KR101097357B1 - 다기능 미세유체 유동 제어 장치 및 다기능 미세유체 유동 제어 방법 - Google Patents

다기능 미세유체 유동 제어 장치 및 다기능 미세유체 유동 제어 방법 Download PDF

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Abstract

다기능 미세유체 유동 제어 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 다기능 미세유체 유동 제어 장치는, 제1 및 제2 미세유체 주입 통로를 포함하는 적어도 하나 이상의 미세유체 주입부, 미세유체 주입부를 통해 주입되는 적어도 한 종류 이상의 미세유체의 유동을 제어하도록 요철 패턴이 형성된 미세유체 채널부, 및 미세유체 채널부와 연결되어 유동이 제어된 미세유체를 배출하는 미세유체 배출부를 포함한다.
미세유체, 요철 패턴, 포커싱, 혼합, 분리, 와류

Description

다기능 미세유체 유동 제어 장치 및 다기능 미세유체 유동 제어 방법{Multi function microfluidic flow control apparatus and multi function microfluidic flow control method}
본 발명은 다기능 미세유체 유동 제어 장치 및 다기능 미세유체 유동 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 요철 패턴을 포함하는 미세유체 채널을 이용함으로써 미세유체의 포커싱, 혼합 및 분리에 대한 제어 기능을 구현할 수 있는 다기능 미세유체 유동 제어 장치 및 다기능 미세유체 유동 제어 방법에 관한 것이다.
마이크로타스(μ-TAS, micro total analysis systems)는 바이오 시료를 분석하기 위해 시료의 전처리(혼합, 분리, 3차원 포커싱 등)를 거쳐 이에 대한 결과를 검출 해내는 과정을 일괄적으로 처리하는 집적화된 소형 분석시스템을 말한다.
최근 생명과학의 발전으로 신약 개발이나 진단 등의 분야에서 분석해야 하는 표적물질이 증가하고 있다. 이에 따라 고가의 시약이나 시료를 다량으로 필요하게 됨으로써 극미량 분석을 통한 비용절감의 필요성이 높아지고 있다. 이에, 극미량의 시료나 시약을 다루는 일의 비중이 증가하면서 각광받게 된 것이, 이 시스템을 하나의 칩 안에 집적화 시켜 구현 하는 랩온어칩(Lab-on-a-chip) 기술이다.
랩온어칩은 반도체 분야에서 널리 사용되는 사진식각인쇄기술(photolithography)이나 미세가공기술(micromachining)을 이용하여 유리, 실리콘 또는 플라스틱으로 된 수 내지 수십 마이크로미터 크기의 미세채널을 형성하고, 형성된 미세채널 내에 흐르는 유체의 유동 특성을 이용하는 미세유체역학기술(microfluidics)을 사용함으로써 미세유체를 제어하여 이를 구현한다.
종래의 미세유체 제어 기술은 미세채널을 흐르는 시료의 반응 및 검출을 위해 외부 힘(예를 들어, 전기장, 자기장 및 음파)을 이용하여 미세유체의 포커싱, 혼합 및 분리 등과 같은 시료 전처리 과정을 구현하였다. 하지만, 이 같이 외부 힘을 이용하여 미세유체를 제어하는 기술은 미세유체 내의 미세입자(예를 들어, 세포)에 손상을 줄 수 있으며, 외부 힘을 생성하기 위해 칩 주변에 다른 장치들을 구성해야 하므로 칩의 복잡성 문제점 및 소형화 한계에 따른 문제점이 있었다.
또한, 다른 미세유체 제어 기술로써, 미세채널 내에 구조물을 형성하여 미세유체의 유동 특성을 이용하여 시료 전처리 과정을 구현하였다. 하지만, 구조물 형성에 따라 미세채널의 복잡성이 증가하며, 미세유체의 포커싱, 혼합 및 분리 기능 중 어느 하나의 기능만을 구현하도록 설계됨으로써 활용도가 저하된다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 복수의 제1 채널 구간 및 제1 채널 구간과 교대로 형성되며 제1 채널 구간보다 미세유체의 유동 단면적이 작은 복수의 제2 채널 구간을 포함하는 요철 패턴이 형성된 미세유체 채널부를 이용함으로써, 2차 유동을 발생시켜 미세유체가 포커싱, 혼합 및 분리되도록 제어할 수 있는 다기능 미세유체 유동 제어 장치 및 다기능 미세유체 유동 제어 방법에 관한 것이다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 다기능 미세유체 유동 제어 장치는, 제1 및 제2 미세유체 주입 통로를 포함하는 적어도 하나 이상의 미세유체 주입부, 상기 미세유체 주입부와 연결되어 상기 미세유체 주입부를 통해 주입되는 적어도 한 종류 이상의 미세유체의 유동을 제어하도록 요철 패턴이 형성된 미세유체 채널부 및 상기 미세유체 채널부와 연결되어 상기 유동이 제어된 미세유체를 배출하는 미세유체 배출부를 포함한다.
이 경우, 상기 미세유체 채널부의 상기 요철 패턴은 복수의 제1 채널 구간 및 상기 제1 채널 구간과 교대로 형성되며, 상기 제1 채널 구간보다 상기 미세유체의 유동 단면적이 작은 복수의 제2 채널 구간을 포함할 수 있다.
상기 미세유체는 상기 제1 채널 구간에서 상기 미세유체 배출부를 향해 진행하는 1차 유동을 가지며, 상기 제2 채널 구간에서 상기 1차 유동을 가로지르는 2차 유동을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 2차 유동은 상기 제2 채널 구간에 흐르는 상기 미세유체의 1차 유동을 가로질러 상/하부 방향으로 와류를 형성할 수 있다.
한편, 상기 제2 채널 구간은 상기 제1 미세유체 주입 통로를 통해 제1 미세유체가 주입되고, 상기 제2 미세유체 주입 통로에 상기 제1 미세유체와 상이한 제2 미세유체가 주입되면, 상기 와류에 의해 상기 제2 미세유체가 상기 제1 미세유체를 둘러싸 상기 제1 미세유체가 중앙 영역에 포커싱되도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 제2 채널 구간은 상기 제2 미세유체가 상기 제1 미세유체를 둘러싸 상기 제1 미세유체가 중앙 영역에 포커싱된 상태에서 상기 제2 채널 구간을 적어도 하나 이상 더 통과하면, 상기 와류에 의해 상기 제1 및 제2 미세유체가 혼합되도록 제어할 수 있다.
또는, 상기 제2 채널 구간은 상기 제1 미세유체 주입 통로를 통해 서로 다른 크기의 입자를 포함하는 제1 미세유체가 주입되고 상기 제2 미세유체 주입 통로를 통해 제2 미세유체가 주입되면, 상기 와류에 의해 상기 서로 다른 크기의 입자들이 크기 별로 분리되도록 제어할 수 있다.
그리고, 상기 요철 패턴에서 상기 제1 채널 구간 또는 상기 제2 채널 구간은 톱니 형상, 반원 형상 및 사각 형상 중 어느 하나의 형상을 가질 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 다기능 미세유체 유동 제어 방법은, 제1 및 제2 미세유체 주입 통로를 포함하는 적어도 하나 이상의 미세유체 주입부에 적어도 한 종류의 미세유체를 주입하는 제1 단계, 상기 미세유체 주입부와 연결되며 요철 패턴이 형성된 미세유체 채널부를 통해, 상기 주입된 미세유체의 유동을 제어하는 제2 단계 및 상기 미세유체 채널부와 연결된 미세유체 배출부를 통해 상기 유동이 제어된 미세유체를 배출하는 제3 단계를 포함한다.
이 경우, 상기 제2 단계는 상기 요철 패턴에 포함된 복수의 제1 채널 구간과 교대로 형성되며 상기 제1 채널 구간보다 상기 미세유체의 유동 단면적이 작은 복수의 제2 채널 구간을 통해 상기 미세유체의 유동을 제어할 수 있다.
상기 미세유체는 상기 제1 채널 구간에서 상기 미세유체 배출부를 향해 진행하는 1차 유동을 가질 수 있으며, 상기 제2 채널 구간에서 상기 1차 유동을 가로지르는 2차 유동을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 2차 유동은 상기 제2 채널 구간에 흐르는 상기 미세유체의 1차 유동을 가로질러 상하부 방향으로 와류를 형성할 수 있다.
한편, 상기 제2 단계는 상기 제1 미세유체 주입 통로를 통해 제1 미세유체가 주입되고, 상기 제2 미세유체 주입 통로에 상기 제1 미세유체와 상이한 제2 미세유체가 주입되면, 상기 와류에 의해 상기 제2 미세유체가 상기 제1 미세유체를 둘러싸 상기 제1 미세유체가 중앙 영역에 포커싱되도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 제2 단계는 상기 제2 미세유체가 상기 제1 미세유체를 둘러싸 상기 제1 미세유체가 중앙 영역에 포커싱된 상태에서 상기 제2 채널 구간을 적어도 하나 이상 더 통과하면, 상기 와류에 의해 상기 제1 및 제2 미세유체가 혼합되도록 제어할 수 있다.
또는, 상기 제2 단계는 상기 제1 미세유체 주입 통로를 통해 서로 다른 크기 의 입자를 포함하는 제1 미세유체가 주입되고 상기 제2 미세유체 주입 통로를 통해 제2 미세유체가 주입되면, 상기 와류에 의해 상기 서로 다른 크기의 입자들이 크기 별로 분리되도록 제어할 수 있다.
그리고, 상기 요철 패턴에서 상기 제1 채널 구간 또는 상기 제2 채널 구간은 톱니 형상, 반원 형상 및 사각 형상 중 어느 하나의 형상을 가질 수 있다.
본 발명에 따르면, 요철 패턴이 형성되어 각 채널 구간에서 미세유체의 유동 단면적이 상이한 미세유체 채널부를 이용함으로써, 2차 유동에 의한 와류를 발생시켜 외부 힘(예를 들어, 전기장, 자기장 및 음파)없이 미세유체가 포커싱, 혼합 및 분리되도록 제어할 수 있게 된다.
따라서, 별도의 외부 힘을 생성하기 위한 장치들을 미세유체 유동 제어 장치 주변에 구비할 필요가 없게 되어 장치를 보다 간단한 구조로 구현할 수 있게 되며, 소형화할 수 있게 된다. 또한, 미세유체 유동 제어 장치는 미세유체가 포커싱, 혼합 및 분리되도록 제어할 수 있게 되어, 다기능을 구현한다는 점에서 장치 활용도가 증대될 수 있게 된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 자세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다기능 미세유체 유동 제어 장치를 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 다기능 미세유체 유동 제어 장치(100)는 미세유체 주입부(110), 미세유체 채널부(130) 및 미세유체 배출부(140)를 포함한다.
미세유체 주입부(110)는 적어도 한 종류 이상의 미세유체가 주입되는 곳으로, 제1 미세유체 주입 통로(111) 및 제2 미세유체 주입 통로(113)를 포함한다. 이 경우, 제1 미세유체 주입 통로(111)와 제2 미세유체 주입 통로(113) 각각에 동일하거나, 서로 상이한 종류의 제1 및 제2 미세유체를 주입할 수 있다. 또한, 도면에서는 미세유체 주입부(110)에 2개의 통로(111, 113)가 포함되는 것으로 도시하였으나, 미세유체 주입부(110)는 3개 이상의 통로를 포함할 수도 있다.
미세유체 채널부(130)는 미세유체 주입부(110)와 연결된 것으로, 미세유체 주입부(110)를 통해 주입된 한 종류 이상의 미세유체가 일 방향으로 흐르도록 하는 유동 통로로 기능한다. 또한, 미세유체 채널부(130)는 미세유체가 흐르는 동안, 미세유체가 포커싱 또는 혼합되도록 제어하거나, 미세유체에 포함된 서로 다른 크기의 입자들이 분리되도록 제어할 수 있게 된다. 이렇게 포커싱, 혼합 또는 분리되도록 제어된 미세유체는 미세유체 배출부(140)를 통해 배출된다.
도 2는 도 1에 도시된 다기능 미세유체 유동 제어 장치의 포커싱 제어 기능을 설명하기 위한 도면이다. 도 2를 참조하면, 미세유체 채널부(130)는 요철 패턴이 형성되어 있다. 이 경우, 요철 패턴은 복수의 제1 채널 구간(131) 및 복수의 제 2 채널 구간(133)을 포함한다.
요철 패턴에서 제2 채널 구간(133)은 제1 채널 구간(131)과 교대로 형성되며, 제1 채널 구간(131)보다 미세유체의 유동 단면적이 작다. 또한, 제1 채널 구간(131)과 제2 채널 구간(133)은 기 설정된 간격(예를 들어, 300 μm) 단위로 교대 형성될 수 있다.
도면에서는 제1 채널 구간(131) 및 제2 채널 구간(133)이 사각 형상을 갖는 것으로 도시하였으나, 제1 채널 구간(131) 또는 제2 채널 구간(133)은 톱니 형상 또는 반원 형상을 가질 수도 있다.
한편, 제1 미세유체(예를 들어, 물-DIW) 및 제2 미세유체(예를 들어, 형광용액-FITC)가 각각 제1 미세유체 주입 통로(111) 및 제2 미세유체 주입 통로(113)에 주입되어 제1 채널 구간(131)을 통과하는 경우, 미세유체 배출구(140)를 향해 진행하는 방향으로 1차 유동을 갖는다. 그리고, 제1 채널 구간(131)을 통과한 제1 및 제2 미세유체가 제2 채널 구간(133)을 통과하는 경우, 제1 채널 구간(131)과 제2 채널 구간(133)의 유동 단면적 차이에 의해 1차 유동을 가로지르는 방향으로 2차 유동(151)(Dean flow)이 발생한다. 이 경우, 2차 유동(151)은 도 2에 도시된 것과 같이, 1차 유동을 가로지르는 방향에서 상부 및 하부로 와류를 형성한다. 이 같은 와류에 의해 제1 미세유체가 상부 및 하부 방향으로 회전하여 중심 영역에 집중되고, 제2 미세유체가 제1 미세유체의 외곽에 분포되는 현상이 발생한다. 이에 따라, 제1 미세유체가 포커싱된 형태로 유동이 제어되어 미세유체 배출부(140)를 통해 배 출된다. 이 경우, 제1 미세유체가 제2 미세유체에 둘러싸여 3차원 형태로 포커싱되어 배출될 수 있다.
미세유체 유동 제어 장치에 제1 미세유체 및 제2 미세유체가 주입되는 경우, 제1 미세유체 및 제2 미세유체 중 어느 하나가 포커싱될 수 있다. 도 2에서 2차 유동에 의해 포커싱되는 대상은, 제1 미세유체이다. 이 같이 포커싱되는 대상은 도 2에 도시된 미세유체 유동 제어 장치(100)의 구조에 따라 결정될 수 있다. 구체적으로, 제1 채널 구간(131)보다 유동 단면적이 작은 제2 채널 구간(133)이 미세유체 채널부(130)의 일 측면에만 형성된 구조를 통해, 제2 채널 구간(133) 측에서 주입되는 제1 미세유체를 포커싱하게 된다. 만약, 도 2에 도시된 미세유체 유동 제어 장치(100)를 이용하여 제2 미세유체를 포커싱하고자 할 경우에는, 제1 미세유체 주입 통로(111)에 제2 미세유체를 주입하고, 제2 미세유체 주입 통로(113)에 제1 미세유체를 주입하면 된다. 또는, 제2 채널 구간(133)이 도 2에 도시된 미세유체 채널부(130)의 반대측면, 즉, 제2 미세유체 주입 통로(113) 측에 형성된 다른 미세유체 채널 장치를 이용하여 제2 미세유체가 포커싱되도록 할 수 있다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이, 2차 유동을 발생시키기 위해 제1 채널 구간(131)과 제2 채널 구간(133)은 서로 다른 유동 단면적을 갖는다. 도 2에서 제1 채널 구간(131)은 350㎛의 폭과 38㎛의 높이를 가지며, 제2 채널 구간(133)은 50㎛의 폭과 38㎛의 높이를 갖는 것으로, 제2 채널 구간(133)이 제1 채널 구간(131)에 비해 작은 유동 단면적을 갖는다. 이 경우, 제1 채널 구간(131)과 제2 채널 구 간(133)의 유동 단면적 비율은 7:1이 될 수 있다.
제1 채널 구간(131)과 제2 채널 구간(133)의 유동 단면적의 비율은 7:1의 수치에 한정되지 않으며, 미세유체의 유량이나 점성 등과 같은 특성들을 고려하여 다양하게 설계될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 도 2에 도시된 다기능 미세유체 유동 제어 장치의 일 단면에서 미세유체 유동 형태를 나타내는 도면이다. 구체적으로, 도 3a 및 도 3b는 도 2에서 제1 미세유체가 포커싱되는 세 번째 제2 채널 구간(133)에서의 단면을 나타낸 것으로, 제1 및 제2 미세유체의 유량비에 따른 제1 미세유체의 포커싱 크기를 나타낸다.
도 3a는 제1 미세유체 주입 통로(111)에 주입된 제1 미세유체(예를 들어, 물)와 제2 미세유체 주입 통로(113)에 주입된 제2 미세유체(예를 들어, 형광용액)에 대한 유량 비율이 1:10인 경우의 포커싱 크기를 나타내며, 도 3b는 유량 비율이 1:1인 경우의 포커싱 크기를 나타낸다.
도 3a 및 도 3b를 비교해보면, 유량 비율이 1:10인 경우의 제1 미세유체 크기(C)가, 유량 비율이 1:1인 경우의 제1 미세유체 크기(D)보다 작게 형성되는 것으로, 보다 효과적으로 포커싱되는 것을 알 수 있다. 즉, 제1 미세 유체의 유량이 제2 미세유체의 유량보다 작을수록 제1 미세유체의 포커싱 효과가 좋아지게 되는 것을 알 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 다기능 미세유체 유동 제어 장치의 혼합 제어 기능을 설명하기 위한 도면이다. 도 4에 도시된 다기능 미세유체 유동 제어 장치는 도 1에 도시된 것과 동일한 구성을 갖는다. 따라서, 도 1에 도시된 것과 동일한 구성 및 기능에 대한 설명은 생략한다.
도 4에 도시된 다기능 미세유체 유동 제어 장치는 도 2에 도시된 장치와 비교할 때, 제1 채널 구간(131)과 제2 채널 구간(133)이 보다 많은 교대 횟수를 갖다. 즉, 도면을 통해 비교하면, 도 2에 도시된 포커싱 제어 기능에 따른 미세유체 유동 제어 장치는 제1 채널 구간(131)과 제2 채널 구간(133)이 3회의 교대 횟수를 갖는 반면, 도 4에 도시된 혼합 제어 기능에 따른 미세유체 유동 제어 장치는 6회의 교대 횟수를 갖는다. 이 같이, 제1 채널 구간(131)과 제2 채널 구간(133)의 교대 횟수가 증가한 것에 의해 도 4에 도시된 미세유체 유동 제어 장치는 제1 미세유체 및 제2 미세유체가 혼합되도록 제어하는 기능을 구현할 수 있게 된다.
구체적으로, 도 4의 미세유체 채널부(130)에서 세 번째 위치한 제2 채널 구간(133)까지는 도 2에 도시된 것과 같이 제1 미세유체가 포커싱되는 현상을 나타낸다. 그러나, 이 후, 제1 미세유체 및 제2 미세유체가 네 번째 위치한 제2 채널 구간(133)을 더 통과하는 경우, 제2 채널 구간(133)에서 2차 유동(152)이 발생된다. 이 2차 유동(152)은 상부 및 하부 방향으로 와류를 형성하여 제1 미세유체와 제2 미세유체가 분리되어 층을 형성하게 된다. 그리고, 다섯 번째 위치한 제2 채널 구간(133)을 더 통과하는 경우, 제1 미세유체와 제2 미세유체가 보다 많은 층을 형성하게 되며, 여섯 번째 위치한 제3 채널 구간(133)을 더 통과하는 경우에는 미세하게 형성된 많은 층에 의해 제1 미세유체와 제2 미세유체가 혼합된 현상을 나타낸다. 이렇게 혼합된 제1 미세유체 및 제2 미세유체는 미세유체 배출부(140)를 통해 배출될 수 있다.
이 같이, 제1 미세유체와 제2 미세유체가 보다 많은 수의 제2 채널 구간(133)을 통과하도록 미세유체 채널부(130)를 설계함으로써, 제1 미세유체와 제2 미세유체가 잘 혼합되도록 제어할 수 있다.
한편, 제1 미세유체와 제2 미세유체의 유동에 있어서, 포커싱 또는 혼합 제어하기 위한 제1 채널 구간(131)과 제2 채널 구간(133)의 교대 횟수는 제1 미세유체와 제2 미세유체의 유속에 따라 달라질 수 있다.
구체적으로, 도 2에서는 제1 채널 구간(131)과 제2 채널 구간(133)이 3회의 교대 횟수를 갖는 것으로 도시하고 있으나, 포커싱을 위한 제1 채널 구간(131)과 제2 채널 구간(133)의 교대 횟수는 제1 미세유체와 제2 미세유체의 유속에 의해 달라질 수 있다. 즉, 도 2에서 제1 미세유체 및 제2 미세유체가 5.5㎖/h의 유속으로 주입되어 유동하면, 세 번째 제2 채널 구간(133)에서 제1 미세유체(또는 제2 미세유체)가 포커싱될 수 있다. 이 경우, 제1 미세유체 및 제2 미세유체의 유속이 5.5㎖/h보다 빨라지면, 세 번째 이 후의 제2 채널 구간(133)에서 포커싱이 이루어질 수 있다. 이 경우, 유속 크기에 따라 네 번째 제2 채널 구간(133)에서 포커싱될 수도 있고, 다섯 번째 제2 채널 구간(133)에서 포커싱될 수도 있다. 반면, 제1 미세유체 및 제2 미세유체의 유속이 5.5㎖/h보다 느려지면, 세 번째 이 전의 제2 채널 구간(133)에서 포커싱이 이루어질 수 있다. 이는 도 4에 도시된 미세유체 유동 제어 장치에도 동일하게 적용될 수 있다.
즉, 도 4에서 제1 미세유체 및 제2 미세유체가 5.5㎖/h의 유속으로 주입되어 유동하면, 여섯 번째 제2 채널 구간(133)에서 제1 미세유체(또는 제2 미세유체)가 혼합될 수 있다. 그리고, 제1 미세유체 및 제2 미세유체가 5.5㎖/h보다 빠른 유속으로 주입되면 여섯 번째 제2 채널 구간(133) 이 후에 혼합될 수 있으며, 5.5㎖/h보다 느린 유속을 가지면 여섯 번째 제2 채널 구간(133) 이 전에 혼합될 수도 있다.
따라서, 제1 미세유체 및 제2 미세유체의 유속을 고려하여, 포커싱 제어를 위한 장치와, 혼합 제어를 위한 장치를 설계할 수 있다. 또는, 동일한 장치를 이용하되, 포커싱 제어시와 혼합 제어시에 제1 미세유체 및 제2 미세유체의 유속을 달리하여 주입할 수도 있다.
도 5는 도 4에 도시된 다기능 미세유체 제어 장치의 미세유체 유동 형태를 나타내는 도면이다. 구체적으로, 도 5는 서로 다른 2 종류의 제1 및 제2 미세유체, 즉 물(a:DIW)과 형광 용액(b:FITC)을 동일한 유량으로 하여 각각 제1 미세유체 주 입 통로(111)와 제2 미세유체 주입 통로(113)에 주입한 후, 물(a)과 형광 용액(b)이 미세유체 채널부(130)에서 혼합 제어되는 형태를 나타낸다.
물(a)과 형광 용액(b)이 각각 제1 미세유체 주입 통로(111)와 제2 미세유체 주입 통로(113)를 거쳐 제1 채널 구간(131)을 흐르게 되면, 미세유체 배출구(140)를 향해 진행하는 방향으로 1차 유동한다. 그리고, 물(a)과 형광 용액(b)이 보다 작은 유동 단면적을 가지는 제2 채널 구간(133)을 거치면서 1차 유동을 가로지르는 방향으로 2차 유동이 발생한다. 이 2차 유동은 1차 유동을 가로질러 상/하부 방향으로 와류를 형성한다. 이 와류에 의해 형광 용액(b)이 물(d)을 감싸게 되며 제1 채널 구간(131)과 제2 채널 구간(133)을 연속적으로 거치면서 층을 형성하여 혼합된다.
도 5를 참조하면, 제1 미세유체 주입 통로(111)와 제2 미세유체 주입 통로(113)에 각각 주입된 물(a)과 형광 용액(b)은 미세유체 채널부(130)를 통과하며 미세유체 배출부(140)에 가까워질수록 혼합 효율이 증가되는 형태를 갖는다.
미세유체 채널부(130)의 일 영역(A, B)을 확대한 도면을 참조하면, A 영역에서는 물(a)과 형광 용액(b)이 b-a-b의 형태로 층을 형성하는 것을 알 수 있다. 그리고, A 영역보다 미세유체 배출부(140)에 더 가까이 위치한 B 영역에서는 물(a)과 형광 용액(b)이 b-a-b-a-b의 형태로 층을 형성하는 것을 알 수 있다. 이 같이 미세유체 배출부(140)에 가까워질수록, 보다 많은 제1 채널 구간(131)과 제2 채널 구 간(133)을 통과할수록 물(a)과 형광 용액(b)이 많은 층을 형성하게 된다. 따라서, 물(a)과 형광 용액(b)의 표면 접촉률이 증가하게 되어 혼합 효율이 증가하게 된다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다기능 미세유체 유동 제어 장치의 미세유체 혼합 효율을 나타내는 그래프이다. 이는 종래 제1 채널 구간 및 제2 채널 구간을 포함하는 요철 패턴이 형성되지 않은 미세유체 유동 제어 장치의 혼합 효율과, 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세유체 유동 제어 장치의 미세유체 혼합효율을 나타내는 것이다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세유체 유동 제어 장치에서, 제2 채널 구간의 수를 달리한 혼합 효율을 나타낸다.
도 6의 그래프에서 x축은 레이놀즈 수(Re=Vd /v, V=유속, d=특성길이, v=동점성도)를 나타내고, y축은 물과 형광 용액이 통과한 제2 채널 구간(133)의 수에 따른 형광 세기의 표준 편차(σ)를 나타낸다. 표준 편차(σ)가 0.5에 가까울수록 물과 형광 용액의 혼합이 거의 일어나지 않은 상태이며, 0에 가까울수록 두 유체의 혼합이 완벽하게 일어난 상태이다.
도 6을 참조하면, 제1 채널 구간과 제2 채널 구간의 구분 없이 동일한 유동 단면적을 갖는 미세유체 채널부를 포함하는 종래 미세유체 유동 제어 장치의 경우(■), 1 내지 64의 레이놀즈 수 범위에서 0.5의 표준 편차를 갖는 것으로, 물과 형광 용액의 혼합이 거의 일어나지 않았음을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세유체 유동 제어 장치에서, 제2 채널 구간이 5개 형성된 경우(○), 1 내지 64의 레이놀즈 수 범위에서 약 0.08 내지 0.35의 표준 편차를 갖는 것으로, 제2 채널 구간이 없는 종래와 비교할 때, 물과 형광 용액의 혼합 효율이 개선된 것을 알 수 있다.
그리고, 제2 채널 구간이 10개 형성된 경우(△), 제2 채널 구간이 15개 형성된 경우(▽) 및 제2 채널 구간이 20개 형성된 경우(◇)에는 1 내지 64의 레이놀즈 수 범위에서 약 0.03 내지 약 2.4의 표준 편차를 갖는 것을 알 수 있다.
특히, 제2 채널 구간이 25개 형성된 경우(◁)에 1 내지 64의 레이놀즈 수 범위에서 약 0.02 내지 약 0.1의 표준 편차를 갖는 것으로, 물과 형광 용액의 혼합 효율이 좋은 것을 알 수 있다. 이를 통해, 미세유체의 2차 유동을 발생시키는 제2 채널 구간의 수를 증가시키는 것에 의해 미세유체의 혼합 효율이 증대되는 것을 알 수 있다 .
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다기능 미세유체 유동 제어 장치 및 그의 미세유체 유동 형태를 나타내는 도면이다.
도 7a를 참조하면, 미세유체 유동 제어 장치는 제1 채널 구간과 제2 채널 구간이 6회 교대 형성된 미세유체 채널부를 포함한다. 도 7b는 도 7a에 도시된 장치에 제1 미세유체(예를 들어, 물)과 제2 미세유체(예를 들어, 형광 용액)을 주입시키는 것으로 설정하고, 2차 유동이 발생되는 제2 채널 구간의 1 내지 6 지점에서의 미세유체 유동 형태를 나타낸 것이다. 각 지점에서의 미세유체 유동 형태를 step 단위로 나타내었다.
도 7b를 참조하면, 1지점에서의 미세유체 유동 형태(step 1)는 화살표 방향으로 표시된 것과 같이, 1 지점의 단면 방향에서 상/하부 방향으로 와류가 형성되는 것을 알 수 있다. 이러한 와류에 의해 제1 미세유체가 제2 미세유체 영역으로 일부 이동된 것을 확인할 수 있다. 그리고, 2지점에서의 미세유체 유동 형태(step 2)는 제1 미세유체가 제2 미세유체 영역으로 많은 양 이동하여 제2 미세유체에 둘러싸여 있다. 이는 와류에 의해 제1 미세유체가 중심 영역으로 집중되는 현상에 의한 것이다.
다음, 3지점에서의 미세유체 유동 형태(step 3)는 제2 미세유체가 제1 미세유체를 완전히 둘러싸, 제1 미세유체가 포커싱되어 있다.
이 후, 4지점에서의 미세유체 유동 형태(step 4)는 상/하부 방향으로 와류가 형성되어, 3지점에서 포커싱된 제1 미세유체가 일부 변형되어 있다. 그리고, 5지점에서의 미세유체 유동 형태(step 5)는 제1 미세유체가 상하로 분리되어 층을 형성하기 시작하며, 6지점에서의 미세유체 유동 형태(step 6)는 제1 미세유체가 분리되어 완전한 층을 갖는다. 제1 채널 구간과 제2 채널 구간을 보다 많이 통과할 경우, 제1 미세유체와 제2 미세유체는 다수의 층을 형성하여 혼합되는 형태를 갖게 된다.
도 8은 도 1에 도시된 다기능 미세유체 유동 제어 장치의 분리 제어 기능을 설명하기 위한 도면이다. 도 8에 도시된 다기능 미세유체 유동 제어 장치는 도 1에 도시된 것과 동일한 구성을 갖는다. 따라서, 도 1에 도시된 것과 동일한 구성 및 기능에 대한 설명은 생략한다.
제1 미세유체 주입 통로(111)에 서로 다른 크기의 입자를 포함하는 제1 미세 유체를 주입시키고, 제2 미세유체 주입 통로(113)에 입자가 포함되지 않은 제2 미세 유체를 주입시키면, 미세유체 채널부(130)는 입자 크기 별로 분리하여 미세유체 배출부(140)를 통해 배출시킨다. 구체적으로, 제1 미세유체 주입 통로(111)를 통해 서로 다른 크기의 입자, 즉 4㎛의 비드와 10㎛의 비드를 포함하는 제1 미세유체가 주입되면, 제2 미세유체 주입 통로(113)에 주입된 제2 미세유체와 함께 미세유체 채널부(130)를 통과하게 된다. 이 경우, 제1 미세유체와 제2 미세유체는 상이한 종류일 수 있으나, 동일한 종류인 것이 바람직하다.
한편, 상기의 과정에서, 제1 및 제2 미세유체가 미세유체 채널부(130)의 제2 채널 구간(133)을 통과하는 경우, 제1 채널 구간(131)에 비해 작은 유동 단면적에 의해 관성에 의한 양력(inertial lift force)과 2차 유동(Dean Flow)(153)이 발생하게 된다. 이 같이 관성에 의한 양력과 제2 채널 구간의 단면에서 상/하부 방향의 와류를 형성하는 2차 유동(153)으로 인해 제1 미세유체에 포함된 입자들이 크기 별로 분리된다. 제1 미세유체에 포함된 입자는 그 크기에 따라 제2 채널 구간(133)에 서 형성되는 관성에 의한 양력과, 2차 유동 중 주로 영향을 받는 힘의 균형이 다르기 때문에 서로 분리된다. 구체적으로, 비교적 큰 크기의 입자는 관성에 의한 양력(inertial lift force)의 영향을 주로 받아 제2 채널 구간(133)의 일 측(S1)이동하게 되며, 비교적 작은 크기의 입자는 2차 유동(Dean Flow)의 영향을 주로 받아 제2 채널 구간(133)의 타 측(S2)으로 이동하게 된다. 이에 따라, 미세유체에 포함된 입자들이 크기 별로 분리되어 미세유체 배출부(140)를 통해 배출될 수 있게 된다.
또한, 도 8에서와 같이, 크기 별로 분리된 입자들이 보다 용이하게 배출될 수 있도록 미세유체 배출부(140)는 두 개의 배출 통로를 가질 수 있다.
도 9는 도 8에 도시된 다기능 미세유체 유동 제어 장치에서의 미세유체 유동 형태를 나타내는 도면이다. 도 9에 도시된 것과 같이, 제1 미세유체 주입부(111)에 서로 다른 크기의 입자(c, d)를 포함하는 제1 미세유체(예를 들어, 물)를 0.5㎖/h의 유량으로 주입하고, 제2 미세유체 주입부(113)에 제2 미세유체(예를 들어, 물)를 5㎖/h의 유량으로 주입시킨다. 그리고, 상기 미세유체들이 미세유체 채널부(130)를 통과하여 배출되는 형태를 나타내었다.
10㎛ 크기의 제1 입자(c)와 4㎛ 크기의 제2 입자(d)는 다수의 제2 채널 구간(133)을 거치면서 2차 유동에 의해 제1 입자(c)는 일 측(S1)으로 이동하고, 제2 입자(d)는 타 측(S2)으로 이동하여 입자 크기 별로 분리되는 것을 알 수 있다. 이 경우, 제1 입자(c) 및 제2 입자(d)가 포함된 제1 미세유체의 유량과 제2 미세유체의 유량을 달리할 경우, 제1 입자(c)와 제2 입자(d)의 분리 위치가 변경될 수도 있다. 또한, 제1 입자(c) 및 제2 입자(d)가 포함된 제1 미세유체의 유량이 제2 미세유체의 유량보다 작을수록 제1 입자(c)와 제2 입자(d)의 분리 효율이 증가할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다기능 미세유체 유동 제어 장치를 나타내는 도면,
도 2는 도 1에 도시된 다기능 미세유체 유동 제어 장치의 포커싱 제어 기능을 설명하기 위한 도면,
도 3a 및 도 3b는 도 2에 도시된 다기능 미세유체 유동 제어 장치의 일 단면에서 미세유체 유동 형태를 나타내는 도면,
도 4는 도 1에 도시된 다기능 미세유체 유동 제어 장치의 혼합 제어 기능을 설명하기 위한 도면,
도 5는 도 4에 도시된 다기능 미세유체 제어 장치의 미세유체 유동 형태를 나타내는 도면,
도 6은 도 4에 도시된 다기능 미세유체 유동 제어 장치의 미세유체 혼합 효율을 나타내는 그래프,
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다기능 미세유체 유동 제어 장치 및 그의 미세유체 유동 형태를 나타내는 도면,
도 8은 도 1에 도시된 다기능 미세유체 유동 제어 장치의 분리 제어 기능을 설명하기 위한 도면, 그리고,
도 9는 도 8에 도시된 다기능 미세유체 유동 제어 장치에서의 미세유체 유동 형태를 나타내는 도면이다.
* 도면의 주요 구성에 대한 부호 설명 *
100 : 미세유체 유동 제어 장치
110 : 미세유체 주입부
111 : 제1 미세유체 주입 통로
113 : 제2 미세유체 주입 통로
130 : 미세유체 채널부
131 : 제1 채널 구간
133 : 제2 채널 구간
140 : 미세유체 배출부

Claims (18)

  1. 제1 및 제2 미세유체 주입 통로를 포함하는 적어도 하나 이상의 미세유체 주입부;
    상기 미세유체 주입부와 연결되어 상기 미세유체 주입부를 통해 주입되는 적어도 한 종류 이상의 미세유체의 유동을 제어하도록 요철 패턴이 형성된 미세유체 채널부; 및,
    상기 미세유체 채널부와 연결되어 상기 유동이 제어된 미세유체를 배출하는 미세유체 배출부;를 포함하고,
    상기 미세유체 채널부의 상기 요철 패턴은 복수의 제1 채널 구간; 및, 상기 제1 채널 구간과 교대로 형성되며, 상기 제1 채널 구간보다 상기 미세유체의 유동 단면적이 작은 복수의 제2 채널 구간;을 포함하는 것을 특징으로 하는 다기능 미세유체 유동 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 미세유체는,
    상기 제1 채널 구간에서 상기 미세유체 배출부를 향해 진행하는 1차 유동을 갖는 것을 특징으로 하는 다기능 미세유체 유동 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 미세유체는,
    상기 제2 채널 구간에서 상기 1차 유동을 가로지르는 2차 유동을 갖는 것을 특징으로 하는 다기능 미세유체 유동 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 2차 유동은,
    상기 제2 채널 구간에 흐르는 상기 미세유체의 1차 유동을 가로질러 상/하부 방향으로 와류를 형성하는 것을 특징으로 하는 다기능 미세유체 유동 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 채널 구간은,
    상기 제1 미세유체 주입 통로를 통해 제1 미세유체가 주입되고, 상기 제2 미세유체 주입 통로에 상기 제1 미세유체와 상이한 제2 미세유체가 주입되면, 상기 와류에 의해 상기 제2 미세유체가 상기 제1 미세유체를 둘러싸 상기 제1 미세유체가 중앙 영역에 포커싱되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 다기능 미세유체 유동 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 채널 구간은,
    상기 제2 미세유체가 상기 제1 미세유체를 둘러싸 상기 제1 미세유체가 중앙 영역에 포커싱된 상태에서 상기 제2 채널 구간을 적어도 하나 이상 더 통과하면, 상기 와류에 의해 상기 제1 및 제2 미세유체가 혼합되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 다기능 미세유체 유동 제어 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제2 채널 구간은,
    상기 제1 미세유체 주입 통로를 통해 서로 다른 크기의 입자를 포함하는 제1 미세유체가 주입되고 상기 제2 미세유체 주입 통로를 통해 제2 미세유체가 주입되면, 상기 와류에 의해 상기 서로 다른 크기의 입자들이 크기 별로 분리되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 다기능 미세유체 유동 제어 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 요철 패턴에서 상기 제1 채널 구간 또는 상기 제2 채널 구간은,
    톱니 형상, 반원 형상 및 사각 형상 중 어느 하나의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 다기능 미세유체 유동 제어 장치.
  10. 제1 및 제2 미세유체 주입 통로를 포함하는 적어도 하나 이상의 미세유체 주입부에 적어도 한 종류의 미세유체를 주입하는 제1 단계;
    상기 미세유체 주입부와 연결되며 요철 패턴이 형성된 미세유체 채널부를 통해, 상기 주입된 미세유체의 유동을 제어하는 제2 단계; 및,
    상기 미세유체 채널부와 연결된 미세유체 배출부를 통해 상기 유동이 제어된 미세유체를 배출하는 제3 단계;를 포함하고,
    상기 제2 단계는 상기 요철 패턴에 포함된 복수의 제1 채널 구간과 교대로 형성되며 상기 제1 채널 구간보다 상기 미세유체의 유동 단면적이 작은 복수의 제2 채널 구간을 통해 상기 미세유체의 유동을 제어하는 것을 특징으로 하는 다기능 미세유체 유동 제어 방법.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 미세유체는,
    상기 제1 채널 구간에서 상기 미세유체 배출부를 향해 진행하는 1차 유동을 갖는 것을 특징으로 하는 다기능 미세유체 유동 제어 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 미세유체는,
    상기 제2 채널 구간에서 상기 1차 유동을 가로지르는 2차 유동을 갖는 것을 특징으로 하는 다기능 미세유체 유동 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 2차 유동은,
    상기 제2 채널 구간에 흐르는 상기 미세유체의 1차 유동을 가로질러 상하부 방향으로 와류를 형성하는 것을 특징으로 하는 다기능 미세유체 유동 제어 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 단계는,
    상기 제1 미세유체 주입 통로를 통해 제1 미세유체가 주입되고, 상기 제2 미세유체 주입 통로에 상기 제1 미세유체와 상이한 제2 미세유체가 주입되면, 상기 와류에 의해 상기 제2 미세유체가 상기 제1 미세유체를 둘러싸 상기 제1 미세유체가 중앙 영역에 포커싱되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 다기능 미세유체 유동 제어 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제2 단계는,
    상기 제2 미세유체가 상기 제1 미세유체를 둘러싸 상기 제1 미세유체가 중앙 영역에 포커싱된 상태에서 상기 제2 채널 구간을 적어도 하나 이상 더 통과하면, 상기 와류에 의해 상기 제1 및 제2 미세유체가 혼합되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 다기능 미세유체 유동 제어 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 제2 단계는,
    상기 제1 미세유체 주입 통로를 통해 서로 다른 크기의 입자를 포함하는 제1 미세유체가 주입되고 상기 제2 미세유체 주입 통로를 통해 제2 미세유체가 주입되면, 상기 와류에 의해 상기 서로 다른 크기의 입자들이 크기 별로 분리되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 다기능 미세유체 유동 제어 방법.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 요철 패턴에서 상기 제1 채널 구간 또는 상기 제2 채널 구간은,
    톱니 형상, 반원 형상 및 사각 형상 중 어느 하나의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 다기능 미세유체 유동 제어 방법.
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