KR100767277B1 - 마이크로채널에서 유체의 혼합방법 및 시스템 - Google Patents

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강승태
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Abstract

본 발명은 마이크로 채널 내에서 제타 전위를 갖는 실린더 모양의 구조를 이용하여 유체를 혼합하는 방법을 제공한다. 마이크로 채널 내에 제타 전위를 갖는 실린더 물체를 고정하고 채널 양단에 전극을 배치하여 직류 및 교류 전기장을 가하여 여러 가지의 유동을 형성하고 그를 통해 유체의 혼합을 유발한다. 제타 전위가 다른 실린더의 경우 채널을 이루고 있는 장치를 고정한 상태에서 회전유동을 유발할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 채널 내에 고정되어 있는 실린더에 걸린 전기장의 세기를 조절하여 채널내의 유체 혼합작용을 조절할 수 있다. 마이크로 채널 속에 다양한 유체의 유동 형성 및 제어를 통하여 마이크로 칩 상용화에 기여할 수 있다.
마이크로채널, 전기유동

Description

마이크로채널에서 유체의 혼합방법 및 시스템{FLUID MIXING METHOD IN MICRO CHANNEL AND SYSTEM THEREOF}
도 1 은 전기 삼투로 인해 벽면에서 미끄럼 속도가 생성되는 현상을 보여주는 도면이다.
도 2 는 전기 삼투를 이용한 회전유동을 유발하는 장치의 개략도이다.
도 3 은 제타 전위가 일정한 실린더가 있는 마이크로 채널의 개략도이다.
도 4a~4f 는 제타 전위가 일정한 실린더로 인한 유체의 혼합작용을 각각 0, 0.4, 0.8, 1.2, 1.6, 2.0 초 경과 시간에 따라 보여주는 개략도이다.
도5는 제타 전위가 일정하지 않은 실린더가 있는 마이크로 채널의 개략도이다.
도 6 은 제타 전위가 일정한 실린더로 인한 유체의 회전 유동을 보여주는 개략도이다.
도 7a~7f 은 제타 전위가 일정하지 않은 실린더로 인한 유체의 혼합작용을 각각 0, 0.4, 0.8, 1.2, 1.6, 2.0 초 경과 시간에 따라 보여주는 개략도이다.
도 8 은 T 모양의 마이크로 채널에서 유체를 혼합하기 위한 회전유동의 유발 장치 형상도이다.
도 9a~9e는 T 모양의 채널에서 회전유동을 이용한 유체의 혼합작용을 각각 0, 0.4, 0.8, 1.2, 1.6 초 경과 시간에 따라 보여주는 개략도이다.
최근 장치 및 기기들의 소형화, 집적화가 이루어지면서, 유체 시스템에서도 크기가 작아지고 미세유동 장치의 개념이 정착되었다. 이러한 미세 유체 제어 기술은 생명공학 및 분석 화학 분야에서 많은 관심을 모으고 있으며 그것을 기반으로 한 Lab-on-a-Chip 기술은 물질의 저장 및 이동, 물질과 용매의 희석, 물질의 반응, 물질고효율, 안정성, 노동력의 감소, 동시적인 작업, 저렴한 가격 등의 장점으로 관심이 높아지고 있다.
물질의 반응은 물질의 혼합을 필수조건으로 하며, 여러 기능을 포함한 미세 장치에서 물질의 혼합은 매우 중요하다. 일반적으로 물질의 혼합은 확산에 의한 혼합 및 대류에 의한 혼합으로 분류될 수 있다. 확산에 의한 혼합은 상대적으로 느리기 때문에 능동적인 장치를 고안하고자 할 때에는 대류를 복잡하게 만들어서 혼합이 빠르게 일어나도록 하는 것이 일반적이다. 그러나 미세채널에서 유체의 대류는 층류 형태를 띠기 때문에 복잡한 대류 유동을 만드는 것이 쉽지 않다. 기존의 장치들은 채널 내부에 복잡한 구조물을 삽입하거나, 채널 벽면에 복잡한 구조를 만드는 방법, 및 복잡한 전극 배열을 이용한 전기삼투 방법 등이 있다.
전기 삼투는 마이크로 시스템에서 유체를 움직이는 방법으로 많이 쓰이고 있다. 전기삼투는 실리콘이나 유리와 같은 고체 물질이 전해질 용액 속에 있을 때, 표면에 전기 이중층(electrical double layer)이 형성되는데, 이때 외부에서 벽면과 평행하게 전기장을 걸어주면 벽면 전위를 띈 채널의 전기 이중층 내에 유동이 유발되는 현상이다.
채널의 평행한 방향으로 전기장이 형성되는 경우 유체의 속도는 다음과 같다.
Figure 112007004105405-pat00001
(식중, ε유체의 유전상수, ζ : 표면의 제타 전위, η: 유체의 점도)
전기 이중층의 두께가 마이크로 채널의 두께에 비해 무시될 만큼 충분히 작은 경우, 채널 벽면에서 미끄럼 속도가 생성되는 것으로 가정할 수 있는데 도1 은 전기 삼투로 인해 벽면에서 미끄럼 속도가 생성되는 현상을 보여주는 도면이다.이에 따라, 기존에 전기삼투를 위해 설치된 전극 배열을 이용하면서도 단순한 구조 변경으로 마이크로채널 내에서 유체를 혼합할 수 있는 방법에 대한 요구가 계속되고 있다.
본 발명의 목적은 마이크로채널 내에서 유체를 혼합할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 마이크로채널 내에서 유체를 혼합할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 마이크로채널 내에서 유체를 혼합하는 장치를 포 함하는 마이크로유동시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 마이크로채널 내부에 제타전위를 가지는 부재를 설치하고, 상기 부재에 전기장을 인가해 마이크로채널에서 유체를 혼합하는 방법으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 마이크로 채널은 내부에 전해질 용액이 충진되며, 내면에는 전기이중층이 형성되어 외부에서 채널과 평행하게 전기장을 걸어준 전기장에 의해서 채널을 따라 유동이 유발될 수 있는한 특별한 제한은 없다.
본 발명에 있어서, 상기 유체의 혼합은 이론적으로 한정된 것은 아니지만, 실리콘이나 유리와 같은 고체 물질이 전해질 용액 속에 있을 때, 표면에 전기 이중층(electrical double layer)이 형성이 되고, 이 때 외부에서 벽면과 평행하게 전기장을 걸어줌으로써 전기 이중층 내에 유동을 유발시켜 이루어진다.
본 발명에 있어서, 상기 부재는 전해질 용액내에서 제타 전위를 가질 수 있는 물질로 이루어지는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 유리 또는 실리콘으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 부재는 마이크로 채널의 내부에 설치되며, 바람직하게는 채널의 중앙에 채널의 진행 방향을 따라 설치될 수 있다. 본 발명의 실시에 있어서, 상기 부재는 채널의 진행 방향을 따라 채널 중앙에 실린더 형태의 기둥으로 설치될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 부재는 부재 전체에 걸쳐 동일한 부호의 제타전위를 가지거나, 또는 제타 전위가 다른 부재일 수 있다. 발명의 일 실시에 있어서, 상기 부재는 제타전위가 일정한 원기둥이거나, 또는 반원기둥은 (+)제타전위를 가지며 다른 반원기둥은 (-)제타전위를 가지는 형태일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 부재에 작용하는 부재 주위에서 전기삼투에 의한 유동을 유발하는 전기장은 부재의 제타전위 동일 여부에 따라서 종류가 결정될 수 있다.
발명의 일 실시에 있어서, 동일한 부호의 제타전위를 가지는 부재의 경우, 부재 주변에서 일어나는 유동의 흐름방향이 전기장의 변화에 따라 변화함으로써 유체의 혼합이 이루어지도록 교류전원을 사용할 수 있다. 상기 교류전원은 상하 및 좌우에 각각 설치됨으로서 혼합 효율을 높일 수 있다.
발명의 다른 일 실시에 있어서, 상기 상이한 부호의 제타전위를 가지는 부재일 경우에는 전기장의 방향이 일정할 경우 제타 전위에 따라서 유체의 유동방향이 달라지게 되므로 직류전원을 사용하는 것이 바람직하며, 보다 높은 혼합 효율을 위해서 교류 전원을 사용할 수 있다.
본 발명은 일 측면에서, 마이크로 채널, 상기 마이크로 채널 내부에 설치된 제타전위를 가지는 부재;및 상기 부재에 전기장을 인가하도록 마이크로 채널의 외부에 설치된 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 혼합 시스템을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 부재의 제타 전위는 균일 또는 비균일할 수 있다. 본 발명의 실시에 있어서, 부재의 제타 전위가 균일하면, 전극에 교류가 인가되는 것이 바람직하며, 부재의 제타 전위가 비균일하면, 전극에 직류 또는 교류가 인가 되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시에 있어서, 상기 마이크로 채널에는 한 종류 이상의 유체, 바람직하게는 두 종류 또는 세 종류의 유체가 충진되어 흐르는 채널 일 수 있으며, 상기 마이크로 채널의 형태는 하나의 유로로 이루어지거나, 두개의 유로가 합해져 하나의 유로를 형성하는 T 자 형태의 유로일 수도 있다.
본 발명은 일 측면에서, 표면에 제타 전위가 형성되는 부재가 채널 내에 장착된 마이크로 채널을 제공한다.
본 발명에 따른 마이크로 채널은 부재에 전기장이 인가됨으로써 부재 표면에서 유체의 흐름이 발생하여, 채널을 따라 흐르는 유체가 부재 표면에서 혼합될 수 있게 된다.
본 발명에 있어서, 상기 마이크로 채널에 내부에 설치되는 상기 부재는 (-)제타전위의 반원기둥과 (+)제타전위의 반원기둥으로 이루어진 원기둥일 수 있다.
이하, 하기 실시예를 따라서 본 발명을 상세하게 설명한다. 하기 기재된 실시예는 발명을 한정하기 위한 것이 아니며, 단지 예시하기 위한 것이다.
도 2에서 도시된 바와 같이, 대전된 반원기둥과 로 대전된 반원기둥을 합하여 균일하지 않은 제타 전위의 실린더를 만들었다. 이 장치에 전기장을 걸어 주게 되면 실린더의 제타 전위에 따른 전기 삼투 유동이 도2의 그림과 같이 형성 된다. 각 방향으로 유발되는 미끄럼 속도는 실린더의 서로 다른 방향으로 이루어져 회전 유동을 유발하게 된다.
도 3에서 도시된 바와 같이, 폐쇄된 마이크로 채널에 제타 전위가 일정한 실 린더 모양의 물체를 고정하고 좌우와 위아래에 미세 전극을 장치하여 제조될 수 있다. 도3과 같은 장치에 위아래로 교류 전기장을 걸어주면 도4와 같은 유체의 혼합 작용을 볼 수 있다. 도4 제타 전위가 있는 실린더에 전기장을 걸어주어 유체를 혼합하는 전산모사이다. 정상상태에서 전기장을 걸어주었을 때와 시간에 경과에 따라서 유체가 혼합되는 과정을 나타낸다. 0초, 0.4초, 0.8초, 1.2초, 1.6초 및 2.0초 경과후의 혼합이 일어나는 과정을 각각 (a), (b), (c), (d), (e) 및 (f)에 각각 나타내었다.
또 다른 본 발명의 응용으로 도5에서 도시된 바와 같이 폐쇄된 마이크로 채널에 제타 전위가 다른 실린더 모양의 물체를 고정하고 미세 전극을 장치함으로 제조될 수 있다. 도5와 같은 장치에서 전기장을 걸어 주면 도6과 같이 실린더 주변에 회전 유동이 형성되는 것을 볼 수 있다. 도7은 실린더 주변에 회전 유동을 걸어주어 유체를 혼합하는 전산모사이다. 정상상태에서 전기장을 걸어주었을 때 시간의 경과에 따른 혼합작용을 전산 모사한 결과가 도시되었다. 0초, 0.4초, 0.8초, 1.2초, 1.6초 및 2.0초 경과후의 혼합이 일어나는 과정을 각각 (a), (b), (c), (d), (e) 및 (f)에 각각 나타내었다.
또 다른 응용으로 도8에서 도시된 바와 같이 T 모양의 미세 채널에 제타 전위가 다른 실린더 모양의 물체를 고정하고 미세 전극을 장치함으로 제조될 수 있다. 채널의 인렛(in-let)과 아웃렛(out-let)에 장치된 전극은 전기삼투를 이용한 유체의 흐름을 위한 것이다 실린더의 좌우에 장치된 전극은 제타 전위가 일정하지 않은 실린더를 이용하여 회전 유동을 유발하기 위한 장치이다.
도9는 채널 속의 균일하지 않은 zeta전위의 실린더에 교류 전기장을 걸어주어 유체를 혼합하는 전산모사이다. 정상상태에서 전기장을 걸어주었을 때 시간의 경과에 따른 혼합작용을 전산 모사한 결과가 도시되었다. 0초, 0.4초, 0.8초, 1.2초, 1.6초 및 2.0초 경과후의 혼합이 일어나는 과정을 각각 (a), (b), (c), (d), (e) 및 (f)에 각각 나타내었다.
본 발명에 의해서 유체의 혼합이 곤란한 마이크로 채널에서 효과적으로 유체를 혼합할 수 있는 방안이 제공되었다. 상기에 기술한 바와 같이 적절한 미세전극의 배치를 가진 마이크로 채널 속에서 제타 전위를 가지고 있는 실린더 모양의 구조물에 전기장을 걸어 주어 특수한 유동의 유발 및 혼합효과를 가져올 수 있다.

Claims (14)

  1. 마이크로채널에서 유체를 혼합하는 방법에 있어서, 마이크로채널에 내부에 제타전위를 가지는 부재를 설치하고, 상기 부재에 전기장을 인가해 유체를 혼합하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전기장은 채널 외부에 설치된 전극을 이용해서 인가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 부재에는 균일 또는 비균일한 제타전위가 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 부재는 제타전위가 균일하고, 상기 전극에는 교류가 인가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 부재는 제타전위가 비균일하고, 상기 전극에는 직류 또는 교류가 인가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 부재의 일부에 (-)제타전위가 형성되고, 다른 일부에는 (+)제타전위가 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 마이크로 채널,
    상기 마이크로 채널 내부에 설치된 제타전위를 가지는 부재;및
    상기 부재에 전기장을 인가하도록 마이크로 채널의 외부에 설치된 전극;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 혼합 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 부재의 제타 전위는 균일 또는 비균일한 것을 특징으로 하는 유체혼합시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 부재의 제타 전위가 균일하면, 전극에 교류가 인가되는 것을 특징으로 하는 유체혼합시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 부재의 제타 전위가 비균일하면, 전극에 직류 또는 교류가 인가 되는 것을 특징으로 하는 유체혼합시스템.
  11. 제 7항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부재는 마이크로 채널의 유로를 따라 중심부에 설치되는 원기둥인 것을 특징으로 하는 유체 혼합 시스템.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 부재는 (-)제타전위의 반원기둥과 (+)제타전위의 반원기둥으로 이루어진 원기둥인 것을 특징으로 하는 유체혼합시스템.
  13. 표면에 제타 전위가 형성되는 부재가 채널 내에 장착된 마이크로 채널.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 부재는 (-)제타전위의 반원기둥과 (+)제타전위의 반원기둥으로 이루어진 원기둥인 것을 특징으로 하는 마이크로 채널.
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