KR102222994B1 - 모듈형 마이크로유체 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 그 내부로 유체가 관통하는 것을 허용하는 마이크로유체 채널을 포함하는 모듈 몸체, 및 상기 모듈 몸체 외부로 연장되어 있고 돌출부가 마련된 제1 연결부를 가지는, 제1 마이크로유체 모듈; 및 그 내부로 유체가 관통하는 것을 허용하는 마이크로유체 채널을 포함하는 모듈 몸체, 및 상기 모듈 몸체 내부로 삽입되는 상기 돌출부를 안내하는 안내부와 상기 돌출부가 갇히는 잠금부가 마련된 제2 연결부를 가지는, 제2 마이크로유체 모듈을 포함하고, 상기 제1 마이크로유체 모듈과 상기 제2 마이크로유체 모듈 결합시, 상기 제1 마이크로유체 모듈 및 상기 제2 마이크로유체 모듈을 관통하여 흐르는 상기 유체가 누수되지 않도록 상기 제1 연결부와 상기 제2 연결부 사이에는 오링이 배치되는, 모듈형 마이크로유체 시스템에 관한 것이다. 이로써 마이크로유체 시스템의 조립 및 분해가 용이하게 되고, 또한 누수가 발생하지 않는다.

Description

모듈형 마이크로유체 시스템{MODULAR MICROFLUIDIC SYSTEM}
본 발명은 모듈형 마이크로유체 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 조립 및 분해가 용이하고 누수가 발생하지 않는 모듈형 마이크로유체 시스템에 관한 것이다.
마이크로유체 시스템은, 마이크로미터 스케일 채널 내의 유체들의 거동 및 이동현상을 연구하고 제어하는 물리, 화학, 공학, 생명기술뿐만 아니라, mTAS(micro total analysis system), 랩-온-어-칩(lab-on-a-chip), 미세화학반응기, 생물분석, 셀 로믹스, 약물 전달, 조직공학 등 화학 생물 분야에 광범위에서 응용되고 있고, 최근에는 콜로이드 조립체, 콜로이드 광결정, 박막 트랜지스터의 제조 등 재료 분야에서도 미세 구조를 구현하기 위해 사용되고 있다.
이때 이 마이크로유체 시스템은 원하는 기능을 제대로 수행할 수 있도록, 그 목적에 맞게 설계되어야 하는데, 때로는 이 시스템을 최적화하는 과정이나 사용되는 유체 등의 조건이 변경될 때마다 재설계가 요구될 수 있다. 그러나, 이러한 설계 변경의 필요가 생길 때마다 시스템 전체를 다시 제작하는 것은 비용 측면에서나 시간 측면에서나 매우 비효율적이다. 또한 기존의 소프트 리소그래피(soft lithography)를 통한 전극 등 추가적인 기능을 마이크로유체 시스템에 활용하기 위해서는 이를 위한 매우 복잡한 공정이 요구되고 있다.
따라서, 마이크로유체 시스템 내의 기능 요소들을 모듈화하여 그 제작 및 변경을 용이하게 할 수 있는 모듈화된 마이크로유체 시스템들이 개발되어 오고 있다. 예를 들어, US 6,827,096 B2에는 커플러로 연결되는 모듈화된 마이크로유체 시스템이 개시되어 있고, US 2018/0078936 A1에는 모듈러 블록들을 이용해 구성되는 마이크로유체 시스템이 개시되어 있다. 그러나, 양 특허문헌들에서는 각 모듈간의 연결방법에 대해서는 접착에 의할 수 있다고 대략적으로 개시하고 있을 뿐이다. 접착에 의한 모듈간 연결은, 조립 및 분해가 용이하지 않을 뿐만 아니라, 누수가 발생할 우려를 가지고 있어, 이로써 원하는 기능을 제대로 수행할 수 없게 되는 결과를 가져오게 된다.
US 6827096 B2 US2018/0078936 A1
이로써, 본 발명의 목적은 모듈형 마이크로유체 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 조립 및 분해가 용이한 모듈형 마이크로유체 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 누수가 발생하지 않는 모듈형 마이크로유체 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 그 내부로 유체가 관통하는 것을 허용하는 마이크로유체 채널을 포함하는 모듈 몸체, 및 상기 모듈 몸체 외부로 연장되어 있고 돌출부가 마련된 제1 연결부를 가지는, 제1 마이크로유체 모듈; 및 그 내부로 유체가 관통하는 것을 허용하는 마이크로유체 채널을 포함하는 모듈 몸체, 및 상기 모듈 몸체 내부로 삽입되는 상기 돌출부를 안내하는 안내부와 상기 돌출부가 갇히는 잠금부가 마련된 제2 연결부를 가지는, 제2 마이크로유체 모듈을 포함하고, 상기 제1 마이크로유체 모듈과 상기 제2 마이크로유체 모듈 결합시, 상기 제1 마이크로유체 모듈 및 상기 제2 마이크로유체 모듈을 관통하여 흐르는 상기 유체가 누수되지 않도록 상기 제1 연결부와 상기 제2 연결부 사이에는 오링이 배치되는, 모듈형 마이크로유체 시스템에 의해 달성된다.
이때, 상기 제1 마이크로유체 모듈과 상기 제2 마이크로유체 모듈 결합시, 상기 안내부를 따라 안내된 상기 돌출부는 소정 각도 회전되어 상기 잠금부에 갇히도록 구성되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 제2 연결부는 상기 돌출부 상단에 대응하는 상기 제1 연결부의 일부, 및 상기 오링을 수용하기 위한 수용부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 오링은 오링의 깊이로 정의되는 직경을 가지고, 상기 제1 마이크로유체 모듈과 상기 제2 마이크로유체 모듈 결합시, 오링의 폭은 상기 오링의 깊이의 대략 70%가 되도록 압축되는 것이 바람직하다.
상기 제1 및 제2 마이크로유체 모듈들 각각은, 3D 프린터를 이용해 제작되고, 그 상단부 및 하단부에는 투명한 필름이 부착되어 있는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같은 본 발명의 모듈형 마이크로유체 시스템에 따르면 조립 및 분해가 용이하다는 장점이 있다.
또한 본 발명의 모듈형 마이크로유체 시스템에 따르면 누수가 발생하지 않는다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로유체 모듈의 연결부를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 모듈 간 결합 방법을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따라 결합된 상태의 모듈들의 측단면도이다.
도 4a는 본 발명에 따른 오링 치수를 최적화하기 위한 실험 구성도이고, 도 4b는 본 실험에 따른 오링 압축율에 대한 누수율을 보여주는 그래프이고, 도 4c는 본 실험에 따른 오링 압축율에 대한 유량을 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 마이크로유체 모듈의 예시들을 보여주는 도면이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명에 따른 마이크로유체 시스템을 이용해 다양한 형태의 액적 생성기를 구현한 예들 및 이들에 의해 생성되는 액적들의 형태를 보여주는 도면들이다.
도 10는 본 발명에 따른 마이크로유체 시스템에서의 결합을 상세하게 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 마이크로유체 모듈을 제작하는 과정을 보여주는 도면이다.
도 12는 투명한 필름 부착 전(a)/후(b)의 마이크로유체 모듈을 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명에 따른 예시적 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예컨대, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로유체 모듈의 연결부를 보여주는 도면이다. 마이크로유체 모듈은 하기에서 설명될 어떠한 기능을 가진 모듈이더라도 상관없고, 또한 도면에는 모듈 몸체의 외형이 육면체로, 연결부의 외형이 대략적으로 원통형으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되지는 않는다.
도 1(a)를 참조하여, 마이크로유체 모듈이 돌출부가 마련된 적어도 하나의 수연결부를 가질 때의 구성을 설명한다.
도면을 참조하면, 도면에 도시된 마이크로유체 모듈은 그 내부로 유체가 관통하는 것을 허용하는 마이크로유체 채널(11)을 포함하는 모듈 몸체(10), 및 모듈 몸체(10) 외부로 연장되어 있고 돌출부(121)가 마련된 제1 연결부(12)를 포함한다.
이때 마이크로유체 채널(11)은 제1 연결부(12) 내부에도 형성되어 있어, 이 마이크로유체 모듈로 유입된 유체가 모듈 몸체(10) 및 제1 연결부(12)를 관통하여 외부로 빠져나갈 수 있게 된다.
돌출부(121)는 이 제1 연결부(12)의 둘레에 형성될 수 있다. 비교적 안정적인 결합을 제공하기 위해, 도면에는 한 쌍의 돌출부가 도시되어 있으나, 돌출부의 수는 반드시 이에 한정되지 않고, 필요에 따라 하나 이상의 돌출부를 포함할 수 있다. 또한 도면에는 블록 형태로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되지 않고, 하기의 다른 마이크로유체 모듈의 잠금부에 안정적으로 갇힐 수 있는 형태라면 어떠한 것이라도 무방하다.
또한, 돌출부(121)는 제1 연결부(12)의 끝단에서 바로 연장되어 위치될 수도 있으나, 보다 안정적인 결합 및 누수를 막기 위해, 도면에 도시된 바와 같이, 제1 연결부(12)의 끝단에서 조금 아래쪽에 위치되는 것이 바람직하다.
도 1(b)를 참조하여, 마이크로유체 모듈이 잠금부가 마련된 적어도 하나의 암연결부를 가질 때의 구성을 설명한다.
도면을 참조하면, 도면에 도시된 마이크로유체 모듈은 그 내부로 유체가 관통하는 것을 허용하는 마이크로유체 채널(21)을 포함하는 모듈 몸체(20), 및 모듈 몸체(20) 내부로 삽입되는 다른 마이크로유체 모듈의 돌출부를 안내하는 안내부(221)와 돌출부가 갇히는 잠금부(222)가 마련된 제2 연결부(22)를 포함한다. 추가적으로, 제2 연결부(22)는 이 돌출부 상단에 대응하는 다른 마이크로유체 모듈의 연결부의 일부, 및 오링을 수용하기 위한 수용부(223)를 더 포함할 수 있다.
이때 마이크로유체 채널(21)은 제2 연결부(22) 내부에도 형성되어 있어, 이 마이크로유체 모듈로 유입된 유체가 제2 연결부(22) 및 모듈 몸체(20)를 관통하여 외부로 빠져나갈 수 있게 된다.
안내부(221)는 모듈 몸체(20) 내부로 삽입되는 다른 마이크로유체 모듈의 돌출부를 안내하는 기능을 하는 것으로서, 본 도면에는 긴 슬릿으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 이 슬릿의 폭은 안내되는 돌출부의 폭과 실질적으로 동일하거나 살짝 큰 것이 정확하고 빠른 안내에 바람직하다.
잠금부(222)는 안내부(221)를 따라 삽입된 돌출부가 갇혀서 임의로 해체되지 않도록 해주는 기능을 하고, 수용부(223)는 돌출부 상단에 대응하는 다른 마이크로유체 모듈의 연결부의 일부, 및 오링을 수용하기 위한 공간을 제공한다. 이 잠금부 및 수용부는 도 2 및 도 3을 참조하여 더 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 모듈 간 결합 방법을 보여주는 도면이다. 도 2의 상단에서는 실사로 단계별 결합 방법을 보여주고 있고, 하단에서는 이를 도식적으로 보여주고 있다. 도 2를 참조하면, 모듈 간 결합은 (i) 수연결부를 암연결부의 안내부를 따라 삽입한 후, (ii) 소정 각도, 예를 들어 90도 회전시키면 (iii) 수연결부의 돌출부가 암연결부의 잠금부에 갇히게 되면서 임의로 분리되지 않게 된다. 본 도면에서는 90도 회전되는 것으로 도시되어 있으나, 안내부를 완전히 벗어나는 각도에서부터 180도까지의 범위 내 어떠한 각도도 이용가능함은 물론이다.
이때, 잠금부(222)는 안내부를 따라 삽입된 연결부의 돌출부가 그 안에서 회전될 수 있는 빈 공간을 제공하고, 회전 후 이 돌출부가 임의로 분리되지 못하도록 돌출부가 걸릴 수 있는 소정의 두께를 가진다. 원활한 회전 및 회전 후 안정적인 결합을 위해, 이 잠금부의 두께는 돌출부의 두께와 실질적으로 동일하거나 또는 이보다 조금 작을 수 있다. 추가적으로, 소정 각도까지만 회전가능하도록 빈 공간으로 구성하고 이를 넘는 각도에 해당되는 나머지 공간은 빈 공간으로 남겨 놓지 않을 수 있다.
도 3은 본 발명에 따라 결합된 상태의 모듈들의 측단면도이다. 도 3을 참조하면, 모듈 B 안에 모듈 A와 오링이 수용되어 있는 것을 확인할 수 있다. 본 도면에 도시된 모듈 B 부분은 돌출부 상단에 대응하는 다른 마이크로유체 모듈의 연결부의 일부, 및 오링을 수용하기 위한 공간을 제공하는 수용부(223)에 대응한다고 볼 수 있다. 여기서, 간격 σgap은 모듈의 연결을 용이하게 하기 위해 부여되는 공차로서, 예를 들어, 0.05 mm이다. 오링의 깊이 σO-d는 오링의 두께와 같은 값으로 정의되고, 오링의 폭 σO-w는 연결부 성능을 결정하는 가장 중요한 인자로서, 오링이 압축되었을 때의 값으로 정의되고, σO-d보다 작다.
모듈 간 결합이 일어나는 수용부 내에서 유체의 누수를 막고, 수력학적 저항 (hydraulic resistance)를 최소화하기 위해서는, 연결부들의 크기와 간격, 오링의 규격 등이 적절하게 설계되어야 한다. 이러한 오링의 설계는 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.
도 4a는 본 발명에 따른 오링 치수를 최적화하기 위한 실험 구성도이고, 도 4b는 본 실험에 따른 오링 압축율에 대한 누수율을 보여주는 그래프이고, 도 4c는 본 실험에 따른 오링 압축율에 대한 유량을 보여주는 그래프이다.
도 4a를 참조하면, 오링 압축율에 대한 누수율 및 유량을 측정하여 최적의 오링의 폭 σO-w을 결정하기 위해 구성된 것으로서, 오링으로 연결된 채널은 모두 원통형 관상을 이루고 있고, 가해진 압력에 대해 입구(Inlet)와 출구((outlet)에서 각각 물의 질량을 측정할 수 있도록 장치되어 있다. 이러한 장치를 통해, 가해진 압력, 예를 들어 1kPa에 대한 유량의 이론값을 예측하고, 입구와 출구에서 측정된 물의 질량의 변화를 계산해서 유량을 측정하면, 도 4b 및 도 4c와 같은 그래프를 얻게 된다.
도 4b에서 볼 수 있는 바와 같이, 오링의 압축율이 30% 보다 낮은 경우에는 누수가 발생하여 유체의 손실이 생기고, 그 이상에서는 거의 나타나지 않는다. 다만 오링의 압축율이 50% 이상인 경우에는 오링 자체가 유체가 흐르는 채널을 침범하여 유체 흐름을 방해하게 되어, 저항이 이론값 대비 20% 정도까지 증가되는 것을 확인할 수 있다. 결론적으로 도 4c에서와 같이 오링의 압축율이 30% 일 때 이론값에 가장 가까운 유량을 얻을 수 있다. 다시 말하면, 오링의 폭이 오링의 깊이의 대략 70% 일 때 연결부에 의한 영향을 최소화시켜 연결부의 성능이 최적화된다.
도 5는 본 발명에 따른 마이크로유체 모듈의 예시들을 보여준다. 모든 모듈들은 적어도 하나의 암연결부, 또는 적어도 하나의 수연결부를 포함하고 있다. 암연결부만 가지는 모듈((a), (c) 참조), 수연결부만 가지는 모듈((d), (f), (g), (h), (i), (j), (l) 참조), 뿐만 아니라, 암연결부와 수연결부가 혼합되어 있는 모듈((b), (e), (k) 참조)들이 있으나, 본 도면의 도시에 한정되지 않는다. 예를 들어, (g)는 수연결부만을 가지고 있는데, 이를 암연결부만 가지거나 또는 암연결부와 수연결부가 혼합되어 있는 형태로 구현할 수 있고, 이는 도 5의 모든 예시적인 모듈들에 적용가능하다.
마이크로유체 모듈들은 기능별로 모듈화될 수 있는데, 예를 들어, 본 도면에 도시된 것과 같은 모듈들을 포함할 수 있지만, 반드시 이에 한정되지는 않는다. (a)는 마이크로유체 시스템에 유체를 주입하거나 배출하기 위한 입구/출구의 기능을 제공하고, (b), (c), (d)는 각 기능별 모듈들 간을 연결하는 데 사용될 수 있는 커넥터들이고, 연결되는 각 기능별 모듈들이 가진 연결부의 형태에 따라 선택된다. (e), (f)는 예를 들어 서로 다른 유체의 주입/배출 또는 혼합을 위해, 3 개의 마이크로유체 모듈을 연결하는 데 사용될 수 있는 접합 모듈들이다. 본 발명의 접합 모듈들은, 도면에 도시된 연결부들의 수에 반드시 한정되는 것은 아니며, 또한 필요에 따라 복수 개의 접합 모듈들을 이용해 2 개 이상의 유체의 주입/배출 또는 혼합을 구현할 수 있다. (g), (h)는 각각 2D 믹서 및 3D 믹서로서, 모듈 내부를 관통하는 유체의 흐름을 제어하여 원하는 유체의 특성, 속도 등을 달성할 수 있도록 제공된다.
이하에서 설명될 모듈들은 유체 흐름에 부가적인 작용을 할 수 있는 기능을 제공하는 모듈들인데, (i)는 유체를 광에 노출시킬 수 있도록 제공되는 모듈이고, (j)는 전극이 추가된 모듈이다. 또한, (k) 및 (l)은 각각 액적, 및 이중 액적을 생성하는 데 사용될 수 있는 모듈들이다. (i) 및/또는 (j) 모듈들의 경우, 단독으로 사용되기보다는 (k) 및/또는 (l)과 같은 액적 생성기 모듈과 연결되어 액적들을 물리, 화학적으로 제어하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, (j) 전극 모듈은, 생성된 액적을 타원형으로 변형시키거나, 내부의 액적을 분리시키거나, 또는 서로 다른 액적들을 합치는 데 활용될 수 있다. (i) 광 노출 모듈은, 빛을 통해 채널 내부를 센싱하거나 광경화성 수지로 생성된 액적을 경화시키는 데 활용될 수 있다.
본 발명에 따른 이러한 마이크로유체 모듈들은, 일단 3D 프린터를 이용해 프린팅하는 일반적인 공정을 적용하여 제작될 수 있다. 예를 들어, SolidWorks 프로그램을 사용하여 마이크로유체 모듈의 3차원 도면을 제작하고, 3D System사의 MJP 2500 plus 장비를 사용하여 출력한다. 이때 재료는 예를 들어 투명한 visijet M2R-CL과 서포팅 재료로 왁스 재질의 VisiJet M2R-SUP를 사용할 수 있다. 그후 출력된 출력물은 80℃의 건조기 안에서 마이크로유체 모듈 안팎의 왁스를 1차적으로 녹여 제거하는 과정을 약 15분 정도 거친다. 왁스가 완전히 녹으면, 마이크로유체 모듈을 오일 배스에 약 20분 간 담가 남아 있는 왁스를 제거한다. 이때 오일 배스는 100℃의 물로 중탕하여 왁스가 굳지 않도록 한다. 오일 배스에서 왁스를 제거한 뒤에는 계면활성제가 섞인 물에 담가 15분 간 소니케이터(sonicator)로 남아있는 오일을 제거한다. 마지막으로 15분 간 탈이온화된 물(DI water)에 담가 소니케이터로 한 번 더 씻어낸 뒤 80℃의 건조기에서 건조시킨다.
한편, 상기와 같이 제작된 마이크로유체 모듈은 투명한 재질로 제작되었음에도 불구하고 표면의 거칠기로 인해 반투명한 형태를 띄게 된다. 마이크로유체 모듈 내부 채널의 가시성을 향상시키고, 또한 추가 기능을 부가하기 위해 이하의 공정을 더 추가할 수 있다.
도 11은 본 발명에 따른 마이크로유체 모듈, 예를 들어 전극을 포함하고 있는 전극 모듈을 제작하는 과정을 보여주는 도면이다. 먼저 (i) 3D 프린터를 통해 마이크로유체 모듈의 각 부분들을 출력하고, (ii) 전극 부분을 구리 테이프(copper tape)로 코팅하고, (ii) 마이크로유체 모듈의 부분들을 결합하여 원하는 마이크로유체 모듈을 1차적으로 완성한다. 1차적으로 완성된 마이크로유체 모듈에, (iv) 스핀 코팅(spin coating)을 통해 마이크로유체 모듈 상단부에 에폭시를 도포하고, (v) 도포된 에폭시 위에 투명한 필름을 부착하고, (vi) 하단부에도 (iv)-(v)의 과정을 반복하여 원하는 마이크로유체 모듈을 최종적으로 완성한다.
본 도면은 전극을 포함하고 있는 전극 모듈을 제작하는 경우를 예를 들어 설명하였다. 전극과 같이 추가적인 기능을 포함하고 있지 않은 마이크로유체 모듈의 경우에는 (i) 내지 (iii)의 과정 없이, (iv) 내지 (vi)의 과정만 수행하게 된다.
도 12는 투명한 필름 부착 전(a)/후(b)의 마이크로유체 모듈을 보여주는 도면이다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 투명한 필름 부착 전에는 마이크로유체 모듈의 거칠기로 인해 내부의 채널이 흐릿하게 보이나, 투명한 필름 부착 후에는 내부의 채널의 선명하게 보이는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 기능별로 모듈화된 마이크로유체 모듈들은, 필요에 따라 조합되어 사용될 수 있는데, 이로써 마이크로유체 시스템은 단순한 형태부터 복잡한 형태까지, 2차원 배열에서 3차원 배열까지 자유롭게 구현되어 활용될 수 있다.
예를 들어, 도 6 내지 도 9는 본 발명에 따른 마이크로유체 시스템을 이용해 다양한 액적 구조의 액적 생성기를 구현한 예들 및 이들에 의해 생성되는 액적들의 형태를 보여주는 도면들이다.
도 6은, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 흐르는 유체 내에 소정의 간격으로 단일 액적을 생성하도록 제공되는 단일 액적 생성기에 관한 것이다. 도 6의 (a)를 참조하면, 이 단일 액적 생성기는 유체를 주입하기 위한 입구가 마련된 입구/출구 모듈(도 5의 (a)), 액적 생성기 모듈(도 5의 (k)), 유체가 배출되는 출구가 마련된 입구/출구 모듈(도 5(a))가 유체의 흐름 방향으로 결합되어 있고, 액적 생성기 상단에 위치하는 연결부에는 액적 생성 유체가 액적 생성기에 주입될 수 있도록 입구가 마련된 입구/출구 모듈(도 5의 (a))이 결합되어 있다. 본 도면에는, 단일 액적을 생성하기 위해 필요한 최소한의 모듈들만을 도시하였으나, 필요에 따라, 다른 모듈들이 중간에 추가 결합될 수 있다.
도 7은, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 흐르는 유체 내에 소정의 간격으로 2 층의 단일 액적을 생성하도록 제공되는 액적 생성기로서, 단일 액적 생성기 2 개가 병렬로 결합되는 것으로 볼 수 있다. 도 7의 (a)를 참조하면, 이 액적 생성기를 구성하는 하나의 단일 액적 생성기 각각에는 유체를 주입하기 위한 입구가 마련된 입구/출구 모듈(도 5의 (a)), 액적 생성기 모듈(도 5의 (k)), 유체가 배출되는 출구가 마련된 입구/출구 모듈(도 5(a))가 유체의 흐름 방향으로 결합되어 있고, 액적 생성기 상단에 위치하는 연결부에는 액적 생성 유체가 액적 생성기에 주입될 수 있도록 입구가 마련된 입구/출구 모듈(도 5의 (a))이 결합되어 있다. 도 6의 (a)와는 달리, 이 액적 생성기는 액적 생성기 모듈과 유체가 배출되는 입구/출구 모듈 사이에, 2 개의 액적 생성기 모듈을 관통하여 흐르는 유체들을 하나로 합쳐 주는 기능을 제공하는 모듈 및 이 모듈과 입구/출구 모듈을 연결해 주는 기능을 제공하는 연결 모듈을 더 포함하고 있다. 물론, 필요에 따라, 다른 모듈들이 중간에 추가 결합될 수 있다.
도 8은, 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이, 흐르는 유체 내에 소정의 간격으로 이중 액적을 생성하도록 제공되는 액적 생성기로서, 단일 액적 생성기 2 개가 순차적으로 결합되는 것으로 볼 수 있다. 도 8의 (a)를 참조하면, 이 이중 액적 생성기는 유체를 주입하기 위한 입구가 마련된 입구/출구 모듈(도 5의 (a)), 액적 생성기 모듈(도 5의 (k)), 유체가 배출되는 출구가 마련된 입구/출구 모듈(도 5(a))가 유체의 흐름 방향으로 결합되어 있고, 액적 생성기 상단에 위치하는 연결부에는 액적 생성 유체가 액적 생성기에 주입될 수 있도록 입구가 마련된 입구/출구 모듈(도 5의 (a))이 결합되어 있다. 도 6의 (a)와는 달리, 이 액적 생성기는 액적 생성기 모듈과 유체가 배출되는 입구/출구 모듈 사이에, 액적 생성기 모듈을 추가적으로 더 포함하고, 이 추가적인 액적 생성기 모듈 양 끝단에 2 개의 액적 생성기 모듈을 연결해 주는 연결 모듈 및 추가적인 액적 생성기 모듈과 입구/출구 모듈을 연결해 주는 기능을 제공하는 연결 모듈을 각각 더 포함하고 있다. 물론, 필요에 따라, 다른 모듈들이 중간에 추가 결합될 수 있다.
도 9는, 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이, 흐르는 유체 내에 소정의 간격으로 2 개의 코어를 가지는 이중 액적을 생성하도록 제공되는 액적 생성기에 관한 것이다. 도 9의 (a)를 참조하면, 이 액적 생성기는, 도 6의 (a)와는 달리, 유체가 주입되는 연결부가 2 개 마련된 이중 액적 생성기 모듈(도 5의 (l))가, 액적 생성기 모듈(도 5의 (k)) 대신 결합되어 있고, 유체를 주입하기 위한 입구가 마련된 입구/출구 모듈(도 5의 (a))과 결합된 액적 생성기 모듈(도 5의 (k))이, 유체가 주입되는 연결부가 2 개 마련된 이중 액적 생성기 모듈에 결합되어 있다. 물론, 필요에 따라, 다른 모듈들이 중간에 추가 결합될 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 마이크로유체 시스템에서의 결합을 상세하게 보여주는 도면이다. 예를 들어 본 도면은 도 6의 단일 액적 생성기에 대응되는데, 상기에서 설명된 바와 같이, 이 액적 생성기는 유체를 주입하기 위한 입구(911)가 마련된 입구/출구 모듈(91), 액적 생성기 모듈(90), 유체가 배출되는 출구(921)가 마련된 입구/출구 모듈(92)가 유체의 흐름 방향(화살표로 표시되어 있음)으로 결합되어 있고, 액적 생성기 상단에 위치하는 연결부에는 액적 생성 유체가 액적 생성기에 주입될 수 있도록 입구(931)가 마련된 입구/출구 모듈(93)이 결합되어 있다.
이때 입구/출구 모듈들(91, 92, 93)에는 도 5의 (a)와 같이 암연결부가, 액적 생성기 모듈(90)에는 도 5의 (k)와 같이 수연결부들이 형성되어 있고, 이들이 각각 서로 결합되게 된다. 그 결합은 상기에서 설명된 바와 같이, 수연결부의 돌출부가 암연결부의 안내부를 따라 잠금부 내부의 빈 공간까지 삽입된 후 소정 각도 만큼 회전되면, 잠금부의 두께에 상응하는 잠금턱에 걸려서 상기의 빈 공간 내부에 갇히게 되고 이로써 임의로 분리되는 것이 금지되게 된다. 보다 완전한 실링을 제공하기 위해, 암연결부와 수연결부 사이에 오링(95)이 제공되어 있음을 확인할 수 있다.
일반적으로 본 명세서에서 사용된 용어는, 특히 청구항에서(예를 들어, 청구항의 본문) 일반적으로 "개방적인" 용어로 의도된다(예를 들어, "포함하는"은 "포함하나 이에 제한되지 않는"으로, "가지다"는 "적어도 그 이상으로 가지다"로, "포함하다"는 "포함하나 이에 제한되지 않는다"로 해석되어야 함) 도입된 청구항 기재에 대하여 특정한 개수가 의도되는 경우, 이러한 의도는 해당 청구항에서 명시적으로 기재되며, 이러한 기재가 부재하는 경우 이러한 의도는 존재하지 않는 것으로 이해된다.
본 발명의 특정 특징만이 본 명세서에서 도시되고 설명되었으며, 다양한 수정 및 변경이 당업자에 대하여 발생할 수 있다. 그러므로 청구항은 본 발명의 사상 내에 속하는 변경 및 수정을 포함하는 것으로 의도된다는 점이 이해된다.
10, 20: 모듈 몸체 11, 21: 마이크로유체 채널
12: 제1 연결부 22: 제2 연결부
121: 돌출부 221: 안내부
222: 잠금부 223: 수용부

Claims (5)

  1. 그 내부로 유체가 관통하는 것을 허용하는 마이크로유체 채널을 포함하는 모듈 몸체, 및 긴 원통 형태로 상기 모듈 몸체 외부로 연장되어 있고 돌출부가 마련된 제1 연결부를 가지는, 제1 마이크로유체 모듈; 및
    그 내부로 유체가 관통하는 것을 허용하는 마이크로유체 채널을 포함하는 모듈 몸체, 및 상기 모듈 몸체 내부에, 상기 돌출부의 폭에 상응하는 폭을 가지는 긴 슬릿 형태로 상기 모듈 몸체 내부로 삽입되는 상기 돌출부를 안내하는 안내부와 상기 안내부를 따라 삽입된 상기 돌출부가 그 안에서 회전될 수 있는 원통 형태의 빈 공간을 제공하고, 회전 후 상기 빈 공간에 상기 돌출부가 갇히는 잠금부가 마련된 제2 연결부를 가지는, 제2 마이크로유체 모듈을 포함하고,
    상기 제1 마이크로유체 모듈과 상기 제2 마이크로유체 모듈 결합시, 상기 제1 마이크로유체 모듈 및 상기 제2 마이크로유체 모듈을 관통하여 흐르는 상기 유체가 누수되지 않도록 상기 제1 연결부와 상기 제2 연결부 사이에는 오링이 배치되는, 모듈형 마이크로유체 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 마이크로유체 모듈과 상기 제2 마이크로유체 모듈 결합시, 상기 안내부를 따라 안내된 상기 돌출부는 소정 각도 회전되어 상기 잠금부에 갇히도록 구성된, 모듈형 마이크로유체 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제2 연결부는 상기 돌출부 상단에 대응하는 상기 제1 연결부의 일부, 및 상기 오링을 수용하기 위한 수용부를 더 포함하는, 모듈형 마이크로유체 시스템.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 오링은 오링의 깊이로 정의되는 직경을 가지고,
    상기 제1 마이크로유체 모듈과 상기 제2 마이크로유체 모듈 결합시, 오링의 폭은 상기 오링의 깊이의 70%가 되도록 압축되는, 모듈형 마이크로유체 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 마이크로유체 모듈들 각각은, 3D 프린터를 이용해 제작되고, 그 상단부 및 하단부에는 투명한 필름이 부착되어 있는, 모듈형 마이크로유체 시스템.
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