하이브리드 폴리카보네이트-실리콘 마이크로유체 장치 제작 방법

저희 연구는 학술 실험실 환경에서 프로토타이핑을 위한 하이브리드 마이크로플루이딕 장치의 접합에 중점을 두고 있습니다. 우리는 하이브리드 마이크로유체 채널의 저비용이면서도 최적의 접합 전략이 무엇인가 하는 질문에 답하고자 합니다. 하이브리드 마이크로유이딕스에서 열가소성 가소성 소재를 강성 기판에 접착하는 것은 어렵고, 기존의 고온·고압 방법은 적합하지 않습니다.

이 프로토콜은 실용적인 연구 친화적 결합 방식을 제공합니다. 우선, 평평한 접착면을 가진 폴리카보네이트 하우징을 구합니다. 폴리카보네이트 하우징의 매입된 칩 시트에 에폭시를 뿌리고, 세척된 실리콘 칩을 제자리에 놓습니다.

조립이 경화될 때까지 기다린 다음, 새 에폭시로 틈을 막으세요. 레이저로 접착 테이프를 채널 벽 모양에 맞게 절단했습니다. 접착 테이프를 붙일 때는 테이프에서 라이너 한 층을 떼어내세요.

그 다음 도웰 핀을 사용해 테이프를 채널 벽면에 맞춰 붙이세요. 유체 통로 부분을 덮을 만큼 충분한 1% 폴리비닐 알코올 용액을 추가하세요. 그 후 코팅된 채널을 상온에서 완전히 건조시키도록 따로 두세요.

접착 마스크를 제거하려면, 폴리비닐 알코올층이 완전히 경화되면 양면 접착제를 조심스럽게 떼어내어 폴리비닐 알코올 코팅된 유체 채널을 남깁니다. 필요하다면 채널 벽에 남아 있는 접착제를 점검하고 청소하세요. 도웰 핀을 사용해 폴리카보네이트 실리콘 하이브리드 하우징 하프 플레이트의 상단과 하단을 정렬하세요.

디클로로메탄 또는 아세톤이 들어 있는 5밀리리터 주사기의 30게이지 바늘 끝을 장치 가장자리나 선반에 위치시킵니다. 그 다음 용매를 양쪽에 분사하여 접합 인터페이스로 스며들어 폴리비닐 알코올 장벽에 도달하게 합니다. 그 다음 약 2에서 3파운드의 적당한 무게를 조립된 장치 위에 고르게 놓고, 장치를 실온에서 10분에서 15분간 완전히 경화시킵니다.

고장 지점을 줄이기 위해 큰 기포가 없는지 확인하세요. 경화 후에는 80도 섭씨의 탈이온화된 물이 유체 채널을 통해 분당 1에서 5밀리리터의 낮은 유량으로 최소 3시간 동안 흐릅니다. 채널 내 잔여 폴리비닐 알코올이 있는지 시각적으로 검사하고, 폴리비닐 알코올이 눈에 띄지 않을 때까지 물 흐름을 반복하세요.

데스크탑 레이저 커터를 사용해 저밀도 폴리에틸렌 시트를 채널 벽 영역의 형태에 맞게 레이저로 절단했습니다. 레이저 절단된 저밀도 폴리에틸렌 시트에 재, 잔여물 또는 입자가 있는지 점검하세요. 시트를 이소프로필 알코올로 꼼꼼히 씻고 완전히 말릴 때까지 기다려 주세요.

LDPE 컷아웃을 도웰 핀을 사용해 유체 채널 측면 벽에 정렬하세요. 상단 폴리카보네이트 부품을 하단 조립체에 올려 LDPE 층이 결합 접합면에 있는 유체 채널을 만듭니다. 조립을 접지하려면, 조립된 하우징을 온도 센서가 달린 프로그래머블 오븐에 145도로 설정한 오븐에 넣으세요.

그 다음 금속판과 같은 보정된 무게를 조립체 위에 올려 평방인치당 2파운드에서 3파운드의 중간 압력을 가합니다. 2시간 후에는 조립체를 오븐에서 꺼내세요. LDPE가 접합된 표면 전체에서 고르게 투명한지 확인한 후, 장치를 실온까지 냉각시킵니다.

가스켓 코드 재질을 유체 채널 경로에 맞게 필요한 길이로 절단하세요. 가스켓 코드를 하단 폴리카보네이트 하우징의 개스킷 글랜드에 넣어 전체 경로에 걸쳐 단단하고 연속적으로 맞도록 하세요. 위쪽 폴리카보네이트 조각과 아래쪽 조각을 맞추세요.

그 후 상단 층을 통과해 육각 너트에 볼트를 삽입하고, 필요에 따라 와셔나 압축판을 추가하여 압력을 고르게 분산시킵니다. 각 나사를 손으로 조여 장치를 고정하세요. 그 다음 토크 렌치로 나사를 십자 방향으로 조이세요.

실리콘 칩이 깨지거나 폴리카보네이트 하우징이 변형되지 않도록 처음에는 0.5파운드 인치로 조이고, 추가 밀봉이 필요할 때만 토크를 증가시키세요. 하이브리드 마이크로플루이딕 장치를 연동 펌프 튜빙을 이용해 유체 회로에 연결할 준비를 하세요. 물 저장소, 롤러 펌프, 압력 센서, 하이브리드 마이크로플루이딕 장치를 직렬로 연결합니다.

정확한 압력 측정을 위해 압력 센서를 장치 흡입구에 최대한 가깝게 위치시키세요. 회로를 통해 분당 10밀리리터의 초기 유량으로 물을 펌핑합니다. 유량을 분당 10밀리리터씩 60초 간격으로 증가시키고, 각 유량마다 압력을 기록합니다.

추가 압력이 필요하다면, 장치 하류에 바늘 제한을 추가하여 회로 저항을 증가시킵니다. 정격 압력을 첫 번째 눈에 띄는 누출이 발생하는 압력으로 정의합니다. 마지막으로, 동일 회로를 이용해 장치 바로 아래쪽에 두 번째 압력 센서를 삽입합니다.

분당 10밀리리터의 선택된 유량으로 물을 흐르고, 장치 전과 장치 후 압력 측정값의 차이로 장치 전역의 압력 강하를 계산합니다. 세 가지 결합 방법은 서로 다른 성능 결과를 보였습니다. 용매 결합 장치는 누출 전 692밀리미터의 수은에 도달해 가장 높은 정격 압력을 유지했으나, 일부 장치는 공기 갇히거나 약간의 광학 헤이즈가 나타났다.

LDPE 결합 장치는 분당 10밀리리터에서 196밀리미터의 수은의 높은 압력 강하를 보여 효과가 떨어졌습니다. 시험된 기술 중 개스킷 밀봉 방식은 가장 높은 재현성과 가장 깨끗한 시각적 인터페이스를 보여주었습니다. 개스킷 기반 구성은 누출 전 최대 239밀리미터의 수은(수은) 압력을 유지했으며, 3밀리미터의 낮은 압력 강하를 보였습니다.

이 프로토콜은 연구자들이 실험실 환경에서 하이브리드 마이크로플루이딕 소자 결합에 적합한 다양한 저비용 접합 방식을 연구할 수 있게 합니다. 이 프로토콜을 수행할 때 가장 중요한 고려사항은 설계, 제작, 층의 정렬 모두에서 누설 방지 마감 인터페이스와 충분한 접합면적을 보장하는 것입니다. 향후 연구에서는 접착 방식에 따른 천장 표면적을 비교하고, 이 프로토콜이 취성 또는 다양한 기판 재료를 포함하는 하이브리드 마이크로유체 시스템에 적용 가능한지 평가할 수 있습니다.