WO2020218763A1 - 실리콘계 엘라스토머의 미세 패터닝 방법, 미세 패터닝 장치, 및 미세 패터닝 칩 - Google Patents

실리콘계 엘라스토머의 미세 패터닝 방법, 미세 패터닝 장치, 및 미세 패터닝 칩 Download PDF

Info

Publication number
WO2020218763A1
WO2020218763A1 PCT/KR2020/004868 KR2020004868W WO2020218763A1 WO 2020218763 A1 WO2020218763 A1 WO 2020218763A1 KR 2020004868 W KR2020004868 W KR 2020004868W WO 2020218763 A1 WO2020218763 A1 WO 2020218763A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
laser beam
based elastomer
silicon
fine patterning
initiator
Prior art date
Application number
PCT/KR2020/004868
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
고승환
신재호
원필립
정성민
Original Assignee
서울대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from KR1020190049369A external-priority patent/KR20200125295A/ko
Priority claimed from KR1020200037522A external-priority patent/KR102222245B1/ko
Application filed by 서울대학교산학협력단 filed Critical 서울대학교산학협력단
Priority to US17/762,227 priority Critical patent/US20220350250A1/en
Priority to EP20794838.1A priority patent/EP3992714A4/en
Publication of WO2020218763A1 publication Critical patent/WO2020218763A1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/0604—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams
    • B23K26/0608—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams in the same heat affected zone [HAZ]
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/20—Exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/2051—Exposure without an original mask, e.g. using a programmed deflection of a point source, by scanning, by drawing with a light beam, using an addressed light or corpuscular source
    • G03F7/2053—Exposure without an original mask, e.g. using a programmed deflection of a point source, by scanning, by drawing with a light beam, using an addressed light or corpuscular source using a laser
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/083—Devices involving movement of the workpiece in at least one axial direction
    • B23K26/0853—Devices involving movement of the workpiece in at least in two axial directions, e.g. in a plane
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C59/00—Surface shaping of articles, e.g. embossing; Apparatus therefor
    • B29C59/16—Surface shaping of articles, e.g. embossing; Apparatus therefor by wave energy or particle radiation, e.g. infrared heating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B1/00—Devices without movable or flexible elements, e.g. microcapillary devices
    • B81B1/002—Holes characterised by their shape, in either longitudinal or sectional plane
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00023—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems without movable or flexible elements
    • B81C1/00119—Arrangement of basic structures like cavities or channels, e.g. suitable for microfluidic systems
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J7/00—Chemical treatment or coating of shaped articles made of macromolecular substances
    • C08J7/12—Chemical modification
    • C08J7/123—Treatment by wave energy or particle radiation
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/0037—Production of three-dimensional images
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/30—Organic material
    • B23K2103/42—Plastics
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2083/00—Use of polymers having silicon, with or without sulfur, nitrogen, oxygen, or carbon only, in the main chain, as moulding material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/05—Microfluidics
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2201/00—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems
    • B81C2201/01—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems in or on a substrate
    • B81C2201/0101—Shaping material; Structuring the bulk substrate or layers on the substrate; Film patterning
    • B81C2201/0128—Processes for removing material
    • B81C2201/0143—Focussed beam, i.e. laser, ion or e-beam
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2383/00—Characterised by the use of macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing silicon with or without sulfur, nitrogen, oxygen, or carbon only; Derivatives of such polymers
    • C08J2383/04—Polysiloxanes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/02—Form or structure of the vessel
    • C12M23/16—Microfluidic devices; Capillary tubes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/20—Material Coatings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/22—Transparent or translucent parts

Definitions

  • the present invention relates to a method for fine patterning of a silicon-based elastomer, and specifically, to a method for forming a precise fine pattern on a transparent silicon-based elastomer by using a laser.
  • Silicone-based elastomers are excellent in biocompatibility and can be used for cell culture, and are particularly transparent and have the advantage of being able to observe cell proliferation and differentiation in real time. Accordingly, various studies have been conducted to manufacture micropatterned chips such as biochips or organ-on-a-chips through micropatterning on a silicon-based elastomer, for example, polydimethylsiloxane (PDMS).
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • a photolithography process is used to perform fine patterning on a silicon-based elastomer.
  • the photolithography process is very complicated and requires expensive equipment, and in particular, there is a problem in that a mask must be manufactured for each pattern to be formed.
  • Photolithography masks have a high manufacturing cost and a long manufacturing time.
  • the method using a laser is simpler and shorter in time required for the fine patterning process.
  • a silicon-based elastomer having high light transmittance and transparency transmits a laser, it is not easy to perform fine patterning using a laser.
  • the first method is to ablate the surface of a silicon-based elastomer using a high-energy pulsed laser.
  • this ablation process is difficult to commercialize because the quality of the fine pattern to be formed is too low.
  • 1 is a method of forming a fine pattern using a pulsed laser, but problems such as irregular and uneven fine patterns can be confirmed. This is the limitation of pulsed lasers that use high energy.
  • the second method is to form a light absorbing layer on the surface of the silicone elastomer, as shown in Journal of Micromechanics and Microengineering, 26 (2016) 035008 (8pp), Ziya Isiksacan et al., Rapid fabrication of microfluidic PDMS devices from reusable PDMS molds using laser ablation. After formation, micropatterning is performed using a laser, and the light absorbing layer is removed again.
  • the surface properties of the silicone-based elastomer are deteriorated due to problems with the adhesive or the hydrophobic surface.
  • the present inventors have developed a new method for fine patterning using a laser, without impairing the surface characteristics of a transparent silicon-based elastomer.
  • An object of the present invention is to provide a method for fine patterning of a silicon-based elastomer having high quality while performing fine patterning in a very fast time by inducing continuous pyrolysis using a laser.
  • Another object of the present invention is to provide a method for fine patterning of a silicon-based elastomer and a laser fine patterning device capable of forming a three-dimensional fine pattern by inducing continuous thermal decomposition using a laser.
  • Another object of the present invention is to provide a microfluidic chip or cell culture chip having a fine pattern manufactured through continuous pyrolysis using a laser.
  • a method for fine patterning of a silicon-based elastomer includes a fine patterning device for forming a light-absorbing pyrolysis initiator having a first region at a position of the silicon-based elastomer and irradiating a laser beam. Induces a first pyrolysis in the first region by irradiating the pyrolysis initiator of a laser beam from the first region, but a second pyrolysis occurs outside the first region by conduction of heat generated in the first pyrolysis, thereby allowing light absorption. A region is formed, and a fine pattern is formed by irradiating the laser beam while moving to the second region.
  • the silicon-based elastomer has a first surface, which is an incident surface to which a laser beam is irradiated, and a second surface opposite to the first surface, and the initiator is formed on the first surface of the silicon-based elastomer so that the laser beam is 2D fine patterns can be formed while moving within the 2D area.
  • the silicon-based elastomer has a first surface, which is an incident surface to which a laser beam is irradiated, and a second surface opposite to the first surface, and the initiator is formed on the second surface of the silicon-based elastomer so that the laser beam is 3D micropatterns can be formed while moving within the 3D area.
  • the micropatterning device generates a first axis laser beam, a second axis laser beam, and a third axis laser beam, wherein the first axis laser beam, the second axis laser beam, and the third axis laser beam are A crossing point is formed at a point, and the crossing point may form a 3D micropattern while moving within a 3D area using an initiator at a position of the silicon-based elastomer as a starting point.
  • the initiator may be a solution or solid material having a higher light absorption than the silicon-based elastomer.
  • it may be a light-absorbing colored pigment (pigment), a dye (dye), ink, or a solution or solid material containing one or more of these.
  • the initiator may be located on the surface of the silicon-based elastomer, or may be inserted or embedded therein.
  • the pyrolysis product may be removed.
  • the pyrolysis product may be SiC, SiOC, SiO 2 or amorphous silica.
  • the silicone-based elastomer may be PDMS (Poly(methylmethacrylate)).
  • the laser beam may be a continuous wave laser beam or a pulsed laser beam.
  • the power density of the laser beam may be a laser beam less than the power density to fuse the silicon-based elastomer.
  • the micropatterning chip of another example of the present invention is manufactured by the micropatterning method of the silicon-based elastomer described above, and the formed micropattern has a turbidity of 4%T or more for light of 550 nm.
  • the micropatterning device of another example of the present invention is composed of a laser beam generator, a stage, and a laser beam generator or a control unit that controls the stage, and induces chain pyrolysis to the silicon-based elastomer to obtain a fine pattern.
  • the laser beam generator comprises a laser oscillator; A mirror part; Beam expander; And a laser beam scanner; comprising a silicon-based elastomer including at least one initiator that is mounted on the stage and has a fine pattern formed by the laser beam, the laser The beam scanner or the stage or both are driven by a driving device into a 2D area or a 3D area.
  • the laser beam generator generates a first laser beam generator for generating a first axis laser beam, a second laser beam generator for generating a second axis laser beam, and a third axis laser beam
  • a third laser beam generator may be provided, and the first to third laser beam generators may be configured to have an intersection point where the first axis laser beam, the second axis laser beam, and the third axis cross at one point.
  • the laser beam scanner may be a galvanomirror scanner.
  • the wavelength of the laser beam generated by the laser beam generator may be 200 nm to 1,000 nm.
  • the energy density of the laser beam generated by the laser beam generator may be 10 to 100 J/m.
  • an initiator is formed at a position of a silicon-based elastomer having high light transmittance and transparency, and the laser beam is moved to induce chain pyrolysis, thereby performing fine patterning in a very fast time. While performing, it is possible to form fine patterns having high quality at the same time.
  • the laser micropatterning apparatus is configured to have an intersection point where the first axis laser beam, the second axis laser beam, and the third axis laser beam cross at one point, and an initiator at one position of the silicon-based elastomer ( Initiator) as a starting point, the intersection point moves in three dimensions, and a three-dimensional micropattern can be formed through chain pyrolysis.
  • the micropattern chip according to another example of the present invention may provide a microfluidic chip, a cell culture chip, or an organoid having a fine pattern manufactured through chain pyrolysis using a laser beam.
  • FIG. 1 is a photograph showing a micro device surface-processed using a pulse laser according to the prior art.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a micropatterning apparatus of the present invention capable of forming a micropattern by irradiating a laser beam onto a silicon-based elastomer.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram of another example of a micropatterning apparatus of the present invention capable of forming a micropattern by irradiating a laser beam onto a silicon-based elastomer.
  • FIG. 4 is a schematic reference diagram of another example of the micropatterning apparatus of the present invention capable of forming a three-dimensional micropattern by irradiating a laser beam onto a silicon-based elastomer.
  • FIG. 5 is a schematic schematic diagram of a process of forming a fine pattern through chain pyrolysis on a silicon-based elastomer according to the fine patterning method of the present invention.
  • FIG. 6 is a reference diagram of various examples for forming an initiator on an incident surface of a laser surface on a PDMS slab and forming a fine pattern through chain pyrolysis according to the fine patterning method of the present invention.
  • FIG. 7 is a reference diagram of various examples for forming an initiator on a surface opposite to an incident surface of a laser beam on a PDMS slab according to the fine patterning method of the present invention and forming a fine pattern through chain pyrolysis.
  • FIGS. 8 and 9 are photographs of a PDMS micropattern chip in which a micropattern is formed by irradiating a laser beam to induce continuous thermal decomposition according to the micropatterning method of the present invention.
  • FIG. 10 is a photograph showing a PDMS micropattern chip and vascular cells cultured in vitro using the micropattern by irradiating a laser beam according to the micropatterning method of the present invention to induce continuous pyrolysis.
  • Figure 11 shows that the PDMS micropattern chip formed by inducing continuous pyrolysis by irradiating a laser beam according to the micropatterning method of the present invention to form a micropattern is removed by (a) ultra sonication, or (b) a taping method or physical external force. This is a picture that shows.
  • FIG. 13 shows a result of patterning using laser beams of various wavelengths according to an example of the present invention.
  • FIG. 14 is a graph showing the correlation between the scanning power of the laser beam and the size of the channel of the fine pattern formed according to the present invention.
  • 15 is a graph showing the correlation between the power density of the laser beam and the tomographic depth of the channel of the fine pattern formed according to the present invention.
  • 17 is a table showing various examples of micropatterning chips manufactured according to the present invention.
  • FIG. 18 shows a vascular chip array among micropatterning chips manufactured according to the present invention.
  • FIG. 19 shows the results of patterning (a) PDMS or (b) Ecoflex® (BASF) by inducing continuous pyrolysis by irradiating a laser beam according to the micropatterning method of the present invention.
  • LPS fine patterning method
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a micropatterning apparatus of the present invention capable of forming a fine pattern by irradiating a laser beam on a silicon-based elastomer
  • FIG. 3 is a present invention capable of forming a fine pattern by irradiating a laser beam onto a silicon-based elastomer.
  • It is a schematic configuration diagram of another example of a micropatterning apparatus of
  • FIG. 4 is a schematic reference diagram of another example of a micropatterning apparatus of the present invention capable of forming a 3D micropattern by irradiating a laser beam to a silicon-based elastomer.
  • the micropatterning apparatus of the present invention includes a laser beam generation unit 100, a stage 301, and a control unit.
  • the laser beam generation unit 100 includes a laser oscillator 101 generating a laser beam, a waveplate 102, a polarized beam splitter (PBS) 103, a mirror unit 104, and A beam expander 105 and a laser beam scanner 201 may be provided, but the present invention is not limited thereto.
  • a galvanomirror scanner may be used as the laser beam scanner 201.
  • the laser oscillator 101 is composed of an optical amplifier and an optical resonator, and outputs a continuous wave laser or pulsed laser.
  • a pulsed laser an ultrashort pulsed laser may be preferably used.
  • the wave plate 102 is a module for transmitting a laser beam without attenuation, path deviation, or position change and adjusting the polarization direction.
  • a half wave plate (HWP) or a quarter wave plate (QWP) may be used, but the present invention is not limited thereto.
  • the polarization beam splitter 103 is for providing first and second emission beams, respectively, through different first and second emission surfaces of the laser beam incident on the incident surface.
  • the power of the laser can be adjusted by the laser source, but it is also possible to control the power of the laser beam using a wave plate and a polarizing beam splitter for stable operation of the source.
  • the laser oscillated from the laser source is polarized at a specific angle as it passes through the wave plate, and the laser is divided into two beams while passing through the polarization beam splitter.
  • the intensity ratio of the two outgoing beams can be adjusted according to the polarization angle, and the power of the outgoing beams to be used can be precisely controlled in this way.
  • the mirror unit 104 is a module for expanding the beam incident on the beam expander 105 to a greater extent than at the time of output in order to change the direction of the laser beam.
  • the mirror unit may be omitted when a laser source is directly connected or a fiber laser is used.
  • the beam expander 105 when a galvanomirror scanner is used, it may be used together, and other methods may be omitted.
  • a galvano mirror scanner may be used as the laser beam scanner 201.
  • the galvanomirror scanner can be used for operations requiring rapid scanning, and includes a driving motor that enables the galvanomirror scanner to move in the x, y and z axis directions, and a lens module equipped with a lens at the bottom. Include.
  • a telecentric lens or an F-theta lens may be used as the lens.
  • the present invention is not limited thereto, and various types of lenses such as a plurality of lenses or cylindrical lenses arranged as shown in FIG. 3 may be used.
  • the laser beam scanner control unit 202 controls the driving of a laser beam scanner that irradiates a laser beam output from a laser oscillator toward the workpiece in order to process the workpiece.
  • the laser beam scanner control unit 202 may be interconnected to enable bi-directional communication with the laser beam scanner by wired or wireless communication means, such as computers, laptops, network-connected storage, mobile devices (eg tablet devices, smartphones), etc.
  • a general-purpose external terminal including a is used, and is automatically performed according to a pre-made patterning program, or an operator can perform a patterning operation through the terminal.
  • a laser beam scanner configured with a general objective lens may be used.
  • the stage other than the scanner is driven (by the x-axis, y-axis, or z-axis).
  • the stage controller 300 drives the stage in the x-axis, y-axis, or z-axis by controlling the driving device.
  • a workpiece 500 for forming a fine pattern is placed on the stage 301.
  • a silicone-based elastomer can be used as the workpiece.
  • a silicon-based elastomer in which an initiator is formed as a workpiece is used.
  • the laser beam generator of the micropatterning device when high-precision 3D scanning is required, the laser beam generator of the micropatterning device generates a first laser beam generator that generates a first axis laser beam, and a second laser beam that generates a second axis laser beam. It characterized in that it comprises a unit and a third laser beam generator for generating a third axis laser beam.
  • the first to third laser beam generators are configured to have an intersection point where the first axis laser beam, the second axis laser beam, and the third axis cross at one point.
  • a 3D-shaped fine pattern can be freely formed, and accordingly, a 3D structure having various shapes can be easily formed.
  • FIG. 5 is a schematic schematic diagram of a process of forming a fine pattern through chain pyrolysis on a silicon-based elastomer according to the fine patterning method of the present invention
  • FIG. 6 is an initiator on the incident surface of the laser surface on the PDMS slab according to the fine patterning method of the present invention.
  • FIG. 7 is a reference diagram of a PDMS slab according to the micropatterning method of the present invention to form an initiator on the opposite surface of the incident surface of the laser beam, and through chain pyrolysis. It is a reference diagram of various examples for forming a fine pattern.
  • an initiator is formed at a position of a silicon-based elastomer.
  • the object of the micropatterning method of the present invention is a silicon-based elastomer having high light transmittance and transparency, and a silicon-based elastomer having high light transmittance and transparency cannot induce thermal decomposition because a laser beam is transmitted.
  • the initiator has light absorption and plays a role of generating high heat by the laser beam.
  • silicone-based elastomers are PDMS or ecoflex® (BASF).
  • BASF ecoflex®
  • the present invention is not limited thereto, and may be applied to other silicone elastomers.
  • the region in which the initiator is formed is referred to as a first region (1).
  • the initiator may be formed at any position of the silicon-based elastomer, and may be placed on the surface of the silicon-based elastomer, inserted or embedded.
  • a colored pigment absorbing light, a dye, an ink, or a solution or solid material including one or more of them may be used.
  • the present invention is not limited thereto, and the silicon-based elastomer itself may have a higher light absorption rate than that of the silicon-based elastomer itself and thus absorb the laser.
  • a laser beam is irradiated to the initiator using a fine patterning device that irradiates a laser beam to induce a first thermal decomposition within the first region (1).
  • SiC, a trace amount of SiOC, SiO 2 , and nonstoichimetric silca are formed in the silicon-based elastomer in the first region 1 by the first thermal decomposition.
  • a Localized Heated Zone (LHZ) is formed around the first region 1 due to heat transfer, which may be referred to as the second region 2.
  • LHZ Localized Heated Zone
  • the second region 2 no initiator is formed, but the second thermal decomposition occurs due to heat transfer, and light absorption is possible.
  • the micropatterning apparatus of the present invention can be used for micropatterning of a silicon-based elastomer by using a laser beam like a pen or a brush.
  • the micropatterning apparatus of the present invention can form a micropattern very efficiently and quickly by using a laser beam like a brush using a writing instrument.
  • FIG. 6 schematically shows a fine patterning method when an initiator is formed on an incident surface of a silicon-based elastomer.
  • the silicon-based elastomer has a first surface that is an incident surface to which a laser beam is irradiated, and a second surface that faces the first surface.
  • 6(a) and 6(b) show examples in which the initiator is formed on the first surface.
  • a laser beam is irradiated to the initiator to induce a first thermal decomposition and a subsequent second thermal decomposition to form a fine pattern. Fine patterns are formed along the path of the laser beam.
  • FIG. 6B uses a mask in which holes corresponding to fine patterns are formed.
  • An initiator is formed on the first surface of the silicon-based elastomer, and a mask is placed at the same time. Then, the laser beam is blank scanned. The laser beam does not move according to the fine pattern, but the laser beam scans the entire surface from left to right. Since there are holes corresponding to the fine patterns in the mask, fine patterns are formed starting from the position where the initiator of the hole is located during blank scanning.
  • FIGS. 6(a) and 6(b) this is an example in which the initiator is formed on the second surface.
  • a laser beam is irradiated to the initiator to induce a first pyrolysis and a second pyrolysis accordingly to form a fine pattern. Fine patterns are formed along the path of the laser beam.
  • the laser beam passes through the silicon-based elastomer to pyrolyze the opposite surface of the laser beam path.
  • FIG. 8 and 9 are enlarged photographs of a micropatterning chip manufactured according to the micropatterning method of the present invention in various embodiments of the present invention
  • FIG. 10 is a continuous pyrolysis by irradiating a laser beam according to the micropatterning method of the present invention. This is a photograph showing the micropatterns by inducing the PDMS micropattern chip and vascular cells cultured in vitro using the same.
  • FIG. 10 shows that blood vessels are stably formed by culturing blood vessel cells in a micropatterning chip manufactured according to the method of the present invention.
  • FIG. 11 shows that the PDMS micropattern chip formed by inducing continuous pyrolysis by irradiating a laser beam according to the micropatterning method of the present invention to form a micropattern is removed by (a) ultra sonication, or (b) a taping method or physical external force. It is a photograph showing, and FIG. 12 shows the XRD analysis results of the pyrolysis product removed by the method of FIG. 11.
  • FIG. 13 shows a result of patterning using laser beams of various wavelengths according to an example of the present invention.
  • laser beams having wavelengths of 532 nm, 650 nm, and 808 nm were used, respectively, in an embodiment of the present invention, and it was confirmed that good fine patterns were generated regardless of wavelength.
  • the wavelength of the laser beam may be 200 nm to 1,000 nm.
  • FIG. 14 is a graph showing the correlation between the scanning power of the laser beam and the size of the channel of the fine pattern formed according to the present invention.
  • FIG. 14 it can be seen that as the scanning power (J/m) of the laser beam increases, the depth and the width of the microchannel increase in proportion to this, but the rate of increase of the width is greater.
  • FIG. 15 is a graph showing the correlation between the power density of the laser beam and the tomographic depth of the channel of the fine pattern formed according to the present invention. Referring to FIG. 15, it was found that the depth of a single layer of the channel formed by the laser beam increases in proportion to the energy density (J/m) of the laser beam.
  • FIG. 16 is a result of measuring the surface shape and turbidity of the fine pattern formed according to the present invention.
  • the micropatterning method of the present invention inevitably forms small grooves on the surface of the micropattern. These grooves make the surface of the micropattern a slightly opaque surface.
  • the fine pattern in terms of haze characteristics, compared to typical PDMS having a turbidity of about 0.5%T, the fine pattern has a turbidity of 4%T or more.
  • the location where the fine pattern is formed has a difference in turbidity of about 8 times or more compared to general PDMS.
  • FIG. 17 is a table showing various embodiments of micropatterning chips manufactured according to the present invention
  • FIG. 18 shows a vascular chip array among micropatterning chips manufactured according to the present invention.
  • microfluidic chips, cell culture chips, and the like may be manufactured by the micropatterning method.
  • FIG. 19 shows the results of patterning (a) PDMS or (b) Ecoflex® (BASF) by inducing continuous pyrolysis by irradiating a laser beam according to the micropatterning method of the present invention.
  • PDMS and Ecoflex are representative silicone elastomers. Referring to FIG. 19, it was confirmed that a fine pattern of an excellent level was formed by the fine patterning method of the present invention in both.
  • PDMS slab was prepared by mixing a resin (resin) ((Dow Corning)) and a curing agent (Sylgard184, Dow Corning) in a ratio of 10:1. Next, degassing and curing processes were sequentially performed at 60°C for 2 hours or more using a vacuum bell-jar and a curing oven (OF-12G, JEIO TECH).
  • resin resin
  • Silgard184 Dow Corning
  • a continuous wave laser (532 nm, Sprout-G-5W, Lighthouse Photonics) was used as the main laser source and compared with 650 nm and 808 nm.
  • the cured PDMS slab prepared in Example 1 was cleanly treated with a taping (Scotch Magic Tape, 3M) method to remove foreign substances such as dust adhered to the surface.
  • the surface-treated PDMS slab was placed on a glass used as a transport substrate.
  • Computer-controlled laser scanning having appropriate scanning parameters in terms of power or scanning speed, etc., was used as a front surface scanning (FSS, see FIG. 6(a)) or a back surface scanning (BSS, see FIG. 7) method. In each method, the laser focus was precisely controlled to enable high-quality processing.
  • FSS the focal plan was placed on the beam incident surface of the PDMS slab.
  • the laser focal plan was aligned with the opposite surface of the incident surface of the PDMS slab, and afterwards, it was compensated by the thickness of the pyrolysis product newly generated by the corresponding scanning for each scan.
  • SiC was easily removed by a taping method or an ultra-sonication method.
  • the PDMS structure was combined with a slide glass by a standard plasma-bonding method or used as a mold to fabricate a microfluidic chip.
  • micropattern of the microfluidic chip of Example 3 was able to be formed in a very fast time, and it was confirmed that the quality of the formed micropattern was equal to or higher than that using photolithography.
  • a light-transmitting workpiece which was impossible or inefficient to process using a conventional laser beam, can be easily patterned by a method such as one-touch drawing, and is expected to be widely used as a micropatterning method for silicon-based elastomers. do.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

본 발명은 미세 패터닝 방법은 광투과성 및 투명성이 높은 실리콘계 엘라스토머의 일 위치에 이니시에이터(initiator)를 형성하고 레이저 빔을 이동시켜 연쇄 열분해를 유도함으로써 매우 빠른 시간에 미세 패터닝을 수행하면서도 동시에 높은 품질을 가지는 미세패턴을 형성할 수 있는 실리콘계 엘레스토머의 미세패터닝 방법에 관한 것입니다.

Description

실리콘계 엘라스토머의 미세 패터닝 방법, 미세 패터닝 장치, 및 미세 패터닝 칩
본 발명은 실리콘계 엘라스토머의 미세 패터닝 방법 으로서, 구체적으로 투명한 실리콘계 엘라스토머에 대해 레이저를 이용하여 정밀한 미세 패턴을 형성할 수 있는 방법에 관한 것이다.
실리콘계 엘라스토머는 생체적합성이 뛰어나 세포배양에 이용이 가능하며, 특히 투명하여 세포의 증식 및 분화를 실시간으로 관찰할 수 있다는 장점이 있다. 이에 실리콘계 엘라스토머, 예를 들어 폴리디메틸실록산(PDMS: Polydimethylsiloxane)에 미세 패터닝을 통해 바이오 칩이나 장기칩(Organ-on-a-chip)등과 같은 미세 패턴칩을 제조하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.
일반적으로 실리콘계 엘라스토머에 미세 패터닝을 하는 방법은 포토리소그래피(photolithography) 공정이 이용된다. 그런데 포토리소그래피 공정은 매우 복잡하고 고가의 장비가 요구되고, 특히 형성하고자 하는 패턴마다 마스크(mask)를 제작해야 하는 문제가 있다. 포토리소그래피의 마스크는 제조하는 비용도 높을 뿐더러 제조시간도 길다.
이러한 포토리소그래피 공정에 비해 레이저를 이용하는 방법은 미세 패터닝 공정에 걸리는 시간도 짧고 간편하다. 하지만 높은 광투과성 및 투명성을 가지는 실리콘계 엘라스토머는 레이저가 투과하기 때문에 레이저를 이용하여 미세 패터닝을 수행하는 것은 쉽지 않다.
이러한 문제로 인해 종래 레이저를 이용하여 실리콘계 엘라스토머를 미세 패터닝하는 방법으로는 크게 두가지가 이용되고 있다.
첫번째 방법은 높은 에너지의 펄스 레이저(Pulsed Laser)를 이용하여 실리콘계 엘라스토머의 표면을 융삭(ablation)시키는 방법이다. 하지만 이와 같은 융삭 과정은 형성되는 미세패턴의 품질이 너무 낮아 실제 상용화가 어렵다. 도 1이 펄스 레이저를 이용하여 미세패턴을 형성하는 것인데 미세패턴이 일정하지 않고 울퉁불퉁하는 등의 문제를 확인할 수 있다. 높은 에너지를 이용하는 펄스 레이저의 한계이다.
두번째 방법은 Journal of Micromechanics and Microengineering, 26 (2016) 035008 (8pp), Ziya Isiksacan et al., Rapid fabrication of microfluidic PDMS devices from reusable PDMS molds using laser ablation에 나타난 바와 같이, 실리콘계 엘라스토머의 표면에 광흡수층을 형성한 뒤 레이저를 이용하여 미세패터닝을 수행하고, 다시 광흡수층을 제거하는 방법이다. 그런데 광흡수층을 실리콘계 엘라스토머에 형성하는 과정에서 접착제나 소수성 표면에 따른 문제로 인해 실리콘계 엘라스토머의 표면 특성이 저하된다. 예컨대 투명도가 떨어지거나, 소수성 표면이 되어 마이크로 플루이드 장치에 이용이 어려워지는 문제가 생기는 것이다. 또한, 광흡수층을 형성하는 방법은 공정이 매우 복잡하고 시간 및 비용에 효율성이 매우 떨어져 대량생산이 사실상 불가능하다.
이에 본 발명자들은 투명한 실리콘계 엘라스토머의 표면 특성을 해치지 않으면서, 레이저를 이용하여 미세패터닝할 수 있는 새로운 방안을 개발하였다.
본 발명의 일 목적은 레이저를 이용하여 연속 열분해를 유도하여 매우 빠른 시간에 미세 패터닝을 수행하면서도 동시에 높은 품질을 가지는 실리콘계 엘라스토머의 미세 패터닝 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 레이저를 이용하여 연속 열분해를 유도하여 3차원 미세패턴을 형성할 수 있는 실리콘계 엘라스토머의 미세 패터닝 방법과 레이저 미세 패터닝 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 레이저를 이용한 연속 열분해를 통해 제조된 미세 패턴을 가지는 미세유체 칩이나 세포배양 칩을 제공하는 것이다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
위와 같은 과제를 달성하기 위해 본 발명의 일 예에 따른 실리콘계 엘라스토머의 미세 패터닝 방법은, 상기 실리콘계 엘라스토머의 일 위치에 제1영역을 가지는 광흡수성 열분해 이니시에이터를 형성하고, 레이저 빔을 조사하는 미세패터닝 장치로부터 레이저 빔의 상기 열분해 이니시에이터에 조사하여 상기 제1영역 내에서 제1열분해를 유도하되, 제1영역의 외부에 제1열분해에서 발생한 열의 전도에 의한 제2열분해가 발생하여 광흡수가 가능한 제2영역을 형성되며, 상기 레이저 빔을 제2영역으로 이동하면서 조사하여 미세패턴을 형성한다.
일 예에 있어서, 상기 실리콘계 엘라스토머는 레이저 빔이 조사되는 입사면인 제1면과 상기 제1면에 대향하는 제2면을 가지며, 상기 이니시에이터는 상기 실리콘계 엘라스토머의 제1면에 형성되어 레이저 빔이 2D 영역 내에서 움직이면서 2D 미세패턴을 형성 할 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 실리콘계 엘라스토머는 레이저 빔이 조사되는 입사면인 제1면과 상기 제1면에 대향하는 제2면을 가지며, 상기 이니시에이터는 상기 실리콘계 엘라스토머의 제2면에 형성되어 레이저 빔이 3D 영역 내에서 움직이면서 3D 미세패턴을 형성 할 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 미세패터닝 장치는 제1축 레이저 빔, 제2축 레이저 빔 및 제3축 레이저 빔을 생성하되, 제1축 레이저 빔, 제2축 레이저 빔 및 제3축 레이저 빔은 일 지점에서 교차하는 교차점을 형성하며, 상기 교차점은 상기 실리콘계 엘라스토머의 일 위치의 이니시에이터를 시작점으로 하여 3D 영역 내에서 움직이면서 3D 미세패턴을 형성할 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 이니시에이터는 상기 실리콘계 엘라스토머보다 광흡수도가 높은 용액 도는 고형물일 수 있다. 예를 들어, 광을 흡수하는 유색 안료 (pigment), 염료 (dye), 잉크 또는 이들 중 하나 이상을 포함하는 용액 또는 고형물일 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 이니시에이터는 상기 실리콘계 엘라스토머의 표면에 위치하거나 그 내부에 삽입 또는 임베딩될 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 미세패턴을 형성한 뒤 열분해 생성물을 제거할 수 있다. 이때, 상기 열분해 생성물은 SiC, SiOC, SiO2 또는 비정질 실리카일 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 실리콘계 엘라스토머는PDMS (Poly(methylmethacrylate)) 일 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 레이저빔은 연속파형 레이저빔 또는 펄스 레이저빔일 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 레이저빔의 파워 밀도는 상기 실리콘계 엘라스토머를 융식시키는 파워 밀도 미만의 레이저빔일 수 있다.
위와 같은 과제를 달성하기 위해 본 발명의 다른 예의 미세패터닝 칩은 상술한 실리콘계 엘라스토머의 미세 패터닝 방법에 의해 제조되며, 형성되는 미세패턴은 550 nm의 빛에 대한 탁도가 4 %T 이상이다.
위와 같은 과제를 달성하기 위해 본 발명의 또 다른 예의 미세패터닝 장치는 레이저 빔 생성부와, 스테이지와, 레이저 빔 생성부 또는 스테이지를 제어하는 제어부로 구성되며, 실리콘계 엘라스토머에 연쇄 열분해를 유도하여 미세패턴을 형성한다. 이때, 상기 레이저 빔 생성부는 레이저 발진기; 미러부; 빔 익스팬더; 및 레이저 빔 스캐너;를 구비하고, 상기 스테이지 위에 마운팅 되고, 상기 레이저 빔에 의헤 미세패턴이 형성되는 피가공물로서, 광을 흡수하는 이니시에어터를 하나 이상 포함하는 실리콘계 엘라스토머를 포함하고, 상기 레이저 빔 스캐너 또는 상기 스테이지 또는 둘 모두가 구동장치에 의해 2D 영역 또는 3D 영역으로 구동된다.
또 다른 예에 있어서, 상기 레이저 빔 생성부는 제1축 레이저 빔을 생성하는 제1레이저 빔 생성부와, 제2축 레이저 빔을 생성하는 제2레이저 빔 생성부와, 제3축 레이저 빔을 생성하는 제3레이저 빔 생성부를 구비하고, 제1 내지 제3레이저빔 생성부는 제1축 레이저 빔, 제2축 레이저 빔 및 제3축이 일 지점에서 교차하는 교차점을 가지도록 구성될 수 있다.
또 다른 예에 있어서, 상기 레이저 빔 스캐너는 갈바노미러 스캐너일 수 있다.
또 다른 예에 있어서, 상기 레이저 빔 생성부에서 생성되는 레이저 빔의 파장은 200 nm 내지 1,000 nm일 수 있다.
또 다른 예에 있어서, 상기 레이저 빔 생성부에서 생성되는 레이저 빔의 에너지 밀도는 10 내지 100 J/m일 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 실리콘계 엘라스토머의 미세 패터닝 방법은 광투과성 및 투명성이 높은 실리콘계 엘라스토머의 일 위치에 이니시에이터(initiator)를 형성하고 레이저 빔을 이동시켜 연쇄 열분해를 유도함으로써 매우 빠른 시간에 미세 패터닝을 수행하면서도 동시에 높은 품질을 가지는 미세패턴을 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 예에 따른 레이저 미세패터닝 장치는 제1축 레이저 빔, 제2축 레이저 빔 및 제3축 레이저 빔이 일 지점에서 교차하는 교차점을 가지도록 구성되며, 실리콘계 엘라스토머의 일 위치의 이니시에이터(initiator)를 시작점으로 교차점이 3차원으로 이동하여 연쇄 열분해를 통해 3차원 미세패턴을 형성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 예에 따른 미세패티넝 칩은 레이저 빔을 이용한 연쇄 열분해를 통해 제조된 미세 패턴을 가지는 미세유체 칩, 세포배양 칩이나 오가노이드를 제공할 수 있다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1은 종래기술에 따른 펄스 레이저 (pulse laser)를 이용하여 표 면 가공한 미세소자를 나타낸 사진이다.
도 2는 실리콘계 엘라스토머에 레이저 빔을 조사하여 미세패턴을 형상할 수 있는 본 발명의 미세패터닝 장치의 개략적 구성도이다.
도 3은 실리콘계 엘라스토머에 레이저 빔을 조사하여 미세패턴을 형상할 수 있는 본 발명의 미세패터닝 장치의 다른 예의 개략적 구성도이다.
도 4는 실리콘계 엘라스토머에 레이저 빔을 조사하여 3차원 미세패턴을 형상할 수 있는 본 발명의 미세패터닝 장치의 또 다른 예의 개략적 참고도이다.
도 5는 본 발명의 미세패터닝 방법에 따라 실리콘계 엘라스토머에 연쇄 열분해를 통해 미세패턴이 형성되는 과정의 개략적 모식도이다.
도 6은 본 발명의 미세패터닝 방법에 따라 PDMS 슬랩에 레이저 면의 입사면에 이니시에이터를 형성하고 연쇄 열분해를 통해 미세패턴이 형성하기 위한 다양한 예의 참고도이다.
도 7은 본 발명의 미세패터닝 방법에 따라 PDMS 슬랩에 레이저 빔의 입사면의 대향면에 이니시에이터를 형성하고 연쇄 열분해를 통해 미세패턴이 형성하기 위한 다양한 예의 참고도이다.
도 8및 도 9는 본 발명의 미세패터닝 방법에 따라 레이저 빔을 조사하여 연속 열분해를 유도하여 미세패턴을 형성한 PDMS미세패턴 칩의 사진이다.
도 10은 본 발명의 미세패터닝 방법에 따라 레이저 빔을 조사하여 연속 열분해를 유도하여 미세패턴을 PDMS 미세패턴 칩 및 이를 이용하여 in vitro에서 배양된 혈관세포를 나타낸 사진이다.
도 11은 본 발명의 미세패터닝 방법에 따라 레이저 빔을 조사하여 연속 열분해를 유도하여 미세패턴을 형성한 PDMS미세패턴 칩을 (a) 울트라 소니케이션, 또는 (b) 테이핑 방법 또는 물리적 외력으로 제거한 것을 보여 주는 사진이다.
도 12는 도 11의 방법에 의해 제거된 열분해 생성물의 XRD 분석결과를 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명의 일 예에 따라 다양한 파장의 레이저 빔을 사용하여 패터닝한 결과를 나타낸 것이다.
도 14는 레이저 빔의 스캐닝 파워와 본 발명에 따라 형성된 미세패턴의 채널의 크기와의 상관관계를 그래프로 나타낸 것 이다.
도 15는 레이저 빔의 에너지 밀도 (power density)와 본 발명에 따라 형성된 미세패턴의 채널의 단층 깊이와의 상관관계를 그래프로 나타낸 것 이다.
도 16은 본 발명에 따라 형성된 미세패턴의 표면형상과 탁도를 측정한 결과이다.
도 17은 본 발명에 따라 제작한 미세패터닝 칩의 다양한 실시예를 표로 나타낸 것이다.
도 18은 본 발명에 따라 제작한 미세패터닝 칩 중 혈관칩 어레이를 나타낸 것이다.
도 19는 본 발명의 미세패터닝 방법에 따라 레이저 빔을 조사하여 연속 열분해를 유도하여 (a) PDMS 또는 (b) 에코플렉스® (ecoflex®, BASF)를 패터닝한 결과를 나타낸다.
도 20은 종래 리소그래피를 이용한 방법과 비교한 본 발명의 레이저 빔을 이용한 미세 패터닝 방법 (LPS)을 개략적으로 도시한 것이다.
※첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예가 안내하는 본 발명의 구성과 그 구성으로부터 비롯되는 효과에 대해 살펴본다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
미세패터닝 장치
도 2는 실리콘계 엘라스토머에 레이저 빔을 조사하여 미세패턴을 형상할 수 있는 본 발명의 미세패터닝 장치의 개략적 구성도이며, 도 3은 실리콘계 엘라스토머에 레이저 빔을 조사하여 미세패턴을 형상할 수 있는 본 발명의 미세패터닝 장치의 다른 예의 개략적 구성도이고, 도 4은 실리콘계 엘라스토머에 레이저 빔을 조사하여 3차원 미세패턴을 형상할 수 있는 본 발명의 미세패터닝 장치의 또 다른 예의 개략적 참고도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하여 먼저 본 발명의 미세패터닝 장치에 대해서 살펴보도록 한다.
먼저 도 2(a)를 참조하면, 본 발명의 미세패터닝 장치는 레이저 빔 생성부(100), 스테이지(301) 및 제어부를 구비한다. 한편, 레이저 빔 생성부(100)는 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발진기(101), 파장판 (waveplate) (102), 편광 빔 스플리터 (Polarized Beam Splitter, PBS) (103), 미러부(104), 빔 익스팬더 (105), 레이저 빔 스캐너 (201)를 구비할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 레이저 빔 스캐너 (201)로는 갈바노미러 스캐너를 이용할 수 있다.
레이저 발진기(101)는 광증폭기와 광공진기로 구성되며, 연속파형 레이저 또는 펄스 레이저를 출력한다. 펄스 레이저의 경우 바람직하게는 초단 펄스 레이저를 이용할 수 있다.
파장판(102)는 레이저 빔을 감쇠, 경로 이탈 또는 위치변경 없이 전달하고 편광방향을 조절하기 위한 모듈이다. 파장판으로는 1/2파장판(HWP: Half Wave Plate) 또는 1/4 파장판(QWP: Quarter Wave Plate)을 이용할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 편광 빔 스플리터(103)는 입사면으로 입사된 레이저 빔을 서로 다른 제1 및 제2 출사면을 통해 각각 제1 및 제2 출사 빔을 제공하기 위한 것 이다. 레이저의 파워는 레이저 소스에서 조절하는 것도 가능하나, 소스의 안정적인 작동을 위해 파장판과 편광 빔 스플리터를 이용하여 레이저 빔의 파워를 조절하는 것도 가능하다. 즉, 레이저 소스에서 발진된 레이저가 파장판을 지나면서 특정 각도로 편광이 맞춰지고, 다시 이 레이저가 편광 빔 스플리터를 지나면서 두 갈래의 출사빔(beamlet)으로 나뉜다. 이때 편광 각도에 따라서 두 출사빔의 강도(intensity)비율을 조정할 수 있으며, 이와 같은 방법으로 사용하고자 하는 출사빔의 파워를 정밀하게 조절할 수 있다.
미러부(104)는 레이저 빔의 방향을 전환하기 위해, 빔 익스팬더(105)에 입사된 빔을 출력시 보다 더 크게 확장하기 위한 모듈이다. 다만, 미러부는 레이저 소스를 직결하거나 파이버 레이저(fiber laser)를 이용할 경우에는 생략될 수 있다.
빔 익스팬더(105)의 경우 갈바노미러 스캐너를 이용할 경우 함께 이용될 수 있으며, 다른 방식의 경우 생략이 가능하다.
본 발명에서 레이저 빔 스캐너 (201)로는 갈바노미러 스캐너를 이용할 수 있다. 갈바노미러 스캐너는 신속한 스캐닝이 요구되는 조작을 위해 사용될 수 있으며, 갈바노미러 스캐너가 x, y 및 z 축 방향으로 이동가능 하도록 하는 구동모터를 포함하고, 하단에 렌즈가 장착된 렌 즈모듈을 포함한다. 이때, 렌즈로는 텔레센트릭 렌즈 (telecentric lense) 또는 F-theta 렌즈를 이용할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 도 3과 같이 어레이된 복수개의 렌즈 또는 실린더형 렌즈와 같이 다양한 형태의 렌즈를 사용할 수 있다.
레이저 빔 스캐너 제어부(202)는 피가공물을 가공하기 위해 레이저 발진기로부터 출력된 레이저 빔을 피가공물을 향해 조사하는 레이저 빔 스캐너의 구동을 제어한다. 레이저 빔 스캐너 제어부(202)는 레이저 빔 스캐너와 유선 또는 무선 통신 수단에 의해 양방향 통신이 가능하도록 상호 연결될 수 있으며, 컴퓨터, 랩탑, 네트워크 연결형 저장소, 모바일 디바이스 (예: 테블릿 디바이스, 스마트폰) 등을 포함하는 범용의 외부 단말기가 사용되어, 미리 제작된 패터닝 프로그램에 따라 자동으로 수행 되거 나, 작업자가 단말기를 통해 패터닝 작업을 수행할 수 있다.
한편, 도 2(b)와 같이, 보다 더 정교한 정밀 가공을 위해 갈바노미러 스캐너를 사용하는 대신에 일반 대물렌즈로 구성된 레이저 빔 스캐너가 사용될 수 있다. 이 경우 스캐너가 아닌 스테이지가 구동(x축, y축, 또는 z축으로)되는 것이 더 바람직할 수 있다. 이 경우 스테이지는 스테이지 제어부(300)가 구동장치를 제어하여 스테이지를 x축, y축, 또는 z축으로 구동한다.
스테이지(301)에는 미세패턴을 형성하기 위한 피가공물(500)이 놓여진다. 본 발명에서는 피가공물로 실리콘계 엘라스토머를 이용할 수 있다. 특히, 피가공물로 이니시에이터(initiator)가 형성된 실리콘계 엘라스토머가 이용된다.
도 4를 참조하면, 고정밀로 3D 스캐닝이 필요할 경우 미세패터닝 장치의 레이저 빔 생성부는 제1축 레이저 빔을 생성하는 제1레이저 빔 생성부와, 제2축 레이저 빔을 생성하는 제2레이저 빔 생성부와, 제3축 레이저 빔을 생성하는 제3레이저 빔 생성부를 구비하는 것을 특징으로 한다. 제1 내지 제3레이저빔 생성부는 제1축 레이저 빔, 제2축 레이저 빔 및 제3축이 일 지점에서 교차하는 교차점을 가지도록 구성된다. 하나의 레이저 빔 생성부를 이용할 경우 3D 형태의 미세패턴(3D 형태의 구조물을 형성하기 위한)을 형성하는 것이 불가능하지 않지만 고정된 레이저 빔의 입사 방향에 의한 제약이 많이 따른다. 하지만 도 4에 도시된 바와 같이, 복수개의 레이저 빔 생성부를 이용하여 교차점을 형성할 경우 자유롭게 3D 형태의 미세패턴을 형성할 수 있으며, 이에 따라 다양한 형상의 3D 구조물을 손쉽게 형성하는 것이 가능하다.
아래에서는 상술한 본 발명의 미세패터닝 장치를 이용한 실리콘계 엘라스토머의 미세패터닝 방법에 대해 설명하도록 한다.
미세패터닝 방법
도 5는 본 발명의 미세패터닝 방법에 따라 실리콘계 엘라스토머에 연쇄 열분해를 통해 미세패턴이 형성되는 과정의 개략적 모식도이며, 도 6은 본 발명의 미세패터닝 방법에 따라 PDMS 슬랩에 레이저 면의 입사면에 이니시에이터를 형성하고 연쇄 열분해를 통해 미세패턴이 형성하기 위한 다양한 예의 참고도이고, 도 7은 본 발명의 미세패터닝 방법에 따라 PDMS 슬랩에 레이저 빔의 입사면의 대향면에 이니시에이터를 형성하고 연쇄 열분해를 통해 미세패턴이 형성하기 위한 다양한 예의 참고도이다.
본 발명의 미세패터닝 방법은 먼저 실리콘계 엘라스토머의 일 위치에 이니시에이터(initiator)를 형성한다. 본 발명의 미세패터닝 방법의 대상은 광투과성 및 투명성이 높은 실리콘계 엘라스토머인데, 광투과성 및 투명성이 높은 실리콘계 엘라스토머는 레이저 빔이 투과하기 때문에 열분해를 유도할 수 없다. 이니시에이터는 광흡수성을 가져 레이저 빔에 의해 고열이 발생하도록 하는 역할을 한다.
실리콘계 엘라스토머의 대표적인 예로는 PDMS 또는 에코플렉스® (ecoflex®, BASF)가 있다. 다만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 실리콘계 엘라스토머 중 다른 것에도 적용이 가능할 것이다.
이니시에이터가 형성된 영역을 제1영역(1)이라 한다. 이니시에이터는 실리콘계 엘라스토머의 임의의 위치에 형성될 수 있으며, 실리콘계 엘라스토머의 표면에 위치하거나, 삽입되거나 임베딩되는 것도 가능하다.
이니시에이터로는 광을 흡수하는 유색 안료(pigment), 염료 (dye), 잉크 또는 이들 중 하나 이상을 포함하는 용액 또는 고형물을 이용할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 실리콘계 엘라스토머 자체의 광흡수율보다 높은 광흡수율을 가져 레이져를 흡수할 수 있는 것을 이용할 수 있다.
다음으로 레이저빔을 조사하는 미세패터닝 장치를 이용하여 레이저 빔을 이니시에이터에 조사하여 제1영역(1) 내에서 제1열분해를 유도한다. 제1열분해에 의해 제1영역(1)의 실리콘계 엘라스토머는 SiC나 미량의 SiOC, SiO2, nonstoichimetric silca가 형성된다. 이때 제1영역(1)의 주위에는 열전달로 인해 LHZ(Localized Heated Zone)가 형성되는데, 이를 제2영역(2)이라 할 수 있다. 제2영역(2)은 이니시에이터가 형성되어 있지 않지만, 열전달에 의해 제2열분해가 발생하여 광흡수가 가능한 상태가 된다.
레이저 빔을 제2영역(2)으로 이동시키면, 제2영역(2)에서 광 흡수가 일어난다. 광흡수에 따라 발생한 열은 제2영역(2)의 주위로 전달되어 제2영역(2)의 주위에 새롭게 LHZ를 형성하게 된다. 즉, 제1영역(1)의 주위에 형성된 광흡수가 가능한 제2영역(2)의 주위에 새롭게 광흡수가 가능한 제2영역(2)이 더 형성된다. 즉, 레이저 빔의 이동에 따라 연쇄 열분해(chain pyrolysis)가 유도되는 것이다.
따라서 본 발명의 미세패터닝 장치는 레이저 빔을 펜이나 붓처럼 사용하여 실리콘계 엘라스토머의 미세패터닝에 이용하는 것이 가능하다. 예를 들어, 본 발명의 미세패터닝 장치는 레이저 빔을 필기구를 이용한 한 붓 그리기처럼 이용하여 매우 효율적이고 빠르게 미세패턴을 형성할 수 있다.
또한, 레이저 빔에 의해 스캐닝한 부분을 반복적으로 스캐닝하거나, 특정위치의 스캐닝하는 시간을 달리함으로써 높이 차이를 가지는 미세패턴을 형성하는 것도 가능하다. 보다 구체적으로는 위치 별로 레이저 세기 또는 스캐닝 속력을 조절하거나, 반복 스캐닝을 이용하여 한 번의 패터닝 공정으로도 다양한 종횡비(aspect-ratio)의 구조를 형성하는 gray-scale lithography 기술의 구현이 가능하다.
도 6은 실리콘계 엘라스토머의 입사면에 이니시에이터가 형성된 경우의 미세패터닝 방법을 개략적으로 도시한 것이다. 실리콘계 엘라스토머는 레이저빔이 조사되는 입사면인 제1면과, 제1면에 대향하는 제2면을 가진다. 도 6(a)와 도 6(b)에서는 이니시에이터가 제1면에 형성된 예이다.
도 6(a)를 참조하면, 이니시에이터에 레이저 빔을 조사하여 제1열분해와 그에 따른 제2열분해를 유도하여 미세패턴을 형성한다. 레이저 빔의 경로에 따라 미세패턴이 형성된다.
이에 비해, 도 6(b)는 미세패턴에 대응하는 홀이 형성된 마스크를 이용한다. 실리콘계 엘라스토머의 제1면에 이니시에이터를 형성하고, 동시에 마스크를 위치시킨다. 그리고 레이저빔을 블랭크 스캐닝(blank scanning)시킨다. 미세패턴에 맞춰 레이저빔이 이동하는 것이 아니라 좌측에서 우측으로 전면을 레이저 빔이 스캔하는 것이다. 마스크에 미세패턴에 대응하는 홀이 있기 때문에 블랭크 스캐닝 중 홀의 이니시에이터가 있는 위치부터 시작하여 미세패턴이 형성된다.
도 7은 실리콘계 엘라스토머의 입사면의 대향면에 이니시에이터가 형성된 경우의 미세패터닝 방법을 개략적으로 도시한 것이다. 즉, 도 6(a)와 도 6(b)를 기준으로는 이니시에이터가 제2면에 형성된 예이다.
도 7과 같이, 실리콘계 엘라스토머의 입사면의 대향면에 이니시에이터를 형성한 경우 3D 구조물을 형성하기에 바람직하다는 장점이 있다.
실리콘계 엘라스토머의 입사면에 이니시에이터가 형성된 경우 열분해에 의해 열분해 생성물이 형성되고 나면, 레이저가 투과하기 어렵기 때문에 깊이 방향으로 열분해를 유도하기 쉽지 않다.
하지만 실리콘계 엘라스토머의 입사면의 대향면에 이니시에이터가 형성된 경우 열분해에 의해 SiC가 형성된 경우에도 여전히 레이저 빔이 실리콘계 엘라스토머를 투과하는 것에 문제가 없다. 예컨대, 대향면의 이니시에이터에 레이저 빔을 조사하여 넓은 면적의 원 형태의 열분해 영역을 형성한 후 그 위로 점차 면적을 좁혀가면서 원을 여러번 반복하여 그림으로써 원뿔 형태의 미세패턴을 형성하는 것도 가능하다.
도 7을 살펴보면, 이니시에이터에 레이저 빔을 조사하여 제1열분해와 그에 따른 제2열분해를 유도하여 미세패턴을 형성한다. 레이저 빔의 경로에 따라 미세패턴이 형성된다. 도 6(a)와 다른 점은 레이저 빔이 실리콘계 엘라스토머를 투과하여 레이저 빔의 경로상의 반대쪽 표면을 열분해 한다는 것이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 다양한 실시예에서, 본 발명의 미세패터닝 방법에 따라 제작된 미세패터닝 칩의 확대 사진들이며, 도 10은 본 발명의 미세패터닝 방법에 따라 레이저 빔을 조사하여 연속 열분해를 유도하여 미세패턴을 PDMS 미세패턴 칩 및 이를 이용하여 in vitro에서 배양된 혈관세포를 나타낸 사진이다. 특히 도 10은 본 발명의 방법에 따라 제작한 미세패터닝 칩에서 혈관세포를 배양하여 혈관이 안정적으로 형성된 것을 나타낸다.
본 발명의 이러한 다양한 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가가 본 발명의 내용을 이해하고 이를 통해 제작할 수 있는 그 밖의 미세패터닝 칩이 본 발명에 모두 포함될 것이다. 한편, 본 발명의 미세패터닝 방법에 따라 제작된 미세패터닝 칩이 가지는 고유한 특성에 대해서는 뒤에서 실시예를 통해 살펴보도록 한다.
도 11는 본 발명의 미세패터닝 방법에 따라 레이저 빔을 조사하여 연속 열분해를 유도하여 미세패턴을 형성한 PDMS미세패턴 칩을 (a) 울트라 소니케이션, 또는 (b) 테이핑 방법 또는 물리적 외력으로 제거한 것을 보여 주는 사진이며, 도 12는 도 11의 방법에 의해 제거된 열분해 생성물의 XRD 분석결과를 나타낸 것이다.
레이저빔을 조사하여 미세패턴을 형성한 경우, 미세패턴이 형성된 영역에는 열분해 생성물이 생성되어 있다. 열분해 생성물을 XRD 분석한 결과 대부분 SiC 또는 SiOC였으며, 소량의 SiO2 또는 비정질 실리카(silica)가 형성되는 것을 확인하였다.
이와 같은 열분해 생성물은 실리콘계 엘라스토머에서 매우 쉽게 분리된다. 실리콘계 엘라스토머를 살짝 휘어주는 것만으로도 열분해 생성물이 탈착된다.
다만, 보다 깨끗하게 열분해 생성물을 제거하기 위하여, 에탄올에 침지한 상태에서 초음파를 이용하여 열분해 생성물을 실리콘계 엘라스토머로부터 제거하거나, 테이프나 외력을 이용하여 열분해성 생성물을 제거하는 것도 가능하다.
도 13은 본 발명의 일 예에 따라 다양한 파장의 레이저 빔을 사용하여 패터닝한 결과를 나타낸 것이다. 도 13에서는 본 발명의 일 실시예에서 각각 532 nm, 650 nm 및 808 nm의 파장의 레이저 빔을 사용한 것인데, 파장에 무관하게 모두 양호한 미세패턴이 생성되는 것을 확인할 수 있었다. 바람직하게 레이저빔의 파장은 200 nm ~ 1,000 nm인 것을 이용할 수 있다.
도 14는 레이저 빔의 스캐닝 파워와 본 발명에 따라 형성된 미세패턴의 채널의 크기와의 상관관계를 그래프로 나타낸 것이다. 도 14에서는 레이저 빔의 스캐닝 파워 (J/m)가 증가함에 따라 이에 비례하여 미세채널의 깊이와 넓이가 증가하나, 넓이의 증가속도가 보다 더 큰 것을 알 수 있다.
도 15은 레이저 빔의 에너지 밀도 (power density)와 본 발명에 따라 형성된 미세패턴의 채널의 단층 깊이와의 상관관계를 그래프로 나타낸 것이다. 도 15을 참조하면, 레이저 빔에 의해 형성되는 채널의 단층 깊이는 레이저 빔의 에너지 밀도 (J/m)에 비례하여 증가하는 것으로 나타났다.
도 16은 본 발명에 따라 형성된 미세패턴의 표면형상과 탁도를 측정한 결과이다. 도 16(a)를 참조하면, 본 발명의 미세패터닝 방법은 불가피하게 미세패턴의 표면에 작은 홈들을 형성하게 되는 것을 알 수 있다. 이와 같은 홈들은 미세패턴의 표면을 약간 불투명한 표면을 가지도록 한다. 그 결과 도 16(b)에서 알 수 있듯이, Haze 특성에 있어서 일반적인 PDMS가 0.5%T 내외의 탁도를 가지는 것에 비하여, 미세패턴은 4%T 이상의 탁도를 가진다. 미세패턴가 형성된 위치가 일반적인 PDMS에 비해 약 8배 이상의 탁도 차이를 가지는 것이다.
도 17는 본 발명에 따라 제작한 미세패터닝 칩의 다양한 실시예를 표로 나타낸 것이며, 도 18은 본 발명에 따라 제작한 미세패터닝 칩 중 혈관칩 어레이를 나타낸 것이다.
이상에서 설명한 본 발명이 미세패터닝 방법에 의해 도 17 및 도 18을 비롯한 미세유체 칩, 세포배양 칩 등을 제작할 수 있을 것이다.
도 19는 본 발명의 미세패터닝 방법에 따라 레이저 빔을 조사하여 연속 열분해를 유도하여 (a) PDMS 또는 (b) 에코플렉스® (ecoflex®, BASF)를 패터닝한 결과를 나타낸다. PDMS와 에코플렉스는 대표적인 실리콘계 엘라스토머에 해당한다. 도 19를 참조하면, 양 자 모두에서 본 발명의 미세패터닝 방법에 의해 뛰어난 수준의 미세패턴이 형성됨을 확인할 수 있었다.
실시예
<실시예 1: PDMS 슬랩의 준비>
PDMS 슬랩을 수지 (resin) ((Dow Corning))와 경화제 (Sylgard184, Dow Corning)을 10:1의 비율로 혼합하여 제조하였다. 다음, 탈가스 (degassing) 및 경화 (curing) 공정을 진공 벨-자 (bell-jar) 및 경화 오븐 (OF-12G, JEIO TECH)을 사용하고 60°C로 2시간 이상 순차적으로 수행하였다.
<실시예 2: 미세패터닝 장치의 구성>
본 실시예에서는 2가지 유형의 컴퓨터 제어 레이저 빔 스캐닝 시스 템을 사용하였다. 빠른 패터닝을 위해 텔레센트릭 렌즈 (f=103 mm)를 적용한 갈바노미러 (hurrySCAN II, Scanlab)를 이용하였으며, 10 μm 이하의 미세 패터닝을 위해서는 컴퓨터로 제어되는 2-축 스테이지 (ANT130-060-XY-25DU-XY-CMS-MP-PLUS, Aerotech)와 고배율 대물렌즈 (M Plan Apo 50X, Mitutoyo)를 사용하였다. 상기 둘 모두에 대해 연속파형 레이저 (532 nm, Sprout-G-5W, Lighthouse Photonics)를 주요 레이저 원으로 사용하고, 650 nm 및 808 nm와 비교하였다.
<실시예 3: 미세패터닝 칩의 제작>
상기 실시예 1에서 제조한 경화된 PDMS 슬랩을 테이핑 (Scotch Magic Tape, 3M) 방법으로 깨끗하게 처리하여, 표면에 붙은 먼지 등 이물질을 제거 하였다. 상기 표면 처리된 PDMS 슬랩을 운반 기판으로 사용되는 글라스 위에 두었다. 파워 또는 스캐닝 스피드 등에서 적절한 스캐닝 파라미터를 갖는 컴퓨터 제어 레이저 스캐닝을 FSS (front surface scanning, 도 6(a) 참조) 또는 BSS (back surface scanning, 도 7 참조) 방법으로 사용하였다. 각각의 방법에 있어서, 레이저 초점은 고품질의 가공이 가능하도록 정밀하게 제어되었다. FSS에 있어서, 포컬 플랜은 PDMS 슬랩의 빔 입사 표면 에 두었다. BSS의 경우, 최초 스캐닝에 앞서 레이저 포컬 플랜은 PDMS 슬랩의 입사면의 대향면에 맞춰줬으며, 이후 매 스캐닝 마다 해당 스캐닝에 의해 새로이 생성된 열분해 산물의 두께 만큼 보상되었다. SiC는 테이핑 방법 또는 울트라-소니케 이션 방법으로 손쉽게 제거하였다. 상기 PDMS 구조를 표준의 플라즈마 본딩(plasma-bonding) 방법으로 슬라이드 글라스와 결합하거나, 몰드로서 사용하여 미세유체 칩을 제작하였다.
실시예 3의 미세유체 칩의 미세패턴은 매우 빠른 시간에 형성이 가능하였으며, 형성된 미세패턴의 품질도 포토리소그라피를 이용한 것과 동등 이상을 가짐을 확인할 수 있었다.
따라서 본 발명의 미세패터닝 방법을 이용할 경우 종래 레이저 빔을 이용한 가공이 불가능하거나 비효율적이었던 광 투과성 피가공물을 한붓그리기와 같은 방법으로 손쉽게 패터닝할 수 있어, 실리콘계 엘라스토머의 미세패터닝 방법으로 널리 이용될 것으로 전망된다.
본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

Claims (17)

  1. 실리콘계 엘라스토머의 미세 패터닝 방법으로서:
    상기 실리콘계 엘라스토머의 일 위치에 제1영역을 가지는 이니시에이터를 형성하고,
    레이저 빔을 조사하는 미세패터닝 장치로부터 레이저 빔을 상기 이니시에이터에 조사하여 상기 제1영역 내에서 제1열분해를 유도하되, 제1영역의 외부에 제1열분해에서 발생한 열의 전도에 의한 제2열분해가 발생하여 광흡수가 가능한 제2영역을 형성되며,
    상기 레이저 빔을 제2영역으로 이동하면서 조사하여 미세패턴을 형성하는, 실리콘계 엘라스토머의 미세 패터닝 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘계 엘라스토머는 레이저 빔이 조사되는 입사면인 제1면과 상기 제1면에 대향하는 제2면을 가지며,
    상기 이니시에이터는 상기 실리콘계 엘라스토머의 제1면에 형성되어 레이저 빔이 2D 영역 내에서 움직이면서 2D 미세패턴을 형성하는, 실리콘계 엘라스토머의 미세 패터닝 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘계 엘라스토머는 레이저 빔이 조사되는 입사면인 제1면과 상기 제1면에 대향하는 제2면을 가지며,
    상기 이니시에이터는 상기 실리콘계 엘라스토머의 제2면에 형성되어 레이저 빔이 3D 영역 내에서 움직이면서 3D 미세패턴을 형성하는, 실리콘계 엘라스토머의 미세 패터닝 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 미세패터닝 장치는 제1축 레이저 빔, 제2축 레이저 빔 및 제3축 레이저 빔을 생성하되, 제1축 레이저 빔, 제2축 레이저 빔 및 제3축 레이저 빔은 일 지점에서 교차하는 교차점을 형성하며,
    상기 교차점은 상기 실리콘계 엘라스토머의 일 위치의 이니시에이터를 시작점으로 하여 3D 영역 내에서 움직이면서 3D 미세패턴을 형성하는, 실리콘계 엘라스토머의 미세 패터닝 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이니시에이터는 상기 실리콘계 엘라스토머보다 광흡수율이 높은 용액 또는 고형물인, 실리콘계 엘라스토머의 미세 패터닝 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 이니시에이터는 상기 실리콘계 엘라스토머의 표면에 위치하거나 그 내부에 삽입 또는 임베딩되는, 실리콘계 엘라스토머의 미세 패터닝 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 미세패턴을 형성한 뒤 열분해 생성물을 제거하는, 실리콘계 엘라스토머의 미세 패터닝 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 열분해 생성물은 SiC, SiOC, SiO2, 또는 비정질 실리카인, 실리콘계 엘라스토머의 미세 패터닝 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘계 엘라스토머는PDMS (Poly(methylmethacrylate)인, 실리콘계 엘라스토머의 미세 패터닝 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 레이저빔은 연속파형 레이저빔 또는 펄스 레이저빔인, 실리콘계 엘라스토머의 미세 패터닝 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 레이저빔의 파워 밀도는 상기 실리콘계 엘라스토머를 융식시키는 파워 밀도 미만의 레이저빔인 실리콘계 엘라스토머의 미세 패터닝 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 실리콘계 엘라스토머의 미세 패터닝 방법에 의해 제조되는 미세패터닝 칩으로서, 형성되는 미세패턴은 550 nm의 빛에 대한 탁도가 4 %T 이상인, 미세패터닝 칩.
  13. 레이저 빔 생성부와, 스테이지와, 레이저 빔 생성부 또는 스테이지를 제어하는 제어부로 구성되며, 실리콘계 엘라스토머에 연쇄 열분해를 유도하여 미세패턴을 형성하는 미세패터닝 장치로서,
    상기 레이저 빔 생성부는 레이저 발진기; 빔 익스팬더; 및 레이저 빔 스캐너;를 구비하고,
    상기 스테이지 위에 마운팅 되고, 상기 레이저 빔에 의헤 미세패턴이 형성되는 피가공물로서, 광을 흡수하는 이니시에어터를 하나 이상 포함하는 실리콘계 엘라스토머를 포함하고,
    상기 레이저 빔 스캐너 또는 상기 스테이지 또는 둘 모두가 구동장치에 의해 2D 영역 또는 3D 영역으로 구동되는, 미세패터닝 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 레이저 빔 생성부는 제1축 레이저 빔을 생성하는 제1레이저 빔 생성부와, 제2축 레이저 빔을 생성하는 제2레이저 빔 생성부와, 제3축 레이저 빔을 생성하는 제3레이저 빔 생성부를 구비하고, 제1 내지 제3레이저빔 생성부는 제1축 레이저 빔, 제2축 레이저 빔 및 제3축이 일 지점에서 교차하는 교차점을 가지도록 구성되는, 미세패터닝 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 레이저 빔 스캐너는 갈바노미러 스캐너인 미세패터닝 장치.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 레이저 빔 생성부에서 생성되는 레이저 빔의 파장은 200 nm 내지 1,000 nm인, 미세패터닝 장치.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 레이저 빔 생성부에서 생성되는 레이저 빔의 에너지 밀도는 10 내지 100 J/m인, 미세패터닝 장치.
PCT/KR2020/004868 2019-04-26 2020-04-10 실리콘계 엘라스토머의 미세 패터닝 방법, 미세 패터닝 장치, 및 미세 패터닝 칩 WO2020218763A1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US17/762,227 US20220350250A1 (en) 2019-04-26 2020-04-10 Micropatterning method, micropatterning apparatus and micropatterning chip for silicone-based elastomer
EP20794838.1A EP3992714A4 (en) 2019-04-26 2020-04-10 MICROSTRUCTURING METHOD, MICROSTRUCTURING APPARATUS AND MICROSTRUCTURING CHIP FOR SILICONE-BASED ELASTOMER

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2019-0049369 2019-04-26
KR1020190049369A KR20200125295A (ko) 2019-04-26 2019-04-26 연속파형 레이저 빔을 이용한 미세 패터닝 방법
KR1020200037522A KR102222245B1 (ko) 2020-03-27 2020-03-27 실리콘계 엘라스토머의 미세 패터닝 방법, 미세 패터닝 장치, 및 미세 패터닝 칩
KR10-2020-0037522 2020-03-27

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020218763A1 true WO2020218763A1 (ko) 2020-10-29

Family

ID=72941109

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2020/004868 WO2020218763A1 (ko) 2019-04-26 2020-04-10 실리콘계 엘라스토머의 미세 패터닝 방법, 미세 패터닝 장치, 및 미세 패터닝 칩

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20220350250A1 (ko)
EP (1) EP3992714A4 (ko)
WO (1) WO2020218763A1 (ko)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005156999A (ja) * 2003-11-26 2005-06-16 Sekisui Chem Co Ltd パターン形成方法
JP2008507114A (ja) * 2004-04-27 2008-03-06 ザ ボード オブ トラスティーズ オブ ザ ユニヴァーシティー オブ イリノイ ソフトリソグラフィ用複合パターニングデバイス
JP2013116504A (ja) * 2013-02-18 2013-06-13 Keyence Corp レーザ加工装置、レーザ加工条件設定装置
KR20160066739A (ko) * 2014-12-03 2016-06-13 기초과학연구원 빛을 이용한 패턴 제조방법
JP2018114544A (ja) * 2017-01-19 2018-07-26 ファナック株式会社 レーザ加工方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6143378A (en) * 1998-05-12 2000-11-07 Sandia Corporation Energetic additive manufacturing process with feed wire
US20160089672A1 (en) * 2014-09-29 2016-03-31 E I Du Pont De Nemours And Company Microfluidic device and a method for preparing the microfluidic device from a photosensitive element
US20160318129A1 (en) * 2015-05-01 2016-11-03 General Electric Company System and method for multi-laser additive manufacturing
US10589377B2 (en) * 2017-07-06 2020-03-17 Ii-Vi Delaware Inc. Additive manufacturing in metals with a fiber array laser source and adaptive multi-beam shaping

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005156999A (ja) * 2003-11-26 2005-06-16 Sekisui Chem Co Ltd パターン形成方法
JP2008507114A (ja) * 2004-04-27 2008-03-06 ザ ボード オブ トラスティーズ オブ ザ ユニヴァーシティー オブ イリノイ ソフトリソグラフィ用複合パターニングデバイス
JP2013116504A (ja) * 2013-02-18 2013-06-13 Keyence Corp レーザ加工装置、レーザ加工条件設定装置
KR20160066739A (ko) * 2014-12-03 2016-06-13 기초과학연구원 빛을 이용한 패턴 제조방법
JP2018114544A (ja) * 2017-01-19 2018-07-26 ファナック株式会社 レーザ加工方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ZIYA ISIKSACAN ET AL., JOURNAL OF MICROMECHANICS AND MICROENGINEERING, vol. 26, 2016, pages 035008

Also Published As

Publication number Publication date
EP3992714A1 (en) 2022-05-04
EP3992714A4 (en) 2023-08-23
US20220350250A1 (en) 2022-11-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9102007B2 (en) Method and apparatus for performing laser filamentation within transparent materials
US5665136A (en) Process for producing micro lenses using a laser beam
WO2016148380A1 (ko) 레이저 패터닝을 이용한 섀도우 마스크의 제조 장치 및 레이저 패터닝을 이용한 섀도우 마스크의 제조 방법
US20020162360A1 (en) Method and apparatus for micromachining bulk transparent materials using localized heating by nonlinearly absorbed laser radiation, and devices fabricated thereby
US20180281324A1 (en) Method and device for producing microstructures on optical fibers
CN107116308B (zh) 波导微纳加工系统以及加工方法
CN110756986A (zh) 一种通过激光诱导前向转移制备微透镜阵列的方法与装置
US20050011873A1 (en) Microstructures and methods of fabricating
Liu et al. Sapphire concave microlens arrays for high-fluence pulsed laser homogenization
WO2017073907A1 (ko) 다중 초점을 이용한 레이저 가공방법 및 레이저 가공장치
Chen et al. Ablation of transparent materials using excimer lasers for photonic applications
WO2020218763A1 (ko) 실리콘계 엘라스토머의 미세 패터닝 방법, 미세 패터닝 장치, 및 미세 패터닝 칩
WO2013151350A1 (en) Apparatus and method of manufacturing micro-notches at the edge line portion of scribing wheel using ultrafast laser
CN103862179A (zh) 一种陶瓷表面精细刻线结构激光加工方法
WO2022055062A1 (ko) 레이저 가공 시스템 및 방법
CN112355483B (zh) 一种飞秒激光在硅表面制备亚微米同心圆环的方法
CN113284989A (zh) 一种Micro LED芯片剥离装置、剥离机及剥离机使用方法
KR102222245B1 (ko) 실리콘계 엘라스토머의 미세 패터닝 방법, 미세 패터닝 장치, 및 미세 패터닝 칩
US20220171293A1 (en) Systems and methods for direct laser writing
Jia et al. Micromachining soda-lime glass by femtosecond laser pulses
KR20100087974A (ko) 디지털 마이크로미러 디바이스를 구비한 마킹 장치
WO2016002980A1 (ko) 고속 레이저 가공 광학계 시스템 및 이를 이용한 고속 레이저 가공 방법
CN215008252U (zh) 一种Micro LED芯片剥离装置及剥离机
WO2017209330A1 (ko) 듀얼라인 생성이 가능한 레이저 노광법, 노광장치, 그 레이저 노광법을 이용한 듀얼 라인을 갖는 미세패턴 제조방법 및 제조장치
KR20200125295A (ko) 연속파형 레이저 빔을 이용한 미세 패터닝 방법

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20794838

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2020794838

Country of ref document: EP

Effective date: 20211126