KR102633840B1 - 감지영역 가변 전극을 가지는 액적 생성칩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 감지영역 가변 전극을 가지는 액적 생성칩에 관한 것으로서, 미세유체 채널이 형성되는 일회용 패널과, 상기 일회용 패널과 별도로 분리되어 재사용이 가능한 기판과, 상기 일회용 패널과 기판을 분리하는 박막과, 상기 일회용 패널과 기판이 탈부착이 가능하도록 상기 일회용 패널과 기판 사이에 음압을 인가하기 위한 음압형성수단과, 상기 기판 또는 박막에 패터닝되어 상기 미세유체 채널을 통과하는 시료의 액적의 길이를 측정하는 센싱 전극부를 포함하며, 상기 센싱 전극부는 상기 미세유체 채널을 통과하는 시료의 흐름 방향으로 형성되는 제1 인가전극과, 상기 제1 인가전극과 나란하게 대칭 설치되는 제2 인가전극과, 상기 제1 인가전극과 제2 인가전극의 인가 신호를 개별로 ON/OFF 제어하기 위한 제어수단과, 상기 미세유체 채널에 유입된 액적의 위치에 따른 신호를 감지하기 위한 감지전극으로 구성되어, 인가전극의 인가 신호를 개별로 ON/OFF 제어함으로써 전극의 액적 크기 감지영역의 길이를 바꿀 수 있게 되어 다양한 액적 크기를 측정할 수 있는 효과가 있다.

Description

감지영역 가변 전극을 가지는 액적 생성칩{Droplet generating chip with variable sensing area electrode}
본 발명은 감지영역 가변 전극을 가지는 액적 생성칩에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인가전극의 인가 신호를 개별로 ON/OFF 제어함으로써 전극의 액적 크기 감지영역의 길이를 바꿀 수 있게 되어 다양한 액적 크기를 측정할 수 있는 감지영역 가변 전극을 가지는 액적 생성칩에 관한 것이다.
최근 액적의 길이, 속도 등 액적의 형태학적 특성을 실시간으로 측정하여 약물 전달, 세포 연구, 물질 합성 및 화학 반응 등의 연구에 응용되고 있다.
그러나, 종래의 경우, 액적(Droplet) 물질이 바뀜에 따라 액적의 컨덕티비티(conductivity)도 바뀌게 되고, 컨덕티비티에 따라 감지되는 전압(sensing voltage) 값이 달라지기 때문에, 컨덕티비티가 다른 물질의 경우 측정되는 전압 값 만으로는 액적의 길이 측정이 어려운 단점이 있었던 바, 본 출원인은 액적의 유전율만 같으면, 컨덕티비티가 다른 물질도 액적의 길이 측정이 가능할 수 있는 정전용량형 전극을 이용한 액적 길이 측정장치를 제안한 바 있다.
그러나, 미세유체 채널 구조상의 한계로 어떤 특정한 크기의 액적을 만들 때(ex. 250um) 액적과 액적 사이의 갭이 전극 길이보다 작게 형성되는 경우가 있다. 이 경우, 액적이 전극 위에서 overlap이 되고, 갭을 키우기 위해서는 오일의 유속을 빠르게 해주면 되지만, 그렇게 되면 액적의 크기가 줄어들게 되어 원하는 사이즈를 못 만드는 문제가 있다.
반대로 시료의 유속을 느리게 하면 액적과 액적 사이의 갭이 넓어질 순 있지만, 액적 생성 처리량이 줄어드는 문제가 생긴다.
한편, 액적의 크기를 작게 하면 액적과 액적 사이에 들어가는 오일의 양이 많아져야 하는 문제점도 있었다. 예컨대, 액적의 크기를 작게 조절할 수는 있지만 액적의 크기를 작게 할 수록 오일의 양이 많이 들게 되고, 정해진 양의 시료를 소진해야 할 때 액적의 길이가 작아질수록 센싱을 하기 위해서는 갭이 유지되어야 하므로, 고가의 오일이 많이 들게 되는 문제점이 있었던 바, 본 출원인은 이에 대한 연구를 거듭하여 이에 대한 해결책을 마련하여 본 발명을 제안하고자 한다.
한국등록특허 제10-0814083호
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 정전용량형 전극으로 액적의 크기를 측정하는 경우, 인가전극의 인가 신호를 개별로 ON/OFF 제어함으로써 전극의 액적 크기 감지영역 길이를 바꿀 수 있는 전감지영역 가변 전극을 가지는 액적 생성칩을 제공하고자 한다.
또한, 액적과 액적 사이의 갭이 전극 길이보다 작게 형성되어 액적이 전극 위에서 overlap 되는 것을 방지할 수 있도록 감지영역 가변 전극을 가지는 액적 생성칩을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 액적의 크기와 액적 생성 처리량을 조절하기 위하여, 시료와 오일의 유속을 바꾸는 것이 아닌 전극 길이를 조절하여 액적길이보다 크고 갭보다는 작은 전극 길이로 가변할 수 있는 액적 생성칩을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 전극의 감지영역 길이를 액적의 크기에 다라 가변적으로 조절할 수 있고, 액적이 작은 경우에는 액적과 액적 사이의 간격을 줄임으로써, 사용되는 오일의 양을 줄일 수 있게 되어 경제적으로 액적 생성이 가능한 감지영역 가변 전극을 가지는 액적 생성칩을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위하여 본 발명에서는 미세유체 채널이 형성되는 일회용 패널과, 상기 일회용 패널과 별도로 분리되어 재사용이 가능한 기판과, 상기 일회용 패널과 기판을 분리하는 박막과, 상기 일회용 패널과 기판이 탈부착이 가능하도록 상기 일회용 패널과 기판 사이에 음압을 인가하기 위한 음압형성수단과, 상기 기판 또는 박막에 패터닝되어 상기 미세유체 채널을 통과하는 시료의 액적의 길이를 측정하는 센싱 전극부를 포함하며, 상기 센싱 전극부는 상기 미세유체 채널을 통과하는 시료의 흐름 방향으로 형성되는 제1 인가전극과, 상기 제1 인가전극과 나란하게 대칭 설치되는 제2 인가전극과, 상기 제1 인가전극과 제2 인가전극의 인가 신호를 개별로 ON/OFF 제어하기 위한 제어수단과, 상기 미세유체 채널에 유입된 액적의 위치에 따른 신호를 감지하기 위한 감지전극으로 구성되는 감지영역 가변 전극을 가지는 액적 생성칩이 제공된다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 인가전극과 제2 인가전극은 각각 복수개로 분리 설치되며, 대칭되는 제1 인가전극과 제2 인가전극이 한 쌍을 이루어 ON/OFF 인가신호를 받는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어수단은 상기 제1 인가전극과 제2 인가전극 각각에 연결된 전압인가선과, 상기 전압인가선에 각각에 구비되는 스위치와, 상기 스위치에 제어신호를 주어 각각의 스위치를 ON/OFF 제어할 수 있도록 연결되는 제어선과, 상기 스위치를 ON/OFF 제어하여 상기 제1 인가전극과 제2 인가전극의 감지영역 길이를 바꾸도록 하는 제어부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제어부는 액적이 작은 경우 전극의 감지영역 길이를 줄이고, 액적이 큰 경우 전극의 감지영역 길이를 늘려 액적이 감지전극의 감지영역에서 서로 중첩(overlap)되는 것을 방지하도록 제어신호를 선택적으로 줄 수 있다.
이 경우, 상기 제어부는 대칭되는 한 쌍의 제1 인가전극과 제2 인가전극의 스위치에 제어신호를 주되, 중심부에 형성된 제1 인가전극과 제2 인가전극부터 제어신호를 주어 감지영역의 길이를 선택적으로 가변하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 센싱 전극부의 감지전극에는 감지 신호선이 연결되고, 상기 감지 신호선에는 감지된 신호를 증폭하는 증폭기가 연결되고, 상기 증폭기를 통해 증폭된 감지신호가 출력될 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 의하면, 인가전극의 인가 신호를 개별로 ON/OFF 제어함으로써 전극의 액적 크기 감지영역 길이를 바꿀 수 있는 효과가 있다. 이를 통해 액적이 작은 경우 전극의 감지영역 길이를 줄이고, 액적이 큰 경우 전극의 감지영역 길이를 늘려 액적이 감지전극의 감지영역에서 서로 overlap 되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 전극의 감지영역 길이를 액적의 크기에 다라 가변적으로 조절할 수 있고, 액적이 작은 경우에는 액적과 액적 사이의 간격을 줄임으로써, 사용되는 오일의 양을 줄일 수 있게 되어 오일이 낭비되는 것을 방지하고 경제적으로 액적 생성이 가능한 효과가 있다.
이와 같이, 경제적인 비용으로 액적 생성이 가능하므로 다양한 어플리케이션으로 여러 분야에 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 감지영역 가변 전극을 가지는 액적 생성칩의 전체 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 결합 사시도이다.
도 3은 본 발명의 센싱 전극부의 구성을 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 센싱 전극부에서 감지영역 길이의 일실시예를 나타내는 평면도이다.
도 5는 본 발명의 액적 생성칩에서, 액적의 크기에 따른 액적 간격의 실시예들을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에서, 액적 크기/간격과 감지영역길이에 따른 감지전압 변화를 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에서, 액적 크기/간격 별 가장 감도가 좋은 감지영역 길이를 나타내는 표이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 감지영역 가변 전극을 가지는 액적 생성칩의 전체 구성을 도시한 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 결합 사시도이고, 도 3은 본 발명의 센싱 전극부의 구성을 도시한 구성도이다.
본 발명의 감지영역 가변 전극을 가지는 액적 생성칩은 크게, 미세유체 채널(220)이 형성되는 일회용 패널(200)과, 상기 일회용 패널(200)과 별도로 분리되어 재사용이 가능한 기판(100)과, 상기 일회용 패널(200)과 기판(100)을 분리하는 박막(300)과, 상기 일회용 패널(200)과 기판(100)을 탈부착이 가능하도록 하는 음압형성수단(240)(242)과, 상기 기판(100) 또는 박막(300)에 패터닝되어 상기 미세유체 채널(220)을 통과하는 시료의 액적의 길이를 측정하는 센싱 전극부(110)를 포함한다.
상기 일회용 패널(200)은 PDMS 재질로 이루어질 수 있으며, 유전율이 서로 다른 유체를 각각 유입시킬 수 있도록 복수의 주입구(210)와, 상기 주입구를 통해 주입된 유체가 통과하는 미세유체 채널(220)과, 상기 미세유체 채널을 통과한 유체가 배출되는 배출구(230)가 형성된다.
본 발명에 있어서, 상기 주입구(210)는 유전율이 서로 다른 유체를 각각 주입할 수 있도록 복수로 이루어지며, 본 발명의 실시예에서는 유전율이 낮는 오일이 주입되는 오일주입구(212)와, 상기 오일보다 유전율이 높은 시료가 주입되는 시료주입구(214)로 이루어진다.
시료(PBS)는 시료주입구(214)에서 배출구(230)까지 직선적으로 흐를 수 있도록 채널이 형성되며, 오일은 오일주입구(212)에서 시료가 흐르는 채널에 수직으로 합류되도록 채널이 형성된다.
상기 미세유체 채널(220)은 일회용 패널(200)의 하면에 형성되며, 상기 미세유체 채널(220)을 통해 흐르는 시료가 상기 기판(100)의 전극에 직접 닿지 않으면서도 전극에서 전압 값을 측정할 수 있도록 상기 일회용 패널(200)의 하면에는 상기 박막(300)이 부착된다.
여기서, 상기 박막(300)은 상기 미세유체 채널(220)을 모두 포함하는 크기로 이루어져야 하며, 미세유체 채널(220)에 흐르는 시료에 전기장, 자기력 등이 잘 전달될 수 있도록 예컨대, 4㎛ 정도로 얇게 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명은 미세유체 채널(220)이 형성된 일회용 패널(200)과 전극이 형성된 기판(100)을 분리하여 구성함으로써, 유체와 전극이 바로 접촉하는 것을 방지하여 측정용 전극을 재사용 가능하다.
한편, 상기 센싱 전극부(110)는 상기 기판(100) 또는 박막(300)에 패터닝되어 상기 미세유체 채널을 통과하는 유체의 캐패시턴스 값에 의해 측정된 전압 값으로 액적의 길이를 측정한다.
본 발명의 실시예에서는 상기 센싱 전극부(110)가 상기 기판(100)의 상면에 형성되는 것을 도시하였으나, 상기 센싱 전극부(110)는 상기 박막(300)의 하면에도 형성가능하다.
본 발명에서는 상기 센싱 전극부(110)를 액적이 지나갈 때 액적의 길이가 길수록 전극에서 측정되는 전압 값이 높아지므로, 상기 센싱 전극부(110)에서 측정되는 전압 값을 통해 액적의 길이를 측정하는 원리로 액적의 길이를 측정하는 것을 특징으로 한다.
즉, 채널에 평소에는 전기장이 형성되고 있는데, 오일이 지나가면 유전율이 낮아서 전류 측정이 안되다가 시료가 흐르면 전류가 흐르게 되고 이를 센싱 전극부에서 감지하여 액적의 길이를 측정할 수 있는 것이다.
한편, 상기 센싱 전극부(110)는 상기 미세유체 채널을 통과하는 시료의 흐름 방향으로 형성되는 제1 인가전극(112)과, 상기 제1 인가전극(112)과 나란하게 대칭 설치되는 제2 인가전극(114)과, 상기 제1 인가전극(112)과 제2 인가전극(114)의 인가 신호를 개별로 ON/OFF 제어하기 위한 제어수단과, 상기 미세유체 채널에 유입된 액적의 위치에 따른 신호를 감지하기 위한 감지전극(116)으로 구성된다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 인가전극(112)과 제2 인가전극(114)은 도 3에서 보는 바와 같이, 각각 복수개로 분리 설치되며, 대칭되는 제1 인가전극(112)과 제2 인가전극(114)이 한 쌍을 이루어 ON/OFF 인가신호를 받는 것을 특징으로 한다.
즉, 상기 제1 인가전극(112)과 제2 인가전극(114)은 개별로 제어신호를 주어 감지영역의 길이를 선택적으로 가변할 수 있는 것이다.
여기서, 상기 제어수단은 상기 제1 인가전극(112)과 제2 인가전극(114) 각각에 연결된 전압인가선(112a)(114a)과, 상기 전압인가선에 각각에 구비되는 스위치(112b)(114b)와, 상기 스위치에 제어신호를 주어 각각의 스위치를 ON/OFF 제어할 수 있도록 연결되는 제어선(112c)(114c)과, 상기 스위치를 ON/OFF 제어하여 상기 제1 인가전극과 제2 인가전극의 감지영역 길이를 바꾸도록 하는 제어부(도시안함)를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 액적이 작은 경우 전극의 감지영역 길이를 줄이고, 액적이 큰 경우 전극의 감지영역 길이를 늘려 액적이 감지전극의 감지영역에서 서로 중첩(overlap)되는 것을 방지하도록 제어신호를 선택적으로 줄 수 있다.
이 경우, 상기 제어부는 대칭되는 한 쌍의 제1 인가전극(112)과 제2 인가전극(114)의 스위치에 제어신호를 주되, 도 3에서 보는 바와 같이, 중심부에 형성된 제1 인가전극과 제2 인가전극부터 제어신호를 주어(제어신호 A, B, C, D) 순차적으로 스위치를 ON/OFF 제어하여 감지영역의 길이를 선택적으로 가변하는 것을 특징으로 한다.
즉, 상기 감지전극(116)의 길이방향으로 중심부에 구비된 제1 인가전극과 제2 인가전극은 ON 상태를 유지하고, 상기 중심부에 구비된 제1 인가전극과 제2 인가전극의 옆에 위치한 제1 인가전극과 제2 인가전극부터 제어신호를 주면 순차적으로 제어신호 A, B, C, D가 인가되어, 제어선(112c)(114c)에 연결된 스위치를 ON 시킬 수 있게 된다.
이와 같이 상기 제어선을 통한 제어신호를 순차적으로 줌으로써, 전압인가선에 각각에 구비되는 스위치(112b)(114b)를 ON/OFF 제어할 수 있게 되며, 상기 스위치(112b)(114b)를 ON/OFF 제어하여 감지영역의 길이를 선택적으로 가변할 수 있는 것이다.
상기 센싱 전극부(110)의 감지전극(116)에는 감지 신호선이 연결되고, 상기 감지 신호선에는 감지된 신호를 증폭하는 증폭기가 연결되고, 상기 증폭기를 통해 증폭된 감지신호가 출력될 수 있다.
도 4에서 보는 바와 같이, 상기 제1 인가전극(112)과 제2 인가전극(114)이 나란하게 대칭 설치되며, 그 반대편에는 신호를 감지하기 위한 감지전극(116)이 설치된다.
상기 센싱 전극부(110)가 측정가능한 액적의 길이는 상기 채널의 폭 길이에서 제1 인가전극(112)의 길이까지이며, 측정할 수 있는 가장 작은 액적의 길이는 채널 폭과 동일하고, 가장 큰 액적의 길이는 상기 제1 인가전극의 길이까지가 된다.
본 발명의 실시예에서는 제1 인가전극(112)이 512.5㎛ 길이로 이루어지며, 전체 감지영역의 길이는 1025㎛ 으로서, 512.5㎛ 길이의 액적 까지 측정할 수 있다.
그러나, 상기 채널의 폭 길이와 제1 인가전극(112)의 길이는 실시예에 따라 다양하게 적용할 수 있으므로, 본 발명에서는 이를 한정하지 않는다.
이와 같은 본 발명은 전극의 감지영역 길이를 액적의 크기에 다라 가변적으로 조절할 수 있고, 액적이 작은 경우에는 액적과 액적 사이의 간격을 줄임으로써, 사용되는 오일의 양을 줄일 수 있게 되어 경제적으로 액적 생성이 가능한 효과가 있다.
도 5는 본 발명의 액적 생성칩에서, 액적의 크기에 따른 액적 간격의 실시예들을 나타내는 도면으로, (a)는 액적 크기가 145㎛, 액적 간격이 420㎛ 이며, (b)는 액적 크기가 200㎛, 액적 간격이 560㎛이고, (c)는 액적 크기가 335㎛, 액적 간격이 890㎛ 이다.
이처럼, 액적의 크기가 작으면 액적 간격을 줄일 수 있으므로 액적과 액적 사이에 들어가는 오일의 양을 줄일 수 있게 된다.
도 6은 본 발명의 실시예에서, 액적 크기/간격과 감지영역길이에 따른 감지전압 변화를 보여주는 그래프이고, 도 7은 본 발명의 실시예에서, 액적 크기/간격 별 가장 감도가 좋은 감지영역 길이를 나타내는 표이다.
감지영역 가변 전극의 필요성을 보여주기 위해 다양한 액적 크기를 측정가능한 감지영역 길이에 따른 감지신호를 측정하였는데, 액적 크기와 액적 간격에 따라 감지영역 길이 별로 측정되는 감지신호가 달라지는 것을 알 수 있다.
감지영역 길이의 반은 측정 가능한 최대 액적 크기이기 때문에 액적의 크기가 감지영역 길이의 반보다 길면 정확한 측정이 불가능하다. 이 때는 전극의 감지영역을 늘려준다.
또한, 액적 간격이 감지영역 길이의 보다 짧으면 액적이 감지영역에서 overlap 되기 때문에 정확한 액적 크기의 측정이 불가능하지만, 이 때는 감지영역 길이를 줄여주면 된다.
각각 140, 200, 365㎛의 크기의 액적을 측정했을 때 가장 감도가 좋은 감지영역 길이는 도 7에 나타낸 표와 같다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
100: 기판 110: 센싱 전극부
112: 제1 인가전극 114: 제2 인가전극
116: 감지전극 200: 일회용 패널
210: 주입구 220: 미세유체 채널
230: 배출구 300: 박막

Claims (6)

  1. 미세유체 채널이 형성되는 일회용 패널;
    상기 일회용 패널과 별도로 분리되어 재사용이 가능한 기판;
    상기 일회용 패널과 기판을 분리하는 박막;
    상기 일회용 패널과 기판이 탈부착이 가능하도록 상기 일회용 패널과 기판 사이에 음압을 인가하기 위한 음압형성수단; 및
    상기 기판 또는 박막에 패터닝되어 상기 미세유체 채널을 통과하는 시료의 액적의 길이를 측정하는 센싱 전극부;
    를 포함하며,
    상기 센싱 전극부는 상기 미세유체 채널을 통과하는 시료의 흐름 방향으로 형성되는 제1 인가전극과, 상기 제1 인가전극과 나란하게 대칭 설치되는 제2 인가전극과, 상기 제1 인가전극과 제2 인가전극의 인가 신호를 개별로 ON/OFF 제어하기 위한 제어수단과, 상기 미세유체 채널에 유입된 액적의 위치에 따른 신호를 감지하기 위한 감지전극으로 구성되는 것을 특징으로 하고,
    상기 제1 인가전극과 제2 인가전극은 각각 복수개로 분리 설치되며,
    대칭되는 제1 인가전극과 제2 인가전극이 한 쌍을 이루어 ON/OFF 인가신호를 받는 것을 특징으로 하는 감지영역 가변 전극을 가지는 액적 생성칩.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어수단은 상기 제1 인가전극과 제2 인가전극 각각에 연결된 전압인가선;
    상기 전압인가선에 각각에 구비되는 스위치;
    상기 스위치에 제어신호를 주어 각각의 스위치를 ON/OFF 제어할 수 있도록 연결되는 제어선; 및
    상기 스위치를 ON/OFF 제어하여 상기 제1 인가전극과 제2 인가전극의 감지영역 길이를 바꾸도록 하는 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 감지영역 가변 전극을 가지는 액적 생성칩.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어부는 액적이 작은 경우 전극의 감지영역 길이를 줄이고, 액적이 큰 경우 전극의 감지영역 길이를 늘려 액적이 감지전극의 감지영역에서 서로 중첩(overlap)되는 것을 방지하도록 제어신호를 선택적으로 주는 것을 특징으로 하는 감지영역 가변 전극을 가지는 액적 생성칩.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어부는 대칭되는 한 쌍의 제1 인가전극과 제2 인가전극의 스위치에 제어신호를 주되, 중심부에 형성된 제1 인가전극과 제2 인가전극부터 제어신호를 주어 감지영역의 길이를 선택적으로 가변하는 것을 특징으로 하는 감지영역 가변 전극을 가지는 액적 생성칩.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 센싱 전극부의 감지전극에는 감지 신호선이 연결되고,
    상기 감지 신호선에는 감지된 신호를 증폭하는 증폭기가 연결되고,
    상기 증폭기를 통해 증폭된 감지신호가 출력되는 것을 특징으로 하는 감지영역 가변 전극을 가지는 액적 생성칩.
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