KR101202442B1 - 탄성체의 복원력을 이용한 흡입형 미세유체펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저면에서 상부로 요입 형성되어 공간을 형성하는 펌핑부와, 외부에서 유체를 주입하도록 상부가 개방된 주입구와, 상기 주입구와 펌핑부의 하단을 연결하며, 상기 주입구로 주입된 유체가 상기 펌핑부의 펌핑작업을 통해 상기 펌핑부로 이송되도록 저면에 형성되는 미세채널을 포함하며, 재질은 탄성고분자로 이루어진 탄성체의 복원력을 이용한 흡입형 미세유체펌프에 관한 것으로, 전원을 사용하지 않고 일정한 유량으로 유체를 이송시킬 수 있으며 랩온어칩 제작에 많이 사용되는 탄성 고분자 재료로 제작하여 제조단가를 낮추고 간단한 방법으로 빠른 시간에 제작이 가능하게 되는 효과가 있다.

Description

탄성체의 복원력을 이용한 흡입형 미세유체펌프{microfluidic suction pump using restoring force of elastomeric chamber}

본 발명은 탄성 고분자로 만들어진 탄성 챔버를 손가락의 압력으로 변형시키고 빠르게 제거할 경우 탄성 챔버가 원래의 모양대로 즉시 복원되는데, 이 과정에서 탄성 챔버의 부피 변화로 인해 발생하는 흡입압력으로 유체를 이송시키는 것으로, 펌프챔버의 부피와 챔버 상부의 두께를 변경하여 간단한 모델링으로 다양한 압력을 만들 수 있는 탄성체의 복원력을 이용한 흡입형 미세유체펌프에 관한 것이다.

미세유체펌프는 전원을 필요로 하는 active방식과 전원이 요구되지 않는 passive방식으로 구분되며, active방식은 전원의 제어를 통하여 정밀한 유량의 제어가 가능하며, 인슐린 주입기와 같이 높은 신뢰성과 빠른 응답성을 필요로 하는 고가의 소자가 사용되고 있다.

이러한 펌프는 실리콘을 주재료로 사용하여 제작되며 높은 제조비용이 단점으로 지적되고 있다.

passive방식은 모세관력(capillary force)과 같은 자연적인 현상을 이용하여 유체이송을 가능하게 하는 방법으로, 저가용 이거나 일회용 소자에 적합하다. 하지만 모세관력을 이용하는 passive펌프는 미세유체채널을 구성하는 재료가 친수성(hydrophilic)이여야 하며, 일반적으로 표면에 SiO2층을 가진 미세유체채널 내부로 유체이송을 할 경우 사용된다. 그리고 고분자 재질을 사용할 경우 고분자재료의 소수성(hydrophilic) 표면을 친수성으로 바꾸기 위한 표면처리공겅이 추가되게 된다. 친수성 표면처리는 수명의 문제 또한 가지고 있다.

종래의 미세유체펌프는 랩온어칩(Lab-on-a-chips), DNA 칩 등의 유체소자 및 시스템 분야에 매우 효과적으로 적용되었다. 하지만 전원 소스의 비효율성, 펌프 제작공정의 복잡성, 펌프 동작의 낮은 신뢰성 때문에 랩온어칩의 다른 요소들과 직접하기 힘든 어려움을 겪고 있다, (참고문헌:D.J. Laser and J.G. Santiago, “A review of Micropumps” J.Micromech. Microeng.14,R35-R64(2004)

또한, 현재 시판중인 일회용 자가진단 키트는 membrane을 사용하여 capillary force를 이용하기 때문에 유체가 흐르는 속도를 제어하지 못하여 진단까지 10분 내외의 오랜 시간이 걸린다는 단점을 가지고 있다.

상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 passive방식의 일회용 미세유체펌프로서 전원을 사용하지 않고 일정한 유량으로 유체를 이송시킬 수 있으며 랩온어칩 제작에 많이 사용되는 탄성 고분자 재료로 제작하여 제조단가를 낮추고 간단한 방법으로 빠른 시간에 제작이 가능한 탄성체의 복원력을 이용한 흡입형 미세유체펌프를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 기존 passive방식 펌프는 고분자재료 사용시 친수성 표면처리의 후공정이 필요하지만 본 발명은 표면처리 없이 사용할 수 있고, 간단한 제조방법으로 높은 반복 신뢰성을 가지고 있으며 낮은 제조단가로 제작 가능하기 때문에 기존 일화용 자가진단 키트에 적용이 가능할 뿐 아니라, 일회용 자가진단 키트에 적용시킨 다면 유량을 제어할 수 있기 때문에 진단에 걸리는 시간을 단축할 수 있는 탄성체의 복원력을 이용한 흡입형 미세유체펌프를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 탄성체의 복원력을 이용한 흡입형 미세유체펌프에 관한 것으로, 저면에서 상부로 요입 형성되어 공간을 형성하는 펌핑부와, 외부에서 유체를 주입하도록 상부가 개방된 주입구와, 상기 주입구와 펌핑부의 하단을 연결하며, 상기 주입구로 주입된 유체가 상기 펌핑부의 펌핑작업을 통해 상기 펌핑부로 이송되도록 저면에 형성되는 미세채널을 포함하며, 재질은 탄성고분자로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄성체의 복원력을 이용한 흡입형 미세유체펌프를 제공한다.

본 발명은 passive방식의 일회용 미세유체펌프로서 전원을 사용하지 않고 일정한 유량으로 유체를 이송시킬 수 있으며 랩온어칩 제작에 많이 사용되는 탄성 고분자 재료로 제작하여 제조단가를 낮추고 간단한 방법으로 빠른 시간에 제작이 가능하게 되는 효과가 있다.

또한 기존 passive방식 펌프는 고분자재료 사용시 친수성 표면처리의 후공정이 필요하지만 본 발명은 표면처리 없이 사용할 수 있고, 간단한 제조방법으로 높은 반복 신뢰성을 가지고 있으며 낮은 제조단가로 제작 가능하기 때문에 기존 일화용 자가진단 키트에 적용이 가능할 뿐 아니라, 일회용 자가진단 키트에 적용시킨 다면 유량을 제어할 수 있기 때문에 진단에 걸리는 시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 탄성체의 복원력을 이용한 흡입형 미세유체펌프의 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 탄성체의 복원력을 이용한 흡입형 미세유체펌프의 다른 실시를 보인 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 탄성체의 복원력을 이용한 흡입형 미세유체펌프의 동작원리를 도시한 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 탄성체의 복원력을 이용한 흡입형 미세유체펌프의 흡입된 유량 측정 결과를 보인 그래프.

이하, 첨부된 도면에 따라 본 발명에 따른 탄성체의 복원력을 이용한 흡입형 미세유체펌프의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 탄성체의 복원력을 이용한 흡입형 미세유체펌프의 개략도이고, 도 3은 본 발명에 따른 탄성체의 복원력을 이용한 흡입형 미세유체펌프의 동작원리를 도시한 단면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 탄성체의 복원력을 이용한 흡입형 미세유체펌프의 흡입된 유량 측정 결과를 보인 그래프이다.

상기 도 1 내지 도 2에 도시한 바와 같은 본 발명은 저면에서 상부로 요입 형성되어 공간을 형성하는 펌핑부(100)와, 외부에서 각종 유체(20)를 주입하도록 상부가 개방된 주입구(200)와, 상기 주입구(200)와 펌핑부(100)의 하단을 연결하며, 상기 주입구(200)로 주입된 유체(20)가 상기 펌핑부(100)의 펌핑작업을 통해 상기 펌핑부(100)로 이송되도록 저면에 형성되는 미세채널(300)을 포함하며, 그 재질은 탄성복원력이 우수한 공지의 다양한 탄성고분자로 이루어진 것을 구성상의 특징으로 한다.

상기 펌핑부(100)의 상부는 사용자가 손가락을 이용하여 누름에 따라 펌핑부(100)의 부피를 변화시키는 누름부(600)로 작용한다.

상기 펌핑부(100)의 부피는 누름부(600)를 누르면 펌핑부(100)의 공기가 미세채널(300)과 주입구(200)를 통해 빠져나가면서 줄어들게 된다.

또한, 누름부(600)를 눌렀던 힘을 제거하면 펌핑부(100)는 탄성에 의해 원래 형태로 복원된다.

상기 주입구(200)는 외부에서 유체를 주입할 수 있도록 주입구의 역할을 하고, 상기 주입구(200)로 주입된 유체는 미세채널(300)을 통해 펌핑부(100)로 이송된다.

상기 미세채널(300)은 미세한 통로의 형태를 취하고, 일직선 또는 절곡된 형태를 갖게 된다. 상기 미세채널(300)의 길이와 내경의 크기에 따라 흡입되어 이송되는 유체의 양을 미세하게 조절할 수 있다.

또한, 도 2는 본 발명에 따른 탄성체의 복원력을 이용한 흡입형 미세유체펌프의 다른 실시를 보인 단면도로서, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 미세채널(300)은 상기 주입구(200)로 주입된 유체(20)를 상기 펌핑부(100)로 이송하는 이송관(400)을 추가로 배치한다.

상기와 같이 이송관(400)이 별도로 배치될 경우 주입구(200)에서 펌핑부(100)로 이송되는 유체(20)는 보다 기밀한 상태에서 이송될 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 미세유체펌프(10)는 상기 펌핑부(100)의 펌핑작업을 지지하고, 상기 미세채널(300)이 외부와 차단되도록 저면에 지지패널(500)을 추가로 배치할 수 있다.

상기 지지패널(500)은 탄성력을 구비하지 않아도 되며, 상기 누름부(600)를 누르는 과정에서 미세유체펌프(10)가 전체적으로 휘거나 변형되는 것을 방지하고, 펌핑부(100), 주입구(200) 및 미세채널(300)의 유체(20)가 외부로 새나가지 못하도록 차단하는 역할을 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 원리는 흡입형 미세유체펌프(10)의 펌핑부(100) 상부에 하중을 인가하여 펌핑부(100)의 부피 변화를 유발한 상태에서, 주입구(200)에 유체(20)를 떨어뜨려 주입구(200)를 막게 되면, 미세유체펌프(10)는 유한한 공간의 부피, Vcomp를 가지며, 이때 미세유체펌프(10) 내부 압력 Pchm은 대기압 Patm과 같은 압력을 유지한다.

이후 흡입형 미세유체펌프(10)의 펌핑부(100) 상부, 즉 누름부(600)에 가해졌던 하중을 제거하게 되면, 탄성체인 흡입형 미세유체펌프(10)는 초기상태로 복원하게 되며, 이 복원력에 의해서 펌핑부(100)의 부피는 초기상태 부피 Vinitial로 다시 증가하게 되므로 Pchm는 Patm보다 낮은 압력으로 변환되어 흡입형 미세유체펌프(10) 내부로 흡입압력을 발생시켜 주입구(200)의 유체(20)를 펌핑부(100)로 이송하게 된다.

참고로, 흡입압력

는 음의 값을 가지게 되며, 부피 변화량

와 직접적으로 연관된다.

또한, 흡입형 미세유체펌프(10)는 그 변형량에 상관없이 항상 원래 위치로 복원하게 되므로, 흡입형 미세유체펌프(10)의 펌핑부(100) 상부에 위치한 누름부(600)의 변형량(wo)에 의한 부피변화 및 누름부(600)의 두께와 같은 변수로 흡입압력을 예측하고 제어할 수 있다.

따라서 흡입압력

는 이상기체상태방정식을 이용하여 간단한 모델링을 통하여 예측이 가능하며, 부피변화에 의해 기제의 상태가 변화되지 않는다고 가정하게 되면, 흡입형 미세유체펌프(10)의 부피와 압력은 P1V1=P2V2의 관계식을 가지게 되므로

를 예측할 수 있다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 전원을 사용하지 않고 일정한 유량으로 유체를 이송시킬 수 있으며 랩온어칩 제작에 많이 사용되는 탄성 고분자 재료로 제작하여 제조단가를 낮추고 간단한 방법으로 빠른 시간에 제작이 가능하게 될 뿐 아니라, 높은 반복 신뢰성을 가지고 있으며 낮은 제조단가로 제작 가능하기 때문에 기존 일화용 자가진단 키트에 적용이 가능하게 되는 장점이 있다.

이상, 본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

10 : 탄성체의 복원력을 이용한 흡입형 미세유체펌프
20 : 유체 100 : 펌핑부
200 : 주입구 300 : 미세채널
400 : 이송관 500 : 지지패널
600 : 누름부

Claims (3)

1. 탄성체의 복원력을 이용한 흡입형 미세유체펌프에 관한 것으로,
   저면에서 상부로 요입 형성되어 공간을 형성하는 펌핑부;
   외부에서 유체를 주입하도록 상부가 개방된 주입구;
   상기 주입구와 펌핑부의 하단을 연결하며, 상기 주입구로 주입된 유체가 상기 펌핑부의 펌핑작업을 통해 상기 펌핑부로 이송되도록 저면에 형성되는 미세채널;
   상기 미세채널은 상기 주입구로 주입된 유체를 상기 펌핑부로 이송하는 이송관;
   상기 미세유체펌프는 상기 펌핑부의 펌핑작업을 지지하고, 상기 미세채널이 외부와 차단되도록 저면에 지지패널;을 포함하며, 재질은 탄성고분자로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄성체의 복원력을 이용한 흡입형 미세유체펌프.
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