KR100471377B1

KR100471377B1 - 표면장력으로 제어되는 미세유체소자

Info

Publication number: KR100471377B1
Application number: KR10-2002-0072344A
Authority: KR
Inventors: 정광효; 고종수; 윤현철; 양해식; 표현봉; 김성진; 신용범; 김윤태
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2002-11-20
Filing date: 2002-11-20
Publication date: 2005-03-11
Anticipated expiration: 2022-11-20
Also published as: KR20040043897A

Abstract

본 발명은 표면장력으로 제어되는 미세유체소자에 관한 것으로, 상부 기판 및 하부 기판이 결합되어 유체를 제어하고 반응시키는 미세유체소자에 있어서, 하부 기판은, 제1 유체 및 제2 유체가 각각 저장되는 제1 저장 챔버 및 제2 저장 챔버와, 제1 저장 챔버 및 제2 저장 챔버와 연결되는 감지 챔버와, 제1 유체 또는 제2 유체의 이동을 정지시키는 제1 유동 정지부 및 제2 유동 정지부와, 제1 유체 또는 제2 유체의 이동 속도를 감소시키는 유동 지연부와, 반응이 완료된 제1 유체 또는 제2 유체가 폐기되는 폐기 챔버 및 유체가 이동되도록 유동 지연부와 폐기 챔버 사이를 연결하는 유로를 포함하고, 상부 기판은 감지 챔버 내의 생화학반응을 측정하는 감지부를 포함하며, 제1 유체가 모세관 힘에 의해 감지 챔버로 이동하여 1차 생화학 반응이 일어나고, 소정 시간 경과 후 제2 유체가 모세관 힘에 의해 감지 챔버로 유입되면 제1 유체의 교체 및 2 차 생화학반응이 일어나는 것을 특징으로 한다. 따라서, 추가적인 장치 및 전원공급이 필요 없게 되어, 장치의 소형화, 휴대화가 가능하고, 제조비를 낮춤과 동시에 제조 수율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 사용 시 고장이 거의 없는 효과가 있다.

Description

표면장력으로 제어되는 미세유체소자{Microfluidic Devices Controlled by Surface Tension}

본 발명은 바이오 칩에 적용되는 미세유체소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 펌프와 같은 외부적인 힘의 작용을 이용하지 않고 유체의 표면장력만을 이용하여 극소량의 유체를 이송, 정지, 속도조절 및 유체 교환 등의 유체 유동을 제어하는 표면장력으로 제어되는 미세유체소자에 관한 것이다.

미세유체소자는 바이오칩(bio chip)의 가장 기본적이며 핵심적인 구성요소이다. 즉, 유체이송, 혼합, 반응, 감지 등의 바이오칩에 필요한 생화학적 작용을 위해서 미세 유체제어소자는 유체유동의 제어가 이루어지도록 한다. 이와 같은 작용을 위해서 미세유체소자는 다양한 구동원리로 구현될 수 있는데, 그 예로는 극소형으로 가공한 마이크로 펌프와 밸브를 유로나 챔버 상에 구현한 마이크로 액츄에이터형 구동방법(Microactuating Method), 미세한 유로 사이에 전압을 걸어서 유체를 이동시키는 전기영동법(Electrophoretic Method)이나 전기삼투압법(Electroosmotic Method), 모세관 힘에 의한 모세관 유동법(Capillary Flow Method) 등이 있다.

이러한 구동원리를 이용한 유체제어소자는 능동형 소자(Active Microfluidic Component) 및 수동형 소자(Passive Microfluidic Component)로 구분할 수 있다. 능동형 소자는 전기 및 기계적인 외력으로 구동되는 마이크로펌프, 밸브 등을 이용하여 유체제어가 이루어지도록 하고, 수동형 소자는 자연적인 힘을 이용하고 유로나 챔버의 표면 개질이나 형상 변화를 통해서 유체제어를 실현한다. 이러한 유체제어소자들은 다양하게 응용될 수 있는데, 미세하고 정확한 유동제어가 필요한 단백질 칩, DNA 칩, 약물주입기(Drug Delivery System), 미세 생물/화학 반응기(Micro Biological/Chemical Reactor)를 포함한 다양한 바이오 소자 등에서 적용되고 있다.

이들 중 모세관 유동을 이용한 유체제어소자는 수동형 소자로서, 미세한 유로의 내부표면과 유체사이의 표면장력에 의해 자연적으로 인력 또는 척력이 발생하는 원리를 이용하여 유체의 정지, 이송, 또는 더 나아가 이동속도 조절이 가능하도록 한다. 매우 작은 크기의 유체시스템에서는 체적에 대한 표면적의 비가 증가하여 표면에 관련된 힘이 상대적으로 중요한 작용을 하는데, 특히 액체의 경계면이 기체에 노출된 경우에 표면장력이 발생하고, 고체벽면과 만났을 때 접촉각도를 이루며, 모세관에 적용되었을 때 모세관 유동이 발생한다.

도 1은 미소액적이 고체 표면과 접촉되거나 모세관에 적용되었을 때 액체와 고체 사이의 표면장력의 상대적 크기차이에 따라 발생하는 액적의 모양 변화와 모세관 유동의 형태를 설명하기 위한 도면이다. 이때 도 1(a)는 친수성을 띠는 물질로 만들어진 평판 위에 액체 방울이 올려져 있는 형상을 도시하고 있고, 도 1(b)는 친수성 모세관을 흐르는 액체의 선단형상을 도시하고 있으며, 도 1(c)는 소수성을 띠는 물질로 만들어진 평판 위에 액체 방울이 올려져 있는 형상을 도시하고 있고, 도 1(d)는 소수성을 띠는 모세관을 흐르는 유체의 선단형상을 도시하고 있다.

도 1(a) 및 (b)를 참조하면, 고체면이 친수성(hydrophilic)일 때 접촉각도 θ가 90도 이하인 경우에는 액체가 고체면을 적셔서 채널에서 액체는 오른쪽으로 움직이게 된다. 도 1(c) 및 (d)를 참조하면, 고체면이 소수성(hydrophobic)일 때 접촉각도 θ가 90도 이상인 경우에는 고체가 액체를 밀어내어 채널에서 액체는 왼쪽으로 움직이게 된다. 여기서, 접촉각도 θ는 영의 식(Young's equation)에 따라 결정되며 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

여기서,σ_gl,σ_gs,σ_sl는 각각 액체-기체, 고체-기체, 고체-액체 경계면에서의 단위면적당 에너지이다. 특히,σ_gl 는 액체의 표면장력과 같다.

도 2는 모세관 유동을 설명하기 위한 여러가지 형태의 유로에 대한 예시도이다. 도 2(a)는 임의의 단면을 가지는 관이며 액체와 기체 사이의 유체선단에 표면장력에 의해 작용하는 압력은 수학식 2와 같다.

여기서, r₁과 r₂는 유체경계면 곡률의 두 주축반경이다.

도 2(b), 2(c) 및 2(d)는 각각 원형관, 2차원 채널, 3차원 사각채널을 나타내고, 액체와 기체사이의 유체선단에 표면장력에 의해 작용하는 압력은 수학식 3, 4 및 5와 같다.

이때, W는 채널의 폭을 나타내고, H는 채널의 높이를 나타낸다.

도 2(e) 및 2(f)는 유로의 높이가 확장 및 축소되는 채널이며, 축소 및 확대각도에 따라 유동이 진행방향이 다음과 같이 결정된다.

θ> 90°-β: 왼쪽방향으로 진행

θ< 90°-β: 오른쪽방향으로 진행

θ= 90°-β: 정지

여기서, β는 수평선에 대하여 반시계방향으로 확대되거나 축소된 각도이다.

도 2(g) 및 2(h)는 각각 반지름이 다른 원형관의 결합과 높이가 다른 2차원 채널의 결합이며 유체선단이 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하는 과정에서 유체에 미치는 압력 변화량은 수학식 6, 7과 같다.

이때, r₁과 r₂는 반지름을 나타내며, h₁과 h₂는 높이를 나타낸다. 이 값은 채널의 결합지점에서 유동을 지속시키기 위해서 유체에 인가해야할 추가적 압력을 의미한다.

도 2(i)는 높이가 확장되는 채널이며 확장시작점에서 압력 장벽은 수학식 8 같다.

여기서 α는 유체선단의 곡률반경이다.

도 2(j)는 높이와 폭이 다른 3차원 채널 결합된 채널이며 유체선단이 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하는 과정에서 유체에 미치는 압력 변화량은 수학식 9와 같다.

도 2(k)는 폭이 증가하는 3차원 채널이며 확장시작점에서 최대 압력장벽은 수학식 10과 같다.

채널의 벽면을 이종재료로 사용하거나, 표면개질과 같은 처리가 있는 경우에는 상술한 수학식에 접촉각도를 변화시키면 된다.

이상과 같이 모세관힘에 대한 수학식들을 이용하여 표면장력만을 구동력으로 하는 미소유체시스템을 설계할 수 있다. 마이크로 시스템에 표면장력을 이용한 예로는 마이크로 정지밸브(micro stop valve), 압력센서, 가속도계, 마이크로펌프, 마이크로모터, 유체이송, 유체충진, 잉크젯, 로봇탐침, MOEMS 기기, 광학 셔터, 마이크로 스위치 등 다양하다. 이러한 모세관 유동을 이용한 유체제어소자는 구동체가 없기 때문에 부가적인 전원공급 등의 장치가 필요 없어서 바이오칩을 포함하는 모체의 소형화가 가능하고 제조 단가 및 운전비가 절감될 뿐만 아니라 고장이 거의 없다는 장점이 있다.

하지만 유체제어소자의 응용분야에 따라서 순수한 모세관 유동만으로 성능이 뛰어난 바이오 칩을 구현하기 위해서는 매우 조심스러운 설계 과정이 필요하다. 즉, 외부적인 힘이 작용하지 않기 때문에 초기에 유로형상 설계가 잘못되면 유동이 유지되어야 할 부분에서 정지가 일어난다든지, 정지되어야 할 부분에서 유동이 발생하는 작동문제가 생긴다. 또한, 작동중에 외부에서 부가적인 힘의 작용이 없으므로 유체 유동의 정확한 시간 및 위치 조절이 매우 힘들게 된다. 특히 감지방법이 광학식인 경우에 완충용액의 재투입이 필요 없지만, 감지방법에 있어서 전기화학적 측정방식(Electrochemical Detection Method)을 사용하는 바이오 칩에서는 투입된 시료가 감지전극 위에서 생화학 반응을 하고 난 후, 시료에 부유하는 작은 입자나 콜로이드 또는 반응 후 감지전극과의 결합이 약한 반응물들을 세척함과 동시에, 전기화학적인 측정에 알맞도록 시료를 완충용액(Buffer Solution)으로 교체해 주어야 한다. 이와 같은 완충용액의 교체를 위해서는 일반적으로 강제유동이 필요하다고 알려져 있다. 이상에서 열거한 문제점들로 인하여 많은 미세유체제어소자는 능동형 소자를 필수적으로 사용하였다. 그러나, 면밀하고 적절한 설계과정을 통하여 능동형 소자의 역할을 대체한 유체제어소자를 제작하면 이상에서 설명한 모세관힘을 이용하는 수동형유체제어소자의 장점을 크게 부각시킬 수 있게 되며, 매우 까다로운 유체의 교체도 이룰 수 있다.

모세관 유동을 이용한 유체제어소자의 전형적인 예로는 "capillary microvalve"를 발명의 명칭으로 하여 2000년 11월 7일 자로 등록된 미국특허 제6143248호, "microscale devices and reactions in microscale devices"를 발명의 명칭으로 하여 2000년 5월 2일 자로 등록된 미국특허 제6057149호, "Diagnostic Devices Method and Apparatus for the Controlled Movement of Reagents without Membranes"를 발명의 명칭으로 하여 2001년 8월 7일 자로 등록된 미국특허 제6,271,040 B1호, "Fluid Circuit Components Based upon Passive Fluid Dynamics"를 발명의 명칭으로 하여 2001년 10월 2일 자로 등록된 미국특허 제6,296,0020 B1호 또는 "Devices Comprising Multiple Capillarity Inducing Surfaces"를 발명의 명칭으로 하여 2000년 9월 5일 자로 등록된 미국특허 제6,113,855호 등이 있다.

여기서, 미국특허 제6143248호인 "capillary microvalve"는 모세관 원리와 원심력을 이용하여 채널의 크기와 원심력으로 마이크로 저장 챔버로부터 전달채널로 미소량의 유체를 이송하는 마이크로 밸브를 제시하였다. 미국 특허 제 6057149호는 온도변화에 의한 유체의 표면장력과 접촉각도의 변화를 이용하여 마이크로채널을 통한 미소액적의 이동과 혼합을 수행하는 미소유체소자를 제시하였다. 미국특허 제6,271,040 B1호인 "Diagnostic Devices Method and Apparatus for the Controlled Movement of Reagents without Membranes"는 모세관 유동만을 이용하여 시료를 이송하고, 챔버 및 유로 상에서 시료가 반응을 일으키게 하여, 광학적인 방법으로 시료의 반응 유무를 판단하는 진단용 바이오 칩 구조를 제시하였다. 미국특허 제6,296,0020 B1호인 "Fluid Circuit Components Based upon Passive Fluid Dynamics"는 모세관 내에서 유로의 급격한 확대 또는 소수성을 띠는 재료를 사용하여 유동을 정지시킬 수 있는 구조를 제시하였다. 미국특허 제6,113,855호인 "Devices Comprising Multiple Capillarity Inducing Surfaces"는 챔버에 육각형의 마이크로 기둥을 적절히 배열하여 모세관 힘을 발생시키는 기술적 사상을 개시하고 있다.

상기에서 제시한 미국 특허들은 유로의 구조변경 또는 표면처리에 의한 모세관 힘의 강약에 의해 유체가 흐르거나 정지하는 수단 및 방법만을 제시하고 있다. 즉, 모세관 유동만으로 유체의 이송속도를 적절히 제어하거나 챔버 내에서의 용액을 전면적으로 교체하는 것 등은 실현하지는 못하였다.

따라서, 본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 모세관 힘에 의한 자연유동만을 통하여 미소량의 유체를 이송 및 정지시킬 뿐만 아니라, 유로의 형상변화, 표면 개질 및 온도제어를 통하여 유체의 이동속도를 조절하고 용액의 전면적 교체를 실현할 수 있는 미세유체소자를 제공하는데 목적이 있다.

상기 과제를 이루기 위해, 본 발명에 의한 표면장력으로 제어되는 미세유체소자는, 상부 기판 및 하부 기판이 결합되어 유체를 제어하고 반응시키는 미세유체소자에 있어서, 하부 기판은, 제1 유체 및 제2 유체가 각각 저장되는 제1 저장 챔버 및 제2 저장 챔버와, 제1 저장 챔버 및 제2 저장 챔버와 연결되는 감지 챔버와, 제1 유체 또는 제2 유체의 이동을 정지시키는 제1 유동 정지부 및 제2 유동 정지부와, 제1 유체 또는 제2 유체의 이동 속도를 감소시키는 유동 지연부와, 반응이 완료된 제1 유체 또는 제2 유체가 폐기되는 폐기 챔버 및 유체가 이동되도록 유동 지연부와 폐기 챔버 사이를 연결하는 유로를 포함하고, 상부 기판은 감지 챔버 내의 생화학반응을 측정하는 감지부를 포함하며, 제1 유체가 모세관 힘에 의해 감지 챔버로 이동하여 1차 생화학 반응이 일어나고, 소정 시간 경과 후 제2 유체가 모세관 힘에 의해 감지 챔버로 유입되면 제1 유체의 교체 및 2 차 생화학반응이 일어나는 것이 바람직하다.

상기 과제를 이루기 위해, 상기 미세유체소자가 복수개 직렬로 배열되는 미세유체소자 직렬 어레이는, N-1 번째 미세유체소자의 폐기 챔버가 N 번째 미세유체소자의 감지 챔버에 연결되고, 각각의 제2 저장 챔버에 서로 다른 제2 유체가 주입되어 각각의 감지 챔버에서 생화학적 반응이 순차적으로 일어나는 것이 바람직하고, 상기 미세유체소자가 복수개 병렬로 배열되는 미세유체소자 병렬 어레이는 각각의 감지 챔버는 공통의 제1 저장 챔버와 연결되고, 각각의 제2 저장 챔버에 서로 다른 제2 유체가 주입되어 각각의 감지 챔버에서 생화학적 반응이 동시에 일어나는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 표면장력으로 제어되는 미세유체소자는 펌프와 같은 외부 기기의 작용 없이 순수하게 모세관 힘에만 의존하여 극소량의 유체에 대한 미세제어가 가능한 소자이다. 유체제어는 표면장력조절을 통한 미소량의 유체를 이송 및 정지하는 것, 형상이나 온도조절에 의한 표면장력변화 및 표면개질을 이용한 이송속도를 조절하는 것, 정지된 유체의 재유동법과 이종 유체로 교환 이송하는 것 등을 포함한다. 본 발명에 의한 표면장력으로 제어되는 미세유체소자는 상부 기판과 하부 기판이 결합되는 형태로 구성되는데, 하부 기판은 제1 저장 챔버, 제2 저장 챔버, 감지 챔버, 유동 지연부, 유동 정지부, 격리턱, 유로 및 폐기 챔버로 이루어진다. 그리고 상부 기판은 전기화학적 측정을 위한 감지부, 제1 유체 주입구, 제2 유체 주입구, 폐기 챔버의 공기구멍으로 이루어지는데, 제1 유체 주입구, 제2 유체 주입구, 폐기 챔버의 공기구멍은 상부 기판 뿐만 아니라 하부 기판에도 형성될 수 있다. 제1 유체 주입구와 제2 유체 주입구를 통해 주입된 제1 유체와 제2 유체가 일정시간 간격을 두고 반응 챔버에서 머물다가 교환이 이루어지며, 전과정이 모세관 힘에 의한 자연유동에 의하여 이루어진다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 표면장력으로 제어되는 미세유체소자의 하부 기판 및 상부 기판의 평면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 상부 기판과 하부 기판이 결합되었을 때의 단면도이다.

도 3(a)는 하부 기판의 평면도로서, 하부 기판(100)은 제1 유체가 저장되는 제1 저장 챔버(102), 제2 유체가 저장되는 제2 저장 챔버(104), 감지 챔버(106), 감지 챔버 연결부(108), 제1 저장 챔버와 감지 챔버 연결부 사이의 격리턱(110), 제1 유동 정지부(112), 제2 유동 정지부(114), 유동 지연부(116), 유로(118), 폐기 챔버(120) 및 폐기 챔버 구조물(122)로 이루어진다. 도 3(a)에서 표시된 명암의 차이는 상부 기판(130)과 결합되었을 때 하부 기판(100)의 깊이를 표시하며, 명암이 짙을수록 깊이가 커지는 것을 나타낸다. 도 3(b)는 상부 기판의 평면도로서, 상부 기판(130)에는 감지부가 형성되어 있는데, 감지부는 감지 챔버(106)에 대응하는 부분에 형성된 감지전극(132), 외부와의 결합을 통해 외부에서 들어오거나 또는 외부로 나가는 전기적인 신호를 전달하는 전극패드(134), 감지전극(19)과 전극패드(17) 사이의 전기적인 신호를 전달해 주는 전극배선(136)으로 이루어진다. 제1 유체 주입구(124)와 제2 유체 주입구(126) 및 폐기 챔버의 공기구멍(128)은 하부 기판(100)이나 상부 기판(130)에 선택적으로 형성될 수 있는데, 도 3(a)와 3(b)를 참조하면 상부 기판(130)에 형성된 경우를 예시하였다. 한편, 상부 기판(130)의 점선 모양의 유로 및 챔버는 실제 가공될 형상을 나타내는 것이 아니라, 도 4에서와 같이 하부 기판(100)과 접합했을 때 형성되는 유로 및 챔버의 모양을 이해하는 데 도움을 주기 위함이다. 도 4(a)와 4(b)는 각각 도 3(a)와 3(b)의 하부 기판과 상부 기판이 결합되었을 때 도 3(a)의 A-A'선 및 B-B'선에 대한 단면도이다.

도 3(a)와 3(b) 및 도 4(a)와 4(b)를 참조하면, 제1 유체 주입구(124)로는 제1유체가 유입되고, 유입된 제1 유체는 모세관 힘에 의해 격리턱(110)을 넘어 감지 챔버 연결부(108)를 지나 감지 챔버(106)로 이동한다. 그리고, 제1 유체는 제1 유동 정지부(112)와 제2 유동 정지부(114)에서 각각 정지한다. 제1 유체는 시료일 수 있다. 제2 유체 주입구(126)로는 제2 유체가 유입되어 모세관 힘에 의하여 제2 저장 챔버(104)를 채우고, 제2 유동 정지부(114)에서 정지되어 대기한다. 여기서 제2 유체는 완충용액이 될 수 있으며, 완충용액의 주입은 진단이 이루어지는 시점 혹은 칩이 제작되는 시점에 미리 이루어질 수 있다. 제1 유체는 모세관 힘에 의하여 감지 챔버 연결부(108)에 측면으로 연결된 유동 지연부(116)로 유입되고, 제2 유동 정지부(114) 및 유로(118)로 이동한다. 여기서 유동경로에 차이를 두어 유로(118)를 통해 이동하는 제1 유체가 제1 유동 정지부(112)에 도달하는 것보다, 감지 챔버를 지나 제2 유동 정지부(114)로 이동하는 제1 유체가 제2 유동 정지부(114)에 자연적으로 먼저 도착하도록 한다. 제1 유체는 일정시간 동안 유동 지연부(116)를 통과하게 되고, 제1 유동 정지부(112)보다 제2 유동 정지부(114)에 먼저 도달한 제1 유체는 제2 저장 챔버(104)와 감지 챔버(106)로부터 제2 유동 정지부(114)에서 정지하고 있는 제1 유체 및 제2 유체와 결합하고, 결합된 유체는 유로(118)로 이동하는 유체의 모세관 힘에 의해 유로(118)로 계속 구동된다. 이 때 제1 유체는 제1 저장 챔버(102)-격리턱(110)-감지 챔버 연결부(108)를 지나 감지 챔버(106)-제2 유동 정지부(114)-유로(118)의 경로와 유동 지연부(116)-유로(118)의 경로로 이동되고, 제2 유체는 제2 저장 챔버(104)-제2 유동 정지부(114)-유로(118)로 이동하게 된다. 유로(118)를 따라온 제1 유체와 제2 유체의 혼합유체는 제1 유동 정지부(112)에 정지된 제1 유체와 만나서 폐기 챔버(120)로 이동하여 저장된다. 폐기되는 유체의 이송을 원활히 하기 위하여 상부 기판(130)에 별도의 공기구멍(128)을 형성한다. 폐기 챔버에 형성된 구조물(122)은 표면장력을 증가시켜서 원할한 유동이 지속되도록 하는 역할을 한다. 이후의 주요한 유동은 제1 유체의 경우는 제1 저장 챔버(102)-격리턱(110)-감지챔버 연결부(108)-제1 유동 정지부(112)-폐기 챔버(120)의 경로로 이루어지고, 제2 유체의 경우는 제2 저장 챔버(104)-제2 유동 정지부(114)-감지 챔버(106)-감지 챔버 연결부(108)-제1 유동 정지부(112)-폐기 챔버(120)의 경로로 이루어진다. 이 때 제2 유체의 주 유동 경로가 직진형태를 이루는 것은 곡선경로(제2 저장 챔버(104)-제2 유동 정지부(114)-유로(118)-제1 유동 정지부(112)-폐기 챔버(120)의 경로)로 이동하는 경우에 비하여 높이차 및 경로차에 의해서 상대적으로 매우 적은 유동저항을 가지도록 하여 이루어진다.

이상의 과정을 통하여 감지 챔버(106)에서는 초기에 제1 유체인 시료가 채워져서 생화학적 결합 및 반응이 이루어지고, 일정시간이 경과한 후 제2 유체인 완충용액이 채워짐으로써 반응 후 감지 전극(132)과의 결합이 약한 반응물들을 세척함과 동시에, 전기화학적인 측정에 알맞도록 시료를 완충용액(Buffer Solution)으로 교체하는 과정이 이루어진다. 따라서 감지 챔버(106)에서는 기존의 제1 유체에서 제2 유체로의 유체의 전면적인 교환이 일어나며, 이러한 모든 과정은 자연적으로 발생하는 표면장력에 의해서만 이루어지는 특징을 가지게 된다.

여기서, 상기 하부 기판(100)은 PMMA(polymethylmethacrylate), PC(polycarbonate), COC(cycloolefin copolymer), PDMS(polydimethylsiloxane), PA(polyamide), PE(polyethylene), PP(polypropylene), PPE(polyphenylene ether), PS(polystyrene), POM(polyoxymethylene), PEEK(polyetheretherketone), PTFE(polytetrafluoroethylene), PVC(polyvinylchloride), PVDF(polyvinylidene fluoride), PBT(polybutyleneterephthalate), FEP(fluorinated ethylenepropylene), PFA(perfluoralkoxyalkane) 등을 포함한 다양한 폴리머, 또는 알루미늄, 구리, 철 등을 포함한 다양한 금속과 더불어 실리콘, 유리, PCB(Printed Circuit Board) 등의 단일 물질을 사용하거나 이종 물질을 사용할 수 있다. 하부 기판(100)은 핫엠보싱(Hot Embossing), 사출성형(Injection Molding), 캐스팅(Casting), 광조형(Stereolithography), 레이저 어블레이션(Laser Ablation), 쾌속조형(Rapid Prototyping), 실크스크린 뿐만 아니라, NC(Numerical Control) 머시닝과 같은 전통적인 기계가공법 또는 증착 및 식각을 이용한 반도체가공법으로 제작될 수 있다. 그리고, 상부 기판(130)은 상술한 하부 기판(100) 제작에 사용될 수 있는 물질 및 제조방법이 공히 적용될 수 있다. 감지 전극(132)의 상부에는 감지 대상체에 따라 항원, 항체를 포함한 단백질이나 또는 DNA 등과 같은 갖가지 생화학물질이 고정화되어 있을 수 있고, 자기정렬 단분자막(Self Assembled Monolayer)과 같은 표면처리가 되어 있을 수 있으며, 필요에 따라서 계면활성제를 포함한 다양한 화학물질들이 미리 형성되어 있을 수 있다.

하부 기판(100)과 상부 기판(130)이 접합물질에 의해 접합되어 있는 유체제어소자를 도시하고 있는 도 4를 참조하면, 접합 시 사용되는 접합물질은 액체형의 접착재료 뿐만 아니라 분말형이나 종이와 같은 얇은 판 형태의 접착재료도 사용될 수 있다. 특히 접합 시 생화학물질의 변성을 막기 위하여 상온 또는 저온 접합이 필요한 경우에는 압력만으로 접합이 이루어지는 점착제(Pressure Sensitive Adhesive)를 사용하거나 초음파 에너지를 이용하여 기판을 국부적으로 용융하여 접합하는 초음파접합(Ultrasonic Bonding) 방법을 사용할 수 있다. 두 기판의 접합에 있어서 반드시 고려해야 할 사항 중 하나가 주입된 용액이 외부로 빠져 나오거나 또는 이미 형성된 유로를 통하지 않은 채 미세한 틈새나 공극을 통해 다른 챔버로 흘러들어가지 않도록 유로와 챔버 주위로의 완벽한 접합이 이루어져야 한다는 것이다. 또한, 하부 기판(100)과 상부 기판(130)을 클립형태의 부가구조물을 이용하여 강제적으로 체결하거나 또는 하부 기판(100)과 상부 기판(130) 중 하나에 양각 모양의 홈을 만들고 나머지 하나에 음각 모양의 홈을 만들어 끼우는 방법으로 두 기판을 체결할 수 있으며, 이러한 접합을 사용할 경우에는 미세한 틈새가 발생하지 않도록 접촉면에 탄성을 가진 폴리머 층을 덧 댈 수도 있다.

이하에서는, 유체제어소자에서 각 유체가 이동되는 전체적인 설명에 이어 유체제어소자의 각 부분의 특징 및 역할에 대하여 상세하게 설명한다.

제1 저장 챔버(102)는 제1 유체 주입구(124)을 통해 주입된 제1 유체인 시료가 감지 챔버(106)까지 충분히 도달할 수 있을 정도로 커야 하며, 제1 저장 챔버(102)의 체적은 일반적으로 격리턱(110), 감지 챔버 연결부(108), 감지 챔버(106), 유동 지연부(116), 유로(118)를 합한 체적의 2배 이상이 되는 것이 바람직하다. 제2 저장 챔버(104)는 제2 유체 주입구(126)를 통해 주입된 제2 유체인 완충용액이 감지 챔버(106)를 충분히 세척할 수 있을 정도로 커야 하며, 제2 저장 챔버(104)의 체적은 일반적으로 제2 유동 정지부(114), 감지 챔버(106), 감지 챔버 연결부(108), 유로(118)를 합한 체적의 5배 이상이 되는 것이 바람직하다. 또한, 제1 저장 챔버(102)와 제2 저장 챔버(104)는 표면장력에 의하여 원활한 유동이 일어날 수 있도록 하기 위하여 유체의 유동이 진행되는 방향으로 저장 챔버의 폭이 좁아지는 형상을 가지는 것이 바람직하다. 이는 챔버의 폭이 넓을수록 표면장력에 의한 압력이 작게 작용하고, 유동진행의 역방향으로 작용하는 표면장력의 크기가 작아지기 때문에, 유입된 시료의 유동방향 뒷부분 유체선단이 저장 챔버 내로 진행되었을 때 유동진행의 역방향으로 작용하는 힘이 최소화 되어 순조로운 유동이 지속되게 하기 위한 것이다.

격리턱(110)은 제1 저장 챔버(102)와 감지 챔버(106)를 분리하여 각 챔버의 크기를 한정함과 동시에 감지 챔버(106)에서 반응한 시료가 확산에 의해 제1 저장 챔버(102)로 역류하는 것을 최소화하는 역할을 한다. 또한, 격리턱(110)은 세척과정에서는 제2 유체가 대류에 의해 제1 저장 챔버(102)로 역류하는 것을 방지하고, 감지 챔버 연결부(108)에서 제1 유체의 유량이 제2 유체의 유량보다 적게 해주는 역할을 한다.

제1 유동 정지부(112) 및 제2 유동 정지부(114)는 유입된 제1 유체인 시료가 감지 챔버(106)에 정지하여 일정시간동안 머물게 하여 감지 챔버(106)에서 반응이 일어나도록 하며, 또한 제2 유동 정지부(114)는 제2 유체인 완충용액이 정지하도록 하는 역할도 한다. 종래 기술에서는 유로에서의 급격한 출구 확대 또는 부가적인 소수성 재료를 형성한 정지밸브를 이용하였으나, 급격한 출구 확대만을 이용하면 채널이 강한 친수성 재료이고 채널의 높이가 폭에 비해서 얕은 경우에 채널의 상하면에서의 친수성 표면장력 구동력에 의해서 정지가 불가능한 경우가 발생하고, 부가적인 소수성 재료를 형성은 제작에서 추가적인 과정이 필요한 단점을 가진다. 따라서 본 발명에서는 유동이 특정부분에서 정지하도록 하는 정지밸브를 도 5에 예시된 형태를 제안한다.

유동 정지부(112,114)에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 도 5는 급격한 출구확대와 채널 높이의 증가를 통해 유체의 유동을 정지시키는 유동 정지부를 설명하기 위한 도면이다. 여기서 도 5(a)는 유동 정지부의 평면도를, 도 5(b)는 단면도를, 도 5(c)는 투시도를 나타낸 것으로서, 각 β는 출구확대의 각도이다.

기판 성형을 위하여 반도체공정이나 소형 기계가공에 의한 금형제작을 이용할 경우 일반적으로 깊이방향으로 점진적인 증가나 감소를 가지는 채널 형성은 힘들고 계단형태를 가지게 된다. 따라서, 채널깊이의 증가는 일반적으로 도 6의 (a),(b) 및 (c)에 예시한 형태로 제작 가능하다. 도 7에서는 유동 정지부(112,114)의 급격한 출구확대의 예를 도시하고 있는데, 유체 표면장력의 크기, 채널벽면의 친소수성에 따른 접촉각도, 채널의 깊이에 따라 출구확대의 각도 β를 적절히 조정하여 유동 정지부를 구현할 수 있다. 유체 표면장력의 크기가 클수록, 채널벽면이 친수성이 강하여 접촉각도가 작을수록, 채널의 깊이가 작을수록 큰 β값을 가지는 형상을 이용하도록 한다. 특히, 도 7에 도시된 예 중에서 확장 출구의 끝에 뾰족한 형상은 β를 매우 크게 할 수 있는 예로서 안정적인 정지밸브 역할을 할 수 있는 형상이다. 그러나, 이 경우에는 유동경로에 방해를 줄 수 있고 가공이 힘든 단점을 가질 수 있다.

격리턱(110)과 감지 챔버 연결부(108) 사이의 형상은 도 8에 나타낸 형태를 갖는 것이 바람직하다. 도 8(a), 8(b) 및 8(c)는 각각 평면도, 단면도 및 투시도를 나타낸다. 격리턱(110)은 상술한 기능을 위하여 깊이가 얕아야 하고, 감지 챔버 연결부(108)는 세척 시 유동저항을 최소화하기 위하여 상대적으로 깊어야 한다. 수학식 9에서 설명한 바와 같이 유체가 친수성을 띠는 경우에 채널의 깊이가 갑자기 커지게 되면 정지밸브 역할을 하여 깊은 채널로 이동이 불가능하게 된다. 이 경우에 유동을 지속시키기 위한 제안으로 얕은 채널과 깊은 채널사이에 도 8에 도시된 예에서와 같이 폭이 축소되는 깊은 채널을 추가하면, 추가된 채널의 끝선단에서 유동방향으로의 표면장력이 크게 작용하여 유동이 정지하는 것을 막을 수 있게 된다. 축소되는 각 β는 채널의 상대적 깊이 차에 따라 달라져야 하며, 깊이 차가 클수록 작은 β를 주어야 유동 지속성이 보장된다.

유동 지연부(116)는 감지 챔버(106) 안에서 이루어지는 시료와 생화학 물질간의 반응 시간을 충분히 확보해 주기 위해서, 시료의 유동속도를 현저하게 저하시키는 역할을 한다. 예를 들면, 모세관 힘에 의해 빠르게 이동하던 시료는 유동 지연부(116)를 지나며 약 2~10분에 걸쳐 천천히 흐르게 된다. 일반적인 유동속도 조절 방법으로는 채널의 형상조절, 유체의 표면장력 변화를 위한 온도 조절, 고체면의 접촉각도 변화를 위한 다양한 계면활성제를 첨가하는 방법 등이 있다.

도 9는 채널의 형상을 조절하여 유동지연을 시키는 방법을 예시한 것으로서 유동 지연부(116)의 평면도이다. 도 9(a)는 2차원 직선채널의 경우로서 표면장력에 의한 채널내의 유동에서 진행거리 L에 대한 지연시간 t는 다음의 수학식 11과 같다.

여기서, h는 채널의 높이, σ는 표면장력, θ는 접촉각도, μ는 점성계수를 나타낸다. 높이가 점진적으로 확장되는 경우 유동 지체시간은 다음의 수학식 12로 표현된다.

수학식 11 및 수학식 12는 입구와 출구의 압력차가 없이 표면장력만으로 구동되는 경우에 입구로부터의 길이 및 시간을 표현한다. 실제의 경우, 채널의 벽면에서의 거칠기와 매우 작은 크기의 채널에서의 점성변화 및 속도 경계조건의 변화를 적절히 고려해 주어야 한다. 또한, 유동 지연부(116)가 입구에 있는 경우가 아니면 유동 지연부 전방에 있는 채널의 구조 및 유동저항을 고려해야 한다. 도 7(b)는 디퓨저 효과(diffuser effect)를 통하여 유동속도를 지체시키는 형상을 도시한다. 디퓨저 효과란 채널폭을 넓게 하여 유동속도를 감소시키면서 구동압력을 증가시키는 것을 의미한다. 도 7(c)는 확장 및 축소 채널을 연결한 형상을 도시하며, 도 7(d)와 7(e)는 도 7(c)의 형상을 밀집시킨 형상을 도시하고 있다. 이와 같이 채널의 폭, 길이, 높이를 적절히 조정하여 원하는 시간동안 유동이 지체되도록 할 수 있다.

도 10은 온도 조절을 통한 유체의 표면장력 변화를 이용하여 유동지연을 시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 10(a)는 온도(T)의 변화에 따른 유체의 표면장력(σ) 변화를 나타내며, 일반적으로 온도가 높을수록 표면장력이 감소한다. 수학식 11에서 설명한 바와 같이 유동지연시간은 표면장력의 크기에 반비례한다. 도 10(b)는 사각 채널의 바닥 면에 전극과 같은 온도변화가 가능한 구조를 삽입하여 온도가 점진적으로 또는 다양한 형식으로 변화를 줌으로써 유동속도를 변화시키는 것을 설명하기 위한 도면이다. 유체의 선단에서 표면장력이 작용하므로, 유체의 선단이 도달하는 위치에서 발열패치(140)의 온도를 조정하면 표면장력 조절이 이루어져서 속도조절이 가능하다. 도 10(c)는 온도변화를 통한 표면장력 변화를 이용한 마이크로 밸브의 예시도로서, 확장에 의해 멈춘 유체선단에 발열패치(142)에 의한 온도변화 및 표면장력 변화를 주어 밸브 기능을 하게 할 수 있다.

도 11은 폐기 챔버(120)를 설명하기 위한 예시도이다. 폐기 챔버(120)는 제1 유체 주입구(124)와 제2 유체 주입구(126)를 통하여 주입된 제1 유체와 제2 유체의 체적을 모두 포함할 수 있도록 충분한 체적을 가져야한다. 또한, 세척과정이 폐기 챔버에서 작용하는 모세관 힘에 의해서 일어나므로 충분한 구동력이 생기는 구조를 가져야 한다. 이를 위하여 본 발명에서는 디퓨져형 챔버와 디퓨저 형상과 구조물이 결합된 형상, 폭이 점진적으로 감소하는 형상을 제안한다. 디퓨져형 챔버는 도 11(a), 11(b) 및 11(c)와 같은 사각, 삼각 및 원형 챔버, 도 11(d), 11(e)와 같은 다중 챔버가 결합된 형상, 도 11(f), 11(g)와 같은 점진적으로 감소하는 형상, 도 11(h)와 같이 디퓨저형과 폭감소형이 결합된 형상이 이용될 수 있다.

도 12는 도 11의 디퓨저형 폐기 챔버 내에 설치될 수 있는 구조물의 형상을 설명하기 위한 예시도이다. 이 구조물은 표면적의 증가를 이용하여 표면장력을 충분히 증가시키는 형상이다. 각 형상은 채널의 높이와 같지 않아도 상관없으며, 크기, 방향 및 배열이 변화될 수 있고, 이종패턴을 결합하거나 디퓨저형 폐기 챔버 전체 혹은 국부에 배치할 수 있다. 또한, 이 구조물은 유동 시 유체의 전체적인 선단 모양을 균일하게 하여 국부적인 유동속도 차이에 의하여 생길 수 있는 미세 공기방울의 출현을 미연에 방지하는 용도로도 이용될 수 있다.

도 13은 도 3에 의한 표면장력으로 제어되는 미세유체소자에 반응 챔버(150)가 추가된 모습을 설명하기 위한 하부 기판의 평면도이다. 도 13을 참조하면, 도 3에서 도시한 바와 같이 시료가 감지 챔버(106)로 곧바로 이동되지 않고, 추가적인 반응을 일으키는 반응 챔버(150)가 하부 기판 상에 추가된 실시예를 볼 수 있다. 추가된 반응 챔버(150)에는 주입된 시료와 반응을 할 수 있도록 반응물질부착구조물(152)에 분말, 콜로이드, 젤 또는 용액 상태의 생화학(Biological/Chemical)물질을 미리 형성시켜 놓을 수 있으며, 시료와 생화학물질간의 반응을 돕거나 또는 반응한 시료의 유동속도를 조절하기 위하여 다양한 계면활성제를 첨가할 수 있다. 도 13을 참조하면, 추가된 반응 챔버에서 반응을 위하여 시간지연의 역할을 하는 추가적인 격리턱인 시간 지연부(154)가 도입될 수 있다. 격리턱인 시간 지연부(154)의 옆 벽면에는 시간 지연부에서 유체선단의 속도를 일정하게 만들기 위하여 선단형상유지 돌기 구조(156)가 도입되었다. 이 돌기 구조(156)는 먼저 도착한 액체선단을 잡아주어서 축방향으로 유체선단이 균일하게 이동하도록 돕는 역할을 한다.

도 14는 도 13에 의한 표면장력으로 제어되는 미세유체소자의 다른 실시예를 설명하기 위한 하부 기판의 평면도이다. 도 14를 참조하면, 도 3에서 도시된 미세유체소자의 형상에 반응 챔버(150)가 추가되고, 다른 형태의 제2 저장 챔버(104) 및 폐기 챔버(120)가 이용된 실시예를 제시한다. 이와 같이 목적에 따라 반응 챔버가 추가 및 제거되거나 형상의 크기 및 형태를 변화시킬 수 있다.

도 15는 도 3에 의한 표면장력으로 제어되는 미세유체소자가 직렬 또는 병렬로 배열된 실시예를 설명하기 위한 도면이다. 도 15a는 도 3에 의한 미세유체소자가 직렬로 배열된 실시예이다. 이 경우에는 제2 저장 챔버에 각기 다른 시료 및 완충용액을 주입하여 감지 챔버에서 각기 다른 반응이 순차적으로 일어나도록 할 수 있다. 도 15b는 도 3에 의한 미세유체소자가 병렬로 배열된 실시예이다. 이 경우에는 제2 저장 챔버에 각기 다른 시료 및 완충용액을 주입하여 감지 챔버에서 각기 다른 반응이 동시에 일어나도록 할 수 있다.

도 16은 도 3에 의한 표면장력으로 제어되는 미세유체소자가 다중 전극열을 갖는 실시예를 설명하기 위한 하부 기판의 평면도이다. 도 16를 참조하면, 각각의 감지챔버에서 서로 다른 반응의 발생이 가능하도록 하기 위해 감지부가 병렬로 다수개 배열되었다. 각각의 감지부 중 감지 전극에는 각기 다른 생화학적 결합이 일어나도록 특정 생화학적 물질을 미리 부착시킬 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 표면장력으로 제어되는 미세유체소자는, 모세관 힘에 의한 자연유동만을 통하여 미소량의 유체를 이송 및 정지시킬 뿐만 아니라, 유로의 형상변화, 표면 개질 및 온도제어를 통하여 유체의 이동속도를 조절하고 용액의 전면적 교체를 실현할 수 있는 미세 유체제어소자를 제공하므로, 추가적인 장치 및 전원공급이 필요 없게 되어, 장치의 소형화, 휴대화가 가능하고, 제조비를 낮춤과 동시에 제조 수율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 사용 시 고장이 거의 없는 효과가 있다. 또한 본 발명에 의한 표면장력으로 제어되는 미세유체소자는, 미세하고 정확한 유동제어가 필요한 단백질 칩, DNA 칩, 약물주입기(Drug Delivery System), 미세 생물/화학 반응기(Micro Biological/Chemical Reactor)를 포함한 다양한 바이오 소자에 적용될 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

도 1은 미소액적이 고체 표면과 접촉되거나 모세관에 적용되었을 때 액적의 모양 변화와 모세관 유동의 형태를 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 모세관 유동을 설명하기 위한 여러가지 형태의 유로에 대한 예시도이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 표면장력으로 제어되는 미세유체소자의 하부 기판 및 상부 기판의 평면도이다.

도 4는 도 3에 도시된 상부 기판과 하부 기판이 결합되었을 때의 단면도이다.

도 5는 급격한 출구확대와 채널 높이의 증가를 통해 유체의 유동을 정지시키는 유동 정지부를 설명하기 위한 도면이다.

도 6은 유동 정지부의 변형 예를 설명하기 위한 단면도이다.

도 7은 유동 정지부의 급격한 출구 확대 형상의 변형 예에 대한 평면도이다.

도 8은 격리턱과 감지 챔버 연결부 사이의 형상을 설명하기 위한 도면이다.

도 9는 유동 지연부를 설명하기 위한 평면도이다.

도 10은 온도 조절을 통한 유체의 표면장력 변화를 이용하여 유동지연을 시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 11은 폐기 챔버를 설명하기 위한 예시도이다.

도 12는 도 11의 디퓨저형 폐기 챔버 내에 설치될 수 있는 구조물의 형상을 설명하기 위한 예시도이다.

도 13은 도 3에 의한 표면장력으로 제어되는 미세유체소자에 반응 챔버가 추가된 모습을 설명하기 위한 하부 기판의 평면도이다.

도 14는 도 13에 의한 표면장력으로 제어되는 미세유체소자의 다른 실시예를 설명하기 위한 하부 기판의 평면도이다.

도 15는 도 3에 의한 표면장력으로 제어되는 미세유체소자가 직렬 또는 병렬로 배열된 실시예를 설명하기 위한 도면이다.

도 16은 도 3에 의한 표면장력으로 제어되는 미세유체소자가 다중 전극열을 갖는 실시예를 설명하기 위한 하부 기판의 평면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 하부 기판 102 : 제1 저장 챔버

104 : 제2 저장 챔버 106 : 감지 챔버

108 : 감지 챔버 연결부 110 : 격리턱

112 : 제1 유동 정지부 114 : 제2 유동 정지부

116 : 유동 지연부 118 : 유로

120 : 폐기 챔버 122 : 폐기 챔버 구조물

124 : 제1 유체 주입구 126 : 제2 유체 주입구

128 : 폐기 챔버의 공기구멍

130 : 상부 기판 132 : 감지전극

134 : 전극패드 136 : 전극배선

Claims

상부 기판 및 하부 기판이 결합되어 유체를 제어하고 반응시키는 미세유체소자에 있어서,

상기 하부 기판은,

제1 유체 및 제2 유체가 각각 저장되는 제1 저장 챔버 및 제2 저장 챔버;

상기 제1 저장 챔버 및 제2 저장 챔버와 연결되는 적어도 하나의 감지 챔버;

상기 제1 유체 또는 제2 유체의 이동을 정지시키는 제1 유동 정지부 및 제2 유동 정지부;

상기 제1 유체 또는 제2 유체의 이동 속도를 감소시키는 유동 지연부;

반응이 완료된 상기 제1 유체 또는 제2 유체가 폐기되는 폐기 챔버; 및

유체가 이동되도록 상기 유동 지연부와 폐기 챔버 사이를 연결하는 유로를 포함하고,

상기 상부 기판은

상기 감지 챔버 내의 생화학반응을 측정하는 적어도 하나의 감지부를 포함하며,

상기 제1 유체가 모세관 힘에 의해 상기 감지 챔버로 이동하여 1차 생화학 반응이 일어나고, 소정 시간 경과 후 제2 유체가 모세관 힘에 의해 상기 감지 챔버로 유입되면 상기 제1 유체의 교체 및 2 차 생화학반응이 일어나는 것을 특징으로 하는 표면장력으로 제어되는 미세유체소자.
제1 항에 있어서, 상기 하부 기판은

상기 제1 저장 챔버와 감지 챔버 사이에 격리턱 및 감지 챔버 연결부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면장력으로 제어되는 미세유체소자.
제2 항에 있어서, 상기 격리턱 및 감지챔버 연결부는

각각 채널 높이의 계단형 증가와 채널 폭의 감소를 통하여 표면장력에 의한 유체의 유동이 멈춤없이 지속되도록 하는 것을 특징으로 하는 표면장력으로 제어되는 미세유체소자.
제1 항에 있어서, 상기 제1 저장 챔버 및 제2 저장 챔버는

각각 제1 유체 및 제2 유체가 주입되는 제1 유체 주입구 및 제2 유체 주입구를 갖는 것을 특징으로 하는 표면장력으로 제어되는 미세유체소자.
제1 항에 있어서, 상기 제1 저장 챔버 및 제2 저장 챔버는

표면장력에 의해 제1 유체 및 제2 유체가 이동할 수 있도록 이동이 진행되는 방향으로 폭이 좁아지는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 표면장력으로 제어되는 미세유체소자.
제1 항에 있어서, 상기 감지부는

상기 감지 챔버에 대응되는 부분에 형성되는 감지 전극;

외부와의 결합을 통해 전기적 신호를 전달하는 전극 패드; 및

상기 감지 전극과 전극 패드 사이를 연결하는 전극 배선을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면장력으로 제어되는 미세유체소자.
제6 항에 있어서, 상기 감지 전극에는

단백질 또는 DNA 등의 생화학물질이 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 표면장력으로 제어되는 미세유체소자.
제1 항에 있어서, 상기 하부 기판은

상기 제1 저장 챔버와 감지 챔버 사이에 제1 유체에 대한 전처리 생화학반응이 일어나는 반응 챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면장력으로 제어되는 미세유체소자.
제1 항에 있어서, 상기 폐기 챔버는

표면장력을 증가시키기 위해 상기 폐기 챔버 내의 표면적을 증가시키는 구조물을 갖는 것을 특징으로 하는 표면장력으로 제어되는 미세유체소자.
제1 항에 있어서, 상기 폐기 챔버는

표면장력을 증가시키고 충분한 체적확보를 위해 채널 폭의 점진적 확대 또는 점진적 축소 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 표면장력으로 제어되는 미세유체소자.
제1 항에 있어서, 상기 제1 유동 정지부 및 제2 유동 정지부는

채널 폭의 계단형 확대 및 채널 높이의 계단형 증가를 이용하거나 온도에 따른 유체의 표면장력조절을 이용하여 유체의 이동을 정지시키는 것을 특징으로 하는 표면장력으로 제어되는 미세유체소자.
제11 항에 있어서, 상기 제1 유동 정지부 및 제2 유동 정지부는

서로 다른 유체의 결합을 통해 표면장력 장벽을 소멸함으로써 유동이 재개되는 것을 특징으로 하는 표면장력으로 제어되는 미세유체소자.
제1 항에 있어서, 상기 유동 지연부는

채널의 형상을 변화시키거나, 채널 벽면의 온도를 변화시킴으로써 유체의 표면장력을 변화시키거나, 채널 벽면의 접촉각도 변화를 위해 계면활성제를 첨가하여 유체의 이동 속도를 감소시키는 것을 특징으로 하는 표면장력으로 제어되는 미세유체소자.
제1 항에 의한 미세유체소자가 복수개 직렬로 배열되는 미세유체소자 직렬 어레이에 있어서,

N-1 번째 미세유체소자의 폐기 챔버가 N 번째 미세유체소자의 감지 챔버에 연결되고, 각각의 제2 저장 챔버에 서로 다른 제2 유체가 주입되어 각각의 감지 챔버에서 생화학적 반응이 순차적으로 일어나는 것을 특징으로 하는 미세유체소자 직렬 어레이.
제1 항에 의한 미세유체소자가 복수개 병렬로 배열되는 미세유체소자 병렬 어레이에 있어서,

각각의 감지 챔버는 공통의 제1 저장 챔버와 연결되고, 각각의 제2 저장 챔버에 서로 다른 제2 유체가 주입되어 각각의 감지 챔버에서 생화학적 반응이 동시에 일어나는 것을 특징으로 하는 미세유체소자 병렬 어레이.