KR20080107212A - 유체 컨테이너를 구비한 미세유동 장치 - Google Patents

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조윤경
이범석
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Abstract

본 발명은, 유체를 이송하기 위한 채널(channel)을 구비한 기판; 적어도 한 종류의 유체를 수용하고, 상기 유체를 상기 채널로 흘려 보낼 수 있게 상기 기판 상에 배치된 유체 컨테이너(fluid container); 및, 상기 유체 컨테이너로부터 상기 채널을 향한 유체의 흐름을 제어하는 유체 흐름 제어 수단;을 구비한 것을 특징으로 하는 미세유동 장치를 제공한다.

Description

유체 컨테이너를 구비한 미세유동 장치{Microfluidic apparatus with fluid container}
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 미세유동 장치를 도시한 평면도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 미세유동 장치에서 유체 이송 과정을 순차적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2a의 컨테이너 리드(lid)를 확대 도시한 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세유동 장치에서 유체 이송 과정을 순차적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 미세유동 장치를 도시한 분해 사시도이다.
도 6a 및 도 6b는 도 5의 미세유동 장치에서 유체 이송 과정을 순차적으로 도시한 평면도이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 미세유동 장치를 도시한 평면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
50 ...스핀들 모터 60 ...에너지원
100 ...미세유동 장치 101 ...기판
105 ...홈부 112 ...챔버
120 ...채널 140 ...유체 컨테이너
142 ...유체 수용 공간 150 ...컨테이너 리드(lid)
본 발명은 미세유체공학(microfluidics)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판 두께로 인한 제한을 극복하고 많은 양의 유체를 수용할 수 있는 유체 컨테이너를 구비한 미세유동 장치에 관한 것이다.
일반적으로 미세유체공학 분야에서 소량의 유체를 이용한 작업에 사용되는 미세유동 장치에는 소량의 유체를 가두어 둘 수 있는 챔버와, 유체가 흐를 수 있는 채널과, 유체의 흐름을 제어하는 밸브가 포함된다. 소형의 칩(chip) 상에서 생화학적 반응을 포함한 시험을 수행할 수 있도록 제작된 장치를 바이오칩(bio-chip)이라 하고, 특히 여러 단계에 걸친 유체의 처리 및 조작을 하나의 칩에서 수행할 수 있도록 제작된 장치를 랩온어칩(lab-on-a-chip)이라 한다.
미세유동 장치 내에서 유체를 이송하기 위해서는 구동 압력이 필요한데, 구동 압력으로서 모세관압이 이용되기도 하고, 별도의 펌프에 의한 압력이 이용되기도 한다. 최근에는 챔버 및 채널을 배치한 디스크 형상의 미세유동 장치를 회전시켜 원심력에 의해 유체를 구동하는 원심력 기반의 미세유동 장치들이 제안되고 있다. 이를 일컬어 랩씨디(Lab CD) 또는 랩온어씨디(Lab-on-a-CD)라 하기도 한다.
상기 미세유동 장치를 이용하여 생화학 검사를 수행함에 있어서, 특정 작업 과정에서 다량의 유체가 필요한 경우가 있다. 예컨대, 간기능 검사를 수행하는 경우에 시료인 전혈(WB: whole blood)의 필요량의 수백 내지 천 배에 달하는 버퍼(buffer) 용액이 필요하다. 그런데, 통상적으로 상기 미세유동 장치의 챔버 및 채널은 편평한 기판의 내부에 형성되었기 때문에, 버퍼를 수용하는 챔버의 용량을 크게 하기 위해서는 기판을 크게 하여야 한다는 문제점이 있다. 또한, 기판 내에 챔버 및 채널의 배치를 쉽게 할 수 없어 미세유동 장치의 제조 비용이 상승되며, 집적된 미세유동 장치를 구현하기 어렵다는 문제점도 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기판 두께로 인한 제한을 극복하고 많은 양의 유체를 수용할 수 있는 유체 컨테이너를 구비한 미세유동 장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 유체를 이송하기 위한 채널(channel)을 구비한 기판; 적어도 한 종류의 유체를 수용하고, 상기 유체를 상기 채널로 흘려 보낼 수 있게 상기 기판 상에 배치된 유체 컨테이너(fluid container); 및, 상기 유체 컨테이너로부터 상기 채널을 향한 유체의 흐름을 제어하는 유체 흐름 제어 수단;을 구비한 것을 특징으로 하는 미세유동 장치를 제공한다.
바람직하게는, 상기 유체 컨테이너는 상기 기판에 접착 고정될 수 있다.
바람직하게는, 상기 유체 컨테이너는 상기 기판에 분리 가능하게 부착될 수 있다.
바람직하게는, 상기 미세유동 장치는 회전 구동력을 제공하는 모터에 장착되어 회전 가능하게 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 유체 컨테이너는 상기 채널보다 상기 미세유동 장치의 회전 중심에 더 가깝게 배치될 수 있다.
바람직하게는, 상기 유체 컨테이너는, 그 내부에 유체를 수용하고 파열 가능하게 밀봉된 유체 파우치(pouch)를 더 구비할 수 있다.
바람직하게는, 상기 유체 흐름 제어 수단은 상기 유체 컨테이너에 수용된 유체의 임의적 유출을 방지하며, 전자기파의 에너지에 의해 파열 또는 용융되는 컨테이너 리드(lid)를 구비할 수 있다.
바람직하게는, 상기 컨테이너 리드에 전자기파가 입사될 수 있게 상기 유체 컨테이너의 적어도 일부는 투명할 수 있다.
바람직하게는, 상기 컨테이너 리드는 전자기파 흡수 물질이 도포된 박막을 구비할 수 있다.
바람직하게는, 상기 박막은 금속으로 이루어질 수 있다.
바람직하게는, 상기 유체 컨테이너는 상기 기판에 대하여 회동 또는 슬라이딩 가능하게 상기 기판에 부착되며, 상기 유체 흐름 제어 수단은 상기 유체 컨테이너에 수용된 유체의 임의적 유출을 방지하는 컨테이너 리드(lid)를 구비할 수 있다.
바람직하게는, 상기 기판은 상기 유체 컨테이너가 상기 기판에 대하여 회동 또는 슬라이딩될 때 상기 컨테이너 리드와 접촉하여 상기 컨테이너 리드를 파열시키는 파열 수단을 더 구비할 수 있다.
바람직하게는, 상기 컨테이너 리드는 박막을 구비하며, 상기 파열 수단은 상기 컨테이너 리드를 향해 돌출된 핀(pin)을 구비할 수 있다.
바람직하게는, 상기 유체 컨테이너는 적어도 두 종류의 유체를 분리 수용할 수 있도록 복수 개의 유체 수용 공간을구비하고, 상기 복수 개의 유체 수용 공간은 각 유체 수용 공간의 크기, 각 유체 수용 공간 외부의 색상, 또는 각 유체 수용 공간 외부에 형성된 문양에 의하여 서로 구별될 수 있다.
바람직하게는, 상기 유체 흐름 제어 수단은 상전이 물질(phase transition material)을 포함하여 이루어지고, 상기 채널에서 경화(硬化)되어 상기 채널을 폐쇄하고, 전자기파의 에너지에 의해 용융되어 상기 채널을 개방하는 밸브(valve)를 구비할 수 있다.
바람직하게는, 상기 상전이 물질은 왁스, 겔, 또는 열가소성 수지일 수 있다.
바람직하게는, 상기 밸브는 상기 상전이 물질에 분산되며, 전자기파의 에너지를 흡수하여 발열하는 다수의 미세 발열입자를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 미세 발열입자는 미세 금속 산화물일 수 있다.
바람직하게는, 상기 미세 금속 산화물은 Al2O3, TiO2, Ta2O3, Fe2O3, Fe3O4 및, HfO2 로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 미세 발열입자는 중합체 입자, 퀀텀 도트(quantum dot), 또는 자성비드(magnetic bead)일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세유동 장치를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 미세유동 장치를 도시한 평면도이고, 도 2a 및 도 2b는 도 1의 미세유동 장치에서 유체 이송 과정을 순차적으로 도시한 단면도이고, 도 3은 도 2a의 컨테이너 리드(lid)를 확대 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세유동 장치(100)는 디스크 형태의 기판(101)과, 상기 기판(101)에 부착된 유체 컨테이너(140)를 구비한다. 상기 기판(101) 내부에는 유체를 수용할 수 있는 챔버와, 유체를 이송하기 위한 채널과, 상기 채널을 따라 유동하는 유체의 흐름을 제어하기 위한 밸브가 구비된다. 구체적으로 도 1에 도시된 미세유동 장치(100)는 간기능 검사에 이용되는 것으로, 기판(101) 내부에 전혈(WB: whole blood)과 같은 시료를 원심 분리하는 원심 분리 유닛(110)과, 상기 원심 분리 유닛(110)에서 추출된 혈청과 버퍼액(buffer)이 혼합되는 혼합 챔버(116)와, 상기 혈청에 포함된 특정 물질과 반응하는 반응액(reagent)이 수용된 반응 챔버(118)를 구비한다. 또한, 상기 혼합 챔버(116)에 버퍼액을 정량 공급하기 위하여 유체 컨테이너(140)로부터 유입되는 버퍼액(B, 도 2a 참조)을 정해진 양만큼만 수용하는 계량 챔버(metering chamber, 112)와, 여분의 버퍼액이 수용되는 배출 챔버(114)를 구비한다.
상기 유체 컨테이너(140)에는 버퍼액(B, 도 2a 참조)이 수용된다. 상기 기판(101) 내부에는 유체 컨테이너(140)로부터 계량 챔버(112)로 유체의 이송이 가능하게 형성된 제1 채널(120)과, 원심 분리 유닛(110)에서 혼합 챔버(116)로 유체의 이송이 가능하게 형성된 제2 채널(125)과, 계량 챔버(112)로부터 혼합 챔버(116)로 유체의 이송이 가능하게 형성된 제3 채널(130)과, 혼합 챔버(116)로부터 반응 챔버(118)로 유체의 이송이 가능하게 형성된 제4 채널(135)과, 계량 챔버(112)로부터 배출 챔버(114)로 유체의 이송이 가능하게 형성된 제5 채널(139)이 구비된다. 상기 제2 채널 내지 제4 채널(125, 130, 135)에는 유체의 흐름을 통제하는 밸브(126, 131, 136)가 구비된다. 상기 밸브들(126, 131, 136)은 상기 채널들(125, 130, 135)을 폐쇄하고 있다가 일정한 조건 하에서 개방하는 소위 '폐쇄된 밸브(normally closed valve)'이다. 그러나, 본 발명의 미세유동 장치는 도 1에 도시된 챔버, 채널, 및 밸브의 배치 형태에 한정되는 것은 아니며, 예컨대 면역학적 검정(immunoassay), 유전자 분석 등 생화학 분야의 특정 용도에 따라 다양한 형태로 설계될 수 있다.
상기 미세유동 장치(100)는 회전 구동력을 제공하는 스핀들 모터(50)에 장착된다. 상기 스핀들 모터(50)의 작동에 의해 상기 미세유동 장치(100)가 회전하면 기판(101) 및 유체 컨테이너(140) 내부에 있는 유체에 원심력에 기반한 압력이 작용하여 유체의 이송이나 혼합이 촉진된다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 상기 기판(101)은 서로 접착되는 상부 플레이트(102)와 하부 플레이트(103)를 구비하여 이루어진다. 상부 플레이트(102)와 하부 플레이트(103)는 초음파 융착에 의해, 또는 양면 접착 테이프를 양 자(102, 103) 사이에 개재하여 접착할 수 있다. 상기 상부 플레이트(102) 및 하부 플레이트(103)는 열가소성 수지를 사출 성형하여 제조할 수 있다.
상기 유체 컨테이너(140)는 예컨대 버퍼액(B)과 같은 유체를 수용할 수 있는 유체 수용 공간(142)을 구비한다. 상기 유체 컨테이너(140)는 열가소성 수지를 사출 성형하여 제조되며, 상기 기판(101)에 접착 고정된다. 유체(B)가 수용된 유체 컨테이너(140)는 컨테이너 리드(lid, 150)에 의해 밀봉된다. 구체적으로, 상기 유체 컨테이너(140)를 뒤집어 유체 수용 공간(142)에 유체(B)를 주입하여 채우고, 컨테이너 리드(150)를 유체 컨테이너(140)의 개구 주변부(143)에 접착하여 유체(B)의 유출을 방지한다. 그리고 나서, 기판(101)의 중심부에 스핀들 모터(50)에 근접하여 형성된 홈부(105)와 상기 컨테이너 리드(150)가 마주보도록 상기 유체 컨테이너(140)가 상기 기판(101)에 접착 고정된다.
한편, 본 발명은 도 2a에 도시된 실시예에 한정되지 않으며, 도 2a와 달리 유체 컨테이너의 내부에 유체를 수용하고 파열 가능하게 밀봉된 유체 파우치(pouch)가 구비될 수도 있다.
상기 홈부(105)는 상기 제1 채널(120)과 이어져 있으며, 상기 홈부(105) 및 그와 겹쳐진 유체 컨테이너(140)는 상기 제1 채널(120)보다 회전 중심(C)에 더 가깝게 배치된다. 상기 유체 컨테이너(140)는 기판(101)의 윗면보다 상측으로 돌출되 게 상기 기판(101)에 부착되며, 유체(B)의 수용량을 크게 하기 위하여 상기 유체 수용 공간(142)의 높이(H2)는 기판(101)의 두께(H1)보다 높게 설정된다.
상기 컨테이너 리드(150)는 유체 컨테이너(140)로부터 상기 채널(120)을 향한 유체(B)의 흐름을 제어하는 유체 흐름 제어 수단을 구성한다. 상기 컨테이너 리드(150)는 상기 유체 수용 공간(142)에 수용된 유체(B)의 임의적 유출을 방지하며, 외부의 에너지원(60)에서 입사된 예컨대, 레이저와 같은 전자기파(L)의 에너지에 의해 파열 또는 용융된다.
구체적으로 도 3을 참조하면, 상기 컨테이너 리드(150)는 금속제 박막(151)과 상기 박막(151)에 적층된 전자기파 흡수층(152)을 구비한다. 상기 전자기파 흡수층(152)은 전자기파 흡수 물질을 도포하여 형성한다. 상기 전자기파 흡수층(152)으로 인해 상기 컨테이너 리드(150)는 에너지원(60)에서 투사(投射)된 전자기파(L)를 흡수하여 파열 또는 용융된다. 상기 박막(151)은 전자기파(L) 조사(照射)에 의해 파열 또는 용융 가능한 것이면 금속 뿐 아니라 폴리머(polymer) 등 다른 소재로 이루어질 수도 있다.
다시 도 2a를 참조하면, 상기 에너지원(60)은 레이저(laser)를 투사하는 레이저 광원을 포함할 수 있으며, 상기 레이저 광원은 적어도 하나의 레이저 다이오드(laser diode: LD)를 포함할 수 있다. 한편, 유체 컨테이너(140) 외부에서 투사된 전자기파(L)가 유체 컨테이너(140)를 통과하여 컨테이너 리드(150)에 조사될 수 있도록 상기 유체 컨테이너(140)의 적어도 일부는 투명하다.
상기 에너지원(60)을 이용하여 상기 컨테이너 리드(150)에 전자기파(L)를 일 정 시간동안 조사하면 도 2b에 도시된 바와 같이 컨테이너 리드(150)가 파열 또는 용융된다. 컨테이너 리드(150)가 파열된 미세유동 장치(100)를 스핀들 모터(50)를 구동하여 회전시키면, 유체 수용 공간(142)에 수용되었던 유체(B)(도 2a 참조)가 홈부(105)와 제1 채널(120)을 통과하여 계량 챔버(112)로 이동하여 수용된다(도 2b 참조). 계량 챔버(112)에 수용되지 못한 여분의 유체(B)는 제5 채널(139, 도 1 참조)을 통과하여 배출 챔버(114, 도 1 참조)에 수용된다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세유동 장치에서 유체 이송 과정을 순차적으로 도시한 단면도이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세유동 장치(200)는 디스크 형태의 기판(201)과, 상기 기판(201)에 부착된 유체 컨테이너(240)를 구비한다. 상기 기판(201) 내부에는 유체(B)를 수용할 수 있는 챔버(212)와, 유체를 이송하기 위한 채널(220, 230)과, 상기 채널(220, 230)을 따라 유동하는 유체(B)의 흐름을 제어하기 위한 밸브(221, 231)가 구비된다. 상기 챔버(212)는 혼합 챔버(미도시)에 유체(B)를 정량 공급하기 위하여 유체 컨테이너(240)로부터 유입되는 유체(B)를 정해진 양만큼만 수용하는 계량 챔버(metering chamber)이다.
상기 미세유동 장치(200)는 회전 구동력을 제공하는 스핀들 모터(50)에 장착된다. 상기 스핀들 모터(50)의 작동에 의해 상기 미세유동 장치(200)가 회전하면 기판(201) 및 유체 컨테이너(240) 내부에 있는 유체에 원심력에 기반한 압력이 작용하여 유체의 이송이나 혼합이 촉진된다.
상기 기판(201)은 서로 접착되는 상부 플레이트(202)와 하부 플레이트(203)를 구비하여 이루어진다. 상부 플레이트(202)와 하부 플레이트(203)는 초음파 융착에 의해, 또는 양면 접착 테이프를 양 자(202, 203) 사이에 개재하여 접착할 수 있다. 상기 상부 플레이트(202) 및 하부 플레이트(203)는 열가소성 수지를 사출 성형하여 제조할 수 있다.
상기 유체 컨테이너(240)는 유체(B)를 수용할 수 있는 유체 수용 공간(242)를 구비한다. 상기 유체 컨테이너(240)는 열가소성 수지를 사출 성형하여 제조되며, 상기 기판(201)에 접착 고정된다. 상기 유체 컨테이너(240)에는 유체 주입공(245)이 형성되어 있어, 상기 유체 주입공(245)을 통해 유체(B)를 유체 수용 공간(242)에 주입할 수 있다. 상기 유체 수용 공간(242)에 유체(B)가 채워지면 상기 유체 주입공(245)은 점착 테이프(247)와 같은 폐쇄 수단에 의해 폐쇄된다.
상기 유체 컨테이너(240)는 상기 제1 채널(120)보다 회전 중심(C)에 더 가깝게 배치된다. 상기 유체 컨테이너(140)는 기판(101)의 윗면보다 상측으로 돌출되게 상기 기판(101)에 부착된다. 도 4a 및 도 4b의 미세유동 장치(200)에서는 유체 컨테이너(240)가 상부 플레이트(202)와 별개로 형성된 후 상기 상부 플레이트(202)에 부착되는 것이지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 유체 컨테이너는 열가소성 수지 사출 성형에 의해 상부 플레이트와 함께 형성될 수도 있다.
상기 유체 컨테이너(140)와 계량 챔버(212) 사이의 채널(220)에 구비된 밸브(221)는 유체 수용 공간(242)로부터 상기 채널(220)을 향한 유체(B)의 흐름을 개통(開通) 가능하게 차단하는 유체 흐름 제어 수단을 구성한다. 상기 밸브(221)는 상기 유체 수용 공간(242)에 수용된 유체(B)의 임의적 유출을 방지하며, 외부의 에너지원(60)에서 입사된 예컨대, 레이저와 같은 전자기파(L)의 에너지에 의해 파열 용융된다.
상기 밸브(221)는 전자기파 에너지를 흡수하기 전에는 유체가 흐를 수 없도록 상기 채널(220)을 폐쇄하고 있는, 소위 폐쇄된 밸브(normally closed valve)'이다. 상기 밸브(221)는 전자기파 에너지에 의해 용융되는 상전이 물질(phase transition material)과, 상기 상전이 물질에 분산되며, 전자기파 에너지를 흡수하여 발열하는 다수의 미세 발열입자를 포함한다.
상기 상전이 물질은 왁스(wax)일 수 있다. 상기 왁스는 가열되면 용융하여 액체 상태로 변하며, 부피 팽창한다. 상기 왁스로는, 예컨대 파라핀 왁스(paraffin wax), 마이크로크리스탈린 왁스(microcrystalline wax), 합성 왁스(synthetic wax), 또는 천연 왁스(natural wax) 등이 채용될 수 있다.
한편, 상기 상전이 물질은 겔(gel) 또는 열가소성 수지일 수도 있다. 상기 겔로는, 폴리아크릴아미드(polyacrylamide), 폴리아크릴레이트(polyacrylates), 폴리메타크릴레이트(polymethacrylates), 또는 폴리비닐아미드(polyvinylamides) 등이 채용될 수 있다. 또한, 상기 열가소성 수지로는, COC(cyclic olefin copolymer), PMMA(polymethylmethacrylate), PC(polycarbonate), PS(polystyrene), POM(polyoxymethylene), PFA(perfluoralkoxy), PVC(polyvinylchloride), PP(polypropylene), PET(polyethylene terephthalate), PEEK(polyetheretherketone), PA(polyamide), PSU(polysulfone), 및 PVDF(polyvinylidene fluoride) 등이 채용될 수 있다.
상기 미세 발열입자는 대략 0.1 mm 깊이와 1 mm 폭을 갖는 미세한 채널(220)을 자유롭게 통과할 수 있게 1 nm 내지 100 ㎛ 의 직경을 갖는다. 상기 미세 발열입자는 예컨대 레이저(L) 조사와 같은 방법으로 전자기파 에너지가 공급되면 온도가 급격히 상승하여 발열하는 성질을 가지며, 왁스에 고르게 분산되는 성질을 갖는다. 이러한 성질을 갖도록 상기 미세 발열입자는 금속 성분을 포함하는 코어(core)와, 소수성(疏水性) 표면 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 상기 미세 발열입자는 Fe로 이루어진 코어와, 상기 Fe에 결합되어 Fe를 감싸는 복수의 계면활성성분(surfactant)을 구비한 분자구조를 가질 수 있다.
통상적으로, 상기 미세 발열입자들은 캐리어 오일(carrrier oil)에 분산된 상태로 보관된다. 소수성 표면구조를 갖는 상기 미세 발열입자가 고르게 분산될 수 있도록 캐리어 오일도 소수성인 것이 바람직하다. 용융된 상전이 물질에 상기 미세 발열입자들이 분산된 캐리어 오일을 부어 혼합함으로써 밸브(221)를 형성하기 위한 밸브 형성 물질을 제조할 수 있다.
상기 미세 발열입자는 상기 예로 든 중합체(polymer) 입자에 한정되는 것은 아니며, 퀀텀 도트(quantum dot) 또는 자성비드(magnetic bead)의 형태도 가능하다. 또한, 상기 미세 발열입자는 예컨대, Al2O3, TiO2, Ta2O3, Fe2O3, Fe3O4 또는, HfO2 와 같은 미세 금속 산화물일 수 있다. 한편, 밸브(221)는 미세 발열입자를 반드시 포함하여야 하는 것은 아니며, 미세 발열입자 없이 상전이 물질만으로 이루어 질 수도 있다. 다른 채널(230)에 구비된 밸브(231)도 전술한 밸브(221)와 동일하게 상전이 물질과, 이에 분산된 다수의 미세 발열입자를 포함하여 이루어질 수 있다. 따라서, 밸브에 관한 중복되는 설명은 생략한다. 한편, 기판(201) 외부에서 투사된 전자기파(L)가 밸브(221, 231)에 조사될 수 있도록 상기 기판(201)의 적어도 일부는 투명하다.
상기 에너지원(60)을 이용하여 상기 유체 컨테이너(240)와 계량 챔버(212) 사이의 채널(220)에 형성된 밸브(221)에 전자기파(L)를 조사하면, 상기 밸브(221)에 포함된 미세 발열입자가 급속히 발열하여 상전이 물질이 급속히 가열된다. 따라서, 밸브(221)가 급속히 용융되어 채널(220)이 개방되고, 유체(B)가 채널(220)을 따라 흐를 수 있는 상태가 된다. 밸브(221)가 용융된 미세유동 장치(200)를 스핀들 모터(50)를 구동하여 회전시키면, 유체 수용 공간(242)에 수용되었던 유체(B)(도 4a 참조)가 채널(220)을 통과하여 계량 챔버(212)로 이동하여 수용된다(도 4b 참조).
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 미세유동 장치를 도시한 분해 사시도이고, 도 6a 및 도 6b는 도 5의 미세유동 장치에서 유체 이송 과정을 순차적으로 도시한 평면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 미세유동 장치(300)는 디스크 형태의 기판(301)과, 상기 기판(301)에 분리 가능하게 부착되는 유체 컨테이너(340)를 구비한다. 상기 기판(301) 내부에는 유체를 수용할 수 있는 제1 및 제2 챔버(312, 314)와, 유체를 이송하기 위한 제1 및 제2 채널(320, 339)이 구비된다.
상기 미세유동 장치(300)는 회전 구동력을 제공하는 스핀들 모터(50)에 장착된다. 상기 스핀들 모터(50)의 작동에 의해 상기 미세유동 장치(300)가 회전하면 기판(301) 및 유체 컨테이너(340) 내부에 있는 유체(B)에 원심력에 기반한 압력이 작용하여 유체(B)의 이송이나 혼합이 촉진된다. 스핀들 모터(50)가 끼워지는 기판(301)의 중심부의 주변부에는 홈부(370)가 형성되어 있다. 상기 홈부(370)에 유체 컨테이너(340)의 하단부가 분리 가능하게 탑재된다. 상기 홈부(370)는 제1 채널(320) 상기 제1 채널(320)과 이어져 있으며, 상기 제1 채널(320)보다 기판(301)의 중심부에 더 가깝게 배치된다.
상기 기판(301)은 서로 접착되는 상부 플레이트(302)와 하부 플레이트(303)를 구비하여 이루어진다. 상부 플레이트(302)와 하부 플레이트(303)는 초음파 융착에 의해, 또는 양면 접착 테이프를 양 자(302, 303) 사이에 개재하여 접착할 수 있다. 상기 상부 플레이트(302) 및 하부 플레이트(303)는 열가소성 수지를 사출 성형하여 제조할 수 있다.
상기 유체 컨테이너(340)는 유체(B)를 수용할 수 있는 유체 수용 공간(342)을 구비한다. 상기 유체 컨테이너(340)는 열가소성 수지를 사출 성형하여 제조되며, 유체(B)가 수용된 유체 컨테이너(340)는 컨테이너 리드(lid, 350)에 의해 밀봉된다. 구체적으로, 상기 유체 컨테이너(340)를 뒤집어 유체 수용 공간(342)에 유체(B)를 주입하여 채우고, 컨테이너 리드(350)를 유체 컨테이너(340)의 개구 주변부(343)에 접착하여 유체(B)의 유출을 방지한다. 상기 컨테이너 리드(350)는 금속 등으로 이루어진 박막(薄膜)을 포함할 수 있다.
상기 유체 컨테이너(340)의 하단부에는 4개의 외측 체결 플랜지(345)와, 2개의 내측 체결 플랜지(346)가 마련된다. 상기 홈부(370)의 주변에는 상기 외측 체결 플랜지(345)가 수용되는 4개의 외측 체결 플랜지 수용부(371)와, 상기 내측 체결 플랜지(346)가 수용되는 2개의 내측 체결 플랜지 수용부(374)가 마련된다. 상기 외측 및 내측 체결 플랜지 수용부(371, 374)에는 외측 및 내측 체결 플랜지(345, 346)가 상기 수용부(371, 374) 내부에서 일정 범위 움직일 수 있도록 유격(遊隔372, 375)이 마련되어 있다. 이에 따라 상기 유체 컨테이너(340)는 기판(301)의 홈부(370)에 탑재된 상태로 일정 각도만큼 회전 가능하다.
상기 외측 및 내측 체결 플랜지(345, 346)를 상기 수용부(371, 374)에 끼워 넣고 상기 유체 컨테이너(340)를 반시계 방향으로 조금 회전시키면 상기 외측 및 내측 체결 플랜지(345, 346)가 유격(372, 375)으로 이동하여 상부 플레이트(302)에 덮여지게 되고, 유체 컨테이너(340)는 임의적으로 분리될 수 없게 기판(301)에 부착된다. 상기 유체 컨테이너(340)는 기판(301)의 윗면보다 상측으로 돌출되게 상기 기판(301)에 부착된다. 한편, 상기 기판(301)은 컨테이너 리드(350)를 파열시키는 파열 수단을 더 구비한다. 상기 파열 수단은 상기 홈부(370)에 형성된, 상측으로 돌출된 핀(pin, 377)을 포함한다. 그러나, 본 발명에서 파열 수단은 도 5에 도시된 핀(377)에 한정되는 것은 아니며, 날카로운 에지(edge)를 갖는 바늘, 커터(cutter) 등도 파열 수단으로 사용될 수 있다. 또한, 전자기파를 조사하는 에너지원도 파열 수단으로 사용될 수 있다.
도 6a는 유체 컨테이너(340)를 기판(301)에 장착하기 위하여 상기 외측 및 내측 체결 플랜지(345, 346)를 외측 및 내측 체결 플랜지 수용부(371, 374, 도 5 참조)에 각각 끼워 넣은 상태를 도시한 도면이다. 이때 상측으로 돌출된 핀(377)에 의해 컨테이너 리드(350, 도 5 참조)에는 작은 구멍이 뚫릴 수 있다. 도 6b는 상기 유체 컨테이너(340)를 도 6a의 상태로부터 반시계 방향으로 조금 회전시켜 기판(301)에 분리되지 않게 고정시킨 상태를 도시한 도면이다. 유체 컨테이너(340)의 회전으로 상기 컨테이너 리드(350)가 핀(377)에 대해 이동하게 되므로, 상기 핀(377)에 의해 형성된 작은 구멍이 크게 확대되어 컨테이너 리드(350)가 파열된다. 도 6b의 도면 부호 'T' 가 핀(377)에 의해 컨테이너 리드(350)가 파열된 부분을 가리킨다. 본 발명의 제3 실시예에 따른 미세유동 장치(300)는 기판(301)에 대해 일정 각도 회전 가능한 유체 컨테이너(340)를 구비하나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 예컨대 기판에 대해 슬라이딩(sliding) 가능하게 부착된 유체 컨테이너를 구비할 수도 있다.
도 5를 다시 참조하면, 컨테이너 리드(350)가 파열된 후 미세유동 장치(300)를 스핀들 모터(50)를 구동하여 회전시키면, 유체 컨테이너(340)에 수용되었던 유체(B)가 홈부(370)와 제1 채널(320)을 통과하여 제1 챔버(312)로 이동하여 수용된다. 제1 챔버(312)에 수용되지 못한 여분의 유체(B)는 제2 채널(339)을 통과하여 제2 챔버(314)에 수용된다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 미세유동 장치를 도시한 평면도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 미세유동 장치(400)는 디스크 형태의 기판(401)과, 상기 기판(401)에 부착된 유체 컨테이너(440)를 구비한다. 상기 유체 컨테이너(440)는 복수의 유체 수용 공간(342, 343, 344, 345)을 구비한다.
상기 복수의 유체 수용 공간(342, 343, 344, 345)은 각 유체 수용 공간에 유체를 주입할 때 혼동이 초래되지 않도록 서로 구별된다. 구체적으로, 제1 내지 제4 유체 수용 공간(342, 343, 344, 345)은 유체 수용 공간의 크기가 각각 다르다. 도 7에서 점선 내부의 영역이 각 유체 수용 공간을 나타낸다. 또한, 제1 유체 수용 공간(342)과 제2 유체 수용 공간(343)은 서로 다른 색상이 외측면에 칠해져 있어 서로 구별된다. 제1 유체 수용 공간(342)과 제2 유체 수용 공간(343)의 해칭(hatching)은 서로 다른 색상을 나타낸다. 또한, 제3 유체 수용 공간(344)과 제4 유체 수용 공간(345)은 서로 다른 문양이 외측면에 형성되어 있어 서로 구별된다. 예컨대, 상기 제3 유체 수용 공간(344)에는 별 문양이 형성되어 있고, 제4 유체 수용 공간(345)에는 삼각형 문양이 형성되어 있다. 도 7에는 생략되어 있으나 다른 도면에 도시된 실시예들과 마찬가지로 제4 실시예의 미세유동 장치(400)도 기판(401)에 유체를 이송하기 위한 채널을 구비하고, 유체 수용 공간(342, 343, 344, 345)에 수용된 유체의 흐름을 제어하기 위한 유체 흐름 제어 수단을 구비한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
본 발명의 미세유동 장치는 기판의 두께에 제한되지 않고 많은 양의 유체를 수용할 수 있는 유체 컨테이너를 마련할 수 있다. 따라서, 유체 컨테이너의 용량을 크게 하기 위하여 기판을 크게 할 필요가 없으며, 기판 내에 챔버 및 채널의 배치를 용이하게 할 수 있다. 결과적으로, 미세유동 장치의 제조 비용을 절감할 수 있고, 집적된 미세유동 장치를 용이하게 구현할 수 있다.

Claims (20)

  1. 유체를 이송하기 위한 채널(channel)을 구비한 기판;
    적어도 한 종류의 유체를 수용하고, 상기 유체를 상기 채널로 흘려 보낼 수 있게 상기 기판 상에 배치된 유체 컨테이너(fluid container); 및,
    상기 유체 컨테이너로부터 상기 채널을 향한 유체의 흐름을 제어하는 유체 흐름 제어 수단;을 구비한 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 유체 컨테이너는 상기 기판에 접착 고정된 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 유체 컨테이너는 상기 기판에 분리 가능하게 부착되는 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 미세유동 장치는 회전 구동력을 제공하는 모터에 장착되어 회전 가능하게 구성된 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 유체 컨테이너는 상기 채널보다 상기 미세유동 장치의 회전 중심에 더 가깝게 배치된 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 유체 컨테이너는, 그 내부에 유체를 수용하고 파열 가능하게 밀봉된 유체 파우치(pouch)를 더 구비한 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 유체 흐름 제어 수단은 상기 유체 컨테이너에 수용된 유체의 임의적 유출을 방지하며, 전자기파의 에너지에 의해 파열 또는 용융되는 컨테이너 리드(lid)를 구비하는 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 컨테이너 리드에 전자기파가 입사될 수 있게 상기 유체 컨테이너의 적어도 일부는 투명한 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 컨테이너 리드는 전자기파 흡수 물질이 도포된 박막을 구비한 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 박막은 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 유체 컨테이너는 상기 기판에 대하여 회동 또는 슬라이딩 가능하게 상기 기판에 부착되며, 상기 유체 흐름 제어 수단은 상기 유체 컨테이너에 수용된 유체의 임의적 유출을 방지하는 컨테이너 리드(lid)를 구비하는 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 기판은 상기 유체 컨테이너가 상기 기판에 대하여 회동 또는 슬라이딩될 때 상기 컨테이너 리드와 접촉하여 상기 컨테이너 리드를 파열시키는 파열 수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 컨테이너 리드는 박막을 구비하며, 상기 파열 수단은 상기 컨테이너 리드를 향해 돌출된 핀(pin)을 구비한 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 유체 컨테이너는 적어도 두 종류의 유체를 분리 수용할 수 있도록 복수 개의 유체 수용 공간을 구비하고, 상기 복수 개의 유체 수용 공간은 각 유체 수용 공간의 크기, 각 유체 수용 공간 외부의 색상, 또는 각 유체 수용 공간 외부에 형성된 문양에 의하여 서로 구별되는 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 유체 흐름 제어 수단은 상전이 물질(phase transition material)을 포함하여 이루어지고, 상기 채널에서 경화(硬化)되어 상기 채널을 폐쇄하고, 전자기파의 에너지에 의해 용융되어 상기 채널을 개방하는 밸브(valve)를 구비하는 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 상전이 물질은 왁스, 겔, 또는 열가소성 수지인 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  17. 제15 항에 있어서,
    상기 밸브는 상기 상전이 물질에 분산되며, 전자기파의 에너지를 흡수하여 발열하는 다수의 미세 발열입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 미세 발열입자는 미세 금속 산화물인 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 미세 금속 산화물은 Al2O3, TiO2, Ta2O3, Fe2O3, Fe3O4 및, HfO2 로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  20. 제17 항에 있어서,
    상기 미세 발열입자는 중합체 입자, 퀀텀 도트(quantum dot), 또는 자성비드(magnetic bead)인 것을 특징으로 하는 미세 유동장치.
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