KR102558434B1 - 가속된 용질성 마랑고니 유동을 이용한 미세액적 혼합장치 - Google Patents

가속된 용질성 마랑고니 유동을 이용한 미세액적 혼합장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가속된 용질성 마랑고니 유동을 이용한 미세액적 혼합장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미소가열장치를 이용해 휘발성 액체의 증발을 촉진시켜 미세액적의 마랑고니 응력을 유도하여 미세액적의 빠른 혼합이 가능하도록 하는 미세액적 혼합장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미세액적 혼합장치는, 미세액적(droplet)과, 상기 미세액적에 인접 설치되며, 휘발성용액을 공급되는 휘발성용액공급부와, 상기 휘발성용액공급부 상에 위치하며, 휘발성용액을 가열시키는 가열부를 포함한다.

Description

가속된 용질성 마랑고니 유동을 이용한 미세액적 혼합장치{Microdroplet mixing device using enhanced vapor-mediated Marangoni flow}
본 발명은 가속된 용질성 마랑고니 유동을 이용한 미세액적 혼합장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미소가열장치를 이용해 휘발성 액체의 증발을 촉진시켜 미세액적의 마랑고니 응력을 유도하여 미세액적의 빠른 혼합이 가능하도록 하는 미세액적 혼합장치에 관한 것이다.
본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.
미세유체시스템은 미세유체역학(microfluidics) 기술을 이용해 마이크로리터 이하의 미소양의 시료를 통해 실험실에서 이뤄지는 여러 정교한 생화학 실험 및 분석 등을 소형 칩과 같은 작은 시스템 내에서 수행할 수 있는 시스템이다. 이는 극미량의 시료나 샘플만으로 실험이 이뤄진다는 점에서 실험 연구과정이 신속하게 진행될 수 있고, 시스템의 빠른 응답을 얻어낼 수 있으며, 시스템의 소형화가 가능하므로 제조비용의 절감과 장치의 이동이 편리하다는 장점을 가지고 있어, 2015년 메르스 이후 현재 코로나 바이러스가 유행하는 상황에서 전염병에 대한 신속하고 정확한 대처를 위한 질병관리 시스템으로 많은 응용과 발전이 이뤄지고 있다.
최근 마이크로리터 수준의 소량의 부피를 갖는 액적(droplet)을 기반으로 하는 액적 기반 미세유체 시스템이 주목받고 있으며, 이는 극소량의 샘플로 고속, 대용량으로 액상 시료기반 시험을 수행할 수 있으며, 샘플 간 교차오염의 우려가 없다는 장점을 지닌다. 액상의 시료를 고체 표면 위 고착된 미세 액적 형태로 생화학, 의학 시험을 수행하기 위해서는 액적 내 시료의 분포가 균일하게 만들거나 서로 다른 시료가 액적 내에 잘 혼합될 수 있도록 액적 내 유동혼합 기술이 필요하다. 하지만, 표면 위에 고착된 미세 액적은 레이놀즈 수가 매우 작아 점성력이 관성력보다 크게 작용하여 점성력이 지배적이며, 이로 인해 작은 크기의 액적 내부를 균일하게 혼합하는 것이 쉽지 않다. 질병 검사와 생화학적 실험 분야에서 이러한 작은 크기의 액적을 혼합하기 위해 자기력, 광, 전기력 등의 외력을 이용하고 있는데, 이러한 시스템은 복잡하고 장치의 소형화가 어렵다는 단점을 가지고 있다.
최근 다양한 연구에서 외부 동력원을 이용하지 않고 미소 액적을 섞기 위하여 액적 주변에 증발율이 높은 휘발성 용액을 위치시킴으로써 액적의 계면에 용질성 마랑고니 효과를 유도하여 액적 내부의 유동장을 형성시켜 액적 혼합을 이뤄낼 수 있는 것이 공지되었다. 용질성 마랑고니 효과는 휘발성 용액이 증발함에 따라 휘발성 용액 증기가 액적의 계면에 닿게 되면서 표면장력의 불균일성을 만들어내고, 이로 인해 액적에 표면장력의 구배가 발생하여 일어나는 현상이다. 이 현상을 이용하기 위해 액적보다 작은 표면장력을 가진 휘발성 용액 물질이 대기 중에서 자연 증발하도록 하여 액적 표면에 마랑고니 응력을 유도한다. 이를 통해서, 확산으로 인해 액적이 혼합되는 시간이 약 5분정도 소요되는데 비해, 마랑고니 효과를 이용하게 되면 혼합시간을 약 20~40초 정도로 단축시키게 된다. 이에 대한 연구는, 외부 별도의 외력 없이 모세관 튜브와 휘발성 용액만을 이용했다는 점에서 선행 연구들에 비해 간단하다는 장점을 갖지만, 30초 내외의 시간은 실제 공학적 응용에 활용되기에는 여전히 긴 시간으로 보여진다.
따라서, 현재까지의 미세유체 액적을 빠른시간 내에 혼합하고자 한 기술들은 미세유체 시스템에 적용시키기 어려운 복잡한 시스템을 지니거나, 실제 공학 시스템에 응용될 만큼 빠른 혼합이 이뤄지지 않는다는 문제점을 가진다.
1. 한국 특허등록 제10-1137795호(2012.04.20 공고) 2. 한국 특허등록 제10-1839574호(2018.03.16 공고) 3. 한국 특허공개 제10-2021-0058435호(2021.05.24 공개)
Park, Jonghyeok, et al. "Control of solutal Marangoni-driven vortical flows and enhancement of mixing efficiency."　Journal of colloid and interface science　561 (2020): 408-415.
본 발명은 미소 가열장치를 이용해 휘발성 용액을 직접 가열해줌으로써 자연증발에 비해 보다 빠르고 많은 양의 증기생성을 유도하고, 이로부터 용질성 마랑고니 효과를 증대시켜 미세액적의 혼합시간을 단축시킬수 있는 미세액적 혼합장치를 제공하고자 한다.
또한, 상술한 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 설명으로부터 또 다른 기술적 과제가 도출될 수도 있음은 자명하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미세액적 혼합장치는, 미세액적(droplet)과, 상기 미세액적에 인접 설치되며, 휘발성용액을 공급되는 휘발성용액공급부와, 상기 휘발성용액공급부 상에 위치하며, 휘발성용액을 가열시키는 가열부를 포함한다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 가열부는, 표면탄성파를 발생시키는 빗살무늬전극(Interdigital Tranducer)이 형성된 압전기판과, 상기 표면탄성파를 흡수하여 발열되는 점탄성 물질로 이루어진 마이크로채널을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 휘발성용액공급부는, 상기 휘발성용액이 저장되는 휘발성용액저장부와, 상기 휘발성용액저장부로부터 미세액적을 향해 연장 형성되며, 휘발성용액을 미세액적까지 안내하는 휘발성용액가이드부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 압전기판은, 양측 단부에 형성된 한 쌍의 전극단자로부터 서로를 향해 연장 형성되는 복수개의 막대형단자가 서로 교차배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 빗살무늬전극에 표면탄성파가 발생하도록 주파수를 인가하는 신호발생기와, 상기 신호발생기로부터 인가된 주파수를 증폭시키고, 상기 한 쌍의 전극단자와 전선 연결되는 증폭기와, 상기 증폭기를 가동시키기 위한 전원공급기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 휘발성용액가이드부는, 상기 마이크로채널을 따라 연장 형성되며, 단부는 상기 압전기판 위에 위치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 압전기판은, 리튬리니오베이트(LiNbO3), 석영(quartz), 리튬탄탈레이트(LiTaO3), 리튬보레이트(Li2B4O7) 또는 랑가사이트(La3Ga5SiO14) 중에서 선택된 어느 하나 이상의 소재로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 점탄성 물질은, 실리콘 기반 폴리머(Silicone-based polymer), 고분자화합물(Plastic), 고무(Rubber), 종이(Paper), 음식물(Food) 또는 생체조직(Biological tissue) 중에서 선택된 어느 하나 이상의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 휘발성용액은, 아세톤, 에탄올, 메탄올, 이소프로필알코올 중에 선택된 어느 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 마이크로채널은, 상기 휘발성용액저장부와 휘발성용액가이드부를 감싸도록 형성되며, 상기 휘발성용액가이드부가 내장된 상태로 상기 압전기판까지 연장 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 압전기판 위에 설치되며, 발생되는 표면탄성파를 감쇄시키는 고분자복합체를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 고분자복합체는, 은나노와이어-PDMS 복합체로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 압전기판 위에 설치되며, 발생되는 표면탄성파를 감쇄시키는 은나노와이어-PDMS 복합체를 더 포함하되, 상기 은나노와이어-PDMS 복합체는, 상기 압전기판과 마이크로채널 사이에 인입 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 가열장치를 이용한 미세액적 혼합장치를 통해 기존 휘발성 용액의 자연 증발에 비해 더 빠른 증발이 가능하여 액적 혼합속도의 가속화 효과를 갖는다는 장점이 있다. 이에 대한 실험 결과, 선행 연구와 동일한 조건의 미세액적을 혼합하는데 1초 내외의 빠른 혼합이 가능한 것을 확인하였고, 해당 혼합시간은 점탄성 물질의 가열 온도에 따라 달라지며, 휩살성 용액인 아세톤의 증발 온도인 약 57℃ 이상일 경우 가장 빠른 혼합이 이루어지는 것을 알 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 미세유체 시스템에서 주로 사용되는 PDMS소재(점탄성 물질)를 사용함으로써 접근성이 좋고, 제작이 간단하여 미세유체 기술분야에서 쉽고 다양하게 활용될 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 가열장치를 초음파 기반 가열 시스템으로 하여 미소 면적의 가열이 가능해지고 점탄성 물질의 체적 가열이 이루어질 수 있다는 점에서 다른 표면가열 장치에 비해 가열 효과가 우수하다는 장점이 있다. 뿐만 아니라, 주파수 신호의 인가만을 통해 가열이 이루어짐으로써 가열을 위한 조작이 쉽고, 주파수 신호를 조절함으로써 자유롭게 발열을 유도할 수 있으며, 이를 이용해 상대적으로 크기가 큰 액적의 경우에도 다수의 가열 시스템을 이용해 액적의 원하는 영역에 휘발성 증기를 유도함으로써 효율적인 액적 혼합이 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면, 가열을 위한 전력공급과 신호 인가 시스템에 손바닥 크기의 작은 회로도를 갖춘 시스템만으로도 구성할 수 있으며, 마이크로채널 또한 5mm 이내의 크기를 가진다는 점에서 장치의 소형화, 휴대화가 가능하다는 장점이 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세액적 혼합장치의 측면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세액적 혼합장치의 평면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세액적 혼합장치에 있어서, 휘발성용액공급부와 가열부의 사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세액적 혼합장치에 있어서, 표면탄성파를 발생시키는 초음파 기반 가열장치의 가열원리를 도식화한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세액적 혼합장치에 있어서, 빗살무늬 전극의 평면도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세액적 혼합장치에 있어서, 표면탄성파를 이용한 초음파 기반 가열장치의 가열원리의 모식도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세액적 혼합장치에 있어서, 휘발성용액의 자연증발을 이용하여 시간의 흐름에 따라 미세액적이 혼합되는 모습과, 가열부를 통해 휘발성용액을 가열시켜 시간의 흐름에 따라 미세액적이 혼합되는 모습을 촬영한 사진.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세액적 혼합장치에 있어서, 휘발성용액이 증발하면서 미세액적을 혼합시키는 상태를 도식화한 도면.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세액적 혼합장치에 있어서, 압전기판 위에 고분자복합체를 설치한 상태를 나타낸 도면.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세액적 혼합장치에 있어서, 압전기판 위에 은나노와이어-PDMS 복합체를 설치한 상태의 발열 효과를 나타낸 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 따른 미세액적 혼합장치의 구성, 동작 및 작용효과에 대하여 살펴본다. 참고로, 이하 도면에서, 각 구성요소는 편의 및 명확성을 위하여 생략되거나 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 반영하는 것은 아니다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭하며 개별 도면에서 동일 구성에 대한 도면 부호는 생략하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미세액적 혼합장치는, 미세액적(10)과, 상기 미세액적(10)에 인접 설치되며, 휘발성용액을 공급되는 휘발성용액공급부(20)와, 상기 휘발성용액공급부(20) 상에 위치하며, 휘발성용액을 가열시키는 가열부(30)를 포함한다.
상기 미세액적(10)은 마이크로리터 수준의 소량의 부피를 갖는 액적(droplet)을 의미하며, 액상의 시료가 고체 표면 위에 고착된 미세액적 형태로 이루어져 생화학이나 의학 시험을 수행함에 있어 액적 내 시료의 분포가 균일하게 만들거나 서로 다른 시료가 액적 내에 잘 혼합될 수 있도록 하는 액적 내 유동혼합 기술이 필요하다. 특히, 고체 표면 위에 고착된 미세 액적은 레이놀즈 수가 매우 작아 점성력이 관성력보다 크게 작용하여 작은 크기의 액적을 균일하게 혼합하는 것을 쉽지 않으므로, 본 발명에서는 상기 미세액적(10) 주변에 휘발성용액을 공급하여 증발시킴으로써 미세액적(10)이 혼합되는 기술을 개시하고자 한다.
상기 미세액적(10)에 인접 설치되며, 휘발성용액을 공급하는 휘발성용액공급부(20)를 더 포함할 수 있다. 상기 휘발성용액공급부(20)는, 휘발성용액이 저장되는 휘발성용액저장부(21)와, 상기 휘발성용액저장부(21)로부터 미세액적을 향해 연장 형성되며, 휘발성용액을 미세액적(10)까지 안내하는 휘발성용액가이드부(23)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 휘발성용액(Volatile Liquid)은 휘발성용액저장부(21) 내에 저장되어 있으며, 상기 휘발성용액저장부(21)는 내부에 소정의 공간이 형성되는 원통형으로 이루어질 수 있다. 상기 휘발성용액저장부(21)에서 일측, 보다 정확하게는 상기 미세액적(10)을 향해 연장 형성되는 휘발성용액가이드부(23)를 더 포함할 수 있으며, 상기 휘발성용액가이드부(23)는 휘발성용액저장부(21)의 하부 일측에서 미세액적(10)을 향해 연장되고, 소정의 직경(2r0)을 가지는 튜브 형상으로 이루어질 수 있다. 상기 휘발성용액가이드부(23)의 직경은 미세액적(10)의 크기가 직경(2R) 2.5mm를 갖는다고 가정할 때, 0.5mm 이상으로 구성되는 것이 바람직하며, 이는 해당 직경에 따라 휘발성 용액 증기가 많이 발생되므로, 더 크고 많은 액적을 혼합할 수 있기 때문이다.
여기서, 휘발성용액은 저장부에서 가이드부를 통해 가이드되고, 그 일단에서 소정거리(d)만큼 이격된 위치에 상기 미세액적(10)이 위치하게 된다. 상기 휘발성용액은 휘발성용액가이드부(23)의 일단에서 증발하면서 방사형으로 방출되어 미세액적(10)의 표면장력 구배를 유도한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상기 휘발성용액가이드부(23)를 따라 가이드된 휘발성용액은 일단에서 증발하여 증기(vapor)를 발생시키고, 이러한 증기가 인접 위치하는 미세액적(10)을 향해 방사형으로 확산되면서 미세액적(10)의 표면장력 구배가 일어나 내부에 유동(flow)이 발생하면서 액적이 혼합되는 것이다. 보다 상세하게는, 미세액적(10)보다 작은 표면장력을 가진 휘발성용액의 증발에 의해 발생되는 증기가 미세액적을 향해 방사형으로 확산되어 액적의 계면에 닿으면서 표면장력의 불균일성을 만들어내고 이로 인해 액적에 표면장력의 구배가 발생하여 내부적으로 섞이게 되는 방식으로 마랑고니 응력을 유도함으로써, 액적이 혼합되는 시간을 단축시키게 된다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 휘발성용액은, 아세톤, 에탄올, 메탄올, 이소프로필알코올 중에 선택된 어느 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 휘발성용액은 혼합하고자 하는 액적과 표면장력 차이를 가져야 하며, 고속으로 증발되어야 한다는 조건을 갖는다. 이러한 특성을 갖는 대표적인 휘발성 용액으로, 아세톤이나 에탄올, 메탄올, 이소프로필알코올 등이 사용될 수 있으며, 상기 휘발성용액이 휘발성용액가이드부(23)까지 전달되어 일단에서 증발된 증기가 미세액적(10)을 향해 확산되어 표면장력 구배를 일으키게 된다.
상기 표면장력 구배에 관련된 수식을 보다 상세히 설명하면 아래와 같다.
해당 수학식 1에서 는 표면장력 구배를 의미하고, β는 비례상수로 각 휘발성 용액에 따른 물성치이며, C0는 마이크로채널(33) 끝단으로부터 발생하는 휘발성용액 증기의 농도이고, r0는 마이크로채널(33)의 반지름, d는 액적과 마이크로채널 끝단 사이의 거리, R은 미세액적(10)의 반지름에 해당한다. 즉, 미세액적(10)의 표면장력 구배는 휘발성용액 증기가 마이크로채널(33) 끝단으로부터 방사형으로 확산된다는 가정하에 휘발성 용액의 농도와 마이크로채널(33)의 크기, 미세액적(10)의 크기, 액적과 채널 사이의 거리에 따라 결정된다고 할 수 있다.
본 발명에서 개시하는 미세액적 혼합장치를 이용한 가열을 통해 휘발성용액에서 발생된 증기의 농도가 달라지므로, 즉 C0가 온도 T에 따라 달라진다고 할 수 있다. 그에 따라, 바뀐 농도항인 C0, modified는 다음 돌턴의 법칙(Dalton's law) 방정식에 따라 정의된다.
C0, modified는 온도에 EKfms 휘발성용액 증기 농도에 해당하고, Pvap는 휘발성용액의 증기압, Patm은 대기압으로 760mmHg(=101.325kPa)에 해당한다. 몰부피(Molar volume)는 기체분자가 차지하는 부피를 의미하며, 22.4L/mol의 근사값에 해당한다. 또한, 증기압 Pvap는 앙투안 방정식(Antoine equation)을 통해 수학적으로 정의될 수 있다.
상기 [수학식 3]에서는 앙투안 방정식의 일반적인 형태로 액체-증기, 고체-증기 상변화에 적용되는 수식인 클라우지우스-클라페이롱 방정식(Clausius-Clapyron equation)에서 파생된 반 경험적 실험식이다. A, B, C값은 각 용액에 대한 상수 값이며, 해당 수식은 100℃ 이하의 온도에서 실제 값에 근사한 수식이다. 따라서, 해당 수식을 통해 특정온도 T에 따른 증기압을 수학적으로 계산할 수 있다.
해당 수식을 특정온도 T에 따른 증기압 Pvap를 계산하기 위한 수식으로 바꾸면 다음과 같다.
이를 앞선 수학식 2의 수정된 휘발성용액 증기농도 수식에 대입하면 아래와 같이 정리할 수 있다.
이에 따라, 액적의 표면장력 구배 역시 특정 휘발성 용액, 액적과 휘발성 용액 사이 거리, 액적 크기, 마이크로채널 크기에서 온도에 따른 함수로 표현될 수 있다.
다음으로, 상기 휘발성용액공급부(20) 상에 위치하며, 휘발성용액을 가열시키는 가열부(30)를 더 포함할 수 있다.
상기 가열부(30)는 휘발성용액을 가열시켜 단순히 자연증발되는 방식보다 빠르게 증발시킬 수 있으며, 그로 인해 액적의 혼합속도가 상승된다는 장점이 있다. 상기 가열부(30)는 휘발성용액을 가열시키기 위한 장치로써, 본 발명에서는 초음파 기반의 가열 시스템을 일 실시예로 개시하지만 이에 한정되는 것은 아니고, 휘발성용액을 가열시키기 위한 그 어떤 가열장치도 가능하다. 도 7에 도시된 바와 같이, 자연증발을 통한 미세액적(10)의 혼합과정(a)과, 가열부(30)를 통해 휘발성 용액을 가열시켜 증발되는 방식을 통한 미세액적(10)의 혼합과정(b)을 시간 경과에 따라 촬영한 사진을 보면, 자연증발의 경우, 액적이 전부 혼합되는데 약 50초가 소요되었으나, 가열부(30)를 통해 휘발성 용액을 약 40℃로 가열시켜 마랑고니 효과를 극대화시켰을 때, 액적을 혼합하는데 약 8초의 시간이 소요되었다. 그에 따라, 가열부(30)의 유무에 따라 액적을 혼합하는데 걸리는 시간이 상당한 차이를 보이는 것을 알 수 있다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 가열부(30)는, 표면탄성파를 발생시키는 빗살무늬전극(Interdigital Tranducer)이 형성된 압전기판(31)과, 상기 표면탄성파를 흡수하여 발열되는 점탄성 물질로 이루어진 마이크로채널(33)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 빗살무늬전극에 표면탄성파가 발생하도록 주파수를 인가하는 신호발생기(40)와, 상기 신호발생기(40)로부터 인가된 주파수를 증폭시키고, 상기 한 쌍의 전극단자(31a, 31b)와 전선 연결되는 증폭기(50)와, 상기 증폭기(50)를 가동시키기 위한 전원공급기(60)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 신호발생기(40)는 압전기판(31) 내 각 가열 영역들을 시공간적으로 가진 제어하도록 전류 신호를 발생시키는 장치로, 신호발생기(40)를 통해 압전기판(31)에 인가하는 교류전류의 주파수에 따라 원하는 위치의 가열 영역을 선택하여 부분 가열할 수 있도록 표면탄성파를 발생시킬 수 있다. 상기 신호발생기(40)를 통해 인가된 주파수는 증폭기(50)를 통해 증폭되며, 증폭기(50)에서 한 쌍의 전선이 전술한 한 쌍의 전극단자(31a, 31b)와 연결되어 증폭된 신호를 전달한다.
본 발명의 일 실시예에 따라 초음파 기반 가열장치로 이루어진 가열부(30)는, 점탄성 물질이 표면탄성파 형태의 초음파를 흡수했을 때 초음파가 감쇄되면서 발생하는 급속 발열현상을 기초로 한다. 상기 압전기판(31)은 표면탄성파를 발생시키기 위하여 전기적 에너지를 기계적인 에너지로 변환 가능한 압전 물질로 이루어지며, 전기장을 형성하도록 인가된 교류 전류를 통해 특정 주파수의 표면탄성파를 발생시킬 수 있도록 빗살무늬전극이 특정 패턴을 갖도록 인쇄, 제작될 수 있다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 압전기판(31)은, 리튬리니오베이트(LiNbO3), 석영(quartz), 리튬탄탈레이트(LiTaO3), 리튬보레이트(Li2B4O7) 또는 랑가사이트(La3Ga5SiO14) 중에서 선택된 어느 하나 이상의 소재로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 압전기판(31)은, 양측 단부에 형성된 한 쌍의 전극단자(31a, 31b)로부터 서로를 향해 연장 형성되는 복수개의 막대형단자가 서로 교차배치되는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 한 쌍의 전극단자(31a, 31b)는 압전기판(31)의 양측을 이루고 있으며, 이는 후술하는 증폭기(50)로부터 각각 전선 연결되어 전기신호를 전달받는다. 상기 한 쌍의 전극단자(31a, 31b)로부터 서로를 향해 연장 형성되는 복수개의 막대형단자를 더 포함할 수 있으며, 상기 복수개의 막대형단자는 서로 소정간격만큼 이격되어 교차 배치되는 구조로 이루어질 수 있으며, 모든 막대형단자간 이격된 거리는 동일하게 형성되는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 표면탄성파를 흡수하여 발열되는 점탄성 물질로 이루어진 마이크로채널(33)을 포함한다. 여기서, 상기 점탄성 물질은, 실리콘 기반 폴리머(Silicone-based polymer), 고분자화합물(Plastic), 고무(Rubber), 종이(Paper), 음식물(Food) 또는 생체조직(Biological tissue) 중에서 선택된 어느 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 다양한 종류의 점탄성 물질이 적용 가능하다.
상기 마이크로채널(33)은 상기 휘발성용액가이드부(23)를 둘러싸도록 형성될 수 있으며, 압전기판(31) 상부로까지 연장 형성된다. 상기 신호 발생기(40)로부터 기설정된 주파수의 전류 신호가 발생되면 압전기판(31)의 표면을 따라 진행하다가 마이크로채널(33) 내로 굴절되어 압축된 체적파(Compressional bulk Wave) 형태의 누설 표면탄성파가 마이크로채널(33) 내에 흡수되며 열을 발생시키게 된다. 여기서, 상기 마이크로채널(33) 내로 침투한 누설 표면탄성파는 압축된 체적파이기 때문에 표면 가열이 아니라 체적 가열을 겪게 된다. 이러한 특징 때문에, 초음파 가열 장치는 다른 가열 장치에 비해 더욱 효과적으로 PDMS 내부의 휘발성 용액을 가열시킬 수 있고, 가열 조작이 간단하다는 장점이 있다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 휘발성용액가이드부(23)는, 상기 마이크로채널(33)을 따라 연장 형성되며, 단부는 상기 압전기판(31) 위에 위치되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 마이크로채널(33)은, 상기 휘발성용액저장부(21)와 휘발성용액가이드부(23)를 감싸도록 형성되며, 상기 휘발성용액가이드부(23)가 내장된 상태로 상기 압전기판(31)까지 연장 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 마이크로채널(33)은 휘발성용액저장부(21)와 휘발성용액가이드부(23)를 감싸도록 형성될 수 있으며, 휘발성용액가이드부(23)가 연장되는 방향으로 연장 형성되되 상기 휘발성용액가이드부(23)를 내장시킨 상태로 상기 압전기판(31)까지 연장되도록 하여, 발생하는 표면탄성파가 마이크로채널(33) 내로 굴절, 흡수되면서 열을 발생시킴으로써 휘발성 용액의 증발효과를 극대화시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 압전기판(31) 위에 설치되며, 발생되는 표면탄성파를 감쇄시키는 고분자복합체를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 고분자복합체는, 은나노와이어-PDMS 복합체로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 압전기판(31) 위에 설치되는 고분자복합체는 발생되는 표면탄성파를 감쇄시켜 발열 효과를 증대시키기 위한 구성으로, 마이크로채널(33) 자체를 고분자복합체로 구성할 수도 있으며, 상기 압전기판(31) 위에 별도의 고분자복합체를 설치하여 초음파 감쇄효과를 증대시킬 수도 있다. 본 발명의 실시예에서는 상기 고분자복합체는 은나노와이어(AgNW)-PDMS 복합체를 개시한다. 상기 은나노와이어-PDMS복합체를 제작하는 방법으로는, 우선 Spin coating 공정을 통해 얇은 PDMS 박막을 제작하고, 그 위에 소량의 은나노와이어를 스프레이 건을 통해 분사한 후 그 위에 다시 PDMS를 형성시켜 결과적으로 PDMS 안에 은나노와이어가 심어져 있는 구조로 형성된다. 이렇게 형성된 은나노와이어-PDMS 복합체는 음파 감쇄의 유효길이가 증가하여, 음파 감쇄가 증대되면서 발열효과가 높아지게 된다. 도 10에 도시된 실험예에 따르면, 은나니와이어-PDMS 복합체를 사용한 경우(b) 일반적인 PDMS를 사용한 경우(a)에 비해, 약 60% 높은 발열량을 보이는 것을 확인할 수 있으며, 그에 따라 휘발성 용액의 증발 효과를 극대화시켜 결과적으로 미세액적(10)의 혼합이 더욱 빠르게 이루어질 수 있다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 압전기판(31) 위에 설치되며, 발생되는 표면탄성파를 감쇄시키는 은나노와이어-PDMS 복합체를 더 포함하되, 상기 은나노와이어-PDMS 복합체는, 상기 압전기판(31)과 마이크로채널(33) 사이에 인입 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 은나노와이어-PDMS 복합체는 전술한 바와 같이, 음파 감쇄효과 증가에 따른 발열효과가 높아지게 되는 원리를 이용하는 것으로, 상기 압전기판(31)위에 설치된 은나노와이어-PDMS 복합체를 통해 압전기판(31)에서 발생된 표면탄성파가 감쇄되면서 발열효과가 증대되고, 상기 은나노와이어-PDMS 복합체 위에 점탄성 물질로 이루어진 마이크로채널(33)이 위치되어 표면탄성파 형태의 초음파를 흡수했을 때 초음파가 감쇄되면서 발생하는 급속 발열현상을 통해 추가적인 발열이 이루어져 휘발성용액을 자연증발 대비 빠르게 증발시킬 수 있다는 효과가 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 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. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 미세액적
20 : 휘발성용액공급부
21 : 휘발성용액저장부
23 : 휘발성용액가이드부
30 : 가열부
31 : 압전기판
31a, 31b : 전극단자
33 : 마이크로채널
40 : 신호발생기
50 : 증폭기
60 : 전원공급기

Claims (13)

  1. 미세액적(droplet);
    상기 미세액적에 인접 설치되며, 휘발성용액을 공급되는 휘발성용액공급부;
    상기 휘발성용액공급부 상에 위치하며, 휘발성용액을 가열시키는 가열부;
    를 포함하고,
    상기 가열부는, 표면탄성파를 발생시키는 빗살무늬전극(Interdigital Tranducer)이 형성된 압전기판과, 상기 표면탄성파를 흡수하여 발열되는 점탄성 물질로 이루어진 마이크로채널을 포함하고,
    상기 휘발성용액공급부는, 상기 휘발성용액이 저장되는 휘발성용액저장부와, 상기 휘발성용액저장부로부터 미세액적을 향해 연장 형성되며, 휘발성용액을 미세액적까지 안내하는 휘발성용액가이드부를 포함하고,
    상기 휘발성용액가이드부는, 상기 마이크로채널을 따라 연장 형성되며, 단부는 상기 압전기판 위에 위치되고,
    상기 마이크로채널은, 상기 휘발성용액저장부와 휘발성용액가이드부를 감싸도록 형성되며, 상기 휘발성용액가이드부가 내장된 상태로 상기 압전기판까지 연장 형성되는 것을 특징으로 하는 미세액적 혼합장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압전기판은,
    양측 단부에 형성된 한 쌍의 전극단자로부터 서로를 향해 연장 형성되는 복수개의 막대형단자가 서로 교차배치되는 것을 특징으로 하는 미세액적 혼합장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 빗살무늬전극에 표면탄성파가 발생하도록 주파수를 인가하는 신호발생기와,
    상기 신호발생기로부터 인가된 주파수를 증폭시키고, 상기 한 쌍의 전극단자와 전선 연결되는 증폭기와,
    상기 증폭기를 가동시키기 위한 전원공급기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세액적 혼합장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 압전기판은,
    리튬리니오베이트(LiNbO3), 석영(quartz), 리튬탄탈레이트(LiTaO3), 리튬보레이트(Li2B4O7) 또는 랑가사이트(La3Ga5SiO14) 중에서 선택된 어느 하나 이상의 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세액적 혼합장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 점탄성 물질은,
    실리콘 기반 폴리머(Silicone-based polymer), 고분자화합물(Plastic), 고무(Rubber), 종이(Paper), 음식물(Food) 또는 생체조직(Biological tissue) 중에서 선택된 어느 하나 이상의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세액적 혼합장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 휘발성용액은,
    아세톤, 에탄올, 메탄올, 이소프로필알코올 중에 선택된 어느 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세액적 혼합장치.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 압전기판 위에 설치되며, 발생되는 표면탄성파를 감쇄시키는 고분자복합체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세액적 혼합장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 고분자복합체는, 은나노와이어-PDMS 복합체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세액적 혼합장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 압전기판 위에 설치되며, 발생되는 표면탄성파를 감쇄시키는 은나노와이어-PDMS 복합체를 더 포함하되,
    상기 은나노와이어-PDMS 복합체는, 상기 압전기판과 마이크로채널 사이에 인입 설치되는 것을 특징으로 하는 미세액적 혼합장치.
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