미세 유체 칩 소개 丨 일반적인 재료 및 준비 및 가공 방법
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미세 유체 칩이란 무엇인가요?
마이크로유체학 칩은 랩온어칩(LOC)이라고도 하며, 미크론 규모의 마이크로튜브에서 극미량의 유체를 정밀하게 조작하여 기존의 물리, 화학 또는 생물학적 실험에서 다양한 기능을 수행할 수 있는 칩을 미크론 규모의 칩에서 구현할 수 있습니다.미세 유체 칩은 단일 세포 해상도에서 생물학적 시스템을 연구하는 강력한 도구가 되었습니다. 동시에 미세 유체 칩은 미세 액적 생성, 미세 유체 확산 체질 및 단백질-리간드 상호 작용의 검출을 조작하는 것뿐만 아니라 생화학에서 분자 분석을 구현하는 데에도 널리 사용됩니다.
마이크로 나노 유체 칩은 다음과 같은 많은 이점을 제공합니다.높은 수준의 자동화, 고효율, 높은 처리량, 소형화, 저비용 및 초저 시약 소비량특히 마이크로 및 나노 유체를 나노리터(nL), 펨토리터(fL) 단위까지 정밀하게 조작할 수 있어 생물학, 의학, 물리학, 화학 등 다양한 학제 간 연구 분야에서 활용 가능성이 매우 높습니다.
미세 유체 칩 개발의 역사
미세 유체 칩 기술은 1990년대에 Manz 등이 미세 유체 칩 기술을 사용하여 체외 세포 전기 영동 분리를 수행하고 모세관 등가물의 중요한 기능을 달성하는 데 성공하면서 분석 분야에서 미세 유체 칩의 큰 잠재력을 예측하면서 탄생했습니다.
1995년 미국 국방부는 병사들을 위한 휴대용 개인 생화학 자가 진단 키트를 제안했고, 이는 미세 유체 칩에 대한 국제적인 관심을 불러 일으켰습니다. 그 이후로 점점 더 많은 전문가와 학자들이 미세 유체 칩이 분석 화학을 위한 훌륭한 플랫폼이 될 수 있다는 결론을 내리고 이를 "소형화된 종합 분석 시스템(μTAS)"이라고 명명했습니다.
2000년에 하버드 대학의 맥도널드 등은 공정 기판으로 PDMS(폴리디메틸실록산)를 기반으로 하는 소프트 리소그래피 방법을 처음으로 제안하여 미세유체 칩의 처리를 크게 단순화하고 미세유체 칩 처리의 급속한 발전에 크게 기여했습니다. 같은 해, Quake 등은 수천 개의 제어 밸브와 수백 개의 리액터를 단일 칩에 통합하고 마이크로 밸브 및 마이크로 펌프 기술을 사용하여 미세 유체 흐름을 정밀하게 제어하는 "미세 유체 대규모 통합"이라는 제목의 논문을 Science에 발표했습니다. "미세 유체 대규모 통합"이라는 제목의 이 논문은 "미세 유체 대규모 통합" 저널에 게재되었습니다.
2006년에 도우(Daw) 등은 마이크로 및 나노 흐름 제어 칩의 개발과 적용을 다양한 관점에서 분석하고 설명한 "랩 온 어 칩"이라는 제목의 보고서를 Nature에 발표했으며, LOC를 "세기의 7대 기술" 중 하나로 선정했습니다. 이 보고서는 또한 LOC를 '세기의 7대 기술' 중 하나로 선정했습니다. 이제 랩 온 어 칩의 전략적 중요성은 학계와 업계 모두에서 더 높은 수준과 더 넓은 범위에서 인정받고 있습니다.
마이크로 나노 유체 칩의 채널 크기가 미크론(µm)에서 나노미터(nm) 규모로 감소함에 따라 채널 내부의 반데르발스 힘, 정전기력 및 모세관력이 유체에 대한 작용에서 점차 지배적인 역할을 하게 됩니다. 이러한 힘의 조합은 계면 관련 열 전달 및 표면 힘의 현저한 증가와 같이 매크로 스케일 및 미크론 유체와는 다른 물리적 현상을 초래하여 나노 유체 칩에 대한 많은 관심을 불러일으키고 있습니다.
미세 유체 칩에 사용되는 일반적인 재료는 무엇인가요?
미세 유체 칩 제조에 사용되는 재료는 크게 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다.무기 재료, 폴리머 및 종이.
무기 재료.실리콘, 유리, 세라믹
폴리머.엘라스토머[폴리디메틸실록산(PDMS), 열경화성 폴리에스테르(TPE) 미세 유체 칩],
열가소성 폴리머 [폴리스티렌(PS))폴리카보네이트(PC), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(PEGDA) ), 과불화 화합물(PFEP / PFA / PFPE)폴리우레탄(PU))】
미세 유체 칩 준비 및 처리 방법
미세 유체 칩 준비를 위한 보다 일반적인 처리 방법은 다음과 같습니다.
① 스크린 인쇄 ② 잉크젯 인쇄 ③ 자외선(UV) 리소그래피 ④ 전자 빔 리소그래프(EBL) ⑤ 양성자 빔 쓰기(PBW)(vi) 펨토초 레이저 2광자 직접 쓰기 기술
스크린 인쇄.전통적인 인쇄 기술로서 비용이 저렴하고 간단하며 주로 회로 기판, 의료 기기, 의류 및 기타 분야에서 사용됩니다. 미세 유체 기술의 발달로 스크린 인쇄는 비용을 제어하고 산업 생산에 적응하기 위해 미세 유체 칩을 준비하는 데 점차적으로 사용되고 있습니다. 스크린 인쇄 기술의 장비 요구 사항이 높지 않아 미세 유체 칩의 생산 비용이 크게 절감되고 처리 단계가 적고 반복 가능하여 미세 유체 칩의 산업 대량 생산에 도움이됩니다.
②잉크젯 인쇄.잉크젯 기술의 장점은 고속, 자동화, 저렴한 비용 및 친환경성, 회로 기판에 직접 잉크 방울을 분사하여 정밀한 회로 매핑을 할 수 있다는 점입니다.
자외선 리소그래피.UV 광원은 파장이 짧고 광자 에너지가 높으며 처리 해상도가 높기 때문에 고정밀 가공에 널리 사용됩니다. UV 리소그래피에서 재료는 UV 광자를 흡수하고 기저 상태에서 여기 상태로 점프하여 후속 광중합 또는 광분해 반응을 시작합니다. UV 리소그래피에는 다음과 같은 주요 특징이 있습니다.
작은 열 영향 영역: UV 리소그래피의 처리 원리는 광화학 반응으로, 고에너지 UV 광자를 직접 조사하여 처리된 재료의 화학 결합이 끊어져 열 영향 영역이 매우 작거나 전혀 발생하지 않습니다.
가공할 수 있는 재료의 범위가 넓습니다: UV 광원의 높은 광자 에너지로 가시광선 및 적외선 레이저로 가공할 수 없는 재료도 가공할 수 있습니다.
고해상도: UV 광원은 일반적으로 395nm의 파장에 도달할 수 있으므로 회절 한계 크기가 가시 파장 범위보다 작아 해상도가 높습니다. 최대 200nm의 정확도로 처리할 수 있어 정밀한 마이크로 및 나노 구조를 얻을 수 있습니다.
UV 리소그래피 접근 방식은 다음과 같이 나눌 수 있습니다.UV 마스크 처리그리고UV 직접 쓰기 프로세스UV 마스크 공정에는 포토레지스트 마스크가 필요합니다. UV 마스크 공정에는 포토레지스트 마스크가 필요하고 UV 레이저 소스는 표면 광원인 반면, UV 직접 노광 공정에는 포토레지스트 마스크가 필요하지 않습니다.
전자빔 및 ⑤ 양성자 빔 직접 쓰기 기술. 전자빔 직접 노광은 포토레지스트(감광액)가 코팅된 기판에 고에너지 전자빔을 직접 조사하여 구조를 얻는 기술로, 1965년 초에 전자빔 직접 노광을 이용한 100나노 구조가 보고된 바 있습니다. 전자빔의 파장은 100KV의 가속 전압 시스템에서 0.12nm로 매우 짧으며, 아베 회절 한계 이론에 따르면 전자빔 직접 기록의 정확도는 나노미터 수준일 수 있습니다.
나노 구조의 전자빔 직접 기록은 다음과 같은 기존의 다른 나노 구조 처리 기술에 비해 많은 이점을 제공합니다.고해상도, 마스크 없는 긴 초점 심도, 컴퓨터 제어를 통해 임의의 나노 구조에 직접 기록할 수 있습니다.전자빔 직접 노광의 가장 큰 단점은 기판과 포토레지스트 층의 산란으로 인한 상호 근접 효과로 인해 노출된 영역에 고르지 않은 흡수 선량이 발생할 수 있다는 점입니다. 플라즈몬 빔 직접 노광은 고에너지 플라즈몬 빔을 포토레지스트에 집중시켜 나노 구조를 직접 처리하는 나노 제조 기법입니다. 플라즈몬 빔의 투과력이 전자빔보다 강하고 플라즈몬 빔의 공간 분산각이 매우 작아 높은 종횡비의 나노 구조물 제작이 가능합니다.
(vi) 펨토초 레이저 2광자 직접 쓰기 기술.기존의 다른 연속 레이저 가공 기술보다 펄스 폭이 좁고 피크 출력이 높은 레이저 광원 기반 가공 방법으로, 종종 비선형 효과를 통해 재료와 상호 작용하며 100 나노미터 미만의 가공 정확도와 우수한 3D 가공 능력을 달성할 수 있어 마이크로 및 나노 제조 분야에서 큰 이점을 제공합니다. 펨토초 레이저는 대물 수렴을 통해 샘플 재료 내부에 도달하며, 재료가 2광자 또는 다중 광자 흡수 모드에서 펨토초 레이저와 상호 작용하기 때문에 레이저 초점의 중앙 영역만 빛과 물질의 상호 작용을 받아 광학 회절 한계를 극복하고 고정밀(해상도 100nm 미만) 가공이 가능합니다.
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