KR101127051B1 - 기판 및 이를 포함하는 마이크로 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기판 및 이를 포함하는 마이크로 반응기에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 슬롯과 상기 슬롯까지 연장되며 그 내부에 제 1 유체가 유동하는 다수의 제 1 채널 및 상기 슬롯까지 연장되어 그 내부에 제 2 유체가 유동하는 다수의 제 2 채널이 형성된 기판을 포함하되, 인접하는 2개의 제 1 채널 사이에 제 2 채널이 위치되어, 슬롯 내부에서 제 1 유체와 제 2 유체가 차례로 반응 계면을 형성하는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 마이크로 반응기는 체크무늬 형상의 계면반응을 유도하여 혼합효율이 뛰어나다.

채널, 혼합, 계면, 마이크로 반응기, 기판

Description

기판 및 이를 포함하는 마이크로 반응기{Substrate and micro reactor comprising the same}

본 발명은 기판 및 이를 포함하는 마이크로 반응기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 확산에 의한 유체상들의 신속한 혼합을 달성하고, 압력손실이 낮아 처리용량이 많은 경우에도 사용되며, 체크무늬 형상의 계면반응을 유도하여 혼합효율이 뛰어난 마이크로 반응기에 관한 것이다.

일반적으로 마이크로 반응기(micro reactor)는 수 마이크로미터에서 수 백 마이크로미터까지의 폭을 갖는 복수 개의 마이크로 채널(micro channel)이 형성되고, 이러한 마이크로 채널과 연결된 혼합공간이 마련되어 있다.

이와 같은 마이크로 반응기에서는 복수 개의 마이크로 채널을 통하여 복수의 용액을 각각 혼합공간에 도입시키고, 혼합공간에서 복수의 용액을 혼합시킨다.

마이크로 반응기에 의한 혼합반응은 다음과 같은 점에서 플라스크 등을 이용한 종래의 배치(batch)방식과 차이가 난다.

액상의 화학반응은 두 유체가 잘 혼합될수록 반응이 빨리 이루어지는데, 마이크로 공간 내에서 반응이 이루어지는 경우, 유체가 미세하게 나뉘어지며 이때 상대적으로 계면의 면적이 커져 두 유체의 혼합이 매우 잘 이루어지고 반응 효율은 증가하게 된다.

또한 반응액을 능동적으로 혼합하지 않아도, 계면에서의 확산에 의하여 혼합이 이루어진다.

이러한 마이크로 반응기는 고속 혼합이 가능하고, 정밀 온도 제어가 가능하며, 반응액의 체류시간의 조절이 가능하다는 장점이 있다.

상기와 같은 장점으로 인하여 최근 마이크로 반응기에 대한 연구가 활발히 진행되고 있고, 반응계면을 증가시키기 위한 다양한 방법이 소개되고 있다.

한국공개특허 제2005-0085236호는 반응효율을 높이기 위하여 플레이트 상에 다양한 형상의 채널을 형성하고, 슬롯판을 결합하는 구성이 개시하고 있으나, 이는 혼합을 위한 플레이트를 별도로 구비해야 했기 때문에, 구성이 복잡하고, 오히려 이로 인한 압력손실에 의하여 반응효율이 떨어지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 반응유체가 통과하는 채널 및 혼합부가 일체로 형성된 기판을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 혼합효율을 높이기 위하여 체크무늬 형상의 계면을 형성하는 마이크로 반응기를 제공하는 것이다.

본 발명의 상기한 목적을 달성하기 위하여,

본 발명의 일 측면에 따르면, 슬롯과 상기 슬롯까지 연장되며 그 내부에 제 1 유체가 유동하는 다수의 제 1 채널 및 상기 슬롯까지 연장되어 그 내부에 제 2 유체가 유동하는 다수의 제 2 채널이 형성된 기판이 제공된다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 제 1 및 제 2 유입포트와 배출포트가 각각 형성된 하우징; 및 상기 하우징 내에 적층 상태로 설치된 하나 이상의 가판을 포함하는 마이크로 반응기가 제공된다.

이때, 상기 각 기판에는 슬롯과 상기 슬롯까지 연장되며 그 내부에 제 1 유체가 유동하는 다수의 제 1 채널 및 상기 슬롯까지 연장되어 그 내부에 제 2 유체가 유동하는 다수의 제 2 채널이 형성되고, 인접하는 2개의 제 1 채널 사이에 제 2 채널이 위치되어, 슬롯 내부에서 제 1 유체와 제 2 유체가 차례로 반응 계면을 형 성하는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 제 1 및 제 2 유입포트와 배출포트가 각각 형성된 하우징; 및 상기 하우징 내에 소정의 간격을 두고 배치된 제 1 기판 및 제 2 기판을포함하는 마이크로 반응기가 제공된다.

이때, 제 1 기판에는 복수의 제 1 채널이 형성되고, 제 2 기판에는 인접하는 2개의 제 1 채널 사이에 제 2 채널이 각각 위치되도록 형성되어,

제 1 유입포트와 제 1 채널을 차례로 통과한 제 1 유체와 제 2 유입포트와 제 2 채널을 차례로 통과한 제 2 유체가 제 1 기판과 제 2 기판 사이의 공간에서 차례로 반응 계면을 형성하는 것이 바람직하다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 기판 및 이를 포함하는 마이크로 반응기는 압력손실이 낮아 처리용량이 많은 경우에도 사용되고, 체크무늬 형상의 반응계면을 유도하여 혼합효율이 뛰어나다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 및 이를 포함하는 마이크로 반응기를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판을 나타내는 사시도이고, 도 2 는 도 1 에 도시된 기판의 측면도이다.

본 실시예에서 기판(100)은 다수의 제 1 채널(110) 및 제 2 채널(120)이 형성되고, 중앙부를 관통하는 슬롯(130)이 형성되는 것이 바람직하다.

상기 제 1 채널(110)은 상기 기판의 일측단으로부터 슬롯(130)까지 연장되는 것이 바람직하고, 제 1 채널(110) 내부에는 제 1 유체가 유동하는 것이 바람직하다.

상기 제 2 채널(120)은 상기 기판의 타측단으로부터 슬롯(130)까지 연장되는 것이 바람직하고, 제 2 채널(120) 내부에는 제 2 유체가 유동하는 것이 바람직하다.

이때 상기 제 2 채널(120)은 2개의 제 1 채널(110)사이에 각각 대응되도록 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에서 제 1 유체 및 제 2 유체는 혼합되는 서로 다른 유체를 지칭하는 것이다.

상기 제 1 및 제 2 채널은 직선형 또는 유선형으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 두 채널은 용도에 따라 구별할 수 있으며, 기능적으로는 직선형일 경우, 위치에 상관없이 유체가 동일한 선속을 가지게 되어 균일한 혼합이 이루어 진다. 유선형일 경우, 안쪽과 바깥쪽의 선속이 달라 먼저 흐른 유체와 뒤따라오는 유체가 섞일 수 있는 가능성이 더 크다.

상기 기판(100)은 통상 내구성 및 내식성이 강한 재료로 구성될 수 있으며, 특히 스테인리스 스틸 또는 하스텔로이(hastalloy)로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 기판의 크기, 채널의 간격, 채널의 수, 채널의 폭 및 채널의 깊이는 처리용량을 고려하여 선정하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 기판은 10mm ⅹ 20mm 의 크기로 형성될 수 있고, 상기 각 채널은 폭이 20㎛ ~ 100㎛ 로 형성될 수 있고, 슬롯까지의 길이는 350 ~ 450㎛ 로 형성될 수 있으며, 채널의 깊이는 100 ~ 200㎛ 로 형성될 수 있고, 상기 채널간의 간격은 20㎛ ~ 100㎛ 로 형성될 수 있다. 이 때 채널의 폭이 커지면, 대응하는 채널의 크기에 맞게 채널간의 간격도 커지게 된다.

또한 중앙부에 형성된 슬롯의 폭은 100㎛ ～ 2000㎛ 인 것이 바람직하다. 상기의 수치보다 슬롯의 폭이 작으면 빠른 유속에서 압력이 많이 걸리게 되고(압력손실의 발생), 상기의 수치보다 슬롯의 폭이 크면 제대로 제 1 및 제 2 유체가 혼합되지 않은 상태에서 슬롯을 빠져나오게 되어 유체 간의 혼합력이 감소할 수 있다.

도 3 은 본 발명의 따른 기판의 적층 구조를 나타내는 사시도이고, 도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 반응기의 개략적인 사시도이며, 도 5 는 도 4 에 도시된 마이크로 반응기의 슬롯에서 일어나는 계면반응의 개념도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 반응기(300)는 다수의 기판을 적층하는 경우에 각 기판에 형성된 채널들로 제 1 및 제 2 유체가 유입되어 슬롯을 통과하는 과정에서 계면반응이 이루어지며, 상부에 위치한 기판의 슬롯을 순차적으로 통과하게 된다.

본 발명의 일 실시예에서는 채널에서의 유동과 슬롯에서의 유동이 수직(직각)상태로 이루어지는 것이 바람직하다.

각 채널로의 연속적인 유입압력으로 인해 중앙부의 슬롯에서 제 1 유체 및 제 2 유체의 업스트림 (upstream)이 형성된다.

이때 반응계면의 수를 증가시키기 위하여, 다수의 기판을 적층하는 경우 각 기판은 인접한 기판과 좌우 대칭구조를 갖는 상태로 적층되는 것이 바람직하다.

즉 각 기판은 인접한 기판과 중앙부의 슬롯을 중심으로 좌우대칭 구조를 갖는 상태로 적층되는 것이 바람직하다.

도 3 에 도시된 바와 같이, 하부에 위치한 제 1 기판(100-1)은 제 1 채널(110-1) 및 제 2 채널(120-1)내에 제 1 유체(10) 및 제 2 유체(20)가 흐르며, 중앙부의 슬롯(130-1)에서 슬롯의 길이방향으로 제 1 유체 및 제 2 유체의 반응계면이 복수로 형성된다.

중간에 위치한 제 2 기판(100-2)은 제 2 채널(120-2) 및 제 1 채널(110-2)내에 각각 제 1 유체(10) 및 제 2 유체(20)가 흐르며, 중앙부의 슬롯(130-2)에서 슬롯의 길이방향으로 제 1 유체 및 제 2 유체의 반응계면이 복수로 형성된다.

이때 제 1 기판(100-1) 및 제 2 기판(100-2)은 중앙부의 슬롯을 중심으로 좌우대칭 구조로 제 1 채널 및 제 2 채널이 형성되므로, 제 1 기판의 중앙부에 형성된 슬롯을 통과하는 제 1 유체는 제 2 기판의 중앙부에 형성된 슬롯을 통과하는 제 2 유체와 상하로 반응계면을 이루며 제 2 기판의 슬롯을 순차적으로 통과한다.

또한 상부에 위치한 제 3 기판(100-3)은 중앙부에 형성된 슬롯(130-3)을 중 심으로 제 2 기판(100-2)과 좌우대칭 구조로 제 1 채널(110-3) 및 제 2 채널(120-3)이 형성되므로, 적층된 슬롯의 상하로 제 1 유체 및 제 2 유체의 반응계면이 형성된다.

도 5 는 다수의 적층된 기판의 슬롯에서 반응계면을 형성하고 있는 제 1 유체(10) 및 제 2 유체(20)의 개념도이다.

도 5 에 도시된 바와 같이, 제 1 유체 및 제 2 유체는 슬롯의 길이방향과 높이방향으로 체크무늬 형상의 반응계면이 형성되므로, 반응계면의 수가 증가하여 반응효율이 높아진다.

본 발명의 일실시예에서 앞서 설명한 다수의 기판은 하우징(200)내에 적층 설치되는 것이 바람직하다.

상기 하우징(200)은 상기 기판이 수용되는 탑재부(220); 상기 탑재부 양측으로 연장되어 형성된 확산부(214, 216); 및 확산부로부터 연장된 유입포트(212, 222);를 포함하되, 상기 확산부(214, 216)는 테이퍼면으로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 탑재부(220), 확산부(214, 216) 및 유입포트(212, 222)가 상호 연통되게 구성되어 유입포트(212, 222)로 유입된 유체는 확산부를 거쳐 탑재부에 적층 설치된 다수의 기판에 도달한다.

이때 확산부는 유입구로부터 탑재부에 이르기까기 단면적이 점진적으로 증가하도록 형성된 것이 바람직하다.

따라서 양 측으로 제 1 유체(10) 및 제 2 유체(20)가 제 1 유입포트(222) 및 제 2 유입포트(212)로 각각 유입되고, 확산부(216, 214)를 거치면서 적층된 기판의 각 채널로 유입된다.

이때 도 3 및 도 4 에 도시된 바와 같이, 적층된 각 기판의 제 1 채널 및 제 2 채널로 각각 유체가 유입되고, 중앙부의 슬롯을 통과하는 과정에서 제 1 유체 및 제 2 유체의 계면반응이 이루어지며, 상부에 위치한 기판의 슬롯을 순차적으로 통과한 후 하우징 상부에 형성된 배출포트(240)를 통하여 외부로 배출된다.

이 때 하우징(200) 상부의 배출포트(240) 하부에는 배출포트와 연통되는 슬롯(230)이 형성되는 것이 바람직하고, 상기 슬롯(230)은 하우징 내부에 적층 설치되는 기판의 중앙부에 형성된 슬롯과 대응되도록 형성되는 것이 바람직하다.

도 6 은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기판을 나타내는 사시도이고, 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 반응기의 개략적인 사시도이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 반응기는 제 1 및 제 2 유입포트와 배출포트(도시되지 않음)가 각각 형성된 하우징(500)과 상기 하우징(500) 내에 소정의 간격(d)을 두고 배치된 제 1 기판(410) 및 제 2 기판(420)을 포함한다.

여기서, 상기 하우징(500)은 도 4를 통해 설명한 하우징(200)과 동일하게 제 1 및 제 2 유입포트와 배출포트(도시되지 않음)가 형성되어 있으나, 하우징 내에 배치되는 제 1 기판 및 제 2 기판의 사이에 소정의 간격(d)을 유지하도록 하기 위한 수단을 더 포함할 수 있다.

간격 유지 수단으로서는 도 7에 도시된 바와 같이, 하우징(500)내에 배치되어, 제 1 기판 및 제 2 기판의 간격을 유지하는 스페이서(600)일 수 있다.

간격 유지 수단이 스페이서인 경우, 하우징(500) 내부 바닥면에 상기 스페이서(600)를 고정하기 위한 홈이 존재할 수 있고, 여기에 소정의 두께(d)를 가지는 스페이서(600)를 장착하여 제 1 기판과 제 2 기판을 일정한 간격(d)을 두고 배치할 수 있게 된다.

상기 제 1 기판(410)에는 복수의 제 1 채널(411)이 형성되고, 제 2 기판(400)에는 인접하는 2개의 제 1 채널(411) 사이에 제 2 채널(401)이 각각 위치되도록 형성된다.

상기 각 기판(400, 410)의 재질 및 채널의 폭은 도 1 및 도 4를 통하여 설명한 기판(100)의 그것과 동일할 수 있다.

한편, 상기 제 1 기판(410)과 제 2 기판(400)의 간격은 100㎛~2000㎛인 것이 바람직하며, 상기 간격은 전술한 기판(100)의 슬롯(130)의 간격에 대응된다.

이와 같이 구성된 마이크로 반응기에서는 제 1 유입포트와 제 1 채널(411)을 차례로 통과한 제 1 유체(10)와 제 2 유입포트와 제 2 채널(401)을 차례로 통과한 제 2 유체(20)가 제 1 기판(410)과 제 2 기판(400) 사이의 공간에서 차례로 반응 계면을 형성하게 된다.

즉, 도 1 내지 도 4를 통하여 설명한 마이크로 반응기에서는 하나의 기판에 슬롯을 형성하여 제 1 유체와 제 2 유체의 혼합 공간을 형성하였다면, 도 6 및 도 7을 통하여 설명하는 마이크로 반응기에서는 제 1 기판과 제 2 기판 사이의 공간이 제 1 유체와 제 2 유체의 혼합 공간을 형성하는 것이다.

도 7에서는 각 기판의 복수로 적층된 상태를 도시하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 하우징(500)내에 제 1 기판을 복수로 적층하고, 제 2 기판을 복수로 적층하여 배치할 수 있다.

위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른 기판을 나타내는 사시도.

도 2 는 도 1 에 도시된 기판의 측면도.

도 3 은 본 발명의 따른 기판의 적층 구조를 나타내는 사시도.

도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 반응기의 개략적인 사시도.

도 5 는 도 4 에 도시된 마이크로 반응기의 슬롯에서 일어나는 계면반응의 개념도.

도 6 은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기판을 나타내는 사시도.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 반응기의 개략적인 사시도.

Claims (11)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 및 제 2 유입포트와 배출포트가 각각 형성된 하우징; 및 상기 하우징 내에 적층 상태로 설치된 하나 이상의 기판을 포함하되,

   상기 각 기판에는 중앙부를 관통하는 슬롯; 일측단으로부터 상기 슬롯까지 연장되며 그 내부에 제 1 유체가 유동하는 다수의 제 1 채널; 및 타측단으로부터 상기 슬롯까지 연장되어 그 내부에 제 2 유체가 유동하는 다수의 제 2 채널이 형성되고,

   각 기판은 인접하는 2개의 제 1 채널 사이에 제 2 채널이 위치되어, 슬롯 내부에서 제 1 유체와 제 2 유체가 차례로 반응 계면을 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 반응기.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 각 기판은 인접한 기판과 좌우 대칭구조를 갖는 상태로 적층되어, 상부 기판과 하부 기판의 슬롯에서 제 1 유체와 제 2 유체가 수직방향의 반응계면을 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 반응기.
6. 제 5 항에 있어서,

   제 1 및 제 2 채널을 각각 통과한 제 1 및 제 2 유체는 슬롯을 통과하는 과정에서 혼합되며, 상부 또는 하부에 위치한 기판의 슬롯을 순차적으로 통과한 후 배출포트를 통하여 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 마이크로 반응기.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 슬롯에서의 각 유체의 유동 및 각 채널에서의 각 유체의 유동은 직각으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 반응기.
8. 제 4 항에 있어서,

   상기 하우징은 상기 기판이 수용되는 탑재부, 상기 탑재부 양측으로 연장되어 형성된 확산부 및 상기 확산부로부터 연장된 유입포트를 포함하되,

   상기 확산부는 테이퍼면으로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로 반응기.
9. 제 1 및 제 2 유입포트와 배출포트가 각각 형성된 하우징; 및 상기 하우징 내에 소정의 간격을 두고 배치된 제 1 기판 및 제 2 기판; 을 포함하되,

   제 1 기판에는 복수의 제 1 채널이 형성되고, 제 2 기판에는 인접하는 2개의 제 1 채널 사이에 제 2 채널이 각각 위치되도록 형성되어,

   제 1 유입포트와 제 1 채널을 차례로 통과한 제 1 유체와 제 2 유입포트와 제 2 채널을 차례로 통과한 제 2 유체가 제 1 기판과 제 2 기판 사이의 공간에서 차례로 반응 계면을 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 반응기.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 제 1 기판과 제 2 기판의 간격을 조절 및 유지하기 위한 스페이서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 반응기.
11. 제 9 항에 있어서,

    상기 제 1 기판과 제 2 기판의 간격은 100㎛~2000㎛인 것을 특징으로 하는 마이크로 반응기.

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