KR102713242B1 - Fluid device for enhancing micro particle using dielecrophoresis and filter and manufacturing method of the fluid device - Google Patents
Fluid device for enhancing micro particle using dielecrophoresis and filter and manufacturing method of the fluid device Download PDFInfo
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Abstract
유전 영동과 필터를 이용하여 미세 입자를 농축하는 유체 소자 및 유체 소자의 제작 방법이 개시된다. 유체 소자는 제1 PDMS 레이어; 상기 제1 PDMS 레이어의 상단에 결합되는 제2 PDMS 레이어; 하단에 ITO 전극이 배치되는 유리 기판을 포함하고, 상기 유리 기판과 제1 PDMS 레이어 사이에 미세 입자를 포함하는 유체가 통과하는 채널이 형성되고, 상기 채널에서 유체 소자에 형성된 필터를 향해 간격이 점차 좁아지는 2개의 구조물이 배치되고, 상기 2개의 구조물은 제1 PDMS 레이어의 하단에 특정 높이만큼 돌출되도록 형성되며, 표면에 금속 물질이 증착될 수 있다. A fluidic device for concentrating fine particles using a dielectric constant and a filter, and a method for manufacturing the fluidic device, are disclosed. The fluidic device includes a first PDMS layer; a second PDMS layer bonded to an upper portion of the first PDMS layer; and a glass substrate having an ITO electrode disposed at a lower portion, wherein a channel through which a fluid containing fine particles passes is formed between the glass substrate and the first PDMS layer, and two structures having a gap that gradually narrows in the channel toward a filter formed in the fluidic device are disposed, the two structures being formed to protrude from the lower portion of the first PDMS layer by a specific height, and a metal material can be deposited on a surface thereof.
Description
미세유동역학 기술의 발전에 따라 유체 소자 내에서의 미세입자 또는 생체 세포의 분리하는 기술은 생화학 분석연구, 임상 진단 등의 분야에서 크게 주목을 받고 있다. 최근 개발되는 미세 입자를 추출하기 유체 소자는 능동형과 수동형으로 제작될 수 있다. 능동형의 유체 소자는 외부에서 광학, 전기, 자기, 압력, 음향 파 등을 기반으로 한 힘을 가하여 미세 입자를 분리하는 방식이다. 수동형의 유체 소자는 유체 역학적인 특성과 채널의 구조에 의해서만 미세 입자를 제작할 수 있다.With the development of microfluidic technology, the technology for separating microparticles or living cells in fluid devices has attracted significant attention in the fields of biochemical analysis research, clinical diagnosis, etc. Recently developed fluid devices for extracting microparticles can be manufactured as active and passive types. Active fluid devices are a method for separating microparticles by applying external forces based on optics, electricity, magnetism, pressure, acoustic waves, etc. Passive fluid devices can only manufacture microparticles by fluid dynamic characteristics and channel structures.
미세 입자를 효과적으로 분리하기 위한 효율적인 방식이 요구되고 있다.An efficient method for effectively separating fine particles is required.
본 발명은 유전 영동과 필터를 이용하여 미세 입자를 국소 영역에서 포집할 수 있는 유체 소자를 제안한다.The present invention proposes a fluidic device capable of capturing fine particles in a local area using genetic oscillation and a filter.
본 발명의 일실시예에 따른 유체 소자는 제1 PDMS 레이어; 상기 제1 PDMS 레이어의 상단에 결합되는 제2 PDMS 레이어; 및 하단에 ITO 전극이 배치되는 유리 기판을 포함하고, 상기 유리 기판과 제1 PDMS 레이어 사이에 미세 입자를 포함하는 유체가 통과하는 채널이 형성되고, 상기 채널에서 유체 소자에 형성된 필터를 향해 간격이 점차 좁아지는 2개의 구조물이 배치되고, 상기 2개의 구조물은 제1 PDMS 레이어의 하단에 특정 높이만큼 돌출되도록 형성되며, 표면에 금속 물질이 증착될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, a fluidic device includes a first PDMS layer; a second PDMS layer bonded to an upper portion of the first PDMS layer; and a glass substrate having an ITO electrode disposed at a lower portion, wherein a channel through which a fluid including fine particles passes is formed between the glass substrate and the first PDMS layer, and two structures are disposed in the channel with a gap gradually narrowing toward a filter formed in the fluidic device, the two structures being formed to protrude a specific height from the lower portion of the first PDMS layer, and a metal material can be deposited on a surface thereof.
상기 유리 기판의 하단에 배치된 ITO 전극에 의해 형성된 전계가 상기 2개의 구조물의 모서리 부분에 집중되며, 상기 채널에서의 미세 입자는 상기 전계로 인한 유전 영동으로 인해서 상기 2개의 구조물 사이로 이동할 수 있다.An electric field formed by an ITO electrode placed at the bottom of the glass substrate is concentrated at the corners of the two structures, and fine particles in the channel can move between the two structures due to dielectric transfer caused by the electric field.
상기 미세 입자는, 상기 2개의 구조물의 모서리에 집중된 전계로 인해서 상기 2개의 구조물 사이의 영역을 따라 이동하고, 상기 2개의 구조물이 모아지는 영역에 배치된 필터의 국소 영역에 포집될 수 있다.The above fine particles can move along the area between the two structures due to the electric field concentrated at the edge of the two structures and be captured in a local area of a filter placed in the area where the two structures come together.
상기 ITO 전극에 의해 형성된 전계는, 상기 2개의 구조물의 모서리가 뾰족할수록 집중 효과가 증가할 수 있다.The electric field formed by the ITO electrode can have an increased concentration effect as the edges of the two structures become sharper.
상기 ITO 전극은, 상기 유체 소자에서 필터가 위치한 영역에 도출되도록 유리 기판의 하단에 배치될 수 있다.The above ITO electrode can be placed on the bottom of the glass substrate so as to be directed to an area where the filter is located in the fluid element.
본 발명의 일실시예에 따른 유체 소자의 제작 방법은 (i) 실리콘 기판 상에 산화 실리콘으로 구성된 제1 마스크를 패터닝하는 단계; (ii) 상기 제1 마스크가 패터닝된 실리콘 기판 위에 Si3N4로 구성된 제2 마스크를 패터닝하는 단계; (iii) 상기 제2 마스크가 패터닝된 실리콘 기판 위에 감광제로 구성된 제3 마스크를 패터닝하는 단계; (iv) 제1 Deep-RIE 공정을 적용하여 상기 제1 마스크, 제2 마스크 및 제3 마스크가 패터닝된 실리콘 기판을 수직으로 식각하는 단계; (iv) 상기 제1 Deep-RIE 공정을 통해 실리콘 기판을 수직으로 식각한 결과에 리무버를 이용하여 감광제로 구성된 제3 마스크를 제거하는 단계; (v) 제3 마스크를 제거한 후, 제2 Deep-RIE 공정을 적용하여 제1 마스크와 제2 마스크가 패터닝된 실리콘 기판을 수직으로 식각하는 단계; (vi) 상기 제2 Deep-RIE 공정을 통해 실리콘 기판을 수직으로 식각한 결과에 인산 용액을 이용하여 Si3N4로 구성된 제2 마스크를 제거하는 단계 -상기 제1 Deep-RIE 공정 및 제2 Deep-RIE 공정에서 진행한 식각 두께의 합으로 상기 유체 소자의 채널의 높이가 결정됨-; (vii) 제2 마스크를 제거한 후 제3 Deep-RIE 공정을 적용하여 제1 마스크가 패터닝된 실리콘 기판을 수직으로 식각하는 단계; (viii) 상기 제3 Deep-RIE 공정을 통해 실리콘 기판을 수직으로 식각한 결과에 불산 용액을 이용하여 산화 실리콘으로 구성된 제1 마스크를 제거하는 단계 -상기 제3 Deep-RIE 공정에서 진행한 식각 두께는, 상기 유체 소자의 필터의 두께에 대응함-; (ix) 상기 제1 마스크, 제2 마스크 및 제3 마스크가 제거된 실리콘 기판에 불산 용액과 질산 용액이 혼합된 용액으로 습식 식각을 적용하여 3D 실리콘 몰드를 형성하는 단계; (x) 상기 형성된 3D 실리콘 몰드에 PDMS를 스핀 코팅한 후 경화하는 단계; (xi) 상기 경화된 PDMS에 3D 실리콘 몰드가 위치한 영역을 제외한 나머지 영역을 PDMS 더미를 적층하는 단계; (xii) 상기 3D 실리콘 몰드가 위치한 영역을 습식 식각하는 단계; (xiii) 상기 습식 식각후에 PDMS 더미를 제거한 후, 기둥 구조가 포함된 PDMS를 위에서 부착하는 단계; (xiv) 상기 3D 실리콘 몰드를 분리하여 유체 소자의 PDMS 레이어를 형성하는 단계; (xv) 쉐도우 마스크를 이용하여 상기 PDMS 레이어의 채널 내부에 금속 물질을 증착하는 단계; (xvi) 유리 기판에 증착할 ITO 전극의 모양으로 감광제를 패터닝한 후 ITO 전극을 증착하는 단계; (xvii) 상기 ITO 전극이 증착된 유리 기판과 상기 금속 물질이 증착된 PDMS 레이어를 결합하여 유체 소자를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, a method for manufacturing a fluidic device comprises the steps of: (i) patterning a first mask made of silicon oxide on a silicon substrate; (ii) patterning a second mask made of Si 3 N 4 on the silicon substrate on which the first mask is patterned; (iii) patterning a third mask made of a photoresist on the silicon substrate on which the second mask is patterned; (iv) vertically etching the silicon substrate on which the first mask, the second mask, and the third mask are patterned by applying a first Deep-RIE process; (iv) removing the third mask made of the photoresist using a remover from the result of vertically etching the silicon substrate through the first Deep-RIE process; (v) after removing the third mask, the step of vertically etching the silicon substrate on which the first mask and the second mask are patterned by applying a second Deep-RIE process; (vi) a step of removing a second mask made of Si 3 N 4 using a phosphoric acid solution on a result of vertically etching a silicon substrate through the second Deep-RIE process, wherein the height of the channel of the fluid element is determined by the sum of the etching thicknesses performed in the first Deep-RIE process and the second Deep-RIE process; (vii) a step of vertically etching a silicon substrate patterned with the first mask by applying a third Deep-RIE process after removing the second mask; (viii) a step of removing a first mask made of silicon oxide by using a hydrofluoric acid solution on a result of vertically etching the silicon substrate through the third Deep-RIE process, wherein the etching thickness performed in the third Deep-RIE process corresponds to the thickness of the filter of the fluid element; (ix) a step of forming a 3D silicon mold by applying wet etching with a solution in which a hydrofluoric acid solution and a nitric acid solution are mixed on the silicon substrate from which the first mask, the second mask, and the third mask are removed; (x) a step of spin-coating PDMS on the formed 3D silicon mold and then curing it; (xi) a step of stacking PDMS dummies on the remaining area of the cured PDMS except for the area where the 3D silicon mold is positioned; (xii) a step of wet-etching the area where the 3D silicon mold is positioned; (xiii) a step of removing the PDMS dummies after the wet-etching, and then attaching PDMS including a pillar structure from above; (xiv) a step of separating the 3D silicon mold to form a PDMS layer of a fluidic element; (xv) a step of depositing a metal material inside a channel of the PDMS layer using a shadow mask; (xvi) a step of patterning a photoresist in the shape of an ITO electrode to be deposited on a glass substrate and then depositing the ITO electrode; (xvii) a step of combining the glass substrate on which the ITO electrode is deposited and the PDMS layer on which the metal material is deposited to form a fluidic element.
본 발명의 일실시예에 따르면, 유전 영동과 필터를 이용하여 미세 입자를 국소 영역에서 포집할 수 있어서 고감도의 미세 입자의 검출이 가능하다.According to one embodiment of the present invention, fine particles can be captured in a local area using genetic phoresis and a filter, thereby enabling highly sensitive detection of fine particles.
본 발명의 일실시예에 따르면, 다단 전극 구조를 통한 전계 집중을 이용하여 유전 영동에 따라 미세 입자를 집중하고 필터를 통해 포집함으로써 보다 효과적으로 미세 입자를 농축할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, fine particles can be concentrated more effectively by concentrating the fine particles according to dielectric phoresis using electric field concentration through a multi-stage electrode structure and capturing the fine particles through a filter.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 유체 소자의 전체 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 유체 소자에서 발생되는 유전 영동을 통해 미세 입자가 집중되는 현상을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 유체 소자의 제1 제조 과정을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 유체 소자의 제2 제조 과정을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 유체 소자의 제3 제조 과정을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 유체 소자의 제4 제조 과정을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 유체 소자의 제5 제조 과정을 도시한 도면이다.FIG. 1 is a drawing illustrating the overall structure of a fluid element according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a drawing illustrating a phenomenon in which fine particles are concentrated through dielectric phoresis that occurs in a fluid element according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a drawing illustrating a first manufacturing process of a fluid element according to one embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a drawing illustrating a second manufacturing process of a fluid element according to one embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a drawing illustrating a third manufacturing process of a fluid element according to one embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a drawing illustrating a fourth manufacturing process of a fluid element according to one embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a drawing illustrating a fifth manufacturing process of a fluid element according to one embodiment of the present invention.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the attached drawings. However, the scope of the patent application is not limited or restricted by these embodiments. The same reference numerals presented in each drawing represent the same components.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The embodiments described below may be modified in various ways. The embodiments described below are not intended to be limiting in terms of the embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, or alternatives thereto.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 이해되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.Although the terms first or second may be used to describe various components, these terms should be understood only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may also be referred to as a first component.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수 개의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the examples are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the embodiments. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, the terms "comprises" or "has" and the like are intended to specify that a feature, number, step, operation, component, part or combination thereof described in the specification is present, but should be understood to not exclude in advance the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the embodiments belong. Terms defined in commonly used dictionaries, such as those defined in common usage dictionaries, should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning they have in the context of the relevant art, and will not be interpreted in an idealized or overly formal sense unless expressly defined in this application.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, when describing with reference to the attached drawings, the same components will be given the same reference numerals regardless of the drawing numbers, and redundant descriptions thereof will be omitted. When describing an embodiment, if it is determined that a detailed description of a related known technology may unnecessarily obscure the gist of the embodiment, the detailed description thereof will be omitted.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 유체 소자의 전체 구조를 도시한 도면이다.FIG. 1 is a drawing illustrating the overall structure of a fluid element according to one embodiment of the present invention.
도 1을 참고하면, 미세 입자(108)를 국소 영역에서 포집할 수 있는 유체 소자(100)가 도시된다. 유체 소자(100)는 제1 PDMS 레이어(107)와 제2 PDMS 레이어(106)가 결합되고, 제2 PDMS 레이어(106) 상단에 유리 기판(104)이 배치된다. 제1 PDMS 레이어(107)는 도 6의 단계 k)에 도시된 PDMS(Y)를 의미하고, 제2 PDMS 레이어(106)는 도 6의 단계 k)에 도시된 PDMS(X)를 의미한다. 제1 PDMS 레이어(107)와 제2 PDMS 레이어(106)는 결합되어 하나의 PDMS 레이어로 형성된다.Referring to FIG. 1, a fluidic element (100) capable of capturing fine particles (108) in a local area is illustrated. The fluidic element (100) is formed by combining a first PDMS layer (107) and a second PDMS layer (106), and a glass substrate (104) is placed on top of the second PDMS layer (106). The first PDMS layer (107) refers to PDMS (Y) illustrated in step k) of FIG. 6, and the second PDMS layer (106) refers to PDMS (X) illustrated in step k) of FIG. 6. The first PDMS layer (107) and the second PDMS layer (106) are combined to form one PDMS layer.
유리 기판(104)의 하단에 얇은 투명 전극인 ITO 전극(105)이 배치될 수 있다. 그리고, 제2 PDMS 레이어(106)의 표면에 금과 같은 금속 물질(109)이 도포된다.An ITO electrode (105), which is a thin transparent electrode, can be placed on the bottom of a glass substrate (104). Then, a metal material (109), such as gold, is applied to the surface of the second PDMS layer (106).
유리 기판(104)과 제1 PDMS 레이어(107) 사이에 형성된 채널에서 특정 높이를 가지는 2개의 구조물(101, 102)이 위치한다. 구조물(101, 102)는 제1 PDMS 레이어(107)의 표면으로부터 위로 돌출된 형태를 나타낸다. 구조물(101, 102)의 단면은 직사각형 또는 사다리꼴이 될 수 있으며, 뾰족한 모서리를 가진다.Two structures (101, 102) having a specific height are positioned in a channel formed between a glass substrate (104) and a first PDMS layer (107). The structures (101, 102) have a shape that protrudes upward from the surface of the first PDMS layer (107). The cross sections of the structures (101, 102) may be rectangular or trapezoidal and have sharp corners.
구조물(101, 102)의 표면에는 금속 물질(109)이 증착된다. 구조물(101, 102)에 증착된 금속 물질(109)과 ITO 전극(105) 사이에 형성된 전기장(elecctric field)으로 인해서 유전 영동(dielectrophoretic: DEP)이 발생되어 입자가 이동할 수 있다. 유리 기판(104)의 하단에 배치된 ITO 전극(105)과 구조물(101, 102) 사이에 전압이 인가되면, 전계 밀도가 구조물(101, 102)의 뾰족한 부분에 집중될 수 있다.\A metal material (109) is deposited on the surface of the structure (101, 102). Dielectrophoresis (DEP) occurs due to an electric field formed between the metal material (109) deposited on the structure (101, 102) and the ITO electrode (105), so that particles can move. When a voltage is applied between the ITO electrode (105) positioned at the bottom of the glass substrate (104) and the structure (101, 102), the electric field density can be concentrated on the sharp part of the structure (101, 102).
영구 또는 유도 쌍극자를 가지는 물질은 불균일한 전기장 하에서 전기장의 구배 방향을 따라 힘을 받게 되는데, 이 힘에 의한 물질의 이동을 유전영동(dielectrophoresis, DEP)이라 한다. DEP 힘의 크기와 방향은 미세 입자(108)와 매질(채널 내 용액)의 유전율과 전도도, 그리고 가해지는 교류 전기장의 주파수에 의해 영향을 받게 된다. 채널 속에 존재하는 입자들이 전기장에 있을 때 입자의 표면에서 전기장의 방향에 따라 전하가 유도되어 분극화가 발생한다. 입자의 분극성이 입자를 둘러싼 용액의 분극성보다 클 경우, 입자는 전기장이 강한 곳으로 이동한다. 반대로, 입자의 분극성이 입자를 둘러싼 용액의 분극성보다 작은 경우, 입자는 전기장이 약한 곳으로 이동한다.A substance having a permanent or induced dipole experiences a force along the gradient direction of the electric field under a non-uniform electric field, and the movement of the substance due to this force is called dielectrophoresis (DEP). The magnitude and direction of the DEP force are affected by the permittivity and conductivity of the fine particles (108) and the medium (solution in the channel), and the frequency of the applied AC electric field. When the particles existing in the channel are in an electric field, charges are induced on the surface of the particles along the direction of the electric field, resulting in polarization. When the polarizability of the particle is greater than the polarizability of the solution surrounding the particle, the particle moves toward a place where the electric field is strong. Conversely, when the polarizability of the particle is less than the polarizability of the solution surrounding the particle, the particle moves toward a place where the electric field is weak.
양의 유전 영동(positive DEP)은 전계 크기의 기울기가 증가하는 쪽으로 힘을 받는 경우를 의미하며, 음의 유전 영동(negative DEP)은 전계 크기의 기율기가 감소하는 쪽으로 힘을 받는 경우를 의미한다.Positive dielectrophoresis (DEP) means that the force is applied in the direction of increasing electric field magnitude gradient, and negative DEP means that the force is applied in the direction of decreasing electric field magnitude gradient.
제1 PDMS 레이어(107)로부터 특정 높이만큼 돌출된 구조물(101)과 구조물(102)이 가지는 뾰족한 모서리로 인해서 ITO 전극(105)과 구조물(101, 102) 사이에 전계 집중 효과가 발생될 수 있다. 구조물(101)과 구조물(102)의 일단이 필터(103)에 위치한 지점을 향해 서로 근접하도록 배치될 수 있다. 즉, 구조물(101)과 구조물(102)의 간격은 필터(103)에 가까워짐에 따라 좁아진다. 그래서, 구조물(101)과 구조물(102) 사이의 채널로 유입된 미세 입자(108)들은 점점 좁아지는 채널을 통해 필터(103)로 이동함으로써 채널에서 필터(103)가 위치한 국소 영역에 포집될 수 있다.Due to the sharp edges of the structures (101) and (102) protruding from the first PDMS layer (107) by a certain height, an electric field concentration effect may occur between the ITO electrode (105) and the structures (101, 102). One end of the structures (101) and (102) may be positioned close to each other toward a point located at the filter (103). That is, the gap between the structures (101) and (102) narrows as it approaches the filter (103). Therefore, fine particles (108) introduced into the channel between the structures (101) and (102) may move to the filter (103) through the increasingly narrow channel, thereby being captured in a local area in the channel where the filter (103) is located.
앞서 설명한 바와 같이 구조물(101)과 구조물(102)의 단면은 직사각형 형태 또는 사다리꼴 형태를 나타낸다. 구조물(101)과 구조물(102)이 제1 PDMS 레이어(107)로부터 보다 뾰족하게 돌출될수록 ITO 전극(105)과 구조물(101)과 구조물(102)들 사이의 전계 집중 효과가 커진다. 전계 집중 효과는 ITO 전극(105)으로 인해 발생되는 전기장의 전계 크기의 기울기(gradient)에 대응한다. 유전 영동의 힘은 전계 크기의 제곱값의 기울기에 비례한다. 따라서, 구조물(101) 및 구조물(102)의 모양이 뾰족할수록 전계 크기의 기울기가 커져서 전계 집중 효과가 커지며, 이로 인해서 유전 영동의 힘도 증가한다. 구조물(101) 및 구조물(102)의 측면 모서리의 기울기가 클수록 뾰족함이 증가한다.As described above, the cross sections of the structures (101) and (102) have a rectangular shape or a trapezoidal shape. The more sharply the structures (101) and (102) protrude from the first PDMS layer (107), the greater the electric field concentration effect between the ITO electrode (105) and the structures (101) and (102). The electric field concentration effect corresponds to the gradient of the electric field magnitude generated by the ITO electrode (105). The power of dielectrophoresis is proportional to the gradient of the square of the electric field magnitude. Therefore, the sharper the shapes of the structures (101) and (102), the greater the gradient of the electric field magnitude, which increases the electric field concentration effect, and thus the power of dielectrophoresis also increases. The greater the gradient of the side edges of the structures (101) and (102), the greater the sharpness.
구조물(101) 및 구조물(102)의 단면이 직사각형인 경우에 모서리 부분의 기울기가 90도로 수직이다. 그리고, 구조물(101) 및 구조물(102)의 단면이 사다리꼴인 경우, 모서리 부분의 기울기가 90보다 작아져서 뾰족한 정도가 작아진다. 그래서, 구조물(101) 및 구조물(102)의 단면이 직사각형인 경우의 전계 집중 효과는 구조물(101) 및 구조물(102)의 단면이 사다리꼴인 경우의 전계 집중 효과보다 더 크다. 반면에, 구조물(101) 및 구조물(102)의 단면이 역사다리꼴인 경우 구조물(101) 및 구조물(102)의 단면이 직사각형인 경우보다 모서리의 뾰족한 정도가 증가한다. 구조물(101) 및 구조물(102)의 높이가 높을수록 ITO 전극(105)과 구조물(101) 및 구조물(102) 간의 거리가 가까워져서 전계 집중 효과가 증가할 수 있다.When the cross sections of the structure (101) and the structure (102) are rectangular, the inclination of the corner portion is vertical at 90 degrees. In addition, when the cross sections of the structure (101) and the structure (102) are trapezoidal, the inclination of the corner portion becomes smaller than 90 degrees, so the sharpness decreases. Therefore, the field concentration effect when the cross sections of the structure (101) and the structure (102) are rectangular is greater than the field concentration effect when the cross sections of the structure (101) and the structure (102) are trapezoidal. On the other hand, when the cross sections of the structure (101) and the structure (102) are inverse trapezoidal, the sharpness of the corner portion increases compared to when the cross sections of the structure (101) and the structure (102) are rectangular. As the height of the structure (101) and the structure (102) increases, the distance between the ITO electrode (105) and the structure (101) and the structure (102) becomes closer, so that the field concentration effect can increase.
전계 집중 효과로 인해서, 구조물(101)과 구조물(102)의 안쪽으로 형성된 채널로 미세 입자(108)가 이동하며, 구조물(101)과 구조물(102)의 외부로 미세 입자가 이동하지 못한다. 깔대기 형태로 배치된 구조물(101), 구조물(102) 사이에 형성된 채널을 따라 미세 입자(108)가 이동함으로써, 구조물(101) 및 구조물(102) 사이의 간격이 점점 좁아지는 위치로 미세 입자(108)가 집중될 수 있다.Due to the electric field concentration effect, the fine particles (108) move into the channels formed inside the structures (101) and (102), and do not move to the outside of the structures (101) and (102). As the fine particles (108) move along the channels formed between the structures (101) and (102) arranged in a funnel shape, the fine particles (108) can be concentrated at a position where the gap between the structures (101) and (102) becomes narrower.
구조물(101)과 구조물(102)만으로 전계 집중 효과가 발생되므로 별도의 전극의 패터닝 과정이 요구되지 않으며, 이로 인해서 유체 소자(100)의 제작 공정이 간략해질 수 있다. 또한, 3단 실리콘 몰드를 통해 필터(103)가 결합된 일체형의 유체 소자(100)가 제작될 수 있다. 3단의 실리콘 몰드는 도 5의 단계 g)를 통해 형성된다. 3단 실리콘 몰드가 형성된 위치에 필터(103)가 도출된다. 필터(103)가 존재하는 국소 영역에서 유전 영동은 유리 기판(104)에 형성된 ITO 전극(105)에 의해 발생될 수 있다. ITO 전극(105)도 평편한 유리 기판(104)에서 일정 높이만큼 돌출된 형태로 되어 있기 때문에, 구조물(101), 구조물(102)과 유사하게 전계 집중 효과를 생성할 수 있다.Since the electric field concentration effect is generated only by the structure (101) and the structure (102), a separate electrode patterning process is not required, and thus the manufacturing process of the fluid element (100) can be simplified. In addition, an integrated fluid element (100) in which a filter (103) is combined can be manufactured through a three-stage silicon mold. The three-stage silicon mold is formed through step g) of FIG. 5. The filter (103) is derived at the position where the three-stage silicon mold is formed. In the local area where the filter (103) exists, dielectrophoresis can be generated by the ITO electrode (105) formed on the glass substrate (104). Since the ITO electrode (105) is also formed in a form that protrudes a certain height from the flat glass substrate (104), it can generate an electric field concentration effect similarly to the structure (101) and the structure (102).
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 유체 소자에서 발생되는 유전 영동을 통해 미세 입자가 집중되는 현상을 도시한 도면이다.FIG. 2 is a drawing illustrating a phenomenon in which fine particles are concentrated through dielectric phoresis that occurs in a fluid element according to one embodiment of the present invention.
도 2는 도 1의 유체 소자(100)를 단면에서 바라볼 때를 나타낸다. 유리 기판(201)의 하단에 투명 전극인 ITO 전극(202)이 배치된다. 그리고, PDMS 레이어(207)의 하단에 특정 높이만큼 돌출된 구조물(205)과 구조물(206)이 위치한다. Fig. 2 shows a cross-sectional view of the fluid element (100) of Fig. 1. An ITO electrode (202), which is a transparent electrode, is placed at the bottom of a glass substrate (201). In addition, a structure (205) and a structure (206) that protrude to a specific height are positioned at the bottom of a PDMS layer (207).
PDMS 레이어(207)의 하단에 위치한 구조물(205)과 구조물(206)의 표면에는 금과 같은 금속 물질(205)이 증착될 수 있다. ITO 전극(202)과 구조물(205)과 구조물(206)의 표면에 증착된 금속 물질(204) 사이에 전계 집중된 전기장(208)이 형성된다. 본 발명의 일실시예에 따르면, PDMS 레이어(207)의 하단에서 ITO 전극(202)만큼 높이에 대응하는 전극과, PDMS 레이어(207)로부터 특정 높이만큼 돌출된 구조물(205)와 구조물(206)과 ITO 전극(202) 사이의 높이에 대응하는 전극으로 구성된 다단 전극의 효과를 나타내는 유체 소자가 제안된다.A metal material (205) such as gold may be deposited on the surface of the structure (205) and the structure (206) located at the bottom of the PDMS layer (207). An electric field (208) is formed between the ITO electrode (202) and the metal material (204) deposited on the surface of the structure (205) and the structure (206). According to one embodiment of the present invention, a fluidic element exhibiting the effect of a multi-electrode composed of an electrode corresponding to a height of the ITO electrode (202) from the bottom of the PDMS layer (207) and a structure (205) protruding from the PDMS layer (207) by a specific height and an electrode corresponding to a height between the structure (206) and the ITO electrode (202) is proposed.
그러면, 전계 집중된 전기장(208)으로 인해서 입자(203)에 유전 영동이 발생한다. 유전 영동으로 인해서 입자(203)는 채널 내에서 이동하여 필터가 위치한 국소 영역에 포집될 수 있다. 구조물(205)의 단면에 표시된 A와 A' 사이의 전기장은 A와 A' 에서 구조물(205)의 모서리 부분이 가장 크게 나타나고, 구조물(205)의 중간 부분인 평면 부분이 가장 작게 나타난다. Then, due to the electric field (208) concentrated on the electric field, dielectric phoresis occurs in the particle (203). Due to the dielectric phoresis, the particle (203) can move within the channel and be captured in a local area where the filter is located. The electric field between A and A' shown on the cross-section of the structure (205) is largest at the corner part of the structure (205) at A and A', and smallest at the flat part in the middle part of the structure (205).
유리 기판(201)의 하단에 배치된 ITO 전극(202)은 도 1의 필터 부분에서 돌출될 수 있다. 그러면, 필터가 배치된 영역에서는 구조물(205), 구조물(206)이 아닌 ITO 전극(202)으로 인해 전계 집중 효과가 나타날 수 있다. 그리고, 평면에서 바라볼 때 유체 소자의 채널에서 구조물(205), 구조물(206)이 깔대기 형태로 특정 부분이 모아지도록 배치될 수 있다. 그러면, 구조물(205) 및 구조물(206) 사이로 미세 입자(203)가 이동함으로써 특정 위치(필터가 배치된 위치)로 미세 입자(203)가 집중될 수 있다.The ITO electrode (202) arranged at the bottom of the glass substrate (201) may protrude from the filter portion of Fig. 1. Then, in the area where the filter is arranged, an electric field concentration effect may occur due to the ITO electrode (202), not the structure (205) and the structure (206). In addition, when viewed from a plane, the structure (205) and the structure (206) may be arranged so that a specific portion is gathered in a funnel shape in the channel of the fluid element. Then, the fine particles (203) may be concentrated at a specific location (a location where the filter is arranged) by moving between the structure (205) and the structure (206).
즉, 미세 입자(203)는 전기장이 작은 방향인 구조물(205)와 구조물(206) 사이로 이동한다. 그러면서, 미세 입자(203)는 점차 구조물(205)과 구조물(206) 사이의 채널을 통해 필터 방향으로 이동함으로써 필터의 국소 영역으로 포집될 수 있다.That is, the fine particles (203) move between the structures (205) and (206) in the direction of the small electric field. In the process, the fine particles (203) gradually move toward the filter through the channel between the structures (205) and (206), thereby being captured in a local area of the filter.
본 발명의 일실시예에 따르면, 도 1에서 설명한 음의 유전 영동을 통해 구조물(205), 구조물(206)의 모서리 부분에서 미세 입자(203)를 구조물(205) 및 구조물(206) 사이의 영역으로 밀어냄으로써 미세 입자(203)가 이동할 수 있다. 왜냐하면, 구조물(205) 및 구조물(206)의 모서리 부분에 전계가 집중하여 모서리 방향이 전계의 기울기가 커지는 방향이고, 모서리의 반대 방향이 전계의 기울기가 작아지는(전계 밀도가 작아지는) 방향이 되기 때문에, 미세 입자(203)는 도 2에 도시된 화살표 방향으로 이동한다. 그리고, 채널 내에서 깔대기 형태로 배치된 구조물(205) 및 구조물(206) 사이의 영역을 따라 입자가 진행함으로써 필터가 위치한 국소 영역으로 미세 입자(203)가 모일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the fine particles (203) can be moved by pushing the fine particles (203) from the corners of the structures (205) and (206) to the area between the structures (205) and (206) through the negative dielectric constant as described in FIG. 1. This is because the electric field is concentrated on the corners of the structures (205) and (206), and the direction of the corner is the direction in which the gradient of the electric field increases, and the direction opposite to the corner is the direction in which the gradient of the electric field decreases (the electric field density decreases), so that the fine particles (203) move in the direction of the arrows illustrated in FIG. 2. In addition, the fine particles (203) can be gathered in the local area where the filter is located as the particles progress along the area between the structures (205) and (206) arranged in a funnel shape within the channel.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 유체 소자의 제1 제조 과정을 도시한 도면이다.FIG. 3 is a drawing illustrating a first manufacturing process of a fluid element according to one embodiment of the present invention.
도 3의 단계 a)를 참고하면, 실리콘 기판 상에 산화 실리콘(SiO2)막이 사진 식각과 건식 식각을 통해 제1 마스크가 패터닝된다.Referring to step a) of FIG. 3, a first mask is patterned on a silicon oxide (SiO 2 ) film on a silicon substrate through photolithography and dry etching.
도 3의 단계 b)를 참고하면, 제1 마스크가 패터닝된 실리콘 기판 상에 Si3N4가 증착된 후 사진 식각과 건식 식각을 통해 제2 마스크가 패터닝된다.Referring to step b) of FIG. 3, after Si 3 N 4 is deposited on a silicon substrate on which a first mask is patterned, a second mask is patterned through photolithography and dry etching.
도 3의 단계 c)를 참고하면, 제2 마스크가 패터닝된 실리콘 기판 상에 사진 시각을 통해 감광제(포토레지스트: Photo-Resist(PR))를 패터닝하여 제3 마스크가 형성된다.Referring to step c) of FIG. 3, a third mask is formed by patterning a photosensitive agent (photoresist (PR)) on a patterned silicon substrate using a photographic lens.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 유체 소자의 제2 제조 과정을 도시한 도면이다.FIG. 4 is a drawing illustrating a second manufacturing process of a fluid element according to one embodiment of the present invention.
도 4의 단계 d)를 참고하면, 도 3의 단계 c)에서 제3 마스크까지 패터닝된 기판을 Deep-RIE 공정을 통해 수직으로 특정 깊이(ex. 20 μm)만큼 식각한다. 기판을 식각한 이후에 리무버를 이용하여 감광제를 제거한다. Deep-RIE의 식각 깊이를 통해 전극 구조의 높이가 결정될 수 있다.Referring to step d) of FIG. 4, the substrate patterned from step c) of FIG. 3 to the third mask is etched vertically to a specific depth (e.g. 20 μm) through the Deep-RIE process. After the substrate is etched, the photoresist is removed using a remover. The height of the electrode structure can be determined through the etching depth of the Deep-RIE.
도 4의 단계 e)를 참고하면, 도 4의 단계 d)에서 감광제가 제거된 이후에 Deep-RIE 공정을 통해 수직으로 특정 깊이만큼 식각한다. 이 때의 식각 깊이는 도 4의 단계 d)에서의 식각 깊이와 동일하거나 또는 다를 수 있다. 도 4의 단계 e)에서 Deep-RIE를 통한 식각 이후에 인산 용액을 적용하여 Si3N4만 선택적으로 식각한다. 도 4의 단계 d)에서의 식각 깊이와 도 4의 단계 e)에서의 식각 깊이의 합으로 유체 소자에서 채널의 높이가 결정된다.Referring to step e) of FIG. 4, after the photoresist is removed in step d) of FIG. 4, etching is performed vertically to a specific depth through a Deep-RIE process. The etching depth at this time may be the same as or different from the etching depth in step d) of FIG. 4. In step e) of FIG. 4, after etching through Deep-RIE, a phosphoric acid solution is applied to selectively etch only Si 3 N 4 . The height of the channel in the fluidic device is determined by the sum of the etching depth in step d) of FIG. 4 and the etching depth in step e) of FIG. 4.
도 4의 단계 f)를 참고하면, Si3N4가 제거된 이후에 Deep-RIE 공정을 통해 수직으로 특정 깊이만큼 식각한다. 도 4의 단계 f)에서의 식각 깊이는 도 4의 단계 d)와 도 4의 단계 e)에서의 식각 깊이보다 더 클 수 있다. 도 4의 단계 f)에서 식각 공정이 처리된 이후에 불산 용액을 적용하여 산화 실리콘막을 제거한다. 이 때, 도 4의 단계 f)에서의 식각 깊이에 따라 유체 소자의 필터의 두께가 결정된다.Referring to step f) of FIG. 4, after Si 3 N 4 is removed, etching is performed vertically to a specific depth through a Deep-RIE process. The etching depth in step f) of FIG. 4 may be greater than the etching depths in steps d) and e) of FIG. 4. After the etching process in step f) of FIG. 4 is performed, a hydrofluoric acid solution is applied to remove the silicon oxide film. At this time, the thickness of the filter of the fluid element is determined according to the etching depth in step f) of FIG. 4.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 유체 소자의 제3 제조 과정을 도시한 도면이다.FIG. 5 is a drawing illustrating a third manufacturing process of a fluid element according to one embodiment of the present invention.
도 5의 단계 g)를 참고하면, 불산과 질산의 혼합 용액으로 습식 식각을 적용하여 뾰족한 형태의 3D 실리콘 몰드가 형성된다.Referring to step g) of Fig. 5, a 3D silicon mold with a pointed shape is formed by applying wet etching with a mixed solution of hydrofluoric acid and nitric acid.
도 5의 단계 h)를 참고하면, 3D 실리콘 몰드에 PDMS를 스핀 코팅한 후 오븐에서 특정 온도로 특정 시간동안 PDMS를 경화한다.Referring to step h) of Fig. 5, PDMS is spin-coated on a 3D silicon mold and then the PDMS is cured in an oven at a specific temperature for a specific time.
도 5의 단계 i)를 참고하면, 경화된 PDMS에 PDMS 더미를 적층하여 3D 실리콘 몰드만 노출된다.Referring to step i) of Fig. 5, a PDMS dummy is laminated on the cured PDMS so that only the 3D silicon mold is exposed.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 유체 소자의 제4 제조 과정을 도시한 도면이다.FIG. 6 is a drawing illustrating a fourth manufacturing process of a fluid element according to one embodiment of the present invention.
도 6의 단계 j)를 참고하면, 트라부틸암모늄플로라이드(tetrabutylammonium fluoride(TBAF))용액과 N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) 용액을 혼합한 용액을 이용하여 3D 실리콘 몰드 위에 배치된 PDMS(x)를 습식 식각한다.Referring to step j) of Fig. 6, PDMS (x) placed on a 3D silicon mold is wet-etched using a solution mixed with tetrabutylammonium fluoride (TBAF) solution and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) solution.
도 6의 단계 k)를 참고하면, PDMS가 습식 식각된 이후에 PDMS 더미를 제거한다. 그리고, 기둥(Pillar) 구조가 포함된 PDMS(y)를 PDMS 더미가 제거된 PDMS(x)에 부착한다.Referring to step k) of Fig. 6, the PDMS dummy is removed after the PDMS is wet-etched. Then, the PDMS (y) including the pillar structure is attached to the PDMS (x) from which the PDMS dummy is removed.
도 6의 단계 l)를 참고하면, 도 6의 단계 k에서 PDMS(y)를 3D 실리콘 몰드로부터 분리한다. 이를 통해 필터가 결합된 유체 소자의 PDMS 레이어(z)가 형성될 수 있다.Referring to step l) of Fig. 6, PDMS (y) is separated from the 3D silicon mold in step k of Fig. 6. Through this, a PDMS layer (z) of a fluidic element to which a filter is coupled can be formed.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 유체 소자의 제5 제조 과정을 도시한 도면이다.FIG. 7 is a drawing illustrating a fifth manufacturing process of a fluid element according to one embodiment of the present invention.
도 7의 단계 m)을 참고하면, 쉐도우 마스크를 이용하여 유체 소자의 채널 내부에 금속 물질인 금을 증착한다.Referring to step m) of Fig. 7, a metal material, gold, is deposited inside the channel of the fluid element using a shadow mask.
도 7의 단계 n)을 참고하면, 유리 기판에 전극 모양으로 감광제를 패터닝한다. 그리고, 감광제가 패터닝된 이후에 ITO 전극을 증착한다. 광학 측정을 위해 투명한 전극인 ITO 전극이 증착된다.Referring to step n) of Fig. 7, a photosensitive agent is patterned in an electrode shape on a glass substrate. Then, after the photosensitive agent is patterned, an ITO electrode is deposited. An ITO electrode, which is a transparent electrode for optical measurement, is deposited.
도 7의 단계 o)를 참고하면, 도 7의 단계 n)에서 도출된 결과와 도 6의 단계 l)을 통해 도출된 결과(PDMS 레이어)를 결합함으로써 최종적인 유체 소자가 제작된다.Referring to step o) of Fig. 7, the final fluidic device is manufactured by combining the result derived from step n) of Fig. 7 and the result (PDMS layer) derived through step l) of Fig. 6.
본 명세서는 다수의 특정한 구현물의 세부사항들을 포함하지만, 이들은 어떠한 발명이나 청구 가능한 것의 범위에 대해서도 제한적인 것으로서 이해되어서는 안되며, 오히려 특정한 발명의 특정한 실시형태에 특유할 수 있는 특징들에 대한 설명으로서 이해되어야 한다. 개별적인 실시형태의 문맥에서 본 명세서에 기술된 특정한 특징들은 단일 실시형태에서 조합하여 구현될 수도 있다. 반대로, 단일 실시형태의 문맥에서 기술한 다양한 특징들 역시 개별적으로 혹은 어떠한 적절한 하위 조합으로도 복수의 실시형태에서 구현 가능하다. 나아가, 특징들이 특정한 조합으로 동작하고 초기에 그와 같이 청구된 바와 같이 묘사될 수 있지만, 청구된 조합으로부터의 하나 이상의 특징들은 일부 경우에 그 조합으로부터 배제될 수 있으며, 그 청구된 조합은 하위 조합이나 하위 조합의 변형물로 변경될 수 있다.While this specification contains details of a number of specific implementations, these should not be construed as limitations on the scope of any invention or what may be claimed, but rather as descriptions of features that may be unique to particular embodiments of particular inventions. Certain features described herein in the context of separate embodiments may also be implemented in combination in a single embodiment. Conversely, various features described in the context of a single embodiment may also be implemented in multiple embodiments, either individually or in any suitable subcombination. Furthermore, although features may operate in a particular combination and may initially be described as being claimed as such, one or more features from a claimed combination may in some cases be excluded from that combination, and the claimed combination may be modified into a subcombination or variation of a subcombination.
마찬가지로, 특정한 순서로 도면에서 동작들을 묘사하고 있지만, 이는 바람직한 결과를 얻기 위하여 도시된 그 특정한 순서나 순차적인 순서대로 그러한 동작들을 수행하여야 한다거나 모든 도시된 동작들이 수행되어야 하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 특정한 경우, 멀티태스킹과 병렬 프로세싱이 유리할 수 있다. 또한, 상술한 실시형태의 다양한 장치 컴포넌트의 분리는 그러한 분리를 모든 실시형태에서 요구하는 것으로 이해되어서는 안되며, 설명한 프로그램 컴포넌트와 장치들은 일반적으로 단일의 소프트웨어 제품으로 함께 통합되거나 다중 소프트웨어 제품에 패키징 될 수 있다는 점을 이해하여야 한다.Likewise, although operations are depicted in the drawings in a particular order, this should not be understood to imply that the operations must be performed in the particular order illustrated or in any sequential order to achieve a desirable result, or that all of the illustrated operations must be performed. In certain cases, multitasking and parallel processing may be advantageous. Furthermore, the separation of the various device components of the embodiments described above should not be understood to require such separation in all embodiments, and it should be understood that the described program components and devices may generally be integrated together in a single software product or packaged into multiple software products.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.Meanwhile, the embodiments of the present invention disclosed in this specification and drawings are merely specific examples presented to help understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains that other modified examples based on the technical idea of the present invention can be implemented in addition to the embodiments disclosed herein.
Claims (6)
제1 PDMS 레이어;
상기 제1 PDMS 레이어의 상단에 결합되는 제2 PDMS 레이어;
하단에 ITO 전극이 배치되는 유리 기판
을 포함하고,
상기 유리 기판과 제1 PDMS 레이어 사이에 미세 입자를 포함하는 유체가 통과하는 채널이 형성되고,
상기 채널에서 유체 소자에 형성된 필터를 향해 간격이 점차 좁아지는 2개의 구조물이 배치되고, 상기 2개의 구조물은 제1 PDMS 레이어의 하단에 특정 높이만큼 돌출되도록 형성되며, 표면에 금속 물질이 증착되는 유체 소자.In fluidic devices,
1st PDMS layer;
A second PDMS layer bonded to the top of the first PDMS layer;
Glass substrate with ITO electrodes placed on the bottom
Including,
A channel through which a fluid containing fine particles passes is formed between the glass substrate and the first PDMS layer,
A fluid element in which two structures are arranged with a gap that gradually narrows toward a filter formed in the fluid element in the above channel, the two structures are formed to protrude a specific height from the bottom of the first PDMS layer, and a metal material is deposited on the surface.
상기 유리 기판의 하단에 배치된 ITO 전극에 의해 형성된 전계가 상기 2개의 구조물의 모서리 부분에 집중되며,
상기 채널에서의 미세 입자는 상기 전계로 인한 유전 영동으로 인해서 상기 2개의 구조물 사이로 이동하는 유체 소자.In the first paragraph,
The electric field formed by the ITO electrode placed at the bottom of the glass substrate is concentrated at the corners of the two structures.
A fluid element in which fine particles in the above channel move between the two structures due to dielectric transfer caused by the above electric field.
상기 미세 입자는,
상기 2개의 구조물의 모서리에 집중된 전계로 인해서 상기 2개의 구조물 사이의 영역을 따라 이동하고,
상기 2개의 구조물이 모아지는 영역에 배치된 필터의 국소 영역에 포집되는 유체 소자.In the first paragraph,
The above fine particles are,
Due to the electric field concentrated at the corners of the above two structures, it moves along the area between the two structures,
A fluid element that is captured in a local area of the filter placed in the area where the above two structures come together.
상기 ITO 전극에 의해 형성된 전계는,
상기 2개의 구조물의 모서리가 뾰족할수록 집중 효과가 증가하는 유체 소자.In the second paragraph,
The electric field formed by the above ITO electrode is
A fluid element in which the sharper the corners of the above two structures are, the greater the concentration effect.
상기 ITO 전극은,
상기 유체 소자에서 필터가 위치한 영역에 도출되도록 유리 기판의 하단에 배치되는 유체 소자.In the first paragraph,
The above ITO electrode,
A fluid element positioned at the bottom of the glass substrate so as to be directed to an area where a filter is located in the fluid element.
(i) 실리콘 기판 상에 산화 실리콘으로 구성된 제1 마스크를 패터닝하는 단계;
(ii) 상기 제1 마스크가 패터닝된 실리콘 기판 위에 Si3N4로 구성된 제2 마스크를 패터닝하는 단계;
(iii) 상기 제2 마스크가 패터닝된 실리콘 기판 위에 감광제로 구성된 제3 마스크를 패터닝하는 단계;
(iv) 제1 Deep-RIE 공정을 적용하여 상기 제1 마스크, 제2 마스크 및 제3 마스크가 패터닝된 실리콘 기판을 수직으로 식각하는 단계;
(iv) 상기 제1 Deep-RIE 공정을 통해 실리콘 기판을 수직으로 식각한 결과에 리무버를 이용하여 감광제로 구성된 제3 마스크를 제거하는 단계;
(v) 제3 마스크를 제거한 후, 제2 Deep-RIE 공정을 적용하여 제1 마스크와 제2 마스크가 패터닝된 실리콘 기판을 수직으로 식각하는 단계;
(vi) 상기 제2 Deep-RIE 공정을 통해 실리콘 기판을 수직으로 식각한 결과에 인산 용액을 이용하여 Si3N4로 구성된 제2 마스크를 제거하는 단계 -상기 제1 Deep-RIE 공정 및 제2 Deep-RIE 공정에서 진행한 식각 두께의 합으로 상기 유체 소자의 채널의 높이가 결정됨-;
(vii) 제2 마스크를 제거한 후 제3 Deep-RIE 공정을 적용하여 제1 마스크가 패터닝된 실리콘 기판을 수직으로 식각하는 단계;
(viii) 상기 제3 Deep-RIE 공정을 통해 실리콘 기판을 수직으로 식각한 결과에 불산 용액을 이용하여 산화 실리콘으로 구성된 제1 마스크를 제거하는 단계 -상기 제3 Deep-RIE 공정에서 진행한 식각 두께는, 상기 유체 소자의 필터의 두께에 대응함-;
(ix) 상기 제1 마스크, 제2 마스크 및 제3 마스크가 제거된 실리콘 기판에 불산 용액과 질산 용액이 혼합된 용액으로 습식 식각을 적용하여 3D 실리콘 몰드를 형성하는 단계;
(x) 상기 형성된 3D 실리콘 몰드에 PDMS를 스핀 코팅한 후 경화하는 단계;
(xi) 상기 경화된 PDMS에 3D 실리콘 몰드가 위치한 영역을 제외한 나머지 영역을 PDMS 더미를 적층하는 단계;
(xii) 상기 3D 실리콘 몰드가 위치한 영역을 습식 식각하는 단계;
(xiii) 상기 습식 식각후에 PDMS 더미를 제거한 후, 기둥 구조가 포함된 PDMS를 위에서 부착하는 단계;
(xiv) 상기 3D 실리콘 몰드를 분리하여 유체 소자의 PDMS 레이어를 형성하는 단계;
(xv) 쉐도우 마스크를 이용하여 상기 PDMS 레이어의 채널 내부에 금속 물질을 증착하는 단계;
(xvi) 유리 기판에 증착할 ITO 전극의 모양으로 감광제를 패터닝한 후 ITO 전극을 증착하는 단계;
(xvii) 상기 ITO 전극이 증착된 유리 기판과 상기 금속 물질이 증착된 PDMS 레이어를 결합하여 유체 소자를 형성하는 단계
를 포함하는 유체 소자의 제조 방법.In a method for manufacturing a fluid element,
(i) a step of patterning a first mask composed of silicon oxide on a silicon substrate;
(ii) a step of patterning a second mask composed of Si 3 N 4 on the silicon substrate on which the first mask is patterned;
(iii) a step of patterning a third mask composed of a photosensitive agent on the silicon substrate on which the second mask is patterned;
(iv) a step of vertically etching the silicon substrate patterned with the first mask, the second mask, and the third mask by applying the first Deep-RIE process;
(iv) a step of removing a third mask composed of a photoresist using a remover from the result of vertically etching the silicon substrate through the first Deep-RIE process;
(v) a step of vertically etching the silicon substrate patterned with the first mask and the second mask by applying a second Deep-RIE process after removing the third mask;
(vi) a step of removing a second mask composed of Si 3 N 4 using a phosphoric acid solution from the result of vertically etching the silicon substrate through the second Deep-RIE process - the height of the channel of the fluid element is determined by the sum of the etching thicknesses performed in the first Deep-RIE process and the second Deep-RIE process -;
(vii) a step of vertically etching the silicon substrate patterned with the first mask by applying a third Deep-RIE process after removing the second mask;
(viii) a step of removing a first mask made of silicon oxide using a hydrofluoric acid solution from a result of vertically etching a silicon substrate through the third Deep-RIE process; wherein the etching thickness performed in the third Deep-RIE process corresponds to the thickness of the filter of the fluid element;
(ix) a step of forming a 3D silicon mold by applying wet etching with a solution containing a mixture of a hydrofluoric acid solution and a nitric acid solution to a silicon substrate from which the first mask, the second mask, and the third mask have been removed;
(x) a step of spin coating PDMS on the formed 3D silicon mold and then curing it;
(xi) a step of laminating a PDMS dummy on the remaining area except for the area where the 3D silicon mold is located on the cured PDMS;
(xii) a step of wet etching the area where the 3D silicon mold is located;
(xiii) a step of removing the PDMS dummy after the wet etching, and then attaching the PDMS including the pillar structure from above;
(xiv) a step of separating the 3D silicon mold to form a PDMS layer of the fluidic element;
(xv) a step of depositing a metal material inside the channel of the PDMS layer using a shadow mask;
(xvi) a step of patterning a photosensitive agent in the shape of an ITO electrode to be deposited on a glass substrate and then depositing an ITO electrode;
(xvii) A step of forming a fluid element by combining a glass substrate on which the ITO electrode is deposited and a PDMS layer on which the metal material is deposited.
A method for manufacturing a fluid element comprising:
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