KR20230163645A - Pcr 장치용 온도 제어모듈과 이를 갖는 pcr 장치 - Google Patents
Pcr 장치용 온도 제어모듈과 이를 갖는 pcr 장치 Download PDFInfo
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Abstract
보다 빠르게 시료 샘플부의 온도를 상승시키거나 하강시킬 수 있는 PCR 장치용 온도 제어모듈과 이를 갖는 PCR 장치가 개시된다. PCR 장치용 온도 제어모듈은, 모터; 상기 모터의 회전축에 연결되어, 상기 모터의 회전에 따라 상하로 움직이는 샤프트를 포함하는 샤프트 조립체; 상기 샤프트 조립체 상부에 배치된 펠티에 소자; 및 초기 모드시 상기 펠티에 소자로부터 온도 승강열을 공급받고, 온도 제어 모드시 상기 샤프트의 상향으로 이동되어 PCR 카트리지의 온도 제어 면에 온도 승강열을 공급하는 온도승강척을 포함한다. 이에 따라, 초기 모드시 펠티에 소자로부터 쿨링열이나 히팅열과 같은 온도 승강열을 공급받고, 온도 제어 모드시 샤프트의 상향으로 이동되어 PCR 카트리지의 온도 제어 면에 온도 승강열을 공급하는 온도승강척을 PCR 장치용 온도 제어모듈에 배치함으로써, 보다 빠르게 시료 샘플부의 온도를 상승시키거나 하강시킬 수 있다.
Description
본 발명은 PCR 장치용 온도 제어모듈과 이를 갖는 PCR 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 보다 빠르게 시료 샘플부의 온도를 상승시키거나 하강시킬 수 있는 PCR 장치용 온도 제어모듈과 이를 갖는 PCR 장치에 관한 것이다.
일반적으로 유전자 진단은 소량의 시료, 예를 들면, 체액, 혈액 또는 체세포에서 디옥시리보핵산 (DEOXYRIBONUCLEIC ACID, 이하 "DNA"라 한다)을 추출한 후, DNA 검사를 실시하게 된다. 이때, 대부분 추출된 DNA는 양이 적고 순도가 낮은 상태이다.
유전자 진단의 정확도를 높이기 위하여, 시료로부터 추출된 DNA의 양을 증폭시키거나, 추출된 DNA의 염기서열 중 특정 부분만을 증폭시킬 필요가 있다. 예를 들면, 중합효소 연쇄반응(Polymerase Chain Reaction, 이하 "PCR"이라 한다)은 유전자 진단 기술을 구사하기 위하여 사전 준비 단계로서, 특정 DNA 및 DNA 내의 특정 염기 서열만을 증폭시키는 기술로 알려져 있다.
즉, 이러한 PCR은 핵산을 포함하는 샘플 용액을 반복적으로 가열 및 쿨링하여 핵산의 특정 염기 서열을 갖는 부위를 연쇄적으로 복제하여 그 특정 염기 서열 부위를 갖는 핵산을 기하급수적으로 증폭하는 기술로써, 생명과학, 유전공학 및 의료 분야 등에서 널리 사용되고 있다.
상기 PCR은 일반적으로 변성단계(Denaturation step), 결합단계(Annealing step), 신장단계(Extension step)를 통해 DNA 증폭이 달성된다. 상기 PCR은 PCR 장치에 의해 수행된다.
상기한 PCR 장치는 온도조절부를 이용하여 DNA 합성에 필요한 단계별 온도로 시료 샘플부의 온도를 조절한다. 온도조절부로 상기 시료 샘플부의 온도를 조절하므로, 상기 시료 샘플부의 온도를 상승시키나 하강시키는데 시간이 지연되어 상기 PCR을 완료하기까지 많은 시간이 소요될 수 있다.
따라서, 보다 빠르게 시료 샘플부의 온도를 상승시키거나 하강시킬 필요가 요구된다.
이에 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에 착안한 것으로, 본 발명의 목적은 보다 빠르게 시료 샘플부의 온도를 상승시키거나 하강시킬 수 있는 PCR 장치용 온도 제어모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기한 PCR 장치용 온도 제어모듈을 갖는 PCR 장치를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위하여 일실시예에 따른 PCR 장치용 온도 제어모듈은, 모터; 상기 모터의 회전축에 연결되어, 상기 모터의 회전에 따라 상하로 움직이는 샤프트를 포함하는 샤프트 조립체; 상기 샤프트 조립체 상부에 배치된 펠티에 소자; 및 초기 모드시 상기 펠티에 소자로부터 온도 승강열을 공급받고, 온도 제어 모드시 상기 샤프트의 상향으로 이동되어 PCR 카트리지의 온도 제어 면에 온도 승강열을 공급하는 온도승강척을 포함한다.
일실시예에서, 상기 온도승강척은, 상기 펠티에 소자를 커버하는 제1 면적을 갖는 하부 척; 및 상기 PCR 카트리지의 온도 제어 면에 접하도록 형성된 제2 면적을 갖는 상부 척을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 하부 척의 상부면에는 제1 홈이 형성되고, 상기 상부 척의 하부면에는 상기 제1 홈에 마주하는 제2 홈이 형성될 수 있다.
일실시예에서, PCR 장치용 온도 제어모듈은 상기 제1 홈 및 상기 제2 홈에 배치되어, 상기 상부 척이 상기 PCR 카트리지의 온도 제어 면에 접촉시 완충 역할을 수행하는 압축스프링척을 더 포함할 수 있다.
일실시예에서, PCR 장치용 온도 제어모듈은 상기 펠티에 소자의 효율을 높이기 위해 상기 펠티에 소자의 열발생 부위에 접하는 방열판조립체를 더 포함할 수 있다.
일실시예에서, 상기 방열판조립체는, 일측부가 상기 펠티에 소자와 접촉하는 하나 이상의 히프 파이프; 및 상기 히트 파이프의 타측부에 연결된 방열판을 포함할 수 있다.
일실시예에서, 상기 방열판에 인접하게 배치되어 상기 방열판의 열을 쿨링시키는 쿨링팬을 더 포함할 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위하여 일실시예에 따른 PCR 장치는, PCR 모듈; 및 상기 PCR 모듈에 접촉하여 상기 PCR 모듈의 온도를 높이거나 낮추는 온도 제어모듈을 포함하되, 상기 온도 제어모듈은, 모터; 상기 모터의 회전축에 연결되어, 상기 모터의 회전에 따라 상하로 움직이는 샤프트를 포함하는 샤프트 조립체; 상기 샤프트 조립체 상부에 배치된 펠티에 소자; 및 초기 모드시 상기 펠티에 소자로부터 온도 승강열을 공급받고, 온도 제어 모드시 상기 샤프트의 상향으로 이동되어 PCR 카트리지의 온도 제어 면에 온도 승강열을 공급하는 온도승강척을 포함한다.
이러한 PCR 장치용 온도 제어모듈과 이를 갖는 PCR 장치에 의하면, 초기 모드시 펠티에 소자로부터 쿨링열이나 히팅열과 같은 온도 승강열을 공급받고, 온도 제어 모드시 샤프트의 상향으로 이동되어 PCR 카트리지의 온도 제어 면에 온도 승강열을 공급하는 온도승강척을 PCR 장치용 온도 제어모듈에 배치함으로써, 보다 빠르게 시료 샘플부의 온도를 상승시키거나 하강시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 PCR 장치용 온도 제어모듈을 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 PCR 장치용 온도 제어모듈에 PCR 카트리지가 배치된 것을 설명하기 위한 사시도이다.
도 3a는 도 2에 도시된 PCR 카트리지를 설명하기 위한 정면 사시도이고, 도 3b는 도 2에 도시된 PCR 카트리지를 설명하기 위한 배면 사시도이다.
도 4a는 제품으로 구현된 본 발명의 PCR 장치용 온도 제어모듈을 측면 방향에서 촬영한 사진이고, 도 4b는 도 4a의 PCR 장치용 온도 제어모듈을 사선 방향에서 촬영한 사진이고, 도 4c는 온도 제어를 위해 도 4a의 PCR 장치용 온도 제어모듈 위에 PCR 카트리지를 배치한 것을 사선 방향에서 촬영한 사진이다.
도 5는 도 1에 도시된 샤프트 조립체를 설명하기 위한 사시도이다.
도 6은 도 1에 도시된 하부 척, 압축 스프링 및 상부 척을 설명하기 위한 사시도이다.
도 7은 도 1에 도시된 PCR 장치용 온도 제어모듈과 PCR 카트리지 간의 초기 모드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 도 1에 도시된 PCR 장치용 온도 제어모듈과 PCR 카트리지 간의 온도 제어 모드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 PCR 장치를 개략적으로 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 PCR 장치용 온도 제어모듈에 PCR 카트리지가 배치된 것을 설명하기 위한 사시도이다.
도 3a는 도 2에 도시된 PCR 카트리지를 설명하기 위한 정면 사시도이고, 도 3b는 도 2에 도시된 PCR 카트리지를 설명하기 위한 배면 사시도이다.
도 4a는 제품으로 구현된 본 발명의 PCR 장치용 온도 제어모듈을 측면 방향에서 촬영한 사진이고, 도 4b는 도 4a의 PCR 장치용 온도 제어모듈을 사선 방향에서 촬영한 사진이고, 도 4c는 온도 제어를 위해 도 4a의 PCR 장치용 온도 제어모듈 위에 PCR 카트리지를 배치한 것을 사선 방향에서 촬영한 사진이다.
도 5는 도 1에 도시된 샤프트 조립체를 설명하기 위한 사시도이다.
도 6은 도 1에 도시된 하부 척, 압축 스프링 및 상부 척을 설명하기 위한 사시도이다.
도 7은 도 1에 도시된 PCR 장치용 온도 제어모듈과 PCR 카트리지 간의 초기 모드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 도 1에 도시된 PCR 장치용 온도 제어모듈과 PCR 카트리지 간의 온도 제어 모드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 PCR 장치를 개략적으로 설명하기 위한 블록도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 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.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 PCR 장치용 온도 제어모듈을 설명하기 위한 사시도이다. 도 2는 도 1에 도시된 PCR 장치용 온도 제어모듈에 PCR 카트리지가 배치된 것을 설명하기 위한 사시도이다. 도 3a는 도 2에 도시된 PCR 카트리지를 설명하기 위한 정면 사시도이고, 도 3b는 도 2에 도시된 PCR 카트리지를 설명하기 위한 배면 사시도이다. 도 4a는 제품으로 구현된 본 발명의 PCR 장치용 온도 제어모듈을 측면 방향에서 촬영한 사진이고, 도 4b는 도 4a의 PCR 장치용 온도 제어모듈을 사선 방향에서 촬영한 사진이고, 도 4c는 온도 제어를 위해 도 4a의 PCR 장치용 온도 제어모듈 위에 PCR 카트리지를 배치한 것을 사선 방향에서 촬영한 사진이다.
도 1 내지 도 4c를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 PCR 장치용 온도 제어모듈은 모터(110), 샤프트 조립체(120), 제1 지지부재(130), 제2 지지부재(140), 펠티에 소자(150, 도 7 및 도 8에 도시됨), 온도승강척(160), 압축스프링척(170, 도 6에 도시됨), 방열판 조립체(180) 및 쿨링팬(190)을 포함한다.
모터(110)는 제1 지지부재(130)의 하부에 배치되고, 브래킷을 통해 제1 지지부재(130)에 체결된다.
샤프트 조립체(120)는 모터(110)의 회전축에 연결되어, 모터(110)의 회전에 따라 온도승강척(160)을 펠티에 소자(150)와 PCR 카트리지(CTG) 사이에서 이동시킨다.
제1 지지부재(130)는 XY 평면상에 배치되고, X축을 따라 연장된 플레이트 형상을 갖는다. 제1 지지부재(130)의 하부의 일부 영역에는 브라켓을 통해 연결된 모터(110)가 배치된다. 제1 지지부재(130)의 하부의 다른 영역에는 방열판 조립체(180) 및 쿨링팬(190)이 배치된다. 제1 지지부재(130)의 하부의 또 다른 영역에는 샤프트 조립체(120)가 배치된다. 제1 지지부재(130)에는 샤프트 조립체(120)가 상향으로 관통될 수 있도록 홀이 형성된다.
제2 지지부재(140)는 사각 형상을 갖고서 펠티에 소자(150)를 감싸면서 제1 지지부재(130) 상에 체결된다. 제2 지지부재(140)의 중앙 영역은 개구되어 온도승강척(160)을 노출시키고, 온도승강척(160)이 외부로 완전히 이격되어 분리되지 않도록 가두리 형상의 상부 영역을 갖는다.
펠티에 소자(150)는 제1 지지부재(130)의 상부에 배치되어 제1 지지부재(130)의 하부에 배치된 샤프트 조립체(120)의 상부에 배치된다. 펠티에 소자(150)는 제2 지지부재(140)의 중앙 영역이 개구된 영역에 대응하여 온도승강척(160) 하부에 배치된다. 펠티에 소자(150)는 열과 전기의 상호 작용으로 인한 각종 효과들을 이용할 수 있도록 구성된다. 예를 들어, 펠티에 소자(150)는 제1 와이어(152) 및 제2 와이어(154)를 통해 인가되는 전류의 방향에 따라 열을 흡수 또는 방출하는 펠티에 효과를 이용할 수 있다. 펠티에 소자(150)는 n형 반도체소자와 p형 반도체소자로 내부를 구성하고, 그 양측면에는 접합금속판이 배치되어 구성되고, 가이드부재에 형성된 홀에 삽입된다. 펠티에 소자(150)에 제1 와이어(152) 및 제2 와이어(154)를 통해 전원이 공급되면 양 접합금속판 중 일측면은 흡열반응이 발생되고, 타측면에는 흡열한 열을 방열하는 방열반응이 발생된다. 제1 와이어(152) 및 제2 와이어(154)를 통해 공급되는 전류가 흐르는 방향을 바꾸면 전자 및 정공의 흐름도 바뀌어 양 접합금속판 중 타측면은 흡열반응이 발생되고, 일측면에는 흡열한 열을 방열하는 방열반응이 발생된다. 이러한 원리를 가진 펠티에 소자(150)의 흡열면에 열교환부를 형성하면 흡열면의 주위 기온을 쿨링시킬 수 있고, 방열면에 열교환부를 형성하면 주위 기온을 상승시킬 수 있다. 펠티에 소자(150)의 면적이 클수록 쿨링열에 의한 쿨링력 또는 히팅열에 의한 히팅력은 더욱 커질 수 있다.
온도승강척(160)은 초기 모드시 펠티에 소자로부터 쿨링열이나 히팅열과 같은 온도 승강열을 공급받고, 온도 제어 모드시, 샤프트의 상향으로 이동되어 PCR 카트리지의 온도 제어 면에 온도 승강열을 공급한다. PCR 카트리지의 온도 제어 면에 온도 승강열이 공급되면, PCR 카트리지 내의 시료 샘플부는 쿨링되거나 히팅된다.
압축스프링척(미도시)은 상부 척(164)이 PCR 카트리지(CTG)의 온도 제어 면 접촉시 완충 역할을 수행한다. 압축스프링척에 대한 상세한 설명은 후술되는 도 6에서 설명한다.
방열판 조립체(180)는, 일측부가 펠티에 소자(150)와 접촉하는 제1 내지 제3 히트 파이프들(182, 184, 186) 및 제1 내지 제3 히트 파이프들(182, 184, 186) 각각의 타측부에 연결된 방열판(188)을 포함한다. 제1 내지 제3 히트 파이프들(182, 184, 186)은 상부면의 일부가 펠티에 소자(150)와 접촉을 원활히 하기 위해 평평한 구조를 갖는다. 제1 내지 제3 히트 파이프들(182, 184, 186)은 감압한 파이프 내부에 물 또는 알코올 등의 액체를 넣고 한쪽을 가열하면 액체가 증기로 되어 다른 쪽으로 흐르고, 그 곳에서 방열되어 액체가 되면 모세관 현상에 의해 액체가 가열부로 되돌아 오는 원리이다. 이러한 작용의 반복으로 인해 펠티에 소자(150)의 열은 방열판(188)으로 전달된다. 제1 내지 제3 히트 파이프들(182, 184, 186)은 제1 지지부재(130)에 형성된 골들 각각에 삽입된다. 제1 내지 제3 히트 파이프들(182, 184, 186)은 단면이 원형상일 수도 있고, 라운드진 사각형상일 수도 있다. 방열판(188)은 제1 내지 제3 히트 파이프들(182, 184, 186)에서 제공되는 열을 흡수하여, 쿨링팬(190)의 공기유동을 이용하여 열을 외부로 방출시킨다. 방열판(188)은 다수개의 핀으로 형성되어 제1 내지 제3 히트 파이프들(182, 184, 186)로부터 열을 전달받아 골고루 방열판(188) 전체로 분산시킬 수 있으며, 쿨링팬(190)으로부터 불어오는 바람이 쉽게 빠질 수 있어서 발열이 쉽게 이루어 질 수 있다.
쿨링팬(190)은 공기를 강제로 유동시켜 방열판(188)을 쿨링시킨다. 쿨링팬(190)은 팬 브라켓에 마련된 관통부를 통하여 공기를 강제흡입하고, 이 공기를 유동시켜 고온의 열이 축적된 방열판 조립체(180)를 쿨링시킬 수 있다. 쿨링팬(190)은 팬 브라켓에 스크류로 결합될 수도 있고, 볼트결합을 할 수도 있다.
도 5는 도 1에 도시된 샤프트 조립체를 설명하기 위한 사시도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 샤프트 조립체(120)는 랙 기어(121), 센서 액추에이터(122), 제1 샤프트(123), 제2 샤프트(124), 제1 스프링 댐퍼 척(125), 제2 스프링 댐퍼 척(126) 및 온도승강척 가이드 부재(127)를 포함하고, 모터(110)의 회전축에 연결되어, 모터(110)의 회전에 따라 온도승강척(160)을 펠티에 소자(150)와 PCR 카트리지(CTG) 사이에서 이동시킨다.
랙 기어(121)는 모터(110)의 회전축에 연동하여 상하(Z축 방향 또는 -Z축 방향)로 움직여 센서 액추에이터(122)의 위치를 상하로 이동시킨다.
센서 액추에이터(122)는 랙 기어(121)에 체결되고, 랙 기어(121)의 상하 이동에 따라 연동된다. 척 위치 센서는 모터(110) 측 인근에 고정되도록 배치되어, 센서 액추에이터(122)의 상승이나 하강을 감지한다. 센서 액추에이터(122)가 하강하는 것으로 감지되면, 상기한 척 위치 센서는 펠티어 소자에 접촉하는 것으로 판단한다. 한편, 센서 액추에이터(122)가 상승하는 것으로 감지되면, 상기한 척 위치 센서는 펠티어 소자에서 이격되어 PCR 카트리지의 온도 제어 면에 접촉하는 것으로 판단한다.
제1 샤프트(123)는 상하(Z축 방향 또는 -Z축 방향)로 움직이고, 제2 샤프트(124)는 상하(Z축 방향 또는 -Z축 방향)로 움직인다.
제1 스프링 댐퍼 척(125)은 제1 샤프트(123)의 상단 종단부에 배치되고, 제2 스프링 댐퍼 척(126)은 제2 샤프트(124)의 상단 종단부에 배치된다.
온도승강척 가이드 부재(127)는 제1 스프링 댐퍼 척(125) 및 제2 스프링 댐퍼 척(126) 사이에 조립되어 온도승강척(160)의 기울어짐을 방지한다.
도 6은 도 1에 도시된 하부 척, 압축 스프링 및 상부 척을 설명하기 위한 사시도이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 온도승강척(160)은 펠티에 소자(150)를 커버하는 제1 면적을 갖는 하부 척(162)과 PCR 카트리지(CTG)의 온도 제어 면에 접하도록 형성된 제2 면적을 갖는 상부 척(164)을 포함하고, 펠티에 소자(150)의 온도 승강열을 PCR 카트리지(CTG)의 온도 제어 면에 공급한다. 즉, 하부 척(162)은, 초기 모드에서, 펠티에 소자(150)에 인접하게 배치되어 펠티에 소자(150)로부터 온도 승강열을 공급받는다. 또한 하부 척(162)은, 온도 제어 모드에서, 상부 척(164)은 샤프트의 상향에 따라 상향으로 이동되어 PCR 카트리지(CTG)의 온도 제어 면에 접하도록 이동되어 PCR 카트리지(CTG)의 온도 제어 면에 온도 승강열을 공급한다.
하부 척(162)의 상부면에는 제1 홈이 형성되고, 상부 척(164)의 하부면에는 제1 홈에 마주하는 제2 홈이 형성된다. 제1 홈 및 제2 홈 사이의 공간에는 압축스프링척(170)이 배치된다.
압축스프링척(170)은 상부 척(164)이 PCR 카트리지(CTG)의 온도 제어 면 접촉시 완충 역할을 수행한다.
도 7은 도 1에 도시된 PCR 장치용 온도 제어모듈과 PCR 카트리지 간의 초기 모드를 설명하기 위한 단면도이다. 도 8은 도 1에 도시된 PCR 장치용 온도 제어모듈과 PCR 카트리지 간의 온도 제어 모드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1 내지 도 8을 참조하면, 초기 모드시 온도승강척(160)은 펠티에 소자(150)에 접촉한 상태를 유지한다. 이때, 상부 척(164)의 상부면은 어떠한 물체에도 접촉하지 않은 상태, 즉 자유로운 상태에서는 상부 척(164)과 하부 척(162) 사이에 배치된 압축스프링척(170)은 신장 상태를 유지한다.
펠티에 소자(150)는 흐르는 전류의 방향에 따라 온도 승강열을 발생할 수도 있고 히팅열을 발생할 수도 있다. 온도승강척(160)은 펠티에 소자(150)에 접촉한 상태를 유지하므로, 온도승강척(160)에는 쿨링열이 공급될 수도 있고, 히팅열이 공급될 수도 있다. 이하, 본 실시예에서는 펠티에 소자(150)에서 쿨링열이 발생되고, 온도승강척(160)에는 쿨링열이 공급되는 예를 설명한다.
온도 제어 모드시(도 8에 도시된 모드), 모터(110)의 회전에 의해 샤프트 조립체(120)의 샤프트는 상향으로 이동된다. 샤프트의 상향 이동에 따라 온도승강척(160) 역시 상향으로 이동되어, 온도승강척(160)의 상부 척(164)은 PCR 카트리지(CTG)의 온도 제어 면에 접촉하여 PCR 카트리지(CTG)에 쿨링열을 공급한다.
본 실시예에서, 압축스프링척(170)은 상부 척(164)이 PCR 카트리지(CTG)의 온도 제어 면 접촉시 완충 역할을 수행한다. 즉, 샤프트 조립체(120)의 동작에 따라 샤프트가 상향(즉, Z축 방향)으로 이동되면, 샤프트 조립체(120)의 상부에 배치된 온도승강척(160) 역시 상향으로 이동된다.
상향으로 이동되는 온도승강척(160)이 PCR 카트리지(CTG)의 온도 제어 면에 접촉하면 온도승강척(160)의 내부, 즉 상부 척(164)과 하부 척(162) 사이에 배치된 압축스프링척(170)은 압축 상태로 전환된다. 이에 따라, 온도승강척(160)이 무리하게 상향으로 이동되어 PCR 카트리지(CTG)의 온도 제어 면에 스크래치를 발생하거나 무리한 힘이 가해지는 것을 방지할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 PCR 장치를 개략적으로 설명하기 위한 블록도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 PCR 장치는 PCR 모듈(20) 및 리더시스템(300)을 포함한다.
PCR 모듈(20)은 광각 이미션필터(22), 광학센서기판(200), 반응공간(240) 및 제1 온도 제어모듈(270)를 포함한다. PCR 모듈(20)은 광각 이미션필터(22), 광학센서기판(200), 반응공간(240) 및 제1 온도 제어모듈(270)를 포함한다. 본 실시예에서, 반응공간(240)은 도 1 내지 도 8에서 설명된 PCR 카트리지(CTG)일 수 있고, 제1 온도 제어모듈(270)은 도 1 내지 도 8에서 설명된 PCR 장치용 온도 제어모듈일 수 있다.
광각 이미션필터(22)는 광학센서기판(200) 상에 일체로 형성되고, 광원(340)에서 발생된 여기광(Excitation Light)은 차단하고 반응공간(240) 내의 시료에서 발생된 방사광(Emission Light)은 투과시킬 수 있다.
광각 이미션필터(22)는 베이스매질, 반경화 포토레지스트 및 안료를 포함할 수 있다.
베이스매질은 광학센서기판(200) 상에 평평한 형상으로 배치되어 광각 이미션필터(22)의 외형을 구성한다. 베이스매질은 투명한 재질의 합성수지, 유리, 금속산화물 등이 사용될 수 있다. 본 실시예에서, 베이스매질은 형광이나 인광을 발생시키지 않으며 생체친화적인 특성을 갖는 에폭시수지, 실리콘수지 등을 포함할 수 있다.
반경화 포토레지스트는 베이스배닐 내에 분산되며, 열경화, 건조, 광경화 등에 의해 고체상태로 고정된 포토레지스트를 포함한다. 예를 들어, 반경화 포토레지스트는 네거티브 포토레지스트 또는 포지티브 포토레지스트를 포함할 수 있다.
이론에 의해 본 발명의 권리범위를 제한하고자 하는 것은 아니지만, 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위하여 본 발명의 광각 이미션필터(22)가 특유의 우수한 광학특성을 갖는 이유에 대해 설명하면 다음과 같다.
일반적인 컬러필터는 투명한 매질 내에 안료를 고정시켜서, 안료에 일정한 파장의 광을 흡수시키고 다른 파장의 광을 투과시키는 방식으로 광을 선택적으로 투과시킨다. 포토레지스트는 자외선, 청색광, 녹색광 등 파장이 짧은 광에 반응하여 화학적 특성 및 광학적 특성이 변경되는 특징으로 인해, 반경화 포토레지스트가 컬러필터에 사용되는 경우 시간이 지남에 따라 광학적 특성이 변경되는 문제점이 있다. 따라서 종래의 컬러필터에는 자외선, 청색광, 녹색광 등 파장이 짧은 광에 완전히 포화되거나 파장이 짧은 광이 조사되더라도 아무런 변동이 없는 열경화성 물질 등이 사용될 수 있다.
그런데 본 발명의 광각 이미션필터(22)는 장시간 사용이 아닌 일회용 실험장비에 사용되기 때문에 장시간 동일한 광학적 특성을 유지할 필요가 없고, 비교적 짧은 실험시간 동안에만 일시적으로 광학특성을 유지하기만 하면 된다. 구체적으로 반경화 포토레지스트는 자외선, 청색광, 녹색광 등 파장이 짧은 광이 조사되면 일정시간 파장이 짧은 광을 흡수하기 때문에 일시적으로 매우 우수한 특성의 광학필터로서 기능하다가, 시간이 지나면 파장이 짧은 광에 포화되어 광학필터 기능을 대부분 상실하기 때문에 종래의 컬러필터에서는 장기적 안정성에 반하는 반경화 포토레지스트가 사용될 수 없었다.
본 발명은 역으로 반경화 포토레지스트가 자외선, 청색광, 녹색광 등 파장이 짧은 광에 포화되어 안정화되는 과정에서 파장이 짧은 광을 흡수하는 특성을 이용하여, 일회용 실험장치에서 사용할 수 있는 매우 우수한 광학특성을 갖는 광각 이미션필터(22)를 구현하였다. 즉, 본 발명에서는 안료에 의해 1차적으로 여기광을 차단하고 반경화 포토레지스트에 의해 2차적으로 여기광을 차단함으로써, 기존의 컬러필터나 간섭필터가 구현할 수 없었던 입사광의 방향에 무관하게 우수한 특성을 갖는 광각 이미션필터(22)를 제조하는데 성공했다.
안료는 일정한 파장의 광을 흡수하는 물질로, 예를 들어, 황색안료, 적색안료, 청색안료, 녹색안료, 등이 사용될 수 있다. 본 실시예에서, 안료는 황색안료를 포함한다. 황색안료로는 크롬산납(lead chromate), 칼슘 옐로우(calcium yellow), 황색 산화물(yellow oxides), 복합 무기물 염료(complex inorganic colourpigments), 비스무스 바나듐산염(bismuth vanadate), 등의 무기물 염료나, 아릴마이드(arylamide), 다이아릴리드(diarylide), 벤조이미다졸론(benzimidazolone), 디스아조 응결체(disazo ondensation), 유기 금속 착물(organic metal complexes), 아이소인돌린(isoindoline), 퀴노프탈론(quinophthalone), 안트라피리미딘(anthrapyrimidine), 플라반트론(flavanthrone), 등의 유기물 염료를 포함할 수 있다.
광학센서기판(200)은 베이스기판(미도시), 광학센서 어레이(210), 온도센서(220) 및 제1 온도조절부재(230)를 포함한다.
베이스기판은 평판형상을 가지며 광각 이미션필터(22)와 일체로 형성된다. 베이스기판은 실리콘, 플라스틱, 세라믹 등 다양한 물질을 포함할 수 있다.
광학센서 어레이(210)는 베이스기판의 상부에 매립되어 베이스기판의 상면이 평면 형상이 되도록 한다. 광학센서 어레이(210)는 어레이 형상으로 배열된 복수개의 광센서들을 포함한다. 예를 들어, 광학센서 어레이(210)는 복수개의 포토다이오드들, 복수개의 박막트랜지스터들, 등을 포함할 수 있다.
광학센서 어레이(210)는 광각 이미션필터(22)의 하부에 배치되어, 반응공간(240)의 시료에서 발생되고 광각 이미션필터(22)를 통과한 형광·인광 등의 방사광(Emission Light)의 휘도를 측정한다. 광학센서 어레이(210)에 의해 측정된 방사광(Emission Light)의 휘도는 광센싱신호로 변경되어 리더시스템(300)으로 출력된다.
온도센서(220)는 광각 이미션필터(22)에 인접하게 배치되어, 반응공간(240) 내의 온도를 측정한다. 온도센서(220)에 의해 측정된 온도는 온도신호로 변경되어 제1 온도 제어모듈(270)로 출력된다.
제1 온도조절부재(230)는 베이스기판의 하부에 배치되어 제1 온도 제어모듈(270)의 제어에 의해 반응공간(240) 내의 온도를 조절한다. 본 실시예에서, 제1 온도조절부재(230)는 히터, 열전소자 등을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 온도조절부재(230)는 광각 이미션필터(22)의 상부, 반응공간(240)의 내부, 측면, 또는 상부 등에 배치될 수도 있다.
반응공간(240)은 광각 이미션필터(22) 상에 배치되고 시료를 수용하여, PCR작업이 수행된다. 반응공간(240)은 복수개의 격벽들이 광각 이미션필터(22)로부터 수직한 방향으로 돌출되어 형성된다. 예를 들어, 복수개의 격벽들에 의해 80㎛ 내지 3mm 정도의 작은 크기를 갖는 복수개의 반응공간들이 형성될 수도 있다.
제1 온도 제어모듈(270)는 리더시스템(300)으로부터 인가받은 신호에 의해 제1 온도조절부재(230)를 제어하여 반응 공간(240) 내의 온도를 조절한다.
리더시스템(300)은 중앙정보처리부(310), 메모리(320), 인터페이스(330), 광원(340), 광원필터(343), 광원구동회로(345), 제2 온도 제어모듈(350)를 포함한다. PCR 모듈(20)은 리더시스템(300)에 탈착가능하도록 결합되고 일회용 실험에 사용된 후에 제거될 수 있다.
중앙정보처리부(310)는 메모리(320)에 저장된 구동데이터를 독출하여 제2온도 제어모듈(350) 및 PCR 모듈(20)을 구동하고, PCR 모듈(20)로부터 광센싱정보, 온도정보 등을 인가받아 실시간으로 메모리(320)에 저장한다. 중앙정보처리부(310)는 PCR 모듈(20)로부터 인가받은 광센싱정보, 온도정보 등을 이용하여 유전자 증폭량을 실시간으로 계산하여 유전자증폭량 정보를 생성한다. 중앙정보처리부(310)는 유전자증폭량 정보를 실시간으로 메모리(320)에 저장하고 인터페이스(330)로 전송한다.
메모리(320)는 중앙정보처리부(310)와 연결되어, 기저장된 구동데이터를 이용하여 제2온도 제어모듈(350) 및 PCR 모듈(20)을 구동하고, 광센싱정보, 온도정보 등을 실시간으로 저장한다. 구동데이터는 온도 제어데이터, 광제어데이터 등을 포함하고, 메모리(320)에 데이터 형태로 저장되거나, 입력장치(도시되지 않음)를 통하여 외부로부터 입력되어 저장될 수 있다. 예를 들어, 메모리(320)는 DDR3, SRAM(Frame), SSD(FLASH), 등의 다양한 저장장치를 포함할 수 있다.
인터페이스(330)는 중앙정보처리부(310)와 연결되어, 중앙정보처리부(310)로부터 실시간으로 인가받은 유전자증폭량 정보를 외부로 전송하거나 위부의 입력신호를 중앙정보처리부(310)로 전송한다. 본 실시예에서, 인터페이스(330)는 무선랜(Wireless LAN; WLAN), 와이파이(WiFi), 블루투스(Bluetooth), 등의 통신시스템(도시되지 않음), 유에스비(Universal Serial Bus; USB), 아이투씨(Inter-Integrated Circuit; I2C), 유에이알티(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter; UART), 피더블유엠(Pulse Width Modulation; PWM), 엘브이디에스(Low Voltage Differential Signalling; LVDS), 엠아이피아이(Mobile Industry Processor Interface; MIPI), 등의 데이터 인터페이스(도시되지 않음), 액정표시장치(Liquid Crystal Display; LCD), 유기전계발광표시장치(Organic Light Emitting Display; OLED), 음극선관(Cathode Ray Tube; CRT), 등의 표시장치(도시되지 않음), 마우스(Mouse), 키보드, 등의 입력장치(도시되지 않음), 프린터, 팩스 등의 출력장치(도시되지 않음)를 포함할 수 있다.
광원(340)은 광원구동신호를 이용하여 여기광(Excitation Light)을 생성한다.
광원필터(343)은 광원(340) 하부에 배치되어 광원(340)에서 생성된 여기광을 필터링하여 특정대역의 파장을 가지는 광만을 투과시킨다. 본 실시예에서 광원필터(343)를 배치하는 이유는, 외부광에 의한 노이즈를 최소화하여 외부광의 휘도변화로 인한 광학센서 어레이(210)의 오류를 줄이기 위함이다.
광원구동회로(345)는 중앙정보처리부(310)로부터 인가받은 광원구동신호를 이용하여 광원(340)을 구동한다.
제2 온도 제어모듈(350)는 중앙정보처리부(310)와 연결되어, 중앙정보처리부(310)로부터 인가받은 온도 제어데이터를 이용하여 PCR 모듈(20)의 온도를 제어한다.
이상에서 설명된 바와 같이, 본 발명에 따르면 초기 모드시 펠티에 소자로부터 쿨링열이나 히팅열과 같은 온도 승강열을 공급받고, 온도 제어 모드시 샤프트의 상향으로 이동되어 PCR 카트리지의 온도 제어 면에 온도 승강열을 공급하는 온도승강척을 PCR 장치용 온도 제어모듈에 배치함으로써, 보다 빠르게 시료 샘플부의 온도를 상승시키거나 하강시킬 수 있다.
이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110 : 모터
120 : 샤프트 조립체
121 : 랙 기어 122 : 센서 액추에이터
123 : 제1 샤프트 124 : 제2 샤프트
125 : 제1 스프링 댐퍼 척 126 : 제2 스프링 댐퍼 척
127 : 척 가이드 부재 130 : 제1 지지부재
140 : 제2 지지부재 150 : 펠티에 소자
160 : 온도승강척 162 : 하부 척
164 : 상부 척 170 : 압축스프링척
180 : 방열판 조립체 190 : 쿨링팬
20 : PCR 모듈 22 : 광각 이미션필터
200 : 광학센서기판 210 : 광학센서 어레이
220 : 온도센서 230 : 제1 온도조절부재
240 : 반응공간 270 : 제1 온도 제어모듈
300 : 리더시스템 310 : 중앙정보처리부
320 : 메모리 330 : 인터페이스
340 : 광원 343 : 광원필터
345 : 광원구동회로 350 : 제2 온도 제어모듈
121 : 랙 기어 122 : 센서 액추에이터
123 : 제1 샤프트 124 : 제2 샤프트
125 : 제1 스프링 댐퍼 척 126 : 제2 스프링 댐퍼 척
127 : 척 가이드 부재 130 : 제1 지지부재
140 : 제2 지지부재 150 : 펠티에 소자
160 : 온도승강척 162 : 하부 척
164 : 상부 척 170 : 압축스프링척
180 : 방열판 조립체 190 : 쿨링팬
20 : PCR 모듈 22 : 광각 이미션필터
200 : 광학센서기판 210 : 광학센서 어레이
220 : 온도센서 230 : 제1 온도조절부재
240 : 반응공간 270 : 제1 온도 제어모듈
300 : 리더시스템 310 : 중앙정보처리부
320 : 메모리 330 : 인터페이스
340 : 광원 343 : 광원필터
345 : 광원구동회로 350 : 제2 온도 제어모듈
Claims (8)
- 모터;
상기 모터의 회전축에 연결되어, 상기 모터의 회전에 따라 상하로 움직이는 샤프트를 포함하는 샤프트 조립체;
상기 샤프트 조립체 상부에 배치된 펠티에 소자; 및
초기 모드시 상기 펠티에 소자로부터 온도 승강열을 공급받고, 온도 제어 모드시 상기 샤프트의 상향으로 이동되어 PCR 카트리지의 온도 제어 면에 온도 승강열을 공급하는 온도승강척을 포함하는 것을 특징으로 하는 PCR 장치용 온도 제어모듈. - 제1항에 있어서, 상기 온도승강척은,
상기 펠티에 소자를 커버하는 제1 면적을 갖는 하부 척; 및
상기 PCR 카트리지의 온도 제어 면에 접하도록 형성된 제2 면적을 갖는 상부 척을 포함하는 것을 특징으로 하는 PCR 장치용 온도 제어모듈. - 제2항에 있어서, 상기 하부 척의 상부면에는 제1 홈이 형성되고, 상기 상부 척의 하부면에는 상기 제1 홈에 마주하는 제2 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 PCR 장치용 온도 제어모듈.
- 제3항에 있어서, 상기 제1 홈 및 상기 제2 홈에 배치되어, 상기 상부 척이 상기 PCR 카트리지의 온도 제어 면에 접촉시 완충 역할을 수행하는 압축스프링척을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 PCR 장치용 온도 제어모듈.
- 제1항에 있어서, 상기 펠티에 소자의 효율을 높이기 위해 상기 펠티에 소자의 열발생 부위에 접하는 방열판조립체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 PCR 장치용 온도 제어모듈.
- 제5항에 있어서, 상기 방열판조립체는,
일측부가 상기 펠티에 소자와 접촉하는 하나 이상의 히프 파이프; 및
상기 히트 파이프의 타측부에 연결된 방열판을 포함하는 것을 특징으로 하는 PCR 장치용 온도 제어모듈. - 제6항에 있어서, 상기 방열판에 인접하게 배치되어 상기 방열판의 열을 쿨링시키는 쿨링팬을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 PCR 장치용 온도 제어모듈.
- PCR 모듈; 및
상기 PCR 모듈에 접촉하여 상기 PCR 모듈의 온도를 높이거나 낮추는 온도 제어모듈을 포함하되, 상기 온도 제어모듈은,
모터;
상기 모터의 회전축에 연결되어, 상기 모터의 회전에 따라 상하로 움직이는 샤프트를 포함하는 샤프트 조립체;
상기 샤프트 조립체 상부에 배치된 펠티에 소자; 및
초기 모드시 상기 펠티에 소자로부터 온도 승강열을 공급받고, 온도 제어 모드시 상기 샤프트의 상향으로 이동되어 PCR 카트리지의 온도 제어 면에 온도 승강열을 공급하는 온도승강척을 포함하는 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| KR1020220063178A KR20230163645A (ko) | 2022-05-24 | 2022-05-24 | Pcr 장치용 온도 제어모듈과 이를 갖는 pcr 장치 |
| PCT/KR2023/007045 WO2023229357A1 (ko) | 2022-05-24 | 2023-05-24 | Pcr 장치용 온도 제어모듈과 이를 갖는 pcr 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220063178A KR20230163645A (ko) | 2022-05-24 | 2022-05-24 | Pcr 장치용 온도 제어모듈과 이를 갖는 pcr 장치 |
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|---|---|
| KR20230163645A true KR20230163645A (ko) | 2023-12-01 |
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|---|---|---|---|
| KR1020220063178A KR20230163645A (ko) | 2022-05-24 | 2022-05-24 | Pcr 장치용 온도 제어모듈과 이를 갖는 pcr 장치 |
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| KR20010000150A (ko) | 2000-07-01 | 2001-01-05 | 정해항 | 성인용 기저귀의 제조장치와 그 장치로 제조된 성인용팬티형 기저귀 |
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- 2022-05-24 KR KR1020220063178A patent/KR20230163645A/ko not_active Application Discontinuation
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2023
- 2023-05-24 WO PCT/KR2023/007045 patent/WO2023229357A1/ko unknown
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20010000150A (ko) | 2000-07-01 | 2001-01-05 | 정해항 | 성인용 기저귀의 제조장치와 그 장치로 제조된 성인용팬티형 기저귀 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2023229357A1 (ko) | 2023-11-30 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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