KR20120099486A - 다공성 기판으로 액체 유동을 안내하는 구조물을 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인쇄 용액을 사용하여 플렉소 또는 그라비어 인쇄에 의해 액체 안내 구조층을 제조하는 방법으로서, 인쇄 용액이 액체 유동이 구조층의 영역에 방지되는 방식으로 기판 시트의 특성을 변화시키는 방법에 관한 것이다. 기판 시트로의 인쇄 층의 침투력은 인쇄-실린더 압력 및 인쇄 용액의 조성물에 의해 조절될 수 있다. 본 발명의 방법에서, 비용이 저렴한 폴리머 및 용매로 구성되는 인쇄 용액을 사용하는 것이 가능하다. 인쇄 기술 면에서, 본 발명은 현존하는 인쇄 기계와 양립가능하고, 따라서 대량 생산에 매우 적합하다.

Description

다공성 기판으로 액체 유동을 안내하는 구조물을 제조하는 방법{METHOD OF MANUFACTURING LIQUID FLOW GUIDING STRUCTURES TO POROUS SUBSTRATE}

본 발명은 특허청구범위 제 1항의 내용에 따라, 다공성 기판 시트 상에서 액체 유동을 안내하는 구조층을 제조하는 방법에 관한 것이다.

다수의 다공성 기판, 예컨대, 니트로셀룰로오스 시트, 셀룰로오스-기반 페이퍼, 및 다공성 폴리머 시트에서, 액체는 기판 시트를 따라 측면으로 이동한다. 유동은 일반적으로 모세관 작용이다. 그러한 시트는 진단 분야, 예컨대, 바이오센서 및 면역분석-측면-유동에서 다수 용도로 이용된다. 이러한 용도에서, 스트립(strip)이 사용되는데, 여기서 액체는 기판 시트로부터 절단된 스트립의 전체 폭을 따라 측면으로 이동한다. 샘플 액체가 여러 반응/검출 영역에 운반되어야 하는 다중-분석-시험에서, 샘플 액체가 시트의 특정 부분에만 이동하는, 즉, 시트에 액체 유동을 안내하는 구조층이 형성되는 방식으로 기판 시트를 형성시킬 수 있는 것이 유리하다.

액체 유동을 안내하는 구조층은 다수의 여러 방법을 이용하여 다공성 기판 시트에 제조될 수 있다. 다른 것들 중에서, 특허 US 2009/0298191 A1호(Lateral flow and flow-through bioassay devices based on patterned porous media, methods of making same and methods of using same)에는 하기 방법들이 개시되어 있다.

- 기판 시트를 포토레지스트로 포화시키고, 액체 채널을 한정하는 포토-마스크를 통해 UV 광을 노출시키고, 마지막으로 현상시키는데, 이 때, 포토레지스트가 액체 채널(channel)의 위치에서 용해된다. 이러한 방식에서, 포토레지스트로 포화된 영역이 생성되는데, 이것이 액체 채널의 엣지(edge)를 한정한다.

- 경화 폴리머, 예를 들어, 폴리디메틸실록산(PDMS)을 스탬프 상에 도포하는데, 여기서 릴리프 패턴(relief pattern)이 액체 채널의 경계면을 한정한다. 이 후, 스탬프를 기판 시트 상에 예를 들어, 20초 동안 프레싱(pressing)한다. 마지막으로, 스탬프를 제거하고, 폴리머를 경화시킨다.

- 그 자체가 소수성이거나, 기판 시트를 소수성으로 전환시킬 수 있는 액체를 요망되는 패턴을 따라, 예를 들어, 스텐실(stencil)을 통한 액체 분무, 실크스크린 인쇄, 잉크젯 인쇄, 또는 플로터(plotter)를 사용하는 방법을 이용하여 기판 시트 상에 도포시킬 수 있다.

- 열로 왁스를 흡수시킴으로써 기판의 요망되는 영역을 포화시켜 소수성으로 만든다.

공보(D . A. Bruzewicz, M. Reches, and G. M. Whitesides, 'Low-cost printing of poly(dimethylsiloxane) barriers to define microchannels in paper', Anal. Chem., 2008, 80 (9), 3387 - 3392)에서, 액체 유동을 안내하는 배리어 라인(barrier line)은 플로터의 펜에서 잉크로서 PDMS 용액을 사용하여 제조된다.

포토레지스트-기반 방법 외에, 액체 유동 채널의 엣지의 정밀도는 상기 언급된 종래 기술에 따른 방법의 문제점이다. 액체 유동을 안내하는 방식으로 기판 시트를 변경하는 액체는 전체 기판 시트를 통해 흡수되어야 하기 때문에, 동시에 측면으로도 확산되어 액체 유동 채널의 엣지가 정밀하지 않게 된다.

공보(K. Abe, K. Suzuki, and D. Citterio, 'Inkjet-printed microfluidic multianalyte chemical sensing paper', Anal. Chem., 80 (18), 6928 - 6934, 2008)에는 페이퍼를 먼저 1.0중량%의 폴리스티렌-톨루엔 용액으로 포화시키고, 건조시키고, 마지막에 액체 채널을 톨루엔으로 잉크젯 인쇄함으로써 엣칭시켜 개방시키는 방법이 기재되어 있다. 잉크젯 인쇄는 일반적으로 충분한 엣칭 깊이에 도달하기 위해서 10 내지 30회 반복해야 하고, 이것은 롤러-투-롤러(roller-to-roller) 제조 공정에서 방법을 이용하기 곤란하게 한다.

상기 언급된 종래 기술에 따른 제조 방법 모두는 매우 느려서 산업적인 대량 제조 공정에서 사용하기 곤란하다. 특허 US 2009/0298191 A1호에서, 하나의 10 × 10cm 기판 시트를 패턴화시키는 것은 포토레지스트-기반 방법을 이용하면 약 8 내지 10분이 소요되고, 스탬프를 사용하는 방법을 이용하면 약 2분이 소요되는 것으로 추정된다.

본 발명의 목적은 다공성 기판 상에서 액체 유동을 안내하는 구조층을 저렴한 비용으로, 그리고 빠르게 제조할 수 있는 새로운 방법을 제공하는 것이다. 예를 들어, 본 발명으로 패턴화된 액체 유동 채널은 다공성의 친수성 페이퍼 상에 제조될 수 있다.

본 발명의 목적은 특히 저렴한 동시에 빠르고, 액체 채널에서 정밀한 엣지 라인을 지니는 방법을 제공하는 것이다.

상기 언급된 목적은 인쇄 용액을 사용하여 플렉소(flexo) 또는 그라비어(gravure) 인쇄에 의해서 다공성 기판 시트 상에서 액체를 안내하는 구조층을 제조하는 방법으로서, 인쇄 용액이 액체 유동이 인쇄된 구조층의 영역에 방지되는 방식으로 기판 시트의 특성을 변화시키는, 본 발명의 목적인 방법에 의해 달성된다.

더욱 특히, 본 발명에 따른 방법은 특허청구범위 제 1항의 특징 부분에서 언급된 것들이 특징이다.

인쇄 기술 면에서, 발명의 한 가지 상당한 이점은 기존의 인쇄 기계와 양립가능하고, 이에 따라 대량 생산에 매우 적합하다는 것이다.

본 발명은 또한 폴리머 및 용매, 또는 실질적으로 이들로 구성되는 용액을 포함하는 간단한 용액이 예를 들어, 종래 기술에 따른 방법에서 사용된 시중의 포토레지스트보다 상당히 경제적이라는 이점을 지닌다.

본 발명의 구체예는 상당한 추가의 이점을 제공한다.

한 가지 구체예에 따르면, 기판 시트의 깊이 방향의 인쇄 용액의 침투는 인쇄 실린더와 기판 시트 사이의 압력을 조절함으로써 조정된다. 적합한 인쇄-실린더 압력을 사용하고, 적합한 점도를 갖는 인쇄 용액을 제조함으로써, 이의 용매는 빠르게 증발하고, 인쇄 용액의 측면 확산이 적게 되어 액체 유동을 안내하는 구조물의 엣지 영역은 날카롭게 된다. 인쇄 용액의 특성은 또한 여러 상이한 비점을 갖는 용매를 사용함으로써 최적화될 수 있다.

기판 시트로의 인쇄 용액의 침투는 여러 인쇄 용액 층을 서로의 상부에 인쇄함으로써 촉진될 수 있다.

기판 시트가 너무 두꺼워서 전면에 인쇄되는 인쇄 용액 층은 전체 기판을 통해 침투되지 않으면, 패턴화되거나 통합된 인쇄 용액 층이 기판의 후면에 인쇄될 수 있다. 전면 및 후면에 인쇄된 인쇄 용액 층들이 닿으면, 액체 유동을 안내하는 구조층이 달성된다. 본 발명이 액체-유동 채널의 제조를 위해 사용될 경우, 후면에 인쇄되는 통합된 인쇄 용액 층은 보호 층으로 동시에 작용하여 기판의 하부면을 통해 액체가 빠져나가는 것을 방지한다는 이점을 지닌다.

하기에서, 본 발명의 구체예 및 다른 이점은 첨부된 도면을 참조로 더욱 상세하게 설명될 것이다.

도 1은 본 발명의 한 가지 구체예에 따른 구조물을 나타낸 것이다.
도 2는 액체 유동을 안내하는 최종 구조층의 예를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 방법을 이용하여 제조된 마이크로-타이터 플레이트(micro-titre plate)의 예를 나타낸 것이다.
도 4a는 본 발명의 한 가지 구체예에 따른 구조물의 개략적 측단면도를 나타낸 것이다.
도 4b는 본 발명의 두 번째 구체예에 따른 구조물의 개략적 측단면도를 나타낸 것이다.
도 5는 여러 방식으로 제조된 액체의 채널에서 액체의 이동을 나타낸 것이다.
도 6는 측면 액체 유동을 방지하는 기능에 대한 생성된 구조물 구역의 폭의 영향을 나타낸 것이다.

도 1은 본 발명의 한 가지 구체예에 따른 구조물을 나타낸 것이다. 구조층(2)이 기판 시트(1) 상에 형성되고, 그 결과 기판 시트에서 액체가 액체 유동 채널(3)을 따라서만 검출/반응 영역(4)으로 이동할 수 있다. 샘플 방울(5)은 유동 채널의 교차점(6)에 적용된다. 구조층(2)은 두께 방향으로 기판 시트의 전체 깊이에 걸쳐 연장된다.

예를 들어, 유기 용매 중에 용해된 폴리머, 예컨대, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 또는 셀룰로오스 아세테이트가 인쇄 용액으로서 사용될 수 있고, 이의 기능은 액체 유동이 인쇄 층의 영역에 방지되는 방식으로 기판 시트를 형성시키는 것이다. 다른 가능한 물질은 알킨 케텐 이량체 및 가교된 폴리비닐알코올 PVA이다. 폴리스티렌이 바람직한데, 왜냐하면 폴리스티렌은 열처리가 요구되지 않으며, 완전히 생체적합성이기 때문이다.

물-기반 인쇄 용액보다 유기 용매 중에서 제조된 인쇄 용액을 사용하는 것이 바람직한데, 왜냐하면 셀룰로오스-기반 기판의 다공성 구조물이 흔히 유기 용매보다 물의 영향으로 더 용이하게 파괴되기 때문이다. 예를 들어, 용매는 톨루엔, 자일렌, 또는 이들의 혼합물일 수 있다.

용액 중의 폴리머의 양은 예를 들어, 1 내지 40중량%일 수 있다.

한 가지 구체예에 따르면, 바람직하게는 2 내지 10중량%, 가장 적합하게는 3.5 내지 7중량%의 비교적 낮은 폴리머 농도를 지니는 인쇄 용액이 사용된다. 저농도로 이용함으로써, 더 깊은 구조물의 깊이가 일반적으로 달성되지만, 기판 중의 폴리머의 최종 농도는 그에 상응하여 저하될 것이다. 이것은 인쇄 층의 수를 증가시킴으로써 상쇄될 수 있다. 한 가지 구체예에 따르면, 그러한 낮은 폴리머 농도에서 둘 이상의 인쇄 층이 존재한다.

두 번째 구체예에 따르면, 바람직하게는 10 내지 40중량%, 가장 적합하게는 15 내지 35중량%의 비교적 높은 폴리머 농도가 이용된다. 특히 저 분자량을 지니는 폴리머, 예컨대, 폴리스티렌으로 제조된 인쇄 용액에서, 이러한 농도 범위에서의 점도는 본 발명에 따른 인쇄 방법을 이용하여 인쇄하기에 충분히 낮을 것이고, 기판의 구멍 내에 잘 침투할 것임이 시험에서 관찰되었다. 또한, 다수의 경우에서, 단쇄로 인해 인쇄된 구조물의 특성이 장쇄를 지니는 폴리머 재료를 사용할 경우보다 우수할 수 있다. 특히, 그러한 재료는 아마도 밀도가 더 높은 배리어 층을 형성할 것이다. 따라서, 단일 인쇄만큼 적은 것이 충분할 수 있다.

사용된 폴리머의 분자량은 예를 들어, 2,500 내지 500,000일 수 있다. 폴리머의 농도는 인쇄 용액의 10중량% 초과이고, 250,000 이하, 특히 100,000 이하의 분자량을 지니는 폴리머를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 20중량%의 농도를 사용하는 시험에서, 약 35,000의 평균 분자량을 지니는 바이오모달(biomodal) 폴리스티렌은 형성된 채널의 액체 안내 기능 면에서, 매우 우수한 인쇄 결과를 나타내는 것으로 관찰되었다. 그러나, 최적의 분자량은 농도뿐만 아니라 다른 요소, 예컨대, 기판 재료, 채널에 위치시키려는 재료, 및 최종 용도에 좌우됨을 주지해야 한다.

도 4a는 본 발명의 한 가지 구체예에 따른 구조물을 개략적으로 나타낸 것이다. 제 1 소수성 인쇄 구역(42a) 및 제 2 소수성 인쇄 구역(42b)은 기판(40) 상에서 인쇄되고, 이들 사이에 인쇄되지 않은 친수성 샘플 구역(44)이 존재한다. 샘플 구역(44)에 유입된 액체는 인쇄 구역(42a, 42b)으로 인해 고려되는 구역 내에 존재할 것이다.

유동 채널의 폭은 전형적으로 30μm 내지 5mm, 특히 0.25μm 내지 4mm이다.

서로의 상부에 하나 이상의 인쇄 층이 존재할 수 있다. 1 내지 3개의 인쇄 층이 전형적으로 사용된다. 서로의 상부에 여러 층을 사용함으로써, 폴리머는 기판으로 더 깊이 이동되어 인쇄 구조물의 액체 안내 효과를 강화시킬 수 있다. 유사한 효과는 또한 인쇄 기판과 인쇄 실린더 사이에 압력을 증가시킴으로써 달성될 수 있다.

폴리머 농도, 인쇄 압력, 및 인쇄 횟수는 바람직하게는 구조물 구역이 기판의 전체 깊이로 연장됨이 달성되는 방식으로 선택된다.

통합 또는 로컬 층(46)이 또한 도 4b에 나타난 바와 같이, 기판의 후면에 인쇄될 수 있다. 이러한 층은 전형적으로 샘플 구역(44)의 전체 깊이에 걸쳐 연장되고, 액체가 두께 방향으로 기판을 통해 유입되는 것을 방지한다. 따라서, 측면 배리어 층(42a, 42b) 외에, 구조물 중에 깊이-방향 배리어 층(46)이 존재한다. 동시에, 측면 액체 안내 효과는 향상되고, 인쇄 층에 대한 요구 또는 기판의 전면 상의 압력이 저하된다. 또한, 모세관 부피가 감소되기 때문에 샘플에 대한 요구가 실질적으로 감소한다는 이점이 있다. 기판의 베이스(base)(예를 들어, 테이블의 상부)로부터 샘플 영역 내의 다른 물질의 이동은 또한 효과적으로 방지된다.

한 가지 구체예에 따르면, 샘플을 샘플 구역(44)으로 공급하고/거나 샘플 구역(44)으로부터 예를 들어, 제 1 기판의 상부에 위치된 제 2 기판으로 샘플을 보내기 위해, 기판의 후면에 인쇄되는 배리어 층(46)에 개구(opening)가 존재한다.

물-기반 샘플이 측면으로 지나가는 어떠한 다공성 기판이든지, 기판으로서 사용될 수 있다. 그러한 기판은 예를 들어, 니트로셀룰로오스 시트, 셀룰로오스-기반 페이퍼, 및 다공성 폴리머 시트이다. 특히, 이러한 목적으로 고안된 크로마토그래피 페이퍼(chromatography paper)가 사용될 수 있다.

도 2는 Eucalyptus 섬유로 만들어진 페이퍼(50g/m²) 상에서 제조된 액체 유동 안내 구조층의 예를 나타낸 것이다. 구조층(6)의 영향으로, 액체는 액체 채널(7 내지 11)을 따라서만 지나갈 수 있다. 채널(7)의 폭은 4mm이고, 채널(11)의 폭은 0.25mm이다. 도면에서, 채널에서 모세관 작용에 의해 확산되고, 식품류 색으로 착색된 물 방울(12)이 액체 채널에 적용된다. 액체 유동을 안내하는 구조층(6)이 서로의 상부에 5중량%의 폴리스티렌-자일렌 용액의 3개의 인쇄 층을 15회 플렉소 인쇄함으로써 페이퍼에 형성된다. RK Flexiproof 100 유닛이 인쇄 장치로서 사용되었다. 인쇄 속도는 60m/분이었다. 인쇄 실린더 압력은 가장 우수한 결과를 달성하기 위해 최적화되었다. 단일의 통합된 인쇄 용액 층이 페이퍼의 후면에 인쇄되는 경우, 전면에 단일의 패턴화된 층은 패턴화된 액체 채널을 형성시키기에 충분할 것이다.

도 3은 Eucalyptus로 만들어진 페이퍼(50g/m²) 상에서 제조된 마이크로 타이터 플레이트의 예를 나타낸 것이다. 페이퍼는 1mm직경의 '샘플 웰(sample well)'(14)을 함유하고, 각각의 샘플 웰에 식품류 색으로 착색된 20μl의 물이 적용되었다. 액체 유동을 안내하는 구조층(13)은 도 2의 예에서와 동일한 방식으로 샘플 웰 주변에 형성된다.

도 5는 여러 방식으로 제조된 액체 채널에서 샘플 용액의 확산을 도시한 것이다. 폴리스티렌-자일렌(PS-XYL) 용액과 폴리스티렌-톨루엔(PS-TOL) 용액 둘 모두를 사용하고, 5중량%의 폴리머 농도를 사용하며, 둘 이상의 인쇄 층을 사용하여, 샘플(식품류로 착색된 탈이온수)에 대해 가장 우수한 안내 효과가 달성되었다. 도면에서 모든 경우, 용액 구역의 폭은 1mm이다.

도 6은 액체의 모세관 이동에 대한 배리어 구역의 측면 깊이의 영향을 나타낸 것이다. 5중량%의 폴리스티렌-자일렌 용액은 100 내지 800μm의 고리(내부 고리)로서 크로마토그래피 페이퍼 상에 인쇄되었다. 고리의 내부에, 5μl의 착색된 탈이온수가 적용되었다. 배리어 구역으로의 측면 유동은 약 400μm의 폭의 구조물을 사용하여 전부 방지된 것으로 관찰되었다. 인쇄 공정 및 재료를 최적화시킴으로써, 약 100μm이지만 충분히 조밀한 구조물을 달성하는 것이 가능하다.

한 가지 구체예에 따르면, 액체-유동 안내 구조물이 생성되는 동일한 인쇄 공정으로 진단 시험용 생체분자 또는 다른 시약이 또한 기판 상에 인쇄된다. 따라서 전체 분석 수단은 예를 들어, 롤러-투-롤러 방법을 사용하여 용이하게 제조될 수 있다.

Claims (15)

1. 다공성 기판 상에서 액체 유동을 안내하는 구조층을 제조하는 방법으로서, 구조 층이 인쇄 용액을 사용하여 플렉소(flexo) 또는 그라비어(gravure) 인쇄에 의해 형성되며, 인쇄 용액은 액체 유동이 인쇄된 구조층의 영역에 방지되는 방식으로 기판 시트의 특성을 변화시킴을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1항에 있어서, 기판 시트로의 인쇄 용액의 침투가 인쇄-실린더 압력, 인쇄 횟수, 인쇄 용액의 용매, 및/또는 인쇄 용액의 점도로 최적화됨을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 인쇄 용액이 폴리머, 예컨대, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐알코올, 또는 셀룰로오스 아세테이트를 함유함을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 유기 용매, 예컨대, 톨루엔 또는 자일렌이 인쇄 용액의 용매로서 사용됨을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 인쇄 용액의 여러 층이 서로의 상부에 인쇄됨을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 인쇄 용액이 기판 시트의 양면에 인쇄됨을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 패턴화된 인쇄 용액 층이 기판 시트의 전면에 인쇄되고, 하나 이상의 통합되거나 패턴화된 인쇄 용액 층이 후면에 인쇄됨을 특징으로 하는 방법.
8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 인쇄된 구조층이 기판의 전체 두께에 걸쳐 연장됨을 특징으로 하는 방법.
9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 구조층들 사이에 측면 유동 채널(channel)을 형성시키기 위해서, 서로 이격되어 있는 둘 이상의 인쇄 층이 기판의 제 1면에 인쇄됨을 특징으로 하는 방법.
10. 제 9항에 있어서, 적어도 측면 유동 채널의 전체 폭에 걸쳐 연장된, 통합된 구조층이 기판의 제 2면에 인쇄됨을 특징으로 하는 방법.
11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 기판의 측면 방향의 구조층의 폭이 100μm 이상임을 특징으로 하는 방법.
12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    인쇄 용액이 폴리스티렌을 포함하고,
    인쇄 용액이 용매로서 톨루엔, 자일렌, 또는 이들의 혼합물을 포함하고,
    인쇄 용액 중의 폴리스티렌의 분율이 2.5 내지 40중량%임을 특징으로 하는 방법.
13. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, 인쇄된 구조물이
    상기 인쇄된 구조층으로 인해 한정된 여러 유동 채널,
    유동 채널의 교차점에 위치한 적용 구역, 및
    각각의 유동 채널에 연결된 검출 또는 반응 영역을 포함함을 특징으로 하는 방법.
14. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서, 인쇄 용액이 2.5 내지 10중량%의 폴리머를 포함함을 특징으로 하는 방법.
15. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서, 인쇄 용액이 10 내지 40중량%의 폴리머를 포함하고, 폴리머의 평균 분자량이 250,000 이하, 바람직하게는 100,000 이하임을 특징으로 하는 방법.
    

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