KR102001150B1 - 온도 제어 장치 및 이를 포함하는 pcr 장치 - Google Patents

Abstract

PCR 장치에 채용되는 온도 제어 장치 및 이를 포함하는 PCR 장치가 개시된다. 온도 제어 장치는, 방열기(heat radiator); 상기 방열기에 체결된 가이드부재; 상기 가이드부재에 형성된 홀에 삽입된 펠티어 소자; 및 복수의 포고핀들을 포함하고 상기 가이드부재의 홀에 삽입된 상기 펠티어 소자를 커버하는 포고블록을 포함한다. 이에 따라, 매트릭스 타입으로 포고핀들이 배치되므로 다양한 크기의 PCR 칩이 접촉되더라도 PCR 칩의 온도를 보다 효율적으로 제어할 수 있다.

Description

온도 제어 장치 및 이를 포함하는 PCR 장치{TEMPERATURE CONTROL APPARATUS AND PCR APPARATUS INCLUDING THE SAME}

본 발명은 온도 제어 장치 및 이를 포함하는 PCR 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 PCR 장치에 채용되는 온도 제어 장치 및 이를 포함하는 PCR 장치에 관한 것이다.

일반적으로 유전자 진단은 소량의 시료, 예를 들면, 체액, 혈액 또는 체세포에서 디옥시리보핵산(DEOXYRIBONUCLEIC ACID, 이하 "DNA"라 한다)을 추출한 후, DNA 검사를 실시하게 된다. 이때, 대부분 추출된 DNA는 양이 적고 순도가 낮은 상태이다.

유전자 진단의 정확도를 높이기 위하여, 시료로부터 추출된 DNA의 양을 증폭시키거나, 추출된 DNA의 염기서열 중 특정 부분만을 증폭시킬 필요가 있다. 예를 들면, 중합효소 연쇄반응(Polymerase Chain Reaction, 이하 "PCR"이라 한다)은 유전자 진단 기술을 구사하기 위하여 사전 준비 단계로서, 특정 DNA 및 DNA 내의 특정 염기서열만을 증폭시키는 기술로 알려져 있다.

즉, 이러한 PCR은 핵산을 포함하는 샘플 용액을 반복적으로 가열 및 냉각하여 핵산의 특정 염기 서열을 갖는 부위를 연쇄적으로 복제하여 그 특정 염기 서열 부위를 갖는 핵산을 기하급수적으로 증폭하는 기술로써, 생명과학, 유전공학 및 의료 분야 등에서 널리 사용되고 있다.

상기 PCR은 일반적으로 변성단계(Denaturation step), 결합단계(Annealing step), 신장단계(Extension step)를 통해 DNA 증폭이 달성된다. 상기 PCR은 PCR 장치에 의해 수행된다.

일반적인 PCR 장치는 하나의 온도 조절부를 이용하여 DNA 합성에 필요한 단계별 온도로 시료 샘플부의 온도를 조절한다. 하나의 온도조절부로 상기 시료 샘플부의 온도를 조절하므로, 상기 시료 샘플부의 온도를 상승하거나 하강하는데 시간이 지연되어 상기 PCR을 완료하기까지 많은 시간이 소요될 수 있다.

따라서, 보다 빠르게 시료 샘플부의 온도를 상승시키거나 하강시킬 필요가 요구된다.

한국공개특허 제2010-0117922호 (2010. 11. 04.)(PCR 장치) 한국공개특허 제2007-0005786호 (2007. 01. 10.)(프로브 카드 홀더를 냉각하는 장치를 구비한 검사 장비) 한국공개특허 제2012-0139206호 (2012. 12. 27.)(박막형 열 블록 및 박막형 PCR 칩을 포함하는 휴대용 실시간 PCR 장치)

이에 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에 착안한 것으로, 본 발명의 목적은 PCR 장치에 채용되어 시료 샘플부의 온도를 보다 빠르게 제어할 수 있는 온도 제어 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기한 온도 제어 장치를 포함하는 PCR 장치를 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위하여 일실시예에 따른 온도 제어 장치는, 방열기(heat radiator); 상기 방열기에 체결된 가이드부재; 상기 가이드부재에 형성된 홀에 삽입된 펠티어 소자; 및 복수의 포고핀들을 포함하고 상기 가이드부재의 홀에 삽입된 상기 펠티어 소자를 커버하는 포고블록을 포함한다.

일실시예에서, 상기 포고핀들은 쿨링이 요구되는 대상물에 접촉되도록 일정 높이로 돌출될 수 있다.

일실시예에서, 상기 포고핀들 각각의 일단부는 상기 펠티어 소자에 접촉하고, 상기 포고핀들 각각의 타단부는 쿨링이 요구되는 대상물에 접촉하는 타단부를 포함할 수 있다.

일실시예에서, 상기 포고핀들 각각의 일단부는 상기 펠티어 소자에 상시 접촉할 수 있다.

일실시예에서, 상기 포고핀들 각각의 일단부는 라운드질 수 있다.

일실시예에서, 상기 포고핀들 각각의 타단부는 평상시에는 팽창 상태를 유지하고, 상기 대상물이 가압되어 접촉됨에 따라 길이가 축소되는 축소 상태로 가변될 수 있다.

일실시예에서, 상기 포고핀들은 평면상에서 관찰할 때 매트릭스 타입으로 배열될 수 있다.

일실시예에서, 상기 가이드부재는 상기 펠티어 소자가 관통되도록 형성된 홀을 갖는 중심부와, 상기 중심부에서 방사상으로 연장된 복수의 분지부들을 포함할 수 있다.

일실시예에서, 상기 포고블록은 상기 펠티어 소자가 삽입된 상기 가이드부재의 중심부를 커버하도록 체결될 수 있다.

일실시예에서, 상기 방열기는, 도우넛 형상을 갖는 히트싱크; 및 상기 히트싱크에 의해 정의되는 내측 영역에 배치된 쿨링팬을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 펠티어 소자의 전류 흐름 방향과 상기 쿨링팬의 회전 방향에 따라 상기 포고블록은 쿨링모드를 수행할 수 있다.

일실시예에서, 상기 펠티어 소자에 제1 방향으로 전류가 흐르고 상기 쿨링팬이 회전하면 상기 포고핀부재는 쿨링모드로 동작하고, 상기 펠티어 소자에 제2 방향으로 전류가 흐르고 상기 쿨링팬의 동작이 정지되면 상기 포고핀부재는 히팅모드로 동작할 수 있다.

일실시예에서, 상기 히트싱크의 높이와 상기 쿨링팬의 높이는 실질적으로 동일할 수 있다.

일실시예에서, 상기 히트싱크에 형성된 골들의 형성 방향은 평면상에서 관찰할 때 반시계 방향이고, 상기 쿨링팬의 날개들의 배치 방향은 평면상에서 관찰할 때 시계방향일 수 있다.

상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위하여 일실시예에 따른 PCR 장치는, PCR 모듈; 및 상기 PCR 모듈에 접촉하여 상기 PCR 모듈의 온도를 높이거나 낮추는 온도 제어 장치를 포함하되, 상기 온도 제어 장치는 복수의 포고핀들을 통해 상기 PCR 모듈에 접촉한다.

일실시예에서, 상기 온도 제어 장치는, 방열기(heat radiator); 상기 방열기에 체결된 가이드부재; 상기 가이드부재에 형성된 홀에 삽입된 펠티어 소자; 및 복수의 포고핀들을 포함하고 상기 가이드부재의 홀에 삽입된 상기 펠티어 소자를 커버하는 포고블록을 포함할 수 있다.

일실시예에서, 상기 PCR 모듈은, PCB 기판; 및 상기 PCB 기판에 형성된 홀에 삽입되고, 방출되는 광을 수용하여 PCR 장치에서 수행되는 PCR 반응 산물을 측정하는 CMOS 이미지 센서를 포함하고, 상기 포고핀들은 상기 CMOS 이미지 센서에 접촉할 수 있다.

일실시예에서, 상기 PCR 모듈의 쿨링 모드에서 상기 포고핀은 상기 PCR 모듈에 접촉하고, 상기 PCR 모듈의 히팅 모드에서 상기 포고핀은 상기 PCR 모듈에서 이격될 수 있다.

이러한 온도 제어 장치 및 이를 포함하는 PCR 장치에 의하면, 매트릭스 타입으로 포고핀들이 배치되므로 다양한 크기의 PCR 칩이 접촉되더라도 PCR 칩의 온도를 보다 효율적으로 제어할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 온도 제어 장치를 설명하기 위한 전면사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 온도 제어 장치를 설명하기 위한 배면사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 온도 제어 장치를 설명하기 위한 평면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 온도 제어 장치를 설명하기 위한 측면도이다.
도 5는 도 1에 도시된 온도 제어 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 PCR 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 PCR 장치에 의한 PCR을 설명하기 위한 그래프이다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 온도 제어 장치(100)를 설명하기 위한 전면사시도이다. 도 2는 도 1에 도시된 온도 제어 장치(100)를 설명하기 위한 배면사시도이다. 도 3은 도 1에 도시된 온도 제어 장치(100)를 설명하기 위한 평면도이다. 도 4는 도 1에 도시된 온도 제어 장치(100)를 설명하기 위한 측면도이다. 도 5는 도 1에 도시된 온도 제어 장치(100)를 설명하기 위한 단면도이다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 온도 제어 장치(100)는 방열기(110), 가이드부재(120), 펠티어(peltier) 소자(130) 및 포고블록(140)을 포함하고, PCR 모듈과 같은 온도제어 대상물을 히팅 또는 쿨링 처리하여 온도제어 대상물의 온도를 제어한다. 본 실시예에서, 온도제어 대상물이 PCR 칩인 것을 일례로 설명하지만, 온도제어 대상물은 다양한 전자장치일 수 있다.

방열기(110)는 펠티어 소자(130)의 일면에 배치되고, 온도제어 대상물인 PCR 칩은 펠티어 소자(130)의 다른 일면에 배치된다. 즉 방열기(110)와 PCR 칩은 펠티어 소자(130)를 사이에 두고, 펠티어 소자(130)의 양면에 각각 긴밀한 접촉 상태로 배치된다. 이와 같은 긴밀 접촉 구조는 서로의 사이에서 효과적인 열전달을 가능하게 한다.

방열기(110)는 도우넛 형상을 갖는 히트싱크(112)와 히트싱크(112)에 의해 정의되는 내측 영역에 배치된 쿨링팬(114)을 포함할 수 있다. 히트싱크(112)는 펠티어 소자(130)의 일면에 긴밀하게 배치되어 펠티어 소자(130)와 직접 열전달 작용한다.

쿨링팬(114)은 히트싱크(112)에 장착되어 히트싱크(112) 주위에 기류를 형성하여 히트싱크(112)를 통하여 열 흡수 및 방출 작용을 도움으로써, 펠티어 소자(130)에 의한 PCR 칩의 보다 신속한 히팅 및 쿨링을 가능하게 한다.

펠티어 소자(130)의 전류 흐름 방향과 쿨링팬(114)의 회전 방향에 따라 포고블록(140)은 쿨링모드를 수행한다.

히트싱크(112)에는 평면상에서 관찰할 때 복수의 골들이 방사상으로 형성된다. 또한, 쿨링팬(114)은 평면상에서 관찰할 때 복수의 날개들이 방사상으로 배치된다. 히트싱크(112)에 형성된 골들의 형성 방향은 평면상에서 관찰할 때 반시계 방향이고, 쿨링팬(114)의 날개들의 배치 방향은 평면상에서 관찰할 때 시계 방향일 수 있다. 한편, 히트싱크(112)에 형성된 골들의 형성 방향은 평면상에서 관찰할 때 시계 방향이고, 쿨링팬(114)의 날개들의 배치 방향은 평면상에서 관찰할 때 반시계 방향일 수 있다.

히트싱크(112)의 높이와 쿨링팬(114)의 높이는 실질적으로 동일하다.

가이드부재(120)의 일면에는 방열기(110)가 배치되고, 가이드부재(120)의 타면에는 펠티어 소자(130) 및 포고블록(140)이 배치된다.

가이드부재(120)는 펠티어 소자(130)가 관통되도록 형성된 홀을 갖는 중심부와, 중심부에서 방사상으로 연장되어 쿨링팬(114)의 외곽을 넘어서는 길이로 연장된 복수의 분지부들을 포함하고, 방열기(110)에 체결된다. 본 실시예에서, 가이드부재(120)는 8개의 분지부들을 포함하는 것을 도시하였으나, 분지부들의 개수는 다양할 수 있다.

가이드부재(120)에는 펠티어 소자(130)에 제1 전원전압을 공급하는 제1 와이어가 지나가도록 형성된 제1 홈과 펠티어 소자(130)에 제2 전원전압을 공급하는 제2 와이어가 지나가도록 형성된 제2 홈이 형성된다.

펠티어 소자(130)는 열과 전기의 상호 작용으로 인한 각종 효과들을 이용할 수 있도록 구성된다. 예를 들면, 펠티어 소자(130)는 전류의 방향에 따라 열을 흡수 또는 방출하는 펠티어 효과를 이용할 수 있다.

펠티어 소자(130)에 제1 방향으로 전원전압이 공급되고 쿨링팬(114)이 제1 방향으로 회전하면 포고블록(140)은 쿨링모드로 동작한다. 한편, 펠티어 소자(130)에 제2 방향으로 전원전압이 공급되고 쿨링팬(114)이 제2 방향으로 회전하면 포고블록(140)은 히팅모드로 동작할 수도 있다. 즉, 펠티어 소자(130)의 구동으로 방열기(110)를 통하여 흡수되는 열은 온도제어 대상물(예를들어, PCR 칩)로 전달되어 PCR 칩을 신속하게 가열한다(히팅 모드). 또한 펠티어 소자(130)의 반대 구동으로 방열기(110)를 통하여 방출되는 열은 온도제어 대상물(예를들어, PCR 칩)로부터 흡수되어 PCR 칩을 신속하게 냉각한다(쿨링 모드).

한편, 온도제어 대상물의 히팅 동작의 경우 펠티어 소자(130)는 동작이 정지되고 온도제어 대상물의 쿨링 동작시 펠티어 소자(130)가 동작될 수도 있다.

펠티어 소자(130)는 n형 반도체소자와 p형 반도체소자로 내부를 구성하고, 그 양측면에는 접합금속판이 배치되어 구성되고, 가이드부재(120)에 형성된 홀에 삽입된다. 펠티어 소자(130)에 전원이 공급되면 양 접합금속판 중 일측면은 흡열반응이 발생되고, 타측면에는 흡열한 열을 방열하는 방열반응이 발생된다. 전류가 흐르는 방향을 바꾸면 전자 및 정공의 흐름도 바뀌어 양 접합금속판 중 타측면은 흡열반응이 발생되고, 일측면에는 흡열한 열을 방열하는 방열반응이 발생된다. 이러한 원리를 가진 펠티어 소자(130)의 흡열면에 열교환부를 형성하면 흡열면의 주위 기온을 냉각시킬 수 있고, 방열면에 열교환부를 형성하면 주위 기온을 상승시킬 수 있다. 펠티어 소자(130)의 면적이 클수록 쿨링력 또는 히팅력은 더욱 커질 수 있다.

펠티어 소자(130)에 제1 방향으로 전원전압이 공급되면 온도 제어 장치(100)는 히팅모드로 동작될 수 있고, 펠티어 소자(130)에 제2 방향으로 전원전압이 공급되면 온도 제어 장치(100)는 쿨링모드로 동작될 수 있다.

포고블록(140)은 사각 형상의 헤드 플레이트(142), 상기 헤드 플레이트(142)의 중앙 영역에 대응하여 돌출된 돌출 부재(144), 상기 돌출 부재(144)에 심어진 복수의 포고핀들(146)을 포함하고 가이드부재(120)의 홀에 삽입된 펠티어 소자(130)를 커버한다.

포고핀들(146)은 쿨링이 요구되는 PCR 칩에 접촉되도록 일정 높이로 돌출된다. 포고핀들(146)은 평면상에서 관찰할 때 매트릭스 타입으로 배열되고, 측면상에서 관찰할 때 동일한 높이를 갖도록 배열된다.

포고핀들(146) 각각의 일단부는 펠티어 소자(130)에 접촉하고, 포고핀들(146) 각각의 타단부는 쿨링이 요구되는 PCR 칩에 접촉하는 타단부를 포함한다.

포고핀들(146) 각각의 일단부는 펠티어 소자(130)에 상시 접촉한다. 포고핀들(146) 각각의 일단부는 라운드질 수 있다. 이에 따라 포고핀들(146) 각각에 접촉하는 PCR 칩의 표면이 손상되는 것을 방지할 수 있다.

포고핀들(146) 각각의 타단부는 평상시에는 팽창 상태를 유지하고, PCR 칩이 가압되어 접촉됨에 따라 길이가 축소되는 축소 상태로 가변된다.

예를들어, 포고핀들(146) 각각의 구성은, 포고핀 본체로 사용되며 내부가 비어있는 원통형 형태를 가지는 배럴과, 상기 배럴의 상측에 형성되는 접촉팁과, 상기 배럴 내부에서 상기 접촉팁과 연결되어 수축과 팽창 운동을 하는 스프링 및 상기 접촉팁과 연결된 스프링 반대편에 연결되어 PCR 칩과의 접촉에 따라 상하운동을 수행하는 접촉핀으로 구성될 수 있다. 이때, 상기 스프링은 수축 및 팽창을 하면서 접촉핀과 접촉팁에 전달되는 기계적인 충격을 흡수한다.

본 실시예에서, 포고핀들(146) 각각은 PCR 칩에 접촉하는 역할, 접촉확률을 극대화하는 역할, PCR 칩에서 발생된 열을 타측으로 전달하는 역할 등을 수행한다.

이상에서 설명된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 매트릭스 타입으로 포고핀들(146)이 배치되므로 다양한 크기의 PCR 칩이 접촉되더라도 PCR 칩의 온도를 보다 효율적으로 제어할 수 있다.

즉, 매트릭스 타입으로 포고핀들(146)이 배치되므로, 매트릭스의 최대 크기보다 작은 크기를 갖는 다양한 PCR칩이 배치되더라도 포고핀들(146)은 해당 PCR칩에 접촉된다. 따라서, 포고핀들(146)에 의해 접촉률을 높여 쿨링 효과 또는 히팅 효과를 극대화할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 PCR 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 PCR 장치는 PCR 모듈(200) 및 PCR 모듈(200)을 히팅하거나 쿨링하도록 배치된 온도 제어 장치(100)를 포함한다.

PCR 모듈(200)은 PCB 기판(210), CMOS 이미지 센서(220), 컬러필터(230), 웰부재(240), 갭필러부(250), 더미 PCB 기판(260), 멤브레인 스위치(270) 및 투명 커버(280)를 포함한다.

PCB 기판(210)에는 CMOS 이미지 센서(220), 컬러필터(230), 웰부재(240), 갭필러부(250)의 배치를 위해 홀이 형성된다.

CMOS 이미지 센서(220)는 PCB 기판(210)에 형성된 홀에 삽입되고, 방출되는 광을 수용하여 PCR 장치에서 수행되는 PCR 반응 산물을 측정한다. 즉, CMOS 이미지 센서(220)는 여기 광선에 의하여 다수의 프로브에서 발생하는 형광(emission light)을 검출한다.

컬러필터(230)는 CMOS 이미지 센서(220) 위 및 웰부재(240)의 아래에 배치되고, 미리 결정된 파장을 갖는 광을 선택한다. PCR 모듈(200)은 웰부재(240)의 프로브를 향해 여기 광선(excitation light)을 조사하도록 배치된 광 제공부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 광 제공부는 LED(Light Emitting Diode) 광원, 레이저 광원 등과 같이 광을 방출하는 광원을 포함할 수 있다. 광원으로부터 방출된 광은 웰부재(240)의 챔버를 통과하거나 반사하고, 이 경우 핵산 증폭에 의해 발생하는 광신호를 CMOS 이미지 센서(220)가 검출할 수 있다.

웰부재(240)는 컬러필터(230) 위에 배치되고, 표적 샘플이 수용된 복수의 챔버들을 포함한다. 웰부재(240)는 온도 제어 장치(100)로부터 열을 공급받아 표적 샘플 내에 존재하는 핵산이 증폭하여 PCR이 수행되는 부재이다. 상기 표적 샘플은 액체 형태의 용액일 수 있다. 상기 표적 샘플은 핵산, 예를 들어 이중 가닥 DNA, 증폭하고자 하는 특정 염기 서열과 상보적인 서열을 갖는 올리고뉴클레오티드 프라이머, DNA 중합효소, 삼인산화데옥시리보뉴클레오티드(deoxyribonucleotide triphosphates, dNTP), PCR 반응 완충액(PCR reaction buffer)를 포함할 수 있다.

갭필러부(250)는 외부에서 투입되는 시약이 원활하게 웰부재(240)에 형성된 웰들에 제공되도록 일정 높이를 갖고서 CMOS 이미지 센서(220), 컬러필터(230) 및 웰부재(240)를 둘러싸도록 배치된다.

더미 PCB 기판(260)은 갭필러부(250)의 높이에 상응한 두께를 갖고서 PCB 기판(210) 위에 배치된다.

멤브레인 스위치(270)는 더미 PCB 기판(260), 갭 필러부, 웰부재(240)를 덮도록 배치된다. 멤브레인 스위치(270)는 웰부재(240)에 대응하여 웰부재(240)를 향해 돌출된 돌출부를 포함한다.

투명 커버(280)는 멤브레인 스위치(270)를 덮도록 배치된다. 투명 커버(280)는 멤브레인 스위치(270)에 대응하여 일정 영역이 제거되어 정의되는 에어 챔버를 포함한다. 에어 챔버에 에어를 공급하거나 유출될 수 있도록 투명 커버(280)에는 에어의 통로로서 역할을 수행하는 에어 인렛이 형성된다. 투명 커버(280), 멤브레인 스위치(270), 더미 PCB 기판(260) 및 PCB 기판(210)은 별도의 체결부재에 의해 체결될 수 있다.

또한, 투명 커버(280)의 일부 영역 및 멤브레인 스위치(270)의 일부 영역에는 샘플이 외부에서 공급될 수 있도록 샘플 인렛이 형성되고, 투명 커버(280)의 다른 일부 영역 및 멤브레인 스위치(270)의 다른 일부 영역에는 샘플이 외부로 유출될 수 있도록 샘플 아웃렛이 형성된다.

온도 제어 장치(100)는 복수의 포고핀들을 통해 상기 PCR 칩에 접촉하여 상기 PCR 칩의 온도를 낮추는 역할을 수행한다. 온도 제어 장치(100)는 도 1 내지 도 5에서 설명된 바 있으므로 상세한 설명은 생략한다.

본 실시예에서, 온도 제어 장치(100)는 PCR 장치에 채용되는 것을 일례로 설명하였으나, 반도체 디바이스와 같이 다양한 전자장치에 채용될 수도 있다.

도 7은 도 6에 도시된 PCR 장치에 의한 PCR을 설명하기 위한 그래프이다.

도 7을 참조하면, 온도 제어 장치는 PCR 모듈을 히팅하거나 쿨링하는 과정을 통해 특정 염기 서열을 갖는 DNA를 기하급수적으로 증폭할 수 있다.

먼저, 이중 가닥의 DNA를 포함하는 샘플 용액은 특정 온도, 예를 들어 약 95℃로 가열되어 상기 이중 가닥의 DNA는 단일 가닥의 DNA로 분리된다(즉, 변성 단계(denaturing step)). 이때 본 발명에 따른 온도 제어 장치는 정지상태를 유지한다. 상기한 가열 동작은 별도의 히터에 의해 이루어질 수 있다.

상기 변성 단계 이후 상기 샘플 용액에 증폭하고자 하는 특정 염기 서열과 상보적인 서열을 갖는 올리고뉴클레오티드(oligonucleotide) 프라이머가 제공된 후, 상기 분리된 단일 가닥의 DNA와 올리고뉴클레이티드 프라이머는 온도 제어 장치에 의해 특정 온도, 예를 들어 55℃로 쿨링된다. 이에 따라, 상기 단일 가닥의 DNA의 특정 염기 서열에 상기 프라이머가 결합되어 부분적인 DNA-프라이머 복합체가 형성된다(즉, 어닐링 단계(annealing step)). 이때 본 발명에 따른 온도 제어 장치는 활성화되어 포고핀을 통해 PCR 모듈에 직접적으로 접촉하여 쿨링 동작을 수행한다.

상기 어닐링 단계 이후 상기 샘플 용액은 DNA 중합효소의 활성온도, 예를 들어 72℃로 유지된다. 이에 따라, DNA 중합효소(polymerase)에 의해 상기 부분적인 DNA-프라이머 복합체의 프라이머를 기초로 이중 가닥의 DNA가 형성된다(즉, 연장 단계(extension step)(또는 증폭 단계)). 이때 본 발명에 따른 온도 제어 장치는 정지상태를 유지한다. 상기한 유지 동작은 별도의 히터에 의해 이루어질 수 있다.

이러한 변성 단계, 어닐링 단계 및 연장 단계는 수차례 반복됨으로써 상기 특정 염기 서열을 갖는 DNA는 기하급수적으로 증폭될 수 있다.

이상에서 설명된 바와 같이, 본 발명에 따르면 PCR 모듈에서 PCR의 각 순환 단계가 진행되는 동안, 특히 PCR 모듈의 쿨링 동작이 수행되는 동안 온도 제어 장치의 포고핀을 통한 접촉 방식으로 수행하므로써 보다 빠르고 효과적으로 PCR 모듈을 쿨링 처리할 수 있다.

이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100 : 온도 제어 장치 110 : 방열기
112 : 히트싱크 114 : 쿨링팬
120 : 가이드부재 130 : 펠티어 소자
140 : 포고블록 142 : 헤드 플레이트
144 : 돌출 부재 146 : 포고핀들
210 : PCB 기판 220 : CMOS 이미지 센서
230 : 컬러필터 240 : 웰부재
250 : 갭필러부 260 : 더미 PCB 기판
270 : 멤브레인 스위치 280 : 투명 커버

Claims (17)

1. 방열기(heat radiator);
   상기 방열기에 체결된 가이드부재;
   상기 가이드부재에 형성된 홀에 삽입된 펠티어 소자; 및
   복수의 포고핀들을 포함하고 상기 가이드부재의 홀에 삽입된 상기 펠티어 소자를 커버하는 포고블록을 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 제어 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 포고핀들은 쿨링이 요구되는 대상물에 접촉되도록 일정 높이로 돌출된 것을 특징으로 하는 온도 제어 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 포고핀들 각각의 일단부는 상기 펠티어 소자에 접촉하고, 상기 포고핀들 각각의 타단부는 쿨링이 요구되는 대상물에 접촉하는 타단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 제어 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 포고핀들 각각의 일단부는 상기 펠티어 소자에 상시 접촉하는 것을 특징으로 하는 온도 제어 장치.
5. 제3항에 있어서, 상기 포고핀들 각각의 일단부는 라운드진 것을 특징으로 하는 온도 제어 장치.
6. 제3항에 있어서, 상기 포고핀들 각각의 타단부는 평상시에는 팽창 상태를 유지하고, 상기 대상물이 가압되어 접촉됨에 따라 길이가 축소되는 축소 상태로 가변되는 것을 특징으로 하는 온도 제어 장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 포고핀들은 평면상에서 관찰할 때 매트릭스 타입으로 배열된 것을 특징으로 하는 온도 제어 장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 가이드부재는 상기 펠티어 소자가 관통되도록 형성된 홀을 갖는 중심부와, 상기 중심부에서 방사상으로 연장된 복수의 분지부들을 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 제어 장치.
9. 제8항에 있어서, 상기 포고블록은 상기 펠티어 소자가 삽입된 상기 가이드부재의 중심부를 커버하도록 체결된 것을 특징으로 하는 온도 제어 장치.
10. 제1항에 있어서, 상기 방열기는,
    도우넛 형상을 갖는 히트싱크; 및
    상기 히트싱크에 의해 정의되는 내측 영역에 배치된 쿨링팬을 포함하되,
    상기 펠티어 소자의 전류 흐름 방향과 상기 쿨링팬의 회전 방향에 따라 상기 포고블록은 쿨링모드를 수행하는 것을 특징으로 하는 온도 제어 장치.
11. 제10항에 있어서,
    상기 펠티어 소자에 제1 방향으로 전류가 흐르고 상기 쿨링팬이 회전하면 상기 포고핀부재는 쿨링모드로 동작하고,
    상기 펠티어 소자에 제2 방향으로 전류가 흐르고 상기 쿨링팬의 동작이 정지되면 상기 포고핀부재는 히팅모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 온도 제어 장치.
12. 제10항에 있어서, 상기 히트싱크의 높이와 상기 쿨링팬의 높이는 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 온도 제어 장치.
13. 제10항에 있어서, 상기 히트싱크에 형성된 골들의 형성 방향은 평면상에서 관찰할 때 반시계 방향이고, 상기 쿨링팬의 날개들의 배치 방향은 평면상에서 관찰할 때 시계방향인 것을 특징으로 하는 온도 제어 장치.
14. PCR 모듈; 및
    상기 PCR 모듈에 접촉하여 상기 PCR 모듈의 온도를 높이거나 낮추는 온도 제어 장치를 포함하되,
    상기 온도 제어 장치는 복수의 포고핀들을 통해 상기 PCR 모듈에 접촉하는 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
15. 제14항에 있어서, 상기 온도 제어 장치는,
    방열기(heat radiator);
    상기 방열기에 체결된 가이드부재;
    상기 가이드부재에 형성된 홀에 삽입된 펠티어 소자; 및
    복수의 포고핀들을 포함하고 상기 가이드부재의 홀에 삽입된 상기 펠티어 소자를 커버하는 포고블록을 포함하는 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
16. 제14항에 있어서, 상기 PCR 모듈은,
    PCB 기판; 및
    상기 PCB 기판에 형성된 홀에 삽입되고, 방출되는 광을 수용하여 PCR 장치에서 수행되는 PCR 반응 산물을 측정하는 CMOS 이미지 센서를 포함하고,
    상기 포고핀들은 상기 CMOS 이미지 센서에 접촉하는 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
17. 제14항에 있어서, 상기 PCR 모듈의 쿨링 모드에서 상기 포고핀은 상기 PCR 모듈에 접촉하고,
    상기 PCR 모듈의 히팅 모드에서 상기 포고핀은 상기 PCR 모듈에서 이격되는 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
    

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