WO2024014767A1 - 전도성 폴리머를 이용한 액적 액추에이터 및 그것의 전극 구조 - Google Patents
전도성 폴리머를 이용한 액적 액추에이터 및 그것의 전극 구조 Download PDFInfo
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Images
Classifications
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
- B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/416—Systems
- G01N27/447—Systems using electrophoresis
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
Definitions
- the present invention relates to a droplet actuator using electrowetting and its electrode structure. More specifically, a droplet actuator that simplifies the production process by forming electrodes by using conductive polymers through injection molding, 3D printing, dispensing, laser patterning, or screen printing, and the same. It is about the electrode structure of .
- Electrowetting refers to a phenomenon in which the surface tension of a fluid changes due to an electric field applied to the fluid.
- the contact angle between the solid and liquid due to the potential difference may vary depending on the applied electric signal.
- a fluid whose surface tension has been changed by electrowetting may move on an electrode according to an applied electric signal.
- the technical problem to be solved through some embodiments of the present invention is to provide a droplet actuator and its electrode structure with a structure that can simplify the production process.
- Another technical problem to be solved through some embodiments of the present invention is to provide a droplet actuator and its electrode structure with a structure that can reduce production costs.
- Another technical problem to be solved through some embodiments of the present invention is to provide a droplet actuator and its electrode structure that can be used as a disposable cartridge.
- a droplet actuator includes a base plate made of an insulator, and at least a base plate formed through the base plate and moving fluid located on the surface based on an applied voltage. It includes one electrode, and the electrode may be formed by injecting a conductive polymer into the empty space of the base plate using an injection gate.
- the conductive polymer may include a compound of polymer and metal.
- the polymer may include Siloxane, Resin, PLA, ABS, Nylon, PETG, TPU, ASA, PEI, or Epoxy.
- the metal may include gold (Au), silver (Ag), or copper (Cu).
- the conductive polymer may include carbon, carbon nanotubes (CNTs), carbon fiber, graphite, or graphene.
- the base plate may be formed by injecting the insulator into a space of an injection gate that is different from the injection gate.
- the base plate may be formed by press injection or flat drilling of the insulator.
- the base plate may be formed by 3D printing using the polymer.
- the upper width of the electrode is larger than the central width of the electrode by a first reference size
- the lower width of the electrode is larger than the central width of the electrode by a second reference size
- the first The standard size may be larger than the second standard size
- the width of the electrode may be tapered from the top to the middle of the electrode, and may be tapered from the bottom to the middle of the electrode.
- FIG. 1 is an exemplary diagram of a droplet actuator according to one embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is an exemplary view of the upper part of the electrode plate described with reference to FIG. 1 .
- FIG. 3 is an exemplary view of the lower part of the electrode plate described with reference to FIG. 1 .
- FIG. 4 is an exemplary cross-sectional view of the electrode plate described with reference to FIG. 1 .
- FIG. 5 is an exemplary diagram for explaining the housing and electrode plate described with reference to FIG. 1 in more detail.
- FIG. 6 is an exemplary diagram for explaining in more detail the structure of the electrode described with reference to FIGS. 2 to 4.
- FIG. 7 is an exemplary diagram for explaining in more detail the structure of the base plate described with reference to FIGS. 2 to 4 .
- FIG. 8 is another exemplary view of the upper part of the electrode plate described with reference to FIG. 1 .
- Figure 9 is a diagram illustrating a reservoir structure according to an embodiment of the present invention.
- FIGS 10 to 12 are drawings to explain in more detail the reservoir structure shown in Figure 9.
- Figure 13 is a diagram showing an electrode structure that facilitates optical observation of droplets according to an embodiment of the present invention.
- FIGs 14 to 18 are diagrams to explain in more detail the electrode structure shown in Figure 13.
- Figure 19 is an exploded perspective view showing an exemplary form of a droplet actuator with a parallel electrode structure, according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 20 is a cross-sectional view for explaining the detailed structure of the droplet actuator shown in FIG. 19 and the electrowetting operation thereof.
- Figure 21 is an exploded perspective view showing an exemplary form of a droplet actuator with a temperature control unit, according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 22 is a cross-sectional view for explaining the detailed structure of the droplet actuator shown in FIG. 21 and the temperature control method thereof.
- Figures 23 to 25 are diagrams for explaining a liquid droplet actuator with a cleaning function using magnetic force and a cleaning method using the same.
- Figure 26 is a diagram illustrating the configuration of a signal reader that reads the results of testing a sample of the droplet actuator.
- FIG. 27 is a diagram showing an exemplary configuration of the optical unit of FIG. 26.
- FIGS. 28 to 31 are drawings to further explain the configuration and function of the main board of FIG. 26.
- Figure 32 is a diagram showing a new layered structure of a droplet actuator as another embodiment of the present invention.
- Figure 33 is a diagram showing a droplet actuator with a vertical electrode structure according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 34 is a diagram showing a side view and a top view of the droplet actuator described in FIG. 33.
- FIG. 35 is a diagram showing a switch circuit of the droplet actuator described in FIG. 33.
- Figures 36 and 37 are diagrams for explaining the operation of the electrowetting electrode and the movement of droplets according to the operation of the switch circuit of Figure 35.
- Figures 38 and 39 illustrate example electrowetting electrode arrangements of the droplet actuator described in Figure 33.
- FIG. 40 is a diagram illustrating an exemplary stacked structure of the droplet actuator described in FIG. 33.
- Figures 41 to 45 are diagrams showing an embodiment of a droplet processing method for determining the presence and concentration of a target material in a droplet.
- Figures 46 to 49 are diagrams showing another embodiment of a droplet processing method for determining the presence and concentration of a target material in a droplet.
- 50 to 53 are diagrams showing another embodiment of a droplet processing method for determining the presence and concentration of a target material in a droplet.
- Figure 54 is a flowchart showing a droplet processing method using an electrowetting-based droplet actuator according to an embodiment of the present invention.
- first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, sequence, or order of the component is not limited by the term.
- a component is described as being “connected,” “coupled,” or “connected” to another component, that component may be directly connected or connected to that other component, but there is another component between each component. It will be understood that elements may be “connected,” “combined,” or “connected.”
- FIG. 1 is an exemplary diagram of a droplet actuator according to an embodiment of the present invention.
- Figure 1 shows a droplet actuator including an electrode plate 10, a housing 20, and a substrate 30.
- Figure 1 only shows a preferred embodiment for achieving the purpose of the present invention and can be adjusted as necessary. Some components may be added or deleted.
- a reader (not shown) implemented as a computing device may be further provided, and at this time, the reader may generate and control an electrowetting signal (i.e., electrical signal) to guide the fluid accommodated in the housing to the target electrode.
- an electrowetting signal i.e., electrical signal
- the components of the exemplary droplet actuator shown in FIG. 1 represent functionally distinct functional elements, and a plurality of components may be implemented in an integrated form in an actual physical environment.
- the components of the exemplary droplet actuator shown in FIG. 1 will be described in more detail.
- Housing 20 can accommodate fluid.
- the housing 20 may include a fluid receiving portion for receiving fluid.
- a sample containing DNA may be accommodated in the fluid receiving portion of the housing 20.
- the scope of the present invention is not limited to this example.
- the structure of the housing 20 may further include components other than the fluid receiving portion depending on the application for which the droplet actuator is used. That is, the housing 20 may be configured to accommodate fluid and provide additional functions in addition to forming the appearance of the droplet actuator, and it should be noted that any known technology of the droplet actuator may be referenced.
- the electrode plate 10 can induce polarization in the droplets distributed from the fluid contained in the housing 20 through an electrowetting signal to move them to the location of the target electrode.
- the electrode plate 10 may include at least one electrode for conducting an electrowetting signal.
- the electrode plate 10 may include a base plate and at least one electrode formed through the base plate.
- the base plate may be made of an insulator.
- electrowetting can be used to change the surface tension between the electrode and the droplet along the electrode formed by penetrating the electrically insulated base plate. Droplets can move between adjacent electrodes by using changes in the contact angle between the electrode and the droplet due to this change in surface tension.
- the structure of the electrode formed on the electrode plate 10 will be specified later through description in the specification.
- the substrate 30 can transmit an electrowetting signal to the electrode plate 10.
- the substrate 30 may be any one of a glass substrate, a silicon substrate, a printed circuit board (PCB), and a thin film transistor (TFT).
- PCB printed circuit board
- TFT thin film transistor
- the scope of the present invention is not limited to these examples, and any known technology having a structure capable of transmitting an electrowetting signal transmitted by a reader (not shown) to the electrode plate 10 can be applied to the present invention. there is.
- a reader (not shown) implemented as a computing device may be included in the droplet actuator, but in an environment where the droplet actuator is manufactured for one-time use and multiple droplet actuators are connected to the reader with a connector and used one time, Not including a reader as in 1 can reduce the manufacturing cost of the droplet actuator.
- the exemplary droplet actuator according to an embodiment of the present invention described so far with reference to FIG. 1, it is possible to distribute droplets from a fluid contained in the housing 20 and move the droplets to the location of the target electrode.
- the droplet actuator described above can be used as a diagnostic device.
- cells can be extracted from sample samples such as animal blood, urine, feces, saliva, nasopharyngeal smear, nasal cavity, oropharyngeal smear, cerebrospinal fluid, skin tissue, hair, other body cells, body tissue, and semen.
- vesicles, proteins and nucleic acids can be automatically extracted and purified, gene amplification, detoxification, synthesis and diagnosis can be performed, immunodiagnosis using antigen-antibody reactions can be performed, and compounds can be synthesized and manufactured.
- heavy metals, substances hazardous to humans, and drugs can also be tested. It should be noted that the technical fields in which the above-described droplet actuator can be used are merely illustrative, and that the above-described droplet actuator can be used in various other technical fields.
- FIG. 2 is an exemplary view of the upper part of the electrode plate 10 illustrated with reference to FIG. 1
- FIG. 3 is an exemplary diagram of the lower part of the electrode plate 10 illustrated with reference to FIG. 1
- FIG. 4 is an exemplary diagram of the upper part of the electrode plate 10 illustrated with reference to FIG. 1 This is an exemplary cross-sectional view of the electrode plate 10 described with reference.
- FIG. 2 shows the structure of the top 11 of an exemplary electrode formed on the electrode plate 10.
- the upper part 11 of the electrode shown in FIG. 2 is formed in a square shape, but it should be noted that this is only an example and the structure of the upper part 11 of the electrode may vary.
- FIG. 3 shows the structure of the lower portion 12 of an exemplary electrode formed on the lower portion of the electrode plate 10.
- the lower part 12 of the electrode shown in FIG. 3 is formed in a circle, but it should be noted that this is only an example and the structure of the lower part 12 of the electrode may vary.
- Figure 4 shows the side structure of an exemplary electrode.
- the electrode 13 may be formed penetrating the base plate.
- the electrode in some embodiments, the electrode may be formed by injection molding, 3D printing, screen printing, laser patterning, or dispensing of a conductive polymer.
- the conductive polymer may include conductive plastic.
- the electrode of the droplet actuator can be manufactured through a simplified process without complex processes similar to semiconductor processes including photo processes and metal deposition processes.
- the conductive polymer that makes up the electrode may include a compound of polymer and metal.
- the polymer may include siloxane, epoxy, resin, ABS, PLA, TPU, HIPS, etc.
- the metal may include gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), or other conductive metal materials.
- the conductive polymer may include at least one of the metal and conductive materials such as carbon nanotubes (CNTs), carbon fibers, graphite, or graphene.
- the conductive plastics that make up the electrodes include polycarbonate (PC), poly methyl methacrylate (PMMA), cyclic olefin polymer (COP), cyclic olefin copolymer (COC), polyethylene terephthalate (PET), May contain mixtures of PI (Polyimide), PE (Polyethylene), Acrylic, ABS (Acrylonitrile butadiene styrene), PVDF (Polyvinylidene fluoride), PTFE (Polytetrafluoroethylene), PS (Polystyrene), PP (Polypropylene), and PVC (Polyvinyl chrloride). You can.
- the mixture may include at least one of the conductive materials such as carbon nanotubes, graphene, carbon fiber, gold, silver, and copper along with the polymers.
- the conductive materials such as carbon nanotubes, graphene, carbon fiber, gold, silver, and copper along with the polymers.
- all known mixtures for conducting electrical signals can be applied in the present invention to produce electrodes.
- the insulator constituting the base plate may be polycarbonate (PC), poly methyl methacrylate (PMMA), cyclic olefin polymer (COP), cyclic olefin copolymer (COC), polyethylene terephthalate (PET), Contains at least one of PI (Polyimide), PE (Polyethylene), Acrylic, ABS (Acrylonitrile butadiene styrene), PVDF (Polyvinylidene fluoride), PTFE (Polytetrafluoroethylene), PS (Polystyrene), PP (Polypropylene), and PVC (Polyvinyl chrloride) This can be done.
- PC polycarbonate
- PMMA poly methyl methacrylate
- COP cyclic olefin polymer
- COC cyclic olefin copolymer
- PET polyethylene terephthalate
- PI Polyimide
- PE Polyethylene
- Acrylic Acrylic
- ABS Acryl
- the base plate may be first formed first, and then secondarily formed by injecting a conductive polymer into the space of the base plate through an injection gate (or nozzle).
- the base plate may be formed by injecting an insulator into a space of a mold to form an injection gate that is different from the injection gate.
- the base plate may be formed by press injection or flat drilling of an insulator.
- the base plate may be formed by 3D printing using siloxane, resin, ABS, PLA, TPU, Nylon, PETG, ASA, PEI, HIPS, etc.
- the electrode and base plate may be formed by Double Shot Injection Molding. More specifically, the base plate is formed by injecting an insulator into the first space of the first injection gate (or nozzle), and the electrode is formed by injecting an insulator into the first space of the first injection gate (or nozzle). ) may be formed by injecting a conductive polymer into the second mold or the second space of the first mold.
- the first injection gate and the second injection gate may be components included in an injector having two or more injection gates, but the scope of the present invention is not limited thereto and may be formed by different injection gates having a single injection gate. It may be a component included with the injector.
- electrodes and base plates made of different materials can be manufactured through a simplified process without complex processes similar to semiconductor processes including photo processes and metal deposition processes.
- all known methods of performing double shot injection molding can be applied to the present invention.
- the electrode and base plate may be formed by insert injection molding or overmolding. More specifically, an electrode can be formed by injecting an insulator into a first mold to form a base plate, inserting the formed base plate into a second mold, and then injecting a conductive polymer into the second mold. Conversely, the base plate may be formed by first injecting a conductive polymer into a third mold to form an electrode, inserting the formed electrode into a fourth mold, and then injecting an insulator into the fourth mold. According to this embodiment, electrodes and base plates with different configurations can be manufactured through a simplified process without complex processes similar to semiconductor processes including photo processes and metal deposition processes.
- the housing 20 may be coupled to the top of the electrode plate 10 formed according to the various methods described above.
- the fluid contained in the fluid receiving portion (not shown) of the housing 20 may be distributed into droplets based on the electrowetting signal and move along the electrode 13 formed on the electrode plate 10.
- the droplet moves through the space between the top surface of the electrode 13 formed on the electrode plate 10 and the bottom surface of the housing facing the top surface of the electrode to a position and/or direction guided by an electrowetting signal. It can be.
- Figure 5 shows an example of a liquid droplet 70 moving along the electrode 13 based on an electrowetting signal, and the liquid distributed from the fluid contained in the fluid receiving portion (not shown) of the housing 20.
- FIG. 6 is an exemplary diagram for explaining in more detail the structure of the electrode described with reference to FIGS. 2 to 4
- FIG. 7 illustrates the structure of the base plate described with reference to FIGS. 2 to 4 in more detail.
- This is an exemplary drawing for the following. Note that the electrode shown in FIG. 6 and the base plate shown in FIG. 7 are each illustrative drawings for explaining some embodiments of the present invention, so the scope of the present disclosure is not limited to the structures shown in FIGS. 6 and 7. Should be.
- the upper width 14 of the electrode formed on the electrode plate 10 is larger than the central width 15 of the electrode by the first reference size, and the lower width 16 of the electrode is the central width of the electrode. It can be seen that the width is as large as the second standard size than (15).
- the middle part of the electrode may mean any location between the upper and lower parts of the electrode.
- the location of the center of the electrode may vary depending on the purpose of the droplet actuator, and the center width 15 of the electrode is smaller than the top width 14 of the electrode and the bottom width 16 of the electrode.
- the electrode should be construed as being included within the scope of the present invention. Additionally, it should be noted that the first reference size and the second reference size may vary depending on the purpose of the droplet actuator.
- the first reference size may be larger than the second reference size. Since the upper part of the electrode plate 10 is the part that contacts the droplet and the lower part of the electrode plate 10 is the part where the electric signal is conducted, it is preferable that the upper width 14 of the electrode is larger than the lower width 16 of the electrode. You can.
- the width of the electrode may be tapering from the top toward the middle of the electrode and from the bottom toward the middle of the electrode. According to this embodiment, the adhesion between the electrode and the base plate composed of different structures is increased, thereby increasing the yield of the electrode plate 10 and lowering the defective rate.
- the electrode may be formed such that the top width is greater than or equal to the middle width of the electrode, and the middle width of the electrode is greater than or equal to the bottom width of the electrode.
- the electrode may be formed in a shape that tapers from top to bottom.
- top width 14, middle width 15, and bottom width 16 of the electrode may each vary.
- FIG. 7 shows an exemplary electrode spacing formed from two or more electrodes formed on the electrode plate 10.
- the electrode gap may be a portion of the base plate made of an insulator.
- the upper width 17 of the electrode gap may be smaller than the lower width 18 of the electrode gap.
- the base plate of the electrode gap may be formed by placing an injection gate at the lower part 40 of the electrode gap and injecting an insulator.
- the pressure generated when injecting the insulator constituting the base plate can be reduced.
- the yield of the electrode plate 10 manufactured can be increased and the defect rate can be reduced.
- the width of the electrode gap may be tapered from the middle of the electrode gap toward the top, and tapered from the middle of the electrode gap toward the bottom. According to this embodiment, the adhesion between the electrode and the base plate composed of different structures is increased, thereby increasing the yield of the electrode plate 10 and lowering the defective rate.
- FIG. 8 is another exemplary view of the upper part of the electrode plate described with reference to FIG. 1 .
- the electrode plate 10 may further include a reservoir 19 that dispenses the fluid contained in the housing 20.
- the fluid contained in the housing 20 may primarily flow into the reservoir 19.
- the reservoir 19 of the present disclosure may be formed in various structures for dispensing fluid to adjacent electrodes, for example, a structure in which fluid flows directly into the reservoir 19 from the outside without passing through the housing 20. It should be noted that they are not excluded from the scope of the present disclosure.
- the upper width of the adjacent electrode 50a formed adjacent to the reservoir 19 may be larger than the upper width of the other electrode 50b. Since the adjacent electrode 50a is located adjacent to the reservoir 19 compared to the other electrode 50b, it can be located on a path along which liquid droplets distributed from the fluid based on the electrowetting signal essentially move. Therefore, in order for the adjacent electrode 50a to accommodate a larger amount of droplets than the other electrode 50b or to induce electrowetting by applying voltage to a large amount of liquid droplets, the adjacent electrode 50a must be connected to an electrode 50b with a different size. It can be formed to be relatively larger than the size of .
- the number of adjacent electrodes 50a may be determined based on the size of the reservoir 19. For example, as the size of the reservoir 19 increases, the number of adjacent electrodes 50a can be increased, and as the size of the reservoir 19 decreases, the number of adjacent electrodes 50a can be reduced. It should be noted that although the number of adjacent electrodes 50a shown in FIG. 8 is 5, this is only an example and does not limit the scope of the present invention.
- the droplet actuator according to an embodiment of the present invention has been described with reference to FIGS. 1 to 8.
- the droplet actuator can be manufactured through a simple process.
- the manufacturing cost of the droplet actuator can be reduced, and the manufacturing cost of the droplet actuator may be reduced to a manufacturing cost suitable for use as a disposable cartridge (or disposable kit). there is.
- a droplet actuator with a structure that can increase yield and reduce defect rate through a very simple injection molding process compared to the conventional droplet actuator manufacturing process including a photo process, metal deposition process, etching process, etc. can be provided.
- a droplet actuator based on the electrowetting signal, it is possible to provide a droplet actuator with a structure that allows the liquid contained in the housing to move more smoothly along the reservoir and the electrode.
- Figure 9 is a diagram illustrating a reservoir structure according to an embodiment of the present invention.
- the reservoir 100 according to the present embodiment includes a plurality of regions 111, 112, 113, 114, and 115 in which electrodes are formed, and the plurality of regions 111, 112, 113, and 114. , 115) and includes a plurality of walls 121, 122, 123, and 124 that separate each area.
- the reservoir 100 has at least one expansion portion 131, 132, and 133 formed on each wall 121, 122, 123, and 124.
- FIG. 10 is a diagram illustrating a portion of the reservoir 100 shown in FIG. 9.
- the reservoir 100 includes a first area 111, a second area 112 adjacent to the first area 111, and a first wall between the first area 111 and the second area 112. Includes (121).
- a conductive polymer may be injected into the first region 111 and the second region 112 through injection molding to form an electrode.
- first wall 121 is formed along the longitudinal direction A of the first wall 121 and has at least one extension portion 131, 132 whose width is increased compared to the peripheral portions 141, 142, 143, and 144. 133).
- peripheral portions 141, 142, 143, and 144 are parts of the first wall 121 and are formed adjacent to the expanded portions 131, 132, and 133.
- the first wall 121 can better withstand the injection pressure caused by injection molding.
- the expansion portions 131, 132, and 133 formed along the first wall 121 have an increased width w1 and more strongly resist injection pressure when injecting the conductive polymer. Therefore, the bending phenomenon of the first wall 121 is minimized.
- the structure of the reservoir 100 of this embodiment in addition to reducing the defective rate of products by preventing bending of the first wall 121, it can also contribute to increasing product productivity.
- the reservoir portion had to be injected more precisely from the injection stage of the base plate, which resulted in a problem of lowering overall product productivity.
- the bending phenomenon of the wall is alleviated by the extensions 131, 132, and 133, so there is no burden of precisely injecting the reservoir portion in the injection stage of the base plate as before. It disappears. Accordingly, overall product productivity can also be improved.
- the expansion portions 131, 132, and 133 may have the shape of a cylinder with a circular cross-section, but the scope of the present invention is not limited thereto.
- the extensions 131, 132, and 133 may be in the shape of a pillar whose cross-section is oval or polygonal, or may be a closed shape made of straight lines and curves.
- the cross section refers to a cross section obtained by cutting the extensions 131, 132, and 133 along the longitudinal direction A of the first wall 121.
- the at least one extension portion 131, 132, and 133 may be formed along the first wall 121 and spaced apart from each other by a predetermined distance.
- a predetermined distance please refer to FIG. 11.
- At least one expansion part 131, 132, and 133 is formed at a position spaced apart from each other by a predetermined distance d. That is, among the at least one expansion part 131, 132, and 133, the second expansion part 132 is formed at a position away from the position where the first expansion part 131 is formed by a distance d, and again the second expansion part 132 )
- the third extension 133 may be formed at a location that is a distance d away from the location where ) was formed.
- each expansion part 131, 132, and 133 equally shares the injection pressure and effectively supports the first wall 121.
- the extensions 131, 132, and 133 are formed toward the left side of the first wall 121.
- a relatively large injection pressure is applied to the third expansion portion 133 located on the far right, and the third expansion portion 133 may not be able to withstand the excessive injection pressure and may be bent or damaged.
- the right portion of the first wall 121 is relatively far away from the extensions 131, 132, and 133, so that it is not supported by the extensions 131, 132, and 133, and is easily damaged by injection pressure. It can bend.
- At least one expansion part 131, 132, and 133 is arranged at equal intervals by a predetermined distance d, as shown in FIG. 11.
- expansion portions formed on each wall of the reservoir 100 may be formed in symmetrical positions. This will be further explained with reference to FIG. 12.
- a portion of the reservoir 100 including the first area 111, the second area 112, and the third area 113 is shown as an excerpt.
- a first wall 121 and a second wall 122 having at least one expanded portion are formed between each region 111, 112, and 113.
- the first wall 121 is located between the first area 111 and the second area 112 to distinguish the areas 111 and 112 from each other.
- at least one extension portion 131, 132, and 133 is formed on the first wall 121 and spaced at a certain distance along the longitudinal direction of the first wall 121.
- the second wall 122 is located between the second region 112 and the third region 113 to separate the regions 112 and 113 from each other.
- at least one other extension part 141 , 142 , 143 is formed in the second wall 122 at a certain distance along the longitudinal direction A of the second wall 122 .
- the at least one other extension part 141, 142, and 143 may be formed in a symmetric position with the at least one extension part 131, 132, and 133.
- symmetrical means that at least one expansion part 131, 132, 133 and at least one other expansion part 141, 142, 143 are positioned facing each other with respect to the center line B of the second region 112. ) means that each is formed.
- This may serve to increase the structural stability of each wall 121 and 122 when the conductive polymer is simultaneously injected into each region 111, 112, and 113 of the reservoir 100.
- at least one expansion part 131, 132, 133 and at least one other expansion part 141, 142, 143 are formed in a position that is not symmetrical to each other, hydrodynamically within the second region 112 Turbulence is more likely to occur, so that stronger local pressure can be applied to the first wall 121 or the second wall 122.
- At least one extension 131, 132, 133 and at least one other extension 141, 142, 143 are used. It is desirable to form them in positions symmetrical to each other.
- the bending phenomenon of each wall is minimized during injection molding of a conductive polymer, thereby improving injection productivity and reducing product defect rate. Accordingly, the production process can be simplified and the production cost can be significantly reduced.
- FIG. 13 is a diagram showing an electrode structure that facilitates optical observation of droplets according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 13(a) shows a typical electrode structure
- FIG. 13(b) shows an electrode structure according to this embodiment.
- the entire electrode 11 is filled with an opaque conductor, for example, a conductive polymer. Therefore, there is a problem in that the droplet located on the electrode 11 is obscured by the opaque conductor, making optical observation of the droplet difficult.
- an opaque conductor for example, a conductive polymer. Therefore, there is a problem in that the droplet located on the electrode 11 is obscured by the opaque conductor, making optical observation of the droplet difficult.
- a hole 211 that is not filled with an opaque conductor is formed inside the electrode 210. Accordingly, the droplet located on the electrode 210 can be directly observed through the hole 211, making optical observation of the droplet and the light emitted from the droplet easy.
- FIGs 14 to 18 are diagrams to explain in more detail the electrode structure shown in Figure 13.
- FIG. 14 is an enlarged view of the structure of the electrode 210 of FIG. 13 in more detail.
- the electrode 210 includes a hole 211 located at the center of the electrode 210 and a peripheral portion 212.
- the hole 211 is formed inside the electrode 210 and is not filled with an opaque conductor.
- the interior of the hole 211 may be empty or filled with a transparent conductor or insulating material.
- the hole 211 may be located at the center of the electrode 210 as shown in FIG. 13.
- the peripheral portion 212 is a portion surrounding the hole 211 of the electrode 210 and is filled with an opaque conductor.
- the opaque conductor may be a conductive polymer.
- the droplet located on the electrode 210 can be guided in a specific direction by a potential or electric signal applied to the peripheral portion 212, and the droplet and the droplet emitted Light can be observed optically through the hole 211 of the electrode 210. Therefore, an electrode structure that allows optical observation of droplets while inducing droplets by electrowetting without problems is possible.
- the hole 211 is illustrated as having a circular shape, but the scope of the present invention is not limited thereto.
- the hole 211 may have an oval or polygonal shape in addition to a circular shape.
- the size of the hole 211 may increase as the size of the electrode 210 increases.
- Figure 15 shows a plurality of electrodes 220 and 230 having different sizes.
- the droplet actuator according to the present invention may simultaneously include electrodes of different sizes.
- the electrode 50a located near the reservoir 19 may have a larger size than the other electrode 50b.
- the hole (P) formed in the larger electrode 220 has a larger size than the hole (Q) formed in the smaller electrode 230. You can.
- the size of the hole Q in the small electrode 230 must be limited to less than a certain level.
- a certain area of the peripheral area can be secured even if the size of the hole P is increased, so it is possible to have a hole of a larger size than the small electrode 230.
- the ratio between the size of the hole and the size of the electrode may be limited to within a predetermined range.
- a predetermined range please refer to FIG. 16.
- the ratio between the size of the hole and the size of the electrode may be the ratio of the width.
- the electrode 240 is a square with a width wd1
- the hole 241 is a circle with a width wd2.
- the ratio R between the size of the hole and the size of the electrode can be wd2/wd1.
- the ratio between the size of the hole and the size of the electrode may be the ratio of area.
- the area of the electrode 240 is wd1 ⁇ 2, and the area of the hole 241 is ⁇ *(wd2/2) ⁇ 2.
- the ratio R between the size of the hole and the size of the electrode can be ⁇ *(wd2/2) ⁇ 2/wd1 ⁇ 2.
- the ratio R between the size of the hole and the size of the electrode may be limited to a value of less than 1/2. This is because if the size of the hole exceeds 1/2 of the size of the electrode, the droplet induction function by electrowetting may be excessively weakened.
- the size of the hole may be larger in the electrode of interest where optical observation of the droplet is important.
- FIG. 17 please refer to FIG. 17.
- a plurality of electrodes 251, 252, 253, 254, 255, and 256 of the same size are shown.
- the first electrode 251 and the sixth electrode 256 are electrodes of interest where optical observation of droplets is important.
- the droplet in which the first reaction occurred is guided to the first electrode 251, and the droplet passes through the second to fifth electrodes (252, 253, 254, 255) and undergoes a second reaction to reach the sixth electrode.
- the reaction result in the (256) phase is emitted as light.
- the hole size is relatively large to facilitate optical observation. It may be desirable to do so.
- the size of the hole is reduced and the area of the peripheral area is increased to make it easier to induce droplets by electrowetting. Widening may be desirable.
- the size of the hole can be formed to be relatively larger in the electrode of interest where optical observation of the droplet is important.
- the hole of the electrode is made of a transparent insulator, the hole can be made integrated into the base plate.
- the hole 261 is made of a transparent insulator, and the lower portion 261b of the hole 261 is connected to the base plate 262 through the connection portion 263.
- the upper portion 261a of the hole 261 is separated from the base plate 262 at a certain distance.
- a conductive polymer is filled between the hole 261 and the base plate 262 to form the periphery of the electrode.
- the hole 261 may be made together with the base plate 262 by injection molding.
- the hole 261 and the base plate 262 can be created at once by injecting a transparent insulator through an injection gate into a mold in which spaces corresponding to the hole 261 and the base plate 262 are formed. According to this, since the hole and base plate are formed in one process, the overall process is simplified and the manufacturing cost of the device is reduced.
- the electrode structure according to the present invention described through the above embodiments it is possible to optically observe the droplet and the light emitted from the droplet through the hole formed inside the electrode.
- Figure 19 is an exploded perspective view showing an exemplary form of a droplet actuator with a parallel electrode structure, according to an embodiment of the present invention.
- the embodiment of FIG. 19 also includes an electrode plate 10, a housing 20, and a substrate 30, similar to the embodiment of FIG. 1.
- the embodiment of FIG. 9 includes another electrode layer 310 and another substrate 320 between the electrode plate 10 and the housing 20.
- Housing 20 can accommodate fluid. At this time, the housing 20 may include a fluid receiving portion for receiving fluid. Since the configuration and function of the housing 20 according to this embodiment is substantially the same as the configuration and function of the housing 20 previously described in FIGS. 1 to 8, detailed description thereof is omitted here to avoid duplication of explanation. do.
- the electrode plate 10 can induce polarization in the liquid droplets distributed from the fluid contained in the housing 20 through an electrowetting signal to move them to the location of the target electrode.
- the electrode plate 10 may include at least one electrode for conducting an electrowetting signal.
- the configuration and function of the electrode plate 10 according to this embodiment are substantially the same as those of the electrode plate 10 previously described in FIGS. 1 to 8, so to avoid duplication of explanation, a detailed description thereof is provided here. omit.
- the substrate 30 can transmit an electrowetting signal to the electrode plate 10.
- the substrate 30 may be any one of a glass substrate, a silicon substrate, a printed circuit board (PCB), and a thin film transistor (TFT). Since the configuration and function of the substrate 30 according to this embodiment is substantially the same as the configuration and function of the substrate 30 previously described in FIGS. 1 to 8, detailed description thereof is omitted here to avoid duplication of explanation. do.
- the other electrode layer 310 is spaced apart from the electrode plate 10 and is disposed at a position facing the electrode plate 10 .
- a droplet is located between the other electrode layer 310 and the electrode plate 10.
- the electrode plate 10 applies an electrowetting signal to the droplet through an electrode array formed inside it, the other electrode layer 310 applies a predetermined reference potential to the droplet.
- the predetermined reference potential may be ground, that is, 0V.
- the other substrate 320 is located on top of the other electrode layer 310 and provides an electrical path for applying a predetermined reference potential to the other electrode layer 310.
- the other substrate 320 may be, for example, one of a glass substrate, a silicon substrate, a printed circuit board (PCB), and a thin film transistor (TFT).
- PCB printed circuit board
- TFT thin film transistor
- the scope of the present invention is not limited to these examples, and any known technology having a structure capable of transmitting the reference potential to another electrode layer 310 can be applied to the present invention.
- electrode layers 310 may be formed in various shapes.
- the other electrode layer 310 may be formed by coating, depositing, attaching, or adhering a conductive polymer, ITO (Indium Tin Oxide), or metal to the other substrate 120.
- ITO Indium Tin Oxide
- the other electrode layer 310 is provided with a separate base plate and formed on or inside the base plate in the same manner as the electrode was formed within the electrode plate 10, or inside the base plate. It may be formed in a form that another electrode layer 310 penetrates.
- the separate base plate is formed by injecting an insulator into a part of the injection gate mold, and the other electrode layer 310 is formed by injecting a conductive polymer into another space of the mold. It may be formed by injection.
- the insulator is polycarbonate (PC), poly methyl methacrylate (PMMA), cyclic olefin polymer (COP), cyclic olefin copolymer (COC), polyethylene terephthalate (PET), polyimide (PI), polyethylene (PE), It may include at least one of acrylic, acrylonitrile butadiene styrene (ABS), polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polystyrene (PS), polypropylene (PP), and polyvinyl chrloride (PVC).
- PC polycarbonate
- PMMA poly methyl methacrylate
- COP cyclic olefin polymer
- COC cyclic olefin copolymer
- PET polyethylene terephthalate
- PI polyimide
- PE polyethylene
- It may include at least one of acrylic, acrylonitrile butadiene styrene (AB
- the conductive polymer may include a mixture of a polymer and a conductive material.
- the mixture may include at least one of carbon nanotubes, graphene, and carbon fiber, which are conductive materials, along with the polymer.
- all known mixtures for conducting electrical signals can be applied in the present invention to produce electrodes.
- FIG. 20 explains the cross-sectional structure of the droplet actuator shown in FIG. 19 and the electrowetting operation thereof.
- the electrode array formed within the electrode plate 10 is referred to as the first electrode
- the substrate 30 is referred to as the lower substrate
- the other electrode layer 310 between the electrode plate 10 and the housing 20 is referred to as the first electrode.
- the other substrate 320 will be referred to as a second electrode and an upper substrate, respectively.
- FIG. 20 is a cross-sectional view of the droplet actuator having the laminated structure of FIG. 19.
- a lower substrate 30, an electrode plate 10 with a first electrode 13 formed therein, a second electrode 310, an upper substrate 320, and a housing 20 are stacked.
- the structure of the droplet actuator is shown.
- a spacer 330 is disposed between the first electrode 13 and the second electrode 310 to maintain the gap between the first electrode 13 and the second electrode 310, thereby allowing the droplet 70 to move.
- a space (A) is created.
- a dielectric layer (not shown) may be additionally laminated between the droplet 70 and the first electrode 13, or between the droplet 70 and the second electrode 310, and the first electrode (13)
- the surface of the second electrode 110 may be treated with a hydrophobic coating.
- an electrowetting signal for moving the droplet 70 in the specific direction is applied to the first electrode 13, and the second electrode 310 ), a reference potential is applied.
- polarization due to the electric field occurs inside the droplet 70, and the surface tension and shape change accordingly, making it possible to move the droplet 70 in a desired direction.
- the droplet actuator of Figure 20 is provided with a second electrode 310 to which a reference potential is applied, forming a stronger electric field than the droplet actuator of Figures 1 to 8, thereby generating an electrowetting driving force for moving the droplet 70. It also becomes stronger.
- the electrowetting driving force is improved by the lower electrode to which the electrowetting signal is applied and the upper electrode having the reference potential, so that droplets can be induced more easily.
- Figure 21 is an exploded perspective view showing an exemplary form of a droplet actuator having a temperature control unit, according to an embodiment of the present invention.
- the embodiment of FIG. 21 also includes an electrode plate 10, a housing 20, and a substrate 30, similar to the embodiment of FIG. 1.
- the embodiment of FIG. 9 further includes another substrate 1110 between the electrode plate 10 and the housing 20.
- Housing 20 can accommodate droplets.
- the housing 20 may include a fluid receiving portion for receiving fluid. Since the configuration and function of the housing 20 according to this embodiment is substantially the same as the configuration and function of the housing 20 previously described in FIGS. 1 to 8, detailed description thereof is omitted here to avoid duplication of explanation. do.
- the electrode plate 10 can induce polarization in the liquid droplets distributed from the fluid contained in the housing 20 through an electrowetting signal to move them to the location of the target electrode.
- the electrode plate 10 may include at least one electrode for conducting an electrowetting signal.
- the configuration and function of the electrode plate 10 according to this embodiment are substantially the same as those of the electrode plate 10 previously described in FIGS. 1 to 8, so to avoid duplication of explanation, a detailed description thereof is provided here. omit.
- the substrate 30 can transmit an electrowetting signal to the electrode plate 10.
- the substrate 30 may be any one of a glass substrate, a silicon substrate, a printed circuit board (PCB), and a thin film transistor (TFT). Since the configuration and function of the substrate 30 according to this embodiment is substantially the same as the configuration and function of the substrate 30 previously described in FIGS. 1 to 8, detailed description thereof is omitted here to avoid duplication of explanation. do.
- the temperature control unit 1111 may be a heater for locally heating a portion of the electrode plate 10, but the scope of the present invention is not limited thereto.
- the temperature control unit 1111 may be a cooler for local cooling of a partial area of the electrode plate 10.
- the temperature controller 1111 when the temperature controller 1111 is a heater, the temperature controller 1111 may include one or more resistors that generate heat when current flows.
- the temperature control unit when the temperature control unit is a heater, the temperature control unit may include a magnetic induction type heating device.
- the other substrate 1110 may be one of a glass substrate, a silicon substrate, a printed circuit board (PCB), and a thin film transistor (TFT).
- PCB printed circuit board
- TFT thin film transistor
- the scope of the present invention is not limited to these examples, and any known technology having a structure in which the temperature control unit 1111 can be embedded can be applied to the present invention.
- FIG. 22 is a cross-sectional view for explaining the detailed structure of the droplet actuator shown in FIG. 21 and the temperature control method thereof.
- FIG. 22 explains the cross-sectional structure of the droplet actuator shown in FIG. 21 and its temperature control operation.
- the substrate 30 located relatively below will be referred to as the lower substrate, and the other substrate 1110 located relatively above will be referred to as the upper substrate.
- the structure of the droplet actuator is shown in which a lower substrate 30, an electrode plate 10 with an electrode 13 formed therein, an upper substrate 1110, and a housing 20 are stacked.
- a spacer 1130 is disposed between the electrode plate 10 and the upper substrate 1110 to maintain the gap between the electrode plate 10 and the upper substrate 1110, thereby creating a space in which the droplet 70 can move ( A) is created.
- the temperature control unit 1111 is a component that can control the temperature of the droplet 70 located in the thermal area (B), for example, a heater for selectively heating the thermal area (B), or a heater for selectively heating the thermal area (B). It may be a cooler for local cooling.
- the thermal area B includes at least a partial area of the electrode plate 10.
- the temperature controller 1111 is a heater
- the temperature controller 1111 is heated according to a control signal transmitted through the upper substrate 1110, and heat is transferred from the temperature controller 1111 to the thermal area (B). do.
- the droplet 70 located in the thermal region B is also heated.
- This temperature control function is necessary to enable specific processes to be performed under predetermined temperature conditions.
- temperature control may be required for DNA denaturation for droplet analysis.
- the temperature control unit 1111 heats the thermal region (B) to a temperature suitable for denaturing the DNA in the droplet 70, annealing the primer to the template strand DNA, or using DNA polymerase. It can be controlled to heat the thermal region (B) to a temperature effective for performing other reaction steps, such as extension of the primer.
- the droplet actuator is provided with a temperature control unit 1111, thereby satisfying the optimal temperature conditions required for droplet analysis and diagnosis.
- Figures 23 to 25 are diagrams for explaining a liquid droplet actuator with a cleaning function using magnetic force and a cleaning method using the same.
- washing means separating and removing some substances contained in the droplet 70 to the outside of the droplet 70.
- the liquid droplet 70 includes a plurality of magnetic beads (M).
- a magnetic force provider 400 is provided inside or outside the droplet actuator to guide or fix the magnetic bead (M) to a specific position or direction.
- the magnetic force provider 400 may include a permanent magnet or an electromagnet.
- the magnetic force provider 400 may be used to remove some substances from the droplet 70 before analyzing the droplet.
- the substances to be removed may include contaminants contained in the droplets 70, oversupplied reagents, or substances to be separated from the droplets 70 for separate analysis.
- magnetic beads (M) are included in the droplet (70).
- the magnetic bead (M) is included in the droplet 70 from the beginning, is injected into the droplet 70 at a specific section within the droplet actuator while the droplet 70 is guided to the current position, or is injected into the droplet 70 at a specific position within the droplet actuator. It may be placed in advance and included in the droplet 70 in a way that it naturally mixes with the droplet 70 as the droplet 70 moves to the corresponding location.
- the magnetic force provider 400 is maintained in an OFF state, and no magnetic force is applied to the droplet 70.
- the magnetic bead (M) reacts to a specific material in the droplet 70 and binds to the material.
- the magnetic force provider 400 may be provided within the droplet actuator or may be provided in a separate tester outside the droplet actuator.
- the magnetic force provider 400 is illustrated as being located below the lower substrate 30, but the scope of the present invention is not limited thereto.
- the magnetic force provider 400 may be located between the lower substrate 30 and the electrode plate 10, on the top or bottom of the upper substrate 1110, or on the top or side of the droplet actuator. there is.
- the magnetic force provider 400 is switched to the ON state, and magnetic force acts from the magnetic force provider 400 to the droplet 70.
- the magnetic force applied to the droplet 70 attracts the magnetic bead (M) within the droplet 70 in the direction where the magnetic force provider 400 is located.
- the material bound to the magnetic bead (M) is also pulled in the direction where the magnetic force providing part 400 is located.
- the droplet 70 is generated according to the electrowetting signal applied to the electrode 13. is moved to another location.
- the magnetic bead (M) is being pulled downward by magnetic force, so it does not follow the droplet (70) and is left in its original position, separated from the droplet (70).
- the material bound to the magnetic bead (M) is also left in its original position along with the magnetic bead (M).
- Figure 26 is a diagram illustrating the configuration of a signal reader that reads the results of testing a sample of the droplet actuator.
- the signal reader 2100 includes a housing 2110, an optical unit 2120, an upper socket 2130, a lower socket 2140, and a main board 2160.
- the droplet actuator 2150 previously described in FIGS. 1 to 25 may be inserted in the form of a cartridge between the upper socket 2130 and the lower socket 2140.
- the signal reader 2100 may further include a screen (not shown).
- the signal reader 2100 generates and controls the electrowetting signal applied to the droplet actuator 2150.
- the sample in the droplet actuator 2150 can be sensed by optical methods such as colorimetry, fluorometry, imaging, etc. through the signal reader 2100.
- the sample in the droplet actuator 2150 may be sensed using an electrochemical method or electromagnetic induction method through the signal reader 2100.
- Optics 2120 provides optical means for sensing the sample within droplet actuator 2150.
- Upper socket 2130 and lower socket 2140 provide mechanical means to receive droplet actuator 2150.
- the main board 2160 performs electrical or electronic control of the droplet actuator 2150, such as temperature control, magnetic field control, and droplet position detection.
- FIG. 27 is a diagram showing an exemplary configuration of the optical unit of FIG. 26.
- the optical unit may include a blue LED, a photodiode, a dichroic mirror, one or more lenses, and one or more filters.
- Figures 28 and 29 are diagrams to further explain the droplet position detection function of the main board of Figure 26.
- Figure 28 shows an example configuration of a droplet position detection circuit provided on the main board.
- the main board may include a droplet position detection circuit as shown in FIG. 28 to determine the position of the droplet on the electrowetting electrode in the droplet actuator.
- the main board can use a droplet position detection circuit to sense changes in resistance or capacitance according to the movement of the droplet, or can detect the current position of the droplet by using an image sensor.
- 29 shows an exemplary form of droplet position detection results using a droplet position detection circuit.
- Figure 29(a) shows a case where droplet movement according to the electrowetting signal fails. Even though the droplet movement signal 2220 increased to High, the droplet sensing signal 2210 is still in a low state in the corresponding section, which means that droplet movement did not actually occur even though the electrowetting signal was applied. .
- Figure 29(b) shows a case where droplet movement according to the electrowetting signal was successful.
- the droplet movement signal 2220 increased to High, the droplet sensing signal 2210 also changed to High in the corresponding section, meaning that droplet movement actually occurred due to the application of the electrowetting signal.
- FIGS 30 and 31 are diagrams to further explain the temperature control function of the motherboard of Figure 26.
- Figure 30 shows an example configuration of a temperature control circuit provided on the motherboard.
- the main board may include a temperature control circuit as shown in FIG. 30 to control the temperature of the temperature controller (eg, heater) of the droplet actuator.
- the motherboard controls the temperature through a temperature control circuit by sensing the change in resistance value according to the temperature within the terminal device or the value of other temperature sensors.
- Figure 31 shows an exemplary form for controlling the outputs of a plurality of temperature sensing circuits with one temperature controller.
- the temperature sensor selection signal 2320 changes, it can be seen that the sensor value 2310 input to the temperature controller changes to the selected sensor output.
- Figure 32 is a diagram showing a new layered structure of a droplet actuator as another embodiment of the present invention.
- the droplet actuator 2400 having a stacked structure includes a lower housing 2411, a PCB substrate 2412, a lower substrate 2413, a metal pattern layer 2414, and a dielectric layer 2415.
- a lower plate on which a hydrophobic coating layer 2416 is sequentially laminated and an upper plate on which a hydrophobic coating layer 2421, a conduction layer 2422, an upper substrate 2423, a heater 2424, and an upper housing 2425 are sequentially laminated.
- the upper plate and the lower plate may be spaced apart from each other to form a space between them to accommodate droplets.
- a bonding 2431 that joins the upper plate and the lower plate, at least one filler 2432, and/or at least one sample 2433.
- PCB substrate 2412 may function as an interconnect layer.
- a conductive polymer electrode may be formed on the lower substrate 2413.
- conduction layer 2422 may include ITO, metal, or conductive polymer.
- the dielectric layer 2415 is a component for providing electrical insulation between a conductive polymer electrode or a conduction layer and a droplet, and may include an insulating polymer or a material such as Parylene-C, SiO2, or Si3N4.
- the hydrophobic coating layer (2416, 2421) is a layer for hydrophobic coating treatment on the surface of the metal pattern layer (2414) or the conduction layer (2422).
- the hydrophobic coating layer (2416, 2421) is spin using HMDS, fluorine solution, or gas. It can be coated using methods such as coating, dip coating, spray coating, and plasma coating.
- the filler 2432 is a fluid material that is filled between the upper plate and the lower plate to facilitate the movement of liquid droplets and prevent evaporation of liquid droplets and generation of bubbles at high temperatures.
- the filler 2432 may be a non-polar solvent that is insoluble in water, or a mixture thereof with a surfactant or lubricant.
- siloxane or silicone oil may be used as the filler 2432.
- a spacer is disposed between the upper plate and the lower plate to maintain the gap between the upper plate and the lower plate, thereby creating a space for liquid droplets to move.
- the upper plate and lower plate can be bonded using methods such as adhesive material, ultrasonic fusion, or laser fusion.
- Figure 33 is a diagram showing a droplet actuator with a vertical electrode structure according to an embodiment of the present invention.
- the droplet actuator 3100 includes a lower substrate 3110 including a plurality of electrodes 3111, 3112, and 3113, and an upper substrate including a plurality of other electrodes 3121 and 3122. Includes a substrate 3120.
- the upper substrate 3120 and the lower substrate 3110 are spaced apart from each other to accommodate liquid droplets and form or define a space for the liquid droplets to move.
- the plurality of electrodes 3111, 3112, and 3113 are electrowetting electrodes for handling droplets, and a gap is formed between adjacent electrodes so that they are spaced apart from each other with the gap in between.
- the first electrode 3111 and the third electrode 3112 that are adjacent to each other are spaced apart from each other with the first gap g1 therebetween.
- a plurality of other electrodes 3121 and 3122 are also electrowetting electrodes for handling droplets, and gaps are formed between adjacent electrodes.
- the second electrode 3121 and the fourth electrode 3122 that are adjacent to each other are spaced apart from each other with the second gap g2 therebetween.
- the plurality of electrodes 3111, 3112, and 3113 formed on the lower substrate 3110 and the plurality of other electrodes 3121, 3122 formed on the upper substrate 3120 are arranged to stagger each other.
- the first electrode 3111 and the third electrode 3112 are aligned so that the second electrode 3121 of the upper substrate 3120 is crossed with the first electrode 3111 and the third electrode 3112 of the lower substrate 3110. ) is disposed at a position facing the first gap g1 between.
- the third electrode 3112 of the lower substrate 3110 is crossed with the second electrode 3121 and the fourth electrode 3122 of the upper substrate 3120, and the second electrode 3121 and the fourth electrode ( 3122) is disposed at a position facing the second gap g2.
- Figure 34 (a) is a side view of the droplet actuator
- Figure 34 (b) is a top view of the upper substrate 3120 of the droplet actuator.
- Figure 34 (a) is shown for comparison with Figure 34 (b), and its structure and technical features are the same as those described in Figure 33.
- each of the electrodes 3121 and 3122 of the upper substrate 3120 is disposed to at least partially overlap the two adjacent electrodes of the lower substrate 3110 and the gap therebetween when viewed from above. .
- the second electrode 3121 when viewed from above the upper substrate 3120, is at least partially overlapped with the first electrode 3111 and the third electrode 3112 adjacent thereto. Additionally, the second electrode 3121 at least partially overlaps the first gap g1 between the first electrode 3111 and the third electrode 3112 when viewed from above the upper substrate 3120. do. A similar arrangement applies to the other electrodes 3122 of the upper substrate 3120.
- an operating signal i.e., electrowetting signal
- the droplet when an operating signal (i.e., electrowetting signal) is applied to move the droplet, the droplet can be moved in close contact with the upper substrate 3120 and the lower substrate 3110 alternately. Movement of droplets between the electrodes of the substrate 3120 and the electrodes of the lower substrate 3110 can be performed more smoothly. A more detailed description of this will be provided later with reference to FIGS. 36 and 37.
- Figure 35 is a diagram showing the switch circuit of the droplet actuator.
- the switch circuit of FIG. 35 is configured to selectively apply an operating signal to each electrode (3111, 3112, 3113, 3121, and 3122) of the droplet actuator 3100.
- the switch circuit of this embodiment includes one or more signal lines (3101, 3102) and a plurality of switches (S1, S2, S3, S4, and S5).
- the first signal line 3101 is a signal line through which an operation signal (Vin, ie, electrowetting signal) is provided.
- the second signal line 3102 is a signal line to which a reference potential (Vref, for example, ground potential) is applied.
- One or more signal lines 3101 and 3102 may be electrically connected to each electrode 3111, 3112, 3113, 3121, and 3122 of the droplet actuator 3100 by switches S1, S2, S3, S4, and S5.
- a plurality of switches selectively connect each electrode (3111, 3112, 3113, 3121, 3122) of the droplet actuator (3100) to any one of the signal lines (3101, 3102). It is a switch element for Each of the plurality of switches (S1, S2, S3, S4, and S5) can be controlled independently from each other and can be one-to-one matched with each electrode (3111, 3112, 3113, 3121, and 3122).
- control of the plurality of switches S1, S2, S3, S4, and S5 may be performed by a control unit (not shown) provided in the droplet actuator 3100.
- control of the plurality of switches S1, S2, S3, S4, and S5 may be performed by a control unit (not shown) provided in a test device outside the droplet actuator 3100.
- each element (3101, 3102, S1, S2, S3, S4, S5) constituting the switch circuit may be included in an external tester device rather than the droplet actuator 3100.
- the plurality of switches may be controlled so that the operating signal (Vin) is sequentially provided to each electrode (3111, 3112, 3113, 3121, and 3122).
- the plurality of switches may be controlled so that the reference potential (Vref) is applied to the electrode to which the operating signal (Vin) is not provided.
- Figure 36 is a diagram showing the operation of the electrowetting electrode and the movement of droplets thereby over time
- Figure 37 is a timing diagram showing the operation of the switch circuit and the potential state of the electrode for each time section.
- the operating signal Vin is connected to the first electrode 3111, the second electrode 3121, the third electrode 3112, and the fourth electrode 3122. ) is applied sequentially to the surface of the first electrode 3111, the surface of the second electrode 3121, the surface of the third electrode 3112, and the surface of the fourth electrode 3122. It moves.
- the droplet actuator when the droplet passes through the gap between adjacent electrodes, it moves to and passes in close contact with another electrode formed on the facing substrate, so the friction force between the droplet and the gap surface is reduced, and thus the substrate Even if the surface is processed somewhat roughly, droplets can move smoothly between electrodes.
- the manufacturing process of the droplet actuator can be simplified and the overall production cost can be lowered.
- Figures 38 and 39 illustrate exemplary electrowetting electrode arrangements of the droplet actuator described in Figure 33.
- Figure 38 is a plan view of the electrowetting electrode arrangement in the form of an intersection where the path of the droplet diverges as seen from above the upper substrate of the droplet actuator.
- the first electrode 3111, the second electrode 3121, the third electrode 3112, and the fourth electrode 3122 are sequentially arranged in the direction in which the droplet travels.
- the first electrode 3111 and the third electrode 3112 may be electrodes formed on the lower substrate, and the second electrode 3121 and the fourth electrode 3122 may be electrodes formed on the upper substrate.
- the fifth electrode 3113 and the sixth electrode 3114 are disposed next to the fourth electrode 3122.
- the fifth electrode 3113 and the sixth electrode 3114 are electrodes formed on the lower substrate and may be spaced apart from the third electrode 3112 with a gap therebetween.
- the fifth electrode 3113 and the sixth electrode 3114 may also be spaced apart from each other with a gap therebetween.
- the fourth electrode 3122 is the third electrode 3112, the fifth electrode 3113, and the sixth electrode 3114 when viewed from above the upper substrate (i.e., on the plan view of FIG. 38). and may overlap at least partially, respectively.
- the droplet 70 responds to sequentially applying an operating signal to each electrode 3111, 3121, 3112, and 3122, from the first electrode 3111 to the second electrode 3121 and the third electrode. It can move to the surface of the fourth electrode 3122 via the electrode 3112. And, in response to selectively applying an operation signal to the fifth electrode 3113 and/or the sixth electrode 3114, (i) moves over the fifth electrode 3113, or (ii) moves the sixth electrode 3114. ) may move upward, or (iii) may be split or spread over the fifth electrode 3113 and the sixth electrode 3114.
- an operating signal is applied to the fifth electrode 3113 and a reference potential is applied to the remaining electrodes 3111, 3121, 3112, 3122, and 3114.
- the droplet 70 moves over the fifth electrode 3113.
- an operating signal is applied to the sixth electrode 3114 and a reference potential is applied to the remaining electrodes 3111, 3121, 3112, 3122, and 3113. When this happens, the droplet 70 moves onto the sixth electrode 3114.
- an operating signal is applied to the fifth electrode 3113 and the sixth electrode 3114 and the remaining electrodes 3111, 3121, 3112, and 3122.
- the droplet 70 is split or spread over the fifth electrode 3113 and the sixth electrode 3114.
- Figure 39 is a plan view from above of the upper substrate showing an example of applying the vertical electrode arrangement of the present invention to the reservoir area and distribution area of the droplet actuator.
- the first electrode 3111, the second electrode 3121, the third electrode 3112, the fourth electrode 3122, and the fifth electrode 3113 are sequentially formed in the direction from the reservoir area toward the fluid channel. ) is placed.
- the first electrode 3111, the third electrode 3112, and the fifth electrode 3113 may be electrodes formed on the lower substrate, and the second electrode 3121 and the fourth electrode 3122 may be electrodes formed on the upper substrate. there is.
- the first electrode 3111 and the second electrode 3121 are reservoir electrodes that induce the flow of fluid in the reservoir
- the third electrode 3112, fourth electrode 3122, and fifth electrode 3113 may be a distribution electrode for distributing droplets from the reservoir and transferring them to the fluid channel.
- the reservoir electrodes 3111 and 3121 may have a different size from the distribution electrodes 3112, 3122 and 3113, and the reservoir electrodes 3111 and 3121 are usually formed to have a larger size than the distribution electrodes 3112, 3122 and 3113. It is common.
- Figure 39 shows that the vertical electrode arrangement according to the present invention can be applied even when electrowetting electrodes of different sizes are mixed.
- FIG. 40 is a diagram illustrating an exemplary stacked structure of the droplet actuator described in FIG. 33.
- the droplet actuator 3100 having a stacked structure includes a lower housing 3131, a heater 3132, a routing layer 3133, a lower substrate 3110, a dielectric layer 3134, and a hydrophobic layer.
- the upper plate and the lower plate may be spaced apart from each other to form a space between them to accommodate the droplet.
- a bonding 3151 that joins the upper plate and the lower plate, at least one filler 3152, and/or at least one sample 3153.
- the lower housing 3131 is a component that forms the lower exterior of the droplet actuator 3100, protects the internal structure of the droplet actuator 3100, and serves as an interface for connecting the droplet actuator 3100 and an external device (e.g., a tester). provides.
- the lower housing 3131 may be made of polymer or plastic.
- the heater 3132 is a component for heating the droplet inside the droplet actuator 3100 and may be a resistive heater, magnetic induction heater, or thermoelectric heater. .
- the routing layer 3133 is an interconnection layer for electrically connecting the droplet actuator 3100 and an external device (e.g., a tester), and may be a layer including a contact pad pattern. . At this time, the contact pad is connected to a conductive element (eg, conductive polymer) of the lower substrate 3110 through a via.
- routing layer 3133 may be comprised of metal (eg, Ag, Au, Cu, Cr) and conductive polymer.
- the routing layer 3133 may be formed by evaporation, sputtering, screen printing, inkjet printing, laser ablation, or an R2R process. You can.
- the lower substrate 3110 is a layer on which the electrowetting electrode 3111 is formed, and electrically connects the routing layer 3133 and the electrowetting electrode 3111.
- the lower substrate 3110 may include a base and conductive plastic filled through the base.
- the base may be comprised of polymer (eg, PMMA, PC, COP), ceramic, glass, or silicon.
- the lower substrate 3110 may be formed by injection molding, dispensing, screen printing, or 3D printing process.
- the electrowetting electrode 3111 is an electrode for inducing electrowetting, and may be made of metal (e.g., Ag, Au, Cu, Cr) or a conductive polymer, and may be used for deposition, sputtering, It can be formed by screen printing, inkjet printing, laser ablation, or R2R process.
- metal e.g., Ag, Au, Cu, Cr
- a conductive polymer e.g., Ag, Au, Cu, Cr
- It can be formed by screen printing, inkjet printing, laser ablation, or R2R process.
- the dielectric layer 3134 is a layer formed on the lower substrate 3110 or the electrowetting electrode 3111 to provide electrical insulation to the lower substrate 3110 or the electrowetting electrode 3111, and is a thin film coating structure. You can.
- the dielectric layer 3134 may be made of various insulating materials such as SiO2, Si3N4, Parylene, fluoropolymer, SU8, or PDMS, and may be formed by spin, dip, spray, plasma, deposition, It may be formed by sputtering, ALD, CVD, or e-beam processes.
- the hydrophobic coating layer 3135 is a layer for hydrophobicizing the surface of the dielectric layer 3134, and may have a thin film coating structure.
- the hydrophobic coating layer 3135 may be composed of a fluoropolymer and may be formed by spin, dip, spray, plasma, deposition, sputtering, ALD, CVD, or e-beam processes.
- a gap spacer is formed between the hydrophobic coating layers 3135 and 3145 to form a gap.
- the gap space is a space that accommodates droplets and filler fluid and is a space where the upper plate and the lower plate are connected.
- the gap space is formed by a spacer, and can be formed by bonding the spacer and the upper plate and/or lower plate by laser fusion, ultrasonic fusion, heat fusion, pressure fusion, or using an adhesive.
- the height of the gap space can be adjusted by spacers.
- the spacer may be a separate component distinct from the upper plate and lower plate, or may be included as a part of the upper plate or lower plate.
- the spacer may be comprised of polymer.
- bonding 3151 may function as a spacer to form the gap space.
- the hydrophobic coating layer 3145 is a layer for hydrophobicizing the surface of the dielectric layer 3144, and may have a thin film coating structure.
- the hydrophobic coating layer 3145 may be composed of a fluoropolymer and may be formed by spin, dip, spray, plasma, deposition, sputtering, ALD, CVD, or e-beam processes.
- the dielectric layer 3144 is a layer formed on the upper substrate 3120 or the electrowetting electrode 3121 to provide electrical insulation to the upper substrate 3120 or the electrowetting electrode 3121, and has a thin film coating structure. It can be.
- the dielectric layer 3144 can be made of various insulating materials such as SiO2, Si3N4, Parylene, fluoropolymer, SU8, or PDMS, and can be used in spin, dip, spray, plasma, deposition, sputtering, ALD, CVD, or e-beam processes. can be formed by
- the upper substrate 3120 is a layer on which the electrowetting electrode 3121 is formed, and electrically connects the routing layer 3143 and the electrowetting electrode 3121.
- the upper substrate 3120 may include a base and conductive plastic filled through the base.
- the base may be comprised of polymer (eg, PMMA, PC, COP), ceramic, glass, or silicon.
- the upper substrate 3120 may be formed by injection molding, dispensing, screen printing, or 3D printing process.
- the electrowetting electrode 3121 is an electrode for inducing electrowetting, and may be made of metal (e.g., Ag, Au, Cu, Cr) or a conductive polymer, and may be used for deposition, sputtering, It can be formed by screen printing, inkjet printing, laser ablation, or R2R process.
- the routing layer 3143 is an interconnection layer for electrically connecting the droplet actuator 3100 and an external device (eg, a tester), and may be a layer including a contact pad pattern. At this time, the contact pad is connected to a conductive element (eg, conductive polymer) of the upper substrate 3120 through a via.
- routing layer 3143 may be comprised of metal (eg, Ag, Au, Cu, Cr) and conductive polymer.
- the routing layer 3143 may be formed by deposition, sputtering, screen printing, inkjet printing, laser ablation, or a R2R process.
- the heater 3142 is a component for heating the droplet inside the droplet actuator 3100 and may be a resistance heater, a magnetic induction heater, or a thermoelectric heater.
- the upper housing 3141 is a component that forms the upper exterior of the droplet actuator 3100, protects the internal structure of the droplet actuator 3100, and provides an interface that connects the droplet actuator 3100 and an external device (e.g., a tester). to provide.
- the upper housing 3131 may be made of polymer or plastic.
- Figures 41 to 45 are diagrams showing one embodiment of a droplet processing method for determining the presence and concentration of a target nucleic acid in a droplet. 41, a droplet actuator 4100 for a droplet processing method according to this embodiment is shown.
- the droplet actuator 4100 is a device that processes movement, merging, and/or separation of droplets based on electrowetting, and may be any one of the droplet actuators of various structures described in FIGS. 1 to 40.
- the droplet actuator 4100 is shown as having an electrowetting electrode formed only on the lower substrate, but this is only an example for simplicity of explanation, and the scope of the present embodiment is not limited thereto.
- the droplet actuator 4100 of FIG. 41 may have electrowetting electrodes formed on the upper and lower substrates, respectively, like the droplet actuator 3100 of FIG. 33.
- the droplet actuator 4100 includes an upper substrate 4120, a lower substrate 4110 that is spaced apart from the upper substrate 4120 and a space in which the droplet can move is formed between the upper substrate 4120, and the upper substrate 4120 or It is disposed on the lower substrate 4110 and includes a plurality of electrodes (4111, 4112, 4113, 4114, 4115, or electrowetting electrodes) whose potential is varied by an electrowetting signal.
- the plurality of electrodes 4111, 4112, 4113, 4114, and 4115 are spaced apart from each other by a gap gk.
- a first droplet 81 containing a target nucleic acid (md1) is located on the first electrode 4111, and a second droplet 82 containing a gene scissors (md2) is located on the second electrode 4112. and a third droplet 83 containing a reactive material (md3) is located on the third electrode 4113.
- the target nucleic acid (md1) may be single stranded RNA, single stranded DNA, or double stranded DNA.
- the gene scissors (md2) is a gene scissors that is activated by binding to a target nucleic acid (md1), and may be a protein complex containing a CAS protein and gRNA.
- the reaction material (md3) may be a complex of a reporter and a quencher. This will be further explained with reference to FIG. 42.
- Figure 42(a) shows an exemplary configuration of gene scissors (md2).
- Gene scissors (md2) may be a combination of CAS protein (cas) and gRNA (g).
- CAS protein is an enzyme that non-specifically cleaves a target nucleic acid and may be a CRISPR-associated endonuclease.
- gRNA (g) is an RNA that binds complementary to the target nucleic acid to be cut, and specifies the target nucleic acid to be cut with genetic scissors (md2) or activates genetic scissors (md2) to induce non-specific nucleic acid cleavage.
- gRNA(g) may be sgRNA (single guide RNA).
- Figure 42(b) shows an exemplary configuration of reactant (md3).
- the reaction material (md3) may be a reporter (rp) and a quencher (qc) combined by nucleic acid (st).
- the nucleic acid (st) may be a single stranded nucleic acid.
- the reporter (rp) is a light-emitting material bound to one end of the nucleic acid (st), and the quencher (qc) is a light-absorbing material bound to the other end of the nucleic acid (st). If the reporter (rp) and the quencher (qc) are bound to each other, the quencher (qc) suppresses the reporter (rp) and no light is generated, but if the bond between the reporter (rp) and the quencher (qc) is broken, the reporter (rp) emits light freely.
- the first droplet 81 containing the target nucleic acid (md1) the second droplet 82 containing the genetic scissors (md2), and the third droplet containing the reactive material (md3)
- an electrowetting signal is applied to the electrodes 4111, 4112, 4113, 4114, and 4115 of the droplet actuator 4100 to process the droplet.
- a first droplet 81 containing the target nucleic acid (md1) and a second droplet containing the gene scissors (md2) ( 82) are merged, and as a result a droplet 84 is generated and provided in the internal space of the droplet actuator 4100, for example on the fluid channel of the droplet actuator 4100.
- the first droplet manipulation is an operation of moving the first droplet 81 on the first electrode 4111 toward the second droplet 82, and the second droplet 82 on the second electrode 4112. ) is moved toward the first droplet 81, or the first droplet 81 on the first electrode 4111 and the second droplet 82 on the second electrode 4112 are connected to the fourth electrode in the middle. This may be an operation to move toward (4114).
- the first droplet manipulation is illustrated as an manipulation of moving the first droplet 81 on the first electrode 4111 toward the second droplet 82.
- the first electrowetting signal is an electrical signal (e.g., V1, V2 in Figure 37) that is selectively applied to each electrode (4111, 4112, 4113, 4114, 4115) to implement the first droplet manipulation. , V3, V4, etc.).
- V1, V2 in Figure 37 an electrical signal (e.g., V1, V2 in Figure 37) that is selectively applied to each electrode (4111, 4112, 4113, 4114, 4115) to implement the first droplet manipulation. , V3, V4, etc.).
- the gene scissors (md2) can be activated by binding to the target nucleic acid (md1).
- Activated gene scissors (md4) can cleave nucleic acids.
- the droplet 84 is not created by merging the first droplet 81 and the second droplet 82 by droplet manipulation, and the droplet 84 contains the activated gene scissors (md4). It may be injected from the outside and provided in the internal space of the droplet actuator 4100, for example, on the fluid channel of the droplet actuator 4100.
- md4 activated gene scissors
- a droplet 84 containing the activated gene scissors (md4) and a third droplet containing the reactive material (md3) are generated. (83) is mixed to produce combined droplets (85).
- the activated gene scissors (md4) is mixed with the reactant (md3), resulting in a reaction of the reactant (md3).
- the reaction may be the breaking of the bond between the reporter (rp) and the quencher (qc) in the reaction material (md3), or the reporter (rp) emitting light.
- the activated gene scissors (md4) when the activated gene scissors (md4) is mixed with the reaction material (md3), the activated gene scissors (md4) produces nucleic acid (st). Cleave non-specifically. When the nucleic acid (st) is cleaved, the reporter (rp) is separated from the quencher (qc), and the reporter (rp) emits light as a reaction due to the action of the activated gene scissors (md4).
- the presence or absence of the target nucleic acid (md1) in the droplet and/or the concentration of the target nucleic acid (md1) in the droplet can be determined.
- the gene scissors (md2) will not be activated in the droplet (84), and the non-activated gene scissors (md2) will react with the reactant ( Since the nucleic acid (st) of md3) cannot be cut, luminescence by the reporter (rp) will not occur in the combined droplet (85).
- the gene scissors (md2) will be activated in the droplet (84).
- the activated gene scissors (md4) cuts the nucleic acid (st) of the reaction material (md3), thereby separating the reporter (rp) from the quencher (qc) and causing light emission by the reporter (rp).
- the amount of light generated by the reporter (rp) may vary depending on the amount of target nucleic acid (md1) in the first droplet (81).
- md1 target nucleic acid
- md2 gene scissors
- st nucleic acids
- rp reporter
- the second droplet manipulation is an operation of moving the droplet 84 on the second electrode 4112 toward the third droplet 83, and moving the third droplet 83 on the third electrode 4113.
- the second droplet manipulation is an operation of moving the droplet 84 on the second electrode 4112 and the third droplet 83 on the third electrode 4113 toward the intermediate fifth electrode 4115. It was exemplified that
- the second electrowetting signal is an electrical signal (e.g., V1, V2 in Figure 37) that is selectively applied to each electrode (4111, 4112, 4113, 4114, 4115) to implement the second droplet manipulation. , V3, V4, etc.).
- V1, V2 in Figure 37 an electrical signal that is selectively applied to each electrode (4111, 4112, 4113, 4114, 4115) to implement the second droplet manipulation. , V3, V4, etc.).
- Figures 46 to 49 are diagrams showing another example of a droplet processing method for determining the presence and concentration of a target nucleic acid in a droplet. 46, a droplet actuator 4100 for a droplet processing method according to this embodiment is shown.
- the droplet actuator 4100 of FIG. 46 has the same configuration as the droplet actuator 4100 of FIG. 41. Additionally, in Figure 46, the composition and function of the target nucleic acid (md1), gene scissors (md2), and reaction material (md3) are the same as those previously described in Figures 41 to 45. However, the present embodiment is different in that the reactive material md3 is not included in the droplet but is prepared on the surface of the electrode 4115.
- electrowetting signals are applied to the electrodes 4111, 4112, 4113, 4114, and 4115 of the droplet actuator 4100. is applied so that treatment of the droplets can be performed.
- a first droplet 81 containing the target nucleic acid (md1) and a second droplet 82 containing the gene scissors (md2) are merged, and as a result a droplet 84 is created and provided in the interior space of the droplet actuator 4100, for example on the fluid channel of the droplet actuator 4100.
- the first droplet manipulation and first electrowetting signal may be the same as the first droplet manipulation and first electrowetting signal previously described in FIGS. 41 to 45.
- the gene scissors (md2) can be activated by binding to the target nucleic acid (md1).
- Activated gene scissors (md4) can cleave nucleic acids.
- the droplet 84 is not created by merging the first droplet 81 and the second droplet 82 by droplet manipulation, and the droplet 84 is not generated by merging the first droplet 81 and the second droplet 82 by droplet manipulation. It may be injected from the outside in a state containing the scissors md4 and provided in the internal space of the droplet actuator 4100, for example, on the fluid channel of the droplet actuator 4100.
- the droplet 84 containing the activated gene scissors (md4) moves to the position where the reaction material (md3) is prepared. , a reactant (md3) is provided in the droplet (84).
- the second droplet manipulation may be an manipulation that moves the droplet 84 on the second electrode 4112 toward the fifth electrode 4115.
- the second electrowetting signal is an electrical signal (e.g., V1, V2 in Figure 37) that is selectively applied to each electrode (4111, 4112, 4113, 4114, 4115) to implement the second droplet manipulation. , V3, V4, etc.).
- V1, V2 in Figure 37 an electrical signal that is selectively applied to each electrode (4111, 4112, 4113, 4114, 4115) to implement the second droplet manipulation. , V3, V4, etc.).
- the reactive material (md3) may be provided in a form placed on the surface of the electrode as shown in FIG. 48.
- the activated gene scissors (md4) is mixed with the reactant (md3), resulting in a reaction of the reactant (md3).
- the reaction may be the breaking of the bond between the reporter (rp) and the quencher (qc) in the reaction material (md3), or the reporter (rp) emitting light.
- the quencher (qc) may not exist in the reaction material (md3).
- the separated reporter (rp) emits light while floating within the droplet 84.
- the droplet 84 can be moved to another location.
- the droplet (84) is moved to the fifth electrode (4115). ) is moved to the third electrode 4113.
- the reporter (rp) is floating within the droplet 84 and moves to the third electrode 4113 together with the droplet 84. Since the quencher qc is fixed to the surface of the fifth electrode 4115, it is left on the surface.
- the third electrode 4113 may be a point where it is easy to observe light emission by the reporter (rp).
- the third electrode 4113 may have a transparent hole formed at a position facing the third electrode 4113, or the third electrode 4113 may be made of a transparent electrode, so that the light emission can be observed more easily.
- the amount of light emitted from the reporter (rp) contained in the droplet 84 is measured to determine whether the target nucleic acid (md1) is present in the droplet, and/or The concentration of target nucleic acid (md1) in the droplet can be determined.
- the principle of determining the presence and concentration of the target nucleic acid (md1) by measuring the amount of light emitted from the reporter (rp) has been explained in the previous example, so further explanation thereof will be omitted here.
- the third droplet manipulation may be an manipulation of moving the droplet 84 on the fifth electrode 4115 toward the third electrode 4113.
- the third electrowetting signal is an electrical signal (e.g., V1, V2 in Figure 37) that is selectively applied to each electrode (4111, 4112, 4113, 4114, 4115) to implement the third droplet manipulation. , V3, V4, etc.).
- V1, V2 in Figure 37 an electrical signal that is selectively applied to each electrode (4111, 4112, 4113, 4114, 4115) to implement the third droplet manipulation. , V3, V4, etc.).
- Figures 50 to 53 are diagrams showing another embodiment of a droplet processing method for determining the presence and concentration of a target nucleic acid in a droplet. 50, a droplet actuator 4100 for a droplet processing method according to this embodiment is shown.
- the droplet actuator 4100 of FIG. 50 has the same configuration as the droplet actuator 4100 of FIG. 46.
- the composition and function of the target nucleic acid (md1) and gene scissors (md2) are the same as those previously described in Figure 46.
- the reaction material (md5) is not composed of a reporter (rp) and a quencher (qc), but is a hydrophobized molecule or hydrophilic molecule fixed to the surface of the electrode 4115 by nucleic acid (st). The points are different.
- electrowetting signals are applied to the electrodes 4111, 4112, 4113, 4114, and 4115 of the droplet actuator 4100. is applied so that treatment of the droplets can be performed.
- a first droplet 81 containing the target nucleic acid (md1) and a second droplet 82 containing the gene scissors (md2) are formed. are merged, and as a result a droplet 84 is created and provided in the interior space of the droplet actuator 4100, for example on the fluid channel of the droplet actuator 4100.
- the first droplet manipulation and first electrowetting signal may be the same as the first droplet manipulation and first electrowetting signal previously described in FIGS. 46 to 49.
- the gene scissors (md2) can be activated by binding to the target nucleic acid (md1).
- Activated gene scissors (md4) can cut nucleic acids.
- the droplet 84 is not created by merging the first droplet 81 and the second droplet 82 by droplet manipulation, but the droplet 84 may be injected from the outside in a state containing activated gene scissors (md4) and provided in the internal space of the droplet actuator 4100, for example, on the fluid channel of the droplet actuator 4100.
- md4 activated gene scissors
- the droplet 84 containing the activated gene scissors (md4) moves to the position where the reaction material (md5) is prepared; , Within the droplet 85, the activated gene scissors (md4) is mixed with the reactant (md5), resulting in a reaction of the reactant (md5).
- the reaction involves cutting the nucleic acid (st) bound to the reaction material (md5) by the activated gene scissors (md4), or floating the reaction material (md5) by the cutting on the electrode 4115. This may be done by changing the degree of hydrophobization or hydrophilization of the surface.
- the second droplet manipulation may be an manipulation that moves the droplet 84 on the second electrode 4112 toward the fifth electrode 4115.
- the second electrowetting signal is an electrical signal (e.g., V1, V2 in Figure 37) that is selectively applied to each electrode (4111, 4112, 4113, 4114, 4115) to implement the second droplet manipulation. , V3, V4, etc.).
- V1, V2 in Figure 37 an electrical signal that is selectively applied to each electrode (4111, 4112, 4113, 4114, 4115) to implement the second droplet manipulation. , V3, V4, etc.).
- the reaction material (md5) fixed by the nucleic acid (st) is separated from the surface of the fifth electrode 4115. Floats within the droplet 84. At this time, since the floating reactive material (md5) is a hydrophobic molecule or a hydrophilic molecule, the degree of hydrophobicity or hydrophilicity of the surface on the electrode 4115 can be changed.
- the droplet 84 can be moved to another location.
- the droplet 84 is It moves from the fifth electrode 4115 to the third electrode 4113. At this time, the reactive material md5 is floating within the droplet 84 and moves to the third electrode 4113 together with the droplet 84.
- configurations for measuring a change in the degree of hydrophobicity or a change in the degree of hydrophilicity of the surface on the fifth electrode 4115 may be provided.
- a sensor capable of measuring the degree of hydrophobicity or hydrophilicity in the fluid may be provided around the fifth electrode 4115, or the sensor may be electrically connected to the fifth electrode 4115.
- a sample capable of visualizing a change in the degree of hydrophobicity or degree of hydrophilicity of the droplet 84 at a position on the fifth electrode 4115 may be provided.
- the degree of hydrophobicity or hydrophilicity of the surface on the electrode 4115 is measured to determine whether the target nucleic acid (md1) is present in the droplet and the degree of hydrophilicity of the surface on the electrode 4115. You can find out what the concentration is in the droplet.
- the gene scissors (md2) will not be activated in the droplet (84), and the non-activated gene scissors (md2) will react with the reactant ( Since the nucleic acid (st) bound to md5) cannot be cut, the reactive material (md5) is fixed on the fifth electrode 4115, and after the droplet 84 is moved to the third electrode 4113, the electrode 4115 The degree of hydrophobicity or hydrophilicity of the above surface will not change.
- the gene scissors (md2) will be activated in the droplet (84).
- Activated gene scissors (md4) will cut the nucleic acid (st) bound to the reactive material (md5), thereby causing the reactive material (md5) to separate from the surface and float within the droplet 84.
- the reactant material (md5) floating in the droplet 84 will also be moved to the third electrode 4113 along the droplet 84, and the reactant material (md5) will be moved to the third electrode 4113 along the droplet 84.
- the degree of hydrophobicity or hydrophilicity of the surface on the electrode 4115 changes depending on the amount of the reactant (md5) moved along the droplet 84. Therefore, by measuring the degree of hydrophobization or hydrophilization of the surface on the electrode 4115, the presence or absence of the target nucleic acid (md1) in the first droplet 81 can be determined.
- the amount of change in the degree of hydrophobization or hydrophilization of the surface on the electrode 4115 may vary depending on the amount of target nucleic acid (md1) in the first droplet 81.
- target nucleic acid (md1) in the first droplet 81, a relatively smaller amount of activated gene scissors (md2) will be activated, and accordingly, the relative degree of hydrophobization of the surface on the electrode 4115 Alternatively, the degree of hydrophilization will also change to a smaller extent.
- the degree of hydrophobicity or hydrophilicity of the surface on the electrode 4115 the presence or absence of the target nucleic acid (md1) in the droplet and/or the concentration of the target nucleic acid (md1) in the droplet can be determined.
- the third droplet manipulation may be an manipulation of moving the droplet 84 on the fifth electrode 4115 toward the third electrode 4113.
- the third electrowetting signal is an electrical signal (e.g., V1, V2 in Figure 37) that is selectively applied to each electrode (4111, 4112, 4113, 4114, 4115) to implement the third droplet manipulation. , V3, V4, etc.).
- V1, V2 in Figure 37 an electrical signal that is selectively applied to each electrode (4111, 4112, 4113, 4114, 4115) to implement the third droplet manipulation. , V3, V4, etc.).
- Figures 54 to 57 are diagrams showing another embodiment of a droplet processing method for determining the presence and concentration of a target nucleic acid in a droplet. 54, a droplet actuator 4100 for a droplet processing method according to this embodiment is shown.
- the droplet actuator 4100 of FIG. 54 has the same configuration as the droplet actuator 4100 of FIG. 50.
- the structure and function of the target nucleic acid (md1) and gene scissors (md2) are the same as those previously described in Figure 50.
- the difference is that the first reactive material (md6) is fixed to the surface above the fifth electrode 4115, and the second reactive material (md7) is fixed to the surface above the third electrode 4113. do.
- the first reactant (md6) may be an enzyme, catalyst, or substrate fixed to the surface of the fifth electrode 4115 by nucleic acid (st)
- the second reactant (md7) may be the enzyme, catalyst, or Alternatively, it may be a substance that reacts electrochemically with a substrate to cause an oxidation or reduction reaction.
- electrowetting signals are applied to the electrodes 4111, 4112, 4113, 4114, and 4115 of the droplet actuator 4100. is applied so that treatment of the droplets can be performed.
- a first droplet 81 containing the target nucleic acid (md1) and a second droplet 82 containing the gene scissors (md2) are merged, and as a result a droplet 84 is created and provided in the interior space of the droplet actuator 4100, for example on the fluid channel of the droplet actuator 4100.
- the first droplet manipulation and first electrowetting signal may be the same as the first droplet manipulation and first electrowetting signal previously described in FIGS. 46 to 49.
- the gene scissors (md2) can be activated by binding to the target nucleic acid (md1).
- Activated gene scissors (md4) can cut nucleic acids.
- the droplet 84 may not be created by merging the first droplet 81 and the second droplet 82 through droplet manipulation.
- the droplet 84 containing activated gene scissors (md4) may be injected from the outside and provided on the fluid channel of the droplet actuator 4100.
- the droplet 84 containing the activated gene scissors (md4) is moved to the location where the first reaction material (md6) was prepared.
- the activated gene scissors (md4) mixes with the first reactant (md6), resulting in a reaction of the first reactant (md6).
- the reaction may be that the nucleic acid (st) bound to the first reaction material (md6) is cut by the activated gene scissors (md4), or the first reaction material (md6) may be floated by the cutting. there is.
- the second droplet manipulation may be an manipulation that moves the droplet 84 on the second electrode 4112 toward the fifth electrode 4115.
- the second electrowetting signal is an electrical signal (e.g., V1, V2 in Figure 37) that is selectively applied to each electrode (4111, 4112, 4113, 4114, 4115) to implement the second droplet manipulation. , V3, V4, etc.).
- V1, V2 in Figure 37 an electrical signal that is selectively applied to each electrode (4111, 4112, 4113, 4114, 4115) to implement the second droplet manipulation. , V3, V4, etc.).
- the first reaction material (md6) fixed by the nucleic acid (st) is separated from the surface of the fifth electrode 4115. and may float within the droplet 84.
- the first reactant (md6) includes an enzyme, catalyst, or substrate that can cause an oxidation or reduction reaction by acting on the second reactant (md7), so the amount of the first reactant (md6) plotted The more this material reacts electrochemically when it meets the second reactant (md7), the more oxidation or reduction reaction will occur. Therefore, by measuring the optical or electrical change due to the oxidation or reduction reaction at that time, the presence or absence of the target nucleic acid (md1) in the droplet and the concentration of the target nucleic acid (md1) in the droplet can be known.
- the droplet 84 is formed by a third droplet manipulation based on the third electrowetting signal. ) is moved from the fifth electrode 4115 to the third electrode 4113. At this time, the first reaction material (md6) is floating within the droplet 84 and moves to the third electrode 4113 together with the droplet 84.
- the first reactant (md6) meets the second reactant (md7) and mixes with each other, and the first reactant (md6) and the second reactant (md7) electrochemically react.
- an oxidation reaction or reduction reaction occurs.
- the optical or electrical change due to the oxidation or reduction reaction can be detected by an optical or electrical method through a sensor connected to the third electrode 4113, and the detected result is used to detect the target nucleic acid (md1) in the droplet. ), and the concentration of the target nucleic acid (md1) in the droplet can be known.
- the gene scissors (md2) will not be activated in the droplet 84, and the non-activated gene scissors (md2) will be activated in the first reaction. Since the nucleic acid (st) bound to the material (md6) cannot be cut, the first reactive material (md6) is fixed on the fifth electrode 4115, so even if the droplet 84 is moved to the third electrode 4113, it is not converted to oxygen. No reaction or reduction reaction will occur.
- the gene scissors (md2) will be activated in the droplet (84).
- Activated gene scissors (md4) will cut the nucleic acid (st) bound to the first reactant (md6), whereby the first reactant (md6) will separate from the surface and float within the droplet 84.
- the droplet 84 moves to the third electrode 4113
- the first reaction material (md6) floating in the droplet 84 will also move to the third electrode 4113 along the droplet 84.
- the first reactant (md6) is mixed with the second reactant (md7) and causes an electrochemical reaction, an oxidation or reduction reaction will occur. Therefore, by measuring whether an oxidation reaction or a reduction reaction occurs, the presence or absence of the target nucleic acid (md1) in the first droplet 81 can be determined.
- the amount of optical or electrical change due to the oxidation or reduction reaction may vary depending on the amount of target nucleic acid (md1) in the first droplet 81.
- md1 target nucleic acid
- md2 target nucleic acid
- st first reaction material
- md1 target nucleic acid
- md2 activated gene scissors
- the presence or absence of the target nucleic acid (md1) in the droplet and/or the concentration of the target nucleic acid (md1) in the droplet can be determined. there is.
- the third droplet manipulation may be an manipulation of moving the droplet 84 on the fifth electrode 4115 toward the third electrode 4113.
- the third electrowetting signal is an electrical signal (e.g., V1, V2 in Figure 37) that is selectively applied to each electrode (4111, 4112, 4113, 4114, 4115) to implement the third droplet manipulation. , V3, V4, etc.).
- V1, V2 in Figure 37 an electrical signal that is selectively applied to each electrode (4111, 4112, 4113, 4114, 4115) to implement the third droplet manipulation. , V3, V4, etc.).
- Figure 58 is a flowchart showing a droplet processing method using an electrowetting-based droplet actuator according to an embodiment of the present invention. 58 , the droplet processing method may be performed, for example, by the droplet actuator 4100 of FIG. 41 . Therefore, if the performing entity is not specified in the following steps, it is assumed that the performing entity is the droplet actuator 4100.
- the droplet actuator includes an upper substrate, a lower substrate spaced apart from the upper substrate and forming a space between the upper substrate and the upper substrate where a droplet can move, and a plurality of electrodes disposed on the upper substrate or the lower substrate. It is assumed that a droplet containing gene scissors is located on one of the plurality of electrodes, and a reactive material is located on another electrode among the plurality of electrodes.
- the droplet may be generated by merging a first droplet containing the target nucleic acid and a second droplet containing the genetic scissors by manipulating the first droplet based on the first electrowetting signal.
- the first droplet may be prepared on the first electrode, and the second droplet may be prepared on the second electrode.
- the droplet When the first droplet and the second droplet are merged by manipulating the first droplet, the droplet is generated and the target nucleic acid within the droplet binds to the gene scissors, thereby activating the gene scissors. Activated gene scissors can cut nucleic acids.
- the droplet is not created by merging the first droplet and the second droplet by droplet manipulation, but the droplet is injected from the outside in a state containing an activated protein complex, and is injected into the internal space of the droplet actuator, for example. As described above, it may be provided on the fluid channel of the droplet actuator.
- step S100 an electrowetting signal is provided to at least some of the plurality of electrodes of the droplet actuator.
- step S200 the droplet and the reactant are mixed by a second droplet manipulation based on the electrowetting signal.
- the reaction material may be prepared as contained in the third droplet or may be prepared as fixed to the surface of the fifth electrode.
- the reactive material may be a reporter and a quencher bound by nucleic acid, or a hydrophobic or hydrophilic molecule bound to a single-stranded nucleic acid.
- the nucleic acid bound to the reactive material can be cut by activated gene scissors.
- the bond between the reporter and the quencher in the reaction material may be cut by the gene scissors, thereby separating the reporter from the quencher, or the nucleic acid bound to the reaction material may be cleaved by the gene scissors, allowing the reaction material to float.
- step S300 the droplet is moved to another location away from the current location by the third droplet manipulation.
- the position to which the droplet is moved by the third droplet manipulation may be a position where the reaction of the reactant can be more easily measured.
- the position to which the droplet moves may be a position designed to more easily observe light emission by forming a transparent hole at a facing position or by forming an electrode at that position as a transparent electrode.
- the location to which the droplet is moved is another electrode away from the reaction electrode 4115, such that the droplet is removed from the reaction electrode 4115 and the degree of hydrophobicity or hydrophilicity of the surface on the electrode 4115 can be easily measured.
- it may be on the third electrode 4113.
- step S400 the reaction of the reactant due to the action of the gene scissors is detected.
- detection of the reaction includes detecting the amount of light emitted by a reporter, detecting a change in the degree of hydrophobization or hydrophilization of the surface on the electrode 4115, or an oxidation reaction occurring on the electrode 4113.
- it may be to detect optical or electrical change due to a reduction reaction.
- step S500 the result of detecting the reaction is measured, and the presence or absence of the target nucleic acid or the concentration of the target nucleic acid is determined based on the measurement.
- the presence or absence of target nucleic acid in the droplet and/or the concentration of the target nucleic acid in the droplet can be determined by measuring the amount of light emitted from the reporter contained in the droplet.
- the presence or absence of target nucleic acid in the droplet and/or the concentration of the target nucleic acid in the droplet can be determined by measuring the degree of hydrophobicity or hydrophilicity of the surface on the electrode 4115.
- the presence or absence of the target nucleic acid in the droplet and/or the concentration of the target nucleic acid in the droplet can be determined by measuring the amount of optical or electrical change due to the oxidation or reduction reaction occurring on the electrode 4113.
- a droplet actuator capable of inducing a biochemical reaction to a substance in a droplet based on electrowetting and a droplet processing method using the same are provided.
- various types of reactions such as luminescence reaction, hydrophilization reaction, hydrophobization reaction, oxidation reaction, or reduction reaction can be applied.
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Abstract
본 발명은 진단 장치 및 그것의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 진단 장치는, 절연체로 이루어진 베이스 플레이트, 및 상기 베이스 플레이트를 관통하여 형성되고 인가된 전압에 기초하여 표면에 위치한 유체를 이동시키는 적어도 하나의 전극을 포함하고, 상기 전극은 인젝션 게이트를 이용해 상기 베이스 플레이트의 빈 공간에 전도성 폴리머(Polymer)를 주입하여 형성된 것일 수 있다.
Description
본 발명은 일렉트로웨팅(Electrowetting)을 이용한 액적 액추에이터 및 그것의 전극 구조에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 전도성 폴리머를 인젝션 몰딩(Injection Molding), 3D 프린팅, 토출(Dispensing), 레이저 패터닝(Laser Patterning), 또는 스크린 프린팅(Screen Printing) 하여 전극을 형성함으로써 생산 공정을 간소화시킨 액적 액추에이터 및 그것의 전극 구조에 관한 것이다.
일렉트로웨팅(Electrowetting)이란 유체에 인가되는 전기장으로 인해서 유체의 표면 장력이 변하는 현상을 의미한다. 예를 들어, 일렉트로웨팅에 의해 표면 장력이 변화된 유체는 인가된 전기 신호에 따라 전위차로 인한 고체-액체 간 접촉각이 달라질 수 있다. 다른 예를 들어, 일렉트로웨팅에 의해 표면 장력이 변화된 유체는 인가된 전기 신호에 따라 전극 상에서 이동할 수도 있다.
다양한 기술 분야에서 이러한 일렉트로웨팅을 이용하기 위한 시도가 계속되고 있다. 예를 들어, 카메라 렌즈의 두께를 제어하거나 전자 종이(Electronic Paper)의 상용화를 위해 일렉트로웨팅을 이용하기 위한 시도가 계속되고 있다.
본 발명의 몇몇 실시예를 통해 해결하고자 하는 기술적 과제는, 생산 공정을 간소화시킬 수 있는 구조를 가진 액적 액추에이터 및 그것의 전극 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 몇몇 실시예를 통해 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 생산 단가를 낮출 수 있는 구조를 가진 액적 액추에이터 및 그것의 전극 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 몇몇 실시예를 통해 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 일회용 카트리지로 이용될 수 있는 액적 액추에이터 및 그것의 전극 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명의 기술 분야에서의 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 따른 액적 액추에이터는, 절연체로 이루어진 베이스 플레이트, 및 상기 베이스 플레이트를 관통하여 형성되고, 인가된 전압에 기초하여 표면에 위치한 유체를 이동시키는 적어도 하나의 전극을 포함하고, 상기 전극은 인젝션 게이트를 이용해 상기 베이스 플레이트의 빈 공간에 전도성 폴리머(Polymer)를 주입하여 형성된 것일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 전도성 폴리머는 폴리머와 메탈의 컴파운드(Compound)를 포함할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 폴리머는 Siloxane, Resin, PLA, ABS, Nylon, PETG, TPU, ASA, PEI, 또는 Epoxy를 포함할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 메탈은 금(Au), 은(Ag), 또는 구리(Cu)를 포함할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 전도성 폴리머는, 탄소, 탄소 나노튜브(CNT), 탄소 섬유(Carbon Fiber), 그라파이트(Graphite), 또는 그래핀(Graphene)을 포함할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 베이스 플레이트는 상기 인젝션 게이트와 구별되는 다른 인젝션 게이트가 몰드(Mold)의 공간에 상기 절연체를 주입하여 형성된 것일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 베이스 플레이트는 상기 절연체를 프레스 사출하거나, 평판 드릴링하여 형성된 것일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 베이스 플레이트는 상기 폴리머를 이용한 3D 프린팅에 의해 형성된 것일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 전극의 상부 너비는 상기 전극의 중부 너비보다 제1 기준 크기만큼 큰 너비이고, 상기 전극의 하부 너비는 상기 전극의 중부 너비보다 제2 기준 크기만큼 큰 너비이고, 상기 제1 기준 크기는 상기 제2 기준 크기보다 큰 것일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 전극의 너비는 상기 전극의 상부에서 중부를 향하여 테이퍼링(tapering)되고, 상기 전극의 하부에서 중부를 향하여 테이퍼링되는 것일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액적 액추에이터의 예시적인 도면이다.
도 2는 도 1을 참조하여 설명된 전극 플레이트 상부의 예시적인 도면이다.
도 3은 도 1을 참조하여 설명된 전극 플레이트 하부의 예시적인 도면이다.
도 4는 도 1을 참조하여 설명된 전극 플레이트의 예시적인 단면도이다.
도 5는 도 1을 참조하여 설명된 하우징과 전극 플레이트를 보다 구체적으로 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 6은 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명된 전극의 구조를 보다 구체적으로 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 7은 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명된 베이스 플레이트의 구조를 보다 구체적으로 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 8은 도 1을 참조하여 설명된 전극 플레이트 상부의 다른 예시적인 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 리저버 구조를 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 10 내지 도 12는 도 9에 도시된 리저버 구조를 더욱 상세히 부연설명하기 위한 도면들이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른, 액적의 광학적 관찰이 용이한 전극 구조를 나타내는 도면이다.
도 14 내지 도 18은 도 13에 도시된 전극 구조를 더욱 상세히 부연설명하기 위한 도면이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른, 평행 전극 구조를 갖는 액적 액추에이터의 예시적인 형태를 나타내는 분해 사시도이다.
도 20은 도 19에 도시된 액적 액추에이터의 상세 구조 및 그것에 의한 일렉트로웨팅 동작을 설명하기 위한 단면도이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른, 온도 조절부를 구비한 액적 액추에이터의 예시적인 형태를 나타내는 분해 사시도이다.
도 22은 도 21에 도시된 액적 액추에이터의 상세 구조 및 그것에 의한 온도 조절 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 23 내지 도 25는, 자기력을 이용한 세척 기능을 구비한 액적 액추에이터 및 그것에 의한 세척 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 26은 액적 액추에이터의 검체를 테스트한 결과를 읽어내는 신호 리더기의 구성을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 27은 도 26의 광학부의 예시적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 28 내지 도 31은 도 26의 메인보드의 구성 및 기능을 부연설명하기 위한 도면들이다.
도 32는 본 발명의 다른 일 실시예로서, 액적 액추에이터의 새로운 적층 구조를 나타내는 도면이다.
도 33은 본 발명의 일 실시예에 따른, 수직형 전극 구조를 갖는 액적 액추에이터를 나타내는 도면이다.
도 34는 도 33에서 설명된 액적 액추에이터의 측면도 및 평면도를 나타내는 도면이다.
도 35는 도 33에서 설명된 액적 액추에이터의 스위치 회로를 나타내는 도면이다.
도 36 및 도 37은 도 35의 스위치 회로의 동작에 따른 일렉트로웨팅 전극의 구동 및 그것에 의한 액적의 이동을 설명하기 위한 도면이다.
도 38 및 도 39는 도 33에서 설명된 액적 액추에이터의 예시적인 일렉트로웨팅 전극 배치들을 나타내는 도면이다.
도 40은 도 33에서 설명된 액적 액추에이터의 예시적인 적층 구조를 나타내는 도면이다.
도 41 내지 도 45는 액적 내 타겟 물질의 존재 여부 및 농도를 결정하기 위한 액적 처리 방법의 일 실시예를 나타내는 도면들이다.
도 46 내지 도 49는 액적 내 타겟 물질의 존재 여부 및 농도를 결정하기 위한 액적 처리 방법의 다른 일 실시예를 나타내는 도면들이다.
도 50 내지 도 53은 액적 내 타겟 물질의 존재 여부 및 농도를 결정하기 위한 액적 처리 방법의 또 다른 일 실시예를 나타내는 도면들이다.
도 54는 본 발명의 일 실시예에 따른, 일렉트로웨팅 기반의 액적 액추에이터를 이용한 액적 처리 방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 이하의 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이하의 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 기술적 사상은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
명세서에서 사용되는 "포함한다 (comprises)" 및/또는 "포함하는 (comprising)"은 언급된 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 첨부된 도면에 따라 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액적 액추에이터(droplet actuator)의 예시적인 도면이다. 도 1은 전극 플레이트(10), 하우징(20) 및 기판(30)이 포함된 액적 액추에이터를 도시하고 있으나, 도 1은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 실시예를 도시하고 있을 뿐이며 필요에 따라 일부 구성 요소가 추가되거나 삭제될 수 있다.
예를 들어, 컴퓨팅 장치로 구현된 리더기(미도시)가 더 구비될 수 있으며, 이때 리더기는 하우징에 수용되는 유체를 대상 전극으로 유도하기 위한 일렉트로웨팅 신호(i.e., 전기 신호)를 생성 및 제어할 수 있다. 또한, 도 1에 도시된 예시적인 액적 액추에이터의 구성 요소들은 기능적으로 구분되는 기능 요소들을 나타낸 것으로서, 복수의 구성 요소가 실제 물리적 환경에서는 서로 통합되는 형태로 구현될 수도 있음에 유의해야 한다. 이하, 도 1에 도시된 예시적인 액적 액추에이터의 구성 요소에 대해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
하우징(20)은 유체를 수용할 수 있다. 이때, 하우징(20)은 유체를 수용하기 위한 유체 수용부를 포함할 수 있다. 예를 들어, PCR(Polymerase Chain Reaction)을 수행하기 위해 DNA가 포함된 시료가 하우징(20)의 유체 수용부에 수용될 수 있으나. 본 예시에 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
몇몇 실시예에서, 하우징(20)의 구조는 액적 액추에이터가 이용되는 용도에 따라 유체 수용부 외의 구성을 더 포함할 수 있다. 즉, 하우징(20)은 유체를 수용하고, 액적 액추에이터의 외관을 형성하는 외에 추가된 기능을 제공하도록 구성될 수 있으며, 이때 공지된 액적 액추에이터의 모든 기술이 참조될 수 있음을 유의해야 한다.
다음으로, 전극 플레이트(10)는 하우징(20)에 수용된 유체로부터 분배된 액적(droplet)을 대상 전극의 위치로 이동시키기 위한 일렉트로웨팅 신호를 통해 액적에 분극을 유도시킬 수 있다. 이때, 전극 플레이트(10)는 일렉트로웨팅 신호를 통전시키기 위한 전극을 적어도 하나 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 전극 플레이트(10)는 베이스 플레이트 및 베이스 플레이트를 관통하여 형성된 적어도 하나의 전극을 포함할 수 있다. 여기서, 베이스 플레이트는 절연체로 이루어질 수 있다. 본 실시예에 따르면, 일렉트로웨팅을 이용하여, 전기적으로 절연된 베이스 플레이트를 관통하여 형성된 전극을 따라 전극과 액적 사이의 표면장력을 변화시킬 수 있다. 이러한 표면장력의 변화로 인한 전극과 액적이 이루는 접촉각의 변화를 이용하여 서로 인접한 전극 사이에서 액적이 이동할 수 있다. 전극 플레이트(10)에 형성된 전극의 구조에 관해서는 추후 명세서의 기재를 통해 구체화될 것이다.
다음으로, 기판(30)은 전극 플레이트(10)에 일렉트로웨팅 신호를 전달할 수 있다. 예를 들어, 기판(30)은 유리 기판, 실리콘 기판, PCB(Printed Circuit Board) 및 TFT(Thin Film Transistor) 중 어느 하나일 수 있다. 다만, 본 예시들에 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니고, 리더기(미도시)가 전송한 일렉트로웨팅 신호를 전극 플레이트(10)에 전달할 수 있는 구조를 가진 모든 공지된 기술이 본 발명에 적용될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 컴퓨팅 장치로 구현된 리더기(미도시)가 액적 액추에이터에 포함될 수 있으나, 액적 액추에이터가 일회용으로 제조되어, 다수의 액적 액추에이터가 커넥터로 리더기에 연결되어 일회적으로 이용되는 환경이라면, 도 1과 같이 리더기를 포함하지 않는 것이 액적 액추에이터의 제조 단가를 감소시킬 수 있다.
지금까지 도 1을 참조하여 설명된 본 발명의 일 실시예에 따른 예시적인 액적 액추에이터에 따르면, 하우징(20)에 수용된 유체로부터 액적을 분배하고, 상기 액적을 대상 전극의 위치로 이동시킬 수 있다.
상술한 액적 액추에이터는 진단 장치로서 이용될 수 있다. 예를 들어, 상기 액적 액추에이터를 이용하여 동물의 혈액, 소변, 대변, 타액, 비인두 도말, 비강도, 구인두 도말, 뇌척수액, 피부 조직, 머리카락, 기타 체세포, 체내 조직 및 정액 등의 시료 샘플로부터 세포, 소포, 단백질 및 핵산 등을 자동으로 추출 및 정제할 수 있고, 유전자 증폭, 해독, 합성 및 진단할 수도 있고, 항원 항체 반응을 이용한 면역 진단을 수행할 수도 있고, 화합물을 합성 및 제조할 수도 있다. 나아가, 중금속, 인체 유해물질 및 마약을 검사할 수도 있다. 앞서 예시된 액적 액추에이터가 이용될 수 있는 기술 분야는 예시적인 것에 불과하며, 이외에도 다양한 기술 분야에서 상술한 액적 액추에이터가 이용될 수 있음을 유의해야 한다.
이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여, 전극 플레이트(10)의 구조에 대해 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 도 2는 도 1을 참조하여 설명된 전극 플레이트(10) 상부의 예시적인 도면이고, 도 3은 도 1을 참조하여 설명된 전극 플레이트(10) 하부의 예시적인 도면이고, 도 4는 도 1을 참조하여 설명된 전극 플레이트(10)의 예시적인 단면도이다.
도 2는 전극 플레이트(10) 상부에 형성된 예시적인 전극의 상부(11) 구조를 도시하고 있다. 도 2에 도시된 전극의 상부(11)는 사각형으로 형성되어 있으나, 이는 예시적인 것일 뿐 전극의 상부(11) 구조는 얼마든지 달라질 수 있음을 유의해야 한다.
도 3은 전극 플레이트(10) 하부에 형성된 예시적인 전극의 하부(12) 구조를 도시하고 있다. 도 3에 도시된 전극의 하부(12)는 원으로 형성되어 있으나, 이는 예시적인 것일 뿐 전극의 하부(12) 구조는 얼마든지 달라질 수 있음을 유의해야 한다.
도 4는 예시적인 전극의 측부 구조를 도시하고 있다. 도 4를 참조하면 전극(13)은 베이스 플레이트를 관통하여 형성될 수 있음을 이해할 수 있다. 전극과 관련하여, 몇몇 실시예에서는, 전극은 전도성 폴리머의 인젝션 몰딩, 3D 프린팅, 스크린 프린팅(Screen Printing), 레이저패터닝(Laser Patterning), 또는 토출(dispensing) 등으로 형성된 것일 수 있다. 상기 전도성 폴리머는 전도성 플라스틱을 포함할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 포토 공정 및 메탈 증착 공정 등을 포함하는 반도체 공정과 유사한 복잡한 공정 없이도, 간소화된 공정으로 액적 액추에이터의 전극을 제조할 수 있다.
전극과 관련하여, 다른 몇몇 실시예에서는, 전극을 구성하는 전도성 폴리머는 폴리머와 메탈의 컴파운드(Compound)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 폴리머는 Siloxane, Epoxy, Resin, ABS, PLA, TPU, HIPS 등을 포함할 수 있다. 또한, 상기 메탈은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 또는 그 외의 전도성 금속물질을 포함할 수 있다. 이때, 전도성 폴리머는 상기 메탈과 함께 전도성 물질인 탄소 나노튜브(CNT), 탄소 섬유(Carbon Fiber), 그라파이트(Graphite), 또는 그래핀(Graphene)중 적어도 하나를 포함하여 이루어질 수 있다.
전극과 관련하여, 다른 몇몇 실시예에서는, 전극을 구성하는 전도성 플라스틱은 PC(Polycarbonate), PMMA(Poly Methyl Methacrylate), COP(Cyclic Olefin Polymer), COC(Cyclic Olefin Copolymer), PET(Polyethylene Terephthalate), PI(Polyimide), PE(Polyethylene), Acrylic, ABS (Acrylonitrile butadiene styrene), PVDF (Polyvinylidene fluoride), PTFE (Polytetrafluoroethylene), PS (Polystyrene), PP (Polypropylene) 및 PVC (Polyvinyl chrloride)의 혼합물을 포함할 수 있다. 이때, 혼합물은 상기 폴리머들과 함께 전도성 물질인 탄소 나노튜브, 그래핀, 탄소 섬유, 금, 은, 구리 중 적어도 하나를 포함하여 이루어질 수 있다. 이외에도 전기 신호를 통전시키기 위한 공지된 모든 혼합물이 전극을 제조하기 위해 본 발명에 적용될 수 있음을 유의해야 한다.
베이스 플레이트와 관련하여, 몇몇 실시예에서는, 베이스 플레이트를 구성하는 절연체는 PC(Polycarbonate), PMMA(Poly Methyl Methacrylate), COP(Cyclic Olefin Polymer), COC(Cyclic Olefin Copolymer), PET(Polyethylene Terephthalate), PI(Polyimide), PE(Polyethylene), Acrylic, ABS (Acrylonitrile butadiene styrene), PVDF (Polyvinylidene fluoride), PTFE (Polytetrafluoroethylene), PS (Polystyrene), PP (Polypropylene) 및 PVC (Polyvinyl chrloride) 중 적어도 하나를 포함하여 이루어질 수 있다. 이외에도 전기 신호를 절연시키기 위한 열가소성 수지를 포함한 공지된 모든 구성이 절연체를 제조하기 위해 본 발명에 적용될 수 있음을 유의해야 한다.
전극 및 베이스 플레이트와 관련하여, 몇몇 실시예에서는, 1차로 베이스 플레이트가 먼저 만들어진 후, 2차로 인젝션 게이트(또는 노즐)를 통해 베이스 플레이트의 공간에 전도성 폴리머를 주입하여 형성될 수 있다.
이때, 일 실시예로서, 베이스 플레이트는 상기 인젝션 게이트와 구별되는 다른 인젝션 게이트가 몰드(Mold)의 공간에 절연체를 주입하여 형성된 것일 수 있다.
또는, 다른 일 실시예로서, 베이스 플레이트는 절연체를 프레스 사출하거나, 평판 드릴링하여 형성된 것일 수 있다.
또는, 또 다른 일 실시예로서, 상기 베이스 플레이트는 Siloxane, 레진(Resin), ABS, PLA, TPU, Nylon, PETG, ASA, PEI, HIPS 등 이용한 3D 프린팅에 의해 형성된 것일 수 있다.
전극 및 베이스 플레이트와 관련하여, 몇몇 실시예에서는, 전극 및 베이스 플레이트는 더블 샷 인젝션 몰딩(Double Shot Injection Molding)으로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 베이스 플레이트는 제1 인젝션 게이트(또는 노즐)가 제1 몰드(Mold)의 제1 공간에 절연체를 주입하여 형성되고, 전극은 제1 인젝션 게이트와 구별되는 제2 인젝션 게이트(또는 노즐)가 제2 몰드 또는 제1 몰드의 제2 공간에 전도성 폴리머를 주입하여 형성될 수 있다. 여기서, 제1 인젝션 게이트 및 제2 인젝션 게이트는 인젝션 게이트를 두개 이상 구비한 인젝터(Injector)에 포함된 구성일 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니고 단일한 인젝션 게이트를 구비한 서로 다른 인젝터에 포함된 구성일 수도 있다. 본 실시예에 따르면, 포토 공정 및 메탈 증착 공정 등을 포함하는 반도체 공정과 유사한 복잡한 공정 없이도, 간소화된 공정으로 서로 다른 재료로 이루어진 전극 및 베이스 플레이트를 제조할 수 있다. 서로 다른 재료로 이루어진 전극 및 베이스 플레이트를 제조하기 위해, 더블 샷 인젝션 몰딩을 수행하는 공지된 모든 방법이 본 발명에 적용될 수 있다.
전극 및 베이스 플레이트와 관련하여, 다른 몇몇 실시예에서는, 전극 및 베이스 플레이트가 인서트 인젝션 몰딩(Insert Injection Molding) 또는 오버몰딩(Overmolding)으로 형성될 수도 있다. 보다 구체적으로, 제1 몰드에 절연체를 주입하여 베이스 플레이트를 형성하고, 형성된 베이스 플레이트를 제2 몰드에 삽입(insert)한 후 제2 몰드에 전도성 폴리머를 주입함으로써 전극을 형성할 수 있다. 이와 반대로, 먼저 제3 몰드에 전도성 폴리머를 주입하여 전극을 형성하고, 형성된 전극을 제4 몰드에 삽입한 후 제4 몰드에 절연체를 주입함으로써 베이스 플레이트를 형성할 수도 있다. 본 실시예에 따르면, 포토 공정 및 메탈 증착 공정 등을 포함하는 반도체 공정과 유사한 복잡한 공정 없이도, 간소화된 공정으로 서로 다른 구성으로 이루어진 전극 및 베이스 플레이트를 제조할 수 있다.
앞서 설명된, 더블 샷 인젝션 몰딩, 인서트 인젝션 몰딩, 및 오버 몰딩 외에도, 둘 이상의 서로 다른 재료로 구성된 제품을 만들기 위해 서로 다른 재료를 사출 성형하는 다양한 기법들이 본 개시의 범위에 포함될 수 있음을 유의해야 한다.
상술한 다양한 방법들에 따라 형성된 전극 플레이트(10)의 상부에, 도 5에 도시된 바와 같이, 하우징(20)이 결합될 수 있다. 여기서, 하우징(20)의 유체 수용부(미도시)에 수용된 유체는, 일렉트로웨팅 신호에 기초하여 액적으로 분배되어 전극 플레이트(10)에 형성된 전극(13)을 따라 이동할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 액적은 전극 플레이트(10)에 형성된 전극(13)의 상면과 전극의 상면과 대면하는 하우징의 저면 사이의 공간을 통해, 일렉트로웨팅 신호에 의해 가이드되는 위치 및/또는 방향으로 이동될 수 있다. 도 5는 일렉트로웨팅 신호에 기초하여 전극(13)을 따라 이동하고 있는 액적(70)의 예시적인 모습을 도시하고 있으며, 하우징(20)의 유체 수용부(미도시)에 수용된 유체로부터 분배된 액적의 이동에 관해서는 추후 도 8을 참조하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 이하, 도 6 및 도 7을 참조하여, 전극 플레이트(10)에 포함된 전극 및 베이스 플레이트의 구조를 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 도 6은 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명된 전극의 구조를 보다 구체적으로 설명하기 위한 예시적인 도면이고, 도 7은 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명된 베이스 플레이트의 구조를 보다 구체적으로 설명하기 위한 예시적인 도면이다. 도 6에 도시된 전극 및 도 7에 도시된 베이스플레이트 각각은 본 발명의 몇몇 실시예들을 설명하기 위한 예시 도면이므로, 본 개시의 범위가 도 6 및 도 7에 도시된 구조에 한정되지 않음을 유의해야 한다.
도 6을 참조하면, 전극 플레이트(10)에 형성된 전극의 상부 너비(14)는 전극의 중부 너비(15)보다 제1 기준 크기만큼 큰 너비이고, 전극의 하부 너비(16)는 전극의 중부 너비(15)보다 제2 기준 크기만큼 큰 너비임을 알 수 있다. 여기서, 전극의 중부는 전극의 상부와 하부 사이의 임의의 위치를 의미할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전극의 중부의 위치는 액적 액추에이터의 용도에 따라 달라질 수 있으며, 전극의 중부 너비(15)가 전극의 상부 너비(14) 및 전극의 하부 너비(16) 보다 작게 형성된 모든 구조의 전극이 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석하여야 한다. 또한, 제1 기준 크기 및 제2 기준 크기는 액적 액추에이터의 용도에 따라 얼마든지 달라질 수 있음을 유의해야 한다.
기준 크기와 관련하여, 몇몇 실시예에서는, 제1 기준 크기가 제2 기준 크기보다 큰 것일 수 있다. 전극 플레이트(10)의 상부는 액적과 접촉하는 부분이고 전극 플레이트(10)의 하부는 전기 신호가 전도되는 부분이므로, 전극의 상부 너비(14)가 전극의 하부 너비(16) 보다 큰 것이 바람직할 수 있다.
전극과 관련하여, 몇몇 실시예에서는, 전극의 너비는 전극의 상부에서 중부를 향하여 테이퍼링(tapering)되고, 전극의 하부에서 중부를 향하여 테이퍼링되는 것일 수 있다. 본 실시예에 따르면, 서로 다른 구성으로 이루어진 전극 및 베이스 플레이트의 접착력이 높아짐으로써, 제조되는 전극 플레이트(10)의 수율을 높이고 불량율을 낮출 수 있다.
전극과 관련하여, 다른 몇몇 실시예에서는, 전극의 상부 너비가 전극의 중부 너비보다 크거나 같고, 전극의 중부 너비가 전극의 하부 너비보다 크거나 같도록 형성될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 전극은, 상부에서 하부를 향하여 테이퍼링된 형상으로 형성될 수 있다.
지금까지 도 6을 참조하여, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 전극의 구조를 설명하였다. 다만, 도 6에 도시된 것과 달리, 전극의 상부 너비(14), 중부 너비(15) 및 하부 너비(16) 각각은 얼마든지 달라질 수 있음을 유의해야 한다.
도 7은 전극 플레이트(10)에 형성된 두개 이상의 전극으로부터 형성된 예시적인 전극 간격을 도시하고 있다. 여기서, 전극 간격은 절연체로 이루어진 베이스 플레이트 부분일 수 있다.
전극 간격과 관련하여, 몇몇 실시예에서는, 전극 간격의 상부 너비(17)가 전극 간격의 하부 너비(18)보다 작은 것일 수 있다. 여기서, 전극 간격의 베이스 플레이트는 전극 간격의 하부(40)로 인젝션 게이트를 위치시켜 절연체를 주입하여 형성된 것일 수 있다. 전극 간격의 하부 너비(18)를 전극 간격의 상부 너비(17)보다 크게 형성함으로써, 베이스 플레이트를 구성하는 절연체의 주입 시 발생하는 압력을 줄일 수 있다. 절연체의 주입 시 발생하는 압력을 줄임에 따라, 제조되는 전극 플레이트(10)의 수율을 높이고 불량율을 낮출 수도 있다.
전극 간격과 관련하여, 다른 몇몇 실시예에서는, 전극 간격의 너비가 전극 간격의 중부에서 상부를 향하여 테이퍼링되고, 전극 간격의 중부에서 하부를 향하여 테이퍼링되는 것일 수 있다. 본 실시예에 따르면, 서로 다른 구성으로 이루어진 전극 및 베이스 플레이트의 접착력이 높아짐으로써, 제조되는 전극 플레이트(10)의 수율을 높이고 불량율을 낮출 수 있다.
이하, 도 8을 참조하여, 전극 플레이트(10)에 포함될 수 있는 리저버(Reservoir, 19) 및 전극(50a, 50b)을 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 도 8은 도 1을 참조하여 설명된 전극 플레이트 상부의 다른 예시적인 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 전극 플레이트(10)는 하우징(20)에 수용된 유체를 디스펜스(dispense)하는 리저버(19)를 더 포함할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 하우징(20)에 수용된 유체가 1차적으로 리저버(19)로 유입될 수 있다. 또한, 본 개시의 리저버(19)는 인접 전극에 유체를 디스펜스하는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 하우징(20)을 거치지 않고 외부로부터 리저버(19)에 유체가 직접 유입되는 구조 또한 본 개시의 범위에서 배제되지 않음을 유의해야 한다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 리저버(19)에 인접하여 형성된 인접 전극(50a)의 상부 너비는 다른 전극(50b)의 상부 너비보다 큰 것일 수 있다. 인접 전극(50a)은 다른 전극(50b)과 비교할 때 리저버(19)에 인접해 위치하고 있으므로, 일렉트로웨팅 신호에 기초하여 유체로부터 분배되는 액적이 필수적으로 이동하는 경로 상에 위치할 수 있다. 따라서, 인접 전극(50a)이 다른 전극(50b)에 비해 많은 양의 액적을 수용하거나 많은 양의 액적에 전압을 가하여 일렉트로웨팅을 유도하기 위해서, 인접 전극(50a)의 크기가 다른 전극(50b)의 크기보다 상대적으로 크게 형성될 수 있다.
인접 전극과 관련하여, 몇몇 실시예에서는, 인접 전극(50a)의 개수는 리저버(19)의 크기에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 리저버(19)의 크기가 클수록 인접 전극(50a)의 개수를 증가시킬 수 있으며, 리저버(19)의 크기가 작을수록 인접 전극(50a)의 개수를 감소시킬 수 있다. 도 8에 도시된 인접 전극(50a)의 개수는 5개이지만, 이는 예시적인 것일 뿐 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아님을 유의해야 한다.
지금까지 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 액적 액추에이터에 대하여 설명하였다. 본 실시예에 따르면, 메탈 전극이 증착 형성된 종래의 액적 액추에이터와 달리 간단한 공정만으로 액적 액추에이터를 제조할 수 있다. 본 실시예에 따라 액적 액추에이터의 제조 공정이 간단해짐으로써, 액적 액추에이터의 제조 단가가 감소될 수 있으며, 일회용 카트리지(또는 일회용 키트)로 이용하기에 적합한 제조 단가로 액적 액추에이터의 제조 단가가 감소될 수도 있다.
또한 본 실시예에 따르면, 포토 공정, 메탈 증착 공정, 에칭 공정 등을 포함하는 종래의 액적 액추에이터 제조 공정에 비해 매우 간단한 사출 성형 공정을 통해, 수율을 높이고 불량율을 낮출 수 있는 구조를 가진 액적 액추에이터를 제공할 수 있다.
나아가 본 실시예에 따르면, 일렉트로웨팅 신호에 기초하여, 하우징에 수용된 액체가 리저버 및 전극을 따라, 보다 원활하게 이동할 수 있는 구조를 가진 액적 액추에이터를 제공할 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 액적 액추에이터의 사출 생산성을 높이고 불량율을 더욱 낮추기 위한 리저버 구조를 설명한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 리저버 구조를 예시적으로 나타내는 도면이다. 도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 리저버(100)는 각각에 전극이 형성되는 복수의 영역(111, 112, 113, 114, 115), 및 상기 복수의 영역(111, 112, 113, 114, 115) 사이에 위치하여 각 영역을 구분하는 복수의 벽(121, 122, 123, 124)을 포함한다.
본 실시예에 따른 리저버(100)는 도 8에 도시된 리저버(19)와 달리, 각 벽(121, 122, 123, 124)에 적어도 하나의 확장부(131, 132, 133)가 형성된다.
이에 대해, 도 10 내지 도 12를 참조하여 더욱 상세히 부연설명한다.
도 10은 도 9에 도시된 리저버(100)의 일부분을 발췌한 도면이다.
도 10에서, 리저버(100)는 제1 영역(111), 제1 영역(111)에 인접한 제2 영역(112), 및 제1 영역(111)과 제2 영역(112) 사이의 제1 벽(121)을 포함한다.
일 실시예로서, 제1 영역(111) 및 제2 영역(112)에는 인젝션 몰딩에 의해 전도성 폴리머가 주입되어 전극이 형성될 수 있다.
그리고, 제1 벽(121)은 제1 벽(121)의 길이 방향(A)을 따라 형성되고 주변부(141, 142, 143, 144)보다 폭이 증가된 적어도 하나의 확장부(131, 132, 133)를 갖는다.
여기서 주변부(141, 142, 143, 144)는 제1 벽(121)의 일부분으로서, 확장부(131, 132, 133)와 인접한 위치에 형성된 부분을 의미한다.
이처럼, 제1 벽(121)에 주변부(141, 142, 143, 144)의 폭(w2)보다 증가된 폭(w1)을 갖는 확장부(131, 132, 133)를 형성하면, 제1 영역(111) 또는 제2 영역(112)에 전극을 형성할 때 인젝션 몰딩에 의한 주입 압력을 제1 벽이(121)이 더욱 잘 견딜 수 있게 된다.
가령, 도 8에 도시된 리저버(19) 구조에서는 전극 형성을 위해 전도성 폴리머를 주입할 때, 그 주입 압력을 견디지 못하고 각 영역 사이의 벽이 휘어지는 현상이 빈번히 발생하게 된다.
그에 반해, 본 실시예의 리저버(100)는, 제1 벽(121)을 따라 형성된 확장부(131, 132, 133)가 증가된 폭(w1)을 가지고 전도성 폴리머 주입 시의 주입 압력에 더욱 강하게 저항하므로 제1 벽(121)의 휘어짐 현상을 최소화하게 된다.
한편, 본 실시예의 리저버(100) 구조에 따르면, 제1 벽(121)의 휘어짐을 방지하여 제품의 불량율을 낮추는 것 외에도, 제품의 생산성을 높이는 데에도 기여할 수 있다.
가령, 도 8의 리저버(19) 구조에서는 벽의 휘어짐을 방지하기 위해, 베이스 플레이트의 사출 단계에서부터 리저버 부분을 더욱 정밀하게 사출해야 하였고, 그로 인해 전체적인 제품 생산성이 낮아지는 문제가 있었다. 그러나, 본 실시예의 리저버(100) 구조에서는, 확장부(131, 132, 133)에 의해 벽의 휘어짐 현상이 완화되므로, 기존과 같이 베이스 플레이트의 사출 단계에서 리저버 부분을 정밀하게 사출해야 하는 부담이 없어진다. 그에 따라, 전체적인 제품 생산성도 향상될 수 있다.
한편, 본 실시예에서 확장부(131, 132, 133)는 횡단면의 형상이 원형인 원기둥의 형상일 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 확장부(131, 132, 133)는 횡단면의 형상이 타원형, 또는 다각형인 기둥의 형상 또는 직선 및 곡선으로 이루어진 닫힌 도형일 수도 있다. 여기서, 횡단면은 제1 벽(121)의 길이 방향(A)을 따라 확장부(131, 132, 133)를 절단한 단면을 의미한다.
일 실시예로서, 적어도 하나의 확장부(131, 132, 133)는 제1 벽(121)을 따라 미리 결정된 거리만큼 서로 떨어져 형성될 수 있다. 이에 대한 부연설명을 위해 도 11을 참조한다.
도 11에서, 적어도 하나의 확장부(131, 132, 133)는 미리 결정된 거리(d)만큼 서로 떨어진 위치에 각각 형성된다. 즉, 적어도 하나의 확장부(131, 132, 133) 중 제1 확장부(131)가 형성된 위치에서 거리 d만큼 떨어진 위치에 제2 확장부(132)가 형성되고, 다시 제2 확장부(132)가 형성된 위치에서 거리 d만큼 떨어진 위치에 제3 확장부(133)가 형성될 수 있다.
이는 각 영역(111, 112)에 전도성 폴리머를 주입할 때, 각 확장부(131, 132, 133)가 주입 압력을 서로 균등히 분담하고 제1 벽(121)을 효과적으로 지지하도록 하기 위함이다.
예를 들어, 적어도 하나의 확장부(131, 132, 133)가 제1 벽(121)의 왼쪽에 쏠려 형성된다고 가정하자. 이때, 전도성 폴리머가 주입되면, 가장 오른쪽에 위치한 제3 확장부(133)에 상대적으로 많은 주입 압력이 가해지게 되고, 제3 확장부(133)가 과도한 주입 압력을 견디지 못하고 휘어지거나 파손될 수 있다. 또한, 이러한 경우, 제1 벽(121)의 오른쪽 부분은 확장부(131, 132, 133)로부터 상대적으로 멀리 떨어지게 되어 확장부(131, 132, 133)에 의해 지지되지 못하고, 주입 압력에 의해 쉽게 휘어질 수 있다.
따라서, 적어도 하나의 확장부(131, 132, 133)는 도 11에 도시된 것처럼, 미리 결정된 거리(d)만큼 등간격으로 배치되는 것이 바람직하다.
한편, 일 실시예로서, 리저버(100)의 각 벽에 형성된 확장부들은 서로 대칭적인 위치에 형성될 수 있다. 이에 대해 도 12를 참조하여 부연설명한다.
도 12를 참조하면, 제1 영역(111), 제2 영역(112), 및 제3 영역(113)이 포함된 리저버(100)의 일부분이 발췌되어 도시된다. 각 영역(111, 112, 113)의 사이에는 적어도 하나의 확장부가 형성된 제1 벽(121) 및 제2 벽(122)이 형성된다.
앞서의 실시예들에서 설명한 바와 같이, 제1 벽(121)은 제1 영역(111)과 제2 영역(112) 사이에 위치하여 영역들(111, 112)을 서로 구분한다. 그리고, 제1 벽(121)에는 제1 벽(121)의 길이 방향을 따라 일정 간격만큼 떨어진 적어도 하나의 확장부(131, 132, 133)가 형성된다.
유사하게, 제2 벽(122)은 제2 영역(112)과 제3 영역(113) 사이에 위치하여 영역들(112, 113)을 서로 구분한다. 그리고, 제2 벽(122)에도 제2 벽(122)의 길이 방향(A)을 따라 일정 간격만큼 떨어진 적어도 하나의 다른 확장부(141, 142, 143)가 형성된다.
이때, 상기 적어도 하나의 다른 확장부(141, 142, 143)는 상기 적어도 하나의 확장부(131, 132, 133)와 대칭적(symmetric) 위치에 형성될 수 있다. 여기서 대칭적의 의미는, 제2 영역(112)의 중심선(B)을 기준으로 서로 마주보는 위치에 적어도 하나의 확장부(131, 132, 133)와 적어도 하나의 다른 확장부(141, 142, 143)가 각각 형성되는 것을 의미한다.
이는 리저버(100)의 각 영역(111, 112, 113)에 전도성 폴리머가 동시 주입될 때, 각 벽(121, 122)의 구조적 안정성을 높이는 역할을 할 수 있다. 가령, 적어도 하나의 확장부(131, 132, 133)와 적어도 하나의 다른 확장부(141, 142, 143)가 서로 대칭적이지 않은 위치에 형성되면, 제2 영역(112) 내에서 유체역학적으로 난류가 더 잘 발생하여 제1 벽(121) 또는 제2 벽(122)에 더 강한 국소 압력이 가해질 수 있다.
따라서, 벽(121, 122)의 각 부분에 가해지는 압력을 최대한 균등하게 분산하기 위해, 적어도 하나의 확장부(131, 132, 133)와 적어도 하나의 다른 확장부(141, 142, 143)를 서로 대칭적인 위치에 형성하는 것이 바람직하다.
이상의 실시예들을 통해 설명한, 본 발명에 따른 리저버 구조에 의하면 전도성 폴리머의 인젝션 몰딩 시 각 벽의 휘어짐 현상을 최소화함으로써, 사출 생산성을 향상시키고 제품 불량률을 줄일 수 있게 된다. 그에 따라, 생산 공정이 간소화되고 생산 단가도 크게 낮출 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 액적 액추에이터에 있어, 액적(droplet)의 광학적 관찰이 더욱 용이해지는 전극 구조를 설명한다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른, 액적의 광학적 관찰이 용이한 전극 구조를 나타내는 도면이다. 도 13의 (a)는 통상의 전극 구조를 도시하고, 도 13의 (b)는 본 실시예에 따른 전극 구조를 도시한다.
도 13의 (a)를 참조하면, 통상의 전극 구조는 전극(11) 전체를 불투명 전도체, 예를 들어 전도성 폴리머가 채우고 있다. 따라서, 전극(11) 위에 위치한 액적이 불투명 전도체에 의해 가려져, 액적에 대한 광학적 관찰이 어려운 문제가 있다.
한편, 도 13의 (b)를 참조하면, 본 실시예에 따른 전극 구조는 전극(210)의 내부에 불투명 전도체가 채워지지 않은 홀(hole, 211)이 형성된다. 따라서, 전극(210) 위에 위치한 액적을 홀(211)을 통해 직접 관찰할 수 있어, 액적 및 액적에서 방출되는 빛에 대한 광학적 관찰이 용이해진다.
도 14 내지 도 18은 도 13에 도시된 전극 구조를 더욱 상세히 부연설명하기 위한 도면이다.
도 14는 도 13의 전극(210) 구조를 더욱 상세히 확대한 도면이다. 도 14를 참조하면, 전극(210)은 전극(210)의 중심에 위치한 홀(211) 및 주변부(212)를 포함한다.
앞서 설명한 것처럼, 홀(211)은 전극(210) 내부에 형성된, 불투명 전도체가 채워지지 않은 구성이다.
일 실시예로서, 홀(211)의 내부는 비어있거나 투명 전도체 또는 절연물질로 채워질 수 있다.
일 실시예로서, 홀(211)은 도 13에 도시된 것처럼 전극(210)의 중심에 위치할 수 있다.
주변부(212)는 전극(210) 중 홀(211)을 둘러싸고 있는 부분으로서 불투명 전도체가 채워진 부분이다. 일 실시예로서, 상기 불투명 전도체는 전도성 폴리머일 수 있다.
도 14에 도시된 전극(210)의 구조에 따르면, 전극(210)위에 위치한 액적은 주변부(212)에 인가되는 전위, 또는 전기 신호에 의해 특정 방향으로 유도될 수 있고, 액적 및 액적이 방출하는 빛은 전극(210)의 홀(211)을 통해 광학적으로 관찰할 수 있다. 따라서, 일렉트로웨팅에 의한 액적의 유도를 문제없이 수행하면서 액적의 광학적 관찰이 가능한 전극 구조가 가능하게 된다.
한편, 본 실시예에서 홀(211)은 원형인 것으로 예시되었으나, 본 발명의 범위가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 홀(211)은 원형 외에도 타원형, 또는 다각형 형상일 수도 있다.
일 실시예로서, 홀(211)의 크기는 전극(210)의 크기가 클수록 커질 수 있다. 이에 대한 부연설명을 위해 도 15를 참조한다.
도 15는 서로 크기가 상이한 복수의 전극(220, 230)이 도시된다. 본 발명에 따른 액적 액추에이터는 서로 상이한 크기의 전극을 동시에 포함할 수 있다. 가령, 도 8의 예를 참조하면, 리저버(19) 근처에 위치한 전극(50a)은 다른 전극(50b)보다 더 큰 크기를 가질 수 있다.
이처럼, 하나의 액적 액추에이터에 크기가 다른 전극이 있을 때, 크기가 더 큰 전극(220)에 형성된 홀(P)은 크기가 더 작은 전극(230)에 형성된 홀(Q)보다 더 큰 크기를 가질 수 있다.
홀의 크기가 클수록, 액적을 관찰할 수 있는 면적이 넓어 광학적 관찰에는 더 용이하지만, 그만큼 전도체가 채워진 주변부 면적은 줄어들게 되므로 액적을 유도하는 힘은 작아질 수 있다. 따라서, 액적을 유도하기 위한 최소한의 힘을 확보하기 위해, 작은 전극(230)에서는 홀(Q)의 크기가 일정 미만으로 제한되어야 한다. 반면에, 큰 전극(220)에서는 홀(P)의 크기를 크게 하여도 주변부의 면적이 일정 이상 확보될 수 있으므로, 작은 전극(230)에 비해 더 큰 크기의 홀을 가지는 것이 가능하다.
일 실시예로서, 홀의 크기와 전극의 크기의 비(ratio)는 미리 결정된 범위 이내로 제한될 수 있다. 이에 대한 부연설명을 위해 도 16을 참조한다.
앞서 도 16의 설명에서와 같이, 홀(241)의 크기를 크게 하면 액적의 광학적 관찰은 더 용이하지만, 그만큼 주변부(242)의 면적이 줄어들어 액적을 유도하는 힘은 작아질 수 있다. 따라서, 전극(240)의 크기에 대한 홀(241)의 비를 적정 범위로 조정함으로써, 액적에 대한 광학적 관찰과 일렉트로웨팅에 의한 액적의 유도를 모두 달성할 수 있다.
일 실시예로서, 홀의 크기와 전극의 크기의 비는 폭의 비일 수 있다. 도 12의 예에서, 전극(240)은 폭 wd1인 정사각형이고, 홀(241)은 폭 wd2인 원이다. 이 경우, 홀의 크기와 전극의 크기의 비 R은 wd2/wd1 이 될 수 있다.
다른 일 실시예로서, 홀의 크기와 전극의 크기의 비는 면적의 비일 수 있다. 다시 도 16의 예를 참조하면, 전극(240)의 면적은 wd1^2 이고, 홀(241)의 면적은 π*(wd2/2)^2 이다. 이 경우, 홀의 크기와 전극의 크기의 비 R은 π*(wd2/2)^2/wd1^2 이 될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 홀의 크기와 전극의 크기의 비 R은 1/2 미만의 값으로 그 범위가 제한될 수 있다. 홀의 크기가 전극의 크기의 1/2을 초과하면 일렉트로웨팅에 의한 액적의 유도 기능이 과도하게 약해질 수 있기 때문이다.
한편, 전극의 크기가 동일하더라도, 액적의 광학적 관찰이 중요한 관심 전극에서는 홀의 크기가 더 커질 수 있다. 이에 대한 부연설명을 위해 도 17을 참조한다.
도 17을 참조하면, 서로 크기가 동일한 복수의 전극(251, 252, 253, 254, 255, 256)이 도시된다. 그 중, 제1 전극(251)과 제6 전극(256)이 액적의 광학적 관찰이 중요한 관심 전극이라고 가정하자. 예를 들어, 제1 반응이 일어난 액적이 제1 전극(251)으로 유도되고, 해당 액적이 제2 전극 내지 제5 전극(252, 253, 254, 255)를 거치며 제2 반응을 하여 제6 전극(256) 상에서 반응 결과를 빛으로 방출한다고 가정하자.
이 경우, 액적의 제1 반응 결과를 관찰할 수 있는 제1 전극(251)과 제2 반응 결과를 관찰할 수 있는 제6 전극(256)에서는 광학적 관찰을 용이하게 하기 위해 홀의 크기를 상대적으로 크게 하는 것이 바람직할 수 있다. 반면에, 액적의 광학적 관찰이 크게 중요하지 않은 제2 전극 내지 제5 전극(252, 253, 254, 255)에서는 일렉트로웨팅에 의한 액적의 유도를 더욱 용이하게 하기 위해 홀의 크기를 줄이고 주변부의 면적을 넓히는 것이 바람직할 수 있다.
따라서, 전극의 크기가 동일한 경우라도, 액적의 광학적 관찰이 중요한 관심 전극에서는 홀의 크기를 상대적으로 더 크게 형성할 수 있다.
한편, 전극의 홀이 투명한 절연체로 이루어지는 경우, 홀은 베이스 플레이트에 일체화된 형태로 만들어질 수 있다. 이에 대한 부연설명을 위해 도 18을 참조하면,
도 18을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 베이스 플레이트 및 홀의 예시적인 형태(260)가 도시된다.
홀(261)은 투명한 절연체로 구성되고, 홀(261)은 하부(261b)가 연결부(263)를 통해 베이스 플레이트(262)에 연결된다. 홀(261)의 상부(261a)는 베이스 플레이트(262)와 일정 간격을 두고 이격, 분리된 상태이다. 홀(261)과 베이스 플레이트(262) 사이에는 전도성 폴리머가 채워져 전극의 주변부를 구성하게 된다.
일 실시예로서, 홀(261)은 인젝션 몰딩 방식에 의해 베이스 플레이트(262)와 함께 만들어질 수 있다. 가령, 홀(261) 및 베이스 플레이트(262)에 상응하는 공간이 형성된 몰드에 인젝션 게이트를 통해 투명한 절연체를 주입함으로써, 홀(261) 및 베이스 플레이트(262)가 한번에 만들어질 수 있다. 이에 따르면, 하나의 공정으로 홀 및 베이스 플레이트가 형성되므로, 전체 공정이 간소화되고 장치의 제작 비용이 감소하게 된다.
이상의 실시예들을 통해 설명한, 본 발명에 따른 전극 구조에 의하면, 전극 내부에 형성된 홀을 통해 액적 및 액적에서 방출되는 빛을 광학적으로 관찰할 수 있게 된다.
이하에서는, 본 발명에 따른 액적 액추에이터에 있어, 서로 평행인 복수의 전극을 구비하여 일렉트로웨팅의 구동력(Electrowetting force)을 향상시킨 실시예를 설명한다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른, 평행 전극 구조를 갖는 액적 액추에이터의 예시적인 형태를 나타내는 분해 사시도이다.
도 19의 실시예도 도 1의 실시예와 유사하게 전극 플레이트(10), 하우징(20) 및 기판(30)을 포함한다. 다만, 도 9의 실시예는 전극 플레이트(10)와 하우징(20) 사이에 다른 전극 층(310) 및 다른 기판(320)을 포함한다.
하우징(20)은 유체를 수용할 수 있다. 이때, 하우징(20)은 유체를 수용하기 위한 유체 수용부를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 하우징(20)의 구성 및 기능은 앞서 도 1 내지 도 8에서 설명된 하우징(20)의 구성 및 기능과 실질적으로 동일하므로, 설명의 중복을 피하기 위해 여기서는 그에 대한 상세한 설명을 생략한다.
전극 플레이트(10)는 하우징(20)에 수용된 유체로부터 분배된 액적을 대상 전극의 위치로 이동시키기 위한 일렉트로웨팅 신호를 통해 액적에 분극을 유도시킬 수 있다. 이때, 전극 플레이트(10)는 일렉트로웨팅 신호를 통전시키기 위한 전극을 적어도 하나 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 전극 플레이트(10)의 구성 및 기능은 앞서 도 1 내지 도 8에서 설명된 전극 플레이트(10)의 구성 및 기능과 실질적으로 동일하므로, 설명의 중복을 피하기 위해 여기서는 그에 대한 상세한 설명을 생략한다.
기판(30)은 전극 플레이트(10)에 일렉트로웨팅 신호를 전달할 수 있다. 예를 들어, 기판(30)은 유리 기판, 실리콘 기판, PCB(Printed Circuit Board) 및 TFT(Thin Film Transistor) 중 어느 하나일 수 있다. 본 실시예에 따른 기판(30)의 구성 및 기능은 앞서 도 1 내지 도 8에서 설명된 기판(30)의 구성 및 기능과 실질적으로 동일하므로, 설명의 중복을 피하기 위해 여기서는 그에 대한 상세한 설명을 생략한다.
다른 전극 층(310)은 전극 플레이트(10)와 이격된 상태로, 전극 플레이트(10)와 마주보는 위치에 배치된다. 다른 전극 층(310)과 전극 플레이트(10) 사이에는 액적이 위치한다. 전극 플레이트(10)가 내부에 형성된 전극 어레이(electrode array)를 통해 액적에 일렉트로웨팅 신호를 인가할 때, 다른 전극 층(310)은 액적에 미리 결정된 기준 전위를 인가한다.
이에 의하면, 앞서 도 1 내지 도 9의 실시예에서 하부의 전극 플레이트(10)만으로 액적을 유도할 때 보다, 액적 내 분극이 더욱 잘 발생하여 일렉트로웨팅 구동력이 향상되고, 그에 따라 액적이 의도한 방향으로 더욱 잘 유도될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 미리 결정된 기준 전위는 접지, 즉 0V 일 수 있다.
다른 기판(320)은 다른 전극 층(310)의 상부에 위치하여, 다른 전극 층(310)에 미리 결정된 기준 전위를 인가하기 위한 전기적 경로를 제공한다.
다른 기판(320)은 예를 들어, 유리 기판, 실리콘 기판, PCB(Printed Circuit Board) 및 TFT(Thin Film Transistor) 중 어느 하나일 수 있다. 다만, 본 예시들에 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니고, 기준 전위를 다른 전극 층(310)에 전달할 수 있는 구조를 가진 모든 공지된 기술이 본 발명에 적용될 수 있다.
한편, 다른 전극 층(310)은 다양한 형태로 형성될 수 있다.
일 실시예로서, 다른 전극 층(310)은 다른 기판(120)에 전도성 폴리머, ITO(Indium Tin Oxide), 또는 메탈을 코팅(coating), 증착, 부착, 또는 접착시킨 형태로 형성될 수 있다.
다른 일 실시예로서, 다른 전극 층(310)은 전극 플레이트(10) 내에 전극을 형성한 방식과 동일하게, 별도의 베이스 플레이트가 구비되고 베이스 플레이트 상에 또는 그 내부에 형성되거나, 베이스 플레이트의 내부를 다른 전극 층(310)이 관통하는 형태로 형성될 수 있다.
이 경우, 상기 별도의 베이스 플레이트는 인젝션 게이트가 몰드의 일부 공간에 절연체를 주입하여 형성되고, 상기 다른 전극 층(310)은 상기 인젝션 게이트와 구별되는 다른 인젝션 게이트가 상기 몰드의 다른 공간에 전도성 폴리머를 주입하여 형성된 것일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 절연체는 PC(Polycarbonate), PMMA(Poly Methyl Methacrylate), COP(Cyclic Olefin Polymer), COC(Cyclic Olefin Copolymer), PET(Polyethylene Terephthalate), PI(Polyimide), PE(Polyethylene), Acrylic, ABS(Acrylonitrile butadiene styrene), PVDF(Polyvinylidene fluoride), PTFE(Polytetrafluoroethylene), PS(Polystyrene), PP(Polypropylene) 및 PVC(Polyvinyl chrloride) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이외에도 전기 신호를 절연시키기 위한 열가소성 수지를 포함한 공지된 모든 구성이 절연체를 제조하기 위해 본 발명에 적용될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 전도성 폴리머는 폴리머와 전도성 물질의 혼합물을 포함할 수 있다. 이때, 혼합물은 상기 폴리머와 함께 전도성 물질인 탄소 나노튜브, 그래핀, 탄소 섬유 중 적어도 하나를 포함하여 이루어질 수 있다. 이외에도 전기 신호를 통전시키기 위한 공지된 모든 혼합물이 전극을 제조하기 위해 본 발명에 적용될 수 있다.
도 20에서는 도 19에 도시된 액적 액추에이터의 단면 구조 및 그것에 의한 일렉트로웨팅 동작을 설명한다. 도 20의 설명에서는, 설명의 편리함을 위해 전극 플레이트(10) 내에 형성된 전극 어레이를 제1 전극, 기판(30)을 하부 기판, 전극 플레이트(10)와 하우징(20) 사이의 다른 전극 층(310) 및 다른 기판(320)을 각각 제2 전극, 상부 기판으로 지칭하기로 한다. 이하 도면을 참조하여 설명한다.
도 20은 도 19의 적층 구조를 갖는 액적 액추에이터의 단면도이다.
도 20을 참조하면, 하부 기판(30), 내부에 제1 전극(13)이 형성된 전극 플레이트(10), 제2 전극(310), 상부 기판((320), 및 하우징(20)이 적층된 액적 액추에이터의 구조가 도시된다.
제 1 전극(13)과 제2 전극(310) 사이에는 제1 전극(13)과 제2 전극(310) 간 간격을 유지하기 위한 스페이서(330)가 배치되어, 그로 인해 액적(70)이 이동할 수 있는 공간(A)이 만들어진다.
일 실시예로서, 액적(70)와 제1 전극(13) 사이에, 또는 액적(70)와 제2 전극(310) 사이에 유전체 층(미도시)이 추가로 적층될 수도 있고, 제1 전극(13) 또는 제2 전극(110) 표면에 소수성 코팅(hydrophobic coating) 처리가 될 수도 있다.
도 20의 액적 액추에이터에서, 액적(70)를 특정 방향으로 유도하기 위해, 제1 전극(13)에는 액적(70)를 상기 특정 방향으로 이동시키기 위한 일렉트로웨팅 신호가 인가되고, 제2 전극(310)에는 기준 전위가 인가된다. 이에 의해, 액적(70) 내부에 전기장에 의한 분극이 발생하고, 그에 따라 표면 장력 및 모양이 변화하여 액적(70)을 원하는 방향으로 이동시킬 수 있게 된다.
이때, 도 20의 액적 액추에이터는 기준 전위가 인가되는 제2 전극(310)을 구비하고 있어, 도 1 내지 도 8의 액적 액추에이터보다 더 강한 전기장을 형성하므로 액적(70)를 이동시키기 위한 일렉트로웨팅 구동력 역시 더 강해지게 된다.
이상의 실시예들을 통해 설명한, 진단장치의 구조에 의하면, 일렉트로웨팅 신호가 인가되는 하부 전극과 기준 전위를 갖는 상부 전극에 의해, 일렉트로웨팅 구동력이 향상되므로 액적의 유도가 더욱 손쉽게 이루어질 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 액적 액추에이터에 있어, 국소 영역에 대한 온도 조절 기능 및 액적 내 세척 기능을 구비한 실시예를 설명한다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른, 온도 조절부를 갖는 액적 액추에이터의 예시적인 형태를 나타내는 분해 사시도이다.
도 21의 실시예도 도 1의 실시예와 유사하게 전극 플레이트(10), 하우징(20) 및 기판(30)을 포함한다. 다만, 도 9의 실시예는 전극 플레이트(10)와 하우징(20) 사이에 다른 기판(1110)을 더 포함한다.
하우징(20)은 액적을 수용할 수 있다. 이때, 하우징(20)은 유체를 수용하기 위한 유체 수용부를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 하우징(20)의 구성 및 기능은 앞서 도 1 내지 도 8에서 설명된 하우징(20)의 구성 및 기능과 실질적으로 동일하므로, 설명의 중복을 피하기 위해 여기서는 그에 대한 상세한 설명을 생략한다.
전극 플레이트(10)는 하우징(20)에 수용된 유체로부터 분배된 액적을 대상 전극의 위치로 이동시키기 위한 일렉트로웨팅 신호를 통해 액적에 분극을 유도시킬 수 있다. 이때, 전극 플레이트(10)는 일렉트로웨팅 신호를 통전시키기 위한 전극을 적어도 하나 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 전극 플레이트(10)의 구성 및 기능은 앞서 도 1 내지 도 8에서 설명된 전극 플레이트(10)의 구성 및 기능과 실질적으로 동일하므로, 설명의 중복을 피하기 위해 여기서는 그에 대한 상세한 설명을 생략한다.
기판(30)은 전극 플레이트(10)에 일렉트로웨팅 신호를 전달할 수 있다. 예를 들어, 기판(30)은 유리 기판, 실리콘 기판, PCB(Printed Circuit Board) 및 TFT(Thin Film Transistor) 중 어느 하나일 수 있다. 본 실시예에 따른 기판(30)의 구성 및 기능은 앞서 도 1 내지 도 8에서 설명된 기판(30)의 구성 및 기능과 실질적으로 동일하므로, 설명의 중복을 피하기 위해 여기서는 그에 대한 상세한 설명을 생략한다.
다른 기판(1110)은 전극 플레이트(10)의 상부에 위치하여, 하나 이상의 온도 조절부(1111)를 구비한다. 온도 조절부(1111)는 전극 플레이트(10)의 일부 영역을 국소 가열하기 위한 히터(Heater)일 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 온도 조절부(1111)는 전극 플레이트(10)의 일부 영역을 국소 냉각하기 위한 쿨러(Cooler)일 수도 있다.
일 실시예로서, 온도 조절부(1111)가 히터인 경우, 온도 조절부(1111)는 전류가 흐를 때 열을 발생시키는 하나 이상의 저항기(Resistor)를 포함할 수 있다.
일 실시예로서, 온도 조절부가 히터인 경우, 온도 조절부는 자기유도 방식의 발열장치를 포함할 수 있다.
일 실시예로서, 다른 기판(1110)은 유리 기판, 실리콘 기판, PCB(Printed Circuit Board) 및 TFT(Thin Film Transistor) 중 어느 하나일 수 있다. 다만, 본 예시들에 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니고, 온도 조절부(1111)가 임베디드 될 수 있는 구조를 가진 모든 공지된 기술이 본 발명에 적용될 수 있다.
도 22는 도 21에 도시된 액적 액추에이터의 상세 구조 및 그것에 의한 온도 조절 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 22에서는 도 21에 도시된 액적 액추에이터의 단면 구조 및 그것에 의한 온도 조절 동작을 설명한다. 도 22에서는 용어의 명확함을 위해, 상대적으로 아래쪽에 위치한 기판(30)을 하부 기판, 상대적으로 위쪽에 위치한 다른 기판(1110)을 상부 기판으로 지칭하기로 한다.
도 22를 참조하면, 하부 기판(30), 내부에 전극(13)이 형성된 전극 플레이트(10), 상부 기판((1110), 및 하우징(20)이 적층된 액적 액추에이터의 구조가 도시된다.
전극 플레이트(10)와 상부 기판(1110) 사이에는 전극 플레이트(10)와 상부 기판(1110)간 간격을 유지하기 위한 스페이서(1130)가 배치되어, 그로 인해 액적(70)가 이동할 수 있는 공간(A)이 만들어진다.
상부 기판(1110)에는 하나 이상의 온도 조절부(1111)가 배치된다. 온도 조절부(1111)는 열 영역(B) 내 위치한 액적(70)의 온도를 조절할 수 있는 구성으로서, 예를 들어 열 영역(B)을 선택적으로 국소 가열하기 위한 히터, 또는 열 영역(B)을 국소 냉각하기 위한 쿨러일 수 있다. 상기 열 영역(B)은 전극 플레이트(10)의 적어도 일부 영역을 포함한다.
온도 조절부(1111)가 히터인 경우, 상부 기판(1110)을 통해 전달되는 제어 신호에 따라 온도 조절부(1111)가 가열되고, 온도 조절부(1111)로부터 열 영역(B)으로 열이 전달된다. 그로 인해, 열 영역(B) 내 위치한 액적(70)도 가열된다.
이러한 온도 조절 기능은 미리 결정된 온도 조건에서 특정 프로세스를 수행할 수 있도록 하는 데 필요하다. 예를 들어, 온도 조절 기능은 액적 분석을 위한 DNA 변성 등에 필요할 수 있다. 구체적으로, 온도 조절부(1111)는 액적(70) 내 DNA의 변성에 적합한 온도로 열 영역(B)을 가열하거나, 주형가닥 DNA에 대한 프라이머(Primer)의 어닐링(Anealing), 또는 DNA 중합효소에 의한 프라이머의 신장(Extension)과 같은 다른 반응 단계를 수행하는 데 효과적인 온도로 열 영역(B)을 가열하도록 제어될 수 있다.
도 22의 실시예에 따르면, 액적 액추에이터는 온도 조절부(1111)를 구비함으로써, 액적 분석 및 진단에 필요한 최적의 온도 조건을 충족시킬 수 있게 된다.
도 23 내지 도 25는, 자기력을 이용한 세척 기능을 구비한 액적 액추에이터 및 그것에 의한 세척 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
여기서, 세척이란 액적(70) 내에 포함된 몇몇 물질을 액적(70) 외부로 분리, 제거하는 것을 의미한다.
도 23을 참조하면, 액적(70) 내부에는 복수의 마그네틱 비드(Magnetic Beads, M)가 포함된다. 그리고, 액적 액추에이터의 내부 또는 외부에는 마그네틱 비드(M)을 특정 위치 또는 방향으로 유도하거나 고정하기 위한 자기력 제공부(400)가 구비된다. 자기력 제공부(400)는 영구 자석, 또는 전자석을 포함할 수 있다.
자기력 제공부(400)는 액적 분석 전에, 액적(70)로부터 몇몇 물질을 제거하기 위해 이용될 수 있다. 이때, 상기 제거되는 물질은 액적(70)에 포함된 오염 물질, 과잉 공급된 시약, 또는 별도 분석을 위해 액적(70)로부터 분리할 물질 등을 포함할 수 있다.
먼저, 액적(70) 내에 마그네틱 비드(M)가 포함된다. 이때, 마그네틱 비드(M)는 처음부터 액적(70) 내에 포함되거나, 액적(70)가 현재의 위치로 유도되는 과정에서 액적 액추에이터 내 특정 구간에서 액적(70)로 주입되거나, 액적 액추에이터 내 특정 위치에 미리 배치되어 있다가 액적(70)가 해당 위치로 이동함에 따라 액적(70)와 자연스럽게 혼합되는 방식으로 액적(70) 내에 포함될 수 있다.
도 23에서는, 아직 세척 기능이 구동되기 전이므로, 자기력 제공부(400)는 오프(OFF) 상태로 유지되어, 액적(70)로 자기력이 작용하지는 않는다. 이때, 마그네틱 비드(M)는 액적(70) 내 특정 물질에 반응하여 해당 물질과 바인딩(Binding)된다.
일 실시예로서, 자기력 제공부(400)는 액적 액추에이터 내에 구비된 일 구성일 수도 있고, 액적 액추에이터 외부의 별도 테스터(Tester)에 구비된 일 구성일 수도 있다.
한편, 본 실시예에서, 자기력 제공부(400)는 하부 기판(30)의 아래에 위치하는 것으로 예시되었으나 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 자기력 제공부(400)는 하부 기판(30)과 전극 플레이트(10) 사이에 위치하거나, 상부 기판(1110)의 상부 또는 하부에 위치하거나, 액적 액추에이터의 상부 또는 측면에 위치할 수도 있다.
이어서, 도 24 및 도 25을 참조하여 세척 기능의 구동 방법을 설명한다.
도 24에서, 자기력 제공부(400)는 온(ON) 상태로 전환되고, 자기력 제공부(400)로부터 액적(70)로 자기력이 작용한다. 액적(70)에 작용된 자기력은 액적(70) 내 마그네틱 비드(M)를 자기력 제공부(400)가 위치한 방향으로 끌어당긴다. 이때, 마그네틱 비드(M)에 바인딩 된 물질도 함께 자기력 제공부(400)가 위치한 방향으로 끌어당겨진다.
이어서 도 25를 참조하면, 마그네틱 비드(M) 및 그에 바인딩 된 물질이 자기력 제공부(400)가 위치한 방향으로 끌어당겨지는 동안, 전극(13)에 인가된 일렉트로웨팅 신호에 따라 액적(70)가 다른 위치로 이동된다. 이때, 마그네틱 비드(M)는 자기력에 의해 아래쪽으로 끌어당겨지고 있어, 액적(70)를 따라가지 않고 액적(70)와 분리된 채 원래의 위치에 남겨진다. 이때, 마그네틱 비드(M)에 바인딩 된 물질도 마그네틱 비드(M)와 함께 원래의 위치에 남겨진다.
이러한 방식으로, 액적(70)로부터 특정 물질, 즉 마그네틱 비드(M)에 바인딩 된 물질이 분리, 제거될 수 있다.
도 26은 액적 액추에이터의 검체를 테스트한 결과를 읽어내는 신호 리더기의 구성을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 26을 참조하면, 신호 리더기(2100, signal reader)는 하우징(2110), 광학부(2120), 상부 소켓(2130), 하부 소켓(2140), 메인보드(2160)을 포함한다. 상부 소켓(2130)과 하부 소켓(2140) 사이에는 앞서 도 1 내지 도 25에서 설명한 액적 액추에이터(2150)가 카트리지 형태로 삽입될 수 있다. 일 실시예로서, 신호 리더기(2100)는 스크린(미도시)를 더 포함할 수 있다.
신호 리더기(2100)는 액적 액추에이터(2150)에 인가되는 일렉트로웨팅 신호를 생성 및 제어한다. 액적 액추에이터(2150) 내에 있는 샘플은 신호 리더기(2100)를 통해 colorimetry, fluorometry, imaging 등과 같은 광학적 방법으로 센싱 될 수 있다. 또는, 액적 액추에이터(2150) 내에 있는 샘플은 신호 리더기(2100)를 통해 전기화학적 방법이나 전자기 유도의 방법으로 센싱 될 수도 있다.
광학부(2120)는 액적 액추에이터(2150) 내 샘플을 센싱하기 위한 광학적 수단을 제공한다.
상부 소켓(2130) 및 하부 소켓(2140)은 액적 액추에이터(2150)를 수용하기 위한 기구적 수단을 제공한다.
메인보드(2160)는 액적 액추에이터(2150)에 대한 온도 제어, 자기장 제어, 액적 위치 검출 등의 전기적 또는 전자적 제어를 수행한다.
도 27은 도 26의 광학부의 예시적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 27을 참조하면, 광학부는 청색 LED, 포토다이오드, 이색성 거울(dichroic mirror), 하나 이상의 렌즈 및 하나 이상의 필터를 포함할 수 있다.
도 28 및 도 29는 도 26의 메인보드의 액적 위치 검출 기능을 부연설명하기 위한 도면이다.
도 28은 메인보드에 구비된 액적 위치 검출 회로의 예시적인 구성을 나타낸다. 메인보드는 액적 액추에이터 내 일렉트로웨팅 전극 상의 액적 위치를 파악하기 위한 도 28에 도시된 것과 같은 액적 위치 검출 회로를 포함할 수 있다. 메인보드는 액적 위치 검출 회로를 이용하여, 액적의 움직임에 따른 저항값 또는 캐피시턴스의 변화를 센싱하거나 이미지 센서를 이용함으로써 액적의 현재 위치를 검출할 수 있다.
도 29는 액적 위치 검출 회로를 이용한 액적 위치 검출 결과의 예시적인 형태를 도시한다.
도 29의 (a)는 일렉트로웨팅 신호에 따른 액적 이동이 실패한 경우를 나타낸다. 액적 이동 신호(2220)가 하이(High)로 증가했음에도 불구하고 해당 구간에서 액적 센싱 신호(2210)가 여전히 로우(Low) 상태이므로, 이는 일렉트로웨팅 신호를 인가했어도 실제로 액적 이동은 일어나지 않은 것을 의미한다.
도 29의 (b)는 일렉트로웨팅 신호에 따른 액적 이동이 성공한 경우를 나타낸다. 액적 이동 신호(2220)가 하이(High)로 증가함에 따라 해당 구간에서 액적 센싱 신호(2210)도 하이(High) 변화했으므로, 이는 일렉트로웨팅 신호의 인가에 의해 실제로 액적 이동이 일어난 것을 의미한다.
도 30 및 도 31는 도 26의 메인보드의 온도 제어 기능을 부연설명하기 위한 도면이다.
도 30은 메인보드에 구비된 온도 제어 회로의 예시적인 구성을 나타낸다. 메인보드는 액적 액추에이터의 온도 조절부(예를 들어, 히터)의 온도를 제어하기 위해 도 30에 도시된 것과 같은 온도 제어 회로를 포함할 수 있다. 메인보드는 지단 장치 내 온도에 따른 저항값의 변화 또는 기타 온도 센서의 값을 센싱하여 온도 제어 회로를 통해 온도를 컨트롤 한다.
도 31은 복수의 온도 센싱 회로 출력을 하나의 온도 제어기로 제어하기 위한 예시적인 형태를 도시한다.
온도 센서 선택 신호(2320)가 변화함에 따라 온도 제어기로 입력되는 센서 값(2310)이 선택된 센서 출력으로 변화한 것을 확인할 수 있다.
도 32는 본 발명의 다른 일 실시예로서, 액적 액추에이터의 새로운 적층 구조를 나타내는 도면이다. 도 32를 참조하면, 본 실시예에 따른 적층 구조를 갖는 액적 액추에이터(2400)는 하부 하우징(2411), PCB 기판(2412), 하부 기판(2413), 금속패턴층(2414), 유전체층(2415), 소수성 코팅층(2416)이 순차 적층된 하부 플레이트와 소수성 코팅층(2421), 컨덕션 층(2422), 상부 기판(2423), 히터(2424), 상부 하우징(2425)가 순차 적층된 상부 플레이트를 포함할 수 있다. 상기 상부 플레이트와 하부 플레이트는 서로 이격되어 그 사이에 액적이 수용되는 공간이 형성될 수 있다.
상기 공간에는 상부 플레이트와 하부 플레이트를 접합하는 본딩(2431), 적어도 하나의 필러(2432), 및/또는 적어도 하나의 샘플(2433)이 있을 수 있다.
일 실시예로서, PCB 기판(2412)은 인터커넥트 층으로서 기능할 수 있다.
일 실시예로서, 하부 기판(2413)에는 전도성 폴리머 전극이 형성될 수 있다.
일 실시예로서, 컨덕션 층(2422)은 ITO, 메탈 또는 전도성 폴리머를 포함할 수 있다.
유전체층(2415)은 전도성 폴리머 전극, 또는 컨덕션 층과 액적 사이에 전기적 절연을 제공하기 위한 구성으로서, 절연 폴리머 또는 Parylene-C, SiO2, Si3N4 등의 물질을 포함할 수 있다.
소수성 코팅층(2416, 2421)은 금속 패턴층(2414) 또는 컨덕션 층(2422) 표면의 소수성 코팅 처리를 위한 층으로, 소수성 코팅층(2416, 2421)은 HMDS, fluorine 용액 또는 가스 등을 이용하여 스핀코팅, 딥코팅, 스프레이코팅, 플라즈마 코팅 등의 방법으로 코팅 처리될 수 있다.
필러(2432)는 상부 플레이트와 하부플레이트 사이에 채워져, 액적의 이동을 원활하게 하고 고온에서 액적의 증발 및 기포 발생을 막는 유체성 물질이다. 필러(2432)는 물에 용해 되지 않는 비극성 용매, 또는 그것과 계면활성제나 윤활제의 혼합물일 수 있다.
일 실시예로서, 필러(2432)로서 siloxane 또는 silicone oil이 사용 될 수 있다.
한편, 상부 플레이트와 하부 플레이트 사이에는 상부 플레이트와 하부 플레이트 간 간격을 유지하기 위한 스페이서가 배치되어, 그로 인해 액적이 이동할 수 있는 공간이 만들어질 수 있다. 이때, 상부 플레이트와 하부 플레이트는 접착물질, 초음파 융착, 레이저 융착 등의 방법을 이용하여 접착 될 수 있다.
도 33은 본 발명의 일 실시예에 따른, 수직형 전극 구조를 갖는 액적 액추에이터를 나타내는 도면이다. 도 33을 참조하면, 본 실시예에 따른 액적 액추에이터(3100)는 복수의 전극(3111, 3112, 3113)을 포함하는 하부 기판(3110), 및 복수의 다른 전극(3121, 3122)을 포함하는 상부 기판(3120)을 포함한다. 상부 기판(3120)과 하부 기판(3110)은 서로 이격되어 그 사이에 액적을 수용하고 액적이 이동하기 위한 공간(space)이 형성 또는 정의된다.
복수의 전극(3111, 3112, 3113)은 액적을 다루기 위한 일렉트로웨팅 전극으로서, 서로 인접한 전극 간에는 갭(gap)이 형성되어 갭을 사이에 두고 서로 이격된다. 예를 들어, 복수의 전극(3111, 3112, 3113) 중 서로 인접한 제1 전극(3111)과 제3 전극(3112)은 제1 갭(g1)을 사이에 두고 서로 이격된다.
복수의 다른 전극(3121, 3122) 또한 액적을 다루기 위한 일렉트로웨팅 전극으로서, 서로 인접한 전극 간에 갭이 형성된다. 예를 들어, 복수의 다른 전극(3121, 3122) 중 서로 인접한 제2 전극(3121)과 제4 전극(3122)은 제2 갭(g2)을 사이에 두고 서로 이격된다.
이때, 하부 기판(3110)에 형성된 복수의 전극(3111, 3112, 3113)과 상부 기판(3120)에 형성된 복수의 다른 전극(3121, 3122)은 서로 엇갈리도록 배치된다. 가령, 상부 기판(3120)의 제2 전극(3121)은 하부 기판(3110)의 제1 전극(3111) 및 제3 전극(3112)과 엇갈리도록, 제1 전극(3111)과 제3 전극(3112) 사이의 제1 갭(g1)을 마주보는 위치에 배치된다. 유사하게, 하부 기판(3110)의 제3 전극(3112)은 상부 기판(3120)의 제2 전극(3121) 및 제4 전극(3122)과 엇갈리도록, 제2 전극(3121)과 제4 전극(3122) 사이의 제2 갭(g2)을 마주보는 위치에 배치된다.
한편, 도 33의 전극 배치 구조를 더욱 명확하게 나타내기 위해 도 34를 참조한다. 도 34 (a)는 액적 액추에이터의 측면도이고, 도 34 (b)는 액적 액추에이터의 상부 기판(3120)의 위에서 바라본 평면도이다.
도 34 (a)는 도 34 (b)와의 상호 비교를 위해 도시된 것으로서, 그 구조 및 기술적 특징은 도 33에서 설명한 것과 동일하다.
도 34 (b)를 참조하면 상부 기판(3120)의 전극(3121, 3122)과 하부 기판(3110)의 전극(3111, 3112, 3113) 간 평면도 상 배치 관계가 명확히 도시된다.
도 34 (b)에서 상부 기판(3120)의 전극(3121, 3122) 각각은 위에서 바라볼 때 하부 기판(3110)의 인접한 두 개의 전극 및 그 사이의 갭과 적어도 부분적으로 오버랩(overlapped)되도록 배치된다.
예를 들어, 제2 전극(3121)은 상부 기판(3120)의 위에서 바라볼 때, 그것과 인접한 제1 전극(3111) 및 제3 전극(3112)과 적어도 부분적으로 오버랩(overlapped)된다. 그리고, 그와 함께, 제2 전극(3121)은 상부 기판(3120)의 위에서 바라볼 때, 제1 전극(3111)과 제3 전극(3112) 사이의 제1 갭(g1)과도 적어도 부분적으로 오버랩된다. 상부 기판(3120)의 다른 전극(3122)에 대해서도 유사한 배치 구조가 적용된다.
이러한 전극 배치 구조에 의하면, 작동 신호(즉, 일렉트로웨팅 신호)를 인가하여 액적을 이동시킬 때, 액적이 상부 기판(3120)과 하부 기판(3110)에 교대로 밀착하여 이동될 수 있게 되며, 상부 기판(3120)의 전극과 하부 기판(3110)의 전극 간 액적의 이동이 더욱 원활하게 수행될 수 있다. 이에 대한 더욱 자세한 설명은 도 36 및 도 37을 참조하여 후술하기로 한다.
도 35는 액적 액추에이터의 스위치 회로를 나타내는 도면이다. 도 35의 스위치 회로는 액적 액추에이터(3100)의 각 전극(3111, 3112, 3113, 3121, 3122)에 작동 신호를 선택적으로 인가하기 위한 구성이다. 본 실시예의 스위치 회로는 하나 이상의 신호 라인(3101, 3102), 및 복수의 스위치(S1, S2, S3, S4, S5)를 포함한다.
하나 이상의 신호 라인(3101, 3102) 중 제1 신호 라인(3101)은 작동 신호(Vin, 즉, 일렉트로웨팅 신호)가 제공되는 신호 라인이다. 하나 이상의 신호 라인(3101, 3102) 중 제2 신호 라인(3102)은 레퍼런스 전위(Vref, 예를 들어, 접지 전위)가 인가되는 신호 라인이다. 하나 이상의 신호 라인(3101, 3102)은 스위치(S1, S2, S3, S4, S5)에 의해 액적 액추에이터(3100)의 각 전극(3111, 3112, 3113, 3121, 3122)과 전기적으로 연결될 수 있다.
복수의 스위치(S1, S2, S3, S4, S5)는 액적 액추에이터(3100)의 각 전극(3111, 3112, 3113, 3121, 3122)을 신호 라인(3101, 3102) 중 어느 하나와 선택적으로 연결하기 위한 스위치 소자이다. 복수의 스위치(S1, S2, S3, S4, S5) 각각은 서로 독립적으로 제어 가능하고, 각 전극(3111, 3112, 3113, 3121, 3122)과 일대일 매칭될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 복수의 스위치(S1, S2, S3, S4, S5)의 제어는 액적 액추에이터(3100)에 구비된 제어부(미도시)에 의해 수행될 수 있다.
또는, 다른 일 실시예로서, 상기 복수의 스위치(S1, S2, S3, S4, S5)의 제어는 액적 액추에이터(3100) 외부의 테스트 장치에 구비된 제어부(미도시)에 의해 수행될 수도 있다. 이 경우, 스위치 회로를 구성하는 각 요소(3101, 3102, S1, S2, S3, S4, S5)는 액적 액추에이터(3100)가 아닌, 외부의 테스터 장치에 포함된 구성일 수 있다.
일 실시예로서, 복수의 스위치(S1, S2, S3, S4, S5)는 각 전극(3111, 3112, 3113, 3121, 3122)에 작동 신호(Vin)가 순차적으로 제공되도록 제어될 수 있다. 이때, 복수의 스위치(S1, S2, S3, S4, S5)는 작동 신호(Vin)가 제공되지 않은 전극에는 레퍼런스 전위(Vref)가 인가되도록 제어될 수 있다.
이에 대한 명확한 이해를 위해 도 36 및 도 37을 참조하여 설명하기로 한다.
도 36은 시간에 따른 일렉트로웨팅 전극의 구동 및 그것에 의한 액적의 이동을 나타내는 도면이고, 도 37은 각 시간 구간별 스위치 회로의 동작 및 전극의 전위 상태를 나타내는 타이밍도이다. 이하 도면을 참조하여 설명한다.
먼저, t1 시간에, 제1 전극(3111)에 작동 신호(Vin)가 인가되도록 제1 스위치(S1)가 제어되고(S1=High), 그것에 의해 액적이 제1 전극(3111) 상에 위치된다. 이때, 나머지 전극(3112, 3113, 3121, 3122)에 레퍼런스 전위(Vref)가 인가되도록 다른 스위치(S2, S3, S4, S5)들이 제어된다(S2, S3, S4, S5=Low).
그리고, t2시간에, 액적을 제1 전극(3111)으로부터 제2 전극(3121)으로 이동시키기 위해, 제2 전극(3121)에 작동 신호(Vin)가 인가되도록 제2 스위치(S2)가 제어된다(S2=High). 그와 함께, 나머지 전극(3111, 3112, 3113, 3122)에 레퍼런스 전위(Vref)가 인가되도록 다른 스위치(S1, S3, S4, S5)들이 제어된다(S1, S3, S4, S5=Low).
그리고, t3시간에, 액적을 제2 전극(3121)으로부터 제3 전극(3112)으로 이동시키기 위해, 제3 전극(3112)에 작동 신호(Vin)가 인가되도록 제3 스위치(S3)가 제어된다(S3=High). 그와 함께, 나머지 전극(3111, 3113 3121, 3122)에 레퍼런스 전위(Vref)가 인가되도록 다른 스위치(S1, S2, S4, S5)들이 제어된다(S1, S2, S4, S5=Low).
그리고, t4시간에, 액적을 제3 전극(3112)으로부터 제4 전극(3122)으로 이동시키기 위해, 제4 전극(3122)에 작동 신호(Vin)가 인가되도록 제4 스위치(S4)가 제어된다(S4=High). 그와 함께, 나머지 전극(3111, 3112, 3113, 3121)에 레퍼런스 전위(Vref)가 인가되도록 다른 스위치(S1, S2, S3, S5)들이 제어된다(S1, S2, S3, S5=Low).
도 36 및 도 37에서 설명한 액적 액추에이터(3100)의 작동에 의하면, 작동 신호(Vin)가 제1 전극(3111), 제2 전극(3121), 제3 전극(3112), 및 제4 전극(3122)에 순차적으로 인가되고, 액적은 그에 따라 제1 전극(3111)의 표면, 제2 전극(3121)의 표면, 제3 전극(3112)의 표면, 및 제4 전극(3122)의 표면으로 순차적으로 이동하게 된다.
이는 다음과 같은 유리한 기술적 효과를 갖는다. 종래의 액적 액추에이터는 하부 기판에만 일렉트로웨팅 전극이 구비되어 있어, 액적 조작 시 액적이 인접한 전극 사이의 갭을 이동할 때 하부 기판의 표면이 다소 거칠게 가공된 경우 갭 표면과의 마찰력에 의해 갭을 통과하지 못하고 중간에 멈추게 되는 문제가 있었다.
그에 반해, 본 실시예에 따른 액적 액추에이터에 의하면, 액적이 인접한 전극 사이의 갭을 지날 때 마주보는 기판에 형성된 다른 전극으로 이동 및 그에 밀착하여 지나므로 액적과 갭 표면 간 마찰력이 감소되고, 따라서 기판 표면이 다소 거칠게 가공되더라도 액적의 전극 간 이동이 원활하게 수행될 수 있게 된다.
또한, 그로 인해 기판 제조 시, 기판 표면을 매우 매끄럽게 가공하지 않아도 되므로, 액적 액추에이터의 제조 공정이 보다 단순화될 수 있으며 전체적인 생산 비용도 낮출 수 있게 된다.
또한, 하부 기판에만 전극이 형성된 경우와 달리, 인접한 전극 사이의 갭이 매우 가깝지 않아도 마주보는 기판에 형성 된 다른 전극으로 이동할 수 있으므로, 액적 액추에이터의 제조 공정의 정밀도가 다소 낮아져도 성능에 차이가 없고, 따라서 생산 비용도 낮출 수 있게 된다.
도 38 및 도 39는 도 33에서 설명된 액적 액추에이터의 예시적인 일렉트로웨팅 전극 배치를 나타내는 도면이다.
도 38은 액적의 경로가 분기되는 교차로 형태의 일렉트로웨팅 전극 배치를 액적 액추에이터의 상부 기판의 위에서 바라본 평면도이다.
도 38을 참조하면, 액적의 진행 방향에서 순차적으로 제1 전극(3111), 제2 전극(3121), 제3 전극(3112), 제4 전극(3122)이 배치된다. 제1 전극(3111) 및 제3 전극(3112)는 하부 기판에 형성된 전극이고, 제2 전극(3121) 및 제4 전극(3122)은 상부 기판에 형성된 전극일 수 있다.
제4 전극(3122)의 다음에는 제5 전극(3113) 및 제6 전극(3114)이 배치된다. 제5 전극(3113) 및 제6 전극(3114)은 하부 기판에 형성된 전극으로서, 제3 전극(3112)과 갭을 사이에 두고 이격된 전극일 수 있다. 제5 전극(3113)과 제6 전극(3114)도 갭을 사이에 두고 서로 이격될 수 있다.
일 실시예로서, 제4 전극(3122)은 상부 기판의 위에서 바라봤을 때(즉, 도 38의 평면도 상에서), 제3 전극(3112), 제5 전극(3113), 및 제6 전극(3114)과 적어도 부분적으로 각각 오버랩될 수 있다.
도 38의 전극 배치에서 액적(70)은 각 전극(3111, 3121, 3112, 3122)에 순차적으로 작동 신호를 인가한 것에 응답하여, 제1 전극(3111)에서 제2 전극(3121) 및 제3 전극(3112)을 거쳐, 제4 전극(3122)의 표면으로 이동할 수 있다. 그리고, 제5 전극(3113), 및/또는 제6 전극(3114)에 선택적으로 작동 신호를 인가한 것에 응답하여 (i) 제5 전극(3113) 위로 이동하거나, (ii) 제6 전극(3114) 위로 이동하거나, (iii) 제5 전극(3113)과 제6 전극(3114) 위로 스플릿(splitted)되거나 스프레드(spread)될 수 있다.
예를 들어, 액적(70)이 제4 전극(3122)의 표면으로 이동된 후, 제5 전극(3113)에 작동 신호가 인가되고 나머지 전극(3111, 3121, 3112, 3122, 3114)에 레퍼런스 전위가 인가되면, 액적(70)은 제5 전극(3113) 위로 이동된다. 또는, 액적(70)이 제4 전극(3122)의 표면으로 이동된 후, 제6 전극(3114)에 작동 신호가 인가되고 나머지 전극(3111, 3121, 3112, 3122, 3113)에 레퍼런스 전위가 인가되면, 액적(70)은 제6 전극(3114) 위로 이동된다. 또는, 액적(70)이 제4 전극(3122)의 표면으로 이동된 후, 제5 전극(3113)과 제6 전극(3114)에 작동 신호가 인가되고 나머지 전극(3111, 3121, 3112, 3122)에 레퍼런스 전위가 인가되면, 액적(70)은 제5 전극(3113)과 제6 전극(3114) 위로 스플릿되거나 스프레드된다.
도 39는 액적 액추에이터의 리저버 영역과 분배 영역에 본 발명의 수직형 전극 배치를 적용한 예를 상부 기판의 위에서 바라본 평면도이다.
도 39을 참조하면, 리저버 영역에서 유체 채널을 향하는 방향으로 순차적으로 제1 전극(3111), 제2 전극(3121), 제3 전극(3112), 제4 전극(3122), 제5 전극(3113)이 배치된다. 제1 전극(3111), 제3 전극(3112), 및 제5 전극(3113)은 하부 기판에 형성된 전극이고, 제2 전극(3121) 및 제4 전극(3122)은 상부 기판에 형성된 전극일 수 있다.
이때, 제1 전극(3111) 및 제2 전극(3121)은 리저버에 있는 유체의 흐름을 유도하는 리저버 전극이고, 제3 전극(3112), 제4 전극(3122), 및 제5 전극(3113)은 리저버로부터 액적을 분배하여 유체 체널로 이송하기 위한 분배 전극일 수 있다.
리저버 전극(3111, 3121)은 분배 전극(3112, 3122, 3113)과 상이한 크기를 가질 수 있고, 통상 리저버 전극(3111, 3121)이 분배 전극(3112, 3122, 3113)보다 더 큰 크기로 형성되는 것이 일반적이다. 도 39는 이처럼 상이한 크기의 일렉트로웨팅 전극들이 혼합된 경우에도, 본 발명에 따른 수직형 전극 배치가 적용될 수 있음을 보여준다.
도 40은 도 33에서 설명된 액적 액추에이터의 예시적인 적층 구조를 나타내는 도면이다.
도 40을 참조하면, 본 실시예에 따른 적층 구조를 갖는 액적 액추에이터(3100)는 하부 하우징(3131), 히터(3132), 라우팅 층(3133), 하부 기판(3110), 유전체층(3134), 소수성 코팅층(3135)이 순차 적층된 하부 플레이트와 소수성 코팅층(3145), 유전체 층(3144), 상부 기판(3120), 라우팅 층(3143), 히터(3142), 상부 하우징(3141)이 순차 적층된 상부 플레이트를 포함할 수 있다. 이때, 상기 상부 플레이트와 하부 플레이트는 서로 이격되어 그 사이에 액적이 수용되는 공간이 형성될 수 있다.
상기 공간에는 상부 플레이트와 하부 플레이트를 접합하는 본딩(3151), 적어도 하나의 필러(3152), 및/또는 적어도 하나의 샘플(3153)이 있을 수 있다.
하부 하우징(3131)은, 액적 액추에이터(3100)의 하부 외관을 형성하는 구성으로서, 액적 액추에이터(3100) 내부 구성을 보호하고 액적 액추에이터(3100)와 외부 장치(예를 들어, 테스터)를 연결하는 인터페이스를 제공한다. 일 실시예로서, 하부 하우징(3131)은 폴리머 또는 플라스틱으로 구성될 수 있다.
히터(3132)는, 액적 액추에이터(3100) 내부의 액적을 가열하기 위한 구성으로서, 저항식 히터(resistive heater), 자기유도식 히터(magnetic induction heater), 또는 열전식 히터(thermoelectric heater)일 수 있다.
라우팅 층(3133)은, 액적 액추에이터(3100)와 외부 장치(예를 들어, 테스터)를 전기적으로 연결하기 위한 인터커넥션 층(interconnection layer)으로서, 접촉 패드(contact pad) 패턴을 포함하는 층일 수 있다. 이때, 접촉 패드는 비아(via)를 통해 하부 기판(3110)의 전도성 요소(예를 들어, 전도성 폴리머)와 연결된다. 일 실시예로서, 라우팅 층(3133)은 금속(예를 들어, Ag, Au, Cu, Cr) 및 전도성 폴리머로 구성될 수 있다. 일 실시예로서, 라우팅 층(3133)은 증착(evaporation), 스퍼터링(sputtering), 스크린 프린팅(screen printing), 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 레이저 에이블레이션(laser ablation), 또는 R2R 공정에 의해 형성될 수 있다.
하부 기판(3110)은 일렉트로웨팅 전극(3111)이 형성된 층으로서, 라우팅 층(3133)과 일렉트로웨팅 전극(3111)을 전기적으로 연결한다. 하부 기판(3110)은 베이스, 및 베이스를 관통하여 채워지는 전도성 플라스틱을 포함할 수 있다. 일 실시예로서, 베이스는 폴리머(예를 들어, PMMA, PC, COP), 세라믹, 유리, 또는 실리콘으로 구성될 수 있다. 일 실시예로서, 하부 기판(3110)은 인젝션 몰딩(injection molding), 디스펜싱(dispensing), 스크린 프린팅, 또는 3D 프린팅 공정에 의해 형성될 수 있다.
한편, 일 실시예로서, 일렉트로웨팅 전극(3111)은 일렉트로웨팅을 유도하기 위한 전극으로서, 금속(예를 들어, Ag, Au, Cu, Cr) 또는 전도성 폴리머로 구성될 수 있고, 증착, 스퍼터링, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 레이저 에이블레이션, 또는 R2R 공정에 의해 형성될 수 있다.
유전체층(3134)은, 하부 기판(3110) 또는 일렉트로웨팅 전극(3111)에 전기적 절연을 제공하기 위해 하부 기판(3110) 또는 일렉트로웨팅 전극(3111) 상에 형성되는 층으로서, 얇은 박막의 코팅 구조일 수 있다. 유전체층(3134)은 SiO2, Si3N4, Parylene, fluoropolymer, SU8, 또는 PDMS 등의 각종 절연 물질로 구성될 수 있으며, 스핀(spin), 딥(dip), 스프레이(spray), 플라즈마(plasma), 증착, 스퍼터링, ALD, CVD, 또는 e-빔(e-beam) 공정에 의해 형성될 수 있다.
소수성 코팅층(3135)은, 유전체층(3134)의 표면을 소수화시키기 위한 층으로서, 얇은 박막의 코팅 구조일 수 있다. 소수성 코팅층(3135)은 fluoropolymer로 구성될 수 있으며, 스핀, 딥, 스프레이, 플라즈마, 증착, 스퍼터링, ALD, CVD, 또는 e-빔 공정에 의해 형성될 수 있다.
소수성 코팅층(3135, 3145) 사이에는 갭 형성을 위한 갭 공간(gap spacer)이 형성된다.
갭 공간은, 액적과 필러 유체(filler fluid)를 수용하는 공간으로서 상부 플레이트와 하부 플레이트가 연결되는 공간이다. 갭 공간은 스페이서(spacer)에 의해 형성되며, 스페이서와 상부 플레이트 및/또는 하부 플레이트를 레이저 융착, 초음파 융착, 열 융착, 압력 융착하거나 접착체를 이용하여 본딩하는 방법에 의해 형성될 수 있다. 갭 공간의 높이는 스페이서에 의해 조정될 수 있다.
한편, 스페이서는 상부 플레이트 및 하부 플레이트와는 구별되는 별도의 구성일 수도 있고, 상부 플레이트 또는 하부 플레이트의 일부로서 포함된 구성일 수 있다. 일 실시예로서, 스페이서는 폴리머로 구성될 수 있다.
일 실시예로서, 본딩(3151)이 상기 갭 공간을 형성하기 위한 스페이서로서 기능할 수 있다.
소수성 코팅층(3145)은, 유전체층(3144)의 표면을 소수화시키기 위한 층으로서, 얇은 박막의 코팅 구조일 수 있다. 소수성 코팅층(3145)은 fluoropolymer로 구성될 수 있으며, 스핀, 딥, 스프레이, 플라즈마, 증착, 스퍼터링, ALD, CVD, 또는 e-빔 공정에 의해 형성될 수 있다.
유전체 층(3144)은, 상부 기판(3120) 또는 일렉트로웨팅 전극(3121)에 전기적 절연을 제공하기 위해 상부 기판(3120) 또는 일렉트로웨팅 전극(3121) 상에 형성되는 층으로서, 얇은 박막의 코팅 구조일 수 있다. 유전체층(3144)은 SiO2, Si3N4, Parylene, fluoropolymer, SU8, 또는 PDMS 등의 각종 절연 물질로 구성될 수 있으며, 스핀, 딥, 스프레이, 플라즈마, 증착, 스퍼터링, ALD, CVD, 또는 e-빔 공정에 의해 형성될 수 있다.
상부 기판(3120)은, 일렉트로웨팅 전극(3121)이 형성된 층으로서, 라우팅 층(3143)과 일렉트로웨팅 전극(3121)을 전기적으로 연결한다. 상부 기판(3120)은 베이스, 및 베이스를 관통하여 채워지는 전도성 플라스틱을 포함할 수 있다. 일 실시예로서, 베이스는 폴리머(예를 들어, PMMA, PC, COP), 세라믹, 유리, 또는 실리콘으로 구성될 수 있다. 일 실시예로서, 상부 기판(3120)은 인젝션 몰딩, 디스펜싱, 스크린 프린팅, 또는 3D 프린팅 공정에 의해 형성될 수 있다.
한편, 일 실시예로서, 일렉트로웨팅 전극(3121)은 일렉트로웨팅을 유도하기 위한 전극으로서, 금속(예를 들어, Ag, Au, Cu, Cr) 또는 전도성 폴리머로 구성될 수 있고, 증착, 스퍼터링, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 레이저 에이블레이션, 또는 R2R 공정에 의해 형성될 수 있다.
라우팅 층(3143)은, 액적 액추에이터(3100)와 외부 장치(예를 들어, 테스터)를 전기적으로 연결하기 위한 인터커넥션 층으로서, 접촉 패드 패턴을 포함하는 층일 수 있다. 이때, 접촉 패드는 비아(via)를 통해 상부 기판(3120)의 전도성 요소(예를 들어, 전도성 폴리머)와 연결된다. 일 실시예로서, 라우팅 층(3143)은 금속(예를 들어, Ag, Au, Cu, Cr) 및 전도성 폴리머로 구성될 수 있다. 일 실시예로서, 라우팅 층(3143)은 증착, 스퍼터링, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 레이저 에이블레이션, 또는 R2R 공정에 의해 형성될 수 있다.
히터(3142)는, 액적 액추에이터(3100) 내부의 액적을 가열하기 위한 구성으로서, 저항식 히터, 자기유도식 히터, 또는 열전식 히터일 수 있다.
상부 하우징(3141)은 액적 액추에이터(3100)의 상부 외관을 형성하는 구성으로서, 액적 액추에이터(3100) 내부 구성을 보호하고 액적 액추에이터(3100)와 외부 장치(예를 들어, 테스터)를 연결하는 인터페이스를 제공한다. 일 실시예로서, 상부 하우징(3131)은 폴리머 또는 플라스틱으로 구성될 수 있다.
도 41 이하에서는, 이상에서 설명한 다양한 실시예들의 액적 액추에이터를 이용하여, 액적 내 타겟 물질의 존재 여부 또는 액적 내 타겟 물질의 농도를 결정할 수 있는 액적 처리 방법을 설명한다.
도 41 내지 도 45는 액적 내 타겟 핵산의 존재 여부 및 농도를 결정하기 위한 액적 처리 방법의 일 실시예를 나타내는 도면들이다. 도 41을 참조하면, 본 실시예에 따른 액적 처리 방법을 위한 액적 액추에이터(4100)가 도시된다.
액적 액추에이터(4100)는 일렉트로웨팅 기반으로 액적의 이동, 병합, 및/또는 분리를 처리하는 장치로서, 도 1 내지 도 40에서 설명된 다양한 구조의 액적 액추에이터 중 어느 하나일 수 있다. 도 41에서 액적 액추에이터(4100)는 하부 기판에만 일렉트로웨팅 전극이 형성된 것으로 도시되었지만, 설명의 간명화를 위해 하나의 예를 든 것에 불과하며, 본 실시예의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 41의 액적 액추에이터(4100)는 도 33의 액적 액추에이터(3100)와 같이, 상부 기판과 하부 기판에 각각 일렉트로웨팅 전극이 형성될 수도 있다. 이하, 도면을 참조하여 더욱 자세히 설명한다.
액적 액추에이터(4100)는 상부 기판(4120), 상부 기판(4120)과 이격되고 상부 기판과의 사이에 액적이 이동 가능한 공간(space)이 형성되는 하부 기판(4110), 및 상부 기판(4120) 또는 하부 기판(4110)에 배치되고 일렉트로웨팅 신호에 의해 전위가 가변되는 복수의 전극(4111, 4112, 4113, 4114, 4115, 또는 일렉트로웨팅 전극)를 포함한다. 복수의 전극(4111, 4112, 4113, 4114, 4115)은 갭(gk)에 의해 서로 이격된다.
상기 공간 내, 제1 전극(4111) 상에는 타겟 핵산(md1)을 포함하는 제1 액적(81)이 위치하고, 제2 전극(4112) 상에는 유전자 가위(md2)를 포함하는 제2 액적(82)이 위치하고, 제3 전극(4113) 상에는 반응 물질(md3)을 포함하는 제3 액적(83)이 위치한다. 일 실시예로서, 타겟 핵산(md1) 은 single stranded RNA, single stranded DNA, 또는 double stranded DNA 일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 유전자 가위(md2)는 타겟 핵산(md1)과 결합하여 활성화되는 유전자 가위로서, CAS 단백질 및 gRNA를 포함하는 단백질 복합체(protein complex)일 수 있다. 또는, 일 실시예로서, 상기 반응 물질(md3)은 리포터(reporter)와 퀜처(quencher)가 결합된 복합체일 수 있다. 이에 대해, 도 42를 참조하여 부연 설명한다.
도 42 (a)는 유전자 가위(md2)의 예시적인 구성을 도시한다. 유전자 가위(md2)는 CAS 단백질(cas)과 gRNA(g)가 결합된 것일 수 있다.
CAS 단백질(cas)은 비특이적으로 대상 핵산을 절단하는 효소로서, CRISPR 연관 엔도뉴클레아제(CRISPR-associated endonuclease)일 수 있다.
gRNA(g)는 절단하고자 하는 대상 핵산과 상보적으로 결합하는 RNA로서, 유전자 가위(md2)로 절단할 대상 핵산을 지정하거나 유전자 가위(md2)를 활성화시켜 비특이적인 핵산 절단을 유도한다. gRNA(g)는 sgRNA(single guide RNA)일 수 있다.
도 42 (b)는 반응 물질(md3)의 예시적인 구성을 도시한다. 반응 물질(md3)은 리포터(rp)와 퀜처(qc)가 핵산(st)에 의해 결합된 것일 수 있다. 일 실시예로서, 상기 핵산(st)은 단일 가닥 핵산(single stranded nucleic acid)일 수 있다.
리포터(rp)는 핵산(st)의 일단에 결합된 발광 물질이고, 퀜처(qc)는 핵산(st)의 타단에 결합된 광 흡수 물질이다. 리포터(rp)와 퀜처(qc)가 서로 결합되어 있으면 퀜처(qc)가 리포터(rp)를 억제하여 빛이 발생하지 않지만, 리포터(rp)와 퀜처(qc) 간 결합이 끊어지면 리포터(rp)가 자유롭게 빛을 발광하게 된다.
이렇게, 액적 액추에이터(4100) 내 공간에 타겟 핵산(md1)을 포함하는 제1 액적(81), 유전자 가위(md2)를 포함하는 제2 액적(82), 반응 물질(md3)을 포함하는 제3 액적(83)이 준비되면, 액적 액추에이터(4100)의 전극(4111, 4112, 4113, 4114, 4115)에 일렉트로웨팅 신호가 인가되어 액적의 처리가 수행될 수 있다.
먼저, 도 43을 함께 참조하면, 제1 일렉트로웨팅 신호에 기초한 제1 액적 조작에 의해, 타겟 핵산(md1)이 포함된 제1 액적(81)과 유전자 가위(md2)가 포함된 제2 액적(82)이 병합되고, 그 결과로서 액적(84)이 생성되어 액적 액추에이터(4100)의 내부 공간, 예를 들어 액적 액추에이터(4100)의 유체 채널 상에 제공된다.
일 실시예로서, 제1 액적 조작은 제1 전극(4111) 위의 제1 액적(81)을 제2 액적(82)을 향해 이동시키는 조작, 제2 전극(4112) 위의 제2 액적(82)을 제1 액적(81)을 향해 이동시키는 조작, 또는 제1 전극(4111) 위의 제1 액적(81)과 제2 전극(4112) 위의 제2 액적(82)을 중간의 제4 전극(4114)를 향해 이동시키는 조작일 수 있다. 도 43에서는, 제1 액적 조작이 제1 전극(4111) 위의 제1 액적(81)을 제2 액적(82)을 향해 이동시키는 조작인 것으로 예시되었다.
일 실시예로서, 제1 일렉트로웨팅 신호는 상기 제1 액적 조작이 구현되도록 각 전극(4111, 4112, 4113, 4114, 4115)에 선택적으로 인가되는 전기 신호(예를 들어, 도 37의 V1, V2, V3, V4와 같은)일 수 있다.
액적(84) 내에서, 유전자 가위(md2)는 타겟 핵산(md1)과 결합하여 활성화될 수 있다. 활성화된 유전자 가위(md4)는 핵산을 절단할 수 있다.
한편, 이상에서는 일렉트로웨팅 신호에 기초한 액적 조작에 의해 제1 액적(81)과 제2 액적(82)을 병합하여 액적(84)을 생성하는 경우를 예시하였지만, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.
예를 들어, 액적(84)은 액적 조작에 의해 제1 액적(81)과 제2 액적(82)을 병합하는 방식으로 생성되지 않고, 액적(84)은 활성화된 유전자 가위(md4)를 포함한 상태로 외부로부터 주입되어, 액적 액추에이터(4100)의 내부 공간, 예를 들어 액적 액추에이터(4100)의 유체 채널 상에 제공될 수도 있다.
다음으로, 도 44를 함께 참조하면, 제2 일렉트로웨팅 신호에 기초한 제2 액적 조작에 의해, 활성화된 유전자 가위(md4)가 포함된 액적(84)과 반응 물질(md3)이 포함된 제3 액적(83)이 혼합되어 결합 액적(85)이 생성된다. 결합 액적(85) 내에서, 활성화된 유전자 가위(md4)가 반응 물질(md3)과 혼합되어 반응 물질(md3)의 반응이 야기된다. 이때, 상기 반응은 반응 물질(md3) 내 리포터(rp)와 퀜처(qc)간 결합이 끊어지는 것, 또는 리포터(rp)가 발광하는 것일 수 있다.
이에 대해 도 45를 참조하여 구체적으로 설명하면, 결합 액적(85) 내에서, 활성화된 유전자 가위(md4)가 반응 물질(md3)과 혼합되면, 활성화된 유전자 가위(md4)는 핵산(st)을 비특이적으로 절단한다(cleave). 핵산(st)이 절단되면 리포터(rp)는 퀜처(qc)로부터 분리되고, 활성화된 유전자 가위(md4)의 작용에 의한 반응으로서 리포터(rp)가 발광하게 된다.
이때, 리포터(rp)로부터 발광되는 빛의 양을 측정하면, 액적 내 타겟 핵산(md1)의 존재 여부, 및/또는 액적 내 타겟 핵산(md1)의 농도를 결정할 수 있다.
예를 들어, 제1 액적(81) 내에 타겟 핵산(md1)이 존재하지 않는다면, 액적(84) 내에서 유전자 가위(md2)는 활성화되지 않을 것이고, 활성화되지 않은 유전자 가위(md2)는 반응 물질(md3)의 핵산(st)을 자르지 못하므로, 결합 액적(85)에서 리포터(rp)에 의한 발광도 발생하지 않을 것이다.
다른 예로서, 제1 액적(81) 내에 타겟 핵산(md1)이 존재한다면, 액적(84) 내에서 유전자 가위(md2)가 활성화될 것이다. 활성화된 유전자 가위(md4)는 반응 물질(md3)의 핵산(st)을 자르고, 그에 의해 리포터(rp)가 퀜처(qc)와 분리되어 리포터(rp)에 의한 발광도 발생할 것이다. 이때, 제1 액적(81) 내에 타겟 핵산(md1)의 양에 따라 리포터(rp)가 발생시키는 빛의 양이 달라질 수 있다.
가령, 제1 액적(81) 내에 타겟 핵산(md1)이 많으면 상대적으로 더 많은 양의 유전자 가위(md2)가 활성화될 것이고, 그에 따라 반응 물질(md3)의 핵산(st)을 더 많이 자르게 되므로, 상대적으로 더 많은 양의 빛이 리포터(rp)로부터 발광될 것이다.
반면에, 제1 액적(81) 내에 타겟 핵산(md1)이 적으면 상대적으로 더 적은 양의 유전자 가위(md2)가 활성화될 것이고, 그에 따라 상대적으로 더 적은 양의 빛이 리포터(rp)로부터 발광될 것이다.
일 실시예로서, 제2 액적 조작은 제2 전극(4112) 위의 액적(84)을 제3 액적(83)을 향해 이동시키는 조작, 제3 전극(4113) 위의 제3 액적(83)을 액적(84)을 향해 이동시키는 조작, 또는 제2 전극(4112) 위의 액적(84)과 제3 전극(4113) 위의 제3 액적(83)을 중간의 제5 전극(4115)를 향해 이동시키는 조작일 수 있다. 도 44에서는, 제2 액적 조작이 제2 전극(4112) 위의 액적(84)과 제3 전극(4113) 위의 제3 액적(83)을 중간의 제5 전극(4115)를 향해 이동시키는 조작인 것으로 예시되었다.
일 실시예로서, 제2 일렉트로웨팅 신호는 상기 제2 액적 조작이 구현되도록 각 전극(4111, 4112, 4113, 4114, 4115)에 선택적으로 인가되는 전기 신호(예를 들어, 도 37의 V1, V2, V3, V4와 같은)일 수 있다.
도 46 내지 도 49는 액적 내 타겟 핵산의 존재 여부 및 농도를 결정하기 위한 액적 처리 방법의 다른 일 실시예를 나타내는 도면들이다. 도 46을 참조하면, 본 실시예에 따른 액적 처리 방법을 위한 액적 액추에이터(4100)가 도시된다.
도 46의 액적 액추에이터(4100)는 도 41의 액적 액추에이터(4100)와 그 구성이 동일하다. 또한, 도 46에서, 타겟 핵산(md1), 유전자 가위(md2), 및 반응 물질(md3)의 구성 및 기능도 앞서 도 41 내지 도 45에서 설명한 것과 동일하다. 다만, 본 실시예에서는, 반응 물질(md3)이 액적에 포함되지 않고 전극(4115) 위의 표면에 준비된 점이 상이하다.
액적 액추에이터(4100) 내에 타겟 핵산(md1), 유전자 가위(md2), 및 반응 물질(md3)이 준비되면, 액적 액추에이터(4100)의 전극(4111, 4112, 4113, 4114, 4115)에 일렉트로웨팅 신호가 인가되어 액적의 처리가 수행될 수 있다.
도 47을 함께 참조하면, 제1 일렉트로웨팅 신호에 기초한 제1 액적 조작에 의해, 타겟 핵산(md1)이 포함된 제1 액적(81)과 유전자 가위(md2)가 포함된 제2 액적(82)이 병합되고, 그 결과로서 액적(84)이 생성되어 액적 액추에이터(4100)의 내부 공간, 예를 들어 액적 액추에이터(4100)의 유체 채널 상에 제공된다.
이때, 제1 액적 조작 및 제1 일렉트로웨팅 신호는 앞서 도 41 내지 도 45에서 설명한 제1 액적 조작 및 제1 일렉트로웨팅 신호와 동일한 것일 수 있다.
액적(84) 내에서, 유전자 가위(md2)는 타겟 핵산(md1)과 결합하여 활성화될 수 있다. 활성화된 유전자 가위(md4)는 핵산을 절단할 수 있다.
한편, 도 43의 실시예에서와 마찬가지로, 액적(84)은 액적 조작에 의해 제1 액적(81)과 제2 액적(82)을 병합하는 방식으로 생성되지 않고, 액적(84)은 활성화된 유전자 가위(md4)를 포함한 상태로 외부로부터 주입되어, 액적 액추에이터(4100)의 내부 공간, 예를 들어 액적 액추에이터(4100)의 유체 채널 상에 제공될 수도 있다.
다음으로, 도 48를 함께 참조하면, 제2 일렉트로웨팅 신호에 기초한 제2 액적 조작에 의해, 활성화된 유전자 가위(md4)가 포함된 액적(84)이 반응 물질(md3)이 준비된 위치로 이동함으로써, 액적(84) 내에 반응 물질(md3)이 제공된다.
일 실시예로서, 제2 액적 조작은 제2 전극(4112) 위의 액적(84)을 제5 전극(4115)을 향해 이동시키는 조작일 수 있다.
일 실시예로서, 제2 일렉트로웨팅 신호는 상기 제2 액적 조작이 구현되도록 각 전극(4111, 4112, 4113, 4114, 4115)에 선택적으로 인가되는 전기 신호(예를 들어, 도 37의 V1, V2, V3, V4와 같은)일 수 있다.
일 실시예로서, 반응 물질(md3)는 도 48과 같이 전극의 표면 상에 놓여진 형태로 제공될 수 있다.
액적(84) 내에서, 활성화된 유전자 가위(md4)가 반응 물질(md3)과 혼합되어 반응 물질(md3)의 반응이 야기된다. 이때, 상기 반응은 반응 물질(md3) 내 리포터(rp)와 퀜처(qc)간 결합이 끊어지는 것, 또는 리포터(rp)가 발광하는 것일 수 있다. 다만 이는 예시적인 설명으로서, 반응 물질(md3) 내에 퀜처(qc)가 존재하지 않을 수도 있다.
상기 반응에 의해 리포터(rp)가 퀜처(qc)로부터 분리되면, 분리된 리포터(rp)는 액적(84) 내에서 플로팅된 상태로 발광을 한다. 이때, 리포터(rp)에 의한 발광을 보다 용이하게 관찰하기 위해, 액적(84)을 다른 위치로 이동시킬 수 있다.
이에 대해, 도 49를 참조하여 부연 설명하면, 리포터(rp)가 퀜처(qc)로부터 분리된 후, 제3 일렉트로웨팅 신호에 기초한 제3 액적 조작에 의해, 액적(84)은 제5 전극(4115)으로부터 제3 전극(4113)으로 이동된다. 이때, 리포터(rp)는 액적(84) 내에서 플로팅되어 있어, 액적(84)과 함께 제3 전극(4113)으로 이동된다. 퀜처(qc)는 제5 전극(4115)의 표면에 고정된 상태이므로, 상기 표면에 그대로 남겨진다.
일 실시예로서, 제3 전극(4113)은 리포터(rp)에 의한 발광의 관측이 용이한 지점일 수 있다. 예를 들어, 제3 전극(4113)은 마주보는 위치에 투명 홀이 형성되거나 제3 전극(4113)이 투명 전극으로 구성되어, 보다 용이하게 발광을 관측하도록 디자인된 위치일 수 있다.
액적(84)이 제3 전극(4113)으로 이동되면, 액적(84)에 포함된 리포터(rp)로부터 발광되는 빛의 양을 측정하여, 액적 내 타겟 핵산(md1)의 존재 여부, 및/또는 액적 내 타겟 핵산(md1)의 농도를 결정할 수 있다. 리포터(rp)로부터 발광되는 빛의 양을 측정하여 타겟 핵산(md1)의 존재 여부 및 농도를 결정하는 원리는 앞서의 실시예에서 설명된 바 있으므로 여기서는 그에 대한 추가적인 설명을 생략한다.
일 실시예로서, 제3 액적 조작은 제5 전극(4115) 위의 액적(84)을 제3 전극(4113)을 향해 이동시키는 조작일 수 있다.
일 실시예로서, 제3 일렉트로웨팅 신호는 상기 제3 액적 조작이 구현되도록 각 전극(4111, 4112, 4113, 4114, 4115)에 선택적으로 인가되는 전기 신호(예를 들어, 도 37의 V1, V2, V3, V4와 같은)일 수 있다.
도 50 내지 도 53은 액적 내 타겟 핵산의 존재 여부 및 농도를 결정하기 위한 액적 처리 방법의 또 다른 일 실시예를 나타내는 도면들이다. 도 50을 참조하면, 본 실시예에 따른 액적 처리 방법을 위한 액적 액추에이터(4100)가 도시된다.
도 50의 액적 액추에이터(4100)는 도 46의 액적 액추에이터(4100)와 그 구성이 동일하다. 또한, 도 50에서, 타겟 핵산(md1), 및 유전자 가위(md2)의 구성 및 기능도 앞서 도 46에서 설명한 것과 동일하다. 다만, 본 실시예에서는, 반응 물질(md5)이 리포터(rp)와 퀜처(qc)로 구성되지 않고, 핵산(st)에 의해 전극(4115) 위의 표면에 고정된 소수화 분자 또는 친수화 분자인 점이 상이하다.
액적 액추에이터(4100) 내에 타겟 핵산(md1), 유전자 가위(md2), 및 반응 물질(md5)이 준비되면, 액적 액추에이터(4100)의 전극(4111, 4112, 4113, 4114, 4115)에 일렉트로웨팅 신호가 인가되어 액적의 처리가 수행될 수 있다.
도 51을 함께 참조하면, 제1 일렉트로웨팅 신호에 기초한 제1 액적 조작에 의해, 타겟 핵산(md1)이 포함된 제1 액적(81)과 유전자 가위(md2)가 포함된 제2 액적(82)이 병합되고, 그 결과로서 액적(84)이 생성되어 액적 액추에이터(4100)의 내부 공간, 예를 들어 액적 액추에이터(4100)의 유체 채널 상에 제공된다.
이때, 제1 액적 조작 및 제1 일렉트로웨팅 신호는 앞서 도 46 내지 도 49에서 설명한 제1 액적 조작 및 제1 일렉트로웨팅 신호와 동일한 것일 수 있다.
액적(84) 내에서, 유전자 가위(md2)는 타겟 핵산(md1)과 결합하여 활성화될 수 있다. 활성화된 유전자 가위(md4)는 핵산을 자를 수 있다.
한편, 도 43 또는 도 47의 실시예들에서와 마찬가지로, 액적(84)은 액적 조작에 의해 제1 액적(81)과 제2 액적(82)을 병합하는 방식으로 생성되지 않고, 액적(84)은 활성화된 유전자 가위(md4)를 포함한 상태로 외부로부터 주입되어, 액적 액추에이터(4100)의 내부 공간, 예를 들어 액적 액추에이터(4100)의 유체 채널 상에 제공될 수도 있다.
다음으로, 도 52를 함께 참조하면, 제2 일렉트로웨팅 신호에 기초한 제2 액적 조작에 의해, 활성화된 유전자 가위(md4)가 포함된 액적(84)이 반응 물질(md5)이 준비된 위치로 이동하고, 액적(85) 내에서, 활성화된 유전자 가위(md4)는 반응 물질(md5)가 혼합되어 반응 물질(md5)의 반응이 야기된다. 이때, 상기 반응은 활성화된 유전자 가위(md4)에 의해 반응 물질(md5)과 결합된 핵산(st)이 절단되는 것, 또는 상기 절단에 의해 반응 물질(md5)이 플로팅되어 전극(4115) 위의 표면의 소수화 정도 또는 친수화 정도를 변화시키는 것일 수 있다.
일 실시예로서, 제2 액적 조작은 제2 전극(4112) 위의 액적(84)을 제5 전극(4115)을 향해 이동시키는 조작일 수 있다.
일 실시예로서, 제2 일렉트로웨팅 신호는 상기 제2 액적 조작이 구현되도록 각 전극(4111, 4112, 4113, 4114, 4115)에 선택적으로 인가되는 전기 신호(예를 들어, 도 37의 V1, V2, V3, V4와 같은)일 수 있다.
상기 반응에 의해 제5 전극(4115)의 표면에 고정된 단일 가닥 핵산(st)이 절단되면, 핵산(st)에 의해 고정되어 있던 반응 물질(md5) 제5 전극(4115)의 표면으로부터 분리되어 액적(84) 내에 플로팅된다. 이때, 플로팅된 반응 물질(md5)은 소수화 분자 또는 친수화 분자이므로, 전극(4115) 위의 표면의 소수성 정도 또는 친수성 정도를 변화시킬 수 있다.
한편, 플로팅된 반응 물질(md5)에 의한 변화를 보다 용이하게 관찰하기 위해, 액적(84)을 다른 위치로 이동시킬 수 있다.
이에 대해, 도 53을 참조하여 부연 설명하면, 반응 물질(md5)이 제5 전극(4115)의 표면으로부터 분리된 후, 제3 일렉트로웨팅 신호에 기초한 제3 액적 조작에 의해, 액적(84)은 제5 전극(4115)으로부터 제3 전극(4113)으로 이동된다. 이때, 반응 물질(md5)는 액적(84) 내에서 플로팅되어 있어, 액적(84)과 함께 제3 전극(4113)으로 이동된다.
일 실시예로서, 제5 전극(4115) 위의 표면의 소수성 정도의 변화 또는 친수성 정도의 변화를 측정하기 위한 구성들이 제공될 수 있다. 예를 들어, 제5 전극(4115)의 주변에 유체 내 소수성 정도 또는 친수성 정도를 측정할 수 있는 센서가 구비되거나, 상기 센서가 제5 전극(4115)과 전기적으로 연결될 수 있다. 또는, 제5 전극(4115) 상의 위치에서 액적(84)의 소수성 정도의 변화 또는 친수성 정도를 가시화(visualizing)할 수 있는 시료가 제공될 수 있다.
액적(84)이 제3 전극(4113)으로 이동되면, 전극(4115) 위의 표면의 소수성 정도 또는 친수성 정도를 측정하여, 액적 내에 타겟 핵산(md1)의 존재 여부, 및 타겟 핵산(md1)의 액적 내 농도는 얼마인지를 알 수 있다.
예를 들어, 제1 액적(81) 내에 타겟 핵산(md1)이 존재하지 않는다면, 액적(84) 내에서 유전자 가위(md2)는 활성화되지 않을 것이고, 활성화되지 않은 유전자 가위(md2)는 반응 물질(md5)과 결합된 핵산(st)을 자르지 못하므로 반응 물질(md5)은 제5 전극(4115) 상에 그대로 고정되고, 액적(84)이 제3 전극(4113)로 이동된 후 전극(4115) 위의 표면의 소수성 정도 또는 친수성 정도는 변화되지 않을 것이다.
다른 예로서, 제1 액적(81) 내에 타겟 핵산(md1)이 존재한다면, 액적(84) 내에서 유전자 가위(md2)가 활성화될 것이다. 활성화된 유전자 가위(md4)는 반응 물질(md5)과 결합된 핵산(st)을 자르고, 그에 의해 반응 물질(md5)이 표면으로부터 분리되어 액적(84) 내에 플로팅될 것이다. 액적(84)이 제3 전극(4113)로 이동된 후 액적(84) 내에 플로팅된 반응 물질(md5)도 액적(84)을 따라 제3 전극(4113)으로 이동될 것이고, 반응 물질(md5)은 소수화 분자 또는 친수화 분자이므로, 전극(4115) 위의 표면의 소수화 정도 또는 친수화 정도는 액적(84)을 따라 이동된 반응 물질(md5)의 양에 따라 변화된다. 따라서, 전극(4115) 위의 표면의 소수화 정도 또는 친수화 정도를 측정하면, 제1 액적(81) 내 타겟 핵산(md1)의 존재 여부를 결정할 수 있다.
이때, 제1 액적(81) 내에 타겟 핵산(md1)의 양에 따라 전극(4115) 위의 표면의 소수화 정도 또는 친수화 정도의 변화량이 달라질 수 있다.
가령, 제1 액적(81) 내에 타겟 핵산(md1)이 많으면 상대적으로 더 많은 양의 유전자 가위(md2)가 활성화될 것이고, 그에 따라 반응 물질(md5)의 핵산(st)을 더 많이 자르게 되므로 상대적으로 전극(4115) 위의 표면의 소수화 정도 또는 친수화 정도도 더 크게 변화될 것이다.
반면에, 제1 액적(81) 내에 타겟 핵산(md1)이 적으면 상대적으로 더 적은 양의 활성화된 유전자 가위(md2)가 활성화될 것이고, 그에 따라 상대적으로 전극(4115) 위의 표면의 소수화 정도 또는 친수화 정도도 더 작게 변화될 것이다.
따라서, 전극(4115) 위의 표면의 소수성 정도 또는 친수성 정도를 측정함으로써, 액적 내 타겟 핵산(md1)의 존재 여부, 및/또는 액적 내 타겟 핵산(md1)의 농도를 결정할 수 있다.
일 실시예로서, 제3 액적 조작은 제5 전극(4115) 위의 액적(84)을 제3 전극(4113)을 향해 이동시키는 조작일 수 있다.
일 실시예로서, 제3 일렉트로웨팅 신호는 상기 제3 액적 조작이 구현되도록 각 전극(4111, 4112, 4113, 4114, 4115)에 선택적으로 인가되는 전기 신호(예를 들어, 도 37의 V1, V2, V3, V4와 같은)일 수 있다.
도 54 내지 도 57은 액적 내 타겟 핵산의 존재 여부 및 농도를 결정하기 위한 액적 처리 방법의 또 다른 일 실시예를 나타내는 도면들이다. 도 54를 참조하면, 본 실시예에 따른 액적 처리 방법을 위한 액적 액추에이터(4100)가 도시된다.
도 54의 액적 액추에이터(4100)는 도 50의 액적 액추에이터(4100)와 그 구성이 동일하다. 또한, 도 54에서, 타겟 핵산(md1), 및 유전자 가위(md2)의 구성 및 기능도 앞서 도 50에서 설명한 것과 동일하다. 다만, 본 실시예에서는, 제5 전극(4115) 위의 표면에 제1 반응 물질(md6)이 고정되고, 제3 전극(4113) 위의 표면에 제2 반응 물질(md7)이 고정되는 점이 상이하다.
이때, 제1 반응 물질(md6)은 핵산(st)에 의해 제5 전극(4115) 위의 표면에 고정된 효소, 촉매, 또는 기질일 수 있고, 제2 반응 물질(md7)은 상기 효소, 촉매 또는 기질과 전기화학적으로 반응하여 산화 반응 또는 환원 반응을 일으키는 물질 일 수 있다.
액적 액추에이터(4100) 내에 타겟 핵산(md1), 유전자 가위(md2), 및 반응 물질(md6)이 준비되면, 액적 액추에이터(4100)의 전극(4111, 4112, 4113, 4114, 4115)에 일렉트로웨팅 신호가 인가되어 액적의 처리가 수행될 수 있다.
도 55를 함께 참조하면, 제1 일렉트로웨팅 신호에 기초한 제1 액적 조작에 의해, 타겟 핵산(md1)이 포함된 제1 액적(81)과 유전자 가위(md2)가 포함된 제2 액적(82)이 병합되고, 그 결과로서 액적(84)이 생성되어 액적 액추에이터(4100)의 내부 공간, 예를 들어 액적 액추에이터(4100)의 유체 채널 상에 제공된다.
이때, 제1 액적 조작 및 제1 일렉트로웨팅 신호는 앞서 도 46 내지 도 49에서 설명한 제1 액적 조작 및 제1 일렉트로웨팅 신호와 동일한 것일 수 있다.
액적(84) 내에서, 유전자 가위(md2)는 타겟 핵산(md1)과 결합하여 활성화될 수 있다. 활성화된 유전자 가위(md4)는 핵산을 자를 수 있다.
한편, 도 43 또는 도 47의 실시예들에서와 마찬가지로, 액적(84)은 액적 조작에 의해 제1 액적(81)과 제2 액적(82)을 병합하는 방식으로 생성되지 않을 수 있다. 예를 들어, 액적(84)은 활성화된 유전자 가위(md4)를 포함한 상태로 외부로부터 주입되어, 액적 액추에이터(4100)의 유체 채널 상에 제공될 수도 있다.
다음으로, 도 56을 함께 참조하면, 제2 일렉트로웨팅 신호에 기초한 제2 액적 조작에 의해, 활성화된 유전자 가위(md4)가 포함된 액적(84)이 제1 반응 물질(md6)이 준비된 위치로 이동하고, 액적(85) 내에서, 활성화된 유전자 가위(md4)는 제1 반응 물질(md6)과 혼합되어 제1 반응 물질(md6)의 반응이 야기된다. 이때, 상기 반응은 활성화된 유전자 가위(md4)에 의해 제1 반응 물질(md6)과 결합된 핵산(st)이 절단되는 것, 또는 상기 절단에 의해 제1 반응 물질(md6)이 플로팅되는 것일 수 있다.
일 실시예로서, 제2 액적 조작은 제2 전극(4112) 위의 액적(84)을 제5 전극(4115)을 향해 이동시키는 조작일 수 있다.
일 실시예로서, 제2 일렉트로웨팅 신호는 상기 제2 액적 조작이 구현되도록 각 전극(4111, 4112, 4113, 4114, 4115)에 선택적으로 인가되는 전기 신호(예를 들어, 도 37의 V1, V2, V3, V4와 같은)일 수 있다.
상기 반응에 의해 제5 전극(4115)의 표면에 고정된 핵산(st)이 절단되면, 핵산(st)에 의해 고정되어 있던 제1 반응 물질(md6)은 제5 전극(4115)의 표면으로부터 분리되어 액적(84) 내에 플로팅될 수 있다.
이때, 제1 반응 물질(md6)은 제2 반응 물질(md7)에 작용하여 산화 반응 또는 환원 반응을 일으킬 수 있는 효소, 촉매, 또는 기질을 포함하므로, 플로팅된 제1 반응 물질(md6)의 양이 많을수록 제2 반응 물질(md7)과 만났을 때 전기화학적으로 반응하여 더 많은 양의 산화 반응 또는 환원 반응이 발생할 것이다. 따라서, 그 때의 산화 반응 또는 환원 반응으로 인한 광학적 또는 전기적 변화량을 측정하면 액적 내 타겟 핵산(md1)의 존재 여부, 및 타겟 핵산(md1)의 액적 내 농도를 알 수 있다.
이에 대해, 도 57을 참조하여 부연 설명하면, 제1 반응 물질(md6)이 제5 전극(4115)의 표면으로부터 분리된 후, 제3 일렉트로웨팅 신호에 기초한 제3 액적 조작에 의해, 액적(84)은 제5 전극(4115)으로부터 제3 전극(4113)으로 이동된다. 이때, 제1 반응 물질(md6)는 액적(84) 내에서 플로팅되어 있어, 액적(84)과 함께 제3 전극(4113)으로 이동된다.
그리고, 제3 전극(4113) 상에서 제1 반응 물질(md6)은 제2 반응 물질(md7) 과 만나 서로 혼합되고, 제1 반응 물질(md6)과 제2 반응 물질(md7)이 전기화학적으로 반응하여 산화 반응 또는 환원 반응이 발생된다.
이때, 제3 전극(4113)에 연결된 센서 등을 통해 광학적 또는 전기적 방법으로 상기 산화 반응 또는 환원 반응으로 인한 광학적 또는 전기적변화량을 검출할 수 있고, 검출된 결과를 이용하여, 액적 내 타겟 핵산(md1)의 존재 여부, 및 타겟 핵산(md1)의 액적 내 농도를 알 수 있다.
예를 들어, 제1 액적(81) 내에 타겟 핵산(md1)이 존재하지 않는다면, 액적(84) 내에서 유전자 가위(md2)는 활성화되지 않을 것이고, 활성화되지 않은 유전자 가위(md2)는 제1 반응 물질(md6)과 결합된 핵산(st)을 자르지 못하므로 제1 반응 물질(md6)은 제5 전극(4115) 상에 그대로 고정되므로, 액적(84)을 제3 전극(4113)으로 이동시켜도 산환 반응 및 환원 반응은 발생하지 않을 것이다.
다른 예로서, 제1 액적(81) 내에 타겟 핵산(md1)이 존재한다면, 액적(84) 내에서 유전자 가위(md2)가 활성화될 것이다. 활성화된 유전자 가위(md4)는 제1 반응 물질(md6)과 결합된 핵산(st)을 자르고, 그에 의해 제1 반응 물질(md6)은 표면으로부터 분리되어 액적(84) 내에 플로팅될 것이다. 이후, 액적(84)이 제3 전극(4113)로 이동되면, 액적(84) 내에 플로팅된 제1 반응 물질(md6)도 액적(84)을 따라 제3 전극(4113)으로 이동될 것이고, 제1 반응 물질(md6)은 제2 반응 물질(md7)에 혼합되어 전기화학적 반응을 일으키면 산화 반응 또는 환원 반응이 일어날 것이다. 따라서, 산화 반응 또는 환원 반응의 발생 여부를 측정하면, 제1 액적(81) 내 타겟 핵산(md1)의 존재 여부를 결정할 수 있다.
이때, 제1 액적(81) 내에 타겟 핵산(md1)의 양에 따라 상기 산화 반응 또는 환원 반응으로 인한 광학적 또는 전기적 변화량이 달라질 수 있다.
가령, 제1 액적(81) 내에 타겟 핵산(md1)이 많으면 상대적으로 더 많은 양의 유전자 가위(md2)가 활성화될 것이고, 그에 따라 제1 반응 물질(md6)의 핵산(st)을 더 많이 자르게 되므로 상대적으로 산화 반응 또는 환원 반응으로 인한 광학적 또는 전기적 변화량도 더 많이 발생될 것이다.
반면에, 제1 액적(81) 내에 타겟 핵산(md1)이 적으면 상대적으로 더 적은 양의 활성화된 유전자 가위(md2)가 활성화될 것이고, 그에 따라 상대적으로 산화 반응 또는 환원 반응으로 인한 광학적 또는 전기적 변화량도 더 적게 발생될 것이다.
따라서, 전극(4113) 상에서 발생되는 산화 반응 또는 환원 반응으로 인한 광학적 또는 전기적 변화량을 측정함으로써, 액적 내 타겟 핵산(md1)의 존재 여부, 및/또는 액적 내 타겟 핵산(md1)의 농도를 결정할 수 있다.
일 실시예로서, 제3 액적 조작은 제5 전극(4115) 위의 액적(84)을 제3 전극(4113)을 향해 이동시키는 조작일 수 있다.
일 실시예로서, 제3 일렉트로웨팅 신호는 상기 제3 액적 조작이 구현되도록 각 전극(4111, 4112, 4113, 4114, 4115)에 선택적으로 인가되는 전기 신호(예를 들어, 도 37의 V1, V2, V3, V4와 같은)일 수 있다.
도 58은 본 발명의 일 실시예에 따른, 일렉트로웨팅 기반의 액적 액추에이터를 이용한 액적 처리 방법을 나타내는 순서도이다. 도 58은 액적 처리 방법은 예를 들어, 도 41의 액적 액추에이터(4100)에 의해 수행될 수 있다. 따라서, 이하의 단계들에서 수행 주체가 명시되지 않은 경우, 그 수행 주체는 상기 액적 액추에이터(4100)인 것으로 가정된다.
한편, 이하의 설명에서, 앞서 도 1 내지 도 57에서 설명된 것과 동일한 내용은 설명의 중복을 피하기 위해 생략될 수 있다.
본 실시예에서, 액적 액추에이터는 상부 기판, 상기 상부 기판과 이격되고 상기 상부 기판과의 사이에 액적이 이동 가능한 공간이 형성되는 하부 기판, 및 상기 상부 기판 또는 상기 하부 기판에 배치된 복수의 전극을 포함하고, 상기 복수의 전극 중 어느 전극 상에는 유전자 가위를 포함하는 액적이 위치하고, 상기 복수의 전극 중 다른 전극 상에는 반응 물질이 위치한 것으로 가정한다.
일 실시예로서, 상기 액적은 제1 일렉트로웨팅 신호에 기초한 제1 액적 조작에 의해 타겟 핵산이 포함된 제1 액적과 유전자 가위가 포함된 제2 액적을 병합하여 생성된 것일 수 있다.
이때, 제1 액적은 제1 전극 상에 준비되고, 제2 액적은 제2 전극 상에 준비될 수 있다.
제1 액적 조작에 의해 제1 액적과 제2 액적이 병합되면, 그로 인해 상기 액적이 생성되고 상기 액적 내에서 타겟 핵산은 유전자 가위와 결합하여, 유전자 가위를 활성화시킨다. 활성화된 유전자 가위는 핵산을 절단할 수 있다.
한편, 상기 액적이 액적 조작에 의해 제1 액적과 제2 액적을 병합시키는 방식으로 생성되지 않고, 액적이 활성화된 단백질 복합체가 포함된 상태로 외부로부터 주입되어, 액적 액추에이터의 내부 공간, 예를 들어 액적 액추에이터의 유체 채널 상에 제공될 수도 있음은 앞에서 설명한 바와 같다.
S100 단계에서, 액적 액추에이터의 복수의 전극 중 적어도 일부에 일렉트로웨팅 신호가 제공된다.
S200 단계에서, 일렉트로웨팅 신호에 기초한 제2 액적 조작에 의해 액적과 반응 물질이 혼합된다.
이때, 반응 물질은 제3 액적에 포함된 상태로 준비될 수도 있고, 제5 전극 상 표면에 고정된 형태로 준비될 수도 있다. 일 실시예로서, 반응 물질은 리포터와 퀜처가 핵산에 의해 결합된 것이거나, 또는 단일 가닥 핵산과 결합된 소수화 분자 또는 친수화 분자일 수 있다.
제2 액적 조작에 의해 상기 액적과 반응 물질이 혼합되면, 활성화된 유전자 가위에 의해 반응 물질과 결합된 핵산이 절단될 수 있다. 일 실시예로서, 상기 유전자 가위에 의해 반응 물질 내 리포터와 퀜처간 결합이 절단되어 리포터가 퀜처로부터 분리되거나, 상기 유전자 가위에 의해 반응 물질과 결합된 핵산이 절단되어 반응 물질이 플로팅될 수 있다.
S300 단계에서, 제3 액적 조작에 의해 상기 액적이 현재 위치에서 멀어지도록 다른 위치로 이동된다.
일 실시예로서, 제3 액적 조작에 의해 상기 액적이 이동되는 위치는 반응 물질의 반응이 보다 용이하게 측정될 수 있는 위치일 수 있다. 예를 들어, 상기 액적이 이동되는 위치는 마주보는 위치에 투명 홀이 형성되거나 해당 위치의 전극이 투명 전극으로 구성되어 보다 용이하게 발광을 관측하도록 디자인된 위치일 수 있다. 또는, 상기 액적이 이동되는 위치는 반응 전극(4115) 상에서 상기 액적이 제거되어 전극(4115) 위 표면의 소수성 정도 또는 친수성 정도가 쉽게 측정될 수 있도록, 반응 전극(4115)으로부터 떨어진 다른 전극, 예를 들어 제3 전극(4113) 위일 수 있다.
S400 단계에서, 유전자 가위의 작용에 의한 반응 물질의 반응이 검출된다.
일 실시예로서, 상기 반응의 검출은 리포터에 의한 발광량을 검출하는 것, 또는 전극(4115) 위 표면의 소수화 정도나 친수화 정도의 변화량을 검출하는 것, 또는 전극(4113) 상에서 발생되는 산화 반응 또는 환원 반응으로 인한 광학적 또는 전기적 변화량을 검출하는 것일 수 있다.
S500 단계에서, 상기 반응을 검출한 결과를 측정하고, 상기 측정에 기초하여 타겟 핵산의 존재 여부 또는 타겟 핵산의 농도가 결정된다.
일 실시예로서, 상기 액적에 포함된 리포터로부터 발광되는 빛의 양을 측정함으로써, 액적 내 타겟 핵산의 존재 여부, 및/또는 액적 내 타겟 핵산의 농도를 결정할 수 있다.
일 실시예로서, 전극(4115) 위의 표면의 소수성 정도 또는 친수성 정도를 측정함으로써, 액적 내 타겟 핵산의 존재 여부, 및/또는 액적 내 타겟 핵산의 농도를 결정할 수 있다.
일 실시예로서, 전극(4113) 상에서 발생되는 산화 반응 또는 환원 반응으로 인한 광학적 또는 전기적 변화량을 측정함으로써, 액적 내 타겟 핵산의 존재 여부, 및/또는 액적 내 타겟 핵산의 농도를 결정할 수 있다.
도 41 내지 도 58을 참조하여 설명한 본 발명의 실시예들에 따르면, 일렉트로웨팅 기반으로 액적 내 물질에 대한 생화학적 반응을 유도할 수 있는 액적 액추에이터 및 그것을 이용한 액적 처리 방법이 제공된다. 또한, 일렉트로웨팅 기반으로 유전자 가위를 조작하여 시료 내 타겟 물질의 유무 및 농도를 검출할 수 있게 된다. 또한, 타겟 물질의 검출에 있어 발광 반응, 친수화 반응, 또는 소수화 반응, 산화 반응, 또는 환원 반응 등 다양한 유형의 반응을 적용할 수 있게 된다.
지금까지 도면들을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들 및 그 실시예들에 따른 효과들을 언급하였다. 본 발명의 기술적 사상에 따른 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 명세서의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명의 기술적 사상이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 본 발명이 다른 구체적인 형태로도 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명에 의해 정의되는 기술적 사상의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (10)
- 절연체로 이루어진 베이스 플레이트; 및상기 베이스 플레이트를 관통하여 형성되고, 인가된 전압에 기초하여 표면에 위치한 유체를 이동시키는 적어도 하나의 전극을 포함하고,상기 전극은,인젝션 게이트를 이용해 상기 베이스 플레이트의 빈 공간에 전도성 폴리머(Polymer)를 주입하여 형성된 것인,액적 액추에이터.
- 제1 항에 있어서,상기 전도성 폴리머는,폴리머와 메탈의 컴파운드(Compound)를 포함하는,액적 액추에이터.
- 제2 항에 있어서,상기 폴리머는,Siloxane, Resin, PLA, ABS, Nylon, PETG, TPU, ASA, PEI, 또는 Epoxy를 포함하는,액적 액추에이터.
- 제2 항에 있어서,상기 메탈은,금(Au), 은(Ag), 또는 구리(Cu)를 포함하는,액적 액추에이터.
- 제1 항에 있어서,상기 전도성 폴리머는,폴리머와 탄소, 탄소 나노튜브(CNT), 탄소 섬유(Carbon Fiber), 그라파이트(Graphite), 또는 그래핀(Graphene)의 컴파운드를 포함하는,액적 액추에이터.
- 제1 항에 있어서,상기 베이스 플레이트는,상기 인젝션 게이트와 구별되는 다른 인젝션 게이트가 몰드(Mold)의 공간에 상기 절연체를 주입하여 형성된 것인,액적 액추에이터.
- 제1 항에 있어서,상기 베이스 플레이트는,상기 절연체를 프레스 사출하거나, 평판 드릴링하여 형성된 것인,액적 액추에이터.
- 제1 항에 있어서,상기 베이스 플레이트는,상기 폴리머를 이용한 3D 프린팅에 의해 형성된 것인,액적 액추에이터.
- 제1 항에 있어서,상기 전극의 상부 너비는 상기 전극의 중부 너비보다 제1 기준 크기만큼 큰 너비이고, 상기 전극의 하부 너비는 상기 전극의 중부 너비보다 제2 기준 크기만큼 큰 너비이고,상기 제1 기준 크기는 상기 제2 기준 크기보다 큰 것인,액적 액추에이터.
- 제9 항에 있어서,상기 전극의 너비는,상기 전극의 상부에서 중부를 향하여 테이퍼링(tapering)되고, 상기 전극의 하부에서 중부를 향하여 테이퍼링되는 것인,액적 액추에이터.
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Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101360404B1 (ko) * | 2012-05-02 | 2014-02-11 | 서강대학교산학협력단 | 잉크젯 프린팅을 이용한 모듈형 마이크로유체 종이 칩의 제작방법 |
KR20150047909A (ko) * | 2013-10-25 | 2015-05-06 | 전남대학교산학협력단 | 미세유체 칩과 그의 제조방법, 미세유체 칩의 제조 방법에 의해 제조된 미세유체 칩, 그리고 미세유체 칩을 제조하기 위한 사출 성형 몰드 |
US20170216838A1 (en) * | 2014-05-14 | 2017-08-03 | University Of Limerick | Microfluidic device with channel plates |
WO2021041709A1 (en) * | 2019-08-27 | 2021-03-04 | Volta Labs, Inc. | Methods and systems for droplet manipulation |
US20220059436A1 (en) * | 2016-11-18 | 2022-02-24 | Samtec, Inc. | Filling materials and methods of filling through holes of a substrate |
-
2023
- 2023-07-04 WO PCT/KR2023/009390 patent/WO2024014767A1/ko unknown
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101360404B1 (ko) * | 2012-05-02 | 2014-02-11 | 서강대학교산학협력단 | 잉크젯 프린팅을 이용한 모듈형 마이크로유체 종이 칩의 제작방법 |
KR20150047909A (ko) * | 2013-10-25 | 2015-05-06 | 전남대학교산학협력단 | 미세유체 칩과 그의 제조방법, 미세유체 칩의 제조 방법에 의해 제조된 미세유체 칩, 그리고 미세유체 칩을 제조하기 위한 사출 성형 몰드 |
US20170216838A1 (en) * | 2014-05-14 | 2017-08-03 | University Of Limerick | Microfluidic device with channel plates |
US20220059436A1 (en) * | 2016-11-18 | 2022-02-24 | Samtec, Inc. | Filling materials and methods of filling through holes of a substrate |
WO2021041709A1 (en) * | 2019-08-27 | 2021-03-04 | Volta Labs, Inc. | Methods and systems for droplet manipulation |
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