KR100552078B1 - 초소형 구슬을 이용한 미세 밸브 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체의 흐름 또는 유량을 제어하기 위한 초소형 구슬을 이용한 미세(박막) 밸브 장치 및 제어 방법에 관한 것으로, 박막의 상하측에 설치된 전자석 또는 전극판에 의해 형성된 자력 또는 전계 힘으로 움직이는 초소형 구슬(micro bead)을 몸체 내부에 구비하여 유로를 개폐시킬 수 있는 초소형 구슬을 이용한 미세(박막) 밸브 장치 및 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명의 미세(박막) 밸브 장치 및 제어 방법은 Lab On a Chip 이나 Protein chip 및 DNA chip같은 유체내 소량의 물질을 진단 및 탐지하는 박막형 장치의 밸브에 적합하다. 특히 본 발명의 미세(박막) 밸브장치 및 제어 방법은 통상적인 CD-ROM 및 DVD등 디스크 장치와 같은 박막 속에 형성된 유로(channel)을 개폐 시키는데 적합하다.

Description

초소형 구슬을 이용한 미세 밸브 장치 및 그 제어 방법{A micro valve apparatus using micro bead and method for controlling the same}

본 발명은 유체내 소량의 물질을 진단 및 탐지하는 분석 장치, 특히 박막형 분석장치에서의 유체의 흐름 및 유량제어 분야에 관계한다. 본 발명은 유체의 흐름 또는 유량을 제어하기 위한 초소형 구슬을 이용한 미세(박막) 밸브 장치 및 제어 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 박막의 상하측에 설치된 전자석 또는 전극판에 의해 형성된 자력 또는 전계 힘으로 움직이는 초소형 구슬(micro bead)을 몸체 내부에 구비하여 유로를 개폐시킬 수 있는 초소형 구슬을 이용한 미세 밸브 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.

최근까지 유체내 소량의 분석종 탐지를 위한 대부분의 임상 진단 분석 장치에는 다중 샘플 준비 및 자동화된 시약 첨가용 장치를 설계하고 병렬 또는 직렬로 수많은 테스트 샘플을 분석하기 위한 장치를 설계함으로써 효율성 및 경제성이 개선되었다. 종종 이러한 자동화된 시약 준비장치 및 자동화된 다중 분석기가 단일 박막 장치에 집적된다. 이러한 형태의 박막형 임상실험분석기는 한 시간이내에 소량의 샘플과 시약을 가지고수백가지 분석을 자동 또는 반자동으로 정확히 수행할 수 있다. 그러나, 이러한 박막형 분석기는 상기 샘플 혹은 시약(효소 및 버퍼 용 액)을 자동으로 제공키 위한 밸브가 필수작이나 설계가 복잡하여 박막화 하기 어려운 문제가 있다. 따라서, 이러한 문제를 극복키 위해 간단하고, 박막에 적합한 밸브 설계가 절실히 필요하다.

〈박막으로서의 CD 와 DVD〉

12cm 폴리카보네이트 기판, 반사금속층 및 보호 라커코팅으로 부터 표준컴팩트 디스크가 형성된다. CD와 CD-ROM의 포맷은 ISO 9660 공업표준에 의해 기술된다.

폴리카보네이트 기판은 광학품질의 투명한 폴리카보네이트이다. 표준 인쇄 또는 대량 복제된 CD에서 데이타층은 폴리카보네이트 기판의 일부이고 데이타는 사출성형공정동안 스탬퍼(stamper)에 의해 일련의 피트형태로 새겨진다. 이 사출성형 공정동안 용융된 폴리카보네이트가 몰드에 고압하에서 주입되고 이후에 냉각되어서 폴리카보네이트가 몰드 또는 "스탬퍼" 또는 "스탬프"의거울상 형태를 가지며 디스크 기판상의 이진 데이타를 나타내는 피트가 생성되어서 마스터링(mastering) 공정동안 발생된 스탬퍼의 피트의 거울상으로서 폴리카보네이트 기판에 의해 유지된다. 스탬핑 마스터는 대체로 유리이다.

이러한 디스크는 바이오-컴팩트 디스크, 바이오-CD 또는 바이오-DVD와 같은 유체내 소량의 물질을 진단 및 탐지하는 박막형태의 분석장치로 변형개조가 가능하며, 이 경우 사출 성형 공정동안 디스크 표면에 피트 대신, 유체가 흐를 수 있는 유로(channel) 및 버퍼(buffer) 용액을 저장할 수 있는 챔버(chamber)가 형성될 수 있다. 이러한 박막내에 형성된 유로의 유체의 흐름 및 유량을 원활히 제어할 수 있는 박막형 밸브가 필요하다.

디스크상의 주입구에 주입된 샘플을 원심력을 이용하여, 디스크의 표면에 유체를 이동시키기 위한 장치로서, 유럽 특허 " Disc for centrifuge" (GB1075800, publication date 1967.07.12) 와 디스크상의 주입구에 주입된 유체 샘플을 원심력을 이용하여 채널과 챔버로 이동시켜 가면서 샘플을 분리하는 장치로서 유럽특허" Separating Disks for centrifuge" (3,335,946, April 12,1965) 가 특허 공개 되어 있으나, 이들 발명은 박막형 밸브문제를 극복하지 못해 정교한 유량제어가 불가능한 단점이 있다.

일반적으로 공지된 전자석을 이용한 밸브는 자계의 힘에 의해 움직이는 실린더 또는 플런저에 의해 유로를 개폐한다. 이러한 실린더 또는 프런저를 움직이기 위한 자력의 세기를 확보키 위해 적당한 크기의 페라이트 코아(ferrite core) 및 이를 감는 많은 권선이 필요하며, 상기 실린더와 플런저를 움직이기 위해 밸브 온오프시 많은 전력이 필요하다. 따라서 이러한 전자석을 이용한 밸브는 전자석 자체의 크기로 인해 박막형 밸브를 구성하는 것이 불가능 할 뿐만 아니라, 많은 전력소모로 인한 열 발생으로 많은 문제가 있어, 박막형 밸브로서 부 적합하다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 전자석과 초소형 구슬(micro bead)을 이용한다. 초소형 구슬을 이용한 밸브는 박막형태의 밸브가 가능할 뿐만 아니라, 초소형 구슬을 움직이는데 매우 적은 힘이 필요하므로 전자석크기를 박막형으로 작게 할 수 있으며 전력 소모가 거의 없어 열이 발생하지 않는 장점이 있다.

따라서, 본 발명의 미세(박막) 밸브 장치 및 제어 방법은 Lab On a Chip 이나 DNA chip같은 유체내 소량의 물질을 진단 및 탐지하는 박막형 장치의 밸브 구성 에 적합하다 특히 통상적인 CD-ROM, DVD, 바이오 CD및 바이오 DVD등 디스크 장치와 같은 박막 속에 형성된 유로를 개폐시키거나 유량을 제어하는데 적합하다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출한 것으로, 몸체 내부에서 상하측에 구비된 전자석 또는 전극판에 의해 형성된 자력 또는 전계의 힘으로 움직이는 초소형 구슬(micro bead)을 유로 중간 위치에 배치함으로서 유로를 차단 또는 연결할 수 있는 초소형 구슬을 이용한 미세(박막) 밸브 장치 및 그 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 또 다른 목적은 상기 미세(박박) 밸브 장치를 이용하여 유체의 흐름 또는 유량을 제어하는 것을 특징으로 하느 유체내 소량의 물질을 진단 및 탐지하는 박막형 분석장치, 특히 샘플내 표적 핵산의 유무를 탐지하는 핵산 분석장치 및 핵산분석방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본발명은 유체를 이동하기 위한 유로; 상기 유로를 연결시키기 위한 유공; 상기 유로 및 유공을 형성하는 박막형 몸체; 상기 몸체의 상하면의 마주보는 위치에 설치되어 전원 인가시 자력선를 발생시키는 전자석들과; 상기 전자석들의 온오프 제어에 따라 상하 어느 한 방향으로 움직이면서 상기 유공을 개폐함으로서 유체 흐름의 개폐와 유량을 제어하는 초소형 구슬을 포함하는 미세(박막) 밸브 장치를 제공한다.

또한, 본발명은 유체를 이동하기 위한 유로; 상기 유로를 연결시키기 위한 유공; 상기 유로 및 유공을 형성하는 박막형 몸체; 상기 몸체의 상하면의 마주보는 위치에 설치되어 전원 인가시 전계를 발생시키는 전극판들과; 상기 전극판들에 인가된 전압 방향에 따라 상하 어느 한 방향으로 움직이면서 상기 유공을 개폐함으로서 유체 흐름의 개폐와 유량을 제어하는 전하를 띤 초소형 구슬을 포함하는 미세 밸브 장치를 제공한다.

본 발명의 미세 밸브 장치에 있어서, 상기 몸체는 유체의 이동으로 인한 공기압을 배출하기 위한 배기구를 더 포함하는 것이 바람직하며, 상기 배기구는 유체 흐름의 반대방향(즉, 원심력의 반대방향)으로 배치된 것이 더욱 바람직하다.

본 발명의 미세 밸브 장치에 있어서, 상기 몸체는 플라스틱, PMMA, 유리, 운모, 실리카로 구성된 군에서 선택된 재료로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 미세 밸브 장치에 있어서, 상기 초소형 구슬은 강자성체 입자, 상자성체 입자, 반 자성체 입자, 금속 입자, 금속코팅된 플라스틱 또는 유리 입자로부터 선택된 재료로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 초소형 구슬은 비록 구형 입자가 선호될지라도, 다른 비구형 입자도 유용하게 사용될 수 있다. 다른 선호되는 비구형 입자는 원기둥 또는 사각형 형태의 박막형 입자이다.

본 발명의 미세 밸브 장치에 있어서, 상기 초소형 구슬은 1 um 내지 1mm 범위의 직경, 바람직하게는 100um 내지 500um의 직경을 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 미세 밸브 장치에 있어서, 상기 유공은 상기 초소형 구슬의 곡률을 갖는 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 상기 유공은 상기 초소형 구슬의 직경보다 작은 내측 보조 유공 및/또는 상기 초소형 구슬의 직경보다 큰 외측 보조 유공을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 미세 밸브 장치에 있어서, 상기 몸체는 CD-ROM, DVD, 바이오 CD, 바이오 DVD 와 같은 박막 형태의 디스크 장치인 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 상기 몸체는 초소형 구슬의 이탈을 방지하기 위한 구속홈 또는 구속 유로를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 미세 밸브 장치에 있어서, 상기 몸체는 윗 기질과 중간 기질과 아래 기질이 적층되어 구성된 것을 특징으로 한다. 구체적으로 상기 윗 기질은 한쪽 챔버와 유공까지의 상측유로가 일정 깊이만큼 음각되고, 중간기질은 양쪽 챔버와 유공이 관통되고, 아래 기질은 다른 한쪽 챔버와 유공까지의 하측유로가 일정 깊이만큼 음각되어 설계된 것을 특징으로 한다..

또한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 미세 밸브 장치의 유공을 닫아 유로를 차단시키려면 상측 전자석은 전원을 차단하고 마주보는 하측 전자석에는 전원을 인가하여 상기 초소형 구슬에 대해 인력이 작용하여 상기 유공에 밀착 부착되도록 하고, 반대로 유공을 열어 상기 유로를 연결시키려면 하측 전자석은 전원을 차단하고 마주보는 상측 전자석에는 전원을 인가하여 상기 초소형 구슬에 대해 인력이 작용하여 상기 구슬을 유공으로부터 이탈시키는 것을 특징으로 하는 초소형 구슬을 이용한 미세 밸브 장치의 제어 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 미세 밸브 장치의 유공을 닫아 유로를 차단시키려면. 상측 전극판은 상기 초소형 구슬의 전하와 동일 전원을 인가하여 상기 전하를 띤 초소형 구슬에 대해 반발력을 발생시키고 마주보는 하측 전극판에는 반대 전원을 인가하여 상기 전하를 띤 초소형 구슬에 대해 인력이 작용하여 상기 유공에 밀착 부착되도록 하고, 반대로 유공을 열어 상기 유로를 연결시키려면 하측 전극판에는 동일 전원을 인가하여 상기 전하를 띤 초소형 구슬에 대해 반발력을 발생시키고 마주보는 상측 전극판에는 반대 전원을 인가하여 상기 전하를 띤 초소형 구슬에 대해 인력이 작용하여 상기 구슬을 유공으로부터 이탈시키는 것을 특징으로 하는 전하를 띤 초소형 구슬을 이용한 미세 밸브 장치의 제어 방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 핵산을 함유하는 샘플을 주입하기 위한 샘플주입 수단; 상기 샘플로부터 DNA 혹은 RNA을 준비하기 위한 프렙 챔버; 상기 DNA 혹은 RNA를 증폭하기 위한 PCR 챔버; 상기 증폭된 DNA를 캡처 프로브와 혼성화시키기 위한 어레이 챔버; 상기 혼성화되지 않은 찌거기들을 모으기 위한 트레쉬챔버; 상기 각각의 공정에 필요한 각종 효소 와 버퍼 용액을 저장하기 위한 복수개의 챔버들을 포함하는 핵산 분석 장치에 있어서, 상기 챔버들 사이에 유체를 이동시키기 위하여 본 발명에 따른 미세 밸브 장치를 사용하는 것을 특징으로 하는 핵산분석장치를 제공한다.

본 발명의 핵산분석장치에 있어서, 상기 프렙 챔버, PCR 챔버, 어레이 챔버, 트레쉬 챔버, 유로 및 유공이 디스크형 몸체에 형성 배치되어 Lab on a chip을 구성하는 것을 특징으로 하며, 또한 상기 디스크형 몸체는 윗 기질과 중간 기질과 아래 기질이 적층되어 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 핵산분석장치에 있어서, 상기 각각의 공정의 시작시점과 종료시점에서의 밸브의 개폐 및 유량 제어는 상기 몸체의 상하면에 설치된 전자석 또는 전극판들의 온오프 제어에 의해 이루어지고, 상기 유체이동은 상기 디스크의 회전력 에 의한 원심력을 이용하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 (a) 샘플 주입수단을 통해 프렙 챔버에 핵산을 함유하는 샘플을 주입하는 단계: (b) 상기 샘플로부터 DNA 혹은 RNA을 추출하는 프렙 공정을 수행하는 단계; (c) 상기 프렙 공정이 끝나면, 프렙 챔버와 PCR 챔버사이의 유공을 열고 일정기간 디스크를 회전시켜 상기 추출된 DNA 혹은 RNA를 PCR 챔버로 이송시키는 단계;

(d) 상기 유공을 닫고 PCR에 필요한 효소 및 버퍼 용액을 포함하는 챔버와 PCR 챔버사이의 유공을 열어 PCR공정을 수행하는 단계; (e) 상기 PCR공정이 끝나면, 상기 유공을 닫고 PCR 챔버와 어레이 챔버사이의 유공을 열고 일정기간 디스크를 회전시켜 상기 PCR이 완료된 DNA를 어레이 챔버로 이송시키는 단계:

(f) 상기 유공을 닫고 어레이 공정에 필요한 효소 및 버퍼 용액을 포함하는 챔버와 어레이 챔버사이의 유공을 열어 어레이 공정을 수행하는 단계; (g) 상기 어레이 공정이 끝나면, 상기 유공을 닫고 어레이 챔버와 트레쉬 챔버사이의 유공을 열고 일정기간 디스크를 회전시켜 상기 어레이 공정후 남은 찌거기를 트레쉬 챔버에 모으는 단계를 포함하는 핵산 분석 방법을 제공한다.

도 1a 및 1b는 본 발명에 따른 초소형 구슬을 이용한 미세 밸브 장치의 작동상태를 나타내는 단면도이다.

도 2a ,2b, 2c 및 2d는 초소형 구슬을 이용한 미세 밸브 장치의 유공부분에 대한 여러 실시예를 나타내는 상세 단면도이다.

도 3a,3b ,3c 및 3d는 각각 초소형 구슬을 이용한 미세 밸브 장치의 몸체내에 유로, 유공, 챔버 및 배기구을 형성하기 위한 윗 기질, 중간 기질 과 아래 기질를 나타내는 도면이다.

도 4는 본 발명의 초소형 구슬을 이용한 미세 밸브 장치가 통상적인 CD-ROM 및 DVD등 디스크 장치와 같은 박막속에 내장된 Lab On a Chip에 적용된 일실시예이다.

도 5a와 5b는 각각 초소형 구슬을 이용한 미세 밸브 장치의 몸체내의 유로, 유공, 챔버 및 상측 전자석을 형성키 위한 윗 기질의 윗면도와 밑면도이다.

도 6a와 6b 는 각각 초소형 구슬을 이용한 미세 밸브 장치의 몸체내의 유공 및 챔버를 형성키 위한 중간 기질의 윗면도와 밑면도이다.

도 7a와 7b는 각각 초소형 구슬을 이용한 미세 밸브 장치의 몸체내의 유로, 유공, 챔버 및 하측 전자석을 형성키 위한 아래 기질의 윗면도와 밑면도이다.

도 8은 본 발명의 초소형 구슬을 이용한 미세 밸브 제어 방법이 통상적인 CD-ROM, DVD, 바이오 CD 및 바이오 DVD 등 디스크 장치와 같은 박막속에 내장된 Lab On a Chip에 적용된 일실시예를 나타내는 플로우 챠트이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성을 더욱 상세히 살펴보면 다음과 같다.

도 1a 및 1b에서 몸체(100) 또는 고체기질(1,2,3)은 플라스틱, PMMA, 유리, 운모, 실리카 등의 다양한 재료로부터 선택될 수 있다. 그러나, 플라스틱이 경제적 이유, 가공의 용이성, CD-ROM 및 DVD 와 같은 기존의 레이저 반사 기초 탐지기와의 양립성 때문에 선호된다. 사용가능한 플라스틱으로는 폴리프로필렌, 폴리아크릴레이트, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 및 폴리카보네이트가 있다. 폴리프로필렌과 폴리카보네이트가 선호되며 폴리카보네이트가 가장 선호된다.

본 발명의 선호되는 실시예에서, 상기 초소형 구슬은 예를 들어 강자성체 금속 입자, 상 자성체 입자, 반 자성체 입자, 금속 입자 등과 같은 물질을 포함한다. 또한 상기 초소형 구슬은 고체 금속이거나 플라스틱, 유리 입자등으로 형성될 수 있으며 그 위에 금속 코팅이 이루어진다. 또한 금속입자는 합금일 수도 있다. 또한 상기 초소형 구슬은 전하를 띨 수 있으며, 이때 전자석 대신 몸체의 상하면에 배치되는 전극판을 사용한다. 전극판에 가해진 전압의 방향에 따라 전하를 띤 구슬이 상기 유공을 열거나 닫는다.

상기 초소형 구슬의 직경은 1um 내지 1mm 범위 내에 있고, 선호적으로 100um 내지 500um가 알맞다. 상기 구슬의 크기가 커지면 접촉면이 증가 하여 개폐에 대한 신뢰도가 증가하게 된다.

본 발명의 분석 장치의 밸브로서 적합한 초소형 구슬은 Aldrich Chemical Company,British BioCell International, Nanoprobe, Inc.에서 다양한 직경을 제작하고 있다. 본 발명에 요구되는 대로 초소형 구슬의 직경을 좀더 길게 또는 좀더 짧게 만드는 것은 당해 업자들에게 공지되어 있다.

본 발명의 초소형 구슬은 비록 구형 입자가 선호될지라도, 다른 실시예에서는 비구형 입자도 유용하게 사용될 수 있다. 다른 선호되는 비구형 입자는 원기둥 형태의 박막형 입자 혹은 박막형 사각형 입자이다.

본 발명의 미세(박막) 밸브 장치는 입구(11a), 출구(11b)와 유로(22), 배기구(12)를 형성하는 몸체(100)와, 이 몸체의 상하면의 마주보는 위치에 설치되어 전원 인가시 자력를 발생시키는 전자석(4a,4b)과, 이 몸체(100)의 내부에 형성된 유로(22)를 연결시키는 유공(10)과, 상기 전자석에 의해 형성된 자력의 힘에 의해 상하방향으로 움직이면서 상기 유공(10)을 개폐 함으로서 유체 흐름의 개폐와 유량을 제어하는 초소형 구슬(70)을 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 전자석(4a,4b)은 공심(air core)의 박막형 전자석이 선호되며, 상기 초소형 구슬은 자석구(magnet ball), 원기둥 모양의 박막형 자석 또는 사각형의 박막자석(판자석)이 선호된다. 상기 자석구(magnet ball) 혹은 원기둥 모양의 박막형 자석 혹은 사각형 박막자석이 전원이 인가된 전자석쪽으로 끌려간다.

첨부도면 1a 및 1b는 본 발명에 따른 초소형 구슬을 이용한 미세(박막) 밸브 장치의 작동상태를 나타내는 단면도로서, 도면부호 1,2,3은 몸체(100) 또는 기질을 구성한다.

상기 몸체(100)는 윗 기질(1)과 중간 기질(2) 과 아래 기질(3)로 구성되며, 이들 각각은 사출 성형 공정동안 기질 표면에 유체가 흐를 수 있는 유로(channel)(22) 및 버퍼(buffer) 용액을 저장할 수 있는 챔버(chamber)(20,21) 와 상기 유로(22)를 연결시키는 유공(10)을 형성한다. 이들은 서로 밀착 부착되어 하나의 몸체(100)를 이룬다.

도 1a는 상기 초소형 구슬(70)에 의해 유공(10)이 막혀 유로(22)가 차단된 경우를 나타내고, 도1b는 유공(10)이 열려 유로(22)가 연결된 것을 나타낸다. 도 1a에서 와 같이 유공(10)을 닫아 유로를 차단시키려면 상측 전자석(4a)에 전원을 차단하고 마주보는 하측 전자석(4b)에는 전원을 인가한다. 도 1b에서 와 같이 유공(10)을 열어 상기 유로를 연결시키려면 상측 전자석(4a)에는 전원을 인가하고 마주보는 하측 전자석(4b)에는 전원을 차단시킨다.

또한, 본 발명은 박막에 좁은 유로(channel)(16a)가 형성되어 있기 때문에, 유체가 압력을 받지 않고 원활히 유로를 흐를 수 있도록 배기구(12)가 윗기질(1)에 형성되어 있다.

또한 도 1b에서와 같이 유로 연결시, 상기 초소형 구슬(70)이 윗기질(1)에 밀착되도록 구속홈(101)이 나 있다. 이 구속홈(101)은 기질의 흔들림에 의해 상기 구슬(70)이 떨어져 나가 상기 열린 유공(10)을 막는 것을 방지키 위함이다. 본 발명에서 선호되는 상기 구속홈(101)의 곡률(round)은 상기 초소형 구슬(70)의 곡률보다 50%내지 70% 가 더 큰 곡률이 선호된다.

첨부도면 2a ,2b 2c 및 2d는 상기 초소형 구슬(70)을 이용한 미세 밸브 장치의 유공(10) 부분에 대한 여러 실시예를 나타내는 상세 단면도로서. 도면부호 10은 구슬과 중간기질(2)과의 접촉되는 부분을 나타낸다. 이 부분은 유공 폐쇄시, 유체의 누설(leakage)을 막기 위해 상기 구슬(70)에 해당하는 곡률(round)이 반영되어 있다.

도면 부호 10a는 상기 구슬(70)과 중간기질(2)과의 접촉면의 외곽으로 외측 유공을 표시하고, 10b는 상기 접촉면의 내곽으로 내측 유공을 나타낸다. 이 접촉면 이 클수록 유체의 누설을 방지할 수 있고, 본 발명에서는 접촉면의 직경은 100um 내지 500um이 선호된다.

도 2b는 내측 유공(10b)이 내측 보조 유공(19b)을 갖는 일 실시예를 나타낸다. 상기 내측 보조유공(19b)는 상기 초소형 구슬(70)의 반경에 비해 중간기질(2)의 두께가 큰 경우 필요하다. 도 2c는 내측 유공(10b) 과 외측 유공(10a) 모두가 보조 유공(19b,19a)를 갖는 일 실시예를 나타낸다.상기 외측 유공(10a)에 설계된 외측 보조 유공(19a)는 밸브 개방시, 상기 초소형 구슬(70)의 적은 량의 상측 이동만으로도 상기 유공(10)을 완전히 개방토록 한다.

도2d는 상기 초소형 구슬(70)로서 원기둥 모양 또는 사각형 모양을 갖는 입자를 이용한 미세 밸브 장치의 유공(10) 부분에 대한 일 실시예를 나타내는 상세 단면도로서, 도면부호 10은 상기 원기둥 혹은 사각형 입자(70)와 중간기질(2)과의 접촉되는 부분을 나타낸다. 도면 부호 10a는 상기 구슬(70)과 중간기질(2)과의 접촉면의 외곽으로 외측 유공을 표시하고, 10b는 상기 접촉면의 내곽으로 내측 유공을 나타낸다. 또한 유로 연결시, 원기둥 모양 또는 사각형 모양을 갖는 입자(70)가 윗기질(1)에 밀착되도록 구속홈(101)이 나있다. 이 구속홈(101)은 기질의 흔들림에 의해 상기 입자(70)가 떨어져 나가 상기 열린 유공(10)을 막는 것을 방지키 위함이다.

첨부도면 3a,3b 및 3c는 각각 초소형 구슬을 이용한 미세(박막) 밸브 장치의 몸체(100)내에 상기 유로(22), 유공(10), 챔버(20,21)을 형성하기 위한 상기의 윗 기질(1), 중간 기질(2) 과 아래 기질(3)를 보인다. 이들은 서로 밀착부착되어 하나 의 몸체(100)를 이룬다. 기질의 왼쪽이 입구방향이고 오른쪽이 출구방향이다(입구, 출구는 미도시됨). 도면에서 검게 칠해진 부분은 관통된 것을 표시하나 그렇치 않은 부분은 관통하지 않은채 일정 깊이만큼 음각을 이룬 것을 나타낸다.

도면 부호 20a,20b,20c는 적층되어 입구쪽의 챔버(18a)를 형성하고, 21a,21b,21c는 적층되어 출구쪽의 챔버(18b)를 형성한다. 도 3a의 도면 부호 22a는 윗 기질(1)에 형성된 챔버(20a)의 출구와 연결된 상측 유로를 나타낸다. 도 3c의 도면 부호 22c는 아래기질(3)에 형성된 챔버(21c)의 입구와 연결된 하측 유로를 나타낸다.

도 3b의 도면부호 10은 유로 차단시, 상기 구슬(70)이 밀착되는 곡률(round)을 가진 유공을 나타낸다. 상기 유로(22a,22c)의 끝 두분은 몸체의 흔들림에 의한 상기 구슬(70)의 이탈을 방지하기 위해 상기 구슬(70)보다 약간 더 큰 크기의 직경을 가진 구속 유로(23a,23c)가 형성되어 있고, 상기 몸체(100) 형성시 상측 구속유로(23a)와 유공(10) 과 하측 구속 유로(23c)가 연결되어 하나의 유공을 형성한다. 이 유공은 상기 전자석(4a,4b)에 의해 형성된 자력의 힘으로 작동되는 초소형 구슬(70)에 의해 개폐 제어된다. 상기 구슬의 이탈을 방지하기 위한 상기 구속 유로(23a,23c)의 곡률은 상기 구슬(70)의 직경보다 30% 내지 60%가 더 큰 직경이 선호된다.

또한 도3a와 도3d는 각각 상기 윗 기질(1)에 상기 배기구(12)를 형성시키기 위한 밑면도와 윗면도을 표시한다. 유체이동은 원심력 혹은 외압에 의해 이루어 지며 이때 배기구로의 유체의 유출을 방지키 위해 배기 통로(24)가 뒷 방향(원심력 반대 방향. 즉 입구쪽 방향)으로 배치되어 있다.

본 발명의 또 다른 측면은, 유체의 흐름 또는 유량을 제어하기 위한 초소형 구슬을 이용한 미세(박막) 밸브의 제어 방법에 관한 것으로, 몸체 내부에서 상하측에 구비된 전자석에 의해 형성된 자력의 힘으로 움직이는 초소형 구슬(micro bead)의 개폐 시간 조절에 의해 유체의 개폐 및 유량을 제어할 수 있는 초소형 구슬을 이용한 미세(박막) 밸브 제어 방법을 제공한다.

즉, 밸브를 닫아 유로를 차단시키려면 상측 전자석(4a)은 전원을 차단하고 또한 마주보는 하측 전자석(4b)에는 전원을 인가하여 상기 구슬(70)에 대해 인력이 작용하여 상기 유공(10)에 밀착 부착되도록 하고, 반대로 유공를 열어 상기 유로를 연결시키려면 상측 전자석(4a)에 전원을 인가하여 상기 구슬(70)에 대해 인력이 작용하여 상기 구슬을 유공(10)으로부터 이탈시키고 또한 마주보는 하측 전자석(4b)에는 전원을 차단하도록 하는 초소형 구슬을 이용한 미세 밸브 제어 방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 측면은, 유체의 흐름 또는 유량을 제어하기 위한 전하를 및 초소형 구슬을 이용한 미세 밸브의 제어 방법에 관한 것으로, 몸체 내부에서 상하측에 구비된 전극판(4a,4b)에 의해 형성된 전계의 힘으로 움직이는 전하를 띤 초소형 구슬(charged micro bead)의 개폐에 의해 유체의 개폐 및 유량을 제어할 수 있는 전하를 띤 초소형 구슬을 이용한 미세 밸브 장치을 제공하는데 그 목적이 있고 상기 전극판은 상기 전자석 대신 사용된다.

즉, 밸브를 닫아 유로를 차단시키려면, 양전하를 띤 초소형 구슬을 사용한 경우 상측 전극판은 양 전원을 가하여 상기 양전하를 띤 구슬에 대해 반발력을 발생시키고 또한 마주보는 하측 전극판에는 음 전원을 인가하여 상기 양 전하를 띤 구슬에 대해 인력이 작용하여 상기 유공(10)에 폐쇄토록 하고, 반대로 유공를 열어 상기 유로를 연결시키려면 상측 전극판에 음 전원을 인가하여 상기 양전하를 띤 초소형 구슬에 대해 인력이 작용하여 상기 구슬을 유공(10)으로부터 이탈시키고 또한 마주보는 하측 전극판에는 양 전원을 가하여 상기 유공을 더욱 개방하도록 하는 전하를 띤 초소형 구슬을 이용한 미세 밸브 장치를 제공한다.

발명의 최선의 실시예

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.

〈핵산분석장치〉

도면 4는 본 발명의 초소형 구슬을 이용한 미세 밸브 장치가 통상적인 CD-ROM, DVD, 바이오 CD 및 바이오 DVD 등 디스크 장치(200)와 같은 박막속에 내장된 Lab On a Chip에 적용된 일실시예인 핵산분석장치의 평면도 및 a-b 사이의 단면도이다.

도면 부호 100은 몸체 또는 기질이고, 윗기질(1)과 중간기질(2)과 아래기질(3)이 적층에 의해 형성된다. 초소형 구슬(70a.70b,70c)은 각각 전자석(190a와b, 191a와b, 192a와b)에 의해 형성된 자력에 의해 독립적으로 개폐제 어 된다. 120은 샘플을 주입하기 위한 피펫 또는 주사위를 나타내고, 121은 샘플주입구 이고 170은 디스크 공극을 나타낸다.

도 4에 분석에 필요한 각종 버퍼 용액을 저장하고, 다양한 화학 공정을 수행하기 위한 챔버 (chamber)와 처리된 유체 및 버퍼 용액들을 이동시키기 위한 유로, 이들 유로의 개폐를 제어하기 위한 밸브들이 박막디스크 상에 배치된 일 실시예을 보인다. 유체는 디스크장치(200)의 회전에 의한 원심력에 의해 이동된다.

도면 부호130는 피 또는 세포로부터 DNA샘플 또는 RNA샘플을 준비하기 위한 프렙(Preparation)공정을 포함하는 프렙챔버(Preparation chamber)이고, 131는 PCR(Polymer Chain Reaction)공정 위한 PCR챔버이고, 132는 혼성화(hybridization)을 위한 챔버로 증폭된 DNA을 분석 및 진단 하기 위한 켑쳐프로브(capture probe)가 어레이 형태로 기질에 부착되어 있는 어레이 챔버(Array chamber)이고 133는 세정공정에 의해 생성된 찌거기들을 모으기 위한 트레쉬챔버(Trash chamber)이다.

도면 부호 140는 PCR에 필요한 폴리머라아제를 비롯한 각종 효소(enzyme)들을 포함하는 버퍼용액을 포함하는 챔버이고, 141 ,142 및 143는 혼성화에 필요한 각종 효소를 포함하는 챔버이다.

상기 각각의 공정(프렙 , PCR , 혼성화 및 세정공정)의 시작시점과 종료 시점에서의 밸브의 개폐 제어는 상기 초소형 구슬의 상하측에 설치된 전자석들에 인가된 전원의 온(on)오프(off)제어에 의해 이루어지고 유체이동은 디스크(200)의 회전력에 의한 원심력에 의한다.

도면 5a와 5b 는 각각 초소형 구슬을 이용한 미세 밸브 장치의 몸체(100)내 의 유로 , 유공, 챔버 및 상측 전자석을 형성키 위한 상기 윗 기질(1) 윗면도와 밑면도; 도면 6a와 6b 는 각각 초소형 구슬을 이용한 미세 밸브 장치의 몸체(100)내의 유공 및 챔버를 형성키 위한 상기 중간 기질(2) 윗면도와 밑면도; 도면 7a와 7b는 각각 초소형 구슬을 이용한 미세 밸브 장치의 몸체(100)내의 유로, 유공, 챔버 및 하측 전자석을 형성키 위한 상기 아래 기질(3) 윗면도와 밑면도를 보인다. 상기 도면에서 검은색 부분은 관통된 것을 표시하나 그렇치 않은 부분은 관통하지 않은채 일정 깊이만큼 음각을 이룬 것을 나타낸다. 이들은 서로 밀착부착되어 하나의 몸체(100)를 이룬다.

도면 5a,5b,6a,6b,7a 및 7b에서, 도면 부호 130a,130b,130c는 적층되어 상기 프렙챔버(130)를 형성하고, 131a,131b,131c는 적층되어 상기 PCR챔버(131)를 형성하고, 132a,132b,132c는 적층되어 상기 어레이챔버(132)를 형성하고, 133a,133b,133c는 적층되어 상기 트레쉬 챔버(133)를 형성한다. 또한 도면 부호 140a,140b,140c는 적층되어 PCR공정에 필요한 각종 효소(enzyme) 및 버퍼용액을 저장하는 챔버(140)을 형성하고. 적층141a-b-c , 적층142a-b-c 및 적층143a-b-c는 혼성화에 필요한 각종 효소 및 버퍼 용액를 저장하는 챔버들(141, 142, 143)를 형성한다.

도 5b의 도면 부호 150a는 상기 윗기질(1)의 밑면에 형성된 프렙챔버(130a)의 출구와 연결된 상측 유로를 나타내고, 151a는 윗기질(1)에 형성된 PCR챔버(131a)의 출구와 연결된 상측 유로를 나타내고, 152a는 윗기질(1)에 형성된 어레이 챔버(132a)의 출구와 연결된 상측 유로를 나타내고, 153a는 윗기질(1)에 형 성된 챔버(140a)의 출구와 연결된 상측 유로를 나타내고, 154a는 윗기질(1)에 형성된 챔버(141a)의 출구와 연결된 상측 유로를 나타내고, 155a는 윗기질(1)에 형성된 챔버(142a)의 출구와 연결된 상측 유로를 나타내고, 156a는 윗기질(1)에 형성된 챔버(143a)의 출구와 연결된 상측 유로를 나타낸다. 211a와 211b, 및 211c는 각각의 해당 챔버에 설치된 배기통로이다.

도 5a는 상기 윗 기질(1)의 윗면에 설치된 상측 전자석들(190a, 191a, 192a, 193a, 194a, 195a, 196a)과 상기 배기통로(211a,211b,211c)와 연결된 배기구(210a,210b,210c)를 나타낸다.

도 7a의 도면 부호 150c는 상기 아래 기질(3)의 윗면에 형성된 PCR챔버(131c)의 입구와 연결된 하측 유로를 나타내고, 151c는 아래기질(3)에 형성된 어레이 챔버(132c)의 입구와 연결된 하측 유로를 나타내고, 152c는 아래 기질(3)에 형성된 트레쉬 챔버(133c)의 입구와 연결된 하측 유로를 나타내고, 153c는 아래 기질(3)에 형성된 PCR챔버(131c)의 입구와 연결된 하측 유로를 나타내고, 154c는 아래 기질(3)에 형성된 어레이 챔버(132c)의 입구와 연결된 하측 유로를 나타내고, 155c는 아래 기질(3)에 형성된 어레이 챔버(132c)의 입구와 연결된 하측 유로를 나타내고, 156c는 아래 기질(3)에 형성된 어레이 챔버(132c)의 입구와 연결된 하측 유로를 나타낸다.

상기 유로(150a, 151a, 152a, 153a, 154a, 155a, 156a, 150c, 151c, 152c, 153c, 154c, 155c, 156c) 의 각 끝 부분은 곡률가진 구속 유로(160a, 161a, 162a, 163a, 164a, 165a, 166a, 160c, 161c, 162c, 163c, 164c, 165c, 166c)가 형성되어 있고, 상기 몸체(100) 형성시 상측 구속유로((160a, 161a, 162a, 163a, 164a, 165a, 166a)와 도면 6a및 6b에 형성된 유공(160b, 161b, 162b, 163b, 164b, 165b, 166b) 과 하측 구속 유로(160c, 161c, 162c, 163c, 164c, 165c, 166c)가 연결되어 하나의 유공을 형성한다. 이 유공은 각각의 상하측면에 맞대어 설치된 상측 전자석(190a, 191a, 192a, 193a, 194a. 195a, 196a)와 하측 전자석(190b, 191b, 192b, 193b, 194b, 195b, 196b)에 의해 형성된 자력의 힘으로 작동되는 초소형 구슬들에 의해 서로 독립적으로 개폐가 제어된다. 상기 구슬의 이탈을 방지하기 위한 상기 구속 유로들의 곡률은 상기 구슬의 곡률보다 30%내지 60%가 더 큰 곡률이 선호된다.

도 8은 본 발명의 초소형 구슬을 이용한 미세 밸브 제어 방법이 통상적인 CD-ROM, DVD, 바이오 CD 및 바이오 DVD 등 디스크 장치(200)와 같은 박막속에 내장된 Lab On a Chip에 적용된 일실시예를 나타내는 플로우 챠트이다.

상기 각각의 공정(프렙 , PCR , 혼성화 및 세정공정)의 시작시점과 종료 시점에서의 밸브의 개폐 제어는 상기 초소형 구슬의 상하측에 설치된 전자석의 온오프에 의해 제어되고, 유체이동은 디스크(200)의 회전력에 의한 원심력에 의한다.

피 또는 세포를 상기 주입구(121)을 통해 상기 프렙 챔버(130) 주입되고(단계501) 이후 프렙 공정(단계 502)을 통해 추출된 DNA 혹은 RNA샘플을 얻는다. 프렙 공정이 끝나면 PCR챔버(131)로 상기 추출된 DNA혹은 RNA 샘플를 이송시키기 위해 상기 유공(160b)을 열고 일정기간 디스크를 회전시켜 원심력을 발생시킨다.(단계 503,504 및 505). 이후 상기 유공(160b)을 닫고 PCR에 필요한 효소 및 버퍼 용액을 공급키 위해 유공(163b)을 열고( 단계 506), PCR공정을 수행한다(단계 507). 상기 PCR공정에는 열 순환(thermal cycle)이 필요한바 별도의 열 제어 장치가 제공되어야 하나 본 발명은 밸브에 촛점이 맞추어 져 있는바 이부분은 생략키로 한다. PCR공정이 끝나면, PCR이 완료된 DNA 샘플을 상기 어레이 챔버(132)로 이송키 위해 상기 유공(163b)을 닫고 유공(161b)를 열은후 디스크를 일정기간 회전시킨다(단계 508,509,510). 이후 상기 유공(161b)를 닫고 어레이 공정에 필요한 효소 및 버퍼 용액을 공급키 위해 유공(164b,165b,166b)을 열고(단계 511), 어레이 공정을 수행한다(단계 512). 이후 상기 유공(164b,165b,166b)을 닫고(단계 513) 어레이 공정후 남은 찌거기를 상기 트레쉬 챔버(133)에 모으기 위해 유공 (162b)을 열고 디스크를 일정기간 회전시키후(단계 514, 515, 516) 상기 유공(162b)를 닫는다(단계 517).

이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 미세 밸브 장치 및 제어 방법은 초소형 구슬 또는 볼을 구비하여, 이 구슬 또는 볼이 상기 전자석의 전원 온오프 제어 또는 상기 전극판에 인가된 전압의 방향에 따라 형성된 자력 또는 전계의 힘에 의해 상하 어느 한 방향으로 움직이면서 유로를 개폐 또는 유량제어토록 한 것이다. 따라서, 본 발명의 미세 밸브 장치 및 제어 방법은 Lab On a Chip 이나 Protein chip 및 DNA chip같은 유체내 소량의 물질을 진단 및 탐지하는 박막형 장치의 밸브에 적합하다. 특히 본 발명의 미세 밸브장치 및 제어 방법은 통상적인 CD-ROM, DVD, 바이오-CD 또는 바이오-DVD 등 디스크 장치와 같은 박막 속에 형성된 유로(channel)을 개폐시키는데 적합하다.

Claims (23)

1. 유체를 이동하기 위한 유로; 상기 유로를 연결시키기 위한 유공; 상기 유로 및 유공을 형성하는 박막형 몸체; 상기 몸체의 상하면의 마주보는 위치에 설치되어 자력선를 발생시키는 전자석들과; 상기 전자석들의 온오프 제어에 따라 상하 어느 한 방향으로 움직이면서 상기 유공을 개폐함으로서 유체 흐름의 개폐와 유량을 제어하는 초소형 구슬을 포함하는 미세(micro) 밸브 장치.
2. 유체를 이동하기 위한 유로; 상기 유로를 연결시키기 위한 유공; 상기 유로 및 유공을 형성하는 박막형 몸체; 상기 몸체의 상하면의 마주보는 위치에 설치되어 전원 인가시 전계를 발생시키는 전극판들과; 상기 전극판들에 인가된 전압 방향에 따라 상하 어느 한 방향으로 움직이면서 상기 유공을 개폐함으로서 유체 흐름의 개폐와 유량을 제어하는 전하를 띤 초소형 구슬을 포함하는 미세 밸브 장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 몸체는 유체의 이동으로 인한 공기압을 배출하기 위한 배기구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 밸브 장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 배기구는 유체 흐름의 반대방향 또는 원심력의 반대 방향으로 배치된 것을 특징으로 하는 미세 밸브 장치.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 몸체는 플라스틱, PMMA, 유리, 운모, 실리카로 구성된 군에서 선택된 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세 밸브 장치.
6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 초소형 구슬은 강자성체 입자, 상자성체 입자, 반자성체 입자, 금속 입자, 금속코팅된 플라스틱 또는 유리 입자로부터 선택된 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세 밸브 장치.
7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 초소형 구슬은 구형입자, 또는 박막형 원기둥 또는 사각형과 같은 비구형 입자인 것을 특징으로 하는 미세 밸브 장치.
8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 초소형 구슬은 1 um 내지 1mm 범위의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 미세 밸브 장치.
9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 유공은 상기 초소형 구슬의 곡률을 갖는 것을 특징으로 하는 미세 밸브 장치.
10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 유공은 상기 초소형 구슬의 직경보다 작은 내측 보조 유공 및/또는 상기 초소형 구슬의 직경보다 큰 외측 보조 유공을 갖는 것을 특징으로 하는 미세 밸브 장치.
11. 제 1항에 있어서, 상기 전자석은 공심(air core)의 박막형 전자석인 것을 특징으로 하는 미세 밸브 장치.
12. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 몸체는 CD-ROM, DVD, 바이오 CD, 바이오 DVD 와 같은 박막 형태의 디스크 장치인 것을 특징으로 하는 미세 밸브 장치.
13. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 몸체는 초소형 구슬의 이탈을 방지하기 위한 구속홈 또는 구속 유로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 밸브 장치.
14. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 몸체는 윗 기질과 중간 기질과 아래 기질이 적층되어 구성된 것을 특징으로 하는 미세 밸브 장치.
15. 제 14항에 있어서, 상기 윗 기질은 한쪽 챔버와 유공까지의 상측유로가 일정 깊이만큼 음각되고, 중간기질은 양쪽 챔버와 유공이 관통되고, 아래 기질은 다른 한쪽 챔버와 유공까지의 하측유로가 일정 깊이만큼 음각되어 설계된 것을 특징으로 하는 미세 밸브 장치.
16. 미세 밸브 장치의 유공을 닫아 유로를 차단시키려면 상측 전자석은 전원을 차단하고 마주보는 하측 전자석에는 전원을 인가하여 상기 초소형 구슬에 대해 인 력이 작용하여 상기 유공에 밀착 부착되도록 하고, 반대로 유공을 열어 상기 유로를 연결시키려면 하측 전자석은 전원을 차단하고 마주보는 상측 전자석에는 전원을 인가하여 상기 초소형 구슬에 대해 인력이 작용하여 상기 구슬을 유공으로부터 이탈시키는 것을 특징으로 하는 제 1항에 따른 미세 밸브 장치의 제어 방법.
17. 미세 밸브 장치의 유공을 닫아 유로를 차단시키려면, 상측 전극판은 상기 초소형 구슬의 전하와 동일 전원을 인가하여 상기 전하를 띤 초소형 구슬에 대해 반발력을 발생시키고 마주보는 하측 전극판에는 반대 전원을 인가하여 상기 전하를 띤 초소형 구슬에 대해 인력이 작용하여 상기 유공에 밀착 부착되도록 하고, 반대로 유공을 열어 상기 유로를 연결시키려면 하측 전극판에는 동일 전원을 인가하여 상기 전하를 띤 초소형 구슬에 대해 반발력을 발생시키고 마주보는 상측 전극판에는 반대 전원을 인가하여 상기 전하를 띤 초소형 구슬에 대해 인력이 작용하여 상기 구슬을 유공으로부터 이탈시키는 것을 특징으로 하는 제 2항에 따른 미세 밸브 장치의 제어 방법.
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