KR100922894B1 - Waveguide with liquid-core and gas-cladding and its fabrication method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광도파로 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 굴절률 차이가 큰 액상의 코어 층과 기상의 클래드 층을 포함한다. 본 발명에 의하면, 값싼 복제 주조 공정을 통해 미세 유체 소자를 형성하고, 상기 미세 유체 소자를 소수성의 플루오르계 자기조립 단분자막으로 표면처리를 한 후 액상과 기상의 층류 흐름을 형성함으로써 높은 포획률과 낮은 광도파로 손실의 효과를 나타내는 광도파로 및 미세 광원을 제조할 수 있다. 또한, 액상의 코어에 포함된 형광 물질을 여기하여 발광 및 도파시켜 집적화된 광자 유체 미세 광원과 광도파로를 형성할 수 있다.The present invention relates to an optical waveguide and a method for manufacturing the same, and includes a liquid core layer having a large refractive index difference and a cladding layer in a gas phase. According to the present invention, a microfluidic device is formed through an inexpensive replica casting process, and the microfluidic device is subjected to a surface treatment with a hydrophobic fluorine-based self-assembled monomolecular film to form a laminar flow in a liquid phase and a gas phase. Optical waveguides and fine light sources can be produced that exhibit the effects of optical waveguide loss. In addition, the fluorescent material included in the liquid core may be excited to emit light and waveguide to form an integrated photon fluid micro light source and an optical waveguide.
광도파로, 액상 코어, 기상 클래드, 미세 유체 소자 Optical waveguide, liquid core, gas phase cladding, microfluidic device
Description
본 발명은 굴절률 차이가 큰 액상의 코어 층과 기상의 클래드 층을 이용하여 빛의 포획률과 광도파로 손실을 개선한 광도파로 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an optical waveguide and a method for manufacturing the same, which improve light trapping rate and optical waveguide loss by using a liquid core layer having a large refractive index difference and a gaseous clad layer.
광자 유체공학은 미세유체역학과 광학을 접목시킴으로 상승효과를 누리고자 최근 생겨난 분야로, 광자유체 소자에서 광원과 광도파로는 필수적인 요소이다. 이를 위해 미세유체 소자에 외부광원을 도입하는 방법들이 주로 사용되고 있지만, 이러한 방법은 복잡한 광학 부품들의 정교한 정렬을 요구하거나 깨지기 쉬운 광섬유를 미세유체 소자에 심어 넣는 방법 등을 사용한다. Photonic fluid engineering is an area that has recently emerged to benefit synergistically by integrating microfluidics and optics, and is essential for light sources and optical waveguides in photofluidic devices. To this end, methods for introducing an external light source into the microfluidic device are mainly used, but such a method requires a sophisticated alignment of complex optical components or a method of planting a fragile optical fiber into the microfluidic device.
이를 보완하고자 미세유체 소자에 굴절률이 큰 액체를 흘려주어 액체와 미세유체 소자의 굴절률 차이를 이용하여 광도파로를 형성하려는 시도들이 있었다. 이 방법은 제조공정이 비교적 간단하고 광자유체 소자의 다른 부분들과 정렬을 쉽게 할 수 있다는 장점이 있지만, 제조된 미세유체 소자의 벽면이 광학적으로 매끄럽지 못하여 비교적 큰 광도파 손실을 감수해야만 했다.In order to compensate for this, there have been attempts to form an optical waveguide using a difference in refractive index between the liquid and the microfluidic device by flowing a liquid having a high refractive index into the microfluidic device. This method has the advantage of a relatively simple manufacturing process and easy alignment with other parts of the photoliquid device, but the wall of the fabricated microfluidic device is not optically smooth and has to bear a relatively large waveguide loss.
최근 이를 개선하고자 굴절률이 서로 다른 두 가지 액체를 미세유체 소자에 층류로 흘려주고, 이를 광도파로로 사용하는 시도가 있었다.(US 2005/0226549 A1)Recently, to improve this, there have been attempts to flow two liquids having different refractive indices into a microfluidic device in a laminar flow and use them as optical waveguides (US 2005/0226549 A1).
이를 통해 광학적으로 매끄러운 벽면을 형성할 수 있게 되어 광도파 손실을 줄일 수 있었을 뿐만 아니라, 코어와 클래드 모두 액체로 구성되어 있으므로 광도파로의 크기를 조절해 줄 수 있었다. 또한 코어에 형광성 물질을 도입함으로 외부광원과의 정교한 정렬 없이도 여기된 형광성 물질로부터 원하는 파장의 빛을 얻을 수 있게 되었다. 형광성 물질로부터 등방성으로 방출된 빛 중 일부가 전반사에 의해 포획되어 광도파로를 통해 전파되는 것이다. Through this, it was possible to form optically smooth walls, and to reduce the optical waveguide loss, and to control the size of the optical waveguide because both the core and the clad are made of liquid. In addition, by introducing a fluorescent material in the core, it is possible to obtain light of a desired wavelength from the excited fluorescent material without elaborate alignment with an external light source. Some of the light isotropically emitted from the fluorescent material is captured by total reflection and propagates through the optical waveguide.
그러나 코어와 클래드이 모두 액체일 경우, 굴절률 차이가 약 0.1 정도로 작아서 전반사에 의한 빛의 포획 비율이 작고, 광도파 손실이 여전히 클 수밖에 없다는 한계가 있다. 또한 층류임에도 불구하고 확산에 의한 혼합 때문에 미세유체 소자의 하류 부분에서는 굴절률 차이가 현저히 줄어들어 이러한 상황은 보다 악화되게 된다.However, when both the core and the clad are liquid, there is a limit that the difference in refractive index is about 0.1 so that the capture rate of light due to total reflection is small and the optical waveguide loss is still large. In addition, despite the laminar flow, the difference in refractive index is significantly reduced in the downstream part of the microfluidic device due to the mixing by diffusion, and this situation is made worse.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 미세 유체 소자 내부에 액상의 코어 층과 기상의 클래드 층을 형성함에 따라 형성된 서로 다른 상의 층류에 의하여 빛의 포획률 및 광도파 손실을 개선하고 확산에 의한 혼합을 방지하는 광도파로 및 그의 제조방법을 제공하는 데에 목적이 있다.The present invention is to solve the problems of the prior art to improve the trapping rate and the optical waveguide loss of light due to the laminar flow of the different phase formed by forming the liquid core layer and the gas phase cladding layer inside the microfluidic device An object of the present invention is to provide an optical waveguide for preventing mixing and a method of manufacturing the same.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 광도파로 및 그의 제조방법에 있어서 광도파로를 형성하는 미세 유체 소자 내부에 액상의 코어와 기체의 클래드을 포함할 수 있다.In order to achieve the above object, in the optical waveguide of the present invention and a method of manufacturing the same, a clad of a liquid core and a gas may be included in the microfluidic element forming the optical waveguide.
본 발명의 액상 코어층 및 기상 클래드층으로 이루어진 광도파로 및 미세 광원을 포함하는 것이 바람직하다.It is preferable to include an optical waveguide and a fine light source consisting of the liquid core layer and the gas phase clad layer of the present invention.
본 발명에서 상기 코어층은 형광성 물질을 더 포함하는 것이 바람직하다.In the present invention, the core layer preferably further includes a fluorescent material.
본 발명에서 상기 형광성 물질은 p-터페닐, p-쿠아터페닐, 엑사리트 계열, 쿠마린 계열, 피로메텐 계열, 로다민 계열, 페녹사존, 나일레드, 나일 블루, 옥사진 퍼클로레이트, 플루오레신이소씨오시아네이트, 플루오레신소듐솔트, 스틸벤 계열 및 상기 형광물질의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.In the present invention, the fluorescent substance is p-terphenyl, p-quaterphenyl, exaryt series, coumarin series, pyrromethene series, rhodamine series, phenoxazone, nired, nile blue, oxazine perchlorate, fluorescein It is preferably made of a material selected from the group consisting of sociocyanate, fluorescein sodium salt, stilbene series and a mixture of the above fluorescent materials.
본 발명에서 상기 코어층은 프로필렌 카보네이트, 에틸렌글리콜, N,N-디메틸아세트아마이드, 포름아마이드, 디메틸술폭타이드, 2-이소부틸티마졸, 2,4-디메틸티아졸, 피롤, 티오펜, 3-아세틸-2,5-디메틸티오펜, 벤질알코올, 2-아세틸티오펜, m-크레졸, 벤즈알데히드, 니트로벤젠, 피롤-2-카보니트릴, 브로모벤젠, 2-티오펜메탄올, 벤질벤조에이트, 2-이오도에탄올, 아닐린, 2-클로로아닐린, 3-브로모벤즈알데히드, 브로모포름, 1-메틸나프탈렌, 카본디술파이드, 벤조티아졸, 1-이오도나프탈렌, 1,2,디이오도벤젠, 메틸렌이오다이드 및 상기 물질의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.In the present invention, the core layer is propylene carbonate, ethylene glycol, N, N-dimethylacetamide, formamide, dimethyl sulfoxide, 2-isobutylthiazole, 2,4-dimethylthiazole, pyrrole, thiophene, 3- Acetyl-2,5-dimethylthiophene, benzyl alcohol, 2-acetylthiophene, m-cresol, benzaldehyde, nitrobenzene, pyrrole-2-carbonitrile, bromobenzene, 2-thiophenmethanol, benzylbenzoate, 2 Iodoethanol, aniline, 2-chloroaniline, 3-bromobenzaldehyde, bromoform, 1-methylnaphthalene, carbon disulfide, benzothiazole, 1-iodonaphthalene, 1,2, diiobenzene, It is preferably made of a material selected from the group consisting of methylene iodide and mixtures of the above materials.
본 발명에서 상기 클래드층은 공기, 산소, 질소, 이산화탄소, 헬륨, 수소, 아르곤 및 상기 기체의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 기체로 이루어지는 것이 바람직하다.In the present invention, the cladding layer is preferably made of a gas selected from the group consisting of air, oxygen, nitrogen, carbon dioxide, helium, hydrogen, argon and a mixture of the above gases.
본 발명은 광도파로 제조방법에 관한 것으로 미세유체 소자가 제조하는 단계를 포함하고, 상기 미세 유체 소자를 통해서 액상의 코어물질과 기상의 클래드 물질을 주입함에 따라 유도되는 층류 흐름에 의해 광도파로가 형성되는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.The present invention relates to an optical waveguide manufacturing method comprising the step of manufacturing a microfluidic device, the optical waveguide is formed by the laminar flow induced by injecting the liquid core material and the gaseous clad material through the microfluidic device It is preferred to include the step of becoming.
본 발명에서 상기 미세유체 소자는 플루오르계 자기조립 단분자막으로 코팅되는 것이 바람직하다.In the present invention, the microfluidic device is preferably coated with a fluorine-based self-assembled monolayer.
본 발명에서 상기 플루오르계 자기조립 단분자막은 햅타데카플르오로-1, 1, 2, 2-테트라하이드로데실트리클로로실란, 헵타데카플루오로데실트리에톡시실란, 햅타데카플루오로데실트리메톡시실란, 헵타데카플루오로데실이소프로필실란, 퍼플루 오로데실트리클로로실란, 퍼플루오로데실트리에톡시실란 및 퍼플루오로데실트리메톡시실란으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.In the present invention, the fluorine-based self-assembled monolayer is Hapta decafluoro-1, 1, 2, 2-tetrahydrodecyltrichlorosilane, heptadecafluorodecyltriethoxysilane, hapta decafluorodecyltrimethoxysilane, It is preferably selected from the group consisting of heptadecafluorodecylisopropylsilane, perfluorodesiltrichlorosilane, perfluorodecyltriethoxysilane and perfluorodecyltrimethoxysilane.
본 발명에서 상기 액상의 코어물질은 발광 및 도파하기 위한 형광물질을 포함하는 것이 바람직하다.In the present invention, the liquid core material preferably includes a fluorescent material for luminescence and waveguide.
본 발명에서 상기 액상의 코어물질은 미세 유체 소자의 높이, 폭 및 모양에 따라 유속을 조절하여 주입하는 것이 바람직하다.In the present invention, the liquid core material is preferably injected by adjusting the flow rate according to the height, width and shape of the microfluidic device.
본 발명에서 상기 유속은 0.01ml/h 이상 10ml/h이하인 것이 바람직하다.In the present invention, the flow rate is preferably 0.01ml / h or more and 10ml / h or less.
본 발명에서 상기 기상의 클래드 물질은 미세 유체 소자의 높이, 폭 및 모양에 따라 진공압력을 조절하여 주입하는 것이 바람직하다.In the present invention, the gaseous clad material is preferably injected by adjusting the vacuum pressure according to the height, width and shape of the microfluidic device.
본 발명에서 상기 진공압력은 30cmHg 이상 70cmHg이하인 것이 바람직하다.In the present invention, the vacuum pressure is preferably 30cmHg or more and 70cmHg or less.
본 발명은 액체와 기제로 구성된 두 가지 서로 다른 상의 층류를 사용 즉, 액상의 코어와 기상의 클래드을 이용하여 빛의 높은 포획률과 낮은 광도파 손실을 나타내는 광도파로를 제조할 수 있는 효과가 있다.The present invention has the effect of using an laminar flow of two different phases consisting of a liquid and a base, that is, an optical waveguide exhibiting a high trapping ratio and low optical waveguide loss of light using a liquid core and a gaseous clad.
또한, 값싼 복제 주조 공정을 통해 제조된 미세 유체 소자를 사용하고, 대기 중에서 쉽게 얻을 수 있는 공기를 클래드으로 사용함으로써 제조 비용을 절감시키는 효과가 있다.In addition, by using a microfluidic device manufactured through an inexpensive replica casting process and using air that is easily obtained in the atmosphere as a clad, there is an effect of reducing the manufacturing cost.
그리고, 장시간 사용시 가장 큰 공간을 차지하는 클래드 액체를 위한 공간을 없앰으로써 휴대 가능한 일회용 미세 종합 분석 시스템의 광원으로 적합한 광자 유 체 광원을 제조할 수 있는 효과가 있다.In addition, by eliminating the space for the clad liquid that occupies the largest space when using for a long time, there is an effect that can be produced as a light source of the light source for a portable disposable micro-analysis system.
본 발명에서는 집적화된 광자 유체 미세 광원을 제조하기 위해 굴절률 차이가 큰 액체 코어와 기체 클래드을 이용한다. In the present invention, a liquid core and a gas clad with a large refractive index difference are used to fabricate an integrated photon fluid microlight source.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In adding reference numerals to components of the following drawings, it is determined that the same components have the same reference numerals as much as possible even if displayed on different drawings, and it is determined that they may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention. Detailed descriptions of well-known functions and configurations will be omitted.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광자 유체 광도파로를 나타낸 도면이다.1 is a view showing a photon fluid optical waveguide according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 액체 코어를 주사기 펌프를 이용하여 'T'자 모양의 미세 유체 소자에 일정한 유속으로 주입하며, 미세 유체 소자 끝단에 위치한 진공 흡입구에 진공 펌프를 이용하여 일정한 압력으로 기체를 주입할 수 있으며, 상기 미세 유체 소자의 폭, 높이 및 모양 등에 따라 유체의 유속 및 기체의 압력을 조절하여 액체와 기체의 층상 흐름을 형성할 수 있다. Referring to FIG. 1, a liquid core is injected at a constant flow rate into a 'T' shaped microfluidic device using a syringe pump, and gas is injected at a constant pressure using a vacuum pump to a vacuum inlet located at the end of the microfluidic device. In addition, it is possible to form a layered flow of liquid and gas by adjusting the flow rate of the fluid and the pressure of the gas according to the width, height and shape of the microfluidic device.
예를 들면, 상기 안정적인 층상 흐름을 갖는 광도파로를 제조할 때, 150마이 크로미터 높이의 유체소자를 사용할 경우에는 0.5~10ml/h의 액체 유속 및 30~70cmHg의 기체 진공압력을 사용할 수 있으며, 70마이크로미터 높이의 유체소자를 사용할 경우에는 0.01~0.5ml/h의 액체 유속 및 30~70cmHg의 기체 진공압력을 사용할 수 있다. For example, when manufacturing the optical waveguide having the stable laminar flow, when using a fluid element of 150 micrometers high it is possible to use a liquid flow rate of 0.5 ~ 10ml / h and gas vacuum pressure of 30 ~ 70cmHg, When using a fluid element with a height of 70 micrometers, a liquid flow rate of 0.01 to 0.5 ml / h and a gas vacuum pressure of 30 to 70 cmHg can be used.
상기 층상 흐름이 안정적으로 유지되면 광학적으로 매끄러운 유체와 기체의 계면을 얻을 수 있으며, 두 상의 굴절률 차이로 야기되는 전반사를 통해 광손실이 적고 빛의 높은 포획률을 갖는 광도파로를 형성할 수 있다. When the laminar flow is kept stable, an optically smooth interface between the fluid and the gas may be obtained, and an optical waveguide having low light loss and high capture rate may be formed through total reflection caused by the refractive index difference between the two phases.
또한, 상기 코어를 이루는 액체에 형광물질을 함유하여 형성할 경우, 상기 광도파로를 외부 광원으로 여기시키면 상기 형광물질이 발광하고 등방성으로 발광 된 빛의 일부가 전반사에 의해 액체와 기체의 층상 흐름을 이용하여 형성된 광도파로를 따라 전파된다. 그리고 상기 전파된 빛은 'T'자 모양의 코어가 갈라지는 부분에서 광자 유체 소자로부터 방출될 수 있다.In addition, in the case where the liquid constituting the core is formed by containing a fluorescent material, when the optical waveguide is excited by an external light source, the fluorescent material emits light, and part of the isotropically emitted light causes layered flow of liquid and gas by total reflection. It propagates along the optical waveguide formed by using the same. The propagated light may be emitted from the photonic fluid element at a portion where the 'T' shaped core splits.
상기 코어를 이루는 액체는 상기 미세 유체 소자를 구성하는 물질보다 큰 굴절률을 가지는 모든 종류의 액체가 사용될 수 있지만, 바람직하게는 프로필렌 카보네이트, 에틸렌글리콜, N,N-디메틸아세트아마이드, 포름아마이드, 디메틸술폭타이드, 2-이소부틸티마졸, 2,4-디메틸티아졸, 피롤, 티오펜, 3-아세틸-2,5-디메틸티오펜, 벤질알코올, 2-아세틸티오펜, m-크레졸, 벤즈알데히드, 니트로벤젠, 피롤-2-카보니트릴, 브로모벤젠, 2-티오펜메탄올, 벤질벤조에이트, 2-이오도에탄올, 아닐린, 2-클로로아닐린, 3-브로모벤즈알데히드, 브로모포름, 1-메틸나프탈렌, 카본디술파이드, 벤조티아졸, 1-이오도나프탈렌, 1,2,디이오도벤젠, 메틸렌이오다이드 및 상 기 용매의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되어 사용될 수 있다. As the liquid constituting the core, all kinds of liquids having a refractive index larger than those of the materials constituting the microfluidic element may be used. Preferably, propylene carbonate, ethylene glycol, N, N-dimethylacetamide, formamide, and dimethyl sulfoxide are used. Tide, 2-isobutylthiazole, 2,4-dimethylthiazole, pyrrole, thiophene, 3-acetyl-2,5-dimethylthiophene, benzyl alcohol, 2-acetylthiophene, m-cresol, benzaldehyde, nitro Benzene, pyrrole-2-carbonitrile, bromobenzene, 2-thiophenmethanol, benzylbenzoate, 2-iodoethanol, aniline, 2-chloroaniline, 3-bromobenzaldehyde, bromoform, 1-methylnaphthalene , Carbon disulfide, benzothiazole, 1-iodonaphthalene, 1,2, diiodobenzene, methylene iodide, and a mixture of the above solvents.
그리고, 한정되는 것은 아니나 상기 형광물질은 p-터페닐, p-쿠아터페닐, 엑사리트 계열, 쿠마린 계열, 피로메텐 계열, 로다민 계열, 페녹사존, 나일레드, 나일 블루, 옥사진 퍼클로레이트, 플루오레신이소씨오시아네이트, 플루오레신소듐솔트, 스틸벤 계열 및 상기 형광물질의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되어 사용할 수 있으며, 상기 형광 물질의 종류를 변화시킴에 따라 상기 미세 광원의 발광 파장을 조절할 수 있다. In addition, the phosphor is not limited to p-terphenyl, p-quaterphenyl, exaryt series, coumarin series, pyrromethene series, rhodamine series, phenoxazone, nired, nile blue, oxazine perchlorate, Fluorescein isocyanate, fluorescein sodium salt, stilbene series and a mixture of the fluorescent material can be selected and used, and as the type of the fluorescent material is changed the emission wavelength of the fine light source I can regulate it.
상기 클래드으로 사용되는 기체는 산소, 질소, 이산화탄소, 헬륨, 수소, 아르곤 등 모든 종류의 기체로 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게 대기 중에서 쉽게 얻을 수 있는 공기를 주로 사용할 수 있다. The gas used as the clad may be used as any kind of gas such as oxygen, nitrogen, carbon dioxide, helium, hydrogen, argon, and more preferably, air that can be easily obtained in the atmosphere.
상기 기체 클래드을 대기 중에서 쉽게 얻을 수 있는 공기로 사용함에 따라 장기간 사용 시 가장 큰 공간을 차지하는 클래드 액체를 위한 공간이 불필요함으로 휴대 가능한 종합 분석 시스템의 광원으로 보다 적합한 집적화된 광자유체 광원을 제공할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. Since the gas clad is used as easily obtainable air in the atmosphere, there is no need for a space for the clad liquid that occupies the largest space for a long time, thereby providing an integrated photoliquid light source more suitable as a light source of a portable comprehensive analysis system. The effect can be obtained.
본 발명의 형광물질이 함유된 액체 코어 층과 기체의 클래드 층을 갖는 광도파로는 집적화된 광자 유체 소자의 다른 부분과 정밀하게 정렬할 수 있으며, 이에 따라 복잡한 광학부품들의 정교한 정렬이나 깨지기 쉬운 광섬유의 삽입 없이도 미세 종합 분석 시스템의 미세 광원 등으로 사용할 수 있다. The optical waveguide having the liquid core layer containing the fluorescent material of the present invention and the cladding layer of the gas can be precisely aligned with the other parts of the integrated photon fluid element, thereby providing precise alignment of complex optical components or fragile optical fibers. It can be used as a micro light source of a micro comprehensive analysis system without insertion.
또한, 액체-코어/기체-클래드을 통한 광도파로의 특성 분석을 위하여 분광계가 연결되어 있는 광섬유를 광자 유체 소자와 정렬하여 삽입함으로써 분광분석을 할 수 있으며, 액체-코어 내부에 녹아있는 형광물질의 종류를 변화시켜 특정 파장의 빛을 얻을 수 있다.In addition, for the characterization of optical waveguides through liquid-core / gas-clad, spectroscopic analysis can be performed by aligning and inserting optical fiber connected with spectrometer with photon fluid element, and type of fluorescent material dissolved inside liquid-core Can be changed to obtain light of a specific wavelength.
본 발명의 액체-코어 및 기체-클래드이 삽입되는 미세 유체 소자는 복제 주조가 가능한 모든 종류의 물질 및 식각 공정으로 미세 유체 소자를 만들 수 있는 모든 종류의 물질이 사용될 수 있으며, 한정되는 것은 아니나 폴리디메틸실록산, 폴리메틸메타크릴레이트, 유리 및 SU-8 등의 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 그리고, 광도파로를 만들기 위해 사용되는 마스터는 광식각이 가능한 양성 감광제와 음성 감광제 등의 모든 종류의 감광성 물질을 사용하여 제조할 수 있다. 또한, 패턴화된 감광제를 마스크로 사용하여 건식 식각 및 습식 식각 공정을 이용하여 만들 수 있는 모든 종류의 패턴이 마스터로 사용될 수 있다.The microfluidic device into which the liquid-core and gas-clad of the present invention is inserted may be used as all kinds of materials capable of replicating casting and all kinds of materials capable of forming the microfluidic device by an etching process, but are not limited thereto. Preference is given to using substances such as siloxane, polymethylmethacrylate, glass and SU-8. In addition, the master used to make the optical waveguide may be manufactured using all kinds of photosensitive materials such as photo-etchable positive photosensitive agent and negative photosensitive agent. In addition, all types of patterns that can be created using dry etching and wet etching processes using a patterned photoresist may be used as a master.
상기 복제 주조 공정을 통해 제조된 미세 유체 소자에 소수성의 플루오르계 자기조립 단분자막으로 표면처리를 함에 따라 친수성의 액체를 사용하는 경우보다 안정적인 층상 흐름을 갖는 광도파로를 제조할 수 있다.By surface treatment with a hydrophobic fluorine-based self-assembled monolayer on the microfluidic device manufactured through the replica casting process, an optical waveguide having a more stable layer flow can be manufactured than when a hydrophilic liquid is used.
이때, 상기 플루오르계 자리 조립 단분자막은 한정되는 것은 아니나, 햅타데카플르오로-1, 1, 2, 2-테트라하이드로데실트리클로로실란, 헵타데카플루오로데실트리에톡시실란, 햅타데카플루오로데실트리메톡시실란, 헵타데카플루오로데실이소프로필실란, 퍼플루오로데실트리클로로실란, 퍼플루오로데실트리에톡시실란 및 퍼플루오로데실트리메톡시실란 등으로 이루어진 군에서 선택하여 사용할 수 있다.In this case, the fluorine-based site-assembled monolayer is not limited, but, but not limited to, hapta decafluoro-1, 1, 2, 2-tetrahydrodecyl trichlorosilane, heptadecafluorodecyl triethoxysilane, hapta deca fluorodecyl tree Methoxysilane, heptadecafluorodecylisopropylsilane, perfluorodecyltrichlorosilane, perfluorodecyltriethoxysilane, perfluorodecyltrimethoxysilane, and the like.
이하, <실시 예> 및 도면을 사용하여 액체 코어/기체 클래드을 갖는 광도파 로의 제조 과정에 대하여 더욱 자세히 살펴볼 수 있다.Hereinafter, the manufacturing process of the optical waveguide having the liquid core / gas clad may be described in more detail with reference to the <Example> and the drawings.
<실시 예1> - 복제 주조를 위한 마스터의 제조Example 1 Preparation of Master for Replica Casting
연성 식각 방법 중 하나인 복제 주조 방법을 통해 미세유체 소자를 제조하기 위해서 우선 복제주조를 위한 마스터를 SU-8의 광식각 공정을 통해 제조하였다. SU-8 100을 1000-5000 rpm으로 스핀코팅하여 30-400 마이크로미터의 다양한 두께로 실리콘 웨이퍼 위에 코팅하여 형성된 70 마이크로미터와 150 마이크로미터의 두 가지 두께의 SU-8를 사용하였다. 그리고, 스핀 코팅된 SU-8은 솔벤트를 제거하기 위하여 65℃와 95℃에서 열처리하였다.In order to manufacture the microfluidic device through the replica casting method, one of the soft etching methods, a master for replica casting was first manufactured through the photoetch process of SU-8. Two thicknesses of SU-8, 70 micrometers and 150 micrometers, were formed by spin coating SU-8 100 at 1000-5000 rpm onto a silicon wafer at various thicknesses of 30-400 micrometers. And, spin-coated SU-8 was heat-treated at 65 ℃ and 95 ℃ to remove the solvent.
그 후, 도 2와 같은 모양의 포토마스크를 이용하여 365 nm 파장을 가지는 자외선에 노출시켜, 음성감광제인 SU-8에서 UV로 노출된 부분을 다시 65℃와 95℃에서 열처리를 하여 가교 결합을 하였다. 상기 감광제 중 가교 결합이 되지 않은 부분은 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트를 이용하여 현상하고 이소프로필알코올로 세척하고 180℃에서 열처리하여 단단한 마스터를 제조하였다.Subsequently, the photomask having the shape as shown in FIG. 2 is exposed to ultraviolet rays having a 365 nm wavelength, and the UV-exposed portion of the negative photosensitive agent SU-8 is heat-treated again at 65 ° C. and 95 ° C. for crosslinking. It was. The crosslinked portion of the photosensitive agent was developed using propylene glycol monomethyl ether acetate, washed with isopropyl alcohol, and heat treated at 180 ° C. to prepare a hard master.
<실시 예 2> - 연성식각을 이용한 미세유체 소자의 제조<Example 2>-Fabrication of microfluidic device using soft etching
상기 <실시 예1>에서 제조된 마스터에 클로로트리메틸실란으로 표면처리를 한 후 마스터 패턴에 폴리디메틸실록산의 프리폴리머와 가교제를 4:1-15:1의 비율로 부어준다. 그리고, 상기 폴리디메틸실록산을 70℃ 2시간 이상 열처리하여 경화시킨 후 마스터로부터 떼어내어 광섬유를 넣어줄 연결부분을 면도칼로 잘라서 열어 주고, 액체와 기체의 출입구에 구멍을 낸다. 산소 플라즈마 처리를 이용하여 경화된 폴리디메틸실록산 판과 접합시키고, 이렇게 제조된 미세유체 소자를 햅타데카플루오로-1, 1, 2, 2,-테트라하이드로데실트리클로로실란으로 표면처리를 하여 유체 코어와 폴리디메틸실록산의 접촉각을 크게 한다.After surface treatment with chlorotrimethylsilane on the master prepared in Example 1, a prepolymer and a crosslinking agent of polydimethylsiloxane are poured into the master pattern at a ratio of 4: 1-15: 1. Then, the polydimethylsiloxane is heat-treated at 70 ° C. for 2 hours or more, cured and then removed from the master, and the connection part for opening the optical fiber is cut and opened with a razor, and a hole is formed in the entrance of the liquid and gas. Bonded with the polydimethylsiloxane plate cured using an oxygen plasma treatment, and the microfluidic device thus prepared was surface treated with hapta decafluoro-1, 1, 2, 2, -tetrahydrodecyltrichlorosilane to form a fluid core. The contact angle of and polydimethylsiloxane is made large.
<실시 예 3> - 액체와 기체의 층상 흐름을 이용한 미세 광원의 제조<Example 3>-Preparation of a micro light source using a layered flow of liquid and gas
상기 <실시 예2>에서 제조된 미세유체 소자에 형광 물질이 녹아있는 에틸렌글리콜(굴절률 : 1.432)을 주사기 펌프로 일정한 유속으로 주입시고, 진공 흡입구에서 적절한 압력의 진공을 이용하여 대기 중의 공기(굴절률 : 1.000)를 미세유체 소자로 유입시켜 층상 흐름을 유도하였다. (도 3a 내지 도 3d참조)Injecting ethylene glycol (refractive index: 1.432) in which fluorescent material is dissolved into the microfluidic device manufactured in Example 2 at a constant flow rate using a syringe pump, and using atmospheric pressure (refractive index) using a vacuum of an appropriate pressure at a vacuum inlet. : 1.000) was introduced into the microfluidic device to induce the laminar flow. (See FIGS. 3A-3D)
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시 예에 따른 형광 물질을 함유하는 액체 코어와 기체 클래드 층류 흐름을 나타낸 광학현미경 사진 및 형광 현미경 사진으로서, 140 마이크로미터의 높이를 가지는 미세유체 소자에 플루오레신소듐솔트가 녹아있는 에틸렌글리콜을 2 ml/h의 유속으로 넣어주면서, 40 cmHg의 진공 압력을 걸어준 경우 형성되는 층상 흐름을 알 수 있다.3A to 3D are optical micrographs and fluorescence micrographs showing a liquid core containing a fluorescent material and a gas clad laminar flow according to an embodiment of the present invention, wherein the microfluidic device having a height of 140 micrometers is fluorine. Injecting ethylene glycol dissolved in sodium salt at a flow rate of 2 ml / h, it can be seen that the layered flow formed when applying a vacuum pressure of 40 cmHg.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 서로 다른 형광 물질을 사용한 광도파로의 빛 방출 스펙트럼으로서, 로다민 6G, 폴로레신소듐솔트, 쿠마린1을 사용하였다. 4 is a light emission spectrum of an optical waveguide using different fluorescent materials according to an embodiment of the present invention, rhodamine 6G, poloresin sodium salt,
도 4를 참조하면, 서로 다른 종류의 형광성 물질을 에틸렌글리콜에 넣어준 경우, "T"모양의 미세유체 소자 끝단에서 광섬유와 연결된 분광계를 이용하여 분광 분석을 한 결과로서, 쿠마린1(중심 파장 : 464 nm), 플루오레신소듐솔트(중심 파장 : 557 nm), 로다민6G(중심 파장 : 596 nm)가 녹아있는 경우의 표준화된 스펙트럼을 알 수 있다.Referring to FIG. 4, when different types of fluorescent materials are added to ethylene glycol, coumarin 1 (center wavelength :) is a result of spectroscopic analysis using a spectrometer connected to an optical fiber at the end of a "T" -shaped microfluidic device. 464 nm), fluorescein sodium salt (center wavelength: 557 nm), and rhodamine 6G (center wavelength: 596 nm) can be seen in the standardized spectrum.
<실시 예4> - 액체의 유속에 따른 광도파로의 크기 조절Example 4 Size Control of Optical Waveguide According to Flow Rate of Liquid
상기 <실시 예3>에 의해 액체-코어/기체-클래드 광도파로는 미세유체 소자 내에 도입되는 액체의 유속 및 기체의 진공 압력을 조절하였다.(도 5a내지 도 5f참조)According to Example 3, the liquid-core / gas-clad optical waveguide regulates the flow rate of the liquid introduced into the microfluidic device and the vacuum pressure of the gas (see FIGS. 5A to 5F).
도 5a내지 도 5f는 본 발명의 일 실시 예에 따른 액체의 유속 변화에 따른 코어의 크기 변화를 나타낸 사진으로서, 140 마이크로미터의 높이를 가지는 미세유체 소자에서 진공 압력을 60 cmHg로 고정하고, 로다민6G가 녹아있는 에틸렌글리콜 용액을 액체 코어로 사용하여, 액체 코어의 유속을 0.5ml/h에서 10 ml/h로 변화시키면서 찍은 광학현미경 사진(도 5a 내지 도 5c) 및 형광현미경 사진(도 5d 내지 도 5f)을 포함한다. 5a to 5f are photographs showing the change in the size of the core according to the flow rate of the liquid according to an embodiment of the present invention, in the microfluidic device having a height of 140 micrometers to fix the vacuum pressure to 60 cmHg, Using an ethylene glycol solution in which Min 6G is dissolved as a liquid core, optical micrographs (FIGS. 5A to 5C) and fluorescence microscopy images (FIG. 5D) were taken while changing the flow rate of the liquid core from 0.5 ml / h to 10 ml / h. To FIG. 5F).
그리고, 도시하지는 않았지만 동일한 미세유체 소자에서 유체의 유속을 2 ml/h로 고정한 경우, 진공 압력을 60 cmHg에서 40 cmHg로 낮춘 경우 광도파로 코어의 크기를 65 마이크로미터에서 115 마이크로미터로 넓어지는 실험 결과를 얻을 수 있었다.And, although not shown, in the same microfluidic device, when the flow rate of the fluid is fixed at 2 ml / h, when the vacuum pressure is lowered from 60 cmHg to 40 cmHg, the size of the optical waveguide core is widened from 65 to 115 micrometers. The result was obtained.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 형광성 광도파로의 단면도이다.6 is a cross-sectional view of a fluorescent optical waveguide according to an embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 액체 코어의 양 측면은 기체 클래드과 닿아 있지만, 위와 아래 면은 폴리디메틸실록산 (굴절률 : 1.406)과 닿아있다. 따라서 액체 코어에 녹아있는 형광성 물질이 등방성으로 빛을 방출할 때, 광도파로에 포획되는 비율은 다음과 같은 식으로 정의될 수 있다. Referring to FIG. 6, both sides of the liquid core are in contact with the gas clad, while the top and bottom surfaces are in contact with polydimethylsiloxane (refractive index: 1.406). Therefore, when the fluorescent substance dissolved in the liquid core emits light in an isotropic manner, the ratio captured by the optical waveguide may be defined as follows.
(단, f1=폭/(폭+높이), f2=높이/(폭+높이)(Where f1 = width / (width + height), f2 = height / (width + height)
상기 광도파로의 높이는 미세유체 소자를 제조하는 단계에서 고정이 되며 한정되는 것은 아니나 본 발명에서는 140 마이크로미터인 미세 유체 소자를 사용할 수 있다. The height of the optical waveguide is fixed in the step of manufacturing the microfluidic device and is not limited, but in the present invention, a microfluidic device of 140 micrometers may be used.
종래에는 미세 유체 소자 내부의 코어 액체로 에틸렌글리콜(굴절률 : 1.432)을 사용하고, 클래드을 액체인 물(굴절률 : 1.331)로 사용하였을 경우 빛의 포획률은 광도파로 코어의 폭에 따라 1.6% ~ 3.5%의 값을 나타내어 왔으나, 본 발명에서와 같이 클래드을 공기(굴절률 : 1.000)와 같은 기체로 사용하면 빛의 포획률은 4.6% ~ 15.1%로 증가시킬 수 있다. 또한 기체를 클래드으로 사용한 경우, 확산에 의한 혼합 효과를 방지할 수 있어 실질적인 빛의 포획률은 액체 클래드을 사용하는 경우보다 더 증가할 수 있다.Conventionally, when ethylene glycol (refractive index: 1.432) is used as a core liquid inside a microfluidic device and clad is used as liquid water (refractive index: 1.331), the trapping ratio of light is 1.6% to 3.5 depending on the width of the optical waveguide core. Although the value of% has been shown, when the clad is used as a gas such as air (refractive index: 1.000) as in the present invention, the light capture rate can be increased to 4.6% to 15.1%. In addition, when a gas is used as the clad, the mixing effect due to diffusion can be prevented, so that the actual light capture rate can be increased more than when using the liquid clad.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다양한 빛의 경로 거리에서의 광도파로 방출 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.7 is a graph illustrating an optical waveguide emission spectrum at various path distances of light according to an embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 로다민 6G(중심 파장 : 596nm)를 함유하고 잇는 에틸렌글리콜(굴절률 : 1.432)을 코어로 사용하여 광섬유와 연결된 분광계를 이용하여 측정된 빛의 세기를 빛의 경로거리(Lp)의 함수로 나타낸 그래프임을 알 수 있다.Referring to FIG. 7, the intensity of light measured using a spectrometer connected to an optical fiber using ethylene glycol (refractive index: 1.432) containing rhodamine 6G (center wavelength: 596 nm) as a core is used as a path length of light. It can be seen that the graph is a function of p ).
상기 빛의 경로거리는 여기지대에서부터 'T'자 모양의 코어 액체가 갈라지는 부분까지의 거리로서, 상기 광도파로 코어에 형광성 물질을 함유시켜 광도파로의 도파손실을 계산할 경우 형광물질에 의해 자가흡수되는 빛의 효과를 없애기 위하여 중심파장보다 큰 630~640nm에 해당하는 파장 영역대를 사용하고, 빛의 경로거리가 8mm 이상인 부분을 사용하여 빛의 세기를 알 수 있다.The path length of the light is the distance from the excitation zone to the portion where the 'T'-shaped core liquid splits, and when the waveguide loss of the optical waveguide is calculated by containing the fluorescent material in the optical waveguide core, the light is self-absorbed by the fluorescent material. In order to eliminate the effect of using the wavelength range corresponding to 630 ~ 640nm larger than the center wavelength, the light intensity can be known by using the portion of the light path distance of more than 8mm.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기체 클래드과 액체 클래드의 빛의 경로거리에 따른 함수를 나타낸 그래프이다.8 is a graph showing a function according to a path length of light of a gas clad and a liquid clad according to an embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면, 630nm~640nm에 해당하는 빛의 세기를 적분하고, 빛의 경로거리가 8mm일 때의 값을 표준화하여 빛의 경로거리가 8~17mm일 때 상대적인 빛의 세기(dB)를 알 수 있다. Referring to FIG. 8, the intensity of light corresponding to 630 nm to 640 nm is integrated, and the value when the light path distance is 8 mm is normalized to determine the relative light intensity (dB) when the light path distance is 8 to 17 mm. Able to know.
동일한 미세 유체 소자에 기체 클래드으로 공기(굴절율 : 1.000)를 사용한 경우에는 0.42dB/cm의 도파손실을 나타내며, 액체 클래드으로 물(굴절률 : 1.331)을 사용한 경우에는 1.32dB/cm의 도파손실을 나타낸다. 이에 따라 기체를 클래드으로 사용한 경우, 액체를 사용한 경우보다 더 큰 굴절율의 차이를 갖으며 높은 빛의 포획률과 낮은 도파 손실을 나타내는 것을 알 수 있다. The same microfluidic device shows a waveguide loss of 0.42 dB / cm when air (refractive index: 1.000) is used as the gas cladding, and a waveguide loss of 1.32 dB / cm when water (refractive index: 1.331) is used as the liquid cladding. . Accordingly, it can be seen that when the gas is used as the clad, the refractive index is larger than that of the liquid, and the high light capture rate and the low waveguide loss are shown.
또한 도시하지는 않았지만, 쿠마린1(중심 파장 : 464nm)과 플루오레신소듐솔 트(중심 파장 : 557nm)를 형광물질로 사용하고 공기를 클래드으로 사용한 경우에는 각각 0.14dB/cm, 0.17dB/cm의 도파 손실을 나타내었다.Although not shown, when coumarin 1 (center wavelength: 464 nm) and fluorescein sodium salt (center wavelength: 557 nm) are used as the fluorescent material and air is used as the cladding, 0.14 dB / cm and 0.17 dB / cm, respectively, are used. Waveguide loss.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다"등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 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.In this application, the terms "comprise" or "having" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 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 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art, and are not construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined in this application. Do not.
당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 범위에 속한다. 또한, 본 명세서에서 설명한 각 구성요소의 물질은 당업자가 공지된 다양한 물질로부터 용이하게 선택하여 대처할 수 있다. 또한, 당업자는 본 명세서에서 설명된 구성요소 중 일부를 성능의 열화 없이 생략하거나 성능을 개선하기 위해 구성요소를 추가할 수 있다. 뿐만 아니라, 당업자는 공정 환경이나 장비에 따라 본 명세서에서 설명한 방법 단계의 순서를 변경할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.Those skilled in the art can change or modify the described embodiments without departing from the scope of the present invention, and such changes or modifications are within the scope of the present invention. In addition, the materials of each component described herein can be readily selected and coped by a variety of materials known to those skilled in the art. In addition, those skilled in the art may omit some of the components described herein without adding to the performance or add the components to improve performance. In addition, those skilled in the art may change the order of the method steps described herein according to the process environment or equipment. Therefore, the scope of the present invention should be determined not by the embodiments described, but by the claims and their equivalents.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광자 유체 광도파로를 나타낸 도면.1 is a view showing a photon fluid optical waveguide according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 집적화된 광자 유체 광도파로의 단면도.2 is a cross-sectional view of an integrated photon fluid optical waveguide in accordance with one embodiment of the present invention.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시 예에 따른 형광 물질을 함유하는 액체 코어와 기체 클래드 층류 흐름을 나타낸 광학현미경 사진 및 형광 현미경 사진.3A to 3D are optical micrographs and fluorescence micrographs showing a liquid core containing a fluorescent material and a gas clad laminar flow according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 서로 다른 형광 물질을 사용한 광도파로의 빛 방출 스펙트럼.4 is a light emission spectrum of the optical waveguide using different fluorescent materials according to an embodiment of the present invention.
도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 일 실시 예에 따른 액체의 유속 변화에 따른 코어의 크기 변화를 나타낸 도면.5a to 5f are views showing the change in the size of the core according to the flow rate of the liquid according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 형광성 광도파로의 단면도.6 is a cross-sectional view of a fluorescent optical waveguide according to an embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다양한 빛의 경로 거리에서의 광도파로 방출 스펙트럼을 나타낸 그래프.7 is a graph showing an optical waveguide emission spectrum at various path lengths of light according to an embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기체 클래드과 액체 클래드의 빛의 경로거리에 따른 함수를 나타낸 그래프.8 is a graph showing a function according to the path distance of light of the gas clad and the liquid clad according to an embodiment of the present invention.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102105496B1 (en) * | 2019-09-24 | 2020-05-29 | 정재호 | optical cable |
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| KR20090100956A (en) | 2009-09-24 |
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