KR100871297B1 - 자력구동식 회전형 쿠엣유동 생성 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자력에 의하여 회전형 쿠엣(Couette) 유동을 만드는 장치에 관한 것으로서, 구성장치에는 샘플 저장실, 쿠엣유동기, 자력회전유도장치 등이 있다. 본 발명은 극소량의 샘플액을 포함하고 있는 마이크로장치에 기계적 동력 전달방법없이 자력을 이용한 회전유도장치를 통해 샘플챔버 내부에 회전형 쿠엣유동을 발생시키는 장치에 대한 발명으로서, 회전속도의 제어 및 측정을 통하여 샘플액에 작용하는 전단력, 전단률, 점도, 응집 정도 등을 측정할 수 있게된다. 본 발명의 특징은 극소량의 샘플액을 다룰 수 있으며, 샘플액 접촉부의 부품을 모두 일회용으로 구성하여 사용후 폐기할 수 있어 세척이 필요 없고 그 작동이 매우 간편함을 특징으로 한다.

미세장치(Microdevice), 자력(magnetic force), 쿠엣유동(Couette flow), 일회용(disposable)

Description

자력구동식 회전형 쿠엣유동 생성 장치 {Apparatus of magnetic force-driven rotational Couette flow system}

도 1은 본 발명에 따른 자력구동 회전형 쿠엣 유동 장치의 구성을 나타내는 모식도

도 2는 제 1도에 도시된 장치의 실시예에 따른 일회용 키트의 평면도

도 3은 제 1도에 도시된 장치의 실시예에 따라 자력식 회전유도장치에 의해 회전하는 원형 평판형 쿠엣유동기를 포함한 마이크로 채널의 개략도

도 4는 제 3도에 도시된 장치의 실시예에 따라 회전평판 쿠엣유동기의 다양한 실시예에 따른 개략도

도 5는 제 1도에 도시된 장치의 실시예에 따라 이중동심원관 구조에서 회전유도장치에 의해 회전하는 실린더형 쿠엣유동기를 포함한 마이크로 채널의 개략도

도 6은 제 5도에 도시된 장치의 실시예에 따라 실린더형 쿠엣유동기의 다양한 실시예에 따른 개략도

도 7은 제 3도에 도시된 장치의 실시예에 따라 혈액점도 및 혈구 응집률 측정을 위한 장치개략도

도 8은 제 5도에 도시된 장치의 실시예에 따라 혈액점도 및 혈구 응집률 측정을 위한 장치개략도

도 9는 제 7도 또는 제 8도에 도시된 장치의 실시예에 따라 혈구 응집률 측정결과를 시간에 따라 나타낸 그래프

도 10은 제 7도 또는 제 8도에 도시된 장치의 실시예에 따라 액체의 점도를 회전수 차이에 따라 측정한 결과를 나타낸 그래프

본 발명은 자력구동 회전형 쿠엣 유동 장치에 관한 발명으로서 회전유도장치를 이용하여 마이크로 채널 내부에서 샘플액에 일정 또는 가변적인 전단유동을 가할 수 있는 유동 장치에 관한 것이다.

쿠엣 유동장치는 대표적인 유동제어 장치로서, 다양한 목적으로 사용되어 왔다. 특히, 유체의 점도 측정에 회전형 쿠엣유동(rotational Couette flow)이 널리 사용되고 있으며, 고가의 상용 점도계 등에서 흔히 볼 수 있다. 또한, 최근에는 혈구의 응집률이 혈액의 점도 및 유변 특성에 직접적인 영향 인자로 알려지면서 혈구의 응집률에 대한 측정 기기 개발이 시도되었는데, 그 중에서도 특히, 'Clinical Hemorheology and Microcirculation' 저널(Vol. 19, pp. 307-314, 1998)에 공시된 적혈구 응집계에 관한 연구에서는 'plate-plate shearing system'을 이용하여 회전형 쿠엣전단유동을 생성하고, 이를 통해 혈구응집률을 측정할 수 있음을 발표하였다. 또한, 'Clinical Hemorheology and Microcirculation' 저널(Vol. 25, pp. 1-11, 2001)에 공시된 적혈구 응집계에 관한 연구에서는 이중 동심원관형 시스템(Cup-and-bob system)을 이용하여 회전형 쿠엣전단유동을 생성하고 이를 통해 혈구응집률을 측정할 수 있음을 발표하였다.

이와 같이, 회전형 쿠엣유동은 혈액점도계 및 혈구응집계에서 사용되는 대표적인 유동제어메카니즘으로서, 그 중 혈구응집계에 대해 간단히 설명하면 아래와 같다. 즉, 이중 원형 평판 사이에 혈액샘플을 채우고 있을 때, 레이저 또는 LED 등의 빛이 혈액 샘플에 조사되고, 조사된 빛이 투과 또는 역산란되어 나오는 빛을 광다이오우드(photodiode) 센서로 획득하여 획득된 광의 세기를 컴퓨터로 처리 분석하여 혈구의 응집률을 측정하는 기술이 발표되었다. 이 때, 측정 전에는 응집된 혈구를 분산시키기 위하여 두개의 평판 중 적어도 하나의 평판을 고속으로 회전하여 회전형 쿠엣 (Couette) 유동 조건을 만들며 전단유동을 발생시켜 전단률이 최소한 500 (1/s) 이상 5초 동안 유지된다. 이러한 고속 회전 운동을 급정지시키면 이에 따른 전단유동도 0.1초 이내로 급정지되며 이 때부터, 혈구 응집이 진행되는데 이를 시간에 따라 변화되는 것을 빛의 세기로 측정하는 방식이다. 이러한 측정은 시간에 따른 응집률의 변화 추이를 보는 실렉토그램(Syllectogram)으로서 그동안 혈구 응집의 가장 과학적인 측정 방법으로 알려져 있으며 많은 진단혈액 검사관련 연구실에서 이 방법을 채택하여 사용해오고 있다.

그러나, 상기와 같은 혈구응집률 측정시스템에서는 복잡한 회전형 쿠엣유동 시스템이 필요하며 이로 인해 가격이나 시스템 크기가 증가하게 된다. 이 때문에 한번 측정을 위한 샘플량이 2ml의 다량 소요되며 또한, 사용 후 별도의 세척을 필요로 하기때문에 별도의 진공펌프와 세척액이 필요하다. 이러한 이유 등으로 인하여 현재까지 혈구 응집률 측정은 측정의 중요성에도 불구하고 임상현장에서 사용하기에 매우 불편하여 실제적으로 사용되고 있지 못한 실정이다.

상기의 광계측 방식을 이용한 응집률 측정은 이미 공지의 사실이다. 그러나, 상기와 같이 공시된 기술들은 혈액 샘플의 초기 혈구 응집을 없애고 혈구를 완전 분산하는 기술에서 복잡한 회전 전단유동 또는 소음을 유발하는 진동을 가하는 방식 때문에 임상 현장에서 사용하기 어려운 점을 극복하기 어려운 단점이 존재한다. 또한, 기존의 장치는 혈액 샘플을 다루는데 있어 일회용 키트가 가능하지 못해 시험 후 세척과정이 매우 번거로우며 또한 일정량 이상의 혈액 샘플이 소요되는 단점이 있다.

본 발명은 위의 사정을 배경으로서 이루어진 것으로, 일회용 마이크로칩 내에서 구현되는 자력구동 회전형 쿠엣 유동을 생성하는 장치 및 방법을 발명하는 기술적 과제를 대상으로 한다.

본 발명의 또 다른 기술적 과제는 이러한 자력구동 회전형 쿠엣유동 장치를 다양한 기존 사용처에 적용하여 기존 기술을 대체하려는 것에 있다. 그 일례로, 혈구응집률 측정에 적용시켜 측정 전에 응집된 혈구를 분산시키는 새로운 방법 및 장치를 발명하는 것이며 또 다른 일례로 샘플액의 점도를 측정하는 방법 및 장치를 발명하는 것이다. 또한, 이러한 장치는 구조가 간단하며 작동이 매우 쉽고 생산 단가가 저렴하여 일회용으로 사용될 수 있는 혈구 응집률 측정 키트(kit)를 포함한 장치 및 관련 측정 방법을 발명하는 것을 기술적 과제로 한다.

이러한 본 발명의 기술적 과제는 다음과 같은 기술적 구성에 의하여 자력구동 회전형 쿠엣 유동을 생성하는 방법을 제공함으로써 해결될 수 있다.

본 발명은 자력구동 회전유도 메카니즘을 이용하여 마이크로 디바이스 안에서 샘플액에 쿠엣유동을 생성하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르는 자력구동식 회전형 쿠엣유동 생성 장치는, 샘플 주입구; 상기 주입구와 연결되어 주입된 샘플 액체를 받아 저장하는 상판과 하판으로 구획지어지는 이중원판형의 샘플 저장실; 상기 샘플저장실 내부에 존재하며 회전운동을 하는 자장에 영향을 받는 금속재질의 원형판(61) 또는 자장에 영향을 받는 금속재질의 스트립(63)이 부착된 자장에 영향을 받지 않는 재질의 원형판(61')을 갖는 쿠엣유동기; 상기 샘플저장실 내의 상기 자장에 영향을 받는 금속재질의 원형판(61) 또는 자장에 영향을 받는 금속재질의 스트립(63)의 회전을 자력에 의해 유도하는 회전유도장치; 상기 샘플저장실 한쪽 면에 위치하는 광원; 상기 광원이 샘플에 조사되어 상기 원형판(61, 61')에 의해 반사되어 나오는 빛을 감지하는 광센서; 상기 회전유도장치와 광센서와 연결되어 있어, 각각 시간에 따라 회전을 유도하며 또한 시간에 따른 감지된 빛을 분석 처리하여 전단률을 계산하는 프로세서; 상기 프로세서로부터 계산된 전단률을 나타내주는 출력장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
한편, 이상의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르는 자력구동식 회전형 쿠엣유동 생성 장치는, 샘플 주입구; 상기 주입구와 연결되어 주입된 샘플 액체를 받아 저장하는 실린더형의 이중원관형의 샘플 저장실; 상기 샘플저장실 내부에 존재하며 회전운동을 하는 자장에 영향을 받는 금속재질의 원형판(68) 또는 자장에 영향을 받는 금속재질의 스트립(66)이 부착된 자장에 영향을 받지 않는 재질의 원형판(68') 또는 자장에 영향을 받는 금속재질의 스트립(66') 중의 어느 하나로 이루어지는 회전유도반응체와, 상기 회전유도반응체의 중심에 동축으로 고정된 중심 원형봉(65)을 갖는 쿠엣유동기; 상기 샘플저장실 내의 상기 회전유도반응체의 회전을 자력에 의해 유도하는 회전유도장치; 상기 샘플저장실 한쪽 면에 위치하는 광원; 상기 광원이 샘플에 조사되어 상기 원형봉(65)에 의해 반사되어 나오는 빛을 감지하는 광센서; 상기 회전유도장치와 광센서와 연결되어 있어, 각각 시간에 따라 회전을 유도하며 또한 시간에 따른 감지된 빛을 분석 처리하여 전단률을 계산하는 프로세서; 상기 프로세서로부터 계산된 전단률을 나타내주는 출력장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 동력전달의 한 방법으로, 상기 회전유도장치(20)가 시간에 따라 자기장을 변화시켜 회전운동을 유도하고, 쿠엣유동기(60)는 이러한 자기력의 영향을 받아 회전운동이 유도되는 것을 특징으로 하며,
더욱 바람직하게는, 상기 회전유도장치(20)는 영구자석의 기계적 회전운동방식 또는 자기장의 방향을 전기적으로 변화시켜 주는 전자기석 방식 중 적어도 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 원판형 쿠엣유동기는 상기 원형판(61, 61') 외에도 회전중심축(62)을 더 포함하는 압정 모양의 형상을 갖는 것이 바람직하며,
상기 원관형 쿠엣유동기는, 상기 중심 원형봉(65)과 상기 회전유도반응체 외에도 상부 중심축(67)을 더 포함하는 것이 바람직하다.
더욱 바람직하기로는, 상기 쿠엣유동기의 회전 접촉부는, 회전운동시 지지부와 접촉마찰저항을 최소화하기 위하여 날카로운 송곳 모양으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 광센서(71)는, 포토다이오우드 또는 CCD 센서어레이 중 적어도 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하며,
상기 쿠엣유동 생성 장치는, 회전유동장치(20)의 회전수와 쿠엣유동기(60)의 회전속도 차이를 비교하여 샘플액의 점도를 결정할 수 있는 것을 특징으로 하거나, 샘플액에 조사된 빛의 시간에 따른 기록을 통해 샘플액의 응집 정도를 측정할 수 있는 것을 특징으로 한다.
즉, 혈액 샘플(12)이 주입되는 샘플 주입구(11), 이를 통해 샘플 액체를 저장하며 쿠엣유동이 생성되는 샘플저장실(13), 샘플저장실내에 존재하며 회전운동이 유도되는 쿠엣유동기(60), 이와 같이 샘플액과 접촉되는 부위를 모두 포함한 일회용 부품(10)과 공간적으로 떨어져 있지만, 회전을 인가하는 회전유도장치(20), 샘플저장실 한 쪽 면에 부착되어 광원을 발생하는 장치(31), 빛을 감지하는 장치(32), 광감지 장치에서 측정한 값을 자료 저장, 계산, 처리하는 프로세서(51), 그 계산 결과를 화면에 나타내는 장치(52), 자료를 저장하는 장치(53) 및 자료를 출력하는 출력장치(54) 등으로 구성되는 것에 그 특징이 있다.

이와 같은 본 발명의 자력구동 회전형 쿠엣유동 장치의 개략적인 구성도를 도 1에 나타내었다. 한편, 도 2와 도 3은 제 1도에 도시된 장치의 실시예에 따른 자력구동 회전형 쿠엣유동 장치의 일회용 키트의 평면도와 측면도이다. 도 4는 도 3에 도시된 일회용 쿠엣유동 키트 내부에 있는 원형 평판 쿠엣유동기의 다양한 실 시예에 따른 개략도이다. 또한, 도 5는 이중동심원관형 쿠엣유동장치의 개략도이며 도 6은 제 5도에 도시된 일회용 쿠엣유동 키트 내부에 있는 실린더형 쿠엣유동기의 다양한 실시예에 따른 개략도이다. 도 3을 참조하여 구체적으로 자력구동 회전형 쿠엣유동 생성 장치의 작동 원리 및 측정 방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 혈액과 같은 샘플액(12)을 샘플 주입구(11)에 주입한다. 이 때, 샘플 주입구에 주입된 샘플액은 모세관 효과(capillary effect)로 인하여 미세유동관(12)을 통해 샘플 저장실(13)에 유입된다. 이때, 샘플액이 혈액일 경우에는 손끝에서 직접 채혈하여 샘플로 사용하는 경우를 위하여 적절한 양의 항응고제가 샘플 저장실에 코팅되어 있다. 다음, 전자석 또는 회전하는 영구자석을 이용한 자력구동식 회전유도장치(20)가 작동하면, 샘플 저장실 내부에 있으며 자기장의 영향을 받는 물질로 구성된 쿠엣유동기(60)는 회전운동이 유도된다. 이러한 쿠엣유동기(60)의 회전운동 과정 동안 샘플저장실에 있는 샘플액은 회전하는 평판과 그 위에 있는 고정 벽에 의하여 전단유동을 받게 된다. 이러한 유동을 평행평판 회전형 쿠엣 유동(parallel-plate rotational Couette flow) 이라 부르며 유동장 내부의 전단률(shear rate)은 회전속도와 회전반경 및 두 평판 사이의 간극 등에 의해 정확히 제어 할 수 있다. 즉, 전단률은 회전 속도와 회전 반경에 비례하며 회전 평판(61)과 고정 상부벽 사이의 간극에 반비례한다. 회전속도는 도 7에 도시된 샘플저장실의 한 쪽 면에 부착된 레이저 다이오우드 또는 발광다이오우드(LED) 등과 같은 광원(31)이 조사되어 반사되는 것을 광다이오우드(PHOTODIODE) 등과 같은 광센서(32)가 감지하여서 단위시간당 회전속도를 측정할 수 있다.

도 4는 제 3도에의 실시예에 따른 쿠엣유동기(60)의 다양한 예로써, 자장에 영향을 받는 금속재질로 구성되는 원형판(61)과 회전중심축(62)을 갖는 압정과 같은 형상을 지닌 한 예가 왼쪽 편에 도시되어 있다. 또한, 도 4의 중앙에는 자장의 영향을 받지 않는 비철 금속 물질 또는 플라스틱 등의 재질의 원형판(61')과 회전중심축으로 압정 모양을 구성하고, 이 원형판의 하부에 자장의 영향을 받는 금속재질의 스트립(63)을 부착 조립한 쿠엣 유동기를 도시하였다. 이 경우, 유도회전 운동이 전자에 비하여 안정적이며 경량화되어 회전유도장치의 고속 회전에 따른 미끌림(slip) 현상이 감소된다. 한편, 자기장에 의한 회전유동운동의 진동을 최소화하기 위하여 평판 상부에 중심축(64)을 부착한 쿠엣유동기(60)의 한 예가 오른쪽 그림에 도시되어 있다. 이 경우, 재질을 자기장의 영향을 받는 물질로 구성하거나 또는 비금속 물질로 구성한 후 자기장의 영향을 받는 스트립을 원형판 하부에 부착할 수 있다. 오른쪽의 실시예의 경우, 엄밀하게는 평행 평판형 회전 유동은 아니지만, 중심축이 충분히 가는 경우, 이에 준하여 사용할 수 있다.

이와 마찬가지로, 도 5를 참조하여 구체적으로 본 발명의 자력구동 쿠엣유동 생성 장치의 또 다른 실시예인 이중동심원관형 쿠엣유동 (Concentric rotational Couette flow) 생성 장치의 작동 원리 및 방법을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 혈액과 같은 샘플액(12)을 샘플 주입구(11)에 주입한다. 이 때, 샘플 주입구에 주입된 샘플액은 중력에 의하여 샘플 저장실(13)에 유입된다. 이때, 샘플액이 혈액일 경우에는 손끝에서 직접 채혈하여 샘플로 사용하는 경우를 위하여 적절한 양의 항응고제가 샘플 저장실 내벽에 코팅되어 있다. 샘플 저장실 내부에 있으며 원형봉 형상을 지닌 쿠엣유동기(60')가 회전유도장치(20)에 의하여 회전운동이 유도된다. 이러한 쿠엣유동기(60')의 회전운동 과정 동안 샘플저장실에 있는 샘플액은 회전하는 내부 실린더(도 6의 65)와 고정되어 있는 외부실린더(13') 사이에서 전단유동을 받게 된다. 이러한 유동을 이중동심원관형 쿠엣 유동이라 부르며, 유동장 내부의 전단률은 회전속도와 회전반경 및 두 평판 사이의 간극 등에 의해 정확히 제어 할 수 있다. 특히, 내부원관 대 외부원관의 반경비가 0.99 이상의 경우, 전단률은 회전 속도에 정비례한다. 회전속도는 도 8에 도시된 샘플저장실의 한 쪽 면에 부착된 레이저 다이오우드 또는 발광다이오우드(LED) 등과 같은 광원(31)이 조사되어 반사되는 것을 광다이오우드(PHOTODIODE) 등과 같은 광센서(32)가 감지하여서 단위시간당 회전속도를 측정할 수 있다.

도 6은 제 5도에의 실시예에 따른 구엣유동기(60')의 다양한 예로써, 자장에 영향을 받는 금속재질로 구성된 원형판(68)과 원형중심축(65)으로 구성된 형상을 지닌 한 예가 왼쪽 편에 도시되어 있다. 또한, 도 6의 중앙에는 자장의 영향을 받지 않는 비철 금속 물질 또는 플라스틱 등의 재질로 원형판(68')과 원형중심축(65)의 모양을 구성하고, 이 원형판의 상부에 자장의 영향을 받는 금속재질의 스트립(66)을 부착 조립한 쿠엣 유동기를 도시하였다. 이 경우, 유도회전 운동이 전자에 비하여 안정적이며 경량화되어 회전유도장치의 고속 회전에 따른 미끌림(slip) 현상이 제거된다. 한편, 오른쪽 그림에는 자장의 영향을 받지 않는 비철 금속 물질 또는 플라스틱 등의 재질로 원형중심축(65)과 자장의 영향을 받는 금속재질의 스트립(65')을 중심축에 부착 조립한 쿠엣 유동기를 도시하였다.

상기와 같은 자력구동식 쿠엣유동 생성장치는 혈구응집계에 적용될 수 있는 데, 도 7과 도 8 을 참조하여 구체적으로 본 발명의 일회용 쿠엣유동 생성 장치의 한 실시예인 회전 쿠엣유동 생성 장치를 이용한 혈구응집계의 작동 원리 및 방법을 설명하면 다음과 같다. 도 7과 도 8은 제 3도에의 실시예에 따른 샘플액을 혈액으로 하였을 경우, 혈구 응집률을 측정하는 장치의 개략도이다. 일회용 키트(10)는 키트 홀더(40)에 의하여 견고히 지지부를 형성하여 키트부와 센서부 및 회전유도장치(20)와의 일정한 간격을 유지시켜 준다. 샘플액이 주입되면서 쿠엣유동기가 천천히 회전하면서 샘플챔버 표면에 코팅된 항응고제와 혈액이 혼합되도록 일정 시간동안 회전시켜 준다. 이후, 쿠엣유동기를 매우 빠른 속도로 회전시켜 전단률이 500(1/s) 이상이 되도록 5초 동안 유지시킨 후, 급격히 정지시킨다. 이 때, 샘플 챔버내부에 있는 샘플액도 0.1초 이내에 멈추는 것으로 알려져 있다. 이 때, 광원으로부터 조사된 빛의 역산란 또는 투과된 빛의 세기를 시간에 따라 측정하는 장치이다.

도 9는 제 7도의 실시예에 따른 결과, 즉 역산란된 빛의 세기를 시간에 따라 나타낸 그래프이다. 이를 실렉토그램(Syllectogram) 이라 한다. 강한 회전 쿠엣 유동을 인가하기 전에는 혈구가 응집된 상태이어서, 혈구의 표면적 비가 상대적으로 낮아 광원으로부터 조사된 빛의 대부분이 투과되고 역산란되는 빛의 양이 낮지만, 이를 회전유도장치(20)에 의하여 쿠엣유동기를 회전시키면 2~3초 이내에 혈구의 응집체가 분산되면서 혈구의 표면적 비율이 증가하고 따라서 역산란되는 빛의 양은 점차 지수함수적으로 급격히 증가하며 최대값에 도달한다. 이 때, 회전 쿠엣유동을 멈추면 혈구의 응집은 다시 지수함수적으로 증가하면서 이에 따른 역산란광의 세기도 지수함수적으로 감소한다. 이를 광센서(32)로 측정하며 측정된 신호 값을 각 시간에 따라 프로세서(51)에 저장하고 이를 분석 처리하여 혈액 샘플의 응집률 특성으로 환산하며 화면과 같은 출력장치(52)에 값을 표시하게 된다. 이러한 실렉토그램을 분석하는 방법은 이미 'Clinical Hemorheology and Microcirculation' 저널(Vol. 25, pp. 1-11, 2001)에 공시되어 있으며 이를 통해 다양한 혈구 응집률 인덱스를 결정할 수 있다.

도 7에서는 역산란된 광을 이용하여 계측하였지만, 광 투과법을 이용한 혈구 응집률을 측정하는 방법도 이미 공지의 사실이다. 즉, 광원으로부터 조사된 빛이 혈구에 산란되어 투과(transmission)되어 나가는 빛을 광센서로 수집하는 방식만이 다른 점이다.

상기와 같은 자력구동 쿠엣유동 생성장치는 액체 점도 측정의 목적에 적용될 수 있다. 먼저 그 일례로 도 8을 참조하여 본 발명의 일회용 쿠엣유동 생성 장치를 이용한 점도계의 작동 원리 및 방법을 설명하면 다음과 같다. 일회용 키트(10)를 키트 홀더(40)에 삽입하면, 키트부는 견고히 지지부를 형성하게되고, 또한 센서부(32) 및 회전유도장치(20)와의 일정한 간격을 유지시켜 준다. 샘플액을 주입한 후, 자력식 회전유도장치(20)를 이용하여 쿠엣유동기(60')을 여러 가지의 회전 속도로 각각 회전시킨다. 이 때, 샘플액의 점성에 의해 쿠엣유동기에 마찰 전단력이 작용되고 이에 따라서, 쿠엣유동기와 회전유도장치의 회전에서 미끌림(slip) 현상이 발생하며 이러한 미끌림 때문에 쿠엣유동기의 회전속도는 회전유도장치의 회전속도와 차이를 보이게 된다. 이러한 회전속도의 차이는 액체가 지닌 점도(viscosity)와의 관계로 설명될 수 있어 도 10 에 도시된 바와 같이 샘플액의 점도를 측정하는데 사용할 수 있다. 특히, 회전 속도에 따라 전단률이 변화되는 본 발명의 장점을 이용하면 다양한 전단률에서 샘플액의 점도를 측정 할 수 있어 혈액과 같은 비뉴턴성 점도를 지닌 액체의 점성 측정에 적합하다. 또한, 샘플 챔버의 부피를 최소화할 수 있어 샘플액의 소요량을 수 마이크로 리터로 제한 할 수 있는 장점이 있어 혈액 점도 측정에 유용하게 사용할 수 있다.

제 2도와 3도에 도시된 바와 같이, 본 발명의 장치 구성 중 샘플 액체가 직접적으로 접촉하는 일회용 키트는 샘플 주입구(11), 미세유동관(12), 샘플 저장실(13) 등은 재질이 실리콘, 석영, 실리카, 유리, 레이저 가공 가능한 폴리머, 사출성형 폴리머 및 세라믹 등의 후보 그룹에서 적어도 어느 하나로 선택되어 제작될 수 있다. 이러한 일회용 키트는 사용후 폐기할 수 있는 일회용품으로의 제작이 가능하다. 즉, 플라스틱 소재를 모재(substrate)로하여 마이크로 인젝션(micro-injection) 공법을 이용하여 제 3도에 도시된 바와 같은 구조물을 쉽게 가공할 수 있다. 이러한 플라스틱 모재물은 일회용으로 사용하기에 매우 경제적으로 적합하여 혈액과 같이 병원체의 오염 등이 우려되는 경우 측정 후 폐기할 수 있어 매우 편리하다. 이 때, 일회용 키트는 일체형으로 제작되거나 상판(15)과 하판(16)이 분리되어 제작된 후, 접착하는 형태로 조립될 수 있다. 이와 유사한 방법으로 LIGA프로세스를 통해 만든 MASK를 이용하여 실리콘, 석영, 실리카, 유리 등의 재질에 대해서도 미세채널 가공이 가능하다. 따라서, 상기 일회용 키트의 재질은 실리콘, 석영, 실리카, 유리, 레이저 가공 가능한 폴리머,사출성형 폴리머 및 세라믹 등의 후보 그룹에서 하나를 선택하는 것으로 한다.

제 3도에 도시된 샘플저장실(13)은 샘플저장실은 원형의 챔버 형태로서 저장실의 크기는 사용 목적에 따라 여러 크기가 사용될 수 있지만 일반적으로 직경이 1~ 10 밀리미터 정도이며, 깊이는 0.1 ~ 5 밀리미터 정도이다. 따라서, 혈액 샘플량은 수마이크로리터 만으로도 측정이 가능하도록 샘플저장실을 설계할 수 있다. 이때, 혈액이 샘플저장실로 잘 유입되게 하기 위하여 샘플저장실에 배기 구멍(17)을 확보하여 내부에 존재하는 기체가 압축되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 혈액 샘플은 샘플저장실에 충진될 수 있도록 한다. 샘플 저장실의 상판 또는 하판은 광학적으로 투명하여야 하며, 샘플 저장실에 놓인 혈액에서 혈구의 응집 정도를 산란된 빛의 양으로 측정할 수 있게 된다.

제 4도에 도시된 일회용 원판형 쿠엣유동기(60)는 회전유도장치(20)에 의하여 회전운동을 하는 것으로서, 회전유도장치가 시간에 따라 변화하는 자장에 의한 효과를 사용할 경우, 자장에 영향을 받는 적당한 크기와 형상을 갖춘 어떠한 물체라도 사용할 수 있다. 일회용 쿠엣유동기의 크기는 샘플저장실의 크기에 비례하여 설계되어야 한다. 회전 평판(61)의 반경은 1 ~ 9 밀리미터 정도이며 중심축(62)의 길이는 0.5 ~ 5 밀리미터 정도이다. 이러한 쿠엣유동기는 자장의 영향을 받는 철 금속재질을 사용하여 압정과 같은 모양을 사용할 수 있다. 또한, 플라스틱 또는 비철 금속을 사용하여 압정 모양을 형성하되, 얇고 철 금속재질의 긴 스트립(63)을 원형 평판(61) 하부 중심에 대칭적으로 부착하여 사용할 수 있다. 후자의 경우에는 회전하는 유도 자장에서 안정적으로 회전운동이 유도될 수 있으며, 쿠엣유동기의 자중 을 가벼워져 회전유도장치와의 회전 미끌림이 경감되며 적은 자장의 힘으로도 회전운동이 유도된다.

제 5도에 도시된 일회용 원관형 쿠엣유동기(60') 또한, 회전유도장치(20)에 의하여 회전운동을 하는 것으로서, 회전유도장치가 시간에 따라 변화하는 자장에 의한 효과를 사용할 경우, 자장에 영향을 받는 적당한 크기와 형상을 갖춘 어떠한 물체라도 사용할 수 있다. 일회용 쿠엣유동기의 크기는 샘플저장실의 크기에 비례하여 설계되어야 한다. 회전 원관(65)의 반경은 0.5 ~ 10 밀리미터 정도이며 길이는 5 ~ 20 밀리미터 정도이다. 이러한 쿠엣유동기는 자장의 영향을 받는 철 금속과 같은 자화(磁化)재질을 전체 또는 일부에 사용할 수 있다. 또한, 플라스틱 또는 비철 금속을 사용하여 원관 모양을 형성하되, 얇고 철 금속재질의 긴 스트립(66)을 원형관에 끼워 사용하거나 원형판 (68) 하부 중심에 부착하여 사용할 수 있다. 회전 운동시 중심축의 마찰을 최소화하기 위하여 원형 중심축의 상부(67)와 하부(65)의 끝은 뾰족한 형상을 하도록 한다.

도 4의 원형판 쿠엣유동기의 중심축(62)은 원형평판(61)의 도형적 중심에 있을 뿐 아니라 무게 중심의 위치에 있어야 하는데, 이는 회전운동시 진동을 최소화 할 수 있기 때문이다. 또한 쿠엣유동기의 중심축(62)과 일회용 키트의 홈(14) 사이의 마찰을 감소시키기 위하여 쿠엣유동기의 중심축(62)의 끝을 날카롭게 하여 회전 접촉 부분을 최소화 할 수 있다.

상기의 쿠엣유동기는 혈액에 영향을 주지 않도록 테플론과 같이 혈액 적합성 물질이거나 혈액에 안정적인 폴리머로 코팅하여 사용하는 것이 좋다. 또한, 이와 같 은 쿠엣유동기는 물론 사용후 폐기 가능한 일회용(disposable)이 가능하도록 재료와 가공이 저렴하여야 한다.

회전유도장치(20)와 쿠엣유동기(60)를 이용한 회전쿠엣유동을 통하여 샘플저장실에 있는 혈액은 교반 또는 전단유동을 받게된다. 이때, 짧은 시간 내에 혈구응집을 제거하고 혈구를 균일 분산시키기 위해서는 전단유동의 강도가 적절히 설계되어야 한다. 이때, 과도한 전단유동은 혈구의 손상을 가져와 혈구의 응집에 영향을 줄 수 있기 때문에 주의하여야 한다. 또한, 회전유도장치의 자장이 혈구 응집현상에 영향을 줄 수 있기 때문에 이러한 간섭현상을 방지하기 위하여 자장 차폐판을 샘플저장실과 회전유도장치에 삽입할 수 있다.

제 3도에 도시된 자력구동 회전유도장치(20)는 쿠엣유동기(60)에 적절한 회전 운동을 유도하여 회전형 쿠엣 유동을 생성시킨다. 회전유도장치(20) 구성의 일례로 소형모터, 원형판, 영구자석 등으로 구성할 수 있다. 이 때 영구자석은 원형판에 대칭으로 부착되어 있게 되며 모터의 회전 속도에 영구자석이 회전하게 됨에 따라 샘플저장실에 있는 쿠엣유동기가 영향을 받아 움직이게 된다. 이러한 회전유도장치의 또 다른 구성의 일례로, 전자석을 이용하여 회전하는 구동장치 없이도 구성할 수 있다. 즉, 전자석을 이용하여 반복적으로 자장의 방향을 교환하여 줌으로서 영구자석이 회전하는 원리와 동일한 효과를 거둘 수 있다.

이러한 회전유도장치 및 쿠엣유동기를 사용한 쿠엣유동 생성 방법과 장치는 간단하면서 매우 효과적으로 쿠엣유동을 구현할 수 있다는 특징이 있다. 이러한 특징은 기계적 동력전달방법 없이 자력으로 동력이 전달되어 쿠엣 유동이 이루어진다 는 점에서 그 활용성은 더 크다고 하겠다. 즉, 샘플액과 접촉하는 부분을 일회용으로 할 수 있다는 점이다. 또한, 장치를 미소화하여 미소량의 샘플에 대해서 쿠엣 유동을 가할 수 있고 관련된 실험과 측정을 할 수 있는 핵심 기술을 제공한다는 점이다. 이러한 기술은 특히, 혈액과 같이 미소량을 손끝에서 채혈하는 경우에 매우 유용하게 사용될 수 있다.

이러한 자력구동 쿠엣유동기를 이용하여 본 발명의 한 예시로 혈구의 응집률 측정기를 앞에서 제시하였다. 이는 혈구응집을 단시간 내에 제거할 수 있는 쿠엣유동을 그대로 적용하면서 이러한 쿠엣 유동장치를 일회용 겸 소형화한 점이 기존 기술의 단점을 해결하였다. 즉, 기존 기술의 가장 큰 문제점이었던 응집된 혈구를 분산하는 메커니즘에서 이중 동심원관 또는 이중 평판을 이용한 회전전단유동 방식은 복잡하고 고가의 장비가 필요하며 세척이 용이하지 않다는 문제점 등을 피할 수 있게 되었다.

제 1도 및 제 5도에 도시된 광원은 발광다이오우드(LED), 레이저 다이오드(Laser diode), 레이저(Laser) 등의 그룹에서 어도 어느 하나를 선택적으로 사용될 수 있으며 광센서는 광다이오우드(photodiode) 및 CCD 센서, 그리고 각각의 어레이(Array) 등의 후보 그룹에서 적어도 어느 하나를 선택적으로 사용될 수 있다.

한편, 혈액의 혈구 응집 특성은 온도에 따라 달라지는 특성을 지니고 있기 때문에 측정 온도를 제어할 필요가 있다. 따라서, 본 발명의 구성에서도 일회용 키트를 가열하여 적정한 온도를 유지하는 열전소자(thermo-electric component)를 장착하거나 할로겐램프 등의 광학적인 방법으로 샘플 및 일회용키트의 온도를 미리 정한 온도로 예열할 수 있도록 구성할 수 있다.

이상의 구성 및 작용에 의하면 본 발명은 샘플액에 자력구동 회전유도장치와 쿠엣유동기를 사용함으로 회전형 쿠엣유동을 생성할 수 있다는 점과 이러한 쿠엣유동장치가 일회용, 소형화 할 수 있는 장점을 지니고 있다. 또한, 샘플량을 수 마이크로리터 정도로 최소화 할 수 있다. 특히, 상기 발명된 장치는 샘플액이 일회용 키트 이외에는 접촉이 되지 않고, 샘플 액체가 접촉하는 부분은 모두 일회용 키트(Kit) 등으로 제작이 가능하기 때문에 진료현장에서의 실시간 임상 적용에 사용할 수 있는 기술로서 매우 큰 장점을 가지고 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 특히, 기존에 회전평판형 쿠엣 유동을 사용하는 일체의 기술에 대해서도 적용할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

Claims (12)

1. 자력구동식 회전형 쿠엣유동을 생성하는 장치로서,

   샘플 주입구;

   상기 주입구와 연결되어 주입된 샘플 액체를 받아 저장하는 상판과 하판으로 구획지어지는 이중원판형의 샘플 저장실;

   상기 샘플저장실 내부에 존재하며 회전운동을 하는 자장에 영향을 받는 금속재질의 원형판(61) 또는 자장에 영향을 받는 금속재질의 스트립(63)이 부착된 자장에 영향을 받지 않는 재질의 원형판(61')을 갖는 쿠엣유동기;

   상기 샘플저장실 내의 상기 자장에 영향을 받는 금속재질의 원형판(61) 또는 자장에 영향을 받는 금속재질의 스트립(63)의 회전을 자력에 의해 유도하는 회전유도장치;

   상기 샘플저장실 한쪽 면에 위치하는 광원;

   상기 광원이 샘플에 조사되어 상기 원형판(61, 61')에 의해 반사되어 나오는 빛을 감지하는 광센서;

   상기 회전유도장치와 광센서와 연결되어 있어, 각각 시간에 따라 회전을 유도하며 또한 시간에 따른 감지된 빛을 분석 처리하여 전단률을 계산하는 프로세서;

   상기 프로세서로부터 계산된 전단률을 나타내주는 출력장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자력구동식 회전형 쿠엣유동 생성 장치.
2. 자력구동식 회전형 쿠엣유동을 생성하는 장치로서,

   샘플 주입구;

   상기 주입구와 연결되어 주입된 샘플 액체를 받아 저장하는 실린더형의 이중원관형의 샘플 저장실;

   상기 샘플저장실 내부에 존재하며 회전운동을 하는 자장에 영향을 받는 금속재질의 원형판(68) 또는 자장에 영향을 받는 금속재질의 스트립(66)이 부착된 자장에 영향을 받지 않는 재질의 원형판(68') 또는 자장에 영향을 받는 금속재질의 스트립(66') 중의 어느 하나로 이루어지는 회전유도반응체와, 상기 회전유도반응체의 중심에 동축으로 고정된 중심 원형봉(65)을 갖는 쿠엣유동기;

   상기 샘플저장실 내의 상기 회전유도반응체의 회전을 자력에 의해 유도하는 회전유도장치;

   상기 샘플저장실 한쪽 면에 위치하는 광원;

   상기 광원이 샘플에 조사되어 상기 원형봉(65)에 의해 반사되어 나오는 빛을 감지하는 광센서;

   상기 회전유도장치와 광센서와 연결되어 있어, 각각 시간에 따라 회전을 유도하며 또한 시간에 따른 감지된 빛을 분석 처리하여 전단률을 계산하는 프로세서;

   상기 프로세서로부터 계산된 전단률을 나타내주는 출력장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자력구동식 회전형 쿠엣유동 생성 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   동력전달의 한 방법으로, 상기 회전유도장치(20)가 시간에 따라 자기장을 변화시켜 회전운동을 유도하고, 쿠엣유동기(60)는 이러한 자기력의 영향을 받아 회전운동이 유도되는 것을 특징으로 하는 자력구동식 회전형 쿠엣유동 생성 장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 회전유도장치(20)는 영구자석의 기계적 회전운동방식 또는 자기장의 방향을 전기적으로 변화시켜 주는 전자기석 방식 중 적어도 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 자력구동식 회전형 쿠엣유동 생성 장치.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 원판형 쿠엣유동기는 상기 원형판(61, 61') 외에도 회전중심축(62)을 더 포함하는 압정 모양의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 자력구동식 회전형 쿠엣유동 생성 장치.
7. 제 2 항에 있어서,

   상기 원관형 쿠엣유동기는, 상기 중심 원형봉(65)과 상기 회전유도반응체 외에도 상부 중심축(67)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자력구동식 회전형 쿠엣유동 생성 장치.
8. 삭제
9. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,

   상기 쿠엣유동기의 회전 접촉부는,

   회전운동시 지지부와 접촉마찰저항을 최소화하기 위하여 날카로운 송곳 모양으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자력구동식 회전형 쿠엣유동 생성 장치.
10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

    상기 광센서(71)는,

    포토다이오우드 또는 CCD 센서어레이 중 적어도 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 자력구동식 회전형 쿠엣유동 생성 장치.
11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

    상기 쿠엣유동 생성 장치는,

    회전유동장치(20)의 회전수와 쿠엣유동기(60)의 회전속도 차이를 비교하여 샘플액의 점도를 결정할 수 있는 것을 특징으로 하는 자력구동식 회전형 쿠엣유동 생성 장치.
12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

    상기 쿠엣유동 생성 장치는,

    샘플액에 조사된 빛의 시간에 따른 기록을 통해 샘플액의 응집 정도를 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 자력구동식 회전형 쿠엣유동 생성 장치.

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