KR20120123205A - 랩온어칩에 장착되는 마이크로밸브 소자의 제작방법 및 이로부터 제작되는 마이크로밸브 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 경질 고분자 수지를 사출성형하여 제조되는 상하 기판 사이에 폴리비닐리덴클로라이드 필름을 삽입한 후 가열 가압하여 제조되는 랩온어칩의 마이크로밸브 소자를 제작하는 방법 및 이로부터 제작되는 마이크로밸브 소자에 관한 것이다.
본 발명에 따른 랩온어칩에 장착되는 마이크로밸브 소자의 제작방법은 상하 기판을 경질 고분자 소재로 사출성형이 가능하므로 짧은 시간에 대량생산이 가능하고, 폴리비닐리덴클로라이드 필름과 기판의 열융착 특성이 우수하여 경질 기판/필름 막/경질 기판의 구조를 용이하고 신뢰성 있게 구현할 수 있어서 마이크로밸브 소자의 제조에 소요되는 시간이 단축되어 랩온어칩의 대량생산이 가능하다.
또한, 폴리비닐리덴클로라이드 필름의 열수축 특성으로 인하여 열압착 접착시 필름 막이 늘어나 미세형상을 메우는 일이 발생하지 않고 필름 막의 형상이 그대로 유지되면서 진공에 의해 만곡된 형상을 가지므로 개폐가 부드럽고 민감하게 작동될 수 있으며, 유체의 투과율이 낮아서 필름 막 상하의 양 유체가 섞이지 않으므로 밸브 또는 펌프의 역할에 적합하다.

Description

랩온어칩에 장착되는 마이크로밸브 소자의 제작방법 및 이로부터 제작되는 마이크로밸브 소자{method for manufacturing microvalve element mounted on lab-on-a-chip, and microvalve element produced thereby}
본 발명은 경질 고분자 수지를 사출성형하여 제조되는 상하 기판 사이에 폴리비닐리덴클로라이드 필름을 삽입한 후 가열 가압하여 제조되는 랩온어칩의 마이크로밸브 소자를 제작하는 방법 및 이로부터 제작되는 마이크로밸브 소자에 관한 것이다.
생체에서 취한 액체시료에서 특정물질의 농도를 측정하여 특정질병과 관련지어 진단을 내릴 수 있다.
이러한 진단검사는 실험실에서 일련의 복잡한 과정을 능숙한 실험자가 수행하였으나, 기술의 진전으로 지금은 랩온어칩에서 상기의 과정을 수행할 수 있게 되었다.
랩온어칩은 플라스틱?유리?실리콘 등의 소재를 사용하여 나노 이하의 미세 채널을 가진 기판을 만들고, 이를 통해 극미량의 샘플이나 시료만으로 기존의 실험실에서 할 수 있는 실험이나 연구 과정을 신속하게 대체할 수 있도록 만든 칩이다.
랩온어칩은 그 종류가 다양하지만 현재 상업적으로 성공을 거둔 것은 디엔에이(DNA)칩과 신속면역진단키트를 들 수 있으며, 이 중에서 신속면역진단키트의 경우 인체에서 취한 액체시료를 키트에 주입하면 수 분 내에 광학적 또는 전기적인 신호가 발생 및 판독되어 신속진단이 이루어지므로 매우 편리하다.
랩온어칩은 챔버와 미세유로가 형성된 상하 기판 사이에 마이크로밸브 필름 막이 장착된 구조로 이루어지며, 상기 마이크로밸브 필름 막은 일반적으로 연질 실리콘 수지인 폴리디메틸실록산(polydimethylesiloxane, PDMS)을 이용하여 만들어진다.
이를 좀더 살펴보면, 연질 실리콘 수지가 상온에서 저점도의 용액으로 존재하는 성질을 이용하여 스핀코팅법을 통하여 매우 얇은 실리콘 막을 얻은 다음, 상기 실리콘 막을 상하 두 개의 유체기판 사이에 끼우고 산소플라스마 등으로 접합하여 3층 구조를 만든다.
즉, 상부기판에는 액체가 흐르고 하부기판에는 기체가 흐르며, 두 유체가 흐르는 유로 사이에 얇은 필름 막이 있어서 서로 섞이지 않는 구조로서, 하부의 기체유로에 고압의 공기를 인가하면 막이 부풀어 오르면서 액체유로를 차단하고, 고압의 공기를 해제하면 다시 액체유로가 개방되어 마이크로밸브를 구현하는 것이다.
이와 같은 원리로서 상기 막이 펌프의 다이아프램 역할을 수행하여 랩온어칩이 마이크로펌프로서의 기능도 수행할 수 있다.
그런데 연질 실리콘 수지를 이용하면 마이크로밸브를 간단하고 신뢰성 있게 제조할 수 있으나 실리콘 막 제조시 경화시간이 오래 걸리고 액상 수지를 처리하기가 쉽지 않아 대량생산이 곤란하다는 단점이 있다.
이러한 이유로 최근에는 독일을 중심으로 투명한 폴리아크릴레이트이나 폴리사이클릭올레핀공중합체와 같은 투명도 높은 고분자 수지를 사출성형하여 랩온어칩을 제작하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.
그런데 이러한 방법은 대량생산은 용이하나 연질 실리콘과 달리 경질 소재이므로 다층 기판을 만들기가 어려워 마이크로밸브를 형성하기 곤란하다는 단점을 가지고 있다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 한국공개특허공보 제2006-0115429호에는 시료 투입구, 시료 배출구 및 통로가 서로 적층되어 일치되게 연결된 미세 유로를 각각 구현한 필름을 다층 접착 구조로 하여 이루어진 단일 개의 칩으로 구성되도록 하는데, 상기 필름의 재질은 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리스틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 중에서 선택되고, 필름을 접착제로 접착하거나 가열?가압하여 랩온어칩을 제조한다.
상기 발명은 필름을 전사, 천공, 표면 처리, 접착 또는 커팅공정 등의 연속적인 공정을 통해 정밀한 미세 패턴이 구현되면서 접착되도록 하여 다층 구조로 이루어진 단일개의 칩으로 구현 가능하므로, 좀더 정밀하고 효율적인 생산 공정을 갖고 용이하게 대량 생산할 수 있는 효과를 제공한다.
그런데 상기 발명의 랩온어칩은 기판과 밸브에 해당하는 필름이 연속공정을 통해 제조되므로 대량 생산의 효과를 얻을 수는 있으나, 기판과 밸브 각각에 요구되는 물리적?화학적 특성을 최적화하기 어려우며, 필름이 연질소재일 경우 가열?가압하면 필름이 늘어나 밸브로서 작동하지 못하므로 상온에서 접착제로 접착할 수밖에 없어서 밀봉이 견고하지 못하고 접착과정에 시간이 많이 소요되며, 필름이 경질소재일 경우 유연성이 부족하여 정밀한 동작을 구현하지 못하는 문제가 있다.
또한, 한국공개특허공보 제2011-0127059호에는 두 기판 사이에 배치된 얇은 탄성필름과 기판 상의 유로 채널 내에 배치된 밸브시트로 구성된 마이크로밸브를 가지며, 상기 마이크로밸브는 탄성필름과 밸브시트가 평상시에 접촉하지 않는 상태에 있도록 하는 마이크로밸브 소자 및 상기 마이크로밸브 소자를 간단하게 제조할 수 있는 방법이 개시되어 있다.
상기 마이크로밸브 소자는 적어도 하나의 유로 채널 및 상기 유로 채널 내에 형성된 적어도 하나의 밸브시트가 배치되어 있는 제 1 표면을 갖는 제 1 기판; 적어도 하나의 공압채널과 적어도 하나의 공기챔버가 서로 연결되어 배치되어 있는 제 2 표면을 갖는 제 2 기판; 및 상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 개재되어 있는 탄성필름;을 포함하며, 상기 밸브시트의 상부 부분은 상기 제 1 기판의 제 1 표면보다 낮게 형성되어 있는 구조로 되어 있고 상기 탄성필름은 PDMS로 이루어진다.
이러한 구조의 마이크로밸브 소자는 탄성필름과 밸브시트가 평상시에 접촉하고 있지 않기 때문에, 마이크로밸브 소자의 제조시에 탄성필름이 밸브시트에 영구 접합되지 않도록 하기 위한 별도의 공정이 요구되지 않아서 마이크로밸브 소자의 제조가 간편하게 될 수 있으며, 탄성필름이 밸브시트에 영구 접합될 염려가 없기 때문에 제조공정에서 탄성필름과 두 기판 사이의 접합력을 증가시킬 수 있은 장점이 있다.
상기 발명은 마이크로밸브 소자의 구조를 특정하게 형상화하여 탄성필름과 양 기판의 접합작업을 간편하게 수행할 수 있어서 접합작업에 소요되는 시간을 단축할 수는 있으나, 탄성필름을 PDMS 소재로 제조하므로 탄성필름 제조에 많은 시간이 소요되는 문제가 있다.
최근 들어 고분자 수지를 이용한 랩온어칩의 시장은 일회용 진단칩을 중심으로 갈수록 확대되고 있고, 특히 랩온어칩 기술이 발전하면서 의료용 진단기기 분야에서 일회용 랩온어칩의 필요성이 강력하게 요구되고 있기 때문에, 이에 따른 마이크로밸브 기술개발이 절실히 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 랩온어칩의 기판을 경화시간이 짧고 사출성형이 가능한 경질 고분자 수지로 제작하면서, 필름 막과 기판이 간편하고 신뢰성 있게 접합되도록 함으로써 랩온어칩의 대량생산이 가능하도록 하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 유체채널(14)이 각인된 유체회로기판(11)과 관통공(15)이 형성된 기체회로기판(13)을 경질 고분자 소재로 사출성형하여 제작하는 단계; 상기 유체회로기판(11)과 기체회로기판(13) 사이에 폴리비닐리덴클로라이드 필름(12)을 삽입하는 단계; 상기 기체회로기판(13)의 관통공(15)에 진공을 걸어주는 단계; 및 상기 유체회로기판(11), 폴리비닐리덴클로라이드 필름(12), 기체회로기판(13)이 순차적으로 적층된 적층체를 고온?고압으로 열압착하여 마이크로밸브 소자를 제조하는 단계;를 포함하는, 랩온어칩에 장착되는 마이크로밸브 소자의 제작방법을 제공한다.
이때, 상기 열압착은 4~30기압, 80~120℃에서 수행되고, 상기 진공은 0.05~50torr인 것이 바람직하다.
또한, 상기 유체회로기판(11), 기체회로기판(13) 및 폴리비닐리덴클로라이드 필름(12)을 산소 플라스마로 표면처리하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기의 방법으로 제작되며, 경질 고분자 소재의 상부 유체회로기판(11), 경질 고분자 소재의 하부 기체회로기판(13), 상기 유체회로기판(11)과 기체회로기판(13) 사이에서 설치되는 만곡된 형상의 폴리비닐리덴클로라이드 필름 막(16), 상기 유체회로기판(11)에 미세하게 각인된 유체채널(14) 및 상기 기체회로기판(13)에 형성된 관통공(15)을 포함하는, 랩온어칩에 장착되는 마이크로밸브 소자(10)를 제공한다.
본 발명에 따른 랩온어칩에 장착되는 마이크로밸브 소자의 제작방법은 상하 기판을 경질 고분자 소재로 사출성형이 가능하므로 짧은 시간에 대량생산이 가능하고, 폴리비닐리덴클로라이드 필름과 기판의 열융착 특성이 우수하여 경질 기판/필름 막/경질 기판의 구조를 용이하고 신뢰성 있게 구현할 수 있어서 마이크로밸브 소자의 제조에 소요되는 시간이 단축되어 랩온어칩의 대량생산이 가능하다.
또한, 폴리비닐리덴클로라이드 필름의 열수축 특성으로 인하여 열압착 접착시 필름 막이 늘어나 미세형상을 메우는 일이 발생하지 않고 필름 막의 형상이 그대로 유지되면서 진공에 의해 만곡된 형상을 가지므로 개폐가 부드럽고 민감하게 작동될 수 있으며, 유체의 투과율이 낮아서 필름 막 상하의 양 유체가 섞이지 않으므로 밸브 또는 펌프의 역할에 적합하다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로밸브 소자의 단면구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 마이크로밸브 소자에 형성된 필름 막의 형상을 여러 형태로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 마이크로밸브 소자 제작과정을 개략적으로 나타낸 도면으로서, 진공을 가하면서 열압착 접합 가공하는 모습을 나타내었다.
도 4에는 본 발명의 실시예에 따른 랩온어칩 도면의 일례를 나타내었고, 도 5는 랩온어칩의 유체회로기판 사출물을 보여주고 있으며, 도 6은 랩온어칩이 구동되는 모습을 나타낸 사진이다.
이하, 본 발명에 따른 랩온어칩에 장착되는 마이크로밸브 소자 및 이의 제작방법을 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명에 따른 마이크로밸브 소자의 개략적인 단면구조가 부호 10으로서 도시되어 있다.
상기 마이크로밸브 소자(10)는 상부의 유체회로기판(11), 하부의 기체회로기판(13), 상기 유체회로기판(11)과 기체회로기판(13) 사이에서 설치되는 필름 막(16), 상기 유체회로기판(11)에 미세하게 각인된 유체채널(14) 및 외부의 기체가 주입되도록 상기 기체회로기판(13)에 형성된 관통공(15)을 포함한다.
또한, 도시되지는 않았으나 상기 마이크로밸브 소자(10)의 유체채널(14)은 항체용액, 세척용액, 시료용액 또는 형광표지용액 등을 담는 시약챔버, 상기 시액챔버의 용액을 서로 반응시키는 반응챔버, 상기 용액의 이송을 담당하는 흡수챔버 등 다수의 챔버와 연통되고, 상기 관통공(15)과 흡수챔버는 외부의 공압 매니폴드와 연결되어 공기압 또는 진공을 제공받아 필름 막(16)을 개폐시킴으로써, 용액이 이송되어 진단이 이루어지도록 하는 랩온어칩을 구성한다.
상기와 같이 랩온어칩을 구성하는 핵심요소인 마이크로밸브 소자(10)는 밸브의 차단막 또는 펌프의 다이아프램 역할을 담당하는 필름 막(16)과, 상기 필름 막(16)을 지지하고 유체 및 기체의 이동통로인 유체채널(14) 및 관통공(15)이 형성된 상하 기판을 적층 접합한 형태로 이루어지는 최소한의 3층 구조를 이루어야 한다.
또한, 상기 마이크로밸브 소자(10)를 구성하는 핵심요소인 필름 막(16)은 유연하고 잘 늘어나면서 매우 질겨야 하는데, 이는 밸브작동을 위한 수많은 막의 진동에 견디면서 어떠한 누수도 허용해서는 안 되기 때문이다.
통상, 실험실 등에서 가장 널리 사용되는 랩온어칩은 제작이 용이한 연질실리콘 소재의 PDMS기판/PDMS막/PDMS기판 구조로 되어 있는데, 산소플라스마 처리를 통해 영구적으로 상기 층을 접합할 수 있으며, 이러한 접합은 매우 견고해서 상당한 압력에도 견딜 수 있고 누수가 없다는 장점이 있어서 대부분의 랩온어칩은 이러한 구조로 이루어진다.
PDMS로 제작한 얇은 막은 이러한 이상적인 특성을 가지고 있으나, 연질실리콘의 경화에 30분 이상이 소요되기 때문에 PDMS 소재의 랩온어칩은 대량생산이 어렵다는 문제가 있다.
이에 따라 최근에는 대량생산이 용이한 투명경질플라스틱으로 PDMS를 대체하려는 방안이 활발히 진행되고 있다.
대량생산용 랩온어칩의 소재로서 투명경질 소재인 폴리메틸메타크릴레이트(poly methyl methacrylate, PMMA), 폴리프로필렌(poly propylene, PP) 폴리카보네이트(poly carbonate, PC), 사이클릭올레핀공중합체(cyclic olefin copolymer, COC)가 주목을 받고 있다.
그런데 마이크로밸브용 필름 막은 유연하고 잘 늘어나면서 질긴 특성이 요구되는데, 상기 경질소재로 얇은 필름 막을 제조할 경우 아직까지 이러한 요구를 만족시키지 못하는 실정이다.
또한, 연질 실리콘 막은 경질플라스틱과 열, 압력, 접착제, 유기용매 등 어떠한 방법으로도 접합이 되지 않기 때문에 경질 플라스틱 기판에는 사용할 수 없으며, PDMS기판/PDMS막/PDMS기판 구조의 마이크로밸브에만 사용할 수 있는 단점이 있다.
이러한 이유로 투명경질 플라스틱 랩온어칩 연구는 현재 2층 구조에 머무르고 있으며, 따라서 층간 막이 없어서 밸브나 펌프를 내장할 수 없고 외부에서 주사기펌프로 시약을 주입하는 수준에 머무르고 있다.
연질 실리콘 소재를 대신하여 투명 연질 고분자 소재인 폴리염화비닐(polyvinyl chloride, PVC) 또는 폴리에틸렌(poly ethylene, PE)으로 랩온어칩용 필름 막을 제조할 경우, 상하 플라스틱 기판 사이에 얇은 필름 막을 넣고 열과 압력을 가해 두 판을 붙이는 과정에서 상기 투명 연질 고분자 필름인 PVC, PE 소재는 열과 압력에 의해 늘어나면서 기판에 미세하게 각인된 유체채널이나 기체유로를 메워버리므로 랩온어칩용으로 사용할 수 없다.
상기와 같은 문제를 해결하는 방안으로서, 본 발명에서는 마이크로밸브 소자에 사용되는 필름 막의 소재로서 폴리비닐리덴클로라이드(polyvinyliden chloride, PVDC)를 사용한다.
상기 폴리비닐리덴클로라이드로 성형된 필름은 마이크로밸브 막에 요구되는 특성인 유연성(flexibility)와 인성(toughness)을 만족하면서 열수축성과 유체의 투과율이 매우 낮은 특성을 나타내어 랩온어칩용 필름 막에 매우 적합한 특성을 나타낸다.
마이크로밸브 소자(10)에서 유체회로기판(11)의 유체채널(14)을 통과하는 유체는 기체회로기판(13)의 관통공(15)에 공급되는 기체와 필름 막(16)을 사이에 두고 접촉하게 되는데, 폴리비닐리덴클로라이드 필름의 습기 차단(moisture barrier) 특성은 랩온어칩의 성능을 한층 증가시키는 효과를 제공한다.
하기 표 1에는 폴리비닐리덴클로라이드 필름과 다른 종류의 수지필름의 투과도를 나타내었다.
투과도 비교
필름 종류 두께(㎛) 산소투과도2 )
(㎖/㎡/0.1㎫/일)		 수증기 투과도3 )
(g/㎡/일)
K-OPP1 ) 23 4 4
OPP 20 1300 7~8
Nylon 15 80 300
PET 12 80 45
LDPE 40 2000 9~12
HDPE 40 1500 3~6
CPP 40 2000 6~12
주1) 20㎛ OPP film with 3㎛ coating of PVDC latex
주2) JIS K7126B at 20℃, 70% RH
주3) JIS K7129 at 40℃, 90% RH
상기 표 1의 K-OPP는 20㎛ 두께의 연신 폴리프로필렌 필름에 3㎛ 두께의 폴리비닐리덴클로라이드를 코팅하였을 뿐인데도 투습도가 7~8인 연신 폴리프로필렌 필름의 절반인 4g/㎡/일로 줄어들고, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)의 11분에 1, 나일론(Nylon)의 75분의 1밖에 되지 않는다.
또한, 폴리비닐리덴클로라이드 필름 제작에 소요되는 수지의 경화시간이 짧고, 경질 소재와의 열융착 특성이 우수하여 경질 기판/폴리비닐리덴클로라이드 필름 막/경질 기판의 구조를 용이하게 구현할 수 있어서, 폴리비닐리덴클로라이드 필름 막을 장착하는 마이크로밸브 소자의 제조에 소요되는 시간이 단축되어 랩온어칩의 대량생산이 가능하다.
이하에서는 상부기판/필름 막/하부기판의 적층구조로 구성되는 본 발명의 마이크로밸브 소자의 제작과정을 좀더 상세히 설명한다.
투명 경질 소재의 상부 기판과 하부 기판 사이에 폴리비닐리덴클로라이드 필름(12)을 넣고 고온?고압으로 열압착하여 상부기판, 필름 막, 하부기판이 순차적으로 적층 접합된 마이크로밸브 소자를 제조한다.
상기 폴리비닐리덴클로라이드 필름(12)의 두께는 밸브 또는 펌프로서의 기능을 원활히 수행할 수 있도록 5~30㎛가 바람직하나 본 발명이 이에 한정되지는 않으며, 용도에 따라 적당한 두께를 선정할 수 있다.
또한, 상기 열압착시의 압력과 온도는 4~30기압, 80~120℃가 바람직하며, 상기 온도에서 폴리비닐리덴클로라이드 필름이 늘어나지 않고 수축하여 팽팽해진다.
도 2에는 마이크로밸브 소자에 형성된 폴리비닐리덴클로라이드 필름 막의 형상이 여러 형태로 도시되어 있다.
상하 기판과 필름 막이 미세채널 구조(20), 마이크로 다이아프램 펌프 구조(30), 마이크로밸브 구조(40)의 3층 마이크로밸브 소자의 기본구조를 형성하며, 열압착 과정에서 폴리비닐리덴클로라이드 필름이 열수축하여 팽팽해지므로, 도 2에 도시된 바와 같이 필름 막이 늘어나 미세형상을 메우는 일이 발생하지 않고 필름 막의 형상이 그대로 유지된다.
그런데 폴리비닐리덴클로라이드 필름의 열수축 특성으로 인해 열압착 과정에서 필름 막이 팽팽하게 당겨지게 되고, 이에 따라 필름 막의 신축성(elasticity)이 저하되어 밸브의 개폐가 부드럽고 민감하게 작동하지 못하는 문제가 발생한다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 상기 고온압착 접합시 마이크로밸브 소자 내부에 진공을 걸어 필름 막을 신장 변형(extensional deformation)된 상태로 성형한다.
도 3에는 본 발명에 따른 마이크로밸브 소자 제작과정이 개략적으로 나타나 있으며, 상부기판/폴리비닐리덴클로라이드 필름/하부기판을 핫프레스에 장착하고 하부기판의 관통공을 통하여 진공을 걸어주면서 열압착 접합 가공한다.
진공을 가하지 않으면 열수축 특성으로 인하여 필름 막이 팽팽해져 상부기판에 붙어 버리거나, 랩온어칩을 기체로 구동할 때 필름 막이 너무 팽팽하여 원활한 구동이 어렵게 된다.
상기 진공도는 0.05~50torr가 바람직하나 본 발명이 이에 한정되지는 않으며, 필름 막의 두께 또는 밸브 크기에 따라 적절한 진공을 걸어준다.
상기와 같이 열과 압력으로 접합하면서 하부기판의 관통공에 진공을 가해주면 필름 막이 진공에 의해 만곡된 형상으로 신장 변형이 일어나고, 상기 변형된 필름 막이 밸브 또는 다이아프램 역할을 하여 기체의 압력의 의하여 상하운동을 하면서 상부의 유체유로를 차단하거나 개방하는 방법으로 마이크로밸브의 역할을 수행한다.
또한, 상기 적층구조에서 기판과 필름 막의 접합성을 높이기 위해 필름 막과 투명 경질 소재의 상부 및 하부 기판은 대기압 또는 진공 하에서 산소 플라스마를 이용한 표면처리를 하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 마이크로밸브 소자의 제작방법을 하기의 실시예에 의거하여 좀더 상세하게 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 치환 및 균등한 타 실시예로 변경할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
1) CAD 프로그램(오토캐드 2010, AutoDesk Inc., 미국)을 이용하여 랩온어칩의 도면을 제작하였다.
2) 1200dpi의 이미지 세터를 이용하여 상기 도면을 투명필름에 인쇄하여 포토마스크를 제작하였다.
3) 4인치 실리콘웨이퍼에 후막형감광제(SU-8)를 50㎛ 두께로 도포하고 스핀코팅을 한 다음 베이킹 하였다.
4) 상기 베이킹한 실리콘웨이퍼 위에 상기 포토마스크를 얹은 후 자외선 노광하여 선택적으로 경화시켰다.
5) 상기 경화된 실리콘웨이퍼를 현상액에 담그고 흔들어 경화시키고 세척하였다.
6) 금 스퍼터 챔버에 상기 세척한 실리콘웨이퍼를 넣어 금막을 입혔다.
7) 상기 금막을 입힌 실리콘웨이퍼를 니켈 전주도금기에 넣고 도금하여 니켈층을 0.5㎜로 성장시켰다.
8) 상기 니켈층을 실리콘웨이퍼에서 떼어내고 가장자리를 다이아몬드휠로 자른 다음 회전숫돌로 가장자리를 트리밍하였다.
9) 니켈판에 새겨진 미세한 패턴에 설계한 형상이 각인되었음을 확인하였다.
10) 15㎜ 두께의 알루미늄 블럭을 준비하여 CNC밀링머신으로 사각형 포켓 및 가이드홀을 만들었다.
11) 에폭시수지를 이용하여 상기 니켈판을 알루미늄 블럭의 포켓 바닥에 붙였다.
12) 별도의 20㎜ 두께의 알루미늄 블럭를 준비하여 가이드홀을 뚫고 스프루부시를 붙여 간이 사출성형용 금형을 제작하였다.
13) 상기 두 알루미늄 블럭을 가이드핀에 고정하고 간이 입형사출기에 올려놓았다.
14) 아크릴수지를 사출기의 실린더에 충전하고 100기압의 압력으로 사출하여 플라스틱 기판을 얻은 다음, 기체회로기판과 유체회로기판으로 분리하였다
15) 15㎛ 두께의 폴리비닐리덴클로라이드 필름을 준비하여 상기 기체회로기판과 유체회로기판 사이에 삽입하여 적층체를 제작하였다.
16) 알루미늄 블럭을 준비하여 상기 기체회로기판에 부합하는 포켓을 CNC밀링으로 가공하고, 상기 기체회로기판에 미리 형성된 관통공과 동일한 위치의 알루미늄 블럭 위치에 관통공을 만들었다.
17) 상기에서 제작한 알루미늄 블럭을 핫프레스에 올려놓고 상기 알루미늄 블럭의 관통공에 진공펌프를 연결하였다.
18) 상기 15단계에서 제작한 적층체를 17단계의 알루미늄 블럭에 올려놓고, 진공펌프를 가동하여 미약한 진공(100mTorr)을 가하였다.
19) 압력 30기압, 온도 95℃ 조건으로 2분간 열과 압력을 가하였으며, 열과 압력이 가해지면서 적층체는 서로 기밀하게 달라붙었고, 필름은 관통공에 인가된 진공에 의하여 만곡된 다이아프램 형상으로 변형되었다.
20) 상기 적층체를 꺼내어 현미경이 장착된 실험대에 올려놓고 기체회로기판의 관통공에 공기압 호스를 연결하였다.
21) 상기 적층체의 관통공에 공기압을 가하면서, 다이아프램이 동작하여 유체채널을 폐쇄하거나 개방하는 모습을 현미경으로 관찰하였다.
22) 주사기펌프로 유체회로기판에 붉은색 잉크를 주입하면서, 액체의 흐름이 다이아프램에 의하여 차단되거나 흘러가는 모습을 현미경으로 관찰하였다.
도 4에는 상기 실시예의 랩온어칩 도면의 일례를 나타내었고, 도 5는 랩온어칩의 유체회로기판 사출물을 보여주고 있으며, 도 6은 랩온어칩이 구동되는 모습을 나타낸 사진이다.
10:마이크로밸브 소자, 11:유체회로기판, 12:필름, 13:기체회로기판, 14:유체채널, 15:관통공, 16:필름 막, 20:미세채널 구조, 30:마이크로 다이아프램 펌프 구조, 40:마이크로밸브 구조

Claims (5)

  1. 유체채널(14)이 각인된 유체회로기판(11)과 관통공(15)이 형성된 기체회로기판(13)을 경질 고분자 소재로 사출성형하여 제작하는 단계;
    상기 유체회로기판(11)과 기체회로기판(13) 사이에 폴리비닐리덴클로라이드 필름(12)을 삽입하는 단계;
    상기 기체회로기판(13)의 관통공(15)에 진공을 걸어주는 단계; 및
    상기 유체회로기판(11), 폴리비닐리덴클로라이드 필름(12), 기체회로기판(13)이 순차적으로 적층된 적층체를 고온?고압으로 열압착하여 마이크로밸브 소자를 제조하는 단계;를 포함하는, 랩온어칩에 장착되는 마이크로밸브 소자의 제작방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 열압착은 4~30기압, 80~120℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 랩온어칩에 장착되는 마이크로밸브 소자의 제작방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 진공은 0.05~50torr인 것을 특징으로 하는, 랩온어칩에 장착되는 마이크로밸브 소자의 제작방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 유체회로기판(11), 기체회로기판(13) 및 폴리비닐리덴클로라이드 필름(12)을 산소 플라스마로 표면처리하는 것을 특징으로 하는, 랩온어칩에 장착되는 마이크로밸브 소자의 제작방법.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항의 방법으로 제작되며,
    경질 고분자 소재의 상부 유체회로기판(11), 경질 고분자 소재의 하부 기체회로기판(13), 상기 유체회로기판(11)과 기체회로기판(13) 사이에서 설치되는 만곡된 형상의 폴리비닐리덴클로라이드 필름 막(16), 상기 유체회로기판(11)에 미세하게 각인된 유체채널(14) 및 상기 기체회로기판(13)에 형성된 관통공(15)을 포함하는, 랩온어칩에 장착되는 마이크로밸브 소자(10).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101404657B1 (ko) * 2013-04-26 2014-06-09 주식회사 바이오록스 진공, 상압 및 공압을 제공하는 랩온어칩 구동용 매니폴드 패키지

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