KR20220060258A - 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체 및 그 제조 방법 - Google Patents

마이크로 채널을 갖는 필름 구조체 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20220060258A
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film
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홍석준
임재묵
박세웅
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한양대학교 에리카산학협력단
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Abstract

마이크로 채널을 갖는 필름 구조체가 제공된다. 상기 마이크로 채널을 갖는 상기 필름 구조체는, 고분자 필름, 상기 고분자 필름의 상부면 내에 제공된 그루브 형상의 마이크로 채널을 포함하고, 레이저 조사 조건에 따라서, 상기 마이크로 채널의 그루브의 표면에 상기 고분자 필름이 탄화된 잔여물이 제공되는 것을 포함할 수 있다.

Description

마이크로 채널을 갖는 필름 구조체 및 그 제조 방법 {film structure with microchannel and method of fabricating of the same}
본 발명은 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체 및 그 제조 방법에 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 그루브 형상의 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체 및 그 제조 방법에 관련된 것이다.
마이크로 채널을 갖는 필름 구조체는, 필름의 상부면을 박리하여, 필름의 상부면 내에 마이크로 단위 크기의 채널을 갖는 구조체이다.
마이크로 채널은, 마이크로 채널에 주입되는 유체의 흐름을 다양한 방법을 통해 효율적으로 제어할 수 있다.
이에 따라, 미세 유체학(microfluidic device), 바이오 분야, 현장 진단(point of care)등 다양한 산업에 활용될 수 있다.
활용 분야가 증가함에 따라, 다양한 마이크로 채널이 연구되고 있다. 예를 들어, 대한민국 특허 등록공보 10-1675028 에는, 전기 절연층을 갖는 마이크로 전자회로의 상부 위의 희생 포토레지스트 층들 사이의 박막 금속 시드층 위에 마이크로 채널 측벽들을 전기도금 하는 단계, 아세톤-IPA-메탄올 방출(release)에 의해 상기 희생 포토레지스트 층들을 제거하는 단계를 포함하는, 액체, 나노 유체 및 가스에 의한 전자 냉각 응용들을 위한 마이크로 채널 히트 싱크의 제조 방법에 있어서, 상기 희생 포토레지스트 층들 및 상기 마이크로 채널 측벽들의 상면들은 상기 희생 포토레지스트 층들이 아세톤-IPA-메탄올 방출에 의해 제거되기 전에, 폴리머 상벽에 의해 덮이는 것을 특징으로 하며, 상기 폴리머 상벽은, 상기 희생 포토레지스트 층들과 상기 마이크로 채널 측벽들의 상면들 바로 위에 기상 증착(vapor deposition)에 의해 증착 되는, 마이크로 채널 히트 싱크 제조 방법이 개시 되어 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 고분자 필름의 탄화와 동시에 박리가 가능한 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체 및 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 다양한 너비, 깊이, 표면 조도, 및 표면 재질이 구현 가능한 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체 및 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 제조 공정 비용이 절감된 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체 및 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 제조 시간이 단축된 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체 및 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 대량 생산이 용이한 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체 및 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 마이크로 채널을 갖는 상기 필름 구조체의 제조 방법은, 고분자 필름을 준비하는 단계, 및 상기 고분자 필름에 레이저를 조사하여 상기 고분자 필름의 상부면 내에 그루브(groove) 형상의 상기 마이크로 채널을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 레이저가 조사된 상기 고분자 필름의 상부 영역은, 탄화(carbonization)되어 탄화 구조체가 생성되고, 상기 레이저가 조사된 상기 고분자 필름의 상기 상부 영역에서 발생되는 배출 가스의 압력으로 인해, 상기 탄화 구조체가 상기 고분자 필름으로부터 자발적으로(spontaneously) 박리(delamination)되어, 그루브 형상의 상기 마이크로 채널이 형성되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 레이저는, 연속파(continuous wave)형의 가시광선 영역의 고체 레이저를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 레이저의 세기는 0.2W 이상 1.3W 이하이고, 상기 레이저의 스캐닝 속도는 0.7mm/s 이상 50mm/s 이하인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 레이저는, 상기 레이저의 조사가 시작되는 제1 지점에서 상기 레이저의 조사가 종료되는 제2 지점까지 연속적으로 조사되는 것을 포함하되, 상기 제1 지점에서 상기 제2 지점까지의 길이는, 상기 탄화 구조체의 길이, 및 그루브 형상의 상기 마이크로 채널의 길이와 동일한 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 고분자 필름의 상기 상부 영역의 상기 제1 지점에서 상기 제2 지점까지 상기 레이저를 연속적으로 조사 시, 상기 탄화 구조체가 생성됨과 동시에, 상기 배출 가스의 압력으로 인해, 상기 탄화 구조체가 상기 제1 지점에서부터 상기 제2 지점까지, 상기 고분자 필름으로부터, 순차적으로 그리고 자발적으로 박리되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 마이크로 채널의 그루브의 깊이는, 상기 레이저의 세기 및 스캐닝 속도에 의해 제어되되, 상기 레이저의 세기가 강할수록 상기 마이크로 채널의 그루브의 깊이가 깊어지고, 상기 레이저의 스캐닝 속도가 느릴수록 상기 마이크로 채널의 그루브의 깊이가 깊어지는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 마이크로 채널의 그루브의 너비는, 상기 레이저의 세기 및 스캐닝 속도에 의해 제어되되, 상기 레이저의 세기가 강할수록 상기 마이크로 채널의 그루브의 너비가 넓어지고, 상기 레이저의 스캐닝 속도가 느릴수록 상기 마이크로 채널의 그루브의 너비가 넓어지는 것을 포함하고,
상기 마이크로 채널의 그루브의 표면 조도는, 상기 레이저의 세기 및 스캐닝 속도에 의해 제어되되, 상기 레이저의 세기가 강할수록 상기 마이크로 채널의 그루브의 표면 조도가 증가하고, 상기 레이저의 스캐닝 속도가 느릴수록 상기 마이크로 채널의 그루브의 표면 조도가 증가하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 마이크로 채널의 그루브의 표면에, 상기 고분자 필름이 상기 레이저에 의해, 탄화된 잔여물이 제공되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 고분자 필름을 준비하는 단계는, 상기 고분자 필름을 세정 용액으로 세정하는 단계, 상기 고분자 필름을 기판 상에 접합시키는 단계, 상기 기판을 지지대에 접합시키는 단계, 및 상기 지지대를 이용하여 상기 기판 상의 상기 고분자 필름의 위치 및 각도를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 마이크로 채널을 갖는 상기 필름 구조체는, 고분자 필름, 및 상기 고분자 필름의 상부면 내에 제공된 그루브 형상의 마이크로 채널을 포함하되, 상기 마이크로 채널의 그루브의 표면에 상기 고분자 필름이 탄화된 잔여물이 제공되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 고분자 필름은, 폴리이미드(polyimide) 필름인 것을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체가 삽입된 마이크로플로우 센서(microflow sensor)를 제공한다.
상기 마이크로플로우 센서는, 상술된 상기 마이크로 채널을 갖는 상기 필름 구조체, 상기 필름 구조체 상에 배치되어, 상기 마이크로 채널을 밀봉하는 캡핑층, 및 상기 캡핑층을 관통하여 상기 마이크로 채널과 연통하고, 상기 마이크로 채널로 유체를 주입하거나, 상기 마이크로 채널의 유체를 배출하는 펌프를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체의 제조 방법은, 고분자 필름을 준비하는 단계, 및 상기 고분자 필름에 레이저를 조사하여 상기 고분자 필름의 상부면 내에 그루브 형상의 상기 마이크로 채널을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 마이크로 채널을 갖는 상기 필름 구조체의 제조 방법이 간소화되고 제조 시간이 단축될 수 있다. 그리고, 상기 고분자 필름의 상부면에 조사되는 상기 레이저는, 연속파로 조사될 수 있고, 상기 마이크로 채널 제조 시, 에너지 소비가 감소되고, 제조 비용이 절감될 수 있다. 이에 따라서, 대량 생산이 용이한 상기 마이크로 채널을 갖는 상기 필름 구조체의 제조 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 레이저의 세기 및 스캐닝 속도를 조절하여, 상기 마이크로 채널의 그루브의 너비, 깊이, 표면 조도, 및 표면 재질이 제어될 수 있다. 따라서, 상기 필름 구조체 내에, 다양한 너비, 깊이, 표면 조도 및 표면 재질의 그루브를 갖는 상기 마이크로 채널을 형성할 수 있다.
그리고, 상기 레이저의 조사 조건을 조절하여, 상기 마이크로 채널의 그루브의 너비는 유지하고 깊이를 깊게 형성하거나 상기 마이크로 채널의 그루브의 깊이는 유지하고 너비를 넓게 형성할 수 있다. 따라서, 상기 필름 구조체 내에 다양한 3차원 형상을 갖는 상기 마이크로 채널을 형성할 수 있다. 이에 따라서, 상기 마이크로 채널을 갖는 상기 필름 구조체는, 미세 유체학(microfluidic device), 바이오 분야, 현장 진단(point of care)등 다양한 산업에 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체의 제조 방법에서 마이크로 채널을 형성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 필름 구조체 내에 레이저 조사 조건에 따른 마이크로 채널 및 탄화 구조체를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로플로우 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 실험 예에 따른 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체를 제조하기 위한 레이저 장비의 제어 부분(control part)과 비전 및 초점 부분(vision & focusing part)의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 실험 예에 따른 폴리이미드 필름의 박리 비율을 비교하기 위한 도면이다.
도 7은 실험 예에 따른 필름 구조체 내의 마이크로 채널을 촬영한 광학 현미경 사진(optical microscope) 및 주사 전자 현미경(scanning electron microscope) 사진이다.
도 8은 실험 예에 따른 마이크로 채널의 표면을 라만 분광법(raman spectroscopy)으로 분석한 도면이다.
도 9는 실험 예에 따른 마이크로 채널의 표면을 AFM(atomic force microscopy)으로 분석한 도면이다.
도 10은 실험 예에 따른 레이저를 폴리이미드 필름에 반복 조사하여 형성된 마이크로 채널의 그루브를 광학 현미경으로 촬영한 사진 및 OSP(optical surface profiler)으로 측정한 도면이다.
도 11은 실험 예에 따른 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체의 형상을 PDMS(Polydimethylsiloxane)로 몰딩(molding)하여 상기 PDMS의 단면을 광학 현미경으로 촬영한 사진이다.
도 12는 실험 예에 따른 레이저를 폴리이미드 필름의 상부 영역에 조사하여 박리된 폴리이미드 필름의 형상을 OSP으로 측정한 도면이다.
도 13은 실험 예에 따른 레이저의 스캐닝 경로를 나선(spiral)으로 설정하고 폴리이미드 필름의 상부 영역에 조사하여 박리된 상기 폴리이미드 필름의 상부 영역을 촬영한 사진이다.
도 14는 실험 예에 따른 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체를 적용한 마이크로플로우 센서(microflow sensor)를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성 요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체의 제조 방법에서 마이크로 채널을 형성하는 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 필름 구조체 내에 레이저 조사 조건에 따른 마이크로 채널 및 탄화 구조체를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면 고분자 필름(100)이 준비된다(S110).
예를 들어, 상기 고분자 필름(100)은, 폴리이미드(polyimide) 필름일 수 있다.
상기 고분자 필름(100)은, 세정 용액 및 와이퍼를 이용하여 세정될 수 있다. 예를 들어, 상기 세정 용액은, 에탄올 또는 초순수(deionized water) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 고분자 필름(100)을 준비하는 단계는 상기 고분자 필름(100)을 기판 상에 접합시키는 단계, 및 상기 기판을 지지대에 접합시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 고분자 필름(100)은, 양면 테이프를 이용하여, 상기 기판 상에 접합될 수 있다. 예를 들어, 상기 기판은, 유리 기판일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기판은, 양면 테이프를 이용하여, 상기 지지대에 접합될 수 있다. 예를 들어, 상기 지지대는, X-Y축 스테이지 및 Z축 스테이지가 연동되는 고니어미터(goniometer)일 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 고분자 필름(100)에 레이저를 조사하여, 상기 고분자 필름의 상기 상부면 내에 그루브(groove) 형상의 마이크로 채널(200)이 형성된다(S120).
상기 레이저를 조사하기 전, 상기 지지대를 이용하여, 상기 기판 상의 상기 고분자 필름(100)의 위치 및 각도가 조절될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 고분자 필름(100)의 상부면에 조사될 레이저의 초점은, 상기 지지대와 연동되는 상기 Z축 스테이지를 조절하여 맞출 수 있다. 구체적으로, 상기 레이저의 초점은, 레이저 장비에 연결된 CCD(charge coupled device) 카메라를 통해, 상기 고분자 필름(100)의 상기 상부면이 선명하게 관찰될 때까지, 상기 Z축 스테이지의 위치를 Z축 방향으로 조절하여 맞출 수 있다. 그리고, 상기 레이저가 조사되는 상기 고분자 필름(100)의 상기 상부면의 기울기는, 상기 지지대의 각도를 조절하여 맞출 수 있다. 구체적으로, 상기 고분자 필름(100)의 상기 상부면의 기울기는, 상기 지지대와 연동되는 상기 X-Y축 스테이지를 X축 및 Y축 방향으로 이동시키면서, 상기 레이저의 초점의 크기가 일정하도록 상기 지지대의 각도를 조절하여 맞출 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 고분자 필름(100)의 상기 상부면에 상기 레이저 조사 시, 상기 고분자 필름(100)의 상부 영역은 탄화(canonization)되어, 탄화 구조체(110)가 생성될 수 있다. 이 때, 상기 탄화 구조체(110)의 생성과 동시에, 상기 탄화 구조체(110)는, 상기 고분자 필름(100)으로부터 자발적으로(spontaneously) 박리되어, 그루브 형상의 상기 마이크로 채널(200)을 형성할 수 있다.
구체적으로, 상기 레이저는, 상기 고분자 필름(100)의 상기 상부 영역에, 상기 레이저의 조사가 시작되는 제1 지점(102)에서 상기 레이저의 조사가 종료되는 제2 지점(104)까지 연속적으로 조사될 수 있다. 이에 따라, 상기 고분자 필름(100)의 상기 상부 영역에 생성되는 상기 탄화 구조체(110)는, 상기 제1 지점(102)에서 상기 제2 지점(104)까지의 길이를 가질 수 있다. 이와 동시에, 상기 탄화 구조체(110)의 하단부에서 발생되는 배출 가스의 압력에 의해, 상기 탄화 구조체(110)는, 상기 제1 지점(102)에서 상기 제2 지점(104)까지, 순차적으로 상기 고분자 필름(100)으로부터 박리될 수 있다. 이 때, 상기 배출 가스는, 상기 고분자 필름(100)의 상기 상부면과 법선 방향으로 압력을 유발시켜, 상기 탄화 구조체(100)를 자발적으로 박리 시킬 수 있다. 이에 따라서, 상기 고분자 필름(100)의 상기 상부면 내에, 상기 제 1지점(100)에서 상기 제2 지점(104)까지의 길이를 갖는 그루브 형상의 상기 마이크로 채널(200)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 레이저는, 연속파(continuous wave)형의 가시광선 영역의 고체 레이저일 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 레이저의 세기 및 스캐닝 속도에 따라서, 상기 탄화 구조체(110)가, 상기 고분자 필름(100)으로부터 박리되어 상기 마이크로 채널(200)을 형성하거나 상기 고분자 필름(100) 상부면 내에 제공될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 레이저의 세기가 0.2W 이상 1.3W 이하이고 상기 레이저의 스캐닝 속도가 0.7mm/s 이상 50mm/s 이하인 경우, 구체적으로, 상기 레이저의 세기가 0.2W 이고 상기 레이저의 스캐닝 속도가 5mm/s 이상 20mm/s 이하인 경우, 상기 레이저의 세기가 0.3W 이고 상기 레이저의 스캐닝 속도가 5 mm/s 이상 20mm/s 이하인 경우, 상기 레이저의 스캐닝 속도가 0.4W 이고 상기 레이저의 스캐닝 속도가 1mm/s 이상 50 mm/s 이하인 경우, 상기 레이저의 세기가 0.7W 이고 상기 레이저의 스캐닝 속도가 0.7mm/s 이상 50mm/s 이하인 경우, 상기 레이저의 세기가 1W 이고 상기 레이저의 스캐닝 속도가 0.7 mm/s 이상 50 mm/s 이하인 경우, 상기 레이저의 세기가 1.3W 이고 상기 레이저의 스캐닝 속도가 5mm/s 이상 50 mm/s 이하인 경우, 도 2에서 설명한 바와 같이, 상기 고분자 필름(100)의 상기 상부 영역에, 상기 탄화 구조체(110)가 생성되는 동시에, 생성된 상기 탄화 구조체(110)는, 상기 배출 가스의 압력에 의해, 상기 고분자 필름(100)으로부터 순차적으로 그리고 자발적으로 박리되어, 그루브 형상의 상기 마이크로 채널(200) 갖는 필름 구조체(300)를 제조할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 레이저가 조사된 상기 고분자 필름(100)의 상기 상부 영역에, 상기 레이저에 의한 광열 반응(photothermal reaction)이 발생되어 상기 탄화 구조체(110)가 생성될 수 있다. 또한, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 레이저의 조사지점을 기점으로, 상기 레이저의 스캐닝 방향으로는 상대적으로 급격한 온도구배를 갖는 제1 온도구배(112)가 나타날 수 있다. 이와 달리, 상기 레이저의 스캐닝 방향과 대향하는 방향으로는 상대적으로 완만한 온도구배를 갖는 제2 온도구배(114)가 나타날 수 있다. 이에 따라서, 상기 탄화 구조체(110)의 하단부에서 배출되는 상기 배출 가스의 배출 속도가 증가하여, 상기 배출 가스의 압력이 증가할 수 있다. 따라서, 상기 탄화 구조체(100)는, 상기 제1 지점(102)에서 상기 제2 지점(104)까지, 순차적으로 그리고 자발적으로 상기 고분자 필름(100)으로부터 박리될 수 있다. 그리고, 상기 배출 가스의 압력에 의해 박리되는 상기 탄화 구조체(110)는, 상기 레이저 스캐닝 방향에 대향하는 방향으로 일정한 각도를 유지한 상태로 상기 고분자 필름(100)으로부터 떨어져 나갈 수 있다. 이에 따라서, 상기 마이크로 채널(200)을 갖는 상기 필름 구조체(300)가 제조될 수 있다.
이와 달리, 상기 레이저의 세기 및 스캔 속도를 상기 레이저의 조사지점을 기점으로 상기 제1 온도구배(112)보다 낮은 온도구배를 갖게 조사한 경우, 상기 고분자 필름(100)의 상기 상부면에서, 상기 탄화 구조체(110)가 생성될 수 있지만, 생성된 상기 탄화 구조체(110)는, 상기 배출 가스의 압력이 상대적으로 낮아, 상기 고분자 필름(100)으로부터 실질적으로 박리되지 않을 수 있다. 따라서, 상기 고분자 필름(100)의 상기 상부면 내에 상기 탄화 구조체(110)가 잔존할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 레이저가 조사된 상기 고분자 필름(100)의 상기 상부 영역에, 상기 레이저에 의한 광열 반응(photothermal reaction)이 발생되어, 상기 탄화 구조체(110)가 생성될 수 있다. 또한, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 레이저의 조사지점을 기점으로, 상기 레이저의 스캐닝 방향으로는 상기 제1 온도구배(112)보다 상대적으로 완만한 온도구배를 갖는 제3 온도구배(116)가 나타날 수 있다. 이와 달리, 상기 레이저의 스캐닝 방향과 대향하는 방향으로는 상기 제2 온도구배(114)보다 상대적으로 완만한 온도구배를 갖는 제4 온도구배(118)가 나타날 수 있다. 이에 따라서, 상기 탄화 구조체(110)의 하단부에서 배출되는 상기 배출 가스의 배출 속도가 감소하여, 상기 배출 가스의 압력이 감소할 수 있다. 따라서, 상기 탄화 구조체(100)는, 상기 제1 지점(102)에서 상기 제2 지점(104)까지, 실질적으로 박리되지 않을 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 상기 마이크로 채널(200)을 갖는 상기 필름 구조체(300)는, 상기 레이저의 세기 및 스캐닝 속도를 조절하여, 상기 마이크로 채널(200)의 그루브의 너비, 깊이, 표면 조도, 및 표면 재질을 제어할 수 있다.
상기 마이크로 채널(200)의 그루브의 너비는, 상대적으로 상기 레이저의 세기가 강할수록 상기 레이저의 스캐닝 속도가 느릴수록 넓어질 수 있다. 이와 달리, 상기 마이크로 채널(200)의 그루브의 너비는, 상대적으로 상기 레이저의 세기가 약할수록 상기 레이저의 스캐닝 속도가 빠를수록 좁아질 수 있다.
상기 마이크로 채널(200)의 그루브의 깊이는, 상대적으로 상기 레이저의 세기가 강할수록 상기 레이저의 스캐닝 속도가 느릴수록 깊어질 수 있다. 이와 달리, 상기 마이크로 채널(200)의 그루브의 깊이는, 상대적으로 상기 레이저의 세기가 약할수록 상기 레이저의 스캐닝 속도가 빠를수록 얕아질 수 있다.
상기 마이크로 채널(200)의 그루브의 표면 조도는, 상대적으로 상기 레이저의 세기가 강할수록 상기 레이저의 스캐닝 속도가 느릴수록 증가할 수 있다. 이와 달리, 상기 마이크로 채널(200)의 그루브의 표면 조도는, 상대적으로 상기 레이저의 세기가 약할수록 상기 레이저의 스캐닝 속도가 빠를수록 감소할 수 있다.
상기 마이크로 채널(200)의 그루브의 표면 재질은, 상기 레이저의 스캐닝 속도가 느릴수록 탄화된 잔여물의 양이 증가하고, 이와 달리, 상기 마이크로 채널(200)의 그루브의 표면 재질은, 상대적으로 상기 레이저의 스캐닝 속도가 빠를수록 상기 탄화된 잔여물의 양기 감소할 수 있다.
이에 따라서, 상기 레이저의 세기 및 스캐닝 속도를 제어하여, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 필름 구조체(300) 내에, 다양한 너비, 깊이, 표면 조도 및 표면 재질의 그루브를 갖는 상기 마이크로 채널(200)이 형성될 수 있다.
그리고, 상기 레이저의 세기 및 스캐닝 속도를 동일한 조건으로 상기 고분자 필름(100)의 상기 상부 영역에 반복 조사하는 경우, 상기 마이크로 채널(200)의 그루브는, 너비를 유지하고 깊이는 깊게 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 레이저가 상기 제1 지점(102)에서 상기 제2 지점(104)까지 반복 조사된 경우, 상기 마이크로 채널(200)의 그루브는, 실질적으로 너비를 유지하고 깊이가 깊은 형상을 가질 수 있다.
이와 달리, 상기 레이저의 세기 및 스캐닝 속도를 동일한 조건으로 상기 고분자 필름(100)의 상기 상부 영역에 조사하는 경우, 상기 마이크로 채널(200)의 그루브는, 깊이를 유지하고 너비는 넓게 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 레이저가, 상기 제1 지점(102)에서 상기 제2 지점(104)까지 조사된 후, 상기 제1 지점(102)에서 상기 제2 지점(104)까지의 길이 방향과 직교한 방향으로 나란히 조사된 경우, 상기 마이크로 채널(200)의 그루브는, 실질적으로 깊이를 유지하고 너비가 넓은 형상을 가질 수 있다.
이에 따라서, 동일한 상기 레이저의 세기 및 스캐닝 속도로 조사하여, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 필름 구조체(300) 내에, 다양한 형태의 3차원 형상을 갖는 상기 마이크로 채널(200)이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 상기 마이크로 채널(200)을 갖는 상기 필름 구조체(300)의 제조 방법은, 상술된 바와 같이, 상기 고분자 필름(100)을 준비하는 단계, 및 상기 고분자 필름(100)에 상기 레이저를 조사하여 상기 고분자 필름(100)의 상부면 내에 그루브 형상의 상기 마이크로 채널(200)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 종래 기술인 포토리소그래피(photolithography) 공정을 이용하여, 상기 마이크로 채널(200)을 제조하는 방법보다 제조 방법이 간소화되고 제조 시간이 단축될 수 있다. 또한, 상기 고분자 필름(100)에 상기 레이저는, 연속파로 조사될 수 있다. 이 경우, 종래 기술인 펄스파(pulse wave)로 조사하는 것보다 낮은 에너지가 소모되어 제조 비용이 절감될 수 있다. 이에 따라서, 상기 마이크로 필름(200)을 갖는 상기 필름 구조체(300)는 용이하게 대량 생산이 가능할 수 있다.
상술된 본 발명의 실시 예에 따른 상기 필름 구조체를 이용하여 마이크로플로우 센서(microflow sensor)가 제조될 수 있다. 이하, 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로플로우 센서가 설명된다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로플로우 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 도 1 내지 도 2을 참조하여 설명된 마이크로 채널(200)을 갖는 필름 구조체(300)가 제공된다.
마이크로플로우 센서(400)는, 상기 필름 구조체(300) 상에, 상기 마이크로 채널(200)을 밀봉하는 캡핑층(410)이 배치되고, 상기 캡핑층(410)을 관통하여 상기 마이크로 채널(200)과 연통되는 튜브(420)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 캡핑층(410)은, 투명한 고분자 물질인 PDMS(polydimethylsiloxane)일 수 있다.
상기 마이크로플로우 센서(400)는, 상기 튜브(420)를 통해, 상기 마이크로 채널(200)에 유체를 주입하거나 상기 마이크로 채널(200)의 상기 유체를 배출할 수 있다. 이에 따라서, 상기 마이크로플로우 센서(400)는, 주입된 상기 유체의 흐름에 따라, 상기 마이크로 채널(200)의 그루브의 표면에 발생되는 마찰 변화를 감지하여, 제타 전위(zeta potential) 값을 측정할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체의 구체적인 실험 예 및 특성평가가 설명된다.
도 5는 실험 예에 따른 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체를 제조하기 위한 레이저 장비의 제어부(control part)와 비전 및 초점부(vision & focusing part)의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 레이저 장비의 제어부는 레이저(laser), 광학 아이솔레이터(optical isolator), 기계식 셔터(mechanical shutter), X-Y축 스테이지(X-Y axis stage)로 구성된다. 레이저 장비의 비전 및 초점부는 이색 필터(dichroic mirror), 노치 미러(notch mirror), 노치필터(notch filter), CCD(charge-coupled device) 카메라, 대물렌즈(objective lens), Z축 스테이지 및 고니오미터(Z Axis stage & goniometer)로 구성된다.
도 5에서 알 수 있듯이, 레이저 장비의 제어부에서, 상기 레이저는, 532nm의 파장을 갖는 CO2 기반의 CW(continuous wave)이다. 상기 광학 아이솔레이터는 반사율이 높은 물질에 상기 레이저 조사 시, 조사된 상기 레이저가, 물질의 상부 영역에서 반사되어 다시 되돌아오는 것을 방지한다. 상기 기계식 셔터는, 기계적으로 상기 레이저를 차단하거나 투과 시킬 수 있고, 상기 X-Y축 스테이지의 프로그램과 연동된다.
레이저 장비의 비전 및 초점부에서, 상기 노치 미러는, 굴절률이 다른 물질이 복수의 박막으로 이루어진 반사경이고 532nm 미만의 상기 레이저는 반사하고 532nm의 상기 레이저는 투과 시킨다. 또한, 상기 노치 미러는 CCD 카메라를 통해 투과된 레이저가 확인 가능하다. 상기 노치 필터는 532nm에서 좁은 스탑 밴드(stop band)를 갖는 밴드-스탑(band-stop)필터이다. 따라서, 상기 노치 필터는, 상기 레이저에 의해, 상기 CCD 카메라가 손상되는 것을 방지할 수 있다. 상기 CCD 카메라는, CCD를 이용하여 영상을 전기신호로 변환하여 컴퓨터 메모리에 저장시키는 카메라이다. 또한, 상기 CCD 카메라를 통해, 수직 방향에서, 레이저 공정이 모니터링 가능하다. 상기 대물렌즈는, 5배율이고 상기 레이저를 초점으로 집중시킨다. 상기 Z축 스테이지 및 고니오미터는, 상기 레이저가 조사되는 물질의 Z축 방향의 거리 및 X, Y방향의 기울기를 조절하고 상기 레이저 초점거리를 유지한다.
실험 예에 따른 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체의 제조 방법
고분자 필름으로 폴리이미드 필름, 기판으로 유리 기판, 세척 용액으로 에탄올을 준비하였다.
상기 폴리이미드 필름을 상기 에탄올 및 와이퍼를 이용하여 세정한 후, 상기 유리 기판 상에, 양면 테이프를 이용하여 고정하였다. 그리고, 도 5에서 도시된 바와 같이, 레이저 장비 내의 고니오미터(goniometer) 상에, 상기 유리 기판을 양면 테이프를 이용하여 고정하였다. 그리고, 레이저 장비 내의 CCD(charge-coupled device) 카메라를 통해, 상기 고니오미터와 연동되는 Z축 스테이션의 위치를 조절하여, 상기 폴리이미드 필름의 상부면에 조사되는 레이저의 초점을 맞추었다. 그리고, 레이저 장비의 X-Y축 스테이션을 조절하면서 상기 고니오미터의 각도를 조절하여, 상기 레이저가 조사되는 상기 폴리이미드 필름의 상기 상부면의 평탄도를 맞추었다.
이후, 하기 [표 1]과 같이, 상기 레이저의 세기 및 스캐닝 속도를 설정하고 상기 폴리이미드 필름의 상기 상부면에 상기 레이저를 조사하였다. 상기 폴리이미드 필름의 상기 상부면에 레이저 조사 후, 상기 레이저에 의해 박리된 탄화 구조체를 에어건으로 제거하여, 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체를 제조하였다.
레이저 세기(W) 레이저 스캐닝 속도(mm/s)
0.1 0.2
0.1 0.4
0.1 0.7
0.1 1.0
0.1 5.0
0.1 20
0.1 50
0.2 0.2
0.2 0.4
0.2 0.7
0.2 1.0
0.2 5.0
0.2 20
0.2 50
0.3 0.2
0.3 0.4
0.3 0.7
0.3 1.0
0.3 5.0
0.3 20
0.3 50
0.4 0.2
0.4 0.4
0.4 0.7
0.4 1.0
0.4 5.0
0.4 20
0.4 50
0.7 0.2
0.7 0.4
0.7 0.7
0.7 1.0
0.7 5.0
0.7 20
0.7 50
1.0 0.2
1.0 0.4
1.0 0.7
1.0 1.0
1.0 5.0
1.0 20
1.0 50
1.3 0.2
1.3 0.4
1.3 0.7
1.3 1.0
1.3 5.0
1.3 20
1.3 50
도 6은 실험 예에 따른 폴리이미드 필름의 박리 비율을 비교하기 위한 도면이다.
도 6 및 [표 1]을 참조하면, 실험 예에 따른 레이저 세기(0.1W, 0.2W, 0.3W, 0.4W, 0.7W, 1.0W, 1.3W) 및 스캐닝 속도(0.2 mm/s, 0.4 mm/s, 0.7 mm/s, 1.0 mm/s, 5.0 mm/s, 20mm/s, 50mm/s)를 조절하여, 폴리이미드 필름의 박리 비율을 비교하였다.
상기 폴리이미드 필름의 박리 비율은, 상기 폴리이미드 필름의 상부 영역에 5mm 길이만큼 상기 레이저를 조사하여, 광학 현미경으로, 5mm 길이 대비 박리된 마이크로 채널의 길이를 측정하여 계산되었다. 그리고, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 레이저 조사 조건에 따라, 10회 반복 실시한 박리 비율의 평균 값으로 비교하였다. 그리고, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 박리된 상기 마이크로 채널의 양끝에, 실버 페이스트 전극층을 형성하고 저항 값을 측정하여, 상기 폴리이미드 필름의 박리 여부 및 탄화 구조체 잔존 여부를 추가 확인하였다.
도 6의 (a)에서 파락색 음영이 진할수록 박리 비율이 높은 영역이고, 흰색은 박리가 발생되지 않은 영역이다. 도 6의 (b)에서 붉은색 음영이 진할수록 저항 값이 높게 측정된 영역이고, 흰색은 저항 값이 0Ω인 영역이고, 빗금 영역은 저항이 측정되지 않은 영역이다.
도 6의 (a)에서 알 수 있듯이, 상기 레이저의 세기가 0.7W 이상 1.0W 이하인 경우, 상기 폴리이미드 필름의 상기 상부 영역이 용이하게 박리되어 상기 마이크로 채널을 형성하는 것을 알 수 있다. 이와 달리, 상기 레이저의 세기가 현저하게 약한 경우, 상기 폴리이미드 필름의 상기 상부 영역에 급격한 온도구배를 유발하지 못하여, 상기 폴리이미드 필름의 상기 상부 영역이 박리되지 않은 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 마이크로 채널이 형성되지 않은 것을 알 수 있다. 그리고, 상기 레이저의 세기가 1.3W이고 상기 레이저의 스캐닝 속도가 0.7mm/s 내지 1.0mm/s인 경우, 상기 레이저의 스캐닝 속도가 빨라질수록, 상기 폴리이미드 필름의 상기 상부 영역의 박리 비율이 감소하는 것을 알 수 있다. 상기 폴리이미드 필름의 상기 상부 영역의 박리 비율이 감소한 요인은, 현저하게 높은 레이저의 플루언스(fluence)에 의해 상기 폴리이미드 필름의 상기 상부 영역의 박리가 억제된 것으로 해석될 수 있다.
상기 레이저의 스캐닝 속도가 5mm/s 이상 20mm/s 이하인 경우, 상기 폴리이미드 필름의 상기 상부 영역이 용이하게 박리되는 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 마이크로 채널이 형성된 것을 알 수 있다. 이와 달리, 상기 레이저의 스캐닝 속도가 현저하게 느린 경우, 상기 폴리이미드 필름의 상기 상부 영역에 급격한 온도구배를 유발하지 못하여, 상기 폴리이미드 필름의 상부 영역이 박리되지 않은 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 마이크로 채널이 형성되지 않은 것을 알 수 있다. 그리고, 상기 레이저 스캐닝 속도가 50mm/s이고, 상기 레이저의 세기가 0.2W 내지 0.3W인 경우, 상기 레이저의 세기가 강할수록, 상기 폴리미이드 필름의 상기 상부 영역의 박리 비율이 감소하는 것을 알 수 있다. 상기 폴리이미드 필름의 상기 상부 영역의 박리 비율이 감소한 요인은, 현저하게 낮은 레이저의 플루언스에 의해 상기 폴리이미드 필름의 상기 상부 영역의 박리가 억제된 것으로 해석될 수 있다.
도 6의 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 레이저의 세기가 0.1W 내지 0.3W이고 상기 레이저의 스캐닝 속도가 0.2mm/s 내지 1mm/s인 경우, 상기 레이저의 세기 및 스캐닝 속도가 감소할수록, 저항 값이 상승하는 것을 알 수 있다. 이 경우, 도 6의 (a)에서 도시된 바와 같이, 상기 폴리이미드 필름의 상기 상부 영역이 박리되지 않아, 상기 마이크로 채널이 형성되지 않은 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 폴리이미드 필름이 박리되지 않는 경우, 상기 레이저 조사에 의해, 상기 탄화 구조체가 상기 폴리이미드 필름의 상기 상부 영역에 잔존하여, 저항 값을 갖는 것을 알 수 있다. 이에 따라서, 저항 값이 상승하는 요인은, 상기 레이저의 세기 및 스캐닝 속도가 감소할수록, 상대적으로 더 작은 단면적을 갖는 상기 탄화 구조체가 형성되어, 저항 값이 상승한 것으로 해석될 수 있다.
상기 레이저의 세기가 0.1W이고 상기 레이저의 스캐닝 속도가 20mm/s 내지 50mm/s인 경우, 저항 값이 측정되지 않은 것을 알 수 있다. 이 경우, 도 6의 (a)에서 도시된 바와 같이, 상기 폴리이미드 필름의 상기 상부 영역이 박리되지 않아, 상기 마이크로 채널이 형성되지 않은 것을 알 수 있다. 그리고, 현저하게 낮은 레이저의 플루언스에 의해, 상기 폴리이미드 필름의 상기 상부 영역에, 상기 탄화 구조체가 형성되지 않아, 저항 값이 측정되지 않은 것을 알 수 있다.
결론적으로, 상기 레이저의 세기가 0.7W 이상 1.0W 이하이고, 상기 레이저의 스캐닝 속도가 5mm/s 이상 20mm/s 이하인 경우, 상기 폴리이미드 필름의 상기 상부 영역이 용이하게 박리되어, 상기 마이크로 채널을 용이하게 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 마이크로 채널의 그루브의 표면에 상기 탄화 구조체가 잔존하지 않는 것을 알 수 있다.
도 7은 실험 예에 따른 필름 구조체 내의 마이크로 채널을 촬영한 광학 현미경 사진(optical microscope) 및 주사 전자 현미경(scanning electron microscope) 사진이다.
도 7 및 [표 1]을 참조하면, 도 7의 (a)는, 실험 예(레이저 세기 0.4W, 레이저 스캐닝 속도 1.0mm/s)에 따른 마이크로 채널의 광학 현미경 사진 및 주사 전자 현미경 사진이다. 도 7의 (b)는, 실험 예(레이저 세기 0.4W, 레이저 스캐닝 속도 5.0mm/s)에 따른 상기 마이크로 채널의 광학 현미경 사진 및 주사 전자 현미경 사진이다. 도 7의 (c)는, 실험 예(레이저 세기 0.4W, 레이저 스캐닝 속도 20mm/s)에 따른 상기 마이크로 채널의 광학 현미경 사진 및 주사 전자 현미경 사진이다. 도 7의 (d)는, 실험 예(레이저 세기 0.4W, 레이저 스캐닝 속도 50mm/s)에 따른 상기 마이크로 채널의 광학 현미경 사진 및 주사 전자 현미경 사진이다.
도 7에서 알 수 있듯이, 상기 레이저의 세기는 0.4W로 고정하고, 상기 레이저의 스캐닝 속도(1.0mm/s, 5.0mm/s, 20mm/s, 50mm/s)를 변경하여 상기 마이크로 채널을 형성한 경우, 상기 레이저 스캐닝 속도에 따라, 상기 마이크로 채널의 그루브의 너비, 깊이, 및 표면 조도가 변화되는 것을 알 수 있다.
상대적으로 상기 레이저 스캐닝 속도가 느린 경우, 폴리이미드 필름의 상부 영역에, 상대적으로 높은 상기 레이저 플루언스가 가해지는 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 폴리이미드 필름의 상기 상부 영역에, 생성되는 탄화 구조체는 너비가 넓고 깊이가 깊게 형성됨과 동시에, 상기 폴리이미드 필름으로부터 박리되는 것을 알 수 있다. 이에 따라서, 상대적으로 너비가 넓고 깊이가 깊은 형상의 그루브를 갖는 상기 마이크로 채널이 형성되는 것을 알 수 있다. 또한, 상기 마이크로 채널의 그루브의 표면 조도가 증가하는 것을 알 수 있다.
이와 달리, 상대적으로 상기 레이저 스캐닝 속도가 빠른 경우, 상기 폴리이미드 필름의 상기 상부 영역에, 상대적으로 낮은 상기 레이저 플루언스가 가해지는 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 폴리이미드 필름의 상기 상부 영역에, 생성되는 상기 탄화 구조체는 너비가 좁고 깊이가 얕게 형성됨과 동시에, 상기 폴리이미드 필름으로부터 박리되는 것을 알 수 있다. 이에 따라서, 상대적으로 너비가 좁고 깊이가 얕은 형상의 그루브를 갖는 상기 마이크로 채널이 형성되는 것을 알 수 있다. 또한, 상기 마이크로 채널의 그루브의 표면 조도가 감소하는 것을 알 수 있다.
이에 따라서, 상기 레이저 스캐닝 속도를 조절하여, 상기 마이크로 채널의 그루브의 너비, 깊이 및 표면 조도를 제어할 수 있는 것을 알 수 있다.
도 8은 실험 예에 따른 마이크로 채널의 표면을 라만 분광법(raman spectroscopy)으로 분석한 도면이다.
도 8 및 [표 1]을 참조하면, 실험 예(레이저 세기 0.4W, 레이저 스캐닝 속도 1.0mm/s)에 따른 마이크로 채널의 표면을 라만 분석하였고, 실험 예(레이저 세기 0.4W, 레이저 스캐닝 속도 50mm/s)에 따른 상기 마이크로 채널의 표면을 라만 분석하였고, 추가로 폴리이미드 필름의 상부면을 라만 분석하였다.
도 8에서 알 수 있듯이, 실험 예에 따른 상기 레이저(0.4W, 1.0mm/s)에 의해 형성된 상기 마이크로 채널의 표면에서, D peak 및 G peak가 발생한 것을 알 수 있다. D peak 및 G peak는, 비정질 탄소(amorphous carbon)의 고유 peak이다. 따라서, 상기 레이저(0.4W, 1.0mm/s)에 의해 형성된 상기 마이크로 채널의 그루브의 표면에 탄화된 잔여물이 존재하는 것을 알 수 있다.
이와 달리, 실험 예에 따른 상기 레이저(0.4W, 50mm/s)에 의해 형성된 상기 마이크로 채널의 그루브의 표면에서, 폴리이미드 peak가 발생한 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 레이저(0.4W, 50mm/s)에 의해 형성된 상기 마이크로 채널의 그루브의 표면에 폴리이미드가 존재하는 것을 알 수 있다.
이에 따라서, 상기 레이저 스캐닝 속도를 조절하여, 상기 마이크로 채널의 표면의 재질을 선택적으로 제어할 수 있는 것을 알 수 있다.
도 9는 실험 예에 따른 마이크로 채널의 표면을 AFM(atomic force microscopy)으로 분석한 도면이다.
도 9 및 [표 1]을 참조하면, 도 9의 (a)는, 실험 예(레이저 세기 0.4W, 레이저 스캐닝 속도 50mm/s)에 따른 마이크로 채널의 중앙 영역의 표면 거칠기를 AFM 으로 분석하였다. 도 9의 (b)는, 실험 예(레이저 세기 0.4W, 레이저 스캐닝 속도 50mm/s)에 따른 상기 마이크로 채널의 바깥 영역의 표면 거칠기를 AFM으로 분석하였다.
도 9에서 알 수 있듯이, 상기 마이크로 채널의 중앙 영역의 제곱 평균 거칠기(Rq)는 3.482nm이고, 바깥 영역의 제곱 평균 거칠기(Rq)는 0.761nm인 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 레이저(0.4W, 50mm/s)에 의해 형성된 상기 마이크로 채널은 그루브 형상인 것을 알 수 있다.
도 10은 실험 예에 따른 레이저를 폴리이미드 필름에 반복 조사하여 형성된 마이크로 채널의 그루브를 광학 현미경으로 촬영한 사진 및 OSP(optical surface profiler)으로 측정한 도면이다.
도 10 및 [표 1]을 참조하면, 도 10의 (a)는, 실험 예(레이저 세기 0.4W, 레이저 스캐닝 속도 50mm/s)에 따른 레이저를 동일한 조건으로 폴리이미드 필름 상부 영역에 반복 조사하여 형성된 마이크로 채널의 그루브의 단면을 광학 현미경으로 촬영하였다. 도 10의 (b)는, 상기 마이크로 채널의 그루브를 OSP을 이용하여 3D 타입으로 형상을 측정하였다. 도 10의 (c)는, 상기 마이크로 채널의 그루브를 OSP을 이용하여 2D 타입으로 형상을 측정하였다.
도 10에서 알 수 있듯이, 상기 폴리이미드 필름 상기 상부 영역에, 상기 레이저를 동일한 조건으로 반복 조사 시, 상기 마이크로 채널의 그루브의 깊이가 깊어지는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 상기 마이크로 채널의 그루브의 너비는 30um 내지 40um로 유지되고, 그루브의 깊이가 15um(레이저 조사 1회차), 25um(레이저 조사 2회차), 37um(레이저 조사 3회차)으로 깊어지는 것을 알 수 있다.
도 11는 실험 예에 따른 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체의 형상을 PDMS(Polydimethylsiloxane)로 몰딩(molding)하여 상기 PDMS의 단면을 광학 현미경으로 촬영한 사진이다.
도 11 및 [표 1]을 참조하면, 실험 예(레이저 세기 0.4W, 레이저 스캐닝 속도 50mm/s)에 따른 레이저를 폴리이미드 필름의 상부 영역에 조사하였다. 그리고, 상기 레이저를 조사한 방향과 직각인 방향으로 나란히 상기 레이저를 반복 조사하여, 계단 형상의 마이크로 채널을 형성하였다. 이후, 상기 마이크로 채널에 PDMS를 제공하고 몰딩하여, 상기 PDMS의 단면을 촬영하였다.
도 11에서 알 수 있듯이, 상기 PDMS는 계단 형상의 구조를 갖는 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 레이저의 스캐닝 경로를 조절하고 상기 레이저를 반복 조사함으로써, 다양한 형상을 갖는 상기 마이크로 채널을 형성할 수 있는 것을 알 수 있다.
도 12는 실험 예에 따른 레이저를 폴리이미드 필름의 상부 영역에 조사하여 박리된 폴리이미드 필름의 형상을 OSP으로 측정한 도면이다.
도 12를 참조하면, 레이저의 세기는 0.4W, 상기 레이저의 스캐닝 속도는 50mm/s, 상기 레이저의 조사 간격은 10um, 상기 레이저의 스캐닝 경로는 상기 레이저가 폴리이미드 필름의 일부 영역만 반복 조사하도록 설정하였다. 상기 레이저 조사 후, OSP을 이용하여 3D 타입으로 상기 폴리이미드 필름의 박리된 영역의 형상을 측정하였다.
도 12에서 알 수 있듯이, 상기 폴리이미드 필름은, 상기 레이저가 조사되지 않는 4개의 영역(붉은색 영역), 상기 레이저가 1회 조사된 4개의 영역(노란색 영역), 및 상기 레이저가 2회 반복 조사된 1개의 영역(파란색 영역)을 갖는 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 폴리이미드 필름의 구조체의 형상은 계단 형상인 것을 알 수 있다. 이에 따라서, 상기 레이저의 스캐닝 경로 및 반복 조사 횟수에 따라, 상기 폴리이미드 필름 및 마이크로 채널을 다양한 형상으로 가공할 수 있는 것을 알 수 있다.
도 13은 실험 예에 따른 레이저의 스캐닝 경로를 나선(spiral)으로 설정하고 폴리이미드 필름의 상부 영역에 조사하여 박리된 상기 폴리이미드 필름의 상부 영역을 촬영한 사진이다.
도 13을 참조하면, 레이저의 세기는 0.4W, 상기 레이저의 스캐닝 속도는 50mm/s, 상기 레이저의 조사 간격은 10um, 상기 레이저의 스캐닝 경로는 나선(spiral)으로 설정하였다. 그리고, 상기 레이저를 동일한 조건으로 폴리이미드 필름의 상부 영역에 반복 조사하였다.
도 13에서 알 수 있듯이, 상기 폴리이미드 필름의 상기 상부 영역에 상기 레이저를 반복 조사 시, 상기 레이저를 반복 조사할수록, 상기 폴리이미드 필름의 상기 상부 영역이, 점차적으로 원형 형상으로 깊게 박리되는 것을 알 수 있다.
상기 레이저 조사를 12회 반복 조사 시, 상기 폴리이미드 필름의 하단면까지 완전히 박리되어, 원형 형상의 홀(hole)이 생성된 것을 알 수 있다.
이에 따라서, 상기 레이저의 스캐닝 경로 및 반복 조사 횟수에 따라, 상기 폴리이미드 필름 및 마이크로 채널을 다양한 형상으로 가공할 수 있는 것을 알 수 있다.
도 14는 실험 예에 따른 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체를 적용한 마이크로플로우 센서(microflow sensor)를 설명하기 위한 도면이다.
도 14를 참조하면, 마이크로플로우 센서는, 실험 예(레이저 세기 0.4W, 레이저 속도 50mm/s)에 따른 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체, PDMS, 및 금속 튜브(metal tube)로 구성되어 있다.
도 14에서 알 수 있듯이, 상기 마이크로 플로우 센서는, 상기 마이크로 채널을 갖는 상기 필름 구조체 상에, 상기 PDMS가 배치되어, 상기 마이크로 채널을 밀봉하고 있는 것을 알 수 있다. 그리고, 상기 PDMS를 관통하여 상기 마이크로 채널과 연통하고, 상기 마이크로 채널로 유체를 주입하거나, 상기 마이크로 채널의 유체를 배출하는 상기 금속 튜브를 포함하고 있는 것을 알 수 있다.
이에 따라서, 상기 마이크로플로우 센서는, 주입된 상기 유체의 흐름에 따라서, 상기 마이크로 채널의 표면에 발생되는 마찰 변화를 감지하여, 제타 전위(zeta potential) 값을 측정할 수 있는 것을 알 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 기판
102: 제1 지점 104: 제2 지점
110: 탄화 구조체
200: 마이크로 채널
300: 필름 구조체
400: 마이크로플로우 센서
410: 캡핑층
420: 펌프

Claims (12)

  1. 고분자 필름을 준비하는 단계; 및
    상기 고분자 필름에 레이저를 조사하여, 상기 고분자 필름의 상부면 내에 그루브(groove) 형상의 마이크로 채널을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 레이저가 조사된 상기 고분자 필름의 상부 영역은, 탄화(carbonization)되어 탄화 구조체가 생성되고,
    상기 레이저가 조사된 상기 고분자 필름의 상기 상부 영역에서 발생되는 배출 가스의 압력으로 인해, 상기 탄화 구조체가 상기 고분자 필름으로부터 자발적으로(spontaneously) 박리(delamination)되어, 그루브 형상의 상기 마이크로 채널이 형성되는 것을 포함하는 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체의 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저는, 연속파(continuous wave)형의 가시광선 영역의 고체 레이저인 것을 포함하는 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체의 제조 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 레이저의 세기는 0.2W 이상 1.3W 이하이고, 상기 레이저의 스캐닝 속도는 0.7mm/s 이상 50mm/s 이하인 것을 포함하는 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체의 제조 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저는, 상기 레이저의 조사가 시작되는 제1 지점에서 상기 레이저의 조사가 종료되는 제2 지점까지 연속적으로 조사되는 것을 포함하되,
    상기 제1 지점에서 상기 제2 지점까지의 길이는, 상기 탄화 구조체의 길이, 및 그루브 형상의 상기 마이크로 채널의 길이와 동일한 것을 포함하는 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체의 제조 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 고분자 필름의 상기 상부 영역의 상기 제1 지점에서 상기 제2 지점까지 상기 레이저를 연속적으로 조사 시,
    상기 탄화 구조체가 생성됨과 동시에, 상기 배출 가스의 압력으로 인해, 상기 탄화 구조체가 상기 제1 지점에서부터 상기 제2 지점까지, 상기 고분자 필름으로부터, 순차적으로 그리고 자발적으로 박리되는 것을 포함하는 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체의 제조 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 마이크로 채널의 그루브의 깊이는, 상기 레이저의 세기 및 스캐닝 속도에 의해 제어되되,
    상기 레이저의 세기가 강할수록 상기 마이크로 채널의 그루브의 깊이가 깊어지고,
    상기 레이저의 스캐닝 속도가 느릴수록 상기 마이크로 채널의 그루브의 깊이가 깊어지는 것을 포함하는 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체의 제조 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 마이크로 채널의 그루브의 너비는, 상기 레이저의 세기 및 스캐닝 속도에 의해 제어되되,
    상기 레이저의 세기가 강할수록 상기 마이크로 채널의 그루브의 너비가 넓어지고,
    상기 레이저의 스캐닝 속도가 느릴수록 상기 마이크로 채널의 그루브의 너비가 넓어지는 것을 포함하고,
    상기 마이크로 채널의 그루브의 표면 조도는, 상기 레이저의 세기 및 스캐닝 속도에 의해 제어되되,
    상기 레이저의 세기가 강할수록 상기 마이크로 채널의 그루브의 표면 조도가 증가하고,
    상기 레이저의 스캐닝 속도가 느릴수록 상기 마이크로 채널의 그루브의 표면 조도가 증가하는 것을 포함하는 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체의 제조 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 마이크로 채널의 그루브의 표면에, 상기 고분자 필름이 상기 레이저에 의해, 탄화된 잔여물이 제공되는 것을 포함하는 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체의 제조 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 고분자 필름을 준비하는 단계는,
    상기 고분자 필름을 세정 용액으로 세정하는 단계;
    상기 고분자 필름을 기판 상에 접합시키는 단계;
    상기 기판을 지지대에 접합시키는 단계; 및
    상기 지지대를 이용하여 상기 기판 상의 상기 고분자 필름의 위치 및 각도를 조절하는 단계를 포함하는 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체의 제조 방법.
  10. 고분자 필름; 및
    상기 고분자 필름의 상부면 내에 제공된 그루브 형상의 마이크로 채널을 포함하되,
    상기 마이크로 채널의 그루브의 표면에 상기 고분자 필름이 탄화된 잔여물이 제공되는 것을 포함하는 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 고분자 필름은, 폴리이미드(polyimide) 필름인 것을 포함하는 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체.
  12. 제 10항에 따른 마이크로 채널을 갖는 필름 구조체;
    상기 필름 구조체 상에 배치되어, 상기 마이크로 채널을 밀봉하는 캡핑층; 및
    상기 캡핑층을 관통하여 상기 마이크로 채널과 연통하고, 상기 마이크로 채널로 유체를 주입하거나, 상기 마이크로 채널의 유체를 배출하는 펌프를 포함하는 마이크로플로우 센서(microflow sensor).
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