KR102524384B1 - 동기화 동작 이중밸브를 사용한 미세유체 유속 정밀제어 장치 및 이를 이용한 미세유체 유속 정밀제어 방법 - Google Patents

동기화 동작 이중밸브를 사용한 미세유체 유속 정밀제어 장치 및 이를 이용한 미세유체 유속 정밀제어 방법 Download PDF

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박상열
양인철
유희봉
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Abstract

본 발명은 동기화 동작 이중밸브를 사용한 미세유체 유속 정밀제어 장치 및 이를 이용한 미세유체 유속 정밀제어 방법에 관한 것으로, 동기화 동작 이중밸브를 사용한 미세유체 유속 정밀제어 장치 및 이를 이용한 미세유체 유속 정밀제어 방법은 미세유체의 유속을 정밀하게 제어하기 위해 동기화 작동하도록 구성되어 있어 미세유체의 유속을 정밀하게 제어할 수 있다.

Description

동기화 동작 이중밸브를 사용한 미세유체 유속 정밀제어 장치 및 이를 이용한 미세유체 유속 정밀제어 방법 {A Apparatus for Precise Control of Microfluidic Flow using Dual Valves in Synchronous Actions and a Method for Precise Control of Microfluidic Flow using It}
본 발명은 동기화 동작 이중밸브를 사용한 미세유체 유속 정밀제어 장치 및 이를 이용한 미세유체 유속 정밀제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미세유체의 유속을 동기화 작동하도록 하는 동기화 동작 이중밸브를 사용한 미세유체 유속 정밀제어 장치 및 이를 이용한 미세유체 유속 정밀제어 방법에 관한 것이다.
미세유체 장치는 다양한 생화학분석 및 질병진단을 위한 생체시료 분석 등 여러분야에서 사용되고 있다. 미세유체 장치는 모세관 유로, 마이크로플루이딕 칩(microfluidic chips), 랩온어칩(lab-on-a-chips) 등의 마이크로 디바이스(micro-devices) 등을 포함하며 미세유체관(microfluidic channel)과 미세구조물을 구비한다.
상기한 바와 같은 다양한 종류의 미세유체 장치는 화학시료 또는 생화학시료 중의 특정 성분 분석에 활용이 가능하며, 마이크로챔버(micro- chamber) 내에 조직세포 배양 및 이를 이용한 약물시험 등에 활용할 수 있다. 또한 미세유체 장치 내에서 두 가지 이상의 시료용액을 혼합하여 화학반응을 진행시킬 수 있으며 기능성 재료 제조 등에도 사용이 가능하다. 이와 같이 미세유체 장치를 적용하여 다양한 분야에 적용이 가능하여 다양한 분야에서 다양한 용도로 활용이 이루어지고 있다.
미세유체 장치의 미세유체관 내에 주입되는 시료용액 양은 미량이며 따라서 미세유체관 내에 주입하고자 하는 극미량 시료용액의 이동을 제어하는 것이 중요하다.
그러나 미세유체 장치의 미세유체관 내에 주입되는 시료용액의 양이 극미량이며 따라서 미세유체관 내에 주입하고자 하는 극미량 시료용액의 이동을 제어하는 것이 중요한데 다음과 같이 현실적으로 어려운 문제가 있다. 직경이 굵은 도관을 흐르는 유체의 경우에 압력 또는 진공을 부가함으로써 유체의 이송이 쉽게 제어된다. 그러나 미세유체관 내 유체의 경우, 유체관의 벽에서 작용하는 마찰력이 상대적으로 매우 크게 작용하는데 이를 이기기 위한 큰 압력 또는 진공을 가할 경우, 유속이 매우 빨라져 미량의 유체를 이송시키는 것이 어렵다.
종래 한국등록특허 제10-2341588호(2021.12.16.)에는 제 1 평판과 제 2 평판 사이에 유체다리를 형성한 후, 유동채널을 통해 상기 유체를 흡입함으로써, 상기 제 1 평판 및 제 2 평판 각각에 존재하는 유체의 접촉 부분의 접촉각이 작아지므로, 유체다리가 분리되어 유체의 양을 정밀하게 조절할 수 있는 미세 유체 조절 장치 및 이를 이용한 미세 유체 조절 방법에 대해서 개시되어 있었다.
그러나 종래 미세 유체 조절 장치는 원하고자하는 유체의 양을 미세하게 제어하기 어렵다는 문제가 있었다.
1. 한국등록특허 제10-2341588호(2021.12.16.)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 미세유체의 유속을 정밀하게 제어하기 위해 동기화 할 수 있도록 하는 동기화 동작 이중밸브를 사용한 미세유체 유속 정밀제어 장치 및 이를 이용한 미세유체 유속 정밀제어 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 동기화 이중밸브를 사용한 미세유체 제어 장치는 모세관 형태의 미세유체관; 상기 미세유체관 일측에 연결되는 압력전달유로; 상기 미세유체관 타측에 연결되는 시료용액이 담긴 시료용액조; 상기 압력전달유로의 일측에 연결되는 제1제어부; 상기 압력전달유로의 타측에 연결되는 제2제어부; 및 상기 제1제어부 및 상기 제2제어부와 직렬연결되는 동기화밸브 컨트롤러; 를 포함하는 미세유체 제어 장치에 있어서, 상기 제1제어부는, 상기 압력전달유로의 일측에 연결되는 제1동기화밸브, 상기 제1동기화밸브와 제1도관으로 연결되어 진공이 인가되는 제1압력원 및 상기 제1동기화밸브와 제1도선으로 연결되어 인가되는 진공 및 시간을 제어하는 상기 동기화밸브컨트롤러를 포함하며, 상기 제2제어부는, 상기 압력전달유로의 타측에 연결되는 제2동기화밸브, 상기 제2동기화밸브와 대기압이 유입되는 제2도관으로 연결되어 대기압이 인가되는 제2압력원 및 상기 제2동기화밸브와 제2도선으로 연결되어 인가되는 대기압 및 시간을 제어하는 상기 동기화밸브컨트롤러를 포함하되, 상기 미세유체관 내 포함되어 있는 시료용액의 흐름을 정교하게 제어하기 위해 상기 제1압력원과 상기 제2압력원에 서로 다른 압력세기가 가해지며, 상기 압력전달유로 내에 인가되는 실효 압력 세기가 정밀하게 조절될 수 있도록 상기 제1동기화밸브는 상기 제1압력원의 작동에 의해 상기 압력전달유로에 진공이 인가되고, 상기 제2동기화밸브는 상기 제2압력원의 작동에 의해 상기 압력전달유로 내에 대기압이 인가되어 상기 미세유체관의 흡입력이 조절되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 동기화 밸브 컨트롤러는 상기 제1동기화밸브와 상기 제2동기화밸브를 기설정된 시간 간격으로 작동되도록 한다.
또한, 상기 동기화 밸브 컨트롤러는 상기 동기화 밸브컨트롤러가 상기 제1동기화밸브와 상기 제2동기화밸브가 0 내지 ±100 ms 범위에서 일정한 시간차(δt)로 작동되도록 한다.
또한, 상기 미세유체관은 0.1 내지 500 μL 범위의 유체를 포함한다.
다음으로, 동기화 이중밸브를 사용한 미세유체 제어 장치를 이용한 미세유체 제어 방법은 미세유체관 일측에 연결된 압력전달유로의 일측에 연결되고, 제1도선과 연결된 동기화밸브컨트롤러에 의해 제1동기화밸브를 제어하는 제1동기화단계; 및 미세유체관 일측에 연결된 압력전달유로의 타측에 연결되고, 제2도선과 연결된 동기화밸브컨트롤러에 의해 제2동기화밸브를 제어하는 제2동기화단계; 를 포함하고, 상기 제1동기화단계는, 제1동기화밸브와 제1도관으로 연결된 제1압력원에 의해 제1동기화밸브에 진공이 인가되는 제1압력인가단계, 상기 제1압력인가단계 이후 제1동기화밸브와 제1도선으로 연결된 동기화밸브컨트롤러에 의해 제1동기화밸브에 인가되는 진공 및 시간이 제어되는 제1제어단계를 포함하며, 상기 제2동기화단계는, 제2동기화밸브와 제2도관으로 연결된 제2압력원에 의해 제2동기화밸브에 압력이 인가되는 제2압력인가단계, 상기 제2압력인가단계 이후 제2동기화밸브와 제2도선으로 연결된 동기화밸브컨트롤러에 의해 제2동기화밸브에 인가되는 대기압 및 시간이 제어되는 제2제어단계를 포함하되, 상기 미세유체관은 상기 미세유체관 타측에 연결되는 시료용액이 담긴 시료용액조를 더 포함하고, 상기 미세유체관 내 포함되어 있는 시료용액의 흐름을 정교하게 제어하기 위해 상기 제1압력원과 상기 제2압력원에 서로 다른 압력세기가 가해지며, 상기 압력전달유로 내에 인가되는 실효 압력 세기가 정밀하게 조절될 수 있도록 상기 제1동기화밸브는 상기 제1압력원의 작동에 의해 상기 압력전달유로에 진공이 인가되고, 상기 제2동기화밸브는 상기 제2압력원의 작동에 의해 상기 압력전달유로 내에 대기압이 인가되어 상기 미세유체관의 흡입력이 조절되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1동기화단계 및 상기 제2동기화단계는 상기 동기화밸브컨트롤러에 의해 상기 제1동기화밸브 및 상기 제2동기화밸브가 일정한 시간차(δt)로 작동되도록 한다.
또한, 상기 제1동기화단계 및 상기 제2동기화단계는 상기 동기화밸브컨트롤러에 의해 상기 제1동기화밸브 및 상기 제2동기화밸브가 0 ~ ±100 ms 범위의 일정한 시간차(δt)로 작동되도록 한다.
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따라서, 본 발명의 동기화 동작 이중밸브를 사용한 미세유체 유속 정밀제어 장치는 제1동기화밸브 및 제1동기화밸브가 일정한 시간차(δt)를 두고 작동되는 동기화 작동이 가능하여, 미세유체관 내 미세유체 흐름이 정교하게 제어될 수 있다.
또한, 본 발명의 동기화 동작 이중밸브를 사용한 미세유체 유속 정밀제어 장치는 상기 압력전달유로에 연결된 상기 미세유체관에 전달되는 실효 진공의 세기 및 작용시간이 임의대로 조절되도록 할 수 있으므로 미세유체관 내 미세유체 흐름이 정교하게 제어될 수 있으며 미세유체의 다양한 유속을 획득할 수 있다.
도 1은 본 발명의 동기화 동작 이중밸브를 사용한 미세유체 제어 장치 모식도
도 2는 본 발명의 동기화 동작 이중밸브를 사용한 미세유체 제어 방법 단계도
도 3은 본 발명의 동기화 동작 이중밸브를 사용한 미세유체 제어 장치의 실시예 1에 따른 모식도
도 4는 본 발명의 동기화 동작 이중밸브를 사용한 미세유체 제어 장치의 실시예 2에 따른 모식도
도 5는 본 발명의 동기화 동작 이중밸브를 사용한 미세유체 제어 장치의 실시예 1 및 실시예 2에 따른 제1동기화밸브와 제2동기화밸브의 시간차에 따른 동기화 작동 그래프
도 6는 본 발명의 동기화 동작 이중밸브를 사용한 미세유체 제어 장치를 작동시킨 실험 결과
도 7는 본 발명의 동기화 동작 이중밸브를 사용한 미세유체 제어 장치의 실제 사진
미세유체 장치 내 미세유체는 상대적으로 큰 영향을 미치는 유관벽과 유체 사이의 마찰력 때문에 양압이나 음압(진공)을 인가하여 유속을 제어기 어렵다는 문제가 있다. 특히 마찰력을 극복하기 위해 충분히 큰 압력 또는 진공을 가하면 유속이 매우 빨라져 미량시료의 취급을 위해 유속을 저속으로 정밀하게 제어하는 것이 불가능하다. 이러한 현상은 미량시료 및 시약을 다루는 생화학 미량분석 기술의 발전을 더디게 할 수 있다. 따라서 본 발명은 미세유체 제어를 위해 동기화밸브컨트롤러로 동기화밸브가 동기화되도록 제어하여 미세유관 내 미세유체의 흐름을 정교하게 제어하여 상기와 같은 문제들을 해소할 수 있도록 한다.
이하 첨부된 도면들을 포함한 구체예 또는 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 구체예 또는 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한, 달리 정의되지 않는 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본 발명에서 설명을 위해 사용되는 용어는 단지 특정 구체예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
또한, 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 동기화 이중밸브를 사용한 미세유체 제어 장치는 모세관 형태의 미세유체관; 상기 미세유체관 일측에 연결되는 압력전달유로; 상기 미세유체관 타측에 연결되는 시료용액이 담긴 시료용액조; 상기 압력전달유로의 일측에 연결되는 제1제어부; 상기 압력전달유로의 타측에 연결되는 제2제어부; 및 상기 제1제어부 및 상기 제2제어부와 직렬연결되는 동기화밸브 컨트롤러; 를 포함하는 미세유체 제어 장치에 있어서, 상기 제1제어부는, 상기 압력전달유로의 일측에 연결되는 제1동기화밸브, 상기 제1동기화밸브와 제1도관으로 연결되어 진공이 인가되는 제1압력원 및 상기 제1동기화밸브와 제1도선으로 연결되어 인가되는 진공 및 시간을 제어하는 상기 동기화밸브컨트롤러를 포함하며, 상기 제2제어부는, 상기 압력전달유로의 타측에 연결되는 제2동기화밸브, 상기 제2동기화밸브와 대기압이 유입되는 제2도관으로 연결되어 대기압이 인가되는 제2압력원 및 상기 제2동기화밸브와 제2도선으로 연결되어 인가되는 대기압 및 시간을 제어하는 상기 동기화밸브컨트롤러를 포함하되, 상기 미세유체관 내 포함되어 있는 시료용액의 흐름을 정교하게 제어하기 위해 상기 제1압력원과 상기 제2압력원에 서로 다른 압력세기가 가해지며, 상기 압력전달유로 내에 인가되는 실효 압력 세기가 정밀하게 조절될 수 있도록 상기 제1동기화밸브는 상기 제1압력원의 작동에 의해 상기 압력전달유로에 진공이 인가되고, 상기 제2동기화밸브는 상기 제2압력원의 작동에 의해 상기 압력전달유로 내에 대기압이 인가되어 상기 미세유체관의 흡입력이 조절되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 동기화 밸브 컨트롤러는 상기 제1동기화밸브와 상기 제2동기화밸브를 기설정된 시간 간격으로 작동되도록 한다. 또한, 상기 동기화 밸브 컨트롤러는 상기 동기화 밸브컨트롤러가 상기 제1동기화밸브와 상기 제2동기화밸브가 0 내지 ±100 ms 범위에서 일정한 시간차(δt)로 작동되도록 한다. 또한, 상기 미세유체관은 0.1 내지 500 μL 범위의 유체를 포함한다.
다음으로, 동기화 이중밸브를 사용한 미세유체 제어 장치를 이용한 미세유체 제어 방법은 미세유체관 일측에 연결된 압력전달유로의 일측에 연결되고, 제1도선과 연결된 동기화밸브컨트롤러에 의해 제1동기화밸브를 제어하는 제1동기화단계; 및 미세유체관 일측에 연결된 압력전달유로의 타측에 연결되고, 제2도선과 연결된 동기화밸브컨트롤러에 의해 제2동기화밸브를 제어하는 제2동기화단계; 를 포함하고, 상기 제1동기화단계는, 제1동기화밸브와 제1도관으로 연결된 제1압력원에 의해 제1동기화밸브에 진공이 인가되는 제1압력인가단계, 상기 제1압력인가단계 이후 제1동기화밸브와 제1도선으로 연결된 동기화밸브컨트롤러에 의해 제1동기화밸브에 인가되는 진공 및 시간이 제어되는 제1제어단계를 포함하며, 상기 제2동기화단계는, 제2동기화밸브와 제2도관으로 연결된 제2압력원에 의해 제2동기화밸브에 압력이 인가되는 제2압력인가단계, 상기 제2압력인가단계 이후 제2동기화밸브와 제2도선으로 연결된 동기화밸브컨트롤러에 의해 제2동기화밸브에 인가되는 대기압 및 시간이 제어되는 제2제어단계를 포함하되, 상기 미세유체관은 상기 미세유체관 타측에 연결되는 시료용액이 담긴 시료용액조를 더 포함하고, 상기 미세유체관 내 포함되어 있는 시료용액의 흐름을 정교하게 제어하기 위해 상기 제1압력원과 상기 제2압력원에 서로 다른 압력세기가 가해지며, 상기 압력전달유로 내에 인가되는 실효 압력 세기가 정밀하게 조절될 수 있도록 상기 제1동기화밸브는 상기 제1압력원의 작동에 의해 상기 압력전달유로에 진공이 인가되고, 상기 제2동기화밸브는 상기 제2압력원의 작동에 의해 상기 압력전달유로 내에 대기압이 인가되어 상기 미세유체관의 흡입력이 조절되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 제1동기화단계 및 상기 제2동기화단계는 상기 동기화밸브컨트롤러에 의해 상기 제1동기화밸브 및 상기 제2동기화밸브가 일정한 시간차(δt)로 작동되도록 한다. 또한, 상기 제1동기화단계 및 상기 제2동기화단계는 상기 동기화밸브컨트롤러에 의해 상기 제1동기화밸브 및 상기 제2동기화밸브가 0 ~ ±100 ms 범위의 일정한 시간차(δt)로 작동되도록 한다.
도 1은 동기화 이중밸브를 사용한 미세유체 제어 장치 모식도를 나타 낸 것으로, 도 1을 참조하면, 본 발명의 동기화 이중밸브를 사용한 미세유체 제어 장치(1000)는 모세관 형태의 미세유체관(100)과 상기 미세유체 관(100) 일측에 연결되는 압력전달유로(200)와 상기 압력전달유로 (200)의 일측에 연결되는 제1제어부 및 상기 압력전달유로(200)의 타측에 연결되는 제2제어부와 상기 제1제어부 및 상기 제2제어부와 직렬연결되는 동기화밸브 컨트롤러(600)를 포함하여 이루어진다.
여기에서, 상기 동기화 이중밸브를 사용한 미세유체 제어 장치(1000)는 상기 미세유체관(100) 내 미세유체의 흐름을 정교하게 제어하기 위해 사용될 수 있으므로, 상기 미세유체관(100)의 일측은 압력전달유로(200)에 연결될 수 있으며, 타측은 시료용액(10)조 내 시료용액(10)에 잠겨있을 수 있다. 따라서, 상기 미세유체관(100)을 사용하여 상기 동기화 이중밸브를 사용한 미세유체 제어 장치(1000)의 작동에 의해 상기 시료용액(10)의 미량 흡입 또는 배출이 정교하게 이루어질 수 있다. 여기에서, 상기 미세유체관의 직경은 0.01~1mm로 구비될 수 있다. 상기 미세유체관의 직경이 0.01mm보다 작을 경우 인가되는 압력이 증가되어야 하는데 압력이 증가하게 되면 정밀한 미세유체의 제어가 불가능 하다. 또한, 상기 미세유체관의 직경이 1mm보다 클 경우 인가되는 압력 대비 미세유체의 유속이 빨라질 수 있어 미세유체의 유속을 제어하기 어렵다. 따라서, 본 발명에서는 미세유체관의 직경 범위를 0.01~1mm로 설계하여 원활한 미세유체의 유속 제어가 가능하도록 구성하였다.
또한, 상기 제1제어부는 상기 압력전달유로(200)의 일측에 연결되어 유체의 흐름을 제어하는 제1동기화밸브(310), 상기 제1동기화밸브(310)와 제1도관으로 연결되어 압력이 인가되는 제1압력원(510), 상기 제1동기화밸브(310)와 제1도선(610)으로 연결되어 인가되는 압력을 제어하는 상기 동기화밸브컨트롤러(600)를 포함하여 이루어진다.
또한. 여기에서, 상기 제2제어부는 상기 압력전달유로(200)의 타측에 연결되어 유체의 흐름을 제어하는 제2동기화밸브(320), 상기 제2동기화밸브(320)와 제2도관(420)으로 연결되어 압력이 인가되는 제2압력원(520), 상기 제2동기화밸브(320)와 제2도선(620)으로 연결되어 인가되는 압력을 제어하는 상기 동기화밸브컨트롤러(600)를 포함하여 이루어진다.
상기 동기화 밸브컨트롤러는 상기 제1동기화밸브(310)와 상기 제2동기화밸브(320)의 작동을 제어할 수 있다. 여기에서, 상기 제1압력원(510)과 상기 제2압력원(520)은 서로 다른 압력 세기를 가질 수 있다. 상기 제1압력원(510)과 상기 제2입력원은 제1도관과 제2도관(420)을 통해 제1동기화밸브(310)와 상기 제2동기화밸브(320)에 연결될 수 있으며 상기 제1압력원(510)과 제2압력원(520)에 의해 압력이 가해질 수 있다. 또한, 상기 동기화 밸브컨트롤러의 제어에 의해 상기 제1동기화밸브(310)와 상기 제2동기화밸브(320)가 일정한 시간차(δt)로 작동될 수 있다. 따라서, 상기 압력전달유로(200) 내에 인가되는 실효 압력 세기가 정밀하게 조절됨으로써 상기 미세유체관(100) 내 포함되어 있는 미량의 유체 흐름이 정교하게 제어될 수 있다. 여기에서, 상기 미세유체관(100)은 0.1 내지 500 μL 범위의 유체를 포함할 수 있다. 더욱 상세하게는, 상기 제1압력원(510)과 제2압력원(520)은 상기 동기화 밸브컨트롤러에 의해 상호 압력차를 가지면서 양의 압력 또는 음의 압력이 상기 압력전달유로(200)에 부가될 수 있으며, 이로 인해 상기 압력전달유로(200)와 연결된 상기 미세유체관(100)에 흡입력을 조절하여 미세유체의 유량 제어가 가능하다.
도 2는 본 발명의 동기화 동작 이중밸브를 사용한 미세유체 유속 정밀제어 방법 단계도를 나타낸 것이다. 도 3의 본 발명의 동기화 동작 이중밸브를 사용한 미세유체 유속 정밀제어 방법(S1000)을 참조하면, 미세유체관(100) 일측에 연결된 압력전달유로(200)의 일측에 연결되고, 제1도선(610)과 연결된 동기화밸브컨트롤러(600)에 의해 제1동기화밸브(310)를 제어하는 제1동기화단계(S100), 미세유체관(100) 일측에 연결된 압력전달유로(200)의 타측에 연결되고, 제2도선(620)과 연결된 동기화밸브컨트롤러(600)에 의해 제2동기화밸브(320)를 제어하는 제2동기화단계(S200)를 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 제1동기화단계(S100)는 제1동기화밸브(310)와 제1도관으로 연결된 제1압력원(510)에 의해 제1동기화밸브(310)에 압력이 인가되는 제1압력인가단계(S110), 상기 제1압력인가단계(S110) 이후 제1동기화밸브(310)와 제1도선(610)으로 연결된 동기화밸브컨트롤러(600)에 의해 제1동기화밸브(310)에 인가되는 시간이 제어되는 제1제어단계(S120)를 더 포함할 수 있다.
또한, 여기에서, 상기 제2동기화단계(S200)는 제2동기화밸브(320)와 제2도관(420)으로 연결된 제2압력원(520)에 의해 제2동기화밸브(320)에 압력이 인가되는 제2압력인가단계(S210), 상기 제2압력인가단계(S210) 이후 제2동기화밸브(320)와 제2도선(620)으로 연결된 동기화밸브컨트롤러(600)에 의해 제2동기화밸브(320)에 인가되는 시간이 제어되는 제2제어단계(S220)를 더 포함할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 동기화 동작 이중밸브를 사용한 미세유체 유속 정밀제어 방법을 다음과 같이 설명한다. 상기 제1동기화단계(S100)는 제1동기화밸브(310)에 제1압력원(510)에 의해 압력이 인가될 수 있으며, 제1압력원(510)에 의해 인가된 압력이 동기화밸브컨트롤러(600)에 의해 인가되는 시간이 제어될 수 있다. 또한, 상기 제2동기화단계(S200)는 제2동기화밸브(310)에 제2압력원(520)에 의해 압력이 인가될 수 있으며, 제2압력원(520)에 의해 인가된 압력이 동기화컨트롤러에 의해 인가되는 시간이 제어될 수 있다.
따라서, 상기 동기화밸브컨트롤러(600)에 의해 상기 제1동기화밸브(310) 및 상기 제2동기화밸브(320)가 일정한 시간차(δt)로 작동될 수 있으며, 더욱 상세하게는 상기 동기화밸브컨트롤러(600)에 의해 상기 제1동기화밸브(310) 및 상기 제2동기화밸브(320)가 0 ~ ±100 ms 범위의 일정한 시간차(δt)로 작동될 수 있어 미세한 차이로 진공도가 조절됨으로써 미세유체관(100) 내 미세유체 흐름이 정교하게 제어될 수 있으며 미세유체의 다양한 유속을 획득할 수 있다.
도 3은 본 발명의 동기화 동작 이중밸브를 사용한 미세유체 제어 장치의 실시예 1에 따른 모식도를 나타낸 것이며, 도 4는 본 발명의 동기화 동작 이중밸브를 사용한 미세유체 제어 장치의 실시예 2에 따른 모식도를 나타낸 것이다.
상기 도 3 및 도 4를 참조하여 동기화 동작 이중밸브를 사용한 미세유체 유속 정밀제어장치를 사용한 미세유체 유속 정밀제어 방법에 대한 실시예1 및 실시예 2에 대하여 구체적으로 설명한다.
상기 제1압력원(510)은 KNF사의 NF30-KFDC 다이아프램 압력/진공 펌프를 사용하였으며, 본 발명의 실시예에서는 자체 제작한 용량이 100 mL의 플라스틱 완충용기를 연결하여 사용하였다. 상기 제2압력원(520)(압력/진공 펌프)의 진공도는 -55 ~ -65 kPa로 유지하였다. 이 때, 진공도 측정은 압력/진공센서인 NXP Semiconductor사의 MPX5100DP를 사용하였다.
상기 제1동기화밸브(310)와 상기 제2동기화밸브(320)는 CKD사의 UMB1-T1 솔레노이드 밸브를 각각 사용하였다. 상기 압력전달유로는 상기 제1동기화밸브와 상기 제2동기화밸브(320)에 연결될 수 있도록 T자 형상의 연결구를 사용하였다.
여기에서, 도 3에 나타낸 바와 같이, 실시예 1로써 상기 제1동기화밸브(310)의 일측은 상기 제1압력원(510)에 연결하고, 다른 일측은 상기 압력전달유로(200)에 연결하였다. 또한, 상기 제2동기화밸브(320)의 일측은 상기 압력전달유로(200)에 연결하고, 다른 일측은 대기압유입관(530)을 구성하기 위해 외경이 3 mm이고, 내경이 1.0 mm인 실리콘 튜브와 외경이 1.6 mm이고, 내경이 0.5 mm인 투명 FEP 튜브를 사용하여 연결하였다.
또한, 여기에서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 실시예 2로써 상기 제1동기화밸브(310)의 일측은 상기 압력전달유로(200)에 연결하고, 다른 일측은 상기 압력전달유로(200)에 연결하였다. 또한, 상기 제2동기화밸브(320)의 일측은 상기 제2압력원(520)에 연결하고, 다른 일측은 대기압유입관(530)을 구성하기 위해 외경이 3 mm이고, 내경이 1.0 mm인 실리콘 튜브와 외경이 1.6 mm이고, 내경이 0.5 mm인 투명 FEP 튜브를 사용하여 연결하였다.
또한, 상기 미체유체관(100)은 내경 0.175 mm, 외경 1.6 mm, 길이 60 mm인 PEEK 튜빙을 사용하였다.
또한, 상기 제1동기화밸브(310)와 상기 제2동기화밸브(320)를 일정한 시간차(δt)를 두고 작동시키기 위해 동기화밸브컨트롤러(600)를 사용하였으며, 상기 동기화밸브컨트롤러(600)가 일정한 시간차를 두고 작동하도록 하기 위해 아두이노(Arduino)로 프로그래밍하여 상기 동기화밸브컨트롤러(600)를 통해 상기 제1동기화밸브(310)와 상기 제2동기화밸브(320)의 작동을 제어하고 신호를 획득하였다. 이 과정에서 상기 제1동기화밸브(310)와 상기 제2동기화밸브(320)는 24V의 동작 전원을 ON/OFF함으로써 상기 두 밸브가 동기화될 수 있도록 구성하였다.
본 실시예에서는 상기 제1동기화밸브(310)와 상기 제2동기화밸브(320)의 ON 동작 시간 차를 -10ms 에서 +10 ms 사이에서 변화시켰다. 여기에서, 상기 제1동기화밸브(310)의 ON 시간이 상기 제2동기화밸브(320)의 ON 시간보다 앞서는 경우에 시간차(δt)를 양의 값으로 표시했다. 이때, 상기 제1동기화밸브(310)는 진공원으로 연결되고 상기 제2동기화밸브(320)는 대기중으로 연결될 수 있다. 여기에서, 제1동기화밸브(310)에 진공이 가해진 후, 상기 제2동기화밸브(320)에 대기압이 가해질 수 있다. 이때, 제1동기화밸브에 가해진 진공은 대기중으로 방출될 수 있으며, 상기 제2동기화밸브가 대기중으로 오픈되어 대기압이 인가될 수 있다.
또한, 상기 제1동기화밸브(310)의 ON 시간이 상기 제2동기화밸브(320)의 ON 시간보다 뒤쳐지는 경우에 시간차(δt)를 음의 값으로 표시하였다. 이때, 상기 제1동기화밸브(310)는 대기중으로 연결되고 상기 제2동기화밸브(320)는 진공원으로 연결될 수 있다. 여기에서, 제1동기화밸브(310)에 대기압이 인가된 후, 상기 제2동기화밸브(320)에 진공이 인가될 수 있다. 이때, 제1동기화밸브(310)에 인가된 대기압이 방출되며 제1동기화밸브에 진공이 인가될 수 있다.
또한, 상기 미세유체관(100) 내 미세유체의 이동속도를 측정하기 위해서 상기 미세유체관(100)의 타측이 시료용액(10)에 잠기도록 하였으며, 여기에서, 시료용액(10)은 흑색잉크용액을 사용하였다.
상기와 같은 실시예에서 상기 미세유체관(100) 내 상기 시료용액(10)(흑색잉크 용액)의 이동속도를 측정한 결과를 실시예 1과 실시예 2로 구분하여 하기의 <표 1>에 나타내었으며, 본 발명의 동기화 동작 이중밸브를 사용한 미세유체 제어 장치의 실시예 1 및 실시예 2에 따른 제1동기화밸브와 제2동기화밸브의 시간차에 따른 동기화 작동 그래프를 도 5에 나타내었다.
<실시예 1>
도 3을 참조하면, 상기 제1동기화밸브(310)는 진공원으로 연결되어 진공이 인가되고 상기 제2동기화밸브는 대기로 연결되어 대기압이 인가될 수 있다. 도 5(a)를 참조하면, 진공원으로 연결된 상기 제1동기화밸브(310)가 작동된 후 대기로 연결된 제2동기화밸브(320)가 일정한 시간차(δt)를 두고 작동되는 동기화 작동이 가능하다. 하기 <표 1>의 실시예 1을 참조하면, 진공원으로 연결된 상기 제1동기화밸브(310)가 작동된 후 대기로 연결된 제2동기화밸브(320)가 일정한 시간차(δt)를 두고 작동됨에 따라 미세유체관의 초당 흡입유속은 증가할 수 있다. 상세하게 설명하자면, 시간차가 10 ~ -10ms로 변화됨에 따라, 미세유체관(100) 내 흡입되는 시료용액의 흡입유속이 작아짐을 알 수 있다. 여기에서, 상기 제1동기화밸브(310)는 진공원으로 연결되고 상기 제2동기화밸브(320)는 대기중으로 연결될 수 있으며, 제1동기화밸브(310)에 진공원이 인가된 후, 상기 제2동기화밸브(320)에 대기압이 인가될 수 있다. 따라서, 매우 약한 진공이 인가됨으로써 극미량의 유체를 흡입할 수 있어 매우 미세한 제어가 가능하다.
<실시예 2>
도 4를 참조하면, 상기 제1동기화밸브(310)는 대기로 연결되어 대기압이 인가되고 상기 제2밸브는 진공원으로 연결되어 진공이 인가될 수 있다. 도 5(b)를 참조하면, 대기로 연결된 상기 제1동기화밸브(310)가 작동된 후 진공원으로 연결된 제2동기화밸브(320)가 일정한 시간차(δt)를 두고 작동되는 동기화 작동이 가능하다. 하기 <표 1>의 실시예 2를 참조하면, 대기로 연결된 상기 제1동기화밸브(310)가 작동된 후 진공원로 연결된 제2동기화밸브(320)가 일정한 시간차(δt)를 두고 작동됨에 따라 미세유체관의 초당 흡입유속은 감소할 수 있어 초당 흡입유속이 감소됨에 따라 극소량의 미세유체 흐름을 제어할 수 있다. 상세하게 설명하자면, 시간차가 0 ~ 10ms로 변화됨에 따라, 미세유체관 내 흡입되는 시료용액의 흡입유속은 증가됨을 알 수 있다. 여기에서, 상기 제1동기화밸브(310)는 대기중으로 연결되고, 상기 제2동기화밸브(320)는 진공원으로 연결되어 진공이 가해질 수 있다. 따라서, 제1동기화밸브(310)에 진공원이 인가된 후, 상기 제2동기화밸브(320)에 대기압이 인가될 때보다 더 강한 세기의 진공이 인가될 수 있으므로 상대적으로 더 많은 미량의 유체를 흡입할 수 있어 미세유체의 유량 제어가 가능하다.
하기 <표 1>의 실시예 1과 실시예 2에 나타낸 것과 같이, 시간차(δt)를 -10ms 내지 10ms 까지 변화시킬 경우, 미세유체관(100)으로 흡입되는 유체의 흡입유속이 0.15 μL/s에서 1.54 μL/s까지 가변될 수 있음을 확인하였다. 따라서, 상기 제1동기화밸브와 상기 제2동기화밸브가 대기 또는 진공원으로 연결됨에 따라 상기 압력전달유로(200)에 연결된 상기 미세유체관(100)에 전달되는 실효 진공의 세기 및 작용시간이 임의대로 조절되도록 할 수 있다. 이에 따라 상기 미세유체관(100) 내 미세유체 흐름이 정교하게 제어될 수 있는 것이다.
<표 1>
Figure 112022106615197-pat00001
본 발명의 동기화 이중밸브를 사용한 미세유체 제어 장치(1000)를 사용하여 상기 미세유체관(100) 내 수 μL의 미세유체를 진공과 대기압의 인가에 따라 흡입유속이 정밀하게 제어될 수 있음을 확인하였다.
도 6는 본 발명의 동기화 동작 이중밸브를 사용한 미세유체 제어 장치를 작동시킨 실험 결과를 나타낸 것이고, 도 7는 본 발명의 동기화 동작 이중밸브를 사용한 미세유체 제어 장치의 실제 사진 본 발명의 동기화 동작 이중밸브를 사용한 미세유체 제어 장치의 실제 사진을 나타낸 것이다. 도 6 및 도 7에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 동기화 동작 이중밸브를 사용한 미세유체 유속 정밀제어 장치 및 방법을 이용하여 제1동기화밸브(310) 및 제2동기화밸브(320)가 일정한 시간차(δt)를 두고 작동되는 동기화 작동이 가능하여, 미세유체관(100) 내 미세유체 흐름이 정교하게 제어될 수 있다.
또한, 상기 압력전달유로(200)에 연결된 상기 미세유체관(100)에 전달되는 실효 진공의 세기 및 작용시간을 임의로 조절되도록 구성할 수 있으므로 미세유체관(100) 내 미세유체 흐름이 정교하게 제어될 수 있으며 용도에 따라 미세유체의 유속을 다양하게 조절할 수 있다.
따라서, 미세유로 내에서 극미량 시료의 이송을 정교하게 제어하여 미량분석, 미량반응 등 다양한 미세유체를 필요로 하는 분야에서 쉽고 간단하게 미세유체의 유속을 제어할 수 있으며, 미세유체의 유속에 대한 제어를 위해 별도의 특수목적 장치나 부품이 요구되지 않기 때문에 미세유체의 유속에 대한 정밀제어를 간편하고 경제적으로 구현할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1000 : 동기화 이중밸브를 사용한 미세유체 제어 장치
10 : 시료용액
20 : 시료용액조
100 : 미세유체관
200 : 압력전달유로
310 : 제1동기화밸브 320 : 제2동기화밸브
410 : 제1도관 420 : 제2도관
510 : 제1압력원 520 : 제2압력원
530 : 대기압유입관
600 : 동기화밸브컨트롤러
610 : 제1도선 620 : 제2도선

Claims (13)

  1. 모세관 형태의 미세유체관;
    상기 미세유체관 일측에 연결되는 압력전달유로;
    상기 미세유체관 타측에 연결되는 시료용액이 담긴 시료용액조;
    상기 압력전달유로의 일측에 연결되는 제1제어부;
    상기 압력전달유로의 타측에 연결되는 제2제어부; 및
    상기 제1제어부 및 상기 제2제어부와 직렬연결되는 동기화밸브 컨트롤러;
    를 포함하는 미세유체 제어 장치에 있어서,
    상기 제1제어부는,
    상기 압력전달유로의 일측에 연결되는 제1동기화밸브, 상기 제1동기화밸브와 제1도관으로 연결되어 진공이 인가되는 제1압력원 및 상기 제1동기화밸브와 제1도선으로 연결되어 인가되는 진공 및 시간을 제어하는 상기 동기화밸브컨트롤러를 포함하며,
    상기 제2제어부는,
    상기 압력전달유로의 타측에 연결되는 제2동기화밸브, 상기 제2동기화밸브와 대기압이 유입되는 제2도관으로 연결되어 대기압이 인가되는 제2압력원 및 상기 제2동기화밸브와 제2도선으로 연결되어 인가되는 대기압 및 시간을 제어하는 상기 동기화밸브컨트롤러를 포함하되,
    상기 미세유체관 내 포함되어 있는 시료용액의 흐름을 정교하게 제어하기 위해 상기 제1압력원과 상기 제2압력원에 서로 다른 압력세기가 가해지며,
    상기 압력전달유로 내에 인가되는 실효 압력 세기가 정밀하게 조절될 수 있도록 상기 제1동기화밸브는 상기 제1압력원의 작동에 의해 상기 압력전달유로에 진공이 인가되고,
    상기 제2동기화밸브는 상기 제2압력원의 작동에 의해 상기 압력전달유로 내에 대기압이 인가되어 상기 미세유체관의 흡입력이 조절되는 것을 특징으로 하는 동기화 이중밸브를 사용한 미세유체 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 동기화 밸브 컨트롤러는,
    상기 제1동기화밸브와 상기 제2동기화밸브를 기설정된 시간 간격으로 작동되도록 하는 동기화 이중밸브를 사용한 미세유체 제어 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 동기화 밸브 컨트롤러는,
    상기 동기화 밸브컨트롤러가 상기 제1동기화밸브와 상기 제2동기화밸브가 0 내지 ±100 ms 범위에서 일정한 시간차(δt)로 작동되도록 하는 동기화 이중밸브를 사용한 미세유체 제어 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 미세유체관은,
    0.1 내지 500 μL 범위의 유체를 포함하는 동기화 이중밸브를 사용한 미세유체 제어 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항 또는 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 동기화 이중밸브를 사용한 미세유체 제어 장치를 이용한 미세유체 제어 방법은,
    미세유체관 일측에 연결된 압력전달유로의 일측에 연결되고, 제1도선과 연결된 동기화밸브컨트롤러에 의해 제1동기화밸브를 제어하는 제1동기화단계; 및
    미세유체관 일측에 연결된 압력전달유로의 타측에 연결되고, 제2도선과 연결된 동기화밸브컨트롤러에 의해 제2동기화밸브를 제어하는 제2동기화단계;
    를 포함하고,
    상기 제1동기화단계는,
    제1동기화밸브와 제1도관으로 연결된 제1압력원에 의해 제1동기화밸브에 진공이 인가되는 제1압력인가단계,
    상기 제1압력인가단계 이후 제1동기화밸브와 제1도선으로 연결된 동기화밸브컨트롤러에 의해 제1동기화밸브에 인가되는 진공 및 시간이 제어되는 제1제어단계를 포함하며,
    상기 제2동기화단계는,
    제2동기화밸브와 제2도관으로 연결된 제2압력원에 의해 제2동기화밸브에 압력이 인가되는 제2압력인가단계,
    상기 제2압력인가단계 이후 제2동기화밸브와 제2도선으로 연결된 동기화밸브컨트롤러에 의해 제2동기화밸브에 인가되는 대기압 및 시간이 제어되는 제2제어단계를 포함하되,
    상기 미세유체관은 상기 미세유체관 타측에 연결되는 시료용액이 담긴 시료용액조를 더 포함하고, 상기 미세유체관 내 포함되어 있는 시료용액의 흐름을 정교하게 제어하기 위해 상기 제1압력원과 상기 제2압력원에 서로 다른 압력세기가 가해지며, 상기 압력전달유로 내에 인가되는 실효 압력 세기가 정밀하게 조절될 수 있도록 상기 제1동기화밸브는 상기 제1압력원의 작동에 의해 상기 압력전달유로에 진공이 인가되고, 상기 제2동기화밸브는 상기 제2압력원의 작동에 의해 상기 압력전달유로 내에 대기압이 인가되어 상기 미세유체관의 흡입력이 조절되는 것을 특징으로 하는 동기화 이중밸브를 사용한 미세유체 제어 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 9항에 있어서, 상기 제1동기화단계 및 상기 제2동기화단계는,
    상기 동기화밸브컨트롤러에 의해 상기 제1동기화밸브 및 상기 제2동기화밸브가 일정한 시간차(δt)로 작동되도록 하는 동기화 이중밸브를 사용한 미세유체 제어 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 제1동기화단계 및 상기 제2동기화단계는,
    상기 동기화밸브컨트롤러에 의해 상기 제1동기화밸브 및 상기 제2동기화밸브가 0 ~ ±100 ms 범위의 일정한 시간차(δt)로 작동되도록 하는 동기화 이중밸브를 사용한 미세유체 제어 방법.
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