KR102263948B1 - 미세 유체 칩 및 그를 포함하는 액체의 전기적 특성 평가 시스템 및 액체의 전기적 특성 평가 방법 - Google Patents

Abstract

복수 개로 형성된 채널들; 을 포함하고, 상기 복수 개로 형성된 채널들 각각이 가지는 제1 방향 길이와, 제2 방향 길이와, 제3 방향 길이 중 상기 제2 방향 길이와 상기 제3 방향 길이는 상기 복수 개로 형성된 채널들 모두 동일하며, 상기 복수 개로 형성된 채널들의 상기 제1 방향 길이 중 적어도 두 개 이상은 서로 다른 길이를 가지는 미세 유체 칩이 개시된다. 이와 같은 미세 유체 칩과, 상기 미세 유체 칩 내의 상기 채널에 배치되는 액체로 전기를 인가하는 전극; 및 상기 전극을 통해 인가하는 전류를 조절하며, 상기 채널에 배치되는 액체의 전기적 특성 평가를 수행할 수 있는 처리 모듈;을 포함하는 액체의 전기적 특성 평가 시스템이 개시된다.

Description

미세 유체 칩 및 그를 포함하는 액체의 전기적 특성 평가 시스템 및 액체의 전기적 특성 평가 방법{MICROFLUIDIC CHIP AND EVALUATION SYSTEM OF ELECTRICAL PROPERTIES OF LIQUID INCLUDED THE SAME AND METHOD FOR THE EVALUATION ELECTRICAL PROPERTIES OF LIQUID}

본 발명은 미세 유체 칩과, 그를 포함하는 액체의 전기적 특성 평가 시스템에 관한 발명이다. 또한 액체의 전기적 특성 평가 방법에 관한 발명이다. 보다 상세하게는, 직류 전류를 미세 유체 칩에 인가하여 액체의 전기적 특성을 도출하는 방법 및 장치에 관한 발명이다.

액체의 전기적 특성의 정확한 측정은 전기 화학, 에너지 공학, 생명공학 등 다양한 분야에서 중요한 문제이다. 액체의 전기적 특성은 액체 내의 이온과 밀접한 관련이 있으며, 이러한 특성들을 명확하게 분석하여야 할 필요성이 있다.

전기 전도도는 전해질 용액에서의 기본 매개 변수 중의 하나이다. 전기 전도도는 장치 설계 및 성능을 결정하는 변수로써 중요도가 높다. 액체의 전기 전도도는 전형적으로 전기 화학적 임피던스 분광법(Electrochemical impedance spectroscopy)에 의해 측정된 액체의 임피던스의 주파수 의존성으로부터 추출된다. 그러나 이러한 기존의 전기 화학적 임피던스 분광법에 의하면, 정확한 측정을 위해 적합한 회로 모델을 선택하여야 하며, 액체의 전기 전도도의 측정에 비교적 긴 시간이 걸리고, 측정을 위해 요구되는 용액의 부피가 적어도 약 5ml 이상으로 제공되어야 하는 제약이 일부 존재하였다. 또한 이러한 방법은 복잡한 구조를 갖는 고가의 장비를 필요로 하고, 측정 결과의 해석이 쉽지 않은 문제점도 존재하였다.

도 1은 기존의 액체의 전기적 특성을 평가하기 위한 장치를 도시한 도면이다. 도 1과 같이 기존에는 전기 전도도를 측정하고자 하는 용액에 전극을 도입하고, 해당 용액에 전압을 인가하여 그에 대한 결과를 측정하는 방식을 이용한다. 또한 도 1을 참조하면, 액체는 특정한 셀 내부에 포함되어 전기적 특성이 측정된다. 도 1에 따르면 직류가 아닌 교류를 인가하여 측정하기 때문에 추가적인 등가 회로가 필요하며, 이를 통해 구한 값이 일부 정확하지 않은 문제점이 있었다.

또한 이러한 액체의 전기적 특성을 교류가 아닌 직류를 이용하여 측정하는 기술도 정확도가 떨어지며, 정확한 값이 도출되지 않는 문제점이 있었다.

본 발명의 일 과제는, 액체의 전기적 특성을 정확하게 평가할 수 있는 평가 시스템을 제공하고자 함이다.

본 발명의 다른 일 과제는, 측정하고자 하는 액체 시료의 양이 적은 경우에도 용이하게 액체 시료의 전기적 특성을 평가할 수 있는 평가 시스템을 제공하고자 함이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

복수 개로 형성된 채널들; 을 포함하고, 상기 복수 개로 형성된 채널들 각각이 가지는 제1 방향 길이와, 제2 방향 길이와, 제3 방향 길이 중 상기 제2 방향 길이와 상기 제3 방향 길이는 상기 복수 개로 형성된 채널들 모두 동일하며, 상기 복수 개로 형성된 채널들의 상기 제1 방향 길이 중 적어도 두 개 이상은 서로 다른 길이를 가지는 미세 유체 칩이 개시된다.

상기와 같은 미세 유체 칩;을 포함하고, 상기 미세 유체 칩 내의 상기 채널에 배치되는 액체로 전기를 인가하는 전극; 및 상기 전극을 통해 인가하는 전류를 조절하며, 상기 채널에 배치되는 액체의 전기적 특성 평가를 수행할 수 있는 처리 모듈;을 포함하는 액체의 전기적 특성 평가 시스템이 개시된다.

상기 처리 모듈은 상기 복수 개로 형성된 채널들에 동일한 크기를 가지는 직류 전류를 인가하도록 제어할 수 있다.

상기 처리 모듈은 상기 복수 개로 형성된 채널들 중 상기 제1 방향 길이가 다른 적어도 두 개 이상의 채널에 상기 동일한 크기를 가지는 직류 전류를 인가하여 각 채널의 전압을 측정할 수 있다.

상기 처리 모듈은 상기 각각의 채널로부터 측정된 전압을 이용하여 각각의 채널에서의 저항 값을 계산하고, 상기 각각의 채널에서의 상기 제1 방향 길이와 상기 저항 값 간의 수식을 이용하여 상기 채널 내에 배치된 액체의 컨덕티비티를 계산할 수 있다.

적어도 두 개 이상의 서로 다른 상기 제1 방향 길이를 가지는 채널에서의 상기 제1 방향의 길이와 상기 저항 값 간의 수식을 서로 연산하여 상기 채널 내에 배치된 액체의 컨덕티비티를 계산할 수 있다.

상기 액체의 컨덕티비티를 계산할 때 사용되는 채널의 길이는 전계가 균일한 영역에서의 유효 길이를 이용할 수 있다.

상기 복수 개로 형성된 채널들에는 상기 채널 내에 배치되는 액체에 전기를 인가하는 상기 전극과 연결될 수 있는 전극 접합부가 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 액체의 전기적 특성을 평가하는 방법이 개시된다.

상기 방법은, 동일한 액체가 배치된 복수개의 서로 다른 길이를 가지는 채널에 직류 전류를 인가하는 단계; 상기 전류를 인가한 복수개의 채널 각각의 전압을 측정하는 단계; 및 상기 측정한 전압의 값을 이용하여 상기 복수개의 서로 다른 길이의 채널 내에 포함된 액체의 전기적 특성을 계산하는 단계;를 포함할 수 있다.

상기 복수개의 서로 다른 길이를 가지는 채널에 동일한 크기의 직류 전류를 인가할 수 있다.

상기 복수개의 서로 다른 길이를 가지는 채널에서 측정된 전압을 통해 각각의 채널에서의 저항 값을 계산하는 단계; 상기 복수개의 서로 다른 길이를 가지는 채널 각각에서의 채널 길이와 상기 저항 값 간의 수식을 계산하는 단계; 상기 복수개의 서로 다른 길이를 가지는 채널에서의 채널 길이와 저항 값 간의 수식 중 적어도 두 개 이상의 수식을 연산하여 상기 복수개의 채널 내에 배치된 액체의 컨덕티비티를 계산하는 단계;를 포함할 수 있다.

상기 채널에서 전계가 일정한 영역에서의 유효 길이를 이용하여 액체의 전기적 특성을 평가할 수 있다.

본 발명에 의하면, 액체의 전기적 특성을 정확하게 평가할 수 있다.

본 발명에 의하면, 측정하고자 하는 액체 시료의 양이 적은 경우에도 용이하게 액체 시료의 전기적 특성을 평가할 수 있다.

본 발명에 의하면, 캘리브레이션(calibration) 용액을 이용하여 측정장치를 캘리브레이션 하는 과정 없이도 액체의 전기적 특성을 정확하게 평가할 수 있다.

본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 기존의 액체의 전기적 특성을 평가하기 위한 장치를 도시한 도면이다.
도 2(a)는 본 발명에 따른 액체의 전기적 특성을 평가하기 위한 미세 유체 칩의 일 실시예를 나타내는 도면이고, 도 2(b)는 본 발명에 따른 미세 유체 칩의 채널을 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 액체의 전기적 특성을 평가하기 위한 미세 유체 칩의 다른 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 액체의 전기적 특성을 평가하기 위한 시스템을 나타내는 도면이다.
도 5(a) 내지 도 5(c)는 본 발명에 따른 액체의 전기적 특성을 평가하기 위한 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 액체의 전기적 특성을 평가하기 위한 방법 중 직류 전압을 인가하여 실험한 경우의 결과 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 액체의 전기적 특성을 평가하기 위한 방법 중 직류 전류를 인가하여 실험한 경우의 결과 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 액체의 전기적 특성 평가 방법에 따라 여러 전류 조건 하에서 다양한 액체의 전도도 평가를 수행한 결과 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 액체의 전기적 특성을 평가하기 위한 방법을 나타내는 순서도이다.

본 명세서에서 사용되는 용어와 첨부된 도면은 본 발명을 용이하게 설명하기 위한 것이므로, 본 발명이 용어와 도면에 의해 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 이용되는 기술 중 본 발명의 사상과 밀접한 관련이 없는 공지의 기술에 관한 자세한 설명은 생략한다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.

어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 구체적으로, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

본 명세서 전체에서 사용되는 '~부' 및 '~모듈' 은 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위로서, 예를 들어 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미할 수 있다. 그렇지만 '~부' 및 '~모듈'이 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부' 및 '~모듈'은 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.

일 예로서 '~부' 및 '~모듈'은 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함할 수 있다. 구성요소와 '~부' 및 '~모듈'에서 제공하는 기능은 복수의 구성요소 및 '~부' 및 '~모듈'들에 의해 분리되어 수행될 수도 있고, 다른 추가적인 구성요소와 통합될 수도 있다.

기존의 액체의 전기적 특성 분석을 위해서는 교류 전류를 이용한 방법을 사용함으로써 등가 회로가 추가적으로 필요하였고, 주파수를 이용하여 임피던스 측정을 하고 이를 이용하여 액체의 컨덕티비티를 구하였다. 그러나 교류를 이용한 방법에서는 용액 자체에 전극을 담기 때문에 일정량 이상의 용액 시료가 필요하여 시료의 양이 부족한 경우 불가능했으며, 캘리브레이션 용액이 필수적으로 필요했고, 또한 기존 방법으로는 액체의 형태이기 때문에 V=IR 수식을 사용할 수 없었다. 그리고 이를 적용할 수 있더라도 전극과 액체의 계면 간에 계면 저항이 발생하여 정확한 값을 도출할 수 없는 문제점이 있었다.

기존의 방법에서는 용액의 양이 많기 때문에 용액 자체의 저항이 크게 측정되고, 전극의 저항은 나머지가 크기 때문에 무시할 수 있는 수준에서 처리될 수 있다. 그러나 용액의 양이 적어질수록 전극 저항이 커지기 때문에 무시할 수 없고, 교류에서는 전극 저항을 구하더라도 해당 값 자체가 정확한 값이 아니기 때문에, 이는 셀(cell)의 크기 등에 영향을 받을 수 있어 오차 발생 확률이 높다. 본 발명에서는 전극 저항 및 기타 저항 값들을 계면 저항 값에 모두 포함시켜 연산 수식으로 제거함으로써 이를 용이하게 도출해 낼 수 있다. 본 발명에 따른 액체의 전기적 특성 평가 장치를 이용하면, 교류가 아닌 직류를 이용함으로써 부가적인 캘리브레이션 용액이나 등가 회로 등이 필요 없고, AC 방법에 비해 보다 정확한 수식을 통해 액체의 전기적 특성을 도출할 수 있는 장치를 제안한다.

이하에서는 본 발명에 따른 액체의 전기적 특성을 측정하기 위한 미세 유체 칩(10)의 구조와, 그를 포함하는 액체의 전기적 특성 평가 시스템 및 방법을 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 권리범위는 설명한 바에 제한되지 아니한다.

도 2(a)는 본 발명에 따른 액체의 전기적 특성을 측정하기 위한 미세 유체 칩(10)의 일 실시예를 나타내는 도면이고, 도 2(b)는 본 발명에 따른 미세 유체 칩(10)의 채널(11)을 나타낸 단면도이다.

도 2(a)에 따르면 본 발명에 따른 액체의 전기적 특성을 측정하기 위한 미세 유체 칩(10)이 개시된다. 본 발명에 따른 미세 유체 칩(10)은 복수 개로 형성된 채널(11)을 포함할 수 있다. 복수 개로 형성된 채널(11)은 서로 다른 길이를 가질 수 있다. 복수 개로 형성된 채널(11)은 각각 제1 방향 길이, 제2 방향 길이 및 제3 방향 길이를 가질 수 있다. 하나의 미세 유체 칩(10)에 형성되는 복수 개로 형성되는 채널(11)은 제1 방향 길이, 제2 방향 길이 및 제3 방향 길이 중 어느 하나만 변화되어 형성되며, 변화되는 길이 외의 나머지 두 개의 길이는 하나의 미세 유체 칩(10) 내에 형성된 복수 개의 채널(11)에서 모두 동일하게 형성될 수 있다. 제1 방향 길이는 채널(11)의 길이일 수 있고, 제2 방향 길이는 채널(11)의 폭일 수 있다. 제3 방향 길이는 채널(11)의 깊이일 수 있다. 일 예시에 따르면, 하나의 미세 유체 칩(10) 내에 형성된 복수 개의 채널(11) 각각의 길이 중 채널(11)의 길이, 즉 제1 방향 길이는 모두 다르게 형성되고, 하나의 미세 유체 칩(10) 내에 형성된 복수 개의 채널(11) 각각의 길이 중 채널(11)의 폭과 깊이, 즉 제2 방향 길이 및 제3 방향 길이는 모두 동일하게 형성될 수 있다.

도 2(a)의 일 예시에 따르면 각각 제1 방향 길이가 서로 다르게 형성된 채널(11)이 미세 유체 칩(10) 내에 형성됨을 확인할 수 있다. 도 2(a)의 도면은 평면도에 해당하여 제3 방향 길이가 도면 상에 나타나지 아니하나, 이는 동일한 길이로 형성되어 제공될 수 있다.

본 발명에 따른 미세 유체 칩(10) 내에 형성되는 복수개의 서로 다른 길이를 가지는 채널(11)의 형태는, 길이를 가지며, 면적을 가지는 형태로 제공될 수 있다. 본 발명에 따른 미세 유체 칩(10) 내에 형성되는 복수개의 서로 다른 길이를 가지는 채널(11)은 각각 꺾이지 않는 길이를 가지며, 단면적이 전체 길이에서 일정한 면적을 가지도록 형성될 수 있다.

도 2(a)의 도면에 따르면, 본 발명에 따른 액체의 전기적 특성을 측정하기 위한 미세 유체 칩(10)에 포함되는 복수개의 채널(11) 각각에는 각각 전극 접합부(12)가 형성될 수 있다. 액체의 전기적 특성을 평가할 때, 복수개의 채널(11)들에는 평가 대상이 되는 액체가 배치될 수 있다. 액체의 전기적 특성을 평가하기 위해 하나의 미세 유체 칩(10) 내의 복수개의 채널(11)들에는 동일한 액체들을 배치하여 평가한다.

서로 다른 길이를 가지는 복수개의 채널(11)들에 동일한 액체들을 배치한 후에는 액체에 전기를 인가하여야 한다. 이 때 인가하는 전기는 직류 전류일 수 있다.

통상의 반도체 및 칩 관련 기술에서는 전압을 인가하고 전류를 측정하는 방식을 사용하나, 본 발명에서는 전류를 인가하고 전압을 측정하는 방식을 사용한다. 이와 관련된 내용은 직류 전압을 인가하는 경우와 비교하여 도 6 내지 도 7에서 후술한다.

이와 같이 직류 전류를 인가하기 위해서는 전류를 인가할 수 있는 전극(20)이 필요하며, 채널(11) 내에 배치된 액체에 전류를 인가하기 위해 채널(11)과 전극(20)이 접합할 수 있도록 하는 전극 접합부(12)가 채널(11)에 형성된다. 전극 접합부(12)는 채널(11)의 양 끝단에 형성될 수 있다. 전극 접합부(12)는 각 채널(11)에 적어도 두 개 이상 형성될 수 있다. 전극 접합부(12)는 각 채널(11)의 양 끝단의 동일한 위치에 형성됨으로써, 계면 저항의 영향을 최소화하도록 할 수 있다.

도 2(b)는 본 발명에 따른 미세 유체 칩(10)의 채널(11)을 나타낸 단면도이다.

도 2(b)는 본 발명에 따른 미세 유체 칩(10) 내에 포함되는 복수 개로 형성된 채널(11) 중 어느 하나의 단면도를 나타내는 도면이다. 도 2(b)에 따르면 각각의 채널(11) 내에는 평가 대상이 되는 액체가 배치될 수 있으며, 채널(11)의 양 끝단에는 전극 접합부(12)가 형성되어 전극 접합부(12)를 통해 채널(11) 내의 액체로 전기가 인가되도록 할 수 있다. 도 2(b)에는 미세 유체 칩(10) 내의 채널(11) 내에 액체가 꽉 차도록 도시되었으나, 이는 실시 예에 불과하며 미세 유체 칩(10) 내의 채널(11) 내에는 액체가 채널(11)의 부피의 일정 부분만큼 배치되면 된다.

도 3은 본 발명에 따른 액체의 전기적 특성을 평가하기 위한 미세 유체 칩(10)의 다른 일 실시예를 나타내는 도면이다.

도 3에서의 실시 예와 같이, 같은 길이를 가지는 채널(11)들이 쌍을 이루어 복수 개로 제공될 수도 있다. 도 3과 같이 복수개의 서로 다른 길이를 가지는 채널(11)들 중 일부는 동일한 길이를 가지도록 제공됨으로써 각각 다른 액체가 포함되어 동시에 여러 액체의 전기적 특성을 측정하는 것도 가능할 수 있다.

일 예시에 따르면, 동일한 길이를 가지는 채널(11)들 중 어느 하나에는 제1 액체를 배치하고, 나머지 하나에는 제2 액체를 배치한다. 상기 채널(11)과 다른 길이를 가지는 채널(11)들 중 어느 하나에는 제1 액체를 배치하고, 나머지 하나에는 제2 액체를 배치한다. 이와 같은 방식을 사용하여 하나의 미세 유체 칩(10)에서 다수 개의 액체의 전기적 특성 평가를 수행하는 것 역시 가능할 수 있다.

미세 유체 칩(10)의 일 실시 예는 도 2 내지 도 3에 한정되지 아니하며, 채널(11)의 크기나 형성 위치, 개수 등은 목적에 맞게 자유롭게 변형되어 제공될 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 액체의 전기적 특성을 측정하기 위한 시스템을 나타내는 도면이다.

액체의 전기적 특성을 측정하기 위한 시스템은 도 2 내지 도 3에서 설명한 복수개의 서로 다른 길이를 가지는 채널(11)을 포함하는 미세 유체 칩(10)과, 전극(20) 및 처리 모듈(30)을 포함할 수 있다. 전극(20)은 해당 시스템 내에서 적어도 하나 이상 포함될 수 있다. 전극(20)은 Pt(백금) 전극일 수 있다. 전극(20)은 해당 시스템 내에서 적어도 하나 이상 포함되어, 각각의 채널(11) 내에 배치된 액체에 순차적으로 전기를 인가할 수 있다.

액체의 전기적 특성을 측정하기 위한 시스템은, 전극(20)과 연결되는 처리 모듈(30)을 더 포함할 수 있다. 처리 모듈(30)은 전극(20)을 통해 인가하는 전류를 조절하며, 복수 개의 채널(11) 내에 배치되는 액체의 전기적 특성 평가를 수행할 수 있다.

처리 모듈(30)은 액체에 전류를 인가하도록 제어할 수 있고, 전류가 인가된 결과 각각의 채널(11)에서 도출되는 전압을 센싱할 수 있다. 처리 모듈(30)의 일 예시에 따르면, 처리 모듈(30)은 센서를 포함하도록 구성될 수 있다. 처리 모듈(30)은 전압 센서를 포함하여, 전류를 인가한 결과 나타나는 각 채널(11)에서의 전압을 센싱하고 그 크기를 측정할 수 있다.

일 실시예에 따르면 처리 모듈(30)은 센서를 포함하지 아니할 수도 있다. 처리 모듈(30)은 센서 외에 전압을 센싱할 수 있는 다른 부품을 포함하도록 하여 각 채널(11) 별로 전압의 크기를 측정할 수 있다.

처리 모듈(30)은 각 채널(11) 별로 측정된 전압의 크기를 이용하여 각 채널(11) 별로 측정된 저항 값을 도출할 수 있다.

하나의 미세 유체 칩(10)에 포함된 복수의 채널(11)에 인가하는 직류 전류는 크기가 동일하므로, 측정된 전압 값을 알면 각 채널(11) 별로 저항 값의 도출이 가능하다.

측정된 저항 값은 다음과 같은 수식을 이용하여 계산된다.

처리 모듈(30)에서는 복수개의 서로 다른 제1 방향 길이를 가지는 채널(11)에서의 저항 값의 수식을 연산하여 채널(11) 내에 배치된 액체의 전기적 특성을 용이하게 도출할 수 있다.

자세한 연산 방법은 도 5에 따른 도면을 이용하여 설명하도록 한다.

도 5는 본 발명에 따른 액체의 전기적 특성을 측정하기 위한 방법을 설명하기 위한 도면이다.

이하에서는 액체의 전기적 특성 중 컨덕티비티(conductivity)를 측정하는 방법에 대해 설명한다. 그러나 본 발명에 따른 액체의 전기적 특성 평가 시스템을 이용하여 액체의 컨덕티비티 외에도 다른 일 특징들을 평가할 수 있다.

도 5(a)에 따르면 액체의 컨덕티비티를 측정하기 위해 채널(11)의 전극 접합부(12)에 전극(20)을 연결하여 측정한다. 전극(20)은 액체에 전류를 인가하기 위하여 액체 내부에 들어가기 때문에, 전극(20)에서 발생하는 계면 저항도 측정한 저항 값 내에 포함되어 계산된다.

즉 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

여기서

은 측정한 저항 값, V는 측정한 전압 값, I는 인가한 직류 전류의 값,

은 액체의 저항 값,

는 전극(20)으로 인해 발생한 계면 저항의 값이다.

즉 측정 저항 값은 계면 저항과 액체 자체의 저항 값을 더한 값으로 도출될 수 있다. 계면 저항 값은 각각의 전극(20)에 의해 발생하는 것이므로, 전극(20)이 다수 개라면 계면 저항 값도 커질 수 있다.

상기 수식에서 계면 저항 값

를 알지 못하는 경우 액체 자체만의 저항 값을 도출하는 것이 어렵고, 또한 이는 부정확한 결과 도출로 이어지게 된다.

따라서 본 발명에서는 후술할 도 7에서 설명할 바와 같이 계면 저항은 일정한 전류를 인가하는 경우 동일하다는 것을 이용하여, 복수 개의 서로 다른 채널(11) 간의 저항 값 수식들을 연산하여 액체의 정확한 저항 값을 도출할 수 있고, 이를 통해 액체의 컨덕티비티를 계산할 수 있다.

도 5(b)는 미세 유체 칩(10)에 형성된 복수개의 채널(11)에 전계를 인가하였을 때의 전계 분포를 나타내는 도면이다. 도 5(c)는 채널(11)의 각각의 길이 별로 도출되는 전계의 크기를 나타내는 도면이다. 도 5(b)에 따르면 채널(11)의 양 끝단을 제외한 중간 부분에서는 전계가 일정하게 도출되는 것을 확인할 수 있다. 그러나 전극 접합부(12) 부근에서는 전계의 크기가 매우 커지는 것을 확인할 수 있다.

이는 도 5(c)에서도 마찬가지이다. 도 5(c)에 따르면 60mm의 채널(11) 길이를 가지는 채널(11)에 있어서, 6mm 내지 54mm의 부분에서는 전계가 일정하게 측정되나, 0mm에서 6mm, 54mm에서 58mm 사이에서는 전계가 상기 일정한 구간에서보다 현저하게 변화하는 것을 확인할 수 있다.

상기 수식은 다음과 같이 적을 수 있다.

액체의 전기적 특성 평가를 위해 제1 방향의 길이와 그로부터 측정한 전압의 값을 통해 저항을 구하여 이를 수식으로 도출한다. 이 때 해당 수식에서 적용하는 제1 방향의 길이는 채널(11)에서의 전계가 유효한 유효 길이를 대입하여 계산할 수 있다. 상기 수식에서의

는 원래 채널(11)의 전체 길이를 의미하나, 도 5(b) 내지 도 5(c)에 따르면 전계가 채널(11)의 전체 길이에서 일정하지 않기 때문에

를 채널(11)의 전체 길이로 설정하여 계산할 경우 정확도 측면에서 부정확한 문제점이 있다. 따라서 도 5(c)에서와 같이 채널(11)의 전체 길이 중 전계가 일정한 구간에서의 길이를

로 하여 계산할 수 있다. 도 5(c)를 예시로 하면, 채널(11)의 전체 길이는 60mm이나, 전계가 일정한 구간인

는 48mm로 계산될 수 있다. 즉 유효 길이란 채널(11)의 전체 길이에서 12mm를 뺀 값일 수 있다. 그러나 이는 일 예시에 불과하고, 유효 길이는 채널(11)의 전계를 측정하여 전계가 일정한 구간의 길이를 유효 길이로 설정할 수 있다. 처리 모듈(30)에서는 채널(11)의 전체 길이에서의 전계를 측정할 수도 있다

이하에서는 본 발명에 따라 액체의 컨덕티비티를 구하는 방법에 대해 일 예시를 들어 설명한다.

각각 유효 채널(11)의 길이가 10mm, 20mm인 채널(11) 각각에 평가 대상이 되는 액체를 넣고, 각각 5A의 전류를 인가한 경우를 가정한다.

10mm인 채널(11)에 5A의 전류를 인가한 결과 나타난 측정 전압은 8V이고, 20mm인 채널(11)에 5A의 전류를 인가한 결과 나타난 측정 전압은 14V라고 가정한다.

이를 바탕으로 하여 측정 저항 값을 구하면 다음과 같다.

그러나 상기 수식들에서 구한 측정 저항 값은 계면 저항이 포함된 값이기 때문에 상기 측정한 저항 값에서 액체의 저항 값을 추출하여야 한다.

이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.

=

후술할 바와 같이 같은 크기의 직류 전류를 인가하는 경우 계면 저항

의 값은 동일하므로, 상기 서로 다른 채널(11) 길이를 가지는 저항 값 수식을 연산하는 경우 유효 채널(11) 길이를 알면 수식 연산으로부터 액체의 컨덕티비티를 구할 수 있다.

채널(11)의 단면적 A가 10인 경우를 가정하고 두 수식을 연산하면 다음과 같다.

=

따라서

이므로, 액체의 컨덕티비티

는 0.667로 계산될 수 있다.

상기와 같이 측정한 전압 값을 이용하여 저항을 계산하고, 같은 직류 전류를 인가하는 경우 계면 저항이 동일한 점을 이용하여 액체의 컨덕티비티를 구할 수 있다.

본 발명에서는 직류 전류를 인가하여 액체의 전기적 특성을 분석할 수 있다.

본 발명에서 만약 직류 전압을 인가하여 액체의 전기적 특성을 분석하는 경우를 도 6의 도면을 통해 설명한다.

도 6은 복수개의 서로 다른 길이를 가지는 채널(11)들에 각각 DC 전압 2.5V, 3.0V, 3.5V, 4.0V를 인가한 것을 나타내는 도면이다.

이하의 수식에 따르면, 측정된 저항 값과 채널(11) 길이와의 그래프의 기울기는 액체의 컨덕티비티와 연관된 수식으로 도출된다.

즉 상기 수식에 의하면 X축이 채널(11) 길이

, Y축이 측정된 저항 값

인 경우 기울기는

로 나타날 수 있다.

그러나 이와 같이 계산한 결과로 나타나는 그래프에서는 인가한 전압 별로 액체의 컨덕티비티가 각각 다르게 도출되는 결과가 나타난다.

복수개의 서로 다른 길이를 가지는 채널(11) 내에는 동일한 액체가 담긴 채로 실험이 진행되는 바, 액체의 컨덕티비티가 각각 다르게 도출되었다는 것은 결과가 잘못 도출된 것과 같다.

이러한 결과가 발생하는 이유는, 각각의 채널(11) 별로 인가하는 전압이 다른 경우 계면 저항 역시 각각 다르게 나타나기 때문이다. 또한 동일한 정전압 하에서도, 채널(11) 길이가 증가함에 따라 계면 저항이 증가하는 성향을 보인다. 이는 도 6의 왼쪽 아래 도면을 참조하여 확인할 수 있다. 즉 용액의 계면 저항은 전압에 따라 값이 변경되는 특징을 가지므로, 계면 저항은 계면에 걸리는 전압의 함수로 계산되기 때문에 계면 저항이 균일하다는 가정이 깨지게 된다.

따라서 본 발명에서는 직류 전류를 인가하여 액체의 전기적 특성을 분석한다.

도 7은 복수개의 서로 다른 길이를 가지는 채널(11)들에 각각 DC 전류 200

, 240

, 280

, 320

, 360

을 인가하는 것을 나타내는 도면이다.

이하의 수식에 따르면 측정된 저항 값과 채널(11) 길이와의 그래프의 기울기는 액체의 컨덕티비티와 연관된 수식으로 도출된다.

즉 상기 수식에 의하면 X축이 채널(11) 길이

, Y축이 측정된 저항 값

인 경우 기울기는

로 나타날 수 있다.

이와 같은 수식을 통해 계산한 결과로 나타나는 그래프에서는 인가한 전류의 크기에 상관 없이 액체의 컨덕티비티가 모두 동일하게 나타나는 결과가 도출된다.

도 7읜 왼쪽 아래 도면을 살펴보면, 각각의 복수개의 서로 다른 길이를 가지는 채널(11)에서의 계면 저항의 값은 같은 전류를 인가했을 때는 모두 동일하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 따라서 이러한 특징을 이용하여, 액체의 컨덕티비티를 용이하게 측정할 수 있다.

즉, 본 발명에서는 일정한 전류를 복수개의 서로 다른 채널(11)에 인가하는 경우, 계면 저항의 값은 길이에 상관없이 모두 동일하게 나타나므로, 측정된 저항 값은 서로 다른 길이에 따라 측정된 전압의 차이만큼 차이가 날 것이므로, 계면 저항의 값에 상관없이 정확한 액체의 컨덕티비티를 도출해 낼 수 있다.

따라서 적어도 두 개의 복수개의 서로 다른 길이의 채널(11)에서의 전압 측정 결과만을 이용하여 정확한 액체의 전기적 특성을 도출하는 것이 가능하다.

도 8에 따르면, 이미 전기적 특성을 알고 있는 액체를 기준으로 하여 본 발명에 따른 방법을 이용하여 액체의 전기적 특성을 평가하고, 그 결과값을 비교한다.

1차 실험 대상이 되는 용액은 0.01M의 KCL(1.41 mS/cm at 25

0.1 M KCl (12.88 mS/cm at 25℃?), 및 1 M KCl (111.8 mS/cm at 25

을 이용한다.

이 결과는 아래의 표로 도출된다.

해당 용액에 대해 본 발명에 따른 방법을 이용하여 액체의 컨덕티비티를 측정한 결과, 오차 범위가 3% 이내의 값으로 도출되는 것을 확인할 수 있다. 이는 인가하는 직류 전류의 값에 상관 없이 동일하게 결과가 도출된다. 즉 본 발명에 따른 액체의 전기적 특성 평가 방법이 정확도가 높음을 확인할 수 있다.

이하의 표를 참고하면, 다양한 용액들에 대해 본 발명에 따른 전기적 특성 평가 방법과, 기존의 방법에 따른 전기적 특성 평가 방법을 통한 결과를 비교한 결과를 나타낸다.

즉 다양한 용액에서 본 발명에 따라 측정한 액체의 전기적 특성과, 기존의 방법에 따라 측정한 액체의 전기적 특성이 오차 범위가 3% 이내로 측정되는 것을 확인할 수 있고, 도 9에 따르면 각각의 용액에 직류 전류의 크기를 어떤 값으로 대입하던지 간에 동일한 컨덕티비티가 도출되는 것을 확인할 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 액체의 전기적 특성 평가 장치 및 방법은, 기존의 방법보다 정확도가 높으며, 기존의 방법에 비해 적은 양의 시료인 경우에도 측정이 가능한 효과가 있다.

도 9는 본 발명에 따른 액체의 전기적 특성 평가 방법의 순서도를 나타낸다.

도 9에 따르면, 미세 유체 칩(10) 내의 서로 다른 길이를 가지는 복수개의 채널(11) 내에 평가하고자 하는 대상이 되는 액체를 배치한다. 평가하고자 하는 대상이 되는 액체는 복수 개의 채널(11) 중 적어도 서로 다른 길이를 가지는 채널(11) 2개 이상에는 배치되어야 한다.

액체가 복수 개의 채널(11) 중 서로 다른 길이를 가지는 채널(11)의 적어도 두 개 이상에 배치되면, 액체의 전기적 특성 평가 시스템 내에 포함되는 전극(20)을 이용하여 액체가 배치된 채널(11) 각각에 직류 전류를 인가한다. 직류 전류의 크기는 모든 채널(11)에서 동일한 크기로 인가하도록 할 수 있다.

각각의 채널(11)에 직류 전류를 인가하고, 각각의 채널(11)로부터 전압을 측정한다.

전압을 측정한 후에는, 전류 값과 전압 값을 이용하여 측정 저항을 구하고, 각각의 채널(11)에서의 측정 저항 값 및 같은 직류 전류에서는 계면 저항이 일정함을 근거로 하여 적어도 2개 이상의 서로 다른 길이를 가지는 채널(11)에서의 수식을 연산하여, 액체의 컨덕티비티를 계산할 수 있다.

이상의 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시 예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.

1 : 액체의 전기적 특성 평가 시스템
10 : 미세 유체 칩
11 : 채널
12 : 전극 접합부
20 : 전극
30 : 처리 모듈
100 : 액체

Claims (12)

1. 서로 분리된 복수 개로 형성된 채널들; 을 포함하고,
   상기 복수 개로 형성된 채널들 각각이 가지는 제1 방향 길이와, 제2 방향 길이와, 제3 방향 길이 중 상기 제2 방향 길이와 상기 제3 방향 길이는 상기 복수 개로 형성된 채널들 모두 동일하며,
   상기 복수 개로 형성된 채널들의 상기 제1 방향 길이 중 적어도 두 개 이상은 서로 다른 길이를 가지는 미세 유체 칩.
   
2. 제1항에 따른 미세 유체 칩;을 포함하고,
   상기 미세 유체 칩 내의 상기 채널들 각각에 제공되고 상기 채널들에 각각 배치되는 액체로 전기를 인가하는 전극; 및
   상기 전극을 통해 인가하는 전류를 조절하며, 상기 채널에 배치되는 액체의 전기적 특성 평가를 수행할 수 있는 처리 모듈;을 포함하는 액체의 전기적 특성 평가 시스템.
   
3. 복수 개로 형성된 채널들을 포함하되, 상기 복수 개로 형성된 채널들 각각이 가지는 제1 방향 길이와, 제2 방향 길이와, 제3 방향 길이 중 상기 제2 방향 길이와 상기 제3 방향 길이는 상기 복수 개로 형성된 채널들 모두 동일하며, 상기 복수 개로 형성된 채널들의 상기 제1 방향 길이 중 적어도 두 개 이상은 서로 다른 길이를 가지는 미세 유체 칩;
   상기 미세 유체 칩 내의 상기 채널에 배치되는 액체로 전기를 인가하는 전극; 및
   상기 전극을 통해 인가하는 전류를 조절하며, 상기 채널에 배치되는 액체의 전기적 특성 평가를 수행할 수 있는 처리 모듈;을 포함하며,
   상기 처리 모듈은
   상기 복수 개로 형성된 채널들에 동일한 크기를 가지는 직류 전류를 인가하도록 제어하는 액체의 전기적 특성 평가 시스템.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 처리 모듈은
   상기 복수 개로 형성된 채널들 중 상기 제1 방향 길이가 다른 적어도 두 개 이상의 채널에 상기 동일한 크기를 가지는 직류 전류를 인가하여 각 채널의 전압을 측정하는 액체의 전기적 특성 평가 시스템.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 처리 모듈은
   상기 각각의 채널로부터 측정된 전압을 이용하여 각각의 채널에서의 저항 값을 계산하고,
   상기 각각의 채널에서의 상기 제1 방향 길이와 상기 저항 값 간의 수식을 이용하여 상기 채널 내에 배치된 액체의 컨덕티비티를 계산하는 액체의 전기적 특성 평가 시스템.
   
6. 제5항에 있어서,
   적어도 두 개 이상의 서로 다른 상기 제1 방향 길이를 가지는 채널에서의 상기 제1 방향의 길이와 상기 저항 값 간의 수식을 서로 연산하여 상기 채널 내에 배치된 액체의 컨덕티비티를 계산하는 액체의 전기적 특성 평가 시스템.
   
7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
   상기 액체의 컨덕티비티를 계산할 때 사용되는 채널의 길이는
   전계가 균일한 영역에서의 유효 길이를 이용하는 액체의 전기적 특성 평가 시스템.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 복수 개로 형성된 채널들에는 상기 채널 내에 배치되는 액체에 전기를 인가하는 상기 전극과 연결될 수 있는 전극 접합부가 형성된 것을 특징으로 하는 액체의 전기적 특성 평가 시스템.
   
9. 액체의 전기적 특성을 평가하는 방법에 있어서,
   동일한 액체가 배치된 복수개의 서로 다른 길이를 가지는 채널에 직류 전류를 인가하는 단계;
   상기 전류를 인가한 복수개의 채널 각각의 전압을 측정하는 단계; 및
   상기 측정한 전압의 값을 이용하여 상기 복수개의 서로 다른 길이의 채널 내에 포함된 액체의 전기적 특성을 계산하는 단계;를 포함하는 액체의 전기적 특성 평가 방법.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 복수개의 서로 다른 길이를 가지는 채널에 동일한 크기의 직류 전류를 인가하는 액체의 전기적 특성 평가 방법.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 복수개의 서로 다른 길이를 가지는 채널에서 측정된 전압을 통해 각각의 채널에서의 저항 값을 계산하는 단계;
    상기 복수개의 서로 다른 길이를 가지는 채널 각각에서의 채널 길이와 상기 저항 값 간의 수식을 계산하는 단계;
    상기 복수개의 서로 다른 길이를 가지는 채널에서의 채널 길이와 저항 값 간의 수식 중 적어도 두 개 이상의 수식을 연산하여 상기 복수개의 채널 내에 배치된 액체의 컨덕티비티를 계산하는 단계;를 포함하는 액체의 전기적 특성 평가 방법.
    
12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 채널에서 전계가 일정한 영역에서의 유효 길이를 이용하여 액체의 전기적 특성을 평가하는 액체의 전기적 특성 평가 방법.
    

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