KR101465828B1 - 고분자 구동기를 포함하는 미세 밸브 구조체 및 랩온어칩 모듈 - Google Patents

Abstract

고분자 구동기를 포함하는 미세 밸브 구조체 및 랩온어칩 모듈이 제공된다. 미세 밸브 구조체는 기판 상에 배치되는 유연 구조물 및 유연 구조물 내에 삽입되는 고분자 구동기를 포함할 수 있다. 이때, 유연 구조물은 미세 유로를 정의하는 밸브부를 갖고, 고분자 구동기는 유연 구조물에 의해 미세 유로로부터 분리된다. 이에 더하여, 고분자 구동기는 밸브부의 변위를 제어함으로써 미세 유로의 폭을 변화시킬 수 있도록 구성된다.

Description

고분자 구동기를 포함하는 미세 밸브 구조체 및 랩온어칩 모듈{Micro-Valve Structure Including Polymer Actuator And Lab-On-A-Chip Module}

본 발명은 미세 유로 제어 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 고분자 구동기를 포함하는 미세 밸브 구조체 및 랩온어칩 모듈에 관한 것이다.

최근 바이오 센서 기술 및 반도체 기술의 발달과 더불어, 미세유체의 유량 또는 방향을 제어하는 미세유체 제어 기술의 개발 및 응용이 가속화되고 있다. 이러한 미세 유체 제어 기술에 의해, 혈액과 같은 생물학적 유체(biological fluid)에 포함된 미량의 특정 성분은 정량적으로 또는 정성적으로 검출될 수 있다. 이에 따라, 이 기술은 바이오칩 또는 랩온어칩(Lab-On-A-Chip; LOC) 기술 분야에서의 핵심적인 기술로서 자리매김하고 있다.

미세 유체의 제어를 위해서는, 미세 유로들을 원하는 형태로 형성할 수 있는 패터닝 기술 및 미세유로의 개폐를 제어할 수 있는 스위칭 기술이 확보돼야 한다. 상기 미세 유로의 패터닝 기술은 반도체 제조 기술 또는 미세 전자 기계 시스템(microelectromechanical system; MEMS) 기술의 발전에 의해 가능해졌다. 상기 미세 유로의 스위칭 기술은 압전 소자를 이용하는 미세 구동기(microactuator)를 통해 구현될 수 있다. 압전 소자를 이용한 이러한 미세 구동기는 대량 생산에 적합할 뿐만 아니라 높은 신뢰성을 제공하지만, 큰 소모 전력 및 소형화에서의 제한 때문에, 현장현시측정(point-of-care testing; POCT) 기기 또는 휴대용 기기 등에서는 사용되기 어렵다.

본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 작은 소비 전력, 작은 부피 및 강화된 내구성을 제공할 수 있는 미세 밸브 구조체를 제공하는 데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 작은 소비 전력, 작은 부피 및 강화된 내구성을 제공할 수 있는 미세 밸브 구조체를 포함하는 랩온어칩을 제공하는 데 있다.

밸브의 개폐가 고분자 구동기에 의해 직접 제어되는 미세 밸브 구조체가 제공된다. 이 미세 밸브 구조체는 기판, 상기 기판 상에 배치되는 유연 구조물(flexible structure) 및 상기 유연 구조물 내에 삽입되는 고분자 구동기(polymer actuator)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 유연 구조물은 미세 유로(microchannel)를 정의하는 밸브부(valve portion)를 갖고, 상기 고분자 구동기는 상기 유연 구조물에 의해 상기 미세 유로로부터 분리될 수 있다. 이에 더하여, 상기 고분자 구동기는 상기 밸브부의 변위를 기계적으로 직접 제어함으로써 상기 미세 유로의 폭을 변화시킬 수 있도록 구성될 수 있다.

일부 실시예들에 따르면, 상기 고분자 구동기는 한 쌍의 전극들 및 이들 사이에 개재되는 이온 전도성 고분자 합성물(ionic polymer metal composite)을 포함할 수 있다. 상기 이온 전도성 고분자 합성물은 술폰산화 테트라플루오르에틸렌 계열의 불소 중합체-공중합체들(sulfonated tetrafluoroethylene based fluoropolymer-copolymers) 중의 하나일 수 있다.

일부 실시예들에 따르면, 상기 미세 유로는 서로 이격된 제 1 유로 및 제 2 유로를 포함할 수 있고, 상기 유연 구조물의 밸브부는 상기 제 1 및 제 2 유로들 사이에 개재되고, 상기 고분자 구동기는 상기 밸브부 내에 삽입된 부분을 가질 수 있다. 또한, 상기 고분자 구동기는 상기 제 1 및 제 2 유로들 그리고 상기 밸브부의 폭들의 합보다 큰 폭을 가질 수 있으며, 직사각형의 상부면 및 하부면을 갖는 직육면체 모양일 수 있다.

일부 실시예들에 따르면, 상기 미세 유로는 외부로부터 유체가 공급되는 유입구(inlet) 및 상기 유체가 배출되는 유출구(outlet)를 가질 수 있다. 또한, 상기 기판은 상기 미세 유로로서 사용되는 리세스 영역을 갖고, 상기 유연 구조물의 밸브부는 상기 리세스 영역에 삽입될 수 있다.

일부 실시예들에 따르면, 상기 고분자 구동기는 그것의 가장 넓은 표면이 상기 기판의 상부면에 실질적으로 평행하도록 배치될 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 상기 고분자 구동기는 그것의 가장 넓은 표면이 상기 기판의 상부면에 실질적으로 수직하도록 배치될 수 있다.

고분자 구동기를 구비하는 미세 밸브 구조체가 제공된다. 이 미세 밸브 구조체는 서로 이격된 제 1 및 제 2 유로들 사이에 개재되는 밸브부를 포함하면서 기판 상에 배치되는 유연 구조물, 그리고 상기 유연 구조물 내에 삽입되어 상기 밸브부의 변위를 제어하도록 구성되는 고분자 구동기를 포함할 수 있다.

일부 실시예들에 따르면, 상기 고분자 구동기는 상기 유연 구조물에 의해 상기 제 1 및 제 2 유로들로부터 이격될 수 있다. 상기 고분자 구동기는 한 쌍의 전극들 및 이들 사이에 개재되는 이온 전도성 고분자 합성물(ionic polymer metal composite)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 고분자 구동기는 상기 유연 구조물에 의해 둘러싸임으로써, 상기 고분자 구동기의 전극들은 외부 대기 또는 상기 제 1 및 제 2 유로들에 의해 노출되지 않을 수 있다. 상기 이온 전도성 고분자 합성물은 술폰산화 테트라플루오르에틸렌 계열의 불소 중합체-공중합체들(sulfonated tetrafluoroethylene based fluoropolymer-copolymers) 중의 하나일 수 있다.

고분자 구동기를 구비하는 랩온어칩 모듈이 제공된다. 이 모듈은 유연 구조물, 상기 유연 구조물 내에 삽입되는 복수의 고분자 구동기들, 그리고 상기 고분자 구동기들 각각을 독립적으로 제어하는 제어기를 구비할 수 있다. 이때, 상기 유연 구조물은 제 1 유로, 복수의 제 2 유로들 및 상기 제 2 유로들을 상기 제 1 유로로부터 공간적으로 분리시키는 복수의 밸브부들을 포함할 수 있으며, 상기 고분자 구동기들 각각은 상기 밸브부들 각각의 변위를 제어하도록 구성될 수 있다.

일부 실시예들에 따르면, 상기 제어기는, 상기 고분자 구동기들 중의 적어도 둘을 소정의 시간 간격을 가지고 서로 다른 시간에 구동시키도록, 구성될 수 있다.

일부 실시예들에 따르면, 상기 제 1 유로는 생체 분자들을 포함하는 유체가 통과하도록 구성되고, 상기 제 2 유로들 각각에는, 상기 생체 분자와 반응하는, 반응 물질이 형성될 수 있다. 상기 제 2 유로들에 형성되는 상기 반응 물질들은 동일할 수 있으며, 상기 고분자 구동기들 모두는 서로 다른 시간에 구동되도록 구성될 수 있다.

이에 더하여, 상기 제 2 유로들 상에는, 상기 유체와 상기 반응 물질 사이의 반응을 모니터링하는, 적어도 하나의 반응 검출 장치가 더 배치될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 인가되는 전압에 상응하여 기계적 변위(mechanical displacement)를 생성하는, 고분자 구동기가 미세 밸브 구조체 또는 랩온어칩을 위해 사용된다. 이에 따라, 압전 소자 등을 이용하는 방식에 비해, 미세 밸브 구조체 또는 랩온어칩은 소형화될 수 있을 뿐만 아니라 작은 소비 전력 특성을 구현할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 랩온어칩은 현장현시측정(point-of-care testing; POCT) 기기 또는 휴대용 기기로서 제품화될 수 있다.

이에 더하여, 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 고분자 구동기는 유연 구조물에 의해 미세 유로로부터 이격된다. 즉, 상기 고분자 구동기는 상기 미세 유로 내의 유체와 직접 접촉하지 않도록 구성된다. 이에 따라, 상기 고분자 구동기가 상기 유체와의 직접적인 접촉에 의해 열화되는 기술적 어려움은 예방될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 미세 밸브 구조체 또는 랩온어칩은 개선된 내구성 및 신뢰성을 가질 수 있다.

한편, 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 미세 밸브의 개폐 동작(예를 들면, 상기 유로의 폭 제어)을 제어하는, 밸브부가 상기 고분자 구동기에 기계적으로 직접 연결된다. 이에 따라, 상기 개폐 동작을 위한 상기 고분자 구동기의 구동력은 상기 밸브부에 직접 전달될 수 있다. 이러한 구동력의 직접적인 전달에 의해, 본 발명에 따른 미세 밸브 구조체 또는 랩온어칩은 증가된 동작 속도를 구현할 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 밸브 구조체 및 그 동작 방법을 예시적으로 설명하기 위한 도면들이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 랩온어칩을 예시적으로 도시하는 사시도 및 단면도이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 변형된 실시예에 따른 미세 밸브 구조체 및 그 동작 방법을 예시적으로 설명하기 위한 사시도들이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 밸브 구조체 및 그 동작 방법을 예시적으로 설명하기 위한 단면도 및 사시도이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 다른 변형된 실시예들에 따른 미세 밸브 구조체 및 그 동작 방법을 예시적으로 설명하기 위한 사시도들이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 랩온어칩을 예시적으로 도시하는 단면도들이다.
도 15는 본 발명에 따른 랩온어칩의 사용을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 또한, 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 영역, 막들 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막을 다른 영역 또는 막과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에의 제1막질로 언급된 막질이 다른 실시예에서는 제2막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 밸브 구조체 및 그 동작 방법을 예시적으로 설명하기 위한 도면들이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 기판(10) 상에 유연 구조물(20)이 배치되고, 상기 유연 구조물(20) 내에는 고분자 구동기(40)가 삽입된다.

상기 기판(10) 및 상기 유연 구조물(20)은 적어도 하나의 유로(30)를 정의하도록 배치될 수 있다. 예를 들면, 상기 유로(30)는 상기 유연 구조물(20)의 바닥면과 상기 기판(10)의 상부면 사이에 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 도 1에 도시된 것처럼, 상기 유로(30)의 측벽은 상기 유연 구조물(20)에 의해 정의될 수 있다. 즉, 상기 유연 구조물(20)의 바닥면은 위쪽으로 리세스되어 상기 유로(30)의 측벽을 정의할 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에 따르면, 도 5 내지 도 7에 도시된 것처럼, 상기 기판(10)의 상부면이 아래쪽으로 리세스되어 상기 유로(30)의 측벽을 정의할 수 있다.

상기 기판(10)은 유리일 수 있다. 하지만, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 기판(10)은 상기 유로(30)를 흐르는 유체 또는 상기 유체에 포함된 물질들과 반응하지 않는 물질들 중에서 선택되는 적어도 하나로 형성될 수 있다.

상기 유연 구조물(20)은 탄성을 갖는 고분자 화합물들 중의 하나일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 유연 구조물(20)은, 엘라스토머(elastomer)라고 알려진 고분자 화합물들 중에서, 상기 유로(30)를 흐르는 유체 또는 상기 유체에 포함된 물질들과의 반응하지 않는 물질일 수 있다. 예를 들면, 상기 유연 구조물(20)은 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane; PDMS)으로 형성될 수 있다.

상기 유로(30)를 갖는 상기 유연 구조물(20)은 소프트 리소그래피 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 유로(30)는 마이크로 콘택 프린팅(Micro Contact Printing; μCP), 리플리카 몰딩(replica molding; REM), 마이크로트랜스퍼 몰딩(microtransfer molding; μTM), 마이크로몰딩-인-캐필러리(micromolding in capillaries; MIMIC) 또는 솔벤트-활용 마이크로몰딩(solvent-assisted micromolding; SAMIM) 기술들 중의 하나를 사용하여, 상기 유연 구조물(20)의 일 표면에 형성될 수 있다. 상기 유연 구조물(20)은 산소 플라즈마 처리와 같은 접착 공정을 통해 상기 기판(10) 상에 부착될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 유연 구조물(20)은 상기 유로들(30) 사이에 개재되는 밸브부(25)를 포함할 수 있으며, 상기 유로(30)의 측벽은 상기 밸브부(25)에 의해 정의될 수 있다. 상기 밸브부(25)의 바닥면은 상기 기판(10)의 상부면에 실질적으로 접촉할 수 있지만, 이들은 접착되지는 않을 수 있다. 이에 따라, 상기 밸브부(25)와 상기 기판(10) 사이의 거리는, 도 2에 도시된 것처럼, 상기 고분자 구동기(40)에 의해 조절될 수 있다.

상기 고분자 구동기(40)는 전기적으로 분리된 한 쌍의 전극들(41, 42) 및 이들 전극들(41, 42) 사이에 개재되는 전기활성화 폴리머(electroactive polymer)(45)일 수 있다. 상기 전극들(41, 42)은 금속성 물질들 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 전극들(41, 42)은 상기 전기활성화 폴리머(45)의 마주보는 두 면들에 코팅된 백금(platinum) 또는 금(gold)일 수 있다. 한편, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 고분자 구동기(40)의 전극들(41, 42)은 외부 대기 또는 상기 유로들(30)에 의해 노출되지 않을 수 있다. 이를 위해, 상기 고분자 구동기(40)의 표면에는 얇은 보호막(미도시)이 더 형성될 수 있다. 상기 보호막은 플렉서블한 특성을 가질 수 있다.

상기 전기활성화 폴리머(45)는, 인가되는 전압 아래에서, 휨 구동 현상(bending actuation)을 나타낼 수 있는 물질일 수 있다. 예를 들면, 상기 전기활성화 폴리머(45)는 이온 전도성 고분자 합성물(ionic polymer metal composite; IPMC)일 수 있다. 상기 전기활성화 폴리머(45)로서 상기 이온 전도성 고분자 합성물이 사용될 경우, 상기 전극들(41, 42) 사이의 전위 차이(potential difference)는, 상기 이온 전도성 고분자 합성물의 내부에서 일어나는 이온 마이그레이션(ion migration) 및 정전 척력(electrostatic repulsion)에 의해, 상술한 휨 구동 현상 및 이에 따른 상기 고분자 구동기(40) 및 상기 밸브부(25)의 변위(displacement)를 초래할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 이온 전도성 고분자 합성물은 술폰산화 테트라플루오르에틸렌 계열의 불소 중합체-공중합체들(sulfonated tetrafluoroethylene based fluoropolymer-copolymers) 중의 하나일 수 있지만, 본 발명의 기술적 사상이 여기에 예시된 물질에 한정되는 것은 아니다. 변형된 실시예들에 따르면, 상기 이온 전도성 고분자 합성물은 산화 그라핀 또는 그라핀을 추가적으로 포함함 수 있다.

상기 고분자 구동기(40)는, 상기 유연 구조물(20) 내에서, 상기 밸브부(25)에 인접하게 형성될 수 있다. 이 경우, 도 2에 도시된 것처럼, 상기 전극들(41, 42) 사이에 전위 차이(potential difference)를 생성하면, 상기 고분자 구동기(40)의 휨 구동 현상에 의해, 상기 밸브부(25)는 상기 기판(10)으로부터 이격될 수 있다. 그 결과, 상기 유로들(30) 사이를 연결하는 미세 통로(35)가 상기 밸브부(25)와 상기 기판(10) 사이에 형성될 수 있다.

본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 도 1 및 도 2에 도시된 것처럼, 상기 밸브부(25)는 상기 고분자 구동기(40)에 기계적으로 직접 연결될 수 있으며, 이에 따라, 상기 밸브부(25)는 상기 고분자 구동기(40)에 의해 직접 구동될 수 있다. 그 결과, 상기 밸브부(25)의 기계적 변위(mechanical displacement)는 상기 고분자 구동기(40)에 의해 직접 제어될 수 있다. 본 발명의 이러한 구성은, 상기 밸브부(25)가 상기 고분자 구동기(40)로부터 이격되는 변형된 실시예들에 비해, 반응 속도 및 구동력 등에서 월등히 우수한 특성을 제공할 수 있다. 한편, 이러한 실시예들에서, 상기 고분자 구동기(40)는 상기 한 쌍의 유로들(30) 그리고 상기 밸브부(25)의 폭들의 합보다 큰 폭을 갖도록 형성될 수 있다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 랩온어칩을 예시적으로 도시하는 사시도 및 단면도이다. 도 4는 도 3의 점선 I-I을 따라 보여지는 단면을 도시한다. 설명의 간결함을 위해, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 실시예들에서와 중복되는 기술적 특징들에 대한 설명은 생략될 수 있다.

도 3을 참조하면, 기판(10) 상에, 서로 이격된 제 1 유로(301) 및 제 2 유로(302)를 정의하는 유연 구조물(20)이 형성된다. 이에 더하여, 상기 유연 구조물(20)은, 상기 제 1 및 제 2 유로들(301, 302) 사이에, 이들로부터 이격된 제 3 유로(303)를 정의하도록 형성될 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 유로들(301, 302) 각각은 외부로부터 유체가 공급될 수 있도록 구성되는 유입구(inlet)(36)를 가질 수 있다. 이에 더하여, 상기 제 1 내지 제 3 유로들(301, 302, 303) 각각은 상기 공급된 유체를 배출할 수 있도록 구성되는 유출구(outlet)(37)를 더 가질 수 있다.

상기 유연 구조물(20)은, 도 4에 도시된 것처럼, 상기 제 1 및 제 3 유로들(301, 303) 사이에 형성되는 제 1 밸브부(251) 및 상기 제 2 및 제 3 유로들(302, 303) 사이에 형성되는 제 2 밸브부(252)를 가질 수 있다. 또한, 상기 유연 구조물(20) 내에는, 상기 제 1 및 제 2 밸브부들(251, 252) 상에 배치되는, 제 1 및 제 2 고분자 구동기들(401, 402)이 삽입될 수 있다. 도 1을 참조하여 설명된 실시예에서의 상기 밸브부(25) 및 상기 고분자 구동기(40)는 상기 제 1 밸브부(251) 및 상기 제 1 고분자 구동기(401) 그리고 상기 제 2 밸브부(252) 및 상기 제 2 고분자 구동기(402)를 구현하기 위해 사용될 수 있다.

상기 제 1 및 제 2 유로들(301, 302) 중의 적어도 하나는 생체 분자를 포함하는 유체가 공급되고, 다른 하나에는 상기 생체 분자와 반응하는 반응 물질이 공급될 수 있다. 이에 따라, 상기 제 1 및 제 2 고분자 구동기들(401, 402)의 구동에 의해 상기 제 1 및 제 2 밸브부들(251, 252)이 상기 기판(10)으로부터 이격되면, 상기 생체 분자와 상기 반응 물질은 상기 제 3 유로(303)로 유입된 후 반응할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 생체 분자를 포함하는 유체는 혈액일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 생체 분자의 종류 역시 한정될 이유가 없다.

도 5 내지 도 8은 본 발명의 변형된 실시예에 따른 미세 밸브 구조체 및 그 동작 방법을 예시적으로 설명하기 위한 사시도들이다. 설명의 간결함을 위해, 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명된 실시예들에서와 중복되는 기술적 특징들에 대한 설명은 생략될 수 있다.

도 5 내지 도 8을 참조하면, 기판(10)의 소정 영역에는, 주변보다 낮은 상부면을 갖는, 리세스 영역(15)이 형성될 수 있다. 상기 리세스 영역(15)은 다양한 모양으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 리세스 영역(15)의 폭은 도 5에 도시된 것처럼 위쪽으로 테이퍼지거나, 도 6에 도시된 것처럼 실질적으로 같거나, 도 7에 도시된 것처럼 아래쪽으로 테이퍼질 수 있다.

유연 구조물(20)은 상기 리세스 영역(15)에 삽입되는 밸브부(25)를 가질 수 있으며, 상기 유연 구조물(20) 내에는 상기 밸브부(25)에 인접한 고분자 구동기(40)기 삽입될 수 있다. 상기 밸브부(25)는 상기 리세스 영역(15)에 맞물린 모양(engaged shape)을 갖도록 형성될 수 있다. 예를 들면, 도 5에 도시된 것처럼, 상기 리세스 영역(15)이 위쪽으로 테이퍼진 모양일 경우, 상기 밸브부(25) 역시 위쪽으로 테이퍼진 모양일 수 있다. 또는, 도 6에 도시된 것처럼, 상기 리세스 영역(15) 및 상기 밸브부(25)는 직육면체 모양을 갖도록 형성되거나 도 7에 도시된 것처럼 상기 리세스 영역(15) 및 상기 밸브부(25)는 아래쪽으로 테이퍼진 모양일 수 있다.

도 5 내지 도 7에 도시된 것처럼, 이 실시예들에 따른 미세 밸브 구조체들은 정상 상태에서 열린 구조(normally open structure)일 수 있다. 즉, 전압이 인가되지 않을 경우, 상기 기판(10) 및 상기 유연 구조물(20)에 의해 정의되는 유로는 열린 상태에 있을 수 있다. 이를 위해, 전압이 인가되지 않을 경우, 상기 리세스 영역(15) 및 상기 밸브부(25)는 서로 이격되어, 상기 유로는 열린 상태에 있을 수 있다. 이에 더하여, 상기 밸브부(25)의 폭은 상기 리세스 영역(15)의 폭보다 좁을 수 있다.

한편, 상기 고분자 구동기(40)의 양쪽 전극들에 전압이 인가되면, 상기 고분자 구동기(40)는 위쪽으로 볼록하게 휘어짐으로써, 상기 밸브부(25)를 위쪽으로 들어올릴 수 있다. 이 경우, 상기 밸브부(25)는, 도 8에 도시된 것처럼, 상기 리세스 영역(15)의 측벽에 접촉함으로써, 상기 유로는 닫혀질 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 전압이 인가될 때, 상기 고분자 구동기(40)는 아래쪽으로 볼록하게 휘어짐으로써, 상기 밸브부(25)는 상기 리세스 영역(15)의 바닥에 닿을 수 있다. 이 경우, 도 6 및 도 7에 도시된 실시예들에서의 유로들은 닫혀질 수 있다.

상기 미세 밸브 구조체가 정상 상태에서 열린 구조일 수 있도록, 상기 유연 구조물(20)과 상기 기판(10) 사이에는, 상기 유로(30)의 두께를 결정하는 스페이서(미도시)가 더 배치될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 스페이서는 상기 유연 구조물(20) 또는 상기 기판(10)의 일부로서 제공될 수 있다.

도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 밸브 구조체 및 그 동작 방법을 예시적으로 설명하기 위한 단면도 및 사시도이고, 도 11 및 도 12는 본 발명의 다른 변형된 실시예들에 따른 미세 밸브 구조체 및 그 동작 방법을 예시적으로 설명하기 위한 사시도들이다. 설명의 간결함을 위해, 도 1 내지 도 8를 참조하여 설명된 실시예들에서와 중복되는 기술적 특징들에 대한 설명은 생략될 수 있다.

도 9 및 도 10을 참조하면, 기판(10) 상에, 서로 이격된 유로들(30)을 정의하는 유연 구조물(20)이 배치된다. 상기 유연 구조물(20)은 상기 유로들(30) 사이에 개재되는 밸브부(25)를 가질 수 있고, 상기 유연 구조물(20) 내에는 상기 밸브부(25)에 삽입되는 적어도 하나의 고분자 구동기(40)가 배치된다.

일부 실시예들에 따르면, 상기 고분자 구동기(40)는 그것의 장축(MA)이 상기 기판(10)의 상부면에 대해 실질적으로 수직하게 놓이도록 배치될 수 있다. 예를 들면, 도 10에 도시된 것처럼, 상기 고분자 구동기(40)는, 직사각형의 상부면 및 하부면을 갖는, 얇은 두께의 얇은 직육면체일 수 있으며, 고분자 구동기(40)에서 가장 넓은 면적을 갖는 표면(예를 들면, 상기 상부면 및 하부면)은 상기 기판(10)의 상부면에 수직할 수 있다. 이에 따라, 상기 고분자 구동기(40)의 변위는 상기 유로들(30)을 가로지르는 방향을 따라 발생(occur)할 수 있고, 상기 고분자 구동기(40)의 횡적 변위(traverse displacement)는 상기 유로들(30)의 폭을 변화시키는 상기 밸브부(25)의 횡적 변위를 유발한다.

일부 실시예들에 따르면, 상기 유연 구조물(20)은 상기 유로(30)의 상부에 배치되는 갭 영역(29)을 포함할 수 있다. 상기 갭 영역(29)은 상압의 기체로 채워질 수 있다. 상기 고분자 구동기(40)는 상기 갭 영역(29)을 관통하여 상기 유연 구조물(20)의 밸브부(25)에 삽입될 수 있다. 상기 갭 영역(29)에 의해, 상기 고분자 구동기(40)의 구동력에 대한 반작용 또는 저항력이 감소하기 때문에, 상기 고분자 구동기(40)의 구동력은 상기 밸브부(25)에 더 잘 전달될 수 있다. 이러한 구성에 따르면, 상기 고분자 구동기(40)에 인가되는 전압이 낮춰질 수 있다.

상기 유로들(30)의 바닥면은 도 9에 도시된 것처럼 상기 기판(10)의 상부면에 의해 정의될 수 있지만, 도 10에 도시된 것처럼 상기 유연 구조물(20)에 의해 정의될 수 있다. 즉, 도 10의 실시예에 따르면, 상기 유로들(30)은 상기 기판(10)의 상부면으로부터 이격되어 상기 유연 구조물(20)의 내부에 형성될 수 있다.

도 10 및 도 11에 도시된 것처럼, 상기 유연 구조물(20) 내에는 복수의 고분자 구동기들(40)이 삽입될 수 있다. 이때, 상기 고분자 구동기들(40) 중의 일부는 상기 유로들(30) 중의 하나로 향하는 구동력을 생성하도록 구성되고, 나머지는 상기 유로들(30) 중의 다른 하나로 향하는 구동력을 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 유로들(30)이 xy 평면에 평행하게 형성되고, 이들의 장축이 실질적으로 y 방향일 경우, 일부 고분자 구동기(40)는 x 방향의 변위를 생성하고, 나머지 고분자 구동기(40)는 -x 방향의 변위를 생성하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 유로들(30) 중의 하나를 선택적으로 닫는 동작뿐만 아니라 상기 유로들(30) 모두를 닫는 동작 역시 가능해진다.

한편, 상기 유로들(30)의 모양은 도 11 및 도 12에 도시된 것처럼 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들면, 도 11에 도시된 것처럼 상기 유로(30)는 지그재그한 모양으로 형성되거나, 도 12에 도시된 것처럼, 교대로 배치되는 적어도 하나의 좁은 영역(30n) 및 적어도 하나의 넓은 영역들(30w)을 갖도록 형성될 수 있다. 이에 더하여, 도 12에 도시된 것처럼, 상기 유로(30)는, 심장의 판막에서와 같이, 상기 좁은 영역(30n)과 상기 넓은 영역(30w)의 경계 영역이 상기 넓은 영역(30w)을 향해 테이퍼진 모양을 갖도록 형성될 수 있다.

도 13 및 도 14는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 랩온어칩을 예시적으로 도시하는 단면도들이다. 도 15는 본 발명에 따른 랩온어칩의 사용을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다. 설명의 간결함을 위해, 도 1 내지 도 12를 참조하여 설명된 실시예들에서와 중복되는 기술적 특징들에 대한 설명은 생략될 수 있다.

도 13 및 도 14를 참조하면, 랩온어칩은 기판(10) 상에 배치되어 유로들(31, 32)을 정의하는 유연 구조물(20)을 포함할 수 있다. 상기 유로들(31, 32)은 유입구(36) 및 유출구(37)를 연결하는 제 1 유로(31) 및 상기 제 1 유로(31)로부터 이격되어 형성되는 복수의 제 2 유로들(32)을 포함할 수 있다.

상기 유연 구조물(20)은 상기 제 2 유로들(32)을 상기 제 1 유로(31)로부터 분리시키는 밸브부들을 포함할 수 있다. 또한, 상기 유연 구조물(20) 내에는 복수의 고분자 구동기들(40)이 삽입될 수 있으며, 상기 고분자 구동기들(40) 각각은 상기 밸브부들 각각에 인접하게 배치될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 밸브부 및 상기 고분자 구동기(40)의 모양 및 배치는 도 1을 참조하여 설명된 실시예에서와 동일할 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에 따르면, 상기 밸브부 및 상기 고분자 구동기(40)의 모양 및 배치는 도 5 내지 도 12를 참조하여 설명된 실시예들 또는 그것의 변형일 수 있다.

이에 더하여, 상기 랩온어칩은 상기 고분자 구동기들(40)을 구동시키는 제어기(90) 및 상기 제어기(90)와 상기 고분자 구동기들(40)을 전기적으로 연결하는 제어 배선 구조체(71)를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 제어기(90)는 상기 랩온어칩의 내재적 부품(internal component)으로서 제공될 수 있다. 예를 들면, 상기 제어기(90)는 상기 기판(10)의 일 표면에 부착될 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에 다르면, 상기 제어기(90)는 상기 랩온어칩의 외재적 부품(external component)으로서 제공될 수 있다. 예를 들면, 상기 제어 배선 구조체(71)는 플렉서블한 배선들로 구성됨으로써, 상기 제어기(90)와 상기 기판(10) 사이의 상대적 위치 및 거리는 가변적일 수 있다.

상기 제어 배선 구조체(71)는 상기 고분자 구동기들(40)에 공통적으로 접속하는 제 1 제어 배선(71a) 및 상기 고분자 구동기들(40) 각각에 접속하는 제 2 제어 배선들(71b)을 포함할 수 있다. 도 1을 참조하여 설명된 것처럼, 상기 고분자 구동기(40)는 제 1 전극(41), 제 2 전극(42) 및 이들 사이에 개재되는 상기 전기활성화 폴리머(45)를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제 1 제어 배선(71a)은 상기 고분자 구동기들(40)의 제 1 전극들(41)에 접속하고, 상기 제 2 제어 배선들(71b) 각각은 상기 고분자 구동기들(40)의 제 2 전극들(42) 각각에 접속할 수 있다. 즉, 상기 제 2 제어 배선들(71b)의 개수는 상기 고분자 구동기들(40)의 개수와 같을 수 있다.

상기 제 1 유로(31)는 생체 분자를 포함하는 유체가 그것을 경유하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 유체는 혈액일 수 있으며, 상기 제 1 유로(31)는 혈관의 우회로로서 제공될 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명에 따른 랩온어칩(LOC)은 도 15에 도시된 것처럼 인체(예를 들면, 팔뚝)에 부착될 수 있으며, 상기 제 1 유로(31)의 유입구(36) 및 유출구(37)는 인체의 혈관들 중의 하나에 연결될 수 있다.

상기 제 2 유로들(32)에는 상기 생체 분자와 반응하는 반응 물질이 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 고분자 구동기들(40)의 구동을 통해 상기 생체 분자를 포함하는 유체가 상기 제 2 유로(32)로 유입될 경우, 상기 생체 분자와 상기 반응 물질 사이의 반응 결과물(99)이 상기 제 2 유로(32)에 형성될 수 있다.

상기 랩온어칩은 상기 반응 결과물(99)이 생성되는지를 모니터링하는 반응 검출기들(80)을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 13 및 도 14에 도시된 것처럼, 상기 반응 검출기들(80) 각각은 상기 제 2 유로들(32) 각각의 상부에 배치될 수 있다. 본 발명의 기술적 사상은 상기 반응 결과물(99)을 검출하는 방법에 한정되지 않지만, 일부 실시예들에 따르면, 상기 반응 검출기(80)는 광학적 또는 전기적 방법을 이용하여 상기 반응 결과물(99)의 생성 여부를 측정하도록 구성될 수 있다. 상기 반응 검출기(80)의 동작 제어 또는 측정 데이터의 전송 등은, 도 13에 도시된 것처럼, 상기 반응 검출기들(80)과 상기 제어기(90)를 연결하는 검출 배선 구조체(72)를 통해 구현될 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에 따르면, 상기 제어 배선 구조체(71)는 도 14에 도시된 것처럼 상기 반응 검출기들(80)과 상기 제어기(90)를 연결하는 검출 배선 구조체로서 기능할 수도 있다.

한편, 서로 다른 상기 제 2 제어 배선들(71b)이 상기 고분자 구동기들(40)에 접속할 경우, 상기 고분자 구동기들(40)은 독립적으로 구동될 수 있다. 예를 들면, 상기 고분자 구동기들(40)은 상기 제어기(90)로부터의 제어 신호에 응답하여 순차적으로 구동될 수 있으며, 이 경우, 상기 제 2 유로들(32)은 순차적으로 상기 제 1 유로(31)에 연결될 수 있으며, 상기 제 1 유로(31)의 유체(F1)는 열린 제 2 유로(32)로 유입(F2)될 수 있다. 즉, 상기 제어기(90)는, 소정의 시간 간격을 가지고 서로 다른 시간들에 상기 고분자 구동기들(40)을 구동시키도록, 구성될 수 있다. 이러한 순차적 구동은 생명체의 생화학적 상태를 주기적으로 모니터링하는 것을 가능하게 만들기 때문에, 심장마비 또는 뇌졸증과 같은 치명적인 문제들이 예방될 수 있다. 이러한 실시예들에 따르면, 상기 제 2 유로들(32)에는 동일한 반응 물질들이 형성될 수 있다.

하지만, 변형된 실시예들에 따르면, 상기 제 2 유로들(32)에 형성되는 반응 물질은 적어도 두가지일 수 있다. 이 경우, 서로 다른 두가지 위험 요인들 또는 질병들이 상기 랩온어칩을 통해 모니터링될 수 있다.

Claims (20)

1. 기판;
   상기 기판 상에 배치되는 유연 구조물(flexible structure); 및
   상기 유연 구조물 내에 삽입되는 고분자 구동기(polymer actuator)를 포함하되,
   상기 유연 구조물은 미세 유로(microchannel)를 정의하는 밸브부(valve portion)를 갖고, 상기 고분자 구동기는 상기 유연 구조물에 의해 상기 미세 유로로부터 분리되되,
   상기 고분자 구동기는 상기 밸브부의 변위를 기계적으로 직접 제어함으로써 상기 미세 유로의 폭을 변화시킬 수 있도록 구성되고,
   상기 미세 유로는 서로 이격된 제 1 유로 및 제 2 유로를 포함하고,
   상기 유연 구조물의 밸브부는 상기 제 1 및 제 2 유로들 사이에 개재되되,
   상기 고분자 구동기는 상기 밸브부 내에 삽입된 부분을 갖는 미세 밸브 구조체.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 고분자 구동기는 한 쌍의 전극들 및 이들 사이에 개재되는 이온 전도성 고분자 합성물(ionic polymer metal composite)을 포함하는 미세 밸브 구조체.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 이온 전도성 고분자 합성물은 술폰산화 테트라플루오르에틸렌 계열의 불소 중합체-공중합체들(sulfonated tetrafluoroethylene based fluoropolymer-copolymers) 중의 하나인 미세 밸브 구조체.
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 고분자 구동기는 상기 제 1 및 제 2 유로들 그리고 상기 밸브부의 폭들의 합보다 큰 폭을 갖는 미세 밸브 구조체.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 고분자 구동기는 직사각형의 상부면 및 하부면을 갖는 직육면체 모양인 미세 밸브 구조체.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 미세 유로는 외부로부터 유체가 공급되는 유입구(inlet) 및 상기 유체가 배출되는 유출구(outlet)를 갖는 미세 밸브 구조체.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 기판은 상기 미세 유로로서 사용되는 리세스 영역을 갖고, 상기 유연 구조물의 밸브부는 상기 리세스 영역에 삽입되는 미세 밸브 구조체.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 고분자 구동기는 그것의 가장 넓은 표면이 상기 기판의 상부면에 실질적으로 평행하도록 배치되는 미세 밸브 구조체.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 고분자 구동기는 그것의 가장 넓은 표면이 상기 기판의 상부면에 실질적으로 수직하도록 배치되는 미세 밸브 구조체.
11. 기판;
    서로 이격된 제 1 및 제 2 유로들 사이의 밸브부를 포함하면서, 상기 기판 상에 배치되는 유연 구조물; 및
    상기 유연 구조물 내에 삽입되어 상기 밸브부의 변위를 제어하도록 구성되는 고분자 구동기를 포함하는 미세 밸브 구조체.
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 고분자 구동기는 상기 유연 구조물에 의해 상기 제 1 및 제 2 유로들로부터 이격되는 미세 밸브 구조체.
13. 청구항 11에 있어서,
    상기 고분자 구동기는 한 쌍의 전극들 및 이들 사이에 개재되는 이온 전도성 고분자 합성물(ionic polymer metal composite)을 포함하는 미세 밸브 구조체.
14. 청구항 13에 있어서,
    상기 고분자 구동기는 상기 유연 구조물에 의해 둘러싸임으로써, 상기 고분자 구동기의 전극들은 외부 대기 또는 상기 제 1 및 제 2 유로들에 의해 노출되지 않는 미세 밸브 구조체.
15. 청구항 13에 있어서,
    상기 이온 전도성 고분자 합성물은 술폰산화 테트라플루오르에틸렌 계열의 불소 중합체-공중합체들(sulfonated tetrafluoroethylene based fluoropolymer-copolymers) 중의 하나인 미세 밸브 구조체.
16. 기판;
    제 1 유로, 복수의 제 2 유로들 및 상기 제 2 유로들을 상기 제 1 유로로부터 공간적으로 분리시키는 복수의 밸브부들을 포함하는 유연 구조물;
    상기 유연 구조물 내에 삽입되되, 그 각각은 상기 밸브부들 각각의 변위를 제어하도록 구성되는 복수의 고분자 구동기들; 및
    상기 고분자 구동기들 각각을 독립적으로 제어하는 제어기를 구비하는 랩온어칩 모듈.
17. 청구항 16에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 고분자 구동기들 중의 적어도 둘을 소정의 시간 간격을 가지고 서로 다른 시간에 구동시키도록, 구성되는 랩온어칩 모듈.
18. 청구항 16에 있어서,
    상기 제 1 유로는 생체 분자들을 포함하는 유체가 통과하도록 구성되고,
    상기 제 2 유로들 각각에는, 상기 생체 분자와 반응하는, 반응 물질이 형성되는 랩온어칩 모듈.
19. 청구항 18에 있어서,
    상기 제 2 유로들에 형성되는 상기 반응 물질들은 동일하고, 상기 고분자 구동기들 모두는 서로 다른 시간에 구동되는 랩온어칩 모듈.
20. 청구항 18에 있어서,
    상기 제 2 유로들 상에 배치되어, 상기 유체와 상기 반응 물질 사이의 반응을 모니터링하는, 적어도 하나의 반응 검출 장치를 더 포함하는 랩온어칩 모듈.

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