KR100571845B1 - 유체의 혼합방법 및 그 방법을 이용한 혼합장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 혼합되는 유체에 공진 주파수의 교류 전원을 걸어 줌으로써 계면전동 불안정성을 더욱 효과적으로 유발하여 레이놀즈 수가 매우 작은 층류 영역에서도 유체를 신속하고 효과적으로 혼합할 수 있는 유체의 혼합 방법 및 혼합 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 공진 주파수보다 낮은 주파수의 교류 전원을 걸어 줌으로써 상기 교류 전원의 주파수에 유체의 혼합 패턴을 동기화시켜 시간에 따른 유체의 혼합 정도를 임의로 조절할 수 있는 유체의 혼합 방법 및 혼합 장치를 제공한다.
층류, 레이놀즈 수, 능동, 혼합, 전기삼투, 계면전동 불안정성, 공진 주파수

Description

유체의 혼합방법 및 그 방법을 이용한 혼합장치{Method of mixing fluids and mixing apparatus using the method}
도 1a는 종래기술에 따라 T자형 흐름관에 직류 전원을 걸었을 때 나타나는 유체의 혼합 패턴을 나타내는 형광 이미지이다.
도 1b는 본 발명에 따라 함입부가 형성된 T자형 흐름관에 직류 전원을 걸었을 때 나타나는 유체의 혼합 패턴을 나타내는 형광 이미지이다.
도 2는 다양한 형태의 함입부를 형성한 T자형 흐름관에 직류 전원을 걸었을 때 나타나는 유체의 혼합 패턴을 나타내는 형광 이미지이다.
도 3은 다양한 형태의 함입부를 형성한 T자형 흐름관에 직류 전원을 걸었을 때 유체의 혼합 정도를 위치에 따라 나타낸 그래프이다.
도 4a는 종래의 기술에 따른 T자형 흐름관을 따라 유체가 혼합되는 모습을 나타내는 형광 이미지이다.
도 4b는 본 발명에 따른 십자형 흐름관을 따라 유체가 혼합되는 모습을 타나내는 형광 이미지이다.
도 5는 공진 주파수보다 낮은 주파수의 교류 전원을 걸어주었을 때, 교류 전원의 주파수에 동기화된 혼합 패턴 주기를 갖는 유체의 모습을 연속촬영한 형광 이미지이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예를 나타내는 개념도이다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예의 주요부를 나타낸 사시도이다.
도 7은 직류 전원을 걸어서 나타나는 혼합 패턴의 시간에 따른 변화로부터 공진 주파수를 찾아내는 과정을 나타낸 형광 이미지이다.
도 8은 도 7에서 공진 주파수를 찾아내는 방법을 나타내는 개념도이다.
도 9는 수학식 6으로 정의되는 혼합 향상 인자 E를, 걸어주는 교류 전원의 주파수에 따라 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11, 12, 13 : 흐름관 (유입관) 15 : 흐름관 (배출관)
20 : 연결부 30a, 30b, 30c, 30d : 저장고
40a, 40b, 40c, 40d : 전극
본 발명은 유체의 혼합방법 및 그 방법을 이용한 혼합장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 흐름관 내에 계면전동 불안정성(Electrokinetic instability)을 유발하여 유체를 혼합하는 방법 및 상기 방법을 이용한 유체의 혼합장치에 관한 것이다.
칩을 이용하여 화학적 또는 생물학적 분석을 행할 수 있게 하는 미시유체 기기(microfluidic device)가 지난 십 수년간 주목을 받아왔다. 관련 기술이 발달함 에 따라, 관련 기기의 규모가 밀리미터 단위 이하로 축소화되었고, 종래에 실험실을 가득 메웠던 각종 분석기기가 신용카드 한 장 크기의 칩에 담아져 이른바 '칩 실험실' (Lab-on-a-Chip)로 불리게 되었다. 이와 같은 기술의 발달은 생산비의 절감은 물론, 여러 가지 분석실험을 동시에 진행할 수 있게 함으로써, 분석시간의 단축, 필요한 샘플의 절약, 인시투(in situ) 조작을 가능하게 하여 유전자 연구, 단백질 연구 등과 같은 분자 생물학적 연구의 발달에 크게 기여할 것으로 기대되고 있다.
상기와 같은 미시유체 기기의 축소 및 통합설계에 있어서 다양한 설계변수를 신중히 고려하여야 하는데, 가장 중요한 설계변수 중의 하나가 생물학적 또는 생화학적 시약 또는 용액을 제한된 시간 내에 균일하게 혼합하는 것이다.
혼합에 걸리는 시간의 단위가 화학반응에 걸리는 시간의 단위와 비슷하거나 더 큰 경우에 신속한 혼합의 중요성은 급속히 증가된다. 상기와 같은 미시유체 기기에 있어서는 내부 직경이 매우 작은 모세관이 흔히 사용되고 여기를 지나는 미시유체는 그 특성상 매우 작은 레이놀즈 수(Reynold's number)를 지니게 된다. 매우 작은 레이놀즈 수에서 유체는 층류(laminar flow)를 갖게 되고 따라서, 교반(stirring) 수단으로 매우 유용한 난류성(turbulence)을 이용하지 못하게 되어 신속한 혼합에 어려움이 크게 된다.
소위 균일하게 혼합되었다고 하는 것은 농도구배가 없음을 의미하는데 층류에 있어서 농도구배의 감소는 분자확산에 크게 좌우된다. 확산시간(tD)은 확산길이 (LD)의 제곱에 비례하는 관계에 있다는 것이 다음 수학식으로 알려져 있다.
[수학식 1]
Figure 112004049742015-pat00001
여기서, D는 확산계수(diffusion coefficient)이다.
따라서, 확산계수가 일정한 상황에서 확산시간을 단축하는 방법은 혼합되는 두 유체의 접촉경계를 늘이고 확산거리를 줄이는 방향으로 연구되고 있다. 알려진 혼합방법으로는 적층혼합(lamination mixing), 미세관 주입법(micro-plume injection), 혼돈 혼합(chaotic mixing), 병렬/직렬 혼합(parallel/serial mixing) 등이 있다.
적층혼합은 효과적인 혼합방법이지만, 미세한 3차원 구조를 가지고 있어서 제조에 비용이 많이 들고 상당한 단면적의 흐름관을 요구하는 단점이 있다. 적층혼합에 관하여는 제이콥슨(Jacobson) 등의 "Microfluidic Devices for Electrokinetically Parallel and Serial Mixing", Anal. Chem., 1999, 71, 4455-4459, 슈베싱어(Schwessinger) 등의 "A modular Microfluid System with an Integrated Micromixer," J. Micromech. Microeng. 1996, 6, 99-102, 미국 특허 제6,213,151호 및 미국 특허 제6,241,379호에 상세히 기재되어 있다. 병렬-직렬 혼합(parallel/serial mixing)도 유사한 문제점을 가지고 있으며, 충분한 혼합을 위해 긴 흐름관을 요구한다. 이 방법은 상기 제이콥슨 등의 문헌에 기재되어 있다.
미세관 주입법(Microplume injection)은 B 유체 내에 A 유체를 수많은 미세관을 통해 주입하는 방법인데, 혼합에 필요한 길이가 상대적으로 짧다. B 유체 내로 주입된 미세관 형태의 A 유체가 서서히 확산되어 균일하게 되므로 혼합물의 균일성은 단위 단면적당 A 유체가 주입되는 미세관의 수밀도에 비례하게 된다. 그러나 A 유체를 주입하기 위한 미세관을 가공하기 어렵다는 단점이 있다. 본 방법은 엘웬스폭(Elwenspoek) 등의 "Towards integrated microliquid handling systems", J. MicroMech. Microeng. 1994, 4, 227-245에 상세히 기재되어 있다.
혼돈 혼합(chaotic mixing)은 강제분사를 통해 혼돈스러운 대류 현상을 이용하는 것이다. 그러나, 실제로 이러한 효과를 얻기 위해서는 매우 복잡한 구조가 요구되며, 따라서 기술적, 경제적인 어려움이 따른다. 여기에 관해서는 리(Lee) 등의 "Chaotic Mixing in Electrokinetically and Pressure Driven Micro Flow", Proc. 14th IEEE Workshop MEMS 2001, 483-486 및 류(Liu) 등의 "Passive Mixing in a Three-Dimensional Serpentine Microchannel", J. Microelectromech. Syst. 2000, 9, 190-197에 상세히 기재되어 있다.
상기에서 다룬 혼합방법 들은 모두 수동 혼합(passive mixing) 방법으로 일컬어지는 것들로서 능동 혼합(active mixing) 방법으로 불리는 혼합방법들과 구분된다. 일반적으로 능동 혼합 방법은 동작부를 갖거나, 압력 또는 전기장과 같은 외부적인 혼합 수단을 갖는다. 동작부를 갖는 능동 혼합 방법은 성형가공이 어렵고, 제어하기 어려운 단점이 있어 제한적으로만 사용된다.
폴(Paul) 등의 미국 특허 제6,086,243호는 미동 흐름(creeping flow) 구역에 서 효과적이고도 신속하게 액체를 혼합하는 방법 및 장치를 개시하고 있다. 상기 폴 등의 발명에 따르면, 각 액체에 전기장을 가함으로써 기계적 교반 또는 난류에 의한 교반이 불가능한 모세관 내의 유체흐름을 섞어 균일하게 만들 수 있다고 한다. 그러나, 본 발명은 혼합을 위한 챔버를 별도로 요구하여 혼합에 더 많은 공간을 필요로 하였고, 직류전원을 공급하여 형성되는 순환흐름만을 이용하여 혼합하였기 때문에 혼합의 효율 측면에서 한계가 있었다.
야거(Yager) 등의 미국 특허 제6,482,306호는 흐름관의 벽면상에 전극과 대전표면(chargeable surface)을 부설함으로써 별도의 챔버가 불필요한 효율적인 액체 혼합 장치를 개시하고 있다. 상기 폴 등의 발명에 비하여 연속흐름에 더욱 적절하게 개발된 장점이 있으나 이 역시 직류전원을 공급하여 형성되는 순환흐름만을 개시하고 있기 때문에 혼합의 효율 측면에서 한계가 있었다.
산티아고(Santiago) 등의 미국 특허출원공개공보 제2002-125134호는 직류전원만을 가해주던 종래의 방식과 달리 교류전원을 가하여 혼합효율을 증진하고자 하였다. 즉, 교류전원을 흐름관의 양 측면에 가하면 수 초 내에 임의적인 3차원 요동이 유체에 발생하여 액체를 능동적이고, 신속하며 효과적으로 교반하게 되는 계면전동 불안정성(electrokinetic instability, EKI) 현상이 발생하게 된다. 이러한 현상을 이용하여 용액을 혼합함으로써 균일한 용액을 얻는 방법으로 생화학 등 여러 분야에 유용할 수 있는 방법을 개시하였다. 그러나, 산티아고 등의 발명에서는 유체의 흐름 방향과 수직방향으로 교류전원을 가해주기 위한 별도의 혼합 챔버가 요구되어 불필요한 데드 존(dead-zone)이 발생하였다. 또한, 단순히 교류전원을 가 한다는 방법 등을 제시하고 있을 뿐 상기 교류전원을 어떻게 최적화하고 혼합효율을 극대화할 것인가에 관한 언급은 제시되어 있지 않다.
또한, 상기 미국 특허출원공개공보 제2002-125134호의 발명자들에 의해서 T자 흐름관에서 직류 전류를 흘려 두 유체를 혼합하고자 하는 시도가 있었는데, 두 유체가 만나는 연결부에서 막힘 현상(flow chocking)이 발생하는 단점이 있었고, 흐름관의 하류측에서 다시 층류 흐름을 보여 더 이상 대류혼합이 발생하지 않는 단점이 있었다. 이러한 현상을 해결하기 위해서 전기장의 세기를 증가시키면 전기분해되거나 기포가 생성되는 등의 문제점도 발견되었다.
본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 레이놀즈 수가 매우 작은 층류 영역에서도 유체를 신속하고 효과적으로 혼합할 수 있는 유체의 혼합방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 레이놀즈 수가 매우 작은 층류 영역에서도 유체를 신속하고 효과적으로 혼합할 수 있는 유체의 혼합장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 세 번째 기술적 과제는 상기 두 번째 기술적 과제로 제공되는 유체의 혼합장치를 채용한 화학 분석 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 네 번째 기술적 과제는 시간에 따른 유체의 혼합 정도를 임의로 조절할 수 있는 유체의 혼합방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다섯 번째 기술적 과제는 시간에 따른 유체의 혼합 정도를 임의로 조절할 수 있는 유체의 혼합장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 여섯 번째 기술적 과제는 상기 다섯 번째 기술적 과제로 제공되는 유체의 혼합장치를 채용한 화학 분석 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여,
(a) 연결부에서 서로 연결된 2 이상의 흐름관을 통하여 혼합하고자 하는 2종 이상의 유체를 흘리는 단계;
(b) 상기 흐름관에 직류 전원으로 유도되는 혼합의 패턴 주기에 대응하는 공진 주파수로 교류 전원을 인가하여 상기 (a)단계에서 흘린 유체에 계면전동 불안정성(Electrokinetic Instability)을 형성하는 단계를 포함하는 유체의 혼합방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여,
(a) 유체가 흐를 수 있는 복수 개의 흐름관;
(b) 상기 흐름관이 연결되는 연결부;
(c) 상기 흐름관의 상류측과 하류측에 설치되는 2 이상의 전극; 및
(d) 상기 2 이상의 전극에 공진 주파수의 교류 전원을 공급하기 위한 전원 공급 수단을 포함하는 유체의 혼합장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 세 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여 상기 유체의 혼합장치를 채용하는 화학 분석 장치를 제공한다.
상기와 같은 혼합 방법 및 혼합장치에 의할 경우 종래의 방법 또는 장치로는 충분한 혼합이 불가능하였던 유체의 효율적인 혼합이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 상기 네 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여,
(a) 연결부에서 서로 연결된 2 이상의 흐름관을 통하여 혼합하고자 하는 2종 이상의 유체를 흘리는 단계;
(b) 상기 흐름관에 직류 전원으로 유도되는 혼합의 패턴 주기에 대응하는 공진 주파수보다 낮은 주파수로 교류 전원을 인가하여 상기 (a)단계에서 흘린 유체에 계면전동 불안정성을 형성하는 단계를 포함하는 유체의 혼합방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 다섯 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여,
(a) 유체가 흐를 수 있는 복수 개의 흐름관;
(b) 상기 흐름관이 연결되는 연결부;
(c) 상기 흐름관의 상류측과 하류측에 설치되는 2 이상의 전극; 및
(d) 상기 2 이상의 전극에 공진 주파수보다 낮은 주파수의 교류 전원을 공급하기 위한 전원 공급 수단을 포함하는 유체의 혼합장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 여섯 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여 상기 유체의 혼합장치를 채용하는 화학 분석 장치를 제공한다.
상기와 같은 혼합 방법 및 혼합장치에 의할 경우 임의의 주기를 갖고 농도가 변화하는 혼합 용액을 제조할 수 있으며, 이를 활용하여 다양한 화학 분석 장치에 응용이 가능한 효과가 있다.
이하, 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.
액체에 전기장을 가하였을 때 전기삼투 흐름(electroosmotic flow)이 일어날 수 있다고 오래 전부터 알려져 왔다. 이러한 전기삼투 흐름은 전기삼투 현상(electroosmosis)에 기인하는데, 전극에 의해 형성되는 전기장과 흐름관의 벽면의 전하 사이의 상호작용에 의한 현상 때문이다. 이러한 현상을 일으키기 위한 흐름관으로는 주로 유전체를 사용하는데, 전부를 유전체로 하여도 되고 흐름관의 일부를 유전체로 사용할 수도 있다. 다만, 내부를 흐르게 되는 액체보다 전기전도도가 높지 않은 것을 사용하는 것이 일반적으로서, 대개 실리카 또는 유리를 많이 사용한다.
도 1에 나타낸 그림은 T자형 흐름관을 흐르면서 혼합되는 두 유체를 나타낸다. 서로 마주보고 연결부에 도입된 두 유체는 압력차이로 인해 수직으로 꺾여 배출부로 나가면서 혼합되게 된다. 그러나, 레이놀즈 수가 극히 낮은 경우에는 층류를 이루기 때문에 서로 거의 섞이지 않게 된다.
여기에 직류 전원을 걸어주게 되면 도 1(a) 및 도 1(b)에 도시한 바와 같이 유체의 흐름에 요동(fluctuation)이 생기며 서로 혼합되게 된다. 도 1(a) 및 도 1(b)에서 흐름관을 따라 그어진 가는 실선은 전기력선을 나타내는데 각 실선을 따라서 전기장이 형성되고 전기력선이 촘촘한 곳이 전기장의 세기가 큰 곳이다.
대전으로 인해 받게 되는 힘의 크기는 하기 수학식 2와 같이 표시되는 것이 알려져 있다.
[수학식 2]
Figure 112004049742015-pat00002
상기 수학식 2에서 알 수 있는 바와 같이 대전으로 인해 받게 되는 힘의 크기는 전기장(E)과 전기전도도(σ)의 기울기(gradient)의 내적에 비례한다. 여기서, ε은 유전율이고, ρ f 는 대전으로 인해 받게 되는 힘의 크기이다.
전기장의 세기는 전극 간에 걸리는 전압과 전극 사이의 거리의 비로 나타나기 때문에 전극의 위치가 고정되고 전압이 일정하게 되는 한 전기장의 세기도 일정하게 된다.
한편, T자형 흐름관에 1 또는 그 이상의 함입부를 형성하여 상기 함입부의 근방에서 전기장의 세기가 조사되었는데, 그 결과 함입부와 함입부 사이의 가장자리에서 전기장의 세기가 크다는 것이 발견되었다.
따라서, 상기 함입부 사이의 가장자리에서 대전으로 인해 받게 되는 힘의 크기가 커짐을 알 수 있고 일정한 또는 다양한 크기의 함입부를 일정한 또는 다양한 간격으로 형성하는 것이 함입부를 형성하지 않는 것보다 혼합에 도움이 될 것임을 알 수 있다. 도 1(a)는 함입부가 형성되지 않은 경우 직류전원을 인가한 경우로서 전기력선의 형태가 일정하게 되어 일정한 방향으로만 힘을 받게 되고 따라서 혼합의 효율에 한계가 있음을 알 수 있다. 또한, 도 1(b)는 함입부를 형성하고 직류전원을 인가한 경우로서 전기력선의 형태가 물결모양으로 나타나는데 함입부 사이의 가장자리에서 특히 간격이 촘촘해져 대전으로 인해 받게 되는 힘의 크기가 커짐을 알 수 있다.
상기와 같은 사실을 확인하기 위해 도 2의 (A), (B), 및 (C)와 같이 함입부 의 모양과 수를 달리하여 혼합되는 정도의 변화를 살펴보았다. 혼합이 우수한 정도를 정량적으로 알아보기 위해 하기 수학식 3과 같이 혼합도 Z를 정의하였다.
[수학식 3]
Figure 112004049742015-pat00003
여기서 N은 픽셀의 수를 나타내고, I i 는 각 픽셀의 세기, I i 0 는 혼합되지 않았을 때의 각 픽셀의 세기, I i * 는 완전혼합되는 경우의 세기를 각각 나타낸다. 상기 수학식 3을 이용하여 흐름관을 따라 흐른 거리에 따른 혼합 정도의 변화를 살펴본 결과 도 3과 같은 결과를 얻었다. 도 3에서 d는 흐름관의 폭을 의미하고, x는 흐름관 입구로부터의 거리로서, 도 3에 나타낸 그래프의 가로축은 x를 d로 나누어 무차원화한 상대적인 거리를 의미한다.
그 결과 (C)의 모양의 함입부를 형성한 흐름관이 함입부를 형성하지 않은 흐름관보다 완전혼합 기준으로 20% 가량 우수한 혼합도를 보여 가장 높은 효율을 보임을 알 수 있었다. 그러나, (C) 모양의 함입부가 최적인 것은 아니며, 설계하기에 따라 더 우수한 함입부를 착상해 낼 수도 있다.
한편, 종래의 발명에서는 두 유체가 만나는 연결부가 흔히 T자 형으로 구성 되었다(도 4(a)). 도 4(a)에 도시한 바와 같이 두 유체가 T자 형으로 만나서 흐르게 되면, 계면전동 불안정성이 일어나는 계면이 한 쪽 면 밖에 되지 않는다. 이 경우, 종래의 기술에 의한 미시유체 혼합기에 있어 혼합효율이 충분하지 않음은 물론 혼합효율의 한계로 말미암아, 비록 흐름관을 따라 혼합이 일어나더라도 흐름관의 한 쪽 벽면 측에는 제1 유체가 상대적으로 풍부하고 다른 쪽 벽면 측에는 제2 유체가 상대적으로 풍부하여 미시유체 혼합기의 활용도의 제한요소가 되는 단점이 있었다.
그러나, 도 4(b)에 도시한 바와 같이 두 유체가 십자형으로 만나서 흐르게 되면, 계면전동 불안정성이 일어나는 계면이 두 면이 되어 혼합의 효율을 향상시키는 효과를 기대할 수 있음은 물론, 그 외에도 후술하는 바와 같은 미시유체 혼합기의 용도 전개가 가능하다. 그러나, 두 유체가 반드시 직각을 이루는 십자형으로 만나게 할 필요는 없으며, 연결부에서 제1 유체의 양편으로 제2 유체가 유입되도록 하기만 해도 무방하다.
흐름관에 연속적으로 2 이상의 유체를 흐르게 하면서 직류 전원을 걸어 계면전동 불안정성을 유도하면, 흐르는 유체가 혼합되는 패턴에 일정한 주기가 있음을 알 수 있다. 즉, 혼합되는 패턴은 변화하는데 이러한 변화에는 일정한 주기가 있다.
따라서, 상기와 같은 흐름관에 직류 전원 대신 또는 직류 전원에 부가하여 추가적으로 특정 주파수를 갖는 교류 전원을 사용하게 되면 시간에 따라 주기적으로 양극과 음극이 바뀌게 되면서 계면전동 불안정성을 증폭하여 더욱 효과적인 계 면전동 불안정성을 유도할 수 있게 된다. 다시 말해, 직류전원을 걸었을 때 혼합되는 패턴이 갖는 주기(패턴 주기)의 반이 되었을 때는 혼합패턴은 전원을 처음 인가할 때의 상(phase)과 정반대 되는 상(phase)을 갖게 되고 이 때에 전극의 음.양이 바뀌도록 조작하면 혼합이 되는 정도를 증폭할 수 있게 된다. 즉, 상기에서 구한 패턴 주기와 동일한 진동수의 교류전원을 걸어주면 전기장의 상(phase)과 혼합 패턴의 상(phase)이 일치하게 되어 혼합이 증폭되게 된다. 이렇게 되는 교류 전원의 진동수를 이하에서는 공진 주파수로 부른다.
상기에서 구한 교류전원의 시간 t에 따른 상은 다음의 수학식 4와 같이 표현된다.
[수학식 4]
Figure 112004049742015-pat00004
여기서, f는 교류전원의 공진 주파수, t는 시간, Vmax는 최대전압이다.
상기와 같은 공진 주파수는 기본적으로 시스템에 따라 달라지게 되므로, 본 발명을 처음 적용하기 위하여는 먼저 직류 전원을 걸어서 패턴 주기를 알아내어 공진 주파수를 파악하는 것이 필요하다. 직류 전원을 걸면 시간에 따라 혼합 패턴이 달라지게 되는데 이 장면을 고속 촬영하여 동일한 혼합 패턴이 나타나는 시간 간격을 측정함으로써 패턴 주기를 구할 수 있다.
T자형 흐름관에서는 초 단위로 나타낸 패턴 주기의 역수가 바로 공진 주파수 (Hz)가 된다. 그러나, 십자형 흐름관에서는 T자형 흐름관과는 달리 초 단위로 나타낸 패턴 주기의 역수의 두 배가 공진 주파수(Hz)가 되는데 그 이유를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 즉, 십자형 흐름관에서 직류 전원을 걸어주면 계면이 두 면에서 형성되고, 따라서 도 8에 표시한 것과 같이 계면의 패턴이 좌우 교대로 나타나게 된다. 따라서, 계면에서 생기는 패턴의 주기에서 생긴 주파수의 2배의 공진 주파수를 걸어주면 좌우에서 생기는 계면에 각각 자극을 주게 되어 혼합효율을 증대시킬 수 있다.
그러나, 패턴 주기는 혼합되는 용매에 따라, 혼합 시스템의 모양 및 크기에 따라, 사용되는 교류전원 및/또는 직류전원의 주파수, 전압 등에 따라 크게 달라지는 것은 아니며, 공진 주파수로 나타내었을 때 0.1 내지 100 Hz 범위에서 형성됨을 경험적으로 알 수 있다. 또한, 상기 공진 주파수는 대부분의 바이오 용도의 미세유체 혼합기의 경우에 7 내지 15 Hz 범위에서 형성되고, 더욱 용도를 제한한다면 9 내지 13 Hz 범위에서 형성됨을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상을 적용할 때마다 매번 공진 주파수를 측정할 필요는 거의 없다.
한편, 패턴 주기 또는 공진 주파수는 상기와 같이 고속촬영을 통해서만 알 수 있는 것은 아니고 다양한 다른 방법으로 측정할 수도 있다.
상기의 교류 전원은 단독으로 걸어줄 수도 있지만 직류전원과 함께 걸어주는 것이 바람직하다. 이렇게 하는 경우, 직류 전원에 의한 전기삼투현상으로 유체가 이동하면서, 함께 걸어주는 교류의 영향으로 유체가 혼합되어 이송할 수 있다는 장점이 있다.
공진 주파수의 교류 전원을 걸어주는 것뿐만 아니라, 공진 주파수보다 낮은 주파수의 교류전원을 걸어주는 것도 본 발명의 내용에 속한다.
공진 주파수보다 낮은 주파수의 교류 전원을 걸어주는 경우 패턴 주기가 교류 전원의 주파수에 동기화되는 것을 관찰할 수 있다. 따라서, 교류 전원의 주파수를 조절함으로써 패턴 주기를 용이하게 조절할 수 있고 이 때의 혼합 패턴은 시간에 따라 도 5와 같은 모양을 나타내게 된다. 도 5의 경우는 걸어준 교류 전원의 주파수가 특히 0.1 Hz인 경우인데, 동일한 혼합 패턴을 나타내는 시간의 간격이 약 10초로써 교류 전원의 주파수와 패턴 주기가 동기화되어 있음을 확인할 수 있다.
도 5에서 흐름관 끝을 살펴보면 혼합이 거의 이루어지지 않는 때도 있고, 혼합이 상당히 잘 이루어지는 때도 있다. 즉, 흐름관 끝에서의 혼합의 정도가 시간에 따라 변화하게 된다. 다시 말해, 교류 전원의 주파수를 조절함으로써 흐름관 끝에서의 시간에 따른 혼합의 정도를 조절할 수 있게 된다는 것이다.
흐름관 끝에서 흐름관 중심부의 유체만을 취하게 되면 특정한 시간을 주기로 농도가 변화하는 샘플을 얻을 수 있게 된다. 이와 같이 채취된 샘플은 다양한 농도에서의 속도론(kinetics) 실험 등에 유용하게 활용될 수 있다. 또한, DNA 혼성화(hybridization), 효소 분석(enzyme assay) 등 바이오 또는 일반 화학 반응에 있어서 반응물의 농도를 변화시켜 가면서 반응 상수를 구하는 등의 응용 분야에도 유용하게 활용될 수 있다.
이와 같이 특정한 시간을 주기로 농도가 변화하는 샘플은 T자형 흐름관에서도 얻을 수 있지만, 본 발명에서 제시한 것과 같이 제1 유체의 양편으로 제2 유체 가 유입되도록 한 흐름관을 사용한 경우에 보다 잘 얻어질 수 있다. 왜냐하면, T자형 흐름관에서는 농도가 변화하는 폭이 본 발명에서 제시한 것과 같은 제1 유체의 양편으로 제2 유체가 유입되도록 한 흐름관을 사용한 경우보다 작기 때문이다. 따라서, 제1 유체의 양편으로 제2 유체가 유입되도록 한 흐름관이 T자형 흐름관과 비교하였을 때 갖는 장점은 두 계면에서 혼합이 일어나는 외에 상기와 같은 용도 전개가 보다 수월한 점에도 있다.
이하, 구체적인 실시예를 가지고 본 발명의 구성 및 효과를 보다 상세히 설명하지만, 이 실시예는 단지 본 발명을 보다 명확하게 이해시키기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
[실시예]
도 6a와 도 6b에 본 실시예에 사용된 장치의 개념도 등을 도시하였다.
혼합 액체 및 가시화 소재
혼합되는 액체로는 각각 1 mM, 10 mM의 농도를 갖는 NaCl 수용액을 사용하였다. 혼합을 가시화하기 위한 염료로 형광염료를 사용하였는데, 시그마(Sigma)사에서 제조한 Fluorescein F7505를 사용하였다. 상기 형광염료는 10 mM 농도의 NaCl 수용액에 5 μM 농도가 되도록 혼합하여 사용하였다.
흐름관이 내재되는 칩의 제조
유체가 유입되는 흐름관의 길이를 1 cm, 배출되는 흐름관의 길이를 2 cm로 하는 십자 모양을 갖는 흐름관을 유리 칩(glass chip) 위에 제조하였다. 상기 흐름관에 있어서 단면은 직사각형인데 폭은 60㎛, 깊이는 50㎛가 되게 하였다.
실험 장치의 구성
각 흐름관(11, 12, 13, 15)에는 유체를 저장할 수 있는 저장고(30a, 30b, 30c, 30d)를 도 6b에 도시한 바와 같이 유입관(11, 12, 13)의 상류부와 배출관(15)의 하류부에 각각 부설하였다. 저장고 (30b)에는 10 mM 농도의 NaCl 용액과 형광 염료가 혼합된 용액을 채우고, 저장고 (30a) 및 (30c)에는 1 mM 농도의 NaCl 용액을 채웠다.
전극 (40a)와 전극 (40d) 사이 및 전극 (40c)와 전극 (40d) 사이에는 직류 전원만을 걸어 주었고, 전극 (40b)와 전극 (40d) 사이에는 직류 전원과 교류 전원을 함께 걸어 주었다. 이 때 공급되는 전원을 생성하기 위해 고전압 증폭기(amplifier)(Bertan ARB-30)와 DC 전원(DC power supply)(Hewlett-Packard 3630A), 함수 발생기(function generator)(Hewlett-Packard 33120A)가 이용되었다. 이들은 특정 주파수를 갖는 전기장을 형성해 주는데 본 실시예에서는 650V의 직류 전원 및 0.1 내지 50 Hz의 범위의 주파수를 갖는 50V 교류 전원을 사용하였다.
유체 혼합의 가시화
역전 형광 현미경(Nikon TE300)과 100 W 수은 램프를 이용하여 유체의 형광 이미지를 관찰하였다. 이미지는 13㎛ 정방형 픽셀을 갖는 12 비트 CCD 카메라(Quantix 57, Photometrics)를 이용하여 캡쳐되었고 캡쳐된 이미지는 이미지 분석 소프트웨어를 이용하여 분석되었다(MetaMorph 6.1, Universal Image). 이 때 프레임 속도를 높이기 위해 가로 세로 각 2 픽셀씩 4픽셀을 하나의 단위로 묶어서 처리하였다. 이상의 실험장치를 도 6a와 도 6b에 개념적으로 도시하였다.
패턴 주기를 측정하기 위해 도 7에 도시한 것과 같이 직류 전원(650 V)에 대한 시간에 따른 혼합 패턴의 천이 과정을 이미지화하여 이를 도 8에 도시한 방법으로 분석하였다. 주기적인 성질을 이해하기 위해 도 8에 도시한 방법에 따르면, 흐름관의 특정 지점의 계면에서는 시간에 따라 주기적으로 오목/볼록이 나타나는데, '볼록'(또는 '오목')에서 다음 '볼록'(또는 '오목')까지 걸린 시간이 패턴 주기가 된다는 것이다. 도 8에서도 알 수 있듯이 동일 위치에서 A부분과 같은 모양이 다시 나타나는 시간 사이의 간격이 패턴 주기가 되는 것이다. 상기의 방법을 써서 도 7을 분석해보면 패턴 주기가 대략 0.151 내지 0.174초임을 알 수 있었다. 상기의 패턴 주기를 이용하여 공진 주파수를 구해보면 약 12 Hz임을 알 수 있다.
상기에서 구한 공진 주파수에서 실제로 최대 혼합이 발생하는지 여부를 검증하기 위해 교류 전원의 주파수를 변화시켜가며 혼합의 정도를 정량적으로 검토하였다. 혼합의 정도를 정량화하기 위해 먼저, 하기 수학식 5와 같이 분산계수(CV)를 정의하였다. 즉,
[수학식 5]
Figure 112004049742015-pat00005
.
여기서 n은 픽셀의 수, I i 는 각 픽셀의 세기이고, I avg 는 각 픽셀의 세기의 평균이다. 상기 수학식 5에서 CV 값이 작으면 혼합이 잘 되고 있다는 의미가 된다. 또한, 상기 수학식 5에서 정의된 CV 값을 이용하여 하기 수학식 6과 같이 혼합 향상 인자 E를 정의하였다. 즉,
[수학식 6]
Figure 112004049742015-pat00006
.
여기서 CVTP는 교류전원의 주어진 주파수에서의 시간에 따른 CV 값을 평균한 것이고, CVStatic은 직류 전원을 걸어주었을 때의 CV 값을 평균한 것이다. CVStatic 은 일정하므로, E가 작을수록 혼합이 잘 되고 있음을 나타낸다. 교류 전원의 주파수를 변화시켜가며 E 값을 구해보면 도 9와 같이 나타남을 알 수 있었다. 도 9에 나타난 결과를 해석해 보면 혼합 향상 인자의 최소값은 교류 전원의 주파수가 12 Hz일 때 나타남을 알 수 있고, 이는 앞서 직류 전원의 패턴 분석에서 얻은 결과와 일치하였다.
따라서, 공진 주파수의 교류전원을 걸어주었을 때 실제로 최대 혼합이 일어남을 알 수 있었다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시 예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 유체의 혼합 방법은 공진 주파수의 교류 전원을 걸어 줌으로써 계면전동 불안정성을 더욱 효과적으로 유발하여 레이놀즈 수가 매우 작은 층류 영역에서도 유체를 신속하고 효과적으로 혼합할 수 있다. 또한, 공진 주파수보다 낮은 주파수의 교류 전원을 걸어 줌으로써 유체의 시간에 따른 혼합 정도를 임의로 조절할 수도 있다.

Claims (12)

  1. (a) 연결부에서 서로 연결된 2 이상의 흐름관을 통하여 혼합하고자 하는 2종 이상의 유체를 흘리는 단계;
    (b) 상기 흐름관에 직류 전원으로 유도되는 혼합의 패턴 주기에 대응하는 공진 주파수로 교류 전원을 인가하여 상기 (a)단계에서 흘린 유체에 계면전동 불안정성(Electrokinetic Instability)을 형성하는 단계를 포함하는 유체의 혼합방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 공진 주파수가 0.1 내지 100Hz인 것을 특징으로 하는 유체의 혼합방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 흐름관에 직류 전원을 더 인가하는 것을 특징으로 하는 유체의 혼합방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 제1 유체의 흐름관의 연결부 양쪽에서 제2 유체가 유입되도록 한 것을 특징으로 하는 유체의 혼합방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 흐름관에 1 이상의 함입부를 형성한 것을 특징으로 하는 유체의 혼합방법.
  6. (a) 유체가 흐를 수 있는 복수 개의 흐름관;
    (b) 상기 흐름관이 연결되는 연결부;
    (c) 상기 흐름관의 상류측과 하류측에 설치되는 2 이상의 전극; 및
    (d) 상기 2 이상의 전극에 공진 주파수의 교류 전원 또는 공진 주파수보다 낮은 주파수의 교류 전원을 공급하기 위한 전원 공급 수단을 포함하는 유체의 혼합장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 제 1 유체가 흐르는 흐름관의 연결부 양쪽으로 제 2 유체가 흐르는 흐름관이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 유체의 혼합장치.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 흐름관에 1 이상의 함입부를 형성한 것을 특징으로 하는 유체의 혼합장치.
  9. 제 6 항의 혼합장치를 채용한 화학 분석 장치.
  10. (a) 연결부에서 서로 연결된 2 이상의 흐름관을 통하여 혼합하고자 하는 2종 이상의 유체를 흘리는 단계;
    (b) 상기 흐름관에 직류 전원으로 유도되는 혼합의 패턴 주기에 대응하는 공진 주파수보다 낮은 주파수로 교류 전원을 인가하여 상기 (a)단계에서 흘린 유체에 계면전동 불안정성을 형성하는 단계를 포함하는 유체의 혼합방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 교류 전원의 주파수가 0.01 내지 5 Hz인 것을 특징으로 하는 유체의 혼합방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 흐름관에 직류 전원을 더 인가하는 것을 특징으로 하는 유체의 혼합방법.
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