3D microparticles have been expected to apply in various fields including tissue engineering, MEMS, and optics. Despite the arduous research, it is still difficult to change the shapes regarding the z-axis due to rectan-gular cross-section channels. We replaced morphology of microchannels in a different manner compared to previous rectangular cross-section microchannels. Microchannels with non-rectangular cross-section were fabricated by a variety of microfabrication techniques. Semi-circular cross-section microchannels were made by using reflow phenomena characteristics of positive photoresist(PR) at high temperatures. KOH solution etched silicon anisotropically and triangular cross-section were made. To manage the angles of cross-section and form varied shapes, tilted UV lithography was used. These methods enabled the microchannels to gener-ate various shapes of 3D particles with high resolution. Microfluidic pneumatic control system was used to guarantee high throughput in the methods referred to in the past. Optofluidic lithography maskless system was used to alter the shapes of UV exposure in real time. In this study, patterned UV light was illuminated to fit width of channels in order to utilize the most of the channel morphology. We confirmed how and where particles were generated by comparing generated particles with results of modeling. And Multi-functional Janus particles were generated in a Y-shaped channel to prove broad availability of 3D shaped microparticles. Tilted UV lithography technique have a potential to figure out dynamics of microparticles in microchannels with various shaped cross-section. Also 3D microparticles can be applied to on drug delivery system and barcodes for diagnosis.
마이크로입자의 생성에 관한 연구는 약물 전달 시스템과 캡슐화에 집중되어 있었다. 목표 위치에 적절한 투약 속도를 제어하고, 캡슐 막을 형성시킴으로써 목표 위치까지 안전하게 도달하는 것이 주된 과제였다. 이렇듯 마이크로입자를 생성하기 위한 방법으로 T-junction과 Flow-focusing 방법이 많이 이용되었다. T-junction은 연속상과 분산상을 수직으로 교차시켜 연속상의 전단력에 의해 분산상의 흐름이 끊겨 마이크로입자가 생성될 수 있다. 또한 Flow-focusing은 연속상과 분산상이 관을 나란히 흐를 때, 분산상의 흐름이 점점 좁아지다가 끊어지면서 방울을 형성하게 되는 방법을 말한다. 위의 두 방법으로 만들어진 마이크로입자는 연속상과 분산상의 표면 장력 차이로 인한 가장 안정한 형태인 구상을 형성하기 때문에 그 모양이 한정적일 수 밖에 없다.
마이크로입자의 모양을 다양하게 만들기 위해 새로 개발된 방법이 flow lithography이다. 이는 photolithography와 같이 포토마스크를 통과한 빛이 감광제에 반응을 일으켜 원하는 패턴을 얻는 것과 비슷하지만, 감광제가 기판위에 도포된 것이 아닌 마이크로채널 내부에 채워져 있는 것이 차이점이다. 도일 그룹은 소중합체가 연속적으로 흐르는 마이크로채널 내에서 자외선을 노광하여 마이크로입자를 생성하는데 성공하였다. 하지만 흐름이 유지된 상태에서 입자가 생성되었기 때문에 해상도에 문제가 있었다. 이를 보완하고자, 도일 그룹에서는 Stop flow lithography라는 기술을 개발하여 소중합체의 흐름이 멈춰진 상태에서 입자를 생성하여 해상도를 한 단계 끌어올릴 수 있었다.
3차원 마이크로구조의 조직 공학, MEMS, 그리고 광학 분야에서 많은 응용가능성이 제기됨에 따라 기존의 flow lithography 방법에 의해 만들어진 2차원 단면만을 제어하는 것이 아닌 3차원 마이크로입자를 생성하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 채널의 형태와 팽창, 패턴된 자외선을 이용하는 Lock release lithography와 pinch flow의 표면에너지를 이용한 concave/convex lithography 등과 같은 방법을 이용하여 3차원 마이크로입자를 제조하려는 노력이 있었지만 기존의 photolithography로 생성된 직사각형 단면의 마이크로채널 구조로 인하여 생성된 마이크로입자는 여전히 각기둥이나 원기둥을 크게 벗어나지는 못하였다.
본 연구에서는 이러한 점에 주목하여, 다양한 microfabrication 기술을 이용하여 비 직사각형 단면을 가지는 마이크로채널을 제작하고 그 내부에 PEGDA를 흘려줌으로써 3차원 모양의 마이크로입자 제조를 시도하였다. 감광제의 재흐름 현상, KOH용액을 이용한 실리콘의 이방성식각을 이용하여 반원과 삼각형 단면 가지는 마이크로채널을 제작하였다. KOH용액을 이용한 실리콘 이방성 식각은 그 각도가 54.7°로 고정되어 있다. 이를 개선하기 위해 기울어진 자외선 노광을 실시하였다. 입사되는 자외선의 각도를 조절하고, 마이크로채널의 선폭을 다르게 함으로써 다양한 각도를 가지는 삼각형 및 사다리꼴 단면 마이크로채널도 제작할 수 있었다. 또한 마이크로입자의 생산성을 증대시키고, 실시간으로 다양하게 패턴된 자외선을 노광하기 위해 microfluidic pneumatic control system과 optofluidic maskless lithography system을 도입하였다. 채널 내부에 흘려주는 소중합체와 광중합 반응시 노광되는 자외선을 완벽하게 제어하여 효율적으로 마이크로입자를 생성시켰다.
본 연구는 채널 단면의 형태를 이용하여 마이크로입자의 모양에 변화를 주는 방식이기 때문에 채널의 폭에 맞춰 패턴된 자외선이 노광되었다. 이렇게 생성된 마이크로입자는 비록 그 크기가 마이크로채널과 비슷하지만 마이크로채널의 전체 면이 소수성의 PDMS로 둘러쌓여 있고, 또한 기체투과성을 가지는 PDMS에 존재하는 산소가 PEGDA의 경화방지층을 생성시킴으로써 출구로 잘 빠져나갈 수 있었다. 생성된 3차원 입자는 SEM 분석을 통하여 확인되었다. 3D max 프로그램을 이용하여 각 채널과 입사되는 UV 패턴에 따라 생성될 마이크로입자의 형태를 모델링하였다. 모델링한 결과는 SEM을 통해 확인된 실제 입자와 일치하는 형태를 보였다. 그리고 이를 활용하여 다기능성을 보유한 야누스입자도 제조할 수 있었다. Y자 마이크로채널에 PEGDA와 TMPTA를 동시에 흘려주고 UV를 노광함으로써 친수성과 소수성 단면을 함께 지니고 있는 마이크로입자를 생성하였다.
본 연구에서 사용된 기울어진 자외선 노광 기술로 만들어진 다양한 마이크로채널을 활용하여 마이크로입자의 운동학을 확인하는 연구에도 응용 가능할 것이다. 또한 제조된 3차원 마이크로입자는 약물전달시스템이나 약물의 바코딩에 적용되어 더 발전된 기술을 선보일 수 있을 것이다.
