KR20080008826A - 직접 전극접촉에 의하여 전하의 충전을 통한 전도성 액적의이동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로 채널내에서 액적을 이동시키는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마이크로 채널내에서 액적을 전하로 충진시켜 쿨롱힘을 이용하여 이동시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 이동방법은 마이크로 채널내에서 액적의 물성을 변화시키지 않으면서 액적만을 빠른 속도로 이동시킬 수 있다.

이는 기존의 전기삼투법에 비해서는 벌크용액의 이동현상 없이 액적만을 이동시킬 수 있으며 쿨롱힘을 이용하기 때문에 유전영동법에 비해서는 더 빠른 속도로 이동시킬 수 있는 장점이 있다. 미세채널 내에서 전압의 간편한 조정을 통해 액적의 이동 효율을 높일 수 있고 벌크용액의 이동현상이 없어 용액량을 절감할 수 있어 마이크로 칩 상용화에 기여할 수 있다.

Description

직접 전극접촉에 의하여 전하의 충전을 통한 전도성 액적의 이동방법{A METHOD FOR MOVING OF A CONDUCTIVE DROPLET BY CHARGING THEREOF THROUGH DIRECT CONTACT WITH ELECTRODES}

도 1은 채널 양 끝단에 미세 전극이 배치된 마이크로 채널을 보여주는 평단면도이고;

도 2는 도 1의 수조내의 유전영동을 위한 미세 전극의 배치 및 전기장 분포도이고;

도 3는 마이크로 채널 이동시 액적 주위에 형성되는 전기장 구배 형상도이고;

도 4는 채널 내부에서 액적의 속도분포도이고;

도 5는 전기장 변화에 따른 액적의 속도관계이고;

도 6은 벌크용액의 점도에 따른 액적의 속도 관계이고;

도 7은 액적의 부피에 따른 속도의 관계이다.

본 발명은 마이크로 채널내에서 액적을 이동시키는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마이크로 채널내에서 액적을 전하로 충진시켜 쿨롱힘을 이용하여 이동시키는 방법에 관한 것이다.

최근 생명공학 및 분석 화학분야에서 특히 관심을 모으고 있는 미세 유체 제어 기술을 기반으로 한 바이오칩인 Lab-on-a-Chip 기술은 시료의 반응, 분리, 분석에 이르는 실험실 내의 모든 분석에 필요한 요소들을 유리, 실리콘 또는 플라스틱을 소재로 한 ㎠ 크기의 기판 위에 구성하여 신약 탐색, 의료진단, 물질 분석, 생물공정 모니터링 등의 다양한 분야에서 그 활용가능성이 적극 모색되고 있다.

고속, 고효율, 저비용의 자동화가 가능한 기술로서 1990년대 초 Harrison등이 개발한 모세관 전기영동 및 모세관 전기 삼투현상을 기초로 하며 아래와 같은 장점을 가지고 있다.

a. 분석시스템을 초소형으로 제작함으로써 분석에 사용되는 시료의 양을 수십 pL 수준으로 낮출 수 있다.

b. 시료분석에 수반되는 일련의 공정들이 연속적으로 수행됨으로써 분석시간이 수분에서 수초 정도로 단축될 수 있다.

c. 다수의 시료에 대한 대용량(high throughput)분석이 가능하며, MEMS기술을 이용한 대량생산이 용이하고 제조 단가를 낮출 수 있다.

이러한 장점을 지닌 Lab-on-a-Chip 기술에서 특히 중요한 부분은 극미세 유체 제어기술이다. 시료분석을 위하여 작은 칩 내 마이크로 사이즈의 채널에서 시료의 혼합과 분석이 이루어져야 하기 때문에 적은 양의 시료를 채널 내에서 효과적으로 움직이는 기술은 필수적이다.

그러나 마이크로 세계에서 액적의 움직임은 마크로 세계의 현상과는 다른 양상을 보인다. 액적의 사이즈가 마이크로 단위 이하로 매우 작아지기 때문에 치수의 세제곱에 비례하는 체적의 효과가 상대적으로 미약해지고 치수의 제곱에 비례하는 면적의 효과가 탁월해지기 때문이다. 따라서 마크로 세계에서 잘 움직이던 액적이 마이크로 세계에서는 잘 움직이지 않거나 효율이 매우 떨어져 실용화할 수 없는 경우도 발생하게 된다. 예를 들어 액적을 움직이기 위하여 작은 칩 위에 유체의 흐름을 유발시키는 마이크로 펌프 및 마이크로 밸브 등 기계장치를 장착할 경우 분석 효율이 떨어지거나 장착 자체가 불가능한 경우도 있어 이러한 시스템에서 액적의 이동기술은 매우 중요한 기술적 과제로 부각되고 있다.

기존에 액적을 이동시키기 위해 전기삼투, 전기영동, 유전영동 현상을 이용하는 방안이 주로 연구되어져 왔다. 그러나 전기삼투현상은 이동하고자 하는 액적이나 입자뿐만 아니라 주변의 유체 또한 이동하기 때문에 적은 양의 시료를 사용하거나 지속적인 벌크용액의 보충이 필요한 단점이 있다.

또한 전기영동의 경우, 주변의 유체는 이동하지 않지만 액적이나 입자에 전하를 띄게 하기 위해 추가적으로 pH를 변화시키거나 계면활성제를 첨가시켜야만 한다. 이는 간단하기는 하지만 액적의 표면장력이 변하거나 입자의 주변에 다른 물질을 섞어 넣어야 하기 때문에 액적 및 입자의 물성을 바꾸는 단점이 있다.

마찬가지로 유전 영동의 경우에는 위의 두 가지 방법에 비해 단점을 보완하고 있지만, 이동하기 위해 가해져야 하는 전압이 크고 벌크용액과 액적 간의 유전율 차이를 이용하기 때문에 이동속도가 느린 단점을 안고 있다.

이에 본 발명자들은 위에 언급한 단점들을 보완하면서 마이크로 채널 내에서 효과적으로 액적을 이동시킬 수 있는 방법을 개발하기에 이른 것이다.

본 발명의 목적은 마이크로 채널에서 액적을 이동시키는 신규한 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 마이크로 채널에서 액적을 이동시키는 신규한 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 마이크로 채널에서 액적에 전하를 충전하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 마이크로 채널 내부에 일정한 전기장하에서 벌크용액을 이동시키지 않고 액적의 물성을 변화시키지 않으면서 액적의 전극 직접 접촉에 의해 전하를 충전시켜 적절한 속도로 이동시키는 정전기학을 이용한 액적의 이동방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 마이크로 채널에서 액적을 이동시키는 방법은

마이크로 액적을 전극에 접촉시켜 전하를 충진시키는 단계; 및

전하가 충진된 마이크로 액적을 마이크로 채널에서 쿨롱힘으로 이동시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 마이크로 액적은 벌크 용액에 분산되어 있는 작은 액적, 바람직하게는 마이크로 단위의 직경을 가지는 액적을 의미한다.

본 발명에 있어서, 상기 마이크로 액적과 전극의 접촉은 마이크로 액적이 전극으로 이동하여 접촉함으로서 이루어질 수 있다. 본 발명의 실시에 있어서, 상기 마이크로 액적의 이동은 액적 주위에 형성된 비일정한 전기장에 의해서 마이크로 액적이 유전영동에 의해 이동함으로써 이루어질 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 마이크로 액적은 벌크용액과 유전율 차이를 가지게 되며, 상기 유전율의 차이에 의해서 마이크로 액적의 유전 영동이 이루어지다. 본 발명의 실시에 있어서, 상기 마이크로 액적의 유전율이 크면 전기장이 강한 쪽으로 입자가 이동하는 포지티브 유전영동이 가능하며, 반대일 경우에는 네거티브 유전영동이 가능하게 된다.

본 발명에 있어서, 전극으로 이동된 마이크로 액적은 전극과의 접촉에 의해서 전하가 충전된다. 상기 충전되는 전하는 전극의 동일한 극성을 가지게 되며, 충전 후에는 동일한 극성을 가지는 전극으로부터 반발력을 받게 된다.

본 발명에 있어서, 비충전된 전하를 전극 쪽으로 이동시키기 위해서 형성된 비일정한 전기장은 마이크로 액적이 전하로 충전된 후 소멸되며, 상기 비일정한 전기장의 소멸은 바람직하게는 비일정한 전기장을 형성하는 전극을 단락시킴으로써 이루어질 수 있다.

본 발명에 있어서, 충전된 전하는 마이크로 채널에 양단에 형성된 전기장에 의해서 쿨롱힘에 의해서 이동될 수 있다. 상기 마이크로 채널 양단에 형성되는 전기장은 마이크로 채널 양단에 형성되는 전극에 전위차를 부여함으로써 형성될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 마이크로 채널내에서 이동하는 충전된 액적은 이론적으로 한정되는 것은 아니지만, 액적에 미치는 쿨롱힘과 액적의 항력이 균형을 이루면서 이동하게 된다. 이동하는 액적의 속도는 액적에 미치는 쿨롱힘과 항력을 조정하여 조절할 수 있으며, 바람직하게는 전기장의 세기, 액적의 크기, 액적과 벌크용액의 밀도차 등에 의해서 조절될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시에 있어서, 상기 충전된 마이크로 액적의 이동속도는 전기장의 세기가 클수록 빠르게 이동할 수 있으며, 액적의 크기가 작을수록 빠르게 이동할 수 있다.

본 발명은 일 측면에 있어서, 상기 본 발명에 따른 마이크로 채널에서 액적을 이동시키는 방법은

마이크로 액적이 분산된 벌크용액에 비일정한 전기장을 형성시키는 단계;

상기 마이크로 액적을 전극에 접촉시켜 전하를 충전시키는 단계;

상기 전하의 충전 후 비일정한 전기장을 소멸시키는 단계; 및

상기 마이크로 채널 양단에 전기장을 형성하여 전하가 충전된 마이크로 액적을 이동시키는 단계

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 벌크 용액은 분산된 비충전 상태의 마이크로 액적이 유전영동에 의해서 이동될 수 있도록 마이크로 액적과 유전율차이를 가져야 하며, 또한 상기 벌크 용액과 밀도차가 작은 것이 바람직하다.

일 측면에 있어서, 본 발명에 따른 벌크용액에 마이크로 액적이 분산된 마이 크로 채널 시스템은,

상기 마이크로 채널의 적어도 일단에 장착된 비일정한 전기장을 형성하는 제 1 전극부, 및

상기 마이크로 채널의 양단에 전기장을 형성하는 제 2 전극부가 형성되고;

여기서, 상기 제 1전극부는 마이크로 액적의 접촉 후 단락되며, 그리고

상기 제 2전극부는 마이크로 액적의 접촉 후 연결되는 것

을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 제 1 전극부와 마이크로 액적의 접촉은 마이크로 액적 주위에 형성된 비일정한 전기장과 마이크로 액적과 벌크용액 사이의 유전율 차이에 의한 마이크로 액적의 유전 영동에 의해서 이루어진다.

본 발명에 있어서, 상기 제1전극부는 마이크로 액적과의 접촉에 의해 마이크로 액적이 충전되면 비일정한 전기장을 형성하지 않도록 단락된다.

본 발명에 있어서, 상기 제2 전극부는 마이크로 액적이 제 1 전극부와의 접촉에 의해서 충전된 후, 충전된 마이크로 액적을 이동시키기 위해서 연결된다. 본 발명에 있어서, 상기 제2 전극부는 마이크로 액적이 이동하는 마이크로 채널의 양단에 설치되어, 양단간에 전기장을 형성하여 충전된 마이크로 액적이 쿨롱 힘에 의해서 이동할 수 있게 형성된다.

본 발명의 실시에 있어서, 마이크로 액적 주위에 비일정한 전기장을 형성하는 제1전극부와 마이크로 채널 양단에 전기장을 형성하는 제2전극부는 통상의 전극을 사용할 수 있으며, 비일정한 전기장 또는 양단간에 전기장을 형성할 수 있는한 특별한 제한은 없다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 통해서 상세히 설명한다. 하기 기재되는 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것으로서 본 발명을 한정하기 위한 것이 아님은 당업자에게 자명할 것이다.

본 발명의 도 1 에 도시된 바와 같이 마이크로 채널 시스템(10)에서 채널 양 끝단에 액적의 유전 영동 및 쿨롱 힘에 의한 이동을 위해 미세 전극(1)(2)(3)(4)을 장착함으로써 제조될 수 있다.

상기 전극(1)(2)(3)(4)에는 외부로부터 전압을 가하여 주게 된다. 먼저 액적을 전극에 접촉시키기 위해 전극(1)에 (+) 전원을 연결하고 전극(2)와 전극(3)에 (-)전원을 연결하여 액적주변에 일정하지 않은 전기장을 형성하고, 액적과 벌크용액의 유전율(permittivity)차이에 의해 유전영동을 유발시켜 액적을 전극(1)에 접촉시킬 수 있다. 그 힘은 식(I)과 같다.

(I)

여기서

통상 액적의 유전율(80ε0)이 벌크 용액의 유전율(약 2.75ε0)보다 크기 때문에 전기장이 센 쪽으로 이동하는 정방향 유전영동(포지티브 DEP)이 일어난다. 유전영동을 위한 전극의 전압배치는 이러한 관계에 따라 도 2에 도시된 바와 같이 채 널 끝단에 위치한 전극(1)쪽의 전기장이 세도록 구성할 수 있다.

이렇게 전극(1)에 액적이 접촉한 순간, 전극(2)(3)을 단락시켜 유전 영동을 위한 전압은 단락시키고, 채널 양단 전극에 외부로부터 가해진 전류에 의해 액적(5)은 직접 전하를 충전 받게 된다. 충전 받은 전하를 띈 액적(5)은 전극(1)과 같은 전하를 띄게 되므로 하기식(II)쿨롱법칙에 따른 반발력을 받게 되어 액적(5)이 움직이게 된다.

F=qE (II)

여기서, q:전하량, E:외부로부터 가해진 전기장

이때 액적의 속도는 외부로부터 가해진 전기장, 벌크 용액의 점도, 액적의 부피에 의해 영향을 받게 되며 아래 식(III)에 의해 결정되어 질 수 있다.

,

(III)

여기서,

상기 식은 채널에서 움직이는 액적이 정상상태(steady-state)에 도달했을 때의 속도를 나타내는 것으로 쿨롱법칙에 따른 힘과 유체내에서 움직이는 액적의 항력관계식인 하다마드-립진스키 해(Hadarmard-Rybczynski)로부터 얻어질 수 있다.

채널 내부를 이동함에 있어 액적주위에 형성되는 전기장은 도 3과 같다.

본 발명에 따른 채널 양 끝단에 전극을 가지고 전극의 직접 접촉을 통한 액 적의 이동방법은 바이오칩과 같은 미세유체 제어장치가 있는 모든 유체제어장치에 응용될 수 있다.

실시예 1

양단에 수조(10)(20)가 형성된 마이크로 채널(30)을 제조하고 각 수조에 외부에서 전기장을 가할 수 있는 전극(1),(2),(3),(4)을 심는다. 벌크 용액으로는 물과 비중이 비슷하고, 동적 점성도가 물보다 50배 높고, 유전율이 물에 비해 약 40배 낮은 실리콘오일을 사용하였으며, 액적(A)은 탈이온화수를 사용하였으며, 액적의 부피는 약 0.5 마이크로 리터이다.

먼저 전극(1)에 (+) 전극을 걸고, 전극(2)(3)에 (-)전극을 걸어서 수조(10)에 비일정한 전기장을 형성시켜 액적(5)을 유전영동에 의해 이동시켜, 전극(1)과 접촉시켜 충전시킨 후, 전극(2)(3)을 단락시켰다. 이 후 양단의 전극(1)(4)에 2-3 x 105 V/m의 전기장을 걸어 액적(5)를 마이크로 채널을 따라 수조(20)쪽으로 마이크로채널내에서 이동시켰다.

상기 채널 내부에서 정상상태 일 때 액적의 속도는 도 4에 나타내었다. 정상상태에 도달했을때 액적의 속도는 채널내에서 일정하게 나타났으며 외부에서 걸어주는 전기장을 변화시키면 액적의 속도를 제어할 수 있다. 이 결과는 도 5에 나타내었다.

또한 벌크용액의 점도에 따른 속도의 관계는 도 6에 나타내었다. 또한 액적의 부피에 따른 속도의 관계는 도 7에 나타내었다.

따라서 전극의 직접 접촉에 의한 전하의 충전을 통한 액적의 이동방법은 외 부에서 가해주는 전기장, 벌크 용액의 점도, 액적의 부피를 제어함으로써 제어가능함을 알 수 있다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상을 해치지 않는 범위 내에서 당업자에 의한 변형이 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명에서 권리를 청구하는 범위는 상세한 설명의 범위 내로 정해지는 것이 아니라 후술되는 청구범위와 이의 기술적 사상에 의해 한정될 것이다.

본 발명에 의해서, 마이크로 채널에서 마이크로 액적을 이동시킬 수 있는 새로운 방법이 제공되었다. 이 방법은 종래 방법과 달리 벌크용액이 이동하지 않으며, 상기에 기술한 바와 같이 적절한 미세 전극 배치를 가진 마이크로 채널 내에서 액적의 사이즈에 따른 적절한 전압을 가하고 벌크 용액의 점도를 조정함으로써 쿨롱힘을 이용하여 액적의 이동효율을 높일 수 있다. 이는 기존의 방법들이 가지는 단점을 효과적으로 보완하면서 부가적인 비용, 시료의 양, 분석 시간 등을 절약하는 결과를 얻어 극미세 유체역학을 기반으로 하는 바이오칩의 상용화에 크게 기여할 것이다.

Claims (11)

1. 마이크로 액적을 전극에 접촉시켜 전하를 충진시키는 단계; 및

   전하가 충진된 마이크로 액적을 마이크로 채널에서 쿨롱힘으로 이동시키는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 액적의 이동방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 접촉은 비일정한 전기장내에서 마이크로 액적이 전극으로 이동하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널에서 액적의 이동방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 비일정한 전기장내에서 마이크로 액적의 이동은 유전 영동에 의해 이동됨을 특징으로 하는 마이크로 채널에서 액적의 이동방법.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 접촉 후 비일정한 전기장이 소멸되는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널에서 액적의 이동방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 접촉 후 채널 양단에 전기장이 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널에서 액적의 이동방법.
6. 제 1-5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로 액적은 벌크 용액에 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널에서 액적의 이동방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 벌크용액은 이동하는 않는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널에서 액적의 이동방법.
8. 벌크용액에 마이크로 액적이 분산된 마이크로 채널 시스템에 있어서,

   상기 마이크로 채널의 적어도 일단에 장착된 비일정한 전기장을 형성하는 제 1 전극부, 및

   상기 마이크로 채널의 양단에 전기장을 형성하는 제 2 전극부가 형성되고;

   여기서, 상기 제 1전극부는 마이크로 액적의 접촉 후 단락되며, 그리고

   상기 제 2전극부는 마이크로 액적의 접촉 후 연결되는 것

   을 특징으로 하는 마이크로 채널 시스템.
9. 제8항에 있어서, 상기 제 1 전극부와 마이크로 액적의 접촉은 유전 영동에 의해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 시스템.
10. 제8항에 있어서, 상기 마이크로 액적은 접촉에 의해서 전하가 충진되는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널시스템.
11. 제8항에 있어서, 마이크로 액적은 접촉 후 쿨롱힘에 의해서 이동하는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널시스템.

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