KR102477045B1 - 액체를 순환시키기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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토마스 헤르만스
존 마이클 데이비드 코이
피터 던
버나드 두댕
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위니베르시떼 드 스트라스부르
쌩뜨레 나티오날 데 라 르세르쉬 생띠끄
더 프로보스트, 펠로우스, 파운데이션 스콜라스, 앤드 디 아더 멤버스 오브 보오드 오브 더 칼리지 오브 더 홀리 앤드 언디바이디드 트리니티 오브 퀸 엘리자베스 니어 더블린
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Abstract

본 발명은 액체간 인터페이즈(liquid-liquid interphase)를 형성하는 적어도 하나의 더 상자성인 액체 및 적어도 하나의 덜 상자성인 액체를 포함하는 적어도 하나의 유체 및 적어도 하나의 순환 구역을 포함하는 장치에 관한 것으로서, 이 장치는 순환 구역에서 자기장을 발생시키는 적어도 하나의 요소를 포함하며, 덜 상자성인 액체는 순환 구역에서 더 상자성인 액체에 의해 둘러싸이거나, 더 상자성인 액체는 순환 구역에서 덜 상자성인 액체에 의해 둘러싸인다. 본 발명은 또한 적어도 하나의 순환 구역 및 순환 구역 내의 적어도 하나의 더 상자성인 액체를 포함하는 장치의 하나 이상의 순환 구역 내부에서 적어도 하나의 덜 상자성인 액체를 순환시키는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다.

Description

액체를 순환시키기 위한 장치 및 방법
본 발명은 액체를 순환시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
특히 본 발명은, 둘러싸는 더 상자성인(more-paramagnetic) 액체 내로 덜 상자성인(less-paramagnetic) 액체를 순환시키기 위한, 또는 둘러싸는 덜 상자성인 액체 내로 더 상자성인 액체를 순환시키기 위한, 장치 및 방법에 관한 것이다.
제어된 방식으로 지점 A에서 B로 유체(가스 또는 액체)를 운반하는 것은 수많은 과학 및 기술의 기초가 되는 중요한 기술이다. 펌프는 기계적 작용으로 유체를 운반하기 위해 발명된 장치이다. 운반하고자 하는 유체의 종류와 부피에 따라 매우 다양한 펌프가 발명되어 왔으며, 이들은 크게 양변위 펌프 또는 원심 펌프(회전동력 펌프라고도 함)로 분류할 수 있다. 양변위 펌프는 유체를 직접 짜내는 반면, 원심 펌프는 유체 속도를 높이고 운동 에너지를 압력으로 변환시킨다.
이미 많은 연구 및 산업 분야에서 부상(levitation)(예를 들어, 고속 베어링, 자기 부상 열차)을 획득하기 위해 자기장이 이용되고 있지만, 보다 중요하게는 자력 분리(magnetic separation)에 이용되고 있다. 후자는 극도로 큰 산업 규모(예를 들어, 스크랩 메탈을 분류하는 것)에서부터 혈액과 같은 생물학적 유체로부터 작은 (생체)분자를 제거하는 것에 이르기까지 이용된다. 이러한 분리 방법은 자기장 구배력 및 자석과 그 주변 매질에 끌어당겨지는 재료의 감수율(susceptibility)의 차이를 이용한다. 페로플루이드(ferrofluids)와 같은 매우 높은 감수율을 가진 높은 (자성) 액체에서, 자기장은 액체의 두드러진 구조화, 점도의 자기적 튜닝(tuning), 또는 활성(actuation)을 유발할 수 있다. 이러한 현상은 (초) 상자성 입자를 기반으로 하는 자성 액체뿐만 아니라 상자성 이온을 포함하는 감수율이 낮은 액체에서도 작용한다. 본 발명자들 중 1인과 다른 이들은 물 내부의 수성 상자성 액체 튜브를 안정화시키기 위해 자기장 구배력을 이용하였다. 이 초기 연구에서, 철 와이어를 자화하기 위해 크고 균일한 외부 자기장를 이용하여, 국소적 자기장 구배를 생성하고, 차례로 상자성 액체의 유동을 안내할 수 있었다. 몇몇 결점들은 지금까지 특히 미세유체공학 분야에서 액체 튜브 기술의 채택을 방해해왔는데, 즉, i) 외부 자기장을 생성하기 위한 큰 전자석의 필요성, ii) 매질 내로의 이온의 확산으로 인한, 상자성 액체 튜브의 제한된 수명(감수율 차이를 감소시킴), iii) 상자성 이온의 독성, 및 iv) 미세 유체 회로의 제한된 안정적인 기하학적 형상이 그것이다.
미세유체공학은 지난 수십 년 동안 액체 크로마토그래피의 파생 분야(niche spin-off)에서 유체에 대한 정교한 제어를 제공하는 자체 연구 분야로 크게 발전했다. 가장 흥미로운 응용예 중 일부는 진단, 화학적 합성, 랩온어칩(lab-on-a-chip), 정제(purification)에서 찾을 수 있으며, 일반적으로는 분리(separation)에서 찾을 수 있다. 전형적인 미세 유체 채널의 크기는 50 ~ 500μm이며, 작은 레이놀즈 수와 그리하여 장치 내부에서의 층류(laminar flow)를 보장한다. 후자의 유동적 거동은 잘 정의되어 있고, 분자의 확산을 탁월하게 제어하여 농도 구배의 주문식(on-demand) 생성 등으로 이어진다.
낮은 레이놀즈 수에서의 층류를 초래하는 작은 규모에서의 유체 거동의 변화는 미세 유체 기술의 더 어려운 한계점이다. 이러한 작은 층류에서는, 더 큰 규모의 대류적 혼합 대신에, (채널의 폭에 걸친) 확산 및 (길이에 따른) 테일러 분산에 의해서만 용질의 혼합이 발생한다. 따라서, 서로 나란히 흘러가는 두 액체가 적절히 혼합되려면 수 센티미터가 필요하다. 수동식 및 능동식 미세 유체 믹서는 혼합을 가속화하도록 설계되었지만, 복잡한 3D 기하학적 형상 또는 소형화된 작동이 필요하기 때문에 장치에 통합하기가 어렵다. 마지막으로, 높은 표면 대 부피의 비로 인한 채널의 벽에 부착 또는 흡착, 먼지 입자로 인한 채널의 막힘, 및 불량한 연결 또는 장치의 박리로 인한 높은 유체 압력에서의 누출과 같은, 미세 유체 장치의 신뢰성, 재사용 가능성 및 장기 안정성을 제한하는 몇 가지 주요한 현실적인 문제가 있다.
2009년에 Coey et al. (Coey, JMD; Aogaki, R.; Byrne, F.; Stamenov, P. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2009, 106 (22), 8811-8817)은 기존 물리적 벽을 대체할 목적으로 특정 자기장 배열을 이용하여 가상의 벽이 있는 유체 장치의 원리 검증된 실험을 보여주었다. 그들은 반자성 수성 액체 내에서 상자성 수용액(용해된 3d 또는 4f 이온을 포함한 물)의 '액체 튜브(liquid tube)'를 형성할 수 있고, 또는 그 반대의 경우도 가능하며, 이는 '액체 안티 튜브(liquid anti-tube)'로 이어질 수 있다. 액체 튜브 및 안티 튜브는 여전히 고정 자기 트랙과의 하부 접촉을 갖지만, 벽 접촉은 종래의 미세유체공학에서 주변 고형의 벽에 의한 제한에 비하여 현저하게 감소된다. 액체 튜브는 국부적 자기압(magnetic pressure)으로 인해 자가 치유 탄성 멤브레인(self-healing elastic membrane)이 이를 둘러싸는 것처럼 거동한다. 이로 인해 일반적인 미세유체공학에서 유체/고체 계면에서의 미끄럼 방지 조건과 반대로, 튜브의 유체간 계면에서 균일한 유체 속도를 갖는 자유 경계가 초래된다. 게다가, Coey et al. 의 주요 연구는 또한 자기장력이 액체 튜브 주위의 대류를 방지하지만, 튜브 또는 안티 튜브 내에서 와류(vorticity)를 방해하지 않고 따라서 혼합시킴을 입증하였다.
Coey의 연구는 새로운 유형의 미세유체공학을 향한 중요한 이정표였지만, 실행 가능한 미세 유체의 응용예을 얻기 위해서는 많은 과제가 남아있었다. 더욱이, 홀뮴(Ho3+), 가돌리늄(Gd3+), 코발트(Co2+) 등과 같은 독성 상자성 이온은 액체간 계면을 가로 질러 확산되는데, 이는 매질 모두 수성이기 때문이다. 요약하자면, 시스템은 유망했지만 생명 과학 응용 분야에는 이용할 수 없었다. 특히, Coey는 자기력을 책임지는 충분한 자기 감수율을 획득하기 위해 고농도의 독성 자기 이온의 용해를 필요로 하였으나, 이는 본 발명에서 회피하고자 하는 것이다. 또한, 액체 튜브 또는 안티 튜브는 자기적으로 대조되는 액체 시스(sheath)로 완전히 둘러싸이지 않았지만, 고체 자기 트랙과 일 측면에 접촉된 상태로 유지되었다.
프랑스 특허출원 FR 2830777호(CEA)는 비자성 액체의 조작을 위한 미세 유체 장치에 관한 것이다(요약). 이 발명은, 조작될 비자성 액체의 체적에 대한 벽을 형성하기 위해 자성 액체를 이용하는, 재구성 가능한 능동식 미세 유체 장치를 개시한다. 자성 액체의 체적에 변형을 일으킴으로써 이 벽을 형성한다. 이러한 변형은 자성 액체와 혼합되지 않는 하나의 비자성 액체 (또는 자성 액체와 혼합되지 않는 복수의 비자성 액체)가 이 장치에 통합될 수 있게 한다. 그러나, FR 2830777호의 발명은 여전히 액체 튜브와 고형의 벽의 접촉을 포함한다.
미국특허출원 US 2007/0104624호는 액체 유입구, 미세 액체 채널 및 액체 방출 구역을 포함하는 마이크로리액터(microreactor)에 관한 것으로, 이 액체 채널은 밴드 강자성체의 자기 장벽으로 형성되어, 유입구를 통해 유입되는 자성 액체가 액체 채널에서 화학 반응, 혼합, 추출 및 흡수 중 적어도 하나의 작업을 겪도록 한다(요약). 그러나, US 2007/0104624호의 발명은 여전히 액체 튜브와 고형의 벽의 접촉을 포함한다.
유럽특허출원 EP 2554883호는, 채널 벽으로 경계 지어진 적어도 하나의 제어 채널 구비하고, 그것의 채널 내부에, 캐리어 액체(소위 "페로플루이드")에서 자성 나노입자의 안정한 현탁(suspension)으로 생성되는 변형가능한 제어 요소가 제공되며, 제어 요소는 적어도 2개의 자석 사이에 채널 내부에서 유지되어 조절 요소의 제어 부재의 침투성 및 따라서 자석의 상대 운동에 의하여 발생된 차압이 자석들 사이에 발생된 자기장에서 변화를 야기하거나 또는 자기장 강도의 변화에 의하여 변화하도록 하는(솔레노이드와 함께), 제어 밸브에 관한 것이다. EP 2554883호는 채널 벽과 접촉하지 않고 순환 구역을 따라 액체를 순환시키는 방법을 교시하고 있지 않다.
일본특허출원 JP 0227118호는 또한 자성 유체를 이용하는 제어 밸브에 관한 것이다. 자성 유체는 파이프 통로를 조절하고(throttle), 밸브 디스크처럼 작동한다. JP 0227118호는 채널 벽과 접촉하지 않고 순환 구역을 따라 액체를 순환시키는 방법을 교시하고 있지 않다. JP 0227118호의 구성에는 이론적인 자기장 널 포인트(null point)가 존재하지 않는다.
독일특허출원 DE 19641737호는 비자성 고체, 가스 및/또는 액체 체적의 부상(levitation)을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. DE 19641737호는 채널 벽과 접촉하지 않고 순환 구역을 따라 액체를 순환시키는 방법을 교시하고 있지 않다.
본 발명에서, 본 발명자들은 위 제한들 모두를 극복할 수 있음을 보여준다.
따라서, 본 발명은 위에서 언급된 기술적 문제 중 하나 이상을 극복하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명은 상자성 액체 튜브의 개선된 안정성, 특히 상자성 액체 튜브의 개선된 수명 및 상자성 액체 튜브의 개선된 공간 안정성(개선된 안정적 형상)을 갖는 장치 및 방법을 제공하는 기술적 문제를 극복하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명은 독성 상자성 이온뿐만 아니라 다른 종류의 상자성 액체로 작동하는 장치 및 방법을 제공하는 기술적 문제를 극복하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명은 합리적인 산업화 비용으로 컴팩트한 자기장원(source of magnetic field)를 이용하는 산업용 장치 및 방법을 제공하는 기술적 문제를 극복하는 것을 목적으로 한다.
일 실시예에서, 본 발명은 생명과학 응용 분야, 또는 작은 치수 또는 직경을 갖는 액체 튜브를 이용하는 응용 분야를 위한 장치 및 방법을 제공하는 기술적 문제를 극복하는 것을 목적으로 한다 (반대되는 표현이 아니라면, "튜브"라는 용어는 또한 본 발명에 따라 소위 "안티 튜브" 구성을 가리킨다).
일 실시예에서, 본 발명은 밀리미터 미만의 스케일(<1mm)에서, 미세유체공학 응용 분야를 위한 장치 및 방법과, 특히 미세유체공학 응용 분야에 적합한 크기를 제공하는 기술적 문제를 극복하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한 미세유체공학 응용 분야에 관하여 위에서 언급된 하나 이상의 기술적 문제를 극복하는 것을 목적으로 하며, 특히 전통적(고형의 벽) 미세 유체 장치에서 층류를 얻게 되는 조건 하에서도 유체의 혼합이 개선된 미세유체공학 응용 분야를 위한 산업용 장치 및 방법을 제공하는 기술적 문제를 극복하는 것을 목적으로 한다. 즉, 본 발명에서 미끄럼 방지 조건의 부존재는 유동 불안정성(및 소용돌이)을 유발할 수 있으며, 이는 다른 경우에는 발생하지 않을 것이다.
일 실시예에서, 본 발명은 액체 튜브 및 안티 튜브의 연속적인 펌핑 응용을 위한 장치 및 방법을 제공하는 기술적 문제를 극복하는 것을 목적으로 한다.
연동식 펌프(peristaltic pump)는 펌프 헤드의 롤러를 통과하기 위해 유연한 튜브를 이용하는 양변위 펌프의 한 유형이다. 유체가 펌프 헤드를 통과함에 따라 분리된 유체 패킷(packet)이 형성된다. 유량은 패킷의 크기와 롤러의 각속도에 의해 결정되며, 이는 정밀한 유량으로 이어진다. 일반적으로, 연동식 튜브 펌프는 ~1 μL min-1 내지 45 L min-1 만큼의 낮은 유량을 제공하며 최대 8.6 bar (125 psi)까지의 압력을 생성할 수 있다. 연동식 펌프의 이점은, 매질을 튜브로 한정하여 펌프가 유체를 오염시킬 수 없게 되고 유체가 펌프를 오염시킬 수 없다는 것이다. 이러한 비-오염식 펌핑은, 연동식 펌프를 식품, 제약 및 반도체 응용 분야의 화학물질 및 첨가물의 운반 또는 투여를 포함한 고순도 응용 분야에 이용하기에 특히 적합하다. 또한, 매질이 튜브에 한정되어 있기 때문에, 연동식 펌프는 다른 펌핑 기술에 비해 용이한 유지보수와 단축된 중단 시간을 제공한다.
그러나, 이 유동은 본질적으로 맥동하는데, 이러한 맥동은 미세유체공학과 같은 특정 응용 분야에서는 금지되어 있다. 맥동을 줄이기 위해, 그에 따라 배치되는 핀칭 포인트(pinching point)의 수를 늘릴 수 있다. 그러나, 전형적인 다중 롤러 펌프는 고비용일 수 있다. 또한, 일정한 압착은 튜브의 마모를 유발하며, 1년에 여러 번 교체가 필요할 수 있다. 정기 유지보수가 없으면 유체가 펌프로 누출되어 심각한 손상을 야기한다. 구동 모터는 튜브에 압착 압력을 유지하기 위해 일정한 부하를 받아, 더 많은 전력의 사용을 야기한다. 즉, 각 압착 동작(즉, 전기가 열로 소산하는 것)에 대해 튜브의 탄성 변형을 극복해야 한다. 마지막으로, 연동식 펌프 내부에 온도 제어를 통합하는 것은 매우 어려운 일이다.
본 발명은 또한 연동식 펌프에 대하여 위에서 언급한 하나 이상의 기술적 문제를 극복하는 것을 목적으로 하며, 특히 미세유체공학 응용 분야에서 펄스 유동을 제공하는 산업용 장치 및 방법을 제공하는 기술적 문제를 극복하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 또한 기계적 이동부의 부정적인 영향이 제한된 산업용 장치 및 방법을 제공하는 기술적 문제를 극복하는 것을 목적으로 한다.
일 실시예에서, 본 발명은 종래 기술의 연동식 펌프를 대체하는 장치 및 방법을 제공하는 기술적 문제를 극복하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 액체간 인터페이즈(liquid-liquid interphase)를 형성하는 적어도 하나의 더 상자성인 액체 및 적어도 하나의 덜 상자성인 액체를 포함하는 적어도 하나의 유체 및 적어도 하나의 순환 구역을 포함하는 장치에 관한 것으로서, 이 장치는 순환 구역에서 자기장을 발생시키는 적어도 하나의 요소를 포함하며, 덜 상자성인 액체는 순환 구역에서 더 상자성인 액체에 의해 둘러싸이거나, 더 상자성인 액체는 순환 구역에서 덜 상자성인 액체에 의해 둘러싸인다.
일 실시예에서, 덜 상자성인 액체는 순환 구역 내에서 순환하고 주변의 더 상자성인 액체 내에 한정된다.
일 실시예에서, 더 상자성인 액체는 순환 구역 내에서 순환하고, 주변의 덜 상자성인 액체 내에 한정된다.
유리하게는, 덜 상자성인 액체는 순환 구역에서 더 상자성인 액체를 통해 순환한다.
유리하게는, 덜 상자성인 액체는 고형의 벽과의 접촉없이 순환 구역에서 순환한다.
이미 언급된 바와 같이, "순환" 또는 등가의 표현은 유체(가스 또는 액체)를 지점 A에서 B로 운반하는 것을 의미한다. 따라서, 유체는 순환 구역 내부에서 순환한다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 장치 및 방법은 액체 내 액체의 유동(liquid-in-liquid flow)을 제공한다. 일 실시예에서, 덜 상자성인 액체는 순환 구역에서 더 상자성인 액체 내에서 순환한다.
유리하게는, 덜 상자성인 액체가 더 상자성인 액체 내에서 유동하도록 강제된다. 예를 들어, 외부적 (예를 들어, 외부에서 가해진 압력에 의한) 또는 내부적 (예를 들어, 더 상자성인 액체를 핀칭하여 펌프와 같은 압력을 생성함으로써) 강제일 수 있다. 유리하게는, 덜 상자성인 액체의 유동은 더 상자성인 액체에 의해 (방향이 있게) 안내된다.
자기장을 생성하는 요소
유리하게는, 언급한 요소는 적어도 하나의 저자기장 구역 및 적어도 하나의 고자기장 구역이 있는 자기장을 순환 구역에서 생성하며, 이 저자기장 구역은 고자기장 구역에 의해 둘러싸인다.
일 실시예에서, 자기장을 생성하는 요소는 영구 또는 전자영구 자석, 전자석, 자화된 연자성체 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되며, 추가적으로, 자기장 세기 및/또는 배향은, 예를 들어 영구 자석의 기계적 구동 및/또는 회전에 의해 또는 전자석 내의 전류의 증가 및/또는 감소에 의해 시간 의존적일 수있다.
일 실시예에서, 자기장을 생성하는 요소는, 적어도 하나의 영구 자석 및/또는 적어도 하나의 주된 자기장원을 형성하는 적어도 하나의 전자석을 포함하고, 적어도 하나의 재성형(reshape) 및/또는 포커스 자기장 분포를 형성하는 적어도 하나의 자화 가능한 연질 강자성체(softer ferromagnet)을 포함한다.
일 실시예에서, 자기장을 생성하는 요소는, 예를 들어 영구 자석, 전자석의 정상 전류, 및 이들의 임의의 조합과 같은 하나 이상의 고정된 자기장원를 이용하여 정적 설계(static design)를 제공한다.
일 실시예에서, 자기장을 생성하는 요소는 예를 들어 전자-영구 자석, 전자석의 가변 전류, 기계적으로 작동되는 자석 및 이들의 임의의 조합과 같은 동적 스위칭 가능 설계(dynamic switchable design)를 제공한다.
일 실시예에서, 자기장을 생성하는 요소는 정적 및 동적 스위칭 가능 설계의 조합을 제공한다. 일 실시예에서, 자기장을 생성하는 요소는 하나 이상의 물리적으로 움직이는 자석, 스위칭 가능한 자석 또는 이들의 임의의 조합을 제공한다.
일 실시예에서, 자기장을 생성하는 요소는 수평으로 자화된 연자석 또는 수평으로 자화된 다중-트랙 경자석을 포함한다.
특정 실시예에서, 자기장을 생성하는 요소는, 예를 들어 양방향으로 수직으로 자화된 2개의 영구 자석으로 구성된 이중층을 포함한다.
특정 실시예에서, 자기장을 생성하는 요소는 양방향으로 수평으로 자화된 2개의 영구 자석으로 구성된 이중층을 포함한다.
특정 실시예에서, 자기장을 생성하는 요소는 수평으로 자화된 영구 자석 및 연자석을 포함하는 이중층을 포함한다.
특정 실시예에서, 자기장을 생성하는 요소는 평행 또는 양방향으로 수직으로 자화된 영구 자석을 포함한다.
특정 실시예에서, 자기장을 생성하는 상기 요소는 평행 또는 양방향으로 수평으로 자화된 영구 자석을 포함한다.
일 실시예에서, 언급한 장치는, 자석의 수를 나타내는 N이 2 이상 또는 3 이상인 N개의 자석의 다극 구성을 포함한다.
특정 실시예에서, 이 요소는 자기 사중 극자를 포함하는 자기장을 생성한다. 특정 실시예에서, 이 요소는 영구 자석의 사중 극자 어레이를 포함하는 자기장을 생성한다.
튜브 횡단면은 원형 또는 타원형뿐만 아니라 모든 형태의 닫힌 형상일 수 있다. 예를 들어, 복잡한 자기장 패턴은 별 모양의 횡단면을 생성할 수 있다. 또한, 소정의 자기원(magnetic source)의 배열은 하나의 튜브, 예를 들어 4개의 외부 안정점 또는 2개의 안정점 또는 3개의 채널보다 더 안정적일 수 있다.
자석 조립체는 아래 주어진 각기둥의 실시예뿐만 아니라 링, 실린더, 코일, 쐐기 등의 임의의 형상으로 구성될 수 있다.
다른 실시예에서, 순환 구역에서 덜 상자성인 액체의 궤적은, 임의의 방향으로 고립된 트랙 및/또는 지정된 지점에서 교차하는 다중 경로를 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.
자기장
유리하게는, 역장(force field)은, 높은 역장의 영역이 낮은 역장의 영역을 이 장치의 강성 벽으로부터 분리하여, 더 상자성인 액체의 내부에서 순환하는 덜 상자성인 액체가 이 장치의 고형의 벽(들)과 접촉하지 않도록 하며, 또는 덜 상자성인 액체의 내부에서 순환하는 더 상자성인 액체가 이 장치의 고형의 벽(들)과 접촉하지 않도록 한다.
일 실시예에서, 자기장을 생성하는 요소는 액체간 계면의 횡단면에서 대칭적인 자기장을 생성한다.
전형적으로, 본 발명에 따르면, 덜 상자성인 액체는 더 상자성인 액체 내에서 순환하고, 더 상자성인 액체 내에서 튜브를 형성한다. 자기장은 유리하게는 덜 상자성인 액체에 의해 형성된 튜브의 횡단면에서 대칭적이다.
일 실시예에서, 자기장을 생성하는 요소는 저자기장 구역 및 고자기장 구역을 생성하며, 이 저자기장 구역은 고자기장 구역에 의해 둘러싸인다. "저자기장 구역은 고자기장 구역에 의해 둘러싸인다"라는 표현은, 순환 구역의 액체간 계면의 횡단면에서 저자기장 구역이 고자기장 구역에 의해 둘러싸인 것을 의미한다.
유리하게는, 일 실시예에서, 자기장은 순환 구역 또는 튜브의 횡단면의 중심을 따라 이론적으로 널(null)이다. 예를 들어, 안티 튜브의 경우, 자기장은 튜브의 중심 축선을 따라 이론적으로 널(null)이다 (도 23 참조).
안티 튜브(antitube)는 더 상자성인 액체 내에 튜브 형태로 한정된 덜 상자성인 액체로 규정된다.
본 발명에 따라 생성된 자기장 구배로 인해, 더 상자성인 액체는 고자기장 구역으로 (더) 끌어당겨져, 자기적으로 약한 활성 액체(즉, 한정하는 유체보다 더 낮은 감수율을 가짐)가 저자기장 구역의 튜브로서 안정화될 수 있게 한다. 혼합성 또는 비혼합성 유체가 이용될 수 있으며, 후자의 경우 자력은 표면장력을 극복할 수 있다. 이어서, 활성 액체는 자기장에 의해서만 형성되는 액체 튜브를 통해 자유롭게 흐를 수 있고, 전기/전자-영구 자석에 에너지를 공급하거나 자석을 작동시킴으로써 액체 튜브의 방향 및 직경이 동적으로 변화될 수 있다.
액체
본 발명에 따르면, "액체"라는 용어는 기술적으로 매우 광범위하며, 소정의 액체를 포함하는 모든 종류의 구성을 포함한다. 일 실시예에서, "액체"는 다상의(multiphase) 액체를 지칭한다. 일 실시예에서, "액체"는 액체 에멀젼, 고체 입자를 갖는 액체(콜로이드 현탁); 가스를 포함한 액체를 지칭한다. 일 실시예에서, "액체"는 단지 하나의 액체 성분을 포함하거나 이로 구성된 액체를 지칭한다. 일 실시예에서, "액체"는 복수의 액체 성분을 포함하거나 이로 구성된 액체를 지칭한다.
일 실시예에서, 이 유체는 혼합성 또는 비혼합성 액체를 포함한다. 유리하게는, 더 상자성인 액체와 덜 상자성인 액체는 비혼합성 액체이다. 더 상자성인 액체와 덜 상자성인 액체가 비혼합성인 경우, 두 액체들 사이에 혼합이 제한되거나 심지어 혼합되지 않아서 한 액체에서 다른 액체로의 성분의 오염 효과를 제한하거나 심지어 제거할 수 있다.
더 상자성인 액체
"더 상자성인 액체"라는 용어는 덜 상자성인 액체보다 더 상자성이거나, 덜 상자성인 액체보다 더 높은 상자성 감수율 갖는 액체를 지칭한다.
일 실시예에서, 더 상자성인 액체는 상자성 액체이다.
"상자성 액체"라는 용어는 임의의 초상자성(superparamagnetic) 액체 및 이들의 조합을 포함한다.
실온에서 상자성 재료의 예는 황산구리, 철족계(3d)의 다른 염, 팔라듐족(4d), 백금족(5d)을 포함한다. 다른 예는 지속적인 라디칼을 갖는 물질, 예를 들면 TEMPO((2,2,6,6- 테트라메틸피페리딘-1-일)옥실)와 같은 니트록사이드, 전이 금속 또는 란탄족 이온성 액체(예를 들어, [PR4]2[CoCl4], 여기서 [PR4]는 트리헥실(테트라데실)포스포늄), 액정을 함유하는 란타나이드(예를 들어, [Dy(LH)3(NO3)3, 여기서 LH는 Schiff의 기본 리간드, 희토류(4f) 금속 또는 안정적인 (삼중항) 카르벤임) 등이 있다.
일 실시예에서, 상자성 액체는 자기 유변 유체(magnetorheological fluid) 및 페로플루이드와 같은 액체에서 자성 입자의 분산액(dispersion)이다.
전형적으로, 더 상자성인 액체는 하나 이상의 상자성 재료를 포함한다.
일 실시예에서, 하나 이상의 상자성 물질은 액체, 예를 들어 물에 용해된다.
특정 실시예에서, 더 상자성인 액체는 유기 액체, 예를 들어 오일이다.
본 명세서에 사용된 "오일"이라는 용어는 물에 실질적으로 불용성인 임의의 재료를 지칭한다. 적합한 오일 성분은 천연 오일, 미네랄 오일 및 수소화 폴리이소부텐와 같은 탄화수소, 지방 알코올; 지방 에스테르; 지방 디에스테르; 지방 트리에스테르, 실리콘 및 이들의 임의의 혼합물을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
일 실시예에서, 더 상자성인 액체는 하나 이상의 계면 활성제를 포함한다. 유리하게는, 계면 활성제는 덜 상자성인 액체와 더 상자성인 액체의 표면 장력을 낮추는 것을 돕는다.
일 실시예에서, 덜 상자성인 액체는 하나 이상의 계면 활성제를 포함한다.
일 실시예에서, 덜 상자성인 액체 및 더 큰 액체는 모두 하나 이상의 계면 활성제를 포함한다. 유리하게는, 후자의 다중 계면 활성제 접근법의 이용은 매우 낮은 표면 장력(1 mN m-1 미만)을 야기할 수 있다.
덜 상자성인 액체
"덜 상자성인 액체"라는 용어는 반자성이거나, 더 상자성인 액체보다 더 낮은 상자성 감수율을 갖는 액체를 지칭한다.
일 실시예에서, 덜 상자성인 액체는 반자성 액체이다.
일 실시예에서, 덜 상자성인 액체는 생물학적 유체 또는 액체 매질 중 생물학적 세포의 현탁을 포함하는 유체이다.
일 실시예에서, 이 장치는 유기 상자성 액체를 포함한다.
특정 실시예에서, 생물학적 유체는 액체 매질에서 생물학적 세포의 현탁이다.
특정 실시예에서, 생물학적 유체는 혈액이거나 혈액 성분을 포함한다.
특정 실시예에서, 생물학적 유체는 적혈구 또는 혈장을 포함한다.
특정 실시예에서, 생물학적 유체는 인간 또는 동물의 유체이다.
특정 실시예에서, 덜 상자성인 액체는 수성 액체, 바람직하게는 수성 반자성 액체이다.
일 실시예에서, 이 장치는 순환 구역에서 더 상자성인 액체 내에 반자성 액체의 "액체 튜브"(보통 "안티 튜브"라고 함)를 포함한다.
특정 실시예에서, 덜 상자성인 액체는 유기 액체(예를 들어 오일)에 의해 둘러싸인 수성 액체(바람직하게는 수성 반자성 액체)이다.
장치의 유형
일 실시예에서, 본 발명은 미세 유체 장치, 자기적으로 작동되는 유체 밸브, 자기적으로 작동되는 연동식 펌프, 방오(anti-fouling) 장치, 막힘 방지(anti-clogging) 장치, 추진 장치, 열교환 기, 추출기(extractor), 담수화기(desalinator), 또는 혼합 장치에 관한 것이다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 장치 및 방법은 순환 구역 또는 튜브의 고형의 벽과 물리적으로 접촉하지 않고 이동하는 영구 자석으로 밸빙(valving), 혼합 및 연동식 펌핑을 포함하는 일반적인 유체 작동을 제공한다.
예를 들어, 밸브는, 하나의 액체를 다른 액체 내에 한정하는 주 자석 설계(예를 들어, 사중 극자)의 자화 축선에 수직인 자화 축선을 갖는 자석을 추가함으로써 구성될 수 있다. 이 밸빙 자석은 중앙의 널(null) 상태의 장을 제거하여 액체 흐름을 방해함으로써 안티 튜브를 간단히 핀칭(pinch)한다.
일 실시예에서, 덜 상자성인 액체 순환 구역 또는 튜브의 최대 단면 치수 또는 직경은 50cm 이하, 또는 5cm 이하, 또는 5mm 이하, 또는 1mm 이하, 또는 0.9mm이하, 또는 0.8mm 이하, 또는 0.5mm 이하 이다.
일 실시예에서, 덜 상자성인 액체 순환 구역 또는 튜브의 최대 단면 치수 또는 직경은 10 마이크로미터(μm) 이상, 또는 50μm 이상, 또는 100μm 이상 이다.
일 실시예에서, 본 발명은 미세유체공학 응용 분야에 적합한 크기, 전형적으로 밀리미터 미만의 스케일 (< 1mm)을 갖는 순환 구역 또는 튜브를 갖는 장치에 관한 것이다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 장치 및 방법은 순환 구역 또는 튜브에서 비-층류를 제공한다. 보다 구체적으로, 본 발명에 따른 장치 및 방법은 미세유체공학 응용 분야에 적합한 크기, 전형적으로 밀리미터 미만의 스케일을 갖는 순환 구역 또는 튜브에서 비-층류를 제공한다.
일 실시예에서, 순환 구역 또는 튜브의 단면의 최대 치수 또는 직경은 10 마이크로미터 이하, 예를 들어 5 마이크로미터 이하이다.
일 실시예에서, 순환 구역 또는 튜브의 길이는, 순환 구역 또는 튜브의 단면의 최대 치수 또는 직경의 3배 이상이다.
일 실시예에서, 순환 구역 또는 튜브의 길이는, 순환 구역 또는 튜브의 단면의 최대 치수 또는 직경의 10배 이상이다.
유리하게는, 영구 자석들 사이의 거리는 간격의 중심에 근접한 자기장 구배를 변화시킨다. 일반적으로, 간격의 크기가 작을수록, 더 작은 안티 튜브의 직경이 얻어질 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 장치는 3D-프린팅에 의해 제조된다.
일 실시예에서, 평형 상태에서, 안티 튜브의 안정적인 한정은 한정 유체의 경쟁 자기 에너지(competing magnetic energy) 및 자기/비자성 계면의 표면 에너지 σ를 초래하며, 더 상자성인 액체에서 순환하는 덜 상자성인 액체의 직경(또는 안티 튜브의 직경)은 다음 식 (1)에 의해 추정될 수 있다:
Figure 112019086526540-pct00001
여기서, HI, MI는 계면에서의 자기장 및 자화 값이며,
Figure 112019086526540-pct00002
은 HI에 의해 유도된 한정 유체의 자기장-평균 자화 값이다. 이 단순화된 표현에서 자기 압력
Figure 112019086526540-pct00003
가 정수압(hydrostatic pressure)의 차이보다 훨씬 크다고 간주된다. 식 (1)은,
Figure 112019086526540-pct00004
일 때, 이 장치의 전형적인
Figure 112019086526540-pct00005
및
Figure 112019086526540-pct00006
의 기하학적 조건 하에서, 선형화될 수 있다. 이 선형 모델(LM)에서 최소의 평형 무차원 직경
Figure 112019086526540-pct00007
은 다음과 같이 주어진다:
Figure 112019086526540-pct00008
여기서,
Figure 112019086526540-pct00009
은 자기 에너지 대 표면 에너지의 비율을 나타내는 자기적인 한정 수이다. 따라서, 본 발명은 또한 식 (1) 및 식 (2) 중 적어도 하나에 의해 안티 튜브의 직경을 추정하는 방법에 관한 것이다. 이러한 방법은 바람직하게는 컴퓨터 계산에 의해 도움을 받는다. 본 발명은 또한 식 (1) 및 식 (2) 중 적어도 하나에 의해 안티 튜브의 직경을 추정하기 위한 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다. 따라서, 본 발명은 또한 이 컴퓨터 프로그램을 지원하는 컴퓨터 판독 가능한 지원에 관한 것이다.
펌프
일 실시예에서, 이 장치는 순환 구역내에 이동 가능한 핀칭 포인트(movable pinching point)을 포함하고, 이 이동 가능한 핀칭 포인트은 순환 구역 내에서 이 유체를 순환시키기 위해 액체 유동 방향으로 이동한다.
유리하게는, 본 발명은 비독성이고 물과 비혼합성인 자기 매질를 이용하여 수성 안티 튜브 계면의 안정화, 자석 설계으로 인한 안티 튜브 직경의 자기적 제어, 및 자기장의 외부 섭동에 의한 자기적으로 작동되는 유체 밸브의 제조, 자기적으로 작동되는 연동식 펌프의 제조, 방오 장치 및 방법의 제공을 허용한다.
종래 기술의 튜브 또는 미세 유체 채널은 고형의 벽으로 둘러싸여 있으며, 이는 용질의 접착으로 인한 막힘 및 오염을 유발한다. 고형의 벽이 있으면 벽에서의 마찰로 인해 유체에 전단(shearing)이 형성된다. 본 발명에 따른 자기적으로 안정화된 액체 안티 튜브의 경우에는 고형의 벽이 존재하지 않아서, 이러한 기술적 문제를 극복한다.
유리하게는, 본 발명에 따른 장치 및 방법은 낮은 전단 유체 채널을 제공한다. 펌핑 응용 분야의 경우, 이는 생물학적 응용 분야에 적합한 펌프가 되기 때문에 추가적인 이점이 된다.
유리하게는, 본 발명에 따른 장치 및 방법은 펌핑 속도 및 압력에 관한 양호한 유연성을 제공한다. 특히, 본 발명에 따른 장치 및 방법은 낮은 유량 및 압력 범위에서 최신식 장치보다 이점을 갖는다. 낮은 유량 또는 압력을 획득하려면, 펌프의 이동부는 매우 느린 속도로 작동해야 한다. 예를 들어, 롤러를 구비한 연동식 펌프의 경우 저속 흐름을 획득하려면 회전 속도를 줄여야 한다. 그러면 유동의 맥동을 제거하기가 어렵다. 본 발명에 따른 장치 및 방법에서, 핀칭 포인트의 수와 강도는 자기장에 의해 제어된다. 유량 또는 압력을 감소시키기 위해, 일 실시예는 핀칭의 빈도를 감소시키는 대신에 자기장의 세기를 감소시킨다. 이는 맥동 없는 유동을 만들기 위한 현재의 최신 기술보다 본 발명에 따른 장치 및 방법을 더 강력하게 만든다. 또한, 본 발명에 따른 장치 및 방법의 (구성품상) 펌프 비용은 종래 기술의 연동식 펌프보다 훨씬 저렴하다.
또한, 핀칭/방출이 물리적 튜브 대신에 페로플루이드 또는 더 상자성인 액체 상에 적용되기 때문에, 마모가 없으며, 따라서 본 발명에 따른 장치 및 방법은 부품 교체 필요없이 장기간 동안 작동될 수 있다. 전형적인 연동식 펌핑 응용 분야에서는 튜브를 자주 교체해야 한다.
일 실시예에서, 본 발명은, 유체간 계면에서 계면 섭동의 불안정한 성장으로 인한 계면 상의 불안정성의 발달에 의해 상자성이 더 큰 유체에 의해 둘러싸인 상자성이 더 작은 유체 또는 상자성이 더 작은 유체에 의해 둘러싸인 상자성이 더 큰 유체를 이동시킬 수 있다. 이러한 불안정성은 자기적으로 구동될 수 있다(예를 들어, 로젠웨이그(Rosensweig) 불안정). 로젠웨이그 불안정성은 본 발명에서 제안된 바와 같이 자석 어레이에 의해 생성될 수 있는 복잡한 형상을 초래할 수 있다.
일 실시예에서, 이 장치는 (노멀-필드 불안정성으로 인한) 파상형의 액체간 계면을 포함하고, 여기서 파상은 순환 구역 내에서 유체를 순환시키기 위해 액체 유동 방향으로 이동할 수 있다.
방법
본 발명은 적어도 하나의 순환 구역 및 순환 구역 내의 적어도 하나의 더 상자성인 액체를 포함하는 장치의 하나 이상의 순환 구역 내부에서 적어도 하나의 덜 상자성인 액체를 순환시키는 단계를 포함하는 방법으로서, 상기 장치는 상기 순환 구역에서 자기장을 발생시키는 적어도 하나의 요소를 포함하며, 상기 덜 상자성인 액체는 순환 구역 내로 도입되고, 상기 덜 상자성인 액체는 적어도 하나의 더 상자성인 액체를 포함하는 상기 순환 구역 내에서 순환하며, 이를 통해 상기 더 상자성인 액체와 액체간 인터페이즈를 형성하고, 상기 덜 상자성인 액체는 순환 구역 내에서 상기 더 상자성인 액체에 의해 둘러싸여 있는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한 저자기장 구역 및 고자기장 구역을 포함하는 자기장을 생성하는 단계를 포함하고, 저자기장 구역은 고자기장 구역에 의해 둘러싸여서 액체간 계면 구성에 덜 상자성인 액체를 둘러싸는 더 상자성인 액체를 제공하는 방법에 관한 것이다.
일 실시예에서, 본 발명의 방법에서 이 장치는 본 발명에 따라 규정된 바와 같다.
일 실시예에서, 본 발명은, 하나 이상의 더 상자성인 액체의 내부에서 적어도 하나의 덜 상자성인 액체를 순환시키는 단계를 포함하는 방법으로서, 이 방법은 덜 상자성인 액체가 더 상자성인 액체에 의해 둘러싸이는 액체간 계면 구성을 제공하는 자기장을 발생시키는 단계를 포함하는, 방법에 관한 것이다.
일 실시예에서, 순환 구역에서 자기장을 생성하는 요소는 자기장의 변화를 생성하여 순환 구역에서 덜 상자성인 액체를 순환시킨다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 장치 또는 방법은, 예를 들어 심장 우회 수술에 이용되는 새로운 심장-폐 기계 또는 방법이다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 장치 또는 방법은 미세 유체 칩이다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 장치 또는 방법은 하나 이상의 도관에서 적어도 하나의 덜 상자성인 액체를 순환시키는 단계, 하나 이상의 도관에서 하나 이상의 더 상자성인 액체를 순환시키는 단계 및 하나 이상의 도관에서 덜 상자성인 액체를 더 상자성인 액체와 혼합하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 장치 또는 방법은 하나 이상의 도관에서 적어도 하나의 더 상자성인 액체와 적어도 하나의 덜 상자성인 액체를 순환시키고, 더 상자성인 액체와 덜 상자성인 액체를 두 개 이상의 도관으로 분리하는 단계를 포함한다.
예를 들어, 3-방향 접합을 가지고 혼합 또는 분리할 수 있다.
도면에서:
도 1은 실시예1에 따른 액체 튜브 및 안티 튜브의 형상, 시뮬레이션 및 실험적 검증을 나타내고 있다.
도 2와 3은 사중 극자 자석이 있는 장치에서 유성(oily) 페로플루이드 안티 튜브 내의 물을 나타내고 있다. 도 2는 안티 튜브의 지름 대 가해지는 압력 및 결과적인 유량의 플롯이다.
도 3은 a)와 유사한 플롯이지만, 닫힌 출구를 이용하여 압력이 증가함에 따른 일시적인 유량을 나타내고 있다.
도 4는 12mm의 간격을 가진 사중극자 어레이에 대해 시뮬레이션한 자기장 분포를 나타내고 있다. 가장 낮은 자기장은 2개의 자석들 사이 간격의 중심에 생성되며 왼쪽에 표시되어 있다. 오른쪽은 영구 자석이 있는 3D 프린팅된 플라스틱 홀더의 상업용 페로플루이드(검은색)에 한정된 수성 안티 튜브(중앙의 흰색점)의 단면도이다.
도 5는 10개의 자석(10)이 휠(1)의 외면(20) 주위에 배치된 3D 프린팅된 휠(1)과, 그것에 의하여 본 발명에 따른 순환 구역에서 자기장을 발생시키는 요소와 조합될 때 자기적으로 작동되는 연동식 펌프를 형성하는 것, 예를 들어 사중 극자를 형성하는 것을 나타내고 있다.
도 6은 안티 튜브(사각형), 의료용 타이곤 튜브(원) 및 보통의 타이곤 튜브(삼각형)에서 세척하는 TMB (3,3',5,5'-테트라메틸벤지딘)의 용출량의 함수로서 잔류 혈액을 나타내고 있다.
도 7은 2개의 노치를 갖는 연자성 호일을 자화시키는 영구 자석의 개략적인 예를 나타내고 있다. 2개의 노치는 도 8과 같이 한정 자기장을 생성한다.
도 8은 0 내지 0.3 테슬라(T)에서 다양한 노치 컷이 있는 수평으로 자화된 호일에 대한 횡단면 자기장 분포 |B|를 나타내고 있다.
도 9는 도 7의 노치와 동일한 형상을 갖지만 반대로 자화되는 2개의 영구 자석의 개략적인 예를 나타내고 있다.
도 10은 0 내지 0.5 테슬라(T)에서 반대 방향으로 수직으로 자화된 2개의 영구 자석으로 구성된 이중층에 대한 |B|를 나타내고 있다.
도 11은 0 내지 0.5 테슬라(T)에서 반대 방향으로 수평으로 자화된 2개의 영구 자석으로 구성된 이중층에 대한 |B|를 나타내고 있다.
도 12는 0 내지 0.5 테슬라(T)에서 수평으로 자화된 영구 자석(하단)으로 구성된 이중층 및 이중층을 통과하는 단일 컷을 가진 연철 호일(상단)에 대한 |B|를 나타내고 있다.
도 13은 0 내지 0.5 테슬라(T)에서 평행하게 수직으로 자화된 2개의 영구 자석에 대한 |B|를 나타내고 있다.
도 14는 0 내지 0.5 테슬라(T)에서 반대 방향으로 수직으로 자화된 2개의 영구 자석에 대한 |B|를 나타내고 있다.
도 15는 0 내지 0.5 테슬라(T)에서 평행하게 수평으로 자화된 2개의 영구 자석에 대한 |B|를 나타내고 있다..
도 16은 0 내지 0.5 테슬라(T)에서 반대 방향으로 수평으로 자화된 2개의 영구 자석에 대한 |B|를 나타내고 있다..
도 17은 0 내지 0.5 테슬라(T)에서 N = 3,4,6,8; (δ = 1, t = 0)인 4개의 다중 극자 형상에 대한 횡단면 자기장 크기 분포 |B|를 나타내고 있다.
도 18은 0 내지 0.5 테슬라(T)에서 N = 3,4,6,8; (δ = 0, t = 0)인 4개의 다중 극자 형상에 대한 횡단면 자기장 크기 분포 |B|를 나타내고 있다.
도 19는 0 내지 0.5 테슬라(T)에서 N = 3,4,6,8; (δ = 1, t = 1)인 4개의 다중 극자 형상에 대한 횡단면 자기장 크기 분포 |B|를 나타내고 있다.
도 20은 0 내지 0.5 테슬라(T)에서 N = 3,4,6,8; (δ = 1, t = 1)인 4개의 다중 극자 형상에 대한 횡단면 자기장 크기 분포 |B|를 나타내고 있다.
도 21은 0 내지 0.5 테슬라(T)에서 N = 3,4,6,8; (δ = 1, t = -1)인 4개의 다중 극자 형상에 대한 횡단면 자기장 크기 분포 |B|를 나타내고 있다.
영구 자석은 NdFeB, SmCo, 알니코 또는 육방정계 페라이트로 제조될 수 있으며, 이 재료는 소결 또는 결합된 형태이다.
도 22는 물의 안티 튜브 직경 d 대 간격 폭 w의 그래프를 나타내고 있다. 그래프는 시뮬레이션이다. 점들은 곡선 "APG311"(Ferrotec)에 대한 실험 데이터이다. 곡선 "QK100+계면 활성제"는, 계면 활성제(예를 들어, 트윈-20 및 스팬-80)를 사용하여 표면 장력
Figure 112019086526540-pct00010
를 1 mN m-1 로 낮춘 경우에 그리고 매우 강한 페로플루이드(100 kA m-1의 Ms를 갖는 QK100, Qfluidics)로 얻어진다. 삽입된 도면은 적어도 3회 이상의 독립적인 실험에서부터 APG311 데이터 포인트와 오차 막대에 대한 확대 영역을 도시하고 있다.
도 23은 사중 극자 자석(사용된 자석: 9x9x50mm 막대, 9mm의 간격)의 널(null) 포인트를 보여주는 그래프를 나타내고 있다. 측정은 자기장 스위치의 방향을 중심 축선을 따라 수행되고, 자기장의 방향은 스위칭되며, 이는 도 23에 도시된 바와 같이 실제 널(null) 또는 영점이 존재함을 의미한다. 도 23에서 수직 자기장 프로파일, z를 따라 측정된 자기장의 x 성분 및 측정 축선을 도시하고 있다.
실시예1 - 수성/수성 액체 안티 튜브
상자성 액체 안티 튜브(즉, 상자성 유체 내의 반자성 액체 튜브)를 안정화시키기 위해 다양한 자석 배치가 이용되었다. 반자성(덜 상자성인) 액체는 순수한 물임에 반하여, 이 섹션의 상자성 액체는 염화 홀뮴(HoCl3)을 물에 용해시켜 만들어진다. 모든 경우에, 상업적으로 이용가능한 작은 NdFeB 자석을 이용하여 자석 배치를 만들고, 튜브는 공초점 현미경(confocal microscopy)에 의해 시각화된다(로다민 B를 염료로 사용함). 4개의 자석 배치(MA1 - 4) 각각에 대해, 다음 3가지 유형의 정보가 도 1에 도시되어 있다.
도 1에서:
a) 4-자석 배치를 위한 액체 튜브 및 안티 튜브 제한의 개략도, 처음 2개는 물 속의 상자성 HoCl3의 튜브를 안정화시키며, 마지막 2 개는 물의 안티 튜브 또는 HoCl3의 LaCl3를 안정화시킴; b) 기하학에 대한 분석적으로 평가된 |B|의 등고선 플롯(contour plot); c) 튜브 (열 1,2) 및 안티 튜브 (열 3,4)에서 로다민의 공초점 횡단면 형광 이미지.
제1 자석 배치(MA-1)는 수직으로 자화된 직사각형 자석이다. 상자성 액체가 자석 근처로 흐를 때, 튜브는 그것의 횡단면에 걸쳐 두 모드를 갖는 높이 프로파일을 형성한다. 두 모드를 갖는 형상을 피하기 위해, 자속 집중기(flux-concentrator)(연질 강자성체 재료로 제조됨)가 이용된다(MA-2). 미세유체공학의 응용 분야에서 특별한 관심 대상 중 하나는 안티 튜브이며, 여기서 메인 채널에 자기 종(magnetic species)이 존재할 필요없다. 가장 용이한 구현은 MA-3이며, 여기서 좁은 노치는 NdFeB 영구 자석에서 컷팅되거나 에칭된다. 노치는 표면 자기장(도 1b, MA-3)에 자기 공극을 효과적으로 생성하며, 이는 b 기판(도 1c, MA-3)에 안티 튜브로 이어진다. 그러나, 안티 튜브 안정화는 수직 방향으로 약하며, 밀도 차이 (HoCl3,aq의 비중은 1.3)에 의해 상승하는 (반자성) 물의 기둥(plume)을 초래한다. 본 발명자들은 사중 극자 배치인 모든 3차원(MA-4)의 완전한 자기 안티 튜브 한정을 제공하는 배치를 발견했다. 또한, 다른 3개의 자석 배치와 대조적으로, 어느 포인트에서도 물리적 벽 접촉이 존재하지 않는다.
이 실시예는 하나 이상의 순환 구역 및 액체간 인터페이즈를 형성하는 하나 이상의 더 상자성인 액체와 하나 이상의 덜 상자성인 액체를 포함하는 적어도 하나의 액체를 포함하는 본 발명에 따른 장치의 제조를 뒷받침하며, 이 장치는 순환 구역에서 자기장을 생성하는 적어도 하나의 요소를 포함하고, 덜 상자성인 액체는 순환 구역에서 더 상자성인 액체로 둘러싸여 있다. 더 상자성인 액체가 순환 구역에서 덜 상자성인 액체에 의해 둘러싸인 역 배치는 또한 이들 실험에 의해 뒷받침된다.
실시예2- 수성/유성 안티 튜브
발명자들은, 상자성 액체가 상자성 이온의 수용액이고 덜 상자성인 액체가 순수한 반자성 물인 경우, 상자성/반자성 경계를 가로 질러 Ho3+ 이온의 확산으로 인해, 실시예1에서 설명된 안티 튜브는 오직 제한된 수명을 가진다고 언급했다. 이온 확산은 처음에 잘 정의된 두 영역들 사이의 자기 감수율의 차이를 줄여서, 자기 압력과 벌크 힘(bulk force)을 낮춘다. 그러나, 수성 상자성 액체를 오일계 페로플루이드(APG 300, Ferrotec)로 대체함으로써 비혼합성인 2개의 액체를 구현할 때, 경계를 가로 지르는 임의의 수송이 방지되어 안티 튜브가 수개월 동안 안정되도록 한다. 안티 튜브의 직경은 입체경(stereoscope)를 이용하여 투과 모드에서 장치의 측면으로부터 측정할 수 있다. 안티 튜브의 거동을 특성화하기 위해 일련의 압력 실험이 수행되었다. 먼저, 압력 구동 펌프를 이용하여 순수한 물을 흐르게 함으로써 규정된 압력을 안티 튜브의 입구에 가하였다. 압력은 안티 튜브를 통하여 출구를 향한 유동을 유도하며, 이는 질량-유량 센서(mass-flow sensor)를 이용하여 측정되었다. 도 2는 전형적인 실험을 보여주며, 이 실험에서 압력이 증가하면 유량이 증가하고 안티 튜브의 직경이 약간 늘어나게 됨이 명백하다. 안티 튜브의 출구가 완전히 닫히면, 안티 튜브로의 일시적인 유동만 존재하게 된다. 증가된 압력은 안티 튜브를 팽창시키고 더 많은 물을 수용한다. 압력이 다시 감소하면, 과도한 물을 배출하기 위해 음의 (역)유동이 존재하게 된다. (도 3)
실시예3 - 자기장을 생성하는 요소의 설계
3.1. 사중 극자
본 발명자들은 (유한요소법 또는 SciPy를 이용한 분석식을 이용한) 자기장 시뮬레이션 및 (3D 프린터를 이용한) 프로토타이핑(prototyping)에 의해 안티 튜브를 형성하는 자기 어레이를 설계하였다. 사중 극자 자석 배치를 이용하면, 도 4에 도시된 바와 같이 상자성 매질과 비혼합성인 사실상 모든 반자성 액체의 안정적인 안티 튜브를 획득할 수 있다.
상용의 페로플로이드(검은색)를 상자성 액체로 이용하고 물을 반자성 액체로 이용했다. 페로플로이드를 통해 흐르는 물은 깨끗하고 투명하게 남아서 튜브의 안정성을 더욱 뒷받침한다. 물은 상자성 액체에 의해 오염됨 없이 검은 유성 페로플로이드를 통해 자유롭게 흐른다. 다시 말해, 사중 극자 자석과 페로플로이드의 조합은 액체 벽을 갖는 채널로 귀결한다.
3.2. 단면 디자인
단면 디자인은, 더 반자성인 액체와 상자성인 액체가 더 약하게 수직으로 한정되므로 더 반자성인 액체와 상자성인 액체 사이의 부력/밀도 차이가 중요하지 않은 경우에 적합하다.
3.2.1 수평으로 자화된 연자석
이 구성에서, 연자성 호일은 외부 자기원, 예를 들어 밀접하게 접촉하는 영구 자석(그림 7), 또는 더 큰 외부 자기장을 이용하여 수평으로 자화된다. 자기장은 절단부 또는 노치가 있는 곳을 제외하고 연성의 호일 내에 유지된다. 호일 내로 절단된 한 쌍의 노치는 자기장이 빠져 나가 액체 튜브를 포함하는 안정된 영역을 형성한다. (도 8)
3.2.2 수평으로 자화된 멀티-트랙 경자석
전술한 바와 같이 동일한 자기장 구조는 노치와 동일한 형상을 갖지만 반대 방향으로 자화되는 자기원을 이용하여 생성될 수 있다. (도 9)
3.3. 이중층 설계
3.3.1 수직으로 자화된 영구 자석
수직으로 자화된 영구 자석의 예가 도 10에 나타나있다.
3.2.2 수평으로 자화된 영구 자석
수평으로 자화된 영구 자석의 예가 도 11에 나타나있다.
3.2.3. 수평으로 자화된 영구 자석 및 연자석
수직으로 자화 영구 자석의 예가 도 12에 나타나있다.
3.4. 쌍극자 구성
3.4.1 수직으로 자화된 영구 자석
수직으로 자화된 영구 자석의 예가 도 13에 나타나있다.
수직으로 자화된 영구 자석의 두 번째 예가 도 14에 나타나있다.
3.4.2. 수평으로 자화된 영구 자석
수평으로 자화된 영구 자석의 예가 도 15에 나타나있다.
수평으로 자화된 영구 자석의 예가 도 16에 나타나있다.
3.5. 대칭 다중 극자 구성
N개의 자석을 갖는 다중 극자 구성은 자화의 변형을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않으며, 여기서 극좌표의 k번째 자석은 자화를 갖는다:
Figure 112019086526540-pct00011
여기서, i = √-1이다. 아래에 주어진 간단한 예는 s = 4에 대한 것이며, 즉 여기서 자석의 자화는 4가지 방향, 방사상의 양 ("외측"), 방사상의 음 ("내측"), 횡방향의 양 ("우측") 및 횡방향의 음 ("좌측") 중 하나일 수 있다. 다음 섹션에서의 범위는 0 내지 0.5 T이다.
3.5.1 방사상으로 외측을 향함 (δ = 1, t = 0)
Figure 112019086526540-pct00012
영구 자석의 다중 극자 구성의 예가 도 17에 나타나있다.
3.5.2. 횡방향으로 교번 (우측, 좌측) (δ = 0, t = 0)
Figure 112019086526540-pct00013
영구 자석의 다중 극자 구성의 예가 도 18에 나타나있다.
3.5.3. 방사상 외측, 내측으로 교번 (δ = 1, t = 1)
Figure 112019086526540-pct00014
영구 자석의 다중 극자 구성의 예가 도 19에 나타나있다.
3.5.4. 방사상 외측으로, 횡방향 좌측으로, 방사상 내측, 횡방향 우측으로 교번 (δ = 1, t = 1)
Figure 112019086526540-pct00015
영구 자석의 다중 극자 구성의 예가 도 20에 나타나있다.
3.5.5. 방사상 외측, 횡방향 우측, 방사상 내측, 횡방향 좌측으로 교번 (δ = 1, t = -1)
Figure 112019086526540-pct00016
영구 자석의 다중 극자 구성의 예가 도 21에 나타나있다.
실시예 4 - 자기적으로 작동되는 밸브
또 다른 자석의 추가는 영구 자석의 사중 극자 배치에 의해 생성된 자기장 구배에 영향을 준다. 물이 흐르는 유체 장치의 출구 포트 근처에 추가 영구 자석이 배치된다; 그것은 안티 튜브 내에서 핀치 포인트를 만들고 물의 유동을 막는다.
본 발명에 따른 장치는 자기적으로 작동되는 밸브로서 작동할 수 있다.
실시예 5 - 자기적으로 작동하는 연동식 펌프
사중 극자 장치 내에서 진행파가 생성된다. 사중 극자 중심에서의 자기장 영점은 외부 (사중 극자가 아닌) 자석에 의해 방해를 받으며, 사중 극자를 따라 자석을 움직임으로써 액체를 효과적으로 이동시키는 제한점이 생성된다. 이를 위해, 10개의 영구 자석을 구비한 휠이 그 주위에 배치되며 (도 5), 휠은 유체 장치의 상단에서 회전한다.
사중 극자를 포함하는 장치의 하나의 유체 개구는 물 저장소에 침지된다. 휠이 회전할 때, 물이 안티 튜브를 통해 흘러 유체 장치의 출구 포트에서 나왔다는 것이 관찰되었다. 휠이 작동하는 동안 물은 계속하여 안티 튜브를 통해 흐른다. 그러나, 휠의 회전이 멈추면 즉시 물이 흐르지 않는다.
이 실험은 사중 극자 자기장의 자기 핀칭을 이용하여 펌핑을 획득할 수 있음을 보여준다.
실시예 6 - 생명 과학 응용
혈액은, 관의 막힘과 전단에 의한 적혈구 파열(용혈)이 쉽게 일어나기 때문에 다루기 가장 어려운 액체 중 하나이다. TMB(3,3',5,5'- 테트라메틸벤지딘) 면역 측정법을 이용하여 실시예3의 사중 극자와 유사한 설계로 본 발명에 따라 제조된 안티 튜브에 남아있는 잔류 혈액을 특성화시켰다.
혈액 순환 후, TMB 기질 용액을 이용하여 반자성 액체로 만들어진 튜브를 세척한다. TMB 분석은 발색 기질 용액을 생성함에 따라, 용액의 색을 이용하여 남아있는 혈액량을 정량화 한다. 참고로, 상용 타이곤 튜브 (보통 및 의료 등급)의 오염 속성이 특성화되었다. 보통의 타이곤 튜브는 튜브 내부에 혈액이 영구적으로 부착된 것으로 나타났다 (도 6, 많은 튜브 체적을 세척한 후에도 삼각형은 0으로 돌아오지 않음에 유의). 놀랍게도, 본 발명의 페로플루이드 안티 튜브의 결과는 의료용 등급 타이곤 튜브와 동일한 수준이었다.
실시예 7- 튜브 직경의 추정
도 22는 안티 튜브의 직경 d가 자속원의 치수와 한정 유체의 유형에 따라 어떻게 변하는지 보여준다. 측정된 자화 및 계면 에너지를 이용하여, 물 안티 튜브의 실험점과 식 (1) 및 식 (2)의 예측 사이에 양호한 일치가 발견된다. 페로플루이드에서 150μm보다 큰 페로플루이드 튜브의 경우, X-ray 이미징이 이용될 수 있으며, 일부 유체에서는 더 작은 튜브의 광학 이미징이 가능하다.
영구 자석의 매력적인 특징으로 인해 채널의 소형화가 가능하며 즉, 생성되는 자기장은 길이 스케일l과 무관하다. 따라서, H, M 및 자기 에너지 밀도는 채널 크기에 의존하지 않는다. 계면 에너지
Figure 112019086526540-pct00017
, 그러나,
Figure 112019086526540-pct00018
의 스케일; 23mJ m-2의 오일/물 계면 에너지, 100mT의 자기장 및 1의 감수율을 가진, 안티 튜브는 직경 5μm 미만에서 불안정해질 것이다. 또한, 소형화를 위해서는
Figure 112019086526540-pct00019
이 감소되어야 한다. 매우 강한 페로플루이드 (탄화수소 매질에서 100 kA m-1의 자화를 갖는 QK100)와 이중 계면 활성제 (예를 들어, 페로플루이드의 스팬-80, 및 수성 안티 튜브의 트윈-20)를 결합함으로써, 본 발명자들은 약 100 nm의 안티 튜브의 직경이 궁극적으로 획득될 수 있을 것으로 추정한다. 이러한 나노미터 크기의 튜브는 실용적인 나노유체 장치가 실현될 수 있게 한다.
실시예8- 혼합 유체
유동의 혼합은 유동을 대칭적으로 분할하는 페로플루이드 안티 튜브 Y-접합에서 입증되었다. 덜 상자성인 유체는 Y-접합의 하나의 분기를 통해 흐르고, 더 상자성인 유체는 Y-접합의 다른 분기를 통해 흐르고, Y-접합의 제3 분기에서 혼합된 유체가 흐른다.
Y-접합에서 액체의 합류는 페로플루이드에 의해 안정화된 안티 튜브를 이용하여 시각화되었다. 놀랍게도, 켈빈-헬름홀츠 불안정성으로 인해 Y-접합 직후에 혼합이 일어난다. 이것은 안티 튜브와 동일한 채널 크기 및 기하학적 형상를 갖는 3D 프린팅된 미세 유체 칩에서 관찰된 층류와 현저한 대조를 이룬다.

Claims (16)

  1. 액체간 인터페이즈(liquid-liquid interphase)를 형성하는 적어도 하나의 덜 상자성인 액체 및 적어도 하나의 더 상자성인 액체를 포함하는 적어도 하나의 유체 및 적어도 하나의 순환 구역을 포함하는 장치로서, 상기 장치는 상기 순환 구역에서 자기장을 발생시키는 적어도 하나의 요소를 포함하며, 상기 덜 상자성인 액체는 순환 구역에서 상기 더 상자성인 액체에 의해 둘러싸이고,
    상기 덜 상자성인 액체는 상기 더 상자성인 액체 내에서 순환하며 상기 더 상자성인 액체 내에서 튜브를 형성하되, 상기 자기장은 상기 튜브의 중심 축선을 따라 이론적으로 널(null)이고, 상기 덜 상자성인 액체는 고형의 벽과 접촉하지 않으면서 상기 순환 구역에서 순환하는, 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    자기장을 생성하는 상기 요소는 영구 또는 전자영구 자석, 전자석, 자화된 연자성체 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되며, 추가적으로 자기장 세기 및 배향 중 하나 또는 양자 모두는 시간 의존적일 수 있는, 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 장치는, 자석의 수를 나타내는 N이 2 이상 또는 3이상인 N개의 자석의 다극 구성을 포함하는, 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    자기장을 발생시키는 상기 요소는 사중 극자(quadrupole)를 포함하는, 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 장치는 미세 유체 장치, 자기적으로 작동되는 유체 밸브, 자기적으로 작동되는 연동식 펌프, 방오(anti-fouling) 장치, 막힘 방지(anti-clogging) 장치, 추진 장치, 열교환기, 추출기(extractor), 담수화기(desalinator) 또는 혼합 장치인, 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 장치는 상기 순환 구역 내에 이동 가능한 핀칭 포인트(pinching point)를 포함하고, 상기 이동 가능한 핀칭 포인트는 상기 순환 구역 내에서 상기 유체를 순환시키기 위해 액체 유동 방향으로 이동하는, 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 장치는 파상형(undulated)의 액체간 계면을 포함하고, 파상은 상기 순환 구역 내에서 상기 유체를 순환시키기 위해 액체 유동 방향으로 움직이는, 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 덜 상자성인 액체는 반자성 액체인, 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 덜 상자성인 액체는, 생물학적 유체이거나 또는 액체 매질 내에 생물학적 세포의 현탁(suspension)을 포함하는 유체인, 장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 장치는 유기 상자성 액체를 포함하는, 장치.
  11. 적어도 하나의 더 상자성인 액체 내부에서 적어도 하나의 덜 상자성인 액체를 순환시키는 단계를 포함하는 방법으로서,
    상기 적어도 하나의 덜 상자성인 액체는, 적어도 하나의 순환 구역 및 순환 구역 내의 적어도 하나의 더 상자성인 액체를 포함하는 장치의 고형의 벽과 접촉하지 않으면서 하나 이상의 순환 구역 내부에서 순환하고,
    상기 장치는 상기 순환 구역에서 자기장을 발생시키는 적어도 하나의 요소를 포함하며, 상기 덜 상자성인 액체는 적어도 하나의 더 상자성인 액체를 포함하는 상기 순환 구역 내에서 순환하며, 이를 통해 상기 더 상자성인 액체와 액체간 인터페이즈를 형성하고, 상기 덜 상자성인 액체는 순환 구역 내에서 상기 더 상자성인 액체에 의해 둘러싸여 있으며 상기 더 상자성인 액체 내에서 튜브를 형성하되, 상기 자기장은 상기 튜브의 중심 축선을 따라 이론적으로 널(null)인 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 장치는 제1항 또는 제2항에 규정된 바와 같은 장치인, 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 순환 구역에서 자기장을 발생시키는 요소는, 자기장의 변화를 생성함으로써 순환 구역에서 덜 상자성인 액체를 순환시키는, 방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
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