KR100421359B1 - 탄성 재질의 기판 내에서 유체를 이송하는 방법 및 이를위한 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전자를 이용하여, 기판 내부에 미세 채널 이외에 유체 이송을 위한 별도의 기계적 장치나 구조를 갖지 않는 탄성 재질로 만들어진 기판을, 기판 내부의 미세 채널이 막히도록 누른 후 회전자를 회전시킴으로써, 미세 채널 내부의 유체가 밀리거나 당겨지는 원리에 의하여 탄성 재질의 기판 내에서 극미량의 유체를 이송하는 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명의 유체의 이송속도는 미세 채널을 누르는 회전자의 회전속도 및 미세 채널의 크기에 의해 pℓ/sec 내지 ㎖/sec 사이에서 결정되고, 기판 밖에서 미세 채널에 압력을 가하여 유체를 이송하기 때문에 이송하고자 하는 유체의 물리적 성질에 무관하므로, 다양한 종류의 유체를 별도의 보정 과정 없이 정확하게 이송할 수 있다. 본 발명에 따라 유체를 기존의 방법으로는 이송이 어려웠던 pℓ수준의 극미량에서부터 ㎖ 수준의 미량까지 효과적으로 이송할 수 있으므로, 본 발명은 극미량의 유체를 다루는 많은 분야에서 기존의 방법들을 대체할 수 있는 우수한 유체 이송수단으로 이용될 수 있을 것이다.

Description

탄성 재질의 기판 내에서 유체를 이송하는 방법 및 이를 위한 장치{METHOD FOR DELIVERING FLUID IN ELASTIC SUBSTRATE AND DEVICE FOR IT}

본 발명은 기판 내에서 미량의 유체를 이용한 분석이나 합성 등의 과정에서 필요한 유체를 이송하는 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 한 쪽 면에 미세 채널을 가진 탄성 재질의 기판을 다른 기판으로 덮어 접합시킨 구조의 기판 외부에서 회전자를 이용하여 기판 내부의 미세 채널에 압력을 가하여 미세 채널 내부에 들어있는 유체를 이송하는 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다.

과학과 기술이 발전함에 따라 많은 분야에서 소형화, 자동화에 대한 관심이늘고 있다. 소형화는 장치의 크기와 무게가 줄어들 뿐만 아니라, 장치를 작동하기 위해 필요한 전력의 소모가 줄어들게 되어 휴대용 실험장비의 개발을 용이하게 한다. 또 실험에 필요한 시료나 시약의 양이 획기적으로 줄어 고가의 시료나 시약을 사용하는 많은 실험들을 경제적으로 수행할 수 있게 한다. 자동화는 실험에서 수행되는 많은 과정들이 인력이 아닌 기계적인 수단에 의해 자동적으로 수행되는 것이다. 일반적으로 실험실에서 수행되는 실험들은 대부분 각각의 독립적인 과정들이 병렬적으로 혹은 순차적으로 수행되어 이루어지는데, 이러한 과정들은 많은 노동력과 시간을 필요로 하고, 실험의 연속성이나, 효율성이 크게 떨어질 뿐만 아니라, 실험의 부정확성이 높아지는 원인이 되기도 한다. 따라서, 실험의 자동화가 이루어지면 실험의 각 과정들이 인력이 아닌 기계적인 수단에 의해 진행되므로 실험의 연속성이나 효율성이 크게 증대되어 노동력과 시간을 크게 줄일 수 있고 실험의 정확성이 높아진다.

반도체 기술의 발전과 함께 미세가공기술이 발전하면서 소형화와 자동화를 동시에 추구하고자 하는 노력들이 진행되고 있다. 이러한 연구의 한 예로 랩온어칩(Lab-on-a-chip)이 있다. 랩온어칩은 반도체 분야에서 널리 사용되는 사진 석판인쇄(photolithography) 기술이나 미세가공기술(micromachining)을 이용하여 유리, 실리콘 또는 플라스틱으로 된 수 cm²크기의 기판(칩) 위에 여러 가지 장치들을 집적시킨 화학 마이크로 프로세서로서, 고속, 고효율 및 저비용의 자동화된 실험이 가능하다(Kovacs, Anal. Chem. 68 (1996) 407A-412A). 이처럼 하나의 칩 내에실험과정에 필요한 많은 장치들을 집적시킴으로써 소형화하고, 칩 내에서의 실험을 위한 각 과정들이 연속적으로 수행될 수 있도록 연결한 후 이를 자동화한다면 많은 분야에서 실험에 필요한 많은 노동력과 비용을 줄이면서도 보다 효율적으로 실험을 수행할 수 있게 된다. 최근 새로이 형성된 기술적 전략의 결과로 신약탐색이나 신물질 개발 관련 분야에서 수십만 개의 화합물 라이브러리를 통한 확률적인 접근 방법이 상당한 위력을 발휘함에 따라, 조합 화학 기법을 이용한 화합물 라이브러리를 구축하고 이를 분석하는 연구들이 진행되고 있다. 이러한 연구수행을 위해 랩온어칩으로 많은 종류의 시료를 동시에 합성하거나 분석하는 고속, 고효율, 저비용의 소형화 및 자동화된 실험방법을 개발하고자 하는 노력이 이루어지고 있다.

소형화와 자동화가 진행되면서 이에 따른 새로운 기술의 필요성이 크게 대두되고 있다. 이는 기존에 용액을 다루는데 이용되었던 많은 방법들이 여러 가지 이유에서 극미량의 용액을 다루는데 적용하기 어렵기 때문이다. 용액을 이송하는데 사용되는 기존의 방법들은 최소 이송량이나 이송조건 등 많은 요소들이 극미량의 용액을 이송하는데 부적합하다. 또한 많은 양의 용액을 이송할 때 큰 문제가 되지 않던 많은 요인들이 극미량의 용액을 이송할 때에는 심각한 문제를 일으키기도 한다. 예를 들어 채널에서 용액을 흘릴 경우 이송되는 용액과 채널의 내벽간에 발생하는 표면장력의 영향으로 용액이 원하지 않는 방향으로 이송되거나 효과적으로 이송되지 않기도 하며, 채널 내에서 용액이 흐를 때 발생하는 배압(back pressure)의 증가로 이송에 필요한 압력이 크게 증가하는 경우 및 채널 내에서 용액이 증발되어 정확한 양의 이송이 어려워지는 문제 등이 있다.

극미량의 용액을 미세 채널에서 이송하는 방법의 하나로 가장 널리 이용되는 것은 전기장을 이용하는 방법이다. 전기장을 이용하는 방법은 용액이 채워진 미세 채널 양단에 전압을 걸었을 때 발생하는 모세관 전기삼투현상을 이용하여 별도의 펌프나 밸브 없이 용액의 흐름을 제어할 수 있을 뿐 아니라, 모세관 전기영동을 이용한 시료의 분리가 가능하므로 칩(chip) 상에서 시료를 분석할 수 있다(Harrison, Science 261 (1993) 895-897; Jacobson, Anal. Chem. 66 (1994) 4127-4132; Li, Anal. Chem. 69 (1997) 1564-1568; Kopp, Science 280 (1998) 1046-1048). 이 방법은 장치가 간단하므로 랩온어칩과 같이 미세 채널 내에서 용액을 흘리는 분야에서 가장 널리 이용되는 방법이지만, 전기장을 이용하여 용액을 흘리기 때문에 채널이 하나 이상 복잡하게 연결되어 있는 경우 용액의 이송을 조절하기 어려워질 뿐만 아니라, 용액의 흐름이 이송하려는 용액의 산도(pH)나 이온세기(ionic strength), 점성(viscosity)등과 같은 물리적인 특성에 크게 영향을 받기 때문에 여러 종류의 용액을 이송해야 하는 경우 정확한 이송이 어렵거나 불가능하다.

그 이외에도, 극미량의 용액을 정밀하게 이송하는 방법을 개발하기 위해 많은 연구들이 수행되고 있다. 먼저 외부의 소형펌프(micropump)를 미세 채널에 연결하여 용액을 이송하는 방법이 있다. 이러한 방법에는 연동식 펌프(peristaltic pump), 주사기 펌프 또는 HPLC 펌프 등이 이용되거나 압축공기를 이용하는(Hosokawa, Anal. Chem. 72(1999) 4781-4785) 방법 등이 이용되고 있다. 그러나 이러한 방법들은 대부분 마이크로 리터(㎕: 10^-6ℓ) 수준의 용액을 이송하는용도로 이용될 수 있는 것들로서, 랩온어칩과 같이 극미량의 용액을 다루는 많은 분야에서 요구하고 있는 나노 리터(nℓ: 10^-9ℓ)나 피코 리터(pℓ: 10^-12ℓ) 수준의 극미량의 용액을 효과적으로 이송하기에는 적당하지 않고, 가격이 비싸다는 문제점이 있다. 또한, 외부의 소형펌프를 랩온어칩의 미세 채널과 연결하기 위해서는 펌프에서 미세 채널까지 유체를 채워야 하므로 불필요한 시약 및 시료가 낭비가 심하고, 용액의 이송을 위한 압력이 칩의 외부에서 발생되므로 칩과 외부의 소형 펌프를 연결하는 부위에서 유체가 새는 등의 문제로 복잡하고 정교한 설계와 조립이 필요하다.

외부의 소형펌프를 칩 내부의 미세 채널과 연결하는 방법 이외에도 칩 내에 직접 소형 펌프를 구현하여 용액을 이송하기 위한 연구들이 활발하게 이루어지고 있다. 이러한 연구의 결과로 칩 내부에 진동판(diaphragm)을 만들고 압전소자(piezoelectric material)를 이용하거나(Andersson, Sens. Actuators B72(2001) 259-265; Nguyen, Sens. Actuator A (2001), 104-111) 공기압(Scomburg, J. Micromech. Microeng. 3(1993) 216-218)을 이용하여 진동판을 진동시켜 용액을 이송하는 온칩형 격막펌프, 채널 내부에서의 전기화학적 반응을 통해 채널 내에 공기방울을 만들어 용액을 이동시키는 방법(Bohm, Proceedings of the Transducers, Sendai, Japan, 1999. pp. 880-881) 등 많은 결과들이 보고되었다. 그러나 이러한 장치들은 칩 내부에 용액을 이송하기 위한 별도의 구조나 장치를 구현하여야 하기 때문에 칩의 제작이 어렵고, 전기삼투압 펌프와 마찬가지로 흘려주는 용액의 물리적인 성질에 영향을 받기 때문에 다양한 용액을 이송하는 장치로는 부적합하다.

본 발명의 목적은 유체 이송을 위한 별도의 기계적인 장치나 구조를 갖지 않는 미세 채널이 있는 탄성 재질의 기판 내에서, 다양한 종류의 유체를 유체의 물리적 성질에 무관하게 pℓ수준의 극미량에서부터 ㎖ 수준의 미량까지 일정한 속도로 이송하는 방법 및 이를 위한 장치를 제공하는 것이다.

도 1은 본 장치의 원리를 나타낸 것으로서, 미세 채널을 누르고 있는 회전자의 회전 날개에 의해 미세 채널 내부의 유체가 이송되는 과정을 보여준다.

도 2는 응용예 1의 극미량의 유체를 이송하는 장치를 나타낸 것이다.

도 3은 폴리(디메틸실록산)(이하 "PDMS"라 함) 재질의 미세 채널 칩을 만드는 방법을 나타낸 것이다. (a) 실리콘(silicon) 기판 위에, (b) 음성감광제를 스핀 코팅한 후, (c) 포토마스크를 덮고 자외선을 노광한 후, (d) 현상액에 담가 노광되지 않은 부분을 제거하여 주형을 완성하고, (e) PDMS 프리 폴리머(pre-polymer)를 붓고 oven에 넣어 굳힌 후, (f) PDMS 층을 떼어낸 후 PDMS 판을 관통하는 구멍을 뚫어 용액 주입구를 만들고, (g) 채널이 있는 면에 새로운 판을 붙여 완성한다.

도 4는 응용예 2 및 응용예 3의 실험방법을 나타낸 것이다.

도 5는 응용예 2 및 응용예 3의 눈금이 있는 단일채널 칩을 나타낸 것이다.

도 6은 응용예 2의 회전자를 회전시키는 스테핑모터에 입력되는 펄스 신호에 따른 용액의 이송속도를 나타낸 것이다.

도 7은 응용예 3의 다양한 종류의 용액을 이송한 결과를 나타낸 다이어그램이다.

도 8은 응용예 4의 용액의 흐름에서 맥동적인 성질을 감소시킨 극미량 유체 이송장치를 나타낸 것이다.

도 9는 응용예 4의 사용되는 엇갈린 구조의 이중으로 된 회전자를 나타낸 것이다.

도 10은 응용예 5의 실시간으로 시료를 모니터링 하는 장치를 나타낸 것이다.

도 11은 응용예 6의 연속적으로 반응을 수행할 수 있는 장치를 나타낸 것이다.

도 12는 응용예 7의 회전자의 날개에 소형 롤러를 결합하여 칩과의 접촉면에서의 마찰을 줄인 회전자를 나타낸 것이다.

본 발명에서 유체가 이송되는 원리는 도 1에 나타낸 것과 같다. 탄성 재질의 기판 상에서 도 1A에 나타난 것과 같이 톱니바퀴 모양의 회전자를 이용하여 기판 내부의 미세 채널에 기계적인 압력이 가해지도록 미세 채널을 누른 후, 압력을 가한 상태에서 회전자를 회전시켜 기판에 주기적인 압력이 가해지도록 함으로써 유체가 이송된다. 도 1A에 나타낸 것과 같이 회전자의 날(1)에 의해 미세 채널의 한 부분을 누른 후, 회전자의 날(1)을 회전시켜 미세 채널 내의 눌려지는 부분을 이동시킴으로써, 미세 채널 내부에 있는 유체가 눌린 미세 채널의 내벽에 의해 밀리거나 당겨져 이송된다(도 1B 및 1C). 이 때 회전자의 회전축은 기판면과 평행이고, 기판의 위쪽에서 관측할 때 미세 채널과는 수직으로 교차하며, 기판면에 대하여 수직 방향으로 상하로 이동할 수 있다. 회전자가 회전할 때 회전자의 회전축은 미세 채널의 길이 방향으로는 이동하지 않고 회전에 의해 톱니바퀴가 주기적으로 기판에 접촉하면서 접촉점이 이동하여 회전방향을 따라 미세 채널 내의 유체가 이송된다. 회전자 자체는 미세 채널의 길이 방향으로 이동하지 않으므로 미세 채널에서 회전자에 의해 압력을 받는 범위는 회전자의 전체 지름 이내의 길이 범위에 한정되고, 유체는 계속 한 쪽 방향으로 이동하게 되므로 유체의 공급이 계속 되는 한, 끊임없이 유체를 흐르게 만들 수 있다. 여기서 기판이라는 용어는 칩과 동일한 의미이며, 구조적인 관점에서 표현하기 위해 사용하였다. 이송되는 유체를 계속적으로 공급하기 위하여 기판 내부에 유체를 저장하는 부분을 포함시키거나, 또는 필요한 유체의 양이 내부의 저장 한계를 넘을 경우 미세 채널과 외부의 별도 저장 용기를 관을 통하여 연결하여 사용할 수 있다. 이송되는 유체의 양 및 이송속도는 회전자에 의해 눌리는 미세 채널의 내부 크기 및 미세 채널을 기계적인 압력으로 누르는 회전자의 회전속도에 의해 결정된다. 본 발명의 특징은 유체를 이송하는 수단이 기판 내부에 들어있지 않다는 것이다. 따라서, 유체 이송을 위한 구조물이나 기계장치를 기판 내부에 구현하기 위한 복잡한 제작과정이 필요하지 않으므로 기판의 설계 및 제작이 매우 쉽다. 이러한 특징에 의하여 본 발명은 탄성재질로 만들어진 모든 미세 채널 기판에 그대로 적용될 수 있다.

본 발명에 따라 유체를 이송하는 방법은 다음에 이어지는 것과 같은 응용예 및 실시예에 의하여 보다 상세히 설명되지만, 본 발명의 범위가 이러한 응용예에 한정되는 것은 아니다.

응용예 및 실시예

1.탄성 재질의 기판에서 유체를 이송하는 장치

본 발명을 이용하여 기판에서 유체를 정밀하게 이송할 수 있는 장치의 한 예가 도 2와 같이 구성되었다. 기판 내부의 미세 채널(2)에 기계적인 압력을 가하여채널 벽을 눌러주기 위해 톱니 모양의 회전자(3)를 사용하였고, 회전자는 스테핑모터 (stepping motor: 4)에 연결되어 회전하게 된다. 스테핑모터와 연결된 회전자를 수동식 z축 이동대(translational stage)(5)에 설치하여 Z축 이동대를 수동으로 이동시켜 회전자가 기판의 외부에서 미세 채널에 기계적인 압력을 가하여 채널을 누를 수 있게 하였다. 회전자를 기판에 대하여 수직방향으로 이동시켜 기판 표면과 접촉하도록 함으로써 기판에 기계적 압력을 줄 수 있는 수단은, 본 예와 같이 수동식으로도 가능하지만, 모터, 펌프, 전자석 등을 이용하면 자동화할 수도 있다. 회전자를 회전시키는 수단으로 스테핑모터 이외에도 DC 모터 또는 서보 모터 등을 사용할 수도 있다.

도 3은 미세 채널 기판을 만드는 방법의 한가지 예로서, 탄성고분자의 일종인 폴리(디메틸실록산)(이하 "PDMS"라 한다.)을 이용하여 미세 채널 기판을 제작하는 방법을 나타낸 것이다. 미세 채널 기판은 다음과 같은 방법으로 제작된다. 반도체 제작공정에서 사용하는 사진 석판인쇄술(photolithography)로 실리콘 기판(silicon wafer)위에(도 3a) 양각의 주형을 만들고(도 3a, 도 3b 및 도 3c), 만들어진 주형 위에 PDMS 판을 만들 수 있는 프리 폴리머(Sylgard 184, Dow Corning; A:B = 10:1) 용액을 부은 다음, 75 ℃의 오븐에 넣어 굳혔다(도 3e). 굳혀진 PDMS 판에서 주형에 양각된 미세 채널 형태가 음각으로 찍혀 있는 부분을 사각으로 잘라낸 다음, 미세 채널의 각 끝 부분에 직경 3㎜ 정도의 구멍을 뚫었다(도 3f). 상기 PDMS 판의 음각이 찍혀 있는 면과 새로운 밑판을 접합시켜 음각으로 찍혀 나온 형태가 모세관 형태의 미세 채널이 되도록 하였다(도 3g). 미세 채널을 형성하는 기판으로는 PDMS 이외에도 기계적 압력으로 눌려 미세 채널을 막을 수 있는 모든 재료가 사용될 수 있다. 일반적으로 탄성을 가진 고무, 실리콘계 고무 또는 플라스틱 등의 고분자 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 기판 상에 미세 채널을 만드는 방법으로는 PDMS에서와 같이 주형에 부은 뒤에 고형화시켜 만드는 방법뿐 아니라, 평평한 기판을 주형으로 눌러서 만드는 프래싱(pressing) 방법, 핫 엠보싱(hot embossing) 및 기계적 수단 또는 레이저를 이용하여 빛이나 열을 가하여 가공하는 방법 등이 사용될 수 있다.

본 발명에 따라 액체 및 기체를 포함하는 모든 유체를 이송할 수 있다. 앞에서 설명한 장치의 용액 도입부에 이송하고자 하는 용액을 채우고 회전자를 회전시킴으로써, 미세 채널 내에 채워져 있던 공기가 먼저 이송된 다음 이어서 용액이 이송되므로, 채널 내에 미리 용액을 채울 필요 없이 그대로 사용할 수 있다. 본 장치에서 이송되는 용액의 부피는 회전자에 의해 기계적인 압력으로 눌리는 부분의 미세 채널의 단면 크기, 회전자의 회전속도 및 회전자의 구조에 의해 결정된다. 회전자의 회전속도는 회전자에 연결된 스테핑모터의 회전속도에 의해 결정된다. 스테핑모터의 회전속도는 스테핑모터의 각분해능과 스테핑모터에 입력하는 펄스 신호의 주파수에 의해 결정된다. 상기 장치에 사용된 스테핑모터는 1°/펄스의 각 분해능을 가지는 것을 사용하였고, 펄스 신호는 원하는 속도에 맞도록 수 Hz에서 수백 Hz에 사이의 다양한 주파수의 신호를 입력하여 회전자의 회전속도를 조절할 수 있다.

유체를 계속해서 공급할 수 있는 본 발명의 장치는 화합물 또는 혼합물을 계속적으로 공급하는 것이 필요한 분야에서 단순한 장치로 적용할 수 있는 장점을 갖는다. 여기서 계속적으로 공급한다는 의미는 같은 속도로 장시간 공급하는 것뿐 아니라, 조건에 따라 유체의 양을 조절하면서 공급하는 것을 포함하는 것이다. 이러한 응용분야의 예에는 인간 또는 동식물에 약물을 공급하는 기기, 화학/생물 공정에서의 화합물 또는 혼합물 공급기기, 및 세포 또는 미생물 배양기에서 배양액을 공급하는 기기 등이 있다.

2.탄성재질의 단일채널 기판에서 용액을 이송하는 방법

도 2의 장치 및 단일채널 기판을 이용하여 용액을 효과적으로 이송할 수 있다. 도 4는 단일채널 기판을 이용하여 탄성재질이 기판에서 용액을 이송하는 방법을 나타낸 것이다. 용액의 이송속도는 유속센서를 이용하여 측정할 수 있으나, 본 응용예에서는 용액과 공기층간의 경계면의 이동거리를 전하결합소자(이하 "CCD"라 한다) 카메라와 연결한 모니터를 통하여 관측하면서 이동시간을 측정하여 용액의 이송속도를 계산하였다. 먼저 도 2와 같은 장치에 도 5와 같은 형태의 단일채널 기판을 고정대에 올려놓고 고정시킨다. 도 5의 단일채널 기판은 폭 50 ㎛, 깊이 30 ㎛, 길이 4 ㎝의 미세 채널과 미세 채널의 중간 부분부터 용액의 이동거리를 관측하기 위해 미세 채널의 옆부분에 눈금을 구현한 것이다. 수동식 z축 이동대를 이동시켜 회전자가 기판의 미세 채널을 누르도록 한다. 스테핑모터에 연결된 회전자를 회전시켜 용액을 미세채널의 중간부분까지 이송한다. 이 과정은 CCD 카메라를 이용하여 관찰하면서 수행한다. 용액이 미세 채널의 중간부분에 도달하면 스테핑모터를 멈추고 스테핑모터의 입력 신호 주파수를 원하는 회전속도에 맞게 설정한다. 입력 신호 주파수를 설정한 후 회전자를 설정된 속도로 회전시키면서 용액과 공기층의경계면이 일정한 간격의 두 눈금을 통과하는데 걸리는 시간을 초시계로 측정한다. 두 눈금 사이의 간격은 회전자의 회전속도에 따라 달리 설정하였다. 도 6는 회전자의 회전속도를 달리 하면서 측정한 용액의 이송속도를 나타내는 그래프이다. 도 6에서 보여주는 것과 같이, 이송속도는 약 50 pℓ/sec 내지 2.5 nℓ/sec인데, 회전자를 회전시키는 모터의 성능을 높이고, 윤활제를 사용하여 회전자와 기판과의 마찰을 줄이면 회전자의 회전속도를 올릴 수 있으므로 이송속도의 범위를 넓힐 수 있다.

용액의 이송속도는 또한 채널의 폭 및 깊이를 변화시켜 조절할 수 있다. 예를 들어 채널의 폭과 깊이가 각각 10 ㎛ 및 3 ㎛인 미세 채널 기판을 사용하는 경우 도 6의 경우보다 이송 속도가 1/50으로 줄어들게 되므로, 도 4와 동일한 방법에 의하여 1 pℓ/sec에서 50 pℓ/sec의 유체 이송속도를 얻을 수 있다. 또한 채널의 폭이 3 ㎜, 깊이가 1 ㎜인 미세 채널 기판을 사용하는 경우 용액 흐름속도는 0.1 ㎕/sec에서 5 ㎕/sec로 조절될 수 있다. 이와 같이 용도에 따라 미세 채널의 폭과 깊이를 조절하여 이송가능한 속도의 범위를 조절할 수 있고, 회전자의 회전속도를 조절함으로써 이송 가능한 속도범위 내에서 용액의 이송속도를 자유롭게 조절할 수 있다.

3.단일채널 기판에서 다양한 성질의 용액을 흘리는 방법

일반적으로 극미량 용액을 이송하는데 사용되는 대부분의 장치들은 다양한 종류의 용액들을 정밀하게 이송하기 위하여 용액의 물리적 특성에 따라 용액을 흘려주기 위한 조건들을 변화시켜야 한다. 예를 들어 전기삼투현상을 이용하여 용액을 이송하는 방법은 용액의 조성에 따라 전기삼투흐름의 속도가 변하기 때문에 원하는 속도를 얻기 위해서는 먼저 걸어주는 전기장의 세기를 변화시켜 주며 각 전기장의 세기에 대한 속도를 측정하여 걸어주는 전기장의 세기와 속도와의 관계를 실험전에 미리 파악해야 한다. 그러나 본 발명의 경우 미세 채널이 눌려진 후 눌려진 부분이 이동하여 용액이 흐르게 되므로, 이송하고자 하는 용액의 물리적인 성질에 무관하게 용액을 일정한 속도로 이송할 수 있다.

도 2와 같은 장치 및 단일채널 기판을 이용하여 다양한 용액들을 용액의 물리적인 성질에 무관하게 동일한 속도로 용액을 이송할 수 있다. 실험 방법은 응용예 2와 같은 방법을 사용하였고, 단일채널 기판은 폭이 50 ㎛, 깊이가 30 ㎛인 미세 채널 기판을 사용하였으며, 회전자를 회전시키는 스테핑 모터에는 100Hz와 160Hz의 펄스 신호를 입력하였다. 도 7는 위와 같은 실험방법으로 다양한 용액을 이송한 결과를 나타낸 것으로서, 두 가지 속도에 대하여 용액의 산도, 점도 및 이온세기 등이 각기 다른 여러 용액들의 이송속도가 용액의 종류에 무관하게 동일함을 함을 보여준다.

4.용액의 흐름에서 맥동을 줄이는 방법

본 발명에 의한 용액의 흐름은 연속적이 아니라 맥동적인 성질을 가진다. 이는 도 1에서 나타난 것처럼 이송되는 용액의 흐름 사이에는 회전자의 날개(1)에 의해 미세 채널의 내벽이 규칙적으로 눌려지는 부분에는 용액이 존재하지 않기 때문이다. 이러한 특징은 일반적인 소형펌프에서 흔히 나타나는 문제점으로서, 단순히 용액을 이송하는 과정에서는 큰 문제를 유발하지 않지만, 일정한 속도의 연속적인흐름을 필요로 하는 분야에서는 큰 문제점으로 작용한다.

도 8은 본 발명에 따라 용액을 이송할 때 용액 흐름의 맥동적인 성질을 감소시킬 수 있는 장치를 나타낸 것이다. 이러한 장치는, 응용예 1에서 하나의 회전자와 하나의 미세 채널을 사용하여 용액을 이송하는 것과는 달리, 도 9의 A에서 보여주는 것과 같은 두개의 회전자(6)를 사용하여 독립된 두개의 미세 채널(7)에서 용액을 이송한 다음, 미세 채널이 연결된 부분(8)에서 합쳐지도록 구성되었다. 두개의 회전자는 도 9의 B에 나타낸 것처럼 회전자의 날개가 서로 엇갈려 있다. 엇갈린 구조의 두개의 회전자 및 두개의 미세 채널을 사용하는 경우 각각의 미세 채널에서는 맥동적인 흐름을 가지게 된다. 그러나 두개의 미세 채널 중 하나의 미세 채널이 최저의 유속을 나타낼 때 다른 미세 채널은 최고의 유속을 나타내게 되므로 서로 엇갈려서 용액을 밀어주게 되고, 용액이 합쳐지는 부분(8)에서는 용액 흐름의 맥동성이 줄어든다. 이러한 특징은 용액의 흐름이 맥동적일 경우 문제가 발생될 수 있는 분야에도 본 발명을 적용할 수 있도록 해 준다.

5.실시간으로 시료를 모니터링 하는 장치

도 10은 시간에 따라 구성성분이 변하는 시료에 포함되어 있는 특정 성분의 농도 변화를 본 발명을 이용하여 실시간으로 모니터링 할 수 있는 장치를 나타낸 것이다. 이 방법은 공장의 배출수 또는 유체로 된 생산품의 품질관리 등과 같이 실시간 모니터링을 필요로 하는 분야에서 사용될 수 있다. 도 8에 나타낸 장치의 시료 도입부(9)를 통하여 분석하고자 하는 시료를 실시간으로 기판 내부에 도입하고, 반응시약(10)을 이용하여 반응부에서(11) 화학 반응이 일어나도록 하여 도입된 시료를 검출할 수 있도록 처리한 다음 이를 검출함으로써(12) 실시간 분석을 수행한다.

기판 내부 미세 채널에서의 반응시약과 시료의 반응은 도 10에서와 같이 한 곳에서만 일어나게 하는 것 뿐 아니라, 미세 채널의 구조를 변형시켜 순차적으로 또는 병렬적으로 시료가 다른 반응시약과 반응하도록 만들 수 있다. 또한 미세 채널에 밸브역할을 하는 부분을 도입하면 시료 또는 반응시약이 계속적으로 공급되는 것이 아니라 일정한 밴드 형태로 미세 채널을 따라 이동하도록 만들 수 있다. 또한 시료를 밴드 형태로 미세 채널을 따라 이동하도록 만들고, 시료의 밴드가 흐르는 미세 채널 부분을 크로마토그래피의 컬럼 물질로 채우거나 또는 내벽에 코팅하게 되면, 시료의 밴드는 미세 채널을 따라 이송되면서 분리가 일어나고 이를 검출기를 사용하여 검출할 수 있게 되므로 미세 채널이 크로마토그래피의 분석 기능을 수행할 수 있다.

이러한 원리를 독립적으로 또는 복합적으로 사용하여 화합물을 분석하는 장치로 만들 수 있는데, 이러한 분석장치는 신약탐색 장비, 생화학적 분석기, 시료 전처리, 분자 진단 기기, 환경오염 분석기기, 화학 또는 생화학 무기 탐지 및 식별 기기, 화학 또는 생물 공정 모니터링 장비, 의료 진단 기기 및 건강검진 기기 등에 사용될 수 있다.

6.연속적으로 반응을 수행하는 장치

일반적으로 화학 반응을 진행하는 과정에서는 독립적인 여러 과정을 단계별로 수행하게 된다. 따라서 원하는 양만큼의 최종 생성물을 얻기 위해서는, 반응 시작 전에, 각 단계별 반응의 수율에 따라, 원하는 양의 최종 생성물을 얻을 수 있는 반응 개시물의 양을 계산하여 반응을 시작해야 한다. 만약 반응을 계속적으로 수행할 수 있다면, 반응 개시 후 원하는 만큼의 물질이 얻어졌을 때 반응을 종결시키면 되므로, 많은 분야에서 효과적으로 반응 실험을 수행할 수 있을 것이다. 도 11은 본 발명에 따라 계속적으로 반응을 수행할 수 있는 장치를 나타낸 것이다. 본 발명은 상기 장치의 도입부(13)를 통해 반응시약을 계속적으로 기판 내부에 도입하고, 반응부(14)에서 반응을 수행하여 생성물을 배출부(15)에 모으는 방법으로 달성된다. 기판에는 또한 반응의 생성물에서 부산물을 제거하기 위하여 추출, 분리 및/또는 정제의 공정을 포함시킬 수 있다. 이러한 방법은 원하는 양만큼의 물질을 얻거나 끊임없이 동일한 반응을 수행해야 하는 경우에 매우 효과적으로 응용될 수 있다. 즉, 대량 합성의 필요가 없는 정밀화학 제품 생산에 있어서, 수작업으로 이루어지던 기존의 합성과정을 작은 크기의 반응용 기판을 사용하여 연속적으로 필요한 양만큼 생산하는 것으로 대체하는, 일종의 자동화된 소규모 화학공장을 만드는 것이 가능하다. 또한 본 발명은 기판 내의 미세 채널의 구조를 변화시킴으로써 다양한 화학공정을 적용시킬 수 있다는 장점을 갖는다.

7.회전자에 소형 롤러를 결합하여 저항을 줄이는 방법

앞에서 설명한 것과 같은 톱니 모양의 회전자를 사용하는 경우 회전자의 날개와 미세 채널 기판 표면 사이의 마찰에 의해 기판이 손상되는 문제가 발생할 가능성이 있어 회전자를 빠른 속도로 회전시킬 수 없게 된다. 그러므로, 미세 채널 기판을 교체하지 않으면서 빠른 이송속도를 얻기 위해서는 미세 채널 기판의 손상없이 빠른 속도로 회전시킬 수 있는 새로운 형태의 회전자가 필요하다. 도 12는 회전자의 날개부분에 소형 롤러를 달아 소형 롤러가 미세 채널 기판을 누르도록 설계된 회전자(16)이다. 이러한 회전자는 회전자가 기판을 누른 상태에서 회전할 때 회전자의 날개와 기판의 접촉면 사이의 마찰이 작으므로, 기판의 손상 없이 빠른 속도로 회전시킬 수 있게 되어 빠른 이송속도를 얻을 수 있게 된다.

본 발명에 따라 기존의 장치로는 이송하기 어려웠던 pℓ수준의 극미량에서부터 ㎖ 수준의 미량까지의 용액을 용액의 종류에 관계없이 간단한 구조의 장치를 사용하여 효과적으로 이송하는 방법 및 이를 위한 장치가 제공되었다.

본 발명에 의한 유체의 이송방법 및 이를 위한 장치는 극미량의 용액을 다루는 많은 분야, 예를 들어 조합 화학 기술에 의하여 동시에 많은 종류의 물질들을 합성하는 신물질 개발 또는 동시에 많은 물질들의 성질을 확인하는 신약탐색 분야, 효소, 단백질, DNA, 신경전달물질 등과 같은 극미량의 생리활성물질들을 다루는 생명과학분야, 환경오염물질이나 화생방 무기의 탐지/식별을 위한 휴대용 분석장비 개발 분야, 및 가정용 임상진단 장비의 개발 분야 등에서 극미량의 용액을 효과적으로 이송하는 수단으로 이용될 수 있을 것이다.

특히 21세기 초 급격한 성장을 이룰 것으로 기대되는 랩온어칩과 같이, 하나의 기판 내에서 물질의 합성 또는 시료의 분석과 같은 많은 화학적인 과정이 수행되는 경우에 본 발명을 적용할 수 있으며, 기판 내부에 복잡한 장치나 구조물 없이 극미량의 용액을 효과적으로 흘릴 수 있으므로 기판의 설계 및 제작이 매우 간단해지고, 결과적으로 랩온어칩의 연구 및 실용화에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

Claims (29)

1. 내부에 미세 채널을 갖는 탄성 고분자 재질 기판의 외부에서, 톱니바퀴 모양의 회전자를 이용하여, 상기 기판의 표면에 주기적으로 기계적 압력을 가하여 미세 채널 내의 유체를 이송하는 방법.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 회전자를 이용하여 미세 채널에 회전자의 전체 지름 이내의 길이 범위에 대하여 압력이 가해지는 위치 및 압력을 주기적으로 변화시켜 유체를 이송하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 기판에 가해지는 기계적 압력이 상기 기판과 수직 방향인 것을 특징으로 하는 유체 이송 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 유체 이송 방법이 반응, 분리, 혼합, 추출, 정제, 농축 및/또는 적정 등의 과정을 단독으로 또는 복합적으로 수행하여 화합물 또는 혼합물의 분리, 분석 또는 합성을 수행하는 것을 포함하는 유체 이송방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 미세 채널의 일부가 크로마토그래피의 컬럼 기능을수행하여 화합물의 분리를 목적으로 사용되는 유체 이송방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 기판이 독립적으로 존재하거나 또는 서로 연결된 부분을 갖는 둘 이상의 미세 채널을 갖는 기판인 유체 이송 방법.
8. 제 1 항 또는 제 7 항에 있어서, 각각 용액이 들어 있는 둘 이상의 미세 채널을 둘 이상의 회전자로 제어하는 유체 이송 방법.
9. 제 1 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 있어서, 이송되는 유체가 수용액, 유기 또는 무기 용액, 및 입자를 함유한 액체 중에서 하나 이상을 포함하는 유체 이송방법.
10. 제 1 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 있어서, 이송되는 유체가 기판의 미세 채널 내부의 유체 및 미세 채널과 연결된 별도의 통로를 통해 미세 채널로 유입될 수 있는 외부의 유체를 포함하는 유체 이송방법.
11. (1) 내부에 미세 채널을 갖는 탄성 고분자 재질의 기판,

    (2) 외부에서 상기 기판의 표면에 주기적으로 압력을 가하는 가압 수단인 톱니바퀴 모양의 회전자, 및

    (3) 상기 회전자와 연결된 모터가 설치되어 있는 z축 이동대를 포함하는 유체 이송 장치.
12. 삭제
13. 제 11 항에 있어서, 상기 기판이 한 쪽 면에 미세 채널이 형성된 기판과 이 기판의 미세 채널이 형성된 면에 접합된 다른 기판으로 구성된 유체 이송 장치.
14. 제 11 항에 있어서, 상기 미세 채널의 폭이 100 ㎚내지 10 ㎜, 깊이가 100 ㎚내지 10 ㎜인 유체 이송 장치.
15. 제 11 항에 있어서, 탄성 고분자가 고무, 실리콘계 고무 및 플라스틱으로 구성된 군에서 선택되는 유체 이송 장치.
16. 제 11 항에 있어서, 상기 미세 채널이 몰딩, 프레싱(pressing), 핫 엠보싱(hot embossing), 기계 가공 및 레이저 가공 중에서 선택되는 방법에 의하여 만들어진 유체 이송 장치.
17. 제 12 항에 있어서, 상기 회전자와 상기 기판의 접촉면에 윤활제를 사용하는 유체 이송 장치.
18. 제 11 항에 있어서, 상기 회전자가 회전자의 회전축에 평행인 회전축을 가진 다수의 롤러로 구성되어 있고, 각각의 롤러가 회전축을 중심으로 등각으로 배열되어 있는 구조인 유체 이송 장치.
19. 제 12 항에 있어서, 상기 톱니바퀴 모양의 회전자가 각각의 날개부분에 회전자의 회전축에 평행인 회전축을 갖는 소형 롤러가 설치되어 소형 롤러가 미세 채널 기판을 누르도록 설계된 유체 이송장치.
20. 제 11 항에 있어서, 상기 기판에 압력을 가하기 위하여 기계적 지지력, 전자기력, 유압 또는 기압을 사용하는 유체 이송 장치.
21. 제 11 항에 있어서, 이송되는 유체가 수용액, 유기 또는 무기 용액, 및 입자를 함유한 액체 중에서 하나 이상을 포함하는 유체 이송 장치.
22. 제 11 항에 있어서, 상기 기판이 독립적으로 존재하거나 또는 서로 연결된 부분을 갖는 둘 이상의 미세 채널을 포함하는 유체 이송 장치.
23. 제 11 항에 있어서, 각각 용액이 들어 있는 둘 이상의 미세 채널을 둘 이상의 회전자로 제어하는 유체 이송 장치.
24. 삭제
25. 제 11 항에 있어서, 상기 미세 채널의 일부가 크로마토그래피의 컬럼 기능을 수행하여 화합물의 분리를 목적으로 사용되는 유체 이송 장치.
26. 제 11 항 내지 제 25 항 중의 어느 한 항에 따른 유체 이송 장치를 포함하는 랩온어칩 시스템.
27. 제 11 항 내지 제 25 항 중의 어느 한 항에 따른 유체 이송 장치를 포함하는 화합물 분석기.
28. 제 11 항 내지 제 25 항 중의 어느 한 항에 따른 유체 이송 장치를 포함하는 화합물 합성기.
29. 제 11 항 내지 제 25 항 중의 어느 한 항에 따른 유체 이송 장치를 포함하는 의료기.