KR20220144178A - 미세 유체 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 내부를 통해 용액이 유동할 수 있는 미세 채널, 상기 미세 채널의 하부 또는 상부에 배치되는 전극 및 외력에 의하여 상기 미세 채널의 일 단에서 타 단으로 상기 용액에 압력이 가해져서, 상기 용액이 상기 미세 채널 내부에서 상기 전극을 지날 때 발생하는 전기신호를 측정하여, 상기 측정된 전기신호를 이용하여 상기 용액의 정보를 판단하되, 상기 용액이 상기 전극을 지날 때 상기 용액과 상기 미세 채널 간에 발생하는 마찰전기를 이용하여 구동되는 제어부를 포함하는, 미세 유체 센서를 제공한다.
따라서 미세 채널 내부를 유동하는 용액과 미세 채널의 하부 또는 상부에 배치되어 있는 전극 사이에 발생하는 전기신호를 감지하여 간편하게 용액에 관한 화학적 정보(농도 및 산화/환원 정도)를 도출할 수 있는 장점이 있다.
따라서 미세 채널 내부를 유동하는 용액과 미세 채널의 하부 또는 상부에 배치되어 있는 전극 사이에 발생하는 전기신호를 감지하여 간편하게 용액에 관한 화학적 정보(농도 및 산화/환원 정도)를 도출할 수 있는 장점이 있다.
Description
본 발명은 미세 유체 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자가 발전이 가능하고, 미세 채널 내부에서 유동하는 용액과 미세 채널의 하부 또는 상부에 배치되는 전극 사이에 발생하는 전기신호를 이용하여 용액에 관한 정보를 판단하는 미세 유체 센서에 관한 것이다.
최근 화학 또는 생물 분자를 검출하는데 있어서, 신속성과 편리성이 강조되면서 정밀분석기기 보다 센서 제작에 많은 연구 개발이 진행되고 있다. 특히, 바이오 센서는 생물 분자를 검출하기 위하여 생물 감지기능을 이용한 화학센서로써 전기화학, 광학, 전기 및 기계적 신호 등과 같은 신호변환을 이용하고 있다. 이들 중 전기적 신호를 이용하는 바이오 센서는 신호전환이 빠르고 소형화가 용이하다는 장점이 있으며, 반도체 공정을 이용하여 제작되기 때문에 집적회로나MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 접목이 용이하여 초소형화에 유리하여 생산비용이 저렴하다는 장점이 있으며, 특히 탄소나노튜브 또는 그래핀을 이용하여 생물 분자를 검출하는 센서들이 다수 제안되어 왔다. 하지만 기존의 센서들은 별도의 동력원을 구비해야 하기 때문에 구조가 복잡하고 제작이 용이하지 않은 단점이 있다.
본 발명은 자가 발전이 가능하고, 미세 채널 내부에서 유동하는 용액과 미세 채널의 하부 또는 상부에 배치되는 전극 사이에 발생하는 전기신호를 이용하여 용액에 관한 정보를 판단하는 미세 유체 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 내부를 통해 용액이 유동할 수 있는 미세 채널, 상기 미세 채널의 하부 또는 상부에 배치되는 전극 및 외력에 의하여 상기 미세 채널의 일 단에서 타 단으로 상기 용액에 압력이 가해져서, 상기 용액이 상기 미세 채널 내부에서 상기 전극을 지날 때 발생하는 전기신호를 측정하여, 상기 측정된 전기신호를 이용하여 상기 용액의 정보를 판단하되, 상기 용액이 상기 전극을 지날 때 상기 용액과 상기 미세 채널 간에 발생하는 마찰전기를 이용하여 구동되는 제어부를 포함하는, 미세 유체 센서를 제공한다.
본 발명에 따른 미세 유체 센서는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 미세 채널 내부를 유동하는 용액과 미세 채널의 하부 또는 상부에 배치되어 있는 전극 사이에 발생하는 전기신호를 감지하여 간편하게 용액에 관한 화학적 정보(농도 및 산화/환원 정도)를 도출할 수 있는 장점이 있다.
둘째, 전기 신호 측정은 마찰전기를 측정하여 수행하므로 별도의 전력 공급 없이 가능한 장점이 있다.
셋째, 전기신호를 이용하기 때문에 센싱 정확도가 높은 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 미세 유체 센서를 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 2는 도 1에 따른 미세 유체 센서의 미세 채널, 용액 및 전극을 확대하여 나타낸 모식도이다.
도 3은 도 1에 따른 미세 유체 센서에서 용액이 전극 위를 지날 때 유체, 미세 채널 및 전극 각각에서 발생하는 전기적인 변화를 나타내는 모식도이다.
도 4는 도 1에 따른 미세 유체 센서에서 미세 채널에 표면 처리를 한 것과 하지 않은 것을 사용할 때의 차이를 나타내는 모식도이다.
도 5는 도 1에 따른 미세 유체 센서에서 미세 채널 표면을 수정하는 과정을 나타내는 모식도이다.
도 6은 도 1에 따른 미세 유체 센서에서 용액의 농도를 변화시키면서 전기신호를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 도 1에 따른 미세 유체 센서에서 염화 나트륨 용액 20mM을 주입하고 5분이 경과한 후의 출력 상태를 나타내는 그래프이다.
도 8은 도 1에 따른 미세 유체 센서에서 환원 반응 시 나타나는 전기신호의 변화를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 1에 따른 미세 유체 센서에서 용액의 환원 반응이 진행될 때의 흡광도 및 출력 전압을 나타내는 그래프이다.
도 10은 도 1에 따른 미세 유체 센서에서 전기 이중층 모델을 이용하여 센싱 메커니즘을 설명하는 모식도이다.
도 11은 도 1에 따른 미세 유체 센서에서 미세 채널의 높이 또는 폭을 변화시키면서 전기신호를 측정한 값을 나타내는 그래프이다.
도 12는 도 1에 따른 미세 유체 센서에서 유체의 촉매 반응 유무에 따른 제타 전위의 차이를 나타내는 그래프이다.
도 13은 도 1에 따른 미세 유체 센서의 미세 채널과 전극을 결합시키는 과정을 나타내는 모식도이다.
도 14는 도 1에 따른 미세 유체 센서의 미세 채널의 포토 마스크 설계를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 도 1에 따른 미세 유체 센서의 미세 채널, 용액 및 전극을 확대하여 나타낸 모식도이다.
도 3은 도 1에 따른 미세 유체 센서에서 용액이 전극 위를 지날 때 유체, 미세 채널 및 전극 각각에서 발생하는 전기적인 변화를 나타내는 모식도이다.
도 4는 도 1에 따른 미세 유체 센서에서 미세 채널에 표면 처리를 한 것과 하지 않은 것을 사용할 때의 차이를 나타내는 모식도이다.
도 5는 도 1에 따른 미세 유체 센서에서 미세 채널 표면을 수정하는 과정을 나타내는 모식도이다.
도 6은 도 1에 따른 미세 유체 센서에서 용액의 농도를 변화시키면서 전기신호를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 도 1에 따른 미세 유체 센서에서 염화 나트륨 용액 20mM을 주입하고 5분이 경과한 후의 출력 상태를 나타내는 그래프이다.
도 8은 도 1에 따른 미세 유체 센서에서 환원 반응 시 나타나는 전기신호의 변화를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 1에 따른 미세 유체 센서에서 용액의 환원 반응이 진행될 때의 흡광도 및 출력 전압을 나타내는 그래프이다.
도 10은 도 1에 따른 미세 유체 센서에서 전기 이중층 모델을 이용하여 센싱 메커니즘을 설명하는 모식도이다.
도 11은 도 1에 따른 미세 유체 센서에서 미세 채널의 높이 또는 폭을 변화시키면서 전기신호를 측정한 값을 나타내는 그래프이다.
도 12는 도 1에 따른 미세 유체 센서에서 유체의 촉매 반응 유무에 따른 제타 전위의 차이를 나타내는 그래프이다.
도 13은 도 1에 따른 미세 유체 센서의 미세 채널과 전극을 결합시키는 과정을 나타내는 모식도이다.
도 14는 도 1에 따른 미세 유체 센서의 미세 채널의 포토 마스크 설계를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 센서(100)는 미세 채널(110), 용액(유체)(120), 전극(130), 외력 공급 장치(140), 제어부(150), 베이스부(160) 및 스테이지(170)을 포함한다. 본 실시예에 따른 상기 미세 유체 센서(100)는 웨어러블 장치나 포터블 장치에 적용하여 사용될 수 있다. 특히 본 실시예에 따른 미세 유체 센서(100)는 상기 용액(120) 내의 이온 농도 측정 및 산업 오염 물질의 촉매 환원에 대한 모니터링에 유용하게 적용될 수 있다. 이 때 상기 미세 유체 센서(100)에서 상기 외력 공급 장치(140), 상기 베이스부(160) 및 상기 스테이지(170)는 제외될 수 있다. 본 실시예에서 상기 용액(120)의 종류는 제한되지 않는다. 상기 미세 채널(110)은 내부를 통해 상기 용액(120)이 유동할 수 있는 공간이 내부에 형성되어 있다. 본 실시예에서 상기 미세 채널(110)은 평평하게 배치되어 있는 것을 예로 든다. 그리고 본 실시예에서 상기 미세 채널(110)의 일 단에는 제1기체 충진부(110a)가 연통되어 있고, 타 단에는 제2기체 충진부(110b)가 연통되어 있는 것을 예로 든다. 그리고 본 실시예에서 상기 미세 채널(110), 상기 제1기체 충진부(110a) 및 상기 제2기체 충진부(110b)는 폴리디메틸실록산(PDMS)으로 형성되는 것을 예로 든다. 하지만 본 발명은 이에 한정되지 않고 상기 미세 채널(110)의 소재를 얼마든지 변경 가능하다.
상기 미세 채널(110)는 수평 방향으로 평평하게 연장되어 있는 구조를 갖고, 내부에 상기 용액(120)이 유동할 수 있는 공간이 형성되어 있다. 본 실시예에서 상기 미세 채널(110)은 미세 채널 상부(110a) 및 미세 채널 하부(110b)를 포함한다. 상기 미세 채널 상부(110a)는 평평하게 배치되고, 상기 미세 채널 하부(110b)는 상기 상부 수평부(111a)의 아래쪽으로 이격되어 배치됨으로써, 상기 용액(120)이 유동할 수 있는 공간을 형성한다. 본 실시예에서 상기 미세 채널 상부(110a) 및 상기 미세 채널 하부(110b)는 일정한 두께를 가지는 것을 예로 든다. 이 때, 미세 채널 하부(110b)의 내부에는 상기 전극(130)이 삽입되어 있다. 하지만 본 발명은 이에 한정되지 않고 상기 전극(130)을 상기 미세 채널 상부(110a)의 내부에 삽입할 수도 있다.
본 실시예에서 상기 제1기체 충진부(111)는, 일 단은 상기 미세 채널(110)의 일 단과 연통되고, 타 단은 밀폐되어 있다. 그리고 상기 제1기체 충진부(111)에는 제1기체가 충진되고, 본 실시예에서 상기 제1기체는 대기에 존재하는 일반적인 공기인 것을 예로 든다. 본 실시예에서 상기 제1기체 충진부(111)는 상기 미세 채널(110)의 일 단에서 위쪽으로 연장되어 있는 것을 예로 든다.
그리고 본 실시예에서 상기 제2기체 충진부(112)는, 일 단은 상기 미세 채널(110)의 타 단과 연통되고, 타 단은 밀폐되어 있다. 그리고 상기 제2기체 충진부(112)에는 제2기체가 충진되고, 본 실시예에서 상기 제2기체는 상기 제1기체와 동일한 기체인 것을 예로 든다. 하지만 상기 제2기체의 종류는 얼마든지 변경이 가능하다. 본 실시예에서 상기 제2기체 충진부(111)는 상기 미세 채널(110)의 일 단에서 위쪽으로 연장되어 있는 것을 예로 든다.
즉, 본 실시예에서 상기 미세 채널(110), 상기 제1기체 충진부(110a) 및 상기 제2기체 충진부(110b)는 단면이 `∪` 형상을 갖는다. 즉 상기 제1기체 충진부(110a) 및 상기 제2기체 충진부(110b)는 상기 미세 채널(110)을 기준으로 대칭되는 구조를 갖는 것을 예로 든다. 하지만 본 발명은 이에 한정되지 않고 상기 미세 채널(110), 상기 제1기체 충진부(110a) 및 상기 제2기체 충진부(110b)의 형상을 얼마 든지 변경 가능하다. 그리고 본 실시예에서 상기 미세 채널(110), 상기 제1기체 충진부(110a) 및 상기 제2기체 충진부(110b)는 일체로 형성되어 있는 것을 예로 든다. 본 실시예에 따른 미세 유체 센서(100)는 상기 제1기체 충진부(110a) 또는 상기 제2기체 충진부(110b)에 압력을 가하여, 상기 미세 채널(110) 내의 상기 용액(120)을 상기 미세 채널(110)의 타 단 또는 일 단으로 유동시킨다. 즉, 본 실시예의 미세 유체 센서(100)는 상기 제1기체 충진부(111)에 압력을 가하여 상기 제1기체가 압력을 받아 상기 용액(120)을 밀거나, 상기 제2기체 충진부(112)에 압력을 가하여 상기 제2기체가 압력을 받아 상기 용액(120)을 밀게 된다. 그러므로 본 실시예에서 상기 제1기체 충진부(111)의 타 단 및 상기 제2기체 충진부(112)의 타 단은 신축성이 있는 소재로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 전극(130)은 상기 미세 채널(110)의 하부에 배치된다. 그리고 본 실시예에서 상기 전극(130)은 일측은 상기 제어부(150)의 전기 신호 측정부(151)와 연결되고, 타측은 접지되어 있는 것을 예로 든다. 본 실시예에서 상기 전극(130)은 구리(Cu) 전극인 것을 예로 들지만, 상기 전극(130)의 소재는 얼마든지 변경이 가능하다. 그리고 본 실시예에서 상기 전극(130)은 상기 미세 채널 하부(110b)의 내부에 삽입되어 있는 것을 예로 든다. 즉, 상기 전극(130)은 상기 미세 채널 하부(110b)의 하면 외측에 배치되는 것이 아니라 상기 미세 채널 하부(110b)를 구성하는 폴리디메틸실록산의 내부에 삽입되어 있다. 구체적으로는 상기 전극(130)을 유리 슬라이드에 밀착시킨 후, 상기 전극(130)이 밀착되어 있는 유리 슬라이드에 폴리디메틸실록산을 부어 경화시킴으로써, 상기 전극(130)이 상기 유리 슬라이드와 상기 폴리디메틸실록산 사이에 배치되도록 한다. 그리고 상기 미세 채널(110)을 별도로 폴리디메틸실록산으로 제작하고, 상기 전극(130)상에 경화됨으로써 형성된 폴리디메틸실록산 부분과 상기 미세 채널(110)을 접합시킨다. 이러한 과정을 통해서 상기 전극(130)은 상기 미세 채널 하부(110b)의 내부에 형성되는 것이다.
상기 외력 공급 장치(140)는 상기 미세 채널(110)에 압력을 가해서 상기 미세 채널(110) 내부의 상기 용액(120)이 유동하도록 한다. 본 실시예에서 상기 외력 공급 장치(140)는 상기 미세 채널(110)의 상부에서 압력을 가하는 것을 예로 든다. 구체적으로는 상기 제1기체 충진부(111) 또는 상기 제2기체 충진부(112)의 상부에서 압력을 가하는 것을 예로 든다. 그리고 본 실시예에서 상기 외력 공급 장치(140)는 서보모터인 것을 예로 든다. 상기 외력 공급 장치(140)가 서보모터로 형성됨으로써, 정밀하게 상기 미세 채널(1100에 외력을 가하는 것이 가능하다. 하지만 본 발명은 이에 한정되지 않고 상기 외력 공급 장치(140)를 스태핑 모터나 그 외 다른 장치로 얼마든지 변경 가능하다.
그리고 본 실시예에서 상기 외력 공급 장치(140)는 제1서보모터(141) 및 제2서보모터(142)를 포함한다. 상기 제1서보모터(141)는 상기 미세 채널(110)의 제1기체 충진부(111) 상에 외력을 가하고, 상기 제2서보모터(142)는 상기 미세 채널(110)의 제2기체 충진부(112)에 외력을 가한다. 상기 외력 공급 장치(140)가 상기 미세 채널(110)에 압력을 가하면 상기 용액(120) 이동한다. 본 실시예에서는 상기 제1서보모터(141)가 작동하여 상기 미세 채널(110)에 압력을 가하면, 상기 용액(120)이 상기 미세 채널(110)의 타측인 오른쪽으로 이동하고, 상기 제2서보모터(142)가 작동하여 상기 미세 채널(110)에 압력을 가하면, 상기 용액(120)이 상기 미세 채널(110)의 일측인 왼쪽으로 이동하는 것을 예로 든다. 물론 본 실시예에서 상기 용액(120)은 상기 제1서보모터(141)가 압력을 가한 상태에서 압력을 해제하면 상기 미세 채널(110)의 왼쪽으로 이동할 수 있고, 상기 제2서보모터(142)가 압력을 가한 상태에서 압력을 해제하면 상기 미세 채널(110)의 오른쪽으로 이동할 수 있다.
그리고 본 실시예에서 상기 제1서보모터(141) 및 상기 제2서보모터(142)는 동시에 작동하지 않고, 하나가 작동하면 다른 하나는 작동하지 않는 것을 예로 든다. 즉, 상기 제1서보모터(141)가 상기 제1기체 충진부(111)에 압력을 가하면 상기 제2서보모터(142)는 상기 제2기체 충진부(112)에 압력을 가하지 않고, 상기 제2서보모터(142)가 상기 제1기체 충진부(111)에 압력을 가하면 상기 제1서보모터(141)는 상기 제2기체 충진부(112)에 압력을 가하지 않는다. 하지만 본 발명은 이에 한정되지 않고 상기 제1서보모터(141) 및 상기 제2서보모터(142)가 동시에 작동하는 것도 가능하다. 본 실시예에서 상기 제1서보모터(141)와 상기 제2서보모터(142)는 동일한 구조를 갖는 것을 예로 든다.
상기 제어부(150)는 전기 신호 측정부(151) 및 전원 공급부(152)를 포함한다. 상기 전기 신호 측정부(151)는 상기 전극(130)과 전기적으로 연결되어 있다. 상기 전기 신호 측정부(151)는 상기 용액(120)이 상기 미세 채널(110) 내부에서 상기 전극(130)의 위쪽을 지날 때 발생하는 전기 신호를 측정한다. 본 실시예에서 상기 전기 신호 측정부(151)는 오실로스코프인 것을 예로 든다. 물론 상기 전기 신호 측정부(151)의 종류는 얼마든지 변경이 가능하다. 본 실시예에서 상기 전기 신호 측정부(151)는 상기 용액(120)이 상기 전극(130)위로 흘러 오거나, 상기 전극(130) 위에 배치되어 있는 상기 용액(120)이 상기 전극(130) 위에서 이동하여 흘러 나갈 때 변화하는 전기신호를 측정하는 것을 예로 든다. 그리고 본 실시예에서 상기 전기 신호 측정부(151)는 상기 미세 채널(110)과 상기 용액(120) 간에 발생하는 마찰전기를 실시간으로 측정한다. 따라서 상기 용액(120)이 상기 전극(130) 위쪽으로 상기 미세 채널(110) 내부를 지나갈 때 발생하는 마찰전기를 측정함으로써 외부 동력 공급 장치 없이도 상기 용액(120)에 녹아있는 용질의 농도 측정이 가능하다.
상기 미세 채널(110) 내부를 유동하는 상기 용액(120)의 농도가 변화하면, 상기 용액(120)이 상기 전극(130) 위를 지날 때 발생하는 전기신호가 달라진다. 본 실시예에서 상기 전기 신호 측정부(151)는 상기 용액(120)의 농도에 따라 변화하는 전기신호 값을 캘리브레이션 하면 그 농도를 정밀하게 측정할 수 있다. 즉, 상기 전기 신호 측정부(151)는 다양한 종류의 유체들이 상기 전극(130) 위를 지날 때 발생하는 전기신호 값에 대한 정보를 캘리브레이션해 두면 그 농도를 측정할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 미세 유체 센서(100)는 상기 전기 신호 측정부(151)에 다양한 종류의 유체들이 상기 전극(130) 위를 지날 때 발생하는 전기신호 값에 대한 정보를 미리 저장해 둘 수 있는 데이터베이스(DB)가 포함되어 있다. 따라서 상기 전기 신호 측정부(151)는 농도를 알지 못하는 용액이 상기 전극(130) 위를 지날 때 발생하는 전기 신호를 상기 캘리브레이션 결과값과 비교하여 상기 농도를 알지 못하는 용액의 농도를 쉽게 알 수 있다. 그리고 도면에는 도시하지 않지만 상기 제어부(150)에는 상기 미세 채널(110)과 상기 용액(120) 간에 발생하는 마찰전기를 저장하기 위한 마찰전기 저장 장치가 더 포함될 수 있다.
그리고 상기 전원 공급부(152)는 상기 제1서보모터(141) 및 상기 제2서보모터(142)와 각각 전기적으로 연결되어서, 상기 제1서보코터(141) 및 상기 제2서보모터(142)를 구동하기 위한 전원을 공급한다. 이 때 본 실시예에서는 상기 제1서보모터(141) 및 상기 제2서보모터(142)를 제어하기 위해 아두이노와 같은마이크로 프로세서가 더 포함되어 있는 것을 예로 든다.
또한 상기 데이터베이스에는 상기 용액(120)이 상기 전극(130) 위를 지나갈 때, 상기 용액(120)의 산화 또는 환원반원의 진행 정도에 따라 다르게 측정되는 전기신호 값에 대한 정보도 미리 저장되어 있다. 즉, 상기 용액(120)이 산화 또는 환원 반응을 일으키는 용액이라고 가정할 때, 상기 용액(120)에서 일어나는 산화 또는 환원 반응의 정도에 따라 상기 용액(120)이 상기 전극(130) 위를 지나갈 때 발생하는 전기신호 값은 달라진다. 따라서 용액(120)의 산화 또는 환원 반응이 일어난 정도가 각각 다른 상태에서 상기 용액(120)이 상기 전극(130) 위를 지날 때의 전기신호 값이 상기 데이터베이스에 저장되어 있으므로, 상기 제어부(150)는 상기 저장되어 있는 값과 상기 산화 또는 환원 반응을 일으키는 용액이 상기 전극 위를 지날 때의 전기신호 값을 비교하여 쉽게 상기 유체(120)에서 산화 또는 환원 반응이 일어난 정도를 도출할 수 있다.
상기 베이스부(160)는 지면 상에 평평하게 배치되고, 플레이트 형상을 갖는다. 상기 베이스부(160)는 상기 스테이지(170)를 배치시키기 위해 상면이 평평한 구조를 갖는다.
상기 스테이지(170)는 상기 베이스부(160) 상에 배치된다. 본 실시예에서 상기 스테이지(170)는 제1스테이지(171) 및 제2스테이지(172)를 포함한다. 본 실시예에서 상기 제1스테이지(171) 및 상기 제2스테이지(172)는 플레이트 형상의 블록 구조인 것을 예로 든다. 본 실시예에서 상기 제1스테이지(171)는 상기 미세 채널(110)의 일측 단부인 왼쪽의 하부에 배치된다. 그리고 상기 제2스테이지(172)는 상기 미세 채널(110)의 타측 단부인 오른쪽 하부에 배치된다. 본 실시예에서 상기 제1스테이지(171) 및 상기 제2스테이지(172)는 이격되도록 배치된다.
또한 상기 제1스테이지(171) 상에는 상기 제1서보모터(141)가 배치된다. 그리고상기 제2스테이지(172) 상에는 상기 제2서보모터(142)가 배치된다. 즉, 상기 제1서보모터(141)는 상기 미세 채널(110)의 일측 단부인 왼쪽 단부와 인접하도록 배치되어서, 상기 미세 채널(110)의 왼쪽 단부에 압력을 가할 수 있다. 구체적으로 본 실시예에서는 상기 제1기체 충진부(111)에 압력을 가한다. 그리고 상기 제2서보모터(142)는 상기 미세 채널(110)의 타측 단부인 오른쪽 단부와 인접하도록 배치되어서, 상기 미세 채널(110)의 오른쪽 단부에 압력을 가할 수 있 있다. 구체적으로 본 실시예에서는 상기 제2기체 충진부(112)에 압력을 가한다. 본 실시예에서 상기 제1서보모터(141)와 상기 미세 채널(110)의 왼쪽 단부는 동일 평면 상에 배치되고, 상기 제2서보모터(142)와 상기 미세 채널(110)의 오른쪽 단부는 동일 평면 상에 배치된다.
도 4는 상기 유체 센서(100)의 작동 원리를 도시한다. 도 4를 참조하면 상기 유체(120)의 순환 운동은 상기 전극(130)과 상기 제어부(150) 사이에 전기신호를 유도한다. 마찰전기 시리즈에 따르면, 물은 폴리디메틸실록산보다 양(+)의 값을 갖는다. 따라서 폴리디메틸실록산 표면 위의 상기 용액(120)의 흐름은 상기 용액(120)이 양전하를 획득하고 상기 미세 채널(110)은 접촉 대전에 의해 음전하를 획득한다. 이 때 상기 미세 채널(110)이 상기 용액(120)으로 가득 차면(aⅰ) 상기 미세 채널(110)의 표면의 음전하를 중화하기 위해 상기 용액(120)에서 양전하가 유도된다. 그리고 상기 용액(120)이 상기 전극(130)위에서 멀어질 때(aⅱ)와 상기 용액(120)이 상기 전극(130) 위로 완전히 지나갈 때(aⅲ)는 정전기 평형에 도달할 때까지 전자가 상기 전극(130)에서 상기 제어부(150)로 흐른다.
상기 용액(120)이 다시 상기 전극(130) 위로 돌아 오면(aⅳ), 상기 미세 채널(110) 표면의 음으로 하전된 층은 전기 이중층을 형성하여 부분적으로 스크리닝된다. 이는 전자가 상기 제어부(150)에서 상기 전극(130)으로 흐르도록 유도하여 다시 마찰전기 층과 상기 전극(130) 사이의 전하 불균형을 중화한다(aⅴ). 이 과정은 상기 전극(130)이 상기 용액(120)으로 완전히 덮일 때 평형 상태에 도달한다(aⅵ). (c)의 실험결과 그래프는 측정된 데이터가 이론적으로 예측된 동작과 일치함을 보여준다.
(b)는 상기 미세 채널(110)의 표면을 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-aminopropyltriethoxy silane, APTES)을 사용하여 변경시킴으로써 양전하 표면을 갖는 것으로 실험한 것을 나타낸다. APTES에 의해 변형된 상기 미세 채널(110)의 표면은 말단에 아미노기(-NH3+)의 존재로 인해 양전하를 갖는다. 이러한 실험 결과는 (d)에서 보는 바와 같이 APTES에 의해 변형되지 않은 (c)와 반대 극성을 나타낸다. APTES로 폴리디메틸실록산의 표면을 수정하는 단계는 도 5에 도시되어 있다. 이 때 폴리디메틸실록산 표면은 초기에 산소 플라즈마에 의해 활성화되어 실란화에 적합한 실란(Si-OH) 그룹을 생성한다.
(e)는 APTES silanization이 있거나 없는 폴리디메틸실록산 표면의 XPS 스펙트럼 조사를 보여준다. 수정되지 않은 샘플에서는 N1 신호가 관찰되지 않는다. 그러나 아무런 처리를 하지 않은 폴리디메틸실록산을 APTES로 실란화 한 후 이 피크가 관찰된다. (f)의 APTES 수정 샘플의 고분해능 N1s 스펙트럼은 이 피크를 보다 명확하게 보여준다.
도 6은 염화나트륨(NaCl) 용액의 농도에 따른 전기신호 발생 변화를 나타내는 그래프이다. 즉, 디아이 워터에 비해 염화나트륨 용액의 농도가 높아질수록 염화 발생되는 전압이 낮아지는 것을 알 수 있다. 이는 용액의 자유 양이온이 음으로 대전된 폴리디메틸실록산 표면에 흡착되어 EDL(electrical double layer)을 형성하여 마찰 전위를 스크리닝 한다. 이러한 스크리닝 효과는 낮은 전하 밀도로 EDL을 조정할 수 있다는 것이다. 따라서 염화 나트륨의 농도가 5×10-3 M까지 증가함에 따라 출력 전압이 점차 감소한다. 그 후에는 2 × 10-3에서 0.1M의 농도 범위에서 전압이 크게 감소한다. 도 7을 참조하면, 용액(20mM NaCl)을 주입하고 5분이 경과한 후 장치의 출력은 여전히 좋은 안정성을 보여 주는 것을 알 수 있다.
도 8은 본 실시예에 따른 미세 유체 센서(100) 내부를 유동하는 용액의 환원 반응이 발생할 때 시간의 흐름에 따른 출력 전압을 나타낸다. 이에 따르면 본 실시예에 따른 미세 유체 센서(100)에서 발생하는 출력 전압은 아래에서 설명할 촉매 반응 프로세서와 유사한 경향을 보인다.
도 8은 유체(120)의 환원반응에 따라 제어부(150)에서 측정되는 전기신호의 변화를 나타낸다. 본 실험은 NaBH4를 환원제로 사용하고, Au-NP를 촉매제로 사용하여 4-니트롤 페놀(4-NP)이 4 아미노 페놀(4-AP)로 환원되는 반응을 이용한다. 도 6을 참조하면, (a)에서 400nm에서 흡수 피크의 강도는 크게 감소한 반면, 300nm에서 새로운 피크가 형성된 것을 알 수 있다. 이는 시간의 흐름에 따라 4-NP에서 4-AP로의 변환이 발생했기 때문이다. 그리고 (b)에 따르면 출력 전압은 시간의 지남에 따라 증가하고 있다. 이러한 결과는 본 실시예에 따른 미세 유체 센서(100)가 환원 반응의 정도를 도출하는 기능 또한 가질 수 있다는 점을 뒷받침한다. (c)에서 아무런 처리를 하지 않은 폴리디메틸실록산, NaBH4 및 4-NP 혼합물에 담근 폴리디메틸실록산, 촉매 반응을 거친 폴리디메틸실록산 각각의 표면은 알칼리 조건하에서 음전하를 나타낸다. 이 때 아무런 처리를 하지 않은 폴리디메틸실록산은 양이온 흡착으로 인한 스크리닝 효과가 없기 때문에 다른 두 가지보다 음전하를 나타낸다. 그리고 촉매 반응을 거친 폴리디메틸실록산의 표면은 NaBH4 및 4-NP 혼합물에 담근 폴리디메틸실록산보다 더 음전하를 타나낸다. 그리고 (d)는 촉매 반응 전후의 Au-NP의 제타 포텐셜을 측정한 것을 나타낸다. 이에 따르면 반응 후 -25.7에서 -35.9mV로 제타 포텐셜의 변화는 Au-NP 표면에서도 유사한 변화가 일어난 것을 알 수 있다.
도 9는 본 실시예에 따른 미세 유체 센서(100) 내부를 유동하는 용액의 환원 반응이 발생할 때 시간의 흐름에 흡광도 및 출력 전압을 나타낸다. 본 실시예에서 At/Af는 일정 시간에서의 흡광도 값(300nm에서)을 나타낸다. 이에 따르면 도 8의 (a)의 4-AP의 해당 농도와 유사한 것을 알 수 있다. 따라서 At/Af는 반응의 정도를 나타내는데 사용 가능하다. 그리고 Vt/Vf는 환원 반응에 일어날 때 발생하는 출력 전압이다. 시간 함수로서의 Vt/Vf 또한 At/Af와 유사한 경향을 나타내고, 이는 본 실시예에 따른 미세 유체 센서(100)의 출력이 촉매 반응 프로세서를 정확하게 반영한다는 것을 나타낸다.
도 10은 유체의 촉매 반응 동안 더 네거티브한 제타 포텐셜을 갖는 새로운 표면이 형성되는 것을 설명하기 위한 EDL(electrical double layer) 모델이 도시되어 있다. 음으로 하전 된 폴리디메틸실록산 표면이 반응 용액과 접촉하면 용액 중 양으로 하전 된 성분이 음으로 하전 된 폴리디메틸실록산 표면에 끌려 EDL을 형성한다. 반응의 초기 단계에서 양이온은 주로 Na + 이온이다. 이러한 이온 중 일부는 폴리디메틸실록산과 강하게 결합하여 얇은 선미 층을 형성한다. 이러한 Na + 이온은 폴리디메틸실록산 표면에 남아 있고 유체 흐름과 함께 전달되지 않기 때문에 용액과 상호 작용하는 음전하의 전하 밀도가 낮은 새로운 표면으로 설명 할 수 있다. 따라서 촉매 반응 용액이있는 장치의 초기 출력 전압은 DI water를 사용할 때보 다 낮다. 반응이 진행됨에 따라 용액에 4-AP 분자 (양전하)의 수가 증가합니다. 이러한 4-AP 분자는 화학적 결합에 의해 폴리디메틸실록산 표면에 흡착되며, 이는 폴리디메틸실록산 표면에 흡착 된 Na + 이온의 정전 기적 결합보다 훨씬 더 강하다. 따라서 더 많은 수의 4-AP 분자가 Na +의 상호 작용을 방해 할 수 있다고 볼 수 있다.
이러한 점에서 본 실시예에 따른 미세 유체 센서(100)가 용액(120)의 촉매 반응 유무를 센싱할 수도 있음을 뒷받침한다. 물론 이 때는 상기 제어부(150)에 상기 유체(120)가 촉매 반응을 일으키지 않는 경우의 출력 전압에 대한 정보가 미리 저장되어 있을 수 있다.
도 11은 미세 체널(110)의 높이 및 폭에 따른 출력 전압의 변화를 나타낸다. 외부 압력이 일정할 때, 상기 미세 채널(110)의 높이 및 폭과 같은 변수는 용액(120)의 유속과 마찰전기 재료와의 접촉 면적을 결정하므로 마찰전기 생성부(151)의 출력 성능에 영향을 미친다. (a)에 의하면, 상기 미세 채널(110)의 높이가 80㎛인 경우에 상기 미세 채널(110)의 폭이 증가함에 따라 출력 전압이 증가하다가 상기 미세 채널(110)의 폭이 600㎛를 넘어서면서 출력 전압이 감소하는 것을 알 수 있다. 즉, 상기 마찰전기 생성부(151)는 상기 미세 채널(110)의 폭이 600㎛일 때 가장 높은 출력 전압을 보인다. 이는 출력 전압이 액체(120) 속도와 액체(120)와 상기 미세 채널(110)의 바닥 표면 사이의 접촉 면적에 의해 결정되기 때문이다. 다만 상기 미세 채널(110)의 폭이 넓어짐에 따라 출력 전압이 증가하다가 감소하는 것은, 상기 미세 채널(110)의 폭이 넓어지면서 상기 용액(120)의 속도가 감소되기 때문이다. 이는 상기 미세 채널(110)의 폭이 600㎛까지 증가하는 동안에는 상기 용액(120)과 상기 미세 채널(110)의 바닥 표면 사이의 접촉 면적 증가에 따른 출력 성능 향상의 정도가 상기 용액(120)의 속도 저하에 따른 출력 성능 저하의 정도보다 큰 것으로 볼 수 있고, 상기 미세 채널(110)의 폭이 600㎛를 넘는 부분에서는 그 반대의 경우로 볼 수 있다.
(b)를 참조하면, (b)는 상기 미세 채널(110)의 폭이 600㎛인 상태에서 상기 미세 채널(110)의 높이를 변화시킬 때의 출력 변화를 나타낸다. 이에 따르면 상기 미세 채널(110)의 높이가 증가함에 따라 출력 전압이 지속적으로 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 상기 미세 채널(110)의 높이가 증가함에 따라 더 높은 압력이 발생하여 상기 용액(120)의 속도가 증가 하기 때문이다. 다만 상기 미세 채널(110)의 높이를 40㎛에서 80㎛까지 증가시킬 때의 출력 전압의 증가율은 상기 미세 채널(110)의 높이를 80㎛에서 100㎛까지 증가시킬 때의 출력 전압의 증가율보다 훨씬 큰 것을 알 수 있다. 즉, 상기 미세 채널(110)의 높이는 출력 전압의 증가율을 고려하면 80㎛로 설정하는 것이 효율적일 수 있다. 하지만 본 발명은 이에 한정되지 않고 상기 미세 채널(110)의 높이를 10㎛ 내지 100㎛, 폭을 10㎛ 내지 1000㎛까지 변경할 수 있다. 이 때 상기 미세 채널(110)의 길이는 특별히 한정되지 않고 다양한 길이가 적용될 수 있다.
도 12는 일반적인 폴리디메틸실록산과, NaBH4 및 p-니트롤 페놀 혼합물에 폴리디메틸실록산을 담근 상태 및 촉매 반응까지 거친 상태 각각의 제타 전위를 측정한 값을 나타내는 그래프이다. 이는 도 6의 (c)의 결과를 막대 그래프로 도시한 것으로써 도 6의 (c)에서와 동일한 내용이므로 구체적인 설명은 생략한다.
도 13 및 14는 미세 채널(110)과 전극(130)을 결합 제조하는 과정을 나타낸다. 미세 채널을 제작하기 위해 포토 마스크를 설계하고, SU-8 네거티브 포토 레지스트(SU-8 2050, MicroChem, Westborough, USA)를 포토 리소그래피에 사용한다. 다음으로 진공 용기에서 trichloro (3,3,3-trifluoropropyl) silane (Sigma Aldrich, Korea)을 사용하여 1 시간 동안 표면을 실란화한다. 그리고 폴리디메틸실록산을 주조, 경화 및 박리하여 미세 채널을 준비 한다. 전극을 제작하기 위해 Cu 포일 테이프 조각을 유리 슬라이드 중간에 부착한다. 그런 다음 PDMS의 얇은 층 (100μm)을 슬라이드 표면에 코팅한다. 그리고 PDMS의 두께를 조절하기 위해 1g의 PDMS 전구체를 전극이있는 유리판에 도포 한 다음 배양 접시에 거꾸로 놓고 PDMS가 슬라이드 자체의 무게에 의해 고르게 분산되도록 한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 미세 유체 센서
110: 미세 채널
110a: 미세 채널 상부
110b: 미세 채널 하부
111: 제1기체 충진부
112: 제2기체 충진부
120: 유체
130: 전극
140: 외력 공급 장치(서보 모터)
141: 제1서보 모터
142: 제2서보 모터
150: 제어부
151: 전기 신호 측정부
152: 전원 공급부
160: 베이스부
170: 스테이지
171: 제1스테이지
172: 제2스테이지
110: 미세 채널
110a: 미세 채널 상부
110b: 미세 채널 하부
111: 제1기체 충진부
112: 제2기체 충진부
120: 유체
130: 전극
140: 외력 공급 장치(서보 모터)
141: 제1서보 모터
142: 제2서보 모터
150: 제어부
151: 전기 신호 측정부
152: 전원 공급부
160: 베이스부
170: 스테이지
171: 제1스테이지
172: 제2스테이지
Claims (12)
- 내부를 통해 용액이 유동할 수 있는 미세 채널;
상기 미세 채널의 하부 또는 상부에 배치되는 전극; 및
외력에 의하여 상기 미세 채널의 일 단에서 타 단으로 상기 용액에 압력이 가해져서, 상기 용액이 상기 미세 채널 내부에서 상기 전극을 지날 때 발생하는 전기신호를 측정하여, 상기 측정된 전기신호를 이용하여 상기 용액의 정보를 판단하되, 상기 용액이 상기 전극을 지날 때 상기 용액과 상기 미세 채널 간에 발생하는 마찰전기를 이용하여 구동되는 제어부를 포함하는,
미세 유체 센서. - 청구항 1에 있어서,
상기 미세 채널은,
평평하게 배치되는,
미세 유체 센서. - 청구항 1에 있어서,
상기 미세 채널은,
미세 채널 상부; 및
상기 미세 채널 상부의 아래쪽으로 이격되어 배치됨으로써, 상기 미세 채널 상부와의 사이에서 상기 용액이 유동할 수 있는 공간을 형성하는 미세 채널 하부 를 포함하며,
상기 전극은,
상기 미세 채널 하부에 삽입되어 있는,
미세 유체 센서. - 청구항 1에 있어서,
상기 미세 유체 센서는,
일 단은 상기 미세 채널의 일 단과 연통되고 제1기체가 충진되며, 타 단은 밀폐되어 있는 제1기체 충진부; 및
일 단은 상기 미세 채널의 타 단과 연통되고 제2기체가 충진되며, 타 단은 밀폐되어 있는 제2기체 충진부를 더 포함하고,
상기 제1기체 충진부 또는 상기 제2기체 충진부에 압력을 가하여, 상기 미세 채널 내의 상기 용액을 상기 미세 채널의 타 단 또는 일 단으로 유동시키는,
미세 유체 센서. - 청구항 4에 있어서,
상기 제1기체 충진부의 타 단은 신축성 있는 소재로 형성되어, 외력에 의하여 상기 타 단에 압력이 가해지면, 상기 제1기체가 압력을 받아 상기 용액을 미는,
미세 유체 센서. - 청구항 1에 있어서,
상기 미세 채널의 일 단 또는 타 단에 압력을 가해서 상기 미세 채널 내부의 상기 용액이 이동하도록 하는 외력 공급 장치를 더 포함하는,
미세 유체 센서 - 청구항 6에 있어서,
상기 외력 공급 장치는,
서보모터인,
미세 유체 센서. - 청구항 7에 있어서,
상기 서보모터는,
상기 미세 채널의 일 단에 압력을 가하는 제1서보 모터; 및
상기 미세 채널의 타 단에 압력을 가하는 제2서보 모터를 포함하고,
상기 제1서보모터가 상기 미세 채널의 일 단에 압력을 가하면 상기 제2서보 모터는 상기 미세 채널의 타 단에 압력을 가하지 않고, 상기 제2서보모터가 상기 미세 채널의 타 단에 압력을 가하면 상시 제1서보모터는 상기 미세 채널의 일 단에 압력을 가하지 않음으로써 상기 용액을 유동시키는,
미세 유체 센서. - 청구항 1에 있어서,
상기 제어부는,
상기 미세 채널 내부를 유동하는 용액의 농도에 따라, 상기 용액이 상기 전극을 지날 때 발생하는 서로 다른 전기신호에 대한 정보를 저장하고 있는 데이터베이스(DB)를 포함하는,
미세 유체 센서. - 청구항 1에 있어서,
상기 제어부는,
상기 용액이 상기 전극을 지나갈 때 변화하는 전기신호 값을 상기 데이터베이스에 미리 저장되어 있는 전기신호 값과 비교하여 상기 용액의 농도를 판단하는,
미세 유체 센서. - 청구항 9에 있어서,
상기 용액은 산화 또는 환원반응을 일으키는 용액이고,
상기 데이터 베이스는,
상기 용액이 상기 전극을 지나갈 때, 상기 용액의 산화 또는 환원반응의 진행 정도에 따라 다르게 측정되는 전기신호 값에 대한 정보를 미리 저장하고 있으며,
상기 제어부는,
상기 용액이 상기 전극을 지나갈 때 변화하는 전기신호 값을 상기 데이터베이스에 미리 저장되어 있는 전기신호 값과 비교하여 상기 용액의 산화 또는 환원반응이 일어난 정도를 판단하는,
미세 유체 센서. - 청구항 1에 있어서,
상기 미세 채널을 상면에 배치할 수 있도록 상기 미세 채널의 하면에 배치되되, 상기 미세 채널의 일측 단부 아래에 배치되는 제1스테이지;
상기 미세 채널을 상면에 배치할 수 있도록 상기 미세 채널의 하면에 배치되되, 상기 제1스테이지와 이격되도록 배치되고, 상기 미세 채널의 타측 단부 아래에 배치되는 제2스테이지;
상기 제1스테이지 상에 배치되고, 상기 미세 채널의 일측 단부에 압력을 가하는 제1서보모터;
상기 제2스테이지 상에 배치되고, 상기 미세 채널의 타측 단부에 압력을 가하는 제2서보모터; 및
상기 제1스테이지 및 상기 제2스테이지를 상면에 배치할 수 있도록 상기 제1스테이지 및 상기 제2스테이지의 하면에 배치되는 베이스부를 더 포함하는,
미세 유체 센서.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210050522A KR102507865B1 (ko) | 2021-04-19 | 2021-04-19 | 미세 유체 센서 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR1020210050522A KR102507865B1 (ko) | 2021-04-19 | 2021-04-19 | 미세 유체 센서 |
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| KR20220144178A true KR20220144178A (ko) | 2022-10-26 |
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ID=83784368
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| KR1020210050522A KR102507865B1 (ko) | 2021-04-19 | 2021-04-19 | 미세 유체 센서 |
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012132879A (ja) * | 2010-12-24 | 2012-07-12 | Sekisui Chem Co Ltd | マイクロ流体デバイス、微生物夾雑物検出システム、並びに、微生物夾雑物の検出方法 |
| KR101715212B1 (ko) * | 2015-09-10 | 2017-03-13 | 중앙대학교 산학협력단 | 액체 물질 반응에 의한 주파수 감지 화학 센서 |
| KR101776134B1 (ko) * | 2015-11-30 | 2017-09-08 | 한국과학기술연구원 | 미세유체칩 기반의 병원균 검출에서 계면동전기 흐름전위에 의한 비표지 센싱 방법 및 장치 |
| KR101813162B1 (ko) | 2015-07-21 | 2017-12-28 | 한국과학기술원 | 필름-기반 미세유체 디바이스 및 이를 이용한 바이오센서 |
| CN111257660A (zh) * | 2018-11-30 | 2020-06-09 | 财团法人工业技术研究院 | 流体管路内部静电测量系统及其方法 |
-
2021
- 2021-04-19 KR KR1020210050522A patent/KR102507865B1/ko active IP Right Grant
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