KR102043161B1 - 미세 액적 병합을 위한 미세 유체 제어 장치 및 이를 이용한 미세 액적의 병합 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미세 유체 제어 장치 및 이를 이용한 미세 액적의 병합 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따르면, 간단하고 짧은 미세 채널 구조를 이용하여 효율적으로 미세 액적의 유동을 제조할 수 있으며, 미세 액적들의 병합과 화학 반응을 한번에 처리할 수 있어 미세유체칩 구조를 더욱 단순화할 수 있다. 이에 따라, 여러 가지 전처리 및 분석 과정을 칩 상에 집적화하여 고속 및 고효율로 처리할 수 있는 랩온어칩(lab-on-a-chip)으로의 적용이 가능하다. 또한, 화학 반응 생성물의 입자 크기를 제어할 수 있어 나노 단위의 제어가 필요한 정밀 화학 분야에 효과적으로 적용될 수 있다.

Description

미세 액적 병합을 위한 미세 유체 제어 장치 및 이를 이용한 미세 액적의 병합 방법{Microfluidic Device for Merging Micro-droplets and Method for Merging Micro-droplets Using Same}
본 발명은 미세 유체 액적 병합용 미세 유체 제어 장치 및 미세 유체 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액적의 병합과 화학 반응을 동시에 수행하여 미세 채널의 구조가 단순화되고 반응 생성물의 입경을 제어할 수 있는 미세 유체 제어 장치 및 이를 이용한 미세 액적의 병합 방법에 관한 것이다.
랩온어칩(lab-on-a-chip) 기술은 '하나의 칩 위에 실험실을 올려놓았다'는 뜻으로서, 플라스틱, 유리, 규소(실리콘) 등의 소재를 사용해 마이크로 또는 나노 단위의 미세 채널을 만들고, 이를 통해 극미량의 샘플이나 시료만으로 기존의 실험실에서 할 수 있는 실험이나 연구 과정을 신속하게 대체할 수 있도록 만든 칩이다.
이 칩을 이용하면 한 방울의 피로도 각종 암 진단이나 적혈구, 백혈구의 세포 수 측정이 가능하고, 생물 또는 의약 분야뿐만 아니라, 농업, 식품, 환경, 화학 산업 등의 다양한 분야로 응용 분야를 확장할 수 있어, 2000년대 중반 이후 급속도로 기술이 발달하면서 주목받고 있다.
미세유체칩(microfluidic chip)은 미량의 분석대상 물질을 흘려 보내면서 칩에 집적되어 있는 각종 생물분자 혹은 센서와 반응하는 양상을 분석할 수 있는 바이오 칩으로서 최근에는 분석 물질의 분리, 합성, 정량분석 등이 가능한 칩이 개발되고 있다. 이는 미세 가공 기술을 이용하여 시료 희석, 혼합, 반응, 분리, 정량 등 모든 단계를 하나의 칩 위에서 수행하는 것을 의미한다. 즉, 일반적으로 (생)화학 물질의 분석시 사용되는 자동 분석 장치의 시료 전처리 과정에 필수적인 펌프, 밸브, 반응기, 추출기, 분리 시스템 등의 기능과 센서 기술을 하나의 칩 상에서 구현할 수 있다.
미세유체칩은 여러 복잡한 단계를 거치지 않고 시료 주입만으로 최종결과를 얻어낼 수 있다는 것이 특징이며, 이러한 바이오칩의 사용은 간편성뿐만 아니라, 검사자의 실험상 오류를 최대한 제거하여 얻어진 결과에 대해 신뢰성을 부여할 수 있으므로 생명공학 분야에서 매우 중대한 역할을 할 것으로 기대되고 있다.
미세유체칩은 MEMS(Microelectromechanical Systems)와 나노테크놀러지(nanotechnology 또는 nanofabrication)의 발전으로 인해 더욱 정교하게 실현되고 있는데, 실리콘(silicon) 외 여러 재료를 이용하여 수십 마이크로미터에서 수십 나노미터에 이르는 크기의 장치를 정교하게 개발할 수 있게 되었다.
액적 제어(droplet control) 기술은 이러한 미세유체 기술분야에서 가장 중요한 기술 중 하나이다. 액적 제어 기술을 통하여 생체 시료가 함유된 액적을 하나의 지점에서 다른 지점으로 오염없이 이동시키고 반응물과 빠르게 혼합되도록 하여 생화학 반응 및 분석을 수행할 수 있으며, 다양한 시료들을 함유하는 액적들을 액적 제어 기술에 의해 분류하고 분리할 수 있다.
이러한 이점 때문에, 액적 제어에 대한 많은 연구들이 이루어지고 있다. 예를 들어, 미국 특허출원공개 제2007/0195127호에서는 제1 유체 액적과 제2 유체 액적의 크기를 다르게 하여 이동 속도를 다르게 조정하고, 두 액적 중 적어도 하나에 전기장을 인가하여 두 액적이 하나의 복합 액적이 되도록 제어하는 기술을 기재하고 있고, 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0060466호에서는 미세유체 채널의 구조를 'ㄷ'자 형태로 구성하여 두 유체 액적을 병합하는 방법을 제안하고 있다.
이와 같은 종래의 액적 제어 기술은 두 액적의 속도를 제어하고 병합하시 위하여 채널의 구조를 복잡하게 형성하거나 액적의 크기 제어와 전기장의 인가를 사용하는 등 미세유체칩의 구조를 복잡하게 하고 크기가 커지는 문제가 있었다. 또한, 미세 액적의 병합 과정과 화합물 합성 과정을 위한 가열을 별개로 수행해야 하기 때문에 각 기능을 수행하기 위한 특별한 채널 형상이 필요하고 채널의 길이가 길어지게 된다. 복잡한 채널 형상과 긴 채널 길이는 마이크로 채널 내 높은 압력이 인가되어 채널의 누수 문제, 혹은 유동의 불안정 문제를 야기할 위험이 있다.
본 발명의 발명자들은 위와 같은 문제점을 인식하고 연구한 결과, 광학적인 가열 방법을 이용하여 액적의 유동을 제어함으로써, 미세유체 채널의 형태를 짧고 단순하게 형성할 수 있으며, 생성물의 입자 크기를 제어할 수 있다는 것을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 단순한 구조와 짧은 길이의 유체 채널을 갖고, 간단한 방법으로 유체 액적을 효과적으로 제어할 수 있는 미세 유체 제어 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 미세 유체 제어 장치를 이용하여 2종 이상의 미세 유체를 효율적으로 제어하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 미세 유체 제어 장치를 이용하여 화학 반응 생성물의 입경을 제어하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 제1 유체를 연속상이 유동하는 유동 채널에 주입하여 유동 채널 내에 제1 유체 액적을 형성하는 제1 유체 채널; 제2 유체를 연속상이 유동하는 유동 채널에 주입하여 유동 채널 내에 제2 유체 액적을 형성하는 제2 유체 채널; 상기 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적이 교대로 유동하는 유동 채널; 및 상기 유동 채널을 국지적으로 가열하여 선행하는 유체 액적의 유동을 정지시켜 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적의 병합을 유도하는 병합부를 포함하는 미세 유체 제어 장치를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 미세 유체 제어 장치는 제1 유체를 주입하기 위한 제1 유체 주입구; 및 제2 유체를 주입하기 위한 제2 유체 주입구를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 유체 주입구 및 제2 유체 주입구는 각각 공급 펌프에 연결될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 미세 유체 제어 장치는 상기 연속상을 유동 채널 내에 주입하는 연속상 주입 채널; 및 연속상을 상기 연속상 주입 채널에 주입하기 위한 연속상 주입구를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 미세 유체 제어 장치는 상기 유동 채널에 연속상을 주입하여 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적의 간격을 조절하는 제2 연속상 주입 채널을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 국지적인 가열은 레이저빔(laser beam) 조사에 의해 수행될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 레이저빔의 세기는 140 내지 230mW인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적의 평균 직경은 70 내지 150㎛인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 연속상은 올레산(oleic acid), 실리콘 오일(silicon oil), FC-40 오일, 헥사디케인(hexadecane) 및 식용류로 구성된 군에서 선택된 1종 이상과 잉크의 혼합물인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 유체 및 제2 유체는 수용액 또는 수분산체인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적의 반응은 흡열 반응인 것이 바람직하다.
본 발명은 또한, 제1 유체를 연속상이 유동하는 유동 채널에 주입하여 유동 채널 내에 제1 유체 액적을 형성하는 단계; 제2 유체를 연속상이 유동하는 유동 채널에 주입하여 유동 채널 내에 제2 유체 액적을 형성하되, 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적이 교대로 유동하도록 하는 단계; 및 상기 유동 채널을 국지적으로 가열하여 선행하는 유체 액적의 유동을 정지시켜 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적의 병합을 유도하는 단계를 포함하는 미세 액적의 병합 방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 미세 액적이 병합 방법은 상기 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적의 간격을 조절하기 위하여 유동 채널에 연속상을 주입하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 국지적인 가열은 레이저빔(laser beam) 조사에 의해 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한, 미세 유체 제어 장치를 이용한 화학 반응 생성물의 입경을 제어하는 방법으로서, 제1 유체를 연속상이 유동하는 유동 채널에 주입하여 유동 채널 내에 제1 유체 액적을 형성하는 단계; 상기 제1 유체와 반응하여 나노입자를 생성할 수 있는 제2 유체를 연속상이 유동하는 유동 채널에 주입하여 유동 채널 내에 제2 유체 액적을 형성하되, 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적이 교대로 유동하도록 하는 단계; 및 상기 유동 채널을 국지적으로 가열하여 선행하는 유체 액적의 유동을 정지시켜 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적의 병합과 화학 반응을 유도하는 단계를 포함하되, 상기 가열의 세기를 제어하여 제1 유체 액적과 제2 유체 액적의 화학 반응으로 생성된 나노입자의 입자 크기를 제어하는, 미세 유체 제어 장치를 이용한 화학 반응 생성물의 입경 제어 방법를 제공한다.
본 발명에 따르면, 간단하고 짧은 미세 채널 구조를 이용하여 효율적으로 미세 액적의 유동을 제조할 수 있으며, 미세 액적들의 병합과 화학 반응을 한번에 처리할 수 있어 미세유체칩 구조를 더욱 단순화할 수 있다. 이에 따라, 여러 가지 전처리 및 분석 과정을 칩 상에 집적화하여 고속 및 고효율로 처리할 수 있는 랩온어칩(lab-on-a-chip)으로의 적용이 가능하다. 또한, 화학 반응 생성물의 입자 크기를 제어할 수 있어 나노 단위의 제어가 필요한 정밀 화학 분야에 효과적으로 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 제어 장치의 구조도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 제어 장치의 일부 구조를 확대한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 제어 장치의 액적 병합부를 확대하여 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 액적의 유동 및 병합을 CCD 카메라로 촬영한 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배출부에서 수득한 생성물의 이미지이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 레이저빔의 세기의 변화에 따른 나노입자의 입자 크기를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저빔의 세기와 나노입자의 입자 크기의 관계를 그래프로 나타낸 것이다.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본 발명은 미세 액적들의 병합과 화학반응이 일원화된 미세 유체 제어 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 미세 유체 제어 장치는 제1 유체를 연속상이 유동하는 유동 채널에 주입하여 유동 채널 내에 제1 유체 액적을 형성하는 제1 유체 채널; 제2 유체를 연속상이 유동하는 유동 채널에 주입하여 유동 채널 내에 제2 유체 액적을 형성하는 제2 유체 채널; 상기 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적이 교대로 유동하는 유동 채널; 및 상기 유동 채널을 국지적으로 가열하여 선행하는 유체 액적의 유동을 정지시켜 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적의 병합을 유도하는 병합부를 포함한다.
본 발명의 미세 유체 제어 장치에 따르면, 액적의 병합과 화학 반응이 하나의 장소에서 수행되기 때문에 미세 채널의 구조가 단순화되고 길이를 짧게 형성할 수 있으며, 채널의 누수 문제나 유동의 불안정 문제를 해결할 수 있다.
나아가, 본 발명의 미세 유체 장치는 생성물의 입자 크기를 제어할 수 있어 정밀 화학 분야에 적용되기 적합하다.
이하 도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 제어 장치를 나타낸다. 본 발명의 미세 유체 제어 장치는 연속상(C)이 유동하는 유동 채널(101)을 포함하고, 상기 유동 채널(101)에는 제1 유체 채널(211) 및 제2 유체 채널(221)이 각각 연결된다.
상기 제1 유체 채널(211)은 제1 유체 주입구(212)로부터 주입된 제1 유체(A)를 유동 채널(101) 내로 주입하여 제1 유체 액적(a)을 유동 채널(101) 내에 생성한다. 유동 채널(101) 내에는 연속상(C)이 유동하고 있어, 제1 유체(A)가 제1 유체 채널(211)을 통해 유동 채널(101)로 주입될 때 미세 액적의 형태로 유동할 수 있도록 한다.
동일하게, 상기 제2 유체 채널(221)은 제2 유체 주입구(222)로부터 주입된 제2 유체(B)를 유동 채널(101) 내로 주입하여 제2 유체 액적(b)을 유동 채널(101) 내에 생성한다. 유동 채널(101) 내에는 연속상(C)이 유동하고 있어, 제2 유체(B)가 제2 유체 채널(221)을 통해 유동 채널(101)로 주입될 때 미세 액적의 형태로 유동할 수 있도록 한다.
상기 제1 및 제2 유체 주입구(212, 222)에는 주사기 펌프(syringe pump; 도시하지 않음)와 같은 공급 펌프가 연결되어 유체를 원하는 유량으로 채널 내로 주입할 수 있다.
도 2에서 보다 상세히 나타낸 바와 같이, 상기 제1 유체 채널(211) 및 제2 유체 채널(221)은 서로 마주보는 위치에서 유동 채널(101)과 연결될 수 있다. 유동 채널(101) 내에는 연속상(C)이 유동하고 있는데, 제1 유체(A) 또는 제2 유체(B)를 제1 유체 채널(211) 또는 제2 유체 채널(221)을 통하여 상기 연속상(C)의 유동에 수직으로 또는 수직에 근접한 각도로 주입하면 연속상(C)을 따라 유동하는 제1 유체 액적(a) 또는 제2 유체 액적(b)이 유동 채널(101) 내에 생성된다. 또한, 상기 제1 유체 채널(211) 및 제2 유체 채널(221)로부터 주입된 제1 유체 액적(a) 및 제2 유체 액적(b)는 상기 유동 채널(101) 내에서 교대로 유동하도록 제어된다.
상기 연속상(C)은 하나 이상의 연속상 주입 채널(311)로부터 유동 채널(101)로 주입될 수 있으며, 상기 연속상 주입 채널(311)은 연속상 주입구(312)로부터 주입된 연속상(C)을 유동 채널(101)에 주입하여 유동하도록 한다. 상기 연속상 주입구(312)에는 주사기 펌프와 같은 공급 펌프가 연결되어 연속상(C)을 원하는 유량으로 채널 내에 주입할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 연속상(C)은 제1 유체 채널(211) 및 제2 유체 채널(221)에서 유입되는 유체를 액적의 형태로 유동 채널(101) 내에서 유동하도록 하는 역할을 수행할 수 있으며, 또한, 제1 유체 액적(a)과 제2 유체 액적(b)의 거리를 조절하는 역할을 할 수도 있다. 이 경우, 연속상(C)은 제1 유체 채널(211) 및 제2 유체 채널(221)의 다운스트림(downstream)에서 유동 채널(101)에 연결된 제2 연속상 주입 채널(321)에 의해 유동 채널(101)로 주입될 수 있다.
상기 연속상(C)은 제1 유체(A) 및 제2 유체(B)와 서로 혼합되지 않는 액체가 바람직하다. 또한, 연속상(C)은 후술하는 열원의 열을 보다 용이하게 흡수하기 위하여 검정색 또는 어두운 색을 갖는 물질로 구성되거나, 검정색 또는 어두운 색의 색소를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 작동에 의해 유동 채널(101) 내에서 교대로 유동하는 제1 유체 액적(a) 및 제2 유체 액적(b)은 유동 채널(101) 내에 구비된 액적 병합부(102)에서 서로 병합된다. 상기 액적 병합부(102)는 유동 채널(101)의 일부분에 구비되며, 액적 병합부(102)에서는 유동 채널(101) 내의 연속상(C)이 열원에 의해 국지적으로 가열된다. 상기 열원으로는 레이저빔(laser beam)을 이용하는 것이 바람직하다.
도 3은 유체 병합부(102)에서 액적의 유동 형태를 확대하여 나타낸 것이다. 레이저빔 조사에 의해 연속상(C)이 국지적으로 가열되면 연속상(C)의 온도가 올라가고, 상기 가열된 부분에 유동하던 미세 액적이 접근하면 열모세관 현상(thermal capillary effects)에 의해 상기 미세 액적의 유동이 정지하게 된다.
본 발명에서 "열모세관 현상"이란, 미세 채널을 지나는 미세 액적에 있어서, 미세 액적의 이동 경로가 액적의 크기(직경), 액적이 겪는 온도차 및 연속상의 점도에 의해 영향을 받는 현상이다. 상기 열모세관 현상은 연속상과 분산상 사이의 계면 장력(interfacial tension)이 온도의 증가에 따라 증가하는지 감소하는지에 따라 반발 열모세관 현상(repulsive thermocapillary effects)과 견인 열모세관 현상(attractive thermocapillary effects)으로 구분된다. 연속상과 분산상 사이의 계면 장력이 온도의 증가에 따라 증가하는 반발 열모세관 현상에 의하면 분산상의 액적은 온도가 낮은 방향으로 이동하려 하고, 계면 장력이 온도의 증가에 따라 감소하는 견인 열모세관 현상에 의하면 분산상의 액적은 온도가 높은 방향으로 이동하려 한다. 본 발명에서는 연속상과 분산상 사이의 계면 장력이 온도의 증가에 따라 증가하는 반발 열모세관 현상을 이용하여, 미세 액적이 유동이 열원에 의해 가열된 부분의 반대 방향으로 작용하게 되어, 즉 미세 액적의 유동 방향과 반대 방향으로 반발력이 작용하게 되어 미세 액적이 일시적으로 정지하게 되는 현상을 이용하였다.
액적 병합부(102)에서 연속상(C)이 열원으로부터 제공되는 열을 흡수하여 가열되면, 열모세관 현상에 의해 선행하던 액적의 유동이 정지하게 되고, 이에 따라 후행하는 액적과 선행 액적이 충돌하여 서로 병합되게 된다. 이후 병합에 의해 미세 액적의 체적이 커지게 되면 상대적으로 연속상(C)이 차지하는 부분이 감소하게 되고, 열원의 열이 흡수되는 면적이 감소되어 온도가 감소하게 되며, 따라서 열모세관 현상의 작용이 감소하게 되어 병합된 미세 액적은 다시 유동을 시작하게 된다.
본 발명에서 반발 열모세관 현상을 이용하기 위하여, 연속상과 분산상은 계면 장력이 온도의 증가에 따라 증가하는 관계를 가져야 한다. 예를 들어, 생체적합성 때문에 자주 이용되는 올레산을 연속상으로 사용하고, 분산상으로는 미세유동학에서 가장 흔하게 사용되는 물을 선택할 수 있다. 또한, 계면 장력의 온도에 대한 특성이 중요하므로, 연속상으로 실리콘 오일, FC-40 오일을 사용하거나, 헥사디케인(hexadecane), 식용유 등 다양한 기름을 사용해도 무방하다.
이와 같은 관점에서, 본 발명에서 미세 액적을 형성하는 제1 유체(A) 및 제2 유체(B)는 수용액 또는 수분산체인 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명의 미세 유체 제어 장치는 물에 용해 또는 분산된 둘 이상의 성분의 화학적 합성 반응에 가장 적합하게 적용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 미세 유체 제어 장치는 질산카드뮴(Cd(NO3)2)과 황화나트륨(Na2S)의 반응에 의해 황화카드뮴(CdS)를 합성하기 위한 반응에 이용될 수 있다. 이 경우, 제1 유체(A)는 질산카드뮴 수용액이고, 제2 유체(B)는 황화나트륨 수용액인 것이 바람직하며, 이 때 제1 유체와 제2 유체의 순서는 무관하다.
또한 혈액을 모사할 때 사용되는 시안화철(Fe(CN)6)을 합성하기 위한 반응으로 싸이오사이안산칼륨(KSCN)과 염화철(FeCl2)을 사용할 수도 있고, 황화카드뮴 나노입자 이외에도 금 나노입자(Gold nanoparticles), 금 나노 막대구조물(Gold nanorods), 구리 나노입자(Copper nanoparticles), 코발트 나노입자(Cobalt nanoparticles) 등 다양한 나노입자를 제조하기 위하여 사용될 수 있다.
또한, 액적 제어의 응용을 고려하면 분산상은 수용액으로, 연속상(C)은 오일 성분인 것이 바람직하다. 본 발명에 있어서, 상기 연속상(C)은 생체 적합성이 뛰어난 올레산(oleic acid)을 사용하였으나, 이는 제한적이지 않으며, 온도가 증가할 때 계면장력이 증가하는 조건을 만족하는 다른 어떠한 유체를 사용하더라도 무방하다. 예를 들어, 실리콘 오일(silicon oil), FC-40 오일, 헥사디케인(hexadecane), 식용유 등의 오일 종류를 사용할 수 있다.
또한, 상기 연속상(C)은 열원으로부터의 에너지를 보다 효율적으로 흡수하기 위하여, 검정색 또는 어두운 색을 갖는 물질이거나, 검정색 또는 어두운 색의 색소를 포함하는 것이 바람직하다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 연속상(C)으로서 올레산과 검정색 잉크의 혼합물을 사용하였다.
본 발명에 있어서, 상기 액적 병합부(102)에서는 액적의 병합과 동시에 가열에 의한 화학 반응이 수행될 수 있다. 따라서, 액적 병합을 위한 채널과 가열 및 화학 반응을 위한 채널이 따로 구비될 필요가 없어, 미세유체칩의 구조가 단순하고 길이가 짧은 채널을 사용할 수 있으며 전체 칩의 크기도 더 작게 제조할 수 있는 장점이 있다. 이와 같은 관점에서 본 발명의 미세 유체 제어 장치는 흡열 반응에 적용되는 것이 가장 적합하다.
또한, 본 발명에 있어서, 제1 유체 액적(a)과 제2 유체 액적(b)의 반응으로 제조되는 생성물이 고체 침전물인 경우, 상기 고체 침전물의 결정 크기를 제어할 수 있다는 것을 확인하였다. 본 발명의 일 실시예에서, 생성물의 나노입자 크기는 가해지는 열원의 세기에 비례하여 증가하였다. 구체적으로, 도 7에 나타낸 바와 같이, 열원의 세기가 증가함에 따라 생성된 나노입자의 직경은 S 형 곡선의 형태로 증가하였다. 이와 같은 생성물 입자 크기의 제어는 정밀 화학 분야에서 다양한 용도로 사용될 수 있는 가능성을 제시한다.
본 발명의 바람직한 실시 양태에서, 상기 열원의 세기는 140 내지 230mW가 바람직하다. 열원의 세기가 140mW 미만인 경우, 선행 액적에 작용하는 열 초과인 경우 선행 액적에 작용하는 열모세관 힘의 크기가 부족하게 되어 액적의 유동을 정지시키지 못하고 하류로 그냥 흘러보내게 되는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 열원의 세기가 230mW 초과인 경우 잉크 용액 내부의 계면활성제의 영향과 유체의 높은 온도로 인해 액적이 연속상 유체로 혼합되게 되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명에 있어서, 제1 및 제2 유체 액적은 50 내지 300㎛의 직경을 갖는 것이 액적 유동의 제어를 위해 바람직하며, 70 내지 150㎛의 직경이 더욱 바람직하다. 상기 유체 액적의 직경이 너무 작게 되면 열모세관 현상이 작용되기 어렵고, 너무 크면 액적이 디스크 형상으로 찌그러져 채널 벽면과의 간섭을 심하게 받게 된다. 또한 열원인 레이저빔이 투명한 액적을 투과하여 지나가기 때문에 액적의 크기가 너무 크면 열원의 에너지가 충분히 열로 변환되지 못하는 문제가 발생할 수 있다.
액적 병합부(102)에서 병합되고 화학 반응이 진행된 미세 액적(a+b)는 유동 채널(102)의 말단에 구비된 배출부(102)를 통하여 배출될 수 있다.
본 발명에 따른 미세 유체 제어 장치는 미세유체칩 기술 분야에 일반적으로 사용되는 방법에 의해 제조될 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 미세 유체 제어 장치는 다음의 방법에 의해 제조될 수 있다: 상부 기판과 하부 기판을 준비하는 단계; 상부 기판에 리소그래피(lithograpy)를 이용하여 미세 채널 및 유체 주입부를 형성하는 단계; 및 상부 기판과 하부 기판을 접착하는 단계.
상기 상부 기판은 중합체, 예를 들어 폴리디메틸실록산(poly(dimethylsiloxane); PDMS)을 이용하는 것이 바람직하며, 리소그래피에 의해 채널을 형성하기 전에 몰딩(molding) 방식으로 미리 형태를 잡는 것도 가능하다. 상기 하부 기판으로는 실리콘 웨이퍼 기판, 유리 기판 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 제어 장치에서, 상기 유동 채널(101)의 폭과 높이는 액적이 유동이 원활하게 이루어지면서도 열모세관 현상에 의해 액적이 정지할 수 있는 폭과 높이로 구성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 폭과 높이는 100 내지 500㎛의 범위일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 400㎛의 폭과 150㎛의 높이를 갖는 채널을 제작하여 사용하였다.
또한, 제1 및 제2 유체 채널과 연속상 주입 채널은 50 내지 300㎛의 폭과 높이를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 미세 유체 제어 장치는 간단한 채널 구조 및 온도 조절을 통해 미세 액적의 병합을 제어하고, 액적의 병합과 화학 반응을 동시에 수행할 수 있기 때문에, 복잡하고 긴 채널 구조가 필요없는 장점이 있다. 또한, 열원의 세기를 제어하여 생성물 입자의 크기를 제어할 수 있기 때문에 정밀 화학 분야에서 다양한 적용 가능성을 갖는다.
실시예
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
제조예: 미세유체칩의 제조
도 1에 도시한 바와 같은 미세유체칩을 제조하기 위하여, 5cm x 2cm의 크기와 1.5mm의 두께를 갖는 PDMS 기판에 리소그래피를 이용하여 채널 및 주입부를 형성하였다. 유동 채널의 폭과 높이는 각각 400㎛ 및 150㎛로 형성하였으며, 제1 및 제2 유체 채널과 연속상 주입 채널의 폭과 높이는 각각 100㎛ 및 150㎛로 형성하였다.
형성된 PDMS 기판을 슬라이드 글라스(slide glass)에 부착하여 미세 유체 제어 장치를 제조하였다.
실험예: 미세 유체 병합 및 합성 실험
상기 제조예에서 제조된 미세유체칩을 이용하여 실험을 수행하였다.
연속상으로는 올레산 80중량% 및 검정색 잉크 20중량%를 혼합한 용액을 사용하였으며, 제1 유체로는 0.3mM의 Cd(NO3)2·4H2O(노란색 식용 색소 1중량% 포함)을, 제2 유체로는 0.3mM의 Na2S·9H2O을 사용하였다. 이들을 주사기형 펌프(Pump 11 Plus, HARVARD APPARATUS)를 이용하여 일정 유량으로 채널 내에 주입하였다. 제 1 유체와 제 2 유체는 각각 0.002mL/hr의 유량으로 [도 1]의 212와 222의 입구로 주입하였으며, 연속상 유체는 [도 1]의 312와 322의 입구에 각각 0.010mL/hr와 0.100mL/hr의 유량으로 흘려주었다.
유동 채널의 액적 병합부에 532nm 레이저빔(LVI532CW2000FL-VA, Laserlab)을 각각 140, 165, 190, 215 및 240mW의 세기로 조사하여 실험을 수행하였다. 레이저빔의 세기는 파워미터(1815C, Newport)를 이용하여 측정하였으며, 레이저빔의 반값 전폭은 70mW에서 164㎛이었다.
액적들의 유동을 CCD 카메라(SDC-415A, 삼성)를 이용하여 LabView 소프트웨어(National Instrument)로 실시간 모니터링 및 녹화하였다. 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에서 교대로 유동하던 미세 액적이 레이저빔 조사 구역에서 병합된 후 이동하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 배출부에서 수득한 생성물을 도 5에 나타내었다. 검정색 잉크 속에 황화카드뮴(CdS)을 확인할 수 있다.
생성된 황화카드뮴 입자의 크기를 DLS(Dynamic Light Scattering) 분석을 통하여 레이저빔의 세기에 따라 분석하여, 그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6a는 본 발명의 미세유체칩을 이용하지 않고 벌크합성한 황화카드뮴의 입자 분포이다. 나노입자의 크기가 매우 불균일한 것을 확인할 수 있다.
도 6b 내지 6f는 본 발명의 미세유체칩을 이용하여 레이저빔의 세기에 따라 입자 분포를 나타낸 것이다. 결과를 아래의 표에 정리하여 나타내었다.
구분 도면 레이저빔 강도(mW) 평균 입자 크기(nm)
실시예 1 도 6b 140 52.61
실시예 2 도 6c 165 112.4
실시예 3 도 6d 190 414.3
실시예 4 도 6e 215 661
실시예 5 도 6f 240 758
위의 표에서, 레이저빔의 강도가 강해질수록 평균 입자 크기도 커지는 것을 확인할 수 있다.
상기 표에 나타난 레이저빔 강도와 평균 입자 크기의 상관관계를 도 7에 나타내었다. 레이저빔 강도에 따른 평균 입자 크기 그래프가 S자 형태를 나타낸다는 것을 알 수 있다.
이상으로 본 발명의 내용의 특정부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
101 유동 채널 102 액적 병합부
103 배출부
211 제1 유체 채널 212 제1 유체 주입구
221 제2 유체 채널 222 제2 유체 주입구
311 연속상 주입 채널 312 연속상 주입구
321 제2 연속상 주입 채널
A 제1 유체 a 제1 유체 액적
B 제2 유체 b 제2 유체 액적
C 연속상

Claims (15)

  1. 제1 유체를 연속상이 유동하는 유동 채널에 주입하여 유동 채널 내에 제1 유체 액적을 형성하는 제1 유체 채널;
    제2 유체를 연속상이 유동하는 유동 채널에 주입하여 유동 채널 내에 제2 유체 액적을 형성하는 제2 유체 채널;
    상기 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적이 교대로 유동하는 유동 채널; 및
    상기 유동 채널을 140 내지 230mW 세기의 레이저빔(laser beam) 조사에 의해 국지적으로 가열하여 선행하는 유체 액적의 유동을 정지시켜 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적의 병합 및 반응을 유도하는 병합부
    를 포함하는 미세 유체 제어 장치로서,
    상기 국지적인 가열 영역이 상기 제1 및 제2 유체 액적의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는, 미세 유체 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제1 유체를 주입하기 위한 제1 유체 주입구; 및
    제2 유체를 주입하기 위한 제2 유체 주입구
    를 포함하는, 미세 유체 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 유체 주입구 및 제2 유체 주입구가 각각 공급 펌프에 연결된 것을 특징으로 하는, 미세 유체 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속상을 유동 채널 내에 주입하는 연속상 주입 채널; 및
    연속상을 상기 연속상 주입 채널에 주입하기 위한 연속상 주입구
    를 포함하는, 미세 유체 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유동 채널에 연속상을 주입하여 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적의 간격을 조절하는 제2 연속상 주입 채널을 추가로 포함하는, 미세 유체 제어 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적의 평균 직경이 70 내지 150㎛인 것을 특징으로 하는, 미세 유체 제어 장치
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속상이 올레산(oleic acid), 실리콘 오일(silicon oil), FC-40 오일, 헥사디케인(hexadecane) 및 식용류로 구성된 군에서 선택된 1종 이상과 잉크의 혼합물인 것을 특징으로 하는, 미세 유체 제어 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 유체 및 제2 유체가 수용액 또는 수분산체인 것을 특징으로 하는, 미세 유체 제어 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적의 반응이 흡열 반응인 것을 특징으로 하는, 미세 유체 제어 장치.
  12. 미세 유체 제어 장치를 이용하여 미세 액적을 병합하는 방법으로서,
    제1 유체를 연속상이 유동하는 유동 채널에 주입하여 유동 채널 내에 제1 유체 액적을 형성하는 단계;
    제2 유체를 연속상이 유동하는 유동 채널에 주입하여 유동 채널 내에 제2 유체 액적을 형성하되, 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적이 교대로 유동하도록 하는 단계; 및
    상기 유동 채널을 140 내지 230mW 세기의 레이저빔(laser beam) 조사에 의해 국지적으로 가열하여 선행하는 유체 액적의 유동을 정지시켜 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적의 병합 및 반응을 유도하는 단계;
    를 포함하는 미세 액적의 병합 방법으로서,
    상기 국지적인 가열 영역이 상기 제1 및 제2 유체 액적의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는, 미세 액적의 병합 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적의 간격을 조절하기 위하여 유동 채널에 연속상을 주입하는 단계를 추가로 포함하는, 미세 액적의 병합 방법.
  14. 삭제
  15. 미세 유체 제어 장치를 이용한 화학 반응 생성물의 입경을 제어하는 방법으로서,
    제1 유체를 연속상이 유동하는 유동 채널에 주입하여 유동 채널 내에 제1 유체 액적을 형성하는 단계;
    상기 제1 유체와 반응하여 나노입자를 생성할 수 있는 제2 유체를 연속상이 유동하는 유동 채널에 주입하여 유동 채널 내에 제2 유체 액적을 형성하되, 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적이 교대로 유동하도록 하는 단계; 및
    상기 유동 채널을 140 내지 230mW 세기의 레이저빔(laser beam) 조사에 의해 국지적으로 가열하여 선행하는 유체 액적의 유동을 정지시켜 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적의 병합과 화학 반응을 유도하는 단계;
    를 포함하되,
    상기 가열의 세기를 제어하여 제1 유체 액적과 제2 유체 액적의 화학 반응으로 생성된 나노입자의 입자 크기를 제어하고,
    상기 국지적인 가열 영역이 상기 제1 및 제2 유체 액적의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는, 미세 유체 제어 장치를 이용한 화학 반응 생성물의 입경 제어 방법.
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