KR20240134566A

KR20240134566A - 착탈 조립 가능한 플라스틱 미세유체 칩

Info

Publication number: KR20240134566A
Application number: KR1020230027780A
Authority: KR
Inventors: 김호진; 안혜진; 김다빈; 김주영
Original assignee: 동서대학교 산학협력단
Priority date: 2023-03-02
Filing date: 2023-03-02
Publication date: 2024-09-10

Abstract

본 발명의 일측면에 따르면, 샘플액체를 모세관력에 의해 이동시키는 미세유체 채널을 구비하는 하부본체 및 상기 하부본체에 대면 결합하여 미세유체 채널의 유체 이동로를 따라 수밀작용되는 모세관 방벽을 형성하는 상부본체로 구성되고, 상기 하부본체 및 상부본체 사이를 착탈 가능한 기구적 결합구조를 갖도록 마찰조립부를 제공하는 착탈 조립 가능한 플라스틱 미세유체 칩이 제공될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 착탈 조립 가능한 플라스틱 미세유체 칩에 따르면, 3D 프린팅 기술을 이용한 플라스틱 미세유체 칩 제작방식을 이용하기 때문에 미세유체 칩의 설계 변경이 용이하고 초기 제작 비용이 저렴한 효과를 갖는다.

Description

착탈 조립 가능한 플라스틱 미세유체 칩{Plastic Microfluidic Chip Capable of Decomposition and Assembly}

본 발명은 미세유체 칩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 3D 프린팅을 이용해 하부본체 및 상부본체로 분할 제작되고 하부본체와 상부본체 사이를 착탈 가능한 기구적 결합구조를 갖도록 마찰조립부를 제공하는 착탈 조립 가능한 플라스틱 미세유체 칩에 관한 것이다.

종래에 알려진 병원균 등의 검출 방법은 세포 배양, PCR, 및 효소 면역분석을 포함하기 때문에 노동 집약적이고 결과를 얻는데 수 시간에서 수 일이 소요되는 것이 문제점으로 지적되고 있다(Foudeh et al., Microfluidic designs and techniques using lab-on-a-chip devices for pathogen detection for point-of-care diagnostics. Lab Chip, 2012, 12, 3249-3266). 이에 차세대 바이오 산업인 현장진료기기(point of care; POC)를 제조하기 위하여, 신속 정확하며 소량의 시료를 이용하여 검출할 수 있는 랩-온-어-칩(lab-on-a-chip; LOC)에 대한 연구가 진행 중이다. 이러한 랩-온-어-칩 기술은 단일의 축소화된 디바이스 내에서 생물학적 및 화학적 샘플을 분석하는데 중대한 역할을 한다. POC 테스트는 각종 병원, 연구기관 등에서 널리 적용되고 있으며, 이상적으로는 최소 장비의 사용이 요구된다.

POC 테스트를 수행하기 위하여 다양한 종류의 디바이스를 기반으로 제품화가 이루어지고 있다. 특히, 마이크로 유체 디바이스는, 예를 들면, 매우 미소 체적을 갖는 샘플 액체를 이용하여 복잡한 생물화학적 반응을 달성할 수 있기 때문에 최근 각광을 받고 있는 분야이다.

현재, 바이오센싱 및 POC 시스템에 적용하는 기술로서, 보편적으로 (i) 플라스틱(폴리머) 기반의 미세유체 디바이스 및(ii) 멤브레인 기반의 디바이스가 이용되고 있다. 상술한 디바이스는 종래 기술에 비하여 작은 스케일로 짧은 시간 내에 분석이 이루어지고, 샘플 및 시약(reagent)의 소비량이 적고, 또한 높은 분석 재현성을 갖는 것으로 알려져 있다(Ikeda et al., Rapid and simple detection of food poisoning bacteria bybead assay with a microfluidic chip-based system, Journal of Microbiological Methods 67 (2006), 241-247). 이때, 분석 또는 검출될 수 있는 물질은 글루코스, 콜레스테롤, 단백질, 효소, 박테리아, 바이러스, 핵산 서열 등이다.

이중, 플라스틱 기반의 POC용 또는 랩-온-어-칩에 이용되는 미세유체 디바이스의 경우, 대표적으로 폴리디메틸 실록산(polymethylsiloxane; PDMS)이 사용되고 있으며, 이외에도 폴리카보네이트(PC), 폴리스티렌(PS), 폴리프로필렌(PP) 등과 같은 폴리에틸렌계 유도체를 사용하거나, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 또는 사이클릭올레핀코폴리머(COC) 등을 사용하여 일회용으로 제작되고 있다(예를 들면, 미국특허번호 제6,790,599호 등). 이와 관련하여, 플라스틱 기반 미세유체 디바이스의 대부분은 사출형성법을 이용하는데 통상적으로 금형 및/또는 주형을 이용하여 고온에서 폴리머를 형틀에 주입하고 냉각한 다음, 형틀로부터 분리하는 방법이 사용되고 있다. 이때, 형틀의 역상이 플라스틱 표면에 형성되며, 이로부터 유도된 디바이스 및 하판을 결합하고 밀봉하여 제품을 제조한다.

그러나, 상기 미세유체 디바이스의 제작 시, 일반적으로 열 접합, 초음파 접합, 광학적 방법 등을 이용하여 상부 기판과 하부 기판을 결합하는데, 이때 플라스틱 표면의 분자 구조를 이용하여 접합하는 과정에서 재질이 제한될 수 있고, 미세 구조물을 정확한 위치에 접합시키는데 기술적인 곤란성이 존재하며, 그리고 디바이스를 밀봉하는 과정에서 공기 방울이 형성되거나 일부분만 접합되는 단점이 존재한다.

한편, 멤브레인-기반 디바이스의 경우, 미세다공성 멤브레인의 모세관 작용을 이용하는 것으로, 예를 들면, 이동상 시료 용액에 포함된 검체(analytes)는 다른 화합물로부터 분리되는데 이는 고정된 고체상에 고정화된 포획 분자들(capture molecules)과의 결합 친화도(affinity)에 의한다. 멤브레인-기반 디바이스는 바이오 물질을 용이하게 고정하고 저렴한 비용으로 바이오 물질을 간편하게 검출할 수 있기 때문에, 여러 연구 및 산업 분야에서 활용되고 있다. 통상적으로 사용하는 멤브레인 타입의 재료로서, 니트로셀룰로오스(nitrocellulose)가 널리 알려져 있다. 니트로셀룰로오스는 기본적으로 친수성의 다공성(porous) 구조를 가질 것이 요구되는데, 이는 종래의 POCT 또는 신속 검사 키트(rapid kit) 등에서 검체에 대한 흡습을 이용하기 때문이다.

또한, 니트로셀룰로오스는 비교적 저렴한 단가, 모세관 유동 특성, 높은 단백질 결합능, 상대적으로 용이한 조작법(직접 캐스트법 또는 지지형 막) 등의 장점을 갖고 있다. 이외에도, 나일론 및 PVDF 막을 비롯한 다른 타입의 재료를 사용하려는 시도가 이루어지기도 하였으나, 비용, 제한적 용도 등으로 인하여 널리 이용되는데 한계가 존재한다.

그러나, 멤브레인-기반 디바이스의 경우, 액체의 젖음성(wettability)이 다르고, 유체가 흡습되어 이동하는 속도가 일정하지 않다. 이 때문에 종종 표면 젖음성을 조절하기 위하여 계면활성제로 처리하는 경우도 있으나, 계면활성제가 멤브레인 내 모세관 흐름 형태에 영향을 미칠 수 있고 그 정도를 예측하기 곤란할 수 있다.

또한, 흡습 후 검사지 전체를 거쳐 이동해야 하기 때문에 상대적으로 많은 검체량을 필요로 하며, 검체가 반응부로 이동하는 과정에서 다공성인 극성 구조물과 상호 작용하여 반응부에 도달하기도 전에 검체의 단백질량에 손실이 생길 수도 있다.

따라서, 종래에 알려진 방식이 갖는 단점을 해소하면서 샘플 내 미량의 검체를 높은 정확도 및 낮은 비용으로 검출하는 것을 가능케 하는 미세유체 디바이스, 더 나아가 이를 활용한 바이오센서에 대한 개발이 요구되고 있는 실정이다.

일반적으로 실험실 미세유체칩은 액상실리콘(liquid silicon rubber, LSR) 재질로 제작하며, 기술 상용화 단계에서 대량 생산에 용이한 플라스틱 재료로 변경하고 있다.

따라서, 재료 물성 차이에 따른 칩 설계 및 작동 조건의 변경 및 최적화가 추가로 요구된다. 플라스틱은 금형 사출, 핫 엠보싱 방식으로 제작할 수 있는데 고가(수 백~ 수 천만원)의 마스터몰드 제작을 필요로 하는 것은 물론, 설계 변경 및 최적화가 어려운 문제가 있었다.

대한민국 등록특허 제10-1813162호

본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하기 위해, 샘플액체를 모세관력에 의해 이동시키는 미세유체 채널을 구비하는 하부본체 및 상기 하부본체에 대면 결합하여 미세유체 채널의 유체 이동로를 따라 수밀작용되는 모세관 방벽을 형성하는 상부본체로 구성되는 착탈 조립 가능한 플라스틱 미세유체 칩을 제공하는데 있다.

본 발명의 일측면에 따르면, 샘플액체를 모세관력에 의해 이동시키는 미세유체 채널을 구비하는 하부본체 및 상기 하부본체에 대면 결합하여 미세유체 채널의 유체 이동로를 따라 수밀작용되는 모세관 방벽을 형성하는 상부본체로 구성되고, 상기 하부본체 및 상부본체 사이를 착탈 가능한 기구적 결합구조를 갖도록 마찰조립부를 제공하는 착탈 조립 가능한 플라스틱 미세유체 칩이 제공될 수 있다.

여기서, 상기 마찰조립부는, 원기둥형태를 갖는 복수 개의 제1마찰 보스들이 일정 간격 이격된 상태로 군집된 제1보스부를 본체의 상면 테두리부에 분산시켜 형성하고, 원기둥형태를 갖는 복수 개의 제2마찰 보스들이 일정 간격 이격된 상태로 군집된 제2보스부를 커버의 저면 테두리부에 분산시켜 형성하되,

상기 제1마찰 보스와 제2마찰 보스들은 상호 엇갈려서 대면 결합하고, 제1마찰 보스와 제2마찰 보스 사이의 마찰력에 의해 결합력이 유지되도록 할 수 있다.

이때, 상기 제1보스부는 하부본체의 상부 테두리를 일정구간 음각형태로 함몰시켜 보스 수용홈을 형성하고, 상기 보스 수용홈 내에 제1마찰 보스들이 수용 형성되도록 하며, 상기 제2보스부는 상부본체의 하부 테두리에 보스 수용홈 깊이에 해당하는 높이로 제2마찰 보스들을 돌출 형성할 수 있다.

그리고, 상기 하부본체는 일정 두께를 갖는 판형 플라스틱 베이스를 형성하고, 상면 둘레의 복수 개소에 마찰조립부의 제2보스부와 교차 결합하는 제1보스부를 형성하며, 상면 중앙의 길이방향으로 샘플액체를 모세관력에 의해 이송되도록 하는 미세유체 채널을 형성하되,

상기 미세유체 채널은, 샘플액체 투입구와 연결되어 샘플액체를 공급받는 공급구간을 형성하고, 상기 공급구간의 후단 길이방향으로 폭이 좁아진 협로를 따라 샘플액체가 모세관력에 의해 이동하는 이동구간을 형성하며, 상기 이동구간의 후단 길이방향으로 폭이 넓혀진 확장영역에 유체 흡입량을 증가시키는 모세관펌프를 형성할 수 있다.

그리고, 상기 상부본체는 일정 두께를 갖는 판형 플라스틱 베이스를 형성하고, 저면 둘레의 복수 개소에 마찰조립부의 제1보스부와 교차 결합하는 제2보스부를 형성하며, 저면 중앙 길이방향으로 미세유체 채널에 대응하는 형상의 대면부를 형성하고, 상기 대면부 외측 둘레에 일정 폭과 깊이를 갖는 유도홈을 형성하며, 상기 유도홈과 미세유체 채널 사이의 기체-액체간 계면을 이용해 유체의 경계면 이탈을 방지하는 모세관 방벽을 형성하되,

상기 상부본체의 유체이동방향 테두리 일부를 절개시켜 배기유도부를 형성하여 미세유체 채널의 모세관펌프의 끝단 일부가 개방되도록 할 수 있다.

본 발명의 착탈 조립 가능한 플라스틱 미세유체 칩에 따르면, 3D 프린팅 기술을 이용한 플라스틱 미세유체 칩 제작방식을 이용하기 때문에 미세유체 칩의 설계 변경이 용이하고 초기 제작 비용이 저렴한 효과를 갖는다.

또한, 본 발명에 따른 미세유체 칩은 별도의 장비를 사용하지 않기 때문에 장소에 구애받지 않고 사용이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 착탈 조립 가능한 플라스틱 미세유체 칩을 도시한 조립사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 착탈 조립 가능한 플라스틱 미세유체 칩을 도시한 분해사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 착탈 조립 가능한 플라스틱 미세유체 칩의 조립상태 평면도.
도 4는 본 발명에 따른 마찰조립부 구조를 도시한 요부 확대사시도.
도 5의 (a), (b)는 본 발명에 따른 마찰조립부의 마찰접합 예를 설명하는 예시도.
도 6은 본 발명에 따른 마찰조립부의 마찰접합 원리를 설명하는 개념도.
도 7은 본 발명에 따른 미세유체 채널에 모세관 방벽을 형성하는 예시도.
도 8은 본 발명에 따른 모세관 방벽 원리를 설명하기 위한 개념도.
도 9는 본 발명에 따른 칩 굽힘 정도에 따른 샘플 유체 주입량 비교 이미지.

이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 착탈 조립 가능한 플라스틱 미세유체 칩에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 착탈 조립 가능한 플라스틱 미세유체 칩을 도시한 조립사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 착탈 조립 가능한 플라스틱 미세유체 칩을 도시한 분해사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 착탈 조립 가능한 플라스틱 미세유체 칩의 조립상태 평면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 마찰조립부 구조를 도시한 요부 확대사시도이다.

도 1내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 착탈 조립이 가능한 플라스틱 미세유체 칩(100)은 크게, 샘플액체를 모세관력에 의해 이동시키는 미세유체 채널(111)을 구비하는 하부본체(110); 및 상기 하부본체(110)에 대면 결합하여 미세유체 채널(111)의 유체 이동로를 따라 수밀(水密) 작용되는 모세관 방벽(124)을 형성하는 상부본체(120);로 구성된다.

이하, 하부본체(110)의 구성에 대해 설명한다.

상기 하부본체(110)는 일정 두께를 갖는 판형 플라스틱 베이스를 형성한다.

이때, 하부본체(110)의 상면 둘레에는 뒤에서 설명하게 될 마찰조립부(130)의 제2보스부(132)와 교차 결합하는 제1보스부(131)가 복수 개소에 분산되어 형성될 수 있다.

이때, 상기 제1보스부(131)는 하부본체(110)를 평면에서 보았을 때, 4면 테두리에 각각 형성될 수 있다. 이때, 하부본체(110)는 한 쌍의 단변 테두리와 한 쌍의 장변 테두리를 형성할 수 있는데, 상대적으로 길이가 긴 장변 테두리에는 2개소 이상에 제1보스부(131)가 등 간격 배치되도록 형성될 수 있다.

그리고, 상기 하부본체(110)의 상면 중앙의 길이방향에는 미세유체 채널(111)을 형성할 수 있다. 이때, 상기 미세유체 채널(111)은 샘플액체를 모세관력에 의해 일측 방향으로 이송되도록 작용하는 것으로서, 미세단차에 의한 유체이송 통로를 제공한다.

이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 상기 미세유체 채널(111)에 대해 자세히 설명한다.

상기 미세유체 채널(111)은 평면에서 보았을 때, 샘플액체 투입구(121)와 연결되어 샘플액체를 공급받는 공급구간(111a)을 형성하고, 상기 공급구간(111a)의 후단 길이방향으로 폭이 좁아진 협로를 따라 샘플액체가 모세관력에 의해 이동하는 이동구간(111b)을 형성한다.

이때, 이동구간(111b)은 공급구간(111a)에 비해 상대적으로 좁은 협로를 형성함에 따라 이동유체의 속도가 빨라지게 된다.

그리고, 상기 이동구간(111b)의 후단 길이방향으로 폭이 넓어지는 모세관펌프(111d)를 형성한다.

상기 모세관펌프(111d)는 폭이 좁은 이동구간(111b)을 빠른 속도로 빠져나온 샘플액체가 확장영역에 들어서 유속이 느려지게 된다.

이때, 샘플액체에 포함된 기포는 모세관 방벽을 통해 배출되며, 모세관펌프(111d)는 액체 흡입량을 증가시키는 역할을 하게 된다.

이때, 상기 모세관펌프(111d) 내에는 모세관력을 증대하기 위한 유착돌기(111e)들이 형성될 수 있다.

상기 유착돌기(111e)들은 미세한 원기둥 형태로 제작될 수 있고, 원기둥의 높이는 미세유체 채널의 단차와 동일한 치수로 형성될 수 있다.

이하, 도 1내지 도 3을 참조하여, 상부본체(120)의 구성에 대해 설명한다.

동 도면에서 보는 바와 같은 상기 상부본체(120)는 일정 두께를 갖는 판형 플라스틱 베이스를 제공한다.

이때, 상기 상부본체(120)의 저면 둘레에는 복수 개소에 후술하게 될 마찰조립부(130)의 제1보스부(131)와 교차 결합하는 제2보스부(132)가 형성된다.

이때, 상기 제2보스부(132)는 상부본체(120)를 저면에서 보았을 때, 4면 테두리에 각각 형성될 수 있다. 이때, 상부본체(120)는 한 쌍의 단변 테두리와 한 쌍의 장변 테두리를 형성할 수 있는데, 상대적으로 길이가 긴 장변 테두리에는 2개소 이상에 제2보스부(132)가 등 간격 배치되도록 형성될 수 있다.

그리고, 상부본체(120)의 저면 중앙 길이방향으로 미세유체 채널(111)에 대응하는 형상의 대면부(122)를 형성하고, 상기 대면부(122) 외측 둘레에는 일정 폭과 깊이를 갖는 유도홈(123)을 형성할 수 있다.

이때, 상기 대면부(122)는 미세유체 채널(111)의 공급구간(111a), 이동구간(111b), 모세관펌프(111d)의 형상에 대응하는 동일 형상으로 제작될 수 있다.

이때, 도 7에서 보는 바와 같이 상기 대면부(122)의 폭(W2)은 미세유체 채널(111)의 폭(W1)보다 좁게 형성될 수 있다. 따라서, 상기 대면부(122) 둘레에 형성되는 유도홈(123)의 일부구간이 미세유체 채널(111)의 영역과 중첩되는데, 이때 중첩되는 구간에서 미세한 간극이 형성되어 미세유체 채널(111) 측의 샘플액체와 유도홈(123) 측의 기체 사이에 계면을 형성하게 된다.

이때, 상기 대면부(122)는 유도홈(123)과 미세유체 채널(111)이 중첩되는 구간에 해당하는 간격만큼 미세유체 채널(111) 표면으로부터 이격되도록 형성함으로써, 대면부(122) 측 꼭지점과 미세유체 채널(111) 측 꼭지점이 가상의 사선으로 연결되도록 할 수 있다.

본 발명에서는 상기 유도홈(123)과 미세유체 채널(111) 사이의 기체-액체간 계면을 이용해 샘플액체가 경계면 이탈하는 것을 방지하는 모세관 방벽(124)을 형성할 수 있게 된다.

그리고, 상기 상부본체(120)의 유체이동방향 테두리 일부를 절개시켜 배기유도부(125)를 형성할 수 있다.

도 1내지 도 3을 참조하면, 배기유도부(125)는 상부본체(120)의 단변 테두리를 "ㄷ"자 형태로 절개하여 형성할 수 있다.

이와 같은 배기유도부(125)는 평면에서 보았을 때, 미세유체 채널(111)의 모세관펌프(111d)의 끝단 일부가 개방되도록 형성되는 것으로서, 상기 개방된 곳을 통해 기포가 외부로 배기된다.

앞서 살펴본 바와 같은 본 발명에 따른 상기 하부본체(110) 및 상부본체(120)를 별개의 부품으로 분리시켜 제작함에 따라 부품설계를 단순화시킬 수 있고, 이로써, 복잡한 금형설계 없이도 3D 프린팅을 이용해 손쉽게 제작할 수 있는 이점을 갖게 된다.

이와 같은 본 발명은 3D 프린팅을 이용한 제조방법이 가능해져 제조단가를 절감하는 이점을 갖게 된다.

도 4는 본 발명에 따른 마찰조립부 구조를 도시한 요부 확대사시도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명은 상기 하부본체(110) 및 상부본체(120) 사이를 착탈 가능한 기구적 결합구조를 갖도록 마찰조립부(130)를 제공할 수 있다.

이와 같은 본 발명의 마찰조립부(130)는 레고방식의 억지끼움과 마찰 접합 원리를 이용하여 플라스틱 미세유체 칩의 하부본체와 상부본체를 조립 및 분리 가능한 구조로 제작할 수 있게 된다.

이하, 상기 마찰조립부(130)에 대해서 설명한다.

상기 하부본체(110)와 상부본체(120) 사이의 착탈 가능한 기구적 결합구조를 제공한다.

이와 같은 상기 마찰조립부(130)는, 하부본체(110)의 상면 테두리부에 분산시켜 형성된 제1보스부(131)와 상기 제1보스부(131)에 대향 결합하도록 상기 상부본체(120)의 저면 테두리부에 분산시켜 형성된 제2보스부(132)로 구성된다.

이때, 상기 제1보스부(131)는 원기둥형태를 갖는 복수 개의 제1마찰 보스(131a)들이 일정 간격 이격된 상태로 군집된 형태를 갖는다. 원기둥형태를 갖는 복수 개의 제2마찰 보스(132a)들이 일정 간격 이격된 상태로 군집된 형태를 갖는다.

이때, 상기 제1마찰 보스(131a)를 3개 형성하는 경우, 제2마찰 보스(132a)는 2개를 형성하여 제1마찰 보스(131a)들 사이에 제2마찰 보스(132a)들이 상호 접촉하도록 균등 배치되도록 할 수 있다.

예컨대, 제1마찰 보스(131a)를 2개 형성하는 경우에는 제2마찰 보스(132a)를 1개 형성하여 제1마찰 보스(131a) 2개 사이에 1개의 제2마찰 보스(132a)가 상호 접촉하도록 균등 배치될 수 있다.

이때, 상기 제1마찰 보스(131a)와 제2마찰 보스(132a)들은 상호 엇갈려서 대면 결합하고, 제1마찰 보스(131a)와 제2마찰 보스(132a) 사이의 마찰력에 의해 결합력이 유지되도록 할 수 있다.

이때, 마찰력을 높이기 위해 제1마찰 보스(131a) 및 제2마찰 보스(132a)를 상호 접촉 가능한 치수보다 큰 치수로 제작하여 과밀착이 유도되도록 할 수 있다.

이때, 상기 제1마찰 보스(131a)와 제2마찰 보스(132a)의 상대 위치를 설계함에 있어서, 하부본체(110)와 상부본체(120)의 얼라인먼트가 자동 정렬되는 위치에 제1마찰 보스(131a)와 제2마찰 보스(132a)의 상대 위치가 설정되도록 할 수 있다.

예컨대, 이와 같은 본 발명은 하부본체(110)와 상부본체(120)를 조립할 때, 별도의 얼라인 과정을 거치지 않아도, 제1보스부(131)와 제2보스부(132)의 결합관계에 의해 자동 정렬이 이루어지도록 한다.

즉, 상기 제1마찰 보스(131a)와 제2마찰 보스(132a)의 상대 위치를 통해서 하부본체(110)와 상부본체(120)의 얼라인먼트 위치를 설정할 수 있는 것이다.

그리고, 상기 제1보스부(131)는 하부본체(110)의 상부 테두리를 일정구간 음각형태로 함몰시켜 보스 수용홈(131b)을 형성하고, 상기 보스 수용홈(131b) 내에 제1마찰 보스(131a)들이 수용 형성되도록 하며, 상기 제2보스부(132)는 상부본체(120)의 하부 테두리에 보스 수용홈(131b) 깊이에 해당하는 높이로 제2마찰 보스(132a)들을 돌출 형성할 수 있다.

도 5의 (a), (b)는 본 발명에 따른 마찰조립부의 마찰접합 예를 설명하는 예시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 마찰조립부의 마찰접합 원리를 설명하는 개념도이다.

도 5에서 보는 바와 같이 제1마찰 보스(131a) 및 제2마찰 보스(132a)의 원기둥 단면의 지름의 크기 또는 이격 거리에 따라 상호 헐겁게 끼워지거나, 견고(억지끼움)하게 끼워져 조립되도록 할 수 있다.

도 6을 참조하면, 마찰조립부(130)가 견고하게 조립된 경우로서, 제1마찰 보스(131a) 및 제2마찰 보스(132a)의 기둥이 도 6에서와 같이 굽어지고 탄성복원 특성에 따라 접합면을 따라 수직항력(Fn)이 작용하게 된다.

………(식1)

(식1)에 따르면, 마찰력()과 외력()의 상호작용에 따른 반력으로 조립을 견고하게 유지할 수 있게 되며, 만약 외력()이 마찰력()보다 커지게 되면 분해가 이루어게 된다.

이때 (식1)에서 는 정지 마찰계수, 는 수직 항력, 는 원기둥의 굽힘 각(기울기)을 나타낸다.

도 6을 참조하면, 힘에 의한 분포 전단하중과 마찰력이 발생됨을 알 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 마찰조립부(130)의 기술은 단순 조립 방식에 의한 미세유체 칩의 제작을 가능하게 할 뿐만 아니라, 조립과정에서 하부본체와 상부본체 구조물의 자동 정렬이 이루어지도록 할 수 있다.

이때, 자동 정렬 작용은 모세관 방벽을 일정하게 구현할 수 있도록 한다.

예컨대, 종래기술에서는 상판구조와 하판구조를 초음파 융착, 필름 접합 등 방식으로 조립하기 위해서는 별도의 정렬을 위한 장치 구조물을 필요로 하는 문제가 있었다.

특히, 본 발명에서는 하부본체(110) 및 상부본체(120)를 3D 프린팅 기술의 적층 방식으로 3차원 구조물을 제작하기 때문에 각 층 간 온도 차이가 발생하며, 이에 따른 열 팽창률(온도 함수)의 차이에 의해 하부본체(110)와 상부본체(120)에서 굽힘이 발생될 수 있는데, 본 발명의 마찰조립부(130)를 이용해 억지끼움 결합하는 경우, 강제적으로 굽힘을 방지해 줄 수 있게 된다.

도 7은 본 발명에 따른 미세유체 채널에 모세관 방벽을 형성하는 예시도이고, 도 8은 본 발명에 따른 모세관 방벽 원리를 설명하기 위한 개념도이다.

도 7을 참조하면, 미세유채 채널(111)의 외측 둘레를 상부본체(120)의 유도홈(123)이 미세간격 이격된 상태로 둘러싸도록 한다.

이는 도 8에서 보는 바와 같이 미세유체 채널(111)의 외측 둘레가 유도홈(123)과의 미세간격 만큼 일정각도(베타) 채널 확장되어 미세유체 채널(111) 내의 샘플액체와 유도홈(123) 공간의 기체 사이에 계면을 형성하게 된다.

이때, 미세유체 채널(111) 내의 샘플액체와 유도홈(123) 내의 기체가 만나는 계면에서는 외부 압력차이(액체 내부 압력 - 기체 압력)에 따른 음의 값이 생성되어 샘플액체가 유도홈(123) 측으로 이동되지 않고 계면을 유지하는 상태가 된다.

이처럼, 액체와 기체의 계면에서의 압력차를 이용해 일종의 모세관 방벽을 형성하는 현상을 모세관 밸브 현상이라 한다.

예컨대, 종래기술에서는 면이 완벽하게 (conformal contact) 접합되지 않으면 좁은(마이크로 또는 나노 크기) 틈을 통해 미세유체 채널 내의 샘플액체가 누수되는 문제가 발생될 수 있지만, 본 발명에서는 의도적으로 미세유체 채널(111)과 유도홈(123) 사이에 간격(Gv)을 둠으로써, 모세관 밸브 현상(다음 페이지 참조)을 유도하여 샘플액체가 미세유체 채널 주변으로 누수되는 것을 방지할 수 있게 되는 것이다.

이와 같은 본 발명은 기존 접합 기술과 달리 conformal 접촉이 필요 없기 때문에 본딩 수율이 높은 이점을 갖게 된다.

도 9는 본 발명에 따른 칩 굽힘 정도에 따른 샘플 액체 주입량 비교 이미지이다.

도 9를 참조하면, 마찰조립부(130)의 제1마찰 보스 및 제2마찰 보스의 크기가 다른 4개의 미세유체 칩을 제작하여 각각 동일한 양의 샘플액체(용액)를 주입하였다. 이때, 미세유체와 플라스틱 미세유체 칩 표면의 접촉각은 70도 내외로 별도의 친수화 표면처리없이 모세관 유동에 의해 자발적으로 이송되며 간격이 있음에도 불구하고 액체 누수가 발생하지 않음을 확인할 수 있었다.

한편으로, 동일한 양을 각 칩에 주입하였음에도 불구하고 채워지는 정도가 다르게 나타났는데, 이를 통해 칩의 굽힘에 의해 채널 깊이가 다름을 간접적으로 확인할 수 있었다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

100: 미세유체 칩 110: 하부본체
111: 미세유체 채널 111a: 공급구간
111b: 이동구간
111d: 모세관펌프 111e: 유착돌기
120: 상부본체 121: 샘플액체 투입구
122: 대면부 123: 유도홈
124: 모세관 방벽 125: 배기유도부
130: 마찰조립부 131: 제1보스부
131a: 제1마찰 보스 131b: 보스 수용홈
132: 제2 보스부 132a: 제2마찰 보스

Claims

샘플액체를 모세관력에 의해 이동시키는 미세유체 채널을 구비하는 하부본체 및 상기 하부본체에 대면 결합하여 미세유체 채널의 유체 이동로를 따라 수밀작용되는 모세관 방벽을 형성하는 상부본체로 구성되고,
상기 하부본체 및 상부본체 사이를 착탈 가능한 기구적 결합구조를 갖도록 마찰조립부를 제공하는 착탈 조립 가능한 플라스틱 미세유체 칩.
제1항에 있어서,
상기 마찰조립부는, 원기둥형태를 갖는 복수 개의 제1마찰 보스들이 일정 간격 이격된 상태로 군집된 제1보스부를 본체의 상면 테두리부에 분산시켜 형성하고, 원기둥형태를 갖는 복수 개의 제2마찰 보스들이 일정 간격 이격된 상태로 군집된 제2보스부를 커버의 저면 테두리부에 분산시켜 형성하되,
상기 제1마찰 보스와 제2마찰 보스들은 상호 엇갈려서 대면 결합하고, 제1마찰 보스와 제2마찰 보스 사이의 마찰력에 의해 결합력이 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 착탈 조립 가능한 플라스틱 미세유체 칩.
제2항에 있어서,
상기 제1보스부는 하부본체의 상부 테두리를 일정구간 음각형태로 함몰시켜 보스 수용홈을 형성하고, 상기 보스 수용홈 내에 제1마찰 보스들이 수용 형성되도록 하며, 상기 제2보스부는 상부본체의 하부 테두리에 보스 수용홈 깊이에 해당하는 높이로 제2마찰 보스들을 돌출 형성하는 것을 특징으로 하는 착탈 조립 가능한 플라스틱 미세유체 칩.
제1항에 있어서,
상기 하부본체는 일정 두께를 갖는 판형 플라스틱 베이스를 형성하고, 상면 둘레의 복수 개소에 마찰조립부의 제2보스부와 교차 결합하는 제1보스부를 형성하며, 상면 중앙의 길이방향으로 샘플액체를 모세관력에 의해 이송되도록 하는 미세유체 채널을 형성하되,
상기 미세유체 채널은, 샘플액체 투입구와 연결되어 샘플액체를 공급받는 공급구간을 형성하고, 상기 공급구간의 후단 길이방향으로 폭이 좁아진 협로를 따라 샘플액체가 모세관력에 의해 이동하는 이동구간을 형성하며, 상기 이동구간의 후단 길이방향으로 폭이 넓혀진 확장영역에 액체 흡입량을 증가시키는 모세관펌프를 형성하며, 상기 모세관펌프 내에는 모세관력을 증대하기 위한 유착돌기들이 형성되는 것을 특징으로 하는 착탈 조립 가능한 플라스틱 미세유체 칩.
제1항에 있어서,
상기 상부본체는 일정 두께를 갖는 판형 플라스틱 베이스를 형성하고, 저면 둘레의 복수 개소에 마찰조립부의 제1보스부와 교차 결합하는 제2보스부를 형성하며, 저면 중앙 길이방향으로 미세유체 채널에 대응하는 형상의 대면부를 형성하고, 상기 대면부 외측 둘레에 일정 폭과 깊이를 갖는 유도홈을 형성하며, 상기 유도홈과 미세유체 채널 사이의 기체-액체간 계면을 이용해 유체의 경계면 이탈을 방지하는 모세관 방벽을 형성하되,
상기 상부본체의 유체이동방향 테두리 일부를 절개시켜 배기유도부를 형성하여 미세유체 채널의 모세관펌프의 끝단 일부가 개방되도록 하는 것을 특징으로 하는 착탈 조립 가능한 플라스틱 미세유체 칩.