[nature materials 20 REVIEW] Monolithic digital patterning of polydimethylsiloxane with successive laser pyrolysis

This document is structured as follows:

• Meta Information about the Paper (논문 정보)

• Researcher's Affiliation Site (저자 연구실 정보)

• Content for General Readers (일반 독자를 위한 내용)

• Value for HCI (HCI 분야에 기여하는 논문의 가치)

• Content for Readers Who Want to Know More about the Paper (관련 분야 전문가를 위한 내용) - 한글

• Value for HCI (HCI 분야에 기여하는 논문의 가치)

• In Conclusion (글을 마치며)

let’s start.

Meta Information about the Paper

Shin, J., Ko, J., Jeong, S., Won, P., Lee, Y., Kim, J., ... & Ko, S. H. (2021). Monolithic digital patterning of polydimethylsiloxane with successive laser pyrolysis. Nature Materials, 20(1), 100-107.

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Researcher's Affiliation Site

Prof. Seung Hwan Ko

https://ants.snu.ac.kr/international-journal/

Content for General Readers

motivation

PDMS is widely used in various soft lithography fields due to its excellent properties, but its patterning requires complex photolithography processes. These processes are time-consuming, expensive, and inefficient, particularly in research requiring frequent design modifications. Therefore, developing an on-demand, digital method for direct PDMS patterning to replace conventional photolithography-based molding processes is urgently needed.

한글 요약:

• PDMS는 우수한 특성으로 인해 다양한 soft lithography 분야에서 널리 사용되고 있으나, PDMS 패터닝을 위해서는 복잡한 photolithography 공정이 필수적임. 이는 시간이 오래 걸리고 비용이 많이 드는 등 많은 비효율성을 야기함.

• 특히 frequent design modification이 필요한 연구에서 이러한 비효율성이 더 두드러짐.

• 따라서 기존의 photolithography 기반 molding 공정을 대체할 수 있는 온디맨드, 디지털 방식의 직접 PDMS 패터닝 기술 개발이 시급함.

contribution

The development of Successive Laser Pyrolysis (SLP), a direct PDMS patterning technique utilizing continuous pyrolysis induced by a CW laser. SLP continuously converts transparent PDMS into opaque SiC during the patterning process, overcoming the limitations of traditional laser ablation techniques.
By strategically utilizing two scanning modes—Front Surface Scanning (FSS) and Back Surface Scanning (BSS)—various 2D and 3D structures can be patterned.
Adjustable laser scanning parameters enable high-resolution patterning and gray-scale lithography.
The potential of SLP is demonstrated through the fabrication of a monolithic organ-on-a-chip device.

한글요약:

• CW 레이저로 유도되는 연속적인 pyrolysis 현상을 이용한 PDMS의 직접 패터닝 기술인 Successive Laser Pyrolysis(SLP) 개발

• SLP는 투명한 PDMS를 opaque한 SiC로 연속적으로 변환시키면서 패터닝하기 때문에 기존 레이저 ablation 기술의 한계점 극복 가능

• Front Surface Scanning(FSS)과 Back Surface Scanning(BSS)의 두 가지 scanning mode를 전략적으로 활용하여 다양한 2D/3D 구조 패터닝이 가능

• 레이저 스캐닝 파라미터를 조절하여 고해상도 패터닝과 gray-scale lithography 구현

• SLP로 제작한 monolithic organ-on-a-chip device 구현으로 활용 가능성 입증

Content for Readers Who Want to Know More about the Paper

<Figure 1>

Figure 1은 새로 개발된 레이저 열분해 방법의 원리와 장점을 잘 보여주고 있습니다. PDMS 미세가공의 품질과 자유도를 크게 향상시킬 수 있는 혁신적인 기술로 보입니다.

a)와 같이 레이저를 조사하면 PDMS가 열분해되어 불투명한 silicon carbide(SiC)가 형성됩니다. SiC는 PDMS보다 레이저를 더 잘 흡수하므로, SiC가 형성된 부분에서 더 많은 열이 발생하게 되어 PDMS의 연속적 열분해가 진행됩니다. 이러한 과정이 레이저의 주사 방향을 따라 반복되면서 원하는 형상의 SiC 패턴이 PDMS 표면에 형성되고, 이후 SiC를 제거하면 PDMS에 고품질의 미세 패턴이 제작됩니다.

흥미롭게도, c)와 같이 펄스 레이저를 이용한 기존의 PDMS 가공법은 표면에 버(burr)와 잔해가 남는 반면, d)의 SEM 사진에서 보듯이 이 연속 열분해 방법은 매끈한 표면을 보여줍니다.

또한 e)와 같이 PDMS 뒷면에서 레이저를 조사하면 SiC 층을 반복적으로 형성할 수 있어 고종횡비의 3차원 구조물도 제작 가능합니다(h).

PDMS 가공 결과를 제어하기 위한 SLP 공정의 주요 변수 설명

<Equation 1>

δ = p/v

위 수식은 레이저 직접 가공(Successive Laser Pyrolysis, SLP)의 핵심 공정 변수인 스캐닝 에너지 밀도(scanning energy density, δ)를 정의한 식입니다. 레이저 출력(laser power, p)을 스캐닝 속도(scanning speed, v)로 나눈 것이 δ가 되며, 단위는 J/m입니다. δ 값을 조절함으로써 SLP 공정을 제어할 수 있습니다.

<Equation 2>

D = Single layer thickness x n ~ (p/v) x n

Back Surface Scanning(BSS) SLP 방식에서 반복 스캐닝에 의해 형성되는 PDMS 구조물의 깊이(D)를 예측하는 식입니다. Single layer thickness는 한 번의 BSS 스캐닝으로 형성되는 SiC 층의 두께를 의미하며, n은 BSS의 반복 횟수입니다. 즉, SiC 층을 n번 반복 적층하면 깊이 D의 PDMS 구조물을 얻을 수 있습니다.

<Figure 2>

Figure 2는 SLP 공정의 정량적인 분석 결과를 보여주고 있습니다. FSS와 BSS 공정을 정량적으로 분석함으로써 δ와 같은 간단한 공정 변수로 SLP 공정을 제어하고, 원하는 구조를 구현할 수 있음을 보여줍니다.

a) FSS 공정에서 채널 폭과 깊이는 scanning energy density δ에 따라 변화하며, 높은 δ에서는 포화 경향을 보입니다. 표면 거칠기(Rq)는 δ가 증가할수록 poor한 수준으로 높아집니다. poor하다는 것은 표면에 버(burr)와 잔해가 남았다는 것입니다.

b) BSS 공정에서 single layer thickness(SLT)는 δ에 따라 단조 증가하는 경향을 보입니다.

c) δ를 조절함으로써 FSS 공정에서 수십 μm에서 수백 μm에 이르는 다양한 폭의 채널을 제작할 수 있습니다.

d) BSS 공정에서 반복적인 overlay scanning을 통해 SiC 층을 선형적으로 쌓아올릴 수 있으며, 계단식 깊이 프로파일을 만들어낼 수 있습니다.

e) 반복된 single-line FSS의 경우 채널 깊이와 aspect ratio가 특정 수준 이상 증가하지 않는 포화 현상을 보입니다.

f) 반복된 BSS의 경우 aspect ratio가 scanning 횟수에 따라 지속적으로 증가하며 한계가 없습니다.

<Figure 3>

figure 3은 SLP(Successive Laser Pyrolysis) 공정을 이용하여 다양한 PDMS 기반 디바이스를 제작한 결과들을 보여주고 있습니다. 특히 복잡한 3차원 구조나 공압 액츄에이터와 같은 연성로봇 분야에서 SLP의 장점이 두드러집니다.

a-c는 FSS(Front-surface scanning) SLP를 이용하여 미세유체 시스템을 제작한 결과입니다. a는 SLP로 복제한 농도구배 발생기의 모습을 보여줍니다. b는 곡선 및 직선 채널의 확대 이미지로 매끄러운 내표면을 보여줍니다. c는 색깔이 다른 미세 유체의 혼합 결과로 연속적인 색상 변화가 구현되었음을 보여줍니다.

d-f는 BSS(Back-surface scanning) SLP를 이용하여 제작한 3차원 PDMS 구조물들입니다. d는 속이 빈 정육면체, e는 복잡한 브릿지 기둥 배열, f는 원통형 기둥 배열 구조를 보여줍니다.

g-i는 SLP의 연성로봇(soft robotics) 분야로의 적용 가능성을 보여줍니다.

g는 BSS SLP로 제작된 공압 액츄에이터 손가락의 모습입니다. h는 공압 압력 변화에 따른 손가락의 굽힘 성능을 보여줍니다. i는 3개의 손가락을 결합하여 물체를 잡는 성능을 시연하는 모습입니다.

<Figure 4>

Figure 4는 successive laser pyrolysis (SLP) 공정으로 제작한 biocompatible organ-on-a-chip 모델의 제작에 관한 내용입니다. 세부적으로는 다음과 같이 설명할 수 있습니다.

a-d: SLP로 제작한 single-layer vasculature-on-a-chip

• a,b: vasculature-on-a-chip의 디지털 이미지(a)와 구성도(b)

• c: 사다리꼴 형태의 micropost array의 확대 이미지

• d: 혈관 네트워크가 잘 형성된 것을 보여주는 형광 이미지(좌)와 단면 이미지(우)

e-h: SLP로 제작한 double-layer skin-on-a-chip

• e,f: skin-on-a-chip의 디지털 이미지(e)와 구성도(f)

• g,h: 150um 직경의 micropore array 확대 이미지(g)와 skin layer 아래에 혈관이 형성된 것을 보여주는 공초점 형광 이미지(h)

i-l: SLP로 제작한 stretchable membrane chip

• i,j: stretchable membrane chip의 디지털 이미지(i)와 구성도(j)

• k: 두 개의 deflation chamber와 150um 두께의 thin membrane(THM)으로 구성된 중간 유닛의 단면도(좌), 수직 membrane 확대 이미지(중), device의 상면도(우상) 및 THM 확대 이미지(우하)

• l: 막 신장 전(좌)과 40% 신장 후(우)의 내피세포층의 형광 현미경 이미지

종합하면, 생체 적합성 있는 여러 가지 organ-on-a-chip 모델을 SLP 공정만으로 직접 제작할 수 있음을 보여주는 figure입니다. Single-layer 혈관 chip, double-layer 피부 chip, stretchable membrane chip 등 다양한 구조의 정교한 chip을 SLP로 monolithic하게 제작하고, 세포 배양을 통해 기능성을 검증하였습니다.

Value for HCI

• Compared to conventional photolithography-based processes, this technology is expected to reduce process time by more than 90%, enabling a drastic reduction in prototyping time.

• By allowing users to quickly implement their digital designs into actual devices, it is anticipated to maximize research efficiency.

• It will also enable the fabrication of complex 3D monolithic structures that were previously difficult to produce.

• This is expected to make significant contributions, particularly in fields with active research, such as lab-on-a-chip and organ-on-a-chip technologies.

• Additionally, it is expected to significantly reduce the time and cost of fabricating complex PDMS-based biochips.

한글 요약:

• 기존의 photolithography 기반 공정 대비 공정 시간을 90% 이상 단축하여 급격한 prototyping 시간 단축 가능

• 사용자의 digital design을 단시간에 실제 디바이스로 구현할 수 있게 함으로써 연구 효율을 극대화할 것으로 기대됨

• 기존에 제작이 까다로웠던 복잡한 3차원 구조의 monolithic 제작이 가능해짐

• 특히 lab-on-a-chip, organ-on-a-chip 등 활발한 연구가 진행되는 분야에 크게 기여할 것으로 예상됨

• 복잡한 PDMS 기반 바이오칩의 제작 시간과 비용을 크게 절감할 수 있을 것으로 기대됨

In Conclusion

Reference papers can be found below

https://www.nature.com/articles/s41563-020-0769-6

If you have any questions, please contact me at the email address below.

ehlkim0215@gmail.com