KR100851980B1

KR100851980B1 - 열 활성 유닛을 구비한 원심력 기반의 미세유동 장치, 이를포함하는 미세유동 시스템 및 상기 미세유동 시스템의구동방법

Info

Publication number: KR100851980B1
Application number: KR1020070013981A
Authority: KR
Inventors: 조윤경; 이정건; 이범석; 박종면
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2006-09-05
Filing date: 2007-02-09
Publication date: 2008-08-12
Also published as: US20080058192A1; JP2008062232A; EP1905515A2; EP1905515A3; KR20080022029A

Abstract

열 활성 유닛을 구비한 원심력 기반의 미세유동 장치, 이를 포함하는 미세유동 시스템 및 상기 미세유동 시스템의 구동방법이 개시된다. 본 발명에 따른 미세유동 장치는 회전체; 및 상기 회전체에 배치된 것으로, 회전 중심으로부터의 거리가 서로 다른 둘 이상의 기초 유닛을 포함하는 미세유동 구조물을 포함하고, 상기 미세유동 구조물은, 그 내부에 외부로부터 전자기파를 받아 주위에 열에너지를 방출하는 발열입자를 구비하는 적어도 하나의 열 활성 유닛을 포함한다. 본 발명에 따른 미세유동 시스템은 본 발명의 미세유동 장치; 상기 미세유동 장치의 회전체를 구동하는 회전 구동부; 상기 미세유동 장치 내의 발열입자의 발열을 유도할 수 있는 파장대의 전자기파를 방출하는 외부에너지원; 및 상기 외부에너지원으로부터 조사된 전자기파가 상기 회전체 상의 원하는 영역에 집중적으로 도달하도록 상기 외부에너지원의 위치 또는 방향을 조정하는 외부에너지원 조정수단을 포함한다.

미세유동 장치, 회전체, 상전이 밸브, 외부에너지원

Description

열 활성 유닛을 구비한 원심력 기반의 미세유동 장치, 이를 포함하는 미세유동 시스템 및 상기 미세유동 시스템의 구동방법{Centrifugal force based microfluidic device having heat-activative unit, microfluidic system comprinsing the same and method for driving the system}

도 1은 본 발명에 따른 미세유동 시스템의 제1실시예를 보이는 사시도이다.

도 2는 본 발명에 따른 미세유동 시스템의 제2실시예를 보이는 사시도이다.

도 3은 본 발명에 따른 미세유동 시스템의 제3실시예를 보이는 사시도이다.

도 4은 본 발명에 따른 미세유동 시스템의 제4실시예를 보이는 사시도이다.

도 5는 열 활성 유닛의 일 예인 열림 밸브의 실시예를 보이는 평면도이다.

도 6a 및 도 6b는 상기 도 5에 도시된 열림 밸브의 초기 및 열린 상태를 각각 보이는 단면도들이다.

도 7은 열 활성 유닛의 다른 예인 닫힘 밸브의 실시예를 보이는 평면도이다.

도 8은 상기 도 7에 도시된 닫힘 밸브의 단면도이다.

도 9는 상기 열림 밸브의 작동 모습을 보이는 일련의 고속촬영 사진들이다.

도 10은 상기 닫힘 밸브의 작동 모습을 보이는 일련의 고속촬영 사진들이다.

도 11은 상기 열림 밸브에서 밸브 플러그에 포함된 자성유체의 부피비와 밸브 반응시간의 관계를 보이는 그래프이다.

도 12는 상기 열림 밸브에서 외부에너지원으로 사용된 레이저 광원의 파워와 밸브 반응시간의 관계를 보이는 그래프이다.

도 13는 열 활성 유닛의 또다른 예인 가열 챔버의 실시예를 보이는 평면도이다.

도 14 내지 도 16은 본 발명에 따른 미세유동 시스템에서 열 활성 유닛의 배치에 따른 외부에너지원의 위치제어 방법을 보인다.

도 17은 본 발명에 따른 다수의 열 활성 유닛을 구비한 미세유동 장치의 실시예를 도시한 평면도이다.

도 18은 상기 도 18의 미세유동 장치를 포함한 미세유동 시스템의 구동 예를 보인다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

20: 미세유동 장치 21: 디스크

211: 하판 212: 상판

22: 미세유동 구조물 223: 밸브 플러그

23: 열 활성 유닛 231: 열림 밸브

232: 닫힘 밸브 233: 가열 유닛

30: 외부에너지원 33: 반사경

40: 회전 구동부 50: 광학적 검출 장치

본 발명은 회전체(예를 들면, 디스크 형태의)에 마련된 미세유동 구조물 내에서 원심력을 이용하여 유체 샘플을 이동시키며 소량의 샘플로 생화학적 시험을 수행할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다. 더 상세하게는, 본 발명은 미세유동 구조물 중에 복사 열에 의해 작동되는 유닛을 구비한 원심력 기반의 미세유동 장치 및 이와 함께 위치 제어가 가능한 외부에너지원을 포함하는 미세유동 시스템, 그리고 상기 미세유동 시스템을 구동하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 미세유동 장치를 구성하는 미세유동 구조물에는 소량의 유체를 가두어 둘 수 있는 챔버와, 유체가 흐를 수 있는 채널, 유체의 흐름을 조절할 수 있는 밸브, 그리고 유체를 받아 소정의 기능을 수행할 수 있는 여러 가지 기능성 유닛 등이 포함될 수 있다. 소형의 칩(chip) 상에서 생화학적 반응을 포함한 시험을 수행할 수 있도록 칩 형태의 기판에 이러한 미세유동 구조물을 배치한 것을 일컬어 바이오 칩이라고 하고, 특히 여러 단계의 처리 및 조작을 하나의 칩에서 수행할 수 있도록 제작된 장치를 랩온어칩(lab-on-a chip)이라 한다.

미세유동 구조물 내에서 유체를 이송하기 위해서는 구동 압력이 필요한데, 구동 압력으로서 모세관압이 이용되기도 하고, 별도의 펌프에 의한 압력이 이용되기도 한다. 최근에는 콤팩트디스크 형상의 회전판에 미세유동 구조물을 배치하여 원심력을 이용하는 미세유동 장치들이 제안되고 있다. 이를 일컬어 랩온어씨디(lab-on-a CD)라 하기도 한다. 그런데, 이 경우는 프레임에 고정되지 않고 움직이는 회전체의 특성상, 그 안에서 유체의 흐름을 제어하거나, 유닛의 온도를 제어 하는 등의 조작이 용이하지 않다.

콤팩트디스크 형상의 미세유동 장치에서 샘플 유체의 흐름을 제어할 수 있는 밸브를 제공하기 위하여 여러 가지 시도가 이루어지고 있다. 미국특허 US 6,143,248에는 디스크의 회전수에 따라 유체의 흐름을 제어하는 모세관 밸브(capillary valve)가 개시된 바 있고, 미국특허 US 6,919,058에는 내벽이 소수성을 띤 모세관 구조물을 이용하여, 역시 디스크의 회전수에 따라 유체의 흐름을 제어하는 소수성 브레이크(hydrophobic break)가 개시된 바 있다. 그러나, 이들은 디스크 전체에 영향을 미치는 회전수를 이용하므로 복잡한 구조의 미세유동 구조물에서 다수의 밸브를 개별적으로 제어하기 어렵다. 즉, 미세유동 구조물을 배치함에 있어서, 밸브의 위치 및 개수에 많은 제약이 따른다. 또한, 샘플의 표면장력에 따라 작동 회전수가 달라져야 하므로 여러 종류의 샘플을 동시에 처리하기 어렵다.

콤팩트디스크 형상의 미세유동 장치에 왁스 밸브를 채용한 구성은 미국특허 US6,063,589에 개시된 바 있다. 상기 문헌에 개시된 장치는 왁스 밸브의 가열을 위해 "Screen-printed Heater"를 이용하는데, 상기 Screen-printed Heater와 그에 따른 리드선이 디스크 상에서 많은 면적을 차지하므로, 하나의 디스크 상에 여러 개의 밸브를 배치하는 데에 어려움이 있다. 또한, 열효율이 낮아 왁스 밸브의 용융에 많은 시간이 소요된다.

본 발명은 여러 개의 열 활성 유닛을 구비하고, 이들을 개별적으로 신속하게 제어할 수 있는, 원심력 기반의 미세유동 장치 및 이를 포함하는 미세유동 시스템 을 제공하는 데 그 목적이 있다. 또한, 본 발명은 상기와 같은 미세유동 시스템의 효과적인 구동방법을 제공하는 데에도 그 목적이 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 원심력 기반의 미세유동 장치는, 회전체; 및 상기 회전체에 배치된 것으로, 회전 중심으로부터의 거리가 서로 다른 둘이상의 기초 유닛을 포함하고, 원심력에 의해 유체 샘플이 상기 기초 유닛들 사이의 통로를 따라 이동할 수 있도록 만들어진 미세유동 구조물을 포함하고, 상기 미세유동 구조물은, 기능 수행을 위해 온도 변화를 수반하고, 그 내부에는 외부로부터 전자기파를 받아 주위에 열에너지를 방출하는 발열입자를 구비하는 적어도 하나의 열 활성 유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 열 활성화 유닛은 미세유동 구조물에 채용될 수 있는 여러 가지 기초 유닛들 중에서 열에 의해 활성화 되어 기능을 수행할 수 있는 유닛이면 어떤 것이어도 무방하다. 예를 들면, 상기 열 활성화 유닛은 상온에서 고체 상태인 상전이 물질 분산매에 상기 발열 입자가 분산된 밸브 물질을 포함하고, 상기 밸브 물질이 열에 의해 용융된 상태로 이동하여 상기 통로를 열거나 닫는 밸브 유닛일 수도 있고, 다수의 발열입자가 분산된 유체 샘플을 가두어 두고, 상기 발열입자가 외부로부터 전자기파를 흡수하여 상기 유체 샘플을 가열하도록 한 가열 유닛일 수도 있다.

상기 밸브 유닛은, 초기에 상기 밸브 물질로 이루어진 밸브 플러그가 상기 통로를 닫도록 배치되고, 상기 밸브 플러그가 열에 의해 용융되면서 상기 밸브 플 러그의 초기 위치에 인접하게 마련된 여유 공간으로 이동하여 상기 통로를 여는 열림 밸브일 수 있다. 한편, 상기 밸브 유닛은, 초기 상태에 상기 밸브 물질이 상기 통로와 연결된 밸브 챔버에 배치되어 상기 통로를 열어두고, 상기 밸브 물질이 열에 의해 용융 및 팽창되면서 상기 통로로 유입되어 상기 통로를 닫는 밸브 플러그를 형성하는 닫힘 밸브일 수도 있다.

상기 밸브 유닛에 있어서, 상기 상전이 물질 분산매는 왁스, 겔, 열가소성 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 또한, 상기 발열입자는 직경이 1 nm 내지 100 ㎛ 인 것일 수 있고, 중합체 비드, 퀀텀 닷(quantum dot) 금 나노입자, 은 나노입자, 금속화합물 비드, 탄소입자 및 자성비드로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 상기 발열입자는 외부로부터 전자기파를 흡수하여 열에너지로 변환하는 코어(core)와 상기 코어를 둘러싸는 쉘(shell)로 이루어질 수 있고, 우수한 전자기파 흡수 효율과 높은 열 전도성을 동시에 얻기 위해, 적절한 금속성분을 포함할 수도 있다.

상기 가열 유닛에 있어서, 상기 발열입자는 역시 외부로부터 전자기파를 흡수하여 열에너지로 변환하는 코어(core)와 상기 코어를 둘러싸는 쉘(shell)로 이루어진 것일 수 있다. 이때 상기 코어는 강자성을 띤 금속 또는 금속 산화물로 이루어진 것일 수 있고, 상기 쉘은 그 표면에 특정한 생체분자가 부착될 수 있도록 표면 개질된 것일 수 있다.

본 발명의 다른 일 측면에 따른 미세유동 시스템은, 전술한 본 발명의 미세유동 장치; 상기 미세유동 장치의 회전체를 구동하는 회전 구동부; 상기 미세유 동 장치 내의 발열입자의 발열을 유도할 수 있는 파장대의 전자기파를 방출하는 외부에너지원; 및 상기 외부에너지원으로부터 조사된 전자기파가 상기 회전체 상의 원하는 영역에 집중적으로 도달하도록 상기 외부에너지원의 위치 또는 방향을 조정하는 외부에너지원 조정수단을 포함한다.

여기서, 상기 회전 구동부는 상기 회전체를 정속 및 정역 회전시킬 수 있는 모터를 포함할 수 있다. 또한, 상기 외부에너지원 조정수단은 상기 회전체를 향해 설치된 상기 외부에너지원을 상기 회전체의 반지름 방향으로 이동시키는 직선 이동수단을 포함할 수 있다. 이와 달리 상기 외부에너지원 조정수단은 고정된 상기 외부에너지원으로부터 방출된 전자기파를 반사시키는 적어도 하나의 반사경, 및 상기 반사경의 각도를 조절하여 전자기파의 경로를 변경하는 반사경 운동부를 포함하거나, 상기 회전체를 향해 설치된 상기 외부에너지원을 상기 회전체와 평행한 평면상에서 직교좌표에 따라 두 방향으로 이동시키는 평면 이동수단을 포함할 수도 있다.

상기 외부에너지원은 레이저 광원일 수 있으며, 상기 레이저 광원은 적어도 하나의 다이오드(Laser Diode)를 포함할 수 있다. 상기 레이저 광원에서 조사되는 레이저는 적어도 1 mJ/pulse 이상이고, 상기 미세유동 장치의 구조물 및 상기 발열입자를 변성시키지 않을 정도의 에너지를 갖는 펄스 레이저일 수 있고, 이와 달리 적어도 14 mW 이상이고, 상기 미세유동 장치의 구조물 및 상기 발열입자를 변성시키지 않을 정도의 출력을 갖는 연속파동 레이저일 수도 있다. 상기 레이저 광원에서 조사되는 레이저는 400 내지 1300 ㎚ 의 파장을 갖는 것일 수 있다.

본 발명의 다른 일 측면에 따른 상기 미세유동 시스템의 구동 방법은, 전술 한 미세유동 시스템의 다양한 실시 유형 중 어느 하나에 해당하는 시스템을 구동하는 방법에 있어서, 회전 구동부에 안착된 미세유동 장치에서 열 활성 유닛들 각각의 위치 정보를 취득하는 단계; 취득된 위치 정보를 이용하여 선택된 어느 하나의 열 활성 유닛을 향해 상기 외부에너지원을 조준하는 단계; 및 상기 외부에너지원으로부터 전자기파를 방출하여 선택된 상기 열 활성 유닛을 활성화하는 단계를 포함한다.

상기 외부에너지원 조준 단계는, 조준 개시 시점을 기준으로 상기 미세유동 장치 상에서 상기 선택된 열 활성 유닛의 위치와 상기 외부에너지원의 전자기파가 도달하는 지점의 편차, Δ(r,θ) 또는 Δ(x,y)를 검출하고, 상기 회전 구동부 및 상기 외부에너지원 조정수단을 이용하여 상기 전자기파의 도달 지점을 상기 편차만큼 조정하는 것일 수 있다. 극좌표를 이용하여 상기 외부에너지원 조정수단을 제어하는 경우 상기 회전 구동부를 이용하여 상기 회전체를 Δθ만큼 정역 회전시키고, 상기 외부에너지원 조정부를 이용하여 상기 전자기파의 도달 지점을 상기 회전체의 반지름 방향으로 Δr만큼 이동시킬 수 있다. 한편, 직교좌표를 이용하여 상기 외부에너지원 조정수단을 제어하는 경우는 상기 전자기파의 도달 지점을 직교좌표 상의 편차에 따라 Δ(x, y)만큼 이동시킬 수도 있다.

상기 열 활성화 유닛을 활성화 하는 단계의 진행중에 상기 회전 구동부는 상기 회전체를 소폭 회전 진동시켜 상기 열 활성화 유닛에 복사 에너지가 고루 전달되도록 할 수 있다. 한편 이와 같은 목적을 달성하기 위하여 상기 외부에너지원 조정부로 하여금 전자기파의 도달 지점이 상기 회전체의 반지름 방향으로 소폭 진동 하도록 할 수도 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명의 미세유동 장치와 상기 미세유동 장치를 포함하는 미세유동 시스템의 구성에 대해서 그 기능을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 미세유동 시스템의 제1실시예를 보이는 사시도이다. 본 발명의 제1실시예에 따른 미세유동 시스템(101)은 본 발명에 따른 미세유동 장치(20)를 포함한다. 상기 미세유동 장치(20)는 일 예로서 디스크 형상의 회전체(21) 상에 배치된 미세유동 구조물(22)를 포함하고, 상기 미세유동 구조물(22)은 적어도 하나의 열 활성화 유닛(23)을 구비한다. 도 1에 도시된 미세유동 장치(20)의 미세유동 구조물(22)은 실제로 구비될 수 있는 다양한 형태의 구조물을 단순화하여 상징적으로 도시한 것이다. 상기 미세유동 구조물(22)은 둘 이상의 기초 유닛을 포함하고, 상기 둘 이상의 기초 유닛들은 유체 샘플이 흐를 수 있는 통로로 연결된다. 상기 둘 이상의 기초 유닛들은 상기 회전체(21)의 회전 중심으로부터의 거리가 서로 다르도록 배치되고, 따라서 이들 사이에서는 원심력에 의해 상기 통로를 통한 유체 샘플의 이동이 가능하다. 여기서, 기초 유닛(elementary unit)이란 각각 소정의 기능을 담당하는 챔버(저장 챔버, 혼합 챔버, 반응 챔버, 배양 챔버, 등)들과 이들을 연결하는 통로에 마련되어 유체의 흐름을 제어하는 밸브 등과 같이, 미세유동 구조물(22)을 구성하는 기본요소를 일컫는다. 한편, 이러한 기초 유닛들 중에서 기능의 수행을 위해 온도 변화를 수반하고, 특히 가열에 의해 작동되거나 기능 수행에 유리한 상태에 도달할 수 있는 장치를 열 활성 유닛(23)이라 일컫는다.

상기 열 활성화 유닛(23)은 도면 오른 쪽의 작은 원 안에 도시된 바와 같이, 발열입자(M)를 구비한다. 상기 발열입자(M)는 소정의 분산매(P)에 분산된 상태로 구비될 수도 있고, 유체 샘플 내에 분산 또는 응집된 상태로 구비될 수도 있다. 상기 열 활성화 유닛(23)은 상기 발열입자(M)가 상기 미세유동 장치(20) 외부로부터 조사된 전자기파로부터 에너지를 흡수하여 그 주위에 열을 전달함으로써, 열에 의해 활성화되어 기능을 수행한다는 점에 특징이 있다. 이러한 열 활성화 유닛(23)의 실제적인 예에 관해서는 아래에서 도 6 내지 도 18 및 이들에 대한 설명을 통해 구체적으로 설명한다.

본 실시예에 따른 미세유동 시스템(101)은 전술한 열 활성화 유닛(23)에 소정의 전자기파를 조사하여 에너지를 공급하는 외부에너지원(30)을 포함한다. 상기 외부에너지원(30)은 마이크로웨이브, 적외선, 가시광선, 자외선 및 X-선 등 다양한 파장의 전자기파 중에서 선택된 소정 파장대의 전자기파를 조사할 수 있는 장치일 수 있다. 또한, 이러한 전자기파를 근거리의 표적에 집중적으로 조사할 수 있는 장치이면 더 바람직하다. 상기 외부에너지원(30)의 파장은 상기 발열입자(M)에 의해 흡수가 잘 되는 범위인 것이 바람직하다. 따라서, 상기 외부에너지원(30)에서 전자기파를 발생시키는 소자는 발열입자(M)의 소재 및 표면 조건에 따라 적절히 선택될 수 있다.

상기 외부에너지원(30)은 예를 들면, 레이저 빔을 조사하는 레이저 광원일 수 있고, 그 경우 적어도 하나의 레이저 다이오드(laser diode)를 포함할 수 있다. 레이저 빔의 파장과 출력 등 세부적인 사항은 주 사용 대상인 미세유동 장치(20)에 포함된 열 활성 유닛(23)의 종류에 따라서 정해질 수 있다.

상기 미세유동 시스템(101)은 상기 외부에너지원(30)의 위치 또는 방향을 조정하여, 이로부터 조사된 전자기파가 상기 미세유동장치(20) 중의 원하는 영역에, 구체적으로는 상기 미세유동장치(20)에 포함된 다수의 유닛들 중 선택된 열 활성 유닛(23)에 해당하는 영역에 집중적으로 도달할 수 있도록 하는 외부에너지원 조정수단(미도시)를 포함한다. 상기 도 1의 시스템(101)에서 외부에너지원 조정수단(미도시)은 회전체(21)를 향해 설치된 상기 외부에너지원(30)을 그 위에 표시된 화살표 방향, 즉 회전체(21)의 반지름 방향으로 움직일 수 있다. 상기 외부에너지원(30)을 직선 이동시키는 메커니즘은 다양하게 제공될 수 있으며, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이므로 본 명세서에서는 그에 대한 설명을 생략한다.

한편, 상기 미세유동 시스템(101)은 상기 회전체(21)를 구동하는 회전 구동부(40)를 포함한다. 도면에 도시된 회전 구동부(40)는 상기 회전체(21)를 안착시키고, 회전력을 전달하기 위한 일 부분이고, 도면에 도시되지는 않았지만, 상기 회전체(21)를 정속 및 정역으로, 즉 필요에 따라서 일정한 속도로, 그리고 일정한 각도만큼 회전시킬 수 있는 모터 및 그와 관련된 부품들을 포함할 수 있다. 상기 외부에너지원 조정수단(미도시)과 마찬가지로 상기 회전 구동부(40)에 대한 구체적인 구성의 예는 본 명세서에서 생략하기로 한다. 상기 도 1의 시스템(101)에서 상기 외부에너지원(30)은 상기 외부에너지원 조정수단(미도시)과 상기 회전 구동부(40) 의 도움으로 전자기파를 상기 미세유동 장치(20) 중의 선택된 열 활성화 유닛(23)에 집중적으로 조사할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 미세유동 시스템의 제2실시예를 보이는 사시도이다. 본 실시예에 따른 미세유동 시스템(102)에서, 미세유동 장치(20)와 회전 구동부(40) 및 외부에너지원(30') 자체에 관한 사항은 앞서 설명한 도 1의 시스템(101)과 같다. 다만, 본 실시예에 따른 미세유동 시스템(102)의 경우, 상기 외부에너지원(30')이 고정 설치되고, 그로부터 조사된 전자기파 빔의 경로를 조정할 수 있는 적어도 하나의 반사경(33)과 상기 반사경(33)의 각도를 조절하는 반사경 운동부(미도시)를 구비하는 점에 차이가 있다. 상기 적어도 하나의 반사경(33)은 미세유동 장치(20)에 대한 상기 외부에너지원(30')의 고정 위치에 따라 하나 또는 수 개가 배치될 수 있고, 그 중 적어도 하나에는 도면에 화살표로 표시된 바와 같이 반사경의 각도를 조절하는 반사경 운동부(미도시)가 마련되어, 상기 전자기파 빔이 상기 미세유동 장치(20)에 도달하는 위치를 제어할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 미세유동 시스템의 제3실시예를 보이는 사시도이다. 본 실시예에 따른 미세유동 시스템(103)에서, 미세유동 장치(20)와 회전 구동부(40) 및 외부에너지원(30") 자체에 관한 사항은 앞서 설명한 도 1의 시스템(101)과 같다. 다만, 본 실시예에 따른 미세유동 시스템(103)의 경우, 외부에너지원 조정수단(미도시)은 회전체(21)를 향해 설치된 상기 외부에너지원(30")을 상기 회전체(21)와 평행한 평면상에서 서로 직교하는 두 방향(예를 들면, 도면상의 x축과 y축 방향, 화살표 참조)으로 이동시켜 상기 회전체(21) 상의 목표 지점(예를 들면, 열활성 유닛(23))에 전자기파가 도달하도록 하는 평면 이동수단을 포함할 수 있다.

또한 도면에 도시되지는 않았으나, 외부에너지 조정수단은 상기 회전체(21) 상부의 어느 한 지점에 그 위치가 고정된 외부에너지원의 방향을 변화시켜 방출된 전자기파가 목표 지점에 도달하도록 구성될 수도 있다.

도 4은 본 발명에 따른 미세유동 시스템의 제4실시예를 보이는 사시도이다. 본 실시예에 따른 미세유동 시스템(103)에서, 미세유동 장치(20), 외부에너지원(30), 외부에너지원 조정부(미도시) 및 회전 구동부(40)에 대한 사항은 앞서 설명한 도 1의 시스템(101)과 같다. 다만, 본 실시예에 따른 미세유동 시스템(103)의 경우, 상기 미세유동 장치(20)의 소정 영역으로부터 유체 샘플의 반응에 관한 광학적 정보를 검출하는 광 검출부(50)를 더 포함할 수 있다. 상기 광 검출부(50)는 형광 또는 색상 등 광학적 신호를 매개로 하여 유체 샘플에 대한 반응의 최종 또는 중간 결과물을 관측할 수 있는 것이면, 포토다이오드(photodiode), 광픽업(optical pick-up) 또는 촬상소자(CCD, CMOS 센서 등) 등 다양한 요소로 이루어질 수 있다. 또한, 광학적 신호를 증폭하기 위한 PMT(photo mutiplier tube)를 더 구비할 수도 있다. 상기 광 검출부(50)는 고정 설치될 수도 있고, 상기 도 1의 시스템(101)에서 외부에너지원(30)과 마찬가지로 회전체(21)의 반지름 방향으로 이동할 수 있게 설치될 수도 있다.

도 5는 열 활성 유닛의 일 예인 열림 밸브의 실시예를 보이는 평면도이고, 도 6a 및 도 6b는 상기 도 5에 도시된 열림 밸브의 초기 및 열린 상태를 각각 보이는 단면도들이다.

전술한 열 활성 유닛(23)에는 유체의 흐름을 제어하는 밸브 유닛이 포함된다. 밸브 유닛은 미세유동 장치(20)에서 두 개의 기초 유닛 사이의 연결 통로를 제공하는 채널(221) 중간에 배치될 수 있다. 밸브 유닛의 일 예인 열림 밸브(231)는 상온에서 고체 상태인 밸브 물질로 이루어진 밸브 플러그(223)를 포함한다. 상기 밸브 물질로는 상온에서 고체 상태인 상전이 물질인 분산매에 발열 입자가 분산되어 있는 재료를 사용할 수 있다. 상기 고체 상태의 상기 밸브 플러그(223)가 배치된 초기 위치에 인접한 상기 채널(221)의 상류 및 하류에는 그 폭 또는 깊이가 확장되어 여유 공간을 제공하는 한 쌍의 채널 확장부(222)가 배치된다.

상기 밸브 플러그(223)는 상온에서 개구부(223A)를 중심으로 채널(221)의 소정 부분을 빈틈없이 막아 입구(I)측으로 부터 유입되는 유체 샘플(L)의 흐름을 차단한다. 상기 밸브 플러그(223)는 고온에서 용융되어 상기 채널(221)의 상, 하류 측으로 흐르면서 인접하게 배치된 채널 확장부(222)로 이동하여, 유체 샘플(L)의 유로를 개방한 채로 다시 응고(223' 참고)된다. 상기 개구부(223A)는 미세유동장치 제작시에 용융된 밸브 물질을 투입하여 밸브 플러그(223)를 형성하는 주입구 역할도 수행한다.

상기 밸브 플러그(223)에 열을 가하기 위해서 상기 미세유동 장치(20) 외부에는 외부에너지원(30, 등)이 배치되고, 상기 외부에너지원(30, 등)이 상기 밸브 플러그(223)의 초기 위치 즉, 상기 개구부(223A)와 그 주변을 포함하는 영역에 전자기파를 조사한다. 이때, 상기 외부에너지원(30, 등)은 예를 들면, 레이저 빔을 조사하는 레이저 광원일 수 있고, 그 경우 적어도 하나의 레이저 다이오드(laser diode)를 포함할 수 있다. 상기 레이저 광원은 펄스 레이저를 조사하는 경우 1 mJ/pulse 이상의 에너지를 갖는 펄스 레이저를, 연속파동 레이저를 조사하는 경우 10 mW 이상의 출력을 갖는 연속파동 레이저를 조사할 수 있다.

아래에서, 도 9 내지 도12를 참조하여 설명한 실험에서는 808 ㎚ 파장의 레이저를 조사하는 레이저 광원을 사용하였으나, 반드시 이 파장의 레이저 빔을 조사하는 것에 한정되는 것은 아니며, 400 내지 1300 ㎚의 파장을 갖는 레이저를 조사하는 레이저 광원이면, 상기 미세유동 시스템의 외부에너지원(30, 등)으로 채용될 수 있다.

전술한 채널(221)은 회전체를 이루는 상판(212) 또는 하판(211) 내면에 형성된 입체 패턴에 의해 제공될 수 있다. 상기 상판(212)은 외부에너지원(미도시)에서 조사된 전자기파가 상기 밸브 플러그(223)에 입사할 수 있도록 투과시키고, 외부에서 유체 샘플(L)을 관측할 수 있도록 할 수 있는, 광학적으로 투명한 재료로 만들어진 것이 바람직하다. 그 예로서, 유리 또는 투명 플라스틱 소재는 광학적 투명성이 우수하고, 제조 비용이 저렴하다는 면에서 유리하다.

상기 채널(221)과, 한 쌍의 채널 확장부(222)는 서로 접합(bonding)된 상판(212) 및 하판(211)을 포함하여 이루어진 회전체(21)에 형성될 수 있다. 상판(212)과 하판(211)의 접합 방법은 접착제나 양면 접착 테이프를 이용할 수도 있고, 초음파 융착에 의할 수도 있다. 구체적으로, 상기 하판(211)에 상기 채널(221) 및, 한 쌍의 채널 확장부(222)가 음각 패턴으로 형성되고, 상기 상판(212)에는 상기 채널(221) 중에서 상기 한 쌍의 채널 확장부(222) 사이에 밸브 물질을 주입하기 위한 개구부(223A)가 형성되어 있다. 상기 채널(221)은 폭이 대략 1mm, 깊이가 대략 0.1mm 정도인 미세 채널이다. 상기 채널 확장부(222)는 대략 3mm 정도의 깊이를 갖도록 형성될 수 있다.

상기 밸브 플러그(223)에 분산된 발열입자는 수천 마이크로미터(㎛) 폭을 갖는 채널(221) 내에서 자유롭게 유동 가능하도록 1 nm 내지 100 ㎛ 의 직경을 갖는 것일 수 있다. 상기 발열입자는 레이저가 조사되면 그 복사 에너지에 의해 온도가 급격히 상승하여 발열하는 성질을 가지며, 왁스에 고르게 분산되는 성질을 갖는다. 이러한 성질을 갖도록 상기 발열입자는 금속 성분을 포함하는 코어(core)와, 소수성(疏水性)을 띤 쉘(shell)을 포함하는 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 상기 발열입자는 강자성 물질인 Fe로 이루어진 코어와, 상기 Fe에 결합되어 Fe를 감싸는 복수의 계면활성성분(surfactant)으로 이루어진 쉘을 구비한 구조를 가질 수 있다. 통상적으로, 상기 발열입자들은 캐리어 오일(carrrier oil)에 분산된 상태로 보관된다. 소수성 표면구조를 갖는 상기 발열입자가 고르게 분산될 수 있도록 캐리어 오일도 소수성인 것이 바람직하다. 왁스에 상기 발열입자들이 분산된 캐리어 오일을 부어 혼합함으로써 상기 밸브 플러그(223)의 소재를 제조할 수 있다. 상기 발열입자의 입자 형태는 상기 예로써 든 형태에 한정되는 것은 아니며, 중합체 비드, 퀀텀 닷(quantum dots), 금 나노입자(Au nanoparticles), 은 나노입자(Ag nanoparticles), 금속화합물 비드(beads with metal composition), 탄소입자(carbon particles) 또는 자성비드(magnetic bead)일 수도 있다. 상기 탄소입자에는 흑연(graphite)입자도 포함된다.

상기 밸브 물질을 이루는 상전이 물질은 왁스(wax)일 수 있다. 상기 발열 입자들이 흡수한 전자기파의 에너지를 열에너지의 형태로 주위에 전달하면 왁스는 이로 인해 용융되어 유동성을 가지게 되며, 이로써 밸브 플러그(223)가 붕괴되고 유체 샘플(L)의 유로가 개방된다. 상기 밸브 플러그(223)를 구성하는 왁스는 적당한 녹는점을 가지는 것이 바람직하다. 녹는점이 너무 높으면 레이저 조사를 시작한 후 용융될 때까지 시간이 오래 소요되어 개방 시점의 정밀한 제어가 어려워지고, 반대로 녹는점이 너무 낮으면 레이저가 조사되지 않은 상태에서 부분적으로 용융되어 유체 샘플(L)이 누출될 수도 있기 때문이다. 상기 왁스로는, 예컨대 파라핀 왁스(paraffin wax), 마이크로크리스탈린 왁스(microcrystalline wax), 합성 왁스(synthetic wax), 또는 천연 왁스(natural wax) 등이 채용될 수 있다.

한편, 상기 상전이 물질은 겔(gel) 또는 열가소성 수지일 수도 있다. 상기 겔로는, 폴리아크릴아미드(polyacrylamide), 폴리아크릴레이트(polyacrylates), 폴리메타크릴레이트(polymethacrylates), 또는 폴리비닐아미드(polyvinylamides) 등이 채용될 수 있다. 또한, 상기 열가소성 수지로는, COC, PMMA, PC, PS, POM, PFA, PVC, PP, PET, PEEK, PA, PSU, 또는 PVDF 등이 채용될 수 있다.

도 7은 열 활성 유닛의 다른 예인 닫힘 밸브의 실시예를 보이는 평면도이고, 도 8은 상기 도 7에 도시된 닫힘 밸브의 단면도이다.

상기 밸브 유닛의 다른 일 예인 닫힘 밸브(232)는 입구(I)와 출구(O)를 가지는 채널(224)과 상기 채널(224)의 중간에 연결된 밸브 챔버(225), 그리고 상온인 초기에는 고체 상태로서 상기 밸브 챔버(225) 내에 충전되어 있다가 가열되면 용융 및 팽창되면서 상기 채널(224)로 유입되고 다시 응고되면서 상기 채널(224)을 통한 유체의 흐름을 차단하는 밸브 물질(V)을 포함한다. 여기서, 상기 닫힘 밸브(232)는 앞서 기술한 미세유동 장치(20)의 미세유동 구조물(22)을 이루는 기초 유닛들 중의 하나로서, 상기 입구(I)와 출구(O)는 서로 다른 기초 유닛에 각각 연결되고, 상기 채널(224)은 상기 유닛들 사이에서 유체 샘플(L)이 이동할 수 있도록 하는 통로 역할을 한다.

상기 닫힘 밸브(232) 구조물 또한 전술한 열림 밸브(231)와 마찬가지로, 미세유동 장치(20)의 회전체(21)를 이루는 상판(212) 또는 하판(211) 내면에 형성된 입체 패턴에 의해 제공될 수 있다. 다만, 상기 밸브 챔버(225)는 상기 채널(221)의 깊이보다는 깊고, 상기 열림 밸브(231)의 채널 확장부(222)보다 얕은 깊이, 예컨대 1mm 정도의 깊이를 갖도록 형성될 수 있다. 상기 상판(212)은 외부에너지원(미도시)에서 조사된 전자기파를 투과시킬 수 있고, 외부에서 유체 샘플(L)을 관측할 수 있도록 할 수 있는, 광학적으로 투명한 재료로 만들어진 것이 바람직하다. 아울러, 상기 상판(212)은 상기 전자기파(예를 들면, 레이저 빔)가 상기 밸브 플러그에 더 잘 입사할 수 있도록 생기 밸브 챔버(225)에 대응되는 개구부(225A)를 가질 수도 있다. 상기 개구부(225A)는 미세유동장치(20)의 제작시 용융된 밸브 물질을 투입하는 주입구 역할도 수행할 수 있다.

상기 밸브 물질(V) 이루는 상전이 물질(P)과 발열 입자(M)에 관한 사항은 앞서 열림 밸브(231)의 예를 통해 설명한 바와 같다. 또한, 상기 밸브 물질(V)에 전자기파를 제공하는 외부에너지원(30, 등)에 관한 사항도 앞서 설명한 바와 같다. 분산매인 상전이 물질(P)과 발열 입자(M)를 포함하는 밸브 물질(V)에 레이저 빔이 조사되면 상기 발열 입자(M)가 에너지를 흡수하여 상기 상전이 물질(P)을 가열시킨다. 이로 인해 상기 밸브 물질(V)은 용융되면서 부피가 팽창하고, 연결된 통로(226)를 통해 상기 채널(224)로 유입된다. 상기 채널(224) 내에서 유체 샘플(L)과 접촉하면서 다시 응고된 밸브 물질(V)은 밸브 플러그를 이루며 상기 채널(224)을 통한 유체 샘플(L)의 흐름을 차단한다.

전술한 밸브 유닛의 반응 시간을 측정한 실험의 결과는 다음과 같다. 실험을 위한 테스트 칩에서 작동 유체의 압력은 46kPa로 유지하였다. 압력 유지를 위해 시린지 펌프(Havard PHD2000, USA)와 압력 센서(MPX 5500DP, Freescale semiconductor Inc., AZ, USA)를 사용하였다. 상기 밸브 유닛에 전자기파를 조사하는 외부에너지원으로는 방출파장이 808nm이고, 출력이 1.5W인 레이저 광원을 사용하였다. 밸브 유닛의 반응 시간에 관한 데이터는 고속촬영 장치(Fastcam-1024, Photron, CA, USA)의 결과물 분석을 통해 얻었다. 상기 밸브 물질로는 발열입자인 평균 직경 10nm의 자성비드가 캐리어 오일에 분산된 이른바 자성유체(ferrofluid)와 파라핀 왁스가 1 대 1의 비율로 혼합된, 즉 자성유체의 부피비가 50%인 이른바 자성 왁스를 사용하였다.

도 9는 상기 열림 밸브의 작동 모습을 보이는 일련의 고속촬영 사진들이다. 상기 열림 밸브의 밸브 플러그에 레이저 빔을 조사하기 시작한 때로부터 상기 밸브 플러그가 용융되어 채널이 열릴 때까지의 반응 시간은 0.012초였다.

도 10은 상기 닫힘 밸브의 작동 모습을 보이는 일련의 고속촬영 사진들이다. 상기 닫힘 밸브의 밸브 물질에 레이저 빔을 조사하기 시작한 때로부터 상기 밸브 물질이 용융 및 팽창되어 채널을 닫을 때까지의 반응 시간은 0.444초였다. 종래의 왁스 밸브의 반응 시간이 2 내지 10초였던 점에 비교하면 월등히 빠른 반응임을 알 수 있다.

도 11은 상기 열림 밸브에서 밸브 플러그에 포함된 자성유체의 부피비와 밸브 반응시간의 관계를 보이는 그래프이다. 대체로 자성유체의 부피비(volume fraction)가 커지면서 반응 시간이 짧아지는 추이를 보인다. 그러나, 이와 별개로 자성유체의 부피비가 70% 이상으로 커지면 밸브 플러그의 최대 허용압력(maximum hold-up pressure)이 낮아지는 경향이 있다. 따라서, 상기 밸브 유닛에서 밸브 물질에 포함될 자성유체의 부피비는 반응 시간에 대한 요구와 최대 허용압력에 대한 요구의 절충에 의해 정해질 수 있다.

도 12는 상기 열림 밸브에서 외부에너지원으로 사용된 레이저 광원의 출력과 밸브 반응시간의 관계를 보이는 그래프이다. 출력이 높아질수록 반응 시간이 짧아지는 추이를 보인다. 그런데, 레이저 광원의 출력이 1.5W에 근접하면 반응 시간의 변화가 완만해지고, (그래프에 표시되지는 않았으나) 1.5W를 넘어서면 소정의 최소 반응으로 수렴한다. 파라핀 왁스를 통한 열 전도율의 제약이 따르기 때문이다. 상기 실험에서는 이와 같은 이유로 출력이 1.5W인 레이저 광원을 사용하였다. 그러나, 본 발명의 외부에너지원이 여기에 한정되는 것은 아니다.

도 13는 열 활성 유닛의 또다른 예인 가열 유닛의 실시예를 보이는 평면도이다. 본 발명에 따른 미세유동 장치(20)는 열 활성 유닛(23)의 또다른 예로서 가열 유닛(233)을 포함할 수 있다. 여기서 가열 유닛(233)이란 샘플 용액(L)에 열을 가하여 부분적으로 또는 전체적으로 온도를 높이는 기능을 포함하는 유닛을 의미한다. 여기에는 유체 샘플(L)과 타 물질과의 반응을 촉진시키거나, 유체 샘플(L)에 포함된 세포를 배양하거나, 세포를 용해하여 핵산을 추출하거나, PCR 사이클을 적용하여 핵산을 증폭하거나 하는 등의 다양한 기능을 수행하는 유닛들이 포함될 수 있다.

이러한 가열 유닛(233)은 상기 미세유동 장치(20)의 회전체 내에 마련된 가열 챔버(227)를 포함한다. 상기 가열 챔버(227)는 그 입구(I)측이 상기 챔버(227)보다 회전체(21)의 중심으로부터 가까운 거리에 배치된 다른 기초 유닛(미도시)과 연결된다. 한편, 그 출구(O)측에는 전술한 열림 밸브의 밸브 플러그(223)가 마련될 수 있다. 이를 통해 상기 챔버(227) 내에 유체 샘플(L)을 가두어 둘 수 있다. 상기 가열 챔버(227) 내에는 발열입자(M)를 구비한다. 상기 발열입자(M)는 상기 미세유동 장치(20) 외부에 마련된 외부에너지원(30,30')으로부터 전자기파를 흡수하여, 이를 열에너지의 형태로 그 표면을 통해 주위로 전달한다.

이 경우, 상기 발열입자(M)는 전술한 밸브 유닛들에서의 경우와 마찬가지로 전자기파를 흡수하여 열에너지로 변환하는 코어와 상기 코어를 둘러싸는 쉘을 포함하는 형태를 가질 수 있다. 상기 코어는 강자성을 띤 금속 또는 금속 산화물로 이루어질 수 있다. 좀더 구체적으로는 강자성체를 띠는 Fe, Ni, Cr 의 금속 및 이의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 이상의 물질을 포함할 수 있다. 상기 발열입자(M)가 강자성 물질을 포함하면, 상기 가열 유닛(233)의 기능이 완수된 후에 샘플(L)로부터 상기 발열입자(M)들을 분리하기가 용이하다. 자석을 이용하여 이들을 모을 수 있기 때문이다. 한편, 상기 쉘(shell)은 상기 가열 유닛(233)의 세부적인 용도에 따라 다른 특성을 가질 수 있다. 상기 쉘의 표면은 친수성을 띨 수 있다. 이 경우, 대부분의 유체 샘플(L)이 친수성 용액이기 때문에 상기 발열입자(M)를 샘플(L)에 골고루 분산시키는 데 유리하다. 또한, 상기 쉘의 표면은 특정한 생체분자가 부착될 수 있도록 개질될 수 있다. 이러한 발열입자(M)를 이용하여 샘플(L)로부터 특정 생체분자를 분리해 낼 수도 있고, 이렇게 분리된 생체분자를 배양하거나 파괴하는 등 특수한 기능을 수행할 수도 있기 때문이다.

이하에서는, 이상에서 다룬 본 발명의 미세유동 시스템을 효과적으로 구동하는 방법에 대하여 예를 들어 설명한다. 이하의 구동 방법은 앞서 설명된 미세유동 시스템의 다양한 실시예에 적용될 수 있다.

먼저, 미세유동 장치가 미세유동 시스템의 회전 구동부에 안착되면, 상기 시스템은 해당 미세유동 장치에 포함된 적어도 하나의 열 활성 유닛의 위치 정보를 취득한다. 위치 정보를 취득하는 방법으로는 다양한 방법이 적용될 수 있다. 예를 들면, 미세유동 시스템의 정보 저장부에 사용될 미세유동 장치들의 유닛 배치에 대한 정보를 미리 저장하고, 회전 구동부에 안착된 미세유동 장치가 인식되면 해당 미세유동 장치에 대한 유닛 배치 정보를 로딩하여 시스템 구동에 활용하도록 할 수 있다. 이 경우, 미세유동 시스템은 임의의 시점에서 안착된 미세유동 장치의 기준점 위치를 파악하는 것만으로 이후의 동작을 위한 정보를 취득할 수 있다. 이와 다른 예로서, 미세유동 장치의 각 열 활성 유닛 또는 그와 일대일 대응되는 위치에 식별 부호를 부여하고, 미세유동 시스템이 상기 식별 부호를 인식하도록 함으로써 각 열 활성화 유닛에 대한 위치 정보를 취득하도록 할 수도 있다.

다음으로, 취득된 위치 정보를 이용하여 선택된 어느 하나의 열 활성화 유닛을 향해 외부에너지원을 조준한다. 상기 외부에너지원 조준 단계는, 조준 개시 시점을 기준으로 상기 미세유동 장치 상에서 상기 선택된 열 활성 유닛의 위치와 상기 외부에너지원의 전자기파가 도달하는 지점의 편차, Δ(r,θ)를 검출하고, 상기 회전 구동부 및 상기 외부에너지원 조정수단을 이용하여 상기 전자기파의 도달 지점을 상기 편차만큼 조정할 수 있다. 일 예로서, 상기 외부에너지원 조정수단이 전자기파의 도달 지점을 1차원적으로 이동시키는 경우에는, 상기 회전 구동부를 이용하여 상기 회전체를 Δθ만큼 정역 회전시키고, 상기 외부에너지원 조정부를 이용하여 상기 전자기파의 도달 지점을 상기 회전체의 반지름 방향으로 Δr만큼 이동시킬 수 있다. 여기서는 미세유동 시스템이 극좌표계를 이용하는 것을 예로 든 것이나, 본 발명의 구동방법이 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 외부에너지원 조정수단의 기구적에 구성에 따라 직교좌표계를 이용할 수도 있음은 물론이다. 한편, 외부에너지원의 표적이 되는 열 활성화 유닛에 대한 선택은 그때그때 사용자의 입력에 의해 이루어질 수도 있고, 미리 입력된 프로그램에 의해 이루어질 수도 있다. 특히, 미세유동 장치에 다수의 열 활성화 유닛이 포함되어 있고, 이들이 순차적으로 동작하여야 하는 경우 프로그램에 의한 제어가 유리하다.

다음으로, 조준된 열 활성 유닛에 전자기파를 조사하여 상기 열 활성 유닛을 활성화 한다. 이때, 미세유동 시스템은 전자기파(예를들면, 레이저 빔)를 조사하면 서, 회전 구동부를 이용하여 상기 회전체를 소폭 회전 진동시켜 상기 열 활성화 유닛에 복사 에너지가 고루 전달되도록 할 수 있다. 이와 유사한 예로서, 미세유동 시스템은 상기 외부에너지원 조정부를 이용하여 전자기파의 도달 지점이 상기 회전체의 반지름 방향으로 소폭 진동하도록 함으로써 상기 열 활성화 유닛에 복사 에너지가 고루 전달되도록 할 수도 있다. 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 14 및 도 16은 본 발명에 따른 미세유동 시스템에서 열 활성 유닛의 배치에 따른 외부에너지원의 위치제어 방법을 보인다. 먼저, 도 14은 하나의 열 활성 유닛(23)을 개별적으로 활성화하는 동작의 예를 보인다. 외부에너지원(30)이 미세유동 장치를 향하도록 설치되어 반지름 방향으로 직선 이동하는 경우를 예로 든 것이다. 하나의 열 활성 유닛(23)이 선택된 경우, 외부에너지원(30)을 조준하기 시작하는 시점에 상기 열 활성 유닛(23)의 위치를 파악하여 현재 외부에너지원(30)의 위치와의 극좌표 상의 편차, Δ(r,θ)를 구한다. 그리고 회전 구동부를 이용하여 상기 회전체(21)를 Δθ만큼 정역 회전시키고, 상기 외부에너지원 조정수단(미도시)을 이용하여 상기 외부에너지원(30)을 상기 회전체(21)의 반지름 방향으로 Δr만큼 이동시킬 수 있다.

상기 도 15은 미세유동 장치 내에서 회전 중심으로부터 동일한 거리에 배치된 여러 개의 열 활성 유닛(23)들을 동시에 활성화하는 동작의 예를 보인다. 마찬가지로 외부에너지원(30)이 미세유동 장치를 향하도록 설치되어 반지름 방향으로 직선 이동하는 경우를 예로 든 것이다. 미세유동 시스템은 외부에너지원(30)을 조 준하기 시작하는 시점에 상기 다수의 열 활성 유닛(23)들이 배치된 위치의 반지름과 상기 외부에너지원(30)의 위치와의 편차, Δr을 구하고, 외부에너지원 조정수단을 이용하여 상기 외부에너지원(30)을 그 만큼 이동시킨 다음, 회전 구동부를 이용하여 회전체(21)를 회전시킴과 동시에 전자기파를 조사할 수 있다.

도 16은 하나의 열 활성 유닛(23)을 개별적으로 활성화하는 동작의 다른 예를 보인다. 외부에너지원(30")이 미세유동 장치를 향하도록 설치되어 미세유동 장치(20)의 회전판(21)에 평행한 평면상에서 이동하는 경우를 예로 든 것이다. 하나의 열 활성 유닛(23)이 선택된 경우, 외부에너지원(30")을 조준하기 시작하는 시점에 상기 열 활성 유닛(23)의 위치를 파악하여 현재 외부에너지원(30")의 위치와의 직교좌표 상의 편차, Δ(x,y)를 구한다. 그리고 외부에너지원 조정수단(미도시)를 이용하여 상기 외부에너지원(30")를 x축 방향으로 Δx만큼 직선 이동시키고, y축 방향으로 Δy만큼 직선이동시킬 수 있다.

도 17는 본 발명에 따른 다수의 열 활성 유닛을 구비한 미세유동 장치의 실시예를 도시한 평면도이다. 본 실시예에 따른 미세유동 장치(20)는 회전체(21) 상에 대칭적으로 배치된 다수의 미세유동 구조물(22)을 구비한다. 상기 미세유동 구조물(22)은 상류측, 즉 회전체(21)의 회전 중심으로부터 가까운 쪽에 배치된 세 개의 샘플 챔버(228A,228B,228D)와 회전 중심으로부터 먼 쪽에 배치된 세 개의 반응 챔버(228E,228F,228C), 그리고 이들의 중간에 배치된 혼합 챔버(228M)를 구비한다. 상기 혼합 챔버(228M)는 상기 샘플 챔버(228A,228B,228D) 및 반응 챔버(228E,228F,228C)와 각각 채널을 통해 연결되어 있고, 각 채널의 중간에는 열 활 성 유닛의 일종으로서 유체의 흐름을 제어할 수 있는 밸브 유닛(231A,231B,231C,231E,231F,232C)들이 배치되어 있다. 상기 밸브 유닛들 중 하나(232C)는 닫힘 밸브이고, 나머지는 열림 밸브들이다. 상기 샘플 챔버(228A,228B,228D)에는 각각 샘플 A, B, D가 저장되어 있고, 상기 반응 챔버(228E,228F,228C)에는 상기 샘플들과 소정의 반응을 일으킬 수 있는 반응 물질 E, F, C가 각각 마련되어 있다. 상기 반응물질은 액체 상태로 마련될 수도 있고, 고체 표면에 고정되는 등 다양한 형태로 마련될 수 있다.

도 18은 상기 도 17의 미세유동 장치를 포함한 미세유동 시스템의 구동 예를 보인다. 본 실시예에 따른 미세유동 시스템은 미리 프로그램된 바에 따라 구동될 수 있다. 네 개의 서브 도면은 상기 미세유동 장치의 조작 수행 과정을 나타내고, 각 서브 도면에 표시된 숫자들은 해당 밸브의 작동 순서를 나타낸다. 먼저, 샘플 A, B가 저장된 챔버(228A,228B)와 연결된 열림 밸브(231A,231B)를 작동시키고, 상기 두 샘플을 이송하여 혼합 챔버(228M)에서 샘플 A, B를 혼합한다. 다음으로 반응 챔버C(228C)와 연결된 열림 밸브(231C)를 작동시키고, 샘플 A, B의 혼합액 일부를 이송하여 반응물질 C와 반응시킨 후, 역시 반응 챔버C(228C)와 연결된 닫힘 밸브(232C)를 닫는다. 그런다음, 샘플 D가 저장된 챔버(228D)와 연결된 열림 밸브(231D)를 열고 상기 샘플 D를 혼합 챔버(228M)로 이송하여 남아 있던 샘플 A, B의 혼합액과 다시 혼합한다. 그 다음, 반응 챔버E와 F(228E,228F)가 각각 연결된 열림 밸브(231E,231F)를 작동시키고, 샘플 A, B, D의 혼합액을 이송한다. 이렇게 해서 반응 챔버C(228C)에서는 샘플 A, B와 반응 물질 C의 반응이 이루어지고, 반응 챔버E(228E)에서는 샘플 A, B, D와 반응 물질 E의 반응이, 그리고 반응 챔버F(228F)에서는 샘플 A, B, D와 반응 물질 F의 반응이 이루어질 수 있다.

상기 도 18의 실시예는 본 발명에 따른 미세유동 장치와 미세유동 시스템을 이용하여 여러 단계로 이루어진 생물학적 또는 화학적 반응을 효과적으로 수행할 수 있음을 보여주는 예이다. 각 과정에서 각 밸브 유닛의 작동 등을 포함하는 미세유동 시스템의 구체적인 구동은 전술한 방법에 따라 이루어질 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

본 발명에 따른 원심력 기반의 미세유동 장치는 외부의 열원 또는 전원과의 접촉 없이, 전자기파에 의해 활성화되는 다양한 열 활성화 유닛을 구비함으로써, 다양한 생물학적 또는 화학적 반응을 수행할 수 있다. 뿐만 아니라, 여러 단계의 조작과 처리가 필요한 반응을 수행하기 위하여 복잡한 구조를 가지는 미세유동 구조물도 하나의 회전체로 이루어진 미세유동 장치에 배치할 수 있도록 하는 효과가 있다.

특히, 본 발명의 미세유동 장치는, 전술한 열 활성화 유닛의 일 예로서 밸브 유닛을 이용하는 경우, 유체 흐름의 강인제어(robust control)가 가능하다. 또한, 전술한 열 활성화 유닛의 다른 예로서 가열 유닛을 이용하는 경우, 외부 열원과의 접촉을 통해 유체 샘플을 간접적으로 가열하거나, 장치 내부에 저항 발열을 위한 구성을 가질 필요 없이 유체 샘플과 직접 접하는 발열입자를 포함하는 것 만으로 간단하게 그리고 효과적으로 샘플의 온도를 조절할 수 있도록 한다.

이와 같이, 본 발명에 따른 미세유동 장치와 미세유동 시스템 및 미세유동 시스템의 구동방법은 유체 샘플의 종류 및 회전체의 회전속도에 관계 없이 미세유동 구조물 내에서 유체의 흐름 및 유체의 온도를 정확하게 제어할 수 있도록 한다. 또한 이러한 장점을 이용하여 종래의 콤팩트디스크형 미세유동 장치보다 복잡한 미세유동 구조물을 회전체 상에 구현할 수 있도록 하고, 미세유동 장치를 이용하여 더 복잡한 단계의 처리와 조작을 요하는 반응을 수행할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims

회전체; 및

상기 회전체에 배치된 것으로, 회전 중심으로부터의 거리가 서로 다른 둘이상의 기초 유닛을 포함하고, 원심력에 의해 유체 샘플이 상기 기초 유닛들 사이의 통로를 따라 이동할 수 있도록 만들어진 미세유동 구조물을 포함하고,

상기 미세유동 구조물은,

기능 수행을 위해 온도 변화를 수반하고, 그 내부에는 외부로부터 전자기파를 받아 주위에 열에너지를 방출하는 발열입자를 구비하는 열 활성 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 원심력 기반의 미세유동 장치.
제1항에 있어서,

상기 열 활성 유닛은,

상온에서 고체 상태인 상전이 물질 분산매에 상기 발열 입자가 분산된 밸브 물질을 포함하고, 상기 밸브 물질이 열에 의해 용융된 상태로 이동하여 상기 통로를 열거나 닫는 밸브 유닛인 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
제2항에 있어서,

상기 밸브 유닛은,

초기에 상기 밸브 물질로 이루어진 밸브 플러그가 상기 통로를 닫도록 배치 되고, 상기 밸브 플러그가 열에 의해 용융되면서 상기 밸브 플러그의 초기 위치에 인접하게 마련된 여유 공간으로 이동하여 상기 통로를 여는 열림 밸브인 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
제2항에 있어서,

상기 밸브 유닛은,

초기 상태에 상기 밸브 물질이 상기 통로와 연결된 밸브 챔버에 배치되어 상기 통로를 열어두고, 상기 밸브 물질이 열에 의해 용융 및 팽창되면서 상기 통로로 유입되어 상기 통로를 닫는 밸브 플러그를 형성하는 닫힘 밸브인 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
제2항에 있어서,

상기 상전이 물질 분산매는 왁스, 겔, 열가소성 수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
제1항에 있어서,

상기 발열입자는 직경이 1 nm 내지 100 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
제1항에 있어서,

상기 발열입자는 외부로부터 전자기파를 흡수하여 열에너지로 변환하는 코어(core)와 상기 코어를 둘러싸는 쉘(shell)로 이루어진 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
제1항에 있어서,

상기 발열입자는 중합체 비드, 퀀텀 닷(quantum dot), 금 나노입자, 은 나노입자, 금속화합물 비드, 탄소입자 및 자성비드로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
제1항에 있어서,

상기 발열입자는 금속성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
제1항에 있어서,

상기 열 활성 유닛은,

다수의 발열입자가 분산된 유체 샘플을 가두어 두고, 상기 발열입자가 외부로부터 전자기파를 흡수하여 상기 유체 샘플을 가열하도록 한 가열 유닛인 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
제10항에 있어서,

상기 발열입자는 외부로부터 전자기파를 흡수하여 열에너지로 변환하는 코 어(core)와 상기 코어를 둘러싸는 쉘(shell)로 이루어진 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
제11항에 있어서,

상기 코어는 강자성을 띤 금속 또는 금속 산화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
제11항에 있어서,

상기 쉘은 그 표면에 특정한 생체분자가 부착될 수 있도록 표면 개질된 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
제1항의 미세유동 장치;

상기 미세유동 장치의 회전체를 구동하는 회전 구동부;

상기 미세유동 장치 내의 발열입자의 발열을 유도할 수 있는 파장대의 전자기파를 방출하는 외부에너지원; 및

상기 외부에너지원으로부터 조사된 전자기파가 상기 회전체 상의 원하는 영역에 집중적으로 도달하도록 상기 외부에너지원의 위치 또는 방향을 조정하는 외부에너지원 조정수단을 포함하는 미세유동 시스템.
제14항에 있어서,

상기 회전 구동부는 상기 회전체를 정속 및 정역 회전시킬 수 있는 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
제14항에 있어서,

상기 외부에너지원 조정수단은 상기 회전체를 향해 설치된 상기 외부에너지원을 상기 회전체의 반지름 방향으로 이동시키는 직선 이동수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
제14항에 있어서,

상기 외부에너지원 조정수단은 고정된 상기 외부에너지원으로부터 방출된 전자기파를 반사시키는 반사경, 및 상기 반사경의 각도를 조절하여 전자기파의 경로를 변경하는 반사경 운동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
제14항에 있어서,

상기 외부에너지원 조정수단은 상기 회전체를 향해 설치된 상기 외부에너지원을 상기 회전체와 평행한 평면상에서 직교좌표에 따라 두 방향으로 이동시키는 평면 이동수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
제14항에 있어서,

상기 열 활성 유닛은,

상온에서 고체 상태인 상전이 물질 분산매에 상기 발열 입자가 분산된 밸브 물질을 포함하고, 상기 밸브 물질이 열에 의해 용융된 상태로 이동하여 상기 통로를 열거나 닫는 밸브 유닛인 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
제19항에 있어서,

상기 밸브 유닛은,

초기에 상기 밸브 물질로 이루어진 밸브 플러그가 상기 통로를 닫도록 배치되고, 상기 밸브 플러그가 열에 의해 용융되면서 상기 밸브 플러그의 초기 위치에 인접하게 마련된 여유 공간으로 이동하여 상기 통로를 여는 열림 밸브인 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
제19항에 있어서,

상기 밸브 유닛은,

초기 상태에 상기 밸브 물질이 상기 통로와 연결된 밸브 챔버에 배치되어 상기 통로를 열어두고, 상기 밸브 물질이 열에 의해 용융 및 팽창되면서 상기 통로로 유입되어 상기 통로를 닫는 밸브 플러그를 형성하는 닫힘 밸브인 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
제19항에 있어서,

상기 상전이 물질 분산매는 왁스, 겔, 열가소성 수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
제14항에 있어서,

상기 발열입자는 직경이 1 nm 내지 100 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
제14항에 있어서,

상기 발열입자는 외부로부터 전자기파를 흡수하여 열에너지로 변환하는 코어(core)와 상기 코어를 둘러싸는 쉘(shell)로 이루어진 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
제14항에 있어서,

상기 발열입자는 중합체 비드, 퀀텀 닷(quantum dot) 금 나노입자, 은 나노입자, 금속화합물 비드, 탄소입자 및 자성비드로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
제14항에 있어서,

상기 발열입자는 금속성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
제14항에 있어서,

상기 열 활성 유닛은,

다수의 발열입자가 분산된 유체 샘플을 가두어 두고, 상기 발열입자가 외부로부터 전자기파를 흡수하여 상기 유체 샘플을 가열하도록 한 가열 유닛인 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
제27항에 있어서,

상기 발열입자는 외부로부터 전자기파를 흡수하여 열에너지로 변환하는 코어(core)와 상기 코어를 둘러싸는 쉘(shell)로 이루어진 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
제28항에 있어서,

상기 코어는 강자성을 띤 금속 또는 금속 산화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
제28항에 있어서,

상기 쉘은 그 표면에 특정한 생체분자가 부착될 수 있도록 표면 개질된 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
제14항에 있어서,

상기 외부에너지원은 레이저 광원인 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
제31항에 있어서,

상기 레이저 광원은 레이저 다이오드(Laser Diode)를 포함한 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
제31항에 있어서,

상기 레이저 광원에서 조사되는 레이저는 1 mJ/pulse 이상이고, 상기 미세유동 장치의 구조물 및 상기 발열입자를 변성시키지 않을 정도의 에너지를 갖는 펄스 레이저인 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
제31항에 있어서,

상기 레이저 광원에서 조사되는 레이저는 14 mW 이상이고, 상기 미세유동 장치의 구조물 및 상기 발열입자를 변성시키지 않을 정도의 출력을 갖는 연속파동 레이저인 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
제31항에 있어서,

상기 레이저 광원에서 조사되는 레이저는 400 내지 1300 ㎚ 의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
제14항 내지 제35항 중 어느 한 항의 미세유동 시스템을 구동하는 방법에 있어서,

회전 구동부에 안착된 미세유동 장치에서 열 활성 유닛들 각각의 위치 정보를 취득하는 단계;

취득된 위치 정보를 이용하여 선택된 어느 하나의 열 활성 유닛을 향해 상기 외부에너지원을 조준하는 단계; 및

상기 외부에너지원으로부터 전자기파를 방출하여 선택된 상기 열 활성 유닛을 활성화하는 단계를 포함하는 미세유동 시스템의 구동 방법.
제36항에 있어서,

상기 외부에너지원 조준 단계는, 조준 개시 시점을 기준으로 상기 미세유동 장치에서 상기 선택된 열 활성 유닛의 위치와 상기 외부에너지원의 전자기파가 도달하는 지점의 편차, Δ(r,θ) 또는 Δ(x, y)를 검출하고, 상기 회전 구동부 및 상기 외부에너지원 조정수단을 이용하여 상기 전자기파의 도달 지점을 상기 편차만큼 조정하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템의 구동 방법.
제37항에 있어서,

상기 회전 구동부를 이용하여 상기 회전체를 Δθ만큼 정역 회전시키고, 상기 외부에너지원 조정수단을 이용하여 상기 전자기파의 도달 지점을 상기 회전체의 반지름 방향으로 Δr만큼 이동시키는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템의 구동 방법.
제37항에 있어서,

상기 미세유동장치가 정지된 상태에서 상기 외부에너지원 조정수단을 이용하여 상기 전자기파의 도달 지점을 직교좌표 상의 편차에 따라 Δ(x, y)만큼 이동시키는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템의 구동 방법.
제36항에 있어서,

상기 열 활성화 유닛을 활성화 하는 단계의 진행중에 상기 회전 구동부는 상기 회전체를 소폭 회전 진동시켜 상기 열 활성화 유닛에 복사 에너지가 고루 전달되도록 하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템의 구동 방법.
제36항에 있어서,

상기 열 활성화 유닛을 활성화 하는 단계의 진행중에 상기 외부에너지원 조정부는 전자기파의 도달 지점이 상기 회전체의 반지름 방향으로 소폭 진동하도록 함으로써 상기 열 활성화 유닛에 복사 에너지가 고루 전달되도록 하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템의 구동 방법.