KR101950771B1 - Method and apparatus for analyzing of polyelectrolyte adsorbed layer in microfluidic channel - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method and an apparatus for calculating an accurate thickness of a polyelectrolyte adsorbed layer formed on a channel wall surface by a polymer brush when a liquid having a polyelectrolyte flows in a microfluidic channel. According to the present invention, instead of a conventional method required for high-priced equipment, an accurate thickness of a polyelectrolyte adsorbed layer can be quickly and conveniently calculated from repeated calculation to minimize a relative error between average flow velocity calculated from viscosity measured from a liquid having a polyelectrolyte dispersed with various molecular weights and concentrations and directly measured average flow velocity.

Description

마이크로플루이딕 채널에서 전해질고분자 흡착층의 해석 방법 및 장치{Method and apparatus for analyzing of polyelectrolyte adsorbed layer in microfluidic channel}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method and an apparatus for analyzing an electrolyte polymer adsorbent layer in a microfluidic channel,

마이크로플루이딕 채널에 전해질고분자(polyelectrolyte) 용액을 흘리면 계면동전기(electrokinetics) 원리에 의해 흐름전위와 흐름전류가 발생하며, 이와 같이 기계적 에너지를 전기에너지로 전환하는 에너지 전환 및 수확기술의 일환으로 응용되고 있다. 이렇게 마이크로플루이딕 채널 내부로 압력을 가하여 전해질고분자 용액을 흘렸을 때 채널 벽면에 전해질고분자 흡착층(adsorbed-layer)이 형성될 수 있는데, 그 결과 동일한 압력차에 대해 유량은 감소되지만 채널 벽면에서의 표면전하밀도는 증가되어 최대출력과 전환효율이 종전보다 향상되는 장점이 있다.When a polyelectrolyte solution is flowed through a microfluidic channel, flow potential and flow current are generated by the electrokinetics principle. As a result of this, as an energy conversion and harvesting technology for converting mechanical energy into electric energy, . When an electrolyte polymer solution is poured into the microfluidic channel, an adsorbed-layer of an electrolyte may be formed on the channel wall surface. As a result, the flow rate is decreased with respect to the same pressure difference. However, The charge density is increased and the maximum output and the conversion efficiency are improved.

마이크로플루이딕스(microfluidics)는 미세 채널에서의 유체 흐름을 연구 하는 분야로 여기에는 독특한 현상과 거동이 관련되어 있다. 최근에는 채널 벽면에 친수성이나 소수성을 부가하는 것과 같이 마이크로플루이딕 채널의 벽면 특성이 변화함에 따라 액체유동 특성이 달라지며, 궁극적으로 분석 효율이나 성능에 영향을 미친다는 사실에 크게 주목하고 있다.Microfluidics is a field of study of fluid flow in microchannels, where unique phenomena and behavior are related. Recently, attention has been paid to the fact that liquid flow characteristics are changed as the wall characteristics of microfluidic channels are changed, such as adding hydrophilicity or hydrophobicity to channel walls, ultimately affecting analytical efficiency and performance.

슈레노프와 수이[J. Schlenoff, Z. Sui, "Variable charge films for controlling microfluidic flow", 미국특허등록(7,722,752), 2010.5.25]는 수소이온농도 지수인 pH에 민감하게 변화하는 전해질고분자의 특성을 이용하여 마이크로플루이딕 채널 내부에 1 nm에서 1μm 범위의 두께를 가지는 필름을 형성하여 전기삼투(electroosmosis) 흐름을 제어하였다. 채널 벽면에 형성되는 필름은 양이온성 전해질고분자와 음이온성 전해질고분자가 교대로 형성된 다중층이며, 필름이 형성된 채널에 흐르는 용액의 pH를 조절하여 전기삼투흐름의 방향과 속도를 제어하였다.Schlenoff and Sui [J. Schlenoff, Z. Sui, "Variable charge films for controlling microfluidic flow", US patent application (7,722,752), May 25, 2010] discloses a microfluidic channel using a characteristic of an electrolyte polymer which is sensitive to pH, A film having a thickness in the range of 1 nm to 1 [mu] m was formed inside to control the electroosmosis flow. The film formed on the channel walls was a multilayer formed by alternating cationic electrolyte polymer and anionic electrolyte polymer, and the direction and velocity of the electroosmotic flow were controlled by controlling the pH of the solution flowing through the channel in which the film was formed.

그 밖에도 계면동전기 에너지 전환기술에서 나노채널의 벽면에 전해질고분자를 도입하여 벌크용액의 이온 전하에 전해질고분자의 하전성을 부가함으로써 더욱 높은 출력을 얻고자 하는 시도들이 보고되고 있다. In addition, attempts have been made to obtain higher output by introducing an electrolyte polymer to the wall surface of the nanochannel in the interface electrokinetic energy conversion technology to add the chargeability of the electrolyte polymer to the ionic charge of the bulk solution.

찬다 등[S. Chanda, S. Sinha, S. Das. "Streaming potential and electroviscous effects in soft nanochannels: towards designing more efficient nanofluidic electrochemomechanical energy converters", Soft Matter, 10, 7558, 2014]은 전해질고분자가 높은 농도로 그래프팅된 나노채널에서 표면전위가 낮은 조건에서의 흐름전위와 전기점성 효과(electroviscous effect)에 대해 해석하였다. 그들은 채널 벽면에 전해질고분자 브러쉬(brush)가 형성되면 전기이중층(electric double layer) 두께 변화에 대한 흐름전위 변화와 전기점성 효과가 낮아지며, 특히, 전해질고분자 브러쉬의 형성으로 전환효율이 최소 몇 배 이상 상승함을 보고하였다. [S. Chanda, S. Sinha, S. Das. "Soft Matter, 10, 7558, 2014], which is a new type of nanofluidic electrochemomechanical energy converters, Electric potential and electroviscous effect were analyzed. When the electrolyte polymer brush is formed on the channel wall, the change of the electric potential and the electric viscous effect against the change of the electric double layer thickness are lowered. In particular, the formation efficiency of the electrolytic polymer brush is at least several times higher than that of the electrolytic polymer brush Respectively.

패트와리 등[J. Patwary, G. Chen, S. Das, "Efficient electrochemomechanical energy conversion in nanochannels grafted with polyelectrolyte layers with pH-dependent charge density", Microfluid Nanofluid, 20, 37, 2016]은 채널 벽면에 전해질고분자를 그래프팅(grafting) 시킨 나노채널에서 전해질고분자의 탄성(elasticity)과 부피배제(excluded volume) 효과를 고려한 정전기장과 전해질고분자 흡착층에서의 항력(drag force)을 반영한 속도장을 해석하여 용액의 수소이온농도 지수인 pH와 산해리상수(acid dissociation constant) 지수인 pKa 값에 따라 흐름전위가 상승되고 전환효율이 5% 수준까지 향상될 수 있음을 보고하였다. 여기서, 전해질고분자 흡착층은 이온이 자유롭게 침투하여 돌아다닐 수 있어서, 액체 유동의 속도분포가 비교적 균일하게 유지된다.Patwari et al. [J. Patfary, G. Chen, and S. Das, "Efficient electrochemomechanical energy conversion in nanochannels grafted with polyelectrolyte layers with pH-dependent charge density", Microfluid Nanofluid, 20, 37, 2016) grafts an electrolyte polymer to the channel walls. The analysis of the velocity field reflecting the drag force in the electrostatic field and the electrolyte polymer adsorbent layer taking into account the elasticity and excluded volume effect of the electrolyte polymer in the nanochannel of the solution, And pKa, which is an acid dissociation constant index, and the conversion efficiency can be improved to 5%. Here, the electrolyte polymer adsorbing layer can freely permeate ions and move around, so that the velocity distribution of the liquid flow is kept relatively uniform.

J.B. Schlenoff, Z. Sui, "Variable charge films for controlling microfluidic flow", 미국특허등록(7,722,752), 2010.5.25.J.B. Schlenoff, Z. Sui, " Variable charge films for controlling microfluidic flow ", US patent registration (7,722,752), May 25, 2010.

S. Chanda, S. Sinha, S. Das. "Streaming potential and electroviscous effects in soft nanochannels: towards designing more efficient nanofluidic electrochemomechanical energy converters", Soft Matter, 10, 7558, 2014. S. Chanda, S. Sinha, S. Das. "Streaming potential and electroviscous effects in soft nanochannels: towards designing more efficient nanofluidic electrochemomechanical energy converters", Soft Matter, 10, 7558, 2014. J. Patwary, G. Chen, S. Das, "Efficient electrochemomechanical energy conversion in nanochannels grafted with polyelectrolyte layers with pH-dependent charge density", Microfluid Nanofluid, 20, 37, 2016. J. Patwary, G. Chen, S. Das, "Efficient electrochemomechanical energy conversion in nanochannels grafted with polyelectrolyte layers with pH-dependent charge density", Microfluid Nanofluid, 20, 37, 2016.

계면동전기 에너지 전환기술의 효율 평가 및 성능개선을 위한 채널 벽면에 형성된 전해질고분자 흡착층의 해석에 있어서 흡착층의 정확한 두께를 산출하는 것이 중요한 해결과제인데, 여기서 흡착층의 두께는 도 1에서와 같이 채널 벽면에 흡착된 브러쉬 형태의 고분자 길이로 정해진다.It is an important problem to calculate the exact thickness of the adsorbent layer in the analysis of the electrolyte polymer adsorbent layer formed on the channel wall surface for the efficiency evaluation of the electrokinetic energy conversion technology and the performance improvement. Similarly, the length of the polymer in the form of a brush adsorbed on the channel wall surface is determined.

본 발명에서는 다양한 분자량 및 농도로 분산된 전해질고분자 용액의 점도로부터 계산된 평균유속과 직접 측정된 평균유속과의 비교에 따른 반복계산으로부터 전해질고분자 흡착층의 두께를 산출하는 방법 및 장치를 통해 보다 효율적으로 흡착층 두께를 해석하는 방안을 제안하고자 한다.In the present invention, a method and an apparatus for calculating the thickness of an electrolyte polymer adsorbent layer from repeated calculations according to comparison between an average flow rate calculated from the viscosity of an electrolyte polymer solution dispersed at various molecular weights and concentrations and a direct measured average flow rate, To analyze the adsorption layer thickness.

과제의 해결을 위한 각 단계에 대한 설명은 아래와 같다.A description of each step for solving the task is as follows.

(1) 흡착층에서 전해질고분자간의 평균 거리 산출 단계(1) Calculating the average distance between the electrolyte polymers in the adsorption layer

전해질고분자 용액의 벌크에서의 몰농도 CPE 와 아보가드로 상수 NA를 곱하면 단위부피당 전해질고분자의 갯수인 수농도로 환산된다. 벌크에서의 전해질고분자 농도가 그대로 채널 표면에 흡착된다고 단순히 가정하고 전해질고분자 주위에는 원형의 단위영역을 설정하면, 흡착층에서 전해질고분자간의 평균 거리 lb는 하기 수학식 1로 산출할 수 있다.The molar concentration of the electrolyte polymer solution in the bulk, C PE , is multiplied by the Avogadro constant N A, which is converted to the number concentration of the electrolyte polymer per unit volume. Assuming that the concentration of the electrolyte polymer in the bulk is adsorbed directly on the channel surface, and if a circular unit area is set around the electrolyte polymer, the average distance l b between the electrolyte polymers in the adsorption layer can be calculated by the following equation (1).

Figure 112017110926191-pat00001
Figure 112017110926191-pat00001

여기서, n은 전해질고분자의 중합도이고, lm은 단분자(monomer)의 길이이므로, nlm은 전해질고분자가 최대로 펼쳐진 길이(contour length)를 의미한다.Here, n is the degree of polymerization of the electrolyte polymer, and l m is the length of the monomer, and nl m means the maximum contour length of the electrolyte polymer.

(2) 전해질고분자 흡착층의 초기 두께 산출 단계(2) Calculation of Initial Thickness of Electrolyte Polymer Adsorbent Layer

일반적으로, 전해질고분자 흡착층의 두께 h 는 상기 lb 값으로부터 하기 수학식 2로 산출할 수 있다.Generally, the thickness h of the electrolyte polymer adsorbing layer can be calculated from the above-mentioned l b value by the following equation (2).

Figure 112017110926191-pat00002
Figure 112017110926191-pat00002

여기서, bK는 쿤(Kuhn) 길이, NK는 한 개의 전해질고분자 사슬에서 bK 갯수, 그리고 a는 전해질고분자의 해리도에 의해 결정되는 플러리-허긴스(Flory-Huggins) 계수이다. 임의의 전해질고분자에 대한 이들 인자들은 여러 문헌들로부터 찾을 수 있다.Where k K is the Kuhn length, N K is the number of b K in one electrolyte polymer chain, and a is the Flory-Huggins coefficient determined by the dissociation of the electrolyte polymer. These factors for any electrolyte polymer can be found in various documents.

본 발명에서, 전해질고분자 흡착층의 초기 두께는 반복계산 이전 단계에 필요한 것으로서 상기 수학식 2에 의해 산출되어 hini라고도 하며, 반복계산 단계에서 전해질고분자 흡착층의 두께는 계속 바뀔 수 있다.In the present invention, the initial thickness of the electrolyte polymer adsorbent layer is required for the pre-recurrence calculation step, which is calculated by Equation (2) and is also referred to as h ini , and the thickness of the electrolyte polymer adsorbent layer can be continuously changed in the iterative calculation step.

(3) 전해질고분자 흡착층에서의 농도분포 모델 선택 단계(3) Concentration distribution model selection step in the electrolyte polymer adsorption layer

전해질고분자의 농도분포 모델 f는 통계역학 개념에 근거하는데, 일반적으로 농도가 높을 때는 균일 농도 모델로, 농도가 낮을 때는 2차 혹은 3차함수 농도 모델로 가정할 수 있다. 본 발명에서는 균일, 2차함수, 3차함수 농도 모델 중에서 자유롭게 선택할 수 있다. Concentration distribution model of electrolytic polymer is based on the concept of statistical mechanics. In general, it can be assumed to be a homogeneous concentration model when the concentration is high and a second or tertiary function concentration model when the concentration is low. In the present invention, it is possible to freely select among uniformity, quadratic function and cubic function concentration models.

도 2에서는, 채널 내부의 단면이 사각형으로서 채널폭이 W, 채널높이가 H이고, 각각 채널폭, 높이, 길이 방향인 x, y, z 좌표축의 원점은 채널 단면의 중앙에 위치하고 있는 채널 모델을 제시하고 있으며, 이러한 채널 모델을 이용하여 농도분포 모델을 산출하였다. 여기에서, fx 는 채널폭 방향인 x 방향 영역, 즉,

Figure 112019004181604-pat00003
가 0 부터 W/2 까지에 대한 농도분포이고, fy 는 채널높이 방향인 y방향 영역, 즉,
Figure 112019004181604-pat00004
가 0 부터 H/2 까지에 대한 농도분포이며, fxy 는 x 와 y 방향 영역이 중첩되는 구간에 대한 농도분포이다. 각 농도분포 모델은 공통적으로 채널 벽면부터 전해질고분자 흡착층 두께인 h까지의 구간에 대해 적분하면 1을 갖도록 정규화(normalization) 되어 있고, 채널 벽면에서 h 보다 멀리 떨어진 전해질고분자 흡착층 이외의 영역에서는 0 이 된다. 각 농도분포 모델은 도 3에 예시되어 있다.In Fig. 2, a channel model in which the cross-section inside the channel is a square, the channel width is W, the channel height is H, and the origin of the x, y, and z coordinate axes in the channel width, And the concentration distribution model is calculated using this channel model. Here, f x An x-direction region which is a channel width direction, that is,
Figure 112019004181604-pat00003
Is the concentration distribution from 0 to W / 2, f y Direction region which is the channel height direction, that is,
Figure 112019004181604-pat00004
Is the concentration distribution from 0 to H / 2, and f xy Is the concentration distribution for the region where the x and y directional regions overlap. Each concentration distribution model is normalized so as to have 1 when it is integrated with respect to a section from the channel wall surface to the thickness h of the electrolyte polymer adsorption layer. In the region other than the electrolyte polymer adsorption layer, . Each concentration distribution model is illustrated in FIG.

균일 농도 모델은 하기 수학식 3으로 주어진다.The uniform concentration model is given by the following equation (3).

Figure 112017110926191-pat00005
Figure 112017110926191-pat00005

2차함수 농도 모델은 하기 수학식 4 내지 수학식 6으로 주어진다.The quadratic function concentration model is given by the following equations (4) to (6).

Figure 112017110926191-pat00006
Figure 112017110926191-pat00006

Figure 112017110926191-pat00007
Figure 112017110926191-pat00007

Figure 112017110926191-pat00008
Figure 112017110926191-pat00008

3차함수 농도모델은 하기 수학식 7 내지 수학식 9로 주어진다.The cubic function concentration model is given by the following equations (7) to (9).

Figure 112017110926191-pat00009
Figure 112017110926191-pat00009

Figure 112017110926191-pat00010
Figure 112017110926191-pat00010

Figure 112017110926191-pat00011
Figure 112017110926191-pat00011

(4) 액체의 유량과 평균유속 계산 단계(4) Calculation of liquid flow rate and average flow rate

초기 산출된 hini 값을 갖는 길이가 L인 사각 채널(rectangular channel)에 압력차 ΔP에 의해 전해질고분자 용액이 u의 속도로 흐르는 경우에, 정상상태에 대한 전해질고분자 용액의 유량은 알려져 있는 비뉴톤성(non-Newtonian) 유체의 운동방정식인 하기 수학식 10으로 산출된다.When the electrolyte polymer solution flows at the velocity of u by the pressure difference? P in a rectangular channel having a length L having the initial calculated h ini value, the flow rate of the electrolyte polymer solution to the steady state is determined by the known non-Newton (10) which is an equation of motion of a non-Newtonian fluid.

Figure 112017110926191-pat00012
Figure 112017110926191-pat00012

여기서, τ는 전해질고분자 용액과 같은 비뉴톤성 유체에서 전단속도(shear rate)에 따른 점도 변화를 반영하고 있는 점성응력 텐서(viscous stress tensor)로서 전해질고분자 용액의 점도 η와 전단속도의 곱에 해당한다. 전해질고분자 흡착층에서 고분자 브러쉬에 의한 저항 계수 Cd 는 전해질고분자 용액의 점도 η, 전해질고분자 흡착층에서 전해질고분자간의 평균 거리 lb, 그리고 전해질고분자의 농도분포 모델 f 의 함수로서, Cd = ηf/lb 2 와 같다.Here, τ is a viscous stress tensor that reflects the change in viscosity with shear rate in a non-newtonic fluid such as an electrolytic polymer solution, and corresponds to a product of viscosity η and shear rate of an electrolyte polymer solution do. The resistance coefficient C d by the polymer brush in the polymer electrolyte adsorption layer is a function of the viscosity η of the electrolyte polymer solution, the average distance l b between the electrolyte polymers in the electrolyte polymer adsorption layer, and the concentration distribution model f of the electrolyte polymer, C d = η f / l b 2 .

앞 단계에서 산출된 값을 바탕으로 결정된 Cd와 실험적으로 측정한 전해질고분자 용액의 점도 데이터로부터 상기 수학식 10의 편미분 방정식의 해로서 채널단면이 사각형인 도 2의 채널폭 방향 x와 채널높이 방향 y의 함수인 속도분포 u(x,y)를 얻게 된다. 이어서, u(x,y)를 채널폭(W)과 채널높이(H)에 대해 적분하면 채널을 흐르는 용액의 유량과 이를 채널의 단면적으로 나눈 평균유속 U를 계산할 수 있다.From the viscosity data of the electrolytic polymer solution measured experimentally and C d determined based on the value calculated in the previous step, it is found from the viscosity data of the electrolytic polymer solution as the solution of the partial differential equation of Equation (10) the velocity distribution u (x, y), which is a function of y, is obtained. Next, by integrating u (x, y) with respect to the channel width W and the channel height H, the flow rate of the solution flowing through the channel and the average flow velocity U divided by the cross-sectional area of the channel can be calculated.

(5) 반복 계산으로 흡착층 두께를 산출하는 단계(5) calculating the thickness of the adsorption layer by iterative calculation

상기 단계에서 계산되어 얻어진 평균유속과 실제 측정된 평균유속간의 오차가 허용오차 보다 작아질 때까지 최소화하는 과정을 반복 시행한다. 허용오차보다 작아지게 되면 전해질고분자 흡착층의 두께 h를 결정할 수 있고, 전체적인 과정은 도 4와 같다.The process of minimizing the error between the average flow rate calculated in the above step and the actually measured average flow rate is smaller than the tolerance is repeated. The thickness h of the electrolyte polymer adsorbing layer can be determined, and the overall process is as shown in FIG.

본 발명의 일 실시예에 따른 전해질고분자 흡착층 두께의 산출방법은 원자힘 현미경(atomic force microscope: AFM)과 같은 고가의 장비 및 복잡한 이미지 분석과정이 필요한 종전의 방식에 비해, 전해질고분자 흡착층의 두께인 고분자 브러쉬의 길이를 신속하고 간편하게 산출할 수 있는 기술적인 경쟁력을 갖고 있다.The method of calculating the thickness of the electrolyte polymer adsorbent layer according to an embodiment of the present invention is advantageous in that it is possible to obtain a thin film of the electrolyte polymer adsorbed layer of the electrolyte polymeric adsorbent layer in comparison with the conventional method in which expensive equipment such as an atomic force microscope It has technological competitiveness that can quickly and easily calculate the length of polymer brush with thickness.

도 1은, 채널 벽면에 형성된 전해질고분자 흡착층의 두께 h인 고분자 브러쉬를 나타내는 도면이다.
도 2는, 직사각형의 단면을 갖는 채널의 내부 벽면에 전해질고분자 흡착층이 일정한 두께 h로 형성된 경우, 각각의 농도분포 모델이 적용되는 영역을 나타내는 도면이다.
도 3은, 균일, 2차함수, 3차함수 등의 농도분포 모델에 대해 전해질고분자 흡착층에서의 농도분포를 나타낸 도면으로, 여기서 흡착층 두께로 나눈 벽면에서의 거리가 1인 지점까지가 브러쉬 길이에 해당한다.
도 4는, 전해질고분자 흡착층의 두께를 산출하는 과정을 모식적으로 나타낸 순서도이다.
도 5는, 전해질고분자인 폴리아크릴산(polyacrylic acid: PAA) 용액의 전단속도에 따른 점도를 농도에 따라 측정한 결과와 이를 점도 모델에 따라 곡선 맞추기(curve fitting)한 결과를 나타낸다.
도 6은, PAA 1000 ppm 용액에 대해 채널 벽면에 흡착층이 형성되지 않은 경우와 흡착층이 형성된 경우에 대한 속도분포로서, 전해질고분자 농도분포 모델에 따라 속도분포에 차이를 보이고 있다.
도 7은, PAA 용액의 농도에 따라 측정한 평균유속을 나타내고 있다.
도 8은, PAA 용액의 농도에 따른 전해질고분자 흡착층의 두께에 대한 AFM에 의한 실험적 측정값과 본 발명의 해석 방법으로부터 각 농도분포 모델을 적용하여 계산된 결과를 나타내고 있다.
1 is a view showing a polymer brush having a thickness h of an electrolyte polymer adsorbing layer formed on a channel wall surface.
Fig. 2 is a view showing a region to which each concentration distribution model is applied when an electrolyte polymer adsorbing layer is formed on the inner wall surface of a channel having a rectangular cross section with a constant thickness h.
FIG. 3 is a graph showing the concentration distribution in the electrolyte polymer adsorbing layer with respect to the concentration distribution model such as uniformity, quadratic function, cubic function, etc. In this case, the distance from the wall surface divided by the thickness of the adsorption layer is 1, Length.
4 is a flowchart schematically showing a process of calculating the thickness of the electrolyte polymer adsorbing layer.
FIG. 5 shows the result of measuring viscosity according to shear rate of a polyacrylic acid (PAA) solution, which is an electrolyte polymer, and curve fitting according to the viscosity model.
FIG. 6 shows the velocity distributions of the case where the adsorption layer is not formed on the channel wall surface and the case where the adsorption layer is formed for the PAA 1000 ppm solution, and the velocity distribution differs according to the electrolyte polymer concentration distribution model.
7 shows the average flow rate measured according to the concentration of the PAA solution.
FIG. 8 shows results obtained by applying the AFM-based experimental measurement values of the thickness of the electrolyte polymer adsorbing layer to the concentration of the PAA solution and the concentration distribution models from the analysis method of the present invention.

전해질고분자로 분자량이 1.25x106 g/mol인 폴리아크릴산(PAA) 용액을 각각 500, 1000, 2000 ppm 농도로 조제하였고 각 용액의 pH는 9로 유지하였다. 각 농도의 전해질고분자 용액에 대한 점도를 유변기기(모델: MCR301, Anton Paar)에 이중 쿠엣 셀(double Couette cell)을 장착하여 전단속도 변화에 따라 측정하였다. 도 5에서와 같이, PAA 농도에 따른 점도를 측정하여 심볼로 도시한 결과와 이를 버드-커루(Bird-Carreau) 모델에 따라 곡선 맞추기(curve fitting) 하여 도시한 결과를 볼 수 있다.Polyacrylic acid (PAA) solutions with molecular weights of 1.25 × 10 6 g / mol were prepared at 500, 1000 and 2000 ppm, respectively, and the pH of each solution was maintained at 9. The viscosity of each concentration of electrolyte polymer solution was measured by shear rate change with a double Couette cell attached to a fluid machine (model: MCR301, Anton Paar). As shown in FIG. 5, the results obtained by measuring the viscosity according to the concentration of PAA and by curve fitting according to the Bird-Carreau model can be seen.

상기 수학식 10을 이용하여 전단속도의 함수인 용액의 점도 측정 결과로부터 주어진 마이크로플루이딕 채널에서 용액의 속도분포를 구할 수 있다. 도 6은 채널폭(W)이 40 ㎛, 채널높이(H)가 10 ㎛, 채널길이(L)가 3.8 mm인 마이크로플루이딕 채널에 PAA 1000 ppm 용액을 흘렸을 때, 채널의 중앙인 x = 0 지점에서 채널높이 방향에 대한 용액의 속도 분포를 전해질고분자의 농도분포 모델에 따라 산출한 결과이다. 산출된 속도 분포를 채널폭과 높이 방향으로 수치적분을 하면 채널을 흐르는 용액의 유량을 계산할 수 있고, 이를 채널의 단면적으로 나누면 농도분포 모델에 따른 용액의 평균유속을 계산할 수 있다.Using the above equation (10), the velocity distribution of the solution in a given microfluidic channel can be obtained from the viscosity measurement result of the solution, which is a function of the shear rate. 6 shows a graph showing the relationship between the center of the channel and x = 0 when the PAA 1000 ppm solution was spilled on a microfluidic channel having a channel width W of 40 m, a channel height H of 10 m and a channel length L of 3.8 mm. The velocity distribution of the solution in the direction of the channel height from the point is calculated according to the concentration distribution model of the electrolytic polymer. If the calculated velocity distribution is numerically integrated in the channel width and height direction, the flow rate of the solution flowing through the channel can be calculated and the average flow rate of the solution according to the concentration distribution model can be calculated by dividing it by the cross-sectional area of the channel.

본 발명에서는 상기의 폭, 높이, 길이를 갖는 마이크로플루이딕 채널, 전해질고분자 용액이 진입하는 유입구, 전해질고분자 용액이 배출되는 유출구가 형성된 유리나 폴리디메칠실록산(polydimethylsiloxane: PDMS) 재질의 칩을 제조하여, 전해질고분자 용액의 평균유속을 실제로 측정할 수 있으며, 이를 산출된 평균유속과 비교할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 정밀 압력계가 설치된 외경 1/16인치 플라스틱 튜빙을 상기 유입구와 유출구에 설치하고 펌프에 의해 일정 압력차로 PAA 용액을 채널에 흘린다. 일정 시간 경과 후에 정상상태에 도달하면 유출 튜빙에서 배출되는 부피 유량을 측정하고, 부피 유량을 채널의 단면적으로 나누어 실험적으로 측정된 평균유속을 얻게 된다. 이와 같은 방법으로 PAA 용액의 농도에 따라 측정한 평균유속을 도 7에 제시하였다. In the present invention, a chip made of glass or polydimethylsiloxane (PDMS) having a width, a height, and a length of the microfluidic channel, an inlet through which the electrolytic polymer solution enters, and an outlet through which the electrolyte polymer solution is discharged is formed , The average flow rate of the electrolyte polymer solution can be actually measured and compared with the calculated average flow rate. In one embodiment of the present invention, a 1/16 inch outer diameter plastic tubing equipped with a precision pressure gauge is installed at the inlet and outlet, and PAA solution is flowed through the channel at a constant pressure difference by a pump. When a steady state is reached after a certain period of time, the volumetric flow discharged from the spout tubing is measured, and the volumetric flow rate is divided by the cross-sectional area of the channel to obtain the experimentally measured average flow rate. The average flow rate measured according to the concentration of the PAA solution in this manner is shown in FIG.

한편, 상기의 전해질고분자 용액의 전단속도 변화에 따른 점도 측정장치나 마이크로플루이딕 채널에서의 평균유속 측정장치는 전해질고분자 흡착층 두께의 산출장치와 온라인 또는 오프라인으로 연결될 수 있다.Meanwhile, the apparatus for measuring the viscosity according to the shear rate change of the electrolyte polymer solution or the apparatus for measuring the average flow rate in the microfluidic channel may be connected to the apparatus for calculating the thickness of the electrolyte polymer adsorbent layer either online or offline.

[실시예][Example]

전해질고분자 흡착층의 두께 h 를 산출하기 위해서는, 상기에서 서술한 바와 같이 초기 두께 hini를 산출해야 한다. 상기 수학식 1과 2의 제반 인자들은 여러 문헌을 통해 얻을 수 있는 바, 예로 pH 9인 조건에서 PAA 1000 ppm 용액의 경우, 쿤 길이 bk 는 11.7 nm이고 PAA의 해리도에 따른 플러리-허긴스 계수는 0이다. 이를 통해 수학식 1로부터, 흡착층에서 전해질고분자간의 평균 거리 lb는 31.5 nm로, 수학식 2로부터 전해질고분자 흡착층의 초기 두께 hini는 760 nm로 각각 산출되었다.In order to calculate the thickness h of the electrolytic polymer adsorbent layer, the initial thickness h ini must be calculated as described above. The parameters of the above equations 1 and 2 can be obtained from various documents. For example, in the case of 1000 ppm of PAA at a pH of 9, the Kuhn length b k is 11.7 nm and the Fuller-Huggins The coefficient is zero. From Equation (1), the average distance l b between the electrolyte polymers in the adsorption layer was calculated to be 31.5 nm, and the initial thickness h ini of the electrolyte polymer adsorbent layer was calculated to be 760 nm from Equation (2).

PAA 1000 ppm인 전해질고분자 용액의 평균유속은, 수학식 3 내지 9를 통해 균일, 2차함수, 3차함수 등의 농도분포 모델에 대해 각각 11.4, 11.8, 12.4 mm/s 로 산출되었다. 이는 도 7의 실제 측정된 평균유속인 9.6 mm/s 보다 약간 높은 값이었다.The average flow rate of the electrolyte polymer solution of 1000 ppm of PAA was calculated to be 11.4, 11.8, and 12.4 mm / s for the concentration distribution models such as uniformity, quadratic function, and cubic function through Equations 3 to 9. Which was slightly higher than the actual measured average flow rate of 9.6 mm / s in Fig.

도 4의 순서도와 같이 평균유속 계산치(U계산)와 측정치(U측정)로부터 구한 상대오차와 허용오차와의 비교를 통해 반복계산 여부를 판단하고 반복계산의 수렴을 위해 필요한 흡착층 두께인 hnew를 구하였다. 반복계산의 횟수는 허용오차에 의해 결정되는데, 예로 허용오차를 3%로 설정할 경우에는 반복계산을 5회 수행하였다. 이 경우, PAA 1000 ppm 전해질고분자의 흡착층 두께와 평균유속은 균일, 2차함수, 3차함수 등의 농도분포 모델에 대해 각각 963, 1016, 1089 nm와 9.71, 9.82, 9.84 mm/s로 산출되었다.As shown in the flow chart of FIG. 4, it is determined whether or not iterative calculation is required by comparing the relative error obtained from the calculation of the average flow velocity (U calculation ) and the measurement value (U measurement ) and the tolerance, and the adsorption layer thickness h new Respectively. The number of iterations is determined by the tolerance. For example, if the tolerance is set to 3%, the iterations are performed five times. In this case, the adsorption layer thickness and average velocity of PAA 1000 ppm electrolyte polymer were calculated as 963, 1016, and 1089 nm and 9.71, 9.82, and 9.84 mm / s for the concentration distribution model of uniformity, quadratic function and cubic function, respectively .

도 8은, PAA 용액의 임의의 농도에 대한 결과를 보여주고 있다. PAA 농도가 높을수록 전해질고분자 흡착층의 두께 h는 증가함을 볼 수 있다. 또한, 본 발명의 h 산출에 대한 해석 방법으로부터 각 농도분포 모델을 적용하여 얻어진 계산값과 h를 AFM에 의해 측정한 실험값과의 비교를 나타내고 있다.Figure 8 shows the results for any concentration of PAA solution. As the concentration of PAA increases, the thickness h of the polymer adsorbent layer increases. In addition, a comparison between the calculated value obtained by applying each concentration distribution model and the experimental value measured by the AFM from the analytical method for the h calculation of the present invention is shown.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific embodiments thereof, those skilled in the art will appreciate that such specific embodiments are merely preferred embodiments and that the scope of the present invention is not limited thereby. something to do.

Claims (12)

마이크로플루이딕 채널에 전해질고분자(polyelectrolyte)를 포함하는 액체를 흘려서 마이크로플루이딕 채널 벽면에 형성되는 전해질고분자 흡착층 두께의 산출방법에 있어서,
채널 벽면에 형성된 전해질고분자 흡착층 내의 전해질고분자간 평균 거리 산출 단계;
전해질고분자 흡착층의 초기 두께 산출 단계;
전해질고분자 흡착층에서의 전해질고분자 농도분포 모델 선택 단계;
액체의 유량과 평균유속 계산 단계; 및
반복 계산을 통한 전해질고분자 흡착층의 두께 산출 단계;
를 포함하는 마이크로플루이딕 채널 벽면에 형성되는 전해질고분자 흡착층 두께의 산출방법.
A method for calculating the thickness of an electrolyte polymeric adsorbent layer formed on a microfluidic channel wall surface by flowing a liquid containing a polyelectrolyte in a microfluidic channel,
Calculating an average distance between the electrolyte polymer in the electrolyte polymer adsorbing layer formed on the channel wall;
Calculating an initial thickness of the electrolyte polymer adsorbing layer;
Electrolyte Polymer Concentration Distribution Model Selection in Electrolyte Polymer Adsorption Layer;
Calculating a liquid flow rate and an average flow rate; And
A step of calculating the thickness of the electrolyte polymer adsorbing layer by repeated calculation;
The thickness of the electrolyte polymer adsorbing layer formed on the microfluidic channel wall surface.
제1항에 있어서,
상기 채널 벽면에 형성된 전해질고분자 흡착층 내의 전해질고분자간 평균 거리 산출 단계에서는,
벌크에서의 전해질고분자 농도가 그대로 마이크로플루이딕 채널 표면에 흡착되고 전해질고분자 주위에는 원형의 단위영역에 설정됨을 나타내는 하기 수학식 1에 따른 산출방법을 포함하는 마이크로플루이딕 채널 벽면에 형성되는 전해질고분자 흡착층 두께의 산출방법.
[수학식 1]
Figure 112019004181604-pat00013

(상기 수학식 1에서, 상기 lb는 흡착층에서 전해질고분자간의 평균 거리이고, 상기 CPE는 전해질고분자를 포함하는 액체에 있어 벌크에서의 전해질고분자의 몰농도이며, 상기 NA 아보가드로 상수이고, 상기 n은 전해질고분자의 중합도이고, 상기 lm은 단분자의 길이 이다.)
The method according to claim 1,
In the step of calculating the average distance between the electrolyte polymers in the electrolyte polymer adsorbing layer formed on the channel walls,
Wherein the concentration of the electrolyte polymer in the bulk is adsorbed on the surface of the microfluidic channel as it is and is set around the unit area of the circle around the electrolyte polymer, the adsorption of the electrolyte polymer formed on the wall of the microfluidic channel including the calculation method Method of calculating layer thickness.
[Equation 1]
Figure 112019004181604-pat00013

(In the above equation (1), wherein l b is the average distance between the polymer electrolyte in the adsorbent bed, the C PE is the molar concentration of the electrolyte polymer in bulk in the liquid containing a polymer electrolyte, wherein N is A Wherein n is the degree of polymerization of the electrolyte polymer, and l m is the length of the single molecule.
제1항에 있어서,
상기 전해질고분자 흡착층의 초기 두께 산출 단계는 하기 수학식 2에 따른 산출방법을 포함하는 마이크로플루이딕 채널 벽면에 형성되는 전해질고분자 흡착층 두께의 산출방법.
[수학식 2]
Figure 112017110926191-pat00014

(상기 수학식 2에 있어서, 상기 h는 전해질고분자 흡착층의 두께이고, 상기 lb는 흡착층에서 전해질고분자간의 평균 거리이며, 상기 bK는 쿤(Kuhn) 길이, 상기 NK는 한 개의 전해질고분자 사슬에서 bK 갯수, 상기 a는 전해질고분자의 해리도에 의해 결정되는 플러리-허긴스(Flory-Huggins) 계수이다.)
The method according to claim 1,
Wherein the step of calculating the initial thickness of the electrolyte polymer adsorbing layer is performed on the microfluidic channel wall surface including the calculating method according to Equation (2).
&Quot; (2) "
Figure 112017110926191-pat00014

(Where h is the thickness of the electrolyte polymer adsorbing layer, l b is the average distance between the electrolyte polymers in the adsorbing layer, b K is the Kuhn length, N K is one electrolyte The number of b K in the polymer chain, and a is the Flory-Huggins coefficient determined by the dissociation degree of the electrolyte polymer.
제1항에 있어서,
상기 전해질고분자 흡착층에서의 전해질고분자 농도분포 모델 선택 단계는 균일 농도 모델, 2차함수 농도 모델 및 3차함수 농도 모델로 구성되는 농도분포 모델 군에서 어느 하나를 선택할 수 있고,
각 농도 모델은 공통적으로 채널 벽면부터 전해질고분자 흡착층 두께인 h까지의 구간에 대해 적분하면 1을 갖도록 정규화(normalization) 되어 있고, 채널 벽면에서 h보다 멀리 떨어진 전해질고분자 흡착층 이외의 영역에서는 0이 되는 마이크로플루이딕 채널 벽면에 형성되는 전해질고분자 흡착층 두께의 산출방법.
The method according to claim 1,
The electrolyte polymer concentration distribution model selection step in the electrolyte polymer adsorption layer can be selected from the concentration distribution model group consisting of a uniform concentration model, a quadratic function concentration model, and a cubic function concentration model,
Each concentration model is normalized so as to have 1 when it is integrated with respect to the section from the channel wall surface to the thickness h of the electrolyte polymer adsorption layer. In the region other than the electrolyte polymer adsorption layer, The thickness of the electrolyte polymer adsorbing layer formed on the wall surface of the microfluidic channel.
제4항에 있어서,
상기 균일 농도 모델은 하기 수학식 3에 따른 산출방법을 포함하는 마이크로플루이딕 채널 벽면에 형성되는 전해질고분자 흡착층 두께의 산출방법.
[수학식 3]
Figure 112019004181604-pat00015

(상기 수학식 3에 있어서, 상기 fx 는 채널폭(W) 방향인 x 방향 영역, 즉,
Figure 112019004181604-pat00016
가 0 부터 W/2 까지에 대한 농도분포이고, 상기 fy 는 채널높이(H) 방향인 y방향 영역, 즉,
Figure 112019004181604-pat00017
가 0 부터 H/2 까지에 대한 농도분포이며, 상기 fxy 는 x 와 y 방향 영역이 중첩되는 구간에 대한 농도분포이다.)
5. The method of claim 4,
Wherein the homogeneous concentration model is formed on a microfluidic channel wall surface including a calculation method according to Equation (3): " (1) "
&Quot; (3) "
Figure 112019004181604-pat00015

(In the above Equation 3, f x Direction region which is the channel width W direction, that is,
Figure 112019004181604-pat00016
Is a concentration distribution from 0 to W / 2, and f y Direction region which is the channel height H direction, that is,
Figure 112019004181604-pat00017
Is a concentration distribution from 0 to H / 2, and f xy Is the concentration distribution for the section where the x and y directional regions overlap.)
제4항에 있어서,
상기 2차함수 농도 모델은 하기 수학식 4 내지 6에 따른 산출방법을 포함하는 마이크로플루이딕 채널 벽면에 형성되는 전해질고분자 흡착층 두께의 산출방법.
[수학식 4]
Figure 112019004181604-pat00018

[수학식 5]
Figure 112019004181604-pat00019

[수학식 6]
Figure 112019004181604-pat00020

(상기 수학식 4 내지 6에 있어서, 상기 fx 는 채널폭(W) 방향인 x 방향 영역, 즉,
Figure 112019004181604-pat00021
가 0 부터 W/2 까지에 대한 농도분포이고, 상기 fy 는 채널높이(H) 방향인 y방향 영역, 즉,
Figure 112019004181604-pat00022
가 0 부터 H/2 까지에 대한 농도분포이며, 상기 fxy 는 x 와 y 방향 영역이 중첩되는 구간에 대한 농도분포이다.)
5. The method of claim 4,
Wherein the quadratic function concentration model is formed on a microfluidic channel wall surface including a calculation method according to Equations (4) to (6).
&Quot; (4) "
Figure 112019004181604-pat00018

&Quot; (5) "
Figure 112019004181604-pat00019

&Quot; (6) "
Figure 112019004181604-pat00020

(In the above Equations (4) to (6), f x Direction region which is the channel width W direction, that is,
Figure 112019004181604-pat00021
Is a concentration distribution from 0 to W / 2, and f y Direction region which is the channel height H direction, that is,
Figure 112019004181604-pat00022
Is a concentration distribution from 0 to H / 2, and f xy Is the concentration distribution for the section where the x and y directional regions overlap.)
제4항에 있어서,
상기 3차함수 농도 모델은 하기 수학식 7 내지 9에 따른 산출방법을 포함하는 마이크로플루이딕 채널 벽면에 형성되는 전해질고분자 흡착층 두께의 산출방법.
[수학식 7]
Figure 112019004181604-pat00023

[수학식 8]
Figure 112019004181604-pat00024

[수학식 9]
Figure 112019004181604-pat00025

(상기 수학식 7 내지 9에 있어서, 상기 fx 는 채널폭(W) 방향인 x 방향 영역, 즉,
Figure 112019004181604-pat00026
가 0 부터 W/2 까지에 대한 농도분포이고, 상기 fy 는 채널높이(H) 방향인 y방향 영역, 즉,
Figure 112019004181604-pat00027
가 0 부터 H/2 까지에 대한 농도분포이며, 상기 fxy 는 x 와 y 방향 영역이 중첩되는 구간에 대한 농도분포이다.)
5. The method of claim 4,
Wherein the cubic function concentration model is formed on a microfluidic channel wall surface including a calculation method according to the following Equations (7) to (9).
&Quot; (7) "
Figure 112019004181604-pat00023

&Quot; (8) "
Figure 112019004181604-pat00024

&Quot; (9) "
Figure 112019004181604-pat00025

(In the above Equations (7) to (9), f x Direction region which is the channel width W direction, that is,
Figure 112019004181604-pat00026
Is a concentration distribution from 0 to W / 2, and f y Direction region which is the channel height H direction, that is,
Figure 112019004181604-pat00027
Is a concentration distribution from 0 to H / 2, and f xy Is the concentration distribution for the section where the x and y directional regions overlap.)
제1항에 있어서,
상기 액체의 유량과 평균유속 계산 단계는 전해질고분자 흡착층 두께의 초기 산출값을 갖는 길이가 L인 사각 채널에 압력차 ΔP에 의해 전해질고분자 용액이 u의 속도로 흐르는 경우의 정상상태에 대한 하기 수학식 10에 따른 산출방법을 포함하는 마이크로플루이딕 채널 벽면에 형성되는 전해질고분자 흡착층 두께의 산출방법.
[수학식 10]
Figure 112017110926191-pat00028

(상기 수학식 10에서, 상기 τ는 전해질고분자를 포함하는 액체와 같은 비뉴톤성 유체에서 전단속도(shear rate)에 따른 점도 변화를 반영하고 있는 점성응력 텐서(viscous stress tensor)로서 전해질고분자 용액의 점도 η와 전단속도(shear rate)의 곱에 해당하고, 상기 Cd 는 전해질고분자 흡착층에서 고분자 브러쉬에 의한 저항 계수로 전해질고분자 용액의 점도 η, 전해질고분자 흡착층에서 전해질고분자간의 평균 거리 lb, 그리고 전해질고분자의 농도분포 모델 f 의 함수로서, Cd = ηf/lb 2 와 같은 관계이다.)
The method according to claim 1,
The flow rate and the average flow velocity of the liquid are calculated by using the following mathematical expression for the steady state when the electrolyte polymer solution flows at the velocity of u by the pressure difference DELTA P in the square channel having the length L having the initial calculated value of the thickness of the electrolyte polymer adsorbent layer A method for calculating the thickness of an electrolyte polymer adsorbent layer formed on a microfluidic channel wall surface including a calculation method according to formula (10).
&Quot; (10) "
Figure 112017110926191-pat00028

In Equation (10), τ is a viscous stress tensor that reflects a change in viscosity according to a shear rate in a non-newtonic fluid such as a liquid containing an electrolyte polymer, the viscosity η and the shear rate corresponding to the product of (shear rate), wherein C d is the average distance between the electrolyte viscosity of the electrolyte polymer solution from the polymer adsorption layer is a resistance coefficient of the polymer brushes η, electrolyte polymer electrolyte polymer in the adsorbed layer l b , And as a function of the concentration distribution model f of the electrolyte polymer, C d = η f / l b 2 .
제1항에 있어서,
상기 반복 계산을 통한 전해질고분자 흡착층의 두께 산출 단계는 상기 액체의 유량과 평균유속 계산 단계를 통해 얻어진 평균유속과 실제 측정된 평균유속간의 오차가 허용오차보다 작아질 때까지 반복 시행하는 마이크로플루이딕 채널 벽면에 형성되는 전해질고분자 흡착층 두께의 산출방법.
The method according to claim 1,
The step of calculating the thickness of the electrolyte polymer adsorbent layer through the iterative calculation may be carried out by repeating the calculation until the error between the flow rate of the liquid and the average flow rate obtained through the average flow rate calculation step is smaller than the tolerable error, A method for calculating the thickness of an electrolyte polymer adsorbent layer formed on a channel wall surface.
마이크로플루이딕 채널 벽면에 형성되는 전해질고분자 흡착층 두께의 산출을 위하여, 길이가 L인 사각 채널에 압력차 ΔP에 의해 전해질고분자 용액이 u의 속도로 흐르는 경우의 정상상태에 대한 하기 수학식 10에서 전해질고분자 용액의 속도 u를 산출하는데 필요한 전해질고분자 용액의 점도 η를 측정하기 위한, 전해질고분자가 일정 농도 포함된 액체의 전단속도 변화에 따른 점도 측정장치; 및
상기 산출된 속도 u로부터 액체의 유량과 평균유속 계산 단계를 통해 얻어진 평균유속과의 오차를 비교하기 위하여, 전해질고분자가 일정 농도 포함된 액체의 마이크로플루이딕 채널에서의 실제 평균유속을 측정하기 위한 장치;
를 포함하는 마이크로플루이딕 채널 벽면에 형성되는 전해질고분자 흡착층 두께의 산출장치.
[수학식 10]
Figure 112019004181604-pat00037

(상기 수학식 10에서, 상기 τ는 전해질고분자를 포함하는 액체와 같은 비뉴톤성 유체에서 전단속도(shear rate)에 따른 점도 변화를 반영하고 있는 점성응력 텐서(viscous stress tensor)로서 전해질고분자 용액의 점도 η와 전단속도(shear rate)의 곱에 해당하고, 상기 Cd 는 전해질고분자 흡착층에서 고분자 브러쉬에 의한 저항 계수로 전해질고분자 용액의 점도 η, 전해질고분자 흡착층에서 전해질고분자간의 평균 거리 lb, 그리고 전해질고분자의 농도분포 모델 f 의 함수로서, Cd = ηf/lb 2 와 같은 관계이다.)
In order to calculate the thickness of the electrolyte polymer adsorbent layer formed on the wall surface of the microfluidic channel, the steady state in the case where the electrolyte polymer solution flows at the speed of u by the pressure difference? A viscosity measuring device according to a change in shear rate of a liquid containing a certain concentration of an electrolyte polymer for measuring a viscosity? Of an electrolyte polymer solution required for calculating a velocity u of an electrolyte polymer solution; And
In order to compare the error between the flow rate of the liquid from the calculated velocity u and the average flow rate obtained through the average flow rate calculation step, a device for measuring the actual average flow rate in the microfluidic channel of the liquid containing the electrolyte polymer at a constant concentration ;
The thickness of the electrolyte polymer adsorbing layer formed on the wall surface of the microfluidic channel.
&Quot; (10) "
Figure 112019004181604-pat00037

In Equation (10), τ is a viscous stress tensor that reflects a change in viscosity according to a shear rate in a non-newtonic fluid such as a liquid containing an electrolyte polymer, the viscosity η and the shear rate corresponding to the product of (shear rate), wherein C d is the average distance between the electrolyte viscosity of the electrolyte polymer solution from the polymer adsorption layer is a resistance coefficient of the polymer brushes η, electrolyte polymer electrolyte polymer in the adsorbed layer l b , And as a function of the concentration distribution model f of the electrolyte polymer, C d = η f / l b 2 .
제10항에 있어서,
상기 전해질고분자가 일정 농도 포함된 액체의 마이크로플루이딕 채널에서의 실제 평균유속을 측정하기 위한 장치는
전해질고분자가 포함된 액체가 진입하는 유입구;
전해질고분자가 포함된 액체가 흐르는 마이크로플루이딕 채널;
전해질고분자가 포함된 액체가 배출되는 유출구;
상기 유입구, 상기 마이크로플루이딕 채널, 및 상기 유출구가 형성된 유리 또는 폴리디메틸실록산(PDMS) 재질로 제조된 칩;
마이크로플루이딕 채널에 전해질고분자가 포함된 액체를 일정한 압력차 ΔP로 흘리기 위한 펌프; 및
정밀 압력계가 설치된 튜빙;
을 포함하는 마이크로플루이딕 채널 벽면에 형성되는 전해질고분자 흡착층 두께의 산출장치.
11. The method of claim 10,
An apparatus for measuring an actual average flow rate in a microfluidic channel of a liquid containing a certain concentration of the electrolyte polymer
An inlet through which the liquid containing the electrolyte polymer enters;
A microfluidic channel through which a liquid containing an electrolyte polymer flows;
An outlet through which liquid containing the electrolyte polymer is discharged;
A chip made of glass or polydimethylsiloxane (PDMS) material on which the inlet, the microfluidic channel, and the outlet are formed;
A pump for flowing a liquid containing an electrolyte polymer in a microfluidic channel to a constant pressure difference? P; And
Tubing with precision pressure gauge;
The thickness of the electrolyte polymer adsorbing layer formed on the microfluidic channel wall surface.
제10항에 있어서,
상기 전해질고분자가 일정 농도 포함된 액체의 전단속도 변화에 따른 점도 측정장치 또는 상기 전해질고분자가 일정 농도 포함된 액체의 마이크로플루이딕 채널에서의 실제 평균유속을 측정하기 위한 장치는 상기 전해질고분자 흡착층 두께의 산출장치와 온라인 또는 오프라인으로 연결되며,
상기 전해질고분자 흡착층 두께의 산출장치는, 상기 전해질고분자의 농도분포 모델; 및
상기 점도 측정장치에 의해 측정된 점도로부터 산출된 평균유속과 상기 실제 평균유속을 측정하기 위한 장치에 의한 실제 평균유속간의 오차가 허용오차보다 작아질 때까지의 반복 계산으로 전해질고분자 흡착층 두께를 산출하는,
마이크로플루이딕 채널 벽면에 형성되는 전해질고분자 흡착층 두께의 산출장치.
11. The method of claim 10,
Wherein the apparatus for measuring the average average flow rate in a microfluidic channel of a liquid containing a certain concentration of the electrolyte polymer or a viscosity measuring apparatus according to a change in shear rate of the liquid containing the electrolyte polymer at a certain concentration includes: Of-line < / RTI > or offline,
The apparatus for calculating the thickness of the electrolyte polymer adsorbent layer may include a concentration distribution model of the electrolyte polymer; And
The thickness of the electrolyte polymer adsorbent layer is calculated by iterative calculation until the error between the average flow rate calculated from the viscosity measured by the viscosity measuring device and the actual average flow rate by the device for measuring the actual average flow rate becomes smaller than the tolerance doing,
An apparatus for calculating the thickness of an electrolyte polymer adsorption layer formed on a wall surface of a microfluidic channel.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210067211A (en) * 2019-11-29 2021-06-08 한국과학기술연구원 Method and system for characterizing of charge property of polyelectrolyte brush-layer grafted on channel wall
KR20220076049A (en) * 2020-11-30 2022-06-08 한국과학기술연구원 Method and system for estimating of grafting density of polyelectrolyte brush-layer

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7722752B2 (en) * 2004-03-02 2010-05-25 Florida State University Research Foundation Variable charge films for controlling microfluidic flow

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7722752B2 (en) * 2004-03-02 2010-05-25 Florida State University Research Foundation Variable charge films for controlling microfluidic flow

Non-Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
'Efficient electrochemomechanical energy conversion in nanochannels grafted with polyelectrolyte layers with pH-dependent charge density', J. Patwary 등, Microfluid Nanofluid, 2016, 20, 37 *
J. Patwary, G. Chen, S. Das, "Efficient electrochemomechanical energy conversion in nanochannels grafted with polyelectrolyte layers with pH-dependent charge density", Microfluid Nanofluid, 20, 37, 2016.
J.B. Schlenoff, Z. Sui, "Variable charge films for controlling microfluidic flow", 미국특허등록(7,722,752), 2010.5.25.
'Polyelectrolyte brushes: theory, modelling, synthesis and applications', S. Das 등, Soft Matter, 2015, 11, 8550 *
S. Chanda, S. Sinha, S. Das. "Streaming potential and electroviscous effects in soft nanochannels: towards designing more efficient nanofluidic electrochemomechanical energy converters", Soft Matter, 10, 7558, 2014.
'Secondary flow behavior of electrolytic viscous fluids with Bird-Carreau model in curved microchannels', K. Yoon 등, Rheol Acta, 2017, 56, 915 *
'Streaming potential and electroviscous effects in soft nanochannels: towards designing more efficient nanofluidic electrochemomechanical energy converters', S. Chanda 등, Soft Matter, 2014, 10, 7558 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210067211A (en) * 2019-11-29 2021-06-08 한국과학기술연구원 Method and system for characterizing of charge property of polyelectrolyte brush-layer grafted on channel wall
KR102298422B1 (en) * 2019-11-29 2021-09-07 한국과학기술연구원 Method and system for characterizing of charge property of polyelectrolyte brush-layer grafted on channel wall
KR20220076049A (en) * 2020-11-30 2022-06-08 한국과학기술연구원 Method and system for estimating of grafting density of polyelectrolyte brush-layer
KR102564147B1 (en) 2020-11-30 2023-08-10 한국과학기술연구원 Method and system for estimating of grafting density of polyelectrolyte brush-layer

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