KR100826584B1 - 바이오칩 분석을 위한 유체 채널링 액츄에이터 - Google Patents

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이상호
강경태
박문수
강희석
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한국생산기술연구원
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Abstract

본 발명은 바이오칩 분석을 위한 유체 채널링 액츄에이터에 관한 것으로, 유체 및 샘플용액이 주입되는 복수개의 마이크로 채널이 구비된 하부플레이트, 상기 하부플레이트상에 구비되고 외부장치로부터 전압을 인가받는 것으로, 일부분이 상기 복수개의 마이크로 채널 사이에 배치되는 전극, 상기 전극 상면에 형성되는 친수성 패턴, 상기 친수성 패턴 상면에 형성되는 소수성 패턴, 상기 하부플레이트 상부측에 구비되어 상기 마이크로 채널을 폐쇄시켜주며, 상기 마이크로 채널에 유입된 유체 및 샘플용액이 혼합될 수 있도록 혼합게이트가 형성되고, 일측으로 유체를 주입하기 위한 유입구가 구비된 상부플레이트 및 상기 상부플레이트에 구비되는 것으로, 유입된 유체에 의해 상기 마이크로 채널 내부의 공기를 배출시키는 에어밴트;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
바이오칩, 전기습윤, 친수성, 소수성, 채널링

Description

바이오칩 분석을 위한 유체 채널링 액츄에이터{Fluidic channeling actuator for the biochip analysis}
도 1은 본 발명에 따른 유체 채널링 액츄에이터의 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 유체 채널링 액츄에이터의 상부플레이트를 나타낸 상면도,
도 3은 본 발명에 따른 유체 채널링 액츄에이터의 하부플레이트를 나타낸 상면도,
도 4는 본 발명에 따른 유체 채널링 액츄에이터의 상부플레이트와 하부플레이트 결합된 상면도,
도 5는 도 4의 A-A′를 나타낸 유체 채널링 액츄에이터의 단면도,
도 6은 본 발명에 따른 유체 채널링 액츄에이터의 마이크로채널에 유체가 채워진 상태를 나타낸 단면 확대도,
도 7은 본 발명에 따라 전기습윤현상에 의해 마이크로채널의 유체가 채널링된 상태를 나타낸 단면 확대도,
도 8a 및 도 8b는 전기습윤에 기초한 혼합 메커니즘을 개략적으로 나타낸 도면.
<도면의 주요 부호에 대한 부호의 설명>
10 : 상부플레이트
20 : 하부플레이트
30 : 전극
40 : 친수성패턴
50 : 소수성패턴
본 발명은 바이오칩 분석을 위한 유체 채널링 액츄에이터에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 전기습윤(Electrowetting)현상을 이용해 상호간의 채널링을 제어하여 반응, 확산, 반응속도 등을 분석하기 위한 바이오칩 분석을 위한 유체 채널링 액츄에이터에 관한 것이다.
일반적으로 혼합은 화학 분석과 생물학적 응용에서 기초적인 처리이다. 미세 유체의 제어는 극미량의 유체를 매우 작은 채널 혹은 챔버에서 이송, 정지, 교체 또는 혼합시키는 것으로서, 미세유체 제어소자는 LOC(Lap-On-Chip)으로도 불리며, 미세 소자에서 유체의 유동을 제어하여 생화학적 반응, 혼합 또는 감지 등 특정 기능을 수행하는 소자이다. 미세유체제어소자의 예로는, 단백질(protein) 칩, DNA 칩, 약물 주입기(Drug Delivery System), 미세 생물/화학 반응기(Micro Biological/Chemical Reactor)를 포함한 다양한 바이오 소자가 있다.
혼합기는 연속적인 유동 구조와 액적 기반의 구조로 대체로 분류할 수 있다. 모든 연속적인 유동 시스템 사이에서의 공통적인 제약은 유체 이송이 물리적으로 영구하게 식각된 구조에 국한되며 혼합을 증진시키기 위해 부가적인 메커니즘이 필요한 것이다.
미소 유체의 제어는 다양한 구동원리를 통하여 구현되고 있다. 그 예로는 극소형으로 가공한 마이크로 펌프와 밸브를 유로나 챔버상에 구현한 마이크로 액츄에이터형 구동방법, 미세한 유로 사이에 전압을 걸어서 유체를 이동시키는 전기영동법이나 전기삼투압법, 모세관 힘에 의한 모세관 유동법등이 있다. 이러한 구동원리를 이용한 미세유체제어소자는 전기 및 기계적인 외력으로 구동되는 마이크로펌프, 밸브 등을 통하여 유체제어가 실현되는 능동형 소자(Active Microfluidic Component)와 자연적인 힘이 이용되고 유로나 챔버의 표면 개질이나 형상 변화를 통하여 유체제어를 실현하는 수동형 소자(Passive Microfluidic Component)로 구분된다.
하지만, 능동형 펌프와 밸브를 이용한 유체 제어 기술은 바이오칩에서 집적화하기가 매우 어려우며, 제작비용이 상승할 뿐만 아니라, 펌프와 밸브의 기계적 동작으로 인한 불규칙한 유체흐름의 발생은 확산 반응 분석에서 초기 반응 분석이 어렵다.
또한, 연속적인 유체 주입(Continuous flow) 기반의 유체 제어 기술은 샘플용액을 동시에 바이오칩(Biochip)으로 주입하면서 유체를 조작하기 때문에 주입 속 도를 고려해야 하므로 실제 확산속도와 반응속도의 분석에 매우 어려움이 있다.
Electrokinetics에 기반을 둔 유체제어 기술에서는 분석하기 전 샘플에 따라 인젝션(Injection)조건을 위한 인가전압을 최적화해야 되며, 파티클, 미생물, 바이러스등을 포함한 샘플 용액인 경우 포함된 입자에 대한 전기장의 영향을 고려해야 되는 단점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 전기습윤(Electrowetting) 현상을 이용하여 샘플용액의 반응, 반응속도, 확산 등에 이용되며 전기장에 의해 용액에 미치는 문제와 펌프와 밸브의 기계적 동작으로 인한 불규칙한 유체흐름의 발생으로 초기 반응분석의 어려움을 해소하고자 하는데 그 목적이 있다.
또한, 생산비용을 절감시키고 집적화하기 용이하도록 하고자 하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 유체 및 샘플용액이 주입되는 복수개의 마이크로 채널이 구비된 하부플레이트, 상기 하부플레이트상에 구비되고 외부장치로부터 전압을 인가받는 것으로, 일부분이 상기 복수개의 마이크로 채널 사이에 배치되는 전극, 상기 전극 상면에 형성되는 친수성 패턴, 상기 친수성 패턴 상면에 형성되는 소수성 패턴, 상기 하부플레이트 상부측에 구비되어 상기 마이크 로 채널을 폐쇄시켜주며, 상기 마이크로 채널에 유입된 유체 및 샘플용액이 혼합될 수 있도록 혼합게이트가 형성되고, 일측으로 유체를 주입하기 위한 유입구가 구비된 상부플레이트 및 상기 상부플레이트에 구비되는 것으로, 유입된 유체에 의해 상기 마이크로 채널 내부의 공기를 배출시키는 에어밴트를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 바람직한 한 특징으로는, 상기 전극은, 일부분이 상기 복수개의 마이크로 채널 사이에 나란히 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 바람직한 다른 특징으로는, 상기 소수성 패턴은, 소수성 폴리머로 코팅되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 바람직한 또 다른 특징으로는, 상기 소수성패턴은, 테프론(Teflon), 파릴렌(Parylene), 자기조립박막(self assembled monolayer) 중 어느 하나로 코팅되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 바람직한 또 다른 특징으로는, 상기 소수성 패턴은, 상기 전극으로 전압이 인가되면 전기습윤(Electrowetting)현상에 의해 친수성으로 변화되어 상기 마이크로 채널의 유체 및 샘플용액이 채널링되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 바람직한 또 다른 특징으로는, 상기 소수성패턴은, 상기 친수성패턴의 면적보다 작게 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 바람직한 또 다른 특징으로는, 상기 혼합게이트는, 상기 마이크로채널 사이 상부측에 소정크기의 공간을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바이오칩 분석을 위한 유체 채널링 액츄에이터에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 유체 채널링 액츄에이터의 사시도, 도 2는 본 발명에 따른 유체 채널링 액츄에이터의 상부플레이트를 나타낸 상면도, 도 3은 본 발명에 따른 유체 채널링 액츄에이터의 하부플레이트를 나타낸 상면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 유체 채널링 액츄에이터의 상부플레이트와 하부플레이트 결합된 상면도, 도 5는 도 4의 A-A′를 나타낸 유체 채널링 액츄에이터의 단면도, 도 6은 본 발명에 따른 유체 채널링 액츄에이터의 마이크로채널에 유체가 채워진 상태를 나타낸 단면 확대도, 도 7은 본 발명에 따라 전기습윤현상에 의해 마이크로채널의 유체가 채널링된 상태를 나타낸 단면 확대도, 도 8a 및 도 8b는 전기습윤에 기초한 혼합 메커니즘을 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명은 전기습윤(electrowetting) 효과에 의해 유체내에서 유도된 표면 장력 변화도(gradient)에 기초하여 구성된다.
본 발명에 따른 바이오칩 분석을 위한 유체 채널링 액츄에이터는 유체(F) 및 샘플용액(S) 유입되는 복수개의 마이크로채널(22)을 구비한 하부플레이트(20)와 상기 하부플레이트(20) 상부측에 구비되는 상부플레이트(10)와 상기 하부플레이트(20) 상에 구비되는 것으로, 복수개의 상기 마이크로 채널(12) 사이에 일부가 나란히 배치되는 전극(30), 및 상기 전극(30) 상면에 구비되는 친수성 패턴(40)과 소수성 패턴(50)을 포함하여, 전기습윤 기반에 의해 유체를 제어하는 것을 특징으로 한다.
상부플레이트(10)는 소정 두께를 갖는 판형상로써 본 발명에 따른 유체 채널링 액츄에이터(100)의 대략적인 형상의 일부 구성이다. 도 2에 도시된 바와 같이 상기 상부플레이트(10)에는 유체(Fluid)를 주입시킬 수 있는 유입구(Inlet ; 13)가 상기 상부플레이트(10)를 관통되게 구비되어 있다.
또한, 후술할 하부플레이트(20)와 접하는 면의 중앙 부분으로는 유체가 혼합될 수 있도록 하기 위해 소정공간의 혼합게이트(11)가 마련되고, 상기 혼합게이트(11)의 양측으로는 유체가 유입될 때 발생하는 공기를 방출시켜주는 에어밴트(air vent ;12)가 구비된다. 상기 에어밴트(12)는 공기가 외부측으로 방출될 수 있도록 상기 상부플레이트(10)상에 홀을 형성시킨 것이다.
상기 상부플레이트(10)는 PDMS (polydimethylsiloxane), PC, 아크릴과 같은 성형이 가능한 투명 소수성 폴리머 재질로 형성된다.
하부플레이트(20)는 상기 상부플레이트(20)의 하측에 구비되어 고정 결합되는 것으로, 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 일실시예로 샘플용액 및 유체가 주입되는 소정크기의 공간부를 갖는 마이크로채널(22)이 양측으로 2개 형성되어 있다.
2개의 상기 마이크로채널(22)을 제 1 마이크로채널과 제 2마이크로채널이라 하면 제 1마이크로채널로는 유체 및 샘플용액이 주입되고, 제 2 마이크로 채널에는 유체만 주입되게 된다. 여기서 상기 마이크로채널(22)에 유체가 유입될 때 마이크로채널 내부의 공기는 상기 에어밴트(12)를 통해 빠져나가는 것이다. 상기 하부플 레이트(20)는 식각이 가능한 유리기판, 실리콘 웨이퍼, 석영기판 등으로 형성된다.
한편, 상기 하부플레이트(20)의 상부면으로는 전극(30)이 코팅 구비된다. 상기 전극(30)은 본 발명에 따른 바이오칩 분석을 위해 유체를 혼합 할 때 전기습윤(Electrowetting) 방식을 이용하는 것으로, 외부장치(전원공급부)와 연결되어 전원을 인가받는다.
상기 전극(30)은 도 4에 도시된 바와 같이 상기 하부플레이트(20)에 코팅된다. 상기 전극(30)은 전극과 접지전극이 상기 마이크로채널(22) 사이에 나란히 배치되도록 상기 하부플레이트(20)의 일측에서부터 상기 마이크로채널(22) 사이까지 연장되게 코팅되는데, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 크롬(Cr), 금(Au), 백금(Pt) 등으로 코팅하여 형성시킨다.
친수성패턴(Hydrophilic pattern ; 40)은 상기 전극(30) 위에 코팅되어 전기적으로 절연시키도록 하는 것으로, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 마이크로채널(22)에 유입되어 있는 유체를 모세관 현상(Capillary action)에 의해 상기 친수성패턴(40)까지 채워진다. 친수성패턴(40)은 SiO2 (산화막)로 형성된다.
소수성패턴(Hydrophobic pattern ; 50)은 상기 친수성패턴(40) 표면에 코팅되며, 계면에 존재하는 전하에 의해 표면 장력이 변화되어 친수성으로 변화는 것으로, 상기 마이크로 채널(12)에 유입된 두 유체를 채널링(Channeling)시킨다. 상기 소수성 패턴(50)은 소수성 폴리머로 코팅되는데, 일예로 테프론(Teflon), 파릴렌(Parylene), 자기조립박막(self assembled monolayer) 등이 코팅될 수 있다.
상기 소수성패턴(50)은 상기 친수성패턴(40)의 면적보다 작게 코팅되는데, 상기 마이크로채널(22)로 유체 및 샘플용액이 주입되면 상기 소수성패턴(50)이 코팅되지 않은 부분의 친수성패턴(40)까지 채워지게 되는 것이다.
상기 마이크로 채널(12)내에 유입되어 있던 유체 및 샘플용액은 모세관 현상에 의해 상기 친수성 패턴(40)부분까지 채워지고, 그 사이로는 에어 갭(air gap)이 생기게 된다. 이때 상기 전극(30)에 전압이 인가되면 상기 소수성 패턴(50)은 전기습윤(Electrowetting)현상에 의해 친수성을 띠게 되면서 각 마이크로 채널(12)에 있는 유체가 서로 채널링된다. 상기 전극(30)에 공급되는 전압은 비교적 낮은 1 내지 100V의 전압으로 유체의 거동 제어가 가능한데, 전기습윤현상에서 통상 최초 운동을 개시하는데 필요한 30 내지 40 V 의 전압이 공급된다. 상기 전극(30)을 활성(통전)화하고 비활성화(단전) 하도록 적절히 프로그램된 전기적 제어 유닛(마이크로프로세서)과 같은 외부장치(전원공급부)를 통해 용이하게 제어할 수 있다.
전기습윤(Electrowetting) 기반은 계면에 작용하는 전위차가 높도록 계면에 얇은 피막의 절연체(Insulator)가 존재하는 경우를 의미하는데, 본 발명에서는 상기 소수성패턴(50)과 친수성패턴(40)이 절연체(Insulator)가 되는 것이다.
도 7a 및 도 7b는 전기습윤에 기초한 작동 메커니즘의 일실시예를 개략적으로 나타내 도면으로써, 전극(E₁, E₂,E₃)의 표면으로는 세라믹계열의 산화막 (SiO2), 질화막(Si3N4) 합성수지가 코팅되고 그 표면에 다시 절연성의 파릴렌이 코팅되었다.
상기 전극(E₁, E₂,E₃)에 전압이 오프(off)상태에서 두 액적(D₁,D₂)이 전극(E₁,E₃)에 배치된다. 여기서 두 액적(D₁,D₂)은 전극(E₂)에 의해 분리되어 있다. 이때, 전극(E₁, E₂,E₃)에 전원이 인가되면 액적(D₁,D₂)이 중앙에 전극(E₂)을 가로질러 서로 끌어당긴다. 이것은 액적(D₁,D₂)과 접촉하는 그 근접 표면의 습윤성을 증대시키기 때문이다.
따라서, 상기 소수성패턴(50)으로 인해 상기 마이크로채널(22)에 유입되어 있는 유체가 서로 접촉 하지 못하고 있다가 상기 전극(30)에 전압을 가하게 되면 상기 소수성패턴(50)의 습윤성 증가, 즉 친수성으로 변화하여 마이크로채널(22)내의 유체가 서로 채널링되는 것이다.
상기 소수성 패턴(50)이 친수성으로 변화면서 상기 마이크로 채널(12)에 존재하는 유체 및 샘플용액이 채널링되면 이들 사이에 확산반응이 일어나게 되고, 반응 진행을 형광분석법 또는 임피던스 분석법등을 여러 가지 분석 방법을 이용하여 확산 반응의 거동을 관찰할 수 있는 것이다.
다시 상기 전극(30)에 전압이 차단되면 친수성으로 변화된 상기 소수성 패턴(40)은 친수성을 상실하게 되고, 상기 소수성패턴(40)을 중심으로 분할(split)되게 된다.
다음으로 본 발명에 따른 바이오칩 분석을 위한 유체 채널링 액츄에이터의 동작과정을 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 유체를 상부플레이트(10)에 형성된 유입구(13)를 통해 마이크로채널(22)에 주입한 후 한 쪽 마이크로채널(22)로 분석하고자하는 샘플용액(S)을 주입한다.
주입한 유체 및 샘플용액은 상기 마이크로채널(22)에 채워지는데, 이때 상기 마이크로채널(22)의 내부의 공기는 상기 상부플레이트(10)에 형성된 에어밴트(12)를 통해 빠져나간다. 한쪽 마이크로채널(22)에 주입된 유체와 다른 한쪽의 마이크로채널(22)에 주입된 유체 및 샘플용액은 모세관 현상에 의해 혼합게이트(11)로 유입되되, 친수성패턴(40) 부분까지만 채워지고 상기 혼합게이트(11)의 중앙으로는 에어 갭이 형성된다.
상술한 과정을 거쳐 샘플용액의 분석 준비가 완료되면 전극(30)으로 전압을 인가한다. 그러면 소수성패턴(50)이 친수성으로 변화되면서 마이크로채널(22)의 유체 및 샘플용액이 상기 혼합게이트(11)를 통해 혼합된다. 여기서 혼합되기 전에 형성되었던 에어 갭은 상기 에어밴트(12)를 통해 완전 빠져나간다. 이후 두 마이크로채널(22)에는 확산 반응이 일어나게 되고 반응의 진행을 형광분석법, 임피던스분석법을 등을 통하여 분석한다.
이와 같이 구성되고 작용되는 본 발명은 구조가 간단하여 바이오칩에 직접화하기가 쉬우며, 제작비용을 크게 절감할 수 있고 초기반응분석이 용이하는 등 반응, 확산, 반응속도 분석에 매우 유용하여 Chemotaxis chip, Micro reactor, Electrophoretic separation chip등에 응용할 수 있는 장점이 있다.
이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다.
오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명은 두 종류 이상의 샘플유체를 전기습윤(Electrowetting) 현상을 이용하여 상호간의 채널링을 제어할 수 있어 바이오칩 분석을 위해 유체의 반응, 확산, 반응속도 분석에 매우 유용하게 이용될 수 있는 효과가 있다.
또한, 펌프와 밸브의 기계적 동작으로 인한 불규칙한 유체흐름을 발생을 해소하고 제조비용을 크게 절감시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (7)

  1. 유체 및 샘플용액이 주입되는 복수개의 마이크로 채널이 구비된 하부플레이트;
    상기 하부플레이트상에 구비되고 외부장치로부터 전압을 인가받는 것으로, 일부분이 상기 복수개의 마이크로 채널 사이에 배치되는 전극;
    상기 전극 상면에 형성되는 친수성 패턴;
    상기 친수성 패턴 상면에 형성되는 소수성 패턴;
    상기 하부플레이트 상부측에 구비되어 상기 마이크로 채널을 폐쇄시켜주며, 상기 마이크로 채널에 유입된 유체 및 샘플용액이 혼합될 수 있도록 혼합게이트가 형성되고, 일측으로 유체를 주입하기 위한 유입구가 구비된 상부플레이트; 및
    상기 상부플레이트에 구비되는 것으로, 유입된 유체에 의해 상기 마이크로 채널 내부의 공기를 배출시키는 에어밴트;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 바이오칩 분석을 위한 유체 채널링 액츄에이터.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 전극은,
    일부분이 상기 복수개의 마이크로 채널 사이에 나란히 배치되는 것을 특징으로 하는 바이오칩 분석을 위한 유체 채널링 액츄에이터.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 소수성 패턴은,
    소수성 폴리머로 코팅되는 것을 특징으로 하는 바이오칩 분석을 위한 유체 채널링 액츄에이터.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 소수성패턴은,
    테프론(Teflon), 파릴렌(Parylene), 자기조립박막(self assembled monolayer) 중 어느 하나로 코팅되는 것을 특징으로 하는 바이오칩 분석을 위한 유체 채널링 액츄에이터.
  5. 제 1항 또는 제 3항에 있어서, 상기 소수성 패턴은,
    상기 전극으로 전압이 인가되면 전기습윤(Electrowetting)현상에 의해 친수성으로 변화되어 상기 마이크로 채널의 유체 및 샘플용액이 채널링되는 것을 특징으로 하는 바이오칩 분석을 위한 유체 채널링 액츄에이터.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 소수성패턴은,
    상기 친수성패턴의 면적보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오칩 분석을 위한 유체 채널링 액츄에이터.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 혼합게이트는,
    상기 마이크로채널 사이 상부측에 소정크기의 공간을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오칩 분석을 위한 유체 채널링 액츄에이터.
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