KR100941069B1 - 미세 유체 희석 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제1 유체와 제2 유체를 모세관력을 이용하여 일정 비율로 혼합하는 미세 유체 희석 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 미세 유체 희석 장치는 유로 기판과 덮개 기판으로 형성된 장치에 일정한 양의 제1 유체와 제2 유체를 각각 다른 유체 챔버에 채우고 난 후 제1 유체와 제2 유체를 합류 챔버로 유동시켜 시료와 희석액을 일정한 희석비로 희석시키는 장치이다.
미세 유체, 희석, 희석비, 마이크로 믹서

Description

미세 유체 희석 장치{MICROFLUIDIC DILUTION DEVICE}
본 발명은 미세 유체를 일정비로 혼합하는 미세 유체 희석 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모세관력을 이용하여 제1 유체와 제2 유체를 일정한 희석비로 희석시키는 미세 유체 희석 장치에 관한 것이다. 본 발명은 지식경제부 및 한국전자통신연구원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다. [과제관리번호: 2006-S-007-03, 과제명: 유비쿼터스 건강관리용 모듈 시스템]
미세 유체 제어 칩은 생물화학적 반응을 칩 상에 구현시키는 목적으로 많이 이용되고 있다. 이러한 미세 유체 제어 칩 상에서는 혼합, 희석, 이송, 분기, 분리, 세척 등과 같은 다양한 미세 유체 제어 동작이 이루어진다. 특히, 반응액, 샘플, 버퍼 등의 유체 성분을 칩 상에서 혼합시키거나, 샘플을 일정한 비율로 혼합 및 희석할 필요가 종종 발생한다.
이러한 혼합 및 희석 동작은 주로 미세 유체 제어 칩의 외부에서 수행되어 칩으로 투입되거나, 미세 유체 제어 칩 상에 설치된 혼합기, 희석기에 외부적인 제어를 통해서 이루어진다. 이러한 외부적인 제어를 통한 장치는 능동소자로 분류되며, 외부적인 제어가 없는 장치는 수동소자로 분류된다. 여기서, 미세 유체 제어 칩의 능동적 외부적인 제어는 예컨대, 고주파 교반, 맥동압, 펌프, 전자기 발생기 등이 있다. 외부적인 제어가 없는 수동소자는 주로 미세 유로의 형상 설계를 통하여 이루어진다.
수동 소자의 경우 모세관 유동을 이용하여 액체의 흐름을 발생시킬 수 있다. 모세관 유동은 액체가 모세관 같은 유로형 고체 표면과 접촉하면 액체 계면과 고체 표면이 가지는 표면장력에 의하여 액체의 흐름이 발생되는 현상이다. 모세관 유동을 이용할 경우, 액체와 고체의 물성에 의한 자연적인 힘이므로 외부적인 제어가 없는 유체 흐름을 형성시킬 수 있는 장점이 있다. 미세 유체 제어 소자는 미세 유로를 포함하고, 체적 대비 표면적이 커서 표면적의 중요도가 커지게 되어, 모세관력을 이용하여 미세 유로로 액체의 흐름을 유도시킬 수 있다.
본 발명은 일정한 비율의 희석비로 미세 유체의 희석 동작을 수행하는 장치를 제공하는 데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 구동력으로 모세관력을 이용하여 외부적인 제어가 필요 없이, 시료와 희석액을 떨어뜨리는 간단한 동작만으로 일정한 희석비로 재현성 있게 미세 유체를 희석할 수 있는 장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 희석 장치를 다단으로 형성하여 원하는 희석비로 조절이 가능한 장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 유체를 저장할 수 있는 다양한 챔버 예를 들어, 유체 챔버, 합류 챔버 등에 생물학적 반응 및 감지를 위한 요소를 설치하여 바이오 칩으로 활용되는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 희석비의 조절이 필요한 다양한 화학적 반응기로 활용될 수 있는 장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 미세 유체 희석 장치는 덮개 기판과, 상기 덮개 기판과 결합하며 미세 유체 희석부를 포함하는 유로 기판을 포함한다.
상기 미세 유체 희석부는 제1 유체가 주입되어 저장되는 제1 유체 챔버와, 상기 제1 유체 챔버에 대해 일정비의 유동저항비를 가지며, 제2 유체가 주입되어 저장되는 제2 유체 챔버와, 일단이 상기 제1 유체 챔버의 일측에 연결된 제1 미세 유로와, 일단이 상기 제1 유체 챔버의 타측에 연결된 제2 미세 유로와, 일단이 상기 제2 유체 챔버에 일측에 연결되고 타단이 상기 제1 미세 유로의 타단에 연결되어 제1 합류점을 형성하는 제3 미세 유로와, 일단이 상기 제2 유체 챔버의 타측에 연결되고 타단이 상기 제2 미세 유로의 타단에 연결되어 제2 합류점을 형성하는 제4 미세 유로 및 상기 제2 합류점에 연결된 마이크로 믹서를 포함한다.
상기 제2 유체는 모세관력에 의해 상기 제2 유체 챔버를 채우고 상기 제1 합류점 및 제2 합류점으로 이동한다. 상기 제1 유체는 모세관력에 의해 상기 제1 합류점으로부터 상기 제1 유체 챔버를 거쳐 상기 제2 합류점으로 순차로 이동하며 상기 제2 합류점에서 상기 제1 유체 챔버와 제2 유체 챔버의 유동저항비에 따라 일정 비로 상기 제2 유체와 합류하여 상기 마이크로 믹서에서 혼합된다.
상기 제1 합류점에는 상기 제1 유체를 공급하는 제1 유체 저장고가 연결되고, 상기 제4 미세 유로의 일단에 유동 저항 채널을 통하여 상기 제2 유체를 공급하는 제2 유체 저장고가 연결된다.
상기 유동 저항 채널은 상기 제1 내지 제4 미세 유로들의 유동 저항보다 큰 유동 저항을 가지는 미세 유로에 해당한다. 이때, 상기 유동 저항 채널은 상기 제1 내지 제4 미세 유로들의 폭 또는 높이의 1/10 이하의 폭 또는 높이를 가질 수 있다. 또는 상기 유동 저항 채널은 상기 제1 내지 제4 미세 유로 각각의 길이의 10배 이상의 길이를 가질 수 있다.
상기 혼합된 상기 제1 유체와 상기 제2 유체가 저장되는 상기 합류 챔버가 상기 마이크로 믹서와 연결될 수 있다. 상기 합류 챔버는 용량이 상기 제1 유체 챔버와 제2 유체 챔버의 용량의 합과 같거나 작은 것이 바람직하다. 상기 합류 챔버는 희석된 제1 유체의 생물학적 반응 및 감지를 위한 항원, 항체, 효소, 마이크로/나노 입자, 전극 및 센서 중 적어도 어느 하나를 내부에 구비할 수 있다.
상기 제1 합류점과 상기 제2 합류점의 유로는 모세관 정지 압력을 증가시켜 모세관 유동을 정지시키기 위하여 상기 합류점들에 연결되는 상기 미세 유로들보다 넓게 형성되도록 상기 합류점에서 모세관 유동의 진행 방향으로 채널을 급속 확장시킬 수 있다. 또한, 상기 합류점에 연결되는 유로가 소수성 표면 처리될 수 있다.
상기 제1 유체 챔버는 상기 제1 미세 유로로부터 상기 제2 미세 유로 방향으로 연장되며, 상기 제2 유체 챔버는 상기 제3 미세 유로로부터 상기 제4 미세 유로 방향으로 연장될 수 있다. 또한, 상기 제1 유체 챔버와 제2 유체 챔버는 서로 다른 폭 또는 서로 다른 높이를 가질 수 있다.
상기 제1 유체 챔버 및 상기 제2 유체 챔버 중 적어도 어느 하나에는 생물학적 반응 및 감지를 위한 항원, 항체, 효소, 마이크로/나노 입자, 전극 및 센서 중 적어도 어느 하나를 내부에 구비될 수 있다.
상기 마이크로 믹서는 상기 제2 합류점에서 합류된 상기 제1 유체와 제2 유체가 혼합되도록 절곡되어 형성된 미세 유로이거나, 3차원 유체 교반기일 수 있다.
상기 제1 합류점에서 연결된 상기 제1 미세 유로 및 상기 제3 미세 유로는 상기 제1 합류점에 대하여 대칭으로 형성되고, 상기 제2 합류점에서 분기되는 상기 제2 미세 유로와 상기 제4 미세 유로는 상기 제2 합류점에 대하여 대칭으로 형성될 수 있다.
상기 유체 희석부는 100㎛ 이하의 깊이로 구비될 수 있다.
상기 미세 유체 희석부는 복수 개로 구비될 수 있으며, 복수 개의 미세 유체 희석부는 서로 다른 유체가 투입되는 제2 유체 투입구들을 가질 수 있다.
본 발명에서 제공하는 미세 유체 희석 장치는 일정한 비율의 희석비로 미세 유체의 희석 동작을 수행하는 장치를 제공한다. 또한, 본 발명은 구동력으로 모세관력을 이용하여 외부적인 제어가 필요없이, 시료와 희석액을 떨어뜨리는 간단한 동작만으로 일정한 희석비로 재현성 있게 미세 유체를 희석할 수 있다.
또한, 본 발명은 희석 장치를 다단으로 형성하여 원하는 희석비로 조절이 가 능한 장치를 제공한다. 또한, 본 발명은 시료 유체 챔버, 희석액 유체 챔버, 합류 챔버 등에 생물학적 반응 및 감지를 위한 요소를 설치하여 바이오 칩으로 활용될 수 있다.
또한, 본 발명은 희석비의 조절이 필요한 다양한 화학적 반응기로 활용될 수 있는 장치를 제공할 수 있다.
이하 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하기로 한다.
본 발명에서 '희석' 또는 '혼합'은 두 가지 이상의 유체가 섞이는 것을 뜻하는 유사한 의미로 사용되었다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 유체 희석 장치를 개략적으로 나타낸 분해 사시도이다. 도 2는 도 1의 미세 유체 희석 장치 중 유로 기판(10)의 구성 요소를 설명하기 위한 구성도이며, 도 3은 도 2의 구성도가 유로 기판(10)에 적용된 실시예를 나타낸 평면도이다.
본 발명의 미세 유체 희석 장치는 복수의 유체, 예를 들어 시료와 희석액을 일정 비율로 희석하기 위한 장치이다. 이하에서는 복수의 유체를 제1 유체와 제2 유체로 나타내어 설명하기로 하나, 상기 유체의 종류나 개수가 한정되는 것은 아니다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 유체 희석 장치는 덮개 기판(20)과 상기 덮개 기판(20)에 대향하여 구비되며 상기 덮개 기판(20)과 결합되는 유로 기판(10)을 포함한다.
상기 유로 기판(10) 및 상기 덮개 기판(20) 중 적어도 하나는 폴리머, 실리콘 및 유리 중 어느 하나 또는 그 조합으로 형성될 수 있다.
상기 덮개 기판(20)에는 희석하고자 하는 제1 유체(A)와 제2 유체(B)를 제공할 수 있는 제1 유체 투입구(610)와 제2 유체 투입구(110)가 형성되어 있다. 이 이외에도 공기 구멍(991)이 형성되어 있다.
상기 제1 유체 투입구(610)와 제2 유체 투입구(110)는 덮개 기판(20)을 관통하여 형성되며, 상기 두 투입구(610, 110)를 통해 제1 및 제2 유체(B)가 유로 기판(10)으로 공급된다.
상기 유로 기판(10)은 미세 유체가 이동되는 유로가 형성된 기판에 해당하며, 미세 유체를 복수의 유체를 희석하기 위한 미세 유체 희석부(30)를 포함한다.
상기 미세 유체 희석부(30)는 제1 유체 저장고(600), 제2 유체 저장고(100), 제1 유체 챔버(700), 제2 유체 챔버(400), 마이크로 믹서(800), 상기 마이크로 믹서(800)에 연결된 합류 챔버(900), 상기 합류 챔버(900)에 연결된 공기 구멍부(990)를 포함할 수 있다.
상기 제1 유체 저장고(600)와 제2 유체 저장고(100)는 외부로부터 제1 유체(A)와 제2 유체(B)를 공급받아 일시적으로 저장하는 역할을 하며 이후 미세 유체 희석부(30)의 다른 구성 요소에서 상기 제1 유체(A)와 제2 유체(B)를 희석하도록 다른 구성 요소에 상기 제1 유체(A)와 제2 유체(B)를 각각 공급하는 역할을 한다.
상기 제1 유체 저장고(600)는 상기 제1 미세 유로(51)를 통하여 제1 유체 챔버(700)에 연결된다. 즉, 상기 제1 미세 유로(51)의 일단은 제1 유체 챔버(700)의 일측에 연결되고 타단은 상기 제1 유체 저장고(600)에 연결된다. 상기 제1 유체 챔버(700)의 타측에 제2 미세 유로(52)의 일단이 연결된다.
상기 제1 유체 챔버(700)는 상기 제1 미세 유로(51)로부터 상기 제2 미세 유로(52) 방향으로 연장될 수 있다. 즉, 제1 유체 챔버(700)는 모세관력에 의해 순조로운 유동이 제공되도록 모세관 유동 진행 방향으로의 챔버의 길이가 챔버의 폭에 비해 큰 것이 바람직하다.
상기 제2 유체 챔버(400)는 상기 제1 유체 챔버(700)에 대해 일정비의 유동저항비를 가지도록 형성된다. 상기 유동저항비는 유량에 영향을 미치는바, 같은 구동 압력에 대해 유동저항이 크게 되면 유량이 작아지고, 이와 반대로 유동저항이 작게 되면 유량이 증가한다. 상기 유동저항은 단면적에 따라 그 값이 달라지므로 유체 챔버의 단면적(유체 챔버의 폭×유체 챔버의 깊이)을 변화시킴으로써 상기 유동저항비를 조절할 수 있다. 예를 들어, 유체 챔버의 단면적과 길이가 같아서 유동저항이 같은 경우 동일한 유량이 형성되기 때문에 혼합/희석되는 부피비가 1:1이 되며, 유체 챔버의 단면적과 길이가 서로 달라서 유동저항이 일정비(예를 들어 1:2)로 달라지면, 상기 일정비와 동일한 유량비가 형성되어 혼합/희석되는 부피비가 일정비(2:1)를 가지게 된다. 본 실시예에서는 상기 제2 유체 챔버(400)의 유동저항이 제1 유체 챔버(700)와 동일한 유동저항을 가지는 것을 일 예로서 설명한다.
상기 제2 유체 챔버(400)는 상기 제3 미세 유로(53)을 통하여 제1 유체 저장 고(600)에 연결된다. 즉, 상기 제3 미세 유로(53)의 일단은 제2 유체 챔버(400)의 일측에 연결되고 타단은 상기 제1 유체 저장고(600)에 연결된다. 상기 제2 유체 챔버(400)의 타측은 제4 미세 유로(54)의 일단이 연결된다.
상기 제2 유체 챔버(400)는 상기 제3 미세 유로(53)로부터 상기 제4 미세 유로(54) 방향으로 연장될 수 있다. 즉, 제2 유체 챔버(400)는 모세관력에 의해 순조로운 유동이 형성되도록 모세관 유동 진행 방향으로 챔버의 길이가 챔버의 폭에 비해 큰 것이 바람직하다.
상기 제3 미세 유로(53)의 타단과 상기 제1 미세 유로(51)의 타단은 제1 합류점(550)에서 합류하여 제1 유체 저장고(600)에 연결된다. 상기 제1 합류점(550)에는 일정 조건에서 상기 제3 미세 유로(53)로부터 제1 미세 유로(51)나 제1 유체 저장고(600)로의 유체의 이동을 막는 제1 정지 밸브(500)가 구비된다.
상기 제1 정지 밸브(500)는 상기 제1 합류점(550)에서 모세관 정지 압력을 증가시키기 위해 제3 미세 유로(53)의 타단이 상기 제1 합류점에서 미세 유로의 형상이 급속 확장되어 형성될 수 있다. 마찬가지로, 상기 제2 정지 밸브(300)는 상기 제2 합류점(350)에서 모세관 정지 압력을 증가시키기 위해 제4 미세 유로(54)의 타단이 상기 제2 합류점에서 미세 유로의 형상이 급속 확장되어 형성될 수 있다.
도 4a는 도 3의 S1을 확대하여 도시한 평면도이며 도 4b는 도 4a의 S3를 확대하여 도시한 평면도로, 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 정지 밸브(500)를 도시한 것이다.
도시한 바와 같이, 상기 제1 미세 유로(51)와 제3 미세 유로(53)는 제1 합류 점(550)에서 합류되고, 상기 제1 합류점을 통하여 제1 유체 저장고(600)가 연결된다. 상기 제1 합류점(550)의 유로의 폭은 상기 제1 미세 유로(51)와 제3 미세 유로(53)보다 큰 값을 갖도록 상기 제1 합류점(550)에서 제3 미세 유로(53)의 타단의 폭이 급속 확장된다. 이는 상기 제1 합류점(550)에서 급격히 넓어지도록 관이 형성되는 경우 모세관 정지 압력이 커지는 것을 의미하며, 이에 따라 모세관력에 대한 이동이 급격히 줄어들게 되며, 결과적으로 제1 또는 제3 미세 유로(53)로부터의 유체 이동이 정지되게 된다. 이에 따라 상기 제1 합류점(550)은 제1 정지 밸브(500)로서 기능한다. 이때, 상기 제1 합류점(550)에서 분기되는 제1 미세 유로(51)와 제3 미세 유로(53)는 합류점에 대하여 대칭으로 형성되어야 유동 저항이 같다.
도면 상에는 합류점에서의 유로가 급격히 확장되는 것을 예로 설명하였으나, 본 발명의 다른 실시예에서는 상기 합류점의 표면을 소수성으로 표면 처리하여 제1 정지 밸브(500)로 이용할 수도 있다. 소수성을 띠는 표면의 경우 유체와 표면의 접촉 각도가 90도 이상인 경우에는 고체 표면이 유체를 밀어내는 성질이 있으므로 이를 이용하여 제1 정지 밸브(500)로서 사용한다.
상기 제4 미세 유로(54)의 타단은 상기 제2 미세 유로(52)의 타단과 제2 합류점(350)에서 합류하여 마이크로 믹서(800)에 연결된다. 상기 제2 합류점(350)에는 일정 조건에서 상기 제4 미세 유로(54)로부터 제2 미세 유로(52)나 상기 마이크로 믹서(800)로의 유체의 이동을 막는 제2 정지 밸브(300)가 구비된다.
도 5a는 도 3의 S2을 확대하여 도시한 평면도이며, 도 5b는 도 5a의 S4를 확대하여 도시한 평면도로, 본 발명의 제1 실시예에 따른 제2 정지 밸브(300)를 도시 한 것이다.
도시한 바와 같이, 상기 제2 미세 유로(52)와 제4 미세 유로(54)는 제2 합류점(350)에서 합류되고, 상기 제2 합류점(350)을 통하여 마이크로 믹서(800)가 연결된다. 상기 제2 합류점(350)의 유로의 폭은 상기 제2 미세 유로(52)와 제4 미세 유로(54)보다 큰 값을 갖도록 상기 제2 합류점(350)에서 제4 미세 유로(53)의 타단의 폭이 급속 확장된다. 이에 따라, 제1 정지 밸브(500)와 동일한 원리로, 상기 제2 합류점(350)은 제2 또는 제4 미세 유로(54)로부터의 유체 이동을 정지시키게 되며 이에 따라 제2 정지 밸브(300)로서 기능한다. 이때, 상기 제2 합류점(350)에서 분기되는 제2 미세 유로(52)와 제4 미세 유로(54)는 합류점에 대하여 대칭으로 형성되어야 유동 저항을 같게 하여 정확한 희석비 구현이 가능하다.
본 발명의 다른 실시예에서는 상기 제2 정지 밸브(300)의 표면을 소수성으로 처리하여 제2 정지 밸브(300)로 이용할 수 있음은 물론이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 제1 합류점(550)에서 연결된 상기 제1 미세 유로(51) 및 상기 제3 미세 유로(53)는 상기 제1 합류점(550)에 대하여 대칭으로 형성된다. 상기 제2 합류점(350)에서 분기되는 상기 제2 미세 유로(52)와 상기 제4 미세 유로(54)는 상기 제2 합류점(350)에 대하여 대칭으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 본 유체 희석 장치가 구동될 때 상기 제2 합류점(350)에서 합류하는 상기 제1 유체(A)와 제2 유체(B)의 희석비를 동일하게 할 수 있다. 대칭되는 경로를 유체가 통과함으로써 동일한 정도로 유동되고 이에 따라 합류점에 동일한 양이 혼합된다.
상기 제4 미세 유로(54)의 일단은 상기 유동 저항 채널(200)을 통하여 상기 제2 유체 저장고(100)에 연결된다.
상기 유동 저항 채널(200)은 모세관력에 의해 제2 유체(B)가 이동하도록 미세 유로를 구비한다. 상기 유동 저항 채널(200)의 유동 저항은 상기 제1 내지 제4 미세 유로들(51 내지 54) 유동 저항보다 상대적으로 매우 크다.
상기 유동 저항 채널(200)의 유동 저항이 상기 제1 내지 제4 미세 유로들(51 내지 54) 보다 큰 이유는 일정 조건에서 상기 유동 저항 채널(200)을 통하여 제2 유체(B)의 이동이 억제되도록 하기 위해서이다. 제2 유체 챔버(400)가 제2 유체(B)로 채워지는 과정에서는 상기 제2 유체 저장고(100)로부터 상기 유동 저항 채널(200)을 통과하여 상기 제2 유체 챔버(400)와 제4 미세 유로(54) 방향으로 제2 유체(B)가 유동한다. 그러나, 제2 합류점(350)에서 합류된 상기 제1 유체(A)와 제2 유체(B)가 마이크로 믹서(800)를 거쳐 합류 챔버(900)으로 이동 시에는, 상기 유동 저항 채널(200)의 유동 저항이 제4 미세 유로(54)의 유동 저항보다 상대적으로 매우 크기 때문에, 상기 유동 저항 채널(200)로부터 제 4 미세유로(54)를 거쳐 마이크로 믹서(800)로 이동하기보다는 제2 유체 챔버(400)로부터 제 4 미세유로(54)를 거쳐 마이크로 믹서(800)로 제2 유체(B)가 이동하게 된다.
상기 유동 저항 채널(200)의 유동 저항을 높이기 위해서는 본 발명의 일 실시예에서는 상기 유동 저항 채널(200)의 폭 또는 높이가 상기 제1 내지 제4 미세 유로(51 내지 54) 각각의 폭 또는 높이의 1/10 이하를 가지도록 형성될 수 있다. 또는 본 발명의 다른 실시예에서는 상기 제1 내지 제4 미세 유로들(51 내지 54) 길 이의 10배 이상의 길이를 가지도록 형성될 수 있다.
상기 제2 합류점(350)에 마이크로 믹서(800)의 일단이 연결된다. 상기 마이크로 믹서(800)는 상기 제2 합류점(350)에서 합류한 제1 유체(A)와 제2 유체(B)를 혼합하기 위한 것으로, 두 유체의 혼합을 위해 절곡된 형태의 미세 유로로 구비된다. 본 발명의 다른 실시예에서는 3차원 유체 교반기일 수도 있다.
상기 마이크로 믹서(800)의 타단에 상기 혼합된 상기 제1 유체(A)와 상기 제2 유체(B)가 저장되는 상기 합류 챔버(900)가 연결된다.
상기 합류 챔버(900)는 상기 제1 유체(A)와 제2 유체(B)의 혼합액이 저장될 수 있도록 그 용량이 상기 제1 유체 챔버(700)와 제2 유체 챔버(400)의 용량의 합과 같거나 작게 형성된다.
상기 합류 챔버(900)에는 공기 구멍부(990)가 제공된다. 상기 공기 구멍부(990)는 미세 유로의 공기를 배출하기 위한 것이다. 상기 덮개 기판(20)에는 상기 공기 구멍부(990)와 연통하여 상기 합류 챔버(900)의 공기를 배출하는 공기 구멍(991)이 형성되어 있다.
상기 제1 내지 제4 미세 유로(51 내지 54)를 포함한 유체 희석부(30)의 구성요소들은 100um 이하의 깊이로 구비된다. 이는 모세관력에 의한 미세 유체 제어가 가능하도록 하기 위함이다.
도 6a 내지 도 6i는 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 유체 희석 장치의 구동 과정, 즉, 제1 유체(A)와 제2 유체(B)의 희석 과정을 설명하기 위한 평면도로, 상기 유체 희석부(30)의 일부 영역만 나타낸 것이다.
도 1 내지 3 및 도 6a 내지 도 6i를 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 희석의 과정을 설명한다.
제2 유체(B)를 상기 제2 유체 투입구(110)에 투입한다. 상기 투입된 제2 유체(B)는 모세관력에 의해 유동 저항 채널(200)을 채운다. (도 6a) 연속하여 상기 제2 유체(B)는 모세관력에 의하여 제2 유체 챔버(400)와 제4 미세 유로(54)를 채운다. (도 6b) 이때, 상기 제2 유체(B)는 제2 합류점(350)에서 제2 정지 밸브(300)에 의해 정지된다. 상기 제2 유체(B)는 모세관력에 의하여 계속적으로 이동하여 제2 유체 챔버(400) 전체를 채우고 제3 미세 유로(53)도 채운다. (도 6c) 이때, 상기 제2 유체(B)는 제1 합류점(550)에서 제1 정지 밸브(500)에 의해 정지된다. (도 6d)
한편, 제1 유체(A)가 제1 유체 투입구(600)로 투입되어 제1 합류점으로 향한다. (도 6e) 투입된 제1 유체(A)는 모세관력에 의해 제1 미세 유로(51)를 통하여 제1 유체 챔버(700)를 채운다. (도 6f) 상기 제1 유체(A)는 계속하여 제2 미세 유로(52)까지 순차적으로 이동한다. 상기 제1 유체(A)가 상기 제2 합류(550)에 도착하면 상기 정지된 제2 유체(B)와 합류한다. (도 6g) 상기 제2 합류점(350)에서 제1 유체(A)와 제2 유체(B)의 합류는 정지된 제2 유체(B)의 계면과 제1 유체(A)의 계면이 접촉하여 계면 융합으로 형성된다.
상기 제2 합류점(350)에서는 제1 유체(A)와 제2 유체(B)가 합류함으로써 섞이게 되어 제2 합류점(350)은 더 이상 제2 정지 밸브(300)로서 기능하지 않는다. 이에 따라, 제1 유체(A)는, 제1 유체 저장고(600)으로부터 제1 합류점(550), 제1 미세 유로(51), 제1 유체 챔버(700), 제2 미세 유로(52) 및 제2 합류점(350)의 순 서로 유동이 발생됨과 동시에 제1 유체 저장고(600)로부터 제1 합류점(550), 제3 미세 유로(53), 제2 유체 챔버(400), 제4 미세 유로(54) 및 제2 합류점(350)의 순서로 유동이 발생된다. 이때, 유동 저항 채널(200)의 높은 유동 저항 때문에 제2 유체 저장고(100)에서는 제2 유체(B)가 이동하지 않는다. 즉, 유동 저항채널(200)은 합류된 제1 유체(A)와 제2 유체(B)가 모세관력으로 마이크로 믹서(800)와 합류 챔버(900)로 이동 시에 미세 유로에 비해 큰 유동 저항을 형성하여 제2 유체 저장고(100)에 저장된 제2 유체(B)가 합류 챔버(900)로 이동하는 것을 억제시킨다.
이렇게 함으로써, 제2 유체 챔버(400)와 제1 유체 챔버(700)의 제2 유체(B)와 제1 유체(A)가 같은 체적으로 혼합되게 할 수 있다. (도 6h)
이후, 합류된 제1 유체(A)와 제2 유체(B)는 모세관력에 의해 마이크로믹서(800)를 거쳐 합류 챔버(900)로 이동한다. 이 과정을 통하여 투입된 제1 유체(A)와 제2 유체(B)가 모세관력에 의해서 일정한 희석비로 혼합되어 합류 챔버(900)에 저장되게 된다. 공기 구멍부(990)와 공기 구멍(991)은 모세관력에 의한 유동이 막힘없이 흐르도록 공기의 배출을 위해 설치된다.
상기한 바와 같은 구동을 통해 제1 유체(A)와 제2 유체(B)를 일 대 일의 비로 혼합할 수 있게 되는데, 상기 혼합 비율은 상기 제1 유체 챔버(700)와 상기 제2 유체 챔버(400)의 유동저항비와 상응된다. 이러한 유체 희석 장치를 생물학적 반응 및 감지를 위한 장치로서 이용할 수 있는 바, 예를 들어, 상기 제1 유체 챔버(700), 상기 제2 유체 챔버(400) 및 합류 챔버(900) 중 적어도 어느 하나의 내부에, 제1 유체(A), 제2 유체(B) 및 혼합액의 생물학적 반응 및 감지를 위한 항원, 항체, 효소, 마이크로/나노 입자, 전극 및 센서 중 적어도 어느 하나를 구비할 수 있다.
상술한 바와 같은 유체 희석 장치는 제1 유체와 제2 유체를 일대 일의 비로 혼합하기 위한 것이다. 본 발명의 제2 실시예에 따르면 본 발명은 제1 유체와 제2 유체를 다른 비율로 혼합하기 위한 유체 희석 장치를 포함한다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 유동 저항 변화를 이용하여 희석비를 변화시키기 위한 미세 유체 희석 장치의 구성도이다.
도면을 참조하면, 제1 유체 챔버(700)와 제2 유체 챔버(400)의 크기가 다르게 형성된다. 이는 제1 유체와 제2 유체가 마이크로믹서(800)와 합류 챔버(900)으로 흐르는 동안 서로 다른 유동 저항(R1, R2)을 발생하게 하기 위한 것이다. 같은 유동 압력에 대하여 유량은 유동 저항에 반비례하므로 유량비는 수식 1과 같다.
Q1/Q2 = R2/R1
예컨대, 제1 유체 챔버(700)의 유동 저항(R1)이 제2 유체 챔버(400)의 유동 저항(R2)이 같은 경우에는 합류 챔버(900)으로 흐르는 제1 유체와 제2 유체의 비는 1:1이 되며, 제1 유체 챔버(700)의 유동 저항(R1)이 제2 유체 챔버(400)의 유동 저항(R2)의 2배인 경우, 합류 챔버(900)으로 흐르는 제1 유체와 제2 유체의 비는 1:2 가 된다.
이때, 상기 제1 유체 챔버(700)와 제2 유체 챔버(400)는 서로 다른 폭 또는 서로 다른 높이를 가질 수 있다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 희석비를 변화시키기 위한 유체 희석부가 복수 개가 연결된 미세 유체 희석 장치를 나타낸 구성도로, 유체 희석부가 2개 연결된 것을 일예로 나타내었다. 본 실시예에 따르면 3가지 이상의 유체를 일정비로 혼합 또는 희석할 수 있다.
도면을 참조하면, 제3 실시예에 따른 제1 유체 희석부(31)와 제2 유체 희석부(32)가 구비되며, 제1 유체 희석부(31)의 마이크로 믹서(800)에는 제2 희석부의 제1 합류점(550)이 연결된다.
제1 유체 희석부(31)에는 제1 유체와 제2 유체가 공급되며, 제2 유체 희석부(32)에는 혼합하고자 하는 제3 유체(C)가 제3 유체 저장고(105)를 통해 공급된다. 이에 따라, 제1 유체 희석부(31)를 통해 제1 유체(A)와 제2 유체(B)가 일정비로 혼합되며, 상기 혼합액은 다시 제2 유체 희석부(32)를 통해 제3 유체(C)와 혼합된다.
이때, 제1 유체 희석부(31)의 제1 유체 챔버(700)와 제2 유체 챔버(400)의 유동 저항이 같고, 제2 유체 희석부(32)의 제1 유체 챔버(700)와 제2 유체 챔버(400)의 유동 저항이 같다면, 제1 유체 희석부(31)에서는 제1 유체(A)와 제2 유체(B)가 1:1로 혼합된다. 그 다음 제2 유체 희석부(32)에서 상기 제1 유체(A)와 제2 유체(B)의 혼합액이 제3 유체(C)와 1:1로 혼합된다. 그 결과 최종 혼합물의 상기 제1 유체(A), 제2 유체(B) 및 제3 유체(C)의 비는 1:1:2가 된다. 제2 유체(B)가 제3 유체(C)와 동일한 유체인 경우 제1 유체(A)와 제2 유체(B)의 최종적인 혼합 비는 1:3이 된다.
동일한 방식으로, 제1 유체 챔버(700)와 제2 유체 챔버(400)의 유동 저항이 같고 제2 유체가 같으며 n단으로 형성된 미세유체 희석기의 경우, 최종 합류 챔버(900)에 저장되는 제1 유체 A의 체적과 제2 유체 B의 체적의 희석비는 다음과 같다.
VB / VA = 2n -1
상술한 바와 같이, 본 발명에서 제공하는 미세 유체 희석 장치는 일정한 비율의 희석비로 미세 유체의 희석 동작을 수행하며, 구동력으로 모세관력을 이용하기 때문에 외부적인 제어가 필요없다.
그 뿐만 아니라, 시료와 희석액을 떨어뜨리는 간단한 동작만으로 일정한 희석비로 재현성 있게 미세 유체를 희석할 수 있으며, 유체 희석부를 복수 개로 배치함으로써, 원하는 희석비로 조절이 가능하다.
또한, 본 발명은 시료 유체 챔버, 희석액 유체 챔버, 합류 챔버 등에 생물학적 반응 및 감지를 위한 요소를 설치하여 바이오 칩으로 활용될 수 있으며, 그 외에도 희석비의 조절이 필요한 다양한 화학적 반응기로 활용될 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으 나, 상기 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위내의 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 유체 희석 장치를 개략적으로 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 미세 유체 희석 장치 중 유로 기판의 구성 요소를 설명하기 위한 구성도이다.
도 3은 도 2의 구성도가 유로 기판에 적용된 실시예를 나타낸 평면도이다.
도 4a는 도 3의 S1을 확대하여 도시한 평면도이며, 도 4b는 도 4a의 S3를 확대하여 도시한 평면도이다.
도 5a는 도 3의 S2을 확대하여 도시한 평면도이며, 도 5b는 도 5a의 S4를 확대하여 도시한 평면도이다.
도 6a 내지 도 6h는 본 발명의 실시예에 따른 제1 유체와 제2 유체의 희석 과정을 설명하기 위한 평면도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 유동 저항 변화를 이용하여 희석비를 변화시키기 위한 미세 유체 희석 장치의 구성도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 희석비를 변화시키기 위한 유체 희석부가 복수 개가 연결된 미세 유체 희석 장치를 나타낸 구성도이다.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 ***
10 : 유로 기판 20 : 덮개 기판
51 : 제1 미세 유로 52 : 제2 미세 유로
53 : 제3 미세 유로 54 : 제4 미세 유로
100 : 제2 유체 저장고 105 : 제2 유체 저장고
110 : 제2 유체 투입구 200 : 유동 저항채널
300 : 제2 모세관 정지 밸브 350 : 제2 합류점
400 : 제2 유체 챔버 500 : 제1 모세관 정지 밸브
550 : 제1 합류점 600 : 제1 유체 저장고
610 : 제1 유체 투입구 700 : 제1 유체 챔버
800 : 마이크로 믹서 900 : 합류 챔버
990 : 공기 구멍부 991 : 공기 구멍

Claims (20)

  1. 덮개 기판과, 상기 덮개 기판과 결합하며 미세 유체 희석부를 포함하는 유로 기판을 포함하며,
    상기 미세 유체 희석부는,
    제1 유체가 주입되어 저장되는 제1 유체 챔버;
    상기 제1 유체 챔버에 대해 일정비의 유동저항비를 가지며, 제2 유체가 주입되어 저장되는 제2 유체 챔버;
    일단이 상기 제1 유체 챔버의 일측에 연결된 제1 미세 유로;
    일단이 상기 제1 유체 챔버의 타측에 연결된 제2 미세 유로;
    일단이 상기 제2 유체 챔버에 일측에 연결되고 타단이 상기 제1 미세 유로의 타단에 연결되어 제1 합류점을 형성하는 제3 미세 유로;
    일단이 상기 제2 유체 챔버의 타측에 연결되고 타단이 상기 제2 미세 유로의 타단에 연결되어 제2 합류점을 형성하는 제4 미세 유로; 및
    상기 제2 합류점에 연결된 마이크로 믹서를 포함하는 미세 유체 희석 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 유체는 모세관력에 의해 상기 제2 유체 챔버를 채우고 상기 제1 합류점 및 제2 합류점으로 이동하고,
    상기 제1 유체는 모세관력에 의해 상기 제1 합류점으로부터 상기 제1 유체 챔버를 거쳐 상기 제2 합류점으로 순차로 이동하며 상기 제2 합류점에서 상기 제1 유체 챔버와 제2 유체 챔버의 유동저항비에 따라 일정비로 상기 제2 유체와 합류하여 상기 마이크로 믹서에서 혼합되는 것을 특징으로 하는 미세 유체 희석 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 합류점에 연결되어 상기 제1 유체를 공급하는 제1 유체 저장고; 및
    상기 제4 미세 유로의 일단에 유동 저항 채널을 통하여 상기 제2 유체를 공급하는 제2 유체 저장고를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 희석 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 유동 저항 채널은 상기 제1 내지 제4 미세 유로들의 유동 저항보다 큰 유동 저항을 가지는 미세 유로인 것을 특징으로 하는 미세 유체 희석 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유동 저항 채널은 상기 제1 내지 제4 미세 유로들의 폭 또는 높이의 1/10 이하의 폭 또는 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 미세 유체 희석 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 유동 저항 채널은 상기 제1 내지 제4 미세 유로 각각의 길이의 10배 이상의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 미세 유체 희석 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 믹서와 연결되며, 상기 혼합된 상기 제1 유체와 상기 제2 유체가 저장되는 상기 합류 챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 희석 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 합류 챔버는 용량이 상기 제1 유체 챔버와 제2 유체 챔버의 용량의 합과 같거나 작은 것을 특징으로 하는 미세 유체 희석 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 합류 챔버는 희석된 제1 유체의 생물학적 반응 및 감지를 위한 항원, 항체, 효소, 마이크로/나노 입자, 전극 및 센서 중 적어도 어느 하나를 내부에 구비하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 희석 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 합류점과 상기 제2 합류점의 유로는 모세관 정지 압력을 증가시키기 위해 상기 합류점들에 연결되는 상기 미세 유로들보다 넓게 형성되는 것을 특징으로 하는 미세 유체 희석 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 합류점과 상기 제2 합류점의 유로는 모세관 정지 압력을 증가시키기 위해 소수성 표면처리된 것을 특징으로 하는 미세 유체 희석 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유체 챔버는 상기 제1 미세 유로로부터 상기 제2 미세 유로 방향으로 연장되며, 상기 제2 유체 챔버는 상기 제3 미세 유로로부터 상기 제4 미세 유로 방향으로 연장된 것을 특징으로 하는 미세 유체 희석 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 유체 챔버와 제2 유체 챔버는 서로 다른 폭 또는 서로 다른 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 미세 유체 희석 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유체 챔버 및 상기 제2 유체 챔버 중 적어도 어느 하나는 생물학적 반응 및 감지를 위한 항원, 항체, 효소, 마이크로/나노 입자, 전극 및 센서 중 적어도 어느 하나를 내부에 구비하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 희석 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 믹서는 상기 제2 합류점에서 합류된 상기 제1 유체와 제 유체 가 혼합되도록 절곡되어 형성된 미세 유로인 것을 특징으로 하는 미세 유체 희석 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 믹서는 상기 제2 합류점에서 합류된 상기 제1 유체와 제2 유체가 혼합되도록 구비된 3차원 유체 교반기인 것을 특징으로 하는 미세 유체 희석 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제1 합류점에서 연결된 상기 제1 미세 유로 및 상기 제3 미세 유로는 상기 제1 합류점에 대하여 대칭으로 형성되고, 상기 제2 합류점에서 분기되는 상기 제2 미세 유로와 상기 제4 미세 유로는 상기 제2 합류점에 대하여 대칭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 미세 유체 희석 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 유체 희석부는 100㎛ 이하의 깊이로 구비된 것을 특징으로 하는 미세 유체 희석 장치.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 미세 유체 희석부는 복수 개로 구비되는 것을 특징으로 하는 미세 유체 희석 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    복수 개의 미세 유체 희석부는 서로 다른 유체가 투입되는 제2 유체 투입구들을 갖는 것을 특징으로 하는 미세 유체 희석 장치.
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