KR100689341B1 - 마이크로믹서의 혼합상태 검출장치 및 그 제조방법 - Google Patents

마이크로믹서의 혼합상태 검출장치 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로믹서의 혼합상태 검출장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 마이크로믹서의 혼합상태 검출장치는, 서로 다른 둘 이상의 시료가 혼합된 혼합시료가 진행되도록 그 표면을 식각하여 마이크로채널이 형성된 웨이퍼; 상기 마이크로채널의 상부에 결합되며, 상기 마이크로채널의 일 측단에 대응하는 위치에는 혼합시료가 유입되는 유입구가 천공되고, 상기 마이크로채널의 타 측단에 대응하는 위치에는 혼합시료가 유출되는 유출구가 천공되며, 상기 마이크로채널 내에 배열되어 상기 마이크로채널을 통과하는 혼합시료의 농도에 대응하는 전압값을 출력하는 감지전극이 형성되는 글래스기판; 및 상기 감지전극에 연결되며 감지전극의 감지신호에 따라 혼합시료의 혼합상태를 검출하는 데이터처리장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하며, 마이크로믹서에 의해 혼합된 혼합시료의 혼합상태를 실시간으로 정량화하여 검출할 수 있도록 한다.
마이크로믹서, 마이크로채널, 감지전극, 유입구, 유출구, 글래스기판

Description

마이크로믹서의 혼합상태 검출장치 및 그 제조방법{Detection apparatus of mixing state from micro mixer and manufacturing method thereof}
도 1은 본 발명에 따른 마이크로채널의 구조를 보인 평면도
도 2는 본 발명에 따른 마이크로채널의 구조를 보인 측단면도
도 3은 본 발명에서 전극배치를 개략적으로 보인 개략도
도 4는 본 발명에 따른 검출장치를 보인 블록도
도 5는 본 발명에 의한 혼합상태 검출 예를 보인 그래프
도 6은 본 발명에 따른 검출장치 제조방법을 보인 흐름도
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 유입구 2 : 마이크로채널
3, 4 : 감지전극 5, 6 : 유출구
7 : 데이터처리장치 8 : 디스플레이부
9 : 인터페이스 10 : 웨이퍼
20 : 글래스기판
본 발명은 마이크로믹서의 혼합상태 검출장치 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 마이크로채널 상을 흐르는 혼합시료의 혼합상태를 실시간 검출하여 정량화할 수 있도록 된 마이크로믹서의 혼합상태 검출장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근의 바이오 진단관련기술은 디바이스를 소형화, 정밀화, 집적화하는 방향으로 발전하고 있다. 디바이스를 소형, 정밀화함으로 값비싼 생체시료의 양을 줄일 수 있고, 주변 잡음을 줄여 민감도(sensitivity)를 향상시킬 수 있으며, 다양한 생체시료에 대한 병렬 처리가 가능해진다.
그러나 바이오 생체물질 등의 시료가 통과하는 채널의 크기는 마이크로 단위가 됨으로 인해, 마이크로 크기를 갖는 소자에서는 고려되지 않는 특성이 문제점으로 나타난다. 즉 마이크로 크기의 채널을 통과하는 유체는 레이놀즈 수가 낮기(Re << 2000) 때문에 층류(laminar) 현상이 나타난다. 따라서 둘이상의 시료를 적절하게 혼합하기 위해서는 채널이 길이방향으로 길어져야 하며, 이것은 소형화를 어렵게 한다.
따라서, 이를 해결하기 위해 마이크로믹서가 사용되는데, 마이크로믹서에 의해 혼합된 믹싱 상태를 조사하기 위해서는 현미경과 같은 고가의 장비를 필요로 한다. 하지만 현미경으로 믹싱 상태를 조사할 때, 고가의 장비를 구비하여야 하는 비용의 부담이 발생되며, 현미경에 의한 정밀 검출작업이 있은 후에 믹싱이 정확하게 이루어졌는지 판단하므로 실험 데이타를 실시간으로 얻기 힘들며, 실험 데이터의 정량화가 비교적 어려운 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 마이크로 믹서에 의한 시료의 혼합상태를 검출하기 위하여 혼합된 시료가 통과하는 채널 상부에 시료의 진행방향으로 전극을 배치하고, 전극의 감지신호에 따라 시료의 혼합상태를 검출함으로써, 혼합시료의 혼합상태를 실시간으로 정량화 할 수 있는 마이크로믹서의 혼합상태 검출장치 및 그 제조방법을 제공함에 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 마이크로믹서의 혼합상태 검출장치는, 서로 다른 둘 이상의 시료가 혼합된 혼합시료가 진행되도록 그 표면을 식각하여 마이크로채널이 형성된 웨이퍼; 상기 마이크로채널의 상부에 결합되며, 상기 마이크로채널의 일 측단에 대응하는 위치에는 혼합시료가 유입되는 유입구가 천공되고, 상기 마이크로채널의 타 측단에 대응하는 위치에는 혼합시료가 유출되는 유출구가 천공되며, 상기 마이크로채널 내에 배열되어 상기 마이크로채널을 통과하는 혼합시료의 농도에 대응하는 전압값을 출력하는 감지전극이 형성되는 글래스기판; 및 상기 감지전극에 연결되며 감지전극의 감지신호에 따라 혼합시료의 혼합상태를 검출하는 데이터처리장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 감지전극은 양극 단자와 음극 단자가 시료 진행방향에 수직이 되도록 배치된다.
또한, 상기 양극 단자와 음극 단자로 이루어지는 한 쌍의 감지전극이 시료 진행방향과 나란하게 혹은 시료 진행방향에 수직으로 복수개 배치된다.
일실시예로서, 상기 감지전극은 백금/구리(Pt/Cu), 백금/알미늄(Pt/Al), 또는 알미늄/구리(Al/Cu) 중에서 선택된 어느 하나이다.
또한, 본 발명은 상기 데이터처리장치의 출력단에 연결되며, 데이터처리장치에 의해 검출된 혼합시료의 혼합상태를 표시하는 디스플레이부를 더 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명은 상기 데이터처리장치에 연결되며, 데이터처리장치에 의해 검출된 혼합시료의 혼합상태 데이터를 외부기기와 인터페이싱 하는 인터페이스를 더 포함한다.
또한, 상기 유출구는 글래스기판의 타 측단에 적어도 둘 이상 천공되며, 적어도 하나의 유출구는 마이크로채널 내 발생되는 버블을 없애기 위해 이용될 수 있 다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 마이크로믹서의 혼합상태 검출장치 제조방법은, 웨이퍼 상부에 서로 다른 둘 이상의 시료가 혼합된 혼합시료가 진행되도록 소정 길이의 마이크로채널을 식각하는 단계; 상기 마이크로채널 상을 흐르는 혼합시료가 접촉되도록 글래스기판의 하측에 감지전극을 형성하는 단계; 상기 글래스기판에 유입구와 유출구를 천공하되, 마이크로채널 일 측단에 대응하는 위치를 관통하여 혼합시료가 유입되는 유입구를 천공하고, 타 측단에 대응하는 위치를 관통하여 혼합시료가 유출되는 유출구를 천공하는 단계; 상기 글래스기판을 상기 웨이퍼 상부에 결합하는 단계; 및 상기 감지전극을 혼합시료의 혼합상태를 검출하는 데이터처리장치에 연결하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 설명하면 다음과 같다. 도 1은 본 발명에 따른 마이크로채널의 구조를 보인 평면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 마이크로채널의 구조를 보인 측단면도이고, 도 3은 본 발명에서 전극배치를 개략적으로 보인 개략도이고, 도 4는 본 발명에 따른 검출장치를 보인 블록도이고, 도 5는 본 발명에 의한 혼합상태 검출 예를 보인 그래프이고, 도 6은 본 발명에 따른 검출장치 제조방법을 보인 흐름도이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 마이크로믹서의 혼합상태 검출장치 는 마이크로믹서에 의해 서로 다른 두 시료가 혼합된 혼합시료가 흐르는 마이크로채널(2), 마이크로채널(2)의 유입단과 유출단에 각각 형성되는 유입구(1) 및 유출구(5,6), 마이크로채널(2) 상을 흐르는 혼합시료가 접촉되는 감지전극(3,4)으로 구성된다.
도 2의 측단면도를 참조하면, 상기 마이크로채널(2)은 실리콘이나 고분자 수지 등과 같은 웨이퍼(10) 상면을 식각하여 형성되는 것으로서, 마이크로믹서에 의해 혼합된 혼합시료가 흐르는 통로이다. 이러한 마이크로채널(2)은 바람직하게, 그 유입단이 도시 안된 마이크로믹서에 직접 또는 간접적으로 연결되어, 마이크로믹서에서 혼합된 혼합시료가 흐를 수 있도록 구성된다. 마이크로채널(2)의 상부에는 투명 유리 재질의 글래스기판(20)이 올려진다. 이때, 글래스기판(20)의 하부에는 마이크로채널(2)을 통해 흐르는 시료가 접촉되도록 복수의 감지전극(3,4)이 패터닝 형성된다. 바람직하게, 감지전극(3,4)은 양극 단자와 음극 단자가 전극 쌍을 이루며, 각 단자는 도 3에 도시된 바와 같이, 시료의 진행방향에 수직으로 배열된다. 또한, 이와 같은 전극 쌍은 도 1에 도시된 바와 같이, 시료의 진행방향에 나란하게 혹은 시료의 진행방향에 수직으로 복수개 배열될 수 있다. 감지전극(3,4)은 마이크로채널(2)을 통해 흐르는 시료에 접촉되며, 시료에 의해 통전되어 미세 전압값을 출력한다. 한편, 웨이퍼(10)에 미세전압을 인가하고, 각 전극쌍에서 혼합시료에 의해 변동된 전압값을 출력하도록 구성할 수도 있음은 물론이다.
글래스기판(20)의 일 측단과 타 측단에는 각각 유입구(1)와 유출구(5,6)가 천공된다. 유입구(1)와 유출구(5,6)는 각각 혼합시료가 유입 및 유출되는 홀이며, 이와 같은 유입구(1) 및 유출구(5,6)는 마이크로믹서의 혼합공정 중간에 각기 연결될 수 있다. 또한, 마이크로믹서에 의해 혼합된 시료 중 일부를 샘플링하여 유입구(1) 및 유출구(5,6)를 통해 흘릴 수도 있다. 한편, 유출구(5,6)를 둘 이상 천공하는 것은, 마이크로채널(2) 내에 버블이 발생될 경우 이를 없애기 위한 것으로서, 유입구(1)로 시료가 유입되는 상태에서 두 개의 유출구(5,6)를 이용하여 시료의 진행속도를 적절히 조절함으로써, 마이크로채널(2) 내 버블을 별도로 배출할 수 있게 된다.
도 4의 블록도를 참조하면, 상기 감지전극(3,4)은 데이터처리장치(7)에 연결된다. 데이터처리장치(7)는 감지전극(3,4)에서 입력되는 감지신호에 따라 마이크로채널(2)의 각 위치에서 시료의 농도 및 혼합정도 등과 같은 혼합상태를 검출한다. 시료의 혼합상태는 믹싱이 완료된 표준 혼합시료를 바탕으로 감지전극(3,4)에 의한 전압레벨 변화를 측정하고, 이를 백데이터로 활용하여 검출할 수 있다. 바람직하게는, 데이터처리장치(7) 내 메모리부가 구비되어, 시료의 종류별로 기준 데이터 및 이에 대응하는 혼합상태가 테이블로서 저장될 수 있다. 그리고, 데이터처리장치(7)에는 LCD 등과 같은 디스플레이부(8)가 연결되어, 데이터처리장치(7)에서 판단된 혼상상태 정보를 사용자에게 실시간으로 표시할 수 있다. 또한, 데이터처리장치(7)에는 도시된 바와 같이, USB, IEEE1394, 블루투스 등과 같은 인터페이스(9)가 연결될 수 있다. 이러한 인터페이스(9)는 본 발명에 따른 검출장치에 의해 검출된 데이터를 PC 등과 같은 외부기기로 전송하여, 외부기기를 통해 혼합시료의 혼합상태를 보다 정밀하게 분석할 수도 있다.
본 발명에서, 감지전극(3,4)은 양극 단자와 음극 단자가 전극 쌍을 이루어 배열되며, 이러한 전극 쌍은 시료의 진행방향과 나란하게 혹은 수직으로 복수개 배열된다. 이와 같이, 복수개의 전극 쌍을 배열함으로써, 시료의 혼합상태를 보다 정밀하게 측정할 수 있게 된다. 예컨대, 시료 진행방향에 수직으로 배열된 전극 쌍의 감지신호는 혼합시료의 농도를 판단할 때 이용되며, 시료 진행방향에 나란하게 배열된 전극 쌍은 혼합시료의 혼합정도를 판단할 때 이용될 수 있다. 각 감지전극(3,4)에서 검출된 전압값으로 위와 같은 농도 및 혼합정도를 판단하기 위해, 혼합시료의 종류에 따른 기준 데이터를 생성할 필요가 있다. 도 5는 이러한 기준 데이터 생성을 위한 실험 예를 보인 그래프이다.
본 발명에서, 감지전극(3,4)으로는 백금/구리(Pt/Cu), 백금/알루미늄(Pt/Al), 알루미늄/구리(Al/Cu)에서 선택된다. 일실시예로서, 백금/구리(Pt/Cu)로 패터닝된 감지전극(3,4)의 특성 실험을 위해, 페놀프탈레인과 NaOH를 혼합한 용액을 사용하였다. 이 실험에 사용된 시료는 각각 99%의 에탄올에 0.31mol/l의 페놀프탈레인과 0.33mol/l의 NaOH를 녹인 용액을 준비하였으며, 두 용액을 완전히 혼합하여 마이크로채널(2)을 통과시킨 후 각기, 0.05mm, 1mm 간격의 감지전극(3,4)에서의 출력전압을 측정하였다. 먼저, 0.05mm 간격의 감지전극(3,4)에서 NaOH 용액은 0.3V, NaOH/페놀프탈레인의 혼합비가 70/30인 혼합시료는 0.24V, 혼합비가 50/50인 혼합시료는 0.12V, 혼합비가 30/70인 혼합시료는 0.11V, 페놀프탈레인 용액은 0V를 나타내었다. 1mm 간격의 감지전극(3,4)에서 측정된 전압은, NaOH 용액은 0.19V, NaOH/페놀프탈레인의 혼합비가 70/30인 혼합시료는 0.16V, 혼합비가 50/50인 혼합 시료는 0.14V, 혼합비가 30/70인 혼합시료는 0.13V, 페놀프탈레인 용액은 0.03V를 나타내었다. 이를 토대로, 혼합비의 변동에 따라 검출된 전압값이 비교적 선형적으로 변화된 것을 알 수 있으며, 간격이 다른 감지전극(3,4) 중에서 0.05mm의 감지전극에서 전압값이 큰 폭으로 변동된 것을 알 수 있었다. 즉, 산성용액과 염기성용액의 혼합상태를 판단할 때는, 0.05mm 간격으로 배열된 감지전극(3,4)의 전극 쌍을 이용하여 혼합시료의 혼합상태를 정량화할 수 있었다. 이와 같은 기준 데이터를 표본으로, 각 감지전극(3,4)에서 검출된 전압을 판단하여 혼합시료의 농도를 파악할 수 있으며, 이는 데이터로 정량화될 수 있다. 또한, 혼합시료의 진행방향 별로 검출전압이 편차를 보인다면, 마이크로 믹서에서 완전한 혼합이 이루어지지 않았음을 의미하게 된다. 이와 같이, 복수개의 전극쌍을 수직방향과 진행방향으로 배치함으로써, 각 위치에서의 농도값과 균일도가 믹싱의 우수성을 나타내는 중요한 지표로 고려된다.
본 발명의 일 실시예에 따라 마이크로믹서의 혼합상태 검출장치를 제조하는 방법을 나타낸 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 실리콘, 고분자 수지 등의 웨이퍼(10) 상부를 식각하여 마이크로채널(2)을 형성한다(S10). 상기 웨이퍼(10)에 올려지는 글래스기판(20)의 하부에는 마이크로채널(2)을 통해 진행하는 혼합시료의 믹싱 상태를 감지하는 감지전극(3,4)을 형성하되(ST20), 양극 단자와 음극 단자가 시료의 진행방향에 수직하여 전극 쌍을 형성하도록 하고, 각 전극 쌍을 시료 진행방향과 나란하게 혹은 수직으로 복수개 배열 형성한다. 감지전극(3,4)은 통상의 인쇄회로기법에 의한 패터닝 등의 방법 으로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 글래스기판(20)의 마이크로채널(2) 일 측단에 대응하는 위치를 관통하여 유입구(1)를 형성하고, 타 측단에 대응하는 위치를 관통하여 유출구(5,6)를 형성한다(S30). 그리고 상기 마이크로채널(2)이 형성된 웨이퍼(10) 상부에 감지전극(3,4)과 유입구(1) 그리고 유출구(5,6)가 형성된 글래스기판(20)을 결합한다(S40). 다음으로, 감지전극(3,4)의 출력은 데이터 처리장치(7)에 연결한다(S50).
상기와 같이 형성된 마이크로믹서의 혼합상태 검출장치는 유입구(1)를 통과한 혼합된 시료가 마이크로채널을 통해 진행하면서 감지전극이 시료의 혼합 상태를 감지하여 감지신호를 데이터 처리장치(7)로 출력하고, 데이터 처리장치(7)는 각 감지전극 감지 신호에 따라 시료 진행 위치에 따라 시료의 혼합 상태를 산출하여 시료의 혼합 상태를 디스플레이부(8)를 통해 디스플레이한다. 따라서, 감지전극의 전극쌍에 의해 검출된 전압값을 판독하여 혼합시료의 농도 및 혼합상태 등을 데이터로서 출력 및 분석하며, 이는 혼합시료 의한 혼합상태 정보를 정량화하는 데이터로 이용된다. 혼합상태 정보 데이터는 각 감지전극(3,4)의 위치에 대응된 파라미터로 나타낼 수 있고, 측정한 값들의 평균과 표준편차를 평가 척도로 사용할 수도 있다. 평균은 농도의 평균값을 나타내며, 표준편차는 혼합된 농도의 균일성을 나타내는 값으로 사용한다. 표준편차가 '0'이되면 완전히 균일한 상태를 나타낸다. 데이터 처리장치의 출력신호는 인터페이스부(9)를 통해 PC로 출력되어 외부에서 확인할 수 있게 한다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 마이크로믹서의 혼합상태 검출장치 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 마이크로믹서에 의해 혼합된 혼합시료를 마이크로채널로 흘리고, 마이크로채널 상에 배치된 감지전극에 혼합시료를 접촉시켜 전극의 출력전압에 비례하는 데이터로서 혼합시료의 혼합상태를 검출함으로써, 혼합시료의 혼합상태를 정량화된 데이터로서 실시간 검출할 수 있도록 된 효과를 갖는다.
또한, 마이크로믹서에 의해 혼합된 혼합시료를 단일 칩에 집적화된 검출장치로 검출함으로써, 검출작업이 간소화되면서 검출작업에 소요되는 비용을 크게 절감할 수 있으며, 신속하고 정량화된 검출에 의해 마이크로 믹싱 검출 시스템의 데이터의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Claims (8)

  1. 서로 다른 둘 이상의 시료가 혼합된 혼합시료가 진행되도록 그 표면을 식각하여 마이크로채널이 형성된 웨이퍼;
    상기 마이크로채널의 상부에 결합되며, 상기 마이크로채널의 일 측단에 대응하는 위치에는 혼합시료가 유입되는 유입구가 천공되고, 상기 마이크로채널의 타 측단에 대응하는 위치에는 혼합시료가 유출되는 유출구가 천공되며, 상기 마이크로채널 내에 배열되어 상기 마이크로채널을 통과하는 혼합시료의 농도에 대응하는 전압값을 출력하는 감지전극이 형성되는 글래스기판; 및
    상기 감지전극에 연결되며 감지전극의 감지신호에 따라 혼합시료의 혼합상태를 검출하는 데이터처리장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로믹서의 혼합상태 검출장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 감지전극은 양극 단자와 음극 단자가 시료 진행방향에 수직이 되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로믹서의 혼합상태 검출장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 양극 단자와 음극 단자로 이루어지는 한 쌍의 감지전극이 시료 진행방향과 나란하게 혹은 시료 진행방향에 수직으로 복수개 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로믹서의 혼합상태 검출장치.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 감지전극은 백금/구리(Pt/Cu), 백금/알미늄(Pt/Al), 또는 알미늄/구리(Al/Cu) 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 마이크로믹서의 혼합상태 검출장치.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 데이터처리장치의 출력단에 연결되며, 데이터처리장치에 의해 검출된 혼합시료의 혼합상태를 표시하는 디스플레이부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로믹서의 혼합상태 검출장치.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 데이터처리장치에 연결되며, 데이터처리장치에 의해 검출된 혼합시료의 혼합상태 데이터를 외부기기와 인터페이싱 하는 인터페이스를 더 포함하는 것을 특 징으로 하는 마이크로믹서의 혼합상태 검출장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 유출구는 글래스기판의 타 측단에 적어도 둘 이상 천공되며, 적어도 하나의 유출구는 마이크로채널 내 발생되는 버블을 없애기 위해 이용되는 것을 특징으로 하는 마이크로믹서의 혼합상태 검출장치.
  8. 웨이퍼 상부에 서로 다른 둘 이상의 시료가 혼합된 혼합시료가 진행되도록 소정 길이의 마이크로채널을 식각하는 단계;
    상기 마이크로채널 상을 흐르는 혼합시료가 접촉되도록 글래스기판의 하측에 감지전극을 형성하는 단계;
    상기 글래스기판에 유입구와 유출구를 천공하되, 마이크로채널 일 측단에 대응하는 위치를 관통하여 혼합시료가 유입되는 유입구를 천공하고, 타 측단에 대응하는 위치를 관통하여 혼합시료가 유출되는 유출구를 천공하는 단계;
    상기 글래스기판을 상기 웨이퍼 상부에 결합하는 단계; 및
    상기 감지전극을 혼합시료의 혼합상태를 검출하는 데이터처리장치에 연결하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로믹서의 혼합상태 검출장치 제조방법.
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