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KR100540143B1 - 미소 유체 제어소자 및 미소 유체의 제어 방법 - Google Patents

미소 유체 제어소자 및 미소 유체의 제어 방법 Download PDF

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KR100540143B1
KR100540143B1 KR1020030094752A KR20030094752A KR100540143B1 KR 100540143 B1 KR100540143 B1 KR 100540143B1 KR 1020030094752 A KR1020030094752 A KR 1020030094752A KR 20030094752 A KR20030094752 A KR 20030094752A KR 100540143 B1 KR100540143 B1 KR 100540143B1
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fluid
control device
microfluidic control
chamber
stop valve
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양해식
이대식
임용택
김성진
박세호
김규원
김윤태
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 미소 유체 제어소자 및 미소 유체의 제어 방법에 관한 것으로, 자연적인 유체의 유동과 용액 투입만으로 미소량의 유체를 제어한다. 용액 투입에 따른 표면장력의 변화에 의해 모세관의 압력장벽이 제거되도록 하므로써 미소 유체의 이동, 합류, 혼합 및 시간지연이 이루어진다. 정지밸브에 의해 유체가 정지된 상태에서 용액을 투입하여 정지밸브에 정지된 유체의 계면과 만나도록 하므로써 정지밸브의 기능이 상실되어 유체의 이동, 합류 및 혼합이 이루어진다. 본 발명의 유체 제어 방법은 생화학적 반응을 위한 미소 유체 제어소자에 응용될 수 있으며, 용액의 투입에 따른 모세관력의 변화만을 이용하므로 소자의 구조가 간단하다.
유체 제어, 모세관력, 표면장력, 정지밸브, 액적 투입

Description

미소 유체 제어소자 및 미소 유체의 제어 방법 {Microfluidic control device and method for controlling microfluidic}
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 미소 유체 제어소자를 설명하기 위한 단면도.
도 2a 내지 도 2d는 고체 표면 및 모세관에서의 액적의 모양 변화와 유동 형태를 설명하기 위한 단면도.
도 3a는 확장 채널에서의 모세관력을 설명하기 위한 개념도.
도 3b 및 도 3c는 확장 각도에 따른 모세관력을 나타낸 그래프.
도 4는 평면상의 채널폭 확장을 이용한 정지밸브의 예시도.
도 5a 및 도 5b는 단면상의 채널폭 확장을 이용한 정지밸브의 예시도.
도 5c는 소수성 패치를 이용한 정지밸브의 예시도.
도 6a 내지 도 6c는 평면상의 채널폭 확장, 단면상의 채널폭 확장 및 소수성 패치와 조합한 정지밸브의 예시도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 상판과 하판의 결합으로 구성된 유체 제어소자의 구조도.
도 8a 내지 도 8g는 본 발명에 적용되는 지연밸브의 예시도.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명에 따른 미소 유체 제어소자의 여러가지 실시예 를 설명하기 위한 평면도.
도 10a 내지 도 10e는 본 발명에 따른 미소 유체 제어소자의 변형된 실시예를 설명하기 위한 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 평판
20: 액체
30: 모세관
51, 53: 소수성 패치
100: 입구저장챔버
101: 구멍
110, 110a, 110b, 111: 반응챔버
120, 121, 121a, 121b, 122, 123, 126: 연결유로
130, 132, 133, 136: 정지밸브
140, 141: 투입구멍
150, 153, 154: 합류챔버
160: 집수챔버
170, 171, 172: 공기구멍
180, 182, 183, 184, 185: 지연밸브
190: 투입용액 저장챔버
195: 용액
200: 상부기판
210, 220: 상판
300: 하부기판
310, 320: 하판
본 발명은 바이오칩 등에 적용될 수 있는 미소 유체 제어소자 및 미소 유체의 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용액 투입에 따른 표면장력의 변화에 의해 모세관의 압력장벽이 제거되도록 하므로써 미소 유체의 이동, 합류, 혼합 및 시간지연이 이루어질 수 있도록 한 미소 유체 제어소자 및 미소 유체의 제어 방법에 관한 것이다.
생화학적 분석을 위한 바이오칩, 바이오센서, 화학센서 등을 구성하기 위해서는 미소 유체의 이송, 정지, 혼합, 반응, 교환, 합류 등과 같은 유체 제어를 위한 복잡한 유로망과, 챔버 내에서 구동될 수 있는 밸브, 펌프 등의 요소가 필요하다. 이를 위해 다양한 구동 방식이 제안되고 있는데, 그 예로서, 기계적 펌핑, 열팽창에 의한 압력 증가를 이용한 펌핑, 마이크로 액츄에이터형 구동 방법(Microactuating Method), 미세 유로에 전압을 걸어서 유체를 이동시키는 전기영동법(Electrophoretic Method)이나 전기삼투압법(Electroosmotic Method), 전기화학적 반응을 통한 펌핑, 파라핀 및 젤 밸브, 모세관 힘에 의한 모세관 유동법(Capillary Flow Method) 등이 있다.
상기와 같은 다양한 구동원리를 이용하는 유체 제어소자는 능동형 소자(Active Microfluidic Component)와 수동형 소자(Passive Microfluidic Component)로 구분될 수 있는데, 능동형 소자는 전기 및 기계적인 외력으로 구동되는 마이크로 펌프, 밸브 등을 이용하여 유체를 제어하며, 수동형 소자는 자연적인 힘을 이용하고 유로나 챔버의 표면 개질이나 형상 변화를 통해서 유체를 제어한다.
이 중 모세관 유동법을 이용하는 유체 제어소자는 수동형 소자로서, 미세한 유로의 내부 표면과 유체 사이의 표면장력에 의해 자연적으로 인력 또는 척력이 발생하는 원리를 이용하여 다양한 유체 제어가 가능하도록 한다. 일반적으로 구동체가 없기 때문에 부가적인 전원공급 등의 장치가 필요 없어서 바이오칩을 포함하는 모체의 소형화가 가능하고, 제조 단가 및 운전비가 절감될 뿐만 아니라 고장이 거의 없는 장점이 있다.
마이크로 시스템에 표면장력을 적용한 예로는 Sensors and Actuators B 71(2000)에 게재된 논문[Utilization of surface tension and wettability in the design and operation of microsensors]을 들 수 있으며, 압력센서, 가속도계, 마이크로펌프, 마이크로모터, 유체이송, 유체충진, 잉크젯, 로봇탐침, MOEMS 기기, 광학 셔터, 마이크로 스위치, 마이크로 정지밸브(micro stop valve) 등 다양하다.
모세관 내에 있는 미소 액적의 능동형 구동 방식을 통한 유체 제어소자의 예로는 미국특허 제6,375,817호(2002. 4. 23)[appratus and methods for sample analysis] 및 미국특허 제6193471호(2001. 2. 27)[Pneumatic control of formation and transport of small volume liquid samples]를 들 수 있다.
모세관 유동을 이용한 유체 제어소자의 전형적인 예로는 미국특허 제6,271,040 B1호(2001. 8. 7)[Diagnostic Devices Method and Apparatus for the Controlled Movement of Reagents without Membranes], 미국특허 제6,296,020 B1호(201. 10. 2)[Fluid Circuit Components Based upon Passive Fluid Dynamics], 미국특허 제6,143,248호(2000. 11. 7)[Capillary microvalve], 미국특허 제6,130,098호(2000. 10. 10)[Mmoving microdroplets] 등이 있다.
상기 미국특허 제6,375,817호는 기계적으로 생성된 압력차를 이용하여 미소량의 유체를 빠른 속도의 자동화된 방식으로 이송 및 분리하는 장치를 제시하였으나, 이 장치에는 기계적으로 압력차를 생성시키기 위한 장치가 부가되어야 하는 단점이 있다.
상기 미국특허 제6,193,471호는 다채널의 공기압 제어를 통해 미소 액적의 정확한 생성, 전달, 혼합 및 공기방울 제거를 위한 장치를 제시하였으나, 역시 공압 생성을 위한 장치가 부가되어야 하는 단점이 있다.
상기 미국특허 제6,271,040 B1호는 모세관력에 의한 유동만을 이용하여 시료를 이송하고, 챔버에서 시료가 반응을 일으키는 동안 구조물에 의한 압력 증가를 이용하여 이송시간을 증가시키고, 광학적인 방법으로 시료의 반응 유무를 판단하는 진단용 바이오 칩 구조를 제시하였으나, 구조가 복잡하여 제작이 어렵고 반응시간을 조절하기 힘든 단점을 가지고 있다.
상기 미국특허 제6,296,020 B1호는 모세관 내에서 유로의 급격한 확대 또는 소수성을 띠는 재료를 사용하여 유동을 정지시킬 수 있는 구조를 제시하였다.
상기 미국특허 제6,143,248호는 모세관 원리와 원심력을 이용하여 채널의 크기와 원심력으로 마이크로 저장챔버로부터 전달채널로 미소량의 유체를 이송하는 마이크로밸브를 제시하였으나, 유체의 정지 후 재유동을 위해서 원심력을 주어야 하는 단점을 가지고 있다.
상기 미국특허 제6,130,098호는 소수성으로 표면 처리한 정지밸브와 열공압 펌핑을 이용하여 일정량의 미소 유체 체적을 이송시키는 미소 유체 소자를 제시하였으나, 펌핑을 위한 추가적인 구조를 필요로 하며 전력소모가 많은 단점이 있다.
상술한 바와 같이 종래에는 별도의 기계적인 장치나 전기적인 장치를 이용하여 유체를 제어하기 때문에 구성이 복잡하고 제작 비용이 많이 소요된다. 또한, 유체를 정지시키거나 유체의 속도를 감소시키기 위해 복잡한 유로의 구조를 변경하거나 표면처리를 해야 하는 단점이 있다.
따라서 본 발명은 용액 투입에 따른 표면장력의 변화에 의해 모세관의 압력장벽이 제거되도록 하므로써 상기한 단점을 해소할 수 있는 미소 유체 제어소자 및 미소 유체의 제저 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 미소 유체 제어소자는 외부로부터 유입되는 유체를 저장하는 저장챔버와, 상기 저장챔버에 연결된 분기형 연결유로와, 상기 분리형 연결유로에 연결된 적어도 하나 이상의 반응챔버들과, 상기 반응챔버들에 연결된 연결유로들과, 상기 연결유로들을 통해 제공되는 유체를 모세 관력을 이용하여 정지시키는 정지밸브와, 상기 정지밸브를 통해 제공되는 유체가 합류되는 합류챔버와, 상기 합류챔버와 연결된 집수챔버를 포함하며, 액적을 투입하여 상기 정지밸브에 정지된 유체의 계면을 붕괴시킴으로써 상기 정지밸브의 기능이 상실되어 상기 유체의 계속적인 유동이 이루어지도록 구성된 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 미소 유체의 제어 방법은 외부로부터 유입되는 유체가 반응챔버로 제공되는 단계와, 상기 반응챔버로부터 제공되는 유체를 모세관력을 이용하여 정지시키는 단계와, 액적을 투입하여 상기 정지밸브에 정지된 유체의 계면을 붕괴시킴으로써 상기 정지밸브의 기능이 상실되어 상기 유체의 계속적인 유동이 이루어지도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 용액을 투입하여 모세관력을 변화시키므로써 유체의 이동, 합류, 시간지연 등과 같은 다양한 제어를 실현할 수 있도록 한 미소 유체 제어소자 및 미소 유체의 제어 방법을 제공한다. 본 발명에서 용액의 투입은 펌프와 같은 장치를 사용하지 않는 단순한 액적의 투입을 의미하며, 모세관력은 형상조절, 표면개질 등을 통해 조절될 수 있다. 용액의 투입은 생화학적 반응을 위해 반드시 필요한 경우가 대부분이므로 액적의 투입을 위해 별도의 장치를 사용하지 않는다.
그러면 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서, 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 유체 제어소자를 설명하기 위한 평면도로서, 본 발명의 유체 제어소자는 서로 결합될 수 있도록 구성된 하부기판(300)과 상부기판(200)을 포함한다.
도 1a를 참조하면, 하부기판(300)에는 외부로부터 유입되는 유체를 저장하는 입구저장챔버(100), 상기 저장챔버(100)에 연결된 분기형 연결유로(120), 상기 분리형 연결유로(120)에 연결된 반응챔버(110a 및 110b), 상기 반응챔버(110a 및 110b)에 연결된 연결유로(121a 및 121b), 상기 연결유로(121a 및 121b)를 통해 제공되는 유체를 모세관력을 이용하여 정지시키는 정지밸브(130), 상기 정지밸브(130)를 통해 제공되는 유체가 합류되는 합류챔버(150), 상기 합류챔버(150)와 연결된 집수챔버(160), 공기구멍(170) 등이 형성되며, 필요에 따라 상기 유체의 유동속도를 감소시키기 위한 지연밸브(180), 투입용액을 저장하기 위한 저장챔버(190) 등이 더 형성될 수 있다.
도 1b를 참조하면, 상부기판(200)에는 상기 입구저장챔버(100)일치되는 부분에 형성된 구멍(101), 용액(195)을 투입하기 위한 투입구멍(141) 및 공기구멍(171) 등이 형성되며, 필요에 따라 외부로 전기적인 신호를 전달하기 위한 감지전극 등이 형성될 수 있다.
상기 상부기판(200) 및 하부기판(300)은 PMMA(polymethylmethacrylate), PC(polycarbonate), COC(cycloolefin copolymer), PDMS(polydimethylsiloxane), PA(polyamide), PE(polyethylene), PP(polypropylene), PPE(polyphenylene ether), PS(polystyrene), POM(polyoxymethylene), PEEK(polyetheretherketone), PTFE(polytetrafluoroethylene), PVC(polyvinylchloride), PVDF(polyvinylidene fluoride), PBT(polybutyleneterephthalate), FEP(fluorinated ethylenepropylene), PFA(perfluoralkoxyalkane) 등을 포함한 다양한 폴리머, 또는 알루미늄, 구리, 철 등을 포함한 다양한 금속과 더불어 실리콘, 유리, PCB(Printed Circuit Board) 등의 단일 물질로 제작하거나 이종 물질로 제작할 수 있다.
상기 하부기판(300)은 핫엠보싱(Hot Embossing), 사출성형(Injection Molding), 캐스팅(Casting), 광조형(Stereolithography), 레이저 어블레이션(Laser Ablation), 쾌속조형(Rapid Prototyping), 실크스크린 뿐만 아니라, NC(Numerical Control) 머시닝과 같은 전통적인 기계가공법 또는 증착 및 식각을 이용한 반도체가공법으로 제작할 수 있다.
상기 상부기판(200)과 하부기판(300)은 일반적인 접착제 또는 재료에 따라서는 용접, 초음파 접합 및 점착제 등을 이용하여 결합할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 유체 제어소자의 동작을 설명하면 다음과 같다.
도 1a를 참조하면, 입구저장챔버(100)로 유입된 시료는 분리형으로 이루어진 연결유로(120)을 통하여 반응챔버(110a 및 110b)에 각각 채워진다. 이 때 유체 이동에 필요한 구동력은 자연발생적인 모세관 현상에 의한 것으로 외부로부터의 동력을 필요로 하지 않는다.
상기 반응챔버(110a 및 110b)로부터 제공되는 유체는 연결유로(121a 및 121b)를 통해 계속 흐르다가 정지밸브(130)에서 정지된다. 정지밸브(130)는 유체의 반응에 필요한 시간동안 유체를 정지시켜 상기 반응챔버(110a 및 110b)에서 유체의 반응이 이루어지도록 한다. 상기 정지밸브(130)는 전적으로 유체의 모세관력에 의해 동작되는 수동밸브(passive valve)로서, 동력을 필요로 하지 않으며 일반적으로 급격한 채널 확장을 통해 구동된다. 이에 대해 하기의 도면과 수식을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
반응시간이 경과되면 상기 투입구멍(140)을 통해 합류챔버(150)로 용액(195)을 투입한다. 이 때 용액의 투입은 단순히 액적을 떨어뜨리는 동작을 의미한다. 용액(195)이 투입되면 유체 계면의 붕괴로 인해 정지밸브(130)는 더 이상 정지밸브로서의 기능을 수행하지 못하게 되므로 유체의 유동이 다시 시작되며, 이에 따라 상기 반응챔버(110a 및 110b)에서 반응이 완료된 유체도 합류챔버(150)로 합류되는 동시에 두 유체의 혼합이 이루어진다. 따라서 용액(195)의 투입에 의해 반응시간 확보를 위한 시간지연, 정지밸브(130)의 기능 제거, 유체 합류 및 혼합이 동시에 이루어지게 된다.
상기 합류챔버(150)에 합류된 유체는 모세관력에 의해 집수챔버(160)로 이동한다. 이 때 폐기챔버 끝에 형성된 공기구멍(170)에 의해 밀폐 압력이 만들어지지 않기 때문에 모세관력이 그대로 유지된다.
상기와 같이 구성된 유체 제어소자에서 모든 유체는 모세관력에 의해 얻어지는 자연적인 구동력으로 제어되며, 반응시간 확보를 위한 시간지연과 유체의 합류 및 혼합을 위한 정지밸브(130)의 기능 제거를 위해 용액 투입만 요구된다.
이상의 실시예는 본 발명의 유체 제어소자를 설명하기 위해서 가장 단순한 형태를 도입한 것이다. 각 요소들은 다양한 변형예를 가질 수 있고 추가적인 요소를 포함할 수도 있다. 특히, 지연밸브(180), 정지밸브(130)와 용액 투입을 위한 구조는 이후 언급될 실시예에 자세히 설명한다.
도 2a 내지 도 2d는 액적이 고체의 표면과 접촉되거나 모세관에 적용되었을 때 액체와 고체 사이의 표면장력의 상대적 크기 차이로 인해 발생하는 액적의 모양 변화와 모세관 유동의 형태를 도시한다. 매우 작은 크기의 유체 시스템에서는 체적에 대한 표면적의 비가 증가하여 표면에 관련된 힘이 상대적으로 중요한 작용을 하는데, 특히 액체의 경계면이 기체에 노출된 경우 표면장력이 발생하고, 고체 벽면과 만났을 때 접촉각도를 이루며, 모세관에 적용되었을 때 모세관 유동이 발생한다.
도 2a는 친수성을 띠는 물질로 만들어진 평판(10) 위에 액체(20) 방울이 올려져 있는 형상을 도시하며, 도 2b는 친수성의 모세관(30)을 통해 흐르는 액체(20)의 선단 형상을 도시한다. 도 2c는 소수성을 띠는 물질로 만들어진 평판(10) 위에 액체(20) 방울이 올려져 있는 형상을 도시하며, 도 2d는 소수성의 모세관(30)을 통해 흐르는 액체(20)의 선단 형상을 도시한다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 고체면이 친수성(hydrophilic)일 때 접촉각도 θ가 90도 이하인 경우에는 액체가 고체면을 적셔서 채널에서 액체는 오른쪽으로 움직이게 된다. 도 2c 및 도 2d를 참조하면, 고체면이 소수성(hydrophobic)일 때 접촉각도 θ가 90도 이상인 경우에는 고체가 액체를 밀어내어 채널에서 액체는 왼 쪽으로 움직이게 된다. 본 발명에서는 이와 같은 모세관 현상을 적절히 조절하여 유체의 이동방향과 속도를 조절한다.
도 3a는 확장 채널에서의 모세관력을 설명하기 위한 개념도이고, 도 3b 및 도 3c는 확장 각도에 따른 모세관력을 나타낸 그래프이다.
도 3a는 확장 채널을 도시하며, 유체가 왼쪽에서 오른쪽으로 이동한다. 부호 A는 확장시작점에서의 유체 계면을 지시한다. 이와 같은 경우 확장 채널에서의 모세관 압력은 하기의 수학식 1과 같다.
Figure 112003048961218-pat00001
여기서,
Figure 112003048961218-pat00002
는 유체의 표면장력 계수,
Figure 112003048961218-pat00003
는 접촉각도이다.
Figure 112003048961218-pat00004
가 양의 값인 경우 유체가 정지하지 않고 이동하며, 음의 값인 경우 유체 선단은 확장시작점에 정지하게 된다. 또한, 상판이 이종 재료로 이루어진 경우 한 쪽 면에서의 접촉각도가 달라지게 되면 모세관력은 하기의 수학식 2와 같이 표현된다.
Figure 112003048961218-pat00005
여기서, A 및 B는 각각 하판과 상판을 나타낸다.
도 3b 및 도 3c는 확장각도에 따른 모세관력을 나타낸 그래프이다. 채널 높이(H=100㎛)가 고정된 상태에서 확장각도, 접촉각, 채널폭의 변화에 따른 모세관력 의 변화가 나타내진다. 정지밸브는 모세관력이 음의 값을 가지도록 설계하고, 지연밸브는 모세관력이 작은 양의 값을 가지도록 설계하면 된다.
도 4는 평면상의 채널폭 확장을 이용한 정지밸브의 예시도로서, 여러가지 형태를 도시한다. 평면 급속확장 구조는 유체의 이동 방향으로 확장각이 증가되도록 상판 및 하판의 채널폭이 급속확장된 형태로 만들 수 있으며, 또는 돌기가 부가된 형태로 만들 수 있다. 평면상의 채널폭 확장은 채널의 높이가 일정하므로 가공이 쉬운 장점을 가진다.
도 5a 및 도 5b는 단면상의 채널폭 확장을 이용한 정지밸브의 예시도이다. 단면 급속확장 구조는 유체의 이동 방향으로 확장각이 증가되도록 상판 및 하판의 채널 높이가 급속확장된 형태로 만들 수 있다.
도 5c는 소수성 패치를 이용한 정지밸브의 예시도이다. 소수성 패치 구조는 상판과 하판의 채널 벽면에 플라즈마를 방사하거나, 소수성 물질을 도포하는 방법으로 형성한다.
도 5a와 같이 상판(220)은 평판 형상을 가지며 하판(320)은 계단 형상을 가지도록 정지밸브(133)를 구현하거나, 도 5b와 같이 상판(230)과 하판(320)이 모두 계단 형상으로 확장된 정지밸브(133)를 구현할 수 있다. 단면상 채널폭 확장법은 가공이 어렵고 확장각도 조절이 쉽지 않으며 재료의 두께에 따른 확장폭의 한계를 가진다는 단점이 있다.
도 5c는 소수성 패치(53)를 이용한 정지밸브의 예시도로서, 채널의 벽면에 형성된 소수성 패치(53)에 의해 유체(20)의 접촉각도가 소수성으로 변화되므로 유 체(20)가 진행 방향으로 더 이상 이동하지 못하게 된다. 이 경우 소수성 패치(53)의 안정성 및 추가 공정이 필요하다.
도 6a 내지 도 6c는 상기 설명된 평면상의 채널폭 확장, 단면상의 채널폭 확장 및 소수성 패치를 이용한 정지밸브의 예시도이다.
도 6a를 참조하면, 단면상의 채널폭 확장 및 소수성 패치(51)를 조합한 구조로서, 상판(210)은 평판 형상을 가지며 하판(310)은 계단 형상을 가진다. 상기 상판(210)의 표면에 소수성 패치(51)가 부가된다.
도 6b를 참조하면, 평면상의 채널폭 확장 및 소수성 패치(52)를 조합한 구조이다.
도 6c를 참조하면, 평면상과 단면상의 채널폭 확장을 조합한 구조로서, 상판(220)과 하판(320) 사이에 정지밸브(132)가 형성된다. 도면에서 부호 123은 연결유로를 지시한다.
본 발명에서 제시한 이와 같은 조합형의 정지밸브는 정지압력이 큰 정지밸브를 형성하는 데 필요한 요소이다. 그 예로서 반응챔버에서 가열 및 화학반응에 의해 팽창압력이 발생되는 경우 강한 정지압력을 가지는 정지밸브가 필요하게 된다. 본 발명에서 제시한 여러가지 정지밸브의 형상은 상,하판의 재질에 의해 결정되는 접촉각과 요구되는 정지압력에 따라 적절한 형상이 선택되어질 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 상판과 하판의 결합으로 구성된 유체 제어소자의 구조도이다.
상기 설명된 정지밸브(130)를 이용하여 구성한 본 발명의 유체 제어소자는 용액(195)을 투입하기 위한 투입구멍(141)이 형성된 상부기판(200)과 정지밸브(130), 합류챔버(150) 등이 형성된 하부기판(300)의 결합으로 이루어진다. 합류챔버(150)의 양쪽에 정지밸브(130)가 연결되어 있으며, 연결유로(120)를 통해 이동된 유체(20)가 정지밸브(130)에서 정지한다. 액적(195)을 상부기판(200)에 형성된 투입구멍(140)을 통해 합류챔버(150)로 투입하면 정지밸브(130)의 기능이 제거되어 측면으로 형성된 연결유로(122)를 통해 유체가 진행하게 된다.
도 8a 내지 도 8g는 본 발명에 적용되는 지연밸브의 예시도로서, 유로상에서 액체의 이동을 지연시키기 위한 여러가지 형태의 지연밸브를 도시한다. 도 3b 및 도 3c에서 설명한 바와 같이 모세관력이 작은 양의 값을 가지도록 해야 하며, 모세관력을 조절하기 위해 채널 폭 조절 및 표면개질을 적용할 수 있다.
도 8a는 직선 형상의 채널로서, 유체(20)의 이동시간은 하기의 수학식 3으로 표현될 수 있다.
Figure 112003048961218-pat00006
여기서, h는 채널의 높이, s는 표면장력, q는 접촉각도, m는 점성계수이다.
채널 높이(h)와 표면장력(s)을 줄이고, 점성계수(m)를 크게 하거나 접촉각도(q)를 90도에 가깝게 하면 이동시간(L)이 증가하는 것을 알 수 있다.
도 8b 및 도 8c는 파형 형상의 채널(180 및 181)로서, 도 3b 및 도 3c에서 설명된 확장각도를 적절히 조절하여 유체의 이동시간을 변화시킬 수 있다. 도 8b는 확장과 축소가 반복되는 구조이며, 도 8c는 코너에서 연속적인 확장각도 변화를 주는 코너링 효과를 이용하는 구조이다.
도 8d는 구불거리는 형상의 채널(182)로서, 코너링 효과를 적절히 이용한 구조이다. 도 8e는 채널(183)의 높이를 급격이 감소시켜 시간지연을 이루는 방식이다. 도 8f는 채널(184)의 폭을 감소시키고 소수성 패치(53)를 이용한 시간지연 구조이다. 도 8g는 유로 폭의 감소 및 유로 길이의 증가를 적절히 조합한 파형 형상의 채널(185) 구조이다.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명에 따른 미소 유체 제어소자의 여러가지 실시예를 설명하기 위한 평면도이다.
도 1a 및 도 1b의 구조를 기본으로 한다. 즉, 유입된 유체를 저장하는 입구저장챔버(100)에 다수의 연결유로(120)가 접속되고, 각 연결유로(120)에 반응을 위한 다수의 반응챔버(110)가 각각 연결된다. 상기 각 반응챔버(121)는 연결유로(121)를 통해 정지밸브(130) 및 합류챔버(150)와 연결된다. 상기 함류챔버(150)는 집수챔버(160)와 연결되며, 집수챔버(160)와 연결된 폐기챔버의 끝단에는 공기구멍(170)이 형성된다.
도 9a를 참조하면, 원하는 수 만큼의 반응챔버(111)를 연결할 수 있으며, 합류챔버(150)에 액적을 직접 투입하는 구조이다.
도 9b를 참조하면, 정지밸브(136)에 투입용액 저장챔버(190)를 연결하고, 투입용액 저장챔버(190)에 용액을 투입하는 구조이다. 상기 정지밸브(136)는 투입용액이 흐르는 순서에 따라 순차적으로 제거되며, 채널 형상을 갖는 합류챔버(153)의 폭을 적절히 조절하여 각 반응챔버(111)로부터 제공되는 용액의 혼합비를 결정할 수 있다.
도 9c를 참조하면, 합류 및 혼합시에 균일한 압력이 주어지도록 하기 위하여 합류챔버(154)를 상하 대칭 형태로 만든 구조이다. 투입용액 저장챔버(190)로 투입된 용액은 연결유로(126)를 통해 유입되고, 중심 부위에 형성된 추가적인 2개의 정지밸브(136)를 통해 자동적으로 합류 및 재유동된다.
도 9d를 참조하면, 도 9c의 변형된 구조로서, 합류챔버(154)의 측면에 공기 구멍(172)을 추가로 설치하여 정지밸브 수를 감소시킨 구조이다.
도 10a 내지 도 10e는 본 발명에 따른 미소 유체 제어소자의 변형된 실시예를 설명하기 위한 구성도로서, 도 1a 및 도 1b의 구조에서 변형된 구조로서, 구조가 복잡하므로 세밀한 형상을 표현하기 보다는 각각의 역할을 상징적 기호로 표현한 계략적인 구조를 제시한다.
도 10a를 참조하면, 단일 반응챔버(110)를 가지며, 합류챔버(150)에 액적을 직접 투입하는 구조이다.
도 10b를 참조하면, 두 개의 반응챔버(110)가 병렬로 연결될 수 있고, 합류챔버(150)에 투입액적 저장챔버(190)가 부가적으로 연결된 구조이다.
도 10c를 참조하면, 반응챔버(110), 정지밸브(130), 합류챔버(150), 투입용액 저장챔버(190)가 반복적으로 배열된 구조이다. 투입용액 저장챔버(190)에 각기 다른 반응물을 투입하여 순차적 반응을 일으키는 데 이용될 수 있다.
도 10d를 참조하면, 투입용액 저장챔버(190)에 한 번 용액을 투입하고 지연 밸브(180)에 의한 자연적인 지연에 의해 순차적인 반응이 일어나도록 하는 구조이다. 반응챔버(110)에 각기 다른 반응물을 배치하고 자동적으로 순차적 반응이 일어나게 할 수 있다.
도 10e를 참조하면, 도 10d의 구조보다 더 복잡한 순차적인 반응 혹은 병렬적인 생화학 반응이 필요한 경우에 이용될 수 있는 구조로서, 원하는 수 만큼의 반응챔버(110)를 배치하고 원하는 지연시간 및 반응 순서에 맞게 용액을 투입할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형이 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 기계적 펌핑, 전기 삼투, 전기 영동, 열, 전기적 신호 등 복잡한 외부의 제어 수단을 이용하지 않고 모세관력에 의한 자연적인 유체의 유동과 용액 투입만으로 미소량의 유체를 제어한다. 즉, 용액 투입에 따른 표면장력의 변화에 의해 모세관의 압력장벽이 제거되도록 함으로써 미소 유체를 이동, 합류, 혼합 및 시간지연시킬 수 있게 된다. 본 발명은 추가적인 장치나 전원의 공급을 필요로 하지 않는다. 따라서 휴대를 위한 소형화가 가능하고, 제조비를 낮춤과 동시에 제조 수율을 높일 수 있다. 또한, 본 발명의 유체 제어소자는 사용시 간편하고 고장이 거의 없다.
본 발명에 따른 유체 제어소자는 미세하고 정확한 유체 제어를 필요로 하는 단백질 칩, DNA 칩, 약물주입기(Drug Delivery System), 미세 생물/화학 반응기(Micro Biological/Chemical Reactor)를 포함한 다양한 미세유체 제어 분야에 적용될 수 있다.

Claims (13)

  1. 외부로부터 유입되는 유체를 저장하는 저장챔버와,
    상기 저장챔버에 연결된 분기형 연결유로와,
    상기 분리형 연결유로에 연결된 적어도 하나 이상의 반응챔버들과,
    상기 반응챔버들에 연결된 연결유로들과,
    상기 연결유로들을 통해 제공되는 유체를 모세관력을 이용하여 정지시키는 정지밸브와,
    상기 정지밸브를 통해 제공되는 유체가 합류되는 합류챔버와,
    상기 합류챔버와 연결된 집수챔버를 포함하며,
    액적을 투입하여 상기 정지밸브에 정지된 유체의 계면을 붕괴시킴으로써 상기 정지밸브의 기능이 상실되어 상기 유체의 계속적인 유동이 이루어지도록 구성된 것을 특징으로 하는 미소 유체 제어소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 정지밸브는 상기 모세관 정지압력의 증가를 위해 평면 급속확장, 단면 급속확장 또는 소수성 패치 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 미소 유체 제어소자.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 평면 급속확장 구조는 상기 유체의 이동 방향으로 확장각이 증가되도록 상판 및 하판의 채널폭이 급속확장된 형태 또는 돌기가 부가 된 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 미소 유체 제어소자.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 단면 급속확장 구조는 상기 유체의 이동 방향으로 확장각이 증가되도록 상판 및 하판의 채널 높이가 급속확장된 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 미소 유체 제어소자.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 소수성 패치 구조는 상판과 하판의 채널 벽면에 플라즈마 방사 또는 소수성 물질이 도포된 것을 특징으로 하는 미소 유체 제어소자.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 액적은 상기 합류챔버로 투입되는 것을 특징으로 하는 미소 유체 제어소자.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 유체의 유동을 지연시키기 위해 상기 연결유로에 연결된 지연밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미소 유체 제어소자.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 지연밸브는 채널 높이와 표면장력이 작고 점성계수 또는 접촉각도가 큰 직선 구조로 구성된 것을 특징으로 하는 미소 유체 제어소자.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 지연밸브는 소정의 확장각도를 갖는 파형 구조로 구성된 것을 특징으로 하는 미소 유체 제어소자.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 합류챔버와 연결되며 상기 액적을 투입하기 위한 저장챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미소 유체 제어소자.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 집수챔버에 모세관력을 유지하기 위한 공기구멍이 형성된 것을 특징으로 하는 미소 유체 제어소자.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 반응챔버에 반응, 감지 및 제어를 위한 전극이 구비된 것을 특징으로 하는 미소 유체 제어소자.
  13. 삭제
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