KR100438588B1 - 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치 - Google Patents

자기력을 이용한 초미세유체 제어장치 Download PDF

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KR100438588B1
KR100438588B1 KR10-2002-0013920A KR20020013920A KR100438588B1 KR 100438588 B1 KR100438588 B1 KR 100438588B1 KR 20020013920 A KR20020013920 A KR 20020013920A KR 100438588 B1 KR100438588 B1 KR 100438588B1
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Abstract

본 발명은 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치에 관한 것으로서, 내부로 마이크로 리터(㎕;10-6ℓ) 단위 이하의 극미량의 유체를 이송할 수 있도록 형성된 적어도 하나의 미세채널과, 상기 미세채널의 일측에 상기 유체가 유입될 수 있도록 형성되는 유체유입부와, 상기 미세채널의 상기 유체유입부측과 상호 연통되게 형성되는 플런저수용부를 구비한 기판과; 상기 플런저수용부의 내부에 유동가능하게 수용되며 자성체 및 영구자석중 어느 하나로 형성되는 플런저와; 상기 플런저가 왕복운동하여 상기 미세채널의 내부의 유체가 이송될 수 있도록 자기력을 발생시키는 플런저구동부와; 상기 플런저의 구동속도를 조절할 수 있도록 상기 플런저구동부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 구성이 단순하고 유체의 물리적 또는 화학적 성질을 변화시키지 아니하며 다양한 극미량의 유체를 정밀하게 이송시킬 수 있는 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치가 제공된다.

Description

자기력을 이용한 초미세유체 제어장치{EXTREMELY-FINE-FLUID CONTROL APPARATUS USING MAGNETIC FORCE}
본 발명은, 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 구성이 단순하고 유체의 물리적 또는 화학적 성질을 변화시키지 아니하며 다양한 극미량의 유체를 정밀하게 이송시킬 수 있도록 한 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치에 관한 것이다.
기술의 발전으로 "극미량 분석"이 가능해지면서 미량의 시료나 시약들을 다루는 기술에 대한 관심이 증가되고 있다. 특히, 최근에는 합성화학과 생명과학의 발전으로 신약개발 및 진단 등의 분야에 있어 분석될 표적물질이 다양화되고 있다.
이러한 표적물질 들은 비용이 매우 고가이고 쉽게 구할 수 없는 한계에 기인하여 "극미량 분석"을 통한 비용 절감의 필요성이 날로 증대되고 있다.
전술한 바와 같이, 극미량의 시료나 시약을 다루는 일의 비중이 증가하면서 시료의 양이 매우 적고, 유체의 이송이 매우 작은 미세채널에서 이루어지는 소위 랩온어칩(LAB-ON-A-CHIP)에 대한 관심 및 연구가 증대되고 있다.
랩온어칩은, 반도체 분야에서 널리 사용되는 사진석판인쇄(PHOTOLITHOGRAPHY)기술 및/또는 미세가공기술(MICROMACHINING)을 이용하여 유리, 실리콘 및 플라스틱 등으로 된 수 제곱센티미터(㎠) 크기의 칩위에 여러 가지 미세한 장치들을 집적시킨 화학마이크로프로세서의 일종이다.
한편, 극미량의 용액을 미세채널에서 이송하는 방법의 하나로 전기장을 이용하는 방법이 있다. 이러한 전기장을 이용한 방법은, 용액이 채워진 미세한 채널 양단에 전압을 걸어 용액의 흐름을 만드는 모세관 전기삼투현상을 이용하므로 별도의 펌프나 밸브 없이 용액의 흐름을 제어할 수 있을 뿐 아니라 모세관 전기영동을 이용하여 분리분석을 할 수 있으므로, 작은 실험실을 칩위에 제작하는 것이 가능하다.
그런데, 이러한 종래의 전기장을 이용한 이송방법에 있어서는, 전기장을 이용하여 용액을 흘리기 때문에 채널이 하나 이상 복잡하게 연결되어 있는 경우 용액의 이송을 조절하기 어려워질 뿐 아니라, 용액의 흐름이 흘리고자 하는 용액의 산도(pH)나 이온세기(ionic strength) 및 점성(viscosity)등과 같은 물리적 특성에 크게 영향을 받기 때문에 여러 종류의 용액을 이송해야 하는 경우 정확한 이송이 어렵거나 불가능하다고 하는 단점이 있다.
전술한 전기장을 이용한 이송방법이외에 극미량의 용액을 정밀하게 이송하는 방법 중에는 랩온어칩의 외부에 소형펌프를 연결하여 이송시키는 방법이 있다.
그런데, 이러한 방법들은, 대부분 마이크로 리터(㎕;10-6ℓ) 수준의 용액을 이송하는 용도로 이용될 수 있는 것들로서, 랩온어칩과 같이 극미량의 용액을 다루는 분야에서 요구되는 나노 리터(nℓ: 10-9ℓ)나 피코 리터(pℓ: 10-12ℓ), 더 나아가 펨코 리터(fℓ; 10-15ℓ) 수준의 극미량의 용액을 효과적으로 이송하기에는 적합하지 아니하고, 가격이 매우 고가일 뿐만 아니라, 용액이 맥동적인 형태로 흐르기 때문에 일정한 속도로 유체를 흘려야 하는 경우 사용하기 어렵다고 하는 문제점이있다.
또, 외부의 소형펌프를 랩온어칩의 미세채널과 연결하기 위해서는 펌프에서 미세채널까지 유체를 채워야 하므로 시약 및 시료의 낭비가 심하고, 연결부위의 누설이 억제될 수 있도록 연결부위를 복잡하고 정교하게 설계 및 조립하여야 한다고 하는 문제점이 있다.
한편, 극미량의 유체를 이송 및 제어하는 또 다른 예로, 칩 내부에 진동판을 만들고 압전소자 또는 공기압을 이용하여 진동판을 진동시켜 용액을 이송하는 온칩형 격막 펌프와, 채널 내부에서의 전기화학적 반응을 통해 채널 내에 공기방울을 만들어 용액을 이동시키는 방법이 제안되어 있으나, 이러한 장치들 역시 다양한 종류의 용액을 흘리는 용도로는 적합하지 않다.
다른 장치들 역시 칩 내부에 용액을 이송하기 위한 별도의 구조나 장치를 구현하여야 하기 때문에 칩의 제작이 어렵고, 전기삼투압 펌프와 마찬가지로 흘려주는 용액의 물리적 성질에 영향을 받기 때문에 다양한 용액을 이송하는 장치로는 부적합하다고 하는 지적이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 구성이 단순하고 유체의 물리적 또는 화학적 성질을 변화시키지 아니하며 다양한 극미량의 유체를 정밀하게 이송시킬 수 있는 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치의 평면도,
도 2는 도 1의 종단면도,
도 3 및 도 4는 각각 도 1 및 도 2의 유체이송 작용을 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치의 단면도,
도 6a 및 도 6b는 각각 도 5의 작용을 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치의 단면도,
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치의 평면상태를 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치의 종단면도,
도 10은 도 9의 채널개폐부재의 작용을 설명하기 위한 요부확대도,
도 11은 도 9의 기판의 제조과정을 설명하기 위한 도면,
도 12 및 도 13은 각각 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치의 단면도이다.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
5 : 유체 10 : 기판
11 : 미세채널 13 : 유체유입부
15 : 유입부개폐밸브 17 : 밸브지지부
19 : 유체유출부 21 : 플런저수용부
23 : 연통공 30 : 플런저
40 : 플런저구동부 41 : 자성체코어
42 : 코일 50 : 제어부
상기 목적은, 본 발명에 따라, 내부로 마이크로 리터(㎕;10-6ℓ) 단위 이하의 극미량의 유체를 이송할 수 있도록 형성된 적어도 하나의 미세채널과, 상기 미세채널의 일측에 상기 유체가 유입될 수 있도록 형성되는 유체유입부와, 상기 미세채널의 상기 유체유입부측과 상호 연통되게 형성되는 플런저수용부를 구비한 기판과; 상기 플런저수용부의 내부에 유동가능하게 수용되며 자성체 및 영구자석중 어느 하나로 형성되는 플런저와; 상기 플런저가 왕복운동하여 상기 미세채널의 내부의 유체가 이송될 수 있도록 자기력을 발생시키는 플런저구동부와; 상기 플런저의 구동속도를 조절할 수 있도록 상기 플런저구동부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치에 의해 달성된다.
여기서, 상기 유체유입부는 상기 미세채널에 대해 직각되게 형성되며, 상기 플런저수용부는 상기 유체유입부를 사이에 두고 상기 미세채널의 대향측에 연장되도록 형성되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 플런저수용부에는 상기 플런저가 상기 미세채널로부터 멀어지는 방향으로 유동시 상기 플런저수용부의 압력이 상승되는 것을 방지할 수 있도록 외부와 연통되게 적어도 하나의 연통공이 형성되어 있는 것이 효과적이다.
또, 상기 플런저는 유동방향을 따라 양 단부에 상호 다른 자극을 가지는 영구자석으로 형성되며, 상기 플런저구동부는 자성체코어와 상기 자성체코어의 둘레에 권취되는 코일을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 유체유입부를 개폐할 수 있도록 상기 유체유입부에 배치되는 유입부개폐밸브를 더 포함하는 것이 효과적이다.
그리고, 상기 유입부개폐밸브는 상기 유체유입부의 내부에 배치되어 상기 플런저가 상기 미세채널로부터 멀어지는 방향으로 유동시 상기 유체유입부를 개방하고, 상기 플런저가 상기 미세채널로 접근하는 방향으로의 유동시 상기 유체유입부를 차단하도록 구성하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 유체유입부의 내면에는 상기 유입부개폐밸브가 상기 유체유입부를 차단하는 경우 상기 유입부개폐밸브와 접촉되어 상기 유입부개폐밸브를 지지할 수 있도록 중앙으로 돌출된 밸브지지부가 형성되어 있는 것이 효과적이다.
또, 상기 플런저는 상기 미세채널의 내폭에 비해 축소된 크기를 가지며 자성체로 된 복수의 나노비드로 형성되며, 상기 플런저구동부는 상기 플런저수용부의 외부에 상기 플런저수용부의 길이방향을 따라 상호 이격배치되어 독립적으로 자기력을 발생시키는 복수의 전자석부를 포함하도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기 기판은 상기 미세채널의 유로폭이 가변될 수 있도록 적어도 미세채널의 일부구간이 탄성부재로 형성되는 것이 효과적이다.
한편, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 내부에 마이크로 리터(㎕;10-6ℓ) 단위 이하의 극미량의 유체를 이송할 수 있도록 미세한 직경을 가지며 유체의 유동단면적을 가변시킬 수 있도록 탄성부재로 미세채널이 형성되어 있는 기판과; 상기 미세채널의 일측에 상기 미세채널의 유체의 흐름방향에 가로로 유동가능하게 배치되며 자기력이 작용할 수 있도록 형성되는 채널개폐부재와; 상기 채널개폐부재의 일측에 배치되어 상기 채널개폐부재가 상기 미세채널에 접근 및 이격되어 상기 미세채널을 개폐할 수 있도록 자기력을 발생시키는 자기력발생부와; 상기 자기력발생부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치가 제공된다.
여기서, 상기 채널개폐부재는 전자석으로 구성되는 것이 바람직하다.
또, 본 발명의 또 다른 분야에 따르면, 내부에 마이크로 리터(㎕;10-6ℓ) 단위 이하의 극미량의 유체가 유동할 수 있도록 상호 분기된 복수의 분기구간부와 상기 각 분기구간부의 말단이 상호 합류되는 합류구간부를 구비한 미세채널과, 상기 각 분기구간부의 일측에 소정의 유체가 유입될 수 있도록 형성되는 유체유입부와, 상기 각 분기구간부의 상기 유체유입부측에 상호 연통되게 형성되는 플런저수용부를 구비한 기판과; 상기 각 플런저수용부의 내부에 유동가능하게 수용되고 자성체 및 영구자석중 어느 하나로 형성되는 플런저와; 상기 각 분기구간부의 유체를 상기 합류구간부측으로 이송시킬 수 있게 해당 플런저가 구동될 수 있도록 자기력을 발생시키는 플런저구동부와; 상기 각 분기구간부의 유체가 소정의 비율로 혼합될 수 있게 상기 플런저의 구동속도를 가변시킬 수 있도록 상기 플런저구동부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치가 제공된다.
여기서, 상기 기판은 상기 미세채널의 유동단면적이 가변될 수 있도록 적어도 미세채널의 일 영역이 탄성부재로 형성되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 각 분기구간부의 유체의 유동방향에 가로로 상기 각 분기구간부의 일측에 유동가능하게 배치되며 자기력에 의해 상호작용할 수 있도록 형성되는 채널개폐부재와, 상기 각 분기구간부를 사이에 두고 상기 채널개폐부재의 대향측에 배치되어 자기력을 발생시키는 자기력발생부를 포함하는 것이 효과적이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치의 평면도이고, 도 2는 도 1의 종단면도이며, 도 3 및 도 4는 각각 도 1 및 도 2의 유체이송 작용을 설명하기 위한 도면이다. 이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치는, 내부에 마이크로 리터(㎕;10-6ℓ) 단위 이하의 극미량의 유체(5)를 이송할 수 있도록 미세채널(11)과 미세채널(11)의 일측에 유체(5)가 출입할 수 있도록 미세채널(11)의 양 단에 각각 형성되는 유체유입부(13) 및 유체유출부(19)와 유체유입부(13)의 일측에 형성되는 플런저수용부(21)를 구비한 기판(10)과, 플런저수용부(21)의 내부에 유동가능하게 수용되어 유체유입부(13)를 통해 유입되는 유체(5)를 미세채널(11)을 통해 이송되도록 가압하는 플런저(30)와, 플런저(30)를 왕복구동시키는 플런저구동부(40)와, 플런저(30)의 구동속도를 조절할 수 있도록 플런저구동부(40)를 제어하는 제어부(50)를 포함하여 구성되어 있다.
미세채널(11)의 일측에는 미세채널(11)의 길이방향을 따라 연장되게 플런저수용부(21)가 형성되어 있으며, 플런저수용부(21)와 미세채널(11)의 경계영역에는 미세채널(11) 및 플런저수용부(21)와 거의 직각되게 유체유입부(13)가 형성되어 있다. 유체유입부(13)의 내부에는 유체유입부(13)를 개폐할 수 있도록 역지(逆止)밸브의 형태로 된 유입부개폐밸브(15)가 구비되어 있으며, 유입부개폐밸브(15)의 일측에는 유입부개폐밸브(15)의 유체유입부(13)의 차단시 유입부개폐밸브(15)를 지지할 수 있도록 돌출된 밸브지지부(17)가 형성되어 있다. 여기서, 유체유출부(19)에는 유체(5)의 흡입시 유입부개폐밸브(15)와 상호 반대로 동작할 수 있도록 역지밸브 형태의 유출부개폐밸브(미도시)를 구비할 수 있다.
한편, 플런저수용부(21)는 미세채널(11)에 비해 확장된 크기를 가지도록 형성되어 있으며, 내부에는 유동방향을 따라 상호 다른 자극(S,N)이 형성된 영구자석으로 된 플런저(30)가 수용되어 있다. 플런저(30)는 플런저구동부(40)에 의해 발생된 자기력과 상호 작용하여 플런저구동부(40)로부터 이격되는 방향으로 유동하여 유체(5)를 가압/이송하는 가압위치와 플런저구동부(40)에 접근되는 방향으로 이동되어 유체(5)를 흡입하는 흡입위치간을 왕복가능하게 수용되어 있다. 플런저수용부(21)의 상부영역에는 플런저(30)가 유체(5)를 흡입하는 흡입위치로 이동하는 경우 압력 상승이 발생되지 아니하고 용이하게 이동될 수 있도록 외부와 연통되게 연통공(23)이 형성되어 있다.
플런저수용부(21)의 내부 일측에는 플런저(30)를 자기작용에 의해 왕복구동시킬 수 있게 자기력을 형성할 수 있도록 플런저구동부(40)가 구비되어 있다. 플런저구동부(40)는 자성체로 형성되는 자성체코어(41)와, 자성체코어(41)의 둘레에 코일형상으로 권취되는 미세 직경, 예를 들면 나노미터(nm) 정도의 직경을 가지는 코일(42)을 포함하여 구성되어 있으며, 플런저구동부(40)는 플런저(30)의 구동속도를 조절할 수 있도록 제어부(50)와 상호 전기적으로 연결되어 있다.
이러한 구성에 의하여, 미세채널(11)을 통해 유체(5)를 이송하고자 하는 경우, 제어부(50)는 플런저(30)가 플런저구동부(40)측으로 이동되도록 자성체코어(41)의 플런저(30)측 단부에 플런저(30)와 상호 다른 극성, 여기서는 엔(N)극을 가지도록 플런저구동부(40)를 제어한다.
이에 따라 플런저(30)가 플런저구동부(40)측으로 이동하게 되면, 유입부개폐밸브(15)가 개방되면서 유체유입부(13) 및 플런저수용부(21)의 내부로 유체(5)가유입된다. 다음, 제어부(50)는 플런저(30)와의 사이에 척력이 작용할 수 있도록 플런저구동부(40)를 제어하고, 이에 의해 플런저(30)가 미세채널(11)에 접근되는 방향으로 이동하게 된다. 유입부개폐밸브(15)는 유체유입부(13)를 차단하게 되고 내부의 유체(5)는 미세채널(11)을 통해 유체유출부(19)측으로 이송된다.
플런저(30)가 전술한 동작을 반복하게 되면 유체유입부(13)를 통해 유입된 유체(5)는 미세채널(11)을 통해 이송되어 유체유출부(19)를 통해 유출된다. 여기서, 제어부(50)는 플런저구동부(40)의 극성이 변화하는 속도 조절을 통해 유체(5)의 이송속도를 적절하게 조절하게 된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치의 단면도이고, 도 6a 및 도 6b는 각각 도 5의 작용을 설명하기 위한 도면이다. 전술 및 도시한 구성과 동일 및 동일 상당부분에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치는, 내부에 마이크로 리터(㎕;10-6ℓ) 단위 이하의 극미량의 유체(5)를 이송할 수 있도록 미세채널(11)과, 유체(5)가 유입될 수 있도록 유체유입부(13)와, 플런저수용부(21)가 형성된 기판(10)과, 플런저수용부(21)의 내부에 유동가능하게 수용되는 플런저(30)와, 플런저수용부(21)의 외측에 자기력을 발생시킬 수 있도록 배치되는 플런저구동부(40)와, 플런저(30)구동부를 제어하는 제어부(50)를 포함하여 구성되어 있다.
플런저(30)는 구체형상을 가지는 자성부재로 형성되어 있으며, 플런저구동부(40)는 플런저(30)의 위치를 미세하게 변동시킬 수 있도록 플런저(30)의 이동방향을 따라 상호 소정 거리 이격되게 배치되며 독립적으로 자기력을 발생시킬 수 있도록 복수의 전자석(31a~31l)으로 이루어져 있다. 각 전자석(31a~31l)은 플런저(30)를 사이에 두고 각각 쌍을 이루도록 상호 대향되게 배치되어 있다. 여기서, 전자석은 미세채널(11)의 어느 일측에만 플런저(30)의 이동방향을 따라 배치되도록 구성할 수도 있다.
이러한 구성에 의하여, 미세채널(11)로부터 가장 멀리 이격된 한 쌍의 전자석(31a,31g)에 전원이 인가되도록 하면 플런저(30)는 미세채널(11)로부터 멀어지는 방향으로 이동하게 되고, 이에 의해 유체유입부(13)를 통해 유체(5)가 유입된다. 이 때, 제어부(50)는 유체(5)의 이송방향을 따라 차례로 전자석에 전원을 인가시키면, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 플런저(30)는 자기력을 발생시키는 전자석 사이로 이동하여 위치하게 된다. 이에 의해, 유체(5)는 가압되어 미세채널(11)을 따라 소정 거리씩 이송된다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치의 단면도이다. 전술 및 도시한 실시 예와 동일 및 동일 상당부분에 대해서는 동일한 참조부호를 부여한다. 도시된 바와 같이, 본 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치는, 내부에 마이크로 리터(㎕;10-6ℓ) 단위 이하의 극미량의 유체(5)를 이송할 수 있도록 미세채널(11)과, 유체(5)가 유입될 수 있도록 유체유입부(13)와, 플런저수용부(21)가 형성된 기판(10)과, 플런저수용부(21)의 내부에 유동가능하게 수용되는 복수의 플런저(30)와, 플런저수용부(21)의 외측에 자기력을 발생시킬 수 있도록 배치되는 플런저구동부(40)와, 플런저(30)의 구동속도를 조절할 수 있도록 플런저구동부(40)를 제어하는 제어부(50)를 포함하여 구성되어 있다.
여기서, 미세채널(11)의 크기에 비해 축소된 직경을 가지는 미세한 크기, 예를 들면 나노미터(㎚) 단위의 크기를 가지며 자성체로 된 복수의 비드형태로 구성되어 있어, 플런저(30)는 미세채널(11)의 크기에 대응된 플런저(30)의 가공이 곤란하거나 미세채널(11)을 평탄하게 가공할 수 없는 경우 유리하다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치의 평면상태를 도시한 도면이다. 전술 및 도시한 실시 예와 동일 및 동일 상상부분에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하여 설명하기로 한다. 도시된 바와 같이, 내부에 각각 마이크로 리터(㎕;10-6ℓ) 단위 이하의 극미량의 유체(5)를 이송할 수 있도록 분기된 분기구간부(12a,12b)와 각 분기구간부(12a,12b)를 통해 이송된 유체(5)가 합류되는 합류구간부(12c)를 구비한 미세채널(11)이 형성된 기판(10)과, 각 분기구간부(12a,12b)의 일측에 배치되어 해당 분기구간부(12a,12b)의 유체(5)를 가압 이송시키는 복수의 플런저(30)와, 각 플런저(30)를 구동시키는 플런저구동부(40)와, 각 분기구간부(12a,12b)를 통해 이송되는 유체(5)가 소정의 비율로 혼합될 수 있게 각 플런저(30)의 구동속도를 조절할 수 있도록 플런저구동부(40)를 제어하는 제어부(50)를 포함하여 구성되어 있다.
미세채널(11)의 각 분기구간부(12a,12b)의 일측에는 해당 분기구간부(12a,12b)의 길이방향을 따라 연장되도록 플런저수용부(21)가 형성되어 있으며, 합류구간부(12c)의 말단에는 상호 혼합된 유체(5)가 유출될 수 있도록 유체유출부(19)가 형성되어 있다. 플런저수용부(21)와 각 분기구간부(12a,12b)의 사이에는 유체(5)가 유입될 수 있도록 유체유입부(13)가 형성되어 있다.
플런저(30)는 이송방향을 따라 양 단에 상호 다른 자극이 형성된 영구자석으로 형성되어 있으며, 각 플런저수용부(21)의 일측에는 플런저(30)를 왕복구동시킬 수 있도록 자기력을 발생시키는 플런저구동부(40)가 수용되어 있다. 각 플런저구동부(40)는 자성체코어(41)와, 각 자성체코어(41)의 둘레에 권취되는 코일(42)을 구비하고 있으며, 각 플런저구동부(40)는 제어부(50)와 상호 전기적으로 연결되어 있다.
이러한 구성에 의하여, 각 플런저(30)는 해당 플런저구동부(40)가 상호 인접된 영역에 상호 다른 자극을 가지게 될 경우 해당 분기구간부(12a,12b)로부터 이격되는 방향으로 이동하게 되고, 이 때 유체유입부(13)를 통해 이송될 유체(5)가 해당 유체유입부(13) 및 플런저수용부(21)의 내부로 유입된다. 각 플런저(30)가 해당 플런저구동부(40)와 상호 접촉되도록 이동되면 제어부(50)는 플런저(30)와의 사이에 척력이 작용하여 플런저(30)가 이동될 수 있도록 플런저구동부(40)를 제어하게 된다. 이에 따라 플런저(30)는 플런저구동부(40)로부터 이격되도록 유동하고 이 때 유체(5)가 가압되면서 해당 분기구간부(12a,12b)의 내부를 따라 이송되고, 합류구간부(12c)에서 상호 합류하게 된다. 이 때, 제어부(50)는 플런저(30)의 구동속도의 제어를 통해 상호 다른 분기구간부(12a,12b)를 통해 유입되는 유체(5)의 혼합비율을 조절하게 된다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치의 종단면도이고, 도 10은 도 9의 채널개폐부재의 작용을 설명하기 위한 요부확대도이며, 도 11은 도 9의 기판의 제조과정을 설명하기 위한 도면이다. 전술 및 도시한 구성과 동일 및 동일 상당부분에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치는, 내부에 마이크로 리터(㎕;10-6ℓ) 단위 이하의 극미량의 유체(5)를 이송할 수 있도록 미세채널(11)이 형성된 기판(10)과, 미세채널(11)의 일측에 유체(5)의 이송방향에 가로로 유동가능하도록 배치되어 미세채널(11)을 개폐하는 채널개폐부재(60)와, 미세채널(11)을 사이에 두고 채널개폐부재(60)의 대향측에 배치되어 자기력을 발생시키는 자기력발생부(64,65)와, 자기력발생부(64,65)를 제어하는 제어부(50)를 포함하여 구성되어 있다.
탄성 기판(10)은, 도 11에 도시된 바와 같이, 먼저 실리콘기판(71)을 마련하고(a)), 실리콘기판(71)의 표면에 감광층(72)이 형성되도록 한다(b)). 다음, 광이 통과할 수 있도록 관통공(74)이 형성된 포토마스크(73)를 통해 감광층(72)의 표면을 노광시키고(c)), 감광층(72)을 제거하여 양각의 주형(75)을 만든다(d)). 주형(75) 위에 프리폴리머(Sylgard 184, Dow Corning; A:B=1:10)용액(76)을 부은 다음, 75℃의 오븐에 가열 경화시킨다(e)). 경화된 폴리디메틸실록산(PDMS;polydimethylsiloxane)판(77)에서 주형에 양각된 미세채널 형태가 음각(79)으로 되어 있는 영역을 사각으로 잘라내고, 미세채널(79)의 양 끝단에 미세 구멍(78)을 형성한다(f)). 폴리디메틸실록산판(77)의 음각이 찍혀 있는 면과 새로운 밑판(80)을 접합시켜 음각으로 찍혀 나온 형태가 모세관 형태의 미세채널(79)을 형성하도록 하면 간단한 형태의 기판이 형성된다(g)). 여기서, 기판은 미세채널의 형상 등을 고려하여 복수의 부분으로 형성하여 상호 결합하면 상대적으로 더 복잡한 형태의 미세채널을 형성할 수 있다. 그리고, 미세채널을 형성하는 기판으로는 폴리디메틸실록산 이외에도 미세채널을 개폐할 수 있는 정도의 탄성을 가진 고무, 실리콘계 고무 및 플라스틱 등 고분자 재료를 이용할 수 있다.
이렇게 기판이 형성되면 원하는 위치에 미세채널(79)을 개폐할 수 있도록 유체(5)의 유동방향에 가로로 유동할 수 있도록 채널개폐부재(60)를 배치하고, 채널개폐부재(60)의 양 측에 자기력을 발생시킬 수 있도록 자기력발생부(64,65)를 각각 배치한다.
채널개폐부재(60)는, 유동방향을 따라 양 단부에 상호 다른 자극(N,S)이 형성된 영구자석으로 형성되어 있으며, 채널개폐부재(60)의 유동방향을 따라 둘레에는 채널개폐부재(60)를 가이드할 수 있도록 가이드부재(61)가 설치되어 있다. 채널개폐부재(60)의 일측에는 채널개폐부재(60)를 자기작용에 의해 구동시킬 수 있도록 자기력을 발생시키는 제1자기력발생부(64)가 설치되어 있으며, 미세채널(11)을 사이에 두고 채널개페부재(60)의 대향측에는 제2자기력발생부(65)가 구비되어 있다. 제1 및 제2자기력발생부(64,65)는 자성체코어(66) 및 자성체코어(66)의 둘레에 권취되는 코일(67)을 포함하여 구성되어 있으며, 제1 및 제2자기력발생부(64,65)는 제어부(50)와 상호 전기적으로 연결되어 있다.
이러한 구성에 의하여, 미세채널(11)을 차단하고자 하는 경우에는, 제어부(50)는 채널개폐부재(60)가 미세채널(11)을 외부에서 가압할 수 있도록 제1 및 제2자기력발생부(64,65)가 각각 에스(S)극이 되도록 제어한다. 이에 따라 채널개폐부재(60)는 가이드부재(61)에 의해 가이드되어 도 10에 도시된 바와 같이, 기판(10)을 가압하면 기판(10)은 미세채널(11)의 폭이 작아지는 방향으로 탄성변형되어 결국 유체(5)의 이송이 차단된다. 유체(5)의 이송을 재개하고자 하는 경우, 제어부(50)는 기판(10)으로부터 채널개폐부재(60)가 이격되도록 제1 및 제2자기력발생부(64,65)가 각각 엔(N)극이 되도록 제어하고, 기판(10)은 채널개폐부재(60)가 이격되면 자체의 탄성력에 의해 유동단면적이 확장되도록 초기 위치로 복귀되어 유체(5)의 이송이 재개된다.
도 12 및 도 13은 각각 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치의 단면도이다. 전술한 구성과 동일 및 동일 상당부분에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하고 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 본 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치는, 내부에 마이크로 리터(㎕;10-6ℓ) 단위 이하의 극미량의 유체(5)가 이송될 수 있도록 미세채널(11)이 형성된 탄성부재로 된 기판(10)과, 미세채널(11)을 사이에 두고 상호 접근 및 이격가능하게 배치되는 채널개폐부재(62) 및 자기력발생부(65)와, 자기력발생부(65)를 제어하는 제어부(50)를 구비하고 있다. 채널개폐부재(62) 및 자기력발생부(65)는 모두 자성체코어(66)와, 자성체코어(66)의 둘레에 권취되는 코일(67)을 구비한 전자석으로 형성되어 있다.
이러한 구성에 의하여, 미세채널(11)을 차단하고자 하는 경우에는, 제어부(50)는 채널개폐부재(62) 및 자기력발생부(65)사이에 인력이 작용할 수 있도록 상호 다른 자극이 되도록 제어하고, 유체(5)의 이송을 재개하고자 하는 경우에는 상호 인력이 작용하도록 한다.
도 1 내지 도 8에 도시된 실시 예에서는 상호 다른 플런저 및 플런저구동부를 구비한 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치의 경우를 예를 들어 설명하고, 도 9 내지 도 13에 도시된 실시 예에서는 상호 다른 채널개폐부재 및 자기력발생부를 구비한 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치에 대해 예를 들어 설명하고 있지만, 도 1 내지 도 8에 도시된 각각의 플런저 및 플런저구동부를 구비한 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치는 도 9 내지 도 13에 도시된 채널개폐부재 및 자기력발생부를 포함하여 구성될 수 있다. 또한 도 9 내지 도 13에 도시된 채널개폐부재 및 자기력발생부를 구비한 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치는 도 1 내지 도 8에 도시된 플런저 및 플런저구동부를 구비할 수 있음은 물론이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 내부에 마이크로 리터(㎕;10-6ℓ) 단위 이하의 극미량의 유체를 이송할 수 있도록 형성된 유체유입부 및 미세채널을 구비하고 일측에 플런저수용부가 형성되어 있는 기판과, 플런저수용부의 내부에 유동가능하게 수용되어 유체를 가압이송시키는 플런저와, 플런저가 유동할 수 있도록 자기력을 발생시키는 플런저구동부와, 플런저구동부를 제어하는 제어부를 마련하여 상호작용하도록 함으로써, 이송될 유체의 물리적 및/또는 화학적 특성을 변화시킴이 없이 극미량을 정밀하게 이송시킬 수 있을 뿐만 아니라 구조가 비교적 단순하여 제조를 용이하게 할 수 있는 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 내부에 마이크로 리터(㎕;10-6ℓ) 단위 이하의 극미량의 유체를 이송할 수 있도록 미세채널이 형성되고 미세채널의 유로폭을 가변시킬 수 있도록 탄성부재로 형성되는 기판과, 미세채널의 외부에 유체의 유동방향에 가로로 이동가능하게 배치되고 미세채널이 차단되도록 기판을 가압하는 채널개폐부재와, 채널개폐부재의 일측에서 자기력을 발생시켜 채널개폐부재를 구동시키는 자기력발생부와, 자기력발생부를 제어하는 제어부를 마련하여 상호작용하도록 함으로써, 이송될 유체의 화학적 및 물리적 특성을 변화시키지 아니하면서 이송되는 극미량의 유체를 정밀하게 제어할 수 있는 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 내부에 마이크로 리터(㎕;10-6ℓ) 단위 이하의 극미량의 유체를 이송할 수 있도록 복수의 유체유입부와 분기구간부 및 합류구간부를 구비한 미세채널과 각 분기구간부의 일측에 형성되는 플런저수용부가 형성된 기판과, 각 플런저수용부의 내부에 유동가능하게 수용되어 유체를 가압 이송되도록 하는 플런저와, 플런저가 유동할 수 있도록 자기력을 발생시키는 플런저구동부와, 각 유체가 소정의 비율로 혼합될 수 있게 플런저의 구동속도를 가변시킬 수 있도록 플런저구동부를 제어하는 제어부를 마련하여 상호작용하도록 함으로써, 이송될 유체의 특성을 변화시키지 아니하면서 다양한 극미량의 유체를 정밀하게 제어할 수 있는 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치가 제공된다.

Claims (14)

  1. 내부로 마이크로 리터(㎕;10-6ℓ) 단위 이하의 극미량의 유체를 이송할 수 있도록 형성된 적어도 하나의 미세채널과, 상기 미세채널의 일측에 상기 유체가 유입될 수 있도록 형성되는 유체유입부와, 상기 미세채널의 상기 유체유입부측과 상호 연통되게 형성되는 플런저수용부를 구비한 기판과; 상기 플런저수용부의 내부에 유동가능하게 수용되며 자성체 및 영구자석중 어느 하나로 형성되는 플런저와; 상기 플런저가 왕복운동하여 상기 미세채널의 내부의 유체가 이송될 수 있도록 자기력을 발생시키는 플런저구동부와; 상기 플런저의 구동속도를 조절할 수 있도록 상기 플런저구동부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유체유입부는 상기 미세채널에 대해 직각되게 형성되며, 상기 플런저수용부는 상기 유체유입부를 사이에 두고 상기 미세채널의 대향측에 연장되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 플런저수용부에는 상기 플런저가 상기 미세채널로부터 멀어지는 방향으로 유동시 상기 플런저수용부의 압력이 상승되는 것을 방지할 수 있도록 외부와 연통되게 적어도 하나의 연통공이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 플런저는 유동방향을 따라 양 단부에 상호 다른 자극을 가지는 영구자석으로 형성되며, 상기 플런저구동부는 자성체코어와 상기 자성체코어의 둘레에 권취되는 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유체유입부를 개폐할 수 있도록 상기 유체유입부에 배치되는 유입부개폐밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유입부개폐밸브는 상기 유체유입부의 내부에 배치되어 상기 플런저가 상기 미세채널로부터 멀어지는 방향으로 유동시 상기 유체유입부를 개방하고, 상기 플런저가 상기 미세채널로 접근하는 방향으로의 유동시 상기 유체유입부를 차단하는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유체유입부의 내면에는 상기 유입부개폐밸브가 상기 유체유입부를 차단하는 경우 상기 유입부개폐밸브와 접촉되어 상기 유입부개폐밸브를 지지할 수 있도록 중앙으로 돌출된 밸브지지부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 플런저는 상기 미세채널의 내폭에 비해 축소된 크기를 가지며 자성체로 된 복수의 나노비드로 형성되며, 상기 플런저구동부는 상기 플런저수용부의 외부에 상기 플런저수용부의 길이방향을 따라 상호 이격배치되어 독립적으로 자기력을 발생시키는 복수의 전자석부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 상기 미세채널의 유로폭이 가변될 수 있도록 적어도 미세채널의 일부구간이 탄성부재로 형성되는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치.
  10. 내부에 마이크로 리터(㎕;10-6ℓ) 단위 이하의 극미량의 유체를 이송할 수 있도록 미세한 직경을 가지며 유체의 유동단면적을 가변시킬 수 있도록 탄성부재로 미세채널이 형성되어 있는 기판과; 상기 미세채널의 일측에 상기 미세채널의 유체의 흐름방향에 가로로 유동가능하게 배치되며 자기력이 작용할 수 있도록 형성되는 채널개폐부재와; 상기 채널개폐부재의 일측에 배치되어 상기 채널개폐부재가 상기 미세채널에 접근 및 이격되어 상기 미세채널을 개폐할 수 있도록 자기력을 발생시키는 자기력발생부와; 상기 자기력발생부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 채널개폐부재는 전자석으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치.
  12. 내부에 마이크로 리터(㎕;10-6ℓ) 단위 이하의 극미량의 유체가 유동할 수 있도록 상호 분기된 복수의 분기구간부와 상기 각 분기구간부의 말단이 상호 합류되는 합류구간부를 구비한 미세채널과, 상기 각 분기구간부의 일측에 소정의 유체가 유입될 수 있도록 형성되는 유체유입부와, 상기 각 분기구간부의 상기 유체유입부측에 상호 연통되게 형성되는 플런저수용부를 구비한 기판과; 상기 각 플런저수용부의 내부에 유동가능하게 수용되고 자성체 및 영구자석중 어느 하나로 형성되는 플런저와; 상기 각 분기구간부의 유체를 상기 합류구간부 측으로 이송시킬 수 있게 해당 플런저가 구동될 수 있도록 자기력을 발생시키는 플런저구동부와; 상기 각 분기구간부의 유체가 소정의 비율로 혼합될 수 있게 상기 플런저의 구동속도를 가변시킬 수 있도록 상기 플런저구동부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 기판은 상기 미세채널의 유동단면적이 가변될 수 있도록 적어도 미세채널의 일 영역이 탄성부재로 형성되는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 각 분기구간부의 유체의 유동방향에 가로로 상기 각 분기구간부의 일측에 유동가능하게 배치되며 자기력에 의해 상호작용할 수 있도록 형성되는 채널개폐부재와, 상기 각 분기구간부를 사이에 두고 상기 채널개폐부재의 대향측에 배치되어 자기력을 발생시키는 자기력발생부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 초미세유체 제어장치.
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