KR20110136629A - 마이크로 밸브를 갖는 미세 유체 소자 - Google Patents

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Abstract

마이크로 밸브를 갖는 미세 유체 소자가 개시된다. 개시된 미세 유체 소자의 마이크로 밸브는 탄성 필름 및 밸브 시트를 가질 수 있으며, 밸브 시트와 접촉하는 탄성 필름의 표면에는 미세 구조가 형성되어 있다. 개시된 미세 유체 소자에 따르면, 밸브 시트와 접촉하는 탄성 필름의 표면에 미세 구조가 형성되어 있기 때문에, 탄성 필름과 밸브 시트 사이의 고착을 방지할 수 있다. 따라서, 마이크로 밸브의 동작에 있어서, 신뢰성 및 재현성이 보장될 수 있다. 또한, 미세 유체 소자의 제조시에, 탄성 필름과 밸브 시트가 서로 접합하지 않도록 하기 위한 별도의 공정이 요구되지 않는다.

Description

마이크로 밸브를 갖는 미세 유체 소자 {Microfluidic device comprising microvalve}
마이크로 밸브를 갖는 미세 유체 소자를 개시한다. 더욱 상세하게는, 마이크로 밸브 내의 탄성 필름 표면에 미세 구조가 형성되어 있는 미세 유체 소자를 개시한다.
임상 혹은 환경과 관련된 시료의 분석은 일련의 생화학적, 화학적, 기계적 처리과정을 통하여 이루어진다. 최근에는 생물학적인 시료의 진단이나 모니터링을 위한 기술개발이 상당한 관심을 끌고 있다. 최근 핵산을 기반으로 한 분자진단 방법은 그 정확도 및 민감도가 우수하여 감염성 질환이나 암진단, 약물유전체학, 신약 개발 등에서 활용도가 상당히 증가하고 있다. 이와 같은 다양한 목적에 따라 시료를 간편하고 정밀하게 분석하기 위하여 미세 유체 소자가 널리 사용되고 있다. 미세 유체 소자는 얇은 기판 상에 시료 유입구, 시료 유출구, 미세 유로, 반응 챔버 등이 다수 형성되어 있어서, 하나의 시료에 대해 다양한 검사를 간편하게 수행할 수 있다. 이에 따라 미세 유체 소자는 다양한 종류의 센서, 바이오 샘플의 증폭/진단 및 신약 개발을 위한 플랫폼으로 사용되고 있다.
이러한 미세 유체 소자 내에서 시료 및 시약이 원하는 위치로 정확하게 제공될 수 있도록, 미세 유체 소자는 미세한 마이크로 밸브와 펌프 등을 더 포함할 수 있다. 상기 마이크로 밸브는 미세 유체 소자 내의 미세 유로 내에 배치되며, 예를 들어, 미세 유체 소자의 미세 유로 내에 얇은 탄성 필름과 밸브 시트를 배치하여 형성될 수 있다. 이러한 마이크로 밸브의 구조에서, 일반적으로 탄성 필름과 밸브 시트가 접촉한 동안에는 마이크로 밸브가 닫히게 되어, 시료가 미세 유로를 지나가지 못한다. 그리고, 탄성 필름과 밸브 시트가 떨어져 있는 동안에는 마이크로 밸브가 열려서, 시료가 미세 유로를 지나갈 수 있다.
그런데, 통상적인 마이크로 밸브의 경우, 평상시에 탄성 필름과 밸브 시트가 접촉한 상태에 있기 때문에, 시간이 지나면 탄성 필름이 밸브 시트에 고착될 수가 있다. 그러면 마이크로 밸브의 개폐 동작이 정상적으로 이루어지지 않을 수 있다. 그러한 탄성 필름과 밸브 시트 사이의 고착을 방지하기 위해서는, 미세 유체 소자의 제조 공정이 복잡해질 수 있다.
마이크로 밸브 내의 탄성 필름 표면에 미세 구조가 형성되어, 탄성 필름과 밸브 시트 사이의 고착을 방지할 수 있는 미세 유체 소자를 제공한다.
본 발명의 일 유형에 따른 미세 유체 소자는, 서로 대향하도록 배치된 제 1 및 제 2 기판; 상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 배치된 탄성 필름; 상기 제 1 기판과 대향하는 제 2 기판의 표면에 형성된 미세 유로; 상기 제 2 기판의 미세 유로 내에 돌출하여 형성된 밸브 시트; 상기 제 2 기판과 대향하는 제 1 기판의 표면에서 상기 밸브 시트와 대응하는 위치에 마련된 빈 공간; 및 상기 밸브 시트와 대향하는 탄성 필름의 한쪽 표면에서 상기 밸브 시트와 대응하는 위치에 형성된 미세 패턴을 포함할 수 있다.
이러한 구조에서, 상기 공간을 통해 공압이 제공되는 동안에는 상기 밸브 시트의 상부 표면과 상기 탄성 필름의 미세 패턴이 서로 접촉하고, 상기 공간을 통해 공압이 제공되지 않는 동안에는 상기 밸브 시트의 상부 표면과 상기 탄성 필름의 미세 패턴 사이에 간격이 존재할 수 있다.
예를 들어, 상기 탄성 필름의 미세 패턴은 상기 탄성 필름의 표면 내부로 오목하게 형성된 요홈부를 포함할 수 있다.
제 1 단면 방향에서 볼 때, 상기 요홈부의 바닥면은 상기 밸브 시트의 표면 형태에 대응하는 형태를 가질 수 있다.
제 1 단면 방향에서 볼 때, 상기 요홈부의 바닥면은 예컨대 평평한 형태를 가질 수 있다.
또한, 제 1 단면 방향에서 볼 때, 상기 요홈부의 폭은, 상기 밸브 시트가 상기 요홈부 내에 들어갈 수 있도록, 상기 밸브 시트의 폭보다 크도록 형성될 수 있다.
그리고, 상기 제 1 단면 방향에 수직한 제 2 단면 방향에서 볼 때, 상기 요홈부의 양쪽 가장자리 부분은 상기 밸브 시트의 가장자리 부분과 접촉하며, 상기 요홈부의 중앙 부분으로 갈수록 상기 요홈부와 밸브 시트 사이의 거리가 멀어지도록 형성될 수 있다.
상기 제 2 단면 방향에서 볼 때, 상기 요홈부는 예컨대 둥근 라운드 형태로 오목하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 탄성 필름의 미세 패턴은, 예를 들어, 상기 탄성 필름의 표면 내부로 오목하게 형성된 요홈부 및 상기 요홈부의 바닥면에서 상기 밸브 시트와 대응하는 위치에 돌출하여 형성된 돌출부를 포함할 수 있다.
상기 요홈부의 폭은 상기 제 1 기판 내에 형성된 공간의 폭과 동일할 수 있다.
예를 들어, 상기 돌출부는 삼각형의 형태를 가질 수 있다.
또한, 상기 돌출부의 높이는 상기 요홈부의 깊이보다 작을 수 있다.
또한, 상기 탄성 필름의 미세 패턴은, 예를 들어, 상기 탄성 필름의 표면 내부로 오목하게 형성된 요홈부 및 상기 요홈부의 바닥면에서 상기 밸브 시트와 대응하는 위치에 돌출하여 형성된 양각의 미세 격자 패턴을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 미세 격자 패턴은 상기 요홈부의 바닥면으로부터 돌출된 다수의 평행한 막대들의 어레이 구조 또는 양각으로 형성된 그물망 구조를 가질 수 있다.
상기 미세 격자 패턴의 높이는 상기 요홈부의 깊이보다 작을 수 있다.
또한, 상기 탄성 필름의 미세 패턴은, 예를 들어, 상기 밸브 시트와 대향하는 탄성 필름의 한쪽 표면에서 상기 밸브 시트와 대응하는 위치에 음각된 미세 격자 패턴을 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 미세 격자 패턴은 상기 탄성 필름의 표면으로부터 음각된 다수의 평행한 막대들의 어레이 구조 또는 음각으로 형성된 그물망 구조를 가질 수 있다.
상기 미세 격자 패턴의 표면은 상기 탄성 필름의 표면보다 낮도록 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 유형에 따른 미세 유체 소자는, 서로 대향하도록 배치된 제 1 및 제 2 기판; 상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 배치된 탄성 필름; 상기 제 1 기판과 대향하는 제 2 기판의 표면에 형성된 미세 유로; 상기 탄성 필름의 표면으로부터 상기 제 2 기판의 미세 유로의 바닥면을 향해 돌출하여 형성된 미세 패턴; 및 상기 제 2 기판과 대향하는 제 1 기판의 표면에서 상기 미세 패턴과 대응하는 위치에 마련된 빈 공간;을 포함할 수 있다.
이러한 구조에서, 상기 공간을 통해 공압이 제공되는 동안에는 상기 미세 유로의 바닥면과 상기 탄성 필름의 미세 패턴이 서로 접촉하고, 상기 공간을 통해 공압이 제공되지 않는 동안에는 상기 미세 유로의 바닥면과 상기 탄성 필름의 미세 패턴 사이에 간격이 존재할 수 있다.
상기 탄성 필름의 미세 패턴의 높이는 상기 미세 유로의 높이보다 작을 수 있다.
여기서, 상기 미세 유로의 높이는 상기 탄성 필름의 표면과 상기 제 2 기판의 표면 사이의 거리일 수 있다.
예를 들어, 상기 탄성 필름의 미세 패턴은 상기 탄성 필름의 표면으로부터 돌출된 삼각형 형태의 돌출부를 포함할 수 있다.
개시된 미세 유체 소자의 마이크로 밸브는 밸브 시트와 접촉하는 탄성 필름의 표면에 미세 구조가 형성되어 있기 때문에, 탄성 필름과 밸브 시트 사이의 고착을 방지할 수 있다. 따라서, 마이크로 밸브의 동작에 있어서, 신뢰성 및 재현성이 보장될 수 있다. 또한, 미세 유체 소자의 제조시에, 탄성 필름과 밸브 시트가 서로 접합하지 않도록 하기 위한 별도의 공정이 요구되지 않는다. 예를 들어, 밸브 시트의 표면에 고착 방지를 위한 별도의 코팅을 형성할 필요가 없다. 따라서 미세 유체 소자의 제조 공정 및 제조 비용을 저감시킬 수 있다. 더욱이, 탄성 필름이 밸브 시트에 고착될 염려가 없으므로, 밸브 시트의 면적을 증가시킬 수 있어서 보다 낮은 압력으로도 마이크로 밸브의 개폐 동작을 제어할 수 있으며, 밸브 시트에 대한 설계 자유도를 증가시킬 수 있다. 따라서, 개시된 미세 유체 소자는 다양한 목적에 맞는 다양한 형태의 바이오 시료의 증폭/진단 플랫폼에 적용될 수 있다.
도 1은 미세 유체 소자의 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 미세 유체 소자의 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 미세 유체 소자 내에 형성된 한 마이크로 밸브의 영역만을 예시적으로 보이는 평면 투시도이다.
도 4a는 도 3의 마이크로 밸브 영역에 대한 A-A' 라인을 따른 단면도이다.
도 4b는 도 3의 마이크로 밸브 영역에 대한 B-B' 라인을 따른 단면도이다.
도 5a는 마이크로 밸브의 열림 동작을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 5b 및 도 5c는 마이크로 밸브의 닫음 동작을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 6a는 다른 예에 따른 마이크로 밸브의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 6b는 도 6a에 도시된 마이크로 밸브의 닫음 동작을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 7a는 또 다른 예에 따른 마이크로 밸브의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 7b는 도 7a에 도시된 마이크로 밸브의 닫음 동작을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 8은 또 다른 예에 따른 마이크로 밸브의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 9는 또 다른 예에 따른 마이크로 밸브의 구조를 도시하는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 마이크로 밸브를 갖는 미세 유체 소자에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 미세 유체 소자(10)의 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 1을 참조하면, 미세 유체 소자(10)는 예를 들어 얇고 투명한 기판 상에 형성된, 시료나 시약 또는 공기의 유입/유출을 위한 다수의 홀(15), 시료의 화학적/생물학적 반응이 일어나는 다수의 반응 챔버(14), 시료가 이동하는 통로인 다수의 미세 유로(16), 시료의 흐름을 원하는 위치로 정확하게 제어하기 위한 다수의 미세한 마이크로 밸브(17) 등을 포함할 수 있다. 도 1에서는, 편의상 단지 하나의 챔버(14), 홀(15), 미세 유로(16) 및 마이크로 밸브(17)에 대해 대표적으로 도면 번호가 부기되어 있지만, 실제로는 다수의 챔버(14), 홀(15), 미세 유로(16) 및 마이크로 밸브(17)가 도 1에 도시되어 있다. 또한, 도 1에 도시된 미세 유체 소자(10)에서, 챔버(14), 홀(15), 미세 유로(16) 및 마이크로 밸브(17)의 배치는 단지 예시적인 것이며, 미세 유체 소자(10)의 용도 및 설계자의 선택에 따라 챔버(14), 홀(15), 미세 유로(16) 및 마이크로 밸브(17)의 개수와 배치는 달라질 수 있다.
마이크로 밸브(17)는 미세 유로(16) 내에 형성될 수 있으며, 미세 유로(16) 내에서 시료를 통과시키거나 차단하는 역할을 한다. 이러한 마이크로 밸브(17)는 탄성을 갖는 얇은 필름을 이용하여 이루어질 수 있다. 도 2는 도 1에 도시된 미세 유체 소자(10)의 미세 유로(16) 내에 마이크로 밸브(17)를 배치하기 위하여 제안된 미세 유체 소자(10)의 개략적인 단면도이다. 도 2의 단면도를 참조하면, 미세 유체 소자(10)는 제 1 기판(11)과 제 2 기판(12), 상기 제 1 기판(11)과 제 2 기판(12) 사이에 배치된 얇은 탄성 필름(13)을 구비할 수 있다. 제 1 기판(11)에는 다수의 제 1 홀(15a)이 배치될 수 있으며, 제 2 기판(12)에도 다수의 제 2 홀(15b)이 배치될 수 있다. 후술하겠지만, 제 1 홀(15a)은 탄성 필름(13)을 밀기 위한 공압이 제공되는 공압 홀일 수 있으며, 제 2 홀(15b)은 시료와 같은 유체를 제공하기 위한 유체 홀일 수 있다. 비록 도 2에는 편의상 홀(15a,15b)들만이 도시되어 있지만, 각각의 제 1 기판(11)과 제 2 기판(12)의 서로 대향하는 표면들에는 개별적으로 다수의 챔버(14)와 미세 유로(16) 등이 형성되어 있을 수 있다. 여기서, 탄성 필름(13)은 예를 들어 PDMS(polydimethylsiloxane)와 같은 폴리머 재료로 이루어질 수 있다. 그리고, 제 1 및 제 2 기판(11,12)은 예를 들어 유리(glass)나 플라스틱과 같은 투명한 재질의 재료로 이루어질 수 있다.
도 3은 미세 유체 소자(10) 내에 형성된 한 마이크로 밸브(17)의 영역만을 예시적으로 보이는 평면 투시도로서, 마이크로 밸브(17)의 구성들이 은선(hidden line)으로 표시되어 있다. 도 3을 참조하면, 미세 유로(16)를 완전히 가로질러 밸브 시트(18)가 형성되어 있다. 밸브 시트(18)가 형성되어 있는 부분에는, 마이크로 밸브(17)의 동작을 용이하게 하기 위하여 미세 유로(16)의 폭이 다른 곳보다 넓어질 수 있다. 예를 들어, 미세 유로(16)와 밸브 시트(18)는 제 2 기판(12)에 형성되어 있을 수 있다. 도 3에는 명시적으로 도시되어 있지 않지만, 밸브 시트(18) 위로 탄성 필름(13)이 배치된다. 그리고, 탄성 필름(13) 위에 배치된 제 1 기판(11) 내에서 밸브 시트(18)와 대응하는 영역 내에는 빈 공간(19)이 형성될 수 있다. 상기 빈 공간(19)은, 마이크로 밸브(17)의 닫음 동작시에, 밸브 시트(18)를 향해 탄성 필름(13)을 충분한 세기로 밀 수 있도록 공압이 제공되는 곳이다.
도 3에 도시된 마이크로 밸브(17)의 구성은 도 4a 및 도 4b의 단면도를 통해 더욱 구체적으로 도시될 수 있다. 도 4a는 도 3에 도시된 마이크로 밸브(17)의 영역에 대한 A-A' 라인을 따른 수직 단면도이며, 도 4b는 B-B' 라인을 따른 수직 단면도이다.
먼저, 도 4a를 참조하면, 제 1 기판(11)에 대향하는 제 2 기판(12)의 상부 표면에 형성된 미세 유로(16)의 바닥면으로부터 밸브 시트(18)가 돌출하여 형성되어 있다. 또한, 제 2 기판(12)에 대향하는 제 1 기판(11)의 하부 표면에서 밸브 시트(18)와 대응하는 위치에는 제 1 기판(11)의 하부 표면을 에칭하여 형성된 빈 공간(19)이 마련되어 있다. 도시되어 있지는 않지만, 제 2 기판(12)에 형성된 미세 유로(16)는 시료가 유입/유출될 수 있도록 제 2 기판(12)에 형성된 제 2 홀(15b)과 연결될 수 있다. 또한, 제 1 기판(11)에 형성된 공간(19)은 탄성 필름(13)을 제어하기 위한 공기가 유입/유출될 수 있도록 제 1 기판(11)에 형성된 제 1 홀(15a)과 연결될 수 있다.
상기 공간(19)과 밸브 시트(18)는 제 1 기판(11)과 제 2 기판(12) 사이의 탄성 필름(13)에 의해 서로 분리되어 있다. 이를 위해, 도 4a에 도시된 마이크로 밸브(17)의 영역 내에서, 상기 탄성 필름(13)은 제 1 기판(11)의 하부 표면에 부착되어 있다. 그러나 미세 유체 소자(10)의 전체적인 구성에서 볼 때, 도 2에 도시된 바와 같이, 탄성 필름(13)은 제 1 기판(11)과 제 2 기판(12)의 대향하는 두 표면에 모두 부착될 수 있다. 한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 밸브 시트(18)와 대향하는 탄성 필름(13)의 한쪽 표면에는 소정의 미세한 패턴이 형성될 수 있다. 도 4a의 예에서, 밸브 시트(18)와 대향하는 탄성 필름(13)의 한쪽 표면에 형성된 미세한 패턴은 상기 탄성 필름(13)의 표면 내부로 오목하게 형성된 요홈부(13a)일 수 있다. 요홈부(13a)의 바닥면은 A-A' 라인을 따른 단면에서 볼 때 밸브 시트(18)의 표면 형태에 대응하는 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 요홈부(13a)의 바닥면은 평평하게 형성될 수 있으며, 탄성 필름(13)의 표면으로부터 충분히 깊게 형성될 수 있다. 예를 들어, 탄성 필름(13)의 전체적인 두께가 약 250㎛인 경우에, 요홈부(13a)의 깊이는 약 1~20㎛일 수 있다. 이러한 요홈부(13a)를 갖는 탄성 필름(13)은, 예를 들어, 사출 성형 등을 통해 만들어질 수 있다.
이렇게 탄성 필름(13)의 표면 안쪽으로 오목하게 요홈부(13a)가 형성되어 있기 때문에, 밸브 시트(18)의 상부 표면은 평상시에는 탄성 필름(13)과 접촉하지 않으며, 밸브 시트(18)와 탄성 필름(13) 사이에 간격이 존재한다. 따라서 미세 유체 소자(10)를 장시간 동안 사용하지 않더라도, 탄성 필름(13)이 밸브 시트(18)에 고착되는 일은 거의 발생하지 않는다. 한편, 마이크로 밸브(17)의 닫음 동작시에 탄성 필름(13)과 밸브 시트(18) 사이의 접촉을 확실하게 하기 위하여, 요홈부(13a)의 폭(W2)은, 밸브 시트(18)가 요홈부(13a) 내에 들어갈 수 있도록, 밸브 시트(18)의 폭(W1)과 거의 같거나 그보다 약간 더 크도록 형성될 수 있다.
또한, 도 4b를 참조하면, 제 1 기판(11)에 상술한 공간(19)이 형성되어 있으며, 제 2 기판(12)에는 상기 공간(19)과 대응하는 위치에 밸브 시트(18)가 형성되어 있다. 도 4b의 단면도에서는 밸브 시트(18)가 제 2 기판(12)과 구분되어 보이지 않으므로, 은선으로 밸브 시트(18)를 표시하고 있다. 또한 도 4b를 참조하면, 탄성 필름(13)에 형성된 요홈부(13a)의 B-B' 라인을 따른 단면 형태가 도시되어 있다. B-B' 라인을 따른 단면을 보면, 요홈부(13a)는 둥근 라운드 형태로 오목하게 형성될 수 있다. 따라서 요홈부(13a)의 양쪽 가장자리 부분은 밸브 시트(18)의 가장자리 부분과 접촉하고 있으며, 요홈부(13a)의 중앙 부분으로 갈수록 요홈부(13a)와 밸브 시트(18) 사이의 거리가 멀어진다. 이는 마이크로 밸브(17)의 닫음 동작시에, 요홈부(13a)와 밸브 시트(18) 사이에 빈틈이 발생하지 않도록 하기 위한 것이다.
도 5a 내지 도 5c는 이러한 마이크로 밸브(17)의 여닫음 동작을 설명하기 위한 것이다. 예를 들어, 도 5a는 마이크로 밸브(17)의 열림 동작을 개략적으로 나타내는 도 4a와 같은 방향의 단면도이고, 도 5b는 마이크로 밸브(17)의 닫음 동작을 개략적으로 나타내는 도 4a와 같은 방향의 단면도이며, 도 5c는 마이크로 밸브(17)의 닫음 동작을 개략적으로 나타내는 도 4b와 같은 방향의 단면도이다. 먼저 도 5a를 참조하면, 탄성 필름(13)의 표면 안쪽으로 오목하게 요홈부(13a)가 형성되어 있기 때문에, 밸브 시트(18)의 상부 표면은 평상시에는 탄성 필름(13)과 접촉하지 않는 상태에 있다. 이러한 점에서, 마이크로 밸브(17)는 평상시에는 열림 상태에 있는 정상 열림형(normally open type)이다. 따라서, 평상시에는 마이크로 밸브(17)가 열림 상태이므로, 예를 들어 제 2 홀(15b)을 통해 미세 유로(16) 내에 제공된 유체(20)는 마이크로 밸브(17)를 통과할 수 있다.
마이크로 밸브(17)를 닫고자 하는 경우에는, 도 5b 및 도 5c에 도시된 바와 같이, 제 1 홀(15a)을 통해 공간(19) 내에 공압을 제공할 수 있다. 그러면, 상기 공간(19) 아래의 탄성 필름(13)이 공압에 의해 밸브 시트(18)를 향해 밀려나게 된다. 만약 충분한 세기의 공압이 제공된다면, 탄성 필름(13)은 밸브 시트(18)에 밀착되어, 탄성 필름(13)과 밸브 시트(18) 사이의 틈을 완전히 메울 수 있게 된다. 이때, 탄성 필름(13)에 형성된 요홈부(13a)의 폭이 밸브 시트(18)의 폭보다 약간 크기 때문에, 밸브 시트(18)는 요홈부(13a) 내에서 요홈부(13a)의 바닥면과 완전히 밀착될 수 있다. 그러면, 미세 유로(16) 내의 유체(20)는 마이크로 밸브(17)에 의해 막혀서 더 이상 이동하지 못하게 될 것이다. 여기서, 충분한 세기의 공압은, 예컨대, 탄성 필름(13)의 재질, 요홈부(13a)의 바닥면과 밸브 시트(18) 사이의 거리, 미세 유로(16)의 폭과 높이, 밸브 시트(18)와 탄성 필름(13)의 표면 상태와 기하학적 형상 등 다양한 요인을 고려하여 결정될 수 있다. 한편, 도 4b를 참조하여 위에서 설명한 바와 같이, B-B' 라인을 따른 단면에서 요홈부(13a)는 둥근 라운드 형태로 오목하게 형성될 수 있다. 따라서, 충분한 세기의 공압이 공간(19) 내에 제공된다면, 도 5c에 도시된 바와 같이, 요홈부(13a)의 바닥면과 밸브 시트(18)는 빈틈이 없이 서로 밀착될 수 있다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 밸브(17)는 정상 열림형으로서 많은 장점을 가질 수 있다. 먼저, 도 2에 도시된 것처럼 제 1 기판(11)과 제 2 기판(12) 사이에 탄성 필름(13)을 배치할 경우, 탄성 필름(13)이 제 1 및 제 2 기판(11,12)에 고정될 수 있도록 접합시킬 필요가 있는데, 이때 탄성 필름(13)이 밸브 시트(18)와는 접착되어서는 곤란하다. 따라서, 밸브 시트(18)와 탄성 필름(13)이 평상시에 접촉하여 있는 정상 닫힘형(normally closed type)의 경우에는, 밸브 시트(18)가 탄성 필름(13)에 접착되지 않도록 밸브 시트(18)의 표면에 별도의 코팅을 할 필요가 있다. 이에 따라, 미세 유체 소자(10)의 제조 공정이 복잡해진다. 또한 미세 유체 소자(10)를 완성한 후에도, 밸브 시트(18)와 탄성 필름(13)이 확실히 떨어질 수 있도록, 미세 유로(16) 등을 통해 큰 압력으로 공기를 제공할 필요가 있는데, 이로 인해 제 1 및 제 2 기판(11,12)과 탄성 필름(13) 사이에 틈이 생겨서 유체의 누수가 발생할 수 있다. 반면, 개시된 마이크로 밸브(17)의 경우에는, 밸브 시트(18)와 탄성 필름(13)이 평상시에 접촉하지 않기 때문에, 위와 같은 문제가 거의 발생하지 않을 것이며, 미세 유체 소자(10)의 제조 공정이 단순화될 수 있다.
또한, 탄성 필름(13)과 밸브 시트(18)가 평상시에 접촉하고 있는 경우, 탄성 필름(13)이 밸브 시트(18)에 접촉하고 있는 시간이 길어지면 화학적 또는 물리적 반응에 의해 자연적으로 상기 탄성 필름(13)이 밸브 시트(18)의 표면에 붙어서 떨어지지 않을 수 있다. 따라서, 미세 유체 소자를 장시간 사용하지 않았다면, 탄성 필름(13)과 밸브 시트(18)를 떨어뜨리기 위한 초기화 작업이 필요하다. 그러나, 개시된 미세 유체 소자(10)의 경우에는, 평상시에 탄성 필름(13)과 밸브 시트(18)가 접촉하고 있지 않기 때문에, 그러한 초기화 과정이 불필요하다. 따라서, 미세 유체 소자(10) 내에서 유체의 흐름을 보다 효율적이고 신뢰성 있게 제어할 수 있다.
밸브 시트(18)와 대향하도록 탄성 필름(13)의 표면에 형성된 미세 패턴의 예는 상술한 요홈부(13a) 이외에도 다양하게 구현될 수 있다. 도 6a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 패턴이 형성된 탄성 필름(13)을 갖는 마이크로 밸브의 구조를 도시하는 단면도로서, 도 4a와 동일한 A-A' 라인을 따른 단면도이다. 또한, 도 6b는 도 6a에 도시된 마이크로 밸브의 닫음 동작을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 6a를 참조하면, 밸브 시트(18)와 대향하는 탄성 필름(13)의 한쪽 표면에 요홈부(13c)가 형성되어 있으며, 상기 요홈부(13c)의 바닥면에서 밸브 시트(18)와 대응하는 위치에 돌출부(13d)가 형성되어 있다. 본 실시예에서, 탄성 필름(13)에 형성된 요홈부(13c)의 폭은, 요홈부(13c) 내에서 돌출부(13d)가 여유 있게 형성될 수 있도록, 예를 들어 제 1 기판(11) 내의 공간(19)의 폭과 거의 같을 수 있다. 따라서, 도 6a에 도시된 요홈부(13c)의 폭은 도 4a에 도시된 요홈부(13a)의 폭보다 클 수도 있다. 도 6a에서 돌출부(13d)의 단면 형태는 뾰족한 꼭지점을 갖는 삼각형의 형태로 도시되어 있지만, 상기 돌출부(13d)의 단면 형태는 이에 한정되지 않으며 다양하게 구현될 수 있다. 예를 들어, 돌출부(13d)의 단면 형태는 실린더와 같이 둥근 형태를 가질 수도 있으며, 또는 평평한 표면을 갖는 사각형의 형태를 가질 수도 있다. 또한, 돌출부(13d)의 단면 형태는 전체적으로 삼각형의 형태를 가지면서 꼭지점만이 둥글거나 평평하게 형성되는 것도 가능하다. 비록 도시하지는 않았지만, B-B' 라인을 따른 단면을 보면, 돌출부(13d)의 단면은 도 4b에서와 같이 둥근 라운드 형태로 오목하게 형성될 수 있다.
도 6a에 도시된 마이크로 밸브의 경우, 돌출부(13d)의 꼭지점이 평상시에는 밸브 시트(18)의 상부 표면과 직접적으로 접촉하지 않도록 형성될 수 있다. 이를 위하여, 돌출부(13d)의 높이는 요홈부(13c)의 깊이보다 작도록 형성될 수 있다. 이러한 점에서, 도 6a에 도시된 마이크로 밸브도 역시 평상시에는 열림 상태에 있는 정상 열림형이다. 따라서, 평상시에는 마이크로 밸브가 열림 상태에 있으므로, 미세 유로(16) 내에 제공된 유체(20)는 마이크로 밸브를 통과할 수 있다. 그리고, 예를 들어 제 1 홀(15a)을 통해 공간(19) 내에 공압을 제공하면, 탄성 필름(13)이 공압에 의해 밸브 시트(18)를 향해 밀려나게 된다. 그러면 돌출부(13d)의 꼭지점이 밸브 시트(18)의 상부 표면에 접촉하게 된다. 만약 충분한 세기의 공압이 제공된다면, 밸브 시트(18)에 접촉된 돌출부(13d)가 압력에 의해 변형되면서 밸브 시트(18)에 완전히 밀착되어, 돌출부(13d)와 밸브 시트(18) 사이의 틈을 완전히 메울 수 있게 된다. 따라서 마이크로 밸브가 닫히게 된다. 공압이 제거되면, 복원력에 의해 탄성 필름(13)은 원래의 위치로 되돌아오며, 돌출부(13d)도 역시 원래의 형태로 복원될 수 있다.
또한, 도 7a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미세 패턴이 형성된 탄성 필름(13)을 갖는 마이크로 밸브의 구조를 도시하는 단면도로서, 도 4a와 동일한 A-A' 라인을 따른 단면도이다. 그리고, 도 7b는 도 7a에 도시된 마이크로 밸브의 닫음 동작을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 7a를 참조하면, 제 2 기판(12)에 대향하는 탄성 필름(13)의 한쪽 표면에 미세 패턴으로서 돌출부(13e)가 돌출하여 형성될 수 있다. 본 실시예의 경우에, 탄성 필름(13)은 요홈부를 갖지 않으며, 돌출부(13e)는 탄성 필름(13)의 표면으로부터 직접 돌출하여 형성될 수 있다. 또한, 제 2 기판(12)의 미세 유로(16) 내에는 밸브 시트가 형성되어 있지 않다. 따라서, 돌출부(13e)는 마이크로 밸브의 밸브 시트와 동일한 역할을 동시에 수행할 수 있다. 이를 위해, 상기 돌출부(13e)는 탄성 필름(13)의 표면으로부터 미세 유로(16)의 바닥면을 향해 형성될 수 있다. 도 7a에는 상기 돌출부(13e)의 단면이 뾰족한 꼭지점을 갖는 삼각형의 형태로 도시되어 있지만, 돌출부(13e)의 단면 형태는 이에 한정되지 않으며 다양하게 구현될 수 있다. 예를 들어, 앞서 설명한 바와 같이 돌출부(13e)의 단면 형태는 실린더와 같이 둥근 형태를 가질 수도 있으며, 또는 평평한 표면을 갖는 사각형의 형태를 가질 수도 있다. 또한, 돌출부(13e)의 단면 형태는 전체적으로 삼각형의 형태를 가지면서 꼭지점만이 둥글거나 평평하게 형성되는 것도 가능하다.
도 7a에 도시된 실시예에서, 돌출부(13e)는 그의 꼭지점이 평상시에는 미세 유로(16)의 바닥면과 직접적으로 접촉하지 않고, 돌출부(13e)의 꼭지점과 미세 유로(16)의 바닥면 사이에 간격이 존재하도록 형성될 수 있다. 이를 위하여, 상기 돌출부(13e)의 높이는 미세 유로(16)의 높이(즉, 탄성 필름(13)의 표면과 제 2 기판(12)의 표면 사이의 거리)보다 작도록 형성될 수 있다. 이러한 점에서, 도 7a에 도시된 마이크로 밸브도 역시 평상시에는 열림 상태에 있는 정상 열림형이다. 따라서, 평상시에는 마이크로 밸브가 열림 상태에 있으므로, 미세 유로(16) 내에 제공된 유체(20)는 마이크로 밸브를 통과할 수 있다. 그리고, 공간(19) 내에 공압을 제공하면, 탄성 필름(13)이 공압에 의해 미세 유로(16)의 바닥면을 향해 밀려나게 된다. 그러면 돌출부(13e)의 꼭지점이 미세 유로(16)의 바닥면에 접촉하게 된다. 만약 충분한 세기의 공압이 제공된다면, 미세 유로(16)의 바닥면에 접촉된 돌출부(13e)가 압력에 의해 변형되면서 미세 유로(16)의 바닥면에 완전히 밀착되어, 돌출부(13e)와 제 2 기판(12) 사이의 틈을 완전히 메울 수 있게 된다. 따라서 마이크로 밸브가 닫히게 된다. 그런 후 공압이 제거되면, 복원력에 의해 탄성 필름(13)은 원래의 위치로 되돌아오며, 돌출부(13e)도 역시 원래의 형태로 복원될 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미세 패턴이 형성된 탄성 필름(13)을 갖는 마이크로 밸브의 구조를 도시하는 단면도로서, 도 4a와 동일한 A-A' 라인을 따른 단면도이다. 도 8을 참조하면, 밸브 시트(18)와 대향하는 탄성 필름(13)의 한쪽 표면에 요홈부(13c)가 형성되어 있으며, 상기 요홈부(13c)의 바닥면에는 밸브 시트(18)와 대응하는 위치에 양각의 미세 격자 패턴(13f)이 돌출하여 형성되어 있다. 도 6a와 마찬가지로, 탄성 필름(13)에 형성된 요홈부(13c)의 폭은, 상기 요홈부(13c) 내에 양각의 격자 패턴(13f)이 여유 있게 형성될 수 있도록, 예를 들어 제 1 기판(11) 내의 공간(19)의 폭과 거의 같을 수 있다. 상기 요홈부(13c) 내에 형성된 격자 패턴(13f)은 예를 들어 요홈부(13c)의 바닥면으로부터 돌출된 다수의 평행한 일자형 막대들의 어레이 구조를 가질 수도 있다. 또는, 격자 패턴(13f)은 양각으로 형성된 그물망(mesh) 구조를 가질 수도 있다. 앞선 실시예에서와 마찬가지로, 격자 패턴(13f)은 상기 격자 패턴(13f)의 표면이 평상시에는 밸브 시트(18)의 상부 표면과 직접적으로 접촉하지 않도록 형성될 수 있다. 이를 위하여, 격자 패턴(13f)의 높이는 요홈부(13c)의 깊이보다 작도록 형성될 수 있다.
마지막으로, 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미세 패턴이 형성된 탄성 필름(13)을 갖는 마이크로 밸브의 구조를 도시하는 단면도로서, 도 4a와 동일한 A-A' 라인을 따른 단면도이다. 도 9를 참조하면, 밸브 시트(18)와 대향하는 탄성 필름(13)의 한쪽 표면에 상기 밸브 시트(18)와 대응하는 위치에서 음각의 미세 격자 패턴(13g)이 형성되어 있다. 본 실시예의 경우, 탄성 필름(13)은 요홈부를 갖지 않으며, 격자 패턴(13g)은 탄성 필름(13)의 표면으로부터 직접 음각되어 있다. 격자 패턴(13g)은 예를 들어 탄성 필름(13)의 표면으로부터 음각된 다수의 평행한 일자형 막대들의 어레이 구조를 가질 수도 있다. 또는, 상기 격자 패턴(13g)은 음각으로 형성된 그물망(mesh) 구조를 가질 수도 있다. 앞선 실시예에서와 마찬가지로, 격자 패턴(13g)은 상기 격자 패턴(13g)의 표면이 평상시에는 밸브 시트(18)의 상부 표면과 직접적으로 접촉하지 않도록 형성될 수 있다. 이를 위하여, 격자 패턴(13g)의 표면은 탄성 필름(13)의 표면보다 낮도록 형성될 수 있다. 그러면, 본 실시예에 따른 마이크로 밸브는 정상 열림형 밸브가 될 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 마이크로 밸브를 갖는 미세 유체 소자에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
10.....미세 유체 소자 11.....제 1 기판
12.....제 2 기판 13.....탄성 필름
13a,13c.....요홈부 13d,13e....돌출부
13f....양각 격자 패턴 13g....음각 격자 패턴
14.....반응 챔버 15.....홀
15a....제 1 홀 15b....제 2 홀
16.....미세 유로 17.....마이크로 밸브
18.....밸브 시트 19.....공간

Claims (24)

  1. 서로 대향하도록 배치된 제 1 및 제 2 기판;
    상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 배치된 탄성 필름;
    상기 제 1 기판과 대향하는 제 2 기판의 표면에 형성된 미세 유로;
    상기 제 2 기판의 미세 유로 내에 돌출하여 형성된 밸브 시트;
    상기 제 2 기판과 대향하는 제 1 기판의 표면에서 상기 밸브 시트와 대응하는 위치에 마련된 빈 공간; 및
    상기 밸브 시트와 대향하는 탄성 필름의 한쪽 표면에서 상기 밸브 시트와 대응하는 위치에 형성된 미세 패턴;을 포함하는 미세 유체 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공간을 통해 공압이 제공되는 동안에는 상기 밸브 시트의 상부 표면과 상기 탄성 필름의 미세 패턴이 서로 접촉하고, 상기 공간을 통해 공압이 제공되지 않는 동안에는 상기 밸브 시트의 상부 표면과 상기 탄성 필름의 미세 패턴 사이에 간격이 존재하는 미세 유체 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성 필름의 미세 패턴은 상기 탄성 필름의 표면 내부로 오목하게 형성된 요홈부를 포함하는 미세 유체 소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    제 1 단면 방향에서 볼 때, 상기 요홈부의 바닥면은 상기 밸브 시트의 표면 형태에 대응하는 형태를 갖는 미세 유체 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    제 1 단면 방향에서 볼 때, 상기 요홈부의 바닥면은 평평한 형태를 갖는 미세 유체 소자.
  6. 제 3 항에 있어서,
    제 1 단면 방향에서 볼 때, 상기 요홈부의 폭은, 상기 밸브 시트가 상기 요홈부 내에 들어갈 수 있도록, 상기 밸브 시트의 폭보다 크도록 형성된 미세 유체 소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 단면 방향에 수직한 제 2 단면 방향에서 볼 때, 상기 요홈부의 양쪽 가장자리 부분은 상기 밸브 시트의 가장자리 부분과 접촉하며, 상기 요홈부의 중앙 부분으로 갈수록 상기 요홈부와 밸브 시트 사이의 거리가 멀어지는 미세 유체 소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    제 2 단면 방향에서 볼 때, 상기 요홈부는 둥근 라운드 형태로 오목하게 형성된 미세 유체 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성 필름의 미세 패턴은, 상기 탄성 필름의 표면 내부로 오목하게 형성된 요홈부 및 상기 요홈부의 바닥면에서 상기 밸브 시트와 대응하는 위치에 돌출하여 형성된 돌출부를 포함하는 미세 유체 소자.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 요홈부의 폭은 상기 제 1 기판 내에 형성된 공간의 폭과 동일한 미세 유체 소자.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 돌출부는 삼각형의 형태를 갖는 미세 유체 소자.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 돌출부의 높이는 상기 요홈부의 깊이보다 작은 미세 유체 소자.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성 필름의 미세 패턴은, 상기 탄성 필름의 표면 내부로 오목하게 형성된 요홈부 및 상기 요홈부의 바닥면에서 상기 밸브 시트와 대응하는 위치에 돌출하여 형성된 양각의 미세 격자 패턴을 포함하는 미세 유체 소자.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 요홈부의 폭은 상기 제 1 기판 내에 형성된 공간의 폭과 동일한 미세 유체 소자.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 미세 격자 패턴은 상기 요홈부의 바닥면으로부터 돌출된 다수의 평행한 막대들의 어레이 구조 또는 양각으로 형성된 그물망 구조를 갖는 미세 유체 소자.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 미세 격자 패턴의 높이는 상기 요홈부의 깊이보다 작은 미세 유체 소자.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성 필름의 미세 패턴은, 상기 밸브 시트와 대향하는 탄성 필름의 한쪽 표면에서 상기 밸브 시트와 대응하는 위치에 음각된 미세 격자 패턴을 포함하는 미세 유체 소자.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 미세 격자 패턴은 상기 탄성 필름의 표면으로부터 음각된 다수의 평행한 막대들의 어레이 구조 또는 음각으로 형성된 그물망 구조를 갖는 미세 유체 소자.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 미세 격자 패턴의 표면은 상기 탄성 필름의 표면보다 낮도록 형성되는 미세 유체 소자.
  20. 서로 대향하도록 배치된 제 1 및 제 2 기판;
    상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 배치된 탄성 필름;
    상기 제 1 기판과 대향하는 제 2 기판의 표면에 형성된 미세 유로;
    상기 탄성 필름의 표면으로부터 상기 제 2 기판의 미세 유로의 바닥면을 향해 돌출하여 형성된 미세 패턴; 및
    상기 제 2 기판과 대향하는 제 1 기판의 표면에서 상기 미세 패턴과 대응하는 위치에 마련된 빈 공간;을 포함하는 미세 유체 소자.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 공간을 통해 공압이 제공되는 동안에는 상기 미세 유로의 바닥면과 상기 탄성 필름의 미세 패턴이 서로 접촉하고, 상기 공간을 통해 공압이 제공되지 않는 동안에는 상기 미세 유로의 바닥면과 상기 탄성 필름의 미세 패턴 사이에 간격이 존재하는 미세 유체 소자.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 탄성 필름의 미세 패턴의 높이는 상기 미세 유로의 높이보다 작은 미세 유체 소자.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 미세 유로의 높이는 상기 탄성 필름의 표면과 상기 제 2 기판의 표면 사이의 거리인 미세 유체 소자.
  24. 제 20 항에 있어서,
    상기 탄성 필름의 미세 패턴은 상기 탄성 필름의 표면으로부터 돌출된 삼각형 형태의 돌출부를 포함하는 미세 유체 소자.
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