KR101116809B1

KR101116809B1 - 미세입자 집속방법

Info

Publication number: KR101116809B1
Application number: KR1020100048333A
Authority: KR
Inventors: 황정호; 김철
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2010-05-25
Filing date: 2010-05-25
Publication date: 2012-02-28
Also published as: KR20110128969A

Abstract

본 발명은 미세유동 시스템에서 미세입자를 미세 선폭으로 집속시킬 수 있는 집속방법에 관한 것으로서, 특히, 미세유체가 흐르는 유동관 내부에 웨이브(wave) 형태의 유동을 발생시켜서 상기 유동관의 입구로 유입된 미세입자가 웨이브 형태의 유동을 따라 진행되는 과정에서 점차 유동관의 중심부로 수렴하여 출구 측에서 고밀도의 미세 선폭으로 집속되도록 제어할 수 있는 미세입자 집속방법을 제공한다.

Description

미세입자 집속방법{METHOD FOR FOCUSING MICRO PARTICLES}

본 발명은 미세유동 시스템에서 미세입자를 미세 선폭으로 집속시킬 수 있는 집속방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 유동관 내부를 따라 유동하는 입자를 유동관의 출구 측에서 미세 선폭으로 집속시킬 수 있도록 제어할 수 있는 미세입자 집속방법에 관한 것이다.

공기 중에 부유중인 입자를 아주 작은 공간에 집속(focusing)시키는 기술은 현재 다양한 분야에 응용되고 있으며, 이렇게 생성된 고집속 입자유동을 입자빔(particle beam)이라고 부른다.

최초의 입자빔은 모세관을 통하여 진공 속으로 입자유동을 공급하여 입자빔을 생성시키는 방법이었는데, 이후 입자빔의 집속효과를 높이기 위하여 보호공기(sheath air)라는 2차 유동을 도입한 방법이 고안되었다.

도 1a는 종래의 보호공기에 의한 유동입자의 집속원리를 보여주는 것으로서, 입사되는 에어로졸 스트림(300)은 1차 집속점의 역할을 하는 초기 오리피스(310)를 통과하게 되고, 그때, 초기 오리피스(310) 주위로 유입되는 보호공기(320)는 유동되는 에어로졸 스트림(300) 주위에 원형으로 피딩(feeding)됨으로써 에어로졸 스트림(300)을 작은 구경을 갖는 하부의 제2오리피스(330)에 서브 밀리미터의 사이즈로 공급되도록 하여 에어로졸 스트림을 더 작은 규모로 포커싱(focusing)하도록 되어 있었다.

그러나, 이러한 보호공기에 의한 입자 집속 구조는 에어로졸 스트림(300) 주위에 피딩(feeding)되는 보호공기 유동(sheath flow)이 100㎧ 이상의 속도를 가지기 때문에 유동을 집속하는 데에 큰 압력강하가 발생하고, 이 과정에서 유동이 층류(laminar flow)에서 난류(turbulent flow)로 천이하면서 입자의 흐름이 불안정해지는 현상이 발생하기 때문에 일정 선폭 이하로 유동의 집속도를 높이는데 한계가 있었다.

한편, 최근에는 '공기역학적 렌즈(aerodynamic lens)'라는 일종의 오리피스를 관내에 설치하여 유동을 인위적으로 국한시키는 방법이 제시되고 있는데, 이러한 방법은 현재 입자빔을 형성시키는 종래의 대표적인 방법이다.

이와 같은 공기역학적 렌즈는 도 1b에 도시한 바와 같이, 관통공을 구비한 다수개의 칸막이들을 입자유동관 내에 서로 이격하여 배열하고, 입자가 복수의 칸막이에 형성되어 있는 각각의 관통공을 통과할 때마다 유동이 규칙적으로 수축 팽창을 반복하면서 입자의 분산 폭이 점차 감소하여 최종적으로 입자 배출구로 빠져나오는 입자가 적은 폭을 갖는 입자빔으로 생성되도록 하고 있다.

그러나, 상기와 같은 공기역학적 렌즈를 이용한 입자의 집속방법은 유선의 집중에 의한 수축효과와, 확산에 의한 반집속(defocusing)효과 및 입자의 관성력에 의한 집속효과를 이용하는 방식으로서, 확산효과가 큰 난류의 경우나 유선의 확산이 큰 외부유동(external flow)의 경우에는 집속효과가 크지 않으며, 따라서 실제로 입자빔을 만드는 경우는 층류(laminar flow) 내부유동에 국한되는 한계가 있었고, 입자의 집속 폭을 10μm 이하의 미세 선폭으로 집속하는 것이 어려웠던 문제가 있었다.

이에, 본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 미세유체가 흐르는 유동관 내부에 웨이브(wave) 형태의 유동을 발생시켜서 미세입자가 상기 웨이브 형태의 유동을 따라 진행되는 과정에서 점차 중심부로 모아져 유동관의 출구 측에서 고밀도의 미세 선폭으로 집속되도록 구현할 수 있는 미세입자 집속방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 미세입자를 집속시키기 위한 집속방법에 있어서, 미세유체가 흐르는 유동관 내부에 웨이브 발생수단을 통해 웨이브(wave) 형태의 유동을 발생시켜 미세입자가 상기 웨이브 유동을 따라 유동되면서 점차 중심부로 모아져 고밀도로 집속되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 웨이브 발생수단으로서, 상기 유동통로의 내부면을 따라 서로 엇갈린 형태로 마주보며 일정간격으로 배열된 복수의 돌출면에 의하여 웨이브 형태의 유동을 발생시킬 수 있다.

이때, 상기 미세입자의 집속폭은 상기 웨이브의 피치수에 의해 제어될 수 있다.

위와 같은 구성을 갖는 본 발명의 미세입자 집속방법에 의하면, 미세유체가 흐르는 유동관 내부에 웨이브(wave) 형태의 유동을 발생시켜서 상기 유동관의 입구로 유입된 미세입자가 웨이브 형태의 유동을 따라 진행되는 과정에서 유동관의 중심부로 점차 수렴되도록 하여 출구 측에서 높은 집속밀도로 집속시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 미세입자 집속방법을 적용하게 되면, 유동의 집속과정에서 종래와 같은 큰 압력강하가 발생되지 않기 때문에 유동의 흐름이 안정화되고, 아울러 유동 웨이브(wave)의 피치(pitch) 수를 증가시켜 유동을 일정 선폭(예컨대, 1㎛) 이하의 미세 선폭으로 집속시킬 수 있는 장점이 있고, 저속 유동에서도 집속이 가능한 장점이 있다.

또한, 상기한 본 발명의 미세입자 집속원리를 이용하게 되면, 미세 선폭을 구현하는 직접인쇄(direct writing)나 미세분류 폭을 갖는 입자분류기(air classifier)에 효과적으로 적용하여 사용할 수 있는 장점이 있다.

도 1a는 종래기술에 따른 미세유체 집속을 위한 헤드 구조를 개략적으로 도시한 단면도.
도 1b는 종래의 공기역학적 렌즈를 이용한 입자의 집속원리를 보여주는 예시도.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 미세유체 집속장치를 도시한 단면도.
도 3 및 도 4는 도 2의 미세유체 집속장치에 의한 미세유체 집속원리를 설명하기 위한 개념도.
도 5는 본 발명의 미세유체 집속장치에 의한 미세유체의 집속과정을 수치해석을 통해 시뮬레이션한 시뮬레이션도.
도 6은 도 5의 요부를 확대 도시한 상세도.
도 7은 본 발명에 따른 미세유체 집속장치의 다른 변형예로서, 유동관 내부 돌출면의 형상을 달리하여 수치해석한 시뮬레이션도.

이하, 본 발명의 일실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 미세유체 집속장치의 구조를 도시한 단면도이고, 도 3 및 도 4는 도 2에 도시된 미세유체 집속장치에 의한 미세유체 집속원리를 설명하기 위한 개념도이다. 그리고, 도 5는 본 발명의 미세유체 집속장치에 의한 미세유체의 집속과정을 수치해석을 통해 시뮬레이션한 시뮬레이션도이고, 도 6은 도 5의 요부를 확대 도시한 확대도이다.

도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 미세유체 집속장치는 미세유체가 유동되는 유동관(110) 내부에 웨이브(wave) 형태의 유동을 발생시키기 위한 웨이브 발생수단이 구비된다.

이때, 상기 웨이브 유동을 발생시키기 위한 웨이브 발생수단으로서, 유동관(110)의 내측 상,하부에는 상기 유동관(110)의 중심부 방향을 향하여 일정 돌출 폭으로 돌출된 복수의 돌출면(130)(140)이 형성된다.

상기한 돌출면(130)(140)은 도 2에서 보는 것처럼 직사각형 형태를 이루며 유동관(110)의 상,하부 서로 마주보는 내부면상에 서로 엇갈린 형태로 배치된다. 이러한 돌출면(130)(140)은 유동관(110)의 길이방향을 따라 복수 개가 일정간격을 두고서 반복적으로 배열된 형태를 갖는다.

상기와 같이 유동관(110) 내부에 요철형태를 이루며 엇갈리게 배열된 상,하부 돌출면(130)(140) 구조로 인하여 유동관(110) 입구(112)를 통해 입사되는 유체는 유동통로(120)를 통과하면서 상기 상,하부 복수의 돌출면(130)(140)과 간섭을 일으켜 물결 형태의 웨이브(wave) 유동(W)을 생성하게 된다.

도 3 및 도 4는 상기와 같은 웨이브 유동에 의한 미세입자의 집속원리를 설명하기 위한 개념도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 유동관(110)의 입구(112)에서 입사된 미세입자는 유동관(110) 내부로 웨이브(wave) 형태를 형성하면서 진행하는 유동(W)을 따라 출구(114) 쪽 방향으로 흘러가게 된다. 이때, 상기 유동관(110) 내부를 통과하는 유체의 유동은 층류(laminar flow)로서 정현파 형상의 굴곡을 반복하게 되고, 유체입자의 거동은 Navier-stokes 방정식을 따르게 된다.

한편, 상기 유동관(110)으로 입사된 미세입자는 유동관(110) 내부에 형성된 웨이브(wave) 형태의 유동(W)을 따라 진행되는 과정에서 웨이브의 곡률에 따른 원심력을 받게 된다.

이때, 입자가 받는 원심력(f_p)은 아래의 식(1)과 같이 표현된다.

(1)

(여기서, m은 입자의 질량, r은 회전 반경, v는 속도, ω는 각속도를 말한다.)

이때, 웨이브 유동(W)을 따라 이동되는 입자의 회전반경(r)은

이므로,

각 회전반경에 위치한 입자가 받는 힘은

가 되고,

따라서, 각 위치에서 입자가 받는 원심력은

가 된다.

이를 도 3의 개념도를 통해 구체적으로 설명하면, 유동(W)의 골 부분에서 유동(W)의 윗부분에 위치한 입자(P)는 회전반경(r₁)이 작기 때문에 아래 방향으로 큰 원심력을 받아 많이 이동하게 되고, 유동(W)의 산 부분에서는 회전반경(r₂)이 크기 때문에 위 방향으로 작은 원심력을 받아 적게 이동하게 된다. 이와 같은 웨이브 유동에 의한 입자 유동 메커니즘에 의해 유동(W)의 윗부분에 위치한 입자는 웨이브 유동(W)의 산과 골을 반복적으로 지나가면서 점차 유로의 중심(일점쇄선으로 표시) 방향으로 움직여 수렴하게 된다.

마찬가지로, 유동(W)의 아랫부분에 위치한 입자는 도 4에서 보는 바와 같이 유동(W)의 골 부분에서는 회전반경(r₂)이 크기 때문에 아래 방향으로 작은 원심력을 받아 적게 이동하고, 유동(W)의 산 부분에서는 회전반경(r₁)이 작기 때문에 위 방향으로 큰 원심력을 받아 많이 이동하게 되며, 웨이브 유동(W)의 산과 골을 반복적으로 지나가면서 점차 유로의 중심(일점쇄선으로 표시) 방향으로 움직여 수렴하게 된다.

상기와 같이 웨이브 유동(W)의 윗부분과 아랫부분에 위치한 입자는 그 각각의 회전반경(r₁,r₂)의 차이로 인한 원심력의 크기 차에 의해 유동의 중심부 방향으로 모이는 현상이 일어나는데, 이러한 원리에 의해 유동관(110) 내부로 입사된 미세입자는 웨이브 형상의 유동(W)을 지나가면서 점차 유동통로(120)의 중심부로 수렴하여 유동관(110)의 출구(114) 측에서 일정 폭(1㎛) 이하의 가느다란 선폭으로 집속된다.(도 5 및 도 6의 시뮬레이션 결과 참조)

이와 같이 본 발명은 미세유체가 흐르는 유동관(110) 내부에 웨이브 발생수단을 통해 웨이브(wave) 형태의 유동(W)을 발생시켜 미세입자가 상기 웨이브 유동(W)을 따라 유동되면서 점차 중심부로 모아져 출구(114) 측에서 고밀도로 집속되도록 제어할 수 있다.

상기와 같은 방법을 통해 집속되는 입자의 최소 집속 폭은 기존의 집속 방식에 비하여 1/100 수준으로 작고, 유체속도도 1/100 정도로 월등히 작다. 이때, 유동 특성은 층류(Reynolds 수 : 200)이고 입자는 Stokes 영역에 있으므로 유동 및 입자는 매우 안정적인 거동을 보이게 된다.

이때, 유동관(110) 내부로 투입되는 미세입자의 특성(예를 들어, 밀도,직경 등)에 따라 유동의 속도 및 반경(r₁, r₂)등을 적절히 설계함으로써 요구되는 적정 선폭으로 입자를 효과적으로 집속시킬 수 있다.

아울러, 웨이브(wave) 유동(W)의 피치(pitch) 수를 증가시킴에 따라 유동관의 출구 측에서 유동의 집속폭을 1㎛ 이하의 미세 선폭으로 집속시키는 것이 가능하게 되는데, 이를 응용하여 웨이브(wave) 유동의 피치(pitch) 수를 적절하게 조절함으로써 미세입자의 집속폭을 원하는 집속폭으로 제어할 수 있게 된다.

그리고, 상기한 본 발명의 미세입자 집속원리를 이용하게 되면, 종래의 시스 유동(sheath flow)을 이용한 미세입자 집속방법에서와 같이 시스 유동에 의한 입자의 집속과정에서 큰 압력강하가 발생되지 않기 때문에 유동의 흐름을 안정화시킬 수 있다.

또한, 종래의 시스 유동(sheath flow)에 의한 미세입자 집속방법은 압력강하에 의한 난류유동 발생으로 인해 입자의 집속폭을 25 um 이하로 유지하기가 어려웠지만, 본 발명의 웨이브 유동을 이용한 미세입자 집속방법을 이용하게 되면 입자의 집속폭을 1㎛ 이하의 미세 선폭으로 집속시키는 것이 가능하고, 저속 유동에서도 집속이 가능한 장점이 있다. 아울러, 상기한 본 발명의 미세입자 집속원리를 응용하게 되면, 잉크 입자를 분사하여 미세 선폭으로 인쇄하는 직접인쇄(direct writing) 분야에 효과적으로 적용하여 사용할 수 있는 장점이 있다.

한편, 도 7은 본 발명에 의한 미세유체 집속장치의 다른 변형 예로서, 유동관(110) 내부에 모서리가 라운드진 돌출면(130)(140) 형상구조를 적용하였을 경우 유동의 흐름을 수치해석을 통해 시뮬레이션한 것이다.

도 7에서 보는 바와 같이, 유동관(110)의 상,하부 내부면상에 형성되는 돌출면(130)(140)의 모서리 부분을 둥글게 라운드(round)진 형태로 가공하여 형성하게 되면, 유동(W)의 흐름시 돌출면(130)(140)에 의한 교란이 줄어들기 때문에 유동관(110)의 출구 측으로 안정되게 수렴하여 집속되도록 할 수 있다.

그리고, 전술된 본 발명의 일실시 예에서는 웨이브 발생수단으로서, 복수의 돌출면(130)(140)을 유동관(110)의 마주보는 내부면상에 요철형태 형성하였지만, 이와 같은 돌출면(130)(140)은 웨이브 유동을 만들기 위한 하나의 예에 불과하며, 다른 사용 가능한 다양한 방법을 적용하여 웨이브(Wave) 유동을 생성할 수 있다.

110 : 유동관 112 : 입구
114 : 출구 120 : 유동통로
130,140 : 돌출면 W : 웨이브 유동

Claims

삭제
미세입자를 집속시키기 위한 집속방법에 있어서,
미세유체가 흐르는 유동관 내부에 웨이브 발생수단을 통해 웨이브(wave) 형태의 유동을 발생시켜 미세입자가 상기 웨이브 유동을 따라 유동되면서 점차 중심부로 모아져 고밀도로 집속되도록 제어하되,
상기 웨이브 발생수단은 상기 유동관의 내부면을 따라 서로 엇갈린 형태로 마주보며 일정간격으로 배열된 복수의 상,하부 돌출면들이며, 상기 상부 돌출면의 하부 끝단은 상기 하부 돌출면의 상부 끝단으로부터 이격된 상부측에 위치하도록 형성되어, 유체가 상기 복수의 상,하부 돌출면들 사이의 공간을 통해 통과시 상기 돌출면들의 간섭에 의해 웨이브 형태의 유동을 발생시키는 것을 특징으로 하는 미세입자 집속방법.
제2항에 있어서, 상기 미세입자의 집속폭은 상기 웨이브의 피치수에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 미세입자 집속방법.