KR20150135613A - 미세유체 구동을 위한 마이크로 펌프 - Google Patents

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심준섭
임성빈
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 미세유체 구동을 위한 마이크로 펌프에 관한 것으로, 유체를 흡수 및 배출할 수 있는 미세펌프에 있어서, 주입된 유체의 이동통로를 갖는 미세채널부 및 상기 이동통로에 음압 또는 양압을 발생시켜 유체를 이동시키는 펌핑부를 포함하되, 상기 미세채널부의 이동통로에는 유체출입구와 공기출입구를 각각 연결되게 형성시키고, 상기 펌핑부는 탄성력을 갖고 내부에 형성시킨 펌핑공간이 상기 공기출입구와 연통되어 펌핑공간 내부의 체적변화 만큼 정량의 음압 또는 양압을 발생시켜 유체가 이동통로에서 흐름되는 것을 특징으로 하는 미세유체 구동을 위한 마이크로 펌프를 제공한다.

Description

미세유체 구동을 위한 마이크로 펌프 {Micropump for microfluidic actuation}
본 발명은 미세유체 구동을 위한 마이크로 펌프에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 미세유체의 유량 제어가 가능한 마이크로 펌프에 관한 것이다.
최근에는, 반도체 제조공정 기술을 이용하여 감지(sensing) 또는 구동(actuating)에 필요한 마이크로 단위 크기의 미소구조물을 제작하고, 여기에 신호처리 회로를 같이 집적화 함으로써, 고성능 다기능의 초소형 기전시스템(Micro Electro Mechanical System, 이하 'MEMS'이라 함)이 구현되고 있다.
이러한 MEMS 기술을 이용하여 수 ㎠ 크기의 칩 위에 바이오 칩, 의료 및 미량 유체 분석 장치들을 초소형으로 집적시킨 랩-온-칩(Lab On a Chip)은 생물학, 화학, 의학 및 유전공학 분야에서 의료용 마이크로 진단 및 약물 주입 시스템에 활용하기 위하여 많은 연구가 진행되고 있다.
이와 같이 마이크론 단위의 극도로 소형화된 센서나 액츄 에이터에 대한 실질적인 연구는 미세기전시스템(MEMS: Micro Electro Mechanical Systems) 기술의 등장에 힘입은 바가 크다.
최근 들어 이 기술로 제작된 다양한 상용 제품들의 출시와 이에 따른 급속한 시장의 팽창에 따라, 새로운 산업을 일으킬 수 있는 핵심기술로 인식되고 있다. 특히 실리콘을 기반으로 한 미세기전시스템 기술을 이용하여, 센서 또는 액츄에이터를 집적회로(IC:Integrated Circuit)와 동시에 제작한, 이른바 집적화된 미세기전시스템(iMEMS: integrated MEMS)의 출현을 가능하게 하였다.
마이크로 펌프(micro pump)란, 소량의 유체를 원하는 방향으로 흐르도록 하는 기능을 가진 것으로, 주로 μ-TAS(Micro Total Analysis System), LOC(Lab-On-a-Chip) 등을 포함하는 바이오-MEMS(Bio-Micro Electro Mechanical System) 분야와 관련되어 극미량유체수송 및 제어분야에 사용되는 것이다.
지금까지 매크로 영역에서는 모터 등의 회전력을 이용하여 압력 구배를 형성하여 유체를 이송하는 방법이 많이 사용되어 왔다. 그러나 마이크로 크기의 LOC(Lab-On-a-Chip) 시스템에서는 비교적 큰 부피를 가지는 모터 등의 액츄에이터를 사용하기 곤란하다. 이를 극복하기 위해서 단순한 형상을 가지며, 마이크로 사이즈로 제작이 용이한 마이크로 펌프를 설계할 필요성이 대두되었다.
마이크로 펌프는 전원을 필요로 하는 active방식과 전원이 요구되지 않는 passive방식으로 구분되며, active방식은 전원의 제어를 통하여 정밀한 유량의 제어가 가능하며, 인슐린 주입기와 같이 높은 신뢰성과 빠른 응답성을 필요로 하는 고가의 소자가 사용되고 있다.
이러한 펌프는 실리콘을 주재료로 사용하여 제작되며 높은 제조비용이 단점으로 지적되고 있다.
passive 방식은 모세관력(capillary force)과 같은 자연적인 현상을 이용하여 유체이송을 가능하게 하는 방법으로, 저가용 이거나 일회용 소자에 적합하지만, 모세관력을 이용하는 passive펌프는 미세유체채널을 구성하는 재료가 친수성(hydrophilic)이여야 하며, 일반적으로 표면에 SiO2층을 가진 미세유체채널 내부로 유체이송을 할 경우 사용된다.
또한, 기존의 마이크로 펌프들은 Piezo electric, Thermo pneumatic, Bimetallic, Bubble type 등등 여러 가지가 존재하나, 이들 마이크로 펌프는 몇 가지 한계점이 있다. 첫 번째로 마이크로 펌프의 펌핑 속도가 느린 것이다. 마이크로 펌프가 빨아들이는 유속이 느리면 Lap on a chip에서 원하는 반응이 빠르게 일어나지 못하기 때문에 문제가 된다. 두 번째로 기존의 마이크로 펌프는 낮은 효율성에도 불구하고 내부 구조가 대단히 복잡하였다. 현장 건강검진 시스템인 Point Of Care(이하 POC)에서는, 건강검진의 수단으로써 Lap on a chip이 주목받고 있다. 이러한 Lap on a chip들은 위생적인 이유로 일회용품을 사용하는데, 기존의 마이크로 펌프는 제작 방법과 작동원리가 복잡하여 대량생산에 불리하며 비전문가가 사용하기에는 어려움이 따르는 단점이 있다.
따라서, 높은 펌핑 효율을 가지면서 동시에 간단한 구조로 이루어진 마이크로 펌프 개발의 필요성이 부각되었다.
한국공개특허 제2010-0123755호, 한국공개특허 제2012-0133771호
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 목적은 일회성 Lap on a chip에서 사용할 수 있는 저렴하고 간단한 공정의 마이크로 펌프를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 Lap on a chip으로 사용하는 경우 미세채널에 정확한 양을 주입할 수 있는 마이크로 펌프를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 Lap on a chip으로 사용하는 경우 미세채널의 원하는 위치까지 이동시킬 수 있는 마이크로 펌프를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 유체를 흡수 및 배출할 수 있는 미세펌프에 있어서, 주입된 유체의 이동통로를 갖는 미세채널부 및 상기 이동통로에 음압 또는 양압을 발생시켜 유체를 이동시키는 펌핑부를 포함하되, 상기 미세채널부의 이동통로에는 유체출입구와 공기출입구를 각각 연결되게 형성시키고, 상기 펌핑부는 탄성력을 갖고 내부에 형성시킨 펌핑공간이 상기 공기출입구와 연통되어 펌핑공간 내부의 체적변화 만큼 정량의 음압 또는 양압을 발생시켜 유체가 이동통로에서 흐름되는 것을 특징으로 하는 미세유체 구동을 위한 마이크로 펌프를 제공한다.
또한 본 발명의 상기 펌핑부는 탈부착이 가능한 미세유체 구동을 위한 마이크로 펌프를 제공한다.
또한 본 발명의 상기 펌핑부는 다양한 크기의 펌핑공간이 선택적으로 적용됨을 특징으로 하는 미세유체 구동을 위한 마이크로 펌프를 제공한다.
또한 본 발명의 상기 펌핑공간은 반구형인 것을 특징으로 하는 미세유체 구동을 위한 마이크로 펌프를 제공한다.
또한 본 발명의 유체출입구와 공기출입구는 상부가 개방된 것을 특징으로 하는 미세유체 구동을 위한 마이크로 펌프를 제공한다.
또한 본 발명의 상기 펌핑부는 누름동작으로 부피 변화를 이루도록 하되, 상기 펌핑공간의 내부면 상부가 공기출입구 단부에 맞닿은 후 원래 부피로 복원시킴으로써 유체를 이동통로의 원하는 부위에 위치시키는 것을 특징으로 하는 미세유체 구동을 위한 마이크로 펌프를 제공한다.
또한 본 발명의 상기 펌핑부는 탄성성분을 갖는 폴리머로서, 상기 폴리머는 우레탄, 실리콘, PDMS(Polydimethylsiloxane) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체 구동을 위한 마이크로 펌프를 제공한다.
본 발명에 따른 미세유체 구동을 위한 마이크로 펌프는 사람의 힘으로 구동되는 데, 물리화학적 방식을 사용하는 기존의 마이크로 펌프보다 높은 효율을 갖는 효과가 있다.
본 발명에 따른 미세유체 구동을 위한 마이크로 펌프는 Lap on a chip으로 사용시 미세채널부의 이동통로에 정확한 양을 주입할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 미세유체 구동을 위한 마이크로 펌프는 Lap on a chip으로 사용시 미세채널부의 이동통로의 원하는 위치까지 이동시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 미세유체 구동을 위한 마이크로 펌프의 개략적인 단면도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 미세유체 구동을 위한 마이크로 펌프를 이용하여 유체(혈액)을 유입시키는 개략적인 모습을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 미세유체 구동을 위한 마이크로 펌프에서 혈액(유체)이 이동통로로 유입된 사진을 나타낸 것이다.
도 4는 펌핑부의 펌핑공간 부피에 따라 유체(혈액)이 이동통로에 유입된 양을 측정한 것이다.
도 5는 펌핑부를 누른 후 누른힘을 제거함에 있어 시간에 따라 유체가 이동통로를 이동한 거리를 나타낸 것이다.
이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 발명은 미세유체 구동을 위한 마이크로 펌프에 관한 것으로, 유체를 흡수 및 배출할 수 있는 미세펌프에 있어서, 주입된 유체의 이동통로를 갖는 미세채널부 및 상기 이동통로에 음압 또는 양압을 발생시켜 유체를 이동시키는 펌핑부를 포함하되, 상기 미세채널부의 이동통로에는 유체출입구와 공기출입구를 각각 연결되게 형성시키고, 상기 펌핑부는 탄성력을 갖고 내부에 형성시킨 펌핑공간이 상기 공기출입구와 연통되어 펌핑공간 내부의 체적변화 만큼 정량의 음압 또는 양압을 발생시켜 유체가 이동통로에서 흐름되는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 미세유체 구동을 위한 마이크로 펌프의 개략적인 단면도를 나타낸 것이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 미세유체 구동을 위한 마이크로 펌프를 이용하여 유체(혈액)을 유입시키는 개략적인 모습을 나타낸 것이다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 미세유체 구동을 위한 마이크로 펌프에서 혈액(유체)이 이동통로로 유입된 사진을 나타낸 것이다.
본 발명의 마이크로 펌프는 미세채널부(110) 및 펌핑부(120)로 이루어진 것이 특징으로 한다. 상기 미세채널부(110)는 유체출입구(111), 이동통로(112) 및 공기출입구(113)를 포함하며, 상기 펌핑부(120)는 펌핑공간을 포함하고 있다.
상기 미세채널부(110)는 주입된 유체의 이동통로(112)를 가지며, 상기 이동통로(112)는 유체를 출입시키는 유체출입구(111)와 공기출입구(113)가 연결되어 있으며, 상기 공기출입구(113)는 펌핑부(120)와 연통되어 펌핑부(120)의 압력 변화에 따라 공기를 출입시킴으로써 압력변화를 일으키는 데, 상기 압력변화는 양압 또는 음압을 발생시킴으로써 이동통로(112)내의 유체가 이동되도록 한다.
상기 유체출입구(111)는 외부에서 유체를 주입할 수 있도록 주입구의 역할을 하고, 상기 유체출입구(111)로 주입된 유체는 이동통로(112)를 통해 펌핑부(120)로 이송된다. 즉, 펌핑부(120)를 통해 음압을 발생시키게 되면 유체출입구(111) 부근에 있던 유체는 이동통로(112)로 이동하게 된다.
상기 유체출입구(111)는 유체를 보다 용이하게 주입할 수 있도록 위쪽을 향하도록 이루어진 것이 바람직하다.
상기 미세채널부(110)의 이동통로(112)는 미세한 통로의 형태를 취하고, 일직선 또는 절곡된 형태를 가질 수 있다. 상기 미세채널부(110)는 상기 유체출입구(111)로 주입된 유체를 공기출입구(113)로 이동하는 이동통로(112)가 형성될 수 있다.
본 발명의 미세채널부(110)는 이동통로(112)가 별도로 연결된 것이 아니라, 유체출입구(111), 이동통로(112) 및 공기출입구(113)가 일체로 연통되도록 연결될 수 있는 데, 이 경우 유체출입구(111)에서 펌핑부(120)로 이동되는 유체는 외부에 영향없이 보다 기밀한 상태에서 이동될 수 있다.
상기 공기출입구(113)는 펌핑부(120)와 연결된 것으로 펌핑부(120)의 양압 또는 음압발생에 의해 공기가 이동된다. 즉, 펌핑부(120)를 누름으로 인해 펌핑공간(121)에 내부에 있는 공기는 공기출입구(113)로 들어가고, 펌핑부(120)를 눌렀던 힘을 제거하면 공기는 공기출입구(113)를 통해 펌핑공간(121)으로 이동되게 된다.
또한, 상기 유체출입구(111) 및 공기출입구(113)의 끝단은 위를 향하도록 형성된 것이 바람직하다. 유체출입구(111)를 위쪽으로 향하도록 형성됨으로 인해 유체를 주입할 때 보다 용이할 수 있다. 또한, 공기출입구(113)를 위쪽으로 향하도록 형성됨으로 인해 펌핑부(120)의 이용을 용이하게 할 수 있다. 즉 펌핑부(120)가 도 1에서 보는 바와 같이 위쪽에 형성됨으로 인해 펌핑부(120)의 상부를 손으로 누르는 펌핑부(120)의 누름작업을 용이하게 할 수 있다.
상기 미세채널부(110)는 비변형의 재질로 이루어지는 것이 바람직한데, 상기 비변형의 재질로 이루어짐으로써 외부에서 누름 등의 외력을 가하더라도 부피변화가 이루어지지는 않는다. 미세채널부(110)의 이동통로(112) 등에 부피변화가 없음으로 인해 미세채널부(110)의 이동통로(112) 이동시 정확한 위치로까지 이동시키는 제어가 용이하게 이루어질 수 있다.
한편, 펌핑부(120)는 내부에 펌핑공간(121)이 형성되어 있으며, 공기출입구(113)와 연통되어 펌핑공간(121) 내부의 체적변화를 일으킬 수 있도록 음압 또는 양압을 발생시킬 수 있는 도구이다.
도 1을 참조하면, 상기 펌핑부(120)는 상기 미세채널부(110)의 공기출입구(113) 위에 위치시킴으로써 상기 펌핑부(120)의 펌핑공간(121)을 통해 공기출입구(113)와 공기이동이 이루어지며, 펌핑부(120)의 상부는 외부와 밀폐되어 있는 구조이다.
상기 펌핑부(120)의 상부는 사용자가 손가락을 이용하여 누를 수 있으며, 탄성물질로 이루어진 펌핑부(120)의 특성상 누름동작으로 펌핑공간(121) 내부의 체적변화가 이루어진다.
도 2를 참조하면, 상기 펌핑부(120)의 부피는 펌핑부(120)의 상부를 누름으로 인해 펌핑부(120)의 공기가 미세채널부(110)의 이동통로(112)와 연결된 유체출입구(111)를 통해 빠져나가면서 줄어들게 된다. 이 후 유체를 유체출입구(111)에 주입한다. (도 2의 (a) 참조)
이 후 펌핑부(120)의 상부를 눌렀던 힘을 제거하게 되면 펌핑부(120)는 탄성에 의해 원래 형태로 복원된다. 이렇게 눌렀던 힘을 제거하면서 펌핑부(120)의 복원력에 의해 유체출입구(111)에 주입된 유체가 이동통로(112)를 통해 이동하게 된다. (도 2의 (b) 참조)
도 3을 참조하면, 펌핑부(120)를 누른 후 유체를 유체출입구(111)에 주입한 후 펌핑부(120)를 누름 동작을 제거하게 되면 이동통로(112)를 통해 일정위치까지 이동하게 된다.
또한, 상기 펌핑부(120)는 탈착이 가능하여 미세채널부(110)의 공기출입구(113)에 결합할 수 있다. 펌핑부(120)의 펌핑공간(121)이 공기출입구(113)와 연통되도록 하고 펌핑부(120)의 하단이 미세채널부(110)와 밀착되며 이로 인해 미세채널부(110)와 펌핑부(120) 사이로 공기가 빠져나가지 않는 것이 특징이다.
상기 펌핑부(120)가 미세채널부(110)와 탈착이 가능함으로 인해 펌핑부(120)의 펌핑공간(121)의 부피를 달리함으로써 미체채널부로 유입하고자하는 유체의 양을 조절할 수 있다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따른 미세유체 구동을 위한 마이크로 펌프는 유체를 정량으로 유입시킬 수 있으며, 원하는 이동통로(112)의 위치로까지 이동시킬 수 있다.
도 4는 펌핑부의 펌핑공간 부피에 따라 유체(혈액)이 이동통로에 유입된 양을 측정한 것이다.
도 4를 참조하면, 각각 펌핑공간(121)의 부피가 다른 5개의 펌핑부(120)와 형상이 동일한 5개의 미세채널부(110)를 준비하여 펌핑부(120)를 미세채널부(110)의 공기출입구(113) 상부에 결합하여 밀착시킨 후, 이동통로(112)로 유입시킨 혈액의 양을 측정하게 되면, 펌핑공간(121)의 부피가 다름에 따라 유입되는 양도 달라지는 것을 확인할 수 있다.
이를 통해 본 발명에서는 펌핑공간(121)의 부피를 달리함에 따라 유입되는 양을 정확히 조절할 수 있음을 알 수 있다.
도 5는 펌핑부를 누른 후 누른힘을 제거함에 있어 시간에 따라 유체가 이동통로를 이동한 거리를 나타낸 것이다.
도 5를 살펴보면, 펌핑공간(121)이 4.38㎕, 4.81㎕ 및 5.51㎕인 펌핑부(120) 및 3개의 동일한 미세채널부(110)를 준비하여 이동통로(112)를 이동한 거리를 시간에 따라 측정한 것이다. 즉, 펌핑부(120) 상부를 힘을 가하여 누르고 유체를 유체출입구(111)에 주입한 후, 펌핑부(120)에 가한 힘을 제거하면 유체가 이동통로(112)를 통해 이동하는 데, 이동거리는 일정시간이 지나면 어느 위치에서 멈추는 것을 확인할 수 있다.
이를 통해 펌핑공간(121)의 부피가 클수록 이동통로(112)에서 이동하는 거리는 커짐을 알 수 있고, 일정시간이 지난 후에는 이동이 멈추는 것을 확인할 수 있다. 이로부터 본 발명에 따른 마이크로 펌프는 이동통로(112)에서 유체가 이동되는 거리를 제어할 수 있음을 알 수 있다.
한편, 상기 펌핑부(120)의 재질은 탄성성분을 갖는 탄성물질을 포함하는 데, 상기 탄성물질은 PDMS(Polydimethylsiloxane)인 것이 바람직하다. 또한, 이외에 우레탄(urethane), 실리콘(silicon), 에코플렉스(Eco-flex), 스티렌부타디엔고무(styrene butadien rubber:SBR), 폴리클로로프렌(polychloroprene), 니트릴고무(acrylonitrile-butadiene rubber:NBR), 이소프렌고무(isoprene rubber:IR), 에틸렌프로필렌고무(ethylene propylene rubber:EPR), 폴리설파이드고무(polysulfide rubber), 플루오로고무(fluororubber) 및 아크릴고무(acrylic rubber) 등으로 이루어진 군에서 1이상 선택될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
110 : 미세채널부 111 : 유체출입구
112 : 이동통로 113 : 공기출입구
120 : 펌핑부 121 : 펌핑공간

Claims (7)

  1. 유체를 흡수 및 배출할 수 있는 미세펌프에 있어서,
    주입된 유체의 이동통로를 갖는 미세채널부 및
    상기 이동통로에 음압 또는 양압을 발생시켜 유체를 이동시키는 펌핑부를 포함하되,
    상기 미세채널부의 이동통로에는 유체출입구와 공기출입구를 각각 연결되게 형성시키고,
    상기 펌핑부는 탄성력을 갖고 내부에 형성시킨 펌핑공간이 상기 공기출입구와 연통되어 펌핑공간 내부의 체적변화 만큼 정량의 음압 또는 양압을 발생시켜 유체가 이동통로에서 흐름되는 것을 특징으로 하는 미세유체 구동을 위한 마이크로 펌프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 펌핑부는 탈부착이 가능한 미세유체 구동을 위한 마이크로 펌프.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 펌핑부는 다양한 크기의 펌핑공간이 선택적으로 적용됨을 특징으로 하는 미세유체 구동을 위한 마이크로 펌프.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 펌핑공간은 반구형인 것을 특징으로 하는 미세유체 구동을 위한 마이크로 펌프.
  5. 제1항에 있어서,
    유체출입구와 공기출입구는 상부가 개방된 것을 특징으로 하는 미세유체 구동을 위한 마이크로 펌프.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 펌핑부는 누름동작으로 부피 변화를 하되, 상기 펌핑공간의 내부면 상부가 공기출입구 단부에 맞닿은 후 원래 부피로 복원시킴으로써 유체를 이동통로의 원하는 부위에 위치시키는 것을 특징으로 하는 미세유체 구동을 위한 마이크로 펌프.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 펌핑부는 탄성성분을 갖는 폴리머로서, 상기 폴리머는 우레탄, 실리콘, PDMS(Polydimethylsiloxane) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체 구동을 위한 마이크로 펌프.
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