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KR100967414B1 - 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치 및 이를 이용하여 유체 방울을 혼합하는 방법 - Google Patents

유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치 및 이를 이용하여 유체 방울을 혼합하는 방법 Download PDF

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KR100967414B1
KR100967414B1 KR1020080119063A KR20080119063A KR100967414B1 KR 100967414 B1 KR100967414 B1 KR 100967414B1 KR 1020080119063 A KR1020080119063 A KR 1020080119063A KR 20080119063 A KR20080119063 A KR 20080119063A KR 100967414 B1 KR100967414 B1 KR 100967414B1
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박제균
엄유진
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치 및 유체 방울을 혼합하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따르면 부가적인 외부 장치 및 전처리 과정을 필요로 하지 않으면서, 다양한 유속 조건에서도 원하는 개수의 유체 방울을 안정적으로 합칠 수 있는 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치를 이용하여 정량적으로 혼합 유체 방울을 형성할 수 있다.
미세 유체, 방울 혼합

Description

유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치 및 이를 이용하여 유체 방울을 혼합하는 방법{MICROCHANNEL FOR MERGING OF MULTIPLE DROPLETS AND METHOD OF GENERATING QUANTITATIVELY MERGED DROPLETS USING THE SAME}
본 발명은 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치 및 유체 방울을 혼합하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따르면 부가적인 외부 장치 및 전처리 과정을 필요로 하지 않으면서, 다양한 유속 조건에서도 원하는 개수의 유체 방울을 안정적으로 합칠 수 있는 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치를 이용하여 정량적으로 혼합 유체 방울을 형성할 수 있다.
최근 생명공학 연구 분야에서 핵심적인 도구로 사용되고 있는 바이오칩은 지금까지 알지 못했던 유전자들과의 또는 단백질들과의 상호 연관성을 규명하는 실험적 수단으로 최근에 개발된 유전 및 단백질 정보를 분석할 수 있는 여러 방법 중에서도 가장 유용한데, 이는 바이오칩이 짧은 시간에 많은 양의 정보를 나타낼 수 있으며 자동화로 이루어지기 때문이다.
이러한 바이오칩은 의약분야 뿐 아니라 농업, 식품, 환경, 화학 산업 등의 다양한 분야에서 사용될 수 있으며, 그 시장규모도 2005년경 5조원에 달할 정도로 급성장을 예상하고 있어 미국, 유럽, 일본 등에서는 벤처기업들과 거대 제약회사들을 중심으로 많은 예산을 투입하고 있다.
바이오칩은 크게 마이크로어레이칩(microarray chip)과 마이크로플루이딕스(microfluidics chip)의 두 가지로 나눌 수 있다. 마이크로어레이 칩은 수천(千) 또는 수만(萬)개 이상의 DNA나 단백질 등을 일정 간격으로 배열하여 붙이고, 분석 대상물질을 처리하여 그 결합양상을 분석할 수 있는 바이오칩을 말하는 데 DNA칩, 단백질칩 등이 대표적이다.
한편, 마이크로플루이딕스 칩은 '랩온어칩(Lab-on-a-chip)'이라 불리기도 하는데 미량의 분석 대상물질을 흘려보내면서 칩에 집적되어 있는 각종 생물분자 혹은 센서와 반응하는 양상을 분석할 수 있는 바이오칩으로 최근에는 분석물질의 분리, 합성, 정량분석 등이 가능한 칩이 개발되고 있다. 이는 미세가공기술을 이용하여 시료 희석, 혼합, 반응, 분리, 정량 등 모든 단계를 하나의 칩 위에서 모두 수행하는 것을 가리킨다. 즉, 일반적으로 (생)화학물질의 분석시 사용되는 자동분석 장치의 시료 전처리 과정에 필수적인 펌프, 밸브, 반응기, 추출기, 분리시스템 등의 기능과 센서기술을 같은 칩(chip)상에 접목시킨 것이 바로 랩온어칩이다.
마이클로플루이딕스 칩은 여러 복잡한 단계를 거치지 않고 시료 주입만으로 최종결과를 얻어낼 수 있다는 것이 특징이며, 이러한 바이오칩의 사용은 간편성 뿐만 아니라, 검사자의 실험상 오류를 최대한 제거하여 얻어진 결과에 대해 신뢰성을 부여할 수 있으므로 생명공학 분야에서 매우 중대한 역할을 할 것으로 기대되고 있다. 랩온어칩은 MEMS(Microelectromechanical Systems)와 나노테크놀러 지(nanotechnology 또는 nanofabrication)의 발전으로 인해 실현가능해졌는데, 실리콘(silicon) 외 여러 재료를 이용하여 수십 마이크로미터에서 수십 나노미터에 이르는 크기의 장치를 정교하게 개발할 수 있게 되었다.
한편 최근 실험 장비의 소형화 연구는 모든 기능을 다 갖춘 장비의 개발보다는 반드시 필요한 기능만을 갖추면서 단순성, 휴대성, 저가성, 적은 양의 시료처리를 만족하는 장비의 개발에 중점을 두고 있다. 이에 따라 본 발명자는 미세 유체 제어 기술을 이용하여, 간단하고 정확하게 미세 유체 방울을 합치는 장치와 방법을 개발하게 되었다.
미세 유체 방울을 합치는 기술은 방울 사이에 존재하는 수송 유체의 방해 현상을 극복해야 한다. 종래의 유체 방울 혼합 방법은 채널 형태의 변화를 통해 서로 다른 유체 방울의 유속을 차별화하거나 넓어지는 채널을 통해 유체 방울 사이의 수송 유체를 빠져나오게 하고 유체방울의 속도를 저하시켜 합쳐주는 방법을 사용하였다(Angew Chem Int Ed 42: 768, 2003, Lab Chip 4: 292, 2004). 그러나 이러한 방식은 조건이 지나치게 제한되어 있어 다양한 유속 조건 하에서 원하는 개수의 유체 방울을 합치기 어려우며, 합치고자 하는 개수에 따라 유체 방울의 크기도 제한된다는 단점이 있다.
한편 미국 특허공개 20070195127에는 채널에 전기적 힘이나 광학적 힘을 부가하여 방울끼리 합쳐지는 효율을 높이는 방법이 공개되어 있다.(Lab Chip, 7: 1029, 2007) 그러나 이 경우 시스템이 매우 복잡해지며 역시 다양한 유속 조건에서 두 개 이상의 유체 방울의 혼합 개수를 정량화하기에는 부적합하다. 또한 전기적 조건이나 광학 조건에 민감하게 반응하는 물질이 포함된 유체는 사용할 수 없어 다양한 응용 분야에 쓰이기에는 부적합한 면이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 부가적인 외부 장치 및 전처리 과정을 필요로 하지 않으면서, 다양한 유속 조건에서도 원하는 개수의 유체 방울을 안정적으로 합칠 수 있는 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상기 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치를 이용하여 정량적으로 유체 방울을 혼합하는 방법을 제공하는데 있다.
상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 유체 방울 형성부, 유체 방울 혼합부 및 연결부를 포함하는 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치를 제공하는데, 상기 유체 방울 형성부는 유체 방울 형성을 위한 제1유체가 주입되는 제1채널과 상기 제1채널과 경사지게 연결되며, 제2유체가 주입되는 제2채널을 포함하며, 상기 연결부는 상기 유체 방울 형성부에서 형성된 유체 방울들이 상기 유체 방울 혼합부로 이동되도록 하는 제3채널을 포함하고, 상기 유체 방울 혼합부는 상기 유체 방울 형성부에서 형성된 유체 방울들이 합쳐질 수 있도록 홈 채널이 형성된 제4채널과 상기 합쳐진 유체 방울이 배출되는 제5채널을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 제1유체와 제2유체는 서로 혼합되지 않는 용 액이며, 예를 들어, 제1유체는 친수성 용액이고, 제2유체는 친유성 용액일 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예 의하면, 제1채널과 제2채널은 수직으로 연결될 수 있으며, 혼합부에서 유체 방울의 유속을 저하시키기 위해 제4채널의 폭은 제3채널의 폭보다 넓은 것이 바람직하다. 또한 유체 방울 혼합부의 제4채널에는 바닥면(bottom side) 또는 윗면(upper side)에 홈 채널이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한 유체 방울 혼합부에서 상기 제4채널에 형성된 홈 채널은 유체 방울 형성부에서 형성된 유체 방울의 유속이 저하되도록 휘어지도록 구성할 수 있는데, 예를 들어, ‘ㄷ’자형으로 휘어지도록 구성하는 것이 바람직하다.
한편 본 발명의 다른 일실시예에 의하면, 유체 방울 혼합부는 상기 제4채널에 연결되며, 혼합되는 유체 방울의 크기를 조절하기 위한 제3유체가 주입되는 제6채널을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 제6채널은 일종의 컨트롤 채널로서 제4채널에 수직 방향으로 연결될 수 있다. 또한 컨트롤 채널로 주입되는 제3유체는 제1유체와 혼합되지 않는 유체이며, 제2유체와 동일한 유체를 사용할 수도 있다.
본 발명의 일실시예에서 혼합된 유체 방울이 배출되는 제5채널의 폭은 유체 방울의 유속을 빠르게 하기 위해 제4채널의 폭보다 좁은 것이 바람직하다.
한편 본 발명에 따른 미세 유체 제어 장치에서 각 채널의 높이와 폭은 약 10㎛ 내지 수백 ㎛까지 가능하다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 의하면, 본 발명의 유체 방울 혼합용 미세 유 체 제어 장치는 다수의 유체 방울 형성부(A)를 포함할 수 있다. 이와 같이 유체 방울 형성부가 두 가지 이상인 경우, 각 유체 방울 형성부에 주입되는 유체 방울 형성 용액은 다른 종류의 용액일 수 있으며, 이에 따라 유체 방울 혼합부에서 형성되는 유체 방울은 두 가지 이상의 용액이 혼합된 복합 유체 방울일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 의하면, 본 발명의 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치는 다수의 유체 방울 혼합부(B)가 연결된 카운터부를 포함할 수 있다. 이와 같이 다수의 유체 방울 혼합부가 연결된 경우, 각 유체 방울 혼합부의 배출 채널은 형성된 유체 방울의 일부는 배출되고, 일부는 다음 단계의 유체 방울 형성부에 주입될 수 있도록 갈라진 형태로 다음 단계의 유체 방울 혼합부에 연결될 수 있다.
상기 두 번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상기 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치를 이용하여 유체 방울을 정량적으로 혼합하는 방법으로서, 유체 방울 형성부에서, 서로 경사진 방향으로 흐르는 제1유체와 제2유체가 만나서 유체 방울이 형성되는 단계; 상기 형성된 유체 방울이 상기 연결부를 따라 이동하여 유체 방울 혼합부의 채널에 도달하는 단계; 상기 유체 방울이 상기 유체 방울 혼합부의 홈 채널에 의해 속도가 저하 또는 정지되는 단계; 상기 속도가 저하 또는 정지된 상기 유체 방울이 순차적으로 형성되어 상기 유체 방울 혼합부 채널로 유입된 후속 유체 방울들과 합쳐지는 단계; 상기 유체 방울들이 합쳐져서 형성된 혼합 유체 방울이 배출되는 단계를 포함하는 정량적으로 유체 방울을 혼합하는 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 본 발명에 따라 정량적으로 유체 방울을 혼합하는 방법에서 유체 방울 혼합부에서 합쳐지는 유체 방울의 크기는 제1유체와 제2유체의 유속에 따라 조절되는 것을 특징이며, 합쳐지는 유체 방울의 크기와 정지 시간을 조절하기 위한 제3유체가 유입되는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 다른 일실시예에 의하면, 본 발명에 따라 정량적으로 유체 방울을 혼합하는 방법에서 유체 방울 형성부는 복수로 구성될 수 있으며, 이 경우 각 유체 방울 형성부에서 서로 다른 종류의 유체 방울이 형성되어, 유체 방울 혼합부에서 두 가지 이상의 서로 다른 종류의 유체 방울이 합쳐지도록 하여 복합 유체 방울을 형성할 수도 있다.
본 발명에 따른 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치에 따르면 간단한 미세 채널 구조를 이용하여, 부가적인 외부장치 및 전처리 과정을 필요로 하지 않으면서, 다양한 유속 조건에서도 원하는 개수의 유체 방울을 합칠 수 있다. 이에 따라, 여러 가지 전처리 및 분석 과정을 칩 상에 집적화하여 고속 및 고효율로 처리할 수 있는 랩온어칩(lab-on-a-chip)으로의 적용이 가능하다. 또한, 유체 방울이 합쳐지는 시간을 일정하게 유지 할 수 있으며, 연속적으로 서로 다른 종류의 유체 방울들도 합칠 수 있어, 인터페이스(interface) 기술 개발과 함께 화학, 생체 물질 분석 방법 등에 다양하게 적용할 수 있어 매우 유용하다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명 하기로 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않으며 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이고, 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다는 의미로 이해되어야 한다.
도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치를 설명하기 위한 평면도이고, 도 1b는 도 1a의 일부분인 유체 방울 혼합부를 설명하기 위한 투시도이다.
도 1a를 참조하면, 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치는 유체 방울 형성부(A)와 유체 방울 혼합부(B)를 포함할 수 있다. 유체 방울 형성부(A)는 방울 형성을 위한 용액인 제1유체가 주입되는 제1채널(101a)과 이에 경사지도록 연결되어 이송 용액인 제2유체가 주입되는 제2채널(102a)을 포함할 수 있다. 상기 채널(101a)을 통해 유입되는 제1유체가 흐르는 제1방향(점선으로 표시)과, 제2유체가 흐르는 제2방향(실선으로 표시)은 서로 경사진 방향으로서, 예를 들어, 수직 방향일 수 있다.
상기 제1유체와 제2유체는 서로 혼합되지 않는 용액으로서, 예를 들어 방울 형성을 위한 용액이 친수성 용액이면, 이송 용액은 오일 용액일 수 있다. 방울 형성을 위한 용액이 제1채널(101a)을 통해 주입되고, 이와 경사진 방향으로 방울 형성을 위한 용액과 섞이지 않는 용액이 제2채널(102a)을 통해 주입되면, 방울 형성을 위한 용액이 방울 단위로 끊어지면서 유체 방울이 형성된다. 이때, 상기 유체 방울의 크기는 제1채널(101a)과 제2채널(102a)로부터 각각 주입되는 방울 형성을 위한 용액과 이송 용액의 유속 조건에 따라 조절될 수 있는데, 이송 용액의 유속에 대한 방울 형성을 위한 용액의 유속의 비가 커질수록 유체 방울의 크기가 커진다.
도 1b를 참조하면, 유체 방울 형성부(A)에서 형성된 유체 방울(106a)은 연결부의 제3채널(103)을 따라 이동된다.
유체 방울 혼합부(B)는 제3채널(103)과 연결된 제4채널(104)과 바닥 또는 상면에 형성된 홈 채널(104a)을 포함한다. 유체 방울 혼합부의 채널(104)의 폭은 전체 유속을 줄이기 위해 제3채널(103)의 폭 보다 넓은 것이 바람직하다. 상기 홈 채널은(104a)은 제3채널(103)로부터 주입되는 유체 방울이 흐른 방향을 변화시키기 위해 휘어진 구조를 가질 수 있는데, 예를 들어 ‘ㄷ' 자 형으로 휘어지도록 구성하는 것이 바람직하다. 도 1b를 참조하면 제3채널을 따라 유체 방울 혼합부의 제4채널(104)로 유입된 유체 방울(106a)은 홈 채널의 휘어진 벽면(104ab)과 부딪혀 잠시 정지하게 된다(106b).
한편 유체 방울 혼합부의 제4채널(104)은 일종의 컨트롤 채널인 제6채널(105)과 연결되어 유체 방울 혼합부 채널(104) 내의 유속을 독립적으로 조절함으로써, 유체 방울이 정지하고 있는 시간을 조절할 수 있다. 제6채널(105)로 주입되는 유체는 유체 방울 형성을 위한 용액과 혼합되지 않는 용액으로서, 이송 용액인 제2유체와 동일한 용액일 수 있다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 제3채널(103)로 지속적으로 유입되는 유체 방울들은 제4채널(104)의 홈 채널(104a)의 휘어진 벽면(104ab)에 정지된 유체 방 울(106b)과 만나서 합쳐지게 된다. 이에 따라 일정 개수의 유체 방울이 합쳐져서 혼합 유체 방울(106c)이 형성될 수 있다.
여러 유체 방울들이 합쳐져서 크기가 증가하게 되면, 주변을 흐르는 제2유체(화살표)가 가하는 힘도 커지게 되고, 유체 방울은 구 형태일 때 유체 경계면 장력에 의한 에너지가 최소가 되기 때문에 좁은 홈 채널에서 빠져나오려고 하므로, 일정 개수가 합쳐진 후에 합쳐진 방울(106c)은 다시 움직이게 되고, 유체 방울 혼합부의 제4채널(104)을 빠져나가게 된다. 상기 제4채널(104)과 연결되어 혼합 유체 방을이 배출되는 제5채널(107)의 부피는 상기 유체 방울 혼합부의 제4채널(104)보다 유속을 빠르게 하기 위해 그 폭을 제4채널(104)보다 좁게 구성할 수 있다. 또한 상기 혼합 유체 방울(106c)로 합쳐지는 유체 방울의 개수는 제2유체가 가하는 힘에 따라 결정되는데, 제2유체의 유속을 증가시킴으로써 힘을 크게 할 수 있다.
도 1c는 컨트롤 채널인 제6채널(105)의 유속을 변경시키며 유체 방울이 합쳐지는 것을 촬영한 광학사진이며, 도 1d는 제6채널의 유속(Q3)에 대해 합쳐지는 유체 방울의 개수에 대한 그래프이다. 도 1b를 참조하면 홈 채널(104a)을 따라 흐르는 유체 방울(106a)이 채널의 벽(104ab)에서 정지된 후 유체 방울이 합쳐지는 상태가 도시되어 있다. 도 1d를 참조하면, 제6채널(105)의 유속(Q3)을 높일수록 혼합 유체 방울(106c)은 상기 유체 방울 혼합부의 제4채널(104)을 빨리 빠져나가게 되고 합쳐지는 유체 방울의 개수는 줄어든다.
본 발명에 따른 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치는 간단한 미세 채널 구조와 유속 조절을 이용하여 유체 방울을 혼합할 수 있기 때문에, 복잡한 채널 구조 또는 외부 광원 또는/및 외부 전원 공급 장치 등의 부가적인 외부 장치가 필요하지 않다. 또한 다양한 유속 조건에서도 유체 방울의 크기 및 합쳐지는 개수를 정량적으로 조절할 수 있다.
도 2a는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 복합 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치를 설명하기 위한 평면도이다. 본 발명에 따른 복합 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치는 유체 방울 형성부(A), 다수의 유체 방울 혼합부가 연속적으로 연결된 카운터부(B) 및 연결부를 포함할 수 있다.
본 발명의 유체 방울 형성부(A)는 상기 실시예에서 설명된 도 1a의 유체 방울 형성부의 구성과 동일하며, 방울 형성을 위한 제1유체와 이송 용액인 제2유체도 마찬가지이다. 본 실시예에서 특징이 되는 부분은 다수의 유체 방울 혼합부가 연속적으로 연결된 카운터부(B)를 들 수 있다.
여러 개의 유체 방울 혼합부가 연속적으로 연결된 카운터부(B)는 연결부의 채널(203)과 연속적으로 연결된 다수의 혼합부 채널(204a, 205a, 206a)를 포함할 수 있다. 제3채널(203)을 통해 상기 유체 방울 형성부와 연결된 카운터부의 첫 번째 채널(204a)은 배출 채널(207a)을 통해 다음 혼합부 채널(205a)과 연결되며, 상기 채널(205a)의 배출 채널(207b) 역시 다음 혼합부 채널(206a)로 연결된다. 각각의 유체 방울 혼합부 채널(204a, 205a, 206a)의 바닥면 또는 윗면에는 홈 채널(204b, 205b, 206b)이 형성되어 있으며, 각 혼합부 채널(204a, 205a, 206a)의 폭은 전체 유속을 줄이기 위해 연결 채널(203)의 폭 보다 넓은 것이 일반적이다.
상기 각 혼합부 채널(204a, 205a, 206a)의 바닥 또는 윗면에 음각 형태로 형성된 홈 채널(204b, 205b, 206b)의 폭은 상기 유체 방울 혼합부 채널(204a, 205a, 206a)의 폭 보다 좁게 형성된다. 또한 각각의 홈 채널(204a, 205a, 206a)은 연결 채널(203) 및 각 배출 채널(207a, 207b)로부터 유입되는 유체 방울의 유동 방향을 변화시키기 위해 휘어진 구조를 가질 수 있으며, 각 배출 채널(207a, 207b)은 유체 방울 혼합부의 각 채널(205a, 206a)로 연결되기 전에 가지 형태로 갈라질 수 있다.
상기 실시예에 따라 다수의 유체 방울 혼합부를 포함하는 미세 유체 제어 장치 내에서 유체 방울이 형성되는 과정을 기재하면 다음과 같다. 먼저 유체 방울 형성부(A)로부터 연결부의 채널(203)로 지속적으로 유입되는 유체 방울들은 첫 번째 홈 채널(204b)의 휘어진 벽면(204ab)에 정지된 유체 방울과 만나서 합쳐지게 된다. 일정 개수의 유체 방울이 합쳐진 혼합 유체 방울이 형성되어 그 크기가 증가하게 되면 합쳐진 방울은 다시 움직여 혼합부의 채널(204a)을 빠져나가게 된다. 상기 채널(204a)과 연결된 배출 채널(207a)의 폭은 혼합부 채널(204a)의 폭 보다 좁게 구성하여, 유속을 빠르게 할 수 있다. 상기 채널(207a)을 빠져나가는 합쳐진 유체 방울은 둘로 나누어져 일정 부분이 두 번째 혼합부의 채널(205a)로 유입된다.
이와 같이 유입된 유체 방울은 두 번째 홈 채널(205b)의 휘어진 벽면(205ab)에 의해 정지하게 되고, 첫 번째 혼합부의 채널(207a)에서 지속적으로 유입되는 방울들은 두 번째 홈 채널(205b)의 휘어진 벽면(205ab)에 정지된 유체 방울과 만나서 합쳐지게 된다. 이와 같이 일정 개수의 유체 방울이 합쳐진 혼합 유체 방울이 배출구를 빠져나가 다음 혼합부로 주입되는 과정은 계속 반복된다. 각 배출부 채 널(207a, 207b)은 가지 형태로 갈라져 부피가 커진 합쳐진 유체 방울들이 다음 혼합부 채널(205a, 206a)로 유입되기 전에 갈라져 부피가 줄어들 수 있도록 할 수 있다.
상기 다수의 유체 방울 혼합부를 포함하는 카운터부는 각각의 혼합부 채널들(204a, 205a, 206a)이 같은 개수의 유체 방울들을 합칠 수 있도록 하기 위해 컨트롤 채널(208)을 더 포함할 수 있으며, 상기 컨트롤 채널(208)은 상기 혼합부 채널(204)과 연결되어 유체의 유속을 보다 정확하게 조절할 수 있다.
도 2b는 3개의 유체 방울 혼합부의 채널(204a, 205a, 206a)을 촬영한 광학 사진이다. 상기 사진으로부터 홈 채널(205b)의 휘어진 벽면(205ab)에 유체 방울들이 정지되어 있으며, 배출 채널(207a)에서 합쳐진 유체 방울이 갈라져 부피가 줄어드는 과정을 확인할 수 있다.
한편 도 2c는 각각의 혼합부 채널(204a, 205a, 206a)에서 3개의 유체 방울들이 합쳐지는 시간을 나타낸 그래프이다. 첫 번째 혼합부 채널(204a)에서의 혼합 주기는 1.45초, 두 번째 혼합부 채널(205a)에서의 주기는 4.32초, 세 번째 혼합부 채널(206a)에서의 주기는 13.28초로 각 혼합부 채널의 주기는 이전 혼합부 채널에서의 주기와 3배 차이가 있음을 알 수 있다.
도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치를 이용한 서로 다른 유체 방울의 혼합을 설명하기 위한 평면도이다. 도 3a를 참조하면, 서로 다른 유체 방울의 혼합을 위한 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치는 다수의 유체 방울 형성부(A)를 포함하는 것이 특징이다.
각 유체 방울 형성부(A)에는 유체 주입 채널(301a, 303a)을 통해 서로 다른 종류의 유체 방울 형성을 위한 용액이 주입될 수 있으며, 이들 용액에 의해 형성된 2 종류의 유체 방울은 순차적으로 연결부의 채널(305a, 305b)을 따라 유체 방울 혼합부(B)로 이동하게 된다. 상기 유체 방울 혼합부(B)로 이동한 유체 방울은 혼합부의 홈 채널 벽면(306ab)에 정지하게 되고, 순차적으로 유입되는 유체 방울들과 합쳐치게 되는데, 본 실시예에서는 여러 개의 유체 방울 형성부를 통해 형성된 다른 종류의 유체 방울들이 합쳐져서 복합 유체 방울을 형성하게 된다. 본 실시예의 경우에도 합쳐지는 유체 방울의 크기와 정지 시간을 조절하기 위한 컨트롤 채널(307)을 더 포함할 수 있다.
도 3b는 컨트롤 채널 (307)의 유속을 변경시키며 두 종류의 유체 방울이 합쳐지는 것을 촬영한 광학사진이다. 도 3b를 참조하면 컨트롤 채널의 유속을 높일수록 유체 방울들이 유체 방울 혼합부의 채널(306)에서 합쳐지는 개수가 줄어든다.
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치의 유체 방울 혼합부의 제작을 설명하기 위한 투시도이다. 구체적으로 유체 방울 혼합용 칩의 제작 방법은 다음과 같다. 먼저 하부 기판(401) 및 상부 기판(402)은 폴리디메틸실록산(Poly(DiMethylSiloxane): PDMS)을 이용하는 몰딩(molding) 방식으로 제조될 수 있다. 복합 유체 방울 혼합용 미세 채널을 하부 기판(401) 또는 상부 기판(402)에 전사하기 위한 주형은 실리콘 웨이퍼 기판 위에 감광 물질(photoresist)을 도포하고 패터닝하는 사진 식각 공정을 적용할 수 있다. 또한 연결부의 채널(403) 및 유체 방울 혼합부(B)의 채널(404)은 상부 기판(402)에 전사 될 수 있으며, 유체 방울 혼합부의 채널(404)의 바닥 또는 윗면에 음각 형태로 형성되는 홈 채널(404a)과 컨트롤 채널(405)은 하부 기판(401)에 전사될 수 있다. 이때, 감광 물질은 예를 들어, SU-8를 사용한다.
본 발명의 일실시예에 따른 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치에서, 유체 방울 형성부 채널과 연결부의 채널(403)의 폭과 높이는 약 40 μm로 제작할 수 있다. 한편 유체 방울 혼합부의 혼합 채널(404)은 약 40 μm의 높이에 폭은 점점 넓어지는 형태를 갖도록 제작하는 것이 바람직한데, 이는 유체 방울 혼합부의 유속을 감소시켜 흘러가는 유체 방울들이 정지할 수 있도록 하기 위한 것일 수 있다. 또한 유체 방울 혼합부의 채널(404)의 바닥 또는 윗면에 음각 형태로 형성되는 홈 채널(404a)과 컨트롤 채널(405)의 폭은 약 40 μm, 높이는 약 20 μm로 제작할 수 있다. 그러나 각 채널의 폭과 높이에 사실상 제한은 없으며, 약 10 μm 내지 수백 μm에 이르기까지 장치의 사용 목적에 맞추어 원하는 크기로 제작할 수 있다. 또한 상기 홈채널(404a)의 휘어진 각도 및 굴곡의 정도도 필요에 따라 변형될 수 있다.
그 다음 상부 기판(402)의 소정 부위들을 천공하여 유체 방울을 형성하기 위한 용액 주입부, 이송 용액 주입부, 컨트롤 채널에 주입되는 용액 주입부, 배출부를 형성한다. 이렇게 형성된 하부 기판(401) 및 상부 기판(402)을 공기 플라즈마를 이용해 산화시키고 적층함으로써, 두 층으로 이루어진 복합 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 채널 칩(400)이 완성될 수 있다. 도 4b는 상기 칩의 단면도이다.
본 발명에 따른 복합 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치는 간단한 채널 구조 및 유속의 조절을 통해 복합 유체 방울을 혼합할 수 있기 때문에, 복잡한 채 널 구조나 예를 들어 외부 광원 또는/및 외부 전원 공급 장치 등의 부가적인 외부 장치가 필요하지 않다. 또한 다양한 유속 조건에서도 유체 방울의 크기 및 합쳐지는 개수를 정량화 할 수 있어 매우 유용하다.
또한 본 발명에 따른 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치는 일정한 크기의 유체 방울을 다양한 개수로 합칠 수 있으며, 일정한 개수와 일정한 주기로 합쳐지는 성질을 이용하여 카운터 구조를 설계할 수 있고, 서로 다른 유체 방울을 다양한 조합으로 합칠 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치는 여러 가지 구조를 칩 상에 집적화하여 방울 단위의 유체를 고속 및 고효율로 처리할 수 있는 랩온어칩으로 적용할 수 있어 매우 유용하다.
도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치의 구조도이다. 도 1b는 도 1a의 B 부분을 확대하여 그린 투시도이며, 도 1c는 도 1a의 채널(105)의 유속을 변화시키며 B의 일부분을 촬영한 광학 사진이고, 도 1d는 다양한 유속 조건에서 (Q1: 채널(101a)에서의 유속; Q2: 채널(102a)에서의 유속) Q3(채널(105)의 유속)의 변화에 따라 B 부분에서 합쳐지는 유체 방울의 개수를 나타낸 그래프이다.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 복합 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치를 이용한 카운터를 설명하기 위한 평면도이며, 도 2b는 도 2a의 B 부분을 촬영한 광학 사진이고, 도 2c는 도 2a의 B 부분의 각각의 유체 방울 혼합부 채널에서 세 개의 유체 방울들이 합쳐지는 시간을 나타내는 그래프(제1칼럼: 204a; 제2칼럼: 205a; 제3칼럼: 206a)이다.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 복합 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치를 이용한 다른 종류의 유체 방울의 혼합을 설명하기 위한 평면도이고, 도 3b는 도 3a의 채널(307)의 유속을 변경시키며 도 3a의 B 부분을 촬영한 광학사진이다.
도 4a는 복합 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치를 포함하는 유체 방울 혼합용 칩의 사시도이며 도 4b는 도 4a의 A-A' 선을 따라 절단한 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101 : 제1유체 주입부 102 : 제2유체 주입부
101a: 제1채널 102a: 제2채널
103 : 제3채널 104 : 제4채널
104a : 홈 채널 104ab : 홈 채널의 휘어진 부분
105 : 제6채널 107 : 제5채널
106a : 유체 방울 106b : 일시 정지한 유체 방울
106c : 혼합되어 형성된 유체 방울

Claims (21)

  1. 유체 방울 형성부, 유체 방울 혼합부 및 연결부를 포함하는 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치에 있어서,
    상기 유체 방울 형성부는 유체 방울 형성을 위한 제1유체가 주입되는 제1채널과 상기 제1채널과 수직으로 연결되며 제2유체가 주입되는 제2채널을 포함하며,
    상기 연결부는 상기 유체 방울 형성부에서 형성된 유체 방울들이 상기 유체 방울 혼합부로 이동되도록 하는 제3채널을 포함하고,
    상기 유체 방울 혼합부는 상기 유체 방울 형성부에서 형성된 유체 방울들이 합쳐질 수 있도록 홈 채널이 형성된 제4채널과 상기 합쳐진 유체 방울이 배출되는 제5채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1유체와 제2유체는 서로 혼합되지 않는 용액인 것을 특징으로 하는 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1유체는 친수성 용액이고, 상기 제2유체는 친유성 용액인 것을 특징으로 하는 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 제4채널의 폭은 상기 유체 방울 형성부에서 형성된 상기 유체 방울의 유속이 저하되도록 상기 제3채널의 폭보다 넓은 것을 특징으로 하는 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 홈 채널은 제4채널의 바닥면(bottom side) 또는 윗면(upper side)에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제4채널의 홈채널은 상기 유체 방울 형성부에서 형성된 상기 유체 방울이 정지하도록 휘어진 것을 특징으로 하는 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제4채널의 홈채널은 ‘ㄷ’자형으로 휘어진 것을 특징으로 하는 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 유체 방울 혼합부는 상기 제4채널에 연결되며, 혼합되는 유체 방울의 크기를 조절하기 위한 제3유체가 주입되는 제6채널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제6채널은 상기 제4채널에 수직 방향으로 연결되는 것을 특징으로 하는 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 제3유체는 상기 제1유체와 혼합되지 않는 유체인 것을 특징으로 하는 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제3유체는 상기 제2유체와 동일한 유체인 것을 특징으로 하는 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제5채널의 폭은 상기 제4채널의 폭보다 좁은 것을 특징으로 하는 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치.
  14. 제1항에 있어서, 다수의 유체 방울 형성부가 상기 혼합부의 제4채널과 연결된 것을 특징으로 하는 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 각 유체 방울 형성부에 주입되는 유체 방울 형성 용액은 다른 종류의 용액이며, 상기 유체 방울 혼합부에서 형성되는 유체 방울은 2 이상의 용액이 혼합된 복합 유체 방울인 것을 특징으로 하는 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치.
  16. 제1항에 있어서, 다수의 유체 방울 혼합부가 연결된 카운터부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 각 유체 방울 혼합부의 배출 채널은 상기 형성된 유체 방울의 일부는 배출되고, 일부는 다음 단계의 유체 방울 형성부에 주입될 수 있도록 갈라진 형태로 다음 단계의 유체 방울 혼합부에 연결되는 것을 특징으로 하는 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치.
  18. 제1항 내지 제3항 또는 제5항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 유체 방울 혼합용 미세 유체 제어 장치를 이용하여 유체 방울을 정량적으로 혼합하는 방법에 있어서,
    상기 유체 방울 형성부에서, 서로 경사진 방향으로 흐르는 제1유체와 제2유체가 만나서 유체 방울이 형성되는 단계;
    상기 형성된 유체 방울이 상기 연결부를 따라 이동하여 유체 방울 혼합부의 채널에 도달하는 단계;
    상기 유체 방울이 상기 유체 방울 혼합부의 홈 채널에 의해 속도가 저하 또는 정지되는 단계;
    상기 속도가 저하 또는 정지된 상기 유체 방울이 순차적으로 형성되어 상기 유체 방울 혼합부 채널로 유입된 후속 유체 방울들과 합쳐지는 단계;
    상기 유체 방울들이 합쳐져서 형성된 혼합 유체 방울이 배출되는 단계;를 포함하는 정량적으로 유체 방울을 혼합하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 유체 방울 혼합부에서 합쳐지는 유체 방울의 크기는 상기 제1유체와 상기 제2유체의 유속 조건에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 정량적으로 유체 방울을 혼합하는 방법.
  20. 제18항에 있어서, 상기 유체 방울의 크기와 정지 시간을 조절하기 위한 제3유체가 유입되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정량적으로 유체 방울을 혼합하는 방법.
  21. 제18항에 있어서, 상기 유체 방울 형성부가 복수인 경우는 각 유체 방울 형성부에서 서로 다른 종류의 유체 방울이 형성되어, 상기 유체 방울 혼합부에서 두 이상의 서로 다른 종류의 유체 방울이 합쳐져서 복합 유체 방울이 형성되는 것을 특징으로 하는 정량적으로 유체 방울을 혼합하는 방법.
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