KR101515403B1 - 갈고리 형상 구조물을 이용한 마이크로유동 혼합채널, 그 제작방법, 및 마이크로 유동 혼합채널을 포함하는 분석시스템 - Google Patents
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Abstract
갈고리 형상 구조물을 이용한 마이크로유동 혼합채널 및 그 제작방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널은, 이종(異種)유체를 공급받아 상기 이종유체를 혼합하는 마이크로 배관을 구비하는 마이크로유동 혼합채널(100)로서, 내부에 유체가 유동할 수 있는 유로(111)를 가지고, 유입구(112)와 배출구(113)를 구비하는 원기둥 형상의 마이크로 배관(110); 및 상기 마이크로 배관(110)의 횡단면상 각 사분면(quadrant)에 순차적으로 교차 배열되어 마이크로 배관(110) 내부로 돌출 형성된 갈고리 형상의 돌기부(120);를 포함하는 것을 구성의 요지로 한다.
Description
본 발명은 마이크로유동 혼합채널 및 그 제작방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마이크로 배관 내부 벽면에 갈고리 형상 구조물을 형성함으로써 이종(異種)유체의 혼합 효율을 향상시킬 수 있는 갈고리 형상 구조물을 이용한 마이크로유동 혼합채널 및 그 제작방법에 관한 것이다.
최근 현장검진(point-of-care diagnostics), 병원균검출, 환경감시 및 신약개발 등의 생의학 연구를 위하여 집적화된 생물학적 분석시스템의 개발에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
그 중에서도 바이오 멤스(Bio MEMS) 또는 바이오나노정보기술(Bio Nano Information Technology, BINT) 등의 나노 바이오(Nano-Bio)기술이 주류를 이루고 있다.
특히, 생체분자 등의 검출에 대한 관심이 지극히 높은 상태인데, 생체분자는 아주 적은 양으로도 인체에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에 이를 검출할 수 있는 센싱 기술은 차세대 나노 바이오 기술의 핵심이라고 할 것이다.
이를 위하여 새로운 형태의 바이오 센서 및 이를 채용한 랩 온어 칩(Lab On a Chip, 이하 LOC)과 마이크로 통합분석 시스템(Micro-Total-Analysis-System)의 개발이 활발하다.
LOC는 말 그대로 생물학, 화학 실험실의 구성 요소를 미세화(scale down)하여 하나의 칩에 구현함으로써 기존의 실험을 하나의 칩에서 수행할 수 있도록 하는 것을 의미하는 것으로, 미소한 하나의 칩 위에 분석을 위해서, 미량의 생체 시료의 채취, 운반, 처리, 측정을 위한 마이크로 유체소자(마이크로 밸브, 마이크로 펌프, 마이크로 채널, 마이크로 필터, 혼합기 등), 항원이나 유전자와 같은 생물분자를 이동 조작하기 위한 바이오 필터, 시료를 분석 감지하기 위한 반응기 및 센서(면역센서, 생화학센서 등), 마이크로 유체 소자를 구동시키기 위한 엑츄에이터, 주변 회로부 등의 소자를 멤스(Micro Electro Mechanical Systems, 이하 MEMS) 공정을 이용하여 집적화시킨 작은 크기의 화학/생물 마이크로 프로세서이다. 즉, 수 cm2 정도 되는 하나의 칩 위에서 생체 시료의 전처리 과정, 운송, 제어, 분석 등을 모두 수행하게 하는 것이다.
복잡한 화학공정을 소형화 및 집적화하여 손 위에서 수행할 수 있는 LOC 개념은 사용되는 값비싼 시료의 양을 줄일 수 있고, 폐기물의 최소화, 소형화에 따른 이동성 및 현장 적응성이 뛰어나다는 점 등에 있어서 현대기술의 커다란 혁명이다.
LOC와 마이크로 통합분석 시스템 등의 초소형 장치는 분석에 필요한 모든 과정들이 하나의 작은 칩 위에서 수행될 수 있도록, 여러 개의 채널이나 미세구조물들을 포함한다. 이와 같은 초소형 장치에서 분석 혹은 생화학 반응을 위해 마이크로 채널에 의해 운반되는 시료와 시약 등의 효과적인 혼합은 필수적이라 할 것이다. 특히 이와 같은 바이오 응용 LOC 분야에서는 소모되는 시료의 양을 최소화시키는 것이 기구의 설계 및 시료의 채취를 고려한 비용 측면에서 매우 중요하다. 또한 LOC 칩 내에서 화학물 간의 반응 시간을 최소화 시키는 기술이 필요하며, 이를 위해 시료간 화학 반응이 활발히 일어날 수 있도록 섞어주기 위한 혼합(mixing) 기술이 요구된다. 즉, 최대한 짧은 유로 길이 내에서 시료 간의 반응이 원활히 일어날 수 있도록 하는 혼합(mixing) 기술이 필요하다.
하지만, 마이크로 단위에서 일어나는 유체 유동은 기존의 매크로 단위에서의 유체 유동과는 매우 다른 독특한 특성을 가지므로, 이를 해결하기 위한 마이크로 유체 유동의 제어 및 혼합은 관련 제품의 성능에 지대한 영향을 주는 매우 중요한 인자이다.
일반적인 유체 유동 시스템의 경우, 유체 내에서 프로펠러를 돌리는 등의 방법으로 레이놀드 수(Reynolds number, 시스템의 크기와 유동특성, 점성효과를 고려하여 나타낼 수 있는 무차원 수로써 다음과 같이 표현된다. Re=(시스템의 특성길이ㅧ유체 밀도ㅧ유체 속도/점성))를 충분히 키워서 난류(turbulent flow)를 유발하는 것이 가능하여, 이를 통해 유체의 혼합을 증진시킬 수 있다.
그러나, 마이크로 유체공학 시스템의 경우, 레이놀드 수가 작아서 난류 형성을 기대할 수 없고 층류(laminar flow)만 형성되므로 확산(diffusion)에 의한 혼합 밖에는 기대할 수 없게 되어, 결과적으로 균일한 유체 혼합물을 얻기가 곤란하다. 대류(convection or advection)에 의한 섞임에 비하여 확산에 의한 유체 혼합은 시간 scale이 매우 느리며 확산 현상이 일어나는 영역도 서로 다른 유체가 맞닿아 있는 계면(interface)에서만 발생하기 때문에 매우 제한적이고 비효율적이다. 이에 채널 내부에서 와류의 생성을 통해 혼합(mixing)을 증대시키는 기술이 요구된다. 일반적으로는 시료의 유입 속도를 증가(Reynolds 수 증가)시켜 시료간의 혼합(mixing)을 촉진시킬 수 있으나, 이는 곧 사용하게 될 시료의 소모량이 증가한다는 것을 의미한다. 언급한 바와 같이 LOC 기반의 바이오 시료의 반응에서는 시료의 소모량을 최소화 시키는 것이 요구된다. 또한 시료의 주입 속도 증가를 통해 Reynolds 수를 수백 이상으로 증가시키게 되면 유로 내 급격한 압력의 상승을 유발하므로, 시료의 유입 자체가 어려워지거나(주입을 위한 특수한 기구의 사용이 불가피) 액체 시료의 leakage가 발생하게 된다. 이러한 점에서 실제 LOC 응용에서는 혼합(mixing)을 위해 Reynolds 수를 수백 이상으로 증가시키는 것이 현실적인 방법은 되지 못한다. 실제 사용되는 환경과 조건을 고려하였을 때, 실제 LOC에 적용 가능한 적절한 Reynolds 수의 영역을 최대 수백 이하(≤200)로 설정해 볼 수 있다.
이러한 저속의 low Reynolds 수 영역에서의 혼합(mixing)을 위한 대책으로 마이크로 채널 내부에 유동발생 수단을 도입한 능동 혼합(active mixing) 방법을 통해 혼합 성능의 향상을 가져오기도 하지만, 이 경우 마이크로 채널 내부의 미세 소량 유체의 누출 가능성과 함께 제조원가의 상승 및 다른 마이크로 장치들과의 통합에 따른 문제점이 따르게 된다.
상기 언급한 마이크로 장치들과는 달리, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 마이크로 채널 내부에 정적인 여러 미세 구조를 도입함으로써 유체가 섞일 수 있게 유도하는 수동 혼합(passive mixing) 방법도 있다.
이 경우, 위의 능동 혼합 방법보다 혼합 성능은 떨어질 수 있으나, 능동 혼합 방법의 많은 문제점들을 해결할 수 있으며, 특히 제조 원가를 크게 낮출 수 있고, 다른 마이크로 장치들과의 통합을 용이하게 하며, 혼합(mixing)을 일어나게 하기 위해 요구되는 추가적인 동력원(power source, 예를 들어, 전류, 전기장, 자기장 등)이 필요 없다는 장점을 가질 수 있다.
이러한 요구에 발맞추어 여러 가지 수동 혼합 방법을 이용한 마이크로유동 혼합채널들이 보고되고 있다.
하지만 기존 기술의 수동 혼합 방법들의 경우, 마이크로 채널 내부에 많은 장애물 또는 분리벽 등을 설치하여 혼합이 이루어지게 하는 방법으로, 큰 압력 손실이 유발되는 단점을 안고 있으며 게다가 복잡한 장애물들을 삽입함에 따라 제조 공정이 복잡하여 지고, 제조 원가가 상승되는 단점을 가지고 있다.
본 발명의 목적은, 마이크로 배관 내부에 흐르는 유체와 마이크로 배관 내부 벽면에 형성된 갈고리 형상 돌기부의 상호 작용을 통해 와류를 형성하도록 함으로써, 일반적인 층류 유동상에서 일어나기 어려운 유동 혼합을 구현할 수 있는 구조의 마이크로유동 혼합채널 및 이를 제작하는 제작방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널은,
이종(異種)유체를 공급받아 상기 이종유체를 혼합하는 마이크로 배관을 구비하는 마이크로유동 혼합채널로서,
내부에 유체가 유동할 수 있는 유로를 가지고, 유입구와 배출구를 구비하는 원기둥 형상의 마이크로 배관; 및
상기 마이크로 배관의 횡단면상 중심점을 기준으로 원주방향으로 균일 각도로 구획한 n 개의 분면에 순차적으로 교차 배열되어 마이크로 배관 내부로 돌출 형성된 갈고리 형상의 돌기부;
를 포함하는 구성일 수 있다.
이 경우, 상기 마이크로 배관(110)의 횡단면 형상의 종횡비(aspect ratio, H1/W1)는, 1.0 내지 1.2 일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 돌기부는,
마이크로 배관 내부 방향으로 만입되어 형성된 몸체부; 및
상기 몸체부로부터 마이크로 배관의 유입구 방향으로 갈고리 형상으로 연장되어 형성된 연장부;
를 포함하는 구성일 수 있다.
이 경우, 상기 몸체부의 만입 깊이(D1) 대비 연장부의 연장 길이(L1)는 1.0 내지 2.0 일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 돌기부는, 원기둥 형상의 마이크로 배관 외부면을 내부 방향으로 가압하여 성형된 구조일 수 있다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널은,
이종(異種)유체를 공급받아 상기 이종유체를 혼합하는 마이크로 배관을 구비하는 마이크로유동 혼합채널로서,
내부에 유체가 유동할 수 있는 유로를 가지고, 유입구와 배출구를 구비하는 다각기둥 형상의 마이크로 배관; 및
상기 마이크로 배관의 횡단면상 중심점을 기준으로 원주방향으로 균일 각도로 구획한 n 개의 분면에 순차적으로 교차 배열되어 마이크로 배관 내부로 돌출 형성된 갈고리 형상의 돌기부;
를 포함하는 구성일 수 있다.
이 경우, 상기 마이크로 배관의 횡단면 형상의 종횡비(aspect ratio, H2/W2)는, 1.0 내지 1.2 일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 돌기부는,
마이크로 배관 내부 방향으로 만입되어 형성된 몸체부; 및
상기 몸체부로부터 마이크로 배관의 유입구 방향으로 갈고리 형상으로 연장되어 형성된 연장부;
를 포함하는 구성일 수 있다.
이 경우, 상기 몸체부의 만입 깊이(D3) 대비 연장부의 연장 길이(L3)는 1.0 내지 2.0 일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 돌기부는, 다각기둥 형상의 마이크로 배관 외부면을 내부 방향으로 가압하여 성형된 구조일 수 있다.
본 발명은 상기 마이크로유동 혼합채널을 제작하는 방법을 제공할 수 있는 바, 본 발명의 일 측면에 따른 마이크로유동 혼합채널 제작방법은,
a) 원기둥 형상 또는 다각기둥 형상의 마이크로 배관을 준비하는 단계;
b) 마이크로 배관을 성형기에 고정시킨 후, 마이크로 배관의 횡단면상 제 1 사분면(1st. quadrant) 위치에 돌기부를 가압하여 성형하는 단계;
c) 마이크로 배관을 성형기에 고정시킨 후, 마이크로 배관의 횡단면상 제 2 사분면(2nd. quadrant) 위치에 돌기부를 가압하여 성형하는 단계;
d) 마이크로 배관을 성형기에 고정시킨 후, 마이크로 배관의 횡단면상 제 3 사분면(3rd. quadrant) 위치에 돌기부를 가압하여 성형하는 단계; 및
e) 마이크로 배관을 성형기에 고정시킨 후, 마이크로 배관의 횡단면상 제 4 사분면(4th. quadrant) 위치에 돌기부를 가압하여 성형하는 단계;
를 포함하는 구성일 수 있다.
이 경우, 상기 b) 단계, c) 단계, d) 단계 및 e) 단계 중 둘 이상의 단계가 동시에 수행될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 마이크로유동 혼합채널 제작방법은,
a) 유입구, 배출구 및 돌기부의 형상을 갖는 금형인서트를 준비하는 금형준비단계;
b) 상기 금형인서트에 폴리머를 몰딩하는 몰딩단계;
c) 상기 몰딩단계에서 몰딩한 폴리머를 취출하는 취출단계;
를 포함하는 구성일 수 있다.
본 발명은 상기 마이크로유동 혼합채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 분석시스템을 제공할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 마이크로유동 혼합채널에 따르면, 마이크로 배관 내부 벽면에 형성된 갈고리 형상의 돌기부를 포함함으로써, 마이크로 배관 내부에 흐르는 이종(異種) 유체와 돌기부의 상호 작용에 의해 일반적인 층류 유동상에서 일어나기 어려운 유동 혼합을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 마이크로유동 혼합채널에 따르면, 추가적인 와류 생성을 위한 구조물의 삽입 없이 유동 혼합을 유발시킴으로써 이종(異種) 유체간의 혼합 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 마이크로유동 혼합채널에 따르면, 마이크로 배관 외부면을 가압하여 성형하는 프레스 성형방법 또는 금형인서트에 몰딩하는 몰딩방법에 의해 제작될 수 있는 간단한 구조이므로, 종래 기술 대비 간소한 제작 공정으로 제작될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 마이크로유동 혼합채널을 구비하는 분석시스템에 따르면, 이종(異種) 유체간의 혼합 효율을 향상시킬 수 있고, 결과적으로, 시표 분석 전처리에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있어 전체적인 분석시간을 단축시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 마이크로유동 혼합채널을 나타내는 사시도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 마이크로유동 혼합채널을 나타내는 사시도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 마이크로유동 혼합채널을 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널을 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 마이크로유동 혼합채널의 투시 평면도이다.
도 6은 도 5의 A - A'선 절단면도이다.
도 7은 도 5의 B - B'선 절단면도이다.
도 8은 도 5의 C - C'선 절단면도이다.
도 9는 도 5의 D - D'선 절단면도이다.
도 10은 도 5의 E1 부분 확대도이다.
도 11은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널을 나타내는 사시도이다.
도 12는 도 11에 도시된 마이크로유동 혼합채널의 투시 평면도이다.
도 13은 도 12의 E2 부분 확대도이다.
도 14는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널을 나타내는 평면 투시도이다.
도 15는 도 14의 F - F'선 절단면도이다.
도 16은 도 14의 E3 부분 확대도이다.
도 17은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널에 유체를 공급한 후, 레이놀즈 수(Reynolds number)의 변경에 따라 변화되는 와도 크기(Vorticity magnitude) 및 헬리시티 크기(Helicity magnitude)를 나타내는 그림이다.
도 18은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널 제작방법을 나타내는 흐름도이다.
도 19는 도 18에 도시된 마이크로유동 혼합채널 제작방법을 나타내는 모식도이다.
도 20은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널 제작방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 마이크로유동 혼합채널을 나타내는 사시도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 마이크로유동 혼합채널을 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널을 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 마이크로유동 혼합채널의 투시 평면도이다.
도 6은 도 5의 A - A'선 절단면도이다.
도 7은 도 5의 B - B'선 절단면도이다.
도 8은 도 5의 C - C'선 절단면도이다.
도 9는 도 5의 D - D'선 절단면도이다.
도 10은 도 5의 E1 부분 확대도이다.
도 11은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널을 나타내는 사시도이다.
도 12는 도 11에 도시된 마이크로유동 혼합채널의 투시 평면도이다.
도 13은 도 12의 E2 부분 확대도이다.
도 14는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널을 나타내는 평면 투시도이다.
도 15는 도 14의 F - F'선 절단면도이다.
도 16은 도 14의 E3 부분 확대도이다.
도 17은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널에 유체를 공급한 후, 레이놀즈 수(Reynolds number)의 변경에 따라 변화되는 와도 크기(Vorticity magnitude) 및 헬리시티 크기(Helicity magnitude)를 나타내는 그림이다.
도 18은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널 제작방법을 나타내는 흐름도이다.
도 19는 도 18에 도시된 마이크로유동 혼합채널 제작방법을 나타내는 모식도이다.
도 20은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널 제작방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하지만 본 발명의 범주가 그것에 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성에 대해서는 그 상세한 설명을 생략하며, 또한 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 소지가 있는 구성에 대해서도 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 4에는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널을 나타내는 사시도가 도시되어 있고, 도 5에는 도 4에 도시된 마이크로유동 혼합채널의 투시 평면도가 도시되어 있다. 또한, 도 6 내지 도 9에는 도 5의 A - A'선, B - B'선, C - C'선 및 D - D'선 절단면도가 각각 도시되어 있다. 또한, 도 10에는 도 5의 E1 부분 확대도가 도시되어 있다.
우선 도 4를 참조하면, 제 1 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널은, 이종(異種)유체를 공급받아 상기 이종유체를 혼합하는 마이크로 배관을 구비하는 마이크로유동 혼합채널(100)로서, 내부에 유체가 유동할 수 있는 유로(111)를 가지는 원기둥 형상의 마이크로 배관(110) 및 마이크로 배관(110) 내부로 돌출 형성된 갈고리 형상의 돌기부(120)를 포함하는 구성일 수 있다.
구체적으로, 마이크로 배관(110)은 유입구(112)와 배출구(113)를 구비하는 원기둥 형상의 배관 구조일 수 있다.
또한, 돌기부(120)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 원기둥 형상의 마이크로 배관(110) 외부면을 내부 방향으로 가압하여 성형된 구조일 수 있다.
따라서, 이러한 구조를 포함하는 본 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널(100)은, 종래 기술 대비 간소한 제작 공정으로 제작될 수 있다.
도 5 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널(100)의 돌기부(120)는, 마이크로 배관(110)의 횡단면상 중심점을 기준으로 원주방향으로 균일 각도로 구획한 n 개의 분면에 순차적으로 교차 배열되어 마이크로 배관 내부로 돌출 형성된 갈고리 형상일 수 있다. 예를들어, 도 5 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 마이크로 배관(110)의 횡단면상 각 사분면(quadrant)에 순차적으로 교차 배열되며, 마이크로 배관(110) 내부로 돌출 형성된 갈고리 형상 구조일 수 있다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 마이크로 배관(110)의 횡단면 형상의 종횡비(aspect ratio, H1/W1)는, 1.0 내지 1.2 임이 바람직하다.
한편, 도 10에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널(100)의 돌기부(120)는, 마이크로 배관(110) 내부 방향으로 만입되어 형성된 몸체부(121), 및 몸체부(121)로부터 마이크로 배관(110)의 유입구(112) 방향으로 갈고리 형상으로 연장되어 형성된 연장부(122)를 포함하는 구성일 수 있다.
이때, 연장부(122)는 몸체부(121)로부터 직선형 경사면(123)을 통해 연장된 구조일 수 있다.
또한, 몸체부(121)의 만입 깊이(D1) 대비 연장부의 연장 길이(L1)는 1.0 내지 2.0 임이 바람직하다.
도 11에는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널을 나타내는 사시도가 도시되어 있고, 도 12에는 도 11에 도시된 마이크로유동 혼합채널의 투시 평면도가 도시되어 있다. 또한, 도 13에는 도 12의 E2 부분 확대도가 도시되어 있다.
우선 도 11을 도 4와 함께 참조하면, 제 2 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널(100')은, 이종(異種)유체를 공급받아 상기 이종유체를 혼합하는 마이크로 배관을 구비하는 마이크로유동 혼합채널(100')로서, 내부에 유체가 유동할 수 있는 유로(111)를 가지는 원기둥 형상의 마이크로 배관(110) 및 마이크로 배관(110) 내부로 돌출 형성된 갈고리 형상의 돌기부(120')를 포함하는 구성일 수 있다.
구체적으로, 제 2 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널(100')은, 제 1 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널(100)과 비교하여 돌기부(120, 120')의 형상이 다른 구조일 수 있다.
더욱 구체적으로, 도 13에 도시된 바와 같이, 제 2 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널(100')의 돌기부(120')는, 마이크로 배관(110) 내부 방향으로 만입되어 형성된 몸체부(121'), 및 몸체부(121')로부터 마이크로 배관(110)의 유입구(112) 방향으로 갈고리 형상으로 연장되어 형성된 연장부(122')를 포함하는 구성일 수 있다.
이때, 연장부(122')는 몸체부(221')로부터 곡선형 경사면(123')을 통해 연장된 구조일 수 있다.
또한, 몸체부(121')의 만입 깊이(D2) 대비 연장부의 연장 길이(L2)는 1.0 내지 2.0 임이 바람직하다.
도 14에는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널을 나타내는 평면 투시도가 도시되어 있고, 도 15에는 도 14의 F - F'선 절단면도가 도시되어 있으며, 도 16에는 도 14의 E3 부분 확대도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 제 3 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널(200)은, 이종(異種)유체를 공급받아 상기 이종유체를 혼합하는 마이크로 배관을 구비하는 마이크로유동 혼합채널(200)로서, 내부에 유체가 유동할 수 있는 유로(211)를 가지는 원기둥 형상의 마이크로 배관(210) 및 마이크로 배관(210) 내부로 돌출 형성된 갈고리 형상의 돌기부(220)를 포함하는 구성일 수 있다.
구체적으로, 마이크로 배관(210)은 유입구(212)와 배출구(213)를 구비하는 다각기둥 형상의 배관 구조일 수 있다.
또한, 돌기부(220)는, 도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, 다각기둥 형상의 마이크로 배관(210) 외부면을 내부 방향으로 가압하여 성형된 구조일 수 있다.
따라서, 이러한 구조를 포함하는 본 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널(100)은, 종래 기술 대비 간소한 제작 공정으로 제작될 수 있다.
도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널(200)의 돌기부(220)는, 마이크로 배관(210)의 횡단면상 각 사분면(quadrant)에 순차적으로 교차 배열되며, 마이크로 배관(210) 내부로 돌출 형성된 갈고리 형상 구조일 수 있다.
또한, 도 15에 도시된 바와 같이, 마이크로 배관(210)의 횡단면 형상의 종횡비(aspect ratio, H2/W2)는, 1.0 내지 1.2 임이 바람직하다.
한편, 도 16에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널(200)의 돌기부(220)는, 마이크로 배관(210) 내부 방향으로 만입되어 형성된 몸체부(221), 및 몸체부(221)로부터 마이크로 배관(210)의 유입구(112) 방향으로 갈고리 형상으로 연장되어 형성된 연장부(222)를 포함하는 구성일 수 있다.
이때, 연장부(222)는 몸체부(221)로부터 직선형 경사면(223)을 통해 연장된 구조일 수 있다.
또한, 몸체부(221)의 만입 깊이(D3) 대비 연장부의 연장 길이(L3)는 1.0 내지 2.0 임이 바람직하다.
도 17에는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널에 유체를 공급한 후, 레이놀즈 수(Reynolds number)의 변경에 따라 변화되는 와도 크기(Vorticity magnitude) 및 헬리시티 크기(Helicity magnitude)를 나타내는 그림이 도시되어 있다.
헬리시티 크기(Helicity magnitude)란, 마이크로유동 혼합채널 내부를 유동하는 유체의 운동하는 방향의 스핀 성분 값의 크기를 말하는 것으로서, 여기에서는 색상으로서 그 상대적 크기를 나타내었다. 즉, 파란색 부분과 빨간색 부분은 서로 운동하는 방향의 스핀 성분 값이 정 반대임을 의미한다.
도 17을 도 12와 함께 참조하면, 레이놀즈 수 값(Re)이 0.6 일 때, 헬리시티 코어(helicity core)가 횡유동 속도(cross-flow velocity)의 코어(core)와 나란히 위치한다. 또한, 헬리시티(helicity) 수치가 높은 영역이 채널 단면 상에서 비교적 적게 나타난다. 레이놀즈 수 값(Re)이 5.04 일 때, 헬리시티 코어(helicity core)의 위치가 기존 위치에서 유동 진행 방향으로 이동하며, 레이놀즈 수 값(Re)이 50에 도달하면 헬리시티 코어(helicity core)의 위치가 주유동방향 속도(streamwise velocity)의 코어(core)와 상대적으로 나란히 위치하게 됨을 알 수 있다.
소용돌이(vorticity)는 마이크로유동 혼합채널 내부 벽면과 장애물을 둘러싸며 주로 형성되며, 레이놀즈 수 값(Re)이 높아질수록 상대적으로 높은 소용돌이(vorticity)가 생성되는 영역이 더욱 넓어진다.
따라서, 본 발명의 마이크로유동 혼합채널에 따르면, 마이크로 배관 내부 벽면에 형성된 갈고리 형상의 돌기부를 포함함으로써, 마이크로 배관 내부에 흐르는 이종(異種) 유체와 돌기부의 상호 작용에 의해 일반적인 층류 유동상에서 일어나기 어려운 유동 혼합을 구현할 수 있다. 또한, 본 발명의 마이크로유동 혼합채널에 따르면, 추가적인 와류 생성을 위한 구조물의 삽입 없이 유동 혼합을 유발시킴으로써 이종(異種) 유체간의 혼합 효율을 향상시킬 수 있다.
도 18에는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널 제작방법을 나타내는 흐름도가 도시되어 있고, 도 19에는 도 18에 도시된 마이크로유동 혼합채널 제작방법을 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널 제작방법(S100)은, a) 원기둥 형상 또는 다각기둥 형상의 마이크로 배관을 준비하는 단계(S110), 및 b) 마이크로 배관을 성형기에 고정시킨 후, 도 19에 도시된 바와 같이 가압부(300)을 이용하여 마이크로 배관의 횡단면상 제 1 사분면(1st. quadrant) 위치에 돌기부를 가압하여 성형하는 단계(S120)를 포함하는 구성일 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널 제작방법(S100)은, c) 마이크로 배관을 성형기에 고정시킨 후, 마이크로 배관의 횡단면상 제 2 사분면(2nd. quadrant) 위치에 돌기부를 가압하여 성형하는 단계(S130), d) 마이크로 배관을 성형기에 고정시킨 후, 마이크로 배관의 횡단면상 제 3 사분면(3rd. quadrant) 위치에 돌기부를 가압하여 성형하는 단계(S140), 및 e) 마이크로 배관을 성형기에 고정시킨 후, 마이크로 배관의 횡단면상 제 4 사분면(4th. quadrant) 위치에 돌기부를 가압하여 성형하는 단계(S150)를 포함하는 구성일 수 있다.
이때, 상기 b) 단계(S120), c) 단계(S130), d) 단계(S140) 및 e) 단계(S150) 중 둘 이상의 단계가 동시에 수행될 수 있다.
도 20에는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널 제작방법을 나타내는 흐름도가 도시되어 있다.
도 20을 참조하면, 본 실시예에 따른 마이크로유동 혼합채널 제작방법(S200)은, a) 유입구, 배출구 및 돌기부의 형상을 갖는 금형인서트를 준비하는 금형준비단계(S210), b) 상기 금형인서트에 폴리머를 몰딩하는 몰딩단계(S220), 및 c) 상기 몰딩단계에서 몰딩한 폴리머를 취출하는 취출단계(S230)를 포함하는 구성일 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 본 발명의 마이크로유동 혼합채널에 따르면, 마이크로 배관 내부 벽면에 형성된 갈고리 형상의 돌기부를 포함함으로써, 마이크로 배관 내부에 흐르는 이종(異種) 유체와 돌기부의 상호 작용에 의해 일반적인 층류 유동상에서 일어나기 어려운 유동 혼합을 구현할 수 있다. 또한, 본 발명의 마이크로유동 혼합채널에 따르면, 추가적인 와류 생성을 위한 구조물의 삽입 없이 유동 혼합을 유발시킴으로써 이종(異種) 유체간의 혼합 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 마이크로유동 혼합채널에 따르면, 마이크로 배관 외부면을 가압하여 성형하는 프레스 성형방법 또는 금형인서트에 몰딩하는 몰딩방법에 의해 제작될 수 있는 간단한 구조이므로, 종래 기술 대비 간소한 제작 공정으로 제작될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 마이크로유동 혼합채널을 구비하는 분석시스템에 따르면, 이종(異種) 유체간의 혼합 효율을 향상시킬 수 있고, 결과적으로, 시표 분석 전처리에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있어 전체적인 분석시간을 단축시킬 수 있다.
이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
100, 100': 마이크로유동 혼합채널
110: 마이크로 배관
111: 유로
112: 유입구
113: 배출구
120, 120': 돌기부
120a, 120b, 120c, 120d: 돌기부
120a', 120b', 120c', 120d': 돌기부
121, 121': 몸체부
122, 122': 연장부
200: 마이크로유동 혼합채널
210: 마이크로 배관
211: 유로
212: 유입구
213: 배출구
220: 돌기부
220a, 220b, 220c, 220d: 돌기부
221: 몸체부
222: 연장부
300: 가압부
110: 마이크로 배관
111: 유로
112: 유입구
113: 배출구
120, 120': 돌기부
120a, 120b, 120c, 120d: 돌기부
120a', 120b', 120c', 120d': 돌기부
121, 121': 몸체부
122, 122': 연장부
200: 마이크로유동 혼합채널
210: 마이크로 배관
211: 유로
212: 유입구
213: 배출구
220: 돌기부
220a, 220b, 220c, 220d: 돌기부
221: 몸체부
222: 연장부
300: 가압부
Claims (14)
- 이종(異種)유체를 공급받아 상기 이종유체를 혼합하는 마이크로 배관을 구비하는 마이크로유동 혼합채널(100)로서,
내부에 유체가 유동할 수 있는 유로(111)를 가지고, 유입구(112)와 배출구(113)를 구비하는 원기둥 형상의 마이크로 배관(110); 및
상기 마이크로 배관(110)의 횡단면상 중심점을 기준으로 원주방향으로 균일 각도로 구획한 n 개의 분면에 순차적으로 교차 배열되어 마이크로 배관(110) 내부로 돌출 형성된 갈고리 형상의 돌기부(120);
를 포함하는 것을 을 특징으로 하는 마이크로유동 혼합채널.
- 제 1 항에 있어서,
상기 마이크로 배관(110)의 횡단면 형상의 종횡비(aspect ratio, H1/W1)는, 1.0 내지 1.2 인 것을 특징으로 하는 마이크로유동 혼합채널.
- 제 1 항에 있어서,
상기 돌기부(120)는,
마이크로 배관(110) 내부 방향으로 만입되어 형성된 몸체부(121); 및
상기 몸체부(121)로부터 마이크로 배관(110)의 유입구(112) 방향으로 갈고리 형상으로 연장되어 형성된 연장부(122);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로유동 혼합채널.
- 제 3 항에 있어서,
상기 몸체부(121)의 만입 깊이(D1) 대비 연장부의 연장 길이(L1)는 1.0 내지 2.0 인 것을 특징으로 하는 마이크로유동 혼합채널.
- 제 1 항에 있어서,
상기 돌기부(120)는, 원기둥 형상의 마이크로 배관(110) 외부면을 내부 방향으로 가압하여 성형된 것을 특징으로 하는 마이크로유동 혼합채널.
- 이종(異種)유체를 공급받아 상기 이종유체를 혼합하는 마이크로 배관을 구비하는 마이크로유동 혼합채널(200)로서,
내부에 유체가 유동할 수 있는 유로(211)를 가지고, 유입구(212)와 배출구(213)를 구비하는 다각기둥 형상의 마이크로 배관(210); 및
상기 마이크로 배관(210)의 횡단면상 중심점을 기준으로 원주방향으로 균일 각도로 구획한 n 개의 분면에 순차적으로 교차 배열되어 마이크로 배관(210) 내부로 돌출 형성된 갈고리 형상의 돌기부(220);
를 포함하는 것을 을 특징으로 하는 마이크로유동 혼합채널.
- 제 6 항에 있어서,
상기 마이크로 배관(210)의 횡단면 형상의 종횡비(aspect ratio, H2/W2)는, 1.0 내지 1.2 인 것을 특징으로 하는 마이크로유동 혼합채널.
- 제 6 항에 있어서,
상기 돌기부(220)는,
마이크로 배관(210) 내부 방향으로 만입되어 형성된 몸체부(221); 및
상기 몸체부(221)로부터 마이크로 배관(210)의 유입구(212) 방향으로 갈고리 형상으로 연장되어 형성된 연장부(222);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로유동 혼합채널.
- 제 8 항에 있어서,
상기 몸체부(221)의 만입 깊이(D3) 대비 연장부의 연장 길이(L3)는 1.0 내지 2.0 인 것을 특징으로 하는 마이크로유동 혼합채널.
- 제 6 항에 있어서,
상기 돌기부(220)는, 다각기둥 형상의 마이크로 배관(210) 외부면을 내부 방향으로 가압하여 성형된 것을 특징으로 하는 마이크로유동 혼합채널.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 마이크로유동 혼합채널(100, 200)을 제작하는 제작방법으로서,
a) 원기둥 형상 또는 다각기둥 형상의 마이크로 배관을 준비하는 단계;
b) 마이크로 배관을 성형기에 고정시킨 후, 마이크로 배관의 횡단면상 제 1 사분면(1st. quadrant) 위치에 돌기부를 가압하여 성형하는 단계;
c) 마이크로 배관을 성형기에 고정시킨 후, 마이크로 배관의 횡단면상 제 2 사분면(2nd. quadrant) 위치에 돌기부를 가압하여 성형하는 단계;
d) 마이크로 배관을 성형기에 고정시킨 후, 마이크로 배관의 횡단면상 제 3 사분면(3rd. quadrant) 위치에 돌기부를 가압하여 성형하는 단계; 및
e) 마이크로 배관을 성형기에 고정시킨 후, 마이크로 배관의 횡단면상 제 4 사분면(4th. quadrant) 위치에 돌기부를 가압하여 성형하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로유동 혼합채널 제작방법.
- 제 11 항에 있어서,
상기 b) 단계, c) 단계, d) 단계 및 e) 단계 중 둘 이상의 단계가 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 마이크로유동 혼합채널 제작방법.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 마이크로유동 혼합채널(100, 200)을 제작하는 제작방법으로서,
a) 유입구, 배출구 및 돌기부의 형상을 갖는 금형인서트를 준비하는 금형준비단계;
b) 상기 금형인서트에 폴리머를 몰딩하는 몰딩단계;
c) 상기 몰딩단계에서 몰딩한 폴리머를 취출하는 취출단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로유동 혼합채널 제작방법.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 마이크로유동 혼합채널(100, 200)을 포함하는 것을 특징으로 하는 분석시스템.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140056442A KR101515403B1 (ko) | 2014-05-12 | 2014-05-12 | 갈고리 형상 구조물을 이용한 마이크로유동 혼합채널, 그 제작방법, 및 마이크로 유동 혼합채널을 포함하는 분석시스템 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020140056442A KR101515403B1 (ko) | 2014-05-12 | 2014-05-12 | 갈고리 형상 구조물을 이용한 마이크로유동 혼합채널, 그 제작방법, 및 마이크로 유동 혼합채널을 포함하는 분석시스템 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101515403B1 true KR101515403B1 (ko) | 2015-05-04 |
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| KR1020140056442A KR101515403B1 (ko) | 2014-05-12 | 2014-05-12 | 갈고리 형상 구조물을 이용한 마이크로유동 혼합채널, 그 제작방법, 및 마이크로 유동 혼합채널을 포함하는 분석시스템 |
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|---|---|
| KR (1) | KR101515403B1 (ko) |
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| KR101934856B1 (ko) * | 2017-05-30 | 2019-01-04 | 충남대학교산학협력단 | 완전혼합형 미세 반응탱크를 가지는 미세유체장치 |
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| CN113842824A (zh) * | 2021-10-15 | 2021-12-28 | 西安交通大学 | 一种基于复合侧壁微结构增强混合效率的被动式微混合器 |
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- 2014-05-12 KR KR1020140056442A patent/KR101515403B1/ko not_active IP Right Cessation
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