KR20060017701A - 미세 유체 소자 및 이를 구비한 진단 및 분석 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 미세 유체 소자 및 이를 구비한 진단 및 분석 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 미세 유체 소자는, 미세 유체가 유동하는 미세 유로를 갖는 미세 유체 소자에 있어서, 상기 미세 유체가 유동하는 제1단면을 갖는 소정 구간 길이의 유입부; 상기 유입부에 인접하게 배치되어 상기 유입부로부터 배출되는 미세 유체가 유입되며, 상기 미세 유체가 모세관 힘에 의한 유동 시에 상기 유입부에서 보다 계면의 곡률이 감소하여 유동 속도가 감소하도록 상기 제1단면의 면적보다 더 큰 면적을 갖는 제2단면을 가지며 상기 미세 유체가 유동하는 방향으로 소정 구간 길이를 갖는 유동지연부; 및 상기 유동지연부에 인접하게 배치되어 상기 유동지연부로부터 배출되는 미세유체가 유입되며, 상기 유동지연부의 제2단면보다 단면적이 더 작은 제3단면을 갖는 소정 구간 길이의 유동회복부;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 모세관 힘에 의한 자연적인 유동에서 유로의 형상 설계를 통하여 추가적인 조작 및 에너지가 필요 없이 극소량의 유체 흐름을 정량적으로 조절할 수 있을 뿐만 아니라 또한 제작이 용이하고 사용이 단순하게 된다.

미세 유체역학(microfluidics), 미세 유로(microchannel), 모세관 유동(capillary flow), 진단 장치(diagnostic device), 분석 장치(analytical device)

Description

미세 유체 소자 및 이를 구비한 진단 및 분석 장치{Microfluidic Device and Apparatus for Diagnosing and Analyzing Having the Same}

도 1은 일반적인 미세 유로의 개략도,

도 2는 모세관 유동의 압력 분포의 시간에 따른 변화를 도시한 그래프,

도 3은 계면 곡률 변화를 고려한 유동 지연 모델의 개념도,

도 4a는 본 발명의 제1실시예에 따른 미세 유체 소자의 간략도,

도 4b는 본 발명의 제2실시예에 따른 미세 유체 소자의 간략도,

도 4c는 본 발명의 제3실예에 따른 미세 유체 소자의 간략도,

도 5a 내지 도 5f는 본 발명에 따른 미세 유체 소자의 다양한 형상 단면을 도시한 도면들,

도 6은 도5a의 유동 지연 모델에서 유동의 변화 모습을 촬영한 사진들,

도 7a는 모세관 1차 길이는 일정하게 유지하고 2차 길이의 비를 증가시킨 경우의 유동 가속 모델의 개략도,

도 7b는 도 7a에서 계면이 위치한 영역에 내부 벽을 삽입한 유동 가속 모델의 개략도,

도 8a는 유동 통과 단면적 확대 경우의 압력 분포의 시간에 따른 변화를 도시한 그래프,

도 8b는 유동 통과 단면적 확대 경우의 구간별 속도 변화를 도시한 그래프,

도 8c는 유동 가속 모델의 내부에 벽을 삽입하여 계면 압력의 크기를 증가시킨 경우에 대한 D₁ 영역 속도의 시간에 따른 변화 결과를 도시한 그래프,

도 8d는 삽입된 내부 벽 개수가 속도에 미치는 영향을 도시한 그래프,

도 9a는 본 발명의 제1실시예에 따른 유동 가속 모델의 미세 유체 소자의 개략도,

도 9b 내지 도 9c는 모세관 힘을 증가시키기 위해 다양한 형상의 구조물을 포함한 본 발명의 제2실시예 및 제3실시예에 따른 유동 가속 모델의 개략도,

도 10은 본 발명에 따른 유동 지연 모델과 유동 가속 모델을 응용한 본 발명의 제1실시예에 따른 진단 및 분석 장치의 개략도,

도 11은 유동 지연 모델을 이용한 유동 분기 모델을 구비한 본 발명의 제2실시예에 따른 진단 및 분석 장치의 개략도,

도 12는 본 발명의 유동 지연 모델, 유동 가속 모델 및 유동 분기 모델을 이용한 본 발명의 제3실시예에 따른 다중 진단 및 분석 장치의 개략도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 미세 유체 소자를 구비한 진단 및 분석 장치

10 : 유동 지연 모델의 미세 유체 소자 11 : 유입부

12 : 지연경계영역 13 : 유동지연부

14 : 회복경계영역 15 : 유동회복부

20 : 유동 가속 모델의 미세 유체 소자 21 : 유입부

22 : 단면확장부 23 : 유동가속부

24 : 가속벽 25 : 가속벽의 선단부

26 : 가속유로 30 : 주유로

31 : 유입부 32 : 배출부

40 : 분기조절로 41 : 부유로

42 : 유동지연부 43 : 유동회복부

50 : 배출 미세 유로 60 : 유동정지로

70 : 배출관로 71 : 공기배출구

본 발명은 미세 유체 소자(microfluidic device) 및 이를 구비한 진단 및 분석 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 모세관 힘에 의한 자연적인 모세관 유동에서 극소량의 유체의 흐름을 정량적으로 조절할 수 있는 미세 유체 소자(microfluidic device) 및 이를 구비한 진단 및 분석 장치에 관한 것이다.

극소량의 유체를 이송하고 제어하는 유동 발생 및 제어에 관한 미세 유체 기술은 진단 및 분석 장치의 구동을 가능하게 하는 핵심 요소 기술로서 이러한 기술은 다양한 구동 원리로 구현될 수 있다. 그 중에서 유체 주입 부분에 압력을 가하는 압력 구동 방식(pressure-driven method), 미세 유로 사이에 전압을 인가하여 유체를 이송하는 전기 영동법(electrophoretic method)이나 전기 삼투압법(electroosmotic method), 그리고 모세관 힘을 이용한 모세관 유동 방식(capillary flow method) 등이 대표적이다.

인위적인 압력에 의한 압력 구동 방식의 미세 유체 소자의 대표적인 예로서 미국등록특허 제6,296,020호가 있는데, 미국등록특허 제6,296,020호는 소수성의 유체 소자에서 유로 단면적의 조절, 유로의 소수성 조절 등의 수동형 밸브를 이용한 유체 회로 소자를 개시하고 있다. 또한 이 외에도 미국등록특허 제6,637,463호는 압력 구배를 가지는 유로를 설계하여 다수의 유로로 유체를 균일하게 분배하는 미세 유체 소자를 개시하고 있다.

한편, 모세관 유동 방식은 미세 유로에서 자연적으로 발생하는 모세관 현상을 이용하므로 추가 장치 없이 유체 주입 부분에 놓여진 극소량의 유체가 자연적이고 즉각적으로 주어진 유로를 따라서 이동하게 되는 장점을 가지는데, 따라서 현재 이를 활용한 미세 유체 시스템 설계에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 미국등록특허 제6,271,040호는 다공성 물질을 사용하지 않으면서 미세 유로에서의 자연적인 모세관 유동만을 이용하여 시료를 이송하고 시료의 반응을 유발하여 광학적인 방법으로 시료 내의 특정 물질을 검출하는 진단용 바이오 칩을 개시하고 있다. 그리고 미국등록특허 제6,113,855호는 진단 장치에서 떨어진 두 지점간에 시료의 이송을 위하여 육각형의 기둥을 적절히 배열하여 모세관 힘을 발생시키는 장치를 개시하고 있다.

그런데, 종래의 미세 유체 소자(microfluidic device) 및 이를 구비한 진단 및 분석 장치에 있어서는, 진단 및 분석 장치에서 전체 소요 시간을 최소화하면서도, 시료간의 반응을 위한 충분한 반응 시간을 제공하기 위하여 반응이 일어나는 구간에 시료가 도달한 특정 시점에서만 유동 속도를 감소시키거나, 반응의 선별성을 위한 세척 효과를 위하여 특정 시점에서만 유동 속도를 증가시키는 형태의 유로 설계가 중요함에도 불구하고 이러한 기술에 대한 연구가 거의 없는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 고려하여 계면 장력을 부분적으로 강화 또는 약화시키거나 모세관 벽면의 표면에너지를 부분적으로 변화시켜서 평형 접촉각을 바꾸는 방법 등을 생각할 수 있으나 이러한 방법은 추가 장치나 추가 작업이 필요한 문제점이 있게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은, 종래의 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 모세관 힘에 의한 자연적인 유동에서 유로의 형상 설계를 통하여 추가적인 조작 및 에너지가 필요 없이 극소량의 유체 흐름을 정량적으로 조절할 수 있을 뿐만 아니라 또한 제작이 용이하고 사용이 단순한 미세 유체 소자 및 이를 구비한 진단 및 분석 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 미세 유체가 유동하는 미세 유로를 갖는 미세 유체 소자에 있어서, 상기 미세 유체가 유동하는 제1단면을 갖는 소정 구간 길이의 유입부; 상기 유입부에 인접하게 배치되어 상기 유입부로부터 배출되는 미세 유체가 유입되며, 상기 미세 유체가 모세관 힘에 의한 유동 시에 상기 유입부에서 보다 계면의 곡률이 감소하여 유동 속도가 감소하도록 상기 제1단면의 면적보다 더 큰 면적을 갖는 제2단면을 가지며 상기 미세 유체가 유동하는 방향으로 소정 구간 길이를 갖는 유동지연부; 및 상기 유동지연부에 인접하게 배치되어 상기 유동지연부로부터 배출되는 미세유체가 유입되며, 상기 유동지연부의 제2단면보다 단면적이 더 작은 제3단면을 갖는 소정 구간 길이의 유동회복부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자에 의해 달성된다.

여기서, 상기 유동지연부의 상기 소정 구간 길이는 상기 유동지연부의 폭 보다 짧은 것이 바람직하다.

그리고, 상기 유입부의 제1단면, 상기 유동지연부의 제2단면, 그리고 상기 유동회복부의 제3단면은 각 구간 길이에서 각 단면적이 각각 일정하게 유지되도록 구성할 수 있다.

또한, 상기 유입부의 상기 길이방향의 벽부와 상기 유동지연부의 길이방향의 가로방향의 벽부가 이루는 각도는 45도 이상 내지 90도 이하인 것이 바람직하다.

그리고, 상기 제2단면은 상기 제1단면과 높이는 같으나 폭이 더 크도록 구성할 수도 있는데, 상기 제2단면의 폭은 상기 제1단면의 폭보다 3배 더 크도록 구성할 수도 있다.

또한, 상기 제2단면은 상기 제1단면과 폭은 같으나 높이가 더 크도록 구성할 수도 있는데, 상기 제2단면의 높이는 상기 제1단면의 높이보다 2배 더 크며, 상기 제2단면 및 상기 제1단면의 상면은 동일 평면에 있도록 구성할 수 있다.

그리고, 상기 제1단면과 상기 제3단면은 동일한 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따르면, 전술한 미세 유체 소자를 구비한 진단 및 분석 장치가 제공된다.

한편, 본 발명의 목적은, 미세 유체가 유동하는 미세 유로를 갖는 미세 유체 소자를 구비한 진단 및 분석 장치에 있어서, 상기 미세 유체가 유동하는 주유로; 및 상기 주유로와 연결되어 상기 주유로부터 유입되는 미세 유체를 다수의 상기 미세 유체 소자로 분기하는 다수의 분기조절로;를 포함하며, 상기 각 분기조절로는, 상기 주유로에 연결되며, 상기 주유로의 단면적보다 더 작은 단면적의 제1단면을 갖는 부유로; 상기 부유로에 연결되어 상기 부유로로부터 배출되는 미세 유체가 유입되며, 상기 미세 유체가 모세관 힘에 의한 유동 시에 상기 부유로에서 보다 계면의 곡률이 감소하여 유동 속도가 감소하도록 상기 제1단면의 면적보다 더 큰 면적을 갖는 제2단면을 가지며 상기 미세 유체가 유동하는 방향으로 소정 구간 길이를 갖는 유동지연부; 및 상기 유동지연부로부터 배출되는 미세유체가 유입되며 상기 유동지연부의 제2단면보다 단면적이 더 작은 제3단면을 갖는 유동회복부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자를 구비한 진단 및 분석 장치에 의해서도 달성된다.

여기서, 상기 주유로 내를 유동하는 상기 미세 유체가 상기 각 미세 유체 소자에 대략 동시에 도달하도록 상기 주유로 내의 상기 미세 유체의 유동 방향의 상류에 있는 상기 부유로의 단면적이 상기 미세 유체의 유동 방향의 하류에 있는 상기 부유로의 단면적보다 더 큰 것이 바람직하다.

그리고, 상기 주유로 내를 유동하는 상기 미세 유체가 상기 각 미세 유체 소 자에 대략 동시에 도달하도록 상기 주유로 내의 상기 미세 유체의 유동 방향의 상류에 있는 상기 분기조절로의 개수가 상기 미세 유체의 유동 방향의 하류에 있는 상기 분기조절로의 개수보다 더 많은 것이 바람직하다.

또한, 상기 주유로 내를 유동하는 상기 미세 유체가 상기 각 미세 유체 소자에 대략 동시에 도달하도록 상기 주유로 내의 상기 미세 유체의 유동 방향의 상류에 있는 상기 부유로의 소정 구간 길이가 상기 미세 유체의 유동 방향의 하류에 있는 상기 부유로의 소정 구간 길이보다 더 긴 것이 바람직하다.

그리고, 상기 주유로 내를 유동하는 상기 미세 유체가 진행함에 따라 모세관 힘이 증가되어 상기 각 미세 유체 소자에 대략 동시에 도달하도록 상기 주유로 내에는 길이 방향을 따라 배치되는 적어도 하나의 가속벽이 설치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 미세 유체 소자와 연결된 배출 미세 유로와, 상기 배출 미세 유로와 연결되어 상기 배출 미세 유로의 말단에서 상기 미세 유체를 정지시키는 유동정지로와, 상기 각 유동정지로에 연결되어 상기 각 미세 유체 소자 내부에 존재하는 공기를 상기 배출 미세 유로를 통하여 외부로 배출하는 배출관로를 더 포함하도록 구성할 수 있다.

그리고, 상기 각 미세 유체 소자는, 상기 부유로로부터 배출되는 미세 유체가 유동하는 제4단면을 갖는 유입로; 상기 유입로로부터 배출되는 미세 유체가 유입되며, 상기 제4단면으로부터 상기 제4단면의 면적보다 큰 면적을 갖는 제5단면까지 소정 구간 길이를 가지고 점차 확장되는 단면확장부; 및 상기 제5단면과 실질적 으로 동일한 단면을 갖는 유동가속부;를 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 유동가속부는, 내부에 상기 미세 유체가 유동하는 길이 방향의 가로로 소정 간격을 두고 상기 길이 방향을 따라 정렬되어 내부에 복수의 유로를 형성하는 적어도 하나의 가속벽을 갖는 것이 바람직하다.

또한, 상기 단면확장부로부터 상기 유동가속부로 유입되는 상기 미세 액체가 상기 복수의 유로로 분리되어 유동하도록 상기 가속벽의 상기 단면확장부 측 단부가 뾰족한 것이 바람직하다.

그리고, 상기 가속벽은 상기 유동가속부의 길이방향으로 길게 형성된 박판일 수 있다.

또한, 상기 유동가속부의 유로의 표면은 친수성 처리될 수 있다.

그리고, 상기 유입로는, 상기 부유로로부터 유입된 미세 유체가 내부에 존재하는 고정 항체와 반응하는 검출부와 연결된 유로일 수 있다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

본 발명은 모세관 효과로 흐르는 유체의 속도를 특정 영역에서 효과적으로 감소 혹은 증대시키는 것으로서, 우선 모세관 유동의 근본 원인인 계면에서의 압력 차이 및 접촉각 현상에 대한 모델 방정식을 정리하고 이를 이용한 유동을 지연시키는 유동 지연 모듈과 유동 가속 모듈의 설계 원리를 설명하기로 한다.

모세관 유동 발생은 기체-액체 계면에서 발생하는 압력의 불연속 변화에 기인하며 계면이 곡률을 가지며 휘어진 경우에 발현된다. 계면 곡률의 원인은 기체-액체 계면과 고체 벽면이 만나는 삼중점에서 계면과 벽면이 이루는 접촉각(θ)이 다. 일반적으로 접촉각은 벽면과 계면이 이루는 액체 쪽으로의 각도로 정의하는데, 벽면이 기체보다 액체와 더 친밀한 경우 0〈θ〈π/2 이며 반대의 경우 π/2〈θ〈π로 주어진다. 유체가 흐르는 유로의 단면이 직사각형인 경우에 대한 관의 모서리 효과를 무시하면 유동 효과를 제외한 압력 변화량은 다음과 같이 표현할 수 있다.

------ (수학식 1)

도 1은 일반적인 미세 유로의 개략도로서, 이에 도시된 바와 같이, 일반적인 미세 유로는 수십에서 수백 마이크로미터(μm)의 깊이와 폭을 가지도록 제작된다. 수학식 1에서 깊이를 b, 폭을 c로 표현하였고 대부분의 경우 b<c의 조건으로 제작된다. 따라서 ΔP 발생에 대한 공헌에 따라 b를 1차 길이(primary length), c를 2차 길이(secondary length)라고 할 수 있다. 계면에서 발생한 압력변화는 계면의 위치(a)와 연결되어 ΔP/a의 압력 경사를 발생시키고 이는 유체의 움직임을 만들어낸다. 발생한 유동은 층류 영역에 포함되며, 압력 경사 항 및 유로 벽면에 의한 저항력 항(Π)과 유속(v)은 다음의 관계를 갖는다.

---------- (수학식 2)

유동 통과 단면적이 직사각형인 경우 저항력 항은 도 1의 1차 길이(b) 및 2차 길이(c)에 대하여 다음과 같이 주어진다.

---------- (수학식 3)

유사 정상 상태를 가정하면 계면 위치에 대한 다음의 상미분 방정식을 얻을 수 있다.

--------- (수학식 4)

도 1에서와 같이 유동 통과 단면적이 직사각형이고 일정한 경우 계면 위치, 유동 속도 및 압력 분포에 관한 이론해를 얻을 수 있다. 도 2에서 2b=50μm, 2c=200μm, Υ=0.07N/m, θ=π/3인 경우에 모세관 유동의 압력 분포의 시간에 따른 변화를 나타내었다. 도 2에서 압력의 기울기가 음수인 구간이 액상 영역이고 압력 변화가 없는 구간이 기상 영역이며 기울기가 갑자기 변하는 지점이 계면의 위치에 해당한다. 액상 영역의 압력 변화량만큼 발생한 유동은 계면의 위치를 이동시키게 되며 계면의 위치가 이동한 만큼 압력 변화의 기울기는 조금씩 완만해지고 따라서 계면 이동 속도는 시간에 따라 감소하게 된다.

본 발명의 유동 지연 모델을 구성하는 핵심 아이디어는 ΔP를 감소시키는 방법으로서 1차 길이 혹은 2차 길이에 대하여 벽면에 굴곡을 줌으로써 계면 곡률을 효과적으로 조절하여 유동을 특정 영역에서 지연시키는 것이다. 도 3은 계면 곡률 변화를 고려한 유동 지연 모델의 개념도로서, 이에 도시된 바와 같이, 반구형 계면의 경우, 계면에서 발생하는 압력(ΔP)의 원인이 되는 계면의 곡률은 계면과 벽면이 만나는 접촉 지점에서 계면에 접하는 직선과 계면의 전진 방향(e_i)이 이루는 각도의 코사인 값에 비례한다. 이때 벽면의 모양이 일정한 단순 직선형 벽면의 경우 계면과 벽면이 이루는 접촉각(θ)과 일치한다. 계면 곡률을 변화시키는 방법, 즉 접촉 지점에서 계면에 접하는 직선과 계면의 전진 방향(e_i)이 이루는 각도를 변화시키는 방법은 도 3에서 δθw에 변화를 주는 방법과 δθi에 변화를 주는 방법으로 나누어 생각할 수 있다. 이 때 δθi를 변화시키는 방법은 벽면 구성 물질의 열역학적 상태를 변화시키는 것이므로 이를 위하여 유로 설계 시 특정 벽면에 대한 추가 작업을 하여야 한다. 이에 반하여 벽면에 굴곡을 주어 δθw에 변화를 주는 것은 사진석판술(photolithography) 등의 기술을 이용하여 제작하게 되면 추가 작업이 필요 없다. 또한 δθi를 통한 계면 곡률 변화는 벽면의 물성에 관계된 제한적 범위에서만 가능한 반면, δθw를 통한 계면 곡률 변화는 보다 광범위한 범위에서 가능하다. 본 발명에서는 후자의 방법을 채택한 것이다.

도 4a는 본 발명의 제1실시예에 따른 유동 지연 모델의 미세 유체 소자의 간략도이고, 도 4b는 본 발명의 제2실시예에 따른 유동 지연 모델의 미세 유체 소자의 간략도로서, 본 발명의 제1실시예에 따른 유동 지연 모델의 미세 유체 소자는 미세 유로의 2차 길이를 변화시킨 벽면 굴곡을 가지는 유동 지연 모델이고 본 발명의 제2실시예에 따른 유동 지연 모델의 미세 유체 소자는 미세 유로의 1차 길이를 변화시킨 벽면 굴곡을 가지는 유동 지연 모델이다. 이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예 및 제2실시예에 따른 미세 유체 소자(10, 10a)는, 미세 유체가 유동하는 제1단면을 갖는 소정 구간 길이의 유입부(11, 11a)와, 유입부(11, 11a)에 인접하게 배치되어 유입부(11, 11a)로부터 배출되는 미세 유체가 유입되며 미세 유체가 모세관 힘에 의한 유동 시에 유입부(11, 11a)에서 보다 계면의 곡률이 감소하 여 유동 속도가 감소하도록 제1단면의 면적보다 더 큰 면적을 갖는 제2단면을 가지며 미세 유체가 유동하는 방향으로 소정 구간 길이를 갖는 유동지연부(13, 13a)와, 유동지연부(13, 13a)에 인접하게 배치되어 유동지연부(13, 13a)로부터 배출되는 미세유체가 유입되며 유동지연부(13, 13a)의 제2단면보다 단면적이 더 작은 제3단면을 갖는 소정 구간 길이의 유동회복부(15, 15a)를 갖는다.

공급된 모세관 유동은 유입부(11, 11a)와 유동지연부(13, 13a)의 경계 영역인 지연경계영역(12, 12a)에서 유동 지연 효과를 발생하며, 지연경계영역(12, 12a)을 통과하는 동안 지연 효과는 지속된다. 지연경계영역(12, 12a)을 통과한 모세관 유동은 유동지연부(13, 13a)를 지나, 유동지연부(13, 13a)와 유동회복부(15, 15a) 사이의 경계 영역인 회복경계영역(14, 14a)을 접하면서 계면 곡률이 증가하여 이전의 유속을 회복한다. 점차 회복되는 유속은 유동회복부(15, 15a)로 이송되면서 이전의 유속으로 회복되어 유동을 지속하게 된다.

본 실시예들에서는 벽면 굴곡이 끝나는 위치에 해당하는 유동회복부(15, 15a)에서 유체 통과 단면적이 유입부(11, 11a)와 동일하게 설계되었다. 이는 특정 위치, 특정 시간에 유동을 일시적으로 지연시키는 유동 지연 모델의 목적에 맞도록 유동 지연 모델을 통과한 모세관 유동이 통과 전의 속도로 회복되도록 한 것이다. 앞서 강조하였듯이 이러한 유동 지연 효과는 벽면 각도 변화를 통하여 조절할 수 있다.

도 4a와 도 4b의 예시처럼 굴곡이 직각으로 이루어진 경우, 유동이 완전히 멈추는 것을 방지하기 위하여 유체를 둘러싼 네 면 중 적어도 1면 이상에서 평면을 유지하여야 모세관 유동을 지속시킬 수 있다. 한편, 일반적으로 유동지연부(13, 13a)의 구간 길이는 유동지연부(13, 13a)의 폭 보다 짧아야 유동을 지속시킬 수 있으므로 일반적으로 유동지연부(13, 13a)의 구간 길이가 폭보다 짧게 구성된다. 또한 유입부(11, 11a)의 제1단면, 유동지연부(13, 13a)의 제2단면, 유동회복부(15, 15a)의 제3단면은 각 구간 길이에서 각 단면적이 점차 변하도록 구성할 수도 있으나 본 실시예들에서는 각 구간 길이에서 각각 일정하게 유지되도록 구성되어 있다. 그리고, 유입부(11, 11a)의 길이방향의 벽부와 유동지연부(13, 13a)의 길이방향의 가로방향의 벽부가 이루는 각도는 90도로 구성되며, 제1실시예에서 제2단면은 제1단면과 높이는 같으나 제2단면의 폭이 제1단면의 폭보다 대략 3배정도 더 크고, 제2실시예에서는 제2단면이 제1단면과 폭은 같으나 제2단면의 높이가 제1단면의 높이보다 2배 더 크되 제2단면 및 제1단면의 상면은 동일 평면에 있도록 구성되어 있다.

특히, 도 4b의 1차 길이를 변화시킨 벽면 굴곡의 경우, 한 면에만 굴곡을 주고 나머지 세 면에 평면을 유지하였으나 벽면이 충분히 친수성을 확보하여야 지속적인 모세관 유동을 보장할 수 있다. 따라서 지속적인 모세관 유동을 보장하기 위해서는 도 4a와 같이 2차 길이만 변화시켜서 벽면 굴곡을 만들고 1차 길이는 유지하여 유동지연부를 제작하는 것이 필요하다. 각 영역의 크기를 조절하면 유동 지연 효과를 제어할 수 있는데, 지연경계영역(12, 12a)이 오래 지속되는 경우 유동 통과 단면적 증가의 영향으로 인하여 유동 지연 효과가 증가하게 된다. 따라서 벽면 굴곡을 형성할 때 벽면이 벌어지는 구간의 길이를 작게 하는 대신 굴곡을 주기적으로 형성시켜서 유동 지연 효과의 반복적으로 발생시키는 것이 유리하다. 즉, 유동 지연 모델의 설계 시 벽면에 큰 굴곡을 부여하는 것보다 작은 굴곡을 반복적으로 만들고 전체 굴곡의 수로 유동 지연의 정량적 효과를 만들어야 한다.

도 4c는 본 발명의 제3실예에 따른 미세 유체 소자의 간략도로서, 본 발명의 제3실시예에 따른 미세 유체 소자는 유동 지연 모델 2개가 연속적으로 연결된 것으로서, 제1실시예에 대응되는 구성요소에는 'b'가 부가되어 지시된다. 따라서 유입부유입부(11b)에서 공급된 모세관 유동은 제1 유동 지연 모델(16)에 의해 유동이 지연된 후, 다시 제2 유동 지연 모델(17)에 의해 유동이 지연된다. 이 때, 제1 유동 지연 모델(16)의 유동회복부(15b)는 제2 유동 지연 모델(17)의 유입부가 된다. 이와 같이 유동 지연 모델(16, 17)을 연속적으로 연결함으로써 연결된 유동 지연 모델의 개수로 유동 지연 효과를 조절한다.

도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 또 다른 실시 예들에 따른 미세 유체 소자의 다양한 형상 단면을 도시한 도면들이다. 사각형의 미세 유로에 대하여 지연경계영역, 유동지연부 및 회복경계영역의 형상과 치수를 변화시킴으로써 유동 지연 효과를 조절한다. 도 5a의 유동 지연 모델은 전술한 제1실시예 내지 제3실시예의 도 4a 내지 도 4c와 같이 유입부의 양 벽면에 지연경계영역이 수직으로 연결된 경우이며, 유동지연부의 형상은 사각형이다. 반면에 도 5b의 유동 지연 모델은 유입부의 한 쪽 벽면에 지연경계영역이 수직으로 연결되어 있어서 유입부로 공급된 모세관 유동이 지연경계영역에서는 지연되지만, 맞은 편의 벽면으로는 유동의 흐름을 방해하지 않게 되어, 도 5a의 유동 지연 모델에 비해 지연 효과가 낮다. 도 5c의 유동 지연 모델은 유입부의 한 쪽 벽면에 지연경계영역이 연결되어 있으며, 유입부와 지연경계영역이 이루는 각도가 예각인 경우로 유동 지연 모델의 형상은 사다리꼴이다. 유입부와 지연경계영역이 이루는 각도가 예각이기 때문에, 도 5b의 유동 지연 모델에 비해 지연 효과가 뛰어나다. 도 5d 내지 도 5f의 유동 지연 모델은 도 5a 내지 도 5c의 유동 지연 모델에서 유동지연부의 폭이 좁은 경우이다. 즉, 유동지연부의 확장된 단면적이 도 5a 내지 도 5c 보다 감소한 경우로, 도 5a 내지 도 5c의 유동 지연 모델과 각각 비교했을 때, 확장된 단면적이 감소한 도 5d 내지 도 5f의 유동 지연 모델의 유동 지연 효과가 낮다.

도 6은 음각으로 형성된 패턴이 포함된 제1 플레이트를 평평한 제2 플레이트에 접합하여 제작한 도 5(a)의 유동 지연 모델에 대한 실시예이다. 좀 더 자세하게는, 유동 지연 모델과 대응되는 형상을 포함하는 양각의 주형판을 제작한 후, PDMS(polydimethylsiloxane)을 주형판에 캐스팅하여 음각의 패턴이 포함된 제1 플레이트를 제작한다. 제작된 제1 플레이트에 외부에서 유체를 주입할 수 있는 입구와 외부로 유체가 배출될 수 있는 출구를 위한 구멍을 뚫는다. 제1 플레이트와 PMMA(polymethylmethacrylate)로 이루어진 제2 플레이트의 표면을 처리하여 친수성을 조절한 후, 제2 플레이트와 제1 플레이트를 접합한다. 표면 처리 이후, 제1 플레이트는 물의 접촉각이 56˚이고, PMMA로 이루어진 제 2 플레이트의 물의 접촉각은 75˚이다.

초 순수 물에 Procion Red MX-5B(Aldrich Chemical Company, Inc.) 발색단을 용해시켜서 제작된 유동 지연 모델에 공급한다. 전술한 바와 같이 유동 지연 모델 에 공급된 유체는 각각의 유동 지연 모델을 통과하면서 지연 효과를 발생한다. 도 6과 같이 유동 지연 모델의 유입부를 지나 지연경계영역에 도달한 유체는 유속이 현저히 감소한다(도 6. 시작). 유체는 지연경계영역을 통과하는 동안 지연 효과를 유지 하다가(도 6. 1분 40초, 2분 7.57초) 회복경계영역(14, 14a)을 접하면서 지연 효과를 상실하고 유입부에서의 유동으로 회복된다(도 6. 2분 7.60초, 2분 7.63초). 이 때, 회복경계영역(14, 14a)을 지나 유동회복부로 이송된 유체를 보면 도 6의 2분 7.63초에서 2분 13초로 시간이 0.5초 걸렸다. 이를 유동지연부에서의 지연 시간, 2분 7.57초와 비교하면 유동지연부의 효과를 확인할 수 있다.

도 6의 유동 지연 모델에서는 유체가 유동지연부를 통과하지 않고 회복경계영역으로 이동하여, 굴곡 내에 공기가 포획되었다. 일반적으로는 포획된 공기가 유동에 영향을 주지 않지만, 도 5(d)와 같은 유동 지연 모델의 경우 공기는 포획되지 않는다.

본 발명의 또 하나의 주요 목적은 특정 영역에서 모세관 유동의 유속을 증가시키는 유동 가속 모델을 제공하는 것이다. 수학식 2에서 알 수 있듯이, 모세관 유동 속도는 유동이 진행됨에 따라 계면의 위치(a)가 증가한다. 따라서 ΔP가 고정된 경우, 계면의 이동 속도는 시간에 따라 감소하며 이를 다시 가속시킬 방법은 a가 증가하는 만큼 ΔP를 증가시키는 방법밖에는 없으나 이를 구현하는 방법은 매우 제한적이다. 하지만, 진단 장치의 유로 설계에서 계면의 이동 속도가 아닌 유로 내부 특정 위치의 속도를 가속시키는 것이 필요한 경우, 본 발명에서 개발한 유동 가속 모델은 강력한 효과를 발휘하게 된다. 본 발명에서 활용한 유동 관계식은 유체 통 과 단면이 다른 두 개의 유로가 연결된 경우에 대한 다음의 질량 보존식이다.

-------------- (수학식 5)

수학식 5에서 V₁은 가속시키고자 하는 영역(D₁)의 속도이며 V₂는 계면이 위치하는 영역(D₂)의 유동 속도에 해당한다. 수학식 5에서, V₁을 증가시키는 방법은 V ₂를 증가시키거나 모세관 1차 길이의 비(b₂/b₁) 혹은 2차 길이의 비(c₂ /c₁)를 증가시키는 것임을 알 수 있다. 이때 V₂는 수학식 2의 지배를 받는 변수이므로 이를 증가시키는 것은 매우 제한적이지만, 모세관 1차 혹은 2차 길이의 비는 상대적으로 매우 자유롭게 변화시킬 수 있다. 본 발명의 유동 가속 모델 설계의 특징은 V₁에 대한 b₂/b₁ 혹은 c₂/c₁의 영향을 집중적으로 이용하였다는 것이다.

도 7a는 모세관 1차 길이는 일정하게 유지하고 2차 길이의 비를 증가시킨 경우의 유동 가속 모델의 개략도이다. 모세관 1차 길이를 일정하게 유지한 이유는 계면의 위치가 2차 길이 증가 영역으로 이동하는 순간에 계면이 경험하는 유동 지연 효과를 최소화하기 위한 것이다. 이때 유의해야 할 것은 c₂/c₁의 증가로 인하여 계면에서의 모세관 압력이 감소하며 이는 유속 감소 효과를 유발한다는 것이다. 본 발명에서는 이에 대한 대비책으로 계면이 위치한 영역에 내부 벽을 삽입한 유동 가속 모델을 설계하였고 이를 도 7b에 예시하였다. 이때, 도 7b에서 삽입된 내부 벽의 개수의 증가는 ΔP 증가 효과로 유속을 증가시키지만, 어느 이상의 개수로 삽입 된 내부 벽은 벽면 저항력을 증가시키므로 유속을 감소시킨다. 다시 말하면, 삽입하는 내부 벽의 두께 별로 V₁을 최대화 할 수 있는 최적의 벽 개수가 존재한다. 이때 수학식 5를 이용하면 삽입하는 벽의 두께에 따라 벽의 최적 개수를 이론적으로 예측할 수 있다.

도 8a에서 a₁=2000μm, 2b₁=50μm, 2c₁=200μm, 2b₂=50μm, 2c₂=2000μm, Υ=0.07N/m, θ=π/3인 경우의 압력 분포의 시간에 따른 변화를 나타내었다. 즉 단순 직선 유로에 대한 도 2의 계산 조건이 a₁=2000μm까지 유지되다가 모세관 2차 길이 방향으로 10배 길이 증가한 조건에 해당한다. 도 8a에서 유체 통과 단면적이 작은 영역(D₁)에서 압력은 급격하게 변하며 단면적이 큰 영역(D₂)에서 완만한 기울기를 가지며 변하는 것을 확인할 수 있다. 두 영역(D₁, D₂)의 압력 변화 기울기의 비는 유체 통과 단면적 비와 저항력 항의 비에 반비례한다. 도 8a의 계산 조건은 저항력 항의 변화는 상대적으로 적은 경우에 해당하므로 압력 변화 기울기의 비는 대략 10:1로 주어진다. 두 영역의 속도 비는 면적 비에 반비례하므로 단면적이 작은 영역(D₁)의 속도는 단면적이 큰 영역(D₂)의 속도의 10배를 유지한다. 도 2의 결과와 비교하면 도 8a의 조건에서 유체 통과 단면적의 확대로 인하여 계면 압력의 크기가 작아지고 D₂에서 압력 변화 기울기는 완만해졌으나 오히려 D₁에서는 압력 변화 기울기가 급격하게 증가하였음을 확인할 수 있다.

도 8b는 영역 별 속도의 시간에 따른 변화 결과이다. 그림에서 점선 부분은 유체 통과 단면적의 변화가 없는 도 2의 조건에 대한 계산 결과이고 실선 부분은 단면적 10배 확대한 도 8a의 조건에 대한 결과이다. 따라서 단면적 확대는 계면의 이동 속도(V₂)를 감소시키지만, D₁에서의 속도(V₁)는 상대적으로 큰 값으로 유지시키는 효과를 만들어 냄을 알 수 있다. 즉 모세관 유동에서 유동 통과 단면적 확대 효과는 작은 단면적 영역 속도의 감소를 억제하는 것이라고 할 수 있다.

도 8c는 유동 가속 모델의 내부에 벽을 삽입하여 계면 압력의 크기를 증가시킨 경우에 대한 D₁ 영역 속도의 시간에 따른 변화 결과를 도시한 그래프이다. 계산 조건은 도 8a의 경우와 동일하며 D₂ 영역에 10μm두께의 내부 벽면이 n개 삽입되었다. 도 8c에서 내부 벽의 삽입은 계면 발생 압력의 크기를 증가시키고 D₁ 영역의 속도(V₁)를 증가시킴을 확인할 수 있다. 내부 벽을 과도하게 삽입하는 경우, 벽면의 저항력이 증가하므로 모세관 유동 속도가 감소한다. 도 8c에서 볼 수 있듯이, 내부 벽 20개 삽입은 모든 시간 구간의 속도를 증가시키지만, 내부 벽 40개 삽입의 경우 유동 가속 모델에 계면이 진입한 초기 속도는 증가하지만 내부 벽면 저항력 증가로 인하여 속도는 급격하게 다시 감소하여 t=1[s]에서의 속도는 내부 벽이 없는 경우보다 더 작은 값을 가진다.

본 발명에서는 사용한 수식 모델을 사용하면 주어진 조건에서 삽입할 내부 벽 개수의 최적 값을 계산할 수 있으며 이에 대한 결과를 도 8d에 나타내었다. 사용된 계산 조건은 도 8c의 경우와 동일하며 t=1[s]의 결과에 해당한다. 도 8d에서 내부 벽면 두께 별로 V₁을 최대화 할 수 있는 최적의 벽면 개수가 존재하며, 삽입된 벽면의 두께가 얇을수록 유속 증가 효과는 커짐을 확인할 수 있다. 본 발명의 이론 해석 결과로부터 가능한 얇은 두께를 가지는 내부 벽의 삽입은 계면 압력 발생량을 증가시킴과 동시에 내부 저항력을 최소화하므로 유동 가속에 가장 효과적임을 알 수 있다. 단, 제작 방법에 따라 얇은 두께의 벽 제작이 제한적이므로 본 발명에서는 실제 미세 유로 제작의 용이성 등을 함께 고려하여 유동 가속 모델을 설계하였다.

도 9a는 본 발명의 제1실시예에 따른 유동 가속 모델의 미세 유체 소자의 개략도로서, 이에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유동 가속 모듈의 미세 유체 소자(20)는, 미세 유체가 유동하는 제1단면을 갖는 유입부(21)와, 유입부(21)로부터 배출되는 미세유체가 유입되며 제1단면으로부터 제1단면의 면적보다 큰 면적을 갖는 제2단면까지 소정 길이를 가지고 점차 확장되는 단면확장부(22)와, 제2단면과 실질적으로 동일한 단면을 가지며 내부에 미세 유체가 유동하는 길이 방향의 가로로 소정 간격을 두고 길이 방향을 따라 정렬되어 내부에 복수의 유로를 형성하는 적어도 하나의 가속벽(24)을 갖는 유동가속부(23)를 구비한다.

여기서, 단면확장부(22)의 미세 액체가 복수의 유로로 분리되어 유동하도록 가속벽(24)의 단면확장부(22) 측 선단부(25)는 뾰족한 형상을 가지며, 모세관 힘을 증가시키기 위한 가속벽(24)은 유동가속부(23)의 길이방향으로 길게 형성된 박판이다. 그리고 가속벽(24)에 의하여 유동가속부(23)는 적어도 둘 이상의 가속유로(26) 를 형성하게 된다. 한편, 유동가속부(23)의 유로의 표면을 친수성 처리할 수 있다.

이러한 구성으로 유입부(21)로 공급된 모세관 유동은 단면확장부(22)를 통해 복수의 가속유로(26)로 이송된다. 하나의 가속 유로는 단면적이 작기 때문에 모세관 힘이 크며, 다수의 가속 유로를 배열함으로써 전체 유동이 이동하는 단면적은 증가하면서 또한 모세관 힘이 증대된다. 따라서 단면확장부(22)에서 가속유로(26)로 이송된 유동은 가속유로(26)가 없는 경우에 비해서 유속이 증대되며, 이는 유입부(21)의 유속을 현저히 증가시킨다.

한편, 모세관 유동에 대한 저항력을 최소화하기 위하여 삽입된 가속벽(24)의 두께는 얇을수록 좋으며, 단면확장부(22)와 가속유로(26)가 연결되는 지점에서의 벽의 선단부(25)는 뾰족한 삼각형 형상을 유지하는 것이 효과적이다. 또한 모세관 유동에 저항을 주지 않기 위하여 유입부(21)와 단면확장부(22)가 연결되는 지점, 단면확장부(22)와 가속유로(26)가 연결되는 지점은 곡선으로 제작한다.

도 9b와 도 9c는 모세관 힘을 증가시키기 위해 다양한 형상의 구조물을 포함한 본 발명의 제2실시예 및 제3실시예에 따른 유동 가속 모델의 개략도이다. 도 9a의 제1실시예에 대응되는 구성요소에는 각각 'a' 및 'b'가 부가되어 지시되는데, 이들 도면에 도시된 바와 같이, 도 9a의 가속벽(24)을 대신하여 원형이나 사각형 등의 다양한 구조물을 삽입함으로써 유동 가속 모델의 모세관 힘을 증가시킨다. 이 때 구조물은 유로의 바닥면에서 윗면까지 연결되는 기둥 형태이거나 유로의 바닥면에서 윗면 사이의 높이까지 적절한 높이를 선택하여 제작될 수 있다.

도 10은 본 발명에 따른 유동 지연 모델과 유동 가속 모델을 응용한 본 발명 의 제1실시예에 따른 진단 및 분석 장치의 개략도로서, 본 발명의 제1실시예에 따른 진단 및 분석 장치(1)는 외부에서 진단하고자 하는 시료가 공급되는 시료도입부(101)와, 반응부(102)와, 유동 지연 모델(110)과, 검출부(103)와, 유동 가속 모델(120)을 구비한다.

반응부(102)에는 검출 항체(detection antibody)와 형광 발색단(fluorescent dye)의 결합체가 미리 포함되며, 검출부(103)에는 고정 항체(capture antibody)가 미리 표면에 고정된다. 진단 및 분석 장치(1)의 시료도입부를 통해 공급된 시료는 미세 유로를 통해 반응부(102)로 이송된다. 반응부(102)에서는 시료 내의 항원(antigen)이 검출 항체 및 형광 발색단의 결합체와 반응하여, 항원-항체-형광 발색단 결합체를 구성한다. 이 때 반응 시간을 확보하기 위하여 유동 지연 모델(110, 111)이 도입되며, 유동 지연 모델(110, 111)의 설계에 따라 반응부(102)에서의 반응 시간을 조절할 수 있다. 반응부(102)에 미리 포함된 검출 항체-형광 발색단 결합체는 이 장치에 고정된 것이 아니기 때문에 반응부(102)에서의 항원-항체-형광 발색단 결합체는 미세 유로를 통해 검출부(103)로 이송된다. 검출부(103)에는 고정 항체가 표면에 고정되어 있어서, 항원-항체-형광 발색단 결합체가 검출부(103)의 고정 항체와 반응하여 검출부(103)에 고정된다. 이 때 유동 지연 모델(110, 111)을 이용하여 검출부(103)의 반응 시간을 조절한다. 검출부(103)에서의 반응이 완료된 후, 시료는 유동 가속 모델(120)로 이동한다. 유동 가속 모델(120)의 작용으로 유동 가속 모델(120) 이전의 미세 유로에 있는 시료는 유속이 증가하며, 이를 통해, 검출부(103)에 존재하는 불필요한 물질이나 비특이적으로 결합된 항원-항체-형광 발색단 결합체가 제거된다.

본 발명의 또 다른 목적은 전술한 유동 지연 기술을 이용하여, 극소량의 유체를 다수의 미세 유체 소자로 균일하게 분기시키는 유동 분기 모델을 제공하는 것이다. 상술한 바와 같이 미세 유로에 굴곡을 삽입하여 모세관 유동을 정량적으로 지연시킬 수 있다. 따라서 하나의 유체를 다수의 미세 유로로 분기할 때, 유체가 공급된 지점으로부터 가까울수록 미세 유로로 분기되는 유동의 지연 시간을 길게 하면 각각의 미세 유로로 분기되는 유동을 균일하게 조절할 수 있다.

도 11은 유동 지연 모델을 이용한 유동 분기 모델을 구비한 본 발명의 제2실시예에 따른 진단 및 분석 장치(1a)의 개략도로서, 이에 도시된 바와 같이, 미세 유체가 유동하는 미세 유로를 갖는 미세 유체 소자를 구비한 진단 및 분석 장치(1a)는, 미세 유체가 유동하는 주유로(30)와, 주유로(30)와 연결되어 주유로(30)부터 유입되는 미세 유체를 다수의 미세 유체 소자로 분기하는 다수의 분기조절로(40)를 구비한다. 여기서 각 분기조절로(40)는, 주유로(30)에 연결되며 주유로(30)의 단면적보다 더 작은 단면적의 제1단면을 갖는 부유로(41)와, 부유로(41)에 연결되어 부유로(41)로부터 배출되는 미세 유체가 유입되며 미세 유체가 모세관 힘에 의한 유동 시에 부유로(41)에서 보다 계면의 곡률이 감소하여 유동 속도가 감소하도록 제1단면의 면적보다 더 큰 면적을 갖는 제2단면을 가지며 미세 유체가 유동하는 방향으로 소정 구간 길이를 갖는 유동지연부(42)와, 유동지연부(42)로부터 배출되는 미세유체가 유입되며 유동지연부(42)의 제2단면보다 단면적이 더 작은 제3단면을 갖는 유동회복부(43)를 구비한다.

이러한 구성에 의하여, 다른 미세 유체 소자나 외부로부터 유입부(31)를 통해 공급된 유체는 주유로(30)로 이송된다. 주유로(30)로 이송된 유체는 주유로(30)에 연결된 각각의 분기조절로(40)로 순차적으로 분기되고, 유동 지연 모델에 기초하여 구성된 분기조절로(40)를 통하여 미세 유체 소자로 유체가 이송된다. 이 때, 분기조절로(40)는 유입부(31)에서 멀어질수록 지연 효과가 크기 때문에, 주유로(30)를 통해 유체가 배출부(32)에 도달했을 때, 각각의 부유로(41)에 공급된 유체는 미세 유체 소자로 이송되기 전의 동일한 위치에 놓이게 된다. 따라서, 본 유동 분기 모델을 사용하여 유입부(31)에서 유입된 하나의 유체를 다수의 미세 유로로 균일하게 분기한다. 즉 본 실시예에서는 주유로(30) 내를 유동하는 미세 유체가 각 미세 유체 소자에 대략 동시에 도달하도록 주유로(30) 내의 미세 유체의 유동 방향의 상류에 있는 분기조절로의 개수가 미세 유체의 유동 방향의 하류에 있는 분기조절로의 개수보다 더 많게 구성되어 있다. 그러나 주유로(30) 내를 유동하는 미세 유체가 각 미세 유체 소자에 대략 동시에 도달하도록, 주유로(30) 내의 미세 유체의 유동 방향의 상류에 있는 부유로(41)의 단면적이 미세 유체의 유동 방향의 하류에 있는 부유로(41)의 단면적보다 더 크게 구성할 수도 있음은 물론이며, 또한 주유로(30) 내의 미세 유체의 유동 방향의 상류에 있는 부유로(41)의 소정 구간 길이가 미세 유체의 유동 방향의 하류에 있는 부유로(41)의 소정 구간 길이보다 더 길게 구성할 수도 있음은 당연하다. 또한 주유로(30) 내를 유동하는 미세 유체가 진행함에 따라 모세관 힘이 증가되어 각 미세 유체 소자에 대략 동시에 도달하도록 주유로(30) 내에는 길이 방향을 따라 배치되는 적어도 하나의 가속벽이 설치할 수 도 있음은 물론이다.

도 12는 본 발명의 유동 지연 모델, 유동 가속 모델 및 유동 분기 모델을 이용한 본 발명의 제3실시예에 따른 다중 진단 및 분석 장치의 개략도로서, 본 발명의 제3실시예에 따른 진단 및 분석 장치(1b)는, 시료가 공급되는 시료도입부(301)와, 주유로(330)와, 주유로(330)에 연결된 부유로(341)와, 미세 유체 소자에 해당하는 진단유닛(310)과, 미세 유체 소자와 연결된 배출 미세 유로(50)와, 부유로(341)와 진단유닛(310) 사이에 위치하는 유동 지연 모델(310), 배출 미세 유로(50)와 연결되어 배출 미세 유로(50)의 말단에서 미세 유체를 정지시키는 유동정지로(60)와, 각 유동정지로(60)에 연결되어 각 미세 유체 소자 내부에 존재하는 공기를 배출 미세 유로(50)를 통하여 외부로 배출하는 배출관로(70)를 구비한다.

여기서 진단유닛(310)에 해당하는 각 미세 유체 소자는, 유동 가속 모델을 구비할 수 있다. 즉 부유로(341)로부터 배출되는 미세 유체가 유동하는 제4단면을 갖는 유입로와, 유입로로부터 배출되는 미세 유체가 유입되며 상기 제4단면으로부터 상기 제4단면의 면적보다 큰 면적을 갖는 제5단면까지 소정 구간 길이를 가지고 점차 확장되는 단면확장부와, 제5단면과 실질적으로 동일한 단면을 가지며 내부에 미세 유체가 유동하는 길이 방향의 가로로 소정 간격을 두고 길이 방향을 따라 정렬되어 내부에 복수의 유로를 형성하는 적어도 하나의 가속벽을 갖는 유동가속부를 포함하도록 구성될 수 있다.

이러한 구성으로, 시료도입부(301)를 통해 공급된 시료는 주유로(330))로 이송된다. 주유로(330)로 이송된 시료는 부유로(341)를 통해 각각의 미세 유체 소자 인 진단유닛(310)으로 공급된다. 유동 지연 모델(310)에서 연장된 미세 유로는 진단유닛(310)의 입구에 연결되어 있고, 진단유닛(310)의 출구(343)는 배출 미세 유로(50)에 연결되어 있다. 이 때, 주유로(330)로 이송된 시료가 주유로(330)의 말단(332)에 도달하면, 각각의 부유로(341)에 이송된 시료들이 동일한 위치에 놓이게 되어 다수의 진단유닛(310)으로 균일하게 공급된다. 한편, 진단유닛(310) 내부에 존재하는 공기가 배출될 수 있도록 배출 미세 유로(50)에는 배출관로(70)가 연결되어 공기배출구(71)를 통해 외부로 공기가 빠져나간다. 이 때, 진단유닛(310)의 시료가 배출관로(70)로 유입되는 것을 막기 위하여, 배출 미세 유로(50)와 배출관로(70) 사이에 유동정지로(60)를 삽입한다. 배출 미세 유로(50)의 폭이 좁고 유동정지로(60)에서 단면적이 급격하게 확장되기 때문에 시료는 유동정지로(60)에서 정지하게 된다.

한편, 복수의 진단유닛(310)들이 서로 다른 미세 유체 소자로 대체되어 하나의 유체로부터 다양한 기능, 예를 들면, 면역 반응, 중합 효소 연쇄 반응(PCR) 및 DNA 혼성화 반응 등을 동시에 수행할 수 있는 다중 미세 유체 소자 구현이 가능하다.

본 발명에서 제작되는 미세 유로는 음각의 패턴을 포함한 플레이트를 평평하거나 양각 또는 음각이 포함된 플레이트로 덮어 형성하게 된다. 이 플레이트는 폴리머, 금속, 실리콘, 유리, PCB(Printed Circuit Board) 등의 다양한 소재가 가능하며, 바람직하게는 폴리머 물질을 구비한다. 예를 들면 PMMA(polymethylmethacrylate), PC(polycarbonate), COC(cycloolefin copolymer), PDMS(polydimethylsiloxane), PA(polyamide), PE(polyethylene), PP(polypropylene), PPE(polyphenylene ether), PS(polystyrene), POM(polyoxymethylene), PEEK(polyetherketone), PTFE(polytetrafluoroethylene), PVC(polyvinylchloride), PVDF(polyvinylidene fluoride), PBT(polybutyleneterephthalate), FEP(fluorinated ethylenepropylene)과 같은 플라스틱을 말한다. 이와 같은 물질들은 사출 성형, 핫 엠보싱 또는 캐스팅과 같은 주형 성형에 많이 이용되고 있다. 특히, 이와 같은 물질은 일반적으로 불활성 물질이면서 제작의 용이성, 저렴한 비용 및 일회성에 기인하여 위 미세 유로에 바람직하다.

본 발명에 따라 미세 유로를 제작하는 방법은 미세 유로와 대응되는 형상의 양각으로 형성된 주형판을 제작하고, 주형판 위에 음각의 플레이트를 본뜬 후, 각각의 플레이트와 제2 플레이트의 표면의 친수성을 조절하며, 음각의 플레이트를 제2 플레이트에 접합하게 된다.

전술한 실시 예들에서는, 유동가속부에 가속벽이 설치된 것에 대하여 상술하였으나, 유동가속부의 단면적을 유입부보다 확장함으로써 유입부의 유속의 증가를 충분히 유도할 수 있다면 유동가속부에 가속벽을 설치하지 않을 수 있음은 당연하다.

또한 전술한 실시 예들에서는 미세 유체 소자의 단면적 형상이 사각형인 것에 대하여 상술하였으나, 이는 예시적인 것으로서 미세 유체 소자의 단면적 형상은 원형 등 다양한 형상일 수 있음은 물론이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 모세관 힘에 의한 자연적인 유동에서 유로의 형상 설계를 통하여 추가적인 조작 및 에너지가 필요 없이 극소량의 유체 흐름을 정량적으로 조절할 수 있을 뿐만 아니라 또한 제작이 용이하고 사용이 단순하도록 한 미세 유체 소자 및 이를 구비한 진단 및 분석 장치가 제공된다.

Claims (22)

1. 미세 유체가 유동하는 미세 유로를 갖는 미세 유체 소자에 있어서,

   상기 미세 유체가 유동하는 제1단면을 갖는 소정 구간 길이의 유입부;

   상기 유입부에 인접하게 배치되어 상기 유입부로부터 배출되는 미세 유체가 유입되며, 상기 미세 유체가 모세관 힘에 의한 유동 시에 상기 유입부에서 보다 계면의 곡률이 감소하여 유동 속도가 감소하도록 상기 제1단면의 면적보다 더 큰 면적을 갖는 제2단면을 가지며 상기 미세 유체가 유동하는 방향으로 소정 구간 길이를 갖는 유동지연부; 및

   상기 유동지연부에 인접하게 배치되어 상기 유동지연부로부터 배출되는 미세유체가 유입되며, 상기 유동지연부의 제2단면보다 단면적이 더 작은 제3단면을 갖는 소정 구간 길이의 유동회복부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 유동지연부의 상기 소정 구간 길이는 상기 유동지연부의 폭 보다 짧은 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
3. 제1항에 있어서,

   상기 유입부의 제1단면, 상기 유동지연부의 제2단면, 그리고 상기 유동회복부의 제3단면은 각 구간 길이에서 각 단면적이 각각 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
4. 제1항에 있어서,

   상기 유입부의 상기 길이방향의 벽부와 상기 유동지연부의 길이방향의 가로방향의 벽부가 이루는 각도는 45도 이상 내지 90도 이하인 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
5. 제1항에 있어서,

   상기 제2단면은 상기 제1단면과 높이는 같으나 폭이 더 큰 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제2단면의 폭은 상기 제1단면의 폭보다 3배 더 큰 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
7. 제1항에 있어서,

   상기 제2단면은 상기 제1단면과 폭은 같으나 높이가 더 큰 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
8. 제7항에 있어서,

   상기 제2단면의 높이는 상기 제1단면의 높이보다 2배 더 크며, 상기 제2단면 및 상기 제1단면의 상면은 동일 평면에 있는 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
9. 제1항에 있어서,

   상기 제1단면과 상기 제3단면은 동일한 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자.
10. 제1항 내지 제9항에 따른 미세 유체 소자를 구비한 진단 및 분석 장치.
11. 미세 유체가 유동하는 미세 유로를 갖는 미세 유체 소자를 구비한 진단 및 분석 장치에 있어서,

    상기 미세 유체가 유동하는 주유로; 및

    상기 주유로와 연결되어 상기 주유로부터 유입되는 미세 유체를 다수의 상기 미세 유체 소자로 분기하는 다수의 분기조절로;를 포함하며,

    상기 각 분기조절로는,

    상기 주유로에 연결되며, 상기 주유로의 단면적보다 더 작은 단면적의 제1단 면을 갖는 부유로;

    상기 부유로에 연결되어 상기 부유로로부터 배출되는 미세 유체가 유입되며, 상기 미세 유체가 모세관 힘에 의한 유동 시에 상기 부유로에서 보다 계면의 곡률이 감소하여 유동 속도가 감소하도록 상기 제1단면의 면적보다 더 큰 면적을 갖는 제2단면을 가지며 상기 미세 유체가 유동하는 방향으로 소정 구간 길이를 갖는 유동지연부; 및

    상기 유동지연부로부터 배출되는 미세유체가 유입되며 상기 유동지연부의 제2단면보다 단면적이 더 작은 제3단면을 갖는 유동회복부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자를 구비한 진단 및 분석 장치.
12. 제11항에 있어서,

    상기 주유로 내를 유동하는 상기 미세 유체가 상기 각 미세 유체 소자에 대략 동시에 도달하도록 상기 주유로 내의 상기 미세 유체의 유동 방향의 상류에 있는 상기 부유로의 단면적이 상기 미세 유체의 유동 방향의 하류에 있는 상기 부유로의 단면적보다 더 큰 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자를 구비한 진단 및 분석 장치.
13. 제11항에 있어서,

    상기 주유로 내를 유동하는 상기 미세 유체가 상기 각 미세 유체 소자에 대략 동시에 도달하도록 상기 주유로 내의 상기 미세 유체의 유동 방향의 상류에 있 는 상기 분기조절로의 개수가 상기 미세 유체의 유동 방향의 하류에 있는 상기 분기조절로의 개수보다 더 많은 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자를 구비한 진단 및 분석 장치.
14. 제11항에 있어서,

    상기 주유로 내를 유동하는 상기 미세 유체가 상기 각 미세 유체 소자에 대략 동시에 도달하도록 상기 주유로 내의 상기 미세 유체의 유동 방향의 상류에 있는 상기 부유로의 소정 구간 길이가 상기 미세 유체의 유동 방향의 하류에 있는 상기 부유로의 소정 구간 길이보다 더 긴 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자를 구비한 진단 및 분석 장치.
15. 제11항에 있어서,

    상기 주유로 내를 유동하는 상기 미세 유체가 진행함에 따라 모세관 힘이 증가되어 상기 각 미세 유체 소자에 대략 동시에 도달하도록 상기 주유로 내에는 길이 방향을 따라 배치되는 적어도 하나의 가속벽이 설치되는 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자를 구비한 진단 및 분석 장치.
16. 제11항에 있어서,

    상기 미세 유체 소자와 연결된 배출 미세 유로와, 상기 배출 미세 유로와 연결되어 상기 배출 미세 유로의 말단에서 상기 미세 유체를 정지시키는 유동정지로 와, 상기 각 유동정지로에 연결되어 상기 각 미세 유체 소자 내부에 존재하는 공기를 상기 배출 미세 유로를 통하여 외부로 배출하는 배출관로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자를 구비한 진단 및 분석 장치.
17. 제11항에 있어서,

    상기 각 미세 유체 소자는,

    상기 부유로로부터 배출되는 미세 유체가 유동하는 제4단면을 갖는 유입로;

    상기 유입로로부터 배출되는 미세 유체가 유입되며, 상기 제4단면으로부터 상기 제4단면의 면적보다 큰 면적을 갖는 제5단면까지 소정 구간 길이를 가지고 점차 확장되는 단면확장부; 및

    상기 제5단면과 실질적으로 동일한 단면을 갖는 유동가속부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자를 구비한 진단 및 분석 장치.
18. 제17항에 있어서,

    상기 유동가속부는, 내부에 상기 미세 유체가 유동하는 길이 방향의 가로로 소정 간격을 두고 상기 길이 방향을 따라 정렬되어 내부에 복수의 유로를 형성하는 적어도 하나의 가속벽을 갖는 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자를 구비한 진단 및 분석 장치.
19. 제18항에 있어서,

    상기 단면확장부로부터 상기 유동가속부로 유입되는 상기 미세 액체가 상기 복수의 유로로 분리되어 유동하도록 상기 가속벽의 상기 단면확장부 측 단부가 뾰족한 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자를 구비한 진단 및 분석 장치.
20. 제18항에 있어서,

    상기 가속벽은 상기 유동가속부의 길이방향으로 길게 형성된 박판인 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자를 구비한 진단 및 분석 장치.
21. 제17항에 있어서,

    상기 유동가속부의 유로의 표면은 친수성 처리된 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자를 구비한 진단 및 분석 장치.
22. 제17항에 있어서,

    상기 유입로는, 상기 부유로로부터 유입된 미세 유체가 내부에 존재하는 고정 항체와 반응하는 검출부와 연결된 유로인 것을 특징으로 하는 미세 유체 소자를 구비한 진단 및 분석 장치.

Images