KR100523984B1 - 유체 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밑면에 미세 전극이 형성된 마이크로 채널을 포함하는 유체 제어 장치에 관한 것으로, 상기 전극으로 인해 발생된 채널 내부의 국부적 전기장 및 채널 내부의 전기장에 의한 전기 삼투 현상에 따라 채널내 유체의 3차원 나선 유동을 유발할 수 있는 본 발명의 유체 제어 장치는, 유체의 혼합 효율을 향상시킬 수 있고 간편한 미세 전극 조립으로 인한 채널 제작 비용, 혼합 시간 및 시료 양을 절감할 수 있어 마이크로 채널의 상용화에 기여할 수 있다.

Description

유체 제어 장치{FLUID CONTROL SYSTEM}

본 발명은 내부에 유체가 이동되는 마이크로 채널을 포함하는 유체 제어 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 내부에 유체가 이동되는 마이크로 채널의 밑면에 전극을 형성시킴으로써, 발생된 국부적인 전기장 및 전기 삼투 현상(electro-osmosis)을 이용하여 채널내 용액의 나선 유동(helical flow)을 유발시킬 수 있는 유체 제어 장치에 관한 것이다.

마이크로 시스템에서 유체를 움직이는 원리는 전기 삼투현상(elecro-osmosis)이다. 전기 삼투는 실리콘이나 유리와 같이 벽면에 전위를 갖는 마이크로 채널에 있어서, 내부에 전해질 용액이 채워지는 경우 채널 벽면 근처에 전기 이중층(electric double layer)이 형성되며, 외부에서 전기장을 걸어주면 벽면 전위를 띈 채널의 전기 이중층 내에 도 1에 도시된 바와 같이 유동이 유발되는 현상이다.

이때 전기 이중층(3)의 두께가 채널(1) 두께에 비해 무시될만큼 충분히 작은 경우, 채널 벽면에서 미끄럼 속도(2)가 생성되는 것으로 가정할 수 있다. 채널의 길이 방향으로 전기장(E)이 형성되는 경우 유체의 속도는 다음과 같다:

상기 수학식 1에서, ε는 유체의 전기 유전율이고, η는 유체의 점도이고, ζ는 채널 벽면의 전위이고, E(x)는 가해준 전기장이며, x는 위치 벡터이다.

일반적인 전기 삼투 유동 마이크로 채널에서는 채널 폭에 비하여 전기 이중층의 두께가 매우 얇으며 유체의 성질이 일정하고 채널 벽면이 전기적으로 절연체이다. 관성 압력과 점도 압력의 비로 나타내어지는 무차원 변수인 Re(Renolds number)와 계의 특성 시간과 대류성 시간의 비로 나타내어지는 무차원 변수인 St(Strouhal number)와 Re의 곱의 값이 매우 작으면 채널 입구와 출구에서의 압력이 같고 유동이 평행하다. 이러한 조건하에서 채널의 전위가 일정하면 유체의 속도는 상기 수학식 1의 헬름홀츠-스모울로초프스키(Helmholtz-Smoulochowski) 식으로부터 얻어진다.

도 2는 벽면 전위가 일정한 경우의 마이크로 채널 내부의 유체 속도 구배 형상을 나타낸다. 채널 내부 벽면(1)의 전위가 일정하면 내부 벽면에서 상기 수학식 1과 같은 미끄럼 속도(2)가 나타남에 따라 도 2와 같이 플러그 유동(plug flow)이 생성된다. 따라서, 전기 삼투 현상을 이용하여 전기장이나 벽면 전위를 제어함으로써 마이크로 채널내 유체의 흐름을 쉽게 제어할 수 있다. 이러한 유동 제어의 용이함으로 인해, 전기 삼투는 바이오 칩과 같은 미세 유체 흐름 장치의 유동 구동원으로 많이 사용되고 있다.

한편, 1차원 유동에 비해 벽면의 전위가 주기적인 경우, 수학식 1의 미끄럼 속도는 벽면 전위가 존재하는 곳에서만 일어나게 되어, 도 3에 도시된 바와 같이 전체 플러그 유동 내에 회전 운동을 포함하는 2차원 유동을 형성한다. 즉, 도 3에서 보는 바와 같이, (a) 부분과 (b) 부분의 전위가 다르다. 이를 이용하여 마이크로 채널 내부의 유체를 혼합시키는데 많이 사용되고 있다. 그러나 벽면 전위를 이용한 종래의 전기 삼투 방법은 2차원 이상 유동의 생성에 있어서는 적용에 한계를 가진다.

최근, 도 4에 도시된 바와 같이 마이크로 채널 내에서 카오스적 3차원 유동을 일으키기 위해 MEMS (Micro ElectroMechanical System) 공정을 이용하여 채널 밑면에 홈을 파는 방법이 시도된 바 있다(문헌: Science, 295, p647, 2002). 하지만 이 경우 시료의 잔여물이 홈 사이를 막는 현상이 발생하여 홈의 역할이 무의미해지는 문제점을 가진다.

이에 본 발명자들은 홈이 없는 편평한 형태의 채널 밑면을 가지면서도 3차원 유동을 유발시킬 수 있는 마이크로 채널 내부의 유체 유동 방법을 개발하기에 이른 것이다.

이에 따라, 본 발명의 목적은 마이크로 채널 밑면에 미세 전극을 형성시킴으로써 채널 내부에 발생된 국부적인 전기장 및 전기 삼투 현상을 이용하여 채널내 용액의 3차원 나선 운동의 유동을 유발할 수 있는 유체 제어 장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 밑면에 미세 전극이 형성된 마이크로 채널을 포함하는 유체 제어 장치를 제공한다.

이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명의 유체 제어 장치는, 도 5에 도시된 바와 같은 종래의 마이크로 채널에 있어서, 채널의 길이 방향에 대해 수직으로 채널 밑면에 전극을 형성시킴에 따라 제조될 수 있으며, 도 6에 도시된 바와 같은 단면 구조를 가진다. 채널 밑면에 전극을 심는 공정은 플라스틱 기판상에 금속 패턴을 만드는 통상의 방법을 이용하여 쉽게 수행될 수 있다.

상기 마이크로 채널의 크기는 높이 500㎛ 이내, 폭 500㎛ 이내, 및 길이 10㎝ 이내의 범위를 가지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따라 채널 밑면에 채널 길이 방향을 따라 수직으로 전극을 형성할 때 전극간 간격은 상기 채널의 폭과 같은 길이의 간격을 가지는 것이 바람직하다. 전극간 간격이 상기 간격 이하인 경우에는 유체의 유동이 채널의 길이 방향으로 움직이는데 있어 지장을 받기 쉬우며, 상기 간격 이상인 경우에는 채널 밑면의 폭 방향의 흐름이 생기지 않게되어 결과적으로 채널내 유체의 나선 유동이 유발되지 못한다.

구체적으로, 마이크로 채널의 길이 방향으로 전기장이 형성되고, 또한 채널 밑면에 형성된 전극에 의해 전기장이 형성되면, 상기 두 전기장의 상호 작용으로 인하여 유체의 미끄럼 속도는, 상기 수학식 1에 표시된 바와 같이 전체 전기장의 방향인 채널 길이의 사선 방향으로 발생하게 된다.

본 발명의 유체 제어 장치에 있어서, 마이크로 채널의 길이 방향으로 형성된 전기장과 채널 밑면의 전극에 의해 형성된 전기장의 단위길이당 세기가 동일한 경우의 전위 분포(A) 및 전기장 분포(B)는 도 7에 도시된 바와 같다. 도 7의 (B)에 도시된 것과 같이, 채널의 길이 방향에 대해 사선 방향의 전기장이 형성된다.

또한, 채널 양 끝에 걸리는 전기장의 세기가 채널의 수직방향의 전기장보다 각각 2배 및 4배 큰 경우의 전기장 분포는 도 8의 (A) 및 (B)와 같다. 이와 같이 수직으로 심어진 전극에 의해 형성된 전기장과 채널에 걸리는 전기장에 의해 유체의 유동 메카니즘이 3차원 유동으로서 발생된다.

본 발명에 따른, 채널 밑면에 전극이 형성된 마이크로 채널을 포함하는 유체 제어 장치는 바이오칩과 같은 미세 유체 제어장치에도 적용될 수 있다.

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이며 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

실시예

높이 70㎛, 폭 200㎛, 길이 약 1mm의 채널을 제조하고, 상기 채널의 밑면에 채널의 길이를 따라 수직 방향으로 200㎛ 간격으로 전극을 심었으며, 유체로서 물을 사용하였다. 벽면의 전위는 -0.1V이고, 약 10⁴V/m의 전기장을 걸어주었다. 이때 수직방향의 전극에 기포는 발생하지 않았다.

상기 채널내부의 유체의 유동 메카니즘을 상기 수학식 1에 따라 계산하여 도 9에 나타내었으며, 실제로 채널에 전기장을 걸어주었을 때 나타난 유체의 속도 분포는 도 10에 나타내었다. 도 9 및 도 10으로부터, 마이크로 채널 밑면의 전극에 의한 전기장과 채널 길이 방향의 전극에 의한 전기장에 의해, 유체는 수학식 1의 미끄럼 속도를 가지며 나선 유동을 일으킴을 알 수 있다.

본 발명에 따른, 밑면에 미세 전극이 형성된 마이크로 채널을 포함하는 유체 제어 장치는 상기 채널 내부에 국부적인 전기장 및 전기 삼투 현상이 발생함에 따라 채널내 유체의 3차원 나선형 유동이 유발되어 유체의 혼합 성능을 향상시킬 수 있고 이러한 간편한 미세 전극의 조립을 이용함으로써 채널 제작 비용, 시료의 혼합 시간 및 시료의 양을 절감시킬 수 있고, 이에 따라 마이크로 채널의 상용화에도 기여할 수 있다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

도 1은 전해질의 전기 이중층 내에서의 유체 속도 구배 형상도이고;

도 2는 벽면 전위가 일정한 마이크로 채널 내부의 유체 속도 구배 형상도이고;

도 3은 벽면 전위가 주기적인 마이크로 채널 내부의 유체 속도 구배 형상도이고;

도 4는 채널 밑면에 홈이 파여진 종래의 마이크로 채널의 단면도이고;

도 5는 통상의 마이크로 채널의 단면도이고;

도 6은 본 발명에 따른, 채널 밑면에 미세전극을 형성시킨 마이크로 채널의 단면도이고;

도 7은 본 발명에 따른 마이크로 채널 단면의 전기적 성질을 나타낸 것으로, (A) 및 (B)는 각각 마이크로 채널의 전위 분포 및 전기장 분포를 도시한 것이고;

도 8은 본 발명에 따른 마이크로 채널에 있어서, (A) 및 (B)는 각각 채널의 길이방향의 전기장 세기가 수직방향의 전기장 세기에 비해 2배 및 4배 큰 경우의 전기장 분포를 나타내는 모식도이고;

도 9는 유체의 3차원 나선형 유동을 나타내는 본 발명에 따른 마이크로 채널 내부의 단면도이고;

도 10은 본 발명에 따른 마이크로 채널 내부에서의 유체의 속도 분포를 나타내는 단면도이다.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 채널 벽면 3 : 전기 이중층

2 : 속도 구배

Claims (5)

1. 밑면에 하나 이상의 미세 전극이 형성된 마이크로 채널을 포함하여, 전극에 전압을 인가할 때 전극에 의해 형성되는 전기장과 채널에 걸리는 전기장에 의해 유체의 3차원 나선 유동이 유발됨을 특징으로 하는 유체 제어 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   복수개의 전극이 채널의 길이 방향을 따라 상기 채널의 폭과 같은 길이 간격으로 형성됨을 특징으로 하는 장치.
4. 제1항에 있어서,

   바이오칩임을 특징으로 하는 유체 제어 장치.
5. 삭제