KR100931303B1 - 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩 - Google Patents

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박제균
황현두
이도현
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 기울어진 기판을 이용하여 미세유체유로를 기울어지도록 형성함으로써, 상기 미세유체유로 내부에 불균일한 전기장이 형성되도록 하여, 전기동역학적인 원리에 의해 미세 입자 등을 구동할 수 있는 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩을 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명에 따른 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩은 전압을 인가하는 전원 장치와, 상기 전원 장치의 일단과 전기적으로 연결되며, 상기 전원 장치로부터 구동 전압을 인가받는 제 1전극과, 상기 제 1전극에 부착되는 제 1기판과, 상기 제 1전극과 대향되며, 상기 전원 장치의 타단과 전기적으로 연결되고, 상기 전원 장치로부터 기준 전압을 인가받는 제 2전극과, 상기 제 1기판과 대향되며, 상기 제 2전극에 부착되는 제 2기판과, 상기 제 1전극 및 제 2전극 사이에 형성되며, 샘플이 위치하는 미세유체유로와, 상기 제 1전극 및 제 2전극의 사이에 위치하여 상기 제 1전극 및 제 2전극을 이격시키는 하나 이상의 스페이서를 포함하고, 상기 제 2전극 및 제 2기판은 기울어져 형성된 것을 특징으로 한다.
미세 전자 소자, 기울어진 미세유체유로, 미세 입자 정렬, 미세 입자 분리

Description

기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩{Microfluidic Chip for Microparticle Focusing and Sorting in Slanted Substrate}
본 발명은 입자의 정렬 및 분리용 미세유체 칩에관한 것으로서, 미세유체유로 내부에 불균일한 전기장이 형성되도록 하여 전기동역학적 원리에 의해 미세 입자 등을 구동할 수 있도록 하는 입자의 정렬 및 분리용 미세유체 칩에 관한 것이다.
일반적으로, 유세포 분석은 세포 또는 생물입자의 물리, 화학적인 특성을 연속적으로 측정하여 분석하는 방법인데, 이는 혈구세포를 흐르는 상태에서 미세한 유리관 내로 통과시켜 측정하는 것에서부터 시작하여, 유체 속에 흐르는 세포를 정밀하게 유체 단면의 정중앙에 정렬시키는 기술인 유체역학기반 정렬이송이 적용되는 유세포 분석기기로 발전되어 왔다.
현재, 상용 유세포 분석기는 세포를 채널의 중앙에 정렬이송시키기 위한 방 법으로 유체역학 기반의 정렬이송법을 이용하고 있다. 상기 방법은 다수의 유체주입부를 갖고 있으며, 이들 간의 정교한 유량제어를 필요로 하기 때문에 유체 장비의 소형화 및 집적화에 있어 한계를 갖고 있다.
따라서, 세포 분석 기능이 집적화된 휴대용 유세포 분석기의 개발을 위해 정교한 유량제어 없이 세포를 정렬이송할 수 있는 방법이 필요하다.
이를 위하여, 유전영동(Dielectorophoresis)은 불균일한 전기장에 의해 분극화된 세포와 상기 전기장 간의 상호작용에 의해 나타나는 유전영동력을 이용하는데, 원형전극을 이용하여 미세입자를 3차원적으로 정렬이송할 수 있는 방법(J. Microelectromech. Syst. 14; 480, 2005)이 발표된 바 있으며, 미국 특허 제 6,120,666 호에서는 전기영동(Electrophoresis)을 이용하여 유체제어를 전기적으로 할 수 있는 방법을 제시하고 있다.
하지만, 상기와 같은 방법을 이용할 경우 복잡한 구조의 미세전극을 패터닝하기 위해서 비싸고 복잡한 공정과정이 동반되어야 한다는 문제점이 있다.
뿐만 아니라, 상기와 같은 기술은 복잡한 구조와 고비용의 소자 특성상 휴대용 유세포 분석기의 개발에는 부적합하다.
상기 배경기술에서 서술한 바와 같이, 유세포 분석기에 응용하기 위한 세포 정렬방법으로써 유전영동과 같은 전기동역학적 원리를 이용할 경우, 복잡한 구조의 미세전극을 만들기 위해 많은 비용과 오랜 시간을 소모하는 미세공정과정을 거쳐 미세 전자 소자를 제작해야만 한다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위해 안출된 것으로,기울어진 기판을 이용하여 미세유체유로를 기울어지도록 형성함으로써, 상기 미세유체유로 내부에 불균일한 전기장이 형성되도록 하여, 전기동역학적인 원리에 의해 미세 입자 등을 구동할 수 있는 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩은 전압을 인가하는 전원 장치와, 상기 전원 장치의 일단과 전기적으로 연결되며, 상기 전원 장치로부터 구동 전압을 인가받는 제 1전극과, 상기 제 1전극에 부착되는 제 1기판과, 상기 제 1전극과 대향되며, 상기 전원 장치의 타단과 전기적으로 연결되고, 상기 전원 장치로부터 기준 전압을 인가받는 제 2전극과, 상기 제 1기판과 대향되며, 상기 제 2전극에 부착되는 제 2기판과, 상기 제 1전극 및 제 2전극 사이에 형성되며, 샘플이 위치하는 미세유체유로와, 상기 제 1전극 및 제 2전극의 사이에 위치하여 상기 제 1전극 및 제 2전극을 이격시키는 하나 이상의 스페이서를 포함하고, 상기 제 2전극 및 제 2기판은 기울어져 형성될 수 있다.
상기 전원 장치는 직류 전압원 또는 교류 전압원일 수 있다.
상기 제 1전극 및 제 2전극은 금, 은, 알루미늄, 구리, 백금 및 ITO 중 하나로 형성될 수 있다.
상기 제 1기판은 폴리에스테르 수지 또는 폴리에틸렌 수지로 형성되는 필름 기판일 수 있다.
상기 제 1기판은 유리, 실리콘 및 플라스틱 중 하나의 재질로 형성될 수 있다.
상기 제 2기판은 폴리에스테르 수지 또는 폴리에틸렌 수지로 형성되는 필름 기판일 수 있다.
상기 제 2기판은 유리, 실리콘 및 플라스틱 중 하나의 재질로 형성될 수 있다.
상기 미세유체유로 내에 위치하는 샘플은 고분자성 미세입자, 금속 나노입자, 반도체 나노입자, 단백질, DNA, 세포, 분자가 결합된 미세입자, 기타 생체입자 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 제 1전극 및 제 2전극에 전압이 인가되면 상기 미세유체유로에는 전기장이 형성될 수 있다.
상기 전기장에 노출되는 샘플은 전기동역학적인 원리에 의해 특정 방향으로 이동하고, 상기 전기동역학적 원리는 전기영동, 유전영동 및 전기삼투 중 하나일 수 있다.
상기 제 1전극 및 제 2전극 사이가 먼 곳에서는 상기 미세유체유로 내의 전기장 세기가 약하고, 상기 제 1전극 및 제 2전극 사이가 가까운 곳에서는 상기 미 세유체유로 내의 전기장의 세기가 강할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩에 의하면 복잡한 미세공정과정 없이 기울어진 기판을 이용하여 미세유체유로를 기울어지도록 형성함으로써, 상기 미세유체유로 내부에 불균일한 전기장이 형성되도록 하여, 전기동역학적 원리에 의해 미세 입자들이 정렬되거나 분리되도록 할 수 있다. 따라서, 소자 제작에 드는 시간이 획기적으로 축소될 수 있으며, 비용도 대폭 절감되는 효과가 있다.
또한, 단순한 소자 구조로 인하여 휴대용 소자를 개발하기 위한 집적화에 유리하다는 장점이 있다.
또한, 미세전극 구조를 제작할 필요가 없고 복잡한 구동을 요구하지 않으므로 미세입자 정렬 및 분리를 위한 휴대용 장치로써 효과적인 장점이 있다.
따라서, 본 발명을 활용하면 전기동역학적 원리를 이용하여 다양한 의학적, 생물학적, 화학적 실험을 칩 위에서 수행하는 랩온어칩의 분야와 정렬 및 분석을 이용한 유세포 분석기에 응용할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩(100)의 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 제 1실시예에 따른 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩(100)은 전원 장치(110), 제 1전극(120), 제 2전극(130), 제 1기판(140), 제 2기판(150), 미세유체유로(160), 샘플(170), 하나 이상의 스페이서(180)를 포함할 수 있다.
상기 전원 장치는(110)는 본 발명의 제 1실시예에 따른 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩(100)에 전압을 인가한다.
상기 전원 장치(110)로는 교류 전압원 또는 직류 전압원이 사용될 수 있으며, 교류 전압원을 사용하는 경우, 주파수, 전압 크기, 신호의 모양 및 오프셋(offset) 전압 등을 조절할 수 있다.
상기 제 1전극(120)은 상기 전원 장치(110)의 일단과 전기적으로 연결되며, 상기 전원 장치로부터 구동 전압을 인가받는다.
상기 제 1전극(120)은 금, 은, 알루미늄, 구리, 백금 및 ITO(Indium Tin Oxide) 중 하나로 형성될 수 있으나, 상기 제 1전극(120)을 통하여 소자 내부를 관 찰할 수 있도록 하기 위해서는 투명한 전도성 물질인 ITO 또는 얇은 금 박막으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 제 2전극(130)은 상기 전원 장치(110)의 타단과 전기적으로 연결되며, 상기 전원 장치(110)로부터 기준 전압을 인가받는다.
물론, 상기 제 2전극(130)은 도 1에 도시된 바와 같이 상기 제 1전극(120)과 대향되도록 배치된다.
상기 제 2전극(130)은 금, 은, 알루미늄, 구리, 백금 및 ITO(Indium Tin Oxide) 중 하나로 형성될 수 있으나, 상기 제 2전극(130)을 통하여 소자 내부를 관찰할 수 있도록 하기 위해서는 투명한 전도성 물질인 ITO 또는 얇은 금 박막으로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 제 2전극(130)은 도 1에 도시된 바와 같이 기울어지도록 형성될 수 있으며, 이에 따라 상기 제 1전극(120)과의 거리를 다양하게 조절할 수 있다.
상기 제 1기판(140)은 상기 제 1전극(120)의 하면에 부착될 수 있다.
상기 제 1기판(140)은 폴리에스테르(polyester) 수지 또는 폴리에틸렌(polyethylene) 수지로 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 제 1기판(140)은 쉽게 휘어지는 성질을 가진다.
또한, 상기 제 1기판(140)은 유리, 실리콘, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)와 같은 플라스틱 등에 의해 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 제 1기판(140)은 휘어지 지 않게 된다.
상기 제 2기판(150)은 상기 제 2전극(130)의 상면에 부착될 수 있다.
물론, 상기 제 2기판(150)은 도 1에 도시된 바와 같이 상기 제 1기판(140)과 대향되도록 배치된다.
상기 제 2기판(150)은 폴리에스테르(polyester) 수지 또는 폴리에틸렌(polyethylene) 수지로 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 제 2기판(150)은 쉽게 휘어지는 성질을 가진다.
또한, 상기 제 2기판(150)은 유리, 실리콘, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)와 같은 플라스틱 등에 의해 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 제 2기판(150)은 휘어지지 않게 된다.
한편, 상기 제 2기판(150)은 도 1에 도시된 바와 같이 기울어지도록 형성될 수 있으며, 이에 따라 상기 제 2기판(150)에 부착된 상기 제 2전극(130)은 상기 제 1전극(120)과의 거리를 다양하게 형성할 수 있다.
본 발명의 제 1실시예에 따른 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩(100)은 상기 제 2기판(150)이 기울어지도록 조절하기 위하여 기판 조절 장치(미도시)를 포함할 수 있다.
상기 기판 조절 장치(미도시)는 상기 제 2기판(150)이 기울어지도록 조절할 수 있는 장치이면 어떠한 장치라도 상관없으며, 여기서 상기 기판 조절 장치(미도 시)의 종류나 형상 또는 개수를 한정하는 것은 아니다.
상기 미세유체유로(160)는 상기 제 1전극(120) 및 제 2전극(130)의 사이에 형성되며, 샘플(170)이 위치하게 된다.
상기 샘플(170)이란 고분자성 미세입자, 금속 나노 입자, 반도체 나노 입자, 단백질, DNA 등의 생체분자, 분자가 결합된 미세입자 등 다양한 물질들을 포함한다.
특히, 상기 샘플(170)은 이러한 물질들이 증류수, 세포 배양용 배지, PBS 버퍼 등 다양한 액체 방울 속에 존재하도록 제조된 것으로서, 상기 미세유체유로(160) 내에 존재하는 액체 방울 내부에서 상기 물질들의 이동이 일어나게 된다.
한편, 상기 전원 장치(110)로부터 상기 제 1전극(120) 및 제 2전극(130)에 전압을 인가하였을 때, 상기 제 1전극(120) 및 제 2전극(130) 사이에 형성되는 미세유체유로(160)에는 전기장이 형성되며, 상기 전기장에 노출되는 샘플(170)은 전기동역학적(electrokinetic) 원리에 의해 이동된다. 여기서 상기 샘플(170)의 이동 방향은 상기 샘플(170)과 상기 전원 장치(110)로부터 인가된 전압 신호의 특성에 의해 결정된다.
상기 전기동역학적 원리로는 전기영동, 유전영동, 전기삼투를 들 수 있다.
상기 전기영동(electrophoresis)이란, 전기장 내에서 양의 전하 및 음의 전 하를 지닌 미세 입자들이 쿨롱 힘(Coulomb force)에 의하여 힘을 받아 움직이는 현상이다. 즉, 양의 전하를 지닌 입자는 음의 전극으로 이동하게 되고, 음의 전하를 지닌 입자는 양의 전극으로 이동하게 된다. 전기영동에 의한 입자의 이동 특성은 전하량, 입자의 크기, 매질의 전기적, 화학적, 물리적 특성 또는 전기장의 세기 등에 따라 달라질 수 있다.
상기 유전영동이란(DEP; dielectrophoresis), 불균일한 전기장 내에서, 유전체가 전자기 유도현상에 의해 전기 쌍극자(electric dipole)를 띄고, 이것에 의해 힘을 받아 움직이는 현상이다. 이러한 입자의 이동은 입자와 입자 주변의 액체 간의 유전율(permittivity) 차이에 의해 그 방향이 결정되고, 입자의 크기(반지름의 세제곱에 비례) 및 전기장 구배(전기장 제곱의 구배에 비례)의 크기가 그 이동 속도에 영향을 미치게 된다.
상기 유전영동에는 전기장이 약한 방향으로 미세 입자들이 움직이는 음(negative)의 유전영동과 전기장이 강한 방향으로 미세 입자들이 움직이는 양(positive)의 유전영동이 있다. 이러한 유전영동의 성질은 유체의 종류, 미세입자 및 분자의 종류, 교류전압 신호의 주파수 등에 의해 달라질 수 있다.
상기 전기삼투에는 교류 전기삼투(ACEO; AC electro-osmosis), 유도전하 전기삼투(ICEO; induced-charge electro-osmosis), 패러데이 짝진 전기삼투(FCEO; Faradaically-coupled electro-osmosis) 등이 있다.
상기 교류 전기삼투(ACEO; AC electro-osmosis)란, 불균일한 전기장 내에서, 유체 내부의 이온들이 전극 표면과 액체 계면에 얇은 전기 이중층(electric double layer)을 형성하게 되고, 전압에 의해 형성된 정접 전기장(tangential electric field)의 영향으로 전극 표면을 따라 유체가 이동하는 현상이다.
이러한 전기삼투 현상은 전기장이 센 방향으로 유동을 일으켜 물질들의 빠른 농축을 유도한다. 상기 전기삼투에 의한 농축 특성은 교류전압 신호의 주파수 및 물질 또는 매질의 종류, 크기, 전하량 등 다양한 물리적, 화학적 특성에 의존한다.
상기 유도전하 전기삼투(ICEO; induced-charge electro-osmosis)란, 전기장 내 미세입자에 유도된 전하에 의해 미세입자 표면에서 발생하는 전기삼투 유동으로서, 전극표면에 가까이 위치한 미세입자들을 벽면으로 밀어 조립시키는 특성이 있다. 이러한 현상으로 인해 미세입자들이 자가 조립(self-assembly)하여 결정구조(crystal structure)를 지닌 응집체(aggregate)를 이루게 될 수 있다.
상기 패러데이 짝진 전기삼투(FCEO; Faradaically-coupled electro-osmosis)란, 낮은 주파수 영역에서 전극에서의 패러데이 반응을 무시할 수 없게 되어, 전극 표면에 발생하는 수평성분의 전기장에 의해 발생하는 전기삼투 유동으로서, 전극에 가까이 위치한 미세입자 아래쪽에서 입자들을 위로 떠올리게 되는 상승유동을 발생시키는 특성이 있다.
한편, 상기 미세유체유로(160)의 높이는 상기 제 2전극(130)이 기울어짐에 따라 다양하게 형성될 수 있다. 즉, 상기 제 1전극(120) 및 제 2전극(130) 사이의 간격은 미세유체유로(160)의 높이이며, 상기 제 2전극(130)이 기울어져 형성됨에 따라 상기 미세유체유로(160)의 높이는 다양하게 형성될 수 있게 된다.
상기 스페이서(180)는 도 1에 도시된 바와 같이 상기 제 1전극(120) 및 제 2전극(130)의 사이에 위치하여 상기 제 1전극(120) 및 제 2전극(130)을 이격시킨다.
상기 스페이서(180)는 SU-8 등의 감광성 물질(photoresist) 또는 PDMS(polydimethylsiloxane) 등의 중합체를 이용할 수 있다.
한편, 본 발명의 제 1실시예에 따른 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩(100)은 도 1에 도시된 바와 같이 상기 제 2기판(150) 및 제 2전극(130)의 오른쪽이 더 낮게 형성된 기울어진 미세유체유로(160) 구조를 형성한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 제 1실시예에 따른 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩(100)은 제 2기판(150)이 기울어지도록 형성됨에 따라 상기 제 2기판(150)에 부착된 제 2전극(130) 역시 기울어지도록 형성될 수 있게 된다.
이에 따라 제 1전극(120) 및 제 2전극(130) 사이에 형성되는 미세유체유로(160)의 높이, 즉 상기 제 1전극(120) 및 제 2전극(130) 사이의 거리를 다양하게 조절할 수 있게 된다.
보다 자세하게, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 제 2전극(130)을 기울어지도 록 형성하면, 상기 제 2전극(130)의 왼쪽에 형성된 미세유체유로(160)의 높이는 높게 형성되고, 상기 제 2전극(130)의 왼쪽에 형성된 미세유체유로(160) 내에 형성되는 전기장의 세기는 다른 부분보다 약하게 형성된다.
반대로, 상기 제 2전극(130)의 오른쪽에 형성된 미세유체유로(160)의 높이는 낮게 형성되고, 상기 제 2전극(130)의 오른쪽에 형성된 미세유체유로(160) 내에 형성되는 전기장의 세기는 다른 부분보다 강하게 형성된다.
상기와 같이 하여, 상기 제 2전극(130)의 기울기를 다양하게 조절함으로써 상기 미세유체유로(160) 내에 위치하는 샘플(170)의 정렬 및 분리 특성을 조절할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩(200)의 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 제 2실시예에 따른 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩(200)은 전원 장치(210), 제 1전극(220), 제 2전극(230), 제 1기판(240), 제 2기판(250), 미세유체유로(260), 샘플(270), 하나 이상의 스페이서(280)를 포함할 수 있다.
상기 전원 장치는(210)는 본 발명의 제 2실시예에 따른 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩(200)에 전압을 인가한다.
상기 전원 장치(210)로는 교류 전압원 또는 직류 전압원이 사용될 수 있으 며, 교류 전압원을 사용하는 경우, 주파수, 전압 크기, 신호의 모양 및 오프셋(offset) 전압 등을 조절할 수 있다.
상기 제 1전극(220)은 상기 전원 장치(210)의 일단과 전기적으로 연결되며, 상기 전원 장치로부터 구동 전압을 인가받는다.
상기 제 1전극(220)은 금, 은, 알루미늄, 구리, 백금 및 ITO(Indium Tin Oxide) 중 하나로 형성될 수 있으나, 상기 제 1전극(220)을 통하여 소자 내부를 관찰할 수 있도록 하기 위해서는 투명한 전도성 물질인 ITO 또는 얇은 금 박막으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 제 2전극(230)은 상기 전원 장치(210)의 타단과 전기적으로 연결되며, 상기 전원 장치(210)로부터 기준 전압을 인가받는다.
물론, 상기 제 2전극(230)은 도 2에 도시된 바와 같이 상기 제 1전극(220)과 대향되도록 배치된다.
상기 제 2전극(230)은 금, 은, 알루미늄, 구리, 백금 및 ITO(Indium Tin Oxide) 중 하나로 형성될 수 있으나, 상기 제 2전극(230)을 통하여 소자 내부를 관찰할 수 있도록 하기 위해서는 투명한 전도성 물질인 ITO 또는 얇은 금 박막으로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 제 2전극(230)은 도 2에 도시된 바와 같이 기울어지도록 형성될 수 있으며, 이에 따라 상기 제 1전극(220)과의 거리를 다양하게 조절할 수 있다.
상기 제 1기판(240)은 상기 제 1전극(220)의 하면에 부착될 수 있다.
상기 제 1기판(240)은 폴리에스테르(polyester) 수지 또는 폴리에틸렌(polyethylene) 수지로 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 제 1기판(240)은 쉽게 휘어지는 성질을 가진다.
또한, 상기 제 1기판(240)은 유리, 실리콘, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)와 같은 플라스틱 등에 의해 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 제 1기판(240)은 휘어지지 않게 된다.
상기 제 2기판(250)은 상기 제 2전극(230)의 상면에 부착될 수 있다.
물론, 상기 제 2기판(250)은 도 2에 도시된 바와 같이 상기 제 1기판(240)과 대향되도록 배치된다.
상기 제 2기판(250)은 폴리에스테르(polyester) 수지 또는 폴리에틸렌(polyethylene) 수지로 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 제 2기판(250)은 쉽게 휘어지는 성질을 가진다.
또한, 상기 제 2기판(250)은 유리, 실리콘, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)와 같은 플라스틱 등에 의해 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 제 2기판(250)은 휘어지지 않게 된다.
한편, 상기 제 2기판(250)은 도 2에 도시된 바와 같이 기울어지도록 형성될 수 있으며, 이에 따라 상기 제 2기판(250)에 부착된 상기 제 2전극(230)은 상기 제 1전극(220)과의 거리를 다양하게 형성할 수 있다.
본 발명의 제 2실시예에 따른 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩(200)은 상기 제 2기판(250)이 기울어지도록 조절하기 위하여 기판 조절 장치(미도시)를 포함할 수 있다.
상기 기판 조절 장치(미도시)는 상기 제 2기판(250)이 기울어지도록 조절할 수 있는 장치이면 어떠한 장치라도 상관없으며, 여기서 상기 기판 조절 장치(미도시)의 종류나 형상 또는 개수를 한정하는 것은 아니다.
상기 미세유체유로(260)는 상기 제 1전극(220) 및 제 2전극(230)의 사이에 형성되며, 샘플(270)이 위치하게 된다.
상기 샘플(270)이란 고분자성 미세입자, 금속 나노 입자, 반도체 나노 입자, 단백질, DNA 등의 생체분자, 분자가 결합된 미세입자 등 다양한 물질들을 포함하는 말이다.
특히, 상기 샘플(270)은 이러한 물질들이 증류수, 세포 배양용 배지, PBS 버퍼 등 다양한 액체 방울 속에 존재하도록 제조된 것으로서, 상기 미세유체유로(260) 내에 존재하는 액체 방울 내부에서 상기 물질들의 이동이 일어나게 된다.
한편, 상기 전원 장치(210)로부터 상기 제 1전극(220) 및 제 2전극(230)에 전압을 인가하였을 때, 상기 제 1전극(220) 및 제 2전극(230) 사이에 형성되는 미 세유체유로(260)에는 전기장이 형성되며, 상기 전기장에 노출되는 샘플(270)은 전기동역학적(electrokinetic) 원리에 의해 이동된다. 여기서 상기 샘플(270)의 이동 방향은 상기 샘플(270)과 상기 전원 장치(210)로부터 인가된 전압 신호의 특성에 의해 결정된다.
상기 전기동역학적(electrokinetic) 원리에 관해서는 상술한바 있으므로, 여기서는 설명을 생략한다.
한편, 상기 미세유체유로(260)의 높이는 상기 제 2전극(230)이 기울어짐에 따라 다양하게 형성될 수 있다. 즉, 상기 제 1전극(220) 및 제 2전극(230) 사이의 간격은 미세유체유로(260)의 높이이며, 상기 제 2전극(230)이 기울어져 형성됨에 따라 상기 미세유체유로(260)의 높이는 다양하게 형성될 수 있게 된다.
상기 스페이서(280)는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 제 1전극(220) 및 제 2전극(230)의 사이에 위치하여 상기 제 1전극(220) 및 제 2전극(230)을 이격시킨다.
상기 스페이서(280)는 SU-8 등의 감광성 물질(photoresist) 또는 PDMS(polydimethylsiloxane) 등의 중합체를 이용할 수 있다.
한편, 본 발명의 제 2실시예에 따른 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩(200)은 도 2에 도시된 바와 같이 상기 제 2기판(250) 및 제 2전극(230)의 왼쪽이 더 낮게 형성된 기울어진 미세유체유로(260) 구조를 형성한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 제 2실시예에 따른 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩(200)은 제 2기판(250)이 기울어지도록 형성됨에 따라 상기 제 2기판(250)에 부착된 제 2전극(230) 역시 기울어지도록 형성될 수 있게 된다.
이에 따라 제 1전극(220) 및 제 2전극(230) 사이에 형성되는 미세유체유로(260)의 높이, 즉 상기 제 1전극(220) 및 제 2전극(230) 사이의 거리를 다양하게 조절할 수 있게 된다.
보다 자세하게, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 제 2전극(230)을 기울어지도록 형성하면, 상기 제 2전극(230)의 오른쪽에 형성된 미세유체유로(260)의 높이는 높게 형성되고, 상기 제 2전극(230)의 오른쪽에 형성된 미세유체유로(260) 내에 형성되는 전기장의 세기는 다른 부분보다 약하게 형성된다.
반대로, 상기 제 2전극(230)의 왼쪽에 형성된 미세유체유로(260)의 높이는 낮게 형성되고, 상기 제 2전극(230)의 왼쪽에 형성된 미세유체유로(260) 내에 형성되는 전기장의 세기는 다른 부분보다 강하게 형성된다.
상기와 같이 하여, 상기 제 2전극(230)의 기울기를 다양하게 조절함으로써 상기 미세유체유로(260) 내에 위치하는 샘플(270)의 정렬 및 분리 특성을 조절할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩을 제작하기 위한 공정도이다.
다만, 본 발명에 따른 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩을 제작하는 방법은 도 3의 설명에서 제시된 방법뿐만 아니라 다양한 방법에 의해 이루어질 수 있다.
도 3은 감광성 물질을 이용한 방법으로써, UV 리소그라피(lithography)를 이용하여 두 장의 필름 사이에 미세유체유로를 형성하는 방법이다.
먼저, 기판(Glass) 상에 PDMS와 같이 기체가 통과할 수 있는 특성의 물질을 얇게 코팅한 후, NOA와 같은 감광성 물질(NOA prepolymer)을 올린 뒤 그 위에 특정 높이의 스페이서(Spacer)와 함께 필름 전극을 올린다. 이 때 웨이퍼(wafer) 위에 코팅된 물질은 기체가 잘 통과할 수 있어 이와 접촉한 감광성 물질은 UV를 조사하여도 잘 굳지 않게 된다. 때문에, 특정 패턴의 마스크(mask)를 이용하여 UV 조사를 거친 후 상기 필름 전극을 상기 기판으로부터 떼어내면 특정 패턴의 구조물이 상기 필름 전극 상에 생성되고, 상기 기판과 접촉했던 면은 덜 굳은 상태로 유지된다.
다음으로, 상기 필름 전극 상에 UV를 조사하지 않은 부분을 잘 씻어낸 후, 다른 필름 전극을 상기 구조물이 형성된 필름 전극 상에 붙인다. 이 때 상기 두 개의 필름 전극은 전도성을 지닌 부분이 서로 마주 보아야만 한다.
이 때 상기 필름 전극을 붙일 때 누르는 힘을 상기 전극의 위치마다 조절하면 기울어진 미세 채널 형상을 쉽게 만들 수 있다.
최종적으로 만들어진 소자에 마지막으로 UV를 조사하여 더 단단하게 접착이 이루어지도록 굳힌 후, 미세 입자를 포함한 샘플을 주입하고 전압을 인가한다.
상기와 같은 방법으로 소자를 제작하는 경우, 소자 제작에 걸리는 시간이 매우 단축되며, 비용도 매우 저렴해지고, 소자의 내구성이 좋아진다는 장점이 있게 된다.
도 4는 본 발명의 제 1실시예에 따른 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩(100) 내부에 형성되는 전기장의 변화를 나타내는 시뮬레이션 결과를 나타내는 도이고, 도 5는 본 발명의 제 2실시예에 따른 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩(200) 내부에 형성되는 전기장의 변화를 나타내는 시뮬레이션 결과를 나타내는 도이다.
상기 시뮬레이션 조건은 100 kHz의 10 V 전압을 제 1전극(120, 220) 및 제 2전극(130, 230) 사이에 인가하였고, 전기장이 형성되는 샘플은 증류수로 가정하였다.
도 4는 상기 제 2기판(150) 및 제 2전극(130)의 오른쪽이 더 낮게 형성된, 기울어진 미세유체유로(160) 구조를 이용하였다.
시뮬레이션 결과에 따르면 오른쪽 부분이 다른 부분보다 전기장의 세기가 강하게 형성되기 때문에, 음의 유전영동의 영향을 받는 미세입자(170a)의 경우 상기 미세유체유로(160)의 왼쪽 부분으로 이동하게 되고, 양의 유전영동의 영향을 받는 미세입자(170b)의 경우 그 반대 방향으로 이동하게 됨을 알 수 있었다.
도 5는 상기 제 2기판(250) 및 제 2전극(230)의 왼쪽이 더 낮게 형성된, 기울어진 미세유체유로(260) 구조를 이용하였다.
시뮬레이션 결과에 따르면 왼쪽 부분이 다른 부분보다 전기장의 세기가 강하게 형성되고 때문에, 음의 유전영동의 영향을 받는 미세입자(270a)의 경우 상기 미세유체유로(260)의 오른쪽 부분으로 이동하게 되고, 양의 유전영동의 영향을 받는 미세입자(270b)의 경우 그 반대 방향으로 이동하게 됨을 알 수 있었다
상기와 같이 하여 미세입자를 포함한 샘플을 미세유체유로에 주입할 경우, 특정한 전압 조절이나 유량 조절 없이도, 상기 미세입자들을 분리해낼 수 있게 된다. 이러한 미세입자의 정렬 및 분리 특성과 그 효율은 상기 제 1전극과 제 2전극 사이의 스페이서에 의해 형성된 미세유체유로의 기울기를 외부적인 힘에 의해 조절함으로써 자유자재로 조절이 가능하다.
이상과 같이 본 발명에 따른 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩을 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩을 제작하기 위한 공정도이다.
도 4는 본 발명의 제 1실시예에 따른 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩 내부에 형성되는 전기장의 변화를 나타내는 시뮬레이션 결과를 나타내는 도이다.
도 5는 본 발명의 제 2실시예에 따른 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩 내부에 형성되는 전기장의 변화를 나타내는 시뮬레이션 결과를 나타내는 도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100: 본 발명의 제 1실시예에 따른 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩
110: 전원 장치 120: 제 1전극
130: 제 2전극 140: 제 1기판
150: 제 2기판 160: 미세유체유로
170: 샘플 180a: 제 1스페이서
180b: 제 2스페이서
200: 본 발명의 제 2실시예에 따른 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩

Claims (13)

  1. 전압을 인가하는 전원 장치;
    상기 전원 장치의 일단과 전기적으로 연결되며, 상기 전원 장치로부터 구동 전압을 인가받는 제 1전극;
    상기 제 1전극에 부착되는 제 1기판;
    상기 제 1전극과 대향되며, 상기 전원 장치의 타단과 전기적으로 연결되고, 상기 전원 장치로부터 기준 전압을 인가받는 제 2전극;
    상기 제 1기판과 대향되며, 상기 제 2전극에 부착되는 제 2기판;
    상기 제 1전극 및 제 2전극 사이에 형성되며, 샘플이 위치하는 미세유체유로; 및
    상기 제 1전극 및 제 2전극의 사이에 위치하여 상기 제 1전극 및 제 2전극을 이격시키는 하나 이상의 스페이서;
    를 포함하고,
    상기 제 2전극 및 제 2기판은 기울어져 형성된 것을 특징으로 하는 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전원 장치는 직류 전압원 또는 교류 전압원인 것을 특징으로 하는 기울 어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1전극 및 제 2전극은 금, 은, 알루미늄, 구리, 백금 및 ITO 중 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1기판은 폴리에스테르 수지 또는 폴리에틸렌 수지로 형성되는 필름 기판인 것을 특징으로 하는 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1기판은 유리, 실리콘 및 플라스틱 중 하나의 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 2기판은 폴리에스테르 수지 또는 폴리에틸렌 수지로 형성되는 필름 기판인 것을 특징으로 하는 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 2기판은 유리, 실리콘 및 플라스틱 중 하나의 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 미세유체유로 내에 위치하는 샘플은 고분자성 미세입자, 금속 나노입자, 반도체 나노입자, 단백질, DNA, 세포, 분자가 결합된 미세입자, 기타 생체입자 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1전극 및 제 2전극에 전압이 인가되면 상기 미세유체유로에는 전기 장이 형성되는 것을 특징으로 하는 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 전기장에 노출되는 샘플은 전기동역학적인 원리에 의해 특정 방향으로 이동하고, 상기 전기동역학적 원리는 전기영동, 유전영동 및 전기삼투 중 하나인 것을 특징으로 하는 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 1전극 및 제 2전극 사이가 먼 곳에서는 상기 미세유체유로 내의 전기장 세기가 약하고, 상기 제 1전극 및 제 2전극 사이가 가까운 곳에서는 상기 미세유체유로 내의 전기장의 세기가 강한 것을 특징으로 하는 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩.
  12. 전압을 인가하는 전원 장치;
    상기 전원 장치의 일단과 전기적으로 연결되며, 상기 전원 장치로부터 구동 전압을 인가받는 제 1전극;
    상기 제 1전극에 부착되는 제 1기판;
    상기 제 1전극과 대향되며, 상기 전원 장치의 타단과 전기적으로 연결되고, 상기 전원 장치로부터 기준 전압을 인가받는 제 2전극;
    상기 제 1기판과 대향되며, 상기 제 2전극에 부착되는 제 2기판;
    상기 제 1전극 및 제 2전극 사이에 형성되며, 샘플이 위치하는 미세유체유로;
    상기 제 1전극 및 제 2전극의 사이에 위치하여 상기 제 1전극 및 제 2전극을 이격시키는 하나 이상의 스페이서; 및
    상기 제 2기판이 기울어지도록 조절하는 기판 조절 장치;
    를 포함하고,
    상기 스페이서의 높이는 서로 다르게 형성되며, 상기 제 2전극 및 제 2기판은 기울어져 형성된 것을 특징으로 하는 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩.
  13. 전압을 인가하는 전원 장치;
    상기 전원 장치와 전기적으로 연결되며, 상기 전원 장치로부터 전압을 인가받는 두 개의 전극;
    상기 전극 각각에 부착되며, 서로 대향되는 두 개의 기판;
    상기 두 개의 전극 사이에 형성되며, 샘플이 위치하는 미세유체유로; 및
    상기 두 개의 전극 사이에 위치하여 상기 전극들을 이격시키는 하나 이상의 스페이서;
    를 포함하고,
    상기 스페이서의 높이는 서로 다르게 형성되고, 상기 제 2전극 및 제 2기판은 오른쪽 또는 왼쪽으로 기울어져 형성되는 것을 특징으로 하는 기울어진 기판을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리용 미세유체 칩.
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