Microfuidic Biochip을 위한 Stainless Steel Mold 제작 및 특성평가

Abstract

바이오칩은 IT 기술과 BT 기술이 융합된 분야에서 미래의 핵심기술분야로 주목받고 있으며 전세계적으로 연구가 활발히 진행되고 있다. 재료적인 측면으로 기존의 바이오칩은 glass 기판이 주 재료가 되어 제작되었으나 가공방법 및 비용적인 문제로 인하여 플라스틱 재질로의 전환이 빠르게 일어나고 있다. 일반적으로 플라스틱 바이오칩은 사출 공정을 통하여 제작되게 되므로 이를 위한 금형제작이 가장 중요한 요소이다. 사출성형용 금형제작은 보통 소재를 직접 가공하는 방전가공과 레이저가공이 있으며, 미세패턴을 위하여는 FeCl₃ 화학액을 이용한 습식식각방법과 MEMS 기술의 하나인 전기도금방식 등을 이용하여 제작하고 있다. 그러나 이러한 가공방법들은 형상의 정밀도와 금형의 수명, 가공 표면 roughness, 공정시간과 고비용이 소요되는 등의 많은 문제점을 가지고 있어 이를 해결할 수 있는 전기화학 에칭방법인 electro chemicalfabrication(ECF)를 개발하여 multilayer 와 마이크로급 구조물을 동시에 갖는 양산공정에 적용 가능한 정밀사출성형용 스테인레스스틸 금형을 제작하게 되었다. 스테인레스스틸 금형제작을 위하여 기판으로는 6inch Size 로 가공한 5mm 두께를 갖는, 강도와 내마모성, 내식성이 우수한 SUS304 소재를 사용하였다. 스테인레스 스틸 기판상의 유기물질 등을 제거하기 위하여 아세톤과 5% 황산으로 전처리를 하였으며, 금형 소재에 multilayer 와 마이크로급 구조물을 형성하기 위해 MEMS 기술인 photolithography 공정을 이용하여 PR Masking 을 하였으며, 전해액 개발을 통하여 새로운 전기화학 식각 방법인 ECF(Electro Chemical Fabrication)를 이용하여 정밀사출용 금형을 제작하였다. ECF 식각특성을 비교평가하기 위하여 스테인레스 스틸강의 식각 방법으로 많이 사용되는 FeCl₃ 기존 식각 방법을 이용하여 동일하게 금형을 제작하였다. ECF 와 FeCl₃ 방법으로 제작된 금형의 식각 표면조도와 패턴의 형상을 Microscope 과 3D-profiler, FESEM 을 이용하여 특성분석을 하였다. 그 결과 새로 개발한 ECF 방법이 FeCl₃ 식각방법에 비해 패턴의 형상의 우수함과 식각 표면조도가 0.07um 로 FeCl₃ 비해 10 배정도 식각 표면조도가 우수함을 확인하였다. 또한 제작된 금형을 이용하여 열가소성 수지인 PMMA 와 PC 를 정밀사출기를 통해 사출물의 형상을 분석한 결과 Muti-step 과 Micro-size pattern 을 동시에 갖는 플라스틱 기반의 마이크로플루이딕 바이오칩 디바이스를 얻을 수 있었다. 그밖에 본 연구를 통해 개발된 새로운 ECF 식각방법을 적용함으로써 바이오칩 뿐 만 아니라 display 분야의 도광판용 금형 및 shadow mask 등 다양한 응용분야에서 본 기술의 적용이 가능할 것으로 예상된다.; Imprinting method mechanically transfers patterns from a stamp onto a substrate. In the imprinting process, the mold is one of the most important factors. A new micro fabrication method termed electrochemical fabrication (ECF) is introduced to overcome conventional problems of electro-discharge machining (EDM), FeCl₃ wet etching, laser method, electroplating, such as low reliability and reproducibility and high cost. This ECF method defines micro patterns using conventional photolithography, allowing it to produce micro-scale patterns with excellent surface roughness and quality of pattern shape. In this study, 150 mm stainless steel (SUS 304, 5 mm in thickness) molds were fabricated using both ECF method and FeCl₃-etchant method. As a result, the ECF mold resulted in 10 times more smooth surface roughness values than that using FeCl₃ etchant. Also, metal surface of the ECF-SUS mold was cleaner and smoother than that the FeCl₃-etched SUS mold. Therefore, the SUS mold was successfully fabricated for the first time in micro-scale and multi-step patterns. PMMA replica was fabricated successfully using the ECF-SUS mold.