KR20180000080A - 원심교반기 및 이를 이용한 원심교반 측정장치 - Google Patents

원심교반기 및 이를 이용한 원심교반 측정장치 Download PDF

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김정호
박헌국
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경희대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 원심교반기는 내벽 및 상기 내벽을 둘러싸도록 배치되어 상기 내벽과 사이에 유체가 수용되는 수용공간을 형성하는 외벽을 포함하는 수용부, 상기 수용공간을 향해 전기장을 생성하는 전기장 발생부 및 상기 수용공간을 향해 자기장을 생성하는 자기장 발생부를 포함한다.

Description

원심교반기 및 이를 이용한 원심교반 측정장치{CENTRIFUGE MIXER AND TEST APPARATUS USING THE SAME}
본 발명은 원심교반기 및 이를 이용한 원심교반 측정장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 로렌츠 힘을 이용하여 유체가 원심을 중심으로 회전하며 교반되도록 하는 원심교반기 및 이를 이용한 원심교반 측정장치에 관한 것이다.
최근 들어 마이크로 토탈 분석 시스템(Micro Total Analysis System), 랩온어칩(lab-on-a-chip), 임상 진단(clinical diagnostics) 등의 여러 분야에서 미세유체역학 시스템(microfluidic systems)의 많은 적용 사례들이 보고되고 있다.
이러한 시스템들은 예를 들어 적혈구 변형능(deformability) 및 응집(aggregation)을 측정하거나 혈소판의 기능 및 약물반응 또는 시약의 교반에 사용될 수 있다.
혈소판 검사는 주로 선천성 혈소판기능이상이나 수술 전 선별검사나 혈소판의 수적 이상이 없는 출혈성 질환에서 선천성 혹은 후천성 혈소판 기능이상에 의한 출혈성 질환을 감별하는 데 중요한 검사이다.
최근에는 심혈관 및 뇌혈관 질환의 치료 및 예방에 사용되는 항혈소판 약제의 선택과정에 있어서 환자에 적합한 올바른 약재 선택을 위한 검사 및 약제의 장기간 복용으로 인한 출혈성 경향의 증가나 약제의 내성에 대한 검사를 위해서도 많이 이용되고 있다.
기존 상업용 적혈구 변형능 또는 응집을 측정하기 위해서 많은 양의 혈액 샘플을 필요하거나 검사자 숙련도가 필요하다. 상업용 혈소판 검사도 많은 양의 혈액 샘플을 필요하며 고비용 검사가 요구된다.
선행문헌(대한민국 공개특허 제10-2014-0009607호)에서는 회전 구동부 즉 모터와 같은 동력을 이용하여 미세유동장치에 수용된 혈액을 교반하는 내용이 개시되어 있다.
다만, 이와 같이 모터를 사용하여 혈액을 교반할 경우 미세유동장치 내부에서 모터와 가까운 위치에 있는 혈액과 모터와 멀리 떨어진 위치에 있는 혈액의 회전속도가 다를 수 있다.
따라서, 모터를 이용하여 혈액을 교반하여 각종 측정을 진행할 경우 측정 결과의 정확도가 떨어지는 문제점이 있을 수 있다. 이에 따라, 혈액을 보다 균일하고 원활하게 교반할 수 있는 교반기가 필요할 수 있다.
대한민국공개특허 제10-2014-0009607호 (등록일:2014.01.23)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 로렌츠 힘을 이용하여 유체가 균일하게 교반되도록 하는 원심교반기 및 이를 이용한 원심교반 측정장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면 내벽 및 상기 내벽을 둘러싸도록 배치되어 상기 내벽과 사이에 유체가 수용되는 수용공간을 형성하는 외벽을 포함하는 수용부, 상기 수용공간을 향해 전기장을 생성하는 전기장 발생부 및 상기 수용공간을 향해 자기장을 생성하는 자기장 발생부를 포함하는 원심교반기가 제공된다.
또한, 상기 전기장 발생부는 상기 수용부의 상기 내벽에 구비되는 제1전극 및 상기 수용부의 상기 외벽에 구비되는 제2전극을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1전극 및 상기 제2전극은 서로 대향되게 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1전극은 복수 개가 상기 내벽의 원주방향으로 일정 거리 이격되어 배치될 수 있다.
또한, 상기 제2전극은 복수 개가 상기 외벽의 원주방향으로 일정 거리 이격되어 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1전극은 복수 개가 상기 내벽의 상하방향으로 일정 거리 이격되어 배치될 수 있다.
또한, 상기 제2전극은 복수 개가 상기 외벽의 상하방향으로 일정 거리 이격되어 배치될 수 있다.
또한, 상기 수용부의 상기 내벽은 상기 외벽에 비해 길이가 짧게 형성되며, 상기 외벽에 의하여 상기 수용공간과 연통되는 보조수용공간이 형성될 수 있다.
또한, 상기 전기장 발생부는 상기 보조수용공간에 구비되며, 상기 보조수용공간의 중심으로부터 외측으로 이격 배치되는 제3전극 및 제4전극을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제3전극 및 상기 제4전극은 곡선 스트립형상인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면 본 발명의 일측면에 따른 원심교반기를 이용한 원심교반 측정장치는 상기 수용부의 외부에 배치되며, 상기 수용공간을 향해 빛을 조사하는 발광부 및 상기 수용부의 중공의 중심에 위치하며, 상기 발광부에서 조사한 상기 빛을 수광하는 수광부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 원심교반기 및 이를 이용한 원심교반 측정장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 전기장 발생부의 전극을 다양하게 배치하여 다양한 방향으로 로렌츠 힘을 형성함으로써 유체를 균일하게 교반할 수 있다.
둘째, 유체가 수용부의 중심을 중심으로 회전하도록 함으로써 유체를 균일하게 교반할 수 있다.
본 발명의 효과들은 상기 언급한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 원심교반기를 나타내는 단면도 및 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 원심교반기의 유체 흐름을 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 원심교반기의 유체 흐름을 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 원심교반기의 유체 흐름을 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제4실시예에 따른 원심교반기의 유체 흐름을 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 제5실시예 및 제6실시예에 따른 원심교반기를 나타내는 단면도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 제7실시예에 따른 원심교반기를 나타내는 단면도 및 사시도이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 제8실시예 및 제9실시예에 따른 원심교반기를 나타내는 사시도이다. 그리고,
도 13은 본 발명의 원심교반기를 이용한 원심교반 측정장치를 나타내는 단면도이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.
본 발명은 유체가 로렌츠 힘(Lorentz force)에 의하여 유동하여 원활하게 교반되도록 하기 위한 원심교반기 및 이를 이용한 원심교반 측정장치에 관한 것이다.
여기서 유체는 측정하려는 혈액 샘플과 전기전도성 유체의 혼합유체일 수 있다. 전기전도성 유체는 Phosphate buffer solution (PBS)과 같은 전해질이 사용될 수 있다.
이러한 전기전도성 유체는 유체 내에서 전류가 원활하게 전도되도록 할 수 있다. 따라서, 유체가 로렌츠 힘의 작용하에 원활하게 교반되도록 할 수 있다.
구체적으로, 도 1 및 도 2를 참조하여 보면, 본 발명의 제1실시예에 따른 원심교반기는 수용부(100), 전기장 발생부(200) 및 자기장 발생부(300)를 포함한다.
수용부(100)는 내벽(110) 및 내벽(110)을 둘러싸도록 배치되어 내벽(110)과 사이에 유체(A)가 수용되는 수용공간(100a)을 형성하는 외벽(120)을 포함할 수 있다.
이 때, 수용부(100)는 중공형태로 형성될 수 있으며, 내벽(110)과 외벽(120)은 수용부(100)의 중심을 둘러싸는 원기둥 모양으로 형성될 수 있다.
따라서, 내벽(110)과 외벽(120) 사이의 수용공간(100a)에 수용된 유체(A)는 수용부(100)의 중심을 중심으로 회전하며 교반될 수 있다.
수용부(100)가 원기둥 모양으로 형성된 것은 유체의 원활한 흐름을 위한 것이며, 원기둥 모양에 제한되는 것은 아니다.
전기장 발생부(200)는 수용공간(100a)을 향해 전기장(F1)을 생성할 수 있다.
또한, 전기장 발생부(200)는 수용부(100)의 내벽(110)에 구비되는 제1전극(210) 및 수용부(100)의 외벽(120)에 구비되는 제2전극(220)을 포함할 수 있다.
제1전극(210)은 내벽(110)의 외주면에 결합될 수 있고, 제2전극(220)은 외벽(120)의 내주면에 결합될 수 있다.
또한, 제1전극(210)과 제2전극(220)에 인가되는 전압 크기가 다를 수 있다. 따라서, 제1전극(210)과 제2전극(220) 사이의 전압차에 의하여 전류흐름이 생성되고, 이에 따라 전기장(F1)이 생성될 수 있다.
자기장 발생부(300)는 수용공간(100a)을 향해 자기장(F2)을 생성할 수 있다.
본 발명에서 자기장 발생부(300)는 수용부(100)의 저면에 구비되며, 수용공간(100a)을 향해 상하방향으로 자기장(F2)을 생성할 수 있다.
이는 전기장 발생부(200)에서 생성한 전기장(F1)에 수직방향으로 자기장(F2)을 생성하기 위한 것으로, 전기장 발생부(200)에서 생성된 전기장(F1)의 방향에 따라 자기장 발생부(300)의 설치 위치 역시 가변될 수 있다.
이와 같이, 수용공간(100a)에 수용된 유체에는 전기장 발생부(200)에서 생성된 전기장(F1)과 자기장 발생부(300)에서 생성된 자기장(F2)이 동시에 작용하게 되며, 이에 따라 수용공간(100a)에 로렌츠 힘(F3)이 생성될 수 있다.
따라서, 앞서 설명한 내용과 같이, 유체(A)에 혼합되어 있는 전기전도성 유체가 로렌츠 힘(F3)에 의하여 유동함에 따라 유체(A)에 포함된 혈액 이 원활하게 유동하며 교반될 수 있다.
이하 도 3 내지 도 8을 참조하여, 전기장 발생부(200)에 포함된 제1전극(210)과 제2전극(220)의 배치에 따른 로렌츠 힘(F3)의 변화 및 유체(A)의 흐름에 대하여 살펴본다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 원심교반기의 전기장 발생부(200)는 수용부(100)의 내벽(110)과 외벽(120) 전체를 감싸도록 형성될 수 있다.
이 때, 전기장(F1)과 자기장(F2)에 의하여 로렌츠 힘(F3)이 원주 방향(X)으로 생성될 수 있다. 따라서, 유체(A)가 수용부(100)의 원주방향(X)으로 회전하며 교반될 수 있다.
한편, 본 발명의 전기장 발생부(200)의 제1전극(210)은 복수 개가 내벽(110)의 원주방향(X)으로 일정 거리 이격되어 배치될 수 있다.
또한, 제2전극(220)은 복수 개가 외벽(120)의 원주방향(X)으로 일정 거리 이격되어 배치될 수 있다.
따라서, 제1전극(210)과 제2전극(220)의 배치 각도에 따라 전기장(F1)의 방향 및 로렌츠 힘(F3)의 방향이 다르게 형성될 수 있다.
구체적으로 도 4 내지 도 6을 참조하여 살펴본다.
우선, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1전극(210)과 제2전극(220)은 수용부(100)의 원주방향(X)으로 일정거리 이격되어 배치됨과 동시에 제1전극(210) 및 제2전극(220)은 서로 대향되게 배치될 수 있다.
이 때, 전기장(F1)은 제2전극(220)으로부터 제1전극(210)을 향할 수 있으며, 자기장 발생부(300)에서 생성된 자기장(F2)과 함께 원주방향(X)의 로렌츠 힘(F3)을 생성할 수 있다.
따라서, 로렌츠 힘(F3)의 작용하에 유체가 수용부(100)의 원주방향(X)을 따라 유동할 수 있다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 제2전극(220)만 원주방향(X)으로 복수 개가 이격되게 배치될 경우 제2전극(220)의 이격된 공간에서의 유체의 흐름은 제1전극(210)과 제2전극(220)이 대향되는 공간에서의 유체의 흐름과 다를 수 있다.
즉, 생성되는 로렌츠 힘(F3)의 방향이 다를 수 있다. 따라서, 제2전극(220)의 이격 거리는 수용공간(100a)에서 유체가 전체적으로 원주방향(X)을 따라 흐를 수 있는 범위의 이격 거리로 배치될 수 있다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1전극(210)과 제2전극(220)은 각각 복수 개가 내벽(110) 및 외벽(120)의 원주방향(X)으로 이격 배치되고, 서로 대향되지 않게 배치될 수 있다.
이 때, 제1전극(210)과 제2전극(220)에 의하여 생성된 로렌츠 힘(F3)은 도 5에 도시된 실시예에서 제1전극(210)과 제2전극(220)에 의하여 생성된 로렌츠 힘(F3)에 비해 수용부(100)의 외벽(120)을 향해 더 경사지게 형성될 수 있다.
뿐만 아니라, 수용부(100)의 내벽(110)을 향해 경사지게 형성되는 로렌츠 힘(F3)도 생성될 수 있다.
따라서, 제1전극(210)과 제2전극(220)이 서로 대향되지 않게 형성될 경우 유체는 수용부(100)의 내벽(110) 또는 외벽(120)에 부딪히면서 교반됨과 동시에 수용부(100)의 원주방향(X)을 따라 회전할 수 있다.
이에 따라, 유체의 교반이 더 균일하고 원활하게 이루어질 수 있다.
한편, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 제1전극(210)은 복수 개가 내벽(110)의 상하방향(Y)으로 일정 거리 이격되어 배치될 수 있다.
또는 제2전극(220)이 복수 개가 외벽(120)의 상하방향(Y)으로 일정 거리 이격되어 배치될 수 있다.
즉, 제1전극(210)과 제2전극(220)이 수용부(100)의 원주방향(X)이 아닌 상하방향(Y)으로 이격되게 배치될 경우 원주방향(X)으로 이격되게 배치될 경우에 비해 수용부(100)를 향해 생성되는 전기장(F1)의 방향 또는 세기가 다를 수 있다.
따라서, 유체에 작용되는 로렌츠 힘(F3)의 방향 및 세기가 다를 수 있다. 즉, 유체가 원주방향(X) 뿐만 아니라 상하방향(Y)으로도 유동할 수 있다.
따라서, 유체가 원주방향(X) 및 상하방향(Y)으로 유동하며 균일하게 교반될 수 있다.
한편, 본 발명의 제7실시예에 따른 원심교반기는 앞서 설명한 본 발명의 제1실시예에 따른 원심교반기와 같이, 수용부(100), 전기장 발생부(200) 및 자기장 발생부(300)를 포함한다.
다만, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 수용부(100)의 내벽(110)은 외벽(120)에 비해 길이가 짧게 형성되며, 외벽(120)에 의하여 수용공간(100a)과 연통되는 보조수용공간(100b)이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서는 보조수용공간(100b)에 수용된 유체를 더 원활하게 교반시키기 위하여 전기장 발생부(200)가 제3전극(230) 및 제4전극(240)을 더 포함할 수 있다.
제3전극(230)과 제4전극(240)은 보조수용공간(100b)에 구비되며, 보조수용공간(100b)의 중심으로부터 외측으로 이격 배치될 수 있다.
구체적으로, 도 11 및 도 12를 참조하여 보면, 제3전극(230)과 제4전극(240)은 보조수용공간(100b)의 바닥에 구비되며 수용부(100)의 원기둥 형상에 따라 제3전극(230) 및 제4전극(240)은 곡선 스트립형상인 것을 특징으로 한다.
이 때, 제3전극(230)과 제4전극(240) 사이의 전압차에 의하여 보조수용공간(100b)에 전기장(F1)이 생성될 수 있다. 이러한 전기장(F1)의 방향은 수용부(100)에 구비된 제1전극(210)과 제2전극(220)에 의하여 생성된 전기장(F1)과 다른 방향으로 형성될 수 있다.
한편, 자기장 발생부(300)에서 생성된 자기장(F2)과 제3전극(230) 및 제4전극(240)에 의하여 생성된 전기장(F1)에 의하여 보조수용공간(100b)에도 로렌츠 힘(F3)이 생성되며, 보조수용공간(100b)에 수용된 유체는 로렌츠 힘(F3)에 의하여 유동하며 교반될 수 있다.
또한, 제3전극(230)과 제4전극(240)의 배치구조에 따라 보조수용공간(100)에 수용된 유체는 수용부(100)의 원주방향(X)으로 회전함과 동시에 보조수용공간(100b)의 상하방향(Y)으로 유동하며 교반될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 원심교반기는 전기장 발생부(200)의 다양한 배치에 따라 전기장(F1)이 다양한 방향으로 생성되게 함으로써 유체가 단순히 원주방향(X)으로 회전하는 것이 아니라 원주방향(X)으로 회전함과 동시에 균일하게 교반되도록 할 수 있다.
한편, 도 13은 본 발명의 원심교반기를 이용한 원심교반 측정장치를 나타내는 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 원심교반 측정장치는 유체를 측정하기 위한 장치로서 앞서 설명한 원심교반기의 수용부(100), 전기장 발생부(200) 및 자기장 발생부(300) 외에 발광부(400)와 수광부(450)를 포함한다.
발광부(400)는 수용부(100)의 외부에 배치되며, 수용공간(100a)을 향해 빛을 조사할 수 있다.
수광부(450)는 수용부(100)의 중공의 중심에 위치하며, 발광부(400)에서 조사한 빛을 수광할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 원심교반기를 이용하여 유체를 교반한 후 발광부(400)를 사용하여 유체에 빛을 조사하면 빛이 수용부(100)의 외벽(120), 유체 및 내벽(110)을 통과하여 수광부(450)에 의하여 수광될 수 있다.
수광부(450)를 통해 수광된 빛을 분석하면 유체의 변화 예를 들어 적혈구 응집율 등에 대한 결과를 얻을 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
100: 수용부 100a: 수용공간
100b: 보조수용공간 110: 내벽
120: 외벽 200: 전기장 발생부
210: 제1전극 220: 제2전극
230: 제3전극 240: 제4전극
300: 자기장 발생부 400: 발광부
450: 수광부 F1: 전기장
F2: 자기장 F3: 로렌츠 힘
X: 원주방향 Y: 상하방향
A: 유체

Claims (11)

  1. 내벽 및 상기 내벽을 둘러싸도록 배치되어 상기 내벽과 사이에 유체가 수용되는 수용공간을 형성하는 외벽을 포함하는 수용부;
    상기 수용공간을 향해 전기장을 생성하는 전기장 발생부; 및
    상기 수용공간을 향해 자기장을 생성하는 자기장 발생부;
    를 포함하는 원심교반기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기장 발생부는,
    상기 수용부의 상기 내벽에 구비되는 제1전극 및 상기 수용부의 상기 외벽에 구비되는 제2전극을 포함하는 원심교반기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1전극 및 상기 제2전극은 서로 대향되게 배치되는 원심교반기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1전극은 복수 개가 상기 내벽의 원주방향으로 일정 거리 이격되어 배치되는 원심교반기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제2전극은 복수 개가 상기 외벽의 원주방향으로 일정 거리 이격되어 배치되는 원심교반기.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1전극은 복수 개가 상기 내벽의 상하방향으로 일정 거리 이격되어 배치되는 원심교반기.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제2전극은 복수 개가 상기 외벽의 상하방향으로 일정 거리 이격되어 배치되는 원심교반기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 수용부의 상기 내벽은 상기 외벽에 비해 길이가 짧게 형성되며,
    상기 외벽에 의하여 상기 수용공간과 연통되는 보조수용공간이 형성되는 원심교반기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전기장 발생부는,
    상기 보조수용공간에 구비되며, 상기 보조수용공간의 중심으로부터 외측으로 이격 배치되는 제3전극 및 제4전극을 더 포함하는 원심교반기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제3전극 및 상기 제4전극은 곡선 스트립형상인 것을 특징으로 하는 원심교반기.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 원심교반기를 이용한 원심교반 측정장치에 있어서,
    상기 수용부의 외부에 배치되며, 상기 수용공간을 향해 빛을 조사하는 발광부; 및
    상기 수용부의 중공의 중심에 위치하며, 상기 발광부에서 조사한 상기 빛을 수광하는 수광부;
    를 포함하는 원심교반 측정장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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