KR102070330B1 - 기포 형성 감소를 위한 기술 및 액적 작동기 설계 - Google Patents

기포 형성 감소를 위한 기술 및 액적 작동기 설계 Download PDF

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어드밴스드 리퀴드 로직, 아이엔씨.
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Abstract

액적 작동기에서 액적 작업 중, 기포가 종종 액적 작업에서 충전제 유체에서 형성되어 액적 작업을 중단한다. 본 발명은, 액적 작업 갭에서 액적 상에 다중 액적 작업을 실행하면서, 그리고/또는 다중 액적 작업 중 액적 작업에서 전기 전하의 축적을 감소시키면서, 액적과 전기 접지 사이에 실질적으로 일관된 접촉을 유지하는 것을 포함하는 액적 작동기에서 액적 상에 액적 작업을 수행하기 위한 방법 및 시스템을 제공한다. 이 방법 및 시스템은 액적 작업 갭의 충전제 유체에서 기포 형성을 감소 또는 제거하며, 이에 의해 액적 작업에서 충전제 유체 내의 기포 형성에 의한 중단 없이 다중 액적 작업의 완료를 허용한다.

Description

기포 형성 감소를 위한 기술 및 액적 작동기 설계 {TECHNIQUES AND DROPLET ACTUATOR DESIGNS FOR REDUCING BUBBLE FORMATION}
1. 관련 출원
각각이 인용에 의해 본원에 포함된, 본원에 인용된 특허 출원 이외에, 본 특허 출원은 2012년 6월 27일자로 출원된 발명의 명칭이 "Methods of Providing a Reliable Ground Connection to Droplets in a Droplet Actuator and Thereby Reduce or Eliminate Air Bubble Formation"인 미국 가특허 출원 제 61/664,980호; 2012년 6월 29일자로 출원된 발명의 명칭이 "Reduction of Bubble Formation in a Droplet Actuator"인 미국 가특허 출원 제 61/666,417호; 및 2012년 9월 1일자로 출원된 발명의 명칭이 "Techniques and Droplet Actuator Designs for Reducing Bubble Formation"인 미국 가특허 출원 제 61/678,263호와 관련되며, 이들을 우선권으로 주장하고, 이들의 전체 개시 내용은 인용에 의해 본원에 포함된다.
2. 발명의 기술 분야
본 발명은 액적 작동기의 기포 형성 감소 또는 제거를 위한 방법 및 시스템에 관한 것이며, 이에 의해 기포 형성에 의한 중단 없이 다중 액적 작업의 완료를 허용한다.
3. 발명의 배경 기술
액적 작동기는 통상적으로 액적 작업(droplet operations)을 수행하기 위한 표면 또는 갭(gap)을 형성하도록 구성된 하나 또는 그 초과의 기판들을 포함한다. 하나 또는 그 초과의 기판은 액적 작업을 수행하기 위한 액적 작업 표면 또는 갭을 확립시키며, 또한 액적 작업을 수행하도록 배열된 전극을 포함할 수 있다. 액적 작업 기판 또는 기판 사이의 갭에는 액적을 형성하는 액체와 비혼화성인(immiscible) 충전제 유체가 코팅되거나 충전될 수 있다. 액적 작동기의 충전제 유체에서의 기포 형성은, 액적 작동기의 기능을 방해할 수 있다. 액적 작동기의 충전제 유체에서 원치않는 기포들을 형성하는 것을 방지하기 위한 기술들이 필요하다.
4. 본 발명의 간단한 설명
액적 작동기에서 액적 상에 액적 작업을 수행하는 방법이 제공되며, 상기 방법은, a) 액적 작업 갭을 형성하기 위해서 분리된 상부 기판 및 저부 기판을 포함하는 액적 작동기를 제공하는 단계-상기 액적 작동기는 그 상에 액적 작업을 실행하기 위해 배열된 액적 작업 전극의 배열체를 더 포함함-; b) 상기 액적 작동기의 액적 작업 갭을 충전제 유체로 충전하는 단계; c) 상기 액적 작업 갭에 액적을 제공하는 단계; d) 상기 액적 작업 갭에서 액적 상에 다중 액적 작업을 실행하는 단계-상기 액적은 액적 작업 갭에서 충전제 유체를 통해 이송됨-; 및 e) 상기 액적 작업 갭에서 액적 상에 다중 액적 작업을 실행하면서 액적과 전기 접지 사이에 실질적으로 일관된 접촉을 유지하는 단계를 포함하며; 상기 액적과 전기 접지 사이의 실질적으로 일관된 접촉은, 액적 작업 갭에서 충전제 유체의 기포 형성에 의한 중단 없이 다중 액적 작업의 완료를 허용한다. 소정의 실시예에서, 상기 방법은, 상기 액적 작업 갭에서 액적을 가열하는 단계, 특히 상기 액적 작업 갭에서 액적을 비등점의 60% 이상으로 가열하는 단계를 더 포함한다. 다른 실시예에서, 액적은 75℃의 최소 온도로 가열된다. 다른 실시예에서, 액적은 비등점의 20℃ 내로 가열된다. 소정의 실시예에서, 액적 작업 갭에서 충전제 유체 내의 기포 형성(bubble formation)에 의한 중단 없이 다중 액적 작업을 실행하는 단계는, 10 이상, 100 이상, 1,000 이상 또는 100,000 이상의 액적 작업을 실행하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 액적 작업 갭에서 충전제 유체 내의 기포 형성에 의한 중단 없이 다중 액적 작업을 실행하는 단계는, 분석(assay)을 완료하는 단계 또는 중합효소 연쇄 반응(polymerase chain reaction)의 다중 사이클을 완료하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 액적은 액적 작업 갭에서 다중 액적을 포함하고, 액적 작업 갭에서 다중 액적 상에 다중 액적 작업을 실행하면서, 다중 액적과 전기 접지 사이에 실질적으로 일관된 접촉이 유지된다. 다른 실시예에서, 충전제 유체는 전기 전도성 충전제 유체이다.
다른 실시예에서, 액적 작업 갭에서 액적 상에 다중 액적 작업을 실행하면서, 액적과 상부 기판 사이에 실질적으로 일관된 접촉을 유지하는 단계는, 전기 접지에 액적 작동기의 상부 기판을 접지하는 단계 및 액적과 상부 기판 사이에 실질적으로 일관된 접촉을 유지하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 액적 작업 갭에서 액적 상에 다중 액적 작업을 실행하면서, 액적과 상부 기판 사이에 실질적으로 일관된 접촉을 유지하는 단계는, 상부 기판의 표면을 텍스쳐링하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 액적 작업 갭에서 액적 상에 다중 액적 작업을 실행하면서, 액적과 상부 기판 사이에 실질적으로 일관된 접촉을 유지하는 단계는, 액적 작업 갭의 높이를 조절하는 단계, 특히 액적 작업 갭의 높이를 감소시키는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 액적 작업 갭의 높이는 스프링에 의해 조절될 수 있다. 소정의 실시예에서, 액적 작업 갭에서 액적 상에 다중 액적 작업을 실행하면서, 액적과 상부 기판 사이에 실질적으로 일관된 접촉을 유지하는 단계는, 액적을 향하여 전기 접지를 이동시키는 단계를 포함한다. 소정의 실시예에서, 액적 작업 갭에서 액적 상에 다중 액적 작업을 실행하면서, 액적과 상부 기판 사이에 실질적으로 일관된 접촉을 유지하는 단계는, 액적을 다른 액적에 융합하는(merging) 단계를 포함한다.
소정의 실시예에서, 액적 작동기에서 액적 상에 액적 작업을 실행하는 방법은, i) 액적 작업 갭의 존에서 액적을 가열하는 단계; 및 ii) 상기 액적 작업 갭에서 액적 상에 다중 액적 작업을 실행하면서, 액적과 전기 접지 사이에 실질적으로 일관된 접촉을 유지하도록 상기 존에 액적 작업 전극에 대해 공면인(coplanar) 전기 접지를 배열하는 단계를 더 포함한다.
다른 실시예에서, 액적 작업 전극은 저부 기판 및/또는 상부 기판 중 하나 또는 양자 모두 상에 배열된다. 다른 실시예에서, 액적 작업 갭에서 액적 상에 다중 액적 작업을 실행하면서, 액적과 상부 기판 사이에 실질적으로 일관된 접촉을 유지하는 단계는, 중첩 배열체, 서로맞물린 배열체, 또는 삼각형 배열체를 포함하는, 다양한 배열체에서 액적 작업 전극을 제공하는 단계를 포함한다.
소정의 실시예에서, 액적 작동기에서 액적 상에 액적 작업을 수행하는 방법은, i) 액적 작업 채널을 형성하기 위해서 측벽과 대향 측벽에 의해 액적 작업 갭을 구획하는(bounding) 단계; ii) 상기 측벽 상에 액적 작업 전극을 배열하는 단계; iii) 상기 대향 측벽을 따라 하나 또는 그 초과의 접지 전극을 배열하는 단계; 및 iv) 상기 하나 또는 그 초과의 접지 전극을 전기 접지에 연결하는 단계를 포함하고; 상기 액적 작업 갭에서 액적 상에 다중 액적 작업을 실행하면서, 전기 접지와의 실질적으로 일관된 접촉이 중력에 의해 영향을 받지 않는다. 일부 실시예에서, 상기 측벽은 제 1 레일을 포함하고 대향 측벽은 제 2 레일을 포함하며, 상기 제 1 레일 및 제 2 레일은 서로 평행하게 배열된 세장형(enlogated) 3차원(3D) 구조이다. 이 방법은 상기 액적 작업 전극의 위치 및 하나 또는 그 초과의 접지 전극의 위치를 오프셋하는 단계(offsetting)를 더 포함할 수 있다. 이 방법은 상기 하나 또는 그 초과의 접지 전극이 연속 스트립(continuous strip)인 것을 또한 포함할 수 있다. 이 방법은 상기 액적 작업 전극 각각을 하나 또는 그 초과의 접지 전극 각각에 대해 대향하게 배열하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 액적 작동기에서 액적 상에 액적 작업을 수행하는 방법은 i) 액적 작업 채널을 형성하기 위해서 측벽과 대향 측벽에 의해 액적 작업 갭을 구획하는(bounding) 단계; ii) 상기 측벽 상에 액적 작업 전극을 배열하는 단계; iii) 상기 저부 기판을 따라 하나 또는 그 초과의 접지 전극을 배열하는 단계; 및 iv) 상기 하나 또는 그 초과의 접지 전극을 전기 접지에 연결하는 단계를 포함하고; 상기 액적 작업 갭에서 액적 상에 다중 액적 작업을 실행하면서, 전기 접지와의 실질적으로 일관된 접촉이 중력에 의해 영향을 받지 않는다. 일부 실시예에서, 상기 측벽은 제 1 레일을 포함하고 대향 측벽은 제 2 레일을 포함하며, 상기 제 1 레일 및 제 2 레일은 서로 평행하게 배열된 세장형 3차원(3D) 구조이다.
소정의 실시예에서, 액적 작동기에서 액적 상에 액적 작업을 수행하는 방법은, i) 비활성 전극으로부터 활성 전극으로 액적을 이송하기 위해서 전압을 인가하는 단계; 및 ii) 상기 액적이 활성 전극으로 이송됨에 따라 액적 작업 갭에서 전기 전하(electrical charge)를 감소시키는 단계를 더 포함하고; 상기 액적 작업 갭에서 충전제 유체의 기포 형성은 감소되거나 제거된다. 다른 실시예에서, 이 방법은 상기 액적 작업 갭에서 액적을 가열하는 단계를 더 포함한다. 소정의 실시예에서, 전기 전하는 액적 작업 갭의 높이를 조절하고, 특히 액적 작업 갭의 높이를 감소시키거나 상부 기판의 표면을 텍스쳐링함으로써 감소될 수 있다.
다른 실시예에서, 액적 작동기에서 액적 상에 액적 작업을 수행하는 방법은, i) 비활성 전극으로부터 활성 전극으로 액적을 이송하기 위해서 전압을 인가하는 단계; 및 ii) 상기 액적이 활성 전극으로 이송됨에 따라 전기 전하(electrical charge)의 배출을 감소시키는 단계를 더 포함하고; 상기 액적 작업 갭에서 충전제 유체의 기포 형성은 감소되거나 제거된다. 다른 실시예에서, 이 방법은 상기 액적 작업 갭에서 액적을 가열하는 단계를 더 포함한다. 소정의 실시예에서, 전기 전하의 배출은 액적 작업 갭의 높이를 조절하고, 특히 액적 작업 갭의 높이를 감소시키거나 상부 기판의 표면을 텍스쳐링함으로써 감소될 수 있다.
소정의 실시예에서, 액적 작동기에서 액적 상에 액적 작업을 수행하는 방법은, a) 액적 작업 갭을 형성하기 위해서 분리된 상부 기판 및 저부 기판을 포함하는 액적 작동기를 제공하는 단계-상기 액적 작동기는 그 상에 액적 작업을 실행하기 위해 배열된 액적 작업 전극의 배열체를 더 포함함-; b) 상기 액적 작동기의 액적 작업 갭을 충전제 유체로 충전하는 단계; c) 상기 액적 작업 갭에 액적을 제공하는 단계; d) 가열된 액적을 발생시키기 위해서 비등점의 20℃ 내로 액적을 가열하는 단계; e) 상기 액적 작업 갭에서 상기 가열된 액적 상에 다중 액적 작업을 실행하는 단계-상기 가열된 액적은 액적 작업 갭에서 충전제 유체를 통해 이송됨-; 및 f) 상기 가열된 액적이 액적 작업 갭에서 충전제 유체를 통해 이송됨에 따라 액적 작업 갭에서 전기 전하의 축적을 감소시키는 단계를 포함하며; 상기 액적 작업 갭에서의 전기 전하의 감소된 축적은, 액적 작업 갭에서 충전제 유체의 기포 형성에 의한 중단 없이 다중 액적 작업의 완료를 허용한다.
액적 작동기에서 액적 상에 액적 작업을 수행하는 시스템이 또한 제공된다. 일부 실시예에서, 이 시스템은 코드를 실행하는 프로세서 및 상기 프로세서와 통신하는 메모리를 포함하며, 상기 시스템은, 상기 프로세서가 적어도, a) 액적 작동기의 액적 작업 갭에 액적을 제공하고-상기 액적 작동기는 액적 작업 갭을 형성하도록 분리된 상부 기판 및 저부 기판을 포함하고, 상기 액적 작동기는 그 상에 액적 작업을 실행하기 위해 배열된 액적 작업 전극의 배열체를 더 포함함-; b) 상기 액적 작동기의 액적 작업 갭을 충전제 유체로 충전하며; c) 가열된 액적을 발생시키기 위해서 비등점의 20℃ 내로 액적 작업 갭의 존에서 액적을 가열하고; d) 상기 액적 작업 갭의 존에서 가열된 액적 상에 다중 액적 작업을 실행하며-상기 가열된 액적은 액적 작업 갭의 존에서 충전제 유체를 통해 이송됨-; 그리고 e) 상기 액적 작업 갭의 존에서 가열된 액적 상에 다중 액적 작업을 실행하면서, 가열된 액적과 전기 접지 사이에 실질적으로 일관된 접촉을 유지하는 것을, 유발하는 메모리 내에 저장된 코드를 포함하며, 상기 가열된 액적과 전기 접지 사이의 실질적으로 일관된 접촉은, 액적 작업 갭의 존에서 충전제 유체의 기포 형성에 의한 중단 없이 다중 액적 작업의 완료를 허용한다. 일부 실시예에서, 프로세서가 액적 작업 갭의 존에서 충전제 유체 내의 기포 형성에 의한 중단 없이 다중 액적 작업을 실행하도록 유발하는 코드는, 10 이상, 100 이상, 1,000 이상 또는 100,000 이상의 액적 작업을 실행하는 단계를 포함한다. 추가의 실시예에서, 이 코드는 프로세서가 액적 작업 갭의 존에서 충전제 유체 내의 기포 형성에 의한 중단 없이, 분석을 완료하고 또는 중합효소 연쇄 반응의 다중 사이클을 완료하는 것을 추가로 유발한다.
액적 작동기에서 액적 상에 액적 작업을 수행하는 시스템의 소정의 실시예에서, 이 코드는, 프로세서가 전기 접지에 액적 작동기의 상부 기판을 접지하는 것을 더 유발하고, 상기 가열된 액적과 전기 접지 사이에서 실질적으로 일관된 접촉을 유지하는 것은, 상기 액적 작업 갭의 존에서 가열된 액적 상에 다중 액적 작업을 실행하면서, 가열된 액적과 상부 기판 사이에 실질적으로 일관된 접촉을 유지하기 위한 수단을 포함한다. 일부 실시예에서, 가열된 액적과 전기 접지 사이에서 실질적으로 일관된 접촉을 유지하는 것은, 갭의 높이를 조절하기 위한 수단, 특히 갭의 높이를 감소시키기 위한 수단을 포함한다. 일부 실시예에서, 액적 작업 갭의 높이를 조절하기 위한 수단은 스프링을 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 가열된 액적과 전기 접지 사이에서 실질적으로 일관된 접촉을 유지하는 것은, 액적 작업 갭의 상부 기판의 표면을 텍스쳐링하기 위한 수단을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 가열된 액적과 전기 접지 사이에서 실질적으로 일관된 접촉을 유지하는 것은, 액적을 향해 전기 접지를 이동시키기 위한 수단을 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 가열된 액적과 전기 접지 사이에서 실질적으로 일관된 접촉을 유지하는 것은, 존에서 액적 작업 전극과 공면에 전기 접지를 배열하기 위한 수단을 포함한다. 소정의 실시예에서, 상기 가열된 액적과 전기 접지 사이에서 실질적으로 일관된 접촉을 유지하는 것은, 액적을 다른 액적에 융합하기 위한 수단을 포함한다.
액적 작동기에서 액적 상에 액적 작업을 수행하는 시스템의 다른 실시예에서, 상기 액적 작업 전극은 저부 기판 및/또는 상부 기판 중 하나 또는 양자 모두 상에 배열된다. 시스템의 다른 실시예에서, 액적 작업 갭의 존에서 가열된 액적 상에 다중 액적 작업을 실행하면서, 가열된 액적과 전기 접지 사이에 실질적으로 일관된 접촉을 유지하는 것은, 중첩 배열체, 상호맞물린 배열체 또는 삼각형 배열체를 포함하는 다양한 배열체에서 액적 작업 전극을 제공한다. 소정의 실시예에서, 가열된 액적과 전기 접지 사이에서 실질적으로 일관된 접촉을 유지하는 것은, 인접한 액적 작업 전극 사이 간격을 감소시키기 위한 수단을 포함한다.
시스템을 다른 실시예에서, 상기 가열된 액적과 전기 접지 사이에서 실질적으로 일관된 접촉을 유지하는 것은: i) 액적 작업 채널을 형성하기 위해서 측벽과 대향 측벽에 의해 액적 작업 갭을 구획하고; ii) 상기 측벽 상에 액적 작업 전극을 배열하며; iii) 상기 대향 측벽을 따라 하나 또는 그 초과의 접지 전극을 배열하고; 그리고 iv) 상기 하나 또는 그 초과의 접지 전극을 전기 접지에 연결하기 위한 수단을 포함하며; 상기 액적 작업 갭에서 액적 상에 다중 액적 작업을 실행하면서, 전기 접지와의 실질적으로 일관된 접촉이 중력에 의해 영향을 받지 않는다. 일부 실시예에서, 상기 측벽은 제 1 레일을 포함하고 대향 측벽은 제 2 레일을 포함하며, 상기 제 1 레일 및 제 2 레일은 서로 평행하게 배열된 세장형 3차원(3D) 구조이다. 시스템의 다른 실시예에서, 상기 가열된 액적과 전기 접지 사이에서 실질적으로 일관된 접촉을 유지하는 것은, 상기 액적 작업 전극의 위치를 하나 또는 그 초과의 접지 전극의 위치로 오프셋하는 수단을 포함한다. 시스템의 다른 실시예에서, 상기 가열된 액적과 전기 접지 사이에서 실질적으로 일관된 접촉을 유지하는 것은, 상기 하나 또는 그 초과의 접지 전극을 연속 스트립으로서 배열하기 위한 수단을 포함한다. 시스템의 다른 실시예에서, 상기 가열된 액적과 전기 접지 사이에서 실질적으로 일관된 접촉을 유지하는 것은, 상기 액적 작업 전극 각각을 하나 또는 그 초과의 접지 전극 각각에 대해 대향하게 배열하기 위한 수단을 포함한다.
시스템의 다른 실시예에서, 상기 가열된 액적과 전기 접지 사이에서 실질적으로 일관된 접촉을 유지하는 것은, i) 액적 작업 채널을 형성하기 위해서 측벽과 대향 측벽에 의해 액적 작업 갭을 구획하고; ii) 상기 측벽 상에 액적 작업 전극을 배열하며; iii) 상기 저부 기판을 따라 하나 또는 그 초과의 접지 전극을 배열하고; 그리고 iv) 상기 하나 또는 그 초과의 접지 전극을 전기 접지에 연결하기 위한 수단을 포함하고, 상기 액적 작업 갭에서 액적 상에 다중 액적 작업을 실행하면서, 전기 접지와의 실질적으로 일관된 접촉이 중력에 의해 영향을 받지 않는다. 일부 실시예에서, 측벽은 제 1 레일을 포함하고 대향 측벽은 제 2 레일을 포함하며, 상기 제 1 레일 및 제 2 레일은 서로 평행하게 배열된 세장형 3차원(3D) 구조이다.
또다른 실시예에서, 코드를 실행하는 프로세서 및 상기 프로세서와 통신하는 메모리를 포함하는, 액적 작동기에서 액적 상에 액적 작업을 수행하는 시스템이 제공되며, 이 시스템은, 상기 프로세서가 적어도, a) 액적 작동기의 액적 작업 갭에 액적을 제공하고-상기 액적 작동기는 액적 작업 갭을 형성하도록 분리된 상부 기판 및 저부 기판을 포함하고, 상기 액적 작동기는 그 상에 액적 작업을 실행하기 위해 배열된 액적 작업 전극의 배열체를 더 포함함-; b) 상기 액적 작동기의 액적 작업 갭을 충전제 유체로 충전하며; c) 상기 액적 작업 갭에 액적을 제공하고; d) 가열된 액적을 발생시키기 위해서 비등점의 20℃ 내로 액적을 가열하며; e) 상기 액적 작업 갭에서 상기 가열된 액적 상에 다중 액적 작업을 실행하고-상기 가열된 액적은 액적 작업 갭에서 충전제 유체를 통해 이송됨-; 및 f) 상기 가열된 액적이 액적 작업 갭에서 충전제 유체를 통해 이송됨에 따라 액적 작업 갭에서 전기 전하의 축적을 감소시키는 것을, 유발하는 메모리 내에 저장된 코드를 포함하며; 상기 액적 작업 갭에서의 전기 전하의 감소된 축적은, 액적 작업 갭에서 충전제 유체의 기포 형성에 의한 중단 없이 다중 액적 작업의 완료를 허용한다.
액적 작동기에서 액적 상에 액적 작업을 수행하는 방법을 수행하기 위해서 프로세서에서 실행가능한 명령을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 매체가 또한 제공되며, 여기서 상기 방법은, a) 액적 작업 갭을 형성하기 위해서 분리된 상부 기판 및 저부 기판을 포함하는 액적 작동기를 제공하는 단계-상기 액적 작동기는 그 상에 액적 작업을 실행하기 위해 배열된 액적 작업 전극의 배열체를 더 포함함-; b) 상기 액적 작동기의 액적 작업 갭을 충전제 유체로 충전하는 단계; c) 상기 액적 작업 갭에 액적을 제공하는 단계; d) 상기 액적 작업 갭에서 액적 상에 다중 액적 작업을 실행하는 단계-상기 액적은 액적 작업 갭에서 충전제 유체를 통해 이송됨-; 및 e) 상기 액적 작업 갭에서 액적 상에 다중 액적 작업을 실행하면서 액적과 전기 접지 사이에 실질적으로 일관된 접촉을 유지하는 단계를 포함하며; 상기 액적과 전기 접지 사이의 실질적으로 일관된 접촉은, 액적 작업 갭에서 충전제 유체의 기포 형성에 의한 중단 없이 다중 액적 작업의 완료를 허용한다.
또다른 실시예에서, 액적 작동기에서 액적 상에 액적 작업을 수행하는 방법을 수행하기 위해서 프로세서에서 실행가능한 명령을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 매체가 또한 제공되며, 여기서 상기 방법은, a) 액적 작업 갭을 형성하기 위해서 분리된 상부 기판 및 저부 기판을 포함하는 액적 작동기를 제공하는 단계-상기 액적 작동기는 그 상에 액적 작업을 실행하기 위해 배열된 액적 작업 전극의 배열체를 더 포함함-; b) 상기 액적 작동기의 액적 작업 갭을 충전제 유체로 충전하는 단계; c) 상기 액적 작업 갭에 액적을 제공하는 단계; d) 가열된 액적을 발생시키기 위해서 비등점의 20℃ 내로 액적을 가열하는 단계; e) 상기 액적 작업 갭에서 상기 가열된 액적 상에 다중 액적 작업을 실행하는 단계-상기 가열된 액적은 액적 작업 갭에서 충전제 유체를 통해 이송됨-; 및 f) 상기 가열된 액적이 액적 작업 갭에서 충전제 유체를 통해 이송됨에 따라 액적 작업 갭에서 전기 전하의 축적을 감소시키는 단계를 포함하며; 상기 액적 작업 갭에서의 전기 전하의 감소된 축적은, 액적 작업 갭에서 충전제 유체의 기포 형성에 의한 중단 없이 다중 액적 작업의 완료를 허용한다.
또한, 액적 작동기가 제공되며, 상기 액적 작동기는, (a) 액적 작업 갭을 형성하기 위해 분리된 상부 기판 및 저부 기판-상기 액적 작업 갭에는 충전제 유체가 충전됨-; (b) 상기 액적 작업 갭을 구획함으로써 액적 작업 채널을 형성하는 측벽 및 대향 측벽; (c) 상기 측벽 상의 액적 작업 전극의 배열체; 및 (d) 상기 대향 측벽을 따르는 하나 또는 그 초과의 접지 전극의 배열체-상기 하나 또는 그 초과의 접지 전극은 전기 접지에 연결됨-를 포함하며, 상기 다중 액적 작업은, 하나 또는 그 초과의 액적과 하나 또는 그 초과의 접지 전극 사이에 실질적으로 일관된 접촉을 유지하면서, 액적 작업 갭에서 하나 또는 그 초과의 액적 상에서 실행될 수 있으며, 이에 의해 액적 작업 갭에서 충전제 유체의 기포 형성에 의한 중단 없이 다중 액적 작업의 완료를 허용한다. 일부 실시예에서, 측벽은 제 1 레일을 포함하고, 대향하는 측벽은 제 2 레일을 포함하며, 상기 제 1 레일 및 제 2 레일은 서로 평행하게 배열된 세장형 3차원(3D) 구조이다.
이들 실시예 및 다른 실시예가 하기에 보다 상세히 설명된다.
5. 도면의 간단한 설명
도 1a, 도 1b, 도 1c 및 도 1d는 액적이 상부 기판의 접지 또는 기준 전극과의 접촉이 끊어진, 액적 작업 프로세스 및 액적 작동기의 일부의 측면도를 예시한다.
도 2는 액적이 상부 기판 및 기포와의 접촉이 끊어진, 액적 작업 프로세스 의 순간에서 액적 작동기의 측면도를 예시한다.
도 3a 및 도 3b는 액적이 액적 작동기의 접지 또는 기준과 신뢰가능하게 접촉되는 것을 보조하기 위해서 액적 작업 갭 높이가 감소되는 구역을 포함하는 액적 작동기의 예시의 측면도를 예시한다.
도 4a 및 도 4b는 액적이 액적 작동기의 접지 또는 기준과 신뢰가능하게 접촉되는 것을 보조하기 위해서 상부 기판의 표면이 텍스쳐링되는 구역을 포함하는 액적 작동기의 예시의 측면도를 예시한다.
도 5a 및 도 5b는 액적이 액적 작동기의 접지 또는 기준과 신뢰가능하게 접촉되는 것을 보조하기 위해서 상부 기판의 표면이 텍스쳐링되는 구역을 포함하는 액적 작동기의 예시의 측면도를 예시한다.
도 6a 및 도 6b는 액적이 액적 작동기의 접지 또는 기준과 신뢰가능하게 접촉되는 것을 보조하기 위해서 액적 작업 전극과 공면인 기준 또는 접지를 포함하는 액적 작동기의 측면도 및 평면도를 각각 예시한다.
도 7a 및 도 7b는 액적 작업 갭 높이가 조절가능한 액적 작동기의 측면도를 예시하며, 여기서 액적 작업 갭 높이는, 액적이 액적 작동기의 접지 또는 기준과 신뢰가능하게 접촉되는 것을 보조하기 위해서 감소될 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 액적을 배출하기 위해서 액적을 보조하도록 충전제 유체에서 전기 전도도를 활용하는 액적 작동기의 측면도를 예시한다.
도 9는 액적이 액적 작동기의 접지 또는 기준과 신뢰가능하게 접촉되는 것을 보조하기 위해서 액적 작업 갭에서 접지 와이어를 포함하는 액적 작동기의 측면도를 예시한다.
도 10은 액적이 액적 작동기의 접지 또는 기준과 신뢰가능하게 접촉되는 것을 보조하기 위해서 2X 또는 그 초과의 액적을 활용하는 액적 작동기의 측면도를 예시한다.
도 11, 도 12a, 도 12b, 도 12c 및 도 12d는 1 개의 서로맞물린 전극으로부터 다음 전극으로 액적의 이송을 매끄럽게 하도록 서로맞물린 액적 작업 전극을 활용하는 전극 배열체의 예시의 평면도를 예시한다.
도 13a 및 도 13b는 1 개의 삼각형 전극으로부터 다음 전극으로 액적의 이송을 매끄럽게 하도록 삼각형 액적 작업 전극을 활용하는 전극 배열체의 예시의 평면도를 예시한다.
도 14a 및 도 14b는 액적 작업 전극이 액적 작업의 속도 증가를 위해 테일러식으로된(tailored) 액적 작동기의 측면도 및 평면도를 각각 예시한다.
도 15 내지 도 22b는 액적 작업 채널을 포함하는 액적 작동기의 다양한 도면을 예시하며, 여기서, 액적 작업 채널의 측벽은, 액적이 액적 작동기의 접지 또는 기준과 신뢰가능하게 접촉되는 것을 보조하기 위해 전극 배열체를 포함한다.
도 23은 액적이 상부 기판과의 접촉이 끊어지고 테일러 콘이 형성되는 액적작업 프로세스의 순간에서의 액적 작동기의 측면도를 예시한다.
도 24는 액적 작동기를 포함하는 미세유체 시스템의 일 예시의 기능 블록 선도를 예시한다.
6. 정의
본원에서 이용되는 바와 같이, 하기 용어는 지정된 의미를 갖는다.
하나 또는 그 초과의 전극과 관련된 "활성화한다"는, 기포의 존재 하에서 액적 작업을 발생시키는 하나 또는 그 초과의 전극의 전기 상태에서의 변화에 영향을 미치는 것을 의미한다. 전극의 활성화는 교류 또는 직류를 이용하여 달성될 수 있다. 임의의 적합한 전압이 이용될 수 있다. 예를 들어, 전극은 약 150 V 초과, 또는 약 200 V 초과, 또는 약 250 V 초과, 또는 약 275 V 내지 약 1000 V, 또는 약 300 V의 전압을 이용하여 활성화될 수 있다. 교류가 이용되는 경우, 임의의 적합한 주파수가 이용될 수 있다. 예를 들어, 전극은 약 1 Hz 내지 약 10 Hz, 또는 약 10 Hz 내지 약 60 Hz, 또는 약 20 Hz 내지 약 40 Hz, 또는 약 30 Hz의 주파수를 갖는 교류를 이용하여 활성화될 수 있다.
"기포"는, 액적 작동기의 충전제 유체에서의 가스 기포(gaseous bubble)를 의미한다. 일부 경우에, 기포는 액적 작동기에 의도적으로 이를 테면, 2010년 7월 29일자로 발행된 발명의 명칭이 "Bubble Techniques for a Droplet Actuator"인 미국 특허 공보 제 20100190263호에 설명된 것과 같은 것이 포함될 수 있으며, 이의 전체 개시가 인용에 의해 본원에 포함된다. 본 발명은 액적 작동기 내에서 다양한 프로세스, 이를 테면 액적 작동기에서 액적의 증발 또는 가수분해의 부작용으로서 형성되는 바람직하지 않은 기포에 관한 것이다. 기포는 충전제 유체에 의해 적어도 부분적으로 구획될 수 있다. 예컨대, 기포는 충전제 유체의 의해 완전히 둘러싸일 수 있으며 또는 액적 작동기의 하나 또는 그 초과의 표면 및 충전제 유체에 의해 구획될 수 있다. 다른 예시에서와 같이, 기포는 충전제 유체, 액적 작동기의 하나 또는 그 초과의 표면, 및/또는 액적 작동기에서 하나 또는 그 초과의 액적에 의해 구획될 수 있다.
"액적"은, 충전제 유체에 의해 적어도 부분적으로 구획되는(bounded), 액적 작동기 상의 용적(volume)을 갖는 액체를 의미한다. 예를 들어, 액적은 수성 또는 비-수성일 수 있으며 또는 수성 또는 비-수성 성분을 포함하는 혼합물 또는 에멀전일 수 있다. 액적은 매우 다양한 형태를 취할 수 있고; 그의 비제한적인 예로는 일반적으로 디스크 형태, 슬러그(slug) 형태, 절두식 구체(truncated sphere), 타원체, 구형, 부분적으로 압착된 구체, 반구체, 난형(ovoid), 원통형, 상기 형태의 조합, 및 액적 작업, 예를 들어, 융합(merging) 또는 분할(splitting) 동안 형성되거나, 상기 형태와 액적 작동기의 하나 또는 그 초과의 표면의 접촉의 결과로서 형성되는 다양한 형태를 포함한다. 본 발명의 접근법을 이용한 액적 작업이 받을 수 있는 액적 유체의 예에 대해서는, 발명의 명칭이 "Droplet- Based Biochemistry"인 2006년 12월 11일자로 출원된 국제 특허 출원 번호 PCT/US06/47486호를 참조한다. 다양한 실시예에서, 액적은 생물학적 샘플, 예를 들어, 전혈(whole blood), 림프 유체, 혈청(serum), 혈장(plasma), 땀, 눈물, 타액(saliva), 가래(sputum), 뇌척수액(cerebrospinal fluid), 양수(amniotic fluid), 정액(seminal fluid), 질 분비물(vaginal excretion), 장액(serous fluid), 윤활액(synovial fluid), 심장막액(pericardial fluid), 복수(peritoneal fluid), 흉수(peritoneal fluid), 누출액(pleural fluid), 삼출액(transudates), 낭액(cystic fluid), 담즙(bile), 소변(urine), 위액(gastric fluid), 장관액(intestinal fluid), 대변 샘플(fecal samples), 단일 또는 다수의 세포를 함유하는 액체, 세포 소기관(organelles)을 함유하는 액체, 유동화된 조직(fluidized tissues), 유동화된 유기체(fluidized organisms), 다세포 유기체(multi-celled organisms)를 함유하는 액체, 생물학적 약솜 및 생물학적 세정액(biological swabs and biological washes)을 포함할 수 있다. 또한, 액적은 시약, 이를 테면, 물, 탈이온수, 식염 용액, 산성 용액, 염기성 용액, 세제 용액 및/또는 완충액을 포함할 수 있다. 액적 함유물의 다른 예는 시약, 이를 테면, 생화학 프로토콜, 이를 테면, 핵산 증폭 프로토콜(nucleic acid amplification protocol), 친화성-기반 분석시험 프로토콜(affinity-based assay protocol), 효소 검정 프로토콜(enzymatic assay protocol), 시퀀싱 프로토콜, 및/또는 생물학적 유체의 분석을 위한 프로토콜을 위한 시약을 포함한다. 액적은 하나 또는 그 초과의 비드(beads)를 포함할 수 있다.
"액적 작동기"는 액적을 조작하기 위한 장치를 의미한다. 액적 작동기의 예에 대해, 2005년 6월 28일자로 허여된 발명의 명칭이 "Apparatus for Manipulating Droplets by Electrowetting-Based Techniques"인 파뮬라 등(Pamula et al.)의 미국 특허 6,911,132호; 2006년 1월 30일자로 출원된 발명의 명칭이 "Apparatuses and Methods for Manipulating Droplets on a Printed Circuit Board"인 파뮬라 등(Pamula et al.)의 미국 특허 출원 번호 11/343,284호; 2006년 12월 11일자로 출원된 발명의 명칭이 "Droplet-Based Biochemistry"인 폴락 등(Pollack et al.)의 국제 특허 출원 번호 PCT/US2006/047486호; 2004년 8월 10일자로 허여된 발명의 명칭이 "Electrostatic Actuators for Microfluidics and Methods for Using Same"인 셴데로프(Shenderov)의 미국 특허 6,773,566호 및 2000년 1월 24일자로 허여된 발명의 명칭이 "Actuators for Microfluidics Without Moving Parts"인 6,565,727호; 2003년 1월 27일자로 출원된 발명의 명칭이 "Electrowetting-driven Micropumping"인 킴 및/또는 샤아 등(Kim and/or Shah et al.)의 미국 특허 출원 번호 10/343,261호, 2006년 1월 23일자로 출원된 발명의 명칭이 "Method and Apparatus for Promoting the Complete Transfer of Liquid Drops from a Nozzle"인 11/275,668호, 2006년 1월 23일자로 출원된 발명의 명칭이 "Small Object Moving on Printed Circuit Board"인 11/460,188호, 2009년 5월 14일자로 출원된 발명의 명칭이 "Method for Using Magnetic Particles in Droplet Microfluidics"인 12/465,935호, 및 2009년 4월 30일자로 출원된 발명의 명칭이 "Method and Apparatus for Real-time Feedback Control of Electrical Manipulation of Droplets on Chip"인 12/513,157호; 2009년 6월 16일자로 허여된 발명의 명칭이 "Droplet Transportation Devices and Methods Having a Fluid Surface"인 벨레프(Velev)의 미국 특허 7,547,380호; 2007년 1월 16일자로 허여된 발명의 명칭이 "Method, Apparatus and Article for Microfluidic Control via Electrowetting, for Chemical, Biochemical and Biological Assays and the Like"인 스털링 등(Sterling et al.)의 미국 특허 7,163,612호; 2010년 1월 5일자로 허여된 발명의 명칭이 "Method and Apparatus for Programmable fluidic Processing"인 베커 및 개스코인 등(Becker and Gascoyne et al.)의 미국 특허 번호 7,641,779호, 및 2005년 12월 20일자로 허여된 발명의 명칭이 "Method and Apparatus for Programmable fluidic Processing"인 6,977,033호; 2008년 2월 12일자로 허여된 발명의 명칭이 "System for Manipulation of a Body of Fluid"인 데크레 등(Decre et al.)의 미국 특허 7,328,979호; 2006년 2월 23일자로 공개된 발명의 명칭이 "Chemical Analysis Apparatus"인 야마카와 등(Yamakawa et al.)의 미국 특허 공개 번호 20060039823호; 2008년 12월 31일자로 공개된 발명의 명칭이 "Digital Microfluidics Based Apparatus for Heat-exchanging Chemical Processes"인 우(Wu)의 국제 특허 공개 번호 WO/2009/003184호; 2009년 7월 30일자로 공개된 발명의 명칭이 "Electrode Addressing Method"인 포일렛 등(Fouillet et al.)의 미국 특허 공개 번호 20090192044호; 2006년 5월 30일자로 허여된 발명의 명칭이 "Device for Displacement of Small Liquid Volumes Along a Micro-catenary Line by Electrostatic Forces"인 포일렛 등(Fouillet et al.)의 미국 특허 7,052,244호; 2008년 5월 29일자로 공개된 발명의 명칭이 "Droplet Microreactor"인 마찬드 등(Marchand et al.)의 미국 특허 공개 번호 20080124252호; 2009년 12월 31일자로 공개된 발명의 명칭이 "Liquid Transfer Device"인 아다치 등(Adachi et al.)의 미국 특허 공개 번호 20090321262호; 2005년 8월 18일자로 공개된 발명의 명칭이 "Device for Controlling the Displacement of a Drop Between two or Several Solid Substrates"인 루 등(Roux et al.)의 미국 특허 공개 번호 20050179746호; 딘사 등(Dhindsa et al.)의 문헌["Virtual Electrowetting Channels: Electronic Liquid Transport with Continuous Channel Functionality," Lab Chip, 10:832-836 (2010)](상기 특허 및 참고문헌의 전체 개시는 이들의 우선권과 함께 인용에 의해 본원에 포함됨)을 참조한다. 특정 액적 작동기는 이들 사이의 액적 작업 갭과 함께 배열된 하나 또는 그 초과의 기판 및 하나 또는 그 초과의 기판과 결합되고(예를 들어, 하나 또는 그 초과의 기판 상에 층화되고, 이에 부착되고, 및/또는 이에 매립됨), 하나 또는 그 초과의 액적 작업을 수행하도록 배열된 전극을 포함할 것이다. 예를 들어, 특정 액적 작동기는 기부(또는 하부) 기판, 기판과 결합된 액적 작업 전극, 기판 및/또는 전극 정상의 하나 또는 그 초과의 유전층, 및 선택적으로 기판 정상의 하나 또는 그 초과의 소수성 층, 유전층 및/또는 액적 작업 표면을 형성하는 전극을 포함할 것이다. 액적 작업 갭으로 통상적으로 언급되는 갭에 의해 액적 작업 표면으로부터 분리된 상부 기판이 또한 제공될 수 있다. 상부 및/또는 저부 기판 상의 다양한 전극 배열이 상기 언급된 특허 및 출원에 논의되어 있고, 특정한 신규한 전극 배열이 본 발명의 설명에 논의되어 있다. 액적 작업 동안, 액적이 접지 전극 또는 기준 전극과 연속적 접촉 또는 빈번한 접촉으로 유지되는 것이 바람직하다. 접지 또는 기준 전극은 갭 내에서 갭과 마주하는 상부 기판, 갭과 및/또는 갭 내에서 마주하는 저부 기판과 결합될 수 있다. 전극이 둘 모두의 기판 상에 제공되는 경우, 전극을 조절하거나 모니터하기 위한 액적 작동기 기계에 전극을 커플링시키기 위한 전기 접촉은 하나 또는 둘 모두의 플레이트와 결합될 수 있다. 일부 경우에, 1 개의 기판 상의 전극은 다른 기판에 전기적으로 커플링되어, 단지 1 개의 기판이 액적 작동기와 접촉된다. 일 실시예에서, 전도성 물질(예를 들어, 에폭시, 이를 테면, Master Bond, Inc., Hackensack, NJ로부터 이용가능한 MASTER BOND™ Polymer System EP79)이 1 개의 기판 상의 전극과 다른 기판 상의 전기 경로 사이에 전기적 연결을 제공하고, 예를 들어, 상부 기판 상의 접지 전극이 상기 전도성 물질에 의해 저부 기판 상의 전기 경로에 커플링될 수 있다. 다수의 기판이 이용되는 경우, 기판 사이의 갭의 높이를 결정하고, 분배 저장소를 규정하기 위해 기판 사이에 스페이서가 제공될 수 있다. 스페이서 높이는, 예를 들어, 약 5 ㎛ 내지 약 600 ㎛, 또는 약 100 ㎛ 내지 약 400 ㎛, 또는 약 200 ㎛ 내지 약 350 ㎛, 또는 약 250 ㎛ 내지 약 300 ㎛, 또는 약 275 ㎛일 수 있다. 스페이서는, 예를 들어, 상부 또는 저부 기판 상의 돌출 형태의 층, 및/또는 상부 기판과 저부 기판 사이에 삽입된 물질로 형성될 수 있다. 액체가 액적 작업 갭으로 전달될 수 있는 유체 경로를 형성시키기 위해 하나 또는 그 초과의 기판에 하나 또는 그 초과의 구멍이 제공될 수 있다. 하나 또는 그 초과의 개구가 일부 경우에 하나 또는 그 초과의 전극과의 상호작용을 위해 정렬될 수 있고, 예를 들어, 개구를 통해 유동된 액체가 하나 또는 그 초과의 액적 작업 전극과 충분히 근접하게 되어 액체를 이용하여 액적 작업 전극에 의해 액적 작업이 수행되는 것을 가능케 하도록 정렬될 수 있다. 기부(또는 하부) 및 상부 기판은 일부 경우에 1 개의 일체성형된 성분으로 형성될 수 있다. 하나 또는 그 초과의 기준 전극이 기부(또는 하부) 및/또는 상부 기판 상 및/또는 갭 내에 제공될 수 있다. 기준 전극 배열의 예가 상기 언급된 특허 및 특허 출원에 제공되어 있다. 다양한 일 실시예에서, 액적 작동기에 의한 액적의 조작은 전극 매개될(electrode mediated) 수 있고, 예를 들어, 전기습윤 매개되거나, 유전 영동(dielectrophoresis) 매개되거나, 쿨롱 힘(Coulomic force) 매개될 수 있다. 본 발명의 액적 작동기에서 이용될 수 있는 액적 작업을 조절하기 위한 다른 기술의 예는 유체역학적 유체 압력을 유도하는 장치, 예를 들어, 기계적 원리(예를 들어, 외부 주사기 펌프, 공기 막 펌프, 진동 막 펌프, 진공 장치, 원심력, 압전식/초음파 펌프 및 음향 힘); 전기 또는 자기 원리(예를 들어, 전기삼투 흐름(electroosmotic flow), 동전기 펌프(electrokinetic pump), 자성유체 플러그(ferrofluidic plug), 전기수력학적(electrohydrodynamic) 펌프, 자기력을 이용한 인력 또는 척력 및 자기유체역학적 펌프); 열역학 원리(예를 들어, 기포 발생/상-변화-유도 부피 팽창); 다른 종류의 표면-습윤 원리(예를 들어, 전기습윤, 및 광학전기습윤(optoelectrowetting), 뿐만 아니라 화학적, 열적, 구조적 및 방사능적으로(radioactively) 유도된 표면-장력 구배); 중력; 표면 장력(예를 들어, 모세관 작용); 정전기적 힘(예를 들어, 전기삼투 흐름); 원심분리 유동(컴팩트 디스크 상에 배치되고 회전되는 기판); 자기력(예를 들어, 유동을 야기시키는 발진 이온); 자기유체역학적 힘; 및 진공 또는 압력 차이를 기초로 하여 수행되는 장치를 이용하는 것을 포함한다. 특정 실시예에서, 전술된 기술 중 2개 이상의 조합이 본 발명의 액적 작동기에서의 액적 작업을 수행하는데 이용될 수 있다. 유사하게, 전술한 것 중 하나 또는 그 초과가, 예를 들어, 또 다른 장치 내의 저장소 또는 액적 작동기의 외부 저장소(예를 들어, 액적 작동기 기판과 결합된 저장소 및 저장소로부터 액적 작업 갭으로의 유동 경로)로부터 액적 작업 갭으로 액체를 전달하는데 이용될 수 있다. 본 발명의 특정 액적 작동기의 액적 작업 표면은 소수성 물질로 제조될 수 있거나, 이들이 소수성이 되도록 코팅되거나 처리될 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, 액적 작업 표면의 일부 또는 전부는, 예를 들어, 화합물, 예를 들어, 용액 또는 중합성 단량체(polymerizable monomer) 중의 다중(poly)불소화 또는 과(per)불소화 화합물을 이용하여 증착에 의하거나 현장 합성(in situ synthesis)을 이용하여 저 표면-에너지 물질 또는 화학물질로 유도체화될 수 있다. 예로는 TEFLON® AF(DuPont, Wilmington, DE로부터 이용가능함), cytop 패밀리 물질의 부재, 소수성 및 초소수성(superhydrophobic) 코팅의 FLUOROPEL® 패밀리의 코팅(Cytonix Corporation, Beltsville, MD로부터 이용가능함), 실란 코팅(silane coating), 플루오로실란 코팅(fluorosilane coating), 소수성 포스포네이트 유도체(hydrophobic phosphonate derivatives)(예를 들어, Aculon, Inc에 의해 시판됨), 및 NOVEC™ 전자 코팅(3M Company, St. Paul, MN로부터 이용가능함), 플라즈마-증강 화학 증착(plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD)을 위한 다른 불소화 단량체 및 PECVD를 위한 유기 실록산(organosiloxane)(예컨대, SiOC)을 포함한다. 일부 경우에, 액적 작업 표면은 약 10 nm 내지 약 1,000 nm 범위의 두께를 갖는 소수성 코팅을 포함할 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 액적 작동기의 상부 기판은 소수성 코팅으로 이후에 코팅되거나 액적 작업 표면을 소수성으로 만들기 위해 달리 처리되는 전기 전도성인 유기 폴리머를 포함한다. 예를 들어, 플라스틱 기판으로 증착되는 전기 전도성인 유기 폴리머는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 폴리(스티렌설포네이트)(PEDOT:PSS)일 수 있다. 전기적 전도성인 유기 폴리머 및 대안적 전도성 층의 다른 예는, 전체 개시내용이 인용에 의해 본원에 포함되는, 발명의 명칭이 "Droplet Actuator Devices and Methods"인 폴락 등(Pollack et al.)의 국제 특허 출원 번호 PCT/US2010/040705호에 기재되어 있다. 하나 또는 양자 모두의 기판은 기판으로서 인쇄 회로 기판(printed circuit board, PCB), 유리, 인듐 주석 산화물(ITO)-코팅된 유리, 및/또는 반도체 물질을 이용하여 제작될 수 있다. 기판이 ITO-코팅된 유리인 경우, ITO 코팅은 바람직하게는 약 20 내지 약 200 nm, 바람직하게는 약 50 내지 약 150 nm, 또는 약 75 내지 약 125 nm, 또는 약 100 nm의 범위의 두께이다. 일부 경우에, 상부 및/또는 저부 기판은 일부 경우에 또한 코팅되거나, 액적 작업 표면을 소수성으로 만들기 위해 달리 처리될 수 있는 유전체, 예를 들어, 폴리이미드 유전체로 코팅되는 PCB 기판을 포함한다. 기판이 PCB를 포함하는 경우, 다음과 같은 물질이 적합한 물질의 예이다: MITSUI™ BN-300(MITSUI Chemicals America, Inc., San Jose CA로부터 이용가능함); ARLON™ 11N(Arlon, Inc, Santa Ana, CA로부터 이용가능함); NELCO® N4000-6 및 N5000-30/32(Park Electrochemical Corp., Melville, NY로부터 이용가능함); ISOLA™ FR406(Isola Group, Chandler, AZ로부터 이용가능함), 특히 IS620; 플루오로폴리머 패밀리(낮은 백그라운드 형광을 가져 형광 검출에 적합함); 폴리이미드 패밀리; 폴리에스테르; 폴리에틸렌 나프탈레이트; 폴리카보네이트; 폴리에테르에테르케톤; 액체 결정 폴리머; 사이클로-올레핀 코폴리머(COC); 사이클로-올레핀 폴리머(COP); 아라미드; THERMOUNT® 부직포 아라미드 보강재(DuPont, Wilmington, DE로부터 이용가능함); NOMEX® 상표명 섬유(DuPont, Wilmington, DE로부터 이용가능함); 및 종이. 기판의 유전체 성분으로 이용하기에 다양한 물질이 또한 적합하다. 예로는 증기 증착 유전체, 예를 들어, PARYLENE™ C(특히, 유리 상), PARYLENE™ N 및 PARYLENE™ HT(고온용, ~300℃)(Parylene Coating Services, Inc., Katy, TX로부터 이용가능함); TEFLON® AF 코팅; 사이톱(cytop); 솔더마스크(soldermask), 예를 들어, 액체 사진현상형 솔더마스크(예를 들어, PCB 상), 예를 들어, TAIYO™ PSR4000 시리즈, TAIYO™ PSR 및 AUS 시리즈(Taiyo America, Inc. Carson City, NV로부터 이용가능함)(열 조절과 관련된 적용을 위한 우수한 열 특징), 및 PROBIMER™ 8165(열 조절과 관련된 적용을 위한 우수한 열 특징)(Huntsman Advanced Materials Americas Inc., Los Angeles, CA로부터 이용가능함); 건조 막 솔더마스크, 예를 들어, VACREL® 건조 막 솔더마스크 계통의 것(DuPont, Wilmington, DE로부터 이용가능함); 막 유전체, 예를 들어, 폴리이미드 막(예를 들어, KAPTON® 폴리이미드 막, DuPont, Wilmington, DE로부터 이용가능함), 폴리에틸렌, 및 플루오로폴리머(예를 들어, FEP), 폴리테트라플루오로에틸렌; 폴리에스테르; 폴리에틸렌 나프탈레이트; 사이클로-올레핀 코폴리머(COC); 사이클로-올레핀 폴리머(COP); 상기 나열된 임의의 다른 PCB 기판 물질; 블랙 매트릭스 수지(black matrix resin); 및 폴리프로필렌을 포함한다. 기포 이송 전압 및 주파수가 특정 검정 프로토콜에서 이용되는 시약을 이용한 수행을 위해 선택될 수 있다. 설계 파라미터는 다양할 수 있고, 예를 들어, 온-작동기(on-actuator) 저장소의 수 및 배치, 독립적 전극 연결의 수, 다양한 저장소의 크기(부피), 자석/비드 세척 구역의 배치, 전극 크기, 전극간 피치, 및 갭 높이(상부 및 저부 기판 사이)가 특정 시약, 프로토콜, 기포 부피 등과 함께 이용하기 위해 다양화될 수 있다. 일부 경우에, 본 발명의 기판은, 예를 들어, 용액 또는 중합성 단량체 중의 다중불소화 또는 과불소화 화합물을 이용한 증착 또는 현장 합성을 이용하여 저 표면-에너지 물질 또는 화학물질로 유도체화될 수 있다. 예로는 딥 또는 스프레이 코팅을 위한 TEFLON® AF 코팅 및 FLUOROPEL® 코팅, 및 플라즈마-증강 화학 증착(PECVD)을 위한 다른 불소화 단량체 및 PECVD를 위한 유기 실록산(예컨대, SiOC)을 포함한다. 추가로, 일부 경우에, 액적 작업 표면의 일부 또는 전부가 백그라운드 노이즈, 예를 들어, PCB 기판으로부터의 백그라운드 형광을 감소시키기 위한 물질로 코팅될 수 있다. 예를 들어, 노이즈-감소 코팅은 블랙 기질 수지, 예를 들어, Toray industries, Inc., Japan으로부터 이용가능한 블랙 기질 수지를 포함할 수 있다. 액적 작동기의 전극은 통상적으로 처리 기능 뿐만 아니라 데이터 및 소프트웨어 저장 및 입력 및 출력 능력을 포함할 수 있는 시스템의 일부로서 자체로 제공되는 제어기 또는 처리기에 의해 조절된다. 액적 작업 갭 내 또는 액적 작업 갭에 유체적으로 커플링된 저장소 내의 액적 작동기 상에 시약이 제공될 수 있다. 시약은 액체 형태, 예를 들어, 액적일 수 있거나, 이들은 액적 작업 갭 내 또는 액적 작업 갭에 유체적으로 커플링된 저장소 내에서 재구성가능한 형태로 제공될 수 있다. 재구성가능한 시약은 통상적으로 재구성을 위한 액체와 조합될 수 있다. 본 발명과 함께 이용하기에 적합한 재구성가능한 시약의 예는 2010년 6월 1일자로 특허결정된 발명의 명칭이 "Disintegratable films for diagnostic devices"인 미트렐 등(Meathrel, et al.)의 미국 특허 7,727,466호에 기재된 것을 포함한다.
"액적 작업"은, 액적 작동기 상에서의 액적의 임의의 조작(manipulation)을 의미한다. 액적 작업은, 예를 들어, 액적 작동기로의 액적 반입(loading); 소스 액적으로부터의 하나 또는 그 초과의 액적의 분배; 액적을 2개 이상의 액적으로 분할, 분리 또는 쪼갬; 액적을 1 개의 위치로부터 다른 위치로 임의의 방향으로 이송; 2개 이상의 액적을 단일 액적으로 융합 또는 조합; 액적의 희석; 액적의 혼합; 액적의 교반; 액적의 변형; 액적을 제 위치에 유지; 액적의 배양; 액적의 가열; 액적의 기화; 액적의 냉각; 액적의 배치; 액적 작동기 외부로의 액적의 이송; 본원에 기재된 다른 액적 작업; 및/또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 용어 "융합하다", "융합하는", "조합하다", "조합하는" 등은 2개 이상의 액적으로부터 1개의 액적을 형성하는 것을 기재하는데 이용된다. 이러한 용어가 2개 이상의 액적과 관련하여 이용되는 경우, 2개 이상의 액적을 1 개의 액적으로 조합시키기에 충분한 액적 작업이면 어떠한 조합이라도 이용할 수 있음이 이해되어야 한다. 예를 들어, "액적 A와 액적 B의 융합"은, 액적 A를 이송하여 정지 상태의 액적 B와 접촉시키거나, 액적 B를 이송하여 정지 상태의 액적 A와 접촉시키거나, 액적 A 및 B를 이송하여 서로 접촉시킴으로써 달성될 수 있다. 용어 "분할", "분리" 및 "쪼갬"은, 생성된 액적의 부피(즉, 생성된 액적의 부피는 동일하거나 상이할 수 있음) 또는 생성된 액적의 개수(생성된 액적의 개수는 2, 3, 4, 5 또는 그 초과일 수 있음)와 관련하여 임의의 특정 결과를 의미하도록 의도된 것은 아니다. 용어 "혼합"은, 액적 내의 하나 또는 그 초과의 성분의 더욱 균질한 분포를 발생시키는 액적 작업을 나타낸다. "반입" 액적 작업의 예는, 미세 투석 반입(microdialysis loading), 압력 보조 반입, 로봇식 반입, 수동(passive) 반입, 및 피펫(pipette) 반입을 포함한다. 액적 작업은 전극 매개될 수 있다. 일부 경우에, 액적 작업은 표면 상의 친수성 및/또는 소수성 영역의 이용 및/또는 물리적 장애물에 의해 추가로 촉진될 수 있다. 액적 작업의 예에 대해서는, "액적 작동기"의 정의 하에서 상기 인용된 특허 및 특허 출원을 참조한다. 임피던스 또는 커패시턴스(capacitance) 감지(sensing) 또는 이미징 기술이 때때로 액적 작업의 결과를 결정하거나 확인하기 위해 이용될 수 있다. 상기 기술의 예는 전체 개시내용이 인용에 의해 본원에 포함되는 2008년 8월 21일자로 공개된 발명의 명칭이 "Capacitance Detection in a Droplet Actuator"인 스터너 등(Stunner et al.)의 국제 특허 공개 번호 WO/2008/101194호에 기재되어 있다. 일반적으로 말하면, 감지 또는 이미징 기술이 특정 전극에서 액적의 존재 또는 부재를 확인하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 액적 분배 작업 후의 목적(destination) 전극에서의 분배된 액적의 존재는 액적 분배 작업이 효과적인 것을 입증한다. 유사하게, 검정 프로토콜에서 적절한 단계에서 검출 스폿에서의 액적의 존재는 액적 작업의 이전의 세트가 검출을 위한 액적을 성공적으로 생성시킨 것을 입증할 수 있다. 액적 이송 시간은 매우 신속할 수 있다. 예를 들어, 다양한 실시예에서, 1 개의 전극으로부터 다음 전극으로의 액적의 이송은 약 1초, 또는 약 0.1초, 또는 약 0.01초, 또는 약 0.001초를 초과할 수 있다. 일 실시예에서, 전극은 AC 모드로 수행되나, 이미징을 위해 DC 모드로 전환된다. 이는 액적의 풋프린트 영역에 대한 액적 작업을 전기습윤 영역과 유사하게 수행하는 것에 도움이 되며; 즉, 1x-, 2x- 3x- 액적은 1, 2, 및 3개의 전극을 각각 이용하여 성공적으로 조절 작업된다. 액적 풋프린트가 제공된 시간에서 액적 작업을 수행하기 위해 이용가능한 전극의 수를 초과하는 경우, 액적 크기와 전극의 수 사이의 차이는 통상적으로 1을 초과하지 않아야 하며; 즉, 2x 액적은 1개의 전극을 이용하여 유용하게 조절되고, 3x 액적은 2개의 전극을 이용하여 유용하게 조절된다. 액적이 비드를 포함하는 경우, 액적 크기가 액적을 조절, 예를 들어, 액적을 이송하는 전극의 수와 동등하게 하는 것이 유용하다.
"충전제 유체"는 액적 작동기의 액적 작업 기판과 관련된 유체를 의미하며, 상기 유체는 액적 상과 충분히 비혼화성이어서 액적 상이 전극-매개 액적 작업에 적용되도록 한다. 예를 들어, 액적 작동기의 액적 작업 갭은 통상적으로 충전제 유체로 충전된다. 충전제 유체는, 예를 들어, 저-점도 오일(low viscocity oil), 이를 테면, 실리콘 오일 또는 헥사데칸 충전제 유체일 수 있다. 충전제 유체는 액적 작동기의 전체 갭을 충전시킬 수 있거나, 액적 작동기의 하나 또는 그 초과의 표면을 코팅할 수 있다. 충전제 유체는 전도성이거나 비-전도성일 수 있다. 충전제 유체는, 예를 들어, 계면활성제 또는 다른 첨가물로 도핑(doping)될 수 있다. 예를 들어, 첨가물은 액적 작업을 개선시키고/시키거나, 액적으로부터 시약 또는 표적 물질의 손실, 미세 액적(microdroplet)의 형성, 액적 사이의 교차 오염, 액적 작동기 표면의 오염, 액적 작동기 물질의 분해 등을 감소시키기 위해 선택될 수 있다. 계면활성제 도핑을 포함하는 충전제 유체의 조성물은 특정 검정 프로토콜에서 이용되는 시약을 이용한 작업 및 액적 작동기 물질과의 효과적인 상호작용 또는 비-상호작용을 위해 선택될 수 있다. 본 발명에서 이용하기에 적합한 충전제 유체 및 충전제 유체 제형의 예는 2010년 3월 11일자로 공개된 발명의 명칭이 "Droplet Actuators, Modified Fluids and Methods"인 스리니바잔 등(Srinivasan et al.)의 국제 특허 공개 번호 WO/2010/027894호, 및 2009년 2월 12일자로 공개된 발명의 명칭이 "Use of Additives for Enhancing Droplet Operations"인 WO/2009/021173호; 2008년 8월 14일자로 공개된 발명의 명칭이 "Droplet Actuator Devices and Methods Employing Magnetic Beads"인 시스타 등(Sista et al.)의 국제 특허 공개 번호 WO/2008/098236호; 및 2007년 5월 17일자로 출원된 발명의 명칭이 "Electrowetting Devices"인 몬로 등(Monroe et al.)의 미국 특허 공개 번호 20080283414호에 제공되어 있으며, 상기 특허문헌뿐만 아니라 이에 인용된 다른 특허 및 특허 출원의 전체 개시내용은, 인용에 의해 본원에 포함된다.
"저장소(reservoir)"는 액체를 유지하거나, 저장하거나, 공급하기 위해 구성된 봉입물 또는 부분적 봉입물을 의미한다. 본 발명의 액적 작동기 시스템은 온-카트리지(on-cartridge) 저장소 및/또는 오프-카트리지(off-cartridge) 저장소를 포함할 수 있다. 온-카트리지 저장소는 (1) 액적 작업 갭 내 또는 액적 작업 표면 상의 저장소인 온-작동기(on-actuator) 저장소; (2) 액적 작동기 카트리지 상에 존재하나, 액적 작업 갭 외부에 존재하고, 액적 작업 표면과 접촉하지 않는 저장소인 오프-작동기(off-actuator) 저장소; 또는 (3) 온-작동기 영역 및 오프-작동기 영역을 갖는 하이브리드 저장소일 수 있다. 오프-작동기 저장소의 한 예는 상부 기판 내의 저장소이다. 오프-작동기 저장소는 통상적으로 오프-작동기 저장소로부터 액적 작업 갭, 예를 들어, 온-작동기 저장소로 액체를 유동시키기 위해 배열된 구멍 또는 유동 경로와 유체 연통된다. 오프-카트리지 저장소는 액적 작동기 카트리지의 일부가 전혀 아니지만, 액적 작동기 카트리지의 일부로 액체를 유동시키는 저장소일 수 있다. 예를 들어, 오프-카트리지 저장소는 액적 작동기 카트리지가 작업 동안 커플링되는 시스템 또는 도킹 스테이션의 일부일 수 있다. 유사하게, 오프-카트리지 저장소는 온-카트리지 저장소 또는 액적 작업 갭으로 유체를 이동시키는데 이용되는 시약 저장 용기 또는 주사기일 수 있다. 오프-카트리지 저장소를 이용한 시스템은 통상적으로 유체 통과 수단을 포함할 것이며, 이에 의해 액체는 오프-카트리지 저장소로부터 온-카트리지 저장소 또는 액적 작업 갭으로 전달될 수 있다.
용어 "상부", "하부", "상", "하", 및 "위"는, 액적 작동기의 구성요소의 상대적 위치, 이를 테면, 액적 작동기의 상부 기판 및 저부 기판의 상대적 위치에 대한 언급에서 본 발명의 설명 전체에 걸쳐 이용된다. 액적 작동기가 공간 내의 그의 배향과 관계 없이 기능 하는 것이 인지될 것이다.
임의의 형태의 액체(예를 들어, 이동 중이든지 정지 상태이든지 간에 액적 또는 연속체)가 전극, 어레이(array), 기질(matrix) 또는 표면 "상에", "에서", 또는 "위쪽에" 있는 것으로 기재되는 경우, 이러한 액체는 전극/어레이/기질/표면과 직접 접촉될 수 있거나, 액체와 전극/어레이/기질/표면 사이에 개재되는 하나 또는 그 초과의 층 또는 막(film)과 접촉될 수 있다. 일 예시에서, 충전제 유체는 이러한 액체와 전극/어레이/기질/표면 사이의 막으로서 고려될 수 있다.
액적이 액적 작동기 "상에" 있거나 액적 작동기 "상에 반입"되는 것으로 기재되는 경우, 액적은 액적에 대한 하나 또는 그 초과의 액적 작업을 수행하기 위해 액적 작동기를 이용하여 촉진되는 방식으로 액적 작동기 상에 배열되고, 액적의 특성 또는 액적으로부터의 신호의 감지를 촉진하는 방식으로 액적 작동기 상에 액적이 배열되고 그리고/또는, 액적이 액적 작동기 상에서 액적 작업을 받게 되는 것임이 이해되어야 한다.
7. 발명의 상세한 설명
액적 작동기에서의 액적 작업 중, 기포는 종종 액적 작업에서 충전제 유체에 갭을 형성하며 액적 작업을 중단한다. 특히 이론에 구속되지 않고, 본 발명자는 액적 작업 중, 액적이 액적 작동기의 기준 또는 접지 전극과의 접촉을 잃을 때, 기포 형성이 발생할 수 있다. 게다가, 기포 형성은, 액적이 접촉을 잃은 후에 기준 또는 접지 전극과의 접촉을 다시 얻기 시작함에 따라 나타난다. 기포 형성을 유발하는 전기 전하(electrical charge)는, 액적이 기준 또는 접지 전극과의 접촉을 잃은 후에 형성된 충전제 유체의 층을 가로질러 액적에 축적할 수 있다. 접촉을 잃은 후에 상부 기판과 액적이 접촉을 다시 얻음에 따라, 이러한 충전제 유체 층은 얇아지며, 전기 전하는 방전된다(discharged). 이러한 방전은 기포들의 원인일 수 있다. 도 1a, 도 1b, 도 1c, 도 1d 및 도 2는 전기습윤(electrowetting) 액적 작동기의 액적 전달 작업 중 기포 형성의 문제를 예시한다.
도 1a, 도 1b, 도 1c 및 도 1d 는 액적 작동기(100)의 일부 그리고 액적이 상부 기판의 접지 또는 기준 전극과의 접촉을 잃는 액적 작업 프로세스의 측면도를 예시한다. 이러한 예시에서, 액적 작동기(100)는 액적 작업 갭(114)에 의해 분리되는 저부 기판(110) 및 상부 기판(112)을 포함한다. 저부 기판(110)은 액적 작업 전극(116)(예컨대, 전기습윤 전극)의 배열을 포함한다. 액적 작업 전극(116)은 액적 작업 갭(114)에 마주하는 저부 기판(110)의 측면 상에 있다. 상부 기판(112)은 전도층(118)을 포함한다. 전도층(118)은 액적 작업 갭(114)에 마주하는 상부 기판(112)의 측면 상에 있다. 일 예시에서, 전도층(118)은 인듐주석산화물(indium tin oxide, ITO)로 형성되며, 이는 전기 전도층이며 실질적으로 광을 투과하는 재료이다. 전도층(118)은 액적 작업 전극(116)에 대해 접지 또는 기준 평면을 제공하며, 여기서 전압(예컨대, 전기습윤 전압)이 액적 작업 전극(116)에 인가된다. 다른 층(도시 생략), 이를 테면, 소수성 층(hydrophobic layer) 및 유전층(dielectric layer)이 저부 기판(110) 및 상부 기판(112)에 존재할 수 있다.
액적 작동기(100)의 액적 작업 갭(114)에는 전형적으로 충전제 유체(130)가 충전된다. 이러한 충전제 유체는, 예컨대, 하나 또는 그 초과의 오일들, 이를테면, 실리콘 오일, 또는 헥사데칸 충전 유체(hexadecane filler fluid)를 포함할 수 있다. 액적 작업 갭(114)에서 하나 또는 그 초과의 액적(132)은 액적 작업 전극(116)을 따라 그리고 충전제 유체(130)를 통해 액적 작업을 경유하여 이송될 수 있다.
도 1a, 도 1b, 도 1c 및 도 1d는 예컨대 액적 작업 전극(116A)으로부터 액적 작업 전극(116B)으로 액적(132)을 이송하기 위한 전극 시퀀스를 도시한다. 먼저, 이제, 도 1a를 참조하면, 액적 작업 전극(116A)은 온(ON)되고, 액적 작업 전극(116B)은 오프(OFF)된다. 따라서, 액적(132)은 액적 작업 전극(116A) 맨 상에(atop) 유지된다.
이제, 도 1b를 참조하면, 액적 작업 전극(116A)은 오프되며, 액적 작업 전극(116B)은 온되며, 액적(132)은 액적 작업 전극(116A)으로부터 액적 작업 전극(116B)으로 이동하기 시작한다. 도 1b는 변형을 시작하는 액적(132)을 도시하지만, 유체의 핑거는 액적 작업 전극(116A)으로부터 액적 작업 전극(116B)으로 당겨지기 시작한다.
액적 작업 전극(116A)이 오프를 유지하고, 액적 작업 전극(116B)이 온을 유지하는 경우, 도 1c는 액적(132)의 많은 용적이 액적 작업 전극(116A)으로부터 액적 작업 전극(116B) 상으로 전달되는 한편, 액적(132)이 상부 기판(112)과의 접촉을 잃는 것 그리고 보다 상세하게는, 전도층(118)과의 접촉을 잃는 것을 유발하는 방식으로, 유체의 용적이 액적 작업 전극(116A) 및 액적 작업 전극(116B) 양자에 걸쳐 확산되는 시간의 모멘트를 도시한다.
액적 작업 전극(116A)이 오프를 유지하고, 액적 작업 전극(116B)이 온을 유지하는 경우, 도 1d는 액적(132)의 전체 용적이 정상의 액적 작업 전극(116b)에 있으며, 이에 따라 액적(132)이 상부 기판(112)의 전도층(118)과의 접촉을 다시 얻는 시간의 모멘트를 도시한다.
도 2 는 액적(132)이 상부 기판(112)과의 재접촉에 접근하여 기포(215)들을 형성하는 액적 작업 프로세스의 시간의 모멘트에서 액적 작동기(100)의 측면도를 예시한다.
본 발명자는, 기포가 저온, 심지어 실온에서 나타날 수 있음을 관찰하였지만; 기포 형성은 대부분 상승된 온도에서, 이를테면 약 80℃ 초과, 또는 90℃ 초과 또는 95℃ 초과 온도에서 일반적이며 문제가 된다(prevalent and problematic). 본 발명자는, 기포가 저온, 심지어 실온에서 나타날 수 있음을 관찰하였지만, 기포 형성은 대부분 상승된 온도에서 일반적이며 문제가 되고, 이를 테면 액적의 비등점의 약 60% 초과, 또는 액적 비등점의 약 70% 초과 또는 액적의 비등점의 약 80% 초과 또는 액적의 비등점의 약 90% 초과 또는 액적의 비등점의 약 95% 초과 온도에서 일반적이며 문제가 된다.
도 2는 액적 작동기(100)와 연관된 선택적 가열 존(210)을 도시한다. 액적, 이러한 액적(132)이 가열 존(210)을 통해 이송됨에 따라, 액적이 가열되며 기포가 액적 작업 중 형성된다.
일 실시예에서, 본 발명의 기술 및 설계는 액적 작동기에서 기포 형성을 감소 또는 제거하기 위해서 액적 작동기에서 액적들에 대한 전기 접지 연결의 신뢰성을 개선하며, 이에 의해 기포 형성에 의한 중단 없이 다중 액적 작업의 완료를 허용한다. 일 실시예에서, 다중 액적 작업의 시행(conducting)은 액적 작업 갭에서 충전제 유체의 기포 형성에 의한 중단 없는 10 회 이상의 액적 작업들의 시행을 포함한다. 다른 실시예들에서, 다중 액적 작업의 시행은 액적 작업 갭에서 충전제 유체의 기포 형성에 의한 중단 없는 100 회 이상, 1,000 회 이상 또는 100,000 회 이상의 액적 작업들의 시행을 포함한다.
7.1 액적 접지( grounding ) 기술들
도 3a 및 도 3b 는 액적 작업 갭 높이가 액적이 액적 작동기의 접지 또는 기준과 신뢰가능하게 접촉하는 것을 보장하기 위해서 액적 작업 갭 높이가 감소되는 구역을 포함하는 액적 작동기(300)의 예의 측면도를 예시한다. 도 3a를 참조하면, 액적 작동기(300)는 액적 작업 갭(314)에 의해 분리되는 상부 기판(312)과 저부 기판(310)을 포함한다. 저부 기판(310)은 액적 작업 전극(316)(예컨대, 전기습윤 전극)의 배열을 포함한다. 상부 기판(312)은 전도성 층(318), 이를 테면, ITO층을 포함한다. 전도성 층(318)은 액적 작업 전극(316)에 대해 접지 또는 기준 평면을제공하며, 여기서, 전압(예컨대, 전기습윤 전압)이 액적 작업 전극(316)에 인가된다. 추가로, 도 3a는 상부 기판(312)의 전도층(318) 정상의 유전 층(320)을 도시한다. 액적 작동기(300)의 액적 작업 갭(314)에는 충전제 유체(330)가 충전된다. 가열 존(340)이 액적 작동기(300)와 결합된다. 액적, 이를테면 액적(332)이 가열 존(340)을 통해 이송됨에 따라, 액적이 가열된다.
이 실시예에서, 액적 작동기(300)는 갭 높이 천이 구역(gap height transition region)(345)을 포함하고, 여기에서 액적 작업 갭(314)의 높이가 전도성 층(318)과의 액적(332)의 신뢰가능한 접촉을 돕기 위해서 가열 존(340)이 감소되며, 이 전도층은 액적 작동기(300)의 접지 또는 기준이다. 갭 높이가 가열 존(340)에서 감소되기 때문에, 액적(332)은 액적 작업 프로세스 전체를 통해 전도성 층(318)과의 접촉을 좀더 유지하는 경향이 있어, 이에 따라 기포를 감소 또는 제거함으로써, 기포 형성에 의한 중단 없이 다중 액적 작업의 완료를 허용한다.
예시적 일 구현예인 도 3a에서, 액적 작업 갭(314)에 마주하는 상부 기판(312)의 표면은, 가열 존(340)에서 감소된 갭 높이를 달성하기 위해서 단차 특징부(step feature)를 갖는다. 전도성 층(318) 및 유전 층(320)은, 실질적으로 상부 기판(312)의 높낮이(topography)를 따른다. 예시적 다른 구현예인 도 3b에서, 유전 층(320)의 두께는 가열 존(340)에서의 감소된 갭 높이를 달성하기 위해 변한다. 유전 층(320)의 두께는 가열 존(340)에서 증가된다.
도 4a 및 도 4b 는, 액적 작동기(300)의 예들의 측면도를 예시하며, 이 작동기는 상부 기판(312)의 표면이 전도성 층(318)과 액적의 신뢰가능한 접촉을 보조하기 위해서 텍스쳐링되는 구역을 포함하며 이 전도성 층은 접지 또는 기준이다. 예컨대, 액적 작동기(300)의 이 실시예에서, 유전 층(320)은 전도성 층(318)과 액적의 신뢰가능한 접촉을 보조하기 위해 텍스쳐화된다. 도 4a에 도시된 예시에서, 유전 층(320)은 톱니 텍스쳐(sawtooth texture)인 텍스쳐(410)를 갖는다. 도 4b에 도시된 예시에서, 유전 층(320)의 텍스쳐(410)는 리지(ridge), 돌기(projection), 또는 돌출부(protrusion)의 배열체에 의해 형성된다. 일 예시에서, 유전 층(320)의 실질적으로 전체 표면적은 텍스쳐(410)를 포함한다. 다른 예시에서, 단지 가열 존(340)의 유전 층(320)의 영역만이 텍스쳐(410)를 포함한다.
다른 예시에서, 니들 또는 와이어(도시 생략)는 상부 기판(312)으로부터 액적 작업 갭(314)으로 연장할 수 있다. 또다른 예시에서, 전도성 층(318)은 자체적으로 전기 층(320)을 통해 그리고 액적 작업 갭(314) 내로 연장하는 리지, 돌기, 또는 돌출부(도시 생략)를 포함할 수 있고, 여기서, 리지, 돌기, 또는 돌출부는 액적 작업 중 액적과 접촉을 유지하며, 이에 따라 기포를 감소 또는 제거하며, 이에 의해 기포 형성에 의한 중단 없이 다중 액적 작업의 완료를 허용한다.
텍스쳐링은 임의의 형태 또는 구성을 취할 수 있다. 예컨대, 텍스쳐(410)는 갭(314) 내로 외측방으로 연장하는 하나 또는 그 초과의 딤플(dimple)일 수 있다. 텍스쳐링(410)은 기포의 형성을 감소시키기 위해 임의로(randomly) 또는 균일하게(uniformly) 형성될 수 있다. 텍스쳐링은 갭(314) 내로의 임의의 높이 또는 연장체를 가질 수 있어, 인접한 텍스처링 특징부(예컨대, 딤플, 리지 또는 치형부)가 상이한 정점(apex) 높이 및/또는 형상을 가질 수 있다. 대안으로, 텍스쳐링은 균일한 특징부를 가질 수 있어, 모든 특징부들이 실질적으로 유사한다. 또한, 텍스쳐링은 상부 표면으로 연장하는 함몰부(depression), 크레이터(crater) 또는 밸리(valley)를 포함할 수 있다.
도 5a 및 도 5b 는 액적 작동기(300)의 측면도를 예시하며, 이 작동기는 전도성 층(318)과 액적의 신뢰가능한 접촉을 보조하도록 조절가능한 접지 프로브의 세트를 포함하며, 이 전도성 층은 접지 또는 기준이다. 여기서, 전기 접지는 액적과의 실질적인 접촉을 유지하기 위해서 이동되거나 슬라이딩될 수 있다. 도 5a에 예시된 바와 같이, 액적 작동기(300)는 추가로 프로브(512)의 세트를 갖는 플레이트(510)를 포함할 수 있다. 플레이트(510) 및 프로브(512)는 전기 전도성 재료로 형성되며 액적 작동기(300)의 전기 접지에 전기적으로 접속된다. 프로브(512)는, 예컨대 플레이트(510)로부터 돌출하는 병렬 배열된 플레이트 또는 핀(fin)의 세트 또는 원통형 포인트 프로브의 세트이다. 프로브(512)를 슬라이딩 가능한 방식으로 이를 통해 끼움장착하기 위해서, 개구가 상부 기판(312)에 제공된다. 프로브(512)가 슬라이딩 가능한 방식으로 상부 기판(312)에 끼움장착되기 때문에, 프로브(512)의 팁의 위치는, 액적 작업 갭(314)에 대해 조절될 수 있다. 예컨대, 플레이트(510)는 스프링 부하식(spring-loaded)일 수 있다.
작업시, 플레이트(510)가 상부 기판(312)을 향하거나 상부 기판에 대항하여 푸시될 때, 프로브(512)의 팁은 액적 작업 갭(314)으로 약간 연장하며 액적 작업 중 액적과의 접촉을 유지한다. 이렇게 함으로써, 접지 접속이 액적 작업 중 액적에 신뢰가능하게 유지되며, 이에 따라 기포들을 감소하거나 제거함으로써, 기포 형성에 의한 중단 없이 다중 액적 작업의 완료를 허용한다. 그러나, 소망하면, 플레이트(510)는, 프로브(512)의 팁이 액적 작업 갭(314)으로부터 후퇴하도록 상부 기판(312)으로부터 멀리 상승될 수 있다.
일 실시예에서, 플레이트(510) 및 프로브(512)는 액적 작동기의 단지 가열 구역에만 제공된다. 다른 실시예에서, 플레이트(510) 및 프로브(512)는 액적 작동기의 가열 구역 및 비가열 구역 양자 모두에 제공된다.
전기 접지는 공압, 유압, 및/또는 전기 작동기를 이용하여 이동되거나 슬라이딩될 수 있다. 이들 작동기중 임의의 작동기가 액적과 접촉하게 전기 접지를 연장할 수 있다. 연장부가 더이상 필요하지 않다면, 전기 접지가 액적으로부터 멀리 후퇴될 수 있다. 액적 작동기의 제어기는 작동기를 제어할 수 있으며, 이에 따라 전기 접지의 위치를 제어한다.
도 6a 및 도 6b 는 액적 작동기(300)의 예시의 각각의 측면도 및 평면도이며, 작동기는 액적 작동기(300)의 접지 또는 기준과 신뢰가능한 방식으로 액적이 접촉하는 것을 보조하도록 액적 작업 전극(316)에 공면(coplanar)인 접지 또는 기준을 포함한다. 이 예시에서, 가열 존(340)인 액적 작동기(300)의 부분에서, 액적 작업 전극(316) 사이 간격(sapcing)은, 접지 또는 기준 평면(610)이 저부 기판(310) 상의 액적 작업 전극(316)과 동일한 평면에서 구현되는 것을 허용하도록 증가된다. 예컨대, 접지 또는 기준 평면(610)은 각각의 액적 작업 전극(316)을 실질적으로 에워싸는 와이어링 트레이스(wiring trace)의 배열체이다. 접지 또는 기준 평면(610)은 액적 작동기(300)의 전기 접지에 전기적으로 접속된다. 이렇게 함으로써, 액적, 이를 테면 액적(332)이 1 개의 액적 작업 전극(316)으로부터 다음 전극으로 천이하는 동안, 접지로의 액적의 접지 접속이 유지되며, 이에 따라 기포를 감소시키거나 제거함으로써, 기포 형성에 의한 중단 없이 다중 액적 작업의 완료를 허용한다.
일 예시에서, 접지 또는 기준 평면(610)은, 2006년 8월 31일자로 발행된 발명의 명칭이 "Apparatuses and methods for manipulating droplets on a printed circuit board"인 미국 특허 공보 제 20060194331호의 도 1a에 따라 구현되며, 공보의 전체 개시는 인용에 의해 본원에 포함된다.
접지 또는 기준 평면(610)의 존재가 양면 접근(biplanar approach)(예컨대, 전도성 층(318)만)보다 더 많은 표면적을 소모하는 반면, 접지 또는 기준 평면(610)은 액적 작동기의 가열 영역으로 제한되지 않을 수 있다. 도 6a 및 도 6b에 도시된 예시에서, 액적 작동기(300)는 가열 구역에서 전도성 층(318) 및 기준 또는 접지 평면(610) 양자 모두를 포함한다. 그러나, 다른 예시에서, 액적 작동기(300)는 단지 가열 구역에서 접지 또는 기준 평면(610)을 그리고 비가열 구역에서 전도성 층(318)만을 포함한다. 또다른 예시에서, 액적 작동기(300)는 저부 기판(310) 전체를 통해 접지 또는 기준 평면(610)을 포함하고, 상부 기판(312)의 어떠한 부분 상에도 전도성 층(318)은 존재하지 않는다.
도 7a 및 도 7b 는 액적 작업 갭의 높이가 조절 가능한 액적 작동기(300)의 일예의 측면도를 예시한다. 즉, 액적 작업 갭(314)의 높이는, 필요에 따라, 전도층(318)과 액적의 신뢰가능한 접촉을 보조하기 위해 감소될 수 있으며, 전도성 층은 접지 또는 기준이다. 일 예시에서, 스프링력이 저부 기판(310)과 상부 기판(312) 사이에 존재한다. 예컨대, 다중 스프링(710)이 액적 작업 갭(314)에 제공된다. 갭 높이는, 저부 기판(310) 및 상부 기판(312)을 함께 약간 압축함으로써, 즉, 저부 기판(310)을 고정 유지하고 상부 기판(312)에 힘을 인가함으로써, 상부 기판(312)을 고정 유지하고 저부 기판(310)에 힘을 인가함으로써, 또는 양자 모두에 동시에 힘을 인가함으로써, 감소될 수 있다. 액적 가열 중, 또는 액적이 가열 구역에 있는 동안, 힘이 인가될 수 있어, 갭 높이를 감소시키고 액적이 상부 기판(312)의 전도성 층(318)과 접촉을 유지하는 것을 보장하며, 이에 따라 기포를 감소시키거나 제거함으로써, 기포 형성에 의한 중단 없이 다중 액적 작업의 완료를 허용한다.
도 8a 및 도 8b 는 액적을 배출시키기 위해서 충전제 유체의 전기 전도성을 활용하는 액적 작동기(300)의 예시의 측면도이다. 일 예시에서, 도 8a는 액적 작동기(300)의 액적 작업 갭(314)에 전기 전도성 충전제 유체(810)가 충전되는 것을 도시한다. 전기 전도성 충전제 유체를 제공하는 것은, 충전제 유체가 상부 기판(312)에 접촉되지 않을 때조차 액적을 배출하는 것을 허용한다. 전기 전도성 유체의 일 예는, 자성 유체(ferrofluid), 이를 테면, 실리콘 오일계 자성 유체이다. 자성 유체의 다른 예시는, 종래 기술, 이를 테면, 1984년 11월 27일자로 허여된 발명의 명칭이 "Process for producing a ferrofluid, and a composition thereof"인 미국 특허 제 4,485,024호; 및 1982년 10월 26일자로 허여된 발명의 명칭이 "Stable ferrofluid compositions and method of making same"인 미국 특허 제 4,356,098호에 공지되어 있으며, 이의 전체 개시물이 인용에 의해 본원에 포함된다.
다른 예시에서, 도 8b는, 액적 작동기(300)의 액적 작업 갭(314)에 전기 전도성 입자를 함유하는 충전제 유체(820)가 충전되는 것을 도시한다. 충전제 유체에서 전기 전도성 입자는 충전제 유체가 상부 기판(312)에 접촉되지 않을 때조차 액적을 배출하는 것을 허용한다. 전기 전도성 입자의 예시는, 종래 기술, 이를 테면, 2007년 6월 8일자로 발행된 발명의 명칭이 "Conductive particles for anisotropic conductive interconnection"인 미국 특허 공보 제 20070145585호에서 설명된 것과 같은 것이 공지되어 있으며, 이의 전체 개시물이 인용에 의해 본원에 포함된다.
도 9 는 액적을 방출하기 위해서 액적 작업 갭(314)에 접지 와이어(910)를 포함하는 액적 작동기(300)의 일 예의 측면도를 예시한다. 접지 와이어(910)는 액적 작동기(300)의 전기 접지에 전기 접속된다. 접지 와이어(910)는, 예컨대, 구리, 알루미늄, 은 또는 금으로 형성된다. 충전제 유체에서 접지 와이어(910)는 액적을 통해 연장하며, 이에 의해 충전제 유체가 상부 기판(312)에 접촉되지 않을 때조차 액적을 배출하는 것을 허용한다. 일 예시에서, 접지 와이어(910)는 전도성 층(318)의 제공 없이 존재하며, 이에 따라 액적 작동기(300)의 접지 또는 기준 전극으로서 단독으로 기능한다. 다른 예시에서, 접지 와이어(910)는 전도성 층(318)과 조합하여 존재하며, 이와 함께 이들은 액적 작동기(300)의 접지 또는 기준 전극으로서 기능한다. 또다른 예시에서, 접지 와이어(910)는 액적 작동기의 단지 가열 구역에서만 존재한다. 아직 또다른 예시에서, 접지 와이어(910)는 액적 작동기의 가열 구역 및 비가열 구역 양자 모두에 존재한다.
와이어를 따라 이동하는 액체의 예시는 종래기술, 이를 테면, 2006년 5월 10일자로 허여된 발명의 명칭이 "Device for displacement of small liquid volumes along a micro-catenary line by electrostatic forces"인 미국 특허 제 7,052,244호에 설명된 것과 같은 것이 공지되어 있으며, 이의 전체 개시물이 인용에 의해 본원에 포함된다.
도 10 은 전도성 층(318)과 액적의 신뢰가능한 접촉을 보조하도록 2X 또는 더 큰 액적을 활용하는 액적 작동기(300)의 측면도를 예시하며, 전도성 층은 접지 또는 기준이다. 예컨대, 가열 존(340)에 앞서, 2 개 또는 그 초과의 1X 액적(332)이 예컨대 2X 또는 3X 액적(332)을 형성하기 위해서 액적 작업을 이용하여 융합될 수 있다(merged). 이후, 2X 또는 3X 액적(332)이 가열 존(340) 내로 이송된다. 이후, 가열 존(340)에서의 액적 작업이 2X 또는 3X 액적(332)을 이용하여 수행된다. 이렇게 함으로써, 2X 또는 3X 액적(332)과 전도성 층(318) 사이에 신뢰가능한 접촉이 유지되며, 이에 따라 기포를 감소시키거나 제거함으로써, 기포 형성에 의한 중단 없이 다중 액적 작업의 완료를 허용한다.
다른 실시예에서, 액적의 점도(viscosity)는 상부 기판(312)의 전도성 층(318)과의 접촉을 유지하는 것을 돕기 위해서 증가될 수 있다. 액적 점도가 더 크다면, 액적은 상부 기판(312)과 접촉하는 오일을 좀더 변위시킬 것이다. 게다가, 액적 움직임은 느려질 것이며, 액적은 액적 작업 중 덜 일그러질 것이며(distorted), 이에 따라 전도성 층(318)과의 접촉 유지를 돕는다. 또다른 실시예에서, 충전제 유체의 점도는 감소될 수 있으며, 이는 액적이 상부 기판(312)과 계속해서 접촉하는 것을 돕는다.
7.2 개선된 액적 이송을 위한 액적 작업 전극
도 11 은 1 개의 서로맞물린(interdigitated) 전극으로부터 다음 전극으로 액적의 이송을 매끄럽게 하기(smooth out) 위해서 서로맞물린 액적 작업 전극을 활용하는 전극 배열체(1100)의 일예의 평면도이다. "매끄럽게 하기"는 서로맞물린 전극이 제공되지 않을 때보다 적은 액적 변형에 의한 액적 작업을 실행하는 것을 의미한다. 예컨대, 전극 배열체(1100)는 액적 작업 전극(1110)의 일 배열체를 포함한다. 액적 작업 전극(1110)의 각각의 에지는 인터디지테이션(interdigitation)(1112)을 포함한다. 액적 작업 전극(1110)은, 1 개의 액적 작업 전극(1110)의 인터디지테이션(1112)이 도 11에 도시된 바와 같이 인접한 액적 작업 전극(1110)의 인터디지테이션(1112)과 함께 끼워맞춤되도록 설계된다. 서로맞물린 액적 작업 전극의 예시는, 종래 기술, 이를 테면, 2003년 5월 20일자로 허여된 발명의 명칭이 "Actuators for microfluidics without moving parts"인 미국 특허 제 6,565,727호의 도 2에서 설명된 것과 같은 것이 공지되어 있으며, 이의 전체 개시물이 인용에 의해 본원에 포함된다.
인터디지테이션(1112)을 포함하는 액적 작업 전극(1110)은, 1 개의 전극으로부터 다음 전극으로의 액적의 이송을 매끄럽게 하는 효과를 갖는다. 이는, 전극 표면 사이의 중첩(overlap)에 기인한다. 그 결과, 액적 작업 중, 액적은 상부 기판의 접지 또는 기준 전극(예컨대, 상부 기판(312)의 전도성 층(318))에 접촉을 좀더 유지할 가능성이 있으며, 이에 따라 기포를 감소시키거나 제거함으로써, 기포 형성에 의한 중단 없이 다중 액적 작업의 완료를 허용한다. 도 11에 도시된 예시에서, 인터디지테이션은 상당이 깊이가 얕으며(fairly shallow), 이는 인터디지테이션이 인접한 전극의 기부(base portion) 내로 깊은 정도는 아님을 의미한다.
도 12a, 도 12b, 도 12c 및 도 12d 는 1 개의 서로맞물린 전극으로부터 다음 전극으로 액적의 이송을 매끄럽게 하기 위해서 서로맞물린 액적 작업 전극을 활용하는 전극 배열체의 다른 예의 평면도를 예시한다. 이 예시에서, 인터디지테이션은 인접한 전극의 기부의 적어도 절반 지점(halfway point)으로 연장한다. 일 예시에서, 도 12a의 전극 배열체(1200)는 액적 작업 전극(1205)의 배열체를 포함한다. 인터디지테이션(1210)이 각각의 액적 작업 전극(1205)의 일측으로부터 연장한다. 인터디지테이션(1210)에 대향하는 각각의 액적 작업 전극(1205)의 측면은 절취부(cutout)(1215)를 포함한다. 이 예시에서, 인터디지테이션(1210)은 세장형 직사각형 형상의 핑거(elongated rectangular-shaped finger)이며, 절취부(1215)는 세장형 직사각형 형상의 절취부 구역(cutout region)이다. 일렬로 배열될 때, 1 개의 액적 작업 전극(1205)의 인터디지테이션(1210)이 도 12a에 도시된 바와 같이, 인접한 액적 작업 전극(1205)의 절취부(1215) 내로 끼움장착된다.
다른 예시에서, 도 12b의 전극 배열체(1220)는 액적 작업 전극(1205)의 배열체를 포함한다. 그러나, 이 예시에서, 각각의 액적 작업 전극(1205)은 2 개의 인터디지테이션(1210) 및 2 개의 대응하는 절취부(1215)를 포함한다. 다시, 일렬로 배열될 때, 1 개의 액적 작업 전극(1205)의 2 개의 인터디지테이션(1210)은 도 12b에 도시된 바와 같이 인접한 액적 작업 전극(1205)의 2 개의 절취부(1215) 내로 끼움장착된다.
또다른 예시에서, 도 12c의 전극 배열체(1240)는 액적 작업 전극(1245)의 배열체를 포함한다. 인터디지테이션(1250)이 각각의 액적 작업 전극(1245)의 일측으로부터 연장한다. 인터디지테이션(1250)에 대향하는 각각의 액적 작업 전극(1245)의 측면은 절취부(1255)를 포함한다. 이 예시에서, 인터디지테이션(1250)은 세장형 삼각형 형상의 핑거(elongated triangular-shaped finger)이며, 이에 따라, 절취부(1255)는 세장형 삼각형 형상의 절취부 구역이다. 일렬로 배열될 때, 1 개의 액적 작업 전극(1245)의 인터디지테이션(1250)이 도 12c에 도시된 바와 같이, 인접한 액적 작업 전극(1245)의 절취부(1255) 내로 끼움장착된다.
아직, 또다른 예시에서, 도 12d의 전극 배열체(1260)는 액적 작업 전극(1245)의 배열체를 포함한다. 그러나, 이 예시에서, 각각의 액적 작업 전극(1245)은 2 개의 인터디지테이션(1250) 및 2 개의 대응하는 절취부(1255)를 포함한다. 다시, 일렬로 배열될 때, 1 개의 액적 작업 전극(1245)의 2 개의 인터디지테이션(1250)은 도 12d에 도시된 바와 같이 인접한 액적 작업 전극(1245)의 2 개의 절취부(1255) 내로 끼움장착된다.
액적 작업 전극(1205) 및 액적 작업 전극(1245)은 단지 하나 또는 두 개의 인터디지테이션 및 절취부로 제한되지 않으며, 도 12a, 도 12b, 도 12c 및 도 12d에 도시된 형상으로 제한되지 않는다. 액적 작업 전극(1205) 및 액적 작업 전극(1245)은 인터디지테이션 및 절취부의 임의의 수 및 임의의 형상을 포함할 수 있다. 도 12a, 도 12b, 도 12c 및 도 12d에 도시된 전극 배열체의 주 양태는, 이 전극 배열체가 인접한 액적 작업 전극의 기부의 적어도 절반 지점으로 연장하는 인터디지테이션을 포함하는 것이다. 예컨대, 인터디지테이션은 인접한 액적 작업 전극의 기부를 가로질러 적어도 50%, 60%, 70%, 80%, 90% 또는 그 초과를 연장한다. 기부는 인터디지테이션 자체가 아닌 전극의 부분을 의미한다.
도 13a 및 도 13b 는 1 개의 삼각형 전극으로부터 다음 전극으로 액적의 이송을 매끄럽게 하기 위해서 삼각형 액적 작업 전극을 활용하는 전극 배열체의 예시의 평면도를 예시한다. 도 13a는 1줄의 삼각형 액적 작업 전극(1310)을 포함하는 전극 배열체(1300)를 도시한다. 액적 작업 중, 액적(332)이 원래의(originating) 삼각형 액적 작업 전극(1310)의 정점으로부터 멀어지며 그리고 목표(destination) 삼각형 액적 작업 전극(1310)의 정점을 향하는 방향으로 이동할 때, 가장 큰 이점이 달성된다. 따라서, 액적 작동기의 가열 구역에서, 삼각형 액적 작업 전극(1310)을 따른 액적 이송은 일방향일 수 있다. 그러나, 가열 구역 외부에서, 삼각형 액적 작업 전극(1310)은 양방향(either direction)으로 이송하기 위해 이용될 수 있다. 대안으로, 삼각형 액적 작업 전극(1310)은 가열 구역에서만 제공될 수 있다. 게다가, 삼각형 액적 작업 전극(1310)은 양방향으로의 이송을 위해서 도 13b에 도시된 바와 같이 루프(loop)로 제공될 수 있다.
도 14a 및 도 14b 는 액적 작업 전극(316)이 액적 작업 속도 증가를 위해 맞춤식으로 된(tailored) 액적 작동기(300)의 측면도 및 평면도를 각각 예시한다. 각각의 액적 작업 전극(316)은 길이(L) 및 폭(W)을 가지며, 여기서 길이(L)는 액적 이동 방향에 일치하는 액적 작업 전극(316)의 치수이다. 전형적으로, 액적 작업 전극의 폭(W) 및 길이(L)는 대략 동등하다. 그러나, 이 예시에서, 길이(L)는 폭(W)보다 작다. 일 예시에서, 길이(L)는 대략 폭(W)의 1/2이다. 이 전극 배열체에서, 각각의 액적 작업 전극(316)을 가로지르는 이동 거리는 감소되며, 이에 따라 액적 작업 속도가 증가된다. 액적 작업 속도가 증가함에 따라, 액적은 전체 액적 작업 프로세스 내내 전도성 층(318)과의 접촉을 좀더 유지하는 것이 가능하며, 이에 따라 기포를 감소시키거나 제거시킴으로써, 기포 형성에 의한 중단 없이 다중 액적 작업의 완료를 허용한다.
7.3 액적 작업 채널
일 실시예에서, 액적 작동기의 액적 작업 갭은 액적 작업 채널을 형성하기 위해서 측벽(예컨대, 측벽 및 대향 측벽)에 의해 제한된다.
도 15 는 액적 작업 채널을 포함하는 액적 작동기(1500)의 등각투상도를 예시하며, 여기서, 액적 작업 채널의 측벽은, 액적이 액적 작동기의 접지 또는 기준과 신뢰가능하게 접촉하는 것을 보조하도록 전극 배열체를 포함한다. 액적 작동기(1500)는 갭(1514)에 의해 분리되는 저부 기판(1510)과 상부 기판(1512)을 포함한다.
이제, 저부 기판(1510)의 단독 등각 투상도인 도 16 을 참조하면, 저부 기판(1510)은 제 1 레일(1520) 및 제 2 레일(1522)을 더 포함한다. 제 1 레일(1520) 및 제 2 레일(1522)은 서로 평행하게 배열된 세장형 3차원(3D) 구조이다. 제 1 레일(1520)과 제 2 레일(1522) 사이에는 공간이 존재한다. 제 1 레일(1520) 및 제 2 레일(1522)은 높이(h)를 갖는다. 제 1 레일(1520)과 제 2 레일(1522) 사이 공간(s)은, 액적 작업 채널(1524)을 형성한다. 보다 상세하게는, 액적 작업 채널(1524)에 마주하는 제 1 레일(1520)의 측면과 액적 작업 표면을 제공하는 액적 작업 채널(1524)에 마주하는 제 2 레일(1522)의 측면은 액적 작업 표면을 제공한다. 이에 따라, 액적 작업 전극(1530)의 배열체는, 액적 작업 채널(1524)에 마주하는 제 1 레일(1520)의 표면 상에 제공된다. 유사하게, 접지 또는 기준 전극(1532)의 배열체는, 액적 작업 채널(1524)에 마주하는 제 2 레일(1522)의 표면 상에 제공된다. 그 결과, 액적 작업은 액적 작업 전극(1530) 및, 접지 또는 기준 전극(1532)을 이용하여 액적 작업 채널(1524)을 따라 수행될 수 있다. 액적 작업 채널(1524)의 공간(s) 및 높이(h)는, 소정 용적의 액적(예컨대, 액적(332))이 액적 작업 채널(1524)을 따라 조작(manipulated)될 수 있도록 설정된다.
이제, 도 15의 A-A 선을 따라 취한 액적 작동기(1500)의 일부의 횡단면도인 도 17 을 참조하면, 제 1 레일(1520) 및 제 2 레일(1522)의 최상부 표면과 상부 기판(1512) 사이에 갭이 존재하며, 이 갭은 저부 기판(1510)과 상부 기판(1512) 사이의 전체 용적이 충전제 유체(330)로 채워지는 것을 허용한다.
작업시, 그리고 도 15, 도 16 및 도 17을 참조하면, 액적 작업이 제 1 레일(1520) 및 제 2 레일(1522) 상에 제각기 배열되는, 액적 작업 전극(1530)과 접지 또는 기준 전극(1532) 사이에서 수행되기 때문에, 액적 작업의 어떠한 단계 중 액적(332)이 접지와의 접촉이 끊기는 것을 유발하도록 중력이 작용하지 않는다(도 2에 도시된 바와 같음). 이렇게 함으로써, 액적(332)과 예컨대 접지 또는 기준 전극(1532) 사이의 신뢰가능한 접촉이 유지되며, 이에 따라 기포를 감소시키거나 제거시킴으로써 기포 형성에 의한 중단 없이 다중 액적 작업의 완료를 허용한다.
액적 작동기(1500) 및, 보다 상세하게는, 액적 작업 채널(1524)은 도 15, 도 16 및 도 17에 도시된 전극 배열체로 제한되지 않는다. 다른 전극 배열체가 액적 작업 채널(1524)에서 이용될 수 있으며, 그의 예시는 도 18 내지 도 22b를 참조하여 하기에 설명된다.
일 예시에서, 도 15, 도 16 및 도 17은 실질적으로 서로 대향하게 정렬된 제 1 레일(1520)의 액적 작업 전극(1530) 및 제 2 레일(1522)의 접지 또는 기준 전극(1532)을 도시하는 한편, 도 18 은 액적 작업 전극(1530) 및 접지 또는 기준 전극(1532)이 서로 엇갈림(staggered)되거나 오프셋(offset)된, 저부 기판(1510)의 일부분의 평면도를 예시한다.
다른 예시에서, 도 19 는 다중 접지 또는 기준 전극(1532)의 라인이 연속한 접지 또는 기준 전극(1532)으로 대체된 저부 기판(1510)의 일부의 평면도를 예시한다.
또다른 예시에서, 도 20 은 액적 작업 전극(1530) 및 접지 또는 기준 전극(1532)이 제 1 레일(1520) 및 제 2 레일(1522) 양자 모두를 따라 교번하는(alternating) 저부 기판(1510)의 일부의 평면도를 예시한다. 게다가, 이 배열체에서, 일 측벽 상의 각각의 액적 작업 전극(1530)은 대향 측벽 상의 접지 또는 기준 전극(1532)에 대향한다.
아직, 또다른 예시에서, 도 21 은 저부 기판(1510)의 일부의 평면도를 예시하며, 여기서, 접지 또는 기준 전극(1532)(또는 연속한 접지 또는 기준 전극(1532))은 제 1 레일(1520) 및 제 2 레일(1522) 양자 모두를 따라 제공되며, 액적 작업 전극(1530)은 액적 작업 채널(1524)의 플로어 상에 제공된다. 이러한 구성의 추가 상세가 도 22a 및 도 22b에 대해 도시된다. 즉, 도 22a 는 도 21에 도시된 저부 기판(1510)의 등각 투상도를 예시하며, 도 22b 는 도 22a의 A-A 선을 따라 취한 저부 기판(1510)의 일부의 횡단면도를 예시한다. 다시, 도 22a 및 도 22b는 액적 작업 채널(1524)의 측벽 대신에 액적 작업 채널(1524)의 플로어 상에 배열된 액적 작업 전극(1530)을 도시한다.
이제, 도 15 내지 도 22b를 참조하면, 일 실시예에서, 하나 또는 그 초과의 액적 작업 채널(1524)이 단지 액적 작동기의 가열 구역에만 제공되며, 접지로의 액적의 신뢰가능한 접촉을 유지하기 위해 이용되며, 이에 따라 기포를 감소시키거나 제거함으로써, 비람 형성에 의한 중단 없이 다중 액적 작업의 완료를 허용한다. 다른 실시예에서, 하나 또는 그 초과의 액적 작업 채널(1524)이 액적 작동기의 가열 구역 및 비가열 구역 양자 모두에 제공된다.
7.4 테일러 콘( Taylor Cone ) 및 기포 형성
액체에 있어서, 액체는, 임계 전위(critical potential)(Φ0*)에 도달되고, 임의의 추가 증가가 평형(equilibrium)을 파괴하게 될 때, 액체 바디(liquid body)는 테일러 콘으로서 언급되는 원추 형상(conical shape)을 성취하는 것으로 널리 가정되고 있다. 예컨대, 액체의 작은 용적이 전기장에 노출될 때, 액체의 형상은 표면 장력(surface tension)에 의해 단독으로 유발된 형상으로부터 변형을 시작한다. 전압이 증가됨에 따라, 전기장의 효과가 보다 현저해지게 되고, 표면 장력에 의한 것과 같이 액적에 유사한 힘의 양을 부과하는 것에 근접함에 따라, 콘 형상은 볼록한 측면 및 둥근 팁(rounded tip)을 형성하기 시작한다. 액적 작동기에서 형성된 테일러 콘의 예시는 하기 도 23에서 설명된다.
도 23 은, 상부 기판(312)과 액적(332)의 접촉이 끊겨 테일러 콘이 형성된 순간의 액적 작업 프로세스의 액적 작동기(300)의 측면도를 예시한다. 예컨대, 도 23의 상세A는 액적 작동기(300)의 상부 기판(312)과 액적(332) 사이에 형성된 하나 또는 그 초과의 테일러 콘(2310)을 도시한다.
이미 설명된 바와 같이, 상부 기판과의 접촉이 끊어질 때, 액적이 기포 형성을 발생시킬 수 있는 것으로 관찰되고 있다. 보다 상세하게는, 기포 형성은, 접촉이 끊어진 후 상부 기판과 액적의 접촉이 다시 얻어지기 시작함에 따라 발생하는 것으로 보인다. 이러한 접촉은, 액적과 상부 기판 사이에 존재하는 높은 전기장으로 인해, 액적 인터페이스로부터 추출된 액체의 작은 핑거(tiny finger)인 테일러 콘 또는 "콘 제트(cone jet)"를 통해 이루어진다. 테일러 콘은 매우 작으며 국소적이기 때문에, 테일러 콘을 거치는 차지(charge)가 또한 아주 국소적이며, 액적과 기판 사이의 충전제 유체의 막(film)이 매우 얇아지게 될 수 있어, 충전제 유체의 파괴 및 주울 가열(joule heating)이 유발되며, 이에 따라 기포가 특히 상승된 온도에서 형성된다.
테일러 콘에 기인한 형성으로부터 기포를 감소시키거나 제거하기 위해서, 소정의 해법이 구현될 수 있다. 일 예시에서, 접지 전극으로의 액적의 접촉이 다시 대면적 상에서 형성되면, 즉, 테일러 콘에 의해 덮이는 영역보다 크다면(예컨대, 약 10 ㎛), 어떠한 기포도 형성되지 않을 것이다. 다른 예시에서, 전기 신호의 형상, 주파수, 및/또는 크기(magnitude)는, 어떠한 테일러 콘도 형성되지 않으며 이에 따라 어떠한 기포도 형성되지 않음을 유발하는 방식으로 제어될 수 있다. 예컨대, 주파수는 적어도 콘 주파수(cone frequency), 이를테면 적어도 약 10 kHz이어야 한다.
7.5 시스템
도 24 는 액적 작동기(2405)를 포함하는 미세유체(microfluidic) 시스템(2400)의 일 예시의 기능 블록선도를 예시한다. 디지털 미세유체 기술은, 액적 표면 장력의 전기적 제어(전기습윤)에 의해, 액적 작동기, 이를테면 액적 작동기(2405)에서 불연속(discrete) 액적 상에 액적 작업을 수행한다. 액적은 액적 작동기(2405)의 2 개의 기판 사이에 개재될 수 있고(sandwiched), 저부 기판 및 상부 기판은 액적 작업 갭에 의해 분리된다. 저부 기판은 전기적으로 어드레싱 가능한 전극의 배열체를 포함할 수 있다. 상부 기판은, 예컨대, 전도성 잉크 또는 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO)로부터 만들어진 기준 전극 평면을 포함할 수 있다. 저부 기판 및 상부 기판에는, 소수성 물질(hydrophobic material)이 코팅될 수 있다. 액적 작업은 액적 작업 갭에서 수행된다. 액적 둘레 공간(즉, 저부 기판과 상부 기판 사이 갭)에는 비혼화성 불활성 유체(immiscible inert fluid), 이를 테면 실리콘 오일이 채워질 수 있어 액적의 기화를 방지하고 장치 내의 액적의 이송을 용이하게 한다. 다른 액적 작업이 전압 활성화(voltage activation)의 패턴을 변화시킴으로써 영향을 받을 수 있으며; 예시들은 액적의 융합(merging), 분할(splitting), 혼합(mixing) 및 분배(dispensing)를 포함한다.
액적 작동기(2405)는 미세 유체 시스템(2400)의 인스트루먼트 데크(도시 생략) 상으로 끼움장착하도록 설계될 수 있다. 인스트루먼트 데크는 액적 작동기(2405)를 유지하고 다른 액적 작동기 특징부들, 이를테면, 이것으로 제한하는 것은 아니지만 하나 또는 그 초과의 자석 및 하나 또는 그 초과의 가열 장치를 수납할 수 있다. 예컨대, 인스트루먼트 데크는 영구 자석일 수 있는 하나 또는 그 초과의 자석(2410)을 수납할 수 있다. 선택적으로, 인스트루먼트 데크는 하나 또는 그 초과의 전자석(2415)을 수납할 수 있다. 자석(2410) 및/또는 전자석(2415)은 자기 반응형 비드(magnetically responsive beads)의 고정화를 위해 액적 작동기(2405)에 대해 위치된다. 선택적으로, 자석(2410) 및/또는 전자석(2415)의 위치는 모터(2420)에 의해 제어될 수 있다. 추가로, 인스트루먼트 데크는 예컨대 액적 작동기(2405)의 소정 반응 존 및/또는 세정 존 내의 온도를 제어하기 위해서 하나 또는 그 초과의 가열 장치(2425)를 수납할 수 있다. 일 예시에서, 가열 장치(2425)는, 그의 온도 제어를 제공하기 위해서 액적 작동기(2405)에 대해 위치되는 가열기 바(heater bar)일 수 있다.
미세 유체 시스템(2400)의 제어기(2430)는 본 발명의 다양한 하드웨어 구성요소, 이를 테면, 액적 작동기(2405), 전자석(2415), 모터(2420) 및 가열 장치(2425)뿐만 아니라 검출기(2435), 임피던스 감지 시스템(2440) 및 임의의 다른 입력 및/또는 출력 디바이스(도시 생략)에 전기적으로 커플링된다. 제어기(2430)는 미세 유체 시스템(2400)의 전체 작동을 제어한다. 제어기(2430)는, 예컨대, 범용(general purpose) 컴퓨터, 특정 목적(special purpose) 컴퓨터, 개인용 컴퓨터 또는 다른 프로그램 가능한 데이터 처리 장치일 수 있다. 제어기(2430)는 처리 성능, 이를 테면, 소프트웨어 명령 저장, 해석 및/또는 실행뿐만 아니라 시스템의 전체 작업 제어를 제공하도록 작동한다. 제어기(2430)는 이러한 디바이스의 데이터 및/또는 파워 양태들에 대해 구성되어 프로그램화될 수 있다. 예컨대, 일 양태에서, 액적 작동기(2405)에 대해, 제어기(2430)는 활성/비활성 전극에 의해 액적 조작을 제어한다.
검출기(2435)는 액적 작동기(2405)에 관하여 위치되는 이미징 시스템일 수 있다. 일 예시에서, 이미징 시스템은 하나 또는 그 초과의 발광 다이오드(LED)(즉, 조명원) 및 디지털 이미지 포착 디바이스, 이를테면 전하 결합 소자(charge-coupled device, CCD) 카메라를 포함할 수 있다.
임피던스 감지 시스템(2440)은, 액적 작동기(2405)의 특정 전극에서의 임피던스를 검출하기 위한 임의의 회로일 수 있다. 일 예시에서, 임피던스 감지 시스템(2440)은 임피던스 분광기(mpedance spectrometer)일 수 있다. 임피던스 감지 시스템(2440)은 그 상에 액적을 갖거나 갖지 않는 임의의 전극, 이를 테면 임의의 액적 작업 전극의 용량성 부하(capacitive loading)를 감시하기 위해서 이용될 수 있다. 적절한 커패시턴스 검출 기술의 예시를 위해서, 스터너(Stunner) 등에 의해, 2008년 8월 21일자로 공개된 발명의 명칭이 "Capacitance Detection in a Droplet Actuator"인 국제 특허 공보 제 WO/2008/101194호; 및 케일(Kale) 등에 의해 2002년 10월 17일자로 공개된 발명의 명칭이 "System and Method for Dispensing Liquids"인 국제 특허 공보 제 WO/2002/080822호를 참조하며; 이의 전체 개시 내용이 인용에 의해 본원에 포함된다.
액적 작동기(2405)는 파쇄 디바이스(disruption device)(2445)를 포함할 수 있다. 파쇄 디바이스(2445)는 액적 작동기 내의 물질, 이를테면 조직, 세포 및 스포어(spore)의 파쇄(분쇄(lysis))를 촉진시키는 임의의 디바이스를 포함할 수 있다. 파쇄 디바이스(2445)는, 예컨대, 음파처리 기구(sonication mechanism), 가열 기구, 기계적 전단(shearing) 기구, 비드 비팅 기구(bead beating mechanism), 액적 작동기(2405) 내로 포함된 물리적 특징부, 전기장 생성 기구, 열적 사이클 기구 및 그의 임의의 조합일 수 있다. 파쇄 디바이스(2445)는 제어기(2430)에 의해 제어될 수 있다.
본 발명의 다양한 양태가 방법, 시스템, 컴퓨터 판독가능 매체, 및/또는 컴퓨터 프로그램 생성물로서 구체화될 수 있음이 인지될 것이다.
본 발명의 양태는 하드웨어 실시예, 소프트웨어 실시예(펌웨어, 상주 소프트웨어, 마이크로-코드 등을 포함), 또는 "회로", "모듈" 또는 "시스템"으로 본원에서 모두 일반적으로 참조될 수 있는 소프트웨어 및 하드웨어 양태를 조합한 실시예의 형태를 취할 수 있다. 또한, 본 발명의 방법은 매체 내에서 구체화되는 컴퓨터-이용가능한 프로그램 코드를 갖는 컴퓨터-이용가능한 저장 매체 상의 컴퓨터 프로그램 제품의 형태를 취할 수 있다.
임의의 적합한 컴퓨터 이용가능한 매체가 본 발명의 소프트웨어 양태에 활용될 수 있다. 컴퓨터-이용가능 또는 컴퓨터-판독가능 매체는, 예를 들어, 전자, 자기, 광학, 전자기, 적외선, 또는 반도체 시스템, 장치, 디바이스, 또는 전달 매체(propagation medium)일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 컴퓨터 판독가능 매체는 일시적(transitory) 및/또는 비-일시적(non-transitory) 실시예를 포함할 수 있다. 컴퓨터-판독가능 매체의 더욱 특별한 예(총망라된 목록은 아님)는 다음 중 일부 또는 전부를 포함할 것이다: 하나 또는 그 초과의 배선(wire)을 갖는 전기 접속체(connection), 휴대용 컴퓨터 디스켓(portable computer diskette), 하드 디스크, 임의 접근 메모리(RAM), 판독-전용 메모리(ROM), 소거 가능 판독-전용 메모리(erasable programmable read-only memory)(EPROM 또는 플래시 메모리), 광섬유(optical fiber), 휴대용 컴팩트 디스크 판독-전용 메모리(CD-ROM), 광학 저장 장치, 전송 매체(transmission medium), 이를 테면, 인터넷(Internet) 또는 인트라넷(intranet)을 지원하는 전송 매체, 또는 자기 저장 디바이스(magnetic storage device). 컴퓨터-이용가능 또는 컴퓨터-판독가능 매체가 프로그램이 심지어 프로그램이 인쇄된 종이 또는 또 다른 적합한 매체일 수 있는데, 이는 프로그램이, 예를 들어, 종이 또는 다른 매체의 광학 스캐닝을 통해 전자적으로 포착된 후, 필요시 적합한 방식으로 집계(compiled)되거나, 해석(interpreted)되거나, 달리 처리되고, 이후 컴퓨터 메모리에 저장될 수 있기 때문임에 주목한다. 본 명세서의 맥락에서, 컴퓨터-이용가능 또는 컴퓨터-판독가능 매체는 명령 실행 시스템(instruction execution system), 장치, 또는 디바이스에 의해 또는 이와 관련하여 이용하기 위한 프로그램을 포함하거나, 저장하거나, 통신하거나, 전달하거나, 전송할 수 있는 임의의 매체일 수 있다.
본 발명의 작업을 수행하기 위한 프로그램 코드는 Java, Smalltalk, C++ 등과 같은 객체 지향 프로그래밍 언어(object oriented programming language)로 작성될 수 있다. 그러나, 본 발명의 작업을 수행하기 위한 프로그램 코드는 또한 통상적인 절차용 프로그래밍 언어, 이를 테면, "C" 프로그래밍 언어 또는 유사한 프로그래밍 언어로 작성될 수 있다. 프로그램 코드는 프로세서, 주문형 집적 회로(application specific integrated circuit, ASIC), 또는 프로그램 코드를 수행하는 다른 구성요소에 의해 실행될 수 있다. 프로그램 코드는 단순히 메모리(예를 들어, 상기 논의된 컴퓨터 판독가능한 매체)에 저장되는 소프트웨어 어플리케이션으로 언급될 수 있다. 프로그램 코드는 프로세서(또는 임의의 프로세서-제어 디바이스)가 그래픽 이용자 인터페이스("GUI")를 생성시키는 것을 유발할 수 있다. 그래픽 이용자 인터페이스는 디스플레이 장치에서 시각적으로(visually) 생성될 수 있으나, 그래픽 이용자 인터페이스는 또한 청취가능한(audible) 특징부를 가질 수 있다. 그러나, 프로그램 코드는 임의의 프로세서-제어 디바이스, 예를 들어, 컴퓨터, 서버, 개인용 디지털 단말기(personal digital assistan), 전화기, 텔레비전, 또는 프로세서 및/또는 디지털 신호 프로세서를 활용하는 임의의 프로세서-제어 디바이스에서 작동할 수 있다.
프로그램 코드는 국소적으로(locally) 및/또는 원격적으로(remotely) 수행될 수 있다. 프로그램 코드는, 예를 들어, 프로세서-제어 디바이스의 국소 메모리에 전체적으로 또는 부분적으로 저장될 수 있다. 그러나, 프로그램 코드는 또한 프로세서-제어 디바이스에 적어도 부분적으로 원격적으로 저장되거나, 접근되거나, 다운로드될 수 있다. 예를 들어, 이용자의 컴퓨터는 프로그램 코드를 전적으로 수행할 수 있거나, 프로그램 코드를 단지 부분적으로 수행할 수 있다. 프로그램 코드는 이용자의 컴퓨터 상에 적어도 부분적으로 존재하고/하거나 원격 컴퓨터 상에서 부분적으로 수행되거나, 원격 컴퓨터 또는 서버에서 전적으로 수행되는 독립형(stand-alone) 소프트웨어 패키지일 수 있다. 후자의 시나리오에서, 원격 컴퓨터는 통신망을 통해 이용자의 컴퓨터에 연결될 수 있다.
본 발명은 네트워크 환경에 상관없이 적용될 수 있다. 통신망은 무선-주파수 도메인 및/또는 인터넷 프로토콜(IP) 도메인에서 작동하는 케이블 네트워크일 수 있다. 그러나, 통신망은 또한 분산 컴퓨팅 네트워크, 이를테면, 인터넷(종종, 대안적으로 "월드 와이드 웹"으로 공지되어 있음), 인트라넷, 근거리 통신망(LAN), 및/또는 광역 통신망(WAN)을 포함할 수 있다. 통신망은 동축 케이블, 구리선, 광섬유선, 및/또는 하이브리드-동축선을 포함할 수 있다. 통신망은 심지어 전자기 스펙트럼의 임의의 일부 및 임의의 신호전달 표준(예를 들어, 표준 IEEE 802 패밀리, GSM/CDMA/TDMA 또는 임의의 셀룰러(cellular) 표준, 및/또는 ISM 대역)을 이용하는 무선 부분을 포함할 수 있다. 통신망은 심지어 신호가 전기 배선을 통해 통신되는 전력선 부분을 포함할 수 있다. 본 발명은 물리적 컴포넌트리(physical componentry), 물리적 구성, 또는 통신 표준(들)과 상관없이 임의의 무선/유선 통신망에 적용될 수 있다.
본 발명의 특정 양태는 다양한 방법 및 방법 단계와 관련하여 설명된다. 각각의 방법 단계가 프로그램 코드 및/또는 기계 명령어에 의해 수행될 수 있음이 이해될 것이다. 프로그램 코드 및/또는 기계 명령어는 상기 방법에 특정된 기능/작용을 수행하기 위한 수단을 발생시킬 수 있다.
프로그램 코드는 또한 프로세서, 컴퓨터, 또는 다른 프로그램가능한 데이터 처리 장치가 특정 방식으로 기능하도록 유도할 수 있는 컴퓨터-판독가능한 메모리에 저장될 수 있어, 상기 컴퓨터-판독가능한 메모리에 저장된 프로그램 코드는 상기 방법 단계들의 다양한 양태를 구체화하는 명령 수단을 포함하는 제조 물품을 생성시키거나 변형시킨다.
프로그램 코드는 또한 컴퓨터 또는 다른 프로그램가능한 데이터 처리 장치에 반입되어, 수행되는 일련의 작업 단계들이, 프로그램 코드가 본 발명의 방법에 특정된 다양한 기능/작용을 구체화하기 위한 단계들을 제공하도록 하는 프로세서/컴퓨터 구체화 프로세스를 발생시키도록 수행될 수 있다.
결론적 소견
실시예의 전술한 상세한 설명은 본 발명의 특정 실시예를 예시하는 첨부 도면을 참조한다. 다양한 구조 및 작동을 갖는 다른 실시예가 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않는다. 용어 "본 발명" 등은 본 명세서에서 설명된 본 출원인의 발명의 많은 대안적 양태 또는 실시예의 소정의 특정한 예의 참조와 함께 이용되며, 이의 이용 또는 이의 부재는 어느 것도 본 출원인의 발명의 범주 또는 청구항의 범주를 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 명세서는 단지 독자의 편의를 위해 섹션으로 나뉜다. 제목은 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 정의는 본 발명의 설명의 일부로서 의도된다. 본 발명의 다양한 세부사항이 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 변경될 수 있음이 이해될 것이다. 또한, 전술한 설명은 단지 예시의 목적을 위한 것이며, 제한의 목적이 아니다.

Claims (76)

  1. 액적 작동기에서 액적 상에 액적 작업을 수행하는 방법으로서,
    a) 액적 작업 갭을 형성하도록 분리된 상부 기판 및 저부 기판을 포함하는 액적 작동기를 제공하는 단계 ― 상기 액적 작동기는 액적 작업을 실행하기 위해 배열된 액적 작업 전극의 배열체를 더 포함함 ―;
    b) 상기 액적 작동기의 액적 작업 갭을 충전제 유체로 충전하는 단계;
    c) 상기 액적 작업 갭 내에 액적을 제공하는 단계;
    d) 상기 액적 작업 갭 내의 액적 상에 다중 액적 작업을 실행하는 단계 ― 상기 액적은 상기 액적 작업 갭 내의 충전제 유체를 통해 이송됨 ―; 및
    e) 근처의 액적 작업 전극에 걸쳐 액적의 용적(volume)을 확산시키는 액적 작업을 상기 액적 작업 갭 내의 액적 상에 실행하면서 상기 액적과 전기 접지 간의 접촉 이탈을 방지하는 단계;를 포함하며,
    상기 액적과 전기 접지 간의 접촉 이탈 방지는, 상기 액적 작업 갭의 충전제 유체 내의 기포 형성에 의한 중단 없이 상기 다중 액적 작업이 완료될 수 있게 하는,
    액적 작동기에서 액적 상에 액적 작업을 수행하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    비등점의 60% 이상으로, 또는 75℃의 최소 온도로, 또는 비등점의 20℃ 내로, 상기 액적 작업 갭 내의 액적을 가열하는 단계를 더 포함하는,
    액적 작동기에서 액적 상에 액적 작업을 수행하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 기판이 상기 전기 접지에 접지되며,
    상기 액적 작업 갭 내의 액적 상에 다중 액적 작업을 실행하면서 상기 액적과 상기 상부 기판 간의 접촉 이탈이 방지되는,
    액적 작동기에서 액적 상에 액적 작업을 수행하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 기판의 표면이 텍스쳐링되어서, 상기 액적 작업 갭 내의 액적 상에 다중 액적 작업을 실행하면서 상기 액적과 상기 전기 접지 간의 접촉 이탈이 방지되는,
    액적 작동기에서 액적 상에 액적 작업을 수행하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    (i) 상기 액적 작업 갭의 높이가 조절되거나; 또는
    (ii) 상기 액적 작업 갭의 높이가 감소되거나; 또는
    (iii) 상기 액적 작업 갭의 높이가 스프링으로 조절되거나; 또는
    (iv) 상기 전기 접지가 상기 액적을 향해 이동되어서,
    상기 액적 작업 갭 내의 액적 상에 다중 액적 작업을 실행하면서 상기 액적과 상기 전기 접지 간의 접촉 이탈이 방지되는,
    액적 작동기에서 액적 상에 액적 작업을 수행하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 액적 작업 전극이 상기 저부 기판과 상기 상부 기판 중 하나 또는 모두 상에 배열되는,
    액적 작동기에서 액적 상에 액적 작업을 수행하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    (i) 상기 액적 작업 갭의 영역 내의 액적을 가열하는 단계를 더 포함하거나, 또는
    (ii) 상기 전기 접지가 상기 영역 내의 상기 액적 작업 전극에 공면(coplanar)이어서, 상기 액적 작업 갭 내의 액적 상에 다중 액적 작업을 실행하면서 상기 액적과 상기 전기 접지 간의 접촉 이탈이 방지되는 것을 더 포함하는,
    액적 작동기에서 액적 상에 액적 작업을 수행하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    충전제 유체(330)가 전기 전도성 충전제 유체인,
    액적 작동기에서 액적 상에 액적 작업을 수행하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 액적 작업 갭 내의 액적 상에 다중 액적 작업을 실행하면서 상기 전기 접지와의 접촉 이탈을 방지하도록, 상기 액적을 다른 액적과 융합시키는(merging) 단계를 더 포함하는,
    액적 작동기에서 액적 상에 액적 작업을 수행하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 액적 작업 전극을 사용하여 상기 액적 작업 갭 내의 액적 상에 다중 액적 작업을 실행하면서 상기 전기 접지와의 접촉 이탈을 방지하도록, 중첩 배열체(overlapping arrangement), 상호맞물림된 배열체(interdigitated arrangement), 및 삼각형 배열체(triangular arrangement) 중 하나에 상기 액적 작업 전극을 제공하는 단계를 더 포함하는,
    액적 작동기에서 액적 상에 액적 작업을 수행하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    (i) 측벽과 대향 측벽에 의해 상기 액적 작업 갭을 구획하여(bounding) 액적 작업 채널을 형성하는 단계;
    (ii) 상기 측벽 상에 상기 액적 작업 전극을 배열하는 단계;
    (iii) 상기 대향 측벽을 따라 또는 상기 저부 기판을 따라, 하나 또는 그 초과의 접지 전극을 배열하는 단계; 및
    (iv) 상기 하나 또는 그 초과의 접지 전극을 상기 전기 접지에 연결하는 단계;를 더 포함하며,
    상기 액적 작업 갭 내의 액적 상에 다중 액적 작업을 실행하면서 상기 전기 접지와의 접촉은 중력에 의해 영향을 받지 않는,
    액적 작동기에서 액적 상에 액적 작업을 수행하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 측벽은 제 1 레일을 포함하고 상기 대향 측벽은 제 2 레일을 포함하며,
    상기 제 1 레일과 상기 제 2 레일은 서로 평행하게 배열된 세장형의 3차원(3D) 구조체인,
    액적 작동기에서 액적 상에 액적 작업을 수행하는 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    (i) 상기 하나 또는 그 초과의 접지 전극은 상기 대향 측벽을 따라 배열되고, 상기 액적 작업 전극의 위치와 상기 하나 또는 그 초과의 접지 전극의 위치를 오프셋하는 단계(offsetting)를 더 포함하거나; 또는
    (ii) 상기 하나 또는 그 초과의 접지 전극은 상기 대향 측벽을 따라 배열되고, 상기 하나 또는 그 초과의 접지 전극이 연속 스트립이거나; 또는
    (iii) 상기 하나 또는 그 초과의 접지 전극은 상기 대향 측벽을 따라 배열되고, 액적 작업 전극 각각을 하나 또는 그 초과의 접지 전극 각각에 대해 대향하게 배열하는 단계(oppositely arranging)를 더 포함하는,
    액적 작동기에서 액적 상에 액적 작업을 수행하는 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    (i) 액적을 비활성 전극으로부터 활성 전극으로 이송하도록 전압을 인가하는 단계; 및
    (ii) 액적이 활성 전극으로 이송되는 동안에 상기 액적과 상기 전기 접지 간의 접촉 이탈이 방지됨으로써 상기 액적 작업 갭 내의 전기 전하(electrical charge)가 감소되거나 또는 전기 전하의 방전(discharge)이 감소되는,
    액적 작동기에서 액적 상에 액적 작업을 수행하는 방법.
  15. 액적 작동기에서 액적 상에 액적 작업을 수행하는 시스템으로서,
    코드를 실행하는 프로세서 및 상기 프로세서와 통신하는 메모리를 포함하며,
    상기 액적 작동기는, 액적 작업 갭을 형성하도록 분리된 상부 기판 및 저부 기판을 포함하고,
    상기 액적 작동기는, 액적 작업을 실행하기 위해 배열된 액적 작업 전극의 배열체를 더 포함하며,
    상기 시스템은, 상기 프로세서로 하여금 적어도 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하게 하는 메모리 내에 저장된 코드를 포함하는,
    액적 작동기에서 액적 상에 액적 작업을 수행하는 시스템.
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