KR20110074334A - Optoelectrofluidic device integrated with microfluidic channels and droplet manipulation method using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 미세채널이 집적된 광전기유체소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미세방울이 연속적으로 생성되고, 빛에 의해 유도된 유전영동(Dielectrophoresis) 및 전기습윤(Electrowetting) 원리를 이용하여 미세방울을 구동시키는 미세채널이 집적된 광전기유체소자 및 이를 이용한 미세방울 구동방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
최근 미세유체 기술 중에서 화학 및 바이오 시료를 분석하기 위해 시료의 전처리 기술의 중요성이 대두되고 있으며, 특히 정교하고 독립적인 시료의 구동 기술이 각광받고 있다. 다양한 시료의 혼합, 측정, 배열화 등에 적용하기 위해 프로그램화 가능한(Programmable) 미세방울 제어기술이 제안되었고 여러 적용 예가 보고되었다. 미세유체소자 내에서 기존의 프로그램화 가능한 미세방울 제어기술의 원리는 자기구동[U. Lehmann et al., Sens. Actuators B Chem. 2007, 117, 457-463], 유전영동(Dielectrophoresis) [T.B. Jones, Electromechanics of particles, 1995, New York: Cambridge University Press], 전기습윤(Electrowetting-on-dielectric, EWOD) [S.K. Cho et al., J. Microelectromech. Syst. 2003, 12, 70-80] 또는 광학집게(Optical tweezer) [R.M. Lorenz et al., Anal. Chem. 2007, 79, 224-228] 등이 있으나, 자기구동의 경우 자성입자의 부착이 필수적이며, 유전영동이나 전기습윤과 같은 기술의 경우 고정된 미세전극이 포함된 소자를 제작하기 위한 패터닝 등의 고비용의 공정과정이 동반되며 복잡한 배선작업이 필요하다. 또한, 광학 집게와 같은 광학 소자를 이용하는 경우 레이저 등을 구동하기 위한 복잡한 장치 구성이 필요하고 높은 광학 및 전기적 에너지에 따른 광손상(Photodamage)이 우려된다. 뿐만 아니라, 상기와 같은 기술은 소자 특성상 휴대용 장치의 개발에는 부적합하다.Recently, the importance of sample pretreatment technology is emerging to analyze chemical and biosamples among microfluidic technologies. Programmable microdrop control techniques have been proposed and applied to several applications for mixing, measuring, and arranging various samples. The principle of the existing programmable microdrop control technology in microfluidic devices is based on magnetic drive [U. Lehmann et al., Sens. Actuators B Chem. 2007, 117, 457-463, Dielectrophoresis [TB Jones, Electromechanics of particles, 1995, New York: Cambridge University Press], Electrowetting-on-dielectric, EWOD [SK Cho et al., J. Microelectromech. Syst. 2003, 12, 70-80] or optical tweezers [RM Lorenz et al., Anal. Chem. 2007, 79, 224-228], but magnetic particles are essential for magnetic driving, and in the case of technologies such as dielectric electrophoresis and electrowetting, high costs such as patterning for fabricating devices containing fixed microelectrodes The process is accompanied by a complicated process of wiring. In addition, when using an optical element such as an optical forceps, a complicated device configuration for driving a laser or the like is required, and photodamage due to high optical and electrical energy is concerned. In addition, such a technique is not suitable for the development of a portable device due to the device characteristics.
위와 같은 기존의 미세전자소자의 한계를 극복하고, 빛을 이용하여 미소 또는 나노 크기의 입자나 세포와 단백질과 같은 생체물질을 프로그램화하여 구동하고 조작 및 분석할 수 있는 광전기유체역학(Optoelectrofluidics) 기술이 각광받고 있다. 광전도성(Photoconductive) 물질에 빛을 조사함으로써 광에너지가 전기에너지로 전환되며, 이로 인해 불균일한 전기장이 형성되어 전기동역학적 현상을 유도함으로써 미세입자 또는 미세유체의 운동을 제어할 수 있다. Optoelectrofluidics technology that overcomes the limitations of existing microelectronic devices as described above and uses light to program, drive, manipulate, and analyze biomaterials such as micro or nano-sized particles, cells, and proteins. This is in the limelight. By irradiating light on a photoconductive material, light energy is converted into electric energy, which results in an uneven electric field, which induces an electrodynamic phenomenon, thereby controlling the movement of the microparticles or the microfluid.
본 발명은 기존의 복잡한 소자와 장치 구성 대신에, 간단한 구성을 지닌 광전기유체소자를 이용함으로써 간단한 광학 장치와 비교적 낮은 전기적 에너지로 미세방울의 구동이 가능하도록 하고, 소자 제작에 필요한 시간과 비용을 절약할 수 있으며, 외부 에너지로부터 시료의 손상을 최소화할 수 있도록 하였다. 또한, 기 존에 개발된 여러 미세유체소자와 집적 가능하므로 다양한 종류의 유체를 포함하는 미세방울을 연속적으로 형성 및 조작할 수 있다.The present invention enables the operation of microdroplets with a simple optical device and relatively low electrical energy by using a photoelectric fluid element having a simple configuration, instead of the existing complicated device and device configuration, and saves time and cost required for device fabrication. It is possible to minimize damage of the sample from external energy. In addition, since it is possible to integrate with a variety of microfluidic devices developed previously, it is possible to continuously form and manipulate microdroplets including various kinds of fluids.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 미세채널이 집적된 광전자유체소자 내에서 연속적으로 다양한 농도 및 종류의 미세방울을 형성하고, 휴대용으로 제작할 수 있는 간단한 광학 시스템과 비교적 낮은 전압으로, 형성된 미세방울의 이동, 병합, 혼합 등의 프로그램화된 구동이 가능한 미세채널이 집적된 광전기유체소자를 제공하는 것이다.The present invention was derived to solve the above-described problems, the first problem to be solved by the present invention is to form a microdrops of various concentrations and types continuously in a microchannel integrated opto-fluidic device, and to be portable The present invention provides a photovoltaic fluid device in which microchannels are integrated, which can be programmed by driving, merging, mixing, etc. of formed droplets with a simple optical system and relatively low voltage.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상술한 미세채널이 집적된 광전기유체소자를 이용하여 미세방울을 구동할 수 있는 미세방울 구동방법을 제공하는 것이다.A second problem to be solved by the present invention is to provide a microdroplet driving method capable of driving microdroplets using the photovoltaic fluid device in which the microchannel is integrated.
본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여,The present invention to achieve the first object,
미세유체가 이동하는 미세채널;Microchannels through which microfluids move;
상기 미세채널이 집적된 광전기유체소자;An optoelectronic fluid device in which the microchannels are integrated;
상기 광전기유체소자에 전압을 인가하기 위한 전원장치; 및A power supply device for applying a voltage to the optoelectronic fluid element; And
상기 미세채널을 통해 주입된 상기 미세유체에 빛을 조사하는 광원;을 포함하는 미세채널이 집적된 광전기유체소자를 제공한다.It provides a photovoltaic fluid device integrated with a microchannel comprising a; light source for irradiating light to the microfluid injected through the microchannel.
여기서, 상기 광전기유체소자는 상기 미세유체로부터 미세방울을 형성하는 형성부 및 상기 미세방울이 구동되는 구동부를 포함할 수 있다.Here, the optoelectronic fluid device may include a forming unit for forming microdrops from the microfluid and a driving unit for driving the microdrops.
또한, 상기 형성부에는 상기 미세유체를 주입하기 위한 하나 이상의 주입부가 연통될 수 있다.In addition, the forming unit may be in communication with one or more injection unit for injecting the microfluid.
또한, 상기 구동부에는 상기 미세방울을 회수할 수 있는 배출부가 연통될 수 있다.In addition, the driving unit may be in communication with the discharge portion for recovering the fine droplets.
또한, 상기 광원으로부터 조사된 빛의 경로에는 상기 빛을 집광시키기 위한 하나 이상의 렌즈가 구비될 수 있다.In addition, one or more lenses for condensing the light may be provided in the path of the light emitted from the light source.
또한, 상기 광원으로부터 조사된 빛의 경로에는 상기 빛의 패턴을 변화시키기 위한 디스플레이 장치가 구비될 수 있다.In addition, a display device for changing the pattern of the light may be provided in the path of the light irradiated from the light source.
또한, 상기 광전기유체소자의 위치를 조절할 수 있는 스테이지를 더 포함할 수 있다.The apparatus may further include a stage capable of adjusting the position of the optoelectronic fluid device.
또한, 상기 광전기유체소자 내부를 관찰하기 위한 하나 이상의 보조광원을 더 포함할 수 있다,In addition, it may further include one or more auxiliary light sources for observing the inside of the optoelectronic fluid device,
또한, 상기 미세채널은 고분자 물질, 감광체, 유리, 실리콘 중 어느 하나의 물질로 제조될 수 있다.In addition, the microchannel may be made of any one of a polymer material, a photoconductor, glass, and silicon.
또한, 상기 미세유체는 세포, 단백질, 고분자성 입자 중 하나 이상을 포함할 수 있다.In addition, the microfluid may include one or more of cells, proteins, and polymeric particles.
또한, 상기 광전기유체소자는, 상기 빛이 조사된 영역에만 선택적으로 전압이 인가되는 광전도성층 및 상기 광전도성층에 인가되는 전압으로부터 상기 광전기유체소자에 전기장을 형성시키기 위한 접지층을 포함할 수 있다.In addition, the photovoltaic fluid element may include a photoconductive layer to which a voltage is selectively applied only to the region to which light is irradiated, and a ground layer for forming an electric field in the photovoltaic fluid element from a voltage applied to the photoconductive layer. have.
또한, 상기 광전도성층은, 상기 전원장치를 이용하여 전압을 인가하는 평판 전극 및 상기 빛이 조사된 영역에만 선택적으로 전압을 인가시키도록 하는 광전도성물질을 포함할 수 있다.The photoconductive layer may include a flat electrode for applying a voltage using the power supply device and a photoconductive material for selectively applying a voltage only to a region to which the light is irradiated.
또한, 상기 평판 전극은 투명한 전도성 물질로 제조될 수 있다.In addition, the plate electrode may be made of a transparent conductive material.
또한, 상기 광전도성물질은 수소화된 진성의 비정질 실리콘(Hydrogenated intrinsic amorphous silicon), 황화 카드뮴(CdS), 포토 트랜지스터 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.In addition, the photoconductive material may be made of any one of hydrogenated intrinsic amorphous silicon, cadmium sulfide (CdS), and a photo transistor.
또한, 상기 광전기유체소자는, 상기 광전도성물질과 상기 평판 전극 사이에 중간층을 더 포함할 수 있다.In addition, the optoelectronic fluid device may further include an intermediate layer between the photoconductive material and the plate electrode.
또한, 상기 중간층은 도핑된 비정질 실리콘(Doped amorphous silicon) 또는 몰리브덴(Molybden)으로 제조될 수 있다.In addition, the intermediate layer may be made of doped amorphous silicon or molybdenum.
또한, 상기 광전기유체소자는, 상기 광전도성물질 상에 보호층을 더 포함할 수 있다.In addition, the optoelectronic fluid device may further include a protective layer on the photoconductive material.
또한, 상기 보호층은 질화 실리콘(Silicon nitride) 또는 산화 실리콘(Silicon oxide)으로 이루어질 수 있다.In addition, the protective layer may be made of silicon nitride or silicon oxide.
또한, 상기 접지층은 투명한 전도성 물질로 이루어질 수 있다.In addition, the ground layer may be made of a transparent conductive material.
또한, 상기 투명한 전도성 물질은 ITO(Indium tin oxide) 또는 금박막으로 이루어질 수 있다.In addition, the transparent conductive material may be made of indium tin oxide (ITO) or a gold thin film.
또한, 상기 광전기유체소자는, 상기 보호층 상에 흡착방지층을 더 포함할 수 있다.In addition, the optoelectronic fluid device may further include an adsorption preventing layer on the protective layer.
또한, 상기 흡착방지층은 무정형 불소중합체(amorphous fluoropolymer)로 이 루어진 것이 바람직하다. In addition, the adsorption prevention layer is preferably made of an amorphous fluoropolymer (amorphous fluoropolymer).
또한, 상기 광원은 레이저, 펄스 레이저, 형광(fluorescence) 발광, 또는 라만 산란(Raman scattering)중 어느 하나인 것이 바람직하다.In addition, the light source is preferably any one of laser, pulsed laser, fluorescence emission, or Raman scattering.
또한, 상기 미세유체는 비혼합성 유체인 제1 미세유체 및 제2 미세유체를 포함하고, 상기 미세채널을 통과한 상기 제1 미세유체는 상기 제2 미세유체에 의해 미세방울로 변화될 수 있다.In addition, the microfluid may include a first microfluid and a second microfluid which are non-mixing fluids, and the first microfluid passing through the microchannel may be changed into microdrops by the second microfluid. .
또한, 상기 제1 미세유체는 세포, 단백질, 고분자성 입자 중 하나 이상을 포함할 수 있다.In addition, the first microfluid may include one or more of cells, proteins, and polymeric particles.
또한, 상기 전압이 인가되고 상기 빛이 조사될 때, 상기 미세방울이 전기영동 또는 전기습윤에 의해 상기 빛이 조사된 영역 방향으로 움직이거나, 그 반대 방향으로 움직이게 될 수 있다.In addition, when the voltage is applied and the light is irradiated, the microdroplets may be moved in the direction of the irradiated region by the electrophoresis or electrowetting, or in the opposite direction.
또한, 상기 전원장치로부터 인가되는 전압은 교류 또는 직류 전압인 것이 바람직하다.In addition, the voltage applied from the power supply device is preferably an AC or DC voltage.
또한, 상기 교류 전압이 인가될 경우, 주파수에 따라 상기 미세방울의 구동 방향이 변경될 수 있다.In addition, when the AC voltage is applied, the driving direction of the microdroplets may be changed according to the frequency.
또한, 상기 직류 전압이 인가될 경우, 전기영동에 의해 상기 미세방울이 이동될 수 있다.In addition, when the DC voltage is applied, the microdroplets may be moved by electrophoresis.
또한, 상기 디스플레이 장치는 DMD, LCD, PDP, OLED, 레이저 중 어느 하나인 것이 바람직하다.In addition, the display device is preferably any one of a DMD, LCD, PDP, OLED, laser.
또한, 상기 보조광원은 할로겐 램프, 형광 발광, 레이저 중 어느 하나인 것 이 바람직하다.In addition, the auxiliary light source is preferably any one of a halogen lamp, fluorescent light emission, laser.
또한, 상기 미세방울의 크기는 상기 제1 미세유체의 유속을 변경하거나 상기 미세채널의 높이 또는 너비를 변경함으로써 조절될 수 있다.In addition, the size of the microdroplets may be adjusted by changing the flow rate of the first microfluid or changing the height or width of the microchannel.
또한, 상기 미세방울의 크기는 상기 제2 미세유체의 유속을 변경하거나, 상기 제2 미세유체에 대한 상기 제1 미세유체의 유속비를 변화시킴으로써 조절될 수 있다.In addition, the size of the microdroplets may be adjusted by changing the flow rate of the second microfluid or changing the flow rate ratio of the first microfluid to the second microfluid.
본 발명은 상기 두 번째 과제를 달성하기 위하여, According to another aspect of the present invention,
미세채널이 형성된 광전기유체소자에 미세유체를 주입하는 단계;Injecting microfluid into the optoelectronic fluid device having the microchannel formed thereon;
상기 광전기유체소자에 주입된 미세유체로 미세방울을 형성하는 단계; 및Forming microdroplets with the microfluid injected into the optoelectronic fluid device; And
상기 광전기유체소자에 광원으로부터 빛을 조사하고 전압을 인가하여 상기 미세방울을 구동시키는 단계;를 포함하는 미세채널이 집적된 광전기유체소자를 이용한 미세방울 구동방법을 제공한다.And driving the microdrops by irradiating light from a light source to the photovoltaic fluid element and applying a voltage to the photovoltaic fluid element.
여기서, 상기 미세유체를 주입하는 단계 이전에, 상기 미세유체에 세포, 단백질, 고분자성 입자 중 하나 이상을 포함하는 시료를 주입하는 단계를 더 포함할 수 있다.Here, before the step of injecting the microfluid, may further comprise the step of injecting a sample containing one or more of cells, proteins, polymeric particles into the microfluid.
또한, 상기 미세방울을 형성하는 단계에서, 상기 미세채널을 통해 주입되는 미세유체의 유속을 조절하거나 상기 미세채널의 높이 또는 너비를 조절함으로써 상기 미세방울의 크기를 조절할 수 있다.In addition, in the forming of the microdroplets, the size of the microdroplets may be adjusted by adjusting the flow rate of the microfluid injected through the microchannel or adjusting the height or width of the microchannel.
또한, 상기 미세방울을 구동시키는 단계에서, 상기 광원에서 조사되는 상기 빛을 상기 미세방울의 구동을 위한 특정 영역으로 조사할 수 있다.In addition, in the driving of the microdrops, the light irradiated from the light source may be irradiated to a specific region for driving the microdrops.
또한, 상기 미세방울을 구동시키는 단계에서, 상기 미세방울은, 전기영동 또는 전기습윤에 의해 상기 특정 영역을 향해 움직이거나 그 반대 방향으로 움직일 수 있다.In addition, in the driving of the microdrops, the microdrops may be moved toward the specific region or in the opposite direction by electrophoresis or electrowetting.
본 발명에 따른 미세채널이 집적된 광전기유체소자 및 미세방울 구동방법을 이용하면, 간단한 광학 장치를 이용하여 비교적 낮은 전기적 에너지로 미세방울의 프로그램화 구동을 수행할 수 있으며, 이를 통해 서로 다른 두 개 이상의 시료를 가지는 미세방울의 2차원적 수송, 병합 및 혼합을 수행할 수 있다. 특히, 미세물방울 형성부와 구동부가 완벽하게 분리된 미세채널을 광전기유체소자에 집적함으로써 단일 광전기유체소자 내에서 연속적인 미세방울 형성과 광전기유체역학적 구동이 가능하다. 이러한 장점을 지닌 본 발명은 기존의 유체방울 조작 기술에 비해 단순하고 사용하기에 편리한 구조를 제공함으로써 생물학적 응용 및 분석 분야에 이용될 수 있을 것이다. 특히 대면적에서 다수의 미세방울을 동시에 구동할 수 있다는 장점은 초고속 스크리닝(High-throughput screening)에 기여할 수 있을 것이라 기대한다. 또한 영상 장치에 의해 형성된 가상 전극을 이용한 광전자적 구동원리는 자동화된 세포 분석 실험에 응용될 수 있을 것이다.By using the photovoltaic fluid element and the microdrop driving method in which the microchannels are integrated according to the present invention, it is possible to program the microdrops with relatively low electrical energy using a simple optical device, thereby enabling two different ones. Two-dimensional transport, merging and mixing of microdroplets having the above samples can be performed. In particular, by integrating the microchannel in which the microdroplet forming unit and the driving unit are completely separated in the optoelectronic fluid element, continuous microdrop formation and optohydrodynamic driving in a single optoelectronic fluid element are possible. The present invention with this advantage could be used in biological applications and analytical applications by providing a simple and easy to use structure compared to existing fluid manipulation techniques. In particular, the advantage of being able to drive a large number of micro droplets at the same time is expected to contribute to high-throughput screening. In addition, the photoelectric driving principle using the virtual electrode formed by the imaging device may be applied to an automated cell analysis experiment.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명 할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred examples. However, these examples are intended to illustrate the present invention in more detail, it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited thereby.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세채널이 집적된 광전기유체소자(1)를 도시한 도면이다.1 is a view showing an
본 발명의 일 실시예에 따른 광전기유체소자(1)는, 미세유체가 이동하는 미세채널(101); 상기 미세채널이 집적된 광전기유체소자(1); 상기 광전기유체소자에 전압을 인가하기 위한 전원장치(111); 및 상기 미세채널을 통과한 상기 미세유체에 빛을 조사하는 광원(115);을 포함한다.An
본 발명에 따른 광전기유체소자(1)는 미세채널에 의해 미세방울(107)을 형성할 수 있는 형성부(102)와 형성된 미세방울을 광전기유체역학적으로 구동할 수 있는 구동부(103)를 포함한다. 상기 형성부(102)는 미세방울이 형성되는 하나 이상의 T자 채널(104), 그리고 상기 T자 채널과 연결되어 형성된 미세물방울을 구동부로 이동시키기 위한 이동채널(105)을 포함한다.The
또한, 광전기유체소자(1)의 형성부(102)에는 미세유체를 주입하기 위한 하나 이상의 주입부(106)가 연통될 수 있다. 그리고, 상기 주입부를 통해 미세유체의 유속을 조절하거나 상기 T자 채널의 높이 및 너비를 조절함으로써 미세방울의 크기를 조절할 수 있다.In addition, at least one
상술한 형성부, 구동부, 미세채널 등은 PDMS, PMMA 등과 같은 고분자 물질, 감광체(Photoresist), 유리, 실리콘 등의 물질 중 어느 하나로 제조될 수 있다. 또한, 상기 주입부로 주입되는 미세유체는 세포, 단백질, 고분자성 입자 중 하나 이상을 포함할 수 있다.The above-described forming part, driving part, and microchannel may be made of any one of a polymer material such as PDMS and PMMA, a photoresist, glass, and silicon. In addition, the microfluid injected into the injection unit may include one or more of cells, proteins, and polymeric particles.
미세방울(107)의 형성은 T자형의 미세채널의 양단에서 비혼합 유체인 제1 미세유체(예를 들면 물) 및 제2 미세유체(예를 들면 오일)을 흘려보내고, 제1 미세유체가 제2 미세유체에 의해 미세채널을 통과하면서 형성될 수 있다. 그리고, 상기 제1 미세유체에 세포, 단백질, 고분자성 입자 등의 시료를 주입함으로써 구동, 관찰 및 분석 대상이 되는 미세방울을 형성시킬 수 있다.Formation of the
시료를 포함하는 미세유체에 의해 형성된 미세방울(107)은 상기 구동부와 연결된 이동채널(105)을 통해 이동하게 된다. 상기 형성부의 높이는 68㎛로 충분한 크기의 미세방울이 형성될 수 있도록 하고, 상기 구동부의 높이는 125㎛로 흡착에 의해 미세방울의 이동 속도가 떨어지는 것을 방지하도록 제작할 수 있다. 상기 형성부 및 구동부의 높이는 공정 조건에 따라 조절될 수 있다.The
상기 주입부(106) 및 T자 채널(104)은 두 개 이상 존재하여 서로 다른 종류의 미세방울을 동시에 형성할 수 있으며, 상기 구동부(103)는 하나 이상의 배출부(108)를 포함하여 특정 미세방울을 회수할 수 있다.Two or
상기 구동부(103)의 높이 및 단면의 모양은 광전도층(109)과 접지층(110) 사이에 인가된 전압에 의한 전기장의 세기를 결정하며, 높이가 낮을수록 전기장의 세기는 세어진다. The height and the shape of the cross section of the
전원장치(111)에 의해 인가되는 전압은 교류 또는 직류 전압일 수 있으며, 교류 전압이 인가될 경우 주파수에 따라 미세방울의 구동방향이 변경될 수 있다. 그리고, 직류 전압이 인가될 경우 전기영동에 의해 미세방울이 이동될 수 있다.The voltage applied by the
구동부(103)에 광원(115)으로부터 빛(112)이 조사되어 전압이 인가되었을 때, 상기 미세채널을 통해 상기 형성부로부터 이동된 미세방울은 전기영동 또는 전기습윤에 의해 빛이 조사된 영역의 방향 또는 반대 방향으로 움직일 수 있다. When the light 112 is irradiated to the
구동부(103)에서 서로 상이한 시료를 포함하는 미세방울을 전기영동 또는 전기습윤에 의해 이동 및 병합시켜 서로 혼합시킬 수 있고, 혼합된 미세방울을 다시 이동시킬 수 있으며, 배출부(108)를 통해 회수할 수 있다.The microbubbles including the different samples from the driving
광원(115)은 레이저, 펄스 레이저, 형광(fluorescence) 발광, 또는 라만 산란(Raman scattering)중 어느 하나일 수 있으며, 광원(115)으로부터 조사되는 빛의 경로에는 DMD(Digital Micromirror Device), LCD, PDP, OLED, 레이저와 같은 디스플레이 장치(114)가 구비될 수 있다. 이러한 디스플레이 장치는 구동부(103)에 조사되는 빛의 패턴, 즉 빛의 형태나 밝기를 변화시켜 미세방울의 구동 방향을 변경시킬 수 있다.The
디스플레이 장치를 통과한 빛을 집광시키기 위해 하나 이상의 렌즈(113)가 설치될 수 있다.One or
또한, 상술한 광전기유체소자는, 예를 들면 전자현미경의 스테이지(미도시)에 놓여질 수 있으며, 이 스테이지를 이용하여 광전기유체소자의 위치를 정밀하게 조절할 수 있다. 아울러, 광전기유체소자의 내부를 관찰하기 위해 하나 이상의 보조광원(미도시)가 설치될 수 있으며, 이 보조광원을 통해 구동되는 미세방울의 구동 방향 및 현재 위치를 관찰하면서 미세방울에 포함된 시료를 분석할 수 있다.In addition, the above-described photovoltaic fluid element may be placed, for example, on a stage (not shown) of an electron microscope, and the stage may be used to precisely adjust the position of the photovoltaic fluid element. In addition, at least one auxiliary light source (not shown) may be installed to observe the inside of the optoelectronic fluid device, and the sample included in the microdroplet may be observed while observing the driving direction and current position of the microdroplets driven through the auxiliary light source. Can be analyzed.
보조광원은 할로겐 램프, 형광 발광 또는 레이저 중 어느 하나인 것이 바람 직하다.The auxiliary light source is preferably any one of a halogen lamp, fluorescent light emission or laser.
광전기유체소자(1)는 빛(112)이 조사되는 영역에만 선택적으로 전압이 인가되는 광전도성층(109) 및 광전도성층에 인가되는 전압으로부터 광전기유체소자에 전기장을 형성시키기 위한 접지층(110)을 포함할 수 있다.The
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세채널이 집적된 광전기유체소자의 제작공정을 나타낸 도면이다.2 is a view showing a manufacturing process of an opto-electronic fluid device in which the microchannels are integrated according to the first embodiment of the present invention.
먼저, 포토레지스트(201)가 패터닝된 실리콘 웨이퍼(202) 위에 PDMS(203)를 스핀코팅한다. 포토레지스트(201)는 일 예로서, UV(Ultra Violet)가 조사된 부분만 경화되는 음성 포토레지스트인 SU-8이 바람직하며, 디자인 및 공정조건에 따라 포토레지스트의 길이, 너비 및 높이가 조절될 수 있다. 중합전의 PDMS(초기중합제(Prepolymer)와 경화제가 10:1로 혼합된 혼합물)가 스핀코팅된 실리콘 웨이퍼 중 구동부가 될 부분에 공기압축기(Air compressor)에 연결된 주사기(204)를 이용하여 패턴 위의 PDMS를 제거한다. 중합반응을 위해 바람직하게는 75℃ 에서 1시간 동안 경화시켜 천공된 PDMS 박막을 제작한다. 이에 따라 천공된 부분은 구동부(208)가 되며, 그렇지 않은 부분은 형성부(207)가 된다. 이를 실리콘 웨이퍼로부터 분리시킨 후 접지층(205)에 플라즈마(Plasma) 처리 후에 부착함으로써 형성부(207)와 구동부(208)가 완벽하게 분리된 미세채널을 제작한다. 마지막으로, 미세채널을 광전도성층(209)에 부착함으로써 미세채널이 집적된 광전기유체소자를 제작하게 된다.First, the
여기서, 광전도성층(209)는 투명한 전도성 물질(예를 들면, ITO(Indium tin oxide) 또는 금박막과 같은 투명전극)로 이루어진 평판 전극(210) 및 빛이 조사된 영역에만 선택적으로 전압을 인가하는 광전도성물질(206)을 포함할 수 있다. 또한, 접지층(205) 역시 상술한 평판 전극(210)과 동일한 물질로 제조될 수 있다.Here, the
광전도성물질(206)은 바람직하게는 수소화된 진성의 비정질 실리콘(Hydrogenated intrinsic amorphous silicon), 황화 카드뮴(CdS), 포토 트랜지스터 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.The
또한, 상기 광전도성물질(206)과 평판 전극(210) 사이에는 중간층(211)이 형성될 수 있으며, 이 중간층(211)은 도핑된 비정질 실리콘(Doped amorphous silicon) 또는 몰리브덴(Molybden)으로 제조될 수 있다. 그리고, 광전도성물질(206)을 보호하기 위해 광전도성물질(206) 상에 보호층(212)이 형성될 수 있으며, 보호층(212)은 질화 실리콘(Silicon nitride) 또는 산화 실리콘(Silicon oxide)으로 제조될 수 있다. 또한, 미세방울의 흡착현상을 방지하기 위하여 보호층(212) 상에 Cytonix社의 FluoroPel, Asahi Glass社의 CYTOP, DuPont 社의 Teflon AF 등과 같은 무정형 불소중합체(Amorphous fluoropolymer)로 이루어진 흡착보호층(213)이 형성될 수 있다.In addition, an
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세채널(301)이 집적된 광전기유체소자(3)를 보여준다. 본 발명에 따른 광전기유체소자는 미세방울을 형성할 수 있는 형성부(302)와 형성된 미세방울을 광전기유체역학적으로 구동할 수 있는 구동부(303)를 포함할 수 있다. 형성부(302)는 미세방울(308)이 형성되는 T자 채널(304) 그리고 상기 T자 채널과 연결되어 형성된 미세방울을 구동부(303)로 이동시키기 위한 이동채널(305)을 포함하며, 상기 배출부와 상기 구동부를 연결시키기 위한 미세 구멍(306)을 포함한다. 3 shows an
주입부(307)에 미세유체를 주입하기 위한 미세유체 주입부(307)를 적어도 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 주입부를 통해 유속을 조절하거나 상기 T자 채널의 높이 및 너비를 조절함으로써 미세방울의 크기를 조절할 수 있다. At least one
형성부, 구동부, 미세채널 등은 PDMS, PMMA 등의 고분자 물질, 감광체(Photoresist), 유리, 실리콘 등의 물질 중 하나로 형성될 수 있다. 또한, 상기 주입부로 주입되는 미세유체는 세포, 단백질, 고분자성 입자 등과 같은 시료를 하나 이상 포함할 수 있다.The forming unit, the driving unit, and the microchannel may be formed of one of polymer materials such as PDMS and PMMA, photoresist, glass, and silicon. In addition, the microfluid injected into the injection unit may include one or more samples such as cells, proteins, polymeric particles, and the like.
시료를 포함하는 미세물방울(308)이 상기 구동부와 연결된 상기 미세채널을 통해 이동하게 된다. 상기 형성부(302)의 높이는 25㎛로 충분한 크기의 미세방울이 형성될 수 있도록 하고, 상기 구동부(303)의 높이는 50㎛로 흡착에 의해 미세물방울의 이동 속도가 떨어지는 것을 방지하도록 제작할 수 있다. 상기 형성부 및 구동부의 높이는 공정 조건에 따라 조절될 수 있다.The
주입부 및 T자 채널은 두 개 이상 존재하여 서로 다른 종류의 미세방울을 동시에 형성할 수 있다.Two or more injection portions and T-shaped channels may exist to form different types of microdroplets simultaneously.
또한, 상기 구동부(303) 내에 미세유체유로를 형성하기 위해 상기 광전도성 층(309)과 상기 접지층(310)을 이격시키기 위한 스페이서(Spacer)(313) 및 미세 채널 구조를 구비한다. 상기 스페이서의 높이 및 구동부의 단면의 모양은 상기 광전도층과 접지층 사이에 인가된 전압에 의한 전기장의 세기를 결정하며, 높이가 낮을수록 전기장의 세기는 세어진다. In addition, a
상기 구동부(303)에 빛(312)이 조사되어 전압이 인가되었을 때, 상기 미세채널을 통해 상기 형성부로부터 이동된 미세방울은 전기영동 또는 전기습윤에 의해 빛이 조사된 영역의 방향 또는 반대 방향으로 움직일 수 있다.When the light 312 is irradiated to the
상기 구동부에 서로 다른 시료를 포함하는 미세방울을 전기영동 또는 전기습윤에 의해 이동 및 병합시켜 서로 혼합시킬 수 있고, 혼합된 미세물방울을 다시 이동시킬 수 있으며, 배출부를 통해 회수할 수 있다.The microdroplets including different samples in the driving unit may be moved and merged by electrophoresis or electrowetting, mixed with each other, the mixed microdroplets may be moved again, and recovered through the discharge unit.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 미세채널이 집적된 광전기유체소자의 제조공정을 나타낸 도면이다. 4 is a view illustrating a manufacturing process of an optoelectronic fluid device in which microchannels are integrated according to a second embodiment of the present invention.
먼저, 실리콘 웨이퍼(402) 위에 포토레지스트(401)를 패터닝한다. 포토레지스트는 예를 들면, UV(Ultra Violet)가 조사된 부분만 경화되는 음성 포토레지스트인 SU-8이 바람직하며, 디자인 및 공정조건에 따라 포토레지스트의 길이, 너비 및 높이를 조절할 수 있다. 제작된 패턴 위에 중합전의 PDMS(403)를 붓고 형성된 패턴이 PDMS에 형성될 수 있도록 바람직하게는 65℃ 에서 3시간 동안 경화한 후 이를 실리콘 웨이퍼에 형성된 패턴으로부터 분리시킨다. 형성부의 배출부로부터 회수되는 미세방울을 접지층(404)을 통해 미세유체유로로 이동시킬 수 있도록 접지층(404)에 구멍(405)을 형성한다. 분리된 PDMS는 플라즈마 처리 후에 광전기유체소자의 접지층 윗부분에 붙임으로써 미세채널이 집적된 광전기유체소자를 제작하게 된다. 광전도성물질(406)과 접지층(404)을 이격시키기 위한 스페이서(407)를 제작한다.First, the
도 5는 본 발명에 따른 미세채널이 집적된 광전기유체소자의 미세채널에 세 포, 단백질, 고분자성 입자 중 하나를 포함하는 시료의 주입부(506)를 추가한 제3 실시예를 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 미세채널이 집적된 광전기유체소자(5)에 세포, 단백질, 고분자성 입자 중 하나를 포함하는 시료의 주입부(506)를 더 구비하여, 상기 미세채널에서 상기 시료를 포함하는 미세방울(508)을 형성할 수 있다.FIG. 5 is a view showing a third embodiment in which an
도 6a 및 6b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세채널에서의 미세방울의 형성 결과를 도시한 도면이다. 제2 미세유체인 오일이 흘러가는 미세채널의 너비는 80㎛, 제1 미세유체인 물이 흘러가는 미세채널의 너비는 60㎛이며 형성하고자 하는 미세방울의 크기에 따라 너비를 다르게 설계할 수 있다. 오일의 유속은 80 ㎕/h, 물의 유속은 8㎕/h이며 형성하고자 하는 미세방울의 크기에 따라 각 미세유체의 유속을 다르게 하여 주입할 수 있다. 도 6b는 오일과 물의 유속의 비율을 조절하면서 형성되는 미세방울의 부피를 측정한 결과이다. 오일의 유속 대비 물의 유속이 낮아질수록 작은 미세방울을 형성할 수 있다.6A and 6B illustrate results of formation of microdroplets in microchannels according to a first embodiment of the present invention. The width of the microchannels through which oil, the second microfluid flows, is 80 μm, and the width of the microchannels through which water, the first microfluid flows, is 60 μm, and the width can be designed differently according to the size of the microdrops to be formed. . The flow rate of oil is 80 μl / h, the flow rate of water is 8 μl / h, and the flow rate of each microfluid may be injected according to the size of the microdrops to be formed. Figure 6b is the result of measuring the volume of the microdroplets formed while adjusting the ratio of the flow rate of oil and water. As the flow rate of water is lower than the flow rate of oil, small droplets may be formed.
도 7a 및 7b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 구동부 내에서의 미세방울의 구동 결과를 보여준다. 형성부에서 적색 식용 색소(Food dye)가 포함된 증류수 미세방울을 형성하였고, 인가된 교류 전압은 그 크기가 27 V, 주파수가 100 kHz일 때 세 개의 물방울이 각각 2차원적으로 이동하여 병합하였다. 이 때 사용한 광원은 할로겐 램프이고 조사된 빛의 패턴을 변화시키기 위한 디스플레이 장치로서 LCD(Liquid crystal display)를 사용하였다. 또한 조사된 빛을 집광시키기 위해 집광 렌즈(Condenser lens)를 사용하였고, 관찰을 위한 렌즈로서는 대물렌즈, 검출 기로서는 CCD(Charge coupled device)를 사용하였다. 도 7b는 세 가지 다른 부피를 가지는 미세방울의 이동속도를 인가된 교류 전압에 따라 나타낸 그래프이다. 기존의 유전영동 이론에 따라, 인가된 전압이 커질수록 전기장의 구배가 커지기 때문에 미세방울의 이동속도가 빨라짐을 알 수 있으나, 40 V 이상의 고전압을 인가했을 경우 전기습윤 효과에 의해 흡착 현상이 심화되어 이동 속도가 감소하는 현상을 보인다. 또한, 구동부의 높이보다 큰 지름을 가지는 미세방울의 경우, 흡착에 의한 마찰 현상에 의해 오히려 이동 속도가 상대적으로 감소하는 경향을 보인다. 7A and 7B show a result of driving microdroplets in a driving unit according to a first embodiment of the present invention. In the forming part, fine droplets of distilled water containing red food dye were formed, and when the applied alternating current voltage was 27 V and the frequency was 100 kHz, the three water droplets were moved two-dimensionally and merged. . The light source used at this time was a halogen lamp and a liquid crystal display (LCD) was used as a display device for changing the pattern of irradiated light. In addition, a condenser lens was used to collect the irradiated light, an objective lens was used as the lens for observation, and a charge coupled device (CCD) was used as the detector. Figure 7b is a graph showing the moving speed of the microdroplets having three different volumes according to the applied alternating voltage. According to the existing theory of electrophoresis, as the applied voltage increases, the gradient of the electric field increases, so the speed of movement of microdroplets increases. However, when a high voltage of 40 V or more is applied, the adsorption phenomenon is intensified by the electrowetting effect. The movement speed decreases. In addition, in the case of fine droplets having a diameter larger than the height of the driving unit, the movement speed tends to be relatively decreased due to the friction phenomenon caused by the adsorption.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세채널이 집적된 광전기유체소자를 이용한 미세방울 구동방법의 흐름도이다.FIG. 8 is a flowchart illustrating a method for driving microdrops using an optoelectronic fluid device in which microchannels are integrated according to an embodiment of the present invention.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세채널이 집적된 광전기유체소자를 이용한 미세방울 구동방법은, 미세채널이 형성된 광전기유체소자에 미세유체를 주입하는 단계(S10); 상기 광전기유체소자에 주입된 미세유체로 미세방울을 형성하는 단계(S20); 및 상기 광전기유체소자에 광원으로부터 빛을 조사하고 전압을 인가하여 상기 미세방울을 구동시키는 단계(S30);를 포함한다.As shown in FIG. 8, the microdrop driving method using the photovoltaic fluid device in which the microchannels are integrated according to an embodiment of the present invention includes the steps of: injecting microfluidic fluid into the photovoltaic fluid device having the microchannels formed (S10); Forming microdroplets with the microfluid injected into the optoelectronic fluid device (S20); And driving the microdrops by irradiating light from a light source to the optoelectronic fluid element and applying a voltage (S30).
미세유체 주입단계(S10)는 광전기유체소자에 형성된 하나 이상의 주입부로 미세유체를 주입하는 단계이며, 이 단계 이전에 주입될 미세유체에 세포, 단백질, 고분자성 입자 중 하나 이상을 포함하는 시료를 주입하여 시료가 포함된 미세방울을 형성시킬 수 있다.Microfluidic injection step (S10) is a step of injecting the microfluid into the at least one injection unit formed in the optoelectronic fluid device, the sample containing one or more of cells, proteins, polymeric particles to the microfluid to be injected before this step To form microdroplets containing the sample.
미세방울 형성단계(S20)는 미세유체를 미세채널에 통과시켜 미세방울을 형성하는 단계이다. 이 단계에서는, 미세채널을 통해 주입되는 미세유체의 유속을 조 절하거나 미세채널의 높이 또는 너비를 조절함으로써 형성되는 미세방울의 크기를 조절할 수 있다.The microdrop formation step (S20) is a step of forming microdrops by passing the microfluid through the microchannel. In this step, the size of the microdrops formed by adjusting the flow rate of the microfluid injected through the microchannel or adjusting the height or width of the microchannel can be adjusted.
미세방울 구동단계(S30)는 광전기유체소자의 구동부에 형성된 미세방울에 빛을 조사하고 전압을 인가하여 미세방울을 원하는 방향으로 구동시키는 단계이다. 이 단계에서는, 광원에서 조사되는 빛을 미세방울이 이동될 방향을 고려하여 특정 영역으로 조사함으로써 미세방울을 원하는 방향으로 구동시킬 수 있다. 이 때, 상기 미세방울은 전기영동 또는 전기습윤에 의해 상기 특정 영역을 향해 움직이거나 그 반대 방향으로 움직일 수 있다.The fine droplet driving step (S30) is a step of driving the fine droplets in a desired direction by irradiating light and applying a voltage to the fine droplets formed in the driving unit of the optoelectronic fluid element. In this step, the micro-droplets can be driven in a desired direction by irradiating the light irradiated from the light source to a specific area in consideration of the direction in which the micro-droplets will be moved. At this time, the microdroplets may be moved toward the specific region or the opposite direction by electrophoresis or electrowetting.
이상과 같이 본 발명에 따른 미세물방울 구동을 위한 광전기유체소자 및 방법을 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있다.As described above with reference to the drawings illustrating a photovoltaic fluid element and method for driving fine droplets according to the present invention, the present invention is not limited by the embodiments and drawings disclosed herein, the present invention Various modifications can be made by those skilled in the art within the spirit and scope.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세채널이 집적된 광전기유체소자를 이용한 미세방울의 형성 및 구동을 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a view schematically illustrating the formation and driving of microdrops using an optoelectronic fluid device in which microchannels are integrated according to a first embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세채널이 집적된 광전기유체소자의 제작공정을 나타낸 도면이다.2 is a view showing a manufacturing process of an opto-electronic fluid device in which the microchannels are integrated according to the first embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세채널이 집적된 광전기유체소자를 이용한 미세방울 형성 및 구동을 개략적으로 도시한 도면이다.3 is a view schematically showing the formation and driving of fine droplets using the photovoltaic fluid device in which the microchannels are integrated according to the second embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세채널이 집적된 광전기유체소자의 제작공정을 나타낸 도면이다.4 is a view illustrating a manufacturing process of an optoelectronic fluid device integrated with a microchannel according to a second embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 미세채널이 집적된 광전기유체소자를 이용한 미세방울의 형성 및 구동을 개략적으로 도시한 도면이다.FIG. 5 is a view schematically illustrating formation and driving of microdrops using an optoelectronic fluid device in which microchannels are integrated according to a third embodiment of the present invention.
도 6a 및 6b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세채널 내에서의 미세방울의 형성 결과를 도시한 도면이다.6A and 6B illustrate a result of forming microdrops in a microchannel according to a first embodiment of the present invention.
도 7a 및 7b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 구동부 내에서의 미세방울의 구동 결과를 도시한 도면이다.7A and 7B illustrate driving results of fine droplets in a driving unit according to a first exemplary embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세채널이 집적된 광전기유체소자를 이용한 미세방울 구동방법의 흐름도이다.FIG. 8 is a flowchart illustrating a method for driving microdrops using an optoelectronic fluid device in which microchannels are integrated according to an embodiment of the present invention.
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