유리 "마이크로 유체 칩"은 수 cm 각의 유리에 폭 깊이 1mm 이하의 유로를 형성하고, 화학 • 생화학 프로세스를 통합한 것이다. 대부분의 용매 • 용질에 대해 안정하기 때문에 의료 진단을 위한 소형 • 고속 응답 차세대 바이오 디바이스로서 기대되고 있다. 그러나 유리는 딱딱하기 때문에, 마이크로 유체 칩 안에 유체를 제어하는 밸브 및 펌프를 유리로 제작하고 통합할 수 없으며 유로를 마이크로 수준에서 통합할 수 있는 메리트를 충분히 살릴 수 없다. 

한편, 폴리 디메틸 실록산 (PDMS)으로 대표되는 수지 마이크로 칩은 유연하고 밸브 및 펌프의 편입이 용이하다. 단지, 유기 용매나 기체와 반응하기 쉽다는 단점이 고급 표면 화학 처리가 필요한 세포의 패터닝 등에는 물리적 안정성, 화학적 안정성 측면에서 적합하지 않았다. 

연구원들은 2013 년 10μm 이하의 두께이면서 유연하고 갈라지기 어려운 특징을 가지는 초 박판 유리에 주목하고 이를 이용한 유리 밸브의 제작에 성공하고 모든 유리 마이크로 유체 칩을 실현했다. 이번에는 펌프를 칩에 통합하는 것을 목표로 했다. 그래서 유리 밸브를 직렬로 정렬한 컴퓨터 제어 액추에이터를 사용하여 고속 핀을 움직이는 것으로, 칩 내의 액체를 짜내도록 운전하고 온칩 펌프 개발에 착수했다. 

이번에 개발한 펌프의 구동 원리를 그림 1 A 나타내었다. 밸브는 직경 3 mm, 깊이 50 μm의 원형 챔버 에 두께 6μm의 초 박판 유리를 열 융착하여 형성했다. 액추에이터에 연동한 핀으로 누르는 것으로 밸브를 닫는다. 이 유리 밸브를 4개 직렬로 정렬한 하나만 밸브를 연 상태로 순차적으로 밸브를 열림 위치를 슬라이드시키는 것으로 액을 전송한다. 충격 완화를 위한 초 박판 유리 위에 PDMS 시트를 붙였다. 또한 온칩 펌프가 아니면 할 수 없는 순환 흐름을 입증할 목적으로 그림 1 B와 같이 펌프 유로 칩 출입구 포트를 연결한 직선 유로에 연결한 디자인했다. 

실증 실험에서는 그림 2 와 같이 마이크로 유체 칩을 고정기구 액추에이터의 핀에 밀착시켜 포트에서 다양한 솔루션을 흘렸다. 그림 3 에서와 같이 용액의 흐름을 미세 폴리스티렌 비즈로 시각화하고 형광 현미경으로 관찰하여 유량을 측정한 결과, 펌프 기능이 입증되었다. 또한 물뿐만 아니라 에탄올과 메탄올, 아세톤과 같은 유기 용매에서도 문제없이 작동하는 것을 확인했다. 개발한 유리 마이크로 유체 칩에 전기 펌프는 다양한 용액에 안정적이기 때문에 유리 밸브와 함께 사용함으로써 일반적인 집적 화학 시스템에의 응용이 가능하다. 특히 의료 진단 한 세포 조작 분자 합성 등의 분야에서 유용한 도구가 될 것으로 예상할 수 있다. 

그림 1 유리 마이크로 유로 칩에 전기 펌프의 원리 및 디자인 

(A) 펌프의 구동 원리 (단면) 

밸브는 직경 3 mm, 깊이 50 μm의 원형 챔버에 두께 6 μm의 초 박판 유리를 열 융착하여 형성했다. 액츄에이터에 연동 한 핀으로 누르는 것으로 밸브를 닫는다. 밸브를 4개 직렬로 정렬하여 하나만 밸브를 연 상태로, ①부터 ④의 순서대로 밸브의 열림 위치를 슬라이드시키는 것으로 액을 전송한다. 충격 완화를 위한 초 박판 유리 위에 PDMS 시트를 붙였다. 

(B) 마이크로 칩 디자인 

온칩 펌프가 아니면 할 수 없는 순환 흐름을 증명하기 위해 펌프 유로 칩 출입구 포트를 연결한 직선 유로에 연결했다. 실증 실험은 액체의 흐름을 미세 폴리스티렌 비즈로 시각화하고 형광 현미경으로 관찰하여 유량을 측정했다.