KR20210051664A - 챔버 소자, 상기 챔버 소자를 포함하는 미세 유체 혼합 장치 및 미세 유체 혼합 장치의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

챔버 소자는 내부에 미세 유체를 유지시키는 돔 또는 반구 형상의 채널을 포함하고 미세 유체는 돔 또는 반구 형상의 채널 내로 전달되는 미세 유체 혼합 장치 및 상기 미세 유체 혼합 장치의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

챔버 소자, 상기 챔버 소자를 포함하는 미세 유체 혼합 장치 및 미세 유체 혼합 장치의 제조 방법 {CHAMBER CHIP, MICROFLUIDIC MIXING DEVICE INCLUDING THE CHAMBER CHIP AND METHOD OF MANUFACTURING THE MICROFLUIDIC MIXING DEVICE}

본 발명은 챔버 소자, 상기 챔버 소자를 포함하는 미세 유체 혼합 장치 및 상기 미세 유체 혼합 장치의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, 표면 탄성파를 이용하여 미세 유체 내의 유동을 유도하고 각각 다른 두 종류의 미세 유체의 혼합 효율을 향상시키기 위해 표면 탄성파의 세기를 제어할 수 있는 챔버 소자, 상기 챔버 소자를 포함하는 미세 유체 혼합 장치 및 상기 미세 유체 혼합 장치의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 챔버 소자는 내부에 미세 유체를 유지시키는 돔 또는 반구 형상의 채널을 포함하고 미세 유체는 돔 또는 반구 형상의 채널 내로 전달되는 미세 유체 혼합 장치 및 상기 미세 유체 혼합 장치의 제조 방법에 관한 것이다.

최근 유전자 분석이나 생화학 분석 분야에서 많이 사용하고 있는 마이크로 플루이딕스 칩과 같은 바이오칩 또는 바이오센서는 기존의 연구실에서 행해지고 있는 여러 가지 실험이나 분석들을 하나의 작은 칩 위에서 해결할 수 있도록 하는 미세 장치이다. 특히, 상기의 마이크로 플루이딕스 칩은 미량의 분석 대상 물질을 칩 내의 마이크로 채널로 흘려보내면서 칩에 집적되어 있는 각종 화학 분자 센서와 반응하는 양상을 분석할 수 있게 만든 것으로, 분석 대상 물질의 분리, 합성, 정량 등을 수행할 수 있도록 설계되어 있다. 이러한 바이오칩을 사용한 분석에서는 세포 활성화, 효소 반응 및 단백질 합성 등과 같은 여러 가지 미세 시료들의 효과적인 혼합을 필요로 한다. 따라서, 미세 유체의 혼합은 생물/화학적 연구, 화학적 합성, 임상 진단 등의 분야에서도 중요하다. 그러나 미세 유체 역학 분야에서는 레이놀즈 수(Reynolds number)가 작아 층류 유동이 형성되며, 미세 유체 혼합 장치 내에서의 시료의 혼합은 오직 확산에 의해서만 일어나게 되므로, 효과적인 혼합에 필요한 시간이 길어져 고효율의 미세 유체 혼합 효과를 얻기 어렵다.

최근 빠른 유체 혼합을 위해 미세 유체 역학을 기반으로 하여 다양한 기술들이 개발되고 있다. 미세 유동 채널의 형상을 제어하여 미세 유체를 혼합하는 수동적 방식과 외부에서 전자기적 또는 광학적인 힘을 가하여 미세 유체를 혼합하는 능동적 방식이 존재한다. 수동적 방식은 외력을 가하기 위한 별도의 장비를 필요로 하지 않는다는 장점이 존재하지만, 복잡하고 정교한 채널 설계가 필요하다는 한계점이 있다. 능동적 방식은 외력을 인가하여 혼합 시간을 짧게 할 수 있고 혼합 효율을 향상시킬 수 있다는 장점이 존재한다.

또한, 최근 탄성파 기반의 미세 유체 혼합 소자가 비 침습적이고 간단하다는 장점이 있어 주목받고 있다. 미세 유동 채널 내부에 구조물을 외부에서 압전 소자를 통해 진동하도록 하여 미세 유체를 혼합할 수 있었다. 그러나, 탄성파 기반의 미세 유체 혼합 소자는 불안정성의 문제와 채널 내부 진동부의 설계의 한계점을 갖는다. 이를 해결하기 위하여 표면 탄성파를 이용한 소자가 개발되고 있으나, 혼합 효율의 향상을 위하여 전극의 형상 및 전극의 배치만을 설계변수로 하고 있다.

따라서, 표면 탄성파 기반의 미세 유체 혼합 소자에서 다른 설계변수를 통해 따라서 혼합이 잘 일어나면서도 제작이 용이하며 미세 소자에 집적될 수 있는 미세 유체 혼합 장치 및 혼합 방법이 요구되고 있다.

본 발명에서는 표면 탄성파를 발생시키는 전극이 아닌 두 종류의 유체를 혼합시키기 위한 미세 유동 채널의 단면 형상을 변화시켜 표면 탄성파의 이용을 극대화하여 혼합 효율을 향상시키고자 하였다.

그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 미세 유체 혼합 장치는, 압전기판; 상기 압전기판 상에 배치되어 표면 탄성파를 발생시키는 표면 탄성파 발생부; 및 상기 압전기판 상에서 상기 표면 탄성파 발생부와 이격 배치되어, 상기 표면 탄성파 발생부에서 발생된 표면 탄성파가 전달되는 챔버 소자;를 포함하고, 상기 챔버 소자는, 내부에 미세 유체를 유지시키는 돔 또는 반구 형상의 채널;을 포함하며, 상기 표면 탄성파 발생부에서 발생된 표면 탄성파에 의해 상기 미세 유체에 내부 유동을 발생시킬 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 미세 유체 혼합 장치의 제조 방법은, 챔버 소자를 제조하는 단계; 및 압전기판 상에 상기 챔버 소자를 접합시키는 단계;를 포함하고, 상기 챔버 소자를 제조하는 단계는, 마스터 몰드를 제조하는 단계; 상기 마스터 몰드에 열경화성 물질을 주입하는 단계; 상기 열경화성 물질을 열경화시켜 돔 또는 반구 형상의 채널 제조하는 단계; 상기 마스터 몰드로부터 돔 또는 반구 형상의 채널을 분리시키는 단계; 및 압전기판 상에 상기 챔버 부재를 접합시키는 단계;를 포함할 수 있다.

본 특허에서 제안하고자 하는 돔 또는 반구 형상의 채널을 이용한 표면 탄성파 기반 미세 유체 혼합 장치는 기존의 표면 탄성파 기반 미세 유체 혼합 장치에서와 같이 미세전극의 형상 및 배치를 설계변수로 하지 않으며, 미세 유체 혼합을 위한 미세 유동 채널의 단면 형상을 기존의 사각 채널 형태가 아닌 돔 또는 반구 형상으로 설계하여 미세 유체 혼합 효율의 향상이 가능하다.

또한, 특정 접촉각을 갖는 돔 형태 챔버를 설계 및 제작하여 표면탄성파 이용을 극대화할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 돔 또는 반구 형상의 채널을 이용한 표면 탄성파 기반 미세 유체 혼합 장치의 개략도이다.
도 2는 UV 광경화성 물질을 이용한 돔 또는 반구 형상의 채널의 제작 과정이다.
도3 은 돔 또는 반구 형태의 채널 내에 집중된 형태의 표면 탄성파에 의해 유도되는 미세 유체 혼합의 시간에 따른 이미지이다.
도 4(a)는 고정 유동율 100ul/min 조건에서 인가 전압에 따른 미세 유체 혼합 평가 지표 평가를 나타낸 그래프이다.
도 4(b)는 표시한 ROI(region of interest)의 각 인가 전압별(12, 16, 19V)의 이미지이다.
도 5(a)는 고정 인가 전압 20V 조건에서 유동율에 따른 미세 유체 혼합 평가 지표 평가이다.
도 5(b)는 표시한 ROI에서 각 유동율별(300, 400. 500 ul/min) 이미지이다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.

실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 일 실시예에 따른 미세 유체 혼합 장치를 도시한다.

도 1을 참조하면, 표면 탄성파는 압전기판을 따라 전달되며, 유체 표면을 만나면 유체의 높은 점도로 인하여 레일리 각(Rayleigh angle)이라고 하는 굴절각(θ _R )을 가지고 파가 전달된다. 굴절각(θ _R )은

과 같고, 이때 c_f 와 c_s 는 유체와 압전기판에서의 표면 탄성파 전달 속도를 의미한다. 리튬 나이오베이트 표면과 물 사이에서 발생하는 굴절각은 22°이다. 따라서 미세 유체 혼합 장치에서 에서는 돔 또는 반구 형상의 채널은 압전기판과 접촉각을 68°가 되도록 제작하여 표면 탄성파의 활용을 최대화할 수 있다.

도 2은 일 실시예에 따른 UV 광경화성 물질을 이용한 돔 또는 반구 형상의 채널의 제작 과정을 도시한다.

(a) 단계는 단편 테이프를 마스터 몰드로 이용하기 위해 페트리 디쉬에 채널 형태의 테이프를 접착한다.

(b) 단계는UV 광경화성 물질을 단면 테이프 기반 테이프 몰드에 떨어뜨린 후 2분간의 UV 조사를 통해 경화시킨다.

(c) 단계는PDMS와 경화물질의 혼합물을 마스터 몰드에 부어 80°C에서 90분간 열경화시킨다.

(d) 단계는 제작된 돔 또는 반구 형상의 PDMS 챔버는 전극 패터닝된 압전기판에 비가역적으로 접착한다.

도 3은 일 실시예에 따른 돔 또는 반구 형상의 채널 내에 집중된 형태의 표면 탄성파에 의해 유도되는 미세 유체 혼합의 시간에 따른 이미지이다.

(a) 단계는 표면 탄성파의 발생이 없는 상태이다.

(b) 단계는 20V를 인가전압으로 하고, 유동율 50ul/min 조건에서의 미세 유체 혼합하여 표면 탄성파 발생 직후(t=0ms)의 이미지이다.

(c) 단계는 20V를 인가전압으로 하고, 유동율 50ul/min 조건에서의 미세 유체 혼합하여 30ms 경화 후의 이미지이다.

(d) 단계는 20V를 인가전압으로 하고, 유동율 50ul/min 조건에서의 미세 유체 혼합하여 60ms 경화 후의 이미지이다.

미세유체 혼합을 평가하기 위한 지표로서 mixing index (혼합 지표)를 사용하였다.

여기서 N은 전체 ROI 내의 픽셀 숫자, I_i 는 현재 프레임에서의 그레이스케일 밝기, I'_I 는 초기 프레임에서의 그레이스케일 밝기

,

는 현재, 초기 프레임에서의 평균 밝기를 의미한다. 측정된 혼합 지표는 초기 믹싱되지 않은 상태를 0, 완전히 믹싱된 상태를 1로 하여 표준화되었다. 도 4(a)는 고정 유동율에서의 인가전압에 따른 미세 유체 혼합 평가 지표이고 도 4(b)는 표시한 ROI의 각 인가 전압별(12, 16, 19V)의 이미지이다.

도 5 (a)는 고정 인가전압 20V 조건에서 유동율에 따른 미세 유체 혼합 평가 지표 평가이다. 그래프 내 개략도에 표시한 점선은 region of interest (ROI)를 표시한 것이다. 도 5 (b) 는 표시한 ROI에서 각 유동율 (300, 400, 500ul/min)에 따른 이미지이다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (1)

1. 압전기판;
   상기 압전기판 상에 배치되어 표면 탄성파를 발생시키는 표면탄성파 발생부; 및
   상기 압전기판 상에서 상기 표면 탄성파 발생부와 이격 배치되어, 상기 표면 탄성파 발생부에서 발생된 표면 탄성파가 전달되는 챔버 소자;
   를 포함하고,
   상기 챔버 소자는,
   내부에 미세 유체를 유지시키는 돔 또는 반구 형상의 채널;
   을 포함하며,
   상기 표면 탄성파 발생부에서 발생된 표면 탄성파에 의해 상기 미세 유체에 내부 유동을 발생시켜 미세 유체를 혼합하는
   미세 유체 혼합 장치.
   

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