KR102276225B1 - 세라믹 재질의 미세유체 반응기의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 세라믹 재질의 미세유체 반응기 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 세라믹 재질의 미세유체 반응기는 미세유체를 수용 및 이동시킬 수 있는 미세유로를 포함하고, 세라믹 재질로 구성할 수 있다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 세라믹 재질의 미세유체 반응기는 세라믹 재질로 형성됨으로써, 세라믹 특유의 높은 강도, 경도 및 인성을 갖을 수 있다. 이에, 세라믹 재질의 미세유체 반응기는 고온 및 고압에서 안정적이며 내화학적 안정성이 향상될 수 있다.
Description
본 발명은 세라믹 재질의 미세유체 반응기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 세라믹 재질의 미세유체 반응기 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 미세유체 반응기(MicroFluidic Reactor)는 수십에서 수백 마이크로미터의 크기의 미세유로 내로 소량의 미세유체들을 연속 유입시키고, 미세유체들 간의 화학반응을 유도하는 장치이다. 미세유체 반응기는 소량의 미세유체를 사용함으로써 반응시간의 단축, 빠른 열전달, 확산 거리 최소화, 부반응의 최소화 등의 장점을 가지며, 유기, 무기 합성, 나노 재료 합성, 단백질, DNA 반응을 통한 분석 시스템 개발 등 생물학에서부터 나노 재료, 화학 등에 이르기까지 여러 연구분야에서 활용되고 있다.
기존의 미세유체 반응기는 금속 재질로 구성되었다. 금속은 가공이 용이하고 높은 열전달, 내화학성과 기계적 안정성을 가지는 장점이 존재한다.
이러한, 금속 재질의 미세유체 반응기는 벌크 형태의 금속 원재료를 절삭하여 미세유료를 형성하는 기계적 가공에 의해 제조될 수 있다.
그러나, 금속은 불투명한 소재이므로 특정한 화학 합성 또는 재료의 합성과정에서 미세유체 반응기의 내부를 지속적으로 관찰할 수 없고, 일부 유체에 의해 부식이 발생된다는 단점이 있다.
또한, 기계적 가공에 의해 제조되는 금속 재질의 미세유체 반응기는 가공 장비가 대부분 고가여서 제조 비용이 많이 들고, 가공 기계의 구조적 한계로 인해 복잡한 구조의 미세유로를 갖는 미세유체 반응기 제작이 어렵다는 단점이 있다. 또한, 기계적 가공의 경우, 미세유체 반응기를 상판과 하판으로 구분하여 가공한 후 상판과 하판을 결합하는 방식으로 제조되는데, 상판과 하판의 접착 부분에서 접착이 떨어지거나 결함이 발생되어 미세유체가 누수되는 문제도 발생될 수 있다.
이에, 금속 재질의 미세유체 반응기에 대한 단점을 보완하기 위해 금속 재질의 미세유체 반응기와 유사한 형태로 폴리머 재질의 미세유체 반응기를 개발하게 되었다.
폴리머 재질의 미세유체 반응기는 PDMS(Polydimethy-1siloxane)와 같은 폴리머 물질을 사용하여 제조된 미세유체 반응기로, 화학적 안정성, 높은 투과성, 저렴한 가격, 대량 생산이 가능하다는 장점이 존재한다.
폴리머 재질의 미세유체 반응기는 기계적 가공 또는 사출 공정에 의해 제조되기도 하지만, PDMS와 같이 투명한 폴리머의 경우, 소프트리소그래피(soft-lithography) 방법에 의해 제조된다. 소프트리소그래피는 PDMS 블록에 레이저를 조사하여 소프트한 몰드나 패턴을 제작하는 방식이다.
그러나, PDMS와 같은 폴리머는 고온 및 고압에서 불안정하다는 단점이 있다. 또한, 미세유체에 포함된 일부 유기 용매가 PDMS와 반응하여 미세유체 반응기에 손상을 주는 문제가 발생될 수 있고, 화학적 안정성이 떨어진다는 단점이 있다.
또한, 소프트리소그래피 제조공정의 경우, 레이저에 의한 열로 인해 PDMS가 녹으면서 변형이 발생될 수 있고, 다층구조의 미세유체 반응기의 제조가 어렵다는 단점이 있다.
이에, 미세유체에 의한 부식을 방지하고, 고온 및 고압에서 안정적이며, 화학적 안정성이 뛰어난 재질로 구성된 미세유체 반응기 기술의 개발이 요구되고 있다.
또한, 미세유체 반응기의 제조 비용을 감소시키고, 좀 더 정교한 구조의 미세유체 반응기를 제작할 수 있으며, 구조물에 대한 수축 또는 변형이 발생되지 않고, 상판과 하판의 구분없이 일체형으로 구성된 미세유체 반응기를 형성할 수 있는 미세유체 반응기의 제조방법에 대한 기술의 개발이 요구되고 있다.
한편, 전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
https://3dprint.com/122249/octave-light-r1-3d-printer/
(Octave Light R1 3D Printer, March 3, 2016, Bridget O'Neal)
본 발명의 일 실시예는 세라믹 재질의 미세유체 반응기를 통해 고온 및 고압에서 안정하고, 내화학성 및 내부식성이 우수한 세라믹 재질의 미세유체 반응기 및 이의 제조방법을 제공하는 데에 목적이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 광경화 3D 프린터를 사용하여 세라믹 재질의 미세유체 반응기를 저렴하게 제작할 수 있는 세라믹 재질의 미세유체 반응기 및 이의 제조방법을 제공하기 위함이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 광경화 3D 프린터를 사용한 세라믹 재질의 미세유체 반응기 제조방법은 표면처리된 세라믹 파티클 및 광경화성 바인더를 포함하는 세라믹 슬러리를 제공하는 단계, 광경화 3D 프린터를 사용하여 미세유로의 외벽에 대응되는 영역에 광을 조사하여 세라믹 슬러리를 경화시켜 미세유로를 포함하는 미세유체 반응기 구조물을 형성하는 단계, 미세유체 반응기 구조물에서 광경화성 바인더의 일부를 제거하는 단계 및 광경화성 바인더의 일부가 제거된 미세유체 반응기 구조물을 소결하는 단계를 포함하고, 광경화 3D 프린터를 사용하여 미세유로의 외벽에 대응되는 영역에 광을 조사하여 세라믹 슬러리를 경화시켜 미세유로를 포함하는 미세유체 반응기 구조물을 형성하는 단계는, 미세유로의 외벽을 포위하고, 미세유로의 외벽과 0.01mm 내지 3mm 이격된 포위형 지지대를 형성하는 단계를 포함하고, 미세유체 반응기 구조물에서 광경화성 바인더의 일부를 제거하는 단계 이전에, 포위형 지지대를 제거하는 단계를 포함할 수 있다..
예컨대, 광경화 3D 프린터를 사용하여 미세유로의 외벽에 대응되는 영역에 광을 조사하여 세라믹 슬러리를 경화시켜 미세유로를 포함하는 미세유체 반응기 구조물을 형성하는 단계는 미세유로의 외벽 하부에 지지대(Support)를 형성하는 단계를 포함하고, 미세유체 반응기 구조물에서 광경화성 바인더의 일부를 제거하는 단계 이전에, 미세유로의 외벽 하부에 형성된 지지대를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예컨대, 광경화 3D 프린터를 사용하여 미세유로의 외벽에 대응되는 영역에 광을 조사하여 세라믹 슬러리를 경화시켜 미세유로를 포함하는 미세유체 반응기 구조물을 형성하는 단계는, (a) 광경화 3D 프린터의 레이어 형성부를 사용하여 광경화 3D 프린터의 메인 스테이지에 세라믹 슬러리를 레이어 형태로 제공하는 단계, (b) 광원을 사용하여 레이어 형태의 세라믹 슬러리를 경화시킴으로써, 미세유체 반응기 구조물의 일 단면을 형성하는 단계 및 (c) 미세유체 반응기 구조물이 형성될 때까지 (a) 및 (b)의 단계를 반복하는 단계를 포함할 수 있다.
예컨대, (b) 광원을 사용하여 레이어 형태의 세라믹 슬러리를 경화시킴으로써, 미세유체 반응기 구조물의 일 단면을 형성하는 단계는, 일 단면의 상단면 꼭짓점과 일 단면의 상부에 형성된 상단 단면의 하단면 꼭짓점이 이루는 각도가 45 이상이 되도록 일 단면을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 본 발명의 세라믹 재질의 미세유체 반응기는 세라믹 재질로 형성되므로 세라믹 특유의 높은 강도, 경도 및 인성을 가질 수 있다. 이에, 세라믹 재질의 미세유체 반응기는 고온 및 고압에서 안정적이며 화학적 안정성이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 본 발명의 세라믹 재질의 미세유체 반응기 및 이의 제조방법은 광경화 3D 프린터를 사용함으로써, 별도의 몰드 제작이 필요 없으며, 복잡한 미세유로를 갖는 미세유체 반응기를 저렴한 비용으로 신속하게 제조할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 본 발명의 세라믹 재질의 미세유체 반응기 및 이의 제조방법은 광경화 3D 프린터를 사용함으로써, 기존의 기계적 가공방식에서 발생될 수 있는 크랙의 발생을 줄일 수 있어 보다 정밀한 형상의 구조물을 용이하게 출력할 수 있다.
또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 본 발명의 세라믹 재질의 미세유체 반응기 및 이의 제조방법은 광경화 3D 프린팅 과정 시 적층 과정에서 발생될 수 있는 미세유로의 변형을 최소화할 수 있으며, 우수한 정밀도로 미세유체 반응기 구조물을 출력할 수 있다.
또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 본 발명의 세라믹 재질의 미세유체 반응기 및 이의 제조방법은 광경화 3D 프린팅 과정 시 미세유로 외벽에 하부 지지대 및 포위형 지지대를 함께 형성함으로써, 레이어 형태의 세라믹 슬러리를 적층할 때 발생할 수 있는 쳐짐 현상을 방지할 수 있고, 균일한 내부를 가지며 정밀한 구조물을 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 재질의 미세유체 반응기를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광경화 3D 프린터를 사용한 세라믹 재질의 미세유체 반응기 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3a 내지 도 3c는 도 2의 광경화 3D 프린터를 사용한 세라믹 재질의 미세유체 반응기 제조방법의 일 예를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 세라믹 재질의 미세유체 반응기를 나타낸 도면이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광경화 3D 프린터를 사용한 세라믹 재질의 미세유체 반응기 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세라믹 재질의 미세유체 반응기를 나타낸 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예들에 따른 광경화 3D 프린터를 사용한 세라믹 재질의 미세유체 반응기 제조방법으로 제조된 미세유체 반응기 구조물에 형성된 지지대를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광경화 3D 프린터를 사용한 세라믹 재질의 미세유체 반응기 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3a 내지 도 3c는 도 2의 광경화 3D 프린터를 사용한 세라믹 재질의 미세유체 반응기 제조방법의 일 예를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 세라믹 재질의 미세유체 반응기를 나타낸 도면이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광경화 3D 프린터를 사용한 세라믹 재질의 미세유체 반응기 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세라믹 재질의 미세유체 반응기를 나타낸 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예들에 따른 광경화 3D 프린터를 사용한 세라믹 재질의 미세유체 반응기 제조방법으로 제조된 미세유체 반응기 구조물에 형성된 지지대를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선, 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 재질의 미세유체 반응기를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 아래와 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 재질의 미세유체 반응기(10)를 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 재질의 미세유체 반응기(10)는 미세유체들을 유입하여 유입된 미세유체들 간의 화학반응을 유도하는 장치일 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 재질의 미세유체 반응기(10)는 미세유체를 수용 및 이동시킬 수 있는 미세유로(11)를 포함하고, 세라믹 재질로 구성될 수 있다.
미세유로(11)는 외부로부터 유입되는 미세유체를 수용하고, 수용된 미세유체를 이동시킬 수 있다. 즉, 미세유로(11)는 미세유체가 유입되어 유동할 수 있는 채널로 기능한다.
미세유로(11)는 미세유체가 유입 및 유동할 수 있도록 파이프 형상으로 구성된다. 즉, 미세유로(11)는 유입구로부터 배출구까지 연장된 파이프 형태로 구성될 수 있다. 미세유로(11)는 미세유체가 이동할 수 있도록 절곡되거나 굴곡되어 사행의 형상으로 연장될 수 있다. 예를 들어, 미세유로(11)는 직선, 지그재그, 사선, 곡선 등의 형상으로 연장될 수 있다.
미세유로(11)는 적어도 둘 이상의 미세유체가 유입될 수 있도록 복수개로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 세라믹 재질의 미세유체 반응기(10)로부터 유입된 서로 다른 미세유체를 수용하기 위해 두개의 미세유로(11)로 구성될 수 있다. 이 경우, 서로 다른 미세유체들이 혼합되어 혼합된 상태로 이동할 수 있도록 두개의 미세유로(11)는 하나의 파이프로 합쳐질 수 있다. 또한, 혼합된 미세유체들이 분리될 수 있도록 하나의 파이프 형태의 미세유로(11)는 다시 복수의 미세유로(11)들로 분기될 수 있다. 또한, 미세유로(11)는 도 1에 도시된 바와 같이, 세라믹 재질의 미세유체 반응기(10) 본체의 내부에 포함될 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않으며, 미세유체 반응기(10)는 본체를 포함하지 않고, 미세유로(11)가 파이프 형태로 구성되어 미세유로(11) 자체가 미세유체 반응기(10)를 구성할 수 있다.
본 발명의 미세유체 반응기(10)의 미세유로(11)의 내관 단면은 원형일 수 있다. 그러나, 이에 한정하지 않고, 미세유체 반응기(10)의 미세유로(11) 단면은 좌우 대각의 크기가 90 °를 초과하는 평행사변형일 수 있다. 또한, 미세유체 반응기(10)의 미세유로(11)의 내관 단면은 마름모일 수 있다. 미세유로(11)의 단면 형상에 대한 세부적인 내용은 도 4a 내지 도 4b를 참조하여 후술하기로 한다.
미세유로(11)가 원형의 단면을 가질 때, 미세유로(11)의 단면은 마이크로미터 크기의 직경을 가질 수 있다. 예를 들어, 미세유로(11)의 직경은 50 μm 이상 1,000 μm 이하일 수 있다. 한편, 미세유로(11)의 단면이 평행사변형 또는 마름모로 구성되는 경우, 미세유로(11)의 단면의 크기는 50 μm 이상 1,000 μm 이하일 수 있다. 여기서, 미세유로(11)의 단면의 크기는 평행사변형 또는 마름모의 무게중심을 통과하고, 서로 마주보는 꼭지점들을 잇는 변들 중 장변의 길이로 정의될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 미세유로(11)의 직경은 세라믹 재질의 미세유체 반응기(10) 내에 포함되어 있는 미세유로(11)의 구간마다 다를 수 있다. 예를 들어, 서로 다른 미세유체들이 좌우로 분기되어 있는 부분의 미세유로(11)의 직경은 서로 다른 미세유체들이 혼합되어 혼합된 상태로 이동하게 되는 미세유로(11)의 직경보다 넓게 구성될 수 있다. 그러나, 미세유로(11)의 직경의 크기가 이에 한정되는 것은 아니며, 미세유로(11)의 분기 부분과 연결 부분의 직경의 크기는 동일할 수 있다. 이 경우, 미세유로(11)의 폭이 조절됨으로써, 미세유로(11) 내의 미세유체 이동 속도가 제어될 수 있다.
미세유로(11)는 세라믹으로 제조될 수 있다. 세라믹은 비금속 또는 무기질 재료를 높은 온도에서 가공 성형한 것을 의미하며, 대표적으로, 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 등의 원소가 산소, 탄소, 질소 등과 결합하여 만든 산화물, 탄화물, 질화물로 이루어진다.
미세유로(11)의 제조에 이용되는 세라믹은 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 티타니아(TiO2), 실리카(SiO2) 등으로 이루어질 수 있다. 그러나, 이러한 미세유로(11)의 재질은 이에 한정되는 것은 아니고 통상적인 미세유로(11)를 제조하기 위한 모든 성분을 포함할 수 있으며, 세라믹 재질의 미세유체 반응기(10)의 용도 등에 따라 달리 구성될 수 있다.
또한, 미세유로(11)는 투명 세라믹으로 제조될 수도 있다. 일반적인 세라믹은 불투명하여 가시광선이 투과하지 않는 것이 많지만, 제조 조건에 따라 유리와 같이 빛을 투과할 수 있다. 투명 세라믹은 광학 이방성이 없는 등방 결정구조를 이용하여 불순물이나 기포 등의 산란 원인이 되는 결함을 억제하여 제조될 수 있다. 투명 세라믹은 예를 들어, Mg-Al 스피넬(MgAl2O4), 알론(AION), 이트륨 알루미늄 가넷, 이트륨 옥사이드, 지르코늄 옥사이드, 이트리아 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 재질의 미세유체 반응기(10)는 세라믹 재질로 형성되므로, 세라믹 특유의 높은 강도, 경도 및 인성을 갖는다. 또한, 세라믹 재질의 미세유체 반응기(10)는 고온 및 고압에서 안정적이며 우수한 내화학성, 내부식성을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 재질의 미세유체 반응기(10)는 광경화 3D 프린팅을 통해 제조된다. 3D 프린팅은 3차원 도면에 기초하여 자동으로 입체적 형상의 미세유체 반응기 구조물을 출력할 수 있는 기계를 사용한 제조방법이다. 3D 프린팅은 원재료를 조각하는 방식으로 미세유체 반응기 구조물을 형성하는 절삭형 3D 프린팅과 재료를 층별로 적층하는 방식으로 미세유체 반응기 구조물을 형성하는 적층형 3D 프린팅이 있다.
적층형 3D 프린팅은 재료를 녹여 노즐을 통해 분사함으로써 미세유체 반응기 구조물을 형성하는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식, 분말 재료에 레이저를 조사하여 재료의 일부분을 녹여 굳힘으로써 미세유체 반응기 구조물을 형성하는 SLS(Selective Laser Sintering) 방식, 액체 상태의 광경화성 재료에 면 단위 광을 조사하여 광경화성 재료를 경화시킴으로써 미세유체 반응기 구조물을 형성하는 DLP(Digital Light Processing) 방식 및 광경화성 재료에 점 단위 광을 조사하는 레이저를 사용하여 광경화성 재료를 경화시키는 SLA(Stereo Lithography Apparatus) 방식 등이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 재질의 미세유체 반응기(10)의 제조방법은 다양한 3D 프린팅 방법들 중 광경화 3D 프린팅 방법으로 수행되며, DLP 또는 SLA에 의해 수행될 수 있다. 본 명세서에서는 광경화 3D 프린팅 방법 중, DLP를 기준으로 설명하기로 한다. DLP 방식의 3D 프린팅은 광의 조사 방향에 따라 바텀-업(bottom-up) 및 탑-다운(top-down) 방식으로 구분될 수 있다.
DLP의 바텀-업(bottom-up) 방식은 액체 상태의 세라믹 슬러리가 보관된 수조에 조형 스테이지를 담그고 하부에서 상부로 광을 조사하는 방식으로 세라믹 재질의 미세유체 반응기 구조물을 형성할 수 있다. DLP의 바텀-업(bottom-up) 방식을 사용한 세라믹 재질의 미세유체 반응기(10)의 제조방법은 도 2 및 도 3a 내지 도 3c에서 후술하기로 한다.
DLP의 탑-다운(top-down) 방식은 액체 상태의 세라믹 슬러리를 레이어 형성부를 이용하여 메인 스테이지에 레이어 형태로 제공하고, 광을 조사하여 구조물의 일 단면을 형성하고, 동일한 방식으로 각 단면들을 적층함으로써 세라믹 재질의 미세유체 반응기 구조물을 형성하는 방식이다. DLP의 탑-다운(top-down) 방식을 사용한 세라믹 재질의 미세유체 반응기(10)의 제조방법은 도2 및 도5a 내지 도 5d에서 후출하기로 한다.
한편, 광경화 3D 프린팅은 노즐 분사 방식이 아닌 광경화 방식으로 세라믹 재질의 미세유체 반응기 구조물을 형성하므로, FDM 방식의 3D 프린팅에 비해 정교한 구조의 미세유체 반응기 구조물 형성이 가능하다. 또한, 광경화 3D 프린팅은 액체 상태의 재료를 사용하여 미세유체 반응기 구조물을 형성하므로, 분말 형태의 재료를 사용하는 SLS 방식의 3D 프린팅에 비해 환경 친화적이고, 분말이 공기 중에 날림으로써 발생되는 폭발 위험으로부터 자유로운 장점이 있다.
이하, 도 2 및 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 광경화 3D 프린터를 사용한 세라믹 재질의 미세유체 반응기 제조방법을 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광경화 3D 프린터를 사용한 세라믹 재질의 미세유체 반응기 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 3a 내지 도 3c는 도 2의 광경화 3D 프린터를 사용한 세라믹 재질의 미세유체 반응기 제조방법의 일 예를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2를 참조하면, 표면처리된 세라믹 파티클 및 광경화성 바인더를 포함하는 세라믹 슬러리를 제공(S210)한다.
세라믹 슬러리는 세라믹 재질의 미세유체 반응기 구조물을 출력하기 위해 수조에 제공될 수 있다. 여기서, 수조는 투명 또는 반투명한 용기로 구성될 수 있다. 이때, 수조에 제공되는 세라믹 슬러리의 양은 수조에 광을 조사함으로써 형성된 세라믹 재질의 미세유체 반응기 구조물의 총 높이보다 높게 제공될 수 있다. 즉, 수조에 제공되는 세라믹 슬러리의 양은 3D 프린팅 과정 시 수조 내에서 적층이 충분히 이루어져 세라믹 재질의 미세유체 반응기 구조물이 형성될 수 있도록 적절하게 제공될 수 있다.
도 3a를 참조하면, 세라믹 슬러리(110)는 표면처리된 세라믹 파티클(111) 및 광경화성 바인더(113)를 포함한다.
세라믹 슬러리(110)는 광경화 3D 프린팅에 적합한 점도를 가질 수 있다. 구체적으로, 세라믹 슬러리(110)의 점도는 100 내지 30,000 cp일 수 있다. 세라믹 슬러리(110)의 점도가 상술한 범위에 포함되는 경우, 광경화 3D 프린팅 과정에서 세라믹 슬러리(110)의 표면이 평평하게 유지될 수 있다. 만약, 세라믹 슬러리(110)의 점도가 30,000 cp를 초과하는 경우, 세라믹 슬러리(110)의 점도가 지나치게 높아져 세라믹 재질의 미세유체 반응기 구조물을 출력하는 과정에서 레이어들의 적층이 어려울 수 있고, 출력된 세라믹 재질의 미세유체 반응기 구조물의 정밀도가 떨어질 수 있다.
세라믹 파티클(111)은 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 티타니아(TiO2) 실리카(SiO2) 중 적어도 하나로 이루어질 수 있고, 표면처리제를 통해 표면처리될 수 있다.
표면 처리제는 세라믹 파티클(111)의 표면에 결합되고, 3D 프린팅 동안 광경화성 바인더(113)와 반응할 수 있는 작용기(functional group)를 포함한다. 일 실시예에서, 표면 처리제는 하기 [화학식 1]로 표현되는 실란 커플링제일 수 있다.
[화학식 1]
여기서, R은 바이닐기(vinyl group), 에폭시기(epoxy group), 아미노기(amino group), 메타크릴옥시기(methacryloxy group) 및 싸이올기(thiol group) 중 적어도 하나를 포함하고, X는 메톡시기(methoxy group), 에톡시기(ethoxy group), 다이알콕시기(dialkoxy group), 트리알콕시기(trialkoxy group) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이 경우, X 기는 세라믹 파티클과 결합하고, R기는 3D 프린팅 과정에서 광경화성 바인더(113)와 반응하여 고분자 매트릭스를 형성할 수 있다.
상술한 특징을 갖는 실란 커플링제는 예를 들어, 비닐트리메톡시실란(vinyltrimethoxysilane),비닐트리에톡시실란(vinyltriethoxysilane), 3-글리시독시프로필 트리메톡시실란(3-glycidoxypropyl trimethoysilane), 3-글리시독시프로필 메틸디에톡시실란(3-glycidoxypropyl methyldiehoxysilane), 스티릴트리메톡시실란(styryltrimethoxysilane),3메타크릴옥시프로필트리메톡시실란(3-methacryloxopropyl trimethoxysilane), 3-메타크릴옥시프로필 트리메톡시실란(3-metnacryloxypropyl triethoxysilane), 3-아크릴옥시프로필 트리메톡시실란(3-acryloxypropyl trimethoxysilane) 등이 사용될 수 있다.
세라믹 파티클(111)이 상술한 실란 커플링제로 표면처리되는 경우, 표면 처리된 세라믹 파티클(111)은 바이닐기, 아크릴레이트기, 에폭시기 등의 반응 사이트를 가진다. 이 경우, 표면처리된 세라믹 파티클(111)은 3D 프린팅 과정에서 광경화성 바인더(113)와 직접 결합되며, 세라믹 파티클(111) 사이의 접착력이 향상될 수 있다.
세라믹 파티클(111)의 표면처리는 세라믹 파티클(111)을 용매에 분산하고, 표면 처리제와 세라믹 파티클(111)들의 반응을 유도하도록 세라믹 파티클(111)과 용매가 혼합된 용액의 산도와 온도 등을 조정하고, 표면 처리제를 첨가하여 세라믹 파티클(111)의 표면을 처리하고 용액을 중성화하고, 용매를 제거함으로써 이루어질 수 있다. 예를 들어, 세라믹 파티클(111)의 표면 처리는 산도가 7 이상인 염기성 환경과 50도 이상의 환경에서 이루어질 수 있다. 용액의 분위기가 산도가 7이상인 염기성 환경 및 50 도 이상의 환경인 경우, 표면 처리제와 세라믹 파티클(111)의 결합이 더욱 용이하게 일어날 수 있으며, 세라믹 파티클(111)의 표면 처리 품질이 더욱 향상될 수 있다. 한편, 표면 처리된 세라믹 파티클(111)을 형성하기 위한 용액의 건조는 50도 이상의 온도에서 24시간 이상 수행될 수 있다.
표면 처리된 세라믹 파티클(111)은 그 표면에 유기물과 친한 작용기들을 가지므로, 액체 상태의 광경화성 바인더(113) 내에서 균일하게 분산되며, 오랜 시간 동안 침전물을 형성하지 않고 분산된 상태를 유지할 수 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 표면 처리된 세라믹 파티클(111)은 액체 상태의 광경화성 바인더(113)에 혼합된다.
광경화성 바인더(113)는 광중합 반응에 의해 고분자 매트릭스를 형성하는 유기물로서, 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 글리시딜 에테르(ether), 에폭시, 바이닐에테르(vinyl ether), 스타이렌(styrene) 중 적어도 하나의 작용기를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에 의하면, 광경화성 바인더(113)는 다양한 첨가제를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 광경화성 바인더(113)는 레벨링제, UV 안정제, UV 흡수제, 산화 방지제, 접착 강화제, 저수축제, 광택제, 소포제, 분산제, 안료 습윤제, 중점제, 발수 첨가제 등을 더 포함할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 광경화 3D 프린터를 사용하여 미세유로의 외벽에 대응되는 영역에 광을 조사하여 세라믹 슬러리를 경화시켜 미세유로를 포함하는 미세유체 반응기 구조물을 형성(S220)한다.
도 3b를 참조하면, 광원(140)에서 조사된 광은 투과성의 수조를 통과해 세라믹 슬러리(110)에 도달하고, 세라믹 슬러리(110)의 광경화성 바인더(113)를 경화시키고, 이를 통해 미세유체 반응기 구조물(20)이 형성될 수 있다.
이 경우, 광은 미세유체 반응기 구조물(20)의 일 단면에 대응되는 영역에만 조사될 수 있으며, 광이 조사된 부분에서만 광경화성 바인더(113)가 경화되므로, 경화된 바인더들에 의해 미세유체 반응기 구조물(20)의 일 단면이 형성된다.
광원(140)은 자외선, 적외선 또는 가시광선 중 적어도 어느 하나의 파장대의 광을 조사하도록 구성될 수 있다. 상술한 파장대의 광을 조사하는 광원(140)은 점 단위 광을 조사하는 레이저 또는 투사 방식으로 면 단위의 광을 조사하는 DLP 프로젝터로 구성될 수 있다. 예를 들어, 광원(140)은 380 mm 내지 405 mm 파장의 자외선 광을 하부에서 상부로 조사하는 DLP 프로젝터로 구성될 수 있다.
미세유체 반응기 구조물(20)의 일 단면이 형성되면, 스테이지(120)가 상부로 상승하며, 광원(140)은 일 단면의 하단 단면에 대응되는 영역에 광을 조사하고, 미세유체 반응기 구조물(20)의 하단 단면이 형성된다. 동일한 방법으로 광원(140)에 의해 광이 순차적으로 조사되며, 단면의 형성 속도에 다라 스테이지(120)는 상부로 상승된다. 이러한 방법으로, 미세유체 반응기 구조물(20)의 단면들이 상부에서 하부로 순차적으로 형성된다. 이러한 방식으로 미세유체 반응기 구조물(20)이 형성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 미세유체 반응기 구조물에서 광경화성 바인더가 경화되어 형성된 고분자의 일부를 제거(S230)한다.
광경화 3D 프린팅에 의해 출력된 미세유체 반응기 구조물은 세라믹 파티클과 광경화성 바인더가 경화되어 형성된 고분자를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 재질의 미세유체 반응기 제조방법은 순수한 세라믹 재질의 미세유체 반응기 구조물을 제조하기 위해, 광경화 3D 프린팅에 의해 출력된 미세유체 반응기 구조물에서 고분자의 일부를 제거할 수 있다. 여기서, 고분자를 일부만 제거하는 것은 미세유체 반응기 구조물을 고온 환경에 노출시킴으로써 수행될 수 있다. 구체적으로, 미세유체 반응기 구조물을 챔버에 삽입하고, 고분자를 제거할 수 있는 온도 이상의 온도에서 1시간 이상 노출시킴으로써 미세유체 반응기 구조물 내의 고분자가 제거될 수 있다.
고분자의 일부를 제거하는 공정은 미세유체 반응기 구조물의 형상이 무너지지 않을 정도의 온도에서 수행되어 백본 폴리머(backbone polymer)를 남겨두는 공정일 수 있다. 여기서, 고분자 제거 온도는 고분자가 연소 또는 분해될 수 있는 온도로서, 광경화성 바인더를 구성하는 성분들의 종류에 따라 적절한 온도로 선택될 수 있다. 예를 들어, 고분자 제거 온도는 100 ℃ 내지 1000 ℃의 범위에서 고분자가 가장 효율적으로 제거될 수 있는 온도로 선택될 수 있다.
만약, 광경화 3D 프린팅에 의해 출력된 미세유체 반응기 구조물에서 고분자의 일부를 제거하는 공정을 수행하지 않고, 소결 공정이 수행되는 경우, 세라믹 파티클 사이에서 경화된 고분자들이 한꺼번에 제거될 수 있다. 이 경우, 미세유체 반응기 구조물은 소결 공정에서 세라믹 그레인(grain)이 온전하게 성장하지 못할 수 있으며, 세라믹 파티클의 그레인 계면(grain boundary)에서 크랙이 발생되어 미세유체 반응기의 불량이 발생될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 재질의 미세유체 반응기의 제조방법은 광경화 3D 프린팅에 의해 출력된 미세유체 반응기 구조물에서 고분자를 일부만 제거함으로써, 미세유체 반응기 구조물의 형상이 무너지지 않게 할 수 있다. 한편, 미세유체 반응기 구조물의 백본 폴리머는 고분자 제거 이후 소결 공정에서 완전히 제거될 수 있다.
도 2를 참조하면, 광경화성 바인더가 경화되어 형성된 고분자의 일부가 제거된 미세유체 반응기 구조물을 소결(S240)한다.
도 3c를 참조하면, 미세유체 반응기 구조물(20)을 챔버(160)에 넣고, 소결 온도에 미세유체 반응기 구조물(20)을 노출시킴으로써, 미세유체 반응기 구조물(20)의 소결이 수행될 수 있다. 여기서, 소결은 충분한 시간동안 수행될 수 있다. 예를 들어, 소결은 24시간 이상의 시간동안 수행될 수 있고, 소결 온도는 500 ℃ 내지 2000 ℃의 범위에서 선택될 수 있다.
소결 공정은 승온 및 냉각 단계로 구성될 수 있다. 승온 단계는 챔버(160)의 온도를 상온에서 소결 온도까지 상승시키는 과정일 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 승온 공정은 미세유체 반응기 구조물(20)이 포함된 챔버(160)의 온도를 상온에서 500 ℃까지 승온한 이후에 500 ℃에서 일정시간을 유지한 후 다음 소정 온도인 1000 ℃까지 승온하고, 그 온도에서 일정 시간 유지하고, 상술한 과정을 소결 최대 온도인 2000 ℃까지 반복하는 방식으로 수행될 수 있다.
냉각 단계는 승온 단계에서 상승된 챔버(160)의 온도를 냉각시키는 과정일 수 있다. 냉각 단계는 승온 단계와 동일한 방식으로, 챔버(160) 내의 온도를 일정 시간동안 냉각시키고, 냉각된 온도를 일정 시간동안 유지시키는 과정을 반복하는 방식으로 수행될 수 있다.
그러나, 소결 공정이 상술한 예에 의해 한정되는 것은 아니며, 챔버(160) 내의 온도를 급격하게 상승 및 하강시키는 방식으로 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 재질의 미세유체 반응기 구조물(20)은 소결 공정을 통해 세라믹 파티클(111)들을 소결시켜 세라믹 그레인들을 온전하게 성장시킴으로써, 치밀하고 순수한 세락믹 재질의 미세유체 반응기 구조물(20)을 제공할 수 있다. 또한, 세라믹 재질의 미세유체 반응기 구조물(20)을 소결시킴에 따라, 세라믹 파티클(111)이 결정화되어 우수한 강도, 경도 및 인성을 갖는 세라믹 재질의 미세유체 반응기를 형성할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 미세유체 반응기 구조물(20)에서 고분자의 일부를 제거하는 과정과 미세유체 반응기 구조물(20)을 소결하는 과정은 별도의 최적화된 챔버 내에서 수행될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 세라믹 재질의 미세유체 반응기는 광경화 3D 프린터를 사용함으로써, 기존의 기계적 가공에 의한 미세유체 반응기 제조방법에서 발생되는 결함 발생 가능성을 줄이고, 미세유체가 누수되는 문제를 해결할 수 있고, 보다 정밀한 형상의 구조물을 용이하게 형성할 수 있다.
구체적으로, 기계적 가공에 의한 미세유체 반응기의 제조는 미세유체 반응기를 상판과 하판으로 구분하여 가공한 후 상판과 하판을 결합하는 방식으로 형성될 수 있다. 그러나, 미세유체 반응기의 상판과 하판의 접착이 온전하지 못한 경우, 상판과 하판의 접착 부분에서 접착이 떨어지거나 결함이 발생되어 미세유체의 누수 문제가 발생될 수 있다.
반면에, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 재질의 미세유체 반응기는 기계적 가공이 아닌 광경화 3D 프린팅 방식을 이용하므로 상판과 하판의 구분없이 일체형으로 구성된 미세유체 반응기 구조물(20)을 형성하며 미세유체의 탈거 현상 및 미세유체의 누수 발생에 대한 문제를 해결할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 재질의 미세유체 반응기는 광경화 3D 프린터를 사용함으로써, 기존의 사출성형에 의한 미세유체 반응기 제조방법 대비 크랙의 발생 가능성을 줄이고, 보다 정밀한 형상의 미세유체 반응기 구조물(20)을 용이하게 출력할 수 있다.
구체적으로, 사출성형 방식에 의한 미세유체 반응기는 미세유체 반응기 구조물의 형상에 대응되는 몰드에 슬러리를 주입하여 슬러리를 굳힌 후, 구조물을 탈거하고, 탈지(debinding) 및 소결하는 방법으로 형성될 수 있다. 그러나, 탈지 및 소결하는 과정에서 구조물에 대한 수축이 발생될 수 있고, 성형된 미세유체 반응기 구조물을 몰드에서 분리시키는 과정에서 크랙이 발생될 수도 있다. 또한, 미세유체 반응기가 복잡한 구조의 미세유로를 갖는 경우, 복잡한 구조의 미세유로에 대응되는 몰드를 별도로 제작해야 하므로, 몰드 제작에 과도한 비용이 발생될 수 있고, 미세유로의 설계가 변경될 때마다, 별도의 몰드를 각각 제작해야 하는 번거로움과 비효율이 존재한다.
반면에, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 재질의 미세유체 반응기(20)의 제조는 사출성형 방식이 아닌 광경화 3D 프린팅 방식을 이용하므로, 별도의 몰드 제작이 필요하지 않아 몰드를 제조하는데 발생되는 비용을 절감할 수 있고, 복잡한 미세유로(21)를 갖는 미세유체 반응기를 저렴한 비용으로 신속하게 제조할 수 있다.
또한, 소프트리소그래피의 경우, 레이저를 사용하여 PDMS 자체를 절삭하는 방식이므로, 고에너지 레이저 장비를 사용해야만 한다. 고에너지 레이저 장비는 장비 자체가 고가인 경우가 많으며, 가공 과정에서 레이저 에너지에 의해 미세유로가 변형되는 문제가 유발되기도 한다. 이에 반해, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 재질의 미세유체 반응기 제조방법은 광경화 3D 프린팅 기술을 사용한다. 광경화 3D 프린팅 기술은 광경화성 바인더(113)의 광 중합 반응을 유도할 수 있는 정도의 에너지를 갖는 광을 사용하므로, 소프트리소그래피의 고에너지 레이저보다 상대적으로 저가의 광원을 사용할 수 있으며, 고에너지 레이저에 의한 미세유로(21) 변형 문제를 최소화할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 재질의 미세유체 반응기 제조방법은 표면 처리된 세라믹 파티클(111)을 사용함으로써, 세라믹 슬러리(110)내에서 오랜 시간 동안 세라믹 파티클(111)들의 균일도를 유지시킬 수 있다. 이 경우, 광경화시 세라믹 파티클(111)이 경화된 폴리머 사이에 균일한 밀도로 존재할 수 있다. 이후 폴리머를 제거하는 공정과 소결 공정시 폴리머는 완전히 소멸되고, 폴리머 사이에 균일하게 분산된 세라믹 파티클(111)들은 온전하게 결합될 수 있으므로, 균일하고 치밀한 그레인을 갖는 세라믹 재질의 미세유체 반응기가 형성될 수 있다. 이에, 미세유체 반응기는 세라믹 특유의 우수한 강도, 내화학성 및 내부식성을 가질 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 세라믹 재질의 미세유체 반응기(40, 50)를 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 미세유체 반응기(40, 50)의 미세유로(41A, 41B, 51A, 51B)는 파이프 형상으로 구성될 수 있다. 미세유로(41A, 41B, 51A, 51B)는 미세유체를 수용 및 유동시키는 내관 및 내관을 둘러싸는 외벽을 포함할 수 있다.
미세유로(41A, 41B, 51A, 51B)는 상술한 바와 같이, 서로 연결되거나 분기된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 일 방향으로 연장된 미세유로(41A, 51A)는 다른 방향으로 연장된 미세유로(41B, 51B)와 연결되도록 구성될 수 있다. 이 경우, 미세유로(41A, 51A)와 미세유로(41B, 51B)는 서로 교차되는 구조로 구성될 수 있다.
미세유로(41A, 41B, 51A, 51B)가 파이프 형태인 경우, 미세유로(41A, 41B, 51A, 51B)의 외벽 두께는 미세유로(41A, 41B, 51A, 51B)의 외벽의 겉면과 내측면(즉, 내관) 사이의 거리를 의미한다. 한편, 외벽의 겉면의 단면과 내측면의 단면이 서로 상이한 형상인 경우(예를 들어, 도 4b에 도시된 미세유로(51A, 51B)), 외벽의 두께는 외벽의 겉면과 내측면 사이의 거리 중 최단 거리를 의미한다.
미세유로(41A, 41B, 51A, 51B)의 외벽 두께는 0.2 mm 내지 10 mm일 수 있다. 미세유체 반응기(40, 50) 외벽의 두께가 0.2 mm 이하인 경우, 미세유체 반응기(40, 50)의 외벽의 두께가 너무 얇아 출력 시 공정 오차에 의해 외벽에 결함이 발생될 수 있으며, 외부의 압력에 견디지 못하여 미세유체 반응기(40, 50)가 형성되지 못할 수 있다. 또한, 미세유체 반응기(40, 50) 외벽의 두께가 10 mm를 초과하는 경우, 고분자를 제거하는 공정 또는 소결 공정 시 지나치게 수축이 많이 발생되어 출력된 미세유체 반응기(40, 50) 내부에 크랙이 발생될 수 있다. 그러나, 미세유로(41A, 41B, 51A, 51B) 외벽의 두께가 이에 한정되는 것은 아니며, 미세유로(41A, 41B, 51A, 51B) 외벽의 두께는 내관의 직경에 비례하여 넓게 형성됨으로써, 미세유체에 의한 내부 압력과 외부의 압력에 충분히 견딜 수 있는 내구성을 갖도록 적절하게 설정될 수 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 미세유체 반응기(40)의 미세유로(41A, 41B)의 내관 단면은 원형일 수 있다. 그러나, 이에 한정하지 않고, 도 4b에 도시된 바와 같이, 미세유로(51B)의 내관 단면은 좌우 대각의 크기가 90를 초과하는 평행사변형(52B)일 수 있다. 또한, 도 4b에 도시된 바와 같이, 미세유체 반응기(50)의 미세유로(51A)의 내관 단면은 마름모(52A)일 수 있다.
도 4a를 참조하면, 미세유로(41A, 41B)의 내관 단면이 원형인 경우, 원형은 미세유로(41A, 41B)의 외벽 내부에 동심원으로 위치할 수 있고, 외벽 내부의 좌측이나 우측에 치우치게 위치할 수 있다. 미세유로(41A, 41B)의 내관 단면이 원형인 경우, 내관에 모서리가 최소화되므로 응력의 집중현상이 발생되지 않아 크랙이 발생할 가능성이 저하될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 미세유로(51A, 51B)의 내관 단면이 평행사변형(52B)으로 구성되는 경우, 평행사변형(52B)의 좌측(a1) 및 우측(a2)의 대각은 각각 90를 초과하고, 상측(b1) 및 하측(b2)의 대각은 각각 90 미만일 수 있다.
도 4b를 참조하면, 미세유로(51A)의 내관 단면이 마름모(52A)로 구성되는 경우, 마름모(52A)는 네 각의 크기가 각각 90일 수 있다. 구체적으로, 마름모(52A)의 상측(c1), 우측(c2), 하측(c3) 및 좌측(c4)의 대각이 각각 90일 수 있다.
상술한 바와 같이, 미세유체 반응기(40, 50)는 몸체 내부에 미세유로(41A, 41B, 51A, 51B)를 포함하는 형태가 아닌 파이프 형상으로 구성되는 경우, 미세유체 반응기(40, 50)의 몸체를 형성하는데 필요한 재료의 양이 감소될 수 있다. 즉, 미세유체 반응기(40, 50)가 육면체 형태의 몸체를 갖지 않으며, 파이프 형태의 미세유로(41A, 41B, 51A, 51B) 자체가 미세유체 반응기(40, 50)를 구성하게 되므로, 몸체 형성에 필요한 재료가 절감될 수 있다. 이에, 본 발명의 세라믹 재질의 미세유체 반응기 및 이의 제조방법은 저렴한 비용으로 미세유체 반응기(40, 50)를 제조할 수 있다.
특히, 파이프 형상의 미세유로(41A, 41B, 51A, 51B)는 기계적 가공, 사출 성형 및 소프트리소그래피 제조 방법에 의해서는 제조되기 매우 어려우므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 광경화 3D 프린팅을 이용한 미세유체 반응기(40, 50)의 제조방법이 더욱 용이하게 적용될 수 있다.
또한, 미세유체 반응기(50) 내관의 단면 형상이 평행사변형(52B)이거나 마름모(52A)인 경우, 광경화 3D 프린팅 과정 중 미세유체 반응기(50)의 단면들이 형성되는 과정에서 발생될 수 있는 쳐짐 현상이 최소화될 수 있으며, 정교한 미세유로(51A, 51B)를 갖는 미세유체 반응기(50)를 제조할 수 있다. 도 5a 내지 도 5d를 참조하여, 탑-다운 방식의 광경화 3D 프린팅 과정에서 발생될 수 있는 적층물의 쳐짐 현상 및 그 개선 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광경화 3D 프린터를 사용한 세라믹 재질의 미세유체 반응기 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 5a를 참조하면, 광경화 3D 프린터를 이용한 세라믹 재질의 미세유체 반응기 제조방법은 보조 스테이지(550)에 표면처리된 세라믹 파티클 및 광경화성 바인더를 포함하는 세라믹 슬러리가 제공될 수 있다.
도 5a를 참조하면, 세라믹 슬러리는 보조 스테이지(550) 상에 일정량으로 제공되고, 레이어 형성부(580)에 의해 레이어 형태로 메인 스테이지(560)의 조형 스테이지(570) 상에 제공될 수 있다. 이때, 적은 양의 세라믹 슬러리로 구조물의 출력이 가능하므로, 세라믹 슬러리에 대한 사용 효율이 향상될 수 있다.
한편, 세라믹 슬러리는 5,000 cp 내지 100,000 cp의 점도를 가질 수 있다. 상술한 범위의 점도를 갖는 경우, 세라믹 슬러리는 흘러내리지 않으며 보조 스테이지(550)에 충분히 쌓일 수 있다.
도 5a를 참조하면, 보조 스테이지(550)는 세라믹 슬러리의 제공 공간을 제공할 수 있다.
보조 스테이지(550)는 메인 스테이지(560)를 둘러싸는 수조의 형상일 수 있다. 보조 스테이지(550)는 상승 또는 하강되지 않으며, 메인 스테이지(560)가 최고 높이로 상승되는 경우, 보조 스테이지(550)의 상면은 메인 스테이지(560)의 조형 스테이지(570) 상면과 동일면에 위치되도록 고정될 수 있다.
보조 스테이지(550)는 세라믹 슬러리가 보조 스테이지(550) 외부로 흘러내리지 않도록 보조 스테이지(550)의 테두리를 둘러싸는 외벽을 포함할 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 보조 스테이지(550)의 면적이 충분히 넓어 세라믹 슬러리가 보조 스테이지(550)의 외부로 흘러내리는 문제가 거의 발생하지 않는 경우, 보조 스테이지(550)의 외벽은 생략될 수 있다.
메인 스테이지(560)는 구조물의 출력 공간을 제공하고, 출력된 구조물을 지지하는 구성으로 조형 스테이지(570)를 포함할 수 있다. 메인 스테이지(560)는 조형 스테이지(570)를 상승 또는 하강시킬 수 있다.
조형 스테이지(570)는 구조물이 형성되는 공간을 제공하고, 구조물을 지지할 수 있는 플레이트 형태로 구성될 수 있다. 조형 스테이지(570)는 최종 출력되는 구조물의 밑면의 면적보다 넓거나 같은 크기의 면적을 가질 수 있다. 조형 스테이지(570)가 메인 스테이지(560)에 의해 상승 또는 하강됨에 따라 조형 스테이지(570) 상에서 구조물의 단면들이 순차적으로 적층될 수 있고, 적층된 단면에 의해 구조물이 출력될 수 있다.
광원(540)은 조형 스테이지(570) 상에 광을 조사하여 조형 스테이지(570) 상의 세라믹 슬러리를 경화시킬 수 있다. 광원(540)은 앞서 상술한 바와 같이, 조형 스테이지(570)의 상측에 위치하여 자외선, 적외선 또는 가시광선 중 적어도 어느 하나의 파장대의 광을 조사하도록 구성될 수 있다. 상술한 파장대의 광을 조사하는 광원(540)은 점 단위 광을 조사하는 레이저 또는 투사 방식으로 면 단위의 광을 조사하는 DLP 프로젝터로 구성될 수 있다.
레이어 형성부(580)는 보조 스테이지(550) 상에 제공된 세라믹 슬러리를 메인 스테이지(560)의 조형 스테이지(570) 상에 레이어 형태로 제공할 수 있다. 레이어 형성부(580)는 조형 스테이지(570) 상에 세라믹 슬러리를 균일한 두께로 도포할 수 있다. 레이어 형성부(580)는 메인 스테이지(560)의 조형 스테이지(570) 상에서 조형 스테이지(570)를 가로지르는 방향으로 수평이동될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 광경화 3D 프린터를 이용한 세라믹 재질의 미세유체 반응기 제조방법은 레이어 형성부(580)를 보조 스테이지(580)에서 조형 스테이지(570)를 가로지르는 방향으로 수평이동 시킴으로써, 표면처리된 세라믹 파티클 및 광경화성 바인더를 포함하는 세라믹 슬러리를 레이어 형태로 제공할 수 있다. 또한, 광경화 3D 프린터를 이용한 세라믹 재질의 미세유체 반응기 제조방법은 광원(540)을 통해 조형 스테이지(570) 상의 세라믹 슬러리에 광을 조사하여 레이어 형태의 세라믹 슬러리를 경화시킴으로써, 미세유체 반응기 구조물(60)의 일 단면을 형성할 수 있다.
광원(540)은 조형 스테이지(570)의 특정 부분에만 광을 조사한다. 광이 조사된 레이어 형태의 세라믹 슬러리의 특정 부분은 경화되어 미세유체 반응이 구조물(60)의 일 단면이 형성될 수 있다.
한편, 광원(540)으로부터 광이 조사되는 동안 레이어 형성부(580)는 광원(540)으로부터 조사되는 광을 반사하거나 산란시키지 않도록 조형 스테이지(570)로부터 멀리 이격될 수 있다.
도 5c를 참조하면, 미세유체 반응기 구조물(60)의 일 단면에 세라믹 슬러리를 레이어 형태로 적층시키기 위하여 세라믹 슬러리의 경화가 완료된 후, 경화된 일 단면의 총 높이에 대응되는 길이만큼 조형 스테이지(570)가 하강할 수 있다.
이후, 보조 스테이지(550)의 일 영역에서 다른 영역으로 이동하였던 레이어 형성부(580)가 다시 보조 스테이지(550)의 일 영역으로 이동할 수 있다. 이 경우, 보조 스테이지(550)의 다른 영역에 축적되었던 세라믹 슬러리는 레이어 형성부(580)에 의해 보조 스테이지(550)의 다른 영역으로부터 조형 스테이지(570) 상으로 도포되며, 경화되어 형성된 미세유체 반응기 구조물(60)의 일 단면 상에 세라믹 슬러리가 추가 제공될 수 있다.
이후, 도 5b에서 설명한 바와 동일하게, 광원(540)을 통해 추가 제공된 세라믹 슬러리 상에 광이 조사됨으로써, 미세유체 반응기 구조물(60)의 다른 단면이 형성될 수 있다.
도 5d를 참조하면, 미세유체 반응기 구조물(60)이 형성될 때까지 도 5a 내지 5c의 과정을 반복할 수 있다 구체적으로, 광경화 3D 프린터를 이용한 세라믹 재질의 미세유체 반응기 제조방법은 레이어 형성부(580)를 사용하여 메인 스테이지(560)의 조형 스테이지(570)에 세라믹 슬러리를 레이어 형태로 제공하고, 광원(540)을 사용하여 레이어 형태의 세라믹 슬러리에 광을 조사하여 세라믹 슬러리를 경화시켜 미세유체 반응기 구조물(60)의 단면을 형성하고, 조형 스테이지(570)를 형성된 단면의 높이에 대응되는 만큼 하강시킨다. 상술한 과정을 반복하여 미세유체 반응기 구조물(60)의 단면들을 적층시킴으로써, 미세유체 반응기 구조물(60)을 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 미세유체 반응기 제조방법은 미세유체 반응기 구조물(60)의 단면들을 형성하는 과정에서 일 단면(63)의 상단면 꼭짓점과 일 단면(63)의 상부에 형성된 상단 단면(64)의 하단면 꼭짓점이 이루는 각도가 45 이상이 되도록 형성하는 특징이 있다. 이 경우, 상단 단면(64)이 중력에 의해 쳐지는 현상이 최소화될 수 있고, 미세유로의 변형은 최소화될 수 있다.
구체적으로, 도 5d에서 미세유체 반응기 구조물(60)의 내관 중심점을 기준으로 상단 부분은 단면의 면적은 위로 갈수록 넓어지도록 구성된다. 즉, 상단 단면(64)의 면적은 하단 단면(63)의 면적보다 넓다. 이 경우, 상단 단면(64) 중 일 부분은 하단 단면(63)에 접하지 않으며, 하단 단면(63)에 의해 지지되지 않은 채 공중에 떠 있는 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 하단 단면(63)에 의해 지지되는 부분은 중력이 작용하더라도 하단 단면(63)에 의해 지지되므로 쳐짐 현상이 발생되지 않으나, 하단 단면(63)에 의해 지지되지 않는 부분은 중력에 의해 쳐지게 된다. 비록, 각 단면들(63, 64)은 경화된 단면들에 대응되지만, 중력은 경화가 이루어지고 있는 동안에도 지속적으로 작용하므로, 경화되지 않은 세라믹 슬러리가 미세하게 쳐짐으로써, 상술한 쳐짐 현상이 발생될 수 있다.
그러나, 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세유체 반응기 제조방법에 따라 하단 단면(63)의 상단면 꼭짓점과 하단 단면(63)의 상부에 형성된 상단 단면(64)의 하단면 꼭짓점이 이루는 각도가 45 ° 이상이 되는 경우, 상단 단면(64)의 하단면의 꼭짓점은 하단 단면(63)의 상단면 꼭짓점에 근접하게 배치될 수 있다. 이 경우, 상단 단면(64)의 일 부분이 하단 단면(63)에 의해 지지되지 않더라도, 일 부분의 면적이 충분히 작을 수 있다. 이에, 상단 단면(64)의 일 부분에 중력이 작용하더라도 상단 단면(64)의 일 부분의 쳐짐은 최소화될 수 있고, 적층 과정에서 미세유로의 천정 부분(즉, 상단 부분)이 쳐지는 문제는 최소화될 수 있다.
특히, 도 4b에 언급한 바와 같이 본 발명의 미세유체 반응기(50)의 미세유로(51B)의 단면(52B)의 형상이 좌측(a1) 및 우측(a2)의 대각이 각각 90 °를 초과하고, 상측(b1) 및 하측(b2)의 대각이 각각 90 °미만인 평행사변형이거나, 미세유로(51A)의 단면(52A)의 형상이 마름모인 경우, 각 미세유로(51A, 51B)의 일 단면의 상단면 꼭지점과 일 단면 상부에 배치되는 상단 단면의 하단면의 꼭짓점을 잇는 선과 지면이 이루는 각도는 45 °이상이 된다. 따라서, 이 경우, 상술한 쳐짐 문제는 최소화될 수 있으며, 정교한 형태의 미세유로(51A, 51B)가 출력될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세유체 반응기 제조방법은 탑-다운 방식의 광경화 3D 프린터를 사용하여 미세유체 반응기를 제조할 수 있다. 광경화 3D 프린터의 탑-다운(top-down) 방식은 조형 스테이지에 레이어 형태로 제공된 세라믹 슬러리에 광을 직접 조사하여 구조물의 일 단면을 형성하고, 동일한 방식으로 각 단면들을 적층함으로써, 세라믹 재질의 미세유체 반응기 구조물(60)을 형성할 수 있다. 이 경우, 미세유체 반응기 단면들의 형성이 바닥으로부터 상부로 순차적으로 이루어지므로 상단 단면에 의한 광 간섭이 최소화될 수 있고, 이로 인해 좀 더 정교한 구조물을 용이하게 출력할 수 있다.
도 6는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세라믹 재질의 미세유체 반응기(70)를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 미세유체 반응기(70)는 미세유로(71)의 외벽과 연결되고, 미세유체 반응기(70)의 테두리에 대응되는 영역에 배치된 격벽(75)을 더 포함할 수 있다.
격벽(75)은 광경화 3D 프린팅을 사용한 미세유체 반응기(70)의 제조방법에서 레이어 형성부를 이용하여 레이어 형태의 세라믹 슬러리를 제공하는 경우, 세라믹 슬러리가 어느 한쪽으로 쏠리는 현상을 방지하기 위해 구성될 수 있다.
구체적으로, 상기 도 5a 내지 도 5d에서 언급한 바와 같이, 레이어 형성부(580)를 사용하여 메인 스테이지(560)의 조형 스테이지(570) 상에 세라믹 슬러리를 레이어 형태로 제공하는 경우, 레이어 형성부(580)를 보조 스테이지(550)에서 조형 스테이지(570)를 가로지르는 방향으로 수평이동 시킬 수 있다. 이 경우, 조형 스테이지(570) 상에 도포된 세라믹 슬러리는 레이어 형성부(580)와의 마찰력으로 인해 균일한 두께로 도포되지 않고 한쪽으로 치우쳐 도포될 수 있다. 이 경우, 적층된 단면들의 높이가 균일하지 않아, 정밀한 구조물을 형성하기 어려울 수 있다.
그러나, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미세유체 반응기(70)는 미세유체 반응기(70)의 테두리를 둘러싸는 격벽(75)을 포함하며, 격벽(75)에 의해 세라믹 슬러리가 한쪽으로 치우치는 문제가 억제될 수 있다. 구체적으로, 레이어 형성부(580)가 세라믹 슬러리를 레이어 형태로 제공하는 과정에서 격벽(75)의 일 단면이 레이어 형성부(580)와 접촉될 수 있고, 격벽(75)의 일 단면이 세라믹 슬러리의 쏠림 현상을 억제시키는 댐 구조물로 기능할 수 있다. 이에, 세라믹 슬러리가 전체적으로 균일한 높이로 도포될 수 있다.
격벽(75)의 두께는 0.2 mm 내지 2 mm로 구성될 수 있다. 격벽(75)의 두께가 0.2 mm 미만인 경우, 격벽(75)은 댐 구조물로 제대로 기능하지 못할 수 있고, 세라믹 슬러리의 쏠림 현상은 충분히 억제되지 못할 수 있다. 또한, 격벽(75)의 두께가 2 mm를 초과하는 경우, 세라믹 슬러리가 격벽(75)의 단면 상에 집중 도포되어 미세유로(71)의 단면이 충분한 두께로 형성되지 못할 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광경화 3D 프린터를 사용한 세라믹 재질의 미세유체 반응기 제조방법으로 제조된 미세유로(80, 90)에 형성된 지지대를 나타낸 도면이다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 광경화 3D 프린팅에 의해 미세유로(80, 90)가 출력되는 경우, 미세유로(80, 90)를 안정적으로 받칠 수 있도록 지지대(support)(85, 97) 및 포위형 지지대(95)가 함께 출력될 수 있다.
지지대(85, 97) 및 포위형 지지대(95)는 광경화성 3D 프린팅을 사용하여 출력된 미세유로(80, 90)와 동일한 재질로 형성될 수 있다.
지지대(85, 97) 및 포위형 지지대(95)는 미세유로(80, 90)를 지지하기 위한 임시적인 구조물이므로 미세유로(80, 90)의 고분자 제거 공정이 들어가기 전 쉽게 제거될 수 있다.
구체적으로, 광경화 3D 프린터를 사용하여 미세유로(80, 90)의 외벽에 대응되는 영역에 광을 조사하여 세라믹 슬러리를 경화시켜 미세유로(80, 90)를 형성하는 경우, 미세유로(80, 90)의 외벽 하부를 지지하는 지지대(85, 97)를 같이 형성하거나, 미세유로(90)의 외벽을 포위하는 포위형 지지대(95)를 함께 형성할 수 있다. 이후, 지지대(85, 97) 및 포위형 지지대(95)는 미세유로(80, 90)로부터 제거될 수 있고, 지지대(85, 97) 및 포위형 지지대(95)가 제거된 상태에서 미세유로(80, 90)로부터 고분자의 일부가 제거되고, 미세유로(80, 90)는 소결될 수 있다.
이하, 도 7a 및 도 7b를 참조하여 지지대(85, 97) 및 포위형 지지대(95)를 설명한다.
도 7a를 참조하면, 지지대는(85)는 피라미드와 같이 밑면은 넓고 윗면으로 올라갈수록 좁아지는 팁 형상으로 구성되어, 광경화성 3D 프린팅을 사용하여 출력된 미세유로(80) 외벽 하단부에 접촉될 수 있다.
이 경우, 도 7a에 도시된 바와 같이, 지지대(85)는 미세유로(80) 외벽의 하부에만 형성될 수 있다. 구체적으로, 광경화 3D 프린팅을 사용하여 출력된 미세유로(80)의 외벽이 원형인 경우, 지지대(85)는 미세유로(80) 외벽의 겉면에 접하도록 미세유로(80) 외벽의 하부에 형성될 수 있다.
미세유로(80)는 미세유로(80) 외벽의 하부에 지지대(85)를 형성함으로써, 세라믹 슬러리를 사용하여 미세유체 반응기 구조물을 제조할 때 미세유로(80)의 형상이 쳐지거나 무너지지 않도록 할 수 있다. 구체적으로, 미세유로(80)의 외벽이 원형인 경우, 상기 도 4a 내지 도 5d를 참조하여 설명한 바와 동일한 원리에 따라, 미세유로(80)의 외벽 하부에서도 동일한 쳐짐 문제가 발생될 수 있다. 즉, 미세유로(80)의 외벽 하부에 대응되는 단면들은 하단 단면의 면적보다 상단 단면의 면적이 넓으며, 상단 단면의 일 부분이 하단 단면에 의해 지지되지 않을 수 있다. 이 경우, 상단 단면의 일 부분에 쳐짐이 발생될 수 있으며, 미세유로(80)의 외벽의 하부 형상이 변형될 수 있다.
그러나, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미세유로(80)는 하부에 지지대(85)가 존재하므로, 미세유로(80) 형성 시 미세유로(80) 외벽 하부에서 발생되는 쳐짐 문제가 최소화될 수 있다.
한편, 도 7b에 도시된 바와 같이, 미세유로(90)의 외벽 하부에 지지대(97)를 형성하며, 미세유로(90)의 외벽을 포위하고 미세유로(90)의 외벽과 이격된 포위형 지지대(95)가 형성될 수 있다.
지지대(97)는 도 7a의 지지대(85)와 동일한 구성으로서, 미세유로(90)의 외벽 하부에 형성되어 미세유로(90)의 외벽 하부를 지지하며, 외벽 하부에서 발생되는 쳐짐 문제를 최소화하도록 구성된다.
포위형 지지대(95)는 미세유로(90)의 외벽을 포위하는 지지대로서, 도 7b에 도시된 바와 같이, 전체적으로 육면체 형태로 형성될 수 있다. 포위형 지지대(95)는 소정의 길이(L), 높이(H) 및 두께를 갖도록 형성된다.
포위형 지지대(95)의 길이(L)는 미세유로(90)의 길이와 동일하거나 크게 형성될 수 있다.
포위형 지지대(95)의 높이(H)는 미세유로(90)의 높이의 중간 지점보다 크거나 같을 수 있다. 바람직하게는 포위형 지지대(95)의 높이(H)는 미세유로(90)의 높이(즉, 직경)보다 클 수 있다.
포위형 지지대(95)의 두께는 미세유로(90)의 두께보다 크거나 같을 수 있다.
만약, 포위형 지지대(95)의 길이(L)가 미세유로(90)의 길이보다 작거나 포위형 지지대(95)의 높이(H)가 미세유로(90)의 높이의 중간 지점보다 작거나, 포위형 지지대(95)의 두께가 미세유로(90)의 두께보다 작은 경우, 탑-다운 방식의 광경화 3D 프린터로 미세유로(90)를 형성할 때, 레이어 형성부의 동작으로 슬러리가 한쪽으로 치우치거나, 미세유로(90)의 하부 단면이 뜯기는 문제가 발생될 수 있다. 이에 대한 세부내용은 후술하기로 한다.
포위형 지지대(95)는 미세유로(90)의 외벽으로부터 소정의 거리만큼 이격된다. 이 경우, 이격 거리(99)는 0.01 mm 내지 3 mm일 수 있다. 이격 거리(99)가 0.01 mm 미만인 경우, 미세유로(90)의 외벽과 포위형 지지대(95)가 지나치게 가까워 미세유로(90) 형성시 포위형 지지대(95)와 미세유로(90)의 외벽이 서로 연결되는 문제가 발생될 수 있으며, 이격 거리(99)가 3 mm를 초과하는 경우, 레이어 형성부의 동작으로 슬러리가 한쪽으로 치우치거나, 미세유로(90)의 하부 단면이 뜯기는 문제가 발생될 수 있다.
한편, 도 7b에 도시된 바와 같이, 포위형 지지대(95)는 지지대(97)가 배치되는 밑면을 갖는다. 이 경우, 포위형 지지대(95)의 밑면은 지지대(97)의 강성이 충분히 유지될 수 있도록 적절한 두께를 가질 수 있다.
몇몇 실시예에서, 지지대(97)는 생략될 수 있다. 이 경우, 미세유로(90)의 외벽 하부 부분은 포위형 지지대(95)의 밑면에 직접 접할 수 있다.
또한, 도 7b에 도시된 바와 같이, 포위형 지지대(95)의 겉면 일부에는 틈이 존재할 수 있다. 예를 들어, 포위형 지지대(95)의 상면에서부터 미세유로(90)의 상부 외벽을 향하도록 상부 틈이 형성되고, 포위형 지지대(95)의 하면으로부터 미세유로(90)의 하부 외벽을 향하도록 하부 틈이 형성된다. 이 경우, 포위형 지지대(95)는 미세유로(90)의 좌측을 포위하는 좌측 부분과 미세유로(90)의 우측을 포위하는 우측 부분으로 구분될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 포위형 지지대(95)의 틈은 좌우로 구비될 수도 있다. 포위형 지지대(95)에 틈이 존재하는 경우, 포위형 지지대(95)를 제거하는 과정에서 포위형 지지대(95)가 미세유로(90)로부터 용이하게 제거될 수 있다.
포위형 지지대(95) 및 지지대(97)가 형성됨에 따라 미세유체 반응기 구조물의 형성과정에서 미세유로(90)의 변형이 최소화될 수 있고, 미세유로(90)의 성형 정밀도가 향상될 수 있다.
즉, 지지대(97)가 미세유로(90)의 외벽 하부에 형성되어 미세유로(90)의 외벽 하부를 지지하므로, 미세유로(90)의 하부 단면들이 형성되는 과정에서 세라믹 슬러리가 중력에 의해 쳐지는 현상이 억제될 수 있으며, 미세유로(90)의 외벽 하부의 변형이 최소화될 수 있다.
또한, 포위형 지지대(95)가 미세유로(90)의 외벽을 포위하도록 형성되므로, 탑-다운 방식의 광경화 3D 프린터로 미세유로(90)를 형성할 경우, 레이어 형성부에 의해 세라믹 슬러리가 한쪽으로 쳐지는 문제가 최소화될 수 있다. 구체적으로, 앞서 도 6에서 설명한 바와 같이, 탑-다운 방식의 광경화 3D 프린터에서 공정상의 오차로 인해 경화된 단면과 보조 스테이지 사이에 단차가 발생될 수 있다. 이 경우, 세라믹 슬러리가 제공되는 과정에서 단차로 인해 세라믹 슬러리에 굴곡이 발생될 수 있으며, 굴곡된 세라믹 슬러리가 경화됨으로써, 미세유로(90)의 단면이 굴곡된 형태로 형성될 수 있다. 그러나, 포위형 지지대(95)가 존재하는 경우, 미세유로(90)의 외벽에 인접하도록 포위형 지지대(95)가 존재하므로, 포위형 지지대(95)의 단면들은 단차를 보완하는 완충부로 기능할 수 있다. 이에, 세라믹 슬러리의 굴곡이 최소화될 수 있고, 미세유로(90)의 단면은 평평하게 형성될 수 있다.
한편, 앞서 언급한 바와 같이, 포위형 지지대(95)는 미세유로(90)의 외벽과 매우 근접한 이격 거리(99)로 이격 배치되므로, 미세유로(90) 외벽 하부를 지지하는 지지대(97)가 생략되거나 지지대(97)의 개수가 현저하게 감소될 수 있다.
구체적으로, 미세유로(90)의 외벽 하부를 지지하는 지지대(97)가 존재하는 경우, 미세유로(90)의 외벽 하부는 지지대(97)와 접촉되어 있다. 이 경우, 레이어 형성부를 사용하여 세라믹 슬러리를 레이어 형태로 제공하는 과정에서 표면 장력에 의해 외벽 하부 단면들이 떨어지는 문제가 발생될 수 있다. 즉, 탑-다운 방식의 광경화 3D 프린터는 5000 cp 이상의 고점도 세라믹 슬러리를 사용하여 미세유체 반응기 구조물을 형성한다. 고점도 세라믹 슬러리는 표면 장력이 높으며, 레이어 형성부를 통해 제공되는 과정에서 세라믹 슬러리의 높은 표면 장력으로 인해 세라믹 슬러리와 접하는 단면들에는 전단 응력이 작용하게 된다. 경우에 따라서는 세라믹 슬러리의 높은 표면 장력으로 인해 일부 단면들이 떨어져 나갈 수 있다. 특히, 미세유로(90)의 외벽 하부 단면들은 하부에서 상부로 갈수록 단면의 면적이 넓어지는 형상을 가지므로, 단면들 간의 접촉 면적이 작다. 이에, 레이어 형성부와 고점도 세라믹 슬러리에 의해 제공되는 전단력에 최상단 단면이 뜯어지는 문제가 발생될 수 있다. 이를 억제하기 위해서 미세유로(90)의 외벽 하부 단면들은 충분한 개수의 지지대(97)와 접촉되어야 하며, 지지대(97)와 외부 하부 단면들의 접촉 면적이 충분히 넓어야 한다.
그러나, 포위형 지지대(95)가 존재하는 경우, 포위형 지지대(95)는 충분히 가까운 이격 거리(99)로 미세유로(90)의 외벽과 근접하여 배치되므로, 포위형 지지대(95)는 미세유로(90)의 외벽 하부 단면들의 뜯김 현상을 억제할 수 있다. 즉, 포위형 지지대(95)가 미세유로(90)의 외벽 단면들에 근접하여 레이어 형성부와 고점도 세라믹 슬러리에 의해 발생되는 전단 응력을 분산시키므로, 미세유로(90)의 외벽 하부 단면들에 작용하는 전단 응력은 감소될 수 있다. 이에, 미세유로(90)의 외벽 하부 단면들과 접촉되어야 하는 지지대(97)의 개수가 감소될 수 있고, 지지대(97)와 미세유로(90) 외벽 하부 단면들의 접촉 면적도 감소될 수 있다. 이 경우, 지지대(97)를 미세유로(90) 외벽으로부터 제거하는 것이 용이해 질 수 있고, 지지대(97)를 미세유로(90)로부터 제거하는 과정에서 미세유로(90)에 표면에 남게될 수 있는 지지대(97)의 단부 크기도 감소될 수 있으므로, 미세유체 반응기 구조물의 출력 품질이 더욱 향상될 수 있다.
몇몇 실시예에서는 지지대(97)가 생략될 수도 있으며, 미세유로(90)의 외벽 하부의 일부분이 직접 조형 스테이지에 접하거나, 포위형 지지대(95)의 밑면에 접할 수 있다. 이 경우, 지지대(97)를 미세유로(90)로부터 제거하는 과정이 필요 없으며, 지지대(97)를 제거하는 과정에서 미세유로(90)의 표면에 남게되는 문제는 발생되지 않을 수 있어, 미세유체 반응기 구조물의 출력 품질이 더욱 향상될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 미세유체 반응기 제조방법은 미세유체 반응기 구조물 형성 시 미세유로(80)의 하부를 지지하거나 미세유로(90)를 포위하는 지지대(85, 97) 및 포위형 지지대(95)를 같이 형성한다. 지지대(85, 97) 및 포위형 지지대(95)는 미세유로(80, 90) 하부의 쳐짐을 억제하고, 미세유로(80, 90) 형성 과정에서 발생되는 세라믹 슬러리 치우침 문제 및 미세유로 하부 단면 뜯김 문제를 억제할 수 있다. 이에, 미세유로(80, 90)를 더욱 정밀하게 출력할 수 있으며, 미세유체 반응기의 출력 정밀도를 더욱 향상시킬 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10, 40, 50, 70: 미세유체 반응기
11,41A, 41B, 51A, 51B, 71, 80, 90: 미세유로
20, 60: 미세유체 반응기 구조물
63, 64: 미세유체 반응기 구조물의 단면
75: 격벽 85, 97: 지지대
95: 포위형 지지대 110: 세라믹 슬러리
111: 세라믹 파티클 113: 광경화성 바인더
120: 스테이지 130: 수조
140, 540: 광원 160: 챔버
550: 보조 스테이지 560: 메인 스테이지
570: 조형 스테이지 580: 레이어 형성부
11,41A, 41B, 51A, 51B, 71, 80, 90: 미세유로
20, 60: 미세유체 반응기 구조물
63, 64: 미세유체 반응기 구조물의 단면
75: 격벽 85, 97: 지지대
95: 포위형 지지대 110: 세라믹 슬러리
111: 세라믹 파티클 113: 광경화성 바인더
120: 스테이지 130: 수조
140, 540: 광원 160: 챔버
550: 보조 스테이지 560: 메인 스테이지
570: 조형 스테이지 580: 레이어 형성부
Claims (4)
- 표면처리된 세라믹 파티클 및 광경화성 바인더를 포함하는 세라믹 슬러리를 제공하는 단계;
광경화 3D 프린터를 사용하여 미세유로의 외벽에 대응되는 영역에 광을 조사하여 상기 세라믹 슬러리를 경화시켜 상기 미세유로를 포함하는 미세유체 반응기 구조물을 형성하는 단계;
상기 미세유체 반응기 구조물에서 광경화성 바인더의 일부를 제거하는 단계; 및
상기 광경화성 바인더의 일부가 제거된 상기 미세유체 반응기 구조물을 소결하는 단계를 포함하고,
상기 광경화 3D프린터를 사용하여 상기 미세유로의 외벽에 대응되는 영역에 광을 조사하여 상기 세라믹 슬러리를 경화시켜 상기 미세유로를 포함하는 미세유체 반응기 구조물을 형성하는 단계는,
상기 미세유로의 외벽을 포위하고, 상기 미세유로의 외벽과 0.01 mm 내지 3 mm 이격된 포위형 지지대를 형성하는 단계를 포함하고,
상기 미세유체 반응기 구조물에서 광경화성 바인더의 일부를 제거하는 단계 이전에,
상기 포위형 지지대를 제거하는 단계를 포함하는, 상기 광경화 3D 프린터를 사용한 세라믹 재질의 미세유체 반응기 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 광경화 3D 프린터를 사용하여 상기 미세유로의 외벽에 대응되는 영역에 광을 조사하여 상기 세라믹 슬러리를 경화시켜 상기 미세유로를 포함하는 미세유체 반응기 구조물을 형성하는 단계는,
상기 미세유로의 외벽 하부에 지지대(Support)를 형성하는 단계를 포함하고,
상기 미세유체 반응기 구조물에서 광경화성 바인더의 일부를 제거하는 단계 이전에,
상기 미세유로의 외벽 하부에 형성된 상기 지지대를 제거하는 단계를 더 포함하는, 광경화 3D 프린터를 사용한 세라믹 재질의 미세유체 반응기 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 광경화 3D 프린터를 사용하여 상기 미세유로의 외벽에 대응되는 영역에 광을 조사하여 상기 세라믹 슬러리를 경화시켜 상기 미세유로를 포함하는 미세유체 반응기 구조물을 형성하는 단계는,
(a) 상기 광경화 3D 프린터의 레이어 형성부를 사용하여 상기 광경화 3D 프린터의 메인 스테이지에 상기 세라믹 슬러리를 레이어 형태로 제공하는 단계;
(b) 광원을 사용하여 상기 레이어 형태의 상기 세라믹 슬러리를 경화시킴으로써, 상기 미세유체 반응기 구조물의 일 단면을 형성하는 단계; 및
(c) 상기 미세유체 반응기 구조물이 형성될 때까지 상기 (a) 및 상기 (b)의 단계를 반복하는 단계를 포함하는, 3D 프린터를 사용한 세라믹 재질의 미세유체 반응기 제조방법. - 제3항에 있어서,
상기 (b) 광원을 사용하여 상기 레이어 형태의 상기 세라믹 슬러리를 경화시킴으로써, 상기 미세유체 반응기 구조물의 일 단면을 형성하는 단계는,
상기 일 단면의 상단면 꼭짓점과 상기 일 단면의 상부에 형성된 상단 단면의 하단면 꼭짓점이 이루는 각도가 45 °이상이 되도록 상기 일 단면을 형성하는 단계를 포함하는, 3D 프린터를 사용한 세라믹 재질의 미세유체 반응기 제조방법.
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