KR20090092467A - 광에 의해 제어되는 미세유체 처리장치 및 방법 - Google Patents
광에 의해 제어되는 미세유체 처리장치 및 방법Info
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Abstract
본 발명은 광 전도성(photoconductive) 물질로 구성된 저항의 전기 전도 여부를 광을 이용하여 제어함으로써 특정 위치에서만 전류에 의한 Joule 발열이 일어나도록 제어할 수 있는 미세 전열발생부와 이 미세 전열부에서 발생하는 열을 이용하여 유체에 떠 있는 입자(particle)나 액적(droplet)을 구동하는 미세유체 처리장치(apparatus for microfluidic processing)에 관한 것으로, 본 발명에 따른 미세유체 처리장치는,
광으로 전류의 흐름을 온 오프(on off)하며, 광 전도성 저항의 어레이(array; 배열)로 구성된 미세 전열발생부; 상기 미세 전열발생부에 광이 가해지는 위치와 가해지는 광의 패턴을 조절하는 광원부; 및, 상기 미세 전열발생부에서 발생한 열에 의해 유체 내에 대류를 유발하여 입자나 액적(droplet)을 이동시키는 입자구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 광 전도성(photoconductive) 물질로 구성된 저항의 전기 전도 여부를 광을 이용하여 제어함으로써 특정 위치에서만 전류에 의한 Joule 발열이 일어나도록 제어할 수 있는 미세 전열발생부와 이 미세 전열부에서 발생하는 열을 이용하여 유체에 떠 있는 입자(particle)나 액적(droplet)을 구동하는 미세유체 처리장치(apparatus for microfluidic processing)에 관한 것이다.
유체에 떠 있는 입자나 액적을 움직이는 미세유체 장치(microfluidic device)에서 액적을 구동하는데 사용되는 종래 기술로는 유전영동(dielectrophoresis), 자기영동(magnetophoresis), 음파(acoustic wave)를 이용하는 방법, 열에 의한 대류를 이용하는 방법 등이 있다.
유전영동 방법은 입자나 액적 주위에 불균일한 전기장이 있을 때 입자나 액적이 유전 쌍극자(dielectric dipole)을 형성하면서 입자나 액적의 유전율과 주변의 유체의 유전율 차이에 비례하는 힘이 가해지는 현상을 응용한 기술이다.
자기영동 방법은 자기장 구배 내에서 초상자성을 띈 입자나 액적이 움직이는 현상을 이용하고 있다. 전기영동과 자기영동을 이용한 입자나 액적의 구동방법은 입자나 액적의 전기적, 자기적 물성이 입자나 액적 구동력에 영향을 미치므로 입자나 액적을 구성하는 유체의 전기적, 자기적 특성이 달라지는 경우 구동이 안 되거나 구동 효율이 떨어질 수 있다.
음파를 이용하는 방법은 입자나 액적의 전기적, 자기적 특성에 영향을 받지 않는 장점을 가지고 있으나, 음파를 발생하는 부분이 복잡하여 장치의 구현이 어려워지는 단점이 있으며 이로 인해 장치의 가격 상승을 가져올 수 있다.
열에 의한 대류를 이용하는 방법은 유체의 미소한 영역에만 열을 가함으로써 유체의 순환(circulation)을 일으켜 액적을 구동하는 방법이다. 열을 이용하는 방법은 음파를 이용하는 방법과 마찬가지로 입자나 액적의 전기적, 자기적 특성에 의해 영향을 받지 않는 것이 장점이다.
열에 의한 대류를 이용하는 기존 장치에서는 다수의 전기저항을 평면 상에 배열하고 각 저항의 주변에 저항에 흐르는 전류를 제어하는 회로를 만드는 방법으로 열을 가하는 영역을 제어할 수 있었다.
그러나, 이러한 장치는 각 저항에 흐르는 전류를 제어하기 위한 회로의 구성이 복잡할 뿐만 아니라 저항 배열의 수가 늘어날수록 제어를 하기 위한 신호의 수도 같이 증가해야 하므로 장치의 해상도가 높아지거나 장치를 대형화하는데 기술적인 어려움을 가지고 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 광전도성을 지닌 물질로 구성된 저항으로 전열 장치를 구성함으로써 전열 장치에 조사되는 광에 의해 열이 발생하는 부위와 열이 발생하지 않는 부위를 선택할 수 있도록 하고, 기존의 저항 배열에 흐르는 전류를 전기적으로 제어하는 경우에는 기술적인 대응이 어려웠던 대면적의 유체 처리 장치나 더 높은 해상도를 가지는 미세유체 처리장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 미세유체 처리장치는,
광으로 전류의 흐름을 온 오프(on off)하며, 광 전도성 저항의 어레이(array; 배열)로 구성된 수십 내지 수백 마이크로 미터 크기의 미세 전열발생부; 상기 미세 전열발생부에 광이 가해지는 위치와 가해지는 광의 패턴을 조절하는 광원부; 및, 상기 미세 전열발생부에서 발생한 열에 의해 유체 내에 대류를 유발하여 입자나 액적(droplet)을 이동시키는 입자구동부(여기서, 입자구동부는 액적을 구동시키는 액적구동부의 의미를 포함한다.)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 미세 전열발생부는 상기 광 전도성을 갖는 저항의 어레이에 전기를 공급하기 위한 (+)전극과 (-)전극을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 (+)전극과 (-)전극 중 적어도 어느 하나는 상기 광원부로부터 조사되는 광을 투과시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 광 전도성을 갖는 저항은 수소화된 비정형 실리콘, 도핑된 실리콘, 또는 광 전도성 폴리머 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 미세 전열발생부의 전극과 광 전도성 저항이 상기 광원부로부터 조사되는 광의 진행 방향과 직교하도록 배열된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 미세 전열발생부의 광 전도성 저항 사이에는 공기 또는 열 전도율이 광 전도성 저항과 전극보다 낮은 물질로 채워져 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광원부는 광을 조사하는 발광부와, 조사되는 광의 폭을 조절하는 셔터로 구성된 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 셔터는 액정디스플레이(LCD) 또는 디지털미세거울장치(DMD)로 프로그램 가능한 셔터인 것이 바람직하다.
또한, 상기 입자구동부는 유체와 미세 전열발생부 사이를 절연하는 절연막, 그리고 유체로 이루어진 박막으로 구성되며, 상기 박막은 구동될 입자를 함유하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 미세유체 처리장치에 의하면,
광 전도성 저항으로 이루어진 미세 전열발생부는 광원부에서 광을 조사한 미소한 영역에서만 발열이 일어나므로 입자구동부의 특정한 미소 영역에만 열을 가하여 이 열에 의한 대류 현상으로 입자 또는 액적을 구동할 수 있게 되어, 입자 또는 액적의 전기적, 자기적 물성에 관계없이 입자 또는 액적을 구동할 수 있으면서도 그 구성이 간단하다는 장점을 가지고 있다.
또한, 기존의 저항 배열에 흐르는 전류를 전기적으로 제어하는 경우에는 기술적인 대응이 어려웠던 대면적의 유체 처리가 가능하고, 더 높은 해상도를 구현할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 이로써 입자 또는 액적을 구동할 수 있는 미세유체 장치에 기반한 새로운 랩온어칩(Lab-on-a-chip)의 설계 및 실현을 신속화시킬 수 있는 플랫폼(platform)의 역할을 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 미세유체 처리장치를 개념적으로 도시한 도,
도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 미세유체 처리장치를 개념적으로 도시한 도,
도 3은 본 발명의 미세유체 처리장치의 미세 전열발생부의 제 1실시예에 따른 미세 전열발생부의 구조를 도시한 사시도,
도 4는 본 발명의 미세유체 처리장치의 미세 전열발생부의 제 2실시예에 따른 미세 전열발생부의 구조를 도시한 평면도,
도 5는 본 발명의 미세유체 처리장치의 광원부의 구조를 도시한 도,
도 6은 본 발명의 미세유체 처리장치의 입자구동부의 구조를 개념적으로 도시한 도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10, 10a, 10b : 미세 전열발생부
20 : 광원부
30 : 입자구동부
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 미세유체 처리장치를 개념적으로 도시한 도, 도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 미세유체 처리장치를 개념적으로 도시한 도, 도 3은 본 발명의 미세유체 처리장치의 미세 전열발생부의 제 1실시예에 따른 미세 전열발생부의 구조를 도시한 사시도, 도 4는 본 발명의 미세유체 처리장치의 미세 전열발생부의 제 2실시예에 따른 미세 전열발생부의 구조를 도시한 평면도, 도 5는 본 발명의 미세유체 처리장치의 광원부의 구조를 도시한 도, 도 6은 본 발명의 미세유체 처리장치의 입자구동부의 구조를 개념적으로 도시한 도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 미세유체 처리장치는 미세 전열발생부(10), 상기 미세 전열발생부에 조사되는 광을 제어하는 광원부(20), 상기 미세 전열발생부에서 발생한 열에 의해 대류가 일어나게 되는 유체로 된 막을 포함하는 입자구동부(30)를 포함한다.
먼저, 본 발명의 미세유체 처리장치의 동작과정을 개괄적으로 설명하면, 광원부(20)에서 발생한 광(L)이 미세 전열발생부(10)의 광 전도성 물질로 구성된 저항의 어레이(11)에 조사되면 광이 조사된 영역(11a)에서만 열이 발생하며 이 열에 의해 입자구동부(30) 내에 있는 유체에 대류가 발생하여 유체에 함유된 입자나 액적(droplet)이 구동된다. 도 1에 도시된 본 발명의 제 1실시예에 따른 미세유체 처리장치는 상기 미세 전열발생부(10)가 상기 입자구동부(30)의 아래에 위치한 경우이고, 도 2에 도시된 본 발명의 제 2실시예에 따른 미세유체 처리장치는 상기 미세 전열발생부(10)가 상기 입자구동부(30)의 위에 위치한 경우이다.
상기 미세 전열발생부(10)는 광 전도성 물질로 구성된 저항의 배열(11)(어레이, array)과 상기 광 전도성을 갖는 저항의 배열에 전기를 공급하기 위한 (+)전극(12)과 (-)전극(13)을 포함한다. 또한, 상기 미세 전열발생부(10)에는 직류 또는 교류 전원(14)이 상기 전극들(12, 13)에 연결되어 있다.
상기 광 전도성 물질로 된 저항은 일정 세기 이상의 광이 가해진 경우에는 전기를 전도하는 도체로 동작하고, 일정 세기 이상의 광이 가해지지 않은 경우에는 전기가 전도되지 않는 부도체로 동작하므로 미세 전열발생부에 가해지는 광의 모양(패턴, pattern)을 조절함으로써 특정 부위에만 전기가 통하여 열이 발생하도록 동작을 제어할 수 있다.
광 전도성을 지닌 재료로는 수소화된 비정형 실리콘(a-Si:H), 도핑된 실리콘, 또는 광 전도성 폴리머 등이 있다.
상기 미세 전열발생부(10)의 전극들(12, 13) 중 상기 광원부(20)에서 온 광이 닿는 부분은 광원부에서 발생하는 파장대의 광을 투과하는 것이 바람직하다. 예를 들면, ITO(Indium Tin Oxide)나 ZnO 등으로 이루어진 투명전극을 이용하여 광원부에서 발생한 광이 광 전도성 저항에 조사되도록 구성할 수 있다.
광 전도성 저항 배열(11)은 각 저항 사이의 공간(15)을 공기 또는 유리 등 열 전도율이 낮은 물질로 채움으로써 미세 전열발생부(10) 안에서 열이 전도되는 것을 방지하고 입자구동부(30)로 열이 전달되는 효율을 개선할 수 있다.
도 3에 본 발명의 미세유체 처리장치의 미세 전열발생부의 제 1실시예에 따른 미세 전열발생부의 구조가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 제 1실시예에 따른 미세 전열발생부(10a)는 광 전도성 저항 배열(11)과 상기 배열된 저항에 전원을 공급하는 두 개의 전극(12a, 13a)으로 구성되어 있다. 두 개의 전극 중 광원부 방향으로 위치한 전극(12a)는 광원부로부터 오는 광(L)을 투과시켜 광 전도성 저항에 전달할 수 있도록 광원부에서 나오는 광(L)에 대해 투명한 특성을 지녀야 한다. 또한 광 전도성 저항 사이의 공간을 공기로 채우거나 다른 열 전도율이 낮은 물질로 채워 미세 전열발생부에서 발생한 열이 입자구동부로 전달되는 효율을 높일 수 있다.
도 4는 본 발명의 미세유체 처리장치의 미세 전열발생부의 제 2실시예에 따른 미세 전열발생부의 구조가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 제 2실시예에 따른 미세 전열발생부(10b)는 광 전도성 저항의 배열(11)과 전극(12b, 13b)의 배열이 광원부로부터 조사되는 광(미도시)의 방향에 수직하게 배열하여 투명한 전극을 필요로 하지 않는 것이 특징이다.
도 5는 본 발명의 미세유체 처리장치의 광원부의 구조를 도시한 도이다.
도 5를 참조하면, 상기 광원부(20)는 상기 미세 전열발생부(10)에 가해지는 광의 모양을 조절하여 열이 발생하는 부위와 열이 발생하지 않는 부위를 결정하는 역할을 수행한다. 상기 광원부는 광을 조사하는 발광부(21)와, 조사되는 광의 폭을 조절하는 셔터(22)로 구성된다. 이때, 상기 셔터는 액정디스플레이(LCD, Liquid crystal display) 또는 디지털미세거울장치(DMD, Digital micromirror device)로 프로그램 가능한 셔터인 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명의 미세유체 처리장치의 입자구동부의 구조를 개념적으로 도시한 도이다.
도 6을 참조하면, 상기 입자구동부(30)는 유체와 미세 전열발생부(10, 10a, 10b) 사이를 절연하는 절연막(31), 그리고 유체로 이루어진 박막(32)으로 구성되며, 상기 박막은 구동될 입자(33)를 함유하고 있다.
상기 절연막(31)은 미세 전열발생부의 전극부분(13)과 유체가 직접적으로 접촉하는 것을 방지해 주는 역할을 하는데 유체가 낮은 전기 전도도를 띈 경우에는 절연막없이 장치를 구성하는 것도 가능하다. 유체로 이루어진 박막(32)은 미세 전열발생부(10)에서 발생한 열에 의해 대류를 형성하여 유체에 함유된 입자나 액적을 이동시키는 역할을 한다.
이상과 같이 본 발명에 따른 광에 의해 제어되는 미세유체 처리장치를 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
Claims (9)
- 광으로 전류의 흐름을 온 오프(on off)하며, 광 전도성 저항의 어레이(array)로 구성된 수십 내지 수백 마이크로 미터 크기의 미세 전열발생부;상기 미세 전열발생부에 광이 가해지는 위치와 가해지는 광의 패턴을 조절하는 광원부; 및,상기 미세 전열발생부에서 발생한 열에 의해 유체 내에 대류를 유발하여 입자나 액적(droplet)을 이동시키는 입자구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광에 의해 제어되는 미세유체 처리장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 미세 전열발생부는 상기 광 전도성을 갖는 저항의 어레이에 전기를 공급하기 위한 (+)전극과 (-)전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 광에 의해 제어되는 미세유체 처리장치.
- 청구항 2에 있어서,상기 (+)전극과 (-)전극 중 적어도 어느 하나는 상기 광원부로부터 조사되는 광을 투과시키는 것을 특징으로 하는 광에 의해 제어되는 미세유체 처리장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 광 전도성을 갖는 저항은 수소화된 비정형 실리콘, 도핑된 실리콘, 또는 광 전도성 폴리머 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광에 의해 제어되는 미세유체 처리장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 미세 전열발생부의 전극과 광 전도성 저항이 상기 광원부로부터 조사되는 광의 진행 방향과 직교하도록 배열된 것을 특징으로 하는 광에 의해 제어되는 미세유체 처리장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 미세 전열발생부의 광 전도성 저항 사이에는 공기 또는 열 전도율이 광 전도성 저항과 전극보다 낮은 물질로 채워져 있는 것을 특징으로 하는 광에 의해 제어되는 미세유체 처리장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 광원부는 광을 조사하는 발광부와, 조사되는 광의 폭을 조절하는 셔터로 구성된 것을 특징으로 하는 광에 의해 제어되는 미세유체 처리장치.
- 청구항 7에 있어서,상기 셔터는 액정디스플레이(LCD) 또는 디지털미세거울장치(DMD)로 프로그램 가능한 셔터인 것을 특징으로 하는 광에 의해 제어되는 미세유체 처리장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 입자구동부는 유체와 미세 전열발생부 사이를 절연하는 절연막, 그리고 유체로 이루어진 박막으로 구성되며, 상기 박막은 구동될 입자를 함유하는 것을 특징으로 하는 광에 의해 제어되는 미세유체 처리장치.
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