KR102141073B1 - 수동으로 작동되는 온-칩 방식의 마이크로 정량 밸브 및 이를 포함하는 미세유체 칩 장치 - Google Patents

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Abstract

수동으로 작동되는 온-칩 방식의 마이크로 정량 밸브가 제공된다. 마이크로 정량 밸브는 밸브 몸체; 및 상기 밸브 몸체와 결합함으로써 유체의 유량과 채널내의 압력을 조절하는 밸브 나사를 포함하고, 상기 밸브 몸체는, 내부가 개방된 몸통부, 상기 몸통부의 내부 상측에 위치하고 상기 밸브 나사와의 결합을 위한 암나사가 형성된 내측 나사선부, 상기 몸통부의 내부 하측에 위치하는 내측 공간부, 일단이 상기 밸브 몸체의 외부와 연결되고 타단이 상기 내측 공간부에 연결되어 외부의 유체를 상기 내측 공간부로 유입하는 유입 통로, 일단이 상기 밸브 몸체의 외부와 연결되고 타단이 상기 내측 공간부에 연결되어 상기 내측 공간부의 유체를 외부로 유출하는 유출 통로를 포함하고, 상기 밸브 나사는, 상기 밸브 나사의 결합을 위한 외력이 작용하는 나사 머리부, 상기 내측 나사선부와의 결합을 위한 수나사가 형성된 나사선부 및 상기 밸브 나사가 회전하면서 수직 방향에 따른 위치 이동에 따라 상기 유입 통로와 상기 유출 통로 사이의 연결을 제어하는 마개부를 포함한다.

Description

수동으로 작동되는 온-칩 방식의 마이크로 정량 밸브 및 이를 포함하는 미세유체 칩 장치{Manually operated on-chip micro-metering valve and microfluidic-chip apparatus comprising thereof}
본 발명은 유량을 직접 제어하는 능동 밸브(active valve)로서 크기가 매우 작은 마이크로 정량 밸브(micro-metering valve) 기술에 관한 것으로, 미세유체 칩(microfluidic-chip) 장치 위에서 정밀한 유량 조절 및 유량 조절에 따른 미세채널내의 압력 조절이 수동으로 작동되는 마이크로 정량 밸브 및 마이크로 정량 밸브를 포함하는 미세유체 칩 장치에 관한 것이다.
[국가지원 연구개발에 대한 설명]
본 연구는 과학기술정보통신부의 도약연구지원사업의 "점탄성 유체의 계면동전기 유동 프로세스를 응용한 미세에너지 수확"(과제 고유번호: 1711043244, 세부과제번호: 2015R1A2A1A15052979, 과제수행기관: 한국과학기술연구원)의 지원에 의하여 이루어진 것이다.
미세채널에서의 액체 유동은 오래 전부터 화학, 바이오, 소재산업에서의 제조, 가공 공정, 측정기술은 물론이고, 크로마토그래피나 전기영동과 같은 분석 및 분리기술에서도 중요하다. 특히, 오늘날에는 MEMS (micro-electromechanical system) 공정의 발전에 의해 미세채널 단면의 평균 직경이 마이크로미터 범위인 미세유체 칩 사용이 보편화되어 더욱 중요성이 높아지고 있다.
액체를 다루는 데는 밸브가 필수적인데, 물, 전해질 용액, 현탁액, 혈액, 체액, 고분자 용액과 같이 다양한 종류의 액체시료를 다루는 과정에서 유량과 유량에 따른 미세채널내의 압력을 원하는 만큼 정확하게 조절하는 마이크로 정량 밸브가 요구되었으며 다양한 종류의 마이크로 정량 밸브가 개발된 바 있다.
종래 개발된 마이크로 정량 밸브의 작동 방식과 관련하여, 압전에 의한 역학적 방식을 리 등(H.Q. Li, D.C. Roberts, J.L. Steyn, K.T. Turner, O. Yaglioglu, N.W. Hagood, S.M. Spearing, M.A. Schmidt, "Fabrication of a high frequency piezoelectric microvalve", Sensors and Actuators A, 111, 51-56, 2004)에 의해 시도된 바 있고, 기체압력에 의한 공압 방식은 웅거 등(M.A. Unger, H.P. Chou, T. Thorsen, A. Scherer, S.R. Quake, "Monolithic microfabricated valves and pumps by multilayer soft lithography", Science, 288, 113-116, 2000)에 의해 시도된 바 있다.
다만, 상술한 종래 방식은 다수의 미세채널에 대한 동시적인 유량 조절에 적용될 수는 있지만, 압전 조절 또는 기체압력 조절 등을 위한 부수적인 장치가 반드시 필요하고 제작비용이 상대적으로 높은 단점이 있었다. 따라서, 부수적인 장치가 필요하지 않고 제작비용이 적게 드는 나사(screw) 방식의 미세유체 칩에 적용 가능한 능동 밸브가 요구되고 있는 실정이다.
H.Q. Li, D.C. Roberts, J.L. Steyn, K.T. Turner, O. Yaglioglu, N.W. Hagood, S.M. Spearing, M.A. Schmidt, "Fabrication of a high frequency piezoelectric microvalve", Sensors and Actuators A, 111, 51-56, 2004. M.A. Unger, H.P. Chou, T. Thorsen, A. Scherer, S.R. Quake, "Monolithic microfabricated valves and pumps by multilayer soft lithography", Science, 288, 113-116, 2000.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 미세유체 칩(microfluidic-chip) 기판 위에서 정밀한 유량 조절 및 유량 조절에 따른 미세채널내의 압력 조절이 수동으로 작동되는 나사(screw) 방식의 마이크로 정량 밸브를 제공한다.
본 명세서의 일 실시예에 따른 마이크로 정량 밸브는 밸브 몸체; 및 상기 밸브 몸체와 결합함으로써 상기 밸브 몸체 내부를 통과하는 유체의 유량을 조절하는 밸브 나사를 포함하는 마이크로 정량 밸브로서, 상기 밸브 몸체는, 내부가 개방된 몸통부, 상기 몸통부의 내부 상측에 위치하고 상기 밸브 나사와의 결합을 위한 암나사가 형성된 내측 나사선부, 상기 몸통부의 내부 하측에 위치하는 내측 공간부, 일단이 상기 밸브 몸체의 외부와 연결되고 타단이 상기 내측 공간부에 연결되어 외부의 유체를 상기 내측 공간부로 유입하는 유입 통로, 타단이 상기 밸브 몸체의 외부와 연결되고 일단이 상기 내측 공간부에 연결되어 상기 내측 공간부의 유체를 외부로 유출하는 유출 통로를 포함하고, 상기 밸브 나사는, 상기 밸브 나사의 결합을 위한 외력이 작용하는 나사 머리부, 상기 내측 나사선부와의 결합을 위한 수나사가 형성된 나사선부 및 상기 밸브 나사가 회전하면서 수직 방향에 따른 위치 이동에 따라 상기 유입 통로와 상기 유출 통로 사이의 연결을 제어하는 마개부를 포함한다.
본 명세서의 다른 실시예에 따른 미세유체 칩 장치는 상기 마이크로 정량 밸브; 적어도 하나 이상의 미세채널; 상기 미세채널 내의 압력을 측정하는 정밀 압력계; 상기 미세채널에 유체가 주입되기 위한 유입구; 및 상기 미세채널로부터 유체가 유출되기 위한 유출구를 포함하고, 상기 마이크로 정량 밸브는 상기 미세채널의 유체 흐름을 정량적으로 제어한다.
본 발명에 따른 마이크로 정량 밸브는 수동으로 작동되는 나사(screw) 방식으로 별도의 부수적인 장치 없이 정밀한 유량 조절 및 유량 조절에 따른 미세채널내의 압력 조절이 가능하다.
본 발명에 따른 마이크로 정량 밸브는 구성이 간단하고, 초소형으로 구현될 수 있어 미세유체 칩 기판 상에 온-칩(on-chip) 방식으로 구현될 수 있다. 또한, 유체가 흐르는 미세채널 상에 구현되어 미세채널 상에서의 조절(즉, in-line control)이 가능할 수 있다. 또한, 미세유체 칩 기판위에 탈착 및 부착이 가능하고 다른 미세유체 소자들과의 결합으로 집적화가 용이할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 정량 밸브를 구성하는 밸브 나사의 사시도, 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 정량 밸브를 구성하는 밸브 나사의 평면도를 나타낸다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 정량 밸브를 구성하는 밸브 몸체의 사시도, 도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 정량 밸브를 구성하는 밸브 몸체의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 정량 밸브의 밸브 몸체의 단면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 마개부의 수직방향 위치에 따른 마이크로 정량 밸브의 개폐 여부를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 폴리카보네이트로 제작된 밸브 나사, 아크릴로 제작된 밸브 몸체 및 밸브 나사가 밸브 몸체에 체결된 모습을 나타낸 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유체 칩 장치의 개략적인 구성을 나타낸 블록도이다.
도 7은 도 6의 미세유체 칩 장치를 구현한 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유체 칩 장치를 나타낸 사진이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 정량 밸브의 작동으로 유량과 유량에 따른 미세채널내의 압력 조절 결과를 나타낸 그래프이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당 업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로 기술된 것이 아니며, 본 발명의 범위는 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 정량 밸브를 구성하는 밸브 나사의 사시도, 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 정량 밸브를 구성하는 밸브 나사의 평면도를 나타낸다. 도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 정량 밸브를 구성하는 밸브 몸체의 사시도, 도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 정량 밸브를 구성하는 밸브 몸체의 사시도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 정량 밸브의 밸브 몸체의 단면도이며, 도 4a 내지 도 4c는 마개부의 위치에 따른 마이크로 정량 밸브의 개폐 여부를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 5는 폴리카보네이트로 제작된 밸브 나사와 아크릴로 제작된 밸브 몸체를 나타낸 사진이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 정량 밸브(10)는 수동으로 작동되는 나사(screw) 방식의 마이크로 정량 밸브로서, 밸브 나사(100)와 밸브 몸체(110)를 포함한다. 밸브 나사(100)와 밸브 몸체(110)는 사람 또는 드라이버와 같은 기구의 힘에 의해 수동으로 결합 정도가 변화될 수 있다. 즉, 마이크로 정량 밸브(10)는 결합 정도에 따라 완전 폐쇄 상태, 부분 개방 상태, 완전 개방 상태로 변화가 가능하다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 밸브 나사(100)는 나사 머리부(101), 나사선부(102), 마개부(103)로 구성된다. 나사 머리부(101)는 밸브 나사(100)의 상부에, 마개부(103)는 밸브 나사(100)의 하부에 위치하며, 나사선부(102)는 나사 머리부(101)와 마개부(103) 사이에 위치한다.
나사 머리부(101)는 수동으로 개폐를 위해 사람 또는 기구와 접촉되는 부위일 수 있다. 나사 머리부(101)는 밸브 나사의 회전을 위한 외력이 작용하는 부위일 수 있다. 나사 머리부(101)에 제공되는 힘에 의해 밸브 나사(100)는 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전될 수 있다. 나사 머리부(101)는 나사선에 의해 회전에 따라 수직방향으로 이동하여 밸브 나사(100)와 밸브 몸체(110)의 결합 정도가 변화될 수 있다. 용이한 접촉을 위해 나사 머리부(101)의 외경의 크기는 마개부(103)의 외경의 크기 및 나사선부(102)의 외경의 크기보다 크게 형성될 수 있다. 또한, 나사 머리부(101)의 상부에는 드라이버와 같은 외부 물체의 힘이 용이하게 전달되기 위한 리세스(홈)이 형성될 수도 있다.
나사선부(102)는 밸브 몸체(110)와 결합을 위한 수나사를 포함할 수 있다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 나사선부(102)는 요철 형상의 나사선을 포함하며, 후술할 밸브 몸체(110)와 결합될 수 있다. 도 1b는 X-Z 평면을 기준으로 밸브 나사(100)의 나사선부(102)와 나사 머리부(101)를 도시한 것이다. Y방향은 수직 방향, X와 Z방향은 수평 방향을 각각 나타낸다. 나사선부(102)의 나사선은 최대 직경(dmax), 최소 직경(dmin)을 가지며, 최대 직경(dmax)과 최소 직경(dmin)의 차이는 dt에 해당 한다.
마개부(103)는 나사선부(102)의 하부에 위치하며, 후술할 밸브 몸체(100) 내부에 형성된 유입 통로(114)와 유출 통로(115)의 연결을 제어할 수 있다. 마개부(103)에는 나사선이 형성되지 않는다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 밸브 몸체(110)는 몸통부(111), 내측 나사선부(112), 내측 공간부(113), 유입 통로(114), 유출 통로(115)로 구성된다.
몸통부(111)는 밸브 몸체(110)의 전체적인 외형을 구성하며, 밸브 몸체(110)의 다른 구성들은 몸통부(111)에 형성된다. 몸통부(111)의 내부는 밸브 나사가 결합되기 위해 개방된 상태일 수 있거나 관통된 상태일 수 있다. 즉, 상부, 하부가 모두 개방된 상태일 수 있으나, 밸브 몸체(110)가 특정 기판에 접합 고정됨에 따라 하부는 폐쇄될 수 있다.
몸통부(111)의 개방된 내부에 밸브 나사(100)가 체결될 수 있다. 밸브 나사(100)는 몸통부(111)의 내부 공간과 나사 결합을 유지한 상태에서 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전되면서, 몸통부(111)의 상부와 하부 사이를 이동할 수 있다. 이를 위해, 개방된 몸통부(111)의 내측 상부에는 내측 나사선부(112)가 형성된다. 내측 나사선부(112)는 나사선부(102)의 수나사와 체결되는 암나사를 포함한다. 내측 나사선부(112)와 나사선부(102)가 체결됨에 따라 밸브 나사(100)는 몸통부(111)의 내부의 Y 방향에 따른 상, 하 이동이 가능하다. 이러한, 상, 하 이동은 상술한 바와 같이 다른 부가적인 장치 없이 밸브 나사(100)의 나사 머리부(101)에 가해지는 사람 또는 장치에 의한 외력에 의해 수동으로 수행될 수 있다.
또한, 개방된 몸통부(111)의 내측 하부에는 내측 공간부(113)가 형성된다. 즉, 몸통부(111)의 개방된 내부 공간에서, 나사선이 형성된 상부 공간은 내측 나사선부(112)로, 나사선이 형성되지 않은 하부 공간은 내측 공간부(113)로 정의된다. 내측 공간부(113)의 벽면에는 유입 통로(114), 유출 통로(115)가 통공되어 형성된다. 유입 통로(114)와 유출 통로(115)는 일 방향을 따라 연장될 수 있으며, 내측 공간부(113)와 몸통부(111)의 외부를 각각 연결한다. 즉, 유입 통로(114)의 일단은 외부와 연결되고, 타단은 내측 공간부(113)와 연결될 수 있다. 유입 통로(114)는 외부의 유체를 내측 공간부(113)로 유입할 수 있다. 또한, 유출 통로(115)의 일단은 내측 공간부(113)와 연결되고, 타단은 외부와 연결될 수 있다. 유출 통로(115)는 내측 공간부(113)의 유체를 외부로 유출할 수 있다. 유입 통로(114)와 유출 통로(115)는 몸통부(111)의 중심부를 Y방향에 따라 수직 이등분하는 가상의 선을 기준으로 대칭되도록 위치할 수 있다.
또한, 도 2a에 도시된 바와 같이, 유입 통로(114)와 유출 통로(115)는 내측 공간부의 벽면과 소정의 경사각(θ)을 형성하며, 연장된 구조일 수 있다. 소정의 경사각(θ)은 설계상의 필요에 따라 변경될 수 있다. 예시적으로, 도 2b에 도시된 바와 같이, 마이크로 정량 밸브(10)가 미세채널 상에 위치하여 유량 및 미세채널내의 압력을 조절하는 인라인 컨트롤(in-line control)을 위해, 마이크로 정량 밸브(10)의 유입 통로(114)와 유출 통로(115)는 경사각(θ)이 90도로 수평한 방향을 따라 연장될 수 있다.
또한, 밸브 몸체(110)는 외부에서 유체를 용이하게 유입, 유출하기 위한 유입 튜빙 연결부(116), 유출 튜빙 연결부(117)를 더 포함할 수 있다. 유입 튜빙 연결부(116)와 유출 튜빙 연결부(117)도 몸통부(111)에 형성될 수 있다. 유입 튜빙 연결부(116)는 유입 통로(114)의 일단과 연결되어 외부의 유체를 유입 통로(114)로 전달할 수 있다. 유출 튜빙 연결부(117)는 유출 통로(115)의 타단과 연결되어 유출 통로(115)에서 외부로 유체를 전달할 수 있다. 유입, 유출 튜빙 연결부(116, 117)는 외부와 연결되는 튜빙의 직경과 대응되는 직경을 가져서 튜빙의 일정 길이가 상기 유입, 유출 튜빙 연결부(116, 117)를 통해 몸통부(111)에 설치될 수 있다. 유입 튜빙 연결부(116)의 직경과 유입 통로(114)의 직경은 서로 상이하며, 유출 튜빙 연결부(117)의 직경과 유출 통로(115)의 직경은 서로 상이할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
유입 통로(114)와 유출 통로(115)의 연결은 상술한 바와 같이, 마개부(103)에 의해 차단될 수 있다. 나사선부(102)의 수나사와 내측 나사선부(112)의 암나사가 맞물려져 회전됨에 따라 밸브 나사(100)는 수직 방향을 따라 이동될 수 있으며, 밸브 나사(100)의 하부 방향으로의 이동, Y방향의 반대 방향으로의 이동에 따라 마개부(103)는 내측 공간부(113)의 공간을 차지할 수 있다. 마개부(103)의 크기, 부피는 내측 공간부(113)가 형성되는 공간을 충분히 차지하도록 형성될 수 있다. 마개부(103)가 하부 방향으로 이동되어 내측 공간부(113)의 내부 공간을 차지함에 따라 마개부(103)는 유입 통로(114)와 내측 공간부(113)와의 연결, 내측 공간부(113)와 유출 통로(115)와의 연결이 각각 폐쇄될 수 있다. 즉, 마개부(103)의 위치에 따라 유입 통로(114)와 유출 통로(115)는 개방 또는 폐쇄될 수 있다. 이의 개폐 정도에 따라, 유입 통로(114)와 유출 통로(115) 사이를 통과하는 유체의 유량이 조절될 수 있다. 이하, 상술한 마개부(103)의 수직방향 위치에 따른 마이크로 정량 밸브(10)의 개폐가 수행되기 위한 각 구성의 조건에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다.
유입 통로(114)의 타단은 내측 공간부(113)의 벽면에 소정 높이(Dh)의 단면을 가지는 통로로 형성된다. 유출 통로(115)의 일단은 내측 공간부(113)의 벽면에 소정 높이(Dh)의 단면을 가지는 통로로 형성된다. 내측 공간부(113)에서 유입 통로(114)의 위치와 유출 통로(115)의 위치는 내측 공간부(113)의 중심점을 수직 이등분하는 가상의 선에 의해 대칭될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 유입 통로(114)가 내측 공간부에 형성되는 높이와 유출 통로(115)가 내측 공간부(113)에 형성되는 높이는 동일할 수 있다.
내측 공간부의 벽면에 통공되어 형성된 유입 통로(114), 유출 통로(115)의 단면의 하한선에서 상한선 까지의 Y방향에 따른 높이가 Dh에 해당한다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 마개부(103)는 밸브 몸체(110)의 내측 하부 공간까지 이동되어, 유입 통로(114)와 유출 통로(115)를 완전히 폐쇄하여 소정 높이(Dh)의 단면은 완전히 가려진 상태인 것을 알 수 있다.
도 4b는 마개부(103)가 유입 통로(114)와 유출 통로(115)를 부분적으로 개방한 상태를 도시하며, 소정 높이(Dh)의 단면은 부분적으로 가려진 상태인 것을 알 수 있다. 도 4c는 유입 통로(114)와 유출 통로(115)를 폐쇄하지 않은 완전 개방 상태를 도시하며, 소정 높이(Dh)의 단면은 완전히 개방된 상태인 것을 알 수 있다.
상술한 기능을 위해, 본 발명의 밸브 나사(100)와 밸브 몸체(110)는 다음과 같은 조건을 가질 수 있다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 밸브 나사(100)의 나사 머리부(101)의 수직 높이를 Sh, 나사선부(102)의 수직 높이를 Ss, 마개부(103)의 수직 높이를 Sc라고 정의한다. 여기서, 나사 머리부(101)의 수직 높이(Sh)는 나사 머리부(101)의 상부 끝단에서, 나사 머리부(101)와 나사선부(102)와의 제1 경계면까지의 Y방향에 따른 직선 길이를 의미하고, 나사선부(102)의 수직 높이(Ss)는 상기 제1 경계면에서 나사선부(102)와 마개부(103)와의 제2 경계면까지의 Y방향에 따른 직선 길이를 의미하며, 마개부(103)의 수직 높이(Sc)는 상기 제2 경계면에서 마개부(103)의 하부 끝단까지의 Y방향에 따른 직선 길이를 의미한다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 밸브 몸체(110)의 몸통부(111)의 수직 높이를 Hb, 내측 나사선부(112)의 수직 높이를 Hs로 정의된다. 여기서, 몸통부(111)의 수직 높이는 몸통부의 상부에서 하부까지의 Y방향에 따른 직선 길이를 의미한다. 몸통부(111)의 하부는 내측 공간부(113)의 바닥부와 실질적으로 동일한 높이일 수 있다. 내측 공간부(113)의 바닥에서 유입 통로(114), 유출 통로(115)가 내측 공간부(113)의 벽면에 형성된 소정 높이(Dh)의 단면의 하한선까지의 Y방향에 따른 직선 길이는 Hb1, 유입통로(114), 유출 통로(115)가 내측 공간부(113)의 벽면에 형성된 소정 높이(Dh)의 단면의 하한선부터 내측 공간부(113)와 내측 나사선부(112)의 제3 경계면까지의 Y방향에 따른 직선 길이는 Hb2로 정의된다. 내측 나사선부(112)의 수직 높이 Hs는 상기 제3 경계면에서 몸통부의 상부까지의 Y방향에 따른 직선 길이이다.
여기서, 밸브 나사(100)에서 밸브 몸체(110)의 내부로 삽입되는 구성인 나사선부(102)와 마개부(103)의 길이는 밸브 몸체(110)의 전체 길이보다 짧으나, 유입 통로(114)와 유출 통로(115)가 내측 공간부(113)의 벽면에 통공되어 형성되는 단면의 개폐를 충분히 조절할 수 있어야 한다.
따라서, 나사선부(102)의 수직 높이와 마개부(103)의 수직 높이는 밸브 몸체(110)의 구성과의 관계에서 하기 수학식 1과 같은 조건을 충족하여야 한다.
[수학식 1]
Hs + Hb2 < Ss + Sc < Hs + Hb2 + Hb1
또한, 완전한 폐쇄를 위해 밸브 몸체(110)의 내측 나사선부(112)는 밸브 나사(100)의 나사선부(102)보다 짧게 형성되어야 한다.
[수학식 2]
Hs < Ss
또한, 유입 통로(114)와 유출 통로(115)가 내측 공간부의 벽면에 통공되어 형성되는 단면의 높이(Dh)는 유입 통로(114)와 유출 통로(115)의 하한선부터 내측 나사선부(112)와 내측 공간부(113)의 제3 경계면까지의 수직 길이인 Hb2보다 작아야 마개부(103)가 하부로 이동하였을 때, 완전한 폐쇄가 가능하다. 따라서, 다음 수학식 3과 같은 조건을 충족하여야 한다.
[수학식 3]
Dh < Hb2
또한, 도 4a와 같은 완전 폐쇄 상태에서, 몸통부(111)의 바닥부에서 마개부(103)의 하부 끝단까지의 수직 높이를 CH라고 정의할 때, CH는 하기 수학식 4를 충족할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112018120133160-pat00001
즉, 마개부는 몸통부(111)의 바닥까지 이동되어 수직 높이가 0일 수 있거나, 통공된 단면(Dh)의 하한선까지만 이동되어 통공된 통로를 완전히 막아야 한다.
완전 폐쇄 상태에서, 마개부(103)는 유입 통로(114)와 유출 통로(115)가 내측 공간부(113)의 벽면에 통공되어 형성되는 통로를 완전히 막도록 위치될 수 있다.
또한, 도 4c와 같은 완전 개방 상태에서, 몸통부(111)의 바닥부에서 마개부(103)의 하부 끝단까지의 수직 높이를 OH라고 정의할 때, OH는 하기 수학식 5를 충족할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112018120133160-pat00002
완전 개방 상태에서, 밸브 나사(100)의 마개부(103)는 유입 통로(114)와 유출 통로(115)가 내측 공간부의 벽면에 통공되어 형성되는 통로를 완전히 개방하여야 한다. 따라서, 마개부(103)는 몸통부(111)의 바닥부터 통공된 단면(Dh)의 상한선에 해당하는 높이(Hb1 + Dh) 이상에 위치하여야 한다. 또한, 마개부(103)는 내측 공간부(113)와 내측 나사선부(112)의 제3 경계면 영역을 충분히 막도록 위치될 수 있다. 따라서, 상기 통공된 단면을 완전히 개방하더라도 내측 나사선부를 통한 유체의 유출을 충분히 차단할 수 있다.
[실시예]
상기의 설계조건에 따라, 밸브 몸체(110)는 투명한 아크릴로, 밸브 나사(100)는 아크릴 보다는 경도가 높은 투명한 폴리카보네이트로, 컴퓨터 수치제어(CNC) 방식의 선반가공에 의해 도 5와 같이 제작될 수 있다.
본 실시예에 따른 마이크로 정량 밸브(10)는 밸브 나사(100)를 밸브 몸체(110)에 체결시키고 수동으로 밸브 나사(100)를 회전시키면 밸브 몸체(110)에 형성된 유입 통로와 유출 통로를 개폐하게 된다. 상세하게는 내측 공간부(113)의 벽면에 통공되어 형성된 유입 통로 및 유출 통로 단면의 개폐 정도에 따라 완전폐쇄부터 완전개방까지 작동되어 목적하고자 하는 유량을 조절하게 되고 이에 따른 유체역학적 관계에 의하여 유량에 따른 압력을 조절할 수 있다.
본 실시예에 따른 마이크로 정량 밸브(10)는 미세채널 단면이 원형인 모세관이나 미세기전시스템(micro-electromechanical system, MEMS) 및 미세가공(microfabrication)에 의해 제작되어 형성된 미세채널 단면이 슬릿형 및 사각형인 미세유체 칩 장치와 일체화되거나, 상술한 구성과 연결되어 압력차로 흘러가는 유량과 유량에 따른 압력을 조절할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 마이크로 정량 밸브는 수동으로 작동되는 나사(screw) 방식으로 별도의 부수적인 장치 없이 정밀한 유량 조절 및 유량 조절에 따른 미세채널내의 압력 조절이 가능하다.
본 발명에 따른 마이크로 정량 밸브는 구성이 간단하고, 초소형으로 구현될 수 있어 미세유체 칩 기판 상에 온-칩(on-chip) 방식으로 구현될 수 있다. 또한, 유체가 흐르는 미세채널 상에 구현되어 채널 상에서의 조절(즉, in-line control)이 가능할 수 있다. 또한, 미세유체 칩 기판 위에 탈착 및 부착이 가능하고 다른 미세유체 소자들과의 결합으로 집적화가 용이할 수 있다.
이하, 본 실시예에 따른 마이크로 정량 밸브(10)가 적용된 미세유체 칩 장치에 대해 설명하도록 한다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유체 칩 장치의 개략적인 구성을 나타낸 블록도이다. 도 7은 도 6의 미세유체 칩 장치를 구현한 사진이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 미세유체 칩 장치(1)는 적어도 하나 이상의 미세채널(20), 미세채널(20)로 유체가 주입되기 위한 유입구(30), 미세채널(20)로부터 유체가 유출되기 위한 유출구(40), 상기 미세채널(20)에 유체 흐름을 생성하기 위한 펌프(50), 상기 펌프와 상기 유입구 사이에 위치하는 정밀 압력계(60) 및 상기 미세채널(20)의 유체 흐름을 정량적으로 제어하는 마이크로 정량 밸브(10)를 포함한다. 여기서, 미세채널(20), 유입구(30), 유출구(40)는 하나의 미세유체 칩을 구성한다. 미세유체 칩의 구성에 따라 미세채널(20), 유입구(30), 유출구(40)는 복수 개로 형성될 수 있다. 예시적으로, 미세채널(20)은 복수 개로 채널이 구성될 수 있다. 예시적으로, 미세채널(20)은 세포 시료액이 주입되는 주 채널, 완충 용액이 유입되는 측면 채널, 세포의 크기에 따른 분리를 위한 분지 채널 등으로 구성될 수 있다. 유입구(30) 또한 세포 시료액이 유입되는 주 유입구 및 완충 용액이 유입되는 측면 유입구 등으로 구성될 수 있다. 유출구(40)는 작은 크기의 세포들이 분리되어 유출되는 분지 채널 유출구, 큰 크기의 세포들이 분리되어 유출되는 주 채널 유출구 등으로 구성될 수 있다.
마이크로 정량 밸브(10)는 상술한 도 1 내지 도 5의 마이크로 정량 밸브일 수 있으며, 미세유체 칩 상에 위치하는 온-칩 방식으로 구현될 수 있다.
도 7과 같이, 경화시킨 유연한 플라스틱인 PDMS(polydimethyl siloxane) 기판을 둥근 칼로 관통시키고 마이크로 정량 밸브(10)를 관통시킨 자리에 장착하고, PDMS 기판을 미세유체 칩의 유리 기판에 산소 플라즈마 접합법으로 접합시킨다. 여기서, PDMS 기판의 두께는 2 내지 6 밀리미터(mm)가 바람직하고 유리 기판은 1.0 내지 1.5 밀리미터(mm) 두께가 바람직하다. 미세유체 칩의 채널 폭과 높이 범위는 수십 마이크로미터에서 수백 마이크로미터까지이다. 미세유체 칩은 MEMS 공정을 이용하여 복수개의 미세채널(20)이 PDMS 채널기판에 형성되고, 유입구(30)와 유출구(40)는 둥근 칼로 PDMS 채널기판을 관통하여 형성될 수 있다. 유입구(30)와 유출구(40)는 외경 1/16 인치 튜빙이 연결 가능하도록 준비될 수 있다.
마이크로 정량 밸브(10)는 유입구(30), 유출구(40) 또는 미세채널(20)중 적어도 하나에 연결되어 유량을 조절하고, 유량 조절에 따른 미세채널(20)내의 압력을 조절할 수 있다. 마이크로 정량 밸브(10)는 유출구(40) 또는 유입구(30)와 연결되어 유체 흐름을 제어할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 미세채널(20) 상에 위치하여 미세채널(20) 상에서의 조절(in-line control)이 가능하도록 구성될 수도 있다. 이하, 본 발명의 미세유체 칩 장치(1)를 구현한 실시예 및 이를 통한 유량 조절 결과에 대해 설명하도록 한다.
마이크로 정량 밸브(10)가 적용된 실시예에 대해 설명하도록 한다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유체 칩 장치를 나타낸 사진이다. 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 정량 밸브의 작동으로 유량과 이에 따른 미세채널내의 압력 조절 결과를 나타낸 그래프이다.
당뇨병 치료에 중요한 췌도세포(islet cell)를 얻기 위해서는 인체의 췌장에서 분비되는 선방조직으로부터 순수한 췌도세포를 분리해야 하는데, 이를 위해 도 8과 같은 미세유체 칩 장치가 적용될 수 있다. 즉, 세포의 크기와 변형률 차이에 의한 분리에 기반하는 것으로, 접선(tangential) 방향 유동에 의해 선방개체들이 분지 유선(branch streamline)으로의 선택적 변형을 가져오고, 채널 사이의 유동 저항의 스위칭(switching)은 단단한 췌도세포의 분리와 수집을 가능하게 한다.
도 8의 미세유체 칩 장치에서, 미세채널(20)은 높은 유량으로 완충용액(buffer solution)이 사선 방향으로 유입되는 여러 개로 병렬 배치된 측면 집중 유동(focusing flow) 채널, 세포 시료액이 유입되는 주(main) 채널, 그리고 여러 개로 병렬 배치된 분지(branch) 채널로 구성된다. 또한, 크기 차이와 변형률 차이에 의한 분리효과를 이용하려면 채널 사이의 유동 저항에 대해 조절이 필요한데, 이를 위해서 마이크로 정량 밸브(10)를 미세유체 칩의 유리기판에 접합하여 장착하고 주 채널의 유출구(40)와 튜빙으로 연결하여 유량을 조절하였다. 각각의 채널 폭과 높이는 150-350μm 범위를 갖는 PDMS-glass 칩과 실린지 펌프와는 테프론 튜빙으로 연결되어 있고, 튜빙에는 정밀압력계를 장착할 수도 있다. 도 9는, 본 발명의 마이크로 정량 밸브(10)에 의한 유량 변화에 따라 미세채널(20)내 압력이 변화된 결과로서, 유량과 압력은 선형적으로 비례함을 볼 수 있다. 즉, 마이크로 정량 밸브(10)에 의해 미세채널에서의 유량 및 압력 조절이 정확하게 작동되는 것을 알 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만 본 발명은 이러한 실시예들 또는 도면에 의해 한정되는 것으로 해석되어서는 안 되며, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 미세유체 칩 장치 10: 마이크로 정량 밸브
20: 미세채널 30: 유입구
40: 유출구 50: 펌프
60: 정밀 압력계 100: 밸브 나사
101: 나사 머리부 102: 나사선부
103: 마개부 110: 밸브 몸체
111: 몸통부 112: 내측 나사선부
113: 내측 공간부 114: 유입 통로
115: 유출 통로

Claims (15)

  1. 밸브 몸체; 및
    상기 밸브 몸체와 결합함으로써 상기 밸브 몸체 내부를 통과하는 유체의 유량을 조절하는 밸브 나사를 포함하는 마이크로 정량 밸브로서,
    상기 밸브 몸체는,
    내부가 개방된 몸통부, 상기 몸통부의 내부 상측에 위치하고 상기 밸브 나사와의 결합을 위한 암나사가 형성된 내측 나사선부, 상기 몸통부의 내부 하측에 위치하는 내측 공간부, 일단이 상기 밸브 몸체의 외부와 연결되고 타단이 상기 내측 공간부에 연결되어 외부의 유체를 상기 내측 공간부로 유입하는 유입 통로, 타단이 상기 밸브 몸체의 외부와 연결되고 일단이 상기 내측 공간부에 연결되어 상기 내측 공간부의 유체를 외부로 유출하는 유출 통로를 포함하고,
    상기 밸브 나사는,
    상기 밸브 나사의 결합을 위한 외력이 작용하는 나사 머리부, 상기 내측 나사선부와의 결합을 위한 수나사가 형성된 나사선부 및 상기 밸브 나사의 수직 방향에 따른 위치 이동에 따라 상기 유입 통로와 상기 유출 통로 사이의 연결을 제어하는 마개부를 포함하며,
    상기 유입 통로의 타단 및 상기 유출 통로의 일단은 상기 내측 공간부의 벽면에 통공되어 일정 높이의 단면을 가지는 통로로 각각 형성되며,
    상기 유입 통로의 타단이 상기 내측 공간부의 벽면에 형성되는 높이와 상기 유출 통로의 일단이 상기 내측 공간부의 벽면에 형성되는 높이는 동일하고,
    상기 나사선부의 수직 높이(Ss)와 상기 마개부의 수직 높이(Sc)는 하기 수학식 1과 같은 조건을 충족하는 것을 특징으로 하는 마이크로 정량 밸브.

    [수학식 1]
    Hs + Hb2 < Ss + Sc < Hs + Hb2 + Hb1

    (여기서, Ss는 나사선부의 수직 높이, Sc는 마개부의 수직 높이, Hs는 내측 나사선부의 수직 높이, Hb2는 유입 통로, 유출 통로가 내측 공간부의 벽면에 통공되어 형성된 소정 높이(Dh)의 단면의 하한선부터 내측 공간부와 내측 나사선부의 경계면까지의 수직 높이, Hb1는 내측 공간부의 바닥에서 유입 통로, 유출 통로가 내측 공간부의 벽면에 통공되어 형성된 소정 높이(Dh)의 단면의 하한선까지의 수직 높이를 의미한다.)
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 내측 나사선부의 수직 높이(Ss)와 상기 나사선부의 수직 높이(Hs)는 하기 수학식 2와 같은 조건을 충족하는 것을 특징으로 하는 마이크로 정량 밸브.

    [수학식 2]
    Hs < Ss
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 유입 통로 및 상기 유출 통로가 상기 내측 공간부의 벽면에 통공되어 형성된 소정 높이(Dh)의 단면과 상기 유입 통로 및 상기 유출 통로가 상기 내측 공간부의 벽면에 통공되어 형성된 소정 높이(Dh)의 단면의 하한선부터 상기 내측 공간부와 상기 내측 나사선부의 경계면까지의 수직 높이(Hb2)는 하기 수학식 3과 같은 조건을 충족하는 것을 특징으로 하는 마이크로 정량 밸브.

    [수학식 3]
    Dh < Hb2
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 마개부가 상기 유입 통로 및 상기 유출 통로가 상기 내측 공간부의 벽면에 통공되어 형성된 소정 높이(Dh)의 단면을 완전 폐쇄하는 상태에서, 상기 마개부의 높이(CH)는 하기 수학식 4와 같은 조건을 충족하는 것을 특징으로 하는 마이크로 정량 밸브.

    [수학식 4]
    Figure 112018120133160-pat00003
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 마개부가 상기 유입 통로 및 상기 유출 통로가 상기 내측 공간부의 벽면에 통공되어 형성된 소정 높이(Dh)의 단면을 완전 개방하는 상태에서, 상기 마개부의 높이(OH)는 하기 수학식 5와 같은 조건에 따른 높이에 위치하는 것을 특징으로 하는 마이크로 정량 밸브.

    [수학식 5]
    Figure 112018120133160-pat00004
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 밸브 몸체는, 상기 유입 통로의 일단과 연결되어 외부의 유체를 공급하는 유입 튜빙 연결부 및 상기 유출 통로의 타단과 연결되어 외부로 유체를 유출하는 유출 튜빙 연결부를 더 포함하고,
    상기 유입 튜빙 연결부의 직경과 상기 유입 통로의 직경은 서로 상이하며, 상기 유출 튜빙 연결부의 직경과 상기 유출 통로의 직경은 서로 상이하고,
    상기 유입 튜빙 연결부 및 상기 유출 튜빙 연결부를 통해 튜빙은 상기 몸통부에 설치되는 것을 특징으로 하는 마이크로 정량 밸브.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 유입 통로와 상기 유출 통로는 상기 몸통부의 중심을 수직 이등분하는 가상의 선을 기준으로 대칭되도록 위치하는 것을 특징으로 하는 마이크로 정량 밸브.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 유입 통로와 상기 유출 통로는 상기 내측 공간부의 벽면과 소정의 경사각을 형성하며 연장되는 것을 특징으로 하는 마이크로 정량 밸브.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 밸브 몸체는 아크릴로 형성되고, 상기 밸브 나사는 상기 아크릴보다 경도가 높은 폴리카보네이트로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 정량 밸브.
  12. 상기 제1 항, 제4항 내지 상기 제11 항 중 어느 한 항에 따른 마이크로 정량 밸브;
    적어도 하나 이상의 미세채널;
    상기 미세채널 내의 압력을 측정하는 정밀 압력계;
    상기 미세채널에 유체가 주입되기 위한 유입구; 및
    상기 미세채널로부터 유체가 유출되기 위한 유출구를 포함하고,
    상기 마이크로 정량 밸브는 상기 미세채널에서의 유량 및 압력을 정량적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 미세유체 칩 장치.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 마이크로 정량 밸브는 상기 유입구 또는 상기 유출구에 연결되는 것을 특징으로 하는 미세유체 칩 장치.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 마이크로 정량 밸브는 상기 미세채널 상에 위치하여 상기 미세채널 상에서의 조절(in-line control)이 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 미세유체 칩 장치.
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 마이크로 정량 밸브는 경화시킨 유연한 플라스틱인 PDMS 기판에 장착된 이후 상기 미세채널이 형성된 기판 상에 접합되어 부착되는 온-칩 방식으로 구성되는 것을 특징으로 하는 미세유체 칩 장치.
KR1020180152205A 2018-11-30 2018-11-30 수동으로 작동되는 온-칩 방식의 마이크로 정량 밸브 및 이를 포함하는 미세유체 칩 장치 KR102141073B1 (ko)

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