KR20230126498A - 열경화성 고분자와 왁스를 이용한 미세유체장치의 제조방법 - Google Patents

열경화성 고분자와 왁스를 이용한 미세유체장치의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복잡한 공정을 거치지 않고도 빠른 시간에 간단한 공정에 의해 경제적으로 미세유체장치를 제조할 수 있는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 (A) 기재 상에 미세유로 형상의 왁스 패턴을 형성하는 단계; (B) 왁스 패턴이 형성된 기재 상에 열경화성 고분자 층을 형성하는 단계; 및 (C) 상기 기재를 열처리하여 열경화성 고분자를 경화시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체장치의 제조방법에 관한 것이다.

Description

열경화성 고분자와 왁스를 이용한 미세유체장치의 제조방법{Method for Fabricating Microfluidic Device Using Thermoplastic Polymer and Wax}
본 발명은 복잡한 공정을 거치지 않고도 빠른 시간에 간단한 공정에 의해 경제적으로 미세유체장치를 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.
마이크로 단위의 미세유체는 표면장력, 에너지 소실, 저항 등 시스템의 많은 변수들이 통상의 매크로 단위의 유체와는 다른 양상을 나타낸다. 미세유체공학(Microfluidics)은 수십 ㎛ ~ 수 ㎜ 단위의 영역에 제한된 미세유체의 흐름을 다루는 것으로, 1980년대 초반 처음 소개된 이래 다양한 학문분야에서 폭발적인 관심을 받아 급속하게 연구가 진행되었다. 최근에는 미세가공기술의 발달에 힘입어 미세유체공학을 이용한 미세유체장치들이 잉크젯 프린터 헤드, DNA 칩이나 랩온어칩(lab-on-a-chip)과 같은 현장진단기술, 마이크로 반응기, 세포배양 등의 분야에서 이용되고 있다. 미세유체장치에서 유체의 유속, 연속상과 시료의 조합, 미세유로의 설계 등을 변형하는 것에 의해 섬유, 캡슐, 비드 등 다양한 형태의 단분산성 마이크로입자를 제조할 수 있다. 또한, 미세유로 내에서는 물질의 확산, 열전달 속도가 매우 빠르고 단위 부피 당 활성면적이 매우 넓어 월등히 균일한 온도 및 압력 구배에서 매우 적은 양의 촉매 및 반응물질을 이용하여 높은 수율로 원하는 생성물을 얻을 수 있다는 장점이 있어 이를 이용한 정밀화학제품들이 최근에 Novartis, Merck, Degussa 등의 대형 화학회사들에 의해 상용화되기 시작하였다. 특히 미세유로 내에서는 소량의 물질을 사용하여 반응과 분석이 가능하다는 장점이 있기 때문에 고가의 시약을 사용하거나, 미량의 시료로 분석이 요구되는 바이오 분야에서의 응용에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
초기의 미세유체장치들은 유리나 실리콘을 이용한 MEMS(MicroElectroMechanical System) 기술에 의해 만들어졌다. 유리와 실리콘 기반의 미세유체 시스템 장치들은 우수한 기계적 강도를 지니고 있지만, 장치의 제작 공정이 복잡하고 비용이 많이 든다는 단점을 가지고 있다.
이후, 생명공학을 포함한 다양한 분야로 미세유체 기술이 적용됨에 따라 PDMS(poly(dimethyl)siloxane), PMMA(polymethylmethacrylate)와 같은 고분자 재료를 사용한 소프트식각(softlithography) 및 광식각(photolithography) 기술이 적용되기 시작하였다. 고분자를 이용하여 제작된 미세유체장치는 비교적 값이 저렴하여 일회용으로 사용할 수 있으며, 생물학 실험에 응용할 경우 필요한 멸균과정을 생략할 수 있고, 비교적 탄성을 자유롭게 조절할 수 있으며, 대량 생산이 가능하다는 장점이 있다. 도 1은 통상적인 광식각 공정을 보여주는 것으로, 먼저 미세유로를 디자인하여 마스크 패턴을 형성한 후, 기판의 준비 → 포토레지스트(ex, SU-8) 코팅 → 굽기 → 노광 → 굽기 → 현상/레지스트 제거 → 세척 → (굽기) 단계를 거쳐 유로가 양각된 기판을 제조한다. 이후 예를 들면, PDMS를 기판 상에 코팅하여 경화시킨 후 떼어내는 소프트식각에 의해 PDMS 몰드를 제조하고, 이를 기판 상에 접합시켜 미세유체장치를 제조하는 복잡한 공정에 의해 미세유체장치가 제조된다. 따라서 고분자 재료 자체는 비교적 값이 저렴하지만 하나의 장치를 제조하기 위해서는 수일의 시간이 소요되며, 그로 인해 제조원가가 상승하는 문제가 있다. 또한 미세유체장치의 제조에 사용되는 가장 대표적인 PDMS는 상대적으로 저렴한 가격과, 소프트식각을 통한 가공성, 기체투과성, 높은 투명도 등의 다양한 장점을 가지고 있는 반면 유기용매에 의해 팽윤 또는 변형되기 쉽기 때문에 사용할 수 있는 시약의 종류가 제한된다는 단점이 있다.
그 외에, 소프트 식각 공정을 사용하지 않고, 유리모세관(glass capillary)을 이용하여 미세유체장치를 제조하는 방법도 이용되고 있다. 상기 장치는 분산상이 주 채널의 표면에 닿지 않고 주입이 되기 때문에 채널의 표면성질에 구애받지 않고 소수성 혹은 친수성의 액적을 자유로이 형성하는 것이 가능하다. 또한 PDMS 기반의 장치와 달리 다양한 유기용매를 제약없이 이용할 수 있다는 장점 또한 가지고 있다. 그러나 제작과정이 복잡하고, 깨지기 쉽기 때문에 다루기가 어렵다는 단점이 있다.
최근에는 레이저 식각을 이용하여 기판에 유로를 직접 형성하는 방법이 제시되었다. 이는 공정이 매우 단순하여 제조시간이 크게 단축되는 장점이 있으나, 고가의 특수한 장비가 필요하다는 문제가 있다.
등록특허 제10-1882868호 등록특허 제10-1934009호
Korean Chem. Eng. Res., Vol. 48, No. 5, October, 2010, pp. 545-555. 마이크로플루이딕스, 경북대학교 첨단정보통신융합산업기술원 레이저응용기술센터.
본 발명은 복잡한 공정을 거치지 않고도 빠른 시간에 간단한 공정에 의해 저가의 재료를 사용하여 경제적으로 미세유체장치를 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 (A) 기재 상에 미세유로 형상의 왁스 패턴을 형성하는 단계; (B) 왁스 패턴이 형성된 기재 상에 열경화성 고분자 층을 형성하는 단계; 및 (C) 상기 기재를 열처리하여 열경화성 고분자를 경화시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체장치의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 방법은 추가로 상기 (C) 단계 이후에, (D) 상기 기재로부터 미세유로가 형성된 열경화성 고분자 층을 박리하는 단계; 및 (E) 상기 분리된 열경화성 고분자 층을 기판 상에 부착시키는 단계;를 포함할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 미세유체장치의 제조방법에 의하면, 복잡한 패터닝 과정과 식각 과정을 거치지 않고, 왁스 패턴의 인쇄와 열경화성 고분자 코팅층 형성, 열처리 3단계의 과정만으로 미세유체장비를 제조할 수 있으므로 미세유체장치의 제조에 소요되는 시간을 대폭 단축할 수 있으며, 대량 생산에 유리하고, 또한 저가의 재료만을 사용하여 제조가 가능하므로 경제적인 미세유체장치의 제조가 가능하다.
도 1은 종래기술에 의한 미세유로가 양각된 기판을 제조하는 공정을 보여주는 공정도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 미세유체장치의 제조 방법을 보여주는 개념도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 미세유체장치의 제조 방법을 보여주는 개념도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의해 인쇄된 왁스 패턴 및, 제조된 미세유체장치.
도 5는 여러 가지 왁스를 사용하여 인쇄된 미세유로의 이미지.
도 6은 여러 가지 왁스를 사용하여 인쇄된 미세유로의 폭을 보여주는 그래프.
이하 첨부된 도면과 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 이러한 도면과 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다. 또한, 발명을 설명함에 있어서 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
전술한 바와 같이 본 발명은 (A) 기재 상에 미세유로 형상의 왁스 패턴을 형성하는 단계; (B) 왁스 패턴이 형성된 기재 상에 열경화성 고분자 층을 형성하는 단계; 및 (C) 상기 기재를 열처리하여 열경화성 고분자를 경화시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체장치의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 왁스가 실온에서 고체 상태이므로 미세유로가 양각된 몰드로 작용할 수 있다는 점과, 열경화성 고분자는 열을 가하면 경화되어 강인한 구조물을 형성할 수 있다는 점 및 열처리 과정에서 왁스가 용융되어 열경화성 고분자 내부로 흡수된다는 점을 이용한 것이다.
도 2를 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
(A) 단계는 기재(11) 상에 미세유로 형상의 왁스(21) 패턴을 형성하는 단계이다.
본 발명에서 "왁스"라 함은 상온에서는 고체이므로 소정의 높이와 폭을 갖는 구조물을 형성할 수 있으며, 녹는점이 40~150℃ 정도로 해당 온도 이상에서는 액체 상태로 변할 수 있는 물질을 의미한다. 왁스는 통상 긴 지방족 사슬을 포함하며, 말단에 기능기가 형성되어 있을 수 있다. 본 발명에서는 상온에서 고형이고, 상기 40~150℃의 범위에서 녹아 유동성을 나타낼 수 있다면 화학구조에 상관없이 사용 가능하다.
전술한 바와 같이 왁스는 상온에서는 고체이므로, 기재 상에 형성된 미세유로 형상의 왁스 패턴은 해당 높이와 폭을 갖는 미세유로가 기재 상에 양각된 몰드로 사용될 수 있다. 이 때, 왁스 패턴의 높이는 사용한 왁스의 종류와 인쇄 방식에 따라 달라질 수 있다.
왁스 패턴은 통상의 인쇄 방법에 의해 기재 상에 형성될 수 있다. 즉, XY-플로터나 왁스 프린터를 이용하여 단순 인쇄할 수도 있으며, 혹은 다른 기재에 형성된 패턴을 전사하는 것도 가능하다. XY-플로터나 전사는 기재의 종류나 두께, 가요성과 무관하게 왁스 패턴을 형성할 수 있으므로, 유리, 금속, 반도체 또는 고분자와 같이 왁스가 내부로 흡수되지 않고 3차원 구조물을 형성할 수만 있다면 모든 종류의 기재에 패턴 형성이 가능하다. 그러나 전사의 경우에는 전사과정에서 열처리가 한번 필요하기 때문에 미세유로의 해상도를 저하시킬 우려가 있어 XY-플로터를 사용하여 직접 인쇄하는 것이 더욱 바람직하다. 혹은 기재가 가요성 필름의 형태라면 왁스 프린터를 이용하여 왁스 패턴을 인쇄할 수 있다. 가요성 필름은 왁스 프린터에 공급이 가능할 수 있도록 유연성을 갖는다는 것이 주된 특징이며, 그 재질에 의해 한정되는 것은 아니다. 따라서 고분자 필름 뿐 아니라 가요성의 금속 필름, UTG(ultra thin glass) 등 역시 적용이 가능하다.
상기 (B) 단계는 왁스 패턴이 형성된 기재 상에 열경화성 고분자(31) 조성물의 코팅층을 형성하는 단계이다. 도 2에서 확인할 수 있듯이 상기 단계에서 왁스 패턴은 미세유로의 양각 몰드로 작용한다.
본 발명에서 열경화성 고분자(열경화성 수지라고도 함)는 가열에 의해 중합체 중에서 미반응기가 반응하여 망상구조가 형성되는 것에 의해 경화되는 고분자로, 일단 경화되면 다시 열을 가해도 형태가 변하지 않는다. 열경화성 고분자는 종래기술에 의해 다양한 종류와 그 특성이 공지되어 있으며, 본 발명은 열경화성 고분자 자체에 관한 것이 아니라 그 특성을 이용하고자 하는 것이므로 종류에 한정되지 않는다. 열경화성 고분자의 예로는 요소(우레아) 수지, 규소 수지, 멜라민 수지, 페놀 수지, 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르(알키드) 수지, 폴리우레탄 수지, 폴리이미드 수지를 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 열경화성 고분자는 미세유체장비의 용도에 따라 적절히 선택할 수 있을 것이다.
열경화성 고분자층의 형성은 열경화성 고분자가 포함된 용액을 사용한 통상의 도포 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 스핀코팅, 스프레이 코팅, 드롭 캐시팅, 스크린 인쇄 등을 이용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 열경화성 고분자 층 형성에 사용되는 용액에는 용매와 같은 고분자 이외의 물질을 포함할 수 있으나, 왁스가 미세유로의 몰드로서의 역할을 하기 위해서는 고분자 층이 형성되기 이전에 상기 용액에 의해 왁스가 용해되지 않아야 함은 당연하다. 또한 상기 (B) 단계에서 왁스가 형상을 유지할 수 있도록 가급적 낮은 온도에서 열경화성 고분자층을 형성하는 것이 보다 바람직하다.
상기 (C) 단계는 열경화성 고분자 코팅층이 형성된 기재를 열처리하여 열경화성 고분자를 경화시키는 단계이다. 본 열처리 단계에서 왁스는 용융되며, 열경화성 고분자는 경화되어 미세유체구조물을 형성한다. 본 단계의 열처리는 열경화성 고분자를 경화시키기에 충분한 온도에서 진행되어야 함은 당연하다. 열처리에 의해 경화된 열경화성 고분자는 내열성, 내용제성, 내약품성 및 기계적 성질이 우수하기 때문에 미세유체장비로 사용 시 변형에 의한 문제를 최소화 할 수 있다. 또한 다양한 재질의 열경화성 고분자 중 용도에 적합한 소재를 선택하여 사용할 수 있다. 상기 열경화성 고분자는 경화 후 투명한 재질인 것이 더욱 바람직하다. 투명한 재질을 사용하는 경우, 미세유체장치의 사용 과정에서 미세유로의 내부를 관측하는 것이 용이하다. 그러나 투명한 재질에 한정되는 것은 아니다.
전술한 바와 같이 왁스의 용융점은 40~150℃ 정도이므로, 본 단계에서 미세유로의 몰드를 구성하던 왁스는 용융된다. 또한 도 2는 본 발명의 과정을 설명하기 위한 모식도로 왁스의 두께가 과장되어 도시되었으나, 실제로 왁스의 두께는 수~수백 ㎛에 불과하기 때문에 용융된 왁스는 열경화성 고분자의 내부로 흡수된다. 따라서, 원래 고체상태의 왁스가 있던 공간은 빈 공간으로 되어 미세유로가 형성되며 그에 따라 왁스 패턴 형상을 갖는 미세유로가 형성된 미세유체장치가 제조된다. 도 2에서 도면부호 (22)는 용융되어 고분자에 흡수된 왁스를, 도면부호 (32)는 경화된 고분자를 나타낸다. 미세유로는 왁스가 흡수되어 코팅층을 형성하고 있으므로, 사용된 왁스의 재질에 따라 친수성 또는 소수성을 나타낼 수 있고, 또한 왁스가 말단기를 갖는 구조라면 말단기의 변형에 의해 미세유로의 표면개질이 가능하다.
본 발명의 미세유체장치는 상기 (A) ~ (C) 단계만으로 제조될 수도 있고, 도 3에 도시된 바와 같이 (C) 단계에서 제조된 열경화성 고분자를 별도의 기판(12)에 부착하여 제조할 수도 있다. 이를 위하여 상기 (C) 단계 이후에, (D) 상기 기재로부터 미세유로(41)가 형성된 열경화성 고분자 층을 박리하는 단계; 및 (E) 상기 분리된 열경화성 고분자 층을 기판 상에 부착시키는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.
상기 방법은 왁스 프린터를 사용하여 왁스 패턴을 형성하는 경우에 특히 유용하다. 왁스 프린터는 인쇄를 위하여 기재가 공급될 수 있어야 하므로, 가요성을 가진 기재만이 사용가능하다. 그러나 상기 (D) 및 (E) 단계를 추가하는 것에 의해 기판의 종류와 무관하게 미세유체장치(1)를 제조할 수 있게 된다. 상기 "기판"은 미세유체장치의 바닥을 구성하는 것으로, (A) 단계에서 사용된 "기재"와 혼동을 피하기 위하여 중복되지 않는 상이한 용어를 사용한 것일 뿐 기재와 기판에 근본적인 차이가 있는 것은 아니다.
상기 (D) 단계는 기재로부터 미세유로가 음각된 열경화성 고분자 층을 박리하는 단계이다. 본 단계에서 상기 열경화성 고분자 층은 상기 (C) 단계에서 열처리에 의해 경화된 상태이다.
상기 (D) 단계와 (E) 단계 사이에는 세척 공정을 추가할 수 있다. 고분자 물드를 세척하는 것에 의해 내부로 흡수되지 않고 잔류하는 왁스를 제거할 수 있는 효과가 있다.
상기 (E) 단계는 기판과 상기 (D) 단계에서 분리된 열경화성 고분자 층을 기판 상에 부착하는 단계로, 부착을 위해서는 열처리나 플라즈마 처리를 이용할 수 있다. 그러나 상기 방법에 의해 한정되는 것은 아니며, 추후 미세유체장치의 사용에 영향을 미치지 않고 기판과 열경화성 고분자 층을 부착시킬 수만 있다면 어떠한 방법을 사용하여도 무방하다.
도 4의 왼쪽 도면은 왁스 프린터를 사용하여 기재 상에 형성된 왁스 패턴의 일 실시예이며, 오른쪽은 (A)~(E) 단계에 의해 제조한 미세유체장치의 실제 이미지이다. 미세유체장치에는 유체 주입구를 형성하기 위하여, 상기 (D) 단계에서 박리한 열경화성 고분자 몰드에 형성된 미세유로 말단에 펀치를 사용하여 구멍을 뚫어준 후 기판에 부착하였다. 열경화성 고분자로는 PDMS(polydimethylsiloxane)을 사용하였다.
미세유로의 해상도는 왁스 패턴의 형성 방법에 따라 달라질 수 있다. 즉, 왁스 프린터나 XY-플로터를 사용하는 경우 장치 자체의 해상도에 따라 왁스 패턴의 해상도가 결정된다. 또한, 동일한 장치를 사용하는 경우에도 왁스의 특성에 따라 해상도가 달라질 수 있다.
이를 확인하기 위하여 서로 특성이 상이한 컬러 왁스를 사용하여 필름 상에 선을 인쇄하고, 인쇄된 선의 두께를 측정하였다. 구체적으로 왁스프린터(Wax printer, Xerox ColorQube 8870)와 4가지 색상의 Solid Ink(Xerox)를 사용하여 Adobe illustrator CS6 프로그램에서 폭이 10~1000 ㎛인 선을 OHP 필름(한솔제지)에 인쇄하였다.
도 5는 해당 선으로 만든 장치의 현미경 이미지이며, 도 6은 상기 이미지로부터 측정된, 인쇄하고자 한 선의 폭(nominal width)과 실제 인쇄된 선의 폭(printed width)의 상관관계를 사용한 잉크들에 따라 보여주는 그래프이다. 도 6에서 예상한 바와 같이 선의 폭이 두꺼워질수록 인쇄된 선의 폭/의도된 선의 폭의 비율이 감소하였으며 선의 폭이 약 250 ㎛ 이상이 되면, 잉크에 따른 인쇄 해상도의 차이는 크지 않았다. 해당 프린터와 컬러 왁스에서는 빨간 색(Magenta) 잉크가 가장 얇은 선을 구현할 수 있었으며 약 168 ㎛ 폭의 미세유로 패턴을 인쇄할 수 있는 반면, 검은색 잉크는 해상도가 떨어져 약 242 ㎛가 한계치였다. 따라서, 적절한 잉크와 인쇄 방법을 사용하면 해상도를 더욱 증가시킬 수 있을 것으로 기대된다.
왁스 패턴의 높이(즉, 미세유로의 깊이) 역시 사용하는 장치와 왁스의 종류에 의해 조절이 가능할 것임은 당연하다.
1 : 미세유체장치
11 : 기재 12 : 기판
21 : 왁스 22 : 용융되어 고분자에 흡수된 왁스
31 : 열경화성 고분자 32 : 경화된 고분자
41 : 미세유로

Claims (8)

  1. (A) 기재 상에 미세유로 형상의 왁스 패턴을 형성하는 단계;
    (B) 왁스 패턴이 형성된 기재 상에 열경화성 고분자 층을 형성하는 단계; 및
    (C) 상기 기재를 열처리하여 열경화성 고분자를 경화시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체장치의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 왁스는 상기 (C) 단계의 열처리 온도에서 상기 열경화성 고분자 내부로 흡수되는 것을 특징으로 하는 미세유체장치의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 (C) 단계 이후에,
    (D) 상기 기재로부터 미세유로가 형성된 열경화성 고분자 층을 박리하는 단계; 및
    (E) 상기 분리된 열경화성 고분자 층을 기판 상에 부착시키는 단계;
    를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체장치의 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 (D) 단계와 (E) 단계 사이에 세척 공정을 추가하는 것을 특징으로 하는 미세유체장치의 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 (E) 단계는 열처리 또는 플라즈마 처리에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세유체장치의 제조방법.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 왁스 패턴은 전사에 의해 형성되거나, 혹은 XY-플로터 또는 왁스 프린터로 인쇄되는 것을 특징으로 하는 미세유체장치의 제조방법.
  7. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열경화성 고분자는 요소수지, 규소수지, 멜라민수지, 페놀수지, 에폭시수지, 알키드 수지, 폴리우레탄수지, 폴리이미드수지, 에보나이트수지로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체장치의 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 열경화성 고분자는 경화 후 투명한 재질인 것을 특징으로 하는 미세유체장치의 제조방법.
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Korean Chem. Eng. Res., Vol. 48, No. 5, October, 2010, pp. 545-555.
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