KR100899138B1 - 미소입자 처리장치 - Google Patents

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KR100899138B1
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조영호
추현정
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Abstract

본 발명은 미소입자 처리장치에 관한 것으로서, 전극과 절연체 구조물의 구성만으로도 미소입자를 정렬 및 분리할 수 있고, 전극을 하부면에 위치시켜 구성, 제조 과정을 용이하게 할 수 있으며, 유전영동력으로 미소입자를 정렬 및 분리시킬 수 있는 미소입자 처리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그 기술적 구성은 미소입자를 포함하는 미세유체가 이동하는 유로; 전압원에서 인가되는 전압으로 미소입자를 유전영동으로 이동되도록 전기장을 형성하는 전극; 및 상기 전기장을 변형시켜 양의 유전영동으로 미소입자를 집중시키도록 구비되는 절연체 구조물; 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
미소입자, Focusing, 분리기, 절연체, 구조물, 랩온어칩, 유전영동

Description

미소입자 처리장치{Device for Focusing and Seperating Micro Particles}
도 1은 본 발명에 따른 미소입자 처리장치를 개략적으로 도시한 투과사시도.
도 2는 본 발명에 따른 미소입자 처리장치를 개략적으로 도시한 평면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 미소입자 처리장치를 개략적으로 도시한 투과사시도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 미소입자 처리장치를 개략적으로 도시한 평면도.
도 5는 본 발명에 따른 미소입자 처리장치의 전기장을 도시한 도.
도 6a는 본 발명에 따른 미소입자 처리장치의 절연체 구조물을 변형시킨 예를 도시한 평면도.
도 6b는 본 발명에 따른 미소입자 처리장치의 절연체 구조물을 변형시킨 예를 도시한 평면도.
도 6c는 본 발명에 따른 미소입자 처리장치의 절연체 구조물을 변형시킨 예를 도시한 평면도.
도 7a는 본 발명에 따른 미소입자 처리장치의 전극을 변형시킨 예를 도시한 단면도.
도 7b는 본 발명에 따른 미소입자 처리장치의 전극을 변형시킨 예를 도시한 단면도.
도 7c는 본 발명에 따른 미소입자 처리장치의 전극을 변형시킨 예를 도시한 단면도.
도 7d는 본 발명에 따른 미소입자 처리장치의 전극을 변형시킨 예를 도시한 단면도.
도 7e는 본 발명에 따른 미소입자 처리장치의 전극을 변형시킨 예를 도시한 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 도면 부호의 간단한 설명>
1: 미소입자 처리장치 10: 유로
20: 절연체 구조물 21: 제1 절연체 구조물
23: 제2 절연체 구조물 25a: 제1 절연체
25b: 제2 절연체 25c: 제3 절연체
30: 전극 31: 제1 전극
33: 제2 전극 35: 제3 전극
37: 제4 전극 39: 제5 전극
40: 미소입자 50: 전압원
61: 배출구 63: 제1 분리 배출구
65: 제3 분리 배출구
본 발명은 미소입자 처리장치에 관한 것으로, 특히 유체 내의 미소입자를 집속 및 정렬시키고, 혼합된 미소입자를 분리할 수 있는 미소입자 처리장치에 관한 것이다.
일반적으로, 미소입자 처리장치는 입자 분석기에서 미소입자를 빠르고 정확하게 분석하기 위하여, 측정 대상인 미소입자를 일정한 측정 영역으로 집중(Focusing) 및 정렬시키기 위하여 구비된다.
여기서, 유체 유입구를 이용한 미소입자 처리장치는 다수의 유체 유입구를 추가로 구비하는데, 미소입자가 이동하는 중앙 유로의 입구 또는 측면 등에 형성시켜 유체를 주입함으로써, 미소입자를 유로의 높이 방향 및 폭 방향으로 정렬하여 중심부에 위치시킨다.
또한, 유전영동을 이용한 미소입자 처리장치는 유로의 상, 하단에 전극을 구비하고, 이에 따라 형성되는 전기장에 따라, 음의 유전영동으로 이동하는 미소입자들을 유로의 높이 방향 및 폭 방향으로 정렬하여 중심부에 위치시킨다.
그러나, 유체 유입구를 이용한 미소입자 처리장치는 다수개의 유체 유입구가 추가로 형성됨으로써, 각각의 유체 유입구의 유량 조절이 용이하지 못하고, 이에 따른 추가 유량 제어 모듈의 구비로 집적이 용이하지 못하며, 유전영동을 이용한 미소입자 처리장치는 유로의 상, 하단에 전극으로 인하여 공정수가 증가하고, 이에 따라 제작 단가가 상승하며, 전극으로부터의 거리가 증가할수록 유전영동력이 감소하여 유로의 중앙에서 미소입자의 정렬 효율이 낮은 등의 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 전극과 절연체 구조물의 구성만으로도 미소입자를 정렬 및 분리할 수 있는 미소입자 처리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 전극을 하부면에 위치시켜 구성, 제조 과정을 용이하게 하고, 비용을 절감할 수 있는 미소입자 처리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 양의 유전영동으로 미소입자를 정렬시키고, 음의 유전영동으로 미소입자를 분리시킬 수 있는 미소입자 처리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 미소입자를 포함하는 미세유체가 이동하는 유로; 전압원에서 인가되는 전압으로 미소입자를 유전영동으로 이동되도록 전기장을 형성하는 전극; 및 상기 전기장을 변형시켜 양의 유전영동 으로 미소입자를 집중시키도록 구비되는 절연체 구조물; 을 포함한다.
여기서, 상기 절연체 구조물 상단에서 양의 유전영동으로 이동된 미소입자를 배출하기 위한 배출구; 상기 절연체 구조물로 형성된 전기장에 의해 음의 유전영동으로 이동된 미소입자를 배출하기 위한 분리 배출구; 를 더 포함하여, 두 개 이상의 미소입자를 분리시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 절연체 구조물은 미세유체의 이동 방향으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 절연체 구조물은 다수개 구비될 수 있는 것을 특징으로 한다.
더불어, 상기 절연체 구조물은 유로면에 유착된 미소입자를 이동시키기 위하여 유로면에 근접하게 위치한 형태로 변형될 수 있는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 절연체 구조물은 미소입자를 분리하도록 유체 이동 방향에 평행하게 다수개 구비될 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 절연체 구조물의 높이는 미소입자가 유로 높이 방향으로 중앙부에 위치할 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 전극은 상기 절연체 구조물을 중심으로 대칭되도록 상기 절연체 구조물과 동일 유로면에 형성될 수 있는 것을 특징으로 한다.
더불어, 상기 전극은 상기 절연체 구조물에 대하여 비대칭되도록 형성될 수 있는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 전극에 인가되는 전압은 교류 전압인 것을 특징으로 한다.
또한, 인가되는 교류 전압의 주파수로 미세유체 내 미소입자의 유전 영동이 변경될 수 있는 것을 특징으로 한다.
더불어, 상기 전극은 유로면에 3 상을 이루도록 더 구비될 수 있는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 예시도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 미소입자 처리장치를 개략적으로 도시한 투과사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 미소입자 처리장치를 개략적으로 도시한 평면도이다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 미소입자 처리장치(1)는 유로(10)와 절연체 구조물(20)과 전극(30)과 전압원(50)을 포함하여 이루어진다.
여기서, 유로(10)는 미소입자(40)를 포함하는 미세유체가 이동할 수 있는 공간이며, 랩온어칩(Lab on a Chip)과 같이 플라스틱, 유리, 실리콘 등의 소재를 이용하여 나노 또는 마이크로 단위의 미세채널을 형성하고, 상기 유로(10)의 일측면에서는 미소입자(40)를 포함한 미세유체를 일정 유속을 가지고 주입시키고, 타측면에서는 미소입자(40)를 포함한 미세유체를 배출할 수 있도록 구비된다.
또한, 절연체 구조물(20)은 상기 유로(10)에 주입되는 미소입자(40)를 포함한 미세유체가 흐르는 방향, 즉 유로(10)의 길이 방향으로 형성되는 것이 바람직하며, 본 발명에 따른 미소입자 처리장치(1)에서는 일정 길이를 가지고 상기 유로(10)의 하부면 중심부에 구비된다.
그리고, 상기 전극(30)은 상기 절연체 구조물(20)을 중심으로 대칭되도록 상기 유로(10)의 하부면에 구비되고, 상기 절연체 구조물(20)의 상단부에서 전기장(電氣場, Electric Field)의 세기가 최고점에 이르도록 교류 전압을 인가한다.
이때, 상기 전극(30)은 제1 전극(31)과 제2 전극(33)으로 이루어져 일측에 교류 신호를 인가하면, 타측은 교류 신호에 대한 일정 전위를 형성시키기 위한 접지 역할을 수행하도록 구비된다.
여기서, 상기 절연체 구조물(20)의 상단부에서 전기장의 세기가 최고점에 이르는 배치로 변형시키는 것도 바람직하다.
또한, 상기 전압원(50)은 상기 전극(30)에 교류 전압을 공급할 수 있도록 구비된다.
이하, 본 발명에 따른 미소입자 처리장치의 미소입자 정렬을 위한 작동 과정을 설명한다.
우선, 유로(10)의 일측면으로 미소입자(40)를 포함하는 미세유체를 유입시키는데, 여기서 상기 미소입자(40)는 혼합되지 않은 단일 미소입자(40)를 가지는 것이 바람직하며, 전기장이 강한 방향으로 이동하는, 즉 양의 유전영동에 의하여 이동되는 미소입자(40)인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 전압원(50)을 온(On)시켜 제1 전극(31) 및 제2 전극(33)을 포함한 전극(30)에 교류 전압을 인가시키며, 제1 전극(31)에 교류 신호를 인가하였으 면, 제2 전극은 상기 제1 전극(31)이 일정 전압으로 전기장을 형성할 수 있도록 접지 역할을 수행하도록 구비되고, 그 역도 가능하다(Vice Versa).
또한, 상기 전압원(50) 및 제1 전극(31), 제2 전극(33)을 포함한 전극(30)을 통하여 전기장이 형성되는 과정에서, 유체 이동 방향으로 형성된 절연체 구조물(20)에 의하여 전계(電界)는 절연체 구조물(20)의 상단면과, 상기 제1 전극(31)과 맞닿아 있는 면의 상부면 및 제2 전극(33)과 맞닿아 있는 면의 상부면에서 최고점을 형성하게 된다.
그래서, 상기 절연체 구조물(20)의 상단면 및 상기 상단면과 맞닿아 있는 양측면의 상단부 측에 강한 전기장이 형성되면, 강한 전기장으로 이동하는 미소입자(40)들은 상기 절연체 구조물(20)의 상단면으로 집속(集束, Focusing)되는데, 이를 양의 유전영동이라 한다.
예를 들어, 상기 절연체 구조물(20)의 상단면에 강한 전기장이 형성되어 있고, 미소입자(40)가 전하를 띄고 있지 않은 상태라면, 전기 쌍극자 유도 현상에 의하여, 상기 미소입자(40)는 전기 쌍극자(Dipole) 형태로 형성되고, 강한 전기장 즉, 상대적으로 강한 전위(電位, Electric Potential)를 가지는 절연체 구조물(20)의 상단면으로 이동하는 양의 유전영동에 의하여, 미소입자(40)는 제1 전극(31) 및 제2 전극(33)으로 강한 전기장이 형성된 절연체 구조물(20)의 상단부로 이동하게 되는 것이다.
따라서, 상기 절연체 구조물(20)의 상단면으로 양의 유전영동에 의하여 집속(Focusing)된 미소입자(40)는 유체의 흐름에 따라 이동되되, 상기 절연체 구조 물(20)의 상단면에 정렬되어 이동한다.
또한, 유로(10) 내의 유체가 층류(Laminar Flow)로 인하여 평행하도록 이동하고, 이에 따라 집속 및 정렬된 미소 입자(40)는 절연체 구조물(20) 및 전극(30)의 구비가 없을지라도, 집속 및 정렬된 위치를 유지할 수 있다.
따라서, 상기 미소입자(40)는 상기 유로(10)의 높이 방향의 중심부에 위치하게 되고, 이에 따라 측정 시, 상기 미소입자(40)가 유로(10)의 상, 하부면, 좌, 우면에 근접하게 위치하여 발생하는 노이즈가 제거될 수 있다.
여기서, 상기 미소입자(40)는 상기 절연체 구조물(20)의 상단면의 높이인 상기 유로 높이 방향의 중심부에 근접하게 위치할 수 있고, 이에 따라 정렬된 미소입자(40)를 측정 및 관찰하는 것이 가능케된다.
더불어, 본 발명에 따른 미소입자 처리장치(1)는 양의 유전영동으로 미소입자(40)를 정렬(Focusing)하는데, 유전영동의 성질은 유체의 종류, 미소입자의 종류, 교류 전압 신호의 주파수에 따라 달라질 수 있다.
여기서, 유체의 분극화(polarization) 정도가 미소입자의 분극화 정도보다 크다면, 미소입자(40)에 작용하는 유전 영동력의 방향은 전기장의 기울기와 반대방향으로 형성이 되고, 이에 따라 미소입자(40)는 전기장이 약한 쪽으로 이동하는 음의 유전영동력으로 이동하며, 유로(10)의 상부면 모서리 측으로 이동하게 된다.
반대로, 미소입자(40)의 분극화 정도가 유체보다 더 크다면 유전 영동력은 전기장의 기울기 방향으로 형성되고, 이에 따라 미소입자는 전기장이 강한 쪽으로 이동하게 되며, 유로(10)의 중심부인 상기 절연체 구조물(20)의 상부면으로 이동하는데, 이러한 분극화(分極化)는 미소입자, 유체의 특성으로 교류 전압의 주파수에 따라 변하게 된다.
또한, 유전 영동력은 미소입자(40)의 크기의 세제곱에 비례하고, 전기장(Electric Field)의 기울기의 제곱에 비례하므로, 미소입자(40) 및 기울기가 클수록 유전 영동력이 증가하고, 이에 따라 미소입자(40)의 이동 속도가 증가한다.
여기서, 미소입자(40)의 크기가 작아서 유전영동력이 상대적으로 약한 나노 입자(Nano Particle)들은 유체의 흐름을 이용하여 구동할 수 있는 전기삼투(Electroosmosis)를 이용하는 것도 바람직하다.
예를 들면, 상기 절연체 구조물(20)의 상부면에 전기장이 강하게 형성되면, 유체가 계면전기 2 중층을 형성하게 되고, 전기장에 의해 이동하여 유동이 발생하는데, 상기 유동으로 미소입자(40)를 이동시키는 것이다.
이때, 상기 유동의 세기는 전기장의 세기, 유체의 점도, 전해질의 농도 등에 따라 변할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 미소입자 처리장치를 개략적으로 도시한 투과사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 미소입자 처리장치를 개략적으로 도시한 평면도이다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 미소입자 처리장치(1)는 유로(10)와 절연체 구조물(20)과 전극(30)과 전압원(50)과 다수개의 배출구(61, 63, 65)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 유로(10)는 미소입자(40)를 포함하는 미세유체가 이동할 수 있는 공간이며, 랩온어칩(Lab on a Chip)과 같이 플라스틱, 유리, 실리콘 등의 소재를 이용하여 나노 또는 마이크로 단위의 미세채널을 형성하고, 상기 유로(10)의 일측면에서는 미소입자(40)를 포함한 미세유체를 일정 유속을 가지고 주입시키고, 타측면에서는 미소입자(40)를 포함한 미세유체를 배출할 수 있도록 구비된다.
또한, 절연체 구조물(20)은 상기 유로(10)에 주입되는 미소입자(40)를 포함한 미세유체가 흐르는 방향, 즉 유로(10)의 길이 방향으로 형성되는 것이 바람직하며, 본 발명에 따른 미소입자 처리장치(1)에서는 일정 길이를 가지고 상기 유로(10)의 하부면 중심부에 구비된다.
그리고, 상기 전극(30)은 상기 절연체 구조물(20)을 중심으로 대칭되도록 상기 유로(10)의 하부면에 구비되고, 상기 절연체 구조물(20)의 상단부에서 전기장(電氣場, Electric Field)의 세기가 최고점에 이르도록 교류 전압을 인가한다.
이때, 상기 전극(30)은 제1 전극(31)과 제2 전극(33)으로 이루어져 일측에 교류 신호를 인가하면, 타측은 교류 신호에 대한 일정 전위를 형성시키기 위한 접지 역할을 수행하도록 구비된다.
여기서, 상기 절연체 구조물(20)의 상단부에서 전기장의 세기가 최고점에 이르는 배치로 변형시키는 것도 바람직하다.
또한, 상기 전압원(50)은 상기 전극(30)에 교류 전압을 공급할 수 있도록 구비된다.
이하, 본 발명에 따른 미소입자 처리장치의 미소입자 분리를 위한 작동 과정을 설명한다.
우선, 유로(10)의 일측면으로 미소입자(40)를 포함하는 미세유체를 유입시키는데, 여기서 상기 미소입자(40)는 두 개 이상의 혼합된 미소입자(40)를 가지는 것이 바람직하며, 전기장이 강한 방향으로 이동하는, 즉 양의 유전영동에 의하여 이동되는 미소입자(40)와 전기장이 약한 방향으로 이동하는, 즉 음의 유전영동에 의하여 이동되는 미소입자(40)가 혼합된 것이 바람직하다.
그리고, 상기 전압원(50)을 온(On)시켜 제1 전극(31) 및 제2 전극(33)을 포함한 전극(30)에 교류 전압을 인가시키며, 제1 전극(31)에 교류 신호를 인가하였으면, 제2 전극은 상기 제1 전극(31)이 일정 전압으로 전기장을 형성할 수 있도록 접지 역할을 수행하도록 구비되고, 그 역도 가능하다(Vice Versa).
또한, 상기 전압원(50) 및 제1 전극(31), 제2 전극(33)을 포함한 전극(30)을 통하여 전기장이 형성되는 과정에서, 유체 이동 방향으로 형성된 절연체 구조물(20)에 의하여 전계(電界)는 절연체 구조물(20)의 상단면과, 상기 제1 전극(31)과 맞닿아 있는 면의 상부면 및 제2 전극(33)과 맞닿아 있는 면의 상부면에서 최고점을 형성하게 된다.
그래서, 상기 절연체 구조물(20)의 상단면 및 상기 상단면과 맞닿아 있는 양측면의 상단부 측에 강한 전기장이 형성되면, 강한 전기장으로 이동하는 미소입자(40)들은 상기 절연체 구조물(20)의 상단면으로 집속(集束, Focusing)되는데, 이 를 양의 유전영동이라 한다.
예를 들어, 상기 절연체 구조물(20)의 상단면에 강한 전기장이 형성되어 있고, 미소입자(40)가 전하를 띄고 있지 않은 상태라면, 전기 쌍극자 유도 현상에 의하여, 상기 미소입자(40)는 전기 쌍극자(Dipole) 형태로 형성되고, 강한 전기장 즉, 상대적으로 강한 전위(電位, Electric Potential)를 가지는 절연체 구조물(20)의 상단면으로 이동하는 양의 유전영동에 의하여, 미소입자(40)는 제1 전극(31) 및 제2 전극(33)으로 강한 전기장이 형성된 절연체 구조물(20)의 상단부로 이동하게 되는 것이다.
따라서, 상기 절연체 구조물(20)의 상단면으로 양의 유전영동에 의하여 집속(Focusing)된 미소입자(40)는 유체의 흐름에 따라 이동되되, 상기 절연체 구조물(20)의 상단면에 정렬되어 이동한다.
또한, 상기 절연체 구조물(20)의 상단면과의 거리가 증가할수록 전기장의 세기는 감소하는데, 유로(10)의 상부 양측 모서리 영역에서 전기장의 세기는 최저점을 형성하고, 이에 따라 전기장의 세기가 감소하는 방향으로 이동하는 미소입자(40)들은 유로(10)의 상부 양측 모서리 영역으로 이동하게 되고, 이를 음의 유전영동이라 한다.
따라서, 양의 유전영동으로 이동하는 미소입자(40)는 상기 절연체 구조물(20)의 상부면을 따라서 중앙으로 정렬되도록 집속되고(Focusing), 음의 유전영동으로 이동하는 미소입자(40)는 상기 유로(10)의 양측 모서리 영역으로 이동하는데, 양의 유전영동으로 이동하는 미소입자(40)는 음의 유전영동으로 이동하는 미소 입자(40)와 분리되고, 유로(10)의 중심부에 정렬되며, 음의 유전영동으로 이동하는 미소입자(40)는 양의 유전영동으로 이동하는 미소입자(40)와 분리되도록 배출된다.
결과적으로, 양의 유전영동으로 이동하는 미소입자(40)는 집속(Focusing) 및 분리되고, 음의 유전영동으로 이동하는 미소입자(40)는 분리될 수 있는 것이다.
여기서, 양의 유전영동으로 이동하는 미소입자(40)는 상기 절연체 구조물(20)이 형성된 방향 및 위치를 따라 이동하도록, 상기 유로(10)의 단부에 관통되도록 배출구(61)를 형성시키고, 이에 따라 상기 미소입자(40)가 상기 유로(10)의 높이 방향의 중심부에 위치하게 되고, 측정 시, 상기 미소입자(40)가 유로(10)의 상, 하부면, 좌, 우면에 근접하게 위치하여 발생하는 노이즈가 제거될 수 있다.
또한, 유로(10) 내의 유체가 층류(Laminar Flow)로 인하여 평행하도록 이동하고, 이에 따라 집속 및 정렬된 미소 입자(40)는 절연체 구조물(20) 및 전극(30)의 구비가 없을지라도, 집속 및 정렬된 위치를 유지할 수 있다.
따라서, 상기 미소입자(40)는 상기 유로(10)의 높이 방향의 중심부에 위치하게 되고, 이에 따라 측정 시, 상기 미소입자(40)가 유로(10)의 상, 하부면, 좌, 우면에 근접하게 위치하여 발생하는 노이즈가 제거될 수 있다.
여기서, 상기 미소입자(40)는 상기 절연체 구조물(20)의 상단면의 높이인 상기 유로 높이 방향의 중심부에 근접하게 위치할 수 있고, 이에 따라 정렬된 미소입자(40)를 측정 및 관찰하는 것이 가능케된다.
그리고, 음의 유전영동으로 이동하는 미소입자(40)는 유로(10)의 상부면 양측 모서리 방향으로 이동하므로, 유로(10)의 단부 중앙에 형성된 배출구(61)를 기 준으로 유로(10)의 상부면 양측 모서리로 이동하는 미소입자(40)를 분리 및 배출하기 위하여 양측에 각각 제1 분리 배출구(63), 제2 분리 배출구(65)를 상기 유로(10)를 관통하도록 형성시킨다.
더불어, 본 발명에 따른 미소입자 처리장치(1)는 양의 유전영동으로 미소입자(40)를 정렬(Focusing) 및 분리하고, 음의 유전영동으로 미소입자(40)를 분리하는데, 유전영동의 성질은 유체의 종류, 미소입자의 종류, 교류 전압 신호의 주파수에 따라 달라질 수 있다.
여기서, 유체의 분극화(polarization) 정도가 미소입자의 분극화 정도보다 크다면, 미소입자(40)에 작용하는 유전 영동력의 방향은 전기장의 기울기와 반대방향으로 형성이 되고, 이에 따라 미소입자(40)는 전기장이 약한 쪽으로 이동하는 음의 유전영동력으로 이동하며, 유로(10)의 상부면 모서리 측으로 이동하게 되고, 이동된 미소입자(40)는 양의 유전영동으로 집중된 미소입자(40)와 분리된다.
반대로, 미소입자(40)의 분극화 정도가 유체보다 더 크다면 유전 영동력은 전기장의 기울기 방향으로 형성되고, 이에 따라 미소입자는 전기장이 강한 쪽으로 이동하게 되며, 유로(10)의 중심부인 상기 절연체 구조물(20)의 상부면으로 이동하게 되고, 이동된 미소입자(40)는 음의 유전영동으로 이동하는 미소입자(40)와 분리되면서 정렬되며, 이러한 분극화(分極化)는 미소입자, 유체의 특성으로 교류 전압의 주파수에 따라 변하게 된다.
또한, 유전 영동력은 미소입자(40)의 크기의 세제곱에 비례하고, 전기 장(Electric Field)의 기울기의 제곱에 비례하므로, 미소입자(40) 및 기울기가 클수록 유전 영동력이 증가하고, 이에 따라 미소입자(40)의 이동 속도가 증가한다.
여기서, 미소입자(40)의 크기가 작아서 유전영동력이 상대적으로 약한 나노 입자(Nano Particle)들은 유체의 흐름을 이용하여 구동할 수 있는 전기삼투(Electroosmosis)를 이용하는 것도 바람직하다.
예를 들면, 상기 절연체 구조물(20)의 상부면에 전기장이 강하게 형성되면, 유체가 계면전기 2 중층을 형성하게 되고, 전기장에 의해 이동하여 유동이 발생하는데, 상기 유동으로 미소입자(40)를 이동시키는 것이다.
이때, 상기 유동의 세기는 전기장의 세기, 유체의 점도, 전해질의 농도 등에 따라 변할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 미소입자 처리장치의 전기장을 도시한 도이다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 미소입자 처리장치(1)는 절연체 구조물(20)의 상부면 및 상기 절연체 구조물(20)이 제1 전극(31) 및 제2 전극(33)과 맞닿아 있는 모서리 영역을 포함한 영역에서 전기장(E-Field)이 약 5 * 105 [V/m]로 측정되며, 전기장의 세기가 가장 높은 영역으로 표시된다.
따라서, 전기장의 세기가 높은 방향으로 이동하는 양의 유전영동에 의하여, 강한 전기장으로 이동하는 성질을 가지는 미소입자(40)는 상기 절연체 구조물(10)의 상부면으로 이동하게 된다.
반대로, 전기장의 세기가 낮은 방향으로 이동하는 음의 유전영동에 의하여, 전기장의 세기가 감소하는 방향으로 이동하는 성질을 가지는 미소입자(40)는 유로(10)의 상부면 양측 모서리 영역으로 이동하는데, 상기 영역에서의 전기장(E-Field)이 약 1 * 105 [V/m]로 측정되며, 전기장의 세기가 가장 낮은 영역으로 표시된다.
더불어, 상기 전기장은 전압원(50)의 전압 세기 등의 변수에 의하여 변경될 수 있다.
도 6a는 본 발명에 따른 미소입자 처리장치의 절연체 구조물을 변형시킨 예를 도시한 평면도이다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 미소입자 처리장치(1)는 두 개의 절연체 구조물(21, 23)을 포함하여 이루어진다.
상기 절연체 구조물(21, 23)은 서로 유체 이동 방향에 대하여 평행하게 형성되고, 상기 유로(10)의 길이 방향으로 형성되는 것이 바람직하다.
여기서, 유로(10)에 주입되는 유체의 유입 방향에서 좌측에 구비된 절연체 구조물(20)을 제1 절연체 구조물(21)이라 하고, 우측에 구비된 절연체 구조물(20)을 제2 절연체 구조물(23)이라 한다.
그리고, 동일한 속도로 주입되는 유체에 대하여, 상기 유체에 포함된 미소입자(40)를 병렬로 형성된 제1 절연체 구조물(21) 및 제2 절연체 구조물(23)에 의하여 빠르게 집속시킬 수 있다.
또한, 제1 절연체 구조물(21) 및 제2 절연체 구조물(23)이 병렬로 형성되고, 상기 유로(10)의 양측면에 근접하게 위치함으로써, 상기 유체에 포함된 미소입자(40) 중 상기 유로(10)의 중앙부에서 멀리 위치한 미소입자(40)가 정렬 및 분리되기 위한 시간 및 거리를 단축할 수 있다.
도 6b는 본 발명에 따른 미소입자 처리장치의 절연체 구조물을 변형시킨 예를 도시한 평면도이다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 미소입자 처리장치(1)는 제1 절연체 구조물(21)과 제2 절연체 구조물(23)을 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 제1 절연체 구조물(21)과 제2 절연체 구조물(23)의 거리는 유로(10)의 일측 단부, 즉 유체가 배출되는 단부로 갈수록 감소하는 것이 바람직하다.
그 이유는, 본 발명의 실시예에 따른 미소입자 처리장치(1)는 미소입자(40)를 유로(10)의 중앙부에 위치시켜 관찰 및 측정을 용이하게 하도록 구비되고, 본 발명의 미소입자 처리장치(1)에 따라 미소입자(40)를 집속 및 정렬(Focusing)하는 기능을 가지므로, 제1 절연체 구조물(21)과 제2 절연체 구조물(23)의 거리가 유체가 유동하는 방향에 따라 감소하여 배출될 시점에서는 제1 절연체 구조물(21)의 상부면을 따라 이동하는 미소입자(40)와 제2 절연체 구조물(21)의 상부면을 따라 이동하는 미소입자(40)가 집속(Focusing)되어 정렬될 수 있는 것이다.
즉, 미소입자(40) 중 상기 유로(10)의 중앙부에서 멀리 이격된 미소입자(40) 를 정렬 및 분리시키기 위한 시간과 거리를 단축하는데, 유입부 부근 유로(10)의 각 면에 유착된 미소입자(40)는 제1 절연체 구조물(21) 및 제2 절연체 구조물(23)가 유로(10)의 면에 근접하도록 위치하여 집속 및 정렬, 또는 분리시키기 용이하다.
반대로, 배출부 부근의 제1 절연체 구조물(21) 및 제2 절연체 구조물(23) 간 거리가 증가함으로써, 집속된 미소입자(40)를 정렬시키기에 용이하며, 이에 따라 유로의 중앙부로 집속시켜 정렬 또는 분리가 가능하다.
또한, 상기 제1 절연체 구조물(21)은 유체유입방향에서 우측으로 일정 각도를 가지도록 형성되며, 제2 절연체 구조물(23)은 유체유입방향에서 좌측으로 일정 각도를 가지도록 형성됨으로써, 제1 절연체 구조물(21)이 유로(10)의 유체유입영역의 좌측면에 유착된 미소입자(40)를 정렬시킬 수 있으며, 제2 절연체 구조물(23)은 유로(10)의 유체유입영역의 우측면에 유착된 미소입자(40)를 정렬시킬 수 있도록 형성된다.
그리고, 상기와 같이 절연체 구조물(20)을 제1 절연체 구조물(21)과 제2 절연체 구조물(23)로 다수개 구비하여, 동일한 유체유입에 대하여 정렬(Focusing) 효율을 높일 수 있다.
한편, 제1 절연체 구조물(21) 및 제2 절연체 구조물(23)의 상단면으로 양의 유전영동으로 이동된 미소입자(40)와는 다르게, 음의 유전영동으로 전기장의 세기가 감소하는 방향으로 이동하는 미소입자(40)를 배출하도록 배출부를 형성시켜 분리시키는 것도 가능하므로, 본 실시예에 따른 미소입자 처리장치(1)는 집속 및 정 렬(Focusing) 뿐만 아니라, 혼합된 미소입자(40)를 분리할 경우에도 사용가능하다.
도 6c는 본 발명에 따른 미소입자 처리장치의 절연체 구조물을 변형시킨 예를 도시한 평면도이다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 미소입자 처리장치(1)는 제1 절연체(25a)와 제2 절연체(25b)와 제3 절연체(25c)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 제1 절연체(25a)는 유체유입방향에서 유로(10)의 좌측에 근접하도록 위치하며, 그 길이는 유로(10)의 길이의 약 1/3 정도로 형성시키며, 제2 절연체(25b)는 유체유입방향에서 유로(10)의 우측에 근접하도록 위치시키며, 그 길이는 유로(10)의 길이의 약 1/3 정도로 형성시키고, 제3 절연체(25c)는 유체유입방향에서 유로의 중심에 위치하도록 구비한다.
이때, 상기 제1 절연체(25a)는 유로(10)의 좌측에 근접하도록 위치되어, 상기 유로(10)의 좌측면에 유착되어 정렬되지 못하는 미소입자(40)까지 정렬가능하며, 상기 제2 절연체(25b)는 유로(10)의 우측에 근접하도록 위치되어, 상기 유로(10)의 우측면에 유착되어 정렬되지 못하는 미소입자(40)까지 정렬가능하고, 상기 제3 절연체(25c)는 유로(10)의 중앙에 위치하여 상기 제1 절연체(25a) 및 제2 절연체(25b)에서 정렬된 미소입자(40)를 중앙부로 집중(Focusing)시킨다.
또한, 상기 제1 절연체(25a)에서 정렬된 미소입자(40)는 제2 절연체(25b) 및 제3 절연체(25c)로 이동될 수 있는데, 제1 절연체(25a)에서 거리가 가까운 절연체로 이동할 수 있다.
한편, 제1 절연체(25a), 제2 절연체(25b), 제3 절연체(25c)의 상단면으로 양의 유전영동으로 이동된 미소입자(40)와는 다르게, 음의 유전영동으로 전기장의 세기가 감소하는 방향으로 이동하는 미소입자(40)를 배출하도록 배출부를 형성시켜 분리시키는 것도 가능하므로, 본 실시예에 따른 미소입자 처리장치(1)는 집속 및 정렬(Focusing) 뿐만 아니라, 혼합된 미소입자(40)를 분리할 경우에도 사용가능하다.
도 7a는 본 발명에 따른 미소입자 처리장치의 전극을 변형시킨 예를 도시한 단면도이다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 미소입자 처리장치(1)는 제1 전극(31)과 제3 전극(35)을 포함하여 이루어진다.
이때, 상기 제1 전극(31)은 유로(10)의 하부면을 따라 판 형상으로 형성되는 것이 바람직하고, 절연체 구조물(20)의 우측에 형성되며, 제3 전극(35)은 유로(10)의 상부면에 판형상으로 형성된다.
여기서, 전극(30)의 구조는 절연체 구조물(20)의 상단면에서 전기장의 세기가 최대가 되도록 본 실시예와 같이 변형될 수 있으며, 전기장은 상기 절연체 구조물(20)의 좌측 모서리 및 상단면을 중심으로 최대가 되도록 형성된다.
도 7b는 본 발명에 따른 미소입자 처리장치의 전극을 변형시킨 예를 도시한 단면도이다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 미소입자 처리장치(1)는 제4 전극(37)과 제5 전극(39)을 포함하여 이루어진다.
이때, 상기 제4 전극(37)은 유로(10)의 우측면을 따라 판 형상으로 형성되는 것이 바람직하고, 제5 전극(39)은 유로(10)의 좌측면을 따라 판 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
여기서, 전극(30)의 구조는 절연체 구조물(20)의 상단면에서 전기장의 세기가 최대가 되도록 본 실시예와 같이 변형될 수 있으며, 전기장은 상기 절연체 구조물(20)의 상단면 및 양측 모서리에서 최대가 되도록 형성된다.
도 7c는 본 발명에 따른 미소입자 처리장치의 전극을 변형시킨 예를 도시한 단면도이다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 미소입자 처리장치(1)는 제1 전극(31)과 제5 전극(39)을 포함하여 이루어진다.
이때, 상기 제1 전극(31)은 유로(10)의 하부면을 따라 판 형상으로 형성되는 것이 바람직하고, 절연체 구조물(20)의 우측에 형성되며, 제5 전극(39)은 유로(10)의 좌측면을 따라 판 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
여기서, 전극(30)의 구조는 절연체 구조물(20)의 상단면에서 전기장의 세기가 최대가 되도록 본 실시예와 같이 변형될 수 있으며, 전기장은 상기 절연체 구조물(20)의 상단면 및 양측 모서리에서 최대가 되도록 형성된다.
도 7d는 본 발명에 따른 미소입자 처리장치의 전극을 변형시킨 예를 도시한 단면도이다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 미소입자 처리장치(1)는 제1 전극(31)과 제2 전극(33)과 제3 전극(35)을 포함하여 이루어진다.
이때, 상기 제1 전극(31)은 유로(10)의 하부면을 따라 판 형상으로 형성되는 것이 바람직하고, 절연체 구조물(20)의 우측에 형성되며, 제2 전극(33)은 유로(10)의 하부면을 따라 판 형상으로 형성되는 것이 바람직하고, 절연체 구조물(20)의 좌측에 형성되고, 제3 전극(35)은 유로(10)의 상부면에 판형상으로 형성된다.
그리고, 상기 제1 전극(31), 제2 전극(33), 제3 전극(35) 간에 위상차(位相差, Phase Difference)가 존재하도록 V < 0°, V < 90°, V < 180°등의 교류 신호를 인가하고, 이에 따라 상기 절연체 구조물(20)의 상부면에서 전기장의 세기가 최대가 되도록 한다.
여기서, 전극(30)의 구조는 절연체 구조물(20)의 상단면에서 전기장의 세기가 최대가 되도록 본 실시예와 같이 변형될 수 있으며, 전기장은 상기 절연체 구조물(20)의 상단면 및 양측 모서리에서 최대가 되도록 형성된다.
도 7e는 본 발명에 따른 미소입자 처리장치의 전극을 변형시킨 예를 도시한 단면도이다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 미소입자 처리장치(1)는 제2 전극(33)과 제3 전극(35)과 제4 전극(37)을 포함하여 이루어진다.
이때, 제2 전극(33)은 유로(10)의 하부면을 따라 판 형상으로 형성되는 것이 바람직하고, 절연체 구조물(20)의 좌측에 형성되고, 제3 전극(35)은 유로(10)의 상부면에 판형상으로 형성되며, 제4 전극(37)은 유로(10)의 우측면을 따라 판 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제2 전극(33), 제3 전극(35), 제4 전극(37) 간에 위상차(位相 差, Phase Difference)가 존재하도록 V < 0°, V < 90°, V < 180°등의 교류 신호를 인가하고, 이에 따라 상기 절연체 구조물(20)의 상부면에서 전기장의 세기가 최대가 되도록 한다.
여기서, 전극(30)의 구조는 절연체 구조물(20)의 상단면에서 전기장의 세기가 최대가 되도록 본 실시예와 같이 변형될 수 있으며, 전기장은 상기 절연체 구조물(20)의 상단면 및 양측 모서리에서 최대가 되도록 형성된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시예에만 한정되지 않으며 해당 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허 청구 범위내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 전극 및 절연체 구조물의 구성만으로도, 유체 내의 미소입자를 집중시켜 정렬할 수 있고, 유전영동으로 이동하는 미소입자에 대응되도록 배출구를 형성시켜 정렬(Focusing)뿐 아니라, 혼합된 미소입자를 분리시킬 수 있으며, 이에 따라 제조 과정이 감소되어 제작 단가를 줄일 수 있고, 구성이 용이하여 일부 공정이 삭제될 수 있으며, 비용을 감소시킬 수 있고, 절연체 구조물의 위치 및 형상을 변형시켜 유로면에 유착된 미소입자를 정렬시킬 수 있어 정렬 및 분리율이 증가하는 등의 효과를 거둘 수 있 다.

Claims (12)

  1. 미소입자를 포함하는 미세유체가 이동하는 유로;
    전압원에서 인가되는 전압으로 미소입자를 유전영동으로 이동되도록 전기장을 형성하는 전극; 및
    상기 전기장을 변형시켜 양의 유전영동으로 미소입자를 집중시키도록 구비되는 절연체 구조물을 포함하고,
    상기 절연체 구조물의 높이는 미소입자가 유로 높이 방향으로 중앙부에 위치하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 미소입자 처리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연체 구조물 상단에서 양의 유전영동으로 이동된 미소입자를 배출하기 위한 배출구;
    상기 절연체 구조물로 형성된 전기장에 의해 음의 유전영동으로 이동된 미소입자를 배출하기 위한 분리 배출구;
    를 더 포함하여, 두 개 이상의 미소입자를 분리시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 미소입자 처리장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 절연체 구조물은 미세유체의 이동 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 미소입자 처리장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 절연체 구조물은 다수개 구비될 수 있는 것을 특징으로 하는 미소입자 처리장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 절연체 구조물은 유로면에 유착된 미소입자를 이동시키기 위하여 유로면에 근접하게 위치한 형태로 변형될 수 있는 것을 특징으로 하는 미소입자 처리 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 절연체 구조물은 미소입자를 분리하도록 유체 이동 방향에 평행하게 다수개 구비될 수 있는 것을 특징으로 하는 미소입자 처리장치.
  7. 삭제
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전극은 상기 절연체 구조물을 중심으로 대칭되도록 상기 절연체 구조물과 동일 유로면에 형성될 수 있는 것을 특징으로 하는 미소입자 처리장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전극은 상기 절연체 구조물에 대하여 비대칭되도록 형성될 수 있는 것을 특징으로 하는 미소입자 처리장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전극에 인가되는 전압은 교류 전압인 것을 특징으로 하는 미소입자 처리장치.
  11. 제10항에 있어서,
    인가되는 교류 전압의 주파수로 미세유체 내 미소입자의 유전 영동이 변경될 수 있는 것을 특징으로 하는 미소입자 처리장치.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전극은 유로면에 3 상을 이루도록 더 구비될 수 있는 것을 특징으로 하는 미소입자 처리장치.
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