KR20230032806A - 3차원 공압 액추에이터가 통합된 오리피스 가변형 마이크로 액적 생성기 및 그의 제조 방법 - Google Patents

3차원 공압 액추에이터가 통합된 오리피스 가변형 마이크로 액적 생성기 및 그의 제조 방법 Download PDF

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황용하
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고려대학교 세종산학협력단
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Abstract

다양한 실시예들은 3차원 공압 액추에이터가 통합된 오리피스 가변형 마이크로 액적 생성기 및 그의 제조 방법을 제공한다. 다양한 실시예들에 따르면, 액적 생성기는, 생성되는 액적의 크기를 결정하는 가변형 오리피스, 및 가변형 오리피스를 둘러싸고, 공압에 의해 변형되어, 가변형 오리피스의 크기를 조절하는 3차원 공압 액추에이터를 포함한다.

Description

3차원 공압 액추에이터가 통합된 오리피스 가변형 마이크로 액적 생성기 및 그의 제조 방법{DROPLET GENERATION WITH INTEGRATED 3D PNEUMATIC ACTUATOR FOR ORIFICE CONTROL, AND MENUFACTURING METHOD OF THE SAME}
다양한 실시예들은 미세유체 장치에 관한 것이며, 보다 상세하게는 3차원 공압 액추에이터가 통합된 오리피스 가변형 마이크로 액적 생성기 및 3D 프린팅 주형 제거 기법을 이용한 그의 제조 방법에 관한 것이다.
미세유체 시스템(microfluidic system)은 마이크로 크기의 채널을 갖는 유체 시스템으로 시약의 소모량을 줄여 반응 시간의 단축과 여러 조건의 실험을 하나의 시스템 내에서 수행할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 이를 활용하여 DNA분석, 세포배양, 세포분석, 조직검사, 약물 전달과 같이 화학, 생물학 분야에서 널리 사용되고 있다.
마이크로 채널과 접합부 등의 복합적인 미세유체 요소들로 구성되는 액적 생성기는 소량의 시약으로 원하는 부피와 조성을 갖는 액적을 제작하여 비용 효율적이며 동시에, 강력한 고처리량 플랫폼을 제공하는 미세유체 장치이다. 액적은 서로 다른 입구에서 주입된 두 가지 이상의 혼합되지 않는 액체인 분산상 유체와 연속상 유체가 접합부에서 만날 때, 연속상 유체에 의해 분산상 유체의 흐름이 끊어져서 형성된다. 형성된 액적은 배출구 채널을 통해 분류, 수집되어 목적에 따라 사용된다. 유체들 자체의 특징과 유체들의 속도 이외에도 유체 흐름의 경계를 제공하는 미세유체 채널의 크기와 형태는 액적의 형성에 근본적인 영향을 미친다.
미세유체 장치를 제작하기 위해 주로 유리나 실리콘, 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane; PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethyl methacrylate; PMMA)와 같은 물질들이 사용되어 왔다. 높은 생체 적합성 및 무독성을 가진 PDMS는 미세유체 장치의 주요 응용 분야 중 하나인 세포 배양에 적합하기 때문에 미세유체 장치를 제작하는 데 있어서 널리 사용되는 재료이다. 또한, 낮은 표면 에너지에 기반한 화학적 불활성, 광학적 고투명성, 낮은 전기 전도도, 낮은 단가 및 주조를 이용한 손쉬운 제작 방법 확보와 같은 장점들이 있다.
미세유체 시스템은 주로 PDMS를 활용하여 리소그래피의 일종인 소프트 리소그래피(soft lithography) 기술을 통해 제작된다. 소프트 리소그래피는 반도체 공정으로 제작된 포토레지스트(photoresist) 주형(mold)을 활용하여 PDMS와 같은 소프트 폴리머(soft polymer)를 주조하는 기술이며, 미세유체 장치는 주조된 PDMS 소자를 산소 플라즈마(oxygen plasma)에 노출시켜 유리 기판에 접합하는 방식으로 구현된다.
소프트 리소그래피 기술은 3D 소자를 제작하기 위해 2D 평면 층들을 제작한 후, 이를 정렬시켜 접합해야 한다는 기술적 한계로 인해 제작 가능한 구조에 한계가 있다. 그러나, 최근 미세유체 장치의 제조에 3D 프린팅 기술이 도입되면서 기존에는 거의 불가능에 가까운 것으로 여겨졌던 다양한 형태의 구조물을 제작할 수 있게 되었다. 그러나 미세유체 장치를 제작하는 데 주로 사용되는 재료인 PDMS를 직접 3D 프린팅하는 기술은 해상도의 한계로 인해 마이크로 소자를 제조하는 데 어려움이 있다.
따라서 고해상도의 3D 프린터로 미세유체 장치를 제작하기 위한 주형을 출력하여 주조 기술을 이용하는 제작 방식이 개발되고 있다. 미세유체 장치의 주조에는 주조된 폴리머에 손상이 가지 않도록 주형을 원활하게 제거하는 기술이 중요하며, 주형의 제거 방식은 물리적 제거 방식과 화학적 제거 방식으로 나눌 수 있다. 주조된 폴리머를 고정시키고 내부의 주형을 폴리머로부터 적출해내는 방식인 물리적 주형 제거 방식은 직선 채널이 아닌 휘어지는 채널과 같이 복잡한 형상에서 물리적 손상을 유발할 수 있으므로 원활한 적출을 위해 주형의 구조가 제한된다.
화학적 주형 제거 방식은 주형에 열을 가하거나 용해 가능한 용액 속에 담가 주형을 녹여내므로 주형의 형태에 제한 없이 미세유체 장치에 적합한 마이크로 크기의 PDMS 소자 구현이 가능하다. 그러나, 화학적 주형 제거 방식은 널리 사용되는 3D 프린터 소재이며 열적, 화학적으로 비교적 안정된 특성을 갖는 ABS(Acrylonitrile butadiene styrene), PLA(Polylactic acid), PP (Polypropylene)에 적용되기 어려워, PVA(polyvinyl alcohol)이나 왁스(wax)와 같은 소재들이 적용된다.
액적 생성기의 정밀한 액적 형성 제어는 수동적 방법과 능동적 방법으로 구분된다. 수동 액적 생성기는 두 개의 혼합되지 않는 유체의 계면장력과 전단력을 이용한다. 계면장력의 계면 영역 최소화 경향 때문에 전단력이 계면장력보다 커지게 될 때, 모세관 불안정성에 의해 분산상 액체는 채널벽으로부터 분리되며 액적을 이룬다. 수동 액적 생성기는 두 유체의 유량을 조절하여 액적 크기를 조절할 수 있지만, 액적의 크기를 넓은 범위로 빠르고 유연하게 조작하는 데는 한계가 있다. 그에 비해, 능동 액적 생성기는 채널 외부에 추가적인 동작원을 활용하여 다양한 크기의 액적을 생산하는 것이 가능하다.
기존에는 채널 조정 장치를 만들기 위해 소프트 리소그래피를 사용하였고, 그로 인해 본질적인 구조적 제약이 발생하여 액적의 제어가 제한되었다. 일반적으로 미세유체 장치는 소프트 리소그래피 공정을 통해 미리 형성된 2개 이상의 2D 레이어를 적층하여 제작되므로, 최종 장치는 적층 방향에 대해 2.5 차원의 제한적인 형상을 가질 수밖에 없다. 게다가 이러한 방식은 제조공정이 복잡하며, 높은 압력에서 레이어 사이의 접합면에서 유체 누설의 위험이 존재한다. 반면, 3D 프린팅된 주형에 탄성체를 주조하는 비교적 단순한 프로세스에 의해 제작된 미세유체 칩은 층간의 접합면이 존재하지 않으면서 동시에 모든 방향에서 제한받지 않는 형상을 갖는 3차원 구조를 가지고 있다. 또한, 3D 프린팅 기술은 포토리소그래피를 이용한 공정에 비해 신속한 프로토타이핑을 가능하게 한다.
완전한 3D 구조를 달성함으로써 다음과 같은 추가적인 장점을 가진다. 먼저, 소프트 리소그래피를 사용하여 제작된 2.5D 액적 생성기는 채널 모서리에 유체 흐름의 정체가 있는 직사각형 단면 채널로 구성되지만, 주로 원형 단면 채널로 구성된 3D 액적 생성기에서 유체는 채널의 단면 방향에서 균일한 속도 프로파일을 가진다. 또한, 2.5D 직사각형 채널에서 분산상 유체는 직사각형의 상대적으로 짧은 변의 벽 표면에 부착될 수 있는 반면, 3D 원형 채널에서 분산상 유체는 연속상 유체에 의해 균일하게 둘러싸이기 때문에 분산상 유체의 습윤 가능성이 줄어든다. 유체의 습윤은 액적 분열(breakup)을 방해할 뿐만 아니라 생물학적 응용에서 세포의 원하지 않는 흡착이나 손상을 유발한다.
다양한 실시예들은, 3차원 공압 액추에이터가 통합된 오리피스 가변형 마이크로 액적 생성기 및 그의 제조 방법을 제공한다.
다양한 실시예들에 따른 액적 생성기는, 생성되는 액적의 크기를 결정하는 가변형 오리피스, 및 상기 가변형 오리피스를 둘러싸고, 공압에 의해 변형되어, 상기 가변형 오리피스의 크기를 조절하는 3차원 공압 액추에이터를 포함한다.
다양한 실시예들에 따른 액적 생성기의 제조 방법은, 주형을 준비하는 단계, 상기 주형에 탄성체 재료를 적용하여, 액적 생성기를 형성하는 단계; 및 화학적 방식으로 상기 액적 생성기로부터 상기 주형을 제거하여, 상기 액적 생성기를 획득하는 단계를 포함한다.
다양한 실시예들에 따르면, 단 하나의 소자로 액적의 크기를 필요에 따라 넓은 범위에서 조절하기 위해, 유체 집속(flow-focusing) 접합부 주위에 삼각형 단면의 3차원 공압 액추에이터를 내장하여 가변형 오리피스의 크기를 조절할 수 있는 액적 생성기가 실현되었으며, 다양한 크기의 세포 분석 및 캡슐화, 기능성 마이크로 입자 생산 등에 사용될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 가변형 오리피스를 감싸는 3차원 공압 액추에이터는 공압에 의한 팽창으로 막의 기하학적 변형을 일으켜 가변형 오리피스의 크기, 결국 생성되는 액적의 크기를 제어한다. 가변형 오리피스와 3차원 공압 액추에이터는 여러 기하학적인 구조 중에서 같은 공압 하에서 수력 직경이 가장 크게 줄어드는 삼각형 단면으로 설계되었다. 결과적으로 가변형 오리피스를 갖는 액적 생성기는 유량의 변화 없이도 액적 크기를 줄일 수 있으며, 기존의 고정형 오리피스 구조에 비해 259.3%의 더 넓은 범위에서 액적 조절이 가능한 것이 실험적으로 입증되었다.
다양한 실시예들에 따르면, 3D 미세 액적 생성기는 3D 프린팅 용해성 주형 기법에 의해 제작되어 PDMS의 단일 몸체 내에 기존의 마이크로 공정 기술로 달성할 수 없었던 완전한 3D 구조를 가지게 될 뿐만 아니라, 누설의 원인이 되는 접합면이 없는 구조까지 실현되었다.
도 1은 일반적인 고정형 오리피스를 갖는 액적 생성기를 도시하는 도면이다.
도 2는 다양한 실시예들에 따른 3차원 공압 액추에이터가 통합된 가변형 오리피스를 갖는 액적 생성기를 도시하는 도면이다.
도 3은 다양한 실시예들에 따른 3차원 공압 액추에이터가 통합된 액적 생성기(100)에서 가변형 오리피스를 확대하여 도시하는 도면이다.
도 4는 다양한 실시예들에 따른 3차원 공압 액추에이터가 통합된 액적 생성기에서 가변형 오리피스 및 유체 채널의 단면 모양 변화를 설명하기 위한 도면들이다.
도 5는 다양한 실시예들에 따른 3차원 공압 액추에이터가 통합된 액적 생성기의 제조 방법을 도시하는 도면들이다.
도 6은 다양한 실시예들에 따른 3차원 공압 액추에이터가 통합된 액적 생성기의 제조 결과를 나타내는 도면들이다.
도 7은 다양한 실시예들에 따른 3차원 공압 액추에이터가 통합된 액적 생성기에 대한 실험 구성을 도시하는 도면들이다.
도 8은 다양한 실시예들에 따른 3차원 공압 액추에이터가 통합된 액적 생성기에 대한 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 9 및 도 10은 다양한 실시예들에 따른 3차원 공압 액추에이터가 통합된 액적 생성기의 성능을 설명하기 위한 도면들이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 일반적인 고정형 오리피스(11)를 갖는 액적 생성기(10)를 도시하는 도면이다. 도 2는 다양한 실시예들에 따른 3차원 공압 액추에이터(120)가 통합된 가변형 오리피스(110)를 갖는 액적 생성기(100)를 도시하는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 액적 생성기(10, 100)는 연속상 유체가 흐르는 2개의 채널들과 분산상 유체가 흐르는 1개의 채널이 접합부를 이루고, 좁은 오리피스(11, 110)를 통과하며 액적이 형성되는 유체 집속 구조를 이루고 있다. 유체 집속 구조에서 생성되는 액적의 직경 D d 는 하기 [수학식 1]과 같이 다수의 변수들에 비례한다.
Figure pat00001
여기서 γ는 계면 장력, d h 는 오리피스(11, 110)의 수력 직경, 그리고 η c 와 u c 는 각각 연속상의 점도와 속도이다.
기존의 액적 생성기(10)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 설계 단계에서 이미 고정된 크기의 오리피스(11)를 갖기 때문에 발생하는 액적의 크기는 주입하는 유체들의 속도에 주로 의존하며, 따라서 변화의 양은 제한적이다. 다시 말해, 다양한 크기의 액적을 얻기 위해서는, 다른 지름의 오리피스(11)들을 각각 갖는 다수의 액적 생성기(10)들이 필요하다.
반면, 다양한 실시예들에 따른 액적 생성기(100)에서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 가변형 오리피스(110) 및 하류 채널을 따라 가변형 오리피스(110)의 중앙을 둘러싸는 3차원 공압 액추에이터(120)를 포함한다. 액적 생성기(100)가 3차원 공압 액추에이터(120)에 의해 조절되는 가변형 오리피스(110)를 가짐으로써 액적의 크기는 유체의 속도뿐만 아니라, 변하는 수력 직경에 따라 큰 변화폭으로 조절이 가능해진다. 따라서 단일 소자만으로 다수의 고정형 오리피스(11)들을 각각 갖는 액적 생성기(10)들의 기능을 포괄하게 된다.
다양한 실시예들에 따르면, 액적 생성기(100)는 가변형 오리피스(110), 3차원 공압 액추에이터(120), 접합부(130), 및 유체 채널(140)을 포함한다. 가변형 오리피스(110)는 액적의 크기를 결정한다. 즉, 가변형 오리피스(110)의 크기에 따라, 액적의 크기가 결정된다. 3차원 공압 액추에이터(120)는 가변형 오리피스(110)를 둘러싸고, 공압에 의해 변형되어, 가변형 오리피스(110)의 크기를 조절한다. 구체적으로, 3차원 공압 액추에이터(120)는 막을 사이에 두고 가변형 오리피스(110)를 둘러싸고, 공압에 의해 팽창되면서, 가변형 오리피스(110)의 직경을 수축시킨다. 이를 통해, 가변형 오리피스(110)의 크기가 감소되어, 액적의 크기가 감소된다. 접합부(130)는 가변형 오리피스(110)의 전단부에서 가변형 오리피스(110)와 연통되고, 액적을 생성하기 위해 이용되는 유체들이 만난다. 구체적으로, 접합부(130)에서, 연속상 유체가 흐르는 2개의 채널들과 분산상 유체가 흐르는 1개의 채널이 만난다. 유체 채널(140)은 가변형 오리피스(110)와 연통되고, 유체들의 균일한 흐름을 형성한다. 이 때, 가변형 오리피스(110)와 접합부(130)가 유체 채널(140)에 결합된다.
도 3은 다양한 실시예들에 따른 3차원 공압 액추에이터(120)가 통합된 액적 생성기(100)에서 가변형 오리피스(110)를 확대하여 도시하는 도면이다. 도 3에서, 3차원 공압 액추에이터(120)와 가변형 오리피스(110)의 내부는 비어 있으며, 3차원 공압 액추에이터(120)와 가변형 오리피스(110) 사이의 영역(흰색)은 막으로서, PDMS로 채워져 있는 것으로 간주된다.
도 3을 참조하면, 액적의 크기가 조절되는 가변 오리피스(110)의 메커니즘이 도시되어 있다. 이 때, 3차원 공압 액추에이터(120)에 가해지는 공압에 따라, 가변 오리피스(110)의 직경이 변화된다. 구체적으로, 외부 펌프를 이용해 공압을 인가하여 3차원 공압 액추에이터(120)를 팽창시키고, 이로 인해 내부 막으로 닿아 있는 가변형 오리피스(110)의 직경은 수축한다. 3D 프린팅 용해성 주형 기법을 적용하여 완전한 3차원의 마이크로 구조물 제작이 가능하기 때문에, 기존의 제작 기법으로 달성할 수 없었던, 삼각형 단면의 가변형 오리피스(110)와 모든 방향에서 가변형 오리피스(110)를 둘러싸는 3차원 공압 액추에이터(120)의 실현이 가능하였다. 가변형 오리피스(110) 부분 이외에, 유체 채널(140)에 흐르는 유체의 균일한 흐름을 형성하여 액적의 크기 조절에 유리하도록, 유체 채널(140)은 원형 단면으로 설계되었다. 추가적으로 가변형 오리피스(110)의 접합부(130)에서 분산상 흐름의 끝부분이 돌출된 원형 단면의 팁 구조로 설계되었으며, 이 팁은 접합부(130)에서 연속상 채널의 면적을 줄임으로써 순간적으로 연속상의 전단력을 높여 액적의 안정적인 형성에 기여하게 된다.
도 4는 다양한 실시예들에 따른 3차원 공압 액추에이터(120)가 통합된 액적 생성기(100)에서 가변형 오리피스(110) 및 유체 채널(140)의 단면 모양 변화를 설명하기 위한 도면들이다. 도 4에서, (a)와 (b)는 가변형 오리피스(110)의 단면 모양 변화를 나타내고, (c)는 유체 채널(140)의 단면 모양 변화를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 3차원 공압 액추에이터(120)에 의한 가변형 오리피스(110)의 수력 직경 변화를 가장 크게 갖는 단면 모양은 다중물리 해석 프로그램인 COMSOL Multiphysics의 고체 역학(solid mechanics) 모듈을 이용하여 분석되었다. 수력 직경은 비원형 채널을 동등한 직경의 원형 채널로 변환하는 데 사용하는 파라미터로써 d h =4A C /P 표현되며, 여기서 채널 내부 단면적 넓이는 A C , 채널의 둘레는 P이다.
도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 공정에 사용하는 3D 프린터의 성능을 고려하여, 지름이 600 μm인 원형 채널과 수력 직경이 같은 삼각형, 사각형, 오각형의 가변형 오리피스(110)의 변형이 주변의 3차원 공압 액추에이터(120)에 인가하는 압력에 따라 비교되었다. 지름이 ω인 원형의 유압 직경은 ω인 반면, 한 변의 길이가 ω인 삼각형, 사각형, 오각형의 유압 직경은 각각 ω/√3, ω, ω/tan36° 이다. 가변형 오리피스(110)와 3차원 공압 액추에이터(120) 사이의 막은 출력 상태를 고려해 250 μm의 두께를 가지며, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 3차원 공압 액추에이터(120)의 형상은 가변형 오리피스(110)의 단면 형상을 따른다. 3차원 공압 액추에이터(120)의 전체 부피는 동일하게 설계되며, 동일한 압력이 적용되어 팽창한다. 액적 생성기(100)의 몸체를 구성하는 탄성 폴리머의 내구성을 고려하여 최대 120 kPa까지 인가되는 공압에 의한 3차원 공압 액추에이터(120)의 팽창은 막의 바깥쪽을 고르게 압축한다. 이는 가변형 오리피스(110)의 내부 방향으로 기하학적인 변형을 일으켜 수력 직경의 감소로 표현된다. 단면의 형태와 무관하게, 같은 수력 직경을 가지고 있던 각 가변형 오리피스(110)는 공압을 크게 할수록, 삼각형, 사각형, 오각형, 그리고 원형의 순서대로 크게 변하는 것이 확인된다. 가변형 오리피스(110) 주위에 균일하게 분포된 외부 하중으로 인해, 원형의 가변형 오리피스(110)의 변형에 큰 변화가 없다. 반면, 다각형의 가변형 오리피스(110)에서는 꼭짓점이 지지대 역할을 하기 때문에 거의 움직이지 않지만, 변형이 다각형의 각 변의 중심에 집중되어, 수력 직경이 원형의 가변형 오리피스(110)에 비해 더 쉽게 변할 수 있다. 특히, 삼각형의 가변형 오리피스(110)는 120 kPa의 압력이 3차원 공압 액추에이터(120)에 인가되었을 때 수력 직경이 원래의 크기의 69.2%인 415.1 μm로 여러 구조들 중에 가장 많이 줄어든다. 다만, 다각형과 원형의 가변형 오리피스(110)의 수력 직경 차이는 삼각형, 사각형, 오각형의 순서로 감소하여, 오각형의 가변형 오리피스(110)와 원형의 가변형 오리피스(110)의 수력 직경 차이는 1.7% 이내로 미미하였다. 따라서, 오각형을 이상의 다각형에 대한 분석은 불필요하다.
또한, 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이, 유체 채널(140)의 단면 모양의 변화에 따른 유체 흐름에 대한 수치 해석이 수행되었다. 설계된 액적 생성기(100)의 원형의 유체 채널(140)은 직경이 1000 μm이고 삼각형의 가변형 오리피스(110)는 유압 직경이 600 μm이다. 미끄럼 방지 조건이 적용된 유체 채널(140)에 물이 120 μL/min로 주입되었을 때, 유체의 속도가 묘사되었다. 유체가 원형의 유체 채널(140)에서 삼각형의 가변형 오리피스(110)로 흐르면서 수력 직경의 감소로 인해 중앙에서 유속이 1.62배로 빨라졌다. 더욱이, 가변형 오리피스(110)에서 삼각형의 튀어나온 부분은 삼각형 면적의 3.85%로 작기 때문에 유체의 정체에 유의미한 영향을 주지 않는 것으로 간주된다.
도 5는 다양한 실시예들에 따른 3차원 공압 액추에이터(120)가 통합된 액적 생성기(100)의 제조 방법을 도시하는 도면들이다. 도 6은 다양한 실시예들에 따른 3차원 공압 액추에이터(120)가 통합된 액적 생성기(100)의 제조 결과를 나타내는 도면들이다.
도 5를 참조하면, 액적 생성기(100)는 희생성 주형을 3D 프린터로 출력한 다음, 탄성 폴리머를 캐스팅하는 3D 프린팅 용해성 주형 기법을 이용하여 제작된다. 따라서 미세 가공 기술 및 플라즈마 본딩을 사용해 제작되는 전형적인 미세유체 칩과 달리 3차원의 입체 형태를 접합면 없는 하나의 몸체로 제작 가능하게 한다.
먼저, 210 단계에서, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 주형(213)과 지지체(205)로 이루어지는 구조체(201)가 형성된다. 예를 들면, 주형(213)은 Autodesk inventor(Autodesk Inc., USA)를 사용하여 설계된 후, 5000 DPI(5.08 μm)의 해상도를 갖는 3D 프린터(3Z STUDIO, Solidscape)로 출력된다. 여기서, 출력물, 즉 구조체(201)는 빌드 물질(build material)로 형성되는 주형(213), 및 주형(213)의 떠 있는 부분을 지지하기 위한 서포트 물질(support material)로 형성되는 지지체(205)로이루어진다.
이어서, 220 단계에서, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 구조체(201)에서 지지체(205), 즉 서포트 물질이 제거되어, 주형(203)이 획득된다. 예를 들면, 구조체(201)는 핫 플레이트(55 °C, 100 rpm)를 사용하여 유동하는 상태의 디왁싱 용액(dewaxing solvent, BIOACT™ VSO, Petroferm)에 담가 서포트 물질만 선택적으로 제거한다.
계속해서, 230 단계에서, 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이, 주형(203)에 탄성체 재료를 적용하여, 액적 생성기(100)가 형성된다. 여기서, 탄성체 재료는 생체적합성 실리콘 기반 탄성체 재료이며, 예컨대 PDMS(Polydimethylsiloxane, Sylgard 184, Dow Corning)를 포함한다. 예를 들면, 탄성체 재료인 베이스와 경화제를 10:1의 질량 비로 섞은 혼합물을 진공 챔버에서 기포를 제거해 주형(203)에 부어준 다음, 내부의 기포를 한 번 더 제거한 후 75 °C 오븐에서 6시간 동안 경화 과정을 거친다.
마지막으로, 240 단계에서, 도 5의 (d)에 도시된 바와 같이, 화학적 방식으로 액적 생성기(100)로부터 주형(203)을 제거하여, 액적 생성기(100)가 획득된다. 예를 들면, 3시간 동안 아세톤에 담가 액적 생성기(100) 안쪽의 주형(203), 즉 빌드 물질을 용해시키는 방법으로 제거한다. 이 후, 액적 생성기(100)는 탈이온수로 세척되고 건조된다.
이를 통해, 도 6의 (a)와 같이, 출력 후 디왁싱(dewaxing)이 완료되어 빌드 물질만 남아있는 주형(203)이 생성되며, 이 후, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 주형(203)을 선택적으로 제거하여, 액적 생성기(100)가 완성된다. 3D 프린터의 성능을 고려하여, 연속상 유체와 분산상 유체의 채널 직경은 각각 400 μm와 200 μm로 설계된다. 입구에서 흘러 들어오는 유량을 고려하여 출구 근처의 유동 저항(flow resistance)을 줄이기 위해 배출구 채널의 직경은 1000 μm의 넓은 직경으로 설계된다. 도 6의 (c)는 분산상 흐름에 대한 연속상의 전단력을 높이기 위해 설계된 접합부(130)와 3차원 공압 액추에이터(120)로 구성되어 있는 제작된 액적 생성기(100)의 가변형 오리피스(110) 부위의 확대 사진을 보여준다. 제작된 모습을 선명하게 확인하기 위해 유체 채널(140)과 3차원 공압 액추에이터(120)에 빨간색 염료와 파란색 염료가 각각 주입되었다.
가변형 오리피스(110)의 유체 채널(140)에 대한 수직 방향 단면을 확대하여 보여주는 도 6의 (d)에 의해, 막을 사이에 두고 제작된 가변형 오리피스(110)와 3차원 공압 액추에이터(120)의 구조가 확인된다. 칩, 즉 액적 생성기(100)의 모든 요소들은 한 번의 주조 과정에 의해 접합면 없는 하나의 몸체로 제작된다는 점은 주지되어야 한다. 삼각형의 가변형 오리피스(110)의 위 꼭지점은 한 층이 최소 2개의 선으로 구성된다는 3D 프린터 자체의 프린팅 메커니즘에 의해 다소 평평하게 형성된다. 그러나, COMSOL을 이용한 분석에 따르면, 실제 치수를 반영한 사다리꼴과 삼각형의 가변형 오리피스(110) 사이의 수력 직경은 120 kPa까지 공압을 인가하였을 때에도 1.0%의 무시할 수 있는 차이만 보였다. 한편, 가해진 공압에 따라 수력 직경에 영향을 주는, 가변형 오리피스(110)와 3차원 공압 액추에이터(120) 사이의 막의 두께는 256.1 μm로 측정되어 설계보다 2.4%의 비교적 작은 오차로 제작되었다. 유체 채널(140)의 길이 방향에서 관찰된 도 6의 (e) 와 (f)에서 보듯이, 3차원 공압 액추에이터(120)의 팽창은 가변형 오리피스(110)의 수력 직경뿐만 아니라 돌출 팁과 가변형 오리피스(110) 사이의 간격도 감소시켜 액적의 크기를 더욱 작게 만든다.
도 7은 다양한 실시예들에 따른 3차원 공압 액추에이터(120)가 통합된 액적 생성기(100)에 대한 실험 구성을 도시하는 도면들이다. 도 8은 다양한 실시예들에 따른 3차원 공압 액추에이터(120)가 통합된 액적 생성기(100)에 대한 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, PDMS의 소수성 특성을 고려하여 연속상 유체와 분산상 유체는, 점도 25 cSt의 미네랄 오일과 탈이온수가 각각 사용되었다. 연속상과 분산상 유체는 주사기 펌프를 이용해 각각 100-500 μL/min, 20 μL/min의 유량으로 공급되어, 접합부에서 만나면서 액적을 형성한다. 형성된 액적은 광학 현미경(HRM-300, HUVITZ)으로 모니터링되고, 출구를 나와 저장소에 보관된다. 또한, 3차원 공압 액추에이터에 인가되는 공압을 조절하도록 압력 조절기가 구성되었다. 압력 조절기는 리니어 액추에이터 (L16-R, Actuonix Motion Devices), 주사기, 마이크로컨트롤러(MCU, Arduino UNO, Arduino), 그리고 압력 센서(33A-015G-2210, SHIBA KOREA)로 구성된다. 압력 센서는 3차원 공압 액추에이터(120)에 공급되는 압력을 감지하고 마이크로컨트롤러의 제어 신호를 통해 리니어 액추에이터에 연결된 주사기가 움직여 압력을 변화시킨다. 3차원 공압 액추에이터(100)에 공급되는 압력은 가변형 오리피스(110)의 수력 직경을 제어하기위해 관찰되는 액적 크기에 따라 조절된다. 과도한 압력에 의해 액적 생성기(100)과 연결된 튜브 사이의 누설이 발생하지 않도록, 압력은 최대 120 kPa까지 인가된다.
이를 통해, 도 8에 도시된 바와 같이, 3차원 공압 액추에이터(120)에 의해 조절되는 가변형 오리피스(110)가 탑재된 액적 생성기(100)를 이용해 연속상 유체의 유량과 3차원 공압 액추에이터(120)에 인가하는 공압을 변화시켜 가며, 액적이 생성되었다. 분산상의 유량은 20 μL/min으로 고정되었다. 액적의 크기는 연속상 유체의 유량이 커질수록, 그리고 3차원 공압 액추에이터(120)의 압력이 커져서 가변형 오리피스(110)의 수력 직경이 감소할수록 작아졌다.
도 9 및 도 10은 다양한 실시예들에 따른 3차원 공압 액추에이터(120)가 통합된 액적 생성기(100)의 성능을 설명하기 위한 도면들이다.
도 9를 참조하면, 일반적인 고정형 오리피스(11)를 갖는 액적 생성기(10)들과 다양한 실시예들에 따른 가변형 오리피스(110)를 갖는 액적 생성기(100)들이 생성하는 액적들의 직경이 비교되었다. 연속상 유체의 유량(Q o )에 대한 분산상 유체의 유량(Q w )의 비율은 액적이 안정적으로 형성될 수 있도록 0.04부터 0.2까지로 설정하였다.
도 9의 (a)는 수력 직경을 400 μm부터 600 μm까지 100 μm 간격으로 증가시킨 3가지 크기의 고정형 오리피스(11)를 갖는 액적 생성기(100)들에 의해 생산된 액적 크기의 변화를 보여준다. 고정형 오리피스(11)의 직경이 600 μm인 액적 생성기(10)는 505.3-647.7 μm 범위의 액적이, 고정형 오리피스(11)의 직경이 가장 작은 400 μm인 액적 생성기(10)는 369.6-507.3 μm 범위의 액적이 관측되었다. 일반적인 액적 생성기(10)는 유체의 속도 비율 변화 이외의 추가적인 제어 요소가 없어 최대 72.9% 범위의 액적 크기 조정이 허용되었다.
도 9의 (b)에서 수력 직경이 600 μm인 삼각형의 가변형 오리피스(110)를 갖는 액적 생성기(100)는 가변형 오리피스(110)의 수축이 없을 때 513.5-700.8 μm 범위의 액적을 생성할 수 있는 반면, 120 kPa의 공압이 3차원 공압 액추에이터(120)에 인가되었을 때 더 작은 372.1-559.0 μm 범위의 액적을 생성할 수 있었다. 0 Pa에서 가변형 오리피스(110)를 갖는 액적 생성기(100)는 동일한 수력 직경의 고정형 오리피스(11)를 갖는 액적 생성기(10)가 생산할 수 있는 유사한 범위의 액적 크기를 가진다. 한편, 120 kPa의 압력에서 가변형 오리피스(110)의 수력 직경은 415.1 μm로 계산되었으나, 액적 크기는 0.04의 유량비에서 400 μm의 수력 직경을 갖는 고정형 오리피스(11)에 의해 생성된 액적과 유사했다. 왜냐하면, 도 6의 (e)와 (f)에서 보이듯이, 돌출 팁과 가변형 오리피스(110) 사이의 간격이 줄어들어 액적이 더 크게 성장하기 전에 유체 흐름과 분리되기 때문이다. 따라서, 인가된 압력이 커질수록 가변형 오리피스(110)의 수력 직경뿐만 아니라 간격이 좁아지는 것에 따라 추가적인 범위로 액적 직경이 조절된다. 또한, 3차원 공압 액추에이터(120)에 -60 kPa의 음압을 가함으로써 방울의 크기를 더욱 늘릴 수 있었다. 그 결과, 3차원 공압 액추에이터(120)를 갖춘 액적 생성기가 유속을 변경하지 않고도 액적 크기를 줄이고 259.3%의 넓은 범위로 조정할 수 있다는 것이 실험적으로 입증되었다.
도 10은 100 μL/min의 연속상 유량과 20 μL/min의 분산상 유량에서 삼각형의 3차원 공압 액추에이터(120)의 성능을 측정한 결과이다. 도 10의 (a)는 삼각형의 3차원 공압 액추에이터(120)에 0-120 kPa 범위의 압력을 인가하여 측정한 액적 크기와 액적의 생성 빈도이다. 인가된 압력에 따른 가변형 오리피스(110)의 크기 변화는 유속을 빠르게 증가시키기 때문에, 액적이 생성되는 빈도 또한 증가하여, 120 kPa에서 분당 평균 176개의 액적이 형성되었다. 도 10의 (b)는 인가된 압력이 120 kPa일 때, 액적 크기를 통계적으로 분석하여 액적의 균일성을 평가하였다. 액적은 545.5-576.4 μm의 범위에서 형성되었으며, 표준편차는 7.0 μm로 계산되었다. 따라서, 변동 계수(coefficient of variation)가 1.25%로 높은 균일성을 갖는 액적이 형성됨을 확인하였다. 또한, -60, 0 그리고 60 kPa의 가해진 압력에서 변동 계수는 각각 0.79, 0.35 그리고 0.90%로 측정되었으며, 변동 계수가 낮은 액적이 형성된 이유는 압력 조절기가 3차원 공압 액추에이터(120)에 가해지는 압력을 감지하여 피드백을 제공했기 때문이다.
요컨대, 삼각형의 3차원 공압 액추에이터(120) 및 가변형 오리피스(110)는 3D 프린팅 기술을 기반으로 화학적 주형 제거 방식이 사용되어 삼각형, 원형을 포함하는 자유로운 형태의 단면을 갖는 유체 채널(140), 효과적인 액적 형성을 위한 부가적 팁을 포함하는 접합부(130), 그리고 3차원 공압 액추에이터(120)에 의해 크기가 조절되는 오리피스(110)로 구성된다. 주입된 공기압에 의해 팽창된 3차원 공압 액추에이터(120)는 둘러싸고 있는 내부 막의 의도적인 변형을 유발하고, 따라서 가변형 오리피스(110)는 공기압에 의해 직경이 조절된다. 변형된 가변형 오리피스(110)의 단면적과 둘레를 평가하기 위해 수력 직경을 도입하여 여러 가지 모양의 단면을 가진 3차원 공압 액추에이터(120)와 가변형 오리피스(110)의 성능을 비교하였고, 그 결과 동일 압력 하에서 가장 큰 수력 직경 변화를 보이는 삼각형 단면의 3차원 공압 액추에이터(120) 및 가변형 오리피스(110)가 설계 및 실현될 수 있다.
그리고, 가변형 오리피스(110)를 가진 액적 생성기(100)는 가변형 오리피스(110)에 인가하는 압력이 증가할수록 흐르는 유체에 대한 전단력을 크게 하므로, 같은 유속 비율에서 액적의 직경의 감소와 함께 액적 생성률은 증가한다. 3차원 공압 액추에이터(120)에 음압(-60 kPa)에서부터 양압(120 kPa)까지 인가하여 액적의 크기를 변화시킴으로써 고정형 오리피스(11)를 갖는 다수의 액적 생성기(10)들을 단 한 개의 가변형 오리피스(110)가 장착된 액적 생성기(100)로 효과적으로 대체할 수 있음을 실험적으로 검증하였다.
미세유체 시스템에서 액적 생성기(100)가 활용되는 PCR 장치 제작에 활용되어 DNA 복제에 활용될 것으로 기대된다. 약물 방출은 미세 입자의 크기에 비례하며, 입자의 크기를 다양화할 수 있는 기술은 약물 전달을 위한 미세유체 고분자 캡슐의 합성에 활용될 것으로 기대된다. 생체 적합 소재로 구성된 미세유체 장치 개발에 직접 적용되어 생화학 분야에서 분자진단(Molecular Diagnostics), 면역진단(Immunoassay Diagnostics)를 위한 장치로써 활용될 것으로 기대된다.
다양한 실시예들에 따른 액적 생성기(100)는, 생성되는 액적의 크기를 결정하는 가변형 오리피스(110), 및 가변형 오리피스(110)를 둘러싸고, 공압에 의해 변형되어, 가변형 오리피스(110)의 크기를 조절하는 3차원 공압 액추에이터(120)를 포함한다.
다양한 실시예들에 따르면, 3차원 공압 액추에이터(120)는, 막을 사이에 두고 가변형 오리피스(110)를 둘러싸고, 공압에 의해 팽창되면서, 막을 통해, 가변형 오리피스(110)의 직경을 수축시키고, 이로써, 액적의 크기가 감소된다.
다양한 실시예들에 따르면, 3차원 공압 액추에이터(120)의 형상은, 가변형 오리피스(110)의 단면 형상에 상응한다.
다양한 실시예들에 따르면, 가변형 오리피스(110)의 단면 형상은, 삼각형, 사각형, 또는 오각형 중 하나이다.
다양한 실시예들에 따르면, 액적 생성기(100)는, 가변형 오리피스(110)의 전단부에서 가변형 오리피스(110)와 연통되고, 액적을 생성하기 위해 이용되는 유체들이 만나는 접합부(130)를 더 포함한다.
다양한 실시예들에 따르면, 3차원 공압 액추에이터(120)가 팽창될 때, 접합부(130)와 가변형 오리피스(110)의 간격이 감소되고, 이로써, 액적의 크기가 추가로 감소된다.
다양한 실시예들에 따르면, 액적 생성기(100)는, 가변형 오리피스(110)와 연통되고, 유체들의 균일한 흐름을 형성하는 유체 채널(140)을 더 포함한다.
다양한 실시예들에 따르면, 유체 채널(140)의 단면 형상은, 원형이다.
다양한 실시예들에 따른 액적 생성기(100)의 제조 방법은, 주형(203)을 준비하는 단계(210 단계, 220 단계), 주형(203)에 탄성체 재료를 적용하여, 액적 생성기(100)를 형성하는 단계(230 단계), 및 화학적 방식으로 액적 생성기(100)로부터 주형(203)을 제거하여, 액적 생성기(100)를 획득하는 단계(240 단계)를 포함한다.
다양한 실시예들에 따르면, 주형(203)을 준비하는 단계(210 단계, 220 단계)는, 빌드 물질로 형성되는 주형(203) 및 서포트 물질로 형성되는 지지체(205)로 이루어지는 구조체(201)를 형성하는 단계(210 단계), 및 구조체(201)에서 서포트 물질을 제거하여, 주형(203)을 획득하는 단계(220 단계)를 포함한다.
다양한 실시예들에 따르면, 구조체(201)를 형성하는 단계(210 단계)는, 3D 프린터를 이용하여, 구조체(201)를 출력하는 단계를 포함한다.
다양한 실시예들에 따르면, 액적 생성기(100)를 획득하는 단계(240 단계)는, 주형(203)의 빌드 물질을 용해시켜, 주형(203)을 제거하는 단계를 포함한다.
다양한 실시예들에 따르면, 탄성체 재료는, 생체적합성 실리콘 기반 탄성체이다.
다양한 실시예들에 따르면, 액적 생성기(100)를 형성하는 단계(230 단계)는, 주형(203)에 탄성체 재료와 경화제의 혼합물을 적용하는 단계, 및 주형(203)에서 혼합물을 경화시켜, 액적 생성기(100)를 형성하는 단계를 포함한다.
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다양한 실시예들에 따르면, 기술한 구성 요소들의 각각의 구성 요소는 단수 또는 복수의 개체를 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 전술한 해당 구성 요소들 중 하나 이상의 구성 요소들 또는 단계들이 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 구성 요소들 또는 단계들이 추가될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 복수의 구성 요소들은 하나의 구성 요소로 통합될 수 있다. 이런 경우, 통합된 구성 요소는 복수의 구성 요소들 각각의 구성 요소의 하나 이상의 기능들을 통합 이전에 복수의 구성 요소들 중 해당 구성 요소에 의해 수행되는 것과 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 단계들은 순차적으로, 병렬적으로, 반복적으로, 또는 휴리스틱하게 실행되거나, 단계들 중 하나 이상이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 단계들이 추가될 수 있다.

Claims (14)

  1. 액적 생성기에 있어서,
    생성되는 액적의 크기를 결정하는 가변형 오리피스; 및
    상기 가변형 오리피스를 둘러싸고, 공압에 의해 변형되어, 상기 가변형 오리피스의 크기를 조절하는 3차원 공압 액추에이터
    를 포함하는,
    액적 생성기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 3차원 공압 액추에이터는,
    막을 사이에 두고 상기 가변형 오리피스를 둘러싸고, 상기 공압에 의해 팽창되면서, 상기 막을 통해, 상기 가변형 오리피스의 직경을 수축시키고, 이로써, 상기 액적의 크기가 감소되는,
    액적 생성기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 3차원 공압 액추에이터의 형상은,
    상기 가변형 오리피스의 단면 형상에 상응하는,
    액적 생성기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변형 오리피스의 단면 형상은,
    삼각형, 사각형, 또는 오각형 중 하나인,
    액적 생성기.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 가변형 오리피스의 전단부에서 상기 가변형 오리피스와 연통되고, 액적을 생성하기 위해 이용되는 유체들이 만나는 접합부
    를 더 포함하는,
    액적 생성기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 3차원 공압 액추에이터가 팽창될 때, 상기 접합부와 상기 가변형 오리피스의 간격이 감소되고, 이로써, 상기 액적의 크기가 추가로 감소되는,
    액적 생성기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변형 오리피스와 연통되고, 상기 유체들의 균일한 흐름을 형성하는 유체 채널
    을 더 포함하는,
    액적 생성기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 유체 채널의 단면 형상은,
    원형인,
    액적 생성기.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 상기 액적 생성기의 제조 방법에 있어서,
    주형을 준비하는 단계;
    상기 주형에 탄성체 재료를 적용하여, 상기 액적 생성기를 형성하는 단계; 및
    화학적 방식으로 상기 액적 생성기로부터 상기 주형을 제거하여, 상기 액적 생성기를 획득하는 단계
    를 포함하는,
    액적 생성기의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 주형을 준비하는 단계는,
    빌드 물질로 형성되는 주형 및 서포트 물질로 형성되는 지지체로 이루어지는 구조체를 형성하는 단계;
    상기 구조체에서 상기 서포트 물질을 제거하여, 상기 주형을 획득하는 단계
    를 포함하는,
    액적 생성기의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 구조체를 형성하는 단계는,
    3D 프린터를 이용하여, 상기 구조체를 출력하는 단계
    를 포함하는,
    액적 생성기의 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 액적 생성기를 획득하는 단계는,
    상기 주형의 상기 빌드 물질을 용해시켜, 상기 주형을 제거하는 단계
    를 포함하는,
    액적 생성기의 제조 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 탄성체 재료는,
    생체적합성 실리콘 기반 탄성체인,
    액적 생성기의 제조 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 액적 생성기를 형성하는 단계는,
    상기 주형에 상기 탄성체 재료와 경화제의 혼합물을 적용하는 단계; 및
    상기 주형에서 상기 혼합물을 경화시켜, 상기 액적 생성기를 형성하는 단계
    를 포함하는,
    액적 생성기의 제조 방법.
KR1020210135965A 2021-08-31 2021-10-13 3차원 공압 액추에이터가 통합된 오리피스 가변형 마이크로 액적 생성기 및 그의 제조 방법 KR20230032806A (ko)

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