KR20130069304A - 미세 유체 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20130069304A
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박진성
정원종
김준호
남궁각
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삼성전자주식회사
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

미세 유체 소자 및 이를 제조하는 방법을 제공한다. 본 미세 유체 소자는 내면에 미세 유로 및 상기 미세 유로 내에 돌출된 밸브 시트 (valve seat)가 형성된 제1 기판, 제1 기판과 대향하게 배치되며, 내면에 상기 밸브 시트에 대응하는 캐비티(cavity)가 형성된 제2 기판 및 제1 기판과 제2 기판 사이에 배치되며, 제1 및 제2 기판과 접합된 접합부와 캐비티의 공압에 의해 모양이 가변되는 가변부를 포함하는 폴리머 필름을 포함하고, 공압이 제공되지 않는 동안, 가변부는 곡률을 갖으면서 상기 밸브 시트와 이격배치된다.

Description

미세 유체 소자 및 그 제조방법{Microfluidic device and method of manufacturing the same}
본 개시는 미세 유체 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
임상 혹은 환경과 관련된 시료의 분석은 일련의 생화학적, 화학적, 기계적 처리과정을 통하여 이루어진다. 최근에는 생물학적인 시료의 진단이나 모니터링을 위한 기술개발이 상당한 관심을 끌고 있다. 최근 핵산을 기반으로 한 분자진단 방법은 그 정확도 및 민감도가 우수하여 감염성 질환이나 암진단, 약물유전체학, 신약 개발 등에서 활용도가 상당히 증가하고 있다. 이와 같은 다양한 목적에 따라 시료를 간편하고 정밀하게 분석하기 위하여 미세 유체 소자가 널리 사용되고 있다. 미세 유체 소자는 얇은 기판 상에 시료 유입구, 시료 유출구, 미세 유로, 반응 챔버 등이 다수 형성되어 있어서, 하나의 시료에 대해 다양한 검사를 간편하게 수행할 수 있다. 이에 따라 미세 유체 소자는 다양한 종류의 센서, 바이오 샘플의 증폭/진단 및 신약 개발을 위한 플랫폼으로 사용되고 있다.
이러한 미세 유체 소자 내에서 시료 및 시약이 원하는 위치로 정확하게 제공될 수 있도록, 미세 유체 소자는 미세한 미세 밸브와 펌프 등을 더 포함할 수 있다. 상기 미세 밸브는 미세 유체 소자 내의 미세 유로 내에 배치되며, 예를 들어, 미세 유체 소자의 미세 유로 내에 얇은 폴리머 필름과 밸브 시트를 배치하여 형성될 수 있다. 이러한 미세 밸브의 구조에서, 일반적으로 폴리머 필름과 밸브 시트가 접촉한 동안에는 미세 밸브가 닫히게 되어, 시료가 미세 유로를 지나가지 못한다. 그리고, 폴리머 필름과 밸브 시트가 떨어져 있는 동안에는 미세 밸브가 열려서, 시료가 미세 유로를 지나갈 수 있다.
그런데, 통상적인 미세 밸브의 경우, 평상시에 폴리머 필름과 밸브 시트가 접촉한 상태에 있기 때문에, 시간이 지나면 폴리머 필름이 밸브 시트에 고착될 수가 있다. 그러면 미세 밸브의 개폐 동작이 정상적으로 이루어지지 않을 수 있다.
또한, 미세 유체 소자에 적용되는 기판이 유리 기판인 경우, 폴리머 필름을 접합하기 어렵고, 유리 기판은 반도체 공정을 사용하여 마이크로 구조를 제작하기 때문에 제작 비용이 많은 문제가 있다.
본 개시는 폴리머 필름과 밸브 시트 사이의 고착을 방지할 수 있는 미세 유체 소자 및 그 제조 방법을 제공한다.
그리고, 본 개시는 접착제를 구비하지 않는 미세 유체 소자 및 그 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 개시는 제조가 용이한 미세 유체 소자 및 그 제조 방법을 제공한다.
일 유형에 따르는 미세 유체 소자는, 내면에 미세 유로 및 상기 미세 유로 내에 돌출된 밸브 시트(valve seat)가 형성된 제1 기판; 상기 제1 기판과 대향하게 배치되며, 내면에 상기 밸브 시트에 대응하는 캐비티(cavity)가 형성된 제2 기판; 및 상기 제1 기판과 제2 기판 사이에 배치되며, 상기 제1 및 제2 기판과 접합된 접합부와 상기 캐비티의 공압에 의해 모양이 가변되는 가변부를 포함하는 폴리머 필름;을 포함하고, 상기 공압이 제공되지 않는 동안, 상기 가변부는 곡률을 가지면서 상기 밸브 시트와 이격 배치된다.
그리고, 상기 가변부는 상기 밸브 시트에 대해 오목한 형상일 수 있다.
또한, 상기 공압이 제공되는 동안, 상기 가변부는 상기 밸브 시트와 접할 수 있다.
그리고, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판은 폴리머 물질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 폴리머 물질은, 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌 (polyethylene), 열가소성플라스틱탄성체(Thermoplastic elastomer TPE), 탄성 폴리머(Elasti Polymer) 불소 중합체(Fluoro Polymer), 폴리메틸메타크릴레이트 (Poly Methyl Methacrylate, PMMA), HIPS(High Impact Polystyrene) 및 HIPPMMA(High Impact Poly Methyl Methacrylate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1 기판, 상기 제2 기판 및 상기 폴리머 필름은 동일한 종류의 폴리머 물질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 기판, 상기 제2 기판 및 상기 폴리머 필름 중 적어도 하나는 다른 종류의 폴리머 물질로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 제1 기판 중 상기 폴리머 필름과 접합된 면, 상기 제2 기판 중 상기 폴리머 필름과 접합된 면, 상기 폴리머 필름 중 상기 제1 기판과 접합된 면 및 상기 폴리머 필름 중 상기 제2 폴리머 필름과 접합된 면 중 적어도 하나는 오존, 자외선 및 플라즈마 중 적어도 하나에 의해 표면 처리될 수 있다.
한편, 다른 유형에 따르는 미세 유체 소자는, 내부에 미세 유로 및 상기 미세 유로에 의해 돌출되어 형성된 밸브 시트를 포함하는 기판; 및 상기 기판의 표면상에 배치되며, 상기 기판과 접합된 접합부 및 압력에 의해 모양이 가변되는 가변부를 포함하는 폴리머 필름;을 포함하고, 상기 가변부에 압력이 제공되지 않는 동안, 상기 가변부는 곡률을 가지면서 상기 밸브 시트와 이격 배치된다.
그리고, 상기 기판은, 내면에 미세 유로 및 상기 미세 유로 내로 돌출된 제1 밸브 시트가 형성된 제1 서브 기판 및 상기 제1 기판상에 배치되며, 상기 제1 밸브 시트와 대응되는 영역에 제2 밸브 시트가 배치되도록 제1 홀 및 제2 홀이 형성된 제2 서브 기판;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 기판의 표면은 평평할 수 있다.
그리고, 상기 가변부는 상기 밸브 시트에 대해 오목한 형상일 수 있다.
또한, 상기 가변부에 압력이 제공되는 동안, 상기 가변부는 상기 밸브 시트와 접할 수 있다.
그리고, 상기 기판은 폴리머 물질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 기판 중 상기 폴리머 필름과 접합된 면 및 상기 폴리머 필름 중 상기 기판과 접합된 면 중 적어도 하나는 오존, 자외선 및 플라즈마 중 적어도 하나에 의해 표면 처리될 수 있다.
한편, 일 유형에 따르는 미세 유체 소자의 제조 방법은, 내면에 배치된 미세 유로와 상기 미세 유로 내로 돌출된 밸브 시트를 포함하는 제1 기판, 상기 밸브 시트와 대응되는 위치에 캐비티(cavity)를 포함하는 제2 기판 및 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 폴리머 필름을 마련하는 단계; 및 압력 및 온도를 가하여 상기 제1 기판, 상기 제2 기판 및 상기 폴리머 필름을 접합하는 단계;를 포함하고, 상기 접합하는 단계에서 폴리머 필름의 일부가 변형되어 곡률을 갖는다.
그리고, 상기 폴리머 필름의 일부는 캐비티 내에 배치된 폴리머 필름일 수 있다.
또한, 상기 폴리머 필름의 일부는 상기 밸브 시트에 대하여 오목한 형상일 수 있다.
그리고, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판은 폴리머 물질로 형성될 수 이싸.
또한, 상기 제1 기판, 상기 제2 기판 및 상기 폴리머 필름 중 적어도 두 개는 다른 종류의 폴리머 물질로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 온도는 상기 폴리머 물질의 유리 전이 온도 이하일 수 있다.
또한, 상기 제1 기판, 상기 제2 기판 및 상기 폴리머 필름 중 적어도 하나의 표면을 오존, 자외선 및 플라즈마 중 적어도 하나에 의해 표면처리하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
한편, 다른 유형에 따르는 미세 유체 소자의 제조 방법은, 표면이 평평한 기판 및 캐비티를 포함하는 희생 기판 및 상기 기판과 상기 희생 기판 사이에 폴리머 필름을 마련하는 단계; 및 압력 및 온도를 가하여 상기 기판, 상기 희생 기판 및 상기 폴리머 필름을 접합하는 단계;를 포함하고, 상기 접합하는 단계에서 폴리머 필름의 일부가 변형되어 곡률을 갖는다.
그리고, 상기 폴리머 필름의 일부는 캐비티 내에 배치된 폴리머 필름일 수 있다.
또한, 상기 곡률의 지름은 10㎛이하일 수 있다.
개시된 미세 유체 소자의 미세 밸브는 밸브 시트와 접촉하는 폴리머 필름이 곡률을 갖기 때문에 평상시에는 밸브 시트와 이격되어 있어서 폴리머 필름과 밸브 시트 사이의 고착을 방지할 수 있다. 따라서, 마이크로 밸브의 동작에 있어서, 신뢰성 및 재현성이 보장될 수 있다. 또한, 폴리머 필름으로 미세 유로를 형성할 수 있기 때문에 크기가 작은 미세 유로의 제조가 가능하다.
본 개시는 접합을 위해 접합제를 사용하지 않고 기판을 코팅하는 등의 고가의 공정을 필요로 하지 않기 때문에, 미세 유체 제어를 위한 다양한 기능을 수행하는 폴리머 미세 유체 소자를 저가에 제작할 수 있다.
뿐만 아니라, 미세 유체 소자내 다양한 구성요소들을 동시에 제조할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 미세 유체 소자의 구조를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 미세 유로 내에 미세 밸브를 배치하기 위하여 제안된 미세 유체 소자의 개략적인 단면도이다.
도 3은 제1 실시예에 따른 미세 유체 소자내에 형성된 한 미세 유로 및 미세 밸브를 예시적으로 보이는 평면 투시도이다.
도 4a는 도 3에 도시된 미세 유체 소자의 영역에 대한 A-A' 라인을 따른 수직 단면도이다.
도 4b는 도 3에 도시된 미세 유체 소자의 영역에 대한 B-B' 라인을 따른 수직 단면도이다.
도 5a 내지 도 5c는 이러한 미세 밸브의 여닫음 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a는 제2 실시예에 따른 미세 유체 소자 내에 형성된 미세 유로 및 미세 밸브를 예시적으로 보이는 평면 투시도이다.
도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 밸브를 나타내는 단면도이다.
도 6c는 도 6b의 미세 밸브가 닫힌 상태를 나타내는 단면도이다.
도 7a는 미세 유체 소자 내에 형성된 미세 유로의 일 영역만을 예시적으로 보이는 평면 투시도이다.
도 7b는 도 7a에 도시된 미세 유로의 영역에 대한 C-C'라인을 따른 수직 단면도이다.
도 7c는 도 7a에 도시된 미세 유로의 영역에 대한 D-D'라인을 따른 수직 단면도이다.
도 8a 내지 도 8c은 제1 실시예에 따른 미세 유체 소자의 제조방법을 도시한 것이다.
도 9a 내지 도 9c은 제2 실시예에 따른 미세 유체 소자의 제조방법을 도시한 것이다.
도 10a 내지 도 10c은 제3 실시예에 따른 따른 미세 유체 소자의 제조방법을 도시한 것이다.
도 11a 내지 도 11c는 미세 유체 소자의 미세 밸브 및 미세 챔버를 동시에 제조하는 방법에 대해 설명하는 도면이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 표면 처리된 폴리프로필렌(polypropylene, PP)과 폴리메틸메타크릴레이트 (Poly Methyl Methacrylate, PMMA)간의 열융착 방식으로 본딩할 때의 본딩 강도를 나타내는 실험 결과이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 미세 유체 소자(100)의 구조를 개략적으로 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 미세 유체 소자(100)는 예를 들어 얇고 투명한 기판 상에 시료 또는 공기의 유입/유출을 위한 다수의 홀(150), 시료의 화학적/생물학적 반응이 일어나는 다수의 반응 챔버(140), 시료가 이동하는 통로인 다수의 미세 유로(160), 시료의 흐름을 원하는 위치로 정확하게 제어하기 위한 다수의 미세 밸브(170) 등을 포함할 수 있다. 도 1에서는, 편의상 단지 하나의 챔버(140), 홀(150), 미세 유로(160) 및 미세 밸브(170)에 대해 대표적으로 도면 번호가 부기되어 있지만, 실제로는 다수의 챔버(140), 홀(150), 미세 유로(160) 및 미세 밸브(170)가 도 1에 도시되어 있다. 또한, 도 1에 도시된 미세 유체 소자(100)에서, 챔버(140), 홀(150), 미세 유로(160) 및 미세 밸브(170)의 배치는 단지 예시적인 것이며, 미세 유체 소자(100)의 용도 및 설계자의 선택에 따라 챔버(140), 홀(150), 미세 유로(160) 및 미세 밸브(170)의 개수와 배치는 달라질 수 있다.
미세 밸브(170)는 미세 유로(160) 내에 형성될 수 있으며, 미세 유로(160) 내에서 시료를 통과시키거나 차단하는 역할을 한다. 미세 유로(160)은 제1 기판(110)상에서 오목한 그루브 형상으로 형성될 수 있다. 이러한 미세 밸브(170)는 탄성을 갖는 얇은 필름을 이용하여 이루어질 수 있다. 도 2는 도 1에 도시된 미세 유체 소자(100)의 미세 유로(160) 내에 미세 밸브(170)를 배치하기 위하여 제안된 미세 유체 소자(100)의 개략적인 단면도이다. 도 2의 단면도를 참조하면, 미세 유체 소자(100)는 제1 기판(110)과 제2 기판(120), 제1 기판(110)과 제2 기판(120) 사이에 배치된 얇은 폴리머 필름(130)을 구비할 수 있다. 제1 기판(110)에는 다수의 제1 홀(150a)이 배치될 수 있으며, 제2 기판(120)에도 다수의 제2 홀(150b)이 배치될 수 있다. 제1 홀(150a)은 시료와 같은 유체를 제공하기 위한 유체 홀일 수 있고, 제2 홀(150b)은 폴리머 필름(130)을 밀기 위한 공압이 제공되는 공압 홀일 수 있다. 비록 도 2에는 편의상 홀(150a,150b)들만이 도시되어 있지만, 각각의 제2 기판(120)과 제1 기판(110)의 서로 대향하는 표면들에는 개별적으로 다수의 챔버(140), 미세 유로(160), 미세 밸브(170) 등이 형성되어 있을 수 있다.
제1 기판(110), 제2 기판(120) 및 폴리머 필름(130)은 폴리머 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 기판(110), 제2 기판(120) 및 폴리머 필름(130)은 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌 (polyethylene), 열가소성플라스틱탄성체(Thermoplastic elastomer TPE), 탄성 폴리머(Elasti Polymer) 불소 중합체(Fluoro Polymer), 폴리메틸메타크릴레이트 (Poly Methyl Methacrylate, PMMA), HIPS(High Impact Polystyrene) 및 HIPPMMA(High Impact Poly Methyl Methacrylate) 등일 수 있다. 제1 기판(110), 제2 기판(120) 및 폴리머 필름(130)은 동일한 종류의 폴리머 물질로 이루어질 수도 있지만, 다른 종류의 폴리머 물질로 이루이질 수도 있다. 예를 들어, 제2 기판(120) 및 폴리머 필름(130)은 동일한 폴리머 물질로 이루어지고 제1 기판(110)은 다른 종류의 폴리머 물질로 이루어질 수 있다. 또는 제1 기판(110) 중 폴리머 필름(130)과 접하는 표면, 제2 기판(120) 중 폴리머 필름(130)과 접하는 표면, 폴리머 필름(130) 중 제1 기판(110)과 접하는 표면 및 폴리머 필름(130) 중 제2 기판(120)과 접하는 필름 중 적어도 하나는 자외선, 오존 및 플라즈마 중 적어도 하나에 의해 표면 처리될 수도 있다.
도 3은 제1 실시예에 따른 미세 유체 소자(100)내에 형성된 한 미세 유로(160) 및 미세 밸브(170)를 예시적으로 보이는 평면 투시도로서, 미세 유로(160) 및 미세 밸브(170)의 구성들이 은선(hidden line)으로 표시되어 있다. 도 3을 참조하면, 미세 유로(160)를 완전히 가로질러 밸브 시트(112)가 형성되어 있다. 밸브 시트(112)가 형성되어 있는 부분에는, 미세 밸브(170)의 동작을 용이하게 하기 위하여 미세 유로(160)의 폭이 다른 곳보다 넓어질 수 있다. 예를 들어, 미세 유로(160)와 밸브 시트(112)는 제1 기판(110)에 형성되어 있을 수 있다. 미세 유로(160)는 제1 기판(110)에서 밸브 시트(112)에 의해 이격 배치된 그루브 형태로 형성될 수 있다. 밸브 시트(112)의 상면은 미세 밸브가 닫혀진 상태에서 시료의 누출을 막는데 필요한 압력(Valve Breaking Pressure)을 최소화하기 위해 평탄화되어 있을 수 있다.
그리고, 미세 유체 소자(100)는 제1 기판(110)과 이격 배치된 제2 기판(120)을 포함한다. 제2 기판(120)내에는 밸브 시트(112)와 대응하는 영역 내에는 캐비티(122)가 형성될 수 있다. 도 3에서는 명시적으로 도시되어 있지 않지만, 캐비티(122)의 아래에 폴리머 필름(130)이 배치된다. 상기 캐비티(122)은, 미세 밸브(170)의 닫음 동작시에, 밸브 시트(112)를 향해 폴리머 필름(130)을 충분한 세기로 밀 수 있도록 공압이 제공되는 곳이다.
도 3에 도시된 미세 유체 소자의 구성은 도 4a 및 도 4b의 단면도를 통해 더욱 구체적으로 도시될 수 있다. 도 4a는 도 3에 도시된 미세 유체 소자의 영역에 대한 A-A' 라인을 따른 수직 단면도이며, 도 4b는 B-B' 라인을 따른 수직 단면도이다.
도 4a를 참조하면, 제1 기판(110)의 내면에는 미세 유로(160) 및 미세 유로(160) 내로 돌출된 밸브 시트(112)(valve seat)가 형성되어 있다. 미세 유로(160)은 제1 기판(110)의 내면에서 오목한 그루브로 형성될 수 있다. 또한, 제1 기판(110)에 대향하는 제2 기판(120)의 내면에는 밸브 시트(112)와 대응하는 위치에 제2 기판(120)의 내면을 에칭하여 형성된 캐비티(122)이 마련되어 있다. 도시되어 있지는 않지만, 제1 기판(110)에 형성된 미세 유로(160)는 시료가 유입/유출될 수 있도록 제1 기판(110)에 형성된 제1 홀(150a)과 연결될 수 있다. 또한, 제2 기판(120)에 형성된 캐비티(122)은 폴리머 필름(130)을 제어하기 위한 공기가 유입/유출될 수 있도록 제2 기판(120)에 형성된 제2 홀(150b)과 연결될 수 있다.
폴리머 필름(130)은 제1 기판(110)과 제2 기판(120)의 사이에 배치되며, 상기 캐비티(122)와 밸브 시트(112)를 서로 분리시킨다. 예를 들어, 도 4a에 도시된 미세 밸브(170)의 영역 내에서, 폴리머 필름(130)은 제2 기판(120)의 내면에 접합된 접합부(132) 및 캐비티(122)와 밸브 시트(112)를 분리시키고 모양이 가변되는 가변부(134)를 포함할 수 있다. 그러나 미세 유체 소자의 전체적인 구성에서 볼 때, 도 2에 도시된 바와 같이, 폴리머 필름(130)은 제1 기판(110)과 제2 기판(120)의 대향하는 두 내면에 모두 접합될 수 있다.
그리고, 캐비티(122)에 공압이 제공되는 동안에는 폴리머 필름(130)의 가변부(134)는 곡률을 가지면서 밸브 시트(112)와 이격되어 있다. 예를 들어, 가변부(134)는 밸브 시트(112)에 대하여 오목한 형상일 수 있다. 이렇게 가변부(134)와 밸브 시트(112)에 대하여 오목한 형상이기 때문에, 캐비티(122)에 공압이 제공되는 동안에는 밸브 시트(112)의 상부 표면은 폴리머 필름(130)과 접촉하지 않으며, 밸브 시트(112)와 폴리머 필름(130) 사이에 간격이 존재한다. 따라서 미세 유체 소자(100)를 장시간 동안 사용하지 않더라도, 폴리머 필름(130)이 밸브 시트(112)에 고착되는 일은 거의 발생하지 않는다.
또한, 도 4b를 참조하면, 제1 기판(110)에는 밸브 시트(112)가 형성되어 있고, 제2 기판(120)에는 밸브 시트(112)에 대응하는 위치에 캐비티(122)가 형성되어 있다. 폴리머 필름(130)의 접합부(132)는 제1 및 제2 기판(110, 120)에 접합되어 있다. 그리고, 폴리머 필름(130)의 가변부(134)는 캐비티(122)쪽으로 볼록한 형성이기 때문에 가변부(134)의 중앙 부분으로 갈수록 가변부(134)와 밸브 시트(112) 사이의 거리는 멀어진다.
도 5a 내지 도 5c는 이러한 미세 밸브(170)의 여닫음 동작을 설명하기 위한 것이다. 예를 들어, 도 5a는 미세 밸브(170)의 열림 동작을 개략적으로 나타내는 도 4a와 같은 방향의 단면도이고, 도 5b는 미세 밸브(170)의 닫음 동작을 개략적으로 나타내는 도 4a와 같은 방향의 단면도이며, 도 5c는 미세 밸브(170)의 닫음 동작을 개략적으로 나타내는 도 4b와 같은 방향의 단면도이다.
먼저 도 5a를 참조하면, 폴리머 필름(130)은 밸브 시트(112)에 대하여 오목한 곡률을 갖기 때문에, 밸브 시트(112)의 상부 표면은 평상시에는 폴리머 필름(130)과 접하지 않는 상태에 있다. 이러한 점에서, 미세 밸브(170)는 평상시에는 열림 상태에 있는 정상 열림형(normally open type)이다. 따라서, 평상시에는 미세 밸브(170)가 열림 상태이므로, 예를 들어 제1 홀(150a)을 통해 미세 유로(160) 내에 제공된 유체(190)는 미세 밸브(170)를 통과할 수 있다.
미세 밸브(170)를 닫고자 하는 경우에는, 도 5b 및 도 5c에 도시된 바와 같이, 제2 홀(150b)을 통해 캐비티(122)내에 공압을 제공할 수 있다. 그러면, 상기 캐비티(122)아래의 폴리머 필름(130)이 공압에 의해 밸브 시트(112)를 향해 밀려나게 된다. 만약 충분한 세기의 공압이 제공된다면, 폴리머 필름(130)은 밸브 시트(112)에 밀착되어, 폴리머 필름(130)과 밸브 시트(112) 사이의 틈을 완전히 메울 수 있게 된다. 그러면, 미세 유로(160) 내의 유체(20)는 미세 밸브(170)에 의해 막혀서 더 이상 이동하지 못하게 될 것이다. 여기서, 충분한 세기의 공압은, 예컨대, 폴리머 필름(130)의 물질, 가변부(134)와 밸브 시트(112) 사이의 거리, 미세 유로(160)의 폭과 높이, 밸브 시트(112)와 폴리머 필름(130)의 표면 상태와 기하학적 형상 등 다양한 요인을 고려하여 결정될 수 있다. 또한, 상기한 충분한 세기의 공압을 최소화하기 위해 밸브 시트(112)의 상부 표면이 평탄화되어 있을 수 있다. 한편, 도 4b를 참조하여 위에서 설명한 바와 같이, B-B' 라인을 따른 단면에서 가변부(134)는 밸브 시트(112)에 대하여 오목한 형상이다. 따라서, 충분한 세기의 공압이 캐비티(122) 내에 제공된다면, 도 5c에 도시된 바와 같이, 가변부(134)의 바닥면과 밸브 시트(112)는 빈틈이 없이 서로 밀착될 수 있다.
앞서 설명한 미세 밸브는 공압에 의해 미세 밸브가 개폐된다. 그러나, 미세 밸브는 러버에 의해 개폐될 수도 있다. 도 6a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 유로 및 미세 밸브를 포함하는 미세 유체 소자를 예시적으로 보이는 평면 투시도로서, 미세 유로(260) 및 미세 밸브(270) 의 구성들이 은선(hidden line)으로 표시되어 있다. 그리고, 도 6b는 도 6a에 도시된 미세 유체 소자의 영역에 대한 A-A' 라인을 따른 수직 단면도이고, 도 6c는 도 6b의 미세 밸브(270)가 닫힌 상태를 나타내는 단면도이다.
미세 밸브(270)는 내부에 미세 유로(260) 및 미세 유로(260)내로 돌출된 밸브 시트(240)가 형성된 제3 기판(210) 및 제3 기판(210)상에 배치되며, 미세 유로(260)를 개폐시키는 폴리머 필름(230)을 포함할 수 있다. 미세 유로(260)는 밸브 시트(240)와 이격되어 배치되는 제1 서브 미세 유로(262), 제1 서브 미세 유로(262)와 연결되어 있으면서 밸브 시트(240)의 측면과 접촉되는 제2 서브 미세 유로(264) 및 제2 서브 미세 유로(264)와 연결되어 있으면서 밸브 시트(240)의 상부에 배치되는 제3 서브 미세 유로(266)를 포함할 수 있다. 밸브 시트(240)의 상면은 미세 밸브가 닫혀진 상태에서 시료의 누출을 막는데 필요한 압력(Valve Breaking Pressure)을 최소화하기 위해 평탄화되어 있을 수 있다.
제3 기판(210)은 제1 및 제2 서브 기판(212, 214)의 결합으로 형성될 수 있고, 밸브 시트(240)도 제1 서브 기판(212)에 의해 형성되는 제1 서브 밸브 시트(212a)와 제2 서브 기판(214)에 의해 형성되는 제2 서브 밸브 시트(214a)의 결합으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 미세 유로(260)는 제1 서브 기판(212)의 내면에 형성될 수 있고, 제1 서브 기판(212)에서 제1 서브 밸브 시트(212a)에 의해 이격 배치된 오목한 그루브 형태로 형성될 수 있다. 그리고, 제2 서브 밸브 시트(214a)는 제2 서브 기판(214)에 이격되게 형성된 제3 및 제4 홀(262, 264)로 인해 형성된다. 상기한 제3 및 제4 홀(262, 264)은 시료가 통과하는 미세 유로(260)의 일부이다. 여기서, 제1 및 제2 서브 기판(212, 214)은 동일한 종류의 폴리머 물질로 형성될 수 있다.
폴리머 필름(230)은 제3 기판(210)의 상부 표면에 접합되어 유체의 흐름을 제어한다. 예를 들어, 폴리머 필름(230)은 제3 기판(210)의 상부 표면에 접합된 접합부(232)와 밸브 시트(240)와 접촉가능하며 변형 가능한 가변부(234)를 포함할 수 있다. 폴리머 필름(230)의 가변부(234)는 곡률을 가지면서 밸브 시트(240)와 이격되어 있다. 예를 들어, 가변부(234)는 밸브 시트(240)에 대하여 오목한 형상일 수 있다.
제3 기판(210) 및 폴리머 필름(230)은 폴리머 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제3 기판(210) 및 폴리머 필름(230)은 폴리프로필렌 (polypropylene, PP), 폴리프로필렌 (polypropylene), 폴리에틸렌 (polyethylene), 열가소성플라스틱탄성체 (Thermoplastic elastomer TPE), 탄성 폴리머(Elasti Polymer) 불소 중합체(Fluoro Polymer), 폴리메틸메타크릴레이트 (Poly Methyl Methacrylate, PMMA), HIPS, HIPPMMA 등일 수 있다. 제3 기판(210) 및 폴리머 필름(230)은 동일한 종류의 폴리머 물질로 이루어질 수도 있지만, 다른 종류의 폴리머 물질로 이루이질 수도 있다. 또는 제3 기판(210) 중 폴리머 필름(230)과 접하는 표면 및 폴리머 필름(230) 중 제3 기판(210)과 접하는 표면 중 적어도 하나는 자외선, 오존 및 플라즈마 중 적어도 하나에 의해 표면 처리될 수도 있다.
이렇게 폴리머 필름(230)이 밸브 시트(240)에 대해 오목한 형상을 갖기 때문에, 밸브 시트(240)의 상부 표면은 평상시에는 폴리머 필름(230)과 접촉하지 않으며, 밸브 시트(240)와 폴리머 필름(230) 사이에 간격이 존재한다. 따라서 미세 유체 소자를 장시간 동안 사용하지 않더라도, 폴리머 필름(230)이 밸브 시트(240)에 고착되는 일은 거의 발생하지 않는다. 따라서, 평상시에는 미세 밸브(270)가 열림 상태이므로, 예를 들어 미세 유로(260) 내에 제공된 유체는 미세 밸브(270)를 통과할 수 있다.
미세 밸브(270)를 닫고자 하는 경우에는, 러버(280)를 통해 폴리머 필름(230)을 밸브 시트(240) 쪽으로 압력을 가한다. 그러면, 폴리머 필름(230)의 가변부(234)는 압력에 의해 밸브 시트(240)쪽으로 곡률이 변경된다. 만약 충분한 세기의 압력이 제공된다면, 가변부(234)는 밸브 시트(240)에 밀착되어, 가변부(234)와 밸브 시트(240) 사이의 틈을 완전히 메울 수 있게 된다. 그러면, 미세 유로(260) 내의 유체는 미세 밸브(270)에 의해 막혀서 더 이상 이동하지 못하게 될 것이다. 여기서, 충분한 세기 압력은, 예컨대, 폴리머 필름(230)의 물질, 가변부(234)와 밸브 시트(240) 사이의 거리, 미세 유로(260)의 폭과 높이, 밸브 시트(240)와 폴리머 필름(230)의 표면 상태와 기하학적 형상 등 다양한 요인을 고려하여 결정될 수 있다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 밸브(170, 270)는 정상 열림형으로서 많은 장점을 가질 수 있다. 먼저, 밸브 시트(112, 240)가 폴리머 필름(130, 230)에 접합되지 않도록 밸브 시트(112, 240)의 표면에 별도의 코팅을 할 필요가 있다. 이에 따라, 미세 유체 소자의 제조 공정이 복잡해진다. 또한, 폴리머 필름(130, 230)과 밸브 시트(112, 240)가 평상시에 접촉하고 있는 경우, 폴리머 필름(130, 230)이 밸브 시트(112, 240)에 접촉하고 있는 시간이 길어지면 화학적 또는 물리적 반응에 의해 자연적으로 상기 폴리머 필름(130, 230)이 밸브 시트(112, 240)의 표면에 붙어서 떨어지지 않을 수 있다. 따라서, 미세 유체 소자를 장시간 사용하지 않았다면, 폴리머 필름(130, 230)과 밸브 시트(112, 240)를 떨어뜨리기 위한 초기화 작업이 필요하다. 그러나, 개시된 미세 유체 소자의 경우에는, 평상시에 폴리머 필름(130, 230)과 밸브 시트(112, 240)가 접촉하고 있지 않기 때문에, 그러한 초기화 과정이 불필요하다. 따라서, 미세 유체 소자내에서 유체의 흐름을 보다 효율적이고 신뢰성 있게 제어할 수 있다.
앞서 설명한 폴리머 필름(130, 230)은 미세 밸브에 적용될 뿐만 아니라, 미세 유로(160)를 형성하는데도 이용될 수 있다. 도 7a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 미세 유체 소자 내에 형성된 미세 유로(320)의 일 영역만을 예시적으로 보이는 평면 투시도로서, 미세 유로(320)의 구성들이 은선(hidden line)으로 표시되어 있다. 도 7b는 도 7a에 도시된 미세 유로(320)의 영역에 대한 C-C' 라인을 따른 수직 단면도이고, 도 7c는 도 7a에 도시된 미세 유로(320)의 영역에 대한 D-D' 라인을 따른 수직 단면도이다.
도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 본 미세 유체 소자의 미세 유로(320)는 제4 기판(310) 및 제4 기판(310)상에 배치되며 미세 유로(320)를 형성하는 폴리머 필름(330)을 포함할 수 있다. 그리고, 제4 기판(310)에는 시료가 유입/유출될 수 있는 제3 홀(340)이 형성될 수 있다. 제4 기판(310)은 기판의 내부 쪽으로 오목한 그루브가 형성될 수도 있고, 기판의 표면이 평평할 수 있다.
폴리머 필름(130)은 제4 기판(310)상에 배치되며 미세 유로(320)를 형성한다. 예를 들어, 도 7b에 도시된 바와 같이, 폴리머 필름(330)은 제4 기판(310)의 상부 표면에 접합된 접합부(332)와 제4 기판(310)과 이격되어 미세 유로(320)를 형성하는 유로부(334)를 포함할 수 있다. 폴리머 필름(330)의 유로부(334)는 제4 기판(310)에 대하여 오목한 형상일 수 있다. 또한, 유로부(334)의 중심에서 제4 기판(310)까지의 거리는 10㎛이하일 수 있다.
이렇게 폴리머 필름(330)이 제4 기판(310)에 대하여 오목한 형상을 갖기 때문에, 제4 기판(310)상에 그루브를 형성하기 위해 제4 기판(310)을 에칭하지 않아도 된다. 그리고, 제4 기판(310)의 에칭에 의해 미세 유로(320)를 형성하는 것보다 폴리머 필름(330)의 곡률에 의해 유체 유로(320)를 형성하기 때문에 보다 작은 유체 유로를 형성할 수 있다.
다음은 폴리머 필름(330)을 이용하여 미세 유체 소자를 제조하는 방법에 대해 설명한다. 이하에서는, 전술한 미세 유체 소자의 제조방법을 설명하기로 한다. 도 8a 내지 도 8c은 제1 실시예에 따른 미세 유체 소자의 제조방법을 도시한 것이다.
도 8a을 참조하면, 내면에 배치된 미세 유로(162a, 162b)과 미세 유로(162a, 162b)로 돌출된 밸브 시트(112)를 포함하는 제1 기판(110)을 마련한다. 그리하여 이하에서는 돌출부를 밸브 시트라고 한다. 상기한 제1 기판(110)은 폴리머 물질로 이루어질 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 제1 기판(110)으로 다양한 물질의 기판이 사용될 수 있다. 한편, 밸브 시트(112)는 후술하는 폴리머 필름(130)과 정밀하게 밀착시키기 위해, 밸브 시트(112)의 상부 표면을 평평하게 하는 공정을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제1 기판(110)의 물질과 접합되지 않는 평평한 기판(미도시)위에 밸브 시트(112)의 상부 표면을 맞닿게 하고, 열과 압력을 가해주면 밸브 시트(112)의 상부 표면이 평평해지게 하는 것이다. 다음으로, 내면에 캐비티(122)가 형성된 제2 기판(120)을 마련한다. 상기 제2 기판(120)도 제1 기판(110)과 마찬가지로 폴리머 물질로 이루어질 수 있다.
그리고, 도 8b에 도시된 바와 같이, 제1 기판(110)과 제2 기판(120) 사이에 폴리머 필름(130)을 마련한다. 여기서, 상기 폴리머 필름(130)은 유연성 물질로 폴리머로 이루어질 수 있다. 본 실시예에서는, 제1 기판(110) 및 제2 기판(120)을 마련한 다음 폴리머 필름(130)을 제1 기판(110)과 제2 기판(120) 사이에 마련한다고 하였으나, 이에 한정되지 않는다. 제1 기판(110), 폴리머 필름(130) 및 제2 기판(120)을 순차적으로 마련할 수도 있고, 그 역도 가능하다.
다음으로, 도 8c에 도시된 바와 같이, 열과 압력을 가하여 제1 기판(110), 제2 기판(120) 및 폴리머 필름(130)을 접합한다. 예를 들어, 제1 및 제2 기판(110, 120)과 폴리머 필름(130)이 동일한 폴리머 물질로 형성된 경우, 온도를 폴리머의 유리 전이 온도(Tg: Glass Transition Temperature)로 올려주면 폴리머의 교차 결합(Cross-liking)에 의해 제1 기판(110)과 폴리머 필름(130), 폴리머 필름(130)과 제2 기판(120) 간의 접합이 발생하게 된다.
하지만 제1 및 제2 기판(110, 120)과 폴리머 필름(130)이 다른 폴리머 물질로 형성된 경우, 폴리머간의 유리 전이 온도가 다르다. 이와 같은 경우, 제1 기판(110), 제2 기판(120) 및 폴리머 필름(130)을 접합하기 전에, 제1 기판(110), 제2 기판(120) 및 폴리머 필름(130)의 표면을 자외선, 오존 및 플라즈마 중 적어도 하나를 이용하여 표면 처리할 수 있다. 그리고, 표면 처리된 제1 기판(110), 제2 기판(120) 및 폴리머 필름(130)을 접합한다. 예를 들어, 제1 기판(110) 중 폴리머 필름(130)과 접합되는 표면, 제2 기판(120) 중 폴리머 필름(130)과 접합되는 표면, 폴리머 필름(130) 중 제1 기판(110)과 접합되는 표면 및 폴리머 필름(130) 중 제2 기판(120)과 접합되는 표면 중 적어도 하나를 자외선, 오존 및 플라즈마 중 적어도 하나를 이용하여 표면 처리할 수 있다. 이와 같이, 자외선, 오존 및 플라즈마 중 적어도 하나를 이용하여 표면 처리하면, 표면에너지가 증가하게 되어 원래 유리 전이 온도보다 매우 낮은 온도에서도 접합이 발생하게 된다. 따라서, 유리 전이 온도가 서로 다른 폴리머의 경우, 표면처리 방식을 통하여, 원래 유리 전이 온도보다 낮은 온도에서 다른 물질의 폴리머를 상호 접합할 수 있다.
뿐만 아니라, 동일한 폴리머 물질로 제1 기판(110), 제2 기판(120) 및 폴리머 필름(130)이 이루어져 있다 하더라도, 제1 기판(110), 제2 기판(120) 및 폴리머 필름(130)은 자외선, 오존 및 플라즈마 중 적어도 하나를 이용하여 표면 처리할 수도 있다. 상기 처리는 제1 기판(110), 제2 기판(120) 및 탄성 필름(130) 중 하나 이상의 표면을 플라즈마, 자외선, 활성화된 산소, 및/또는 자외선-오존(ultraviolet-ozone: UVO)에 노출시키는 것을 포함할 수 있다. 상기 처리에 의하여, 상기 표면 물질의 유리전이 온도는 낮아질 수 있다. 이와 같은 경우, 원래 유리 전이 온도 보다 낮은 온도에서 제1 기판(110), 제2 기판(120) 및 폴리머 필름(130)을 접합할 수 있기 때문에 제1 기판(110), 제2 기판(120) 및 폴리머 필름(130)의 변형을 최소화하면서 접합이 가능하다.
한편, 제1 기판(110), 제2 기판(120) 및 폴리머 필름(130)이 접합되는 과정에서 폴리머 필름(130) 중 제2 기판(120)의 캐비티(22)내에 배치된 폴리머 필름은 상대적으로 압력이 작은 캐비티(122)쪽으로 구부러져 곡률을 갖도록 변형된다. 뿐만 아니라, 원리 유리 전이 온도 이하 온도에서 제1 기판(110), 제2 기판(120) 및 폴리머 필름(130)이 접합하게 되면 밸브 시트(112)의 열 변형은 최소화된다. 그리하여 폴리머 필름(130)은 밸브 시트(112)에 대하여 오목한 형상으로 접합하게 되어 밸브 시트(112)와 이격되고, 밸브 시트(112)와 폴리머 필름(130) 사이에도 미세 유로(164)가 형성된다. 이와 같이 접합체 없이 열과 압력으로 제1 기판(110), 제2 기판(120) 및 폴리머 필름(130)을 접합하여 미세 유체 소자를 제조하기 때문에 제조된 미세 유체 소자는 접합제에 민감한 시약을 사용하는 생화학 장비나 의료 장비에 광범위하게 적용될 수 있다.
도 9a 내지 도 9c은 제2 실시예에 따른 미세 유체 소자의 제조방법을 도시한 것이다.
도 9a을 참조하면, 내면에 형성된 제1 서브 미세 유로(262)와 제1 서브 미세 유로(262)에서 돌출된 제1 서브 밸브 시트(212a)를 포함하는 제1 서브 기판(212)을 마련하고, 제1 서브 기판(212)위에 제2 서브 밸브 시트(214a)만큼 이격 배치된 복수 개의 홀(224a, 224b)을 포함하는 제2 서브 기판(214)를 마련하며, 제2 서브 기판(214)위에 폴리머 필름(230)을 마련한다. 그리고, 폴리머 필름(230) 위에 내면에 캐비티(420)가 있는 제1 희생 기판(400)을 마련한다. 상기한 제1 및 제2 서브 기판(212, 214)은 동일한 종류의 폴리머 물질로 이루어질 수 있다. 한편, 제1 서브 밸브 시트(112)는 제2 서브 밸브 시트와 정밀하게 밀착시키기 위해, 제1 서브 밸브 시트(112)의 상부 표면을 평평하게 하는 공정을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제3 기판(110)의 물질과 접합되지 않는 평평한 기판(미도시)위에 제1 서브 밸브 시트(112)의 상부 표면을 맞닿게 하고, 열과 압력을 가해주면 제1 서브 밸브 시트(112)의 상부 표면이 평평해지게 하는 것이다.
폴리머 필름(230)은 제2 서브 기판과 동일한 폴리머 물질일 수도 있고, 다른 폴리머 물질일 수도 있다. 또는 제2 서브 기판(214) 및 폴리머 필름(230) 중 적어도 하나는 자외선, 오존 및 플라즈마 중 적어도 하나에 의해 표면처리될 수 있다. 예를 들어, 제2 서브 기판(214) 중 폴리머 필름(230)과 접하는 표면 및 폴리머 필름(230) 중 제2 서브 기판(214)과 접하는 표면을 표면 처리할 수도 있다.
한편, 제1 희생 기판(400)은 폴리머와 접합이 되지 않는 유리 등으로 이루어질 수도 있고, 폴러머 물질일 수도 있다. 제1 희생 기판(400)이 폴리머 물질인 경우, 제1 희생 기판(400)은 폴리머 필름(230)과 다른 종류의 폴리머 일 수 있다. 예를 들어, 제1 희생 기판(400)은 폴리머 필름(230)보다 유리 전이 온도가 높은 폴리머로 이루어질 수 있다.
그리고, 도 9b에 도시된 바와 같이, 열을 가한 상태에서 제1 희생 기판(400)을 제1 서브 기판(212)쪽으로 압력을 가한다. 즉, 제1 및 제2 서브 기판(212, 214)와 폴리머 필름(230)을 열융착시킨다. 예를 들어, 제1 및 제2 서브 기판(212, 214)과 폴리머 필름(230)이 동일한 폴리머 물질로 형성된 경우, 온도를 유리전이 온도(Tg: Glass Transition Temperature)로 올려주면 폴리머의 교차 결합(Cross-liking)에 의해 제1 및 제2 서브 기판(212, 214)와 폴리머 필름(230)간의 접합이 발생하게 된다.
또한, 제2 서브 기판(214)과 폴리머 필름(230)이 다른 폴리머 물질로 형성된 경우, 제2 서브 기판(214)과 폴리머 필름(230)을 접합하기 전에 제2 서브 기판(214) 및 폴리머 필름(230)의 표면을 자외선, 오존 및 플라즈마 중 적어도 하나를 이용하여 표면 처리할 수 있다. 그리고, 표면 처리된 제2 서브 기판(214) 및 폴리머 필름(230)을 접합한다. 예를 들어, 제2 서브 기판(214) 중 폴리머 필름(230)과 접합되는 표면 및 폴리머 필름(230) 중 제2 서브 기판(214)과 접합되는 표면 중 적어도 하나를 자외선, 오존 및 플라즈마 중 적어도 하나를 이용하여 표면 처리할 수 있다. 이와 같이, 자외선, 오존 및 플라즈마 중 적어도 하나를 이용하여 표면 처리하면, 표면에너지가 증가하게 되어 유리 전이 온도보다 매우 낮은 온도에서도 접합이 발생하게 된다.
뿐만 아니라, 동일한 폴리머 물질로 제1 및 제2 서브 기판(212, 214)와 폴리머 필름(330)이 이루어져 있다 하더라도, 제1 및 제2 서브 기판(212, 214)와 폴리머 필름(330)은 자외선, 오존 및 플라즈마 중 적어도 하나를 이용하여 표면 처리할 수도 있다. 이와 같은 경우, 원래 유리 전이 온도 보다 낮은 온도에서 제1 및 제2 서브 기판(212, 214)와 폴리머 필름(330)가 접합되기 때문에 제1 및 제2 서브 기판(212, 214)와 폴리머 필름(330)의 변형을 최소화하면서 접합이 가능하다.
한편, 제2 서브 기판(214) 및 폴리머 필름(230)이 접합되는 과정에서 폴리머 필름(230) 중 제1 희생 기판(400)의 캐비티(420) 내에 배치된 폴리머 필름(234)은 상대적으로 압력이 작은 캐비티(420)쪽으로 구부러져 곡률을 갖도록 변형된다. 그리하여 폴리머 필름(230)은 캐비티(420) 내에서 밸브 시트(240)에 대하여 오목한 형성으로 접합하게 되어 제3 기판(310)과 함께 유체 유로(266)를 형성하게 된다. 제3 기판(210)과 폴리머 필름(230)의 접합으로 유체 유로(266)를 형성하기 때문에 제3 기판(210)에 그루브를 형성하여 유체 유로를 형성하는 것보다 작은 유체 유로의 형성이 가능하다.
또한, 제1 희생 기판(400)은 폴리머와 접합이 되지 않는 물질로 이루어져 있거나, 폴리머 필름(230)보다 유리 전이 온도가 높은 폴리머로 이루어져 있기 때문에 폴리머 필름(230)과 제1 희생 기판(400)은 접합되지 않는다. 그리하여, 도 9c에 도시된 바와 같이, 폴리머 필름(230)으로 제1 희생 기판(400)을 제거한다.
도 10a 내지 도 10c은 제3 실시예에 따른 미세 유체 소자의 제조방법을 도시한 것이다.
도 10a을 참조하면, 표면이 평평한 제4 기판(310), 제4 기판(310) 위에 탄성필름 및 폴리머 필름(330) 위에 내면에 캐비티(520)가 있는 제2 희생 기판(500)을 마련한다. 제4 기판(310) 및 폴리머 필름(330)은 폴리머 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제4 기판(310) 및 폴리머 필름(330)은 동일한 폴리머 물질로 이루어질 수도 있고, 서로 다른 물질로 이루어질 수도 있다. 또는 제4 기판(310) 및 폴리머 필름(330) 중 적어도 하나는 자외선, 오존 및 플라즈마 중 적어도 하나에 의해 표면처리될 수 있다. 예를 들어, 제4 기판(310) 중 폴리머 필름(330)과 접하는 표면 및 폴리머 필름(330) 중 제4 기판(310)과 접하는 표면을 표면 처리할 수도 있다. 제2 희생 기판(600)은 폴리머와 접합이 되지 않는 유리 등으로 이루어질 수도 있고, 폴러머 물질일 수도 있다. 제2 희생 기판(500)이 폴리머 물질인 경우, 제2 희생 기판(500)은 폴리머 필름(330)과 다른 종류의 폴리머 일 수 있다. 예를 들어, 제2 희생 기판(500)은 폴리머 필름(330)보다 유리 전이 온도가 높은 폴리머로 이루어질 수 있다.
그리고, 도 10b에 도시된 바와 같이, 열을 가한 상태에서 제4 기판(310)과 제2 희생 기판(500)은 폴리머 필름(330) 쪽으로 압력을 가한다. 예를 들어, 제4 기판(310)과 폴리머 필름(330)이 동일한 폴리머 물질로 형성된 경우, 온도를 유리전이 온도(Tg: Glass Transition Temperature)로 올려주면 폴리머의 교차 결합(Cross-liking)에 의해 제4 기판(310)과 폴리머 필름(330)간의 접합이 발생하게 된다.
또한, 제4 기판(310)과 폴리머 필름(330)이 다른 폴리머 물질로 형성된 경우, 제4 기판(310)과 폴리머 필름(330)을 접합하기 전에 제4 기판(310) 및 폴리머 필름(330)의 표면을 자외선, 오존 및 플라즈마 중 적어도 하나를 이용하여 표면 처리할 수 있다. 그리고, 표면 처리된 제4 기판(310) 및 폴리머 필름(330)을 접합한다. 예를 들어, 제4 기판(310) 중 폴리머 필름(330)과 접합되는 표면 및 폴리머 필름(330) 중 제4 기판(310)과 접합되는 표면 중 적어도 하나를 자외선, 오존 및 플라즈마 중 적어도 하나를 이용하여 표면 처리할 수 있다. 이와 같이, 자외선, 오존 및 플라즈마 중 적어도 하나를 이용하여 표면 처리하면, 표면에너지가 증가하게 되어 원래 유리 전이 온도보다 매우 낮은 온도에서도 접합이 발생하게 된다. 뿐만 아니라, 동일한 폴리머 물질로 제4 기판(310) 및 폴리머 필름(330)이 이루어져 있다 하더라도, 제4 기판(310) 및 폴리머 필름(330)은 자외선, 오존 및 플라즈마 중 적어도 하나를 이용하여 표면 처리할 수도 있다. 이와 같은 경우, 원래 유리 전이 온도 보다 낮은 온도에서 제4 기판(310) 및 폴리머 필름(330)을 접합할 수 있기 때문에 제4 기판(310) 및 폴리머 필름(130)의 변형을 최소화하면서 접합이 가능하다.
한편, 제4 기판(310) 및 폴리머 필름(330)이 접합되는 과정에서 폴리머 필름(130) 중 제2 희생 기판(500)의 캐비티(520) 내에 배치된 폴리머 필름은 상대적으로 압력이 작은 캐비티(520)쪽으로 구부러져 곡률을 갖도록 변형된다. 또한, 제4 기판(310)도 폴리머 물질로 형성되기 때문에 캐비티(520) 쪽으로 약간 구부러진다. 그리하여 폴리머 필름(330)은 캐비티(520) 내에서 제4 기판(310)에 대하여 오목한 형성으로 접합하게 되어 제4 기판(310)과 함께 유체 유로(320)를 형성하게 된다. 제4 기판(310)과 폴리머 필름(330)의 접합으로 유체 유로(320)를 형성하기 때문에 제4 기판(310)에 그루브를 형성하여 유체 유로를 형성하는 것보다 작은 유체 유로의 형성이 가능하다.
또한, 제2 희생 기판(500)은 폴리머와 접합이 되지 않는 물질로 이루어져 있거나, 폴리머 필름(330)보다 유리 전이 온도가 높은 폴리머로 이루어져 있기 때문에 폴리머 필름(330)과 제2 희생 기판(600)은 접합되지 않는다. 그리하여, 도 10c에 도시된 바와 같이, 폴리머 필름(330)으로 제2 희생 기판(500)을 제거한다. 10a 내지 도 10c의 과정을 통해 지름은 10㎛이내의 미세 유로를 제조할 수 있다.
뿐만 아니라 폴리머 물질의 폴리머 필름과 기판을 이용하면 미세 유체 소자의 다양한 구성요소를 한번이 공정에 의해 제조할 수도 있다.
도 11a 내지 도 11c는 제4 실시예에 따른 미세 유체 소자내 구성요소들을 동시에 제조하는 방법에 대해 설명하는 도면이다. 도 11a에 도시된 바와 같이, 이격 배치되는 다수의 그루브(620a, 620b, 620c)를 포함하는 제5 기판(600), 제5 기판(600) 위에 폴리머 필름(700) 및 폴리머 필름(700) 위에 내면에 캐비티(820)가 있는 제3 희생 기판(800)을 마련한다. 도면에서는 제1 내지 제3 그루브(620a, 620b, 620c)가 서로 차단되어 있는 것으로 보이지만, 제2 그루브(620b)와 제3 그루브(620c)는 다른 그루브에 의해 연결될 수 있다. 제5 기판(600) 및 폴리머 필름(700)은 폴리머 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제5 기판(600) 및 폴리머 필름(700)은 동일한 폴리머 물질로 이루어질 수도 있고, 서로 다른 물질로 이루어질 수도 있다. 또는 제5 기판(600) 및 폴리머 필름(700) 중 적어도 하나는 자외선, 오존 및 플라즈마 중 적어도 하나에 의해 표면처리될 수 있다. 예를 들어, 제5 기판(600) 중 폴리머 필름(700)과 접하는 표면 및 폴리머 필름(700) 중 제5 기판(600)과 접하는 표면을 표면 처리할 수도 있다. 제2 희생 기판(800)은 폴리머와 접합이 되지 않는 유리 등로 이루어질 수도 있고, 폴리머 물질로 이루어질 수도 있다. 제2 희생 기판(800)이 폴리머 물질인 경우, 제2 희생 기판(800)은 폴리머 필름(700)과 다른 종류의 폴리머 일 수 있다. 예를 들어, 제2 희생 기판(800)은 폴리머 필름(700)보다 유리 전이 온도가 높은 폴리머로 이루어질 수 있다.
그리고, 도 11b에 도시된 바와 같이, 열을 가한 상태에서 제5 기판(600)과 제3 희생 기판(800)은 폴리머 필름(700) 쪽으로 압력을 가한다. 예를 들어, 제5 기판(600)과 폴리머 필름(700)이 동일한 폴리머 물질로 형성된 경우, 온도를 유리전이 온도(Tg: Glass Transition Temperature)로 올려주면 폴리머의 교차 결합(Cross-liking)에 의해 제5 기판(600)과 폴리머 필름(700)간의 접합이 발생하게 된다. 또한, 제5 기판(600)과 폴리머 필름(700)이 다른 폴리머 물질로 형성된 경우, 제5 기판(600)과 폴리머 필름(700)을 접합하기 전에 제5 기판(600) 및 폴리머 필름(700)의 표면을 자외선, 오존 및 플라즈마 중 적어도 하나를 이용하여 표면 처리할 수 있다. 그리고, 표면 처리된 제5 기판(600) 및 폴리머 필름(700)을 접합한다. 예를 들어, 제5 기판(600) 중 폴리머 필름(700)과 접합되는 표면 및 폴리머 필름(700) 중 제5 기판(600)과 접합되는 표면 중 적어도 하나를 자외선, 오존 및 플라즈마 중 적어도 하나를 이용하여 표면 처리할 수 있다. 이와 같이, 자외선, 오존 및 플라즈마 중 적어도 하나를 이용하여 표면 처리하면, 표면에너지가 증가하게 되어 원래 유리 전이 온도보다 매우 낮은 온도에서도 접합이 발생하게 된다. 뿐만 아니라, 동일한 폴리머 물질로 제5 기판(600) 및 폴리머 필름(700)이 이루어져 있다 하더라도, 제5 기판(600) 및 폴리머 필름(700)은 자외선, 오존 및 플라즈마 중 적어도 하나를 이용하여 표면 처리할 수도 있다. 이와 같은 경우, 원래 유리 전이 온도 보다 낮은 온도에서 제5 기판(600) 및 폴리머 필름(700)을 접합할 수 있기 때문에 제5 기판(600) 및 폴리머 필름(700)의 변형을 최소화하면서 접합이 가능하다.
한편, 폴리머 필름(700) 중 캐비티(820)내에 배치되는 탄성 필름(720)은 압력이 작은 제3 희생 기판(800)의 캐비티(820)쪽으로 구부러져 곡률을 갖도록 변형된다. 그리하여 제5 기판(600)의 내면 중 캐비티(820)와 대응되는 표면(640b)는 폴리머 필름(700)과 이격 배치된이다.
그리고, 제3 희생 기판(800)은 폴리머와 접합이 되지 않는 물질로 이루어져 있거나, 폴리머 필름(700)보다 유리 전이 온도가 높은 폴리머로 이루어져 있기 때문에 폴리머 필름(700)과 제2 희생 기판(800)은 접합되지 않는다. 그리하여, 도 10c에 도시된 바와 같이, 폴리머 필름(700)으로 제3 희생 기판(800)을 제거한다. 그러면, 제5 기판(600) 중 두 개의 그루브(620a, 620b)와 폴리머 필름(700)은 미세 밸브(A)가 되고, 나머지 하나의 그루브(620c)와 폴리머 필름(700)은 미세 챔버(B)가 될 수 있다. 미세 밸브(A)를 통과한 시료는 미세 유로(미도시)를 통해 미세 챔버(B)로 유입될 수 있다.
상기와 같이 폴리머 물질의 기판과 폴리머 필름을 열융착 방식으로 접합함으로써 미세 유체 소자를 제조하면, 미세 유체 소자 내 구성요소들을 보다 용이하게 제조할 수 있다. 또한 미세 유체 소자 내 구성요소들을 한번의 제조 공정으로 제조할 수도 있다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 표면 처리된 폴리프로필렌(polypropylene, PP)과 폴리메틸메타크릴레이트 (Poly Methyl Methacrylate, PMMA)간의 열융착 방식으로 본딩할 때의 본딩 강도를 나타내는 실험 결과이다.
도 12a에 도시된 바와 같이, 본딩 온도가 높아질수록 본딩 강도는 강해짐을 알 수 있다. 또한, 도 12b에 도시된 바와 같이, 자외선 표면 처리시간이 길어질수록 본딩 강도가 강해짐을 알 수 있다. 이와 같은 결과를 바탕으로 본딩 온도와 표면 처리 시간을 최적화하여 본딩을 수행하면, 열융착으로 인한 변형을 최소화하면서 강한 본딩 강도를 구현할 수 있다.
이러한 본 발명인 미세 유체 소자 및 미세 유체 소자를 제조하는 방법은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
100 : 미세 유체 소자 110 : 제1 기판
112 : 돌출부 120 : 제2 기판
122 : 캐비티 130, 230, 330, 700 : 폴리머 필름
132, 232, 332, 720 : 접합부 134, 234, 334 : 가변부
140 : 미세 챔버 150 : 홀
160, 260 : 미세 유로 170, 270: 미세 밸브
210 : 제3 기판 240 : 러버
310: 제4 기판

Claims (25)

  1. 내면에 미세 유로 및 상기 미세 유로 내에 돌출된 밸브 시트(valve seat)가 형성된 제1 기판;
    상기 제1 기판과 대향하게 배치되며, 내면에 상기 밸브 시트에 대응하는 캐비티(cavity)가 형성된 제2 기판; 및
    상기 제1 기판과 제2 기판 사이에 배치되며, 상기 제1 및 제2 기판과 접합된 접합부와 상기 캐비티의 공압에 의해 모양이 가변되는 가변부를 포함하는 폴리머 필름;을 포함하고,
    상기 공압이 제공되지 않는 동안, 상기 가변부는 곡률을 가지면서 상기 밸브 시트와 이격 배치된 미세 유체 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 가변부는 상기 밸브 시트에 대해 오목한 형상인 미세 유체 소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 공압이 제공되는 동안, 상기 가변부는 상기 밸브 시트와 접하는 미세 유체 소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판은 폴리머 물질로 형성되는 미세 유체 소자.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 폴리머 물질은,
    폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리에틸렌 (polyethylene), 열가소성플라스틱탄성체(Thermoplastic elastomer TPE), 탄성 폴리머(Elasti Polymer) 불소 중합체(Fluoro Polymer), 폴리메틸메타크릴레이트 (Poly Methyl Methacrylate, PMMA), HIPS(High Impact Polystyrene) 및 HIPPMMA(High Impact Poly Methyl Methacrylate) 중 적어도 하나를 포함하는 미세 유체 소자.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 제1 기판, 상기 제2 기판 및 상기 폴리머 필름은 동일한 종류의 폴리머 물질로 형성되는 미세 유체 소자.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 제1 기판, 상기 제2 기판 및 상기 폴리머 필름 중 적어도 하나는 다른 종류의 폴리머 물질로 형성되는 미세 유체 소자.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 기판 중 상기 폴리머 필름과 접합된 면, 상기 제2 기판 중 상기 폴리머 필름과 접합된 면, 상기 폴리머 필름 중 상기 제1 기판과 접합된 면 및 상기 폴리머 필름 중 상기 제2 폴리머 필름과 접합된 면 중 적어도 하나는 오존, 자외선 및 플라즈마 중 적어도 하나에 의해 표면 처리된 미세 유체 소자.
  9. 내부에 미세 유로 및 상기 미세 유로에 의해 돌출되어 형성된 밸브 시트를 포함하는 기판; 및
    상기 기판의 표면상에 배치되며, 상기 기판과 접합된 접합부 및 압력에 의해 모양이 가변되는 가변부를 포함하는 폴리머 필름;을 포함하고,
    상기 가변부에 압력이 제공되지 않는 동안, 상기 가변부는 곡률을 갖으면서 상기 밸브 시트와 이격 배치된 미세 유체 소자.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 기판은,
    내면에 미세 유로 및 상기 미세 유로 내로 돌출된 제1 밸브 시트가 형성된 제1 서브 기판 및
    상기 제1 기판상에 배치되며, 상기 제1 밸브 시트와 대응되는 영역에 제2 밸브 시트가 배치되도록 제1 홀 및 제2 홀이 형성된 제2 서브 기판;을 포함하는 미세 유체 소자.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 기판의 표면은 평평한 미세 유체 소자.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 가변부는 상기 밸브 시트에 대해 오목한 형상인 미세 유체 소자.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 가변부에 압력이 제공되는 동안, 상기 가변부는 상기 밸브 시트와 접하는 미세 유체 소자.
  14. 제 9항에 있어서,
    상기 기판은 폴리머 물질로 형성된 미세 유체 소자.
  15. 제 9항에 있어서,
    상기 기판 중 상기 폴리머 필름과 접합된 면 및 상기 폴리머 필름 중 상기 기판과 접합된 면 중 적어도 하나는 오존, 자외선 및 플라즈마 중 적어도 하나에 의해 표면 처리된 미세 유체 소자.
  16. 내면에 배치된 미세 유로와 상기 미세 유로 내로 돌출된 밸브 시트를 포함하는 제1 기판, 상기 밸브 시트와 대응되는 위치에 캐비티(cavity)를 포함하는 제2 기판 및 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 폴리머 필름을 마련하는 단계; 및
    압력 및 온도를 가하여 상기 제1 기판, 상기 제2 기판 및 상기 폴리머 필름을 접합하는 단계;를 포함하고,
    상기 접합하는 단계에서 폴리머 필름의 일부가 변형되어 곡률을 갖는 미세 유체 소자의 제조 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 폴리머 필름의 일부는 캐비티 내에 배치된 폴리머 필름인 미세 유체 소자의 제조 방법.
  18. 제 16항에 있어서,
    상기 폴리머 필름의 일부는 상기 밸브 시트에 대하여 오목한 형상인 미세 유체 소자의 제조 방법.
  19. 제 16항에 있어서,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판은 폴리머 물질로 형성된 미세 유체 소자의 제조 방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 제1 기판, 상기 제2 기판 및 상기 폴리머 필름 중 적어도 두 개는 다른 종류의 폴리머 물질로 형성된 미세 유체 소자의 제조 방법.
  21. 제 19항에 있어서,
    상기 온도는 상기 폴리머 물질의 유리 전이 온도 이하인 미세 유체 소자의 제조 방법.
  22. 제 16항에 있어서,
    상기 제1 기판, 상기 제2 기판 및 상기 폴리머 필름 중 적어도 하나의 표면을 오존, 자외선 및 플라즈마 중 적어도 하나에 의해 표면처리하는 단계;를 더 포함하는 미세 유체 소자의 제조 방법.
  23. 표면이 평평한 기판 및 캐비티를 포함하는 희생 기판 및 상기 기판과 상기 희생 기판 사이에 폴리머 필름을 마련하는 단계; 및
    압력 및 온도를 가하여 상기 기판, 상기 희생 기판 및 상기 폴리머 필름을 접합하는 단계;를 포함하고,
    상기 접합하는 단계에서 폴리머 필름의 일부가 변형되어 곡률을 갖는 미세 유체 소자의 제조 방법.
  24. 제 23항에 있어서,
    상기 폴리머 필름의 일부는 캐비티 내에 배치된 폴리머 필름인 미세 유체 소자의 제조 방법.
  25. 제 23항에 있어서,
    상기 곡률의 지름은 10㎛이하인 미세 유체 소자의 제조 방법.
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JP2018522206A (ja) * 2015-04-30 2018-08-09 オルフィディア リミテッド マイクロ流体バルブおよびマイクロ流体デバイス
KR102033915B1 (ko) * 2018-05-24 2019-10-18 건국대학교 산학협력단 미세유체 계단파형 생성장치 및 이를 포함하는 미세유체 유량 조절장치

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2018522206A (ja) * 2015-04-30 2018-08-09 オルフィディア リミテッド マイクロ流体バルブおよびマイクロ流体デバイス
JP2021060118A (ja) * 2015-04-30 2021-04-15 オルフィディア リミテッド マイクロ流体バルブおよびマイクロ流体デバイス
KR102033915B1 (ko) * 2018-05-24 2019-10-18 건국대학교 산학협력단 미세유체 계단파형 생성장치 및 이를 포함하는 미세유체 유량 조절장치

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