KR20230161227A - Fludic device for processing micro particle and manufaturing method of the fludic device - Google Patents
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Abstract
미세 입자의 처리가 가능한 유체 소자 및 유체 소자의 제조 방법이 개시된다. 유체 소자는 유체에 포함된 미세 입자와 불순물이 이동하는 회전 채널로 구성된 분리 파트; 상기 분리 파트를 구성하는 회전 채널을 이동하면서 분순물과 분리된 미세 입자 및 미세 입자의 검출을 위해 사용되는 검출 물질이 이동하면서 서로 혼합되는 비대칭 채널로 구성된 혼합 파트; 및 상기 비대칭 채널을 이동하면서 미세 입자와 결합된 검출 물질과 미세 입자와 결합되지 않은 검출 물질 중 미세 입자와 결합된 검출 물질을 걸러내는 필터로 구성되는 농축 파트로 구성될 수 있다.A fluid device capable of processing fine particles and a method for manufacturing the fluid device are disclosed. The fluid element includes a separation part consisting of a rotating channel through which fine particles and impurities contained in the fluid move; A mixing part composed of an asymmetric channel in which impurities and separated fine particles and a detection material used for detection of fine particles are mixed while moving in the rotating channel constituting the separation part; And it may be composed of a concentration part consisting of a filter that filters out the detection material bound to the fine particles from the detection material bound to the fine particles and the detection material not bound to the fine particles while moving in the asymmetric channel.
Description
최근 미세입자 또는 생체 세포의 분리하는 기술은 생화학 분석연구, 임상 진단 등의 분야에서 관심이 증가하고 있다. 여러 가지 혼합물에서 원하는 미세입자를 분리하기 위해 다양한 기법들이 제안되고 있다.Recently, technology for separating microparticles or biological cells has been receiving increasing attention in fields such as biochemical analysis research and clinical diagnosis. Various techniques have been proposed to separate desired fine particles from various mixtures.
특히, 추출하고자 하는 미세 입자를 불순물과 분리하고, 미세 입자를 쉽게 측정할 수 있으며, 고감도로 미세 입자를 측정하기 위한 장치가 요구되고 있다.In particular, there is a need for a device that separates the fine particles to be extracted from impurities, can easily measure the fine particles, and measures the fine particles with high sensitivity.
본 발명은 미세 입자를 분리하고, 혼합하고 농축할 수 있는 일체화된 유체 소자를 제안한다.The present invention proposes an integrated fluidic device capable of separating, mixing and concentrating fine particles.
본 발명의 일실시예에 따른 유체 소자는 미세 입자를 불순물과 분리하는 분리 파트; 상기 분리 파트를 통해 분리된 미세 입자와 미세 입자의 검출을 위해 사용되는 검출 물질을 서로 혼합하는 혼합 파트; 및 상기 미세 입자와 검출 물질이 혼합된 유체에서 검출 물질과 결합된 미세 입자만 걸러서 미세 입자를 농축하는 농축 파트를 포함할 수 있다.A fluid device according to an embodiment of the present invention includes a separation part that separates fine particles from impurities; a mixing part that mixes the fine particles separated through the separation part and a detection substance used for detecting the fine particles; And it may include a concentration part that concentrates the fine particles by filtering out only the fine particles bound to the detection material from the fluid in which the fine particles and the detection material are mixed.
상기 유체 소자에 펌프를 통해 유입된 미세 입자가 포함된 유체와 Sheath flow이 특정 방향을 통해 회전한 이후에 분리 파트에 유입될 수 있다.The fluid containing fine particles introduced into the fluid element through the pump and the sheath flow may rotate in a specific direction and then flow into the separation part.
상기 분리 파트를 통해 미세 입자와 불순물은 서로 다른 경로를 통해 진행하고, 상기 불순물은, 상기 유체 소자에 형성된 유압 저항 보상 파트를 통해 배출될 수 있다.Fine particles and impurities travel through different paths through the separation part, and the impurities may be discharged through a hydraulic resistance compensation part formed in the fluid element.
상기 분리 파트는, 상기 미세 입자와 상기 불순물의 크기에 따라 서로 다른 경로를 통해 배출하고, 상기 미세 입자는 혼합 파트로 이동할 수 있다.The separation part discharges the fine particles and the impurities through different paths depending on the size of the fine particles, and the fine particles can move to the mixing part.
상기 혼합 파트를 통해 유입된 미세 입자와 검출 물질은 복수의 회전체로 구성된 혼합 영역을 통과함으로써 서로 결합(binding)될 수 있다. The fine particles and the detection material introduced through the mixing part may be bound to each other by passing through a mixing region composed of a plurality of rotating bodies.
상기 농축 파트는, 나노 사이즈의 복수의 슬릿들로 구성된 필터로 구성되고, 상기 검출 물질이 결합된 미세 입자는 필터를 통과하지 않고, 상기 미세 입자와 결합되지 않은 검출 물질은 필터를 통과할 수 있다.The concentration part is composed of a filter composed of a plurality of nano-sized slits, and the fine particles bound to the detection material do not pass through the filter, and the detection material not bound to the fine particles can pass through the filter. .
본 발명의 일실시예에 따른 유체 소자의 제작 방법은 (i) 기판에 포토 레지스트를 통해 사진 식각하여 유체 소자의 채널 패턴을 형성하는 단계; (ii) 상기 유체 소자의 채널 패턴이 제작된 기판에 투명 물질인 PDMS를 도포한 후, 일정 온도에서 PDMS를 경화하는 단계; (iii) 상기 경화된 PDMS를 기판에서 분리하여 유체 소자의 채널 레이어를 형성하는 단계; (iv) 3D 실리콘 몰드에 PDMS를 스핀 코팅하여 일정 온도에서 경화하는 단계; (v) 스핀 코팅된 PDMS와 상기 유체 소자의 채널 레이어를 플라즈마 처리를 통해 서로 결합하는 단계; (vi) 상기 3D 실리콘 몰드의 표면에 스핀 코팅된 PDMS를 습식 식각을 통해 제거하는 단계; (vii) 습식 식각을 통해 3D 실리콘 몰드로부터 유체 소자의 채널 레이어를 분리함으로써 유체 소자의 필터를 형성하는 단계; (viii) 상기 유체 소자의 채널 레이어, 유리 기판 및 상기 필터를 지지하는 지지 레이어를 결합함으로써 유체 소자를 제작하는 단계를 포함할 수 있다.A method of manufacturing a fluid device according to an embodiment of the present invention includes the steps of (i) forming a channel pattern of a fluid device by photoetching a substrate through photoresist; (ii) applying PDMS, a transparent material, to the substrate on which the channel pattern of the fluid device is fabricated, and then curing the PDMS at a certain temperature; (iii) separating the cured PDMS from the substrate to form a channel layer of a fluid device; (iv) spin-coating PDMS on a 3D silicone mold and curing it at a constant temperature; (v) bonding the spin-coated PDMS and the channel layer of the fluid device to each other through plasma treatment; (vi) removing PDMS spin-coated on the surface of the 3D silicon mold through wet etching; (vii) forming a filter of the fluidic device by separating the channel layer of the fluidic device from the 3D silicon mold through wet etching; (viii) manufacturing a fluid device by combining a channel layer of the fluid device, a glass substrate, and a support layer supporting the filter.
상기 3D 실리콘 몰드는, (a) 산화 실리콘 막을 포토 레지스트를 통해 사진 식각하고 산화 실리콘 막을 건식 식각하여 기판에 패턴을 형성하는 단계; (b) Deep RIE를 적용하여 특정 높이를 가지는 복수의 기둥으로 된 구조물을 형성하는 단계; (c) 상기 복수의 기둥 구조물을 비등방성 습식 식각하는 단계의 과정을 통해 제조될 수 있다.The 3D silicon mold includes the steps of (a) photo-etching a silicon oxide film through a photoresist and dry etching the silicon oxide film to form a pattern on a substrate; (b) applying Deep RIE to form a structure made of a plurality of pillars with a specific height; (c) It can be manufactured through the process of anisotropic wet etching the plurality of pillar structures.
본 발명의 일실시예에 따르면, 패시브 타입으로 설계한 유체 소자를 통해 유체를 펌프를 통해 유입하는 것만으로도 유체에 포함된 미세 입자를 분리하고, 미세 입자와 검출 물질을 혼합시키고, 미세 입자를 농축할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, just by introducing fluid through a pump through a fluid element designed as a passive type, fine particles contained in the fluid are separated, fine particles and detection substances are mixed, and fine particles are separated. It can be concentrated.
본 발명의 일실시예에 따르면, 유리 기판 및 PDMS로 투명한 소재로 유체 소자를 제작함으로써 박테리아와 같은 미세 입자를 효과적으로 처리할 수 있으며, 광학 측정도 용이할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, by manufacturing a fluid device using a transparent material such as a glass substrate and PDMS, fine particles such as bacteria can be effectively treated, and optical measurement can also be easily performed.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 유체 소자를 이용한 미생물 검출 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 분리 파트의 출력단(a)에서의 유체의 이동을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 관성 집중에 대해 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 딘 흐름에 대해 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 분리 파트에서 관성 집중과 딘 흐름을 통해 입자를 분리하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 혼합 파트의 입력단(b)에서의 유체의 이동을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 혼합 파트에서 미세 입자와 검출 물질 간의 혼합 원리를 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 혼합 파트에서 단계별 혼합 과정을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 농축 파트를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 유체 소자의 제1 제조 과정을 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 유체 소자의 제2 제조 과정을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 3D 실리콘 몰드의 제조 과정을 도시한 도면이다.Figure 1 is a diagram for explaining a method for detecting microorganisms using a fluid device according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a diagram for explaining the movement of fluid at the output end (a) of the separation part of Figure 1 according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a diagram explaining inertial concentration according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a diagram explaining Dean flow according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a diagram illustrating the process of separating particles through inertial concentration and Dean flow in the separation part of Figure 1 according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a diagram for explaining the movement of fluid at the input end (b) of the mixing part of Figure 1 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating the principle of mixing between fine particles and a detection substance in the mixing part of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 is a diagram showing a step-by-step mixing process in the mixing part of Figure 1 according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 is a diagram for explaining the concentration part of Figure 1 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram illustrating a first manufacturing process of the fluid device of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram illustrating a second manufacturing process of the fluid device of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention.
Figure 12 is a diagram showing the manufacturing process of a 3D silicone mold according to an embodiment of the present invention.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the attached drawings. However, the scope of the patent application is not limited or limited by these examples. The same reference numerals in each drawing indicate the same members.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Various changes may be made to the embodiments described below. The embodiments described below are not intended to limit the embodiments, but should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes therefor.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 이해되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.Terms such as first or second may be used to describe various components, but these terms should be understood only for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, a first component may be named a second component, and similarly, the second component may also be named a first component.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수 개의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 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.Terms used in the examples are merely used to describe specific examples and are not intended to limit the examples. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
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.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as generally understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the embodiments belong. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless explicitly defined in the present application, should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense. No.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 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.In addition, when describing with reference to the accompanying drawings, identical components will be assigned the same reference numerals regardless of the reference numerals, and overlapping descriptions thereof will be omitted. In describing the embodiments, if it is determined that detailed descriptions of related known technologies may unnecessarily obscure the gist of the embodiments, the detailed descriptions are omitted.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 유체 소자를 이용한 미생물 검출 방법을 설명하기 위한 도면이다.Figure 1 is a diagram for explaining a method for detecting microorganisms using a fluid device according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 유체 소자(100)는 미생물인 박테리아와 같은 미세 입자를 분리, 혼합 및 농축을 통합적으로 처리할 수 있는 장치를 의미한다. 본 발명의 일실시예에 따른 유체 소자(100)는 투명한 소재로 구성될 수 있으며, 유리 기판 또는 PDMS를 통해 제조될 수 있다. 그리고, 유체 소자(100)는 미세 입자가 포함된 유체를 펌프로 밀어주는 것만으로도 빠른 시간에 미세 입자를 분리하고, 미세 입자가 반응을 일으킬 수 있는 물질과 혼합하며, 반응된 미세 입자를 필터를 통해 걸러서 농축하는 과정을 한번에 처리할 수 있는 통합된 장치이다.The fluid device 100 shown in FIG. 1 refers to a device capable of integrated processing of separation, mixing, and concentration of fine particles such as bacteria, which are microorganisms. The fluid device 100 according to an embodiment of the present invention may be made of a transparent material and may be manufactured using a glass substrate or PDMS. In addition, the fluid element 100 quickly separates the fine particles by simply pushing the fluid containing the fine particles with a pump, mixes the fine particles with a substance that can cause a reaction, and filters the reacted fine particles. It is an integrated device that can process the filtration and concentration processes at once.
본 발명의 일실시예에 따른 유체 소자(100)는 분리 파트, 혼합 파트 및 농축 파트를 모두 패시브(passive) 타입으로 구성하여 미세 입자를 포함하는 유체를 펌프를 통해 유체 소자(100)에 유입시키는 것만으로도 동작이 가능할 수 있다. 또한, 박테리아와 같은 바이오 물질에 친화적인 유리 기판과 PDMS를 통해 유체 소자가(100)가 제작될 수 있다. 또한, 유체 소자(100)는 유리 기판과 PDMS와 같은 투명한 재질로 제작될 수 있기 때문에, 유체 소자(100)에서 흐르는 유체를 광학적으로 쉽게 측정할 수 있다. 또한, 유체 소자(100)는 실리콘 몰드를 통해 소프트 리소그래피 기반으로 보다 저렴하게 제작될 수 있다. 유체 소자(100)는 분리 파트, 혼합 파트, 농축 파트로 구분될 수 있다. 추가로 유체 소자(100)는 불순물이 이동하는 유체 저항 보상 파트를 포함할 수 있다.The fluid device 100 according to an embodiment of the present invention consists of a separation part, a mixing part, and a concentration part all of a passive type, so that a fluid containing fine particles flows into the fluid device 100 through a pump. Operation may be possible with just that. Additionally, the fluid device 100 can be manufactured using a glass substrate and PDMS that are friendly to biomaterials such as bacteria. Additionally, because the fluid device 100 can be made of a transparent material such as a glass substrate and PDMS, the fluid flowing in the fluid device 100 can be easily measured optically. Additionally, the fluid device 100 can be manufactured more inexpensively based on soft lithography through a silicon mold. The fluid element 100 may be divided into a separation part, a mixing part, and a concentration part. Additionally, the fluid element 100 may include a fluid resistance compensation part through which impurities move.
분리 파트는 특정 방향으로 회전하는 회전 채널로 구성될 수 있다. 회전 채널을 통과하는 유체에 포함된 입자들은 크기에 따라 분리될 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 회전 채널을 통과하는 유체에 포함된 미세 입자(ex. 박테리아와 같은 미생물)과 불순물이 크기에 따라 분리될 수 있다. 이 때, 불순물의 크기는 박테리아의 크기보다 더 클 수 있다. 분리 파트는 딘 흐름(Dean Flow) 및 관성 집중(Inertia Focusing)을 이용하여 연속적으로 미세 입자를 불순물과 분리할 수 있다. The separation part may consist of a rotating channel that rotates in a specific direction. Particles contained in the fluid passing through the rotating channel may be separated according to size. According to one embodiment of the present invention, fine particles (ex. microorganisms such as bacteria) and impurities contained in the fluid passing through the rotating channel can be separated according to size. At this time, the size of the impurity may be larger than the size of the bacteria. The separation part can continuously separate fine particles from impurities using Dean Flow and Inertia Focusing.
일례로, 분리 파트는 미세 입자와 불순물의 크기에 기초하여 미세 입자보다 큰 크기를 가지는 불순물을 분리할 수 있다. 분리 파트의 입력단에 위치한 특정 홀에 미세입자인 박테리아 및 불순물이 포함된 유체가 펌프를 통해 주입되고, 나머지 홀에 Sheath Flow가 주입된다. 박테리아와 불순물이 포함된 유체와 Sheath flow이 분리 파트를 구성하는 회전 채널을 통해 특정 방향(도 1의 경우, 반시계 방향)으로 이동함으로써 분리 파트의 출력단에 도달한다. 박테리아가 포함된 유체와 Sheath Flow 비율의 최적화를 통해 분리 파트에서의 분리 효율이 최대화될 수 있다. 분리 파트를 통해 분리된 불순물은 유체 저항 보상 파트를 통해 출력된다. For example, the separation part may separate impurities having a size larger than the fine particles based on the size of the fine particles and the impurities. Fluid containing microscopic bacteria and impurities is injected through a pump into a specific hole located at the input end of the separation part, and sheath flow is injected into the remaining holes. The fluid containing bacteria and impurities and the sheath flow reach the output end of the separation part by moving in a specific direction (counterclockwise in the case of Figure 1) through the rotating channel that constitutes the separation part. Separation efficiency in the separation part can be maximized by optimizing the ratio of the fluid containing bacteria and the sheath flow. Impurities separated through the separation part are output through the fluid resistance compensation part.
혼합 파트는 분리 파트를 통해 분리된 미세 입자에 검출 물질을 혼합할 수 있다. 혼합 파트는 도 7에 도시된 바와 같이 비대칭 채널로 구성된다. 비대칭 채널은 단면에 유입된 유체가 합쳐졌다가 다시 서로 다른 크기를 가지는 독립적인 채널로 분리되는 과정이 반복되도록 형성된다. 비대칭 채널에서 유체는 시계 방향 및 반시계 방향을 번갈아가면서 이동한다. 이 과정에서 유체는 하나의 단면을 통해 합쳐졌다가 서로 다른 단면을 통해 분리될 수 있다.The mixing part can mix the detection material with the fine particles separated through the separation part. The mixing part consists of asymmetric channels as shown in Figure 7. Asymmetric channels are formed by repeating the process of combining fluids flowing into a cross section and then separating them into independent channels of different sizes. In an asymmetric channel, fluid moves alternately clockwise and counterclockwise. In this process, fluids can be combined through one cross section and then separated through different cross sections.
혼합 파트의 입력단(b)에서는 분리 파트를 통해 출력된 미세 입자와 외부에서 유입된 검출 물질이 유입된다. 미세 입자와 검출 물질은 혼합 파트를 이동함으로써 서로 혼합될 수 있다. 혼합 파트에 적용되는 딘 흐름과 혼합 파트를 구성하는 비대칭 채널 구조로 인해서 높은 유속에서 빠르게 미세 입자와 검출 물질이 효과적으로 혼합될 수 있다. 혼합 파트에서 미세 입자와 검출 물질이 혼합됨으로써, 박테리아와 같은 미세 입자가 전기화학적 또는 광학적으로 측정 가능한 상태가 될 수 있다. 혼합 파트를 통해 유입된 미세 입자와 검출 물질은 복수의 단계를 통해 위치를 바꿈으로써 혼합될 수 있다.At the input end (b) of the mixing part, fine particles output through the separation part and detection substances introduced from the outside flow in. The fine particles and the detection material can be mixed together by moving the mixing part. Due to the Dean flow applied to the mixing part and the asymmetric channel structure that makes up the mixing part, fine particles and detection substances can be effectively mixed quickly at high flow rates. By mixing the fine particles and the detection material in the mixing part, fine particles such as bacteria can be electrochemically or optically measurable. Fine particles and detection substances introduced through the mixing part can be mixed by changing positions through a plurality of steps.
농축 파트는 나노 사이즈의 복수의 슬릿들로 구성된 멤브레인 필터로 구성될 수 있다. 농축 파트를 통해 농축된 미세입자는 별도의 배양과정없이 고감도로 검출할 수 있다. 농축 파트는 도 12에서 설명할 3D 실리콘 몰드와 PDMS를 통해 간단한 형태로 제작될 수 있다. 혼합 파트를 통해 검출 물질과 결합된 미세 입자 및 미세 입자와 결합되지 않은 검출 물질이 농축 파트에 도달할 수 있다. 그러면, 필터로 구성된 농축 파트에서 미세 입자와 결합되지 않은 검출 물질은 통과되나, 검출 물질과 결합된 미세 입자는 통과되지 않고 필터의 슬릿에 걸러짐으로써 미세 입자의 농도가 높아질 수 있다.The concentration part may be composed of a membrane filter composed of a plurality of nano-sized slits. Fine particles concentrated through the concentration part can be detected with high sensitivity without a separate culture process. The concentrated part can be manufactured in a simple form using a 3D silicon mold and PDMS, which will be described in Figure 12. The mixing part allows fine particles bound to the detection material and detection material not bound to the fine particles to reach the concentration part. Then, the detection material that is not bound to the fine particles passes through the concentration part composed of a filter, but the fine particles that are bound to the detection material do not pass through but are filtered through the slit of the filter, thereby increasing the concentration of the fine particles.
본 발명의 일실시예에 따르면 펌프를 통해 박테리아를 포함하는 유체를 주입하면, 빠른 시간에 박테리아를 분리하고, 박테리아가 반응을 일으키는 검출 물질과 혼합한 후, 나노 사이즈의 슬릿이 있는 필터를 통해 박테리아를 농축할 수 있는 통합된 형태의 유체 소자(100)가 제시된다.According to one embodiment of the present invention, when a fluid containing bacteria is injected through a pump, the bacteria are quickly separated, mixed with a detection substance that causes the bacteria to react, and then the bacteria are filtered through a filter with nano-sized slits. An integrated fluid device 100 capable of concentrating is presented.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 분리 파트의 출력단(a)에서의 유체의 이동을 설명하기 위한 도면이다.Figure 2 is a diagram for explaining the movement of fluid at the output end (a) of the separation part of Figure 1 according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 유체 소자(100)에 포함된 분리 파트의 출력단(a)에 미세 입자인 박테리아(202)와 박테리아(202)보다 더 큰 크기를 가지는 불순물(201)이 분리 파트의 회전 채널을 통해 분리된 상태로 유입된다. 박테리아(202)와 불순물(201)은 이미 회전 채널을 통해 특정 영역으로 분리된 상태로 분리 파트의 출력단(a)에 도달하기 때문에 분리 파트의 출력단(a)에서 서로 다른 경로(x, y)로 쉽게 구분되어 이동할 수 있다.At the output end (a) of the separation part included in the fluid element 100 shown in FIG. 1, bacteria 202, which are fine particles, and impurities 201, which have a size larger than the bacteria 202, flow through the rotating channel of the separation part. It is introduced in a separated state through Since the bacteria 202 and the impurities 201 arrive at the output end (a) of the separation part in a state in which they have already been separated into a specific area through the rotating channel, they take different paths (x, y) from the output end (a) of the separation part. They can be easily distinguished and moved.
이 때, 박테리아(202)는 Y를 통해 이동하고, 불순물(201)은 X를 통해 이동한다. 박테리아(202)는 Y를 통과하여 유체 소자의 혼합 파트로 이동한다. 그리고, 불순물은 X를 통과하여 유체 소자의 유압 저항 보상 파트로 이동한다.At this time, bacteria 202 moves through Y, and impurities 201 move through X. Bacteria 202 pass through Y and move to the mixing part of the fluidic element. Then, the impurities pass through X and move to the hydraulic resistance compensation part of the fluid element.
분리 파트의 출력단(a)에 도달하는 박테리아(202)와 불순물(201)이 분리 파트의 회전 채널에서 어떤 원리로 분리되는지에 대해 도 3 내지 도 5에서 구체적으로 설명하기로 한다.The principle by which bacteria 202 and impurities 201 that reach the output end (a) of the separation part are separated in the rotating channel of the separation part will be explained in detail in FIGS. 3 to 5.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 관성 집중(Inertial focusing)에 대해 설명하는 도면이다.Figure 3 is a diagram explaining inertial focusing according to an embodiment of the present invention.
관성 집중은 Shear gradient 양력과 wall effect 양력의 균형에 의해 입자가 특정 위치에 모이는 현상을 의미한다. 도 3을 참고하면, 유체가 이동하는 채널이 정사각형 단면을 가지는 경우, 정사각형의 각 면의 중간 지점에 입자들의 집중점이 형성될 수 있다. Inertial concentration refers to the phenomenon where particles gather at a specific location due to the balance of shear gradient lift force and wall effect lift force. Referring to FIG. 3, when the channel through which fluid moves has a square cross-section, a concentration point of particles may be formed at the midpoint of each side of the square.
그리고, 유체가 이동하는 채널의 단면을 통해 이동하는 입자들은 입자의 크기에 따라 유체가 이동하는 채널의 단면의 일측(ex. 좌측 영역)과 타측(ex. 우측 영역)에 집중될 수 있다.Additionally, particles moving through the cross section of the channel through which the fluid moves may be concentrated on one side (ex. left area) and the other side (ex. right area) of the cross section of the channel through which the fluid moves, depending on the size of the particles.
즉, 본 발명의 일실시예에 따르면, 유체 소자의 채널을 통해 서로 다른 크기를 가지는 입자를 포함하는 유체를 흐르도록 하는 것만으로도 관성 집중으로 인해 유체에 포함된 입자들이 크기에 따라 서로 다른 위치로 분리될 수 있어서 보다 효과적으로 입자의 분리가 가능할 수 있다.That is, according to one embodiment of the present invention, simply by flowing a fluid containing particles of different sizes through the channel of the fluid element, the particles contained in the fluid are positioned at different positions depending on their size due to inertial concentration. Since it can be separated, more effective separation of particles may be possible.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 딘 흐름(Dean Flow)에 대해 설명하는 도면이다.Figure 4 is a diagram explaining Dean Flow according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참고하면, 유체가 지나가는 채널이 굽어진 회전 채널인 경우, 원심력에 의해 채널 방향의 수직 방향으로 2차적인 힘이 형성된다. 관성 집중이 발생되는 채널에 곡률을 이용한 2차 유동에 의한 항력을 더함으로써 입자의 집중점 위치와 개수가 조절될 수 있다. 분리 파트를 구성하는 회전 채널은 관성 집중과 딘 흐름이 동시에 적용되기 때문에, 회전 채널을 통과하는 유체에 포함된 미세 입자와 불순물이 보다 효과적으로 분리될 수 있다.Referring to FIG. 4, when the channel through which fluid passes is a curved rotating channel, a secondary force is formed in a direction perpendicular to the channel direction due to centrifugal force. The location and number of concentration points of particles can be adjusted by adding drag caused by secondary flow using curvature to the channel where inertial concentration occurs. Because inertial concentration and Dean flow are simultaneously applied to the rotating channel constituting the separation part, fine particles and impurities contained in the fluid passing through the rotating channel can be more effectively separated.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 분리 파트에서 관성 집중과 딘 흐름을 통해 입자를 분리하는 과정을 설명하는 도면이다. Figure 5 is a diagram illustrating the process of separating particles through inertial concentration and Dean flow in the separation part of Figure 1 according to an embodiment of the present invention.
도 1의 분리 파트는 유체가 특정 방향으로 회전하면서 이동하는 회전 채널로 구성된다. 분리 파트의 회전 채널의 단면은 사각형을 나타낸다. 미세 입자인 박테리아는 불순물(Impurity)보다 작은 크기를 가진다. 이 경우, 미세 입자인 박테리아는 딘 흐름의 영향에 의해 채널의 단면에서 외벽(outside wall)에 집중된다. 그리고, 불순물은 딘 흐름보다 관성 집중의 영향이 더 크게 작용하여 채널의 단면에서 내벽(inside wall)에 집중된다. The separation part in Figure 1 consists of a rotating channel through which the fluid moves while rotating in a specific direction. The cross section of the rotating channel of the separation part is rectangular. Bacteria, which are fine particles, have a smaller size than impurities. In this case, microscopic bacteria are concentrated on the outside wall in the cross section of the channel under the influence of Dean flow. In addition, impurities are concentrated on the inside wall at the cross section of the channel due to the greater influence of inertial concentration than Dean flow.
유체가 흐르는 채널에 Sheath flow와 박테리아 및 불순물이 함께 유입되나, 굽어진 채널을 이동함에 따라 불순물은 내벽에 집중되고, 불순물보다 작은 크기를 가지는 미세 입자인 박테리아는 외벽에 집중될 수 있다. 따라서, 박테리아가 포함된 유체와 Sheath flow의 비율을 조절함으로써 박테리아와 불순물의 분리 효과가 최대화될 수 있다.Sheath flow, bacteria, and impurities flow into the channel where the fluid flows, but as the channel moves through the curve, impurities are concentrated on the inner wall, and bacteria, which are fine particles smaller than the impurities, can be concentrated on the outer wall. Therefore, the separation effect of bacteria and impurities can be maximized by controlling the ratio of the fluid containing bacteria and the sheath flow.
도 5에 도시된 분리 파트의 회전 채널을 통해 박테리아와 불순물이 이동하는 경우, 회전 채널에 적용되는 관성 집중과 딘 흐름의 조합에 의해 박테리아 및 불순물이 좀더 명확하게 분리된다. 앞서 설명한 바와 같이, 박테리아와 불순물은 서로 다른 크기를 가지기 때문에, 크기의 차이에 따라 회전 채널을 통과할 때 박테리아와 불순물이 집중되는 위치가 서로 다를 수 있다.When bacteria and impurities move through the rotating channel of the separation part shown in Figure 5, the bacteria and impurities are more clearly separated by the combination of inertial concentration and Dean flow applied to the rotating channel. As previously explained, since bacteria and impurities have different sizes, the locations where the bacteria and impurities are concentrated when passing through the rotating channel may be different depending on the size difference.
본 발명의 일실시예에 따르면, 도 3에서 설명한 관성 집중만으로도 입자의 크기에 따라 분리가 가능할 수있으나, 입자의 크기가 작은 경우에도 좀더 미세하게 분리할 수 있도록 관성 집중과 딘 흐름이 함께 적용될 수 있도록 도 1의 분리 파트를 구성하는 회전 채널이 사용될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, separation depending on the particle size may be possible only through the inertial concentration described in FIG. 3, but inertial concentration and Dean flow can be applied together to enable more fine separation even when the particle size is small. A rotating channel constituting the separation part of FIG. 1 may be used.
입자의 크기가 클수록 회전 채널의 단면에서 안쪽 영역에 입자가 집중이 되고, 입자의 크기가 작을수록 회전 채널의 단면에서 바깥쪽 영역에 입자가 집중될 수 있다. 그래서, 미세 입자와 불순물이 회전 채널을 통과하면서 관성 집중과 딘 흐름에 따라 회전 채널의 안쪽 영역과 바깥쪽 영역에 서로 분리되어 배치되기 때문에, 미세 입자와 불순물은 회전 채널에서 미리 서로 다른 영역에 집중된 상태로 분리 파트의 출력단(a)에 도달한다. 그러면, 분리 파트의 출력단(a)에서 미세 입자는 유체 소자의 혼합 파트로 이동하고, 불순물은 유체 소자의 유체 저항 보상 파트로 이동한다.The larger the particle size, the more concentrated the particles are in the inner area of the cross section of the rotating channel, and the smaller the particle size, the more concentrated the particles are in the outer area of the cross section of the rotating channel. Therefore, as fine particles and impurities pass through the rotating channel, they are placed separately in the inner and outer areas of the rotating channel according to inertial concentration and Dean flow, so the fine particles and impurities are concentrated in different areas in advance in the rotating channel. It reaches the output terminal (a) of the separation part in this state. Then, at the output end (a) of the separation part, the fine particles move to the mixing part of the fluid element, and the impurities move to the fluid resistance compensation part of the fluid element.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 혼합 파트의 입력단(b)에서의 유체의 이동을 설명하기 위한 도면이다.Figure 6 is a diagram for explaining the movement of fluid at the input end (b) of the mixing part of Figure 1 according to an embodiment of the present invention.
도 6을 참고하면, 혼합 파트의 입력단(b)은 서로 다른 경로를 통해 미세 입자(601)와 검출 물질(602)이 유입된다. 검출 물질(602)은 박테리아와 같은 미세 입자(601)를 탐지하기 위한 물질을 의미한다. 검출 물질(602)은 미세 입자(601)에만 특이적으로 반응하는 항체나 효소 등으로 구성될 수 있으며, 미세 입자(601)와 반응하여 결합하면 다양한 방법(광학적 방식 또는 전기 화학적 방식)에 따라 검출 물질(602)을 검출할 수 있다. 즉, 검출 물질(602)과 결합된 미세 입자(601)는 다양한 방식에 따라 검출 가능한 상태가 될 수 있다.Referring to FIG. 6, fine particles 601 and detection substances 602 are introduced into the input terminal (b) of the mixing part through different paths. The detection material 602 refers to a material for detecting fine particles 601 such as bacteria. The detection substance 602 may be composed of an antibody or enzyme that reacts specifically only with the fine particles 601, and when it reacts and binds with the fine particles 601, it is detected according to various methods (optical or electrochemical methods). Substance 602 can be detected. That is, the fine particles 601 combined with the detection material 602 may be in a detectable state according to various methods.
도 6에 도시된 인공 항체(Fluorescent Inorganic Antibody: FIA)는 미세 입자(601)인 박테리아와 결합할 수 있는 검출 물질(602)의 예시이다. 다만, 본 발명에서 설명하는 검출 물질(602)은 인공 항체에 한정되지 않는다.The artificial antibody (Fluorescent Inorganic Antibody (FIA)) shown in FIG. 6 is an example of a detection substance 602 that can bind to bacteria, which are fine particles 601. However, the detection substance 602 described in the present invention is not limited to artificial antibodies.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 혼합 파트에서 미세 입자와 검출 물질 간의 혼합 원리를 설명하는 도면이다.FIG. 7 is a diagram illustrating the principle of mixing between fine particles and a detection substance in the mixing part of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention.
도 7을 참고하면, 유체 소자의 혼합 파트를 구성하는 비대칭 채널을 확대한 도면이다. 도 1의 분리 파트에서 분리되어 유입되는 미세 입자와 도 1의 혼합 파트에서 별도로 주입되는 검출 물질이 비대칭 채널의 입력단에서 한번 합쳐진 후, A 영역에서 크기가 다른 2개의 단면으로 비균일하게 분할된다. 그리고, 비대칭 채널의 A 영역에서 왼쪽 채널은 유체 1(Fluid 1)만 통과하나, 오른쪽 채널은 유체 1(Fluid 1)과 유체 2(Fluid 2)가 혼합되어 통과한다. Referring to Figure 7, it is an enlarged view of the asymmetric channel constituting the mixing part of the fluid device. The fine particles introduced separately from the separation part in Figure 1 and the detection material separately injected from the mixing part in Figure 1 are combined once at the input end of the asymmetric channel and then non-uniformly divided into two cross-sections of different sizes in area A. And, in area A of the asymmetric channel, only Fluid 1 passes through the left channel, but a mixture of Fluid 1 and Fluid 2 passes through the right channel.
그리고, 비대칭 채널의 B 영역에서 오른쪽 채널은 A 영역의 왼쪽 채널을 통해 흐르는 유체 1만 통과하며, B 영역에서 왼쪽 채널은 A 영역의 오른쪽 채널을 통해 유입된 유체 1과 유체 2가 회전 채널을 진행하며서 유체의 진행 방향에 수직 방향으로 형성되는 딘 흐름에 의해 일부가 혼합된 형태로 통과한다. 그리고, C 영역에 B 영역의 왼쪽 채널과 오른쪽 채널에서 출력된 유체들이 서로 위치를 바꾸어가면서 다시 혼합될 수 있다. In area B of the asymmetric channel, the right channel passes only fluid 1 flowing through the left channel of area A, and in the left channel of area B, fluid 1 and fluid 2 flowing in through the right channel of area A proceed through the rotating channel. Then, some of it passes in a mixed form due to the Dean flow formed in a direction perpendicular to the direction of fluid movement. In addition, the fluids output from the left and right channels of area B in area C can be mixed again by changing their positions.
즉, 유체 소자의 혼합 파트에서, 서로 다른 2개의 채널을 통해 분할된 형태로 미세 입자와 검출 물질이 이동함으로써 미세 입자와 검출 물질이 다시 결합하도록 하여 표면적이 넓어지는 효과를 나타낼 수 있다. 이에 따라 딘 흐름으로 인해서 2개의 채널을 통해 독립적으로 이동하는 미세 입자와 검출 물질이 효과적으로 혼합될 수 있다. 도 7의 오른쪽에 도시된 1st recombined fluid, 2nd recombined fluid, 3rd recombined fluid 및 4th recombined fluid는 유체가 혼합된 결과를 유체 해석 시뮬레이션을 통해 해석한 것을 도식적으로 표현된 이미지이다.That is, in the mixing part of the fluid device, the fine particles and the detection material move in a divided form through two different channels, thereby allowing the fine particles and the detection material to combine again, resulting in an increase in the surface area. Accordingly, due to the Dean flow, fine particles and detection substances moving independently through the two channels can be effectively mixed. 1 st recombined fluid, 2 nd recombined fluid, 3 rd recombined fluid, and 4 th recombined fluid shown on the right side of FIG. 7 are images schematically representing the results of mixing fluids analyzed through fluid analysis simulation.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 혼합 파트에서 단계별 혼합 과정을 도시한 도면이다.Figure 8 is a diagram showing a step-by-step mixing process in the mixing part of Figure 1 according to an embodiment of the present invention.
도 8은 혼합 채널에 유입된 유체가 혼합되는 과정을 나타낸다. 혼합 채널의 한쪽 부위에만 잉크를 포함한 유체를 주입한 후, 유체가 혼합 채널을 계속적으로 이동하면 혼합 채널의 전면에 잉크가 균일하게 혼합된 결과를 나타낸다. 도 8은 도 7에서 설명된 혼합 과정이 8번 반복적으로 진행되는 과정을 광학적으로 나타낸다. 첫번째 혼합 과정에서는 서로 다른 유체가 분할된 형태로 입력되나, 여러 차례 반복적인 혼합 과정을 통해 유체가 혼합되는 것을 알 수 있다.Figure 8 shows the process of mixing fluids introduced into the mixing channel. After injecting a fluid containing ink into only one part of the mixing channel, if the fluid continues to move through the mixing channel, the ink is uniformly mixed across the entire surface of the mixing channel. Figure 8 optically shows the mixing process described in Figure 7 being repeated eight times. In the first mixing process, different fluids are input in divided form, but it can be seen that the fluids are mixed through a repeated mixing process several times.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 농축 파트를 설명하기 위한 도면이다.Figure 9 is a diagram for explaining the concentration part of Figure 1 according to an embodiment of the present invention.
도 9의 농출 파트는 나노 사이즈의 슬릿으로 구성된 멤브레인 필터(901)로 구성된다. 미세 입자(902)와 검출 물질(903)이 결합된 것과 미세 입자(902)와 결합되지 않은 검출 물질(903)이 멤브레인 필터(901)에 도달할 수 있다. 이 경우, 미세 입자(902)와 결합되지 않은 검출 물질(903)은 멤브레인 필터(901)의 슬릿을 통과하나, 검출 물질(903)이 결합된 미세 입자(902)는 슬릿을 통과하지 않는다. 그래서, 멤브레인 필터(901)의 슬릿에는 검출 물질(903)이 결합된 미세 입자(902)만 남게되어 미세 입자(902)의 농도가 증가할 수 있다.The concentrated part in Figure 9 is composed of a membrane filter 901 composed of nano-sized slits. A combination of the fine particles 902 and the detection material 903 and a detection material 903 that is not combined with the fine particles 902 may reach the membrane filter 901. In this case, the detection material 903 that is not bound to the fine particles 902 passes through the slit of the membrane filter 901, but the fine particles 902 that are bound to the detection material 903 do not pass through the slit. Therefore, only the fine particles 902 to which the detection substance 903 is bound remain in the slit of the membrane filter 901, and the concentration of the fine particles 902 may increase.
따라서, 복수의 슬릿을 가지는 멤브레인 필터(901)를 통해 별도의 배양 과정없이 미세 입자(902)를 농축할 수 있어서, 고감도로 미세 입자(902)를 검출하는 것이 가능할 수 있다.Accordingly, the fine particles 902 can be concentrated without a separate culture process through the membrane filter 901 having a plurality of slits, and it may be possible to detect the fine particles 902 with high sensitivity.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 유체 소자의 제1 제조 과정을 도시한 도면이다.FIG. 10 is a diagram illustrating a first manufacturing process of the fluid device of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention.
도 10(a)를 참고하면, 기판(wafer) 상에 포토 레지스터(Photo-Resist: PR)를 식각함으로써 유체 소자의 채널 패턴이 형성될 수 있다. 채널의 높이는 40 μm가 될 수 있다.Referring to FIG. 10(a), a channel pattern of a fluid device can be formed by etching photo-resist (PR) on a substrate (wafer). The height of the channel can be 40 μm.
도 10(b)를 참고하면, 유체 소자의 채널 패턴이 형성된 이후에 투명한 물질인 PDMS가 도포될 수 있다. PDMS가 도포된 이후에 오븐에서 일정 온도(ex. 85℃)에서 일정 시간(ex. 2시간)동안 경화될 수 있다. PDMS가 경화된 이후에 PDMS를 기판에서 분리함으로써 PDMS로 구성된 유체 소자의 채널 레이어가 형성될 수 있다.Referring to FIG. 10(b), PDMS, a transparent material, may be applied after the channel pattern of the fluid device is formed. After PDMS is applied, it can be cured in an oven at a certain temperature (ex. 85°C) for a certain period of time (ex. 2 hours). After the PDMS is cured, the channel layer of the fluid device made of PDMS can be formed by separating the PDMS from the substrate.
도 10(c)를 참고하면, 3D 실리콘 몰드에 PDMS를 스핀 코팅한 후 오븐에서 일정 온도로 일정 시간동안 경화할 수 있다. 그리고, 표면 플라즈마 처리를 통해 스핀 코팅된 3D 몰드와 도 10(b)에서 형성된 유체 소자의 채널 레이어를 서로 결합(bonding)시킬 수 있다.Referring to Figure 10(c), PDMS can be spin-coated on a 3D silicone mold and then cured in an oven at a certain temperature for a certain time. Additionally, the spin-coated 3D mold and the channel layer of the fluid device formed in FIG. 10(b) can be bonded to each other through surface plasma treatment.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 유체 소자의 제2 제조 과정을 도시한 도면이다.FIG. 11 is a diagram illustrating a second manufacturing process of the fluid device of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention.
도 11(d)는 도 10(c)의 과정의 연속 과정이다. 도 11(d)를 참고하면, 3D 실리콘 몰드의 표면에 코팅된 PDMS를 습식 식각(wet etching)을 통해 제거할 수 있다. 3D 실리콘 몰드의 구조로 인해서 PDMS가 얇게 코딩된 끝부분부터 식각될 수 있다.Figure 11(d) is a continuation of the process of Figure 10(c). Referring to Figure 11(d), PDMS coated on the surface of the 3D silicon mold can be removed through wet etching. Due to the structure of the 3D silicon mold, the PDMS can be etched from the thinly coded end.
도 11(e)를 참고하면, PDMS를 식각한 이후에 3D 실리콘 몰드로부터 PDMS로 구성된 채널 레이어를 분리하면, PDMS가 식각된 부분이 미세 입자가 농축되는 필터가 될 수 있다.Referring to FIG. 11(e), if the channel layer made of PDMS is separated from the 3D silicon mold after etching the PDMS, the portion where the PDMS is etched can become a filter in which fine particles are concentrated.
도 11(f)를 참고하면, PDMS로 구성된 채널 레이어와 유리 기판 및 필터를 지지하기 위한 PDMS를 레이어를 결합함으로써 도 1에 도시된 유체 소자(100)가 형성될 수 있다.Referring to FIG. 11(f), the fluid device 100 shown in FIG. 1 can be formed by combining a channel layer made of PDMS with a PDMS layer for supporting a glass substrate and a filter.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 3D 실리콘 몰드의 제조 과정을 도시한 도면이다.Figure 12 is a diagram showing the manufacturing process of a 3D silicone mold according to an embodiment of the present invention.
도 12(a)를 참고하면, 산화 실리콘막을 포토 레지스트를 통해 식각하고, 산화 실리콘막을 건식 식각함으로써 기판 상에 패턴을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 12(a), a pattern can be formed on the substrate by etching the silicon oxide film through a photoresist and dry etching the silicon oxide film.
도 12(b)를 참고하면, Deep-RIE 공정을 통해 특정 높이(ex. 60 μm)의 기둥(pillar)이 복수 개로 구성된 구조물이 형성될 수 있다.Referring to FIG. 12(b), a structure consisting of a plurality of pillars of a specific height (ex. 60 μm) can be formed through the Deep-RIE process.
도 12(c)를 참고하면, 실리콘 기둥 구조물에 습식 식각 공정으로 비등방성 식각을 적용함으로써 뾰족한 형태의 3D 실리콘 몰드가 형성될 수 있다. 3D 실리콘 몰드는 도 10(c)에서 사용될 수 있다.Referring to FIG. 12(c), a sharp-shaped 3D silicon mold can be formed by applying anisotropic etching to the silicon pillar structure using a wet etching process. A 3D silicone mold can be used in Figure 10(c).
본 명세서는 다수의 특정한 구현물의 세부사항들을 포함하지만, 이들은 어떠한 발명이나 청구 가능한 것의 범위에 대해서도 제한적인 것으로서 이해되어서는 안되며, 오히려 특정한 발명의 특정한 실시형태에 특유할 수 있는 특징들에 대한 설명으로서 이해되어야 한다. 개별적인 실시형태의 문맥에서 본 명세서에 기술된 특정한 특징들은 단일 실시형태에서 조합하여 구현될 수도 있다. 반대로, 단일 실시형태의 문맥에서 기술한 다양한 특징들 역시 개별적으로 혹은 어떠한 적절한 하위 조합으로도 복수의 실시형태에서 구현 가능하다. 나아가, 특징들이 특정한 조합으로 동작하고 초기에 그와 같이 청구된 바와 같이 묘사될 수 있지만, 청구된 조합으로부터의 하나 이상의 특징들은 일부 경우에 그 조합으로부터 배제될 수 있으며, 그 청구된 조합은 하위 조합이나 하위 조합의 변형물로 변경될 수 있다.Although this specification contains details of numerous specific implementations, these should not be construed as limitations on the scope of any invention or what may be claimed, but rather as descriptions of features that may be unique to particular embodiments of particular inventions. It must be understood. Certain features described herein in the context of individual embodiments may also be implemented in combination in a single embodiment. Conversely, various features described in the context of a single embodiment can also be implemented in multiple embodiments individually or in any suitable sub-combination. Furthermore, although features may be described as operating in a particular combination and initially claimed as such, one or more features from a claimed combination may in some cases be excluded from that combination, and the claimed combination may be a sub-combination. It can be changed to a variant of a sub-combination.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.Meanwhile, the embodiments of the present invention disclosed in the specification and drawings are merely provided as specific examples to aid understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. It is obvious to those skilled in the art that in addition to the embodiments disclosed herein, other modifications based on the technical idea of the present invention can be implemented.
Claims (8)
유체에 포함된 미세 입자와 불순물이 이동하는 회전 채널로 구성된 분리 파트;
상기 분리 파트를 구성하는 회전 채널을 이동하면서 분순물과 분리된 미세 입자 및 미세 입자의 검출을 위해 사용되는 검출 물질이 이동하면서 서로 혼합되는 비대칭 채널로 구성된 혼합 파트; 및
상기 비대칭 채널을 이동하면서 미세 입자와 결합된 검출 물질과 미세 입자와 결합되지 않은 검출 물질 중 미세 입자와 결합된 검출 물질을 걸러내는 필터로 구성되는 농축 파트
로 구성된 유체 소자.In fluid devices,
A separation part consisting of a rotating channel through which fine particles and impurities contained in the fluid move;
A mixing part composed of an asymmetric channel in which impurities and separated fine particles and a detection material used for detection of fine particles are mixed while moving in the rotating channel constituting the separation part; and
A concentration part consisting of a filter that moves through the asymmetric channel and filters out detection substances bound to fine particles among detection substances bound to fine particles and detection substances not bound to fine particles.
A fluid element consisting of.
상기 유체 소자에 펌프를 통해 유입된 미세 입자 및 불순물이 포함된 유체와 Sheath flow이 회전 채널을 통해 이동하며,
상기 미세 입자 및 불순물은 관성 집중과 딘 흐름이 적용되는 회전 채널을 이동하면서 회전 채널의 단면의 서로 분리된 영역에 집중되는 유체 소자.According to paragraph 1,
The fluid containing fine particles and impurities introduced into the fluid element through the pump and the sheath flow move through the rotating channel,
A fluid element in which the fine particles and impurities are concentrated in separate regions of the cross section of the rotating channel while moving through the rotating channel where inertial concentration and Dean flow are applied.
상기 분리 파트의 출력단에 도달한 미세 입자와 불순물은 서로 다른 경로를 통해 진행하고,
상기 미세 입자는 유체 소자의 혼합 파트로 이동하고, 상기 불순물은, 상기 유체 소자에 형성된 유압 저항 보상 파트로 이동하는 유체 소자.According to paragraph 1,
Fine particles and impurities that reach the output end of the separation part proceed through different paths,
The fine particles move to a mixing part of the fluid element, and the impurities move to a hydraulic resistance compensation part formed in the fluid element.
상기 분리 파트는,
상기 미세 입자와 상기 불순물의 크기에 따라 회전 채널에서 서로 다른 영역에 집중되고,
상기 미세 입자는 회전 채널의 바깥쪽 영역에 집중되고, 상기 불순물은 회전 채널의 안쪽 영역에 집중되는 유체 소자.According to paragraph 1,
The separation part is,
Depending on the size of the fine particles and the impurities, they are concentrated in different areas in the rotating channel,
A fluid device wherein the fine particles are concentrated in an outer region of the rotating channel and the impurities are concentrated in an inner region of the rotating channel.
상기 분리 파트로부터 유입된 미세 입자 및 상기 혼합 파트의 외부에서 유입된 검출 물질은 하나의 채널로의 혼합과 서로 다른 크기의 영역으로 분리되는 과정이 반복되는 비대칭 채널을 통과함으로써 혼합되는 유체 소자.According to paragraph 1,
A fluid element in which fine particles introduced from the separation part and detection substances introduced from outside the mixing part are mixed by passing through an asymmetric channel in which mixing in one channel and separation into regions of different sizes are repeated.
상기 농축 파트는,
나노 사이즈의 복수의 슬릿들로 구성된 필터로 구성되고,
상기 검출 물질이 결합된 미세 입자는 필터의 슬릿에 걸리고, 상기 미세 입자와 결합되지 않은 검출 물질은 필터의 슬릿을 통과하는 유체 소자.According to paragraph 1,
The concentrated part is,
It consists of a filter consisting of a plurality of nano-sized slits,
A fluid element in which fine particles bound to the detection substance are caught in a slit of a filter, and detection substances not bound to the fine particles pass through the slit of the filter.
(i) 기판에 포토 레지스트를 통해 사진 식각하여 유체 소자의 채널 패턴을 형성하는 단계;
(ii) 상기 유체 소자의 채널 패턴이 제작된 기판에 투명 물질인 PDMS를 도포한 후, 일정 온도에서 PDMS를 경화하는 단계;
(iii) 상기 경화된 PDMS를 기판에서 분리하여 유체 소자의 채널 레이어를 형성하는 단계;
(iv) 3D 실리콘 몰드에 PDMS를 스핀 코팅하여 일정 온도에서 경화하는 단계;
(v) 스핀 코팅된 PDMS와 상기 유체 소자의 채널 레이어를 플라즈마 처리를 통해 서로 결합하는 단계;
(vi) 상기 3D 실리콘 몰드의 표면에 스핀 코팅된 PDMS를 습식 식각을 통해 제거하는 단계;
(vii) 습식 식각을 통해 3D 실리콘 몰드로부터 유체 소자의 채널 레이어를 분리함으로써 유체 소자의 필터를 형성하는 단계;
(viii) 상기 유체 소자의 채널 레이어, 유리 기판 및 상기 필터를 지지하는 지지 레이어를 결합함으로써 유체 소자를 제작하는 단계
를 포함하는 유체 소자의 제작 방법.In the method of manufacturing a fluid device,
(i) forming a channel pattern of the fluid device by photoetching the substrate through photoresist;
(ii) applying PDMS, a transparent material, to the substrate on which the channel pattern of the fluid device is fabricated, and then curing the PDMS at a certain temperature;
(iii) separating the cured PDMS from the substrate to form a channel layer of a fluid device;
(iv) spin-coating PDMS on a 3D silicone mold and curing it at a constant temperature;
(v) bonding the spin-coated PDMS and the channel layer of the fluid device to each other through plasma treatment;
(vi) removing PDMS spin-coated on the surface of the 3D silicon mold through wet etching;
(vii) forming a filter of the fluidic device by separating the channel layer of the fluidic device from the 3D silicon mold through wet etching;
(viii) manufacturing a fluid device by combining a channel layer of the fluid device, a glass substrate, and a support layer supporting the filter.
A method of manufacturing a fluid device comprising a.
상기 3D 실리콘 몰드는,
(a) 산화 실리콘 막을 포토 레지스트를 통해 사진 식각하고 산화 실리콘 막을 건식 식각하여 기판에 패턴을 형성하는 단계;
(b) Deep RIE를 적용하여 특정 높이를 가지는 복수의 기둥으로 된 구조물을 형성하는 단계;
(c) 상기 복수의 기둥 구조물을 비등방성 습식 식각하는 단계
의 과정을 통해 제조되는 유체 소자의 제작 방법. In clause 7,
The 3D silicone mold is,
(a) photo-etching the silicon oxide film through a photoresist and dry etching the silicon oxide film to form a pattern on the substrate;
(b) applying Deep RIE to form a structure made of a plurality of pillars with a specific height;
(c) anisotropic wet etching of the plurality of pillar structures
A method of manufacturing a fluid device manufactured through the process of.
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