KR20120015593A - 마이크로 밸브를 갖는 미세 유체 소자 - Google Patents

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KR20120015593A
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김준호
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박진성
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삼성전자주식회사
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Abstract

유체의 흐름을 조절하는 적어도 하나의 마이크로 밸브를 갖는 미세 유체 소자에 있어서, 마이크로 밸브는 서로 대향되도록 배치된 공기압 층 및 유체 층, 공기압 층 및 유체 층 사이에 배치된 탄성 막 및 유체 층과 탄성 막 사이에 마련된 공간을 비대칭적으로 구분하도록 배치된 비대칭 밸브 시트를 포함한다.

Description

마이크로 밸브를 갖는 미세 유체 소자 {Microfluidic device having microvalve}
마이크로 밸브를 갖는 미세 유체 소자가 개시된다. 더욱 상세하게는, 비대칭 밸브 시트를 갖는 마이크로 밸브를 포함하는 미세 유체 소자를 제공한다. 또한, 마이크로 밸브들로 구현된 논리 게이트들을 이용하는 미세 유체 회로를 포함하는 미세 유체 소자를 제공한다.
미세 유체 공학(microfluidics) 분야에서 혈액, 소변, 타액, 객담 등의 생화학 유체를 이용하여 생화학 반응을 수행하며, 그 반응 결과를 검출하는 등의 다양한 기능들을 수행할 수 있는 미세 유체 소자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 미세 유체 소자는 랩온어칩(Lab-On-a-Chip, LOC)과 같은 칩(chip) 형태 또는, 랩온어디스크(lab-on-a-disk)와 같은 형태일 수 있다. 이와 같은 랩온어칩, 랩온어디스크 등은 빠른 반응 속도, 자동화, 휴대성, 소량의 시약 사용에 따른 가격 절감 등의 효과를 이룰 수 있어 화학 및 바이오 분야에서 관심이 점차 증대되고 있다. 미세 유체 소자에는 유체를 이송하기 위한 마이크로 채널(microchannel), 마이크로 채널을 따라 흐르는 유체의 흐름을 제어하는 미세 유체 제어용 마이크로 밸브 등이 구비되어 있다. 여기서, 마이크로 밸브는 랩온어칩 등의 미세 유체 소자에서 시료의 이동, 혼합, 정확한 양의 계량, 생화학 반응, 시료 분리 및 검출 등을 제어한다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 마이크로 밸브를 갖는 미세 유체 소자를 제공하는 데 있다. 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 유체의 흐름을 조절하는 적어도 하나의 마이크로 밸브를 갖는 미세 유체 소자에 있어서, 상기 마이크로 밸브는 서로 대향되도록 배치된 공기압 층 및 유체 층; 상기 공기압 층 및 상기 유체 층 사이에 배치되고, 압력에 의해 형태가 변형됨으로써 유체의 흐름을 조절하는 탄성 막; 및 상기 유체 층의 표면으로부터 상기 탄성 막의 표면을 향해 돌출되어 형성되고, 상기 유체 층과 상기 탄성 막 사이에 마련된 제 1 공간을 비대칭적으로 구분하도록 배치된 비대칭 밸브 시트를 포함한다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 유체의 흐름을 조절하는 적어도 하나의 마이크로 밸브를 갖는 미세 유체 소자에 있어서, 상기 마이크로 밸브는 상기 마이크로 밸브 내부에 유체를 유입시키는 통로를 포함하는 유체 층; 상기 유체 층과 대향되도록 배치되고, 상기 마이크로 밸브 내부에 공기를 유입시키는 통로를 포함하는 공기압 층; 상기 유체 층의 표면에 돌출되어 형성된 비대칭 밸브 시트; 상기 층들 사이에 배치되고, 압력에 의해 형태가 변형되어 상기 비대칭 밸브 시트와 밀착 또는 분리됨으로써 상기 유체의 흐름을 조절하는 탄성 막; 및 상기 유체 층과 상기 탄성 막 사이에 마련된 제 1 공간을 포함하고, 상기 비대칭 밸브 시트는 상기 제 1 공간을 비대칭적으로 구분하도록 배치된다.
상기된 바에 따르면, 마이크로 밸브 내부에 밸브 시트를 비대칭적으로 배치함으로써 마이크로 밸브를 개폐하기 위한 공기 압력 또는 유체 압력의 조건을 사용 환경에 맞게 변경시킬 수 있다. 즉, 밸브 시트를 비대칭적으로 배치함으로써 밸브 시트가 대칭적으로 배치될 때보다 작은 공기 압력으로도 마이크로 밸브가 닫힐 수 있거나, 또는 밸브 시트가 대칭적으로 배치될 때보다 작은 유체 압력으로도 마이크로 밸브가 열릴 수 있다. 또한, 동일하거나 서로 다른 위치에 배치된 비대칭 밸브 시트들을 갖는 복수의 마이크로 밸브들을 이용하여 논리 게이트들을 구현함으로써 마이크로 채널들에서의 유체의 흐름을 논리적으로 제어할 수 있는 미세 유체 회로를 구현할 수 있다.
도 1A는 본 발명의 일 실시예에 따라 미세 유체 소자 내에 형성된 하나의 마이크로 밸브에 대한 평면 투시도이다.
도 1B는 본 발명의 일 실시예에 따라 현미경으로 촬영된 마이크로 밸브를 도시한 도면이다.
도 2A 및 도 2B는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 밸브 영역의 단면도이다.
도 2C 및 도 2D는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 밸브 영역의 단면도이다.
도 3A 내지 도 3D는 마이크로 밸브의 구조를 1차원적으로 모델링하여 밸브 시트의 위치와 탄성 막이 변형되는 압력 비(Pair/Pfluid)의 상관 관계를 파악하는 과정들을 도시한 도면들이다.
도 4A 및 도 4B는 본 발명의 일 실시예에 따라 밸브 시트를 포함하는 마이크로 밸브에서 공기의 압력(Pair) 및 유체의 압력(Pfluid)에 의해 변형된 탄성 막을 3차원적으로 모델링한 결과들이 도시된 도면들이다.
도 5A는 본 발명의 일 실시예에 따라 밸브 시트의 배치를 달리하면서 현미경으로 각각 촬영된 마이크로 밸브들을 도시한 도면이다.
도 5B는 도 5A의 마이크로 밸브들이 닫힐 때 밸브 시트의 배치에 따른 공기의 압력(Pair) 및 유체의 압력(Pfluid)의 선형 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 밸브 및 마이크로 밸브로 구현된 유체 트랜지스터를 도시한 도면이다.
도 7A 내지 도 7E는 본 발명의 일 실시예에 따라 유체 트랜지스터들을 이용하여 구현된 유체 논리 게이트들을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 회로를 포함하는 미세 유체 소자를 도시한 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 이하의 실시예들에서는 본 발명의 요지가 흐려지는 것을 방지하기 위하여 미세 유체 소자의 많은 구성들 중에서 마이크로 밸브, 마이크로 채널 등과 같은 구성들만을 설명하기로 한다. 다만, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 미세 유체 소자에는 상기 구성들 외에 다른 범용적인 구성들이 부가될 수 있음을 이해할 수 있다.
임상 혹은 환경과 관련된 시료(sample)의 분석은 일련의 생화학적, 화학적, 기계적 처리과정을 통하여 이루어진다. 최근에는 생물학적인 시료의 진단이나 모니터링을 위하여 시료를 간편하고 정밀하게 분석하는 미세 유체 소자가 널리 사용되고 있다. 미세 유체 소자에는 얇은 기판 상에 시료 유입구 및 시료 유출구를 갖는 마이크로 밸브, 마이크로 채널, 반응 챔버 등이 다수 형성되어 있어 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 마이크로 밸브와 펌프 등을 더 포함할 수 있다. 마이크로 밸브는 미세 유체 소자 내의 마이크로 채널들 사이에 배치되어, 마이크로 채널들 사이의 시료의 흐름을 조절한다.
일반적인 마이크로 밸브의 구조를 살펴보면, 서로 대향되도록 배치된 공기압 층 및 유체 층(fluidic layer), 공기압 층(pneumatic layer) 및 유체 층 사이에 배치되고 압력에 의해 형태가 변형됨으로써 유체의 흐름을 조절하는 탄성 막(elastomer membrane) 및 유체 층의 표면으로부터 탄성 막의 표면을 향해 돌출되어 형성된 밸브 시트(valve seat)를 포함한다. 이러한 마이크로 밸브의 구조에서, 일반적으로 탄성 막과 밸브 시트가 밀착된 동안에는 마이크로 밸브가 닫히게 되어 유체가 마이크로 밸브를 통과하지 못한다. 그러나, 탄성 막과 밸브 시트가 분리된 동안에는 마이크로 밸브가 열려서 유체가 마이크로 밸브를 통과할 수 있다.
여기서, 본 실시예에서는 명확하게 도시되지 않았으나, 유체 층은 마이크로 밸브 내부에 유체를 유입시키는 통로가 관통되어 있다. 또한, 공기압 층은 마이크로 밸브 내부에 공기를 유입시키거나 공기를 유출시키는 통로가 관통되어 있어, 공기를 마이크로 밸브 내부에 양의 압력으로 유입하거나 또는 음의 압력으로 유출시킬 수 있다. 탄성 막은 예를 들어 PDMS(polydimethylsiloxane)와 같은 폴리머 재료로 이루어질 수 있고, 공기압 층 및 유체 층은 예를 들어 유리(glass)나 플라스틱과 같은 투명한 재질의 재료로 이루어질 수 있다.
마이크로 밸브의 구조에서 밸브 시트는 일반적으로 유체 층과 탄성 막 사이에 마련된 공간을 대칭적으로 구분하도록 배치된다. 즉, 대칭 밸브 시트(symmetric valve seat)가 배치된다. 그러나, 마이크로 밸브 내에서 밸브 시트를 비대칭적으로(asymmetrical) 배치시키는 경우, 대칭적으로 배치시켰을 때보다 작은 공기의 압력으로 마이크로 밸브를 닫거나 더 작은 유체의 압력으로도 마이크로 밸브를 여는 등의 마이크로 밸브가 개폐되기 위한 조건들을 변경시킬 수 있다. 이하에서는 본 실시예에 따라 비대칭적으로 배치된 비대칭 밸브 시트를 갖는 마이크로 밸브에 대해 보다 상세하게 설명하도록 하겠다.
도 1A는 본 발명의 일 실시예에 따라 미세 유체 소자 내에 형성된 하나의 마이크로 밸브에 대한 평면 투시도이다. 도 1A를 참고하면, 마이크로 밸브(10)의 구성들이 은선(hidden line)으로 표시되어 있다.
마이크로 밸브(10)에는 유체의 입구(11) 및 출구(12)를 가로지르는 비대칭 밸브 시트(asymmetric valve seat)(14)가 형성되어 있다. 이 밸브 시트(14)는 유체의 출구(12)보다 유체의 입구(11)에 가깝게 배치되어 있다. 그러나, 도 1A와 달리 비대칭 밸브 시트(14)는 출구(12)에 가깝게 배치되어 있을 수도 있다. 즉, 본 실시예의 비대칭 밸브 시트(14)는 마이크로 밸브(10) 내에서 대칭적인 기준선(15)을 중심으로 배치되지 않고, 비대칭적으로 배치된다. 이와 같이 비대칭 밸브 시트(14)가 배치되는 이유에 대해서는 해당 부분에서 자세하게 설명하도록 하겠다.
도 1A의 평면 투시도에서는 명확하게 도시되지 않았지만, 마이크로 밸브(10)는 유체의 입구(11) 및 출구(12)를 통해 유체가 유입 및 유출되는 공간을 사이에 두고 유체 층과 탄성 막이 대향되게 배치되어 있다. 그리고, 공기가 유입 또는 유출되는 통로(13)와 연결된 공간을 사이에 두고 공기압 층과 탄성 막이 대향되게 배치되어 있다. 이와 같이 도 1A의 평면 투시도에 도시되지 않은 구조에 대해서는 도 1A의 A-A' 라인을 따른 수직 단면도들이 도시된 도 2, 3 등을 참고하면 알 수 있다.
도 1B는 본 발명의 일 실시예에 따라 현미경으로 촬영된 마이크로 밸브를 도시한 도면이다. 도 1B를 참고하면, 도 1A의 평면 투시도와 같이 마이크로 밸브(10)의 유체 입구(11), 출구(12) 및 공기 통로(13)가 도시되어 있다. 또한, 도 1A와 마찬가지로 비대칭 밸브 시트(14)가 비대칭적으로 배치되어 있으나, 도 1A와 달리 비대칭 밸브 시트(14)는 유체 출구(12)에 가깝게 배치된 것으로 도시되어 있다.
도 2A 및 도 2B는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 밸브 영역의 단면도이다. 도 2A 및 도 2B를 참고하면, 도 1A의 A-A' 라인을 따른 수직 단면도에 해당한다. 도 2A 및 도 2B에서 비대칭 밸브 시트(140)는 유체 층(130)의 표면에서 돌출되어 유체의 입구에 가깝게 배치되도록 형성되어 있다.
마이크로 밸브(10)는 공기압 층(110), 탄성 막(120), 유체 층(130) 및 비대칭 밸브 시트(140)로 구성되어 있다. 그리고, 공기압 층(110)과 탄성 막(120) 사이의 공간 및 탄성 막(120)과 유체 층(130) 사이의 공간이 형성되어 있다. 공기압 층(110)과 탄성 막(120) 사이의 공간에는 공기가 유입 또는 유출되고, 공기는 탄성 막(120)에 공기의 압력(Pair)을 가한다. 탄성 막(120)과 유체 층(130) 사이의 공간은 비대칭 밸브 시트(140)로 구분되어 있고, 유체는 비대칭 밸브 시트(140)에 가로막힌 공간에 유입되어 탄성 막(120)에 유체의 압력(Pfluid)을 가한다. 따라서, 마이크로 밸브(10)가 닫힌 채로 평형 상태로 존재하기 위해서는 탄성 막(120)과 유체 층(130) 사이의 공간에서 유체가 상기 탄성 막(120)에 가하는 힘과 공기압 층(110)과 탄성 막(120) 사이의 공간에서 공기가 탄성 막(120)에 가하는 힘은 평형을 이루어야 한다.
도 2A를 참고하면, 마이크로 밸브(10) 내에 유체 및 공기가 유입되지 않거나, 또는 공기의 압력(Pair) 및 유체의 압력(Pfluid)에 의한 힘이 평형을 이뤄 탄성 막(120)과 비대칭 밸브 시트(140)가 밀착되어 마이크로 밸브(10)가 닫힌 상태에 대한 단면도가 도시되어 있다.
도 2A의 마이크로 밸브(10)에서 비대칭 밸브 시트(140)는 유체의 입구에 가깝게 배치되어 있으므로, 유체의 압력(Pfluid)에 의한 힘과 평형을 이루기 위해 필요한 공기의 압력(Pair)은 대칭 밸브 시트가 배치되었을 때보다 비대칭 밸브 시트(140)가 배치되었을 때 상대적으로 작다. 유체가 탄성 막(120)에 압력(Pfluid)을 가하는 면적이 감소하였기 때문이다. 그러므로, 도 2A의 마이크로 밸브(10)는 작은 공기의 압력(Pair)으로도 닫힐 수 있다.
도 2B를 참고하면, 마이크로 밸브(10) 내에 유체 및 공기가 유입되어 마이크로 밸브(10)가 열린 상태에 대한 단면도가 도시되어 있다. 공기의 압력(Pair)에 대한 유체의 압력(Pfluid)의 비가 일정 조건 값 이상인 경우 탄성 막(120)은 변형되어 비대칭 밸브 시트(140)와 분리되고, 이에 따라 유체는 비대칭 밸브 시트(140)를 건너 유체 출구 방향으로 흐르게 된다.
도 2C 및 도 2D는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 밸브 영역의 단면도이다. 도 2C 및 도 2D를 참고하면, 도 1A의 A-A' 라인을 따른 수직 단면도이나, 비대칭 밸브 시트(140)는 도 1A와 달리 유체의 출구에 가깝게 배치되도록 형성되어 있다. 즉, 앞서 살펴본 도 2A 및 도 2B와 비교할 때 비대칭 밸브 시트(140)의 배치로 인해 유체가 압력(Pfluid)을 가하는 공간이 넓어졌다는 점을 제외하고, 다른 구조는 동일하다.
도 2C를 참고하면, 마이크로 밸브(10) 내에 유체 및 공기가 유입되지 않거나, 또는 공기의 압력(Pair)에 의한 힘 및 유체의 압력(Pfluid)에 의한 힘이 평형을 이뤄 탄성 막(120)과 비대칭 밸브 시트(140)가 밀착되어 마이크로 밸브(10)가 닫힌 상태에 대한 단면도가 도시되어 있다.
도 2C의 마이크로 밸브(10)에서 비대칭 밸브 시트(140)는 유체의 출구에 가깝게 배치되어 있으므로, 유체의 압력(Pfluid)에 의한 힘과 평형을 이루기 위해 필요한 공기의 압력(Pair)은 대칭 밸브 시트가 배치되었을 때보다 비대칭 밸브 시트(140)가 배치되었을 때 상대적으로 크다. 유체가 탄성 막(120)에 압력(Pfluid)을 가하는 면적이 증가하였기 때문이다. 그러므로, 도 2C의 마이크로 밸브(10)는 상대적으로 작은 유체의 압력(Pfluid)으로도 열릴 수 있다.
도 2D를 참고하면, 마이크로 밸브(10) 내에 유체 및 공기가 유입되어 마이크로 밸브(10)가 열린 상태에 대한 단면도가 도시되어 있다. 공기의 압력(Pair)에 대한 유체의 압력(Pfluid)의 비가 일정 조건 값 이상인 경우 탄성 막(120)은 변형되어 비대칭 밸브 시트(140)와 분리되고, 이에 따라 유체는 비대칭 밸브 시트(140)를 건너 유체 출구 방향으로 흐르게 된다.
도 3A 내지 도 3D는 마이크로 밸브의 구조를 1차원적으로 모델링하여 밸브 시트의 위치와 탄성 막이 변형되는 압력 비(Pair/Pfluid)의 상관 관계를 파악하는 과정들을 도시한 도면들이다.
도 3A를 참고하면, 도 1A의 A-A' 라인을 따른 수직 단면도에서 유체 입구부터 유체 출구까지의 거리를 L, 유체 입구부터 밸브 시트까지의 거리를 rL, 밸브 시트부터 유체 출구까지의 거리를 (1-r)L로 가정하였다. 여기서, 대칭 밸브 시트가 배치된 경우는 r=0.5인 경우이다.
도 3B를 참고하면, 탄성 막(120)과 밸브 시트의 거리를 1차원상의 평면에 도시하였고, 탄성 막(120)을 X축에 표시된 1차원 Euler beam으로 가정하였다. 탄성 막(120)의 한쪽 표면 전체에는 공기의 압력(Pair)이 가해지고, 다른 한쪽 표면의 rL 길이만큼 유체의 압력(Pfluid)이 가해진다.
도 3C를 참고하면, 1차원 Euler beam과 관련된 수학식을 도 3B의 탄성 막(120)에 적용한 결과를 나타낸 그래프가 도시되어 있다. 밸브가 닫히는 조건이 x=rL에서 δ(x)<0이라 가정하면, 1차원 Euler beam으로 가정한 탄성 막(120)의 변형에 대해서는 다음의 수학식 1에 따라 공기의 압력(Pair) 및 유체의 압력(Pfluid)의 상관 관계가 계산된다.
Figure pat00001
수학식 1을 참고하면, 공기의 압력(Pair) 및 유체의 압력(Pfluid)의 상관 관계는 Pair/Pfluid>r2(3-2r)과 같다. 이에 따라, 도 3C의 그래프에서 알 수 있듯이, Pair/Pfluid=0.4인 경우에는 탄성 막(120)이 위쪽으로 변형되어 마이크로 밸브가 열리고, Pair/Pfluid=0.5인 경우에는 공기의 압력(Pair)에 의한 힘과 및 유체의 압력(Pfluid)의 압력에 의한 힘이 평형 상태에 있어 마이크로 밸브가 닫혀있고, Pair/Pfluid=0.6인 경우에는 아래쪽으로 과도하게 변형되어 마이크로 밸브가 닫히는 것을 알 수 있다.
도 3D는 밸브 시트의 위치(r)에 따른 Pair/Pfluid의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 3D의 그래프를 참고하면, 밸브 시트의 위치 값인 r이 0에 가까울수록, 즉 유체 입구에 가까울수록 상대적으로 더 작은 공기의 압력(Pair)으로도 마이크로 밸브를 닫을 수 있음을 알 수 있다. 반대로 밸브 시트의 위치 값인 r이 1에 가까울수록, 즉 유체 출구에 가까울수록 상대적으로 더 작은 유체의 압력(Pfluid)으로도 밸브를 열 수 있음을 알 수 있다.
하지만, 이상에서 살펴본 바에 따르면 밸브 시트의 위치(r)와 탄성 막(120)이 변형되는 압력 비(Pair/Pfluid)에 대해서는 상관 관계가 있음을 대략적으로 알 수 있지만, 도 3A 내지 도 3D는 마이크로 밸브의 구조를 1차원적으로 모델링하였으므로, 본 실시예와 같은 3차원의 마이크로 밸브의 구조에는 정성적 측면에서는 적용 가능하나 정량적 측면에서는 직접적으로 적용될 수 없다.
도 4A 및 도 4B는 본 발명의 일 실시예에 따라 밸브 시트를 포함하는 마이크로 밸브에서 공기의 압력(Pair) 및 유체의 압력(Pfluid)에 의해 변형된 탄성 막을 3차원적으로 모델링한 결과들이 도시된 도면들이다.
도 4A를 참고하면, 마이크로 밸브의 구조의 절반을 대칭 밸브 시트를 구비하고 있다고 가정하여 3차원으로 모델링된 모델(41)이 도시되어 있다. 여기서, 가운데의 반원 부분은 탄성 막(400)에 해당된다. 그리고, 도 4A를 참고하면, 탄성 막(400)이 공기의 압력(Pair) 및 유체의 압력(Pfluid)에 의해 변형된 경우의 모델(42)을 위에서 바라본 것을 도시한 도면이 도시되어 있다. 모델(42)에서는 탄성 막(400)이 대칭 밸브 시트를 기준으로 위로 변형된 경우(410)와 아래로 변형된 경우(420)가 나타나 있다. 또한, 도 4A를 참고하면, 탄성 막(400)이 공기의 압력(Pair) 및 유체의 압력(Pfluid)에 의해 변형된 경우의 모델(43)을 아래에서 바라본 것을 도시한 도면이 도시되어 있다. 마찬가지로, 모델(43)에서는 탄성 막(400)이 대칭 밸브 시트를 기준으로 위로 변형된 경우(410)와 아래로 변형된 경우(420)가 나타나 있다.
도 4B를 참고하면, 도 4A와 같은 3차원 모델들(41, 42, 43)을 통해 획득한 밸브 시트(140)의 위치(r)와 탄성 막(120)의 변이(ΔZ)의 상관 관계에 대한 그래프들이 도시되어 있다. 비록, 도 3C의 1차원 모델링 결과와는 완벽하게 일치하지 않지만, 도 4B의 그래프들을 통해 밸브 시트(140)의 위치(r)와 탄성 막(120)의 변이(ΔZ)에 따른 공기의 압력(Pair)과 유체의 압력(Pfluid)의 관계는 정성적으로 일치함을 알 수 있다.
보다 상세하게 설명하면, 밸브 시트(140)의 위치가 유체 입구에 가까운 것을 나타내는 r=0.1인 경우의 그래프와 밸브 시트(140)가 대칭적인 위치에 있는 것을 나타내는 r=0.5인 경우의 그래프를 비교할 때, 동일한 공기의 압력(Pair)에 대해 마이크로 밸브를 열기 위해 필요한 유체의 압력(Pfluid)이 r=0.5인 경우보다 r=0.1인 경우에 더 큼을 알 수 있다. 따라서, 동일한 유체의 압력(Pfluid)에 대해 마이크로 밸브를 닫기 위해 필요한 공기의 압력(Pair)는 r=0.5인 경우보다 r=0.1인 경우에 더 작음을 알 수 있다.
따라서, 도 4A 및 도 4B에 비추어 볼 때, 마이크로 밸브의 비대칭 밸브 시트를 배치함으로써, 마이크로 밸브를 개폐하기 위한 공기의 압력(Pair) 및 유체의 압력(Pfluid)의 조건을 변경할 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 5A는 본 발명의 일 실시예에 따라 밸브 시트의 배치를 달리하면서 현미경으로 각각 촬영된 마이크로 밸브들을 도시한 도면이다. 도 5B는 도 5A의 마이크로 밸브들이 닫힐 때 밸브 시트의 배치에 따른 공기의 압력(Pair) 및 유체의 압력(Pfluid)의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5B의 그래프를 살펴보면, 도 5A와 같이 밸브 시트의 배치를 달리함에 따라 유체의 압력(Pfluid)에 대한 공기의 압력(Pair)의 기울기는 달라지는 것을 알 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 마이크로 밸브에서 비대칭 밸브 시트를 배치함으로써 마이크로 밸브를 개폐하기 위한 공기의 압력(Pair) 및 유체의 압력(Pfluid)의 조건이 변하는 것을 알 수 있다. 따라서, 비대칭 밸브 시트를 유체 입구에 가깝게 배치하면 작은 공기의 압력(Pair)으로도 마이크로 밸브를 닫을 수 있다. 또한 비대칭 밸브 시트의 배치에 따라 마이크로 밸브를 닫기 위해 필요한 공기의 압력(Pair)을 조절할 수 있다.
미세 유체 소자는 상기된 바와 같은 마이크로 밸브를 복수 개 포함할 수 있다. 미세 유체 소자는 복수의 마이크로 밸브들의 비대칭 밸브 시트들 중 적어도 둘 이상의 배치들을 서로 다르게 구현할 수 있다. 즉, 각각의 마이크로 밸브가 서로 다른 공기의 압력(Pair) 및 유체의 압력(Pfluid)의 조건에 의해 개폐될 수 있다. 이와 같이 미세 유체 소자는 본 실시예에 따른 복수의 마이크로 밸브들을 이용하여 복수의 유체들의 흐름들을 제어하는 미세 유체 회로(microfluidic circuit)를 포함할 수 있다.
보다 상세하게 설명하면, 마이크로 밸브를 이용하여 공기의 압력(Pair)에 따라 유체의 흐름을 스위칭하는 유체 트랜지스터를 구현할 수 있다. 또한, 적어도 하나의 유체 트랜지스터를 이용하여 유체 인버터(fluidic inverter)(fluidic NOT gate), 유체 OR gate, 유체 AND gate 등과 같은 논리 게이트들(logic gates) 등을 구현할 수 있다. 즉, 미세 유체 소자는 이와 같은 유체 트랜지스터(fluidic transistor), 유체 논리 게이트들(fluidic logic gates)로 구현된 미세 유체 회로를 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 밸브 및 마이크로 밸브로 구현된 유체 트랜지스터를 도시한 도면이다. 도 6을 참고하면, 마이크로 밸브(10), 유체 트랜지스터의 심볼(600) 및 유체 트랜지스터의 동작 조건(610)에 대해 도시되어 있다.
앞서 살펴본 바와 같이, 마이크로 밸브(10)는 공기압 층(110), 탄성 막(120), 유체 층(130) 및 비대칭 밸브 시트(140)로 구성되고, 본 실시예에 따라 비대칭 밸브 시트(140)는 비대칭적으로 배치되어 있다.
마이크로 밸브(10)는 공기압 층(110)과 탄성 막(120) 사이의 공간에서의 공기의 압력(Pair)에 기초하여 탄성 막(120) 및 유체 층(130) 사이의 공간에서의 유체의 흐름을 스위칭하도록 동작한다. 즉, 게이트(gate) 단자에 인가된 전압에 기초하여 소스(source) 단자로부터 드레인(drain) 단자로 흐르는 전류의 흐름을 스위칭하는 일반적인 MOSFET(MOS field-effect transistor)과 유사하게 동작한다.
따라서, 마이크로 밸브(10)의 공기의 압력(Pair)은 MOSFET의 게이트 단자에 인가되는 전압과 대응되고, 마이크로 밸브(10)의 유체의 흐름은 MOSFET의 소스(source) 단자로부터 드레인(drain) 단자로 흐르는 전류의 흐름과 대응된다. 그러므로, 마이크로 밸브(10)는 유체 트랜지스터로써 구현될 수 있고, 마이크로 밸브(10)에 대응되는 유체 트랜지스터는 심볼(600)과 같이 나타낼 수 있다.
마이크로 밸브(10)는 공기의 압력(Pair) 및 유체의 압력(Pfluid)에 의해 마이크로 밸브(10)의 개폐 조건이 결정되므로, 유체 트랜지스터의 동작 조건(610)은 Pfluid/Pair≤C인 경우에는 마이크로 밸브(10)가 닫혀 유체가 흐르지 않으므로 0으로 설정하고, Pfluid/Pair>C인 경우에는 마이크로 밸브(10)가 열려 유체가 흐르므로 1로 설정한다. 여기서, 상수 C는 마이크로 밸브(10)의 밸브 시트(140)의 배치에 따라 일정한 값으로 설정된다.
이와 같이, 마이크로 밸브(10)의 동작을 MOSFET의 동작과 대응시켜 마이크로 밸브(10)를 이용한 유체 트랜지스터를 구현할 수 있다. 또한, 이와 같은 유체 트랜지스터는 스위치 기능을 수행하는 유체 스위치로도 구현된다.
도 7A 내지 도 7E는 본 발명의 일 실시예에 따라 유체 트랜지스터들을 이용하여 구현된 유체 논리 게이트들을 도시한 도면이다. 이와 같은 논리 게이트들 각각의 진리표(truth table)는 마이크로 밸브를 개폐하는 공기의 압력(Pair)과 유체의 압력(Pfluid)에 기초한 유체의 흐름을 Boolean algebra와 같이 대수적으로 표현된다. 여기서, 도 7A 내지 도 7E에 도시된 진리표들(713, 723, 733, 743, 753)에서 a 및 b의 0 및 1은 각각 Pfluid/Pair≤C인 경우 및 Pfluid/Pair>C인 경우를 의미하고, F의 0 및 1은 각각 유체 흐름이 없는 경우 및 유체 흐름이 있는 경우를 의미한다.
먼저, 도 7A를 참고하면, 유체 트랜지스터를 이용하여 구현된 유체 인버터(또는 fluidic NOT gate)(711), 유체 인버터(711)의 심볼(712), 유체 인버터(fluidic inverter, 711)에 대한 진리표(truth table)(713), NMOS NOT gate(714)가 도시되어 있다. 유체 인버터(711)는 NMOS NOT gate(714)의 동작과 유사하게 동작하고, 심볼(712) 및 진리표(713) 또한 NMOS NOT gate(714)의 심볼 및 진리표와 유사하다.
도 7B를 참고하면, 복수의 유체 트랜지스터들을 이용하여 구현된 유체 OR gate(721), 유체 OR gate(721)의 심볼(722), 유체 OR gate(721)에 대한 진리표(723), NMOS OR gate(724)가 도시되어 있다. 유체 OR gate(721)는 NMOS OR gate(724)의 동작과 유사하게 동작하고, 심볼(722) 및 진리표(723) 또한 NMOS OR gate(724)의 심볼 및 진리표와 유사하게 표현한다.
도 7C를 참고하면, 복수의 유체 트랜지스터들을 이용하여 구현된 유체 NOR gate(731), 유체 NOR gate(731)의 심볼(732), 유체 NOR gate(731)에 대한 진리표(733), NMOS NOR gate(734)가 도시되어 있다. 유체 NOR gate(731)는 NMOS NOR gate(734)의 동작과 유사하게 동작하고, 심볼(732) 및 진리표(733) 또한 NMOS NOR gate(734)의 심볼 및 진리표와 유사하게 표현한다.
도 7D를 참고하면, 복수의 유체 트랜지스터들을 이용하여 구현된 유체 AND gate(741), 유체 AND gate(741)의 심볼(742), 유체 AND gate(741)에 대한 진리표(743), NMOS AND gate(744)가 도시되어 있다. 유체 AND gate(741)는 NMOS AND gate(744)의 동작과 유사하게 동작하고, 심볼(742) 및 진리표(743) 또한 NMOS AND gate(744)의 심볼 및 진리표와 유사하게 표현한다.
도 7E를 참고하면, 복수의 유체 트랜지스터들을 이용하여 구현된 유체 NAND gate(751), 유체 NAND gate(751)의 심볼(752), 유체 NAND gate(751)에 대한 진리표(753), NMOS NAND gate(754)가 도시되어 있다. 유체 NAND gate(751)는 NMOS NAND gate(754)의 동작과 유사하게 동작하고, 심볼(752) 및 진리표(753) 또한 NMOS NAND gate(754)의 심볼 및 진리표와 유사하게 표현한다.
본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 유체 논리 게이트들 외의 유체 XOR gate, 유체 XNOR gate 등과 같은 다른 유체 논리 게이트들 및 플립플롭(flip-flop) 회로 등과 같은 유체 논리 회로 또한 본 실시예의 유체 트랜지스터들을 이용하여 구현될 수 있음을 이해할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 회로를 포함하는 미세 유체 소자를 도시한 도면이다. 도 8을 참고하면, 미세 유체 회로(800)는 다수의 마이크로 밸브들(801)로 구현된다. 도 8에서는 유체 논리 게이트들을 명확하게 구현하여 도시하지 않았지만, 이와 같은 다수의 마이크로 밸브들(801)을 이용하여 상기 도 7A 내지 도 7E와 같은 유체 논리 게이트들을 구현할 수 있다. 따라서, 미세 유체 회로(800)를 이용한다면, 미세 유체 회로(800)를 통과하는 유체들의 흐름들을 논리적으로 제어할 수 있다.
이와 같은 다수의 마이크로 밸브들(801)의 비대칭 밸브 시트들은 비대칭적으로 모두 동일한 위치에 배치되어 있을 수도 있고, 아니면 비대칭 밸브 시트들 중 적어도 둘 이상의 배치들은 서로 다를 수도 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 비대칭 밸브 시트들의 배치가 다른 경우에는 공기의 압력(Pair) 및 유체의 압력(Pfluid)에 의해 마이크로 밸브들(801)이 개폐되는 조건들이 서로 다르다. 따라서, 동일한 공기의 압력(Pair) 및 유체의 압력(Pfluid)의 조건하에서도 어느 마이크로 밸브들(801)은 열리게 되고, 다른 마이크로 밸브들(801)은 닫힌 상태를 유지할 수 있으므로, 각각의 마이크로 밸브들(801)을 독립적으로 또는 별도로 제어할 수 있다.
도 8을 참고하면, 미세 유체 소자(1)는 유체 또는 공기의 유입/유출을 위한 다수의 홀(802), 유체의 화학적/생물학적 반응이 일어나는 다수의 반응 챔버(804), 마이크로 밸브들(801) 사이에서 유체가 이동하는 통로인 마이크로 채널(12) 등을 포함한다. 도 8에서는, 편의상 단지 하나의 마이크로 밸브(801), 홀(802), 마이크로 채널(803), 챔버(804)에 대해 대표적으로 도면 번호가 부기되어 있지만, 실제로는 다수의 마이크로 밸브(801), 홀(802), 마이크로 채널(803), 챔버(804)가 도 1에 도시되어 있다. 도 8에 도시된 미세 유체 소자(1)에서, 마이크로 밸브(801), 홀(802), 마이크로 채널(803), 챔버(804)의 배치는 단지 예시적인 것이며, 미세 유체 소자(1)의 용도 및 설계자의 선택에 따라 개수와 배치는 달라질 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 미세 유체 소자 10: 마이크로 밸브
11: 유체 입구 12: 유체 출구
13: 공기 통로 14: 비대칭 밸브 시트
110: 유체 층 120: 탄성 막
130: 공기압 층 140: 비대칭 밸브 시트

Claims (31)

  1. 유체의 흐름을 조절하는 적어도 하나의 마이크로 밸브를 갖는 미세 유체 소자에 있어서, 상기 마이크로 밸브는
    서로 대향되도록 배치된 공기압 층 및 유체 층;
    상기 공기압 층 및 상기 유체 층 사이에 배치되고, 압력에 의해 형태가 변형됨으로써 유체의 흐름을 조절하는 탄성 막; 및
    상기 유체 층의 표면으로부터 상기 탄성 막의 표면을 향해 돌출되어 형성되고, 상기 유체 층과 상기 탄성 막 사이에 마련된 제 1 공간을 비대칭적으로 구분하도록 배치된 비대칭 밸브 시트를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로 밸브가 개폐되기 위한 조건은 상기 비대칭 밸브 시트의 배치에 따라 다른 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 비대칭 밸브 시트는 상기 제 1 공간으로부터 상기 유체가 유출되는 출구보다 상기 제 1 공간에 상기 유체가 유입되는 입구에 가깝게 배치된 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 비대칭 밸브 시트는 상기 제 1 공간에 상기 유체가 유입되는 입구보다 상기 제 1 공간으로부터 상기 유체가 유출되는 출구에 가깝게 배치된 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세 유체 소자는 복수의 마이크로 밸브들을 포함하고,
    상기 마이크로 밸브들의 상기 비대칭 밸브 시트들 중 적어도 둘 이상의 배치들은 서로 다른 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 미세 유체 소자는 상기 마이크로 밸브들을 이용하여 구현된 미세 유체 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로 밸브를 이용하여 상기 공기압 층과 상기 탄성 막 사이에 마련된 제 2 공간에서의 공기의 압력에 기초하여 상기 제 1 공간에서의 상기 유체의 흐름을 스위칭하도록 구현된 유체 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 유체 트랜지스터를 이용하여 구현된 스위치 기능을 수행하는 유체 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 유체 트랜지스터를 이용하여 구현된 인버터의 기능을 수행하는 유체 인버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 미세 유체 소자는 상기 유체 트랜지스터로 구현된 상기 마이크로 밸브를 복수 개 포함하고,
    상기 유체 트랜지스터들을 이용하여 구현된 OR 게이트의 기능을 수행하는 유체 OR 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 미세 유체 소자는 상기 유체 트랜지스터로 구현된 상기 마이크로 밸브를 복수 개 포함하고,
    상기 유체 트랜지스터들을 이용하여 구현된 NOR 게이트의 기능을 수행하는 유체 NOR 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 미세 유체 소자는 상기 유체 트랜지스터로 구현된 상기 마이크로 밸브를 복수 개 포함하고,
    상기 유체 트랜지스터들을 이용하여 구현된 AND 게이트의 기능을 수행하는 유체 AND 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 미세 유체 소자는 상기 유체 트랜지스터로 구현된 상기 마이크로 밸브를 복수 개 포함하고,
    상기 유체 트랜지스터들을 이용하여 구현된 NAND 게이트의 기능을 수행하는 유체 NAND 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
  14. 제 7 항에 있어서,
    상기 미세 유체 소자는 상기 유체 트랜지스터로 구현된 상기 마이크로 밸브를 복수 개 포함하고,
    상기 유체 트랜지스터들을 이용하여 구현된 XOR 게이트의 기능을 수행하는 유체 XOR 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
  15. 제 7 항에 있어서,
    상기 미세 유체 소자는 상기 유체 트랜지스터로 구현된 상기 마이크로 밸브를 복수 개 포함하고,
    상기 유체 트랜지스터들을 이용하여 구현된 XNOR 게이트의 기능을 수행하는 유체 XNOR 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
  16. 제 7 항에 있어서,
    상기 미세 유체 소자는 상기 유체 트랜지스터로 구현된 상기 마이크로 밸브를 복수 개 포함하고,
    상기 유체 트랜지스터들을 이용하여 구현된 플립플롭의 기능을 수행하는 유체 플립플롭를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
  17. 유체의 흐름을 조절하는 적어도 하나의 마이크로 밸브를 갖는 미세 유체 소자에 있어서, 상기 마이크로 밸브는
    상기 마이크로 밸브 내부에 유체를 유입시키는 통로를 포함하는 유체 층;
    상기 유체 층과 대향되도록 배치되고, 상기 마이크로 밸브 내부에 공기를 유입시키는 통로를 포함하는 공기압 층;
    상기 유체 층의 표면에 돌출되어 형성된 비대칭 밸브 시트;
    상기 층들 사이에 배치되고, 압력에 의해 형태가 변형되어 상기 비대칭 밸브 시트와 밀착 또는 분리됨으로써 상기 유체의 흐름을 조절하는 탄성 막; 및
    상기 유체 층과 상기 탄성 막 사이에 마련된 제 1 공간을 포함하고,
    상기 비대칭 밸브 시트는 상기 제 1 공간을 비대칭적으로 구분하도록 배치된 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 마이크로 밸브가 개폐되기 위한 조건은 상기 비대칭 밸브 시트의 배치에 따라 다른 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 비대칭 밸브 시트는 상기 제 1 공간으로부터 상기 유체가 유출되는 출구보다 상기 제 1 공간에 상기 유체가 유입되는 입구에 가깝게 배치된 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 비대칭 밸브 시트는 상기 제 1 공간에 상기 유체가 유입되는 입구보다 상기 제 1 공간으로부터 상기 유체가 유출되는 출구에 가깝게 배치된 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 미세 유체 소자는 복수의 마이크로 밸브들을 포함하고,
    상기 마이크로 밸브들의 상기 비대칭 밸브 시트들 중 적어도 둘 이상의 배치들은 서로 다른 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
  22. 제 17 항에 있어서,
    상기 마이크로 밸브를 이용하여 상기 공기압 층과 상기 탄성 막 사이에 마련된 제 2 공간에서의 공기의 압력에 기초하여 상기 제 1 공간에서의 상기 유체의 흐름을 스위칭하도록 구현된 유체 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 유체 트랜지스터를 이용하여 구현된 스위치 기능을 수행하는 유체 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 유체 트랜지스터를 이용하여 구현된 인버터의 기능을 수행하는 유체 인버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 미세 유체 소자는 상기 유체 트랜지스터로 구현된 상기 마이크로 밸브를 복수 개 포함하고,
    상기 유체 트랜지스터들을 이용하여 구현된 OR 게이트의 기능을 수행하는 유체 OR 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
  26. 제 22 항에 있어서,
    상기 미세 유체 소자는 상기 유체 트랜지스터로 구현된 상기 마이크로 밸브를 복수 개 포함하고,
    상기 유체 트랜지스터들을 이용하여 구현된 NOR 게이트의 기능을 수행하는 유체 NOR 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
  27. 제 22 항에 있어서,
    상기 미세 유체 소자는 상기 유체 트랜지스터로 구현된 상기 마이크로 밸브를 복수 개 포함하고,
    상기 유체 트랜지스터들을 이용하여 구현된 AND 게이트의 기능을 수행하는 유체 AND 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
  28. 제 22 항에 있어서,
    상기 미세 유체 소자는 상기 유체 트랜지스터로 구현된 상기 마이크로 밸브를 복수 개 포함하고,
    상기 유체 트랜지스터들을 이용하여 구현된 NAND 게이트의 기능을 수행하는 유체 NAND 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
  29. 제 22 항에 있어서,
    상기 미세 유체 소자는 상기 유체 트랜지스터로 구현된 상기 마이크로 밸브를 복수 개 포함하고,
    상기 유체 트랜지스터들을 이용하여 구현된 XOR 게이트의 기능을 수행하는 유체 XOR 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
  30. 제 22 항에 있어서,
    상기 미세 유체 소자는 상기 유체 트랜지스터로 구현된 상기 마이크로 밸브를 복수 개 포함하고,
    상기 유체 트랜지스터들을 이용하여 구현된 XNOR 게이트의 기능을 수행하는 유체 XNOR 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
  31. 제 22 항에 있어서,
    상기 미세 유체 소자는 상기 유체 트랜지스터로 구현된 상기 마이크로 밸브를 복수 개 포함하고,
    상기 유체 트랜지스터들을 이용하여 구현된 플립플롭의 기능을 수행하는 유체 플립플롭를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
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