<학술논문> DOI:10.3795/KSME-A.2009.33.6.568
서로 다른 임계압력을 가지는 디지털 밸브가 설치된 제어라인을 이용한 3 진 유체분배기
이 동 우* · 조 영 호†
(2008 년 7 월 15 일 접수, 2009 년 4 월 16 일 수정, 2009 년 5 월 25 일 심사완료)
A Ternary Microfluidic Multiplexer using
Control Lines with Digital Valves of Different Threshold Pressures Dong Woo Lee and Young-Ho Cho
Key Words : Microfluidic Multiplexer(유체분배기), Pressure Valve of Different Threshold(임계압력이 다른 압력벨브), Ternary Multiplexer(3 진 분배기), Digital Valve(디지털 밸브)
Abstract
We present a ternary microfluidic multiplexer unit, capable to address three flow channels using a pair of control lines with two different threshold pressure valves. The previous binary multiplexer unit addresses only two flow channels using a pair of control line with identical threshold pressure valves, thus addressing 2n/2 flow channels using n control lines. The present ternary multiplexer addressing three flow channels using a pair of control lines, however, is capable to address 3n/2 flow channels using n control lines with two different threshold pressure valves. In the experimental study, we characterized the threshold pressure and the response time of the valves used in the ternary multiplexer. From the experimental observation, we also verified that the present ternary multiplexer unit could be operated by two equivalent valve operating conditions: the different static pressures and dynamic pressures at different duty ratio. And then, 3 × 3 well array stacking ternary multiplexers in serial is addressed in cross and plus patterns, thus demonstrating the individual flow channel addressing capability of the ternary multiplexer. Thus, the present ternary multiplexer reduces the number of control lines for addressing flow channels, achieving the high well control efficiency required for simple and compact microfluidic systems.
기호설명
n : 제어라인의 수
N : 유체유로의 수
C1, 2, 3, 4 : 제어라인
F1~9 : 유체유로
1. 서 론
질병 진단이나 생화학 실험에서는 다량의 시료를 고속 처리하는 고속처리기술(HTS: High Throug hput Screening)이 중요하다. 이를 위해서는 마이크로 칩 상에서 특정유체를 원하는 곳으로 분배하는 유체분 배기(Fluidic Multiplexer)에 대한 연구(1~3)가 필수적이 다. 유체분배기의 핵심성능은 최소한의 제어라인 (Control Line)을 이용하여 다수의 유로를 제어하는 것이다. 최근, 미국 Quake 그룹에서는 임계압력이 동 일한 밸브가 설치된 제어라인 n 개로 유로를 단속하여 2n/2개의 유로를 제어할 수 있는 2 진 유체분배기(4~8)를
†책임저자, 회원, 한국과학기술원 바이오및뇌공학과 및 기계공학과, 디지털나노구동연구단
E-mail : [email protected]
TEL : (042)869-8691 FAX : (042)869-8690
* 한국과학기술원 바이오및뇌공학과, 디지털나노구동연구단
서로 다른 임계압력을 가지는 디지털 밸브가 설치된 제어라인을 이용한 3 진 유체분배기 569 제안하였다. 본 논문에서는 임계압력이 다른 두 종류
의 밸브가 설치된 제어라인 n 개로 유로를 단속하여 3n/2개의 유로를 제어할 수 있어, 기존 2 진 유체분배 기에 비해 동일 제어라인으로 더 많은 수의 유로를 제어하는 3 진 유체분배기를 제안한다.
2. 본론
2.1 이론적 원리 및 설계
2.1.1 3 진 단위 유체분배기의 원리
제안하는 3 진 유체분배기는 Fig. 1 과 같이 유체가 흐르는 유체유로 층(Fluidic Layer)과 밸브에 개폐압력 을 가해주는 제어라인이 형성된 제어유로 층(Control Layer) 그리고 이들 두 층 사이의 박막 층(Membrane Layer)으로 구성된다. 제어라인을 통해서 인가된 압 력은 제어 층과 유체 층 사이의 박막을 눌러서 유체 층에 유체가 흐르는 유체유로를 개폐하게 되는데, 제어 층과 유체 층 사이에서 형성되는 사각박막의 면적을 조절하여 임계압력이 서로 다른 2 개의 밸브 를 형성한다. 3 진 단위 유체분배기는 암계압력이 서 로 다른 밸브를 Fig. 1 과 같이 C1 과 C2 제어라인에 배열하고, 제어라인에 0kPa, 100kPa, 200kPa 의 3 가지 압력조건을 인가하여 3 개의 유로를 제어한다. 3 개의 유로의 선택조건은 Fig. 2 와 같다.
1 번 유로 선택[Fig. 2(a)]: C1 제어라인에는 압력을 인가하지 않아 밸브 A, B 를 모두 열어 F1, F2, F3 유 체유로를 모두 선택한다. C2 제어라인에 200kPa 을 인가하여 밸브 A, B 를 모두 닫아 F1 유체유로만을 선택한다. 결국, C1, C2 제어라인을 통해 공통으로 선 택된 F1 유체유로로만 유체가 흐른다.
2 번 유로 선택[Fig. 2(b)]: C1 제어라인에 100kPa 의 압력을 인가하여 밸브 A 를 닫아 F1, F2 유체 유로만 선택한다. C2 제어라인에도 100kPa 을 인가 하여 밸브 A 를 닫아 F2, F3 유체유로만을 선택한 다. 결국, C1, C2 제어라인을 통해 공통으로 선택된 F2 유체유로로만 유체가 흐른다.
3 번 유로 선택[Fig. 2(c)]: C1 제어라인에 200kPa 의 압력을 인가하여 밸브 A, B 를 모두 닫아 F3 유체유 로만 선택한다. C2 제어라인에는 압력을 인가하지 않아 밸브 A, B 를 모두 열어 F1, F2, F3 유체유로 모 두를 선택한다. 결국, C1, C2 제어라인을 통해 공통으 로 선택된 F3 유체유로로만 유체가 흐른다.
제안된 3 진 유체분배기는 임계압력이 다른 밸브 를 사용하므로 F2 유체유로의 유동저항이 F1 과 F3 유체유로의 유동저항과 다르다. 즉, 100kPa 의 압력하 에서 F2 유체유로의 유동저항은 밸브 B 가 닫히지는 않지만 변형되어 유로의 유동저항이 달라지게 된다.
이를 해결하기 위해서는 유체유로의 전체저항을 높 여서 밸브로 인한 유동저항변화를 줄어야 한다. 전 체유체유로의 저항을 높이는 방법으로는 유로의 폭
을 줄이거나 길이를 늘리는 방법이 있다. 예를 들면, 전체 유체유로를 폭 50um, 길이 6mm 으로 설계하면 전체 유체유로의 저항이 밸브 부분의 저항보다 120 배 크다. 밸브의 변형으로 유체유로의 높이가 반으 로 줄어들어 유동저항이 4 배 늘어나더라도 전체 저 항변화율은 5%정로로 줄일 수 있다.
Fig. 1 A ternary multiplexer unit for addressing three output ports using two control lines
(a) (b) (c)
Fig. 2 Flow channels addressing in the ternary multiplexer:
(a) flow channel F1 is selected when valve A and valve B in the control line C1 are closed by the pressure of 200 kPa supplied to C1; (b) flow channel F2 is selected when valves A in the control lines C1 and C2 are closed by the pressure of 100 kPa applied to C1 and C2; (c) flow channel F3 is selected when valve A and valve B in the control line C2 are closed by the pressure of 200 kPa applied to C2
Fig. 3 Combination of ternary mulitplexers with the four control lines. Threefold times more flow channels are addressed by two control lines
(a)
(b)
Fig. 4 Experiment setup: (a) for measuring threshold pressure of the valve; (b) for the control two kinds of pressure valves having different thresholds
2.1.2 3 진 유체분배기 조합 효과
3진 단위 유체분배기의 유체유로를 직렬로 연결 하여 트리구조를 만들면, 제어라인이 한 쌍 늘어 날 때 마다 제어 가능한 유로의 수는 Fig. 3에서와 같이 3배씩 늘어난다. 이러한 3진 유체분배기의 성능은 유체유로의 수가 2배씩 늘어나는 기존의 2 진 유체분배기보다 뛰어나다. 예를 들면, 제어유로 가 10개일 때, 32개의 유로를 제어하는 기존 2진 유체분배기에 비해, 제안된 3진 유체분배기는 243 개의 유로를 제어할 수 있어 효용성을 약 7.6배 증가시킬 수 있다.
2.1.3 임계압력이 다른 밸브 설계
3진 유체분배기를 구현하기 위해서는 임계압력 이 다른 밸브가 요구된다. 이론적으로 사각박막의 최대 변위를 구하는 식은 기존에 많이 연구되었다.
하지만, 사각 박막이 고체표면에 접촉하여 찌그러 지면서 변형하는 경우는 박막의 면적이 접촉면적 에 따라서 변하게 되어 일반적인 모델링이 어렵다.
따라서 본 연구에서는 240μm 에서 100μm 폭을 가지는 30μm 두께(Spin coating 조건: 3200rpm, 30 초)의 정 사각 박막이 17μm 유체유로를 닫는데 필요한 임계압력을 예비실험을 통해서 구하고 이 를 바탕으로 3진 유체분배기에 사용되는 2종의 밸 브를 설계하였다. 예비실험에서는 압력조절장치 (ARP3000-02BG, SMC)와 디지털 압력계(PSA-1,
Fig. 5 Threshold pressures of valves according to width of regular squire membrane in the valve
Autonics)를 Fig. 4(a)와 같이 설치하여 박막크기가 서 로 다른 밸브가 닫힐 때의 임계압력을 측정하였다.
Fig. 5는 밸브의 박막면적에 따른 임계압력을 실험적 으로 측정한 값이다. 이를 바탕으로 100kPa 압력에 서는 밸브 A만 닫히고, 200kPa에서는 밸브 A, B가 모 두 닫치게 하기 위해서 임계압력이 각각 68kPa, 139kPa인 150×150μm 박막의 밸브 A와 120×120μm 박막의 밸브B를 설계하였다. 설계된 밸브를 선택적 으로 제어하여 3진 유체분배를 구현하기 위해서 Fig.
4(b)와 같이 서로 다른 압력소스를 만들고 솔레노이 드 밸브(VQ110, SMC)를 이용하여 서로 다른 압력을 제어어라인에 선택적으로 인가하였다.
2.1.4 3 진 유체분배기를 적용한 3×3 Well Array 설계 및 제작
제안된 3진 유체분배기의 성능을 검증하기 위해 2 단 트리구조를 가지는 3진 유체분배기를 Fig. 6과 같 이 설계하였다. 이는 제어라인 4개로 9개의 유체유 로를 제어하여, 9개의 유체유로의 끝 단에 있는 3×3 Well Array에 유체를 선택적으로 공급할 수 있다.
F1~F9 유체유로는 Fig. 6과 같이 각각 W1~W9 well 과 연결되어 있다
3 진 유체분배기가 적용된 3×3 Well Array 는 PDMS 을 이용한 몰딩 공정으로 만든 두 개의 유로 층을 30μm 두께의 PDMS 박막과 접합하여 제작하였다.
30μm 두께의 PDMS 박막은 실리콘 wafer 위에 PDMS 를 5mL 놓고 3200rpm 으로 30 초간 스핀 코팅 하여 제작하였다. Fig. 7 은 Fig. 6 의 A-A` 단면을 기 준으로 한 공정도를 나타낸다. 압력을 전달하는 제 어유로 층은 AZ9260 PR(Photo Resist)를 이용하여 15μm 단차의 몰더를 만들고 이를 이용하여 PDMS 유로를 만들었다. 유체유로 층 또한 AZ9260 PR 로 15μm 단차의 몰더를 만들고, 박막이 휘어서 유로를 완전히 막기 위해서 단면이 사각형 모양인 몰더를 Reflowing(120℃에서 5 시간 열처리)을 통해서 원형 단면의 몰더를 만들고 이를 이용해 원형단면의
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Fig. 6 Design of the ternary multiplexer for 3 × 3 well array
Fig. 7 Fabrication process along AA’ line of Fig. 6
Fig. 8 Fabricated ternary multiplexer for 3 × 3 well array with an enlarged view of control lines and valves
PDMS 유로를 제작하였다. 마지막으로 제작된 2 개 의 유로 층을 30μm PDMS 박막과 함께 정렬하고 접 합하여 Fig. 8 과 같이 3×3 Well Array 를 제작하였다.
2.2 실험 결과
2.2.1 3 진 단위 유체 분배기
3 진 유체분배기의 성능 검증을 위해서 서로 다 른 임계압력을 가지는 밸브 A 와 B 의 임계압력과 응답속도를 측정하였다. 응답속도의 경우, 비디오 촬영을 통해 밸브가 열려있는 상태에서 닫히는 상 태까지 걸리는 시간을 측정하였으며, 이때 최소
Table 1 The measured characteristics of valve A and valve B in the ternary multiplexer unit of Fig. 2
Size (width×length)
Threshold pressure
Response time Valve A 150×150 μm 55±5 kPa 300±66 ms Valve B 120×120 μm 115±5 kPa 200±66 ms
(a)
(b)
(c)
Fig. 9 Flow channel addressing in the ternary multiplexer unit of Fig. 2: (a) addressing of the flow channel F1; (b) addressing of the flow channel F2; (c) addressing of the flow channel F3
시간단위는 초당 30 프레임으로 촬영하여 33 ms 였 다. 임계압력과 응답속도는 총 5 번을 측정하여 최 대값과 최소값을 기준으로 평균과 오차를 구하여
이 동 우 · 조 영 호 572
Fig. 10 Well addressing in the 3 × 3 well array of Fig. 6 using the true table of Table 2: (a) addressing of well W1, W3, W5, W7, and W9 in cross pattern;
(b) addressing of the well W2, W4, W5, W6, and W8 in plus pattern
Table 1 에 정리하였다. Fig. 9 는 Fig. 2 에서 제시한 3 진 단위 유체 분배기의 원리를 실험적으로 검증한 사진이다. 3 개의 유체유로의 선택에 따라 C1, C2 제 어라인에 각각 200 kPa 과 0kPa, 100kPa 과 100kPa, 그 리고 0kPa 과 200kPa 의 압력을 인가하고, 주황색의 유체가 선택된 유체유로를 통과하는 것을 관찰하여 실험적으로 3 진 유체분배기의 성능을 검증하였다.
2.2.2 3×3 Well Array
Fig. 10 은 Fig. 6 에서 설계한 3×3 Well Array 에서 2 단 트리구조를 가진 3 진 유체분배기를 사용하여 F1, F3, F5, F7, F9 번의 유체유로를 선택하여 ‘×’모양으로 Well 에 붉은색 유체를 선택적으로 채운 사진이다.
이를 통해서 제안된 3 진 유체분배기의 조합으로 소 수의 제어유로를 이용하여 다수의 유체유로에 유체 를 분배할 수 있는 기능을 실험적으로 검증하였다.
원하는 Well 에 유체를 분배하기 위해서는 Table 2 와 같이 C3, C4 제어라인으로 9 개의 유로 중에서 3 개 의 유체유로씩 그룹을 지운 F1, F2, F3 또는 F4, F5, F6 또는 F7, F8, F9 중 하나의 그룹을 선택하고, C1, C2 제어라인으로 각 그룹의 3 개 유체유로 중에 제 어하고자 하는 하나의 유체유로만을 선택한다.
3. 결 론
본 연구에서는 임계압력이 다른 두 종류의 밸 브가 설치된 제어라인 n 개로 유로를 단속하여 3n/2개의 유로를 제어할 수 있는 3 진 유체분배기 를 제안하고, 이를 3×3 Well Array 에 적용하여 실 험적으로 그 성능을 검증하였다. 제어라인 n 개를 사 용할 때, 제안된 3 진 유체 분배기는 기존의 2 진 유체 분배기에 비해 1.5 n/2 배 많은 유체유로에 유체를 선택
Table 2 The true Table of 3 × 3 well array: Pressure condition of the control lines according to selection of the flow channels
적으로 분배할 수 있어, 집적화된 시스템에서 많은 수의 유로를 극소수의 제어라인만으로 제어하여 집적 도를 높이고, 외부장비의 단순화를 꾀할 수 있어 성 능과 가격 면에서 경쟁력을 가질 수 있다.
후 기
본 연구는 과학기술부의 창의적연구진흥사업의
일환인 "생체모사기법을 응용한 디지털나노구동 기관의 구현에 관한 연구" 과제의 지원으로 수행되었습니다.
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Flow channels Control
line F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 C1 [kPa] 0 100 200 0 100 200 0 100 200 C2 [kPa] 200 100 0 200 100 0 200 100 0 C3 [kPa] 0 0 0 100 100 100 200 200 200 C4 [kPa] 200 200 200 100 100 100 0 0 0
