatment), 플라스마 처리(plasma treatment), 자외선 조사(UV Irradiation) 등이 있으며, 화학적 표면 개질 방법은 금속 증착 (Metalization), 플라즈마를 이용한 고분자 중합 (Plasma Polymerization), 폴리머 그래프팅 (Polymer grafting), 흡착 (Absorption), 다층박막 증착 방법 (Layer-by-Layer deposition) 등이 있다.
이와 같이 물리적 표면 개질 방법은 표면 개질(소수성↔친수성)의 균일성, 신속성, 편리성, 오염물질 분해 및 세정효과, 다양한 재질 및 3차원 구조물의 표면 개질이 가능하다는 장점이 있으나, 표면 개질 지속성의 한계와 까다로운 공정조건 및 과도한 표면 개질에 의한 변형(균열, 깨짐)이 발생하는 단점이 있다. 또한 화학적 표면 개질방법은 표면 개질의 균일성, 지속성, 안정성을 갖는 장점이 있으나, 표면 개질에 필요한 다양한 공정으로 인하여 신속성 및 편리성이 저하되고, 표면 개질에 필요한 고분자, 계면활성제 및 단량체 등과 같은 외부 물질이 필요한 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 친수성 필름을 이용하여 모세관에 의한 유체 이송이 가능하도록 함으로써, 외부 동력이나 표면개질에 의하지 않고 유체이송을 유도하여 장시간이 지나더라도 변성되지 않으며, 구조가 간단하고 내구성을 향상시킬 수 있도록 한 친수성 필름을 이용한 무동력 미세 유체 칩을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적은 미세 유체 칩에 있어서,
양단부에 검체주입부와 배출부가 각각 형성된 제1기판; 상기 검체주입부를 통해 유입되는 시료의 이송을 유도하도록 제1기판의 하면에 부착되는 친수성 필름; 베이스 기판으로 상기 제1기판 및 친수성 필름이 상면에 적층결합되는 제2기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 무동력 미세 유체 칩에 의해 달성된다.
바람직하게는, 상기 제1기판은 시료가 유입될 수 있도록 제1기판의 일단부에 관통형성된 검체주입부; 상기 검체주입부를 통해 유입된 시료와 반응하도록 내부에 시약이 건조된 복수의 시약고정부; 상기 시료를 분리하여 복수의 시약고정부에 이송시켜주도록 검체주입부와 시약고정부를 연결하는 분리 및 이동채널부; 상기 시약고정부 이후에 시료와 시약이 혼합될 수 있도록 반응 공간이 각각 형성된 반응부; 상기 반응부에서 반응 결과를 확인할 수 있도록 확인 공간이 각각 형성된 측정부; 및 상기 측정부에 연결되며 제1기판의 타단부에 관통형성된 배출부를 포함하고, 상기 시약고정부, 분리 및 이동채널부, 반응부, 측정부는 제1기판의 하면에서 상방향으로 오목하게 형성되고, 상기 친수성 필름은 시약고정부, 분리 및 이동채널부, 반응부, 측정부의 하면을 이루며, 상기 친수성 필름에 시료가 접촉하면서 배출부 방향으로 이송된다.
본 발명의 실시예에 따라, 상기 제1기판의 하면 가장자리에는 복수의 핀수용홈이 형성되고, 상기 제2기판의 상면 가장자리에는 복수의 고정핀이 돌출형성되며, 상기 고정핀이 핀수용홈에 삽입되어 제1기판 및 제2기판이 결합된다.
한편, 상기한 목적은 친수성 필름을 이용한 무동력 미세 유체 칩 제조하는 방법에 있어서,
상기 미세 유체 칩을 형성하는 제1기판을 제조하는 판 제조단계; 및 상기 제1기판, 친수성 필름, 상기 제1기판 및 친수성 필름이 적층되는 제2기판을 맞대어 접합하는 접합단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무동력 미체 유체 칩 제조방법에 의해 달성된다.
바람직하게는, 상기 판 제조단계는 상기 채널의 형상을 갖는 금형인서트를 형성하는 인서트 형성단계; 상기 금형인서트에 폴리머를 몰딩하는 몰딩단계; 및 상기 몰딩단계에서 몰딩한 폴리머를 취출하는 취출단계를 포함한다.
상기 인서트 형성단계는 기판에 감광재를 도포하여 사진 식각 공정을 통해서 상기 채널에 해당하는 채널공간을 형성하는 공간형성단계; 상기 공간형성단계에서 형성된 채널공간에 금속을 형성하는 금속형성단계; 및 상기 기판에서 감광재를 제 거하여 금형인서트를 형성하는 감광재 제거단계를 포함한다.
특히, 상기 금속형성단계는 전기도금(electroplating) 또는 전주(electroforming)공정을 거쳐 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 몰딩단계는 사출성형, 핫엠보싱(hot embossing), 유브이몰딩(UV molding), 주조 중에서 선택되는 어느 하나의 공정에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 폴리머는 환형 올레핀 공중합체(Cyclic Olefin Copolymer,COC), 폴리메틸 메타크릴레이트(Polymethyl methacrylate,PMMA), 폴리스틸렌(polystyrene,PS), 폴리카보네이트(polycarbonate,PC), 폴리디메틸 실록산(polydimethyl siloxane, PDMS), 폴리테트라플루오르에틸렌 불소수지(PolyTetraFluoroEthylene, Teflon), 폴리염화비닐(polyvinylchloride, PVC)을 포함하여 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인서트 형성단계는 마이크로 밀링공정으로 이루어진다.
또한, 상기 인서트 형성단계는 기판 위에 감광재를 패터닝하여 금형인서트로 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 판 제조단계는 정밀성형 공정을 통해 폴리머 또는 금속에 상기 채널의 형상을 갖는 홈을 직접 형성한다.
또한, 상기 판 제조단계는 상기 제1기판 및 제2기판을 바로 식각하여 상기 채널의 형상을 갖는 홈을 직접 형성한다.
상기 접합단계는 열접합, 본드물질을 통한 접합, 박판접합, 초음파접합 중에 서 선택되는 어느하나의 공정에 의하여 이루어진다.
이에 따라 본 발명에 따른 친수성 필름을 이용한 무동력 미세 유체 칩에 의하면, 친수성 필름이 제1기판 내부에 형성된 시약고정부, 반응부, 측정부의 하면을 이루도록 제1기판의 하부에 부착됨으로써, 미세한 크기의 유체 채널을 통해 시료가 이송될 수 있다.
또한, 상기 친수성 필름은 장시간 시간이 지남에 따라 변성되지 않으며, 시료와 시약의 반응에 참여하지 않으면서 유체 이송을 유도함으로써, 별도의 외부 동력이 필요하지 않고 표면 개질하지 않아도 되므로, 낮은 제조 원가로 내구성 및 제조공정이 간단한 장점이 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
첨부한 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무동력 미세 유체 칩을 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 평면도이고, 도 3은 도 1의 측면을 분해하여 나타내는 측면도이고, 도 4는 도 1의 분해사시도이다.
본 발명은 미세 유체 칩에 관한 것이고, 고분자 재료를 사용하여 제조되며, 미세 유체 칩(10)에 사용되는 고분자 종류는 polyamide(PA), poly(butylenes terephtalate)(PBT), PC, polyethylene(PE), PMMA, poly(oxymethylene)(POM), polypropylene(PP), poly(phenylenether)(PPE), PS, polysulfone(PSU), liquid crystal polymer(LCP), poly(etheretherketone)(PEEK), poly(etherimide)(PEI), polylactide, PDMS, cyclic olefin copolymer(COC) 등이다.
본 발명에 따른 미세 유체 칩(10)은 검체주입부(11), 분리 및 이동채널부(12), 시약고정부(13), 반응부(14), 측정부(15) 및 배출부(16)가 형성된 제1기판(21)과, 베이스 기판으로 제1기판(21)의 하부에 부착된 제2기판과, 제1기판(21)과 제2기판 사이에 접착되어 유체의 흐름을 원활하게 하는 친수성 필름(17)을 포함한다.
상기 제1기판(21)의 하부면 가장자리에는 핀수용홈(19)이 형성되어 있고, 제2기판(18)의 상부면 가장자리에는 서로 마주보는 방향으로 핀수용홈(19)과 대응되게 고정핀(20)이 형성되고, 고정핀(20)이 핀수용홈(19)에 삽입되어 제1기판(21)과 제2기판(18)이 서로 결합되는 구조로 설치된다.
상기 검체주입부(11)는 시료대상이 되는 유체가 주입되도록 제1기판(21)의 좌측단부에 관통형성되고, 검체주입부(11) 위에 유체를 떨어뜨리게 된다.
상기 분리 및 이동채널부(12)는 검체주입부(11)를 통해 유입된 유체가 별개로 구획된 복수의 시약고정부(13)에 흐를 수 있도록 분기형성된 통로로서, 검체주입부(11)의 면적보다 상대적으로 좁은 통로로 시약고정부(13)에 연결되게 된다.
상기 시약고정부(13)는 시료와 함께 반응에 참여하도록 각각 다른 종류의 시약을 건조시켜놓은 부분이며, 시료가 시약고정부(13)를 흐르면서 시약고정부(13)의 시약을 녹이게 되고, 반응부(14)는 용해된 시약과 시료가 잘 혼합 및 반응할 수 있 도록 반응시간을 충분히 갖게 하고 반응면적을 제공하는 부분이다.
측정부(15)는 본 실시예에 따라 혈액형을 측정할 때 혈액(시료)과 시약이 만나 혈액형에 따라 응집반응이 다르게 나타나므로, 각 측정부(15)에서 어떤 시약에 의해 응집이 발생했는지를 판단하는 부분이다.
상기 배출부(16)는 유체가 검체주입부(11)를 통해 유입되기 전에는 칩 내부에 진공에 가까운 상태가 될 것이므로, 유체가 검체주입부(11)에서 측정부(15)까지 원활하게 흐를 수 있도록 제1기판(21)의 끝단에 관통형성되어 있다.
이때, 상기 검체주입부(11)와 배출부(16)는 제1기판(21)의 상면과 하면을 완전히 관통하는 형태의 홀이고, 시약고정부(13), 반응부(14) 및 측정부(15)는 제1기판(21)의 하면에 음각으로 오목하게 형성되어 있다.
여기서, 상기 검체주입부(11)에서 별개로 형성된 복수의 시약고정부(13), 반응부(14), 측정부(15) 및 배출부(16)로 연결되는 통로는 매우 좁고 얇은 미세한 통로이고, 유체가 가지는 점성때문에 상기 통로들을 통해 잘 흐르지 않게 된다.
따라서, 미세한 통로를 갖는 유체칩(10)의 경우 유체의 이송을 원활하게 하기 위해서 종래에는 외부에서 실린지 펌프와 같은 동력을 가해주거나 유체가 흐르는 표면을 친수성으로 개질시킴으로써, 유체의 흐름을 원활하게 하였다.
그러나, 실린지 펌프의 경우 별도로 외부에서 동력이 가해지므로 구성이 복잡해지고 장치구성을 위한 비용이 발생하는 문제가 있었고, 표면 개질의 경우 장시간이 지남에 따라 친수성이 오래가지 못하는 문제가 발생하였다.
본 발명은 유체가 흐르는 면, 즉 제1기판(21)의 하부면에 친수성 필름(17)을 부착시킴으로써, 장시간동안 친수성을 유지하여 유체를 균일하고 안정적으로 이송할 수 있게 한다.
본 발명의 일실시예는 친수성 필름(17)으로 ARflow-90119 등의 친수성 성질을 갖는 필름(17)을 채용할 수 있다.
상기 ARflow는 기질(substrate), 접착제(adhesive), 라이너(liner)로 구성되고, 기질은 폴리에스테르 필름이고, 접착제는 친수성 히트실(heat seal)로서 두 개 이상의 열가소성면(熱可塑性面)에 열과 압력을 가하여 접착하거나 밀봉하는 역할을 하며, 라이너는 실리콘-폴리에스테르 릴리즈 필름(siliconized-polyester release film)이다.
상기 ARflow는 물, 혈액 등과 갖는 액체에 젖음성(wettable)이 좋은 친수성 표면을 갖고, 폴리스티렌, 폴리에스테르 및 폴리카보네이트 등과 같은 다양한 폴리머 기판과 접합이 용이하고, 부드러운 코팅면을 갖고 시료나 시약들과 양립성이 좋은 장점이 있다.
이와 같은 구조로 이루어진 미세 유체칩(10)의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
상기 미세 유체칩(10)의 제조방법은 사진 식각 공정(photolithography) 및 전기도금(electroplating), 사출성형, 접합 공정으로 이루어진다.
제1기판(21)을 제조하기 위해 먼저 폴리머를 사출하기 위한 금형을 제작한다.
1. 사진 식각 공정 + 전기도금
본 발명의 일실시예에 따른 니켈 금속 기판의 표면을 세척한 후, SU-8 등의 감광제를 도포한 다음, 자외선 사직 식각 공정 등을 통해 형성한다.
그 다음, 전기 도금(electroplating) 또는 전주(electroforming) 등의 과정을 통해 기판을 형성하고, SU-8 등의 감광제를 식각 등의 공정을 통해 감광제를 제거한다.
마지막으로 미세 유체 칩(10)의 상판(제1기판(21)) 제조를 위한 금형 인서트를 형성한다.
2. 사출 성형, 핫 엠보싱(hot embossing), UV-몰딩, 주조 등의 대량 생산 방법
COC(cyclic olefin copolymer), PMMA(polymethylmethacrylate), PS(polystyrene), PC(polycarbonate), PDMS(polydimethylsiloxane), Teflon(Polyetrafluoroethylene), PVC(polyvinylchloride) 등의 폴리머를 몰딩한다.
3. 취출
상기 몰딩한 폴리머를 취출하여 미세 유체칩(10)의 제1기판(21) 및 제2기판(18)을 제작한다.
4. 접합
라미네이션(lamination), 열접합(Heat and Pressure), 레이저 접합(laser welding), 초음파 접합(ultrasonic welding), 유기 용매, 본드 물질 통합 접합 중 선택되는 접합방법에 의해 하부에서부터 제2기판(18), 친수성 필름(17), 제1기 판(21)을 순서대로 적층 및 접합한다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무동력 미세 유체 칩을 나타내는 사시도,
도 2는 도 1의 평면도,
도 3은 도 1의 측면을 분해하여 나타내는 측면도,
도 4는 도 1의 분해사시도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 미세 유체 칩 11 : 검체주입부
12 : 분리 및 이동채널부 13 : 시약고정부
14 : 반응부 15 : 측정부
16 : 배출부 17 : 친수성 필름
18 : 제2기판 19 : 핀수용홈
20 : 고정핀 21 : 제1기판

Claims (14)

  1. 미세 유체 칩에 있어서,
    양단부에 검체주입부와 배출부가 각각 형성된 제1기판;
    상기 검체주입부를 통해 유입되는 시료의 이송을 유도하도록 제1기판의 하면에 부착되는 친수성 필름;
    베이스 기판으로 상기 제1기판 및 친수성 필름이 상면에 적층결합되는 제2기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 무동력 미세 유체 칩.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1기판은 시료가 유입될 수 있도록 제1기판의 일단부에 관통형성된 검체주입부;
    상기 검체주입부를 통해 유입된 시료와 반응하도록 내부에 시약이 건조된 복수의 시약고정부;
    상기 시료를 분리하여 복수의 시약고정부에 이송시켜주도록 검체주입부와 시약고정부를 연결하는 분리 및 이동채널부;
    상기 시약고정부 이후에 시료와 시약이 혼합될 수 있도록 반응 공간이 각각 형성된 반응부;
    상기 반응부에서 반응 결과를 확인할 수 있도록 확인 공간이 각각 형성된 측 정부; 및
    상기 측정부에 연결되며 제1기판의 타단부에 관통형성된 배출부를 포함하고, 상기 시약고정부, 분리 및 이동채널부, 반응부, 측정부는 제1기판의 하면에서 상방향으로 오목하게 형성되고, 상기 친수성 필름은 시약고정부, 분리 및 이동채널부, 반응부, 측정부의 하면을 이루며, 상기 친수성 필름에 시료가 접촉하면서 배출부 방향으로 이송되는 것을 특징으로 하는 무동력 미세 유체 칩.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1기판의 하면 가장자리에는 복수의 핀수용홈이 형성되고, 상기 제2기판의 상면 가장자리에는 복수의 고정핀이 돌출형성되며, 상기 고정핀이 핀수용홈에 삽입되어 제1기판 및 제2기판이 결합되는 것을 특징으로 하는 무동력 미세 유체 칩.
  4. 친수성 필름을 이용한 무동력 미세 유체 칩 제조하는 방법에 있어서,
    상기 미세 유체 칩을 형성하는 제1기판을 제조하는 판 제조단계; 및
    상기 제1기판, 친수성 필름, 상기 제1기판 및 친수성 필름이 적층되는 제2기판을 맞대어 접합하는 접합단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무동력 미체 유체 칩 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 판 제조단계는,
    상기 채널의 형상을 갖는 금형인서트를 형성하는 인서트 형성단계;
    상기 금형인서트에 폴리머를 몰딩하는 몰딩단계; 및
    상기 몰딩단계에서 몰딩한 폴리머를 취출하는 취출단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 칩의 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 인서트 형성단계는,
    기판에 감광재를 도포하여 사진 식각 공정을 통해서 상기 채널에 해당하는 채널공간을 형성하는 공간형성단계;
    상기 공간형성단계에서 형성된 채널공간에 금속을 형성하는 금속형성단계; 및
    상기 기판에서 감광재를 제거하여 금형인서트를 형성하는 감광재 제거단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 칩의 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 금속형성단계는 전기도금(electroplating) 또는 전주(electroforming)공정을 거쳐 형성하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 칩의 제조방법.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 몰딩단계는,
    사출성형, 핫엠보싱(hot embossing), 유브이몰딩(UV molding), 주조 중에서 선택되는 어느 하나의 공정에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세 유체 칩의 제조방법.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 폴리머는 환형 올레핀 공중합체(Cyclic Olefin Copolymer,COC), 폴리메틸 메타크릴레이트(Polymethyl methacrylate,PMMA), 폴리스틸렌(polystyrene,PS), 폴리카보네이트(polycarbonate,PC), 폴리디메틸 실록산(polydimethyl siloxane, PDMS), 폴리테트라플루오르에틸렌 불소수지(PolyTetraFluoroEthylene, Teflon), 폴리염화비닐(polyvinylchloride, PVC)을 포함하여 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 인 것을 특징으로 하는 미세 유체 칩의 제조방법.
  10. 청구항 5에 있어서,
    상기 인서트 형성단계는,
    마이크로 밀링공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 미세 유체 칩의 제조방법.
  11. 청구항 5에 있어서,
    상기 인서트 형성단계는,
    기판 위에 감광재를 패터닝하여 금형인서트로 사용하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 칩의 제조방법.
  12. 청구항 4에 있어서,
    상기 판 제조단계는,
    정밀성형 공정을 통해 폴리머 또는 금속에 상기 채널의 형상을 갖는 홈을 직접 형성하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 칩의 제조방법.
  13. 청구항 4에 있어서,
    상기 판 제조단계는,
    상기 제1기판 및 제2기판을 바로 식각하여 상기 채널의 형상을 갖는 홈을 직접 형성하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 칩의 제조방법.
  14. 청구항 4에 있어서,
    상기 접합단계는,
    열접합, 본드물질을 통한 접합, 박판접합, 초음파접합 중에서 선택되는 어느하나의 공정에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 무동력 미세 유체 칩 제조방법.
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