KR20190043246A - 미세 유체 소자 및 상기 미세 유체 소자의 제조 방법 - Google Patents

미세 유체 소자 및 상기 미세 유체 소자의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

일 실시예에 따른 미세 유체 소자는, 제1 압전기판; 상기 제1 압전기판의 상면과 서로 마주보도록 배치된 제2 압전기판; 상기 제1 압전기판의 상면에 패터닝되는 제1 트랜스듀서; 상기 제2 압전 기판의 하면에 패터닝되는 제2 트랜스듀서; 및 상기 제1 압전기판 및 상기 제2 압전기판 사이에 배치되는 미세유동 채널;을 포함하고, 상기 제1 트랜스듀서 또는 상기 제2 트랜스듀서에서 발생된 표면탄성파가 상기 미세유동 채널에 전달되어 상기 미세유동 채널 내 3차원 유동을 발생시킬 수 있다.

Description

미세 유체 소자 및 상기 미세 유체 소자의 제조 방법{MICROFLUIDIC DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 미세 유체 소자 및 상기 미세 유체 소자의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 미세유동 채널 내의 유체 또는 미세입자의 유동을 3차원적으로 제어할 수 있는 미세 유체 소자 및 상기 미세 유체 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
마이크론 크기의 미세환경 내에서의 미세유체 및 입자를 제어하는 기술은 생화학 연구 및 의학 분석 분야 등 여러 분야에서 중요한 역할을 한다. 그러나 미세유체혼합에 대한 주제에 있어서, 대부분의 미세유체소자 내의 유동은 낮은 레이놀즈 수를 갖는 층류 유동으로서, 신속하고 균일한 혼합이 쉽지 않다. 따라서, 미세유동채널 내에서의 유체혼합은 주로 분자 확산에 의존하여, 그 효율이 매우 낮다. 이에 다양한 방식을 통해 빠르고 균일하게 서로 다른 두 유체를 혼합할 수 있는 기술을 개발하기 위한 많은 시도가 이루어져 왔다.
외부의 힘을 이용하지 않는 수동적인 방식으로는 미세유동 채널의 구조를 지그재그 구조, 헤링본 구조, 3차원 다층 구조 등으로 변화시켜 유체를 혼합하고자 하는 연구가 진행되었다. 이러한 방식은 두 유체 사이 계면의 너비를 증가시키고 층류 유동으로 흘러가는 유동을 방해하여 유체 혼합 효율을 높이고자 하는 방식이다.
이를 위해서는 정교한 미세유동 채널의 설계 및 복잡한 제작 과정이 필요할 수 있다. 또한, 미세유동 채널 내에서 아주 빠른 유동속도를 이용하여 높은 레이놀즈 수를 갖는 난류를 발생시킴으로써 유체를 혼합시키는 방법도 사용되었다. 이를 위해서는 높은 유동 속도에 의해 미세유동 채널 내에서 발생하는 큰 압력 차를 견디기 위해 미세유체소자 내에 특별한 화학적 처리가 필요할 수 있다.
한편, 외부에서 미세유체소자 내에 힘을 가하는 능동적인 유체 혼합 방식으로서, 전기, 자성, 광학, 압력, 열 등을 이용하는 방식이 개발되었다. 이러한 소자들은 외부에서 힘을 가해줌에 따라 유체 혼합에 필요한 시간을 크게 단축시킬 수 있다는 장점이 있다.
최근, 마이크로-, 나노-크기의 미세유동 채널의 계면에서 불균일한 전기장을 이용하여 유체를 혼합하는 방법이 개발되기도 하였다. 나노 채널의 입구 근처에 집중되어 형성되는 강한 전기장에 의하여 소용돌이가 발생하고 이를 통해 유체를 혼합시키는 것이다. 이 방법은 마이크로-, 나노-크기의 채널을 제작하기 위하여 다중 공정 프로세스가 요구될 수 있다.
최근, 음향파 (acoustic wave) 기반의 유체 혼합 방식이 비침습적이며 사용의 간편함으로 인하여 크게 주목을 받고 있다. 압전기판과 초음파 트랜스듀서를 이용하면 음향파를 발생시켜 미세유동 채널 내에서의 이류를 통해 유체의 혼합 효율을 증대시키고 혼합에 요구되는 시간을 단축시킬 수 있다. 기존 진행된 연구로서 미세유동 채널 내의 말발굽 형태의 구조물에 미세공기방울을 갇히게 한 후, 이를 음향파를 이용해 진동하게 하여 주변 유체의 유동을 방해하는 방법도 개발되었다.
일 실시예에 따른 목적은 제1 압전기판 및 제2 압전기판이 미세유동 채널의 상단 및 하단에 배치되어 미세유동 채널의 높이가 높아짐에 따른 표면탄성파의 에너지 소실을 방지하고 표면탄성파의 에너지 전달 효율을 향상시킬 수 있는 미세 유체 소자 및 상기 미세 유체 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 제1 트랜스듀서 및 제2 트랜스듀서에 인가되는 전기 에너지의 개별적 또는 동시적 제어를 통하여 미세유동 채널 내의 유체 또는 미세입자(특히, 나노 입자)를 가변적으로 또는 3차원적으로 제어할 수 있는 미세 유체 소자 및 상기 미세 유체 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 미세유동 채널 내 3차원 유동을 발생시켜 유체의 혼합을 원활하게 일으킬 수 있는 미세 유체 소자 및 상기 미세 유체 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 미세유동 및 입자 제어에 대한 효율을 향상시키고 고수율로 처리 가능할 뿐만 아니라 넓은 범위의 작동주파수에서 다양한 기능을 수행할 수 있는 미세 유체 소자 및 상기 미세 유체 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 미세유체의 혼합, 미세입자나 세포(예를 들어, 암세포, 박테리아, 혈액세포) 등의 분리나 농축 등에 활용될 수 있는 미세 유체 소자 및 상기 미세 유체 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 온도 변화를 이용하지 않고 미세유동 채널 내의 유체 또는 미세입자의 유동을 발생시킴으로써 온도에 민감한 단백질, 세포 등의 입자를 제어할 수 있는 미세 유체 소자 및 상기 미세 유체 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 미세 유체 소자는, 제1 압전기판; 상기 제1 압전기판의 상면과 서로 마주보도록 배치된 제2 압전기판; 상기 제1 압전기판의 상면에 패터닝되는 제1 트랜스듀서; 상기 제2 압전 기판의 하면에 패터닝되는 제2 트랜스듀서; 및 상기 제1 압전기판 및 상기 제2 압전기판 사이에 배치되는 미세유동 채널;을 포함하고, 상기 제1 트랜스듀서 또는 상기 제2 트랜스듀서에서 발생된 표면탄성파가 상기 미세유동 채널에 전달되어 상기 미세유동 채널 내 3차원 유동을 발생시킬 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 제1 트랜스듀서에서 발생된 표면탄성파는 상기 미세유동 채널의 하측에 전달되고, 상기 제2 트랜스듀서에서 발생된 표면탄성파는 상기 미세유동 채널의 상측에 전달될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 제1 트랜스듀서 및 상기 제2 트랜스듀서는 상기 미세유동 채널을 사이에 두고 서로 어긋나게 배치될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 제1 트랜스듀서 및 상기 제2 트랜스듀서는 상기 미세유동 채널을 사이에 두고 서로 마주보도록 배치될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 미세유동 채널의 일단에는 적어도 하나의 유체 주입구가 구비되어, 상기 적어도 하나의 유체 주입구에 주입된 유체가 상기 미세유동 채널 내에서 혼합될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 제1 트랜스듀서 또는 상기 제2 트랜스듀서에 의해 발생되는 표면탄성파를 제어하는 제어부;를 더 포함하고, 상기 제어부에 의해 상기 미세유동 채널 내 상기 유체 또는 미세입자의 유동이 3차원적으로 제어될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 미세 유체 소자의 제조 방법은, 제1 압전기판에 제1 트랜스듀서를 패터닝하는 단계; 제2 압전기판에 제2 트랜스듀서를 패터닝하는 단계; 및 상기 제1 압전기판 및 상기 제2 압전기판 사이에 미세입자를 포함하는 유체가 흐르는 미세유동 채널을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 제1 압전기판은 상기 미세유동 채널의 하단에 접합되고, 상기 제2 압전기판은 상기 미세유동 채널의 상단에 접합될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 제1 압전기판 및 상기 제2 압전기판 사이에 미세입자를 포함하는 유체가 흐르는 미세유동 채널을 형성하는 단계는, 상기 미세유동 채널의 형상으로 마련된 마스터몰드의 상면에 상기 제1 압전기판을 가역 접합시키는 단계; 상기 마스터몰드에 광경화 물질을 주입하는 단계; 상기 광경화 물질을 1차 광경화시키는 단계; 상기 마스터몰드를 제거하는 단계; 상기 제1 압전기판과 마주보도록 상기 광경화 물질로 이루어진 미세유동 채널에 상기 제2 압전기판을 접합시키는 단계; 및 상기 광경화 물질을 2차 광경화시키는 단계;를 포함할 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 마스터몰드의 상면에는 상기 제1 압전기판의 정렬을 위한 얼라인 마커가 구비되고, 상기 미세유동 채널의 형상으로 마련된 마스터몰드의 상면에 상기 제1 압전기판을 가역 접합시키는 단계에서, 상기 제1 압전기판을 상기 얼라인 마커에 맞춘 다음 상기 마스터몰드의 상면에 상기 제1 압전기판을 가역 접합시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 미세 유체 소자 및 상기 미세 유체 소자의 제조 방법에 의하면, 제1 압전기판 및 제2 압전기판이 미세유동 채널의 상단 및 하단에 배치되어 미세유동 채널의 높이가 높아짐에 따른 표면탄성파의 에너지 소실을 방지하고 표면탄성파의 에너지 전달 효율을 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 미세 유체 소자 및 상기 미세 유체 소자의 제조 방법에 의하면, 제1 트랜스듀서 및 제2 트랜스듀서에 인가되는 전기 에너지의 개별적 또는 동시적 제어를 통하여 미세유동 채널 내의 유체 또는 미세입자(특히, 나노 입자)를 가변적으로 또는 3차원적으로 제어할 수 있다.
일 실시예에 따른 미세 유체 소자 및 상기 미세 유체 소자의 제조 방법에 의하면, 미세유동 채널 내 3차원 유동을 발생시켜 유체의 혼합을 원활하게 일으킬 수 있다.
일 실시예에 따른 미세 유체 소자 및 상기 미세 유체 소자의 제조 방법에 의하면, 미세유동 및 입자 제어에 대한 효율을 향상시키고 고수율로 처리 가능할 뿐만 아니라 넓은 범위의 작동주파수에서 다양한 기능을 수행할 수 있다.
일 실시예에 따른 미세 유체 소자 및 상기 미세 유체 소자의 제조 방법에 의하면, 미세유체의 혼합, 미세입자나 세포(예를 들어, 암세포, 박테리아, 혈액세포) 등의 분리나 농축 등에 활용될 수 있다.
일 실시예에 따른 미세 유체 소자 및 상기 미세 유체 소자의 제조 방법에 의하면, 온도 변화를 이용하지 않고 미세유동 채널 내의 유체 또는 미세입자의 유동을 발생시킴으로써 온도에 민감한 단백질, 세포 등의 입자를 제어할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 미세 유체 소자를 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 미세 유체 소자의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3a 내지 3d는 일 실시예에 따른 미세 유체 소자의 제조 과정을 도시한다.
도 4a 내지 4e는 느린 유동 조건에서 두 유체의 와류효과를 도시한다.
도 5a 내지 5e는 미세유동 채널 내 미세유체의 혼합 결과를 도시한다.
도 6a 및 6b는 단일 표면탄성파(single SAW) 및 이중 표면탄성파(single SAW)에 대한 미세입자의 거동을 도시한다.
이하, 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시예에 기재한 설명은 다른 실시예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 미세 유체 소자를 도시한다.
도 1을 참조하여, 일 실시예에 따른 미세 유체 소자(10)는 제1 압전기판(100), 제2 압전기판(200), 제1 트랜스듀서(300), 제2 트랜스듀서(400) 및 미세유동 채널(500)을 포함할 수 있다.
상기 제1 압전기판(100) 및 제2 압전기판(200)은 전기에너지를 가했을 때 진동과 같은 기계적 에너지로 변환할 수 있도록 압전 물질로 마련된 기판으로서, 상기 압전 물질은 예를 들어 리튬나이오베이트(LiNbO3) 또는 쿼츠(Quartz)로 될 수 있다. 이때, 제1 압전기판(100) 및 제2 압전기판(200)에 전기적 에너지를 가하면 기계적으로 수축 또는 팽창할 수 있다.
이때, 제1 압전기판(100)은 미세유동 채널(500)을 기준으로 하판이 되고, 제2 압전기판(200)은 미세유동 채널(500)을 기준으로 상판이 될 수 있다.
다시 말해서, 제1 압전기판(100) 및 제2 압전기판(200)은 서로 상하로 마주보도록 배치될 수 있으며, 특히 제2 압전기판(200)이 제1 압전기판(100)의 상면과 마주보도록 배치될 수 있다.
전술된 제1 압전기판(100) 및 제2 압전기판(200)에는 제1 트랜스듀서(300) 및 제2 트랜스듀서(400)가 각각 배치될 수 있다.
상기 제1 트랜스듀서(300)는 제1 압전기판(100)의 상면에 패터닝되고, 제1 압전기판(100)으로 전기 에너지를 인가하여 제1 표면탄성파(A)를 발생시킬 수 있고, 제2 트랜스듀서(400)는 제2 압전기판(200)의 하면에 패터닝되고, 제2 압전기판(200)으로 전기 에너지를 인가하여 제2 표면탄성파(B)를 발생시킬 수 있다.
또한, 제1 트랜스듀서(300) 및 제2 트랜스듀서(400)는 예를 들어 인터디지털 트랜스듀서(interdigital transducer)로 마련될 수 있으며, 손가락이 엇갈려 있는 형태의 전극을 평행한 형태로 또는 집중된 형태로 설계하여 제1 압전기판(100) 및 제2 압전기판(200) 상에 패터닝할 수 있다.
이때, 제1 트랜스듀서(300) 및 제2 트랜스듀서(400)를 구성하는 전극의 구조 또는 배치를 다양하게 설계함으로써, 제1 트랜스듀서(300) 및 제2 트랜스듀서(400)에서 발생되는 표면탄성파의 제어를 더욱 다양화시킬 수 있음은 당연하다.
구체적으로, 제1 트랜스듀서(300)가 한 쌍의 제1 트랜스듀서로 마련되고, 제2 트랜스듀서(400)가 한 쌍의 제2 트랜스듀서로 마련되는 경우, 한 쌍의 제1 트랜스듀서(300)는 미세유동 채널(500)의 하단을 기준으로 서로 이격 배치되고, 한 쌍의 제2 트랜스듀서(400)는 미세유동 채널(500)의 상단을 기준으로 서로 이격 배치될 수 있다. 이때, 한 쌍의 제1 트랜스듀서(300) 및 한 쌍의 제2 트랜스듀서(400)는 미세유동 채널(500)을 기준으로 서로 마주보도록 배치될 수 있다.
전술된 한 쌍의 제1 트랜스듀서(300) 및 한 쌍의 제2 트랜스듀서(400)의 배치에 의해서, 한 쌍의 제1 트랜스듀서(300)에서 발생된 제1 표면탄성파(A)는 미세유동 채널(500)의 일측, 예를 들어 하측을 향하여 전달되고 제2 한 쌍의 트랜스듀서(400)에서 발생된 제2 표면탄성파(B)는 미세유동 채널(500)의 일측과 마주보는 타측, 예를 들어 상측을 향하여 전달될 수 있다.
또한, 제1 압전기판(100)에 한 개의 제1 트랜스듀서(300)가 패터닝되고, 제2 압전기판(200)에 한 개의 제2 트랜스듀서(400)가 패터닝될 수 있으며, 한 개의 제1 트랜스듀서(300)과 한 개의 제2 트랜스듀서(400)는 미세유동 채널(500)을 기준으로 서로 어긋나게 또는 대각선으로 배치될 수 있다.
또는, 제1 압전기판(100)에 세 개 이상, 예를 들어, 세 개, 두 쌍, 다섯 개, 세 쌍 등의 제1 트랜스듀서(300)가 패터닝되고 제2 압전기판(200)에 세 개 이상의 세 개, 두 쌍, 다섯 개, 세 쌍 등의 제2 트랜스듀서(400)가 패터닝될 수 있으며, 세 개 이상의 제1 트랜스듀서(300) 및 세 개 이상의 제2 트랜스듀서(400)가 각각 제1 압전기판(100) 및 제2 압전기판(200) 상에서 다양하게 배치될 수 있다.
전술된 바와 같이 제1 압전기판(100) 및 제2 압전기판(200) 상에서 제1 트랜스듀서(300) 및 제2 트랜스듀서(400)의 배치는 제1 트랜스듀서(300)에서 발생한 표면탄성파(A) 및 제2 트랜스듀서(400)에서 발생한 표면탄성파(B)가 미세유동 채널(500)에 표면탄성파를 전달할 수 있다면 어느 것이든지 가능할 수 있다.
또한, 제1 트랜스듀서(300) 및 제2 트랜스듀서(400)에서 발생된 표면탄성파의 음향 파력은 미세 액적 또는 미세유동 채널(500) 내의 유체 또는 미세입자 등을 제어할 수 있다.
미세유동 채널(500) 내의 유체와 맞닿은 표면탄성파는 제1 압전기판(100) 및 제2 압전기판(200)의 표면을 따라 진행하던 속도(-3900m/s)보다 그 속도가 감소하게 된다(-1495m/s). 이러한 속도 차이에 의해서 유체 내로 전달되는 표면탄성파는 다음의 식에 의해 정의되는 각(23도)을 가지며 굴절되고, 이를 Rayleigh 각이라고 한다.
Figure pat00001
한편, 제1 트랜스듀서(300) 또는 제2 트랜스듀서(400)와 같이 미세 전극을 서로 마주보는 위치에 두고 각각의 표면탄성파가 교차하여 진행하도록 하면 두 파의 중첩 및 상쇄에 의하여 정상표면탄성파(Standing surface acoustic wave, SSAW)가 형성된다. 이에 의해 진동에너지가 최대로 발생하는 지점을 반압력점(anti-pressure node)이라고 하며, 상쇄현상에 의해 진동에너지가 최소가 되는 지점을 압력점(pressure-node)이라고 한다. 마주보는 전극 사이의 영역에 위치한 미세유동 채널(500) 내에서 입자는 정상표면탄성파에 의해 힘을 받아 압력점 또는 반압력점으로 이동하게 되는데 이때 받는 힘은 다음과 같이 정의된다.
Figure pat00002
이때,
Figure pat00003
이고,
Figure pat00004
이다.
여기에서 p0, λ, Vc는 탄성압, 파장, 대상 미세입자의 부피를 의미하고 ρc, ρw, βc, βw는 각각 입자의 밀도, 매질의 밀도, 입자의 압축성, 매질의 압축성을 의미한다. 또한, P, Z, A는 각각 입력전력, 전극의 임피던스, 표면탄성파가 미치는 영역의 면적을 의미한다. Φ는 미세 입자가 압력점 혹은 반압력점 중 어느 쪽으로 이동할지를 결정하는 값으로서 Φ>0인 경우 미세입자는 압력점으로 이동하고, Φ<0인 경우 미세입자는 반압력점으로 이동하게 된다.
이와 같이 제1 트랜스듀서(300) 또는 제2 트랜스듀서(400)에서 발생하는 표면탄성파 혹은 정상표면탄성파에 의하여 미세유동 채널(500) 내에 유동이 발생되며, 이를 통해 유동 중인 유체 및 유체 내에 부유된 미세입자의 제어가 가능하게 된다.
이때, 구체적으로 도시되지는 않았으나, 제1 트랜스듀서(300) 또는 제2 트랜스듀서(400)에는 제어부(미도시)가 연결될 수 있으며, 제어부에 의해 제1 트랜스듀서(300) 또는 제2 트랜스듀서(400)에서 발생되는 표면탄성파가 제어될 수 있고, 결과적으로 미세유동 채널(500) 내 유체 또는 미세입자(특히, 나노 입자)의 유동이 3차원적으로(또는 공간적으로) 제어될 수 있다.
한편, 전술된 바와 같이 제1 압전기판(100) 및 제2 압전기판(200) 사이에는 미세입자를 포함하는 유체가 흐르는 미세유동 채널(500)이 배치될 수 있다.
상기 미세유동 채널(500)은 제1 트랜스듀서(300)에서 발생된 제1 표면탄성파(A) 또는 제2 트랜스듀서(400)에서 발생된 제2 표면탄성파(B)가 전달되는 위치에 배치될 수 있다.
또한, 미세유동 채널(500)은 제1 트랜스듀서(300) 또는 제2 트랜스듀서(400)에서 발생하는 표면탄성파(A 또는 B)의 진행방향에 대하여 수직하는 방향으로 연장되게 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 트랜스듀서(300) 또는 제2 트랜스듀서(400)에서 발생하는 표면탄성파(A 또는 B)의 진행방향이 제1 압전기판(100) 또는 제2 압전기판(200)의 가로 방향이라면, 미세유동 채널(500)은 제1 압전기판(100) 또는 제2 압전기판(200)의 세로 방향으로 연장되게 형성될 수 있다.
이때, 미세유동 채널(500)의 일단에는 적어도 하나의 유체 주입구(502, 504)가 구비되고, 미세유동 채널(500)의 타단에는 적어도 하나의 유체 배출구(506)가 구비될 수 있다.
예를 들어, 적어도 하나의 유체 주입구(502, 504) 및 적어도 하나의 유체 배출구(506)에는 유체의 주입 및 배출을 위한 튜브가 연결되고 에폭시 본드 등의 접착제를 이용하여 고정시킬 수 있다.
전술된 바와 같이 제1 트랜스듀서(300) 및 제2 트랜스듀서(400)에서 발생한 표면탄성파에 의해 적어도 하나의 유체 주입구(502, 504)에 주입된 적어도 하나의 유체가 미세유동 채널(500) 내에서 혼합될 수 있다.
도 1에는 일 실시예에 따른 미세 유체 소자(10)가 두 개의 서로 다른 유체를 혼합하는 경우에 활용되어 유체 주입구가 2개로 마련되고, 유체 배출구가 1개로 마련되는 경우를 예로 들어 도시되었으나, 유체 주입구 또는 유체 배출구의 개수는 이에 국한되지 아니하며 일 실시예에 따른 미세 유체 소자(10)의 활용되는 분야에 따라서 다양한 채널이나 챔버의 구조가 마련될 수 있음은 당연하다.
또한, 도 1에는 적어도 하나의 유체 주입구(502, 504) 및 적어도 하나의 유체 배출구(506)가 제2 압전기판(200)의 상면에서 관통되는 형태로 도시되었으나, 적어도 하나의 유체 주입구(502, 504) 및 적어도 하나의 유체 배출구(506)가 제1 압전기판(100) 및 제2 압전기판(200)의 일측면과 타측면에 형성될 수 있음은 당연하다.
한편, 제1 트랜스듀서(300) 및 제2 트랜스듀서(400)에 전압을 인가하여 제1 표면탄성파(A) 및 제2 표면탄성파(B)가 각각 발생되는데, 제1 표면탄성파(A) 및 제2 표면탄성파(B)는 모두 미세유동 채널(500)을 향하여 진행하게 되고, 미세유동 채널(500) 내 3차원 내부유동을 발생시킬 수 있다.
따라서 제1 트랜스듀서(300) 및 제2 트랜스듀서(400)에서 발생되는 제1 표면탄성파(A) 및 제2 표면탄성파(B)를 제어함으로써 미세유동 채널(500) 내 내부유동을 3차원적으로 제어하여, 미세유동 채널(500) 내 유체 또는 미세입자를 다양하게 제어할 수 있다.
예를 들어, 제1 트랜스듀서(300) 및 제2 트랜스듀서(400)에서 발생되는 제1 표면탄성파(A) 및 제2 표면탄성파(B), 즉 이중 표면탄성파(dual SAW)에 의해 미세유동 채널(500) 내에서 유체가 동일한 방향으로 순환되도록 내부 유동이 발생될 수 있으며, 이에 따라서 미세유동 채널(500) 내에서 유체 혼합이 더 빠르고 효율적으로 이루어질 수 있다.
게다가, Rayleigh 각을 갖는 상태로 표면탄성파가 미세유동 채널(500)에 전달되면 파에너지가 소실하게 되어 높이가 높은 미세유동 채널(500)에 에너지가 온전히 전달되지 못할 수 있다. 이때 미세유동 채널(500)의 높이는 미세유체 혼합이나 분리에 있어 처리량과 관련되므로, 미세유동 채널(500)의 높이에 관계없이 파에너지의 전달 효율을 향상시킬 필요성이 있다.
특히, 일 실시예에 따른 미세 유체 소자(10)는 미세유동 채널(500)의 상단 및 하단에 접합된 복수 개의 압전기판 또는 다중 압전기판을 사용함으로써 미세유동 채널(500)의 높이가 높은 경우에도 단일 압전기판을 사용하는 경우보다 파에너지의 전달 효율을 향상시킬 수 있으며, 고효율 또는 고수율로 미세유체를 처리할 수 있다.
이상 일 실시예에 따른 미세 유체 소자에 대하여 설명되었으며, 이하에서는 일 실시예에 따른 미세 유체 소자의 제조 방법에 대하여 설명된다.
도 2는 일 실시예에 따른 미세 유체 소자의 제조 방법을 나타내는 순서도이고, 도 3a 내지 3d는 일 실시예에 따른 미세 유체 소자의 제조 과정을 도시한다.
도 2를 참조하여, 일 실시예에 따른 미세 유체 소자는 다음과 같이 제조될 수 있다.
우선, 제1 압전기판에 제1 트랜스듀서를 패터닝하고(S10), 제2 압전기판에 제2 트랜스듀서를 패터닝한다(S20).
이때, 제1 트랜스듀서 또는 제2 트랜스듀서는 예를 들어 SPUDT(Single-Phase Uni-Directional Transducer) 형태의 미세 전극으로 이루어질 수 있다. 그러나 제1 트랜스듀서 또는 제2 트랜스듀서의 형태 또는 배치가 다양하게 이루어질 수 있음은 당연하다.
이어서, 제1 압전기판 및 제2 압전기판 사이에 미세입자를 포함하는 유체가 흐르는 미세유동 채널을 형성한다(S30).
이때, 제1 압전기판은 미세유동 채널의 하단에 접합되고, 제2 압전기판은 미세유동 채널의 상단에 접합될 수 있다.
특히, 도 3a 내지 3d를 더 참조하여, 제1 압전기판 및 제2 압전기판 사이에 미세입자를 포함하는 유체가 흐르는 미세유동 채널을 형성하는 단계는 다음과 같이 수행될 수 있다.
우선, 미세유동 채널의 형상으로 마련된 마스터몰드(M)의 상면에 제1 압전기판(100)을 가역 접합시킨다(S31).
이때, 미세유동 채널의 형상으로 마련된 마스터몰드(M)는 반도체 식각 공정을 통해 제작된 PDMS 채널이 이용될 수 있다. 이때, 마스터몰드(M)에는 제1 압전기판(100)에 패터닝된 제1 트랜스듀서(300)의 위치를 정확하게 조절 하기 위해서 또는 정렬시키기 위해서 얼라인 마커(A)가 구비될 수 있으며, 예를 들어 얼라인 마커(A)에 제1 압전기판(100)의 단부를 맞춘 다음에 마스터몰드(M)의 상면에 제1 압전기판(100)을 가역 접합시킬 수 있다.
그런 다음, 마스터몰드(M)에 광경화 물질(N)을 주입한다(S32).
이때, 광경화 물질(N)은 미세유동 채널을 구성하는 것으로서, 예를 들어 자외선에 의해 경화될 수 있는 NOA(Norland Optical Adhesive)가 이용될 수 있다.
이어서, 광경화 물질(N)을 1차 광경화시키고(S33), 마스터몰드를 제거한다(S34).
예를 들어 광경화 물질(N)은 약 60초간 자외선에 노광된다. 이때, 광경화 물질(N)은 완전히 경화되지 않고, 마스터몰드(M)를 제거해도 그 형태를 유지할 수 있을 정도의 경화 정도를 유지할 수 있다. 다시 말해서, 이때 광경화 물질(N)에 의해 형성된 미세유동 채널(500)은 불완전 경화상태의 채널이 될 수 있다.
그런 다음, 제1 압전기판(100)과 마주보도록 광경화 물질(N)로 이루어진 미세유동 채널(500)에 제2 압전기판(200)을 접합시키며(S36), 광경화 물질을 2차 광경화시킨다(S37).
구체적으로, 광경화 물질(N)로 이루어진 미세유동 채널(500)이 제1 압전기판(100) 상에 위치되도록 제1 압전기판(100)을 뒤집고, 미세유동 채널(500)의 상면에 제2 압전기판(200)을 접합시킨 후에, 추가 자외선 노광을 통하여 2차 광경화시킨다. 이에 의해 제2 압전기판(200)이 광경화 물질(N)로 이루어진 미세유동 채널(500)에 접합되고, 미세유동 채널(500) 또한 사용 가능하도록 완전히 경화될 수 있다.
이하에서는 일 실시예에 따른 미세 유체 소자를 이용한 실험 결과에 대하여 설명된다.
도 4a 내지 4e는 느린 유동 조건에서 두 유체의 와류효과를 도시하고, 도 5a 내지 5e는 미세유동 채널 내 미세유체의 혼합 결과를 도시하고, 도 6a 및 6b는 단일 표면탄성파(single SAW) 및 이중 표면탄성파(single SAW)에 대한 미세입자의 거동을 도시한다.
도 4a 내지 4e를 참조하여, 느린 유동 조건에서 두 유체의 와류효과를 확인할 수 있다.
이때, 도 4a 내지 4d는 시간 변화에 따른 변화 양상을 나타내고, 도 4e는 3차원적 와류 효과에 대한 결과를 나타낸다.
구체적으로, 제1 압전기판 및 제2 압전기판에 패터닝된 제1 트랜스듀서 및 제2 트랜스듀서에서 발생하는 표면탄성파를 통하여 미세유동 채널 내에 내부 유동이 형성될 수 있다. 이때, 표면탄성파에 의하여 미세유동채널 내에는 한쪽 방향으로 내부 유동이 형성된다. 이는 채널에 주입되어 층류 유동을 유지하며 흘러가는 증류수와 140nm 크기의 형광나노입자가 부유된 용액을 통해 가시화할 수 있다.
내부유동의 가시화를 위하여 두 유체는 1㎕/min의 느린 유동율로 주입되었으며, 14V의 전압을 제1 트랜스듀서 및 제2 트랜스듀서에 인가하였다. 표면탄성파의 영향이 없는 상태(t = 0ms)에서는 층류 유동이 유지되지만 표면탄성파의 발생 이후 시간이 흐름에 따라 초록색으로 나타나는 형광입자 부유 용액이 유동 중 한쪽으로 밀리며 소용돌이치는 형상을 보인다(t = 30, 60ms). t = 90ms일 때 형광입자 부유용액이 미세유동 채널의 반대쪽 벽까지 닿는 것이 확인되어 내부유동의 형성을 확인할 수 있었다.
또한, 도 5a 내지 5e를 참조하여, 미세유체의 혼합의 결과 예시는 다음과 같다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 고정된 유동율 50㎕/min을 이용하며 인가전압에 따른 혼합 효율을 비교하였다. 단일 표면탄성파(single SAW)를 이용하는 경우와 이중 표면탄성파(Dual SAW)를 이용하는 경우를 비교하였을 경우, 동일한 전압에서 이중 표면탄성파(Dual SAW)를 이용한 경우가 혼합 효율이 더 높은 것을 확인할 수 있다.
도 5b에 도시된 바와 같이 6V 이하의 인가전압에서는 두 유체의 혼합이 일어나지 않는다. 도 5c에 도시된 바와 같이 14V의 전압을 인가하였을 때, 이중 표면탄성파(Dual SAW)를 이용하는 경우 혼합 효율이 100%에 도달하며, 도 5d에 도시된 바와 같이 단일 표면탄성파(single SAW)를 이용할 경우에는 38% 정도의 혼합 효율을 갖는다. 또한, 단일 표면탄성파(single SAW)를 이용하는 경우, 100%의 혼합효율을 얻기 위해서는 22V를 인가해야 한다.
도 5e에 도시된 바와 같이, 이러한 각 케이스에 대하여 채널 너비 방향으로 표준화된 형광의 강도를 측정하였다. 6V 이하의 전압에서 혼합이 일어나지 않아 형광 강도가 미세유동 채널의 절반을 기준으로 100과 0으로 측정이 되지만, 이후 14V를 가할 경우 측정된 형광 강도의 값이 낮아지며 채널 너비 방향으로 형광이 넓게 퍼지고, 일 실시예에 따른 미세 유체 소자와 같이 이중 표면탄성파(Dual SAW)를 이용하는 경우, 형광 강도는 더 낮아지며 미세유동 채널 전반에 형광이 퍼져 있음을 확인할 수 있었다.
한편, 도 6a 및 6b를 참조하여, 단일 표면탄성파(single SAW) 및 이중 표면탄성파(single SAW)에 대한 미세입자의 거동은 다음과 같을 수 있다.
미세유동 채널의 단면 내에서 동일 위치에 입자를 위치한 상태에서 단일 표면탄성파(single SAW) 및 이중 표면탄성파(dual SAW)에 대한 미세입자의 거동을 비교한 결과, 제1 압전기판 및 제2 압전기판을 이용하여 이중 표면탄성파를 발생시키는 경우에 입자거동에 대한 회전율(속도)가 종래의 단일 표면탄성파(single SAW)를 이용하는 경우보다 빨랐고, 1회전에 요구되는 입자의 이동거리 또한 단축되었음을 확인할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 청구범위뿐 아니라 이 청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10: 미세 유체 소자
100: 제1 압전기판
200: 제2 압전기판
300: 제1 트랜스듀서
400: 제2 트랜스듀서
500: 미세유동 채널

Claims (9)

  1. 제1 압전기판;
    상기 제1 압전기판의 상면과 서로 마주보도록 배치된 제2 압전기판;
    상기 제1 압전기판의 상면에 패터닝되는 제1 트랜스듀서;
    상기 제2 압전 기판의 하면에 패터닝되는 제2 트랜스듀서; 및
    상기 제1 압전기판 및 상기 제2 압전기판 사이에 배치되는 미세유동 채널;
    을 포함하고,
    상기 제1 트랜스듀서 또는 상기 제2 트랜스듀서에서 발생된 표면탄성파가 상기 미세유동 채널에 전달되어 상기 미세유동 채널 내 3차원 유동을 발생시키는 미세 유체 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 트랜스듀서에서 발생된 표면탄성파는 상기 미세유동 채널의 하측에 전달되고, 상기 제2 트랜스듀서에서 발생된 표면탄성파는 상기 미세유동 채널의 상측에 전달되는 미세 유체 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 트랜스듀서 및 상기 제2 트랜스듀서는 상기 미세유동 채널을 사이에 두고 서로 어긋나게 배치되는 미세 유체 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 트랜스듀서 및 상기 제2 트랜스듀서는 상기 미세유동 채널을 사이에 두고 서로 마주보도록 배치되는 미세 유체 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 미세유동 채널의 일단에는 적어도 하나의 유체 주입구가 구비되고,
    상기 적어도 하나의 유체 주입구에 주입된 유체가 상기 미세유동 채널 내에서 혼합되는 미세 유체 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 트랜스듀서 또는 상기 제2 트랜스듀서에 의해 발생되는 표면탄성파를 제어하는 제어부;
    를 더 포함하고,
    상기 제어부에 의해 상기 미세유동 채널 내 상기 유체 또는 미세입자의 유동이 3차원적으로 제어되는 미세 유체 소자.
  7. 제1 압전기판에 제1 트랜스듀서를 패터닝하는 단계;
    제2 압전기판에 제2 트랜스듀서를 패터닝하는 단계; 및
    상기 제1 압전기판 및 상기 제2 압전기판 사이에 미세입자를 포함하는 유체가 흐르는 미세유동 채널을 형성하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 제1 압전기판은 상기 미세유동 채널의 하단에 접합되고,
    상기 제2 압전기판은 상기 미세유동 채널의 상단에 접합되는 미세 유체 소자의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 압전기판 및 상기 제2 압전기판 사이에 미세입자를 포함하는 유체가 흐르는 미세유동 채널을 형성하는 단계는,
    상기 미세유동 채널의 형상으로 마련된 마스터몰드의 상면에 상기 제1 압전기판을 가역 접합시키는 단계;
    상기 마스터몰드에 광경화 물질을 주입하는 단계;
    상기 광경화 물질을 1차 광경화시키는 단계;
    상기 마스터몰드를 제거하는 단계;
    상기 제1 압전기판과 마주보도록 상기 광경화 물질로 이루어진 미세유동 채널에 상기 제2 압전기판을 접합시키는 단계; 및
    상기 광경화 물질을 2차 광경화시키는 단계;
    를 포함하는 미세 유체 소자의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 마스터몰드의 상면에는 상기 제1 압전기판의 정렬을 위한 얼라인 마커가 구비되고,
    상기 미세유동 채널의 형상으로 마련된 마스터몰드의 상면에 상기 제1 압전기판을 가역 접합시키는 단계에서, 상기 제1 압전기판을 상기 얼라인 마커에 맞춘 다음 상기 마스터몰드의 상면에 상기 제1 압전기판을 가역 접합시키는 미세 유체 소자의 제조 방법.
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