KR100865105B1 - 마이크로 가공된 탄성중합체 밸브 및 펌프 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 탄성중합체 구조체의 가공 방법은 제1 탄성중합체층의 바닥면을 따라 연장되는 제1 리세스를 형성하는 제1 융기된 돌출부가 마련된 마이크로 가공된 제1 몰드 위에 제1 탄성중합체층을 형성하는 단계와, 제2 탄성중합체층의 바닥면을 따라 연장되는 제2 리세스를 형성하는 제2 융기된 돌출부가 마련된 마이크로 가공된 제2 몰드 위에 제2 탄성중합체층을 형성하는 단계와, 제1 탄성중합체층 및 제2 탄성중합체층 사이에 있는 제2 리세스에 제어 채널을 형성하도록 제1 탄성중합체층의 상부면 위에 제2 탄성중합체층의 바닥면을 접합시키는 단계와, 제1 탄성중합체층 및 평탄한 기판 사이에 있는 제1 리세스에 흐름 채널을 형성하도록 평탄한 기판의 위에 제1 탄성중합체층을 배치하는 단계를 포함한다.

Description

마이크로 가공된 탄성중합체 밸브 및 펌프 시스템{MICROFABRICATED ELASTOMERIC VALVE AND PUMP SYSTEMS}

본 발명은 마이크로 가공된 구조체 및 그 생산 방법에 관한 것이며, 유체 흐름을 조절하는 마이크로 가공된 시스템에 관한 것이다.

마이크로 유체 펌프 및 밸브의 설계에 대한 다양한 기법이 시도되어 왔다. 불행하게도, 이러한 각 기법들은 그 한계를 드러내고 있다.

펌프 및 밸브와 같은 마이크로 전자기계(MEMS) 구조체를 제조하는 가장 일반적인 2가지 방법은 실리콘 기반의 벌크 마이크로 가공 방법[이것은 단결정 실리콘에 리소그래피법으로 패터닝하고, 그 후 이를 에칭하여 3차원 구조체를 형성하는 삭감식(subtractive) 방법이다]과, 표면 마이크로 가공법이다(이것은 폴리실리콘, 질화규소, 이산화규소와 같은 반도체 타입의 재료와 다양한 재료의 층을 순차적으로 부가하고 패터닝하여 3차원 구조체를 만드는 부가식 방법이다).

제1 기법인 실리콘 기반 벌크 마이크로 가공법의 한계는, 사용되는 반도체 재료의 강성으로 인하여 높은 조작력을 필요로 하여, 대형이며 복잡한 구조가 된다는 것이다. 사실, 벌크 마이크로 가공법 및 표면 마이크로 가공법 모두 사용 재료의 강성에 의하여 제한된다. 또한, 가공되는 장치의 여러 층 사이의 접착력도 문제점이다. 예를 들면, 벌크 마이크로 가공법에 있어서, 웨이퍼 접합 기술을 채용하여 다층 구조체를 형성해야 한다. 반면에, 표면 마이크로 가공법에서는, 장치의 여러 층 사이의 열응력으로 인하여 장치의 총 두께가 때로는 대략 20 ㎛까지 제한된다. 상기 방법 중 어떤 방법을 사용하더라도, 청정실의 제작과 세심한 품질 관리가 요구된다.

본 발명은, 예를 들어 서로 결합된 복수 개의 탄성중합체층으로 제조된 온/오프 밸브, 스위칭 밸브 및 펌프와 같은 마이크로 가공된 구조체를 제조하고 작동시키는 시스템을 개시한다. 본 발명의 구조체 및 방법은 유체 이동의 제어 및 채널링(channeling)에 이상적으로 적합하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 본 발명은 다층 소프트 리소그래피법을 사용하여 일체화된(즉, 모놀리식) 마이크로 가공 탄성중합체 구조체를 제조한다.

소프트 탄성중합체 재료의 층을 서로 결합시켜 본 발명의 구조체를 가공하면, 실리콘 기반 장치에 비해 최종 장치가 2배 이상 가량 크기가 감소된다는 잇점이 있다. 또한, 쾌속 조형(RP), 가공의 용이성 및 생물학적 친화성도 얻어진다는 유익이 있다.

본 발명의 바람직한 양태에서, 복수 개의 탄성중합체층의 각각에 리세스가 형성되도록, 별개의 탄성중합체층들이 마이크로 가공된 몰드 위에서 가공된다. 이들 복수 개의 탄성중합체층을 서로 결합시킴으로써, 복수 개의 탄성중합체층을 따라 연장되는 리세스가 최종의 모놀리식 일체형 탄성중합체 구조체를 통과하는 흐름 채널 및 제어 라인을 형성한다. 본 발명의 다양한 양태에 따르면, 탄성중합체 구조체에 형성되는 이들 흐름 채널 및 제어 라인은 마이크로 펌프 및 마이크로 밸브의 기능을 하도록 작동될 수 있고, 이하 이를 설명하겠다.

본 발명의 다른 선택적인 양태에서, 모놀리식 탄성중합체 구조체는 평탄한 기판 위에 밀봉되고, 탄성중합체의 바닥 표면을 따라서 연장되는 리세스와 평탄한 기판의 표면 사이에 흐름 채널이 형성된다.

본 발명의 한 가지 바람직한 양태에서, 본 발명의 모놀리식 탄성중합체 구조체는 마이크로 가공된 몰드로부터 각 층을 우선 개별적으로 성형하고, 이 별개의 2개의 탄성중합체층을 서로 결합시킴으로써 구성된다. 바람직하게는, 사용되는 탄성중합체는 2성분 첨가 경화 재료인데, 하부 탄성중합체층은 일 성분이 과잉인 반면에, 상부 탄성중합체층은 다른 성분이 과잉이다. 예시적인 실시예에서, 사용되는 탄성중합체는 실리콘 고무이다. 2개의 탄성 중합체층은 개별적으로 경화된다. 각 층은 상부층이 하부층 위에 배치되기 전에 개별적으로 경화된다. 그 후, 이 2개의 층은 서로 결합된다. 각 층은 2개의 성분 중 하나를 과잉으로 가져, 반응 분자가 층 사이의 경계면에 남아있는 것이 바람직하다. 하부층 위에 상부층이 조립되고 가열된다. 이 2개의 층은 비가역적으로 결합하여 경계면의 강도는 벌크 탄성중합체의 강도에 접근하거나 동일하다. 이로써, 서로 결합된 2개의 층 모두로 구성되는 3차원으로 패터닝된 모놀리식 구조체를 만들어낸다. 추가적인 층은 상기 공정을 단순히 반복하여 추가될 수 있는데, 각각 반대 "극성"의 층을 갖는 새로운 층은 경화되어 서로 결합된다.

바람직한 제2 양태에서, 제1 포토레지스트층이 제1 탄성중합체층 위에 적층된다. 그 후, 이 제1 포토레지스트층은 제1 탄성중합체층의 상부면에 포토레지스트의 라인 또는 라인들의 패턴이 남겨지도록 패터닝된다. 그 후, 다른 탄성중합체층이 추가되고 경화되어, 상기 포토레지스트 라인 또는 라인들의 패턴을 격납한다. 제2 포토레지스트층이 추가되고 패터닝되며, 다른 탄성중합체층이 추가되고 경화되어, 모놀리식 탄성중합체 구조체 내에 격납된 포토레지스트 라인 및 라인들의 패턴이 남겨진다. 이러한 공정을 반복하여 더 많은 격납된 패턴 및 탄성중합체층을 추가할 수 있다. 그 후, 포토레지스트가 제거되어 이 포토레지스가 점유하고 있었던 공간에 흐름 채널 및 제어 라인이 남겨지게 된다. 이러한 공정을 반복하여 복수 개의 층을 갖는 탄성중합체 구조체를 만들어낸다.

포토레지스트 방법을 사용하여 적절한 크기의 요소(≥10 ㎛)를 패터닝하면 고해상도 투명막이 접촉 마스크로 사용될 수 있다는 잇점이 있다. 이로써, 일반적으로 24시간 내에 1인의 연구자가 몰드를 설계, 인쇄, 패터닝하고 새로운 한 세트의 성형 탄성중합체 장치를 만들어낼 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 상기 실시예 모두는 그 모놀리식 또는 일체화 특성으로 인해(즉, 모든 층이 동일한 재료로 구성됨), 층간 접착의 실패 및 열 응력 문제를 완전히 회피한다는 잇점이 있다.

또한, 제너럴 일렉트릭(General Electric)에 의해 제조되는 RTV 615와 같은 실리콘 고무 또는 탄성중합체를 본 발명에 따라 바람직하게 사용하면, 가시광선을 통과시키고 다층 광학 트레인(multilayer optical trains)을 만들 수 있어, 마이크로 유체 장치에서 여러 채널 또는 챔버의 광학적 조사가 허용된다는 유익이 있다. 적절하게 형성된 탄성중합체층은 렌즈 및 광학 요소의 기능을 할 수 있기 때문에, 이러한 층을 결합시키면 다층 광학 트레인을 만들어 낼 수 있게 된다. 또한, GE RTV 615 탄성중합체는 생물학적 친화성이 있다. 소프트하기 때문에, 흐름 채널에 작은 미립자가 있더라도 밀폐된 밸브는 양호한 밀봉을 형성한다. 또한, 실리콘 고무는 특히 단결정 실리콘에 비해, 생물학적 친화성이 있고 저렴하다.

또한, 모놀리식 탄성중합체 밸브 및 펌프는 전기 삼투적 흐름을 기초로 하는 흐름 시스템에 영향을 주는 많은 실제적인 문제들을 회피한다. 일반적으로, 전기 삼투적 흐름 시스템은 전극 둘레에서 기포 형성이 일어나고, 이 흐름은 흐름 매체의 조성에 크게 의존한다. 기포의 형성은 마이크로 유체 장치에 전기 삼투적 흐름을 사용하는 것을 심각하게 제한하여, 기능 일체화 장치를 구성하는 것을 어렵게 한다. 대개, 흐름의 양과 그 방향조차도, 복잡한 방식으로 흐름 채널벽 상의 이온 강도 및 타입, 계면활성제의 존재, 그리고 전하에 의존한다. 또한, 연속적으로 전기 분해를 하여, pH 변화에 저항하는 최종 버퍼 용량에 도달될 수 있다. 또한, 전기 삼투적 흐름은 항상 전기 이동과 경쟁적으로 발생한다. 서로 다른 분자들은 서로 다른 전기 이동도를 가지기 때문에, 전기 삼투적 흐름에서는 불필요한 전기 이동 분리가 발생할 수도 있다. 결국, 전기 삼투적 흐름은 흐름을 정지시키거나, 확산을 멈추게 하거나, 압력 차이를 조절하는 데에 용이하게 사용될 수 없다.

본 발명의 모놀리식 탄성중합체 밸브 및 펌프 구조체의 또 다른 잇점은 매우 고속으로 작동될 수 있다는 것이다. 예를 들면, 본 발명의 발명자는 수용액이 내부에 있는 밸브에 있어서 대략 1 밀리초 정도의 응답 시간을 얻었고, 그 결과 밸브는 100Hz 부근의 또는 그 이상의 속도에서 개방 및 폐쇄된다. 특히, 밸브 구조체의 개방 및 폐쇄용 순환 속도의 범위의 통상의 리스트로는 약 0.001 내지 10000 ms, 약 0.01 내지 1000 ms, 약 0.1 내지 100 ms, 약 1 내지 10 ms 등이 있다. 순환 속도는 특정 작동 방법 및 용례에 사용되는 밸브의 조성 및 구조에 따라 결정되므로, 상기 리스트에 있는 범위 외의 순환 속도도 본 발명의 범위 내에 있게 된다.

본 발명의 펌프 및 밸브의 다른 잇점은 이들의 작은 크기 때문에 빨라지고 이들이 소프트해서 내구성을 갖는데 기여한다는 것이다. 또한, 이들 펌프 및 밸브는 인가되는 압력차에 대해 선형으로 폐쇄되어, 이러한 선형 관계가 높은 배압에도 불구하고 유체 계량 및 밸브 폐쇄를 가능하게 한다.

본 발명의 다양한 양태에서, 복수 개의 흐름 채널은 탄성중합체 구조체를 통과하고, 제2 흐름 채널은 제1 흐름 채널 위로 그리고 가로질러 연장된다. 본 발명의 이러한 양태에서, 얇은 탄성중합체 박막이 제1 및 제2 흐름 채널을 분리한다. 후술하는 바와 같이, 이 박막이 아래로 이동하면(제2 흐름 채널이 가압되거나 상기 부재가 다른 방식으로 작동됨으로 인해) 하부 흐름 채널을 통과하는 흐름이 차단될 것이다.

본 발명의 선택적인 바람직한 양태에서, 개별적으로 주소 지정 가능한 복수 개의 밸브는 탄성중합체 구조체에 함께 연결되어 형성된 후, 순차적으로 작동되어 연동 펌핑을 수행한다. 그물망형 또는 다중화 제어 시스템과, 밸브 격자에 배치된 선택 가능하게 주소 지정 가능한 밸브와, 그물망형 또는 다중화 반응 챔버 시스템, 그리고 생체고분자 합성 시스템 등의 더욱 복잡한 시스템도 또한 기술된다.

본 발명에 따른 마이크로 가공된 탄성중합체 구조체의 일 실시예는 마이크로 가공된 제1 리세스 및 마이크로 가공된 제2 리세스가 내부에 형성된 탄성중합체 블록과, 작동시 편향될 수 있는 탄성중합체 블록의 일부분을 포함한다.

탄성중합체 구조체를 마이크로 가공하는 방법의 일 실시예는, 제1 탄성중합체층을 마이크로 가공하는 단계와, 제2 탄성중합체층을 마이크로 가공하는 단계와, 제1 탄성중합체층의 위에 제2 탄성중합체층을 배치하는 단계와, 제1 탄성중합체층의 상부면에 제2 탄성중합체층의 하부면을 접합시키는 단계를 포함한다.

탄성중합체 구조체를 마이크로 가공하는 방법의 제1 변형예는, 마이크로 가공된 제1 몰드 위에 제1 탄성중합체층을 형성하는 단계를 포함하는데, 이 마이크로 가공된 제1 몰드는 제1 탄성중합체층의 하부면에 하나 이상의 제1 채널을 형성하는 하나 이상의 제1 융기된 돌출부를 구비한다. 제2 탄성중합체층은 마이크로 가공된 제2 몰드 위에 형성되고, 이 마이크로 가공된 제2 몰드는 제2 탄성중합체층의 하부면에 하나 이상의 제2 채널을 형성시키는 하나 이상의 제2 융기된 돌출부를 구비한다. 제2 탄성중합체층의 하부면은 제1 탄성중합체층의 상부면 위에 접착되어, 하나 이상의 제2 채널은 제1 탄성중합체층과 제2 탄성중합체층 사이에서 격납된다.

본 발명에 따른 탄성중합체 구조체를 마이크로 가공하는 방법의 제2 변형예는, 기판 위에 제1 탄성중합체층을 형성하는 단계와, 제1 탄성중합체층을 경화시키는 단계와, 제1 탄성중합체층의 상부면에 제1 희생층을 적층시키는 단계를 포함한다. 제1 희생층의 일부는 제거되어 제1 탄성중합체층의 상부면에 희생물질의 제1 패턴이 남아있게 된다. 제1 탄성중합체층 위에 제2 탄성중합체층이 형성되어 제1 탄성중합체층과 제2 탄성중합체층 사이에서 희생물질의 제1 패턴을 격납한다. 제2 탄성중합체층이 경화된 후, 희생물질을 제거하여, 제1 탄성중합체층과 제2 탄성중합체층 사이에 하나 이상의 제1 리세스를 형성한다.

본 발명에 따른 탄성중합체 구조체의 작동 방법의 일 실시예는, 마이크로 가공된 제1 리세스와 마이크로 가공된 제2 리세스가 내부에 형성된 탄성중합체 블록을 마련하는 단계를 포함하는데, 상기 마이크로 가공된 제1 리세스와 마이크로 가공된 제2 리세스는 상기 제1 리세스 및 제2 리세스 중 어느 하나가 가압될 때 제1 리세스 또는 제2 리세스 중 다른 한쪽으로 편향될 수 있는 상기 구조체의 일부분에 의하여 분리된다. 리세스 중 하나가 가압되면, 제1 리세스로부터 제2 리세스를 분리시키는 탄성중합체 구조체의 일부분은 2개의 리세스 중 다른쪽으로 편향된다.

기타 선택적인 바람직한 양태에서, 탄성중합체층에 자기성 또는 전기 전도성을 부여하도록 자성 또는 전도성 물질이 첨가될 수 있고, 따라서 모든 탄성중합체 전자기 장치를 제조할 수 있게 된다.

Part I : 도 1 내지 도 7g는 본 발명의 제1 가공 방법의 연속적인 단계를 예시하는 것으로,

도 1은 마이크로 가공된 몰드 위에 형성된 제1 탄성중합체층의 도면이고,

도 2는 마이크로 가공된 몰드 위에 형성된 제2 탄성중합체층의 도면이며,

도 3은 마이크로 가공된 몰드로부터 분리되어 도 1의 탄성중합체층 위에 배 치된 도 2의 탄성중합체층의 도면이고,

도 4는 도 3에 상응하는 것을 예시하지만, 제1 탄성중합체층 위에 배치된 제2 탄성중합체층을 보여주고 있으며,

도 5는 도 4에 상응하는 것을 예시하지만, 결합된 제1 및 제2 탄성중합체층을 보여주고 있고,

도 6은 도 5에 상응하는 것을 예시하지만, 마이크로 가공된 제1 몰드가 분리되고 그 자리에 평탄한 기판이 배치되는 것을 보여주고 있으며,

도 7a는 도 6에 상응하는 것을 예시하지만, 평탄한 기판 위에 탄성중합체 구조체가 밀봉되어 있는 것을 보여주고 있고,

도 7b는 도 7a에 상응하는 것의 전방 단면도로서, 개방형 흐름 채널을 보여주고 있으며,

도 7c 내지 도 7g는 개개의 탄성중합체층으로부터 형성되는 박막을 구비하는 탄성중합체 구조체의 형성방법의 단계를 보여주는 도면이다.

Part Ⅱ : 도 7h는 제2 흐름 채널을 가압함으로써 제1 흐름 채널을 폐쇄하는 것을 도시하는 것으로,

도 7h는 도 7a에 상응하지만, 제1 흐름 채널이 제2 흐름 채널의 가압에 의해 폐쇄되어 있는 것을 도시한다.

Part Ⅲ : 도 8 내지 도 18은 본 발명의 제2 가공 방법의 연속적인 단계를 예시하는 것으로,

도 8은 평탄한 기판 상에 배치된 제1 탄성중합체층의 도면이고,

도 9는 도 8의 제1 탄성중합체층의 위에 배층된 제1 포토레지스트층을 보여주고 있는 도면이며,

도 10은 제1 포토레지스트층의 일부가 제거되고 제1 포토레지스트 라인 만이 남아 있는 도 9의 시스템을 보여주고 있는 도면이고,

도 11은 도 10의 제1 포토레지스트 라인과 제1 탄성중합체층 위에 제2 탄성중합체층이 도포되어, 제1 및 제2 탄성중합체층 사이에서 포토레지스트가 격납되는 것을 보여주고 있는 도면이며,

도 12는 도 11에 상응하지만, 제1 및 제2 탄성중합체층이 상호 결합된 후 생성되는 일체화된 모놀리식 구조체를 도시하고,

도 13은 도 12의 일체화된 탄성중합체 구조체 위에 적층된 제2 포토레지스트층을 보여주고 있는 도면이며,

도 14는 제2 포토레지스트층의 일부가 제거되고 제2 포토레지스트 라인만이 남아 있는 도 13의 시스템을 보여주고 있는 도면이고,

도 15는 도 14의 제2 포토레지스트 라인과 제2 탄성중합체층 위에 제3 탄성중합체층이 도포되어, 도 12의 탄성중합체 구조체와 제3 탄성중합체층 사이에 제2 포토레지스트 라인이 격납되는 것을 보여주고 있는 도면이며,

도 16은 도 15에 상응하지만, 이미 결합된 제1 및 제2 탄성중합체층으로 구성되는 모놀리식 구조체에 결합되도록 경화되는 제3 탄성중합체층을 보여주고,

도 17은 도 16에 상응하지만, 수직으로 중첩되며(교차하는 것은 아님) 상기 일체화된 탄성중합체 구조체를 통과하는 2개의 흐름 채널을 제공하도록, 제1 및 제2 포토레지스트 라인이 제거되는 것을 보여주고 있으며,

도 18은 그 하부의 평탄한 기판이 제거된 도 17의 시스템을 보여주고 있는 도면이다.

Part Ⅳ : 도 19 및 도 20은 상이한 흐름 채널의 단면을 더 상세히 도시한 것으로,

도 19는 직사각형 단면의 제1 흐름 채널을 도시하고,

도 20은 상부면이 만곡된 단면의 흐름 채널을 도시한다.

Part V : 도 21 내지 도 22는 본 발명의 마이크로 가공된 밸브의 바람직한 실시예에 의해 얻어진 실험결과를 도시하는 것으로,

도 21은 다양한 흐름 채널에 대해서 밸브의 개방 대 가해진 압력을 예시하고,

도 22는 100 ㎛ ×100 ㎛ ×10 ㎛ RTV 마이크로 밸브의 응답 시간을 예시한다.

Part Ⅵ : 도 23a 내지 도 33은 본 발명의 양태에 따라 서로 그물망 형태로 연결되어 있는 다양한 마이크로 가공된 구조체를 도시하는 것으로,

도 23a는 온/오프 밸브의 개략적인 상평면도이고,

도 23b는 도 23a의 선 23B-23B를 따라 취한 단면도이며,

도 24a는 연동식 펌핑 시스템의 개략적인 상평면도이고,

도 24b는 도 24a의 선 24B-24B를 따라 취한 단면도이며,

도 25는 도 24의 연동식 펌핑 시스템의 실시예에 대해서 실험적으로 얻어진 펌핑율 대 주파수를 보여주고 있는 그래프이고,

도 26a는 복수 개의 흐름 라인을 동시에 작동시키는 1개의 제어 라인의 개략적인 상평면도이며,

도 26b는 도 26a의 선 26B-26B를 따라 취한 단면도이고,

도 27은 다양한 채널을 통한 흐름을 허용하도록 되어있는 다중화 시스템의 개략도이며,

도 28a는 주소 지정 가능한 반응 챔버 구조체의 흐름층의 평면도이고,

도 28b는 주소 지정 가능한 반응 챔버 구조체의 제어 채널층의 저평면도이며,

도 28c는 도 28b의 제어 채널층을 도 28a의 흐름층 위에 결합시켜 형성된 주소 지정 가능한 반응 챔버 구조체의 분해 사시도이고,

도 28d는 도 28c의 선 28d-28d를 따라 취한 도 28c에 상응하는 것의 단면도이며,

도 29는 유체 흐름을 반응 우물의 어레이 중 어느 하나에 선택적으로 안내하도록 되어 있는 시스템의 개략도이고,

도 30은 평행한 흐름 채널 사이에서 측방향 흐름을 선택할 수 있도록 되어 있는 시스템의 개략도이며,

도 31a는 절환 가능한 흐름 어레이 중 제1 탄성중합체층(즉, 흐름 채널층)의 저평면도이고,

도 31b는 절환 가능한 흐름 어레이 중 제어 채널층의 저평면도이며,

도 31c는 도 31b의 제2 탄성중합체층에 있는 하나의 제어 채널 세트와 도 31a의 제1 탄성중합체층의 구성을 도시하며,

도 31d도 또한 도 31b의 제2 탄성중합체층에 있는 다른 제어 채널 세트와 도 31a의 제1 탄성중합체층의 구성을 도시하고,

도 32는 생체고분자 합성용 일체화된 시스템의 개략도이며,

도 33은 다른 생체고분자 합성용 일체화된 시스템의 개략도이고,

도 34는 7개의 탄성중합체층이 서로 결합되어 있는 시험 구조체의 일 부분을 광학 현미경으로 본 것이며,

도 35a 내지 도 35d는 수직 비아가 내부에 형성되는 탄성중합체층을 가공하는 방법의 일 실시예의 단계를 도시하고 있고,

도 36은 본 발명에 따른 분류 장치의 일 실시예를 도시하고 있으며,

도 37은 반도체 웨이퍼 위에 처리 가스를 흘려 보내는 본 발명에 따른 장치의 실시예를 도시하고 있고,

도 38은 본 발명에 따른 마이크로미러 어레이 구조체의 일 실시예의 분해도이며,

도 39는 본 발명에 따른 굴절 장치의 제1 실시예의 사시도이고,

도 40은 본 발명에 따른 굴절 장치의 제2 실시예의 사시도이며,

도 41은 본 발명에 따른 굴절 장치의 제3 실시예의 사시도이고,

도 42a 내지 도 42j는 본 발명에 따른 정상 폐쇄 밸브 구조체의 일 실시예를 도시하고 있으며,

도 43은 분리를 수행하기 위한 본 발명에 따른 장치의 일 실시예의 평면도이고,

도 44a 내지 도 44d는 본 발명에 따른 셀 펜 구조체의 일 실시예의 작동을 예시하는 평면도이며,

도 45a 및 도 45b는 본 발명에 따른 셀 케이지 구조체의 일 실시예의 작동을 예시하는 평면도 및 단면도이고,

도 46a 및 도 46b는 본 발명에 따른 셀 그라인더 구조체의 일 실시예의 작동을 예시하는 단면도이며,

도 47은 본 발명에 따른 압력 발진기 구조체의 일 실시예의 평면도이고,

도 48a 및 도 48b는 본 발명에 따른 측방향 작동식 밸브 구조체의 일 실시예의 작동을 예시하는 평면도이며,

도 49는 영의 계수 대 GE SF96-50 실리콘 유체로 GE RTV 615 탄성중합체를 희석한 비율을 도표로 나타낸 것이다.

본 발명은 펌프 또는 밸브로서 사용되는 다양한 마이크로 가공된 탄성중합체 구조를 포함한다. 바람직한 탄성중합체 구조체의 가공 방법도 설명되어 있다.

본 발명의 가공 방법

본원에는 본 발명의 2가지 예시적인 가공 방법이 제공된다. 본 발명은 이들 방법 중 하나 또는 다른 하나에 의한 가공으로 제한되지 않는다. 오히려, 본원 방법의 변형예 등, 본원의 마이크로 구조체의 다른 적합한 가공 방법도 또한 고려되어진다.

도 1 내지 도 7b는 본원의 마이크로 구조체(펌프 또는 밸브로서 사용될 수 있음)의 제1 바람직한 가공 방법의 연속적인 단계를 예시한다. 도 8 내지 도 18은 본원의 마이크로 구조체(역시, 펌프 또는 밸브로서 사용될 수 있음)의 제2 바람직한 가공 방법의 연속적인 단계를 예시한다.

설명되는 바와 같이, 도 1 내지 도 7b의 바람직한 방법은 조립 및 결합되는 조기 경화 탄성중합체층을 사용하는 것을 포함한다. 이와는 달리, 도 8 내지 도 18의 바람직한 방법은 각 탄성중합체층을 "현장(in place)"에서 경화하는 것을 포함한다. 이하의 설명에서, "채널"은 유체 또는 가스의 흐름을 수용 가능한 탄성중합체 구조체 내에 있는 리세스를 말한다.

제1 예시적인 방법

도 1을 참조하면, 마이크로 가공된 제1 몰드가 제공된다. 마이크로 가공된 몰드(10)는 포토리소그래피, 이온 밀링 및 전자빔 리소그래피를 포함하되 이에 제한되지 않는 많은 통상의 실리콘 처리 방법으로 가공된다.

확인할 수 있는 바와 같이, 마이크로 가공된 몰드(10)에는 그곳을 따라 연장되는 융기된 라인 또는 돌출부(11)가 마련된다. 제1 탄성중합체층(20)이 몰드(10)의 위에 성형되어, 도시된 바와 같이 제1 리세스(21)가 탄성중합체층(20)의 바닥면에 형성될 것이다[리세스(21)의 크기는 돌출부(11)의 크기에 상응함].

도 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 마이크로 가공된 제2 몰드(12)에도 그것을 따라 연장되는 융기된 돌출부(13)가 마련된다. 도시된 바와 같이, 제2 탄성중합체층(22)이 몰드(12)의 위에 성형되어, 제2 탄성중합체층의 바닥면에 돌출부(13)의 크기와 상응한 크기로 리세스(23)가 형성될 것이다.

도 3 및 도 4에 예시된 연속적인 단계에서 확인할 수 있는 바와 같이, 그 후 제2 탄성중합체층(22)은 몰드(12)로부터 분리되고, 제1 탄성중합체층(20) 위에 위치한다. 확인할 수 있는 바와 같이, 제2 탄성중합체층(22)의 바닥면을 따라 연장되는 리세스(23)는 흐름 채널(32)을 형성할 것이다.

도 5를 참조하면, 그 후 독립적인 제1 탄성중합체층(20)과 제2 탄성중합체층(22)(도 4)은 결합되어 일체화된(즉, 모놀리식) 탄성중합체 구조체(24)를 형성한다.

도 6 및 도 7a에 예시된 연속적인 단계에서 확인할 수 있는 바와 같이, 그 후 탄성중합체 구조체(24)는 몰드(10)로부터 분리되고 평탄한 기판(14) 위에 배치된다. 도 7a 및 도 7b에서 확인할 수 있는 바와 같이, 탄성중합체 구조체(24)가 그 바닥면에서 평탄한 기판(14)에 대해 밀봉될 때, 리세스(21)는 흐름 채널(30)을 형성할 것이다.

본원의 탄성중합체 구조체는 임의의 거의 평활한 기판과 함께 가역성 기밀 시일(hermetic seal)을 형성한다. 이러한 방식으로 시일을 형성하면 탄성중합체 구조체가 벗겨내어지고, 세척되며, 재사용될 수도 있다는 유익이 있다. 바람직한 양태에서는, 평탄한 기판(14)이 유리이다. 유리를 사용하면 유리가 투명하여 탄성중합체 채널 및 저장소의 광학적 검색을 허용한다는 또 다른 유익이 있다. 별법으로서, 탄성중합체 구조체는 평탄한 탄성중합체층 위에 전술한 바와 동일한 방법으로 결합되어, 영구적이고 강도 높은 결합을 형성한다. 이로써, 더 큰 배압이 사용될 때 유익한 것으로 판명될 것이다.

도 7a 및 도 7b에서 확인될 수 있는 바와 같이, 흐름 채널(30, 32)은 서로에 대하여 소정 각도를 이루어 배치되고 기판(24)의 작은 박막(25)이 상부 흐름 채널(30)과 하부 흐름 채널(32)을 분리시키는 것이 바람직하다.

바람직한 양태에서, 평탄한 기판(24)은 유리이다. 유리를 사용하면 본원의 탄성중합체 구조체가 벗겨내어지고, 세척되며, 재사용될 수도 있다는 유익이 있다. 유리를 사용하면 광학적인 감지를 채용할 수도 있다는 또 다른 유익이 있다. 별법으로서, 평탄한 기판(14)은 탄성중합체 자체이며, 이는 더 높은 배압이 사용될 때 유익한 것으로 판명될 것이다.

전술한 가공 방법은 장치의 채널의 벽을 형성하는 탄성중합체 재료와는 다른 탄성중합체 재료로 구성된 박막을 구비한 구조체를 형성하도록 변형될 수도 있다. 이러한 변형 가공 방법은 도 7c 내지 도 7g에 예시되어 있다.

도 7c를 참조하면, 마이크로 가공된 제1 몰드(10)가 제공된다. 마이크로 가공된 몰드(10)에는 그것을 따라 연장되는 융기된 라인 또는 돌출부(11)가 마련된다. 도 7d에서, 제1 탄성중합체층(20)은 그 상단이 상기 융기된 라인 또는 돌출부(11)의 상단과 같은 평면에 있게 되도록 상기 마이크로 가공된 제1 몰드(10)의 위에 성형된다. 이는 기지(旣知)의 융기된 라인(11)의 높이와 관련하여 몰드(10) 위에 스핀 코팅되는 탄성중합체 재료의 체적을 주의깊게 제어함으로써 달성될 수 있다. 별법으로서, 필요한 형상은 사출성형에 의해 형성될 수도 있다.

도 7e에서, 마이크로 가공된 제2 몰드(12)에도 그것을 따라 연장되는 융기된 돌출부(13)가 마련된다. 도시된 바와 같이, 제2 탄성중합체층(22)은 제2 몰드(12) 위에 성형되어, 제2 탄성중합체층의 바닥면에는 돌출부(13)의 크기와 상응한 크기로 리세스(23)가 형성된다.

도 7f에서, 제2 탄성중합체층(22)은 몰드(12)로부터 분리되고 제3 탄성중합체층(222) 위에 배치된다. 제2 탄성중합체층(22)은 제3 탄성중합체층(20)에 결합되고, 이하에 상세히 설명되는 기술을 사용하여 일체화된 탄성체 블록(224)을 형성한다. 이 공정의 이 시점에서, 융기된 라인(13)이 이전에 점유하던 리세스(23)는 흐름 채널(23)을 형성할 것이다.

도 7g에서, 탄성중합체 블록(224)은 마이크로 가공된 몰드(10)와 제1 탄성중합체층(20) 위에 배치된다. 그 후 탄성중합체 블록과 제1 탄성중합체층(20)이 결합되어, 별개의 탄성중합체층(222)으로 구성된 박막을 구비하는 일체화된(즉: 모놀리식) 탄성중합체 구조체(24)를 형성한다.

탄성중합체 구조체(24)의 바닥면이 도 7a와 관련하여 전술한 바와 같은 방법으로 평탄한 기판에 대하여 밀봉될 때, 융기된 라인(11)이 이전에 점유하던 리세스는 흐름 채널(30)을 형성할 것이다.

도 7c 내지 도 7g와 관련하여 앞에 예시된 다른 가공 방법은 박막 부분이 나머지 구조체의 탄성중합체 재료와는 별개인 재료로 구성되는 것을 허용한다는 유익을 제공한다. 이러한 사항은 박막의 두께와 탄성 특성이 장치의 작동에 있어서 중요한 역할을 하기 때문에 중요하다. 또한, 이 방법은 별개의 탄성중합체층이 탄성중합체 구조체에 병합되기 전에 용이하게 조정될 수 있게 한다. 이후에 상세히 설명되는 바와 같이, 잠재적으로 바람직한 조정의 예로는 박막의 작동을 허용하기 위해 자성 또는 전기 전도성 종류의 물질을 도입하거나, 및/또는 그 탄성을 변경하기 위해 박막에 도펀트를 도입하는 것 등이 있다.

마이크로 가공된 몰드 위에서 복제 성형함으로써 형성되는 다양한 형상의 탄성중합체층의 형성과 관련하여 전술한 방법이 예시되었지만, 본 발명은 상기 기술에 한정되지 않는다. 결합할 소정 형상의 탄성중합체 재료의 개개의 층을 형성하는 데 그 밖의 기술들이 채용될 수 있다. 예를 들어, 소정 형상의 탄성중합체 재료의 층은 레이저 컷팅이나 사출성형에 의해, 또는 화학 에칭 및/또는 제2 예시적인 방법과 관련하여 이하에 설명되는 희생 물질을 이용하는 방법에 의해 형성될 수 있다.

제2 예시적인 방법

펌프 또는 밸브로서 사용되는 탄성중합체 구조체의 제2 예시적인 가공 방법이 도 8 내지 도 18에 도시된 연속적인 단계에서 설명된다.

본 발명의 이 양태에 있어서, 먼저 탄성중합체층(또는 유리 등의 그 밖의 기판)의 표면 위에서 채널이 되길 바라는 곳에는 융기된 라인의 포토레지스트를 남겨두어 포토레지스트를 패터닝함으로써, 흐름 및 제어 채널이 형성된다. 다음에, 제2 탄성중합체층이 그 위에 더해지고, 이 제2 탄성중합체층 위에서 채널이 되길 바라는 곳에는 융기된 라인의 포토레지스트를 남겨두어 제2 포토레지스트를 패터닝 한다. 제3 탄성중합체층이 그 위에 적층된다. 최종적으로, 포토레지스트는 적절한 용제로 탄성중합체로부터 용해시킴으로써 제거되고, 포토레지스트의 제거에 의해 형성된 빈 공간은 기판을 통과하는 흐름 채널이 된다.

먼저 도 8을 참조하면, 평탄한 기판(40)이 제공된다. 이어서, 제1 탄성중합체층(42)이 평탄한 기판(40) 위에 적층되고 경화된다. 도 9를 참조하면, 그 후 제1 포토레지스트층(44A)이 제1 탄성중합체층(42) 위에 적층된다. 도 10을 참조하면, 도시된 바와 같이 단지 제1 포토레지스트 라인(44B)만이 남도록 포토레지스층(44A)의 일부가 제거된다. 도 11을 참조하면, 그 후 제2 탄성중합체층(46)이 도시된 바와 같이 제1 탄성중합체층(42)과 제1 포토레지스트 라인(44B) 상에 적층되고, 이로 인해 제1 탄성중합체층(42)과 제2 탄성중합체층(46) 사이에서 제1 포토레지스트 라인(44B)이 격납된다. 도 12를 참조하면, 그 후 제2 탄성중합체층(46)은 제1 탄성중합체층(42) 위에서 경화되고 이들 층은 결합되어 모놀리식 탄성중합체 기판(45)을 형성한다.

도 13을 참조하면, 그 후 제2 포토레지스트층(48A)이 탄성중합체 구조체(45) 위에 적층된다. 도 14를 참조하면, 도시된 바와 같이 탄성중합체 구조체(45) 위에 제2 포토레지스트 라인(48B)이 남도록 제2 포토레지스트층(48A)의 일부가 제거된다. 도 15를 참조하면, 그 후 제3 탄성중합체층(50)이 도시된 바와 같이 탄성중합체 구조체(45)[제2 탄성중합체층(42)과 제1 포토레지스트 라인(44B)으로 이루어짐]와 제2 포토레지스트 라인(48B) 위에 적층되고, 이에 의해 탄성중합체 구조체(45)와 제3 탄성중합체층(50) 사이에서 제2 포토레지스트 라인(48B)이 격납된다.

도 16을 참조하면, 그 후 제3 탄성중합체층(50)과 탄성중합체 구조체(45)[결합된 제1 탄성중합체층(42)과 제2 탄성중합체층(46)으로 이루어짐]가 결합되어, 도시된 바와 같이 그것을 통과하는 포토레지스트 라인(44B, 48B)을 구비한 모놀리식 탄성중합체 구조체(47)가 형성된다. 도 17을 참조하면, 그 후 포토레지스트 라인(44B, 48B)이 제거되어(예컨대, 용제에 의해), 도시된 바와 같이 탄성중합체 구조체(47)를 통과하는 제1 흐름 채널(60)과 제2 흐름 채널(62)이 그 자리에 제공된다. 끝으로, 도 18을 참조하면 평탄한 기판(40)은 일체화된 모놀리식 구조체의 바닥으로부터 제거될 수 있다.

도 8 내지 도 18에 설명된 방법은 탄성중합체 재료 내에 격납되는 포토레지스트의 현상(現像)을 이용하여 패터닝된 탄성중합체 구조체를 가공한다. 그러나, 본 발명에 따른 상기 방법은 포토레지스트를 이용하는 것에 한정되지 않는다. 금속 등과 같은 그 밖의 소재도 또한 주변의 탄성중합체 재료에 대해 선택적으로 제거되는 희생 물질의 기능을 할 수 있으며, 이러한 방법은 본 발명의 범위 내에 있다. 예컨대, 도 35a 내지 도 35d와 관련하여 이하에 상세히 설명되는 바와 같이, 금은 적절한 화학 혼합물을 이용하여 RTV 615 탄성중합체에 대해 선택적으로 에칭될 수도 있다.

층 및 채널의 바람직한 크기

마이크로 가공되었다는 것은 본 발명의 실시예에 따라 가공된 탄성중합체 구조체의 구성 요소의 크기에 관해서 말하는 것이다. 일반적으로, 마이크로 가공된 구조체의 하나 이상의 치수에서 편차는 미크론 수준으로 제어되고, 하나 이상의 치수에서는 매우 미세한(즉, 1000 ㎛ 미만) 수준으로 제어된다. 대개, 마이크로 가공은 매우 미세한 수준의 치수의 구성 요소를 생산하도록 되어 있는 포토리소그래피 및 스핀코팅 등과 같은 반도체 또는 MEMS(micro-elctromechanical systems) 가공 기술을 필요로 하고, 마이크로 가공된 구조체의 치수의 적어도 일부는 분별 가능하게 구조체를 분석/촬상하려면 현미경을 필요로 한다.

바람직한 양태에서, 흐름 채널(30, 32, 60 및 62)의 폭 대 깊이의 비는 약 10:1 인 것이 바람직하다. 본 발명의 실시예에 따른 다른 폭 대 깊이의 비의 범위의 통상의 리스트로는 0.1:1 내지 100:1, 바람직하게는 1:1 내지 50:1, 더 바람직하게는 2:1 내지 20:1, 가장 바람직하게는 3:1 내지 15:1 이 있다. 예시적인 양태에서, 흐름 채널(30, 32, 60 및 62)의 폭은 1 내지 1000 ㎛이다. 본 발명의 실시예에 따른 다른 흐름 채널 폭 범위의 통상의 리스트로는 0.01 내지 1000 ㎛, 바람직하게는 0.05 내지 1000 ㎛, 더 바람직하게는 0.2 내지 500 ㎛, 더욱 바람직하게는 1 내지 250 ㎛, 가장 바람직하게는 10 내지 200 ㎛ 가 있다. 예시적인 채널의 폭으로는 0.1 ㎛, 1 ㎛, 2 ㎛, 5 ㎛, 10 ㎛, 20 ㎛, 30 ㎛, 40 ㎛, 50 ㎛, 60 ㎛, 70 ㎛, 80 ㎛, 90 ㎛, 100 ㎛, 110 ㎛, 120 ㎛, 130 ㎛, 140 ㎛, 150 ㎛, 160 ㎛, 170 ㎛, 180 ㎛, 190 ㎛, 200 ㎛, 210 ㎛, 220 ㎛, 230 ㎛, 240 ㎛ 및 250 ㎛ 등이 있다.

흐름 채널(30, 32, 60 및 62)의 깊이는 약 1 내지 100 ㎛이다. 본 발명의 실시예에 따른 다른 흐름 채널 깊이 범위의 통상의 리스트로는 0.01 내지 1000 ㎛, 바람직하게는 0.05 내지 500 ㎛, 더 바람직하게는 0.2 내지 250 ㎛, 더욱 바람직하게는 1 내지 100 ㎛, 보다 더 바람직하게는 2 내지 20 ㎛, 가장 바람직하게는 5 내지 10 ㎛가 있다. 예시적인 채널의 깊이로는 0.01 ㎛, 0.02 ㎛, 0.05 ㎛, 0.1 ㎛, 0.2 ㎛, 0.5 ㎛, 1 ㎛, 2 ㎛, 3 ㎛, 4 ㎛, 5 ㎛, 7.5 ㎛, 10 ㎛, 12.5 ㎛, 15 ㎛, 17.5 ㎛, 20 ㎛, 22.5 ㎛, 25 ㎛, 30 ㎛, 40 ㎛, 50 ㎛, 75 ㎛, 100 ㎛, 150 ㎛, 200 ㎛ 및 250 ㎛ 등이 있다.

이들 흐름 채널은 상기 특정 치수 범위와 앞에 주어진 예에 한정되지 않으며, 도 27과 관련하여 이하에 상세히 설명되는 바와 같이 박막을 편향시키는 데 필요한 힘의 크기에 영향을 미치기 위해 그 폭을 변경할 수 있다. 예컨대, 폭이 0.01 ㎛ 정도인 매우 좁은 흐름 채널은 이하에 상세히 설명되는 바와 같이 광학적 용례 및 그 밖의 용례에서 유용할 것이다. 전술한 것보다 폭이 더 큰 채널이 마련된 부분을 포함하는 탄성중합체 구조체도 또한 본 발명에 의해 고려되며, 이러한 넓은 흐름 채널을 이용하는 용례의 예로는 유체 저장소 및 유체 혼합 채널 구조체 등이 있다.

탄성중합체층(22)은 기계적인 안정성을 위해 두껍게 성형된다. 예시적인 실시예에서, 층(22)의 두께는 50 ㎛ 내지 수 cm 이며, 더 바람직하게는 약 4 mm 이다. 본 발명의 그 밖의 실시예에 따르면 탄성중합체층 두께 범위의 통상의 리스트로는 약 0.1 ㎛ 내지 10 cm, 1 ㎛ 내지 5 cm, 10 ㎛ 내지 2 cm, 100 ㎛ 내지 10 mm 가 있다.

따라서, 흐름 채널(30)과 흐름 채널(32)을 분리하는 도 7b에 도시된 박막의 두께는 약 0.01 내지 1000 ㎛, 바람직하게는 0.05 내지 500 ㎛, 더 바람직하게는 0.2 내지 250 ㎛, 더욱 바람직하게는 1 내지 100 ㎛, 더 더욱 바람직하게는 2 내지 50 ㎛, 가장 바람직하게는 5 내지 40 ㎛ 이다. 이와 같이, 탄성중합체층(22)의 두께는 탄성중합체층(20) 두께의 약 100배이다. 예시적인 박막의 두께로는 0.01 ㎛, 0.02 ㎛, 0.03 ㎛, 0.05 ㎛, 0.1 ㎛, 0.2 ㎛, 0.3 ㎛, 0.5 ㎛, 1 ㎛, 2 ㎛, 3 ㎛, 5 ㎛, 7.5 ㎛, 10 ㎛, 12.5 ㎛, 15 ㎛, 17.5 ㎛, 20 ㎛, 22.5 ㎛, 25 ㎛, 30 ㎛, 40 ㎛, 50 ㎛, 75 ㎛, 100 ㎛, 150 ㎛, 200 ㎛, 250 ㎛, 300 ㎛, 400 ㎛, 500 ㎛, 750 ㎛ 및 1000 ㎛ 등이 있다.

이와 유사하게, 제1 탄성중합체층(42)의 두께는 탄성중합체층(20 또는 22)의 두께와 거의 동일하고, 제2 탄성중합체층(46)의 두께는 탄성중합체층(20)의 두께와 거의 동일하며, 제3 탄성중합체층(50)의 두께는 탄성중합체층(22)의 두께와 거의 동일한 것이 바람직하다.

다층 소프트 리소그래피 구성 기술 및 재료

소프트 리소그래피 결합

탄성중합체층(20 및 22)[또는, 탄성중합체층(42, 46 및 50)]은 패터닝된 탄성중합체층을 구성하는 폴리머에 있어서 고유한 것인 화학 반응을 이용하여 화학적으로 결합되는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 상기 결합은 2개의 구성 요소를 "부가 경화(addition cure)" 결합하는 것을 포함한다.

바람직한 양태에서, 화학적으로 서로 상이한 복수 개의 탄성중합체층은 이종(heterogenous) 결합으로 결합된다. 별법으로서, 동종(homogenous) 결합은 모든 층이 화학적으로 동일한 경우에 사용될 것이다. 제3 양태에 있어서, 그 대신에 각 탄성중합체층은 선택적으로 접착제에 의해 함께 접착될 수도 있다. 제4 양태에 있어서, 탄성중합체층은 가열에 의해 결합되는 열경화성 탄성중합체일 수도 있다.

동종 결합의 한 가지 양태에 있어서, 탄성중합체층은 동일한 탄성중합체 재료로 구성되고, 일층의 동일한 화학적 실체가 타층의 동일한 화학적 실체와 반응하여 층들이 결합된다. 일 실시예에서, 유사한 탄성중합체층의 폴리머 사슬간의 결합은 빛, 열 또는 별개의 화학종과의 화학 반응으로 인해 가교제가 활성화됨으로써 일어난다.

별법으로서, 이종 결합의 양태에 있어서 탄성중합체층은 서로 다른 탄성중합체 재료로 구성되고, 일층의 제1 화학적 실체는 타층의 제2 화학적 실체와 반응한다. 한 가지 예시적인 이종 결합 양태에서, 각 탄성중합체층을 결합시키는데 사용되는 결합 공정은 2개의 RTV 615 실리콘층을 결합시키는 것을 포함한다. RTV 615 실리콘은 2부분으로 구성된 부가 경화 실리콘 고무이다. A부분은 비닐 그룹과 촉매를 함유하고, B부분은 수소화 규소(Si-H) 그룹을 함유한다. RTV 615의 경우 통상적인 비율은 10A:1B 이다. 결합 중에, 일층은 30A:1B(즉, 비닐 그룹 과잉) 상태가 되고, 타층은 3A:1B(즉, Si-H 그룹 과잉) 상태가 된다. 각 층은 개별적으로 경화된다. 2개의 층이 접촉하게 되고 높은 온도로 가열될 때, 이들은 비가역적으로 결합하여 모놀리식 탄성중합체 기판을 형성한다.

본 발명의 예시적인 양태에서, 탄성중합체 구조체는 Sylgard 182, 184 이나 186, 또는 UCB 케미컬의 Ebecryl 270 이나 Irr 245 등과 같은(그러나, 이에 제한되는 것은 아님) 지방족 우레탄 디아클레이트를 이용하여 형성된다.

본 발명에 따른 일 실시예에서, 2층 탄성중합체 구조체는 순수 아크릴레이트 우레탄 Ebe 270으로 가공된다. 얇은 바닥층은 15초 동안 170℃에서 8000 rpm으로 스핀 코팅된다. 상부층과 바닥층은 처음에 일렉트로라이트(Electrolite) 코포레이션이 제조한 모델명 ELC 500 장치를 이용하여 질소 분위기에서 10분 동안 자외선 광선을 받아 경화된다. 그 후, 이들 조립된 층은 추가로 30분 동안 경화된다. 시바-가이기(Ciba-Geigy) 케미컬스가 제조한 Irgacure 500 혼합물 0.5% 부피/부피에 의해 반응이 촉진된다. 그 결과 생기는 탄성중합체 재료는 적당한 탄성과 유리에 대한 접착성을 나타낸다.

본 발명에 따른 다른 실시예에서, 2층 탄성중합체 구조체는 얇은 바닥층에 대해서는 25% Ebe 270 / 50% Irr 245 / 25% 이소프로필 알콜의 조합물로, 상부층에 대해서는 순수 아크릴레이트 우레탄 Ebe 270 으로 가공된다. 일렉트로라이트(Electrolite) 코포레이션이 제조한 모델명 ELC 500 장치를 이용하여 질소 분위기에서 자외선 광선을 받으면서, 얇은 바닥층은 처음에 5분 동안 경화되고 상부층은 처음에 10분 동안 경화된다. 그 후, 이들 조립된 층은 추가로 30분 동안 경화된다. 시바-가이기(Ciba-Geigy) 케미컬스가 제조한 Irgacure 500 혼합물 0.5% 부피/부피에 의해 반응이 촉진된다. 그 결과 생기는 탄성중합체 재료는 적당한 탄성과 유리에 대한 접착성을 나타낸다.

별법으로서, 그 밖의 결합 방법, 예컨대 플라즈마에 노출시킴으로써 탄성중합체 표면을 활성화하여 탄성중합체층/기판이 접촉 배치될 때 이들을 결합시키는 등의 방법이 사용될 수도 있다. 예컨대, 동일한 재료로 구성된 탄성중합체층을 결합시키는 한 가지 가능한 기법은 본원에 참조로 포함되어 있는 Duffy 등이 "Rapid Prototyping of Microfabricated Systems in Poly(dimethylsiloxane)" 제목으로 발표한 분석화학(Analytical Chemistry)(1998), 70, 4974-4984에 기재되어 있다. 이 논문은 폴리디메틸실록산(PDMS)층을 산소 플라즈마에 노출시켜 표면의 산화를 야기하고, 2개의 산화된 층이 접촉 배치될 때 비가역적인 결합이 일어나는 것을 설명하고 있다.

연속하는 탄성중합체층을 결합하는 또 다른 기법은 비경화된 탄성중합체의 접착성을 이용하는 것이다. 특히, RTV 615 등과 같은 비경화된 탄성중합체의 얇은 층이 제1 경화된 탄성중합체층의 위에 도포된다. 다음에, 제2 경화된 탄성중합체층이 상기 비경화된 탄성중합체층 위에 배치된다. 그 후, 비경화된 탄성중합체의 얇은 중간층이 경화되어 모놀리식 탄성중합체 구조체를 생성한다. 별법으로서, 비경화된 탄성중합체가 제1 경화된 탄성중합체층의 바닥에 도포되고, 제1 경화된 탄성중합체층은 제2 경화된 탄성중합체층 위에 배치될 수 있다. 중간의 얇은 탄성중합체층을 다시 경화하면 모놀리식 탄성중합체 구조체를 형성하게 된다.

도 8 내지 도 18과 관련하여 전술된 바와 같이 탄성중합체 구조체를 가공하는 데 희생층의 격납이 채용되는 용례에서는, 비경화된 탄성중합체를 미리 경화된 탄성중합체층과 그 위에 패터닝된 임의의 희생 물질 위에 부음으로써 연속하는 탄성중합체층의 결합이 달성될 수도 있다. 탄성중합체층간의 결합은 비경화된 탄성중합체층의 폴리머 사슬과 경화된 탄성중합체층의 폴리머 사슬의 상호 침투 및 반응으로 인해 일어난다. 뒤이은 탄성중합체층의 경화는 탄성중합체층간의 결합을 일으키고 모놀리식 탄성중합체 구조체를 형성할 것이다.

도 1 내지 도 7b의 제1 방법을 참조하면, 제1 탄성중합체층(20)은 마이크로 가공된 몰드(12) 위에서 RTV 혼합물을 2000 rpm으로 30초 동안 스핀 코팅하여 약 40 ㎛의 두께로 생성됨으로써 형성된다. 제2 탄성중합체층(22)은 마이크로 가공된 몰드(11) 위에서 RTV 혼합물을 스핀 코팅함으로써 형성된다. 이들 층(20 및 22)은 모두 1.5 시간동안 약 80℃에서 개별적으로 소성되거나 경화된다. 제2 탄성중합체층(22)은 약 1.5 시간동안 약 80℃에서 제1 탄성중합체층(20) 위에 결합된다.

마이크로 가공된 몰드(10 및 12)는 실리콘 웨이퍼 상의 포토레지스트를 패터닝하여 구성될 수도 있다. 예시적인 양태에서, 쉬플리(Shipley) SJR 5740 포토레지스트는 2000 rpm으로 스핀되고, 마스크로서 고해상도 투명 필름을 사용하여 패터닝되며, 그 후 현상되어 높이가 약 10 ㎛인 인버스 채널(inverse channel)을 생성한다. 약 200℃로 약 30분 동안 소성될 때, 포토레지스트는 환류하며 인버스 채널은 라운딩된다. 바람직한 양태에서, 몰드는 실리콘 고무의 접착을 방지하기 위해 각각 사용하기 전에 트리메틸클로로실란(TMCS) 증기로 약 1분 동안 처리된다.

전술된 다양한 다층 소프트 리소그래피 구성 기술 및 재료를 이용하여, 본원의 발명자는 각 층의 두께가 약 40 ㎛인 7개의 별개의 탄성중합체층으로 이루어진 채널망을 형성하는 데까지 실험적으로 성공하였다. 7개 이상의 상호 결합된 별개의 탄성중합체층을 포함하는 장치가 개발될 수 있을거라고 예견할 수 있다.

적절한 탄성중합체 재료

올콕 등(Allcock et al)의 최신 폴리머 화학(2판)은 그 유리 전이 온도와 액화 온도 사이의 온도에서 존재하는 일반적인 폴리머인 탄성중합체를 설명한다. 폴리머 사슬은 힘에 응답하여 골격 사슬(backbone chain)의 풀림을 허용하는 비틀림 운동을 쉽게 받고, 이 골격 사슬은 힘이 가해지지 않을 때 이전의 형태를 다시 취하도록 다시 감기기 때문에, 탄성중합체 재료는 탄성을 나타낸다. 일반적으로, 탄성중합체는 힘이 가해질 때 변형하지만, 그 후 힘이 제거될 때 원래의 형태로 복원된다. 탄성중합체 재료가 나타내는 탄성은 영의 계수(Young's modulus)에 의해 표현된다. 본 발명에 따르면 영의 계수가 약 1Pa 내지 1TPa, 바람직하게는 약 10 Pa 내지 100 GPa, 더 바람직하게는 약 20 Pa 내지 1 GPa, 더욱 바람직하게는 약 50 Pa 내지 10 MPa, 더 더욱 바람직하게는 약 100 Pa 내지 1 MPa인 탄성중합체 재료가 유용하지만, 특정 용례의 필요에 따라 상기 범위 밖의 영의 계수를 갖는 탄성중합체 재료도 또한 이용될 수 있다.

본 발명의 시스템은 광범위한 탄성중합체로 가공된다. 예시적인 양태에서, 탄성중합체층(20, 22, 42, 46 및 50)은 실리콘 고무로 가공되는 것이 바람직하다. 그러나, 그 밖의 적절한 탄성중합체도 또한 사용될 수 있을 것이다.

본 발명의 예시적인 양태에서, 본 발명의 시스템은 GE RTV 615(제재), 비닐 가교(형) 실리콘 탄성중합체(부류) 등과 같은 탄성중합체로부터 가공된다. 그러나, 본 발명의 시스템은 상기 하나의 제재, 유형 또는 부류의 폴리머에 한정되기보다는, 거의 모든 탄성중합체가 적합하다. 본 발명의 바람직한 마이크로 밸브 가공 방법의 중요한 요건은 복수 개의 탄성중합체층을 상호 결합시킬 수 있는 것이다. 다층 소프트 리소그래피의 경우, 탄성중합체층은 개별적으로 경화된 후 상호 결합된다. 이러한 체계는 경화된 층이 상호 결합할 만한 충분한 반응성을 갖는 것을 필요로 한다. 이들 층은 동일한 유형으로 구성되어 그 자체에 결합될 수 있거나, 또는 2개의 상이한 유형으로 구성되어 서로에 대해 결합될 수 있다. 그 밖의 가능성으로는 이들 층 사이에 접착제를 사용하는 것과 열경화성 탄성중합체를 사용하는 것 등이 있다.

매우 다양한 폴리머 화학물, 전구체, 합성 방법, 반응 조건 및 잠재성 첨가제가 주어져, 모놀리식 탄성중합체 마이크로 밸브 및 펌프를 제작하는데 사용될 수 있는 탄성중합체 시스템은 매우 많이 존재한다. 대부분, 특정 물질의 성질, 즉 용매 저항성, 강성, 기체 투과성 또는 온도 안정성에 대한 필요에 의해 피사용 소재가 변화하게 될 것이다.

탄성중합체에는 많은 유형이 있다. 비교적 "표준"인 폴리머를 사용하여도 결합에 대한 많은 가능성이 존재한다는 것을 보여줄 의향으로, 본원에는 가장 일반적인 클래스의 탄성중합체가 간략하게 설명된다. 일반적인 탄성중합체로는 폴리이소프렌, 폴리부타디엔, 폴리클로로프렌, 폴리이소부틸렌, 폴리(스티렌-부타디엔-스티렌), 폴리우레탄 및 실리콘 등이 있다.

폴리이소프렌, 폴리부타디엔, 폴리클로로프렌:

폴리이소프렌, 폴리부타디엔 및 폴리클로로프렌은 모두 디엔 단량체로부터 중합되므로, 중합될 때 단량체 당 하나의 이중 결합을 갖는다. 이러한 이중 결합은 폴리머가 가황에 의해서 탄성중합체로 변화될 수 있게 한다(기본적으로, 가열에 의해 이 이중 결합 사이에 가교를 형성하는 데에는 황이 사용됨). 이로써, 결합되는 층의 불완전한 가황에 의해 동종의 다층 소프트 리소그래피가 쉽게 허용되고, 동일한 메카니즘에 의해 포토레지스트의 격납도 가능해질 것이다.

폴리이소부틸렌:

순수한 폴리이소부틸렌은 이중 결합을 갖지 않으나, 중합시에는 소량(~1%)의 이소프렌을 포함함으로써 탄성중합체로서 사용하도록 가교 결합된다. 이소프렌 단량체는 폴리이소부틸렌 골격 상에 측쇄(pendant) 이중 결합을 제공하고, 그 후 이 폴리이소부틸렌은 전술한 바와 같이 가황될 것이다.

폴리(스티렌-부타디엔-스티렌):

폴리(스티렌-부타디엔-스티렌)은 리빙 음이온 중합(즉, 반응시에 자연적인 사슬 종결 단계가 없슴)에 의해 생성되므로, "리빙" 폴리머 단부는 경화된 폴리머에 존재할 수 있다. 이로써, 폴리(스티렌-부타디엔-스티렌)은 본 발명의 포토레지스트 격납 시스템(경화된 층 위에 부어지는 액체층에 비반응 단량체가 다량 존재함)에 대해서 자연적인 후보가 된다. 불완전한 경화는 동종의 다층 소프트 리소그래피(A 대 A)의 결합을 가능케 한다. 또한, 상기 화학물은 과량 부타디엔("A")과 결합제로 일층을 형성하고, 부타디엔이 부족하면 다른 층("B")을 형성하는 것(이종의 다층 소프트 리소그래피의 경우)을 조장한다. SBS는 "열경화성 탄성중합체"이며, 이는 일정 온도 이상에서는 용융하여 소성을 갖게 되고(탄성의 반대), 온도가 떨어지면 다시 탄성중합체를 생성하는 것을 의미한다. 따라서, 층들은 가열에 의해 상호 결합될 수 있다.

폴리우레탄:

폴리우레탄은 디이소시아네이트(A-A) 및 디알콜이나 디아민(B-B)으로부터 생성되고, 매우 다양한 디이소시아네이트 및 디알콜/아민이 존재하므로 서로 다른 폴리우레탄의 유형의 수도 방대하다. 그러나, A 폴리머 성질과 B 폴리머 성질의 대비로 인해 폴리우레탄은 과량(A-A)을 일층에 사용하고 과량(B-B)을 타층에 사용함으로써 RTV 615와 같은 이종의 다층 소프트 리소그래피에 유용하게 된다.

실리콘:

실리콘 폴리머는 아마도 구조적으로 가장 다양하고, 시판 중인 제재의 수도 가장 많다는 것이 거의 확실하다. RTV 615의 비닐 대 (Si-H)의 가교결합(이종의 다층 소프트 리소그래피 및 포토레지스트 격납을 모두 가능케 함)은 이미 설명되었으나, 이는 실리콘 폴리머 화학에서 사용되는 여러 가교결합 방법 중 단지 한가지일 뿐이다.

가교제:

전술된 간단한 "순수" 폴리머의 사용 이외에도, 가교제가 첨가될 수 있다. 일부 가교제(가황용 측쇄 이중 결합을 포함하는 단량체와 같은 것)는 동종의(A 대 A) 다층 소프트 리소그래피 또는 포토레지스트 격납을 가능케 하는 데 적합하며, 이러한 기법에서 동일한 가교제는 양 탄성중합체층에 혼합된다. 상보성 가교제(즉, 일 단량체는 측쇄 이중 결합을 포함하고, 다른 단량체는 측쇄 Si-H 그룹을 포함함)는 이종의(A 대 B) 다층 소프트 리소그래피에 적합하다. 이러한 기법에서, 상보성 가교제는 인접한 층에 첨가된다.

다른 물질:

또한, 클로로실란이나 메틸-, 에틸- 및 페닐실란 그리고 다우(Dow) 케미컬스 코포레이션의 Sylgard 182, 184 또는 186 등과 같은 폴리디메틸실록산(PDMS)이나 UCB 케미컬의 Ebecryl 270 또는 Irr 245 등과 같은(그러나, 이에 한정되지는 않음) 지방족 우레탄 디아크릴레이트 등의 물질을 포함하는 폴리머도 사용될 수 있다.

다음은 본 발명과 관련하여 이용될 수 있는 탄성중합체 재료의 통상의 리스트이다. 폴리이소프렌, 폴리부타디엔, 폴리클로로프렌, 폴리이소부틸렌, 폴리(스티렌-부타디엔-스티렌), 폴리우레탄 및 실리콘 폴리머; 또는 폴리(비스(플루오로알콕시)포스파젠)(PNF, Eypel-F), 폴리(카보레인-실록산)(Dexsil), 폴리(아크릴로니트릴-부타디엔)(니트릴 고무), 폴리(1-부텐), 폴리(클로로트리플루오로에틸렌-불화 비닐리덴) 공중합체(Kel-F), 폴리(에틸 비닐 에테르), 폴리(불화 비닐리덴), 폴리(불화 비닐리덴-헥사플루오로프로필렌) 공중합체(Viton), 탄성중합체 조성의 폴리염화비닐(PVC), 폴리술폰, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 및 폴리테트라플루오로에틸렌(Teflon).

도핑 및 희석:

또한, 탄성중합체는 동일한 클래스의 가교결합이 불가능한 폴리머 사슬로 "도핑"된다. 예컨대, RTV 615는 GE의 SF96-50 실리콘 유체로 희석된다. 이는 비경화된 탄성중합체의 점성을 저하시키고 경화된 탄성중합체의 영의 계수를 저하시키는 역할을 한다. 본래, 가교결합이 가능한 폴리머 사슬은 "불활성" 폴리머 사슬의 첨가에 의해 더 분산되므로, 이를 "희석"이라 부른다. RTV 615는 90% 미만의 희석에서 경화하고 영의 계수는 매우 효과적으로 저하된다.

도 49는 A:B의 비가 30:1인 RTV 615 탄성중합체에 GE의 희석제인 GE SF96-50을 사용하여 희석한 비율 대 영의 계수를 도표로 나타낸 것이다. 도 49는 탄성중합체 재료의 가요성과, 그에 따른 장치의 가공 중에 제어 가능하게 가해지는 작용력에 대한 밸브 박막의 응답성을 나타내고 있다.

탄성중합체 재료 도핑의 다른 예로는, 장치의 박막 작동의 대안과 관련하여 이하에 상세히 설명되는 바와 같이 전기 전도성 또는 자성 종류의 물질을 도입하는 것 등이 있다. 바람직하다면, 탄성중합체 재료와 상이한 굴절율을 갖는 물질(즉, 실리카, 다이아몬드, 사파이어)의 미세한 입자로 도핑하는 것도 또한 물질의 굴절율을 바꾸기 위한 시스템으로서 고려된다. 탄성중합체가 채색되거나 입사 광선에 대해 불투명하게 되도록 강한 흡수 입자 또는 불투명한 입자가 첨가될 수도 있다. 이는 광학적으로 주소 지정이 가능한 시스템에 유익할 것이라고 생각될 수 있다.

끝으로, 특정 화학종으로 탄성중합체를 도핑함으로써, 이들 도핑된 화학종은 탄성중합체의 표면에 나타내어지고, 따라서 추가의 화학적 유도화를 위한 개시점 또는 앵커(anchors)의 역할을 한다.

전처리 및 표면 코팅

탄성중합체 재료가 일단 적절한 형태로 성형 또는 에칭되면, 특정 용례에 관한 작업을 용이하게 하기 위하여 상기 물질을 전처리할 필요가 있다.

예컨대, 본 발명에 따른 탄성중합체 장치의 가능한 일 용례로는 세포 또는 DNA 등과 같은 생물체를 분류하는 것이 있다. 이러한 용례에서, 생물체의 소수성(疏水性)으로 인해 생물체는 채널벽의 소수성 탄성중합체에 접착될 것이다. 따라서, 채널벽에 소수 특성을 부여하기 위해 탄성중합체 구조체를 전처리하는 것은 유용할 것이다. GE사의 RTV 615 탄성중합체를 이용하는 본 발명의 실시예에서, 이는 형성된 탄성중합체를 산에서 끓임으로써(예컨대, 물 중에 0.01% HCl, pH 2.7, 40분 동안 60℃로) 수행될 수 있다.

또한, 탄성중합체 재료의 전처리의 그 밖의 유형도 본 발명에 의해 고려된다. 예컨대, 탄성중합체의 특정 부분이 전처리되어 표면의 화학 반응(예컨대, 펩티드 사슬의 형성에서)을 위한 앵커를 형성하거나 항체용 결합점을 형성하며, 이는 주어진 용례에서 유익할 것이다. 탄성중합체 재료의 전처리의 다른 예로는, 마이크로미러 어레이 용례와 관련하여 이하에 상세히 설명되는 바와 같아 탄성중합체 표면에 반사성 물질을 도입하는 것 등이 있다.

본 발명의 작업 방법

도 7b 및 도 7h는 모두 제2 흐름 채널이 가압됨으로써 제1 흐름이 폐쇄되는 것을 보여주는 것으로, 도 7b는[도 7a에 상응하는 것으로, 흐름 채널(32)을 가로질러 절단한 전방 단면도] 개방된 제1 흐름 채널(30)을 도시하며, 도 7h는 제2 흐름 채널(32)이 가압됨으로써 제1 흐름 채널(30)이 폐쇄되는 것을 보여준다.

도 7b를 참조하면, 제1 흐름 채널(30) 및 제2 흐름 채널(32)이 도시되어 있다. 박막(25)은 이들 흐름 채널을 분리하고, 제1 흐름 채널(30)의 상단과 제2 흐름 채널(32)의 바닥을 형성한다. 확인할 수 있는 바와 같이, 흐름 채널(30)은 "개방"상태이다.

도 7h에서 확인할 수 있는 바와 같이, 흐름 채널(32)이 가압됨으로써(그 안에 도입되는 가스 또는 액체에 의해) 박막(25)이 하향 편향되고, 이로 인해 흐름 채널(30)을 통과하는 흐름(F)이 핀치-오프(pinch-off)된다. 따라서, 채널(32)에서 의 압력을 변화시킴으로써, 선형으로 작동가능한 밸브 시스템이 제공되며, 이로써 흐름 채널(30)은 필요에 따라 박막(25)을 움직임으로써 개방 또는 폐쇄될 수 있다[단지 예시를 목적으로, 도 7g의 채널(30)은 "완전 폐쇄" 위치보다는 "거의 폐쇄된" 위치로 도시되어 있음].

이와 정확하게 동일한 밸브 개방 및 폐쇄 방법이 흐름 채널(60 및 62)에서 수행될 수 있다고 이해될 것이다. 상기 밸브는 채널 자체의 루프(roof)를 이동시킴으로써[즉, 박막(25)을 이동시킴으로써] 작동되므로, 이 기술에 의해 제조되는 밸브 및 펌프는 실제로 무용 용적이 0이며, 이 기술에 의해 제조되는 스위칭 밸브의 무용 용적은 밸브의 유효 용적, 예컨대 약 100 ×100 ×10 ㎛ = 100 pL과 거의 동일하다. 박막의 이동에 의해 없어지는 이러한 무용 용적 또는 구역은 공지의 통상의 마이크로 밸브보다 그 크기가 약 2배 정도 더 작다. 더 작거나 큰 밸브 및 스위칭 밸브가 본 발명에서 고려되며, 무용 용적 범위의 통상의 리스트로는 1aL 내지 1 uL, 100 aL 내지 100 nL, 1 fL 내지 10 nL, 100 fL 내지 1 nL 및 1pL 내지 100 pL 등이 있다.

본 발명에 따른 펌프 및 밸브에 의해 전달될 수 있는 매우 작은 용적은 상당한 유익을 나타낸다. 특히, 수동으로 계량될 수 있는 공지의 가장 작은 유체의 용적은 대략 0.1 ㎕ 이다. 자동화된 시스템으로 계량될 수 있는 가장 작은 용적은 약 10 배 더 크다(1 ㎕). 본 발명에 따른 펌프 및 밸브를 이용하면, 10 nℓ이하의 용적이 정기적으로 계량 및 분배될 수 있다. 본 발명에 의해 가능하여진 매우 작은 용적의 유체의 정확한 계량은 진단 시험 및 분석 등의 아주 많은 생물학적 용례 에서 매우 가치있다.

방정식 1은 가해진 압력에 의한 균일 두께의 정방형, 선형, 탄성, 등방성 판의 변형을 매우 간단하게 수학적으로 모델링하여 나타낸 것이다.

(1) w = (BPb⁴)/(Eh³)

여기에서, w=판의 변형

B=형상 계수(길이 대 폭의 비와 판 가장자리의 지지에 따라 결정됨)

P=가해진 압력

b=판의 폭

E=영의 계수

h=판의 두께

따라서, 상기 매우 단순화된 식에서도 압력에 대한 탄성중합체 박막의 변형은 박막의 길이, 폭 및 두께, 박막의 가요성(영의 계수) 그리고 가해진 작용력의 함수가 될 것이다. 이들 매개 변수 각각은 본 발명에 따른 특정 탄성중합체 장치의 실제 크기와 물리적 조성 등에 따라 광범위하게 변화하므로, 광범위한 박막의 두께 및 탄성, 채널의 폭 그리고 작용력이 본 발명에 의해 고려되어진다.

일반적인 박막은 균일한 두께를 갖지 않고, 박막의 두께는 길이 및 폭에 비해 반드시 작은 것은 않으며, 변형은 박막의 길이, 폭 또는 두께에 비해 반드시 작은 것은 아니므로, 상기 표현된 식은 단지 근사한 것으로 이해될 것이다. 그럼에도 불구하고, 상기 방정식은 가변 변수를 조정하기 위한 유용한 가이드의 역할을 하여, 가해진 힘에 대한 변형의 바람직한 반응을 얻는다.

도 21a 및 도 21b는 폭이 100 ㎛인 제1 흐름 채널(30)과 폭이 50 ㎛인 제2 흐름 채널(32)에 있어서 가해진 압력 대 밸브의 개방을 예시한 것이다. 이 장치의 박막은 GE의 실리콘 RTV 615 층에 의해 형성된 것으로, 그 두께가 약 30 ㎛이고 영의 계수가 약 750 kPa이다. 도 21a 및 도 21b는 가해진 압력의 대부분의 범위에 걸쳐서 밸브의 개방도가 실질적으로 선형임을 보여주고 있다. 본 발명은 이러한 선형 작동 특성을 필요로 하지 않지만, 본 발명의 실시예는 <여기에 삽입>.

외경이 0.025"이고 내경이 0.013"이며 길이가 25 mm인 피하주사형 스테인레스관에 연결되어 있는 외경이 0.025"이고 길이가 10 cm인 플라스틱 관을 통해 공기 압력이 가해져 장치의 박막을 작동시킨다. 상기 관은 제어 채널과 직각을 이루는 방향으로 탄성중합체 블록에 삽입됨으로써 제어 채널과 접촉하여 배치되었다. 공기 압력은 Lee Co에 의해 제조된 외부의 LHDA 소형 솔레노이드 밸브로부터 상기 피하주사형 관에 가해진다.

통상의 마이크로유체 장치를 외부의 유체 흐름에 연결하면 전술한 외부 구성에 의해 회피되는 많은 문제점들이 제기된다. 이러한 문제점 중 하나로는 외부 환경과의 연결부의 취약성이다. 특히, 통상의 마이크로유체 장치는 경질의 강성 물질(실리콘 등)로 구성되고, 그것에 외부 요소와의 연결을 허용하는 파이프 또는 관이 결합되어야만 한다. 통상의 물질의 강성으로 인해 작고 민감한 외부관과의 접촉점에 상당한 물리적 응력이 발생하며, 통상의 마이크로유체 장치는 상기 접촉점에서 균열 및 누출이 일어나기 쉽게 된다.

이와는 대조적으로, 본 발명의 탄성중합체는 가요성이며, 경질의 물질로 구성된 관에 의한 외부 연결을 위해 쉽게 천공될 수 있다. 예컨대, 도 1 내지 도 7b에 도시된 방법을 이용하여 가공된 탄성중합체 구조체에서, 이 구조체의 외부 표면으로부터 제어 채널로 연장되는 구멍은, 탄성중합체의 상편이 몰드로부터 제거된 후(도 3에 도시된 바와 같이) 그리고 이 상편이 탄성중합체의 하편에 결합되기 전에(도 4에 도시된 바와 같이) 피하주사형 금속관으로 탄성중합체를 천공함으로써 만들어질 수 있다. 이들 단계 사이에, 제어 채널의 루프는 사용자의 시야에 노출되어 구멍의 삽입 및 적절한 위치 설정을 하기가 쉽다. 장치의 가공이 완료된 후에, 피하주사형 금속관이 상기 구멍에 삽입되고 유체 연결부를 완성한다.

또한, 본 발명의 탄성중합체는 외부 연결부와의 접촉점에서의 물리적 스트레인(strain)에 반응하여 수축할 것이며, 외부의 물리적 연결부는 더욱 견고해진다. 이러한 가요성은 본 발명의 장치에서 균열 또는 누출이 일어날 가능성을 상당히 저하시킨다.

통상의 마이크로유체 장치의 다른 단점은 장치와 그 외부 연결부 사이를 효과적으로 밀봉하기가 곤란하다는 것이다. 이들 장치의 채널의 직경이 매우 협소하기 때문에, 적당한 유량에서도 매우 높은 압력을 필요로 할 수 있다. 장치와 외부 연결부 사이의 접합부에서 바람직하지 못한 누출이 일어날 수도 있다. 그러나, 본원 장치의 탄성중합체의 가요성은 압력에 관한 누출을 극복하는 데에도 일조한다. 특히, 가요성 탄성중합체 재료는 내압성 시일을 형성하기 위해 상기 삽입된 관의 둘레를 따라 수축한다.

지금까지는 장치를 통한 물질의 흐름이 인가되는 가스의 압력을 이용하여 제어되는 것으로 설명되었지만, 다른 유체도 이용될 수 있다. 예컨대, 공기는 압축성이므로 외부의 솔레노이드 밸브에 의한 압력의 인가 시간과 박막이 상기 압력을 체험하는 시간 사이에 소정의 지연을 경험한다. 본 발명의 변형예에서, 압력은 외부 공급원으로부터 물 또는 유압유 등과 같은 비압축성 유체에 가해질 수 있고, 가해진 압력이 거의 동시에 박막에 전해지게 된다. 그러나, 만약 밸브의 치환되는 용적이 크거나 제어 채널이 협소하다면, 제어 유체의 높은 점성은 작동시 지연의 원인이 될 수도 있다. 따라서, 압력을 전달하기 위한 최적의 매체는 특정 용례 및 장치의 구조에 따라 결정되며, 기상 및 액상 매체는 모두 본 발명에서 고려된다.

전술한 바와 같이 외부에서 인가되는 압력은 압력 조절기 및 외부의 소형 밸브를 통해 펌프/탱크 시스템에 의해서 인가되었지만, 본 발명에서는 가스 탱크, 압축기, 피스톤 시스템 및 액체 충진탑 등의 그 밖의 외부 압력 인가 방법도 고려되어진다. 또한, 혈압, 위액의 압력, 뇌척수액의 압력, 안구내 공간의 압력 및 정상적인 굽힘 동작 중에 근육에 의해 가해지는 압력 등의 생체 내부에서 발견되는 것과 같이, 자연적으로 발생하는 압력원의 사용도 고려되어진다. 또한, 소형 밸브, 펌프, 거시적인 연동 펌프, 핀치 밸브 및 해당 분야에서 공지된 다른 유형의 유체 조절 장비 등과 같은 그 밖의 외부 압력 조절 방법도 고려되어진다.

확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 밸브의 응답은 최소의 이력을 보이면서 그 운행 범위의 대부분에 걸쳐서 거의 완벽하게 선형인 것이 실험에 의해 보여졌다. 따라서, 본 발명은 마이크로유체의 계량 및 유체 제어를 하는 데 이상적으로 적합하다. 밸브 응답의 선형성은 개개의 밸브가 후크 법칙의 스프링과 같이 잘 모델링되었다는 것을 증명한다. 또한, 작동 압력을 증가시킴으로써 흐름 채널 내의 높은 압력(즉, 배압)에 간단히 대응할 수 있다. 실험적으로, 본원의 발명자는 70 kPa의 배압에서 밸브를 폐쇄하였지만, 더 높은 압력도 고려되어진다. 본 발명에 포함되는 압력 범위의 통상의 리스트는 다음과 같다. 10 Pa 내지 25 MPa, 100 Pa 내지 10 MPa, 1 kPa 내지 1 MPa, 1 kPa 내지 300 kPa, 5 kPa 내지 200 kPa 및 15 kPa 내지 100 kPa.

밸브 및 펌프를 개방 및 폐쇄하는 데 선형 작동을 필요로 하지는 않지만, 선형 응답성은 밸브가 좀 더 용이하게 계량 장치로서 사용될 수 있게 한다. 본 발명의 일 실시예에서, 밸브의 개방은 기지의 폐쇄 정도로 부분적으로 작동됨으로써 유량을 제어하는 데 사용된다. 밸브가 선형 작동함으로써, 필요한 폐쇄 정도로 밸브를 폐쇄하는 데 필요한 작용력의 양을 결정하는 것이 더 용이해진다. 선형 작동의 다른 유익으로는 밸브를 작동하는 데 필요한 힘이 흐름 채널 내의 압력으로부터 쉽게 결정된다는 것이다. 만약 선형으로 작동하면, 밸브의 작동되는 부분에 대하여 동일한 압력(단위 면적 당 힘)을 가함으로써 흐름 채널 내의 상승된 압력에 대응할 것이다.

밸브의 선형성은 구조, 구성 및 밸브 구조체의 작동 방법에 따라 결정된다. 또한, 밸브에서 선형성이 바람직한 특성인지의 여부는 용례에 따라 결정된다. 따라서, 선형적 및 비선형적으로 모두 작동가능한 밸브가 본 발명에서 고려되어지며, 밸브가 선형적으로 작동가능한 압력의 범위는 특정 실시예에 따라 바뀔 것이다.

도 22는 칩으로부터 전술된 공압밸브까지 연결된 길이가 10 cm인 공기관을 구비한 100 ㎛ ×100 ㎛ ×10 ㎛ RTV 마이크로 밸브의 응답시간(즉, 가해진 압력의 변화에 응답하는 시간의 함수로서 밸브를 폐쇄)을 예시한다.

2주기의 디지털 제어 신호, 관의 단부에서의 실제 공기 압력 및 밸브의 개방도가 도 22에 도시되어 있다. 제어 라인에 가해지는 압력은 100 kPa이며, 이는 밸브를 폐쇄하는 데 필요한 ∼40 kPa보다 상당히 더 높은 것이다. 따라서, 폐쇄시 밸브는 필요한 것보다 60 kPa 더 큰 압력으로 폐쇄되어 압박된다. 그러나, 개방시 밸브는 그 자체의 스프링력(≤40 kPa)에 의해서만 그 정지 위치로 복귀 구동된다. 따라서,

는

보다 더 작은 것으로 예상된다. 또한, 압력을 제어하는 데 사용되는 소형 밸브의 제한으로 인해 제어 신호와 제어 압력의 응답 사이에 지연(lag)이 존재한다. 상기 지연은 t, 1/e 시간상수는

라 하며, 그 값은 t_open = 3.63 ms,

= 1.88 ms, t_close = 2.15 ms,

= 0.51 ms 이다. 만약 3개의

각각이 개방 및 폐쇄용으로 허용된다면, 밸브는 액상 용액으로 채워질 때 75 Hz에서 안정되게 작동한다.

개방 및 폐쇄 지연을 받지 않는 다른 작동 방법을 사용한다면, 이 밸브는 ∼375 Hz에서 작동할 것이다. 또한, 스프링 상수는 박막의 두께를 바꿈으로써 조정될 수 있고, 이로써 빠른 개방 또는 폐쇄를 위한 최적화가 가능하게 된다는 것을 주지하라. 또한, 스프링 상수는 박막의 탄성(영의 계수)을 변화시킴으로써 조정될 수 있으며, 이는 박막에 도펀트를 도입하거나 박막의 기능을 하는 상이한 탄성중합체 재료를 이용함으로써(도 7c 내지 도 7h와 관련하여 전술됨) 가능하다.

도 21 및 도 22에 예시된 바와 같은 밸브의 특성을 실험적으로 측정할 때, 밸브의 개방도는 형광법에 의해 측정되었다. 이 실험에서, 흐름 채널은 완충 물질(pH ≥8)에 형광 이소티오시아네이트(FITC)를 넣은 용액으로 채워지고, 이 채널의 중앙에서 1/3을 차지하는 평방 면적의 형광물질은 대역폭이 10 kHz이고 광전자 증배관을 구비한 형광현미경(epi-fluorescene microscope)에서 모니터된다. 거의 동일한 공기압 연결부를 통해 제어 라인과 거의 동시에 가압되는 휘트스톤-브리지 압력센서(SenSym SCC15GD2)를 이용하여 압력이 모니터된다.

흐름 채널의 단면

본 발명의 흐름 채널은 단면의 크기와 형태가 상이하게 선택적으로 설계되어, 그 필요한 용례에 따라 상이한 유익을 제공한다. 예컨대, 하부 흐름 채널의 단면 형태는 그 전체 길이에 걸쳐 또는 상부의 교차 채널 밑에 있는 영역에서 상부면이 만곡되어 있을 수 있다. 이러한 만곡된 상부면은 다음과 같이 밸브의 밀봉을 용이하게 한다.

도 19는 흐름 채널(30 및 32)을 통과하는 단면도이다(도 7b와 유사함). 확인할 수 있는 바와 같이, 흐름 채널(30)의 단면 형태는 직사각형이다. 본 발명의 변형된 바람직한 양태에서는, 도 20에 도시된 바와 같이 흐름 채널(30)의 단면은 그 대신에 상부면이 만곡되어 있다.

먼저 도 19를 참조하면, 흐름 채널(32)이 가압될 때, 흐름 채널(30 및 32)을 분리하는 탄성중합체 블록(24)의 박막 부분(25)은 점선 25A, 25B, 25C, 25D 및 25E 으로 도시된 연속적인 위치로 하향 이동할 것이다. 확인할 수 있는 바와 같이, 평탄한 기판(14) 부근의 흐름 채널(30) 가장자리에서 불완전한 밀봉이 생길 수 있다.

도 20의 바람직한 변형예에서, 흐름 채널(30a)의 상부벽(25A)은 만곡되어 있다. 흐름 채널(32)이 가압될 때, 박막 부분(25)은 점선 25A2, 25A3, 25A4 및 25A5으로 도시된 연속적인 위치로 하향 이동하고, 박막의 가장자리 부분이 먼저 흐름 채널쪽으로 이동하며, 이어서 박막의 상단 부분이 이동한다. 이와 같이 박막(25A)에서 상부면이 만곡되어 있으면, 흐름 채널(32)이 가압될 때 좀더 완전한 밀봉이 마련된다는 점이 유익하다. 특히, 흐름 채널(30)의 상부벽은 그 가장자리가 평탄한 기판(14)에 대해 연속적으로 접촉하고, 이로 인해 도 19에 도시된 흐름 채널(30)의 벽(25)과 바닥 사이에서 발견되는 "섬"형 접촉을 피한다.

또한, 박막(25A)에서 흐름 채널의 상부면이 만곡되어 있으면, 박막이 작동에 응답하여 흐름 채널의 형태 및 용적을 더 쉽게 순응시킬 수 있다는 점이 유익하다. 특히, 직사각형 흐름 채널이 채용된 경우, 그 전체 둘레[2 ×(흐름 채널의 높이 + 흐름 채널의 폭)]가 흐름 채널쪽으로 강제로 이동되어야만 한다. 그러나, 아치형 흐름 채널이 사용되는 경우에는, 더 작은 둘레의 소재(단지 반원형 아치부)가 채널쪽으로 강제로 이동되어야만 한다. 이러한 방식으로, 박막은 작동 중에 둘레의 변화를 덜 필요로 하며, 따라서 흐름 채널을 차단하기 위해 가해진 작용력에 더 나은 응답성을 나타낸다.

다른 양태에서(도시 생략), 흐름 채널(30)의 바닥은 그 곡면이 전술한 도 20에 도시된 바와 같이 만곡된 상부벽(25A)과 합치하도록 라운딩된다.

요약하면, 작동시 박막이 경험하는 실제 형태의 변화는 특정 탄성중합체 구조체의 형상에 따라 결정될 것이다. 특히, 형태의 변화는 박막의 길이와 폭과 두께의 프로파일, 구조체의 나머지 부분에 대한 박막의 접착성, 흐름 및 제어 채널의 높이와 폭과 형태 그리고 사용되는 탄성중합체의 물질 특성에 따라 결정될 것이다. 또한, 형태의 변화는 작동 방법에 따라 결정되고, 따라서 가해지는 압력에 응답하는 박막의 작동은 자기력 또는 정전기력에 응답하는 작동과 다소 다를 것이다.

또한, 바람직한 박막의 형태의 변화는 탄성중합체 구조체에 대한 특정 용례에 따라 다를 것이다. 전술한 가장 간단한 실시예에서, 밸브는 개방 또는 폐쇄되고, 밸브의 폐쇄 정도를 제어하기 위해 계측된다. 그러나, 다른 실시예에서는, 더 복잡하게 흐름을 조절하기 위해 박막 및/또는 흐름 채널의 형태를 변경하는 것이 바람직할 것이다. 예컨대, 흐름 채널은 박막 부분 밑에 융기된 돌출부가 마련될 수 있어, 작동시 박막이 흐름 채널을 통과하는 일정 비율의 흐름만을 차단하고, 이 차단된 일정 비율의 흐름은 가해지는 작용력에 응답하지 않는다.

직사각형, 사다리꼴, 원형, 타원형, 포물선형, 쌍곡선형, 다각형 그리고 이들 형상의 일편 등, 다수의 박막 두께의 프로파일 및 흐름 채널의 단면이 본 발명에서 고려되어진다. 또한, 바로 앞에 설명된 돌출부를 구비한 실시예 또는 흐름 채널 내에 오목부를 구비한 실시예 등과 같은 더 복잡한 단면 형태가 본 발명에서 고려되어진다.

다른 밸브 작동 기술

전술한 압력식 작동 시스템 이외에, 임의의 정전기식 작동 시스템 및 자기식 작동 시스템도 또한 다음과 같이 고려되어진다.

정전기식 작동은 정반대로 대전된 전극(전압차가 가해질 때 서로를 끌어당기는 경향이 있음)을 모놀리식 탄성중합체 구조체에 직접 형성함으로써 달성될 수 있다. 예컨대, 도 7b를 참조하면 임의의 제1 전극(70)(가상으로 도시됨)은 박막(25) 위에(또는 내에) 배치될 수 있으며, 임의의 제2 전극(72)(역시 가상으로 도시됨)은 평탄한 기판(14) 위에(또는 내에) 배치될 수 있다. 전극(70 및 72)이 정반대의 극으로 대전될 때, 2개의 전극간의 인력으로 인해 박막(25)이 하향 편향되어 "밸브"를 폐쇄[즉, 흐름 채널(30)을 폐쇄]시킬 것이다.

박막의 전극은 충분히 전도성을 띠어서 정전기식 작동을 유지하지만, 밸브의 동작을 방해할 정도로 기계적 강성을 갖지 않도록, 충분하게 가요성을 띠는 전극이 박막(25) 위에 또는 내에 마련되어야만 한다. 이러한 전극은 전도성 물질로 폴리머를 도핑하거나 전도성 물질로 표층을 형성한 얇은 금속화층에 의해 마련될 것이다.

예시적인 양태에서, 편향하는 박막에 존재하는 전극은, 예컨대 금 20 nm 등과 같은 얇은 금속층을 스퍼터링하여 마련될 수 있는 얇은 금속화층에 의해 제공될 수 있다. 스퍼터링에 의해 금속화 박막을 형성하는 것 이외에, 화학적 적층 성장(chemical epitaxy), 증착, 전기도금 및 무전해도금 등과 같은 그 밖의 금속화 기법도 또한 이용 가능하다. 또한, 예컨대 금속이 잘 부착되지 않는 평탄한 기판 상에 금속을 증착한 후, 금속 위에 탄성중합체를 배치하고 기판에서 금속을 박리함으로써, 금속층을 탄성중합체 표면에 물리적으로 전이시키는 것도 이용 가능하다.

또한, 전도성 전극(70)은 건조 분말을 문지르거나 또는 탄성중합체의 팽창을 일으키는 카본 블랙 현탁액(예컨대, PDMS의 경우 염소화용제)에 탄성중합체를 노출시켜 탄성중합체 표면에 카본 블랙(즉, 캐벗 벌컨 XC72R)을 적층함으로써 형성될 수 있다. 변형예에서, 전극(70)은 전체 층(20)을 전도성 물질(즉, 카본 블랙 또는 미세하게 분쇄된 금속 입자)로 도핑된 탄성중합체로 구성함으로써 형성될 수 있다. 또 다른 변형예에서, 전극은 전기 증착 또는 카본을 생성하는 화학 반응에 의해 형성될 수 있다. 본원의 발명자가 수행한 실험에서, 카본 블랙의 농도가 5.6 ×10^-16 내지 약 5 ×10^-3 (Ω- cm)^-1인 상태에서 전도성이 증가하는 것으로 밝혀졌다. 이동할 필요가 없는 하부 전극(72)은 전술한 바와 같은 유연한 전극이거나 금이 증착된 금속판 또는 도핑된 반도체 전극 등과 같은 통상의 전극이다.

선택적으로, 흐름 채널을 분리하는 박막을 철 등과 같이 자기적으로 극화 가능한 물질 또는 분극된 NdFeB 등과 같이 영구히 자화된 물질로 제조함으로써, 흐름 채널이 자기식으로 작동될 수 있다. 본원의 발명자가 수행한 실험에서, 20 중량% 이하로 철 분말(입자크기가 약 1 um임)을 첨가함으로써 자성을 띤 실리콘이 만들어졌다.

박막이 자기적으로 극화 가능한 물질로 제조된 경우, 박막은 가해진 자기장에 반응하는 인력에 의해 작동될 수 있다. 영구히 자화 상태를 유지할 수 있는 물질로 박막이 제조된 경우, 상기 물질은 먼저 충분히 큰 자기장에 노출되어 자화되고, 그 후 가해지는 비균질한 자기장의 극성에 반응하여 인력 또는 척력으로 작동 될 수 있다.

박막을 작동시키는 자기장은 다양한 방법으로 발생될 수 있다. 일 실시예에서, 자기장은 탄성중합체 박막 내에 또는 인접하게 형성된 매우 작은 유도 코일에 의해 발생된다. 이러한 자기 코일의 작동 효력은 국한되어, 개개의 펌프 및/또는 밸브 구조체의 작동을 허용한다. 선택적으로, 자기장은 더 크고 더 강력한 공급원에 의해 발생될 수 있으며, 이 경우 작동 효력은 광범위하고 복수 개의 펌프 및/또는 밸브 구조체를 동시에 작동시킬 것이다.

또한, 정전기식 또는 자기식 작동과 압력식 작동을 병합할 수 있다. 특히, 리세스와 유체 연통하는 벨로즈(bellows) 구조체는 리세스 내의 압력을 변화시키기 위해 정전기적으로 또는 자기적으로 작동될 수 있고, 이에 의해 리세스 부근의 박막 구조체를 작동시킨다.

또한, 전술한 바와 같은 전기식 또는 자기식 작동 이외에, 임의의 전해식 및 동전기식 작동 시스템도 본 발명에서 고려되어진다. 예컨대, 박막 위에 배치된 리세스 내에서의 전해 반응으로 인해 박막 상에 압력이 작용할 수 있다. 이러한 실시예에서, 리세스 내에 존재하는 전극은 리세스 내에 있는 전해질을 가로질러 전압을 인가할 것이다. 이러한 전위차로 인해 전극에서 전기 화학적 반응이 일어나서 기체종이 발생하게 되고, 리세스 내에서 압력의 차가 발생하게 된다.

선택적으로, 제어 채널 내의 동전기적인 유체 흐름으로 인해 박막 상에 압력이 작용할 수 있다. 이러한 실시예에서, 제어 채널의 대향 단부에 존재하는 전극은 제어 채널 내에 존재하는 전해질을 가로질러 전위차를 인가할 것이다. 전해질 내의 대전된 종들이 각 전극으로 이동함으로써 압력의 차가 발생하게 된다.

끝으로, 열팽창 또는 액체로부터 기체를 생성하는 것에 의해 열에너지를 인가하는 것을 기초로 하여 제어 채널 내에 유체 흐름을 일으켜서 장치를 작동시킬 수 있다. 이와 유사하게, 기상 결과물을 발생시키는 화학 반응은 박막을 작동시키기에 충분할 정도로 압력을 상승시킨다.

그물망 형태로 연결된 시스템

도 23a 및 도 23b는 전술한 시스템(예컨대, 도 7a)과 동일한 단일 온/오프 밸브를 도시한다. 도 24a 및 도 24b는 도 23에 도시된 바와 같은 주소 지정이 가능한 단일 온/오프 밸브 복수 개로 구성되지만 서로 그물망 형태로 연결되어 있는 연동식 펌핑 시스템을 도시한다. 도 25는 도 24의 연동식 펌핑 시스템에 있어서 펌핑율 대 주파수를 실험적으로 수행하여 나타낸 그래프이다. 도 26a 및 도 26b는 단일 제어 라인에 의해 제어 가능한 복수 개의 흐름 채널의 개략도이다. 또한, 이 시스템도 도 23에 도시된 주소 지정이 가능한 단일 온/오프 밸브 복수 개로 구성되고, 도 23의 구성과는 다른 구성으로 다중 결합된다. 도 27은 도 23의 단일 온/오프 밸브 복수 개가 서로 연결되거나 그물망 형태로 결합되어 구성되고, 선택된 채널을 통해 유체의 흐름이 허용되도록 되어 있는 다중화 시스템의 개략도이다.

도 23a 및 도 23b를 참조하면, 흐름 채널(30 및 32)이 도시되어 있다. 바람직하게는, 흐름 채널(30)은 그것을 통과하는 유체(또는 기체)의 흐름(F)을 갖는다. 흐름 채널(32)[본원에 이미 설명되어 있는 바와 같이, 흐름 채널(30) 위를 교차함] 은 가압되어, 이들 흐름 채널을 분리하는 박막(25)이 흐름 채널(30)의 경로쪽으로 눌리며, 전술한 바와 같이 그것을 통과하는 흐름(F)의 통행을 차단한다. 이와 같이, "흐름 채널"(32)도 또한 흐름 채널(30) 내의 단일 밸브를 작동시키는 "제어 라인"으로 불릴 수 있다. 도 23 내지 도 26에서, 복수 개의 상기 주소 지정이 가능한 밸브는 다양한 배열로 서로 연결되거나 그물망 형태로 결합되어, 연동식 펌핑이 가능한 펌프 및 그 밖의 유체 논리 장치로 만들어진다.

도 24a 및 도 24b를 참조하면, 다음과 같은 연동식 펌핑 시스템이 제공된다. 흐름 채널(30)은 그 위를 통과하는 복수 개의 거의 평행한 흐름 채널(즉, 제어 라인)(32A, 32B 및 32C)을 구비한다. 제어 라인(32A)을 가압함으로써, 흐름 채널(30)을 통과하는 흐름(F)은 제어 라인(32A)과 흐름 채널(30)의 교차점에 있는 박막(25A)에 의해 차단된다. 이와 유사하게(도시 생략), 제어 라인(32B)을 가압합으로써, 흐름 채널(30)을 통과하는 흐름(F)은 제어 라인(32B)과 흐름 채널(30) 등의 교차점에 있는 박막(25B)에 의해 차단된다.

각 제어 라인(32A, 32B 및 32C)은 별도로 주소 지정이 가능하다. 따라서, 32A와 32C를 함께, 그에 이어 32A를, 그에 이어 32A와 32B를 함께, 그에 이어 32B와 32C를 함께 작동시키는 패턴 등에 의해 연동 운동이 작동된다. 이는 "0"은 "밸브의 개방"을 지시하고 "1"은 "밸브의 폐쇄"를 지시하는 경우, 연속적인 "101, 100, 110, 010, 011, 001" 패턴에 상응한다. 또한, 이러한 연동 패턴은 120°패턴(3개의 밸브간 작동의 위상각과 관련)으로 공지되어 있다. 60°패턴 및 90°패턴 등과 같은 그 밖의 연동 패턴도 동일하게 가능하다.

본원의 발명자가 수행한 실험에서, 40 kPa의 작동 압력을 받는 100 ×100 ×10 ㎛ 인 밸브를 구비하는 얇은 관(내경이 0.5 mm) 내에서 물기둥이 이동한 거리에 의해 펌핑율이 2.35 nL/s 인 것으로 측정된다. 이 펌핑율은 작동 주파수가 약 75 Hz로 될 때까지는 증가하며, 그 후 200 Hz 이상까지는 거의 일정하다. 또한, 밸브 및 펌프는 꽤 내구성이 있으며, 탄성중합체 박막, 제어 채널 또는 결합부의 고장이 발견되지 않았다. 본원 발명자가 수행한 실험에서, 전술한 연동식 펌프 내의 어떤 밸브에서도 4백만번 이상 작동한 후에 마모 또는 피로의 징후가 나타나지 않았다. 이들의 내구성 이외에도, 이들 밸브는 또한 정숙하다. 대장균(E.Coli) 용액을 채널을 통해 펌핑하고 그 생존 가능성을 시험한 결과 94%의 생존율을 나타냈다.

도 25는 도 24에 도시된 연동식 펌핑 시스템에 대하여 실험적으로 얻은 펌핑율 대 주파수를 나타내는 그래프이다.

도 26a 및 도 26b는 도 21에 도시된 주소 지정이 가능한 밸브 복수 개를 다른 방식으로 조립한 것을 예시한다. 특히, 복수 개의 평행한 흐름 채널(30A, 30B 및 30C)이 마련되어 있다. 흐름 채널(즉, 제어채널)(32)은 흐름 채널(30A, 30B 및 30C)의 위를 가로질러 통과한다. 제어 라인(32)을 가압하면, 제어 라인(32)과 흐름 채널(30A, 30B 및 30C)의 교차점에 있는 박막(25A, 25B 및 25C)이 눌려져 흐름(F1, F2 및 F3)이 동시에 차단된다.

도 27은 다음과 같이 선택된 채널을 통해 유체가 선택적으로 흐를 수 있게 되어 있는 다중화 시스템의 개략도이다. 각 흐름 채널을 분리하는 박막이 그 위를 통과하는 제어 라인으로부터 하향 편향하는 정도는 박막의 치수에 따라 강력하게 결정된다. 따라서, 도 26a 및 26b의 흐름 채널(제어 라인)(32)의 폭에 변화를 줌으로써, 복수 개의 흐름 채널의 위를 통과하고, 또한 단지 필요한 흐름 채널을 작동(즉, 밀봉)시킬 수 있는 제어 라인을 구비할 수 있다. 도 27은 다음과 같이 이러한 시스템의 개략도를 예시한다.

복수 개의 평행한 흐름 채널(30A, 30B, 30C, 30D, 30E 및 30F)은 복수 개의 평행한 제어 라인(32A, 32B, 32C, 32D, 32E 및 32F) 아래에 배치된다. 제어 라인(32A, 32B, 32C, 32D, 32E 및 32F)은 평행한 흐름 채널(30A, 30B, 30C, 30D, 30E 및 30F)을 통과하는 유체의 흐름(F1, F2, F3, F4, F5 및 F6)을 다음과 같이 변형된 전술한 임의의 밸브 시스템을 사용하여 차단하도록 되어 있다.

각 제어 라인(32A, 32B, 32C, 32D, 32E 및 32F)은 폭이 넓은 부분과 폭이 좁은 부분을 모두 구비한다. 예컨대, 제어 라인(32A)은 흐름 채널(30A, 30C 및 30E) 위에 위치하는 곳에서 폭이 넓다. 이와 유사하게, 제어 라인(32B)은 흐름 채널(30B, 30D 및 30F) 위에 위치하는 곳에서 폭이 넓고, 제어 라인(32C)은 흐름 채널(30A, 30B, 30E 및 30F) 위에 위치하는 곳에서 폭이 넓다.

각 제어 라인의 폭이 넓은 위치에서는, 흐름 채널과 제어 라인을 분리하는 박막(25)이 제어 라인의 가압으로 인하여 흐름 채널쪽으로 현저히 눌려지고, 이에 의해 그것을 통한 흐름의 통행이 차단된다. 이와 반대로, 각 제어 라인의 폭이 좁은 위치에서는, 박막도 또한 협소할 것이다. 따라서, 동일한 정도로 가압하면 박막(25)이 흐름 채널(30)쪽으로 눌려지지 않게 될 것이다. 따라서, 그 밑의 흐름의 통행은 차단되지 않을 것이다.

예컨대, 제어 라인(32A)이 가압되면, 흐름 채널(30A, 30C 및 30E) 내의 흐름(F1, F3 및 F5)이 차단될 것이다. 이와 유사하게, 제어 라인(32C)이 가압되면, 흐름 채널(30A, 30B, 30E 및 30F) 내의 흐름(F1, F2, F5 및 F6)이 차단될 것이다. 이해될 수 있는 바와 같이, 하나 이상의 제어 라인은 동시에 작동될 수 있다. 예컨대, 제어 라인(32A 및 32C)이 동시에 가압되어 유체의 흐름(F4)을 제외한 모든 유체 흐름을 차단할 수 있다(32A는 F1, F3 및 F5를 차단하고, 32C는 F1, F2, F5 및 F6을 차단함).

선택적으로, 상이한 제어 라인(32)을 모두 함께 그리고 다양한 순서로 가압함으로써, 다수의 유체 흐름 제어도를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 시스템을 6개 이상의 평행한 흐름 채널(30)과 4개 이상의 평행한 제어 라인(32)으로 확장하고, 제어 라인의 넓고 좁은 영역의 위치를 변경함으로써, 매우 복잡한 유체 흐름 제어 시스템이 제조될 것이다. 이러한 시스템의 특성은 n개의 흐름 채널 중 임의의 하나의 흐름 채널을 단지 2(log₂n) 개의 제어 라인을 사용하여 온 상태로 할 수 있다는 것이다.

본원의 발명자는 밀도가 30 장치/mm²인 마이크로유체 구조체를 가공하는 데 성공하였으나, 더 큰 밀도를 얻는 것도 가능하다.

흐름 라인을 따라 있는 선택적으로 주소 지정이 가능한 반응 챔버

도 28a, 도 28b, 도 28c 및 도 28d에 예시된 본 발명의 다른 실시예에서, 흐 름 라인을 따라 배치된 복수 개의 반응 챔버 중 하나 이상의 반응 챔버에 유체 흐름을 선택적으로 안내하는 시스템이 제공된다.

도 28a는 그것을 따라 배치된 복수 개의 반응 챔버(80A 및 80B)를 구비하는 흐름 채널(30)의 상평면도이다. 흐름 채널(30) 및 반응 챔버(80A 및 80B)는 제1 탄성중합체층(100)의 바닥면에 리세스로서 함께 형성된다.

도 28b는 각각 대체로 협소하지만 리세스로서 내부에 형성된 넓게 연장된 부분(33A 및 33B)이 마련된 2개의 제어 라인(32A 및 32B)을 구비하는 다른 탄성중합체층(100)의 저평면도이다.

도 28c의 분해 사시도와, 도 28d의 조립도에 도시된 바와 같이, 탄성중합체층(110)은 탄성중합체층(100) 위에 배치된다. 그 후, 층(100) 및 층(110)은 상호 결합되고, 일체화된 시스템은 유체 흐름(F)[흐름 채널(30)을 통함]을 다음과 같이 반응 챔버(80A 및 80B) 중 어느 하나에 또는 양쪽 모두에 선택적으로 안내하도록 작동한다. 제어 라인(32A)을 가압하면 박막(25)[즉, 연장부(33A) 밑에 그리고 반응 챔버(80A)의 구역(82A) 위에 배치된 탄성중합체층(100)의 얇은 부분]이 눌려지게 되고, 이로써 구역(82A)에서 유체 흐름의 통행을 차단하여 흐름 채널(30)로부터 반응 챔버(30)를 효과적으로 밀봉한다. 확인할 수 있는 바와 같이, 연장부(33A)는 제어 라인(32A)의 나머지 부분에 비해 폭이 넓다. 이와 같이, 제어 라인(32A)을 가압하면, 제어 라인(32A)에서는 흐름 채널(30)의 밀봉이 일어나지 않을 것이다.

이해될 수 있는 바와 같이, 제어 라인(32A 및 32B) 중 어느 하나 또는 양쪽 모두가 동시에 작동될 수 있다. 제어 라인(32A 및 32B)이 모두 함께 가압될 때, 흐름 채널(30) 내의 표본 흐름은 반응 챔버(80A 또는 80B) 중 어느 것에도 들어가지 않을 것이다.

흐름 라인을 따라 복수 개 배치된 주소 지정이 가능한 반응 챔버에 유체를 유도하는 것을 선택적으로 제어하는 것의 개념(도 28)이 평행한 복수 개의 흐름 라인 중 하나 이상의 것을 통과하는 유체 흐름을 선택적으로 제어하는 것의 개념(도 27)에 병합되어, 유체 표본(들)이 반응 챔버의 어레이 중 임의의 특정 반응 챔버로 보내어질 수 있는 시스템이 만들어질 수 있다. 도 29에 이러한 시스템의 예가 제공되며, 이 시스템에서는 연장부(34)(모두 가상으로 도시됨)를 구비하는 평행한 제어 채널(32A, 32B 및 32C)이 유체 흐름(F1 및 F2)을 전술한 바와 같이 반응 우물(80A, 80B, 80C 또는 80D)의 어레이 중 임의의 것에 선택적으로 유도하는 반면에, 제어 라인(32C 및 32D)을 가압하면 흐름(F2 및 F1)이 각각 선택적으로 차단된다.

또 다른 신규한 실시예에서, 평행한 흐름 채널 사이를 유체가 통할 수 있다. 도 30을 참조하면, 제어 라인(32A 또는 32D) 중 어느 하나 또는 양쪽 모두가 눌려져, 측방향 통로(35)[평행한 흐름 채널(30A 및 30B)의 사이]를 통한 유체의 흐름이 허용될 수 있다. 본 발명의 이 양태에서, 제어 라인(32C 및 32D)을 가압하면 35A와 35B 사이에 있는 흐름 채널(30A)이 차단되고, 또한 측방향 통로(35B)가 차단될 것이다. 이와 같이, 흐름(F1)과 같이 들어가는 흐름은 30A, 35A를 통해 연속적으로 이동한 후 흐름(F4)과 같이 30B를 떠난다.

절환 가능한 흐름 어레이

또 다른 신규한 실시예에서, 유체의 통행은 2개의 직각을 이루는 방향 중 어느 한 방향으로 흐르도록 선택적으로 안내될 수 있다. 도 31a 내지 도 31d에는 이러한 "절환 가능한 흐름 어레이"의 예가 제공된다. 도 31a는 흐름 채널의 그리드(grid)를 형성하는 일정 패턴의 리세스가 마련된 바닥면을 구비하는 제1 탄성중합체층(90)(또는 임의의 다른 적합한 기판)의 저면도이며, 상기 흐름 채널의 그리드는 각각 그 둘레를 흐름 채널이 통과하고 있는 중실형 기둥(92)의 어레이에 의해 형성된다.

바람직한 양태에서, 유체의 흐름이 선택적으로 안내되어 방향(F1) 또는 수직 방향(F2) 중 어느 하나의 방향으로 이동될 수 있도록, 추가의 탄성중합체층이 상부 표층(90)에 결합된다. 도 31은 제2 탄성중합체층(95)의 바닥면의 저평면도로서, "수직" 제어 라인(96)과 "수평" 제어 라인(94)이 교대로 배열되는 형태로 형성된 리세스를 도시한다. "수직" 제어 라인(96)은 그것을 따라 폭이 동일한 반면에, "수평" 제어 라인(94)에는 도시된 바와 같이 폭이 넓은 부분과 좁은 부분이 교대로 존재한다.

탄성중합체층(95)은 탄성중합체층(90) 위에 배치되어, 도 31c에 도시된 바와 같이 "수직" 제어 라인(96)은 기둥(92) 위에 배치되고, 도 31d에 도시된 바와 같이 "수평" 제어 라인(94)은 그 폭이 넓은 부분이 기둥(92) 사이에 배치된다.

도 31c에서 확인할 수 있는 바와 같이, "수직" 제어 라인(96)이 가압될 때, 층(95 및 95) 사이에 처음부터 배치된 탄성중합체층에 의해 형성된 구역(98)에 있는 일체화된 구조의 박막이, 도시된 바와 같이 흐름 채널의 어레이 위로 하향 편향 되어 흐름 방향(F2)(즉, 수직방향)으로만 흐름이 통행할 수 있을 것이다.

도 31d에서 확인할 수 있는 바와 같이, "수평" 제어 라인(94) 가압될 때, 층(90 및 95) 사이에 처음부터 배치된 탄성중합체층에 의해 형성된 구역(99)에 있는 일체화된 구조의 박막이, 도시된 바와 같이 흐름 채널의 어레이 위로 하향 편향되어(폭이 넓은 영에서만) 흐름 방향(F2)(즉, 수평 방향)으로만 흐름이 통행할 수 있을 것이다.

도 31에 예시된 구조는 절환 가능한 흐름 어레이가 단지 2개의 층으로 구성될 수 있게 하며, 제어 라인 사이를 통과하는 수직 경로를 서로 다른 탄성중합체층에서 필요로 하진 않는다. 모든 수직 흐름 제어 라인(94)이 연결된다면, 이들은 한쪽 입구에서부터 가압될 것이다. 모든 수평 흐름 제어 라인(96)의 경우에도 동일한 것이 유효하다.

생체고분자 합성

또한, 본 발명의 탄성중합체 밸브 구조체는 생체고분자 합성, 예컨대 올리고누클레오티드, 단백질, 펩티드, DNA 등을 합성하는 데 사용될 수 있다. 바람직한 양태에서, 상기 생체고분자 합성 시스템은 저장소의 어레이, 특정 저장소로부터 흐름을 선택하는 유체 논리 장치(본 발명에 따른 것), 합성이 수행되는 채널 또는 저장소의 어레이, 선택된 시약이 흘러들어갈 채널을 결정하는 유체 논리 장치(본 발명에 따른 것)로 구성된 일체형 시스템을 포함한다. 도 32에는 이러한 시스템 예(200)가 다음과 같이 예시되어 있다.

도시된 바와 같이, 4개의 저장소(150A, 150B, 150C 및 150D)는 그 안에 염기(A, C, T 및 G)가 각각 배치되어 있다. 저장소(150A, 150B, 150C 및 150D)에는 4개의 흐름 채널(30A, 30B, 30C 및 30D)이 연결되어 있다. 이를 가로질러 4개의 제어 라인(32A, 32B, 32C 및 32D)(가상으로 도시됨)이 배치되어 있고, 제어 라인(32A)은 가압될 때 흐름 채널(30A)을 통한 흐름만을[즉, 흐름 채널(30B, 30C 및 30D)] 허용한다. 이와 유사하게, 제어 라인(32B)은 가압될 때 흐름 채널(30B)을 통한 흐름만을 허용한다. 이와 같이, 제어 라인(32A, 32B, 32C 및 32D)을 선택적으로 가압함으로써, 필요한 염기(A, C, T 및 G)를 올바른 저장소(150A, 150B, 150C 및 150D)로부터 연속적으로 선택한다. 그 후, 유체는 흐름 채널(120)을 지나 다중화된 채널 흐름 제어기(125)(예컨대, 도 26a 내지 도 31d에 도시된 바와 같은 임의의 시스템 등)에 들어가고, 이어서 이 다중화된 채널 흐름 제어기는 고상 합성이 수행되는 복수 개의 합성 채널 또는 챔버(122A, 122B, 122C, 122D 또는 122E) 중 하나 이상에 유체 흐름을 안내한다.

도 33은 전술한 시스템을 더 확장한 것으로, 이 시스템은 도 32에서 설명된 바와 같은 시스템(200)에 복수 개의 저장소(R1 내지 R13)가 연결되어 있는 것이다. 시스템(200)은 다중화된 채널 흐름 제어기(125)(예컨대, 도 26a 내지 도 31d에 도시된 바와 같은 임의의 시스템 등)에 연결되고, 이어서 이 다중화된 채널 흐름 제어기는 절환 가능한 흐름 어레이(예컨대, 도 31에 도시된 바와 같은 것)에 연결된다. 상기 시스템은 다중화된 채널 흐름 제어기(125)와 유체 선택 시스템(200)이 모두 동일한 압력 입력(170 및 172)에 의해 제어될 수 있고, "수평의 폐쇄" 제어 라인(160)(가상으로 도시)과 "수직의 폐쇄" 제어 라인(162)이 또한 마련된다는 점 이 유익하다.

본 발명의 다른 변형된 양태에서는, 각 흐름 제어기가 처음에 상이한 탄성중합체층 상에서 서로의 위에 적재 배치되어 있고 탄성중합체층 사이에서 수직 비아 또는 상호 연결부(탄성중합체층 위에 에칭 레지스트층을 리소그래피 방법으로 패터닝한 후 탄성중합체를 식각하고, 끝으로 최종 탄성중합체층을 덧붙이기 전에 에칭 레지스트를 제거함으로써 생성됨)가 마련되어 있는 복수 개의 다중화된 채널 흐름 제어기(125 등)가 사용된다.

예컨대, 탄성중합체층의 수직 비아는 마이크로 가공된 몰드 상의 융기된 라인에 홀(hole)을 에칭함으로써 형성될 수 있다. 본 발명의 이 양태에서 복수 개의 다중화된 채널 흐름 제어기(125)를 이용한 다중 합성이 가능하다.

도 34는 다층 구조체를 형성하는 성형된 탄성중합체의 연속층의 결합부를 도시한 것으로, 7개의 탄성중합체층으로 구성된 시험 구조체의 시편을 광현미경으로 본 것이다. 도 34의 스케일바(scale bar)는 200 ㎛이다.

도 35a 내지 35d는 다층 구조체에 이용되는 수직 비아 요소를 구비한 탄성중합체층의 한 가지 가공 방법을 도시한다. 도 35a는 융기된 라인(3502a)을 포함하는 마이크로 가공된 몰드(3502) 위에서 탄성중합체층(3500)을 형성하는 것을 도시한다.

도 35b는 탄성중합체층(3500) 위에 금속 에칭 차단층(3504)을 형성하고, 이어서 에칭 차단층(3504) 위에 포토레지스트 마스크(3506)를 패터닝하여 피복되는 구역(3508)은 덮고 피복되지 않는 구역(3510)은 노출된 상태로 두는 것을 도시한다. 도 35c는 피복되지 않은 구역(3510)에서 에칭 차단층(3504)을 제거하는 용제 에 노출한 것을 도시한다.

도 35d는 패터닝된 포토레지스트를 제거한 후, 뒤이어서 피복되지 않은 구역(3510)에 있는 탄성중합체(3500)를 에칭하여 수직 비아(3512)를 형성하는 것을 도시한다. 이에 이어, 용제에 노출시킴으로써 피복된 구역(3508)에 남아있는 에칭 차단층(3504)을 주변 탄성중합체(3500) 및 몰드(3502)에 대해 선택적으로 제거한다. 그 후, 이 탄성중합체층은 다층 소프트 리소그래피에 의해 탄성중합체 구조체에 병합된다.

상기 일련의 단계는 연속하는 탄성중합체층 사이에서 바람직한 개수 및 방위의 수직 비아를 구비하는 다층 구조체를 형성하기 위해 필요에 따라 반복되어질 수 있다.

본원의 발명자는 GE RTV 615층을 통과하는 통로를 유기 용제에 플루오르화 테트라부틸암모늄을 넣은 용액을 사용하여 에칭하는 데 성공하였다. 금은 에칭 차단 물질의 기능을 하며, KI/I₂/H₂O 혼합물을 이용하여 GE RTV 615에 대해 선택적으로 제거된다.

선택적으로, 연속하는 탄성중합체층의 채널 사이에 있는 수직 비아는 네거티브 마스크 기술을 이용하여 형성될 수 있다. 이 기법에서, 금속 포일의 네거티브 마스크가 패터닝되고, 금속 포일이 존재하는 곳에서는 뒤이은 에칭 차단층의 형성이 방지된다. 에칭 차단 물질이 일단 패터닝되면, 금속 포일의 네거티브 마스크가 제거되어 전술한 바와 같이 탄성중합체를 선택적으로 식각할 수 있게 된다.

또 다른 기법에서는, 가해지는 레이저빔으로부터 방사선을 적용시켜 탄성중합체 재료를 용융제거(ablation)하는 것을 이용하여, 탄성중합체층에 수직 비아가 형성될 수 있다.

전술한 기법은 생체고분자의 합성과 관련하여 기재되었지만, 본 발명은 상기 용례에 한정되지 않는다. 또한, 본 발명은 매우 다양한 조합화학적 합성 기법(combinatorial chemistry synthesis approach)에서도 역할을 다할 수 있다.

그 밖의 용례

본 발명의 마이크로 가공된 모놀리식 탄성중합체 밸브 및 펌프의 유익한 용례는 많다. 따라서, 본 발명은 임의의 특정 용례 또는 그 용도에 한정되지 않는다. 바람직한 양태에서, 본 발명에 대한 이하의 용도 및 용례가 고려되어진다.

1. 세포/DNA 분류

또한, 본 발명의 마이크로유체 펌프 및 밸브는 세포 분류 및 DNA 사이징(sizing)용 유세포 분류기(flow cytometer)에 사용될 수 있다. 크기를 기초로 하여 대상을 분류하는 것은 많은 기술 분야에서 매우 유용하다.

예컨대, 생물학 분야의 많은 분석들은 분자크기의 실체들의 크기를 결정하는 것을 필요로 한다. 불균질한 용액에 있는 DNA 분자의 길이 분포를 측정하는 것이 특히 중요하다. 이러한 측정은 보통 겔의 전기 영동법으로 수행되는데, 이 전기 영동법에서는 전기장이 인가된 겔 매트릭스 내에서 분자들이 운동성과, 방사선의 방출 또는 흡수에 의해 검출되는 위치를 달리함으로써 분리된다. 그 후, DNA 분자의 길이는 그 운동성으로부터 추정되어진다.

전기 영동법은 강력하지만, 단점이 있다. 중간 내지 큰 크기의 DNA 분자의 경우, 분해능(resolution), 즉 상이한 분자 길이가 구분될 수 있는 최소한의 길이차가 총 길이의 약 10%로 한정된다. 매우 큰 DNA 분자의 경우, 통상의 분류 공정은 사용할 수 없다. 또한, 겔 전기 영동법은 비교적 긴 공정이며, 대부분 수행하는 데 수시간 또는 수일 정도가 소요된다.

또한, 세포크기의 실체를 분류하는 것은 중요한 작업이다. 통상의 유세포 분류기는 노즐이 마련된 흐름 챔버를 구비하도록 설계되어 있고, 덮개 유동(sheath flow)을 이용한 유체 동역학적 집속 원리를 기초로 하고 있다. 대부분의 통상의 세포 분류기는 압전성 방울 발생기술과 정전기 편향 기술을 병합하여 방울 발생과 높은 분류율을 달성한다. 그러나, 이 기법은 몇 가지 중요한 단점이 있다. 한가지 단점으로는 이 분류 장치가 비용 효과적이기 위해서는 그 복잡성, 크기 및 비용으로 인해서 재사용 가능할 필요가 있다는 것이다. 더욱이, 재사용은 잔여 물질로 인해 표본의 오염 및 유체의 난류가 야기된다는 문제로 이어질 수 있다.

따라서, 당 분야에서는 간단하고, 저렴하고 가공하기 쉬운 분류 장치, 즉 입자와 용질간의 전기적 상호 작용에 의존하기보다는 유체 흐름의 기계적 제어에 의존하는 분류 장치를 필요로 한다.

도 36은 본 발명에 따른 분류 장치의 일 실시예를 도시한다. 분류 장치(3600)는 탄성중합체 블록 내에 존재하는 채널로부터 만들어지는 스위칭 밸브 구조체로 형성된다. 특히, 흐름 채널(3602)은 T자형이고, 흐름 채널(3602)의 스템(3602a)은 표본 저장소(3604)와 유체 연통되어 있으며, 이 표본 저장소는 형상(정방형, 원형, 삼각형 등)으로 표시된 상이한 유형의 분류 가능한 실체(3606)를 수용한다. 흐름 채널(3602)의 좌측 브랜치(3602b)는 폐기용 저장소(3608)와 유체 연통되어 있다. 흐름 채널(3602)의 우측 브랜치(3602c)는 수집용 저장소(3610)와 유체 연통되어 있다.

제어 채널(3612a, 3612b 및 3612c)은 흐름 채널(3602)의 스템(3602a) 위에 위치하고, 각각 탄성중합체 박막 부분(3614a, 3614b 및 3614c)에 의해 흐름 채널의 스템으로부터 분리되어 있다. 도 24a와 관련하여 상세히 전술한 것과 유사한 제1 연동 펌프 구조체(3616)를 흐름 채널(3602)의 스템(3602a)과 제어 채널(3612a, 3612b 및 3612c)이 함께 형성한다.

제어 채널(3612d)은 흐름 채널(3602)의 우측 브랜치(3602c) 위에 위치하고, 탄성중합체 박막 부분(3614d)에 의해 흐름 채널의 우측 브랜치로부터 분리되어 있다. 흐름 채널(3602)의 우측 브랜치(3602c)와 제어 채널(3612d)은 함께 제1 밸브 구조체(3618a)를 형성한다. 제어 채널(3612e)은 흐름 채널(3602)의 좌측 브랜치(3602b) 위에 위치하고, 탄성중합체 박막 부분(3614e)에 의해 흐름 채널의 좌측 브랜치로부터 분리되어 있다. 흐름 채널(3602)의 좌측 브랜치(3602b)와 제어 채널(3612e)은 함께 제2 밸브 구조체(3618b)를 형성한다.

도 36에 도시된 바와 같이, 흐름 채널(3602)의 스템(3602a)은 스템(3602a), 우측 브랜치(3602c) 및 좌측 브랜치(3602b)의 접합부 부근에 있는 탐지창(3620)에 접근함에 따라 그 폭이 상당히 좁혀진다. 탐지창(3620)의 폭은 그 구역에 균일한 조명을 허용하기에 충분한 폭이다. 일 실시예에서, 스템의 폭은 탐지창이 있는 곳 에서 100 ㎛에서 5 ㎛로 좁혀진다. 탐지창이 있는 곳에서 스템의 폭은 앞에 상세히 기술되어 있는 소프트 리소그래피 기술 또는 포토레지스트 격납식 가공 기술을 사용하여 정확하게 형성될 수 있으며, 분류될 실체의 특성 및 크기에 따라 결정될 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 분류 장치의 작동은 다음과 같다.

표본은 언제라도 단지 하나의 분류 가능한 실체가 탐지창에 존재하리라 예견되도록 소정 레벨로 희석된다. 연동 펌프(3616)는 상세히 전술된 바와 같이 제어 채널(3612a-c)을 통해 유체가 흐르게 함으로써 작동된다. 또한, 제2 밸브 구조체(3618b)는 제어 채널(3612e)을 통해 유체가 흐르게 함으로써 폐쇄된다. 연동 펌프(3616)의 펌핑 동작과 제2 밸브(3618b)의 차단 동작의 결과, 유체는 표본 저장소(3604)로부터 탐지창(3620)을 지나 폐기용 저장소(3608)쪽으로 흐른다. 스템(3602a)이 좁혀지기 때문에, 표본 저장소(3604)에 존재하는 분류 가능한 실체들은 탐지창(3620)을 통과하는 정상 유동에 의해 한번에 한 가지씩 전송된다.

광원(3642)의 방사선(3640)은 탐지창(3620) 안으로 안내된다. 이는 탄성중합체 재료의 전달 특성으로 인해 가능하다. 그 후, 분류 가능한 실체(3606)에 의해 방사선(3640)이 흡수 또는 방출되는 것이 탐지기(3644)에 의해 탐지된다.

탐지창(3620)에 있는 분류 가능한 실체(3606a)가 분류 장치(3600)에 의해 분리 및 수집되도록 되어있다면, 제1 밸브(3618a)는 작동되고 제2 밸브(3618b)는 작동되지 않는다. 이로써, 분류 가능한 실체(3606a)는 수집용 저장소(3610)로 끌어당기는 동시에, 제2 분류 가능한 실체(3606b)를 탐지창(3620)쪽으로 이송하는 효과 가 있다. 만약, 제2 분류 가능한 실체(3606b)도 또한 수집하기로 확인하였다면, 연동 펌프(3616)는 계속 유체가 흐름 채널(3602)의 우측 브랜치(3602c)를 통해 수집용 저장소(3610)쪽으로 흐르게 한다. 그러나, 제2 실체(3606b)가 수집되지 않는다면, 제1 밸브(3618a)는 개방되고 제2 밸브(3618b)는 폐쇄되며 제1 연동 펌프(3616)는 액체를 흐름 채널(3602)의 좌측 브랜치(3602b)를 통해 폐기용 저장소(3608)쪽으로 펌핑하는 것을 재개한다.

분류 장치의 특정한 일 실시예와 그 작동 방법이 도 36과 관련하여 설명되어 있지만, 본 발명은 이 실시예에 한정되지 않는다. 예컨대, 유체는 연동 펌프 구조체를 사용하는 흐름 채널을 통해 흐를 필요가 없으며, 그 대신에 압력을 받아 단지 흐름의 방향을 제어하는 탄성중합체 밸브를 사용하여 흘려 보내질 수 있다. 또 다른 실시예에서는, 연속적인 분류 작업을 수행하기 위해 복수 개의 분류 구조체가 연속 조립되고, 도 36의 폐기용 저장소는 다음 분류 구조체의 스템으로 간단히 대체될 수 있다.

또한, 수집하도록 의도된 실체가 창에서 탐지될 때까지, 표본 저장소로부터 창 및 접합부를 지나 폐기용 저장소쪽으로 흐르는 연속적인 유체의 흐름이 유지되는 고효율의 분류 방법이 채용될 수 있다. 수집될 실체가 탐지되면, 필요한 입자를 접합부를 통해 수집용 저장소쪽으로 재이송시키기 위하여, 펌프 구조체에 의해 유체 흐름의 방향이 순간적으로 역전된다. 이러한 방식으로, 상기 분류 장치는 높은 유량을 이용할 수 있고, 필요한 입자가 탐지될 때 복귀할 수 있는 기능이 있다. 이러한 택일형 고효율의 분류 기술은 수집될 실체가 거의 없고 복귀할 필요성이 드문 경우 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 분류는 기포 형성, 용액의 조성과 표면 화학 효과에 대한 흐름의 크기 및 방향의 강한 의존성, 상이한 화학종의 구별되는 운동성 그리고 이동 매체 내에서 생물체의 생존 가능성 감소 등과 같은 통상의 동전기식 흐름을 이용한 분류의 단점을 피할 것이다.

2. 반도체 처리 방법

반도체용 가스 흐름 제어 시스템(특히, 소량의 가스가 정확하게 계량되는 적층 성장 용례의 경우)도 또한 본 발명에 의해 고려되어진다. 예컨대, 반도체 장치를 처리하는 동안 고상 물질은 화학 증착법(CVD)을 이용하여 반도체 기판 위에 증착된다. 이는 기상 전구체 물질의 혼합물에 기판을 노출시킴으로써 수행되어, 이들 가스가 반응하고 결과물이 기판 위에서 결정화된다.

이러한 CVD 공정 중에는, 전기 장치 작동을 저하시킬 수 있는 결함이 없게 재료의 균일한 증착을 보장하도록 조건들이 주의 깊게 제어되어야만 한다. 한 가지 가능한 불균일성의 원인은 기판 위의 구역에 대한 반응 가스의 유량의 변동이다. 또한, 가스 유량의 취약한 제어는 매 작업마다 층 두께가 변하는 것으로 이를 수 있고, 이는 에러의 다른 원인이 된다. 불행하게도, 통상의 가스 이송 시스템에서는 처리 챔버로 흘러 들어가는 기체의 양을 제어하고 안정된 유량을 유지하는 데 중대한 문제점이 존재해왔다.

따라서, 도 37a는 CVD 공정 중에 정확하게 제어 가능한 유량으로 처리 가스를 반도체 웨이퍼의 표면 위로 전송하도록 되어있는 본 발명의 일 실시예를 도시한다. 특히, 반도체 웨이퍼(3700)는 CVD 챔버 내에 배치된 웨이퍼 지지체(3702) 위에 배치된다. 매우 많은 균일하게 분포된 오리피스(3706)를 포함하는 탄성중합체 구조체(3704)는 웨이퍼(3700)의 표면 바로 위에 배치된다.

다양한 처리 가스가 주의 깊게 제어된 유량으로 저장소(3708a 및 3708b)로부터 탄성중합체 블록(3704)의 흐름 채널을 지나 오리피스(3706) 밖으로 흐른다. 웨이퍼(3700) 위에서 처리 가스의 흐름이 정확하게 제어된 결과, 매우 균일한 구조를 갖는 고상 물질(3710)이 증착된다.

본 발명의 밸브 및/또는 펌프 구조체를 이용하면 몇 가지 이유로 반응 가스 유량의 정확한 계량이 가능하다. 첫째, 도 21a 및 도 21b와 관련하여 전술한 바와 같이, 가해지는 작동 압력에 대하여 선형으로 응답하는 밸브를 통해 가스를 흘려 보낼 수 있다. 밸브를 사용하여 가스의 흐름을 계량하는 것 대신에 또는 그에 추가하여, 본 발명에 따른 행동 특성을 예상 가능한 펌프 구조체가 처리 가스의 흐름을 정확하게 계량하는 데 사용될 수 있다.

전술한 화학 증착 공정 외에도, 본 발명의 기술은 또한 분자빔 적층성장 및 반응성 이온 에칭 등과 같은 기술에서 가스의 흐름을 제어하는 데도 유용하다.

3. 마이크로미러 어레이

지금까지 기술된 본 발명의 실시예는 전부 탄성중합체로 구성된 구조체의 작동에 관한 것이었지만, 본 발명은 이러한 유형의 구조체에 한정되지 않는다. 특히, 탄성중합체 구조체와 통상의 실리콘을 기재로 한 반도체 구조체를 병합하는 것은 본 발명의 범위 내에 있다.

예컨대, 추가로 고려되는 본 발명의 마이크로 가공된 펌프 및 밸브의 용도로는 광학 디스플레이 장치가 있으며, 이 광학 디스플레이 기구에서 탄성중합체 구조체의 박막은 그것이 작동되었는지 여부에 따라 평탄한 평면으로서 또는 만곡된 표면으로서 빛을 반사한다. 이와 같이, 박막은 절환 가능한 화소(pixel)로서 작동한다. 적절한 제어 회로를 구비한 상기 절환 가능한 화소의 어레이는 디지털 또는 아날로그 마이크로미러 어레이로서 이용될 수 있다.

따라서, 도 38은 본 발명에 따른 마이크로미러 어레이의 일 실시예의 일부분을 분해 도시한 것이다.

마이크로미러 어레이(3800)는 제2 탄성중합체층(3806) 위에 위치하는 그리고 제2 탄성중합체층에 의해 하부의 반도체 구조체(3804)로부터 분리되는 제1 탄성중합체층(3802)을 포함한다. 반도체 구조체(3804)의 표면(3804a)은 복수 개의 전극(3810)을 지지한다. 전극(3810)은 당업자에게 공지된 바와 같이 행라인과 열라인을 전도시킴으로써 개별적으로 주소를 지정할 수 있다.

제1 탄성중합체층(3802)은 전기 전도성, 반사성 탄성중합체 박막 부분(3802)의 밑에 있는 복수 개의 교차 채널(3822)을 포함한다. 제1 탄성중합체층(3802)은, 채널(3822)의 교차점이 전극(3810) 위에 위치하도록 제2 탄성중합체층(3806)과 하부의 반도체 장치(3804) 위에 배열된다.

본 발명에 따른 가공 방법의 일 실시예에서, 제1 탄성중합체층(3822)은 교차 채널을 포함하는 몰드 위에 탄성중합체 재료를 스핀 코팅하고, 이 탄성중합체를 경화시키며, 성형된 탄성중합체를 몰드로부터 제거하고, 그리고 전기 전도성 도펀트를 성형된 탄성중합체의 표면 영역에 도입함으로써 형성될 수도 있다. 도 7c 내지 도 7g와 관련하여 전술된 바와는 다르게, 제1 탄성중합체층(3822)은 탄성중합체 재료의 높이와 채널벽의 높이가 동일하게 되도록, 교차 채널을 포함하는 몰드에 탄성중합체 재료를 삽입한 후, 별개의 도핑된 탄성중합체층을 상기 현존하는 탄성중합체 재료에 결합시켜 상부면에 박막을 형성함으로써, 2개의 탄성중합체층으로 형성될 수도 있다.

선택적으로, 제1 탄성중합체층(3802)은 도핑 또는 탄성중합체 재료의 고유 특성으로 인해 전기 전도성을 갖는 전기 전도성 탄성중합체로 제조될 수도 있다.

반사성 구조체(3800)가 작동하는 동안, 전기 신호는 선택된 행라인 및 열라인을 따라 전극(3810a)에 전달된다. 전극(3810a)에 전압을 인가하면, 전극(3810a)과 그 위에 있는 박막(3802a) 사이에 인력이 발생한다. 이 인력은 박막 부분(3802a)을 작동시키고, 채널(3822)의 교차로 인해 생기는 공동안으로 상기 박막 부분이 하향 수축되게 한다. 평탄한 것에서 오목하게 박막이 변형한 결과, 탄성중합체 구조체(3802)의 표면에 있는 이 지점에서는 주변의 평탄한 박막 평면과는 다르게 빛이 반사된다. 이로써, 화소 이미지가 만들어진다.

상기 화소 이미지의 외형은 변경될 수 있으며, 전극에 인가되는 전압의 크기를 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 전극에 인가되는 전압이 커질수록 박막 부분 상의 인력도 증가하여, 그 형태를 더 변형시킨다. 전극에 인가되는 전압이 낮아질수록 박막 상의 인력도 감소하여, 평탄한 형태에서 그 형태가 변화하는 것이 줄어든다. 이러한 변형은 모두 최종 화소 이미지의 외형에 영향을 미칠 것이다.

전술한 바와 같은 다양한 마이크로미러 어레이 구조체가 이미지의 디스플레이 등의 다양한 용례에서 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 다양한 마이크로미러 어레이 구조체의 다른 용례로는 각 픽셀이 입사 광 신호의 반사 및 전송에 영향을 미칠 수 있는 광섬유 통신 시스템용 고용량 스위치가 있다.

4. 굴절용 구조체

좀전에 설명된 마이크로미러 어레이는 입사광의 반사를 조절한다. 그러나, 본 발명은 반사를 조절하는 것에 한정되지 않는다. 본 발명의 또 다른 실시예는 렌즈 및 필터 구조체를 만들어내기 위해 입사광의 굴절에 대한 정확한 조절의 실시가 가능하다.

도 39는 본 발명에 따른 굴절용 구조체의 일 실시예를 도시한다. 굴절용 구조체(3900)는 입사광(3906)을 통과시킬 수 있는 탄성중합체 재료로 구성된 제1 탄성중합체층(3902)과 제2 탄성중합체층(3904)을 포함한다.

제1 탄성중합체층(3902)은 볼록한 부분을 구비하고, 이는 오목한 부분을 구비한 마이크로 가공된 몰드 위에 형성된 탄성중합체 재료를 경화시킴으로써 만들어진다. 제2 탄성중합체층(3904)은 흐름 채널(3905)을 구비하고, 상세히 전술된 바와 같은 융기된 라인을 구비한 마이크로 가공된 몰드로부터 만들어진다.

제1 탄성중합체층(3902)은 그 볼록한 부분(3902a)이 흐름 채널(3905) 위에 배치되도록 제2 탄성중합체층(3904)에 결합된다. 이 구조체는 다양한 목적으로 사용될 수 있다.

예컨대, 탄성중합체 구조체(3900)에 입사하는 빛은 하부의 흐름 채널에 집중되어, 이 흐름 채널을 통해 빛을 안내할 수 있게 된다. 선택적으로, 본 발명에 따른 탄성중합체 장치의 일 실시예에서, 상기 흐름 채널을 통해 형광액 또는 인광액이 흐를 수 있으며, 액체로부터 나온 빛은 디스플레이를 형성하는 만곡된 표면에 의해 굴절된다.

도 40은 본 발명에 따른 굴절용 구조체의 다른 실시예를 도시한다. 굴절용 구조체(4000)는 프레넬(Fresnel) 렌즈 구조를 기초로 한 다층 광학 트레인이다. 특히, 굴절용 구조체(4000)는 4개의 연속하는 탄성중합체층(4002, 4004, 4006 및 4008)이 결합되어 구성된다. 제1 탄성중합체층(4002), 제2 탄성중합체층(4004) 및 제3 탄성중합체층(4006) 각각의 상부면은 입사광의 파장보다 훨씬 큰 거리 X만큼 규칙적으로 간격을 두고 배치된 균일한 톱니형부(4010)를 포함한다. 톱니형부(4010)는 입사광을 집중시키는 역할을 하고, 상세히 전술된 바와 같은 마이크로 가공된 몰드를 사용하여 형성될 것이다. 제1 탄성중합체층(4002), 제2 탄성중합체층(4004) 및 제3 탄성중합체층(4006)은 당업자가 이해하는 바와 같이 프레넬 렌즈의 기능을 한다.

제4 탄성중합체층(4008)은 상부의 탄성중합체층들의 톱니형부보다 훨씬 더 크기가 작은 균일한 톱니형부(4012)를 포함한다. 또한, 톱니형부(4012)는 상부의 탄성중합체층의 톱니형부에 비해 더 적은 거리 Y만큼 간격을 두고 배치되고, Y는 입사광의 파장 정도이어서 탄성중합체층(4008)은 회절격자의 기능을 한다.

도 41은 주로 회절을 수행하기 위해 재료의 굴절률의 차이를 이용하는 본 발명에 따른 굴절용 구조체의 실시예를 예시한다. 굴절용 구조체(4100)는 상위 탄성중합체 부분(4104)에 의해 덮힌 하위 탄성중합체 부분(4102)을 포함한다. 하위 탄성중합체 부분(4102)과 상위 탄성중합체 부분(4104)은 모두 입사광(4106)을 통과시키는 재료로 구성된다. 하위 탄성중합체 부분(4102)은 탄성중합체 랜드부(4110)에 의해 분리되는 복수 개의 사형(蛇形) 흐름 채널(4108)을 포함한다. 흐름 채널(4108)은 랜드부(4110)를 형성하는 탄성중합체 재료와는 굴절률이 다른 유체(4112)를 포함한다. 흐름 채널(4108)의 입구 부분(4108a) 위에 위치하고 가동 박막(4118)에 의해 흐름 채널의 입구 부분으로부터 구분되는 평행한 제어 채널(4116a 및 4116b)로 형성되는 펌프 구조체(4114)가 작동함으로써 사형 흐름 채널(4108)을 통해 유체(4112)가 펌핑된다.

굴절용 구조체(4100)에 입사하는 빛(4106)은 탄성중합체 랜드(4110)에 의해 분리되는 균일한 간격의 유체가 채워진 일련의 흐름 채널(4108)을 만난다. 각각의 유체/탄성중합체 구역에서 나타나는 서로 다른 재료의 광학 특성으로 인해, 입사광의 일부는 균일하게 굴절되지 않고 상호간에 작용하여 간섭 패턴을 형성한다. 좀전에 설명된 방식의 굴절용 구조체를 적재하면 입사광을 더 복잡하고 특수하게 굴절시킬 수 있다.

좀전에 설명된 굴절용 탄성중합체 구조체는 다양한 목적을 충족시킬 수 있다. 예컨대, 이 탄성중합체 구조체는 선택된 파장의 입사광을 차단하는 필터 또는 광스위치로서 작동할 수 있다. 또한, 이 구조체의 굴절특성은 특정 용례의 필요에 따라 쉽게 조정될 수 있다.

예컨대, 흐름 채널을 흐르는 유체의 조성(즉, 굴절률)은 회절에 영향을 미치도록 변경될 수 있다. 선택적으로, 또는 흐르는 유체의 정체(identity)를 변화시키는 것과 함께, 인접한 흐름 채널을 분리하는 거리는 필요한 특성을 갖는 광학 간섭 패턴을 발생시키기 위해 구조체의 가공 중에 정확하게 제어될 수 있다.

5. 정상 폐쇄(normally-closed) 밸브 구조체

도 7b 및 도 7h는 탄성중합체 박막이 제1 이완 위치에서 흐름 채널이 차단되는 제2 작동 위치로 움직일 수 있는 밸브 구조체를 도시한다. 그러나, 본 발명은 이 특정한 밸브 구성에 한정되지 않는다.

도 42a 내지 도 42j는 음의 제어압을 이용하여, 흐름 채널을 차단하는 제1 이완 위치에서 흐름 채널이 개방되는 제2 작동 위치로 탄성중합체 박막이 움직일 수 있는 다양한 정상 폐쇄 밸브 구조체를 도시한다.

도 42a는 평면도이고, 도 42b는 선 42B-42B'을 따라 취한 단면도이며, 이들 도면에서 정상 폐쇄 밸브(4200)는 비작동 상태에 있다. 흐름 채널(4202)과 제어 채널(4204)은 기판(4205) 위에 위치한 탄성중합체 블록(4206)에 형성되어 있다. 흐름 채널(4202)은 제1 부분(4202a)과 제2 부분(4202b)을 포함하며, 이들은 분리부(4208)에 의해 분리되어 있다. 제어 채널(4204)은 분리부(4208) 위에 위치한다. 도 42b에 도시된 바와 같이, 그 이완된, 즉 비작동 위치에서 분리부(4208)는 흐름 채널의 제1 부분(4202a)과 제2 부분(4202b) 사이에 배치된 상태로 유지되어, 흐름 채널(4202)을 간섭한다.

도 42c는 분리부(4208)가 작동 위치에 있는 밸브(4200)의 단면도이다. 제어 채널(4204) 내의 압력이 흐름 채널 내의 압력 이하로 감소될 때(예컨대, 진공 펌프에 의해), 분리부(4208)는 그것을 제어 채널(4204)쪽으로 당기는 작용력을 경험한다. 이러한 작용력으로 인해 박막(4208)이 제어 채널(4204) 안으로 돌출하여, 흐름 채널(4202)을 통하는 물질의 흐름에 대한 장애물이 제거되고 통로(4203)가 형성된다. 제어 채널(4204) 내의 압력이 상승할 때, 분리부(4208)는 그 원위치를 취하여 흐름 채널(4202)쪽으로 다시 복귀되고 흐름 채널을 차단할 것이다.

작용력에 응답하는 박막의 행동 특성은 상위 제어 채널의 폭을 변경함으로써 바뀔 것이다. 따라서, 도 42d 내지 42h는 제어 채널(4207)이 분리부(4208)에 비해 상당히 더 넓은 정상 폐쇄 밸브의 변형예(4201)의 평면도 및 단면도이다. 도 42d의 선 42E-42E'를 따라 취한 단면도인 도 42e와 도 42f에 도시된 바와 같이, 작동 중에 더 큰 면적의 탄성중합체 재료가 이동될 필요가 있으므로, 가해져야 하는 작용력이 줄어든다.

도 42g 및 도 42h는 도 42d의 선 40G-40G'를 따라 취한 단면도이다. 도 42g에 도시된 비작동 상태인 밸브의 형태와 비교해 보면, 도 42h는 더 넓은 제어 채널(4207) 내의 압력이 감소하면, 특정 환경하에서 하부의 탄성중합체(4206)를 기판(4205)으로부터 멀어지도록 불필요하게 당기게 되어, 바람직하지 못한 공간(4212)이 생기게 되는 것을 도시한다.

따라서, 도 42i는 분리부(4208)를 덮는 부분(4204a)을 제외하고는 제어 라인(4204)의 폭을 최소화함으로써 상기 문제를 방지하는 밸브 구조체(4220)의 평면도이고, 도 42j는 도 42i의 선 42J-42J'를 따라 취한 단면도이다. 도 42j에 도시된 바와 같이, 작동 상태 하에서도 제어 채널(4204)의 단면이 협소하여 하부의 탄성중합체 재료(4206)에 대한 인력이 줄어들게 되고, 이로 인해 이 탄성중합체 재료가 기판(4205)으로부터 멀어지게 당겨지는 것과 바람직하지 못한 공간이 생기게 되는 것을 방지한다.

도 42a 내지 도 42j에는 압력에 응답하여 작동되는 정상 폐쇄 밸브 구조체가 도시되었지만, 본 발명에 따른 정상 폐쇄 밸브는 이러한 형태에 한정되지 않는다. 예컨대, 흐름 채널을 차단하는 분리부는 대신에 상세히 전술된 바와 같이 전기장 또는 자기장에 의해 조작될 수 있다.

6. 물질의 분리

본 발명의 다른 용례에서, 탄성중합체 구조체는 물질의 분리를 수행하는 데 이용될 수 있다. 도 43은 이러한 장치의 일 실시예를 도시한다.

분리 장치(4300)는 탄성중합체 블록(4301)이 흐름 채널(4304)과 연통하는 유체 저장소(4302)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 유체는 연동 펌프 구조체(4310)에 의해 유체 저장소(4302)로부터 흐름 채널(4308)을 통해 펌핑되며, 이 연동 펌프 구조체는 상세히 전술된 바와 같이 흐름 채널(4304) 위에 위치하는 제어 채널(4312)에 의해 형성된다. 선택적으로, 본 발명에 따른 연동 펌프 구조체가 충분한 배압을 제공할 수 없는 경우, 탄성중합체 구조체의 외측에 배치된 저장소로부터 나온 유체는 외부 펌프를 이용하여 탄성중합체 장치 안으로 펌핑될 것이다.

흐름 채널(4304)은 다공질 프릿(frit)(4318)의 이면에서 분리 매트릭스(4316)로 격납된 채널 형태인 분리탑(4314)에 이른다. 크로마토그래피 분야에서 잘 공지된 바와 같이, 분리 매트릭스(4316)의 조성은 분리되는 t32ehe 물질의 성질과 채용되는 특정 크로마토그래피 기술에 따라 결정된다. 탄성중합체 분리 구조체는 다양한 크로마토그래피 기술, 예컨대 겔 배제(gel exclusion), 겔 침투(gel permeation), 이온 교환(ion exchange), 역상(reverse phase), 소수성 상호작용(hydrophobic interaction), 친화성(affinity) 크로마토그래피, 액체 고속 단백질 크로마토그래피(FPLC) 및 모든 형태의 고압 액체 크로마토그래피(HPLC) 등의(이에 한정되는 것은 아님) 기술과 함께 사용하기에 적합하다. HPLC에 이용되는 고압은 우레탄, 디시클로펜타디엔 또는 그 밖의 탄성중합체 화합물의 사용을 필요로 한다.

표본은 분리탑(4314)을 향하는 유체의 흐름에 로드 채널(4319)을 이용하여 유도된다. 로드 채널(4319)은 펌프(4321)를 통해 표본 저장소(4320)로부터 펌핑된 유체를 받는다. 밸브(4322)가 개방되고 펌프(4321)가 작동되면, 표본은 로드 채널(4319)로부터 흐름 채널(4304)을 향해 흘러 들어간다. 그 후, 표본은 펌프 구조체(4312)의 작동에 의해서 분리탑(4314)을 통해 흘려 보내진다. 분리 매트릭스(4316)에 있는 다양한 표본 성분들의 서로 상이한 운동성으로 인해, 이들 표본 성분들은 분리되고 다른 시간에 분리탑(4314)으로부터 추출된다.

분리탑(4314)으로부터 추출되면, 다양한 표본 성분은 탐지 구역(4324)으로 이동한다. 크로마토그래피 분야에서 잘 공지되어 있는 바와 같이, 탐지 구역(4324)으로 추출되는 물질의 정체는 다양한 기술, 예컨대 형광 분광법, 자외선/가시광선/적외선 분광법, 방사성 표지법, 전류법 탐지, 질량 분석법 및 핵자기 공명 진단법(NMR) 등의(이에 한정되는 것은 아님) 기술을 이용하여 결정될 수 있다.

본 발명에 따른 분리 장치는 그 크기가 매우 작다는 유익이 있어, 작은 용적의 유체 및 표본만이 분리 중에 소비된다. 또한, 이 장치는 분별도가 향상된다는 유익이 있다. 통상의 분리 장치에서, 표본 루프(loop)의 크기는 표본을 분리탑에 주입하는 부분을 연장시켜, 용리된 선단(eluted peak)의 폭이 상호 중첩될 가능성이 있다. 일반적으로, 로드 채널의 크기 및 용량이 매우 작으면, 이러한 선단의 확산 특성이 문제를 일으키는 것을 방지한다.

도 43에 도시된 분리 구조체는 단지 이러한 장치의 일 실시예만을 나타내며, 그 밖의 구조체가 본 발명에 의해 고려되어진다. 예컨대, 도 43의 분리 장치는 단일 평면에 배향된 흐름 채널, 로드 루프 및 분리탑을 특징으로 하지만, 이는 본 발명에서 필요로 하는 것이 아니다. 하나 이상의 유체 저장소, 표본 저장소, 흐름 채널, 로드 루프 및 분리탑은 서로 직각으로 배향되거나 및/또는 도 35a 내지 도 35d와 관련하여 그 구조가 상세히 전술되어 있는 비아 구조체를 이용하여 탄성중합체 재료에 배향될 수 있다.

7. 셀 펜(pen)/셀 케이지/ 셀 그라인더

본 발명의 또 다른 용례에서, 탄성중합체 구조체는 유기체 또는 그 밖의 생물학적 물질을 조작하는 데 이용될 수 있다. 도 44a 내지 도 44d는 본 발명에 따른 셀 펜 구조체의 일 실시예의 평면도이다.

셀 펜 어레이(4400)는 직각으로 배향되는 흐름 채널(4402)을 포함하고, 흐름 채널의 교차부에 확대된 "펜" 구조체(4404)가 번갈아 마련되는 것을 특징으로 한다. 밸브(4406)는 각 펜 구조체(4404)의 입구 및 출구에 배치된다. 유동 펌프 구조체(4408)는 셀 펜 구조체가 없는 각 수평 흐름 채널과 수직 흐름 채널에 배치된다.

도 44a의 셀 펜 어레이에는 어쩌면 도 36과 관련하여 전술되어 있는 분류 구조체에 의해 미리 분류될 수도 있는 세포(A-H)가 채워져 있다. 도 44b 및 도 44c는 1) 인접한 펜(4404a 및 4404b)의 어느 한 측면에서 밸브(4406)를 개방하고, 2) 세포(C 및 G)를 이동시키기 위해 수평 흐름 채널(4402a)을 펌핑하며, 그 후 3) 세포(C)를 제거하기 위해 수직 흐름 채널(4402b)을 펌핑함으로써, 개별적으로 저장된 세포(C)를 접근 및 제거시키는 것을 도시한다. 도 44d는 수평 흐름 채널(4402a)을 통하는 액체의 흐름의 방향을 역전시킴으로써, 제2 세포(G)가 셀 펜 어레이(4400) 내의 전위치를 향해 거꾸로 이동되는 것을 도시한다.

전술된 셀 펜 어레이(4404)는 용이하게 접근하기 위해 선택되고 주소 지정이 가능한 위치 내에 물질을 저장할 수 있다. 그러나, 세포와 같은 생물체는 생존할 수 있게 유지되도록 지속적인 영양분의 섭취 및 배설물의 축출을 필요로 한다. 따라서, 도 45a 및 45b는 각각 본 발명에 따른 셀 케이지 구조체의 일 실시예의 평면도 및 단면도(선 45B-45B'를 따라 취함)이다.

셀 케이지(4500)는 기판(4505)과 접하는 탄성중합체 블록(4503) 내의 흐름 채널(4501)의 확장된 부분(4500a)으로서 형성된다. 셀 케이지(4500)는 그 단부(4500b 및 4500c)가 내부 영역(4500a)을 완전하게 격납하지 않는다는 점을 제외하고는, 도 44a 내지 도 44d와 관련하여 전술된 바와 같은 개개의 셀 펜과 유사하다. 오히려, 케이지(4500)의 단부(4500b 및 4500c)는 복수 개의 신축성 기둥(4502)에 의해 형성된다. 이들 기둥(4502)은 도 42a 내지 도 42j와 관련하여 상세히 전술된 바와 같은 정상 폐쇄 밸브 구조체의 박막 구조체의 일부분이다.

특히, 제어 채널(4504)은 기둥(4502) 위에 위치한다. 제어 채널(4504) 내의 압력이 감소하면, 탄성중합체 기둥(4502)은 제어 채널(4504)쪽으로 상향 당겨지고, 이에 의해 셀 케이지(4500)의 단부(4500b)가 개방되어 세포가 들어갈 수 있게 된다. 제어 채널(4504) 내의 압력이 상승하면, 기둥(4502)은 하향 이완하여 기판(4505)에 맞닿게 되고, 세포가 케이지(4500)에서 나가는 것을 방지한다.

탄성중합체 기둥(4502)의 크기 및 수는 케이지(4500) 밖으로 세포가 이동하는 것을 방지하기에 충분한 것이지만, 그 안에 저장된 세포(들)의 생명을 유지시키기 위해 영양분이 케이지 내부(4500a)로 흘러 들어가는 것을 허용하는 갭(4508)도 또한 포함되어 있다. 대향하는 단부(4500c)의 기둥(4502)은 제2 제어 채널(4506) 밑에서 이와 유사하게 구성되어 있어, 필요에 따라 케이지의 개방 및 세포의 제거를 허용한다.

특정 환경 하에서는, 구성 부분을 접근시키기 위해 세포 또는 그 밖의 생물학적 물질을 분쇄/붕괴하는 것이 바람직하다.

따라서, 도 46a 및 도 46b는 각각 본 발명에 따른 셀 그라인더 구조체(4600)의 일 실시예의 평면도 및 단면도(선 46B-46B'를 따라 취함)이다. 셀 그라인더(4600)는 흐름 채널(4604)에서 서로 맞물리는 기둥(4602)의 시스템을 포함한 것으로, 상기 시스템은 상부의 제어 채널(4608)에 의해 일체형 박막(4606)이 작동할 때 함께 폐쇄된다. 함께 폐쇄됨으로써, 기둥(4602)은 그들 사이에 존재하는 물질을 부순다.

기둥(4602)은 주어진 크기의 실체(세포)를 붕괴시키기에 적절한 간격으로 배치된다. 세포 물질을 붕괴시킬 경우, 약 2 ㎛의 간격을 두고 기둥(4602)을 배치하는 것이 적절하다. 본 발명에 따른 세포 분쇄 구조체의 변형예에서, 기둥(4602)은 모두 상부의 박막에 배치되거나, 제어 채널의 바닥면에 배치된다.

8. 압력 발진기(Pressure Oscillator)

본 발명의 또 다른 용례에서, 탄성중합체 구조체는 주로 전자 공학 분야에서 이용되는 발진기 회로와 유사한 압력 발진기를 형성하는데 이용될 수 있다. 도 47은 이러한 압력 발진기 구조체의 일 실시예의 평면도이다.

압력 발진기(4700)는 흐름 채널(4704)이 내부에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 탄성중합체 블록(4702)을 포함한다. 흐름 채널(4704)은 압력 공급원(4706)에 인접한 초기 부분(4704a)과, 압력 공급원(4706)으로부터 멀리 떨어져 있는 사형 부분(4706b)을 포함한다. 초기 부분(4704a)은 탄성중합체 블록(4702) 내에서 흐름 채널(4704) 위에 형성된 제어 채널(4710)과 유체 연통되어 있는 비아(4708)와 접해있다. 비아(4708)에서보다 압력 공급원(4706)에서 더 멀리 떨어져 있는 위치에, 제어 채널(4710)이 탄성중합체 박막 위에 위치하며 이 박막에 의해 흐름 채널(4704)로부터 분리되어 있어, 전술한 바와 같은 밸브(4712)를 형성한다.

압력 발진기 구조체(4700)는 다음과 같이 작동한다. 먼저, 압력 공급원(4706)은 비아(4708)를 통해 흐름 채널(4704) 및 제어 채널(4710)을 따라 압력을 제공한다. 흐름 채널(4704b)은 사형이므로, 제어 채널(4710)에 비해 구역(4704b)에서 압력이 더 낮다. 밸브(4712)에서, 사형 흐름 채널 부분(4704b)과 상부의 제어 채널(4710) 간의 압력 차이는, 결국 밸브(4712)의 박막이 사형 흐름 채널 부분(4704b)쪽으로 하향 돌출하게 하여 밸브(4712)를 폐쇄시킨다. 그러나, 압력 공급원(4706)은 계속 작동되기 때문에, 밸브(4712)가 폐쇄된 후 사형 흐름 채널 부분(4704b)의 압력이 상승하기 시작한다. 결국, 제어 채널(4710)과 사형 흐름 채널 부분(4704b) 사이에서 압력은 동일해지고 밸브(4712)는 개방된다.

압력 공급원의 연속적인 작동이 주어지면, 전술한 압력의 상승 및 해제가 무한히 계속되어 규칙적인 압력의 진동을 일으킬 것이다. 이러한 압력 진동 장치는 다수의 가능한 기능(타이밍에 한정되는 것이 아님)을 수행할 것이다.

9. 측방향 작동식 밸브

전술한 설명은 제어 채널이 개재된 탄성중합체 박막 위에 배치되고 이 박막에 의해 하부의 흐름 채널로부터 분리되어 있는 마이크로 가공된 탄성중합체 밸브 구조체에 초점을 맞추어 왔지만, 본 발명은 이러한 구조에 한정되지 않는다. 도 48a 및 도 48b는 본 발명의 일 실시예에 다른 측방향 작동식 밸브 구조체의 일 실시예의 평면도이다.

도 48a는 비작동 위치에 있는 측방향 작동식 밸브 구조체(4800)를 도시한다. 흐름 채널(4802)은 탄성중합체층(4804)에 형성된다. 또한, 흐름 채널(4802)과 접하는 제어 채널(4806)도 탄성중합체층(4804)에 형성된다. 제어 채널(4806)은 탄성중합체 박막 부분(4808)에 의해 흐름 채널(4802)로부터 분리된다. 제2 탄성중합체층(도시 생략)은 하부 탄성중합체층(4804) 위에 결합되어 흐름 채널(4802) 및 제어 채널(4806)을 둘러싼다.

도 48b는 작동 위치에 있는 측방향 작동식 밸브 구조체(4800)를 도시한다. 제어 채널(4806) 내에서 압력이 상승하는 것에 응답하여, 박막(4808)이 흐름 채널(4802)쪽으로 변형하고, 흐름 채널(4802)을 차단한다. 제어 채널(4806) 내에서 압력이 해제되면, 박막(4808)은 제어 채널(4806)쪽으로 다시 이완되고, 흐름 채널(4802)은 개방된다.

도 48a 및 도 48b에는 압력에 응답하여 작동되는 측방향 작동식 밸브 구조체가 도시되어 있지만, 본 발명에 따른 측방향 작동식 밸브는 이러한 구조에 한정되지 않는다. 예컨대, 인접하는 흐름 채널과 제어 채널 사이에 배치된 탄성중합체 박막 부분은, 이와는 다르게 상세히 전술된 바와 같이 전기장 또는 자기장에 의해 조작될 수 있다.

10. 추가 용례

다음은 본 발명의 다른 양태를 나타낸다. 본 발명의 밸브 및 펌프는 약품 전달용으로(예컨대, 체내 삽입형 약품 전달 장치에서), 그리고 생물학적 유체의 표본 추출용으로(예컨대, 표본이 상이한 저장소로 안내되거나 적절한 센서로 직접 보내어지는, 그 사이에 스페이서 유체의 플러그가 마련된 분류탑에서 연속적으로 표 본을 저장함으로써) 사용될 수 있다. 또한, 이러한 유체 표본 추출 장치는 환자의 몸에 삽입될 수 있다.

또한, 본 발명의 시스템은 마이크로 밸브 또는 펌프를 사용하여 생체내 과압을 경감시키는 장치용으로 사용될 수 있다. 예컨대, 체내 삽입이 가능한 생체 친화적 마이크로 밸브는 녹내장을 일으키는 눈 내의 과압을 경감시키는 데 사용될 수 있다. 본 발명의 절환 가능한 마이크로 밸브의 고려되는 그 밖의 용도로는 수정관(spermatic duct) 또는 난관(fallopian tube)에 삽입하여 약품을 사용하지 않고도 가역적으로 장기간 또는 단기간의 산아 제한을 허용하는 것 등이 있다.

본 발명의 다른 용도로는 서열 분석될 DNA에 중합효소(polymerase) 및 프라이머를 제공한 후, 염기 결합을 목적으로 신속하게 분석하기 위해 동시에 DNA 염기(A, C, T 또는 G) 중 일 유형에 이 DNA를 노출시키는 DNA 서열 분석 등이 있다. 상기 시스템에서, 염기는 시스템 내로 유입되어야만 하고 과잉 염기는 신속하게 씻어내야 한다. 본 발명에 따른 탄성중합체 마이크로 밸브에 의해 제어되는 압력 구동 흐름(Pressure drive flow)은 상기 반응물의 신속한 흐름 및 씻어냄을 가능케 하기에 이상적으로 적합하다.

본 발명의 마이크로 밸브 및 마이크로 펌프 시스템의 고려되는 그 밖의 용도로는 DNA 칩과 함께 사용하는 것 등이 있다. 예컨대, 표본은 루프형 채널에 유입될 수 있고, DNA 탐식자의 어레이에 대해 다수 통과될 수 있도록 연동 동작으로 루프를 돌아 펌핑될 수 있다. 상기 장치는 대개 비보상형 탐식자 위에 안착되어 소비되는 표본에게 그 대신에 보상형 탐식자에 결합되는 기회를 부여한다. 이러한 루프형 흐름 시스템은 필요한 표본의 용적을 줄이고 이에 의해 분석 시험의 분별도를 향상시킨다는 유익이 있다.

다른 용례로는 매우 민감한 탐지가 분석 시험의 분별도를 실질적으로 향상시키는 비드 단위의(bead-based) 분석 시험, 또는 소용적 액체의 분배에 의해 유익을 얻을 수 있는 고효율의 선별법 등이 있다.

고려되는 다른 용례로는 바람직한 기판에 대해 거의 인접한 탄성중합체 장치에 있는 유체 채널의 출구를 통한 밀착 인쇄에 의해, 또는 잉크젯 인쇄와 유사한 방법에 의해서 기판에 소정의 패턴 또는 어레이로 증착하기 전에, 장치의 사전 작동으로 화학적으로 제조되었거나 제조되지 않을 수 있는 다양한 화학물, 특히 올리고누클레오티드의 어레이를 증착하는 것이다.

본 발명의 마이크로 가공된 탄성중합체 밸브 및 펌프는 또한 반응물의 분배, 혼합 및 올리고누클레오티드, 펩티드 또는 그 밖의 생체고분자의 합성을 위한 반응용 시스템을 구성하는 데 사용될 수 있다.

본 발명의 다른 용례로는 액적을 배출시키기에 충분한 압력 펄스를 발생시키기 위해 작은 구멍이 이용되고 있는 잉크젯 프린터의 헤드 등이 있다. 본 발명에 따른 적절하게 작동되는 마이크로 밸브는 이러한 압력 펄스를 발생시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 마이크로 밸브 및 펌프는 단일 액적 만큼 작지는 않은 양으로 잉크 또는 색소를 디지털 방식으로 분배하는 데 사용될 수 있다. 상기 액적은 공기를 통해 가열될 필요가 있기보다는 인쇄될 매체와 접촉하게 될 것이다.

본 발명의 또 다른 용례로는 방사능 저항성 용품에서 사용 가능하다는 잇점 이 있는 유체 논리 회로가 있다. 이 유체 논리 회로의 다른 잇점은 비전자화되어 있어, 즉 전자기 센서에 의해 정밀 조사될 수 있어 안전성이 제공된다는 것이다.

본 발명의 또 다른 용도는 접착 재료 또는 그 밖의 물질로 패터닝된 유리 기판을 이용하여 유리 등과 같은 하부 기판으로부터 구조체를 쉽게 제거 및 재부착하는 것을 이용한다. 이로써, 패터닝된 기판 및 탄성중합체 구조체를 개별적으로 구성할 수 있다. 예컨대, 유리 기판은 DNA 마이크로 어레이로 패터닝될 수 있고, 탄성중합체 밸브 및 펌프 구조체는 후속 단계에서 상기 어레이 상에 밀봉될 수 있다.

11. 본 발명의 추가 양태

다음은 본 발명의 다른 양태를 나타낸다. 탄성중합체 구조체의 마이크로 가공된 채널에서 유체의 흐름을 조절하는 편향 가능한 박막을 사용함, 마이크로 가공된 가동 부분을 포함하는 마이크로 가공된 탄성중합체 장치를 제조하는 데 탄성중합체를 사용함, 마이크로 가공된 밸브 또는 펌프를 제조하는 데 탄성중합체 재료를 사용함.

본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 가공된 탄성중합체 구조체는, 마이크로 가공된 리세스가 내부에 형성되어 있는 탄성중합체 블록을 포함하고, 이 탄성중합체 블록의 일부분은 작동시 편향될 수 있다. 상기 리세스는 마이크로 가공된 제1 채널 및 마이크로 가공된 제1 리세스를 포함하고, 상기 일부분은 탄성중합체 박막으로 구성되며, 이 박막은 작동시 마이크로 가공된 제1 채널쪽으로 편향될 수 있다. 리세스의 폭은 10 내지 200 ㎛ 이며, 그 두께는 약 2 내지 50 ㎛ 이다. 마이크로 가공된 탄성중합체 구조체는 100 Hz 이상의 속도로 작동되며, 상기 일부분이 작동될 때 실질적으로 무용 용적이 없다.

탄성중합체 구조체의 작동 방법은 마이크로 가공된 제1 리세스 및 마이크로 가공된 제2 리세스가 그 내부에 형성되어 있는 탄성중합체 블록으로서, 상기 마이크로 가공된 제1 리세스 및 마이크로 가공된 제2 리세스는 작용력에 응답하여 제1 리세스 및 제2 리세스 중 어느 한쪽으로 편향될 수 있는 탄성중합체 블록의 박막 부분에 의해 분리되는 탄성중합체 블록을 제공하는 단계와, 상기 박막 부분이 제1 리세스 및 제2 리세스 중 어느 한쪽으로 편향되도록 박막 부분에 작용력을 인가하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 탄성중합체 구조체의 마이크로 가공법은 기판 상에 제1 탄성중합체층을 형성하는 단계와, 제1 탄성중합체층을 경화시키는 단계와, 그리고 제1 탄성중합체층 위에 제1 희생층을 패터닝하는 단계를 포함한다. 제2 탄성중합체층은 제1 탄성중합체층 위에 형성되어, 제1 탄성중합체층과 제2 탄성중합체층 사이에 패터닝된 제1 희생층이 격납되고, 제2 탄성중합체층은 경화되며, 패터닝된 제1 희생층은 제1 탄성중합체층 및 제2 탄성중합체층에 대해 선택적으로 제거되어, 제1 탄성중합체층과 제2 탄성중합체층 사이에 하나 이상의 제1 리세스를 형성한다.

가공 방법의 변형예는 제1 탄성중합체층을 형성하기 전에 기판 상에 제2 희생층을 패터닝하는 단계를 더 포함하는 것으로, 패터닝된 제1 희생층을 제거하는 중에 패터닝된 제2 희생층이 제거되어 제1 탄성중합체층을 따라 하나 이상의 리세스를 형성한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 가공된 탄성중합체 구조체는 탄성중합체 블록, 이 탄성중합체 구조체의 분리부에 의해 분리되는 제1 채널 및 제2 채널, 그리고 이 분리부에 인접하고 탄성중합체 블록 내에 마이크로 가공된 리세스를 포함하며, 상기 분리부는 마이크로 가공된 리세스(66)를 향해 편향되도록 작동된다. 분리부가 편향되면, 제1 채널 및 제2 채널 간의 통로가 개방된다.

탄성중합체 구조체를 통하는 유체 또는 가스의 흐름을 제어하는 방법은 마이크로 가공된 제1, 2, 3 리세스를 구비하고 그것을 관통하는 마이크로 가공된 제1 채널을 구비하는 탄성중합체 블록으로서, 마이크로 가공된 제1, 2, 3 리세스는 제1 채널을 향해 편향될 수 있는 제1, 2, 3 박막 각각에 의해 분리되는 탄성중합체 블록을 제공하는 단계와, 제1, 2, 3 박막을 제1 채널을 향해 반복되는 순서로 편향시켜 제1 채널을 통한 유체의 흐름을 연동식으로 펌핑하는 단계를 포함한다.

탄성중합체 구조체의 마이크로 가공법은 제1 탄성중합체층을 마이크로 가공하는 단계와, 제2 탄성중합체층을 마이크로 가공하는 단계와, 제1 탄성중합체층 위에 제2 탄성중합체층을 배치하는 단계와, 그리고 제1 탄성중합체층의 상부면 위에 제2 탄성중합체층의 바닥면을 접합시키는 단계를 포함한다.

본 발명은 그 특정 실시예를 참조로 본원에 기술되었지만, 전술한 명세서에는 일정 범위의 수정예, 다양한 변형예 및 대체예가 의도되어 있으며, 일부 예에서 본 발명의 일부 특징들은 전술된 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 그 밖의 특징들을 상응하게 사용하지 않으면서도 이용될 것이라고 사료될 것이다. 따라서, 본 발명의 본질적인 범위 및 정신을 벗어남 없이 특정 상태 및 물질을 본 발명의 교시에 적합하게 되는 많은 수정예가 만들어질 것이다. 본 발명을 수행하기 위해 고려된 최선의 모드로서 기술되어 있는 특정 실시예에 본 발명이 한정되는 것이 아니라, 청구 범위 내에 있는 모든 실시예 및 동등예를 포함할 것이다.

Claims (433)

1. 적어도 제1 마이크로 가공된 리세스(21)와 제2 마이크로 가공된 리세스(23)가 내부에 형성되어 있는 탄성중합체 블록을 포함하는 탄성 중합체 구조체(24)로서, 상기 제1 마이크로 가공된 리세스와 상기 제2 마이크로 가공된 리세스는 탄성중합체 블록의 일부인 박막부(25)에 의해 분리되며, 이 박막부는 유체의 압력에 의하여 작동시에 상기 제1 마이크로 가공된 리세스와 상기 제2 마이크로 가공된 리세스 중 어느 하나를 향해 편향될 수 있는 것인 탄성중합체 구조체.
2. 제1항에 있어서, 상기 박막부(25)는 인가되는 작용력에 대해 실질적으로 선형으로 응답하는 것인 탄성중합체 구조체.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 마이크로 가공된 리세스(21)는 제1 마이크로 가공된 채널(30)을 포함하고, 상기 제2 마이크로 가공된 리세스(23)는 제2 마이크로 가공된 채널(32)을 포함하며, 상기 박막부(25)는 작동시에 상기 제1 마이크로 가공된 채널과 상기 제2 마이크로 가공된 채널 중 어느 하나를 향해 편향될 수 있는 탄성중합체 박막을 포함하는 것인 탄성중합체 구조체.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1 마이크로 가공된 리세스(21)는 제1 마이크로 가공된 채널(30)을 포함하고, 상기 박막부(25)는 작동시에 상기 제1 마이크로 가공된 채널을 향해 편향될 수 있는 탄성중합체 박막을 포함하는 것인 탄성중합체 구조체.
5. 제4항에 있어서, 상기 박막부(25)는 상기 제2 마이크로 가공된 리세스(23)가 가압될 때 상기 제1 채널(30)을 향해 편향될 수 있는 것인 탄성중합체 구조체.
6. 제4항에 있어서, 상기 제2 마이크로 가공된 리세스(23)는 제2 마이크로 가공된 채널(32)을 포함하는 것인 탄성중합체 구조체.
7. 제4항에 있어서, 제2 채널(32A)에 평행하게 배치되는 제3 채널(32B) 및 제4 채널(32C)을 더 포함하고, 이 제2 채널, 제3 채널 및 제4 채널은 제1 채널(30)을 향해 편향될 수 있는 제1 박막, 제2 박막 및 제3 박막에 의해 각각 제1 채널로부터 분리되는 것인 탄성중합체 구조체.
8. 제1항에 있어서, 상기 탄성중합체 구조체는 폴리이소프렌, 폴리부타디엔, 폴리클로로프렌, 폴리이소부틸렌, 폴리(스티렌-부타디엔-스티렌), 폴리우레탄, 실리콘, 지방족 우레탄 디아크릴레이트, 폴리(비스(플루오로알콕시)포스파젠)(PNF, Eypel-F), 폴리(카보레인-실록산)(Dexsil), 폴리(아크릴로니트릴-부타디엔)(니트릴 고무), 폴리(1-부텐), 폴리(클로로트리플루오로에틸렌-불화 비닐리덴) 공중합체(Kel-F), 폴리(에틸 비닐 에테르), 폴리(불화 비닐리덴), 폴리(불화 비닐리덴-헥사플루오로프로필렌) 공중합체(Viton), 폴리염화비닐(PVC)의 탄성중합체 조성물, 폴리술폰, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(Teflon)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 재료를 포함하는 것인 탄성중합체 구조체.
9. 제1항에 있어서, 상기 제1 마이크로 가공된 리세스(21) 또는 상기 제2 마이크로 가공된 리세스(23)의 벽을 형성하며 유리 등으로 형성되는 평탄한 기판을 더 포함하는 것인 탄성중합체 구조체.
10. 제1 마이크로 가공된 리세스(21)와 제2 마이크로 가공된 리세스(23)가 내부에 형성된 탄성중합체 블록으로서, 상기 제1 마이크로 가공된 리세스와 상기 제2 마이크로 가공된 리세스는 유체의 압력에 응답하여 이들 중 하나를 향해 편향될 수 있는 탄성중합체 블록의 일부인 박막부(25)에 의해 분리되는 것인 탄성중합체 블록을 제공하는 단계와,

    상기 박막부가 제1 리세스와 제2 리세스 중 어느 하나를 향해 편향되도록 상기 박막부에 유체의 압력을 인가하는 단계

    를 포함하는 것인 탄성중합체 구조체의 작동 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 작용력 인가 단계는 상기 박막부(25)를 상기 제1 마이크로 가공된 리세스(21)를 향해 편향시키도록 상기 제2 마이크로 가공된 리세스(23)에 압력을 인가하는 단계를 포함하는 것인 탄성중합체 구조체의 작동 방법.
12. 제1, 제2 및 제3 마이크로 가공된 리세스(32A, 32B, 32C)를 구비하는 탄성중합체 블록으로서, 이를 통과하는 제1 마이크로 가공된 채널(30)을 구비하며, 상기 제1, 제2 및 제3 마이크로 가공된 리세스는 유체의 압력에 응답하여 상기 제1 채널을 향해 편향 가능한 탄성중합체 블록의 일부인 제1, 제2 및 제3 박막에 의하여 각각 제1 채널로부터 분리되는 것인 탄성중합체 블록을 제공하는 단계와,

    제1 채널을 통과하는 유체의 흐름을 연동식으로 펌핑하기 위하여, 제1, 제2 및 제3 박막을 제1 채널을 향해 반복적인 순서로 편향시키는 단계

    를 포함하는 것인 탄성중합체 구조체의 작동 방법.
13. 적어도 제1 리세스(21)를 내부에 구비하는 제1 마이크로 가공된 제1 탄성중합체 구조체(20)를 제공하는 단계와;

    적어도 제2 리세스(23)를 내부에 구비하는 제2 마이크로 가공된 제2 탄성중합체 구조체(22)를 제공하는 단계; 그리고

    상기 제2 탄성중합체 구조체의 표면에 상기 제1 탄성중합체 구조체의 표면을 접합시키는 단계

    를 포함하며,

    제1 리세스(21) 및 제2 리세스(23)가 탄성중합체 구조체의 일부인 박막부(25)에 의해 분리되고 상기 박막부가 유체의 압력에 응답하여 상기 제1 리세스 또는 상기 제2 리세스 중 어느 하나를 향해 편향될 수 있도록, 상기 제2 탄성중합체 구조체(22)를 상기 제1 탄성중합체 구조체(20) 위에 배치하는 단계와;

    상기 제2 탄성중합체 구조체의 바닥면을 상기 제1 탄성중합체 구조체의 상부면에 접합하는 단계

    를 더 포함하는 것인 탄성중합체 구조체의 마이크로 가공 방법.
14. 삭제
15. 제13항에 있어서, 상기 제1 탄성중합체 구조체의 바닥에 상기 제1 리세스(21)를 형성하는 하나 이상의 융기된 돌출부(11)를 구비하는 제1 마이크로 가공된 몰드(10) 위에서 상기 제1 탄성중합체 구조체(20)가 가공되고;

    상기 제2 탄성중합체 구조체의 바닥에 상기 제2 리세스(23)를 형성하는 하나 이상의 융기된 돌출부(13)를 구비하는 제2 마이크로 가공된 몰드(12) 위에서 제2 탄성중합체 구조체(22)가 가공되는 것인 탄성중합체 구조체의 마이크로 가공 방법.
16. 탄성중합체 구조체(24)의 마이크로 가공된 채널(30) 내의 유체의 흐름을 제어하기 위해, 탄성중합체 구조체(24)의 일부이며 유체의 압력에 의해 편향 가능한 박막(25)을 이용하는 방법.
17. 제16항에 있어서, 상기 마이크로 가공된 채널에 있어서의 유체 흐름의 제어는, 상기 박막(25)에 작용력을 인가하는 것에 의해 실시되는 것인 박막의 이용 방법.
18. 제16항에 있어서, 상기 마이크로 가공된 탄성중합체 구조체(24)는 모놀리식(monolithic) 구조인 것인 박막의 이용 방법.
19. 제16항에 있어서, 상기 마이크로 가공된 채널(30)에 있어서의 유체 흐름의 제어는, 탄성중합체 구조체의 제2 마이크로 가공된 채널(32)을 가압하여 상기 박막을 편향시키는 것에 의해 실시되는 것인 박막의 이용 방법.
20. 제16항에 있어서, 상기 탄성중합체 구조체는 적어도 제1 마이크로 가공된 리세스(21)와 제2 마이크로 가공된 리세스(23)가 내부에 형성되어 있고, 이들 마이크로 가공된 리세스 중 하나가 상기 마이크로 가공된 채널(30)을 형성하며, 상기 편향 가능한 박막(25)은 상기 제1 마이크로 가공된 리세스와 상기 제2 마이크로 가공된 리세스를 분리하고, 이 박막은 작동시에 상기 제1 마이크로 가공된 리세스 또는 상기 제2 마이크로 가공된 리세스 중 하나를 향해 편향될 수 있는 것인 박막의 이용 방법.
21. 접합된 탄성중합체층(20, 22)을 이용하여, 탄성중합체층(20, 22)의 일부로서 유체의 압력에 의해 편향 가능한 마이크로 가공된 부분(25)을 포함하는 탄성중합체 장치(24)를 제조하는 것인 접합된 탄성중합체층(20, 22)의 이용 방법.
22. 삭제
23. 1000 ㎛ 미만의 폭을 가진 마이크로 가공된 복수 개의 리세스가 내부에 형성된 탄성중합체 블록을 포함하고, 상기 탄성중합체 블록의 일부분이 유체의 압력에 의해 작동시에 상기 리세스 중 어느 하나를 향해 편향될 수 있는 것인 마이크로 가공된 탄성중합체 구조체.
24. 제23항에 있어서, 상기 리세스는 제1 마이크로 가공된 채널과 제1 마이크로 가공된 리세스를 포함하고, 상기 탄성중합체 블록의 일부분은 작동시에 상기 제1 마이크로 가공된 채널을 향해 편향될 수 있는 탄성중합체 박막을 포함하는 것인 마이크로 가공된 탄성중합체 구조체.
25. 제24항에 있어서, 상기 박막은 상기 제1 마이크로 가공된 리세스가 가압될 때 상기 제1 채널을 향해 편향될 수 있는 것인 마이크로 가공된 탄성중합체 구조체.
26. 제24항에 있어서, 상기 박막은 정전기적으로 작동될 때 상기 제1 채널을 향해 편향될 수 있는 것인 마이크로 가공된 탄성중합체 구조체.
27. 제24항에 있어서, 상기 제1 마이크로 가공된 리세스는 제2 마이크로 가공된 채널을 포함하는 것인 마이크로 가공된 탄성중합체 구조체.
28. 제27항에 있어서, 상기 제1 마이크로 가공된 채널과 상기 제2 마이크로 가공된 채널은 모두 상기 탄성중합체 구조체를 통과하는 것인 마이크로 가공된 탄성중합체 구조체.
29. 제27항에 있어서, 상기 제2 마이크로 가공된 채널은 상기 탄성중합체 구조체를 통과하고, 상기 제1 마이크로 가공된 채널은 상기 탄성중합체 구조체의 표면을 따라 통과하는 것인 마이크로 가공된 탄성중합체 구조체.
30. 제29항에 있어서, 상기 제1 마이크로 가공된 채널이 따라 통과하는 상기 탄성중합체 구조체의 표면에 인접하게 배치되는 평탄한 기판을 더 포함하는 것인 마이크로 가공된 탄성중합체 구조체.
31. 제27항에 있어서, 상기 제1 마이크로 가공된 채널은 T자형이고, 제1 브랜치 및 제2 브랜치와 유체 연통되어 있는 스템(stem)을 포함하며,

    상기 탄성중합체 박막은 제1 브랜치 위에 위치하고 제1 브랜치를 향해 편향될 수 있으며,

    상기 탄성중합체 구조체는 제2 탄성중합체 박막이 작동시 상기 제2 브랜치를 향해 편향될 수 있도록 상기 제2 브랜치 위에 위치하는 제2 리세스를 더 포함하여, 상기 스템을 향하는 유체의 흐름은 상기 제2 탄성중합체 박막 및 상기 제1 탄성중합체 박막을 각각 작동시킴으로써 상기 제1 브랜치 및 상기 제2 브랜치 중 하나를 향해 안내될 수 있는 것인 마이크로 가공된 탄성중합체 구조체.
32. 제27항에 있어서, 상기 제2 채널에 평행하게 배치되는 제3 및 제4 채널을 더 포함하고, 제2, 제3 및 제4 채널은 제1 채널을 향해 편향될 수 있는 제1, 제2 및 제3 박막에 의해 각각 제1 채널로부터 분리되는 것인 마이크로 가공된 탄성중합체 구조체.
33. 제23항에 있어서, 상기 탄성중합체 구조체는 폴리이소프렌, 폴리부타디엔, 폴리클로로프렌, 폴리이소부틸렌, 폴리(스티렌-부타디엔-스티렌), 폴리우레탄, 실리콘, 지방족 우레탄 디아크릴레이트, 폴리(비스(플루오로알콕시)포스파젠)(PNF, Eypel-F), 폴리(카보레인-실록산)(Dexsil), 폴리(아크릴로니트릴-부타디엔)(니트릴 고무), 폴리(1-부텐), 폴리(클로로트리플루오로에틸렌-불화 비닐리덴) 공중합체(Kel-F), 폴리(에틸 비닐 에테르), 폴리(불화 비닐리덴), 폴리(불화 비닐리덴-헥사플루오로프로필렌) 공중합체(Viton), 폴리염화비닐(PVC)의 탄성중합체 조성물, 폴리술폰, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(Teflon)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 재료를 포함하는 것인 마이크로 가공된 탄성중합체 구조체.
34. 탄성중합체 블록과;

    탄성중합체 블록의 일부인 분리부에 의해 분리되는 제1 채널 및 제2 채널; 그리고

    상기 탄성중합체 블록에 있어서 상기 분리부에 인접하게 마련되는 마이크로 가공된 리세스로서, 상기 분리부가 상기 마이크 가공된 리세스를 향해 편향되도록 유체의 압력에 의해 작동될 수 있는 것인 마이크로 가공된 리세스

    를 포함하는 마이크로 가공된 탄성중합체 구조체.
35. 제34항에 있어서, 상기 마이크로 가공된 리세스의 압력이 감소되어, 상기 분리부는 상기 마이크로 가공된 리세스를 향해 편향되는 것인 마이크로 가공된 탄성중합체 구조체.
36. 제34항에 있어서, 상기 분리부는 정전기적으로 작동될 때 상기 마이크로 가공된 리세스를 채널을 향해 편향될 수 있는 것인 마이크로 가공된 탄성중합체 구조체.
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