WO2022080768A1 - 정전용량형 전극을 이용한 액적 길이 측정장치 - Google Patents

정전용량형 전극을 이용한 액적 길이 측정장치 Download PDF

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sensing electrode
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한기호
김준형
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인제대학교 산학협력단
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    • G01N27/226Construction of measuring vessels; Electrodes therefor

Definitions

  • the present invention relates to a droplet length measuring device using a capacitive electrode, and more particularly, by separating a disposable panel on which a microfluidic channel is formed and a substrate on which a sensing electrode is formed, thereby preventing damage to the electrode and cross-contamination in the channel. It relates to a droplet length measuring device using a capacitive electrode capable of preventing the reuse of a substrate and measuring the length of a droplet regardless of droplet speed.
  • an impedance droplet measurement device of a method of measuring the size of a droplet by measuring impedance.
  • Such a conventional impedance droplet measurement device measures the morphological characteristics of the droplet, such as the length and speed of the droplet, in real time, and is applied to studies such as drug delivery, cell research, material synthesis, and chemical reaction.
  • the conductivity of the droplet As shown in FIG. 13 , as the droplet material changes, the conductivity of the droplet also changes, and since the sensing voltage value varies according to the conductivity, the conductivity is different. In the case of a material, there is a disadvantage in that it is difficult to measure the length of the droplet only with the measured voltage value.
  • a variable may act depending on the droplet's velocity and affect the droplet's length measurement.
  • the length of the droplet is measured under the premise that the velocity of the fluid is constant, but it can be seen that the precision in measuring the length of the droplet is low due to this.
  • an electrode for measuring conductivity is patterned by lithography.
  • a 15nm-thick SiO2 oxide film is deposited with an e-beam evaporator to protect the electrodes, and the PDMS panel and the substrate are combined with plasma to be integrated.
  • the present invention has been devised to solve the problems of the prior art as described above, and by separating a disposable panel having a microfluidic channel and a substrate on which an electrode is formed, to prevent direct contact between the fluid and the electrode, and vacuuming the electrode
  • An object of the present invention is to provide a droplet length measurement device using a capacitive electrode that can greatly reduce costs by reusing the electrode for measurement after use since the disposable panel with the microfluidic channel and the microfluidic channel is detachable.
  • Another object of the present invention is to provide a droplet length measuring device using a capacitive electrode capable of measuring the length of a droplet even with materials having different conductivities if only the dielectric constant of the droplet is the same.
  • Another object of the present invention is to provide an apparatus for measuring the length of a droplet using a capacitive electrode capable of accurately measuring the length of a droplet regardless of the speed of the droplet.
  • an inlet through which a plurality of fluids having different dielectric constants are respectively injected, a microfluidic channel through which the fluid injected through the inlet passes, and the fluid passing through the microfluidic channel is discharged The length of the droplet as a voltage value measured by a disposable panel on which an outlet is formed, a substrate that is separated from the disposable panel and can be reused, and a capacitance value of a fluid patterned on the upper surface of the substrate and passing through the microfluidic channel a sensing electrode unit for measuring and a negative pressure forming means for applying a negative pressure between the disposable panel and the substrate so as to be detachably attached, and when the droplet passes through the sensing electrode unit, the longer the length of the droplet, the higher the voltage value measured at the electrode, so the sensing electrode unit
  • a droplet length measuring device using a capacitive electrode characterized in that the length of the droplet is measured through the voltage value measured in .
  • the microfluidic channel includes a single channel section in which the fluid injected through the plurality of injection holes flows, respectively, a confluence channel section in which the fluid passing through the single channel section joins, and the sensing electrode section It may include a measurement channel section for measuring the droplet length of the sample.
  • the sensing electrode unit may be disposed to be positioned at a lower portion of the measurement channel section, and the sensing electrode unit may measure the length of a droplet of the sample passing through the measurement channel section.
  • the inlet is composed of an oil inlet through which oil having a low dielectric constant is injected and a sample inlet through which a sample having a higher dielectric constant than the oil is injected. It may be made to meet in an orthogonal direction.
  • the sensing electrode unit includes a first electrode positioned in a measurement channel section in the sample flow direction, a second electrode symmetrically installed in parallel with the first electrode, and a signal according to a position of a droplet introduced into the measurement channel section It may be composed of a sensing electrode for sensing.
  • the length of the droplet measurable by the sensing electrode is from the width length of the channel to the length of the first electrode, the minimum measurable droplet length is the same as the channel width, and the maximum measurable droplet length is It is characterized in that up to the length of the first electrode.
  • the disposable panel with the microfluidic channel and the substrate on which the electrode is formed are separated to prevent direct contact between the fluid and the electrode, and the disposable panel with the electrode and the microfluidic channel formed by vacuum is detachable. Because this is possible, the cost can be greatly reduced by reusing the electrode for measurement after use.
  • the device for measuring the length of the droplet since the device for measuring the length of the droplet is very simple, it can be manufactured at low cost and mass-produced, so it can be utilized in various fields with various applications.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing the overall configuration of a droplet length measuring apparatus using a capacitive electrode of the present invention.
  • FIG. 2 is a combined perspective view of the droplet length measuring device of FIG. 1 .
  • FIG 3 is a plan view of a droplet length measuring apparatus using a capacitive electrode of the present invention.
  • FIG. 4 is an enlarged view of the sensing electrode in FIG. 3 .
  • FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a change in electric field density due to a difference in permittivity.
  • FIG. 6 is a diagram showing a capacitance change according to a droplet position.
  • FIG. 7 is an enlarged view showing in detail the electrode structure for measuring the droplet length.
  • FIG. 8 is a graph showing a state of outputting a detection signal according to a droplet position in an embodiment of the present invention.
  • 9 is a graph showing a detection signal of an actual electrode.
  • FIG. 10 is a graph showing a reproducibility test result of a disposable microfluidic channel device.
  • 11 is a graph illustrating a detection signal change test according to conductivities.
  • FIG. 12 is a graph illustrating a detection signal change test according to the droplet velocity.
  • FIG. 13 is a graph showing that a sensing voltage value varies according to conductivity in a conventional impedance droplet measuring device.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing the overall configuration of a droplet length measuring device using a capacitive electrode of the present invention
  • FIG. 2 is a combined perspective view of the droplet length measuring device of FIG. 1
  • FIG. 3 is a capacitive type measuring device of the present invention. It is a plan view of a droplet length measuring apparatus using an electrode
  • FIG. 4 is an enlarged view of the sensing electrode in FIG. 3 .
  • the droplet length measuring device using the capacitive electrode of the present invention is largely divided into a disposable panel 200 on which a microfluidic channel 220 is formed, and a substrate 100 that is separated from the disposable panel 200 and can be reused. , a sensing electrode unit 110 patterned on the upper surface of the substrate 100, a thin film 300 separating the disposable panel 200 and the substrate 100, and the disposable panel 200 and the substrate 100 It includes a negative pressure forming means to enable the detachable.
  • the present invention by separating the disposable panel 200 on which the microfluidic channel 220 is formed and the substrate 100 on which the electrode is formed, direct contact between the fluid and the electrode is prevented so that the electrode for measurement can be reused. It has great features.
  • the disposable panel 200 may be made of a PDMS material, and a plurality of inlets 210 to allow fluids having different dielectric constants to be introduced, respectively, and a microfluidic channel 220 through which the fluid injected through the inlet passes; , an outlet 230 through which the fluid passing through the microfluidic channel is discharged is formed.
  • the microfluidic channel 220 is formed on the lower surface of the disposable panel 200, and the sample flowing through the microfluidic channel 220 can measure the voltage value at the electrode without directly contacting the electrode of the substrate 100.
  • the thin film 300 is attached to the lower surface of the disposable panel 200 so that it can be used.
  • the thin film 300 should be sized to include all of the microfluidic channels 220 , and be thin, for example, about 4 ⁇ m so that electric fields and magnetic forces can be well transmitted to the samples flowing through the microfluidic channels 220 . It is preferable to form .
  • the injection hole 210 is formed in plurality so that fluids having different dielectric constants can be injected, respectively, and in the embodiment of the present invention, the oil injection hole 212 into which oil having a low dielectric constant is injected, and the oil It consists of a sample inlet 214 into which a sample having a high dielectric constant is injected.
  • the microfluidic channel 220 includes a single channel section 222 through which the fluid injected through the plurality of injection holes 212 and 214 flows, respectively, and the single channel section 222 .
  • the single channel section 222 communicates with the inlet into which the oil or sample is injected and is connected to the confluence channel section 224, which is a point where the oil and the sample meet, and in the confluent channel section, the sample and the oil are orthogonal to each other. formed so as to meet in the direction
  • a channel is formed so that the sample (PBS) can flow linearly from the sample inlet 214 to the outlet 230, and the channel through which oil flows in the confluent channel section 224 is the sample. is formed perpendicular to the channel through which it flows.
  • the fluids merged in the confluence channel section 224 flow into the measurement channel section 226 , and the droplet length of the sample is measured by the sensing electrode unit 110 in the measurement channel section 226 .
  • the sensing electrode unit 110 is patterned on the upper surface of the substrate 100 and measures the length of the droplet with a voltage value measured by the capacitance value of the fluid passing through the microfluidic channel, and the measurement channel section 226
  • the sensing electrode unit 110 is disposed at a lower portion of the , so that the sensing electrode unit can measure the length of a droplet of the sample passing through the measurement channel section.
  • the length of the droplet can be measured without the droplet contacting the sensing electrode part.
  • the length of the droplet is measured through the voltage value measured by the sensing electrode unit 110 It is characterized by measuring the length of the droplet in principle.
  • the sensing electrode unit 110 includes a first electrode 112 positioned in the measurement channel section 226 in the sample flow direction, and a second electrode 114 symmetrically installed in parallel with the first electrode 112 . ) and a sensing electrode 116 for sensing a signal according to the position of the droplet introduced into the measurement channel section.
  • the first electrode 112 and the second electrode 114 are symmetrically installed side by side, and the sensing electrode 116 for sensing a signal is installed on the opposite side.
  • the length of the droplet measurable by the sensing electrode unit 110 is from the width length (a) of the channel 226 to the length (b) of the first electrode 112 , and is the smallest measurable droplet length.
  • the length is equal to the channel width (a), and the maximum measurable droplet length is up to the length (b) of the first electrode.
  • the length of the first electrode C1 which is 260 ⁇ m, can be measured, and the minimum that can be measured is the channel width of 100 ⁇ m.
  • width length (a) of the channel 226 and the length (b) of the first electrode 112 may be variously applied according to embodiments, the present invention is not limited thereto.
  • a negative pressure forming means for applying a negative pressure between the disposable panel and the substrate so that the disposable panel 100 and the substrate 200 can be detachably attached
  • the negative pressure forming means is the substrate 100 and a negative pressure application hole 240 for adsorbing the substrate and the disposable panel by applying a negative pressure in communication with the surface in contact with the disposable panel 200 .
  • the negative pressure application hole 240 may be connected to an external device to apply negative pressure, and a detailed description thereof will be omitted.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a change in electric field density due to a difference in permittivity.
  • the oil acts as a medium between capacitances.
  • FIG. 6 is a diagram showing a capacitance change according to a droplet position.
  • the lengths of the first electrode C1 and the second electrode C2 increase, the length of the droplet that can be measured increases.
  • FIG. 7 is an enlarged view showing the electrode structure for measuring the droplet length in detail
  • FIG. 8 is a graph showing the output of the sensing signal according to the droplet position in the embodiment of the present invention.
  • the figure and graph in FIG. 8 show the sensing signal output that changes as it passes through the capacitive electrode, the moment the droplet enters the C1 region (1), the moment the droplet completely enters the C1 region (2), The moment the droplet leaves the C1 area and enters the C2 area (3), the droplet completely enters the C2 area (4), the droplet starts to leave the C2 area (5), the droplet completely leaves the C2 area (6) can be known
  • 9 is a graph showing a detection signal of an actual electrode.
  • the sensing graph measured by droplet length is,
  • the reason that the longer the droplet length, the longer the measurement time is that the size of the droplet is controlled by changing the flow rate of oil, and the slower the oil, the longer the droplet length. do.
  • FIG. 10 is a graph showing a reproducibility test result of a disposable microfluidic channel device.
  • the sensing voltage value for each droplet length should not change even if several disposable microchannel devices are used, and this was confirmed by a test.
  • 11 is a graph illustrating a detection signal change test according to conductivities.
  • the capacitance value varies depending on the dielectric constant, the distance between the electrodes, and the distance between the electrodes. So, even if the conductivity is changed, the sensing voltage does not change.
  • the value does not change as a result of testing by changing the conductivity of the droplet.
  • FIG. 12 is a graph illustrating a detection signal change test according to the droplet velocity.
  • the length can be measured regardless of the velocity of the droplet.

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Abstract

본 발명은 정전용량형 전극을 이용한 액적 길이 측정장치에 관한 것으로서, 유전율이 서로 다른 복수의 유체가 각각 주입되는 주입구와, 상기 주입구를 통해 주입된 유체가 통과하는 미세유체 채널과, 상기 미세유체 채널을 통과한 유체가 배출되는 배출구가 형성되는 일회용 패널과, 상기 일회용 패널과 별도로 분리되어 재사용이 가능한 기판과, 상기 기판의 상면에 패터닝되어 상기 미세유체 채널을 통과하는 유체의 캐패시턴스 값에 의해 측정된 전압 값으로 액적의 길이를 측정하는 센싱 전극부와, 상기 미세유체 채널을 통과하는 시료가 상기 센싱 전극부에 직접 닿지 않도록 상기 일회용 패널의 하면에 구비되어 상기 일회용 패널과 기판을 분리하는 박막과, 상기 일회용 패널과 기판이 탈부착이 가능하도록 상기 일회용 패널과 기판 사이에 음압을 인가하기 위한 음압형성수단을 포함하며, 전극의 손상을 방지하고 채널 내의 교차 오염을 방지하여 기판의 재사용이 가능하며, 액적 속도와 관계없이 상기 센싱 전극부를 액적이 지나갈 때 액적의 길이가 길수록 전극에서 측정되는 전압 값이 높아지므로, 상기 센싱 전극부에서 측정되는 전압 값을 통해 액적의 길이를 측정할 수 있다.

Description

정전용량형 전극을 이용한 액적 길이 측정장치
본 발명은 정전용량형 전극을 이용한 액적 길이 측정장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 미세유체 채널이 형성된 일회용 패널과, 센싱 전극이 형성된 기판을 분리하여 구성함으로써, 전극의 손상 및 채널 내의 교차 오염을 방지하여 기판의 재사용이 가능하며, 액적 속도와 관계없이 액적의 길이를 측정할 수 있는 정전용량형 전극을 이용한 액적 길이 측정장치에 관한 것이다.
종래에 액적의 길이를 측정하는 장치로서, 임피던스를 측정하여 액적(droplet)의 크기를 측정하는 방식의 임피던스 액적 측정(Impedimetric Droplet Measurement) 디바이스가 있다.
이러한 종래의 임피던스 액적 측정 디바이스는 액적의 길이, 속도 등 액적의 형태학적 특성을 실시간으로 측정하여 약물 전달, 세포 연구, 물질 합성 및 화학 반응 등의 연구에 응용되고 있다.
도 13에서 보는 바와 같이, 액적(Droplet) 물질이 바뀜에 따라 액적의 컨덕티비티(conductivity)도 바뀌게 되고, 컨덕티비티에 따라 감지되는 전압(sensing voltage) 값이 달라지기 때문에, 컨덕티비티가 다른 물질의 경우 측정되는 전압 값 만으로는 액적의 길이 측정이 어려운 단점이 있다.
또한, 액적의 속도에 따라 변수가 작용하여 액적의 길이 측정에 영향을 미칠 수 있다.
그래서 종래 기술에서는 유체의 속도는 일정하다는 전제 조건하에 액적의 길이를 측정하지만, 이로 인해 액적의 길이 측정에 있어서 정밀도가 떨어진다고 볼 수 있다.
한편, 종래의 임피던스 액적 측정 디바이스를 제작하는 프로세스는 다음과 같다.
먼저, 기판 위에 금을 증착 후 리소그라피로 컨덕티비티(conductivity) 측정용 전극을 패터닝한다.
이후, 전극 보호를 위해 15nm 두께의 SiO2 산화막을 e-beam evaporator로 증착하고, PDMS로 이루어진 패널과 기판을 플라즈마로 결합시켜 일체화시킨다.
이와 같은 종래의 액적 측정 디바이스는 패널과 기판이 일체형으로 제작되기 때문에 유체와 전극이 바로 접촉하게 되어 재사용할 경우 전극의 오염 위험이 있고, 오염을 막기 위해 한 번 쓰고 버리게 되면 고가의 전극으로 인해 비용 손실이 큰 문제점이 있는 것이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 미세유체 채널이 형성된 일회용 패널과, 전극이 형성된 기판을 분리하여 구성함으로써 유체와 전극이 바로 접촉하는 것을 방지하고, 진공으로 전극과 미세유체 채널이 형성된 일회용 패널이 탈부착이 가능하여 사용 후 측정용 전극은 재사용함으로써 비용을 크게 절감할 수 있는 정전용량형 전극을 이용한 액적 길이 측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 액적의 유전율만 같으면, 컨덕티비티가 다른 물질도 액적의 길이 측정이 가능할 수 있는 정전용량형 전극을 이용한 액적 길이 측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 액적의 속도와 관계없이 액적의 길이를 정확하게 측정할 수 있는 정전용량형 전극을 이용한 액적 길이 측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위하여 본 발명에서는 유전율이 서로 다른 복수의 유체가 각각 주입되는 주입구와, 상기 주입구를 통해 주입된 유체가 통과하는 미세유체 채널과, 상기 미세유체 채널을 통과한 유체가 배출되는 배출구가 형성되는 일회용 패널과, 상기 일회용 패널과 별도로 분리되어 재사용이 가능한 기판과, 상기 기판의 상면에 패터닝되어 상기 미세유체 채널을 통과하는 유체의 캐패시턴스 값에 의해 측정된 전압 값으로 액적의 길이를 측정하는 센싱 전극부와, 상기 미세유체 채널을 통과하는 시료가 상기 센싱 전극부에 직접 닿지 않도록 상기 일회용 패널의 하면에 구비되어 상기 일회용 패널과 기판을 분리하는 박막과, 상기 일회용 패널과 기판이 탈부착이 가능하도록 상기 일회용 패널과 기판 사이에 음압을 인가하기 위한 음압형성수단을 포함하며, 상기 센싱 전극부를 액적이 지나갈 때 액적의 길이가 길수록 전극에서 측정되는 전압 값이 높아지므로, 상기 센싱 전극부에서 측정되는 전압 값을 통해 액적의 길이를 측정하는 것을 특징으로 하는 정전용량형 전극을 이용한 액적 길이 측정장치가 제공된다.
본 발명에 있어서, 상기 미세유체 채널은, 상기 복수의 주입구를 통해 주입된 유체가 각각 흐르는 단일 채널 구간과, 상기 단일 채널 구간을 통과한 유체가 합류되는 합류 채널 구간과, 상기 센싱 전극부에 의해 시료의 액적 길이를 측정하기 위한 측정 채널 구간을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 측정 채널 구간의 하부에 상기 센싱 전극부가 위치하도록 배치되어 상기 측정 채널 구간을 통과하는 시료의 액적 길이를 센싱 전극부가 측정할 수 있다.
또한, 상기 주입구는 유전율이 낮는 오일이 주입되는 오일주입구와, 상기 오일보다 유전율이 높은 시료가 주입되는 시료주입구로 이루어지며, 상기 합류 채널 구간에서는 상기 시료가 흐르는 채널에 상기 오일이 흐르는 채널이 서로 직교하는 방향으로 만나도록 이루어질 수 있다.
한편, 상기 센싱 전극부는 시료의 흐름 방향으로 측정 채널 구간에 위치하는 제1 전극과, 상기 제1 전극과 나란하게 대칭 설치되는 제2 전극과, 상기 측정 채널 구간에 유입된 액적의 위치에 따른 신호를 감지하기 위한 감지 전극으로 구성될 수 있다.
상기 센싱 전극부가 측정가능한 액적의 길이는 상기 채널의 폭 길이에서 제1 전극의 길이까지이며, 최소로 측정할 수 있는 액적의 길이는 채널 폭과 동일하고, 최대로 측정할 수 있는 액적의 길이는 상기 제1 전극의 길이까지인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 의하면, 미세유체 채널이 형성된 일회용 패널과, 전극이 형성된 기판을 분리하여 구성함으로써 유체와 전극이 바로 접촉하는 것을 방지하고, 진공으로 전극과 미세유체 채널이 형성된 일회용 패널이 탈부착이 가능하여 사용 후 측정용 전극은 재사용함으로써 비용을 크게 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 액적의 유전율만 같으면, 컨덕티비티가 다른 물질도 액적 길이의 측정 가능하므로, 보다 범용적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 정전용량형 전극을 이용하여 액적 속도와 관계없이 액적 길이를 측정 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 액적의 길이를 측정하는 장치가 매우 간단하여 저렴한 비용으로 제작이 가능하고 양산이 가능하므로 다양한 어플리케이션으로 여러 분야에 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 정전용량형 전극을 이용한 액적 길이 측정장치의 전체 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 액적 길이 측정장치의 결합 사시도이다.
도 3은 본 발명의 정전용량형 전극을 이용한 액적 길이 측정장치의 평면도이다.
도 4는 도 3에서의 센싱 전극부를 확대한 확대도이다.
도 5는 유전율 차이에 의한 전기장 밀도 변화를 보여주는 단면도이다.
도 6은 Droplet 위치에 따른 캐패시턴스 변화를 보여주는 도면이다.
도 7은 액적 길이 측정을 위한 전극구조를 상세하게 나타내는 확대도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에서, Droplet 위치에 따른 감지신호 출력모습을 나타내는 그래프이다.
도 9는 실제 전극의 감지신호를 나타내는 그래프이다.
도 10은 일회용 미세유체 채널 디바이스의 재현성 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11은 컨덕티비티에 따른 감지신호변화 테스트를 나타내는 그래프이다.
도 12는 Droplet velocity에 따른 감지신호 변화 테스트를 나타내는 그래프이다.
도 13은 종래의 임피던스 액적 측정 디바이스에서 Conductivity에 따라 sensing voltage값이 달라지는 것을 알 수 있는 그래프이다.
도 1은 본 발명의 정전용량형 전극을 이용한 액적 길이 측정장치의 전체 구성을 도시한 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 액적 길이 측정장치의 결합 사시도이고, 도 3은 본 발명의 정전용량형 전극을 이용한 액적 길이 측정장치의 평면도이고, 도 4는 도 3에서의 센싱 전극부를 확대한 확대도이다.
본 발명의 정전용량형 전극을 이용한 액적 길이 측정장치는 크게, 미세유체 채널(220)이 형성되는 일회용 패널(200)과, 상기 일회용 패널(200)과 별도로 분리되어 재사용이 가능한 기판(100)과, 상기 기판(100)의 상면에 패터닝되는 센싱 전극부(110)와, 상기 일회용 패널(200)과 기판(100)을 분리하는 박막(300)과, 상기 일회용 패널(200)과 기판(100)을 탈부착이 가능하도록 하는 음압형성수단을 포함한다.
이와 같이, 본 발명에서는 미세유체 채널(220)이 형성된 일회용 패널(200)과 전극이 형성된 기판(100)을 분리하여 구성함으로써, 유체와 전극이 바로 접촉하는 것을 방지하여 측정용 전극을 재사용 가능하게 하는데 큰 특징이 있다.
상기 일회용 패널(200)은 PDMS 재질로 이루어질 수 있으며, 유전율이 서로 다른 유체를 각각 유입시킬 수 있도록 복수의 주입구(210)와, 상기 주입구를 통해 주입된 유체가 통과하는 미세유체 채널(220)과, 상기 미세유체 채널을 통과한 유체가 배출되는 배출구(230)가 형성된다.
상기 미세유체 채널(220)은 일회용 패널(200)의 하면에 형성되며, 상기 미세유체 채널(220)을 통해 흐르는 시료가 상기 기판(100)의 전극에 직접 닿지 않으면서도 전극에서 전압 값을 측정할 수 있도록 상기 일회용 패널(200)의 하면에는 상기 박막(300)이 부착된다.
여기서, 상기 박막(300)은 상기 미세유체 채널(220)을 모두 포함하는 크기로 이루어져야 하며, 미세유체 채널(220)에 흐르는 시료에 전기장, 자기력 등이 잘 전달될 수 있도록 예컨대, 4㎛ 정도로 얇게 형성되는 것이 바람직하다. .
본 발명에 있어서, 상기 주입구(210)는 유전율이 서로 다른 유체를 각각 주입할 수 있도록 복수로 이루어지며, 본 발명의 실시예에서는 유전율이 낮는 오일이 주입되는 오일주입구(212)와, 상기 오일보다 유전율이 높은 시료가 주입되는 시료주입구(214)로 이루어진다.
또한, 상기 미세유체 채널(220)은, 도 3에서 보는 바와 같이, 상기 복수의 주입구(212)(214)를 통해 주입된 유체가 각각 흐르는 단일 채널 구간(222)과, 상기 단일 채널 구간(222)을 통과한 유체가 합류되는 합류 채널 구간(224)과, 상기 합류 채널 구간(224)에서 합류된 유체가 통과하면서 상기 센싱 전극부(110)에 의해 시료의 액적 길이를 측정하기 위한 측정 채널 구간(226)으로 이루어진다.
여기서, 상기 단일 채널 구간(222)은 오일 또는 시료가 각각 주입되는 주입구에 연통되어 오일과 시료가 만나는 지점인 합류 채널 구간(224)까지 연결되며, 상기 합류 채널 구간에서는 상기 시료와 오일이 직교하는 방향으로 만날 수 있도록 형성된다.
도 3의 확대도에서 보는 바와 같이, 시료(PBS)는 시료주입구(214)에서 배출구(230)까지 직선적으로 흐를 수 있도록 채널이 형성되며, 상기 합류 채널 구간(224)에서 오일이 흐르는 채널은 시료가 흐르는 채널에 수직으로 형성되는 것이다.
상기 합류 채널 구간(224)에서 합류된 유체는 측정 채널 구간(226)으로 흘러가고, 상기 측정 채널 구간(226)에서 센싱 전극부(110)에 의해 시료의 액적 길이를 측정하게 된다.
상기 센싱 전극부(110)는 상기 기판(100)의 상면에 패터닝되어 상기 미세유체 채널을 통과하는 유체의 캐패시턴스 값에 의해 측정된 전압 값으로 액적의 길이를 측정하며, 상기 측정 채널 구간(226)의 하부에 상기 센싱 전극부(110)가 위치하도록 배치되어 상기 측정 채널 구간을 통과하는 시료의 액적 길이를 센싱 전극부가 측정할 수 있다.
이 경우, 상기 박막에 의해 시료와 전극이 분리되므로, 액적이 센싱 전극부에 접촉하지 않고 액적의 길이를 측정할 수 있다.
본 발명에서는 상기 센싱 전극부(110)를 액적이 지나갈 때 액적의 길이가 길수록 전극에서 측정되는 전압 값이 높아지므로, 상기 센싱 전극부(110)에서 측정되는 전압 값을 통해 액적의 길이를 측정하는 원리로 액적의 길이를 측정하는 것을 특징으로 한다.
즉, 채널에 평소에는 전기장이 형성되고 있는데, 오일이 지나가면 유전율이 낮아서 전류 측정이 안되다가 시료가 흐르면 전류가 흐르게 되고 이를 센싱 전극부에서 감지하여 액적의 길이를 측정할 수 있는 것이다.
한편, 상기 센싱 전극부(110)는 시료의 흐름 방향으로 측정 채널 구간(226)에 위치하는 제1 전극(112)과, 상기 제1 전극(112)과 나란하게 대칭 설치되는 제2 전극(114)과, 상기 측정 채널 구간에 유입된 액적의 위치에 따른 신호를 감지하기 위한 감지 전극(116)으로 구성될 수 있다.
도 4에서 보는 바와 같이, 상기 제1 전극(112)과 제2 전극(114)이 나란하게 대칭 설치되며, 그 반대편에는 신호를 감지하기 위한 감지 전극(116)이 설치된다.
이때, 상기 센싱 전극부(110)가 측정가능한 액적의 길이는 상기 채널(226)의 폭 길이(a)에서 제1 전극(112)의 길이(b)까지이며, 최소로 측정할 수 있는 액적의 길이는 채널 폭(a)과 동일하고, 최대로 측정할 수 있는 액적의 길이는 상기 제1 전극의 길이(b)까지가 된다.
본 발명의 실시예에서는 제1 전극(C1)의 길이인 260㎛ 까지 측정할 수 있고, 최소로 측정할 수 있는 것은 채널 폭 100㎛이다.
그러나, 상기 채널(226)의 폭 길이(a)와 제1 전극(112)의 길이(b)는 실시예에 따라 다양하게 적용할 수 있으므로, 본 발명에서는 이를 한정하지 않는다.
한편, 본 발명에서는 상기 일회용 패널(100)과 기판(200)이 탈부착이 가능하도록 상기 일회용 패널과 기판 사이에 음압을 인가하기 위한 음압형성수단을 포함하며, 상기 음압형성수단은 상기 기판(100)과 일회용 패널(200)의 접하는 면에 연통되어 음압을 인가함으로써, 상기 기판과 일회용 패널을 흡착시키는 음압인가홀(240)을 포함한다.
상기 음압인가홀(240)은 외부의 기기에 연결되어 음압을 인가할 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
도 5는 유전율 차이에 의한 전기장 밀도 변화를 보여주는 단면도로서, 전극 위로 오일이 지나갈 때는 오일이 캐패시턴스 사이의 매질로 작용한다.
하지만, 오일의 유전율이 낮아 캐패시턴스가 작고 전압이 거의 측정되지 않는다.
하지만, 오른쪽 그림에서와 같이, 유전율이 높은 시료(PBS)가 전극 위로 지나갈 때는 시료(PBS)가 매질로 작용되면서, 캐패시턴스 값이 증가하여 전압이 측적되는 것이다.
이와 같이 구성되는 본 발명의 액적 길이 측정장치의 기능을 실험결과들을 참조하여 설명하면 다음고 같다.
도 6은 Droplet 위치에 따른 캐패시턴스 변화를 보여주는 도면이다.
상기 제1 전극, 감지 전극, 제2 전극이 나열되어 있는 상태에서, 전극 위로 액적(droplet)이 지나갈때, 액적의 길이가 길수록 전극에서 발생되는 전기장(electric fileld)는 커지게 되고, 이에 캐패시턴스가 커져 측정되는 전압(sensing voltage)값이 높아진다.
여기서, 제1 전극(C1)과 제2 전극(C2)의 길이가 길어질수록 측정할 수 있는액적의 길이가 길어진다.
도 7은 액적 길이 측정을 위한 전극구조를 상세하게 나타내는 확대도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에서, Droplet 위치에 따른 감지신호 출력모습을 나타내는 그래프이다.
도 8에서의 그림과 그래프는 전정용량형 전극(capacitive electrode)를 지나면서 변하는 감지신호 출력을 나타내며, Droplet이 C1영역에 돌입하는 순간(1), Droplet이 C1영역에 완전히 들어온 순간(2), Droplet이 C1영역에서 벗어나고 C2영역에 들어가는 순간(3), Droplet이 C2영역에 완전히 들어온 순간(4), Droplet이 C2영역에서 벗어나기 시작한 순간(5), Droplet이 C2영역에서 완전히 벗어난 순간(6)을 알 수 있다.
도 9는 실제 전극의 감지신호를 나타내는 그래프이다.
Droplet length별 측정되는 sensing graph는,
-100um : 0.25v
-130um : 0.37v
-160um : 0.49v
이때, Droplet length가 길수록 측정되는 시간이 길어지는 이유는 Droplet의 크기는 oil의 flow 속도를 바꾸면서 조절되고, Oil이 느릴수록 droplet length는 길어지며, 따라서 droplet length가 길수록 전극을 지나는 시간이 더 오래 걸리게 된다.
도 10은 일회용 미세유체 채널 디바이스의 재현성 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.
여기서, 보는 바와 같이, 일회용 미세유체 채널 디바이스(Disposable microchannel device)를 여러개 사용해도 Droplet length별 Sensing voltage 값이변하면 안되는데, 이를 테스트로 확인하였다.
테스트 결과, 5개의 device를 사용했음에도 값이 거의 변하지 않는 것을 확인할 수 있었다.
도 11은 컨덕티비티에 따른 감지신호변화 테스트를 나타내는 그래프이다.
캐패시턴스(Capacitance)값은 유전율과 전극의 거리, 전극과 전극의 간격에 따라 달라진다. 그래서 컨덕티비티(conductivity)를 바꿔도 sensing voltage는 변하지 않는다.
그래서 droplet의 conductivity를 바꿔서 test해본 결과 값이 바뀌지 않는 것을 확인할 수 있다.
결론적으로, 유전율만 같으면 conductivity가 다른 물질도 database를 쌓을 필요없이 droplet length 측정이 가능하다.
도 12는 Droplet velocity에 따른 감지신호 변화 테스트를 나타내는 그래프이다.
동일한 droplet length를 속도(velocity)만 다르게하여 sensing voltage를 측정한 결과, droplet의 velocity가 변해도 sensing voltage 값은 변하지 않는 것을 확인할 수 있었다.
즉, 액적의 Velocity에 상관없이 길이 측정이 가능하다.

Claims (6)

  1. 유전율이 서로 다른 복수의 유체가 각각 주입되는 주입구와, 상기 주입구를 통해 주입된 유체가 통과하는 미세유체 채널과, 상기 미세유체 채널을 통과한 유체가 배출되는 배출구가 형성되는 일회용 패널;
    상기 일회용 패널과 별도로 분리되어 재사용이 가능한 기판;
    상기 기판의 상면에 패터닝되어 상기 미세유체 채널을 통과하는 유체의 캐패시턴스 값에 의해 측정된 전압 값으로 액적의 길이를 측정하는 센싱 전극부;
    상기 미세유체 채널을 통과하는 시료가 상기 센싱 전극부에 직접 닿지 않도록 상기 일회용 패널의 하면에 구비되어 상기 일회용 패널과 기판을 분리하는 박막; 및
    상기 일회용 패널과 기판이 탈부착이 가능하도록 상기 일회용 패널과 기판 사이에 음압을 인가하기 위한 음압형성수단;
    을 포함하며,
    상기 센싱 전극부를 액적이 지나갈 때 액적의 길이가 길수록 전극에서 측정되는 전압 값이 높아지므로, 상기 센싱 전극부에서 측정되는 전압 값을 통해 액적의 길이를 측정하는 것을 특징으로 하는 정전용량형 전극을 이용한 액적 길이 측정장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 미세유체 채널은,
    상기 복수의 주입구를 통해 주입된 유체가 각각 흐르는 단일 채널 구간과,
    상기 단일 채널 구간을 통과한 유체가 합류되는 합류 채널 구간과,
    상기 센싱 전극부에 의해 시료의 액적 길이를 측정하기 위한 측정 채널 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량형 전극을 이용한 액적 길이 측정장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 측정 채널 구간의 하부에 상기 센싱 전극부가 위치하도록 배치되어 상기 측정 채널 구간을 통과하는 시료의 액적 길이를 센싱 전극부가 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 정전용량형 전극을 이용한 액적 길이 측정장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 주입구는 유전율이 낮는 오일이 주입되는 오일주입구와,
    상기 오일보다 유전율이 높은 시료가 주입되는 시료주입구로 이루어지며,
    상기 합류 채널 구간에서는 상기 시료가 흐르는 채널에 상기 오일이 흐르는 채널이 서로 직교하는 방향으로 만나도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전용량형 전극을 이용한 액적 길이 측정장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 센싱 전극부는 시료의 흐름 방향으로 측정 채널 구간에 위치하는 제1 전극과, 상기 제1 전극과 나란하게 대칭 설치되는 제2 전극과, 상기 측정 채널 구간에 유입된 액적의 위치에 따른 신호를 감지하기 위한 감지 전극으로 구성되는 것을 정전용량형 전극을 이용한 액적 길이 측정장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 센싱 전극부가 측정가능한 액적의 길이는 상기 채널의 폭 길이에서 제1 전극의 길이까지이며,
    최소로 측정할 수 있는 액적의 길이는 채널 폭과 동일하고, 최대로 측정할 수 있는 액적의 길이는 상기 제1 전극의 길이까지인 것을 특징으로 하는 정전용량형 전극을 이용한 액적 길이 측정장치.
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