KR101603489B1 - Fluid Transportation Unit - Google Patents
Fluid Transportation Unit Download PDFInfo
- Publication number
- KR101603489B1 KR101603489B1 KR1020080092743A KR20080092743A KR101603489B1 KR 101603489 B1 KR101603489 B1 KR 101603489B1 KR 1020080092743 A KR1020080092743 A KR 1020080092743A KR 20080092743 A KR20080092743 A KR 20080092743A KR 101603489 B1 KR101603489 B1 KR 101603489B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- fluid
- contact angle
- water
- tube
- angle
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
- F04F7/00—Pumps displacing fluids by using inertia thereof, e.g. by generating vibrations therein
Abstract
본 발명은 이송대상 액인 유체를 수직 내지 수평으로 이송하는 장치에 관한 것으로, 상세하게는 상기 유체와 서로 다른 접촉각(contact angle)을 갖도록 상기 유체의 이송방향으로 교번되어 반복적으로 표면이 형성되고, 상기 접촉각의 차이로 발생하는 힘(hydrodynamic force)에 의해 상기 유체가 이송되는 특징이 있다.The present invention relates to a device for vertically or horizontally transferring a fluid as an object to be transferred, and more particularly to a device for repeatedly forming a surface alternately in the fluid transfer direction so as to have a contact angle different from that of the fluid, The fluid is transported by a hydrodynamic force caused by a difference in contact angle.
본 발명에 따른 유체 이송 장치, 상세하게는 유체 이송을 위한 미세 유체 관은 외부장치, 풍력 등에 의한 물리적 진동, 정전기 혹은 전기장에 의하여 발생하는 전자기장에 의한 힘, 물리적 힘, 열 에너지에 의한 진동 등을 포함하는 외부 에너지 소비를 최소로 소요하며 펌프를 이용하지 않고 유체를 수직 내지 수평 방향으로 이송시키는 장점이 있다. The fluid transporting apparatus according to the present invention, particularly the microfluidic tube for fluid transport, can be used for various purposes such as physical vibration due to an external device, wind force, etc., vibration due to electromagnetic force generated by an electrostatic field or an electric field, physical force, It has the advantage of minimizing external energy consumption and transporting the fluid vertically or horizontally without using a pump.
유체, 이송, 나노구조체, 발수성, 초발수성, 물, 미세유체관 Fluid, transfer, nanostructure, water repellent, super water repellent, water, microfluidic tube
Description
본 발명은 이송대상 액인 유체를 수직 내지 수평으로 이송하는 장치에 관한 것으로, 에너지 소비를 최소화하며 그 진행 방향을 제어할 수 있는 새로운 구조의 유체 이송장치를 제공하는 것이다. The present invention relates to a device for vertically or horizontally conveying fluid to be transferred, and to provide a fluid transfer device of a new structure capable of minimizing energy consumption and controlling its traveling direction.
물 및 다양한 액체를 이송하고 이를 제어할 수 있는 기술 및 장치에 대한 요구는 매우 다양한 형태로 제기된다. 특히 현재와 같은 고유가 및 환경문제에 의한 에너지/환경 문제가 매우 주요한 시점에서 이러한 위기상황을 매우 슬기롭게 대처할 수 있기 위해서는 다양한 분야에서 응용 가능하며 저 에너지 소비 및 환경친화적인 액체 이송 기술 개발에 반드시 필요하다. BACKGROUND OF THE INVENTION The demand for technologies and devices that can transport and control water and various liquids is presented in a wide variety of forms. In particular, in order to cope with such a crisis very wisely at the very important point of energy and environment problem caused by high oil prices and environmental problems, it is necessary to develop a low-energy consumption and environmentally friendly liquid transportation technology .
액체의 이송 및 수송에 관한 고체 표면개질에 관한 연구는 지난 반세기 동안 매우 활발하게 이루어지고 있다. 특히 장치의 표면에 다양한 물리 화학적인 성질을 개질함으로써 물흐름에 관여하는 물리적인 특성을 일정한 기울기를 갖도록 하는 방법이 개발되어 왔다. Studies on the solid surface modification related to the transport and transport of liquid have been very active over the last half century. Particularly, there has been developed a method of modifying various physicochemical properties on the surface of a device so as to have a constant slope of physical characteristics involved in the water flow.
일 예로, 표면 개질에 관한 기술은 주로 이제까지 잘 알려진 방법인 그래프 팅-프럼 중합법(grafting-from polymerization)이나 플라즈마(plasma) 혹은 코로나 방전의 정도를 제어함으로써 표면성질을 개질하고자하는 연구개발이 시도되고 있다. 이를 위하여 다양한 버텀-업(bottom-up) 및 탑-다운(top-down)형의 리소그래픽(lithographic) 및 비리소그래픽(nonlithographic) 방법이 이미 개발되어 있으나 이는 주로 일정 거리에서만이 응용이 가능하다는 한계점에 봉착되어 있다(J. Genzer et al, "Surface-Bound Soft Matter Gradients", Langmuir, 24, 2294-2317, 2008). For example, the technology for surface modification is mainly performed by grafting-from-polymerization, plasma or corona discharge, which is a well-known method, . Various bottom-up and top-down types of lithographic and nonlithographic methods have been developed for this purpose, but this is mainly due to the fact that this application is only possible at certain distances (J. Genzer et al, "Surface-Bound Soft Matter Gradients ", Langmuir, 24, 2294-2317, 2008).
상술한 바와 같은 표면개질을 통한 물흐름 제어와는 원리적으로 전혀 다르지만 2006년도 히팅 플레이트(heating plate)에서의 물방울 이동에 관한 물리적인 해석을 통한 물 이동제어에 관한 연구보고가 있었으나(H. Linke et al, "Self-Propeeled Leidenfrost Droplets", Phys. Rev. Lett., 96, 154502-1-154502-4, (2006)), 이는 에너지 소모적인 형태이다. Although there is a principle difference from the water flow control through the surface modification described above, there has been a report on the water movement control through the physical analysis of the water droplet movement in the heating plate in 2006 (H. Linke et al., "Self-Propeed Leidenfrost Droplets ", Phys. Rev. Lett., 96, 154502-1-154502-4, (2006)).
한편 식물체 물관부에서의 물의 수송에 관한 기존의 기술 개발은 주로 환경관련 중금속의 제거 등 응용 적인 측면에서 연구가 주로 수행되고 있다. On the other hand, the existing technology development on the transportation of water in the plant municipalities is mainly carried out in the application aspect such as removal of environmental heavy metals.
이러한 연구는 주로 분자생물학적인 측면에서의 식물체 형질 전환을 통하여 효율을 증대하고 효과를 최적화하는 방향으로 진행되고 있다. These studies are mainly directed toward increasing efficiency and optimizing the effects of plant transformation in molecular biology.
물관의 물이송에 관한 개발 분야는 현재 주로 거시적인 측면에서의 뿌리 주위에 있는 토양 및 수분의 이온의 종류 및 이온의 농도 등을 포함하는 성분주위환경 변화에 따른 물 수송 속도론적인 측면에서의 연구가 주로 이루어지고 있다. 물관부 성분인 셀룰로스, 헤미셀룰로스, 리그닌 등의 생합성에 관련하는 유전자의 발 굴과 돌연변이에 의한 구조적 변화에 대한 기능유전체학적 연구가 모델식물인 1년생 잡초인 애기장대를 대상으로 활발하게 진행되고 있으나 물의 수송에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 연구와 단자엽 식물이나 목본식물에 대한 연구는 거의 진행된 바 없다.The development of water transport in water pipes is based on the water transport kinetics in terms of changes in the surrounding environment, including the type of soil and water ions around the roots in general, and the concentration of ions, . Functional genomics of structural changes caused by mutation and mutation of genes involved in the biosynthesis of cellulose, hemicellulose, and lignin, which are component parts of the mollusk, have been actively studied in Arabidopsis thaliana, There is little research on the effects on the transport and on the monocotyledonous plants or woody plants.
본 발명의 목적은 펌프를 사용하지 않고 이송대상 액인 유체를 수직 내지 수평으로 이송하는 장치를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a device for vertically or horizontally transporting a fluid to be transported, without using a pump.
상세하게는 펌프를 사용하지 않고 최소의 에너지를 소비하며 유체를 이송할 수 있는 친환경적인 유체 이송 장치를 제공하는 것이며, 외부와 열 교환을 매우 효율적으로 수행할 수 있으며, 외부의 물리적인 충격이나 휨작용과 같은 기계적인 영향으로부터 유체의 이송 능력 및 장치의 손상을 최소화 할 수 유체 이송 장치를 제공하는 것이다.And more particularly, to an environmentally friendly fluid transfer device that can transfer a fluid with minimal energy consumption without using a pump, is capable of performing heat exchange with the outside very efficiently, And to minimize the transporting ability of the fluid and the damage of the apparatus from the mechanical effects such as the action of the fluid.
본 발명에 따른 유체 이송 장치는 이송대상 액인 유체와 서로 다른 접촉각(contact angle)을 갖도록 상기 유체의 이송방향으로 교번되어 반복적으로 표면이 형성되고, 상기 접촉각의 차이로 발생하는 힘(hydrodynamic force)에 의해 상기 유체가 이송되는 특징이 있다.The fluid transporting apparatus according to the present invention may have a structure in which a surface is repeatedly formed alternately in the transport direction of the fluid so as to have a contact angle different from that of the fluid to be transported and a hydrodynamic force So that the fluid is transported.
상기 서로 다른 접촉각을 갖는 표면의 상기 유체 흐름각(sliding angle)은 0˚ 내지 5˚인 것이 바람직하며, 실질적으로는 0.1˚ 내지 5˚인 것이 바람직하다.Preferably, the fluid flow angle of the surfaces having different contact angles is in the range of 0 to 5 degrees, and preferably in the range of 0.1 to 5 degrees.
상기 서로 다른 접촉각을 갖는 표면의 접촉각 차는 3˚ 내지 180˚인 것이 바람직다.It is preferable that the contact angle difference of the surface having the different contact angles is 3 DEG to 180 DEG.
상기 표면은 상기 유체와의 접촉각이 일 접촉각에서 타 접촉각으로 연속적으 로 증가하는 표면이 톱니형으로 반복적으로 형성되어 있는 특징이 있다.And the surface is repeatedly formed in a sawtooth shape in which the contact angle of the fluid to the fluid continuously increases from one contact angle to the other contact angle.
상기 표면은 관 내면이며, 서로 다른 접촉각을 갖는 양 단이 연결된 폐형 띠 표면; 또는 나선형 표면;이 교번되어 반복적으로 형성되어 있는 특징이 있다.Wherein the surface is an inner surface of the tube, and both ends having different contact angles are connected to each other; Or a spiral surface is repeatedly formed.
이때, 상기 서로 다른 접촉각을 갖는 표면간 단차가 형성된 특징이 있으며, 상기 서로 다른 접촉각을 갖는 표면 중 큰 접촉각을 갖는 표면이 곡률을 가지며 돌출되어 있는 특징이 있다.At this time, there is a feature that the inter-surface step differences having different contact angles are formed, and a surface having a large contact angle among the surfaces having different contact angles has a feature of being curved and protruding.
상기 관의 지름은 100 내지 2000 ㎛인 것이 바람직하며, 상기 띠 또는 나선형 표면의 폭은 상기 관의 지름을 기준으로 0.0001배 내지 5배인 것이 바람직하다.The diameter of the tube is preferably from 100 to 2000 탆, and the width of the band or the helical surface is preferably 0.0001 to 5 times the diameter of the tube.
이때, 상기 서로 다른 접촉각을 갖는 표면 중 큰 접촉각을 갖는 표면의 폭이 더 좁은 특징이 있다. At this time, among the surfaces having different contact angles, the width of the surface having a large contact angle is narrower.
상기 나선형 표면에서 나선 중심의 접선은 상기 관의 길이 방향에 대하여 20˚ 내지 70˚의 각도를 갖는 것이 바람직하다. Preferably, the tangent to the spiral center at the helical surface has an angle of 20 to 70 with respect to the longitudinal direction of the tube.
상기 단차는 상기 관의 지름을 기준으로 0.0001배 내지 0.01배인 것이 바람직하다. The step is preferably 0.0001 to 0.01 times the diameter of the tube.
본 발명에 따른 유체 이송 장치의 이송 대상 유체는 물인 특징이 있다. 이때, 상기 유체와 서로 다른 접촉각을 갖는 표면은 발수성(hydrophobicity) 표면 및 초발수성(superhydrophobicity) 표면인 특징이 있다. The fluid to be transported in the fluid transporting apparatus according to the present invention is characterized in that it is water. At this time, the surface having a different contact angle with the fluid is a hydrophobic surface and a superhydrophobic surface.
상기 발수성 표면 및 초발수성 표면은 각각 고분자 표면인 특징이 있으며, 상기 초발수성 표면은 발수성 표면에 초고속 레이저 빔 조사 처리하여 형성된 특징이 있다. The water-repellent surface and super-water-repellent surface are each a polymer surface, and the super-water-repellent surface is characterized in that the water-repellent surface is formed by an ultra-fast laser beam irradiation treatment.
이때, 상기 발수성 표면은 폴리디메틸실록산(poly(dimethylsiloxane), PDMS) 표면인 특징이 있다. At this time, the water-repellent surface is characterized by a polydimethylsiloxane (PDMS) surface.
본 발명에 따른 유체 이송 장치는 자연계에 존재하는 바람이나 인위적인 진동과 같은 최소의 에너지를 이용하여 유체를 수직 내지 수평 방향으로 이송 가능하며, 유체가 이송 되는 방향의 제어가 가능한 장점이 있다. The fluid transporting apparatus according to the present invention is capable of transporting the fluid vertically or horizontally using minimum energy such as wind or artificial vibration existing in the natural environment and has an advantage that the direction in which the fluid is transported can be controlled.
또한 밀폐형 유체 이송 장치의 경우 매우 미세한 관의 형상을 가져 외부 장치와 열적인 에너지 교환을 매우 효율적으로 수행하며, 외부의 물리적인 충격이나 휨작용과 같은 기계적인 영향에 의한 손상을 최소화 할 수 있으며, 거의 모든 고분자 및 금속 혹은 비금속등 다양한 물질을 이용하여 제조 가능하며, 고층 건물용 유체 수송 시스템 뿐만 아니라 냉각용 모터가 필요 없는 초 절전 무소음 쿨러, 유체 펌프가 필요 없는 바이오 칩, 마이크로 플루이딕스 칩등 다양한 분야에 활용 가능한 장점이 있다. Also, in the case of the closed fluid transfer device, the shape of the tube is very fine, so that the thermal energy exchange with the external device can be performed very efficiently, the damage due to the mechanical impact such as external physical impact or bending can be minimized, It can be manufactured by using various materials such as almost all polymers and metal or nonmetal. It can be used not only for fluid transportation systems for high-rise buildings but also for ultra-powerless noiseless cooler that does not require a cooling motor, biochip that does not need a fluid pump, microfluidics chip There are advantages that can be applied to.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 유체 이송 장치를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동 일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타내며, 제시된 도면은 구조의 명확함을 위해 일정 부분 과장되어 도시될 수 있다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a fluid transfer device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following drawings are provided by way of example so that those skilled in the art can fully understand the spirit of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the following drawings, but may be embodied in other forms. Also, throughout the specification, the same reference numbers denote like elements, and the drawings may be exaggerated for clarity in structure.
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. Hereinafter, the technical and scientific terms used herein will be understood by those skilled in the art without departing from the scope of the present invention. Descriptions of known functions and configurations that may be unnecessarily blurred are omitted.
본 발명에 따른 유체 이송 장치는 적어도 두 단부 및 적어도 일 측면이 밀폐되지 않은 개방형 또는 두 단부만이 개방된 밀폐형 유체이송 장치이며, 상기 개방형 유체 이송 장치는 거시적으로 편평한 플레이트(palte), 거시적으로 곡률을 갖는 플레이트(plate) 및 적어도 일측이 개방된 다각형, 타원형 및 원형관을 포함하며, 두 단부만이 개방된 밀폐형 유체이송 장치는 다각형 관 및 타원형, 원형관을 포함한다. 이때, 상기 밀폐형 유체이송 장치는 미세유체관인 특징이 있다. The fluid transfer device according to the present invention is an enclosed fluid transfer device having at least two ends and at least one side which is not hermetically closed or only open at both ends and the open fluid transfer device comprises a macroscopically flat plate, And a polygonal, elliptical and circular tube with at least one side open, and a closed fluid transfer device with only two open ends, including a polygonal tube and an elliptical, circular tube. At this time, the closed fluid transfer device is characterized by being a microfluidic tube.
본 발명에 따른 유체 이송장치는 상술한 밀폐형 또는 개방형 유체이송장치로, 유체와 맞닿은 표면을 특정지어, 최소 에너지를 공급받아 유체를 이송시킨다.The fluid transporting apparatus according to the present invention is the above-described closed or open fluid transporting apparatus, which specifies the surface abutting against the fluid, and transfers the fluid by receiving the minimum energy.
도 1은 본 발명에 따른 개방형 또는 밀폐형 유체이송 장치에서 이송 대상 액인 유체와 맞닿는 표면(만)을 도시한 일 예로, 상기 표면은 상기 유체와 서로 다른 접촉각(contact angle)을 갖는 면(210 및 220)이 상기 유체의 이송방향(인위적인 유체의 흐름 방향인 유로)으로 교번되어 반복적으로 형성되어 있는 특징이 있으며, 상기 유체는 상기 접촉각의 차이로 발생하는 힘(hydrodynamic force)에 의해 이송되는 특징이 있다.FIG. 1 shows an example of a surface (only) which is in contact with a fluid to be transported in an open or closed type fluid transporting apparatus according to the present invention. The surface has
보다 상세하게, 도 2에 도시한 바와 같이 이송 대상 유체(100)와 고 접촉각을 갖는 표면(210)과 상대적으로 저 접촉각을 갖는 표면(220)이 연속적으로 교번되어 반복된 특징을 가짐에 따라, 이송 대상 유체, 상세하게는 다수개의 액적의 형태로 불연속적으로 이송되는 이송 대상 액적은 삼상(three phase)이 접하는 곳(A, B)에서 고상-액상 계면/ 고상-기상 계면/ 액상-기상 계면의 세 계면 에너지에 의한 계면 장력 평형이 이루어지며 고상-액상 계면 에너지가 고상-기상 계면 에너지와 유사한 표면(210)에서는 고 접촉각(θ1)을 가지며, 고상-액상 계면 에너지가 고상-기상 계면 에너지보다 낮은 표면(220)에서는 상대적으로 저 접촉각(θ2)을 갖게 된다. More specifically, as shown in FIG. 2, the
도 2에 도시한 바와 같이 단일한 액적(100) 내에서 서로 다른 접촉각(θ1, θ2)이 형성되면, 이러한 접촉각의 차이(△θ=θ1-θ2)로 발생하는 힘에 의해 액적(100)이 고 접촉각을 갖는 표면(210)에서 저 접촉각을 갖는 표면(220)으로 이송된다.As shown in FIG. 2, when different contact angles? 1 and? 2 are formed in a
상술한 본 발명에 따른 유체 이송은 식물의 물관을 정밀 관찰 및 분석하여 발견한 새로운 물 이송 메커니즘에 근간한 것이다.The above-described fluid transfer according to the present invention is based on a new water transfer mechanism which is found by precisely observing and analyzing a water pipe of a plant.
도 3은 백합 줄기의 물관 구조를 정밀 관찰한 사진으로, 도 3(a)는 물관의 방향에 평행하게 커팅하여 관찰한 주사 전자 현미경 사진이다. 도 3(a)에서 알 수 있듯이 수 마이크로미터의 지름을 갖는 나선형 형태의 마이크로 구조가 나선(helical) 혹은 이중 나선(double helical) 형태로 물관 내부에 존재하며, 그 표면이 리그닌으로 도포되어 있다. FIG. 3 is a photograph of a water tube structure of the Lilac stalks in close-up, and FIG. 3 (a) is a scanning electron microscopic photograph observed by cutting in parallel with the direction of a water tube. As can be seen in FIG. 3 (a), the helical microstructure having a diameter of several micrometers is present in the form of a helical or double helical structure, and its surface is coated with lignin.
또한 식물의 종류에 따라 물관의 진행 방향에 대하여 약 60ㅀ 정도의 각을 갖고 기울어진 사선 방향으로 마이크로 링(ring)이 물관 내부벽에서 관찰되기도 하였다. Also, depending on the type of plant, a microring ring was obliquely observed on the inner wall of the water pipe in an inclined oblique direction with an angle of about 60 에 with respect to the direction of the water pipe.
도 3(b)는 이러한 물관의 마이크로 구조 표면을 좀 더 고배율로 관찰한 주사 전자 현미경 사진으로써, 리그닌이 수십에서 수백 나노미터의 크기로 무질서한 형태로 마이크로 구조물 표면에 도포되어 있음을 알 수 있다. 이러한 마이크로-나노 하이브리드 구조형태가 유변학적인 성질에 미치는 영향은 일명 로터스-효과(Lotus-effect)라 하여 잘 알려져 있으며, 이 표면은 초소수성 (혹은 초발수성, superhydrophobicity)의 성질을 띤다. FIG. 3 (b) is a scanning electron micrograph of the microstructure surface of the water tube at a higher magnification. It can be seen that the lignin is applied to the surface of the microstructure in disordered form with a size of tens to hundreds of nanometers. The influence of these micro-nanohybrid structures on the rheological properties is well known as the Lotus-effect, and the surface is superhydrophobic (or superhydrophobic).
한편 이러한 마이크로 사이즈의 나선이 표면에 거치할 때 그 간격사이의 물관 표면은 마이크로 구조는 없으나 리그닌이 상당 부분 도포되어 있음을 알 수 있다. 따라서 이 부분은 소수성 성질의 리그닌에 의하여 상당 수준의 발수성의 표면 성질 띤다. On the other hand, when these micro-sized spirals are placed on the surface, the surface of the water between the gaps is not microstructured, but the lignin is largely applied. This part therefore has a considerable level of water repellent surface properties due to hydrophobic lignin.
이를 통해 본 출원인은 물관 표면의 유변학적인 상태는 미세 나선이 있는 부분에서의 초발수성과 그 간격 사이의 표면의 발수성을 갖는 미세 구조의 규칙적이고 반복적인 유변성질의 변이가 존재하며, 이러한 발수성 차이에 의해 야기되는 유변학적 힘(hydrodynamics force)에 의해 식물체의 물관에서 물이 이송됨을 발견하였다. Accordingly, Applicant has found that the rheological state of the surface of a water tube exists in a regular and repetitive rheological quality variation of the microstructure having super-water-repellency at the portion where the fine helix exists and the surface between the gap, The water is transported from the plant water pipe by the hydrodynamics force caused by the water.
본 발명은 이러한 발견을 기반으로 유체와 접촉하여 유체 이동 통로를 제공하는 장치의 표면에 유체와 서로 다른 접촉각(contact angle)을 갖는 면이 상기 유 체의 이송방향(인위적인 유체의 흐름 방향인 유로)으로 교번되어 반복적으로 형성됨에 따라, 최소의 외부 에너지를 소모하여 수직 내지 수평으로 유체 이송을 가능하게 하는 장치를 제공하는 것이다. According to the present invention, a surface having a contact angle different from that of a fluid on the surface of an apparatus for providing a fluid flow path in contact with a fluid is provided in a direction of flow of the fluid (flow direction of an artificial fluid) And thus, it is possible to consume the minimum external energy and to allow the fluid to be transported vertically or horizontally.
상술한 접촉각의 차에 의해 야기된 힘에 의한 액적(100)의 이동시 기본적으로 액적의 크기에 따라 상기 접촉각의 차, 일 접촉각을 갖는 표면의 유체 이동방향으로의 길이, 서로 다른 접촉각을 갖는 표면 간의 유체 이동방향을 기준으로 한 간격등이 결정되어야 한다. When the
바람직하게, 상기 액적은 중력을 무시하고 상기 접촉각의 차에 의해 야기된 힘에 의해 수평 내지 수직의 방향으로 이송 가능한 부피를 가져야 하며, 이때, 액적의 밀도 또한 고려되어야 한다. Preferably, the droplet should have a volume that can be transported in a horizontal or vertical direction by a force caused by the difference in the contact angle, ignoring gravity, and the density of the droplet must also be considered.
액적이 일반적으로 공기중 buoyancy pressure 및 물자체의 adhesion force에 의하여 중력의 영행을 무시할 만큼 작은 경우가 부피로 약 3-4 ul 이하인 것으로 알려져 있으며, 본 발명의 일 실시예인 관형 이송장치의 지름이 커서 그 자체의 중력 효과가 있는 경우 벽면의 gradient force의 영향이 중력과 상쇄될 수 있으므로, 상기 액적의 부피는 0.004 ㎛3이하의 부피를 갖는 액적이 바람직하며, 실질적으로는 1nm3 내지 0.004 ㎛3의 부피를 갖는 액적이 바람직하다.It is generally known that the droplet is small in volume by about 3-4 ul or less, which is negligibly small due to the buoyancy pressure in the air and the adhesion force of the water itself, and the diameter of the tubular transporting device, which is one embodiment of the present invention, is large The volume of the droplet is preferably a droplet having a volume of 0.004 탆 3 or less, preferably 1 nm 3 to 0.004 탆 3 , because the influence of the gradient force of the wall surface can be canceled by gravity, A droplet having a volume is preferred.
바람직하게, 액적의 효과적인 이송을 위해, 상기 서로 다른 접촉각을 갖는 표면의 접촉각 차(△θ=θ1-θ2)는 3˚ 내지 180˚이며, 표면과 유체의 접촉시 저항(drag force)에 의한 이송 효율 저하를 방지하기 위해, 이동 대상 유체와 접하는 모든 표면에서 상기 유체 흐름각(sliding angle)은 0˚ 내지 5˚인 것이 바람직하다.Preferably, for effective transfer of droplets, the contact angle difference (?? =? 1 -? 2) of the surface having the different contact angles is 3 ° to 180 °, In order to prevent the decrease in efficiency, it is preferable that the fluid flow angle is 0 deg. To 5 deg. At all surfaces contacting the fluid to be moved.
도 4는 본 발명에 따른 개방형 유체이송장치의 일 단면도로, 톱니형으로 요철이 형성된 플레이트의 일 단면도이다. 4 is a cross-sectional view of an open-type fluid transfer device according to the present invention, and is a cross-sectional view of a saw-toothed plate.
상기 플레이트의 톱니면(230, 산을 형성하는 면)은 상대적으로 고 접촉각을 갖는 일 표면(231)에서 상대적으로 저 접촉각을 갖는 일 표면(232)로 연속적으로 접촉각이 감소하는 표면을 갖는 특징이 있다. The
도 4와 같이 톱니면(230)에서의 접촉각이 연속적으로 감소하게 함으로써 상술한 액적(100)의 이동이 보다 연속적으로 수행될 수 있다. 액적(100)이 톱니면의 고 접촉각의 일 표면(231)에서 저 접촉각의 일 표면(232)의 끝까지 이송 된 후, 상기 액적은 이송되던 관성, 외부장치, 풍력 등에 의한 물리적 진동, 정전기 혹은 전기장에 의하여 발생하는 전자기장에 의한 힘, 물리적 힘 및 열 에너지에 의한 진동에 의해 골(edge)로 이송된다. As shown in Fig. 4, the contact angle at the
이때, 상기 저 접촉각의 일 표면(232)의 끝까지 이송된 액적은 확률적으로 다시 고 접촉각의 일 표면(231)쪽 또는 골쪽으로 움직일 수 있으나, 고 접촉각의 일 표면(231) 쪽으로 움직인 액적은 상술한 접촉각 차에 의한 힘에 의해 다시 저 접촉각의 일 표면(232)의 끝까지 이송됨에 따라, 결과적으로 모든 액적(100)은 단일한 방향(D)로 이송된다.At this time, the droplets transported to the end of one
도 5는 본 발명에 따른 개방형 유체이송장치의 사시도로, 톱니형 요철이 형성된 플레이트(200)에서 요철 표면의 전 영역이 아닌 플레이트(200)의 톱니면 중 유체를 이송시키고자 하는 영역 및 방향으로 일정 영역에 고 접촉각을 갖는 일 표면(231)에서 상대적으로 저 접촉각을 갖는 일 표면(232)로 연속적으로 접촉각이 감소하는 표면(230)을 형성하여 플레이트 표면에 특정 유로를 형성할 수 있다. 이때, 도 5에 도시한 바와 같이 액적의 계획된 이송 방향이 아닌 유로 측면에는 가장 큰 접촉각을 갖는 표면(233)을 형성하여 액적의 유로 이탈을 미연에 방지하는 것이 바람직하다. FIG. 5 is a perspective view of an open-type fluid transporting apparatus according to the present invention. In FIG. 5, in a
도 4 내지 도 5와 같은 개방형 유체 이송 장치는 이송 대상인 액적의 크기에 따라 상기 한 톱니면(230)에서 연속적으로 변하는 접촉각의 최대차, 톱니면(230)의 길이(L) 및 톱니면(230)의 기울어진 각도(γ)등이 결정되어야 한다. 4 to 5, the maximum difference in the contact angle continuously changing at the
상세하게, 상기 연속적으로 변하는 접촉각의 최대차(231에서의 접촉각-232에서의 접촉각)는 3˚ 내지 180˚이며, 상기 톱니면(230)의 길이(L)는 100 내지 5000 ㎛, 상기 각도(γ)는 7˚ 내지 90˚이 바람직하다. In detail, the maximum difference (the contact angle at the contact angle -232 at 231) of the continuously varying contact angle is 3 to 180 degrees, the length L of the
도 6 내지 도 10은 본 발명에 따른 밀폐형 유체이송장치의 일 예로, 상세하게 원통형 미세관이며, 도 9는 관 내면에 요철이 형성되지 않은 경우이며, 도 6, 도 8 내지 도 10은 관 내면에 요철이 형성된 경우이며, 이송대상 액인 유체와 고 접촉각을 갖는 표면이 곡률을 가지며 돌출되어 있는 예(도 8 내지 도 10)와 도 4와 유사한 톱니형 요철면(230)이 형성되어 있는 예(도 6)를 도시한 것이며, 모두 관 하부에서 관 상부쪽으로 유체 이송 방향을 갖는 경우이다. FIGS. 6 to 10 are views showing an example of a closed-type fluid transferring apparatus according to the present invention, which is a cylindrical micro-tube in detail, FIG. 9 shows a case in which irregularities are not formed on the inner surface of the tube, and FIGS. 6, (Figs. 8 to 10) in which the surface having a high contact angle with the fluid to be transported has a curvature and a serrated
이때, 관(200)의 재질은 유체와의 접촉각을 고려하지 않은 금속, 세라믹, 고분자 또는 유리질일 수 있으며, 요철이 존재하는 경우, 상기 관 내면에 형성된 요 철 또한 관의 재질과 동일한 재질로 구성되어, 관 내측의 표면에만 코팅, 증착, 표면 개질 등을 이용하여 고 접촉각의 일 표면(231)에서 연속적으로 접촉각이 감소하는 표면(230) 또는 고 접촉각의 일 표면(210) 및 저 접촉각을 갖는 일 표면(220)이 구비될 수 있다. In this case, the material of the
이때, 관(200) 재질은 이송 대상 유체와 저 접촉각을 갖는 금속, 세라믹, 고분자 또는 유리질일 수 있으며, 요철이 존재하는 경우, 상기 관 내면에 형성된 요철 또한 관의 재질과 동일한 재질로 구성되어, 표면 개질을 이용하여 연속적으로 접촉각이 증가하는 표면(230) 또는 고 접촉각의 일 표면(210)이 구비될 수 있다.In this case, the material of the
이때, 관(200) 재질은 이송 대상 유체와 고 접촉각을 갖는 금속, 세라믹, 고분자 또는 유리질일 수 있으며, 요철이 존재하는 경우, 상기 관 내면에 형성된 요철 또한 관의 재질과 동일한 재질로 구성되어, 표면 개질을 이용하여 연속적으로 접촉각이 감소하는 표면(230) 또는 저 접촉각의 일 표면(220)이 구비될 수 있다.In this case, the material of the
도 6 내지 도 10에 도시된 관의 지름, 상세하게는 관의 내부지름(d)은 이송대상 액적의 크기를 결정하며, 0 내지 0.004 ㎛3의 부피를 갖는 다수개의 액적이 불연속적으로 이송되기 위해, 상기 관의 내부지름(d)은 100 ㎛ 내지 2000 ㎛인 것이 바람직하다.The diameter of the tube shown in Figs. 6 to 10, specifically the inner diameter d of the tube, determines the size of the droplet to be transferred, and a plurality of droplets having a volume of 0 to 0.004 탆 3 are discontinuously transported , It is preferable that the inner diameter (d) of the tube is 100 占 퐉 to 2000 占 퐉.
상기 도 6과 같이 톱니형 표면 요철이 형성된 관 내면을 갖는 경우, 상기 톱니형 표면 요철에서 단일한 톱니면은 도 4를 기반으로 상술한 바와 유사하게 고 접촉각의 일 표면(하부위치)에서 저 접촉각의 일 표면(상부위치)으로 이루어지며, 상 기 단일한 톱니면에서 연속적으로 변하는 접촉각의 최대차는 3˚ 내지 180˚이며, 상기 톱니면(230)의 길이는 100 내지 5000 ㎛, 톱니면이 유체 이송 방향(관의 장축 방향)과 이루는 각도(γ)는 7˚ 내지 90˚이 바람직하다. 6, a single tooth surface in the serrated surface irregularities has a low contact angle at one surface (lower position) of the high contact angle similar to that described above with reference to FIG. 4, Wherein the maximum difference of the contact angle continuously varying from a single tooth face is 3 to 180 degrees and the
도 7은 표면 요철이 형성되지 않은 경우를 도시한 것이며, 액적과 고 접촉각을 갖는 표면(210)과 저 접촉각을 갖는 표면(220) 각각이 양 단이 연결된 폐형 띠(210, 230)로 관 내부 표면을 형성하는 경우이며, 상기 폐형 띠(210, 230)의 폭 방향의 중심선과 유체 이송방향(관의 길이방향)이 90도 인 경우를 도시한 것이다.7 shows the case where the surface irregularities are not formed and the
그러나, 도 7은 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, 230)의 폭 방향의 중심선과 유체 이송방향(관의 길이방향)이 90도 이하의 각도를 가질 수 있음은 물론이다. However, FIG. 7 is merely an example of an alternately repeatedly formed tube inner surface of a surface having a high contact angle and a surface having a low contact angle with respect to a fluid transport direction, and the width of the
또한, 도 7에 도시한 폐형 띠가 아닌 서로 다른 접촉각을 갖는 나선을 이루는 띠 표면이 교번되어 반복 형성된 관 내면일 수 있다.Further, the inner surface of the tube may be a repeatedly formed tube surface alternating with a band surface forming a spiral line having a different contact angle, not the closed band shown in Fig.
이하, 본 발명에 따른 밀폐형 유체 이송 장치를 표면 요철이 존재하는 경우인 도 8 내지 10을 기반으로 보다 상세히 상술하나, 요철이 형성되지 않은 경우에도 유사한 특징을 가짐은 물론이다. Hereinafter, the closed fluid transfer device according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 8 to 10 in the case where the surface irregularities are present, but the same features are also available when the irregularities are not formed.
도 8 내지 도 10은 요철이 형성된 밀폐형 유체이송장치의 일 예로, 곡률 진 돌출부가 이송 대상 유체와 고 접촉각을 갖는 표면을 갖는 일 예이다. 8 to 10 show an example of a hermetically closed fluid transfer device in which the curved protrusion has a surface having a high contact angle with the fluid to be transferred.
도 8(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 포함함)을 가지며, 유체의 이송방향(관의 길이 방향)과 띠의 폭 방향 중심선이 90도의 관계를 갖는다. As shown in Fig. 8 (a), the inner surface of the tube has a
도 8(b)는 도 8(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 지름(d)을 기준으로 0.0001배 내지 5배인 것이 바람직하다. 8 (b) is a perspective view showing only the inner surface of the tube having the sectional view of Fig. 8 (a), in which the widths t1 and t2 of the
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. More preferably, the width t2 of the
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.It is preferable that the protrusions on which the
상기 돌출부가 돌출된 높이(h)는 관의 지름(d)을 기준으로 0.0001배 내지 0.01배인 것이 바람직하다. The height (h) at which the projecting portion protrudes is preferably 0.0001 to 0.01 times as large as the diameter (d) of the tube.
도 9는 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.9 shows an example of a case where the fluid transfer direction (the longitudinal direction of the pipe) and the center line in the width direction of the strip have a certain angle. At this time, the widths of the high
유체의 이송방향(관의 길이 방향)과 띠의 폭 방향 중심선이 이루는 각도(α)는 20˚ 내지 70˚인 것이 바람직하다.It is preferable that the angle (alpha) formed by the transfer direction of the fluid (longitudinal direction of the tube) and the center line in the width direction of the band is 20 to 70 degrees.
도 10은 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. 10 shows a case in which the inner surface of the tube is formed by repetition of a spiral band instead of a closed band. The spiral of the
도 10의 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. In the example of FIG. 10, although the
상기 나선형 띠의 폭 중심선에서의 접선은 상기 유체 이송방향(관의 길이 방향)에 대하여 20˚ 내지 70˚의 각도를 갖는 것이 바람직하다.The tangent line at the center line of the width of the helical band preferably has an angle of 20 to 70 degrees with respect to the fluid transport direction (the longitudinal direction of the tube).
도 7 내지 도 10의 일 예 중, 본 발명의 밀폐형 유체이송 장치는 미세 나노 구조(표면 요철)에 따른 접촉 저항의 추가적 저하 및 액적의 이송시 연속적인 힘의 제공 관점에서 도 10의 나선 구조와 유사한 구조를 갖는 것이 바람직하다. Among the examples of Figs. 7 to 10, the closed fluid transfer device of the present invention has the spiral structure of Fig. 10 and the spiral structure of Fig. 10 from the viewpoint of further reduction of the contact resistance according to the fine nano structure (surface unevenness) It is preferable to have a similar structure.
도 11은 본 발명의 유체 이송 장치의 활용예를 도시한 것으로 다수개의 도 10의 밀폐형 유체이송 장치로 구성되어 수직 방향으로 유체를 이송하는 이송 유닛(unit)을 도시한 것이다. FIG. 11 illustrates an example of the use of the fluid transfer device of the present invention, which comprises a plurality of the closed fluid transfer devices of FIG. 10 to transfer the fluid in the vertical direction.
상술한 본 발명에 따른 유체 이송 장치의 이송 대상 유체는 물인 특징이 있다. 이때, 상기 유체와 서로 다른 접촉각을 갖는 표면(210, 220)은 발수성(hydrophobicity) 표면 및 초발수성(superhydrophobicity) 표면인 특징이 있다. The fluid to be conveyed in the fluid conveying apparatus according to the present invention is characterized in that it is water. At this time, the
상기 초발수성 표면의 접촉각(수 액적과의 접촉각)은 상기 발수성 표면의 접 촉각(수 액적과의 접촉각)보다 크며, 상기 발수성 표면의 유체와의 접촉각은 80˚ 내지 120˚이며, 상기 초발수성 표면의 물 접촉각은 90˚ 내지 180˚인 것이 바람직하다.Wherein the contact angle of the super-water-repellent surface is greater than the contact angle of the water-repellent surface (contact angle with the water droplet), the contact angle of the water-repellent surface with the fluid is 80 ° to 120 °, Is preferably in the range of 90 DEG to 180 DEG.
상기 발수성 표면 및 초발수성 표면은 각각 고분자 표면인 특징이 있으며, 상기 초발수성 표면은 발수성 표면에 초고속 레이저 빔 조사 처리하여 형성된 특징이 있다. 이때, 상기 발수성 표면은 폴리디메틸실록산(poly(dimethylsiloxane), 이하 PDMS) 표면인 특징이 있다. The water-repellent surface and super-water-repellent surface are each a polymer surface, and the super-water-repellent surface is characterized in that the water-repellent surface is formed by an ultra-fast laser beam irradiation treatment. At this time, the water-repellent surface is characterized by a polydimethylsiloxane (PDMS) surface.
본 발명의 초고속 레이저를 이용한 표면 개질은 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.The surface modification using the ultrafast laser of the present invention can be carried out by irradiating a beam of an ultra-fast laser so as to have a nanosize microstructure of several to several hundred nanometers or less on the surface formed inside the polymer substrate or the polymer tube containing PDMS, .
이때, 초고속 레이저는 펨토초 펄스를 갖으며, 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 있으며, 5˚ 이하의 흐름각을 갖도록 개질하기 위한 상기 초고속 레이저의 플루언스는 4 내지 8 J/cm2인 특징이 있다. In this case, the ultra-fast laser has a femtosecond pulse, the wavelength of the ultra-fast laser beam is 700 to 1000 nm, the pulse width is 100 to 200 fs, the transfer speed of the substrate is 3 to 5 mm / sec, And the chromatic aberration (NA) of the objective lens for adjusting the focus of the femtosecond laser beam is 0.1 to 0.2, and the spot size of the laser beam on the surface of the substrate is preferably 6 to 9 占 퐉. The fluence of the ultra-high speed laser is 2 to 8 J / cm 2 , and the number of average laser pulses irradiated on the substrate surface is preferably 1.5 to 2.5. At this time, the fluid in contact with 90˚ to fluence of the laser for high-speed modification so as to have a contact angle of 180˚ seuneun and 2 to 8 J / cm 2 features, the high-speed to modification so as to have a flow angle less than 5˚ The fluence of the laser is characterized by 4 to 8 J / cm 2 .
본 발명의 우수함을 실험적으로 입증하기 위해, 폴리디메틸실록산 및 레이저 빔에 의한 표면개질을 이용하여 도 3과 유사한 구조를 갖는 개방형 유체 이송 장치를 제조하였다. To experimentally demonstrate the superiority of the present invention, an open fluid delivery device having a structure similar to that of FIG. 3 was fabricated using surface modification with polydimethylsiloxane and a laser beam.
도 12(a)에 도시한 바와 같이 먼저 스테인레스 금속판 표면을 도 3과 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 도12(b)와 같은 PDMS 재질의 유체 이송 장치의 기판을 제조하였다. 이때, 제작된 PDMS 기판의 단일 톱니면의 길이(L)는 5.0 mm, 톱니면이 기울어진 각도(γ)는 12˚이었다. As shown in Fig. 12 (a), the surface of the stainless steel plate was first made to have a cross section similar to that of Fig. After washing the surface, the prepolymer and the initiator of the PDMS were stirred at a ratio of 10: 1 and then coated on a stainless steel mold and subjected to a polymerization reaction to obtain a PDMS material as shown in FIG. 12 (b) A substrate for the fluid transfer device was prepared. At this time, the length L of the single tooth surface of the fabricated PDMS substrate was 5.0 mm, and the inclination angle? Of the tooth surface was 12 占.
이후, 제작된 PDMS 기판의 톱니면에 초고속 레이저를 부분적으로 조사하여 미세공정함으로써 표면의 유변학적인 특성을 개질하였다.Then, the rheological properties of the surface of the PDMS substrate were modified by micromachining the ultra - high - speed laser on the tooth surface of the fabricated PDMS substrate.
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 spot 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 spot 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. A laser with a wavelength of 810 nm and a pulse width of 150 fs (Quantronix, USA) was irradiated onto the PDMS substrate surface. The PDMS plate was mounted on an orthogonal XY-stage and the substrate was moved in the x-axis direction at a rate of 4 mm / sec. At this time, the spacing between the laser spots was 4 μm . The femtosecond laser beam was focused on the PDMS surface through an objective lens (N.A = 0.14) mounted on another stage capable of linear movement in the Z-axis. At this time, the optical spot size of the PDMS surface is 7.7 μm when the objective lens is optically considered. Therefore, by limiting the average number of laser pulses irradiated to the PDMS surface of each part to about 1.9 times, the accumulated heat effect, which may be caused by repetitive irradiation of the ultra-fast laser irradiated at intervals of 1 ms (1 kHz), was minimized .
상술한 펨토초 레이저로 직접 표면개질한 PDMS 기판의 경우 접촉각은 약 165˚이며 또한 미끄러짐 각은 3˚ 이하로 Cassie-Boxter (C-B) 모델에 속함을 알 수 있다.In the PDMS substrate directly modified with the femtosecond laser described above, the contact angle is about 165 ° and the slip angle is less than 3 °, indicating that it belongs to the Cassie-Boxter (C-B) model.
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.In particular, the superficial water-repellent PDMS surface can be prepared by irradiating the surface under an ultrahigh-speed laser fluence of a suitable intensity. Particularly, the surface microstructure of the surface-treated PDMS is characterized in that the nano- By being properly placed on the structure, a very rough surface state is realized, which is identical to the microstructure of the superhydrophobic surface found in nature.
도 13은 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. 13 is a graph showing changes in the contact angle and sliding angle by controlling the fluency of the ultra-high speed laser. Of the high-speed laser having a contact angle of 90˚ to 170˚
도 14는 PDMS 및 초고속 펨토초 레이저 조사로 제조된 도 3과 유사한 개방형 유체 흐름 장치를 이용하여 관찰된 물방울의 흐름을 관찰한 동영상 화면을 각각의 시간대별로 보여 주고 있다. 도 14에서 물방울은 표기된 (가) 지점(초 발수성 영 역)으로부터 표면 개질이 된 모든 부분을 매우 빠르게 굴러 톱니면 마지막 지점(edge 부근)인 (나) 지점(PDMA 자체의 발수성 영역)까지 도달하는 것을 알 수 있다. FIG. 14 shows a moving picture screen observing the flow of water droplets observed using PDMS and an ultra-high speed femtosecond laser irradiation open fluid flow device similar to FIG. 3 in each time zone. In Fig. 14, the water droplets are transferred from the indicated (a) water-repellent area to all the surface-modified parts of the water-repellent area of the PDMA itself, .
한편 이상의 개방형 유체 이송 장치와 유사하게, 밀폐형 유체 이송장치는 다음과 같은 방법으로 미세유체관화 할 수 있다. PDMS 기판의 두께를 충분히 얇게 하고, 그 표면을 마이크로 구조물(돌출부)을 물흐름 방향의 사선으로 일정한 각이 되도록 제작한다. 이때 마이크로 구조물과 물흐름 방향과 이루는 각은 설계시 미세 유체관의 지름과의 관계를 고려함으로써 정확하게 예측-설계할 수 있다. 이상의 방법으로 고안된 PDMS 표면은 상술한 레이져 조사 방법 혹은 기존의 타 방법으로 유변학적인 성질을 변화시킨 후, 이를 관의 형태로 이룩함으로써 본 발명에서 고안된 밀폐형 미세유체관을 완성할 수 있다. On the other hand, similar to the above-mentioned open fluid transfer device, the closed fluid transfer device can be microfluidized by the following method. The thickness of the PDMS substrate is made sufficiently thin, and the surface of the PDMS substrate is fabricated so that microstructures (protrusions) have a constant angle with diagonal lines in the water flow direction. At this time, the angle between the microstructure and the direction of water flow can be accurately predicted and designed by considering the relationship with the diameter of the microfluidic tube at design time. The surface of the PDMS designed by the above method can be completed by changing the rheological properties of the PDMS surface by the laser irradiation method or other conventional methods and then forming the PDMS surface in the form of a tube to complete the closed microfluidic tube designed in the present invention.
본 발명에서 제안하는 유체 이송에 관한 표면 구조와 유체 이송 기능의 원리적인 측면에서의 이해는 국내외적으로 시도되어 있지 않은 매우 진보적이고 신규성이 높은 분야이다. 따라서 본 발명을 통하여 물관의 내부 표면의 미세구조에 의한 유변학적인 성질에 미치는 관계에 대한 해석이 가능하며 이를 실용적인 측면에서의 활용성이 매우 높은 발명으로써 이해할 수 있다. The understanding of the surface structure and the fluid transport function of the fluid transport proposed in the present invention in terms of principle is a very progressive and highly novel field which has not been attempted both at home and abroad. Therefore, it is possible to understand the relation between the microstructure of the internal surface of the water tube and the rheological properties through the present invention, and it can be understood as a highly practical application.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 제조예와 같이 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. As described above, the present invention has been described with reference to specific embodiments and specific examples and drawings, which are set forth to illustrate specific embodiments. However, it should be understood that the present invention is not limited to the above- And various modifications and changes may be made thereto by those skilled in the art to which the present invention pertains.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Accordingly, the spirit of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described, and all of the equivalents or equivalents of the claims, as well as the following claims, belong to the scope of the present invention .
도 1은 본 발명에 따른 개방형 또는 밀폐형 유체이송 장치에서 이송 대상 액인 유체와 맞닿는 표면(만)을 도시한 일 예이며,Fig. 1 is an example showing a surface (only) abutting a fluid to be transported in an open or sealed fluid transporting apparatus according to the present invention,
도 2는 서로 다른 접촉각을 갖는 액적의 단면을 도시한 개념도이며,2 is a conceptual view showing a cross section of a droplet having a different contact angle,
도 3은 백합 줄기의 물관 구조를 정밀 관찰한 주사전자현미경 사진이며,Fig. 3 is a scanning electron microscope photograph of a water tube structure of a lily stalk,
도 4는 본 발명에 따른 개방형 유체이송장치의 일 단면도이며,4 is a cross-sectional view of an open-type fluid transfer device according to the present invention,
도 5는 본 발명에 따른 개방형 유체이송장치의 일 사시도로이며,5 is a perspective view of an open-type fluid transfer device according to the present invention,
도 6은 본 발명에 따른 밀폐형 유체이송장치의 일 예이며,6 is an example of a closed fluid transfer device according to the present invention,
도 7은 본 발명에 따른 밀폐형 유체이송장치의 다른 예이며,7 is another example of the closed fluid transfer device according to the present invention,
도 8은 본 발명에 따른 밀폐형 유체이송장치의 또 다른 예이며,8 is yet another example of the closed fluid transfer device according to the present invention,
도 9는 본 발명에 따른 밀폐형 유체이송장치의 또 다른 예이며,9 is yet another example of the closed fluid transfer device according to the present invention,
도 10은 본 발명에 따른 밀폐형 유체이송장치의 또 다른 예이며,10 is yet another example of the closed fluid transfer device according to the present invention,
도 11은 본 발명의 유체 이송 장치의 일 활용예이며,11 is an example of an application of the fluid transportation device of the present invention,
도 12는 본 발명에 따라 실 제작한 개방형 유체이송장치의 몰드 및 PDMS 기판의 광학 사진이며,12 is an optical photograph of a mold and a PDMS substrate of an open type fluid transfer device actually fabricated according to the present invention,
도 13은 초고속 레이저의 플루언스를 제어함으로써 개질 표면의 접촉각과 슬라이딩 각의 변화를 도시한 그래프이며,13 is a graph showing changes in the contact angle and sliding angle of the modified surface by controlling the fluence of the ultra-high speed laser,
도 14는 본 발명에 따라 실 제작한 개방형 유체이송장치에서 수 액적의 흐름을 관찰한 동영상 화면을 각각의 시간대별도 도시한 도면이다.FIG. 14 is a view showing a moving picture screen in which the flow of a water droplet is observed in an open type fluid transfer device actually manufactured according to the present invention, in each time zone.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*Description of the Related Art [0002]
100 : 액적 210 : 고 접촉각 표면100: droplet 210: high contact angle surface
220 : 저 접촉각 표면 230 : 톱니면220: low contact angle surface 230: tooth face
231 : 톱니면의 고접촉각 영역 232 : 톱니면의 저접촉각 영역231: high contact angle area of toothed surface 232: low contact angle area of toothed surface
233 : 고 접촉각 영역 200 : 관233: high contact angle region 200: tube
Claims (16)
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020080092743A KR101603489B1 (en) | 2008-09-22 | 2008-09-22 | Fluid Transportation Unit |
| EP09814824A EP2339184A2 (en) | 2008-09-22 | 2009-09-22 | Fluid transfer apparatus |
| PCT/KR2009/005399 WO2010033008A2 (en) | 2008-09-22 | 2009-09-22 | Fluid transfer apparatus |
| JP2011527754A JP5610544B2 (en) | 2008-09-22 | 2009-09-22 | Fluid transfer device |
| US13/120,098 US20110171043A1 (en) | 2008-09-22 | 2009-09-22 | Fluid Transfer Apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020080092743A KR101603489B1 (en) | 2008-09-22 | 2008-09-22 | Fluid Transportation Unit |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20100033732A KR20100033732A (en) | 2010-03-31 |
| KR101603489B1 true KR101603489B1 (en) | 2016-03-17 |
Family
ID=42040038
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020080092743A KR101603489B1 (en) | 2008-09-22 | 2008-09-22 | Fluid Transportation Unit |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20110171043A1 (en) |
| EP (1) | EP2339184A2 (en) |
| JP (1) | JP5610544B2 (en) |
| KR (1) | KR101603489B1 (en) |
| WO (1) | WO2010033008A2 (en) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102012021603A1 (en) | 2012-06-28 | 2014-01-23 | Philipp Comanns | Structuring or arrangement of surfaces for the directed transport of liquids in capillaries |
| KR101602104B1 (en) * | 2015-05-18 | 2016-03-10 | 한양대학교 산학협력단 | Superhydrophobic polymer hierarchical structure and method of manufacturing the same |
| KR101535390B1 (en) * | 2014-09-01 | 2015-07-09 | 한양대학교 산학협력단 | Superhydrophobic polymer hierarchical structure and method of manufacturing the same |
| WO2016036001A1 (en) * | 2014-09-01 | 2016-03-10 | 한양대학교 산학협력단 | Super water repellent polymer hierarchical structure, heat exchanger having super water repellency, and manufacturing method therefor |
| US11255360B2 (en) | 2016-04-29 | 2022-02-22 | Kimberly-Clark Worldwide, Inc. | Surface for directional fluid transport |
| CN107643776B (en) * | 2017-10-30 | 2023-01-03 | 南昌大学 | Liquid drop type temperature controller capable of accurately controlling temperature |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050036918A1 (en) * | 2000-12-18 | 2005-02-17 | Lange Frederick F. | Microchannels for efficient fluid transport |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7592087B2 (en) * | 2001-12-28 | 2009-09-22 | Canon Kabushiki Kaisha | Fuel cell and electric apparatus |
| JP2006523533A (en) * | 2003-04-15 | 2006-10-19 | インテグリス・インコーポレーテッド | Microfluidic device with super water-repellent surface |
| US6923216B2 (en) * | 2003-04-15 | 2005-08-02 | Entegris, Inc. | Microfluidic device with ultraphobic surfaces |
| US6845788B2 (en) * | 2003-04-15 | 2005-01-25 | Entegris, Inc. | Fluid handling component with ultraphobic surfaces |
| EP1927149A2 (en) * | 2005-09-16 | 2008-06-04 | Entegris, Inc. | Fluid handling device with directionally-biased wetting surface |
| US20070062594A1 (en) * | 2005-09-16 | 2007-03-22 | Extrand Charles W | Microfluidic device with anisotropic wetting surfaces |
| US20070065702A1 (en) * | 2005-09-16 | 2007-03-22 | Extrand Charles W | Fuel cell with anisotropic wetting surfaces |
| US20070065637A1 (en) * | 2005-09-16 | 2007-03-22 | Extrand Charles W | Carrier with anisotropic wetting surfaces |
| US7943234B2 (en) * | 2007-02-27 | 2011-05-17 | Innovative Surface Technology, Inc. | Nanotextured super or ultra hydrophobic coatings |
| MX2009012655A (en) * | 2007-05-23 | 2009-12-14 | Entegris Inc | Articles comprising wettable structured surfaces. |
-
2008
- 2008-09-22 KR KR1020080092743A patent/KR101603489B1/en active IP Right Grant
-
2009
- 2009-09-22 WO PCT/KR2009/005399 patent/WO2010033008A2/en active Application Filing
- 2009-09-22 US US13/120,098 patent/US20110171043A1/en not_active Abandoned
- 2009-09-22 EP EP09814824A patent/EP2339184A2/en not_active Withdrawn
- 2009-09-22 JP JP2011527754A patent/JP5610544B2/en active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050036918A1 (en) * | 2000-12-18 | 2005-02-17 | Lange Frederick F. | Microchannels for efficient fluid transport |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20110171043A1 (en) | 2011-07-14 |
| WO2010033008A2 (en) | 2010-03-25 |
| JP2012503137A (en) | 2012-02-02 |
| WO2010033008A3 (en) | 2010-07-08 |
| JP5610544B2 (en) | 2014-10-22 |
| EP2339184A2 (en) | 2011-06-29 |
| KR20100033732A (en) | 2010-03-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101603489B1 (en) | Fluid Transportation Unit | |
| Edalatpour et al. | Managing water on heat transfer surfaces: A critical review of techniques to modify surface wettability for applications with condensation or evaporation | |
| KR100824712B1 (en) | Method for processing solid having fabricating superhydrophobic surface and superhydrophobic tube by the same method | |
| Chen et al. | Robust and durable liquid-repellent surfaces | |
| Saji | Superhydrophobic surfaces and coatings by electrochemical anodic oxidation and plasma electrolytic oxidation | |
| Wang et al. | Wetting ridge‐guided directional water self‐transport | |
| Ge et al. | Micro-/nanostructures meet anisotropic wetting: from preparation methods to applications | |
| Stamatopoulos et al. | Droplet self-propulsion on superhydrophobic microtracks | |
| Kumnorkaew et al. | Investigation of the deposition of microsphere monolayers for fabrication of microlens arrays | |
| US9279435B2 (en) | Vibration-driven droplet transport devices | |
| Wang et al. | Improving surface smoothness of laser-fabricated microchannels for microfluidic application | |
| Sen et al. | Scaling laws in directional spreading of droplets on wettability-confined diverging tracks | |
| Yong et al. | Underwater gas self-transportation along femtosecond laser-written open superhydrophobic surface microchannels (< 100 µm) for bubble/gas manipulation | |
| Liu et al. | Maskless hydrophilic patterning of the superhydrophobic aluminum surface by an atmospheric pressure microplasma jet for water adhesion controlling | |
| Rahman et al. | Wetting behavior and drainage of water droplets on microgrooved brass surfaces | |
| JP2002321224A (en) | Structuralized surface and method for using the same | |
| US20210114261A1 (en) | Methods of making hydrophobic contoured surfaces and hydrophobic contoured surfaces and devices made therefrom | |
| Wang et al. | Underwater drag reduction and buoyancy enhancement on biomimetic antiabrasive superhydrophobic coatings | |
| Long et al. | Hierarchical micro-and nanostructures induced by nanosecond laser on copper for superhydrophobicity, ultralow water adhesion and frost resistance | |
| Shen et al. | Nanostructures in superhydrophobic Ti6Al4V hierarchical surfaces control wetting state transitions | |
| EP1613541A2 (en) | Carrier with ultraphobic surfaces | |
| Li et al. | Fabrication of tunable, stable, and predictable superhydrophobic coatings on foam ceramic materials | |
| Yong et al. | Femtosecond laser-structured underwater “superpolymphobic” surfaces | |
| Lu et al. | Droplet directional movement on the homogeneously structured superhydrophobic surface with the gradient non-wettability | |
| Yong et al. | Femtosecond-laser-produced underwater “superpolymphobic” nanorippled surfaces: repelling liquid polymers in water for applications of controlling polymer shape and adhesion |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20190218 Year of fee payment: 4 |