KR20010089295A - 수동 유체 동역학에 의한 유체회로 및 유체회로내에서의방법 - Google Patents

수동 유체 동역학에 의한 유체회로 및 유체회로내에서의방법 Download PDF

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KR20010089295A
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microchannel
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well
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KR1020017004575A
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마이클 알. 맥닐리
마크 케이. 스푸트
아놀드 알. 올리판트
Original Assignee
마이클 알. 맥닐리
바이오마이크로 시스템즈, 인크.
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Abstract

본 발명은 마이크로채널에 있는 수동 밸브 또는 정지수단을 이용하여 마이크로채널을 통하여 유체흐름을 제어하는 방법에 관한 것이다. 이 수동 밸브는 충분한 힘이 압력장벽의 힘을 극복하기 위하여 확립될 때까지 정지수단을 고쳐 용액의 흐름을 방해하는 압력장벽으로 역할한다. 수동 밸브로서 역할하는 잘 설계된 정지수단의 이용은, 단일 채널을 거쳐 유입된 후에 유체가 혼합 또는 희석되도록 하기 위하여 유체의 흐름을 마이크로채널을 통하여 규제되도록 하거나 또는 독립적인 파이펫팅의 필요없이 복합 채널로 나누도록 한다. 복합채널을 통한 흐름은 규제되어 일련의 자매웰 또는 챔버가 어느 하나의 자매웰 또는 챔버를 넘어 유체 흐름 이전에 모두 채우도록 한다. 자매웰 또는 챔버를 이 방법으로 채우는 것은 모든 자매 웰 또는 챔버가 일제히 반응을 겪도록 한다. 마이크로채널에서 기포를 방지하기 위하여 공기도관이 또한 이용된다.

Description

수동 유체 동역학에 의한 유체회로 및 유체회로내에서의 방법{Fluid circuit components based upon passive fluid dynamics}
표면효과는 미소규모상의 표면 특성을 나타낸다. 재료는 자유로운 전자와, 노출된 극분자, 또는 표면전하 또는 반응특성을 발생시키는 기타 분자레벨특징을갖는다. 크기로 인한 이 표면효과 또는 표면력은 일반적인 크기보다 더 작은 구조로 사실상 규정된다. 이것은 특히, 유체이동의 역학이 외부압력에 의해 그리고, 액체와 그 사이를 통과하여 흐르는 재료 사이의 인력에 의하여 지배되는 미소규모 유체처리시스템에서 일정하다. 이 사실은 그러한 표면효과로 인하여 기능하는 독특한 구조를 제조하는데 이용되기도 한다.
본 발명은 마이크로유체 회로내에 있는 유체의 수동제어에 대한 것이다. 수동제어는 모세관현상같은 미소규모상에서 존재하는 자연력을 이용하여 발생되는데, 특정재료에 대한 유체의 인력 또는 척력에 기인한다. 충분한 압력이 발생되어 유체가 정지수단을 지나쳐 누를 때까지, 또는 정지수단 그 자체가 제거되거나 또는 중요하지 않게 될 때까지 회로에 있는 하나의 경로를 따른 유체흐름을 정지시키는 것이 목적이다. 정지수단으로 인하여 발생되는 압력은 몇몇 새로운 방법으로 회로를 통해서 유체를 이동시키거나 특정장소에서 유체를 보유하도록 활용된다.
모세관현상은 방정식 h=sσglcos(θc)/grρ로 표시된다. h는, 모세관 외부의 유체 레벨과 비교한 모세관 내부의 유체 높이(또는 깊이)이다. θc또는 모세관재료가 있는 유체의 접촉각도는, 모세관 안의 유체가 모세관외부의 유체 레벨보다 우위인지 하위인지를 좌우한다. 유체에 대한 모세관 재료의 접촉각도가 90°이하라면, 재료는 친수성(water liking)으로 간주된다. 유체에 대한 모세관 재료의 접촉각도가 90°이상이라면, 재료는 소수성(water fearing)으로 간주된다. σgl은 대기(공기)(밀리줄/m2)에 대한 유체의 표면장력, g는 중력상수(m/s2)를, r은 모세관(m)의반경을, ρ는 유체비중(kg/m3)를 각각 나타낸다.
미소규모에서 채널을 통한 유체의 이동은 과학 기술에서 중요한 의미를 갖는다. 예를 들어, 분자생물학분야에서는 폴리메라제 사슬반응(PCR)이 미소제조된 유동채널을 포함하는 칩으로 실행되어 왔다(미국특허 5,498,392; 5,587,128; 5,726,026 참조). 전자분야에서, 감열잉크젯프린터는 잘 제어된 방법으로 잉크가 흐르는 마이크로채널이 있는 프린터헤드를 사용한다(미국특허 5,119,116). 마이크로채널을 통한 유체의 적절한 제어는, 큰 규모에서는 파악되지 않는 곤란함이 있는 미소크기에서 해결되어야 하는 문제다.
본 발명의 배경을 설명하기 위해서 또는 실시예에 관한 부가적인 사항을 제공하며 인용된 문헌 또는 기타 자료는 본 명세서 뒷부분의 참고문헌리스트에 각각 기재되어 있다.
도 1(A)-1(D)는 친수성과 소수성의 개념을 설명한다. 도 1(A)는 σ(표면장력)과 θc(유체의 메니스커스와 채널측벽 사이의 접촉각)사이의 관계를 나타낸다. 도 1(B)는 친수성관이 물을 유도할 때 형성된 메니스커스를 나타낸다. 도 1(C)는 소수성관이 관으로부터 물을 밀어낼 때 형성된 메니스커스를 나타낸다. 도 1(D)는 소수재 또는 친수재에서 유체를 수동제어하기 위해 협소해지는 채널을 나타낸다.
도 2(A)-2(J)는 서로 연결하는 마이크로채널의 분기시스템을 이용하여 두개의 유체를 혼합하는 방법을 나타낸다. 채널들은 'a'점과 'b'점에서의 정지수단을 포함하여 유체의 흐름을 제어한다. 양 유체는 단일공통채널을 통하여 일련으로 유입하여, 'b'점에서 연속적으로 혼합한다. 도 2(E)-2(J)는 정지수단이 소수성제한인지, 친수성제한인지, 소수성패치 또는 염류패치인지에 대해서, 정지수단의 구조 및 정지수단에서 유체의 위치를 나타낸다.
도 3(A)-3(G)는 일면의 자(子)채널로 유체를 분리하는 방법을 나타낸다. 웰(웰) 또는 챔버 뒤에서 흐르는 유체전에 모든 동형의 웰 또는 챔버를 채우는 것이 각 웰 또는 챔버의 끝단부의 정지수단에 의해 제어된다. 도 3(E)-3(G)는 구비된 유형에 따른 정지수단의 다른 구성을 나타낸다.
도 4(A)-4(G)는 일련의 소수성 마이크로채널에서 막을 수 있는 공기 또는 기체의 유무와, 통풍공을 통하여 유체를 방지하는 동안 공기 또는 기체를 내보내게하는 통풍공의 사용을 나타낸다. 도 4(E)-4(G)는 유체채널이 소수성이 아닐 경우 공기를 내보내도록 하는 다른 정지수단을 나타낸다.
도 5(A)-5(D)는 복합챔버로부터 하나의 챔버로 유체를 통합하는, 두 유체의 협소 채널 방법을 나타낸다.
도 6은 복수의 협소한 연결 채널들이 각 복합챔버의 정지수단을 통합챔버로 연결할 때 복합챔버로부터 하나의 챔버로 유체를 통합하는, 두 유체의 협소 채널 방법을 나타낸다.
도 7(A)-7(D)는 각 채널들이 정지수단을 구성할 때 두개의 각 채널들에 대해서 공기방출통풍공을 이용하는 것을 나타낸다.
도 8(A)-8(C)는 공기, 다른 기체 또는 제 2의 유체가 유입되어 정지수단을 거쳐 유체가 강제유입되도록 하는 포트의 이용을 나타낸다.
도 9(A)-9(D)는 압력이 회로의 탄력적 영역에 적용되어 회로에서 유체가 이동되도록 하는 물리적변위 방법을 나타낸다.
도 10(A)-10(C)는 통합회로의 세가지 유형을 나타낸다.
도 11(A)-11(E)는 정지수단과 공기방출통풍공의 조합이 유체가 특정유체회로섹션을 바이패스하도록 하는 것을 나타낸다. 바이패스된 영역은 비살포영역으로 흐름을 방지했던 원래의 정지수단을 극복하기에 충분한 배압을 발생시키는 하부로의 정지수단에 의해서 나중에 살포가능하다.
도 1(A) 내지 도 1(C)는 친수성과 소수성의 개념을 설명한다. 도 1(A)는 θc에 대한 것으로, σgs는 기체와 고체 사이의 표면장력이고, σsl은 고체와 액체 사이의 표면장력이며, σgl은 기체와 액체 사이의 표면장력으로, σgs=σsl+σglcos(θc)이 된다. 약 20℃의 많은 재료에서 물에 대한 θc(각도)는 표 1에 있다. 도 1(B)는, 유리 등의 친수성관이 물을 튜브안으로 유도하는 것을 나타낸다. 도 1(C)는 도 1(B)와 유사하나, 도 1(C)는 튜브로부터 물을 밀어내는 소수성관(Teflon등)을 사용한다.
선택된 재료: θc
재료 θc
유리 0
아세탈 60
폴리스티렌 84
HDPE(고농도 폴리에틸렌) 87.1
PVDF(폴리비닐리덴 불소) 94.8
PTFE(폴리4풀루오로에틸렌) 104
FEP(풀루오르첨가된 에틸렌프로필렌) 111
모세관현상에 대한 방정식에 있는 ρgh는 유체(P,Pa)의 압력헤드가 된다. P에 대해서 모세관현상방정식을 다시 쓰자면 P=2σglcos(θc)/r 이 된다. 정지수단에도달하기 위하여, σgl, θc,r 또는 이 셋의 조합은 정지수단의 한면으로부터 다른 면으로 변경될 필요가 있다. 이것은 압력장벽을 발생시키는데, 압력장벽이 극복 또는 제거될 때까지 유체가 정지하도록 한다. 예를 들어, 정지수단에 도달하기 위하여 채널의 반경이 변경된다면, 정지수단을 지나쳐 누르는데 필요한 압력을 설명하는 방정식은 △P=2 σglcos(θc)(1/rl-1/r2)이 된다. 여기에서 rl은 정지수단 이전의 채널의 반경이고, r2는 정지수단 이후의 채널의 반경이다. 상기 식은 현존하는 물리적인 시스템을 단순화시킨 것이다. 진정한 모델은 사실상의 채널기하학과 기타 물리/화학적 특성을 고려한다.
도 1(D)는 채널반경의 변화를 나타내고 있다. 채널 반경(α)이 작은 반경(ｂ)으로 갑자기 변한다. 채널 반경(ｂ)은 다시 채널 반경(α)으로 갑자기 변한다. 재료가 친수성이라면, 정지수단은 채널반경이 크기면에서 증가하는 시점에 있을 것이다. 예를 들어, rl이 b로 주어지고, r2가 α로 주어진다. 이것은 0°와 90°사이의 각도의 코사인(재료의 접촉각도)이 플러스이기 때문에 △P에 대한 플러스값을 발생시킨다. 플러스의 △P는 압력장벽을 말한다. 재료가 소수성이라면, 정지수단은 채널이 크기면에서 감소하는 점에 있다. 이 경우, rl이 α로 주어지고, r2가 ｂ로 주어진다. 90°이상인 접촉각으로 인하여 마이너스 코사인값은 마이너스(1/r1-1/r2)로 곱해져 마이너스 △P 또는 압력장벽이 된다.
소수성 영역을 갖는 친수성채널처럼 재료의 접촉각도가 변한다면, 정지수단을 제공하는 것이 된다. 이것은 △P=2 σgl[cos(θc1)-cos(θc2)]/r이 된다. 여기에서 θc1은 정지수단(친수성) 이전의 재료의 접촉각이고, θc2은 정지수단(소수성) 이후의 재료의 접촉각이다. θc2의 마이너스 코사인은 압력장벽을 나타내는 플러스 △P가 된다.
흡수가능한 염 또는 계면활성제로 채널측벽을 라이닝(lining)함에 의한 마이크로유체회로를 통하여 흐르는 유체의 표면장벽의 변화도 정지수단을 발생시킨다. 그러한 압력장벽을 설명하는 식은 △P=2 cos(θc)(σg11-σg12)/r이다. σg11은 정지수단 이전의 유체의 표면장력이고, σg12은 정지수단 이후의 유체의 표면장력이다. 소수성재료에서 표면장력은 압력장벽을 만들어내기 위해서 정지수단에 걸쳐 증가할 필요가 있다.
본 발명은 상기에서 설명된 정지수단을 이용하여 마이크로유체공학채널을 통한 유체의 수동 제어에 대한 것으로 보다 상세하게는, 소수성막으로 덮여진 재료 또는 소수재에 있는 유체 또는 극, 수성근본(aqueous based)을 포함하는 흐름채널의 반경 또는 단면흐름영역을 감소시켜 얻어진 정지수단을 이용한다. 친수성막으로 덮여진 재료 또는 친수재에 있는 비극성유체가 제어된다. 이 특성을 좁힌다거나 제한하는 쇼트채널은 수동밸브로 작용할 수 있다.
밸브로서 작용하기 위하여 마이크로채널에서 제한되어 사용되는 것을 통해 다양한 채널재 및 유체결합들이 유체흐름을 제어하는 원하는 효과를 달성하는데사용된다. 다음은 유용한 결합의 몇몇 예이다.
(가) 당해분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 결정할 수 있는 분량만큼의 계면활성제가 약간 함유된 채널재 및 물, 염류 또는 완충액 등의 이온액으로서 PTFE(Teflon또는 폴리테트라플루오루에틸렌), FEP(불화 에틸렌프로필렌), PFA(4불화알콕시 알칸) 또는 PVDF(폴리비닐리덴 불화물)과,
(나) 헥산, 헵탄, 톨루엔 또는 벤젠 등의 비이온액과 채널재로서 금속, 유리, PMMA(폴리메틸메타크릴레이트), 폴리탄산에스테르, 나일론 6/12 또는 PVC(폴리비닐염화물)과,
(다) 엘라스토필릭(ElastophilicTM)등의 친수성코팅된 채널재 및 (나)에서 기재된 것과 같은 비이온액으로서 PTFE, FEP, PFA 또는 PVDF와,
(라) (가)에서 기재된 것과 같은 이온액과 TEFLON과 같은 소수성코팅의 채널재로서 금속, 유리, PMMA, 폴리탄산에스테르, 나일론 6/12 또는 PVC가 있다.
판으로 액체의 흐름을 조절하는 것은, 유체스트림의 전개흐름은 추가압력, 작업 또는 에너지가 정지수단을 통과하도록 하고, 충분한 압력이 정지수단을 통하여 유체를 압력하도록 할 때까지 다소의 저항경로를 취하거나 정지시킨다는 사실에 달려있다. 흐름을 전개시키는 것은 용액의 이동인터페이스 및 공기 또는 기타 기체를 소유하는 유체의 진전 흐름으로서 정의된다. 인터페이스점은 메니스커스(meniscus)로 정의된다. 전개흐름의 다른 특성은 진전메니스커스 앞 또는 하류에 있는 흐름챔버의 표면은 유동 중의 유체로 젖지 않는다는데 있다. 반면에, 설정된 흐름은 이동하는 메니스커스가 없고 유동채널의 모든 표면이 젖는다.
본 발명의 범위는 유체채널의 네트워크에서 유체의 흐름을 제어하는데 적합한 다양한 정지수단의 이용에 있다. 보다 상세하게는, 소수성유체채널의 네트워크에 있는 유체흐름을 제어하는데 적합한 단축제한의 이용 또는 유체채널협소를 다룬다. 제한의 협소 및 그 길이는 필요한 유체제어의 범위 및 유형에 달려 있다. 그러나, 일반적으로 한번 설정된 이후로는 제한 그 자체가 채널에서 설정된 흐름에 영향을 미치지 않기 위해서 단축제한만이 바람직하다.
본 발명은 다중 처리시키기 위해서 유체를 여러 개의 채널로 분리 및/또는 혼합 또는 희석하도록 하는 방식으로 마이크로채널을 통하여 유체의 흐름을 제어하는 수단을 개시하고 있다. 본 발명은 또한, 다수 개의 샘플 또는 채널을 몇몇개의 샘플 또는 채널로 통합 또는 결합시키는 다양한 수단과, 복잡한 유체처리를 용이하게 하기 위하여 기체방출채널 및 정지수단의 이용을 개시하고 있다. 예를 들어 마이크로기계가공에 의해서, 채널에 맞게 위치된 제한 또는 협소에 의해서 마이크로채널을 통한 유체의 흐름이 우선적으로 제어된다. 이러한 제한 또는 협소는 밸브로 역할한다. 이동부를 필요로 하는 밸브와는 달리, 이 제한 또는 협소는 정적이고 그 기능은 운동에 의존하지 않는다. 마이크로채널을 통한 유체의 흐름은, 계면활성제 또는 염으로 된 막을 포함시켜 또는 다른 친수성 채널에 있는 소수성패치에 의해서 접촉각 또는 표면장력을 변경하여 제어된다.
본 발명은 마이크로채널에 있는 수동 정지수단을 이용하는 방법에 관한 것이다. 여기에서 마이크로채널은 0.1 내지 1000 미크론의 직경을 갖는 채널로 정의된다. 유체 및 유체를 보유하는 컨테이너의 측벽 사이의 표면효과가 장점이 된다. 이러한 표면효과는 미소한 크기에서 작용한다. 정지수단은 특정 조건에서 유체의 흐름을 저해하도록 유체를 제어한다. 이 정지수단은 유체흐름을 규제하나 이동하지는 않기 때문에 수동 밸브로서 역할한다.
표면력 효과의 일례는 모세관현상이다. 적용되는 아무런 외부압력없이 물이 개방된 유리모세관으로 끌려올려질 때 모세관현상 또는 모세관작용이 나타난다. 이것은 물과 유리표면 사이의 표면장력힘에 의한 것인데, 모세관으로 물을 끌어온다. 모세관이 협소할수록 물을 모세관으로 끌어당기는 힘의 효과가 크다. 모세관현상력의 크기를 특징짓는 한 패러미터는 물과 유리 사이의 접촉각이다. 90°이하의 접촉각에 대해서는 유리 등의 재료가 친수성으로 간주되고 물이 모세관으로 유도된다. 재료가 90°이상의 접촉각을 가질 때에는 소수성으로 간주된다. 소수성의 경우에는 여분의 압력이 개방관으로 물을 밀어내는데 필요하다. 개방관이 협소할 수록 필요한 힘은 커진다. 그러나, 이 두가지 경우에서 물이 개방관으로 한번 유입되면 물의 흐름속도는 압력증감에 더 많이 의존하고 재료가 친수성딘지 소수성인지에 대해서는 덜 의존한다.
정지수단은 압력장벽을 발생시키는 방법으로 마이크로채널의 특성을 변경함에 의해서 발생된다. 압력장벽은, 유체가 마이크로채널을 통과하여 흐르는 동안 경험하는 모세관힘에서 돌연 변화를 발생시키는 것에 의해서 만들어진다. 모세관힘의 돌연 변화는, 유체가 마이크로채널재의 접촉각을 변화시킴에 의해서, 흐름유체의 표면장력을 변화시킴에 의해서 또는 이러한 방법들을 결합함에 의해서 통과하여 흐르는 마이크로채널의 직경을 변화시켜 만들어진다.
소수재에서는 압력장벽이 흐름채널의 직경을 감소시킴에 의해 발생된다. 이 제한(협소)은 유체가 제한수단보다 큰 직경을 갖는 변형 채널에서 흐르도록 하는데 충분하다. 채널의 협소는 다른 수단에 의해 영향받는다. 예를 들어, 다른 일정한 직경의 채널은 바로 그 점에서 협소해지는 하나 이상의 점에서 범프 또는 리지(ridge)를 갖는다. 다른 변형은 작은 직경의 채널에 급격하게 협소해지는 하나의 직경채널이다. 즉, 넓은 채널이 덜 넓은 채널로 협소해진다. 발생되는 압력장벽의 크기는 제한 이전에 채널의 협소에 비추어 제한의 협소에 비례한다. 흐름이 제한을 통하여 설정되면 짧은 제한은 유체흐름에 대해서 최소효과를 갖는다. 제한은 1-1000㎛이고, 보다 바람직하게는 5-500㎛, 가장 바람직하게는 10-300㎛이다.
소수재에서 압력장벽은 소수재에 대하여 설명된 방법과 유사하게 채널제한에 의해 발생된다. 그러나 이 경우, 유체는 거기에서 유지하고 있는 모세관힘으로 인하여 유체는 제한을 빠져나가려 하지 않는다. 발생된 압력장벽의 크기는 제한 후 채널의 협소와 비교된 제한의 협소에 비례한다. 짧은 제한은 흐름이 제한을 통하여 설정되면 유체흐름에 대하여 최소효과를 갖는다.
또한, 소수재에서는 흐름채널의 접촉각을 변화시킴에 의하여 압력장벽이 발생된다. 예를 들어, 미소제조기술은 접촉각의 넓은 범위를 갖는 다양한 재료의 박판을 정확하게 적용시킨다. 발생되는 압력장벽의 크기는 정지수단을 구성하는 재료의 접촉각의 코사인에서의 차이에 비례한다.
정지수단은 마이크로채널내에서의 유체의 표면장력을 변화시킴에 의해서 발생한다. 또한 이것은 유체로 흡수되는 다양한 염류 또는 계면활성제의 박판을 석출하는 마이크로제조기술을 이용하여 실현된다. 발생되는 압력장벽의 크기는 정지수단의 각 면에 있는 유체의 표면장력의 차이에 비례한다.
수동유체동역학을 이용하여 마이크로채널에 있는 유체의 흐름 또는 마이크로채널세트를 제어하는 것이 장점이다. 예를 들어, 두개의 자채널이 메인채널에서 분기한다면, 두 채널중 어느 하나에 있는 정지수단은 정지수단이 없는 채널에서 유체가 흐르도록 한다. 그러나, 유체가 정지수단을 거쳐 누른다면, 정지수단은 채널내에서 설정된 흐름에 대하여 무시해도 좋은 정도로 미미한 효과를 갖는다. 이 경우 정지수단은 수동밸브로 역할한다.
마이크로채널의 사용은, 예를 들어 복합챔버들 또는 샘플들로 샘플을 분리시킨다거나 복합샘플들을 서로 결합 또는 혼합하는 등의 다양한 기술로 구체화된다. 마이크로채널의 많은 다양한 구성들은 특정 필요에 대해서 가능하다. 하기의 예들은 매우 유용한 몇몇 예를 설명한다.
예 1
샘플혼합을 위하여 마이크로채널에 있는 수동밸브의 사용
도 2(A)-2(J)는 채널을 통하여 유체의 흐름을 조절하기 위하여 마이크로채널에 있는 정지수단을 사용하는 것을 나타낸다. 도 2(A)를 보면, 메인채널에 있는 유체는 흐름을 채널(2)로 전환시키면서 정지수단'a'을 만난다. 도 2(B)를 보면, 채널(2)에 있는 유체는 정지수단'a'보다 더 큰 압력장벽을 갖는 정지수단 'b'을 만난다. 그 결과, 유체흐름은 정지수단 'b'에 의해 정지되고, 유체는 채널(1)로 정지수단 'a'를 거쳐가도록 한다. 도 2(C)는 정지수단 'b'에 도달하는 시간점에서 채널(1)에 있는 유체를 나타낸다. 이것은 정지수단 'b'의 모든 면에서 표면이 다 젖도록 한다. 정지수단 'b'에 있었던 메니스커스는 사라지고 유체가 정지수단 'b'를 자유롭게 통과하도록 한다. 도 2(D)를 보면, 흐름은 양 채널(1, 2)에서 장애물없이 진행한다. 도 2(A)-2(J)의 예는 단일 마이크로채널을 통해서 마이크로채널 세트로 삽입된 후에 두 개의 유체가 혼합되는 방법을 나타낸다. 이 예는 메인 채널로 먼저 삽입되는 제 1 유체를 나타낸다. 이 제 1 유체의 정확하게 측정된 양이 메인채널로 삽입된다. 제 1 유체의 삽입에 이어서, 제 2 유체가 제 1 유체 뒤로 메인채널로 삽입된다. 정지수단 'a'가 도달할 때까지 이 제 2 유체는 메인채널을 따라 제 1 유체가 강제유입되도록 한다. 제 1 유체는 이 정지수단에 의해서 채널(2)로 간다. 채널(2)이 채워지고 제 1 유체가 정지수단 'b'에 도달하면, 정지수단 'b'가 정지수단 'a'보다 더 큰 압력장벽을 가지기 때문에 채널(2)를 통한 흐름이 정지된다. 메인채널에 있는 유체의 힘은 제 2 유체가 정지수단 'a'를 거쳐가도록 한다(이 예에 있는 모든 제 1 유체는 채널(2)로 들어간다). 제 2 유체가 정지수단 'b'점에 도달하면 정지수단 'b'의 양 면에서 젖는 것과 이 점에서 원래 형성하였던 메니스커스의 제거로 인하여 정지수단 'b'의 압력장벽은 극복된다. 이 점에서 유체는 각각의 임피던스에 따라서 채널(1, 2)를 통하여 흐르고, 채널(2)에 있었던 제 1 유체는 채널(1)에 있었던 제 2 유체와 혼합하는데, 정지수단 'b'에 이어서 채널(1)에서 혼합이 발생한다.
도 2(E)는 정지수단 "a"이 소수성 제한일 때의 기하학과 정지된 유체의 위치를 나타낸다. 도 2(F)는 정지수단 "b"이 소수성 제한일 때의 기하학과 정지된 유체의 위치를 나타낸다. 도 2(G)는 정지수단 "a"이 친수성 제한일 때의 기하학과 정지된 유체의 위치를 나타낸다. 도 2(H)는 정지수단 "b"이 친수성 제한일 때의 기하학과 정지된 유체의 위치를 나타낸다. 도 2(I)는 정지수단 "a"이 소수성패치 또는 염류막일 때의 기하학과 정지된 유체의 위치를 나타낸다. 도 2(J)는 정지수단 "b"이 "a"보다 큰 접촉각의 소수성패치 또는 유체에서 "a"보다 큰 표면장력을 발생시키는 염류막일 때의 기하학과 정지된 유체의 위치를 나타낸다.
도 2(A)-2(J)에 의한 유체 혼합예는 매우 단순한 모델이다. 채널이 더 많이 포함된 더욱 복잡한 모델은 두 개 이상의 유체를 혼합하거나 하나의 시간점에서 두 개의 유체를 혼합하거나 예를 들어, 훨씬 더 아래에서 채널(2)에 유사한 분기를 갖는 것에 의해서 다른 시간점에서 다른 유체를 혼합하는데 활용가능하다. 메인채널로 삽입된 유체는 몇몇 수단에 의해서 삽입가능하다. 메인채널은 단일 포트를 포위하여 모든 유체가 삽입되게 하거나 복합포트를 에워싸서 유체가 삽입 통과하게 한다. 삽입되는 유체의 양은 채널의 양과 일치하여 채널을 정확하게 채우고 유체를 적절 혼합시킨다.
예 2
단일 유체로 복합 채널 또는 챔버를 채우는 것
수동 밸브를 활용하는 다른 예는 평행 웰 또는 챔버 세트를 통하여 흐르는평행(parallel)자채널의 네트워크에 있다. 이 경우 목표는, 유체 또는 샘플이 모든 채널에 걸쳐 고루 분포되게 하는 것이고, 모든 웰 또는 챔버에 대해서는 동시에 채워지게 하는 것이고, 웰 또는 챔버에 있는 유체에 대해서는 웰 또는 챔버에서 정지하게 하는 것으로 원할 때까지 웰 또는 챔버 출구채널로 연속하여 흐르지 않게 하는 것이다. 유체가 연속하여 흐르게 된다면, 유체흐름은 유체회로로 균등하게 흐르고 다른 챔버 또는 웰로 균등하게 흐르는 것이 바람직하다. 이것은 수동유체동역학으로 인하여 자동 실행하게 되는 것이다. 메인채널에 있는 유체가 평행 자 채널과 웰 또는 챔버를 향하여 흐르기 때문에, 채널측벽의 결함은 다른 채널에 걸쳐 하나의 채널에서 증가된 흐름을 촉진시킨다. 증가된 흐름의 채널은 웰 또는 챔버에 다다르고 그 자매웰 또는 챔버가 채워지기 전에 채워진다. 그러나, 분기하는 자채널에 있는 전략점에 위치한 정지수단은 유체가 분기채널을 채우도록 하고 따라가며 유체회로를 따라 진행하기 전에 정지수단의 각 발생에서 정지하도록 한다. 유체가 모든 분기에 있는 정지수단의 발생을 우선적으로 따라가지 않고 하나의 분기 내의 한 정지수단을 통과하지 않도록 하기 위해서, 정지수단의 각 발생은 이전의 발생보다 더 큰 압력장벽을 가질 필요가 있다. 각 웰 또는 챔버가 균등하게 채워지게 하기 위하여 웰 또는 챔버는 그 출구에서 정지수단과 같이 구비된다. 정지수단을 통과하는데 있어서 채워진 웰 또는 챔버에 있는 유체에 대하여 더 큰 압력이 필요하기 때문에 발생된 증가압력은 잔여채널에 있는 유체를 밀어 모든 작은 측벽결함을 극복하고 이미 웰 또는 챔버에 있는 유체를 따라가도록 한다. 그러므로, 정지수단은 수동밸브로 역할하고 몇몇 자채널로 단일 채널로부터 유체의 균등분할을 가능하게 한다. 메인채널에 있는 특정샘플은 채널 네트워크에 걸쳐 균등하게 분포되도록 한다. 정지수단의 관련구조는 재료, 유체 및 유체가 결함을 거쳐 채널, 웰 또는 챔버로 미는데 필요한 압력에 따른다.
도 3(A)-3(G)는 마이크로채널에서 불완전 효과 및 결함에 의한 문제를 극복하기 위하여 정지수단의 이용을 나타낸다. 메인채널에 있는 샘플이 어떻게 복합 자채널에 걸쳐 균등 분포되는지도 나타나 있다. 도 3(A)에서, 한 분기의 유체는 다른 분기의 유체보다 마찰이 적고 더 나아가나, 정지수단의 제 1 발생에서 정지한다. 도 3(B)은 한 분기 세트의 유체가 정지수단의 제 2 발생에 도달함에 따라 유체 및 샘플의 분포를 나타낸다. 도 3(C)는 이러한 정지수단에 의해 발생된 배압은 모든 분기에 있는 유체가 모든 선행정지수단을 거쳐 누르고 챔버에 균등하게 채워지도록 함에 따라, 웰 또는 챔버의 출구에서 정지수단이 모든 챔버가 채워지도록 하는 것을 나타낸다. 도 3(D)는 모든 웰 또는 챔버가 모두 채워지고 웰 또는 챔버에서 웰 또는 챔버에 있는 원하는 과정이 완료되면, 유체는 출구채널을 통하여 웰 또는 챔버 밖으로 밀려나고 정지수단의 다른 발생이 충돌될 때까지 유체회로를 따라 내려온다. 도 3(A)-3(D)에서, 검은 유체는 샘플이고 밝은 유체는 시스템유체이다. 각 도 하단의 점검 표시는 정지수단의 다양한 발생 위치를 나타낸다. 도 3(E)는 정지수단이 소수성제한일 때의 기하학과 정지유체의 위치를 나타낸다. 도 3(F)는 정지수단이 친수성제한일 때의 기하학과 정지유체의 위치를 나타낸다. 도 3(G)는 정지수단이 소수성패치 또는 염류패치일 때의 기가학 및 정지유체의 위치를 나타낸다.
당해분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 도 3(A)-3(G)에서 더 많은 수의 웰또는 챔버가 제시될 수 있으므로 8개의 웰 또는 챔버로 한정될 필요가 없음이 명백하다. 또한, 웰 또는 챔버가 동일한 크기일 필요는 없다. 이것은 'a'점에서 주입된 단일샘플을 많은 별도의 웰 또는 챔버로 나누는 것을 매우 단순한 문제로 만든다. 각각의 웰 또는 챔버로 개별적으로 피펫팅할 필요없이 많은 반응 웰 또는 챔버는 채워진다. 샘플은 'a'에 있는 장치에 간단하게 삽입되고, 연관된 마이크로채널과 물리적인 힘은 모든 웰 또는 챔버를 채우게 한다.
예 3
마이크로유체회로에서 공기도관의 사용
정지수단의 다른 적용은 공기방출도관이다. 정지수단으로서 협소채널을 이용하는 소수재에서는, 유체를 매우 작은 채널 또는 도관(직경으로 몇몇 미크론 순서대로)로 강제유입시키는 데에는 상당한 압력이 필요하다. 이로 인하여 물은 도관에 의해서 용이하게 흐르며 채널을 따라서 흐르고 도관으로 들어가지 않는다. 반면에, 공기는 유체에 있는 그 경로가 제한될 경우에 도관을 통과하여 이동하는데 어려움이 없다. 이 사실은 유체 채널내의 공기방울을 빼내는 방법이 가능하게 한다. 유사한 공기방출도관은 제한을 이용하고 그 다음 채널을 넓혀서 친수재에서 혹은 소수성 또는 염류패치를 이용하여 제조가능하다.
도 4(A)는 같이 결합하는 두 개의 채널을 따라 이동하는 유체를 나타낸다. 도 4(B)는 상부채널에 있는 유체 이전에 교점에 다다르는 하부채널에 있는 유체를 나타낸다. 그러한 경우, 공기방울은 상부채널에 있는 유체를 막아 그 채널에서 더진행되지 않도록 한다. 도 4(C)는 공기방출도관을 추가시켜 어떻게 극복가능한지를 보여준다. 이 경우, 공기방울이 채널밖으로 이동함에 따라서 상부채널에 있는 유체는 공기도관으로 연속하게 흐르게 된다. 여기에서 소수재에서 정지수단으로 표시된 것과 같이 공기도관은 좁은 긴 채널로 표시된다. 도 4(D)는 단일채널로 결합하여 유체회로를 따라 연속이동하는 양 채널에 있는 유체를 나타낸다. 도 4(E)는 긴 소수성 좁은 채널이라기 보다 정지수단이 소수성 제한일 때의 정지유체의 위치 및 기하학을 나타낸다. 도 4(F)는 정지수단이 소수성 제한일 때의 정지유체의 위치 및 기하학을 나타낸다. 도 4(G)는 정지수단이 소수성패치 또는 염류막일 때의 정지유체의 위치 및 기하학을 나타낸다.
공기방출도관의 다른 적용예는 유체가 회로를 채움에 따라 유체회로에서 공기를 방출시키도록 한다. 이것은 유체회로에 있는 종결점에 공기방출도관을 위치시킴에 의해서 이루어져 공기가 밀폐시스템을 피하도록 한다. 공기방출도관의 활용은 도 5(A)-5(D), 도 6, 도 8(A)-8(C), 도 10(A)-10(C)에 나타나 있는데 다음의 예에서 상세하게 설명된다.
예 4
유체의 통합
통합은 두개 이상의 채널 또는 웰의 내용물이 몇몇 개의 채널 또는 웰로 결합되는 경우에 발생한다. 그 예는 4 개별 핵산순차반응이 실행될 때이고 4 반응을 단일 웰로 결합하여 겔 또는 기타 분석장치에서 계속하게 하는 것이 바람직하다. 4개의 다른 통합방법들이 설명된다.
가) 두개의 유체 협소채널방법
이 방법은 복합챔버 또는 웰로부터 점성이 낮은 유체를 몇몇 개의 챔버 또는 웰로 결합하기 위하여 마이크로채널을 통해 점성이 덜한 유체가 챔버 또는 웰로 가는데 있어서 이용되는 점성이 높은 유체인 두개의 유체를 이용한다. 도 5(A)-5(D)는 이 방법에 대한 것이다.
결합될 채널 또는 웰은 유체로 채워진다. 웰 또는 채널의 출구는 유체회로에 있는 그 점에서 유체를 포함하는데 사용되는 정지수단을 포함한다. 상부의 어떤 점에서는 제 1 유체보다 점성이 높은 제 2 유체가 있다. 결합점에는 채널 또는 웰의 정지수단을 연결하는 좁은 채널이 있다. 도 5(A)를 보면, 제 1 유체가 정지수단에서 정지한다. 도 5(B)를 보면, 제 2 점성유체가 채널 아래로 전진함에 따라 제 1 유체가 정지수단을 통하여 좁은 채널과 결합점 또는 통합챔버로 들어가도록 한다. 제 2 유체가 정지수단에 다다르면 유체메니스커스가 없기 때문에 정지하지 못한다. 그러나, 도 5(C)를 보면, 점성도가 높은 용액을 좁은 채널을 통하여 넣기에 필요한 압력은, 대신 결합점으로 인접채널에 있는 제 1 유체를 밀어넣는데 사용된다. 도 5(D)를 보면, 제 1 유체의 모든 웰 또는 챔버가 비워지고 펌핑이 정지할 때까지 이 과정은 반복된다. 도 3(마)-3(사)는 채널 또는 웰의 출력에 있는 정지수단이 각각 소수성제한, 친수성제한, 소수패치 또는 염류막일 때의 모든 가능한 기하학 및 정지된 유체의 위치를 나타낸다. 재료가 소수성이라면, 모두 제한된 것보다는 길고 좁은 채널만이 필요하다. 통합챔버에서 공기방출도관의 활용은 예 3 및 도 4(E)-4(G)에서 설명된 것과 유사하다.
좁은 연결채널이 매우 작기 때문에 작은 입자로 인하여 흡장될 수 있다. 도 6은 이러한 위험을 줄이기 위하여 여분채널이 만들어지는 것을 도시한다. 이는 적절한 통합을 허용하는데 존재하는 개방채널의 유사성을 확실하게 한다.
나) 제한된 채널과 공기방출도관을 결합하는 방법
기포를 빼내기 위하여 공기방출도관이 존재한다는 개념은 예 3에서 설명된 바 있다. 도 7(A)-7(D)는 통합방법의 다양한 예를 나타낸다. 도 7(A)는 두개의 유체가 각각 채널로 들어가는 것을 나타낸다. 각 채널은 좌측에 있는 두 개의 채널이 단일채널이 되는 점에서 정지수단을 갖는다. 도 7(C)를 보면, 양 채널에서 유체는 채널이 합쳐지는 점에서 따라가도록 한다. 두 개의 초기채널의 각 채널에 있는 공기도관은 에어록(air lock)이 있는 채널이 없다거나 모든 채널이 결합영역으로 진행하게 한다. 하나의 유체가 그 정지수단을 헤치며 나아가게 되면, 그 메니스커스를 제거하면서 인접채널에 있는 정지수단의 다른 표면을 젖게 한다. 도 7(D)를 보면, 양 유체는 결합채널로 흐르고 서로 혼합한다. 정지수단 및 공기방출도관에 있는 유체의 구조와 위치는 도 2(E)-2(J) 및 4(E)-4(G)에 나타나 있다.
다) 공기변위법
통합의 다른 방법은 예를 들어 상하로서 제 3 차원으로부터의 포트의 사용을 필요로 한다. 포트는 연결점에서 유체채널까지 정지수단을 소유하여 일반작동압력에서는 유체가 포트로 흐르지 않게 한다. 도 8(A)에서, 유체는 웰 또는 채널로 흘러들어가 정지수단의 사용으로 인하여 공지된 위치에서 정지한다(정지수단은 각각의 웰와 여자 마이크로채널 사이에 있는 각 4개의 초기 웰의 우측에 있다). 공기 또는 다른 기체는 포트를 통해서 유체채널로 간다(도 8(A)-8(C)를 보면 4개의 각 초기 웰의 좌측으로 구멍처럼 보인다). 공기는 정지수단을 거쳐 유체를 하부로 변위시키고(도 8(B)), 이 경우 통합웰로 된다(도 8(C)). 통합웰에 있는 공기방출도관은 변위된 공기가 시스템을 빠져나가도록 하여, 유체가 통합웰을 채울 수 있게 한다. 공기가 아닌 제 2 유체는 포트를 통해서 통합챔버로 웰양을 변위시키는데 이용된다.
라)물리적변위법
이 방법은 제 3 차원의 이용을 필요로 한다. 이 경우 유체회로의 일부, 바람직하게는 상부 또는 하부는 물리적변위가 발생하는 점에서 적응하기 쉽게 구성된다. 상판 또는 하판은 변위수단이 유연유체회로를 압축하여 유체를 하부로 보내는개구를 갖는다. 이 변위수단은 물과 같은 유체, 공기와 같은 기체 또는 몇 종류의 플런저가 되는데, 도 9(A)-9(D)에 나타나 있다. 도 9(A)는 공회로이다. 도 9(B)는 유체로 부분 채워진 회로이다. 웰의 저면은 유연재로 이루어진다. 이 예에서, 변위수단(물)은 유체로 채워진 마지막 웰 아래로 유입된다. 물은 웰의 저면을 압축시키고(도 9(C)), 유체가 웰로부터 인접의 빈 웰로 가게 한다(도 9(D)). 변위수단은 어디에서든지 도입될 수 있는 것으로 마지막 채워진 웰에 직접 있을 필요는 없다.
예 5
통합수정된 두 유체 협소 채널 방법
상기 예 4에서 설명되고 도 5(A)-5(D)에 도시된 방법은 결과를 개선시키기 위해서 수정된 것이다. 두 가지 수정예가 비교를 위해서 도 10(A)와 도 10(B)-10(C)에 있다. 도 10(B)의 설계는 4개의 각 웰의 상부의 정지수단을 결합한다. 이 정지수단들은 4 웰이 되는 각 채널분기로 샘플을 균등 분포시킨다. 도 5(A) 또는 도 10(A)에서 설명되지는 않았으나, 웰로의 4개의 채널들은 단일원(source)으로부터 분기되었다거나 또는 다른 4개의 원으로부터 나온 것이 된다.
실제로 도 10(B)의 설계는 잘 작동하지 못한다. 이것은 소수성 또는 친수성 반응이 제 1 유체 및 원하지 않은 혼합을 유발하면서 제 2 또는 점성이 높은 유체를 밀어내는 제트노즐로 역할하기 때문이다. 이것은 최적보다 덜한 통합이 되며 제 2 용액의 적정량은 도 10(B)에서 우측의 큰 통합웰에서 찾을 수 있다. 혼합방법으로서 유용하다고 할지라도 이 경우 이것은 바람직한 결과가 아니다.
도 10(C)는, 도 10(B)의 설계로 원하지 않는 혼합을 제거하는 통합설계의 변형을 나타낸다. 유입채널은 웰의 측면상에 위치하는데, 웰은 한 벌브 또는 구분이 다른 구분보다 매우 크고 둘을 잇는 채널은 필요한 만큼 좁고 날카롭기 때문에 볼링핀의 형태이다. 이것은 큰 제 2 구분에서 제 1 유체의 크기와 상호작용하기 전에 제 2 유체의 속도가 느리게 되도록 하고 작은 제 1 구분에서 안정되도록 한다. 제 1 구분과 제 2 구분 사이의 변화가 완만하다면 (제대로 선택되었다면) 제 2 유체는 손상되지 않은 채로 남게 되며, 제 2 유체가 웰을 채우고 제 1 유체가 좁은 채널을 통해 통합웰로 가도록 하므로 제 1 유체와 제 2 유체 사이에서 명확한 분할이 된다.
예 6
유체회로구분을 임시바이패스
예 1은 유체를 한 경로에서부터 마이크로유체회로의 분기경로까지 전환하는데 정지수단을 이용하였으며, 예 3은 일반적으로 채널에 기포가 없도록 하고 유체가 채널을 통하여 흐르게 하여 결합채널에서 유체가 만나도록 하는데 공기방출도관을 이용하였다. 이러한 기술을 이용하여 유체회로부는 유체를 다른 경로로 전환시키는 정지수단을 이용하여 일시적으로 바이패스된다. 하부정지수단은 원정지수단에서 압력장벽을 극복하는데 이용되고, 그런 다음 공기방출도관은 유체가 바이패스된 영역을 통과하여 흐르도록 하는데 이용되고 절단되었던 곳으로부터 유체회로를 다시 잇게 한다.
도 11(A)-11(E)는 이 기술을 나타낸다. 도 11(A)에서 유체는 메인채널을 따라 흐르고 측면채널로 흐름을 전환시키는 정지수단"a"와 만난다. 측면채널이 메인채널과 다시 이어지면, 유체가 메인채널을 따라 더욱 하부로 흐르도록 전환시키는 제 2 정지수단 "b"로 인하여 메인채널의 바이패스된 영역으로 유입됨이 방지된다. 하부의 몇 점에서 원래의 정지수단"a"보다 더 큰 압력장벽이 있는 다른 정지수단은 유체가 정지수단"a"를 거쳐 밀도록 한다. 정지수단"b"의 상부측에 위치한 공기방출도관은 유체가 메인채널을 통하여 흐르도록 한다. 정지수단"b"에 도달하면, 메니스커스는 사라지고 정지수단"b"에 있는 압력장벽이 제거된다. 유체는 각각의 임피던스를 따라서 양 메인채널과 측면채널을 통하여 흐른다. 유체가 정지수단"a"를 거쳐 누르기 전에 정지수단"b"을 거쳐 누르지 않도록 하기 위해서 정지수단"b"의 압력장벽은 정지수단"a"의 압력장벽보다 크다는 것이 중요하다. 도 11(B)는, 메인채널에 있는 유체가 "a"와 "b"에 있는 정지수단으로 인하여 측면채널로 유입하는 것이 방지됨을 제외하고는 유사한 상황을 도시한다. 도 11(C)는, 정지수단 및 공기방출도관의 위치에 따라서 초기에 바이패스된 또는 초기에 살포된 유체회로에 있는 챔버 또는 웰을 나타낸다. 도 11(D)는, 챔버에 한 입구는 메인채널로부터 바이패스된 분기인, 두개의 채널을 잇는 점에 위치된 챔버를 나타낸다. 도 11(E)는 챔버를 포함하는 메인 채널과 챔버를 포함하고 바이패스된 일련의 제 2 채널을 나타내는데, 이들은 그 살포를 방지하기 위하여 정지수단과 그 궁극적인 살포를 허용하는 공기방출도관을 포함한다. 제 2 채널의 상부위치에 있는 정지수단은, 유체회로가 제대로 작용하기 위하여 그 압력장벽이 상부에서 하부로 원하는 순서로 극복되도록 설계된다. 공기방출도관은 살포되지 않는 제 2 채널로 순차적으로 갈 수도 있고, 제 3 차원에서 이동하는 도관을 통하여 외부로 갈 수도 있다.
상기 예들은 단일 채널에서 하나 하나 외에 이동하는 두개의 유체를 회석 또는 혼합하는 방법과, 분기채널이 흐름유체를 분리시키는 방법, 공기를 유체회로 밖으로 빼내는 방법, 채널 또는 샘플을 통합하는 방법, 유체경로를 임시 바이패스하는 방법 등에 관해서 설명하고 있으며, 이들은 모두 유체모세관형상력을 다루어 발생된 압력장벽에 기초한 수동유체동역학을 이용한다.
본 발명이 상기 예로서 설명되었으나, 발명의 범주는 설명된 예에만 한정되지 않고 본 발명의 사상 및 이하 기재된 청구범위 내에서 당해분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 용이하게 변형될 수 있다.
참고문헌
미특허 4,946,795;
미특허 5,119,116;
미특허 5,498,392;
미특허 5,587,128;
미특허 5,627,041;
미특허 5,726,026;
앤더슨 외 "마이크로유체 생화학 분석 시스템"(1997);
브라마산드라 외 "집적 DNA 분석용 미소제조된 유체반응 및 분리 시스템"(1998);
호노카와 외 "μTAS에서 액체의 공기처리를 위한 소수성 모세관현상"(1998);
맨 외 "미소제조된 모세관현상-구동된 정지밸브 및 샘플반응기"(1998)

Claims (52)

  1. 복수의 연결 마이크로채널로 구성된 유체회로에 있어서,
    상기 유체회로를 통하여 흐르는 유체가, 상기 정지수단을 거쳐 흐르기보다 상기 정지수단의 상부에 연결된 인접 마이크로채널에서 흐르도록 하면서 수동정지수단이 하나 이상의 상기 마이크로채널 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 유체회로.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 정지수단은 충분한 힘을 적용하여 극복되는 것을 특징으로 하는 유체회로.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 정지수단은 정지수단의 양 면을 젖게 하여 극복되는 것을 특징으로 하는 유체회로.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 정지수단은 소수성제한수단, 친수성제한수단, 소수성패치수단 및 표면장력패치수단으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 유체회로.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 군으로부터의 2개 이상의 다른 요소로 구성되는 것을 특징으로 하는 유체회로.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 정지수단은 소수성제한수단인 것을 특징으로 하는 유체회로.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 유체와 상기 정지수단 표면 사이의 표면장력은 상기 마이크로채널에 있는 기체와 상기 정지수단의 표면 사이의 표면장력보다 큰 것을 특징으로 하는 유체회로.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 정지수단은 길이가 1-1000㎛ 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 유체회로.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 정지수단은 길이가 5-500㎛ 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 유체회로.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 정지수단은 길이가 10-300㎛ 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 유체회로.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 정지수단은 다른 강도인 것을 특징으로 하는 유체회로.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 하나 이상의 마이크로채널은 제 2 점에서 하나 이상의 마이크로채널을 다시 합치는 인접 마이크로채널로 제 1 점에서 분기하고, 상기 인접 마이크로채널은 상기 제 2 점의 바로 상부인 제 2 정지수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 유체회로.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 마이크로채널은 나무모양 또는 차원분열도형 분기를 형성하는 것을 특징으로 하는 유체회로.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 회로는 복합 웰 또는 챔버로 구성된 것을 특징으로 하는 유체회로.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 복합 웰 또는 챔버는 마이크로채널에 의해 공통 통합웰 또는 챔버로 합류하는 것을 특징으로 하는 유체회로.
  16. 청구항 15에 있어서,
    하나 이상의 공기도관으로 구성된 것을 특징으로 하는 유체회로.
  17. 청구항 15에 있어서,
    하나 이상의 복합 웰 또는 챔버는 복수의 마이크로채널에 의해 각각 상기 공통 통합 웰 또는 챔버로 합류하는 것을 특징으로 하는 유체회로.
  18. 청구항 14에 있어서,
    상기 웰 또는 챔버의 일부 이상이 유연성인 것을 특징으로 하는 유체회로.
  19. 청구항 14에 있어서,
    상기 웰은 제 1부와 제 2부로 구성되어 제 1 부는 제 2 부보다 작고 상기 마이크로채널은 각 웰의 제 1 부로 빠져나가며, 상기 제 1 부는 제 2 부로 빠져나가고 제 1 부와 제 2 부는 제 1 부와 제 2 부 사이에서 협소함을 형성하는 경계에서 합류하는 것을 특징으로 하는 유체회로.
  20. 청구항 1의 두 마이크로채널로부터 유체를 통합 또는 혼합하는데 유용한 유체회로에 있어서,
    상기 유체회로는 교차부에서 합류하여 공통 마이크로채널을 형성하는 두 개의 마이크로채널로 구성되고, 상기한 하나 또는 두 개의 마이크로채널은 상기 교차부의 상부 정지수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 유체회로.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 하나 또는 두 개의 마이크로채널은 상기 교차부의 상부 도관으로 구성된 것을 특징으로 하는 유체회로.
  22. 청구항 1에 있어서,
    공기도관으로 구성된 것을 특징으로 하는 유체회로.
  23. 청구항 22에 있어서,
    상기 공기도관은 좁은 채널 또는 도관인 것을 특징으로 하는 유체회로.
  24. 청구항 22에 있어서,
    상기 공기도관은 소수성제한, 소수성패치, 표면장력패치 또는 친수성제한으로 구성된 것을 특징으로 하는 유체회로.
  25. 제 1 항의 알려진 압력으로 작용하여 복수의 마이크로채널로 구성된 유체회로에 있어서,
    두 개 이상의 마이크로채널이 모이고 및 상기 모이는 두 개 이상의 마이크로채널중 하나 이상은 도관으로 구성되고, 상기 도관은 도관을 통하여 기체재를 흐르나, 상기 압력을 받으며 유체가 도관을 통하여 흐르는 것은 방지하는 것을 특징으로 하는 유체회로.
  26. 청구항 25에 있어서,
    상기 도관은 소수성패치, 표면장력패치, 소수성제한, 또는 친수성 제한으로 구성된 것을 특징으로 하는 유체회로.
  27. 청구항 1에 있어서,
    기체를 상기 유체회로로 유입시키는 하나 이상의 포트로 구성된 것을 특징으로 하는 유체회로.
  28. 청구항 27에 있어서,
    상기 포트는 기체가 포트를 통과하기에 알맞게 크고, 특정작용압력에서 유체가 포트를 통과하는 것을 방지하도록 작은 것을 특징으로 하는 유체회로.
  29. 청구항 1에 있어서,
    압력을 받아 유체를 상기 유체회로에 유입시키는 하나 이상의 포트로 구성된 것을 특징으로 하는 유체회로.
  30. 청구항 1에 있어서,
    제 1 마이크로채널과 제 2 마이크로채널로 구성되어,
    제 2 마이크로채널은, 제 1 마이크로채널에 있는 제 1 정지수단의 상부에서 제 1 마이크로채널로부터 분기하여 제 1 마이크로채널에 있는 제 2 정지수단의 하부에서 제 1 마이크로채널과 다시 합류하고, 상기 제 1 정지수단은 제 2 정지수단보다 강한 정지수단이고, 제 1 정지수단과 제 2 정지수단 사이의 도관으로 구성된 것을 특징으로 하는 유체회로.
  31. 청구항 1에 있어서,
    제 1 마이크로채널과 제 2 마이크로채널로 구성되어,
    제 2 마이크로채널은, 제 1 교차부의 제 1 마이크로채널로부터 분기하여 제 2 교차부의 제 1 마이크로채널과 다시 합류하고, 제 2 마이크로채널은 제 1 교차부에 있는 제 1 정지수단과 제 2 교차부에 있는 제 2 정지수단으로 구성되고 상기 제 1 정지수단은 제 2 정지수단보다 강한 정지수단이고, 제 1 정지수단과 제 2 정지수단 사이의 도관으로 구성된 것을 특징으로 하는 유체회로.
  32. 청구항 30에 있어서,
    상기 제 1 마이크로채널은 제 1 정지수단과 제 2 정지수단 사이의 챔버 또는 웰로 구성된 것을 특징으로 하는 유체회로.
  33. 청구항 31에 있어서,
    상기 제 1 마이크로채널은 제 1 교차부와 제 2 교차부 사이의 챔버 또는 웰로 구성된 것을 특징으로 하는 유체회로.
  34. 청구항 31에 있어서,
    상기 제 1 마이크로채널은 제 2 교차부의 챔버 또는 웰로 구성된 것을 특징으로 하는 유체회로.
  35. 청구항 1에 있어서,
    챔버가 있는 채널로 구성되며 상기 챔버는 제 2 챔버로 구성된 제 2 채널이 있는 것을 특징으로 하는 유체회로.
  36. 청구항 35에 있어서,
    상기 제 2 채널은 정지수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 유체회로.
  37. 청구항 36에 있어서,
    상기 각 정지수단은 서로 다른 강도이며 각 제 2 챔버가 채워지는 순서를 규정하는 것을 특징으로 하는 유체회로.
  38. 청구항 35에 있어서,
    하나 또는 그 이상의 제 2 채널은 도관으로 구성된 것을 특징으로 하는 유체회로.
  39. 제 1 유체와 제 2 유체를 유체회로내에서 혼합하는 방법에 있어서,
    상기 제 1 유체를 유체회로의 메인 마이크로채널에 삽입하는 단계와, 상기 1 유체는 상기 마이크로채널내의 제 1 정지수단의 결과, 상기 회로에서 알려진 양으로 된 제 1 마이크로채널로 강제유입되어, 상기 제 1 마이크로채널은 제 1 정지수단보다 강한 제 1 정지수단으로 구성되고 상기 제 1 유체는 상기 제 1 마이크로채널의 양과 동등한 양이며,
    상기 유체회로의 메인 마이크로채널로 제 2 유체를 삽입하는 단계와, 상기 제 2 유체는 제 1 정지수단을 거쳐 제 2 마이크로채널로 강제유입되어 상기 제 1 마이크로채널 및 제 2 마이크로채널은 제 2 유체의 연속 삽입 후 또는 제 1 유체 및 제 2 유체를 이동시키는 힘의 적용 후 제 1 유체와 제 2 유체가 혼합하는 점에 있는 상기 제 2 마이크로채널에서 모이는 것을 특징으로 하는 유체내에서 혼합하는방법.
  40. 청구항 39에 있어서,
    상기 유체 회로는 도관으로 구성된 것을 특징으로 하는 유체내에서 혼합하는방법.
  41. 한 채널로부터 복합웰, 챔버 또는 채널로 유체를 분배하는 방법에 있어서,
    상기 유체를 한 채널로부터 웰, 챔버 또는 채널로 이어지는 분기 마이크로채널로 통과시키는 것으로 구성되고, 상기 마이크로채널은 하나 이상의 정지수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 유체를 분배하는 방법.
  42. 청구항 41에 있어서,
    웰, 챔버 또는 채널의 복합세트가 있으며, 웰, 챔버 또는 채널의 제 1 세트는 각 웰, 챔버 또는 채널내에 정지수단을 가져 상기 유체를 웰, 챔버 또는 채널의 제 2 세트로 이동하기 이전에 모든 상기 제 1 세트의 웰, 챔버 또는 채널을 채우도록 하는 것을 특징으로 하는 유체를 분배하는 방법.
  43. 청구항 42에 있어서,
    상기 제 2 웰, 챔버 또는 채널 세트는 상기 제 1 웰, 챔버 또는 채널 세트의 정지수단보다 강한 정지수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 유체를 분배하는 방법.
  44. 청구항 41에 있어서,
    상기 유체회로는 도관으로 구성된 것을 특징으로 하는 유체를 분배하는 방법.
  45. 복합 웰로부터 유체를 공통 통합 웰, 챔버 또는 채널로 통합하는 방법에 있어서,
    유체회로의 마이크로채널에 상기 유체를 삽입하는 단계와,
    상기 마이크로채널에 제 2 유체를 더하여 상기 마이크로채널을 통하여 상기 유체회로의 웰로 유체를 강제 유입하는 단계로 구성되어, 상기 제 2 유체는 상기 유체보다 점성이 높고, 상기 웰은 웰보다 협소한 채널로 빠지며, 상기 출구채널은 상기 공통 통합 웰, 챔버 또는 채널에 연결하여, 충분한 제 2 유체가 상기 유체에 더해져서 상기 공통 통합 웰, 챔버 또는 채널로 강제유입하도록 하는 것을 특징으로 하는 유체를 통합하는 방법.
  46. 청구항 45에 있어서,
    상기 유체회로는 하나 이상의 도관으로 구성된 것을 특징으로 하는 유체를 통합하는 방법.
  47. 청구항 45에 있어서,
    상기 각 웰은 하나 이상의 채널로 빠지는 것을 특징으로 하는 유체를 통합하는 방법.
  48. 청구항 27의 유체회로를 통하여 유체를 이동하는 방법에 있어서,
    기체를 상기 하나 이상의 포트를 통하도록 하고, 상기 유체회로를 통하여 유체가 이동하도록 하는 것을 특징으로 하는 유체를 이동하는 방법.
  49. 청구항 29의 유체회로를 통하여 제 1 유체를 이동하는 방법에 있어서,
    상기 하나 이상의 포트를 통하여 압력을 받아 제 2 유체를 강제유입하고, 상기 제 2 유체는 상기 제 1 유체가 상기 유체회로를 통하여 이동하도록 하는 것을 특징으로 하는 유체를 이동하는 방법.
  50. 청구항 18의 유체회로내에서 유체를 물리적으로 변위시키는 방법에 있어서,
    상기 웰 또는 챔버의 유연부에 힘을 적용하는 것을 특징으로 하는 유체를 변위시키는 방법.
  51. 청구항 30의 유체회로에 제 1 유체를 적용하여 상기 제 1 유체가 제 3 정지수단에 도달할 때까지 유체회로내에서 마이크로채널을 임시 바이패스시키는 방법에있어서,
    부가적인 제 1 유체의 적용 후에 상기 제 3 정지수단은 상기 제 2 정지수단보다 강하고 제 2 유체 또는 힘은 상기 제 1 유체 또는 상기 제 2 유체가 상기 마이크로채널로 유입하도록 하는 것을 특징으로 하는 마이크로채널을 바이패스시키는 방법.
  52. 청구항 31의 유체회로에 제 1 유체를 적용하여 상기 제 1 유체가 제 3 정지수단에 도달할 때까지 유체회로 내에서 마이크로채널을 임시 바이패스시키는 방법에 있어서,
    부가적인 제 1 유체의 적용 후에 상기 제 3 정지수단은 상기 제 2 정지수단보다 강하고제 2 유체 또는 힘은 상기 제 1 유체 또는 상기 제 2 유체가 상기 마이크로채널로 유입하도록 하는 것을 특징으로 하는 마이크로채널을 바이패스시키는 방법.
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