KR20110122626A - Micro-valve structure including polymer actuator and lab-on-a-chip module - Google Patents

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KR20110122626A
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Abstract

PURPOSE: A micro valve structure including a polymer actuator and a lab-on-a-chip module are provided to improve the durability and the reliability of the micro valve structure and the lab-on-a-chip module by prevent the direction contact of fluid and the polymer actuator. CONSTITUTION: A micro valve structure includes a substrate(10), a flexible structure(20), and a polymer actuator(40). The flexible structure is arranged on the substrate. The polymer actuator is inserted into the flexible structure. The flexible structure includes a valve part which defines a micro channel(30). The polymer actuator is separated from the micro channel by the flexible structure. The width of the micro channel is capable of being changed by directly controlling the displacement of the valve part using the polymer actuator.

Description

고분자 구동기를 포함하는 미세 밸브 구조체 및 랩온어칩 모듈{Micro-Valve Structure Including Polymer Actuator And Lab-On-A-Chip Module}Micro-Valve Structure Including Polymer Actuator And Lab-On-A-Chip Module

본 발명은 미세 유로 제어 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 고분자 구동기를 포함하는 미세 밸브 구조체 및 랩온어칩 모듈에 관한 것이다.The present invention relates to a fine flow path control technology, and more particularly to a fine valve structure and a wrap-on-a-chip module including a polymer actuator.

최근 바이오 센서 기술 및 반도체 기술의 발달과 더불어, 미세유체의 유량 또는 방향을 제어하는 미세유체 제어 기술의 개발 및 응용이 가속화되고 있다. 이러한 미세 유체 제어 기술에 의해, 혈액과 같은 생물학적 유체(biological fluid)에 포함된 미량의 특정 성분은 정량적으로 또는 정성적으로 검출될 수 있다. 이에 따라, 이 기술은 바이오칩 또는 랩온어칩(Lab-On-A-Chip; LOC) 기술 분야에서의 핵심적인 기술로서 자리매김하고 있다. Recently, with the development of biosensor technology and semiconductor technology, the development and application of microfluidic control technology for controlling the flow rate or direction of the microfluid is accelerated. By such microfluidic control techniques, trace amounts of certain components contained in biological fluids such as blood can be detected quantitatively or qualitatively. As such, this technology is becoming a core technology in the field of biochip or lab-on-a-chip (LOC) technology.

미세 유체의 제어를 위해서는, 미세 유로들을 원하는 형태로 형성할 수 있는 패터닝 기술 및 미세유로의 개폐를 제어할 수 있는 스위칭 기술이 확보돼야 한다. 상기 미세 유로의 패터닝 기술은 반도체 제조 기술 또는 미세 전자 기계 시스템(microelectromechanical system; MEMS) 기술의 발전에 의해 가능해졌다. 상기 미세 유로의 스위칭 기술은 압전 소자를 이용하는 미세 구동기(microactuator)를 통해 구현될 수 있다. 압전 소자를 이용한 이러한 미세 구동기는 대량 생산에 적합할 뿐만 아니라 높은 신뢰성을 제공하지만, 큰 소모 전력 및 소형화에서의 제한 때문에, 현장현시측정(point-of-care testing; POCT) 기기 또는 휴대용 기기 등에서는 사용되기 어렵다. In order to control the microfluid, a patterning technique capable of forming the microchannels in a desired shape and a switching technique capable of controlling the opening and closing of the microchannel should be secured. The microchannel patterning technology has been made possible by the development of semiconductor manufacturing technology or microelectromechanical system (MEMS) technology. The microchannel switching technology may be implemented through a microactuator using a piezoelectric element. Such micro-drivers using piezoelectric elements are not only suitable for mass production but also provide high reliability, but due to the large power consumption and the limitation in miniaturization, such micro-drivers are used in point-of-care testing (POCT) devices or portable devices. Difficult to use

본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 작은 소비 전력, 작은 부피 및 강화된 내구성을 제공할 수 있는 미세 밸브 구조체를 제공하는 데 있다. One technical problem to be achieved by the present invention is to provide a fine valve structure that can provide small power consumption, small volume and enhanced durability.

본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 작은 소비 전력, 작은 부피 및 강화된 내구성을 제공할 수 있는 미세 밸브 구조체를 포함하는 랩온어칩을 제공하는 데 있다. One technical problem to be achieved by the present invention is to provide a wrap-on-a-chip including a fine valve structure that can provide a small power consumption, small volume and enhanced durability.

밸브의 개폐가 고분자 구동기에 의해 직접 제어되는 미세 밸브 구조체가 제공된다. 이 미세 밸브 구조체는 기판, 상기 기판 상에 배치되는 유연 구조물(flexible structure) 및 상기 유연 구조물 내에 삽입되는 고분자 구동기(polymer actuator)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 유연 구조물은 미세 유로(microchannel)를 정의하는 밸브부(valve portion)를 갖고, 상기 고분자 구동기는 상기 유연 구조물에 의해 상기 미세 유로로부터 분리될 수 있다. 이에 더하여, 상기 고분자 구동기는 상기 밸브부의 변위를 기계적으로 직접 제어함으로써 상기 미세 유로의 폭을 변화시킬 수 있도록 구성될 수 있다. There is provided a fine valve structure in which opening and closing of the valve is directly controlled by the polymer actuator. The fine valve structure may include a substrate, a flexible structure disposed on the substrate, and a polymer actuator inserted into the flexible structure. In this case, the flexible structure may have a valve portion defining a microchannel, and the polymer actuator may be separated from the microchannel by the flexible structure. In addition, the polymer actuator may be configured to change the width of the fine flow path by directly controlling the displacement of the valve unit.

일부 실시예들에 따르면, 상기 고분자 구동기는 한 쌍의 전극들 및 이들 사이에 개재되는 이온 전도성 고분자 합성물(ionic polymer metal composite)을 포함할 수 있다. 상기 이온 전도성 고분자 합성물은 술폰산화 테트라플루오르에틸렌 계열의 불소 중합체-공중합체들(sulfonated tetrafluoroethylene based fluoropolymer-copolymers) 중의 하나일 수 있다. According to some embodiments, the polymer driver may include a pair of electrodes and an ionic polymer metal composite interposed therebetween. The ion conductive polymer composite may be one of sulfonated tetrafluoroethylene-based fluoropolymer-copolymers.

일부 실시예들에 따르면, 상기 미세 유로는 서로 이격된 제 1 유로 및 제 2 유로를 포함할 수 있고, 상기 유연 구조물의 밸브부는 상기 제 1 및 제 2 유로들 사이에 개재되고, 상기 고분자 구동기는 상기 밸브부 내에 삽입된 부분을 가질 수 있다. 또한, 상기 고분자 구동기는 상기 제 1 및 제 2 유로들 그리고 상기 밸브부의 폭들의 합보다 큰 폭을 가질 수 있으며, 직사각형의 상부면 및 하부면을 갖는 직육면체 모양일 수 있다. According to some embodiments, the micro-channel may include a first channel and a second channel spaced apart from each other, the valve portion of the flexible structure is interposed between the first and second channel, the polymer actuator It may have a portion inserted into the valve portion. In addition, the polymer actuator may have a width greater than the sum of the widths of the first and second flow paths and the valve portion, and may have a rectangular parallelepiped shape having upper and lower surfaces of a rectangle.

일부 실시예들에 따르면, 상기 미세 유로는 외부로부터 유체가 공급되는 유입구(inlet) 및 상기 유체가 배출되는 유출구(outlet)를 가질 수 있다. 또한, 상기 기판은 상기 미세 유로로서 사용되는 리세스 영역을 갖고, 상기 유연 구조물의 밸브부는 상기 리세스 영역에 삽입될 수 있다. According to some embodiments, the microchannel may have an inlet through which fluid is supplied from the outside and an outlet through which the fluid is discharged. In addition, the substrate may have a recessed area used as the fine flow path, and the valve portion of the flexible structure may be inserted into the recessed area.

일부 실시예들에 따르면, 상기 고분자 구동기는 그것의 가장 넓은 표면이 상기 기판의 상부면에 실질적으로 평행하도록 배치될 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 상기 고분자 구동기는 그것의 가장 넓은 표면이 상기 기판의 상부면에 실질적으로 수직하도록 배치될 수 있다. According to some embodiments, the polymer driver may be arranged such that its widest surface is substantially parallel to the top surface of the substrate. According to other embodiments, the polymer driver may be arranged such that its widest surface is substantially perpendicular to the top surface of the substrate.

고분자 구동기를 구비하는 미세 밸브 구조체가 제공된다. 이 미세 밸브 구조체는 서로 이격된 제 1 및 제 2 유로들 사이에 개재되는 밸브부를 포함하면서 기판 상에 배치되는 유연 구조물, 그리고 상기 유연 구조물 내에 삽입되어 상기 밸브부의 변위를 제어하도록 구성되는 고분자 구동기를 포함할 수 있다. There is provided a fine valve structure having a polymer actuator. The microvalve structure includes a flexible structure disposed on a substrate, including a valve portion interposed between the first and second flow paths spaced apart from each other, and a polymer actuator inserted into the flexible structure and configured to control displacement of the valve portion. It may include.

일부 실시예들에 따르면, 상기 고분자 구동기는 상기 유연 구조물에 의해 상기 제 1 및 제 2 유로들로부터 이격될 수 있다. 상기 고분자 구동기는 한 쌍의 전극들 및 이들 사이에 개재되는 이온 전도성 고분자 합성물(ionic polymer metal composite)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 고분자 구동기는 상기 유연 구조물에 의해 둘러싸임으로써, 상기 고분자 구동기의 전극들은 외부 대기 또는 상기 제 1 및 제 2 유로들에 의해 노출되지 않을 수 있다. 상기 이온 전도성 고분자 합성물은 술폰산화 테트라플루오르에틸렌 계열의 불소 중합체-공중합체들(sulfonated tetrafluoroethylene based fluoropolymer-copolymers) 중의 하나일 수 있다. According to some embodiments, the polymer actuator may be spaced apart from the first and second flow paths by the flexible structure. The polymer driver may include a pair of electrodes and an ionic polymer metal composite interposed therebetween. In this case, the polymer driver is surrounded by the flexible structure, so that the electrodes of the polymer driver may not be exposed to the external atmosphere or the first and second flow paths. The ion conductive polymer composite may be one of sulfonated tetrafluoroethylene-based fluoropolymer-copolymers.

고분자 구동기를 구비하는 랩온어칩 모듈이 제공된다. 이 모듈은 유연 구조물, 상기 유연 구조물 내에 삽입되는 복수의 고분자 구동기들, 그리고 상기 고분자 구동기들 각각을 독립적으로 제어하는 제어기를 구비할 수 있다. 이때, 상기 유연 구조물은 제 1 유로, 복수의 제 2 유로들 및 상기 제 2 유로들을 상기 제 1 유로로부터 공간적으로 분리시키는 복수의 밸브부들을 포함할 수 있으며, 상기 고분자 구동기들 각각은 상기 밸브부들 각각의 변위를 제어하도록 구성될 수 있다. A lab-on-a-chip module having a polymer actuator is provided. The module may have a flexible structure, a plurality of polymer drivers inserted into the flexible structure, and a controller for independently controlling each of the polymer drivers. In this case, the flexible structure may include a first flow path, a plurality of second flow paths, and a plurality of valve parts that spatially separate the second flow paths from the first flow path, and each of the polymer actuators may include the valve parts. It can be configured to control each displacement.

일부 실시예들에 따르면, 상기 제어기는, 상기 고분자 구동기들 중의 적어도 둘을 소정의 시간 간격을 가지고 서로 다른 시간에 구동시키도록, 구성될 수 있다. According to some embodiments, the controller may be configured to drive at least two of the polymer drivers at different times with a predetermined time interval.

일부 실시예들에 따르면, 상기 제 1 유로는 생체 분자들을 포함하는 유체가 통과하도록 구성되고, 상기 제 2 유로들 각각에는, 상기 생체 분자와 반응하는, 반응 물질이 형성될 수 있다. 상기 제 2 유로들에 형성되는 상기 반응 물질들은 동일할 수 있으며, 상기 고분자 구동기들 모두는 서로 다른 시간에 구동되도록 구성될 수 있다. According to some embodiments, the first flow passage may be configured to allow a fluid including biomolecules to pass through, and each of the second flow passages may be formed with a reactant that reacts with the biomolecule. The reactants formed in the second flow paths may be the same, and all of the polymer actuators may be configured to be driven at different times.

이에 더하여, 상기 제 2 유로들 상에는, 상기 유체와 상기 반응 물질 사이의 반응을 모니터링하는, 적어도 하나의 반응 검출 장치가 더 배치될 수 있다. In addition, at least one reaction detection device may be further disposed on the second flow paths to monitor a reaction between the fluid and the reactant.

본 발명의 실시예들에 따르면, 인가되는 전압에 상응하여 기계적 변위(mechanical displacement)를 생성하는, 고분자 구동기가 미세 밸브 구조체 또는 랩온어칩을 위해 사용된다. 이에 따라, 압전 소자 등을 이용하는 방식에 비해, 미세 밸브 구조체 또는 랩온어칩은 소형화될 수 있을 뿐만 아니라 작은 소비 전력 특성을 구현할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 랩온어칩은 현장현시측정(point-of-care testing; POCT) 기기 또는 휴대용 기기로서 제품화될 수 있다. According to embodiments of the invention, a polymer actuator is used for the microvalve structure or the wrap-on-a-chip, which produces a mechanical displacement corresponding to the applied voltage. Accordingly, compared to the method using a piezoelectric element, the microvalve structure or the lab-on-a-chip can not only be miniaturized but also can realize a small power consumption characteristic. Accordingly, the lab-on-a-chip according to the present invention can be commercialized as a point-of-care testing (POCT) device or a portable device.

이에 더하여, 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 고분자 구동기는 유연 구조물에 의해 미세 유로로부터 이격된다. 즉, 상기 고분자 구동기는 상기 미세 유로 내의 유체와 직접 접촉하지 않도록 구성된다. 이에 따라, 상기 고분자 구동기가 상기 유체와의 직접적인 접촉에 의해 열화되는 기술적 어려움은 예방될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 미세 밸브 구조체 또는 랩온어칩은 개선된 내구성 및 신뢰성을 가질 수 있다. In addition, according to some embodiments of the present invention, the polymer actuator is spaced apart from the microchannel by the flexible structure. That is, the polymer actuator is configured not to be in direct contact with the fluid in the microchannel. Accordingly, technical difficulties in which the polymer actuator is degraded by direct contact with the fluid can be prevented. That is, the microvalve structure or wrap-on-a-chip according to the present invention may have improved durability and reliability.

한편, 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 미세 밸브의 개폐 동작(예를 들면, 상기 유로의 폭 제어)을 제어하는, 밸브부가 상기 고분자 구동기에 기계적으로 직접 연결된다. 이에 따라, 상기 개폐 동작을 위한 상기 고분자 구동기의 구동력은 상기 밸브부에 직접 전달될 수 있다. 이러한 구동력의 직접적인 전달에 의해, 본 발명에 따른 미세 밸브 구조체 또는 랩온어칩은 증가된 동작 속도를 구현할 수 있다. On the other hand, according to some embodiments of the present invention, the valve portion for controlling the opening and closing operation (eg, the width control of the flow path) of the fine valve is mechanically directly connected to the polymer actuator. Accordingly, the driving force of the polymer actuator for the opening and closing operation may be directly transmitted to the valve unit. By direct transfer of such driving force, the microvalve structure or wrap-on-a-chip according to the present invention can realize an increased operating speed.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 밸브 구조체 및 그 동작 방법을 예시적으로 설명하기 위한 도면들이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 랩온어칩을 예시적으로 도시하는 사시도 및 단면도이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 변형된 실시예에 따른 미세 밸브 구조체 및 그 동작 방법을 예시적으로 설명하기 위한 사시도들이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 밸브 구조체 및 그 동작 방법을 예시적으로 설명하기 위한 단면도 및 사시도이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 다른 변형된 실시예들에 따른 미세 밸브 구조체 및 그 동작 방법을 예시적으로 설명하기 위한 사시도들이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 랩온어칩을 예시적으로 도시하는 단면도들이다.
도 15는 본 발명에 따른 랩온어칩의 사용을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.
1 and 2 are diagrams for exemplarily describing a fine valve structure and a method of operating the same according to an embodiment of the present invention.
3 and 4 are a perspective view and a cross-sectional view showing an exemplary wrap-on-a-chip according to an embodiment of the present invention.
5 to 8 are perspective views for illustratively explaining a fine valve structure and its operation method according to a modified embodiment of the present invention.
9 and 10 are a cross-sectional view and a perspective view for illustratively explaining a fine valve structure and its operation method according to another embodiment of the present invention.
11 and 12 are perspective views illustrating an exemplary microvalve structure and a method of operating the same according to other modified embodiments of the present invention.
13 and 14 are cross-sectional views illustrating exemplary wrap-on-a-chips according to other embodiments of the present invention.
15 is a diagram for exemplarily explaining the use of a lab-on-a-chip according to the present invention.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.Objects, other objects, features and advantages of the present invention will be readily understood through the following preferred embodiments associated with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments disclosed herein are provided so that the disclosure can be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.

본 명세서에서, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 또한, 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 영역, 막들 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막을 다른 영역 또는 막과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에의 제1막질로 언급된 막질이 다른 실시예에서는 제2막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다.In this specification, when it is mentioned that a film is on another film or substrate, it means that it may be formed directly on another film or substrate, or a third film may be interposed therebetween. Further, in the drawings, the thicknesses of the films and regions are exaggerated for an effective explanation of the technical content. Also, while the terms first, second, third, etc. in various embodiments of the present disclosure are used to describe various regions, films, etc., these regions and films should not be limited by these terms . These terms are only used to distinguish any given region or film from another region or film. Thus, the membrane referred to as the first membrane in one embodiment may be referred to as the second membrane in another embodiment. Each embodiment described and exemplified herein also includes its complementary embodiment.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 밸브 구조체 및 그 동작 방법을 예시적으로 설명하기 위한 도면들이다. 1 and 2 are diagrams for exemplarily describing a fine valve structure and a method of operating the same according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 기판(10) 상에 유연 구조물(20)이 배치되고, 상기 유연 구조물(20) 내에는 고분자 구동기(40)가 삽입된다. 1 and 2, the flexible structure 20 is disposed on the substrate 10, and the polymer actuator 40 is inserted into the flexible structure 20.

상기 기판(10) 및 상기 유연 구조물(20)은 적어도 하나의 유로(30)를 정의하도록 배치될 수 있다. 예를 들면, 상기 유로(30)는 상기 유연 구조물(20)의 바닥면과 상기 기판(10)의 상부면 사이에 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 도 1에 도시된 것처럼, 상기 유로(30)의 측벽은 상기 유연 구조물(20)에 의해 정의될 수 있다. 즉, 상기 유연 구조물(20)의 바닥면은 위쪽으로 리세스되어 상기 유로(30)의 측벽을 정의할 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에 따르면, 도 5 내지 도 7에 도시된 것처럼, 상기 기판(10)의 상부면이 아래쪽으로 리세스되어 상기 유로(30)의 측벽을 정의할 수 있다. The substrate 10 and the flexible structure 20 may be arranged to define at least one flow path 30. For example, the flow path 30 may be formed between the bottom surface of the flexible structure 20 and the top surface of the substrate 10. More specifically, as shown in FIG. 1, sidewalls of the flow path 30 may be defined by the flexible structure 20. That is, the bottom surface of the flexible structure 20 may be recessed upwards to define sidewalls of the flow path 30. However, according to other embodiments, as shown in FIGS. 5 to 7, the top surface of the substrate 10 may be recessed downward to define sidewalls of the flow path 30.

상기 기판(10)은 유리일 수 있다. 하지만, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 기판(10)은 상기 유로(30)를 흐르는 유체 또는 상기 유체에 포함된 물질들과 반응하지 않는 물질들 중에서 선택되는 적어도 하나로 형성될 수 있다.The substrate 10 may be glass. However, the technical idea of the present invention is not limited thereto. For example, the substrate 10 may be formed of at least one selected from a fluid flowing through the flow path 30 or materials that do not react with materials included in the fluid.

상기 유연 구조물(20)은 탄성을 갖는 고분자 화합물들 중의 하나일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 유연 구조물(20)은, 엘라스토머(elastomer)라고 알려진 고분자 화합물들 중에서, 상기 유로(30)를 흐르는 유체 또는 상기 유체에 포함된 물질들과의 반응하지 않는 물질일 수 있다. 예를 들면, 상기 유연 구조물(20)은 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane; PDMS)으로 형성될 수 있다. The flexible structure 20 may be one of polymer compounds having elasticity. More specifically, the flexible structure 20 may be a material that does not react with a fluid flowing through the flow path 30 or materials included in the fluid among polymer compounds known as elastomers. For example, the flexible structure 20 may be formed of polydimethylsiloxane (PDMS).

상기 유로(30)를 갖는 상기 유연 구조물(20)은 소프트 리소그래피 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 유로(30)는 마이크로 콘택 프린팅(Micro Contact Printing; μCP), 리플리카 몰딩(replica molding; REM), 마이크로트랜스퍼 몰딩(microtransfer molding; μTM), 마이크로몰딩-인-캐필러리(micromolding in capillaries; MIMIC) 또는 솔벤트-활용 마이크로몰딩(solvent-assisted micromolding; SAMIM) 기술들 중의 하나를 사용하여, 상기 유연 구조물(20)의 일 표면에 형성될 수 있다. 상기 유연 구조물(20)은 산소 플라즈마 처리와 같은 접착 공정을 통해 상기 기판(10) 상에 부착될 수 있다. The flexible structure 20 having the flow path 30 may be formed using soft lithography techniques. For example, the flow path 30 may include a micro contact printing (μCP), a replica molding (REM), a microtransfer molding (μTM), a micro molding-in-capillary ( It may be formed on one surface of the flexible structure 20 using one of micromolding in capillaries (MIMIC) or solvent-assisted micromolding (SAMIM) techniques. The flexible structure 20 may be attached onto the substrate 10 through an adhesion process such as an oxygen plasma treatment.

본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 유연 구조물(20)은 상기 유로들(30) 사이에 개재되는 밸브부(25)를 포함할 수 있으며, 상기 유로(30)의 측벽은 상기 밸브부(25)에 의해 정의될 수 있다. 상기 밸브부(25)의 바닥면은 상기 기판(10)의 상부면에 실질적으로 접촉할 수 있지만, 이들은 접착되지는 않을 수 있다. 이에 따라, 상기 밸브부(25)와 상기 기판(10) 사이의 거리는, 도 2에 도시된 것처럼, 상기 고분자 구동기(40)에 의해 조절될 수 있다. According to embodiments of the present invention, the flexible structure 20 may include a valve portion 25 interposed between the flow paths 30, the side wall of the flow path 30 is the valve portion 25 Can be defined by The bottom surface of the valve portion 25 may substantially contact the top surface of the substrate 10, but they may not be bonded. Accordingly, the distance between the valve portion 25 and the substrate 10 may be adjusted by the polymer driver 40, as shown in FIG. 2.

상기 고분자 구동기(40)는 전기적으로 분리된 한 쌍의 전극들(41, 42) 및 이들 전극들(41, 42) 사이에 개재되는 전기활성화 폴리머(electroactive polymer)(45)일 수 있다. 상기 전극들(41, 42)은 금속성 물질들 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 전극들(41, 42)은 상기 전기활성화 폴리머(45)의 마주보는 두 면들에 코팅된 백금(platinum) 또는 금(gold)일 수 있다. 한편, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 고분자 구동기(40)의 전극들(41, 42)은 외부 대기 또는 상기 유로들(30)에 의해 노출되지 않을 수 있다. 이를 위해, 상기 고분자 구동기(40)의 표면에는 얇은 보호막(미도시)이 더 형성될 수 있다. 상기 보호막은 플렉서블한 특성을 가질 수 있다. The polymer driver 40 may be a pair of electrically separated electrodes 41 and 42 and an electroactive polymer 45 interposed between the electrodes 41 and 42. The electrodes 41 and 42 may include at least one of metallic materials. For example, the electrodes 41 and 42 may be platinum or gold coated on two opposite sides of the electroactive polymer 45. Meanwhile, according to an aspect of the present invention, the electrodes 41 and 42 of the polymer driver 40 may not be exposed to the external atmosphere or the flow paths 30. To this end, a thin protective film (not shown) may be further formed on the surface of the polymer driver 40. The passivation layer may have a flexible characteristic.

상기 전기활성화 폴리머(45)는, 인가되는 전압 아래에서, 휨 구동 현상(bending actuation)을 나타낼 수 있는 물질일 수 있다. 예를 들면, 상기 전기활성화 폴리머(45)는 이온 전도성 고분자 합성물(ionic polymer metal composite; IPMC)일 수 있다. 상기 전기활성화 폴리머(45)로서 상기 이온 전도성 고분자 합성물이 사용될 경우, 상기 전극들(41, 42) 사이의 전위 차이(potential difference)는, 상기 이온 전도성 고분자 합성물의 내부에서 일어나는 이온 마이그레이션(ion migration) 및 정전 척력(electrostatic repulsion)에 의해, 상술한 휨 구동 현상 및 이에 따른 상기 고분자 구동기(40) 및 상기 밸브부(25)의 변위(displacement)를 초래할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 이온 전도성 고분자 합성물은 술폰산화 테트라플루오르에틸렌 계열의 불소 중합체-공중합체들(sulfonated tetrafluoroethylene based fluoropolymer-copolymers) 중의 하나일 수 있지만, 본 발명의 기술적 사상이 여기에 예시된 물질에 한정되는 것은 아니다. 변형된 실시예들에 따르면, 상기 이온 전도성 고분자 합성물은 산화 그라핀 또는 그라핀을 추가적으로 포함함 수 있다. The electroactive polymer 45 may be a material that may exhibit bending actuation under an applied voltage. For example, the electroactive polymer 45 may be an ionic polymer metal composite (IPMC). When the ion conductive polymer composite is used as the electroactive polymer 45, the potential difference between the electrodes 41 and 42 is ion migration occurring inside the ion conductive polymer composite. And electrostatic repulsion, which may result in the above-described bending drive phenomenon and thereby displacement of the polymer actuator 40 and the valve portion 25. According to some embodiments, the ion conductive polymer composite may be one of sulfonated tetrafluoroethylene based fluoropolymer-copolymers, but the technical spirit of the present invention is illustrated herein. It is not limited to materials. According to modified embodiments, the ion conductive polymer composite may further include graphene oxide or graphene.

상기 고분자 구동기(40)는, 상기 유연 구조물(20) 내에서, 상기 밸브부(25)에 인접하게 형성될 수 있다. 이 경우, 도 2에 도시된 것처럼, 상기 전극들(41, 42) 사이에 전위 차이(potential difference)를 생성하면, 상기 고분자 구동기(40)의 휨 구동 현상에 의해, 상기 밸브부(25)는 상기 기판(10)으로부터 이격될 수 있다. 그 결과, 상기 유로들(30) 사이를 연결하는 미세 통로(35)가 상기 밸브부(25)와 상기 기판(10) 사이에 형성될 수 있다. The polymer actuator 40 may be formed adjacent to the valve portion 25 in the flexible structure 20. In this case, as shown in FIG. 2, when a potential difference is generated between the electrodes 41 and 42, the valve unit 25 may be caused by the bending driving phenomenon of the polymer actuator 40. It may be spaced apart from the substrate 10. As a result, a fine passage 35 connecting the flow paths 30 may be formed between the valve portion 25 and the substrate 10.

본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 도 1 및 도 2에 도시된 것처럼, 상기 밸브부(25)는 상기 고분자 구동기(40)에 기계적으로 직접 연결될 수 있으며, 이에 따라, 상기 밸브부(25)는 상기 고분자 구동기(40)에 의해 직접 구동될 수 있다. 그 결과, 상기 밸브부(25)의 기계적 변위(mechanical displacement)는 상기 고분자 구동기(40)에 의해 직접 제어될 수 있다. 본 발명의 이러한 구성은, 상기 밸브부(25)가 상기 고분자 구동기(40)로부터 이격되는 변형된 실시예들에 비해, 반응 속도 및 구동력 등에서 월등히 우수한 특성을 제공할 수 있다. 한편, 이러한 실시예들에서, 상기 고분자 구동기(40)는 상기 한 쌍의 유로들(30) 그리고 상기 밸브부(25)의 폭들의 합보다 큰 폭을 갖도록 형성될 수 있다. According to some embodiments of the invention, as shown in FIGS. 1 and 2, the valve portion 25 may be mechanically connected directly to the polymer actuator 40, whereby the valve portion 25 May be directly driven by the polymer driver 40. As a result, the mechanical displacement of the valve portion 25 can be controlled directly by the polymer actuator 40. This configuration of the present invention, the valve portion 25 can provide significantly superior characteristics in the reaction rate and driving force, etc., compared to the modified embodiments in which the polymer actuator 40 is spaced apart. Meanwhile, in such embodiments, the polymer actuator 40 may be formed to have a width greater than the sum of the widths of the pair of flow paths 30 and the valve portion 25.

도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 랩온어칩을 예시적으로 도시하는 사시도 및 단면도이다. 도 4는 도 3의 점선 I-I을 따라 보여지는 단면을 도시한다. 설명의 간결함을 위해, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 실시예들에서와 중복되는 기술적 특징들에 대한 설명은 생략될 수 있다. 3 and 4 are a perspective view and a cross-sectional view showing an exemplary wrap-on-a-chip according to an embodiment of the present invention. 4 shows a cross section taken along the dashed line I-I of FIG. 3. For brevity of description, descriptions of technical features that overlap with those of the embodiments described with reference to FIGS. 1 and 2 may be omitted.

도 3을 참조하면, 기판(10) 상에, 서로 이격된 제 1 유로(301) 및 제 2 유로(302)를 정의하는 유연 구조물(20)이 형성된다. 이에 더하여, 상기 유연 구조물(20)은, 상기 제 1 및 제 2 유로들(301, 302) 사이에, 이들로부터 이격된 제 3 유로(303)를 정의하도록 형성될 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 유로들(301, 302) 각각은 외부로부터 유체가 공급될 수 있도록 구성되는 유입구(inlet)(36)를 가질 수 있다. 이에 더하여, 상기 제 1 내지 제 3 유로들(301, 302, 303) 각각은 상기 공급된 유체를 배출할 수 있도록 구성되는 유출구(outlet)(37)를 더 가질 수 있다. Referring to FIG. 3, a flexible structure 20 defining a first flow path 301 and a second flow path 302 spaced apart from each other is formed on the substrate 10. In addition, the flexible structure 20 may be formed to define a third flow path 303 spaced therebetween between the first and second flow paths 301 and 302. Each of the first and second flow paths 301 and 302 may have an inlet 36 configured to supply fluid from the outside. In addition, each of the first to third flow paths 301, 302, and 303 may further have an outlet 37 configured to discharge the supplied fluid.

상기 유연 구조물(20)은, 도 4에 도시된 것처럼, 상기 제 1 및 제 3 유로들(301, 303) 사이에 형성되는 제 1 밸브부(251) 및 상기 제 2 및 제 3 유로들(302, 303) 사이에 형성되는 제 2 밸브부(252)를 가질 수 있다. 또한, 상기 유연 구조물(20) 내에는, 상기 제 1 및 제 2 밸브부들(251, 252) 상에 배치되는, 제 1 및 제 2 고분자 구동기들(401, 402)이 삽입될 수 있다. 도 1을 참조하여 설명된 실시예에서의 상기 밸브부(25) 및 상기 고분자 구동기(40)는 상기 제 1 밸브부(251) 및 상기 제 1 고분자 구동기(401) 그리고 상기 제 2 밸브부(252) 및 상기 제 2 고분자 구동기(402)를 구현하기 위해 사용될 수 있다. As shown in FIG. 4, the flexible structure 20 includes a first valve part 251 and the second and third flow paths 302 formed between the first and third flow paths 301 and 303. , 303 may have a second valve portion 252 formed therebetween. In addition, in the flexible structure 20, first and second polymer actuators 401 and 402 disposed on the first and second valve parts 251 and 252 may be inserted. In the embodiment described with reference to FIG. 1, the valve portion 25 and the polymer actuator 40 may include the first valve portion 251, the first polymer actuator 401, and the second valve portion 252. ) And the second polymer driver 402.

상기 제 1 및 제 2 유로들(301, 302) 중의 적어도 하나는 생체 분자를 포함하는 유체가 공급되고, 다른 하나에는 상기 생체 분자와 반응하는 반응 물질이 공급될 수 있다. 이에 따라, 상기 제 1 및 제 2 고분자 구동기들(401, 402)의 구동에 의해 상기 제 1 및 제 2 밸브부들(251, 252)이 상기 기판(10)으로부터 이격되면, 상기 생체 분자와 상기 반응 물질은 상기 제 3 유로(303)로 유입된 후 반응할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 생체 분자를 포함하는 유체는 혈액일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 생체 분자의 종류 역시 한정될 이유가 없다. At least one of the first and second flow paths 301 and 302 may be supplied with a fluid including a biomolecule, and the other may be supplied with a reactant that reacts with the biomolecule. Accordingly, when the first and second valve parts 251 and 252 are separated from the substrate 10 by the driving of the first and second polymer drivers 401 and 402, the biomolecule and the reaction are performed. The material may react after being introduced into the third flow path 303. According to embodiments of the present invention, the fluid including the biomolecule may be blood, but is not limited thereto, and the type of the biomolecule is also not limited.

도 5 내지 도 8은 본 발명의 변형된 실시예에 따른 미세 밸브 구조체 및 그 동작 방법을 예시적으로 설명하기 위한 사시도들이다. 설명의 간결함을 위해, 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명된 실시예들에서와 중복되는 기술적 특징들에 대한 설명은 생략될 수 있다. 5 to 8 are perspective views for illustratively explaining a fine valve structure and its operation method according to a modified embodiment of the present invention. For brevity of description, descriptions of technical features that overlap with those of the embodiments described with reference to FIGS. 1 to 4 may be omitted.

도 5 내지 도 8을 참조하면, 기판(10)의 소정 영역에는, 주변보다 낮은 상부면을 갖는, 리세스 영역(15)이 형성될 수 있다. 상기 리세스 영역(15)은 다양한 모양으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 리세스 영역(15)의 폭은 도 5에 도시된 것처럼 위쪽으로 테이퍼지거나, 도 6에 도시된 것처럼 실질적으로 같거나, 도 7에 도시된 것처럼 아래쪽으로 테이퍼질 수 있다. 5 to 8, a recess region 15 having an upper surface lower than the periphery may be formed in a predetermined region of the substrate 10. The recess region 15 may be formed in various shapes. For example, the width of the recess region 15 may be tapered upwards as shown in FIG. 5, substantially the same as shown in FIG. 6, or tapered downward as shown in FIG. 7.

유연 구조물(20)은 상기 리세스 영역(15)에 삽입되는 밸브부(25)를 가질 수 있으며, 상기 유연 구조물(20) 내에는 상기 밸브부(25)에 인접한 고분자 구동기(40)기 삽입될 수 있다. 상기 밸브부(25)는 상기 리세스 영역(15)에 맞물린 모양(engaged shape)을 갖도록 형성될 수 있다. 예를 들면, 도 5에 도시된 것처럼, 상기 리세스 영역(15)이 위쪽으로 테이퍼진 모양일 경우, 상기 밸브부(25) 역시 위쪽으로 테이퍼진 모양일 수 있다. 또는, 도 6에 도시된 것처럼, 상기 리세스 영역(15) 및 상기 밸브부(25)는 직육면체 모양을 갖도록 형성되거나 도 7에 도시된 것처럼 상기 리세스 영역(15) 및 상기 밸브부(25)는 아래쪽으로 테이퍼진 모양일 수 있다. The flexible structure 20 may have a valve portion 25 inserted into the recess region 15, and the polymer actuator 40 adjacent to the valve portion 25 may be inserted into the flexible structure 20. Can be. The valve part 25 may be formed to have an engaged shape with the recessed area 15. For example, as shown in FIG. 5, when the recess region 15 is tapered upward, the valve portion 25 may also be upward tapered. Alternatively, as shown in FIG. 6, the recess region 15 and the valve portion 25 are formed to have a rectangular parallelepiped shape, or as shown in FIG. 7, the recess region 15 and the valve portion 25. May be tapered downward.

도 5 내지 도 7에 도시된 것처럼, 이 실시예들에 따른 미세 밸브 구조체들은 정상 상태에서 열린 구조(normally open structure)일 수 있다. 즉, 전압이 인가되지 않을 경우, 상기 기판(10) 및 상기 유연 구조물(20)에 의해 정의되는 유로는 열린 상태에 있을 수 있다. 이를 위해, 전압이 인가되지 않을 경우, 상기 리세스 영역(15) 및 상기 밸브부(25)는 서로 이격되어, 상기 유로는 열린 상태에 있을 수 있다. 이에 더하여, 상기 밸브부(25)의 폭은 상기 리세스 영역(15)의 폭보다 좁을 수 있다. As shown in FIGS. 5-7, the microvalve structures according to these embodiments may be a normally open structure. That is, when no voltage is applied, the flow path defined by the substrate 10 and the flexible structure 20 may be in an open state. To this end, when no voltage is applied, the recess region 15 and the valve portion 25 are spaced apart from each other, and the flow path may be in an open state. In addition, the width of the valve portion 25 may be smaller than the width of the recess region 15.

한편, 상기 고분자 구동기(40)의 양쪽 전극들에 전압이 인가되면, 상기 고분자 구동기(40)는 위쪽으로 볼록하게 휘어짐으로써, 상기 밸브부(25)를 위쪽으로 들어올릴 수 있다. 이 경우, 상기 밸브부(25)는, 도 8에 도시된 것처럼, 상기 리세스 영역(15)의 측벽에 접촉함으로써, 상기 유로는 닫혀질 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 전압이 인가될 때, 상기 고분자 구동기(40)는 아래쪽으로 볼록하게 휘어짐으로써, 상기 밸브부(25)는 상기 리세스 영역(15)의 바닥에 닿을 수 있다. 이 경우, 도 6 및 도 7에 도시된 실시예들에서의 유로들은 닫혀질 수 있다. Meanwhile, when a voltage is applied to both electrodes of the polymer driver 40, the polymer driver 40 may be bent upwardly convexly, thereby lifting the valve portion 25 upward. In this case, as shown in FIG. 8, the flow path may be closed by contacting the side wall of the recess region 15. According to other embodiments, when the voltage is applied, the polymer actuator 40 is convexly curved downward, so that the valve portion 25 may reach the bottom of the recess region 15. In this case, the flow paths in the embodiments shown in Figs. 6 and 7 can be closed.

상기 미세 밸브 구조체가 정상 상태에서 열린 구조일 수 있도록, 상기 유연 구조물(20)과 상기 기판(10) 사이에는, 상기 유로(30)의 두께를 결정하는 스페이서(미도시)가 더 배치될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 스페이서는 상기 유연 구조물(20) 또는 상기 기판(10)의 일부로서 제공될 수 있다. Spacers (not shown) for determining the thickness of the flow path 30 may be further disposed between the flexible structure 20 and the substrate 10 so that the microvalve structure may be an open structure in a normal state. . According to some embodiments, the spacer may be provided as part of the flexible structure 20 or the substrate 10.

도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 밸브 구조체 및 그 동작 방법을 예시적으로 설명하기 위한 단면도 및 사시도이고, 도 11 및 도 12는 본 발명의 다른 변형된 실시예들에 따른 미세 밸브 구조체 및 그 동작 방법을 예시적으로 설명하기 위한 사시도들이다. 설명의 간결함을 위해, 도 1 내지 도 8를 참조하여 설명된 실시예들에서와 중복되는 기술적 특징들에 대한 설명은 생략될 수 있다. 9 and 10 are a cross-sectional view and a perspective view for illustratively illustrating a fine valve structure and its operation method according to another embodiment of the present invention, Figures 11 and 12 are according to other modified embodiments of the present invention These are perspective views for exemplarily describing the fine valve structure and its operation method. For brevity of description, descriptions of technical features that overlap with those of the embodiments described with reference to FIGS. 1 to 8 may be omitted.

도 9 및 도 10을 참조하면, 기판(10) 상에, 서로 이격된 유로들(30)을 정의하는 유연 구조물(20)이 배치된다. 상기 유연 구조물(20)은 상기 유로들(30) 사이에 개재되는 밸브부(25)를 가질 수 있고, 상기 유연 구조물(20) 내에는 상기 밸브부(25)에 삽입되는 적어도 하나의 고분자 구동기(40)가 배치된다. 9 and 10, the flexible structure 20 defining the flow paths 30 spaced apart from each other is disposed on the substrate 10. The flexible structure 20 may have a valve portion 25 interposed between the flow paths 30, and at least one polymer actuator inserted into the valve portion 25 in the flexible structure 20 ( 40) is arranged.

일부 실시예들에 따르면, 상기 고분자 구동기(40)는 그것의 장축(MA)이 상기 기판(10)의 상부면에 대해 실질적으로 수직하게 놓이도록 배치될 수 있다. 예를 들면, 도 10에 도시된 것처럼, 상기 고분자 구동기(40)는, 직사각형의 상부면 및 하부면을 갖는, 얇은 두께의 얇은 직육면체일 수 있으며, 고분자 구동기(40)에서 가장 넓은 면적을 갖는 표면(예를 들면, 상기 상부면 및 하부면)은 상기 기판(10)의 상부면에 수직할 수 있다. 이에 따라, 상기 고분자 구동기(40)의 변위는 상기 유로들(30)을 가로지르는 방향을 따라 발생(occur)할 수 있고, 상기 고분자 구동기(40)의 횡적 변위(traverse displacement)는 상기 유로들(30)의 폭을 변화시키는 상기 밸브부(25)의 횡적 변위를 유발한다. According to some embodiments, the polymer driver 40 may be arranged such that its major axis MA lies substantially perpendicular to the top surface of the substrate 10. For example, as shown in FIG. 10, the polymer driver 40 may be a thin, rectangular cuboid having a rectangular top and bottom surfaces, the surface having the largest area in the polymer driver 40. For example, the upper surface and the lower surface may be perpendicular to the upper surface of the substrate 10. Accordingly, the displacement of the polymer driver 40 may occur in a direction crossing the flow paths 30, and the transverse displacement of the polymer driver 40 may occur in the flow paths ( Causing a lateral displacement of the valve portion 25 that changes the width of 30.

일부 실시예들에 따르면, 상기 유연 구조물(20)은 상기 유로(30)의 상부에 배치되는 갭 영역(29)을 포함할 수 있다. 상기 갭 영역(29)은 상압의 기체로 채워질 수 있다. 상기 고분자 구동기(40)는 상기 갭 영역(29)을 관통하여 상기 유연 구조물(20)의 밸브부(25)에 삽입될 수 있다. 상기 갭 영역(29)에 의해, 상기 고분자 구동기(40)의 구동력에 대한 반작용 또는 저항력이 감소하기 때문에, 상기 고분자 구동기(40)의 구동력은 상기 밸브부(25)에 더 잘 전달될 수 있다. 이러한 구성에 따르면, 상기 고분자 구동기(40)에 인가되는 전압이 낮춰질 수 있다. According to some embodiments, the flexible structure 20 may include a gap region 29 disposed above the flow path 30. The gap region 29 may be filled with a gas of atmospheric pressure. The polymer actuator 40 may be inserted into the valve portion 25 of the flexible structure 20 through the gap region 29. Since the gap region 29 reduces the reaction or resistance to the driving force of the polymer driver 40, the driving force of the polymer driver 40 can be better transmitted to the valve portion 25. According to this configuration, the voltage applied to the polymer driver 40 can be lowered.

상기 유로들(30)의 바닥면은 도 9에 도시된 것처럼 상기 기판(10)의 상부면에 의해 정의될 수 있지만, 도 10에 도시된 것처럼 상기 유연 구조물(20)에 의해 정의될 수 있다. 즉, 도 10의 실시예에 따르면, 상기 유로들(30)은 상기 기판(10)의 상부면으로부터 이격되어 상기 유연 구조물(20)의 내부에 형성될 수 있다. The bottom surface of the flow paths 30 may be defined by the top surface of the substrate 10 as shown in FIG. 9, but may be defined by the flexible structure 20 as shown in FIG. 10. That is, according to the embodiment of FIG. 10, the flow paths 30 may be spaced apart from the upper surface of the substrate 10 to be formed in the flexible structure 20.

도 10 및 도 11에 도시된 것처럼, 상기 유연 구조물(20) 내에는 복수의 고분자 구동기들(40)이 삽입될 수 있다. 이때, 상기 고분자 구동기들(40) 중의 일부는 상기 유로들(30) 중의 하나로 향하는 구동력을 생성하도록 구성되고, 나머지는 상기 유로들(30) 중의 다른 하나로 향하는 구동력을 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 유로들(30)이 xy 평면에 평행하게 형성되고, 이들의 장축이 실질적으로 y 방향일 경우, 일부 고분자 구동기(40)는 x 방향의 변위를 생성하고, 나머지 고분자 구동기(40)는 -x 방향의 변위를 생성하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 유로들(30) 중의 하나를 선택적으로 닫는 동작뿐만 아니라 상기 유로들(30) 모두를 닫는 동작 역시 가능해진다. 10 and 11, a plurality of polymer actuators 40 may be inserted into the flexible structure 20. In this case, some of the polymer drivers 40 may be configured to generate a driving force directed to one of the flow paths 30, and others may be configured to generate a driving force directed to the other of the flow paths 30. For example, when the flow paths 30 are formed parallel to the xy plane and their long axes are substantially in the y direction, some polymer actuators 40 generate displacement in the x direction and the remaining polymer actuators 40 ) May be configured to produce a displacement in the -x direction. In this case, not only an operation of selectively closing one of the flow paths 30 but also an operation of closing all of the flow paths 30 may be possible.

한편, 상기 유로들(30)의 모양은 도 11 및 도 12에 도시된 것처럼 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들면, 도 11에 도시된 것처럼 상기 유로(30)는 지그재그한 모양으로 형성되거나, 도 12에 도시된 것처럼, 교대로 배치되는 적어도 하나의 좁은 영역(30n) 및 적어도 하나의 넓은 영역들(30w)을 갖도록 형성될 수 있다. 이에 더하여, 도 12에 도시된 것처럼, 상기 유로(30)는, 심장의 판막에서와 같이, 상기 좁은 영역(30n)과 상기 넓은 영역(30w)의 경계 영역이 상기 넓은 영역(30w)을 향해 테이퍼진 모양을 갖도록 형성될 수 있다. Meanwhile, the shapes of the flow paths 30 may be variously modified as shown in FIGS. 11 and 12. For example, as shown in FIG. 11, the flow path 30 is formed in a zigzag shape, or as shown in FIG. 12, at least one narrow region 30n and at least one large region ( 30w). In addition, as shown in FIG. 12, in the flow path 30, as in the valve of the heart, the boundary area between the narrow area 30n and the wide area 30w tapers toward the wide area 30w. It may be formed to have a true shape.

도 13 및 도 14는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 랩온어칩을 예시적으로 도시하는 단면도들이다. 도 15는 본 발명에 따른 랩온어칩의 사용을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다. 설명의 간결함을 위해, 도 1 내지 도 12를 참조하여 설명된 실시예들에서와 중복되는 기술적 특징들에 대한 설명은 생략될 수 있다. 13 and 14 are cross-sectional views illustrating exemplary wrap-on-a-chips according to other embodiments of the present invention. 15 is a diagram for exemplarily explaining the use of a lab-on-a-chip according to the present invention. For brevity of description, descriptions of technical features that overlap with those of the embodiments described with reference to FIGS. 1 through 12 may be omitted.

도 13 및 도 14를 참조하면, 랩온어칩은 기판(10) 상에 배치되어 유로들(31, 32)을 정의하는 유연 구조물(20)을 포함할 수 있다. 상기 유로들(31, 32)은 유입구(36) 및 유출구(37)를 연결하는 제 1 유로(31) 및 상기 제 1 유로(31)로부터 이격되어 형성되는 복수의 제 2 유로들(32)을 포함할 수 있다. Referring to FIGS. 13 and 14, the wrap-on-a-chip may include a flexible structure 20 disposed on the substrate 10 to define flow paths 31 and 32. The flow passages 31 and 32 may include a first flow passage 31 connecting the inlet 36 and the outlet 37 and a plurality of second flow passages 32 spaced apart from the first flow passage 31. It may include.

상기 유연 구조물(20)은 상기 제 2 유로들(32)을 상기 제 1 유로(31)로부터 분리시키는 밸브부들을 포함할 수 있다. 또한, 상기 유연 구조물(20) 내에는 복수의 고분자 구동기들(40)이 삽입될 수 있으며, 상기 고분자 구동기들(40) 각각은 상기 밸브부들 각각에 인접하게 배치될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 밸브부 및 상기 고분자 구동기(40)의 모양 및 배치는 도 1을 참조하여 설명된 실시예에서와 동일할 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에 따르면, 상기 밸브부 및 상기 고분자 구동기(40)의 모양 및 배치는 도 5 내지 도 12를 참조하여 설명된 실시예들 또는 그것의 변형일 수 있다. The flexible structure 20 may include valve parts that separate the second flow paths 32 from the first flow path 31. In addition, a plurality of polymer actuators 40 may be inserted into the flexible structure 20, and each of the polymer actuators 40 may be disposed adjacent to each of the valve units. According to some embodiments, the shape and arrangement of the valve portion and the polymer actuator 40 may be the same as in the embodiment described with reference to FIG. 1. However, according to other embodiments, the shape and arrangement of the valve portion and the polymer actuator 40 may be the embodiments described with reference to FIGS. 5 to 12 or variations thereof.

이에 더하여, 상기 랩온어칩은 상기 고분자 구동기들(40)을 구동시키는 제어기(90) 및 상기 제어기(90)와 상기 고분자 구동기들(40)을 전기적으로 연결하는 제어 배선 구조체(71)를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 제어기(90)는 상기 랩온어칩의 내재적 부품(internal component)으로서 제공될 수 있다. 예를 들면, 상기 제어기(90)는 상기 기판(10)의 일 표면에 부착될 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에 다르면, 상기 제어기(90)는 상기 랩온어칩의 외재적 부품(external component)으로서 제공될 수 있다. 예를 들면, 상기 제어 배선 구조체(71)는 플렉서블한 배선들로 구성됨으로써, 상기 제어기(90)와 상기 기판(10) 사이의 상대적 위치 및 거리는 가변적일 수 있다. In addition, the lab-on-a-chip further includes a controller 90 for driving the polymer drivers 40 and a control wiring structure 71 for electrically connecting the controller 90 and the polymer drivers 40. can do. According to some embodiments, the controller 90 may be provided as an internal component of the lab-on-a-chip. For example, the controller 90 may be attached to one surface of the substrate 10. However, in other embodiments, the controller 90 may be provided as an external component of the lab-on-a-chip. For example, since the control wiring structure 71 is composed of flexible wirings, the relative position and distance between the controller 90 and the substrate 10 may be variable.

상기 제어 배선 구조체(71)는 상기 고분자 구동기들(40)에 공통적으로 접속하는 제 1 제어 배선(71a) 및 상기 고분자 구동기들(40) 각각에 접속하는 제 2 제어 배선들(71b)을 포함할 수 있다. 도 1을 참조하여 설명된 것처럼, 상기 고분자 구동기(40)는 제 1 전극(41), 제 2 전극(42) 및 이들 사이에 개재되는 상기 전기활성화 폴리머(45)를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제 1 제어 배선(71a)은 상기 고분자 구동기들(40)의 제 1 전극들(41)에 접속하고, 상기 제 2 제어 배선들(71b) 각각은 상기 고분자 구동기들(40)의 제 2 전극들(42) 각각에 접속할 수 있다. 즉, 상기 제 2 제어 배선들(71b)의 개수는 상기 고분자 구동기들(40)의 개수와 같을 수 있다. The control wiring structure 71 may include a first control wiring 71a which is commonly connected to the polymer drivers 40, and second control wirings 71b which are connected to each of the polymer drivers 40. Can be. As described with reference to FIG. 1, the polymer driver 40 may include a first electrode 41, a second electrode 42, and the electroactive polymer 45 interposed therebetween. In this case, the first control wiring 71a is connected to the first electrodes 41 of the polymer drivers 40, and each of the second control wirings 71b is connected to the polymer drivers 40. It may be connected to each of the second electrodes 42. That is, the number of the second control lines 71b may be equal to the number of the polymer drivers 40.

상기 제 1 유로(31)는 생체 분자를 포함하는 유체가 그것을 경유하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 유체는 혈액일 수 있으며, 상기 제 1 유로(31)는 혈관의 우회로로서 제공될 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명에 따른 랩온어칩(LOC)은 도 15에 도시된 것처럼 인체(예를 들면, 팔뚝)에 부착될 수 있으며, 상기 제 1 유로(31)의 유입구(36) 및 유출구(37)는 인체의 혈관들 중의 하나에 연결될 수 있다. The first flow path 31 may be configured such that a fluid containing a biomolecule passes through it. For example, the fluid may be blood, and the first flow path 31 may be provided as a bypass of the blood vessel. More specifically, the lab-on-a-chip (LOC) according to the present invention may be attached to a human body (for example, a forearm) as shown in FIG. 15, and the inlet 36 and the outlet port of the first flow path 31 may be 37 may be connected to one of the blood vessels of the human body.

상기 제 2 유로들(32)에는 상기 생체 분자와 반응하는 반응 물질이 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 고분자 구동기들(40)의 구동을 통해 상기 생체 분자를 포함하는 유체가 상기 제 2 유로(32)로 유입될 경우, 상기 생체 분자와 상기 반응 물질 사이의 반응 결과물(99)이 상기 제 2 유로(32)에 형성될 수 있다. Reactive materials reacting with the biomolecule may be formed in the second flow paths 32. In this case, when the fluid including the biomolecule flows into the second flow path 32 through the driving of the polymer actuators 40, the reaction product 99 between the biomolecule and the reactant is It may be formed in the second flow path (32).

상기 랩온어칩은 상기 반응 결과물(99)이 생성되는지를 모니터링하는 반응 검출기들(80)을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 13 및 도 14에 도시된 것처럼, 상기 반응 검출기들(80) 각각은 상기 제 2 유로들(32) 각각의 상부에 배치될 수 있다. 본 발명의 기술적 사상은 상기 반응 결과물(99)을 검출하는 방법에 한정되지 않지만, 일부 실시예들에 따르면, 상기 반응 검출기(80)는 광학적 또는 전기적 방법을 이용하여 상기 반응 결과물(99)의 생성 여부를 측정하도록 구성될 수 있다. 상기 반응 검출기(80)의 동작 제어 또는 측정 데이터의 전송 등은, 도 13에 도시된 것처럼, 상기 반응 검출기들(80)과 상기 제어기(90)를 연결하는 검출 배선 구조체(72)를 통해 구현될 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에 따르면, 상기 제어 배선 구조체(71)는 도 14에 도시된 것처럼 상기 반응 검출기들(80)과 상기 제어기(90)를 연결하는 검출 배선 구조체로서 기능할 수도 있다. The lab-on-a-chip may further include reaction detectors 80 for monitoring whether the reaction output 99 is produced. For example, as shown in FIGS. 13 and 14, each of the reaction detectors 80 may be disposed above each of the second flow paths 32. The technical spirit of the present invention is not limited to the method of detecting the reaction product 99, but according to some embodiments, the reaction detector 80 may generate the reaction product 99 using an optical or electrical method. It can be configured to measure whether or not. Operation control of the reaction detector 80 or transmission of measurement data may be implemented through a detection wiring structure 72 connecting the reaction detectors 80 and the controller 90, as shown in FIG. 13. Can be. However, according to other embodiments, the control wiring structure 71 may also function as a detection wiring structure connecting the reaction detectors 80 and the controller 90 as shown in FIG. 14.

한편, 서로 다른 상기 제 2 제어 배선들(71b)이 상기 고분자 구동기들(40)에 접속할 경우, 상기 고분자 구동기들(40)은 독립적으로 구동될 수 있다. 예를 들면, 상기 고분자 구동기들(40)은 상기 제어기(90)로부터의 제어 신호에 응답하여 순차적으로 구동될 수 있으며, 이 경우, 상기 제 2 유로들(32)은 순차적으로 상기 제 1 유로(31)에 연결될 수 있으며, 상기 제 1 유로(31)의 유체(F1)는 열린 제 2 유로(32)로 유입(F2)될 수 있다. 즉, 상기 제어기(90)는, 소정의 시간 간격을 가지고 서로 다른 시간들에 상기 고분자 구동기들(40)을 구동시키도록, 구성될 수 있다. 이러한 순차적 구동은 생명체의 생화학적 상태를 주기적으로 모니터링하는 것을 가능하게 만들기 때문에, 심장마비 또는 뇌졸증과 같은 치명적인 문제들이 예방될 수 있다. 이러한 실시예들에 따르면, 상기 제 2 유로들(32)에는 동일한 반응 물질들이 형성될 수 있다. Meanwhile, when the second control wires 71b different from each other are connected to the polymer drivers 40, the polymer drivers 40 may be driven independently. For example, the polymer drivers 40 may be sequentially driven in response to a control signal from the controller 90. In this case, the second flow paths 32 may sequentially drive the first flow path ( 31, and the fluid F1 of the first flow path 31 may flow into the open second flow path 32. That is, the controller 90 may be configured to drive the polymer drivers 40 at different times at predetermined time intervals. Since this sequential drive makes it possible to periodically monitor the biochemical state of life, fatal problems such as heart attack or stroke can be prevented. According to these embodiments, the same reactants may be formed in the second flow paths 32.

하지만, 변형된 실시예들에 따르면, 상기 제 2 유로들(32)에 형성되는 반응 물질은 적어도 두가지일 수 있다. 이 경우, 서로 다른 두가지 위험 요인들 또는 질병들이 상기 랩온어칩을 통해 모니터링될 수 있다. However, according to modified embodiments, at least two reactant materials may be formed in the second flow paths 32. In this case, two different risk factors or diseases can be monitored through the lab-on-a-chip.

Claims (20)

기판;
상기 기판 상에 배치되는 유연 구조물(flexible structure); 및
상기 유연 구조물 내에 삽입되는 고분자 구동기(polymer actuator)를 포함하되,
상기 유연 구조물은 미세 유로(microchannel)를 정의하는 밸브부(valve portion)를 갖고, 상기 고분자 구동기는 상기 유연 구조물에 의해 상기 미세 유로로부터 분리되되,
상기 고분자 구동기는 상기 밸브부의 변위를 기계적으로 직접 제어함으로써 상기 미세 유로의 폭을 변화시킬 수 있도록 구성되는 미세 밸브 구조체.
Board;
A flexible structure disposed on the substrate; And
It includes a polymer actuator (polymer actuator) is inserted into the flexible structure,
The flexible structure has a valve portion defining a microchannel, and the polymer actuator is separated from the microchannel by the flexible structure,
The polymer actuator is fine valve structure is configured to change the width of the micro-path by mechanically controlling the displacement of the valve portion.
청구항 1에 있어서,
상기 고분자 구동기는 한 쌍의 전극들 및 이들 사이에 개재되는 이온 전도성 고분자 합성물(ionic polymer metal composite)을 포함하는 미세 밸브 구조체.
The method according to claim 1,
The polymer actuator includes a pair of electrodes and an ionic polymer metal composite interposed therebetween.
청구항 2에 있어서,
상기 이온 전도성 고분자 합성물은 술폰산화 테트라플루오르에틸렌 계열의 불소 중합체-공중합체들(sulfonated tetrafluoroethylene based fluoropolymer-copolymers) 중의 하나인 미세 밸브 구조체.
The method according to claim 2,
The ion conductive polymer composite is one of sulfonated tetrafluoroethylene-based fluoropolymer-copolymers (sulfonated tetrafluoroethylene based fluoropolymer-copolymers).
청구항 1에 있어서,
상기 미세 유로는 서로 이격된 제 1 유로 및 제 2 유로를 포함하고,
상기 유연 구조물의 밸브부는 상기 제 1 및 제 2 유로들 사이에 개재되되,
상기 고분자 구동기는 상기 밸브부 내에 삽입된 부분을 갖는 미세 밸브 구조체.
The method according to claim 1,
The micro channel includes a first channel and a second channel spaced apart from each other,
The valve portion of the flexible structure is interposed between the first and second flow paths,
Wherein said polymer actuator has a portion inserted into said valve portion.
청구항 4에 있어서,
상기 고분자 구동기는 상기 제 1 및 제 2 유로들 그리고 상기 밸브부의 폭들의 합보다 큰 폭을 갖는 미세 밸브 구조체.
The method of claim 4,
And the polymer actuator has a width greater than a sum of the widths of the first and second flow paths and the valve portion.
청구항 4에 있어서,
상기 고분자 구동기는 직사각형의 상부면 및 하부면을 갖는 직육면체 모양인 미세 밸브 구조체.
The method of claim 4,
The polymer actuator is a fine valve structure having a rectangular parallelepiped shape having a top surface and a bottom surface of the rectangle.
청구항 1에 있어서,
상기 미세 유로는 외부로부터 유체가 공급되는 유입구(inlet) 및 상기 유체가 배출되는 유출구(outlet)를 갖는 미세 밸브 구조체.
The method according to claim 1,
The micro flow path has a fine valve structure having an inlet through which fluid is supplied from the outside and an outlet through which the fluid is discharged.
청구항 1에 있어서,
상기 기판은 상기 미세 유로로서 사용되는 리세스 영역을 갖고, 상기 유연 구조물의 밸브부는 상기 리세스 영역에 삽입되는 미세 밸브 구조체.
The method according to claim 1,
And the substrate has a recessed region used as the microchannel, and the valve portion of the flexible structure is inserted into the recessed region.
청구항 1에 있어서,
상기 고분자 구동기는 그것의 가장 넓은 표면이 상기 기판의 상부면에 실질적으로 평행하도록 배치되는 미세 밸브 구조체.
The method according to claim 1,
The polymer actuator is disposed such that its widest surface is substantially parallel to the top surface of the substrate.
청구항 1에 있어서,
상기 고분자 구동기는 그것의 가장 넓은 표면이 상기 기판의 상부면에 실질적으로 수직하도록 배치되는 미세 밸브 구조체.
The method according to claim 1,
The polymer actuator is disposed such that its widest surface is substantially perpendicular to the top surface of the substrate.
기판;
서로 이격된 제 1 및 제 2 유로들 사이의 밸브부를 포함하면서, 상기 기판 상에 배치되는 유연 구조물; 및
상기 유연 구조물 내에 삽입되어 상기 밸브부의 변위를 제어하도록 구성되는 고분자 구동기를 포함하는 미세 밸브 구조체.
Board;
A flexible structure disposed on the substrate, including a valve portion between the first and second flow paths spaced apart from each other; And
And a polymer actuator inserted into the flexible structure and configured to control displacement of the valve portion.
청구항 11에 있어서,
상기 고분자 구동기는 상기 유연 구조물에 의해 상기 제 1 및 제 2 유로들로부터 이격되는 미세 밸브 구조체.
The method of claim 11,
And the polymer actuator is spaced apart from the first and second flow paths by the flexible structure.
청구항 11에 있어서,
상기 고분자 구동기는 한 쌍의 전극들 및 이들 사이에 개재되는 이온 전도성 고분자 합성물(ionic polymer metal composite)을 포함하는 미세 밸브 구조체.
The method of claim 11,
The polymer actuator includes a pair of electrodes and an ionic polymer metal composite interposed therebetween.
청구항 13에 있어서,
상기 고분자 구동기는 상기 유연 구조물에 의해 둘러싸임으로써, 상기 고분자 구동기의 전극들은 외부 대기 또는 상기 제 1 및 제 2 유로들에 의해 노출되지 않는 미세 밸브 구조체.
The method according to claim 13,
The polymer actuator is surrounded by the flexible structure, such that the electrodes of the polymer driver are not exposed to the outside atmosphere or the first and second flow paths.
청구항 13에 있어서,
상기 이온 전도성 고분자 합성물은 술폰산화 테트라플루오르에틸렌 계열의 불소 중합체-공중합체들(sulfonated tetrafluoroethylene based fluoropolymer-copolymers) 중의 하나인 미세 밸브 구조체.
The method according to claim 13,
The ion conductive polymer composite is one of sulfonated tetrafluoroethylene-based fluoropolymer-copolymers (sulfonated tetrafluoroethylene based fluoropolymer-copolymers).
기판;
제 1 유로, 복수의 제 2 유로들 및 상기 제 2 유로들을 상기 제 1 유로로부터 공간적으로 분리시키는 복수의 밸브부들을 포함하는 유연 구조물;
상기 유연 구조물 내에 삽입되되, 그 각각은 상기 밸브부들 각각의 변위를 제어하도록 구성되는 복수의 고분자 구동기들; 및
상기 고분자 구동기들 각각을 독립적으로 제어하는 제어기를 구비하는 랩온어칩 모듈.
Board;
A flexible structure including a first flow passage, a plurality of second flow passages, and a plurality of valve portions that spatially separate the second flow passages from the first flow passage;
A plurality of polymer actuators inserted into the flexible structure, each of which is configured to control displacement of each of the valve portions; And
Lab-on-a-chip module having a controller for independently controlling each of the polymer actuators.
청구항 16에 있어서,
상기 제어기는, 상기 고분자 구동기들 중의 적어도 둘을 소정의 시간 간격을 가지고 서로 다른 시간에 구동시키도록, 구성되는 랩온어칩 모듈.
The method according to claim 16,
And the controller is configured to drive at least two of the polymer drivers at different times with a predetermined time interval.
청구항 16에 있어서,
상기 제 1 유로는 생체 분자들을 포함하는 유체가 통과하도록 구성되고,
상기 제 2 유로들 각각에는, 상기 생체 분자와 반응하는, 반응 물질이 형성되는 랩온어칩 모듈.
The method according to claim 16,
The first flow path is configured to allow a fluid including biomolecules to pass therethrough,
Each of the second flow paths, the lab-on-a-chip module is formed a reaction material, which reacts with the biomolecule.
청구항 18에 있어서,
상기 제 2 유로들에 형성되는 상기 반응 물질들은 동일하고, 상기 고분자 구동기들 모두는 서로 다른 시간에 구동되는 랩온어칩 모듈.
The method according to claim 18,
The reactant materials formed in the second flow paths are the same, and all of the polymer drivers are driven at different times.
청구항 16에 있어서,
상기 제 2 유로들 상에 배치되어, 상기 유체와 상기 반응 물질 사이의 반응을 모니터링하는, 적어도 하나의 반응 검출 장치를 더 포함하는 랩온어칩 모듈.
The method according to claim 16,
And at least one reaction detection device, disposed on the second flow paths, for monitoring a reaction between the fluid and the reactant.
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