에폭시 수지를 사용한 미세유체장치의 제작에 관한 연구 = A Study on Fabrication of Microfluidic Device Using Epoxy Resin

국문 초록 (Abstract)

Polydimethylsiloxane(PDMS)은 유연성, 공기 투과성, 광학적 투명도 등의 특성으로 인해 실험실에서 미세유체장치를 제작하는 데 일반적으로 사용되는 재료로, 반복적으로 빠른 미세유체장치의 제조를 가능하게 한다. 하지만 PDMS로 제작된 미세유체장치는 압력에 의해 쉽게 변형되어 실험의 신뢰성에 영향을 줄 수 있다. 또한 PDMS의 공기 투과성은 물을 증발시키고, 이것의 다공성 구조는 기름과 소수성 분자를 흡수하기 때문에 화학적 내성이 필요하거나 장시간 지속되는 실험에는 적합하지 않다. 본 연구에서는 PDMS로 제작된 미세유체장치의 단점들을 극복하기 위해 에폭시 수지를 사용하여 미세유체장치의 신속하며 반복하여 제작이 가능한 공정을 제시한다. 에폭시 수지는 PDMS와 비교해 구조적, 화학적으로 견고하며 PDMS로 제작된 마스터 몰드를 사용하여 에폭시 수지의 주조를 통한 고해상도의 복제품 제작에 사용할 수 있다. 에폭시 수지로 제작된 미세유체장치의 기계적 강도는 형광 입자 추적을 사용하여 최대 133 μL/min의 다양한 유량 구간에서 PDMS 미세유체장치와의 비교를 통해 입증하였다. 그리고 형광 물질의 흡착과 공기 투과성으로 인한 용액의 증발을 비교함으로써 에폭시 수지로 제작된 미세유체장치의 우수한 내화학성과 장시간 이어지는 실험에의 적합성을 보여준다. 본 연구에서 제작한 에폭시 수지 기반 미세유체장치는 물리적/화학적 미세유체실험을 용이하게 하고 중합효소 연쇄반응(Polymerase Chain Reaction), 혐기성 세균 배양 등 물리적 또는 화학적으로 까다로운 환경을 요구하는 다양한 응용 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Polydimethylsiloxane (PDMS) is a commonly used material for fabrication of microfluidic devices in laboratories due to its advantageous properties such as flexibility, air permeability, and optical transparency, which enable fast prototyping. However, PDMS microfluidic devices can easily deform under pressures, affecting the reliability of experiments. Additionally, air permeability of PDMS causes water to evaporate and its porous structure absorbs oil and hydrophobic molecules, making it unsuitable for chemically demanding and long-duration experiments. In this study, a rapid and repeatable fabrication method for epoxy-based microfluidic devices is developed to overcome the limitations of PDMS microfluidic devices. The epoxy-based microfluidic device is structurally and chemically robust and optimized for high-resolution fabrication through epoxy casting using PDMS master molds. The structural robustness of the epoxy-based device is demonstrated by comparing the velocity changes in PDMS microchannels under various flows (~133 μL/min) using fluorescent particles. The excellent chemical resistance of the epoxy-based device and its suitability for long-duration experiments are shown by comparing the adsorption of fluorescent solution and the pervaporation caused by air permeability. The epoxy-based device has the potential to facilitate lab-on-chip research and enable various applications such as polymerase chain reaction, anaerobic bacterial culture that require physically or chemically demanding experiments.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 미세유체장치 재료 2
• 1.2.1 무기 재료 3
• 1.2.2 고분자 재료 3
• 1.3 연구목적 4
• 제 2 장 실 험 6
• 2.1 연구에 사용된 재료 6
• 2.2 PDMS 기반 미세유체장치 제작 6
• 2.3 에폭시 수지 기반 미세유체장치 제작 8
• 2.3.1 제작 과정 8
• 2.3.2 다양한 크기의 에폭시 수지 미세유체장치 10
• 2.4 실험장비 및 데이터분석 11
• 제 3 장 결과 및 고찰 12
• 3.1 에폭시 수지 기반 미세유체장치의 제작 정밀도 분석 12
• 3.1.1 정밀도 비교 분석 과정 12
• 3.1.2 정밀도 비교 분석 결과 14
• 3.2 다양한 유량에서의 미세유체장치 변형 측정 17
• 3.2.1 고유량에서의 PDMS 미세유체장치의 문제점 17
• 3.2.2 변형 측정 방법 18
• 3.2.3 변형 측정 결과 21
• 3.3 형광 흡착 시각화 및 정량화 23
• 3.3.1 형광 흡착 시각화 과정 23
• 3.3.2 정량화에 따른 형광 흡착 비교 24
• 3.4 입자 구획화를 통한 장시간의 실험 비교 27
• 3.4.1 입자 구획화 실험 과정 27
• 3.4.2 입자 구획화 시각화 29
• 3.4.3 브라운 운동에 따른 변위의 정량화 및 비교 31
• 제 4 장 결 론 33