KR102043161B1 - Microfluidic Device for Merging Micro-droplets and Method for Merging Micro-droplets Using Same - Google Patents

Microfluidic Device for Merging Micro-droplets and Method for Merging Micro-droplets Using Same Download PDF

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KR102043161B1
KR102043161B1 KR1020180065684A KR20180065684A KR102043161B1 KR 102043161 B1 KR102043161 B1 KR 102043161B1 KR 1020180065684 A KR1020180065684 A KR 1020180065684A KR 20180065684 A KR20180065684 A KR 20180065684A KR 102043161 B1 KR102043161 B1 KR 102043161B1
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Abstract

The present invention relates to a microfluidic control device and a method for merging microdroplets using the same. According to the present invention, by using a simple and short microchannel structure, it is possible to efficiently control the flow of microdroplets and is possible to further simplify a microfluidic chip structure by treating merging of microdroplets and chemical reactions at once. Therefore, it is possible to apply on a lab-on-a-chip that can integrate a variety of pre-processing and analysis processes on a chip in a high speed and high efficiency. In addition, a particle size of a chemical reaction product can be controlled, thereby being able to be effectively applied in the field of fine chemistry that requires control of nano units.

Description

미세 액적 병합을 위한 미세 유체 제어 장치 및 이를 이용한 미세 액적의 병합 방법{Microfluidic Device for Merging Micro-droplets and Method for Merging Micro-droplets Using Same}Microfluidic Device for Merging Micro-droplets and Method for Merging Micro-droplets Using Same}

본 발명은 미세 유체 액적 병합용 미세 유체 제어 장치 및 미세 유체 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액적의 병합과 화학 반응을 동시에 수행하여 미세 채널의 구조가 단순화되고 반응 생성물의 입경을 제어할 수 있는 미세 유체 제어 장치 및 이를 이용한 미세 액적의 병합 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a microfluidic control device and a microfluidic control method for merging microfluidic droplets, and more particularly, to simplify the structure of the microchannels and control the particle size of the reaction product by simultaneously performing the merging and chemical reaction of the droplets. The present invention relates to a microfluidic control device and a method of merging microdroplets using the same.

랩온어칩(lab-on-a-chip) 기술은 '하나의 칩 위에 실험실을 올려놓았다'는 뜻으로서, 플라스틱, 유리, 규소(실리콘) 등의 소재를 사용해 마이크로 또는 나노 단위의 미세 채널을 만들고, 이를 통해 극미량의 샘플이나 시료만으로 기존의 실험실에서 할 수 있는 실험이나 연구 과정을 신속하게 대체할 수 있도록 만든 칩이다.Lab-on-a-chip technology means 'the lab is placed on a single chip', which uses materials such as plastic, glass, and silicon (silicon) to create micro- or nanoscale microchannels. This allows chips to be used to quickly replace experiments or research processes that can be performed in existing laboratories with only a small amount of samples or samples.

이 칩을 이용하면 한 방울의 피로도 각종 암 진단이나 적혈구, 백혈구의 세포 수 측정이 가능하고, 생물 또는 의약 분야뿐만 아니라, 농업, 식품, 환경, 화학 산업 등의 다양한 분야로 응용 분야를 확장할 수 있어, 2000년대 중반 이후 급속도로 기술이 발달하면서 주목받고 있다.This chip can be used for diagnosing various cancers and measuring the number of cells in red blood cells and white blood cells with a single drop of fatigue, and can be applied to various fields such as agriculture, food, environment, and chemical industry as well as biological or pharmaceutical fields. Since the mid-2000s, technology has been rapidly developed and attracting attention.

미세유체칩(microfluidic chip)은 미량의 분석대상 물질을 흘려 보내면서 칩에 집적되어 있는 각종 생물분자 혹은 센서와 반응하는 양상을 분석할 수 있는 바이오 칩으로서 최근에는 분석 물질의 분리, 합성, 정량분석 등이 가능한 칩이 개발되고 있다. 이는 미세 가공 기술을 이용하여 시료 희석, 혼합, 반응, 분리, 정량 등 모든 단계를 하나의 칩 위에서 수행하는 것을 의미한다. 즉, 일반적으로 (생)화학 물질의 분석시 사용되는 자동 분석 장치의 시료 전처리 과정에 필수적인 펌프, 밸브, 반응기, 추출기, 분리 시스템 등의 기능과 센서 기술을 하나의 칩 상에서 구현할 수 있다.A microfluidic chip is a biochip that analyzes the reaction of various biomolecules or sensors integrated in the chip while sending a small amount of analyte. Recently, the separation, synthesis and quantitative analysis of analytes Chips that can be used are being developed. This means using micromachining techniques to perform all steps on one chip, such as sample dilution, mixing, reaction, separation and quantification. In other words, pumps, valves, reactors, extractors, separation systems, etc., which are essential for the sample pretreatment process of an automated analysis device generally used for analysis of (bio) chemicals, can be implemented on one chip.

미세유체칩은 여러 복잡한 단계를 거치지 않고 시료 주입만으로 최종결과를 얻어낼 수 있다는 것이 특징이며, 이러한 바이오칩의 사용은 간편성뿐만 아니라, 검사자의 실험상 오류를 최대한 제거하여 얻어진 결과에 대해 신뢰성을 부여할 수 있으므로 생명공학 분야에서 매우 중대한 역할을 할 것으로 기대되고 있다.The microfluidic chip is characterized in that the final result can be obtained by sample injection only without going through various complicated steps. The use of such a biochip not only provides simplicity but also provides reliability for the result obtained by eliminating the experimental error of the tester as much as possible. It is expected to play a very important role in biotechnology.

미세유체칩은 MEMS(Microelectromechanical Systems)와 나노테크놀러지(nanotechnology 또는 nanofabrication)의 발전으로 인해 더욱 정교하게 실현되고 있는데, 실리콘(silicon) 외 여러 재료를 이용하여 수십 마이크로미터에서 수십 나노미터에 이르는 크기의 장치를 정교하게 개발할 수 있게 되었다.Microfluidic chips are becoming more sophisticated due to advances in microelectromechanical systems (MEMS) and nanotechnology (nanotechnology or nanofabrication), which are devices ranging from tens of micrometers to tens of nanometers using materials other than silicon. It is possible to develop elaborately.

액적 제어(droplet control) 기술은 이러한 미세유체 기술분야에서 가장 중요한 기술 중 하나이다. 액적 제어 기술을 통하여 생체 시료가 함유된 액적을 하나의 지점에서 다른 지점으로 오염없이 이동시키고 반응물과 빠르게 혼합되도록 하여 생화학 반응 및 분석을 수행할 수 있으며, 다양한 시료들을 함유하는 액적들을 액적 제어 기술에 의해 분류하고 분리할 수 있다.Droplet control technology is one of the most important techniques in this microfluidic art. Droplet control technology allows biochemical reactions and analysis to be carried out by moving droplets containing biological samples from one point to another without contamination and allowing them to quickly mix with the reactants. Can be classified and separated.

이러한 이점 때문에, 액적 제어에 대한 많은 연구들이 이루어지고 있다. 예를 들어, 미국 특허출원공개 제2007/0195127호에서는 제1 유체 액적과 제2 유체 액적의 크기를 다르게 하여 이동 속도를 다르게 조정하고, 두 액적 중 적어도 하나에 전기장을 인가하여 두 액적이 하나의 복합 액적이 되도록 제어하는 기술을 기재하고 있고, 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0060466호에서는 미세유체 채널의 구조를 'ㄷ'자 형태로 구성하여 두 유체 액적을 병합하는 방법을 제안하고 있다.Because of this advantage, much research has been done on droplet control. For example, U.S. Patent Application Publication No. 2007/0195127 discloses that the first fluid droplets and the second fluid droplets have different sizes so that the moving speeds are different, and an electric field is applied to at least one of the two droplets, A technique for controlling a composite droplet is described, and Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2010-0060466 proposes a method of merging two fluid droplets by configuring a structure of a microfluidic channel in a 'c' shape.

이와 같은 종래의 액적 제어 기술은 두 액적의 속도를 제어하고 병합하시 위하여 채널의 구조를 복잡하게 형성하거나 액적의 크기 제어와 전기장의 인가를 사용하는 등 미세유체칩의 구조를 복잡하게 하고 크기가 커지는 문제가 있었다. 또한, 미세 액적의 병합 과정과 화합물 합성 과정을 위한 가열을 별개로 수행해야 하기 때문에 각 기능을 수행하기 위한 특별한 채널 형상이 필요하고 채널의 길이가 길어지게 된다. 복잡한 채널 형상과 긴 채널 길이는 마이크로 채널 내 높은 압력이 인가되어 채널의 누수 문제, 혹은 유동의 불안정 문제를 야기할 위험이 있다.This conventional droplet control technique complicates and grows the structure of the microfluidic chip by forming a complicated channel structure or controlling the size of the droplets and applying an electric field to control and merge the speeds of the two droplets. There was a problem. In addition, since the process of merging the fine droplets and the heating for the compound synthesis process must be performed separately, a special channel shape is required to perform each function, and the length of the channel becomes long. Complex channel geometries and long channel lengths present a risk of high pressure in the microchannels causing channel leakage or flow instability.

본 발명의 발명자들은 위와 같은 문제점을 인식하고 연구한 결과, 광학적인 가열 방법을 이용하여 액적의 유동을 제어함으로써, 미세유체 채널의 형태를 짧고 단순하게 형성할 수 있으며, 생성물의 입자 크기를 제어할 수 있다는 것을 발견하여 본 발명을 완성하였다.The inventors of the present invention have recognized and studied the above problems, and as a result, by controlling the flow of droplets by using an optical heating method, it is possible to form the microfluidic channel in a short and simple manner, and to control the particle size of the product. It has been found that the present invention has been completed.

본 발명의 목적은 단순한 구조와 짧은 길이의 유체 채널을 갖고, 간단한 방법으로 유체 액적을 효과적으로 제어할 수 있는 미세 유체 제어 장치를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a microfluidic control device having a simple structure and a short length of the fluid channel and capable of effectively controlling fluidic droplets in a simple manner.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 미세 유체 제어 장치를 이용하여 2종 이상의 미세 유체를 효율적으로 제어하는 방법을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a method for efficiently controlling two or more types of microfluids using the microfluidic control device.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 미세 유체 제어 장치를 이용하여 화학 반응 생성물의 입경을 제어하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for controlling the particle diameter of a chemical reaction product using the microfluidic control device.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 제1 유체를 연속상이 유동하는 유동 채널에 주입하여 유동 채널 내에 제1 유체 액적을 형성하는 제1 유체 채널; 제2 유체를 연속상이 유동하는 유동 채널에 주입하여 유동 채널 내에 제2 유체 액적을 형성하는 제2 유체 채널; 상기 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적이 교대로 유동하는 유동 채널; 및 상기 유동 채널을 국지적으로 가열하여 선행하는 유체 액적의 유동을 정지시켜 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적의 병합을 유도하는 병합부를 포함하는 미세 유체 제어 장치를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises a first fluid channel for injecting a first fluid into the flow channel in the continuous phase flow to form a first fluid droplet in the flow channel; A second fluid channel for injecting a second fluid into the flow channel through which the continuous phase flows to form second fluid droplets in the flow channel; A flow channel through which the first and second fluid droplets alternately flow; And a coalescing portion for locally heating the flow channel to stop the flow of the preceding fluidic droplets to induce coalescence of the first fluidic droplets and the second fluidic droplets.

본 발명에 있어서, 상기 미세 유체 제어 장치는 제1 유체를 주입하기 위한 제1 유체 주입구; 및 제2 유체를 주입하기 위한 제2 유체 주입구를 포함할 수 있다.In the present invention, the microfluidic control device includes a first fluid inlet for injecting a first fluid; And a second fluid inlet for injecting a second fluid.

본 발명에 있어서, 상기 제1 유체 주입구 및 제2 유체 주입구는 각각 공급 펌프에 연결될 수 있다.In the present invention, the first fluid inlet and the second fluid inlet may each be connected to a feed pump.

본 발명에 있어서, 상기 미세 유체 제어 장치는 상기 연속상을 유동 채널 내에 주입하는 연속상 주입 채널; 및 연속상을 상기 연속상 주입 채널에 주입하기 위한 연속상 주입구를 포함할 수 있다.In the present invention, the microfluidic control device includes a continuous phase injection channel for injecting the continuous phase into a flow channel; And a continuous phase inlet for injecting a continuous phase into the continuous phase injection channel.

본 발명에 있어서, 상기 미세 유체 제어 장치는 상기 유동 채널에 연속상을 주입하여 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적의 간격을 조절하는 제2 연속상 주입 채널을 추가로 포함할 수 있다.In the present invention, the microfluidic control device may further include a second continuous phase injection channel for injecting a continuous phase into the flow channel to adjust the distance between the first fluid droplet and the second fluid droplet.

본 발명에 있어서, 상기 국지적인 가열은 레이저빔(laser beam) 조사에 의해 수행될 수 있다.In the present invention, the local heating may be performed by laser beam irradiation.

본 발명에 있어서, 상기 레이저빔의 세기는 140 내지 230mW인 것이 바람직하다. In the present invention, the intensity of the laser beam is preferably 140 to 230mW.

본 발명에 있어서, 상기 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적의 평균 직경은 70 내지 150㎛인 것이 바람직하다.In the present invention, the average diameter of the first fluid droplets and the second fluid droplets is preferably 70 to 150㎛.

본 발명에 있어서, 상기 연속상은 올레산(oleic acid), 실리콘 오일(silicon oil), FC-40 오일, 헥사디케인(hexadecane) 및 식용류로 구성된 군에서 선택된 1종 이상과 잉크의 혼합물인 것이 바람직하다.In the present invention, the continuous phase is preferably a mixture of one or more selected from the group consisting of oleic acid, silicone oil, FC-40 oil, hexadecane and edible and ink. .

본 발명에 있어서, 상기 제1 유체 및 제2 유체는 수용액 또는 수분산체인 것이 바람직하다.In the present invention, the first fluid and the second fluid are preferably an aqueous solution or an aqueous dispersion.

본 발명에 있어서, 상기 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적의 반응은 흡열 반응인 것이 바람직하다.In the present invention, the reaction of the first fluid droplet and the second fluid droplet is preferably an endothermic reaction.

본 발명은 또한, 제1 유체를 연속상이 유동하는 유동 채널에 주입하여 유동 채널 내에 제1 유체 액적을 형성하는 단계; 제2 유체를 연속상이 유동하는 유동 채널에 주입하여 유동 채널 내에 제2 유체 액적을 형성하되, 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적이 교대로 유동하도록 하는 단계; 및 상기 유동 채널을 국지적으로 가열하여 선행하는 유체 액적의 유동을 정지시켜 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적의 병합을 유도하는 단계를 포함하는 미세 액적의 병합 방법을 제공한다.The invention also includes injecting a first fluid into a flow channel through which the continuous phase flows to form a first fluid droplet within the flow channel; Injecting a second fluid into the flow channel through which the continuous phase flows to form a second fluid droplet within the flow channel, wherein the first fluid droplet and the second fluid droplet alternately flow; And locally heating the flow channel to stop the flow of the preceding fluidic droplets to induce merging of the first and second fluidic droplets.

본 발명에 있어서, 상기 미세 액적이 병합 방법은 상기 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적의 간격을 조절하기 위하여 유동 채널에 연속상을 주입하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.In the present invention, the method of merging the fine droplets may further comprise injecting a continuous phase into the flow channel to adjust the spacing of the first and second fluid droplets.

본 발명에 있어서, 상기 국지적인 가열은 레이저빔(laser beam) 조사에 의해 수행되는 것이 바람직하다.In the present invention, the local heating is preferably performed by laser beam irradiation.

본 발명은 또한, 미세 유체 제어 장치를 이용한 화학 반응 생성물의 입경을 제어하는 방법으로서, 제1 유체를 연속상이 유동하는 유동 채널에 주입하여 유동 채널 내에 제1 유체 액적을 형성하는 단계; 상기 제1 유체와 반응하여 나노입자를 생성할 수 있는 제2 유체를 연속상이 유동하는 유동 채널에 주입하여 유동 채널 내에 제2 유체 액적을 형성하되, 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적이 교대로 유동하도록 하는 단계; 및 상기 유동 채널을 국지적으로 가열하여 선행하는 유체 액적의 유동을 정지시켜 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적의 병합과 화학 반응을 유도하는 단계를 포함하되, 상기 가열의 세기를 제어하여 제1 유체 액적과 제2 유체 액적의 화학 반응으로 생성된 나노입자의 입자 크기를 제어하는, 미세 유체 제어 장치를 이용한 화학 반응 생성물의 입경 제어 방법를 제공한다.The present invention also provides a method for controlling the particle diameter of a chemical reaction product using a microfluidic control device, comprising: injecting a first fluid into a flow channel through which a continuous phase flows to form first fluid droplets in the flow channel; Injecting a second fluid capable of reacting with the first fluid to produce nanoparticles into a flow channel in which the continuous phase flows to form a second fluid droplet within the flow channel, wherein the first fluid droplet and the second fluid droplet alternately. Allowing flow; And locally heating the flow channel to stop the flow of the preceding fluidic droplets to induce coalescence and chemical reaction of the first and second fluidic droplets, thereby controlling the intensity of the heating to control the first fluid. Provided is a method for controlling the particle size of a chemical reaction product using a microfluidic control device that controls the particle size of nanoparticles produced by chemical reaction of a droplet and a second fluid droplet.

본 발명에 따르면, 간단하고 짧은 미세 채널 구조를 이용하여 효율적으로 미세 액적의 유동을 제조할 수 있으며, 미세 액적들의 병합과 화학 반응을 한번에 처리할 수 있어 미세유체칩 구조를 더욱 단순화할 수 있다. 이에 따라, 여러 가지 전처리 및 분석 과정을 칩 상에 집적화하여 고속 및 고효율로 처리할 수 있는 랩온어칩(lab-on-a-chip)으로의 적용이 가능하다. 또한, 화학 반응 생성물의 입자 크기를 제어할 수 있어 나노 단위의 제어가 필요한 정밀 화학 분야에 효과적으로 적용될 수 있다.According to the present invention, the flow of microdroplets can be efficiently produced using a simple and short microchannel structure, and the microfluidic chip structure can be further simplified because the microdroplet merge and chemical reaction can be processed at once. Accordingly, it is possible to apply to a lab-on-a-chip that can integrate a variety of pre-processing and analysis processes on the chip for high speed and high efficiency. In addition, it is possible to control the particle size of the chemical reaction product can be effectively applied in the field of fine chemistry requiring control of nano units.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 제어 장치의 구조도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 제어 장치의 일부 구조를 확대한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 제어 장치의 액적 병합부를 확대하여 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 액적의 유동 및 병합을 CCD 카메라로 촬영한 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배출부에서 수득한 생성물의 이미지이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 레이저빔의 세기의 변화에 따른 나노입자의 입자 크기를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저빔의 세기와 나노입자의 입자 크기의 관계를 그래프로 나타낸 것이다.
1 is a structural diagram of a microfluidic control device according to an embodiment of the present invention.
2 is an enlarged view of some structures of a microfluidic control device according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is an enlarged view of the droplet merger of the microfluidic control device according to an embodiment of the present invention.
4 is an image taken by the CCD camera of the flow and merging of the micro droplets according to an embodiment of the present invention.
5 is an image of the product obtained in the discharge section according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing the particle size of the nanoparticles according to the change in the intensity of the laser beam, according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing the relationship between the intensity of the laser beam and the particle size of the nanoparticles according to an embodiment of the present invention.

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져있고 통상적으로 사용되는 것이다.Unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In general, the nomenclature used herein is well known and commonly used in the art.

본 발명은 미세 액적들의 병합과 화학반응이 일원화된 미세 유체 제어 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 미세 유체 제어 장치는 제1 유체를 연속상이 유동하는 유동 채널에 주입하여 유동 채널 내에 제1 유체 액적을 형성하는 제1 유체 채널; 제2 유체를 연속상이 유동하는 유동 채널에 주입하여 유동 채널 내에 제2 유체 액적을 형성하는 제2 유체 채널; 상기 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적이 교대로 유동하는 유동 채널; 및 상기 유동 채널을 국지적으로 가열하여 선행하는 유체 액적의 유동을 정지시켜 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적의 병합을 유도하는 병합부를 포함한다.The present invention relates to a microfluidic control device in which coalescence and chemical reaction of microdroplets are unified, and the microfluidic control device of the present invention injects a first fluid into a flow channel through which a continuous fluid flows to inject a first fluid droplet into a flow channel. Forming a first fluid channel; A second fluid channel for injecting a second fluid into the flow channel through which the continuous phase flows to form second fluid droplets in the flow channel; A flow channel through which the first and second fluid droplets alternately flow; And a coalescing portion for locally heating the flow channel to stop the flow of the preceding fluidic droplets to induce merging of the first and second fluidic droplets.

본 발명의 미세 유체 제어 장치에 따르면, 액적의 병합과 화학 반응이 하나의 장소에서 수행되기 때문에 미세 채널의 구조가 단순화되고 길이를 짧게 형성할 수 있으며, 채널의 누수 문제나 유동의 불안정 문제를 해결할 수 있다.According to the microfluidic control device of the present invention, since the merging of droplets and the chemical reaction are performed in one place, the structure of the microchannels can be simplified and formed in a short length, and the channel leakage problem or the flow instability problem can be solved. Can be.

나아가, 본 발명의 미세 유체 장치는 생성물의 입자 크기를 제어할 수 있어 정밀 화학 분야에 적용되기 적합하다.Furthermore, the microfluidic device of the present invention can control the particle size of the product, making it suitable for application in the fine chemical field.

이하 도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 제어 장치를 나타낸다. 본 발명의 미세 유체 제어 장치는 연속상(C)이 유동하는 유동 채널(101)을 포함하고, 상기 유동 채널(101)에는 제1 유체 채널(211) 및 제2 유체 채널(221)이 각각 연결된다.1 shows a microfluidic control device according to an embodiment of the present invention. The microfluidic control device of the present invention includes a flow channel 101 through which a continuous phase C flows, and a first fluid channel 211 and a second fluid channel 221 are connected to the flow channel 101, respectively. do.

상기 제1 유체 채널(211)은 제1 유체 주입구(212)로부터 주입된 제1 유체(A)를 유동 채널(101) 내로 주입하여 제1 유체 액적(a)을 유동 채널(101) 내에 생성한다. 유동 채널(101) 내에는 연속상(C)이 유동하고 있어, 제1 유체(A)가 제1 유체 채널(211)을 통해 유동 채널(101)로 주입될 때 미세 액적의 형태로 유동할 수 있도록 한다.The first fluid channel 211 injects the first fluid A injected from the first fluid inlet 212 into the flow channel 101 to generate the first fluid droplet a in the flow channel 101. . A continuous phase C is flowing in the flow channel 101, so that when the first fluid A is injected into the flow channel 101 through the first fluid channel 211, it can flow in the form of fine droplets. Make sure

동일하게, 상기 제2 유체 채널(221)은 제2 유체 주입구(222)로부터 주입된 제2 유체(B)를 유동 채널(101) 내로 주입하여 제2 유체 액적(b)을 유동 채널(101) 내에 생성한다. 유동 채널(101) 내에는 연속상(C)이 유동하고 있어, 제2 유체(B)가 제2 유체 채널(221)을 통해 유동 채널(101)로 주입될 때 미세 액적의 형태로 유동할 수 있도록 한다.Equally, the second fluid channel 221 injects the second fluid B injected from the second fluid inlet 222 into the flow channel 101 to inject the second fluid droplet b into the flow channel 101. Create in A continuous phase C is flowing in the flow channel 101, so that the second fluid B can flow in the form of fine droplets when injected into the flow channel 101 through the second fluid channel 221. Make sure

상기 제1 및 제2 유체 주입구(212, 222)에는 주사기 펌프(syringe pump; 도시하지 않음)와 같은 공급 펌프가 연결되어 유체를 원하는 유량으로 채널 내로 주입할 수 있다.Supply pumps, such as a syringe pump (not shown), may be connected to the first and second fluid inlets 212 and 222 to inject fluid into the channel at a desired flow rate.

도 2에서 보다 상세히 나타낸 바와 같이, 상기 제1 유체 채널(211) 및 제2 유체 채널(221)은 서로 마주보는 위치에서 유동 채널(101)과 연결될 수 있다. 유동 채널(101) 내에는 연속상(C)이 유동하고 있는데, 제1 유체(A) 또는 제2 유체(B)를 제1 유체 채널(211) 또는 제2 유체 채널(221)을 통하여 상기 연속상(C)의 유동에 수직으로 또는 수직에 근접한 각도로 주입하면 연속상(C)을 따라 유동하는 제1 유체 액적(a) 또는 제2 유체 액적(b)이 유동 채널(101) 내에 생성된다. 또한, 상기 제1 유체 채널(211) 및 제2 유체 채널(221)로부터 주입된 제1 유체 액적(a) 및 제2 유체 액적(b)는 상기 유동 채널(101) 내에서 교대로 유동하도록 제어된다.As shown in more detail in FIG. 2, the first fluid channel 211 and the second fluid channel 221 may be connected to the flow channel 101 at positions facing each other. A continuous phase C is flowing in the flow channel 101, and the first fluid A or the second fluid B is transferred through the first fluid channel 211 or the second fluid channel 221. Injection at an angle perpendicular to or close to the flow of phase C produces a first fluid droplet a or a second fluid droplet b flowing along the continuous phase C in the flow channel 101. . In addition, the first fluid droplet a and the second fluid droplet b injected from the first fluid channel 211 and the second fluid channel 221 are controlled to flow alternately in the flow channel 101. do.

상기 연속상(C)은 하나 이상의 연속상 주입 채널(311)로부터 유동 채널(101)로 주입될 수 있으며, 상기 연속상 주입 채널(311)은 연속상 주입구(312)로부터 주입된 연속상(C)을 유동 채널(101)에 주입하여 유동하도록 한다. 상기 연속상 주입구(312)에는 주사기 펌프와 같은 공급 펌프가 연결되어 연속상(C)을 원하는 유량으로 채널 내에 주입할 수 있다.The continuous phase C may be injected into the flow channel 101 from one or more continuous phase injection channels 311, and the continuous phase injection channel 311 may be injected from the continuous phase injection port 312. ) Is injected into the flow channel 101 to flow. The continuous phase inlet 312 may be connected to a supply pump such as a syringe pump to inject the continuous phase C into the channel at a desired flow rate.

본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 연속상(C)은 제1 유체 채널(211) 및 제2 유체 채널(221)에서 유입되는 유체를 액적의 형태로 유동 채널(101) 내에서 유동하도록 하는 역할을 수행할 수 있으며, 또한, 제1 유체 액적(a)과 제2 유체 액적(b)의 거리를 조절하는 역할을 할 수도 있다. 이 경우, 연속상(C)은 제1 유체 채널(211) 및 제2 유체 채널(221)의 다운스트림(downstream)에서 유동 채널(101)에 연결된 제2 연속상 주입 채널(321)에 의해 유동 채널(101)로 주입될 수 있다.In one embodiment of the invention, the continuous phase (C) allows fluid flowing in the first fluid channel 211 and the second fluid channel 221 to flow in the flow channel 101 in the form of droplets. It may also serve to adjust the distance between the first fluid droplet (a) and the second fluid droplet (b). In this case, the continuous phase C flows by the second continuous phase injection channel 321 connected to the flow channel 101 downstream of the first fluid channel 211 and the second fluid channel 221. May be injected into the channel 101.

상기 연속상(C)은 제1 유체(A) 및 제2 유체(B)와 서로 혼합되지 않는 액체가 바람직하다. 또한, 연속상(C)은 후술하는 열원의 열을 보다 용이하게 흡수하기 위하여 검정색 또는 어두운 색을 갖는 물질로 구성되거나, 검정색 또는 어두운 색의 색소를 포함할 수 있다.The continuous phase (C) is preferably a liquid which is not mixed with the first fluid (A) and the second fluid (B). In addition, the continuous phase (C) may be composed of a material having a black or dark color, or may include a black or dark color pigment to more easily absorb the heat of the heat source described later.

상술한 바와 같은 작동에 의해 유동 채널(101) 내에서 교대로 유동하는 제1 유체 액적(a) 및 제2 유체 액적(b)은 유동 채널(101) 내에 구비된 액적 병합부(102)에서 서로 병합된다. 상기 액적 병합부(102)는 유동 채널(101)의 일부분에 구비되며, 액적 병합부(102)에서는 유동 채널(101) 내의 연속상(C)이 열원에 의해 국지적으로 가열된다. 상기 열원으로는 레이저빔(laser beam)을 이용하는 것이 바람직하다.The first fluid droplet a and the second fluid droplet b, which alternately flow in the flow channel 101 by the operation as described above, are separated from each other in the droplet merger 102 provided in the flow channel 101. Are merged. The droplet merger 102 is provided in a portion of the flow channel 101, in which the continuous phase C in the flow channel 101 is locally heated by a heat source. It is preferable to use a laser beam as the heat source.

도 3은 유체 병합부(102)에서 액적의 유동 형태를 확대하여 나타낸 것이다. 레이저빔 조사에 의해 연속상(C)이 국지적으로 가열되면 연속상(C)의 온도가 올라가고, 상기 가열된 부분에 유동하던 미세 액적이 접근하면 열모세관 현상(thermal capillary effects)에 의해 상기 미세 액적의 유동이 정지하게 된다.3 is an enlarged view of the flow of droplets in the fluid merger 102. When the continuous phase (C) is locally heated by laser beam irradiation, the temperature of the continuous phase (C) rises, and when the fine droplets flowing in the heated portion approach, the fine liquid is caused by thermal capillary effects. Enemy flow will stop.

본 발명에서 "열모세관 현상"이란, 미세 채널을 지나는 미세 액적에 있어서, 미세 액적의 이동 경로가 액적의 크기(직경), 액적이 겪는 온도차 및 연속상의 점도에 의해 영향을 받는 현상이다. 상기 열모세관 현상은 연속상과 분산상 사이의 계면 장력(interfacial tension)이 온도의 증가에 따라 증가하는지 감소하는지에 따라 반발 열모세관 현상(repulsive thermocapillary effects)과 견인 열모세관 현상(attractive thermocapillary effects)으로 구분된다. 연속상과 분산상 사이의 계면 장력이 온도의 증가에 따라 증가하는 반발 열모세관 현상에 의하면 분산상의 액적은 온도가 낮은 방향으로 이동하려 하고, 계면 장력이 온도의 증가에 따라 감소하는 견인 열모세관 현상에 의하면 분산상의 액적은 온도가 높은 방향으로 이동하려 한다. 본 발명에서는 연속상과 분산상 사이의 계면 장력이 온도의 증가에 따라 증가하는 반발 열모세관 현상을 이용하여, 미세 액적이 유동이 열원에 의해 가열된 부분의 반대 방향으로 작용하게 되어, 즉 미세 액적의 유동 방향과 반대 방향으로 반발력이 작용하게 되어 미세 액적이 일시적으로 정지하게 되는 현상을 이용하였다.In the present invention, the "thermocapillary phenomenon" is a phenomenon in which the path of movement of the fine droplets is influenced by the droplet size (diameter), the temperature difference experienced by the droplets, and the viscosity of the continuous phase in the fine droplets passing through the microchannels. The thermocapillary phenomenon is classified into repulsive thermocapillary effects and attractive thermocapillary effects depending on whether the interfacial tension between the continuous phase and the dispersed phase increases or decreases with increasing temperature. do. The rebound thermocapillary phenomenon in which the interfacial tension between the continuous phase and the dispersed phase increases with increasing temperature shows that droplets of the dispersed phase tend to move in a lower temperature direction, and the interfacial tension decreases with increasing temperature. The droplets in the dispersed phase try to move in the direction of high temperature. In the present invention, by using the repulsive thermocapillary phenomenon in which the interfacial tension between the continuous phase and the dispersed phase increases with increasing temperature, the fine droplets act in the opposite direction to the portion where the flow is heated by the heat source, i.e., The phenomenon in which the repelling force acts in the direction opposite to the flow direction causes the fine droplets to temporarily stop.

액적 병합부(102)에서 연속상(C)이 열원으로부터 제공되는 열을 흡수하여 가열되면, 열모세관 현상에 의해 선행하던 액적의 유동이 정지하게 되고, 이에 따라 후행하는 액적과 선행 액적이 충돌하여 서로 병합되게 된다. 이후 병합에 의해 미세 액적의 체적이 커지게 되면 상대적으로 연속상(C)이 차지하는 부분이 감소하게 되고, 열원의 열이 흡수되는 면적이 감소되어 온도가 감소하게 되며, 따라서 열모세관 현상의 작용이 감소하게 되어 병합된 미세 액적은 다시 유동을 시작하게 된다.When the continuous phase C absorbs heat provided from the heat source in the droplet merger 102 and heats it, the flow of the preceding droplet is stopped by the thermocapillary phenomenon, and thus, the trailing droplet and the preceding droplet collide with each other. Will merge with each other. Subsequently, when the volume of the fine droplets increases due to merging, the portion occupied by the continuous phase (C) is relatively reduced, and the area where the heat of the heat source is absorbed is reduced, thereby decreasing the temperature, and thus the action of the thermocapillary phenomenon is reduced. The reduced fine droplets begin to flow again.

본 발명에서 반발 열모세관 현상을 이용하기 위하여, 연속상과 분산상은 계면 장력이 온도의 증가에 따라 증가하는 관계를 가져야 한다. 예를 들어, 생체적합성 때문에 자주 이용되는 올레산을 연속상으로 사용하고, 분산상으로는 미세유동학에서 가장 흔하게 사용되는 물을 선택할 수 있다. 또한, 계면 장력의 온도에 대한 특성이 중요하므로, 연속상으로 실리콘 오일, FC-40 오일을 사용하거나, 헥사디케인(hexadecane), 식용유 등 다양한 기름을 사용해도 무방하다.In order to use the repulsive thermocapillary phenomenon in the present invention, the continuous phase and the dispersed phase should have a relationship in which the interfacial tension increases with increasing temperature. For example, oleic acid, which is frequently used due to biocompatibility, is used in a continuous phase, and as the dispersed phase, water which is most commonly used in microfluidics can be selected. In addition, since the properties of the interfacial tension with respect to the temperature is important, a variety of oils, such as silicone oil, FC-40 oil, hexadecane, edible oil may be used in the continuous phase.

이와 같은 관점에서, 본 발명에서 미세 액적을 형성하는 제1 유체(A) 및 제2 유체(B)는 수용액 또는 수분산체인 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명의 미세 유체 제어 장치는 물에 용해 또는 분산된 둘 이상의 성분의 화학적 합성 반응에 가장 적합하게 적용될 수 있다.From this point of view, in the present invention, the first fluid A and the second fluid B forming the fine droplets are preferably an aqueous solution or an aqueous dispersion. Thus, the microfluidic control device of the present invention can be most suitably applied to the chemical synthesis reaction of two or more components dissolved or dispersed in water.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 미세 유체 제어 장치는 질산카드뮴(Cd(NO3)2)과 황화나트륨(Na2S)의 반응에 의해 황화카드뮴(CdS)를 합성하기 위한 반응에 이용될 수 있다. 이 경우, 제1 유체(A)는 질산카드뮴 수용액이고, 제2 유체(B)는 황화나트륨 수용액인 것이 바람직하며, 이 때 제1 유체와 제2 유체의 순서는 무관하다.In a preferred embodiment of the present invention, the microfluidic control device is used in the reaction for synthesizing cadmium sulfide (CdS) by the reaction of cadmium nitrate (Cd (NO 3 ) 2 ) and sodium sulfide (Na 2 S) Can be. In this case, it is preferable that the first fluid A is an aqueous solution of cadmium nitrate, and the second fluid B is an aqueous solution of sodium sulfide, and the order of the first fluid and the second fluid is irrelevant.

또한 혈액을 모사할 때 사용되는 시안화철(Fe(CN)6)을 합성하기 위한 반응으로 싸이오사이안산칼륨(KSCN)과 염화철(FeCl2)을 사용할 수도 있고, 황화카드뮴 나노입자 이외에도 금 나노입자(Gold nanoparticles), 금 나노 막대구조물(Gold nanorods), 구리 나노입자(Copper nanoparticles), 코발트 나노입자(Cobalt nanoparticles) 등 다양한 나노입자를 제조하기 위하여 사용될 수 있다.Potassium thiocyanate (KSCN) and iron chloride (FeCl 2 ) may also be used as reactions to synthesize iron cyanide (Fe (CN) 6 ), which is used to simulate blood. Gold nanoparticles in addition to cadmium sulfide nanoparticles (Gold nanoparticles), gold nanorods (Cold nanorods), copper nanoparticles (Copper nanoparticles), cobalt nanoparticles (Cobalt nanoparticles) can be used to prepare a variety of nanoparticles.

또한, 액적 제어의 응용을 고려하면 분산상은 수용액으로, 연속상(C)은 오일 성분인 것이 바람직하다. 본 발명에 있어서, 상기 연속상(C)은 생체 적합성이 뛰어난 올레산(oleic acid)을 사용하였으나, 이는 제한적이지 않으며, 온도가 증가할 때 계면장력이 증가하는 조건을 만족하는 다른 어떠한 유체를 사용하더라도 무방하다. 예를 들어, 실리콘 오일(silicon oil), FC-40 오일, 헥사디케인(hexadecane), 식용유 등의 오일 종류를 사용할 수 있다.In addition, in consideration of the application of droplet control, the dispersed phase is preferably an aqueous solution, and the continuous phase (C) is preferably an oil component. In the present invention, the continuous phase (C) used oleic acid (oleic acid) excellent in biocompatibility, but this is not limited, even if any other fluid that satisfies the condition of increasing the interfacial tension when the temperature is increased It's okay. For example, oil types such as silicone oil, FC-40 oil, hexadecane, and edible oil may be used.

또한, 상기 연속상(C)은 열원으로부터의 에너지를 보다 효율적으로 흡수하기 위하여, 검정색 또는 어두운 색을 갖는 물질이거나, 검정색 또는 어두운 색의 색소를 포함하는 것이 바람직하다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 연속상(C)으로서 올레산과 검정색 잉크의 혼합물을 사용하였다.In addition, in order to absorb energy from the heat source more efficiently, the continuous phase (C) is preferably a material having a black color or a dark color, or a black or dark color pigment. In a preferred embodiment of the present invention, a mixture of oleic acid and black ink is used as the continuous phase (C).

본 발명에 있어서, 상기 액적 병합부(102)에서는 액적의 병합과 동시에 가열에 의한 화학 반응이 수행될 수 있다. 따라서, 액적 병합을 위한 채널과 가열 및 화학 반응을 위한 채널이 따로 구비될 필요가 없어, 미세유체칩의 구조가 단순하고 길이가 짧은 채널을 사용할 수 있으며 전체 칩의 크기도 더 작게 제조할 수 있는 장점이 있다. 이와 같은 관점에서 본 발명의 미세 유체 제어 장치는 흡열 반응에 적용되는 것이 가장 적합하다.In the present invention, the droplet merger 102 may perform a chemical reaction by heating simultaneously with the merge of the droplets. Therefore, it is not necessary to provide a channel for merging droplets and a channel for heating and chemical reaction separately, so that the structure of the microfluidic chip can be simple and a short channel can be used, and the overall chip size can be made smaller. There is an advantage. From this point of view, the microfluidic control device of the present invention is most suitably applied to an endothermic reaction.

또한, 본 발명에 있어서, 제1 유체 액적(a)과 제2 유체 액적(b)의 반응으로 제조되는 생성물이 고체 침전물인 경우, 상기 고체 침전물의 결정 크기를 제어할 수 있다는 것을 확인하였다. 본 발명의 일 실시예에서, 생성물의 나노입자 크기는 가해지는 열원의 세기에 비례하여 증가하였다. 구체적으로, 도 7에 나타낸 바와 같이, 열원의 세기가 증가함에 따라 생성된 나노입자의 직경은 S 형 곡선의 형태로 증가하였다. 이와 같은 생성물 입자 크기의 제어는 정밀 화학 분야에서 다양한 용도로 사용될 수 있는 가능성을 제시한다.In addition, in the present invention, when the product produced by the reaction of the first fluid droplet (a) and the second fluid droplet (b) is a solid precipitate, it was confirmed that the crystal size of the solid precipitate can be controlled. In one embodiment of the invention, the nanoparticle size of the product increased in proportion to the intensity of the heat source applied. Specifically, as shown in Figure 7, as the intensity of the heat source is increased the diameter of the nanoparticles produced in the form of S-shaped curve. Such control of product particle size offers the possibility of being used for a variety of applications in the field of fine chemistry.

본 발명의 바람직한 실시 양태에서, 상기 열원의 세기는 140 내지 230mW가 바람직하다. 열원의 세기가 140mW 미만인 경우, 선행 액적에 작용하는 열 초과인 경우 선행 액적에 작용하는 열모세관 힘의 크기가 부족하게 되어 액적의 유동을 정지시키지 못하고 하류로 그냥 흘러보내게 되는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 열원의 세기가 230mW 초과인 경우 잉크 용액 내부의 계면활성제의 영향과 유체의 높은 온도로 인해 액적이 연속상 유체로 혼합되게 되는 문제가 발생할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the intensity of the heat source is preferably 140 to 230 mW. If the intensity of the heat source is less than 140 mW, the excess heat acting on the preceding droplet may result in a lack of the magnitude of the heat capillary force acting on the preceding droplet, which may cause the flow of the droplet to flow downstream without stopping the flow of the droplet. . In addition, when the intensity of the heat source is greater than 230mW, a problem may occur in which the droplets are mixed into the continuous fluid due to the influence of the surfactant in the ink solution and the high temperature of the fluid.

본 발명에 있어서, 제1 및 제2 유체 액적은 50 내지 300㎛의 직경을 갖는 것이 액적 유동의 제어를 위해 바람직하며, 70 내지 150㎛의 직경이 더욱 바람직하다. 상기 유체 액적의 직경이 너무 작게 되면 열모세관 현상이 작용되기 어렵고, 너무 크면 액적이 디스크 형상으로 찌그러져 채널 벽면과의 간섭을 심하게 받게 된다. 또한 열원인 레이저빔이 투명한 액적을 투과하여 지나가기 때문에 액적의 크기가 너무 크면 열원의 에너지가 충분히 열로 변환되지 못하는 문제가 발생할 수 있다.In the present invention, it is preferable that the first and second fluid droplets have a diameter of 50 to 300 mu m, and the diameter of 70 to 150 mu m is more preferable. If the diameter of the fluid droplets is too small, the thermal capillary phenomenon is difficult to act, and if too large, the droplets are crushed into a disc shape and severely interfere with the channel wall. In addition, since the laser beam, which is a heat source, passes through the transparent droplets, if the droplet size is too large, the energy of the heat source may not be sufficiently converted into heat.

액적 병합부(102)에서 병합되고 화학 반응이 진행된 미세 액적(a+b)는 유동 채널(102)의 말단에 구비된 배출부(102)를 통하여 배출될 수 있다.The fine droplets a + b merged in the droplet merger 102 and undergoing the chemical reaction may be discharged through the discharge unit 102 provided at the end of the flow channel 102.

본 발명에 따른 미세 유체 제어 장치는 미세유체칩 기술 분야에 일반적으로 사용되는 방법에 의해 제조될 수 있다.The microfluidic control device according to the present invention may be manufactured by a method generally used in the microfluidic chip art.

예를 들어, 본 발명의 미세 유체 제어 장치는 다음의 방법에 의해 제조될 수 있다: 상부 기판과 하부 기판을 준비하는 단계; 상부 기판에 리소그래피(lithograpy)를 이용하여 미세 채널 및 유체 주입부를 형성하는 단계; 및 상부 기판과 하부 기판을 접착하는 단계.For example, the microfluidic control device of the present invention can be manufactured by the following method: preparing an upper substrate and a lower substrate; Forming microchannels and fluid inlets by using lithography (lithograpy) on the upper substrate; And bonding the upper substrate and the lower substrate.

상기 상부 기판은 중합체, 예를 들어 폴리디메틸실록산(poly(dimethylsiloxane); PDMS)을 이용하는 것이 바람직하며, 리소그래피에 의해 채널을 형성하기 전에 몰딩(molding) 방식으로 미리 형태를 잡는 것도 가능하다. 상기 하부 기판으로는 실리콘 웨이퍼 기판, 유리 기판 등을 사용할 수 있다.The upper substrate is preferably made of a polymer, for example poly (dimethylsiloxane) (PDMS), and may be preformed in a molding manner before forming the channel by lithography. As the lower substrate, a silicon wafer substrate, a glass substrate, or the like can be used.

본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 제어 장치에서, 상기 유동 채널(101)의 폭과 높이는 액적이 유동이 원활하게 이루어지면서도 열모세관 현상에 의해 액적이 정지할 수 있는 폭과 높이로 구성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 폭과 높이는 100 내지 500㎛의 범위일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 400㎛의 폭과 150㎛의 높이를 갖는 채널을 제작하여 사용하였다.In the microfluidic control device according to an embodiment of the present invention, the width and height of the flow channel 101 are configured to have a width and a height at which the droplets can be stopped by a thermocapillary phenomenon while the liquid flows smoothly. It is preferable. For example, the width and height may range from 100 to 500 μm. In an embodiment of the present invention, a channel having a width of 400 μm and a height of 150 μm was manufactured and used.

또한, 제1 및 제2 유체 채널과 연속상 주입 채널은 50 내지 300㎛의 폭과 높이를 가질 수 있다.In addition, the first and second fluid channels and the continuous phase injection channel may have a width and a height of 50 to 300 μm.

본 발명에 따른 미세 유체 제어 장치는 간단한 채널 구조 및 온도 조절을 통해 미세 액적의 병합을 제어하고, 액적의 병합과 화학 반응을 동시에 수행할 수 있기 때문에, 복잡하고 긴 채널 구조가 필요없는 장점이 있다. 또한, 열원의 세기를 제어하여 생성물 입자의 크기를 제어할 수 있기 때문에 정밀 화학 분야에서 다양한 적용 가능성을 갖는다.The microfluidic control device according to the present invention has the advantage of not requiring a complicated and long channel structure because it can control the merging of the microdroplets through simple channel structure and temperature control and simultaneously perform the merging and chemical reaction of the droplets. . In addition, since the size of the product particles can be controlled by controlling the intensity of the heat source, it has various applications in the field of fine chemistry.

실시예Example

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are only to illustrate the invention, it will be apparent to those of ordinary skill in the art that the scope of the present invention is not to be construed as limited by these examples.

제조예: 미세유체칩의 제조Preparation Example: Preparation of Microfluidic Chips

도 1에 도시한 바와 같은 미세유체칩을 제조하기 위하여, 5cm x 2cm의 크기와 1.5mm의 두께를 갖는 PDMS 기판에 리소그래피를 이용하여 채널 및 주입부를 형성하였다. 유동 채널의 폭과 높이는 각각 400㎛ 및 150㎛로 형성하였으며, 제1 및 제2 유체 채널과 연속상 주입 채널의 폭과 높이는 각각 100㎛ 및 150㎛로 형성하였다.In order to manufacture the microfluidic chip as shown in FIG. 1, channels and implants were formed using lithography on a PDMS substrate having a size of 5 cm x 2 cm and a thickness of 1.5 mm. The width and height of the flow channel were formed to be 400 μm and 150 μm, respectively, and the width and height of the first and second fluid channels and the continuous phase injection channel were formed to be 100 μm and 150 μm, respectively.

형성된 PDMS 기판을 슬라이드 글라스(slide glass)에 부착하여 미세 유체 제어 장치를 제조하였다.The formed PDMS substrate was attached to a slide glass to manufacture a microfluidic control device.

실험예: 미세 유체 병합 및 합성 실험Experimental Example: Microfluidic Merging and Synthesis Experiment

상기 제조예에서 제조된 미세유체칩을 이용하여 실험을 수행하였다.The experiment was performed using the microfluidic chip prepared in the above preparation.

연속상으로는 올레산 80중량% 및 검정색 잉크 20중량%를 혼합한 용액을 사용하였으며, 제1 유체로는 0.3mM의 Cd(NO3)2·4H2O(노란색 식용 색소 1중량% 포함)을, 제2 유체로는 0.3mM의 Na2S·9H2O을 사용하였다. 이들을 주사기형 펌프(Pump 11 Plus, HARVARD APPARATUS)를 이용하여 일정 유량으로 채널 내에 주입하였다. 제 1 유체와 제 2 유체는 각각 0.002mL/hr의 유량으로 [도 1]의 212와 222의 입구로 주입하였으며, 연속상 유체는 [도 1]의 312와 322의 입구에 각각 0.010mL/hr와 0.100mL/hr의 유량으로 흘려주었다.In the continuous phase, a solution containing 80% by weight of oleic acid and 20% by weight of black ink was used. As a first fluid, 0.3 mM Cd (NO 3 ) 2 .4H 2 O (including 1% by weight of yellow food coloring) was prepared. 0.3 mM Na 2 S.9H 2 O was used as the 2 fluid. They were injected into the channel at a constant flow rate using a syringe pump (Pump 11 Plus, HARVARD APPARATUS). The first fluid and the second fluid were injected into the inlets of 212 and 222 of [FIG. 1] at a flow rate of 0.002 mL / hr, respectively, and the continuous fluid was 0.010 mL / hr of the inlets of 312 and 322 of [FIG. 1], respectively. And a flow rate of 0.100 mL / hr.

유동 채널의 액적 병합부에 532nm 레이저빔(LVI532CW2000FL-VA, Laserlab)을 각각 140, 165, 190, 215 및 240mW의 세기로 조사하여 실험을 수행하였다. 레이저빔의 세기는 파워미터(1815C, Newport)를 이용하여 측정하였으며, 레이저빔의 반값 전폭은 70mW에서 164㎛이었다.Experiments were performed by irradiating the droplet merger of the flow channel with 532 nm laser beams (LVI532CW2000FL-VA, Laserlab) at an intensity of 140, 165, 190, 215 and 240 mW, respectively. The intensity of the laser beam was measured using a power meter (1815C, Newport), and the full width at half maximum of the laser beam was 164 µm at 70 mW.

액적들의 유동을 CCD 카메라(SDC-415A, 삼성)를 이용하여 LabView 소프트웨어(National Instrument)로 실시간 모니터링 및 녹화하였다. 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에서 교대로 유동하던 미세 액적이 레이저빔 조사 구역에서 병합된 후 이동하는 것을 확인할 수 있다.The flow of droplets was monitored and recorded in real time with LabView software (National Instrument) using a CCD camera (SDC-415A, Samsung). The results are shown in FIG. It can be seen that the fine droplets flowing alternately in FIG. 4 merge after being moved in the laser beam irradiation zone.

또한, 배출부에서 수득한 생성물을 도 5에 나타내었다. 검정색 잉크 속에 황화카드뮴(CdS)을 확인할 수 있다.In addition, the product obtained in the outlet is shown in FIG. Cadmium sulfide (CdS) can be found in the black ink.

생성된 황화카드뮴 입자의 크기를 DLS(Dynamic Light Scattering) 분석을 통하여 레이저빔의 세기에 따라 분석하여, 그 결과를 도 6에 나타내었다.The size of the produced cadmium sulfide particles was analyzed according to the intensity of the laser beam through DLS (Dynamic Light Scattering) analysis, and the results are shown in FIG. 6.

도 6a는 본 발명의 미세유체칩을 이용하지 않고 벌크합성한 황화카드뮴의 입자 분포이다. 나노입자의 크기가 매우 불균일한 것을 확인할 수 있다.Figure 6a is a particle distribution of the bulk synthesized cadmium sulfide without using the microfluidic chip of the present invention. It can be seen that the size of the nanoparticles is very nonuniform.

도 6b 내지 6f는 본 발명의 미세유체칩을 이용하여 레이저빔의 세기에 따라 입자 분포를 나타낸 것이다. 결과를 아래의 표에 정리하여 나타내었다.6b to 6f show particle distribution according to the intensity of the laser beam using the microfluidic chip of the present invention. The results are summarized in the table below.

구분division 도면drawing 레이저빔 강도(mW)Laser beam intensity (mW) 평균 입자 크기(nm)Average particle size (nm) 실시예 1Example 1 도 6b6b 140140 52.6152.61 실시예 2Example 2 도 6cFig 6c 165165 112.4112.4 실시예 3Example 3 도 6d6d 190190 414.3414.3 실시예 4Example 4 도 6e6e 215215 661661 실시예 5Example 5 도 6f6f 240240 758758

위의 표에서, 레이저빔의 강도가 강해질수록 평균 입자 크기도 커지는 것을 확인할 수 있다.In the above table, it can be seen that as the intensity of the laser beam increases, the average particle size also increases.

상기 표에 나타난 레이저빔 강도와 평균 입자 크기의 상관관계를 도 7에 나타내었다. 레이저빔 강도에 따른 평균 입자 크기 그래프가 S자 형태를 나타낸다는 것을 알 수 있다.The correlation between the laser beam intensity and the average particle size shown in the table is shown in FIG. 7. It can be seen that the average particle size graph according to the laser beam intensity represents the S-shape.

이상으로 본 발명의 내용의 특정부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.As described above in detail a specific part of the content of the present invention, for those of ordinary skill in the art, such a specific description is only a preferred embodiment, which is not limited by the scope of the present invention Will be obvious. Thus, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

101 유동 채널 102 액적 병합부
103 배출부
211 제1 유체 채널 212 제1 유체 주입구
221 제2 유체 채널 222 제2 유체 주입구
311 연속상 주입 채널 312 연속상 주입구
321 제2 연속상 주입 채널
A 제1 유체 a 제1 유체 액적
B 제2 유체 b 제2 유체 액적
C 연속상
101 Flow Channel 102 Droplet Merging
103 outlet
211 first fluid channel 212 first fluid inlet
221 Second Fluid Channel 222 Second Fluid Inlet
311 continuous phase injection channel 312 continuous phase injection port
321 second continuous phase injection channel
A first fluid a first fluid droplet
B second fluid b second fluid droplet
C continuous phase

Claims (15)

제1 유체를 연속상이 유동하는 유동 채널에 주입하여 유동 채널 내에 제1 유체 액적을 형성하는 제1 유체 채널;
제2 유체를 연속상이 유동하는 유동 채널에 주입하여 유동 채널 내에 제2 유체 액적을 형성하는 제2 유체 채널;
상기 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적이 교대로 유동하는 유동 채널; 및
상기 유동 채널을 140 내지 230mW 세기의 레이저빔(laser beam) 조사에 의해 국지적으로 가열하여 선행하는 유체 액적의 유동을 정지시켜 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적의 병합 및 반응을 유도하는 병합부
를 포함하는 미세 유체 제어 장치로서,
상기 국지적인 가열 영역이 상기 제1 및 제2 유체 액적의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는, 미세 유체 제어 장치.
A first fluid channel for injecting a first fluid into the flow channel through which the continuous phase flows to form a first fluid droplet within the flow channel;
A second fluid channel for injecting a second fluid into the flow channel through which the continuous phase flows to form second fluid droplets in the flow channel;
A flow channel through which the first and second fluid droplets alternately flow; And
Merging unit for locally heating the flow channel by irradiation of a laser beam of 140 to 230mW intensity to stop the flow of the preceding fluid droplets to induce the merging and reaction of the first and second fluid droplets
A microfluidic control device comprising:
And the local heating zone is larger than the diameter of the first and second fluid droplets.
제 1 항에 있어서,
제1 유체를 주입하기 위한 제1 유체 주입구; 및
제2 유체를 주입하기 위한 제2 유체 주입구
를 포함하는, 미세 유체 제어 장치.
The method of claim 1,
A first fluid inlet for injecting a first fluid; And
Second fluid inlet for injecting a second fluid
Microfluidic control device comprising a.
제 2 항에 있어서,
상기 제1 유체 주입구 및 제2 유체 주입구가 각각 공급 펌프에 연결된 것을 특징으로 하는, 미세 유체 제어 장치.
The method of claim 2,
And the first fluid inlet and the second fluid inlet are respectively connected to a feed pump.
제 1 항에 있어서,
상기 연속상을 유동 채널 내에 주입하는 연속상 주입 채널; 및
연속상을 상기 연속상 주입 채널에 주입하기 위한 연속상 주입구
를 포함하는, 미세 유체 제어 장치.
The method of claim 1,
A continuous phase injection channel for injecting the continuous phase into a flow channel; And
Continuous phase inlet for injecting continuous phase into the continuous phase injection channel
Microfluidic control device comprising a.
제 1 항에 있어서,
상기 유동 채널에 연속상을 주입하여 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적의 간격을 조절하는 제2 연속상 주입 채널을 추가로 포함하는, 미세 유체 제어 장치.
The method of claim 1,
And a second continuous phase injection channel for injecting a continuous phase into the flow channel to adjust the spacing of the first and second fluid droplets.
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적의 평균 직경이 70 내지 150㎛인 것을 특징으로 하는, 미세 유체 제어 장치
The method of claim 1,
Microfluidic control device, characterized in that the average diameter of the first fluid droplets and the second fluid droplets is 70 to 150㎛
제 1 항에 있어서,
상기 연속상이 올레산(oleic acid), 실리콘 오일(silicon oil), FC-40 오일, 헥사디케인(hexadecane) 및 식용류로 구성된 군에서 선택된 1종 이상과 잉크의 혼합물인 것을 특징으로 하는, 미세 유체 제어 장치.
The method of claim 1,
The continuous fluid is characterized in that the mixture of at least one selected from the group consisting of oleic acid (silic acid oil), silicone oil (silicon oil), FC-40 oil, hexadecane and edible and inks and ink, fine fluid control Device.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 유체 및 제2 유체가 수용액 또는 수분산체인 것을 특징으로 하는, 미세 유체 제어 장치.
The method of claim 1,
And the first fluid and the second fluid are aqueous solutions or water dispersions.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적의 반응이 흡열 반응인 것을 특징으로 하는, 미세 유체 제어 장치.
The method of claim 1,
And the reaction of the first and second fluid droplets is an endothermic reaction.
미세 유체 제어 장치를 이용하여 미세 액적을 병합하는 방법으로서,
제1 유체를 연속상이 유동하는 유동 채널에 주입하여 유동 채널 내에 제1 유체 액적을 형성하는 단계;
제2 유체를 연속상이 유동하는 유동 채널에 주입하여 유동 채널 내에 제2 유체 액적을 형성하되, 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적이 교대로 유동하도록 하는 단계; 및
상기 유동 채널을 140 내지 230mW 세기의 레이저빔(laser beam) 조사에 의해 국지적으로 가열하여 선행하는 유체 액적의 유동을 정지시켜 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적의 병합 및 반응을 유도하는 단계;
를 포함하는 미세 액적의 병합 방법으로서,
상기 국지적인 가열 영역이 상기 제1 및 제2 유체 액적의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는, 미세 액적의 병합 방법.
A method of merging microdroplets using a microfluidic control device,
Injecting a first fluid into the flow channel through which the continuous phase flows to form a first fluid droplet within the flow channel;
Injecting a second fluid into the flow channel through which the continuous phase flows to form a second fluid droplet within the flow channel, wherein the first fluid droplet and the second fluid droplet alternately flow; And
Locally heating the flow channel by laser beam irradiation at 140-230 mW to stop the flow of the preceding fluidic droplets to induce coalescence and reaction of the first and second fluidic droplets;
As a method of merging fine droplets comprising:
And wherein said local heating zone is larger than the diameter of said first and second fluid droplets.
제 12 항에 있어서,
상기 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적의 간격을 조절하기 위하여 유동 채널에 연속상을 주입하는 단계를 추가로 포함하는, 미세 액적의 병합 방법.
The method of claim 12,
And injecting a continuous phase into the flow channel to adjust the spacing of the first fluid droplet and the second fluid droplet.
삭제delete 미세 유체 제어 장치를 이용한 화학 반응 생성물의 입경을 제어하는 방법으로서,
제1 유체를 연속상이 유동하는 유동 채널에 주입하여 유동 채널 내에 제1 유체 액적을 형성하는 단계;
상기 제1 유체와 반응하여 나노입자를 생성할 수 있는 제2 유체를 연속상이 유동하는 유동 채널에 주입하여 유동 채널 내에 제2 유체 액적을 형성하되, 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적이 교대로 유동하도록 하는 단계; 및
상기 유동 채널을 140 내지 230mW 세기의 레이저빔(laser beam) 조사에 의해 국지적으로 가열하여 선행하는 유체 액적의 유동을 정지시켜 제1 유체 액적 및 제2 유체 액적의 병합과 화학 반응을 유도하는 단계;
를 포함하되,
상기 가열의 세기를 제어하여 제1 유체 액적과 제2 유체 액적의 화학 반응으로 생성된 나노입자의 입자 크기를 제어하고,
상기 국지적인 가열 영역이 상기 제1 및 제2 유체 액적의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는, 미세 유체 제어 장치를 이용한 화학 반응 생성물의 입경 제어 방법.
A method of controlling the particle diameter of a chemical reaction product using a microfluidic control device,
Injecting a first fluid into the flow channel through which the continuous phase flows to form a first fluid droplet within the flow channel;
Injecting a second fluid capable of reacting with the first fluid to produce nanoparticles into a flow channel in which the continuous phase flows to form a second fluid droplet in the flow channel, wherein the first fluid droplet and the second fluid droplet alternately. Allowing flow; And
Locally heating the flow channel by laser beam irradiation of 140-230 mW intensity to stop the flow of the preceding fluidic droplets to induce coalescence and chemical reaction of the first and second fluidic droplets;
Including,
Controlling the intensity of the heating to control the particle size of the nanoparticles produced by the chemical reaction of the first and second fluid droplets,
And wherein said local heating zone is larger than the diameters of said first and second fluid droplets.
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