We propose high-radix microfluidic multiplexers that effectively address a large number of flow channels with a few control lines having pressure valves of different thresholds. Previous binary multiplexers address only two flow channels by controlling identical threshold pressure valves in two control lines; that is, they address $2^{n/2}$ flow channels by using n control lines. However, the proposed high radix multiplexer, ternary or quaternary multiplexer, address three or four flow channels by controlling two or three kinds of valves in two control lines, respectively. Thus, these multiplexers address $3^{n/2}$ and $4^{n/2}$ flow channels, which are results by increasing the radix from binary to quaternary. In experiment, we determined the static/dynamic operating conditions of the pressure valves having different thresholds in the ternary and quaternary multiplexers. Under these conditions, the prototypes such as 3×3 well array, 4×4 well array and digital dilution chip are successfully operated. In well array test, the ternary and quaternary multiplexers selectively fill out 3×3 and 4×4 well array, respectively. In the dilution chip, the ternary multiplexer controls nine valves which dilute sample within 16.7% error and react samples within 17.7% error.
Thus, the present high-radix multiplexers reduces the number of control lines for multiple flow channel and valve addressing, achieving effective flow channels control required for simple and compact microfluidic systems.
본 논문에서는 마이크로 칩 상에서 소수의 제어라인으로 다수의 유체유로를 선택적으로 단속할 수 있는 고진수 유체분배기를 제안한다. 기존의 2진 유체분배기는 임계압력이 동일한 밸브를 제어라인에 설치하고 n개의 제어라인을 사용하여 $2^{n/2}$개의 유체유로를 선택적으로 단속할 수 있었다. 하지만 임계압력이 동일한 밸브만을 사용하였기 때문에, 제어라인이 한 쌍 늘어날 때 제어 가능한 유체유로의 수가 두 배만 증가하는데 그쳤다. 본 논문은 임계압력이 다른 (r-1)종의 밸브가 설치된 제어라인 n개로 유로를 단속하여, 제어라인이 한 쌍이 늘어날 때 마다 제어 가능한 유로의 수를 r배 증가시켜 $r^{n/2}$개의 유체유로를 제어할 수 있는 r진수 유체 분배기를 제안한다.
고진수 유체 분배기를 실험적으로 검증하기 위해서, 임계압력이 다른 2종의 밸브를 사용하는 3진수 유체분배기와 임계압력이 다른 3종의 밸브를 사용하는 4진수 유체분배기를 설계, 제작하고 그 특성을 평가하였다. 3진수 또는 4진수 유체 분배기를 구현하기 전에, 유체분배기에 사용되는 총 3종의 임계압력이 다른 밸브의 특성을 평가하고, 구동 조건을 실험적으로 도출하였다. 도출된 구동조건으로 제어라인 1쌍을 사용하여 각각 3개와 4개의 유로를 제어하는 단위 3진 및 4진 유체분배기를 구현하였다. 제안된 고진수 유체분배기는 제어하고자 하는 대상에 따라 유로제어용 유체분배기와 밸브제어용 유체분배기로 나누어 시제품에 적용되었다. 유로제어용 유체분배기는 3×3 Well Array 또는 4×4 Well Array의 시제품에 적용되었고, 밸브제어용 유체분배기는 디지털 희석 소자의 시제품에 적용되었다.
3종의 밸브 $V_1$, $V_2$, $V_3$ 의 임계압력은 각각 30kPa, 60kPa, 115kPa로 측정되었다. 3종 밸브는 정적인 방식과 동적인 방식으로 작동시킬 수 있다. 정적인 방식에서는 50kPa, 100kPa, 150kPa을 선택적으로 제어라인에 공급하는 방식을 사용하여 밸브를 구동하였다. 동적인 방식에서는 150kPa의 외부 공압 소스와 와 제어라인 사이에 있는 솔레노이드 밸브를 50Hz를 단속하고, 단속 시 밸브 개방 시간비 (펄스폭비)을 조절하여 압력을 조절하였다. 펄스폭비 30%, 40%, 60%에서 각각 임계압력이 다른 밸브 $V_1$, $V_2$, $V_3$ 가 닫히는 것을 실험적으로 검증하였다. 동적인 방식은 정적인 방식에 비해 다수 공압 소스나 공압 조절기 없이 정해진 공압 소스에서 펄스폭비만을 조절하여 임계압력이 다른 밸브를 작동시킬 수 있는 장점을 가진다.
단위 유체분배기 구동 실험에서는 임계압력이 다른 밸브를 개폐하여 제어라인 1쌍 (2개의 제어라인)으로 3개의 유로를 제어하는 3진수 유체분배기와 4개의 유로를 제어하는 4진수 유체분배기를 검증하였다. 시제품의 성능 검증 실험에서는 제어라인 2쌍(4개의 제어라인)으로 유로제어용 3진수와 4진수 유체분배기가 각각 3×3 Well Array와 3×3 Well Array에 유체를 선택적으로 분배하는 것을 검증하였다. 디지털 희석 소자의 성능 검증에서는 밸브제어용 3진 유체분배기가 9종의 밸브를 4개의 제어라인으로 선택적으로 개폐하여 샘플을 희석하고 희석된 샘플들을 다은 샘플과 반응하는 것을 검증하였다. 제안된 디지털 희석 소자는 소수의 제어라인으로 다수의 밸브를 개폐하여 희석 비를 다수 밸브의 개폐순서에 따라 조절할 수 있고, 보다 쉽게 희석됨 샘플을 다른 이종의 샘플과 반응시킬 수 있는 장점을 가진다.
본 논문에서는 임계압력이 다른 밸브를 사용하여 3진수 또는 4진수와 같은 고진수 유체분배기를 제안하고 실험적으로 검증하였다. 또한 제안된 고진수 유체 분배기를 응용한 Well Array나 디지털 희석 소자를 설계, 제작하고 그 성능을 검증하였다. 향후, 제안된 고효율 유체분배기는 집적화된 시스템에서 많은 수의 유로를 극소수의 제어라인만으로 제어하여 집적도를 높이고, 외부장비의 단순화를 꾀할 수 있어 성능과 가격 면에서 경쟁력을 가질 수 있다.
