KR101473871B1 - 미세유체 제어용 밸브 유닛의 제조방법, 미세유체 제어용밸브 유닛 및, 상기 밸브 유닛을 구비한 미세유동 장치 - Google Patents

미세유체 제어용 밸브 유닛의 제조방법, 미세유체 제어용밸브 유닛 및, 상기 밸브 유닛을 구비한 미세유동 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미세유체 제어용 밸브 유닛의 제조방법과, 미세유체 제어용 밸브 유닛과, 상기 밸브 유닛을 구비한 미세유동 장치를 제공한다. 상기 미세유체 제어용 밸브 유닛의 제조방법은, 유체를 이송하기 위한 채널(channel)에 연결되는 밸브 주입공에, 상온에서 고체 상태이나 에너지를 흡수하면 용융되는 상전이 물질(phase transition material)을 포함하여 이루어진 밸브 충전물을 용융된 상태로 주입하는 밸브 주입 단계; 상기 밸브 충전물을 경화(硬化)시키는 밸브 경화 단계; 상기 경화된 밸브 충전물을 유동 가능하게 용융시켜 적어도 일부를 상기 채널로 이동시키는 밸브 용융 단계; 및, 상기 밸브갭에 남은 밸브 충전물을 다시 경화시켜 채널을 폐쇄하는 밸브(valve)를 형성하는 밸브 재경화(再硬化) 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

미세유체 제어용 밸브 유닛의 제조방법, 미세유체 제어용 밸브 유닛 및, 상기 밸브 유닛을 구비한 미세유동 장치{Fabricating method of valve unit for controlling microfluid, valve unit for controlling microfluid, and microfluidic device with the valve unit}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밸브 유닛을 도시한 부분 절개 사시도이다.
도 2a 내지 도 2d은 도 1의 밸브 유닛의 제조방법을 순차적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 밸브 유닛을 복수 개 구비한 디스크 형태의 미세유동 장치를 도시한 평면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
30 ...스핀들 모터 40 ...레이저 광원
50A, 50B, 50C ...디스펜서 100 ...미세유동 장치
101 ...기판 102 ...하부 플레이트
103 ...상부 플레이트 110A, 110B, 110C ...밸브 유닛
112 ...밸브 주입공 115 ...채널
116, 117 ...채널 홈부 118 ...돌출부
119 ...밸브갭 125 ...밸브
126 ...미세 발열입자 130 ...챔버
본 발명은 미세유체공학(microfluidics)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 채널(channel)을 따라 흐르는 유체의 흐름을 제어하는 미세유체 제어용 밸브 유닛의 제조방법과, 미세유체 제어용 밸브 유닛과, 상기 밸브 유닛을 구비한 미세유동 장치에 관한 것이다.
미세유체공학 분야에서 혈액, 소변 등의 생화학 유체를 이용하여 생화학 반응을 수행하며, 그 반응 결과를 검출하는 등의 생화학 유체를 이용한 다양한 기능들을 수행할 수 있는 미세유동 장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 상기 미세유동 장치는 예컨대, 랩온어칩(lab-on-a-chip)이라고 불리우는 칩(chip) 형태의 소자를 포함할 수도 있고, 랩온어디스크(lab-on-a-disk)라고 불리우는 회전 가능한 디스크(disk) 형태의 소자를 포함할 수도 있다. 상기 미세유동 장치에는 유체를 이송하기 위한 미세 채널(microchannel)이 형성되어 있으며, 상기 미세 채널을 따라 흐르는 유체의 흐름을 제어하는 미세유체 제어용 밸브 유닛이 마련될 수 있다.
2004년 발행된 Anal. Chem. Vol. 76의 1824~1831 페이지에 공지된 생화학 반응용 기판과, 동일 문헌의 3740~3748 페이지에 공지된 생화학 반응용 기판은 파라핀 왁스만으로 이루어진 밸브를 구비하며, 상기 파라핀 왁스를 용융시키기 위한 가 열 수단을 구비한다. 그런데, 여기에 구비된 밸브는 미세 채널을 폐쇄하기 위하여 상당히 많은 양의 파라핀 왁스가 소요되고, 상기 많은 양의 파라핀 왁스를 용융시키기 위하여 큰 가열 수단을 구비하여야 하므로 생화학 반응용 기판을 소형화 및 집적화하기 어렵다. 또한, 파라핀 왁스의 용융까지 가열 시간이 많이 소요되고, 채널 개방 시점의 정밀한 제어가 어렵다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 생산성 향상 및 제조 비용 절감이 가능한 미세유체 제어용 밸브 유닛의 제조방법과, 밸브의 크기가 작은 미세유체 제어용 밸브 유닛과, 이를 구비한 미세유동 장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 유체를 이송하기 위한 채널(channel)에 연결되는 밸브 주입공에, 상온에서 고체 상태이나 에너지를 흡수하면 용융되는 상전이 물질(phase transition material)을 포함하여 이루어진 밸브 충전물을 용융된 상태로 주입하는 밸브 주입 단계; 상기 밸브 충전물을 경화(硬化)시키는 밸브 경화 단계; 상기 경화된 밸브 충전물을 유동 가능하게 용융시켜 적어도 일부를 상기 채널로 이동시키는 밸브 용융 단계; 및, 상기 밸브갭에 남은 밸브 충전물을 다시 경화시켜 채널을 폐쇄하는 밸브(valve)를 형성하는 밸브 재경화(再硬化) 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 유닛의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은, 유체를 이송하기 위한 채널(channel); 상온에서 고체 상태 이나 에너지를 흡수하면 용융되는 상전이 물질(phase transition material)을 포함하여 이루어진 밸브 충전물을 용융된 상태로 주입하기 위한 것으로, 상기 채널에 연결되는 밸브 주입공; 상기 밸브 주입공으로 주입된 밸브 충전물이 상기 채널 상에서 경화(硬化)되어 상기 채널을 폐쇄하는 것으로, 에너지를 흡수하여 용융되면 상기 채널을 다시 개방하는 밸브;를 구비하고, 상기 밸브 주입공은 상기 밸브 충전물이 유입되는 유입부의 내경이, 밸브 충전물이 유출되는 유출부의 내경보다 큰 것을 특징으로 하는 밸브 유닛과, 상기 밸브 유닛을 적어도 하나 구비한 미세유동 장치를 제공한다.
바람직하게는, 상기 밸브 주입공은 밸브 충전물이 유입되는 유입부의 내경이, 밸브 충전물이 유출되는 유출부의 내경보다 클 수 있다.
바람직하게는, 상기 밸브 주입 단계에서 상기 밸브 충전물이 상기 밸브 주입공을 벗어나지 않게 상기 밸브 충전물을 주입할 수 있다.
바람직하게는, 상기 밸브 용융 단계에서 상기 용융된 밸브 충전물은 모세관력에 의해 상기 채널로 이동할 수 있다.
바람직하게는, 상기 밸브 경화 단계 및 밸브 재경화 단계는 상기 용융된 밸브 충전물에 에너지를 공급하지 않는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 밸브 용융 단계는 상기 경화된 밸브 충전물에 열에너지를 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 채널은 상기 밸브 주입공과 부분적으로 겹쳐지게 배치되며 제1 채널 깊이를 갖는 돌출부와, 상기 돌출부에 대해 단차지게 파여져 제2 채널 깊이를 가지며 상기 채널 방향으로 연장된 채널 홈부와, 상기 밸브 주입공과 겹쳐지지 않는 상기 돌출부의 일부분에 밸브갭(valve gap)을 구비할 수 있다.
바람직하게는, 상기 밸브 용융 단계는 상기 용융된 밸브 충전물의 적어도 일부를 상기 밸브갭에 남기는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 밸브 유닛은 미세유동 장치(microfluidic device)에 구비되고, 상기 밸브 유닛의 제조방법은 상기 채널과 밸브 주입공을 구비한 미세유동 장치의 기판을 준비하는 기판 준비 단계를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 채널은 상기 밸브 주입공과 부분적으로 겹쳐지게 배치되며 제1 채널 깊이를 갖는 돌출부와, 상기 돌출부에 대해 단차지게 파여져 제2 채널 깊이를 가지며 상기 채널 방향으로 연장된 채널 홈부와, 상기 밸브 주입공과 겹쳐지지 않는 상기 돌출부의 일부분에 밸브갭(valve gap)을 구비하고, 상기 밸브 용융 단계는 상기 용융된 밸브 충전물의 적어도 일부를 상기 밸브갭에 남기는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 미세유동 장치는 상기 밸브 유닛을 복수 개 구비하고, 상기 기판 준비 단계에서 준비되는 기판은 적어도 하나의 채널과 상기 적어도 하나의 채널에 연결되는 복수의 밸브 주입공을 구비하며, 상기 밸브 주입 단계는 상기 기판에 구비된 모든 밸브 주입공에 용융된 밸브 충전물을 주입하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 밸브 주입 단계는 상기 기판에 마련된 복수의 밸브 주입공 가운데 적어도 두 개의 밸브 주입공에 용융된 밸브 충전물을 동시에 주입하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 한 번에 하나의 밸브 주입공에 대해 밸브 충전물을 주입할 수 있는 디스펜서(dispenser)를 적어도 두 개를 동시에 사용하여 적어도 두 개의 밸브 주입공에 용융된 밸브 충전물을 동시에 주입할 수 있다.
비람직하게는, 상기 밸브 용융 단계는 상기 기판을 가열하여 상기 모든 밸브 주입공에 주입된 밸브 충전물을 동시에 용융시키는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 기판을 전도, 대류, 또는 복사열로 가열할 수 있다.
바람직하게는, 상기 밸브 주입 단계 후에 상기 밸브 주입공을 폐쇄하는 밸브 주입공 폐쇄 단계를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 밸브 충전물의 상전이 물질은 왁스(wax), 겔(gel), 또는 열가소성 수지일 수 있다.
바람직하게는, 상기 왁스는, 파라핀 왁스(paraffin wax), 마이크로크리스탈린 왁스(microcrystalline wax), 합성 왁스(synthetic wax), 및 천연 왁스(natural wax)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다.
바람직하게는, 상기 겔은, 폴리아크릴아미드(polyacrylamide), 폴리아크릴레이트(polyacrylates), 폴리메타크릴레이트(polymethacrylates) 및, 폴리비닐아미드(polyvinylamides)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다.
바람직하게는, 상기 열가소성 수지는, COC(cyclic olefin copolymer), PMMA(polymethylmethacrylate), PC(polycarbonate), PS(polystyrene), POM(polyoxymethylene), PFA(perfluoralkoxy), PVC(polyvinylchloride), PP(polypropylene), PET(polyethylene terephthalate), PEEK(polyetheretherketone), PA(polyamide), PSU(polysulfone), 및 PVDF(polyvinylidene fluoride)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다.
바람직하게는, 상기 밸브 충전물은 상기 상전이 물질에 분산되며, 에너지를 흡수하여 발열하는 다수의 미세 발열입자를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 미세 발열입자는 금속 산화물 입자일 수 있다.
바람직하게는, 상기 금속 산화물은 Al2O3, TiO2, Ta2O3, Fe2O3, Fe3O4 및, HfO2 로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 미세 발열입자는 중합체 입자, 퀀텀 도트(quantum dot), 또는 자성비드(magnetic bead)일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세유체 제어용 밸브 유닛의 제조방법과, 미세유체 제어용 밸브 유닛과, 상기 밸브 유닛을 구비한 미세유동 장치를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밸브 유닛을 도시한 부분 절개 사시도이고, 도 3은 본 발명의 밸브 유닛을 복수 개 구비한 디스크 형태의 미세유동 장치를 도시한 평면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밸브 유닛(110A)은 유 체를 이송하기 위한 채널(115)과, 상기 채널(115)에 연결되는 밸브 주입공(112)과, 상기 채널(115)을 폐쇄하는 밸브(125)를 구비한다. 상기 채널(115)은 상기 밸브 주입공(112)에 부분적으로 겹쳐지게 배치되며 제1 채널 깊이(D1)를 갖는 돌출부(118)와, 상기 돌출부(118)에 대해 단차지게 파여져 제2 채널 깊이(D2)를 가지며 상기 채널(115)이 연장되는 방향을 따라 연장된 채널 홈부(116, 117)를 구비한다. 바람직한 실시예에서 상기 제1 채널 깊이(D1)는 대략 0.1 mm, 상기 제2 채널 깊이(D2)는 대략 1 mm 로서, D2 가 D1보다 크다. 상기 채널 홈부(116, 117)는 상기 돌출부(118)에 의해 두 부분으로 분리된다. 또한, 상기 채널(115)은 상기 밸브 주입공(112)과 겹쳐지지 않는 상기 돌출부(118)의 일부분에 밸브갭(valve gap, 119)을 구비한다. 상기 밸브갭(119)에 밸브(125)가 형성된다. 상기 밸브 주입공(112)은 밸브 충전물(124)이 유입되는 유입부(113)의 내경이, 밸브 충전물(124)이 채널(115)로 이동하기 위하여 유출되는 유출부(114)의 내경보다 크다. 이로 인해 밸브 충전물(124)을 토출하는 디스펜서(50A, 도 2a 참조)의 토출 정밀도 요구 수준을 완화할 수 있어 밸브 유닛(110A) 및 이를 구비한 미세유동 장치(100, 도 3 참조)의 제조 비용 및 생산성이 향상될 수 있다.
상기 채널(115) 및 밸브 주입공(112)은 기판(101)에 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 기판(101)은 서로 접착된 하부 플레이트(102) 및 상부 플레이트(103)를 구비한다. 상기 채널(115)의 돌출부(118)와 채널 홈부(116, 117)는 하부 플레이트(102)의 상면을 식각(etching)하거나, 미세 기계가공(micromachining)하여 형성하고, 상기 밸브 주입공(112)은 상부 플레이트(103)를 미세 기계가공하여 형성할 수 있다. 상기 하부 플레이트(102)와 상부 플레이트(103)는 접착제나 양면 접착 테이프를 이용하여 접착할 수 있고, 하부 플레이트(102)와 상부 플레이트(103)의 소재에 따라 접착 표면을 산소 플라즈마(O2 plasma) 처리한 후 밀착하여 접착하거나 어노딕 본딩(anodic bonding)에 의해 접착할 수도 있다.
상기 밸브 유닛(110A)은 밸브 주입공(112)에 밸브 충전물(124, 도 2b 참조)을 주입한 후 상기 밸브 주입공(112)을 폐쇄하는 투명한 접착 테이프(122)를 더 구비한다. 상기 투명 접착 테이프(122)는 밸브 주입공(112)을 폐쇄하는 수단의 일 예일 뿐이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 밸브(125)는 채널(115)을 따라 흐르는 유체의 흐름을 제어하는 유체 흐름 제어 수단을 구성한다. 구체적으로, 상기 밸브(125)는 상기 채널(115)을 통한 유체의 흐름을 개통 가능하게 차단하는 수단이다. 상기 밸브(125)는 밸브갭(119)에서 경화(硬化)된 상태로 채널(115)을 폐쇄하나, 에너지를 흡수하면 용융되어 채널(115)을 개방한다. 상기 밸브(125)는 예컨대, 레이저 광원(40)과 같은 에너지원에서 입사된 레이저의 에너지에 의해 용융될 수 있다. 한편, 상기 레이저 광원(40)은 밸브(125)에 에너지를 공급하는 에너지원의 일 예일 뿐이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 밸브(125)는 상온에서 고체 상태이나 에너지를 흡수하면 용융되는 상전이 물질(phase transition material)과, 상기 상전이 물질에 분산되며, 에너지를 흡수하여 발열하는 다수의 미세 발열입자(126)를 포함한다.
상기 상전이 물질은 왁스(wax)일 수 있다. 상기 왁스는 가열되면 용융하여 액체 상태로 변하며, 부피 팽창한다. 상기 왁스로는, 예컨대 파라핀 왁스(paraffin wax), 마이크로크리스탈린 왁스(microcrystalline wax), 합성 왁스(synthetic wax), 또는 천연 왁스(natural wax) 등이 채용될 수 있다.
한편, 상기 상전이 물질은 겔(gel) 또는 열가소성 수지일 수도 있다. 상기 겔로는, 폴리아크릴아미드(polyacrylamide), 폴리아크릴레이트(polyacrylates), 폴리메타크릴레이트(polymethacrylates), 또는 폴리비닐아미드(polyvinylamides) 등이 채용될 수 있다. 또한, 상기 열가소성 수지로는, COC(cyclic olefin copolymer), PMMA(polymethylmethacrylate), PC(polycarbonate), PS(polystyrene), POM(polyoxymethylene), PFA(perfluoralkoxy), PVC(polyvinylchloride), PP(polypropylene), PET(polyethylene terephthalate), PEEK(polyetheretherketone), PA(polyamide), PSU(polysulfone), 및 PVDF(polyvinylidene fluoride) 등이 채용될 수 있다.
상기 미세 발열입자(126)는 미세한 채널(115)을 자유롭게 통과할 수 있게 1 nm 내지 100 ㎛ 의 직경을 갖는다. 상기 미세 발열입자(126)는 예컨대 레이저(L) 조사와 같은 방법으로 전자기파 에너지가 공급되면 온도가 급격히 상승하여 발열하는 성질을 가지며, 왁스에 고르게 분산되는 성질을 갖는다. 이러한 성질을 갖도록 상기 미세 발열입자(126)는 금속 성분을 포함하는 코어(core)와, 소수성(疏水性) 표면 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 상기 미세 발열입자(126)는 Fe로 이루어진 코어와, 상기 Fe에 결합되어 Fe를 감싸는 복수의 계면활성성분(surfactant)을 구비한 분자구조를 가질 수 있다.
통상적으로, 상기 미세 발열입자(126)들은 캐리어 오일(carrrier oil)에 분산된 상태로 보관된다. 소수성 표면구조를 갖는 상기 미세 발열입자(126)가 고르게 분산될 수 있도록 캐리어 오일도 소수성인 것이 바람직하다. 용융된 상전이 물질에 상기 미세 발열입자(126)들이 분산된 캐리어 오일을 부어 혼합함으로써 밸브(125)를 형성하기 위한 밸브 충전물(124)을 제조할 수 있다.
상기 미세 발열입자(126)는 상기 예로 든 중합체(polymer) 입자에 한정되는 것은 아니며, 퀀텀 도트(quantum dot) 또는 자성비드(magnetic bead)의 형태도 가능하다. 또한, 상기 미세 발열입자(126)는 예컨대, Al2O3, TiO2, Ta2O3, Fe2O3, Fe3O4 또는, HfO2 와 같은 금속 산화물 입자일 수 있다. 한편, 밸브(125)는 미세 발열입자(126)를 반드시 포함하여야 하는 것은 아니며, 미세 발열입자(126) 없이 상전이 물질만으로 이루어질 수도 있다.
상기 밸브(125)에 레이저 광원(40)을 이용하여 레이저 조사하면, 상기 밸브(125)에 포함된 미세 발열입자(126)가 급속히 발열하여 상전이 물질이 급속히 가열된다. 따라서, 밸브(125)가 급속히 용융되어 채널(115)이 개방되고, 유체가 채널(115)을 따라 흐를 수 있는 상태가 된다.
도 3을 참조하면, 상기 밸브 유닛(110A)은 생화학 유체를 이용하여 다양한 기능들을 수행할 수 있는 미세유동 장치(100)에 구비될 수 있다. 상기 채널(115)과 밸브 주입공(112)은 미세유동 장치(100)의 기판(101)에 형성될 수 있다. 복수 개의 챔버(chamber, 130) 사이를 이동하는 유체의 흐름을 제어하기 위하여 미세유동 장치(100)에는 복수 개의 밸브 유닛(110A, 110B, 110C)이 구비될 수 있다. 상기 기판(101)은 회전 구동 수단의 일 예인 스핀들 모터(30)에 장착되어 회전 가능한 디스크(disk) 형태의 기판으로, 소위 CD 플랫폼(platform)으로도 불린다. 따라서, 상기 미세유동 장치(100)는 기판(101)의 회전으로 인한 원심력에 의해 기판(101) 내부에 수용된 유체가 기판(101)의 외주부 쪽으로 펌핑(pumping)되는 소위, 원심력 기반의 미세유동 장치이다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1의 밸브 유닛(110A)의 제조방법을 순차적으로 도시한 단면도로서, 이하에서, 도 2a 내지 도 2d와, 도 3을 참조하여 상기 밸브 유닛(110A)의 제조방법과, 이를 구비한 미세유동 장치(100)의 제조방법을 설명한다.
도 2a 및 도 3을 참조하면, 밸브 유닛(110A)을 형성하기 위하여 채널(115)과 밸브 주입공(112)을 구비한 기판(101)을 마련한다. 상기 기판(101)에 채널(115)과 밸브 주입공(112)을 형성하는 방법은 도 2를 참조하여 설명하였으므로, 중복되는 설명은 생략한다. 다만, 미세유동 장치(100)는 밸브 유닛(110A)과 같은 구조의 밸브 유닛들(110B, 110C)을 더 구비하므로 상기 밸브 유닛들(110B, 110C)을 구성하는 채널과 밸브 주입공도 기판(101)에 형성하여야 한다.
그 다음, 디스펜서(50A)를 사용하여 상기 밸브 주입공(112)에 밸브 충전물(124, 도 2b 참조)을 주입한다. 상기 밸브 충전물(124)은 가열하여 용융된 상태로 주입된다. 상기 밸브 충전물(124)이 경화(硬化)되어 밸브(125)가 형성되는 것이 므로, 밸브 충전물(124)의 조성(組成)은 밸브(125, 도 2d 참조)의 조성과 동일하며, 상기 밸브(125)의 조성은 도 1을 참조하여 설명하였으므로 중복된 설명은 생략한다.
도 1를 참조하여 설명한 바와 같이 상기 밸브 주입공(112)은 밸브 충전물(124)이 유입되는 유입부(113)의 내경이, 밸브 충전물(124)이 채널(115)로 이동하기 위하여 유출되는 유출부(114)의 내경보다 커서, 밸브 충전물(124)을 토출하는 디스펜서(50A)의 토출 정밀도 요구 수준을 완화할 수 있으며, 이로 인해 밸브 유닛(110A) 및 이를 구비한 미세유동 장치(100)의 제조 비용 및 생산성이 향상될 수 있다. 한편, 미세유동 장치(100)의 제작에 있어서는 하나의 디스펜서(50A)를 사용하여 순차적으로 미세유동 장치(100)의 복수의 밸브 유닛(110A, 110B, 110C)에 구비된 밸브 주입공에 밸브 충전물(124)을 주입할 수도 있으나, 생산성 향상을 위하여 복수의 디스펜서(50A, 50B, 50C)를 이용하여 동시에 복수의 밸브 주입공에 밸브 충전물(124)을 주입할 수도 있다.
도 2b를 참조하면, 디스펜서(50A, 도 2a 참조)를 사용하여 주입된 밸브 충전물(124)은 상온 상태인 상부 플레이트(103)와 접촉함과 거의 동시에 방열되어 상부 플레이트(103)에서 경화된다. 별도로 도시되진 않았으나 미세유동 장치(100)의 다른 밸브 유닛(110B, 110C)의 경우에도 도 2b에 도시된 것과 동일한 과정이 나타날 수 있다.
도 2c를 참조하면, 밸브 충전물(124)을 주입한 후 예컨대, 투명 접착 테이프(122) 등의 폐쇄 수단으로 밸브 주입공(112)을 폐쇄한다. 그 다음, 상기 경화된 밸브 충전물(124)에 열에너지를 가하여 상기 밸브 충전물(124)을 용융시킨다. 기판(101)에 열에너지를 가하여 밸브 충전물(124)을 용융시킬 수 있으며, 구체적으로는 기판(101)을 열판(heat plate) 위에 올려 전도(傳導)에 의해 기판(101)을 가열하거나, 기판(101)을 오븐(oven)에 넣어 대류 및 복사에 의해 기판(101)을 가열할 수 있다. 한편, 복수 개의 밸브 유닛을 구비한 미세유동 장치(100, 도 4 참조)의 경우에는 기판(101) 상의 모든 밸브 주입공에 밸브 충전물을 주입한 후 기판(101)을 가열하여 상기 주입된 모든 밸브 충전물을 동시에 용융시킬 수 있다.
기판(101)의 가열로 밸브 충전물(124)이 용융 팽창되면, 폐쇄된 밸브 주입구(112)와 용융된 밸브 충전물(124) 사이의 압력이 증대되어 용융된 밸브 충전물(124)이 채널(115)로 이동한다. 채널(115)로 이동된 밸브 충전물(124)의 일부가 밸브갭(119)에 진입하면 모세관력에 의해 밸브갭(119)이 밸브 충전물(124)로 채워 진다. 기판(101)에 대한 가열 중단으로 상기 밸브 충전물(124)은 다시 경화하여, 도 2d에 도시된 바와 같이 채널(115)을 폐쇄하는 밸브(125)가 형성된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
본 발명에 의하면, 밸브 유닛 제조의 생산성이 향상되고, 제조 비용이 절감될 수 있다. 특히, 복수의 밸브 유닛을 구비한 미세유동 장치를 제조함에 있어 기 판을 부분적으로 복수 회 가열하지 않고 기판 전체를 한번 가열하여 기판의 모든 밸브를 동시에 형성할 수 있으므로 생산성 향상 및 제조 비용 절감의 효과가 더욱 크다.
또한, 밸브의 크기가 작아 미세유동 장치를 소형화하는데 유리하다.

Claims (42)

  1. 유체를 이송하기 위한 채널(channel)에 연결되는 밸브 주입공에, 상온에서 고체 상태이나 에너지를 흡수하면 용융되는 상전이 물질(phase transition material)을 포함하여 이루어진 밸브 충전물을 용융된 상태로 주입하는 밸브 주입 단계;
    상기 밸브 충전물을 경화(硬化)시키는 밸브 경화 단계;
    상기 경화된 밸브 충전물을 유동 가능하게 용융시켜 적어도 일부를 상기 채널(channel)로 이동시키는 밸브 용융 단계; 및,
    상기 채널로 이동된 밸브 충전물을 다시 경화시켜 상기 채널을 폐쇄하는 밸브(valve)를 형성하는 밸브 재경화(再硬化) 단계;를 포함하고,
    상기 밸브 주입공은 밸브 충전물이 유입되는 유입부의 내경이, 밸브 충전물이 유출되는 유출부의 내경보다 큰 것을 특징으로 하는 밸브 유닛의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 밸브 주입 단계에서 상기 밸브 충전물이 상기 밸브 주입공을 벗어나지 않게 상기 밸브 충전물을 주입하는 것을 특징으로 하는 밸브 유닛의 제조방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 밸브 용융 단계에서 상기 용융된 밸브 충전물은 모세관력에 의해 상기 채널로 이동하는 것을 특징으로 하는 밸브 유닛의 제조방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 밸브 경화 단계 및 밸브 재경화 단계는 상기 용융된 밸브 충전물에 에너지를 공급하지 않는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 유닛의 제조방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 밸브 용융 단계는 상기 경화된 밸브 충전물에 열에너지를 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 유닛의 제조방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 채널은 상기 밸브 주입공과 부분적으로 겹쳐지게 배치되며 제1 채널 깊이를 갖는 돌출부와, 상기 돌출부에 대해 단차지게 파여져 제2 채널 깊이를 가지며 상기 채널 방향으로 연장된 채널 홈부와, 상기 밸브 주입공과 겹쳐지지 않는 상기 돌출부의 일부분에 밸브갭(valve gap)을 구비하는 것을 특징으로 하는 밸브 유닛의 제조방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 밸브 용융 단계는 상기 용융된 밸브 충전물의 적어도 일부를 상기 밸브갭에 남기는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 유닛의 제조방법.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 밸브 유닛은 미세유동 장치(microfluidic device)에 구비되고,
    상기 밸브 유닛의 제조방법은 상기 채널과 밸브 주입공을 구비한 미세유동 장치의 기판을 준비하는 기판 준비 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 유닛의 제조방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 채널은 상기 밸브 주입공과 부분적으로 겹쳐지게 배치되며 제1 채널 깊이를 갖는 돌출부와, 상기 돌출부에 대해 단차지게 파여져 제2 채널 깊이를 가지며 상기 채널 방향으로 연장된 채널 홈부와, 상기 밸브 주입공과 겹쳐지지 않는 상기 돌출부의 일부분에 밸브갭(valve gap)을 구비하고,
    상기 밸브 용융 단계는 상기 용융된 밸브 충전물의 적어도 일부를 상기 밸브갭에 남기는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 유닛의 제조방법.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 미세유동 장치는 상기 밸브 유닛을 복수 개 구비하고,
    상기 기판 준비 단계에서 준비되는 기판은 적어도 하나의 채널과 상기 적어도 하나의 채널에 연결되는 복수의 밸브 주입공을 구비하며,
    상기 밸브 주입 단계는 상기 기판에 구비된 모든 밸브 주입공에 용융된 밸브 충전물을 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 유닛의 제조방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 밸브 주입 단계는 상기 기판에 마련된 복수의 밸브 주입공 가운데 적어도 두 개의 밸브 주입공에 용융된 밸브 충전물을 동시에 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 유닛의 제조방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    한 번에 하나의 밸브 주입공에 대해 밸브 충전물을 주입할 수 있는 디스펜서(dispenser)를 적어도 두 개를 동시에 사용하여 적어도 두 개의 밸브 주입공에 용융된 밸브 충전물을 동시에 주입하는 것을 특징으로 하는 밸브 유닛의 제조방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 밸브 용융 단계는 상기 기판을 가열하여 상기 모든 밸브 주입공에 주입된 밸브 충전물을 동시에 용융시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 유닛의 제조방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 기판을 전도, 대류, 또는 복사열로 가열하는 것을 특징으로 하는 밸브 유닛의 제조방법.
  16. 제1 항에 있어서,
    상기 밸브 주입 단계 후에 상기 밸브 주입공을 폐쇄하는 밸브 주입공 폐쇄 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 유닛의 제조방법.
  17. 제1 항에 있어서,
    상기 밸브 충전물의 상전이 물질은 왁스(wax), 겔(gel), 또는 열가소성 수지인 것을 특징으로 하는 밸브 유닛의 제조방법.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 왁스는, 파라핀 왁스(paraffin wax), 마이크로크리스탈린 왁스(microcrystalline wax), 합성 왁스(synthetic wax), 및 천연 왁스(natural wax)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 밸브 유닛의 제조방법.
  19. 제17 항에 있어서,
    상기 겔은, 폴리아크릴아미드(polyacrylamide), 폴리아크릴레이트(polyacrylates), 폴리메타크릴레이트(polymethacrylates) 및, 폴리비닐아미드(polyvinylamides)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 밸브 유닛의 제조방법.
  20. 제17 항에 있어서,
    상기 열가소성 수지는, COC(cyclic olefin copolymer), PMMA(polymethylmethacrylate), PC(polycarbonate), PS(polystyrene), POM(polyoxymethylene), PFA(perfluoralkoxy), PVC(polyvinylchloride), PP(polypropylene), PET(polyethylene terephthalate), PEEK(polyetheretherketone), PA(polyamide), PSU(polysulfone), 및 PVDF(polyvinylidene fluoride)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 밸브 유닛의 제조방법.
  21. 제1 항에 있어서,
    상기 밸브 충전물은 상기 상전이 물질에 분산되며, 에너지를 흡수하여 발열하는 다수의 미세 발열입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 유닛의 제조방법.
  22. 제21 항에 있어서,
    상기 미세 발열입자는 금속 산화물 입자인 것을 특징으로 하는 밸브 유닛의 제조방법.
  23. 제22 항에 있어서,
    상기 금속 산화물은 Al2O3, TiO2, Ta2O3, Fe2O3, Fe3O4 및, HfO2 로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 유닛의 제조방법.
  24. 제21 항에 있어서,
    상기 미세 발열입자는 중합체 입자, 퀀텀 도트(quantum dot), 또는 자성비드(magnetic bead)인 것을 특징으로 하는 밸브 유닛의 제조방법.
  25. 유체를 이송하기 위한 채널(channel); 상온에서 고체 상태이나 에너지를 흡수하면 용융되는 상전이 물질(phase transition material)을 포함하여 이루어진 밸브 충전물을 용융된 상태로 주입하기 위한 것으로, 상기 채널에 연결되는 밸브 주입공; 상기 밸브 주입공으로 주입된 밸브 충전물이 상기 채널 상에서 경화(硬化)되어 상기 채널을 폐쇄하는 것으로, 에너지를 흡수하여 용융되면 상기 채널을 다시 개방하는 밸브;를 구비하고,
    상기 밸브 주입공은 상기 밸브 충전물이 유입되는 유입부의 내경이, 밸브 충전물이 유출되는 유출부의 내경보다 큰 것을 특징으로 하는 밸브 유닛.
  26. 제25 항에 있어서,
    상기 밸브 주입공은 상기 채널의 상측에 마련된 것을 특징으로 하는 밸브 유닛.
  27. 제25 항에 있어서,
    상기 채널은 상기 밸브 주입공과 부분적으로 겹쳐지게 배치되며 제1 채널 깊이를 갖는 돌출부와, 상기 돌출부에 대해 단차지게 파여져 제2 채널 깊이를 가지며 상기 채널 방향으로 연장된 채널 홈부와, 상기 밸브 주입공과 겹쳐지지 않는 상기 돌출부의 일부분에 밸브갭(valve gap)을 구비하고, 상기 밸브는 상기 밸브갭에 형성된 것을 특징으로 하는 밸브 유닛.
  28. 제25 항에 있어서,
    상기 밸브 주입공을 폐쇄하는 수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 밸브 유닛.
  29. 제25 항에 있어서,
    상기 밸브 충전물의 상전이 물질은 왁스(wax), 겔(gel), 또는 열가소성 수지인 것을 특징으로 하는 밸브 유닛.
  30. 제29 항에 있어서,
    상기 왁스는, 파라핀 왁스(paraffin wax), 마이크로크리스탈린 왁스(microcrystalline wax), 합성 왁스(synthetic wax), 및 천연 왁스(natural wax)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 밸브 유닛.
  31. 제29 항에 있어서,
    상기 겔은, 폴리아크릴아미드(polyacrylamide), 폴리아크릴레이트(polyacrylates), 폴리메타크릴레이트(polymethacrylates) 및, 폴리비닐아미드(polyvinylamides)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 밸브 유닛.
  32. 제29 항에 있어서,
    상기 열가소성 수지는, COC(cyclic olefin copolymer), PMMA(polymethylmethacrylate), PC(polycarbonate), PS(polystyrene), POM(polyoxymethylene), PFA(perfluoralkoxy), PVC(polyvinylchloride), PP(polypropylene), PET(polyethylene terephthalate), PEEK(polyetheretherketone), PA(polyamide), PSU(polysulfone), 및 PVDF(polyvinylidene fluoride)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 밸브 유닛.
  33. 제25 항에 있어서,
    상기 밸브 충전물은 상기 상전이 물질에 분산되며, 에너지를 흡수하여 발열하는 다수의 미세 발열입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 유닛.
  34. 제33 항에 있어서,
    상기 미세 발열입자는 금속 산화물 입자인 것을 특징으로 하는 밸브 유닛.
  35. 제34 항에 있어서,
    상기 금속 산화물은 Al2O3, TiO2, Ta2O3, Fe2O3, Fe3O4 및, HfO2 로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 유닛.
  36. 제33 항에 있어서,
    상기 미세 발열입자는 중합체 입자, 퀀텀 도트(quantum dot), 또는 자성비드(magnetic bead)인 것을 특징으로 하는 밸브 유닛.
  37. 유체를 이송하기 위한 채널(channel); 상온에서 고체 상태이나 에너지를 흡수하면 용융되는 상전이 물질(phase transition material)을 포함하여 이루어진 밸브 충전물을 용융된 상태로 주입하기 위한 것으로, 상기 채널에 연결되는 밸브 주 입공; 및, 상기 밸브 주입공으로 주입된 밸브 충전물이 상기 채널 상에서 경화(硬化)되어 상기 채널을 폐쇄하는 것으로, 에너지를 흡수하여 용융되면 상기 채널을 다시 개방하는 밸브;를 구비한 밸브 유닛을 적어도 하나 구비하고,
    상기 채널 및 밸브 주입공은 기판에 형성되고,
    상기 밸브 주입공은 상기 밸브 충전물이 유입되는 유입부의 내경이, 밸브 충전물이 유출되는 유출부의 내경보다 큰 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  38. 제37 항에 있어서,
    상기 기판은 회전 구동 수단에 장착되어 회전 가능한 디스크(disk) 형태의 기판인 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  39. 제37 항에 있어서,
    상기 밸브 주입공은 상기 채널의 상측에 마련된 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  40. 제37 항에 있어서,
    상기 채널은 상기 밸브 주입공과 부분적으로 겹쳐지게 배치되며 제1 채널 깊이를 갖는 돌출부와, 상기 돌출부에 대해 단차지게 파여져 제2 채널 깊이를 가지며 상기 채널 방향으로 연장된 채널 홈부와, 상기 밸브 주입공과 겹쳐지지 않는 상기 돌출부의 일부분에 밸브갭(valve gap)을 구비하고, 상기 밸브는 상기 밸브갭에 형 성된 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  41. 제37 항에 있어서,
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