KR100818273B1 - 기판 사이의 온도 차이를 줄이는 방법 및 이를 이용한 유체반응 장치 - Google Patents

기판 사이의 온도 차이를 줄이는 방법 및 이를 이용한 유체반응 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 발열 기판과 흡열 기판 사이에, 공기보다 열전도도가 크고 이물질을 포유(包有)할 수 있으며 평면 방향의 열전도도가 100 내지 10000 W/(m·K) 인 열전달 촉진층을 개재하고, 상기 발열 기판과 열전달 촉진층 사이 및, 상기 열전달 촉진층과 흡열 기판 사이에 공기층 형성이 억제되도록 서로 밀착시키는 것을 특징으로 하는 기판 사이의 온도 차이를 줄이는 방법을 제공한다.
또한 본 발명은, 유체를 수용하는 미세유체 반응칩; 상기 미세유체 반응칩을 가열하기 위한 히터(heater); 및, 상기 미세유체 반응칩과 히터 사이에 개재되는, 공기보다 열전도도가 크고 이물질을 포유(包有)할 수 있으며 평면 방향의 열전도도가 100 내지 10000 W/(m·K) 인 열전달 촉진층;을 구비하고, 상기 히터와 열전달 촉진층 사이 및, 상기 열전달 촉진층과 미세유체 반응칩 사이에 공기층 형성이 억제되도록 서로 밀착되는 것을 특징으로 하는 유체 반응 장치를 제공한다.

Description

기판 사이의 온도 차이를 줄이는 방법 및 이를 이용한 유체 반응 장치{Method of reducing temperature difference between a pair of substrates and fluid reaction device using the same}
도 1은 한 쌍의 기판 사이에 개재된 이물질로 인한 기판들 사이의 온도 차이를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 한 쌍의 기판 사이의 온도 차이를 줄이는 방법을 도시한 도면이다.
도 3은 PGS®(Pyrolytic Graphite Sheet, Panasonic Industrial)의 평면(X-Y) 방향 열전도도(thermal conductivity)를 다른 물질의 열전도도와 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유체 반응 장치를 도시한 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 종래의 유체 반응 장치와 도 4의 유체 반응 장치를 이용한, 미세유체 반응칩의 온도 상승 시간 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 종래의 유체 반응 장치와 도 4의 유체 반응 장치를 이용한, 미세유체 반응칩의 장착 재현성 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7a 및 도 7b는 종래의 유체 반응 장치를 이용한 PCR(polymerized chaim reaction) 결과를 나타낸 그래프들로서, 도 7a는 PCR 증폭 커브(PCR amplification curve)를, 도 7b는 멜팅 분석 커브(melting analysis curve)를 각각 나타내는 그래프이다.
도 8a 및 도 8b는 도 4의 유체 반응 장치를 이용한 PCR 결과를 나타낸 그래프들로서, 도 8a는 PCR 증폭 커브(PCR amplification curve)를, 도 8b는 멜팅 커브(melting analysis curve)를 각각 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11 ...발열 기판 13 열전달 촉진층
15 흡열 기판 17 이물질
100 유체 반응 장치 101 히터
110 열전달 촉진층 120 미세유체 반응칩
130 가압 부재 150 이물질
본 발명은 접촉면을 통해 열이 전달되는 한 쌍의 기판 사이에 개입된 이물질로 인한 열전달 방해를 완화하여 상기 한 쌍의 기판 사이의 온도 차이를 줄이는 방법과, 이를 이용한 유체 반응 장치에 관한 것이다.
예컨대, PCR(polymerized chain reaction)과 같은 생화학 반응의 수행하는 데 있어서 소량의 생화학 유체를 수용하는 미세유체 반응칩(microfluidic reaction chip)과, 상기 미세유체 반응칩과 접촉된 상태로 이를 주기적으로 반복 가열하는 히터(heater)가 필요하다. 상기 히터와 접촉하는 미세유체 반응칩의 하측부와, 상기 미세유체 반응칩 하측부와 접촉하는 히터의 상측부는, 평평한 기판(substrate)으로 이루어질 수 있고, 상기 기판의 재질은 열전도도가 비교적 우수한 실리콘(Si)일 수 있다. 생화학 반응을 수행하기 위하여 상기 히터 상측부의 기판에 미세유체 반응칩을 올려 놓고 이를 상기 히터를 향해 가압하여 밀착시킨 후, 상기 히터를 발열시키는 방법이 적용된다.
도 1은 한 쌍의 기판 사이에 개재된 이물질로 인한 기판들 사이의 온도 차이를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 상술한 히터 상측부의 기판과 미세유체 반응칩 하측부의 기판의 경우와 같이, 접촉에 의해 열이 전달되는 한 쌍의 기판(1, 2) 사이에 먼지와 같은 이물질(particle, 5)이 개입되어 열전달이 방해될 수 있다. 즉, 실리콘(Si)과 같은 경도가 큰 재질로 된 기판들(1, 2) 사이에 이물질(5)이 개입되면, 상기 기판들(1, 2) 사이에 형성된 공기층(7)이 발열 기판(1)에서 흡열 기판(2)으로의 열전달을 방해한다.
구체적으로, 상기 한 쌍의 기판들(1, 2) 사이의 온도 차이는 히터(미도시)의 출력과 상기 기판들(1, 2) 사이의 접촉 열저항(conduction resistance)의 곱으로 계산될 수 있다. 상기 기판들(1, 2)의 접촉 면적이 100 mm2 이고, 이물질(5)로 인한 공기층(7)의 두께(G1)가 10 ㎛ 이고, 공기의 열전도도를 0.031 W/(m·K) (92 ℃ 기준) 이라고 가정하면, 상기 기판들(1, 2) 사이의 접촉 열저항은 3.2 ℃/W 이 된 다. 따라서, 히터의 출력이 1 W 이면 기판들(1, 2) 사이의 온도 차이는 3.2 ℃ 이고, 히터의 출력이 5 W 이면 기판들(1, 2) 사이의 온도 차이는 16.0 ℃ 에 이른다.
이와 같은 이물질 개입으로 인한 열전달 방해를 완화하기 위하여, 써멀 그리스(thermal grease)를 접촉되는 부재 사이에 적용하거나, 써멀 에폭시(thermal epoxy)를 이용하여 접촉되는 부재들을 접착하는 방법이 일반적으로 사용된다. 그러나, 미세유체 반응칩과 이를 가열하는 히터의 관계와 같이 빈번한 탈부착이 필요한 경우에는 써멀 그리스나 써멀 에폭시를 적용하는 방법을 사용할 수 없는 반면, 이물질의 개입 가능성은 매우 크다. 그래서 미세유체 반응칩을 올려 놓기에 앞서, 미세유체 반응칩의 히터 접촉면과 히터의 표면을 세심하게 닦아주는 방법을 쓰고 있으나, 이는 사용자의 입장에서 볼 때 매우 불편하고 사용자가 미처 닦지 못한 이물질이 존재하거나 닦은 후에라도 미세유체 반응칩과 히터를 부착시킬 때 이물질이 개입할 수 있으므로 신뢰성도 부족한 방법이다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 빈번하게 접촉/분리가 일어나는 두 기판 사이에서, 접촉에 의한 열전달이 일어나는 표면의 이물질을 세심하게 제거하지 않아도 열전달 특성이 열화되지 않는, 기판 사이의 온도 차이를 줄이는 방법과, 이를 이용한 유체 반응 장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 발열 기판과 흡열 기판 사이에, 공기보다 열전도도가 크고 이물질을 포유(包有)할 수 있으며 평면 방향의 열전도도가 100 내지 10000 W/(m·K) 인 열전달 촉진층을 개재하고, 상기 발열 기판과 열전달 촉진층 사이 및, 상기 열전달 촉진층과 흡열 기판 사이에 공기층 형성이 억제되도록 서로 밀착시키는 것을 특징으로 하는 기판 사이의 온도 차이를 줄이는 방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 열전달 촉진층은 그라파이트 박판(graphite sheet으로 이루어질 수 있으며, 더욱 바람직하게는 상기 그라파이트 박판은 열분해(pyrolysis) 공정을 통해 만든 열분해 그라파이트 박판(pyrolytic graphite sheet)일 수 있다.
삭제
바람직하게는, 상기 열전달 촉진층의 두께는 10 내지 1000 ㎛ 일 수 있다.
바람직하게는, 상기 발열 기판과 흡열 기판은 실리콘(Si)으로 이루어질 수 있다.
바람직하게는, 상기 열전달 촉진층은 금속 또는 CNT(carbon-nano-tube)으로 이루어질 수 있다.
바람직하게는, 상기 금속은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 무연납(Pb-free) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
바람직하게는, 상기 열전달 촉진층은 상기 발열 기판 또는 흡열 기판의 표면 상에 박막(薄膜) 형태로 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 열전달 촉진층은 접착제의 개입 없이 상기 발열 기판 또는 흡열 기판에 직접 밀착될 수 있다.
또한 본 발명은, 유체를 수용하는 미세유체 반응칩; 상기 미세유체 반응칩을 가열하기 위한 히터(heater); 및, 상기 미세유체 반응칩과 히터 사이에 개재되는, 공기보다 열전도도가 크고 이물질을 포유(包有)할 수 있으며 평면 방향의 열전도도가 100 내지 10000 W/(m·K) 인 열전달 촉진층;을 구비하고, 상기 히터와 열전달 촉진층 사이 및, 상기 열전달 촉진층과 미세유체 반응칩 사이에 공기층 형성이 억제되도록 서로 밀착되는 것을 특징으로 하는 유체 반응 장치를 제공한다.
바람직하게는, 상기 열전달 촉진층은 그라파이트 박판(graphite sheet)으로 이루어질 수 있고, 더욱 바람직하게는 상기 그라파이트 박판은 열분해(pyrolysis) 공정을 통해 만든 열분해 그라파이트 박판(pyrolytic graphite sheet)일 수 있다.
삭제
바람직하게는, 상기 열전달 촉진층의 두께는 10 내지 1000 ㎛ 일 수 있다.
바람직하게는, 상기 열전달 촉진층과 밀착되는 히터의 일부분은 발열 기판을 포함하고, 상기 열전달 촉진층과 밀착되는 미세유체 반응칩의 일부분은 흡열 기판을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 발열 기판과 흡열 기판은 실리콘(Si)으로 이루어질 수 있다.
바람직하게는, 상기 열전달 촉진층은 금속 또는 CNT(carbon-nano-tube)으로 이루어질 수 있다.
바람직하게는, 상기 금속은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 무연 납(Pb-free) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
바람직하게는, 상기 열전달 촉진층은 상기 히터의 표면 상에 형성된 박막(薄膜)일 수 있다.
바람직하게는, 상기 열전달 촉진층은 접착제의 개입 없이 상기 히터에 직접 밀착될 수 있다.
바람직하게는, 상기 미세유체 반응칩은 분리 가능하게 상기 열전달 촉진층에 밀착되고, 상기 열전달 촉진층은 상기 미세유체 반응칩이 분리되는 경우에도 상기 히터에 밀착된 상태를 유지하도록 구성될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기판 사이의 온도 차이를 줄이는 방법 및, 이를 이용한 유체 반응 장치를 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 한 쌍의 기판 사이의 온도 차이를 줄이는 방법을 도시한 도면이고, 도 3은 PGS®(Pyrolytic Graphite Sheet, Panasonic Industrial)의 평면(X-Y) 방향 열전도도(thermal conductivity)를 다른 물질의 열전도도와 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 2를 참조하면, 한 쌍의 기판(11, 15) 가운데 온도가 상대적으로 높은 발열 기판(11)으로부터 온도가 상대적으로 낮은 흡열 기판(15)으로 열이 전달된다. 상기 발열 기판(11)과 흡열 기판(15) 사이에는 열전달을 촉진하는 열전달 촉진층(13)이 개재되고, 상기 발열 기판(11)과 열전달 촉진층(13) 사이 및, 상기 흡열 기판(15)과 열전달 촉진층(13) 사이에 공기층 형성이 억제되도록 서로 밀착된다.
상기 열전달 촉진층(13)은 열전도(heat conduction)를 차단하는 공기(상온에서 약 0.025 W/(m·K))보다는 열전도도가 크며, 먼지 등의 이물질(particle, 17)을 포유(包有)할 수 있을 정도로 경도(hardness)가 작은 소재로 이루어진다. 상기 열전달 촉진층(13)이 발열 기판(11)과 흡열 기판(15) 사이에 개입된 이물질(17)을 포유하므로, 상기 발열 기판(11)과 흡열 기판(15)이 열전도도가 우수하나 경도가 큰 실리콘(Si) 재질의 기판이라 하더라도, 상기 한 쌍의 기판들(11, 15) 사이에 공기층(7, 도 1 참조)의 생성이 억제될 수 있다. 상기 열전달 촉진층(13)의 두께(G2)가 너무 두꺼우면 발열 기판(11)에서 흡열 기판(15)으로 열전달이 지연되고, 상기 두께(G2)가 이물질(17)의 직경보다도 얇으면 이물질(17)을 포유(包有)하기 어렵다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에서 상기 두께(G2)는 10 내지 1000 ㎛ 이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 상기 열전달 촉진층(13)은 그라파이트 박판(graphite sheet)으로 이루어진다. 시중에 유통되는 그라파이트 박판의 한 예로 PGS®를 들 수 있는데, 상기 PGS®는 일본의 파나소닉사(Panasonic Industrial)에 의해 개발된 그라파이트 박판(graphite sheet)으로서, 상기 파나소닉사에 의해 배포된 자료에 따르면, 상기 PGS®는 일반적인 그라파이트 박판에 비해 더 평평하고 균일한 층상 구조를 갖는다. 상기 도 3도 파나소닉사에 의해 배포된 자료로서 이를 참조하면, 상기 PGS®는 박판의 평면 방향의 열전도도(thermal conductivity)가 700~800 W/(m·K)로서, 구리(Cu)의 약 2배에 이를 정도로 평면 방향 열전도도가 우수하다. 한편, 상기 PGS®의 박판의 법선 방향 열전도도는 15 W/(m·K)이다.
도 2에 도시된 바와 같이 발열 기판(11)과 열전달 촉진층(13)과 흡열 기 판(15)이 밀착된 상태에서 발열 기판(11)에서 흡열 기판(15)을 향하는 방향(Z 방향)으로 열이 전달되며, 이물질(17)에 의해 Z 방향으로의 열전달이 방해되는 부분에서는 열전달 촉진층(13)의 평면 방향(X-Y 방향)으로 우회하여 열이 전달되므로 종래의 경우(도 1 참조)보다 열전달 특성이 향상되고 발열 기판(11)과 흡열 기판(15)의 온도 차이가 줄어든다.
상기 그라파이트 박판 소재의 열전달 촉진층(13)은 얇은 시트 형태로 클램핑(clamping)과 같은 방법으로 발열 기판(11) 또는 흡열 기판(15)에 밀착된다. 접착제는 열전도도가 낮아 열전달 특성을 열화시키므로, 상기 열전달 촉진층(13)은 접착제의 개입 없이 상기 발열 기판(11) 또는 상기 흡열 기판(15)에 밀착된다.
한편, 상기 열전달 촉진층(13)은 금속 또는 CNT(carbon-nano-tube)로 이루어질 수도 있다. 적용 가능한 금속의 예로, 열전도도가 우수하고 경도가 작은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 무연납(Pb-free) 등이 있다. 상기 CNT는 열전도도가 최대 10000 W/(m·K) 정도에 이르는 물질이다. 그러나, 열전달 촉진층(13)의 소재는 상기 나열된 것에 한정되지 않으며, 평면 방향의 열전도도가 100 내지 10000 W/(m·K) 이며 이물질(17)을 포유할 수 있을 정도로 무른 물질이면 열전달 촉진층(13)의 소재로 적용 가능하다.
상기 그라파이트 박판 또는 금속 또는 CNT를 소재로 하는 열전달 촉진층(13)은 얇은 시트 형태로 만들어 클램핑에 의해 발열 기판(11) 또는 흡열 기판(15)의 표면에 밀착시킬 수도 있으나, 예컨대, 도금, 증착 등의 방법을 이용하여 발열 기판(11) 또는 흡열 기판(15)의 표면 상에 박막(薄膜) 형태로 형성할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유체 반응 장치를 도시한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유체 반응 장치(100)는 미세유체 반응칩(120)과, 상기 미세유체 반응칩(120)을 가열하기 위한 히터(heater, 101)와, 상기 히터(101)와 미세유체 반응칩(120) 사이에 개재되는 열전달 촉진층(110)을 포함한다.
상기 미세유체 반응칩(120)은 내부에 소량의 생화학 유체(F)를 수용하고, 상기 유체(F)의 반응이 일어나는 챔버(123)를 구비한다. 상기 미세유체 반응칩(120)은 상기 챔버(123)가 형성된 하부 기판(121)과 상기 하부 기판(121)에 본딩(bonding)된 상부 기판(125)으로 이루어진다. 상기 하부 기판(121)은 히터(101)로부터 전달되는 열을 흡열하는 흡열 기판이고, 열전도도가 우수한 실리콘(Si)으로 이루어진다. 상기 상부 기판(125)은 챔버(123)에서 일어나는 PCR과 같은 생화학 반응을 형광 검출할 수 있도록 ,예컨대 유리 등의 투명한 소재로 이루어진다. 상기 상부 기판(125)에는 챔버(123)로 유체(F)를 주입하거나, 챔버에 수용된 유체(F)를 외부로 추출하거나 공기를 외부로 배출하기 위한 홀(hole, 미도시)들이 형성될 수 있다.
상기 히터(101)는 전력 공급에 의해 발열하는 열원(102)과, 열전달 촉진층(110)과 접촉하는 상측부에 형성된 발열 기판(103)을 포함한다. 상기 발열 기판(103)은 열전도도가 우수한 실리콘(Si)으로 이루어진다.
상기 열전달 촉진층(110)은 도 2에 도시된 열전달 촉진층(13)과 마찬가지로, 공기보다는 열전도도가 크며, 먼지 등의 이물질(particle, 150)을 포유(包有)할 수 있을 정도로 경도(hardness)가 작은 소재로 이루어지며, 본 발명의 바람직한 실시예에서 상기 열전달 촉진층(110)은 얇은 박판 형태의 그라파이트 박판(graphite sheet)으로 이루어진다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시예에서 상기 열전달 촉진층(110)의 두께(G3)는 10 내지 1000 ㎛ 일 수 있다.
상기 유체 반응 장치(100)는 미세유체 반응칩(120)을 상기 히터(101) 및 열전달 촉진층(110) 방향으로 밀착시키기 위한 가압 부재(130)를 더 구비한다. 상기 가압 부재(130)를 이용하여 미세유체 반응칩(120)을 아래로 가압하면 히터(101)의 발열 기판(103)과, 열전달 촉진층(110)과, 미세유체 반응칩(120)의 흡열 기판(121)이 밀착된다. 이물질(150)이 상기 미세유체 반응칩(120)과 열전달 촉진층(110) 사이에 개입된다 하더라도 가압 부재(130)가 작용하는 압력에 의해 열전달 촉진층(110)에 포유(包有)되므로 발열 기판(103)과 흡열 기판(121) 사이에서 공기층(7, 도 1 참조) 생성이 억제된다. 이와 같이 상기 발열 기판(103)과, 열전달 촉진층(110)과, 흡열 기판(121)이 밀착된 상태에서 열원(102)에 전력이 공급되면, 그로 인한 발열은 큰 열손실 없이 열전달 촉진층(110)을 통과하여 흡열 기판(121)으로 전달된다.
사용자는 상기 가압 부재(130)를 이용한 가압을 해제한 후, 가열을 통한 유체(F)의 반응이 완료된 미세유체 반응칩(120)을 히터(101)와 열전달 촉진층(110)으로부터 분리 및 폐기할 수 있다. 상기 미세유체 반응칩(120)은 통상적으로 일회용이기 때문에 유체(F) 반응이 완료된 후 히터(101) 및 열전달 촉진층(110)으로부터 분리되지만, 상기 히터(101)와 열전달 촉진층(110)은 유체(F) 반응 과정 및 유체(F) 반응 완료 이후에도 분리할 필요가 없으며, 서로 밀착된 상태로 유지된다면 이물질이 발열 기판(103)과 열전달 촉진층(110) 사이에 개입될 수 없어 바람직하다. 따라서, 상기 히터(101)와 열전달 촉진층(110)은 별도의 클램핑 부재(미도시)에 의해 상기 가압 부재(130)와 무관하게 밀착된 상태를 유지하도록 구성될 수 있다. 그러나, 접착제는 열전도도가 낮아 열전달 특성을 열화시키므로, 상기 열전달 촉진층(110)은 접착제의 개입 없이 발열 기판(103)에 밀착된다. 참조부호 133은 챔버(123)에서 일어나는 PCR과 같은 유체(F)의 반응을 형광 검출하기 위한 광투과공이다.
한편, 상기 열전달 촉진층(110)은 금속 또는 CNT(carbon-nano-tube)로 이루어질 수도 있다. 적용 가능한 금속의 예로, 열전도도가 우수하고 경도가 작은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 무연납(Pb-free) 등이 있다. 상기 CNT는 열전도도가 최대 10000 W/(m·K) 정도에 이르는 물질이다. 그러나, 열전달 촉진층(110)의 소재는 상기 나열된 것에 한정되지 않으며, 평면 방향의 열전도도가 100 내지 10000 W/(m·K) 이며 이물질(150)을 포유할 수 있을 정도로 무른 물질이면 열전달 촉진층(110)의 소재로 적용 가능하다.
상기 그라파이트 박판 또는 금속 또는 CNT를 소재로 하는 열전달 촉진층(110)은 얇은 시트 형태로 만들어 클램핑에 의해 발열 기판(103)의 표면에 밀착시킬 수도 있으나, 예컨대, 도금, 증착 등의 방법을 이용하여 발열 기판(103)의 표면 상에 박막(薄膜) 형태로 형성할 수도 있다.
본 발명의 발명자는 상기 유체 반응 장치의 효과를 검증하기 위하여 종래의 유체 반응 장치와 비교 시험을 실시하였으며, 이하에서 도면들을 참조하여 그 결과를 설명한다.
도 5a는 종래의 유체 반응 장치를 이용한 미세유체 반응칩의 온도 상승 시간 시험 결과를 나타낸 그래프이고, 도 5b는 도 4의 유체 반응 장치, 구체적으로는 PGS® 소재, 100 ㎛ 두께(G3)의 열전달 촉진층(110)을 구비한 유체 반응 장치를 이용한 미세유체 반응칩의 온도 상승 시간 시험 결과를 나타낸 그래프이다. 여기서 종래의 유체 반응 장치는 열전달 촉진층(110, 도 4 참조)이 없는 유체 반응 장치를 의미한다.
도 5a에는 미세유체 반응칩의 샘플을 종래의 유체 반응 장치의 히터에 올려 놓기 전에 미세유체 반응칩의 히터 접촉면과 히터 표면을 세심하게 닦아 먼지 등의 이물질을 제거한 다음 일정한 전력을 히터에 공급할 때 60초 동안 미세유체 반응칩 샘플의 온도 변화가 나타나 있다. 도 5a의 결과로부터 동일한 사이즈 및 동일한 형태의 6개의 샘플에 대해 60초 후 미세유체 반응칩의 온도(T60)의 99%가 되는 온도까지 도달하는 데 소요되는 온도 상승 시간 의 평균을 구하면 3.34초이고, 표준편차는 1.03초이며, %CV(coefficient of variance)는 30.68% 이었다. 참고로, 상기 %CV는 (표준편차/평균)의 백분율을 의미한다.
도 5b에는 미세유체 반응칩의 샘플을 이물질 제거 과정 없이 도 4의 유체 반응 장치의 열전달 촉진층(110)에 올려 놓고 일정한 전력을 히터에 공급할 때 60초 동안 미세유체 반응칩 샘플의 온도 변화가 나타나 있다. 도 5b의 결과로부터 동일 한 사이즈 및 동일한 형태의 6개의 샘플에 대해 60초 후 미세유체 반응칩의 온도(T60)의 99%가 되는 온도까지 도달하는 데 소요되는 온도 상승 시간의 평균을 구하면 5.14초이고, 표준편차는 0.46초이며, %CV(coefficient of variance)는 9.04% 이었다. 상기 시험 결과를 통하여 도 4의 유체 반응 장치(100)에서 온도 상승 시간의 표준편차와 %CV가, 종래의 유체 반응 장치의 경우보다 대폭 감소된 것을 알 수 있다.
도 6a는 종래의 유체 반응 장치, 즉 열전달 촉진층(110, 도 4 참조)이 없는 유체 반응 장치를 이용한 미세유체 반응칩의 장착 온도 재현성 시험 결과를 나타낸 그래프이고, 도 6b는 도 4의 유체 반응 장치에서, 열전달 촉진층(110)으로서 100 ㎛ 두께(G3)의 PGS® 소재를 구비한 유체 반응 장치를 이용한 미세유체 반응칩의 장착 온도 재현성 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6a에는 미세유체 반응칩의 샘플을 종래의 유체 반응 장치의 히터에 올려 놓고 일정한 전력을 히터에 공급하되 최초 200초 후에 미세유체 반응칩을 히터에서 분리한 상태에서 10초를 기다리고, 이후로 60초간 미세유체 반응칩을 히터에 다시 접촉하였다가 분리하고 다시 10초를 기다리기를 반복하면서 미세유체 반응칩의 온도 변화를 측정한 결과가 나타나 있다. 동일한 사이즈 및 동일한 형태의 6개의 샘플에 대하여 시험이 수행되었으며, 미세유체 반응칩을 히터에 올려 놓기 전에 미세유체 반응칩의 히터 접촉면 및 히터 표면을 세심하게 닦아 먼지 등의 이물질을 제거하는 과정이 수반되었다. 도 6a의 결과로부터 미세유체 반응칩을 히터에서 분리하기 전 10초 동안의 평균온도를 구하여 총 11개의 평균 온도에 대한 범위(범위=최 대값-최소값)를 구하고, 6개의 샘플에 대한 결과를 취합하여 상기 평균 온도에 대한 범위의 평균을 구하면 0.17 ℃로 계산되었고, 상기 평균 온도에 대한 범위의 표준편차는 0.03 ℃, %CV는 19.54%로 계산되었다.
도 6b에는 미세유체 반응칩의 샘플을 이물질 제거 과정 없이 도 4의 유체 반응 장치의 열전달 촉진층(110)에 올려 놓고 일정한 전력을 히터에 공급하되 최초 200초 후에 미세유체 반응칩을 히터(101) 및 열전달 촉진층(110)에서 분리한 상태에서 10초를 기다리고, 이후로 60초간 미세유체 반응칩을 히터(101) 및 열전달 촉진층(110)에 다시 접촉하였다가 분리하고 다시 10초를 기다리기를 반복하면서 미세유체 반응칩의 온도 변화를 측정한 결과가 나타나 있다. 동일한 사이즈 및 동일한 형태의 6개의 샘플에 대하여 시험이 수행되었다. 도 6b의 결과로부터 미세유체 반응칩을 히터에서 분리하기 전 10초 동안의 평균온도를 구하여 총 10개의 평균 온도에 대한 범위(범위=최대값-최소값)를 구하고, 6개의 샘플에 대한 결과를 취합하여 상기 평균 온도에 대한 범위의 평균을 구하면 0.11 ℃로 계산되었고, 상기 평균 온도에 대한 범위의 표준편차는 0.01 ℃, %CV는 9.74%로 계산되었다.
상기 시험 결과를 통하여 도 4의 유체 반응 장치(100)에서 평균 온도에 대한 범위의 평균과 상기 평균 온도에 대한 범위의 표준편차와, %CV가 종래의 유체 반응 장치의 경우보다 대폭 감소된 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 5b 및 도 6b의 시험 결과로부터 미세유체 반응칩의 히터 접촉면과 히터 표면을 세심하게 닦는 수고를 하지 않아도 도 4의 유체 반응 장치를 이용하는 경우에서 종래의 유체 반응 장치를 이용하는 경우보다 미세유체 반응칩의 샘플간 온도 재현성이 더 우수함을 확인할 수 있다.
본 발명의 발명자는 종래의 유체 반응 장치, 즉 열전달 촉진층(110, 도 4 참조)이 없는 유체 반응 장치와, 도 4의 유체 반응 장치 장치, 구체적으로 열전달 촉진층(110)으로서 100 ㎛ 두께(G3)의 PGS® 소재를 구비한 유체 반응 장치를 이용하여 PCR을 수행하고 그 결과를 형광 검출하여 비교해 보았다. 도 7a 및 도 7b는 종래의 유체 반응 장치를 이용한 PCR(polymerized chaim reaction) 결과를 나타낸 그래프들로서, 도 7a는 PCR 증폭 커브(PCR amplification curve)를, 도 7b는 멜팅 분석 커브(melting analysis curve)를 각각 나타내는 그래프이며, 도 8a 및 도 8b는 도 4의 유체 반응 장치를 이용한 PCR 결과를 나타낸 그래프들로서, 도 8a는 PCR 증폭 커브(PCR amplification curve)를, 도 8b는 멜팅 커브(melting analysis curve)를 각각 나타내는 그래프이다.
HBV 106 copy/㎕ 농도의 시료를 이용하였고, 종래의 유체 반응 장치와 도 4의 유체 반응 장치에서 각각 72회의 PCR과 멜팅(melting) 시험을 수행하였으며, 종래의 유체 반응 장치의 히터에 미세유체 반응칩을 올려 놓기 전에 히터 표면을 세심하게 닦아 먼지 등의 이물질을 제거하였다.
도 7a의 결과로부터 Ct(threshold cycle)의 평균은 17.87, Ct의 표준편차는 0.04, %CV는 0.22% 로 계산되었고, 도 7b의 결과로부터 Tm(melting temperature)의 평균은 77.18 ℃, Tm 의 표준편차는 0.33 ℃, %CV는 0.43%로 계산되었다. 한편, 도 8a의 결과로부터 Ct의 평균은 18.07, Ct의 표준편차는 0.11, %CV는 0.58% 로 계산되었고, 도 8b의 결과로부터 Tm의 평균은 77.14 ℃, Tm 의 표준편차는 0.21 ℃, %CV는 0.27%로 계산되었다.
도 7a와 도 8a를 비교하면, 본 발명의 유체 반응 장치를 이용한 경우의 Ct 평균, 표준편차, 및 %CV가 종래의 유체 반응 장치를 이용한 경우보다 약간씩 커졌으나 이 정도의 증가는 허용 가능한 오차 범위 이내의 증가이다. 한편, 도 7b와 도 8b를 비교하면, 본 발명의 유체 반응 장치를 이용한 경우의 Tm 평균은 거의 비슷하였고, Tm의 표준편차 및 %CV가 종래의 유체 반응 장치를 이용한 경우보다 크게 감소하였다. 상기 도 8a 및 도 8b의 결과를 통하여 본 발명의 유체 반응 장치를 이용하면 이물질 제거를 위해 별다른 조치를 취하지 않고도 이물질의 영향을 줄이는 효과를 얻어, 이물질 제거를 위해 노력한 경우와 비슷하거나 더 좋은 PCR 결과를 얻을 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. 예컨데, 도 2를 참조하여 앞서 기술한 바에 의하면 상대적으로 아래에 위치하는 참조 번호 11이 발열 기판이고 상대적으로 위에 위치하는 참조 번호 15가 흡열 기판이지만, 이와 반대로 참조 번호 11(하부 기판)이 흡열 기판이고 참조 번호 15(상부 기판)이 발열 기판인 경우에도 본 발명의 원리는 그대로 적용될 수 있다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
본 발명에 의하면 두 기판이 빈번히 접촉/분리하며 열전달이 일어나는 상황 에서 열전달이 일어나는 접촉면을 세심하게 닦아 이물질을 제거해야 하는 불편이 없어진다. 또한, 사용자가 미처 접촉면 사이의 이물질을 완전히 제거하지 못해 이물질이 접촉면에 남아있거나, 이물질이 다시 달라붙는 경우에도 이로 인해 발열 기판과 흡열 기판 사이의 온도가 크게 차이 나지 않게 된다.

Claims (22)

  1. 발열 기판과 흡열 기판 사이에, 공기보다 열전도도가 크고 이물질을 포유(包有)할 수 있으며 평면 방향의 열전도도가 100 내지 10000 W/(m·K) 인 열전달 촉진층을 개재하고, 상기 발열 기판과 열전달 촉진층 사이 및, 상기 열전달 촉진층과 흡열 기판 사이에 공기층 형성이 억제되도록 서로 밀착시키는 것을 특징으로 하는 기판 사이의 온도 차이를 줄이는 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 열전달 촉진층은 그라파이트 박판(graphite sheet)로 이루어진 것을 특징으로 하는 기판 사이의 온도 차이를 줄이는 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 그라파이트 박판은 열분해(pyrolysis) 공정을 통해 만든 열분해 그라파이트 박판(pyrolytic graphite sheet)인 것을 특징으로 하는 기판 사이의 온도 차이를 줄이는 방법.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 열전달 촉진층의 두께는 10 내지 1000 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 기판 사이의 온도 차이를 줄이는 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 발열 기판과 흡열 기판은 실리콘(Si)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 기판 사이의 온도 차이를 줄이는 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 열전달 촉진층은 금속 또는 CNT(carbon-nano-tube)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 기판 사이의 온도 차이를 줄이는 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 금속은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 무연납(Pb-free) 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 기판 사이의 온도 차이를 줄이는 방법.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 열전달 촉진층은 상기 발열 기판 또는 흡열 기판의 표면 상에 박막(薄膜) 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 기판 사이의 온도 차이를 줄이는 방법.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 열전달 촉진층은 접착제의 개입 없이 상기 발열 기판 또는 흡열 기판에 직접 밀착되는 것을 특징으로 하는 기판 사이의 온도 차이를 줄이는 방법.
  11. 유체를 수용하는 미세유체 반응칩; 상기 미세유체 반응칩을 가열하기 위한 히터(heater); 및, 상기 미세유체 반응칩과 히터 사이에 개재되는, 공기보다 열전도도가 크고 이물질을 포유(包有)할 수 있으며 평면 방향의 열전도도가 100 내지 10000 W/(m·K) 인 열전달 촉진층;을 구비하고,
    상기 히터와 열전달 촉진층 사이 및, 상기 열전달 촉진층과 미세유체 반응칩 사이에 공기층 형성이 억제되도록 서로 밀착되는 것을 특징으로 하는 유체 반응 장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 열전달 촉진층은 그라파이트 박판(graphite sheet)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유체 반응 장치.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 그라파이트 박판은 열분해(pyrolysis) 공정을 통해 만든 열분해 그라파이트 박판(pyrolytic graphite sheet)인 것을 특징으로 하는 유체 반응 장치.
  14. 삭제
  15. 제11 항에 있어서,
    상기 열전달 촉진층의 두께는 10 내지 1000 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 유체 반응 장치.
  16. 제11 항에 있어서,
    상기 열전달 촉진층과 밀착되는 히터의 일부분은 발열 기판을 포함하고, 상기 열전달 촉진층과 밀착되는 미세유체 반응칩의 일부분은 흡열 기판을 포함한 것을 특징으로 하는 유체 반응 장치.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 발열 기판과 흡열 기판은 실리콘(Si)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유체 반응 장치.
  18. 제11 항에 있어서,
    상기 열전달 촉진층은 금속 또는 CNT(carbon-nano-tube)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 기판 사이의 유체 반응 장치.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 금속은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 무연납(Pb-free) 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유체 반응 장치.
  20. 제11 항에 있어서,
    상기 열전달 촉진층은 상기 히터의 표면상에 형성된 박막(薄膜)인 것을 특징으로 하는 유체 반응 장치.
  21. 제11 항에 있어서,
    상기 열전달 촉진층은 접착제의 개입 없이 상기 히터에 직접 밀착된 것을 특징으로 하는 유체 반응 장치.
  22. 제11 항에 있어서,
    상기 미세유체 반응칩은 분리 가능하게 상기 열전달 촉진층에 밀착되고, 상기 열전달 촉진층은 상기 미세유체 반응칩이 분리되는 경우에도 상기 히터에 밀착된 상태를 유지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 유체 반응 장치.
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