WO2023017948A1 - 전사필름을 이용한 미세유체장비의 제조방법 - Google Patents

전사필름을 이용한 미세유체장비의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
WO2023017948A1
WO2023017948A1 PCT/KR2022/004688 KR2022004688W WO2023017948A1 WO 2023017948 A1 WO2023017948 A1 WO 2023017948A1 KR 2022004688 W KR2022004688 W KR 2022004688W WO 2023017948 A1 WO2023017948 A1 WO 2023017948A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
substrate
wax
transfer film
microfluidic device
transfer
Prior art date
Application number
PCT/KR2022/004688
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
이창수
정성근
Original Assignee
주식회사 에이아이더뉴트리진
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
Application filed by 주식회사 에이아이더뉴트리진 filed Critical 주식회사 에이아이더뉴트리진
Publication of WO2023017948A1 publication Critical patent/WO2023017948A1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502707—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by the manufacture of the container or its components
    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/02—Adapting objects or devices to another
    • B01L2200/025—Align devices or objects to ensure defined positions relative to each other
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/12—Specific details about manufacturing devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0809—Geometry, shape and general structure rectangular shaped
    • B01L2300/0825—Test strips
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0861—Configuration of multiple channels and/or chambers in a single devices
    • B01L2300/0874—Three dimensional network
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0887—Laminated structure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/12—Specific details about materials
    • B01L2300/126—Paper
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/16—Surface properties and coatings
    • B01L2300/161—Control and use of surface tension forces, e.g. hydrophobic, hydrophilic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/16—Surface properties and coatings
    • B01L2300/161—Control and use of surface tension forces, e.g. hydrophobic, hydrophilic
    • B01L2300/165—Specific details about hydrophobic, oleophobic surfaces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0406—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces capillary forces

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a microfluidic device capable of precisely forming a channel of a desired shape in a single substrate using wax regardless of the shape of the hydrophilic porous substrate.
  • Paper has a porous/fibrous structure, can store or fix chemicals, and can move fluids by capillary action without a separate pump, so it can be used as a microfluidic device that requires movement of microfluids.
  • a hydrophobic wax can be applied to any material that is a hydrophilic porous material and allows lateral flow of fluid by capillarity.
  • paper Materials such as porous metal meshes, non-woven fabrics, hydrophilic polymer membranes such as cellulose, chitosan, and polylactic acid (PLA), sponges, and fabrics are included, but are not limited thereto.
  • paper can be deformed in various ways by methods such as printing, coating, and impregnation, samples can be divided into several separate spaces so that multiple analyzes can be performed simultaneously on one chip.
  • it is mechanically flexible, and analysis is possible even with a small volume of sample due to the thickness of tens to hundreds of micrometers, and it is light and easy to move, so it is excellent in portability, so it is suitable for field application and can be removed by incineration. Disposable, so hazardous waste can be easily removed. Above all, it is attracting attention as an ideal platform for ultra-low-cost analysis equipment because it can be manufactured at low cost. Therefore, it can be applied in various fields including health diagnosis, environmental monitoring, immunoassay, and food safety analysis.
  • the paper-based diagnostic device which observes color changes by immersing paper in a sample, was first commercialized in the 1960s and is widely used as a representative urine test. Paper-based microfluidic equipment using lateral flow due to its porosity characteristics began to be used for pregnancy diagnosis using immunoassay later in the 1980s, and has been rapidly expanded and used in the food and environmental fields.
  • Paper-based microfluidic devices include 1D microfluidic devices designed to allow fluid to move in one direction only, 2D microfluidic devices designed to move in multiple directions within the same plane in the horizontal direction, and vertical as well as horizontal directions. It can also be divided into 3D microfluidic equipment that moves (Fig. 1). Compared to 1D and 2D microfluidic devices, 3D microfluidic devices can form passages with complex structures, so simultaneous multiplex analysis is possible in a condensed space, and quantitative analysis by more advanced colorimetric methods is possible. Advanced colorimetric analysis is an analysis method in which the concentration of a substance to be detected in a solution is indicated by the number of color-changing dots. Conventional colorimetric analysis is only capable of qualitative analysis or approximate quantitative analysis, so external electronic analysis equipment is essential for quantitative analysis to precisely analyze the change in color of a reagent. Because quantitative analysis is possible without analysis equipment, the utilization of digital analysis equipment can be doubled.
  • Paper-based microfluidic devices are manufactured by forming patterns of hydrophobic regions and hydrophilic regions on paper using lithography, wax printing, or etching.
  • Publication Patent Publication No. 10-2010-0127301 discloses a method for manufacturing a 3D paper-based microfluidic device using paper and double-sided tape. The manufacturing process is described with reference to FIG. 2 as follows. First, when a plurality of papers are stacked, a pattern of a hydrophobic region and a hydrophilic region is formed on each paper to have a desired channel shape (210). Formation of the pattern can appropriately use methods such as lithography or wax printing, similar to the two-dimensional paper-based microfluidic device. The paper of each layer with the pattern formed is connected using hydrophobic double-sided adhesive tape.
  • Patent Document 1 Patent Publication No. 10-2010-0127301 (2010. 12. 03)
  • Patent Document 2 Registered Patent No. 10-1493051 (2015. 02. 06.)
  • the present invention is to solve the manufacturing problem of a microfluidic device in which a flow path is formed using a hydrophobic wax in a hydrophilic porous substrate, and to provide a method for manufacturing a microfluidic device capable of forming a flow path of a desired shape even on an irregular substrate. aims to do
  • an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a microfluidic device that can solve the problem of a high defect rate due to misalignment of the wax patterns on the front and back surfaces when manufacturing the three-dimensional microfluidic device.
  • an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a microfluidic device that can easily control the shape of a wax pattern at the interface of the device.
  • the present invention provides a method for manufacturing a microfluidic device in which a wax-based microchannel is formed in a hydrophilic porous substrate, after laminating a transfer film having a mirror image of a wax pattern for forming a microchannel and the substrate It relates to a method for manufacturing a microfluidic device comprising the step of heat treatment.
  • the method for manufacturing a microfluidic device according to the present invention can be particularly usefully applied when manufacturing a three-dimensional microfluidic device.
  • the method for manufacturing a microfluidic device of the present invention involves forming a 3D microchannel in one substrate by thermally transferring a wax pattern from two transparent transfer films to both sides of the substrate, respectively, when a 3D microfluidic device is manufactured.
  • thermal transfer means that molten wax is transferred to a substrate by applying heat while the wax-formed surface of the transfer film is in contact with the substrate. In this thermal transfer process, the wax is not only transferred to the surface of the substrate, but also partially penetrates into the pores of the substrate to form a microchannel in the substrate with the hydrophobic wax as an interface.
  • the substrate may be paper, porous metal mesh, nonwoven fabric, hydrophilic polymer membrane, sponge or fabric, and may have a predetermined two-dimensional shape.
  • a wax pattern can be printed relatively easily on a rectangular substrate of a specific standard using a wax printer, but it is difficult to print by a printer on a non-rectangular substrate or an inflexible substrate, especially when aligning and printing double-sided patterns. is more difficult
  • the present invention can be used more effectively when the substrate has a two-dimensional irregular shape.
  • the cross-sectional shape of the channel formed by wax at the boundary surface of the base material may be adjusted.
  • microfluidic device manufacturing method of the present invention by transfer, it is possible to form a microchannel according to a wax pattern regardless of the shape of the substrate, and the cross-sectional shape at the boundary surface of the substrate can be easily controlled.
  • microfluidic device manufacturing method of the present invention when a transparent transfer film is used, it is easy to align the wax patterns printed on both sides of the paper, so that the defect rate can be greatly reduced and a more precise microchannel can be formed in the manufacture of a 3D microfluidic device. Therefore, it can be usefully used in the manufacture of 3D microfluidic equipment such as diagnostic and analysis devices with complex structures or microrobots.
  • the shape of the substrate is irregular, even after processing the substrate into a predetermined shape, it is easy to align the wax pattern, thereby expanding the application field of the 3D microfluidic device.
  • 1 is a schematic diagram of one-dimensional, two-dimensional and three-dimensional microfluidic devices
  • FIGS. 2 and 3 are views showing a manufacturing process of a three-dimensional microfluidic device according to the prior art.
  • FIG. 4 is a flow chart showing a manufacturing process of a three-dimensional microfluidic device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a manufacturing process of the microfluidic device according to the method of FIG. 4;
  • FIG. 6 is a flow chart showing a manufacturing process of a three-dimensional microfluidic device according to another aspect of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a manufacturing process of the microfluidic device according to the method of FIG. 5;
  • FIGS. 8 and 9 are schematic diagrams showing a process of forming a microchannel having a specific structure according to an embodiment of the present invention.
  • the present invention is a method for manufacturing a microfluidic device in which a wax-based microchannel is formed in a hydrophilic porous substrate, comprising the steps of laminating a transfer film having a mirror image of a wax pattern for forming a microchannel and heat-treating the substrate. It relates to a method for manufacturing a microfluidic device characterized in that.
  • the present invention relates to a method for manufacturing a microfluidic device in which a wax-based microchannel is formed on a hydrophilic porous substrate.
  • the lateral flow of the fluid is possible due to the porous nature of the substrate, and the hydrophobic wax forms the boundary of the microchannel in the microfluidic device.
  • the present invention provides a transfer film on which a mirror image of a wax pattern is formed and It is characterized in that it is manufactured by including the step of heat treatment after laminating the substrate. During the heat treatment process, the wax is transferred from the transfer film to the substrate and melted into the pores of the substrate. The depth of penetration into the pores during the same transfer process is affected by the melt viscosity of the wax, and the depth of the passage can be adjusted using this, so that a microfluidic device with a more complex structure can be manufactured by using various waxes with different melt viscosities.
  • the manufacturing method of the microfluidic device of the present invention through transfer can be usefully used in the manufacturing method of the three-dimensional microfluidic device.
  • a microfluidic device can be simply manufactured by printing wax patterns for forming microchannels on both sides of a base material and then performing heat treatment.
  • the present invention is intended to solve this problem, and is characterized by forming a three-dimensional microchannel in one substrate by thermally transferring a wax pattern from two transparent transfer films to both sides of the substrate, respectively.
  • the transparent film facilitates the alignment of the wax pattern to prevent defects.
  • a method of manufacturing a microfluidic device having a three-dimensional microchannel using a transparent transfer film may use, for example, the method of FIG. 4 in which two transparent films are aligned and fixed in advance, and a substrate is placed therebetween to heat-treat. .
  • the method of FIG. 4 in which two transparent films are aligned and fixed in advance, and a substrate is placed therebetween to heat-treat.
  • A includes (A) a transfer film preparation step of preparing a transparent transfer film having mirror images of wax patterns to be transferred on both sides of a substrate to form a three-dimensional flow path; (B) a transfer film aligning and fixing step of aligning and fixing the transfer film such that the wax forming surface faces each other; (C) a substrate arrangement step of forming a layered structure by disposing a hydrophilic porous substrate between the transfer films; (D) a heat treatment step of applying heat to the layer structure to transfer the wax and at the same time forming a three-dimensional microchannel in the substrate; and (E) a transfer film removal step of removing the transfer film from the layered structure.
  • the transfer film preparation step is a step of preparing a set of transfer films for forming a 3D flow path.
  • wax patterns to be formed on both sides of the substrate must be designed.
  • the transfer film formed on the two transfer films in the mirror image of the wax pattern Prepare is characterized in that it is transparent.
  • (B) arranging and fixing the transfer film is a step of aligning and fixing the one set of transfer films so that the wax-formed surfaces face each other.
  • Transparency in the present invention means the extent to which the shape of another layer can be identified in a state in which the films are stacked, and includes translucency. For example, if it has transparency of 50% or more in the visible ray region, there will be no difficulty in alignment, but it is natural that the higher the transparency, the easier alignment is. In addition, even if the transparency in the entire visible ray region is 50% or less, if the transmittance in the wavelength region corresponding to the color of the wax is high and easy to identify, it meets the purpose of the present invention.
  • align means adjusting the positions of the wax patterns to be formed on the substrate so that they correspond to each other. Recognition of the wax pattern formed on the other transfer film through the transparent transfer film may be performed with the naked eye, but if more precise alignment is required, an instrument such as a microscope may be used. When the alignment is complete, the two transfer films are fixed so that the alignment is not disturbed. For fixing, tape, pins, tongs, etc. can be used most simply, and the fixing method is not limited.
  • the step (C) is a substrate arrangement step, in which a hydrophilic porous substrate is interposed between the transfer films and disposed. Since the transfer film is already fixed in an aligned state in the previous step, it can maintain an aligned state even when the substrate is inserted. However, for example, if there is a concern that the alignment may be misaligned when the substrate is disposed due to the thickness of the substrate, a transparent alignment film may be used in this step. That is, after stacking the transfer film-alignment film-transfer film in which the alignment film is sandwiched between the two transfer films, the transfer film is fixed, and then the alignment film can be replaced with a substrate. At this time, the thickness of the alignment film is preferably similar to that of the substrate. Since the alignment film is transparent, it does not affect the alignment of the transfer film and prevents alignment errors caused by arranging the substrate in an aligned state.
  • an alignment mark may be displayed on the corresponding area.
  • the alignment mark enables to read in advance whether an alignment error occurs when the substrate is arranged.
  • the alignment film may be longer than the transfer film in one direction to facilitate removal after alignment between the two transfer films, and shorter than the transfer film in the other direction to facilitate fixing of the transfer film. Since the transfer film is directly overlapped at both ends of the alignment film in the short direction, only the transfer films can be fixed. After fixing the transfer film, the alignment film can be easily removed by grabbing the long side of the alignment film and pulling it. there is. In addition, when one end of the long side of the alignment film is connected to the substrate, and the other end is held and pulled, the alignment film is removed and the substrate can be replaced in its place.
  • the size of the film for alignment is sufficient to maintain the distance between the transfer films, and it does not have to correspond to the size of the substrate.
  • the (D) heat treatment step is a step in which the layer structure of the transfer film-substrate-transfer film is heat-treated to transfer wax from the transfer film to the substrate, and then the transferred wax penetrates into pores in the substrate.
  • 5 is a diagram explaining steps (C) to (E) below, showing that wax penetrates into the substrate during the heat treatment process, and the degree of penetration may vary depending on the melt viscosity of the wax. If the waxes transferred from both sides penetrate into both sides of the substrate and meet each other, walls of the microchannel are formed in the substrate. This is formed to form a microchannel through which the fluid moves in the cross-sectional direction of the substrate.
  • the wax 31 is transferred from the transfer film 21 to the base material 11 and penetrates into the pores in the heat treatment step of (D), so that the microchannel due to the wax 31 is completed.
  • it is a step of removing the transfer film 21 and obtaining the microfluidic device 1 .
  • the microfluidic device is stored and distributed with the transfer film attached, and may be removed immediately before use.
  • the transfer film may act as a protective layer preventing contamination of the microfluidic device.
  • alignment of the transfer film may not be affected even if the substrate is inserted in the middle of the transfer film.
  • the substrate is transparent or has a shape corresponding to a wax pattern
  • alignment of the transfer film will not be affected even if the substrate is in the middle.
  • it may be more efficient to align after arranging in the form of a transfer film-substrate-transfer film from the beginning, rather than inserting the substrate after aligning the transfer film in advance. Specifically, as shown in FIG.
  • A' a transfer film preparation step of preparing a transparent transfer film having mirror images of wax patterns to be transferred on both sides of a substrate to form a three-dimensional flow path;
  • B′ an alignment step of aligning and fixing the layer structure in which the hydrophilic porous substrate is disposed between the transfer films disposed such that the wax formation surfaces face each other;
  • C′ a heat treatment step of applying heat to the layered structure to transfer the wax and at the same time forming a three-dimensional microchannel in the substrate;
  • D' removing the transfer film; it is possible to manufacture a microfluidic device, including.
  • step (B') by combining steps (B) and (C) in the exemplary method described above, and detailed descriptions of steps (A'), (C') and (D') correspond to The descriptions of the steps (A), (D) and (E) can be applied similarly.
  • the transfer film-substrate-transfer film may be aligned at once, but (a) aligning and fixing the hydrophilic porous substrate on the wax-formed surface of one of the transfer films; and (b) the above It is natural that the process may be performed sequentially, including the step of aligning and fixing the wax surface of the other transfer film on the fixed substrate so as to face the substrate.
  • the microfluidic device of the present invention utilizes the lateral flow of fluid through pores in a microchannel, and any substrate that exhibits hydrophilicity and porosity can be used.
  • a typical example of the substrate is paper, and porous metal mesh, non-woven fabric, hydrophilic polymer membrane, sponge, fabric, etc. may also be used, but are not limited thereto.
  • the method of the present invention can manufacture a microfluidic device without limitation even when using a flexible substrate as well as a non-flexible substrate, whereas printing using a conventional printer is limited to a flexible material such as paper.
  • a wax pattern can be formed on the surface of the substrate using a transfer film exhibiting flexibility.
  • the method can be particularly useful when the substrate has a predetermined atypical two-dimensional shape. Even if the base material does not meet a separate standard, if it has a standardized rectangular shape, alignment using double-sided printing can be attempted at least, but if it has a non-rectangular shape, printing itself using a printer may be difficult. If the wax pattern is cut into a desired shape after forming the wax pattern, an alignment problem occurs again when the wax pattern is cut into the corresponding shape. Therefore, the problem of alignment can be solved by first cutting and preparing the base material in a predetermined shape using, for example, a cutting printer and then applying the method of the present invention to form a microchannel using wax. 7 shows a schematic diagram of applying the method to an irregular substrate. In FIG.
  • alignment is easy because part of the shape of the substrate coincides with the shape of the oil pattern formed on the lower transfer film.
  • the substrate has an irregular shape, an area where the transfer films overlap each other occurs, so alignment marks may be additionally formed on the transfer film to be used for alignment.
  • the microfluidic device of the present invention can be used to control the shape of the wax at the boundary of the longitudinal plane of the substrate.
  • Wax printing by a printer may form a wax pattern only on the surface of the substrate, and the subsequent formation of the microchannel is performed by melting the wax formed on the substrate by heat treatment and penetrating into the substrate.
  • the wax layer formed on the transfer film is melted and penetrated into the substrate during the heat treatment process, so the size of the wax pattern is not limited by the size of the paper. shape can be controlled.
  • wax patterns may be formed on both sides of the microfluidic device so that the wax penetrating into the base material from both sides meets to form side walls by heat treatment.
  • the degree of The present invention provides a method of forming a wax sidewall at the boundary of a substrate by forming the wax pattern of the transfer film to the outside of the boundary of the substrate.
  • the wax formed on the transfer film is melted by heat treatment and penetrates through the contact surface with the substrate.
  • the wax additionally formed on the outside of the substrate is not in contact with the substrate, it flows along the boundary of the substrate, and consequently forms a sidewall at the boundary of the substrate. According to the method of the present invention, even if a wax pattern is printed on only one side without forming a wax pattern on both sides, there is an advantage in that sidewalls can be formed at the boundary of the substrate.
  • the shape of the wax layer in the microfluidic device is described as being exactly rectangular.
  • the wax melts and penetrates into the substrate and spreads, so that the end portion has a curvature that is slightly wider than the pattern and is not orthogonal.
  • (a) of FIG. 9 if the wax is sufficiently far from the boundary of the substrate at the end of the substrate, a cross section having the same curvature as the non-boundary portion will be formed, but when it is close to the boundary, some curvature is formed. If it is too close, or if it is too close, the wax that has not spread from the boundary side to the side will flow down.
  • a microrobot it is necessary to manufacture a microfluidic device having a straight end channel shape.
  • the present invention provides a method of forming a flow path having a straight cross section at the boundary of a substrate using a cutting gap.
  • a wax pattern of a transfer film is formed on portions of regions A and B including the cutting gap, and then heat-treated. If the cutting gap is small enough, the wax does not flow through the gap and acts as if the two areas are attached during heat treatment, so a straight pattern can be formed. If the cutting gap is too large, region A and region B may act as separate regions due to the cutting gap, and thus, an induction of the right side of (a) may be generated. Therefore, the width of the cutting gap is preferably 0 (cutting only and substantially no gap) to 1 mm.
  • FIG. 9(c) illustrates the manufacturing process of a three-dimensional microfluidic device using a cutting gap.
  • the laminated structure of the transfer film-substrate-transfer film is aligned using a substrate having a cutting gap, and heat treatment is performed to obtain wax to form a flow path by At this time, although shown as heat treatment using a roller, it is natural that this is only one example and is not limited thereto.
  • heat treatment using a roller, it is natural that this is only one example and is not limited thereto.
  • a microfluidic device can be manufactured by removing the excess substrate.
  • the present invention relates to a method for manufacturing a microfluidic device capable of precisely forming a channel of a desired shape in a single substrate using wax regardless of the shape of the hydrophilic porous substrate.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

본 발명은 친수성 다공성 기재의 형상과 무관하게 왁스를 사용하여 한 장의 기재 내에 원하는 형상의 유로를 정밀하게 형성할 수 있는 미세유체장비의 제작방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 한 장의 친수성 다공성 기재 내에 왁스에 의한 미세유로가 형성된 미세유체장비의 제조방법에 있어서, 미세유로 형성을 위한 왁스 패턴의 거울상이 형성된 전사필름과 상기 기재를 적층한 후 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체장비의 제조방법에 관한 것이다.

Description

전사필름을 이용한 미세유체장비의 제조방법
본 발명은 친수성 다공성 기재의 형상과 무관하게 왁스를 사용하여 한 장의 기재 내에 원하는 형상의 유로를 정밀하게 형성할 수 있는 미세유체장비의 제작방법에 관한 것이다.
종이는 다공성/섬유질 구조로서 화학물질을 저장 또는 고정시킬 수 있으며, 별도의 펌프가 없이도 모세관 현상에 의해 유체를 이동시킬 수 있어 미세유체의 이동을 필요로 하는 미세유체장비로 사용될 수 있다. 본 명세서에서 "종이"라는 대표적인 용어로 기술하기는 하지만, 이는 친수성 다공성 재질로 모세관 현상에 의해 유체의 측방 유동이 가능한 재질이라면 모두 소수성의 왁스를 이용한 동일한 기술이 적용될 수 있으며, 예를 들면 종이, 다공성 금속 매쉬, 부직포, 셀룰로오스, 키토산, PLA(폴리 락틱산)과 같은 친수성 고분자 멤브레인, 스펀지, 직물 등의 재질을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아님은 당연하다.
종이는 인쇄·코팅·함침 등의 방법에 의해 다양하게 변형이 가능하므로 하나의 칩에서 동시에 다중 분석이 가능하도록 시료를 분리된 여러 공간으로 분배할 수 있다. 또한, 기계적인 유연성이 있고, 수십~수백 마이크로미터의 두께로 인해 적은 부피의 시료를 사용하여도 분석이 가능하며, 가볍고 이동이 용이하여 휴대성이 우수하므로 현장 적용에 적합할 뿐 아니라 소각에 의해 폐기가 가능하여 위험 폐기물을 손쉽게 제거할 수 있다. 무엇보다도 저비용으로 제작이 가능하여 초저가형 분석장비의 이상적인 플랫폼으로 주목받고 있다. 이에 건강진단, 환경 모니터링, 면역분석, 식품 안전 분석을 포함한 다양한 분야에서 응용이 가능하다.
종이기반 진단장비로 종이를 시료에 담가 색의 변화를 관측하는 딥스틱 형태는 1960년대 처음 상용화되어 대표적으로 요검사에 널리 이용되고 있다. 다공성 특성에 기인한 측방유동을 이용한 종이기반 미세유체장비는 이보다 늦은 1980년대 면역분석을 이용한 임신진단에 활용되기 시작한 이래, 식품, 환경 분야로 빠르게 확장되어 이용되고 있다.
종이기반 미세유체장비는 유체의 진행 방향에 따라 유체가 한쪽 방향으로만 이동하도록 고안된 1D 미세유체장비와, 수평방향인 동일 평면 내의 여러 방향으로 이동하도록 고안된 2D 미세유체장비, 수평방향 뿐 아니라 수직방향으로도 이동하는 3D 미세유체장비로 나눌 수 있다(도 1). 3D 미세유체장비는 1D 및 2D 미세유체장비에 비해 복잡한 구조의 유로를 형성하는 것이 가능하므로, 집약된 공간에서 동시다중분석이 가능하며, 더 진보된 비색분석법에 의한 정량분석이 가능하다. 진보된 비색분석법은 용액 내에서 검출하고자 하는 물질의 농도를 색이 변하는 점의 개수로 나타내는 분석법이다. 종래의 비색분석법은 정성적인 분석 또는 대략적인 양의 가늠만이 가능하여 정량분석을 위해서는 시약의 색의 변화를 정밀하게 분석하기 위해서 외부 전자분석장비가 필수였던 것에 반해, 진보된 비색분석법은 외부 전자분석장비 없이도 정량적인 분석이 가능하기 때문에 디지털 분석 장비로의 활용성을 배가시킬 수 있다.
종이기반 미세유체장비는 리소그라피나 왁스 프린팅, 에칭 등을 이용하여 종이위에 소수성 영역과 친수성 영역의 패턴을 형성하는 것에 의해 제작된다. 공개특허 제10-2010-0127301호는 종이와 양면 테이프를 사용한 3D 종이기반 미세유체장비의 제작방법을 게시하였다. 제작과정을 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저 복수의 종이를 적층하였을 때 원하는 채널 형상을 갖도록 각각의 종이에 소수성 영역과 친수성 영역의 패턴을 형성한다(210). 패턴의 형성은 2차원 종이기반 미세유체장비와 마찬가지로 리소그라피나 왁스 프린팅 등의 방법을 적절히 사용할 수 있다. 패턴이 형성된 각 층의 종이는 소수성의 양면 접착테이프를 사용하여 연결되게 되는데, 먼저 각 층의 종이가 접착되면 각 층의 친수성 영역(종이)를 따라 유체가 흐를 수 있도록 양면 접착테이프에 구멍을 뚫어준다(230). 이 때 양면 접착테이프에 형성된 구멍은 각 층의 종이의 접착 시 빈 공간으로 남아있게 되어 유체의 상하 이동(특히 상방향으로의 이동)을 방해한다. 따라서, 이들 구멍을 메워줄 친수성 물질(종이 또는 셀룰로오스 파우더 등)을 별도로 준비한다(250). 이후, 상기의 과정에서 준비된 구성요소를 정렬한 후 접착하는 것에 의해 3D 종이기반 미세유체장비를 완성한다. 상기 방법에 의해 3D 종이기반 미세유체장비를 제작할 수 있으나, 공정이 복잡하고, 많은 시간과 노동력을 필요로 하며, 각 층의 종이 및 접착테이프 층을 정밀하게 제어해야만 하며 이는 곧 생산 비용의 증가로 이어진다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 본 발명자들은 등록특허 제10-1493051호에서 도 3에 도시된 바와 같이 한 장의 종이에 왁스를 양면 인쇄하고, 이를 열처리하는 것에 의해 3D 종이기반 미세유체장비를 제작하는 방법을 제안하였다. 상기 방법은 종래 방법에 비해 매우 단순화된 방법으로 3D 종이기반 미세유체장비를 간편하고 경제적으로 제조할 수 있다는 점에서 혁신적인 방법이다. 그러나 양면 인쇄를 한다고 하더라도 앞뒷면의 왁스 인쇄 패턴을 정교하게 정렬하기 어려우며, 3차원 구조물의 형상이 복잡해질수록 정렬 오차로 인한 불량이 문제가 된다. 더구나 종이자체가 직사각형이 아닌 비정형 형상을 갖는 경우에는 양면에 왁스 패턴을 인쇄하는 자체가 어렵다는 문제가 있다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) 공개특허 제10-2010-0127301호(2010. 12. 03)
(특허문헌 2) 등록특허 제10-1493051호(2015. 02. 06.)
본 발명은 친수성 다공성 기재 내에 소수성 왁스를 사용하여 유로를 형성한 미세유체장비의 제작상의 문제를 해소하기 위한 것으로, 비정형 기재 상에도 원하는 형상의 유로를 형성할 수 있는 미세유체장비의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히 본 발명은 3차원 미세유체장비의 제조 시 앞뒷면의 왁스 패턴의 정렬이 어긋나 불량률이 높은 문제를 해소할 수 있는 미세유체장비의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
더 나아가 본 발명의 목적은 장비의 경계면에서의 왁스 패턴 형상을 간편하게 제어할 수 있는 미세유체장비의 제조방법을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 친수성 다공성 기재 내에 왁스에 의한 미세유로가 형성된 미세유체장비의 제조방법에 있어서, 미세유로 형성을 위한 왁스 패턴의 거울상이 형성된 전사필름과 상기 기재를 적층한 후 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체장비의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 미세유체장비 제조방법은 특히 3차원 미세유체장비의 제조 시 더욱 유용하게 적용될 수 있다. 구체적으로 본 발명의 미세유체장비의 제조방법은 3차원 미세유체장비의 제조 시 투명한 두 장의 전사필름으로부터 상기 기재의 양면에 각각 왁스 패턴을 열전사하여 한 장의 기재 내에 3차원 미세유로를 형성하는 것을 특징으로 하여, 양면의 왁스 패턴의 정렬 문제를 해결할 수 있다. 본 발명에서 "열전사"라 함은 전사필름의 왁스가 형성된 면과 기재가 맞닿은 상태로 열을 가하여, 용융된 왁스가 기재로 전사되는 것을 의미한다. 본 열전사 과정에서 왁스는 기재 표면으로 전사될 뿐 아니라 기재의 기공 내로 일부 침투하여 기재 내에 소수성 왁스를 계면으로 하는 미세유로를 형성한다.
상기 기재는 종이, 다공성 금속 매쉬, 부직포, 친수성 고분자 멤브레인, 스펀지 또는 직물일 수 있으며, 소정의 2차원 형상을 가질 수 있다. 통상 특정 규격의 직사각형 형상의 기재에는 왁스 프린터를 사용하여 비교적 쉽게 왁스 패턴을 인쇄할 수 있으나, 직사각형이 아닌 비정형 형상의 기재나 비유연성 기재는 프린터에 의한 인쇄가 어려우며 특히 양면 패턴을 정렬하여 인쇄하는 것은 더욱 어렵다. 본 발명은 특히 상기 기재가 2차원 비정형 형상을 갖는 경우, 더욱 유용하게 사용될 수 있다.
상기 비정형의 2차원 형상을 갖는 기재에는 기재의 경계면에서 왁스에 의해 형성되는 유로의 단면형상을 조절할 수 있다.
이상과 같이 전사에 의한 본 발명의 미세유체장비 제조방법에 의하면, 기재의 형상과 무관하게 왁스 패턴에 따른 미세유로의 형성이 가능하고, 기재의 경계면에서의 단면 형상을 용이하게 제어할 수 있다.
본 발명의 미세유체장비 제조방법은 투명한 전사필름을 사용하는 경우 종이 양면에 인쇄되는 왁스 패턴의 정렬이 용이하여 3차원 미세유체장비의 제작 시 불량률을 크게 낮출 수 있고 더욱 정밀한 미세유로를 형성할 수 있으므로 구조가 복잡한 진단, 분석 장치나 미세로봇 등 3차원 미세유체장비의 제조에 유용하게 이용할 수 있다.
특히 본 발명의 미세유체장비 제조방법은 기재의 형상이 비정형 형상인 경우, 기재를 미리 소정 형상으로 가공한 다음에도 왁스 패턴의 정렬이 용이하여 3차원 미세유체장비의 응용 분야를 확대할 수 있다.
도 1은 1차원, 2차원 및 3차원 미세유체장비의 모식도.
도 2 및 도 3은 종래기술에 의한 3차원 미세유체장비의 제조과정을 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 일양태에 의한 3차원 미세유체장비의 제조과정을 보여주는 순서도.
도 5는 도 4의 방법에 따른 미세유체장비의 제조과정을 보여주는 모식도.
도 6은 본 발명의 다른 일양태에 의한 3차원 미세유체장비의 제조과정을 보여주는 순서도.
도 7은 도 5의 방법에 따른 미세유체장비의 제조과정을 보여주는 모식도.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 특정 구조의 미세유로의 형성 과정을 보여주는 모식도.
본 발명은 한 장의 친수성 다공성 기재 내에 왁스에 의한 미세유로가 형성된 미세유체장비의 제조방법에 있어서, 미세유로 형성을 위한 왁스 패턴의 거울상이 형성된 전사필름과 상기 기재를 적층한 후 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체장비의 제조방법에 관한 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 이러한 설명은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다. 또한, 발명을 설명함에 있어서 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
전술한 바와 같이 본 발명은 한 장의 친수성 다공성 기재에 왁스에 의한 미세유로가 형성된 미세유체장비의 제조방법에 관한 것이다. 상기 미세유체장비는 기재의 다공성 특성으로 인하여 유체의 측방유동이 가능하며, 소수성인 왁스는 미세유체장비 내 미세유로의 경계를 형성한다.
종래 본 발명자들의 등록특허 제10-1493051호에서 미세유로 형성을 위한 왁스 패턴의 형성이 왁스 프린터를 통한 인쇄와 그에 이은 열처리에 의해 이루어지던 것과 달리, 본 발명은 왁스 패턴의 거울상이 형성된 전사필름과 상기 기재를 적층한 후 열처리하는 단계를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 한다. 열처리 과정에서 기재 상에 전사필름으로부터 기재로 왁스가 전사되는 동시에, 기재의 기공 내로 녹아들어가게 된다. 동일한 전사 과정동안 기공 내로 침투되는 깊이는, 왁스의 용융점도의 영향을 받으며 이를 이용하여 유로의 깊이를 조절할 수 있어 용융점도가 다른 다양한 왁스를 사용하는 것에 의해 보다 복잡한 구조의 미세유체장비를 제조할 수 있다. 이에 대해서는 본 발명자들의 등록특허 제10-1662802호에 기재되어 있으므로 상세한 설명은 생략한다. 전사필름은 종래기술에서 전사되는 소재에 따라 이미 다양한 재질과 특성 등이 연구되어 왔으므로, 왁스의 전사에 적절한 필름을 선택하는 것은 당업자에게 용이할 것이다. 본 발명은 전사필름 그 자체에 관한 것이 아니라, 전사를 통한 미세유체장비의 제조방법에 관한 것이므로 전사필름 자체에 대한 상세한 설명 역시 생략한다.
전사를 통한 본 발명의 미세유체장비의 제조방법은 먼저 3차원 미세유체장비의 제조방법에 유용하게 사용될 수 있다. 등록특허 제10-1493051호의 방법에 의하면 기재의 양면에 미세유로 형성을 위한 왁스 패턴을 각각 인쇄한 후 열처리하는 방법으로 간단하게 미세유체장비를 제작할 수 있다. 그러나 기재의 양면 상응하는 위치에 정확하게 패턴을 정렬하여 인쇄하는 것은 쉽지 않으며, 양면이 동시에 인쇄되는 양면인쇄 방식을 사용하더라도 정렬 오차로 인한 불량이 발생하였다. 본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 투명한 두 장의 전사필름으로부터 상기 기재의 양면에 각각 왁스 패턴을 열전사하여 한 장의 기재 내에 3차원 미세유로를 형성하는 것을 특징으로 한다. 투명필름은 왁스 패턴의 정렬을 용이하게 하여 불량의 발생을 방지할 수 있다.
투명 전사필름을 사용한 3차원 미세유로가 형성된 미세유체장비의 제조방법은 예를 들어, 미리 두 장의 투명필름을 정렬한 후 고정하고 기재를 그 사이에 배치하여 열처리하는 도 4의 방법을 사용할 수 있다. 구체적으로 도 4의 방법은 (A) 3차원 유로 형성을 위하여 기재의 양면에 전사될 왁스 패턴의 거울상이 각각 형성되어 있는 투명한 전사필름을 준비하는 전사필름 준비 단계; (B) 왁스 형성면이 대향되도록 상기 전사필름을 정렬하고, 고정시키는 전사필름 정렬 및 고정 단계; (C) 상기 전사필름의 사이에 친수성의 다공성 기재를 배치하여 층상구조물을 형성하는 기재 배치 단계; (D) 상기 층상구조물에 열을 가하여, 왁스를 전사하는 동시에 기재에 3차원 미세유로를 형성하는 열처리 단계; 및 (E) 층상 구조물로부터 전사필름을 제거하는 전사필름 제거 단계;를 포함한다.
이하, 각 단계를 보다 구체적으로 설명한다.
먼저, (A) 전사필름 준비 단계는 3차원 유로 형성을 위한 전사필름 한 세트를 준비하는 단계이다. 3차원 유로 형성을 위해서는 먼저 기재의 양면에 각각 형성될 왁스 패턴을 디자인하여야 한다. 종래에는 디자인될 왁스 패턴을 바로 기재의 양면에 인쇄하였던 것에 비해, 본 발명에서는 두 장의 전사필름으로부터 각각 기재의 양면으로 전사할 것이므로 왁스 패턴의 거울성상 두 장의 전사필름에 각각 형성되어 있는 전사필름을 준비한다. 이때, 상기 전사필름은 투명한 것을 특징으로 한다.
(B) 전사필름 정렬 및 고정 단계는 상기 한 세트의 전사필름을 왁스가 형성된 면이 대향되도록 정렬하고, 고정시키는 단계이다.
본 발명에서는 전사필름이 투명하기 때문에 기재의 양면에 형성될 왁스 패턴의 거울상이 두 장의 전사필름에 각각 형성되어 있다고 하더라도, 이들을 정밀하게 정렬할 수 있다. 본 발명에서 투명하다는 것은, 필름이 적층된 상태에서 다른 층의 형상을 식별할 정도를 의미하는 것으로 반투명을 포함하는 의미이다. 예를 들어, 가시광선 영역에서 50% 이상의 투명도를 갖는다면 정렬에는 어려움이 없을 것이나, 투명도가 높을수록 정렬이 용이함은 당연하다. 또한 전체 가시광선 영역에서의 투명도가 50% 이하라고 하더라도 왁스의 색상에 해당되는 파장 영역의 투과도가 높아 식별이 용이하다면 본 발명의 취지에 부합한다.
본 발명에서 "정렬"한다고 함은 기재에 형성될 왁스 패턴의 위치가 서로 상응하도록 위치를 조정하는 것을 의미한다. 투명한 전사필름을 통하여 상대 전사필름에 형성되어 있는 왁스 패턴을 인식하는 것은 나안으로 할 수도 있으나, 더욱 정밀한 정렬이 필요하다면 현미경과 같은 기구를 사용할 수도 있다. 정렬이 완료되면 두 장의 전사필름은 정렬이 흐트러지지 않도록 고정된다. 고정은 가장 간단하게는 테이프나 핀, 집게 등을 사용할 수 있으며, 고정 방법이 한정되는 것은 아니다.
상기 (C) 단계는 기재 배치 단계로, 전사필름의 사이에 친수성의 다공성 기재를 끼워 넣어 배치하는 단계이다. 전사필름은 전 단계에서 이미 정렬된 상태로 고정되어 있으므로, 기재를 끼워 넣어도 정렬된 상태를 유지할 수 있다. 그러나 예를 들어 기재의 두께가 두꺼워 기재를 배치하였을 때 정렬이 어긋날 우려가 있다면, 본 단계에서 투명한 정렬용 필름을 사용할 수 있다. 즉, 두 장의 전사필름의 사이에 정렬용 필름을 끼워 넣은 전사필름-정렬용 필름-전사필름의 상태로 적층한 후 전사필름을 고정하고, 이후 기재로 정렬용 필름을 대체할 수 있다. 이때, 정렬용 필름의 두께는 기재의 두께와 유사한 것을 사용하는 것이 바람직하다. 정렬용 필름은 투명하기 때문에 전사필름의 정렬에 영향을 미치지 않으며, 정렬된 상태에서 기재를 배치하는 것에 의해 발생되는 정렬 오차를 방지한다.
만일 본 단계에서 형성된 층상구조물에 두 장의 전사필름이 직접 겹쳐지는 영역이 있다면, 즉, 기재가 중간에 없는 영역이 있다면, 해당 영역에 정렬마크를 표시할 수 있다. 정렬마크는 기재의 배치 시 정렬 오차의 발생 여부를 미리 판독할 수 있도록 한다.
정렬용 필름은 두 장의 전사필름의 사이에서 정렬 후 제거가 용이하도록 일측 방향이 상기 전사필름보다 길고, 전사필름의 고정이 용이하도록 타측 방향은 상기 전사필름보다 짧은 형태일 수 있다. 정렬용 필름이 짧은 쪽 방향의 양단에는 전사필름이 직접적으로 중첩되어 있으므로 전사필름 끼리만 고정할 수 있으며, 전사필름의 고정 후 정렬용 필름이 긴쪽을 잡고 당기는 것에 의해 정렬용 필름을 용이하게 제거할 수 있다. 또한 정렬용 필름이 긴 쪽 일 말단을 기재와 연결시켜 놓고, 타단을 잡고 당기면 정렬용 필름이 제거되면서 기재가 대신 그 자리로 대체될 수 있다. 정렬용 필름은 전사필름 사이의 간격을 유지할 만큼의 크기이면 충분하며, 기재의 크기에 대응하여야 하는 것은 아니다.
상기 (D) 열처리 단계는 전사필름-기재-전사필름의 층상구조물을 열처리하여 전사필름으로부터 기재로 왁스가 전사되고, 이어 전사된 왁스가 기재 내의 기공으로 침투되는 단계이다. 도 5는 본 (C) 단계 내지 하기 (E) 단계를 설명하는 도면으로, 열처리 과정에서 왁스가 기재 내부로 침투되며 왁스의 용융점도에 따라 침투 정도가 다를 수 있음을 보여준다. 양면에서 각각 전사된 왁스가 기재의 양면으로 침투하여 서로 만나게 된다면 기재 내에 미세유로의 벽이 형성되며, 양면에서 전사된 왁스가 기재의 양면으로 침투하되 만나지 않으면 기재의 단면에서 위아래에 왁스에 의한 벽이 형성되어 기재의 단면방향으로 유체가 이동하는 미세유로가 형성된다. 기재의 위 또는 아래에서만 왁스가 전사되어 기재로 침투하면 기재의 위 또는 아래에서 수직방향으로 유체가 이동하는 유로가 형성된다. 이외 여러 가지 응용형태가 있으나, 이는 미세유체장비의 형태에 따라 종래기술을 응용하여 적용할 수 있을 것이다.
(E)의 전사필름 제거 단계는 상기 (D)의 열처리 단계에서 전사필름(21)으로부터 기재(11)로 왁스(31)의 전사 및 기공으로 침투가 이루어져 왁스(31)로 인한 미세유로가 완성됨에 따라, 전사필름(21)을 제거하고 미세유체장비(1)를 수득하는 단계이다. 경우에 따라서는 전사필름이 붙은 상태로 미세유체장비를 보관 및 유통하며 사용 직전에 제거할 수도 있다. 이 경우 전사필름은 미세유체장비의 오염을 방지하는 보호층으로 작용할 수 있다.
경우에 따라서는 전사필름이 중간에 기재가 끼워져 있다고 하더라도 전사필름의 정렬에 영향을 미치지 않을 수 있다. 예를 들어, 기재가 투명하거나 혹은 왁스 패턴에 상응하는 형상을 갖고 있다면 기재가 가운데 있더라도 전사필름을 정렬하는데 영향을 미치지 않을 것이다. 이 경우에는 전사필름을 미리 정렬한 후 기재를 끼워넣는 것보다는, 처음부터 전사필름-기재-전사필름의 형태로 배치한 후 정렬하는 것이 더 효율적일 수 있다. 구체적으로는 도 6에 도시된 바와 같이 (A') 3차원 유로 형성을 위하여 기재의 양면에 전사될 왁스 패턴의 거울상이 각각 형성되어 있는 투명한 전사필름을 준비하는 전사필름 준비 단계; (B') 왁스 형성면이 대향되도록 배치된 전사필름 사이에 친수성 다공성 기재가 배치된 층상구조물을 정렬하여 고정하는 정렬 단계; (C') 상기 층상구조물에 열을 가하여, 왁스를 전사하는 동시에 기재에 3차원 미세유로를 형성하는 열처리 단계; 및 (D') 전사필름을 제거하는 단계;를 포함하여 미세유체장비를 제조할 수 있다. 상기 방법은 앞에서 설명한 예시적 방법에서 (B) 및 (C) 단계를 합쳐서 (B') 단계로 진행한 것으로, (A'), (C') 및 (D') 단계에 대한 상세한 설명은 상응하는 (A), (D) 및 (E) 단계의 설명을 마찬가지로 적용할 수 있다. 또한 상기 (B') 단계는 전사필름-기재-전사필름을 한꺼번에 정렬할 수도 있으나, (a) 전사필름 중 하나의 왁스 형성면 상에 친수성 다공성 기재를 정렬하여 고정하는 단계;와 (b) 상기 고정된 기재 상에 나머지 하나의 전사필름의 왁스면이 기재에 대향하도록 정렬하여 고정하는 단계를 포함하여 순차적으로 진행할 수 있음은 당연하다.
배경기술에 언급한 바와 같이 본 발명의 미세유체장비는 미세유로에서 공극을 통한 유체의 측방유동을 이용한 것으로, 기재로는 친수성과 다공성을 나타내는 것이라면 어떤 것이라도 사용할 수 있다. 기재의 대표적인 예는 종이이며, 다공성 금속 매쉬, 부직포, 친수성 고분자 멤프레인, 스펀지, 직물 등도 마찬가지로 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 방법은 기존의 프린터를 이용한 인쇄가 종이와 같은 유연성 재질에 한정되는 것에 반해, 유연성 기재 뿐 아니라 비유연성 재질의 기재를 사용하는 경우에도 제한 없이 미세유체장비를 제조할 수 있다. 또한 비유연성 기재가 단일 평면상에 존재하지 않고 휘어져 있는 경우에도 유연성을 나타내는 전사필름을 사용하여 기재의 표면에 왁스 패턴을 형성시킬 수 있다.
상기 방법은 특히 기재가 소정의 비정형 2차원 형상을 가진 경우 유용하게 사용될 수 있다. 기재가 별도의 규격에 맞지 않더라도 정형화된 직사각형 형상인 경우에는 그나마 양면 인쇄를 사용한 정렬을 시도할 수 있으나, 직사각형이 아닌 비정형 형상을 갖는 경우에는 프린터를 사용한 인쇄 자체가 곤란할 수 있다. 일단 왁스 패턴을 형성한 후 원하는 형상으로 절단하는 경우에는 또 다시 해당 형상으로 절단 시의 정렬 문제가 발생한다. 따라서 일단은 예를 들어, 커팅 프린터를 이용하여 소정 형상으로 기재를 잘라 준비한 후 본 발명의 방법을 적용하여 왁스에 의한 미세유로를 형성하는 것에 의해 정렬에 따른 문제를 해소할 수 있다. 도 7은 비정형 기재에 상기 방법을 적용한 모식도를 보여준다. 도 7은 기재의 형상 일부가 하부 전사필름에 형성된 오일 패턴 형상과 일치하여 정렬이 용이하다. 기재가 비정형 형상을 갖는 경우에는 전사필름끼리 겹쳐지는 영역이 발생하므로, 추가적으로 전사필름에 정렬마크를 형성하여 정렬에 이용할 수 있다.
본 발명의 미세유체장비는 기재의 종단면 경계에서의 왁스 형상을 제어하는 데 사용할 수 있다. 프린터에 의한 왁스의 인쇄는 기재면에만 왁스 패턴을 형성시킬 수 있으며, 후속의 미세유로 형성은 기재에 형성된 왁스가 열처리에 의해 용융되어 기재 내로 침투하는 것에 의해 이루어진다. 반면 전사를 통한 미세유로 형성은 전사필름에 형성되어 있는 왁스층이 열처리 과정에서 기재로 용융하여 침투되는 것이므로, 왁스 패턴의 크기가 종이의 크기에 제한을 받지 않으며 이를 이용하면 기재의 종단면 경계에서의 왁스 형상을 제어할 수 있다.
예를 들어, 미세유체장비의 경계(끝부분)에 측벽을 만들기 위해서는 양면에 왁스 패턴을 형성하여 열처리에 따라 양면에서 기재로 침투된 왁스가 만나 측벽이 형성되도록 할 수 있다. 혹은 단면에 용융점도가 낮은 왁스로 패턴을 형성하여 열처리 시 기재의 하면까지 왁스가 침투하도록 하는 방법도 있으나 왁스의 용융점도가 너무 낮으면, 확산의 정도 역시 증가하므로 열처리에 따라 왁스 패턴 폭의 증가 정도 역시 커진다는 것을 고려하여야 한다. 본 발명은 전사필름의 왁스 패턴을 기재의 경계면 밖까지 형성하여, 기재의 경계에 왁스 측벽을 형성하는 방법을 제공한다. 도 8의 모식도에서 확인할 수 있듯이, 전사필름에 형성된 왁스는 열처리에 의해 용융되어 기재와의 접촉면을 통해 침투한다. 그러나, 기재의 바깥쪽에 부가적으로 형성된 왁스는 기재가 접촉되어 있지 않기 때문에 기재의 경계를 타고 흐르게 되며, 결과적으로는 기재의 경계에 측벽을 형성한다. 본 발명의 방법에 의하면 양면에 왁스 패턴을 형성하지 않고 한면에만 왁스 패턴을 인쇄하여도 기재의 경계에 측벽 형성이 가능하다는 장점이 있다.
도 5와 도 8의 모식도에서는 편의상 미세유체장비 내에서 왁스층의 형상이 정확하게 직사각형을 이루는 것으로 묘사하였다. 그러나 실제로는 도 3의 단면 이미지에서 확인할 수 있듯이 왁스가 기재로 용융 침투하면서 확산이 일어나기 때문에 패턴보다 약간 퍼진 상태로 끝부분이 직각이 아닌 곡률을 갖는다. 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이 기재의 끝 부분에서 왁스가 기재의 경계에서 충분히 떨어져 있다면, 경계가 아닌 부분과 마찬가지의 곡률을 가진 단면이 형성될 것이나, 경계와 가까워지면 일부 곡률이 형성되거나, 혹은 너무 가깝다면 경계쪽에서 옆으로 확산되지 못한 왁스가 아래로 흘러내리게 된다. 특히 미세 로봇과 같은 경우에는 일직선의 말단 유로의 형상을 갖는 미세유체장비의 제조가 필요하다.
이에 본 발명은 커팅 갭을 이용한 기재의 경계에 직선 단면의 유로를 형성하는 방법을 제공한다. 도 9의 (b)를 참조하면, 기재의 A 영역과 B 영역 사이에 커팅 갭을 형성한 후 전사필름의 왁스 패턴을 커팅 갭을 포함하여 A 영역과 B 영역의 일부에 형성한 후 열처리한다. 커팅 갭이 충분히 작다면 왁스는 갭 사이로 흘러들어가지 않고 열처리 시 두 영역이 붙어 있는 것처럼 작용하므로 직선의 패턴 형성이 가능하다. 커팅 갭이 너무 크면 커팅 갭에 의해 A 영역과 B 영역은 별도의 영역으로 작용하기 때문에 (a)의 우측과 같은 형상의 유도가 생성될 수 있다. 따라서 커팅 갭의 폭은 0(커팅만 되고 실질적으로는 갭이 없는 상태) 내지 1 mm인 것이 바람직하다.
도 9의 (c)는 커팅 갭을 이용한 3차원 미세유체장비의 제작과정을 예시한 것으로, 먼저 커팅 갭이 형성된 기재를 사용하여 전사필름-기재-전사필름의 적층구조를 정렬하고, 열처리하여 왁스에 의한 유로를 형성시킨다. 이때 롤러를 사용하여 열처리하는 것으로 도시하였으나, 이는 하나의 예시일 뿐 이에 한정되는 것이 아님은 당연하다. 열처리에 의해 기재에 왁스가 침투하면 과잉 기재를 제거하는 것에 의해 미세유체장비를 제조할 수 있다.
[부호의 설명]
1 : 미세유체장비
11 : 기재
21 : 전사필름
31 : 왁스
본 발명은 친수성 다공성 기재의 형상과 무관하게 왁스를 사용하여 한 장의 기재 내에 원하는 형상의 유로를 정밀하게 형성할 수 있는 미세유체장비의 제작방법에 관한 것이다.

Claims (12)

  1. 한 장의 친수성 다공성 기재 내에 왁스에 의한 미세유로가 형성된 미세유체장비의 제조방법에 있어서,
    미세유로 형성을 위한 왁스 패턴의 거울상이 형성된 전사필름과 상기 기재를 적층한 후 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체장비의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    투명한 두 장의 전사필름으로부터 상기 기재의 양면에 각각 왁스 패턴을 열전사하여 한 장의 기재 내에 3차원 미세유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 미세유체장비의 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    (A) 3차원 유로 형성을 위하여 기재의 양면에 전사될 왁스 패턴의 거울상이 각각 형성되어 있는 투명한 전사필름을 준비하는 전사필름 준비 단계;
    (B) 왁스 형성면이 대향되도록 상기 전사필름을 정렬하고, 고정시키는 전사필름 정렬 및 고정 단계;
    (C) 상기 전사필름의 사이에 친수성의 다공성 기재를 배치하여 층상구조물을 형성하는 기재 배치 단계;
    (D) 상기 층상구조물에 열을 가하여, 왁스를 전사하는 동시에 기재에 3차원 미세유로를 형성하는 열처리 단계; 및
    (E) 층상 구조물로부터 전사필름을 제거하는 전사필름 제거 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체장비의 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 (C) 단계에서, 전사필름의 사이에 투명한 정렬용 필름을 끼운 채 정렬하고, 정렬용 필름을 제외한 전사필름만을 고정하며,
    상기 (D) 단계에서는 상기 기재로 상기 정렬용 필름을 대체하는 것을 특징으로 하는 3차원 미세유체장비의 제조방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 정렬용 필름의 일측 방향은 상기 전사필름보다 길고, 타측 방향은 상기 전사필름보다 짧은 것을 특징으로 하는 3차원 미세유체장비의 제조방법.
  6. 청구항 2에 있어서,
    (A') 3차원 유로 형성을 위하여 기재의 양면에 전사될 왁스 패턴의 거울상이 각각 형성되어 있는 투명한 전사필름을 준비하는 전사필름 준비 단계;
    (B') 왁스 형성면이 대향되도록 배치된 전사필름 사이에 친수성 다공성 기재가 배치된 층상구조물을 정렬하여 고정하는 정렬 단계;
    (C') 상기 층상구조물에 열을 가하여, 왁스를 전사하는 동시에 기재에 3차원 미세유로를 형성하는 열처리 단계; 및
    (D') 전사필름을 제거하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체장비의 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 (B') 단계는
    (a) 전사필름 중 하나의 왁스 형성면 상에 친수성 다공성 기재를 정렬하여 고정하는 단계;와
    (b) 상기 고정된 기재 상에 나머지 하나의 전사필름의 왁스면이 기재에 대향하도록 정렬하여 고정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체장비의 제조방법.
  8. 청구항 3 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 층상구조물에서 두 장의 전사필름이 직접 겹쳐지는 영역이 있는 경우, 해당 영역에 정렬마크가 있는 것을 특징으로 하는 미세유체장비의 제조방법.
  9. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 친수성 다공성 기재는 종이, 다공성 금속 매쉬, 부직포, 친수성 고분자 멤브레인, 스펀지 또는 직물인 것을 특징으로 하는 미세유체장비의 제조방법.
  10. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기재는 소정의 비정형 2차원 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 미세유체장비의 제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    전사필름의 왁스 패턴을 기재의 경계면 밖까지 형성하여, 기재의 경계에 왁스 측벽을 형성하는 것을 특징으로 하는 미세유체장비의 제조방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    기재의 경계에 0~1 mm의 커팅 갭을 형성하고,
    전사필름의 왁스 패턴을 기재의 경계면 밖까지 형성하며,
    전사 후 커팅 갭을 제거하는 것에 의해,
    기재의 경계에 직선 단면의 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 미세유체장비의 제조방법.
PCT/KR2022/004688 2021-08-11 2022-04-01 전사필름을 이용한 미세유체장비의 제조방법 WO2023017948A1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2021-0106241 2021-08-11
KR1020210106241A KR102630830B1 (ko) 2021-08-11 2021-08-11 전사필름을 이용한 미세유체장비의 제조방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023017948A1 true WO2023017948A1 (ko) 2023-02-16

Family

ID=85176298

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2022/004688 WO2023017948A1 (ko) 2021-08-11 2022-04-01 전사필름을 이용한 미세유체장비의 제조방법

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20230049054A1 (ko)
KR (1) KR102630830B1 (ko)
CN (1) CN115893300A (ko)
WO (1) WO2023017948A1 (ko)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050016451A (ko) * 2002-05-29 2005-02-21 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니 유체 반발성 미공성 재료
WO2005084191A2 (en) * 2004-02-13 2005-09-15 The University Of North Carolina At Chapel Hill Functional materials and novel methods for the fabrication of microfluidic devices
JP2012016811A (ja) * 2010-07-06 2012-01-26 Xerox Corp マイクロ流体デバイス
KR20160066891A (ko) * 2014-12-03 2016-06-13 광운대학교 산학협력단 종이 기반 농축 방법, 농축 장치 및 그 제조 방법
KR101652629B1 (ko) * 2015-03-06 2016-08-31 한양대학교 에리카산학협력단 유체흐름 소자

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3180004B2 (ja) * 1995-06-27 2001-06-25 松下電工株式会社 露光フィルムの整合方法及び整合装置
WO2009121037A2 (en) 2008-03-27 2009-10-01 President And Fellows Of Harvard College Three-dimensional microfluidic devices
KR101493051B1 (ko) 2014-03-07 2015-02-16 충남대학교산학협력단 3차원 종이기반 미세유체장비의 제작방법
CN105903502B (zh) * 2016-05-16 2018-03-16 南京工业大学 基于热转移蜡亲疏水图案微流控纸芯片的制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050016451A (ko) * 2002-05-29 2005-02-21 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니 유체 반발성 미공성 재료
WO2005084191A2 (en) * 2004-02-13 2005-09-15 The University Of North Carolina At Chapel Hill Functional materials and novel methods for the fabrication of microfluidic devices
JP2012016811A (ja) * 2010-07-06 2012-01-26 Xerox Corp マイクロ流体デバイス
KR20160066891A (ko) * 2014-12-03 2016-06-13 광운대학교 산학협력단 종이 기반 농축 방법, 농축 장치 및 그 제조 방법
KR101652629B1 (ko) * 2015-03-06 2016-08-31 한양대학교 에리카산학협력단 유체흐름 소자

Also Published As

Publication number Publication date
CN115893300A (zh) 2023-04-04
KR20230024113A (ko) 2023-02-20
KR102630830B1 (ko) 2024-01-29
US20230049054A1 (en) 2023-02-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10877028B2 (en) Microarray based sample detection system
Njus et al. Flexible and disposable paper-and plastic-based gel micropads for nematode handling, imaging, and chemical testing
KR102241787B1 (ko) 결합 기재들을 형성하기 위한 시스템 및 방법
EP0571940B1 (de) Testträger zur Analytbestimmung sowie Verfahren zu dessen Herstellung
Li et al. Fabrication of three-dimensional microfluidic channels in a single layer of cellulose paper
WO2010102294A1 (en) Methods of micropatterning paper-based microfluidics
KR102567398B1 (ko) 물 분산성 분석
US20130078711A1 (en) Systems and methods for providing microfluidic devices
KR101493051B1 (ko) 3차원 종이기반 미세유체장비의 제작방법
KR20100127301A (ko) 3차원 마이크로유체 장치
WO2013049348A2 (en) Quantitative microfluidic devices
US20110038767A1 (en) Microfluidic diagnostic device
CN110975952B (zh) 一种纸基微流体芯片及其制备方法与应用
CN109952269A (zh) 微流体装置
JP2016008968A (ja) 改善した流体構造を有する紙ベースの化学分析デバイス
KR101979064B1 (ko) 체액 중 적어도 하나의 분석물질을 검출하기 위한 테스트 요소
EP1522343B1 (de) Analytisches Testelement umfassend ein hydrophiles Netzwerk zur Bildung eines Kapillarkanals, dessen Verwendung und Verfahren zur Bestimmung eines Analyten in einer Flüssigkeit
WO2023017948A1 (ko) 전사필름을 이용한 미세유체장비의 제조방법
Wu et al. 3D microfluidic cloth-based analytical devices on a single piece of cloth by one-step laser hydrophilicity modification
EP2589435A1 (en) A component for use in a three-dimensional microfluidic device, a three-dimensional microfluidic device, and a method for manufacturing a three-dimensional microfluidic device
KR102491301B1 (ko) 폴리올레핀 미다공막, 필터, 크로마토그래피 담체 및 이뮤노크로마토그래프용 스트립
CN114026423A (zh) 流体分析装置
US20230349897A1 (en) Microarray based sample detection system
WO2016144093A1 (ko) 멤브레인 센서의 제조 방법
JP2013181887A (ja) 被検体分析用チップ

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: 22855950

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE