KR20130141985A - 2개 표면을 결합시키는 방법 및 그에 의하여 제조된 구조물 - Google Patents

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KR20130141985A
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Abstract

질소 플라즈마를 이용하여 2개 표면을 효율적으로 결합시키는 방법 및 그에 의하여 제조된 구조물을 제공한다.

Description

2개 표면을 결합시키는 방법 및 그에 의하여 제조된 구조물{Method of bonding two surfaces and structure manufactured by the same}
질소 플라즈마를 이용하여 2개 표면을 효율적으로 결합시키는 방법 및 그에 의하여 제조된 구조물에 관한 것이다.
미세유동 장치는 다양한 목적으로 사용되고 있다. 예를 들면, 고효율 (high throughput)의 분석 장치로서 사용되고 있다. 상기 미세 유동 장치는 채널 및 챔버와 같은 미세구조를 포함하고 있다. 이러한 미세유동 장치는 다양한 방법으로 제조된다. 미세유동 장치의 제조에는 리소그래피, 식각, 침적, 미세기계가공 (micromachining), LIGA 기술 등의 미세구조 제작 기술이 사용되고 있다.
미세유동 장치는 서로 다른 기판에 채널과 같은 미세구조를 형성시키고 이러한 기판을 결합시킴으로써 제조되는 것이 있을 수 있다. 예를 들면, 2개의 유리 기판에 미세 구조를 형성하고 이들 두 개의 유리 기판을 결합시켜, 미세유동 장치를 형성하는 방법이 있다. 상기 각 기판에는 미세구조의 전부 또는 일부가 포함되어 있다.
미세 구조물의 제조에 있어서, 플라스틱은 유리에 비하여 가공하기 쉽고 가격이 저렴하다. 따라서, 플라스틱을 재료로 하기 위하여는 PDMS와 같은 엘라스토머(elastomer)와 효율적으로 결합시킬 수 있는 방법이 요구되고 있다.
일 양상은 2개 표면을 효율적으로 결합시키는 방법을 제공한다.
다른 양상은 2개 표면을 효율적으로 결합시키는 방법에 의하여 제조된 구조체 및 그를 포함하는 미세유동 장치를 제공하는 것이다.
일 양상은 제1 표면에 질소 플라즈마 처리하는 단계; 및 질소 플라즈마 처리된 제1 표면을 제2 표면과 접촉시키는 단계;를 포함하는 2개 표면을 결합시키는 방법으로서, 제1 표면은 플라스틱 물질 표면이고, 제2 표면은 실록산을 함유하는 물질의 표면인 것인 방법을 제공한다.
상기 방법은 제1 표면에 질소 플라즈마 처리하는 단계를 포함한다.
질소 플라즈마 처리는 질소 함유 화합물의 플라즈마를 제1 표면에 제공하는 것일 수 있다. 상기 질소 함유 화합물은 질소 (N2), 또는 암모니아 (NH3)일 수 있다. 상기 처리는 질소 함유 분자에 전자기장을 인가하여 플라즈마를 발생시켜 표면에 접촉시키는 것일 수 있다. 상기 플라즈마 발생 온도는 100℃ 이하, 예를 들면, 상온 또는 25℃ 내지 100℃의 온도일 수 있다.
제1 표면은 플라스틱 물질 표면일 수 있다. 상기 플라스틱은 소수성 또는 친수성 표면을 갖는 것일 수 있으며, 예를 들면, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 및 고밀도 폴리에틸렌 (HDPE)을 포함한 폴리올레핀, 열가소성 탄성체(thermoplastic elastomer: TPE), 탄성 중합체 (elastic polymer), 플루오로중합체, 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA), 폴리스티렌, 폴리카르보네이트(PC), 시클릭 올레핀 공중합체(COC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET), 폴리비닐클로리드(PVC), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리우레탄(PUR) 및 이들의 조합으로부터 선택된 것일 수 있으나, 이들 예에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 표면은 일부 또는 전부에 미세 구조가 형성되어 있는 것일 수 있다. 상기 미세 구조는 반드시 마이크로미터 수준의 차원을 갖는 것을 의미하는 것은 아니며, 작은 차원의 구조를 갖는 것을 의미한다. 예를 들면, 상기 미세 구조는, 적어도 하나의 단면, 즉 직경, 넓이, 높이 등이 10nm 내지 100mm, 또는 10 내지 10mm의 차원을 갖는 것일 수 있다. 상기 미세구조는 유체 흐름의 통로를 제공할 수 있는 것일 수 있다. 예를 들면, 상기 미세구조는 채널, 챔버, 입구, 및 출구로 구성되는 군으로부터 선택되는 것일 수 있다. 상기 미세 구조는 상기 기판의 표면 또는 내부, 또는 표면과 내부에 일부분이 형성되어 있는 것일 수 있다. 제1 표면의 미세구조는 플라스틱에서 미세구조를 형성하기 위한 알려진 방법, 예를 들면, 사출 성형, 포토리소그래피 및 리가 방법으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법에 의하여 형성되는 것일 수 있다.
상기 방법은 질소 플라즈마 처리된 제1 표면을 제2 표면과 물리적으로 접촉시키는 단계를 포함한다. 제2 표면은 실록산을 함유하는 물질의 표면인 것일 수 있다.
용어 "실록산 (siloxane)"은 당업계에 알려진 의미로 사용된다. 실록산은 예를 들면, 식 I의 구조를 갖는 것일 수 있다.
Figure pat00001
(식I)
식 중 R1 및 R2가 각각 독립적으로 수소 또는 히드로카르빌(hydrocarbyl) 기일 수 있다. n은 중합도를 나타내는 것으로, 예를 들면, 1 내지 50,000, 1 내지 40,000, 1 내지 30,000, 1 내지 20,000, 1 내지 10,000, 1 내지 5,000, 1 내지 3,000, 1 내지 2,000, 5 내지 50,000, 10 내지 50,000, 50 내지 50,000, 100 내지 50,000, 또는 1,000 내지 50,000일 수 있다.
본 명세서에 사용된, 용어 "히드로카르빌 기 (hydrocarbyl group)" 또는 "히드로카르빌 치환체 (hydrocarbyl subsituent)"는 당업자에게 잘 알려진 통상적인 의미로 사용된다. 히드로카르빌 기는 특히, 분자의 나머지 부분에 직접적으로 부착된 탄소 원자를 갖고 우세적으로 (predominantly) 히드로카본 특성 (hydrocarbon character)을 갖는 기를 나타낸다. 히드로카르빌 기의 예는 다음을 포함한다:
(i) 히드로카르본 치환체, 즉, 지방족 (예, 알킬 또는 알케닐), 알리시클릭 (예, 시클로알킬, 시클로알케닐) 치환체, 방향족-, 지방족-, 및 알리시클릭-치환된 방향족 치환체, 고리가 분자의 다른 부분을 통하여 완성된 시클릭 치환체 (예, 두개 치환체가 합쳐서 고리를 형성하는 것);
(ii) 히드로카르본 치환체, 즉 상기 치환체의 상기 우세적 히드로카르본 특성을 변경시키지 않는, 비-히드로카르본 기 (예, 할로 (특히 클로로 및 플루오로), 히드록시, 알콕시, 메르캅토, 알킬메르캅토, 니트로, 니트로소, 및 술폭시)를 포함하는 치환체;
(iii) 헤테로 치환체, 즉, 상기 우세적 히드로카르본 특성을 가지면서, 탄소 원자로 구성된 고리 또는 사슬에 탄소 외의 원자를 포함하는 치환체. 헤테로 원자는 황, 산소, 질소를 포함하고 피리딜, 푸릴, 티에닐 및 이미다졸릴과 같은 치환체를 포함한다. 일반적으로, 2이하, 또는 1이하의 비-히드로카르본 치환체는 상기 히드록카르빌 기 중의 매 10개 탄소원자에 대하여 존재할 것이고, 전형적으로는, 상기 히드로카르빌 기에는 비-히드로카르빌 치환는 존재하지 않을 것이다.
히드로카르빌 기는 1 내지 30개 탄소원자를 갖는 것일 수 있다. R1 및 R2는 각각 독립적으로 1 내지 30개, 예를 들면, 1 내지 20개, 1 내지 15개, 1 내지 10개, 또는 1 내지 5개의 탄소 원자를 갖는 알킬 또는 알케닐 또는 알키닐 기일 수 있다. R1 및 R2는 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실, 헵틸, 노닐 또는 데카닐일 수 있다.
상기 실록산을 포함하는 물질은 실록산 자체뿐만 아니라, 실록산이 배합되어 있는 물질을 포함한다. 예를 들면, 플라스틱 물질에 실록산이 배합되어 있어 그 표면에 실록산이 노출되어 있는 것을 포함한다. 상기 실록산을 포함하는 물질은 가요성일 수 있다. 상기 실록산을 포함하는 물질은 엘라스토머일 수 있다. 상기 실록산은 폴리디메틸실록산 (PDMS) 또는 폴리페닐실록산인 것일 수 있다.
상기 실록산은 막의 형태를 갖는 것일 수 있다. 상기 막은 예를 들면, 10 내지 500μm, 또는 100 내지 300μm의 두께를 갖는 것일 수 있다.
상기 방법은, 상기 접촉 단계 후, 제1 표면, 제2 표면 또는 이들의 조합에 압력을 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은 또한, 상기 접촉 단계 후, 어닐링하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 어닐링은 상기 결합 산물을 25℃ 내지 150℃에서 처리하는 것일 수 있다. 상기 어닐링은 2 내지 10시간, 예를 들면, 2 내지 5시간 동안 수행하는 것일 수 있다.
상기 방법은 질소 플라즈마를 처리하는 단계 전에 제1 표면을 알콕시기를 갖는 유기실란 화합물로 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다. 용어 "유기실란(organosilane)은 실리콘-탄소 결합을 포함하는 실란을 포함한다. 상기 유기실란은 분자는 X1, X2, 및 X3이 각각 독립적으로 수소, 알콕시기 (-OR) 및 할로겐으로 이루어진 군으로부터 선택되고, X1, X2, 및 X3 중 하나이상은 알콕시기인 식 (X1)(X2)(X3)Si(Y)를 갖는 유기 실란 분자일 수 있다. 상기 알콕시기 (-OR)에 있어서, R은 1 내지 50개 탄소원자를 갖는 히드로카르보닐기일 수 있다. 예를 들면, 메틸, 에틸, 프로필, 이소프로필 등일 수 있다. 상기 할로겐은 F, Cl, Br, I 또는 At일 수 있다. Y는 선택적으로 유기관능기로 치환된, 유기 모이어티일 수 있다. 상기 유기 모이어티는 탄소수 1 내지 50개를 갖는 것일 수 있다. 상기 유기 모이어티는 알킬, 알켄, 또는 시클로알킬일 수 있다. 상기 유기 관능기는 아미노기일 수 있다. 상기 유기 모이어티는 아미노알킬, 또는 폴리에틸렌이민일 수 있다. 상기 아미노알킬에서, 상기 알킬기는 1 내지 50 탄소 원자를 가질 수 있다. 상기 폴리에틸렌이민은 n이 2 내지 100일 수 있는, 식 -[CH2CH2NH]n-을 갖는 것일 수 있다. 상기 알콕시기(-OR)는 수성 환경에 가수분해되어, 히드록시를 생성하고, 이들 중 하나이상이 고체 지지체 표면뿐만 아니라 이웃하는 유기실란 분자에서 발견된 표면 -OH기와 축합 및 제거 반응을 일으킬 수 있다. 상기 아미노실란 분자는 3-아미노프로필트리에톡시실란 (APTES), 또는 N-(2-아미노에틸)-3-아미노프로필트리에톡시실란 (EDA) 및 (3-트리메톡시실릴-프로필)디에틸렌트리아민(DETA)과 같은 폴리에틸렌이민트리에톡시실란일 수 있다. 상기 유기 실란은 알려진 방법에 의하여 고체 지지체 상에 코팅될 수 있다. 상기 코팅은 딥 코팅, 스핀 코팅 또는 화학기상증착 (CVD)에 의하여 이루어질 수 있다.
상기 방법은, 질소 플라즈마 처리된 제3 표면을 제1 표면과 제2 표면의 결합 산물의 제2 표면과 접촉시켜 제3 표면과 상기 결합 산물을 결합시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
제3 표면의 플라즈마 처리는 상기한 제1 표면의 플라즈마 처리와 동일하게 또는 다르게 이루어지는 것일 수 있다. 제3 표면은 플라스틱 물질 표면일 수 있다. 상기 플라스틱은 소수성 또는 친수성 표면을 갖는 것일 수 있으며, 예를 들면, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 및 고밀도 폴리에틸렌 (HDPE)을 포함한 폴리올레핀, 열가소성 탄성체(thermoplastic elastomer: TPE), 탄성 중합체 (elastic polymer), 플루오로중합체, 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA), 폴리스티렌, 폴리카르보네이트(PC), 시클릭 올레핀 공중합체(COC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET), 폴리비닐클로리드(PVC), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리우레탄(PUR) 및 이들의 조합으로부터 선택된 것일 수 있으나, 이들 예에 한정되는 것은 아니다.
상기 제3 표면은 일부 또는 전부에 미세 구조가 형성되어 있는 것일 수 있다. 상기 미세 구조는 반드시 마이크로미터 수준의 차원을 갖는 것을 의미하는 것은 아니며, 작은 차원의 구조를 갖는 것을 의미한다. 예를 들면, 상기 미세 구조는, 적어도 하나의 단면, 즉 직경, 넓이, 높이 등이 10nm 내지 100mm, 또는 10 내지 10mm의 차원을 갖는 것일 수 있다. 상기 미세구조는 유체 흐름의 통로를 제공할 수 있는 것일 수 있다. 예를 들면, 상기 미세구조는 채널, 챔버, 입구, 및 출구로 구성되는 군으로부터 선택되는 것일 수 있다. 상기 미세 구조는 상기 기판의 표면 또는 내부, 또는 표면과 내부에 일부분이 형성되어 있는 것일 수 있다. 제3 표면의 미세구조는 플라스틱에서 미세구조를 형성하기 위한 알려진 방법, 예를 들면, 사출 성형, 포토리소그래피 및 리가 방법으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법에 의하여 형성되는 것일 수 있다.
상기 실록산을 포함하는 물질, 예를 들면, 실록산 막은 제1 표면 및/또는 제3 표면 사이의 접촉가능한 실질적으로 전면을 통하여 결합되는 것일 수 있다. 즉, 상기 실록산을 포함하는 물질, 예를 들면, 실록산은 단순한 형태의 막으로서 미세구조가 형성되어 있지 않을 것일 수 있다. 상기 실록산을 포함하는 물질, 예를 들면, 실록산 막은 또한 제1 표면 및/또는 제3 표면 사이의 일부 면을 통하여 결합되는 것일 수 있다.
상기 결합 산물은 미세유동 장치 (microfluidic device)일 수 있다. 상기 미세유동 장치는 하나 이상의 미세 구조물을 포함하는 장치를 말한다. "미세 구조"에 대하여는 상기한 바와 같다. 상기 미세유동 장치는 입구와 출구가 하나 이상의 채널을 통하여 연결되어 있는 미세유동 장치일 수 있다. 상기 미세유동 장치는 밸브, 펌프 및 챔버 등의 추가적인 구조를 더 포함할 수 있다.
상기 미세유동 장치는 제1 표면을 포함하는 제1 플라스틱 기판은 공압 채널이 형성되어 있는 표면을 포함하고, 제3 표면을 포함하는 제2 플라스틱 기판은 유체 채널이 형성되어 있는 표면을 포함하고, 제1 플라스틱 기판과 제2 플라스틱 기판의 각 제1 및 제2 표면 사이에 실록산을 포함하는 물질, 예를 들면, 실록산 막이 위치하여 상기 공압 채널에 압력 또는 진공을 인가하는 경우 상기 막을 굴절하게 하여 상기 유채 채널 내의 유체의 흐름을 조절하도록 하는 것일 수 있다. 상기 막은 통상 상기 유채 채널 내의 유체 흐름을 막고 있으며 상기 공압 채널에 압력 또는 진공을 인가하는 경우 막을 굴절하게 하여 상기 유채 채널 내에 유체가 흐르도록 하는 것일 수 있다. 상기 미세유동 구조물은 추가적인 표면 및 막을 포함할 수 있다. 상기 추가적인 표면은 유체흐름을 위한 통로를 제공하기 위한 추가적일 채널일 수 있다. 제2 플라스틱 기판은 유체 흐름을 위한 통로를 제공하기 위한 복수의 바이어스 채널을 포함할 수 있다. 상기 미세유동 구조물은, 펌프의 일부로서 배치된, 상기 막을 사용하여 구현된 복수 개의 밸브를 포함하는 것일 수 있다.
상기 미세유동 장치는 제1 플라스틱 기판은 공압 채널이 형성되어 있는 표면을 포함하고, 제2 플라스틱 기판은 유체 채널이 형성되어 있는 표면을 포함하고,제1 플라스틱 기판과 제2 플라스틱 기판의 각 제1 및 제2 표면 사이에 실록산을 포함하는 물질, 예를 들면, 실록산 막이 위치하여 상기 공압 채널에 압력 또는 진공을 인가하는 경우 복수 개의 공압적으로 스위치가능한 밸브를 활성화시킬 수 있고, 상기 공압적으로 스위치 가능한 밸브는 미세유동 장치에서 유체 흐름을 제어할 수 있는 것일 수 있다. 여기서, 제1 플라스틱 기판에는 복수 개의 식각된 채널을 포함하고, 상기 식각된 채널은 상기 막에 가하는 압력을 분산시키는 역할을 할 수 있는 것일 수 있다. 상기 장치에 있어서, 3개의 연속 공압적으로 스위치 가능한 밸브는 펌프를 형성하도록 기능할 수 있다. 상기 3개의 밸브는 입력 밸브, 다이프램 밸브, 및 출력 밸브일 수 있다.
다른 양상은 상기한 방법에 제조된 플라스틱과 실록산을 함유하는 물질이 결합된 구조체를 제공한다. 상기 구조체는 공압 밸브, 채널, 챔버, 입구, 출구 및 이들의 조합을 포함하는 것일 수 있다
다른 양상은 상기 구조체를 포함하는 미세유동 장치를 제공한다. 상기 구조체는 상기한 방법에 의하여 제조된 구조체를 나타낸다. 상기 미세유동 장치에서, 상기 실록산을 함유하는 물질은 미세구조가 형성된 제3 기판의 표면에 실록산 막이 결합되어 있는 것일 수 있다. 실록산에 대하여는 상기한 바와 같디, 실록산 막은 제1 표면과 제3 표면의 결합을 매개하는 동시에, 공압 밸브에서 압력에 따라 신장할 수 있어 유체의 흐름이 가능하게 하거나 유체 흐름을 억제하는 역할을 하는 것일 수 있다.
상기 미세유동 장치에서, 상기 실록산을 함유하는 물질은 폴리실록산 막이고, 미세구조가 형성되어 있고 질소 플라즈마 처리된 제3 기판의 표면에 상기 폴리실록산 막이 결합되어 있는 것일 수 있다.
다른 양상은 제1 표면을 갖는 제1 플라스틱 기판; 제3 표면을 갖는 제2 플라스틱 기판; 및 제1 기판과 제2 기판 사이에 위치하는 폴리실록산층을 포함하고, 상기 폴리실록산층은 제1 기판의 제1 표면과 제2 기판의 제3 표면과 질소 플라즈마를 통하여 결합되어 있는 것인 미세유동 장치를 제공한다.
일 양상에 따른 2개 표면을 결합시키는 방법에 의하면, 2개 표면을 효율적으로 결합시킬 수 있다. 또한, 상기 결합 산물은 가수분해에 대하여 우수한 저항성을 갖는다. 또한, 가공하기 위한 플라스틱 표면을 효율적으로 결합시킬 수 있으므로, 다양한 구조를 만들기에 편리하고 비용이 적게 소요될 수 있다.
다른 양상에 따른 구조체 및 그를 포함하는 미세유동 장치는 가수분해에 대하여 우수한 저항성을 갖는다.
도 1은 플라즈마 처리된 폴리스티렌 기판에 대하여 XPS에 의하여 광범위-스캔 조사 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 2는 플라즈마 처리된 폴리스티렌 기판에 대하여 XPS에 의하여 탄소 (A), 산소 (B), 질소 (C) 함유량을 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 3은 일 구체예에 따라 제조된 폴리스티렌 기판-PDMS 구조체를 나타낸다.
도 4a, 4b,및 4c는 일 구체예 및 대조군에 따라 제조된 PS-PDMS 구조체를 물에 담근 후 결합 강도를 시험한 결과를 나타낸 도면이다.
도 5는 질소 플라즈마 또는 산소 플라즈마 처리에 의하여 제조된 PDMS-PS 결합의 가수분해에 대한 저항성을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 예시적 구체예에 따른 미세유동 구조물을 제조하는 방법의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 예시적 구체예에 따른 미세유동 구조물의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 8은 막 밸브를 이용하여 형성된 펌프의 일 예를 도식적으로 나타낸 것이다.
이하 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 질소 플라즈마를 통한 폴리스티렌 기판과 PDMS 막의 결합
본 실시예에서는 폴리스티렌 기판에 질소 (N2) 플라즈마를 처리하고, 질소 플라즈마 처리된 폴리스티렌 기판의 표면과 PDMS 막을 물리적으로 접촉시켜 결합시켰다.
(1) 폴리스티렌 기판에 대한 플라즈마 처리
구체적으로, 폴리스티렌 기판 (사각형, 6 cm x 3cm, 두께 1cm)을 플라즈마 제공 장치 (Covance-MP, (주) 펨토 사이언스)의 챔버에 넣고, N2 플라즈마를 상온 (약 15℃ 내지 약 35℃)에서 30초 동안 제공하여, N2 플라즈마와 폴리스티렌 기판이 접촉하도록 하였다. 이때 N2 플라즈마 처리 조건은 상온, 압력 100 mTorr, 질소 유속 1 sccm, 처리 시간 30초, 플라즈마 전압 20 내지 50 Watt의 조건이었다.
대조군으로서, 동일한 형태 및 크기의 폴리스티렌 기판을 동일한 플라즈마 제공 장치의 챔버에 넣고, O2 플라즈마를 상온 (약 15℃ 내지 35℃)에서 30초 동안 제공하였다.
플라즈마 처리된 폴리스티렌 기판에 대하여, X-선 광전자 분광법 (X-ray photoelectron spectroscopy: XPS) 분석을 수행하였다. 폴리스티렌 기판을 X-선 광전자 분광기 (Quantum 2000 XPS, Physical Electronics Inc.)를 사용하여 모든 원소에 대하여 광범위-스캔 조사 분석 (wide-scan survey spectrum)을 수행하였다 (Pass energy: 187.25 eV, step: 1ev, 시간: 5분).
도 1은 플라즈마 처리된 폴리스티렌 기판에 대하여 XPS에 의하여 광범위-스캔 조사 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 2는 플라즈마 처리된 폴리스티렌 기판에 대하여 XPS에 의하여 탄소 (A), 산소 (B), 질소 (C) 함유량을 분석한 결과를 나타낸 도면이다. 도 2의 결과는, 고 해상 코어 수준 분석(high resolution core level analyses)의 결과이다. 도 1 및 2에서, 1은 질소 플라즈마, 2는 산소 플라즈마를 처리한 것이다.
도 1 및 도 2(B)에 나타낸 바와 같이, 플라즈마 처리에 의하여 산소의 함량이 증가하였다. 이는 플라즈마 처리에 의하여 폴리스티렌에 산소가 결합하는 것을 나타낸다. 질소 플라즈마 처리시의 경우, 폴리스티렌 기판에 포함되어 있던 산소가 미량 분비되면서 표면에 산소 결합이 발생되는 것으로 여겨진다. 그러나, 청구된 발명의 범위가 특정한 기작에 한정되는 것은 아니다. 도 1 및 도 2(C)에 나타낸 바와 같이, 질소 플라즈마 처리에 의하여 질소의 함량이 크게 증가하였다. 이는 질소 플라즈마 처리에 의하여 폴리스티렌에 질소가 결합하는 것을 나타낸다. XPS 분석에 의하여 얻어진 원소 함량은 다음과 같다.
처리 탄소(C1s)(%) 질소(N1s)(%) 산소(O1s)(%)
질소 플라즈마 80.98 4.15 14.88
산소 플라즈마 81.11 0.68 18.21
(2) 플라즈마 처리된 폴리스티렌 기판과 PDMS 의 결합
다음으로, (1)에서 제조된 플라즈마 처리된 폴리스티렌 기판의 표면과 PDMS 막을 접촉시키고 결합시켜, 폴리스티렌 기판-PDMS 구조체 (이하 "PS-PDMS 구조체"라 함)를 제조하였다.
구체적으로, PDMS 필름 (1cm 폭, 6cm 길이)(HT-6240 Performance Solid Silicon, 두께 : 0.25 mm (0.01"), Rogers Corporation, USA)을 상기 폴리스티렌 기판의 표면과 접촉시키고, 압력을 가하지 않고 55℃에서 2시간 동안 어닐링시켰다.
도 3은 일 구체예에 따라 제조된 폴리스티렌 기판-PDMS 구조체를 나타낸다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 접촉은 PS (7)와 PDMS (3)를 완전하게 겹치도록 하는 것이 아니라, PDMS 말단의 일부 (5) (3cm)는 PS (7)와 접촉하지 않도록 하여(PDMS 오버행), 결합 강도를 측정할 때 접촉되지 않은 PDMS를 집게로 고정할 수 있도록 하였다.
상기 어닐링은 폴리스티렌 기판과 PDMS 막 사이의 결합을 더 증가시키는 것으로 여겨진다. 그러나, 어닐링 단계는 선택적인 것으로서, 어닐링 단계가 없더라도 결합을 충분히 강하였다. 상기 어닐링은 상기 결합 산물을 25℃ 내지 150℃에서 처리하는 것일 수 있다. 상기 어닐링은 2 내지 10시간 동안 수행하는 것일 수 있다.
제조된 PS-PDMS 구조체에 대하여 가수분해 저항성을 조사하였다. 조사는 PS-PDMS 구조체를 증류수 (Deionized (DI) water) 중에 담그고 실온에서 1 시간 동안 방치하였다. 다음으로, PS-PDMS 구조체를 고정시킨 상태에서 PDMS 오버행 (5)에 대하여 위 방향으로 10 mm/min의 속도로 잡아 당겨서 PDMS와 PS의 접합면에 인가되는 힘을 측정하였다 (사용장비: High Precision Materials Testing System 5948, Instron Inc.).
도 4a, 4b 및 4c는 일 구체예 (4b) 및 대조군(4c)에 따라 제조된 PS-PDMS 구조체를 물에 담근 후 결합 강도를 시험한 결과를 나타낸 도면이다. 구체적으로, 도 4a는 1시간 동안 가수분해 후 결합 강도 변화를 나타낸 도면이다. 도 4b와 도 4c는 각각 질소 플라즈마 또는 산소 플라즈마 처리에 의하여 제조된 PDMS-PS 결합 강도의 변화를 나타낸 도면이다. 도 4b 및 도 4c는 60분 동안 물에 담궈둔 시료 1, 2, 및 3 (3개 시료)에 대한 결과를 나타낸다. 도 4a, 4b 및 4c에 나타낸 바와 같이, 질소 플라즈마 처리에 의하여 제조된 PS-PDMS 구조체는 물에 담그기 전과 동일한 결합 강도를 유지하였다. .
본 실시예에 나타낸 바와 같이, 질소 플라즈마가 도입된 플라스틱 기판을 PDMS 막과 결합시킨 경우, 가수분해 저항성이 산소 플라즈마를 사용한 경우에 비하여 현저하게 증가하였다. 산소 플라즈마를 사용한 경우에는 플라스틱, 예를 들면, 폴리스티렌의 탄소에 산소가 도입되고, 이 도입된 산소가 PDMS 중의 원자 예를 들면, 실리콘과 결합함으로써 플라스틱-PDMS 구조체가 형성되는 것으로 여겨진다. 따라서, 산소 플라즈마를 사용한 경우, 산소가 도입되고 이 산소는 가수분해에 의하여, 분해되기가 용이하다. 반면, 질소 플라즈마를 사용한 경우에는 플라스틱, 예를 들면, 폴리스티렌의 탄소에 질소 (예, -N2 -)가 도입되고, 이 도입된 질소가 PDMS 중의 원자 예를 들면, 실리콘과 결합함으로써 플라스틱-PDMS 구조체가 형성되는 것으로 여겨진다. 따라서, 질소 플라즈마를 사용한 경우, 질소가 도입되고 이 질소는 산소에 비하여 가수분해에서 의하여, 분해되기가 더 어려운 것으로 여겨진다. 그러나, 이는 예시적으로 있을 수 있는 하나의 기작일 뿐이며, 청구된 발명의 범위가 본 실시예에 기재된 특정한 기작에 한정되는 것은 아니다.
도 5는 질소 플라즈마 또는 산소 플라즈마 처리에 의하여 제조된 PDMS-PS 결합의 가수분해에 대한 저항성을 도식적으로 나타낸 도면이다. 도 5에서, A 및 B는 각각 산소 플라즈마 또는 질소 플라즈마 처리에 의하여 제조된 PDMS-PS 결합이 물 중에서 가수분해되는 예를 나타낸 도면이다. 도 5A 및 5B에 나타낸 바와 같이, 산소 플라즈마 처리에 의하여 제조된 PDMS-PS 결합은 -O- 결합을 포함하고 있고, 이 결합은 물의 첨가에 의하여 분해되지만 (5A), 질소 플라즈마 처리에 의하여 제조된 PDMS-PS 결합은 -NH- 결합을 포함하고 있고, 이 결합은 물의 첨가에 의하여 분해되지 않는다 (5B). 이는 예시적으로 있을 수 있는 하나의 기작일 뿐이며, 청구된 발명의 범위가 본 실시예에 기재된 특정한 기작에 한정되는 것은 아니다.
실시예 2: 질소 플라즈마를 이용한 미세유동 구조물의 제조
도 6은 본 발명의 다른 예시적 구체예에 따른 미세유동 구조물을 제조하는 방법의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 상기 방법은 제1 기판 및 제2 기판 (20,30)을 제공한다. 상기 제1 기판 및 제2 기판 (20,30)에는 미세구조가 형성되어 있을 수 있으며, 이러한 미세구조는 사출성형 및 포토리소그래피의 알려진 방법에 의하여 제조될 수 있다. 상기 제1 기판 및 제2 기판 (20,30)은 플라스틱으로 되어 있고, 상기 미세구조는 사출성형에 의하여 제조된 것일 수 있다. 다음으로, 상기 미세구조가 형성된 제1 및 제2 기판의 표면에 질소 플라즈마 (50)를 표면 처리시킨다. 상기 표면 처리는, N2 플라즈마의 제공에 의하여 이루어질 수 있다. 다음으로, 상기 질소 플라즈마 (50)가 표면 처리된 각 표면의 사이에 폴리실록산 (40)을 정렬시키고, 압력을 가함으로써 또는 어닐링시킴으로써 결합시켜, 미세유동 구조물을 제조한다.
도 6에 따라 제조된 미세유동 구조물에 있어서, 상기 미세구조는 제1 기판 (20)에 형성된 공압 채널 (24) 및 공압 밸브 (22)이며, 상기 미세구조는 제2 기판 (30)에 형성된 유체 채널 (34) 및 유체 밸브 (32)이며, 제1 및 제2 기판의 결합에 의하여 상기 공압 밸브 (22), 폴리실록산 막 (40) 및 유체 밸브 (32)는 다이아프램 밸브 또는 펌프의 역할을 하는 것일 수 있다. 펌프 또는 밸브의 역할을 하는 미세구조물에 대하여는 도 7을 통하여 상세하게 설명한다.
도 7은 예시적 구체예에 따른 미세유동 구조물의 일 예를 나타낸 도면이다. 도 7은 미세유동 장치에 구현될 수 있는 막 밸브를 도식적으로 나타내는 도면이다. 도 7A는 막 밸브의 평면도이고, 도 7B와 7C는 상기 막 밸브가 폐쇄 및 개방된 상태를 각각 나타내는 측면도이다. 상기 미세유동 구조물의 일 예는, 두 개의 플라스틱 기판 (30, 20) 사이에 위치하는 폴리실록산 막(40)을 포함한다. 상기 폴리실록산 막은 Bisco사로부터 구입가능한 두께 254μm의 HT-6135 및 HT-6240일 수 있다. 상기 폴리실록산 막은 질소 플라즈마로 표면 처리되어 있는 상기 두 개의 기판 표면에 강하게 결합한다. 상기 유체 채널 (34)는 유체를 이송시키는데 사용된다. 공압 채널 (24) 및 밸브 영역 (22)은 압력 또는 진공 하에서 상기 밸브를 활성화시키기 위하여 공기 또는 다른 유체를 이송하기 위하여 식각되어 있다. 일반적으로, 공압 채널 (24, 22)은 하나의 기판 (20) (이하 "공압 기판"이라고도 함)에 위치하고, 유체 채널 (34)은 다른 하나의 기판 (30) (이하 "유체 기판"이라고도 함)에 위치한다. 상기 공압 기판은 공압 채널에 압력 또는 진공을 제공하는 포트를 가질 수 있다.
도 7에 나타낸 밸브의 제어 기작을 설명하면 다음과 같다. 상기 공압 채널을 통하여 상기 폴리실록산 막 (34)의 밸브 영역 (22)에 활성화 진공을 제공한다. 적용된 진공은 상기 폴리실록산 막 (34)을 상기 유체 채널 불연속 지점으로부터 먼 쪽으로 굴절시켜 유체가 흐를 수 있는 통로를 제공한다. 따라서, 상기 밸브는 도 6C에 나타낸 바와 같이 개방된다. 공압을 사용하여 개방 또는 폐쇄될 수 있는 밸브를 이하 스위치 가능한 밸브 (switchable valve) 또는 공압적으로 스위치 가능한 밸브 (pneumatically switchable valve)라고 한다. 진공 또는 압력이 가하여지지 않는 경우, 상기 막은 도 7B에 나타낸 바와 같이 상기 유체 채널을 폐쇄시킨다.
상기 막 밸브는 다양한 유체 제어 기작을 형성할 수 있다. 도 8은 막 밸브를 이용하여 형성된 펌프의 일 예를 도식적으로 나타낸 것이다. 도 8A 및 8B는 막 펌프의 평면도 및 측면도이다. 도 8A 및 8B에 나타낸 바와 같이, 연속하여 위치하는 3개의 막 밸브는 다이아프램 펌프 (60)을 형성한다. 펌핑은 5 주기에 따라 밸브를 활성화함으로써 이루어진다. 상기 다이아프램 펌프 (60)는 입력 밸브 (22), 다이아프램 밸브 (60'), 출력 밸브 (22'')를 포함한다. 상기 다이아프램 펌프 (60)는 어느 방향으로도 작동할 수 있기 때문에, 입력 밸브 (22') 및 출력 밸브 (22'')라는 명칭은 임의적인 것이다. 상기 펌프는 식각된 유체 채널 (34)을 가진 유체 기판 (30), 폴리실록산 막 (40), 및 공압 기판 (20)을 포함한다. 상기 폴리실록산 막 (40)은 질소 플라즈마 층을 통하여 유체 기판 (30)과 공압 기판 (20)에 각각 결합되어 있다.
펌핑은 일련의 단계로 수행될 수 있다. 1단계로, 출력 밸브 (22'')가 폐쇄되고, 입력 밸브 (22')가 개방된다. 2단계로, 다이아프램 밸브 (60')가 개방된다. 3단계로, 상기 입력 밸브 (22')가 폐쇄된다. 4단계로, 상기 출력 밸브 (22'')가 개방된다. 5단계로, 상기 다이아프램 밸브 (60')가 폐쇄되고, 유체를 상기 개방된 출력 밸브 (22'')를 통하여 펌핑한다. 상기 막 밸브는 펌프, 믹서, 러우터 등으로 기능할 수 있다.

Claims (21)

  1. 제1 표면에 질소 플라즈마를 처리하는 단계; 및
    질소 플라즈마 처리된 제1 표면을 제2 표면과 접촉시키는 단계;를 포함하는 2개 표면을 결합시키는 방법으로서, 제1 표면은 플라스틱 물질 표면이고, 제2 표면은 실록산을 함유하는 물질의 표면인 것인 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 결합은 질소 플라즈마를 통해 플라스틱 물질 표면과 실록산을 함유하는 물질의 표면을 접합층이 없이 직접 결합시키는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 결합은 질소 플라즈마 처리된 제1 표면을 제2 표면과 접촉시키는 단계 대신에 산소 플라즈마 처리된 제1 표면을 제2 표면과 접촉시키는 단계를 수행하여 얻어진 결합에 비하여 가수분해에 대하여 더 저항성인 것인 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 질소 플라즈마를 처리하는 단계 전에 제1 표면을 알콕시기를 갖는 유기실란 화합물로 코팅하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 처리는 질소 함유 분자에 전기장을 인가하여 100℃이하의 온도에서 플라즈마를 발생시켜 표면에 접촉시키는 것인 방법
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 플라스틱은 폴리올레핀, 열가소성 탄성체(thermoplastic elastomer: TPE), 탄성 중합체 (elastic polymer), 플루오로중합체, 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA), 폴리스티렌, 폴리카르보네이트(PC), 시클릭 올레핀 공중합체(COC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET), 폴리비닐클로리드(PVC), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리우레탄(PUR) 및 이들의 조합으로부터 선택된 것인 방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 실록산은 R1 및 R2가 각각 독립적으로 수소 또는 히드로카르빌 기인
    Figure pat00002
    의 중합체인 것인 방법.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 실록산은 폴리디메틸실록산 (PDMS) 또는 폴리페닐실록산인 것인 방법.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 접촉 단계 후, 제1 표면, 제2 표면 또는 이들의 조합에 압력을 인가하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 접촉 단계 후, 어닐링하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  11. 청구항 1에 있어서, 제1 표면의 일부 또는 전부에는 미세구조가 형성되어 있는 것인 방법.
  12. 청구항 1에 있어서, 질소 플라즈마 처리된 제3 표면을 제1 표면과 제2 표면의 결합 산물의 제2 표면과 접촉시켜 제3 표면과 상기 결합 산물을 결합시키는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  13. 청구항 12에 있어서, 제3 표면의 일부 또는 전부에는 미세구조가 형성되어 있는 것인 방법.
  14. 청구항 12에 있어서, 제3 표면은 플라스틱 물질의 표면인 것인 방법.
  15. 청구항 13에 있어서, 상기 플라스틱은 폴리올레핀, 열가소성 탄성체(thermoplastic elastomer: TPE), 탄성 중합체 (elastic polymer), 플루오로중합체, 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA), 폴리스티렌, 폴리카르보네이트(PC), 시클릭 올레핀 공중합체(COC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET), 폴리비닐클로리드(PVC), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리우레탄(PUR) 및 이들의 조합으로부터 선택된 것인 방법.
  16. 청구항 12에 있어서, 상기 결합 산물은 미세유동 장치인 것인 방법.
  17. 청구항 1에 의하여 제조된 플라스틱과 실록산을 함유하는 물질이 결합된 구조체.
  18. 청구항 17의 구조체를 포함하는 미세유동 장치.
  19. 청구항 18에 있어서, 상기 실록산을 함유하는 물질은 미세구조가 형성된 제3 기판의 표면에 실록산 막이 결합되어 있는 것인 미세유동 장치.
  20. 청구항 18에 있어서, 상기 실록산을 함유하는 물질은 폴리실록산 막이고, 미세구조가 형성되어 있고 질소 플라즈마 처리된 제3 기판의 표면에 상기 폴리실록산 막이 결합되어 있는 것인 미세유동 장치.
  21. 제1 표면을 갖는 제1 플라스틱 기판;
    제3 표면을 갖는 제2 플라스틱 기판; 및
    제1 기판과 제2 기판 사이에 위치하는 폴리실록산층을 포함하고, 상기 폴리실록산층은 제1 기판의 제1 표면과 제2 기판의 제3 표면과 질소 플라즈마를 통하여 결합되어 있는 것인 미세유동 장치.
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