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문제 정의
- 본 연구에서는 랩-온-어-디스크를 위한 기존의 가시화 장치의 한계점을 극복하기 위해, 실시간 동적 영상 조절 및 이미지 획득이 가능한 가시화 시스템을 제안하고자 한다. 소형 카메라 및 필요 구성 모듈을 포함하는 디스크 형태의 회로기판을 제작하여 랩-온-어-디스크와 동시 회전(simultaneous rotation)하면서 디스크 내부의 유동을 관측하는 동시에 관측 위치를 동적 제어하는 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 회전하는 랩-온-어-디스크 내에서 수행되는 유동 특성에 대한 실시간 동적 영상 조절 및 이미지 획득이 가능한 가시화 시스템을 개발하였다. 본 시스템은 디스크 형태의 회로기판 상에 소형 카메라, 소형 모터와 기구부, 마이크로프로세서, 무선통신모듈 등이 집적되었다.
제안 방법
- 제작된 가시화 장치와 랩-온-어-디스크를 이용하여 유동 가시화 실험을 수행하였다. 두 개의 주입 챔버 각각에 수산화나트륨(NaOH) 수용액과 페놀프탈레인(phenolphthalein) 수용액을 주입하여, 디스크의 회전으로 발생하는 원심력에 의해 미세채널을 통과하도록 하였다.16-19 투명한 상태에서 구불구불한 미세채널에서 만난 두 유체는 염기성에서 붉은색으로 변하는 페놀프탈레인의 특성으로 인하여 붉은 혼합물을 형성한다.
- 랩-온-어-디스크와 서킷-온-어-디스크가 회전하는 도중에, 소형 카메라의 위치를 제어하여 관측하고자 하는 위치를 변경하는 실험을 수행하였다. 외부 컴퓨터에서 신호를 전달하여 구동기판에 있는 소형모터의 회전을 시계방향으로 회전시킨 후, 이어서 반시계방향으로 회전시킴으로써 기구부에 의한 카메라의 위치가 디스크의 중심부에서 외곽부로, 다시 외곽부에서 중심부로 이동하도록 하였다.
- 2(c)와 같이 미세형상을 포함하는 디스크 형 칩으로 제작되었다. 미세유동 확인을 위하여, 두 개의 주입 챔버, Y-형 미세채널, 구불구불한 미세채널(serpentine microchannel), 저장 챔버 및 통기 구멍(vent hole)으로 구성된 미세형상 구조를 설계하였다. 설계를 바탕으로 자외선 사진 석판술 (UV-photolithography)을 통해 SU-8 마스터(master)를 제작하고, 상기 마스터를 이용하여 PDMS (polydimethylsiloxane) 복제성형 (replica molding)을 수행함으로써 PDMS 랩-온-어-디스크를 제작하였다.
- 미세유동 확인을 위하여, 두 개의 주입 챔버, Y-형 미세채널, 구불구불한 미세채널(serpentine microchannel), 저장 챔버 및 통기 구멍(vent hole)으로 구성된 미세형상 구조를 설계하였다. 설계를 바탕으로 자외선 사진 석판술 (UV-photolithography)을 통해 SU-8 마스터(master)를 제작하고, 상기 마스터를 이용하여 PDMS (polydimethylsiloxane) 복제성형 (replica molding)을 수행함으로써 PDMS 랩-온-어-디스크를 제작하였다. 제작된 채널의 폭과 높이는 각각 350 μm, 200 μm으로 하였고, 구불구불 미세채널의 전체 길이는 대략 30 mm로 제작하였다.
- 본 연구에서는 랩-온-어-디스크를 위한 기존의 가시화 장치의 한계점을 극복하기 위해, 실시간 동적 영상 조절 및 이미지 획득이 가능한 가시화 시스템을 제안하고자 한다. 소형 카메라 및 필요 구성 모듈을 포함하는 디스크 형태의 회로기판을 제작하여 랩-온-어-디스크와 동시 회전(simultaneous rotation)하면서 디스크 내부의 유동을 관측하는 동시에 관측 위치를 동적 제어하는 실험을 수행하였다.
- 3(b)). 신호에 따라서 서보모터의 회전축은 지정된 각도로 회전하게 되고, 회전운동을 선형운동으로 변환하는 기구부를 통해 카메라의 위치를 방사방향(중심부에서 외곽부, 또는 외곽부에서 중심부)으로 제어할 수 있도록 하였다.
- 랩-온-어-디스크와 서킷-온-어-디스크가 회전하는 도중에, 소형 카메라의 위치를 제어하여 관측하고자 하는 위치를 변경하는 실험을 수행하였다. 외부 컴퓨터에서 신호를 전달하여 구동기판에 있는 소형모터의 회전을 시계방향으로 회전시킨 후, 이어서 반시계방향으로 회전시킴으로써 기구부에 의한 카메라의 위치가 디스크의 중심부에서 외곽부로, 다시 외곽부에서 중심부로 이동하도록 하였다. Fig.
- 또한, 유동이 계속됨에 따라 혼합 정도가 증가되면 붉은색의 채도가 상승하여 점점 더 진한 붉은색을 나타나게 된다. 이러한 일련의 연속적인 현상을 본 연구에서 제작된 동시 회전 가시화 시스템을 통해 관찰하였다.
- 제작된 가시화 장치와 랩-온-어-디스크를 이용하여 유동 가시화 실험을 수행하였다. 두 개의 주입 챔버 각각에 수산화나트륨(NaOH) 수용액과 페놀프탈레인(phenolphthalein) 수용액을 주입하여, 디스크의 회전으로 발생하는 원심력에 의해 미세채널을 통과하도록 하였다.
대상 데이터
- Fig. 2(a)의 회로기판은 마이크로프로세서(ATmega8, Atmel), 영상/ 음성전송모듈(NR-AV58LTM, Neotics), 무선 통신 모듈(FB755AC, Firmtech), 전원공급모듈 등으로 구성된다. 전체 요소들은 전원공급모듈을 통해 전력을 공급받아 작동된다.
- 본 연구에서는 회전하는 랩-온-어-디스크 내에서 수행되는 유동 특성에 대한 실시간 동적 영상 조절 및 이미지 획득이 가능한 가시화 시스템을 개발하였다. 본 시스템은 디스크 형태의 회로기판 상에 소형 카메라, 소형 모터와 기구부, 마이크로프로세서, 무선통신모듈 등이 집적되었다. 랩-온-어-디스크와 함께 회전하는 서킷-온-어-디스크를 통해서 디스크 내부의 유동 특성을 초당 30 프레임의 빠른 이미지 획득 속도로 관찰 할 수 있었다.
- 본 연구에서 사용한 랩-온-어-디스크는 Fig. 2(c)와 같이 미세형상을 포함하는 디스크 형 칩으로 제작되었다. 미세유동 확인을 위하여, 두 개의 주입 챔버, Y-형 미세채널, 구불구불한 미세채널(serpentine microchannel), 저장 챔버 및 통기 구멍(vent hole)으로 구성된 미세형상 구조를 설계하였다.
- 3초 동안 일어나는 혼합과정을 관찰하여 8 프레임의 이미지들을 얻을 수 있었다. 본 연구에서 사용한 카메라의 주요 성능은 스캐닝 주기(scanning frequency) 60 Hz, 최소 관측 밝기 (minimum illumination) 0.3 Lux, 셔터속도(shutter speed) 1/60 ~ 1/10,000으로 최적 환경에서 초당 60 프레임의 이미지를 획득할 수 있다. 하지만, 본 시스템에서는 관측 밝기 및 신호 전달 한계로 인하여 대략 초당 30 프레임의 이미지를 획득할 수 있는 성능을 보였다.
- 제작된 채널의 폭과 높이는 각각 350 μm, 200 μm으로 하였고, 구불구불 미세채널의 전체 길이는 대략 30 mm로 제작하였다.
성능/효과
- 본 시스템은 디스크 형태의 회로기판 상에 소형 카메라, 소형 모터와 기구부, 마이크로프로세서, 무선통신모듈 등이 집적되었다. 랩-온-어-디스크와 함께 회전하는 서킷-온-어-디스크를 통해서 디스크 내부의 유동 특성을 초당 30 프레임의 빠른 이미지 획득 속도로 관찰 할 수 있었다. 또한, 외부 컴퓨터로 신호를 보내어 회전하고 있는 서킷-온-어-디스크 상의 카메라 위치를 제어할 수 있었다.
- 3초 동안에는 2 프레임의 이미지만 얻을 수 있다. 반면에 본 연구에서 개발한 동시 회전가시화 시스템을 통해서는 Fig. 4에서와 같이 0.3초 동안 일어나는 혼합과정을 관찰하여 8 프레임의 이미지들을 얻을 수 있었다. 본 연구에서 사용한 카메라의 주요 성능은 스캐닝 주기(scanning frequency) 60 Hz, 최소 관측 밝기 (minimum illumination) 0.
- 본 연구에서 수행한 위치 제어 실험을 바탕으로 서킷-온-어-디스크 상에 다양한 제어 모듈을 추가할 수 있는 가능성을 확인할 수 있었다. 소형 모터와 더불어 적절한 기어시스템을 추가한다면, 본 연구에서 보인 방사형 위치 제어뿐만 아니라 원주 방향의 위치 제어도 가능하다.
- 3 Lux, 셔터속도(shutter speed) 1/60 ~ 1/10,000으로 최적 환경에서 초당 60 프레임의 이미지를 획득할 수 있다. 하지만, 본 시스템에서는 관측 밝기 및 신호 전달 한계로 인하여 대략 초당 30 프레임의 이미지를 획득할 수 있는 성능을 보였다. 추후 보다 빠른 유동을 관측할 시에는 카메라 성능 한계에 따라 관측 정밀도가 낮아질 수 있다.
후속연구
- 가열모듈을 도입하여 랩-온-어-디스크의 특정부분의 온도를 조절함으로써 유전자증폭(PCR, polymerase chain reaction)과 같은 기법을 수행할 수 있다. 그 밖에 감지기(sensor), 레이저(laser), 진동기(vibrator), 미세주사기(micro syringe) 등 여러 가지 기계/물리적 요소를 추가하여 복합적인 기능을 구현할 수 있으리라 사료된다.
- 또한, 유동장의 이동에 따른 스트릭(streak) 현상과 같은 관측 오류를 방지하기 위해서는 최소 관측 밝기 이상의 광원을 유지하면서 빠른 셔터속도를 지원하는 카메라가 필요하리라 사료된다. 그 외에 고사양의 마이크로프로세서와 무선통신모듈을 사용하여 고화질의 이미지 획득, 신속한 영상 전송 및 처리를 기대할 수 있으리라 사료된다.
- 본 연구에서 수행한 위치 제어 실험을 바탕으로 서킷-온-어-디스크 상에 다양한 제어 모듈을 추가할 수 있는 가능성을 확인할 수 있었다. 소형 모터와 더불어 적절한 기어시스템을 추가한다면, 본 연구에서 보인 방사형 위치 제어뿐만 아니라 원주 방향의 위치 제어도 가능하다. 그 외에 유용한 기계적/물리적 요소기술을 추가하여 다양한 기능을 구현할 수 있다.
- 또한, 외부 컴퓨터로 신호를 보내어 회전하고 있는 서킷-온-어-디스크 상의 카메라 위치를 제어할 수 있었다. 향후 여러 가지 유용한 기계/물리적 요소기술을 추가하여 다양한 기능을 수행하는 서킷- 온-어-디스크를 개발함으로써 랩-온-어-디스크를 통해 정밀하고 복합적인 생물의학적 검사를 수행할 수 있을 것으로 사료된다.
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