KR20160134285A - 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체장치 및 이의 제작방법 - Google Patents

나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체장치 및 이의 제작방법 Download PDF

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김동성
박상민
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포항공과대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체장치는 채널을 포함하는 미세유체 장치 및 상기 채널 주변부에 접착되어 지지되어 상기 채널 상부에 형성되는 나노파이버 멤브레인을 포함하되, 상기 나노파이버 멤브레인의 두께는 상기 채널 주변부보다 상기 채널 상부에서 두껍게 형성될 수 있다.

Description

나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체장치 및 이의 제작방법 {MICROFLUID DEVICE INCLUDING NANOFIBER MEMBRANE AND METHOD FOR THEREOF}
본 발명은 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체장치 및 이의 제작방법에 관한 것이다.
미세유체장치의 개발로 샘플 주입, 농축, 혼합 반응, 검출 등의 실험실에서 이루어지는 다양한 실험을 작은 미세유체장치 안에서 구현할 수 있게 되었다. 특히, 나노파이버 멤브레인과 미세유체장치의 결합은 선택적 투과 기능을 미세유체 장치에 부과하였고, 미세유체장치의 활용분야를 입자 분리, 농축, 센싱 등의 다양한 분야로 확장하였다.
먼저, 나노파이버 멤브레인을 제작하기 위해서는 전기방사가 이용된다. 전기방사 공정은 공정 변수에 따라서 나노파이버 멤브레인의 선택적 물질 투과 특성을 바꿀 수 있는 장점이 있다. 또한, 전기방사 공정은 내구성, 내화학성, 생적합성, 생분해성 등 다양한 특성을 가진 물질을 사용하여 나노파이버 제작이 가능하기 때문에, 적합한 재료 선정을 통해 전기방사를 통해 상기 특성을 갖는 나노파이버 멤브레인의 제작이 가능하다.
전기방사 공정으로 제작된 나노파이버 멤브레인을 기 제작된 미세유체장치에 결합시키기 위한 방법은 손이나 트위저를 사용하게 된다. 이때 나노파이버 멤브레인이 가진 물질 투과를 위한 구멍이 손상을 입을 가능성이 있다. 또한, 나노파이버 멤브레인이 3차원 형상 또는 복잡한 형태의 구조를 가진 경우 결합과정에서 미세유체장치와 멤브레인의 정렬 불량이 일어날 수 있다.
이에 따라 나노파이버 멤브레인과 미세유체장치를 결합하기 위한 방법이 연구되고 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로 안출된 것으로 본 발명은 3차원 형상 또는 복잡한 형태로 이루어진 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 나노파이버 멤브레인이 미세유체장치의 채널 상에 생성되어 후속 공정없이, 복잡한 형태의 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체장치를 제작할 수 있는 제작방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체장치는 채널을 포함하는 미세유체 장치 및 상기 채널 주변부에 접착되어 지지되어 상기 채널 상부에 형성되는 나노파이버 멤브레인을 포함하되, 상기 나노파이버 멤브레인의 두께는 상기 채널 주변부보다 상기 채널 상부에서 두껍게 형성될 수 있다.
또한, 상기 채널은 상기 나노파이버 멤브레인을 투과한 기체와 반응하는 시약을 포함할 수 있다.
또한, 상기 나노파이버 멤브레인은, 합성고분자, 콜라겐, 젤라틴 또는 백금 중 어느하나의 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 나노파이버 멤브레인은 나노파이버가 정렬된 형태로 뭉치며 형성될 수 있다.
또한, 상기 나노파이버 멤브레인은 나노파이버가 무작위로 얽혀지며 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체장치 제조방법은 채널을 포함하는 미세유체장치를 챔버 내부에 위치시키는 단계, 상기 채널에 전해질을 채우는 단계, 전기방사기와 상기 미세유체장치 사이에 전압을 인가하는 단계, 상기 전기방사기를 통해 상기 챔버 내부로 고분자용액을 방사하는 단계 및 상기 방사된 고분자용액은 상기 전해질 상부 표면에 집적되어 나노파이버 멤브레인을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전해질은 염화칼륨(Potassium chloride)을 0.01 ~ 3 mol% 비율로 증류수(Di water)에 용해시킬 수 있다.
또한, 상기 고분자용액은 폴리카프로락톤(Polycarprolactone)을 20 ~ 25% 농도로 클로로폼(chloroform)과 메탄올(methanol)을 질량비로 1:1로 혼합할 수 있다.
또한, 상기 전압은 5kV ~ 30kV 범위로 인가될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체 장치는 만곡진 면을 포함하는 복잡한 형태 또는 3차원 형상으로 이루어진 경우에도 나노파이버 멤브레인을 미세유체 장치의 채널에 결합시켜 작업성을 향상시키고, 불량율을 떨어뜨릴 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체 제작방법은 나노파이버 멤브레인 제작시 자유도 및 적용가능성을 크게 증대시킬 수 있어, 필터, 센서, 촉매 또는 배터리 등 다양한 분야에 이용 될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체장치의 표면을 나타낸 이미지이다.
도 2는 도 1의 나노파이버 멤브레인의 나노파이버 배열을 나타낸 이미지이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체장치 제작방법 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체장치 제조 장치를 나타낸 개략도이다.
도 5는 도 3의 제작방법에 따라 제작된 제1 실시예의 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체장치를 나타낸 이미지이다.
도 6은 도 3의 제작방법에 따라 제작된 제2 실시예의 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체장치를 나타낸 이미지이다.
도 7은 도 3의 제작방법에 따라 제작된 제3 실시예의 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체장치가 암모니아 기체에 반응하도록 구성한 장치를 나타낸 개략도이다.
도 8은 도 7의 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체 장치가 암모니아 기체에 반응하도록 구성한 장치의 단면을 나타낸 도면이다.
도 9는 도 7의 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체장치가 시간에 따라 암모니아 기체에 반응하는 색상변화를 나타낸 이미지이다.
도 10은 도 3의 제작방법에 따라 제작된 제4 실시예의 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체장치를 나타낸 이미지이다.
도 11은 도 10의 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체장치의 유속 따른 색상 변화를 나타낸 이미지이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체장치의 표면을 나타낸 이미지이다.
도 1을 참조하면, 미세유체장치(10)와 미세유체장치(10)에 결합된 나노파이버 멤브레인(30)의 구성을 확인할 수 있다. 미세유체장치(10)는 채널(20)을 구비하고 있으며, 채널(20)에는 화학적 방법에 의해 물질의 검출이나 정량을 위한 반응에 사용되는 화학약품인 시약(26)이 채워질 수 있다. 채널(20)의 크기는 피부 조직이나 혈관 등과 같이 수 마이크로 미터(μm) ~ 수 밀리미터(mm)의 크기로 형성될 수 있다. 또한, 미세유체장치(10)는 2차원적 평면뿐 아니라 3차원으로 형성되고, 생체 모사 형태로 형성될 수 있다.
나노파이버 멤브레인(30)은 채널(20) 상부에 형성된다. 나노파이버 멤브레인(30)은 투과막 역할을 하며, 기체는 투과가 가능하나, 채널 내에 포함된 시약(26)은 나노파이버 멤브레인(30) 투과가 불과하다. 즉, 나노파이버 멤브레인(30)은 선택적으로 투과를 가능하게 하는 선택적 투과막으로 작용한다. 따라서, 나노파이버 멤브레인(30)이 채널(20) 상부에 덮히는 형태로 형성되면서, 채널(20)의 내부와 외부를 분리시킨다. 나노파이버 멤브레인(30)은 채널(20) 상부와 채널 주변부의 두께(t), 밀도 등이 달리 형성된다. 특히, 채널(20) 상부의 나노파이버 멤브레인(30)은 밀도가 거의 일정하고, 이에 따라 두께(t)가 일정한 반면 채널(20) 주변부의 미세유체장치(10)에 결합되는 나노파이버 멤브레인(30)은 그 두께(t)가 채널(20) 상부에 비해 확연히 얇고, 밀도가 낮으며 이에 따라, 접촉면적 형상이 임의적으로 형성된다. 따라서, 나노파이버 멤브레인(30)이 채널(20) 상부와 형상이 차이가 난다. 이는, 나노파이버 멤브레인(30)을 공중에 방사하여 제작하는 본 발명의 실시예에 따른 나노파이버 멤브레인(30)을 결합한 미세유체장치(10) 제조방법에 따른 특징이라 할 수 있다.
보다 상세히 설명하면, 전해질(미도시)과 나노파이버(32)의 전기적 인력을 이용하여 나노파이버 멤브레인(30)을 미세유체장치(10)의 표면에 집적하게 되는데, 채널(20)의 상부는 전해질 용액과 나노파이버(32)의 전기적 인력이 일정하여 나노파이버(32)가 일정하게 집적 되기 때문에, 나노파이버 멤브레인(30)의 밀도 또는 두께가 일정해지고, 채널(20) 주위에는 전해질 용액과 나노파이버(32)의 전기적 인력이 상대적으로 작고 거리가 멀수록 그 크기가 작아져, 집적되는 나노파이버 멤브레인(30)의 밀도 또는 두께에 있어 큰 차이를 갖게 된다. 이때, 전해질 용액의 높은 자유도 덕분에 2차원 표면뿐 아니라 복잡한 형태를 갖는 3차원 나노파이버 멤브레인(30)을 쉽게 구현할 수 있는 이점이 생긴다.
도 2는 도 1의 나노파이버 멤브레인의 나노파이버 배열을 나타낸 이미지이다.
도 2를 참조하면, 나노파이버 멤브레인(30)은 다수의 나노파이버(32)가 복잡하게 얽히면서 형성된다. 이때, 나노파이버 멤브레인(30)을 제작할 때, 조건을 변경시켜 나노파이버(32)의 얽힌 방식을 기체의 특성이나 사용 조건 등을 감안하여 사용자는 선택할 수 있다.
대부분의 조건에서 나노파이버(32)는 서로 무작위적으로 얽히면서 나노파이버 멤브레인(30)을 형성하게 된다. 이때 나노파이버(32)의 크기는 수 나노미터(nm) ~ 수 마이크로 미터(μm)의 크기로 형성된다. 그러나, 폴리카프로락톤을 사용하고, 채널(20)의 폭을 300 μm 이하로 조건을 선정하는 경우에는 나노파이버(32)의 배열은 정렬된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체장치 제작방법 순서도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체장치 제조 장치를 나타낸 개략도이다.
도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 나노파이버 멤브레인(30) 이 결합된 미세유체장치(10) 제작방법의 순서와 미세유체장치(10) 제작을 위한 장치 구성에 대해 설명한다.
나노파이버 멤브레인(30)이 결합된 미세유체장치(10)는 채널(20)을 포함하는 미세유체장치(10)를 챔버(60) 내부에 위치시키는 단계(S10), 상기 채널(20)에 전해질(미도시)을 채우는 단계(S20), 전기방사기(70)와 상기 미세유체장치(10) 사이에 전압을 인가하는 단계(S30), 상기 전기방사기(70)를 통해 상기 챔버(60) 내부로 고분자용액(80)을 방사하는 단계(S40), 상기 방사된 고분자용액(80)이 상기 전해질 상부 표면에 집적되어 나노파이버 멤브레인(30)이 형성하는 단계(S50)를 포함할 수 있다. 이때, 본 발명의 실시예에 따른 나노파이버 멤브레인(30)이 결합된 미세유체장치(10)를 제작할 때, 미세유체장치(10)의 모형에 따라 전기방사기(70) 위치가 달라질 수 있다.
먼저, 채널(20)을 포함하는 미세유체장치(10)를 챔버(60) 내부에 마련한다(S10).
여기서 챔버(60)란 작업이 이루어지는 공간을 의미한다. 챔버(60)의 재질과 크기는 제한되지 않으며 아래와 같이 공중에 방사될 고분자용액(80)이 나노파이버 멤브레인(30)을 미세유체장치(10) 표면에 형성될 때 외부로 흩어지지 않도록 하는 역할을 한다.
채널(20)이란 유체를 담을 수 있는 공간을 의미한다. 미세유체장치(10) 위에 사용자가 원하는 형상으로 형성하게 된다. 본 발명의 실시예인 나노파이버 멤브레인(30)이 결합된 미세유체장치(10)는 샘플 주입, 농축, 혼합 반응, 검출 등의 실험 전 과정을 하나의 마이크로 크기의 장치에서 처리하는 것으로, 실험실에서 이루어지는 모든 실험을 작은 장치로 구현하는 것으로 채널(20)의 형상은 각 목적에 따라 다양하다.
여기서 미세유체장치(10)는 Polydimethylsiloxane(PDMS) replica molding을 통해 제작할 수 있다. PDMS(Polydimethylsiloxane)는 투명한 성질을 갖는 폴리머 계열의 물질로서 다양한 액체와 증기에 대한 침투성이 있으며, 유연성, 윤활성, 소수성 등의 특징을 갖는다. 평탄하지 않은 다양한 기판에 대해서도 안정적으로 점착할 수 있고, 다른 폴리머를 몰딩(molding)할 때 폴리머 간에 접착이 잘 일어나지 않기 때문에 분리가 용이하다. 또한, 광학적으로는 300 nm 두께까지 투명하여 광학 소자로 이용될 수 있으며, 내구성이 매우 강한 엘라스토머(elastomer)이기 때문에 스탬프(stamp)로 제작하여 수회 사용이 가능하다. 이러한 여러 분야에 PDMS는 응용 가능한 재료이다. 또한, 폴리스틸렌(Polystyrene), 폴리카보네이트(Polycarvonate), 폴리메타크릴산 메틸(Poly(methyl methacrylate)), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(Acrylonitrile butadiene styrene), 폴리락트산(Polylactic acid) 등으로 물질로 미세기계가공 또는 3D 프린팅을 이용하여 3차원 미세유체장치를 제작할 수 있다.
미세유체장치(10)의 형상은 생체 내 장기 구조와 유사하게 형성 될 수 있으며, 3차원 형상으로도 형성될 수 있다. 또한, 만곡면을 포함한 복잡한 형상으로도 형성될 수 있다.
다음으로, 채널(20)에 전해질을 채운다(S20). 여기서 전해질이란 물 등의 용매에 녹였을 때 이온화하는 물질을 전해질이라고 하고 이러한 전해질이 녹아있는 용액을 전해질 용액이라 한다.
전해질 용액은 전도성을 갖기 때문에 아래와 같이 고압의 전기가 인가되었을 경우에 (-)전하를 띄게 되어 (+)전하를 갖는 입자를 전기적 인력으로 끌어당겨 전해질 상부에 집적할 수 있게 된다. 전해질은 해리의 정도에 따라 강전해질, 약전해질로 분류된다. 해리의 정도는 용매에 따라서 다르다. 본 발명의 실시예에 이용되는 전해질은 염화칼륨과 증류수의 3%mol 비율로 혼합한 용액을 사용되는 것이 바람직하다. 다만, 전해질의 비율은 0.01 mol 에서부터 포화 용액까지 모두 사용될 수 있다. 또한, 전해질로는 물 또는 유기용매(에탄올, 메탄올)에 녹아 1 mS/cm보다 높은 전기 전도도를 띄는 물질 및 농도 일체를 사용할 수 있다. 또한 물에 녹아 상대 유전율이 80 보다 높은 값을 가지는 물질 및 농도 일체를 사용할 수 있다.
다음으로, 상기 전기방사기(70)와 상기 미세유체장치(10) 사이에 전압을 인가하는 단계를 포함한다(S30). 전원장치(50)로 전압은 5kV ~ 30kV 범위에서 인가된다. 인가 전압의 세기 변화에 따라 나노파이버 멤브레인(30)의 구조 형성에 변화가 생길 수 있다. 전압의 전극은 전기방사기(70)에 형성된 금속 니들(72)과 미세유체장치(10)에 각각 연결한다. 금속 니들(72)에 양극을 연결하고, 미세유체장치(10)에 음극을 연결하게 되면, 미세유체장치(10)에 연결된 음극에 의해 채널(20)에 충진된 전해질은 음극 전하를 띄게 된다.
이후, 전기방사기(70)를 통해 상기 챔버(60) 내부로 고분자용액(80)을 공급하는 단계를 포함한다(S40). 여기서 고분자용액(80)은 폴리카프로락톤(Polycarprolactone)을 20 ~ 25% 농도를 클로로폼(chloroform)과 메탄올(methanol)을 질량비로 1:1로 혼합한 것을 사용할 수 있다. 다만, 용액의 농도가 바뀐 경우에도 나노파이버 멤브레인(30)이 형성되는 것을 관찰할 수 있다.
따라서 25 wt% 폴리비닐이딘 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, PVDF)을 25% ~ 30% 아세톤(acetone)과 디메틸포름아미드 (Dimethylformamide)를 부피비로 3:7로 혼합한 것이 이용될 수 있으며, 그 외에도 폴리스틸렌(Polystrene), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 콜라겐과 폴리카보네이트 혼합 용액 (collagen/Polycarbonate blending solution), 생체 고분자인 젤라틴 또는 금속재질인 백금 등의 물질로 나노파이버 멤브레인(30)을 제작할 수 있다. 이러한 다양한 재질로 나노파이버 멤브레인(30)을 제작 할 수 있기 때문에 본 실시예의 나노파이버 멤브레인(30)이 결합된 미세유체장치(10)는 여러 분야에서 활용이 가능하다. 전기방사기(70)란 고분자용액(80)이 저장되어 있거나 고분자용액(80)을 공급하기 위한 장치를 의미한다. 전기방사기(70)에는 금속 니들(72)과 같은 형상이 돌출된다. 이는 전극을 연결하기 용이하도록 하고 전극에 고압이 인가될 경우 금속 니들(72)에서 토출되는 고분자용액(80)에 전하 대전 효율을 좋게 하기 위해서이다. 도 3에서는 전기방사기(70)의 형상은 생략되었다. 형상에는 제한이 없고, 고분자용액(80)이 토출되는 금속 니들(72)이 챔버(60) 내부에 형성되면 공정을 진행하는데 문제없다.
상기 방사된 고분자용액(80)을 상기 전해질 상부 표면에 집적시켜 나노파이버 멤브레인(30)을 형성하는 단계를 포함한다(S50). 고분자용액(80)은 챔버(60) 내부에 금속 니들(72)로부터 토출되어 미세유체장치(10) 표면에 직접되면서 나노파이버 멤브레인(30)을 형성하게 된다. 또한, 금속 니들(72)로부터 토출될 때 전압의 인가로 인해 전하를 띄게 되어 전기적 인력으로 인해 전해질 상부에 고분자용액(80)이 집적되어 요구되는 위치에 손상 없이 집적될 수 있다. 나노파이버(32)의 두께는 수십나노미터(nm) 에서 수 마이크로미터(μm)의 크기를 가지고 있으며, 나노파이버(32)가 얽힌 방식은 무작위한 형태일 수 있고, 정렬된 형태일 수도 있다.
이후, 고분자용액(80)이 채널(20)에 집적 된 후 전해질을 제거하게 되면 본 실시예의 나노파이버 멤브레인(30)이 결합된 미세유체장치(10)가 제조된다.
전해질을 제거하면 도 3(ii) 에서 나타낸 바와 같이 채널(20) 내부에는 통로가 형성되어 있고 채널(20) 상부에 나노파이버 멤브레인(30)이 결합된 형태의 미세유체장치(10)가 제조된다. 미세유체장치(10)의 용도에 따라 후술한 암모니아와의 반응 용액인 페노프탈레인 용액 등을 채워 넣어 응용장치로 활용 할 수 있다.
도 3 및 도 4에 따른 실험예는 아래와 같다. 전해질은 염화칼륨(Potassium chloride)과 증류수(Di water) 3%mol 비율로 혼합한 용액을 사용하였다. 전기방사기(70)의 역할을 실시하기 위해 주사기와 주사기 펌프를 마련하였다. 고분자용액(80)을 주사기에 넣고 주사기 펌프를 통해서 금속 니들(72)로 외부로 토출한다. 여기서 고분자용액(80)은 폴리카프로락톤 25% 용액, 클로로폼과 메탄올 비율 (1:1)을 혼합한 용액을 이용하였다. 금속 니들(72)을 통해 챔버(60)안의 공기중으로 고분자용액(80)을 방사하였다. 방사되는 고분자용액(80)은 고전압에 의해 인가된 (+)전하를 갖게 된다. 금속 니들(72)의 크기는 23 Gauge needle을 사용하였지만 이는 고분자용액(80)에 따라 그 크기는 달라질 수 있어 제한되는 것은 아니다. 금속 니들(72)의 토출 속도는 0.5ml/h이었으나 이 역시 고분자용액(80)에 따라 그 토출 속도는 달라질 수 있다. 미세유체장치(10)와 주사기와 주사기 펌프의 경우는 미세유체장치(10)를 바닥에 고정한 뒤에 미세유체장치(10) 상부에 주사기를 위치시킨다. 주사기 펌프는 주사기의 뒷편에 설치되어 주사기 내에 충진되어 있는 고분자용액(80)을 주사기에 포함된 금속 니들(72)을 통해 외부로 토출하게 된다. 미세유체장치(10)와 주사기의 금속 니들(72) 사이에 고전압의 전극을 각각 연결하여 전하를 인가하게 된다. 금속 니들(72)을 통해 토출되는 고분자용액(80)이 각 전하의 인력에 의해 전해질 상부표면에 집적된다.
또한 고전압을 인가하게 되면서 금속 니들(72)에서 토출되는 고분자용액(80)이 주사기 펌프에 의해서뿐만 아니라 전하의 척력에 의해서도 토출하게 된다. 이로 인해 고분자용액(80)이 방울방울 맺히면서 토출되지 않고 얇은 두께를 이루며 하나의 선을 형성하면서 토출되게 된다.
공기중으로 방사된 고분자용액(80)이 미세유체장치(10) 위의 전해질 상부 표면에 집적된 이후에 전해질을 제거하게 되면 미세유체장치(10) 채널(20) 위에 자유지지 되는 나노파이버 멤브레인(30)이 생성된다. 이는 마치 지붕의 형상처럼 채널(20) 위에 나노파이버 멤브레인(30)이 덮히게 된다.
도 5는 도 3의 제작방법에 따라 제작된 제1 실시예의 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체장치를 나타낸 이미지이다.
도 5를 참조하면, 도 5(i)는 도 4의 제작방법에 따른 나노파이버 멤브레인(30)이 결합된 미세유체장치(10)의 평면도이다. 단면 A-A'을 살펴보면 도 3(ii)에서 전해질이 빠진 빈 공간 상부에 나노파이버 멤브레인(30)이 지붕처럼 덮혀져 결합된 모습을 확인할 수 있다. 상술한 것과 같이 전해질의 상부에 전기적 인력으로 공중에 방사된 나노파이버 멤브레인(30)이 인도되어 집적되는 것으로 나노파이버 멤브레인(30)의 손상 없이 결합될 수 있다.
여기서, 나노파이버 멤브레인(30)은 생체 내 구조와 유사하다. 즉 나노파이버 멤브레인(30)은 인체 내 폐, 신장, 피부 등의 생체 기관에서 영양분의 공급 및 불필요한 물질 배출 등 중요한 기능을 수행하고 있는 막 구조와 유사하다. 또한, 나노파이버 멤브레인(30)은 부피 대비 넓은 단면을 가지고 있기 때문에 생체 모사 바이오칩 뿐만 아니라 나노입자 필터, 센서, 촉매 또는 배터리 등에 널리 활용될 가능성이 있다.
종래의 나노파이버(32) 제작법 중 전기방사법은 금속판을 접지전극으로 사용하여 나노파이버(32)를 집적시키기 때문에 나노파이버 멤브레인(30)으로 사용하기 위해서 복잡한 후속 공정이 수반되었다. 따라서, 도 4(i)에 도시한 바와 같은 단순한 형태의 경우에도 작업성이 매우 비효율적이었으며, 품질 또한 저급하였다.
도 5에 나타낸 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 제조방법을 이용하면, 만곡진 면을 포함하는 복잡한 형태 또는 3차원 형상으로 이루어진 경우에도 나노파이버 멤브레인(30)을 미세유체장치(10)의 채널(20)에 결합시킬 수 있고, 향상된 작업성과, 품질 향상을 기대할 수 있다.
도 6은 도 4의 제작방법에 따라 제작된 제2 실시예의 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체장치를 나타낸 이미지이다.
도 6을 참고하면, 만곡진 면을 포함하고, 복잡한 형태의 나뭇잎 모양의 채널에 나노파이버 멤브레인(30)이 결합된 미세유체장치(10)를 나타내었다. 이때, 미세유체장치(10)의 채널(20)을 앞뒤로 형성하고 채널(20)에 서로 다른 성질을 갖는 시약을 채워 넣어 장치를 구성할 수 있다. 이를 통해, 다양한 실험을 실시할 수 있다.
특히, 최근 윤리적인 이유로 동물실험이 전 세계적으로 금지되어 가는 추세이고, 이러한 동물실험을 대체하기 위해 인체 내 기관을 구현하는 것이 화두로 떠오르고 있어, 점점 더 복잡하고 다양한 형태의 나노파이버 멤브레인(30)이 결합된 미세유체장치(10)가 요구되고 있는 실정이므로, 본 발명의 실시예에 따른 제조방법으로 제작할 경우 복잡한 형태의 인체 내 기관을 구현할 수 있다.
도 7은 도 4의 제작방법에 따라 제작된 제3 실시예의 나노파이버 멤브레인(30)이 결합된 미세유체장치(10)가 암모니아 기체에 반응하도록 구성한 장치를 나타낸 개략도이다.
밀폐된 시스템 안에서 암모니아 가스가 방출되면 페놀프탈레인 용액을 포함하는 미세유체장치(10)가 시간에 따라 색상이 변하면서 가스의 누출여부를 확인하기 위한 장치를 제작하는 것을 목적으로 한다. 도 3의 제작방법에 따라 미세유체장치(10)를 제작하고, 사용된 전해질을 제거한 뒤, 빈 공간에 페놀프탈레인 용액을 채워넣어 본 발명의 실시예인 암모니아 암모니아 검출 장치를 제작할 수 있다.
미세유체장치(10)에 암모니아 가스가 접촉하게 되면, 나노파이버 멤브레인(30)을 통과한 암모니아 가스(미도시)는 페놀프탈레인 (Phenolphthalein) 용액과 반응하게 되어 붉은 색으로 변한다. 이러한 결과는 여러 가스들을 검출하는 기기에서 이용될 수 있다. 또한, 전력 공급이나 복잡한 기계적인 요소들 필요 없이 본 실시예에 따른 미세유체 장치(10)가 사용될 수 있다.
도 8은 도 7의 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체 장치가 암모니아 기체에 반응하도록 구성한 장치의 단면을 나타낸 도면이고, 도 9는 도 8의 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체장치가 시간에 따라 암모니아 기체에 반응하는 색상변화를 나타낸 이미지이다.
도 8과 도 9를 참고하면, 나노파이버 멤브레인(30)이 결합된 미세유체장치(10)의 단면은 채널(20)에 시약(26)인 페놀프탈레인 용액이 충진되어 있는 것을 확인할 수 있다. 나노파이버 멤브레인(30)이 페놀프탈레인 용액 상부에 덮혀 있어 암모니아 가스를 선택적으로 투과시킬 수 있다. 따라서 도 9에 나타낸 바와 같이 시간이 지날수록 암모니아 가스와 페놀프탈레인이 작용하여 색상이 변화하는 것을 나타낸다. 충분한 시간이 주어진다면 색상에 따라 나노파이버 멤브레인(30)을 통과하는 암모니아 가스의 양을 추정할 수 있다.
도 10은 도 4의 제작방법에 따라 제작된 제4 실시예의 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체장치를 나타낸 이미지이고, 도 11은 도 10의 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체장치의 유속 따른 색상 변화를 나타낸 이미지이다.
도 10을 참고하면, 채널(20)이 생성된 미세유체장치(10)를 상하부로 결합할 수 있다. 채널(20)의 끝부분에는 유체의 입출구를 마련하고 유체가 흐를 수 있도록 구성할 수 있다. 상부 채널과 하부 채널의 경로가 겹치는 부분은 확대된 그림에서 보여지는 것과 같이 상부의 채널 하부는 개방되고 하부의 채널의 상부는 나노파이버 멤브레인(30)이 결합된 채로 상부와 하부의 미세유체장치(10)가 결합될 수 있다. 이렇게 구성함으로써 상부에서 흐르는 유체의 일부 색상이 나노파이버 멤브레인(30)을 통과하여 하부의 채널에 혼합될 수 있다.
도 11을 참고하면 노란색 유체와 파란색 유체는 중간부분에서 혼합되어 녹색 유체로 OUT1을 통해 배출된다. 파란색유체(IN2, OUT2)는 상부 미세유체장치(10)를 통해 흐르게 되고, 노란색유체(IN1, OUT1)은 하부 미세유체장치(10)를 통해 흐르게 된다. 중간부분에서 상부의 채널(20)과 하부의 채널(20)이 겹쳐지게 되는 부분은 도 8에서 설명한 바와 같이 파란색 유체의 일부 성분이 나노파이버 멤브레인(30)을 통과하여 하부의 노란색 유체와 혼합하여 녹색의 유체로 배출되고, 이는 노란색 유체의 속도에 따라 색상이 변화된다. 유체의 속도의 변화를 통해 요구되는 색상을 생성할 수 있어, 여러 분야에서 응용될 수 있다.
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
100: 나노파이버 멤브레인이 결합한 미세유체장치
101: 나노파이버 멤브레인이 결합한 미세유체장치 제조장치
10: 미세유체장치 20: 채널
22: 채널 상부 24: 채널 주변부
26: 시약 30: 나노파이버 멤브레인
32: 나노파이버 t: 두께
50: 전원장치 60: 챔버
70: 전기방사기 72: 금속 니들
80: 고분자용액

Claims (9)

  1. 채널을 포함하는 미세유체 장치; 및
    상기 채널 주변부에 접착되어 지지되어 상기 채널 상부에 형성되는 나노파이버 멤브레인을 포함하되,
    상기 나노파이버 멤브레인의 두께는 상기 채널 주변부보다 상기 채널 상부에서 두껍게 형성된 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널은 상기 나노파이버 멤브레인을 투과한 기체와 반응하는 시약을 포함하는 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노파이버 멤브레인은,
    합성고분자, 콜라겐, 젤라틴 또는 백금 중 어느하나의 물질로 이루어진 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노파이버 멤브레인은 나노파이버가 정렬된 형태로 뭉치며 형성된 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노파이버 멤브레인은 나노파이버가 무작위로 얽혀지며 형성되는 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체장치.
  6. 채널을 포함하는 미세유체장치를 챔버 내부에 위치시키는 단계;
    상기 채널에 전해질을 채우는 단계;
    전기방사기와 상기 미세유체장치 사이에 전압을 인가하는 단계;
    상기 전기방사기를 통해 상기 챔버 내부로 고분자용액을 방사하는 단계; 및
    상기 방사된 고분자용액은 상기 전해질 상부 표면에 집적되어 나노파이버 멤브레인을 형성하는 단계를 포함하는 나노파이버 멤브레인이 결합된 미세유체장치 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 전해질은 염화칼륨(Potassium chloride)을 0.01 ~ 3 mol% 비율로 증류수(Di water)에 용해시킨 나노파이버 멤프레인이 결합된 미세유체장치 제조방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 고분자용액은 폴리카프로락톤(Polycarprolactone)을 20 ~ 25% 농도로 클로로폼(chloroform)과 메탄올(methanol)을 질량비로 1:1로 혼합한 나노파이버 멤프레인이 결합된 미세유체장치 제조방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 전압은 5kV ~ 30kV 범위로 인가되는 나노파이버 멤프레인이 결합된 미세유체장치 제조방법.
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