KR20130002784A - 유체내 기체 제거를 위한 미세유체 채널 - Google Patents

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Abstract

유체내 포함된 기체를 효과적으로 제거하기 위한, 단면적이 동일한 제1채널 및 상기 제1채널과 연결되어 단면적이 점진적으로 확장되는 제2채널을 포함하는 미세유체 채널 및 이를 포함하는 미세유체 장치가 제공된다.

Description

유체내 기체 제거를 위한 미세유체 채널{MICROFLUIDIC CHANNEL FOR REMOVING BUBBLE IN FLUID}
유체내 기체 제거를 위한 미세유체 채널 및 이를 포함하는 미세유체 장치에 관한 것이다.
화학적 및 생물학적 정보를 획득하기 위한 미세유체 장치의 개발 및 사용에 대한 관심이 증대되고 있다.
미세유체 장치는 물리, 화학, 생화학 및 생명공학 분야에서 마이크로 크기 또는 메조 크기로 유체의 화학적, 생물학적 또는 물리적인 특성을 분석 및 측정하는 것이다. 미세유체 장치는 소량의 시약을 사용할 수 있고 반응시간을 단축할 수 있다는 장점을 갖는다.
한편, 미세유체 장치에 이용되는 시료 및 시약 등은 미리 저온으로 보존되고, 사용시 승온된다. 시료의 온도가 증가함에 따라 시료에 용해되어 있는 산소 및 질소 등의 기체 성분들의 포화 용해도가 낮아지고, 포화 용해도 이상에서 용해되어 있는 기체 성분들이 미세유체 채널내 기포로서 발생하게 된다.
미세유체 채널내 발생된 기포에 의해, 미세유체 채널은 부분적으로 또는 전체적으로 폐색되고, 유체의 흐름은 저해하며, 유제의 제어가 어려워질 수 있다. 또한, 시료의 양을 측정하기 위해 미세유체 장치를 이용하는 경우, 기포의 발생에 의하여 시료의 정확한 양을 측정하기 곤란해질 수 있다.
따라서, 미세유체 채널을 통해 흐르는 유체에서 기포 형성을 감소시키거나 제거할 수 있는 미세유체 채널의 개발이 요구되고 있다.
유체내 기체 제거를 위한 미세유체 채널을 제공하고자 한다.
일 측면에 따르면, 단면적이 동일한 제1채널 및 상기 제1채널과 연결되며 단면적이 점진적으로 확장되는 제2채널을 포함하는 유체내 기체 제거를 위한 미세유체 채널이 개시된다.
다른 측면에 따르면,
원심력으로 구동되는 기판;
유체 주입부;
상기 유체 주입부와 연결되는 유체 수용부;
상기 유체 수용부와 연결되며 단면적이 동일한 제1채널 및 상기 제1채널과 연결되며 단면적이 점진적으로 확장되는 제2채널; 및
상기 유체의 흐름을 제어하기 위한 밸브를 포함하는, 미세유체 장치가 개시된다.
상기 점진적으로 확장되는 구조를 갖는 채널에 의해, 유체내 기체가 효율적으로 제거될 수 있다.
도 1은 미세유체 채널의 개략도를 나타낸다.
도 2는 미세유체 채널의 제1구현예를 나타낸다.
도 3은 미세유체 채널의 제2구현예를 나타낸다.
도 4는 비교예에 따른 미세유체 채널내 발생된 기포를 촬영한 사진이다.
도 5는 비교예에 따른 미세유체 채널내 발생된 기포를 촬영한 사진이다.
도 6은 실시예에 따른 미세유체 채널내 기포 제거 효과를 촬영한 사진이다.
도 7은 실시예에 따른 미세유체 채널내 기포 제거 효과를 촬영한 사진이다.
도 8은 실시예에 따른 미세유체 채널내 기포 제거 효과를 촬영한 사진이다.
도 9은 실시예에 따른 미세유체 채널내 기포 제거 효과를 촬영한 사진이다.
본 명세서에 달리 정의되어 않는 한, 사용된 모든 기술 및 과학 용어는 당업계에 통상의 기술자가 통상적으로 이해하는 바와 같은 의미를 가진다. 본 명세서에 포함되는 용어를 포함하는 다양한 과학적 사전이 잘 알려져 있고, 당업계에서 이용가능하다. 비록 본 명세서에 설명된 것과 유사 또는 등가인 임의의 방법 및 물질이 본원의 실행 또는 시험에 사용되는 것으로 발견되나, 몇몇 방법 및 물질이 설명되어 있다. 당업자가 사용하는 맥락에 따라, 다양하게 사용될 수 있기 때문에, 특정 방법학, 프로토콜 및 시약으로 본 발명을 제한하는 것으로 이해되어서는 안된다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 단수형은 문맥이 명확하게 달리 지시하지않으면 복수의 대상을 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 달리 언급되지 않는 한, "또는"은 "및/또는"을 의미한다. 더욱이, 용어 "포함하는" 뿐만 아니라, 다른 형태, 예를 들면, "가지는", "이루어지는" 및 "구성되는"는 제한적이지 않다.
수치 범위는 상기 범위에 정의된 수치를 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최대의 수치 제한은 낮은 수치 제한이 명확히 씌여져 있는 것처럼 모든 더 낮은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최소의 수치 제한은 더 높은 수치 제한이 명확히 씌여져 있는 것처럼 모든 더 높은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 수치 제한은 더 좁은 수치 제한이 명확히 씌여져 있는 것처럼, 더 넓은 수치 범위 내의 더 좋은 모든 수치 범위를 포함할 것이다.
본 명세서에 제공된 제목은 다양한 면 또는 전체적으로 명세서의 참조로서, 하기의 구현예를 제한하는 것으로 이해되어서는 안된다.
미세유체 채널내 기포 제거
미세유체 채널내 기포의 발생은 분석반응의 균일성을 훼손할 뿐만 아니라, 유체의 정확한 이송 및 유속의 제어를 어렵게 한다.
통상적으로, 미세유체 채널내 형성된 기포를 제거하기 위하여, 미세유체 채널 상부에 소수성 막을 형성하여유체의 흐름을 억제하고 유체 내부의 기포를 포획하는 수동적 방법(J. Xu et al., Microfluid Nanofluid. 2010) 및 PDMS(Poly-dimethylsiloxane)의 기체-투과성을 이용하여 기포를 제거하는 능동적 방법(A.M. Skelley & J. Voldman, LabChip 2008, 8, 1733-1737)이 이용되고 있다.
그러나, 상기 수동적 방법은 제거할 수 있는 기포의 크기, 기포가 혼합된 유체의 채널 체류 시간, 유속, 및 압력 등의 다양한 제약 조건 하에서 수행되어야 하며, 유량 조절을 위해 어느 한 조건이라도 임계치를 넘어서게 되면 기포 포획 영역에서 유출이 발생될 수 있다.
또한, 상기 능동적 방법은 PDMS를 통과하는 기체의 확산 현상을 이용한 것으로, 수동적 방법 보다 기포 제거에 많은 시간이 소요된다. 또한, 기포를 제거하기위하여 여러 구동 요소가 요구되며, 이를 실현하기 위해 주변의 기체 농도가 변화될 수 있다. 따라서, 실제 기포와 용존 기체 농도의 영향을 크게 받는 미세유체 세포 배양에 이용될 수 없고, 효율을 증가시킬 수 있는 방법과 대상이 제한적이기 때문에 널리 적용되지 못하고 있다.
실험시, 발생된 기포를 제거하기 위해 많은 시간이 소요될 경우, 준비된 생체 물질의 활성이 저하될 수 있다. 또한, 고분자 재료를 성형하고 제작된 유체 장치에 장시간 동안 단백질 등의 생체 분자를 포함하는 용액을 저장 또는 노출시킬 경우, 비특이적 흡착이 발생 되어 실제 반응에 필요한 표적 물질의 농도가 저하되는 문제가 있다.
따라서, 정확하고, 신속하게 표적 물질을 분석하기 위하여, 미세유체 채널내 형성된 기포를 제거할 수 있는 채널 및 방법이 필요하다.
미세유체 채널
일 측면에 따르면, 단면적이 점진적으로 확장되는 구조에 의해 유체내 기체를 제거할 수 있는 미세유체 채널이 제공된다. 상기 미세유체 채널은 제1채널 및 상기 제1채널과 연결되어 단면적이 점진적으로 확장되는 제2채널을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "유체"는 형상이 정해지지 않고 흐르는 성질을 가지고 있는 물질을 의미하는것으로, 액체 및 기체를 포함할 수 있다.
통상적으로, 유체는 정적 전단 응력(static shear stress)을 견딜 수 없는 물질로, 정적 전단 응력을 받을 때, 유체는 계속적이고 영구적인 뒤틀림(distortion)을 경험할 수 있다. 상기 유체는 유체의 흐름이 허용되는 한, 어느 밀도를 가질 수 있다.
상기 유체는 단백질, DNA, RNA, 펩티드, 탄수화물, 박테리아, 식물, 곰팡이 또는 동물 세포 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 구현예에 따르면 상기 유체는 임의의 특정 유체를 의도하는 것은 아니다.
본 명세서에서 상호 교환적으로 사용된 용어 "기체" 또는 "기포"는 유체에 의해 둘러싸이는 것에 의해 격리되거나 분리된 부분을 의미한다.
본 명세서에서 상호 교환적으로 사용된 용어 "미세유체 채널" 또는 "채널"은 미세유체 채널을 흐르는 유체가 원심력의 영향을 받아, 통상적인 치수의 채널을 흐르는 유체와는 다른 거동을 나타내는 형상 치수로 형성된 채널을 의미한다.
상기 미세유체 채널은 탄성관 및 모세관 등과 같은 관일 수도 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "제1채널"은 유체의 흐름 방향에 수직으로 교차하는 면이 일정하거나 동일한 채널을 의미한다.
상기 제1채널은 원심력에 의해 편류가 가능하도록, 평면상에서 회전축을 기준으로 기울어지게 형성될 수 있다. 예를 들면, 제1채널은 회전축을 기준으로 약 90°미만, 약 80°미만, 약 70°미만, 약 60°미만, 약 50°미만, 약 40°미만, 약 30°미만, 약 20°미만 또는 약 10°미만의 각도를 가질 수 있다.
상기 제1채널의 단면 형상은 용도 및 크기 등을 고려하여 임의로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 단면 형상은 원형, 타원형, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형, 불규칙한 형상 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1채널의 재료는 유리나 실리콘과 같은 무기 재료뿐만 아니라, 실리콘 고무(silicon rubber), 이소보닐 아크릴레이트(isobonyl acrylate), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 폴리 디메틸 실록산(poly dimethyl siloxane), 폴리 메틸 메타크릴레이트(poly methyl methacrylate), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리비닐 클로라이드(polyvinyl chloride), 폴리실록산(polysiloxane), 폴리이미드(polyimide) 및 폴리우레탄(polyurethanes) 등과 같은 고분자 재료를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는것은 아니다.
상기 제1채널의 단면적 및 길이는 유체를 흘릴 수 있는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 미세유체 채널의 단면적은 약 1mm2 이하, 약 500㎛2 이하, 약 100㎛2 이하, 약 50㎛2 이하, 약 10㎛2 이하, 약 5㎛2 이하 또는 약 1㎛2 이하일 수 있다. 상기 미세유체 채널의 길이는 약 100mm 이하, 약 50mm 이하, 또는 약 10mm 이하일 수 있다.
상기 제1채널의 재료, 형상, 단면적 및 길이는 임의의 특정 재료, 형상, 단면적 및 길이를 의도하는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "단면적이 점진적으로 확장되는 제2채널"은 유체의 흐름 방향에 수직으로 교차하는 면이 서서히 또는 단계적으로 증가하는 채널을 의미한다.
상기 제2채널은 제1채널의 길이 방향을 기준으로 약 90°미만, 약 80°미만, 약 70°미만, 약 60°미만, 약 50°미만 또는 약 40°미만의 각도로 가지면서 그 단면적이 점진적으로 확장될 수 있다.
상기 제2채널의 재료는 제1채널의 것과 동일하거나 다를 수 있다. 상기 제2채널의 재료는 유리나 실리콘과 같은 무기 재료뿐만 아니라, 실리콘 고무(silicon rubber), 이소보닐 아크릴레이트(isobonyl acrylate), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 폴리 디메틸 실록산(poly dimethyl siloxane), 폴리 메틸 메타크릴레이트(poly methyl methacrylate), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리비닐 클로라이드(polyvinyl chloride), 폴리실록산(polysiloxane), 폴리이미드(polyimide) 및 폴리우레탄(polyurethanes) 등과 같은 고분자 재료를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2채널의 단면 형상은 원형, 타원형, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형, 불규칙한 형상 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2채널의 단면적은 특별히 제한되는 것은 아니지만, 예를 들면, 약 1mm2 이하, 500㎛2 이하, 100㎛2 이하, 50㎛2 이하, 10㎛2 이하, 5㎛2 이하 또는 1㎛2 이하일 수 있다.
상기 제2채널은 제1채널의 일부 길이 방향을 따라 설치될 수 있다. 제2채널의 길이는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 제1채널의 길이를 기준으로 80% 이하, 70% 이하, 60% 이하 또는 50% 이하의 길이일 수 있다.
상기 제1채널의 재료, 형상, 단면적 및 길이는 임의의 특정 재료, 형상, 단면적 및 길이를 의도하는 것은 아니다.
상기 제1채널 및 제2채널은 양면 테이프를 이용한 라미네이팅 방법, 접착제 및 표면개질에 의한 접합 방법, 또는 초음파 용착 방법으로 결합될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 구현예에 따르면, 단면적이 동일한 제1채널 및 단면적이 점진적으로 확장되는 제2채널을 포함하는, 원심력을 구동원으로 하는 미세유체 장치에 유체가 유입될 경우, 채널이 확장되는 지점에서 기체와 액체에 인가되는 압력차에 의해 기체와 액체가 분리될 수 있다. 상기 미세유체 채널의 개략도를 도 1에 나타내었다.
도 1을 참고하면, 단면적이 동일한 제1채널과 단면적이 점진적으로 확장되는제2채널을 포함하는 미세유체 채널에서, 유체의 평균 유속(
Figure pat00001
)은 하기의 식 1에 나타낸 바와 같이, 각속도의 제곱과 단면적에 비례하게 된다:
[식 1]
Figure pat00002
(상기 식 1에서, ρ는 유체의 밀도를 나타내고, r은 중심 축으로부터의 길이를 나타내고, d는 직경을 나타내고, 그리고 ω는 각속도를 나타낸다.)
유량(Discharge, Q)은 하기의 식 2에 나타낸 바와 같이, 채널 입구 유량(
Figure pat00003
1, 10)과 채널 출구 유량(
Figure pat00004
2, 20)이 동일하다:
[식 2]
Figure pat00005
=
Figure pat00006
1
Figure pat00007
Figure pat00008
2
(상기 식 2에서,
Figure pat00009
는 유체의 평균 유속을 나타내고, 그리고 A는 단면적을 나타낸다.)
원심력에 의해 인가된 압력은 회전하는 전체를 대상으로 회전 반경에 따라 작용됨으로써 확장되는 미세유체 채널내 액체와 기체 모두에게 압력이 작용될 수 있다. 따라서, 작용되는 압력의 크기는 하기의 식 3에 나타낸 바와 같이, 동일한 위치에서는 유체의 밀도에 의존하게 된다:
[식 3]
Figure pat00010
(상기 식 2에서, ρ는 유체의 밀도를 나타내고, r은 중심 축으로부터의 길이를 나타내고, △은 길이의 변화를 나타내고, 그리고 ω는 각속도를 나타낸다.)
채널에 유입되는 유체가 액체와 기체를 모두 포함하는 혼합물일 경우, 확장되는 채널 부위에서는 유체의 유속이 느려지므로, 선택적으로 액체에 압력을 강하게 인가할 수 있다. 이로 인해 액체는 채널의 하부 벽면을 따라 채널 입구 유량(
Figure pat00011
1, 10)과 동일한 양으로 흘러갈 수 있고, 확장된 채널 부분에서는 기체(30)가 머무르게 됨으로써, 액체로부터 기체가 분리될 수 있는 것이다.
따라서, 유체의 흐름이 채널 전체가 아닌 채널 일정 부분으로 치우치도록 인위적으로 유도하는 것에 의해, 불필요한 기체를 액체로부터 분리할 수 있으며, 원심력을 이용하는 것에 의해 우수한 기포 제거 시간 및 기포 제거 효율을 가질 수 있다.
추가적으로, 상기 미세유체 채널은 제1채널 말단 또는 제2채널 내부에 배리어를더욱 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "배리어"는 유속을 효율적으로 감소시키면서, 제1채널로부터 제2채널로의 유체의 이동을 방해할 수 있는 어느 층을 의미한다.
상기 배리어의 재료는 소수성의 다공성 막 일 수 있다. 예를 들면, 상기 배리어는 폴리카프로락톤(polycaprolactone), 폴리스티렌 (polystyrene), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate), 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate), 디에틸카보네이트(diethylcarbonate), 디부틸프탈레이트(dibutyl phthalate), 디옥틸프탈레이트(dioctyl phthalate), 디이소옥틸프탈레이트(diisooctyl phthalate), 디헵틸노닐프탈레이트(diheptylnonyl phthalate), 트리토릴 포스페이트(tritolylphospate) 및 디옥틸아디페이트(dioctyl adipate) 등에 의해 제조될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 배리어는 임의의 특정 배리어를 의도하는 것은 아니다.
추가적으로, 상기 미세유체 채널은 환기부를 더욱 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "환기부"는 기체의 원활한 배출을 위해 외부와 연결된 관을 의미한다.
상기 환기부는 채널 말단 상부로부터 외부와 연결되어 있거나, 또는 채널 말단에 회전축 직각 방향으로 곡선형태로 구성되어 곡선 상부로부터 외부와 연결되어있을 수 있다.
미세유체 장치
다른 측면에 따르면, 상기 채널을 포함하는 미세유체 장치가 제공된다. 상기 미세유체 장치는 기판, 유체 주입부, 상기 유체 주입부와 연결되는 유체 수용부, 상기 유체 수용부와 연결되며 단면적이 동일한 제1채널 및 상기 제1채널과 연결되며 단면적이 점진적으로 확장되는 제2채널, 및 상기 유체의 흐름을 제어하기 위한 밸브를 포함할 수 있다.
이하, 상기 미세유체 장치는 도 2 및 도 3을 참고로 하여 설명될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "기판(도시하지 않음)"은 원심력으로 구동되는것으로서, 상기 원심력은 회전축(rotational axis)를 중심으로 상기 기판을 회전시키는 것에 의해 얻어질 수 있다. 상기 기판은 회전 축을 중심으로 기판을 회전시키기 위한 수단 또는 상기 회전 수단을 제어하기 위한 제어 수단을 포함할 수 있다. 상기 회전 수단은 예를 들면, 모터 또는 서보 모터 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기판의 회전에 의하여 상기 회전 중심으로부터 가까운 상부로부터 먼 쪽의 하부 방향으로 유체에 원심력을 가하여, 상부로부터 하부로 이동시킬 수 있다.
상기 기판의 형상은 동그라미, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 및 불규칙한형상 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기판은 임의의 특정 기판을 의도하는 것은 아니다.
본 명세서에 사용된 용어 "유체 주입부(100)"는 미세유체 채널에 유체를 주입하기 위한 부분을 의미한다.
상기 유체 주입부의 형상은 동그라미, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 및 불규칙한 형상 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 유체 주입부의 폭은 약 1mm 내지 약 2mm 일 수 있다. 상기 유체 주입부의 폭이 약 1mm 미만인 경우 유체의 주입이 원활하지 않을 수 있으며, 약 2mm를 초과하는 경우 미세유체 채널 내로 유입되는 유체의 속도를 조절하기에 어려움이 있을 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "유체 수용부(200)"는 유체 주입부(100)로부터 주입된 유체가 미세유체 채널로 유입되기 위해 일정 시간 머무르는 부분을 의미한다.
유체가 유체 수용부에 머무르는 시간은 유체의 주입 속도, 유체의 점도 및 유체의 양 등에 따라 결정될 수 있다.
유체가 유체 수용부에 머무르는 동안, 유체는 계속적으로 미세유체 채널로 흘러갈 수 있고, 유체 주입부에서 주입을 멈추는 경우 유체 수용부 내에서 정체되어있을 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "밸브(300)"는 채널 상단부에 설치되어 유체의 흐름을 조절하는 것을 의미한다. 상기 밸브는 유체의 흐름을 차단하는 폐쇄된(closed) 밸브로서, 외부의 에너지에 의하여 개방될 수 있다.
상기 외부의 에너지는 예를 들면, 전자기파일 수 있으며, 에너지원은 레이저 빔을 조사하는 레이저 광원, 가시광선 또는 적외선을 조사하는 발광소자, 또는 제논램프일 수 있다. 외부 에너지원은 밸브 재료에 포함되는 발열 입자가 흡수할 수 있는 전자기파의 파장에 따라 선택될 수 있다.
상기 밸브의 재료는 에너지에 의하여 상이 변화되는 상전이 물질 또는 열가소성 수지일 수 있다. 상기 상전이 물질은 예를 들면, 왁스 또는 겔일 수 있다. 상기 밸브의 재료는 또한 상기 상전이 물질에 분산되고 전자기파의 에너지를 흡수하여 발열하는 미세 발열 입자를 포함할 수 있다. 상기 미세 발열 입자는 Al2O3, TiO2, Ta2O3, Fe2O3, Fe3O4 및 HfO2와 같은 금속 산화물, 중합체 입자, 퀀텀 도트(quantum dot) 또는 자성비드(magnetic bead) 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 "유체 수용부에 연결되며 단면적이 동일한 제1채널 및 상기 제1채널과 연결되며 단면적이 점진적으로 확장되는 제2채널(400)"은 상기 설명한 바와 같다.
상기 미세유체 채널은 기체의 원활한 배출을 위해 환기부(500, 600)를 더욱 포함할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 환기부(500)는 채널 말단 상부로부터 외부와 연결되어 있을 수 있다(도 2 참고). 다른 구현예에 따르면, 상기 환기부(600)는 채널 말단에 회전축 직각 방향으로 곡선형태로 구성되어 곡선 상부로부터 외부와 연결되어 있을 수 있다(도 3 참고).
상기 미세유체 장치는 미세제작법(microfabrication), 경질 미세가공(hard micromachining), 연질 미세가공(soft micromachining 또는 soft lithography)에 의해 제조될 수 있다.
상기 미세제작법은 다층 구조에서 박막 증착, 리소그래피 및 에칭을 반복적으로 하는 방법이다. 상기 박막 증착은 산화, 화학증착, 물리증착, 및 전기도금 등에 의해 수행될 수 있고, 리소그래피는 패턴을 실리콘이나 유리와 같은 기판 상에 전사시키는 것에 의해 수행될 수 있고, 그리고 에칭은 습식 에칭, 및 고압 플라즈마 에칭, 반응성 이온 에칭, 및 이온 밀링과 같은 건식 에칭에 의해 수행될 수 있다.
예를 들면, 미세유체 장치는 카보네이트로 이루어지고, 상부 층에 유체 주입부(100)를 포함하고, 하부 층에 유체 수용부(200) 및 미세유체 채널(400)을 포함할 수 있다. 상기 유체 주입부(100), 유체 수용부(200) 및 미세유체 채널(400)은 통상의 컴퓨터 수치 제어(computer numerical control, CNC) 기계에 의해 제조될 수 있다. 상부 층과 하부 층은 양면 테이프(Flexmount DFM 200)에 의해 접착될 수 있다. 상기 미세유체 장치의 주변 직경(peripheral dimension)은 28 x 43 x 9 mm3일 수 있다. 상기 미세유체 장치를 설치하기 위한 회전 기판도 상기와 동일한 방법으로 제조될 수 있다.
유체 흐름을 조절하기 위하여 채널 상단부에 페로왁스(Ferro-wax) 밸브(300)가 설치될 수 있다. 페로왁스를 약 80℃이상의 온도에서 가열한 후, 유체 수용부 하단에 제공될 수 있다. 상기 페로왁스가 유체 수용부 하단에 주입되면, 모세관력에 의해 채널 내부로 이동하여, 열의 발산으로 인해 빠르게 고형화될 수 있다.
상기 단면적이 점진적으로 확장되는 구조를 갖는 채널을 포함하는 미세유체 카트리지를, 원심력 기반의 미세유체 소자에 적용하는 경우, 90% 이상, 94% 이상, 96% 이상 또는 98% 이상의 기포가 제거될 수 있다.
이는, 정확하고 신속하게 표적 물질을 분석할 수 있으므로, 비교적 간단한 구조만으로도 원심력 기반 마이크로 유체소자 플랫폼에 신뢰성 및 재현성을 향상시킬 수 있음을 의미한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 다양한 실시예를 제시한다. 하기 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명의 보호범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<비교예> 단면적이 일정한 채널에서의 기포 제거
단면적이 일정한 채널을 포함하는 미세유체 카트리지에서의 기포 유입을 확인하기 위해 5% BSA 용액, 잉크를 순차적으로 흘려 주고, 30초 동안 1000rpm의 속도를 유지한 후, 이를 고속 카메라 (IK-TF5, Toshiba, Japan)로 촬영하였다. 그 결과를 도 4 및 도 5에 나타내었다.
도 4로부터, 채널 내 기포가 센서 패드에 유입됨이 관찰되었다. 또한, 도 5로부터, 채널내의 유체가 모두 빠져나간 직후에도 원심력으로 유도된 압력으로 인하여 기포가 계속적으로 센서 패드 내로 유입되어 정체되어 있는 현상이 관찰되었다.
<실시예> 단면적이 점진적으로 확장되는 채널에서의 기포 제거
상기 비교예에서와 동일한 방법을 사용하고, 그 결과를 도 6 내지 도 9에 나타내었다.
도 6 내지 도 8로부터, 미세유체 채널 내에서 기체와 액체에 인가되는 압력차에 의해, 기체가 분리되어 채널 상단부로 이동하는 것이 관찰되었다. 도 9로부터 분리된 기체가 카트리지 외부와 연결되는 환기구 방향으로 이동하면서 제거되는 것이 관찰되었다.
따라서, 단면적이 점진적으로 확장되는 채널에서 기포가 효과적으로 제거됨을 알 수 있다.
이상 특정 실시예를 도시하고 설명하였으나, 본 발명의 기술사상은 첨부된 도면과 상기한 설명 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능함은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사실이며, 이러한 형태의 변형은 본 발명의 정신에 위배되지 않는 범위 내에서 본 발명의 특허청구범위에 속한다고 볼 것이다.
10, 20: 유량
30: 기체
100: 유체 주입부
200: 유체 수용부
300: 밸브
400: 채널
500, 600: 환기부

Claims (20)

  1. 단면적이 동일한 제1채널; 및
    상기 제1채널과 연결되며 단면적이 점진적으로 확장되는 제2채널을 포함하는 유체내 기체 제거를 위한 미세유체 채널.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미세유체 채널은 원심력에 의해 구동되는 것인, 미세유체 채널.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1채널은 회전축을 기준으로 90°미만의 기울기를 갖는 것인, 미세유체 채널.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2채널은 상기 제1채널의 길이 방향을 기준으로 90°미만의 기울기를 갖는 것인, 미세유체 채널.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1채널 및 제2채널은 독립적으로 유리, 실리콘, 실리콘 고무(silicon rubber), 이소보닐 아크릴레이트(isobonyl acrylate), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 폴리 디메틸 실록산(poly dimethyl siloxane), 폴리 메틸 메타크릴레이트(poly methyl methacrylate), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리비닐 클로라이드(polyvinyl chloride), 폴리실록산(polysiloxane), 폴리이미드(polyimide) 및 폴리우레탄(polyurethanes)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 조합을 포함하는 것인, 미세유체 채널.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 미세유체 채널은 라미네이팅 방법, 접착제 및 표면개질에 의한 접합 방법 또는 초음파 용착 방법으로 결합되는 것인, 미세유체 채널.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 미세유체 채널은 상기 제1채널 말단 또는 상기 제2채널 내부에 배리어를 더욱 포함하는 것인, 미세유체 채널.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 배리어는 폴리카프로락톤(polycaprolactone), 폴리스티렌 (polystyrene), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate), 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate), 디에틸카보네이트(diethylcarbonate), 디부틸프탈레이트(dibutyl phthalate), 디옥틸프탈레이트(dioctyl phthalate), 디이소옥틸프탈레이트(diisooctyl phthalate), 디헵틸노닐프탈레이트(diheptylnonyl phthalate), 트리토릴 포스페이트(tritolylphospate) 및 디옥틸아디페이트(dioctyl adipate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 조합을 포함하는 것인, 미세유체 채널.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 미세유체 채널 말단 상부로부터 외부와 연결되는 환기부를 더욱 포함하는 것인, 미세유체 채널.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 미세유체 채널 말단에 회전축 직각 방향으로 곡선형태로 구성되어 곡선 상부로부터 외부와 연결되는 환기부를 더욱 포함하는 것인, 미세유체 채널.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 유체는 단백질, DNA, RNA, 펩티드, 탄수화물, 박테리아, 식물, 곰팡이 및 동물 세포로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 조합을 포함하는 것인, 미세유체 채널.
  12. 원심력으로 구동되는 기판;
    유체 주입부;
    상기 유체 주입부와 연결되는 유체 수용부;
    상기 유체 수용부와 연결되며 단면적이 동일한 제1채널 및 상기 제1채널과 연결되며 단면적이 점진적으로 확장되는 제2채널; 및
    상기 유체의 흐름을 제어하기 위한 밸브를 포함하는, 미세유체 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1채널은 회전축을 기준으로 90°미만의 기울기를 갖는 것인, 미세유체 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제2채널은 상기 제1채널의 길이 방향을 기준으로 90°미만의 기울기를 갖는 것인, 미세유체 장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 미세유체 채널은 상기 제1채널 말단 또는 상기 제2채널 내부에 배리어를 더욱 포함하는 것인, 미세유체 채널.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 배리어는 폴리카프로락톤(polycaprolactone), 폴리스티렌 (polystyrene), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate), 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate), 디에틸카보네이트(diethylcarbonate), 디부틸프탈레이트(dibutyl phthalate), 디옥틸프탈레이트(dioctyl phthalate), 디이소옥틸프탈레이트(diisooctyl phthalate), 디헵틸노닐프탈레이트(diheptylnonyl phthalate), 트리토릴 포스페이트(tritolylphospate) 및 디옥틸아디페이트(dioctyl adipate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 조합을 포함하는 것인, 미세유체 장치.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 미세유체 채널 말단 상부로부터 외부와 연결되는 환기부를 더욱 포함하는 것인, 미세유체 장치.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 미세유체 채널 말단에 회전축 직각 방향으로 곡선형태로 구성되어 곡선 상부로부터 외부와 연결되는 환기부를 더욱 포함하는 것인, 미세유체 장치.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 유체는 단백질, DNA, RNA, 펩티드, 탄수화물, 박테리아, 식물, 곰팡이 및 동물 세포로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 조합을 포함하는 것인, 미세유체 장치.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 유체내 기체는 상기 제1채널로부터 상기 제2채널로 제거되는 것인, 미세유체 장치.

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