KR101353501B1

KR101353501B1 - 입자 분리 장치

Info

Publication number: KR101353501B1
Application number: KR1020110101985A
Authority: KR
Inventors: 공성호; 이준규
Original assignee: 경북대학교 산학협력단
Priority date: 2011-10-06
Filing date: 2011-10-06
Publication date: 2014-01-24
Also published as: KR20130037534A

Abstract

본 발명의 일실시예에 의하면 서로 다른 전기적 극성 중 어느 하나의 극성과 전기적으로 도통되는 복수의 제1전극층, 복수의 제1전극층의 일측에 형성되는 절연층, 극성 중 다른 극성과 전기적으로 도통되는 제2전극층, 절연층과 제2전극층 사이에 위치하는 액적, 액적과 섞이지 않고 액적의 이동에 따라 분리되는 입자, 입자를 분리하는 가지채널 그리고 가지채널의 일측에 배치된 밸브를 포함하며, 전압의 인가에 따라 액적의 젖음성이 변하는 액적의 젖음성 변화 장치가 제공된다.

Description

입자 분리 장치{Separating device of particle}

본 발명은 입자 분리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액적의 젖음성 변화 장치를 이용한 미세입자 분리 장치에 관한 것이다.

재료표면의 젖음성(wetting properties)은 재료표면의 화학조성 또는 기하학적 구조에 달려있다. 일반적으로 재료의 표면 젖음성은 액적(droplet)의 접촉각을 측정하여 결정될 수 있다. 액적의 접촉각에 따라 표면의 친수성, 소수성이 결정된다. 예를 들어 유리는 물과의 접촉각이 5도 내지 25도의 범위 내로서 그 표면은 친수성이고, 반면에 폴리디메틸실록산은 물과의 접촉각이 109도로서 그 표면은 소수성이다.

한편, 재료 표면의 화학적 또는 물리적 성질을 변형하여 젖음성을 변화시킬 수도 있다. 일예로 표면을 거칠게 하면 표면의 소수성 또는 친수성을 크게 향상시킬 수 있다. 이러한 표면 젖음성으로 인해 종종 복잡한 장비들이 필요하고 견본 크기가 불필요하게 제한을 받게 되어 문제이다.

하기 X선 유도 젖음성 개질방법에 관한 특허문헌은 무기물의 표면의 젖음성을 개질하기 위한 방법에 관한 발명이다. 이러한 특허문헌은 무기물의 표면 젖음성을 개질하기 위하여 X선을 무기물 표면에 조사하여 광전자 방출로부터 얻어진 표면 전하로 무기물의 표면을 대전시킨다. 이러한 유도 젖음성 개질방법은 X선을 이용하는 방법으로서 별도의 장치구성이 필요하고 구조가 복잡하다.

대한민국 공개특허공보 제10-2010-0060460

본 발명의 일실시예는 액적의 젖음성을 변화시켜 액적을 이동시키고 액적이동에 의해 함께 움직이는 미세입자를 분리할 수 있도록 하는 장치를 제공한다.

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본 발명의 일 양상에 의한 입자분리장치는 이격되어 구비되는 복수의 제1전극층, 상기 복수의 제1전극층의 일측에 형성되는 절연층, 및 상기 절연층과 이격되어 배치되는 제2전극층을 포함하는 유체채널; 상기 유체채널의 측면에 연결된 가지채널; 그리고, 상기 유체채널과 상기 가지채널 사이에 배치된 밸브를 포함하며, 상기 유체채널은, 상기 제1전극층 및 제2전극층 사이에 인가되는 전압을 스위칭함에 따라 상기 절연층과 상기 제2전극층 사이에 위치하는 액적을 순환시키도록 구성되고, 상기 액적에 의해 밀려져서 상기 유체채널을 따라 순환한 입자들은 상기 밸브가 개방됨에 따라 상기 가지채널로 유입되어 질량에 따라 분리되는 것을 특징으로 한다.

삭제

상기 전압의 크기 또는 스위칭 속도에 따라 상기 액적이 일측으로 이동할 수 있다.

삭제

상기 유체채널을 원형으로 형성함으로써 원심력에 의해 상기 입자를 질량에 따라 분리할 수 있다.

상기 가지채널은 상기 액적의 이동에 따라 회전하면서 질량에 따라 분리된 입자가 유입되도록 상기 입자의 크기에 상응하는 직경을 가질 수 있다.

상기 밸브는 분리하고자 하는 입자의 크기에 따라 개폐정도가 결정될 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 의한 입자 분리 방법은 상기 입자 분리 장치를 이용하여 액적에 포함된 입자를 분리하는 입자 분리 방법으로서, 상기 유체채널에 상기 액적과 상기 입자들을 주입한 후, 상기 복수의 제1전극에 인가되는 전압을 스위칭하여 상기 액적을 상기 유체채널을 따라 순환시킴으로써 상기 입자들을 질량에 따라 분리하는 단계; 그리고 상기 밸브를 열어, 상기 액적에 의해 밀려져서 상기 유체채널을 따라 순환한 입자들을 상기 가지채널로 유입시켜 상기 입자들을 입자의 질량에 따라 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예들은 다음에 열거된 효과들 중 적어도 하나 이상을 나타낸다.

첫째, 전기습윤 플랫폼을 이용하여 액적을 구동시키므로 소비전력이 작다

둘째, 나노 리터 또는 마이크로 리터의 액적 내의 미세입자 분리가 고속으로 가능하다.

셋째, MEMS 기술을 이용하여 초소형 제작이 가능하다.

넷째, 다른 미세 유체소자들과 결합하여 랩온칩(Lab-on-a chip) 구현이 용이하다.

다섯째, 다양한 입자가 섞인 물질에서 특정입자를 분리할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 젖음성 변화 장치의 개념을 나타낸 개념도이다
도 2는 본 발명에 따른 젖음성 변화 장치의 구조를 나타낸 단면도이다
도 3은 도 2를 위에서 내려다 본 도면이다
도 4는 구동전압에 따른 액적의 회전속도를 나타낸 도면이다
도 5는 구동전압에 따른 입자층 형성(분리) 소요시간을 나타낸 도면이다
도 6은 액적의 구동 전압에 따른 입자분리 소요시간을 나타낸 도면이다
도 7은 액적의 구동시간에 따른 마이크로 입자의 여과율을 나타낸 도면이다
도 8은 본 발명에 따른 미세입자 분리 장치의 동작 원리를 나타낸 도면이다
도 9는 본 발명에 따른 미세입자의 질량에 따른 원심력의 크기를 나타낸 도면이다.

실시예들은 여러 가지 다른 형태들로 구체화되어질 수 있고, 여기에서 설명되는 양태들로 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 오히려, 상기 양태들은 실시예들을 더욱 철저하고 완전하게 되도록 해주며, 당업자에게 실시예들의 영역을 충분히 전달할 수 있도록 해준다. 단지 이러한 용어들은 어떤 구성 요소로부터 다른 구성 요소를 구별하기 위해서 사용되어질 뿐이다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한 명세서에 기재된 "...부", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.

이하, 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 대해서 설명한다.

먼저 본 발명의 일 양상인 액적의 젖음성 변화장치에 대해서 살펴본다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 액적의 젖음성 변화 장치는 전극층(100) 및 절연층(200)으로 구성되는 전기습윤(electro wetting) 플랫폼과 액적(300) 및 액적(300)의 이동에 따라 이에 상응하여 이동하는 입자(310)로 구성된다. 이때 전극(10)에 의해 생성된 전압을 액적(300)에 인가하면 액적(300)의 젖음성이 변화되며 액적(300)을 일측 방향으로 이동시키게 되며 따라서 입자(310)도 움직인다. 이하 도 2 내지 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 젖음성 변화 장치의 구성을 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명에서 정의되는 젖음성은 액적이 퍼지기 쉬운 정도를 나타낸 것으로서, 도 1에 도시된 바와 같이 초기 접촉각(θ)이 클수록 액적이 덜 퍼지는 것을 나타낸다.

본 발명의 실시예에 따른 전극(10)은 전기적으로 서로 다른 극성을 형성한다. 일측에는 (+)극이 형성되며, 타측에는 -극이 형성된다. 이때 도 1에서와 같이 +전극은 전극층(100)에 연결되며, (-)전극은 액적(300)에 접촉되어 전압의 인가에 따라 액적의 젖음성을 변화시킨다. 예를 들어 인가되는 전압은 교류전압일 수 있으나 여기에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 실시예에 따른 제1전극층(100a)은 도 2에 도시된 바와 같이 전극길이 'L'로서 간격 d만큼 이격되어 복수로 구비된다. 서로 이격되어 구비된 제1전극층(100a)은 전극(10)의 +극과 전기적으로 연결된다. 이때 제1전극층(100a)은 Au/Cr, Ni/Cr(Cr은 Au, Ni 금속과 유리 사이의 접착층으로 사용됨) 등의 금속 박막층으로 형성될 수 있으나 여기에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 일 실시예에서는 제1전극층의 두께를 대략 0.1 내지 0.5μm로 하고, 전극 간격(d)을 5 내지 50μm로 하였다.

본 발명에 따른 절연층(200)은 제1전극층(100a)의 상측면에 형성된다. 절연층(200)은 유전상수 및 절연강도가 양호하면서 박막 두께를 정량적으로 조절하기 용이한 테프론 AF1600, Parylene C 등의 유기박막 또는 SiO₂, Si₃N₄ 등의 무기박막을 제1전극층(100a) 위에 증착(코팅)하여 형성한다. 형성되는 절연막의 두께는 대략 Parylene의 경우 1μm이다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이 전극층(100)을 복수로 구비함으로써 인가 전압의 스위칭에 따라 액적(300)이 오른쪽 방향으로 이동하게 된다. 또한, 인가 전압의 크기 및 인가 전압 스위칭 속도에 따라 액적의 이동속도를 조절할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 소수막(400)은 절연층(200)의 상측면에 형성되는 제1소수막(410)과 후술하는 제2전극층(100b)의 하측면에 형성되는 제2소수막(420)으로 구성된다. 이러한 소수막(400)은 액적의 초기 접촉각(θ)을 크게 하도록 하기 위해 불소수지(테프론 AF1600 또는 Cytop)를 약 20nm 두께로 코팅하여 형성한다.

본 발명의 실시예에 따른 액적(300)은 제1소수막(410)과 제2소수막(420) 사이에 위치하여 전압의 인가에 따라 일측으로 이동한다. 액적(300)은 전도성 액체로서 1mM 농도의 전해액(LiCl, KCl, MgCl₂)을 본 발명의 일 실시예에서는 사용하였으며, 절연액(Silicone oil) 또는 공기가 전해액 방울을 둘러싸고 있다. 절연액을 사용하는 이유는 전해액 방울이 이동시 작은 전해액 방울이 떨어져 남는 것을 방지하는데 도움을 주며 전해액의 큰 초기 접촉각을 형성함에 유리하기 때문이다.

전해액 액적의 양은 패터닝된 제1전극층의 크기(L)와 제1,2소수막 간의 간격(h)에 의해 결정되며, 액적의 크기가 작을수록 같은 전압에 큰 각속도를 얻을 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 간격(h)이 대략 50μm이고, 약 0.5 내지 1μL의 액적을 주입하였다.

본 발명의 실시예에 따른 입자(310)는 대략 마이크로 또는 나노 크기의 입자로서 소수성이다. 따라서 액적(300)과 같이 섞일 수 없으므로 액적(300)이 이동하는 방향의 전면에 분리하고자 하는 미세입자를 둔다. 따라서 액적(300)이 전압의 인가에 따라 이동하는 경우 액적(300)이 미세입자를 밀게 됨으로써 미세입자도 같이 이동하게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 제2전극층(100b)은 접지전극으로서 제2소수막(420)의 상측면에 형성된다. 제2전극층(100b) 상측면에는 유리기판(20b)이 형성되어 있다. 제2전극층(100b)은 ITO 같은 투명전극으로 형성될 수 있으나 ITO에 한정되는 것은 아니다.

도 4에는 구동전압에 따른 액적의 회전속도가 도시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 상술한 본 발명의 일 실시예에 따라 실험한 결과 60볼트의 전압을 인가한 경우 최대 약 100mm/s의 액적 이동속도를 얻을 수 있으며, 이때 약 380rpm의 단위 시간당 회전수를 얻을 수 있었다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이 서로 다른 크기를 가진 미세입자를 분리하는 시간은 구동전압이 증가할수록 급격히 감소되나 60볼트 이상의 전압에서는 절연층 파괴가 발생하므로 60볼트로 구동전압을 인가하는 것이 바람직하다.

도 6에 도시된 바와 같이 입자의 여과율 또는 여과속도는 액적의 이동속도에 비례하는 경향을 보이며, 도 7에 도시된 바와 같이 동일한 구동전압(60볼트)에서 액적 구동시간(회전수)에 따른 입자 여과율은 액적 구동시간에 따라 감소함을 알 수 있다. 다만 시간에 따라 입자 여과율의 증가 속도는 서서히 증가함을 알 수 있다.

이상 본 발명의 일 양상인 액적의 젖음성 변화장치에 대한 설명이다.

이하 본 발명의 다른 양상인 미세입자 분리장치에 대해서 설명한다.

도 8에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 미세입자 분리 장치는 제1,2전극층(100a,100b) 및 절연층(200)으로 구비된 유체채널(500)을 포함한다. 유체채널(500)에는 서로 다른 크기의 입자(310)를 포함하는 액적(300)이 투입되며, 액적이(300) 전압의 인가에 따라 일측 방향으로 이동함으로써 미세입자를 크기별로 분리한다.

본 발명에 따른 유체채널(500)은 도 8에 도시된 바와 같이 후술하는 가지채널(600)을 포함하는 의미를 가지나 본 발명의 일 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 가지채널(600)과 분리하여 설명한다. 이러한 유체채널(500)은 원형으로 구비하는 것이 바람직하며 도 2에 도시된 유리기판(20a,20b), 전극층(100), 절연막(200), 및 소수막(400)으로 구성된다. 소수막(400) 사이에 구비된 액적(300)이 전압의 인가에 따라 도 8에 도시된 유체채널을 회전함으로써 미세입자가 분리된다.

미세입자가 분리되는 방식을 좀 더 자세히 설명하면, 먼저 유입구(inlet)를 통해 액적(300) 및 입자(310)가 유체채널 내로 주입된다. 이때 액적(300)의 이동에 의해 입자(310)가 이동함으로 입자(310)의 위치는 액적(300)이 이동하는 방향의 전면에 위치하는 것이 바람직하다. 전압의 인가에 따라 액적(300)이 이동하면 이동 방향(전면)에 놓인 분리하고자 하는 입자(310)도 이동하며 따라서 원형인 유체채널을 따라 입자가 회전을 하게 된다. 도면에서는 시계방향으로 입자가 회전을 한다. 액적의 회전으로 입자의 회전을 하게 되고, 원심력에 의해서 미세입자가 질량별로 분리된다. 예를 들어, 입자의 회전 중심으로부터 질량이 작은 입자부터 큰 입자 순으로 하여 미세입자가 층을 이루어서 분리될 수 있다. 즉, 미세입자가 질량별로 재배치된다. 이때 가지채널(600)의 직경에 상당하는 미세입자(310)가 액적(300)에 의해서 회전하면서 가지채널(600)로 유입되어 (참조번호 301' 참조) 분리되게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 가지채널(600)은 유체채널의 일측에 형성된다. 본 발명의 일실시예에서는 유체채널(500)과 동일한 구성을 나타낼 수 있다. 도면에서는 입자의 회전중심에 가까운 유체채널(500)의 측면에 형성된다. 회전중심에 상대적으로 질량이 작은 입자가 위치하기 때문에 즉, 입자가 회전하면 원심력에 의해서 회전 중심에서 가까운 쪽에는 질량이 작은 입자가 먼 쪽에는 질량이 큰 입자가 회전을 하게 되기 때문에, 가지채널(600) 가까이에서 회전하는 상대적으로 작은 입자가 액적의 회전운동에 기인하여 가지채널(600)로 유입되어 분리될 수 있다. 한편, 가지채널(600)이 회전중심에서 먼 유체채널의 측면에 형성될 경우, 상대적으로 회전중심에서 먼곳에서 회전하는 큰 입자가 액적의 회전운동에 기인하여 가지채널로 유입되어 분리될 수 있다.

한편, 입자의 회전에 의해서 입자가 질량별로 또는 크기별로 분리되지 않더라도, 가지채널의 직경을 조절하면, 예를 들어 가지체널의 직경을 작게하여, 일정 직경 이하의 입자만이 회전하면서 가지채널로 유입되도록 할 수 있다.

가지채널(600)의 직경은 분리하고자 하는 미세입자의 크기에 따라 정해지며, 미세입자의 크기가 서로 다른 2개인 경우에는 하나의 가지채널을 구비함으로써 서로 다른 크기별로 분리할 수 있다. 그러나 분리하고자 하는 미세입자의 크기가 3개 이상인 경우에는 필요에 따라 가지채널 수를 더 구비할 수도 있으나 가지채널의 구비는 그 만큼 장치의 부피를 키우는 요인이 될 수 있으며, 복잡한 구성을 필요로 한다. 따라서 본 발명의 일실시예에 따른 입자분리장치는 도8에 도시된 바와 같이 가지채널과 유체채널의 연결부에 입구개폐를 위한 밸브를 더 포함한다. 하나의 가지채널로 3개 이상의 입자가 섞여 있는 물질에서 특정 입자를 분리할 때 밸브의 개폐여부 및 개폐정도를 조절하여 3개 이상의 입자를 분리할 수 있다.

다만 도8과 같이 가지채널을 2개 구비하고 있는 경우에는 보다 신속하게 다양한 크기의 입자를 분리할 수 있다. 이때 더 추가되는 가지채널의 직경은 분리하고자 하는 미세입자의 크기를 고려하여 정할 수 있다. 이러한 가지채널(600)은 유체채널(500) 기준으로 내부에 있을 수도 있고 외부에 있을 수도 있다.

도 9에는 미세입자가 받는 원심력을 도시하였다. 질량(m)이 작은 입자는 이보다 더 큰 질량(M)에 비해 원심력이 작다. 따라서 작은 질량(m)의 입자는 원의 중심 쪽에 가깝게 분리되고, 큰 질량(M)의 입자는 작은 질량(m)의 입자보다 원의 중심에서 멀어져 원심분리될 수 있음을 알 수 있다.

상술한 액적 젖음성 변화 장치 및 미세입자 분리 장치는 MEMS 기술을 이용하여 초소형으로 제작이 가능하며, 따라서 랩온칩(Lab-on-a chip) 소자를 구현할 수 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시 예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

10 전극 20a, 20b 유리기판
100 전극층 100a 제1전극층
100b 제2전극층 200 절연층
300 액적 310 입자
310' 분리된 입자 400 소수막
410 제1소수막 420 제2소수막
500 유체채널 600 가지채널
610 밸브

Claims

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이격되어 구비되는 복수의 제1전극층, 상기 복수의 제1전극층의 일측에 형성되는 절연층, 및 상기 절연층과 이격되어 배치되는 제2전극층을 포함하는 유체채널;
상기 유체채널의 측면에 연결된 가지채널; 그리고,
상기 유체채널과 상기 가지채널 사이에 배치된 밸브를 포함하며,
상기 유체채널은, 상기 제1전극층 및 제2전극층 사이에 인가되는 전압을 스위칭함에 따라 상기 절연층과 상기 제2전극층 사이에 위치하는 액적을 순환시키도록 구성되고,
상기 액적에 의해 밀려져서 상기 유체채널을 따라 순환한 입자들은 상기 밸브가 개방됨에 따라 상기 가지채널로 유입되어 질량에 따라 분리되는 것을 특징으로 하는 입자 분리 장치.
삭제
제7항에 있어서,
상기 전압의 크기 또는 스위칭 속도에 따라 상기 액적이 일측으로 이동하는 것을 특징으로 하는 입자 분리 장치.
삭제
제7항에 있어서,
상기 유체채널을 원형으로 형성함으로써 원심력에 의해 상기 입자를 질량에 따라 분리하는 것을 특징으로 하는 입자 분리 장치.
제7항에 있어서,
상기 가지채널은 상기 액적의 이동에 따라 회전하면서 질량에 따라 분리된 입자가 유입되도록 상기 입자의 크기에 상응하는 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 입자 분리 장치.
제7항 또는 제12항에 있어서,
상기 밸브는 분리하고자 하는 입자의 크기에 따라 개폐정도가 결정되는 것을 특징으로 하는 입자 분리 장치.
제7항, 제9항, 제11항 및 제12항 중 어느 한 항에 기재된 입자 분리 장치를 이용하여 액적에 포함된 입자를 분리하는 입자 분리 방법으로서,
상기 유체채널에 상기 액적과 상기 입자들을 주입한 후, 상기 복수의 제1전극에 인가되는 전압을 스위칭하여 상기 액적을 상기 유체채널을 따라 순환시킴으로써 상기 입자들을 질량에 따라 분리하는 단계; 그리고
상기 밸브를 열어, 상기 액적에 의해 밀려져서 상기 유체채널을 따라 순환한 입자들을 상기 가지채널로 유입시켜 상기 입자들을 입자의 질량에 따라 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 분리 방법.