KR100790904B1 - 원심력을 이용하는 미세유체 처리 기판 내에서 적어도 두종류의 유체를 혼합하는 방법 - Google Patents

원심력을 이용하는 미세유체 처리 기판 내에서 적어도 두종류의 유체를 혼합하는 방법 Download PDF

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조윤경
이정건
이범석
박종면
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Abstract

본 발명은, 미세유체 처리 기판의 믹싱 챔버에 적어도 두 종류의 유체를 순차적으로 수용하고 상기 적어도 두 종류의 유체가 혼합될 때까지 상기 기판을 시계 방향 및 반시계 방향으로 교번하여 회전시키되, 시계 방향 및 반시계 방향 중 어느 일 방향 회전으로 인해 상기 믹싱 챔버에 형성된 와류(vortex)가 사라지기 전에 타 방향으로 회전 방향을 전환시키는 것을 특징으로 하는 유체 혼합 방법을 제공한다.
또한 본 발명은, 한 종류의 유체를 미세유체 처리 기판의 믹싱 챔버에 수용하고, 상기 유체와 다른 적어도 한 종류의 유체를 상기 믹싱 챔버에 채널(channel)을 통해 연결된 적어도 하나의 공급 챔버에 수용하고, 원심력에 의해 상기 공급 챔버에 수용된 유체가 상기 믹싱 챔버로 유동하여 상기 믹싱 챔버에 수용된 유체와 혼합될 때까지 상기 기판을 시계 방향 및 반시계 방향으로 교번하여 회전시키되, 시계 방향 및 반시계 방향 중 어느 일 방향 회전으로 인해 상기 믹싱 챔버에 형성된 와류(vortex)가 사라지기 전에 타 방향으로 회전 방향을 전환시키는 것을 특징으로 하는 유체 혼합 방법을 제공한다.

Description

원심력을 이용하는 미세유체 처리 기판 내에서 적어도 두 종류의 유체를 혼합하는 방법{Method for mixing at least two kinds of fluid in centrifugal micro-fluid treating substrate}
도 1은 본 발명의 유체 혼합 방법에 사용되는 미세유체 처리 기판의 일 예를 도시한 평면도이다.
도 2는 미세유체 처리 기판의 회전으로 인해 믹싱 챔버의 유체에 와류(vortex)가 형성된 모습을 도시한 평면도이다.
도 3은 미세유체 처리 기판의 회전 방향 전환으로 인해 믹싱 챔버의 유체에 뒤집힘(flip-over)이 형성된 모습을 도시한 평면도이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유체 혼합 방법을 실행하기 위한 회전 주파수 분포 그래프들이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 유체 혼합 방법을 설명하기 위한 평면도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 유체 혼합 방법을 실행하기 위한 회전 주파수 분포 그래프들이다.
도 7a 내지 도 7d는 유체 투입과 혼합을 동시에 수행하는 유체 혼합 방법의 실험 결과를 촬상한 사진들이다.
도 8은 본 발명의 유체 혼합 방법에 사용되는 미세유체 처리 기판의 다른 일 예를 도시한 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 ...미세유체 처리 기판 11 ...통공
15 ...믹싱 챔버(mixing chamber) 20, 30 ...제1, 제2 공급 챔버
21, 31 ...제1, 제2 인렛홀 23, 33 ...제1, 제2 채널
25, 35 ...제1, 제2 밸브 43 ...아웃렛홀
본 발명은 미세유체 처리 기판 내에 수용된 적어도 두 종류의 유체를 원심력을 이용하여 빠르게 혼합하는 방법에 관한 것이다.
랩온어칩(lab-on-a-chip)과 같은 미세유체 처리 기판에는 유체가 수용되는 챔버(chamber)와 유체의 유로가 되는 채널(channel)이 다양한 형태로 형성되어 있다. 상기 미세유체 처리 기판에 수용되는 유체의 레이놀즈수(Renolds number)가 작고, 채널과 챔버에서 유체가 층류(laminar flow)로 흐르기 때문에, 미세유체 처리 기판에 적어도 두 종류의 액체를 수용하고 이들을 혼합하는 과정은 빠르게 진행되지 않는 것으로 알려져 있으며, CD 형태의 기판과 같이 원심력을 이용하여 수용된 유체를 펌핑(pumping)하는 미세유체 처리 기판의 경우에도 마찬가지인 것으로 알려져 있다.
US6,919,058에는 두 종류의 유체가 만나는 마이크로 캐비티(micro-cavity)와, 상기 마이크로 캐비티에서 굴곡지게 연장된 믹싱 채널(mixing channel)을 구비하여 보다 빠르게 유체를 혼합할 수 있는 CD 형태의 미세유체 처리 기판이 제시되어 있다. 그러나, 상기 믹싱 채널이 차지하는 면적이 커서 미세유체 처리 기판을 집적화하기 어려우며, 혼합되는 유체 종류의 수가 증가함에 따라 상기 마이크로 캐비티와 믹싱 채널이 더 필요하여 상기 미세유체 처리 기판을 크게 만들어야 한다는 문제점이 있다.
한편, 2005년 발행된 Lab chip, vol. 5의 560~565 페이지에는 유체에 다수의 자성 비드(magnetic bead)를 추가로 주입하고, CD 형태의 미세유체 처리 기판을 회전시킴과 동시에 자력(磁力)에 의해 상기 자성 비드를 자극하여 보다 빠르게 유체를 혼합할 수 있는 방법이 제시되어 있다. 그러나, 유체에 자성 비드를 추가로 주입해야 하고, 미세유체 처리 기판 주변에 자석을 적절히 배치해야 하는 불편함이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 미세유체 처리 기판 내에 수용된 적어도 두 종류의 유체를 적절한 회전 프로그램을 통해 빠르게 혼합하는 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 미세유체 처리 기판의 믹싱 챔버에 적어도 두 종류의 유체를 순차적으로 수용하고 상기 적어도 두 종류의 유체가 혼합될 때까지 상기 기판을 시계 방향 및 반시계 방향으로 교번하여 회전시 키되, 시계 방향 및 반시계 방향 중 어느 일 방향 회전으로 인해 상기 믹싱 챔버에 형성된 와류(vortex)가 사라지기 전에 타 방향으로 회전 방향을 전환시키는 것을 특징으로 하는 유체 혼합 방법을 제공한다.
또한 본 발명은, 한 종류의 유체를 미세유체 처리 기판의 믹싱 챔버에 수용하고, 상기 유체와 다른 적어도 한 종류의 유체를 상기 믹싱 챔버에 채널(channel)을 통해 연결된 적어도 하나의 공급 챔버에 수용하고, 원심력에 의해 상기 공급 챔버에 수용된 유체가 상기 믹싱 챔버로 유동하여 상기 믹싱 챔버에 수용된 유체와 혼합될 때까지 상기 기판을 시계 방향 및 반시계 방향으로 교번하여 회전시키되, 시계 방향 및 반시계 방향 중 어느 일 방향 회전으로 인해 상기 믹싱 챔버에 형성된 와류(vortex)가 사라지기 전에 타 방향으로 회전 방향을 전환시키는 것을 특징으로 하는 유체 혼합 방법을 제공한다.
바람직하게는, 시계 방향으로 회전하는 시간 구간의 회전 주파수 분포와 반시계 방향으로 회전하는 시간 구간의 회전 주파수 분포가 대칭적이거나 비대칭적일 수 있다.
바람직하게는, 시계 방향으로 회전하는 시간 구간 및 반시계 방향으로 회전하는 시간 구간에서 최대 회전 주파수는 5 내지 60 Hz 일 수 있다.
바람직하게는, 시계 방향으로 회전하는 시간 구간 및 반시계 방향으로 회전하는 시간 구간의 각 시작 시점에서 0 Hz 보다 크고 상기 최대 회전 주파수보다 작은 시작 회전 주파수를 가질 수 있다.
바람직하게는, 시계 방향으로 회전하는 시간 구간 및 반시계 방향으로 회전 하는 시간 구간 내에서 각각 가속 구간을 가질 수 있다.
바람직하게는, 상기 가속 구간에서 회전 주파수 상승률은 20 내지 150 Hz/s 일 수 있다.
바람직하게는, 서로 혼합되는 상기 적어도 두 종류의 유체 중에서 적어도 한 종류의 유체는 다수의 0 보다 크고 10 ㎛ 이하의 직경을 갖는 입자를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 시계 방향으로 회전하는 각 시간 구간 및 반시계 방향으로 회전하는 각 시간 구간의 소요 시간이 10초 이내일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1초 이내일 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 유체 혼합 방법은 상기 믹싱 챔버의 내측면에 돌출부를 형성하여 상기 믹싱 챔버 내부에서 유체의 와류 발현을 촉진할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유체 혼합 방법을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 유체 혼합 방법에 사용되는 미세유체 처리 기판의 일 예를 도시한 평면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 유체 혼합 방법에 사용되는 미세유체 처리 기판(10)은 CD 형태의 기판으로 중앙의 통공(11)에 끼워지는 스핀들 모터(미도시)에 의해 시계 방향 또는 반시계 방향으로 고속 회전된다. 이와 같은 고속 회전으로 인한 원심력이 미세유체 처리 기판(10) 내에 수용된 유체를 기판(10)의 외주 방향으로 펌핑(pumping)한다. 상기 스핀들 모터의 회전 프로그램에 따라 상기 기판(10)의 회전 방향, 회전 속도 등을 다양하게 변화시킬 수 있다.
상기 미세유체 처리 기판(10)에는 서로 다른 두 종류의 유체가 각각 수용되는 제1 공급 챔버(20) 및 제2 공급 챔버(30)와, 상기 서로 다른 두 종류의 유체가 혼합되는 믹싱 챔버(mixing chamber, 15)가 마련된다. 상기 두 종류의 유체가 기판(10)의 회전으로 인한 원심력에 의해 제1 및 제2 공급 챔버(20, 30)로부터 믹싱 챔버(15)를 향해 펌핑(pumping)되도록, 상기 믹싱 챔버(15)는 제1 및 제2 공급 챔버(20, 30) 보다 기판(10)의 중앙에서 더 멀리 배치된다. 집적화를 위해 상기 미세유체 처리 기판(10)에는 제1 및 제2 공급 챔버(20, 30)와 믹싱 챔버(15)를 포함하여 이루어진 유닛이 5 쌍 마련된다.
또한, 상기 미세유체 처리 기판(10)에는 상기 제1 공급 챔버(20)와 제2 공급 챔버(30)에 유체를 주입하기 위한 제1 인렛홀(inlet hole, 21)과 제2 인렛홀(31)이 마련되고, 상기 제1 공급 챔버(20)와 믹싱 챔버(15)을 연결하는 제1 채널(23)과 상기 제2 공급 챔버(30)와 믹싱 챔버(15)를 연결하는 제2 채널(33)이 마련된다. 상기 제1 채널(23)과 제2 채널(33)은 각각 제1 밸브(25)와 제2 밸브(35)에 의해 개방 가능하게 폐쇄된다. 참조번호 43은 혼합된 유체를 추출하기 위한 아웃렛홀(outlet hole)이고, 참조번호 45는 믹싱 챔버(15)와 아웃렛홀(43)을 연결하는 아웃렛 채널이다.
도 2는 미세유체 처리 기판의 회전으로 인해 믹싱 챔버의 유체에 와류(vortex)가 형성된 모습을 도시한 평면도이고, 도 3은 미세유체 처리 기판의 회전 방향 전환으로 인해 믹싱 챔버의 유체에 뒤집힘(flip-over)이 형성된 모습을 도 시한 평면도이다.
미세유체 처리 기판(10, 도 1 참조)의 믹싱 챔버(15)에서 난류(turbulence)가 지속적으로 유지될 수 있다면 유체가 빠르게 혼합될 수 있을 것이라는 가정 하에, 발명자는 상기 믹싱 챔버(15)에 유체(F0)를 주입하고 0 Hz의 회전 주파수에서 시작하여, 60 Hz/s 의 회전 주파수 상승률로 일 방향(예컨데, 시계 방향)으로 상기 기판(10)을 회전시켜 보았다. 그 결과, 0.15초까지는 도 2에 도시된 바와 같이 와류(vortex, V)가 발생하나 이후에는 와류(V)가 진정되는 현상을 확인할 수 있었다. 이로부터, 상기 와류(V)가 진정되고 소멸되기 전에 상기 기판(10)의 회전 방향을 전환하면 와류(V)로 인한 난류가 지속적으로 유지될 것으로 추론하고 실험을 통해 확인하였다. 더불어, 상기 기판(10)의 회전 방향을 전환할 때 믹싱 챔버(15)에는 도 3에 도시된 바와 같이 유체(F0)의 뒤집힘(flip-over)이 발생되는데, 이러한 뒤집힘도 유체의 빠른 혼합에 긍정적인 작용을 할 수 있다.
상기 유체 혼합 방법의 유효성을 확인하기 위하여 발명자는 믹싱 챔버(15)에 서로 다른 색의 두 종류의 유체를 주입하고 미세유체 처리 기판(10)을 방향 전환 회전하여 유체를 혼합하는 실험을 실시하였으며, 도 4a 내지 도 4d는 상기 실험에 적용된 회전 주파수 분포 그래프들이다. 도 1을 참조하여 구체적인 실험 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제1 인렛홀(21)을 통해 제1 공급 챔버(20)에 일 색상의 제1 유체를 주입하고, 제2 인렛홀(31)을 통해 제2 공급 챔버(30)에 다른 색상의 제2 유체를 주입한다. 상기 제2 유체에는 제1 유체와 제2 유체의 혼합을 촉진하는 다수의 비 드(bead) 입자가 혼합되어 있다. 실험에서는 직경 1 ㎛ 의 비드 입자가 사용되었으나, 제2 채널(33)을 통한 제2 유체의 흐름을 방해하지 않으면 보다 더 큰 입자도 적용 가능하며, 바람직하게는 0 보다 크고 10 ㎛ 이하의 직경을 갖는 입자가 사용될 수 있을 것이다. 다음으로, 제1 채널(23)을 폐쇄하고 있는 제1 밸브(25)를 개방하고 기판(10)을 회전시켜 원심력에 의해 상기 제1 유체를 믹싱 챔버(15)로 이동시키고, 제2 채널(33)을 폐쇄하고 있는 제2 밸브(35)를 개방하고 기판(10)을 회전시켜 상기 제2 유체를 믹싱 챔버(15)로 이동시킨다. 상기 믹싱 챔버(15)의 깊이는 3 mm 이고, 제1 유체와 제2 유체가 각각 100 ㎕ 씩 투입되었다.
이 상태에서, 상기 기판(10)을 도 4a에 도시된 바와 같이 일 방향(예컨데, 시계 방향)으로 100 Hz/s 의 회전 주파수 상승률로 0.1초의 가속 구간 동안 가속하고, 이후 0.3초의 등속 구간 동안 10 Hz 의 회전 주파수로 회전시키고, 이후 0.1초의 감속 구간 동안 -100 Hz/s 의 회전 주파수 감소율로 감속하였다. 이 결과, 0.5초 동안 일 방향(예컨데, 시계 방향)으로 회전시킨 이후에 제1 유체와 제2 유체가 완전히 혼합되는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 다른 실험 예에 따르면 도 4b에 도시된 바와 같이 일 방향(예컨데, 시계 방향)으로 20 Hz/s 의 회전 주파수 상승률로 0.25초의 가속 구간 동안 가속하고, 이후 0.25초의 감속 구간 동안 -20 Hz/s 의 회전 주파수 감소율로 감속하며, 연속하여 타 방향(예컨데, 반시계 방향)으로 0.25초의 가속 구간 동안 20 Hz/s 의 회전 주파수 상승률과 가속하고(도 4b의 그래프에서는 (-) 기울기로 표시된다), 이후 0.25초의 감속 구간 동안 -20 Hz/s 의 회전 주파수 감소율로 감속하였다(도 4b 의 그래프에서는 (+) 기울기로 표시된다). 이 결과, 1.0초 동안 1회 방향 전환하여 회전시킨 이후에 제1 유체와 제2 유체가 완전히 혼합되는 것을 확인할 수 있었다.
또 다른 실험예에 따르면 도 4c에 도시된 바와 같이 일 방향(예컨데, 시계 방향)으로 80 Hz/s 의 회전 주파수 상승률로 0.25초의 가속 구간 동안 가속하고, 이후 0.25초의 감속 구간 동안 -80 Hz/s의 회전 주파수 감소율로 감속하였다. 이 결과, 0.5초 동안 일 방향(예컨데, 시계 방향)으로 회전시킨 이후에 제1 유체와 제2 유체가 완전히 혼합되는 것을 확인할 수 있었다.
또 다른 실험예에 따르면 도 4d에 도시된 바와 같이 일 방향(예컨데, 시계 방향)으로 40 Hz/s 의 회전 주파수 상승률로 0.25초의 가속 구간 동안 가속하고, 이후 0.25초의 감속 구간 동안 -40 Hz/s 의 회전 주파수 감소율로 감속하며, 연속하여 타 방향(예컨데, 반시계 방향)으로 0.25초의 가속 구간 동안 40 Hz/s 의 회전 주파수 상승률과 가속하고(도 4d의 그래프에서는 (-) 기울기로 표시된다), 이후 0.25초의 감속 구간 동안 -40 Hz/s 의 회전 주파수 감소율로 감속하였다(도 4d의 그래프에서는 (+) 기울기로 표시된다). 이 결과, 1.0초 동안 1회 방향 전환하여 회전시킨 이후에 제1 유체와 제2 유체가 완전히 혼합되는 것을 확인할 수 있었다.
상술한 유체 혼합 실험을 통하여, 비드 입자가 포함된 유체는 1초 이내에 완전히 혼합되며, 회전 주파수 상승률이 클수록 더 빠른 시간내에 완전히 혼합되는 추세를 확인할 수 있다.
발명자는 적어도 두 종류의 유체를 믹싱 챔버에 투입한 이후에 혼합하는 상기한 방법 이외에, 유체를 믹싱 챔버에 투입함과 동시에 혼합하는 방법도 고려하 여, 이를 뒷받침하는 실험을 실시하였다. 도 5a 및 도 5b는 이러한 유체 혼합 방법을 설명하기 위한 평면도이고, 도 6a 및 도 6b는 상기 유체 혼합 방법을 실행하기 위한 회전 주파수 분포 그래프들이다. 도 1을 참조하여 구체적인 실험 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제1 인렛홀(21)을 통해 제1 공급 챔버(20)에 일 색상의 제1 유체를 주입하고, 제2 인렛홀(31)을 통해 제2 공급 챔버(30)에 다른 색상의 제2 유체를 주입한 다음, 제1 채널(23)을 폐쇄하고 있는 제1 밸브(25)를 개방하고 기판(10)을 회전시켜 원심력에 의해 상기 제1 유체를 믹싱 챔버(15)로 이동시킨다. 다음으로, 제2 채널(33)을 폐쇄하고 있는 제2 밸브(35)를 개방하고 도 6a 또는 도 6b로 나타내어진 회전 주파수 프로그램에 따라 기판(10)을 회전시켜 제2 유체를 믹싱 챔버(15)로 이동시킴과 동시에 혼합시킨다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 기판(10)을 회전시키기 시작하면 제2 유체(F2)가 개방된 제2 채널(33)을 통해 제1 유체(F1)가 있는 믹싱 챔버(15)로 유입되기 시작한다. 계속하여, 상기 기판(10)을 시계 방향 및 반시계 방향으로 교번하여 회전시키면, 도 5b에 도시된 바와 같이 제2 유체(F2)는 믹싱 챔버(15)에 계속적으로 유입되고, 믹싱 챔버(15)에는 제1 유체와 제2 유체가 혼합된 혼합 유체(F1+F2)의 양이 증대된다.
도 6a로 나타내어진 회전 주파수 프로그램에 따르면, 상기 기판(10)은 시작 주파수 12 Hz, 회전 주파수 상승률 0.8 Hz/s 로 0.075초의 가속 구간 동안 일 방향(예컨데, 시계 방향)으로 가속되고, 이후 0.075초의 감속 구간 동안 -0.8 Hz/s 의 회전 주파수 감소율로 12 Hz 까지 감속된다. 계속하여 시작 주파수 12 Hz, 회전 주파수 상승률 0.8 Hz/s 로 0.075초의 가속 구간 동안 타 방향(예컨데, 반시계 방향)으로 가속되고(타 방향의 회전이기 때문에 도 6a의 그래프에는 시작 주파수가 (-) 크기로, 회전 주파수 상승률이 (-) 기울기로 표시된다), 이후 0.075초의 감속 구간 동안 -0.8 Hz/s 의 회전 주파수 감소율로 12 Hz 까지 감속된다(타 방향의 회전이기 때문에 도 6a의 그래프에는 회전 주파수 상승률이 (+) 기울기로, 종속 주파수가 (-) 크기로 표시된다). 이와 같이 일 방향(예컨데, 시계 방향)과 타 방향(예컨데, 반시계 방향)에 대해 대칭적인 회전 주파수 분포로 제1 유체(도 5a의 F1 참조)와 제2 유체(도 5a의 F2)가 완전히 혼합될 때까지 방향을 전환하며 기판(10)의 회전을 반복한다.
도 6b로 나타내어진 회전 주파수 프로그램에 따르면, 상기 기판(10)은 시작 주파수 12 Hz, 회전 주파수 상승률 0.8 Hz/s 로 0.075초의 가속 구간 동안 일 방향(예컨데, 시계 방향)으로 가속되고, 이후 0.075초의 감속 구간 동안 -0.8 Hz/s 의 회전 주파수 감소율로 12 Hz 까지 감속된다. 계속하여 시작 주파수 54 Hz, 회전 주파수 상승률 0.1 Hz/s 로 0.075초의 가속 구간 동안 타 방향(예컨데, 반시계 방향)으로 가속되고(타 방향의 회전이기 때문에 도 6b의 그래프에는 시작 주파수가 (-) 크기로, 회전 주파수 상승률이 (-) 기울기로 표시된다), 이후 0.075초의 감속 구간 동안 -0.1 Hz/s 의 회전 주파수 감소율로 54 Hz 까지 감속된다(타 방향의 회전이기 때문에 도 6b의 그래프에는 회전 주파수 상승률이 (+) 기울기로, 종속 주파수가 (-) 크기로 표시된다). 이와 같이 일 방향(예컨데, 시계 방향)과 타 방향(예컨데, 반시계 방향)에 대해 비대칭적인 회전 주파수 분포로 제1 유체(도 5a의 F1 참조)와 제2 유체(도 5a의 F2)가 완전히 혼합될 때까지 방향을 전환하며 기판(10)의 회전을 반복한다.
도 7a 내지 도 7d는 유체 투입과 혼합을 동시에 수행하는 유체 혼합 방법의 실험 결과를 촬상한 사진들이다.
유체 투입과 혼합을 동시에 수행하는 실험의 제1 실험예에서, 상기 믹싱 챔버(15)의 깊이는 2 mm, 믹싱 챔버(15)의 볼륨(volume)은 100 ㎕ , 무색의 제1 유체(F1)와 붉은색의 제2 유체(F2)의 볼륨은 각각 30 ㎕ 이며, 도 6a로 나타내어진 회전 주파수 프로그램(소위 '대칭적 회전 주파수 프로그램')에 따라 기판(10)이 회전되었다. 그 결과, 도 7a에 나타난 바와 같이 0.3초 동안 기판(10)을 1회 방향 전환하여 회전시킨 이후에 제2 유체(F2)가 전부 믹싱 챔버(15)로 이동되었고, 제1 유체(F1)와 제2 유체(F2)가 완전히 혼합되었음을 확인하였다.
제2 실험예에서는, 믹싱 챔버(15)의 깊이가 0.5 mm, 믹싱 챔버(15)의 볼륨(volume)이 25 ㎕ 이며, 무색의 제1 유체(F1)와 붉은색의 제2 유체(F2)의 볼륨이 각각 7.5 ㎕ 로 설정되고, 도 6a로 나타내어진 회전 주파수 프로그램에 따라 기판(10)이 회전되었다. 그 결과, 도 7b에 나타난 바와 같이 1.5초 동안 기판(10)을 9회 방향 전환하여 회전시킨 이후에 제1 유체(F1)와 제2 유체(F2)가 완전히 혼합되었음을 확인하였다.
제3 실험예에서는, 믹싱 챔버(15)의 깊이가 0.5 mm, 믹싱 챔버(15)의 볼륨(volume)이 25 ㎕ 이며, 무색의 제1 유체(F1)와 붉은색의 제2 유체(F2)의 볼륨이 각각 7.5 ㎕ 로 설정되고, 도 6b로 나타내어진 회전 주파수 프로그램(소위 '비대칭 적 회전 주파수 프로그램')에 따라 기판(10)이 회전되었다. 그 결과, 도 7c에 나타난 바와 같이 1.2초 동안 기판(10)을 7회 방향 전환하여 회전시킨 이후에 제1 유체(F1)와 제2 유체(F2)가 완전히 혼합되었음을 확인하였다.
한편 제4 실험예에서는, 믹싱 챔버(15)의 깊이가 0.125 mm, 믹싱 챔버(15)의 볼륨(volume)이 6.25 ㎕ 이며, 무색의 제1 유체(F1)와 붉은색의 제2 유체(F2)의 볼륨이 각각 1.875 ㎕ 로 설정되고, 도 6a로 나타내어진 회전 주파수 프로그램에 따라 기판(10)이 회전되었다. 그 결과, 도 7d에 나타난 바와 같이 9초 이상 기판(10)을 회전시킨 이후에 제1 유체(F1)와 제2 유체(F2)가 완전히 혼합되었음을 확인하였다.
상기 제1, 제2, 및 제4 실험예의 비교를 통하여, 믹싱 챔버(15)의 깊이가 얕아질수록 유체 혼합에 소요되는 시간이 증대될 것임을 추론할 수 있다. 바람직한 믹싱 챔버(15)의 깊이는 0.5 내지 3 mm 일 수 있다. 또한, 상기 제2 및 제4 실험예의 비교를 통하여, 일 방향(예컨대, 시계 방향)과 타 방향(예컨대, 반시계 방향)의 회전 주파수 분포가 대칭적인 경우보다 비대칭적인 경우에 더욱 신속한 유체 혼합이 가능하게 될 것임을 추론할 수 있다. 한편, 유체 투입과 혼합을 동시에 수행하는 유체 혼합 방법이 유체 투입과 혼합을 분리 수행하는 유체 혼합 방법에 비해, 유체 투입 시간이 별도로 들지 않아 더욱 빠른 유체 혼합을 가능케 한다.
도 8은 본 발명의 유체 혼합 방법에 사용되는 미세유체 처리 기판의 다른 일 예를 도시한 단면도로서, 도 1에 도시된 미세유체 처리 기판의 변형예이다. 이하에서, 도 1의 미세유체 처리 기판과 구별되는 구성에 대해 상세히 설명한다.
도 8을 참조하면, 미세유체 처리 기판(10)의 믹싱 챔버(15)의 내측면에 유체의 와류(vortex) 발현을 촉진하는 돌출부(16)가 구비될 수 있다. 상기 돌출부(16)는 믹싱 챔버(15)의 내측면에서 부정형적 또는 정형적으로 돌출된 다수 개의 돌기일 수도 있고, 상기 내측면에서 양각된 소정의 패턴(pattern)일 수도 있다. 상기 돌출부(16)로 인하여 믹싱 챔버(15)에 유입된 적어도 두 종류의 유체에는 상기 기판(10)이 회전함에 따라 와류(vortex)의 발현이 촉진될 뿐 아니라, 형성되는 와류의 규모도 커져서, 더욱 신속하게 유체가 혼합될 수 있다.
상술한 본 발명의 실험예에서는 회전 방향을 전환하기 전까지 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 각 구간의 소요 시간이 1초 이내이지만, 회전 각속도를 적절히 조절하면 일 방향으로 회전하는 각 구간의 소요 시간이 10초 정도인 경우에도 믹싱 챔버에 형성된 와류가 사라지지 않게 하여 효율적으로 유체를 혼합할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 예컨대, 본 발명은 세 종류 이상의 서로 다른 유체를 혼합하는 데에도 적용될 수 있다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
본 발명에 따르면, 원심력을 이용하는 미세유체 처리 기판에 수용된 서로 다른 종류의 유체를 빠른 시간 안에 혼합할 수 있다.
또한, 유체의 빠른 혼합을 위하여 미세유체 처리 기판을 크게 하거나, 자석 등의 추가적인 구성을 부가할 필요가 없으므로 기판의 집적화에 유리하다.

Claims (20)

  1. 미세유체 처리 기판의 믹싱 챔버에 적어도 두 종류의 유체를 순차적으로 수용하고 상기 적어도 두 종류의 유체가 혼합될 때까지 상기 기판을 시계 방향 및 반시계 방향으로 교번하여 회전시키되, 시계 방향 및 반시계 방향 중 어느 일 방향 회전으로 인해 상기 믹싱 챔버에 형성된 와류(vortex)가 사라지기 전에 타 방향으로 회전 방향을 전환시키는 것을 특징으로 하는 유체 혼합 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    시계 방향으로 회전하는 시간 구간의 회전 주파수 분포와 반시계 방향으로 회전하는 시간 구간의 회전 주파수 분포가 대칭적이거나 비대칭적인 것을 특징으로 하는 유체 혼합 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    시계 방향으로 회전하는 시간 구간 및 반시계 방향으로 회전하는 시간 구간에서 최대 회전 주파수는 5 내지 60 Hz 인 것을 특징으로 하는 유체 혼합 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    시계 방향으로 회전하는 시간 구간 및 반시계 방향으로 회전하는 시간 구간의 각 시작 시점에서 0 Hz 보다 크고 상기 최대 회전 주파수보다 작은 시작 회전 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 유체 혼합 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    시계 방향으로 회전하는 시간 구간 및 반시계 방향으로 회전하는 시간 구간 내에서 각각 가속 구간을 갖는 것을 특징으로 하는 유체 혼합 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 가속 구간에서 회전 주파수 상승률은 20 내지 150 Hz/s 인 것을 특징으로 하는 유체 혼합 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    서로 혼합되는 상기 적어도 두 종류의 유체 중에서 적어도 한 종류의 유체는 다수의 0 보다 크고 10 ㎛ 이하의 직경을 갖는 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 혼합 방법.
  8. 제1 항에 있어서,
    시계 방향으로 회전하는 각 시간 구간 및 반시계 방향으로 회전하는 각 시간 구간의 소요 시간이 10초 이내인 것을 특징으로 하는 유체 혼합 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    시계 방향으로 회전하는 각 시간 구간 및 반시계 방향으로 회전하는 각 시간 구간의 소요 시간이 1초 이내인 것을 특징으로 하는 유체 혼합 방법.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 믹싱 챔버의 내측면에 돌출부를 형성하여 상기 믹싱 챔버 내부에서 유체의 와류 발현을 촉진하는 것을 특징으로 하는 유체 혼합 방법.
  11. 한 종류의 유체를 미세유체 처리 기판의 믹싱 챔버에 수용하고, 상기 유체와 다른 적어도 한 종류의 유체를 상기 믹싱 챔버에 채널(channel)을 통해 연결된 적어도 하나의 공급 챔버에 수용하고, 원심력에 의해 상기 공급 챔버에 수용된 유체가 상기 믹싱 챔버로 유동하여 상기 믹싱 챔버에 수용된 유체와 혼합될 때까지 상기 기판을 시계 방향 및 반시계 방향으로 교번하여 회전시키되, 시계 방향 및 반시계 방향 중 어느 일 방향 회전으로 인해 상기 믹싱 챔버에 형성된 와류(vortex)가 사라지기 전에 타 방향으로 회전 방향을 전환시키는 것을 특징으로 하는 유체 혼합 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    시계 방향으로 회전하는 시간 구간의 회전 주파수 분포와 반시계 방향으로 회전하는 시간 구간의 회전 주파수 분포가 대칭적이거나 비대칭적인 것을 특징으로 하는 유체 혼합 방법.
  13. 제11 항에 있어서,
    시계 방향으로 회전하는 시간 구간 및 반시계 방향으로 회전하는 시간 구간에서 최대 회전 주파수는 5 내지 60 Hz 인 것을 특징으로 하는 유체 혼합 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    시계 방향으로 회전하는 시간 구간 및 반시계 방향으로 회전하는 시간 구간의 각 시작 시점에서 0 Hz 보다 크고 상기 최대 회전 주파수보다 작은 시작 회전 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 유체 혼합 방법.
  15. 제11 항에 있어서,
    시계 방향으로 회전하는 시간 구간 및 반시계 방향으로 회전하는 시간 구간 내에서 각각 가속 구간을 갖는 것을 특징으로 하는 유체 혼합 방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 가속 구간에서 회전 주파수 상승률은 20 내지 150 Hz/s 인 것을 특징으로 하는 유체 혼합 방법.
  17. 제11 항에 있어서,
    서로 혼합되는 상기 적어도 두 종류의 유체 중에서 적어도 한 종류의 유체는 다수의 0 보다 크고 10 ㎛ 이하의 직경을 갖는 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 혼합 방법.
  18. 제11 항에 있어서,
    시계 방향으로 회전하는 각 시간 구간 및 반시계 방향으로 회전하는 각 시간 구간의 소요 시간이 10초 이내인 것을 특징으로 하는 유체 혼합 방법.
  19. 제18 항에 있어서,
    시계 방향으로 회전하는 각 시간 구간 및 반시계 방향으로 회전하는 각 시간 구간의 소요 시간이 1초 이내인 것을 특징으로 하는 유체 혼합 방법.
  20. 제11 항에 있어서,
    상기 믹싱 챔버의 내측면에 돌출부를 형성하여 상기 믹싱 챔버 내부에서 유체의 와류 발현을 촉진하는 것을 특징으로 하는 유체 혼합 방법.
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