KR100591244B1 - 유체주입구의 압력을 제어할 수 있는 미세 유체 소자 및이를 구비하는 미세 유로망 - Google Patents

유체주입구의 압력을 제어할 수 있는 미세 유체 소자 및이를 구비하는 미세 유로망 Download PDF

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최창억
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 유체주입구의 압력을 제어할 수 있는 미세 유체 소자 및 이를 구비하는 미세 유로망에 관한 것으로, 상부기판과 하부기판 사이에 형성되며, 각각의 일측에는 유체를 주입하기 위한 유체주입구가 형성되고 각각의 타측에는 유체의 이동을 정지시키기 위한 유체정지면이 형성되는 적어도 2개 이상의 유로들과, 상기 유로들에 주입되는 유체들간의 압력차이를 제거하기 위해 상기 유로들의 유체주입구 사이에 형성되어 상기 유체주입구를 연결시키는 압력조절유로와, 상기 유로들의 유체정지면을 통과한 유체들을 합류시키기 위해 형성되는 유체합류부를 포함함으로써, 여러 개의 유로가 동시에 만나고 분기되는 복잡한 미세 유로망(microfluidic network)에서 유로망의 유체합류부에서 합류된 두 유체가 유체합류부를 지날 때 병렬적인 흐름을 가질 수 있으며, 간편한 방법으로 입력단의 압력을 제어할 수 있는 효과가 있다.
미세 유체 소자, 유체 이송 시간 지연, 미세 유로, 모세관 현상, 바이오 칩, 압력

Description

유체주입구의 압력을 제어할 수 있는 미세 유체 소자 및 이를 구비하는 미세 유로망{Microfluidic device capable of controlling the pressure of the inlet and microfluidic network having the same}
도 1a 내지 도 1c는 상부 기판과 하부 기판의 친수성 여부에 따른 미세 유체의 이송 형상을 나타낸 단면 모식도.
도 2a는 상부, 하부 및 중간기판으로 형성된 미세 유체의 유로 단면도.
도 2b는 상부 및 하부기판으로 형성된 미세 유체의 유로 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체주입구의 압력을 제어할 수 있는 미세 유체 소자의 평면도.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체주입구의 압력을 제어할 수 있는 미세 유체 소자의 압력조절유로가 없는 경우에 따른 합류 시 현상을 시간 변화에 따라 나타낸 도면.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체주입구의 압력을 제어할 수 있는 미세 유체 소자를 구현하여 시간에 따른 변화를 나타낸 도면.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체주입구의 압력을 제어할 수 있는 미세 유체 소자의 기본 단위가 여러 개 연결된 구조의 미세 유체 소자를 나타낸 평면도.
*** 도면의 주요 부분의 부호의 설명 ***
110 : 상부기판, 120 : 하부기판,
130 : 중간기판, 310: 제1 유체주입구,
320 : 제2 유체주입구, 330 : 제n 유체주입구,
600 : 압력조절유로, 610: 제1 유로,
615 : 제2 유로, 620 : 제n 유로,
630 : 제1 유체정지면, 635 : 제2 유체정지면,
640 : 제n 유체정지면, 645 : 유동지연턱,
660 : 제1 유체, 665 : 제2 유체,
670 : 유체합류부
본 발명은 미세 자동 분석시스템(예를 들면, 바이오 센서, 바이오 칩, HTS(High throughput screening) 시스템 및 조합 화학(Combinatory chemistry) 시스템 등) 등에 적용될 수 있는 미세 유체 소자에 관한 것으로, 이러한 시스템에서는 여러 개의 유로가 동시에 만나고 분기되는 복잡한 미세 유로망(microfluidic network)이 형성되고, 각 기본 유체 제어 단위마다 정지를 위한 밸브, 이송을 위한 펌프 등이 필요하며, 유로들이 만나고 분기되는 부분에서 여러 가지 현상들이 발생하게 된다. 본 발명은 이러한 미세 유로망의 유체합류부에서 유체들의 합류 시 합 류된 두 유체가 유체합류부를 지날 때 병렬적인 흐름을 가질 수 있도록 압력조절유로를 갖는 미세 유체 소자에 관한 것이다.
일반적으로, 이종의 미세 유체가 유로에서 다른 유로로 각기 흘러서 합류하는 경우, 두 유체 사이의 압력차가 존재하면 압력이 큰 유체가 압력이 작은 유체로 흘러가게 된다. 한 유체가 다른 유체쪽으로 흘러들어 간 후에 압력이 같아지기 전까지는 계속 이런 일방적인 흐름이 발생한다.
두 유체의 병렬적인 흐름이 필요한 경우라면 상기 언급된 현상은 두 유체사이의 불필요한 혼합을 만들어 내므로 문제가 된다. 따라서, 이러한 현상을 회피하려면 유체합류부에서 두 유체의 압력을 균일하게 만들어 주어야 한다.
모세관 현상만을 이용하여 두 유체가 각각 같은 형상의 유로를 지나 합류하는 경우에 있어서의 압력차이는 유체주입구의 형상과 주입된 유체의 양에 의해 결정된다. 주입하는 유체의 양을 늘리고 유체주입구의 형상을 크게 할수록 두 유체의 압력차이가 줄어들게 된다.
그러나, 이는 소량의 (~ microliter)유체를 사용하는 미세 유체 소자에서는 적합하지 않다. 주입하는 유체의 양과 유체주입구의 크기를 줄일수록 제작상의 오차로 인하여 압력차는 더 커지게 된다.
두 유체주입구의 형상을 똑같이 만들고 주입하는 유체의 양을 같이 하는 것은 이론적으로는 가능하나 실제 제작상의 오차로 인하여 구현하기가 불가능하다. 모세관 현상을 이용하지 않고 펌프를 이용하여 유체를 이송하는 경우, 두 유체를 구동하는 펌프의 압력을 조절하여 두 유체 사이의 압력을 조절하는 방법이 있다.
프린스턴 대학에서 발표된 논문 "Hydrodynamic focusing on a silicon chip:Mixing nanoliters in microseconds" (James B. Knight et al, Physical review letters: 27 Apr. 1998)에서는 유체주입구의 압력을 외부 펌프로 조절하여 합류하는 부위에서의 두 유체의 압력이 같도록 만들어 준다. 이는 미세 유로에서의 유체제어이기는 하나 외부 펌프를 사용하여 모세관 현상만을 이용하여 유체가 흐르는 시스템에 있어서는 적용하기에 어렵다는 단점이 있다.
현재까지는 모세관 유동을 이용한 구동방식에서 두 유체가 만나는 상황에서 두 유체의 압력이 같아지도록 하는 개념이 제시된 바 없다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 모세관 현상을 이용하여 구동되는 수동형 유체제어 시스템에서 간단한 구조와 원리로 유체주입구의 압력을 같게 만들어 줄 수 있도록 압력조절유로를 구비한 미세 유체 소자 및 이를 구비하는 미세 유로망을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본원 발명자들은 예의 연구를 거듭한 결과, 하기와 같은 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명은 모세관유동을 이용한 유체 이송방식에 있어서 이종의 유체가 유체주입구에서 압력 차이를 가지는 경우, 유체주입구에서 존재하는 압력 차이를 제거하여 유체합류부에서 합류된 두 유체가 병렬적인 흐름을 가질 수 있도록 하기 위하여 하기와 같은 구성을 갖는다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 측면은, 상부기판과 하부기판 사이에 형성되며, 각각의 일측에는 유체를 주입하기 위한 유체주입구가 형성되고 각각의 타측에는 유체의 이동을 정지시키기 위한 유체정지면이 형성되는 적어도 2개 이상의 유로들; 상기 유로들에 주입되는 유체들간의 압력차이를 제거하기 위해 상기 유로들의 유체주입구 사이에 형성되어 상기 유체주입구를 연결시키는 압력조절유로; 및 상기 유로들의 유체정지면을 통과한 유체들을 합류시키기 위해 형성되는 유체합류부를 포함하는 유체주입구의 압력을 제어할 수 있는 미세 유체 소자를 제공하는 것이다.
여기서, 상기 상부기판과 상기 하부기판 사이에 결합되는 중간기판이 더 포함함이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 유체정지면의 연속선상에 형성되어 상기 유체의 이동 속도를 감소시키는 유동지연턱을 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 압력조절유로는 1 내지 200㎛ 범위의 폭으로 이루어진 다.
본 발명의 제2 측면은, 본 발명의 제1 측면에 따른 유체주입구의 압력을 제어할 수 있는 미세 유체 소자를 적어도 2개 이상 포함하여 트리 구조로 연결시킨 미세 유로망을 제공하는 것이다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 유체주입구의 압력을 제어할 수 있는 미세 유체 소자는 유체 이송 시 모세관 압력을 이용하고, 유체정지면에서의 유로의 종횡비(폭:높이)와 유체정지면과 유동지연턱이 이루는 유동지연각에 의해서 발생되는 모세관 압력장벽에 의하여 유체의 이송이 지연되는 방식에 있어서의 유체주입구 압 력 차이를 해소하는 방법을 제안한다.
이러한 유로, 유체정지면 및 유동지연턱을 포함하는 미세 유체 소자의 기본단위가 병렬 또는 직렬로 다수개 연결된 구조에 있어서도 유체주입구들의 압력을 같도록 하는 부분을 병렬적으로 형성할 수도 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정지어지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 도면에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.
도 1a 내지 도 1c는 상부 기판과 하부 기판의 친수성 여부에 따른 미세 유체의 이송 형상을 나타낸 단면 모식도로서, 본 발명에서 사용되는 모세관 현상만을 이용하여 유체가 이송되는 원리를 설명한다.
도 1a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유체주입구의 압력을 제어할 수 있는 미세 유체 소자의 상부기판(110)과 하부기판(120)을 모두 친수성 재질로 한 경우의 유체의 선단 형상을 나타내고 있다.
도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유체주입구의 압력을 제어할 수 있는 미세 유체 소자의 상부기판(110)이 소수성이고, 상기 하부기판(120)은 친수성인 경우의 유체의 선단 형상을 나타내고 있다.
도 1c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유체주입구의 압력을 제어할 수 있는 미세 유체 소자의 상부 및 하부기판(110 및 120)이 모두 소수성인 경우의 유체의 선단 형상을 나타내고 있다.
도 1a 및 도 1b의 경우와 같이, 유로 내부의 소수성의 정도보다 친수성이 더 큰 경우 외부 압력 없이도 유체의 이송이 가능하나, 도 1c의 경우나 도 1b에서 유로 내부에서 친수성보다 소수성이 더 큰 경우 추가적인 압력을 인가해야 유체의 이송이 가능하다.
한편, 제1 유체주입구(310, 도 3 참조)와 제2 유체주입구(320, 도 3 참조)는 상기 상부기판(110)이나 하부기판(120)에 선택적으로 형성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 사용되는 유로의 단면 형상을 나타낸 단면도로서, 도 2a는 상부, 하부 및 중간기판으로 형성된 미세 유체의 유로 단면도이고, 도 2b는 상부 및 하부기판으로 형성된 미세 유체의 유로 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 상기 상부기판(110)과 상기 하부기판(120) 이외에 추가적으로 중간기판(130)을 사용하여 유로가 형성되어 있다.
도 2b를 참조하면, 상기 상부기판(110)과 상기 하부기판(120)만을 이용하여 유로가 형성되어 있다.
한편, 상기 상부기판(110), 상기 하부기판(120) 및 상기 중간기판(130)의 재질로서는 유리, 플라스틱 또는 금속 등의 모든 재료가 가능하나, 일반적으로 PDMS(polydimethylsiloxane), PMMA(polymethylmethacrylate), PC(polycarbonate), COC(cycloolefin copolymer), PA(polyamide), PE(polyethylene), PP(polypropylene), PPE(polyphenylene ether), PS(polystyrene), POM(polyoxymethylene), PEEK(polyetheretherketone), PTFE(polytetrafluoroethylene), PVC(polyvinylchloride), PVDF(polyvinylidene fluoride), PBT(polybutyleneterephthalate), FEP(fluorinated ethylenepropylene), PFA(perfluoralkoxyalkane) 등의 투명한 폴리머나 SU-8등의 사진식각(photolithography)이 가능한 감광제(photoresist)등을 사용할 수도 있다.
또한, 상기 상부기판(110)은 예컨대, 레이저 어블레이션(Laser Ablation), 쾌속조형(Rapid Prototyping) 또는 NC(Numerical Control) 머시닝과 같은 전통적인 기계가공법 또는 사진석판술(photolithography)과 식각을 이용한 반도체가공법으로 제작된 금속 또는 실리콘 구조체를 매스터(master)로 하여 핫 엠보싱(Hot Embossing), 사출성형(Injection Molding) 또는 캐스팅(Casting)법을 이용하여 제작할 수 있다. 기판의 접합은 일반적으로 사용하는 접착제를 사용하여 행하거나, 재료에 따라 용접, 초음파 접합을 행하거나 점착제를 이용할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체주입구의 압력을 제어할 수 있는 미세 유체 소자의 평면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유체주입구의 압력을 제어할 수 있는 미세 유체 소자는, 압력조절유로(600), 제1 유로(610), 제2 유로(615) 및 유체합류부(670)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 제1 및 제2 유로(610 및 615)는 제1 및 제2 유체(660 및 665, 도 4a 참조)를 이송시키는 역할을 수행하는 것으로, 상기 상부기판(110)과 상기 하부기판(120)의 사이에 형성되어 있다.
상기 제1 및 제2 유로(610 및 615)의 일측에는 제1 및 제2 유체(660 및 665, 도 4a 참조)를 주입시키기 위한 제1 및 제2 유체주입구(310 및 320)가 각각 형성되어 있으며, 그 타측에는 상기 제1 및 제2 유체(660 및 665)의 이동을 정지시키도록 제1 및 제2 유체정지면(630 및 635)이 각각 형성되어 있다.
상기 압력조절유로(600)는 상기 제1 및 제2 유체주입구(310 및 320)가 연결되도록 형성되어 상기 제1 및 제2 유체(660 및 665)의 압력차이를 제거하는 역할을 수행한다.
상기 유체합류부(670)는 상기 제1 및 제2 유체정지면(630 및 635)을 통과한 상기 제1 및 제2 유체(660 및 665)가 하나의 유로로 합류되도록 형성되어 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서는 제1 및 제2 유로(610 및 615)와 이를 연결하는 압력조절유로(600)로 구현하였지만, 이에 국한하지 않으며, 적어도 2개 이상의 유로들과 이들을 각각 연결하는 압력조절유로로 구현할 수도 있다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체주입구의 압력을 제어할 수 있는 미세 유체 소자의 압력조절유로가 없는 경우에 따른 합류 시 현상을 시간 변화에 따라 나타낸 도면이고, 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체주입구의 압력을 제어할 수 있는 미세 유체 소자를 구현하여 시간에 따른 변화를 나타낸 도면이다.
도 3, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 유체주입구의 압력을 제어할 수 있는 미세 유체 소자의 기본적인 동작 과정을 설명한다. 두 개의 유로가 만나는 합류부가 있는 경우인데, 상기 제1 유로(610)와 상기 제2 유로(615)가 각각 상기 제1 유체정지면(630)과 상기 제2 유체정지면(635)을 만나게 된다.
상기 제1 유체정지면(630)과 상기 제2 유체정지면(635)과 인접하여 유동지연턱(645)이 있으며, 상기 제1 유로(610)와 상기 제2 유로(615)를 각각 지나온 제1 유체(660)와 제2 유체(665)가 상기 제1 유체정지면(630)과 상기 제2 유체정지면(635)에 도달하게 된다.
이때, 상기 압력조절유로(600)가 없는 경우 도 4a에 도시된 바와 같이, 상기 제1 유체(660)와 상기 제2 유체(665)사이에서 압력차가 존재하여 상기 제1 유체(660)가 상기 제2 유체(665)로 들어간 뒤 상기 유체합류부(670)를 지나가거나, 상기 제2 유체(665)가 상기 제1 유체(660)로 들어간 뒤 상기 유체합류부(670)를 지나가는 현상이 발생한다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 압력조절유로(600)가 존재하는 경우 상기 제1 유체(660)와 상기 제2 유체(665)가 상기 압력조절유로(600)를 통하여 먼저 만나서 두 유체사이의 압력차가 제거되고 나서 상기 유체합류부(670)에서 만나서 병렬적인 흐름으로 상기 유체합류부(670)를 통과하게 된다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체주입구의 압력을 제어할 수 있는 미세 유체 소자의 기본 단위가 여러 개 연결된 구조의 미세 유체 소자를 나타낸 평면도로서, 도 5a는 도 3에 도시한 바와 같이 두 개의 유로가 합류되는 구조의 두 개의 유로, 유체정지면, 압력조절유로 및 유동지연턱을 포함하는 미세 유체 소자의 기본 단위를 직렬 및 병렬 즉, 트리(tree) 구조로 연결하여 미세 유로망을 형성할 수 있음을 보여주고 있고, 도 5b는 도 3에 제시된 미세 유체 소자의 기본 소자 단위를 순차적으로 연결하여 만날 수 있는 유로의 개수를 확장할 수 있는 구조를 나타내고 있다.
즉, 도 5a에서는 유로를 간접적으로 연결하여 제1 유로(610)부터 제n 유로(620)까지 유로를 n개까지 확장할 수 있는 구조를 도시하였고, 도 5b에서는 모든 유로를 직접적으로 연결하여 유로를 n개까지 확장할 수 있는 구조를 나타내었다.
전술한 본 발명에 따른 유체주입구의 압력을 제어할 수 있는 미세 유체 소자 및 이를 구비하는 미세 유로망에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 유체주입구의 압력을 제어할 수 있는 미세 유체 소자 및 이를 구비하는 미세 유로망에 따르면, 미세 유로망의 유체합류부에서 유체들의 합류 시 합류된 두 유체가 유체합류부를 지날 때 병렬적인 흐름을 가질 수 있도록 복수개의 유체주입구 사이에 압력조절유로를 구비함으로써 여러 유체주입구의 압력을 균일하게 만들 수 있는 이점이 있다.

Claims (5)

  1. 상부기판과 하부기판 사이에 형성되며, 각각의 일측에는 유체를 주입하기 위한 유체주입구가 형성되고 각각의 타측에는 유체의 이동을 정지시키기 위한 유체정지면이 형성되는 적어도 2개 이상의 유로들;
    상기 유로들에 주입되는 유체들간의 압력차이를 제거하기 위해 상기 유로들의 유체주입구 사이에 형성되어 상기 유체주입구를 연결시키는 압력조절유로; 및
    상기 유로들의 유체정지면을 통과한 유체들을 합류시키기 위해 형성되는 유체합류부를 포함하는 유체주입구의 압력을 제어할 수 있는 미세 유체 소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 상부기판과 상기 하부기판 사이에 결합되는 중간기판이 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체주입구의 압력을 제어할 수 있는 미세 유체 소자.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 유체정지면의 연속선상에 형성되어 상기 유체의 이동 속도를 감소시키는 유동지연턱을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체주입구의 압력을 제어할 수 있는 미세 유체 소자.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 압력조절유로는 1 내지 200㎛ 범위의 폭으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유체주입구의 압력을 제어할 수 있는 미세 유체 소자.
  5. 제 1 항에 따른 유체주입구의 압력을 제어할 수 있는 미세 유체 소자를 적어도 2개 이상 포함하여 트리 구조로 연결시킨 미세 유로망.
KR1020050028114A 2004-12-14 2005-04-04 유체주입구의 압력을 제어할 수 있는 미세 유체 소자 및이를 구비하는 미세 유로망 KR100591244B1 (ko)

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