KR101180277B1 - 미세 유체 제어 장치 및 그의 조립 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미세 유체 제어 칩과 제어 모체 사이의 미세 유체 제어 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 미세 유체 제어 칩을 제어 모체에 장착하는 과정에서 제어 모체에 장착된 니들(needle)이 기밀 테이프로 봉인된 미세 유체 제어 칩의 반응액 저장 챔버에 삽입되게 함으로써, 미세 유체 제어 칩과 제어 모체의 유체 연결이 누수가 없이 간단하게 형성할 수 있는 장치에 관한 것이다.
미세 유체 제어, 반응액 저장, 인터페이스

Description

미세 유체 제어 장치 및 그의 조립 방법{MICROFLUIDIC CONTROL APPARATUS AND ASSEMBLING METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 미세 유체 제어 장치와 그 조립 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반응액이 저장된 미세 유체 제어 칩과 제어 모체로 이루어진 미세 유체 제어 장치에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-007-03, 과제명: 유비쿼터스 건강관리용 모듈 시스템].
최근에 생물화학적 반응을 칩 상에 적용하는 도구로서 미세 유체 제어 칩이 많이 연구되고 있다. 생물화학적 반응기로서 미세 유체 제어 칩이 이용되기 위해서는 반응액, 샘플, 버퍼 등의 유체 성분을 칩 상으로 유도하여 칩 상에서 혼합, 이송, 분기, 분리, 세척 등과 같은 다양한 미세 유체 제어 동작이 이루어지도록 해야 한다. 여기서, 칩 상에서의 다양한 미세 유체 제어 동작은 작용하는 힘에 따라 예컨데, 기계력, 공압력, 수력학적 힘, 표면장력, 중력, 자기력, 전기력, 광학 변성력, 화학 반응력, 열적 변형력 등 다양한 제어방법 제어 방법이 제시되고 있으며 다양한 동작으로 구현되고 있다.
또한, 반응액, 샘플, 버퍼 등의 유체 성분의 외부로부터 미세 유체 제어 칩으로의 유도 및 공급을 위해서, 미세 유체 제어 칩과 외부 제어 모체 사이의 미세 유체 제어 장치가 연구되고 있다. 이러한, 미세 유체 제어 장치도 상기의 다양한 작용 원리로 구현될 수 있다.
미세 유체 제어 장치는 외부의 큰 체적의 유체 제어 모체로부터 미세 유체 제어 칩의 미세 체적의 유체에 대한 제어가 정확히 이루어질 수 있도록 해야 한다. 이를 위하여, 제어 모체와 미세 유체 제어 칩은 기밀이 유지되어야 하며, 체적의 손실이 없도록 연결되어야 한다. 또한, 미세 유체 제어 칩이 일회용으로 사용될 수 있도록, 미세 유체 제어 칩과 제어 모체 간의 탈부착이 용이하여야 한다.
본 발명은 반응액이 저장된 칩을 외부 제어 모체와 손쉽고 간편하게 기밀을 유지하면서 연결시킬 수 있는 미세 유체 제어 장치를 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 미세 유체 제어 장치에 대응하여 칩 상에 반응액을 증발 등의 문제 없이 기밀되어 보관되도록 하는 것이다.
또한, 필요에 따라 미세 유체 제어 칩이 일회용으로 사용될 수 있도록, 미세 유체 제어 칩과 제어 모체 간의 탈부착이 용이한 미세 유체 제어 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명에 따른 미세 유체 제어 장치는 미세 유체 제어 칩과 상기 미세 유체 제어 칩을 제어하는 제어 모체로 이루어진다.
상기 미세 유체 제어 칩은 기밀 테이프로 밀폐된 적어도 한 개의 반응액 저장 챔버와, 일단이 상기 반응액 저장 챔버 각각에 연결된 분기 마이크로 채널 및 상기 분기 마이크로 채널의 타단에 연결된 메인 마이크로 채널을 포함한다.
상기 제어 모체는 상기 기밀 테이프를 관통하는 적어도 한 개의 니들을 포함한다.
상기 미세 유체 제어 장치는 상기 니들을 통해 반응액 저장 챔버에 작동 유체를 인가하며, 상기 작동 유체는 상기 반응액 저장 챔버에 인가되어 상기 반응액 저장 챔버 내의 반응액이 상기 분기 마이크로 채널로 이동하게 함으로써 상기 미세 유체의 동작을 제어한다.
상기 반응액 저장 챔버에는 개구부가 일측에 형성되어 있으며, 기밀 테이프로 밀폐되어 있다. 상기 챔버의 타측에는 상기 분기 마이크로 채널의 일단과 연통되어 연결된다. 여기서, 상기 개구부는 원형으로 형성되며 지름이 상기 니들의 외경보다 크다.
기밀 테이프는 일면이 접착제로 도포된 테이프 및 양면이 접착제 도포된 테이프 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
상기 제어 모체에는 상기 기밀 테이프와 접촉하여 구비되며 상기 니들이 타이트하게 관통되어 고정되는 기밀 탄성판을 구비된다.
상기 니들은 상기 기밀 탄성판을 관통하여 돌출되게 형성되며, 상기 니들의 기밀 탄성판으로부터 돌출된 길이가 상기 기밀 테이프의 두께보다 길다. 이에 따라, 상기 니들의 선단(先端)이 상기 반응액 저장 챔버 내에 위치한다.
상기 기밀 탄성판은 실리콘 고무, 아크릴 고무, 플루오르 고무, 하이파론 고무, 부틸 고무, 니트릴 고무, 부타디엔 고무, 클로로프렌 고무, 폴리디메틸실록세인(poly-dimethyl siloxane) 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 메인 마이크로 채널은 상기 복수 개의 분기 마이크로 채널의 타단에 연결될 수 있다.
상기 미세 유체 제어 칩은 상기 분기 마이크로 채널들의 타단과 상기 메인 마이크로 채널의 사이에는 정지 밸브가 제공된다. 상기 정지 밸브는 상기 반응액이 상기 메인 마이크로 채널로 흐르는 것을 방지하는 마이크로 밸브에 해당한다.
상기 니들에는 내부에 작동 유체를 흘릴 수 있는 튜브와, 상기 튜브에 연결되어 상기 작동 유체를 펌핑하는 펌프가 연결된다.
상기 튜브는 단일 메인 튜브에서 복수 개의 서브 튜브로 분지되어 복수 개의 니들에 연결된다. 상기 분지된 튜브는 서로 다른 유량이 흐르도록 서로 다른 내경을 갖도록 구비될 수 있다.
상기 작동 유체로 사용될 수 있는 유체는 공기, 물, 오일이나 그 혼합물이다. 상기 반응액 저장 챔버는 그 내부의 일부가 상기 반응액으로 채워지고 나머지는 공기로 충진된다.
상기 제어 모체는 복수 개의 반응액 저장 챔버들의 반응액들을 독립적으로 조절하고, 각각의 상기 반응액 저장 챔버들에 채워지는 반응액들은 적어도 2종 이 상일 수 있다. 이때, 상기 미세 유체 제어 칩은 상기 반응액 저장 챔버들 각각에 저장된 반응액들이 혼합될 수 있도록 상기 반응액 저장 챔버와 반응액 저장 챔버 사이에는 챔버 간 연결 마이크로 채널이 구비된다.
상기 복수 개의 반응액 저장 챔버들에 연결된 분기 마이크로 채널들은 각기 다른 유동저항을 가지도록 서로 다른 모양이나 크기를 가질 수 있다.
상기한 구조를 갖는 미세 유체 제어 장치를 조립하는 방법은, 먼저 기밀 테이프로 밀폐된 적어도 한 개의 반응액 저장 챔버를 포함하는 미세 유체 제어 칩을 준비하고, 적어도 한 개의 니들과, 상기 니들과 연결되어 상기 니들 내부로 작동 유체를 펌핑하는 펌프를 포함하는 제어 모체를 준비한다.
그 다음, 상기 니들을 상기 기밀 테이프를 관통하여 상기 반응액 저장 챔버 내에 말단이 위치하도록 삽입하여 상기 미세 유체 제어 칩과 상기 제어 모체를 연결한다.
상기 미세 유체 제어 칩은 복수 개 준비되어 교체될 수 있으며, 이 경우에는 상기 니들을 상기 반응액 저장 챔버 내로부터 외부로 제거하여 상기 제어 모체를 상기 미세 유체 제어 칩으로부터 분리한 후, 상기 니들을 준비된 교체 미세 유체 제어 칩의 기밀 테이프를 관통하여 상기 반응액 저장 챔버 내에 말단이 위치하도록 삽입함으로써 연결한다.
본 발명에서 제공하는 미세 유체 제어 칩과 제어 모체 사이의 미세 유체 제어 장치는 각 종 반응액이 저장된 칩을 외부 제어 모체와 손쉽고 간편하게 기밀을 유지하면서 연결시킬 수 있는 미세 유체 제어 장치를 제공할 수 있다.
그리고, 본 발명은 미세 유체 제어 칩 상에 반응액을 증발 등의 문제 없이 기밀시켜 보관할 수 있으며, 본 발명은 제어 모체에서 형성된 작동 유체의 움직임을 칩 상의 반응액의 움직임으로 정확히 전달되도록 하는 미세 유체 제어 장치를 제공할 수 있다.
또한, 미세 유체 제어 칩과 제어 모체 간의 탈부착이 용이한 미세 유체 제어 장치를 제공함으로써, 필요에 따라 미세 유체 제어 칩이 일회용으로 용이하게 사용될 수 있도록 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 미세 유체 제어 장치는 미세 유체 제어 칩 상의 다종의 반응액을 동시 혹은 순차적으로 제어하여 칩 상에서 유량 조절 및 혼합 등의 동작을 구현할 수 있다.
이하 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 유체 제어 장치를 나타낸 사시도이며, 도 2는 도 1의 일부분을 나타낸 단면도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 유체 제어 장치(10)는 미세 유체 제어 칩(200)과 상기 미세 유체 제어 칩(200)을 제어하는 제어 모체(100)를 포함한다.
상기 미세 유체 제어 칩(200)은 그 내부에 구비된 적어도 한 개의 반응액 저장 챔버(210)와, 상기 반응액 저장 챔버(210)를 밀폐하는 기밀 테이프(230)와, 일단이 반응액 저장 챔버(210) 각각에 연결된 분기 마이크로 채널(260)과, 상기 분기 마이크로 채널(260)의 타단에 연결된 메인 마이크로 채널(270) 및 상기 분기 마이크로 채널(260)의 타단과 상기 메인 마이크로 채널(270) 사이에 형성된 정지 밸브(250)를 포함한다.
상기 제어 모체(100)는 작동 유체(120)를 흘릴 수 있는 튜브(130)와, 상기 튜브(130)의 일단에 연결되며, 상기 기밀 테이프(230)를 관통하는 니들(160)과, 상기 튜브(130)의 타단에 연결되어 상기 작동 유체(120)를 펌핑하는 펌프(110)와 상기 기밀 테이프(230)와 접촉되어 상기 니들(160)을 타이트하게 고정시키는 기밀 탄성판(150) 및 상기 기밀 탄성판(150)과 접촉하여 상기 기밀 탄성판(150)을 고정하는 고정 기구물(140)을 포함한다.
상기 미세 유체 제어 칩(200) 내부의 반응액 저장 챔버(210)는 미세 유체로 사용되는 반응액(220)을 저장하기 위한 장치이다. 반응액 저장 챔버(210)는 반응액(220)을 저장할 수 있는 형태라면 그 모양에 특별히 한정되는 것은 아니며, 다양한 형태로 구비될 수 있다. 예를 들어 반응액(220)을 저장할 수 있도록 3차원 형태로 구비된다. 도 3a 내지 도 3c는 반응액 저장 챔버(210)의 다양한 형태를 도시한 것이다. 도시한 바와 같이, 원뿔 형태(도 3a)나 사각 탱크 형태(도 3b)나 삼각뿔 형태(도 3c) 등 다양한 형태로 구비될 수 있다.
상기 미세 유체 제어 칩(200)은 다양한 형태로 구비될 수 있으나, 바람직하 게는 상면과 하면을 가지는 소정 두께의 판상으로 구비되며, 그 내부에 반응액 저장 챔버(210), 분기 마이크로 채널(260) 등이 형성되어 있다.
반응액 저장 챔버(210)는 상기 상면과 하면 사이의 내부 공간에 형성된다.
상기 반응액 저장 챔버(210)에는 일측에 니들(160)이 삽입되도록 개구부(240)가 형성되어 있다. 상기 개구부(240)는 필요에 따라 다양한 방향으로 형성될 수 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 상면 방향으로 개구되어 있다. 니들(160)에 대해서는 후술한다.
상기 반응액 저장 챔버(210) 내에는 반응액(220)이 저장된다. 상기 반응액(220)은 상기 반응액 저장 챔버(210)의 일부를 채울 수 있으며, 이 경우 반응액 저장 챔버(210)의 남은 부분은 공기 또는 필요한 종류의 기체, 예를 들어 반응성이 낮은 비활성 기체 등이 채워질 수 있다.
상기 반응액(220)은 상기 분기 마이크로 채널(260) 및 메인 마이크로 채널(270)을 통해 제공되는 반응액(220)에 해당된다. 상기 반응액(220)은 메인 마이크로 채널(270)의 용도에 따라 다양한 물질에 해당될 수 있으며, 종류가 특별히 한정되는 것은 아니다.
상기 반응액 저장 챔버(210)의 개구부(240)에는 기밀 테이프(230)가 구비되어 상기 개구부(240)를 밀폐한다. 반응액 저장 챔버(210) 내를 채우는 반응액(220)이나 공기는 유체이기 때문에 반응액 저장 챔버(210)가 밀폐되지 않을 경우에는 유출의 위험이 있다. 따라서, 상기 개구부(240)를 누수없이 단단하게 밀폐할 수 있도록 기밀 테이프(230)를 이용한다.
상기 기밀 테이프(230)는 접착성이 있는 물질을 포함하고 있도록 구비되며, 상기 접착성이 있는 물질을 이용하여 상기 개구부(240)를 밀폐한다. 상기 기밀 테이프(230)는 양면 접착 테이프일 수 있으며, 적어도 상기 반응액 저장 챔버(210)에 면하는 면에는 접착제가 도포된다. 이때, 필요에 따라 반응액 저장 챔버(210)에 면하는 면과 반대면에도 접착제가 도포될 수 있다.
상기 반응액 저장 챔버(210)의 타측에는 분기 마이크로 채널(260)이 구비되어 연통되어 연결된다. 상기 저장 챔버(210)의 타측이라 함은 상기 개구부(240)와 다른 측이라는 의미이며 반대측만을 한정하는 것은 아니다. 상기 개구부(240)가 위치하는 곳과 다른 곳에 메인 마이크로 채널(270)이 연결되며, 바람직하게는 상기 반응액 저장 챔버(210)의 하부 측면에 연결될 수 있다.
상기 분기 마이크로 채널(260)은 반응액(220)이 메인 마이크로 채널(270)로 이동하는 경로에 해당된다. 상기 반응액 저장 챔버(210)의 반응액(220)은 분기 마이크로 채널(260)을 통해 메인 마이크로 채널(270)에 도달하게 되도록 상기 구조물은 서로 연통되어 있다.
분기 마이크로 채널(260)은 단면이 원이나 다각형인 관의 형태로 구비되며, 일단은 상기 반응액 저장 챔버(210)와 연결되고, 타단은 상기 메인 마이크로 채널(270)의 측부에 연결된다.
분기 마이크로 채널(260)은 반응액(220)이 이동할 수 있도록 단면이 원이나 다각형인 관의 형태로 구비된다. 상기 분기 마이크로 채널(260)의 타단은 상기 메인 마이크로 채널(270)의 측면에 연결된다.
상기 분기 마이크로 채널(260)의 타단, 즉 메인 마이크로 채널(270)과 만나는 지점에는 정지 밸브(250)가 구비된다. 상기 정지 밸브(250)는 분기 마이크로 채널(260)과 메인 마이크로 채널(270)이 연통된 부분에 상기 반응액(220)이 유동되는 것을 막기 위해 구비된다. 즉, 정지 밸브(250)의 작동 여부에 따라 상기 연통된 두 채널 사이가 막히게 되며 이에 따라 상기 반응액(220)의 이동여부를 조절할 수 있다.
상기 정지 밸브(250)는 마이크로 밸브가 사용될 수 있으며, 상기 마이크로 밸브에 따라 반응액(220) 이 메인 마이크로 채널(270)로 흐르는 것을 방지한다.
상기 저장액의 이동여부는 제어 모체(100)에 의해 제어된다. 상기 제어 모체(100)는 상기 미세 유체 제어 칩(200)을 제어하는 구성 요소로서, 상기 미세 유체 제어 칩(200)에 연결된다.
상기 제어 모체(100)는 상기 반응액 저장 챔버(210)의 개구부(240)로 연결되는 니들(160)을 이용하여 작동 유체(120)를 공급함으로써 미세 유체 제어 칩(200)을 제어한다. 상기 니들(160)이 반응액 저장 챔버(210)의 개구부(240)에 장착되도록 상기 제어 모체(100)가 구비된다. 상기 제어 모체(100)는 바람직하게는 상기 미세 유체 제어 칩(200)의 상부에 구비되나 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 다른 위치에 구비되어 튜브(130)로 연결될 수 있다.
상기 제어 모체(100)는 작동 유체(120)를 흘릴 수 있는 튜브(130) 및 상기 튜브(130)의 일단에 연결된 니들(160)을 포함하고 있다.
상기 튜브(130) 내부는 작동 유체(120)가 이동할 수 있도록 비어 있다. 상기 튜브(130)는 단단한 재질로도 형성할 수 있으나, 바람직하게는 연성 물질로 형성할 수 있으며, 이에 따라 적절한 정도로 구부리거나 위치를 조절할 수 있다.
상기 튜브(130)의 일단에는 상기 튜브(130)와 연통되는 니들(160)이 연결된다. 상기 니들(160)은 속이 비어 있는 관의 형태를 가지며, 상기 내부의 통로를 따라 상기 작동 유체(120)가 이동할 수 있다.
작동 유체(120)로는 액체나 기체 등의 유체가 사용될 수 있다. 예를 들어 공기 또는 비활성 기체, 물, 오일 등이 사용될 수 있다. 또한 상기 공기 또는 비활성 기체, 물, 오일 등이 2가지 이상 조합하여 혼합되어 사용될 수 있다. 이때, 상기 작동 유체(120)는 반응액(220)과 섞이지 않는 유체를 사용한다.
상기 단일 유체 또는 혼합된 유체의 종류에 따라 유동 속도가 달라질 수 있으므로, 필요에 따라 선택하여 각 미세 유체 조절 장치에 적용할 수 있다.
상기 니들(160)은 일 방향으로 힘을 가할 때 상기 기밀 테이프(230)를 관통할 수 있도록 선단이 날카롭게 형성된다. 상기 니들(160)은 금속으로 제작될 수 있다.
상기 기밀 테이프(230)의 제어 모체(100) 방향에는 상기 니들(160)을 타이트하게 고정함과 동시에 상기 기밀 테이프(230)와 함께 반응액(220)을 누수없이 밀폐시키기 위한 기밀 탄성판(150)이 구비된다. 상기 기밀 탄성판(150)의 일면은 도시한 바와 같이 기밀 테이프(230)에 일면이 접촉하도록 구비되어 기밀 테이프(230)와 기밀 탄성판(150) 사이에 공간이 생기지 않도록 배치된다. 이때, 상기 기밀 테이프(230)의 기밀 탄성판(150) 측 면에는 접착제가 형성될 수 있으며, 이 경우에는 기밀 테이프(230)와 기밀 탄성판(150)을 단단하게 고정시킨다.
상기 기밀 탄성판(150)의 다른 면에는 고정 기구물(140)이 구비된다. 상기 고정 기구물(140)은 상기 기밀 탄성판(150)을 고정하기 위한 것으로 상기 기밀 탄성판(150)의 다른 면에 부착되어 있다.
상기 고정 기구물(140)은 홀(141)이 형성되어 있어 상기 니들(160)이 관통하게 되어 있다. 이에 따라, 상기 니들(160)의 선단은 순서대로 고정 기구물(140), 기밀 탄성판(150), 기밀 테이프(230)의 순서로 관통하게 된다.
상기 고정 기구물(140)은 일측이 연장되어 절곡됨으로써 상기 미세 유체 제어 칩(200)이 안착되도록 하는 로딩부(미도시)가 구비될 수 있다. 도 2를 참고하면, 고정 기구물(140)은 일측으로 연장되어 하방 절곡된 후 다시 미세 유체 제어 칩(200)의 하면과 평행하게 절곡되어 연장됨으로써 로딩부를 형성하며, 상기 로딩부 상에 상기 미세 유체 제어 칩(200)이 안착된다.
여기서, 상기 기밀 탄성판(150)은 미세 유체 제어 칩(200)과 제어 모체(100)를 고정 기구물(140)에 의해 밀착하여 결합하였을 때, 튜브(130) 내의 작동 유체(120)의 흐름이 외부로 토출되지 않고 기밀되도록 한다.
상기 기밀 탄성판(150)은 탄성이 있는 재질로 제조된다. 기밀 탄성판(150)을 이루는 탄성이 있는 재질로는 실리콘 고무, 아크릴 고무, 플루오르 고무, 하이파론 고무, 부틸 고무, 니트릴 고무, 부타디엔 고무, 클로로프렌 고무, 폴리디메틸실록세인(poly-dimethyl siloxane) 등이 사용될 수 있다.
상기 기밀 탄성판(150)은 탄성을 가지고 있기 때문에 일정 방향으로 힘을 가 하면 니들(160)이 기밀 탄성판(150)을 통과할 수 있으며, 상기 니들(160)과 기밀 탄성판(150) 사이에는 탄성력에 의해 틈이 발생하지 않는다. 이에 따라 니들(160)이 타이트하게 고정되며 반응액(220)의 누수 또한 방지할 수 있다.
상기한 바와 같이, 니들(160)은 상기 기밀 테이프(230)를 관통한다. 이때, 상기 니들(160)의 선단이 반응액(220) 저장 장치 내부에 선단이 위치하도록 구비된다. 즉, 니들(160)은 기밀 탄성판(150)으로부터 돌출되어 형성되며, 돌출 길이가 기밀 테이프(230)의 두께 보다 길고 반응액 저장 챔버(210)의 높이 보다 짧은 것이 바람직하다.
이때, 상기 반응액 저장 챔버(210)의 개구부(240)는 지름이 니들(160)의 외경보다 큰 것이 바람직하다. 만약 상기 니들(160)이 관통할 수 있을 정도로 개구되어야 있어야 하므로 상기 반응액 저장 챔버(210)의 개구부(240)가 원형이 아닌 경우에는 개구부(240)의 최소 직경이 상기 니들(160)의 외경보다 커야 한다. 그러나, 상기 니들(160)이 관통할 수 있을 정도로만 개구되도록 상기 개구부(240)는 최소화하여 형성된다. 이는 반응액(220)의 누수를 최소화하기 위한 것으로 니들(160) 삽입부의 면적을 최소화하는 것이 바람직하다.
상기 튜브(130)의 타단에는 작동 유체(120)를 이동시킬 수 있도록 작동 유체(120)를 펌핑하는 펌프(110)가 구비된다.
상기 펌프(110)는 도면에 도시한 바와 같이 실린더 형태로 구비될 수 있다. 또한 상기 실린더에 모터가 부착된 형태일 수 있으며, 작동 유체(120)를 미세하게 가할 수 있는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니다.
상기 펌프(110)에서 작동 유체(120)를 펌핑하면 상기 작동 유체(120)는 튜브(130) 및 니들(160)로 이동한다. 상기 작동 유체(120)의 움직임은 니들(160)을 통해 반응액 저장 챔버(210)의 반응액(220)의 움직임으로 전달되어 미세 유체가 상기 분기 마이크로 채널(260)로 이동하게 된다.
이때, 분기 마이크로 채널(260)의 타단에 구비되어 있는 정지 밸브(250)가 열려 있는 경우에는 상기 분기 마이크로 채널(260)과 메인 마이크로 채널(270)이 연통되어 있으므로 반응액(220), 즉 반응액(220)이 상기 메인 마이크로 채널(270)을 통해 이동하게 된다.
이와 반대로, 상기 정지 밸브(250)가 열려있지 않은 경우에는 상기 펌프(110)가 작동 유체(120)를 펌핑하더라도 상기 분기 마이크로 채널(260)과 메인 마이크로 채널(270)이 연통되어 있지 않기 때문에 반응액(220)이 메인 마이크로 채널(270)로 이동되지 않는다.
상기 메인 마이크로 채널(270)은 매우 좁게 형성된 관이므로 이를 통과하는 반응액(220)의 양 또한 매우 소량인 미세 유체에 해당한다.
결국, 제어 모체(100)의 펌프(110)에 의해 형성된 작동 유체(120)의 움직임은 니들(160)을 통해 반응액 저장 챔버(210)의 반응액(220)의 움직임으로 전달되어, 반응액(220)이 누수없이 메인 마이크로 채널(270)을 통하여 움직이도록 한다. 본 발명의 장치를 통하여 간단하면서 누수없이 미세 유체 제어 칩(200)과 제어 모체(100) 사이의 유체 연결을 형성할 수 있으며, 이를 통하여 미세 유체 제어 칩(200) 상에 반응액(220)을 저장시키고 구동시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 유체 제어 장치의 일부를 나타낸 사시도이다. 이하의 실시예에서는 제1 실시예와 다른 부분을 중심으로 설명하며, 제2 실시예에서의 내용 중 설명되지 않은 부분은 제1 실시예에 따른다. 또한, 이하 실시예에서는 미세 유체 제어 장치의 일부만을 나타내었으며, 도면에서 생략된 부분은 제1 실시예에 따른다.
도시한 바와 같이 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 유체 제어 장치는 복수의 반응액 저장 챔버(210)를 갖는다. 도면에서는 일 실시예로서 4개의 반응액 저장 챔버(210)를 도시하였다.
상기 복수의 반응액 저장 챔버(210)는 다종의 반응액(220)을 동시 혹은 순차적으로 제어하기 위한 것으로 필요에 따라 개수를 조절할 수 있다.
이때, 상기 반응액 저장 챔버(210) 개구부(240)에는 기밀 테이프(230)가 각각 부착되어 상기 반응액 저장 챔버(210)를 누수없이 밀폐시킨다. 상기 각각의 기밀 테이프(230)에는 이를 관통하는 니들(160)이 제공되며 상기 니들(160)마다 별개로 연결된 펌프(110)로부터 작동 유체(120)가 제공되도록 튜브(130)가 연결된다.
상기 복수의 반응액 저장 챔버(210) 각각에는 같거나 서로 다른 반응액(220)이 구비될 수 있다. 즉, 반응액 저장 챔버(210) 각각에는 2종 이상의 반응액(220)이 구비될 수 있다.
상기 반응액 저장 챔버(210)에는 각각 분기 마이크로 채널(260)이 연결되며 각각의 상기 분기 마이크로 채널(260)은 정지 밸브(250)를 사이에 두고 메인 마이크로 채널(270)에 연결된다. 이에 따라, 상기 메인 마이크로 채널(270)에는 반응액 저장 챔버(210)로부터 미세 유체가 제공되며 2종 이상의 미세 유체가 제공되는 경우에는 메인 마이크로 채널(270)에서 혼합될 수 있다.
상기 정지 밸브(250)는 반응액(220)이 각각의 분기 마이크로 채널(260)로부터 메인 마이크로 채널(270)로 이동하는 것을 막거나 허용한다.
상기 각각의 튜브(130)에 연결된 펌프(110)는 각 반응액(220)이 상기 메인 마이크로 채널(270)로 이동할 수 있도록 작동한다. 이때, 각각의 펌프(110)는 별개로 작동하거나, 순차적으로 작동하거나 동시에 작동할 수 있다. 이러한 작동 순서나 작동 시간 등은 메인 마이크로 채널(270)로 이동시킬 반응액(220)에 따라 적절하게 변경할 수 있다.
이때, 상기 반응액 저장 챔버(210)나 니들(160) 및 펌프(110)는 각각 제공되나, 상기 테이프, 기밀 탄성판(150) 및 고정 기구물(140)은 복수의 저장 챔버(210) 및 니들(160)에 대해 공유될 수 있다. 예를 들어 상기 기밀 테이프(230)는 복수의 반응액 저장 챔버(210)의 개구부(240)를 동시에 밀폐할 수 있도록 반응액 저장 챔버(210)의 개구부(240)가 배열된 방향으로 연장되며 각 개구부(240)를 커버할 수 있는 넓이로 넓게 일체로 형성된다. 상기 기밀 테이프(230)가 상기 반응액 저장 챔버(210)의 개구부(240)를 전부 덮음으로써 반응액 저장 챔버(210)가 밀폐된다. 이와 유사한 방법으로 고정 기구물(140) 또는 기밀 탄성판(150)은 복수의 반응액 저장 챔버(210)의 개구부(240)가 배열된 방향으로 연장되며 상기 기밀 테이프(230)에 대응하는 위치에 구비된다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 미세 유체 제어 장치의 일부를 나타낸 사시도이다. 이하 실시예에서는 미세 유체 제어 장치의 일부만을 나타내었으며, 도면에서 생략된 부분은 제1 실시예에 따른다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 미세 유체 제어 장치는 동일 펌프에 연결되며 분지되어 별개의 니들(160)에 연결된 튜브(130)를 갖는다.
제2 실시예를 참고하면, 복수 개의 반응액 저장 챔버(210)를 포함하는 경우 각각의 저장 챔버(210)에 제공되는 작동 유체(120)를 제어하기 위해 별도의 펌프(110)가 구비되었다. 이와 달리 본 발명의 제3 실시예에서는 작동 유체(120)를 제어하기 위한 펌프를 각각의 반응액 저장 챔버(210)마다 구비하는 것이 아니라 단일 펌프를 이용하되 튜브(130)를 분지시켜 각각의 니들(160)에 연결함으로써 복수의 작동 유체(120)를 제어한다. 도면에서는 일 실시예로서 두 개의 반응액 저장 챔버(210)를 도시하였으나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 하나의 펌프만이 아니라 복수의 펌프를 사용할 수 있으며, 각각의 펌프(110)에 복수의 반응액 저장 챔버(210)가 연결될 수 있음은 물론이다.
도시한 바에 따르면, 니들(160)에 연결된 튜브(130)의 일단은 복수 개이나, 펌프에 연결된 튜브(130)의 타단은 단수 개이다. 즉, 펌프에 붙은 단부는 하나의 튜브(130)이나, 튜브(130)의 소정 지점에서 복수 개로 분지되어 복수 개의 튜브(130)가 니들(160)에 연결되는 것이다.
도면을 참조하면, 하나의 펌프에 연결된 튜브(130)를 복수 개로 형성시킨 것으로, 단일 메인 튜브(130a)에서 분기된 후 각기 다른 내경을 가진 서브 튜브(130b, 130c)로 분기되도록 하였다. 분기된 서브 튜브(130b, 130c)는 서로 다른 내경을 가지도록 할 수 있으며, 이를 통해 서로 다른 유동 저항을 발생시킴으로써, 각기 서로 다른 유량의 작동 유체(120)가 흐르도록 할 수 있다.
즉, 메인 튜브(130a)의 유량 Qa는 각기 다른 내경을 가진 서브 튜브들(130b, 130c)에서 유량이 Qb 및 Qc가 된다. Qb / Qc 비는 각 서브 튜브(130b, 130c)의 내경의 비로 조절이 가능하다. 도 5에서 Qa = Qb + Qc 이며, 미세 유체 제어 칩(200) 상의 유량 Q1 및 Q2는 각각 Q1=Qb, Q2=Qc이다.
이에 따라, 메인 마이크로 채널(270)은 1개의 펌프(110)와 정지 밸브(250)를 이용하여 복수의 분지 메인 마이크로 채널(270)로부터 동시에 또는 순차적으로 또는 어느 하나만 공급받을 수 있으며, 다양한 변경이 가능하다.
도 6는 본 발명의 제4 실시예에 따른 미세 유체 제어 장치의 일부를 나타낸 사시도이다. 이하 실시예에서는 미세 유체 제어 장치의 일부만을 나타내었으며, 도면에서 생략된 부분은 제1 실시예에 따른다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 미세 유체 제어 장치는 서로 다른 모양이나 크기를 가지는 분기 마이크로 채널들(260a, 260b)을 가질 수 있다.
도시한 바와 같이 복수의 반응액 저장 챔버(210)가 구비된 미세 유체 제어 장치에 있어서, 각 반응액 저장 챔버(210)에 연결된 분기 마이크로 채널들(260a, 260b)은 채널의 단면의 모양이나 직경 등의 기하학적인 크기가 서로 같거나 다르게 형성될 수 있다.
상기 기하학적인 크기가 서로 다르게 형성되는 이유는 각 분기 마이크로 채 널들(260a, 260b)을 흐르는 미세 유체의 유동 저항의 차이를 만들기 위함이다. 예를 들어 두 분기 마이크로 채널(260) 모두가 원형으로 만들어지며 어느 하나의 직경이 다른 하나보다 큰 경우에는 더 큰 직경을 갖는 분기 마이크로 채널들(260a, 260b)의 유동 저항이 작기 때문에 더욱 많은 양의 미세 유체가 이동하게 된다.
이를 통하여 동일한 펌프(110)를 통해 동일한 압력으로 작동 유체(120)를 제공한다 할지라도 미세 유체의 이동을 별개로 제어할 수 있다. 이는 같은 입구 압력(P)에 대하여 서로 다른 유량(Q1, Q2)의 반응액(220)이 흐르도록 할 수 있다는 것을 의미한다.
도 7은 본 발명의 제5 실시예에 따른 미세 유체 제어 장치의 일부를 나타낸 사시도이다. 이하 실시예에서는 미세 유체 제어 장치의 일부만을 나타내었으며, 도면에서 생략된 부분은 제1 실시예에 따른다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 제5 실시예에 따른 미세 유체 제어 장치는 반응액(220)을 혼합시키기 위해 반응액 저장 챔버(210) 사이를 연결하는 연결 마이크로 채널(280)을 구비할 수 있다.
본 실시예에서는 복수로 형성된 형성된 반응액 저장 챔버(210)을 서로 챔버 간 연결 마이크로 채널(280)로 연결시켜서, 하나의 반응액 저장 챔버(210) 속의 반응액(A)을 다른 반응액 저장 챔버(210)로 이동시켜 반응액(B)와 혼합시킬 수 있다.
본 발명은 상기한 구조를 갖는 미세 유체 제어 장치를 조립하는 방법을 도 1을 참조하여 설명한다.
미세 유체 제어 장치를 조립하기 위해서는, 먼저 기밀 테이프(230)로 밀폐된 적어도 한 개의 반응액 저장 챔버(210)를 포함하는 미세 유체 제어 칩(200)을 준비한다.
상기 미세 유체 제어 칩(200)은 상기 저장 챔버(210) 이외에도 일단이 상기 저장 챔버(210) 각각에 연결된 분기 마이크로 채널(260) 및 상기 분기 마이크로 채널(260)의 타단에 연결된 메인 마이크로 채널(270)을 포함한다.
다음으로, 적어도 한 개의 니들(160)과, 상기 니들(160)과 연결되어 상기 니들(160) 내부로 작동 유체(120)를 펌핑하는 펌프(110)를 포함하는 제어 모체(100)를 준비한다. 상기 제어 모체(100)는 상기 니들(160)과 연결되고 내부에 작동 유체(120)를 흘릴 수 있는 튜브(130)와, 상기 튜브(130)에 연결되어 상기 작동 유체(120)를 펌핑하는 펌프(110)가 구비된다.
그 다음, 상기 니들(160)을 상기 기밀 테이프(230)를 관통하여 상기 반응액 저장 챔버(210)) 내에 말단이 위치하도록 삽입하여 상기 미세 유체 제어 칩(200)과 상기 제어 모체(100)를 연결한다.
이때, 상기 니들(160)을 상기 기밀 테이프(230)에 관통시켜 반응액 저장 챔버(210) 내로 위치시키기 이전에 기밀 탄성판(140)을 준비하고 상기 준비한 기밀 탄성판(140)에 먼저 관통시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 니들(160)은 먼저 기밀 탄성판(140)을 관통하고 그 다음 기밀 테이프(230)를 관통하게 되며, 최종적으로 상기 기밀 탄성판(140)과 기밀 테이프(230)는 접촉하게 된다.
상기 미세 유체 제어 칩(200)은 복수 개 준비되어 교체될 수 있으며, 이 경우에는 상기 니들(160)을 상기 반응액 저장 챔버(210) 내로부터 외부로 제거하여 상기 제어 모체(100)를 상기 미세 유체 제어 칩으로부터 분리한 후, 상기 니들을 준비된 교체 미세 유체 제어 칩의 기밀 테이프를 관통하여 상기 반응액 저장 챔버 내에 말단이 위치하도록 삽입함으로써 연결한다. 이에 따라 미세 유체 제어 칩의 교체가 매우 단순하고 용이하게 수행될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서 제공하는 미세 유체 제어 칩과 제어 모체 사이의 미세 유체 제어 장치는 각 종 반응액이 저장된 칩을 외부 제어 모체와 손쉽고 간편하게 기밀을 유지하면서 연결시킬 수 있다. 그 뿐만 아니라, 본 발명은 미세 유체 제어 칩 상에 반응액을 증발 등의 문제 없이 기밀시켜 보관할 수 있다.
또한, 본 발명은 제어 모체에서 형성된 작동 유체의 움직임을 칩 상의 반응액의 움직임으로 정확히 전달되도록 하며, 미세 유체 제어 칩 상의 다종의 반응액을 동시 혹은 순차적으로 제어하여 칩 상에서 유량 조절 및 혼합 등의 동작을 구현할 수 있다.
그뿐만 아니라 미세 유체 제어 칩을 일회용으로 사용할 경우 교체가 용이하다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위내의 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 유체 제어 장치를 나타낸 사시도이며, 도 2는 도 1의 일부분을 나타낸 단면도이다.
도 3a 내지 도 3b는 반응액 저장 챔버의 다양한 형태를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 유체 제어 장치를 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 미세 유체 제어 장치를 나타낸 사시도이다.
도 6는 본 발명의 제4 실시예에 따른 미세 유체 제어 장치를 나타낸 사시도이다.
도 7는 본 발명의 제5 실시예에 따른 미세 유체 제어 장치를 나타낸 사시도이다.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 ***
100 : 제어 모체 110 : 펌프
120 : 작동 유체 130 : 튜브
140 : 고정 기구물 150 : 기밀 탄성판
160 : 니들 200 : 미세 유체 제어 칩
210 : 반응액 저장 챔버 220 : 반응액
230 : 기밀 테이프 240 : 개구부
250 : 정지 밸브 260 : 분기 마이크로 채널
270 : 메인 마이크로 채널 280 : 챔버 간 연결 마이크로 채널

Claims (20)

  1. 기밀 테이프로 밀폐된 적어도 한 개의 반응액 저장 챔버와, 일단이 상기 반응액 저장 챔버에 연결된 분기 마이크로 채널 및 상기 분기 마이크로 채널의 타단에 연결된 메인 마이크로 채널을 포함하며, 상기 분기 마이크로 채널을 통해 반응액의 미세 유체가 동작되는 미세 유체 제어 칩과,
    상기 기밀 테이프를 관통하는 적어도 한 개의 니들을 포함하며, 상기 니들을 통해 상기 반응액 저장 챔버에 상기 반응액과 혼합되지 않는 작동 유체를 인가하여 상기 미세 유체의 동작을 제어하는 제어 모체를 포함하는 미세 유체 제어 장치
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응액 저장 챔버는 상기 챔버의 일측에 상기 기밀 테이프로 밀폐된 개구부를 가지고, 상기 챔버의 타측에서 상기 분기 마이크로 채널의 일단과 연통되어 연결되는 것을 특징으로 하는 미세 유체 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어 모체는 상기 기밀 테이프와 접촉하며, 상기 니들이 타이트하게 관통되어 고정되는 기밀 탄성판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 기밀 테이프는 일면이 접착제로 도포된 테이프 및 양면이 접착제 도포된 테이프 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 미세 유체 제어 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 니들은 상기 기밀 탄성판을 관통하여 돌출되고, 상기 니들의 기밀 탄성판으로부터 돌출된 길이가 상기 기밀 테이프의 두께보다 길며, 상기 니들의 선단(先端)이 상기 반응액 저장 챔버 내에 위치하는 것을 특징으로 미세 유체 제어 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 기밀 탄성판은 실리콘 고무, 아크릴 고무, 플루오르 고무, 하이파론 고무, 부틸 고무, 니트릴 고무, 부타디엔 고무, 클로로프렌 고무, 폴리디메틸실록세인(poly-dimethyl siloxane) 중 어느 하나로 형성되는 미세 유체 제어 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 개구부는 원형으로 형성되며 지름이 상기 니들의 외경보다 큰 것을 특징으로 하는 미세 유체 제어 장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 메인 마이크로 채널은 복수 개의 분기 마이크로 채널들의 타단에 연결되는 것을 특징으로 하는 미세 유체 제어 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 미세 유체 제어 칩은 상기 분기 마이크로 채널들의 타단과 상기 메인 마이크로 채널의 사이에 제공된 정지 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 제어 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 정지 밸브는 상기 반응액이 상기 메인 마이크로 채널로 흐르는 것을 방지하는 마이크로 밸브인 것을 특징으로 하는 미세 유체 제어 장치.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 제어 모체는 상기 니들과 연결되고 내부에 작동 유체를 흘릴 수 있는 튜브와, 상기 튜브에 연결되어 상기 작동 유체를 펌핑하는 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 제어 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 튜브는 단일 메인 튜브에서 복수 개의 서브 튜브들로 분기되어 복수 개의 니들에 연결되는 것을 특징으로 하는 미세 유체 제어 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 분기된 서브 튜브는 서로 다른 유량이 흐르도록 서로 다른 내경을 갖는 것을 특징으로 하는 미세 유체 제어 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 작동 유체는 공기, 물, 오일 중 어느 하나 또는 그 조합인 미세 유체 제어 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 반응액 저장 챔버는 그 내부의 일부가 상기 반응액으로 채워지고 나머지는 공기로 충진된 것을 특징으로 미세 유체 제어 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    복수 개의 제어 모체는 복수 개의 반응액 저장 챔버들의 반응액들을 독립적으로 조절하고, 각각의 상기 반응액 저장 챔버들에 채워지는 반응액들은 적어도 2종 이상인 것을 특징으로 하는 미세 유체 제어 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 미세 유체 제어 칩은 상기 반응액 저장 챔버들 각각에 저장된 반응액들 이 혼합될 수 있도록 반응액 저장 챔버와 다른 반응액 저장 챔버 사이에 형성된 챔버 간 연결 마이크로 채널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 제어 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 복수 개의 반응액 저장 챔버들에 연결된 분기 마이크로 채널들은 각기 다른 유동저항을 가지도록 서로 모양이나 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 미세 유체 제어 장치.
  19. 기밀 테이프로 밀폐된 적어도 한 개의 반응액 저장 챔버를 포함하는 미세 유체 제어 칩을 준비하는 단계;
    적어도 한 개의 니들과, 상기 니들과 연결되어 상기 니들 내부로 상기 반응액과 혼합되지 않는 작동 유체를 펌핑하는 펌프를 포함하는 제어 모체를 준비하는 단계; 및
    상기 니들을 상기 기밀 테이프를 관통하여 상기 반응액 저장 챔버 내에 말단이 위치하도록 삽입하여 상기 미세 유체 제어 칩과 상기 제어 모체를 연결하는 단계를 포함하는 미세 유체 제어 장치 조립 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 니들을 상기 반응액 저장 챔버 내로부터 외부로 제거하여 상기 제어 모체를 상기 미세 유체 제어 칩으로부터 분리하는 단계;
    기밀 테이프로 밀폐된 적어도 한 개의 반응액 저장 챔버를 포함하는 교체 미세 유체 제어 칩을 준비하는 단계; 및
    상기 니들을 상기 교체 미세 유체 제어 칩의 기밀 테이프를 관통하여 상기 반응액 저장 챔버 내에 말단이 위치하도록 삽입하여 상기 미세 유체 제어 칩과 상기 제어 모체를 연결하는 단계를 더 포함하는 미세 유체 제어 장치 조립 방법.
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