KR101157037B1 - 다이나믹 밸브 및 유체 이송 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액상의 유체를 이송 대상으로 한 유체 이송 방법 및 액상인 유체의 흐름을 차단 또는 개방하는 다이나믹 밸브에 관한 것으로, 본 발명의 유체 이송 방법은 유체 이송 방향인 장축 길이 방향으로 이송 대상 유체와의 접촉각(θ_c)이 반복적으로 변화되는 관을 이용한 액상의 유체 이송 방법이며, 관 내 이송 대상 유체가 불연속적으로 이송되며, 그 이송 속도가 상기 접촉각(θ_c)의 변화에 따른 상기 관 내 유체의 내부 압력과 상기 관의 유체 유입구 및 유체 배출구에서 하나 이상 선택된 위치를 통해 관내 유체에 가해지는 압력(P_appl)의 차에 의해 제어되는 특징이 있다.

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Description

다이나믹 밸브 및 유체 이송 방법{Fluid Transportation Method and Dynamic Fluid Valve Using Thereof}

본 발명은 액상의 유체를 이송 대상으로 한 유체 이송방법 및 액상인 유체의 흐름을 차단 또는 개방하는 다이나믹 밸브에 관한 것으로, 상세하게, 유체 이송 방향인 장축 길이 방향으로 이송 대상 유체와의 접촉각(θ_c)이 반복적으로 변화되는 관을 이용하여 접촉각의 변화에 의해 야기되는 관내 압력을 이용한 유체 이송 방법 및 다이나믹 밸브에 관한 것이다.

식물학자들은 식물체 내의 물이송에서 매우 잘 알려진 구조 중 하나인 물관의 거시적인 측면과 미시적인 면에서의 해부학적인 구조와 기능간의 상호 관계에 대하여 오랫동안 관심을 가져왔다(M. T. Tyree and M.H. Zimmermann, "Xylem Structure and the Ascent of Sap" 2nd edn. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, (2002)). 생태학적인 측면에서, 물관을 갖고 있는 식물이 물이송에 관하여 헛물관만을 갖고 있는 식물에 비하여 매우 높은 물 수송률 (hydraulic conductance)을 갖고 있다고 알려져 있다. 따라서 물관의 진화는 현대의 속씨 식물(angiosperm plant)의 물 수송 효율을 결정하는 중요 인자로써 환경에 적응의 현상의 하나로써 간주될 수 있다.

한편 관의 특성은 매우 다양한 의미 있는 체계적인 정보를 갖고 있으므로, 개화 식물의 계통학연구 분야에서 또한 물관의 요소구조의 진화 경향은 매우 의미 있는 수단으로 이해된다. 비록 관 특성의 병렬 방식의 진화가 일반적으로 받아들여지는 이론이기는 하나, 최근 개화 식물의 계통학연구에서 상당한 정도의 물관 구조의 뒤바뀜 경향이 제안되기도 한다. 따라서 물관 특성의 병렬적 진화와 이의 전도되는 현상은 물관의 물 수송 체계의 환경에 적응하는 점을 매우 함축적으로 의미한다고 판단된다.

예를 들어 구멍 난 세포벽공을 갖는 식물은 사막이나 열대성 계절의 숲에서 매우 자주 발견된다. 한편 추운지방 혹은 한대의 북해지방 환경에서의 목재성 식물의 벽공은 매우 작거나 단순한 형태인 반면에 적당한 습기가 있고 아열대의 낮은 지역 등에서의 온난한 지방에서의 벽공은 매우 잘 발달되어진 가지가 많은 네트워크(network)를 형성하고 있음이 발견된다. 한편 빗형상을 갖는 물관 사이벽 (scalariform perforation plate)을 갖는 식물의 발견되는 상대적인 횟수는 이상의 구멍 난 벽공의 경우와는 반대인 환경 적응의 경우를 보여준다.

즉 사막이나 열대성 계절의 숲에서는 빗형상 구조가 드물게 발견되는 반면 추운지방 혹은 한대의 북해지방 환경에서 자라는 식물에서는 빗형상 구조가 매우 높은 확률로 발견된다.

이상의 연구 결과는 주기적이거나 상시적으로 건기를 겪는 온난한 지역적 환경에 적응한 식물에서 발견되는 구멍 난 벽공 및 단순한 물관 사이벽을 갖는 물관구조가 물 이송 관련하여 매우 효율적인 요소 구조로써 이해된다("Variation in xylem structure from tropics to tundra: Evidence from vestured pits" Steven Jansen, Pieter Baas, Peter Gasson, Frederic Lens, and Erik Smets, PNAS 2004 vol. 101 8833-8837).

이차 벽의 헬리칼(helical) 구조가 나타나는 식물종의 빈도수 또한 지역적으로 매우 깊은 연관이 있는 것으로 간주된다("Water transport in xylem conduits with ring thicknings" Paln, Cell and Environment (1996) 19 622-629 A. roth). 한대나 아열대지역 비하여 온대 혹은 지중해성 기후지역에서의 식물종에서 이차 벽의 헬리칼 구조를 갖고 있는 식물의 발견횟수가 매우 높다. 또한 이러한 2차벽 구조를 갖고 있는 물관의 지름은 일반적으로 좀 더 작은 것으로 알려져 있다.

물관 식물에서 자일림(xylem) 이송구조는 나무뿌리로부터 잎으로 물을 이동하는 가장 중요한 경로를 구성한다. 현재, 물관을 통한 유체이송에 관한 유체역학은 일반적으로 압력에 의하여 결정되며 이는 다음의 식과 같은 Hagen-Poiseulle's law에 의하여 설명될 수 있다고 믿어진다(Vogel SJ. 1994. "Life in moving fluids", 2nd edn. Princeton University Press).

이때 R은 물수송율(Conductance)의 역수에 해당하는 물 수송에 관한 저항 율(resistance)이며 L은 물관의 길이이고, D는 물관의 지름, μ는 유체의 역학점도(dynamic viscosity)이다.

이 법칙을 이용한 물관의 물 수송율 유추는 주로 물관의 관의 기하학적인 구조에 의존하는 것으로 이해할 수 있다. 실제로 이제까지의 모든 물 수송률에 관한 연구는 타원형의 구조로 가정하고 이론적인 계산을 시도한 몇 경우(PIERRE MARTRE, JEAN-LOUIS DURAND and HERVE COCHARD, "Changes in axial hydraulic conductivity along elongating leaf blades in relation to xylem maturation in tall fescue" New Phytol. (2000), 146, 235-247)를 제외 하고는 거의 모두 물관 내벽이 평편하고 여타의 다른 구조가 없는 원형의 단면을 갖는 실린더 형태로 이해하고 이를 이론적으로 연구하고자하는 경향이 있다.

그러나 실제 나무줄기 조각을 갖고 실행한 실험에서의 결과는 물관의 측정된 지름을 기반으로 하여 Hagen-Poiseulle's law에 따라 이론적으로 유추된 결과와의 비교연구는 매우 다양한 결과를 제시하고 있다. 심지어 단 하나의 물관을 바탕으로 비교 연구한 결과 또한 실험치와 이론치가 매우 큰 차이를 보여주고 있다. 그렇지만 물관의 지름이 0.5 mm 정도로 큰 포도나무의 경우에는 Hagen-Poiseulle's law에 따른 예측과 거의 일치하는 것으로 보고되어지기도 한다. 종합적으로 그러나 꽃씨 식물의 물관의 물이송 효율은 이론적인 예측에 비하여 약 10 배 이상 낮은 것으로 알려져 있다("Safety and efficiency conflicts in hydraulic architecture: scaling from tissues to trees", JOHN S. SPERRY1, FREDERICK C. MEINZER2 & KATHERINE A. McCULLOH3, Plant, Cell and Environment (2008) 31, 632-645).

수년간의 연구결과에서 이상의 이론 및 실험과의 괴리를 이해하는 방법에는 매우 크게 다음과 같이 3개의 다른 그룹이 있다(D.J. Ellerby and A.R. Ennos, "Resistances to fluid flow of model xylem vessels with simple and scalariform perforation platesJournal of Experimental Botany" (1998), Vol. 49, 979-985).

첫번째 그룹은 물관내의 구조적인 막힘, 물관의 엠볼리즘(embolism, 공기방물에 의한 물관 막힘 현상) 물관 사이벽의 빗모양 형상의 영향과 관지름의 변이현상 등에 그 실험과 이론치의 괴리를 이해하고자 한다. 반면 두 번째 그룹은 Hagen-Poiseulle's law의 가정의 내제된 잘못으로 그 차이를 설명하기도 하며, 심지어 물관내 물의 이송에 관한 가장 오래된 이론인 응집력 이론(Cohesion-tension theory, 이하 C-T이론)의 불완전성에 의문을 갖기도 한다. 세 번째 그룹은 유체의 특성이 물관의 물 수송률에 미치는 효과로써 이 차이를 설명하기도하였다("Hydrogel Control of Xylem Hydraulic Resistance in Plants Maciej A. Zwieniecki,* Peter J. Melcher, N. Michele Holbrook, Science 291, 1059 (2001)). 예를 들어 Zwieniecki등은 식물의 물관내 유체의 이온 농도는 물 수송율을 매우 크게 하며 현저하게 증가시킨다고 보고하였다.

용액내 이온 농도, pH와 비극성 용매등에 대응되는 물수송율의 변환는 주로 히드로겔(hydrogels)에 의하여 매개된다. 이러한 변화의 효과는 물관 벽의 벽공에서 주로 나타나며, 이는 히드로겔 상태로 알려진 벽공상 펙틴(pectins)의 부풀어 오름 및 내림에 의하여 변화하는 벽공 막(membrane) 상의 미세채널로써 설명이 가능하다.

이와 같은 물 이송에서 이온 매개 반응의 존재는 완전한 파이프 상태로써 이해되어온 물관의 오래된 이해방식에 일대 전환을 이룩하였으며, 식물체가 그 내부의 유체 흐름방식을 제어할 수 있다는 기작을 제안하기도 한다.

그러나 이러한 연구들의 결과는 비록 부분적인 측면에서는 물관에 의한 물 수송율에 대하여 어느 정도 잘 설명하기는 하지만 현재까지도 많은 부분에서 설명의 정도가 매우 낮다.

물관의 물이동 기작을 설명하는 C-T 이론에 의하면 물은 완전 진공보다도 더 음의 값을 갖는 물관내 압력을 갖는 준안정(metastable) 상태에서 식물 내에서 위로 상승한다. 이때 이를 실현하는 힘은 식물체 잎의 표면에서의 발생하는 표면장력에서 비롯된다. 이러한 장력은 잎으로부터 뿌리까지 식물체 전체의 아포프라스트 (apoplast)의 모든 부분을 통하여 구축되어 있는 물관기둥에 의하여 전달된다.

한편 공기 중 수증기내 물의 상태에너지는 매우 작기 때문에 서브-기문 공간(sub-stomatal chamber)의 세포벽으로부터 물관내 물이 주로 증발한다. 이러한 증발은 세포벽내 세포상 미세섬유공 내에서의 세포액의 표면 경계의 곡률(curvature)을 발생시킨다. 이때 발생하는 표면장력은 결과적으로 유체표면 경계 바로 뒤에 있는 액체상의 물관압력을 저하시키게 된다. 이상은 반복적으로 인접한 지역의 세포벽 및 세포체액의 낮은 상태에너지를 유발하게 된다.

Y = P_x + f

이와 같은 낮아진 상태에너지(Y)는 주로 다음과 같이 두 다른 상태에너지로 써 설명된다. 그 하나는 식물체의 물의 상태에너지(P_x)이며 다른 하나는 용질의 상태에너지(f)이다. 이때 물관 내 수액의 용질에 의한 효과는 용질의 농도가 무시할 만큼 적기 때문에 물관내 물의 상태에너지에 비하여 무시할 만큼 작은 것으로 알려져 있다. 따라서 P_x가 전체 물관내 물의 상태에너지의 주된 이유로 이해될 수 있다.

한편 수액과 공기와 이루는 물표면 경계에서의 물분자간 수소결합을 깨는데 필요한 에너지로 이해되는 증발열을 공급하는 과정에서 필요한 에너지 원은 궁극적으로 태양이다.

이제까지의 연구는 주로 식물체의 성장이 주로 일어나는 계절 및 시간대에서의 물관내 물이동에 관한 기작에 대하여 연구가 진행되었다. 이 계절에는 잎 표면에서의 호흡과 증발에 의하여 발생하는 막대한 음압(negative pressure)에 의하여 물의 상승을 설명할 수 있다.

실제로 식물의 호흡이 무시할 만큼 적은 새벽에 측정된 110 m 키의 아메리카삼나무(redwood) 5그루에서 관측된 물관 내부압력과 높이관계의 기울기는 C-T 이론에 의하여 추측되는 중력에 의한 수력학적인 계산치인 (-0.0098 MPa/m)과 거의 동일한 -0.0096 ^ 0.0007 MPa/m정도로 보고되어졌다("The limits to tree height", George W. Koch, Stephen C. Sillett, Gregory M. Jennings and Stephen D. Davis, NATURE VOL 428 851 (2004)). 한편 호흡 및 증발이 가장 큰 시간대인 정오 중에 측정된 이상의 기울기는 약 -0.0106 ^ 0.0022 MPa/m로 새벽 시간대 보다 약 6 % 이상 큰 값을 보여주고 있다. 한편 아메리카삼나무의 가장 높은 가지에서 관찰된 최소 자일림(xylem) 압력은 정오와 새벽녘에 얻어진 값은 각각 평균적으로 -1.84 ^ 0.04 MPa 및 1.3 MPa이다. 이로부터 본질적으로 물의 상태에너지에의 높이의 중요성은 정오중의 물관내 압력의 약 2/3은 중력에 의하여 발생한다는 점에서 분명하다고 주장되기도 하였다.

그러나 식물체의 성장이 거의 이루어지지 않는 동절기 혹은 호흡과 증발에 의한 효과가 무시할 만큼 적은 시간대에서의 물이 어떻게 중력에 의한 영향이 매우 높은 상태의 높은 나무의 잎에서 유지될 수 있는지에 대하여 설명하고자 하는 연구는 이제까지 이루어지지 않고 있다.

한편 앞선 Hagen-Poiseulle's law에 따르면 물관내에서의 물 수송율은 물관 지름의 4 승에 비례한다. 따라서 식물체는 물수송률을 극내화 하기위하여 물관 지름을 키우는 방향으로 진화하였다.

그러나 현대의 식물에 발견되는 물관의 크기는 그 한계가 있는 것으로 보인다. 실제로 이제까지 보고된 물관 중 가장 큰 것은 포도덩쿨에서 발견되는 것으로 그 지름이 약 0.5 mm 이며, 0.01~0.1 mm의 크기를 갖는 것이 대부분이다.

이러한 물관 크기의 한계는 식물체 물관의 진화상 무작위의 물과 손상이 일어 날 경우 물관 크기가 커짐에 따라 나탈 수 있는 장력의 증가에 의한 엠볼리즘(embolism)이 나타날 수 있는 확률 증가 및 동절기에 나타날 수 있는 물관 내 수액의 빙결현상과 얼음이 녹으면서 나타날 수 있는 공기방울의 응집(coalescence)등 식물체 생존에 관한 안전 문제로 해석할 수 있다.

이상의 물관 지름의 증가에 의하여 야기되는 물 수송률의 극대화에 따른 물 에 의한 스트레스(stress)를 최소화하면서도 식물체 생존에 관한 안전성 확보라는 두 다른 측면이 식물체 진화과정에서 물관의 크기를 결정하는 두 다른 반대적인 요인이 식물체 물관 크기를 결정하는 요인으로 알려져 있다.

이제까지 알려져 있지 않으나, 물관의 크기는 앞서 논의한 식물체 잎상에서의 호흡이나 증발이 거의 없는 계절이나 시간대에서도 나무의 꼭대기에서 충분한 정도의 물이 지구 중력에 반하여 유지할 수 있는 인자로 기능할 것으로 판단된다.

즉 물관의 지름이 커지는 경우 충분한 구동력(driving force)이 없으므로 물관내 중심 부위에 있는 물은 거의 정지한 상태가 된다. 이러한 경우 이들 물의 물분자간 수소결합에 의한 힘은(cohesion force) 지구 중력에 의한 힘과 서로 상충적인 작용을 한다. 따라서 장력 증가에 의하여 궁극적으로 물기둥이 끊어지게 되고 결국 나무 꼭대기에서의 물은 나무의 줄기를 통하여 내려오게 될 것이다.

이를 방지하기 위하여 식물체는 진화 과정에서 물관의 지름을 조절하는 것으로 판단된다. 실제로 앞서 밝힌 이제까지 보고된 최대의 지름을 갖는 포도의 경우 물관이 비어있는 상태에서 동절기를 보내며 새 잎이 발생하기 약 1개월 전에 물관에 물이 채워지는 것으로 알려져 있다.

이상의 논의를 통하여 식물의 물관 내 물의 이동에 관한 기작 및 이에 근거한 물 수송률에 대한 새로운 변수(variable)을 찾고 이를 통한 새로운 식물의 물이송에 관여하는 요소구조에 대한 진화 및 주위환경에 대한 적응에 관한 해석을 위한 새로운 연구가 필요하다는 것이 분명하다.

그러나 이를 위한 물관내 물의 이동을 직접 관찰하고 해석하고자하는 연구는 상대적으로 많이 되어있질 않다는 것이 매우 놀라운 사실이다.

그중 최대 1000 Hz의 속도를 갖는 광학적인 측정법을 이용하여 질경이 잎(Plantago major)으로부터 분리된 물관에서의 액체-기체 계면(menisci, 이하 menicsi) 거동에 관한 측정-분석에서는 물관내 이차적 집적(secondary thickening) 과정을 통하여 생성된 나선 구조(helical structure)가 관내 미세구조를 형성하고 있는 원생목질부(protoxylem)에서의 menicsi의 움직임은 연속적으로 이루어진다고 보고하였고, 후생목질부(metaxylem)의 경우에는 물관 진행 방향으로 주기적으로 나타나는 타원형 슬릿(oval slits)이 있는 영역에서 menicsi이 시간적으로 정지하는 것으로 보고하였다.

최근에는 2 Hz의 이미징 캡춰(capturing) 속도로 X-ray를 이용하여 대나무의 물관에서의 menicsi 거동에 관한 실험에서는 물관내 끝벽(end-wall)에서 menicsi의 움직임 정지하였다가 다시 진행하는 소위 반복적 흐름(repetitive flow)을 보여주기도 하였다.

이들 연구에서 사용한 시간 분해능 및 공간적 분해능은 물관내 menicsi 거동에 관한 좀 더 세밀한 연구 측면에서 매우 제한적인 것으로 판단된다. 또한 사용한 재료를 준비하는 과정에서 물관 내부의 미세구조를 이룩하고 있는 화합물들이 손상을 입지 않았다고 할 수도 없다.

본 출원인은 대파의 손상이 전혀 없는 물관 내 물 경계면의 움직임을 충분한 시공간적인 분해능을 갖고 미시적으로 관찰함으로써 물과 내부에 있는 미시구조 및 그 표면상태가 물 이송에 어떻게 관여하는지를 이해하기 위하여 노력하였다.

이러한 연구를 통하여 물관 내부의 나노-마이크로 구조가 보여주는 좁은 영역의 표면상 수력학적인 성질의 변이를 통해 물관의 물이송에 관한 기작을 이해할 수 있었으며, 이러한 연구를 기반으로 본 발명을 출원하기에 이르렀다.

식물체 물관 연구를 기반으로 본 출원인이 제안하는 유체 이송 방법 및 다이나믹 밸브는 식물체 물관 자체를 유전적으로 조절하여 목적에 맞는 구조적인 특성을 갖도록 하여 응용할 경우뿐만 아니라 다음과 같은 이유로 하여 산업적으로 매우 중요한 기술적인 진보를 이룩할 수 있다.

본 발명의 유체 이송 방법을 이용하여 엠볼리즘(embolism) 생성 없이 액상의 유체를 매우 높은 위치 에너지를 갖고 있을 수 있도록 하며, 동시에 태양 에너지 혹은 증발열의 공급이 없는 경우에도 유체가 항상 관 내부에 채워져 있는 상태로 유지할 수 있도록 하는 디바이스의 고안이 가능하다.

이러한 기술적인 진보는 모세관을 이용하여 액의 위치 에너지가 상승할 때마다 모세관 내부에 액을 채워야 하는 수고를 할 필요가 없으며 엠볼리즘(embolism)에 의한 이송관 막힘 가능성을 대폭적으로 낮출 수 있다.

또한 이러한 엠볼리즘(embolism) 생성 없는 액체 흐름 기능을 갖는 구조를 평면상에서도 구현이 가능하다. 예를 들어 디스플레이의 제조 과정에서 필수적인 매우 얇은 마이크로미터 두께의 갭(gap)에 LC(Liquid Crystal)를 주입과정 본 발명의 유체 이송 방법 또는 본 발명의 다이나믹 밸브를 이용하여 LC 주입시 자주 발생하는 공기방울의 생성 및 이로 인한 문제를 해결할 수 있다.

주입관점에서 구동력(driving force) 역할을 하는 펌핑을 매우 단순하게 하 여도 본 특허에서 제안한 마이크로 구조에 의한 다이나믹 밸브 기능에 의하여 자체적으로 LC의 주입 속도를 제어함으로 공간적으로 공기 방울의 생성 및 영향을 최소화 할 수 있다.

또한 미시적으로 만들어진 수력학적(hydrodynamic) 성질의 차이는 혹시나 발생 할 수 있는 공기방울을 분사시켜 그 크기를 미시 구조물 정도로 낮추면서 동시에 공간적으로 넓게 퍼지게 하여 공기방의 응집(coalescence)에 의한 엠볼리즘(embolism)을 최소화 한다.

본 발명이 제안하는 유체 이송 방법 및 다이나믹 밸브는 LC, 잉크를 포함한 액의 이송(공급) 뿐만 아니라, 미소 반응 장치, DNA 분석 장치, 전기영동장치, 바이오 센서등 다양한 장치에 구비되는 마이크로 채널로 활용될 수 있으며, 냉각기 또는 가열기등에 활용 될 수 있다. 본 발명이 제안하는 유체 이송 방법 및 다이나믹 밸브를 통해 많은 분야에서 기존의 기술을 뛰어넘는 기술적인 진보가 가능하다.

본 발명의 목적은 최소의 에너지로, 엠볼리즘(embolism) 생성 없이 액상인 유체의 이송이 가능하며, 매우 정밀하게 유체의 이송량을 제어할 수 있는 유체 이송 방법을 제공하는 것이며, 액상인 유체의 흐름을 차단 또는 개방하며, 흐름의 차단시 다이나믹 밸브 내 유체가 다이나믹 밸브 외부로 배출되지 않으며, 흐름의 차단 및 개방의 반복시에도 다이나믹 밸브 내 엠볼리즘(embolism)이 생성되지 않는 다이나믹 밸브를 제공하는 것이다.

이하, 본 발명의 유체 이송 방법 및 다이나믹 밸브를 상술한다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.

본 발명에 따른 유체 이송 방법은 유체 이송 방향인 장축 길이 방향으로 이송 대상 유체와의 접촉각(θ_c)이 반복적으로 변화되는 관을 이용한 액상의 유체 이송 방법이며, 상기 접촉각(θ_c)의 변화에 의해 상기 관 내 이송 대상 유체가 불연속적으로 이송되는 특징이 있다. 상기 불연속적 이송은 상기 유체 이송 방향을 기준으로 한 상기 이송 대상 유체의 움직임이 불연속적으로 변화됨을 포함하며, 유체 이송 방향을 기준으로 한 관 내 위치에 따라 유체가 서로 다른 속도로 움직임을 포함한다.

상세하게, 본 발명의 유체 이송 방법은 이송 방향인 장축 길이 방향으로 이송 대상 유체와의 접촉각(θ_c)이 반복적으로 변화되는 관을 이용한 액상의 유체 이송 방법인 특징이 있으며, 이송 대상 유체의 이송 속도는 상기 접촉각(θ_c)의 변화에 따른 상기 관 내 유체의 내부 압력과 상기 관의 유체 유입구 및 유체 배출구에 서 하나 이상 선택된 위치를 통해 관내 유체에 가해지는 압력(P_appl)의 차에 의해 제어되는 특징이 있다.

상기 관의 장축 길이 방향은 관 내 유체의 이송 방향을 의미하며, 관의 단축 방향은 관 내 유체의 이송 방향과 수직인 방향을 의미한다. 이때, 상기 관의 단축 방향 최단 지름이 상기 관의 장축 길이보다 큰 경우에도 동일한 의미를 갖는다.

상기 관은 이송 대상 유체와 접하는 관 내면의 접촉각(이송 대상 유체와의 접촉각)이 유체 이송 방향으로 반복적으로 변화되는 관이며, 접촉각의 변화는 불연속적인 접촉각의 변화와 연속적인 접촉각의 변화를 포함한다.

상기 접촉각(θ_c)의 반복적 변화는 유체 이송 방향으로 둘 이상의 접촉각이 교번되어 순차적으로 변화되는 반복적 변화, 둘 이상의 접촉각의 조합으로 이루어진 접촉각 패턴(일 예로,θ₁-θ₂-θ₃-θ₂-θ₁의 패턴)이 연속적으로 형성된 변화, 및 상대적으로 저 접촉각(일 예로 θ₄)에서 상대적으로 고 접촉각(일 예로 θ₅, 이때 θ₅>θ₄)으로 연속적으로 변화되는 접촉각의 변화를 한 패턴으로 하여 상기 패턴이 연속적으로 형성된 반복적 변화를 포함한다.

상기 관에서 이송 방향인 장축 길이 방향으로 이송 대상 유체와의 접촉각(θ_c)이 반복적으로 변화됨은 상기 이송 대상 유체와 접하는 관 내면에서 장축 길이 방향으로 적어도 일 영역에서 접촉각이 반복적으로 변화됨을 의미한다.

상세하게, 본 발명의 유체 이송 방법에서 상기 이송 속도는 하기의 관계식 1 에 의해 제어되는 특징이 있다.

(관계식 1)

도 1에 도시한 바와 같이 상기 x는 0<x<L인 실수로, 상기 관의 유체 유입구(x=0)를 기준으로 상기 관의 장축 길이 방향으로의 일 위치이며, 상세하게 상기 x는 관의 유체 유입구로부터 관의 일 위치까지의 거리를 그 값으로 갖는다. 상기 L은 상기 관의 유체 유입구(x=0)를 기준으로 상기 관의 유체 배출구(x=L)까지의 길이이다.

상기 V_avg(x)는 상기 관의 x 위치에서의 유속으로, 상기 관의 단면 중심(y₀)에서 관의 내면(벽면)까지의 위치별 유속을 평균한 평균 유속이다. 상세하게, x 위치에서 유체 이송방향에 수직인 관 단면에서 단면의 지름 방향(단축 방향)의 위치별 유속(Vy₀(X₁), Vy₁(X₁), Vy₂(X₁), Vy₃(X₁), Vy₄(X₁), Vy₅(X₁)등)을 평균한 평균 유속이다.

상기 R(x)는 상기 관의 x 위치에서 관의 단면 지름으로, 상세하게는 x(x₁) 위치에서 유체 이송방향에 수직인 관 단면의 지름(R(X₁))이며, 상기 σ는 이송 대상 유체의 표면 장력(surface tension)이며, 상기 μ는 이송 대상 유체의 점도(viscosity)이며, 상기 cosθ_c(x)의 θ_c(x)는 상기 관의 x 위치에서의 관 내면에 대한 이송 대상 유체와의 접촉각이며, 상기 P_appl은 상기 관의 유체 유입구; 상기 관의 유체 배출구; 또는 상기 관의 유체 유입구 및 유체 배출구;를 통해 관내 유체에 가해지는 압력이며, 다시 말해, 상기 관 외부에서 관 내부 유체로 가해지는 네트(net) 압력이다. 상기 a는 상기 관의 유체 유입구를 기준으로 한 상기 P_appl의 인가 방향을 나타내는 상수로, 유체 이송 방향과 동일한 방향인 경우 +1, 유체 이송 방향과 반대 방향인 경우 -1의 값을 갖는다.

상기 관계식 1에서 알 수 있듯이, 유체 이송 방향으로 접촉각(θ_c)이 반복적으로 변화됨에 따라 상기 관 내의 유체는 유체 내부 압력이 반복적으로 변화하게 되며, 유체 유입구 및 유체 배출구에서 하나 이상 선택된 위치를 통해 관내 이송 대상 유체에 가해지는 압력(P_appl, net pressure로 유체 이송 구동력이 됨)이 작은 경우에는 상기 접촉각의 변화에 의해 야기되는 내부 압력에 의해 유체의 흐름이 차단된다.

또한, 상기 관계식 1에서 알 수 있듯이, 유체 이송 방향으로 접촉각(θ_c)이 반복적으로 변화됨에도 불구하고, 유체 유입구 및 유체 배출구에서 하나 이상 선택된 위치를 통해 관내 이송 대상 유체에 가해지는 압력(P_appl, 유체 이송 구동력)이 큰 경우에는 상기 접촉각의 변화가 유체 이송에 미치는 영향이 미미한 것을 알 수 있으며, 접촉각(변화되는 접촉각을 포함함)보다는 관의 지름에 의해 유속이 결정됨을 알 수 있다.

도 1에 도시한 바와 같이 본 발명의 유체 이송 방법이 구현되는 상기 관은 유체의 유입 또는 배출을 위해 개방된 양 단을 가지나, 상기 관의 유체 유입구 및 유체 배출구는 본 발명의 명확한 이해를 위해 임의로 규정한 것이다. 이에 따라, 상기 관계식 1에서 P_appl은 절대값으로 표현되었으며, 상수 a는 유체 이송 방향과 관의 일 단을 기준으로 한 압력의 인가 방향을 표시하는 바, 관의 주입구로부터 출구로의 방향과 가해주는 외부 압력차가 동일의 경우는 +1로 반대의 경우는 -1로 표시된다.

한편 상술한 바와 같이 a가 +1이라 하더라도 P_appl이 작은 경우 유체의 흐름이 멈추게(차단되게) 되며, a가 -1이라 하더라도 P_appl이 작은 경우 유체의 흐름이 멈추게(차단되게) 된다. 이때, P_appl이 작은 경우는 유체 유입구 및 유체 배출구로부터 동일한 압력이 이송대상 유체에 가해지는 P_appl=0인 경우를 포함한다.

a가 +1이고 P_appl이 큰 경우 접촉각 변화의 영향은 거의 무시되며 관의 지름에 의해 유속이 결정되고, a가 -1이고 P_appl이 큰 경우 또한 접촉각 변화의 영향은 거의 무시되며 관의 지름에 의해 유속이 결정되나 이때 유체 유입구로 임의로 정한 관 일단이 유체 배출구가 된다.

상술한 P_appl의 값에 따른 유체 이동 경향 및 a의 값의 의미는 시간에 따라 P_appl의 값, a의 값이 변화되는 경우에도 적용됨은 물론이다.

특징적으로, 본 발명의 유체 이송 방법은 상기 관계식 1을 기반으로, 상기 접촉각(θ_c)의 변화에 의해 상기 관 내 유체의 야기되는 최고 내부 압력을 기준으로 상기 P_appl을 제어하여 상기 관 내 유체의 흐름을 차단 또는 개방하는 하는 특징이 있다.

상세하게, 상기 이송 대상 유체가 상기 관에서 접하게 되는 최저 접촉각(접촉각의 최소값)(θ_c ^min)에 의해 관 내 유체에 야기되는 내부압력과 최고 접촉각(접촉각의 최대값)(θ_c ^max)에 의해 관 내 유체에 야기되는 내부압력의 차를 기준으로 상기 P_appl을 제어하여 상기 관 내 유체의 흐름을 차단 또는 개방하는 특징이 있다.

바람직하게, 하기의 관계식 2로 상기 관계식 1의 P_appl을 제어하여 상기 관의 유체 배출을 차단하는 특징이 있다.

(관계식 2)

상기 cosθ_c ^max의 θ_c ^max는 이송 대상 유체가 접하는 상기 관 내면에서의 최고 접촉각이며, 상기 R(x₂)은 상기 최고 접촉각이 형성된 위치에서 관의 단면 지름이다. 이때, 동일한 최고 접촉각이 형성된 영역의 관 단면 지름이 서로 다를 경우, 상기 R(x₂)는 최소 단면 지름이다.

상기 압력이 관계식 2를 만족하는 경우, 관 내 유체는 이송을 멈추게 되며, 압력이 증가함에 따라, 관계식 1의 속도로 유체가 이송되며, 압력이 접촉각 변화에 의해 야기된 관내 내부압력 변화를 무시할 수 있을 정도로 커지는 경우, 종래의 Hagen-Poiseulle's law와 유사한 하기의 식 3으로 수렴한다.

(식 3)

상기 Discharge Rate는 상기 관의 유체 배출구를 통해 시간당 배출되는 유체의 부피이며, 상기 R(L)은 관의 평균 지름이며, 상기 L은 관의 길이이며, 상기 μ는 이송 대상 유체의 점도이며, 상기 |P_appl|은 관 외부에서 관내 유체로 가해지는 네트 압력이다.

압력 제어에 의한 유체 흐름의 차단 및 개방을 효과적으로 수행하기 위해 본 발명에 따른 유체 이송방법에서 상기 이송 대상 유체가 접하는 관 내면에서의 최저 접촉각과 최고 접촉각의 차에 의하여 발생하는 내부압력의 변이가 10 % 이상인 것이 바람직하다.

엠볼리즘 생성 억제 측면에서 본 발명의 유체이송 방법에 따른 상기 관은 관의 유입구와 접한 관 내면을 포함한 영역 및 관의 배출구와 접한 관 내면을 포함한 영역에서 하나 이상 선택된 영역의 접촉각(이송대상 유체와 선택된 영역의 접촉각) 은 90˚이상인 것이 바람직하며, 관 내면의 최저 접촉각이 90˚이상인 것이 더욱 바람직하다.

본 발명의 유체 이송 방법에 따른 상기 관 내면은, 서로 다른 접촉각을 갖는, 양 단이 연결된 폐형 띠 표면; 또는 나선형(helical) 표면;이 교번되어 반복적으로 형성되어 있는 특징을 갖는다. 보다 특징적으로, 상기 관 내면은, 서로 다른 접촉각을 갖는 표면 중 큰 접촉각을 갖는 표면이 곡률을 가지며 돌출되어 있는 특징이 있다.

본 발명의 유체 이송 방법에 따른 상기 관은, 나노 구조체를 포함하며, 상기 관의 내면 및 상기 관 내에 구비된 상기 나노 구조체에 의해 상기 이송 대상 유체와의 접촉각이 변화되는 특징이 있다. 상세하게, 상기 나노 구조체는 이송 대상 유체에 대해 상기 관의 내면과 다른 접촉각을 갖는 이격 분리된 다수개의 링(ring); 나선형(helical) 띠; 또는 나선형 와이어(wire)인 특징이 있다.

본 발명에 따른 다이나믹 밸브는 액상인 이송 대상 유체의 흐름을 차단 또는 개방하는 다이나믹 밸브(dynamic valve)이며, 상기 다이나믹 밸브는 유체 이송 방향인 장축 길이 방향으로 이송 대상 유체와의 접촉각(θ_c)이 반복적으로 변화되는 관이며, 상기 접촉각(θ_c)의 변화에 의해 상기 관 내 이송 대상 유체가 불연속적으로 이송 되는 것을 특징이 있다.

상세하게, 본 발명에 따른 다이나믹 밸브(dynamic valve)는 액상인 이송 대 상 유체의 흐름을 차단 또는 개방하는 밸브로, 상기 다이나믹 밸브는 유체 이송 방향인 장축 길이 방향으로 이송 대상 유체와의 접촉각(θ_c)이 반복적으로 변화되는 관이며, 이송 대상 유체의 이송 속도(0을 포함함)는 상기 접촉각(θ_c)의 변화에 따른 상기 관 내 유체의 내부 압력과 상기 관의 유체 유입구 및 유체 배출구에서 하나 이상 선택된 위치를 통해 관내 유체에 가해지는 압력(P_appl, 관 외부에서 관 내부의 유체로 가해지는 네트 압력으로, 유체 이송 구동력이 됨)의 차에 의해 제어되는 특징이 있다.

본 발명에 따른 다이나믹 밸브는 유체 이송 방향으로 접촉각(θ_c)이 반복적으로 변화됨에 따라 상기 관 내의 유체 내부 압력이 반복적으로 변화됨을 이용하여, 관에서 상대적으로 큰 접촉각이 형성된 영역이 유체 흐름을 방지하는 흐름 차단부 역할을 수행하는 특징이 있다. 이때, 상기 상대적으로 큰 접촉각의 의미는 상기 다이나믹 밸브를 통해 이송되는 유체가 접하게 되는 접촉각 중 큰 접촉각을 의미하며, 보다 상세하게, 유체 이송 방향으로 인접한 서로 다른 접촉각들에서 가장 큰 접촉각을 의미한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 다이나믹 밸브는 상기 접촉각(θ_c)의 변화에 따른 상기 관 내 유체의 내부 압력과 상기 관의 유체 유입구 및 유체 배출구에서 하나 이상 선택된 위치를 통해 관내 유체에 가해지는 압력(P_appl)의 차에 의해 유체의 흐름이 차단 또는 개방된다.

상기 다이나믹 밸브 내 유체 이송 속도(0을 포함함)는 본 발명의 유체 이송방법에서 상술한 관계식 1인 특징이 있다.

(관계식 1)

다이나믹 밸브 내 유체 이송속도 관계식에서, 상기 V_avg(x), x, R(x), a, |P_appl|, cosθ_c(x), σ, μ는 본 발명의 유체 이송 방법에서 상술한 바와 유사하므로 이에 대한 상세한 기재는 생략한다.

이송 대상 유체와의 접촉각(θ_c)이 반복적으로 변화되는 관인 다이나믹 밸브는 유체의 유입 또는 배출을 위해 개방된 양 단을 가지나, 상기 관의 유체 유입구 및 유체 배출구는 본 발명의 명확한 이해를 위해 임의로 규정한 것이다. 이에 따라, 상기 관계식 1에서 P_appl은 절대값으로 표현되었으며, 상수 a를 통해 유체 이송 방향과 다이나믹 밸브의 일 개방단을 기준으로 한 압력의 인가 방향의 관계를 표현하였다.

상기 관계식 1에서 알 수 있듯이, 본 발명의 다이나믹 밸브는 유체 이송 방향으로 접촉각(θ_c)이 반복적으로 변화되는 관으로, 이러한 접촉각 변화에 따라 상기 관 내의 유체는 유체 내부 압력이 반복적으로 변화하게 되며, 상기 접촉각의 변화에 의해 야기되는 내부 압력, 상세하게는 상대적으로 큰 접촉각이 형성된 영역의 내부 압력에 의해 유체 흐름을 억제 및 차단하는 특징이 있다.

특징적으로, 본 발명에 따른 다이나믹 밸브는 하기의 관계식 2에 따라 이송 대상 유체의 흐름을 차단한다.

(관계식 2)

상기 R(x₂), |P_appl|, cosθ_c ^max, σ는 본 발명의 유체 이송 방법에서 상술한 바와 유사하므로 이에 대한 상세한 기재는 생략한다.

본 발명에 따른 다이나믹 밸브를 구성하는 상기 관 내면은, 서로 다른 접촉각을 갖는, 양 단이 연결된 폐형 띠 표면; 또는 나선형 표면;이 교번되어 반복적으로 형성되어 있는 특징이 있으며, 상기 관 내면은 서로 다른 접촉각을 갖는 표면 중 큰 접촉각을 갖는 표면이 곡률을 가지며 돌출되어 있는 특징이 있다.

본 발명에 따른 다이나믹 밸브를 구성하는 상기 관은 나노 구조체를 포함하며, 상기 관의 내면 및 상기 관 내에 구비된 나노 구조체에 의해 상기 이송 대상 유체와의 접촉각이 변화되는 특징이 있다. 상기 나노 구조체는 이송 대상 유체에 대해 상기 관의 내면과 다른 접촉각을 갖는 이격 분리된 다수개의 링(ring); 나선형(helical) 띠; 또는 나선형 와이어(wire)인 특징이 있다.

유체 흐름의 차단 및 개방을 효과적으로 수행하기 위한 상기 관의 단면 지름(최대 단면 지름)은 2 mm이하인 것이 바람직하며, 실질적으로 2㎛ 내지 500㎛이 다. 이때, 관이 원통형이 아닌 경우 상기 단면 지름은 원형 단면으로 환산한 환산 단면 지름이다.

압력 제어에 의한 유체 흐름의 차단 및 개방을 효과적으로 수행하기 위해 본 발명에 따른 유체 이송방법에서 상기 이송 대상 유체가 접하는 관 내면에서의 최저 접촉각과 최고 접촉각의 차에 의하여 발생하는 내부압력의 변이가 10 % 이상인 것이 바람직하다.

엠볼리즘 생성 억제 측면에서 본 발명의 유체이송 방법이 구현되는 상기 관은 관의 유입구와 접한 관 내면을 포함한 영역 및 관의 배출구와 접한 관 내면을 포함한 영역에서 하나 이상 선택된 영역의 접촉각(이송대상 유체와 선택된 영역의 접촉각)은 90˚이상인 것이 바람직하며, 관 내면의 최저 접촉각이 90˚이상인 것이 더욱 바람직하다.

본 발명은 액상의 유체를 이송대상으로 하여 신규한 유체 이송 방법 및 다이나믹 밸브를 제공하며, 상세하게, 유체 이송 방향에 대해 반복적으로 변화되는 접촉각을 갖는 관을 통해 유체가 불연속적으로 이송되며, 관내 유체에 가해지는 압력(유체 이동 구동력)을 통해 다이나믹하게 유체의 흐름을 제어할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 유체 이송 방법 및 다이나믹 밸브는 유체 이송 방향과 관계없이 수직 내지 수평의 이송 방향에 대해 유체의 흐름의 차단 및 개방이 반복적으로 수 행되어도 관 내 엠볼리즘이 생성되지 않는 효과가 있으며, 유체의 흐름이 차단된 상태라 하더라도 관내 유체가 관 외부로 배출되지 않고 관 내부에 정지되어 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 유체 이송 방법 및 다이나믹 밸브는 유체를 유체 이송 길이와 무관하게 유체의 이송이 가능하며, 매우 높은 위치에너지 상태로 엠볼리즘 없이 유체의 이송이 가능한 장점이 있다.

더 나아가 본 발명의 유체 이송방법은 이제까지의 Hagen-Poiseulle's law에 의하여 유체 이송에 관한 이론적인 결과가 실험적인 결과와 일치하지 않는 이유를 상당 부분 설명할 수 있으며, 이를 통해 유체 이송에 관한 원천적 이해를 증진시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 새로운 유체 이송 방법을 식물체에 적용하여 목적에 맞는 구조적인 특성을 갖도록 식물체 물관의 유전적으로 조절 방향을 제시할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 핵심 사상을 식물체 물관을 이용한 실험을 통해 상세히 설명한다. 명료한 이해 및 용이한 실험을 위해, 빈 관에 물이 채워지는 상태를 중심으로 기술하나, 물이 채워진 상태의 물관에서도 수력학적(hydrodynamic) 특성이 유지됨은 자명한 사실이다.

온실에서 자란 대파(Spring Onion, Allium fistulosum)를 구매하여 온도가 빙점 아래로 내려가지 않도록 주의하여 연구실 운반하였다. 운반된 파는 물에 적신 후 밀봉하여 4 ℃에서 1 일 암처리 하였다. 길이가 200 mm 이상인 잎을 선별하여 뿌리로부터 20 mm 위에서 물속에서 절단 채취하였다. 채취한 파 잎은 다시 물속에서 안쪽 표피만을 제거하여 광학적인 관찰이 용이하도록 하였다.

이렇게 준비된 파 잎을 절단된 부위에는 항상 물에 직접 노출되도록 주위하면서 슬라이드 글라스에 접착 테이프로 고정시켰다. 물에 젖은 스펀지가 들어있는 알루미늄 실린더에 잎 끝에서부터 15 mm 정도 삽입 후 고무 가스켓(rubber gasket)을 조여 완전히 밀폐하였다.

전자현미경을 위한 물관 및 관내부의 미세구조를 관찰하기 위하여 동력학 측정을 위하여 관찰하였던 동일 부위의 파 잎의 중심 부분을 물관의 진행방향과 동일한 방향으로 핸드-커팅(hand-cutting)하여 상온 상압에서 1일간 건조하였다. 건조된 물관의 절단되지 않은 부분을 슬라이드 글라스면상의 흑연 테잎(carbon-tape)에 부착하고 백금 코팅하였다.

도 2(a)는 본 실험에서 사용한 물관 구조 내 액체-기체 계면(이하, menisci)의 동적인 움직임을 측정하고자 고안된 설비이다. 파 잎의 표면에 정압(static pressure)을 인가하여 그 압력을 조절하기 위하여 고압 질소 탱크와 압력 밸브가 장착된 스테인리스 스틸(Stainless steel)로 제작된 실린더를 제작하였다.

앞서 준비한 파 잎을 젖은 솜으로 물 수증기를 포화시킨 실린더 안에 고정하고 내부의 질소 압력은 실험목적에 맞게 조절하였다. 이때 동일한 압력의 압축 공 기로의 질소 대체는 실험 결과에 영향을 미치지 않았다.

잎이 고정된 슬라이드 글라스를 광학 현미경(Zeiss, Germany)의 XYZ-스테이지(XYZ-stage)에 거치하고 절단 부위로부터 3 mm 위의 부위에 있는 물관에 고배율 대물 랜즈(x50, N.A.=0.55) 초점이 일치하도록 하였다. menisci의 움직임을 관찰 하기 직전 약 1분간 절단된 부위의 물을 제거함으로써 물관 내부가 탈수(dehydration)되며 공기가 유입되도록 하였다.

그 후 다시 절단 부위에 약 0.1 ml의 물방울을 그 지름이 일정하도록 하면서 떨어트렸다. 이는 물방울에 의한 중력힘이 실험상 항상 일정하도록 하는데 목적이 있다. 그러나 실제 실험에서는 물관의 음압(이하, negative pressure)이 물방울과 파 잎의 표면과의 높이 차이에 의하여 유발되는 중력의 효과는 무시할 만큼 작기 때문에 그 차이는 실험결과에 영향을 무시할 수 있다.

관찰을 위한 빛은 관찰하는 부위 이외에 영향을 주지 않도록 하기 위하여 관찰 현미경 상부에 위치한 집속랜즈(x 10, N.A.=0.28)를 이용하여 안정화된 텅스텐 램프빛 중 가시광선 영역만을 필터링한 후 관찰하고자하는 영역에 집속하였다. 한편 파잎 중 관찰하는 영역이 광합성등 식물의 호흡에 관여하는 영역이 아니므로 빛 세기가 물관의 물 이송에 영향을 주지 않는 것으로 고려할 수 있다. 또한 적외선 영역을 모두 제거하였으므로 조사 부위의 본 영역대의 광 흡수가 최소화될 수 있도록 하여 온도 변화를 최소화 하였다.

물관의 형상의 시간적인 변화는 초당 10000 프레임(frame)이 가능한 초고속 카메라로 관찰하였다. 이때 관찰된 물의 경계면은 PC에 저장하여 실험 후에 분석이 가능하도록 하였다.

물방울을 떨어트린 후 물관 내부의 menisci가 관찰 지역인 절단면으로부터 약 3 mm 위의 지역에 도달하는 시간은 물관의 형태 및 크기와 상태에 따라 다르며 또한 가해준 외부 기체 압력에 매우 의존적인 것을 알 수 있다. 일반적으로 상압에서는 도달 시간은 대략 10 초 정도이며 외부압력을 0.36 MPa과 0.38 MPa으로 올렸을 경우에는 약 100 초 및 1000 초 정도로 지연된다. 실제로 총 30 개의 동일한 방법으로 준비한 파 잎의 menisci가 절단부위 쪽으로 움직이는 최소 압력으로 측정된 negative pressure는 약 0.4 MPa이었다. 이 값은 문헌치에서 알려진 값과 거의 동일하다.

도 2(b)는 상압에서 초고속 카메라로 관찰된 비디오의 특정한 프레임(frame)을 취한 스틸 사진이다.

도 2(c)는 동일종의 파잎에서의 물관에 대한 저분해능 전자현미경 사진이며, 도 2(c)를 이용하여 도 2(b)에 물관 진행 방향에 대하여 거의 수직으로 약 10㎛ 간격으로 3㎛ 두께의 밝은 영역은 파 물관 내의 이차 집층과정(secondary thickening)을 통하여 형성된 2차벽 구조를 구성하는 나선형 링(spiral ring) 구조로써 이해된다.

상압 조건 결과인 비디오 1에서 관찰된 결과는 물관 내부의 menisci의 미시적인 관찰을 통하여 menisci의 움직임이 물관 내부의 이상의 구조(sculpted structure)의 영향을 매우 많이 받는다는 것이다. 즉 이러한 물 경계면의 속도는 관찰한 물관의 전체 영역에서 동일하지 않으며 앞서 언급한 나선형 링 구조가 있는 영역에서 menisci의 움직임이 현저하게 감소하는 것이다.

도 2(d), 2(e), 2(f) 및 2(g)는 도 2(b)에서 A, B, C 및 D로 표시된 영역에서 1 x 5 픽셀(pixel)에서 평균한 빛 세기의 시간적인 변화를 관찰한 결과로, 이러한 특정 픽셀에서의 빛 세기의 시간적인 변화율은 물관 내에 물이 채워짐에 따라 비워져 있는 부분의 물관에 비하여 굴절률(refractive index)의 변화율이 현저하게 감소함으로써 나타나는 빛 투과율의 증가에 기인하기 때문에 이를 물이 채워지는 속도로 1차적인 근사가 가능하다고 할 수 있다.

링 구조가 있는 영역(도 2(b)의 A 및 D 영역 및 도 2(d) 및 도 2(g))에서 관찰되는 시간에 대한 변화율은 링 구조가 없는 영역(도 2(b)의 C 및 B 영역)에서 관찰되는 변화율에 비하여 매우 긴 시간상수를 갖고 있음을 알 수 있으며 이는 특정 영역에서의 물관에서 물이 채워지는 속도가 지역적으로 매우 불균일하다는 것을 의미한다.

실제로 실선으로 나타낸 볼쯔만식(Boltzmann equation)을 이용하여 핏팅(fitting)한 결과를 보면 도 2(b)의 A와 D 지역에서 관찰된 시간 상수 0.072 sec^-1는 도 2(b)의 B와 C 지역에서 관찰된 값인 0.005 sec^-1에 비하여 약 14배 정도의 차이를 보여주고 있다.

한편 B와 C 지역은 물관 내에 천공간의 간격에 해당하는 지역이며 A와 D는 링과 매우 가까운(encompass) 지역이다.

이러한 시간 상수의 극적인 변화는 식물 물관 내부에 있는 2차벽 구조가 물 수송에 관한 기작에 심대한 영향을 끼치고 있음을 의미한다. 이러한 실험 결과는 이제까지 2차벽 구조를 갖는 식물체의 물관의 물수송을 이해하는데 사용한 모델 및 설명 방식으로는 해석될 수 없는 결과이다.

특히 앞선 파 잎의 물관의 기하 구조적인 측면은 도 2(b)의 주사전자현미경 사진을 보면 링(ring)의 두께는 약 3㎛ 정도이고 전체 물관의 지름은 약 40㎛ 이다.

한편 Hagen-Poiseulle's law 법칙에 따르면 물 수송율은 지름에 4승에 비례하며, 이러한 지름의 차이(40㎛, 34㎛)를 토대로 예측되는 수송율 차이는 약 1.9 배정도일 뿐이다.

물의 점도(viscosity)는 지역적으로 변화하지 않기 때문에 실험적으로 관찰된 약 14배의 물관에 물이 채워지는 속도의 지역적인 차이는 Hagen-Poiseulle's law로는 설명이 불가능하며 다른 변수가 물 흐름에 매우 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다.

이러한 경향은 파 잎에 가하는 압력을 파 자체의 negative pressure에 근접하게 0.36 MPa로 올렸을 경우 더욱 심대해진다.

도 3(b), 3(c), 3(d) 및 3(e)는 0.36 MPa의 조건에서 도 3(a)에서 A, B, C 및 D로 표시된 영역의 빛 세기의 시간적인 변화를 관찰한 결과로, 도 3의 결과를 상압에서의 결과와 비교할 때 시간축의 절대값에 유의하여야 한다. 전체적으로 물이 물관에 채워지는 평균 속도는 상압에 비하여 대략 10 배정도 늦어짐을 알 수 있 다. 또한 피팅(fitting)을 통하여 얻어진 시간 상수를 살펴보면 링(ring) 부위에서 얻어진 값은 약 0.52 sec^-1으로 2차벽 구조상 나선형(spiral, helical) 구조의 링과 링 사이의 영역에서 얻어진 값 0.015 sec^-1에 비하여 약 35 배의 차이가 나는 것을 확인할 수 있다.

이는 동일한 물관을 이용하여 얻어진 값이기 때문에 물관의 물이 채워지는 속도는 물에 가해지는 negative pressure에 매우 강하게 의존하고 있음을 알 수 있다.

도 4(a), (b) 및 (c)는 상압, 0.36 MPa 및 0.38 MPa의 압력 조건에서 얻어진 물-공기 계면(menisci)의 이동에 관한 결과를 2차원적으로 광세기의 변화를 시간 및 물관의 진행방향에 대한 거리축에 대하여 pseudo-color plot한 결과이다.

이때 분석한 물관의 영역 픽셀은 직사각형으로 각각 도시하였다. 또한 광세기는 X-축(물 이송방향, 물관 진행 방향)으로는 하나의 픽셀을 Y-축(물 이송 방향의 직각 방향, 물관 진행 방향의 직각 방향)로는 5개의 픽셀에서 얻어진 값을 평균하여 도시하였다.

한편 Y-축으로 전체 물관에 대하여 분석한 결과는 X-축에 해당하는 링 구조의 위치변화에 의한 영향을 제외하고는 완전히 동일함을 알 수 있었다. 도 4(a)와 같이 상압에서의 menisci 거동에 관한 관찰 결과를 보면 menisci가 연속적이며 등속도로 움직이지 않으며 불규칙적인 거의 정지하였다가 다시 매우 빠르게 움직임을 반복하는 현상을 보여주며 물관 축으로의 거동이 거의 시간 축에 대하여 계단 형태 로 나타내는 것을 보여주고 있다.

이러한 현상은 도 4(b)와 같이 압력을 0.36 MPa로 증강하였을 경우 더욱 분명하게 나타난다. 이러한 물관 내부에서의 불연속적인 물-공기 menisci의 거동에 관한 관찰은 이제까지 알려져 있지 않은 사항이다.

한편 외부 압력이 0.38 MPa로 증가시킨 경우에는 menisci의 미세 링 구조에 의한 정지-흐름(stop-flow)의 현상이 구별 가능하나 그 차이는 0.36 MPa 경우와 비교하여 분명하지는 않다.

이는 0.38 MPa의 기압은 파잎의 정상상태에의 negative pressure와의 차이가 충분하지 않기 때문에 흐름 속도가 매우 느려, 물관 내부 표면의 기하구조 혹은 나중에 논의할 수리역학적인 표면상태에 매우 민감하게 반응함에 따라 이와 같은 현상이 나타나는 것으로 해석할 수 있다.

앞서 살펴본 바와 같이 불연속적인 menisci 거동에 관한 결과는 단순한 물관 지름의 지역적인 변이로는 설명이 불가능하다. 따라서 이에 물 거동에 관한 영향을 주는 새로운 인자를 찾아야 할 필요가 있다.

이제까지 물관의 내부 표면은 물과의 접촉각이 거의 영(zero)인 평편한 구조로 이해되어졌다. 그러나 도 5(a)에서 관찰한 고배율 주사전자현미경 사진은 물관 내부 표면이 더 이상 평편한 구조로 해석 되서는 안 되는 것임을 보여주고 있다.

도 5(a)는 2차벽 구조를 이루는 나선형 링의 표면을 관찰한 주사전자현미경 사진이며, 도 5(b)와 (c)는 파 잎을 각각 1 분 및 5 분간 아세톤에 처리한 후 건조하여 관찰한 고배율 주사전자현미경 사진이다.

도 5(a)의 결과로, 나선 링은 매우 거친(rough) 표면을 가짐을 알 수 있으며, 크기가 약 10 nm에서 수백 100 nm의 크기를 갖는 구조가 지름이 약 3㎛ 정도의 마이크로 링위에 불규칙하게 성장하여 있는 것을 확인 할 수 있다.

도 5(b)와 (c)의 결과로부터 아세톤 처리되지 않은 물관(intact)의 링상에서 관찰되는 나노 구조체들은 매우 쉽게 아세톤에 녹아나가는 것을 알 수 있다. 실제로 나무 물관 내부 표면은 상당한 정도의 리그닌(lignin) 화합물로 구성되어져 있는 것으로 알려진 바 있다.

한편 최근의 연구결과를 보면 본 연구로부터 물관 내부표면에서 관찰되는 이러한 마이크로 구조체(링) 위의 나노구조체 성장에 의한 총체적인 거칠기(roughness) 증가는 물질 표면의 수력학적(hydrodynamic) 성질을 현저하게 변화시키는 것으로 알려져 있다(A. Tuteja, W. Choi, M. Ma, J. M. Mabry, S. A. Mazzella, G. C. Rutledge, G. H. McKinley, and R. E. Cohen, "Designing superoleophobic surfaces," Science 318, 1618-1622 (2007); Tae Oh Yoon, Hyun Joo Shin, Sae Chae Jeoung, and Youn-Il Park, "Formation of superhydrophobic poly(dimethysiloxane) by ultrafast laser-induced surface modification" Optics Express (2008)).

특히 거칠기가 어떤 특정한 값을 갖는 경우 표면의 물질의 성질과 관계없이 표면과 물방울이 이루는 접촉각이 180˚에 근접하며 흐름각이 매우 적은 초발수성 성질을 갖는 것으로 이해된다.

따라서 이러한 나선형 링상에 형성된 나노구조체에 의한 거칠기 증가에 의해 물관 내부 표면의 화학적인 구성이 비록 동일하다하더라도 지역적으로 물관내부의 링이 있는 부위의 표면의 접촉각은 링과 링사이의 부위에서의 접촉각에 비하여 무시하지 못할 정도로 증가할 것 판단된다.

실제로 물관 내부에서 관찰된 menisci 거동 동영상은 링이 있는 지역과 그렇지 않은 지역의 물관 벽과 이루는 각이 변화하고 있음을 보여준다.

도 6(a) 및 6(b)는 파 물관을 이용한 실험 결과를 토대로, 물관 내부의 menisci 거동 역학을 묘사할 수 있는 이론적인 모델을 도시한 것이다. 도 6(a)는 menisci가 링과 링 사이에 있는 경우이며 도 6(b)는 링에 걸쳐있을 경우를 보여주고 있다.

이때 가정한 수조내 물의 높이는 모델 물관 내부에 가해지는 압력을 의미한다. 한편 실제 식물체 물관에서 발생하는 negative pressure의 증가는 물관 내 물 컬럼(column)에 가해지는 힘의 방향과 부호를 고려하면 물관 높이가 높아지는 것으로 이해할 수 있다.

또한 주사전자현미경 사진에서 보여주는 바와 같이 파잎의 물관 단면은 거의 원형이므로 전체적인 모델 자일림(model xylem)의 단면도 물관 진행 방향으로 변화하는 원형으로 가정하였다.

이러한 단면이 원형인 모세관에서의 액상 유체의 진행 속도 u(r)에 대한 공간적인 변화는 다음과 같이 Navier-Stokes 식으로 이론적으로 묘사된다.

이때 μ는 액상인 이송 대상 유체의 점도(viscosity)이며 r은 유체 이송관의 단면의 중심축으로부터 이송관 벽면까지의 거리에 해당하며, dP/dx는 유체 이송(진행) 방향으로의 유체 이송관 압력의 변화를 의미한다.

한편 전체 유체 이송관 내부 단면에 대하여 평균한 평균 유속(V_avg=(dx/dt)_avg)은 다음과 같다. 이때, R(x)는 유체 이송관 단면의 지름이다.

유체 이송(진행) 방향으로의 유체 이송관 압력의 변화율 dP/dx은 유체 이송관의 유체 유입구 및 유체 배출구에서 하나 이상 선택된 위치를 통해 유체 이송관 내 이송 대상 유체에 가해지는 압력 및 이송대상 유체와 이송관 표면이 이루는 계면에 의한 표면장력에 의한 힘이 된다.

도 6(a) 또는 도 6(b)와 유사하게 유체 유입구를 통해 압력이 가해지는 경우, 유체 리저버(Reservoir)의 높이에 의해 이송관 내 유체에 가해지는 압력 및 이송대상 유체와 이송관 표면이 이루는 계면에 의한 표면장력에 의한 힘으로써 다음과 같이 묘사되며, 이송관 단면의 지름(R(x)) 및 이송관 표면의 수력학적 성질인 접촉각(cosθ_c)이 유체 이송 방향(유체 이송관의 장축 방향) X 축에 대하여 변화하는 양으로써 다음과 같이 묘사될 수 있다.

이때 σ는 이송관 내부를 흐르는 액상 유체의 표면 장력이며, ρ는 액상 유체의 밀도, g는 중력 가속도, H는 이송관의 중심축을 기준으로 한 유체 리저버(Reservoir)의 높이이다.

이러한 압력 변화에 의해, 유체 이송관 내 평균 유속(V_avg=(dx/dt)_avg)은 다음과 같이 도출된다.

한편 이러한 평균 유속으로부터 유체 이송관 시작점(유체 유입구)으로부터 어떠한 거리에 위치한 영역 x₀로부터 x까지 도달하는 평균적인 시간 t_avg는 다음과 같이 산출된다.

이러한 식을 바탕으로 수치 계산(numerical calculation)을 통하여 유체가 특정 영역에 도달하는 시간을 이론적으로 구할 수 있다.

파잎의 물관을 대상으로 한 실험 결과와 본 발명에 따fms 평균 유속을 비교하기 위해 사용된 파라미터(parameter)는 각각 다음과 같다.

파잎 물관의 기하학적 구조 및 접촉각은 다음과 같은 수식으로 묘사하였으 며, 이를 도 6(c)(수식으로 구현된 파잎 물관의 기하학적 구조) 및 6(d)(수식으로 구현된 파잎 물관의 접촉각)에 도시하였다.

본 발명에 따라 도출된 유체 이송관 내 평균 유속(V_avg=(dx/dt)_avg)에 상기 파라메터, 파잎 물관의 기하학적 구조 및 파잎 물관의 접촉각 변화를 묘사한 수식을 대입하여 관내 유체에 가해지는 압력인 유체 리저버(Reservoir)의 높이(H)에 따른 유체 이송 거동을 도 7(a) 내지 도 7(c)의 실선으로 도시하였다. 도 7에서 실선이외의 pseudo-color plot은 파잎 물관을 대상으로 얻어진 도 4(a)(상압), (b)(0.36 MPa) 및 (c)(0.38 MPa)의 결과이다.

도 7(a)의 실선은 H=390 mm인 경우이며, 도 7(b)의 실선은 H=178 mm인 경우이며, 도 7(c)의 실선은 H=170.4 mm인 경우이다.

도 7에서 보여주는 바와 같이 본 발명에 따라 도출된 유체 이송관 내 평균 유속식에 의해 파잎 물관 내 물의 이송 거동이 완벽하게 해석됨을 알 수 있으며, 더 나아가 오직 하나의 변수인 물관에 가해지는 압력만을 이용하여 물관 내부에서 일어나는 물-공기 menisci를 거의 완벽하게 해석할 수 있었다.

특히 파잎 물관 내 링(ring)이 존재하는 부위에서의 물경계면의 움직임이 거의 정지하고 다음 링의 위치까지는 매우 빠르게 이동하는 불연속적인 이동(stop- flow movement) 또한 완벽하게 해석 및 제어 가능함을 알 수 있다.

한편 실험에서 사용한 파의 negative pressure는 평균적으로 대략 0.4 MPa로 유체 이송관 내 평균 유속식에서 사용된 물기둥의 높이 H의 절대값과 매우 다르다. 그러나 이점은 실제 실험에 사용한 파의 상태를 고려하는 경우 매우 당연하다.

즉 도 4에서 측정된 결과를 얻기 위하여 사용한 파는 표피가 벗겨진 상태이다. 따라서 파 잎 표면에서 일어나는 호흡이나 증발 등에 의하여 발생하는 negative pressure의 상당 부분은 관찰 지역으로까지 100 % 전달되어지지 않을 것이 자명하다. 또한 표면에서 발생한 negative pressure는 연결된 물관의 내부 구조로 인하여 상당한 부분이 감소(damping)되어 결국에는 관찰 지역에 미치는 압력이 현저하게 감소할 것이다.

따라서, 압력에 따른 파잎 물관의 실험결과와 도 7(a) 내지 (c)의 각조건 간의 물기둥 높이(H)의 상대적인 양을 비교하는 것이 더욱 큰 의미를 가지며, 이론적인 물기둥 예측치는 0.38 MPa을 기준으로 0.36 MPa 상태에서의 예측된 물기둥 높이의 차 (7.6 mm) 및 상압에서 얻어진 결과와의 차의 (219.6 mm) 비는 약 28.9이다.

한편 파잎 물관의 negative pressure가 0.4 MPa로 이해하고 계산된 물관에 가해지는 압력의 상대적인 비는 약 20 이다. 물관 상태의 불균질성(inhomogeneity)을 가정하고 생각하면 이상의 상대적인 비는 매우 의미 있는 비교 결과로써 간주될 수 있다.

도 2 내지 도 7 및 유체 이송관 내 평균 유속식의 결과를 토대로 유체 이송관에 가해주는 외부 기압(유체 유입구 및 유체 배출구에서 하나 이상 선택된 위치 를 통해 유체 이송관 내 유체에 가해지는 압력)에 의해 물의 이송율이 매우 극적으로 변화됨을 알 수 있다.

즉, 특정된 구조 및 특정된 표면 성질을 갖는 단일한 유체 이송관에 대하여 가해지는 압력이 변화함에 따라 유체 이송율이 매우 극적으로 변화됨을 알 수 있다.

예를 들어, 파잎 물관에 가해주는 외부 기압의 효과를 고려한 effective negative pressure로, 외부 기압이 0.38 MPa인 경우 정상상태에서 파잎의 물관에 가해지는 negative pressure는 0.4 MPa이므로 effective negative pressure는 0.02MPa로써 평균적인 물이송 속도는 약 0.064/25(mm/sec)인 반면 상압의 경우에 해당하는 0.4 MPa의 경우에는 0.064/1(mm/sec)로써 약 25배의 유속 속도 차이를 보여주고 있다.

이는 유체 이송 방향으로 이송 대상 유체와의 접촉각이 반복적으로 변화되는 유체 이송관 자체가 다이나믹 밸브(dynamic valve)로써 작동하는 것을 의미한다.

이러한 점은 유체 이송관 표면(유체와 접촉하는 표면)의 모든 지역이 동일한 접촉각을 갖는 것으로 가정하고, 도 6(a) 내지 도 6(c)의 모델을 이용하여, 물기둥 높이(H) 및 링의 지름, 링의 반복률 및 물관의 전체의 지름을 도 7의 실선에 사용한 조건과 동일한 조건으로 하고 도 4에서 보여주는 실험결과를 묘사하는 링의 높이를 역 산출함으로써 보다 자명해진다.

동일한 접촉각을 갖는 유체 이송관을 가정하는 경우, 도 4의 상압에서의 결과를 기반으로 역 산출된 링의 높이는 0.011mm로써 2차벽 구조를 기준으로 뚫린 개 구의 지름(유체가 이송 가능한 단면 지름)은 결론적으로 0.018 mm이다. 이 결과는 충분한 정도의 negative pressure가 물관 내부에 걸려있을 경우에도 물관 내부의 미세구조 및 수력학적 성질에 의하여 겨우 45 % 정도의 단면적을 갖는 것처럼 물의 유속이 제한되는 것을 의미한다고 해석할 수 있다.

한편 이러한 효과는 effective negative pressure가 적은 경우에 더욱 현저하다. 기압을 0.36 MPa로 증가한 경우 링의 높이가 0.0191 mm, 기압이 0.38 MPa로 증가한 경우에는 0.019945 mm로 링의 높이가 증가하여야만 실험적으로 관찰된 물 경계면의 흐름을 적절하게 묘사할 수 있다. 이는 effective negative pressure가 0.02 MPa의 경우에 개구의 지름이 단지 100 nm뿐으로써 물관의 지름 40 micron의 물관이 이차 벽구조에 의하여 거의 닫혀있는 것과 같은 효과를 갖는 것으로 해석할 수 있다.

따라서, 유체 이송 방향으로 이송 대상 유체와의 접촉각이 반복적으로 변화되는 유체 이송관은 이송관 내 이송 대상 유체가 외부와 접하게 되는 유체 유입구 및 유체 배출구에서 하나 이상 선택된 위치를 통해 가해지는 압력(네트 압력)에 의해 이송관 단면 면적이 부분적으로 다이나믹하게 변화되는 것과 동일한 효과를 야기하여 유체의 흐름을 개방 또는 차단하게 되는 것이며, 이러한 단면 면적의 다이나믹 변화 효과는 유체 이송관 표면에서의 접촉각의 변화에 의한 것임을 알 수 있다.

본 발명에 따른 유체 이송 방법 및 다이나믹 밸브의 구동 기작을 식물체 물관에 적용하여 살펴보면, 물관 내부 표면의 수력학적 성질(hydrodynamic properties)인 접촉각이 지역적으로 80˚에서 100˚로 단지 20˚ 정도만 변화하여도 식물의 상태 및 주위환경 변화로부터 야기되는 필요에 따라 물관의 유속이 매우 크게 역동적으로 변할 수 있음을 의미한다.

즉 동일한 물관을 이용함으로써 호흡이나 증산작용이 활발하여 물관 내부의 negative pressure가 커지는 경우 물관 내부의 상태의 영향은 매우 적어져 매우 높은 물 수송율을 달성할 있는 반면, 호흡과 증산이 최저로 유지되는 경우에는 물 수송율이 극단적으로 적어지는 효과를 갖게 되는 것이다. 이는 후자의 경우 높은 나무의 꼭대기 부분의 잎에까지 충분한 정도의 물 상태에너지를 유지함으로써 식물체가 안전성을 유지할 수 있도록 고안되고 진화 및 적응한 결과로 해석될 수 있다. 이는 식물체 물관이 갖고 있는 두 다른 반대적인 측면 즉 물 수송율의 극대화 및 식물체의 생존에 관한 안전성의 동시 구현하기 위함으로 해석된다.

도 2 내지 도 7을 기반으로 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 유체 이송 방법은 이송 방향인 장축 길이 방향으로 이송 대상 유체와의 접촉각(θ_c)이 반복적으로 변화되는 관을 이용한 액상의 유체 이송 방법인 특징이 있으며, 이송 대상 유체의 이송 속도는 상기 접촉각(θ_c)의 변화에 따른 상기 관 내 유체의 내부 압력과 상기 관의 유체 유입구 및 유체 배출구에서 하나 이상 선택된 위치를 통해 관내 유체에 가해지는 압력(P_appl)의 차에 의해 제어되는 특징이 있다.

도 2 내지 도 7을 기반으로 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 다이나믹 밸 브(dynamic valve)는 액상인 이송 대상 유체의 흐름을 차단 또는 개방하는 밸브로, 상기 다이나믹 밸브는 유체 이송 방향인 장축 길이 방향으로 이송 대상 유체와의 접촉각(θ_c)이 반복적으로 변화되는 관이며, 이송 대상 유체의 이송 속도(0를 포함함)는 상기 접촉각(θ_c)의 변화에 따른 상기 관 내 유체의 내부 압력과 상기 관의 유체 유입구 및 유체 배출구에서 하나 이상 선택된 위치를 통해 관내 유체에 가해지는 압력(P_appl)의 차에 의해 제어되는 특징이 있다.

본 발명에 따른 유체 이송 방법 및 본 발명에 따른 다이나믹 밸브에 있어서, 유체 이송 방향으로 접촉각(θ_c)이 반복적으로 변화됨에 따라 상기 관 내의 유체 내부 압력이 반복적으로 변화됨을 이용하여, 상기 관에서 상대적으로 큰 접촉각이 형성된 영역이 유체 흐름을 방지하는 흐름 차단부 역할을 수행하는 특징이 있다.

보다 상세하게, 본 발명에 따른 유체 이송 방법 및 본 발명에 따른 다이나믹 밸브는 상기 관의 유체 유입구 및 유체 배출구에서 하나 이상 선택된 위치를 통해 관내 유체에 가해지는 압력에 따라 흐름의 개폐를 포함하는 유체의 유속이 제어되는 특징이 있으며, 상기 관내 유체에 가해지는 압력(흐름 구동력)이 작은 경우, 상기 관에서 상대적으로 큰 접촉각이 형성된 영역의 관 단면적이 작아지는 효과를 효과를 야기하며, 상기 관내 유체에 가해지는 압력(흐름 구동력)이 큰 경우, 접촉각의 변화에 따른 수력학적 영향이 무시되고 물리적인 관의 단면적 크기에 따라 유속이 제어되는 특징이 있다.

상기 파잎 물관을 이용한 실험에서는 불활성 기체에 의해 압력을 제어한 경 우이며, 상기 도 6의 모델은 유체 리저버(Reservoir)의 높이를 통해 압력을 제어한 경우이다. 그러나, 본 발명의 유체 이송방법 또는 다이나믹 밸브에서 외부에 개방되어 있는 유체 유입구 및 유체 배출구에서 하나 이상 선택된 위치를 통해 관 내 유체에 압력이 가해질 수 있으며, 이때, 관 내 유체에 가해지는 압력은 기체에 의한 압력, 관 외부에 관과 통하여 존재하는 유체(액상의 이송 대상 유체 및 이송 대상 유체가 아닌 다른 유체를 포함함)에 의한 압력, 기체와 액체와 같이 서로 다른 둘 이상의 매질을 통한 압력일 수 있다. 둘 이상의 서로 다른 위치에서 유체 이송방향을 기준으로 서로 다른 방향으로 관내 유체에 압력이 가해지는 경우 상기 유체 이송 구동력을 제공하는 압력은 네트 압력이다.

따라서, 도 6의 모델을 기반한 평균 유속 관계식은 하기의 관계식 1로 확장되며, 이때 관의 유입구 또는 배출구는 임의로 정한 관의 일 개방부위이므로, 유체 유입구 및 유체 배출구에서 하나 이상 선택된 위치를 통해 관 내 유체에 가해지는 압력은 절대값으로, 그 방향성(유입구에서 배출구로의 또는 배출구에서 유입구로의 이동 구동력의 방향성)은 상수로 표현된다.

(관계식 1)

이때, 상기 관의 단면은 다각형, 타원형, 원형을 모두 포함하며, 원형 단면 가정(assumption)이 무리 없이 적용되며 압력 제어에 의한 유체 흐름의 차단 및 개방을 효과적으로 수행하고, 압력 제어에 의해 평균 유속을 효과적으로 제어하며, 중력을 무시할 수 있도록, 그 단면적을 원형 단면으로 환산 시 내부지름(d)이 2mm이하로써, 실질적으로는 2㎛ 내지 500㎛인 것이 바람직하다.

이때, 관의 단면이 다각형 또는 타원형인 경우, 상술한 내부지름(d)과 유사하게 기술이 가능하며 Navire-Stokes 관계식으로 그 값을 간단하게 유추할 수 있다.

또한, 상기 내부 지름을 가질 때, 압력 제어에 의한 유체 흐름의 차단 및 개방하고 평균 유속을 효과적으로 제어하기 위해, 이송 대상 유체가 접하는 상기 관 내면에서의 최저 접촉각과 최고 접촉각의 차에 의하여 발생하는 내부압력(

)의 변화가 최저 접촉각에 따른 내부 압력을 기준으로 10 % 이상인 것이 바람직하며, 최저 접촉각 영역의 단면지름 및 최고 접촉각 영역의 단면지름과 무관하게 접촉각만의 차이에 따른 내부 압력의 변화가 최저 접촉각에 따른 내부 압력을 기준으로 10% 이상인 것이 더욱 바람직하다.

엠볼리즘 생성 억제 측면에서 본 발명의 유체이송 방법이 구현되는 상기 관은 관의 유입구와 접한 관 내면을 포함한 영역 및 관의 배출구와 접한 관 내면을 포함한 영역에서 하나 이상 선택된 영역의 접촉각(이송대상 유체와 선택된 영역의 접촉각)은 90˚이상인 것이 바람직하며, 관 내면의 최저 접촉각이 90˚이상인 것이 더욱 바람직하다.

관내 고 접촉각이 형성된 영역들은 비록 물리적 형상에서는 일정한 크기의 유체 이송 가능한 개구를 가지나, 압력이 낮아질수록 개구의 단면적이 점점 좁아지 는 것과 유사한 효과를 야기하며, 상술한 관계식 2를 만족하도록 압력을 제어하는 경우, 관내 고 접촉각이 형성된 영역에서 유체가 더 이상 흐를 수 없게 되어 유체 흐름이 차단된다.

상술한 관계식 1에 기반을 둔 유속 제어에 있어, 유체 이동 구동력(압력)이 클 경우, 접촉각 변화에 의한 흐름 방지 영향이 미미해져, 종래 알려진 바와 같이 실질적으로 관 내경의 4승에 비례하는 Hagen-Poiseulle's law로 수렴한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 다이나믹 밸브인 관 또는 본 발명의 유체 이송 방법이 구현되는 관을 상술한다. 본 발명에 따른 관을 도시한 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명의 관은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 관을 도시한 도면에서 동일한 참조번호들은 동일한 기능을 수행하는 구성요소들을 나타내며, 제시된 도면은 구조의 명확함을 위해 일정 부분 과장되어 도시될 수 있으며, 명확한 인식을 위해 핵심적 구성요소만이 도시될 수 있다.

본 발명에 따른 관은 적어도 유체가 유입되는 유체 유입관 및 유체가 배출되는 유체 배출관을 통해 관 외부와 접하는 관이며, 단면이 다각형, 타원형 및 원형인 관을 포함한다. 이때, 상기 관은 미세유체관인 특징이 있다.

특징적으로 상기 관은 유체 이송 방향인 장축 길이 방향으로 이송 대상 유체와의 접촉각(θ_c)이 반복적으로 변화되는 관인 특징이 있다.

바람직하게, 중력을 무시하고, 관 단면의 형상과 관계없이 원형 관으로 가정 가능하며, 상기 접촉각의 변화에 의해 야기된 내부 압력 변화 및 관의 유체 유입구 및 유체 배출구에서 하나 이상 선택된 위치를 통해 관내 유체에 가해지는 압력의 차를 이용하여 효과적으로 관내 평균 유속(0를 포함함)을 제어하기 위해, 관의 단면 지름(최대 단면 지름)은 2mm이하로써, 실질적으로는 2㎛ 내지 500㎛인 것이 바람직하다.

도 8 내지 도 18은 본 발명의 다이나믹 밸브인 관 또는 본 발명의 유체 이송 방법이 구현되는 관의 일 예로, 상세하게 미세관이며, 모두 관 하부에서 관 상부쪽으로 유체 이송 방향을 갖는 경우이다.

도 8 내지 도 12 및 도 14 내지 도 16에 도시된 예들은 관의 장축 방향으로 관의 모든 내면에서 접촉각이 반복적으로 변화되는 예를 도시한 것이나, 도 13, 도 17 및 도 18과 같이 본 발명은 관 내면의 적어도 일 영역에서 관의 장축방향으로 접촉각이 반복적으로 변화되는 관을 포함한다.

일 예로, 도 13에 도시한 바와 같이 관의 단면 면적을 원형 단면으로 환산시 단면의 지름이 2mm이하인 다각형 단면을 갖는 관의 경우, 다각형 단면의 적어도 한 변을 구성하는 내면에서 관의 길이 방향으로 접촉각이 반복적으로 변화될 수 있으며, 이때, 양 단이 연결되지 않은 스트립(도 12의 210)의 형태로 고 접촉각이 형성될 수 있다.

도 8, 도 10 내지 도 16은 유체 이송 방향으로 이송 대상 유체와 서로 다른 두 접촉각이 교번하여 반복적으로 형성된 경우를 도시한 것이다. 그러나, 도 9와 같이 유체 이송방향인 관의 장축 방향으로 상대적으로 저 접촉각에서 상대적으로 고 접촉각으로 연속적으로 변화하는 접촉각 패턴이 반복되는 관일 수 있으며, 도면에 도시하지 않았으나, 서로 다른 셋 이상의 접촉각이 연속적으로 교번되는 관일 수 있음은 물론이다.

도 8은 관 내면에 요철이 형성되지 않은 경우이며, 도 9, 도 10, 도 11, 및 도 12는 관 내면에 요철이 형성된 경우이며, 액상의 이송 대상 유체와 고 접촉각을 갖는 표면(210)이 곡률을 가지며 돌출되어 있는 예(도 10 내지 도 12)와 연속적으로 변화하는 접촉각을 갖는 톱니형 요철면(230)이 형성되어 있는 예(도 9)를 도시한 것이다.

도 14 내지 도 16은 관 내면과 다른 접촉각을 갖는 나노 구조체(400)를 포함하는 관을 도시한 것으로, 관 내면에 형성된 나노 구조체(400)와 관의 내벽에 의해 서로 다른 접촉각이 유체 이송 방향으로 형성된 경우이다.

비록 도 14 내지 도 16에서 와이어 형태의 링 또는 와이어 형태의 나선형 링의 나노 구조체(400)를 도시하였으나, 띠 형태의 링 또는 띠 형태의 나선형 링의 나노 구조체가 구비될 수 있음은 물론이다.

이때, 관(200, 220, 또는 300)의 재질은 도 8, 도 9, 도 10, 및 도 12와 같이 유체와 접촉하는 내면의 표면 처리(개질)나 접촉각 제어를 위한 다른 물질의 부착, 코팅 또는 증착이 이루어져 관의 재질이 이송 대상 유체와 접촉하지 않을 경우, 유체와의 접촉각을 고려하지 않고 공정의 용이함 또는 그 쓰임에 따라 금속, 세라믹, 고분자 또는 유리질로 구성될 수 있으며, 도 11과 같이 관의 재질이 이송 대상 유체와 접촉하는 경우, 표면 처리(개질)나 접촉각 제어를 위한 다른 물질의 코팅 또는 증착에 의해 형성되는 접촉각과 다른 접촉각을 갖는 물질로 구성된다.

도 9 내지 도 12와 같이 관 내면에 요철이 존재하는 경우, 상기 관 내면에 형성된 요철 또한 관의 재질과 동일한 재질로 구성되어, 관 내측의 표면에만 코팅, 증착, 표면 개질 등을 이용하여 상대적으로 고 접촉각에서 연속적으로 접촉각이 감소하는 표면(230) 또는 고 접촉각의 표면(210) 및 저 접촉각을 갖는 표면(220)이 구비될 수 있다.

도 14 내지 도 18과 같이 실질적으로 나노 구조체(400)가 구비되는 관의 경우, 관과 나노 구조체(400)의 접촉각 차이에 의해 서로 다른 접촉각이 유체 이송방향으로 교번되어 형성되게 하는 것이 바람직하며, 나노 구조체(400)가 구비되는 경우에도 관 내면에 표면 처리(개질)나 접촉각 제어를 위한 다른 물질의 코팅 또는 증착이 이루어질 수 있음은 물론이다.

상기 표면 개질은 바람직하게, 레이저에 의해 표면 거칠기를 증가시켜 이송 대상 유체와의 접촉각을 증가시키는 것이며, 일 예로, 미국 공개특허 제2008-0296260에 기재된 방법을 활용하여 수행될 수 있으며, 이송 대상 유체가 물인 경우 일본 공개특허 제2000-42402, 또는 일본 공개특허 제2000-46797호에 기재된 방법을 활용하여 수행될 수 있다.

도 8은 표면 요철이 형성되지 않은 경우를 도시한 것이며, 이송 대상 유체와상대적으로 고 접촉각을 갖는 표면(210)과 상대적으로 저 접촉각을 갖는 표면(220) 각각이 양 단이 연결된 폐형 띠(210, 220)로 관 내부 표면을 형성하는 경우이며, 상기 폐형 띠(210, 220)의 폭 방향의 중심선과 유체 이송방향(관의 길이방향)이 90도 인 경우를 도시한 것이다.

그러나, 도 8은 유체의 이송방향을 기준으로 고 접촉각을 갖는 표면과 저 접촉각을 갖는 표면의 교번되어 반복 형성된 관 내면을 도시한 일 예일 뿐이며, 상기 상기 폐형 띠(210, 220)의 폭 방향의 중심선과 유체 이송방향(관의 길이방향)이 90도 이하의 각도를 가질 수 있음은 물론이다.

또한, 도 8에 도시한 폐형 띠가 아닌 서로 다른 접촉각을 갖는 나선을 이루는 띠 표면이 교번되어 반복 형성된 관 내면일 수 있다.

상기 도 9와 같이 톱니형 표면 요철(230)이 형성된 관 내면을 갖는 경우, 상기 톱니형 표면 요철(230)에서 단일한 톱니면은 고 접촉각 영역(하부위치 또는 상부 위치)에서 저 접촉각 영역(상부위치 또는 하부 위치)으로 접촉각이 연속적으로 변하는 표면으로 이루어지며, 상기 단일한 톱니면에서 연속적으로 변하는 접촉각의 차(고 접촉각-저 접촉각)는 10˚ 내지 180˚이며, 상기 톱니면(230)의 길이는 관의 단면지름(d)을 기준으로 0.1 내지 0.5배이며, 상기 톱니면(230)이 유체 이송 방향(관의 장축 방향)과 이루는 각도(γ)는 7˚ 내지 90˚인 것이 바람직하다.

도 10 내지 도 11은 요철이 형성된 관의 일 예로, 곡률 진 돌출부가 이송 대상 유체와 고 접촉각을 갖는 표면인 일 예이다.

도 10(a)에 도시한 바와 같이, 관 내면은 이송대상 유체와 고 접촉각을 갖는 표면(210)과 저 접촉각을 갖는 표면(220)이 교번되어 있으며, 서로 다른 접촉각을 갖는 표면은 양 단이 연결된 띠형상(돌출부에 의해 일정영역 곡률진 띠형을 포함 함)을 가지며, 유체의 이송방향(관의 길이 방향)과 띠의 폭 방향 중심선이 90도의 관계를 갖는다.

도 10(b)는 도 10(a)의 단면도를 갖는 관의 내면만을 도시한 사시도로, 고 접촉각을 갖는 표면(210) 및 저 접촉각을 갖는 표면(220)의 폭(t1, t2) 각각은 서로 독립적으로, 관의 단면지름(d)을 기준으로 0.0001배 내지 5배인 것이 바람직하다.

보다 바람직하게, 상기 서로 다른 접촉각을 갖는 표면 중 큰 접촉각을 갖는 표면(210)의 폭(t2)이 더 좁은 것이 바람직하며, 상기 서로 다른 접촉각을 갖는 표면(210, 220)이 교번됨에 따라 동일한 접촉각을 갖는 표면일지라도 서로 다른 폭을 가질 수 있음은 물론이다.

상기 고 접촉각을 갖는 표면(210)이 형성되는 돌출부는 곡률의 변화가 연속적인 매끄러운 형상의 돌출부인 것이 바람직하며, 상기 돌출부는 관의 중심축을 기준으로 음의 곡률 및 양의 곡률을 모두 갖는 것이 바람직하다.

상기 돌출부가 돌출된 높이(h)는 관의 지름(d)을 기준으로 0.0001배 내지 0.01배인 것이 바람직하다.

도 11은 유체의 이송방향(관의 길이 방향)과 띠의 폭 방향 중심선이 일정한 각도를 갖는 경우를 도시한 예이며, 이때, 고 접촉각 표면(210) 및 저 접촉각 표면(220) 각각의 폭(t1, t2)은 최단 폭을 의미하며, 관 재질이 저 접촉각을 갖는 물질로 구성되고, 관 물질의 표면 개질에 의해 고 접촉각 표면을 갖는 경우를 도시한 것이다.

유체의 이송방향(관의 길이 방향)과 띠의 폭 방향 중심선이 이루는 각도(α)는 20˚ 내지 90˚인 것이 바람직하다.

도 12는 폐형 띠가 아닌 나선형 띠의 반복에 의해 관 내면이 구성되는 경우를 도시한 것으로, 고 접촉각을 갖는 표면(210)의 나선과 저 접촉각을 갖는 표면(220)의 두 나선으로 관 내면이 구성되는 경우이다.

도 12의 일 예에서, 비록 고 접촉각을 갖는 표면(210)이 단일 나선 구조를 가지는 것으로 도시하였으나, 고 접촉각을 갖는 표면(210)이 그 폭이 같거나 다른 2중 이상의 나선 구조를 가질 수 있음은 물론이다.

비록, 도 12의 일 예에서, 나선형 띠(210)의 폭 중심선과 상기 유체 이송방향(관의 길이 방향)의 각도(β)가 일정한 관을 도시하였으나, 상기 나선형 띠의 폭 중심선에서의 접선과 상기 유체 이송방향(관의 길이 방향)이 이루는 각도(β)는 나선형 띠의 위치별로 달라질 수 있으며, 상기 나선형 띠의 폭 중심선에서의 접선과 상기 유체 이송방향(관의 길이 방향)간의 각도는 20˚ 내지 90˚인 것이 바람직하다.

도 13은 단면이 다각형인 다각형 관의 일 예로, 직사각 단면을 갖는 관을 도시한 것으로, 직사각형들로 구성된 관 내면 중 일 내면(도 13(a))과 상기 일 내면에 대향하는 면인 두 내면(도 13(b))에서 관의 길이방향으로 접촉각의 반복적으로 변화되는 관을 도시한 것이다.

도 8 내지 도 12를 기반으로 상술한 바와 유사하게, 도 13과 같이 관 내면의 적어도 일 영역에서 관의 길이방향으로 접촉각의 반복적으로 변화되는 경우에도, 유체의 이송방향(관의 길이 방향)과 띠(210)의 폭 방향 중심선이 이루는 각도(α)는 20˚ 내지 90˚인 것이 바람직하며, 서로 다른 접촉각을 형성하는 각 영역의 폭 각각은 서로 독립적으로, 단면적을 기준으로 원으로 환산한 관의 단면지름(d)의 0.0001배 내지 5배인 것이 바람직하다. 또한, 도 13과 유사하게, 관 내면의 적어도 일 영역에서 관의 길이방향으로 접촉각의 반복적으로 변화되는 경우에도, 고 접촉각을 갖는 영역(210)이 돌출되어 있을 수 있음은 물론이다.

도 14 내지 도 16은 나노 구조체(400)가 관 내부에 구비된 경우를 도시한 것으로, 상세하게, 도 14는 관 내면과 다른 접촉각, 바람직하게는 관 내면보다 큰 접촉각을 갖는 다수개의 와이어 링이 서로 이격 분리되어 유체 이송방향에 대해 직각이 되도록 관 내부에 구비된 경우이며, 도 15는 서로 이격 분리된 다수개의 와이어 링이 유체 이송 방향에 대해 일정한 각도를 가지며 관 내부에 구비된 경우이며, 도 16은 나선형 와이어가 관 내부에 구비된 경우이다.

도 10 내지 도 12와 유사하게, 도 14 내지 도 16의 상기 와이어 링 또는 나선형 와이어의 길이 방향과 상기 유체 이송방향(관의 길이 방향)간의 각도는 20˚ 내지 90˚인 것이 바람직하다. 나선형 와이어의 경우 90˚의 의미는 나선형 와이어의 국부적 영역에서 와이어의 길이 방향과 유체 이송 방향이 90˚가 됨을 의미하는 것이다.

상기 와이어 링 또는 나선형 와이어의 두께는 관의 단면지름(d)을 기준으로 0.0001배 내지 0.01배인 것이 바람직하며, 상기 와이어 링 간의 이격 거리는 관의 단면지름(d)을 기준으로 0.0001배 내지 5배인 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이 상기 나노 구조체는 와이어가 아닌 일정한 두께 및 폭을 갖는 띠로 구성될 수 있으며, 이때, 상기 두께는 관의 단면지름(d)을 기준으로 0.0001배 내지 0.01배, 상기 폭은 관의 단면지름(d)을 기준으로 0.0001배 내지 5배인 것이 바람직하다.

도 17 및 도 18은 단면이 다각형인 다각형 관의 일 예로, 다각형 관 내부에 서로 이격 분리된 다수개의 판으로 구성된 나노 구조체(400)가 구비된 경우이다. 도 14 내지 도 16과 달리 관 내면 전 영역에서 접촉각이 반복적으로 변화되지 않고, 일 영역에서 장축 길이 방향으로 접촉각이 반복적으로 변화되는 경우이며, 이러한 접촉각의 반복적 변화가 양 단이 연결되지 않은 판형 스트립에 의해 발생한다.

이때, 도 18에 도시한 바와 같이 상기 나노 구조체(400)를 구성하는 서로 이격 분리된 다수개의 판은 서로 대향하는 두 면에 위치하는 것이 바람직하며, 상기 나노 구조체(400)가 형성된 관 내면의 폭은 나노 구조체(400)가 형성되지 않은 관 내면의 폭보다 큰 것이 바람직하다. 상기 나노 구조체(400)를 구성하는 판형 스트립의 두께는 단면적을 원형으로 환산한 관의 단면지름(d)을 기준으로 0.0001배 내지 0.01배, 상기 판형 스트립의 폭은 단면적을 원형으로 환산한 관의 단면지름(d)을 기준으로 0.0001배 내지 5배인 것이 바람직하다. 또한, 도 17 내지 도 18에서 나노 구조체(400)를 구성하는 판형 스트립이 유체 이송방향에 대해 직각인 관계를 도시하였으나, 상술한 바와 같이 상기 판형 스트립은 유체 이송방향에 대해 20˚ 내지 90˚의 각도를 가질 수 있음은 물론이다.

이하, 취급이 용이한 물을 이송 대상 유체로 하고, 레이저에 의해 발수성(hydrophobicity) 표면이 초 발수성(superhydrophobicity) 표면으로 개질되는 고분자 폴리디메틸실록산(poly(dimethylsiloxane, 이하 PDMS)를 이용하여 표면 개질의 예 및 다이나믹 밸브의 제조예를 상술한다.

바람직하게, 표면 개질은 초고속 레이저를 이용하여 수행되며, PDMS를 포함하는 고분자 기판 또는 고분자 관의 내부에 형성된 표면에 수~수백 나노미터 이하의 나노 사이즈 미세구조를 갖도록 초고속 레이저의 빔을 조사하여 초발수성 표면을 제조하는 특징이 있다.

이때, 초고속 레이저는 펨토초 펄스를 가지며, 초고속 레이저빔의 파장은 700~1000 nm이고, 펄스폭은 100~200 fs 이며, 기판의 이송속도는 3~5 mm/sec이고, 레이저빔 spot 사이의 간격은 3~5 ㎛이며, 펨토초 레이저 빔의 초점을 조정하기 위한 대물렌즈의 색수차(N.A.)는 0.1~0.2이고, 기판 표면의 레이저빔 spot 크기는 6~9 ㎛인 것이 바람직하다. 또한, 상기 초고속 레이저의 플루언스는 2~8 J/cm² 이며, 기판 표면에 조사되는 평균 레이저 펄스의 수는 1.5~2.5 인 것이 바람직하다. 이때, 접촉되는 유체와 90˚ 내지 180˚의 접촉각을 갖도록 개질하기 위한 상기 초고속 레이저의 플루언스는 2 내지 8 J/cm²인 특징이 있다.

도 19 및 도 20은 초고속 레이저 처리에 의한 고분자 기재의 표면 개질의 일 예로, 도 19(a)에 도시한 바와 같이 먼저 스테인레스 금속판 표면을 도 9의 톱니형 요철과 유사한 단면을 갖도록 제작하였다. 이 표면을 세척한 후 PDMS의 프리폴리머(prepolymer) 및 개시제(initiator)를 10:1로 교반한 후 스테인레스 몰드(mold) 위에 도포하고 중합(polymerization) 반응을 함으로써 도 19(b)와 같은 PDMS 재질의 톱니형 기판을 제조하였다. 이때, 제작된 PDMS 기판의 단일 톱니면의 길이(L)는 5.0 mm, 톱니면이 기울어진 각도(γ)는 12˚이었다.

이후, 제작된 PDMS 기판의 톱니면에 초고속 레이저를 부분적으로 조사하여 미세공정함으로써 표면의 유변학적인 특성을 개질하였다.

파장이 810 nm 펄스폭이 150 fs (Quantronix, USA)인 레이저를 PDMS 기판 표면에 조사하였다. PDMS 판은 직교하는 XY-stage위에 거치하고 기판을 x축 방향으로 4 mm/sec의 속도로 이동시켰으며, 이때 이동속도 및 레이저의 반복속도를 고려하면 각각의 레이저 샷(shot) 사이의 간격은 4 um이다.

펨토초 레이저 빔을 Z-축으로 선형이동이 가능한 또 다른 stage위에 거치된 대물렌즈를(N.A=0.14) 통하여 PDMS 표면에 초점을 고정하여 조사하였다. 이때, 대물랜즈의 광학적인 고려를 하면 PDMS 표면의 레이저 샷(shot) 크기는 7.7 um이다. 따라서 각 부분의 PDMS 표면에 조사되는 평균 레이저 펄스의 수는 약 1.9번 정도로 제한함으로써 1 ms시간 (1 kHz) 간격으로 조사되는 초고속레이저의 반복적인 조사에 의하여 발생할 수도 있는 누적된 열 효과를 최소화하였다.

상술한 펨토초 레이저로 직접 표면개질한 PDMS 기판의 경우 접촉각은 약 165˚이며 미끄러짐 각은 3˚ 이하임을 알 수 있었다.

보다 상세하게 적당한 강도의 초고속레이저 플루언스(fluence)하에서 표면의 조사로 초발수성의 PDMS 표면을 제조 할 수 있었으며, 특히 표면 처리된 PDMS의 표면 미세구조는 나노 사이즈의 초미세구조가 마이크로 사이즈의 미세구조위에 적절히 배치됨으로써 매우 거친 표면 상태가 실현되며 이는 자연계에서 발견되어지는 초발수성 표면의 미세구조와 동일함을 알 수 있다.

도 20은 초고속 레이저의 플루언스를 제어함으로써 접촉각과 슬라이딩 각의 변화를 나타낸 그래프이다. 90˚ 내지 170˚ 의 접촉각을 갖는 상기 초고속 레이저의 플루언스는 2 내지 8 J/cm² 이며, 3˚ 이하의 슬라이딩 각을 갖는 상기 초고속 레이저의 플루언스는 4 내지 8 J/cm² 임을 알 수 있다.

도 19 내지 도 20을 기반하여 상술한 초고속 레이저를 이용하여 PDMS 플레이트 표면을 국부적으로 초발수성으로 개질하여 도 18과 유사한 다이나믹 밸브를 제조하였다.

상세하게, 도 21의 Surface treated PDMA 및 Surface treated PDMA with inlet and outlet에 도시한 바와 같이 PDMA 플레이트의 길이 방향을 유체 이송 방향으로 하여 PDMS 플레이트 일 면에 유체 이송 방향에 대해 직각이 되도록 7㎛의 폭(플레이트 길이 방향의 폭)x1mm의 길이 형상을 갖는 초발수성 표면을 25㎛ 간격(플레이트 길이 방향의 간격)으로 반복적으로 형성하였다.

이에 따라, 7㎛의 폭x1mm의 길이를 갖는 초발수성 표면(레이저 개질 표면)과 25㎛의 폭x1mm의 길이를 갖는 발수성 표면(레이저 개질 처리 되지 않은 PDMA 표면)이 유체 이송방향으로 교번되어 반복적으로 형성된 1 mm x 28 mm의 관 내벽(이송되 는 유체와 접하는 PDMA 플레이트 표면으로, 도 21 Surface treated PDMA의 점선 영역임)을 포함하는 Surface treated PDMA을 제조하였다.

유체가 흐를 수 있는 빈 공간을 형성하기 위해 두께가 0.08 mm인 PDMA플레이트에 Surface treated PDMA에 형성된 관 내벽(도 21 Surface treated PDMA의 점선 영역)의 위치와 대응하도록 관통형 기공을 형성하여 PDMA with penetrated channel을 제조하였다. 마이크로 머시닝을 이용한 PDMA의 천공 후, 천공에 의해 PDMA 표면의 수력학적 특성이 변화되지 않음을 확인하였다.

상술한 Surface treated PDMA의 관 내벽과 유사하게 초고속 레이저에 의한 PDMA 플레이트 표면 개질을 통해 유체 이송방향으로 초발수성 및 발수성 표면이 서로 교번되어 반복적으로 형성된 관 내벽을 제조하였으며, 0.08 mm X 2 mm의 단면을 갖는 유체의 유입구와 유체 배출구를 형성하여 Surface treated PDMA with inlet and outlet(도 21)을 제조하였다.

도 21에서 각 영역이 도면에 도시된 수치를 가지며 Surface treated PDMA에 형성된 관 내벽과 Surface treated PDMA with inlet and outlet에 형성된 관 내벽이 서로 동일 크기로 제조되어 서로 대향된 구조를 가짐은 자명하다.

도 21에 도시한 바와 같이 유체 유입구 및 유체 배출구는 마이크로 머시닝을 이용한 천공을 통해 제조하였으며, Surface treated PDMA with inlet and outlet에 형성된 관 내벽(Surface treated PDMA with inlet and outlet의 점선 영역)에서 유체 이송 방향을 기준으로 관 내벽(Surface treated PDMA with inlet and outlet의 점선 영역)의 양 단에 유체 유입구 및 유체 배출구를 형성하였다.

도 21에 도시한 관통형 기공이 형성된 PDMA 플레이트를 사이에 두고 PDMA 플레이트에 형성된 관 내벽이 서로 마주보도록 순차적으로 적층한 후 Surface treated PDMA with inlet and outlet에 형성된 유체 유입구 및 유체 배출구를 통해 유체의 유입이 가능하도록 적절한 관통 기공이 형성된 외부 체결판을 이용하여 Surface treated PDMA - PDMA with penetrated channel - Surface treated PDMA with inlet and outlet를 밀착 고정시켜 단면이 0.08 mm X 2 mm의 직사각형상의 마이크로 밸브( 또는 본 발명의 유체 이송 방법이 수행되는 관)를 제조하였다.

이때, 상기 도 21에서, 초고속 레이저 처리에 의해 국부적으로 표면 처리된 형상 및 그 반복 패턴을 명료히 도시하기 위해 실제 도 21에 도시한 길이들과 무관하게 도시하였으며, 도 21의 Surface treated PDMA with inlet and outlet의 경우, 유체 유입구 및 유체 배출구의 크기와 초고속 레이저 처리에 의해 형성된 관 내벽 크기 간의 명료한 도시를 위해 도 21의 Surface treated PDMA 및 PDMA with penetrated channel과는 무관하게 도시하였다.

도 22는 초고속 레이저로 표면 개질된 PDMA에 3μl의 수 액적을 떨어뜨려 접촉각을 측정한 예로, 도 22(a)는 Surface treated PDMA with inlet and outlet 또는 Surface treated PDMA에서 관 내면의 광학 사진 및 국부적으로 초고속 레이저 처리된 영역에서의 수액적과의 접촉각을 측정한 사진을 도시한 것이며, 도 22(b)는 PDMA 표면 전체에 동일하게 초고속 레이저 처리한 PDMA 표면의 광학 사진 및 수액적과의 접촉각을 측정한 사진이다.

도 22(a) 및 도 22(b)에 도시한 바와 같이 접촉각이 반복적으로 변화하는 관 내면을 형성하기 위해 국부적으로 레이저 처리된 영역의 접촉각은 PDMA 표면 전반에 걸쳐 레이저 처리된 경우와 유사한 접촉각을 가졌으며, 상세하게, 7㎛의 폭x1mm의 길이를 갖는 초발수성 표면은 159˚의 접촉각을, PDMA 표면 전체가 레이저 처리된 경우에는 161˚의 접촉각을 가졌다.

도 22(c)는 표면 개질되지 않은 PDMA 자체 표면에 대한 광학사진 및 수액적과의 접촉각을 측정한 사진이며, 표면 개질하지 않은 경우(PDMA with penetrated channel의 관통 기공 표면을 포함함) 110˚의 접촉각을 가짐을 확인하였다.

상술한 바와 같이 제조된 직사각형상의 마이크로 밸브의 유체 이송 특성을 파잎 물관과 유사한 광학 장치를 사용하여 관찰하였다.

상세하게, 도 23과 유사하게, 광학적 관찰이 가능하도록 유리판이 고정된 하부 체결판 상부에 Surface treated PDMA - PDMA with penetrated channel - Surface treated PDMA with inlet and outlet의 직사각형상의 마이크로 밸브를 위치시킨 후, 직사각형상의 마이크로 밸브의 유체 유입구와 유체 배출구 각각과 연결되는 관이 구비된 상부 체결판과 하부 체결판을 체결하였다.

이후, 직사각형상의 마이크로 밸브가 고정된 슬라이드 글라스를 광학 현미경(Zeiss, Germany)의 XYZ-스테이지(XYZ-stage)에 거치하고 파잎 물관의 관찰시 사용한 광학계와 유사한 장치 및 방법을 사용하여 직사각형상의 마이크로 밸브의 수력학적 성질을 측정하였다.

이때, 도 6(a) 또는 도 6(b)와 유사하게, 상부 체결판에 구비된 관을 통해 직사각형상의 마이크로 밸브의 유체 유입구와 연결된 유체(물) 리저버의 높이(직사 각형상의 마이크로 밸브를 기준으로 한 높이)를 제어하여 관 내 유체에 가해지는 압력을 제어하였으며, 마이크로 밸브를 기준으로 한 유체(물) 리저버의 높이(H)가 약 126mm에 이르렀을 때 마이크로 밸브 내 물과 공기의 경계면(menisci)가 움직이기 시작함을 확인 하였다.

도 24는 유체(물) 리저버의 높이(H)가 126 mm 인 조건에서 제조된 다이나믹 밸브 내 유체 이송 방향으로의 중심 선에서 얻어진 물-공기 계면(menisci)의 이동에 관한 결과를 2차원적으로 광세기의 변화를 시간 및 물관의 진행방향에 대한 거리축에 대하여 pseudo-color plot한 결과이다.

도 24의 왼편에 도시된 광학 사진은 초고속 레이저 조사에 의해 표면 개질된 영역(진한 회색 영역)과 표면 개질 되지 않은 PDMA 영역(밝은 회색 영역)이 반복 형성된 관 내면이며, 중심부의 어두운 밴드 영역은 물과 공기의 계면(menisci)에 의한 것이다.

도 24의 menisci 거동에서 알 수 있듯이 다이나믹 밸브 내에서 유체의 이송 속도가 불연속적임을 알 수 있으며, 고 접촉각 영역에서 흐름이 거의 정지하였다가 저 접촉각 영역에서 다시 매우 빠르게 이동함을 알 수 있으며, 물관 축으로의 거동이 거의 시간 축에 대하여 계단 형태로 나타남을 알 수 있으며, 이송 방향으로의 평균적인 이송 속도가 1.510 mm/s임을 알 수 있다.

도 24의 결과와 비교하기 위해, 초고속 레이저로 PDMS 표면을 개질한 것을 제외하고, 도 21과 동일한 형상 및 치수를 갖는 미세유체관을 제조하였다. 모든 관 내면은 표면 개질되지 않은 PDMS로 이루어 졌으며, 159˚의 단일한 접촉각을 가진 다.

도 25는 물과 단일한 접촉각을 갖는 미세유체관 내 유체 이송 방향으로의 중심 선에서 얻어진 물-공기 계면(menisci)의 이동에 관한 결과를 2차원적으로 광세기의 변화를 시간 및 물관의 진행방향에 대한 거리축에 대하여 pseudo-color plot한 결과이다.

도 25의 왼편에 도시된 광학 사진으로 알 수 있듯이 동일한 수력학적 성질을 갖는 관 내면(밝은 회색 영역)이며, 중심부의 어두운 밴드 영역은 물과 공기의 계면(menisci)에 의한 것이다.

물과 단일한 접촉각을 갖는 미세유체관의 pseudo-color plot에서 알 수 있듯이 시간에 따른 menisci 거동이 연속적임을 알 수 있으며, 더 나아가 직선의 형상을 가짐을 알 수 있다.

또한, 도 24의 다이나믹 밸브와는 달리 유체(물) 리저버의 높이(H)가 약 55 mm 일때 미세유체관 내 menisci가 이동하기 시작하였으며, 물의 이송 구동력(리저버의 높이)가 다이나믹 밸브보다 작음에도 불구하고 이송 방향으로의 평균 이송 속도 또한 6.595 mm/s로 약 4.3 배 빠른 것을 알 수 있다.

본 발명의 유체 이송방법 및 본 발명의 다이나믹 밸브는 이송 대상 유체의 위치 에너지 및 이송 상태와 무관하게 관 내에 유체가 채워져 있는 상태가 가능하며, 엠볼리즘의 생성이 방지되어, 엠볼리즘에 의한 이송관(다이나믹 밸브) 막힘 가 능성을 대폭적으로 낮출 수 있는 장점을 가지며, 이에 따라, 본 발명이 제안하는 유체 이송 방법 및 다이나믹 밸브는 LC, 잉크를 포함한 액의 이송(공급) 뿐만 아니라, 미소 반응 장치, DNA 분석 장치, 전기영동장치, 바이오 센서등 다양한 장치에 구비되는 마이크로 채널로 활용될 수 있으며, 냉각기 또는 가열기등에 활용 될 수 있다.

일 예로, 디스플레이의 제조 과정에서 필수적인 매우 얇은 마이크로미터 두께의 갭(gap)에 LC(Liquid Crystal)를 주입과정 본 발명의 유체 이송 방법 또는 본 발명의 다이나믹 밸브를 이용하여 LC 주입시 자주 발생하는 공기방울의 생성 및 이로 인한 문제를 해결할 수 있다.

주입관정에서 구동력(driving force) 역할을 하는 펌핑을 매우 단순하게 하여도 본 특허에서 제안한 마이크로 구조에 의한 다이나믹 밸브 기능에 의하여 자체적으로 LC의 주입 속도를 제어함으로 공간적으로 공기 방울의 생성 및 영향을 최소화 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 관계식 1에 사용된 인자(factor)가 도시된 일 개념도이며,

도 2는 파잎 물관을 대상으로 한 실험 장치 및 물-공기 계면 거동 측정 결과를 도시한 도면으로, 도 2(a)는 물관 구조 내 액체-기체 계면의 동적인 움직임을 측정하고자 고안된 설비의 장치도이며, 도 2(b)는 상압에서 초고속 카메라로 관찰된 비디오의 특정한 프레임(frame)을 취한 스틸 사진이며, 도 2(c)는 파잎 물관의 저분해능 전자현미경 사진이며, 도 2(d), 2(e), 2(f) 및 2(g)는 각각 도 2(b)에서 A, B, C 및 D로 표시된 영역에서 1 x 5 픽셀(pixel)에서 평균한 빛 세기의 시간적인 변화를 관찰한 결과이며,

도 3은 물관의 광학 사진 및 에 물관에 가해지는 압력에 따른 물-공기 계면 거동 결과로, 도 3(a)는 물관의 광학 사진이며, 도 3(b), 3(c), 3(d) 및 3(e)는 0.36 MPa의 조건에서 도 3(a)에서 A, B, C 및 D로 표시된 영역의 빛 세기의 시간적인 변화를 관찰한 결과이며,

도 4는 물관에 가해지는 압력에 따른 물-공기 계면 거동 결과로, 도 4(a), (b) 및 (c)는 상압, 0.36 MPa 및 0.38 MPa의 압력 조건에서 얻어진 물-공기 계면의 이동에 관한 결과를 2차원적으로 광세기의 변화를 시간 및 물관의 진행방향에 대한 거리축에 대하여 pseudo-color plot한 도면이며,

도 5는 물관의 2차벽 구조를 이루는 나선형 링의 표면을 관찰한 주사전자현미경 사진으로, 도 5(a)는 아세톤 처리 되지 않은 물관의 2차벽 구조 주사전자현미경 사진이며, 도 5(b)와 (c)는 파 잎을 각각 1 분 및 5 분간 아세톤에 처리한 후 건조하여 관찰한 고배율 주사전자현미경 사진이며,

도 6은 물관 내부의 물-공기 계면 거동에 대한 이론적 모델을 도시한 것으로, 도 6(a) 및 6(b)는 물관 내부의 물-공기 계면 거동 역학을 묘사할 수 있는 개념도이며, 도 6(c)는 수식으로 구현된 물관의 기하학적 구조를 도시한 것이며, 도 6(d)는 수식으로 구현된 물관의 접촉각의 변화를 도시한 거이며,

도 7은 도 4의 도 4(a)(상압), (b)(0.36 MPa) 및 (c)(0.38 MPa)의 결과와 함께 도 6의 이론적 모델을 기반으로 관내 유체에 가해지는 압력인 유체 리저버(Reservoir)의 높이(H)에 따른 유체 이송 거동을 실선으로 도시한 것이며,

도 8 은 발명의 다이나믹 밸브인 관 또는 본 발명의 유체 이송 방법이 구현되는 관의 일 예이며,

도 9는 발명의 다이나믹 밸브인 관 또는 본 발명의 유체 이송 방법이 구현되는 관의 다른 예이며,

도 10은 발명의 다이나믹 밸브인 관 또는 본 발명의 유체 이송 방법이 구현되는 관의 또 다른 예로, 도 10(a)는 관의 유체 이송 방향으로의 단면도이며, 도 10(b)는 유체와 접촉하는 관 내면(내벽)만을 도시한 사시도이며,

도 11은 발명의 다이나믹 밸브인 관 또는 본 발명의 유체 이송 방법이 구현되는 관의 또 다른 예로, 도 11(a)는 관의 유체 이송 방향으로의 단면도이며, 도 11(b)는 유체와 접촉하는 관 내면(내벽)만을 도시한 사시도이며,

도 12는 발명의 다이나믹 밸브인 관 또는 본 발명의 유체 이송 방법이 구현되는 관의 또 다른 예로, 도 12(a)는 관의 유체 이송 방향으로의 단면도이며, 도 12(b)는 유체와 접촉하는 관 내면(내벽)만을 도시한 사시도이며,

도 13은 발명의 다이나믹 밸브인 관 또는 본 발명의 유체 이송 방법이 구현되는 관의 또 다른 예이며,

도 14는 발명의 다이나믹 밸브인 관 또는 본 발명의 유체 이송 방법이 구현되는 관의 또 다른 예이며,

도 15는 발명의 다이나믹 밸브인 관 또는 본 발명의 유체 이송 방법이 구현되는 관의 또 다른 예이며,

도 16는 발명의 다이나믹 밸브인 관 또는 본 발명의 유체 이송 방법이 구현되는 관의 또 다른 예이며,

도 17은 발명의 다이나믹 밸브인 관 또는 본 발명의 유체 이송 방법이 구현되는 관의 또 다른 예이며,

도 18은 발명의 다이나믹 밸브인 관 또는 본 발명의 유체 이송 방법이 구현되는 관의 또 다른 예이며,

도 19는 몰드 및 PDMS 기판의 광학 사진으로, 도 19(a)는 몰드로 사용된 스테인레스 금속판의 광학 사진이며, 도 19(b)는 도 19(a)의 몰드 및 초고속 레이저에 의해 표면 개질된 PDMS 재질의 톱니형 기판의 광학 사진이며,

도 20은 초고속 레이저의 플루언스에 따른 PDMS 개질 표면의 접촉각과 슬라이딩 각의 변화를 도시한 그래프이며,

도 21은 다이나믹 밸브인 관 또는 본 발명의 유체 이송 방법이 구현되는 관의 제조에 사용된 PDMA 플레이트를 도시한 도면이며,

도 22는 PDMA 표면의 광학 사진 및 PDMA 표면과 수액적간의 접촉각을 도시한 광학 사진으로, 도 22(a)는 제조된 직사각형상의 마이크로 밸브의 관 내면 광학 사진 및 관 내면에서 고 접촉각 영역과 수 액적간의 접촉각을 도시한 광학 사진이며, 도 22(b)는 PDMA 표면 전체에 도 22(a)의 고 접촉각 영역과 동일하게 초고속 레이저 처리한 PDMA 표면의 광학 사진 및 표면 개질된 PDMA 표면과 수액적간의 접촉각을 도시한 광학 사진이며, 도 22(c)는 표면 개질되지 않은 PDMA 자체 표면에 대한 광학사진 및 표면 개질 되지 않은 PDMA 표면과 수액적간의 접촉각을 도시한 광학 사진이며,

도 23은 제조된 직사각형상의 마이크로 밸브의 유체 이송 특성을 관찰하기 위한 실험 장치도이며,

도 24는 유체(물) 리저버의 높이(H)가 126mm 인 조건에서 제조된 다이나믹 밸브 내 유체 이송 방향으로의 중심 선에서 얻어진 물-공기 계면(menisci)의 이동에 관한 결과를 2차원적으로 광세기의 변화를 시간 및 물관의 진행방향에 대한 거리축에 대하여 pseudo-color plot한 결과이며,

도 25는 물과 단일한 접촉각을 갖는 미세유체관 내 유체 이송 방향으로의 중심 선에서 얻어진 물-공기 계면(menisci)의 이동에 관한 결과를 2차원적으로 광세기의 변화를 시간 및 물관의 진행방향에 대한 거리축에 대하여 pseudo-color plot한 결과이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

210 : 고 접촉각 표면 220 : 저 접촉각 표면

230 : 톱니면 200, 300 : 관

400 : 나노 구조체

Claims (21)

1. 액상인 이송대상 유체와의 접촉각(θ_c)이 이송대상 유체의 이송방향인 장축 길이 방향으로 반복적으로 변화되는 내면 특성을 갖는 관에 의해 상기 이송대상 유체가 이송되며,

   상기 접촉각(θ_c) 변화에 의해 발생하는 수력학적 성질(hydrodynamic property)에 의해 상기 유체가 불연속적으로 이송되며,

   상기 이송 대상 유체의 이송 속도는 상기 접촉각(θ_c)의 변화에 따른 상기 관 내 유체의 내부 압력과 상기 관의 유체 유입구 및 유체 배출구에서 하나 이상 선택된 위치를 통해 관내 유체에 가해지는 압력(P_appl)의 차에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 유체 이송 방법.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 이송 속도는 하기의 관계식 1인 것을 특징으로 하는 유체 이송 방법.

   (관계식 1)

   

   (상기 x는 0<x<L인 실수로, 상기 관의 유체 유입구(x=0)를 기준으로 상기 관의 장축 길이 방향으로의 일 위치이며, 상기 L은 상기 관의 유체 유입구(x=0)를 기준으로 상기 관의 유체 배출구(x=L)까지의 길이이며,

   상기 V_avg(x)는 상기 관의 x 위치에서의 유속으로, 상기 관의 단면 중심에서 관의 내면까지의 위치별 유속을 평균한 평균 유속이며,

   상기 R(x)는 상기 관의 x 위치에서 관의 단면 지름이며,

   상기 σ는 이송 대상 유체의 표면 장력(surface tension)이며,

   상기 μ는 이송 대상 유체의 점도(viscosity)이며,

   상기 cosθ_c(x)의 θ_c(x)는 상기 관의 x 위치에서의 관 내면의 이송 대상 유체와의 접촉각이며,

   상기 P_appl은 상기 관의 유체 유입구; 상기 관의 유체 배출구; 또는 상기 관의 유체 유입구 및 유체 배출구;를 통해 관내 유체에 가해지는 압력이며,

   상기 a는 상기 관의 유체 유입구를 기준으로 한 상기 P_appl의 인가 방향을 나타내는 상수로, 유체 이송 방향과 동일한 방향인 경우 +1, 유체 이송 방향과 반대 방향인 경우 -1의 값을 갖는다.)
4. 제 1항에 있어서,

   상기 접촉각(θ_c)의 변화에 의해 상기 관 내 유체의 야기되는 최고 내부 압력을 기준으로 상기 P_appl을 제어하여 상기 관 내 유체의 흐름을 차단 또는 개방하는 것을 특징으로 하는 유체 이송 방법.
5. 제 4항에 있어서,

   하기의 관계식 2에 의해 상기 관의 유체 배출을 차단하는 것을 특징으로 하는 유체 이송 방법.

   (관계식 2)

   

   (상기 cosθ_c ^max의 θ_c ^max는 이송 대상 유체가 접하는 상기 관 내면에서의 최고 접촉각이며, 상기 R(x₂)은 상기 최고 접촉각이 형성된 위치에서 관의 단면 지름이다.)
6. 제 1항에 있어서,

   상기 이송 대상 유체가 접하는 관 내면에서의 최저 접촉각과 최고 접촉각의 차에 의하여 발생하는 내부압력의 변이가 10 % 이상인 것을 특징으로 하는 유체 이송 방법.
7. 제 1항 또는 제 3항 내지 제 6항에서 선택된 어느 한 항에 있어서,

   상기 관 내면은, 서로 다른 접촉각을 갖는, 양 단이 연결된 폐형 띠 표면; 또는 나선형 표면;이 교번되어 반복적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 이송 방법.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 관 내면은, 서로 다른 접촉각을 갖는 표면 중 큰 접촉각을 갖는 표면이 곡률을 가지며 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 이송 방법.
9. 제 1항 또는 제 3항 내지 제 6항에서 선택된 어느 한 항에 있어서,

   상기 관은 나노 구조체를 포함하며, 상기 관의 내면 및 상기 관 내에 구비된 나노 구조체에 의해 상기 이송 대상 유체와의 접촉각이 변화되는 것을 특징으로 하는 유체 이송 방법.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 나노 구조체는 이송 대상 유체에 대해 상기 관의 내면과 다른 접촉각을 갖는 이격 분리된 다수개의 링(ring); 나선형(helical) 띠; 또는 나선형 와이어(wire)인 것을 특징으로 하는 유체 이송 방법.
11. 액상인 이송 대상 유체의 흐름을 차단 또는 개방하는 다이나믹 밸브(dynamic valve)이며,

    상기 다이나믹 밸브는 액상인 이송대상 유체와의 접촉각(θ_c)이 이송대상 유체의 이송방향인 장축 길이 방향으로 반복적으로 변화되는 내면 특성을 갖는 관이며,

    상기 접촉각(θ_c) 변화에 의해 발생하는 수력학적 성질(hydrodynamic property)에 의해 상기 관 내 이송 대상 유체가 불연속적으로 이송 되며,

    상기 이송 대상 유체의 이송 속도는 상기 접촉각(θ_c)의 변화에 따른 상기 관 내 유체의 내부 압력과 상기 관의 유체 유입구 및 유체 배출구에서 하나 이상 선택된 위치를 통해 관내 유체에 가해지는 압력(P_appl)의 차에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 다이나믹 밸브.
12. 삭제
13. 제 11항에 있어서,

    상기 다이나믹 밸브 내 유체 이송 속도는 하기의 관계식 1에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 다이나믹 밸브.

    (관계식 1)

    

    (상기 x는 0<x<L인 실수로, 상기 관의 유체 유입구(x=0)를 기준으로 상기 관의 장축 길이 방향으로의 일 위치이며, 상기 L은 상기 관의 유체 유입구(x=0)를 기준으로 상기 관의 유체 배출구(x=L)까지의 길이이며,

    상기 V_avg(x)는 상기 관의 x 위치에서의 유속으로, 상기 관의 단면 중심에서 관의 내면까지의 위치별 유속을 평균한 평균 유속이며,

    상기 R(x)는 상기 관의 x 위치에서 관의 단면 지름이며,

    상기 σ는 이송 대상 유체의 표면 장력(surface tension)이며,

    상기 μ는 이송 대상 유체의 점도(viscosity)이며,

    상기 cosθ_c(x)의 θ_c(x)는 상기 관의 x 위치에서의 관 내면의 이송 대상 유체와의 접촉각이며,

    상기 P_appl은 상기 관의 유체 유입구; 상기 관의 유체 배출구; 또는 상기 관의 유체 유입구 및 유체 배출구;를 통해 관내 유체에 가해지는 압력이며,

    상기 a는 상기 관의 유체 유입구를 기준으로 한 상기 P_appl의 인가 방향을 나타내는 상수로, 유체 이송 방향과 동일한 방향인 경우 +1, 유체 이송 방향과 반대 방향인 경우 -1의 값을 갖는다.)
14. 제 11항에 있어서,

    상기 이송 대상 유체와의 접촉각이 반복적으로 변화되는 상기 관에서 상대적으로 큰 접촉각이 형성된 영역의 내부 압력에 의해 유체의 흐름이 차단되는 것을 특징으로 하는 다이나믹 밸브.
15. 제 14항에 있어서,

    하기의 관계식 2에 의해 이송 대상 유체의 흐름이 차단되는 것을 특징으로 하는 다이나믹 밸브.

    (관계식 2)

    

    (상기 cosθ_c ^max의 θ_c ^max는 이송 대상 유체가 접하는 상기 관 내면에서의 최고 접촉각이며, 상기 R(x₂)은 상기 최고 접촉각이 형성된 위치에서 관의 단면 지름이다.)
16. 제 11항에 있어서,

    상기 관 내면은, 서로 다른 접촉각을 갖는, 양 단이 연결된 폐형 띠 표면; 또는 나선형 표면;이 교번되어 반복적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 다이나믹 밸브.
17. 제 16항에 있어서,

    상기 관 내면은, 서로 다른 접촉각을 갖는 표면 중 큰 접촉각을 갖는 표면이 곡률을 가지며 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 다이나믹 밸브.
18. 제 11항에 있어서,

    상기 관은 나노 구조체를 포함하며, 상기 관의 내면 및 상기 관 내에 구비된 나노 구조체에 의해 상기 이송 대상 유체와의 접촉각이 변화되는 것을 특징으로 하는 다이나믹 밸브.
19. 제 18항에 있어서,

    상기 나노 구조체는 이송 대상 유체에 대해 상기 관의 내면과 다른 접촉각을 갖는 이격 분리된 다수개의 링(ring); 나선형(helical) 띠; 또는 나선형 와이어(wire)인 것을 특징으로 하는 다이나믹 밸브.
20. 제 11항에 있어서,

    상기 관의 단면 지름은 2mm이하인 것을 특징으로 하는 다이나믹 밸브.
21. 제 11항에 있어서,

    상기 이송 대상 유체가 접하는 관 내면에서의 최저 접촉각과 최고 접촉각의 차에 의하여 발생하는 내부압력의 변이가 10 % 이상인 것을 특징으로 다이나믹 밸브.

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