KR100700227B1 - 마이크로 채널내 전기삼투성 액체 이동을 유도하는마이크로 유체 공학 시스템내 작동기 - Google Patents

마이크로 채널내 전기삼투성 액체 이동을 유도하는마이크로 유체 공학 시스템내 작동기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로 채널내에 전기삼투성 액체 이동을 유도하는 마이크로 유체공학 시스템내의 작동기를 제공한다.
마이크로 채널, 전기삼투성, 마이크로 유체 공학, 마이크로펌프

Description

마이크로 채널내 전기삼투성 액체 이동을 유도하는 마이크로 유체 공학 시스템내 작동기{Actuator in a microfluidic system for inducing electroosmotic liquid movement in a micro channel}
본 발명은 마이크로 채널내 전기삼투성 액체 이동을 유도하는 유체 공학 시스템내 작동기에 관한 것이다.
마이크로 유체 공학 시스템을 위한 전기삼투성 및 다른 마이크로펌프를 개발하기 위한 많은 연구들이 현재 진행되고 있다(이는 일종의 마이크로 전기기계 시스템(MEMS) 또는 마이크로시스템 기술(MST)이다).
마이크로 유체 공학은 많은 기술분야에서 지대한 영향이 기대되는 떠오르는 기술이다. 마이크로 유체 공학 장치는 통상 마이크로 채널에 의해 서로 연결되고 다른 환경에 연결되는 다수의 마이크로센서 또는 마이크로분석기로 구성된다. 시약 뿐만 아니라 분석되거나 공급되는 액체는 바람직하게는 마이크로 제작된 마이크로펌프들에 의해 펌핑된다. 다른 구성요소들은 이미 상용화되었지만, 마이크로작동기 및 마이크로펌프들의 개발은 아직 초기 단계에 있고, 여러 가지 해결하여야 할 문제들이 남아 있다. 따라서, 개량된 작동기들이 개발되었을 때, 이러한 기술의 비약적 발전 및 상용화가 이루어질 것으로 기대된다. 본 발명의 목적은 개량된 유체의 흐름을 가지는 마이크로펌프 또는 믹서로서 적합한 마이크로 유체 공학 시스템을 위한 작동기를 제공하는 데 있다.
알려진 마이크로펌프들 중의 한 종류는 기계적인 작동과 연관된 왕복 펌프이다. 보통, 멤브레인은 압전력, 정전력 또는 다른 힘에 의하여 작동된다. 이들에 공통으로 가동부의 관련부분들이 제작을 어렵게 하고 그들 수명을 단축시킨다.
전계-유도 유체 펌프는 전기유체역학(EHD) 펌프, 자기유체역학(MHD) 펌프, 및 전기삼투성(EO)펌프를 포함한다. 이들의 한가지 명백한 장점은 가동부가 없다는 것이다. 그러나, 이들 펌프들은 높은 전압을 요구하며, EO펌프들은 매우 다양하다.
더욱이, EHD펌프는 비도전성 액체로 한정되어 유효 이온 농도의 용액(예로써 체액)이 운반되어야 하는 모든 응용예들을 배제한다. 또한, 높은 전압이 요구된다. PCT WO 02/07292 A2는 25kV에서 동작하는 EHD 마이크로펌프를 기술하고 있다.
한편 MHD 펌프는 도전성 용액으로 제한되며, 매우 묽은 용액의 응용예를 배제한다.
전기삼투성(EO) 마이크로펌프는 상대적으로 제작하기 용이하므로 많은 응용예에 특히 유망한 기술이고, 광범위한 농도에 대해서 양호한 성능을 얻을 수 있다.
그러나, 해결하여야 할 여러 가지 기술적인 과제가 여전히 존재한다. 주요한 문제는 i) 전극 기체의 발생, ii) 전기화학 반응, iii) 안정성 및 iv) 커다란 전위(electric potential)를 요구와 같은 것이다. 이들 과제들을 이하 상술할 것이다.
전극 기체 발생: 상대적으로 강한 전기장이 적용되어야 하고, 직류 성분이 필요하다. 이는 전극들에 기체 발생을 초래한다.
전기화학 반응: 이들 반응들이 기체 발생을 일으키고 또한 시스템의 다른 부분에서 발생할 수 있다. 응용예들을 냉각할 때, 탈이온화된 물이 액상 매체로 사용되어, H2와 O2의 기체만이 형성되도록 할 수 있다. 그러나, 칩상의 실험실이라 불리는 "랩온어칩" 응용예에서, 유체들은 반응들에 의해 변경될 수 있어, 이는 분석 또는 시스템 동작에 영향을 주거나 잘 못되게 할 수 있다. 또한, 시스템에 해로운 물질들, 예로써 NaCl용액의 전기분해로부터 일어나는 Cl2와 같은 부식성 기체들이 생성될 수 있다. 게다가, 반응 생성물과 오염성 pH변화들은 펌프 표면 전위에 영향을 끼쳐, 변경된 전기삼투성 특징들, 예를 들면 역류를 일으킬 수 있다.
안정성: 전기기계적인 반응의 영향에 더하여, 직류 전기장내 다공 축을 따라 다공 농도 윤곽이 설정되면 시간에 따라 EO 수송을 방해할 수 있다. 또한, 확산 전송 및 삼투현상과 같은 여러 가지 현상들은 흐름을 감쇄시킬 수 있다. 따라서, DC 전기삼투는 보통 시간에 따라서 감쇄하여, 설명된 역효과에 따라서 궁극적으로 제로 흐름이 된다. 이러한 영향들은 진동계를 이용하여 감소시킬 수 있으나, 고전적인 EO가 그 진동장에서 선형이므로, DC성분이 항상 존재하여야 하고, 이에 따라 역효과들 또한 어느 정도 존재한다.
큰 전위(kV급)는 통상 값비싸고 부피가 큰(휴대성을 저하시킴) 전원공급장치를 요구한다. 또한, 이러한 전원공급장치는 특히 인체 가까이 에서 사용되는 장치의 경우 누전에 의해 위험을 초래할 수 있다.
PCT WO 02/070118 A2는 비다공 이온-도전성 멤브레인에 의한 전극으로부터 채널을 분리시킴으로써 전극 기체 방출의 문제가 해결되는 미세 제작된 펌프를 개 시한다. 기체 거품은 전극챔버로부터 외부 환경으로 방출되게 된다. 단점이라면 개방구조를 요구하고, 해로운 반응물의 생성될 수 있고, 상대적으로 복잡한 구조인 것을 들 수 있다.
US 2003/0085024 A1은 촉매 기체 재합성(플래티넘 촉매)을 위한 분리 챔버를 구비한 EO 마이크로펌프를 구비한 냉각 장치를 개시한다. 이 장치는 작동 유체로서 순수한 물 또는 완충수로 제한된다. 기체 재합성이 완전하다고 보장되지는 않지만, 기체는 멤브레인을 통해 시스템으로부터 방출되도록 허용된다. 양호한 펌프 성능을 얻을 수 있으나, 완전한 기체 재합성을 이룰 수 없다. 이 시스템의 명백한 단점이라면, 촉매의 가격과 재합성기의 크기이다. 또한, 합성기는 단지 예를 들면 NaCl 용액으로부터 형성된 Cl2가 아니라 순수한 물의 분해 생성물을 취급하도록 설계되었다. 2kV 전위차가 적용되었다.
US 6,568,910 B1에, EO 펌프가 설명되어 있으며, 어떠한 전계도 존재하지 않는 제2 채널 속으로 및 제2 채널을 통해서 전극을 포함하는 제1 채널로부터 액체가 펌핑된다. 반복하면, 이러한 용액은 주된 마이크로채널내에서 전극 기체 발생이 일어나지 않도록 하는 것을 목표로 한다.
J. G. Santiago의 "유한 관성 및 압력을 갖는 마이크로채널내 삼투 흐름" (Anal. Chem., 73: 2356-2365, 2001)에 기공 크기를 줄이기 위하여(이에 따라 압력을 증가시키기 위하여) 3.5㎛ 실리카 입자의 다공성 프릿(frit)을 포함한 모세관을 이용한 펌프가 개시되어 있다. 3.6㎕/min의 흐름이 2kV 전위차를 이용하여 이루어졌다. 탈이온화된 물이 작동유체로서 사용되었으나, 여전히 기체 발생이 전극들에 서 관찰되었다. 0.5와 0.7mm의 채널 직경을 갖는 펌프가 사용되었으며, 다공성 프릿의 길이는 5.4cm이었다.
길이 1mm, 높이 0.9mm, 폭이 39mm인 크기를 갖는 개방 유리 채널을 사용하면, 2개월에 15 내지 0.2㎕/min의 속도로 감소하는 전기삼투 속도가 얻어졌다. (Chen, C.H. Zeng, S., Mikkelsen J.C.와 Santiago, J.G.의 "평면형 전기운동 마이크로펌프", 스탠포드 기계공학부). 전위차는 1kV였다. 반복하면 탈이온화된 물이 작동유체로 사용되었으나 전극 반응물(기체 발생)이 존재하였다.
작은 채널 크기 때문에, 레이놀드수는 낮고 흐름은 정상적으로 얇은 층을 이룬다. 결과적으로, 주로 확산에 의하여 혼합이 이루어지며, 많은 경우 마이크로미터 차원에서 유용하다. 그러나, 큰 분자(예로써 DNA), 박테리아 및 세포인 경우, 대류가 급속한 혼합을 달성하기 위한 유일한 방법이다. 상이한 방법들이 마이크로채널내 혼돈스런 흐름을 삽입하기 위해 시험되었으나, 이는 여전히 풀어야 할 과제로 생각된다.
Shishi, Q. 및 Haim H. Bau.의 논문 "혼돈의 전기삼투 교반기"(Anal. Chem., 74(15): 3616-3625, 2002)는 시간별 및 채널길이 좌표를 따라 벽면 전위를 변화시킴으로써 혼합된 용액을 기술하고 있으며, 이는 여러 개의 전극 및 제어장치에 의하여 가까이 인접한 채널 섹션내 필드효과 제어를 삽입하여 수행될 수 있다. 이 시스템은 상대적으로 복잡한 구조를 갖는다는 단점이 있다.
전기운동 불안정성 마이크로믹서가 또한 100V/mm 보다 큰 정현파 전계를 이용함으로써 생성되었다[Oddy, M.H., Santiago, J.G. 및 Mikkelsen, J.C. Anal. Chem. 73, 5822-5832(2001)].
인슐린 공급용 EO구동 마이크로펌프가 E.L.P. Uhlig, W.F. Graydon, 그리고 W. Zingg.의 "이식가능 인슐린 마이크로펌프의 전기삼투 작동"(Journal of Biomedical Materials Research, 17:931-943, 1983)에 기술되어 있다. 전기화학 세포(Ag|AgCl|NaCl|양이온 교환 멤브레인|NaCl|AgCl|Ag)가 매 10분마다 역전되는 작동을 위하여 사용되었다. 종료시까지 일방향으로 반응이 일어나지 않도록 전류 역전이 필요하였으며, 그 후 거의 또는 전혀 전류가 흐르지 않게 하였다. 전기자기적으로 제어되는 밸브가 전류 역전에도 불구하고 제2 채널내에 일방향으로 흐르도록 사용되었다. 이 채널이 인슐린을 포함하는 금속 벨로우와 접촉되어 그 다음 인체속으로 펌핑될 수 있었다. 이 시스템은 복잡하다는 결점과 가동부가 있다는 결점이 있다.
추가 선행기술은 US2003164296A1, UA-A-5985119, 및 다음의 간행물 공보에 기술되어 있다.
Dukhin S.S.: "제2 종류의 전기운동 현상 및 그 응용" (ADVANCES IN COLLOID AND INTERFACE SCIENCES vol. 35, 1992, Elsevier Science Publishers B.V. Amsterdam, pages 173-196, XP002976010)
Dukhin S.S. et al: "제2 종류의 전기삼투성에 기초한 전기투석의 강화" (JOURNAL OF MEMBRANE SCIENCE vol. 79, 1993, Elsevier Science Publishers B.V. Amsterdam, pages 199-210, XP002974593)
Mishchuk N.A.: "이종 이온 교환 멤브레인 가까이의 제2 종류의 전기삼투"(COLLOIDS AND SURFACES A: PHYSICOCHEMICAL AND ENGINEERING ASPECTS vol. 140, 1998, pages 75-89, XP002974594)
Mishchuk N.A. et al: "제2 종류의 전기삼투"(COLLOIDS AND SURFACES A: PHYSICOCHEMICAL AND ENGINEERING ASPECTS vol. 95, 1995, Ukraine, pages 119-131, XP002976009)
분명히 EO 마이크로펌프가 여러 가지 장점이 있을지라도 중요한 문제점들은 현재의 기술 수준으로는 만족스럽게 해결되지 않는다는 것이다. 일반적으로, 전극 기체 발생 문제는 i)인가되는 필드를 크게 제한하는 특수 액체(탈이온화된 물 및 완충수)를 사용하여, 또는 ii)EO 펌핑영역으로부터 기체 거품을 피할 수 있는 어떤 장치로 전극들을 이동시킴으로써 해결된다. 후자는 전위차가 전극 거리에 비례하므로 더 큰 전위를 요구한다. 또한, 특히 그 구조가 각 전극 쌍을 구비한 여러 펌프들을 구비하게 된다면 그 설계를 더욱 복잡하게 만든다.
본 발명의 목적은 기술적인 과제들이 해결되는 새로운 작동기를 개발하는 것이다. 구체적으로는, 본 발명의 목적은 훨씬 낮은 전위를 사용하고 시스템 화학에 의해 덜 영향을 받도록 어떠한 DC신호를 이용하지 않고 구동될 수 있는 작동기를 제공하는데 있다. 많은 경우에, 펌프 가까이에 전극들을 배치할 수가 있을 것이며, 이는 최소 전압을 한층 의미있게 낮출 수 있고, 다중 펌프 시스템을 제작하는데 양호할 것이다. 더욱이, 본 발명의 목적은 선행기술의 해법으로 얻을 수 있는 것 보다 훨씬 높은 유속을 갖는 해법을 제공하는 데 있다. 더욱이, 본 발명의 목적은 마이크로채널내 액체들을 혼합하기 위해 사용될 수 있으며, 마이크로 유체 역학에서 또한 풀어야 할 과제인 작동기를 제공하는 데 있다. 대부분의 설계에서, 본 발명에 따른 작동기는 가역적으로 동작하여 각 방향으로 동일한 펌핑 특성들을 나타낸다.
본 발명의 목적은 채널의 입구로부터 출구까지 유체를 수송할 수 있는 마이크로 채널을 제공하는 데 있다. 전통적인 전기삼투성에 기초한 공지된 선행 기술 해법과 비교할 때, 본 발명의 마이크로 채널은 증가된 유체 흐름을 제공하는데, 즉 액체가 증가된 유속으로 마이크로 채널을 통해 흐르도록 한다. 순 흐름, 즉 마이크로 채널을 통해 흐르도록 된 액체의 양이 증가된다. 이렇게 개선된 흐름은 마이크로 채널 내 특정한 기하학적 모양을 가지는 도전수단을 배열함으로써 얻어진다. 보다 자세하게는 상기 도전수단의 표면부위는 마이크로 채널에 인가된 전계에 대해서 곡면화되거나 경사지게 형성된다.
본 발명의 근본적인 이론적 개념은 "제2의 삼투압 (EO2)" 또는 "초고속 삼투압"이라 불리운다. 특히 유도 수송(directed transport)이 달성되려면, 다수의 조건들이 EO2를 얻기 위하여 충족되어야 한다.
EO2에 의한 액체 수송은 동일한 전계 강도 E를 인가할 때 고전적인 삼투압 (EO1)의 경우 보다 10-100배 빠르다. 전계 강도 E를 낮추는 경우 전기기계적인 반응의 문제들을 감소시키고, 또한 이식가능 장치 및 인체 가까이 사용되는 장치인 경우 특히 중요한 누전의 위험 가능성을 감소시킨다. 더욱이, 고전압 발전기에 대한 요구가 제거되어 휴대성을 높이면서 시스템 비용과 크기를 감소시킨다.
전계 강도에서 비선형이므로, EO2는 거의 또는 전혀 직류 필드 성분을 갖지 않는 교류 전계를 사용하여 유도 액체 수송을 달성할 수 있도록 한다. 따라서, 상기 언급한 안정성 문제들이 감소되거나 제거될 수 있다.
더욱이, 분극 전류가 더 크게 되고 패러데이 전류가 교류 전계에 대해서 더 작은 경우, 전극 반응들(전극 기체 발생을 포함)은 교류 전계에서 역시 감소되거나 제거될 수 있다.
도 1은 일반적인 마이크로 유체 공학 시스템의 개략도이다.
도 2는 구형 입자로 구성된 도전수단의 평면도이다.
도 3은 경사면을 구비한 도전수단의 평면도이다.
도 4는 반구형으로 구성된 도전수단의 평면도이다.
도 5는 도전수단으로 사용된 2개 입자층을 도시한다.
도 6은 작동기의 세그먼트를 포함하는 마이크로채널의 일부를 도시한 측면도이다(도전수단은 미도시).
도 7은 마이크로펌프의 영역을 포함하는 마이크로채널의 일부를 도시한 평면도이다(도전수단은 미도시).
도 8 및 도 9는 타원형 도전 입자들을 구비한 작동기를 포함하는 마이크로채널의 일부를 도시한 평면도이다.
도 10 및 도 11은 경사 도전면을 구비한 마이크로펌프를 포함하는 마이크로채널의 일부를 도시한 평면도이다.
도 12는 마이크로펌프에 대한 폭확장 영역을 포함하는 마이크로채널의 일부를 도시한 평면도이다(도전수단은 미도시).
도 13은 도전수단이 벽들의 일부를 구성하는 마이크로펌프를 포함하는 마이크로채널의 단면도이다.
도 14는 도전 경사면 또는 경사벽을 구비한 마이크로펌프의 기하모양을 도시한다.
도 15는 원형 채널 단면을 구비한 도전 경사벽을 갖는 마이크로펌프를 도시한다.
도 16은 공간전하영역(Space Charge Region:SCR)을 유도하기 위한 한 쌍의 전극(하나는 와이어 모양으로 형성되고 다른 하나는 채널에 동심원인 튜브로 형성된다)을 구비한 도전 채널부로 구성된 4개의 전극을 구비한 마이크로펌프를 도시한다. 다른 전극은 도전 채널부의 상향 및 하향으로 위치되어야 한다.
도 17은 펌프에 들어오는 2개의 유체를 혼합하는 추가적인 장점을 갖는 마이크로펌프를 도시한다.
도 18은 마이크로채널 내 흐름을 도시하는 시험 장치의 채널 단면을 도시한다.
도 19는 시험적인 마이크로채널을 만들기 위해 사용되는 구멍판을 도시한다.
도 20은 도시된 것처럼 액체가 채워진 영역을 구비한 시험 장치의 평면도이다.
도 21은 더 낮은 전도도의 어떤 액체에서 그리고 접선 성분이 이온 및 액체 수송을 초래하면서 정상 필드 성분이 공간전하영역(SCR)을 유도하는 강한(등식 3에 따르는) 전계에서, 단일 도전입자상의 EO2의 원리를 도시한다.
도 22는 입자 주위의 EO2흐름으로, 주로 원형으로 보여질 수 있음을 도시한다.
도 23은 본 발명에 따라 DC성분을 갖지 않는 전기신호를 도시한다.
도 24 내지 도 27은 각각 EO2를 얻기 위한 전계 강도의 영역을 도시하며, 여기서 E_min_WS는 물 전기분해를 피하기 위한 최소값 E이고(등식 5), E_max_SCR_flux(등식 4), 또는 E_max_thin_SCR(등식 6), EO2를 얻기 위한 E의 상한치에서, E_min_EO2(등식 3)는 EO2를 얻기 위한 최소 전계 강도이고, 한편 EO2가 EO1보다 상당히 빠른 경우 낮은 전계 강도를 나타내는 E_lower_EO2는 이 값의 4배이다. 전계 강도는 물(NaCl 용액)속에서 상이한 입자 크기에 대해서 이온 농도의 함수로서 도시된다.(도 24에서 입자 크기 a=10㎛, 도 25에서 입자 크기 a=100㎛, 도 26에서 입자 크기 a=1㎜, 도 27의 한 도면에서 입자 크기 a=1, 10, 100, 1000㎛이다.)
도 28은 상이한 입자 크기(등식 8)에 대해서 농도의 함수로서 유체 역학 시정수를 도시한다. 이는 상부 전기 신호 주파수를 결정한다.
본 발명은 다음의 도면과 실시예들을 참조하여 설명될 것이다.
명세서 및 청구항에서 사용된 용어의 정의
마이크로채널: 적어도 하나의 치수가 마이크로미터 또는 나노미터 범위내의 채널
마이크로 유체 공학 시스템: 하나 이상의 마이크로채널에서 액체들의 수송 및 조작을 위한 시스템으로, 각각의 마이크로채널을 통해 유속이 1 나노리터/분 및 50 밀리리터/분이다.
작동기: 일 방향으로 액체를 펌핑하거나 또는 원형 흐름을 삽입하거나 혼합하거나, 또는 원형 흐름을 삽입하고 혼합함으로써 그 액체를 이동하게 설정하는 장치. 작동기는 주로 관심있는 유체상에 직접 작용할 수 있다(가령 분석될 샘플 및 시약). 작동기는 또한 간접 작동을 위해 사용될 수 있다. 예로써 작동기는 선택된 액체가 멤브레인의 일측과 접촉하도록 직접 작동시키는 한편 타측은 주로 관심있는 유체와 접촉하도록 함으로써 연동 펌프의 멤브레인이 이동하도록 설정한다.
매끄러운 표면: 표면 요철이 dchar의 5%보다 작은, 바람직하기로는 dchar의 1%보다 작은 표면으로 이해된다.
특징 치수 dchar: 외부에서 인가된 전계의 방향에 평행하게 측정된 도전수단의 치수. 다수의 도전입자들이 전계의 방향으로 상호 접촉할 때, dchar는 상기와 동일하게 측정된 결정된 도전구조의 전체 길이로 간주된다.
특징 반경 achar: dchar의 0.5배.
기판: 마이크로채널 또는 채널들의 시스템이 생성되는 재료로서 예로써 채널 루프를 구성하는 상판뿐만 아니라 채널들이 엣칭되는 실리콘 웨이퍼를 포함한다.
본 발명에 의한 마이크로펌프는 수 나노리터/분에서 50밀리리터/분까지의 영역에 액체를 수송하도록 설계된다. 전형적으로 액체의 양은 특정 응용예에 따라 변하고, 약 공급용으로는 수 나노리터/분, 랩온어칩 응용예의 경우 마이크로리터/분, 냉각 응용예의 경우 수 밀리리터/분이다. 간단하게는 용어 마이크로펌프와 마이크로채널은 접두사 '나노"가 크기 범위의 하부에서 사용될지라도 명세서 내내 사용될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로 유체 공학 시스템(10)의 일반적인 개략도이다. 바람직하기로는 마이크로 유체 공학 네트워크는 기판(12) 상에 또는 기판(12)내에 배열된다. 도면에는 2개의 마이크로채널(20)이 도시되어 있다. 화살표들은 유체 흐름 방형을 표시한다. 세그먼트(20a)는 마이크로채널(20)의 일부분으로 표시된다. 전극(16)은 세그먼트(20a)에 전계 E를 설정하고, 도전수단(18)은 액체가 주어진 방향으로 흐르도록 한다. 전극들(16)과 센서(22)의 접점들은 참조번호 24로 표시된다. 전극들(16)이 마이크로 유체 공학 시스템내 어느 곳이던, 그리고 시스템의 외부에, 예로써 채널 입구 및 출구에 위치될 수 있다. 그러나, 전극들 사이의 거리가 큰 설계는 덜 바람직하다. 또한 작동기는 어떤 기판상에 미세 제작되는 대신에 예로써 모세관으로 생성될 수 있다.
도 2는 채널부(20a)의 바닥 및 상부에 고정되는 원형 또는 구형 도전수단(18)을 구비한 본 발명의 실시예에의 평면도이다. 여기서, 채널 단면은 사각형이다. 입자들 사이의 거리와 벽은 거의 achar과 동일하여, 혼합 및 유도 수송이 일어날 것이다. 또한 채널(20)의 벽들과 전극들(16)의 위치가 도면에 점선으로 표시되어 있다. 유체의 흐름 방향은 화살표로 나타내었다.
도 3에서, 채널 벽들에 고정되고(사각단면의) 채널을 채우는 2개의 경사면으로 형상화된 도전수단(18)을 구비한 본 발명의 실시예가 도시되어 있다. 또한, 채널(20)의 벽, 전극(16)의 위치, 및 유체의 흐름 방향(직선 화살표로 표시됨)이 도면에 도시되어 있다. 도전수단(20) 사이의 거리는 약 2-0.5 achar의 범위에서 변하므로, 유도 수송에 더하여 혼합이 이루어질 것이다.
도 4는 도 3에 도시된 것과 유사한 실시예를 도시하나, 도전수단(20)은 반원상의 실린더 또는 반구형 모양이다. 도전수단(18) 사이의 거리는 혼합 및 유도 수송을 일으키는 특징적인 직경 거의 2 achar의 거리이다. 전극들(16)의 위치는 점선으로 도시된다.
도 5는 유체 흐름 방향으로 원형 실린더 또는 구형으로 형상화된 2개의 연결된 층의 도전수단(18)을 구비한 마이크로 작동기를 도시한다. 도전수단은 마이크로채널(20)의 바닥 및 상부에 고정된다. 전극들(16)의 위치는 점선으로 도시되고 뿐만 아니라 유체 흐름의 방향도 점선으로 도시되어 있다. 도전수단(18)과 벽 사이의 거리가 거의 achar에 동일하므로, 혼합 및 펌핑 모두 일어날 것이다.
도 6은 작동기 세그먼트(20a), 기판(12)(가령 실리콘, 유리 또는 폴리머) 및 전극들(16)을 포함하는 마이크로채널(20)의 측면도이다. 도 6에는 채널 상판(기판과 동일한 재질중에서 선택된), 및 유체 흐름 방향이 도시되어 있다. 도전수단의 세그먼트는 점선으로 도시되나, 도전수단(18)은 도시되지 않았다.
도 7은 도 6에 도시된 구조와 동일한 구조의 평면도이다.
도 8은 기판과, 채널 바닥 및 상부에 고정된 타원체 또는 타원형의 원통형 도전수단(18)을 구비한 본 발명의 실시예를 도시한다. 전극들(16)의 예상 위치들은 점선으로 도시된다. 도전수단(18)의 거리가 작기 때문에, 대부분 유도(directed) 펌핑이 일어날 것이다.
도 9의 작동기는 도 8에 도시된 작동기와 유사하나, 유체 흐름 방향으로 2개 층의 도전수단(18)을 구비하며, 이들은 상호 접촉하지 않는다.
도 10은 채널 벽에 고정되고 전체 채널 깊이를 채우는 2개의 경사진 도전수단(18)을 구비한 마이크로 작동기를 도시한다. 도전수단(18) 사이의 거리는 achar에 비해 상대적으로 작기 때문에, 유도 수송이 일어날 것이다. 예상 전극 위치는 점선으로 도시된다.
도 11은 도 10에 도시된 것과 유사한 경사 도전수단(18)을 구비한 다른 실시예를 도시하나, 채널 폭으로 추가 층을 갖는 도전수단을 구비한다.
도 12는 도전수단(18)을 포함하는 채널 세그먼트(20a)(2개의 점선으로 제한 됨)를 포함하는 폭이 넓혀진 채널 세그먼트를 구비한 마이크로 채널(20)을 도시한다. 도전수단은 도면에 도시되지 않았다. 이 작동기는 더 큰 압력을 형성하는 장점을 갖는다.
도 13에는 도전수단(18)이 채널벽의 일부인 마이크로 작동기 부분(20a)을 포함하는 채널(20)의 일부가 도시되어 있다. 원형의 전극들(16)이 또한 도시되어 있다. 도전수단 사이의 거리가 achar에 비해서 작기 때문에, 유도 수송이 상당히 일어날 것이다. 액체와 비교되는 도전벽부(18)의 도전성이 높기 때문에, 국부 전계가 상기 도전수단(18) 쪽으로 벗어나며, 법선 및 접선 방향의 전계 성분을 모두 생성한다.
도 14에서, 마이크로 작동기부(20a)를 포함하고 경사 도전수단(18)을 구비한 마이크로채널부(20)의 일부의 기하학적 모양이 표시된다. 채널벽과 도전수단의 표면 사이의 각도 λ는 표시되고, 뿐만 아니라 원래의 채널 직경 d0, 원래 채널벽과 경사면 h상의 한 점 사이의 법선 거리, 특징적인 직경 dchar, 및 채널 길이 축 x도 표시된다.
도 15는 나머지 마이크로채널(20)에 동심원인 원형 형상의 경사 도전수단(18)을 구비한 실시예로 도전수단을 가지는 마이크로채널부(20a)를 도시한다.
도 16에는 4개의 전극을 구비한 마이크로채널이 도시되어 있다. 여기서, 도전수단(18)은(원통형) 채널의 일부를 형성하는 한편, 전극들(16)은 이 부분(미도시)에 상향 및 하향 위치한다. 도전수단은 관형 이온교환 멤브레인일 수 있다. 두번째 쌍의 전극들(16a)은 공간전하영역(SCR) 형성에 책임있는 흐름에 직각인 전계를 유도한다. 전극쌍 중의 한 전극은 마이크로채널(20)에 동심원이고 더 큰 반경을 가지는 원형 튜브 형상이다. 전극은 금속박 또는 금속도포, 어떤 도전코팅 또는 표면처리 또는 기타 다른 것으로 구성될 수 있다. 정상 필드를 포함하는 다른 전극은 격리 편들 또는 다른 고정 방법에 의하여 도전수단(18)으로부터 어떤 거리에 유지되어야 하는 금속와이어일 수 있다. 바람직하기로는 그 전극은 채널 중심축을 따라 위치되어야 한다.
도 17은 도전수단을 포함하는 마이크로채널부(20a)의 평면도로, 한 도전입자가 채널의 확장부에 위치하고 여기서 그 영역을 거의 2 achar 까지 거리를 유지하게 하며, 흐름에 개방되어, 효율적인 혼합을 일어나게 한다. 도전수단과 벽 사이의 거리가 0.5 achar 미만일 때, 마이크로채널부(20a)의 다음 부분은 주로 유도 펌핑을 하도록 한다.
도 18에는 도전수단(18)이 메세 제작된 반원형의 구멍을 구비한 2개의 판들 사이에 고정될 때, 시험 장치내 채널 단면이 표시되어 있다. 마이크로채널 길이 방향은 종이면에 직각 방향이고, 채널 측벽들은 각 측에 밀봉 질량에 의해 그 판들을 밀봉함으로써 생성된다. 구형 술폰화된 스티렌-디비닐벤젠 이온-교환 입자들은 도전수단(18)으로 사용된다.
도 19는 도 18의 시험 장치에 사용된 미세 제작된 구멍판의 평면도이다.
도 20은 마이크로채널(20)의 각 측에 도전수단(19), 전극들(16), 및 2개의 액체저장소를 구비한 시험장치의 평면도이다.
일반적으로, 도전수단(18)은 타원체, 원형 또는 타원형 실린더 형태를 가지거나, 또는 구형, 반구형, 또는 원형 단면을 구비한 형상을 갖는다. 더욱이, 도전수단은 인가된 전계에서 0-85도 사이의 각도, 바람직하기로는 30-60도 내의 각도를 갖는 면의 형태를 가질 수 있다. 도전수단은 작동될 액체보다 적어도 5 배, 바람직하기로는 그 작동 액체의 도전성보다 적어도 10배의 도전성을 가져야 한다.
도전수단(18)의 특징적인 수치 dchar는 0.1㎛ 와 5mm 사이에 있어야 하나, 대부분의 응용예에서 10㎛ 와 500㎛ 사이에 있어야 한다.
소정의 유도 EO2 펌핑을 원하는 응용예에서, 도전입자들(18) 사이의 공간, 도전입자들(18)과 채널벽(20a) 사이의 공간은 ⅛ 내지 ½ achar 사이에 있어야 한다. 도 3, 4, 10, 및 11에서와 마찬가지로 벽까지의 거리는 도전수단(18)이 벽들에 부착되는 곳에서는 적용되지 않는다. 흐름방향으로의 한 개층의 입자들의 경우, 이 거리는 더 적거나 영(zero)일 수 있다. 만일 일 개층 이상이라면, 각 층의 입자들 사이에, 또는 인접한 층들내 입자들 사이에, 또는 양쪽들 사이에 공간이 있어야 한다.
펌핑이 또한 얻어져야 한다면, 그 거리는 2 achar 까지 될 수 있다. 가장 큰 거리를 위하여 혼합이 주로 얻어진다.
도 13은 도전수단(18)이 마이크로채널 벽(20)의 일부인 실시예를 도시한다. 이는 본 발명의 특수한 예이고, EO2조건이 도전수단(18) 가까이 국부 전계의 감쇄 에 의해 설정된다.
도전 영역의 길이는 도전 입자들에 대해서 동일하여야 한다. 채널 기하학적 형상은 사각형, 원형 또는 타원형이다. 여기서, dchar 는 유체 흐름 방향으로 측정된 도전 필드의 길이이다. 도전 입자들에 대해 유추하면, 2개의 도전 벽들 사이의 거리는 유도 흐름을 얻기 위하여 바람직하게는 1/8 내지 1/2 achar 이어야 한다. 도전 영역은 채널 외주(가령 벽들) 또는 전체 채널 외주의 일부를 덮을 수 있다.
도 13에 도시된 도전 벽을 구비한 구조에서, 전극들(16)은 바람직하게는 채널벽들의 부분(20b)으로부터 어떤 거리에 위치할 수 있고, 채널 폭의 1/3 또는 그 미만을 점유할 수 있다. 채널벽들은 상기 언급한 거리보다 전극들(16)에 더 가까이 위치할 수 있고, 채널벽들은 도전벽들의 영역(20b) 내에 위치될 수조차 있다.
또한, 이러한 구조는 채널의 폭방향으로 도전 수단의 여러 개의 사각 블록들을 사용하여 신장될 수 있다. 그러한 기하 형상에서, 도전 블록들의 단부들은 접선 방향의 전계 성분을 증가시키도록 전기적으로 격리될 수 있다.
한 쌍의 전극들(16)을 포함하는 구조에서, 전극들은 각각 도전 영역에 대해서 상향 및 하향으로 위치되어야 한다. 이들 전극들은 채널 벽들(20b)의 일부 또는 전체 외주로 또는 도포된 전자적 도전 영역이면 되거나, 또는 전극들은 채널 내의 그리드 또는 다른 구조(바람직하기로는 미세 제작됨) 구조이면 된다. 또한 전극들(16)은 단순히 채널 벽들(20b)을 통하여 외부로부터 삽입된 금속 와이어로 구성될 수 있다. 전극들(16)은 직선 전계를 얻기 위하여 도전수단(18)으로부터 소정 거리 에 위치되어야 하나, 높은 전위를 피하기 위하여 너무 떨어지지 않는 거리이면 된다. 통상적으로 각 전극 및 도전수단(18) 사이의 거리는 0.5 및 5mm 사이에 있어야 한다. 그러나 그 거리는 더 작거나 또는 더 클 수 있다.
4개의 전극 마이크로펌프는 도 16에 도시되어 있다. 여기서 길이 dchar의 도전성 원형 채널부는 공간전하영역(SCR)을 유도하는 전극들 중의 하나를 형성하는 동심원 형태의 도체에 의해 둘러싸여 있다. 이 목적을 위하여 다른 전극은 도전 채널 속에 놓여 있고, 채널벽들과의 전기적인 접촉을 피하기 위하여 격리편(pieces of isolation)을 갖는 금속 와이어일 수 있다. 이상적으로, 유체 흐름을 허용하는 격리 구조에 의하여 채널 중심에 고정되어야 한다. 다른 쌍의 전극들은 상술한 바와 같이 펌핑영역에 대해서 상향 및 하향으로 놓여야 한다.
2 이상의 액체들을 혼합할 수 있는 마이크로펌프는 도전수단 주위의 영역 중 더 큰 부분을 개방시켜 놓음으로써(다른 도전입자들 또는 벽들에 의해 점유되지 않음) 생성될 수 있다. 이는 대부분 또는 오로지 원형의 흐름을 일으킬 수 있으므로, 펌프는 또한 유도 흐름을 위해 최적화된 개방 공간들을 구비한 챔버를 포함할 수 있다(1/8-1/2 achar). 그러한 혼합 펌프는 도 17에 도시되어 있다. 혼합 챔버(24)는 여러 가지 도전 입자들(18)을 포함할 수 있고, 그 크기는 원하는 혼합 시간에 기초하여 결정될 수 있다.
다음, 기초가 되는 메카니즘은 주로 구형 입자의 형태의 도전수단을 참조하여 설명할 것이다. 그러나, dchar=2achar의 의미로 모든 형상에 대해 설명될 수 있기 때문에 다른 기하학적 형태로의 간단히 확장된다.
본 발명의 기초 개념은 접선의 전계 성분은 법선 방향의 성분에 의해 유도된 공간전하영역(SCR) 상에 작용한다는 것이다. 공간전하영역(SCR) 내에 용매화된 이온들은 그 다음 고전적인 EO를 위해 EDL내에 이온들과 비슷하게 운송된다. 양자의 경우, 대량의 기공 액체는 점성력에 의해 운동하도록 설정된다.
EO1 속도는 스몰루쵸브스키 등식에 의해 주어진다.
Figure 112004062678748-pct00001
여기서, ε은 액체 유전율이고, ζ는 벽의 표면 (제타) 전위이고,
Figure 112004062678748-pct00002
은 대전 표면에 평행인 전계 강도이고, η는 액체 점도이다. EO2의 경우 속도는 다음의 수학식 2에 의해 주어진다.
Figure 112004062678748-pct00003
E⊥은 법선 방향의 전계 성분이다. 다른 형상의 도전 입자의 경우에, dchar은 유체 흐름 방향으로 측정된 칫수로 택하여진다. 공간전하영역(SCR) 전하는 dchar배의 E와 거의 동일하다. 고전적인 전기삼투성(EO1)은 EDL내의 영구 전하(이온)의 수송에 의해 야기된다. 이들 이온들은 가수분해되거나(즉, 다수의 물분자들이 각 이온과 결합되거나), 일반적으로 용매화된다(물 이외의 다른 용매가 사용될 수 있다). 전계가 전하들을 운동하게 할 때, 물 또한 수송된다. 이 효과는 약하게 대전된 영역에서 발생하지만, 전체 기공 액체는 점성력에 의해 설정된다. 물 수송은 EDL (또는 제타) 전위 및 E에 비례한다.
공간전하영역(SCR)이 표면상에 EDL의 존재와 독립적으로 설정되는 것이 중요하다. "제2의 전기삼투성"의 개념은 약하게 대전된 영역내의 소스를 갖는 EO1과의 유사도를 나타내며, 이는 다량의 액체상에 작용하는 전기 효과와는 다르다(후자의 전기효과는 전기 유체 역학적인 효과로서 나타내어진다).
공간전하영역(SCR)은 전계가 강한 농도 분극화를 일으키기에 충분히 강한 경우에 도전 표면상에 유도된다. 그 다음 분극화 영역은 다량의 액체와의 경계에 있는 확산영역, 도전표면에 더 가까운 공간전하영역(SCR)층 및 가능한 한 그 도전표면에 가장 가까운 EDL을 구비한다. 그런 분극화 현상은 이온적 및 전자적으로 도전성이 있는 도전재 모두에 대해 설명되었다.
분극화 현상은 더 낮은 도전성을 갖는 어떤 액체내의 영구 선택적인(permselective)(양)이온에 대해서 가장 간단하게 설명될 수 있다. 이 현상은 주지된 현상이고, 여기서는 간단하게 설명될 것이다. 멤브레인 쪽으로 전계를 가함으로써 양이온들이 고체쪽으로 및 고체를 통해 이동되는 한편, 어떠한 음이온도 영구 선택성에 의해 반대방향으로 통하도록 허용되지 않는다. 안정화 상태에서, 멤브레인으로부터 멀어지는 공통 이온들의 전기확산 플럭스는 반대방향으로의 확산 플럭스에 의해 보상된다. 따라서, 멤브레인 쪽으로 감소하는 농도를 가지는 확산영역이 관찰된다. 전계 강도를 증가시키면, 전류는 증가하고 농도 감소는 더 커지게 된다. 멤브레인 가까이 제로 이온 농도에서 한계에 도달된다. 이 때, 어떠한 전류 증가도 전압을 추가로 증가시키더라도 관찰되지 않으며, 이에 따라 "한계 전류"라 불린다.
그러나, 한계전류는 전압-전류 곡선상의 안정기를 나타내지만, 전압이 충분히 크다면, 전류에서의 추가 증가가 일어난다. 이러한 강한 농도 분극화의 한가지 특징은 멤브레인에 가까이(멤브레인과 확산영역의 사이에) 공간전하영역(SCR)이 출현한다는 것이다.
한계 전류를 초과하는 경우의 한가지 이유는 확산 이온 수송에 더하여 분극화 영역에서의 EO2 소용돌이(에디들)(eddies)이(원형 흐름, 때로는 전기대류로서 언급됨) 출현하기 때문이다. 편평한 멤브레인일 경우에도 EO2 소용돌이가 관찰된다.
전기 멤브레인 프로세스에서, 더 많은 에너지 효율 프로세스를 주는 이유로 가장 낮은 전압에서의 고전류가 바람직하다. 따라서, 특수 멤브레인과 스택 설계(이하의 예들을 참조)에 의하여 전기투석시의 EO2 대류를 증가시키는 것이 연구의 목적이었다.
EO2를 얻기 위한 조건들을 다음과 같이 요약한다.
1. 그 표면에 접선방향 및 법선방향의 전계 성분을 모두 구비한 도전매체는 더 낮은 도전성을 갖는 액체로 둘러싸인다. 접선방향 및 법선방향의 전계 성분의 존재는 다음과 같은 방법으로 얻어질 수 있다.
a) 도전재는 원형(구형 또는 원통형) 또는 경사구조를 가지며, 이에 따라 접선방향 및 법선방향의 전계 성분 모두가 2개의 전극들에 의해 간단히 삽입된 전계에 나타난다(이는 채널벽상의 2개의 평행하는 평면 또는 직선들로 형성될 수 있다).
b) 다시 2개의 전극을 사용하여, 펌프는 도전벽을 구비한 원통형 기공 채널로 구성될 수 있다. 명세서에서 기술되는 것처럼 시스템의 기하학적 형상으로서, 국부 전계는 기공 벽을 향하여 벗어나, 그 벽에 접선방향 및 법선방향의 전계 성분을 형성할 것이다. 이는 도 13에 도시되어 있다.
c) 4개의 전극을 사용함으로써, 2개는 공간전하영역(SCR)을 유도하기 위한 것이고 다른 2개는 이온들이 운동하도록 하기 위한 것이다. 이는 도 16에 도시되어 있다.
2. (법선방향의) 전위 강하는 공간전하영역(SCR)을 유도하기에 충분히 크다. 이는 하나의 특징적인 입자 직경에 인가된 무차원의 전위 강하가 아래 수학식 3으로 표시되는 것처럼 1 보다 크다는 것이다.
Figure 112004062678748-pct00004
3. 법선방향의 전계 성분이 너무 크지 않아야 한다. 그렇지 않으면 공간전하영역(SCR)은 이온이 공핍되고, 공간전하영역(SCR)더 얇아지게 된다. 따라서, 전위는 다음 수학식 4를 초과해서는 아니된다.
Figure 112004062678748-pct00005
여기서, R은 기체상수이고, T는 온도이고, F는 패러데이 상수이고, m은 수용액의 경우 0.2와 동일한 무차원 상수이고, κ는 역 디바이(Debye) 길이이다.
4. 도전매체는 이온, 전자, 또는 정공에 의해 도전되고, 도체 또는 반도체이 다. 바람직하게는 기공이 없어야 하나, 또한 기공이 있으면 속도를 감소시키지만 기공이 있어도 된다. 가장 좋은 결과는 영구 선택적인 이온 도체일 때 얻어진다.
5. 물의 분리를 피하기 위하여 공간전하영역(SCR) 내의 농도는 물의 이온-프로덕트(이온-곱)을 초과하여야 한다. EO2대류가 분극화로부터 초래하는 농도의 하강에 반작용하므로, 어떠한 물 분리도 존재하지 않는 더 낮은 전계 강도가 관찰된다.
Figure 112004062678748-pct00006
여기서, kw=10-7M은 물의 분해곱(dissociation product)이고 c는 액체 이온농도이다.
더욱이, EO2의 이론의 기본이 되는 약한 공간전하영역(SCR)의 조건이 된다. 이는 다음 수학식 6에 의해 주어진다.
Figure 112004062678748-pct00007

이들 조건으로부터, EO2가 나타나는 전계 강도의 구간이 어떤 시스템에서 산출될 수 있다. 이 구간은 수학식 3-6으로부터 알 수 있는 것처럼 다른 것들 보다 우선적으로 이온 농도 및 입자 크기에 종속적이다. 산출된 임계 전계 강도가 도 24 내지 도 27에 도시되어 있다.
도 24에서 입자 크기 a=10㎛, 도 25에서 입자 크기 a=100㎛, 도 26에서 입자 크기 a=1㎜, 도 27의 한 도면에서 입자 크기 a=1, 10, 100, 1000㎛에 대하여 EO2를 얻기 위한 전계 강도의 영역을 도시한 것으로서, E_min_WS는 물 전기분해를 피하기 위한 최소값 E이고(등식 5), E_max_SCR_flux(등식 4) 또는 E_max_thin_SCR(등식 6), EO2를 얻기 위한 E의 상한치에서, E_min_EO2(등식 3)는 EO2를 얻기 위한 최소 전계 강도이고, 한편 EO2가 EO1보다 상당히 빠른 경우 낮은 전계 강도를 나타내는 E_lower_EO2는 이 값의 4배이고, 전계 강도는 물(NaCl 용액)속에서 상이한 입자 크기에 대해서 이온 농도의 함수로서 도시된다.
상기와 같이 도 24 내지 도 27에 의해서 알 수 있듯이 상기 전극(16)은 0과 3 사이의 선형 구간에 10을 밑으로 하는 상용대수가 존재하는 대응하는 achar㎛에 대해서, -2와 2 사이에서 10을 밑으로 하는 상용대수가 존재하는 진폭과 동일하거나 큰 V/mm 단위의 최대 진폭을 갖는 교류장이 인가된다.
법선방향 및 접선방향의 전계 성분에 대한 종속성의 결과, 액체 속도는 전계 강도시 비선형적이다. 이런 이유로, EO1에 반하여 교류장이 인가될 수 있다(도 23에 도시됨). EO2의 경우, 속도는 거의 전계 강도의 제곱에 비례한다.
본 발명에 따르는 유도된 EO2펌핑에 대한 추가 조건이 이하 제시될 것이다.
1. 도전재 표면이 매끄러워야 하나, 그렇지 않으면 어떤 유도된 EO2수송이 얻어지지 않는다(원형 흐름이 일어날 수 있다).
2. 그의 경우, 도 22의 흐름 패턴이 관찰된다. 이는 구로부터 어떤 거리에서 흐름이 역전될 것임을 의미한다. 따라서, 액체 흐름에 적용될 수 있는 도전수단을 구성하는 입자들에 가까운 한계 창이어야만 하고, 이것은 도전입자들 사이의 거리와 도전입자들과 다른 고체 재료들, 예로써 채널벽들 사이의 거리를 결정한다. 실험으로부터 알 수 있는 바, 입자들은 2achar 미만의 거리, 바람직하게는 유도 흐름을 얻기 위하여 1/8 과 1/2 achar의 사이의 거리에 유지되어야 한다.
이에 속하지 않는 어떤 구조들, 가령 단층의 도전입자들이 또한 사용될 수 있으나, 이는 흐름이 감소되는 경우 덜 바람직하다. 1층 이상의 빽빽한 구조는 EO2 에 의해 단지 원형 흐름만이 얻어질 수 있으므로 사용될 수 없다. 또한, 흐름 방향으로 도전수단의 임의 측부상의 비다공성 층들이 임의의 유도 EO2흐름을 정지시킨다.
3. 다른 형상의 도전수단의 경우, 구조적 특성들이 유사하다. 따라서 도전입자들은 본 명세서에서 정의된 것처럼 그들 특징 칫수 achar의 1/8과 1/2 사이의 거리에 유지되어야 한다.
전기신호
전기신호는 정사각형, 삼각형, 톱니형, 정현파형, 또는 다른 형상의 교류전압으로 구성될 수 있다. 주파수는 도 28에 도시된 바와 같이 유체역학적인 주파수 미만이어야 한다. 따라서, achar=1mm이면 f_max=1Hz이고, achar=100㎛이면, f_max는 100Hz이고, achar=10㎛이면 f_max=10kHz이다. 각 펄스에서 흐름의 유효주기를 얻기 위하여, 이론적인 최대 주파수보다 10배정도 낮은 주파수가 사용되어야 한다.
도 28에 도시된 바와 같이 전극(16)은 0과 3 사이의 선형 구간에 10을 밑으로 하는 상용대수가 존재하는 대응하는 achar㎛에 대해서, -6와 0 사이에서 10을 밑으로 하는 상용대수가 존재하는 주기와 동일하거나 큰 초단위의 신호주기를 갖는 교류장이 인가된다.
대칭적인 도전수단의 형상인 경우, 그 전기신호는 바람직하게는 듀티사이클을 가지며 더욱 바람직하게는 29%의 듀티사이클을 가져야 한다. 이는 강한 펄스(원하는 방향으로 EO2 흐름을 주는 극성을 가져야 한다)가 전기신호 주기의 29%의 지속기간을 가져야 함을 의미한다. 듀티사이클을 사용하면, 전기신호는 바람직하게는 오프셋을 가져야 하고, 이는 평균 신호 직접 성분이 0(제로)이 되도록 선택된다.
삭제
비대칭 도전수단의 경우(가령 도 10 및 도 11), 대칭적인 교류신호가 사용될 수 있다(사각형, 삼각형, 톱니형, 정현파형, 또는 다른 형상의 교류신호).
전극 반응이 문제가 되지 않는 응용예의 경우(가령 단기 동작시간 및 희석용액), 직류 전압 성분 또는 순 직류전압이 사용될 수 있다.
바람직하게는 가장 빠른 분극화를 이루기 위하여 전력이 정전위적 체제에 공급되어야 한다.
4개의 전극에 기초한 마이크로펌프의 경우, 상호 위상이 맞지 않는 2개의 교류신호가 2개의 대응 전극쌍의 사시에 인가되어야 한다. 따라서 펄스패턴은 다음 수순을 가질 수 있다.
1. 공간전하영역(SCR)을 형성하는 흐름에 직각인 펄스
2. 펄스 (1) 동안 시동: EO2이동을 초래하는 흐름에 평행인 펄스
3. 공간전하영역(SCR) 및 대응 전극쌍의 역분극화를 선도하는 유체 펄스에 반대로 직각
4. 대응 전극쌍의 역분극화를 선도하는 유체 펄스에 반대로 평행
또한, 전기신호는 아무 신호도 구비하지 않는 휴지기에 의해 중단될 수 있으며, 전기신호의 매 N사이클마다 발생한다. 여기서 N은 1과 같은 수 이거나 또는 1보다 큰 수이다. 전기신호는 전자장치(마이크로칩 또는 컴퓨터)에 의해 제어되어야 하고, 작동 중에 자동적으로 또는 수동적으로 변경되고 제어될 수 있다. 이는 시스템 마이크로센서들로부터 얻어지는 시스템 성능의 정보에 기초하여 행하여질 수 있다.
바람직하게는 전기신호 주파수는 역전극 분극화 시간보다 더 높도록 선택되어야 한다.
Figure 112004062678748-pct00008
여기서 L은 전극들 사이의 거리이고, κ는 역 디바이 길이(역 EDL 두께)이고, D는 전류 이송 이온들의 확산 계수이다.
교번 또는 펄스 전기신호가 인가되면, 최대 주파수는 다음의 수학식 8에 나타내어진 유체 역학 시정수에 의해 결정된다.
Figure 112004062678748-pct00009
여기서, ν는 액체의 운동학상의 점도이다.
제품, 재료, 예시 시스템
마이크로 유체공학 장치들은 마이크로전자공학 산업에서 이용된 미세 가공 및 공정 기술에 의해 제작된다. 이는 또한 본 발명에 의한 마이크로펌프에 적용된다. 이들 방법은 3차원 구조뿐만 아니라 채널들을 하나의 기판(실리콘, 유리 또는 고분자)에 제작하도록 하고, 또한 도전 구조(금속 또는 고분자)를 채널에 도포하도록 한다. 그런 방법들은 마이크로 전자공학처럼 값싼 대량 생산과 같은 동일한 장점을 갖는다.
본 발명에 의한 마이크로펌프는 또한 다른 방법 및 재료, 가령 얇은 유리 모세관에 놓인 펌프를 위한 다른 방법 및 재료에 의해 제작될 수 있다.
도전성 또는 비도전성 필름은 기판(가령 두께 0.4mm의 원형 실리콘 웨이퍼)상에 도포될 수 있다. 채널과 다른 구조는 포토레지스트(마스크)를 통해 방사선을 인가함으로써 리소그라피 방법에 의하여 패턴화될 수 있다. 3차원 도전구조는 채널안에 가령 금속을 전기도금하여 제작될 수 있다.
미세 가공 기술은 거의 모든 구조의 제작을 가능하게 하는 실제 무제한의 방법으로 조합될 수 있는 매우 많은 기법을 제공한다. 여기서, 단지 몇가지 예시들만이 제공될 것이다. 다른 재료(가령 Si기판 대신에 유리 또는 고분자)와 방법이 사용될 수 있음을 주목하여야 한다.
도 6에, 마이크로펌프를 위해 예비된 영역을 포함하는 마이크로채널의 일부의 측면도가 도시되어 있다. 도 6은 Si 웨이퍼(또는 고분자 또는 유리)와 상판(유리 또는 Si 또는 고분자)를 포함하는 기판(12)을 도시한다. 도전수단을 위해 예비된 영역(20a)은(반드시 물리적이지는 않지만) 경계부에 의해 표시된다. 구조의 예시들이 도 8 내지 도 11에 도시되어 있다. 여기서, 전극들(16)은 상판내에 구멍들 을 통과하는 금속 와이어로 구성된다. 또한 전극들은 상기 언급한 방법들에 의해 제작될 수 있다.
도 7은 동일한 구조의 평면도이다.
도 8 내지 도 11에 도시된 도전수단(18)은 전기도금법에 의해 제작될 수 있다. 또한 도전수단은 도전성 고분자들의 마이크로몰딩(가령 마이크로 주입 몰딩)에 의하여 제작될 수 있다. 다른 가능한 방법은 원형 또는 경사 재료를 Si웨이퍼에 엣칭한 다음 도전성을 갖도록 첨가제를 넣는다.
대칭이 파괴된 도전수단(도 10과 도 11)의 경우, 대칭의 교류 전기신호가 사용될 수 있다.
또 다른 가능한 방법은 몇몇 미리 제작된 도전수단을 기계적으로 채널속에 위치시킴으로써 도전수단(가령 이온 교환, 카본, 메탈, 또는 도전성 고분자 등등의 구 또는 섬유)을 삽입할 수 있다. 그 다음 도전수단은 채널 바닥과 상판 사이에 기계적인 압력에 의하여 고정될 수 있어, 도전수단내에 옳은 위치에 재료를 유지할 수 있도록 조그만 공동(cavities)이 엣칭될 수 있다. 또한 조그만 공동들이 바인더 또는 다른 방법에 의해 고정될 수 있다.
도 12에 도시된 넓은 펌프, 뿐만 아니라 도 13에 도시된 도전벽을 구비한 펌프가 상기 상술한 바와 같이 제작될 수 있다.
도 15에 도시된 마이크로펌프는 마이크로 몰딩 기법 또는 특수 관형 멤브레인을 사용하여 제작될 수 있다.
도 16의 4-전극 펌프는 다음의 재료: 관형 이온교환 멤브레인, 금속박을 둘 러싸거나 금속을 멤브레인에 도포함으로써 상기 멤브레인에 동심상의 금속 관; 및 이 멤브레인에 접촉을 피하기 위한 격리부를 구비한 꿋꿋한 금속 와이어로 구성된다.
도면들에 도시된 펌핑 방향이 전기신호를 역전시킴으로써 역전될 수 있음을 주목하여야 한다.
일반적으로, 어떤 전자-, 이온-, 또는 정공 도체는 도전성이 수송되는 액체의 도전성보다 적어도 5배, 바람직하게는 10배 이상인 한 도전수단으로서 사용될 수 있다. 예시적인 재료들은 첨가된 실리콘 및 다른 반도체, 메탈, 디비닐벤젠(PS-DVB)으로 교차결합된 술포네이트된 폴리스티렌, 도전성 고분자(가령 첨가된 폴리아닐린(PANi), 폴리에틸렌 또는 다른 첨가된 고분자), 카본, 그래파이트, 또는 상기 도전재 중의 몇몇으로 채워진 고분자와 같은 이온교환기를 포함한다.
기판은 실리콘, 유리, 또는 고분자 또는 다른 재료일 수 있다. 전형적으로, 마이크로 유체공학 시스템은 원형(직경 10 또는 15cm, 두께 0.4mm)의 실리콘 웨이퍼상에 제작될 수 있다. 각 웨이퍼는 하나 또는 다수의 마이크로 시스템을 포함할 수 있다.
전극들은 모든 전자도전재료로 만들어질 수 있다. 전형적으로, 미세 가공된 금속 전극들이 사용될 것이나, 그래파이트 또는 카본, 첨가된 Si가 사용될 수 있다.
응용예
본 발명에 따른 마이크로펌프 또는 마이크로 작동기의 주요 응용예들이 설명될 것이다. 일반적으로 본 발명에 따른 마이크로펌프는 마이크로시스템과 외부 사이의 마이크로시스템 내의 위치들 사이로 액체를 수송한다(시스템에 샘플을 삽입하고 다른 시스템 또는 인체 등에 액체를 공급한다). 대부분의 응용예에서, 마이크로펌프는 대응 액체를 직접 펌핑하여야 하나, 또한 마이크로펌프는 작동기로서 사용될 수 있으며, 액체를 마이크로 장치에 펌핑함으로써 다른 마이크로 장치를 간접적으로 구동할 수 있다(가령, 왕복 펌프용 멤브레인이 펌핑할 액체와 접촉하지 않고 멤브레인의 측방으로부터 가까워지는 방향으로 또는 멀어지는 방향으로 액체를 펌핑함으로써 작동될 수 있다). 본 발명의 다른 응용예는 어떤 원형의 EO2운동이 남아있도록 허용함으로써 마이크로단위로 액체들을 혼합하는 것이다.
랩온어칩(Lab-on-a-Chip)
또한 마이크로-토탈-분석 시스템(μ-TAS) 또는 마이크로 실험실로서 언급될 이런 종류의 시스템은 여러 가지 화학적 및 물리적 센서들과 분석 장치를 구비한 매우 콤팩트한 시스템이다. 작동기들은 시스템내에 액체를 혼합하고 운반하는데 필요하고, 뿐만 아니라 시스템과 환경 사이에 수송한다. 칩 시스템들은 전통적인 실험실 작업을 요하는 분석을 수행하도록 설계된다. 또한 화학적 합성은 이들 시스템에 행해질 수 있다.
전통적인 분석과 비교할 때, 본 발명의 장점들은 다음과 같다.
-전통적인 실험실 분석에 비교하여 노동력 소모가 매우 적다.
-단지 미세한 양의 샘플 및 화학품이 필요하다.
-시간 소모가 극히 적다.
-휴대 시스템들이 작게 제작된다.
-비용 감소가 크고 용량이 크게 증가한다.
예시적인 응용예들이 아래에 나열되어 있다.
-현재 시간 및 인력 소모가 큰 실험실 분석을 요구하는 의학적 분석이 의료분야 병원 또는 가정에서 수초안에 행해질 수 있다(데이터를 의료 병원에 보낼 수 있다).
-단백질 유전 정보학 및 DNA분석이 오늘날 기술적 한계에 이른 과학이다. 랩온어칩 시스템을 개발하여 분석 용량을 크게 증가시킬 수 있다.
-의약 개발: 마이크로시스템을 도입함으로써 신약 개발비용 및 시간을 크게 단축할 수 있다.
-화학 개발: 전통적인 실험실 작업 보다 더 빠르고, 더 안전하고 더 값싸다.
-의학적 응용예는 주의를 요하는 임상 분석의 문제들을 포함한다.
오늘날 특히 의료 분석 분야에 몇가지 자동화 시스템들이 존재한다.
상술한 바와 같이, 랩온어칩 시스템들을 개발하기 위하여 요구되는 부품은 마이크로펌프이다. 전형적인 펌프 성능은 압력 100 Pa에서 2㎕/min이어야 한다.
매우 작은 펌프들이 약품(가령 당뇨환자의 경우 인슐린)을 인체에 공급하는 이식가능 장치들에 사용될 수 있다. 이 시스템은 인체상의 측정값들(당뇨인 경우 글루코스 레벨)에 의해 제어될 수 있다. 장기간 신뢰성이 있고, 전극 반응이 없고 저전압이 요구되는 것이 그런 펌프들의 중요한 특징들이다. 전형적으로 수 nℓ/min의 약품이 펌프에 의해 공급되어야 한다.
냉각
마이크로 단위의 냉각 사이클이 마이크로 전자장치의 열을 제거하는 문제를 해결할 수 있다. 이 시스템의 펌프는 전형적으로 약 1 atm 초과되는 압력에서 10㎖/min의 약품을 공급한다. 펌프와 열교환기(냉각장치)는 별개 또는 동일한 마이크로칩으로 집적화될 수 있으며, 열교환기는 주위 환경과 접촉하는 미세 가공되거나 다른 미세 튜브로 구성되어야 한다.
실험 결과
마이크로 시스템에서 EO2 혼합 및 유도 수송을 입증하기 위하여 간단한 실험이 수행되었다. 실험 장치는 도 18 내지 도 20에 설명된다. 미세 제작된 구멍을 구비한 판들이 상호 선택된 거리 안의 선택된 크기의 입자들을 위치할 수 있도록 하였다.
DOWEX 50 WX 8은 강산성의 양이온 교환 입자들이 실험에 사용되었다. 구멍을 구비한 판의 폭은 0.4mm(유체 흐름방향으로 측정됨) 이었다.
마이크로 혼합기
약 600㎛의 직경(dchar)을 갖는 일렬의 이온 교환 입자들을 구멍을 구비한 판에 위치시켰다. 도 20의 구성과는 다르게, 한 입자는 인접 입자들 사이의 2 achar의 공간을 띄워 놓고 하나 걸러 구멍에 위치되었다.
흐름을 관찰하기 위해 색깔 입힌 작은 입자를 사용하여 실험을 행하였고, 광학 현미경을 사용하여 관찰하였다. 색깔 입힌 입자들을 EO2 혼합기안에 위치시켰다(구멍판들 사이 그러나 저장소에 위치시키는 것은 아니다).
전기 신호 관찰 결과
DC, E=0.6V/mm 원형 흐름이 분명하게 된다
DC, E=1.3V/mm 더 빠른 원형 흐름
DC, E=3.5V/mm 매우 빠른 원형 흐름, 수 mm/sec
DC, E=5.2V/mm 속도가 추가로 증가
강한 펄스에서 AC, 5V 20% 듀티 사이클, 0.1Hz 강한 펄스에서 빠른 흐름, 약한 펄스에서 느린 흐름

상기 표 1의 모든 경우에, 도 22에 도시된 것과 유사한 흐름 패턴들이 관찰되었다. 색깔 입힌 입자들이 전기 신호를 인가한 수분 뒤에 펌프를 떠나지 않았기 때문에, 결론적으로 단지 원형 운동이 존재하였고, 어떠한(유효한) 유도 펌핑도 존재하지 않았다. 이는 입자거리가 한 입자 반경 achar을 크게 초과하고, 그 경우 흐름의 역전이 관찰되는 것이 기대되었다. 저주파 AC 신호를 사용하는 이유는 이 실험에서 상대적으로 큰 도전 입자 크기가 사용되었기 때문이다.
마이크로펌프
마이크로펌프는 인접한 구멍들 사이의 한 입자의 반경 achar 보다 다소 작은 공간을 띄워 놓으면서 일렬의 이온교환 입자들(거의 400㎛의 직경)을 구멍판의 인접한 구멍에 위치시킴으로써 제작된다.
전기 신호 관찰 결과
DC, E=1.3V/mm 펌프를 통하는 유도 흐름이 약 0.2mm/s
DC, E=3.5V/mm 펌프를 통하는 유도 흐름이 약 1mm/s
DC, E=5.2V/mm 펌프를 통하는 유도 흐름이 약 2mm/s
강한 펄스에서 AC, 5V 20% 듀티 사이클, 0.1Hz 펌프를 통하는 유도 흐름이 약 0.5mm/s의 평균 속도
상기 표 2는 매우 작은 전위차를 사용하여 더 큰 유속을 얻을 수 있음을 보여주고, 또한 교류장이 사용될 수 있음을 보여준다. 이 실험에서, 약 10mm의 전극거리가 사용되었다. 실제로, 전극거리는 1mm의 차수로 배열될 수 있다. 따라서, mm/s의 차수의 유속이 본 발명에 의한 마이크로 작동기의 경우 1V의 차수의 전위차에 대해 얻어질 수 있지만, 그 밖의 곳에 보고된 작동기의 경우 kV 범위의 전위차들이 동일한 속도를 얻기 위해 통상 요구되고 있다.
이온 교환 입자들의 거리가 최적의 경우 보다 훨씬 더 컸기 때문에, 전압을 증가시킴이 없이 추가 속도 증가가 가능하다.

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  33. 마이크로 유체 공학 시스템(10)에 사용하는 작동기(14)에 있어서, 상기 마이크로 유체 공학 시스템(10)은
    유체를 수송하기 위하여 배열된 적어도 하나의 마이크로채널(20)을 구비한 기판(12)내의 유체 네트워크; 및
    상기 마이크로채널(20)의 세그먼트(20a)를 가로질러 전기장(E)을 인가하여 상기 세그먼트(20a)내에 전기 삼투 흐름이 유도되도록 하기 위한 전극(16)을 포함하며,
    상기 세그먼트(20a)는 도전수단(18)을 포함하며, 상기 도전수단(18)의 표면부는 곡면화되거나 상기 전기장(E)에 대해서 경사지며,
    상기 상이한 도전수단(18)들 사이의 공간, 및 상기 도전수단(18)과 상기 채널벽(20b) 사이의 공간은 0과 2achar 사이에 있으며,
    상기 도전수단의 표면은 매끄럽고, 특징 직경 dchar은 외부에서 부가된 전기장의 방향에 평행하게 측정된 도전수단의 차원이고 특징 반경 achar이 0.5 배 dchar 일 때, 즉 표면 요철도가 dchar의 5% 미만임을 특징으로 하는 작동기.
  34. 제33항에 있어서, 상기 상이한 도전수단(18)들 사이의 공간, 및 상기 도전수단(18)과 상기 채널벽(20b) 사이의 공간은 1/8achar과 1/2achar의 사이에 있으며, 상기 도전수단의 표면은 매끄럽고, 표면 요철도는 dchar의 1% 미만임을 특징으로 하는 작동기.
  35. 제33항에 있어서, 상기 도전수단(18)은 타원체, 구형, 원통형, 타원상의 원통형, 또는 원추형의 모양을 가짐을 특징으로 하는 작동기.
  36. 제33항에 있어서, 상기 도전수단(18)은 상기 유체 흐름 방향에 대해서 직각인 종축을 구비한 작은 원통들로 구비됨을 특징으로 하는 작동기.
  37. 제33항에 있어서, 상기 도전수단(18)은 부가된 전기장에 대해서 경사진 평면들을 구비한 입자들의 형성을 가짐을 특징으로 하는 작동기.
  38. 제33항에 있어서, 상기 도전수단(18)을 형성하는 입자들은 0.1㎛ 내지 5mm의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 작동기.
  39. 제33항에 있어서, 상기 경사면과 마이크로채널벽(20b) 사이의 각도 λ는 0-80도임을 특징으로 하는 작동기.
  40. 제39항에 있어서, 상기 경사면과 마이크로채널벽(20b) 사이의 각도 λ는 30-60도임을 특징으로 하는 작동기.
  41. 제33항에 있어서, 상기 도전수단(18)은 상기 유체 흐름 방향에 대해서 축방향으로 및 종방향으로 모두 여러 층의 도전입자들을 포함함을 특징으로 하는 작동기.
  42. 제33항에 있어서, 상기 도전수단(18)은 이온의, 전자의 또는 정공의 도전재료임을 특징으로 하는 작동기.
  43. 제33항에 있어서, 상기 도전수단(18)은 상기 유체의 전도도의 적어도 5배의 전도도를 갖는 것을 특징으로 하는 작동기.
  44. 제33항에 있어서, 상기 전극(16)은 상기 마이크로채널 세그먼트(20a)에 대해서 상방향 또는 하방향으로 배열된 한 쌍의 전극을 포함함을 특징으로 하는 작동기.
  45. 제33항에 있어서, 상기 전극(16)은 상기 운송된 유체의 방향에 평행하게 전기장(E)을 제공하도록 적용됨을 특징으로 하는 작동기.
  46. 제33항에 있어서, 상기 전극(16)은 교류장임을 특징으로 하는 작동기.
  47. 제33항에 있어서, 상기 전극(16)은 정현파형, 정사각형, 삼각형, 또는 톱니형, 또는 상기 형상의 조합을 형상을 갖는 교류장을 인가함을 특징으로 하는 작동기.
  48. 제33항에 있어서, 상기 전극(16)은 상기 신호가 상기 신호주기내에서 강한 펄스 및 약한 펄스를 발생하는 오프셋을 가지는 교류장을 인가하고, 또한 바람직하게는 29%의 듀티사이클을 가지므로, 그 결과 강한 펄스는 상기 신호주기의 29%동안 지속하고, 상기 오프셋과 듀티사이클은 0(제로) 평균 직류 전기신호 성분을 주도록 조정됨을 특징으로 하는 작동기.
  49. 제33항에 있어서, 상기 전극(16)은 상기 신호가 과부하된 직류 성분을 구비하는 교류장을 인가함을 특징으로 하는 작동기.
  50. 제33항에 있어서, 상기 전극(16)은 상기 전기신호가 정전위체계에 인가되는 교류장임을 특징으로 하는 작동기.
  51. 제33항에 있어서, 상기 전극(16)은 0과 3 사이의 선형 구간에 10을 밑으로 하는 상용대수가 존재하는 대응하는 achar㎛에 대해서, -2와 2 사이에서 10을 밑으로 하는 상용대수가 존재하는 진폭과 동일하거나 큰 V/mm 단위의 최대 진폭을 갖는 교류장을 인가함을 특징으로 하는 작동기.
  52. 제33항에 있어서, 상기 전극(16)은 0과 3 사이의 선형 구간에 10을 밑으로 하는 상용대수가 존재하는 대응하는 achar㎛에 대해서, -6와 0 사이에서 10을 밑으로 하는 상용대수가 존재하는 주기와 동일하거나 큰 초단위의 신호주기를 갖는 교류장을 인가함을 특징으로 하는 작동기.
  53. 제33항에 있어서, 상기 전극(16)은 직류전기장을 인가함을 특징으로 하는 작동기.
  54. 제33항에 있어서, 상기 각 전극(16)과 도전수단(18) 사이의 거리는 0.1㎛ 와 5mm 사이에 있음을 특징으로 하는 작동기.
  55. 제33항에 있어서, 상기 전극(16)은 4개의 전극을 포함하며, 2개의 전극(16b)은 공간전하영역(SCR)을 유도하기 위한 것이고 다른 2개의 전극은 유체내의 이온들이 운동(16a)하도록 하기 위한 것임을 특징으로 하는 작동기.
  56. 제55항에 있어서, 상기 제1 쌍의 전극(16a)은 마이크로채널(20) 또는 마이크로유체공학 시스템(10)내의 어디에서나 마이크로채널(20)의 상기 세그먼트(20a)의 상향으로 또는 하향으로 배열되고, 제2 쌍의 전극(16b)은 상기 세그먼트(20b)의 각 측상에 위치함을 특징으로 하는 작동기.
  57. 제55항 또는 제56항에 있어서, 상기 전극의 각각은 상기 2개의 전기장이 위상이 어긋나 있는 청구항 46-52 중의 어느 한 항에 따르는 전기장을 인가함을 특징으로 하는 작동기.
  58. 제33항에 있어서, 상기 도전수단(18)은 국부전기장의 편향을 일으키는 마이크로채널벽(20b)의 일부이므로 상기 전기장이 상기 도전수단(18)에 대해 경사짐을 특징으로 하는 작동기.
  59. 제33항 내지 제56항 또는 제58항 중의 어느 한 항에 따르는 작동기(14)의 사용에 있어서, 상기 작동기(14)를 마이크로 유체공학 시스템(10)의 마이크로펌프로 사용함을 특징으로 하는 작동기의 사용.
  60. 제33항 내지 제56항 또는 제58항 중의 어느 한 항에 따른 작동기(14)의 사용에 있어서, 상기 작동기(14)를 마이크로 유체공학 시스템(10)의 혼합기로 사용함을 특징으로 하는 작동기의 사용.
  61. 제59항에 있어서, 상기 마이크로 유체공학 시스템(10)은 약품 공급용으로 사용함을 특징으로 하는 작동기의 사용.
  62. 제59항에 있어서, 상기 마이크로 유체공학 시스템(10)은 랩온어칩 조립체에 사용함을 특징으로 하는 작동기의 사용.
  63. 제59항에 있어서, 상기 마이크로 유체공학 시스템(10)은 전자 장치 냉각용으로 사용함을 특징으로 하는 작동기의 사용.
  64. 제33항에 있어서, 상기 도전수단(18)을 형성하는 입자들은 외부적으로 부가된 전기장에 평행하게 측정된 10㎛ 내지 500㎛임을 특징으로 하는 작동기.
  65. 제33항에 있어서, 상기 도전수단(18)은 상기 유체의 전도도의 적어도 10배의 전도도를 갖는 것을 특징으로 하는 작동기.
  66. 제60항에 있어서, 상기 마이크로 유체공학 시스템(10)은 약품 공급용으로 사용함을 특징으로 하는 작동기의 사용.
  67. 제60항에 있어서, 상기 마이크로 유체공학 시스템(10)은 랩온어칩 조립체에 사용함을 특징으로 하는 작동기의 사용.
  68. 제60항에 있어서, 상기 마이크로 유체공학 시스템(10)은 전자 장치 냉각용으로 사용함을 특징으로 하는 작동기의 사용.
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