KR20240093229A - 미세액적장치, 그 생성시스템 및 모니터링 제어방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시 예는 미세액적장치를 제공한다. 본 발명의 실시 예에 따른 미세액적장치는 액체공급을 위한 튜브에 연결되는 하나 이상의 사이드 주입부와 사이드 주입부에 연결되는 중앙 유출부가 마련된 정량출입 어댑터, 및 정량출입 어댑터의 중앙 유출부에 조립 결합되는 파이펫을 포함한다.
Description
본 발명은 미세액적장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 파이펫을 사용하여 미세액적을 만들어 내는 미세액적장치, 그 생성시스템 및 모니터링 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 미세액적은 특히 나노입자 합성, 고분자 합성, 세포생물학, 핵산 분석 등 다양한 분야의 반응기로 활용되는 것으로서, 미세액적기술을 사용하여 제조된다.
이러한 미세액적을 만들어내는 미세액적기술은, 상대적으로 간단한 준비 과정, 액적의 균일성, 액적 크기 및 부피의 조절 가능성, 높은 생산성 등으로 인해 최근 들어 크게 각광받고 있는 기술분야의 하나이다.
미세액적기술은 대부분 리소그래피(lithography) 또는 소프트 리소그래피 (soft lithography) 방식에 의존하고 있다. 이러한 리소그래피 방법을 이용한 미세액적 생성장치의 제작은 고비용, 장기간의 제작 과정, 및 층별 접합 공정을 거쳐야 한다는 단점을 가지고 있다.
이에 따라 미세액적을 생성할 수 있는 장치의 제조 방법은, 리소그래피 방법보다 신속하고 저비용으로 제조가 가능한 3D 프린터 기술을 이용한 미세액적 생성장치 제조방법이 사용되고 있다.
3D 프린터 기술을 이용한 미세액적 생성장치의 선행기술로서, 대한민국 특허출원 제10-2018-0130002호에는, “3D 프린트로 제작된 미세 유체 디바이스를 이용한 밀도차-유체직속 방법 및 이를 이용한 다양한 크기의 액적 병렬 생산 장치”가 개시되어 있다.
이러한 선행기술은 3D 프린팅으로 미세유체 장치를 제작, 병렬화하여 생산 가능한 것으로서, 3D 프린팅 기술을 통해 저렴한 가격으로 신속한 제작이 가능하며, 제작자의 숙련도에 큰 영향을 받지 않고, 투명도를 가지지만, 3D 프린팅 재료에 따라 내화학성, 생체친화성 등이 떨어지며, 별도의 내화학 처리, 멸균 처리 등 후처리하기 복잡하며, 미세한 채널을 만들려면 고해상도의 3D 프린터가 필요했다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 제작과 사용이 용이하며, 내화학성 및 생체친화성이 높아서 후처리가 불필요하며, 미세한 채널을 제공하여 미세 액적의 정밀 생성이 가능한 미세액적장치, 그 생성시스템 및 모니터링 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 액체공급을 위한 튜브에 연결되는 하나 이상의 사이드 주입부와, 상기 사이드 주입부에 연결되는 중앙 유출부가 마련된 정량출입 어댑터; 및 상기 정량출입 어댑터의 중앙 유출부에 조립 결합되는 파이펫을 포함하며, 상기 정량출입 어댑터는 3D프린터로 제작되되, 상기 중앙 유출부에 상기 파이펫의 하단 주입부에 대응하는 형상으로 상단 연결부가 형성되는 미세액적장치, 그 시스템 및 모니터링 제어방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 정량출입 어댑터는, 상기 사이드 주입부가 결합되는 주입 암나사부가 양측에 마련되며, 상기 주입 암나사부에 연결되며 상기 중앙 유출부에 연결되는 중앙 채널부가 마련된 어댑터 본체; 및 상기 어댑터 본체의 주입 암나사부에 결합되며, 상기 사이드 주입부로 마련되되, 상기 튜브가 중앙부로 삽입되어 고정되는 나사피팅부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 정량출입 어댑터는, 상기 파이펫이 3D프린터에 직립되어 위치 고정된 상태에서 3D프린팅으로 형성되되, 상기 파이펫의 하단부에 마련되는 상기 파이펫의 하단 주입부가 수밀 결합되도록 상기 상단 연결부에 상기 파이펫의 하단 주입부가 삽입되어 둘레가 밀봉될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 중앙 유출부의 내벽부는 상기 파이펫의 하단부에 대응하는 형상을 갖고, 상기 파이펫의 최하단부가 걸림되는 걸림부를 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 중앙 유출부는 상기 파이펫의 크기에 따라 다른 깊이와 내경을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 어댑터 본체는 양측에 상기 복수의 사이드 주입부가 마련되되, 상기 복수의 사이드 주입부에 대응하도록 상기 중앙 유출부가 복수로 마련될 수 있다.
본 발명의 다른 구성은, 상기 미세액적장치; 상기 미세액적장치와 튜브로 연결된 하나 이상의 정량토출 시린지; 상기 정량토출 시린지의 토출량을 제어하는 제어부; 및 상기 파이펫의 미세액적을 측정하는 액적 측정부를 포함하는 미세액적 생성시스템을 제공하며, 상기 제어부는 상기 액정 측정부에서 감지되는 미세액적의 크기를 입력받고, 상기 정량토출 시린지의 압력을 조절할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 있어서, 상기 파이펫의 미세액적을 촬영하여 미세액적 이미지를 생성하는 액적 촬영부; 상기 제어부에 연결되되, 상기 액적 촬영부로부터 미세액적의 이미지를 제공받아 기계학습하여 기계학습 모델을 생성하도록 마련된 학습부; 및 상기 학습부에 의해 생성된 기계학습 모델에 따라 상기 파이펫의 미세액적의 이상 여부를 판단하도록 마련된 모니터링부를 더 포함하며, 상기 모니터링부는 상기 학습부에 의해 기계학습된 바에 따라 실시간으로 수신된 상기 미세액적 이미지를 분석하여 상기 파이펫의 미세액적 생성의 이상 여부를 판단하도록 마련될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 있어서, 상기 학습부는 상기 미세액적 이미지를 제공받는 수집모듈; 상기 미세액적 이미지에 대한 기계학습을 수행하도록 마련된 학습모듈; 및 상기 학습모듈에 의해 생성된 기계학습 모델의 실제 적용 가능 여부를 평가하는 평가모듈을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구성은, 상기 미세액적 생성시스템을 사용하는 것으로서, a) 상기 수집모듈이 기계학습을 위한 미세액적 이미지를 수집하는 단계; b) 상기 학습모듈이 수집된 상기 미세액적 이미지를 기계학습하여 상기 기계학습 모델을 생성하는 단계; c) 상기 평가모듈이 상기 기계학습 모델의 실제 적용 가능 여부를 평가하는 단계; d) 실제 적용 가능한 것으로 평가된 상기 기계학습 모델이 상기 모니터링부에 적용되는 단계; 및 e) 상기 모니터링부가 실시간으로 수집된 상기 미세액적 이미지를 상기 기계학습 모델에 적용하여 상기 파이펫의 미세액적 생성의 이상 여부를 판단하는 단계를 포함하는 미세액적 생성시스템의 모니터링 제어방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 있어서, 상기 a) 단계는, i) 상기 제어부가 상기 파이펫을 정상 상태 또는 이상 상태로 조정하는 단계; ii) 상기 정량토출 시린지가 작동하여 상기 파이펫에서 미세액적을 생성하는 단계; 및 iii) 상기 액적 촬영부가 생성된 미세액적을 촬영하여 미세액적 이미지를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 있어서, 상기 iii) 단계는, 상기 파이펫의 단부 내부에 생성된 미세액적들로부터 발생된 빛을 수신하여 생성된 미세액적 이미지를 수집하도록 마련될 수 있다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 제작과 사용이 용이하며, 내화학성 및 생체친화성이 높아서 후처리가 불필요하며, 미세한 채널을 제공하여 미세 액적의 정밀 생성이 가능한 미세액적장치, 그 생성시스템 및 모니터링 제어방법을 제공할 수 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 1a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세액적장치의 정면도이다.
도 1b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 미세액적장치의 부분 정면도이다.
도 1c는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 미세액적장치의 부분 정면도이다.
도 2는 도 1a의 정량출입 어댑터에서 파이펫이 분리된 입체도이다.
도 3은 도 1a의 정량출입 어댑터가 다양한 크기의 파이펫에 대응하게 제작됨을 나타낸 입체도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세액적장치의 유량별 모드에 따른 미세액적의 형상을 시간별 이미지로 나타낸 유체해석 시뮬레이션 실험 결과도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 유량에 따른 액적 생성 모드 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세액적장치의 유량별 액적의 크기를 나타내는 확대 이미지이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세액적장치의 유량에 따른 액적의 크기 변화 그래프이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세액적 생성시스템의 개념도이다.
도 8b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세액적 생성시스템의 모니터링 제어의 블록도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세액적 생성시스템의 모니터링 제어방법의 순서도이다.
도 1b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 미세액적장치의 부분 정면도이다.
도 1c는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 미세액적장치의 부분 정면도이다.
도 2는 도 1a의 정량출입 어댑터에서 파이펫이 분리된 입체도이다.
도 3은 도 1a의 정량출입 어댑터가 다양한 크기의 파이펫에 대응하게 제작됨을 나타낸 입체도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세액적장치의 유량별 모드에 따른 미세액적의 형상을 시간별 이미지로 나타낸 유체해석 시뮬레이션 실험 결과도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 유량에 따른 액적 생성 모드 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세액적장치의 유량별 액적의 크기를 나타내는 확대 이미지이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세액적장치의 유량에 따른 액적의 크기 변화 그래프이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세액적 생성시스템의 개념도이다.
도 8b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세액적 생성시스템의 모니터링 제어의 블록도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세액적 생성시스템의 모니터링 제어방법의 순서도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 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.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세액적장치의 정면도이며, 도 2는 도 1a의 정량출입 어댑터에서 파이펫이 분리된 입체도이고, 도 3은 도 1a의 정량출입 어댑터가 다양한 크기의 파이펫에 대응하게 제작됨을 나타낸 입체도이다.
도 1a 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세액적장치(100)는, 액체공급을 위한 튜브(101)에 연결되는 하나 이상의 사이드 주입부(113)와 사이드 주입부(113)에 연결되는 중앙 유출부(116)가 마련된 정량출입 어댑터(110), 및 정량출입 어댑터(110)의 중앙 유출부(116)에 조립 결합되는 파이펫(120)을 포함한다.
이러한 미세액적장치(100)는, 정량출입 어댑터(110)의 양측에 사이드 주입부(113)가 마련되고, 양측 사이드 주입부(113)에 튜브(101)가 연결되어 미세액적을 형성하기 위한 액체가 정량출입 어댑터(110)로 공급되며, 정량출입 어댑터(110)의 중앙 유출부(116)에 결합된 파이펫(120)을 통해 유출되어 미세액적이 생성되도록 구성된다.
정량출입 어댑터(110)는 3D프린터로 제작되며, 중앙 유출부(116)에 파이펫(120)의 하단 주입부에 대응하는 형상으로 상단 연결부(117)가 형성된다. 이에 따라 파이펫(120)의 하단 주입부는 정량출입 어댑터(110)의 상단 연결부(117)에 끼움 결합될 수 있다. 이때 파이펫(120)과 상단 연결부(117)의 끼움 결합은 액체의 누수가 방지되는 구조로 이루어진다.
정량출입 어댑터(110)는, 사이드 주입부(113)가 결합되는 주입 암나사부(112)가 양측에 마련되며 주입 암나사부(112)에 연결되며 중앙 유출부(116)에 연결되는 중앙 채널부(115)가 마련된 어댑터 본체(111), 및 어댑터 본체(111)의 주입 암나사부(112)에 결합되며 사이드 주입부(113)로 마련되되, 튜브(101)가 중앙부로 삽입되어 고정되는 나사피팅부재(114)를 포함할 수 있다.
어댑터 본체(111)는 파이펫(120)이 중앙 유출부(116)에 결합되며, 사이드 주입부(113)에 나사피팅부재(114)가 결합되는 구조로서, 양측 튜브(101)와 파이펫(120)이 중앙 채널부(115)에서 연결될 수 있게 마련된다. 이에 따라 양측 튜브(101)에서 공급되는 액체는 중앙 채널부(115)를 통해 파이펫(120)으로 유동될 수 있다. 이때 양측 튜브(101) 중 한쪽 튜브(101)는 분산상으로 액체 공급이 이루어지며, 다른 한쪽 튜브(101)는 연속상으로 액체 공급이 이루어지게 된다.
이러한 정량출입 어댑터(110)는 어댑터 본체(111)의 양측 주입 암나사부(112)에서 나사피팅부재(114)의 누수가 충분히 방지되도록 나사피팅부재(114)가 나사 구조로 견고하게 결합되며, 양측 나사피팅부재(114)를 통해 양측에 액체를 공급하는 튜브(101)가 수밀 연결되는 구조이다.
나사피팅부재(114)는 어댑터 본체(111)의 중앙 채널부(115)에 연결되며, 튜브(101)에 상응하는 크기로 유로가 형성된 것으로서, 중앙 채널부(115)에 나사 결합되는 방식에 의해 끼움 결합된 튜브(101)가 조임되도록 외면부에 나선이 형성된 죠(jaw)구조로 마련될 수도 있다.
또한, 도 1a와 도 1b를 참조하면, 중앙 유출부(116)의 내벽부는 파이펫(120)의 하단부에 대응하는 형상을 갖고, 파이펫(120)의 최하단부가 걸림되는 걸림부(118)를 구비할 수 있다. 이러한 중앙 유출부(116)의 내부 구조는, 상단 연결부(117)를 통해 끼움 결합된 파이펫(120)의 이탈을 방지하며, 결합구조에서 누수를 방지하는 것으로서, 3D 프린팅을 통해 정밀하게 형성될 수 있다. 이때 중앙 유출부(116)는 중앙 채널부(115)까지 포함하여 파이펫(120)의 크기에 따라 다른 깊이와 내경을 가질 수 있다.
한편, 정량출입 어댑터(110)는, 파이펫(120)이 3D프린터에 직립되어 위치 고정된 상태에서 3D프린팅으로 형성될 수 있으며, 파이펫(120)의 하단부에 마련되는 파이펫(120)의 하단 주입부가 수밀 결합되도록 상단 연결부(117)에 파이펫(120)의 하단 주입부가 삽입되어 둘레가 밀봉될 수 있다.
이러한 정량출입 어댑터(110)의 제작은, 파이펫(120)이 있는 3D프린터의 내부에 배치된 상태에서 이루어짐으로써 정량출입 어댑터(110)에 파이펫(120)이 미리 정밀하게 결합된 상태로 미세액적장치(100)가 완성됨으로써 정량출입 어댑터(110)의 중앙 유출부(116)와 파이펫(120) 사이의 누수를 충분히 방지하게 된다.
상기에서는 하나의 어댑터 본체(111)에 하나의 파이펫(120)이 결합된 구조를 설명하였으나, 미세액적장치(100)는 복수의 파이펫(120)이 결합된 구조로 제작될 수 있다. 즉, 양측에 복수의 사이드 주입부(113)가 마련되고, 복수의 사이드 주입부(113)에 대응하도록 중앙 유출부(116)가 복수로 마련된 어댑터 본체(111)를 구비한 정량출입 어댑터(110)를 제공할 수 있다.
한편, 도 1a와 도 1c를 참조하면, 어댑터 본체(111)는 직경이 상호 다른 하나 이상의 파이펫(120)을 끼울 수 있도록 내경이 상호 다른 중앙 유출부(116a, 116b)가 상하로 단턱을 형성하면서 마련될 수 있다. 즉, 어댑터 본체(111)의 상부에는 직경이 큰 파이펫에 대응하는 중앙 유출부(116a)가 형성되며, 하부에는 직경이 더 작은 파이펫에 대응하는 중앙 유출부(116b)가 형성될 수 있다.
정량출입 어댑터(110)의 일측 사이드 주입부(113)에는 분산상의 액체가 공급되며, 타측 사이드 주입부(113)에는 연속상의 액체가 공급될 수 있다. 이때는, 연속상은 유량이 크면서, 분산상은 유량이 작은 제팅(Jetting) 모드로 튜브(101)를 통해 액체가 파이펫(120)에 공급될 때 생성되는 미세액적이 현저히 작게 된다. 또한, 분산상은 유량이 증가할수록 액적의 크기가 커지게 된다. 또한, 생성 모드는 제팅(Jetting) 모드에서 드리핑(Dripping) 모드로 변하는 구간에서, 액적의 크기가 가파르게 증가하게 된다.
이하에서는, 전술한 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세액적장치(100)를 사용하여 미세액적을 생성하는 시뮬레이션 및 실험결과에 대해서 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세액적장치의 유량별 모드에 따른 미세액적의 형상을 시간별 이미지로 나타낸 유체해석 시뮬레이션 실험 결과도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 유량에 따른 액적 생성 모드 변화를 나타낸 그래프이고, 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 300μL의 파이펫 팁을 장착한 미세액적장치의 유량별 액적의 크기를 나타내는 확대 이미지이며, 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세액적장치의 유량에 따른 액적의 크기 변화 그래프이다.
1. 파이펫 팁 선정
본 실험에서 파이펫(120) 팁은 Low-Retention Tips(Scientific Specialities, Inc., SSIbio)을 사용하였으며, 10, 10-XL, 200, 300μL의 크기를 사용한다. 액적 생성의 관측이 가능하게끔 유동을 가시화할 수 있으며, 높은 내화학성과 열안정성을 가져 다양한 생화학 실험에 응용할 수 있는 투명한 폴리프로필렌 계열의 파이펫(120) 팁을 선정하였다.
2. 설계 및 제작
3D 프린트된 정량출입 어댑터(110)는 크게 파이펫(120) 팁이 연결될 상단 연결부(117)와, 유체가 주입될 좌측 및 우측 사이드 주입부(113)로 구성된다. 상단 연결부(117)가 200 및 300μL의 파이펫(120) 팁을 끼우는 장치는, 7.20 mm로, 10 및 10-XL uL의 파이펫(120) 팁을 끼우는 장치는 5.65 mm의 지름으로 구멍을 마련하여 파이펫(120) 팁을 안정적으로 장착할 수 있도록 한다. 좌측 및 우측 사이드 주입부(113)는 누수 문제를 방지하고 유체를 안정적으로 주입시켜 주는 나사피팅부재(114)인 피팅장치 체결할 수 있도록 1/4-28 TAP 규격으로 제작한다. 3D 모델링한 정량출입 어댑터(110)는 DLP 방식의 3D 프린터(Max x27, Asiga)와 UV resin(PlasClear V2, Asiga)를 사용하여 제작하였다.
3. 미세 액적 생성 모드 실험 결과
도 4를 참조하면, 주입 유량별로 액적 생성모드를 분석하였다. 파동이 생기며 작게 만들어지는 제팅(Jetting) 모드, 액적이 크게 만들어지는 드리핑(Dripping) 모드, 파이펫(120) 팁 내부가 아닌 출구와 연결된 튜브(101) 안에서 만들어지는 인사이드 튜빙(Inside tubing)형태가 존재한다. 도 5는 미세액적 생성모드의 시간별 이미지와 유량에 따른 미세액적 생성모드의 변화로, 도 5는 유량에 따른 액적 생성 모드 변화를 나타낼 수 있다. 도 5을 보면, 미세액적을 만들 수 있는 제팅(Jetting) 모드는 연속상의 유량이 크면서, 분산상의 유량이 작아야 등장함을 볼 수 있다.
4. 미세 액적 생성 크기 실험 결과
도 6와 도 7을 참조하면, 주입 유량별로 액적의 생성 크기를 분석하였다. 앞에 생성 모드 분석에서 관측한 바와 같이, 연속상의 유량이 크면서, 분산상의 유량이 작은 제팅(Jetting) 모드일 때 생성되는 액적이 현저히 작음을 볼 수 있다. 또한, 분산상의 유량이 증가할수록 액적의 크기가 커짐을 볼 수 있다. 또한, 생성 모드가 제팅(Jetting)에서 드리핑(Dripping)으로 변하는 구간에서 액적의 크기가 가파르게 감소함을 볼 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세액적 생성시스템을 설명한다.
도 8a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세액적 생성시스템의 개념도이며, 도 8b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세액적 생성시스템의 모니터링 제어의 블록도이다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세액적 생성시스템은, 전술한 미세액적장치(100), 미세액적장치(100)와 튜브(101)로 연결된 한 쌍의 정량토출 시린지(130), 정량토출 시린지(130)의 토출량을 제어하는 제어부(140), 및 파이펫(120)의 미세액적을 측정하는 액적 측정부(150)를 포함한다.
이러한 미세액적 생성시스템은, 미세액적장치(100)의 튜브(101)를 정량토출 시린지(130)에 연결하고, 정량토출 시린지(130)에서 공급유량과 압력을 파이펫(120)의 미세액적의 크기에 따라 제어부(140)에 의해 자동 제어하도록 구성한 것이다.
정량토출 시린지(130)는 액체가 시린지 본체(131)에 저장되며, 플런저(132)가 시린지 본체(131)에서 정밀 위치 제어가 가능하도록 시린지 본체(131)의 외측에 플런저(132)의 정밀위치 제어기구가 설치된 것으로서, 시린지 본체(131)의 하단부에 튜브(101)가 연결된다.
예를 들어, 정량토출 시린지(130)에서, 플런저(132)의 정밀위치 제어기구는, 플런저(132)에 결합되는 리드스크류(135), 리드스크류(135)의 상하 이동을 안내하는 스크류 회전체(136), 및 스크류 회전체(136)를 회전시켜 리드스크류(135)를 상하로 이동시키는 구동모터(138)를 포함하여 구현될 수 있다.
이때 구동모터(138)는 리드스크류(135)가 스크류 회전체(136)에 나사 결합된 일체 내장형 구조로서, 스크류 회전체(136)를 전동 회전시킬 수 있는 구조로 마련된다. 이 외에, 플런저(132)의 정밀 위치 제어는 리니어모터에 의해서도 구현될 수 있다. 이러한 구조들은 예시적인 것으로서, 정량토출 시린지(130)의 목적에 따라 변형이 가능하다.
제어부(140)는 액적 측정부(150)에서 감지되는 미세액적의 크기를 입력받고, 정량토출 시린지(130)의 압력을 조절하도록 구성된 것으로서, plc 또는 라즈베리파이와 같은 마이크로 컨트롤러가 구비된 제어보드 및 모터드라이버를 포함할 수 있다.
이러한 본 발명의 일 실시 예에는, 파이펫(120)의 미세액적을 촬영하여 미세액적 이미지를 생성하는 액적 촬영부(155), 제어부(140)에 연결되며 액적 촬영부(155)로부터 미세액적의 이미지를 제공받아 기계학습하여 기계학습 모델을 생성하도록 마련된 학습부(160), 및 학습부(160)에 의해 생성된 기계학습 모델에 따라 파이펫(120)의 미세액적의 이상 여부를 판단하도록 마련된 모니터링부(170)가 더 포함될 수 있다.
액적 촬영부(155)는 정밀한 고배율 광학렌즈를 구비한 카메라(156)로 마련될 수 있다.
학습부(160)와 모니터링부(170)는, 기계학습과 기계학습의 결과에 따른 미세액적의 이상여부를 판단하기 위한 것으로서, 기본적으로 컴퓨터에 소프트웨어적으로 탑재되어 구현되며, 인터넷 또는 네트워크로 연결된 외부 인공지능 엔진을 사용할 수 있다.
학습부(160)는 미세액적 이미지를 제공받는 수집모듈(161), 미세액적 이미지에 대한 기계학습을 수행하도록 마련된 학습모듈(162), 및 학습모듈(162)에 의해 생성된 기계학습 모델의 실제 적용 가능 여부를 평가하는 평가모듈(163)을 포함할 수 있다.
먼저, 수집모듈(161)은 카메라(156)로부터 촬영된 미세액적 이미지를 제공받도록 마련될 수 있다. 이때, 수집모듈(161)은 파이펫(120)의 상단부에 생성된 미세액적 이미지와 유동 통로에 형성되는 미세액적 이미지를 학습용으로 제공받을 수도 있다.
학습모듈(162)은 미세액적 이미지에 대한 기계학습을 수행하도록 마련될 수 있다. 즉, 학습모듈(162)은 파이펫(120)에서 미세액적의 크기와 유동 상태가 정상 상태일 때와 비정상 상태일 때의 미세액적 이미지를 수집모듈(161)로부터 제공받아 기계학습을 수행하도록 마련될 수 있다.
이때, 학습모듈(162)은 합성곱 신경망(Convolutional Neural Network) 방법에 의해 상기 미세액적 이미지에 따른 파이펫(120)의 분말 공급 이상 여부를 기계학습 하도록 마련될 수 있다. 단, 상기 학습모듈(162)이 기계학습을 수행하는 방법은 합성곱 신경망 방법만으로 한정되지 않으며, 이미지를 활용한 기계학습 방법을 모두 포함할 수 있다.
평가모듈(163)은 학습모듈(162)에 의해 생성된 기계학습 모델의 실제 적용 가능 여부를 평가하도록 마련될 수 있다.
일 예로, 평가모듈(163)은 학습모듈(162)에 의해 생성된 기계학습 모델을 적용하여 실시간으로 촬영된 미세액적 이미지로 파이펫(120)의 미세액적 생성의 이상 여부를 판단하였을 때, 정확도가 기설정된 양상과 크기 수치가 동일 또는 유사한 경우 실제 적용 가능한 것으로 평가할 수 있다.
평가모듈(163)은 기계학습 모델이 실제 적용 가능한 것으로 평가된 경우, 모니터링부(170)에 기계학습 모델을 적용하도록 마련될 수 있다.
모니터링부(170)는 학습부(160)에 의해 기계학습된 바에 따라 실시간으로 수신된 미세액적 이미지를 분석하여 파이펫(120)의 미세액적 생성의 이상 여부를 판단하도록 마련될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세액적 생성시스템의 모니터링 제어방법의 순서도이다.
도 8a, 도 8b, 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세액적 생성시스템의 모니터링 제어방법은, 전술한 미세액적 생성시스템을 사용하는 것으로서, a) 수집모듈(161)이 기계학습을 위한 미세액적 이미지를 수집하는 단계(S10); b) 학습모듈(162)이 수집된 미세액적 이미지를 기계학습하여 기계학습 모델을 생성하는 단계(S20); 및 c) 평가모듈(163)이 기계학습 모델의 실제 적용 가능 여부를 평가하는 단계(S30); d) 실제 적용 가능한 것으로 평가된 기계학습 모델이 모니터링부(170)에 적용되는 단계(S40); 및 e) 모니터링부(170)가 실시간으로 수집된 미세액적 이미지를 기계학습 모델에 적용하여 파이펫(120)의 미세액적 생성의 이상 여부를 판단하는 단계(S50)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 a) 단계(S10)는, i) 제어부(140)가 파이펫(120)을 정상 상태 또는 이상 상태로 조정하는 단계; ii) 정량토출 시린지(130)가 작동하여 파이펫(120)에서 미세액적을 생성하는 단계; 및 iii) 액적 촬영부(155)가 생성된 미세액적을 촬영하여 미세액적 이미지를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한 상기 iii) 단계는, 파이펫(120)의 단부 내부에 생성된 미세액적들로부터 발생된 빛을 수신하여 생성된 미세액적 이미지를 수집하도록 마련될 수 있다.
먼저, 본 실시 예에 따르면, 수집모듈(161)이 기계학습을 위한 미세액적 이미지를 수집하는 단계가 진행될 수 있다.
수집모듈(161)이 기계학습을 위한 미세액적 이미지를 수집하는 단계는 먼저, 파이펫(120)을 정상 상태 또는 이상 상태로 조정하는 단계가 수행될 수 있다.
파이펫(120)을 정상 상태 또는 이상 상태로 조정하는 단계는, 학습 데이터를 생성하기 위해 정상 압력을 이용하여 일반적인 조건에서 미세액적의 생성공정을 수행하고, 미세액적을 연출하는 같은 공정 조건에서 미세액적의 생성공정을 반복 수행하여 같은 방법으로 다수의 이미지 데이터를 수집하도록 마련될 수 있다.
이때, 파이펫(120)을 정상 상태 또는 이상 상태로 조정하는 단계는 인공지능이 탑재된 컴퓨터가 미세액적의 연출 상황에서 정상 상태와 유사하도록 정량토출 시린지(130)와 제어부(140)를 제어할 수 있다.
파이펫(120)을 정상 상태 또는 이상 상태로 조정하는 단계 이후에는, 파이펫(120)에 압력을 가해 미세액적을 생성하는 단계가 수행될 수 있다.
파이펫(120)에서 미세액적을 생성한 단계 이후에는, 카메라(156)부가 파이펫(120)에 생성 및 유동하는 미세액적을 촬영하여 미세액적 이미지를 형성하는 단계가 수행될 수 있다.
수집모듈(161)이 기계학습을 위한 미세액적 이미지를 수집하는 단계 이후에는, 학습모듈(162)이 수집된 미세액적 이미지를 기계학습하여 기계학습 모델을 생성하는 단계가 수행될 수 있다.
학습모듈(162)이 수집된 미세액적 이미지를 기계학습하여 기계학습 모델을 생성하는 단계에서, 학습모듈(162)은 파이펫(120)에 생성된 미세액적이 정상 상태일 때와 비정상 상태일 때의 미세액적 이미지를 수집모듈(161)로부터 제공받아 기계학습을 수행하도록 마련될 수 있다.
학습모듈(162)이 수집된 미세액적 이미지를 기계학습하여 기계학습 모델을 생성하는 단계 이후에는, 평가모듈(163)이 기계학습 모델의 실제 적용 가능 여부를 평가하는 단계가 수행될 수 있다.
일 예로, 평가모듈(163)이 기계학습 모델의 실제 적용 가능 여부를 평가하는 단계에서, 평가모듈(163)은 학습모듈(162)에 의해 생성된 기계학습 모델을 적용하여 실시간으로 촬영된 미세액적 이미지로 파이펫(120)의 미세액적의 생성의 이상 여부를 판단하였을 때, 정확도가 기설정된 형상과 크기에 부합할 경우 실제 적용 가능한 것으로 평가할 수 있다.
평가모듈(163)이 기계학습 모델의 실제 적용 가능 여부를 평가하는 단계 이후에는, 실제 적용 가능한 것으로 평가된 기계학습 모델이 모니터링부(170)에 적용되는 단계가 수행될 수 있다.
실제 적용 가능한 것으로 평가된 기계학습 모델이 모니터링부(170)에 적용되는 단계에서, 평가모듈(163)은 기계학습 모델이 실제 적용 가능한 것으로 평가된 경우, 모니터링부(170)에 기계학습 모델을 적용하도록 마련될 수 있다.
실제 적용 가능한 것으로 평가된 기계학습 모델이 모니터링부(170)에 적용되는 단계 이후에는, 모니터링부(170)가 실시간으로 수집된 미세액적 이미지를 기계학습 모델에 적용하여 파이펫(120)의 미세액적 생성 이상 여부를 판단하는 단계가 수행될 수 있다.
모니터링부(170)가 실시간으로 수집된 미세액적 이미지를 기계학습 모델에 적용하여 파이펫(120)의 미세액적 생성 이상 여부를 판단하는 단계에서, 모니터링부(170)는 학습부(160)에 의해 생성된 기계학습 모델에 따라 파이펫(120)의 분말 공급 이상 여부를 판단하도록 마련될 수 있다.
전술한 바와 같이 마련된 본 발명은 별도의 복잡한 센서를 설치할 필요없이 파이펫(120) 외부에서 생성되는 미세액적의 이상 여부를 실시간으로 감지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들에 따르면, 파이펫(120)의 종류 및 크기에 따라 유동 특성이 다르더라도 복잡한 알고리즘을 적용할 필요 없이 각 파이펫(120) 특성에 최적화할 수 있는 초기 데이터 생성 및 학습 과정을 거쳐 높은 정확도로 미세액적의 이상 여부를 감지할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 미세액적장치 101: 튜브
110: 정량출입 어댑터 111: 어댑터 본체
112: 주입 암나사부 113: 사이드 주입부
114: 나사피팅부재 115: 중앙 채널부
116: 중앙 유출부 117: 상단 연결부
118: 걸림부 120: 파이펫
130: 정량토출 시린지 140: 제어부
150: 액적 측정부 155: 액적 촬영부
156: 카메라 160: 학습부
161: 수집모듈 162: 학습모듈
163: 평가모듈 170: 모니터링부
110: 정량출입 어댑터 111: 어댑터 본체
112: 주입 암나사부 113: 사이드 주입부
114: 나사피팅부재 115: 중앙 채널부
116: 중앙 유출부 117: 상단 연결부
118: 걸림부 120: 파이펫
130: 정량토출 시린지 140: 제어부
150: 액적 측정부 155: 액적 촬영부
156: 카메라 160: 학습부
161: 수집모듈 162: 학습모듈
163: 평가모듈 170: 모니터링부
Claims (12)
- 액체공급을 위한 튜브에 연결되는 하나 이상의 사이드 주입부와, 상기 사이드 주입부에 연결되는 중앙 유출부가 마련된 정량출입 어댑터; 및
상기 정량출입 어댑터의 중앙 유출부에 조립 결합되는 파이펫을 포함하며,
상기 정량출입 어댑터는 3D프린터로 제작되되, 상기 중앙 유출부에 상기 파이펫의 하단 주입부에 대응하는 형상으로 상단 연결부가 형성되는 것을 특징으로 하는 미세액적장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 정량출입 어댑터는,
상기 사이드 주입부가 결합되는 주입 암나사부가 양측에 마련되며, 상기 주입 암나사부에 연결되며 상기 중앙 유출부에 연결되는 중앙 채널부가 마련된 어댑터 본체; 및
상기 어댑터 본체의 주입 암나사부에 결합되며, 상기 사이드 주입부로 마련되되, 상기 튜브가 중앙부로 삽입되어 고정되는 나사피팅부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세액적장치.
- 청구항 2에 있어서,
상기 정량출입 어댑터는, 상기 파이펫이 3D프린터에 직립되어 위치 고정된 상태에서 3D프린팅으로 형성되되, 상기 파이펫의 하단부에 마련되는 상기 파이펫의 하단 주입부가 수밀 결합되도록 상기 상단 연결부에 상기 파이펫의 하단 주입부가 삽입되어 둘레가 밀봉되는 것을 특징으로 하는 미세액적장치.
- 청구항 3에 있어서,
상기 중앙 유출부의 내벽부는 상기 파이펫의 하단부에 대응하는 형상을 갖고, 상기 파이펫의 최하단부가 걸림되는 걸림부를 구비하는 것을 특징으로 하는 미세액적장치.
- 청구항 4에 있어서,
상기 중앙 유출부는 상기 파이펫의 크기에 따라 다른 깊이와 내경을 갖는 것을 특징으로 하는 미세액적장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 어댑터 본체는 양측에 복수의 사이드 주입부가 마련되되, 상기 복수의 사이드 주입부에 대응하도록 상기 중앙 유출부가 복수로 마련되는 것을 특징으로 하는 미세액적장치.
- 청구항 1에 따른 상기 미세액적장치;
상기 미세액적장치와 튜브로 연결된 하나 이상의 정량토출 시린지;
상기 정량토출 시린지의 토출량을 제어하는 제어부; 및
상기 파이펫의 미세액적을 측정하는 액적 측정부를 포함하며,
상기 제어부는 상기 액정 측정부에서 감지되는 미세액적의 크기를 입력받고, 상기 정량토출 시린지의 압력을 조절하는 것을 특징으로 하는 미세액적 생성시스템.
- 청구항 7에 있어서,
상기 파이펫의 미세액적을 촬영하여 미세액적 이미지를 생성하는 액적 촬영부;
상기 제어부에 연결되되, 상기 액적 촬영부로부터 미세액적의 이미지를 제공받아 기계학습하여 기계학습 모델을 생성하도록 마련된 학습부; 및
상기 학습부에 의해 생성된 기계학습 모델에 따라 상기 파이펫의 미세액적의 이상 여부를 판단하도록 마련된 모니터링부를 더 포함하며,
상기 모니터링부는 상기 학습부에 의해 기계학습된 바에 따라 실시간으로 수신된 상기 미세액적 이미지를 분석하여 상기 파이펫의 미세액적 생성의 이상 여부를 판단하도록 마련된 것을 특징으로 하는 미세액적 생성시스템.
- 청구항 8에 있어서,
상기 학습부는 상기 미세액적 이미지를 제공받는 수집모듈;
상기 미세액적 이미지에 대한 기계학습을 수행하도록 마련된 학습모듈; 및
상기 학습모듈에 의해 생성된 기계학습 모델의 실제 적용 가능 여부를 평가하는 평가모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세액적 생성시스템.
- 청구항 9에 따른 상기 미세액적 생성시스템을 사용하는 것으로서,
a) 상기 수집모듈이 기계학습을 위한 미세액적 이미지를 수집하는 단계;
b) 상기 학습모듈이 수집된 상기 미세액적 이미지를 기계학습하여 상기 기계학습 모델을 생성하는 단계;
c) 상기 평가모듈이 상기 기계학습 모델의 실제 적용 가능 여부를 평가하는 단계;
d) 실제 적용 가능한 것으로 평가된 상기 기계학습 모델이 상기 모니터링부에 적용되는 단계; 및
e) 상기 모니터링부가 실시간으로 수집된 상기 미세액적 이미지를 상기 기계학습 모델에 적용하여 상기 파이펫의 미세액적 생성의 이상 여부를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세액적 생성시스템의 모니터링 제어방법.
- 청구항 10에 있어서,
상기 a) 단계는,
i) 상기 제어부가 상기 파이펫을 정상 상태 또는 이상 상태로 조정하는 단계;
ii) 상기 정량토출 시린지가 작동하여 상기 파이펫에서 미세액적을 생성하는 단계; 및
iii) 상기 액적 촬영부가 생성된 미세액적을 촬영하여 미세액적 이미지를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세액적 생성시스템의 모니터링 제어방법.
- 청구항 11에 있어서,
상기 iii) 단계는,
상기 파이펫의 단부 내부에 생성된 미세액적들로부터 발생된 빛을 수신하여 생성된 미세액적 이미지를 수집하도록 마련된 것을 특징으로 하는 미세액적 생성시스템의 모니터링 제어방법.
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