WO2013165194A1 - 잉크젯 프린팅을 이용한 모듈형 마이크로유체 종이 칩의 제작방법 - Google Patents

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WO2013165194A1
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신관우
고효진
권오선
김한수
최재학
이병노
이주미
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서강대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a model microfluidic paper chip using inkjet printing.
  • Electrowetting can be used to control the movement of the fluid electrically, using a digital microfluidic chip. Electrowetting is simply a phenomenon in which the surface tension is changed by electricity. This phenomenon was first discovered in 1870 by Gabriel Li pmann (1845-1921). When water is contained in the glass tube, the glass tube wall has a higher water level than the central part because of the surface tension between the water and the glass tube wall. However, if you use a metal tube instead of a glass tube and apply electricity, the water coming up along the wall will be higher. This is because the surface tension is stronger with electricity. Lippman called it the 'electro-capillary' phenomenon, but the technology hasn't seen much light in the next hundred years.
  • Electrocapillary phenomenon occurred only at low voltage below IV, Under voltage, water decomposed into oxygen and hydrogen. Since 1990, electrowetting has been discovered to control surface tension even at high voltages. Dr. Bruno Berge, France, covered a sheet of metal with a thin insulator and dropped a drop of water on it. Next, when the electricity was applied to the metal plate and the droplets, the droplets spread thinly as the voltage increased. This method made it possible to change the shape of water droplets even at high voltages of tens of volts.
  • Carbon nanotube is a new material in which hexagonal elements consisting of six carbons are connected to each other to form a tubular shape.
  • Dr. Sumio Ijima of the Japan Institute of Electrical Engineers (NEC) established an electrical discharge. This method was used to analyze the mass of carbon formed on the negative electrode of the pendulum. Hexagonal shape consisting of six carbons is connected to each other to form a tubular shape. The diameters of the tubes ranged from tens to tens of nanometers, which is called carbon nanotubes. Nanometers are one millionth of a meter, usually one hundredth the thickness of hair. Carbon nanotubes have similar electrical conductivity to copper, thermal conductivity equal to the best diamond in nature, and 100 times stronger than steel.
  • Republic of Korea Patent No. 10-0523765 provides a method of manufacturing a carbon nano-leave array using a nanopattern of organic supramolecular. More specifically, after forming an organic supramolecular thin film on the substrate, induction of self-assembly of the organic molecules by heat treatment, and by irradiating UV to a constant organic supramolecular structure formed according to the hole-shaped nanopattern After forming, it relates to a method for producing a CNT array characterized in that the carbon nanotubes (CNT) arranged on the nanopattern.
  • CNT carbon nanotubes
  • the pattern is formed by using self-assembly of organic supramolecules and UV etching in the manufacturing process of the CNT chip, the patterning is performed by combining or arranging the CNTs on the pattern, thus forming a patterning process in comparison with the present invention.
  • This is complicated and has the disadvantage of additionally using UV etching.
  • Republic of Korea Patent Publication No. 10-2011-0060028 based carbon nanotube-polymer-polymer ⁇ clothing eu and-a-__ U-eu using off-flavor o eu straight into 3 ⁇ 4-board in the i-specific eu eu burnt tea ryubeu Provides a method for direct patterning.
  • the carbon nanotube-polymer composite and the polymer composite to the substrate
  • a method of directly patterning carbon nanotubes in a specific direction is a method of adsorbing carbon nanotubes, the sulfuric acid / hydrogen peroxide mixed solution or UV / ozone treatment, and patterning the substrate by removing the polymer portion from the carbon nanotube-polymer composite through a separate chemical treatment, Compared with the patterning method, the process is complicated and additional chemical process is required.
  • the present invention relates to an economical modular microfluidic chip that prints, cuts and combines various types of patterns using carbon nanotube inks and inkjet printing, which are conductive inks. To solve the above problems by providing a fluid chip.
  • many papers and patent documents are referenced and their citations are indicated.
  • the disclosures of cited papers and patent documents are incorporated herein by reference in their entirety, and the level of the technical field to which the present invention belongs and the contents of the present invention are more clearly explained.
  • the present inventors earnestly tried to develop a microfluidic chip which can be manufactured in a low cost, economical and practical way.
  • carbon nanotube (CNT) inks and inkjet printing After developing the electrode patterns (patterns), a model-shaped microfhiidic paper chip was cut and bonded.
  • the microfluidic paper chip of the present invention is a prefabricated paper chip which can print electrode patterns of various shapes at once on a sheet of paper and cut and paste necessary patterns, and a printed circuit board manufacturing method using a conventional patterning agent or patterning device. Unlike the printing process using an inkjet printer, the printing process is simplified, and thus, the patterning method is simplified and various types of chips can be manufactured according to the assembly form of the electrode pattern.
  • Another object of the present invention is to provide a model microfluidic paper chip.
  • Other objects and advantages of the present invention are as follows. The claims and drawings are more apparent.
  • the present invention provides a method for manufacturing a model microfluidic chip comprising the following steps:
  • the present inventors earnestly tried to develop a microfluidic chip which can be manufactured in a low cost, economical and practical way.
  • carbon nanotube (CNT) ink and inkjet printing were used to print various types of electrode patterns (patterns), and then, a microfluidic paper chip was cut and bonded.
  • the microfluidic paper chip according to the present invention has various shapes of electrode patterns on a sheet of paper.
  • Print the times and eu paedwi of seats eu future prefabricated paper inp i can attach ear cut patterns required eu Ning yo the eu or eu L jwaning group eu the eu Chapter ⁇ as eu yayong eu un eu chain eu times eu to - Unlike the production method of sheet 1, it only goes through a simple printing process using an inkjet printer, which simplifies the patterning method and can produce various kinds of chips according to the assembly form of the electrode pattern.
  • ElectroweUing can be used to control the movement of water droplets electrically, using a digital microfluidic chip.
  • the core of the present invention is to easily print the required electrodes on paper using an inkjet printer and conductive ink, and to assemble chips of various shapes.
  • a pattern of various shapes can be printed on a paper at a time by an inkjet printer by using CNT ink among various conductive inks, and a chip having a desired shape can be easily manufactured by cutting out only the necessary parts of the extracted pattern. It was made.
  • an electrode pattern is printed on a substrate using conductive ink and inkjet printing.
  • Inkjet printing used in the present invention is a printer using a printer device piezo electric head, which is a representative output device of a computer, to form characters by spraying ink on paper. That is, a method of printing on the surface of the ink while discharging the charged ink particles and deflecting them according to a deflection plate applied with a voltage controlled according to the font type and the position of the letter. Is a printer. Ink is initially injected into the ink head and is fired in the form of particles in accordance with the action of the crystal oscillator and gradually hits the ground to form a dot matrix shape.
  • the electrode pattern includes electrodes at intervals of 0.1 mm-0.7 mm.
  • conductive ink includes conductive materials such as silver and carbon in powder or flake form, and can be drawn or printed on various solid substrates such as paper or film. It means an ink containing the substances present.
  • Conductive inks include, for example, metal inks (eg gold, silver, copper, nickel, gold, platinum, copper and palladium), ceramic inks (eg metal oxides and carbon atoms (or carbon nanotubes)) and molecular inks (eg specialty) Organic materials and polymer materials), but is not limited thereto.
  • Conductive ink that can be used in the method of the present invention requires a certain amount or more of conductivity to be used as an electrode, preferably the conductive ink is carbon nanotubes (CNT).
  • the carbon nano-rubbers have better electrical properties than metal materials having excellent electrical conductivity or specific resistance, such as aluminum and copper. Therefore, when using the carbon nanotubes as a conductive material, it is possible to reduce the electrical resistance and also excellent thermal conductivity has the advantage of effectively dissipating heat inside the printed circuit board to the outside.
  • the carbon nanotubes include, for example, single-walled carbon nanotubes, double-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, and multi-walled carbon nanotubes, preferably multi-walled carbon nanotubes.
  • the multi-walled carbon nanotube electrode has a resistance of 1 kQ / sq (square) on general A4 paper and a resistance value of 200 ⁇ / sq on photo paper.
  • the conductive ink may be prepared using a suitable solvent, a conductive material, an adhesive improver, a reducing agent or a coupling agent.
  • the solvent may be glycidyl ether, glycol ethers, vegetable oil, alpha-terpine or NMKN-methyl-2-pyrrolidone pyrrolidone), but is not limited thereto.
  • the adhesion promoter may be an acrylic resin or a vinyl resin, and when using a vinyl resin, a mixture containing a silane (si lane) compound may be used.
  • the reducing agent serves to prevent the electrical conductivity from falling when the conductive material is oxidized, for example, ⁇ hydrazine-based reducing agent or aldehyde-based Reducing agent.
  • the hydrazine-based reducing agent includes hydrazine, hydrazine hydrate, hydrazine sulfate, hydrazine carbonate and hydrazine hydrochloride, aldehyde-based reducing agents include, but are not limited to, formaldehyde, acetaldehyde, propion aldehyde.
  • a dispersant may be added to a multiwall CNT and a ball milling operation may be used to make the CNT ink evenly dispersed in water.
  • a program such as Photoshop or CAD on a plain A4 paper or photo print paper
  • the printed electrode pattern is cut using a cutting tool, and then the patterns By assembling the shape, it can be patterned into a desired shape.
  • electrode pattern means a shape of a unit constituting a path through which a fluid may move when a voltage is applied, and the electrode pattern may be manufactured in various shapes.
  • the electrode pattern may be manufactured in various forms in order to make a digital microfluidic chip, for example (i) the starting point (dpensing), (ii) the water droplets in a straight line Linear transport on the listed electrodes, (iii) merging multiple droplets together, (iv) mixing the combined droplets by movement, or (V) combining and crossing multiple chambers together. It may be manufactured in the form of crossing, but is not limited thereto.
  • the substrate may use a variety of solid substrates used in the art, and includes, for example, easy-to-handle paper (e.g., plain A4 paper, photo print paper), film (e.g., 0HP film), or plastic sheet, preferably The substrate is paper or film, more preferably paper.
  • easy-to-handle paper e.g., plain A4 paper, photo print paper
  • film e.g., 0HP film
  • plastic sheet preferably The substrate is paper or film, more preferably paper.
  • the electrode pattern is printed on paper, it can be easily cut using various cutting tools known in the art, such as scissors and a cutter. Even when the electrode pattern is printed on a 0HP film, it can be cut with scissors. Step (c): Assembly of the Electrode Pattern
  • the cut electrode patterns are assembled to pattern the circuit of the modular microfluidic chip.
  • patterning in the context of the present invention means to construct a circuit of a desired shape using the cut electrode pattern.
  • step (c) may further comprise the step of depositing an insulator to form an insulating layer on the electrode pattern.
  • the insulator may use glass, porcelain or polymer composition, preferably a polymer composition.
  • parylene may be used, for example parylene N, parylene, parylene D, parylene F, preferably parylene C.
  • step (c) may comprise the step of additionally coating a reinforcing material on the electrode pattern.
  • the coating layer may be formed on at least a portion of the surface of the plurality of chips by spin coating, spray coating, or printing.
  • the coating layer may be formed on at least a portion of the surface of the plurality of chips by physical vapor deposition, chemical vapor deposition, or electroplating.
  • the reinforcing material functions to withstand heat, pressure, and the like during the process of using the microfluidic paper chip of the present invention, and various materials known in the art may be used.
  • it is polytetraple toroethylene.
  • the fabrication method of the mode type microfluidic chip of the present invention is inversely related to the moving distance ( ⁇ ) of the fluid deposited inside the chip ( ⁇ ) and the electrode spacing (d) before step (a) and ( ⁇ )
  • the method may further include determining an electrode pattern to be printed by using a proportional relationship between a moving distance ( ⁇ ) and a voltage applied to the chip. Thus, the pattern may be found by finding an optimal condition under which the fluid may move along the electrode. Can be.
  • the electrode distance when the movement distance of the water droplets is measured by varying the distance between the electrodes under a voltage of 70 V and 120 V, d) is inversely related to the moving distance ( ⁇ ) of the fluid, and the magnitude of the voltage (V) and the moving distance of the fluid ( ⁇ ) is proportional to each other.
  • the method of the present invention described above is expressed by performing (a) printing of the electrode pattern, (b) cutting the electrode pattern, and (c) assembling the electrode pattern as each step, but the micro In order to fabricate the fluid paper chip, it may be printed as a form in which assembly or patterning is completed at the time of drawing the electrode pattern in step ( a ).
  • a method for manufacturing a mode type microfluidic paper chip is disclosed in detail, and a schematic method is illustrated in FIG. 3.
  • the present invention provides a mode-type microfluidic paper chip produced by the method of the present invention.
  • the mode-type microfluidic paper chip of the present invention uses the above-described method of manufacturing the mode-type microfluidic paper chip of the present invention, and the common content between the two is omitted to avoid excessive complexity of the present specification.
  • the model microfluidic paper chip includes an electrode pattern and an electrode pattern accommodating a fluid capable of accommodating a fluid and in which a fluid flows. Dropping the fluid and applying a voltage to the electrode pattern of the modular microfluidic paper chip of the present invention, it can be seen that the movement of the water droplets on the chip surface as shown in FIG. Therefore, it can be utilized for chemical synthesis of various stages by using various electrode patterns uniformed.
  • the mode-type microfluidic paper chip of the present invention It can be used for nanoparticle synthesis.
  • the present invention relates to a prefabricated paper chip capable of printing electrode patterns of various shapes on a sheet of paper at once and cutting and pasting necessary patterns.
  • the method of the present invention only undergoes a simple printing process using an inkjet printer, thereby simplifying the patterning method and various types according to the assembly form of the electrode pattern. Chips can be produced.
  • La is a schematic diagram showing the principle of the electrowetting method.
  • ⁇ ( ⁇ ) means the contact angle in the case of the voltage V.
  • Lb is a schematic diagram showing the principle of the inkjet printer used in the present invention. Unlike a conventional method using a patterning apparatus, as a printing method using a piezoelectric header, a desired pattern can be easily produced by spraying CNT ink on a sheet of paper.
  • Figure 2a shows the results of measuring the contact angle in the paper chip using carbon nanotube (CNT) ink.
  • FIG. 2B shows an image of a CNT ink evenly dispersed in water for printing an electrode, printed on an inkjet printer, and then observed on the printed electrode surface with an electron scanning microscope (magnification: X 70,000).
  • FIG. 3 schematically illustrates a manufacturing process of a model microfluidic paper chip using inkjet printing.
  • FIG 4A schematically illustrates the movement of water droplets on the listed electrodes.
  • Figure 4b is a driving state of the microfluidic paper chip of the present invention actually manufactured It is shown.
  • Fig. 5 is a schematic diagram of five kinds of electrode patterns used in the manufacture of the paper chip of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the distance d between the electrodes and the moving distance ⁇ of the fluid. The fluid moved from right to left.
  • FIG. 8 shows the chip used in the electrode spacing-travel distance experiment.
  • the electrode portion to which the fluid moves is indicated by a circle.
  • Ink was prepared using CNT to print the electrode pattern, and printed on paper and used as an electrode.
  • a dispersant was first added to a multi-wall CNT, and a ball milling operation was performed to uniformly disperse the CNT ink in water.
  • the printed electrode surface was observed with an electron scanning microscope, it was found that the CNT ink produced in the present invention is uniformly packed on the paper (Fig. 2b).
  • the CNT electrode has a resistance of 1 kQ / sq on general A4 paper and a resistance value of 200 ⁇ / sq on photo print paper to be used as an electrode. Showed one conductivity.
  • Example 2 DL MC Pattern Fabrication of Digital Microfluidic Paper Chips Using Carbon Nanotube (CNT) Inks The electrode pattern to be used for the fabrication of digital microfluidic paper chips can be fabricated using a single program, such as a shovel-and-gap GAB, etc. a ", and it was printed in several tens // m resolution using the ink-jet printer and the ink CNT electrode of the desired shape on A4 plain paper or photo printing paper.
  • FIG. 4A shows the driving state of the microfluidic paper chip of the present invention actually manufactured. An example of the movement (transportation, confluence, and mixing) of the fluid on the chip is shown, and the arrow indicates the direction of fluid movement.
  • the dispensing point where water droplets are first made the linear transport of the droplets on a straight line of electrodes, the merging of several droplets, and the merged droplets are mixed by movement. Since the movement of the mixing and the like should be possible, in the present invention, five types of electrode patterns were printed on one sheet of paper, and the DLTMC patterns shown in Table 1 were constructed.
  • Example 3 Module Chip Combined with CT Pattern and Synthesis of Gold Nanoparticles Using the Same
  • the module chip was combined with the CMT pattern using five patterns D and one pattern C, M, and T, respectively.
  • Gold nanoparticles were synthesized using the pattern and three kinds of solutions (HAuC14, NaBH4, lysine).
  • FIG. 5 shows an example of assembly of a module chip incorporating a CMT pattern.
  • Table 2 shows operations at each point and formation of gold nanoparticles according to a moving path of a fluid on a module chip incorporating a CMT pattern. [Table 2]
  • the moving distance of the water droplets was measured by varying the distance between the electrodes at a constant voltage (70 V and 120 V).
  • the black stripe of FIG. 7 means an electrode and a white stripe means paper.
  • the moving distance of the fluid according to the electrode spacing The higher the voltage difference, the more the fluid traveled.
  • the electrode distance and the fluid moving distance were inversely related, and the voltage size and the fluid moving distance were proportional to each other.
  • the inkjet printer used in the present invention minimizes the distance between the electrodes
  • FIG. 8 shows the microfluidic chip used for the electrode gap-distance test, and the experiment was performed between the two electrodes shown in FIG. 8.
  • the water droplets move through the path perpendicular to the electrode, and the difference in distance between the electrode and the electrode is " ⁇ " and the distance between the electrodes is "d".

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Abstract

본 발명은 (a) 전도성 잉크(conductive ink) 및 잉크젯 프린팅을 이용하여 기판에 전극 패턴을 인쇄하는 단계; (b) 상기 인쇄된 전극 패턴을 절단하는 단계; 및 (c) 상기 절단된 전극 패턴을 조립하여 모듈형 마이크로유체 칩을 제작하는 단계를 포함하는 모듈형 마이크로유체 칩의 제작방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 종래의 패터닝제 또는 패터닝 장치를 이용하는 인쇄 회로 기판 제작 방식과 달리 잉크젯 프린터를 이용한 간편한 인쇄과정을 거칠 뿐이며, 이로써 패터닝 방법을 간소화하고 전극 패턴의 조립 형태에 따라 다양한 종류의 칩을 제작할 수 있고, 따라서 본 발명의 방법을 이용하여 저가의 경제적이고 활용성 높은 마이크로유체 칩을 제공할 수 있다.

Description

【명세서】
【발명의 명칭】
잉크젯 프린팅을 이용한 모들형 마이크로유체 종이 칩의 제작방법 【기술분야】
본 발명은 잉크젯 프린팅을 이용한 모들형 마이크로유체 종이 칩의 제작방법에 관한 것이다
【배경기술】
기존의 디지털 마이크로유체칩은 유리나 실리콘 기판 위에서 포토리소그래피 (photolithography)와 에칭 (etching) 등의 복잡한 제작과정을 거치며 (R. B. Fair, Microfluid Nanofluid, 3:245-281(2007))， 이때 사용되는 장비와 화학 물질들은 고가일 뿐만 아니라 인체와 환경에 매우 유해하다. 대부분의 디지털 마이크로유체칩은 폐쇄 시스템 (closed system)으로 (Robert J. Linhardt et al . , J. AM. CHEM. SOC. , 131:11041- 11048(2009)) 칩 위에서의 여러 가지 반웅 뒤에 결과물 분석을 위해서는 커버 플레이트 (cover plate)를 제거해야 하는 단점이 있었다. 개방 칩 入 1스템 (open chip sy s t em ) ( Abde 1 gawad , Park, and Wheeler J . Ap l . Phys., 105:094506 (2009)) 역시 제작 과정에서는 전극 패턴을 제작하는 과정에서 기존의 방법들을 사용하기 때문에 같은 문제점들이 발생한다.
전기습윤법 (Electrowetting)으로 유체의 움직임을 전기로 제어할 수 있으며， 이를 이용한 것이 디지털 마이크로유체칩이다. 전기습윤현상이란 쉽게 말해 전기로 표면장력이 바뀌는 현상이다. 이 현상은 1870년 가브리엘 리프만 (Gabriel Li pmann, 1845-1921)에 의해 처음 발견되었다. 유리관에 물을 담으면 유리관 벽은 중심부보다 물의 높이가 더 높은데 이는 물과 유리관 벽 사이의 표면장력 때문이다. 그런데 유리관 대신 금속관을 쓰고 전기를 걸면 벽을 따라 을라오는 물의 높이가 더 높아진다. 전기로 표면장력이 더욱 세졌기 때문이다. 리프만은 이를 '전기모세관' 현상이라고 불렀지만 그 뒤로 1백 년간 이 기술은 별다른 빛을 보지 못했다. 전기모세관 현상은 IV 이하의 낮은 전압에서만 일어났고, 이보다 높은 전압을 걸면 물이 산소와 수소로 분해되어 버렸다. 이후 1990년 높은 전압으로도 표면장력을 제어할 수 있는 전기습윤현상이 발견되었다. 프랑스 브루노 버지 (Bruno Berge) 박사는 금속판을 얇은 절연체로 씌운 뒤 그 위에 물을 한 방울 떨어뜨렸다. 다음에 금속판과 물방울에 전기를 걸자 전압이 높아질수록 물방울이 얇게 퍼졌다. 이 방법을 쓰자 수십 V의 높은 전압에서도 물방울의 모양을 바꾸는 것이 가능해졌다.
탄소나노튜브 (carbon nanotube, CNT)란, 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있는 신소재로서, 1991년 일본전기회사 (NEC) 부설 연구소의 이지마 스미오 [飯島澄男] 박사가 전기방전법을 사용하여 혹연의 음극상에 형성시킨 탄소덩어리를 분석하는 과정에서 발견하였다. 형태는 탄소 6개로 이루어진 육각형 모양이 서로 연결되어 관 모양올 이루고 있다. 관의 지름이 수〜수십 나노미터에 블과하여 탄소나노튜브라고 일컬어지게 되었다. 나노미터는 10억 분의 1 m로 보통 머리카락의 10만 분의 1 굵기이다. 탄소나노튜브는 전기 전도도가 구리와 비슷하고， 열전도율은 자연계에서 가장 뛰어난 다이아몬드와 같으며， 강도는 철강보다 100배나 뛰어나다. 탄소섬유는 1%만 변형시켜도 끊어지는 반면 탄소나노튜브는 15%가 변형되어도 견딜 수 있다. 이 물질이 발견된 이후 과학자들은 합성과 웅용에 심혈을 기울여왔는데, 반도체와 평판 디스플레이， 배터리, 초강력 섬유， 생체 센서， 텔레비전 브라운관 등 탄소나노튜브를 이용한 장치가 수없이 개발되고 있다.
대한민국 등록특허 제 10-0523765호는 유기초분자의 나노패턴을 이용한 탄소나노류브 어레이의 제작방법을 제공한다. 보다 상세하게는 기판 상에 유기 초분자 박막을 형성시킨 다음， 열처리에 의해 유기분자들의 자기조립 (self-assembly)을 유도하고， 이에 따라 형성된 일정한 유기 초분자 구조에 UV를 조사하여 구멍모양의 나노패턴을 형성한 후, 상기 나노패턴에 탄소나노튜브 (CNT)를 배열하는 것을 특징으로 하는 CNT 어레이를 제작하는 방법에 관한 것이다. 상기 발명은 CNT 칩의 제작과정에 있어서 유기 초분자의 자기조립과 UV 에칭을 이용하여 패턴을 형성한 후 상기 패턴에 CNT를 결합 또는 배열시키는 방식으로 패터닝을 하므로， 본 발명과 비교하여 패터닝의 형성과정이 복잡하고, 추가적으로 UV 에칭을 이용하여야 한다는 단점이 있다. 대한민국 공개특허 계 10-2011-0060028호는 탄소나노튜브-고분자 복ᅳ합체一및—어— __어—용하여ᅳ꺼—판ᅵ에—탄 다도류브ᅳ를ᅳ특정— ¾향ᅩ으로ᅳ직ᅭ접ᅳ 패터닝하는 방법을 제공한다. 보다 상세하게는 탄소노나노튜브 분산용액, 계면활성제 및 점성을 가지는 고분자 용액을 포함하는 기판에 특정 방향으로 배향성을 가지는 패터닝을 형성하기 위해， 탄소나노튜브-고분자 복합체 및 상기 고분자 복합체를 이용하여 기판에 탄소나노튜브를 특정 방향으로 직접 패터닝하는 방법올 제공한다. 상기 발명은 탄소나노튜브를 흡착하는 방법으로서 황산 /과산화수소 흔합용액 또는 UV/오존 처리를 하고, 탄소나노튜브-고분자 복합체에서 고분자 부분을 별도의 화학적 처리를 통해 제거함으로써 기판에 패터닝하므로， 본 발명의 패터닝 방법과 비교하여 그 과정이 복잡하고， 추가적인 화학공정이 필요하다는 단점이 있다.
상기 기존 디지털 마이크로유체칩의 문제점들 때문에 종이와 같이 경제적이면서도, 복잡한 제작공정을 단순화하며, 여러 가지 합성 등의 공정에 활용할 수 있는 새로운 기술의 개방형 칩 (open chip)을 기반으로 한 디지털 마이크로유체 칩 기술의 개발이 절실히 요구된다. 본 발명은 전도성 잉크인 탄소나노튜브 잉크 및 잉크젯 프린팅을 이용한 다양한 형태의 패턴을 프린트하여 이를 절단 및 결합시킨 경제적인 모들형 미세유체칩 (Modular microfluidic chip)에 관한 것으로서 경제적이고 활용도가 높은 모들형 마이크로유체 칩을 제공하여 상기 문제점들을 해결하고자 한다. 본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 논문 및 특허문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 논문 및 특허문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다.
【발명의 내용】
【해결하려는 과제】
본 발명자들은 저가의 경제적이고 실용적이며 간편한 방법으로 제작할 수 있는 마이크로유체 칩을 개발하고자 예의 연구 노력하였다. 그 결과, 탄소나노튜브 (CNT) 잉크 및 잉크젯 프린팅을 이용해 다양한 형태의 전극 패턴 (patterns)을 프린트한 후 이를 절단 및 결합시킨 모들형 마이 3로유체 (microfhiidic) 종이 칩을 개발하였다. 본 발명의 마이크로유체 종이 칩은 한 장의 종이에 다양한 모양의 전극 패턴을 한 번에 인쇄하고 필요한 패턴들을 잘라 이어붙일 수 있는 조립식 종이 칩으로서， 종래의 패터닝제 또는 패터닝 장치를 이용하는 인쇄 회로 기판 제작 방식과 달리 잉크젯 프린터를 이용한 간편한 인쇄과정을 거칠 뿐이며， 이로써 패터닝 방법을 간소화하고 전극 패턴의 조립 형태에 따라 다양한 종류의 칩을 제작할 수 있어 경제성 및 활용성이 우수하다.
따라서 본 발명의 목적은 모듈형 마이크로유체 종이 칩의 제작방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 모들형 마이크로유체 종이 칩을 제공하는데 있다. 본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한
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청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.
【과제의 해결 수단】
본 발명의 일 양태에 따르면， 본 발명은 다음 단계를 포함하는 모들형 마이크로유체 칩의 제작방법을 제공한다:
(a) 전도성 잉크 (conductive ink) 및 잉크젯 프린팅을 이용하여 기판에 전극 패턴을 인쇄하는 단계;
(b) 상기 인쇄된 전극 패턴을 절단하는 단계; 및
(c) 상기 절단된 전극 패턴을 조립하여 모듈형 마이크로유체 칩을 제작하는 단계 . 본 발명자들은 저가의 경제적이고 실용적이며 간편한 방법으로 제작할 수 있는 마이크로유체 칩을 개발하고자 예의 연구 노력하였다. 그 결과， 탄소나노튜브 (CNT) 잉크 및 잉크젯 프린팅을 이용해 다양한 형태의 전극 패턴 (patterns)을 프린트한 후 이를 절단 및 결합시킨 모들형 마이크로유체 (microfluidic) 종이 칩을 개발하였다. 본 발명의 마이크로유체 종이 칩은 한 장의 종이에 다양한 모양의 전극 패턴을 한 번에 인쇄하고 필요한 패턴들을 잘라 이어붙일 수 있는 조립식 종이 ᅩ칩ᅵ으로석 ᅳ 래의ᅳ패뒤ᅳ닝ᅭ제ᅳ또는ᅳ패좌닝ᅳ장外를ᅳ야용하는ᅳ언ᅳ쇄ᅳ회ᅳ로ᅳ기—판一 제작 방식과 달리 잉크젯 프린터를 이용한 간편한 인쇄과정을 거칠 뿐이며， 이로써 패터닝 방법을 간소화하고 전극 패턴의 조립 형태에 따라 다양한 종류의 칩을 제작할 수 있어 경제성 및 활용성이 우수함을 확인하였다.
전기습윤법 (electroweUing)으로 물방울의 움직임을 전기로 제어할 수 있으며， 이를 이용한 것이 디지털 마이크로유체 칩 (digital microfluidic chip)이다. 이때 필요한 전극을 손쉽게 잉크젯 프린터와 전도성 잉크를 이용하여 종이 위에 인쇄하고 다양한 모양의 칩을 조립하는 것이 본 발명의 핵심이다. 디지털 마이크로유체 칩을 만들기 위해서는 다양한 모양의 전극 패턴을 만드는 것이 중요한데， 일반적으로는 포토리소그래피 (photolithography)와 같은 복잡한 공정이 요구된다. 그러나 본 발명에서는 여러 가지 전도성 잉크 중 CNT 잉크를 이용하여 잉크젯 프린터로 종이 위에 여러 가지 모양의 패턴을 한 번에 인쇄할 수 있고, 또한 뽑아낸 패턴을 필요한 부분만 잘라내서 원하는 모양의 칩을 손쉽게 제작할 수 있도록 하였다.
아래에서 이와 같은 본 발명의 모들형 마이크로유체 칩의 제작방법에 대하여 구체적으로 설명한다:
단계 (a): 전극 패턴의 인쇄
우선, 전도성 잉크 (conductive ink) 및 잉크젯 프린팅을 이용하여 기판에 전극 패턴을 인쇄한다.
본 발명에서 사용되는 잉크젯 프린팅 (inkjet printing)은 컴퓨터의 대표적인 출력 장치인 프린터 장치 증 압전 헤드 (piezo electric head)를 사용하는 프린터로, 용지 상에 잉크를 분사함으로써 문자를 형성한다. 즉， 전하 (轉荷)한 잉크 입자를 발산시켜 이것올 글자형과 글자 위치에 따라 제어된 전압을 가한 편향판 (偏向板)에 따라 편향시키면서 지면 (紙面)에 쳐서 붙여 인자 (印字)하는 방식의 프린터이다. 잉크는 처음에 잉크 헤드에 주입되어 있고 수정 발진기 작용에 따라 입자 모양으로 발사되어 점차로 지면에 쳐서 붙여져 도트 매트릭스 자형이 표현된다. 상기 전극 패턴은 0.1 瞧 - 0.7 mm 간격의 전극들을 포함한다. 본 발명의 명세서에서 용어 "전도성 잉크 (conductive ink)" 는 분말 또는 조각상태의 은 및 탄소와 같은 전도성 물질을 포함하고 있으며， 종이 또는 필름 등과 같은 다양한 고체 기판 (substrate)상에 그려지거나 프린트될 수 있는 물질들을 포함하는 잉크를 의미한다. 전도성 잉크는 예컨대 금속 잉크 (예컨대 금, 은， 동， 니켈， 금， 플라티눔, 구리 및 팔라디움)， 세라믹 잉크 (예컨대， 금속산화물 및 탄소소 (또는 탄소나노튜브)) 및 분자 잉크 (예컨대， 특수 유기물 및 고분자 재료)를 포함하며 , 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 방법에 사용될 수 있는 전도성 잉크 (conductive ink)는 전극으로 사용되기 위해 일정량 이상의 전도도가 요구되며， 바람직하게는 상기 전도성 잉크는 탄소나노튜브 (CNT)이다. 상기 탄소나노류브는 알루미늄과 구리와 같이 비교적 전기전도성이나 비저항이 우수한 금속 물질 보다 더 우수한 전기적 성질올 가진다. 따라서 이러한 탄소나노튜브를 도전성 물질로 이용할 경우, 전기적 저항을 줄일 수 있고 열전도도 역시 우수하여 인쇄회로기판 내부의 열을 효과적으로 외부로 방출할 수 있는 장점이 있다.
상기 탄소나노튜브는 예컨대, 단일벽 탄소나노튜브， 이중벽 탄소나노튜브， 다중벽 탄소나노튜브 및 다발형탄소나노튜브을 포함하고， 바람직하게는 다중벽 탄소나노류브 이다. 상기 다중벽 탄소나노튜브 전극은 일반 A4 용지 위에서 1 kQ/sq (square)의 저항을， 사진 인화용지 위에서 200 Ω/sq의 저항 값을 나타낸다. 상기 전도성 잉크는 적합한 용매， 전도성 물질, 접착증진제 (adhesive improver), 환원제 또는 커플링제 (coupling agent) 등을 사용하여 제작할 수 있다. 상기 용매는 글리시딜 에테르류， 글리콜 에테르류， 식물성기름, 알파 -테르피네을 또는 NMKN-메틸 -2-피롤리돈 pyrrolidone)를 사용할 수 있으며 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 접착증진제는 아크릴계 수지 또는 비닐계 수지를 사용할 수 있으며， 비닐계 수지를 이용하는 경우 실란 (si lane) 화합물을 포함하는 흔합물을 사용할 수 있다. 상기 환원제는 전도성 물질이 산화될 때 이를 환원시킴으로써 전기 도전성이 떨어지는 것을 방지하는 역할을 하며ᅳ 예컨대 히드라진계 환원제 또는 알데하이드계 환원제를 포함한다. 상기 히드라진계 환원제는 히드라진, 히드라진 수화물， 히드라진 설페이트， 히드라진 카보네이트 및 히드라진 하이드로클로라이드를 포함하고, 알데하이드계 환원제는 포름알데하이드, 아세트알데하이드， 프로피온 알데하이드를 포함하며 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 구체적인 일 실시예에 따르면， 다양한 CNT 전극 패턴을 잉크젯 프린터로 인쇄하기 위해 다중벽 (multiwall) CNT에 분산제를 넣고 볼밀링 (ball milling) 작업을 통해 물에 고르게 분산된 CNT 잉크를 만들 수 있다. 포토샵 또는 CAD 등과 같은 프로그램을 이용하여 전극 패턴의 도면올 그리고 원하는 모양의 전극을 일반 A4용지 또는 사진 인화용지에 인쇄한 후, 상기 인쇄된 전극 패턴을 절단 도구를 사용하여 자른 뒤, 상기 패턴들을 다양한 모양으로 조립함으로써 원하는 형태로 패터닝 (patterning)할 수 있다.
본 발명의 명세서에서 용어 "전극 패턴" 은 전압을 가했을 때 유체 (fluid)가 이동할 수 있는 경로를 구성하는 일 단위의 모양을 의미하며， 상기 전극 패턴은 다양한 모양으로 제작될 수 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시예에 따르면, 디지털 마이크로유체 칩을 만들기 위해 상기 전극 패턴은 다양한 형태로 제작될 수 있으며, 예컨대 ( i ) 물방울이 처음 만들어지는 시작점 (dispensing), (ii) 물방울들이 직선으로 나열된 전극 위에서 선형 움직임 (linear transport), (iii) 여러 개의 방울이 만나서 합쳐지는 것 (merging), (iv) 합쳐진 방울이 움직임에 의해 섞이는 것 (mixing) 또는 (V) 여러 개의 방을이 만나서 합쳐지거나 교차되는 것 (crossing)의 형태로 제작될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 마이크로유체 칩의 특징 중 하나는 취급 및 절단이 용이한 고상 기판을 사용하여 다양한 전자 패턴을 용이하게 얻을 수 있다. 상기 기판은 당업계에서 이용되는 다양한 고상 기판을 이용할 수 있으며, 예컨대 취급이 용이한 종이 (예： 일반 A4 용지, 사진 인화용지)， 필름 (예: 0HP 필름) 또는 플라스틱 시트를 포함하며， 바람직하게는 상기 기판은 종이 또는 필름이며， 보다 바람직하게는 종이이다. 단계 (b): 인쇄된 전극 패턴의 절단
이—어ᅮᅳ 겨ᅳ단계ᅳ (—a -서ᅳ인—쇄—된一전 -극ᅳ패-턴—을——적晋한——기 사용하여 절단한다.
본 발명의 구체적인 일 실시예에 따르면， 상기 전극 패턴은 종이 위에 인쇄되므로， 당업계에 공지된 다양한 절단 도구, 예컨대 가위， 절단기 등을 이용하여 쉽게 절단할 수 있다. 상기 전극 패턴을 0HP 필름에 인쇄한 경우에도 가위로 절단할 수 있다. 단계 (c): 전극 패턴의 조립
상기 절단된 전극 패턴을 조립하여 모듈형 마이크로유체 칩의 회로를 패터닝 (patterning)한다.
본 발명의 명세서에서 용어 "패터닝 (patterning)" 은 상기 절단된 전극 패턴을 이용하여 원하는 형태의 회로를 구성하는 것을 의미한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면， 상기 단계 (c) 이후에 상기 전극 패턴 상에 절연층을 형성하기 위하여 추가적으로 절연체를 증착시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 절연체는 유리， 자기 (porcelain) 또는 폴리머 조성물을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 폴리머 조성물이다. 절연체로서 폴리머 조성물을 사용하는 경우 파릴렌을 사용할 수 있으며, 예컨대 파릴렌 N, 파릴렌 , 파릴렌 D, 파릴렌 F를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 파릴렌 C이다.
본 발명의 다른 바람직한 구현예에 따르면， 상기 단계 (c) 이후에 상기 전극 패턴 상에 추가적으로 보강 재료를 코팅하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 코팅층은 스핀 코팅， 스프레이 코팅 또는 프린팅에 의하여 복수의 칩들 표면의 적어도 일부 영역에 형성될 수 있다. 또한 상기 코팅층은 물리적 기상 증착법 (physical vapor deposition), 화학적 기상 증착법 (chemical vapor deposition) 또는 도금 (electroplating)에 의하여 복수의 칩들 표면의 적어도 일부 영역에 형성될 수 있다.
상기 보강 재료는 본 발명의 마이크로 유체 종이 칩을 사용하는 과정 중 열， 압력 등에 견딜 수 있도록 하는 기능을 하며， 당업계에 공지된 다양한 물질을 사용할 수 있다. 바람직하게는 폴리테트라플투오로에틸렌이다. 본 발명의 모들형 마이크로유체 칩의 제작방법은 단계 (a) 이전에 ( i ) 칩 내부에 점적한 유체의 이동거리 (Δχ)와 전극 간격 (d)과의 반비례 관계 및 (Π) 상기 유체의 이동거리 (Δχ)와 칩에 부가된 전압과의 비례 관계를 이용하여 인쇄할 전극 패턴을 결정하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있으며, 이로써 전극을 따라 유체가 이동할 수 있는 최적의 조건을 찾아 패턴을 제작할 수 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시예에 따르면， 본 발명의 마이크로유체칩 상에 물방울을 점적한 후， 70 V 및 120 V의 전압 하에서 전극 사이 간격을 달리 하여 물방울의 이동거리를 측정한 경우, 전극간격 (d)과 유체의 이동 거리 (Δχ)는 반비례 관계, 전압크기 (V)와 유체의 이동거리 (Δχ)는 비례 관계가 성립한다.
상술한 본 발명의 방법은 (a) 전극 패턴의 인쇄, (b) 전극 패턴의 절단， 및 (c) 전극 패턴의 조립 등을 각각의 단계로서 실시하는 것으로 표현되어 있으나, 좀 더 빠른 시간 내에 마이크로유체 종이 칩을 제작하기 위하여, 단계 (a)에서 전극 패턴의 도면을 작성할 당시 조립 또는 패터닝이 완성된 형태로서 인쇄할 수도 있다. 하기 실시예에 모들형 마이크로유체 종이 칩의 제작방법에 대해 자세히 개시하고 있으며， 본 발명의 명세서 도 3에 대략적인 방법을 도시하였다. 본 발명의 다른 양태에 따르면， 본 발명은 상기 본 발명의 방법에 의해 제작된 모들형 마이크로유체 종이 칩을 제공한다.
본 발명의 모들형 마이크로유체 종이 칩은 상술한 본 발명의 모들형 마이크로유체 종이 칩의 제작방법을 이용한 것으로서， 이 둘 사이에 공통된 내용은 본 명세서의 과도한 복잡성을 피하기 위하여， 그 기재를 생략한다. 상기 모들형 마이크로유체 종이 칩에는 전극 패턴 및 유체를 수용할 수 있는유체를 수용하고， 유체의 흐름 (flow)이 이루어지는 전극 패턴이 포함된다. 본 발명의 모듈형 마이크로유체 종이 칩의 전극 패턴에 유체를 떨어뜨리고 전압을 걸어주면， 도 4에서와 같이 칩 표면에서 물방울의 움직임을 조절할 수 있음을 확인할 수 있다. 따라서 균일화된 다양한 전극 패턴을 이용하여 여러 단계의 화학 합성 등에 활용 수 있다. 본 발명의 구체적인 일 실시예에 따르면， 본 발명의 모들형 마이크로유체 종이 칩은 나노입자 합성용도로 사용할 수 있다 .
【발명의 효과】
본 발명의 특징 및 이점을 요약하면 다음과 같다:
(a) 본 발명은 한 장의 종이에 다양한 모양의 전극 패턴을 한 번에 인쇄하고 필요한 패턴들을 잘라 이어붙일 수 있는 조립식 종이 칩에 관한 것이다.
(b) 본 발명의 방법은 종래의 패터닝제 또는 패터닝 장치를 이용하는 인쇄 회로 기판 제작 방식과 달리 잉크젯 프린터를 이용한 간편한 인쇄과정을 거칠 뿐이며， 이로써 패터닝 방법을 간소화하고 전극 패턴의 조립 형태에 따라 다양한 종류의 칩을 제작할 수 있다.
(c) 따라서 본 발명의 방법을 이용하여 저가의 경제적이고 활용성 높은 마이크로유체 칩을 제공할 수 있다.
【도면의 간단한 설명】
도 la는 전기습윤법의 원리를 나타내는 모식도이다. θ(ν)는 전압 V인 경우의 접촉각을 의미한다.
도 lb는 본 발명에서 사용되는 잉크젯 프린터 원리를 나타낸 모식도이다. 종래의 패터닝 장치를 이용하는 방식과 달리, 압전 헤더를 사용하는 프린트 방식으로서, 용지 상에 CNT 잉크를 분사해서 원하는 패턴을 간단하게 제작할 수 있다.
도 2a는 탄소나노튜브 (CNT) 잉크를 이용한 종이 칩에서의 접촉각 측정결과를 나타낸 것이다.
도 2b는 전극을 인쇄하기 위해 물에 고르게 분산된 CNT 잉크를 제작하여 잉크젯 프린터로 인쇄한 후， 인쇄된 전극표면을 전자주사현미경으로 관찰한 아미지를 나타낸 것이다 (배율: X 70,000). 도 3은 잉크젯 프린팅을 이용한 모들형 마이크로유체 종이 칩의 제작과정을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 4a는 나열된 전극 위에서의 물방울의 움직임을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 4b는 실제 제작된 본 발명의 마이크로 유체 종이칩의 구동 모습을 나타낸 것이다.
-도 5는 본 발명의 종이 칩 제작에 사용한 5가지 —전극 패턴의 모식도이다.
도 6은 CMT칩의 조립 예를 나타낸 것이다.
도 7은 전극사이의 간격 (d)과 유체의 이동거리 (Δχ) 간의 관계를 나타낸 그래프이다. 유체는 오른쪽에서 왼쪽으로 이동하였다.
도 8은 전극간격-이동거리 실험에 사용한 칩을 나타낸 것이다. 유체가 이동한 전극부위를 동그라미로 표시하였다.
【발명을 실시하기 위한 구체적인 내용】
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로， 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다. 실시예
실시예 1 ： 탄소나노튜브 (CNT) 잉크의 제작
전극 패턴을 인쇄하기 위해 CNT 를 이용하여 잉크를 제작하였고， 종이 위에 인쇄한 후 전극으로 사용하였다. 상기 CNT 전극을 잉크젯 프린터로 인쇄하기 위해 먼저 다중벽 (mult iwall) CNT 에 분산제를 넣고 볼밀링 (ball milling) 작업을 통해 물에 고르게 분산된 CNT 잉크를 만들었다. 상기 잉크를 이용하여 잉크젯 프린터로 전극을 인쇄한 후, 인쇄된 전극표면을 전자주사현미경으로 관찰한 결과， 본 발명에서 제작한 CNT잉크가 용지 위에 균일하게 패킹되는 것을 볼 수 있었다 (도 2b).
한편， 전극으로 사용하기 위해서는 일정량 이상의 전도도가 요구되는데, 본 발명에서는 CNT 전극은 일반 A4 용지 위에서 1 kQ/sq 의 저항을， 사진 인화용지 위에서 200 Ω/sq 의 저항 값올 얻어 전극으로 사용하기에 층분한 전도도를 보였다. 실시예 2. 탄소나노튜브 (CNT) 잉크를 이용한 디지털 마이크로 유체 종이 칩의 DL MC패턴 제작 디지털 마이크로 유체 종이 칩의 제작에 사용할 전극 패턴을 一제 -작-하긔—위-하여一포 삽-어 -나ᅳ GAB—등—과ᅳ같은一프로 —램—을ᅳ어—용하여ᅳ토면ᅳ을" 그리고， 원하는 모양의 전극을 일반 A4 용지 또는 사진 인화용지에 잉크젯 프린터 및 상기 CNT 잉크를 이용하여 수십 //m해상도로 인쇄하였다.
이후， 인쇄된 종이에서 필요한 만큼의 전극 패턴을 잘라내어 패터닝 (patterning)을 한 후, 그 위에 절연층을 씌우기 위해 파릴렌 C(parylene C)를 증착시키고 테플론 (Teflon) AF1600 을 스핀코팅 (spin coating)해주었다. 상기 파릴렌 C 및 테플론이 증착된 종이 칩의 전극 패턴 상에 물방울을 떨어뜨리고 전압 (V)을 걸어준 경우， 도 4a 에서와 같이 칩 표면에서 물방울의 움직임을 조절할 수 있음을 확인하였다. 도 4b 는 실제 제작된 본 발명의 마이크로 유체 종이칩의 구동 모습을 나타낸 것이다. 칩 상에서의 유체의 이동 (수송， 합류， 흔합) 예를 나타내며， 화살표는 유체의 이동방향을 나타낸다.
한편, 디지털 마이크로유체 칩을 만들기 위해서는 물방울이 처음 만들어지는 시작점 (dispensing), 물방울들이 직선으로 나열된 전극 위에서 선형 움직임 (linear transport), 여러 개의 방울이 만나서 합쳐지는 것 (merging), 합쳐진 방울이 움직임에 의해 섞이는 것 (mixing) 등의 움직임이 가능해야 하므로， 본 발명에서는 총 5가지 종류의 전극 패턴을 한 장의 종이에 인쇄하여 표 1과 같은 DLTMC 패턴을 체작하였다.
【표 1】
DLTMC 패턴
Figure imgf000014_0001
Figure imgf000015_0001
실시예 3. C T패턴올 결합한 모듈칩 및 이를 이용한 금 나노입자의 합성 상기 표 1에서 패턴 D 5개와 패턴 C, M, T를 각각 하나씩 사용하여 CMT 패턴을 결합한 모듈칩을 조립하였다. 상기 패턴 및 3 종류의 용액 (HAuC14, NaBH4, 리신)올 이용하여 금 (gold) 나노입자를 합성하였다. 도 5는 CMT패턴을 결합한 모듈칩의 조립 예를 나타낸 것이며， 표 2는 CMT 패턴을 결합한 모듈칩 상에서 유체의 이동경로에 따른 각 지점에서의 동작 및 금 나노입자의 형성 단계를 나타낸다. 【표 2]
f 나노입자의
Figure imgf000016_0001
Figure imgf000016_0002
실시예 4. 전극 간격과 이동거리 관계의 측정
물방울을 칩 내부에 점적한 후， 일정 전압 하 (70 V 및 120V)에서 전극 사이 간격을 달리 하여 물방울의 이동거리를 측정하였다. 도 7 의 검은색 띠 부분은 전극을 의미하며， 흰색 띠는 종이를 의미한다. 도 7 에서 볼 수 있듯이, 같은 전압을 주어도 전극 간격에 따라 유체의 이동거리가 차이가 나몌 고전압 일수록 유체의 이동거리가 증가하는 것을 알 수 있었다. 즉, 각 전압별 이동거리와 전극 사이의 간격은 서로 상관관계가 있다는 결과를 얻었으며， 전극간격과 유체의 이동 거리는 반비례 관계, 전압크기와유체의 이동거리는 비례 관계가 성립함을 확인하였다.
한편， 본 발명에서 사용한 잉크젯 프린터는 전극 사이의 간격을 최소
0.1 mm - 0.2 隱 로 제한하며, 회로의 구동이 가능한 최대 전극 간격 사이즈는 0.7 mm로서， 마이크로유체 종이칩을 제작할 때 간격과 이동거리의 관계를 고려하여 전극을 따라 유체가 이동할 수 있는 최적의 조건올 찾아 패턴을 제작할 수 있다.
도 8 은 전극 간격-이동거리 시험에 사용한 마이크로유체칩을 나타내며, 도 8에 표시된 양 전극간에서 상기 실험을 실시하였다. 물방울은 전극과 수직 방향의 경로를 통하여 이동하며， 물방을이 전극과 전극 사이를 이동한 거리차를 "Δχ" , 전극 사이의 간격을 "d"로 나타내었다. 이상으로 본 발명의 특정한 부분올 상세히 기술하였는 바， 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현 예일 뿐이며， 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims

【특허청구범위】
【청구항 1]
다음 단계를 포함하는 모듈형 마이크로유체 칩의 제작방법:
(a) 전도성 잉크 (conductive ink) 및 잉크젯 프린팅을 이용하여 기판에 전극 패턴을 인쇄하는 단계;
(b) 상기 인쇄된 전극 패턴을 절단하는 단계; 및
(c) 상기 절단된 전극 패턴을 조립하여 모듈형 마이크로유체 칩을 제작하는 단계 .
【청구항 2】
제 1 항에 있어서, 상기 전도성 잉크는 금속 잉크, 세라믹 잉크 또는 분자 잉크인 것을 특징으로 하는 방법.
【청구항 3]
제 2 항에 있어서， 상기 세라믹 잉크는 탄소나노튜브 (CNT) 잉크인 것을 특징으로 하는 방법.
【청구항 4】
제 1 항에 있어서， 상기 단계 (c) 이후에 상기 전극 패턴 상에 절연층을 형성하기 위하여 추가적으로 절연체를 증착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
【청구항 5]
제 4 항에 있어서 , 상기 절연체는 유리 , 자기 (porcelain) 또는 폴리머 조성물인 것을 특징으로 하는 방법.
【청구항 6】
제 5 항에 있어서， 상기 폴리머 조성물은 파릴렌인 것을 특징으로 하는 방법 .
【청구항 7】
. 제 1 항에 있어세 상기 단계 (c) 이후에 전극 패턴 상에 보강 재료를 코팅하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
[청구항 8】
제 7 항에 있어서, 상기 보강 재료는 폴리테트라플루오로에틸렌인 것을 특징으로 하는 방법 .
【청구항 9】
제 1 항에 있어서, 상기 기판은 종이 또는 필름인 것을 특징으로 하는 방법 .
【청구항 10】
제 1 항에 있어서, 상기 전극 패턴은 0.1 mm - 0.7 麵 간격의 전극들을포함하는 것을 톡징으로 하는 방법.
【청구항 11]
제 1 항에 있어서, 상기 방법은 단계 (a) 이전에 (Π 칩 내부에 점적한 유체의 이동거리 (Δχ)와 전극 간격 (d)과의 반비례 관계 및 (ii) 상기 유체의 이동거리 (Δχ)와 칩에 부가된 전압과의 비례 관계를 이용하여 인쇄할 전극 패턴을 결정하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법 .
【청구항 12]
상기 제 1 항 내지 11 항의 방법에 의해 제작된 모듈형 마이크로유체 종이 칩 .
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104090117A (zh) * 2014-07-10 2014-10-08 大连理工大学 基于sers检测瘦肉精类物质的开关控制型纸质微流控芯片

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101686657B1 (ko) * 2014-11-06 2016-12-16 서강대학교산학협력단 다중 박막 인쇄 기술을 이용한 미세유체 칩의 제조 방법
CN104819976B (zh) * 2015-05-15 2017-08-15 济南大学 一种电化学发光纸芯片的制备及其在硫化氢检测中的应用
CN107930709B (zh) * 2017-11-22 2020-05-26 厦门大学 一种纸芯片及其制备方法
KR102198546B1 (ko) * 2019-06-11 2021-01-05 성균관대학교산학협력단 전도성 잉크의 제조 방법 및 이의 응용
CN110205236A (zh) * 2019-06-12 2019-09-06 中国检验检疫科学研究院 一种基于rpa技术快速检测核酸的纸微流控芯片
CN114055772B (zh) * 2021-09-29 2023-10-20 福建医科大学 一种3d打印可组装纸基微流控芯片的制作方法
CN114308152A (zh) * 2021-12-13 2022-04-12 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种数字微流控芯片及其制备方法与应用
WO2024014767A1 (ko) * 2022-07-15 2024-01-18 주식회사 시큐어메드 전도성 폴리머를 이용한 액적 액추에이터 및 그것의 전극 구조

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100602811B1 (ko) * 2004-08-21 2006-07-19 학교법인연세대학교 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물, 잉크젯 프린팅에의한 금속패턴 형성 방법 및 이에 의해 제조된 인쇄회로기판
KR100801670B1 (ko) * 2006-10-13 2008-02-11 한국기계연구원 잉크젯 프린팅법에 의한 나노소재의 미세 전극 패턴 제조방법
US20090065767A1 (en) * 2005-04-05 2009-03-12 Plastic Logic Limited. Multiple conductive layer tft
US20110111517A1 (en) * 2008-03-27 2011-05-12 President And Fellows Of Harvard College Paper-based microfluidic systems
JP2011253546A (ja) * 2009-12-10 2011-12-15 Toppan Printing Co Ltd 導電性基板およびその製造方法ならびにタッチパネル

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100523765B1 (ko) 2003-06-12 2005-10-26 한국과학기술원 유기초분자의 나노패턴을 이용한 탄소나노튜브 어레이의제작방법
JP4038575B2 (ja) * 2003-07-25 2008-01-30 独立行政法人産業技術総合研究所 バイオセンサ、バイオセンサ装置またはバイオセンサの保存方法
WO2007114794A1 (en) * 2006-03-31 2007-10-11 Nam Trung Nguyen Active control for droplet-based microfluidics
WO2008124046A1 (en) * 2007-04-04 2008-10-16 Micropoint Bioscience Inc.. Micromachined electrowetting microfluidic valve
PL2403645T3 (pl) * 2009-03-06 2017-05-31 President And Fellows Of Harvard College Mikroprzepływowe, elektrochemiczne urządzenia
US8926065B2 (en) * 2009-08-14 2015-01-06 Advanced Liquid Logic, Inc. Droplet actuator devices and methods
KR101267218B1 (ko) 2009-11-30 2013-05-23 아주대학교산학협력단 패터닝 형성용 탄소나노튜브-고분자 복합체 및 이를 이용하여 기판에 패터닝을 형성하는 방법
US20160033438A1 (en) * 2013-03-15 2016-02-04 President And Fellows Of Harvard College Paper-Based Reference Electrode And Potentiometric Ion Sensing

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100602811B1 (ko) * 2004-08-21 2006-07-19 학교법인연세대학교 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물, 잉크젯 프린팅에의한 금속패턴 형성 방법 및 이에 의해 제조된 인쇄회로기판
US20090065767A1 (en) * 2005-04-05 2009-03-12 Plastic Logic Limited. Multiple conductive layer tft
KR100801670B1 (ko) * 2006-10-13 2008-02-11 한국기계연구원 잉크젯 프린팅법에 의한 나노소재의 미세 전극 패턴 제조방법
US20110111517A1 (en) * 2008-03-27 2011-05-12 President And Fellows Of Harvard College Paper-based microfluidic systems
JP2011253546A (ja) * 2009-12-10 2011-12-15 Toppan Printing Co Ltd 導電性基板およびその製造方法ならびにタッチパネル

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104090117A (zh) * 2014-07-10 2014-10-08 大连理工大学 基于sers检测瘦肉精类物质的开关控制型纸质微流控芯片

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