KR102585739B1 - 표면탄성파 유도 미세와류를 이용한 액적의 화학적 농도 제어 장치 - Google Patents

표면탄성파 유도 미세와류를 이용한 액적의 화학적 농도 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액적의 화학적 농도를 제어하는 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 초음파 대역의 표면탄성파의 액체 내 음파 감쇄로 인해 유도된 미세와류를 이용해 마이크로미터 수준의 특성길이를 갖는 미세유로 내 다종 액체를 혼합하고, 혼합된 액체를 분산상 액체로 하여 조성된 미세액적의 화학적 농도를 제어하는 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미세액적 농도제어장치는, 압전기판과, 상기 압전기판의 상면에 부착되고, 교류신호를 인가받아 표면탄성파를 발생시키는 빗살무늬전극(Interdigital Transducer)과, 상기 빗살무늬전극의 상부에 위치되고, 분산상 액체를 포함하는 2종 이상의 액체가 주입 및 배출되도록 제1주입구와 제1배출구가 형성되며, 상기 2종 이상의 액체가 혼합가능하도록 형성되는 제1미세유로 및 상기 제1배출구가 위치되지 않은 상기 제1미세유로의 말단에 접합되고, 일단에는 제2주입구와 타단에는 제2배출구가 형성되며, 연속상 액체가 흐르는 제2미세유로를 포함하며, 상기 빗살무늬전극에서 교류신호를 인가받으면 상기 표면탄성파가 발생하고, 상기 제1미세유로의 액체흐름 방향과 평행하게 상기 표면탄성파가 전달되어, 상기 2종 이상의 액체가 혼합되는 것을 특징으로 한다.

Description

표면탄성파 유도 미세와류를 이용한 액적의 화학적 농도 제어 장치 {Apparatus to Control Droplet Chemical Concentration Using Surface Acoustic Wave-Induced Microscale Vortex}
본 발명은 액적의 화학적 농도를 제어하는 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 초음파 대역의 표면탄성파의 액체 내 음파 감쇄로 인해 유도된 미세와류를 이용해 마이크로미터 수준의 특성길이를 갖는 미세유로 내 다종 액체를 혼합하고, 혼합된 액체를 분산상 액체로 하여 조성된 미세액적의 화학적 농도를 제어하는 장치에 관한 것이다.
본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.
액적 기반 미세유체역학 기술을 고속대량스크리닝 등 다양한 분야에 응용하기 위해서는 액적 내 담지된 화학시료의 농도를 정교하게 제어하는 것이 필수적이나, 액적 내 화학적 농도를 미세유체칩 내에서 정교하게 제어할 수 있는 방법은 매우 드물다(비특허문헌 1). 종래에 개발된 액적의 화학적 농도 제어 방법은 다음과 같다.
첫째, 분산상 액체로서 다종 액체를 사용하고 다종 액체 시료의 유량비를 조절하여 액적 생성 시 화학적 농도를 제어하는 방법이 있다(비특허문헌 2). 별도의 외력이 요구되지 않고 액적의 화학적 농도를 제어할 수 있다는 장점을 지니나 주입하는 액상 시료의 유량이 변함에 따른 압력 요동으로 인해 불안정하고 균일하지 않은 액적 생성의 우려가 있으며, 안정화될 때까지 시간이 소요된다는 한계를 지닌다.
둘째, 움직이는 기계적 구동 장치를 활용하여 미리 결정된 화학적 농도를 가진 액상 시료를 선택하여 액적 생성을 위한 분산상 액체를 주입하여 액적의 화학적 농도를 제어하는 방법이 있으며, 마이크로밸브(비특허문헌 3)와 이동 스테이지(비특허문헌 4) 기반의 방법이 대표적이다. 이러한 방법은 미리 결정된 화학적 농도의 시료를 기반으로만 제한적으로 액적을 생성할 수 있어, 액적의 화학적 농도 제어의 자유도가 제한적이며, 움직이는 구동부가 수반되므로 시스템의 집적화가 어렵고 복잡한 외부 구동장치가 수반된다는 한계를 지닌다.
셋째, 서로 다른 화학적 농도를 갖는 액적을 병합하여 원하는 농도의 액적을 생성하는 방법이 있으나(비특허문헌 5), 액적의 화학적 농도 제어의 자유도가 제한적이며, 정교한 농도 제어를 위해 병합 전 액적의 화학적 농도 및 부피 제어에 유량 제어가 수반되므로 유량이 변함에 따른 압력 요동으로 인해 불안정하고 균일하지 않은 액적 생성의 우려가 있으며, 안정적인 액적 생성에 시간이 소요된다는 한계를 지닌다.
넷째, 고농도의 시료로 조성된 액적을 미세유체칩에 미리 주입하고 미세구조체를 이용해 위치를 고정하고, 이러한 액적과 병합이 가능한 분산상 액체로 조성된 액적들을 미세유체칩에 연속적으로 주입하여 연속적인 희석으로 인해 선형적으로 감소하는 화학적 농도를 갖는 액적 어레이를 생성하는 방법이 있다(비특허문헌 6). 이러한 방법은 사전에 고농도의 액적 주입하고 포집하는 과정이 선행되어야 하며, 선형 감소하는 액적 구배 외 자유로운 액적 농도 제어가 불가능하며, 다양한 액상 시료를 사용하기 어렵다는 한계를 지닌다.
다섯째, 초음파 대역의 표면탄성파를 유동의 직교한 방향으로 인가하여 유도된 미세와류를 이용하여 다종 액체 시료를 원하는 농도로 혼합하고, 혼합된 액체를 분산상 액체로 액적을 생성하는 방식으로 액적 내 화학적 농도를 제어하는 방법이 개발되었다(비특허문헌 7). 상술한 종래의 액적 농도 제어 방법(비특허문헌 2~6)과 비교하여 움직이는 구동부 없이 액적의 화학적 농도를 개별 액적 수준에서 고속으로 정밀하게 제어하고 자유로운 형태의 액적 간 농도구배를 형성할 수 있다는 장점을 지닌다. 하지만 표면탄성파의 진행방향과 다종 액체 유동의 진행방향이 직교한 형태의 배열을 가져 음파 감쇄 기반 미세와류 형성을 위해 상대적으로 넓은 너비의 미세유로가 요구되며, 이로 인해 액적 생성 부피가 나노리터 이상으로 제한되며 액적 생성 속도 또한 초당 수 개 이하로 제한된다는 한계를 지닌다. 또한 표면탄성파 생성을 위한 빗살무늬전극이 패턴된 압전기판과 미세유로가 패턴된 미세유체칩 간 비가역적 결합이 요구되어 압전기판과 전극의 재사용과 미세유체칩 교체가 불가능하다는 한계를 지닌다.
상술한 직교형 표면탄성파 기반 액적의 화학적 농도 제어 장치의 한계점을 해결할 수 있는 방안으로서 밀폐형 미세유체칩과 압전기판의 가역적 결합이 가능한 평행형 표면탄성파 기반 액적의 화학적 농도 제어 장치가 활용될 수 있다.
한국 특허등록 제10-1855490호(2018.05.08 공고)
Wang, X., Liu, Z., & Pang, Y. (2017). Concentration gradient generation methods based on microfluidic systems. RSC advances, 7(48), 29966-29984. Song, H., & Ismagilov, R. F. (2003). Millisecond kinetics on a microfluidic chip using nanoliters of reagents. Journal of the American Chemical Society, 125(47), 14613-14619. Zeng, S., Li, B., Qin, J., & Lin, B. (2009). Microvalve-actuated precise control of individual droplets in microfluidic devices. Lab on a Chip, 9(10), 1340-1343. Cai, L. F., Zhu, Y., Du, G. S., & Fang, Q. (2012). Droplet-based microfluidic flow injection system with large-scale concentration gradient by a single nanoliter-scale injection for enzyme inhibition assay. Analytical chemistry, 84(1), 446-452. Zhou, H., & Yao, S. (2014). A facile on-demand droplet microfluidic system for lab-on-a-chip applications. microfluidics and nanofluidics, 16(4), 667-675. Niu, X., Gielen, F., Edel, J. B., & Demello, A. J. (2011). A microdroplet dilutor for high-throughput screening. Nature chemistry, 3(6), 437-442. Park, J., Destgeer, G., Afzal, M., & Sung, H. J. (2020). Acoustofluidic generation of droplets with tunable chemical concentrations. Lab on a Chip, 20(21), 3922-3929.
본 발명은 발생된 표면탄성파의 진행방향과 액상 시료의 진행방향이 평행하도록 배치하는 평행형 표면탄성파 기반 액적 화학적 농도 제어 장치를 통하여, 초당 수백 개 이상의 나노리터 이하 체적을 갖는 액적의 화학적 농도를 고속으로 정밀 제어하고자 한다.
또한, 상술한 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 설명으로부터 또 다른 기술적 과제가 도출될 수도 있음은 자명하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미세액적 농도제어장치는, 압전기판과, 상기 압전기판의 상면에 부착되고, 교류신호를 인가받아 표면탄성파를 발생시키는 빗살무늬전극(Interdigital Transducer)과, 상기 빗살무늬전극의 상부에 위치되고, 분산상 액체를 포함하는 2종 이상의 액체가 주입 및 배출되도록 제1주입구와 제1배출구가 형성되며, 2종 이상의 액체가 혼합가능하도록 형성되는 제1미세유로 및 상기 제1배출구가 위치되지 않은 상기 제1미세유로의 말단과 접합되고, 일단에는 제2주입구와 타단에는 제2배출구가 형성되어, 연속상 액체가 흐르는 제2미세유로를 포함하며, 상기 빗살무늬전극에서 교류신호를 인가받으면 상기 표면탄성파가 발생하고, 상기 제1미세유로의 액체흐름 방향과 평행하게 상기 표면탄성파가 전달되어, 상기 2종 이상의 액체가 서로 혼합된다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 빗살무늬전극은, 교차배열되는 빗살모양의 금속 전극들이 일측에서 타측으로 연장되며 점진적으로 넓어지거나 또는 좁아지며 지간거리의 변화를 가지고 경사진 형태로 형성되는 SFIT(Slanted Finger Interdigital Transducer)인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 빗살무늬전극과 상기 제1미세유로의 사이에 위치하고, 상기 빗살무늬전극에서 발생된 표면탄성파를 상기 제1미세유로에 전달하는 박막을 더 포함한다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 빗살무늬전극은, 특정 주파수의 표면탄성파를 형성하는 동일 지점에서의 금속 전극의 두께 및 지간거리가 동일한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 제1미세유로와 제2미세유로의 접합되는 부분이 T자 형태로 이루어진 T형 접합(T-junction)인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 압전기판과 가역적으로 접하며, 상기 제1미세유로, 제2미세유로 및 박막을 포함하여 밀폐된 공간을 형성하는 미세유체칩을 이루는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, Polydimethylsiloxane(PDMS)을 포함한 실리콘 기반 폴리머, Polyethylene terephthalate(PET), Polycarbonate(PC) 및 Polyvinyl Chloride(PVC)를 포함한 고분자 화합물 중에 선택된 어느 하나 이상의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 초음파 대역의 주파수를 갖는 교류신호를 인가하여 역압전효과에 의한 상기 표면탄성파가 발생되면, 상기 표면탄성파가 상기 제1미세유로의 내부에 흐르는 액체의 점성에 의해 미세와류를 형성하여 상기 제1미세유로의 2종 이상의 액체가 혼합되며, 인가되는 상기 교류신호의 세기를 제어하여 상기 SFIT에서 발생하는 표면탄성파의 세기를 달리하여 상기 제1미세유로에서 혼합되는 액체의 화학적 농도를 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 전기에너지가 기계에너지 즉, 파동으로 변환되는 역압전효과에 의해 생성된 표면탄성파가 액체에 인가되어 점성에 의한 감쇄에 의해 생성되는 미세와류를 이용해 미세유로 내 다종 액체 시료를 고속으로 혼합하거나 공간적 화학적 구배를 제어하여, 액적의 화학적 농도를 고속으로 정교하게 제어하는 것을 가능하도록 하는 효과를 갖는다.
또한, 밀폐형 미세유체칩을 압전기판과 가역적으로 접합하여 압전기판 위 빗살무늬전극에서 생성되는 표면탄성파를 미세유로에 인가함으로써, 압전기판과 빗살무늬전극은 재사용이 가능하고, 미세유체칩은 교체 가능하다는 장점을 지닌다.
또한, 밀폐형 미세유체칩을 압전기판 위 빗살무늬전극에 교접 시 표면탄성파의 진행방향과 미세유체칩에 패턴된 미세유로 내 유동의 진행방향을 평행하게 배열함으로써 종래의 직교형 배열 대비 에너지효율적으로 기계에너지(파동)를 활용할 수 있다는 장점을 지니며, 음파가 유동과 평행한 방향으로 감쇄되므로 종래의 직교형 장치 대비 더 작은 특성 길이를 갖는 좁은 미세유로 내에서도 미세와류 형성이 가능하여, 생성되는 액적의 체적을 나노리터 이하로 개선하고, 액적 생성 속도를 초당 수백에서 수천 개로 향상시킬 수 있다는 장점을 지닌다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세액적 농도제어장치의 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 빗살무늬전극을 상부에서 바라본 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1미세유로, 제2미세유로 및 빗살무늬전극을 자세하게 도시한 것으로서, 도 3(a)는 표면탄성파가 발생하지 않는 경우의 모습이며, 도3(b)는 표면탄성파가 발생하는 경우를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액상시료의 총 유량과 표면탄성파의 세기 조건에 따른 이종액상시료 혼합양상을 촬영한 사진을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1미세유로와 제2미세유로의 접합부를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 표면탄성파의 세기를 변화시켰을 때, 제2미세유로내의 액적 농도변화를 나타낸 사진을 나타낸 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 따른 미세액적 농도제어장치의 구성, 동작 및 작용효과에 대하여 살펴본다. 참고로, 이하 도면에서, 각 구성요소는 편의 및 명확성을 위하여 생략되거나 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 반영하는 것은 아니다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭하며 개별 도면에서 동일 구성에 대한 도면 부호는 생략하기로 한다.
마이크로리터 이하의 체적을 갖는 미세액적 기반 미세유체역학 기술은 서로 섞이지 않는 분산상 액체와 연속상 액체로 조성된 미세액적을 기반으로 고속대량스크리닝, 신약 개발, 신물질합성, 생화학 분석 등 다양한 분야에 활용되고 있다.
기존의 연속유동 기반 미세유체역학 기술과 달리, 본 발명의 경우, 미세액적 계면으로 구분된 독립된 미세환경을 조성할 수 있어, 샘플 간 교차 감염과 테일러 분산에 의한 원치 않는 시료 혼합의 우려 없으며, 나노리터 내지 피코리터 수준의 극미량의 시료나 샘플을 소모하며 실험을 수행할 수 있어, 비용과 시간을 절감할 수 있다. 이를 이용하여, 미세액적 내 세포, 생체분자 등 다양한 샘플을 담지하여 복잡한 생화학 분석 등을 수행할 수 있으며, 초당 최대 수십만 개의 액적을 생산하여 고속으로 자동화 실험을 수행할 수 있다는 장점을 지닌다.
그러므로, 본 발명은 액적을 기반으로 하는 미세유체역학 응용 전 분야에 이용될 수 있으며, 실시예로는 액적 기반 고속대량스크리닝(high-throughput screeening) 기반 신약 개발, 액체생검 등의 질병 진단에 필요한 시료전처리 및 인체유래물 내의 생물분자를 검출하는 분석 및 진단기기가 있다.
이하, 본 발명에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 미세액적 농도제어장치의 사시도를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미세액적 농도제어장치는, 압전기판(10)과, 상기 압전기판(10)의 상면에 부착되고, 교류신호를 인가받아 표면탄성파를 발생시키는 빗살무늬전극(Interdigital Transducer, 20)과, 상기 빗살무늬전극(20)의 상부에 이격 위치되고, 분산상 액체를 포함하는 2종 이상의 액체가 주입 및 배출되도록 제1주입구(31)와 제1배출구(32)가 형성되며, 2종 이상의 액체가 유로 내에서 혼합가능하도록 형성되는 제1미세유로(30) 및 상기 제1미세유로(30)의 제1배출구(32)가 위치되지 않고 혼합된 액체가 흐르게 되는 제1미세유로(30)의 말단과 접합되고, 일단에는 제2주입구(41)와 타단에는 제2배출구(42)가 형성되며, 연속상 액체가 흐르는 제2미세유로(40)를 포함하며, 상기 빗살무늬전극(20)에서 교류신호를 인가받으면 상기 표면탄성파가 발생하고, 상기 제1미세유로(30)의 액체흐름 방향과 평행하게 상기 표면탄성파가 전달되어, 상기 2종 이상의 액체가 서로 혼합되는 것을 특징으로 한다.
상기 압전기판(10)은 전기적인 에너지를 기계적인 에너지인 파동으로 변환가능하도록 하는 물질로 이루어진다. 예를 들어, 리튬리니오베이트(LiNbO3), 석영(Quartz), 리튬탄탈레이트(LiTaO3), 리튬보레이트(Li2B4O7) 또는 랑가사이트(La3Ga5SiO14) 등의 피에조 물질로 이뤄진다. 압전기판(10)의 형상은 사각 판상이 일반적이나, 필요에 따라 변경 가능하다.
상기 빗살무늬전극(20, Interdigital Transducer)은 상기 압전기판(10)의 상면에 부착된다. 일반적으로 압전기판(10)과 일체로 형성되며, MHz 초음파 대역 표면탄성파를 발생시키기 위한 구성이다. 빗살무늬전극(20)은 압전기판(10)의 양측에 형성된 각각의 단자가 서로를 향해 폭 방향으로 연장 형성되는 복수의 손가락처럼 생긴 빗살무늬의 전극들이 서로의 사이 사이에 겹쳐, 마치 포크 2개의 끝이 마주보고 겹쳐지되, 서로 닿지 않도록 엇갈리게 놓인 것과 같은 패턴 형상을 가진다. 상기 빗살무늬전극(20)은 전기장을 형성하도록 인가된 교류 전류를 통해 기설정된 주파수의 표면탄성파를 발생시킨다. 즉, 신호 발생기를 통해 해당 빗살무늬전극(20)에 교류전류를 인가하여 표면탄성파를 발생시킬 수 있다.
이러한 빗살무늬전극(20)은 바람직하게는 크롬(Cr)과 금(Au)의 적층 구조 혹은 알루미늄(Al)으로 제작될 수 있다. 그 외에도, Ti와 Au 또는 Ti와 Al 조합의 적층 구조로 이루어질 수 있음은 물론, 백금(Pt), 금(Au), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 니켈(Ni) 또는 이들을 포함하는 금속화합물들 중에서 선택된 하나 이상의 전극 물질로 이뤄질 수 있다.
연속상 액체란 분산상의 액체와 섞이지 않는 액체이며, 분산상 액체는 분산상 액체 상호간은 섞이는 액체이다.
상기 제1미세유로(30)는 분산상 액체를 포함하는 2종 이상의 액체가 각각 주입되도록 복수개의 제1주입구(31)가 형성된다. 주입된 2종 이상의 액체가 유로 내에서 혼합가능하도록 유로의 중간부분은 연통되나 주파수가 인가되지 않을 경우에는 층상을 이루어 나란히 2종 이상의 액체가 함께 흐를 수 있도록 형성된다. 그리고 각각의 액체가 배출되는 제1배출구(32)가 형성된다. 제1미세유로(30)는 Polydimethylsiloxane(PDMS), Polycarbonate(PC), 혹은 Polymethyl Methacrylate (PMMA)로 제작되는 것이 바람직하다.
상기 제2미세유로(40)는, 제1미세유로(30)의 제1배출구(32)가 아닌 일단과 접합되고, 양단에는 연속상 액체를 포함하는 액체가 주입되는 제2주입구(41)와 제2배출구(42)가 형성되며, 연속상 액체가 흐르는 제2미세유로(40)가 형성된다. 또한, 제2미세유로(40)는 Polydimethylsiloxane(PDMS), Polycarbonate(PC), Polymethyl Methacrylate (PMMA)로 제작되는 것이 바람직하다. 제2미세유로(40)는 현미경으로 액적을 관찰할 때 한 번에 최대한 많은 액적을 관찰하기 위하여 연속된 S자 형태로 형성될 수 있으며, 그 형상에 한정되지 않는다.
예를 들어, 제1미세유로(30)에 2종의 액체가 주입되는 경우, 2개의 제1주입구(31)와 1개의 제1배출구(32)가 형성되게 된다. 이 제1배출구(32)를 통하여 배출된 액체는 폐기되고, 다른 경로를 통하여 이동된 액체는 제2미세유로(40)과 만나게 된다. 제2미세유로(40)의 일단은 연속상 액체를 주입하는 제2주입구(41)가, 타단에는 제2배출구(42)가 구성된다. 제2배출구(42)를 통하여 배출된 액체는 회수된다. 제2미세유로(40)에 제1미세유로(30)에서 2종의 액체가 표면탄성파에 의하여 섞인 분산상 액체가 주입되면, 연속상 액체와 분산상 액체는 섞이지 않기 때문에 제2미세유로(40)에 액적이 연속상 액체의 흐름에 따라 함께 흐르게 된다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 빗살무늬전극(20)과 상기 제1미세유로(30)의 사이에 위치하고, 상기 빗살무늬전극(20)에서 발생된 표면탄성파를 상기 제1미세유로(30)에 전달하는 박막(50)을 더 포함한다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 박막(50)은, Polydimethylsiloxane(PDMS)을 포함한 실리콘 기반 폴리머, Polyethylene Terephthalate(PET), Polycarbonate(PC) 및 Polyvinyl Chloride(PVC)를 포함한 고분자 화합물 중에 선택된 어느 하나 이상의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 압전기판(10)과 가역적으로 접하며, 상기 제1미세유로(30), 제2미세유로(40) 및 박막(50)을 포함하여 밀폐된 공간을 형성하는 미세유체칩(100)을 이루는 것을 특징으로 한다.
박막(50)은 빗살무늬전극(20)과 제1미세유로(30)의 사이에 위치하고, 상기 빗살무늬전극(20)에서 발생된 표면탄성파를 제1미세유로(30)에 전달하여, 2종 이상의 분산상 액체에 표면탄성파를 가하여 미세와류를 형성하고 2종 이상의 분산상 액체가 섞이도록 만든다. 이러한 박막(50)은 Polydimethylsiloxane(PDMS)을 포함한 실리콘 기반 폴리머, Polyethylene Terephthalate(PET), Polycarbonate(PC), Polyvinyl Chloride (PVC)를 포함한 플라스틱으로 제작되는 것이 바람직하며, 박막(50)의 두께는 수십 마이크로미터 이내로 하는 것이 표면탄성파의 효율적인 전달을 위하여 바람직하다.
상기 박막(50)은 제1미세유로(30)와 제2미세유로(40)와 함께 밀폐된 공간을 형성하는 미세유체칩(100)을 구성할 수도 있다. 이렇게 미세유체칩(100)이 구성됨으로 인하여, 미세유체칩(100)만이 교체 가능하도록 가역적으로 압전기판(10) 및 빗살무늬전극(20)과 결합 가능하다. 상기 박막(50)과 상기 제1미세유로(30) 및 제2미세유로(40)는 (3-Aminopropyl)Triethoxysilane(APTES)를 활용하여 비가역적으로 접합하여, 상기 압전기판(10)과 가역적으로 접합하는 밀폐형 미세유체칩(100)을 제조하는 것이 바람직하다. 즉, 제1미세유로(30), 제2미세유로(40) 및 박막(50)은 비가역적으로 결합되어 일체로 형성되고, 압전기판(10)과 빗살무늬전극(20)과는 가역적으로 결합되어, 사용된 미세유체칩(100)만을 분리하여 제거 가능하게 된다.
따라서, 상기 박막(50)의 가장 큰 역할로서, 빗살무늬전극(20)이 패턴된 압전기판(10)과 미세유로가 패턴된 미세유체칩 간 비가역적 결합이 요구되어 압전기판과 전극의 재사용과 미세유체칩 교체가 불가능하다는 한계가 있었던 기존에 비하여, 박막(50)을 포함하게 됨으로써 압전기판(10) 및 빗살무늬전극(20)과 가역적으로 결합되어 미세유체칩(100)이 교체가 가능하게 되는 것을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 빗살무늬전극, 자세히는 경사진 형태의 빗살무늬전극을 상부에서 바라본 모습을 나타낸 도면이다. 또한, 도 4는 액상시료의 총 유량과 표면탄성파의 세기 조건에 따른 이종액상시료 혼합양상을 촬영한 사진을 나타낸 것이다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 빗살무늬전극(20)은 교차배열되는 빗살모양의 금속 전극들이 일측에서 타측으로 연장되며 점진적으로 넓어지거나 또는 좁아지며 지간거리의 변화를 가지고 경사진 형태로 형성되는 SFIT(Slanted Finger Interdigital Transducer)인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 빗살무늬전극(20)은 특정 주파수의 표면탄성파를 형성하는 동일 지점에서의 금속 전극의 두께 및 지간거리가 동일한 것을 특징으로 한다.
빗살무늬전극(20)은 앞서 언급한 바와 같이 압전기판의 양측에 형성된 각각의 단자가 서로를 향해 폭 방향으로 연장 형성되는 복수의 손가락 전극들이 서로의 사이사이에 겹쳐, 마치 포크 2개의 끝이 마주보고 겹쳐지되 서로 닿지 않도록 엇갈리게 놓인 것과 같은 패턴 형상을 갖는다. 이렇게 형성된 빗살무늬전극(20)이 경사없이 나란한 형태를 갖는다면 하나의 공진주파수(f)를 갖게 된다. 이 경우에는 하나의 공진주파수에 따라 하나의 파장으로만 표면탄성파를 발생시킬 수 있다.
다양한 공진주파수(f)를 통하여 표면탄성파의 세기를 조절하기 위하여, 빗살무늬전극(20)은 교차배열되는 빗살모양의 금속 전극들이 일측에서 타측으로 연장되며 점진적으로 넓어지거나 또는 좁아지며 지간거리의 변화를 가지고 경사진 형태로 형성되는 SFIT(Slanted Finger Interdigital Transducer)일 수 있다. 상세하게는, 상기 전극들이 특정 주파수의 표면탄성파가 생성되는 동일 지점에서 전극들의 두께(At)와 지간 거리(△x)가 서로 동일하게 형성된 모습을 나타낸다. 이렇게 형성되면, 공진주파수(f)를 변경시키기 위한 조건을 최소화되어, 인가되는 교류신호의 주파수만을 변경하여 발생되는 표면탄성파의 세기의 조절을 할 수 있다.
SFIT, 즉, 경사진 빗살무늬전극(20) 각 지점에서의 공진주파수(f)는 다음 수식에 따라 결정된다.
여기서, c는 표면탄성파 진행 방향의 압전기판(10) 즉, 피에조 기판의 음속이며, λ는 전극의 두께와 지간 거리의 4배이다.
자세히 설명하자면, 도 2에 나타난 바와 같이, 경사진 빗살무늬전극(20)에서 가능한 공진주파수(f)는 fL에서 fU까지 다양하게 발생하고, 이에 따라 압전기판(10)의 음속은 일정하므로, 그에 따른 표면탄성파의 파장은 도면에 나타난 바와 같이 λL부터 λU까지 나타난다.
경사된 빗살무늬전극(20)을 갖게 됨으로 인하여, 단일 공진주파수를 갖지 않고 복수의 공진주파수 즉, 공진주파수대역을 갖고, 각 공진주파수의 위치가 전극 내에서 다르게 형성된다. 그러므로 인가되는 공진주파수에 따라 서로 다른 위치에서 표면탄성파를 발생시킬 수 있다. 이를 통해 2 종 이상의 액상 시료가 병행 층류 형태로 흐를 때 원하는 시료만 선택적으로 혹은 모든 시료를 전체적으로 혼합하고 혼합 정도를 자유자재로 제어할 수 있다. 또한, 경사진 빗살무늬전극의 경우, 그 너비(At)가 넓더라도 특정 공진주파수에 해당하는 전극의 위치에서 집속된 (폭이 좁은) 표면탄성파가 발생하므로 좁은 미세유로 내에 음파를 집속시킬 수 있다는 효과를 갖는다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1미세유로, 제2미세유로 및 빗살무늬전극을 자세하게 도시한 도면이다. (a)의 경우, 표면탄성파가 발생하지 않은 경우이며, (b)의 경우는 표면탄성파가 발생하여 혼합된 액체가 생성된 경우를 나타내었다. 도 5는 제1미세유로와 제2미세유로의 접합부가 T형 접합임을 나타낸 도면이다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 제1미세유로(30)와 제2미세유로(40)의 접합되는 부분이 T자 형태로 이루어진 T형 접합(T-junction)인 것을 특징으로 한다.
설명하자면, 도 3은 빗살무늬전극(20), 제1미세유로(30)와 제2미세유로(40)을 나타낸 도면으로서, 표면탄성파 유도 미세와류에 의한 유동혼합과 이를 활용한 액적의 화학적 농도 제어 원리를 보여준다.
본 실시예는 분산상 액체로 시료 1과 시료 2의 이종 액체를 혼합한 시료를 사용하는 경우이나, 본 발명은 삼종 이상의 다종 액체 시료의 혼합 및 이를 이용한 액적 농도 제어에도 적용 가능하다.
2 종의 분산상 액체인 시료 1과 시료 2가 각각 서로 다른 유입구를 통해 제1미세유로(30) 내로 주입된 후 합쳐진다. 도 3(a)와 같이, 빗살무늬전극(20)에서 표면탄성파를 생성하지 않을 때에는 층류(laminar) 유동 특성으로 인해 두 시료가 혼합되지 않는다. 따라서, 시료 1은 제1배출구(32)로 배출되고, 시료 2는 T형 접합유로(60)에 액적 생성을 위한 분산상 액체로 주입되어, 분산상 액체와 서로 섞이지 않는 연속상 액체와 만나 액적이 생성되어 제2배출구(42)로 배출된다. 이와 달리, 빗살무늬전극(20)에서 표면탄성파를 생성할 때에는, 시료 1과 시료 2가 빗살무늬전극(20) 인근 제1미세유로(30)에서 표면탄성파에서 유도된 미세와류로 인해 혼합된다. 따라서, 혼합된 시료 중 일부는 제1배출구(32)로, 나머지가 T형 접합유로(60)에 액적 생성을 위한 분산상 액체로 주입되어, 분산상 액체와 서로 섞이지 않는 연속상 액체와 만나 액적이 생성된다. 이때 빗살무늬전극(20)에 인가되는 교류신호의 세기를 제어하여 빗살무늬전극(20)에서 생성되는 표면탄성파의 세기를 제어할 수 있으며, 이를 통해 미세와류의 세기를 제어하여 다종 액체 시료의 유동혼합 정도를 조절할 수 있다. 이를 통해 T형 접합유로(60)에 분산상 액체로 주입되는 시료의 화학적 농도를 제어하여 T형 접합유로(60)에서 생성되는 액적의 화학적 농도를 제어할 수 있고, 생성된 액적은 연속상 액체와 함께 제2배출구(42)로 배출된다.
즉, 이러한 장치를 통하여, 전기에너지가 기계에너지(파동)로 변환되는 역압전효과에 의해 생성된 표면탄성파가 액체에 인가되어 점성에 의한 감쇄에 의해 생성되는 미세와류를 이용해 제1미세유로(30) 또는 제2미세유로(40) 내 다종 액체 시료를 고속으로 혼합하거나 공간적 화학적 구배를 제어하면, 액적의 화학적 농도를 고속으로 정교하게 제어하는 것을 가능하도록 하는 효과를 갖는다.
또한, 제1미세유로(30)와 제2미세유로(40)의 접합되는 부분이 T자 형태로 이루어진 T형 접합(T-junction)으로 이루어짐으로 인하여, 연속상 액체의 흐름에 따라 혼합된 분산상 액체가 일정하게 연속상 액체로 흘러들어가게 되고, 따라서 일정한 크기의 액적이 형성되어 연속상 액체 흐름과 함께 흘러가게 된다. T형 접합은 일 형태일 뿐 그 형상에 국한되지 않는다.
도 4는 액상 시료 총 유량과 표면탄성파 세기 조건에 따른 이종 액상 시료의 혼합 양상을 촬영한 것이며, 도 6은 본 발명에 따른 표면탄성파 유도 미세와류를 이용한 액적의 화학적 농도 제어 장치에 채용된 제2미세유로 내 액적을 촬영한 현미경 사진이다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 초음파 대역의 주파수를 갖는 교류신호를 인가하여 역압전효과에 의한 상기 표면탄성파가 발생되면, 상기 표면탄성파가 상기 제1미세유로(30)의 내부에 흐르는 액체의 점성에 의해 미세와류를 형성하여 상기 제1미세유로(30)의 2종 이상의 액체가 혼합되며, 인가되는 상기 교류신호의 세기를 제어하여 상기 SFIT에서 발생하는 표면탄성파의 세기를 달리하여 상기 제1미세유로(30)에서 혼합되는 농도를 조절하는 것을 특징으로 한다.
이에 대하여 자세히 설명하자면, 도 4를 통하여 알 수 있듯이, 고정된 총 유량 조건에서는 표면탄성파의 세기가 강해짐에 따라 미세유로 내 유동혼합을 야기하는 표면탄성파 유도 미세와류의 세기가 세지므로 유동혼합 정도가 증가한다. 고정된 표면탄성파 세기 조건에서는 동일한 세기의 표면탄성파 유도 미세와류가 형성되는데, 총 유량이 증가함에 따라 유동 자체의 운동량이 증가하므로 유동혼합 정도가 감소한다.
또한, 서술한 표면탄성파 유도 미세와류를 이용해 혼합된 액상 시료가 T형 접합유로(60)를 통하여 분산상 액체로 주입되어, 분산상 액체와 혼합되지 않는 연속상 액체와 만나 액적을 생성 시 빗살무늬전극(20)에 인가되는 교류신호의 세기를 제어하여 표면탄성파의 세기를 제어하면 액적의 화학적 농도를 자유자재로 조절할 수 있다. 이는 도 6에서 본 것과 같이, 색을 다르게 한 2종의 액체 시료가 인가하는 주파수를 변경하여 미세와류의 세기가 달라지고, 따라서 제2미세유로(40)에서 관찰되는 미세액적이 혼합 정도에 따라 점점 진해지는 것을 통해 알 수 있다.
밀폐형 미세유체칩(100)을 압전기판(10) 위 빗살무늬전극(20)에 교접 시 표면탄성파의 진행방향과 미세유체칩(100)에 패턴된 미세유로 내 유동의 진행방향을 평행하게 배열함으로써, 종래의 직교형 배열 대비 에너지효율적으로 기계에너지(파동)를 활용할 수 있다는 장점을 지니며, 음파가 유동과 평행한 방향으로 감쇄되므로, 종래의 직교형 장치 대비 더 작은 특성 길이를 갖는 좁은 미세유로 내에서도 미세와류 형성이 가능하여, 생성되는 액적의 체적을 나노리터 이하로 개선하고, 액적 생성 속도를 초당 수백에서 수천 개로 향상시킬 수 있다는 장점을 지닌다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 압전기판
20 : 빗살무늬전극
30 : 제1미세유로
31 : 제1주입구
32 : 제1배출구
40 : 제2미세유로
41 : 제2주입구
42 : 제2배출구
50 : 박막
60 : T형 접합유로
100 : 미세유체칩

Claims (8)

  1. 압전기판;
    상기 압전기판의 상면에 부착되고, 교류신호를 인가받아 표면탄성파를 발생시키는 빗살무늬전극(Interdigital Transducer);
    상기 빗살무늬전극의 상부에 위치되고, 분산상 액체를 포함하는 2종 이상의 액체가 주입 및 배출되도록 제1주입구와 제1배출구가 형성되며, 상기 2종 이상의 주입된 액체가 혼합가능하도록 형성되는 제1미세유로; 및
    상기 제1배출구가 위치되지 않은 상기 제1미세유로의 말단과 접합되고, 일단에는 제2주입구와 타단에는 제2배출구가 형성되며, 연속상 액체가 흐르는 제2미세유로;를 포함하며,
    상기 빗살무늬전극에서 발생한 표면탄성파는 상기 제1미세유로의 액체흐름 방향과 평행하게 전달되어 상기 2종 이상의 액체를 혼합시키되, 상기 빗살무늬전극에 인가되는 교류신호의 주파수에 따라 상기 표면탄성파의 세기가 조절되어 상기 제1미세유로에서 혼합되는 액체의 화학적 농도가 조절되고,
    상기 빗살무늬전극은 교차배열되는 빗살모양의 전극들이 일측에서 타측으로 연장되며 점진적으로 넓어지거나 또는 좁아지며 지간거리의 변화를 가지고 경사진 형태로 이루어진 SFIT이고,
    상기 제1미세유로와 제2미세유로의 접합은 T형 접합(T-junction)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세액적 농도제어장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 빗살무늬전극과 상기 제1미세유로의 사이에 위치하고, 상기 빗살무늬전극에서 발생된 표면탄성파를 상기 제1미세유로에 전달하는 박막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세액적 농도제어장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 빗살무늬전극은,
    특정 주파수의 표면탄성파를 형성하는 동일 지점에서의 금속 전극의 두께 및 지간거리가 동일한 것을 특징으로 하는 미세액적 농도제어장치.
  6. 삭제
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 압전기판과 가역적으로 접하고, 상기 제1미세유로, 제2미세유로 및 박막을 포함하여 밀폐된 공간을 형성하는 미세유체칩을 이루는 것을 특징으로 하는 미세액적 농도제어장치.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 박막은,
    Polydimethylsiloxane(PDMS)을 포함한 실리콘 기반 폴리머, Polyethylene terephthalate(PET), Polycarbonate(PC) 및 Polyvinyl Chloride(PVC)를 포함한 고분자 화합물 중에 선택된 어느 하나 이상의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세액적 농도제어장치.
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