KR20080019594A

KR20080019594A - 마이크로채널에서 소수성 제어 특성을 이용하여 연속적인액체 기둥을 펌핑하는 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20080019594A
Application number: KR1020077027381A
Authority: KR
Inventors: 사만 다르마틸레케; 리우 홍
Original assignee: 에이전시 포 사이언스, 테크놀로지 앤드 리서치
Priority date: 2007-11-23
Filing date: 2005-04-25
Publication date: 2008-03-04

Abstract

마이크로펌프는 기판(15) 내에 형성되는 마이크로채널(10)을 포함한다. 마이크로채널은 마이크로펌프는 내에 복수의 전극 링 층(25, 30)을 포함한다. 교번하는 전극층은 인가된 전압 신호에 응답하여 친수성으로 변화하는 플루오로폴리머로 덮인다. 플루오로폴리머 재료(25)로 덮인 전극은 노출된 전극 링 층(30)에 의해 형성된 친수성 영역들 사이에 산재된 소수성 영역을 형성한다. 마이크로채널 내에서 전파성 유체가 소수성 영역에 근접할 때, 유체에 의해 형성된 메니스커스는 소수성 영역에서 마이크로채널 표면의 소수성 특성으로 인해 전파되는 것이 방지된다. 소수성 영역에 전압을 인가하면 소수성 영역이 친수성을 갖도록 변화되어서, 메니스커스 및 메니스커스 뒤의 유체의 기둥이 모세관력으로 인해 상기 영역을 지나 전파되게 한다. 다음 소수성 영역과 만나면, 메니스커스는 다시 전파가 방지된다. 연속적인 소수성 영역에서 전극에 대한 전압 신호의 선택적 인가로 인해 마이크로채널의 치수(예를 들면 원형 횡단면을 갖는 마이크로채널의 직경) 및 전파성 유체의 특성(예를 들면 점성)에 의해 결정되는 바에 따라 유체 기둥의 유속이 제어될 수 있다.

Description

마이크로채널에서 소수성 제어 특성을 이용하여 연속적인 액체 기둥을 펌핑하는 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR PUMPING CONTINUOUS LIQUID COLUMNS USING HYDROPHOBICITY CONTROL FEATURES IN A MICROCHANNEL}

본 발명은 일반적으로 마이크로펌핑 시스템 및 방법, 보다 상세하게는 마이크로채널에서 제어된 소수성 작동 특성을 이용하여 초소형 체적의 연속적인 액체 기둥을 펌핑하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

환경 감시, 화학 분석 시스템, 이식형 의료기기, 약물 전달 시스템 및 진단 시스템과 같은 분야에서, 초소형 체적의 유체를 전달할 수 있는 마이크로펌프에 대한 요구가 존재한다. 통상적인 마이크로펌프는 압전식, 정전기식, 열공압식, 또는 전자기식 액츄에이터를 활용하여 펌프 내에서 유체를 이동시키는 구동력을 발생시킨다. 그러나 통상적으로 압전식 및 정전기식 액츄에이터는 일반적으로 100볼트가 넘는 높은 구동 전압을 필요로 하고, 열공압식 및 전자기식 액츄에이터는 통상적으로 대량의 전력을 소모한다. 또한, 상기 작동 기구를 사용하는 펌프는 통상적으로 크기가 비교적 크고 액츄에이터의 부품에 의해 부여된 물리적 크기 제한으로 인해 더 소형화될 수 없다. 또한, 현재 사용 가능한 펌프를 사용하여 펌핑될 수 있는 액체의 최소량은 몇 나노리터(nl)의 범위이다.

따라서, 이러한 종래의 작동 기구에 기초한 마이크로펌프는 낮은 전력 소비, 소형의 크기, 및 소량 액체 체적의 제어된 전달을 요하는 시스템에서 사용하기에 바람직하지 않다. 예를 들면, 이들 작동 기구를 사용하는 마이크로펌프는 원격 환경 감시 시스템, 이식형 의료기기, 화학 분석 시스템, 및 소형인 펌프를 필요로 하고 더 적은 전력을 소모하며(예를 들면, 낮은 전압에서 작동하며), 매우 적은 양의 액체 체적을 펌핑할 수 있는 펌프를 필요로 하는 다른 시스템에서 사용하기에 바람직하지 않다.

따라서, 여타 문제점을 극복하는 마이크로펌프를 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 이러한 펌프는 서브 나노리터(sub-nanoliter) 범위에서 제어된 체적의 액체를 제공하여야 한다.

본 발명은 전술한 문제점을 극복하는 마이크로펌프를 제공한다. 특히, 본 발명은 마이크로채널에서의 제어된 소수성 작동 특성을 이용하여 마이크로채널에서 초소형 체적의 연속적인 액체 기둥을 펌핑하는 시스템 및 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 마이크로펌프는 기판 내에 형성되는 마이크로채널을 포함한다. 마이크로채널은 마이크로채널 내에서 다른 구조를 갖는 복수의 전극 링 층 또는 전극들을 포함한다. 교번하는 전극 층들은 플루오로폴리머 또는 한 층의 자체 조립 단층, 또는 인가된 전압 신호에 응답하여 친수성 상태로 변화하는 다른 소수성 기판으로 덮인다. 플루오로폴리머 재료 또는 자기조립 단층으로 덮인 전극은 친수성 영역들 사이에 산재되는 소수성 영역을 형성하며, 친수성 영역은 노출된 친수성 기판 재료 또는 다른 결합구조를 갖는 전극 링 층 또는 전극들에 의해 형성된다. 소수성 영역에서 덮인 전극은 친수성 영역에 노출된 전극과 동일하거나 상이한 재료를 포함할 수 있다. 마이크로채널 내의 유체가 소수성 영역에 근접하는 경우, 유체에 의해 형성된 메니스커스는 소수성 영역에서 마이크로채널 표면의 소수성 특성으로 인해 전파되는 것이 방지된다. (노출된 전극을 통과하는) 유체와 소수성 영역 내의 전극 사이의 전압 신호의 인가는 전극에 씌워지는 소수성 재료가 친수성을 갖게 하여, 메니스커스 및 메니스커스 뒤의 유체의 기둥이 모세관력으로 인해 소수성 영역을 지나 전파되게 한다. 후속 소수성 영역과 만나면, 메니스커스는 다시 전파가 방지된다. 소수성으로부터 친수성으로 변화된 영역은 예를 들면 전압 신호가 정지된 후에 점차적으로 본래 소수성 상태로 되돌아갈 수 있지만, 이는 통과한 액체 기둥에는 영향을 미치지 않을 것이다. 연속적인 소수성 영역에서 전극에 전압 신호를 선택적으로 인가하면 마이크로채널의 치수(예를 들면 원형 횡단면을 갖는 마이크로채널의 직경) 및 전파성 유체의 특성(예를 들면, 점성)에 의해 결정된 바에 따라 유체 기둥의 제어된 유속을 허용한다. 또한, 전압 신호의 제어된 역전은 상기 영역을 소수성 상태로 제어 가능하게 되돌리는데 사용될 수 있다. 이로 인해 소수성 영역은 유체가 통과한 후에 밸브로서 작동하게 되어; 유체 유동을 차단하는 소수성으로 되돌아갈 수 있다.

특정 양태에서, 유리하게 본 발명의 마이크로펌프는 최소 장치 크기를 제한하는 물리적 부품을 갖는 액츄에이터를 사용하지 않아서 특별한 적용에 대해 원하는 대로 소형화될 수 있다. 소형화에 대한 제한(즉, 현행 리소그래피 기술을 사용하여 형성될 수 있는 최소 피쳐 크기)은 현행 리소그래피 기술에서의 제한에 의해서만 부여된다. 예를 들면, 마이크로펌프를 제조하는데 사용되는 리소그래피 프로세스가 100 나노미터(nm)의 피쳐를 형성할 수 있으면, 펌프의 피쳐 크기는 약 수백 나노미터일 것이다. 100nm 리소그래피를 사용하는 경우, 본 발명에 따른 펌프는 수 아토 리터(a few atto liters)만큼 적은 양의 액체를 펌핑할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 펌프는 수 ml 또는 그보다 더 많은 양의 액체를 펌핑하는데 사용될 수 있다. 유리하게 본 발명의 제어된 소수성 작동 피처를 사용하여 액체를 펌핑하는데 요구되는 전압은 (예를 들면 약 수십 mA 또는 그보다 작은) 극도로 낮은 전류에서, 예를 들면 5볼트 또는 그보다 작은 약 20볼트이다.

제어된 소수성 작동은 마이크로 나노급 구동력과 같은 표면장력을 활용한다. 따라서, 본 발명에 따른 펌프는 펌핑 전용 액츄에이터를 필요로 하지 않는다. 또한, 특정 양태에서, 이들 펌프는 측정된 체적의 액체를 펌핑하는데 유용한 내장형 계량 피쳐를 포함한다. 이러한 측정된 체적은 수 밀리미터 내지 수 아토리터의 범위내에서 선택될 수 있다. 본 발명의 펌프 디자인은 새로운 마이크로/나노 유체공학 장치 디자인을 제시하며, 또한 그에 따라 다양한 새로운 적용을 제시한다. 예를 들면, 이들 펌프의 낮은 전력 소모 및 낮은 전압 요구조건으로 인해, 이들 펌프는 낮은 전압에서 작동하는 초소형 계량 펌프를 필요로 하는 적용에 매우 매력적이다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 통상적으로 내부면을 가지며 유체 전파의 축을 형성하는 유체 채널을 포함하는 마이크로펌프가 제공된다. 또한, 통상적으로 마이크로펌프는 상기 축의 둘레의 상기 내부면상에 배치되는 제 1 전극 링, 상기 축 둘레의 상기 내부면상에 배치되는 제 2 전극 링, 및 상기 제 2 전극 링에 씌워지는 소수성 재료의 층을 포함한다. 상기 제 2 전극 링에 전압을 인가하면, 소수성 재료는 친수성을 갖게 된다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 통상적으로 내부면을 가지며 유체 전파의 축을 형성하는 유체 채널을 포함하는 마이크로펌프가 제공된다. 또한, 통상적으로 마이크로펌프는 상기 축 둘레의 상기 유체 채널의 상기 내부면상에 배치되는 복수의 제 1 전극 링, 상기 축 둘레의 상기 유체 채널의 상기 내부면상에 배치되며, 상기 복수의 상기 제 1 전극 링들 사이에 산재되는 복수의 제 2 전극 링, 및 교번하는 소수성 영역과 친수성 영역이 상기 축을 따라서 만나도록 상기 제 2 전극 링 각각에 씌워지는 소수성 재료의 층을 포함한다. 상기 복수의 제 2 전극 링 중 선택된 하나의 제 2 전극 링에 전압이 인가되면 상기 선택된 하나의 제 2 전극 링에 씌워지는 소수성 재료가 친수성을 갖게 된다.

상기 유체 채널 내에 유체가 존재할 때 상기 소수성 재료의 층은 상기 유체에 의해 형성된 메니스커스가 상기 축을 따라서 전파되지 않도록 방지하고, 상기 제 2 전극에 전압이 인가되고 상기 소수성 재료가 친수성을 갖게 되는 경우, 모세관력이 상기 메니스커스를 상기 제 2 전극 링에 씌워지는 재료에 의해 형성되는 영역을 지나 이동시킨다. 특정 양태에서 제 2 전극에 씌워지는 소수성 재료는 CYTOP 또는 테플론과 같은 플루오로폴리머를 포함한다. 또한, 특정 양태에서, 유체 채널은 실리콘, 질화 규소, 석영, 유리, 또는 절연 금속, 플라스틱, 유전체, 전도체 또는 반도체 또는 다른 절연 재료와 같은 기판 재료로 형성된다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 제어된 양의 유체를 전달하는 방법이 제공된다. 통상적으로 이 방법은 내부면을 가지며 유체 전파의 축을 형성하는 유체 채널에 유체원을 연결하는 단계를 포함한다. 통상적으로 유체 채널은 상기 축 둘레의 상기 내부면상에 배치되는 복수의 제 1 전극 링, 상기 축 둘레의 상기 내부면상에 배치되며 상기 복수의 제 1 전극 링들 사이에 산재되는 복수의 제 2 전극 링, 및 상기 형성된 축을 따라서 교번하는 소수성 영역과 친수성 영역이 상기 유체 채널 내에서 만나도록 상기 제 2 전극 링 각각에 씌워지는 소수성 재료의 층을 포함한다. 또한, 통상적으로 이 방법은 상기 제 2 전극 링 중 선택된 연속적인 제 2 전극 링에 전압을 인가하여 상기 선택된 제 2 전극 링에 씌워지는 소수성 재료가 친수성을 갖도록 하는 전압 인가 단계를 포함하며, 상기 유체 채널 내에서 유체에 의해 형성되는 메니스커스는 소수성 영역을 통과하는 것이 방지되고, 모세관력은 상기 메니스커스를 상기 선택된 제 2 전극 링에 의해 형성되는 영역을 지나 이동시켜서 상기 선택된 제 2 전극 링의 개수에 의해 형성되는 유체의 체적을 이동시킨다.

도면 및 특허청구범위를 포함하는 본 명세서의 나머지 부분을 참조하여 본 발명의 다른 특장점이 구체화된다. 이하, 첨부 도면을 참조로 본 발명의 다양한 실시예의 구조 및 작동뿐만 아니라 본 발명의 또 다른 특장점이 설명된다. 도면에서, 동일한 참조 번호는 동일하거나 기능적으로 유사한 요소를 지시한다.

도 1(도 1a 내지 도 1c)은 일 실시예에 따른 원형 횡단면 마이크로채널로 실 시된 펌프 디자인의 다양한 도면이고,

도 2a 내지 도 2h는 본 발명에 따른 복수의 교번하는 소수성 영역 및 친수성 영역을 포함하는 유체 채널에서의 유체 전파의 측단면도이며,

도 3은 본 발명에 따라 제조된 펌프의 측면도의 사진이며,

도 4는 유체를 작동적으로 펌핑할 때의 도 3의 펌프를 찍은 일련의 스냅 사진을 나타낸 도면이며,

도 5(도 5a 내지 도 5c)는 본 발명에 따른 펌프채널을 제조하는 프로세스 흐름도이며,

도 6은 기판상에 형성되며 소수성 재료로 덮이는 편평한 직사각형 전극의 측면도이다.

도 1은 일 실시예에 따른 원형 횡단면 마이크로채널로 실시된 펌프 디자인의 다양한 도면을 도시한다. 펌프는 기판 재료(15) 내에 형성되는 채널(10)(유체 채널)을 포함한다. 유체 채널(10)은 액체 저장고와 같은 유체원(미도시)과 유체 연통한다. 유체원으로부터의 유체는 유체 채널(10)로 들어가며 모세관력에 의해 전파된다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 유체 채널의 적어도 일부분은 내부 벽상에 배치되는 소수성 및 친수성 면적 또는 영역의 교번하는 링을 포함한다.

도 1b는 유체 채널(10)의 소수성 영역의 횡단면도를 도시한다. 소수성 영역은 예를 들면 Au 또는 Pt 전극과 같은 전도성 전극(25)에 씌워지는 소수성 재료의 층(20)을 포함한다. 각각의 소수성 영역은 소수성 재료의 아래에 놓이는 전극 및 채널(10) 내의 유체를 가로질러 전기장을 인가함으로써 친수성을 갖도록 형성될 수 있다. 또한, 하나 이상의 전도성 전극(30), 예를 들면 Au 또는 Pt 전극이 소수성 영역 외부의 채널에 위치된다. 이들 전극(30)은 본 명세서에서 나전극 또는 노출된 전극(30)으로 지칭될 것이며, 소수성 영역 내의 전극(25)과 달리 유체 채널 내의 유체와 접촉할 수 있으며, 소수성 영역은 바람직하게는 소수성 재료의 층 또는 막(20)의 완전히 아래에 놓인다. 일 양태에서, 도 1c에 도시된 바와 같이 노출된 전극(30)이 음의 단자에 연결되는 반면, 소수성 영역 아래의 전극(25)은 전원의 양의 단자에 연결된다.

유체 채널 내에 유체가 존재할 때 소수성 영역은 유체에 의해 형성되는 메니스커스 및 메니스커스 뒤의 유체 기둥이 소수성 영역을 지나 전파되는 것을 방지한다. 전압이 인가되지 않은 경우, 소수성 영역은 소수성으로 남아 있다. 이러한 소수성 영역에 씌워지는 전극(25)과 (노출된 전극을 통과하는) 유체 사이에 전압 신호가 인가되면, 소수성 재료는 친수성을 갖게 되고, 유체 기둥은 다음 소수성 영역을 만날 때까지 유체 채널(10) 내에서 전파되며, 다음 소수성 영역을 만날 때, 메니스커스는 진행이 방지되고 유체 기둥은 전파가 중지된다. 유체 기둥은 주로 모세관력에 의해 전파되며, 시스템 내에 존재하는 임의의 불필요한 기포를 자동으로 제거한다.

도 2는 본 발명에 따른 복수의 교번하는 소수성 영역 및 친수성 영역을 포함하는 유체 채널(10) 내에서 전파되는 유체 기둥(40)의 측단면도를 도시한다. 소수성 영역은 전극(25)에 씌워지는 소수성 막(20)(도 2에 미도시)에 의해 형성되며, 친수성 영역은 소수성 재료에 의해 덮이지 않는 영역에 의해 형성된다. 도시된 바와 같이, 친수성 영역 내에는 노출된 전극(30)이 위치된다. 일 양태에서, 단 하나의 노출된 전극(30₁)만이 사용될 필요가 있다. 그러나 복수의 노출된 전극(30)이 채널 전체에 걸쳐서 위치되고 소수성 영역들 사이에 산재되어서 소수성 영역 각각에 요구되는 작동 전압을 감소시키는 것이 바람직하다. 예를 들면, 일 실시예에서, 노출된 전극(30)은 노출된 전극과 덮인 전극 쌍을 형성하도록 소수성 영역들 사이에 산재된다. 당업자는, 2개의(또는 그보다 많은) 덮인 전극마다 하나의 노출된 전극과 같이 상이한 개수의 노출된 전극 및 덮인 전극이 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 이러한 경우, 노출된 전극으로부터의 거리에 따라 덮인 전극과 노출된 전극 사이에 상이한 전압을 가하는 것이 유용할 수 있다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 전파성 유체 기둥(40)의 메니스커스(45)는 친수성 영역에서 전파될 때 유체 채널(10)의 내벽에 대한 접촉 각도(50)로 연장된다. 메니스커스(45)에 의해 형성된 접촉 각도(50)는 유체와 표면 사이의 계면 인장력, 유체와 대기(메니스커스를 둘러싸는 채널 내의 공기, 가스 또는 액체) 사이의 표면 인장력, 및 대기와 표면 사이의 표면 인장력의 함수이다. 메니스커스(45)가 소수성 영역(20)에 도달하면, 도 2b에 도시된 바와 같이 메니스커스(45)는 유체 채널(10)의 내부 벽에 대하여 일정한 각도(55)를 형성한다. 이러한 일정한 각도(55)는 소수성 영역과 친수성 영역 사이의 계면에서 소수성 표면, 유체, 그리고 공기 사이의 표면 장력에 의해 형성된다. 메니스커스(45) 및 그에 따라 메니스커스 뒤 의 유체 기둥(40)은 소수성 영역에서 소수성 재료의 특성으로 인해 유체 채널에서 전파되는 것이 방지된다. 볼 수 있는 바와 같이, 메니스커스는 유체가 전파되거나 소수성 영역에 의해 유지되는지 여부에 따라 오목한 프로파일과 볼록한 프로파일 사이에서 변화한다.

이러한 소수성 영역을 지나는 메니스커스의 전파를 제어하기 위해, 도 2c에 도시된 바와 같이 전극(25, 30)에 전압 신호가 인가되어 이러한 소수성 영역을 친수성 상태로 변화시킨다. 예를 들면 5V의 전압이 인가되면, 전극(25)에 씌워지는 소수성 재료는 친수성을 갖게 되고, 메니스커스는 다시 유체 채널을 따라 전파된다. 유체 채널의 내부 벽과 접촉으로 형성되는 각도는 도 2d에 도시된 바와 같이 소수성 영역의 친수성 상태(현재)로 인해 변화한다. 유체 기둥(40)이 통과한 후, 친수성 상태로 변화되었던 영역은 자신의 본래 소수성 상태로 다시 복귀할 수 있다. 그러나 소수성 상태로의 복귀는, 메니스커스(45)가 이미 이 영역을 통과했기 때문에 통과한 유체 기둥(40)의 일부분에 거의 또는 전혀 영향을 주지 않을 것이다. 특정 양태에서, 전극(25)에 인가된 전압은 메니스커스의 통과 후에 꺼지거나 역전될 수 있다. 이로 인해 채널(10) 내의 유체 유동이 이러한 소수성 영역에서 제어 가능하게 차단될 수 있다. 예를 들면, 소수성 상태로 복귀하면, 영역(30)은 유체 유동을 차단할 것이며, 새로운 메니스커스가 소수성-친수성 계면에 형성될 것이다. 다른 소수성 영역에 의해 정지되지 않으면, 이미 통과한 유체는 모세관력으로 인해 채널(100)에서 계속 전파될 것이다.

도 2a 내지 도 2d와 유사하게, 도 2e 내지 도 2h는 메니스커스(45) 및 유체 기둥(40)을 나타내며, 유체 기둥은 유체 채널(10)을 통해 더 전파되고(도 2e), 후속 소수성 영역과 만나며(도 2f), 이 소수성 영역은 친수성 상태로 선택적으로 전환되어(도 2g) 메니스커스 및 유체 기둥이 통과할 수 있도록 한다(도 2h). 이러한 방식으로, 유체 기둥의 전파는 유체 채널 내에서 유체 기둥에 의해 만나게 된 각각의 소수성 영역의 상호 작용 상태를 선택적으로 제어함으로써 제어될 수 있다. 예를 들면, 연속적인 유체 유동이 정확하게 제어되어 펌핑될 수 있다. 또한, 물 또는 물속에 방치된 염 이온의 용액과 같은 임의의 이온 유체가 본 발명의 펌프를 사용하여 펌핑될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 유체를 펌핑하거나 전달하는 방법은 전술한 바와 같이 액체 저장고와 같은 유체원을 유체 채널에 연결하는 단계를 포함한다. 유체 채널은 유체 전파의 축을 형성하는 내부면을 포함한다. 통상적으로 유체 채널은 축 둘레의 채널의 내부면상에 배치되는 하나 이상의 노출된 제 1 전극 링 및 축 둘레의 채널의 내부면상에 배치되는 복수의 제 2 전극 링을 포함하며, 제 2 전극 링 각각에는 소수성 재료의 층이 씌워진다. 바람직하게 내부면상의 노출된 내부면 및 노출된 전극 링(들)은 친수성이다. 복수의 노출된 전극이 포함되는 경우, 바람직하게 노출된 전극들은 복수의 덮인 전극 링들 사이에 산재된다(예를 들면, 2개의 덮인 전극마다 하나의 노출된 전극). 소수성 재료의 층이 각각의 제 2 전극 링에 씌워지기 때문에, 교번하는 소수성 영역과 친수성 영역은 축을 따라 유체 채널 내에서 전파되는 유체에 의해 만나게 된다. 유체 채널 내의 유체에 의해 형성되는 메니스커스는 메니스커스가 만나는 제 1 소수성 영역을 지나는 것이 방지된다.

또한, 통상적으로 이 방법은 제 1 소수성 영역의 기초가 되는 전극 링부터 시작하여 제 2 전극 링 중 선택된 연속적인 제 2 링에 전압을 인가해서 상기 선택된 제 2 전극 링에 씌워지는 소수성 재료가 친수성을 갖게 되는, 전압 인가 단계를 포함한다. 모세관력은 선택된 제 2 전극 링에 의해 형성되는 영역을 지나 상기 메니스커스를 이동시켜서, 전압이 인가된 상기 선택된 제 2 전극 링의 개수에 의해 부분적으로 형성되는 유체의 체적을 이동시킨다. 유체 채널의 관련 치수에 따라, 전달되는 유체 체적은 1 또는 몇 아토리터로부터 피코리터, 나노리터, 밀리리터 등까지의 범위일 수 있다. 원할 경우, 유체 유동은 통합된 밸브를 사용하거나 유체원을 차단함으로써 정지될 수 있다.

바람직한 양태에서, 유체 채널은 표준 포토리소그래피 기술을 사용하여 실리콘 기판에 형성된다. 다른 유용한 기판 재료는 절연 금속, 비절연 금속, 절연 반도체, 및 절연체를 포함한다. 특정한 예시는 실리콘, 질화 규소, 석영, 유리 및 다른 재료를 포함한다. 다른 재료는 당업자에게 자명한 바와 같이 사용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 바람직하게 본 발명에 따른 유체 채널은 예를 들면 도 1에 도시된 바와 같이 원형 횡단면을 갖는다. 그러나 유체 채널은 예를 들면 달걀형 또는 타원형, 정사각형, 직사각형, 삼각형, 육각형 등과 같은 임의의 횡단면 구조를 가질 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 특정 양태에서 유체 채널은 특정한 적용에 적합한 치수를 가져야 한다. 예를 들면 원형 횡단면의 일 실시예에서, 유체 채널은 약 100㎛ 또는 그보다 작은 직경을 갖는다. 직경(또는 다른 횡단면 구조의 채널의 관련 치수)은 mm 또는 cm 범위까지의 포토리소그래피 처리의 한 계(예를 들면 일반적으로 100nm 정도)에 따른 범위일 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

바람직한 양태에서, 소수성 재료의 층(들)의 재료에는 CYTOP 플루오로폴리머가 사용되고, 전극에는 금(Au)이 사용된다. 대체로, 소수성 재료의 층(들)의 유용한 재료는 예를 들면 적합한 역 전압 신호를 인가하면 소수성 상태로 역전될 수 있도록 충분히 높은 유전 상수를 갖는 임의의 절연 재료를 포함한다. 예시는 CYTOP, 테플론, PTFE, PFA, FEP, ETFE, CTEE 및 그밖의 것과 같은 플루오로폴리머, 및 세라믹, 산화물, 나이트라이드, 옥시나이트라이드 등과 같은 다른 재료를 포함한다. 전극에 유용한 재료는 전도성 금속, 반도체, 및 전도성 폴리머를 포함한다. 예시는 Au, Pt, Al 및 그 밖의 금속, 및 실리콘, 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리페닐렌비닐렌 등과 같은 다른 재료를 포함한다. 전극에 사용되는 재료는 전극과 상이할 수 있음이 이해되어야 한다. 예를 들면, 노출된 전극은 덮인 전극에 사용되는 재료와 상이한 재료를 포함할 수 있다. 또한, 상이한 덮이거나 노출된 전극에 사용되는 재료는 변경될 수 있다. 전극은, 원할 경우 덮인 전극이 소수성 재료로 제조될 수 있지만, 친수성 재료로 제조되어 전극이 유체 유동에 영향을 주지 않도록 방지하는 것이 바람직하다.

또한, 전극의 치수 및 전극들 사이의 간격은 변경될 수 있다. 바람직한 양태에서, 노출된 전극 및 덮인 전극의 두께는 약 100nm 또는 그보다 더 작은 두께 내지 약 1㎛ 또는 그보다 더 큰 두께의 범위이며, 폭은 약 10nm 또는 그보다 더 작은 폭 내지 약 1mm 또는 그보다 더 큰 폭, 바람직하게는 약 100nm 내지 약 10㎛의 범위일 것이다. 폭 및 두께는 전극 사이에서 변화할 수 있다. 또한, 바람직한 양태에서, 통상적으로 노출된 전극 및 덮인 전극은 약 1nm 내지 약 10nm 또는 그보다 더 큰 범위의 거리만큼 서로로부터 변위된다. 일 양태에서, 노출된 전극과 덮인 전극 쌍 사이의 거리는 유체 채널에 걸쳐서 실질적으로 동일하며, 전극 쌍 내의 노출된 전극과 덮인 전극 사이의 거리는 유체 채널에 걸쳐서 전극 쌍에 대한 것과 실질적으로 동일하다. 그러나 이들 거리는 유체 채널에 걸쳐서 전극 쌍들 사이에서 변경될 수 있다. 예를 들면, 전극 쌍들 사이 또는 전극 쌍 내의 사이 거리는 씌워지는 소수성 재료의 층의 치수에 따라 변경될 수 있다.

일 양태에 따르면, 소수성 재료의 층은 유체 채널의 치수 및 원하는 펌프 적용에 따라 약 1nm 또는 그보다 더 작은 범위 내지 약 10mm 또는 그보다 더 큰 범위의 폭을 갖는다. 또한, 일 양태에서, 소수성 재료의 층은 약 1nm 또는 그보다 더 작은 두께 내지 약 100nm 또는 그보다 더 큰 두께를 갖는다. 대체로, 요구되는 소수성 재료의 층의 치수는 부분적으로 사용되는 재료, 유체 채널의 치수, 및 펌프의 원하는 적용에 좌우될 것이다. 마찬가지로, 기초가 되는 전극의 치수 및 재료는 씌워지는 소수성 재료의 층의 치수 및 재료에 부분적으로 좌우될 수 있다. 바람직하게 소수성 막 층을 밑에 놓는 전극의 폭은 막 층의 폭보다 작다. 예를 들면, 일 실시예에서, 밑에 놓이는 전극은 소수성 막 층보다 약 2㎛ 내지 약 5㎛만큼 더 짧다(더 좁다). 전극의 치수는 인가되는 전위, 메니스커스의 접촉 각도가 변화되게 하는 시간, 및 일반적으로 펌프의 성능을 결정할 것이다. 따라서, 당업자는 유용한 전극 및 소수성 영역 구성 및 재료를 용이하게 이해할 것이다.

유리하게, 본 발명에 따른 펌프는 약 30볼트 이하, 바람직하게는 20볼트 이하의 인가된 전압을 사용하여 작동할 수 있다. 특정 양태에서, 약 5볼트 또는 그보다 낮은 전압이 노출된 전극과 덮인 전극 사이에 인가되어 씌워지는 소수성 재료를 친수성 상태로 전환시킬 수 있다. 대체로, 본 발명에 따른 펌프는 소수성 재료의 층의 두께를 최적화함으로써 더 낮은 전압에서 작동될 수 있다. 또한, 덮인 전극 및 노출된 전극은 가까이 인접하여 배치되어서 필요한 작동 전압을 감소시키는 것이 바람직하다. 그러나 전술한 바와 같이, 노출된 전극은 하나보다 많은 덮인 전극과 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 펌프는 임의의 이온 액체를 펌핑하는데 사용될 수 있다.

이하, 도 5를 참조하여 예를 들면 본 발명의 작동 특성을 포함하는 기판(예를 들면 전극 및 소수성 재료의 층) 내의 유체 채널과 같은 펌프를 형성하는 프로세스의 일례가 설명될 것이며, 이 일례는 직사각형 횡단면 채널을 제조하는 프로세스를 나타낸다. 당업자는 약간 변형된 유사한 기술을 사용하여 다른 횡단면 구조를 갖는 채널이 제조될 수 있음을 이해할 것이다.

도 5에 도시된 예시에서, 마이크로채널을 제조하는데 표준 실리콘/유리 마이크로제조 기술이 사용된다. 먼저, 실리콘 및 유리 웨이퍼가 표준 세척 기술을 사용하여 세척된다. 마이크로채널에 대하여 포토레지스트는 실리콘 웨이퍼상에 스핀 코팅된 후 마이크로채널 패턴을 포함하는 포토마스크에 노출된다. 현상 후에, 마이크로채널 패턴이 포토레지스트에 전사된다. 에칭, 예를 들면, BHF 에칭이 패턴 된 영역상의 SiO₂를 제거하는데 사용된다. 그 후, 습식 에칭(예를 들면 KOH, 40%+60℃)를 사용하여, 원하는 깊이로, 예를 들면 약 100㎛ 깊이로 채널이 에칭된다. 유리 상의 전극에 대하여, 유리 상에 있는 포토레지스트상에 패턴을 전사하는데 포토리소그래피 프로세스가 사용된다. 전극은 웨이퍼 상에 Cr(예를 들면 100nm 두께) 및 Au(예를 들면 200nm 두께)를 스퍼터링함으로써 형성된다. 그 후 패턴 전극을 얻기 위해 리프트 오프(lift-off)가 실행된다. 그 후, 예를 들면 CYTOP과 같은 소수성 재료가 증착될 수 있으며, 예를 들면 공지된 바와 같이 스핀 코팅, 노출, 현상 및 에칭될 수 있다. 예를 들면, 도 6은 기판상에 형성되며 소수성 재료로 덮이는 편평한 직사각형 전극의 측면도를 도시한다. 전술한 내용은 유체 채널을 만드는 가능한 방법의 예시이며, 원할 경우 다른 추가적인 또는 대안적인 재료, 파라미터 및 프로세스 단계가 사용될 수 있음이 이해되어야 한다.

도 3은 본 발명에 따라 제조된 펌프의 측면도의 사진이다. 도시된 바와 같이, 펌프는 CYTOP으로 덮인 복수의 전극 링 및 유체 채널을 포함한다. 또한, 덮인 전극에 인접한 복수의 노출된 전극 링이 도시된다. 채널 폭, 깊이, 및 전극 간격은 몇 nm 내지 몇 mm의 범위이다. 도 4는 유체를 작동적으로 펌핑하는 도 3의 펌프의 일련의 스냅 사진을 도시한다. 도시된 바와 같이, 유체 유동의 방향은 유체 채널에서 좌측으로부터 우측으로이다. 덮인 전극과 노출된 전극 사이에 전위를 인가하면, 유체 통로의 메니스커스는 CYTOP 덮인 전극에 의해 형성되는 영역을 건너서 통과한다.

본 발명의 범주 내에서 본 발명의 펌프에 대한 다양한 변형예가 가능함이 이해될 것이다. 예를 들면 전극 링은 예를 들면 직사각형 횡단면을 갖는 채널과 같이 다른 구조를 갖는 전극으로 대체될 수 있으며, 전극은 직사각형이며 편평하게 제조될 수 있다.

일 실시예에서, 소수성 코팅은 자체 조립 단층(self assembled monolayer; SAM)을 포함한다. 채널 내의 유체 및 전극 사이에 전기장을 인가함으로써, 친수성 전극을 노출시키는 소수성 자체 조립 단층(SAM)이 제거(예를 들면 분해)되어, 모세관 현상이 유체를 이동시킬 수 있도록 한다. 이러한 프로세스는; 적합한 가역적 바이어스 전압을 제공함으로써 가역적이며, 자체 조립 단층(SAM) 코팅은 소수성 영역을 만들도록 조립 또는 재조립될 수 있다. 다른 실시예에서, 소수성 영역상의 코팅은 저유전 파괴전압을 갖는 얇은 막을 포함한다. 유전체가 파괴되면, 소수성 표면은 친수성을 갖게 되고 액체는 채널을 통해 전파된다. 일반적으로 이러한 프로세스는 가역적이지 않다.

본 발명은 특정 실시예에 의해 예로서 설명되었지만, 본 발명은 공개된 실시예에만 한정되지 않는다. 반대로, 본 발명은 당업자에게 명백한 바와 같이 다양한 변형 및 유사한 조정을 포함하기 위한 것이다. 예를 들면, 당업자는 본 발명의 펌프가 본 발명의 제어된 소수성 작동 특성을 이용하여 채널의 전후방으로 유체를 펌핑하는데 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 상이한 구조 및 치수 중 하나 이상을 갖는 (작동 특성을 갖거나 갖지 않는)유체 채널이 연속적으로 유체 연결될 수 있다. 또한, 노출되거나 덮여 있는지 여부에 관계없이 전극은 채널을 둘러싸지 않을 필요가 있으며, 예를 들면 전극은 원형 채널의 일부분 또는 직사각형 채널의 일 측면만을 덮을 수 있다. 따라서 첨부된 특허청구범위의 범주는 이러한 변형 및 유사한 조정을 모두 포함하도록 가장 넓은 해석과 일치되어야 한다.

Claims

내부면을 가지며 유체 전파의 축을 형성하는 유체 채널;

상기 축 둘레의 상기 내부면상에 배치되는 제 1 전극 링;

상기 축 둘레의 상기 내부면상에 배치되는 제 2 전극 링; 및

상기 제 2 전극 링에 씌워지는 소수성 재료의 층;을 포함하며,

상기 유체 채널 내에 유체가 존재할 때 상기 제 1 전극 링과 상기 제 2 전극 링 사이에 전압을 인가하면 상기 소수성 재료가 친수성을 갖게 되는

마이크로펌프.
제 1 항에 있어서,

상기 유체 채널 내에 유체가 존재할 때 상기 소수성 재료의 층이 상기 유체에 의해 형성된 메니스커스가 상기 축을 따라서 전파되는 것을 방지하고,

상기 제 2 전극 링에 전압이 인가되고 상기 소수성 재료가 친수성을 갖게 되는 경우, 모세관력이 상기 메니스커스를 상기 제 2 전극 링에 의해 형성되는 영역을 지나 이동시키는

마이크로펌프.
제 1 항에 있어서,

상기 소수성 재료가 실질적으로 높은 유전 상수를 갖는 절연 재료를 포함하는

마이크로펌프.
제 1 항에 있어서,

상기 소수성 재료가 플루오로폴리머를 포함하는

마이크로펌프.
제 4 항에 있어서,

상기 플루오로폴리머가 CYTOP, 테플론 및 지르코늄 옥시나이트라이드로 이루어진 그룹으로부터 선택되는

마이크로펌프.
제 1 항에 있어서,

상기 유체 채널이 실리콘, 질화 규소, 석영, 폴리머, 플라스틱 및 유리로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 기판 재료로 형성되는

마이크로펌프.
제 1 항에 있어서,

상기 유체 채널이 절연 금속, 절연 비금속, 절연 반도체, 유전체, 세라믹, 절연 전도체, 및 절연체로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 기판 재료로 형성되는

마이크로펌프.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 전극 링이 금속, 반도체, 세라믹, 및 전도성 폴리머로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 전도성 재료를 포함하는

마이크로펌프.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 전극 링이 Au 및 Pt로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 금속을 포함하는

마이크로펌프.
제 1 항에 있어서,

상기 제 2 전극 링이 금속, 반도체, 세라믹, 및 전도성 폴리머로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 전도성 재료를 포함하는

마이크로펌프.
제 1 항에 있어서,

상기 제 2 전극 링이 상기 제 1 전극 링과 상이한 재료를 포함하는

마이크로펌프.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 전극 링 및 상기 제 2 전극 링이 상기 유체 채널 내에서 서로로부터 약 1nm 내지 약 10nm 변위되는

마이크로펌프.
제 1 항에 있어서,

상기 소수성 재료의 층의 폭은 약 0.1nm 내지 약 10mm의 범위이고, 상기 소 수성 재료의 층의 두께는 약 1nm 내지 약 100nm의 범위인

마이크로펌프.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 전극 링 및 상기 제 2 전극 링에 인가된 전압이 30V 내지 0.1V의 범위인

마이크로펌프.
제 1 항에 있어서,

상기 유체 채널이 원형, 직사각형, 타원형, 육각형, 및 팔각형으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 횡단면 구조를 갖는

마이크로펌프.
제 15 항에 있어서,

상기 유체 채널의 원형 횡단면이 약 100㎛보다 작은 직경을 갖는

마이크로펌프.
내부면을 가지며 유체 전파의 축을 형성하는 유체 채널;

상기 축 둘레의 상기 내부면상에 배치되는 하나 이상의 제 1 전극 링;

상기 축 둘레의 상기 내부면상에 배치되는 복수의 제 2 전극 링; 및

상기 축을 따라서 교번하는 소수성 영역과 친수성 영역이 만나도록 상기 제 2 전극 링 각각에 씌워지는 소수성 재료의 층;을 포함하고,

상기 제 2 전극 링이 상기 하나 이상의 제 1 전극 링 사이에 산재되며,

상기 유체 채널 내에 유체가 존재할 때 상기 하나 이상의 제 1 전극 링 중 하나의 제 1 전극 링과 상기 복수의 제 2 전극 링 중 선택된 하나의 제 2 전극 링 사이에 전압을 인가하면 상기 선택된 하나의 제 2 전극 링에 씌워지는 소수성 재료가 친수성을 갖게 되는

마이크로펌프.
제 17 항에 있어서,

상기 유체 채널 내에 유체가 존재할 때 소수성 재료의 층이, 상기 유체에 의해 형성되는 메니스커스가 통과하는 것을 방지하며, 상기 선택된 제 2 전극 링에 전압이 인가되고 상기 씌워지는 소수성 재료가 친수성을 갖게 되는 경우, 모세관력이 상기 메니스커스를 상기 선택된 제 2 전극 링에 의해 형성되는 영역을 지나 이동시키는

마이크로펌프.
제 17 항에 있어서,

전압의 인가에 의해 활성화되는 다수의 연속적인 제 2 링에 의해 결정된 바에 따라 상기 마이크로펌프를 통해 체적이 제어된 유체가 펌핑되는

마이크로펌프.
제 17 항에 있어서,

상기 소수성 재료가 유전 재료 또는 절연 재료를 포함하는

마이크로펌프.
제 17 항에 있어서,

상기 소수성 재료가 플루오로폴리머를 포함하는

마이크로펌프.
제 21 항에 있어서,

상기 플루오로폴리머가 CYTOP, 테플론, 및 지르코늄 옥시나이트라이드로 이루어진 그룹으로부터 선택되는

마이크로펌프.
제 17 항에 있어서,

상기 유체 채널이 절연 금속, 절연 비금속, 절연 반도체, 및 절연 전도체 및 절연체로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 기판 재료로 형성되는

마이크로펌프.
제 17 항에 있어서,

상기 유체 채널이 실리콘, 질화 규소, 석영, 및 유리로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 기판 재료로 형성되는

마이크로펌프.
제 17 항에 있어서,

상기 제 1 전극 링 각각이 금속, 반도체, 및 전도성 폴리머로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 전도성 재료를 포함하는

마이크로펌프.
제 17 항에 있어서,

상기 제 1 전극 링 각각이 Au 및 Pt로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 금속을 포함하는

마이크로펌프.
제 17 항에 있어서,

상기 제 2 전극 링 각각이 금속, 반도체, 및 전도성 폴리머로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 전도성 재료를 포함하는

마이크로펌프.
제 17 항에 있어서,

하나 이상의 제 2 전극 링이 상기 제 1 전극 링 중 하나 이상의 제 1 전극 링과 상이한 재료를 포함하는

마이크로펌프.
제 17 항에 있어서,

연속적인 제 1 전극 링 및 제 2 전극 링이 상기 유체 채널 내에서 서로로부터 약 1nm 내지 약 10nm 변위되는

마이크로펌프.
제 17 항에 있어서,

각각의 소수성 재료의 층의 폭이 약 0.1nm 내지 약 10mm의 범위이고, 상기 소수성 재료의 층의 두께가 약 1nm 내지 약 100nm의 범위인

마이크로펌프.
제 17 항에 있어서,

선택된 제 2 전극 링 각각 및 상기 제 1 전극 링에 인가된 전압이 30V 내지 0.1V의 범위인

마이크로펌프.
제 17 항에 있어서,

상기 유체 채널이 원형, 직사각형, 타원형, 육각형, 및 팔각형으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 횡단면 구조를 갖는

마이크로펌프.
제 32 항에 있어서,

상기 유체 채널의 횡단면이 약 100㎛보다 작은 직경을 갖는

마이크로펌프.
제어된 양의 유체를 전달하는 방법으로서,

내부면을 가지며 유체 전파의 축을 형성하는 유체 채널에 유체원을 연결하는 단계로서, 상기 유체 채널이:

상기 축 둘레의 상기 내부면상에 배치되는 하나 이상의 제 1 전극 링;

상기 축 둘레의 상기 내부면상에 배치되며 상기 하나 이상의 제 1 전극 링들 사이에 산재되는 복수의 제 2 전극 링; 및

교번하는 소수성 영역과 친수성 영역이 상기 축을 따라서 상기 유체 채널 내에서 만나도록 상기 제 2 전극 링 각각에 씌워지는 소수성 재료의 층;을 포함하는, 유체원 연결 단계; 및

상기 제 1 전극 링 중 선택된 제 1 전극 링과 상기 제 2 전극 링 중 연속적 으로 선택된 제 2 전극 링 사이에 전압을 인가하여 상기 선택된 제 2 전극 링에 씌워지는 소수성 재료가 친수성을 갖게 되는, 전압 인가 단계를 포함하며,

상기 유체 채널 내에서 유체에 의해 형성되는 메니스커스가 소수성 영역을 통과하는 것이 방지되고,

모세관력이 상기 메니스커스를 상기 선택된 제 2 전극 링에 의해 형성되는 영역을 지나 이동시켜서 상기 선택된 제 2 전극 링의 개수에 의해 형성되는 유체의 체적을 이동시키는

제어된 양의 유체를 전달하는 방법.
제 34 항에 있어서,

상기 유체 채널이 원형, 직사각형, 타원형, 육각형, 및 팔각형으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 횡단면 구조를 갖는

제어된 양의 유체를 전달하는 방법.
제 35 항에 있어서,

상기 유체 채널의 횡단면이 약 100㎛보다 작은 직경을 갖는

제어된 양의 유체를 전달하는 방법.
제 34 항에 있어서,

연속적인 상기 제 1 전극 링 및 상기 제 2 전극 링이 상기 유체 채널 내에서 서로로부터 약 1nm 내지 약 10nm 변위되는

제어된 양의 유체를 전달하는 방법.
제 34 항에 있어서,

각각의 소수성 재료의 층의 폭이 약 0.1nm 내지 약 10mm의 범위이고, 각각의 소수성 재료의 층의 두께가 약 1nm 내지 약 100nm의 범위인

제어된 양의 유체를 전달하는 방법.
제 34 항에 있어서,

상기 선택된 제 2 링 각각 및 상기 제 1 전극에 인가된 전압이 30V 내지 0.1V의 범위인

제어된 양의 유체를 전달하는 방법.
제 34 항에 있어서,

연속적인 제 2 전극 링 사이의 간격이 변화하고, 이동되는 유체의 체적이 상기 선택된 제 2 전극 링 사이의 간격에 기초하는

제어된 양의 유체를 전달하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 전극 링 및 제 2 전극 링에 전압을 제공하는 전압원을 더 포함하는

마이크로펌프.
제 17 항에 있어서,

상기 제 1 전극 링 및 상기 선택된 제 2 전극 링에 전압을 제공하는 전압원을 더 포함하는

마이크로펌프.