KR101377173B1 - 미세 유체 장치 - Google Patents

Abstract

미세 유체 채널 기술을 이용하여 시료 등 유체의 혼합 수율(yield)을 높일 수 있는 미세 유체 장치가 개시된다. 본 발명의 미세 유체 장치는, 이온화되어 극성을 갖는 유체의 유로를 형성하는 채널부, 채널부와 연결되는 다수의 유체 주입부 및 적어도 하나의 유체 배출부를 포함하는 미세 유체 채널 구조물과, 채널부의 유로 외부에 위치하며 이온화된 유체에 대하여 교류 자기장을 형성하는 교류 자기장 발생부와, 교류 자기장 발생부의 교류 자기장에 의해 이온화된 유체의 혼합이 활성화되면서 채널부의 유로를 따라 이동하도록 교류 자기장 발생부를 채널부의 유로 방향을 따라 이송시키는 이송부를 포함할 수 있다.

Description

미세 유체 장치{MICROFLUIDIC DEVICES}

본 발명은 미세 유체 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 미세 유체 채널 기술을 이용하여 시료 등 유체의 혼합 및 분석하는 미세 유체 장치에 관한 것이다.

최근 미세유체공학 분야에서는 마이크로 단위의 유체 채널을 포함하는 미세 유체 장치(microfluidic devices)를 이용한 미세 종합 분석 시스템 기술에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

일반적으로 미세 유체 장치는 유리, 실리콘 또는 플라스틱으로 된 수 ㎠ 크기의 칩 위에 분석에 필요한 여러 가지 소자들을 미세 가공 기술을 이용하여 집적시킨 화학 마이크로 프로세서이다. 미세 유체 장치는 복잡한 촉매 화학 반응과 유독 물질의 반응, 예를 들어 방향족 화합물의 불소화 반응 등을 수행할 수 있는 미세 유동 시스템 반응기를 분석장비와 통합하여 신개념의 화학공장을 칩 상에 구현한 것을 의미하는 것으로 미세 유동 시스템 반응기 소자의 소형화를 위한 MEMS 기술뿐만 아니라 온도, 유량 등의 공정 변수들의 정밀한 제어를 위한 소형화 기술이 필수적이다. 이러한 미세 유체 장치는 구동시스템, 반응기(혼합기), 추출-분석시스템 등 크게 세 부분으로 구분될 수 있는데, 특히, 마이크로 반응기는 반응 물질에 따라 정도의 차이는 있지만, 유체가 흘러가는 유로의 모양에 따라 반응 시간과 혼합 수율(yield)이 영향을 받으며, 기존의 batch 방식의 혼합을 거의 대부분의 영역에서 시간단축과 효율개선을 시키고 있다는 연구결과가 속속 발표되고 있다.

종래의 미세 유체 장치는 유로 자체의 형상, 그리고 주사기 펌프를 이용하여 유체 혼합 반응을 진행하는 방식이다. 그러나, 종래의 미세 유체 장치는 펌프의 구동을 이용하는 방식이므로 표면장력 때문에 15 bar 이상의 압력을 유로 내에 가하기 어려우며, 유체의 속도도 펌프로 인해 결정이 되어지는 결과를 초래한다. 이는 느린 혹은 빠른 흐름 속도를 요하는 반응에서는 효과적으로 대응할 수 있는 여지가 적으며 외부에서 이런 구동을 제어할 수 있는 시스템이 존재하지 않는 이상, 전체 반응 시스템의 한계를 극복하기란 쉽지 않다. 따라서, 펌프 방식을 이용하는 종래의 미세 유체 장치는 유체의 혼합 효율이 낮고 유로의 길이가 길어지고 작아질수록 균등한 배분에 문제가 있었다. 또한, 유체 혼합을 유로 자체에만 의존을 하고, 아주 적은 유량 범위에서는 펄스(pulse)가 생긴다는 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 미세 유체 채널 기술을 이용하여 시료 등 유체의 혼합 수율(yield)을 높일 수 있는 미세 유체 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세 유체 장치는, 이온화된 극성을 갖는 유체의 유로를 형성하는 채널부, 상기 채널부와 연결되는 다수의 유체 주입부 및 적어도 하나의 유체 배출부를 포함하는 미세 유체 채널 구조물과, 상기 채널부의 유로 외부에 위치하며 이온화된 상기 유체에 대하여 교류 자기장을 형성하는 교류 자기장 발생부와, 상기 교류 자기장 발생부의 교류 자기장에 의해 상기 이온화된 상기 유체의 혼합이 활성화되면서 상기 채널부의 유로를 따라 이동하도록 상기 교류 자기장 발생부를 상기 채널부의 유로 방향을 따라 이송시키는 이송부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 교류 자기장 발생부는 상기 미세 유체 채널 구조물의 상부와 하부에 각각 배치되도록 한 쌍으로 구성되며, 상기 채널부를 사이에 두고 서로 대칭되게 위치하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 교류 자기장 발생부는 전자석을 사용할 수 있다.

또한, 상기 교류 자기장 발생부는, 상기 채널부의 유로와 대응되게 위치하는 철심과, 상기 철심에 권선되는 코일과, 상기 코일에 교류 전원을 공급하는 교류전원부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 미세 유체 장치는, 상기 이송부의 이송 운동을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 미세 유체 장치는, 이온화된 극성을 갖는 유체의 유로를 형성하는 채널부, 상기 채널부와 연결되는 다수의 유체 주입부 및 적어도 하나의 유체 배출부를 포함하는 미세 유체 채널 구조물과, 상기 채널부의 유로 외부에 위치하며 상기 유체의 혼합이 활성화되도록 이온화된 상기 유체에 대하여 교류 자기장을 형성하면서 상기 채널부의 유로 방향을 따라 이동 가능하게 설치되는 교류 자기장 발생부를 포함할 수 있다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 미세 유체 장치에 따르면, 이온화되어 극성을 갖는 유체의 특성을 이용하여 혼합이 이루어지는 채널의 유로 근처에 교류 자기장을 가하여 분자 혹은 원자 단위에서의 유체 혼합을 활성화시킴으로써 기존의 유로에 의지하는 터뷸런스 방식 보다 유체의 혼합 수율(yield)을 더 높일 수 있다.

또한, 내부에 촉매 등을 사용하지 않아 혼합물의 순도에 영향을 주지 않으며 물질을 가리지 않고 손쉽게 혼합이 가능하다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세 유체 장치의 구성을 도시한 블록도,
도 2는 본 발명의 미세 유체 장치를 개략적으로 도시한 사시도, 그리고,
도 3은 본 발명의 미세 유체 장치에서 교류 자기장을 이용하여 미세 유체를 혼합하는 작동 상태를 보여주는 예시도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세 유체 장치를 상세히 설명하기로 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세 유체 장치의 구성을 도시한 블록도, 그리고, 도 2는 본 발명의 미세 유체 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.

도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세 유체 장치(1)는 미세 유체 채널 구조물(10), 교류 자기장 발생부(20), 이송부(30), 제어부(40), 입력부(50) 및 디스플레이부(60) 등을 포함할 수 있다.

미세 유체 채널 구조물(10)은 유리, 실리콘 또는 플라스틱 재질로 된 수 ㎠ 크기의 상판(11) 및 하판(12)으로 이루어진 구조물에 채널부(13), 유체 주입부(15) 및 유체 배출부(16) 등을 형성하여 제작할 수 있다.

채널부(13)는 내부에 시료 등 유체가 흐를 수 있도록 유로가 형성되는 관형상으로 마련된다. 본 실시예에서, 채널부(13)는 원형 단면의 유로를 가지는 구성을 예시하였으나, 이에 한정되지 않고 사각형 등 다각형 단면의 유로 형상으로 마련 될 수도 있다. 또한, 본 실시예에서, 채널부(13)는 직선형태의 유로 형상을 가지는 구성을 예시하였으나, 이에 한정되지 않고 곡선형태의 유로 형상을 가질 수도 있다. 채널부(13)의 유로는 수백㎛, 바람직하게는 100㎛ 이하의 직경을 가진다.

유체 주입부(15)는 서로 다른 둘 이상의 유체를 주입할 수 있도록 다수 개 마련되며, 다수 개의 유체 주입부(15)는 채널부(13)의 일측, 보다 구체적으로 입구측에 하나로 연결된다. 여기서, 유체 주입부(15)를 통해 주입되는 유체는 대부분 이온화되어 극성(+,-)을 띠게 되는데, 이때 후술하는 전자석에서 발생하는 교류 자기장(M)에 의해 채널 유로를 따라 이동하면서 혼합이 활성화된다.

유체 배출부(16)는 채널부(13)를 통과하는 유체가 배출될 수 있도록 채널부(13)의 타측, 보다 구체적으로 출구측에 연결된다. 본 실시예에서는 유체 배출부(16)가 하나 마련되는 구성을 예시하였으나, 이에 한정되지 않고 적어도 하나 이상 마련되면 충분하다.

교류 자기장 발생부(20)는 채널부(13)의 유로 외부에 위치하며, 이온화되어 극성을 띠는 유체에 대하여 교류 자기장(AC magnetic field)(M)을 형성한다. 예를 들어, 교류 자기장 발생부(20)는 미세 유체 채널 구조물(10)의 상부와 하부에 각각 배치되도록 한 쌍으로 구성되며, 채널부(13)를 사이에 두고 서로 대칭되게 위치한다. 본 실시예에서는 교류 자기장 발생부(20)를 미세 유체 채널 구조물(10)의 상부와 하부에 각각 배치되도록 한 쌍으로 구성하는 것을 예시하였으나, 이에 한정되지 않고, 미세 유체 채널 구조물(10)의 상부 또는 하부에 하나만 배치되는 구성도 가능하다.

본 발명에서 교류 자기장 발생부(20)는 이온화되어 극성을 띠는 유체에 대하여 교류 자기장(M)을 형성하는 전자석(electro magnet)이다. 예를 들어, 교류 자기장 발생부(20)는 채널부(13)의 유로와 대응되게 위치하고 원기둥 또는 다면체 형상을 가지는 철심(21)과, 철심(21)에 권선되는 코일(23)과, 코일(23)에 교류 전원을 공급하는 교류전원부(25) 등으로 구성될 수 있다. 또한, 교류 자기장 발생부(20)는 교류 자기장(M)의 세기를 조절할 수 있도록 다이얼 형태의 자기조절부(미도시)를 더 구비할 수 있다.

이송부(30)는 이온화되어 극성을 갖는 유체가 교류 자기장 발생부(20)의 교류 자기장(M)에 의해 채널부(13)의 유로를 따라 이동하면서 유체의 혼합을 활성화하도록 교류 자기장 발생부(20)를 채널부(13)의 유로 방향을 따라 이송시키는 역할을 한다.

이송부(30)는 로봇팔 형태를 가지며, 교류 자기장 발생부(20)를 파지하는 집게부(31)와, 집게부(31)와 연결되고 채널부(13)의 유로 방향을 따라 이송 가능하게 설치되는 이송본체(33)와, 이송본체(33)의 이송 운동을 구동하는 구동수단(미도시) 등으로 구성될 수 있다. 상기 이송부(30)의 구성 및 작동은 이미 공지된 기술로서 이해 가능하므로 구체적인 설명은 생략한다.

제어부(40)는 후술하는 입력부(50)를 통해 입력된 조작 신호를 받아 이송부(30)의 이송 운동을 제어하는 역할을 한다. 보다 상세하게, 제어부(40)는 교류 자기장 발생부(20)가 채널부(13)의 상부 및 하부에서 채널의 유로 형성방향을 따라 동일한 좌표로 이동되도록 이송부(30)의 이송 운동을 제어하는 회로기판을 포함할 수 있다. 또한, 제어부(40)는 채널부(13)의 다양한 유로 형상 변경에 대응하여 이송부(30)를 능동적으로 제어할 수 있도록 프로그램화 될 수 있다.

입력부(50)는 이송부(30)의 제어 동작을 위하여 제어부(40)에 조작 신호를 입력하는 입력 수단, 예컨대 키보드, 스위치 등을 포함할 수 있다.

디스플레이부(60)는 제어부(40)의 제어 동작을 모니터링할 수 있는 모니터 등을 포함할 수 있다.

도 3은 본 발명의 미세 유체 장치에서 교류 자기장을 이용하여 미세 유체를 혼합하는 작동 상태를 보여주는 예시도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 서로 다른 유체들이 각각의 유체 주입부(15)를 통해 채널부(13)로 들어오게 되면, 채널부(13)의 유로 상부 및 하부에 위치한 교류 자기장 발생부(20), 즉 전자석에 교류 전원을 공급하여 채널부(13)의 유로를 흐르는 유체에 교류 자기장(M)을 형성한다. 여기서, 유체 주입부(15)를 통해 주입되는 유체는 대부분 이온화되어 극성(+,-)을 가진다. 따라서, 이온화되어 극성을 갖는 유체는 교류 자기장(M)에 의해 혼합이 활성화된다. 이때, 이송부(30)의 이송 운동을 통해 교류 자기장 발생부(20)를 채널부(13)의 유로를 따라 이동시키면 교류 자기장(M)은 이온화된 유체가 흘러가는 방향으로 이동하면서 유체의 혼합을 더욱 활성화시킨다.

따라서, 본 발명의 미세 유체 장치(1)는 이온화되어 극성(+,-)을 갖는 유체의 특성을 이용하여 혼합이 이루어지는 채널의 유로 근처에 교류 자기장(M)을 가하여 분자 혹은 원자 단위에서의 유체 혼합을 활성화시킴으로써 기존의 유로에 의지하는 터뷸런스 방식 보다 유체의 혼합 수율(yield)을 더 높일 수 있다. 또한, 내부에 촉매 등을 사용하지 않아 혼합물의 순도에 영향을 주지 않으며 물질을 가리지 않고 손쉽게 혼합이 가능하다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1 : 미세 유체 장치 10 : 미세 유체 채널 구조물
13 : 채널부 15 : 유체 주입부
16 : 유체 배출부 20 : 교류 자기장 발생부
21 : 철심 23 : 코일
25 : 교류전원부 30 : 이송부
40 : 제어부 50 : 입력부
60 : 디스플레이부

Claims (6)

1. 이온화되어 극성을 갖는 유체의 유로를 형성하는 채널부, 상기 채널부와 연결되는 다수의 유체 주입부 및 적어도 하나의 유체 배출부를 포함하는 미세 유체 채널 구조물
   상기 채널부의 유로 외부에 위치하며, 이온화된 상기 유체에 대하여 교류 자기장을 형성하는 교류 자기장 발생부 및
   상기 교류 자기장 발생부를 파지하는 집게부와, 상기 집게부와 연결되고 상기 채널부의 유로 방향을 따라 이송가능하게 설치되는 이송본체 및 상기 이송본체의 이송 운동을 구동하는 구동수단을 포함하여, 상기 교류 자기장 발생부의 교류 자기장에 의해 상기 이온화된 상기 유체의 혼합이 활성화되면서 상기 채널부의 유로를 따라 이동하도록 상기 교류 자기장 발생부를 상기 채널부의 유로 방향을 따라 이송시키는 이송부; 및
   상기 채널부의 다양한 유로 형상 변경에 대응하여 상기 이송부를 능동적으로 제어하는 제어부를 포함하는 미세 유체장치
2. 제 1 항에 있어서, 상기 교류 자기장 발생부는 상기 미세 유체 채널 구조물의 상부와 하부에 각각 배치되도록 한 쌍으로 구성되며, 상기 채널부를 사이에 두고 서로 대칭되게 위치하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 교류 자기장 발생부는 전자석인 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 교류 자기장 발생부는,
   상기 채널부의 유로와 대응되게 위치하는 철심;
   상기 철심에 권선되는 코일; 및
   상기 코일에 교류 전원을 공급하는 교류전원부를 포함하는 미세 유체 장치.
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