KR101431961B1 - 직접 충전 및 전기영동을 이용한 액적 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액적 제어 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기를 이용하여 액적을 직접 충전시키고 충전된 액적을 전기영동 현상을 이용해 제어하는 장치에 관한 것이다. 본 발명은 전극 직접 접촉을 통한 충전 및 전기영동 원리를 이용하여 단일 혹은 다수의 액적을 개별적으로 제어하는 액적 제어 장치에 있어서, 액적의 이송이 일어나며, 액적의 이송시에 중력 및 마찰을 최소화 할 수 있도록 하는 오일층과, 상기 오일층의 하부에 위치하며, 액적의 이송시 마찰을 방지할 수 있도록 하는 충진층과, 상기 충진층을 관통하여 충진층의 높이와 동일하게 배치되며, 충진층의 바닥면에 수직으로 배열된 복수개의 전극과, 상기 오일층과 충진층을 담을 수 있는 수조형태의 하우징으로 구성되는 액적 구동부; 상기 전극에 개별적인 전원을 인가하여 액적의 충전 및 이동을 제어하는 제어부;및 상기 액적구동부와 상기 제어부를 연결시켜주는 연결부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액적 제어 장치를 제공한다.

Description

직접 충전 및 전기영동을 이용한 액적 제어 장치{APPARATUS FOR MICRO DROPLET MANIPULATION VIA DIRECT CHARGING AND ELECTROPHORESIS}

본 발명은 전기를 이용한 액적 제어 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기를 이용하여 액적을 직접 충전시키고 충전된 액적을 전기영동 현상을 이용해 제어하는 장치에 관한 것이다.

적은 시료의 화학적, 생물학적 분석을 칩 위에서 모두 구현하는 것을 목표로 하는 랩 온 어 칩 기술은 미세채널 내의 유체를 펌프나 전기를 사용하여 구동하는 방식이 주를 이루고 있다. 하지만 이러한 방식은 분석하고자 하는 물질을 포함한 모든 유체를 움직여야 하고 침전이나 생물학적 샘플 등으로 채널이 막히는 등 많은 기술적 한계들을 가지고 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 전기장을 이용해 샘플을 작은 액적 상태로 개별 구동하는 기술이 개발되었으며 대표적으로 전기습윤과 유전영동 두 기술이 있다. 하지만 두 기술 역시 바닥 표면 오염, 복잡한 전극 설계 등 기술적 단점이 존재한다.

또한, 전기습윤 방식의 경우 액적이 바닥면을 적시며 움직이는 구동 특성으로 인해 생물학적 응용에 사용 시 바닥면의 오염 문제가 발생한다. 액적을 구동시키기 위한 전극의 설계 및 운전은 표면장력의 변화를 통해 액적의 움직임을 구현해야 하기 때문에 소수성 표면 처리, 반도체 공정 등 복잡하고 까다로운 공정을 필요로 한다. 전기습윤 방식은 표면장력의 변화를 유도할 수 있는 영역 내에서만 구동이 가능하기 때문에 다룰 수 있는 액적의 크기에 대한 하한선이 존재하며 이러한 이유로 수 십 나노리터 이하의 초소형 액적을 다루기 어려운 단점이 있다. 이러한 이유로 전기습윤 방식의 액적 구동 장치는 설계가 까다롭고 제조단가가 높은 등의 문제가 있다.

또한, 유전영동의 경우 전기습윤과 달리 액적이 바닥면에 접촉할 필요가 없어 표면 오염이 최소화되는 장점이 있으나 다소 직관적이지 않은 구동원리로 전극 설계나 시스템 구성에 어려움 있다. 또한 높은 구동 전압이 요구되고 액적의 구동 속도가 상대적으로 느리며 수 마이크로 리터 이상의 액적은 구동 원리의 한계로 다루기 어려워 다룰 수 있는 액적의 상한선이 존재하는 단점이 있다.

이에, 표면오염이 최소화 되고 액적 구동 원리가 직관적이며 낮은 구동 전압을 요구하는 액적의 직접 충전 및 전기영동 방법을 활용하고자 한다.

액적의 직접 충전 현상은 전극에 전도성 액적이 접촉할 때 도체 표면으로부터 전하를 전달 받아 전극과 같은 극성으로 액적이 충전되는 현상이다. 이 때 충전된 액적은 전극으로부터 전기적 반발력에 의한 전기영동 힘을 받아 반대편 전극으로 이동하게 된다. 이러한 액적의 직접 충전 및 전기영동 현상은 전기를 이용해 개별적인 액적을 구동시키는 기존 방법론의 대안으로 활용될 수 있다.

한국특허등록공보 제10-0811543호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 일련의 전극 배열과 각각의 전극에 가해지는 전압을 조절하여 단일 혹은 다수의 액적을 직접 충전 및 전기영동 현상을 통해 제어할 수 있는 액적 제어 장치를 제공하는 것이다.

또 다른 목적으로는, 주어진 전극 배열 위에서 직접 충전 및 전기영동 원리로 액적을 원하는 대로 구동할 수 있도록 하는 전압의 조절 원리 및 제어를 가능하게 하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 전극 직접 접촉을 통한 충전 및 전기영동 원리를 이용하여 단일 혹은 다수의 액적을 개별적으로 제어하는 액적 제어 장치에 있어서, 액적의 이송이 일어나며, 액적의 이송시에 중력 및 마찰을 최소화 할 수 있도록 하는 오일층과; 상기 오일층의 하부에 위치하며, 액적의 이송시 마찰을 방지할 수 있도록 하는 충진층과; 상기 충진층을 관통하여 충진층의 높이와 동일하게 배치되며, 충진층의 바닥면에 수직으로 배열된 복수개의 전극과, 상기 오일층과 충진층을 담을 수 있는 수조형태의 하우징;으로 구성되는 액적 구동부; 상기 전극에 개별적인 전원을 인가하여 액적의 충전 및 이동을 제어하는 제어부; 및 상기 액적구동부와 상기 제어부를 연결시켜주는 연결부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액적 제어 장치를 제공한다.

또한, 상기 충진층은 소수성 물질로 구성되며, 액적이 전극 사이를 움직일 수 있도록 하는 바닥면을 제공하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 연결부는 분리 가능하도록 구성되어서, 액적 구동부 및 제어부를 개별적으로 관리 할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는 상기 전극에 양극 전원과 음극 전원을 독립적으로 사용하여 전체 구동 기전압을 낮추고, 액적의 구동이 일관되게 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 오일층은 액적의 점도와 유사하거나 낮은 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부에서는 전극을 독립적으로 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전극 간 액적의 이동시 전극의 극성 변화를 액적과 접촉이 일어날 전극의 극성을 유지한 상태로 접촉 전극 전, 후 또는 좌, 우 전극의 극성을 액적이 전극 접촉 직전에 변화시켜 액적의 이동을 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 설명한 본 발명에 따른 액적의 직접 충전 및 전기영동 현상을 이용한 액적 제어 장치에 의하면 단일 혹은 다수의 액적을 쉽고 빠르게 제어할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 전기를 이용한 개별 액적 제어 방법을 구현하는 장치의 구성 및 제어가 단순하여 소형화 및 집적화가 유리한 장점이 있다.

또한, 기존 방법 대비 액적의 이동 속도가 빨라 분석에 소요되는 시간을 단축할 수 있는 장점이 있다.

또한, 바닥면과의 접촉에 의한 문제가 최소화되어 장치의 신뢰성 및 수명이 향상되는 장점이 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 액적의 직접 충전 및 전기영동원리의 액적 제어 장치의 주요 구성부를 보여주는 도면이다.
도 2는 액적 구동부와 연결부의 착탈식 구조를 보여주는 도면이다.
도 3은 액적 구동부의 측단면으로 소수성 충진층과 전극 배열 구조를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 액적 제어 장치를 구성하고 제어하는 블록 다이어그램을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 액적 구동부와 연결부 장치를 직접 제작한 실시예를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 액적 제어 장치 내에서 전극의 극성 변화를 통해 액적의 직선 운동을 구현한 실시예를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 액적 제어 장치 내에서 두 개의 액적을 개별 독립 제어 및 병합을 통해 생화학 반응을 (투명 액적 - 염화칼슘용액, 적색 액적 - 알긴산 나트륨용액, 병합 액적 - 알긴산)구현한 실시예를 보여주는 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 의한 직접 충전 및 전기영동을 이용한 액적 제어 장치의 바람직한 실시예들을 자세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

액적의 직접 충전 현상은 전극에 전도성 액적이 접촉할 때 도체 표면으로부터 전하를 전달 받아 전극과 같은 극성으로 액적이 충전되는 현상이다. 이 때 충전된 액적은 전극으로부터 전기적 반발력에 의한 전기영동 힘을 받아 반대편 전극으로 이동하게 된다. 이러한 액적의 직접 충전 및 전기영동 현상은 전기를 이용해 개별적인 액적을 구동시키는 기존 방법론의 대안으로 활용될 수 있다.

도 1은 액적의 직접 충전 및 전기영동 현상을 이용한 액적 제어 장치의 주요 구성부를 보여주고 있다.

액적 제어 장치(10)는 크게 액적을 구동시키는 액적 구동부(1)와 외부 전원 및 제어부(9)와의 연결을 위한 연결부(8)와, 전극의 극성을 제어하는 제어부(9)로 구성된다.

액적 구동부(1)는 액적(3)의 직접 충전을 위한 바닥면(5)에 수직으로 배열된 전극(6)과 소수성 충진층(4)을 가지는 것을 특징으로 하는데, 액적(3)에 가해지는 중력과 바닥면(5)과의 마찰을 최소화하기 위해 액적(5)과 섞이지 않는 오일을 사용하여 액적(3)이 오일층(2) 속에서 구동하게 한다. 이 때 오일의 점도는 가능한 낮은 것을 사용하여 액적의 이동 중 발생되는 저항을 최소화 한다. 바람직하게는 오일층(2)의 점도는 액적(3)의 점도에 비해서 낮은 것이 좋다.

액적 구동부(1)는 액적의 이송이 일어나며, 액적의 이송시에 중력 및 마찰을 최소화 할 수 있도록 하는 오일층(2)과, 상기 오일층(2)의 하부에 위치하며, 액적의 이송시 마찰을 방지할 수 있도록 하는 충진층(4)과, 상기 충진층(4)을 관통하여 충진층(4)의 높이와 동일하게 배치되며, 충진층(4)의 바닥면(5)에 수직으로 배열된 복수개의 전극(6)과, 상기 오일층(2)과 충진층(4)을 담을 수 있는 수조형태의 하우징(7)으로 구성된다.

액적(3)의 충전에 필요한 전압은 독립된 두 개의 양전압과 음전압을 사용하여 구동에 필요한 기전압을 낮추고 액적(3)의 움직임을 보다 일관되게 한다. 수직으로 배열된 각각의 전극(6)은 연결부(8)를 통해 제어부(9)와 연결되어 개별적인 전압 인가가 가능하도록 구성한다. 이 때 제어부(9)는 액적(3)의 구동을 위해 어느 전극에 양전압을 가하고 어느 전극에 음전압을 가하는 지를 컴퓨터 프로그램을 통해 제어하게 되며 액적(3)은 이러한 일련의 전기적 제어를 통해 그 움직임이 결정된다.

도 2는 액적 구동부(1)와 연결부(8)를 착탈식으로 구성하여 각각 요소의 독립적인 개발 및 유지 보수가 가능하도록 고안한 실시예를 보여주는 도면이다.

연결부(8)는 향후 별도의 제어장치 및 전원 등과 일체형으로 구성하여 시스템의 휴대성을 극대화한 디자인으로 재구성 할 수 있다.

도 3은 액적 구동부(1)의 측단면도를 보여주는 도면이다. 수직으로 배열된 전극(6)들은 소수성 충진층(4)과 높이를 동일하게 하여 액적(3)이 충전 후 전극 사이를 넘나들며 움직일 수 있는 바닥면(5)을 제공한다. 도 3에는 오일층(2)과 오일을 담을 수 있는 하우징(7)은 편의상 표현되어 있지 않다. 오일을 사용하는 경우 도 3에 표현된 상단 면이 오일을 담는 용기의 바닥면으로 역할을 하게 된다.

만일 초소수성 충진층와 소수성 전극을 사용하면 오일이 없이 기체 중에 노출된 표면에서의 액적의 제어도 가능하다.

도 3에 표현된 측단면도의 두께는 전극 간 전위차를 유지할 수 있는 조건만 만족한다면 충분히 얇게 하는 것이 가능하다.

도 4는 액적 제어 장치(10)를 제어하는 방법을 나타내는 블록 다이어그램을 보여주는 도면이다. 액적 구동부(1)의 각각의 전극(6)들은 전기적 스위치를 통해 양전압 전원과 음전압 전원에 연결되어 있으며 제어부(9)가 이러한 전기적 스위치들을 컴퓨터 프로그램을 통해 각각의 전극(6)에 가해지는 전압의 상태 (양전압 혹은 음전압)를 조절하여 액적의 충전 및 전기영동을 제어하여 액적을 구동시키게 된다.

도 4에 표현된 전기적 스위치 구성은 2상 방식으로(+ 혹은 -) 향후 스위치의 구성은 3상 방식(+, 0, -)으로도 구성이 가능하며 이 경우 액적을 구동 시키는 구체적인 전압 조절 방법은 본 발명에서 예시한 내용과 달라질 수 있다.

도 5는 액적 구동부(1)와 연결부(8)의 실시예를 보여주는 도면이다. 도 5의 좌측 그림에 도시된 액적 구동부(1)의 전극(6) 배열은 전자 부품 중 하나인 핀헤더 소켓을 사용하여 가로 및 세로 전극 간 간격이 2.54mm로 일정하다. 소수성 충진층(4)으로는 파라핀을 사용하였으며 아크릴 구조물을 이용하여 전극(6) 배열을 감싸 오일층(2)을 담을 수 있는 수조 형태의 하우징(7)으로 제작하였다.

연결부(8)는 양단에 핀모양 전극 배열을 가지는 핀헤더를 사용하여 제작하였으며 상단 핀 배열은 액적 구동부(1)와 연결되고 하단 핀 배열은 외부 전원 및 제어부(9)와의 연결에 용이하게 구성되었다.

본 발명 원리인 액적의 충전 및 전기영동 현상은 그 작동 원리가 단순하기 때문에 도 5의 실시예에서와 같이 기존 전자 부품을 간단히 사용하여 액적 제어 장치(10)를 제작 하는 것이 가능한 것이며 기존의 전기를 사용한 개별 액적 제어 방법 중 어떠한 방법론도 본 발명에서와 같은 단순한 제작 및 구동으로 액적 제어를 구현한 사례는 없었다. 따라서 본 실시예는 본 발명의 작동 원리가 얼마만큼 직관적이며 장치 제작에 있어 용이한 지를 단적으로 보여주는 사례이다.

도 6은 전극들의 극성 제어를 통해 액적의 움직임을 제어하여 바닥면에서 직선 운동을 구현한 실시예를 보여주는 도면이다. 음극에 접촉한 액적은 음전하를 띄게 되고 음극에서 양극으로 전기영동을 통해 이동하게(0초 ~ 0.23초) 된다. 음전하를 띈 액적이 양극을 접촉하기 직전에 접촉 직전의 양극은 양극을 유지한 채로 이전에 접촉했던 음극을 양극으로 바꾸고 맞은편 양극을 음극으로 바꾸면 액적은 양극에 접촉하면서 양전하를 띄게 되어 왼편으로 돌아가지 않고 오른편으로 직선 운동을 지속하게(0.23초 ~ 0.53초) 된다. 비슷한 원리로 전극들의 극성을 액적이 전극을 접촉하기 직전에 바꾸어 줌으로써 원하는 형태의 움직임을 만드는 것이 가능하다.

도 6에 예시된 바와 같이 본 발명에서 고안한 액적의 구동 방식은 액적의 이동 속도가 빠르기 때문에 분석에 소요되는 시간을 단축할 수 있다.

도 7은 전극 극성 제어를 통해 두 액적의 개별적 제어 및 병합의 시연을 보여주는 도면이다. 투명한 액적은 염화칼슘용액이고 붉은 색을 띄는 액적은 알긴산나트륨 수용액이다. 두 액적이 병합하면 알긴산 고체화 반응이 진행되어 병합된 액적 내에 고체 알긴산을 얻게 되는 생화학 반응을 시연하였다. 우선 하단에 위치한 투명한 염화칼슘 액적을 구동하여 중앙지역으로 이동(1번 ~ 3번 그림) 하였다. 이후 상단에 위치한 알긴산 나트륨 액적을 역시 중앙지역으로 이동(4번 ~6번 그림) 하였다. 마지막으로 염화칼슘 액적을 이동하여 알긴산 나트륨 액적과 병합을(7번, 8번 그림) 이루었다. 반응의 결과로 병합된 액적 내에 형성된 고체 알긴산을 (9번 그림) 확인하였다.

도 7의 실시예는 본 발명에서 고안한 액적 제어 장치(10)가 단일 액적 뿐 아니라 둘 이상의 다수의 액적들을 동시에 다룰 수 있고 반응을 위해 병합 시킬 수 있음을 보여주는 예이다.

상기 설명한 액적 제어 장치(10)는 소형 화학 분석기, 휴대용 개인 건강 진단 장치, 소형 세포 배양기 및 세포 공학용 장치 등 미세유체역학을 이용한 다양한 화학, 생물학, 의약학 분야의 새로운 장치를 제작하는데 이용가능하다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 액적 구동부
2: 오일층
3: 액적
4: 충진층
5: 바닥면
6: 전극
7: 하우징
8: 연결부
9: 제어부
10: 액적 제어 장치

Claims (7)

1. 전극 직접 접촉을 통한 충전 및 전기영동 원리를 이용하여 단일 혹은 다수의 액적을 개별적으로 제어하는 액적 제어 장치에 있어서,
   액적의 이송이 일어나며, 액적의 이송시에 중력 및 마찰을 최소화 할 수 있도록 하는 오일층과, 상기 오일층의 하부에 위치하며, 액적의 이송시 마찰을 방지할 수 있도록 하는 충진층과, 상기 충진층을 관통하여 충진층의 높이와 동일하게 배치되며, 충진층의 바닥면에 수직으로 배열된 복수개의 전극과, 상기 오일층과 충진층을 담을 수 있는 수조형태의 하우징으로 구성되는 액적 구동부;
   상기 전극에 개별적인 전원을 인가하여 액적의 충전 및 이동을 제어하는 제어부;및 상기 액적구동부와 상기 제어부를 연결시켜주는 연결부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액적 제어 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 충진층은 소수성 물질로 구성되며, 액적이 전극 사이를 움직일 수 있도록 하는 바닥면을 제공하는 것을 특징으로 하는 액적 제어 장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 연결부는 분리 가능하도록 구성되어서, 액적 구동부 및 제어부를 개별적으로 관리 할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 액적 제어 장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 전극에 양극 전원과 음극 전원을 독립적으로 사용하여 전체 구동 기전압을 낮추고, 액적의 구동이 일관되게 하는 것을 특징으로 하는 액적 제어 장치.
   
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어부에서는 전극을 독립적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 액적 제어 장치.
   
7. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,
   상기 전극 간 액적의 이동시 전극의 극성 변화를 액적과 접촉이 일어날 전극의 극성을 유지한 상태로 접촉 전극 전, 후 또는 좌, 우 전극의 극성을 액적이 전극 접촉 직전에 변화시켜 액적의 이동을 제어하는 것을 특징으로 하는 액적 제어 장치.
   
   

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