KR20100004262A - 유체 혼합 방법 및 유체 혼합 장치 - Google Patents

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Abstract

적은 양의 유체를 효과적으로 혼합할 수 있는 유체 혼합 장치가 개시된다. 유체 혼합 장치는 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 챔버, 챔버의 제1 영역과 연결되며, 챔버로 유체를 유입하는 유체 유입 유로, 챔버의 제1 및 제2 영역 사이에 구비되며, 제2 영역의 유체에 난류를 발생시키는 통공을 포함하는 난류 발생막 및 챔버의 제2 영역과 연결되며, 혼합된 유체를 배출하는 제1 유체 배출 유로를 포함한다. 나노 또는 마이크로 규모의 유체를 혼합하는데 있어, 막 외의 외부적인 장치가 필요하지 않으므로, 높은 집적도를 가지면서 유체를 효과적으로 혼합할 수 있다.

Description

유체 혼합 방법 및 유체 혼합 장치{Method for Mixing Micro-fluids and Micro-fluidic Mixing Device}
본 발명은 유체 혼합 방법 및 유체 혼합 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 난류를 발생시켜 유체를 혼합하는 유체 혼합 방법 및 이를 수행하기 위한 유체 혼합 장치에 관한 것이다.
최근 유전자 분석이나 생화학 분석 분야에서 많이 사용하고 있는 마이크로 플루이딕스 칩과 같은 바이오칩 또는 바이오센서는 기존의 연구실에서 행해지고 있는 여러 가지 실험이나 분석들을 하나의 작은 칩 위에서 해결할 수 있도록 하는 미세 장치이다. 특히, 상기의 마이크로 플루이딕스 칩은 미량의 분석 대상 물질을 칩 내의 마이크로 채널로 흘려보내면서 칩에 집적되어 있는 각종 화학 분자 센서와 반응하는 양상을 분석할 수 있게 만든 것으로, 분석 대상 물질의 분리, 합성, 정량 등을 수행할 수 있도록 설계되어 있다. 이러한 바이오칩을 사용한 분석에서는 세포 활성화, 효소 반응 및 단백질 합성 등과 같은 여러 가지 시료들의 효과적인 혼합을 필요로 한다. 그러나 마이크로 차원의 시스템에서의 유체는 레이놀즈 수(Reynolds number)가 작아 층류 흐름의 양상을 띠게 되고, 미세 혼합 장치 내에서의 시료의 혼합은 오직 확산에 의해서만 일어나게 되므로, 효과적인 혼합에 필요한 시간이 길어져 전체 분석 시스템에 영향을 주게 된다.
마이크로 차원에서 시료의 효과적인 혼합을 위한 종래의 기술은 크게 능동적 혼합 방법과 수동적 혼합 방법으로 분류할 수 있다. 능동적 혼합 방법에 사용되는 능동 유체 혼합기는 내부에 움직이는 부분을 포함시켜 외부에서 주입되는 에너지, 즉 압력이나 전기장 등의 외부적인 힘을 이용하여 유체의 흐름을 능동적으로 제어한다. 예를 들면, 마그네틱 비드 또는 공압 장치를 설치할 수 있다. 그러나 상기와 같은 마그네틱 비드를 사용하는 경우는 마그네틱 비드를 움직여 주기 위한 추가적인 장치가 필요하고, 챔버 내에 마그네틱 비드를 넣어 주기 위한 공정이 추가되기 때문에 복잡한 공정을 거쳐야 한다. 공압 장치의 경우도 채널 내에 많은 스위치를 만들어야 하므로 공정과 설계가 복잡하다.
한편, 수동적 혼합 방법은 유체를 일정한 유량으로 흘려주는 것 이외에 다른 부가적 에너지를 가하지 않고 단지 채널의 구조만을 변화시켜 혼합 성능을 향상시키는 것을 특징으로 한다. 상기의 수동적 혼합 방법은 능동적 방법과 비교하여 혼합 성능은 다소 떨어지지만, 제작비용이 저렴하며 미세 소자에 집적하기 용이하다는 장점을 지니고 있다. 예를 들면, 상기 수동적 방법은 T자 또는 Y자 형태의 유동 구조를 가지는 막을 적층시키거나 또는 채널 안에 경사진 홈을 배열한다. 그러나 상기의 원리를 이용하는 장치 또는 방법은 상기 채널 등의 구조가 복잡하고 제작이 어려우며 효과적인 혼합이 발생하지 않는다는 단점을 가지고 있다. 따라서 혼합이 잘 일어나면서도 제작이 용이하며 미세 소자에 집적될 수 있는 미세 유체 혼합 장 치 및 혼합 방법이 요구되고 있다.
본 발명의 일 목적은 미세 유체를 효과적으로 혼합할 수 있는 혼합 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 미세 유체를 효과적으로 혼합할 수 있는 유체 혼합 장치를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위한 실시예들에 따른 유체 혼합 방법에 있어서, 유체 유입 유로를 통해 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 챔버의 제1 영역으로 유체를 제공한다. 상기 챔버의 상기 제1 및 상기 제2 영역 사이의 난류 발생막의 통공을 통해 상기 유체가 이동하는 동안 버블을 형성한 후, 상기 버블이 터지거나 상기 난류 발생막으로부터 분리되어 상기 제2 영역의 유체에 난류를 발생시켜 상기 제2 영역의 유체를 혼합시킨다. 상기 챔버의 상기 제2 영역과 연결된 제1 배출 유로를 통해 상기 혼합된 유체를 배출한다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 제2 영역의 상기 혼합된 유체를 여과한 후, 상기 여과된 유체를 상기 챔버의 제3 영역에 수집한다. 상기 제3 영역과 연결된 제2 유체 배출 유로를 통해 상기 여과된 유체를 배출할 수 있다. 혼합된 유체를 여과하기 위해서는 상기 혼합된 유체를 제2 영역의 하부에 위치하는 필터막과 접촉시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 제 1 영역의 상기 유체의 점도를 조절하 기 위하여 상기 챔버의 상기 제1 영역에 물을 더 주입할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 물을 상기 유체와 동시에 투입하거나 또는 상기 유체가 투입되기 전에 투입할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 제1 영역의 상기 유체에 가스를 더 주입할 수 있다.
상술한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 유체 혼합 장치는, 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 챔버, 상기 챔버의 제1 영역과 연결되며, 상기 챔버에 유체를 유입하는 유체 유입 유로, 상기 챔버의 상기 제1 및 상기 제2 영역 사이에 구비되며, 상기 제2 영역의 유체에 난류를 발생시키는 통공을 포함하는 난류 발생막 및 상기 챔버의 제2 영역과 연결되며, 혼합된 유체를 배출하는 제1 유체 배출 유료를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 유체 혼합 장치는 상기 제2 영역 하부에 위치하며, 상기 혼합된 유체를 여과시키는 필터막, 상기 필터막 하부에 위치하며, 상기 여과된 유체를 저장하는 제3 영역 및 상기 제3 영역과 연결되며, 상기 여과된 유체를 배출하는 제2 유체 배출 유로를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 필터막은 혼합된 유체를 통과시킬 수 있는 여과용 통공을 구비할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 필터막은 항체를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 난류 발생막은 금속, 금속 산화물, 고분자 또는 유리일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 난류 발생막은 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu), 은(Ag), 텅스텐(W), 주석(Sn), 티타늄(Ti), 알루미늄산화물(Al2O3), 주석산화물(SnO), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate; PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), 폴리아마이드(polyamide; PA), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리페닐렌 에테르(polyphenylene ether; PPE), 폴리스티렌(polystyrene; PS), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene; POM), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride; PVC), 폴리비닐리덴 플로라이드(polyvinylidene fluoride; PVDF), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate; PBT) 또는 퍼플루오르알콕시알칸(perfluoralkoxyalkane; PFA)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 통공은 약 100㎚ 내지 약 10㎛의 폭을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 유체 혼합 장치는 가스를 공급하는 가스 공급 장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 가스 공급 장치는 상기 유체 유입 유로 또는 상기 챔버의 상기 제1 영역과 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 유체 혼합 장치 및 유체 혼합 방법에 의하면, 마 이크로 또는 나노 규모의 유체를 효과적으로 혼합할 수 있을 뿐만 아니라 통공을 가진 막만을 이용하여 적은 양의 유체를 혼합할 수 있어, 랩온어 칩과 같이 소형화가 요구되는 장치에 적용되기에 적합하다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조 부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "이루어지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
첨부된 도면에 있어서, 기판, 층(막) 또는 패턴들 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 본 발명에 있어서, 각 층(막), 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막) 또는 패턴들의 "상에", "상부에" 또는 "하부"에 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 각 층(막), 패턴 또는 구조물들이 직접 기판, 각 층(막) 또는 패턴들 위에 형성되거나 아래에 위치하는 것을 의미하거나, 다른 층(막), 다른 패턴 또는 다른 구조물들이 기판 상에 추가적으로 형성될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 유체 혼합 장치 및 유체 혼합 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 유체 혼합 장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 상기 유체 혼합 장치는, 제1 영역(110) 및 제2 영역(140)을 포함하는 챔버(100), 챔버(100)의 제1 영역(110)에 연결되어 챔버(100)에 유체를 유입하는 유체 유입 유로(150), 챔버(100)의 제1 및 제2 영역(110, 140) 사이에 구비되어 제2 영역(140)의 유체에 난류를 발생시키는 통공(130)을 포함하는 난류 발생막(120), 그리고 챔버(100)의 제2 영역(140)에 연결되어 혼합된 유체를 배출하는 유체 배출 유로(160, 190)를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 유체 혼합 장치는 소량의 미세 유체를 취급할 수 있는 장치로, 나노 리터의 유체를 취급하는데 적합하지만, 경우에 따라서는 보다 많거나 적은 양의 미세 유체를 취급할 수 있다.
상기 유체 혼합 장치의 챔버(100)는 소정의 부피를 갖는 유체를 함유 할 수 있으며, 분석 대상이 되는 유체가 유입되어, 혼합되거나 반응한 후에 배출되는 공간을 포함한다. 챔버(100)는 육면체 또는 원통의 구조를 가질 수 있다. 또한, 챔버(100)의 단면은, 비록 도 1에는 직사각형의 형상으로 도시하였으나, 정사각형, 사다리꼴, 원형 등의 다양한 형상을 가질 수 있다.
챔버(100)는 다양한 방법 및 다양한 물질을 사용하여 제조될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 챔버(100)는 절연 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 챔버(100)는 실리콘, 유리, 융합 실리콘, 플라스틱 등으로 구성될 수 있으나, 이러한 물질에 한정되지 않는다.
유체 유입 유로(150)는 챔버(100)의 제1 영역(110)에 연결된다. 유체 유입 유로(150)는 챔버(100) 내로 유체를 유입하는 기능을 수행한다.
챔버(100)의 제1 영역(110)은 혼합되기 전의 유체들이 유입되는 영역으로서, 챔버(100)의 상부 공간에 해당한다. 일반적으로, 마이크로 또는 나노 규모의 미세 유체들은 유속이 낮고 레이놀즈 상수가 작기 때문에, 챔버(100)의 제1 영역(110) 내에 서로 다른 입자들을 포함하는 유체들이 유입되는 경우, 이러한 유체들은 서로 잘 혼합되지 않고 층류를 형성하기 쉽다. 이에 따라, 챔버(100)의 제1 영역(110)에는 챔버(100) 내로 유입된 후 서로 혼합되지 않은 유체들이 존재한다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 유체 혼합 장치는 하나 이상의 유체 유입 유로(150)를 구비할 수 있다. 상기 유체 혼합 장치가 하나의 유체 유입 유로(150)만을 구비하는 경우, 서로 다른 종류의 유체들이 하나의 유체 유입 유로(150)를 통해 동시에 또는 시간차를 두고 챔버(100)의 제1 영역(110)에 유입될 수 있다. 이에 비하여, 상기 유체 혼합 장치가 두 개 이상의 유체 유입 유로(150)들을 구비하는 경우, 서로 다른 종류의 유체들이 상이한 유체 유입 유로(150)들을 통해 챔버(100)의 제1 영역(110)으로 유입될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 유체 유입 유로(150)는 챔버(100)의 제1 영역(110)의 다양한 위치들에 연결될 수 있다. 예를 들면, 유체 유입 유로(150)는 제1 영역(110)의 좌측면, 우측면 또는 상면 등 필요에 따라 적절한 방향에서 제1 영역(110)에 연통될 수 있다. 두 개 이상의 유체 유입 유로(150)들이 마련되는 경우에는 유체 유입 유로(150)들은 제1 영역(110)에 대하여 동일한 방향에 위치할 수도 있으며, 제1 영역(110)에 대해 서로 다른 방향에 위치할 수도 있다.
유체 유입 유로(150)는 유체 유입 유로(150)가 접하는 제1 영역(110)의 길이에 비하여 실질적으로 좁은 직경을 가질 수 있다. 이와 같이 상대적으로 좁은 유체 유입 유로(150) 내부를 진행하는 유체가 상대적으로 넓은 제1 영역(110) 내로 급속하게 진행하는 경우, 제1 영역(110)의 측벽 부근에서 상기 유체가 부분적으로 회전하여 혼류가 발생할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 난류 발생막(120)은 챔버(100)의 제1 영역(110) 및 제2 영역(140) 사이에 배치된다. 난류 발생막(120)은 제2 영역(140) 내의 유체에 난류를 발생시키는 통공(130)을 포함한다.
난류 발생막(120)이 통공(130)을 포함하기 때문에, 상기 유체들은 챔버(100)의 제1 영역(110)으로부터 난류 발생막(120)의 통공(130)을 통과하여 챔버(100)의 제2 영역(140)으로 이동하게 된다. 예를 들면, 상기 유체들이 챔버(100)의 제1 영역(110) 내에 유입되어 일정 이상의 부피에 도달하면, 중력에 의해 난류 발생막(120)에 소정의 압력을 가하게 되며, 이에 따라 제1 영역(110) 내의 유체들이 난류 발생막(120)에 형성된 통공(130)을 통해 챔버(100)의 하부 공간으로 이동하게 된다. 즉, 난류 발생막(120)의 통공(130)은 제1 영역(110) 내에 유입된 유체들이 제2 영역(140)으로 이동할 수 있는 통로 역할을 수행하게 된다.
난류 발생막(120)의 통공(130)을 통해 제1 영역(110) 내의 유체들이 챔버(100)의 제2 영역(140)으로 이동할 때, 챔버(100)의 제2 영역(140)에서 난류가 발생하여 제2 영역(140) 내에서 유체들이 서로 혼합될 수 있다. 예를 들면, 난류 발생막(120)의 통공(130)을 통해 제1 영역(110)의 유체가 제2 영역(140)으로 이동할 때, 버블이 발생하고 일정 크기에 도달한 버블이 터지면서 제2 영역(140)에 모인 유체들에 난류를 형성하여 챔버(100)의 하부 공간에 대응되는 제2 영역(140)에서 상기 유체들의 혼합이 발생될 수 있다. 난류 발생막(120)의 두께는 챔버(100)의 크기에 따라 적절하게 조절될 수 있다. 예를 들면, 난류 발생막(120)은 약 0.1㎛ 내지 약 1㎜ 정도의 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 난류 발생막(120)에 형성된 통공(130)에 의해 난류가 발생하기 때문에, 난류 발생막(120)이 요구되는 형태를 지속적으로 유지할 수 있는 한, 난류 발생막(120)에 사용할 수 있는 물질은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 난류 발생막(120)에 사용할 수 있는 물질의 예로는 금속, 금속 산화물, 고분자, 실리콘, 유리 등을 들 수 있다. 난류 발생막(120)에 사용할 수 있는 금속의 예로는 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu), 은(Ag), 텅스텐(W), 주석(Sn) 또는 티타늄(Ti) 등을 들 수 있으며, 난류 발생막(120)에 사용할 수 있는 금속 산화물의 예로는 알루미늄산화물(Al2O3) 또는 주석산화물(SnO) 등을 들 수 있다.
또한, 난류 발생막(120)에 사용할 수 있는 고분자의 예로서는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate; PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), 폴리아마이드(polyamide; PA), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리페닐렌 에테르(polyphenylene ether; PPE), 폴리스티렌(polystyrene; PS), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene; POM), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride; PVC), 폴리비닐리덴 플로라이드(polyvinylidene fluoride; PVDF), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate; PBT), 퍼플루오르알콕시알칸(perfluoralkoxyalkane; PFA) 등을 들 수 있다. 이들은 단독 또는 혼합하 여 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 난류 발생막(120)에 형성된 통공(130)들의 모양과 배열 형태는 상기 유체의 혼합을 억제하는 등의 효과가 없는 한 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 난류 발생막(120)상에 형성된 모든 통공(130)들이 실질적으로 동일한 형상을 가질 수도 있지만, 일부의 통공(130)들은 원형의 형상을 갖고, 다른 통공(130)들은 사각형 등의 다른 형상을 가질 수도 있다. 또한, 통공(130)들의 배열 형태에 있어서도, 일정한 간격을 두고 규칙적으로 배열될 수도 있지만, 임의의 구조로 불규칙적으로 배열될 수도 있다. 인접하는 통공(130)들 사이의 간격은 상기 유체로부터 버블의 형성을 억제하지 않는 범위에서 적절하게 조절될 수 있지만, 통공(130)들 사이의 간격은 상기 버블의 직경보다 넓게 형성될 수 있다. 상기 버블의 직경보다 통공(130) 사이의 간격이 좁을 경우에는, 형성된 버블이 서로 접촉하여 버블이 충분한 부피를 가지지 못하고 터지게 되기 때문에 챔버(100)의 하부 공간에서 충분하게 난류를 발생시키지 못할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 각 통공(130)은 상기 유체들이 흐르는 방향을 따라 약 100㎚ 내지 약 10㎛ 정도의 폭을 가질 수 있다. 통공(130)이 약 100㎚ 이하의 작은 폭을 가지는 경우, 통공(130)에서의 모세관압이 상승하기 때문에 상기 유체로부터 생성되는 버블의 부피가 너무 작아 난류 발생막(120) 하부에서 상기 유체들이 충분하게 혼합되지 못한다. 한편, 통공(130)의 폭이 약 10㎛ 이상인 경우에는, 제1 영역(110) 내에 유입된 유체들이 버블을 형성하기 않고 통공(130)을 통과하기 때문에 제2 영역(140) 내에서 상기 유체들의 효과적인 혼합이 발생하지 않을 수 있다.
전술한 구조를 갖는 통공(130)을 포함하는 난류 발생막(120)은 핫 엠보싱(Hot Embossing) 공정, 사출 성형(Injection Molding) 공정, 캐스팅(Casting) 공정, 광조형(Stereolithography) 공정, 레이저 어블레이션(Laser Ablation) 공정, 쾌속 조형(Rapid Prototyping) 공정, 실크 스크린 공정 등을 이용하여 제조될 수 있다. 또한, 난류 발생막(120)은 NC(Numerical Control) 머시닝 공정과 같은 전통적인 기계 가공 공정이나 증착 및 식각을 이용한 반도체 제조 공정을 통해서도 제조될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 난류 발생막(120)의 통공(130)을 지나 형성되는 유체의 버블들이 커지다가 일정 크기에 도달하면 터지게 된다. 이와 같이 버블들이 터지면서 제2 영역(140) 내의 유체들에 일정한 크기의 힘을 가하게 된다. 이러한 힘에 의해 제2 영역(140) 내의 유체들에 난류가 발생하게 되며, 그 결과 제2 영역(140)에서 유체들이 서로 혼합될 수 있다. 상기 유체들이 제1 영역(110)으로부터 난류 발생막(120)의 통공(130)을 통해 서서히 제2 영역(140)으로 빠져 나오기 때문에, 제1 영역(110) 내의 유체들이 모두 제2 영역(140)으로 이동할 때까지 버블이 형성되며, 이로 인하여 제2 영역(140) 내에서 계속적으로 유체들의 혼합이 발생할 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 제1 유체 배출 유로(160)는 제2 영역(140)에 연결된다. 제1 유체 배출 유로(160)는 챔버(100)의 제2 영역(140)에서 혼합된 유체들을 배출하는 역할을 수행한다. 즉, 제2 영역(140) 내에서 혼합된 유체들은 제1 유체 배출 유로(160)를 통해 상기 유체 혼합 장치로부터 배출되어 다른 장치로 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 유체 혼합 장치는 제2 영역(140)의 하부에 위치하며, 혼합된 유체들을 여과시키는 필터막(170), 여과된 유체들을 저장하는 챔버(100)의 제3 영역(180), 제3 영역(180)에 연결되어 여과된 유체들을 배출하는 제2 유체 배출 유로(190)를 추가적으로 구비할 수 있다.
필터막(170)은 챔버(100)의 제2 영역(140)에서 서로 다른 성질을 가진 유체들이 서로 혼합됨으로써 특정 반응이 진행되어 반응물이 생성되는 경우, 상기 반응물을 나머지 물질로부터 분리하는 역할을 수행할 수 있다. 예를 들면, 새로 생성된 반응물이 제2 영역(140)에 잔류하고 반응하지 않은 물질들이 필터막(170)을 통과하여 챔버(100)의 제3 영역(180) 내에 모일 수 있다. 이와는 달리, 새로 생성된 반응물이 제3 영역(180)으로 이동하여 수집되고 반응하지 않은 물질들이 제2 영역(140)에 잔류할 수도 있다. 또한, 새로 생성된 반응물 외의 물질들과 결합할 수 있는 항체와 같은 물질을 필터막(170)에 부착하여 반응하지 않은 물질들을 필터막(170)에 부착시킬 수 있다. 한편, 필터막(170)에 부착되지 않은 새로 생성된 반응물만이 챔버(100)의 제3 영역(180)에 저장되었다가 제2 유체 배출 유로(190)를 통해 상기 유체 혼합 장치로부터 배출될 수 있다. 또한, 필터막(170)은 특정 크기의 물질만을 통과시키도록 패터닝될 수 있다. 이 경우, 최종적으로 수득하고자 하는 물질만을 통과시킬 수 있도록 필터막(170)에 통공을 형성하여 제3 영역(180)에 최종 산물을 수집할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들에 있어서, 제2 영역(140) 내에서 서로 다른 성질을 가진 유체들의 혼합만이 일어나는 경우, 상기 유체 혼합 장치는 필터막(170), 제3 영역(180) 및 제2 유체 배출 유로(190)를 구비하지 않을 수도 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 유체 혼합 장치는 가스 주입 장치를 추가적으로 구비할 수 있다. 이러한 가스 주입 장치는 유체들이 난류 발생막(120)의 통공(130)을 통과할 때, 버블의 형성을 보다 용이하게 하는 역할을 수행할 수 있다. 난류 발생막(120)의 통공(130)을 통과하여 생성되는 버블들의 부피가 클수록 제2 영역(140)의 유체에 많은 힘이 작용하게 되어 유체들이 용이하게 혼합될 수 있다. 따라서 상기 가스 주입 장치를 사용하여 상기 유체들에 가스를 주입하는 경우, 큰 부피를 가지는 버블들이 생성될 수 있으며, 이로 인하여 제2 영역(140)의 유체에서 보다 강한 난류가 발생할 수 있다.
상기 가스 주입 장치는 유체 유입 유로(150)와 연결될 수 있다. 또한, 상기 가스 주입 장치는 챔버(100)의 제1 영역(110)에 직접적으로 연결될 수도 있다. 이 경우, 상기 가스 주입 장치는 챔버(100)의 제1 영역(110)에 대하여 유체 유입 유로(150)와 동일한 면에 위치할 수도 있고, 서로 다른 면에 위치할 수도 있다. 상기의 가스 주입 장치는 보다 큰 부피를 가지는 버블들을 형성하여 상기 유체의 혼합을 보다 효율적으로 하기 위한 것이므로, 상기 가스 주입 장치가 상기 유체 혼합 장치에 추가적으로 마련되지 않을 수도 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 유체 혼합 장치는 랩 온 어 칩과 같은 바이오 칩 또는 시료의 혼합이 요구되는 바이오센서 등에 적용될 수 있다. 바이오칩 등을 사 용하여 특정 물질의 농도 등을 광학적 방법을 통해 측정하는 경우, 측정하고자 하는 물질과 반응하여 형광을 나타내거나 색의 변화를 나타내는 물질을 함께 투입함으로써 투입 전 후의 형광 또는 광 흡수도의 변화를 통해 물질의 농도를 추론할 수 있다. 이 때, 상기 측정하고자 하는 물질과 상기 형광 또는 색을 나타내는 물질의 혼합이 요구된다. 상기 유체 혼합 장치는 추가적인 외부 장치 없이 통공(130)을 갖는 난류 발생막(120)을 이용하여 효과적으로 적은 양의 유체들을 혼합할 수 있다. 상기 바이오칩 또는 상기 바이오센서 등에 상기 유체 혼합 장치가 적용되는 경우, 상기 바이오칩 또는 상기 바이오센서 등은 작은 크기를 가지면서도 적은 양의 유체들을 효과적으로 혼합할 수 있으므로 상기 바이오칩 또는 상기 바이오센서의 집적성 및 정확성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 유체 혼합 장치는 외부 장치의 추가 없이 그 내부에 막을 배치함으로써, 유체들의 난류를 발생시켜 적은 양의 유체들을 효율적으로 혼합할 수 있다. 즉, 유체에 난류를 발생시키기 위한 추가적인 장치를 필요로 하지 않기 때문에 랩 온 어 칩과 같은 미세 소자에 효과적으로 적용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 유체 혼합 방법을 설명하기 위한 흐름도이며, 도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예들에 따른 유체 혼합 방법을 설명하기 위한 모식도들이다.
도 2 및 도 3a를 참조하면, 유체 유입 유로(150)를 통해 제1 영역(110) 및 제2 영역(140)을 포함하는 챔버(100)의 제1 영역(110)으로 유체를 제공한다(단계 S10).
분석하고자 하는 유체를 유체 유입 유로(150)를 통해 난류 발생막(120) 상부 공간인 제1 영역(110)에 투입한다. 상기 분석 대상이 되는 유체는 특별히 제한되지 않으며, 균일한 혼합이 요구되는 대부분의 유체들이 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 유체는 혈액, 땀, 침, 소변과 같은 신체에서 분비되는 체액 또는 미생물 등이 배양되어 있는 배양액일 수 있다. 또는 상기 유체는 항원, 항체, 아미노산, DNA, RNA 또는 뉴클레오티드 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 서로 다른 종류의 유체가 동일한 유체 유입 유로(150)를 통해 동시에 또는 시간차를 두고 투입될 수 있다. 시간차를 두고 서로 다른 성질을 가진 유체를 유입하는 경우, 상기 유체를 보다 효과적으로 혼합하기 위해서, 밀도가 낮은 유체를 먼저 투입할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 서로 다른 종류의 유체가 상이한 유입 유로를 통해 투입될 수도 있다. 이 때, 상기 유체 유입 유로들은 챔버(100)의 제1 영역(110)에 대하여 서로 다른 면에 위치할 수도 있으며, 챔버(100)의 제1 영역(110)에 대하여 동일한 면에 위치할 수도 있다.
유체 유입 유로(150)를 통해 유체가 유입되면, 상기 유입된 유체가 챔버(100)의 제1 영역(110)을 채운다. 제1 영역(110)에 투입된 유체는 상기 유체의 양이 마이크로 단위의 소량이기 때문에 유속 및 레이놀즈 상수가 낮아 층류를 형성하게 된다.
상기 유체가 제1 영역(110)에 일정량 이상 모이면 난류 발생막(120)에 압력을 가하면서 난류 발생막(120) 상에 형성된 통공(130)을 통해 유체가 난류 발생 막(120)의 하부 공간인 제2 영역(140)으로 이동한다. 처음 유체 투입 시, 난류 발생막(120)이 젖어 있지 않아 소량의 유체가 난류 발생막(120)의 통공(130)을 통해 버블 형성 없이 제2 영역(140)으로 이동한다. 그러나 난류 발생막(120)이 유체와 접촉한 이후, 난류 발생막(120)이 곧 유체에 대하여 젖은 상태로 바뀌게 되고 그 결과 서서히 난류 발생막(120)의 통공(130)을 통과하는 유체가 버블을 형성하게 된다.
도 2 및 도 3b를 참조하면, 챔버(100)에 유입된 유체가 챔버(100) 내의 난류 발생막(120)의 통공(130)을 통과하면서 버블을 형성한다(단계 S20).
점성이 있는 유체가 좁은 틈 또는 구멍을 통과할 때 서로 다른 성질을 가진 유체 사이에 작용하는 모세관압, 표면 장력 및 유체의 부력이 균형을 이루면서 상기 유체 자체에 녹아 있는 가스 또는 추가적으로 유입되는 가스에 의해 버블을 형성하게 된다. 상기 버블은 서서히 그 부피가 증가하다가 일정한 부피에 도달하면 난류 발생막(120)으로부터 완전히 분리되어 제2 영역(140)으로 떨어지거나 또는 터지게 된다. 이 때 상기 버블이 난류 발생막(120) 하부 공간인 제2 영역(140)에 모여 있는 유체에 소정의 힘을 가하게 되고 그 결과 상기 유체에 난류가 발생하면서 유체가 혼합된다. 따라서 본 발명의 실시예들의 유체 혼합 방법에 따르면 챔버(100) 내의 난류 발생막(120) 외에 다른 외부적인 힘 또는 장치 없이 상기 유체에 난류를 발생시킬 수 있다.
상기 유체 혼합 방법은 물을 투입하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일반적으로 통공(130)을 통과하면서 발생하는 버블의 부피는 상기 유체의 점도에 반비례한 다. 따라서 상기 유체의 점도가 높은 경우, 물을 투입하여 점도를 저하시킬 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 물은 상기 유체와 동시에 챔버(100)에 투입되거나 또는 상기 유체보다 먼저 챔버(100)에 투입할 수 있다. 일반적으로 물은 상기 유체보다 밀도가 낮다. 따라서 물을 상기 유체보다 늦게 투입하면, 밀도 차에 의해 물과 층 분리가 발생할 수 있으므로 물을 상기 유체보다 먼저 또는 동시에 투입할 수 있다. 또한 챔버(100)에 물을 먼저 첨가하는 경우, 난류 발생막(120)이 물에 젖은 상태가 되므로, 상기 유체를 제1 영역(110)으로 투입하였을 때, 통공(130) 통과 시 버블의 발생이 보다 용이할 수 있다.
상기 유체 혼합 방법은 가스를 주입하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 가스를 주입함으로써, 난류 발생막(120)의 통공(130)을 통과하는 유체가 큰 부피의 버블을 형성하여 난류 발생막(120) 하부의 유체에 보다 많은 힘을 가할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 가스의 주입은 난류 발생막(120) 상부에 유체를 유입하는 것과 동시에 수행될 수 있다.
상기 유체를 혼합하는 방법은 상기 혼합된 유체를 여과하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 유체의 혼합에 의해 상기 유체에 포함되어 있는 물질 사이에 결합이 생성되어 최초 투입된 유체에 포함되지 않는 새로운 물질이 생성되는 경우, 상기 혼합된 유체를 여과함으로써, 상기 반응에 의해 생성된 물질만을 수득할 수 있다. 상기 여과 방법은 생성되는 물질의 종류에 따라 다양할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 여과하는 방법으로는 통공(130)을 가진 난류 발생막(120) 하부에 생성 물질을 여과할 수 있는 추가적인 필터막(170)을 사 용할 수 있다. 예를 들면, 필터막에 유체에 포함되어 있는 물질 중 미반응 물질과 결합할 수 있는 항체 또는 효소를 바인더로 부착할 수 있다. 따라서 상기 바인더와 결합하지 않은 새롭게 생성된 반응물만이 필터막을 통과하여 챔버(100)의 필터막 하부 공간에 수집될 수 있다. 또는 상기 미반응 물질이 음(-) 또는 양(+) 같은 전기적 성질을 띠고 생성 물질은 전기적 성질을 띠지 않은 경우, 필터막에 전기를 가하여 반응 산물이 필터막을 통해 여과되도록 할 수 있다. 또는 특정 크기의 이하의 입자만이 통과시킬 수 있도록 필터막을 설계하여 원하는 크기를 가지 입자를 여과할 수 있다. 상기의 방법 외에도 반응 생성물에 따라 다양한 방법을 통해 원하는 물질을 여과할 수 있다.
상기 유체를 혼합하는 방법은 상기 여과된 유체를 배출하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 유체를 배출함으로써, 여과된 유체를 최종적으로 수득할 수 있다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 유체 혼합 방법을 보여주는 단면도이다. 도 4 내지 도 6에 있어서, "□", "△" 및 "○"는 각기 제1 유체에 포함되어 있는 항원을 나타내며, "
Figure 112008048124416-PAT00001
" 및 "
Figure 112008048124416-PAT00002
"는 각기 제2 유체에 포함되며, □ 및 ○와 각각 결합을 형성하며, 형광을 발현하도록 조작된 항체를 나타내고, "▣" 및 "⊙"는 상기 제1 유체의 상기 항원과 상기 제2 유체의 상기 항체가 결합된 항원-항체 결합체를 나타낸다. 도 4 내지 도 6은 단백질 또는 폴리펩티드를 포함하는 유체와 상기 단백질 또는 폴리펩티드와 결합할 수 있는 항체를 포함하는 유체를 혼합하는 방법을 예시적으로 도시하였지만, 본 발명의 특징 및 기타 이점들은 혼합하고자 하는 유체가 상기 단백질 또는 폴리펩티드를 포함하는 항원과 항체를 포함하는 경우뿐만 아니라, 다양한 다른 생체 물질 등을 포함하는 유체들을 혼합하는 방법에서도 적용 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
도 4를 참조하면, 제1 유체 유입 유로(150a)를 통해 챔버(100)의 제1 영역(110)으로 제1 유체를 유입한다. 한편, 제2 유체 유입 유로(150b)를 통해 챔버(100)의 제1 영역(110)으로 제2 유체를 유입한다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 제1 유체는 항원(□, △, ○)으로 작용할 수 있는 여러 가지 단백질 또는 폴리펩티드를 포함할 수 있고, 상기 제2 유체는 상기 단백질 또는 상기 폴리펩티드와 같은 항원과 결합할 수 있는 항체(
Figure 112008048124416-PAT00003
,
Figure 112008048124416-PAT00004
)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 유체에 포함되어 있는 물질이 특정인에게 알레르기를 일으킬 수 있는 물질을 포함하는지 여부를 확인하기 위하여 상기 제2 유체는 상기 특정인에게 알레르기를 일으키는 항원(□, ○)과 결합하며, 결합 시 형광을 발현할 수 있는 물질이 부착된 항체(
Figure 112008048124416-PAT00005
,
Figure 112008048124416-PAT00006
)를 포함할 수 있다.
도 4에서는 상기 제1 및 제2 유체를 서로 다른 유입 유로(150a, 150b)를 통해 유입하는 경우를 도시하였지만, 상기 제1 및 제2 유체들은 제1 또는 제2 유체 유입 유로(150a, 150b) 하나만을 통해 챔버(100)의 제1 영역(110)으로 유입될 수 있다.
상기 제1 및 상기 제2 유체가 제1 영역(110)에 유입되면, 상기 제1 및 상기 제2 유체가 서로 다른 분자량을 가지는 항원 및 항체를 포함하고 있고 그 양이 미량이므로, 상기 제1 및 상기 제2 유체는 서로 혼합되지 않고 층을 형성하면서 제1 영역(110)을 채울 수 있다. 상기 도 4에서는 상기 항원을 포함하는 상기 제1 유체가 상기 항체를 포함하는 제2 유체보다 하부에 놓여있는 경우를 도시하였다.
상기 제1 및 상기 제2 유체가 챔버(100)의 제1 영역(110)에 유입되면, 처음에는 난류 발생막(120)이 유체에 젖어 있지 않아 버블이 잘 형성되지 않는다. 즉, 처음에 챔버(100)의 제1 영역(110)으로 유입된 상기 제1 및 제2 유체는 버블 형성 없이 통공(130)을 통해 제2 영역(140)으로 이동할 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 제1 및 상기 제2 유체가 난류 발생막(120)의 통공(130)을 통과하여 버블을 형성한 후, 상기 버블이 터지거나 난류 발생막(120)으로부터 분리되어 제2 영역(140)에 난류를 발생시켜 상기 제1 및 상기 제2 유체가 혼합된다.
챔버(100)의 제1 영역(110)에 유입된 유체 중 하부의 상기 제1 유체의 일부가 난류 발생막(120)의 통공(130)을 통해 챔버(100)의 제2 영역(140)으로 이동하고 난류 발생막(120)이 젖은 상태가 되면서 난류 발생막(120)의 통공(130)을 통과한 유체가 버블을 형성한다.
상기 버블이 소정의 크기에 도달하면, 상기 버블은 터지거나 챔버(100)의 제2 영역(140)으로 떨어지면서 제2 영역(140)에 수집된 유체에 난류를 형성한다. 난류가 형성되면서 제2 영역(140)의 유체가 혼합된다. 제2 영역(140)의 유체가 혼합되면, 상기 제2 유체에 포함되어 있던 항체(
Figure 112008048124416-PAT00007
,
Figure 112008048124416-PAT00008
)는 상기 제1 유체에 포함되어 있는 항원(□, △, ○)과 결합을 형성하게 되고, 제2 영역(140)은 항원-항체 결합체(▣, ⊙), 항원(□, △, ○) 또는 항체(
Figure 112008048124416-PAT00009
,
Figure 112008048124416-PAT00010
)를 포함하는 혼합된 유체로 채워진 다.
도 6을 참조하면, 상기 혼합된 유체가 챔버(100)의 제2 영역(140)과 연결된 제1 유체 배출 유로(160)를 통해 상기 유체 혼합 장치로부터 배출된다.
제1 영역(110)의 유체들이 난류 발생막(120)의 통공(130)을 통과하여 제2 영역(140)으로 이동하는 동안, 계속적으로 버블이 형성되어 제2 영역(140)의 유체가 혼합된다. 제1 영역(110)의 유체가 제2 영역(140)으로 이동하여, 혼합된 유체가 제2 영역(140)에 일정 양 이상 모이면, 제1 유체 배출 유로(160)를 통해 상기 항원-항체 결합체(▣, ⊙) 및 항원(□, △, ○) 또는 항체(
Figure 112008048124416-PAT00011
,
Figure 112008048124416-PAT00012
)를 포함하는 유체가 상기 유체 혼합 장치에서 배출된다.
상기 배출된 혼합 유체들은 상기 제1 유체에 포함되어 있는 특정 항원의 함량을 측정하기 위하여, 상기 형광을 측정하는 단계로 이동하여 상기 항원-항체 결합체에 의해 발현된 형광을 측정할 수 있다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 유체 혼합 방법을 보여주는 단면도이다. 도 7 내지 도 9에 있어서, "
Figure 112008048124416-PAT00013
"는 세포를 나타내고, "▨", "▥" 및 "▤"는 세포(
Figure 112008048124416-PAT00014
)를 용해시키기 위해 사용되는 물질을 나타내며, ▶ 및
Figure 112008048124416-PAT00015
는 세포(
Figure 112008048124416-PAT00016
)에 포함되어 있는 세포 내 물질들을 나타내며, "
Figure 112008048124416-PAT00017
"는 세포(
Figure 112008048124416-PAT00018
)의 DNA를 나타낸다. 도 7 내지 도 9는 세포를 용해하여 DNA를 얻는 방법을 예시적으로 도시하였지만, 본 발명의 특징 및 기타 이점들은 혼합하고자 하는 유체가 상기 세포 또는 세포를 용해시킬 수 있는 물질을 포함하는 경우뿐만 아니라, 다양한 다른 생체 물질 등을 포함하는 유체들을 혼합하는 방법에서도 적용 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
도 7을 참조하면, 제1 유체 유입 유로(150a)를 통해 챔버(100)의 제1 영역(110)으로 제1 유체를 유입한다. 한편, 제2 유체 유입 유로(150b)를 통해 챔버(100)의 제1 영역(110)으로 제2 유체를 유입한다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 제1 유체는 DNA를 추출하고자 하는 세포(
Figure 112008048124416-PAT00019
)를 포함할 수 있고, 상기 제2 유체는 세포(
Figure 112008048124416-PAT00020
)를 용해시켜 DNA를 추출하는데 사용될 수 있는 킬레이트제 또는 SDS(sodium dodecyl sulfate) 등을 포함할 수 있다. 도 7에서는 상기 제1 및 제2 유체를 서로 다른 유체 유입 유로(150a, 150b)를 통해 유입하는 경우를 도시하였지만, 상기 제1 및 제2 유체들은 제1 또는 제2 유체 유입 유로(150a, 150b) 하나만을 통해 챔버(100)의 제1 영역(110)으로 유입될 수 있다. 또한 상기 제1 및 상기 제2 유체는 일시에 모두 동일한 유체 유입 유로를 통해 유입될 수도 있고, 시간차를 두고 하나 이상의 유체가 유입될 수 도 있다.
상기 제1 및 상기 제2 유체가 제1 영역(110)으로 유입되면, 상기 제1 및 상기 제2 유체에 포함된 물질들이 서로 다른 분자량을 가지고 있기 때문에, 서로 혼합되지 않고 제1 영역(110) 상에서 층류를 형성할 수 있다. 상기 도 7에서는 상기 제1 유체가 상기 제2 유체보다 하부에 놓여있는 경우를 도시하였다.
상기 제1 및 상기 제2 유체가 챔버(100)의 제1 영역(110)에 유입되면, 처음에는 난류 발생막(120)이 유체에 젖어 있지 않아 버블이 잘 형성되지 않는다. 즉, 처음에 챔버(100)의 제1 영역(110)으로 유입된 상기 제1 및 상기 제2 유체는 버블 형성 없이 통공(130)을 통해 제2 영역(140)으로 이동할 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 제1 및 상기 제2 유체가 난류 발생막(120)의 통공(130)을 통과하면서 버블을 형성한 후, 상기 버블이 터지거나 난류 발생막(120)으로부터 분리되어 제2 영역(140)에 난류를 발생시켜 상기 제1 및 상기 제2 유체가 혼합된다.
챔버(100)의 제1 영역(110)에 유입된 유체 중 하부의 제1 유체의 일부가 난류 발생막(120)의 통공(130)을 통해 챔버(100)의 제2 영역(140)으로 이동하고 난류 발생막(120)이 젖은 상태가 되면서 난류 발생막(120)의 통공(130)을 통과하는 유체가 버블을 형성한다.
상기 버블이 소정의 크기에 도달하면, 상기 버블은 터지거나 챔버(100)의 제2 영역(140)으로 떨어지면서 제2 영역(140) 내에 모여 있던 유체에 난류를 형성한다. 난류가 형성되면서 제2 영역(140)의 유체가 혼합된다. 제2 영역(140)의 유체가 혼합되면, 상기 제2 유체에 포함되어 있던 세포(
Figure 112008048124416-PAT00021
)는 세포(
Figure 112008048124416-PAT00022
)를 용해시키는데 사용되는 물질들(▨, ▥, ▤)과 접촉하게 되고 세포(
Figure 112008048124416-PAT00023
)의 세포막, 세포 내부의 소기관의 막 등이 붕괴되면서 DNA(
Figure 112008048124416-PAT00024
)를 포함하는 여러 세포 내 물질들(▶,
Figure 112008048124416-PAT00025
)이 세포(
Figure 112008048124416-PAT00026
)로부터 빠져나온다. 따라서 제2 영역(140)은 아직 용해되지 않은 세포(
Figure 112008048124416-PAT00027
), 세포(
Figure 112008048124416-PAT00028
)를 용해시키는데 사용될 수 있는 물질들(▨, ▥, ▤), 세포(
Figure 112008048124416-PAT00029
)의 DNA(
Figure 112008048124416-PAT00030
), 여러 가지 세포 내 물질들(▶,
Figure 112008048124416-PAT00031
)을 모두 함유하는 혼합된 유체를 포함한다.
도 9를 참조하면, 제2 영역(140)의 혼합된 유체를 필터막(170)을 사용하여 여과시켜 제3 영역(180)에 수집한 후, 제2 유체 배출 유로(190)를 통해 유체 혼합 장치로부터 배출시킨다.
챔버(100)의 제2 영역(140)은 원하는 물질과 함께 세포(
Figure 112008048124416-PAT00032
)의 용해에 의해 생성된 다양한 물질들을 모두 포함하고 있다. 이 중 분석하고자 하는 DNA(
Figure 112008048124416-PAT00033
)를 수득하기 위하여 제2 영역(140)에 있는 상기 혼합된 유체를 여과시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 필터막(170)은 특정 크기의 물질만을 통과시킬 수 있는 통공을 가질 수 있다. 예를 들면, 필터막(170)에 세포(
Figure 112008048124416-PAT00034
)의 용해에 의해 생성된 DNA(
Figure 112008048124416-PAT00035
)만이 통과할 수 있도록 통공을 형성하여 제3 영역(180)에 DNA(
Figure 112008048124416-PAT00036
)를 수집할 수 있다. 또는 세포(
Figure 112008048124416-PAT00037
)의 용해에 의해 생성되는 단백질 또는 폴리펩티드와 결합할 수 있는 항체가 부착되고 통공을 가진 필터막(170)을 설계하여, 제2 영역(140)에서 필터막(170)에 부착되지 않은 DNA(
Figure 112008048124416-PAT00038
)를 제 3영역(180)에서 수집할 수 있다.
챔버(100)의 제3 영역(180)에 수집된 최종 물질은 제2 유체 배출 유로(190)를 통해 배출될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 제3 영역(180)에 수득된 DNA(
Figure 112008048124416-PAT00039
)가 제2 유체 배출 유로(190)를 통해 빠져나간 후, DNA(
Figure 112008048124416-PAT00040
)를 분석하기 위하여 DNA(
Figure 112008048124416-PAT00041
)를 전기영동 시키는 단계로 이동할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 유체 혼합 방법에 의하면, 유체들을 막에 형성된 통공을 통과시켜 버블을 형성함으로써, 막 하부 공간에 난류를 형성할 수 있다. 상 기와 같이 난류를 형성함으로써, 적은 양의 유체를 효율적으로 혼합할 수 있다. 또한 통공을 가진 막 외에 추가적인 외부 힘이나 장치를 요구하지 않으므로 유체 제어 소자 등에 유용하게 사용될 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 따른 유체 혼합 장치 및 유체 혼합 방법에 의하면, 통공이 형성된 막만을 사용하여 효과적으로 유체를 혼합할 수 있다. 따라서 혼합을 위한 외부적인 힘이나 장치를 필요로 하지 않기 때문에 랩 온 어 칩과 같은 마이크로 플루이딕스 장치에 유효하게 사용될 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 유체 혼합 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 유체 혼합 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3 내지 도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 유체 혼합 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 기판 110: 제1 영역
120: 난류 발생막 130: 통공
140: 제2 영역
150, 150a, 150b: 유체 유입 유로
160, 190: 유체 배출 유로 170: 필터막
180: 제3 영역

Claims (15)

  1. 챔버의 제1 영역에 유체 유입 유로를 통해 유체를 유입하는 단계;
    유입된 유체를 난류 발생막의 통공을 통과시켜 버블을 형성하는 단계;
    상기 버블이 터지거나 상기 난류 발생막으로부터 분리되면서 상기 챔버의 제2 영역의 유체에 난류를 발생시켜 상기 제2 영역의 유체를 혼합하는 단계; 및
    상기 제2 영역에 연결된 제1 유체 배출 유로를 통해 혼합된 유체를 배출하는 단계를 포함하는 유체 혼합 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 영역 내의 상기 혼합된 유체를 상기 제2 영역의 하부에 위치하는 필터막과 접촉시켜 여과하는 단계;
    여과된 유체를 상기 제2 영역 하부의 제3 영역에 수집하는 단계; 및
    상기 제3 영역에 연결된 제2 유체 배출 유로를 통해 상기 여과된 유체를 배출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 혼합 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유체의 점도를 조절하기 위하여 상기 제1 영역에 물을 주입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 혼합 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 물은 상기 유체와 동시에 주입되거나 상기 유체가 유 입되기 전에 주입되는 것을 특징으로 하는 유체 혼합 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제1 영역의 유체에 가스를 주입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 혼합 방법.
  6. 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 챔버;
    상기 제1 영역에 연결되며, 상기 챔버 내로 유체를 유입하는 유체 유입 유로;
    상기 제1 영역 및 상기 제2 영역 사이에 배치되며, 상기 제2 영역 내의 유체에 난류를 발생시키는 통공을 포함하는 난류 발생막; 및
    상기 제2 영역에 연결되며, 혼합된 유체를 배출하는 제1 유체 배출 유로를 구비하는 유체 혼합 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 영역 하부에 위치하며, 상기 혼합된 유체를 여과시키는 필터막;
    상기 필터막 하부에 위치하며, 여과된 유체를 저장하는 제3 영역; 및
    상기 제3 영역에 연결되며, 상기 여과된 유체를 배출하는 제2 유체 배출 유로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 유체 혼합 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 필터막이 혼합된 유체를 여과시키는 여과용 통공을 구 비하는 것을 특징으로 하는 유체 혼합 장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 필터막은 표면에 항체가 부착된 것을 특징으로 하는 유체 혼합 장치.
  10. 제6항에 있어서, 상기 난류 발생막은 금속, 금속 산화물, 고분자, 실리콘 및 유리로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유체 혼합 장치.
  11. 제6항에 있어서, 상기 난류 발생막은 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu), 은(Ag), 텅스텐(W), 주석(Sn), 티타늄(Ti), 알루미늄산화물(Al2O3), 주석산화물(SnO), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate; PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), 폴리아마이드(polyamide; PA), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리페닐렌 에테르(polyphenylene ether; PPE), 폴리스티렌(polystyrene; PS), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene; POM), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride; PVC), 폴리비닐리덴 플로라이드(polyvinylidene fluoride; PVDF), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate; PBT) 및 퍼플루오르 알콕시알칸(perfluoralkoxyalkane; PFA)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 혼합 장치.
  12. 제6항에 있어서, 상기 통공은 100㎚ 내지 10㎛의 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 유체 혼합 장치.
  13. 제6항에 있어서, 상기 유체에 가스를 공급하는 가스 공급 장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 유체 혼합 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 가스 공급 장치는 상기 유체 유입 유로에 연결되는 것을 특징으로 하는 유체 혼합 장치.
  15. 제13항에 있어서, 상기 가스 공급 장치는 상기 제1 영역에 연결되는 것을 특징으로 하는 유체 혼합 장치.
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