KR101737121B1 - 마이크로 유체 시스템 - Google Patents

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KR101737121B1
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Abstract

본 발명은 마이크로 유체 시스템에 관한 것이다.
즉, 본 발명의 마이크로 유체 시스템은 하부 기판과; 상기 하부 기판과 대향되어 있고, 에어 주입 통로가 구비된 상부 기판을 포함하며, 상기 상부 기판과 상기 하부 기판 사이에 유체가 채워진 유체 챔버를 갖고 상기 유체 챔버와 연결된 에어 주입 통로를 갖는 마이크로 유체 디바이스가 삽입되도록 구성된다.

Description

마이크로 유체 시스템 { Microfluidic system }
본 발명은 마이크로 유체 시스템에 관한 것이다.
최근에, 마이크로 유체 디바이스(Microfluidic device)는 그 다양하고 광범위한 잠재적 용례로 인해 점점 더 관심을 끌고 있다. 예를 들면, 매우 적은 부피의 시료를 사용하여, 마이크로 유체 디바이스는 복잡한 생물화학적 반응을 수행하여 중요한 화학적 정보 및 생물학적 정보를 획득할 수 있다.
다른 이점들 중에서도 특히, 마이크로 유체 디바이스는 시료 및 시약의 요구량을 줄이고, 반응의 응답시간을 짧게 하고, 그리고 처분을 위한 생물학적 위험 폐기물의 양을 감소시킨다.
이러한 마이크로 유체 디바이스는 내부의 유체 챔버(Fluidic chamber)에 위치된 유체를 분석을 위하여 이송시키는 동작이 필요하고, 이를 위한 다양한 방법 및 시스템이 현재 개발 중에 있다.
본 발명은 유체의 이동을 정밀하게 제어할 수 있는 과제를 해결하는 것이다.
본 발명은,
하부 기판과;
상기 하부 기판과 대향되어 있고, 에어 주입 통로가 구비된 상부 기판을 포함하며, 상기 상부 기판과 상기 하부 기판 사이에 유체가 채워진 유체 챔버를 갖고 상기 유체 챔버와 연결된 에어 주입 통로를 갖는 마이크로 유체 디바이스가 삽입되도록 구성된 마이크로 유체 시스템이 제공된다.
그리고, 상기 상부 기판과 하부 기판을 체결하기 위한 수단이 더 구비되고, 상기 체결 수단은, 상기 상부 기판에 형성된 클램프와 상기 하부 기판의 측면에 형성된 홈이다.
또, 상기 클램프와 상기 상부 기판 사이에는 스프링과 같은 탄성부재가 구비된다.
또한, 상기 상부 기판에는 적어도 2개 이상의 관통홀들이 형성되어 있고, 상기 관통홀들 각각에 삽입되어 있는 가이드 포스트(Guide post)가 상기 하부 기판에 고정되어 있으며, 상기 상부 기판에는 상기 가이드 포스트가 삽입되어 있는 부시(Bush)가 형성되어 있고, 상기 부시와 상기 가이드 포스트 사이에는 볼 베어링(Ball bearing)이 개재되어 있다.
더불어, 상기 마이크로 유체 디바이스에 마련된 에어 주입 통로는, 상기 마이크로 유체 디바이스에 형성된 홈과, 상기 홈에 노출된 유체 챔버로 구성되고, 상기 상부 기판에 형성된 에어 주입 통로에는 상기 마이크로 유체 디바이스에 형성된 홈과 대향되는 홈이 형성되어 있고, 상기 상부 기판의 홈에는 외부의 에어 펌프와 연결된 에어 주입관이 위치되고, 상기 에어 주입관의 외주면에는 코일 스프링이 장착되고, 상기 에어 주입관의 끝단의 외주면에는 지지부와 폐색부가 장착되어 있다.
그리고, 상기 폐색부는 상기 지지부에 고정되어 있고, 상기 에어 주입관의 끝단은 상기 오링에 노출되어 있으며, 상기 폐색부는 오링 또는 플렉서블 패드이다.
게다가, 상기 유체 챔버에는 반응 영역이 구비되고, 상기 상부 기판에는 상기 반응 영역에서 반응된 정도를 전기 화학적으로 측정할 수 있는 전극 프로브들과, 광학적으로 유체를 측정할 수 있는 투명 윈도우 중 적어도 하나가 형성되어 있다.
본 발명에 따른 마이크로 유체 시스템은 마이크로 유체 디바이스의 에어 주입 통로와 상부 기판의 에어 주입 통로의 기밀(氣密) 유지를 오링 어셈블리 구조 또는 플렉서블 어셈블리 구조로 구현하여, 외부로부터 에어 유입을 차단 및 외부로 에어 유출을 방지할 수 있게 됨으로써, 외부의 에어 펌프에서 압축과 진공 동작으로 마이크로 유체 디바이스 내의 유체 챔버에 있는 유체의 이동을 정밀하게 제어할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로 유체 시스템을 설명하기 위한 개념적인 사시도
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 마이크로 유체 시스템을 설명하기 위한 사시도
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 마이크로 유체 시스템을 설명하기 위한 사시도
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 제 1과 제 2 실시예에 따른 마이크로 유체 시스템의 클램프 동작을 설명하기 위한 일부 단면도
도 5는 본 발명에 따른 마이크로 유체 시스템에 적용된 마이크로 유체 디바이스을 설명하기 위한 개념적인 평면도
도 6은 본 발명의 제 1과 제 2 실시예에 적용된 오링 어셈블리(O-ring assembly) 구조를 설명하기 위한 개략적인 일부 단면도
도 7은 본 발명의 제 1과 제 2 실시예에 적용된 플렉서블 패드 어셈블리(Flexible pad assembly) 구조를 설명하기 위한 개략적인 일부 단면도
도 8a와 도 8b는 본 발명의 제 1과 제 2 실시예에 적용된 오링 어셈블리 구조를 설명하기 위한 개략적인 일부 단면도
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로 유체 시스템을 설명하기 위한 개념적인 사시도이다.
본 발명의 마이크로 유체 시스템은 칩 또는 카트리지(Cartridge) 형태의 마이크로 유체 디바이스 내부의 유체 챔버(Fluidic chamber)에 위치된 유체를 에어(Air)에 의해 이송(다른 용어로 펌핑(Pumping))하기 위한 마이크로 유체 장치로 정의된다.
여기서, 상기 유체 챔버는 유체 채널(Fluidic channel)로 지칭될 수 있다.
그리고, 마이크로 유체 시스템은 마이크로 유체 디바이스를 장착하기 위한 홀더(Holder)로 지칭될 수도 있다.
즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 유체 시스템은 하부 기판(100)과; 상기 하부 기판(100)과 대향되어 있고, 에어 주입 통로(210)가 구비된 상부 기판(200)을 포함하며, 상기 상부 기판(200)과 상기 하부 기판(100) 사이에 유체가 채워진 유체 챔버를 갖고 상기 유체 챔버와 연결된 에어 주입 통로(310)를 갖는 마이크로 유체 디바이스(300)가 삽입되도록 구성된다.
이러한, 본 발명에 따른 마이크로 유체 시스템에서는 상기 마이크로 유체 디바이스(300)의 유체 챔버에서 유체가 채워진 다음, 상기 상부 기판(200)과 상기 하부 기판(100) 사이에 상기 마이크로 유체 디바이스(300)에 개재될 때, 상기 마이크로 유체 디바이스(300)의 에어 주입 통로(310)는 상기 상부 기판(200)에 형성된 에어 주입 통로(210)와 일체되어 연통된다.
그리고, 상기 상부 기판(200)에 형성된 에어 주입 통로(210)는 에어 펌프(Air pump)(미도시)와 연결되어 있다.
그러므로, 상기 에어 펌프에서 압축(Press)과 진공(Vaccum) 동작을 수행하여 상기 마이크로 유체 디바이스(300) 내의 유체 챔버에 있는 유체를 이동시킬 수 있는 것이다.
여기서, 상기 마이크로 유체 디바이스(300) 내의 유체 챔버에 있는 유체는 혈액(Blood), 소변(Urine), 장액(Serum), 타액(Saliva) 등과 같은 생체 물질(Biological material)일 수 있다.
또한, 상기 마이크로 유체 디바이스(300)에는 상기 유체 챔버에는 반응 영역(330)이 구비되어 있어, 상기 유체와 반응되는 정도를 전기 화학적 또는 광학적인 방법에 의해 측정할 수 있다.
그리고, 상기 상부 기판(200)에는 상기 마이크로 유체 디바이스(300)를 관찰할 수 있는 윈도우(220)가 형성되어 있을 수 있다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 마이크로 유체 시스템을 설명하기 위한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 마이크로 유체 시스템을 설명하기 위한 사시도이다.
본 발명에 따른 마이크로 유체 시스템은 상부 기판(200)과 하부 기판(100)을 체결하기 위한 수단을 구비하고 있다.
이 체결 수단으로, 상기 상부 기판(200)과 상기 하부 기판(100) 사이에 마이크로 유체 디바이스가 삽입된 후, 상기 상부 기판(200)을 상기 마이크로 유체 디바이스에 밀착시킬 수 있게 된다.
이때, 상기 체결 수단은 상기 상부 기판(200)에 형성된 클램프(260)와 상기 하부 기판(100)의 측면에 형성된 홈(미도시) 또는 단턱으로 구성할 수 있는데, 상기 클램프(260)는 상기 하부 기판(100) 방향으로 가압되는 힘에 의해 상기 단턱에 걸려서 상기 상부 기판(200)은 상기 마이크로 유체 디바이스에 밀착되어, 상기 마이크로 유체 디바이스는 상기 상부 기판(200)과 상기 하부 기판(100)에 고정된다.
그리고, 상기 상부 기판(200)과 상기 하부 기판(100) 사이에 상기 마이크로 유체 디바이스가 삽입되지 않은 상태에서, 상기 상부 기판(200)과 상기 하부 기판(100) 사이 간격은 일정하게 유지되어, 상기 마이크로 유체 디바이스가 원활하게 삽입될 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 마이크로 유체 시스템은 상기 상부 기판(200)에는 적어도 2개 이상의 관통홀들(미도시)이 형성되어 있고, 이 관통홀들 각각에 삽입되어 있고, 상기 하부 기판(100)에 고정되어 있는 가이드 포스트(Guide post)(252)가 형성되어 있고, 상기 상부 기판(200)이 원활하게 이동될 수 있게 된다.
또, 상기 상부 기판(200)에는 상기 가이드 포스트(252)가 삽입되어 있는 부시(Bush)(250)가 형성되어 있고, 상기 부시(250)와 상기 가이드 포스트(252) 사이에는 볼 베어링(Ball bearing)(미도시)이 위치되어 있으므로, 상기 부시(250)와 상기 가이드 포스트(252)의 마찰을 줄여준다.
한편, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 마이크로 유체 시스템은 도 2에 도시된 바와 같이, 전기 화학적으로 유체를 측정할 수 있는 전극 프로브들(230)이 구비되어 있다.
그리고, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 마이크로 유체 시스템은 도 3에 도시된 바와 같이, 광학적으로 유체를 측정할 수 있는 투명 윈도우(231)가 형성되어 있다.
상기 투명 윈도우(231)는 상기 마이크로 유체 디바이스의 반응 영역으로 광이 조사 및 반사될 수 있는 상기 상부 기판(200) 영역에 형성된다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 제 1과 제 2 실시예에 따른 마이크로 유체 시스템의 클램프 동작을 설명하기 위한 일부 단면도이다.
마이크로 유체 시스템의 클램프 동작은 먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이, 상부 기판(200)과 하부 기판(100) 사이의 간격 'd1'은 마이크로 유체 디바이스의 두께보다 크기 때문에, 상기 마이크로 유체 디바이스는 상부 기판(200)과 하부 기판(100) 사이로 원활하게 주입될 수 있다.
그러므로, 상기 상부 기판(200)과 상기 하부 기판(100) 사이에 상기 마이크로 유체 디바이스를 주입한 후, 도 4b와 같이, 클램프(260) 또는 상기 상부 기판(200)을 하부 기판(100) 방향으로 가압하면 상기 클램프(260)의 후크(261)가 상기 하부 기판(100)의 홈(110)에 걸리게 되어, 상기 상부 기판(200)은 상기 마이크로 유체 디바이스에 밀착하게 된다.
따라서, 상기 상부 기판(200)과 상기 하부 기판(100) 사이 간격은 'd2'로 좁아지게 된다.
상기 마이크로 유체 디바이스를 상기 상부 기판(200)과 상기 하부 기판(100) 사이에서 이탈시키기 위해, 상기 클램프(260)와 상기 상부 기판(200) 사이에는 스프링과 같은 탄성부재(262)가 구비되는 것이 바람직하다.
즉, 도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 클램프(260)의 일단을 가압하면, 상기 탄성부재(262)는 지렛대의 받침점이 되어, 상기 클램프(260)의 타단에 있는 상기 후크(261)는 상기 하부 기판(100)의 홈(110)에서 이탈되어 상기 상부 기판(200)과 상기 하부 기판(100) 사이 간격은 'd1'로 도 4a 상태로 복귀된다.
도 5는 본 발명에 따른 마이크로 유체 시스템에 적용된 마이크로 유체 디바이스을 설명하기 위한 개념적인 평면도이다.
마이크로 유체 디바이스는 유체가 채울 수 있는 유체 챔버(320)를 갖고 상기 유체 챔버(320)와 연결된 에어 주입 통로(310)를 갖는 칩 또는 카트리지 형태이다.
그리고, 상기 유체 챔버(320)에는 반응 영역이 위치될 수 있고, 상기 반응 영역(330)에는 상기 유체 챔버(320)에 채워진 유체와 반응할 수 있는 반응 유도 물질이 위치될 수 있다.
더불어, 상기 반응 영역(330)에는 전기 화학적으로 반응 정도를 측정하기 위해, 전극들이 위치되어 있고, 상기 전극들에는 반응 유도 물질이 위치될 수 있다.
여기서, 상기 전극들은 기준전극(Reference electrode), 카운터전극(Counter electrode) 및 작업전극(Working electrode)이다.
또, 상기 유체 챔버(320)에는 상기 유체를 주입할 수 있는 주입구(미도시) 및 상기 유체가 배출되는 배출구(미도시)가 연결될 수 있고, 상기 주입구 및 배출구는 마이크로 유체 디바이스 내부 또는 전술된 상부 기판 및 하부 기판 중 하나에 형성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 제 1과 제 2 실시예에 적용된 오링 어셈블리(O-ring assembly) 구조를 설명하기 위한 개략적인 일부 단면도이고, 도 7은 본 발명의 제 1과 제 2 실시예에 적용된 플렉서블 패드 어셈블리(Flexible pad assembly) 구조를 설명하기 위한 개략적인 일부 단면도이다.
마이크로 유체 디바이스(300)에 마련된 에어 주입 통로는, 상기 마이크로 유체 디바이스(300)에 형성된 홈(311)과, 상기 홈(311)에 노출된 유체 챔버(320)로 구성된다.
이때, 상부 기판(200)에 형성된 에어 주입 통로는, 도 6과 같은 오링 어셈블리 구조로 구성된다.
즉, 상기 상부 기판(200)의 에어 주입 통로에는 상기 마이크로 유체 디바이스(300)에 형성된 홈(311)과 대향되는 홈(270a)이 형성되어 있고, 상기 홈(270)에는 외부의 에어 펌프(미도시)와 연결된 에어 주입관(510)이 위치되고, 상기 에어 주입관(510)의 외주면에는 코일 스프링(275)이 장착되고, 상기 에어 주입관(510)의 끝단의 외주면에는 지지부(290)와 오링(281)이 장착되어 있다.
상기 오링(281)은 상기 지지부(290)에 고정되어 있고, 상기 에어 주입관(510)의 끝단은 상기 오링(281)에 노출되어 있다.
그러므로, 상기 상부 기판(200)이 상기 마이크로 유체 디바이스(300)에 밀착되면, 상기 오링(281)은 상기 마이크로 유체 디바이스(300)의 홈(311)에 가압되어 상기 홈(311)을 폐색(閉塞)시킨다.
따라서, 상기 마이크로 유체 디바이스(300)의 홈(311)은 기밀(氣密)이 유지되어, 외부로부터 에어 유입을 차단 및 외부로 에어 유출을 방지할 수 있게 됨으로써, 외부의 에어 펌프에서 압축과 진공 동작을 수행하여 상기 마이크로 유체 디바이스(300) 내의 유체 챔버에 있는 유체의 이동을 정밀하게 제어시킬 수 있는 장점이 있다.
그리고, 다른 구조로 상부 기판(200)에 형성된 에어 주입 통로는, 도 7과 같은 플렉서블 패드 어셈블리 구조로 구성될 수 있다.
이러한 플렉서블 패드 어셈블리 구조는 상기 지지부(290)에 플렉서블 패드(282)가 고정되어 있고, 상기 에어 주입관(510)의 끝단은 상기 플렉서블 패드(282)에 노출되어 있는 것이다.
일례의 방법으로, 상기 상부 기판(200)에 홈(270a)을 형성하기 위하여, 상기 상부 기판(200)을 관통홀이 형성된 제 1 기판(270)과 접착된 제 2 기판(271)으로 구성할 수 있다.
또, 상기 에어 주입관(510)은 플렉서블 튜브(320)에 의해 에어 펌프와 연결될 수 있고, 상기 상부 기판(200) 외부의 에어 주입관(510) 영역의 외주면에는 상기 코일 스프링(275)의 탄성력을 제한하기 위한 스토퍼(Stopper)(520)가 장착될 수 있다.
도 8a와 도 8b는 본 발명의 제 1과 제 2 실시예에 적용된 오링 어셈블리 구조를 설명하기 위한 개략적인 일부 단면도이다.
도 8a와 같이, 상부 기판(200)과 하부 기판(미도시) 사이에 마이크로 유체 디바이스(300)가 주입된 상태에서, 전술된 클램프의 동작이 이루어지지 않으면, 상기 상부 기판(200)이 마이크로 유체 디바이스(300)에 밀착되지 않는다.
그러므로, 오링(281)은 상기 마이크로 유체 디바이스(300)의 홈(311)으로부터 이격된 위치에 놓여지게 된다.
그 후, 상기 클램프의 동작이 수행되면, 도 8b에 도시된 바와 같이, 상기 상부 기판(200)은 상기 마이크로 유체 디바이스(300)에 밀착되고, 상기 오링(281)은 상기 마이크로 유체 디바이스(300)의 홈(311)에 가압되어 상기 홈(311)을 폐색시키게 된다.
여기서, 도 8a의 상태에서 코일 스프링(275)의 길이(h1)보다 도 8b의 상태에서의 코일 스프링(275)의 길이(h2)가 더 짧아, 상기 오링(281)은 상기 마이크로 유체 디바이스(300)의 홈(311)에 강하게 밀착되어 기밀을 유지할 수 있는 것이다.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (7)

  1. 하부 기판;
    상기 하부 기판의 상측에 위치하고, 아랫면에 제1홈이 형성되고, 상기 제1홈의 내측에는 에어 주입관이 위치하는 상부 기판;
    상기 하부 기판과 상기 상부 기판의 사이에 위치하고, 윗면에 제2홈이 형성되고, 상기 제2홈의 아랫면에는 유체 챔버가 위치하는 유체 디바이스;
    상기 에어 주입관의 하단부에 위치하는 폐색부; 및
    상기 제1홈의 내측에서 상기 폐색부와 상기 제1홈 사이에 위치하는 제1탄성부재를 포함하고,
    상기 상부기판은 상기 유체 디바이스와 밀착하도록 이동하여 상기 에어 주입관과 상기 유체 챔버가 연결되고, 상기 폐색부는 상기 제2홈에 가압되어 상기 제2홈을 폐색시키는 마이크로 유체 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부 기판에 위치하는 클램프와 상기 하부 기판에 형성되어 있는 단턱을 포함하는 체결 수단을 더 포함하는 마이크로 유체 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 체결 수단은, 상기 클램프와 상기 상부 기판 사이에 위치하는 제2탄성부재를 더 포함하는 마이크로 유체 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부 기판에 위치하는 2 이상의 관통홀;
    2이상의 상기 관통홀 각각에 삽입되고, 상기 하부 기판에 고정된 2 이상의 가이드 포스트;
    상기 상부기판에 위치하고, 상기 가이드 포스트가 각각 삽입되어 있는 2 이상의 부시; 및
    상기 부시와 상기 가이드 포스트 사이에 개재되는 2 이상의 볼 베어링을 더 포함하는 마이크로 유체 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 폐색부의 상측에 위치하는 지지부를 더 포함하고,
    상기 제1탄성부재는 스프링으로, 상기 제1홈의 내측에서 상기 지지부의 상측 면과 상기 제1홈의 상측 면 사이에 위치하고,
    상기 에어 주입관은 외부의 에어 펌프와 연결되는 마이크로 유체 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 폐색부는, 오링 또는 플랙서블 패드인 마이크로 유체 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 유체 챔버는, 반응 영역을 더 포함하고,
    상기 반응 영역에는, 상기 유체 챔버에 채워진 유체와 반응하는 반응 유도 물질이 위치하고,
    상기 상부기판에는, 상기 반응 영역에서의 반응 정도를 전기 화학적으로 측정할 수 있는 전극 프로브 및 광학적으로 유체를 측정할 수 있는 투명 윈도우 중 적어도 하나가 형성되어 있는 마이크로 유체 시스템.
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