KR101561693B1 - 격벽 구조를 갖는 유전영동 기반의 입자 분리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체 유속의 영향을 최소화한 격벽 구조를 갖는 유전영동 기반의 입자 분리 장치를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
상기의 목적 달성을 위하여 본 발명은, 격벽 구조를 갖는 유전영동 기반의 입자 분리 장치에 있어서, 베이스; 상기 베이스 상단에 형성되는 채널; 상기 채널의 폭 방향으로 배치되는 다수의 전극; 상기 채널의 측면에 상기 채널을 통하여 들어오는 유체의 유동을 방해하는 형태로 형성되는 다수의 격벽; 및 상기 베이스 상단에 부착되어 상기 채널의 상면을 형성하는 커버를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

격벽 구조를 갖는 유전영동 기반의 입자 분리 장치{Dielectrophoresis based particle separator using serpentine channel}

본 발명은 격벽 구조를 갖는 유전영동 기반의 입자 분리 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 채널 내부에 격벽을 형성하여 유체 유속의 영향을 최소화한 격벽 구조를 갖는 유전영동 기반의 입자 분리 장치에 관한 것이다.

유전영동이란 유전입자가 불균일한 전기장 하에서 전기장의 크기가 크거나 작은 곳으로 움직이는 현상을 의미한다. 일반적으로 이러한 유전영동 현상으로 얻을 수 있는 힘의 크기는 매우 작아서 종래의 일반 기계 시스템에서는 사용되는 예가 거의 없었으나 최근들어 초소형 정밀 기계 시스템(Micro Electro Mechanical System; MEMS} 분야가 발전함에 따라 전체적인 시스템의 크기가 작아지면서 그 활용이 급격하게 증가하고 있다.

상기한 유전영동 현상은 바이오-MEMS 분야에서 사용되는 예가 많은데, 예를 들면 죽은 세포와 살아있는 세포의 분리, 암 세포와 정상 세포의 분리, 서로 다른 크기나 종류의 입자 분리, 입자, 세포 및 액체 방울 등의 이송, 트래핑 및 이송 경로의 변경 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.

상기와 같은 특징의 유전영동 현상은 별도의 이동수단이 없어도 단순히 전극 만으로 작동이 가능하고 샘플을 라벨링할 필요가 없고, 특히 MEMS의 경우에는 10V 이하의 작은 전압에서도 작동이 가능하므로 다른 방법에 비하여 안정성이 높고, 세포 분리 등의 경우에 성공율이 매우 높은 장점이 있어 다양한 방식들의 구성들이 제안되고 있다.

예를 들면, 공개특허 제2008-0087404호에는 하부 기판과, 상기 하부 기판의 윗면에 평행하게 적층되는 복수의 띠 형상의 제 1 전극과, 상기 하부 기판의 윗면 가장자리에 형성되어 소정의 유전입자를 포함하는 유체를 담지하는 스페이서와, 상기 스페이서 위에 형성되어 상기 하부 기판을 덮는 상부 기판과, 상기 상부 기판의 아랫면의 적어도 일부에 도포되는 제 2 전극을 포함하는 3차원 전극 구조를 갖는 유전영동 장치의 구성이 개시되어 있다.

또한 공개특허 제2009-0002980호에는 미소입자를 포함하는 미세유체가 이동하는 유로; 전압원에서 인가되는 전압으로 미소입자를 유전영동으로 이동되도록 전기장을 형성하는 전극; 및 상기 전기장을 변형시켜 양의 유전영동으로 미소입자를 집중시키도록 구비되는 절연체 구조물; 을 포함하여 이루어지는 미소입자 처리장치의 구성이 개시되어 있다.

상기한 바와 같이, 유전 영동 기반의 입자 분리 장치는 채널 바닥에 있는 전극에 교류 전압을 가하여, 채널을 통과하는 입자를 입자의 전기적 성질에 따라 분리하는 방식으로 다양한 입자들을 분리할 수 있는 장점이 있어, 미세 입자들의 분리에 널리 사용되고 있다.

그러나 상기 방법에 따른 분리 장치는 유속이 작은 경우 입자의 분리 성능이 뛰어나지만 유속이 빠른 경우, 입자에 미치는 전기력보다 유동에 의한 관성력이 더 커, 분리 및 채집 효율이 떨어지는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 유전 영동 기반의 입자 분리 장치의 단점을 극복하기 위하여 안출된 것으로 유체 유속의 영향을 최소화한 격벽 구조를 갖는 유전영동 기반의 입자 분리 장치를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

상기의 목적 달성을 위하여 본 발명은, 격벽 구조를 갖는 유전영동 기반의 입자 분리 장치에 있어서, 베이스; 상기 베이스 상단에 형성되는 채널; 상기 채널의 폭 방향으로 배치되는 다수의 전극; 상기 체널의 측면에 상기 채널을 통하여 들어오는 유체의 유동을 방해하는 형태로 형성되는 다수의 격벽; 및 상기 베이스 상단에 부착되어 상기 채널의 상면을 형성하는 커버를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 각 전극에는 교류 전원이 개별적으로 인가되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 전극은 동일한 형상이며, 동일한 간격으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 격벽은 동일한 간격으로 지그재그 형태로 배치되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 격벽의 배치 간격은 상기 전극의 배치간격과 연동되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 격벽의 길이는 상기 채널 폭의 5% 내지 50%인 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 격벽의 길이는 상기 격벽 폭의 30% 내지 300%인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 전극에는 2개의 전원이 인가되며, 각 전극은 이웃하는 전극과 다른 전원이 인가되는 것을 특징으로 하는 격벽 구조를 갖는 입자 분리 장치.

더욱 바람직하게는, 상기 2개의 전원은 동일한 주파수의 사인파이며, 서로 위상차만 다른 것을 특징으로 하는 격벽 구조를 갖는 입자 분리 장치.

더욱 바람직하게는, 상기 위상차는 180도인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 격벽 구조를 갖는 입자 분리 장치는 내부에 형성된 채널의 측벽에 격벽을 설치하여 낮은 유속에서는 종래와 비슷한 채집 효율을 나타내고, 유체 유속이 증가하는 경우 격벽에 의하여 입자의 관성력을 감소시켜, 유속의 영향을 최소화하여 유속의 상승에 따른 채집 및 입자 분리 효율의 감소를 예방하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 격벽 구조를 갖는 유전영동 기반의 입자 분리 장치의 사시도이며,
도 2는 본 발명의 원리 설명을 위한 그래프이며,
도 3은 도 1에 도시된 격벽의 배치 실시예이며,
도 4는 도 3의 다른 실시예이며,
도 5는 도 1에 도시된 전극에 인가되는 전원의 구성도이며,
도 6은 본 발명의 비교예에 따른 전산모의 시험 결과이며,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전산모의 시험 결과이며.
도 8은 본 발명의 전극에서 형성되는 전기장 그래프이다.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

본 발명에 따른 격벽 구조를 갖는 유전영동 기반의 입자 분리 장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 베이스(10), 상기 베이스(10)의 표면에 형성되는 채널(20), 상기 채널(20) 바닥부에 형성되는 다수의 전극(30), 상기 채널(20)에 형성되는 다수의 격벽(40), 상기 베이스(10) 상단에 부착되어 상기 채널(20)을 완성하는 커버(50)를 포함하여 구성된다.

상기 베이스(10)는 상기 채널(20)의 형성을 위한 구성으로, 어떠한 형태로도 구성 가능하나, 직사각형의 형상이 바람직하며, 재질은 채널(20)의 가공이 편리한 어떠한 재질로도 구성 가능하다.

상기 베이스(10)에는 채널(20)이 형성된다. 상기 채널(20)은 직사각형의 단면이 연장형성되는 구성으로 상기 베이스(10)의 측면에서 출발하여 반대편 측면까지 형성된다.

상기 채널(20)을 통하여 입자가 포함된 유체가 이동하며, 상기 유체는 기체 또는 액체이나, 액체가 바람직하다.

상기 채널(20) 단면의 크기는 미소 면적으로 구성하는 것이 바람직하며, 높이와 폭의 비는 1:10 정도가 바람직하나, 그 크기가 제한되는 것은 아니다.

또한 상기 높이는 1㎛ 내지 100㎛로 형성하는 것이 바람직하며, 상기 채널(20)의 폭은 상기 높이의 10배정도이므로, 10㎛ 내지 1000㎛로 구성한다.

한편, 상기 채널(20)의 바닥에는 다수의 전극(30)이 채널(20)의 폭 방향으로 배치된다.

상기 각 전극(30)은 별도의 교류 전원이 인가되며, 채널(20) 별로 교류의 크기 및 위상을 달리하여 인가할 수 있다.

또한, 상기 채널(20)의 내부 측벽에는 다수의 격벽(40)이 배치된다.

이때 상기 격벽(40)의 크기는 길이와 폭으로 표현할 수 있으며, 이때 길이는 유체 유동 방향의 수직 방향의 크기이고, 격벽(40)의 폭은 유체 유동 방향과 동일한 방향의 크기로 정의하는 경우, 상기 격벽(40)의 길이는 상기 채널(20) 폭의 5% 내지 50%로 구성하는 것이 바람직하다.

상기 격벽(40)의 길이가 채널(20) 폭 길이의 5% 미만인 경우에는 유체의 유동에 영향이 미미하고, 50%를 초과하는 경우에는 유체의 높은 압력 강하를 유발하여 부적절한다.

그리고 상기 격벽(40)의 폭은 큰 제한은 없으나, 상기 격벽(40)의 길이가 상기 격벽(40) 폭의 30% 내지 300%가 되도록 상기 격벽(40) 폭을 설정하는 것이 바람직하며, 상기 범위 내인 경우, 압력 강하와 제작 등에서 유리하다.

그리고 상기 베이스(10) 상단에는 커버(50)가 부착되어 상기 채널(20)의 상단을 완성한다.

상기 커버(50)는 평판 형태로 구성할 수 있으며, 필요한 경우, 상기 베이스(10)에 연장되는 일체의 형태로도 구성될 수 있다.

한편, 상기 전극(30)은 채널(20)의 길이 방향으로 일정한 간격으로 배치되며, 각 전극(30)에는 동일한 주파수의 전압을 다른 형태로 인가될 수 있다.

상기 전극(30)에 인가하는 교류 전압에 의한 입자 포집의 원리를 설명하면, 상기 채널(20) 내부에 입자를 포함하는 유체가 이동하는 경우, 상기 전극(30)에 의하여 입자에 가해지는 유전영동의 힘은 Clausius-Mossotti factor(이하 CM 팩터라 한다)의 실수부에 비례하여 나타나며, CM펙터는 입자와 용액의 복소유전율(Complex Premittivity)의 함수로 나타난다.

예를 들어 증류수 용액 내에 대장균(e.coli)과 폴리스티렌 입자가 존재하는 경우, 각 입자들의 CM펙터의 실수부는 도 2에 도시된 바와 같다. 여기서 CM펙터가 양의 값인 경우에는 전기장이 센 쪽으로 이동하려는 힘이 작용하고, 음의 값인 경우 전기장이 약한 쪽으로 이동하려는 힘이 작용한다는 의미이다.

상기 전극(30)에 교류를 인가하고, 상기 교류의 주파수를 1MHz로 설정하는 경우, 두 입자의 실수부의 차이가 명확하므로, 대장균은 전기장의 세기가 큰 전극(30) 의 양 끝 방향으로 이동하여 채집되고, 폴리스티렌은 전극(30) 상단으로 이동하나, 이동된 곳은 유체 유동의 힘이 높으므로, 채집되지 않고 전극(30)을 통과한다.

상기와 같이, 본 발명에 따른 전극(30)은 전기적 성질이 다른 두 입자를 분리 채집할 수 있는 기본적인 특징을 제공한다.

한편, 상기한 바와 같이, 상기 채널(10)의 측면에는 다수의 격벽(40)이 배치되며, 상기 격벽(40)은 지그재그 형태로 구성하는 것이 바람직하다. 즉, 일 측면에 하나의 격벽(40)이 형성되며, 다음 격벽(40)은 마주보는 측면에 형성시키고, 다음 격벽(40)은 다시 일측면에 형성하도록 구성한다.

상기 지그재그 방식은 격벽(40)의 효과도 제공하면서, 유체의 유동 저항을 줄이는 장점이 있다.

또한, 상기 격벽(40)의 배치 간격은 상기 전극(30)의 배치와 연동되어 형성할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 전극(30)의 간격의 1.5배로 배치하여 구성할 수 있으며, 또한 도 4에 도시된 바와 같이, 동일한 간격으로도 구성할 수 있다.

한편, 상기 전극(30)에 인가하는 전압의 경우에는 개별 전극에 다른 전원을 공급할 수 있으나, 도 5에 도시된 바와 같이, 6개의 전극(30)이 일정한 간격으로 배치된 경우, ①, ③, ⑤ 전극(30)에 동일한 제1전원(v1(t))을, ②, ④, ⑥ 전극(30)에 상기 제1전원과 위상차가 있는 제2전극(v2(t))을 인가하는 형태로 구성할 수 있다. 상기와 같은 전원 인가 방식은 인근하는 전극(30)에 각각 다른 전원이 발생하므로, 전기장의 높은 구배에 의하여 포집 효율을 높이는 장점이 있다.

실시예

도 5에 도시된 바와 같이, 6개의 전극을 구성하고(1, 3, 5 제1전원 인가, 2, 4, 6 제2전원 인가), 채널(20)은 10㎛의 높이와 100㎛의 폭, 4개의 격벽(40)은 폭 20㎛ 길이 20㎛로 한정하고, 전극(30)의 전압은 v1(t)=2.5sin(ωt)Volt, v2(t)=2.5sin(ωt+180°)Volt, 주파수는 1MHz로 설정하고, 채널(20)에 유입되는 유체의 유량은 1μl/min, 2μl/min 2개의 경우로 설정하였다.

비교예

실시예와 동일하나, 격벽(40)이 없는 채널(20)로 한정하였다.

시험예

실시예와 비교예에 대하여 전산모의 시험을 수행한 결과 채집 효율과 압력 강하를 표 1에 나타내었으며, 실제 그래픽으로 나타낸 결과를 비교예는 도 6에 실시예는 도 7에 각각 도시하였다.

또한 도 8에는 전극(30)에 형성되는 전기장을 도시하였다.

		유량 1μl/min, 평균유속 16.67mm/s	유량 2μl/min 평균유속 33.33mm/s
비교예	채집효율	50%	10%
	압력강하	1.292kPa	2.584kPa
실시예	채집효율	53.00%	30%
	압력강하	1.434kPa	2.867kPa

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예가 비교예에 비하여 비슷한 압력 강하에도 불구하고, 높은 채집효율을 나타내고, 특히 유속인 빠른 경우에는 3배의 채집 효율을 나타내고 있음을 확인하였으며, 역시 도 6 및 도 7을 통해서도 격벽(40)이 추가된 본원 발명의 구성이 높은 채집 성능을 나타냄을 확인할 수 있었다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시 예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시 예들을 모두 포함한다.

10: 베이스 20: 채널
30: 전극 40: 격벽
50: 커버 100: 입자 분리 장치

Claims (10)

1. 격벽 구조를 갖는 유전영동 기반의 입자 분리 장치에 있어서,
   베이스;
   상기 베이스 상단에 형성되는 채널;
   상기 채널의 폭 방향으로 배치되는 다수의 전극;
   상기 채널의 측면에 상기 채널을 통하여 들어오는 유체의 유동을 방해하는 형태로 형성되는 다수의 격벽; 및
   상기 베이스 상단에 부착되어 상기 채널의 상면을 형성하는 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 격벽 구조를 갖는 유전영동 기반의 입자 분리 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 각 전극에는 교류 전원이 개별적으로 인가되는 것을 특징으로 하는 격벽 구조를 갖는 유전영동 기반의 입자 분리 장치.
   
3. 청구항 2에 있어서, 상기 전극은 동일한 형상이며, 동일한 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 격벽 구조를 갖는 유전영동 기반의 입자 분리 장치.
   
4. 청구항 3에 있어서, 상기 격벽은 동일한 간격으로 지그재그 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 격벽 구조를 갖는 유전영동 기반의 입자 분리 장치.
   
5. 청구항 4에 있어서, 상기 격벽의 배치 간격은 상기 전극의 배치간격과 연동되는 것을 특징으로 하는 격벽 구조를 갖는 유전영동 기반의 입자 분리 장치.
   
6. 청구항 5에 있어서, 상기 격벽의 길이는 상기 채널 폭의 5% 내지 50%인 것을 특징으로 하는 격벽 구조를 갖는 유전영동 기반의 입자 분리 장치.
   
7. 청구항 6에 있어서, 상기 격벽의 길이는 상기 격벽 폭의 30% 내지 300%인 것을 특징으로 하는 격벽 구조를 갖는 유전영동 기반의 입자 분리 장치.
   
8. 청구항 3에 있어서, 상기 전극에는 2개의 전원이 인가되며, 각 전극은 이웃하는 전극과 다른 전원이 인가되는 것을 특징으로 하는 격벽 구조를 갖는 유전영동 기반의 입자 분리 장치.
   
9. 청구항 8에 있어서, 상기 2개의 전원은 동일한 주파수의 사인파이며, 서로 위상차만 다른 것을 특징으로 하는 격벽 구조를 갖는 유전영동 기반의 입자 분리 장치.
   
10. 청구항 9에 있어서, 상기 위상차는 180도인 것을 특징으로 하는 격벽 구조를 갖는 유전영동 기반의 입자 분리 장치.
    

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