KR101343384B1 - 푸리에 코사인 급수법과 유체의 수두차 원리를 응용한 파동함수형 미세 맥동류 발생 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

맥동류(pulsatile flow) 발생 장치는, 액체가 수용될 수 있는 액체 용기, 상호 연동되어 작동하는 복수 개의 회전운동 장치, 및 상기 액체 용기로부터 액체를 공급받는 마이크로채널을 포함한다. 복수 개의 회전운동 장치가 회전함에 따라, 액체 용기와 마이크로채널 사이에 주기적으로 변화하는 압력차가 발생되어 마이크로채널에 파동함수 형태의 맥동류가 구현된다. 유체의 수두차 원리를 응용하고, 푸리에 코사인 급수법(Fourier cosine series)에 기반하여 회전운동 장치의 회전을 제어함으로써, 장치 구성과 제작이 간단하면서도 일반 펌프로는 달성이 용이하지 않은 미세하고 정밀한 파동함수 형태의 맥동류를 구현할 수 있다. 특히, 맥동류의 주기와 진폭 조절은 물론이고, 사각파동(square wave) 및 삼각파동(triangular wave) 등의 다양한 유형의 맥동류를 구현할 수 있으며, 전진형(forwarding type) 및 전후진 제자리형(back-and-forth standing type)의 두 가지 운전도 가능하다.

Description

푸리에 코사인 급수법과 유체의 수두차 원리를 응용한 파동함수형 미세 맥동류 발생 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR GENERATING WAVE FUNCTIONAL PULSATILE MICROFLOWS BY APPLYING FOURIER COSINE SERIES AND HYDRAULIC HEAD DIFFERENCE}
실시예들은 파동함수(wave function) 형태의 미세 맥동류(pulsatile flow) 발생 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 실시예들은 푸리에 코사인 급수법(Fourier cosine series)에 기반한 회전운동의 구현과 압력차에 관한 베르누이(Bernoulli) 개념에 연관된 유체의 수두차(hydraulic head difference) 원리를 응용하여, 상호 연동되어 작동하는 복수 개의 회전판에 의해 액체 용기를 일정한 각속도(angular velocity)로 회전시킴으로써, 액체 수면의 높이 변화에 의해 주기적인 파동함수 형태의 압력차를 발생시킬 수 있는 맥동류 발생 장치 및 방법에 관한 것이다.
맥동류는 유체역학 분야의 용어로서, 유속에 대하여 시간 주기적인 변화를 가지는 모든 형태의 흐름을 지칭한다. 가장 대표적인 예는, 심장의 주기적 수축과 이완에 의해 발생하는 혈관 내 혈액의 흐름이다. 공학기술 분야에서도 주사기 펌프(syringe pump) 등을 제외하고는 대부분의 펌프기기에서는 맥동류가 나타나고 있다. 초정밀 미세 펌프 등 차세대 바이오의료기술 개발에 큰 영향을 미치고 있는 미세유체공학(microfluidics) 분야에서 맥동류의 역할이 크게 부각되고 있지만, 정밀한 구현, 효율적인 운전, 제작비용 측면에 있어서 아직 제한성이 많다. 액체의 흐름은 아무리 적은 양이라 할지라도 유체의 관성 때문에 전류처럼 순간적으로 흐름을 차단하거나 제어하기가 어려운 측면이 있다. 맥동류를 발생시키는 펌프기기는 심장수술 시 혈액의 체외 순환에 처음으로 사용하기 시작했다. 예를 들어, 바시글리오와 베르가모(Basiglio, R.F., Vergamo, L.P., "Pulsatile pump for extro-corporeal circulation", 미국 등록특허공보 제5,044,901호, 1991.9)는 체외 순환용 맥동 펌프를 고안하였다.
푸리에 코사인 급수법(Fourier cosine series)은 시간 주기함수로 주어진 임의의 우함수(또는 짝함수, even function)를 대표적인 주기 우함수인 코사인 함수들의 선형 조합(linear combination)에 의해 근사적으로 표현하는 기법이다.　이와 관련해서, 기함수(또는 홀함수, odd function)를 사인(sine) 함수로 근사하는 방법으로 푸리에 사인 급수법이 있고, 우함수 및 기함수가 아닌 함수를 코사인 및 사인함수로 근사하기 위한 푸리에 급수법도 있다. 이때, 코사인 및 사인 함수의 진동수(frequency)는 원주율의 정수배의 역으로 주어진다. 한편, 주기함수가 아닌 함수를 근사하는 경우에는 푸리에 변환법(Fourier transform)을 이용하는데, 이 경우의 진동수는 실수(real number) 영역이다.
미세유체공학은 마이크로플루이딕 칩 내에 형성된 마이크로채널을 통해 유체가 흐르는 기술을 다루는 분야로, 최근의 바이오멤스(bio-MEMS) 및 파워멤스(power-MEMS)에서 중요한 역할을 한다. 미세유체공학 장치에서 정상적인 유체의 흐름을 유지하거나 주기/비주기적인 유속 변화를 인가하기 위해서는 펌프와 같이 압력차 구동 수단을 주로 사용한다. 하지만, 펌프의 크기가 마이크로플루이딕 칩의 크기에 비해 매우 커서 시스템의 소형화에 장애가 되고, 또한 정밀한 유량제어가 필요할수록 요구되는 펌프의 비용과 부품 구성은 대폭 높아진다. 멜린과 퀘이크(Melin, J., Quake, S.R., "Microfluidic large-scale integration: The evolution of design rules for biological automation", Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct., 36, 213-31, 2007)는 마이크로플루이딕 칩 내에 미세 펌프를 임베드하는 방법을 고안하였으나, 임베드된 펌프를 작동시키기 위해서는 복잡한 외부 가압 장치가 필요하였다.
파동함수의 일종인 사각파동(square wave)은 이상적으로는 전자 회로 및 신호 처리와 같이 전류의 개폐에 따라 매우 빠르게 반응하는 경우에만 얻을 수 있고, 두 가지 크기의 유량이 주기적으로 또한 순간적으로 변화하는 사각파동 맥동류의 완벽한 구현은 실제적으로 매우 어렵다. 약물 전달체 주입이나 일회용 미세반응기(batch-type microreactor)가 마이크로플루이딕 칩에서 구현되는 경우에 사각파동 형태의 맥동류가 필요한데, 대부분 상용화된 고가의 파동 조절형 주사기 펌프로 대체하여 사용하고 있지만 사각파동을 구현하는 데는 분명한 한계가 있다.
Kim 등(Kim, D., Chesler, N.C., Beebe, D.J., "A method for dynamic system characterization using hydraulic series resistance", Lab Chip, 6, 639-644, 2006)은 센서, 컴퓨터 제어장치 및 정압기(regulator) 등의 복잡한 장치설계를 통하여 마이크로플루이딕 채널에 사각파동 압력차 구현을 시도하였다. 그러나, 장치구성이 매우 복잡하면서 채널의 크기에 따라 실제 구현된 결과가 이론적인 압력값에서 제각각 벗어나는 등 정확도에서 많은 한계성을 나타냈다. 또한, 이 장치구성에서는 전진형(forwarding type) 맥동류만 구현할 수가 있다.
Lee 등(Lee, Y.S., Oh, Y.S., Kuk, K., Kim, M.S., Shin, S.J., Shin, S.H., "Micro-pump driven by phase change of a fluid", 미국 공개특허공보 제2004/0146409호, 2004.1)은 열에 의한 유체의 상변화를 이용하여, 마이크로 채널에 공급되는 유량을 순간적으로 증가시키는 장치를 고안하였다. 그러나, 이런 방식으로 발생시킨 맥동류도 계단식 증가형(cascade-type) 흐름을 유도하는데 사용되고, 전후진 제자리형(back-and-forth standing type) 맥동류의 발생에는 부적합하다.
미국 등록특허공보 제5,044,901호 미국 공개특허공보 제2004/0146409호
본 발명의 일 측면에 따르면, 미세유체공학 및 이를 기반에 둔 의공학, 랩온칩(Lab-on-a-Chip), 바이오멤스(bio-MEMS) 등의 장치에 기존의 펌프로는 인가하기 어려운 파동함수형 맥동류(pulsatile flow)를 제공할 수 있다. 또한, 맥동류의 주기와 진폭 조절이 가능함은 물론이고, 사각파동(square wave)이나 삼각파동(triangular wave)과 같은 다양한 맥동류 유형을 구현할 수 있고, 운전 유형에 있어서는 전진형(forwarding type) 및 전후진 제자리형(back-and-forth standing type)이 모두 구현 가능하다.
일 실시예에 따른 맥동류(pulsatile flow) 발생 장치는, 마이크로채널로부터 제1 높이에 위치하는 제1 회전축을 중심으로 회전하는 제1 회전운동 장치; 상기 제1 회전운동 장치에 연결되어, 상기 제1 높이와 상이한 제2 높이에 위치하는 제2 회전축을 중심으로 회전하는 제2 회전운동 장치; 및 상기 제2 회전운동 장치에 연결되며, 상기 마이크로채널에 공급하기 위한 액체를 수용하도록 구성된 액체 용기를 포함할 수 있다. 상기 제1 회전운동 장치 및 상기 제2 회전운동 장치가 회전하면서 상기 마이크로채널에 인가되는 액체의 압력이 주기적으로 변화하는 것을 이용하여, 상기 액체 용기로부터 공급된 액체에 의해 상기 마이크로채널 내에 맥동류를 발생시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 맥동류 발생 방법은, 마이크로채널로부터 제1 높이에 위치하는 제1 회전축을 중심으로 제1 회전운동 장치를 회전시키는 단계; 상기 제1 높이와 상이한 제2 높이에 위치하는 제2 회전축을 중심으로, 상기 제1 회전운동 장치 및 액체가 수용된 액체 용기와 연결된 제2 회전운동 장치를 회전시키는 단계; 및 상기 제1 회전운동 장치 및 상기 제2 회전운동 장치가 회전하는 동안 상기 액체 용기로부터 상기 마이크로채널에 액체를 공급함으로써, 상기 마이크로채널에 인가되는 액체의 주기적 압력 변화에 의해 상기 마이크로채널 내에 맥동류를 발생시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 맥동류(pulsatile flow) 발생 장치 및 방법을 이용하면, 피스톤 왕복식, 원심력식, 기어 회전식 등과 같은 모터 구동 방식의 기존 펌프로는 구현하기 어려운 사각파동(square wave), 삼각파동(triangular wave), 톱니파동(sawlike wave) 등 다양한 유형의 파동함수형 맥동류를 구현할 수 있다.
또한, 회전축의 회전 각속도와 회전판에 포함된 복수 개의 조립점을 통하여 다른 회전축의 회전 반경을 조절하여 맥동류의 주기와 진폭을 각각 조절할 수 있고, 구동 모터에 연결된 회전축과 마이크로채널의 높이차를 조절하여 맥동류의 평균 압력차를 조절할 수 있으며, 전진형(forwarding type) 및 전후진 제자리형(back-and-forth standing type)의 두 가지 운전을 모두 구현할 수 있다.
나아가, 맥동류 발생 장치 구성이 단순하고 저렴한 제작비용으로도 정밀한 파동함수형 맥동류를 구현할 수 있어, 미세유체공학 및 이를 응용한 분야에 유용한 장치로서 활용될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 푸리에 급수법으로 얻은 근사적인 사각파동(square wave)을 엄밀히 정의되는 사각파동과 비교하여 도시한 그래프이다.
도 2는 일 실시예에 따른 푸리에 급수법으로 얻은 근사적인 삼각파동(triangular wave)을 엄밀히 정의되는 삼각파동과 비교하여 도시한 그래프이다.
도 3은 일 실시예에 따른 맥동류 발생 장치의 개략적인 구성도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 맥동류 발생 장치에서 사각파동 맥동류를 얻기 위한 제1 및 제2 회전운동 장치를 나타내는 정면도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 맥동류 발생 장치에서 사각파동 맥동류를 얻기 위한 제1 및 제2 회전운동 장치의 초기 위치를 나타내는 정면도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 맥동류 발생 장치에서 삼각파동 맥동류를 얻기 위한 제1 및 제2 회전운동 장치를 나타내는 정면도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 맥동류 발생 장치에서 삼각파동 맥동류를 얻기 위한 제1 및 제2 회전운동 장치의 초기 위치를 나타내는 정면도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 맥동류 발생 장치의 제1 회전운동 장치의 회전판을 도시하는 정면도이다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 맥동류 발생 장치의 제1 회전운동 장치, 제2 회전운동 장치 및 관련 부재를 도시하는 분해 사시도이다.
도 10a는 일 실시예에 따른 맥동류 발생 장치에서 제1 및 제2 회전운동 장치의 배면도이다.
도 10b는 일 실시예에 따른 맥동류 발생 장치에서 제2 회전운동 장치의 디스크, 균형추 디스크 또는 벨트장력유지대의 측면에 형성된 홈을 나타내는 사시도이다.
도 11은 일 실시예에 따른 맥동류 발생 장치에 의해 전진형(forwarding type) 사각파동 맥동류가 구현된 마이크로채널의 시간 경과에 따른 압력차를 나타내는 그래프이다.
도 12는 일 실시예에 따른 맥동류 발생 장치에 의해 전진형 삼각파동 맥동류가 구현된 마이크로채널의 시간 경과에 따른 압력차를 나타내는 그래프이다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.
실시예들에 따른 맥동류(pulsatile flow) 발생 장치 및 방법에 의해, 파동함수 형태의 미세 맥동류를 발생시킬 수 있다. 상기 맥동류 발생 장치 및 방법은 푸리에 코사인 급수법(Fourier cosine series)에 기반한 회전운동의 구현 및 압력차에 관한 베르누이(Bernoulli) 개념에 연관된 유체의 수두차(hydraulic head difference) 원리를 응용한다. 이하에서는, 실시예들에 따른 맥동류 발생 장치 및 방법에 의하여 이용되는 푸리에 코사인 급수법의 원리에 대해 구체적으로 설명한다.
먼저, 일 실시예에 따라 푸리에 코사인 급수법에 의하여 사각파동(square wave)을 구현하는 방법에 대해 설명한다.
우선, 임의의 시간 주기 함수
Figure 112012098882170-pat00001
를 푸리에 코사인 급수법으로 표현한 수학식을 구해야 한다. 이때, 시간 t 에 관한 주기가 T 인 임의의 우함수
Figure 112012098882170-pat00002
는 하기 수학식 1과 같이 푸리에 코사인 무한급수로 표현될 수 있다. 하기 수학식 1에서, A n 은 진폭 또는 푸리에 코사인 계수, n 은 정수, π 는 원주율, nπ 는 rad/sec 단위를 갖는 각속도이다.
Figure 112012098882170-pat00003
수학식 1의 푸리에 코사인 계수 A n 을 정하기 위하여, 사각파동의 기본형으로
Figure 112012098882170-pat00004
를 하기 수학식 2 및 수학식 3과 같이 정의한다.
Figure 112012098882170-pat00005
Figure 112012098882170-pat00006
수학식 3은
Figure 112012098882170-pat00007
의 주기가 T임을 뜻한다. 코사인 함수의 직교성(orthogonality)을 이용하고 한 주기 구간(0 = t < T)의 적분을 통하여 푸리에 코사인 계수가 결정되면, 일 실시예에 의한 사각파동은 하기 수학식 4의 형태로 구할 수 있다.
Figure 112012098882170-pat00008
수학식 1과 수학식 4를 비교하면, 푸리에 코사인 계수 A n 은 다음 수학식 5로 표현된다.
Figure 112012098882170-pat00009
무한급수 근사함수의 특징으로 인해, n 값이 커질수록 진폭 A n 의 값은 이에 반비례하여 작아진다. 따라서, 몇몇 실시예들에서 푸리에 코사인 계수 A n 의 n = 2 혹은 n = 3 이상의 항은 무시할 수 있다.
실시예들에 따른 맥동류 발생 장치는, 서로 상이한 속도로 회전하는 복수 개의 회전운동 장치를 포함하여 구현될 수 있다. 이때, 상기 수학식 4에서 n 의 값이 회전운동 장치의 개수에 대응된다. 일 실시예에서는, 장치 제작의 편의를 위하여 n = 2 로 정할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
n = 2 일 경우 수학식 5를 통하여 산출되는 푸리에 코사인 계수는, 소수 둘째 자리에서 반올림할 경우 하기 수학식 6과 같이 단순하게 정리될 수도 있다.
Figure 112012098882170-pat00010
도 1은 일 실시예에 따른 푸리에 급수법으로 얻은 근사적인 사각파동을 엄밀히 정의되는 사각파동과 비교하여 도시한 그래프이다.
도 1을 참조하면, 그래프(101)는 전술한 수학식 2에 의해 수학적으로 엄밀하게 정의되는
Figure 112012098882170-pat00011
를 나타낸다. 한편, 그래프(102)는 일 실시예에 따른 푸리에 급수법으로 얻은 근사적인 사각파동을 나타낸 것으로, 수학식 6에 의해 정의되는
Figure 112012098882170-pat00012
를 나타낸다. 도시되는 바와 같이, 수학식 6에 의한 결과가 수학식 2의 사각파동을 근사적으로 표현하고 있다. 도 1에 도시된 양 그래프(101, 102)는 모두 무차원으로, 함수의 진폭은 1, 평균값은 0.5, 주기는 1이다. 여기서, 시간 t의 단위를 초(sec)로 정하면, 진동수의 단위는 Hz가 된다.
수학식 6에서의 무차원 진폭을 압력차로 변환하기 위해서, 변환인자 H(mbar 또는 cmH2O)를 사용하면 압력차
Figure 112012098882170-pat00013
에 관한 하기 수학식 7의 관계가 성립한다. 여기서 주어지는 사각파동 맥동류는 전진형(forwarding type) 맥동류에 해당한다.
Figure 112012098882170-pat00014
수학식 7에서 변환인자 H 는 달성하고자 하는 평균 압력차를 이용하여 결정될 수 있다. 수학식 7에서 평균 압력차에 해당하는 항은 0.5H 이므로, 변환인자 H 는 평균 압력차의 두 배가 된다. 이를 실시예들에 따른 맥동류 발생 장치에 적용할 경우, 변환인자 H 는 액체의 종류에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 물 1 cm의 수두차는 0.98 mbar의 압력차에 대응하므로, 평균 압력차 10 mbar의 전진형 사각파동 맥동류를 얻기 위해서는 평균 수두차가 10.2 cm가 되도록 장치 설계를 해야 하고, 수학식 7에서 H 는 20 mbar(또는 20.4 cmH2O)가 된다.
다음으로, 다른 실시예에 따라 푸리에 코사인 급수법에 의하여 삼각파동(triangular wave)을 구현하는 방법에 대해 설명한다.
사각파동을 구현하는 방법과 유사하게, 전진형 삼각파동 맥동류는 다음의 과정을 통하여 얻을 수 있다. 우선, 주기가 T 인 삼각파동의 기본형으로
Figure 112012098882170-pat00015
를 수학식 8 및 수학식 9와 같이 정의한다.
Figure 112012098882170-pat00016
Figure 112012098882170-pat00017
수학식 8에, 전술한 수학식 4로부터 수학식 6을 얻을 때 사용한 것과 동일한 푸리에 코사인 급수법 및 단순화 방법을 적용하면, 하기 수학식 10을 얻을 수 있다.
Figure 112012098882170-pat00018
도 2는 일 실시예에 따른 푸리에 급수법으로 얻은 근사적인 삼각파동을 엄밀히 정의되는 삼각파동과 비교하여 도시한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 그래프(201)는 전술한 수학식 8에 의해 수학적으로 엄밀하게 정의되는
Figure 112012098882170-pat00019
를 나타낸다. 한편, 그래프(202)는 일 실시예에 따른 푸리에 급수법으로 얻은 근사적인 삼각파동을 나타낸 것으로, 수학식 10에 의해 정의되는
Figure 112012098882170-pat00020
를 나타낸다. 도시되는 것과 같이, 삼각형의 꼭지점에 해당하는 부분에서 발생하는 매우 미세한 차이를 제외하고 전반적으로 수학식 8과 수학식 10이 일치한다.
수학식 10에도 전술한 수학식 7과 같이 변환인자 H 를 도입하게 되면, 하기 수학식 11을 얻을 수 있다.
Figure 112012098882170-pat00021
도 3은, 이상에서 설명한 푸리에 급수법에 기반하여 액체의 압력차를 이용하여 맥동류를 발생시킬 수 있는, 일 실시예에 따른 맥동류 발생 장치의 개략적인 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 맥동류 발생 장치는 복수 개의 회전운동 장치(301, 302), 액체 용기(304) 및 마이크로채널(308)을 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 장치에서, 마이크로채널(308)이 위치하는 기저점과, 액체 용기(304)에 수용된 액체(300)의 수면과의 높이 차이가 수두차로서, 즉, 압력차 △p 가 된다.
일 실시예에서, 맥동류 발생 장치는 제1 회전운동 장치(301) 및 제2 회전운동 장치(302)를 포함할 수 있다. 제1 회전운동 장치(301)는 회전축(3010) 및 이에 직각으로 결합된 회전판(3011)을 포함할 수 있다. 회전축(3010)은 구동 모터(미도시)에 결속되어, 구동 모터가 회전함에 따라 회전축(3010)이 회전할 수 있다. 회전축(3010)은 기저점으로부터 제1 높이에 위치할 수 있다. 본 명세서에서, 회전축(3010)의 높이란 기저점으로부터 회전축(3010)의 중심까지의 중력 방향을 따른 거리를 지칭하도록 의도되며, 이상의 정의는 추후 기술되는 다른 부재에서도 마찬가지이다.
제2 회전운동 장치(302)는 회전축(3020) 및 이에 직각으로 결합된 회전판(3021)을 포함할 수 있다. 제2 회전운동 장치(302)의 회전축(3020)은 제1 회전운동 장치(301)의 회전판(3011)에 연결되어, 회전축(3020)의 중심은 기저점으로부터 전술한 제1 높이와 상이한 제2 높이에 위치할 수 있다. 회전판(3011)과 회전축(3020) 사이에는 베어링(미도시)이 위치하여, 회전판(3011)의 회전 상태와 상관 없이 회전축(3020)은 독립적으로 회전 운동을 유지할 수 있도록 한다. 이때, 회전축(3020)은 고무벨트(미도시) 등을 통해 회전축(3010)에 연관되어, 회전축(3010)의 회전 각속도에 대해 소정의 비율을 갖는 각속도로 회전축(3020)이 회전할 수 있다. 이에 대해서는 상세히 후술한다.
도 3에 도시된 실시예에서는 전술한 수학식 4에서 n = 2 인 것, 즉, 장치가 2 개의 회전운동 장치(301, 302)를 포함하는 것을 도시한다. 그러나, 다른 실시예에서, 맥동류 발생 장치는 더 많은 개수의 회전운동 장치를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 맥동류 발생 장치는 제2 회전운동 장치(302)와 액체 용기(304) 사이에 연결된 하나 이상의 제3 회전운동 장치(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
액체 용기(304)는 맥동류를 발생시키기 위한 액체(예컨대, 물)를 수용하도록 구성된다. 액체 용기(304)는 액체 용기 연결막대(303)를 통해 제2 회전운동 장치(302)의 회전판(3021)에 결합될 수 있다. 액체 용기 연결막대(303)와 회전판(3021) 사이에는 베어링(미도시)이 위치하여, 회전판(3021)의 회전 상태와 상관 없이 액체 용기(304)는 항상 직립 상태를 유지할 수 있다. 또한, 액체 용기(304)는 튜빙(305)을 통해 마이크로채널(308)에 연결될 수 있고, 튜빙(305)에는 압력계 연결티(tee)(307)를 통해 압력계(306)가 달려 있다. 일 실시예에서, 튜빙(305) 및 연결티(307)의 단면적은 액체의 관성 및 마찰에 의한 압력 손실을 제거 또는 감소시키기 위해 마이크로채널(308)의 단면적보다 클 수 있다.
본 실시예에서는, 액체 용기(304)로부터 공급되는 일정한 양의 액체가 마이크로채널(308)을 연속적으로 통과할 수 있고, 액체 용기(304)에서 빠져나오는 유량이 마이크로채널(308)의 단면을 통과하는 유량과 동일하게 되는 원리를 이용한다. 이에 의해, 액체 용기(304)의 폭, 너비 및 시간 경과에 따른 액체 수면 높이 변화와의 관계가 결정될 수 있다. 즉, 제1 및 제2 회전운동 장치(301, 302)가 회전함에 따라, 액체 용기(304)에 수용된 액체(300)의 수면과 마이크로채널(308)이 위치하는 기저점 사이의 높이차가 주기적으로 변화한다. 주기적으로 변화하는 액체(300) 수면의 높이로 인하여, 마이크로채널(308)에는 주기적인 압력차가 인가되며, 이에 의하여 마이크로채널(308) 내에 액체의 맥동류가 구현된다.
일 실시예에서는, 압력계(306)를 이용하여 액체 용기(304)로부터 마이크로채널(308)에 가해지는 압력이 측정될 수 있다. 예컨대, 압력계(306)는 연결티(307)에 연결될 수도 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 맥동류 발생 장치에서 사각파동 맥동류를 얻기 위한 제1 및 제2 회전운동 장치를 나타내는 정면도이다.
도 4를 참조하면, 마이크로채널이 위치하는 기저점으로부터 제1 회전운동 장치의 회전축(3010)까지의 높이는 수학식 7에서 평균 압력차에 해당하는 첫 번째 항의 푸리에 코사인 계수 0.5H 로 결정될 수 있다. 또한, 제1 회전운동 장치의 회전축(3010)과 제2 회전운동 장치의 회전축(3020) 사이의 거리는 수학식 7에서 두 번째 항의 푸리에 코사인 계수 0.6H 로 결정될 수 있다. 나아가, 제2 회전운동 장치의 회전축(3020)으로부터 액체 용기 연결막대(303)까지의 거리는 수학식 7에서 세 번째 항의 푸리에 코사인 계수 0.2H 로 결정될 수 있다. 즉, 전술한 세 거리의 비가 5:6:2가 되도록 회전축(3010), 회전축(3020) 및 액체 용기의 위치를 조절할 수 있다.
또한, 제1 회전운동 장치의 회전축(3010)의 회전 각속도는 수학식 7에서 두 번째 항의 각속도에 해당하는 2π/T일 수 있다. 또한, 제2 회전운동 장치의 회전축(3020)의 회전 각속도는 수학식 7에서 세 번째 항의 각속도에 해당하는 6π/T일 수 있다. 따라서, 회전축(3020)의 회전 각속도는 회전축(3010)의 회전 각속도의 3배로 유지되어야 한다. 그러나, 회전축(3010, 3020)의 회전 각속도는 달성하고자 하는 사각파동의 주기에 따라 상이할 수 있다. 예컨대, 사각파동의 주기를 2배로 늘이기 위하여 코사인 함수의 진동수(즉, 회전축(3010, 3020)의 회전 각속도)를 반으로 줄일 수도 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 맥동류 발생 장치에서 사각파동 맥동류를 얻기 위한 제1 및 제2 회전운동 장치의 초기 위치를 나타내는 정면도이다.
수학식 7에서, 시간 t = 0 일 때 압력차는 0.5H - 0.6H + 0.2H = 0.1H 이다. 이를 설정하기 위해, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 회전운동 장치의 회전축(3010)은 기저점으로부터 0.5H 만큼 윗쪽에 위치(+0.5H)시키고, 제2 회전운동 장치의 회전축(3020)은 제1 회전운동 장치의 회전축(3010)으로부터 수직 하단에 위치(-0.6H)시키며, 액체 용기(304)는 액체 용기 연결막대(303)가 제2 회전운동 장치의 회전축(3020)으로부터 수직 상단에 위치(+0.2H)되도록 위치시킬 수 있다.
이상에서 설명한 위치에서 회전축(3010) 및 회전축(3020)이 각각 회전함에 따라, 기저점으로부터 액체 용기 내에 수용된 액체의 수면까지의 높이가 주기적으로 변화하게 된다. 그 결과, 액체 수면과 기저점에 위치하는 마이크로채널 사이의 압력차는 수학식 7에 의하여 산출되는 사각파동 맥동류 형태로 변화하게 되며, 액체 용기로부터 마이크로채널로 유입되는 액체에 의하여 마이크로채널 내에 사각파동 맥동류가 구현될 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 맥동류 발생 장치에서 삼각파동 맥동류를 얻기 위한 제1 및 제2 회전운동 장치를 나타내는 정면도이다.
도 6을 참조하면, 마이크로채널이 위치하는 기저점으로부터 제1 회전운동 장치의 회전축(3010)까지의 높이는 수학식 11에서 평균 압력차에 해당하는 첫 번째 항의 푸리에 코사인 계수 0.5H 로 결정될 수 있다. 또한, 제1 회전운동 장치의 회전축(3010)과 제2 회전운동 장치의 회전축(3020) 사이의 거리는 수학식 11에서 두 번째 항의 푸리에 코사인 계수 0.4H 로 결정될 수 있다. 나아가, 제2 회전운동 장치의 회전축(3020)으로부터 액체 용기 연결막대(303)까지의 거리는 수학식 11에서 세 번째 항의 푸리에 코사인 계수 0.05H 로 결정될 수 있다. 즉, 즉, 전술한 세 거리의 비가 10:8:1이 되도록 회전축(3010), 회전축(3020) 및 액체 용기의 위치를 조절할 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하여 전술한 사각파동 맥동류의 구현에서와 마찬가지로, 도 6에 도시된 실시예에서도 회전축(3020)의 회전 각속도는 회전축(3010)의 회전 각속도의 3배로 유지될 수 잇다.
도 7은 일 실시예에 따른 맥동류 발생 장치에서 삼각파동 맥동류를 얻기 위한 제1 및 제2 회전운동 장치의 초기 위치를 나타내는 정면도이다.
수학식 11에서, 시간 t=0일 때 압력차는 0.5H + 0.4H + 0.05H = 0.95H 이다. 이를 설정하기 위해, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 회전운동 장치의 회전축(3010)은 기저점으로부터 0.5H 만큼 위쪽에 위치(+0.5H)시키고, 제2 회전운동 장치의 회전축(3020)은 제1 회전운동 장치의 회전축(3010)으로부터 수직 상단에 위치(+0.4H)시키며, 액체 용기(304)는 액체 용기 연결막대(303)가 제2 회전운동 장치의 회전축(3020)으로부터 수직 상단에 위치(+0.05H)되도록 위치시킬 수 있다.
이상에서 설명한 위치에서 회전축(3010) 및 회전축(3020)이 각각 회전함에 따라, 기저점으로부터 액체 용기 내에 수용된 액체의 수면까지의 높이가 주기적으로 변화하게 된다. 그 결과, 액체 수면과 기저점에 위치하는 마이크로채널 사이의 압력차는 수학식 11에 의하여 산출되는 삼각파동 맥동류 형태로 변화하게 되며, 액체 용기로부터 마이크로채널로 유입되는 액체에 의하여 마이크로채널 내에 삼각파동 맥동류가 구현될 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 맥동류 발생 장치의 제1 회전운동 장치의 회전판을 도시하는 정면도이다.
도 8을 참조하면, 제1 회전운동 장치는 회전판(3011)에 형성된 복수 개의 조립점(3012)을 포함할 수 있다. 각각의 조립점(3012)은 회전판(3011)을 관통하여 형성된 홀(hole)의 형태일 수 있다. 수학식 7 또는 11 등에 의하여 주어진 푸리에 코사인 계수의 값은 운전 조건에 따라 상이할 수 있는데, 복수 개의 조립점(3012) 중 하나에 제2 회전운동 장치의 회전축을 결합함으로써 운전 조건에 맞추어 제1 회전운동 장치의 회전축(3011)과 제2 회전운동 장치의 회전축 사이의 거리를 조절할 수 있다.
일 실시예에서, 복수 개의 조립점(3012)은 회전판(3011)의 중심으로부터 주변 방향으로 배열된 하나 이상의 조립점(3012)의 열을 형성할 수 있다. 또한, 이와 같은 조립점(3012)의 열들이 복수 개가 형성될 수도 있다. 예컨대, 40개의 조립점(3012)들이 1번 열로부터 10번 열까지 10개의 열을 형성하며, 각각의 열에는 4개의 조립점(3012)이 포함될 수 있다. 제2 회전운동 장치의 결합 위치를 자유롭게 조절할 수 있도록 하기 위해, 각각의 열들은 회전축(3010)으로부터 상이한 거리에 위치할 수 있다.
예를 들어, 1번 열에서 회전축(3010)에 가장 근접한 조립점(3012)의 중심으로부터 회전축(3010)의 중심까지의 거리(d1)는 약 10 mm이고, 2번 열에서 회전축(3010)에 가장 근접한 조립점(3012)의 중심으로부터 회전축(3010)의 중심까지의 거리(d2)는 약 11 mm일 수 있다. 열 번호가 증가함에 따라 대응되는 거리(d1 내지 d10)를 1 mm씩 증가시킨 결과, 10번 열에서 회전축(3010)에 가장 근접한 조립점(3012)의 중심으로부터 회전축(3010)의 중심까지의 거리(d10)는 약 19 mm일 수 있다. 또한, 동일한 열에서 인접한 조립점(3012)들 사이의 간격은 약 10 mm일 수 있으며, 각 조립점(3012)의 직경(r)은 약 5 mm일 수 있다.
이상과 같이 배열된 조립점(3012) 중의 하나에 제2 회전운동 장치의 회전축(3020; 도 4 또는 도 6)을 연결함으로써, 수학식 7에 기초한 제1 회전운동 장치의 회전축(3010)과 제2 회전운동 장치의 회전축(3020) 사이의 거리 0.6H, 또는 수학식 11에 에 기초한 제1 회전운동 장치의 회전축(3010)과 제2 회전운동 장치의 회전축(3020) 사이의 거리 0.4H 의 값을 1 mm의 정밀도로 구현할 수 있다. 예를 들어, 회전판(3011)에서 회전축(3010)으로부터 23 mm 떨어진 곳에 제2 회전운동 장치의 회전축을 위치시키려면, 제2 회전운동 장치의 회전축(3020)을 4번 열 두 번째 조립점(3012)에 끼워 넣으면 된다.
그러나, 도 8을 참조하여 전술한 회전판(3011) 및 조립점(3012)의 배치 형태는 단지 예시적인 것으로서, 회전판(3011)의 반지름, 조립점(3012)의 개수 및 배치 형태 등은 구현하고자 하는 수두차의 범위에 따라 상이하게 결정될 수 있다. 또한, 도 8은 제1 회전운동 장치의 회전판(3011)을 도시하였으나, 도 8에 도시된 구성은 제2 회전운동 장치 또는 다른 추가적인 회전운동 장치의 회전판에도 동일한 방식으로 적용될 수 있다. 제2 회전운동 장치의 회전판(3021; 도 4 또는 도 6)의 반지름 및 이에 형성된 조립점의 개수는 도 8에 도시된 것과 비교하여 크거나 작을 수 있다. 예를 들어, 수학식 7에서 두 번째 항과 세 번째 항의 푸리에 코사인 계수의 비율 A 1:A 2 = 3:1이므로, 이에 기초하여 제2 회전운동 장치의 회전판(3021)의 반지름은 제1 회전운동 장치의 회전판(3011)의 반지름의 1/3이 되도록 제작될 수 있다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 맥동류 발생 장치의 제1 회전운동 장치, 제2 회전운동 장치 및 관련 부재를 도시하는 분해 사시도이다.
도 9를 참조하면, 제1 회전운동 장치의 회전축(3010)은 직경이 약 5 내지 10 mm로서, 회전축(3010)의 한쪽 끝은 회전판(3011)의 중심에 나사못(3017)을 이용하여 고정될 수 있다. 회전축(3010)의 반대쪽 끝은 구동 모터(미도시)에 결속될 수 있다. 제2 회전운동 장치는 회전축(3020)에 결합된 디스크(3023)를 포함할 수 있다. 회전축(3020)의 한쪽 끝은, 제1 회전운동 장치의 회전판(3011)의 조립점들 중 하나를 통과하여, 나사못(3024)에 의해 제2 회전운동 장치의 회전판(3021)에 고정될 수 있다. 회전판(3021)에는 액체 용기가 결합되기 위한 조립점(3022)이 형성될 수 있다.
균형추 디스크(3013)는 회전판(3011)의 조립점들 중 하나를 통과하여 균형추(3014)와 결합될 수 있다. 또한, 벨트장력유지대(3015)는 회전판(311)의 조립점들 중 다른 하나를 통과하여 벨트장력유지대 마개(3016)와 결합될 수 있다. 균형추 디스크(3013) 및 벨트장력유지대(315)는 회전판(3011) 상에서 회전판(3012)의 반대편에 위치할 수 있다.
균형추(3014) 및 균형추 디스크(3013)는 회전판(3011)에 연결된 부재들의 무게 중심을 회전축(3010)에 오도록 설치될 수 있다.　균형추(3014) 및 균형추 디스크(3013)의 무게의 합은, 회전판(3021), 회전축(3020), 및 액체 용기(304)의 무게를 합산한 것보다 클 수 있다. 예컨대, 균형추(3014) 및 균형추 디스크(3013) 무게의 합은 벨트장력유지대(3015), 고무벨트(3018), 회전축(3020), 회전판(3021) 및 액체(300)를 포함한 액체용기(304)의 무게를 합산한 것의 3배 이상일 수도 있다. 이상과 같이 구성된 균형추(3014)는 회전판(3011)의 회전 상태와 무관하게 항상 아래 방향을 향한다. 그 결과, 균형추(3014)와 연결되어 있는 균형추 디스크(3013)는 회전판(3011)에 대해 회전하게 된다. 균형추 디스크(3013)의 상대적인 회전속도는 회전판(3011)의 회전속도와 동일하고, 방향은　반대가 된다.
일 실시예에서, 회전판(3011)의 뒷면(즉, 회전판(3021)의 반대편 표면)에 밀착되어 있는 제2 회전운동 장치의 디스크(3023), 균형추 디스크(3013) 및 벨트장력유지대(3015)의 폭은 모두 동일할 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 균형추 디스크(3013)의 반지름은 디스크(3023)의　반지름의 3배일 수 있다. 또한, 일 실시예에서, 벨트장력유지대(3015)의 반지름은 제2 회전운동 장치의 디스크(3023)의 반지름과 동일 또는 유사할 수 있다.
도 10a는 일 실시예에 따른 맥동류 발생 장치에서 제1 회전운동 장치 및 제2 회전운동 장치의 배면도이다.
도 10a는, 제2 회전운동 장치의 디스크(3023), 균형추 디스크(3013), 및 벨트장력유지대(3015)가 모두 회전판(3011)에 결합된 것을 나타낸다. 디스크(3023), 균형추 디스크(3013), 및 벨트장력유지대(3015)는 고무벨트(3018)에 의하여 서로 연결된다. 회전판(3011)의 회전 상태와 무관하게 균형추가 항상 아래 방향을 향하게 되어 있으므로, 균형추 디스크(3013)의 회전 각속도는 회전판(3011)의 회전 각속도와 동일하다. 일 실시예에서, 균형추 디스크(3013)와 회전축(3020)의 반지름의 비가 3:1이다. 그 결과, 균형추 디스크(3013)가 1회 회전할 때, 고무벨트(3018)를 통해 이에 연결된 디스크(3023) 또는 회전축(3020)은 3회 자전하게 된다. 따라서, 수학식 7 및 수학식 11에 기초하여 결정된, 제1 회전운동 장치와 제2 회전운동 장치의 회전 각속도의 비 1:3을 구현할 수 있다.
벨트장력유지대(3015)는 고무벨트(3018)의 장력을 일정하게 유지하여 균형추 디스크(3013)와 디스크(3023)가 서로 헛돌지 않게 하는 역할을 한다. 벨트장력유지대(3015)의 위치는 균형추 디스크(3013)와 회전축(3020)의 위치에 따라 적절히 결정될 수 있으며, 도면에 도시된 위치에 한정되지 않는다.
도 10b는 일 실시예에 따른 맥동류 발생 장치에서 제2 회전운동 장치의 디스크(3023), 균형추 디스크(3013) 또는 벨트장력유지대(3015)의 측면에 형성된 홈을 나타내는 사시도이다.
도 10b를 참조하면, 도시된 것과 같이 디스크 형상의 부재(1000)는 도 9를 참조하여 전술한 제2 회전운동 장치의 디스크(3023), 균형추 디스크(3013) 또는 벨트장력유지대(3015) 중 어느 하나일 수 있다. 디스크 형상의 부재(1000)의 측면에는 홈(1010)이 형성되며, 홈(1010)은 도 10a를 참조하여 전술한 고무벨트(3018)와 연결되어 고무벨트(3018)가 상기 디스크 형상의 부재(1000)로부터 이탈하지 않도록 하는 역할을 한다. 일 실시예에서, 홈(1010)은 영문자 U자의 형상으로 형성될 수 있다. 또한 일 실시예에서, 홈(1010)의 깊이는 이에 결합될 고무벨트(3018)의 두께와 동일할 수도 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 맥동류 발생 장치에 의해 전진형(forwarding type) 사각파동 맥동류가 구현된 마이크로채널의 시간 경과에 따른 압력차를 나타내는 그래프이다.
도 11에 도시된 결과는, 고분자 재질인 PDMS로 제작되며 폭 약 50 ㎛, 높이 약 250 ㎛, 길이 약 3 cm를 갖는 마이크로채널을 이용하여 측정되었다. 마이크로채널의 수직 위치가 도 4의 기저점의 높이가 된다. 평균 압력차를 결정짓는 기저점과 제1 회전운동 장치의 회전축의 높이 차이는 약 4 cm로 하였다. 수학식 7에 기초하여, 제1 회전운동 장치의 회전축과 제2 회전운동 장치의 회전축 사이의 거리는 약 4.8 cm가 되도록 하였다. 또한, 제2 회전운동 장치의 회전축과 액체 용기 내의 수면 사이의 거리는 약 1.6 cm로 설정하였다. 액체 용기 내에는 물이 넣어졌으며, 물의 경우 0.98 mbar의 압력차는 1 cm의 수두차에 대응된다.
제1 회전운동 장치의 회전축은 전기 모터축과 수평으로 연결하였다. 제1 회전운동 장치의 회전축의 회전 진동수는 약 0.5 Hz(또는 30 RPM)으로 설정하였다. 마이크로채널의 양 끝은 유입 및 유출 튜빙과 연결되어 있고, 액체 용기는 이들 튜빙보다 내경이 크고 유연한 액체 용기 튜빙이 체결되어 있다. 상기 마이크로채널 튜빙과 액체 용기 튜빙은 전자식 압력계의 연결티(tee)에 각각 연결되었고, 마이크로채널에 인가되는 압력을 압력계를 통해 측정하되, 압력계를 컴퓨터로 연결하여 액체 용기가 회전운동을 하는 동안의 압력차 변화를 실시간으로 기록할 수 있게 하였다.
도 11에서 실선 그래프(1100)는 전술한 실험 조건에 의하여 얻어진 압력차를 나타내며, 점선 그래프(1110)는 이상적인 사각파동을 나타낸다. 도시되는 바와 같이, 실시예에 의하여 얻어진 압력차가 이상적인 사각파동과 근접한다. 또한, 실시예에 의하여 얻어진 압력차가 6초 동안 3번 계단변화(step change)하는 것은 진동수가 0.5 Hz임을 나타낸다. 이는 제1 및 제2 회전운동 장치의 회전판, 튜빙 등의 운동에 기인한 마찰 손실이나 관성에 따른 시간 지연(time lag)이 거의 없음을 의미한다.
도 12는 일 실시예에 따른 맥동류 발생 장치에 의해 전진형 삼각파동 맥동류가 구현된 마이크로채널의 시간 경과에 따른 압력차를 나타내는 그래프이다.
도 12에 도시된 결과는 도 11을 참조하여 전술한 것과 동일한 마이크로채널을 이용하여 얻어졌다. 또한, 평균압력차는 도 11을 참조하여 전술한 실험 조건의 3배로, 진폭과 주기는 도 11을 참조하여 전술한 것과 동일한 값으로 설정하였다. 기저점과 제1 회전운동 장치의 회전축 사이의 높이 차이는 약 12 cm로 설정하였다. 또한, 수학식 7에 기초하여 제1 회전운동 장치의 회전축과 제2 회전운동 장치의 회전축 사이의 거리는 약 9.6 cm가 되도록 설정하였고, 제2 회전운동 장치의 회전축과 액체 용기 내의 수면 사이의 거리는 약 1.2 cm로 설정하였다.
도 12에서 실선 그래프(1200)는 전술한 실험 조건에 의하여 얻어진 압력차를 나타내며, 점선 그래프(1210)는 이상적인 삼각파동을 나타낸다. 도시되는 바와 같이, 일 실시예에 따라 얻어지는 압력차가 이상적인 삼각파동과 거의 일치하는 것을 확인할 수 있다
이상에서 설명한 실시예들에 따른 맥동류 발생 장치 및 방법을 이용하면, 상호 연관된 두 회전축 간의 거리비를 조절함으로써 구현되는 맥동류의 파형을 사각파동 및 삼각파동 등으로 조절할 수 있으며, 두 회전축의 회전 각속도 및 두 회전축 간의 거리 등을 조절하여 파동함수 맥동류의 주기와 진폭을 각각 조절할 수 있다. 또한, 두 회전축 중 모터에 결합된 회전축과 마이크로채널의 높이차를 조절함으로써 맥동류의 평균 압력차를 변화시킬 수 있고, 전진형 및 전후진 제자리형의 두 가지 맥동류 유형을 구현할 수 있다. 실시예들에 따른 맥동류 발생 장치는 구성이 비교적 단순하고 저렴한 제작 비용으로도 상당히 정밀한 결과를 도출할 수 있어, 미세유체공학 분야에 유용한 장치로서 활용될 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (27)

  1. 마이크로채널로부터 제1 높이에 위치하는 제1 회전축을 중심으로 회전하는 제1 회전운동 장치;
    상기 제1 회전운동 장치에 연결되어, 상기 제1 높이와 상이한 제2 높이에 위치하는 제2 회전축을 중심으로 회전하는 제2 회전운동 장치; 및
    상기 제2 회전운동 장치에 연결되며, 상기 마이크로채널에 공급하기 위한 액체를 수용하도록 구성된 액체 용기를 포함하되,
    상기 제1 회전운동 장치 및 상기 제2 회전운동 장치가 회전하면서 상기 마이크로채널에 인가되는 액체의 압력이 주기적으로 변화하는 것을 이용하여, 상기 액체 용기로부터 공급된 액체에 의해 상기 마이크로채널 내에 맥동류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 회전운동 장치의 회전 각속도 및 상기 제2 회전운동 장치의 회전 각속도의 비율은, 맥동류에 대응되는 푸리에 코사인 급수의 항들에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 회전운동 장치는 제1 각속도로 회전하도록 구성되며,
    상기 제2 회전운동 장치는 제2 각속도로 회전하도록 구성되고,
    상기 제2 각속도는 상기 제1 각속도의 3배인 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 높이, 상기 제1 회전축과 상기 제2 회전축 사이의 거리, 및 상기 제2 회전축으로부터 상기 액체 용기 내의 액체의 수면까지의 거리의 비율은, 맥동류에 대응되는 푸리에 코사인 급수의 항들에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제1 높이, 상기 제1 회전축과 상기 제2 회전축 사이의 거리, 및 상기 제2 회전축으로부터 상기 액체 용기 내의 액체의 수면까지의 거리의 비는 5:6:2인 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 제1 높이, 상기 제1 회전축과 상기 제2 회전축 사이의 거리, 및 상기 제2 회전축으로부터 상기 액체 용기 내의 액체의 수면까지의 거리의 비는 10:8:1인 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 회전운동 장치는, 상기 제1 회전축에 직각으로 결합된 제1 회전판을 포함하며, 상기 제2 회전축은 상기 제1 회전판에 직각으로 결합되고,
    상기 제2 회전운동 장치는, 상기 제2 회전축 및 상기 액체 용기에 결합된 제2 회전판을 포함하는 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 회전판은, 상기 제1 회전축으로부터 서로 상이한 거리에 위치하는 복수 개의 조립점을 포함하되,
    상기 제2 회전축은 상기 복수 개의 조립점 중 어느 하나에 결합되는 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 복수 개의 조립점은, 상기 제1 회전판의 중심으로부터 주변 방향으로 배열된 하나 이상의 조립점의 열을 형성하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 장치.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 제2 회전판은, 상기 제2 회전축으로부터 서로 상이한 거리에 위치하는 복수 개의 조립점을 포함하되,
    상기 액체 용기는 상기 복수 개의 조립점 중 어느 하나에 결합되는 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 장치.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 회전판에 결합된 균형추;
    상기 제1 회전판을 통하여 상기 균형추와 연결되며, 상기 제1 회전판이 회전하면 상기 균형추의 무게 중심으로 인하여 상기 제1 회전판에 대해 상대적으로 회전하도록 구성된 균형추 디스크;
    상기 균형추 디스크와 상기 제2 회전축 사이에 연결되며, 상기 균형추 디스크의 회전에 의해 상기 제2 회전축을 회전시키는 고무벨트; 및
    상기 고무벨트의 장력을 유지하도록 상기 제1 회전판에 결합된 벨트장력유지대를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 균형추 디스크의 직경은, 상기 제2 회전축이 상기 고무벨트에 연결된 디스크의 직경의 3배인 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 장치.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 균형추 및 상기 균형추 디스크의 무게의 합은, 상기 제2 회전판, 상기 제2 회전축, 및 상기 액체 용기의 무게를 합산한 것보다 큰 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 장치.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 액체 용기 및 상기 마이크로채널 사이에 연결되어 액체를 운반하도록 구성된 튜빙을 더 포함하며,
    상기 튜빙의 단면적은 상기 마이크로채널의 단면적에 비해 큰 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 장치.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 액체 용기 및 상기 마이크로채널 사이에 연결되어, 상기 마이크로채널 내의 압력 변화를 측정하도록 구성된 압력계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 장치.
  16. 마이크로채널로부터 제1 높이에 위치하는 제1 회전축을 중심으로 제1 회전운동 장치를 회전시키는 단계;
    상기 제1 높이와 상이한 제2 높이에 위치하는 제2 회전축을 중심으로, 상기 제1 회전운동 장치 및 액체가 수용된 액체 용기와 연결된 제2 회전운동 장치를 회전시키는 단계; 및
    상기 제1 회전운동 장치 및 상기 제2 회전운동 장치가 회전하는 동안 상기 액체 용기로부터 상기 마이크로채널에 액체를 공급함으로써, 상기 마이크로채널에 인가되는 액체의 주기적 압력 변화에 의해 상기 마이크로채널 내에 맥동류를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 제1 회전운동 장치의 회전 각속도 및 상기 제2 회전운동 장치의 회전 각속도의 비율은, 맥동류에 대응되는 푸리에 코사인 급수의 항들에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 제1 회전운동 장치를 회전시키는 단계는, 상기 제1 회전운동 장치를 제1 각속도로 회전하시키는 단계를 포함하며,
    상기 제2 회전운동 장치를 회전시키는 단계는, 상기 제2 회전운동 장치를 상기 제1 각속도의 3배인 제2 각속도로 회전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 방법.
  19. 제 16항에 있어서,
    상기 제1 높이, 상기 제1 회전축과 상기 제2 회전축 사이의 거리, 및 상기 제2 회전축으로부터 상기 액체 용기 내의 액체의 수면까지의 거리의 비율은, 맥동류에 대응되는 푸리에 코사인 급수의 항들에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 제1 높이, 상기 제1 회전축과 상기 제2 회전축 사이의 거리, 및 상기 제2 회전축으로부터 상기 액체 용기 내의 액체의 수면까지의 거리 중 하나 이상을 조절함으로써, 발생되는 맥동류를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 맥동류를 제어하는 단계는, 상기 맥동류의 주기, 진폭, 평균 압력차 및 파형 중 하나 이상을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 방법.
  22. 제 19항에 있어서,
    상기 제1 높이, 상기 제1 회전축과 상기 제2 회전축 사이의 거리, 및 상기 제2 회전축으로부터 상기 액체 용기 내의 액체의 수면까지의 거리의 비는 5:6:2이며,
    상기 맥동류를 발생시키는 단계는 사각파동 맥동류를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 방법.
  23. 제 22항에 있어서,
    상기 제1 회전운동 장치 및 상기 제2 회전운동 장치는, 상기 제1 회전축이 기저점의 수직 상단에 위치하며, 상기 제2 회전축은 상기 제1 회전축의 수직 하단에 위치하고, 상기 액체 용기는 액체의 수면이 상기 제2 회전축의 수직 상단에 위치되도록 위치하는 초기 위치로부터 회전되는 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 방법.
  24. 제 19항에 있어서,
    상기 제1 높이, 상기 제1 회전축과 상기 제2 회전축 사이의 거리, 및 상기 제2 회전축으로부터 상기 액체 용기 내의 액체의 수면까지의 거리의 비는 10:8:1이며,
    상기 맥동류를 발생시키는 단계는 삼각파동 맥동류를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 방법.
  25. 제 24항에 있어서,
    상기 제1 회전운동 장치 및 상기 제2 회전운동 장치는, 상기 제1 회전축이 기저점의 수직 상단에 위치하며, 상기 제2 회전축이 상기 제1 회전축의 수직 상단에 위치하고, 상기 액체 용기는 액체의 수면이 상기 제2 회전축으로부터 수직 상단에 위치하도록 위치되는 초기 위치로부터 회전하는 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 방법.
  26. 제 16항에 있어서,
    상기 제2 회전운동 장치를 회전시키는 단계는,
    상기 제1 회전운동 장치에 결합되며 상기 제1 회전운동 장치를 통해 균형추와 연결된 균형추 디스크를, 상기 제2 회전축과 고무벨트를 통해 연결하는 단계;
    상기 제1 회전운동 장치에 결합된 벨트장력유지대에 의해 상기 고무벨트의 장력을 유지시키는 단계;
    상기 제1 회전판이 회전하는 동안, 상기 균형추의 무게 중심에 의해 상기 균형추 디스크를 상기 제1 회전판에 대해 상대적으로 회전시키는 단계; 및
    상기 균형추 디스크의 회전에 의해 상기 제2 회전축을 회전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 방법.
  27. 제 16항에 있어서,
    상기 액체 용기 및 상기 마이크로채널 사이에 연결된 압력계를 이용하여, 상기 마이크로채널 내의 압력 변화를 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 맥동류 발생 방법.
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