KR101059838B1 - 감광성 세라믹 시트를 이용한 미세유체소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

감광성 세라믹 시트를 이용한 미세유체소자 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 감광성 세라믹 시트를 이용한 소자의 제조 방법에 관한 것으로 특히 시트(sheet)를 이용함으로써 페이스트를 이용하여 제작된 기판에 의해 구현할 수 없는 다층형 3차원 형태의 제작이 가능하며, 회로요철도 및 채널의 깊이가 향상되는 감광성 세라믹 시트를 이용한 미세유체소자(microfluidic device)의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 소정의 패턴 깊이를 확보하기 위해 기판에 감광성 시트를 열간 프레스(press) 장비를 이용하여 대략 1000psi의 압력으로 약 30초간 적층을 실시하는 단계; 적층된 기판을 얼라이너(aligner)를 이용하여 배열하고, 자외선노광기(UV exposure)를 이용하여 노광을 실시하는 단계; 오븐(oven)을 이용하여 80℃의 온도에서 10분간 완전건조를 실시하고, 현상액을 이용하여 형상 제작하는 현상단계; 및 1℃/min의 속도로 승온 후 500℃로 1시간 동안 유지하고, 그런 다음 2℃/min의 속도로 800℃까지 승온 후 1시간 동안 유지하는 소결을 실시하는 단계;로 구성된다.
감광성, 세라믹, 기판, 시트, 페이스트, 다층형, 회로요철도, 채널, 소자, 미세유체

Description

감광성 세라믹 시트를 이용한 미세유체소자 및 그 제조 방법{Microfluidic device using photosensitive ceramic sheet and manufacturing method of the same}
본 발명은 감광성 세라믹 시트를 이용한 소자의 제조 방법에 관한 것으로 특히 시트(sheet)를 이용함으로써 페이스트를 이용하여 제작된 기판에 의해 구현할 수 없는 다층형 3차원 형태의 제작이 가능하며, 회로요철도 및 채널의 깊이가 향상되는 감광성 세라믹 시트를 이용한 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
페놀이나 에폭시를 주요 소재로 사용하는 일반 PCB와 달리 세라믹 기판은 그 기초 소재인 세라믹의 특성상 내열성과 높은 전류에 대한 내충격성이 뛰어난 것으로 평가받고 있다. 따라서 이러한 세라믹의 물성에 기인하여 전력용 반도체, 절연게이트양극성트랜지스터(IGBT), 고출력 발광다이오드(LED) 및 태양전지 모듈 등에서는 세라믹 기판이 주로 응용되고 있다.
또한, 세라믹은 최근 기계, 생명, 화학, 물리, 재료 등의 융합기술로써 유용한 랩온어칩(Lab-on-a-Chip, LOC)를 구성하는 미세채널을 제작하는 재료로 활용가능할 뿐 아니라 각종 요소가 결합된 시스템을 제작하는데 폭넓게 활용될 수 있다.
그러나, 기존의 LOC를 구성하는 기본재료인 실리콘은 고가의 공정비용과 낮은 임계전압 때문에 전기수력학적 응용이 제한되며, 이에 최근 polydimethyl siloxane(PDMS), polymethyl methacrylate(PMMA)와 같은 고분자 물질을 이용한 연구가 이루어지고 있으나, 낮은 내화학성 및 각각의 구성요소들을 하나의 칩위에 집적시키는데 용이하지 않은 문제점이 있다.
따라서, 위와 같은 문제점을 극복하고 LOC로의 응용 가능성을 높이기 위하여 감광성 세라믹 재료를 사용하게 되었는데, 이 경우 앞서 언급된 재료나 공정들이 가지는 문제점을 극복하고, 손쉽게 미세채널을 형성하여 기판소재로의 활용이 가능하게 된다.
이러한 세라믹 기판을 제작하기 위해 종래에는 기판의 레이어를 형성한 후 패턴을 제작하는 페이스트(Paste)를 이용하였다.
페이스트를 이용하여 세라믹 기판을 제조하는 경우에 GBL(γ-butylactone)을 용매(solvent)로 이용하여 낮은 휘발성을 부여한 뒤, 고점도의 유동성 물질을 제조하여 스크린 프린팅을 통해 세라믹 기판의 레이어를 형성하고, 이후 패턴을 제작하게 된다.
또한, 페이스트를 이용하여 다층형 3차원 소자를 제작할 경우 이미 형성된 1단 레이어와 일정한 패턴 구성을 갖는 2단 레이어는 노광을 통하여 형성한다. 이 과정에서 2단 레이어에 해당하는 층을 스크린 프린팅으로 도포하게 된다면 이미 형성된 1단 레이어는 식별할 수 없게 되며, 형성된 1단 레이어의 패턴으로 2단 레이어에 해당하는 페이스트가 도포되는 문제점도 발생한다.
만약 일반적으로 알려진 얼라인 마크(align mark)를 이용한 노광공정으로 기판을 형성한다고 하여도 1단 레이어가 소성되기 이전의 상태이므로 현상과정에서 1단 레이어의 추가 식각이 발생하게 된다.
따라서 이를 방지하기 위해 종래에는 각 레이어의 보호를 위한 폴리머 층을 각 레이어마다 도포한 후에 2단 레이어를 제작하였다. 그러나 소결과정 중에 보호층에 해당하는 폴리머가 번 아웃(burn out)을 일으킴에 따라 형성된 2단 이상의 레이어를 통과하는 과정에서 각 레이어의 박리 또는 버블링(bubbling)이 발생하기 쉬운 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 캐스팅에 의해 제조되는 시트를 이용함으로써 다층형 3차원 형태의 제작이 가능하며, 페이스트를 이용하여 제작한 세라믹 기판에 비해 회로요철도 및 채널의 깊이가 향상되는 감광성 세라믹 시트를 이용한 미세유체소자의 제조 방법을 제공함에 있다.
본 발명에서와 같이 시트를 이용하여 세라믹 기판 및 소자를 제조할 경우 종래와 같이 페이스트를 이용하여 제작하는 경우와 비교하여 단층의 레이어를 갖는 기판의 경우에는 양자 모두 적용가능할 수는 있으나, 2단 이상의 형태를 갖는 소자의 제작에 있어서는 시트를 이용하는 경우 월등한 장점이 있다.
전술한 목적은 본 발명에 따라, 복수의 감광성 시트를 제작하는 단계; 상기 제작된 각 감광성 시트를 노광하는 단계; 상기 노광에 의하여 제작된 각 시트를 건조하고, 현상하여 형상을 제작하는 단계; 및 상기 현상된 각 시트를 일괄 적층하는 단계; 및 상기 적층된 시트를 소결하는 단계;로 구성되는 감광성 세라믹 시트를 이용한 미세유체소자의 제조 방법을 제공한다.
상기 감광성 시트를 적층하는 단계는, 프레스 장비를 이용하여 1000psi 이상의 압력으로 20 ~ 40초간 가압하는 단계에 의하며, 상기 건조 단계는 60 ~ 100℃의 온도에서 5 ~ 15분간 실시되는 단계에 의하고, 상기 소결 단계는, 0.5 ~ 1.5℃/min의 속도로 승온 후 400 ~ 600℃로 30분 ~ 2시간 동안 유지하는 제1소결단계와; 1.5 ~ 3℃/min의 속도로 600 ~ 1000℃까지 승온한 후 30분 ~ 2시간 동안 유지하는 제2소결단계;에 의하도록 하는 것이 바람직하다.
상기 감광성 시트의 재료는, 용매, 중합체 바인더, 단량체, 광개시제, 분산제, 침강방지제, 가소제를 포함하는 유기조성물과; 알루미나(Al2O3), 코디어라이트(MgO-CaO-2Al2O3-5SiO2)중에서 선택되는 적어도 하나의 무기조성물;을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
상기 무기조성물을 상기 유기조성물 100 중량부를 기준으로 하였을 때, 80 ~ 110 중량부인 것이 바람직하다.
상기 용매는 톨루엔과 에탄올이 사용되며, 상기 무기조성물을 100중량부로 하였을 때, 상기 톨루엔은 30 ~ 40 중량부, 상기 에탄올은 15 ~ 25 중량부인 것이 바람직하다.
상기 노광을 실시하는 단계는, 상기 단일의 감광성 시트를 노광하는 경우에는 자외선 강도를 280 ~ 320W로 설정하고 40 ~ 80초간 실시하며, 상기 복수의 감광성 시트를 노광하는 경우에는 자외선 강도는 320 ~ 380W로 설정하고 40 ~ 80초간 실시하는 것이 바람직하다.
전술한 본 발명의 목적은, 상기 방법에 의하여 제조되며, 1㎛ ~ 10mm의 채널선폭과 1㎛ ~ 500㎛의 채널깊이를 갖는 미세유체 소자(microfluidic device)에 의해서 달성된다.
본 발명의 제조 방법에 의하면 종래의 페이스트를 이용하는 경우에 비하여, 공정상 단순하여 다층형 3차원 형태의 소자 제작이 용이한 효과가 있다.
특히, 미세유체소자를 제조하기 위해서는 패턴의 깊이와 폭이 충분히 확보되어야 하는데, 미세유체소자의 제작시 페이스트에 의한 공정에 의하기 보다는 본 발명에서와 같이 시트를 적층시킴으로써 훨씬 용이하고 우수하게 제품을 제작할 수 있으며, 본 발명에 의한 효과를 극대화 할 수 있다.
또한 본 발명에 의한 감광성 시트를 이용하는 경우에는 페이스트를 이용하는 경우에 비해 회로요철도(edge definition)가 개선되며, 만약 1.0mm 선폭을 갖는 채널인 경우 형성되는 채널의 깊이가 페이스트에 비해 2배인 약 50㎛ 이상의 깊이를 갖는 소자의 제작이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 감광성 시트를 이용한 소자의 제조방법에 대한 순서도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 소자는 Ⅰ. 기판 제작(S10), Ⅱ. 감광성 시트 제작(S20), Ⅲ. 패터닝(S30) 및 Ⅳ. 소자 구성 및 완성(S40)의 순서로 진행된다.
따라서 본 상세한 설명에서는 상기의 순서에 따른 제조 방법으로 나누어 상세히 설명한다.
Ⅰ. 기판의 제작(S10)
(1) 사용 재료 및 함량
기판을 제작하기 위한 사용 재료 및 함량(무기물 100g 기준)은 [표 1]과 같다. 여기서 무기물은 비정질 코디어라이트를 사용하였으나, 알루미나를 사용할 수도 있으며, 그 이외에 가능한 물질을 모두 적용할 수 있다.
[표 1]
사용재료 무기물 바인더 분산제 가소제 용매
Amorphous cordierite PVB BYK-111 DBP 톨루엔 : 에탄올
=6:4
함량(g) 100 12.00 1.00 4.80 톨루엔: 57.25
에탄올: 34.74
사용목적 소자의
형태구성		 시트의
강도유지		 슬러리 내부의 무기물의 균일성 부여 시트의 연성을 유지함 습식혼합을 통한 슬러리 제조
(2) 제조공정
기판을 제작하기 위한 제조 공정은 도 2와 함께 설명하도록 한다. 도 2는 기판 제조공정의 순서를 도시한 도면이며, 1차 혼합(S11), PVB 용해(S13), PVB 및 슬러리 혼합(S15) 및 필터링, 탈포 및 에이징(S17)의 과정을 거쳐 제조된다.
1차 혼합(S11) 과정은 분산을 목적으로 실시하는 것으로 무기물, 분산제 및 용매(1/2)를 넣고 분쇄 및 혼합기(ball mill)를 이용하여 24시간 이상 분산을 실시한다. 남은 용매는 바인더인 PVB를 녹이기 위해 사용된다.
PVB용해(S13) 과정은 분산용으로 사용 후 남은 용매에 PVB를 첨가하여 교반기를 이용하여 용해를 실시함으로써 이루어진다. 이 과정에서 빠른 용해를 위하여 열을 가할 경우 PVB의 내부 구조가 끊어질 가능성이 있기 때문에 절대 열을 가하지 않고 실시한다.
PVB 및 슬러리 혼합(S15) 과정은 1차 혼합(S11) 공정이 완료된 슬러리 상태의 무기물과 용해된 PVB를 혼합 후 분쇄기를 이용하여 24시간 이상동안 2차 혼합을 실시함으로써 이루어진다.
필터링, 탈포 및 에이징(S17) 과정은 2차 혼합을 마친 슬러리를 일정크기의 망으로 필터링하여 슬러리 내부의 큰 입자를 거르고 진공상태에서 탈포를 실시함으로써 이루어진다. 탈포 후 분쇄기의 RPM(분당회전수)을 15 이하에서 약 12시간동안 에이징를 하여 탈포 후 슬러리 내부의 각 성분 간 반응을 촉진 및 잔류 기포를 제거하는 과정을 거친다.
Ⅱ. 감광성 시트 제작(S20)
시트를 제작하기 위한 제조 공정은 도 3과 함께 설명하도록 한다. 도 3은 시트 제조공정의 순서를 도시한 순서도로서, 감광성 시트는 무기물 분산(S21), 감광성 유기물 첨가(S23), 탈포 및 에이징(S25), 테이프 캐스팅(S27)의 과정을 거쳐서 제작된다.
1) 무기물 분산(S21)
(1) 사용재료 및 함량
무기물을 분산하기 위한 사용 재료 및 함량(무기물 50g 기준)은 [표 2]와 같다.
[표 2]
사용재료 무기물 분산제 용매
Amorphous cordierite BYK-111 톨루엔 : 에탄올
=6:4
함량 50.00 0.50 톨루엔: 17.70
에탄올: 10.77
사용목적 소자의 형태구성 슬러리 내부의 무기물의 균일성 부여 습식혼합을 통한 슬러리 제조
(2) 제조공정
① 1차 혼합 : 무기물의 분산을 목적으로 실시하는 공정으로서, 기판제작의 경우에는 용매의 절반을 사용했으나 감광성 시트를 제작하는 과정에서는 용매 전부를 첨가한다는 차이가 있다. 1차 혼합은 무기물 + 분산제 + 용매가 혼합된 슬러리를 분쇄 및 혼합기를 이용하여 24시간동안 분산을 실시한다.
여기서, 무기조성물을 100중량부로 하였을 때, 상기 톨루엔은 30 ~ 40 중량부, 상기 에탄올은 15 ~ 25 중량부인 것이 바람직한데, 톨루엔과 에탄올의 비율과 중량은 첨가되는 유기조성물을 용해할 수 있는 최적조성이며, 슬러리 제조 후 캐스팅 과정에서의 최적의 점도를 결정하게 된다. 또한 캐스팅 후 시트 내의 무기조성물과 유기조성물의 조성비를 결정하게 되어 시트의 특성을 결정하게 된다.
2) 감광성 유기물 첨가(S23)
(1) 사용재료 및 함량
감광성 유기물 첨가를 하기 위한 사용 재료 및 함량(무기물 50g 기준)은 [표 3]과 같다.
[표 3]
사용재료 함량 사용목적
2656 3.33 아크릴계 폴리머로써 시트의 초기 강도와 노광에 의한 경화시 패턴의 형상을 유지하기 위하여 첨가, 중합체바인더
2648 6.67
DBP 4.00 (DPB)dibutylphtalate: 시트의 연성을 유지하게 해주는 첨가제, 가소제
TPA 330 5.00 감광성 모노머(단량체)로서 자외선에 의한 경화 시 폴리머 화 되어 패턴의 형태를 유지
BT 3.50 광감작제(Photo sensitizer): 광개시제와 포토 모노머의 반응성 촉진을 위한 첨가제
SudanIV 0.20 유기염료(Organic dye): 붉은색의 색소로써 빛의 파장영역 중 자외선의 흡수를 최대화하기 위하여 첨가하는 색소
IR 369 2.00 광개시제(Photo initiator): UV에 반응하여 free radical을 생성하고 생성된 radical은 monomer와 반응하여 polymer화 시킨다. 이 반응에서 연쇄적 radical을 생성하고 반응을 시작하게 해주는 첨가제
Flownon SP 0.40 침강방지제(anti setting agent): 침강방지제로써 무기물의 혼합 간 밀도 차에 따른 침전방지를 위하여 첨가하는 물질
이 때, 상기 감광성 시트 제조시 유기조성물(위 표 3의 조성물 및 분산제와 용매를 모두 포함하는 조성물)을 100 중량부로 하였을 때, 상기 무기조성물은 80~110 중량부인 것이 바람직한데, 이는 사용되는 복수의 감광성 시트가 가지는 각각의 기능성을 고려하여 무기조성물의 함유량이 변화될 수 있으며, 특히 알루미나와 비정질 코디어라이트를 무기조성물로 하는 경우 위와 같은 조성범위가 미세유체소자를 제작하기 위한 시트의 제작에 있어 최적의 범위라고 할 수 있다.
(2) 제조공정
① 2차 혼합: 표 3에 작성된 재료를 분산이 완료된 슬러리에 첨가하여 24시간동안 분쇄 및 혼합기를 이용하여 혼합을 실시한다. 자외선에 의한 경화가 발생하므로 자외선이 없는 클린 룸(clean room)이나 재료가 담겨진 용기를 빛으로부터 완전히 차단하여 공정을 진행한다.
3) 탈포 및 에이징(S25)
탈포 및 에이징(S25) 단계는 기판의 제작공정과 동일하게 분산과정에서 작은 입자로의 구성이 되지 못한 무기물을 거르는 필터링 공정후에 슬러리 내부에 존재하는 기포를 제거한다. 그런 다음 테이프 캐스팅(tape casting) 공정에서 시트 위에 기포가 발생되는 것을 억제하기 위해 탈포 공정을 실시한다. 탈포 후에는 각 첨가물의 반응을 촉진시키고 잔류하는 기포의 제거를 위하여 분쇄기의 RPM을 15이하로 설정하고 약 12시간 정도 에이징을 진행한다.
4) 테이프 캐스팅(S27)
(1) 제조공정
테이프 캐스팅(S27) 단계는 클린 룸(clean room) 내부에서는 핸드 캐스터(hand caster)를 이용하며, 자외선이 차단된 공간에서는 캐스팅기를 이용하여 제조한다.
또한 최초 설정 두께는 140㎛로 하여 실시하고, 캐스팅 된 슬러리는 상온에서 건조되며 건조가 완료되면 시트의 형태를 갖추게 된다.
Ⅲ. 패터닝(S30)
패너닝을 위한 공정은 도 4와 함께 설명하도록 한다. 도 4는 패터닝 단계에 대한 순서도이며, 노광 및 건조(S31) 및 현상(S33) 과정을 거친다.
1) 노광 및 건조(S31)
(1) 제조공정
먼저, 요구되는 패턴의 깊이를 확보하기 위하여 시트의 적층을 실시하고, 열간 프레스 장비를 이용하여 1000psi의 압력으로 30초 동안 실시한다.
이 때, 압력은 1000psi 이상의 범위로도 할 수 있으며, 가압시간은 20 ~ 40초의 범위로 할 수 있다.
여기서 가압시간이 20초 이하이면 적층된 시트간 결합력이 약해지며, 40초 이상이면 패턴의 변형이 발생될 수 있다. 또한, 복수의 시트를 사용하는 경우, 자외선이 투과할 수 있는 깊이를 고려할 때 단일의 시트를 사용하는 경우와 비교하여 좀 더 높은 강도를 이용하여 투과깊이를 증가시킴으로써 회로요철을 뚜렷하게 나타나도록 하는 것이 필요하다.
만약 단일시트(시트 1장)를 노광하는 경우에는 노광기를 이용하여 자외선 강도는 280 ~ 320W, 노광시간은 40 ~ 80초의 조건으로 실시하고, 복수의 시트(예컨대, 시트 2장)인 경우에 자외선 강도는 320 ~ 380W 노광시간은 40 ~ 80초의 조건으로 실시한다. 위와 같은 자외선강도 및 노광시간의 범위는 미세유체소자로서 사용가능한 패턴의 형상과 패턴의 폭 및 패턴의 깊이를 확보하는데 적절한 범위로 설정한 것이며, 이에 임계적 의의가 있다. 이로부터 1㎛ ~ 10mm의 채널선폭과 1㎛ ~ 500㎛의 채널깊이를 갖는 미세유체 소자(microfluidic device)를 제조할 수 있으며, 캐비티 직경은 1㎛ ~ 10mm의 범위에서 조절될 수 있고, 응용목적에 따라 패턴 크기의 변화폭은 위와 같이 한정된 범위보다 더 다양해질 수 있다.
시트에 따라 노광시간 및 강도 조절이 필요하므로 패턴을 노광하기 전에 실험을 통해 적절한 조건을 찾아야함은 자명한 사실이나, 상기 작성된 조건의 범위에서 크게 벗어나지는 않는다.
노광이 완료된 시트는 오븐(oven)을 이용하여 건조를 실시하는데 이는 감광성 재료의 경화과정에서 UV뿐만 아닌 열에 의한 경화를 유도하는 것으로 형성된 레이어의 현상중 발생가능한 스웰링(swelling) 및 버블링(bubbling) 현상을 방지하기 위하여 80℃의 온도에서 10분간 실시한다.
이 때, 건조온도는 60 ~ 100℃의 범위로, 건조유지시간은 5 ~ 15분의 범위로 할 수 있다.
만약, 1단 패턴(T-type 2종)의 경우에는 기판에 적층 후 노광을 실시하고 2단 패턴의 경우 1단은 적층 후 노광, 2단 이후부터는 노광 후 적층공정을 실시하는 것이 바람직하다. 그러나, 각 층을 모두 노광한 후 적층하는 것도 가능하다.
2) 현상(S33)
(1) 제조공정
현상(S33) 단계는 초순수(DI water) 1L에 디에탄올아민(Diethanolamin) 98.5%의 액체를 7.88g 넣은 후에 교반을 통하여 완전 용해를 시켜 현상액을 제조한다.
제조된 현상액을 스프레이를 이용하여 노광 및 건조가 완료된 시트에 분사함으로써 패턴을 나타낸다. 현상액으로 현상이 완료된 시트는 초순수(DI water)로 세 척하여 시트표면의 현상액을 제거하고 에어(air)로 건조한다.
Ⅳ. 소자 구성 및 완성(S40)
소자 구성 및 완성 단계는 도 5와 함께 설명하도록 한다. 도 5는 소자 구성 및 완성 단계에 대한 순서도이며, 적층(S41), 소결(S43) 및 커버링(S45)과정을 거친다.
1) 적층(S41)
(1) 제조공정
적층(S41) 단계는 각 레이어를 제조된 기판에 올리고 WIP 장비를 이용하여 40 ~ 60℃의 온도에서 120 ~ 180psi로 적층을 실시한다. 상기 표기된 적층 온도 및 압력은 시트의 Tg이하의 온도에서 찾은 것으로 이 이상의 온도에서 과한 압력으로 가압 시 p패턴의 형상이 무너질수도 있다. 온도와 압력이 상기 범위 미만인 경우 적층공정 자체가 진행되지 않는다.
2) 소결(S43)
(1) 제조공정
소결(S43) 단계에서의 승온조건은 500℃ 까지 분당 1℃의 속도로 승온하고 500℃에서 1시간동안 유지하는 제1소결단계, 분당 2℃의 속도로 승온 후 800℃까지 온도를 상승시키고 다시 1시간동안 유지하는 제2소결단계를 통해 소결을 진행한다.
이 때, 상기 제1소결단계에서는 0.5 ~ 1.5℃/min의 속도로 승온 후 400 ~ 600℃로 30분 ~ 2시간 동안 유지할 수 있고, 제2소결단계에서는 1.5 ~ 3℃/min의 속도로 600 ~ 1000℃까지 승온한 후 30분 ~ 2시간 동안 유지할 수도 있다.
상기 제1소결단계에서 범위를 벗어나 높은 승온속도 및 높은 온도가 적용될 경우 시트 내부 유기물의 급격한 번 아웃(burn out) 현상으로 소결체의 변형을 유발할 수 있다. 또한 상기 범위를 벗어나 너무 낮은 승온속도 및 낮은 온도는 유기물의 번 아웃을 저해하여 소결체 내부에 기공이나 각종 결함을 야기시키게 된다. 또한, 제2소결단계에서는 최종소결온도 및 유지시간이 변화함에 따라 소결체의 표면 특성 및 기공률, 밀도 등이 결정되므로 최종소결체 제조 후 미세유체의 흐름을 제어하는데 필요한 조건을 고려하여 결정되는 것이 필요하다.
그런 다음 로(furnace)내부에서 자연 냉각시키고 200℃ 이하로 온도가 하강했을 때 시료를 꺼내고, 커버링(S45) 단계를 실시한다.
이렇게 시트를 이용하여 제작된 소자는 페이스트를 이용하여 소자를 제작했을 경우에 비해 도 6 ~ 도 7에 도시된 효과가 발생한다.
도 6은 페이스트 및 시트 사용에 따른 200㎛ 선폭을 갖는 채널의 형성 결과를 비교한 도면이다.
도 6에 도시된 2개의 그림 중 왼쪽의 도면은 페이스트로 제조된 기판이며, 오른쪽에 도시된 도면은 시트를 이용하여 제조된 기판의 채널의 형성 결과이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 200㎛의 동일한 선폭을 갖는 소자를 제작 후 각 채널의 형상을 관찰한 결과 시트(우)를 이용한 소자의 경우 페이스트(좌)를 이용한 소자에 비해 채널의 상/하단부에 해당하는 회로요철도(Edge Definition)가 개선됨을 알 수 있다.
도 7은 페이스트 및 시트 사용에 따른 1.0mm 선폭을 갖는 채널의 깊이를 비교한 도시한 도면이다.
도 7에 도시된 2개의 그림 중 왼쪽의 도면은 페이스트로 제조된 기판이며, 오른쪽에 도시된 도면은 시트를 이용하여 제조된 기판의 채널의 형성 결과이다.
도 7을 통해 사용 재료에 따른 구현 가능한 채널의 깊이도 페이스트(좌)에 비해 시트(우)를 이용하여 제조된 채널의 깊이가 더 깊은 것을 알 수 있다.
페이스트로 제작된 소자의 채널 깊이는 SEM결과인 사진 하단의 스케일 바(scale bar)로 미루어 약 20㎛정도로 추측 가능하며 시트를 이용하여 제작된 소자의 경우 약 50㎛이상의 깊이를 나타냄을 알 수 있다.
다음은 도 2에 도시된 기판을 무기물 100g을 기준으로 제조하는 실시 예에 대해 설명하도록 한다
먼저, 톨루엔(57.25g)과 에탄올(34.74g)을 혼합하여 용매를 준비한다. 그런 다음 날진(Nalgene)병에 a-cordierite(100g)와 용매의 절반, BYK-111(1.00g)과 병의 1/3지점까지 볼(ball)을 넣고 분쇄기를 이용하여 24시간동안 분산을 실시한다.
남은 용매 절반에 PVB(12g)을 넣고 완전히 용해될때까지 교반을 실시한 후에 분산된 슬러리와 교반된 PVB solution, DBP(4.8g) 을 혼합하여 24시간동안 2차 혼합을 실시한다.
2차 혼합이 완료된 슬러리에서 볼(ball)의 분리 및 탈포를 실시하고 12시간 이상 RPM 12 이하에서 에이징을 실시한다. 에이징이 완료된 슬러리를 100~200㎛ 두께로 테이프 캐스팅을 실시하면 약 30~80㎛의 시트를 제조할 수 있다.
제조된 시트를 프레스를 이용하고 60℃/1000psi의 조건으로 10~12장 적층하여 600㎛ 이상의 두께를 갖는 기판을 제조하고 WIP 장치를 이용하여 80℃/250psi의 조건으로 최종 적층을 완료한다.
다음은 도 3에 도시된 감광성 시트를 무기물 100g을 기준으로 제조하는 실시 예에 대해 설명하도록 한다
먼저, 톨루엔(35.40g) + 에탄올(21.54g)을 혼합하여 용매를 준비한다. 그런 다음 a-cordierite(100g)을 날진(Nalgene)병에 넣고 준비된 용매와 BYK-111(1.00g)을 넣는다.
날진(Nalgene)병 약 1/3 높이 지점까지 분쇄기용 볼을 넣고 24시간 동안 분쇄기를 이용하여 분산을 실시하고, 2656(g), 2648(g), DBP(g), TPA330(g), BT(g), SudanIV(g), IR369(g), Flownon SP(g)을 분산된 슬러리와 혼합하여 24시간동안 분쇄기를 이용하여 2차 혼합을 실시한다.
2차 혼합이 완료된 슬러리에서 볼을 분리한 후 탈포를 실시하고, 탈포된 슬 러리를 RPM 10이하에서 12시간동안 에이징한 후 테이프 캐스팅을 통하여 시트를 제조한다.
테이프 캐스팅 시에 두께를 약 150㎛로 설정하면 건조 후 약 50㎛ 정도의 시트를 얻을 수 있다.
다음은 상기의 과정에서 제작된 기판과 감광성 시트를 이용한 1.0, 0.2mm 채널폭을 갖는 확산형 믹서를 제조한 실시예에 관한 것으로, 이를 도 8에 나타내었다.
상기의 과정에서 제조된 기판에 감광성 시트 2장을 프레스 장비를 이용하여 60℃/20s의 조건으로 적층을 실시한다. 적층된 기판을 350w/30s의 조건으로 노광을 실시한다
노광된 기판은 80℃/10min의 조건으로 완전건조를 실시하고 현상액을 이용하여 형상 제작한다.
그런 다음 최종 소결공정에서 1℃/min의 조건으로 승온 후 500℃에서 한시간동안 번 아웃(burn out)을 실시하고 다시 2℃/min의 조건으로 800℃까지 승온 후 1시간동안 소결을 실시한다.
도 8의 좌측 사진은 소결 후 소자의 현상을 나타내는 광학현미경 사진으로서, 소결 후 미세균열이나 변형이 없는 형상을 보이는 전체적인 소자의 형태를 보여주고 있다. 도 8의 우측 사진은 전자현미경으로 관찰된 채널 폭에 따른 각 소자의 미세구조 사진으로 소자의 표면 또는 형상에 있어 미세균열이 없고 명확한 회로 요철도를 나타내는 형상의 소자를 나타내고 있음을 알 수 있다.
다음은 또 다른 실시 예인 시트를 이용한 카오틱 믹서의 제조 방법으로서, 제조된 결과를 도 9와 같이 나타내었다.
상기의 과정에서 제조된 감광성 시트 1장을 제조된 기판상 열간 프레스로 적층한 후 노광기를 이용하여 300w/30s의 조건으로 채널내의 구조물 패턴을 갖도록 노광하고, 미세 채널 형성을 위하여 겹쳐진 감광성 시트 2장을 350w/30s의 조건으로 적절한 채널 폭을 갖도록 노광한 후 오븐(oven)을 이용하여 80℃/10min의 조건으로 완전건조한다.
미세구조물 패턴이 형성된 시트를 미세채널 패턴이 형성된 시트 위에 적층하고, 제조된 기판 위에 WIP 장치를 이용하여 40℃/200psi의 조건으로 다시 적층을 실시한다.
그런 다음 최종 소결공정에서 1℃/min의 조건으로 승온 후 500℃에서 한시간 동안 번 아웃을 실시하고 다시 2℃/min의 조건으로 800℃까지 승온 후 한시간동안 소결을 실시한다.
도 1은 본 발명에 따른 시트를 이용한 감광성 세라믹 기판을 제조하는 방법에 대한 순서도,
도 2는 본 발명에 의한 기판 제조공정의 순서를 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 의한 시트 제조공정의 순서를 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 의한 패터닝 단계에 대한 도면,
도 5는 본 발명에 의한 미세유체소자 구성 및 완성 단계에 대한 도면,
도 6은 본 발명의 페이스트 및 시트 사용에 따른 200㎛ 선폭을 갖는 채널의 형성 결과를 비교한 도면,
도 7은 본 발명의 페이스트 및 시트 사용에 따른 10mm 선폭을 갖는 채널의 깊이를 비교한 도시한 도면,
도 8은 본 발명에 의한 기판과 감광성 시트를 이용하여 제작한 1.0, 0.2mm 채널폭을 갖는 확산형 믹서를 나타내는 도면, 및
도 9는 본 발명에 의한 시트를 이용하여 제작한 카오틱 믹서를 나타내는 도면이다.

Claims (7)

  1. 복수의 감광성 시트를 제작하는 단계;
    상기 제작된 각 감광성 시트를 노광하는 단계;
    상기 노광에 의하여 제작된 각 시트를 건조하고, 현상하여 형상을 제작하는 단계; 및
    상기 현상된 각 시트를 일괄 적층하는 단계; 및
    상기 적층된 시트를 소결하는 단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 감광성 세라믹 시트를 이용한 미세유체소자의 제조 방법.
  2. 상기 노광에 의하여 제작된 각 시트를 건조하는 단계는,
    60 ~ 100℃의 온도에서 5 ~ 15분간 실시되는 단계에 의하고,
    상기 적층된 시트를 소결하는 단계는,
    0.5 ~ 1.5℃/min의 속도로 승온 후 400 ~ 600℃로 30분 ~ 2시간 동안 유지하는 제1소결단계와; 1.5 ~ 3℃/min의 속도로 600 ~ 1000℃까지 승온한 후 30분 ~ 2시간 동안 유지하는 제2소결단계;에 의하는 것을 특징으로 하는 감광성 세라믹 기판을 이용한 미세유체소자의 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    감광성 시트의 재료는,
    용매, 중합체 바인더, 단량체, 광개시제, 분산제, 침강방지제, 가소제를 포함하는 유기조성물과; 알루미나(Al2O3), 코디어라이트(MgO-CaO-2Al2O3-5SiO2)중에서 선택되는 적어도 하나의 무기조성물;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 감광성 세라믹 기판을 이용한 미세유체소자의 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 무기조성물을 상기 유기조성물 100 중량부를 기준으로 하였을 때, 80 ~ 110 중량부인 것을 특징으로 하는 감광성 세라믹 기판을 이용한 미세유체소자의 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 용매는 톨루엔과 에탄올이 사용되며, 상기 무기조성물을 100중량부로 하였을 때, 상기 톨루엔은 30 ~ 40 중량부, 상기 에탄올은 15 ~ 25 중량부인 것을 특징으로 하는 감광성 세라믹 기판을 이용한 미세유체소자의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 노광을 실시하는 단계는,
    단일의 감광성 시트를 노광하는 경우에는 자외선 강도를 280 ~ 320W로 설정하고 40 ~ 80초간 실시하며,
    복수의 감광성 시트를 노광하는 경우에는 자외선 강도는 320 ~ 380W로 설정하고 40 ~ 80초간 실시하는 것을 특징으로 하는 감광성 세라믹 시트를 이용한 소자의 제조 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 제조되며,
    1㎛ ~ 10mm의 채널선폭과 1㎛ ~ 500㎛의 채널깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 미세유체소자.
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