KR102342742B1 - 무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 기법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 밀폐된 케이스의 내부에 위치한 대상 액적 주변에 상기 대상 액적보다 표면 장력이 낮은 휘발성 물질이 채워진 모세관을 배치시키고, 상기 대상 액적의 중심과 모세관 사이의 거리, 및 모세관의 크기를 조절하면서 상기 대상 액적 내부 유동장의 크기 및 세기를 조절하는 것을 특징으로 하는 무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 기법을 제공한다.

Description

무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 기법{FREE-ENERGY DROPLET MIXING AND FLOW CONTROL METHOD}

본 발명은 무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 기법에 관한 것으로, 구체적으로는 전기력, 자기력, 음향력 등의 외부의 힘을 적용하지 않고 증기형 용질성 마랑고니 효과(vapor-driven solutal Marangoni effects)를 이용한 무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 기법에 관한 것이다.

기판 위 미소 액적에 관한 연구는 질병 진단(비특허문헌 1 내지 3), 세포 분리(비특허문헌 4 및 5), 잉크젯 프린팅(비특허문헌 6) 등 다양한 생화학 분야에 적용될 수 있다.

이러한 시스템은 연속 유체 기반 시스템과 비교해서 가격이 저렴하고 구성이 간단하다는 장점이 있는데, 이와 같은 장점을 극대화하기 위해서는 액적 내 유동을 형성하는데 필요한 에너지를 최소화시킬 필요가 있다.

종래에는 외부 장치들을 활용해서 전기력(비특허문헌 7), 음향력(비특허문헌 8), 자기력(비특허문헌 9) 등을 발생시켜 액적 내 유동을 제어했다.

이처럼 외부 에너지원을 사용한 액적 내 유동제어 방식은 필연적으로 외부 부속품을 필요로 하기 때문에, 미세 유체 시스템의 전체 크기가 증가하게 되고 구성이 복잡해지는 문제점이 있다.

이는, 제조 비용의 증가를 초래하고, 시장에서 필요로 하는 휴대용 미세 유체 시스템을 만드는 것을 어렵게 한다는 문제점이 있다.

한편, 액적 내부 유동은 마랑고니 효과를 사용해서도 유발시킬 수 있다.

이러한 마랑고니 효과를 발생시키는 요인은 온도 구배, 계면활성제, 용질의 3 가지가 대별할 수 있다.(비특허문헌 10 내지 12)

그 중, 용질성 마랑고니 효과는 별도의 외부 장치가 필요하지 않고, 액적 샘플을 오염시키지 않는다는 장점을 가지고 있다.

최근에는 증기형 용질성 마랑고니 효과를 사용해서 액적 내 유동을 형성하고 최종 퇴적 패턴을 조절하는 연구에 대해서 진행되고 있다.(비특허문헌 13)

또한, 상대적으로 빠르게 증발하는 외부 휘발성 용액으로부터 발생된 경계조건 변화에 따른 액적 내 유동 변화를 관찰하는 연구가 진행되고 있다.(비특허문헌 14)

그러나, 증기형 용질성 마랑고니 효과를 이용한 액적 내 유동 제어에 관한 연구는 아직까지 이루어지고 있지 않은 실정이다.

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본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 여러 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 전기력, 자기력, 음향력 등의 외부의 힘을 적용하지 않고 증기형 용질성 마랑고니 효과(vapor-driven solutal Marangoni effects)를 이용한 무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 기법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1실시예에 따르면, 밀폐된 케이스의 내부에 위치한 대상 액적 주변에 상기 대상 액적보다 표면 장력이 낮은 휘발성 물질이 채워진 모세관을 배치시키고, 상기 대상 액적의 중심과 모세관 사이의 거리, 및 모세관의 크기를 조절하면서 상기 대상 액적 내부 유동장의 크기 및 세기를 조절하는 것을 특징으로 하는 무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 기법을 제공한다.

또한, 상기 대상 액적의 주변에 상기 대상 액적보다 표면 장력이 낮은 휘발성 물질이 채워진 복수의 모세관이 이격되게 배치될 수 있다.

아울러, 상기 대상 액적은 유리 기판 위에 위치하고, 상기 모세관은 상기 대상 액적과 소정 거리 이격되어 상기 유리 기판 위에 배치되며, 상기 모세관에서 증발한 휘발성 물질의 증기는 상기 유리 기판을 따라 상기 대상 액적 방향으로 확산되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제2실시예에 따르면, 밀폐된 케이스의 내부에 대상 액적을 위치시키고, 상기 대상 액적보다 표면 장력이 낮은 휘발성 물질이 상기 케이스의 내부에 부착되며, 상기 대상 액적과 휘발성 물질과의 거리를 조절하면서 상기 대상 액적 내부 유동장의 크기 및 세기를 조절하는 것을 특징으로 하는 무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 기법을 제공한다.

전술한 과제의 해결수단에 의하면 본 발명은 다음과 같은 효과를 가진다.

본 발명은 대상 액적 주위에 대상 액적보다 표면 장력이 낮은 휘발성 용액(에탄올, 아세톤 등)을 노출하여 대상 액적 내부에 유동을 형성하는 방법을 사용하면 전기력, 자기력, 음향력 등의 외부의 힘을 적용하지 않고 증기형 용질성 마랑고니 효과(vapor-driven solutal Marangoni effects)를 이용할 수 있어 시스템을 간단하게 구성할 수 있고 대상 액적 및 샘플이 오염되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 대상 액적과 휘발성 물질과의 거리, 및 휘발성 물질이 대상 액적에 노출되는 표면적의 크기를 조절함으로써, 대상 액적 내 유동을 효율적으로 조절할 수 있는 효과가 있다.

이에 따라, 본 발명은 질병진단 산업, 화장품 산업, 화학 공정, 코팅 산업 등 다양한 생화학 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

뿐만 아니라, 미량 정량판(microtiter plate)이 작은 부피의 용액에 부적합하다는 한계점을 보완해줄 수 있는 기술이 될 수 있다.

작은 부피용(1 ㎕ 이하) 마이크로 플레이트는 용액의 증발이 빨리 일어난다는 점과 부피 대비 표면비가 높다는 점으로 인해서 반응까지의 충분한 시간을 확보하기 어려워서 상용화가 쉽지 않다.

관찰하고자 하는 용액의 증발을 억제하기 위해 미량 정량판 내부를 외부효과로부터 차단하는데 사용하는 덮개에 휘발성 물질을 부착한다면 관찰 용액의 원활한 혼합을 유발할 수 있고, 제한된 시간 안에 반응을 일으켜서 기존 기술의 한계를 극복할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 기법의 제1실시예를 구현하기 위한 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에서 대상 액적과 모세관을 위에서 내려다 본 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에서 대상 액적과 모세관을 측면에서 바라본 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 대상 액적 주위에 휘발성 물질에 의한 증기점이 없는 경우 대상 액적 내부를 관찰한 사진이다.
도 5는 대상 액적 주위에 휘발성 물질에 의한 증기점이 한 개 있는 경우 대상 액적 내부를 관찰한 사진이다.
도 6은 본 발명에 따른 무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 기법을 설명하기 위한 이론 모델을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 대상 액적 주위에 휘발성 물질에 의한 증기점이 한 개 있는 경우 대상 액적 내부에 마랑고니 유동이 발생된 상태를 나타낸 사진이다.
도 8은 에탄올의 질량분율과 표면 장력의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 9는 대상 액적의 중심과 모세관 사이의 거리에 대한 유동의 최대 속도를 나타낸 실험값과 이론값을 비교한 그래프이다.
도 10은 대상 액적의 중심과 모세관 사이의 거리에 대한 진동수를 나타낸 실험값과 이론값을 비교한 그래프이다.
도 11은 도 10에서 구한 진동수의 이론값과 실험값을 비교한 그래프이다.
도 12는 대상 액적 주위에 위치한 휘발성 물질에 의한 증기점의 개수에 따른 대상 액적 내부의 유동 상태를 나타낸 사진이다.
도 13은 대상 액적 주위에 위치한 휘발성 물질에 의한 증기점의 개수에 따라 대상 액적 내부에 발생된 와류의 개수를 나타낸 그래프이다.
도 14는 국부 표면 장력의 차이와 유동의 최대 속도 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 15의 (a) 내지 (d)는 대상 액적 주위에 위치한 휘발성 물질에 의한 증기점의 개수가 각각 1 내지 4인 경우이고, (e)는 대상 액적 주위에 위치한 휘발성 물질에 의한 증기점이 없는 경우로서, 대상 액적 내부 유동 모양과 시간에 따른 혼합 정도를 나타낸 사진이다.
도 16은 도 15의 (a) 내지 (e)의 경우에 시간에 따른 표준 편차를 나타낸 그래프이다.
도 17은 도 15의 (a) 내지 (e)의 경우에 대상 액적이 완전히 혼합되는데 걸리는 시간을 나타낸 그래프이다.
도 18은 미량 정량판 내의 대상 액적 혼합시 확산만을 이용한 경우 혼합에 소요되는 시간을 나타낸 사진이다.
도 19는 미량 정량판 내의 대상 액적 혼합시 거름종이에 휘발성 물질을 적신 다음 대상 액적에 노출시킨 경우 혼합에 소요되는 시간을 나타낸 사진이다.

이하, 본 발명에 따른 무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 기법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들에 의거하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어와 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석해야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 기법의 제1실시예를 구현하기 위한 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.

본 발명에 따른 무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 532 nm의 레이저(L)를 액적(D)에 노출시키면 액적(D)에 첨가된 형광입자(F)는 607 nm의 신호(S)를 방출한다.

이때, 형광입자(F)의 사이즈는 1.9 ㎛, 밀도는 1.05 g/㎤ 이다.

광학필터(5)를 사용해서 형광입자(F)로부터 방출된 신호(S)만을 도립 현미경(4)에 연결된 초고속 카메라(6)에서 읽어들여 입자영상유속계 실험을 진행한다.

외부로부터의 영향을 막기 위해 아크릴로 제작한 케이스(1)를 사용해서 시스템 전체를 감쌌다.

후술하는 도 5의 사진에서 증기형 용질성 마랑고니 유동장을 확인할 수 있는데, 노란색 표식은 에탄올이 담긴 모세관(2)의 위치(증기점)를 나타낸다.

에탄올의 물에 대한 높은 용해도로 인해서, 마랑고니 유동은 에탄올이나 물 액적이 완전히 증발하기 전까지 발생한다.

도 2는 도 1에서 대상 액적과 모세관을 위에서 내려다 본 상태를 나타낸 도면이고, 도 3은 도 1에서 대상 액적과 모세관을 측면에서 바라본 상태를 나타낸 도면이다.

기판(3) 위 미소액적(D) 내부에 유동을 발생시키기 위한 방법으로는 모세관 효과를 이용해서 에탄올을 모세관(2)에 담고 액적(D) 주변에 위치시키는 방법이 있다.

이때, 모세관(2) 팁부에서 에탄올이 증발한다. 에탄올 증기는 대기보다 분자량이 크기 때문에 모세관(2)에서 증발한 대부분의 에탄올 증기는 유리 기판(3)을 따라 확산한다.

에탄올 증기는 모세관(2)에서 가까운 영역이 먼 영역에 비해 상대적으로 많은 양이 분포한다.

그러므로, 모세관(2)과 가까운 영역에선 상대적으로 많은 에탄올 증기로 인해서 표면 장력이 낮다. 마랑고니 유동은 표면 장력이 낮은 영역에서 높은 영역으로 발생하기 때문에 도 2의 화살표 방향과 같이 유동이 발생한다.

본 실험에선 두 개의 변수를 조절하면서 유동장을 관측했다. 첫번째 변수는 모세관과 액적 중심 사이의 거리(l)이며, 두번째는 모세관의 크기이다.

이 두 변수를 바꿔가며 액적계면에서의 에탄올 농도를 조절하고 액적 내 유동을 제어했다.

모세관과 액적 사이의 거리(l)가 1.5 내지 4 mm 인 구간에서의 유동을 본 실험을 통해 관찰했다.

또한, 3가지 크기의 모세관(r₀는 0.25, 0.375, 0.55 ㎜)을 사용해서 에탄올 증기 유량을 조절했다.

아울러, 액적의 부피는 2.0±0.2 ㎕, 반경(R)은 1.3 내지 1.6 ㎜), 높이(h)는 0.52 내지 0.73 ㎜ 이다.

도 4는 대상 액적 주위에 휘발성 물질에 의한 증기점이 없는 경우 대상 액적 내부를 관찰한 사진이고, 도 5는 대상 액적 주위에 휘발성 물질에 의한 증기점이 한 개 있는 경우 대상 액적 내부를 관찰한 사진이다.

해당 사진들을 통해서 외부 증기점의 유무에 따른 유동장 생성여부를 확인해보았다. 본 사진과 이후 사진들은 대비 제한 적응 히스토그램 평활화(CLAHE)와 하이패스(highpass) 필터를 사용해서 가시성을 높혔다.

도 4에 도시된 바와 같이 증기점이 없는 경우는, 내부 유동이 거의 발생하지 않는다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 레이저를 사용했음에도 thermal Marangoni 효과로 인한 유동이 관측되지 않았다.

도 6은 본 발명에 따른 무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 기법을 설명하기 위한 이론 모델을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 7은 대상 액적 주위에 휘발성 물질에 의한 증기점이 한 개 있는 경우 대상 액적 내부에 마랑고니 유동이 발생된 상태를 나타낸 사진이다.

여기서,

c_A 는 공기중에서의 에탄올의 농도,

r₀ 는 모세관의 반지름,

c₀ 는 모세관 팁에서의 에탄올의 초기 농도,

l은 액적 중심과 모세관 팁 사이의 거리,

R은 액적의 반지름이다.

증기형 용질성 마랑고니 유동장을 분석하기 위해 사용한 이론 모델에 대한 설명이다. 국소 표면 장력 차이를 계산하기 위해서, 우선 공기에서의 에탄올 농도를 구형좌표계에서의 1차원 정상상태 푸아송 확산 방정식을 이용해서 계산했다.

분자동역학 연구에 따르면, 에탄올 분자가 물에 용해되면 수피코초만에 열적 평형 상태에 도달하고 그 후 운동에너지의 부족으로 인해 표면에서 빠져나가지 못한다.

즉, 에탄올 분자가 물로 빠르게 용해되기 때문에 물과 공기에서의 에탄올 농도는 거의 같다.

따라서, 같은 위치의 공기와 물에서 에탄올 농도는 같다는 가정을 사용할 수 있다.

도 7의 사진을 통해 모세관에 반대쪽에 위치한 영역에서는 마랑고니 유동이 거의 발생하지 않는다는 것을 확인할 수 있다. 이는 에탄올 증기가 모세관이 위치한 반대쪽 영역에 도달하기 어렵다는 것을 보여준다.

본 실험 구성 상에서 에탄올 농도가 최대가 되는 지점은 도 6을 기준으로 왼쪽이며 최소가 되는 부분은 위나 아래쪽이다.

여기서,

c_w 는 액적 계면에서 에탄올의 농도,

Re 는 레이놀즈수,

ε은 액적의 종횡비(높이/반지름),

ρ는 물의 밀도,

V는 유동의 속도,

μ는 물의 점성,

Δγ(delta gamma)는 국소 표면 장력 차이,

β는 비례상수이다.

에탄올 농도의 최대, 최소값을 사용해서 최대 에탄올 농도 차이를 계산할 수 있다.

최대 에탄올 농도 차이는 액적 계면에서의 에탄올 분포를 확인할 수 있는 지표이며 국소 표면 장력 차이와 비례관계를 가진다.

본 연구에서 레이놀즈 수와 액적 모양의 종횡비를 곱한 값은 1보다 작다. 이를 통해, 점성력이 주로 마랑고니 힘과 균형을 이룬다는 것을 알 수 있다.

마랑고니 힘과 점성력의 간단한 상사 법칙을 통해서 이론 속도 식을 얻었다. 후술할 도 8을 통해 본 연구에서 사용한 상수인 β와 c₀를 어떻게 계산했는지에 대해 확인해볼 수 있다.

도 8은 에탄올의 질량분율과 표면 장력의 관계를 나타낸 그래프이다.

(비특허문헌 16)

첫번째로, 에탄올의 질량분율과 표면 장력의 관계를 이용해 비례상수를 구했다. 여기서, 낮은 질량분율에서는 표면 장력 변화가 선형이라는 가정을 사용해서 계산했다.

두번째로, 모세관 표면에서의 초기 농도 값이다. 닫힌 계에서의 돌턴의 분압법칙을 사용해서 이 상수를 계산했다.

도 9는 대상 액적의 중심과 모세관 사이의 거리에 대한 유동의 최대 속도를 나타낸 실험값과 이론값을 비교한 그래프이다.

액적 중심과 모세관 사이의 거리 및, 모세관 크기의 두 개의 변수를 변화시켜가며 마랑고니 유동장을 분석했다.

도 9에 도시된 바와 같이 거리(l) 이 증가함에 따라 최대 속도가 감소함을 확인할 수 있다.

에탄올 농도 식을 통해서 액적 표면에서의 에탄올 농도는 모세관과 액적 계면 사이의 거리와 반비례 관계임을 확인할 수 있다.

만약, 모세관을 액적에서 상대적으로 먼 거리에 위치시킨다면 최대 에탄올 농도 차이는 감소한다.

최대 에탄올 농도 차이의 감소는 국소 표면 장력 차이의 감소로 이어지며, 이는 액적 내 마랑고니 유동의 세기는 감소시킨다.

다른 변수인 모세관의 크기를 변경시킴으로써 모세관에서부터 확산되는 에탄올 증기유량을 조절할 수 있다.

확산되는 에탄올 증기유량을 증가시키면 액적 계면에서 상대적으로 더 많은 에탄올 분자의 용해가 일어나게 하며, 이는 최대 에탄올 농도 차이의 증가를 유발해서 마랑고니 유동의 세기를 증가시킨다.

도 9에서 오차 막대는 진동하는 마랑고니 유동 패턴을 나타낸다. 실선들은 앞서 구한 이론 속도식을 사용해서 계산했다. 색칠된 영역은 액적 반지름과 높이의 변화를 고려해서 그래프에 나타냈다.

도 10은 대상 액적의 중심과 모세관 사이의 거리에 대한 진동수를 나타낸 실험값과 이론값을 비교한 그래프이다.

본 연구에서 고속 푸리에 변환을 사용해서 진동수를 계산했다. 진동수 또한 모세관과 액적 중심 사이의 거리(l) 이 증가함에 따라 감소한다는 것을 확인할 수 있다.

실선과 색칠된 영역은 진동수의 이론 모델을 나타낸다. 이론 진동수 값은 이론 속도에 액적의 반지름 값을 나눠서 계산했다.

액적의 반지름으로 나눈 이유는 액적 내 지배적인 유동이 도 2를 기준으로 액적 중심에서 x 방향으로 즉, 거리 R 만큼 이동하기 때문이다.

도 11은 도 10에서 구한 진동수의 이론값과 실험값을 비교한 그래프이다.

도 10에서 구한 이론진동수와 실험으로 구한 진동수를 그래프를 통해 비교했다. 본 그래프를 통해서 일치하는 경향성을 확인할 수 있다.

도 12는 대상 액적 주위에 위치한 휘발성 물질에 의한 증기점의 개수에 따른 대상 액적 내부의 유동 상태를 나타낸 사진이다.

1개에서 4개의 모세관을 사용해서 최대 8개의 와류를 만들었다. 도 12에서 빨간 화살표는 마랑고니 유동의 방향을 나타내며, 노란 표식은 모세관의 위치(증기점)를 나타낸다.

증기점의 수를 증가시키면 유동이 생기지 않는 영역이 점차적으로 감소하는 것을 확인할 수 있다.

도 13은 대상 액적 주위에 위치한 휘발성 물질에 의한 증기점의 개수에 따라 대상 액적 내부에 발생된 와류의 개수를 나타낸 그래프이다.

모세관 개수에 따른 증기형 용질성 마랑고니 유동장 측정 결과를 도 13을 통해서 살펴볼 수 있다.

본 실험에서 액적 중심과 모세관 사이의 거리는 2.1 mm로 유지하고 모세관 반지름 또한 0.25 mm로 고정시켜서 실험을 진행했다.

한 개의 에탄올 증기점은 한 쌍의 와류를 만든다. 이는 에탄올 성분이 기체 상에서 확산할 때의 대칭 경계 조건 때문이다. 와류의 개수(M)과 외부 증기점의 개수 (N)의 관계는 M=2N 이다.

도 14는 국부 표면 장력의 차이와 유동의 최대 속도 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.

모세관 단면에서의 초기농도와 비례상수는 국소 표면 장력 차이와 최대 속도를 변경한다.

휘발성 용액의 유형에 따라 내부 유속의 변화를 확인하기 위해 모세관 튜브 크기와 모세관과 액적 중심 사이의 거리가 일정한 모세관 튜브 크기로 각 휘발성 용액에 대해 5 번 이상의 실험을 수행하였다.

국부 표면 장력 차이와 최대 속도 사이의 관계가 비례임을 확인할 수 있다.

도 15의 (a) 내지 (d)는 대상 액적 주위에 위치한 휘발성 물질에 의한 증기점의 개수가 각각 1 내지 4인 경우이고, (e)는 대상 액적 주위에 위치한 휘발성 물질에 의한 증기점이 없는 경우로서, 대상 액적 내부 유동 모양과 시간에 따른 혼합 정도를 나타낸 사진이고, 도 16은 도 15의 (a) 내지 (e)의 경우에 시간에 따른 표준 편차를 나타낸 그래프이며, 도 17은 도 15의 (a) 내지 (e)의 경우에 대상 액적이 완전히 혼합되는데 걸리는 시간을 나타낸 그래프이다.

이러한 유동제어 기술을 액적 내 혼합에 적용해 보았다. 도 15는 외부 증기점의 개수(N)를 1~4개로 조절했을 때의 액적 내 유동모양과 시간에 따른 혼합 정도를 나타낸 것이다. 에탄올과 아세톤을 이용했을 때 액적이 완전히 혼합 되는데 걸리는 시간은 도 17에 표시되어 있다.

도 18은 미량 정량판 내의 대상 액적 혼합시 확산만을 이용한 경우 혼합에 소요되는 시간을 나타낸 사진이고, 도 19는 미량 정량판 내의 대상 액적 혼합시 거름종이에 휘발성 물질을 적신 다음 대상 액적에 노출시킨 경우 혼합에 소요되는 시간을 나타낸 사진이다.

실제 응용을 위해 미량 정량판 내에서의 액적 혼합에 대해 실험했다.

미량 정량판 내의 액적 샘플 혼합 시 확산만을 이용할 때(도 18)와 증기형 용질성 마랑고니 효과를 사용할 때(도 19), 혼합에 소요되는 시간 차이를 비교했다.

도 18은 미량 정량판에 액적을 위치시키기만 했고, 도 19는 거름종이에 아세톤을 적시고 약 7초 동안 액적에 노출시킨 후 거름종이를 제거하는 순서를 취해 실험을 진행했다. 덮개를 사용했을 때가 약 5배 빠르게 샘플 혼합이 진행되는 것을 확인할 수 있다.

[적용 및 응용분야]

기판 위 액적 기반 미세 유체 시스템은 경제성과 간단한 구성으로 인해 생물검정(bioassays), 질병진단, 코팅 및 프린팅 등의 다양한 분야에 적용되고 있다.

전술한 미세 유체 시스템의 성능은 대부분 얼마나 유동 제어를 효과적으로 할 수 있는지에 의존한다.

따라서, 액적 내 내부 유동장에 대한 정밀한 분석은 선행적으로 이루어져야 한다.

그러므로, 정지 액적의 내부 유동장 제어 기술은 혼합, 입자 분리, 균일 코팅 방법의 개발에 적용될 수 있는 기술이다.

본 발명에서 제시하는 외부 휘발성 물질을 이용한 유동 제어 방식은 마랑고니 효과를 일으키고 나면 증발에 의해 외부로부터 공급된 증기가 자동으로 사라지므로 최종 샘플의 변화를 최소화할 수 있다.

이러한 특성 때문에 세포 분리, 생물검정 등 온도나 외부조건에 민감한 샘플을 다뤄야 하는 공정에 용질성 마랑고니 효과를 적용할 수 있다.

코팅 및 프린팅 공정에서 본 발명에서 제시한 방법을 사용하면 초기 시스템 설계 시 발생하는 비용을 절감할 수 있다.

기존에는 혼합 물질이 정해지면 다양한 혼합비의 후보 용액들을 준비하고 시행착오를 통해 공정에 최적화된 용액을 선정했다.

증기형 용질성 마랑고니 효과를 이용하면 별도의 혼합액을 만들 필요없이 증기노출면적, 증기점과 대상 액적 간의 거리를 조절해서 균일한 코팅을 진행할 수 있다.

또한, 용질성 마랑고니 효과를 이용한 시스템은 구성이 간단하고 가격이 저렴하다는 장점을 가지고 있어 휴대용 미세 유체 시스템을 구성하기에 적합하다.

[시장성]

고령화 사회로 접어들면서 건강에 대한 사람들의 관심도가 지속적으로 증가하고 있다.

이에 따라, 질병을 진단할 수 있는 기술에 대한 수요는 지속해서 증가하고 있다.

글로벌 혈액진단기 시장 규모는 50조원에 이른다.

당뇨 측정기부터 암 진단기 등 다양한 혈액진단기가 시중에 출시되어있다.

시중에 상용화된 혈액검사 방법들을 사용하면 검사 뒤 결과를 얻기까지 2-3일의 시간이 소요된다.

이를 휴대용 질병진단 장치로 대체한다면 사용자들이 건강상태를 수시로 확인가능하고 누적된 데이터들을 통해 더욱 정확한 진단을 받을 수 있다는 장점이 있다.

이러한 장점들로 인해 국내외 많은 바이오 기업이 소량의 혈액으로 다양한 질병을 조기 진단하는 기술에 대한 투자를 늘리고 있다.

모바일 헬스케어 사업에서 중요한 요소 중 하나는 간단한 시스템과 경제성이다.

따라서, 본 발명에서 제안하는 유동 제어 방식을 활용한다면 효율적인 질병 진단이 가능할 것으로 기대한다.

[기술 사업화 전망]

본 기술은 하나의 증기점 당 한 쌍의 와류를 형성할 수 있다는 특징이 있다.

액적 내 다수의 와류를 발생시켜 효과적인 자가 혼합, 입자 분리 등을 수행할 수 있을 것으로 기대한다.

다량의 액적을 내 유동을 제어하는 방법은 다음과 같은 것들이 있다.

액적 사이마다 알코올 증기 흐름을 형성해서 다량의 액적 내 유동을 동시에 일으키는 방법이 있다.

그리고, 휘발성 물질을 부착시킨 용기를 미세 유체 시스템 위에 덮는다면 액적 내 마랑고니 유동을 일으킬 수 있다.

그 외에도 용질성 마랑고니 유동을 일으킬 수 있는 구조적 장치를 개발한다면 시스템에 최적화된 유동 조건을 만족시킬 수 있을 것이다.

[본 발명의 적용이 가능한 기업]

소량의 혈액을 통해 질병을 진단하고 혈액을 이용해 치료제를 만드는 기술은 BBB, GC녹십자, 베르티스 등 헬스케어 및 바이오기업에서 지속해서 개발되고 있다.

이러한 측면에서 추가 에너지원 없이 샘플을 혼합하고 입자들을 분리할 수 있는 기술은 유용하게 쓰일 것이다.

또한, 용액공정을 이용한 OLED 제조 기술에 증기형 용질성 마랑고니 효과를 적용할 수 있다.

용액공정은 진공증착 공정과 비교해서 낮은 설비 투자비용, 높은 재료 사용 효율 등의 장점을 가지고 있다.

스핀코팅, 잉크젯 프린팅, 노즐 프린팅과 같은 습식 공정을 통해 박막을 형성하는 용액공정을 활용해 OLED 재료를 코팅할 때 알코올 증기를 노출시킨다면 균일한 퇴적층도 얻을 수 있고 공정을 간결하게 할 수 있을 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면들에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형, 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

1 : 케이스 2 : 모세관
3 : 유리 기판 4 : 현미경(렌즈)
5 : 광학 필터 6 : 카메라
D : 액적 F : 형광입자

Claims (4)

1. 밀폐된 케이스의 내부에 위치한 대상 액적 주변에 상기 대상 액적보다 표면 장력이 낮은 휘발성 물질이 채워진 한 개 이상의 모세관을 배치시키고,
   상기 대상 액적의 중심과 모세관 사이의 거리, 및 모세관의 크기를 조절하면서 상기 대상 액적 내부 유동장의 크기 및 세기를 조절하는 것을 특징으로 하는 무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 기법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 대상 액적의 주변에 상기 대상 액적보다 표면 장력이 낮은 휘발성 물질이 채워진 복수의 모세관이 이격되게 배치되는 것을 특징으로 하는 무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 기법.
   
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 대상 액적은 유리 기판 위에 위치하고, 상기 모세관은 상기 대상 액적과 소정 거리 이격되어 상기 유리 기판 위에 배치되며, 상기 모세관에서 증발한 휘발성 물질의 증기는 상기 유리 기판을 따라 상기 대상 액적 방향으로 확산되는 것을 특징으로 하는 무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 기법.
   
4. 삭제

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