KR101399511B1 - 미세 유체 칩을 이용한 유체 제어 장치 - Google Patents

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강유나
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Abstract

본 발명은 미세 유체 칩을 이용한 유체 제어 장치에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 칩을 이용한 유체 제어 장치는 유체가 통과하는 복수의 미세 유체 채널이 형성되는 채널 층과, 상기 채널 층의 하부에 형성되어 상기 미세 유체 채널을 개방 또는 차단시키는 유체막과, 상기 유체막의 하부에 위치하여 외부의 공기가 주입되는 복수의 에어홀이 형성되는 에어홀 층을 포함하는 미세 유체 칩과, 상기 에어홀에 공기를 주입하는 에어 밸브를 포함한다.
이에 따라, 미세 유체 칩의 미세 유체 채널을 정밀하게 제어하기 위해 채널과 맞닿는 유체막에 기 설정된 패턴으로 공기를 주입하여 채널을 개방 또는 차단시킴으로써 미세 유체의 흐름을 제어할 수 있다.

Description

미세 유체 칩을 이용한 유체 제어 장치{APPARATUS FOR CONTROLLING FLUID USING MICRO FLUID CHIP}
본 발명은 미세 유체 칩을 이용한 유체 제어 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 미세 유체 칩에 공기를 주입하여 유체를 제어하는 기술이 개시된다.
세포융합(cell fusion)은 두 개의 다른 종류의 세포를 인공적으로 융합시켜 잡종세포를 만드는 방법이다. 세포융합의 방법으로는 화학약품의 처리와 전기적 충격의 처리가 있는데, 이 중 전기적 충격으로 세포막을 파괴하여 두 가지 종류의 세포를 결합시키는 것을 전기세포융합 (electrofusion)이라 한다. 이러한 세포융합 기술 외에도 분석 대상 물질을 분석하는 기술에서는 미세 유체 칩을 사용하게 된다.
현재 유체를 이용한 MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 칩에서 유체를 제어하기 위한 많은 방법 중 하나가 막(membrane)을 이용하여 물리적인 방법으로 제어하는 경우가 있다. 이러한 경우에 각각의 칩에 막을 추가하여 제어하기 때문에 제조과정이 번거롭다는 문제점이 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2006-0105787호(2006. 10. 11)에 개시되어 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 기술적인 과제는 미세 유체 칩의 미세 유체 채널을 정밀하게 제어하기 위해 채널과 맞닿는 유체막에 기 설정된 패턴으로 공기를 주입하여 채널을 개방 또는 차단시킴으로써 미세 유체의 흐름을 제어하는 미세 유체 칩을 이용한 유체 제어 장치를 제공하기 위함이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 칩을 이용한 유체 제어 장치는 유체가 통과하는 복수의 미세 유체 채널이 형성되는 채널 층과, 상기 채널 층의 하부에 형성되어 상기 미세 유체 채널을 개방 또는 차단시키는 유체막과, 상기 유체막의 하부에 위치하여 외부의 공기가 주입되는 복수의 에어홀이 형성되는 에어홀 층을 포함하는 미세 유체 칩과, 상기 에어홀에 공기를 주입하는 에어 밸브를 포함한다.
또한, 상기 에어홀에 공기가 주입되면 상기 유체막이 상기 미세 유체 채널에 압착되어 유체를 차단시키고, 상기 에어홀에 공기 주입이 차단되면 상기 유체막이 상기 미세 유체 채널과 이격되어 유체를 통과시킬 수 있다.
또한, 상기 에어홀 층은 상기 복수의 에어홀이 상기 미세 유체 채널의 경로와 대응하는 위치로 형성될 수 있다.
또한, 상기 에어 밸브는 상기 유체의 이동 방향에 따라 상기 복수의 에어홀에 기 설정된 패턴으로 공기를 주입 또는 차단시켜 상기 미세 유체 채널 내의 유체 흐름을 제어할 수 있다.
또한, 상기 에어홀 층은 상부에는 상기 복수의 에어홀이 형성되고, 하부에는 상기 복수의 에어홀과 연결되어 외부의 공기가 주입되는 에어 채널이 형성될 수 있다.
또한, 상기 미세 유체 칩은 상기 에어 채널의 하부에 상기 복수의 에어홀과 대응하는 위치로 형성되는 복수의 플런지를 포함하는 플런지 층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수의 플런지는 전자기장에 의해 초기 위치에서 수직 방향으로 상승하여 상기 에어 채널을 차단하고, 상기 초기 위치로 복귀하여 상기 에어 채널을 개방할 수 있다.
또한, 상기 복수의 플런지를 상하로 이동시키는 플런지 제어부를 더 포함하고, 상기 에어 밸브는 상기 에어 채널에 공기를 주입할 수 있다.
이에 따라, 미세 유체 칩의 미세 유체 채널을 정밀하게 제어하기 위해 채널과 맞닿는 유체막에 기 설정된 패턴으로 공기를 주입하여 채널을 개방 또는 차단시킴으로써 미세 유체의 흐름을 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 칩을 이용한 유체 제어 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1에 따른 미세 유체 칩을 이용한 유체 제어 장치 중 미세 유체 칩의 분해 사시도이다.
도 3a은 도 2에 따른 미세 유체 칩의 A-A'에 대한 단면도이다.
도 3b는 도 2에 따른 미세 유체 칩의 B-B'에 대한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미세 유체 칩을 이용한 유체 제어 장치의 구성도이다.
도 5는 도 4에 따른 미세 유체 칩을 이용한 유체 제어 장치 중 미세 유체 칩의 분해 사시도이다.
도 6a 및 도 6b는 도 4에 따른 미세 유체 칩을 이용한 유체 제어 장치 중 미세 유체 칩의 c-c'에 대한 단면도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 칩을 이용한 유체 제어 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 칩을 이용한 유체 제어 장치(100)는 미세 유체 칩(110) 및 에어 밸브(120)를 포함한다.
미세 유체 칩(110)은 채널 층(111), 유체막(113) 및 에어홀 층(115)을 포함한다. 채널 층(111)은 복수의 유입구(1111), 미세 유체 채널(1112, 1113) 및 유출구(1114)가 형성되어, 분석 대상 물질인 미세 유체가 복수의 유입구(1111)로부터 미세 유체 채널(1112, 1113)을 통해 유출구(1114)로 이동한다. 유체막(113)은 채널 층(111)의 하부에 형성되는 막으로 미세 유체 채널(1112, 1113)을 개방 또는 차단한다. 에어홀 층(115)은 유체막(113) 층의 하부에 형성되어 유체막(113)에 공기가 통과하는 복수의 에어홀이 형성된다. 미세 유체 칩(110)에 대한 구체적인 설명은 도 2를 통하여 후술하도록 한다.
에어 밸브(120)는 미세 유체 칩(110)의 에어홀 층(115)에 공기를 주입하는 장치로, 각 에어홀에 공기를 기 설정된 패턴으로 주입하여 미세 유체 채널을 통과하는 미세 유체의 흐름을 제어한다. 예를 들어, 에어 밸브(120)는 전자코일(coil)에 의하여 밸브를 개폐함으로써 유체의 유입량을 가감하는 솔레노이드 밸브(solenoid valve)를 이용하여 구현할 수 있다. 이 경우, 에어 밸브(120)는 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 통해 에어홀에 공기를 주입할 수 있다.
또한, 에어 밸브(120)는 유체의 이동 방향 또는 이동 속도에 따라 복수의 에어홀에 기 설정된 패턴으로 공기를 주입 또는 차단시켜 미세 유체 채널 내의 유체 흐름을 제어할 수 있다. 미세 유체 칩(110)의 채널 층(111)에는 복수의 미세 유체 채널이 포함되며, 각 미세 유체 채널에서의 유체의 이동 방향 또는 이동 속도는 에어 밸브(120)로부터 공급되는 공기가 에이홀 층을 통해 유체막(113)을 상승 또는 하강시켜 제어한다.
도 2는 도 1에 따른 미세 유체 칩을 이용한 유체 제어 장치 중 미세 유체 칩의 분해 사시도이다.
도 2를 참조하면, 미세 유체 칩(210)의 채널 층(211)에는 분석 대상 물질인 미세 유체가 유입되는 복수의 유입구(2111), 미세 유체가 통과하는 복수의 부 채널(2112), 복수의 부 채널(2112)이 합쳐지는 하나의 주 채널(2113) 및 주 채널(2113)을 통과한 미세 유체가 검출되는 유출구(2114)가 형성되어 있다. 이 경우, 부 채널(2112)의 개수는 사용자 설정에 의해 달라질 수 있다. 유입구(2111)를 통해 미세 유체가 유입되면 복수의 부 채널(2112)을 거쳐 주 채널(2113)에서 합쳐지게 되고, 유출구(2114) 주변에 형성된 전극과의 전기화학적 반응을 하게 된다.
한편, 유체막(213)은 채널 층(211)의 하부에 형성되어 미세 유체 채널(2112, 2113)을 개방 또는 차단시킨다. 유체막(213)의 두께, 성분은 사용자 설정에 의해 달라질 수 있다. 채널 층(211)에 형성된 미세 유체 채널인 주 채널(2113) 및 부 채널(2112)은 하면이 개방되어 유체막(213)과 맞닿게 된다. 따라서, 유체막(213)이 상승하면 채널이 차단되며, 유체막(213)이 하강하면 채널이 개방된다.
한편, 에어홀 층(215)은 유체막(213)의 하부에 위치하여 외부의 공기가 주입되는 복수의 에어홀(2151)이 형성된다. 또한, 에어홀(2151)에 공기가 주입되면 유체막(213)이 상승하여 미세 유체 채널(2112, 2113)에 압착되므로 유체가 차단되고, 에어홀(2151)에 공기 주입이 차단되면 유체막(213)이 하강하여 미세 유체 채널(2112, 2113)과 이격되므로 유체를 통과시키게 된다.
또한, 에어홀 층(215)은 복수의 에어홀(2151)이 미세 유체 채널(2112, 2113)의 경로와 대응하는 위치로 형성될 수 있다. 예를 들어, 미세 유체 채널(2112, 2113)이 'Y'자 형상으로 형성된 경우, 에어홀(2151)은 'Y' 형상으로 기 설정된 간격으로 형성될 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니며, 미세 유체 채널(2112, 2113)과 상관없이 에어홀 층(215) 전체에 에어홀(2151)이 배열되는 것도 가능하다. 이는 미세 유체 채널(2112, 2113)의 개수 또는 경로가 변경되는 경우에도 해당 채널에 공기를 주입시킬 수 있도록 하기 위함이다.
이하, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 에어홀 층(215)에 공기가 주입되는 경우 유체막(213)이 채널을 개방 또는 차단시키는 것을 설명하도록 한다.
도 3a은 도 2에 따른 미세 유체 칩의 A-A'에 대한 단면도이고, 도 3b는 도 2에 따른 미세 유체 칩의 B-B'에 대한 단면도이다.
도 3a를 참조하면, 에어홀 층(315)에 공기가 주입되면 유체막(313)이 상승하게 된다. 이 경우, 미세 유체 채널(3112)의 하면은 개방되어 유체막(313)과 맞닿아 있기 때문에 유체막(313)이 상승하면 미세 유체 채널(3112)의 단면적이 감소하게 된다. 따라서, 에어홀을 통해 공급되는 공기의 공기압에 따라 유체막(313)이 상승하는 높이가 달라지며, 유체막(313)의 상승 정도에 따라 미세 유체 채널(3112)의 단면적이 결정되어 미세 유체의 흐름 속도가 결정된다. 또한, 에어홀에 공기가 주입되지 않는 경우 유체막(313)이 하강하게 된다. 이 경우, 유체막(313)은 초기의 위치로 복귀하게 되고 미세 유체 채널(3112)의 단면적은 증가하여 개방되므로 미세 유체가 흐르게 된다.
도 3b를 참조하면, 미세 유체가 미세 유체 채널(3112)을 통해 이동하는 경우, 복수의 에어홀(3151)이 유체막(313)의 하면에 형성되어 공기가 주입 또는 차단됨에 따라 유체의 흐름 또는 속도를 제어할 수 있다. 예를 들어, 미세 유체가 통과하는 지점에 위치하는 에어홀(3151)에는 공기가 주입되지 않아 유체막(313)이 상승하지 않게 된다. 따라서, 미세 유체 채널(3112)은 개방되어 유체가 흐르게 된다. 그러나, 공기가 주입되는 경우 유체막(313)이 상승하여 미세 유체의 흐름이 제한된다. 이러한 공기의 주입은 사용자의 설정에 의해 미세 유체의 성분에 따른 채널 내 이동 속도에 대한 데이터를 이용하여 에어홀(3151)에 주입되는 공기의 공기압 또는 지속 시간이 달라질 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미세 유체 칩을 이용한 유체 제어 장치의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미세 유체 칩을 이용한 유체 제어 장치(400)는 미세 유체 칩(410), 에어 밸브(420) 및 플런지 제어부(430)를 포함한다. 이하, 미세 유체 칩(410) 및 에어 밸브(420)의 형상 및 기능 중 도 1의 유체 제어 장치(100)와 중복되는 설명은 생략하도록 한다. 도 4의 복수의 유입구(4111), 미세 유체 채널(4112, 4113) 및 유출구(4114)는 도 1의 복수의 유입구(1111), 미세 유체 채널(1112, 1113) 및 유출구(1114)에 대응한다.
미세 유체 칩(410)은 채널 층(411), 유체막(413), 에어홀 층(415) 및 플런지 층(417)을 포함한다. 이 경우, 에어홀 층(415)은 상부에는 복수의 에어홀이 형성되고, 하부에는 복수의 에어홀과 연결되어 외부의 공기가 주입되는 에어 채널이 형성된다. 플런지 층(417)은 에어 채널의 하부에 복수의 에어홀과 대응하는 위치로 형성되는 복수의 플런지(plunge)를 포함한다. 여기서, 플런지는 전자기장에 의해 상하로 수직 이동하는 철심 막대이다.
한편, 에어 밸브(420)는 도 1의 에어 밸브(120)와 달리 각 에어홀에 공기를 주입하지 않고, 에어 채널에 기 설정된 시간 및 공기압으로 지속적으로 공기를 공급할 수 있다.
한편, 플런지 제어부(430)는 플런지 층(417)에 포함된 복수의 플런지를 상하로 이동시키기 위해 전자기장을 유도시키는 전원을 공급한다. 예를 들어, 플런지 제어부(430)는 전자기장에 의해 플런지를 초기 위치에서 수직 방향으로 상승시켜 에어홀 층(415)에 형성된 에어 채널을 차단시키며, 플런지를 초기 위치로 복귀시켜 에어 채널을 개방시킴으로써 에어홀 층(415)에 공기가 주입되도록 한다.
도 5는 도 4에 따른 미세 유체 칩을 이용한 유체 제어 장치 중 미세 유체 칩의 분해 사시도이다.
도 5를 참조하면, 플런지 층(517)에 형성되는 복수의 플런지(5171)는 에어홀 층(515)의 에어홀(5151) 또는 에어 채널(5152)에 대응하여 위치한다. 즉, 에어 채널(5152)로 주입된 공기는 에어홀(5151)을 통해 유체막(513)으로 전달되는데 플런지(5171)가 상승하여 에어 채널(5152)을 차단시킴으로써 해당 에어 채널(5152)과 연결된 복수의 에어홀(5151)에 공기가 차단된다. 이 경우, 에어홀 층(515)에 형성되는 에어 채널(5152)은 복수 개로 형성될 수 있으며, 각 에어 채널(5152)은 복수의 에어홀(5151)에 공기를 공급할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 도 4에 따른 미세 유체 칩을 이용한 유체 제어 장치 중 미세 유체 칩의 c-c'에 대한 단면도이다.
도 6a의 경우, 플런지 층(617)에 에어 채널(6152)을 제어하는 8개의 플런지(6171)가 있다고 가정하면, 2번 플런지가 전자기장에 의해 상승하면 에어 채널(6152)을 차단시킴으로써 1번 및 2번 플런지(①, ②)에 대응하는 에어)홀(6151)에 공기가 차단된다. 이 경우, 1번 플런지(①) 및 2번 플런지(②)에 대응하는 에어홀(6151) 위에 형성된 유체막(613)이 플랫(flat) 상태를 유지하여 해당 유체막(613)과 맞닿는 미세 유체 채널(6112)에는 미세 유체가 흐르게 된다. 그러나, 3번 내지 8번 플런지(③, ④, ⑤, ⑥, ⑦, ⑧)에 대응하는 각 에어홀(6151)에는 공기가 통과하여 유체막(613)을 상승시키고, 해당 유체막(613)과 맞닿는 미세 유체 채널(6112)에는 미세 유체가 흐르지 않게 된다.
도 6b의 경우, 4번 플런지(④)가 전자기장에 의해 상승하면 에어 채널(6112)을 차단시킴으로써 1번 플런지 내지 4번 플런지(①, ②, ③, ④)에 대응하는 에어홀(6151)에 공기가 차단된다. 이 경우, 1번 플런지 내지 4번 플런지(①, ②, ③, ④)에 대응하는 에어홀(6151) 위에 형성된 유체막(613)이 플랫 상태를 유지하여 해당 유체막(613)과 맞닿는 미세 유체 채널(6112)에는 미세 유체가 흐르게 된다. 그러나, 5번 내지 8번 플런지(⑤, ⑥, ⑦, ⑧)에 대응하는 각 에어홀(6151)에는 공기가 통과하여 유체막(613)을 상승시키고, 해당 유체막(613)과 맞닿는 미세 유체 채널(6112)에는 미세 유체가 흐르지 않게 된다. 이와 같은 방식으로 플런지(6171)를 제어하여 미세 유체 채널(6112) 내의 미세 유체의 흐름을 제어할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 미세 유체 칩의 미세 유체 채널을 정밀하게 제어하기 위해 채널과 맞닿는 유체막에 기 설정된 패턴으로 공기를 주입하여 채널을 개방 또는 차단시킴으로써 미세 유체의 흐름을 제어할 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 유체 제어 장치 110 : 미세 유체 칩
111 : 채널 층 1111 : 유입구
1112 : 부 채널 1113 : 주 채널
1114 : 유출구 113 : 유체막
115 : 에어홀 층 120 : 에어 밸브
210 : 미세 유체 칩 211 : 채널 층
2111 : 유입구 2112 : 부 채널
2113 : 주 채널 2114 : 유출구
213 : 유체막 215 : 에어홀 층
2151 : 에어홀
310 : 미세 유체 칩 311 : 채널 층
3112 : 미세 유체 채널 313 : 유체막
315 : 에어홀 층 3151 : 에어홀
400 : 유체 제어 장치 410 : 미세 유체 칩
411 : 채널 층 4111 : 유입구
4112 : 부 채널 4113 : 주 채널
4114 : 유출구 413 : 유체막
415 : 에어홀 층 417 : 플런지 층
420 : 에어 밸브 430 : 플런지 제어부
510 : 미세 유체 칩 511 : 채널 층
5111 : 유입구 5112 : 부 채널
5113 : 주 채널 5114 : 유출구
513 : 유체막 515 : 에어홀 층
5151 : 에어홀 5152 : 에어 채널
517 : 플런지 층 5171 : 플런지
610 : 미세 유체 칩 611 : 채널 층
6112 : 미세 유체 채널 613 : 유체막
615 : 에어홀 층 6151 : 에어홀
6152 : 에어 채널 617 : 플런지 층
6171 : 플런지

Claims (8)

  1. 유체가 통과하는 복수의 미세 유체 채널이 형성되는 채널 층과, 상기 채널 층의 하부에 형성되어 상기 미세 유체 채널을 개방 또는 차단시키는 유체막과, 상기 유체막의 하부에 위치하며 상부에는 복수의 에어홀이 형성되고 하부에는 상기 복수의 에어홀과 연결되어 외부의 공기가 주입되는 에어 채널이 형성되는 에어홀 층과, 상기 에어 채널의 하부에 상기 복수의 에어홀과 대응하는 위치로 형성되는 복수의 플런지를 포함하는 플런지 층을 포함하는 미세 유체 칩; 및
    상기 에어 채널에 공기를 주입하는 에어 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 칩을 이용한 유체 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에어홀에 공기가 주입되면 상기 유체막이 상기 미세 유체 채널에 압착되어 유체를 차단시키고, 상기 에어홀에 공기 주입이 차단되면 상기 유체막이 상기 미세 유체 채널과 이격되어 유체를 통과시키는 것을 특징으로 하는 미세 유체 칩을 이용한 유체 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 에어홀 층은,
    상기 복수의 에어홀이 상기 미세 유체 채널의 경로와 대응하는 위치로 형성되는 것을 특징으로 하는 미세 유체 칩을 이용한 유체 제어 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 플런지는,
    전자기장에 의해 초기 위치에서 수직 방향으로 상승하여 상기 에어 채널을 차단하고, 상기 초기 위치로 복귀하여 상기 에어 채널을 개방하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 칩을 이용한 유체 제어 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 플런지를 상하로 이동시키는 플런지 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 칩을 이용한 유체 제어 장치.
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