KR102561447B1 - Fluidic diode and fluidic transporting device - Google Patents

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Abstract

유체다이오드 및 유체이송장치에 대한 발명이 개시된다. 본 발명의 유체다이오드는: 복수의 그루브가 연결되는 다이오드 채널부를 포함하고, 그루브는 일단부에서 타단부로 갈수록 폭이 점차적으로 넓게 형성되고, 상측에서 하측으로 갈수록 폭이 점차적으로 좁아지는 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.The invention for a fluid diode and a fluid transfer device is disclosed. The fluid diode of the present invention includes: a diode channel portion to which a plurality of grooves are connected, and the grooves are formed in a form in which the width gradually widens from one end to the other end and gradually narrows from the top to the bottom. characterized by being

Description

유체다이오드 및 유체이송장치{FLUIDIC DIODE AND FLUIDIC TRANSPORTING DEVICE}Fluid diode and fluid transfer device {FLUIDIC DIODE AND FLUIDIC TRANSPORTING DEVICE}

본 발명은 유체다이오드 및 유체이송장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유체가 원하는 방향으로 유동되게 하고, 외부 에너지를 사용하지 않고 유체를 빠르게 이송시킬 수 있고, 대면적의 소재에 표면처리 없이 적용될 수 있는 유체다이오드 및 유체이송장치에 관한 것이다.The present invention relates to a fluid diode and a fluid transport device, and more particularly, allows fluid to flow in a desired direction, can transport fluid quickly without using external energy, and can be applied to a large area material without surface treatment. It relates to a fluid diode and a fluid transfer device.

일반적으로 미세유체 시스템에서 유체는 층류(laminar flow)를 형성한다. 미세유체 시스템은 유체의 연속 흐름 현상에 기반한다. 미세유체 시스템은 진단용 칩, 유기합성, 세포배양, 마이크로 반응기, 생물학, 고분자학, 화학 등 다양한 분야에 걸쳐 적용될 수 있다. In general, a fluid in a microfluidic system forms a laminar flow. Microfluidic systems are based on the continuous flow of fluids. Microfluidic systems can be applied to various fields such as diagnostic chips, organic synthesis, cell culture, microreactors, biology, macromolecular science, and chemistry.

그러나, 종래의 미세유체 시스템은 유체의 표면 에너지를 이용하므로, 구조물의 형상과 제작방법에 따라 성능이 달라질 수 있다. 또한, 미세유체 시스템의 구조가 복잡해짐에 따라 리소그라피 공정 또는 3D 프린팅 기술이 사용되므로, 제조 비용과 제조 시간이 현저히 증가될 수 있다.However, since the conventional microfluidic system uses the surface energy of the fluid, performance may vary depending on the shape and manufacturing method of the structure. In addition, since a lithography process or 3D printing technology is used as the structure of the microfluidic system becomes more complex, manufacturing cost and manufacturing time may be significantly increased.

또한, 미세유체 시스템은 유리나 실리콘 소재를 이용하여 제작되므로, 기계적인 강도가 우수하다. 그러나, 미세유체 시스템의 제작 공정이 복잡하고 제조비용이 증가된다.In addition, since the microfluidic system is manufactured using glass or silicon material, it has excellent mechanical strength. However, the manufacturing process of the microfluidic system is complicated and the manufacturing cost increases.

또한, 미세유체 시스템은 표면을 제작한 후 표면의 젖음성(wettability)을 조절하기 위해 금속코팅, 플라즈마 표면처리가 필요하므로, 대면적의 미세유체 시스템을 제작하기 어려웠다.In addition, since the microfluidic system requires metal coating and plasma surface treatment to adjust the wettability of the surface after fabrication, it is difficult to manufacture a large-area microfluidic system.

본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제2020-0060816호(2020. 06. 02 공개, 발명의 명칭: 고분자 입자 제조용 마이크로유체시스템 및 이를 이용한 고분자 입자 제조 방법)에 개시되어 있다.The background art of the present invention is disclosed in Republic of Korea Patent Publication No. 2020-0060816 (published on June 2, 2020, title of the invention: Microfluidic system for producing polymer particles and method for producing polymer particles using the same).

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 유체가 원하는 방향으로 유동되게 하고, 외부 에너지를 사용하지 않고 유체를 빠르게 이송시킬 수 있고, 대면적의 소재에 표면처리 없이 적용될 수 있는 유체다이오드 및 유체이송장치를 제공하는 것이다.The present invention was created to improve the above problems, and an object of the present invention is to allow fluid to flow in a desired direction, to quickly transfer fluid without using external energy, and to provide surface treatment for large-area materials. It is to provide a fluid diode and a fluid transfer device that can be applied without it.

본 발명에 따른 유체다이오드는: 복수의 그루브가 연결되는 다이오드 채널부를 포함하고, 상기 그루브는 일단부에서 타단부로 갈수록 폭이 점차적으로 넓게 형성되고, 상측에서 하측으로 갈수록 폭이 점차적으로 좁아지는 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.A fluid diode according to the present invention includes: a diode channel portion to which a plurality of grooves are connected, and the groove gradually widens from one end to the other, and gradually narrows from top to bottom. It is characterized in that formed by.

복수의 상기 그루브의 상기 일단부에는 이웃한 상기 그루브의 상기 타단부가 각각 연결될 수 있다.The other ends of the adjacent grooves may be respectively connected to the one end of the plurality of grooves.

상기 그루브의 깊이방향 단면은 “Ｖ” 형태로 형성될 수 있다. A cross section in the depth direction of the groove may be formed in a “V” shape.

상기 그루브의 일단부와 이웃한 상기 그루브의 타단부가 연결되는 엣지부는 단차지게 형성될 수 있다.An edge portion to which one end of the groove and the other end of the adjacent groove are connected may be formed stepwise.

상기 그루브의 양측 경사면부는 상기 그루브의 깊이방향 수직선을 기준으로 대칭되게 형성될 수 있다. Inclined surfaces on both sides of the groove may be formed symmetrically with respect to a vertical line in the depth direction of the groove.

상기 그루브의 양측 경사면부의 경사각은 상기 다이오드 채널부에서 유동되는 유체의 접촉각보다 크게 형성될 수 있다.An inclination angle of the inclined surface portions on both sides of the groove may be greater than a contact angle of the fluid flowing in the diode channel portion.

상기 경사면부의 경사각은 상기 그루브의 수평선을 기준으로 40-90° 범위로 형성될 수 있다.An inclination angle of the inclined surface portion may be formed in a range of 40° to 90° based on a horizontal line of the groove.

상기 그루브의 하단부는 상기 그루브의 상기 일단부에서 상기 타단부 측으로 갈수록 하향 경사지게 형성될 수 있다. A lower end of the groove may be inclined downward from one end of the groove toward the other end.

본 발명에 따른 유체이송장치는 복수의 그루브가 연결되는 다이오드 채널부가 소재의 표면에 복수 개 형성되고, 상기 그루브는 일단부에서 타단부로 갈수록 폭이 점차적으로 넓게 형성되고, 상측에서 하측으로 갈수록 폭이 점차적으로 좁아지는 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.In the fluid transport device according to the present invention, a plurality of diode channel portions to which a plurality of grooves are connected are formed on the surface of a material, and the grooves gradually widen from one end to the other end, and from top to bottom. It is characterized in that it is formed in a gradually narrowing shape.

복수의 상기 그루브의 상기 일단부에는 이웃한 상기 그루브의 상기 타단부가 각각 연결될 수 있다.The other ends of the adjacent grooves may be respectively connected to the one end of the plurality of grooves.

상기 그루브의 깊이방향 단면은 “Ｖ” 형태로 형성될 수 있다. A cross section in the depth direction of the groove may be formed in a “V” shape.

상기 그루브의 상기 일단부와 이웃한 상기 그루브의 상기 타단부가 연결되는 엣지부는 단차지게 형성될 수 있다.An edge portion to which the one end of the groove and the other end of the adjacent groove are connected may be formed stepwise.

상기 그루브의 양측 경사면부는 상기 그루브의 깊이방향 수직선을 기준으로 대칭되게 형성될 수 있다. Inclined surfaces on both sides of the groove may be formed symmetrically with respect to a vertical line in the depth direction of the groove.

상기 경사면부의 경사각은 상기 다이오드 채널부에서 유동되는 유체의 접촉각보다 크게 형성될 수 있다.An inclination angle of the inclined surface portion may be greater than a contact angle of the fluid flowing in the diode channel portion.

상기 경사면부의 경사각은 상기 그루브의 수평선을 기준으로 40-90° 범위로 형성될 수 있다.An inclination angle of the inclined surface portion may be formed in a range of 40° to 90° based on a horizontal line of the groove.

상기 그루브의 하단부는 상기 그루브의 상기 일단부에서 상기 타단부 측으로 갈수록 하향 경사지게 형성될 수 있다. A lower end of the groove may be inclined downward from one end of the groove toward the other end.

상기 다이오드 채널부는 상측으로 세워지거나 경사진 상기 소재에 형성될 수 있다.The diode channel portion may be formed on the material that is erected upward or inclined.

상기 다이오드 채널부는 상기 소재에 라운드지게 형성될 수 있다.The diode channel portion may be formed round in the material.

본 발명에 따르면, 하나의 그루브 내에서는 유체가 폭이 좁은 영역에서 폭이 넓은 영역 측으로 유동되지만, 이웃한 그루브들이 연결되는 엣지부 영역에서는 폭이 좁은 영역의 유체가 폭이 넓은 이웃한 그루브 측으로는 유동되지 않는다. 따라서, 유체가 원하는 방향으로 유동되게 하고, 외부 에너지를 사용하지 않고 유체를 빠르게 이송시킬 수 있다.According to the present invention, in one groove, the fluid flows from the narrow area to the wide area, but in the edge area where adjacent grooves are connected, the fluid in the narrow area flows toward the adjacent wide groove. does not flow Accordingly, the fluid can flow in a desired direction and can be rapidly transported without using external energy.

또한, 본 발명에 따르면, 유체다이오드와 유체유동장치는 소재의 종류나 표면처리 유무에 거의 상관없이 유체유동거리가 기존의 유체다이오드에 비해 현저히 향상될 수 있다. In addition, according to the present invention, the fluid flow distance of the fluid diode and the fluid flow device can be remarkably improved compared to the conventional fluid diode, regardless of the type of material or surface treatment.

또한, 본 발명에 따르면, 다이오드 채널부에서 유체의 유속 및 유동거리가 현저히 증가되므로, 다이오드 채널부나 소재 표면의 젖음성을 향상시키기 위해 표면처리하지 않아도 된다. 따라서, 대면적의 유체이송장치에 적용할 수 있고, 제조비용 및 제조공정이 현저히 감소된다.In addition, according to the present invention, since the flow velocity and flow distance of the fluid are remarkably increased in the diode channel portion, surface treatment is not required to improve the wettability of the diode channel portion or the surface of the material. Therefore, it can be applied to a large-area fluid transfer device, and the manufacturing cost and manufacturing process are significantly reduced.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체다이오드가 원기둥 형태의 소재에 적용된 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체다이오드가 평판 형태의 소재에 적용된 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체다이오드의 다이오드 채널부를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드 채널부의 그루브에 유체를 주입하는 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드 채널부의 그루브에서 유체가 유동되는 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드 채널부의 그루브에서 유체가 한 방향으로만 유동되는 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체의 접촉각을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드 채널부에서 그루브의 경사면부의 경사각을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드 채널부의 그루브에서 경사면부의 경사각과 유체의 유동거리의 관계를 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드 채널부의 그루브에서 엣지부 영역에서 피닝현상에 의해 유체가 우측으로 유동되지 않는 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드 채널부의 그루브에서 유체의 양측 압력을 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드 채널부의 그루브에서 유체의 양측 압력을 개략적으로 도시한 측면도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드 채널부의 그루브에서 유체의 양측 압력차와 유체의 방향성에 대한 관계를 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드 채널부가 중력방향으로 세워진 상태에서 유체의 유동 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드 채널부가 라운드지게 형성되는 상태에서 유체의 유동 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드 채널부에서 유체의 유동거리를 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a perspective view schematically illustrating a state in which a fluid diode according to an embodiment of the present invention is applied to a cylindrical material.
2 is a perspective view schematically showing a state in which a fluid diode according to an embodiment of the present invention is applied to a flat material.
3 is a perspective view schematically illustrating a diode channel portion of a fluid diode according to an embodiment of the present invention.
4 is a perspective view schematically illustrating a state in which fluid is injected into a groove of a diode channel unit according to an embodiment of the present invention.
5 is a perspective view schematically illustrating a state in which fluid flows in a groove of a diode channel unit according to an embodiment of the present invention.
6 is a perspective view schematically illustrating a state in which fluid flows in only one direction in a groove of a diode channel unit according to an embodiment of the present invention.
7 is a perspective view schematically illustrating a contact angle of a fluid according to an embodiment of the present invention.
8 is a perspective view schematically illustrating an inclination angle of an inclined surface portion of a groove in a diode channel portion according to an embodiment of the present invention.
9 is a graph schematically illustrating a relationship between an inclination angle of an inclined surface portion and a flow distance of a fluid in a groove of a diode channel portion according to an embodiment of the present invention.
10 is a view schematically showing a state in which fluid does not flow to the right due to a pinning phenomenon in an edge region of a groove of a diode channel unit according to an embodiment of the present invention.
11 is a plan view schematically showing pressures on both sides of a fluid in a groove of a diode channel unit according to an embodiment of the present invention.
12 is a side view schematically illustrating pressures on both sides of a fluid in a groove of a diode channel unit according to an embodiment of the present invention.
13 is a graph schematically illustrating a relationship between a pressure difference between both sides of a fluid and a directionality of a fluid in a groove of a diode channel unit according to an embodiment of the present invention.
14 is a view schematically showing a flow state of fluid in a state in which the diode channel unit is erected in the direction of gravity according to an embodiment of the present invention.
15 is a diagram schematically illustrating a flow state of a fluid in a state in which a diode channel portion is formed round according to an embodiment of the present invention.
16 is a diagram schematically illustrating a flow distance of fluid in a diode channel unit according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 유체다이오드 및 유체이송장치의 일 실시예를 설명한다. 유체다이오드 및 유체이송장치를 설명하는 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Hereinafter, an embodiment of a fluid diode and a fluid transfer device according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the course of describing the fluid diode and the fluid transfer device, thicknesses of lines or sizes of components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of description. In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or custom of a user or operator. Therefore, definitions of these terms will have to be made based on the content throughout this specification.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체다이오드가 원기둥 형태의 소재에 적용된 상태를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체다이오드가 평판 형태의 소재에 적용된 상태를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체다이오드의 다이오드 채널부를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드 채널부의 그루브에 유체를 주입하는 상태를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드 채널부의 그루브에서 유체가 유동되는 상태를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드 채널부의 그루브에서 유체가 한 방향으로만 유동되는 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.1 is a perspective view schematically illustrating a state in which a fluid diode according to an embodiment of the present invention is applied to a cylindrical material, and FIG. 2 is a state in which a fluid diode according to an embodiment of the present invention is applied to a flat material. Figure 3 is a perspective view schematically showing a diode channel portion of a fluid diode according to an embodiment of the present invention, Figure 4 is a fluid in the groove of the diode channel portion according to an embodiment of the present invention A perspective view schematically showing an injection state, and FIG. 5 is a perspective view schematically showing a state in which fluid flows in a groove of a diode channel unit according to an embodiment of the present invention, and FIG. It is a perspective view schematically showing a state in which fluid flows in only one direction in the groove of the diode channel portion according to FIG.

도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유체다이오드는 복수의 그루브(110)가 연결되는 다이오드 채널부(100)를 포함한다. 이때, 다이오드 채널부(100)에는 복수의 그루브(110)가 일렬로 연결된다. 1 to 6 , a fluid diode according to an embodiment of the present invention includes a diode channel unit 100 to which a plurality of grooves 110 are connected. At this time, a plurality of grooves 110 are connected to the diode channel unit 100 in a row.

소재(10)의 표면(12)에는 복수의 다이오드 채널부(100)가 배열된다. 예를 들면, 복수의 다이오드 채널부(100) 원기둥이나 원통형 소재(10)의 표면(12)에 나란하게 형성된다(도 1 참조). 또한, 복수의 다이오드 채널부(100)는 평판 형태의 소재(10)에 나란하게 형성될 수 있다(도 2 참조). A plurality of diode channel units 100 are arranged on the surface 12 of the material 10 . For example, a plurality of diode channel units 100 are formed side by side on the surface 12 of a cylindrical or cylindrical material 10 (see FIG. 1). In addition, the plurality of diode channel units 100 may be formed side by side on the flat material 10 (see FIG. 2).

그루브(110)는 일단부(111)에서 타단부(112)로 갈수록 폭이 점차적으로 넓게 형성되고(w1<w2), 상측에서 하측으로 갈수록 폭이 점차적으로 좁아지는 형태로 형성된다(도 3 참조). 이때, 복수의 그루브(110)의 일단부(111)에는 이웃한 그루브(110)의 타단부(112)가 각각 연결된다. 복수의 그루브(110)에서 일단부(111)의 깊이(h1)은 타단부(112)의 깊이(h2)보다 낮게 형성된다. 하나의 그루브(110)의 일단부(111)와 이웃한 그루브(110)의 타단부(112)가 연결되는 부분을 엣지부(113)라고 한다. 이러한 다이오드 채널부(100)는 측면에서 보았을 때 전체적으로 톱날 형태의 3차원 구조로 형성된다.The groove 110 is formed in a form in which the width gradually increases from one end 111 to the other end 112 (w1<w2) and gradually narrows from the upper side to the lower side (see FIG. 3). ). At this time, one end 111 of the plurality of grooves 110 is connected to the other end 112 of the adjacent groove 110, respectively. In the plurality of grooves 110, the depth h1 of one end 111 is formed lower than the depth h2 of the other end 112. A portion where one end 111 of one groove 110 and the other end 112 of a neighboring groove 110 are connected is called an edge portion 113. When viewed from the side, the diode channel unit 100 has a three-dimensional structure in the shape of a saw blade.

본 발명에 따른 유체다이오드는 레이저에 의해 가공되므로, 신속하고 용이하게 제작되고, 제조공정이 간단하고 제조비용이 감소될 수 있다. 또한, 유체다이오드는 별도의 표면처리를 하지 않아도 되므로, 대면적의 미세유체이송장치를 제조할 수 있다.Since the fluid diode according to the present invention is processed by a laser, it can be manufactured quickly and easily, the manufacturing process is simple, and the manufacturing cost can be reduced. In addition, since the fluid diode does not require a separate surface treatment, a large-area microfluidic transfer device can be manufactured.

그루브(110)에 유체(F)가 유입되면, 하나의 그루브(110) 내에서는 유체(F)가 폭(w1)이 좁은 영역에서 폭(w2)이 넓은 영역 측으로 유동되지만, 이웃한 그루브(110)들이 연결되는 엣지부(113) 영역에서는 폭(w1)이 좁은 영역의 유체(F)가 폭(w2)이 넓은 이웃한 그루브(110) 측으로는 유동되지 않는다. 도 4 내지 도 6에 나타난 바와 같이, 하나의 그루브(110) 내에 유체(F)가 유입되면, 하나의 그루브(110)의 일단부(111)에 위치된 엣지부(113)를 기준으로, 좌측 그루브(110) 측으로는 유체(F)가 유동되지만, 엣지부(113) 영역에서 피닝 현상(pinning)이 발생됨에 따라 우측 그루브(110) 측으로는 유체(F)가 유동되지 않는다. 따라서, 유체(F)가 원하는 방향으로 유동되게 하고, 외부 에너지를 사용하지 않고 유체(F)를 빠르게 이송시킬 수 있다. 피닝 현상에 관해서는 아래에서 상세히 설명하기로 한다.When the fluid F flows into the groove 110, the fluid F flows from an area with a narrow width w1 to an area with a wide width w2 in one groove 110, but the adjacent groove 110 ) are connected, the fluid F in the narrow area w1 does not flow toward the adjacent groove 110 having a wide width w2. As shown in FIGS. 4 to 6, when the fluid F flows into one groove 110, based on the edge portion 113 located at one end 111 of one groove 110, the left side Although the fluid F flows toward the groove 110, the fluid F does not flow toward the right groove 110 as pinning occurs in the edge portion 113 region. Therefore, the fluid F can be flowed in a desired direction and the fluid F can be rapidly transported without using external energy. The pinning phenomenon will be described in detail below.

그루브(110)의 깊이방향(z축 방향) 단면은 “Ｖ” 형태로 형성된다. 이때, 그루브(110)의 깊이방향(z축 방향) 단면은 그루브(110)의 일단부(111)에서 타단부(112)로 갈수록 점차적으로 넓어진다. 그루브(110)의 양측에는 경사면이 형성된다.The cross section in the depth direction (z-axis direction) of the groove 110 is formed in a “V” shape. At this time, the cross section in the depth direction (z-axis direction) of the groove 110 gradually widens from one end 111 to the other end 112 of the groove 110 . Inclined surfaces are formed on both sides of the groove 110 .

그루브(110)의 일단부(111)와 이웃한 그루브(110)의 타단부(112)가 연결되는 엣지부(113)는 단차지게 형성된다. 따라서, 엣지부(113)의 영역에서 폭이 좁은 영역에서 폭이 넓은 영역, 즉 이웃한 그루브(110) 측으로 유체(F)가 유동되지 않고, 그 반대로만 유체(F)가 유동될 수 있다.An edge portion 113 to which one end 111 of the groove 110 and the other end 112 of the adjacent groove 110 are connected is formed stepwise. Therefore, the fluid F does not flow from the narrow area of the edge portion 113 to the wide area, that is, the adjacent groove 110 side, and the fluid F may flow only in the opposite direction.

그루브(110)의 양측 경사면부(115)는 그루브(110)의 깊이방향 수직선(z축)을 기준으로 대칭되게 형성된다. 이때, 경사면부(115)는 평면 형태로 형성되거나 외측으로 약간 볼록하게 형성될 수 있다. 그루브(110)의 양측 경사면부(115)가 수직선을 기준으로 대칭되게 형성되므로, 그루브(110)의 폭방향 중심부에서 양측 경사면부(115) 측으로 오목한 계면(C: 도 8 참조)이 대칭되게 형성될 수 있다. 따라서, 그루브(110)의 유체(F)가 양쪽 경사면부(115)를 따라 동일하거나 거의 동일한 속도로 유동될 수 있다.The inclined surface portions 115 on both sides of the groove 110 are formed symmetrically with respect to a vertical line (z-axis) in the depth direction of the groove 110 . At this time, the inclined surface portion 115 may be formed in a flat shape or slightly convex outward. Since the inclined surface portions 115 on both sides of the groove 110 are formed symmetrically with respect to a vertical line, a concave interface (C: see FIG. 8) is formed symmetrically from the center of the groove 110 in the width direction toward the inclined surface portions 115 on both sides. It can be. Therefore, the fluid F of the groove 110 can flow along both inclined surface portions 115 at the same or almost the same speed.

그루브(110)의 하단부(114)는 그루브(110)의 일단부(111)에서 타단부(112) 측으로 갈수록 하향 경사지게 형성된다. 따라서, 그루브(110)의 타단부(112)의 단면적이 일단부(111)의 단면적보다 크게 형성되므로, 그루브(110)에서 유체(F)가 타단부(112) 측으로 원활하게 유동될 수 있다.The lower end 114 of the groove 110 is inclined downward from one end 111 to the other end 112 of the groove 110 . Therefore, since the cross-sectional area of the other end 112 of the groove 110 is larger than the cross-sectional area of the one end 111, the fluid F can flow smoothly toward the other end 112 in the groove 110.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체의 접촉각을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드 채널부에서 그루브의 경사면부의 경사각을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드 채널부의 그루브에서 경사면부의 경사각과 유체의 유동거리의 관계를 개략적으로 도시한 그래프이다.7 is a perspective view schematically showing a contact angle of fluid according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a perspective view schematically showing an inclination angle of an inclined surface portion of a groove in a diode channel portion according to an embodiment of the present invention, 9 is a graph schematically illustrating a relationship between an inclination angle of an inclined surface portion and a flow distance of a fluid in a groove of a diode channel portion according to an embodiment of the present invention.

도 7 내지 도 9를 참조하면, 그루브(110)의 유체(F)는 그루브(110)의 폭방향을 기준으로 오목한 계면(C)(concave interface)이 형성는 측으로 모세관힘(capillary force)이 작용함에 의해 유동된다(도 8, 도 10 및 도 11 참조). 반면, 그루브(110)의 유체(F)는 그루브(110)의 폭방향을 기준으로 평평한 계면(flat interface)이나 볼록한 계면(convex interface)이 형성되면 유동되지 않거나 반대로 유동된다. 7 to 9, the fluid F of the groove 110 has a capillary force acting on the side where a concave interface (C) is formed based on the width direction of the groove 110. is flowed by (see FIGS. 8, 10 and 11). On the other hand, the fluid F of the groove 110 does not flow or reversely flows when a flat interface or a convex interface is formed based on the width direction of the groove 110 .

이웃한 그루브(110)들이 연결되는 엣지부(113) 영역에서 폭이 좁은 영역의 유체(F)가 폭이 넓은 이웃한 그루브(110) 측으로 유동되지 않는 현상을 피닝 현상(pinning phenomenan)이라고 한다.A phenomenon in which the fluid F in the narrow area in the edge portion 113 region where the adjacent grooves 110 are connected does not flow toward the adjacent wide groove 110 is called pinning phenomenan.

그루브(110)의 양측 경사면부(115)의 경사각은 다이오드 채널부(100)에서 유동되는 유체(F)의 접촉각(θ)보다 크게 형성된다. 경사면부(115)의 경사각(α)은 그루브(110)의 수평선(y축)을 기준으로 40-90° 범위 내에서 형성될 수 있다. 도 9를 참조하면, 유체(F)로서 물이 적용되는 경우, 그루브(110)의 경사면부(115)의 경사각이 대략 82° 이상에서 유체(F)가 한 방향으로 유동되는 것을 알 수 있다. The inclination angle of the inclined surface portions 115 on both sides of the groove 110 is greater than the contact angle θ of the fluid F flowing in the diode channel portion 100 . The inclination angle α of the inclined surface portion 115 may be formed within a range of 40° to 90° based on the horizontal line (y-axis) of the groove 110 . Referring to FIG. 9 , when water is applied as the fluid F, it can be seen that the fluid F flows in one direction when the inclination angle of the inclined surface portion 115 of the groove 110 is approximately 82° or more.

이때, 유체(F)의 접촉각(θ)에는 정적 접촉각(static contace angle), 동적 접촉각(dynamic contact angle) 등이 있으며, 접촉각(θ)은 소재(10)의 표면 상태, 젖음, 증발 및 온도와 같은 외부조건에 따라 변화될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 그루브(110)의 접촉각(θ)은 유체다이오드가 적용되는 소재(10)의 종류 및 형태, 유체(F)의 종류, 외부조건 등을 고려하여 적절하게 설계될 수 있다.At this time, the contact angle (θ) of the fluid (F) includes a static contact angle, a dynamic contact angle, etc., and the contact angle (θ) is related to the surface state, wetting, evaporation, and temperature of the material (10). It can change according to the same external conditions. Therefore, the contact angle θ of the groove 110 according to the present invention can be appropriately designed in consideration of the type and shape of the material 10 to which the fluid diode is applied, the type of fluid F, and external conditions.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드 채널부의 그루브에서 엣지부 영역에서 피닝현상에 의해 유체가 우측으로 유동되지 않는 상태를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드 채널부의 그루브에서 유체의 양측 압력을 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드 채널부의 그루브에서 유체의 양측 압력을 개략적으로 도시한 측면도이고, 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드 채널부의 그루브에서 유체의 양측 압력차와 유체의 방향성에 대한 관계를 개략적으로 도시한 그래프이다.10 is a view schematically showing a state in which fluid does not flow to the right due to a pinning phenomenon in the edge area of the groove of the diode channel unit according to an embodiment of the present invention, and FIG. A plan view schematically showing the pressure on both sides of the fluid in the groove of the diode channel portion according to the present invention, Figure 12 is a side view schematically showing the pressure on both sides of the fluid in the groove of the diode channel portion according to an embodiment of the present invention, Figure 13 is the present invention It is a graph schematically showing the relationship between the pressure difference between both sides of the fluid and the directionality of the fluid in the groove of the diode channel unit according to an embodiment of the present invention.

도 10 내지 도 13을 참조하면, 하나의 그루브(110)에서는 유체(F)가 폭이 좁은 영역에서 폭이 넓은 영역 측으로 유동되지만, 이웃한 그루브(110)들이 연결되는 엣지부(113) 영역에서는 피닝현상에 의해 폭이 좁은 영역의 유체(F)가 폭이 넓은 이웃한 그루브(110) 측으로는 유동되지 않는다. 하나의 그루브(110)의 엣지부(113) 영역을 기준으로, 폭이 좁아지는 영역 측(도 10의 좌측)으로는 유체(F)가 유동되지만, 폭이 넓어지는 영역 측(도 10의 우측)으로는 유체(F)가 유동되지 않는 것을 확인할 수 있었다.10 to 13, in one groove 110, the fluid F flows from a narrow area to a wide area, but in the edge portion 113 area where adjacent grooves 110 are connected. Due to the pinning phenomenon, the fluid F in the narrow area does not flow toward the adjacent wide groove 110. Based on the area of the edge portion 113 of one groove 110, the fluid F flows to the area where the width is narrowed (the left side in FIG. 10), but the area where the width is widened (the right side in FIG. 10). ), it was confirmed that the fluid F did not flow.

피닝 현상은 엣지부(113) 영역에서 폭이 넓은 영역과 폭이 좁은 영역 사이의 압력차(P1-P2)가 3.2Pa 이상일 때에만 발생된다. 따라서, 복수의 그루브(110)가 연결되는 다이오드 채널부(100)에서는 한 방향으로만 유체(F)가 유동된다.The pinning phenomenon occurs only when the pressure difference (P1-P2) between the wide area and the narrow area in the edge portion 113 is greater than or equal to 3.2 Pa. Therefore, in the diode channel portion 100 to which the plurality of grooves 110 are connected, the fluid F flows in only one direction.

이러한 유체(F)의 압력에 관한 수식은 이다. 여기서, P는 유체의 압력, γ는 유체의 비중량, K는 유체의 체적탄성계수, θ는 유체의 접촉각, h는 그루브(110)의 깊이를 나타낸다. 접촉각(θ)은 유체 표면의 법선과 고체(S)의 평면 사이의 각도를 의미한다(도 7 참조).The formula for the pressure of this fluid (F) is am. Here, P is the pressure of the fluid, γ is the specific weight of the fluid, K is the bulk modulus of elasticity of the fluid, θ is the contact angle of the fluid, and h is the depth of the groove 110. The contact angle (θ) means the angle between the normal of the fluid surface and the plane of the solid (S) (see FIG. 7).

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드 채널부가 중력방향으로 세워진 상태에서 유체의 유동 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.14 is a view schematically showing a flow state of fluid in a state in which the diode channel unit is erected in the direction of gravity according to an embodiment of the present invention.

도 14를 참조하면, 복수의 다이오드 채널부(100)는 소재(10)의 평면에 수평하게 배열된다. 예를 들면, 소재(10)에서 유체(F)를 가로방향으로 유동시키는 경우, 복수의 다이오드 채널부(100)는 가로방향에 평행하게 배치된다. 소재(10)에서 유체(F)를 세로방향으로 유동시키는 경우, 복수의 다이오드 채널부(100)는 세로방향에 평행하게 배치된다. 소재(10)에서 유체(F)를 경사방향으로 유동시키는 경우, 복수의 다이오드 채널부(100)는 가로방향에 대하여 경사지게 배치된다.Referring to FIG. 14 , a plurality of diode channel units 100 are horizontally arranged on a plane of the material 10 . For example, when the fluid F flows in the transverse direction in the material 10, the plurality of diode channel units 100 are disposed parallel to the transverse direction. When the fluid F flows in the longitudinal direction in the material 10, the plurality of diode channel units 100 are disposed parallel to the longitudinal direction. When the fluid F flows in the material 10 in an oblique direction, the plurality of diode channel units 100 are disposed obliquely with respect to the horizontal direction.

복수의 다이오드 채널부(100)는 상측을 향하여 경사지거나 세워진 소재(10)에 형성된다. 따라서, 유체(F)가 다이오드 채널부(100)에서 한방향으로만 유동되므로, 유체(F)를 상향으로 유동시키거나 하향으로 유동시킬 수 있다. 도 14에 나타난 바와 같이, 다이오드 채널부(100)가 중력방향(Gravity direction)으로 세워진 상태에서 그루브(110)에 물을 충분히 주입하면, 좌측 다이오드 채널부(100)에서 우측 다이오드 채널부(100)로 갈수록 물이 상측으로는 유동하는 것을 확인할 수 있다. 반면, 그루브(110)에 주입되는 물은 하측으로는 유동되지 않는 것을 확인할 수 있었다.A plurality of diode channel units 100 are formed on a material 10 that is inclined or erected upward. Accordingly, since the fluid F flows in only one direction in the diode channel portion 100, the fluid F may flow upward or downward. As shown in FIG. 14, when sufficient water is injected into the groove 110 in a state in which the diode channel unit 100 is erected in the direction of gravity, the left diode channel unit 100 changes to the right diode channel unit 100. It can be seen that the water flows upward as it goes. On the other hand, it was confirmed that the water injected into the groove 110 did not flow downward.

도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드 채널부가 라운드지게 형성되는 상태에서 유체의 유동 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.15 is a diagram schematically illustrating a flow state of a fluid in a state in which a diode channel portion is formed round according to an embodiment of the present invention.

도 15를 참조하면, 복수의 다이오드 채널부(100)는 소재(10)에 라운드지게 형성된다. 예를 들면, 복수의 다이오드 채널부(100)는 사인파 형태 또는 물결 형태로 형성된다. 따라서, 다이오드 채널부(100)에서 유체(F)가 사인파 형태나 그에 유사한 형태로 유동될 수 있다. 도 15에 나타난 바와 같이, 다이오드 채널부(100)가 라운드지게 형성되는 경우, 다이오드 채널부(100) 물이 시간(3s,7s,18s)이 지날수록 사인파 형태나 물결 형태로 유동되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 다이오드 채널부(100)에서 물은 한 방향으로만 유동되는 것도 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 15 , a plurality of diode channel portions 100 are formed round the material 10 . For example, the plurality of diode channel units 100 are formed in a sine wave shape or wave shape. Accordingly, the fluid F may flow in a sine wave form or a form similar thereto in the diode channel portion 100 . As shown in FIG. 15, when the diode channel portion 100 is formed in a round shape, it can be confirmed that the water in the diode channel portion 100 flows in a sine wave form or a wave form as time passes (3s, 7s, and 18s). there was. In addition, it was also confirmed that water flows in only one direction in the diode channel part 100 .

도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드 채널부에서 유체의 유동거리를 개략적으로 도시한 도면이다.16 is a diagram schematically illustrating a flow distance of fluid in a diode channel unit according to an embodiment of the present invention.

도 16을 참조하면, 본 발명에 따른 유체다이오드가 플라즈마 처리가 되지 않은 PMMA 소재(D1: Polymethyl Methacrylate), 플라즈마 처리된 PMMA 소재(D2), PDMS 소재(D3: Polydimethylsiloxane)에 적용된 경우에 관해 실험한 결과이다. Referring to FIG. 16, an experiment was conducted on the case where the fluid diode according to the present invention was applied to non-plasma treated PMMA material (D1: Polymethyl Methacrylate), plasma treated PMMA material (D2), and PDMS material (D3: Polydimethylsiloxane). This is the result.

본 발명에 따라 유체다이오드는 소재(10)의 종류나 표면처리 유무에 거의 상관없이 유체(F)의 유동거리(transporting distance)가 기존의 유체다이오드에 비해 현저히 향상되는 것을 확인할 수 있다.According to the present invention, it can be confirmed that the fluid diode significantly improves the transporting distance of the fluid F compared to the conventional fluid diode, regardless of the type of material 10 or surface treatment.

본 발명에 따른 유체다이오드는 유체(F)의 모세관힘에 의해 유동되므로, 외부 에너지를 사용하지 않고 유체(F)를 빠르게 이송시킬 수 있다. 유체다이오드와 미세유체이송장치는 진단용 칩, 유기합성, 세포배양, 마이크로 반응기, 생물학, 고분자학, 화학, 수분수집 구조, 미세유체역학, 액체주입표면 등 다양한 분야에 걸쳐 적용될 수 있다. 또한, 유체다이오드나 유체이송장치는 공기조화기의 증발기, 반도체칩의 표면, 표면 코팅층 등에 적용될 수 있다.Since the fluid diode according to the present invention flows by the capillary force of the fluid F, the fluid F can be quickly transported without using external energy. Fluid diodes and microfluidic transfer devices can be applied to various fields such as diagnostic chips, organic synthesis, cell culture, microreactors, biology, macromolecular science, chemistry, water collection structures, microfluidic mechanics, and liquid injection surfaces. In addition, the fluid diode or the fluid transfer device may be applied to an evaporator of an air conditioner, a surface of a semiconductor chip, or a surface coating layer.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.The present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but this is only exemplary, and those skilled in the art can make various modifications and equivalent other embodiments. will understand

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the claims.

10: 소재 12: 표면
100: 다이오드 채널부 110: 그루브
111: 일단부 112: 타단부
113: 엣지부 114: 하단부
115: 경사면부10: material 12: surface
100: diode channel portion 110: groove
111: one end 112: other end
113: edge portion 114: lower portion
115: slope portion

Claims (18)

복수의 그루브가 유체의 유동방향을 따라 연결되는 다이오드 채널부를 포함하고,
상기 다이오드 채널부는,
일단부에서 타단부로 갈수록 폭이 점차적으로 넓게 형성되고, 깊이방향으로 갈수록 폭이 점차적으로 좁아지는 형태로 형성되되, 깊이방향의 하단부가 상기 일단부에서 상기 타단부측으로 갈수록 하향 경사지게 형성되며, 유체가 모세관힘(capillary force)에 의해 상기 일단부측에서 상기 타단부측으로 유동가능하게 양측 경사면부의 경사각이 유체의 접촉각보다 크게 형성되는 제1그루브;
상기 제1그루브와 이웃하여 연결되고, 상기 일단부가 상기 제1그루브의 타단부와 연결되는 제2그루브; 및
상기 제1그루브와 상기 제2그루브가 연결되는 부분에 단차지게 형성되어, 상기 제1그루브 및 상기 제2그루브와 함께 전체적으로 3차원 톱날 형태를 형성하며, 유체가 압력차에 의해 상기 제2그루브측에서 폭과 깊이가 더 넓은 상기 제1그루브측으로 유동되지 않는 피닝 현상이 발생되는 영역을 형성하는 엣지부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체다이오드.
A plurality of grooves include a diode channel portion connected along the flow direction of the fluid,
The diode channel part,
The width is gradually wider from one end to the other end, and the width gradually narrows in the depth direction, and the lower end in the depth direction is formed to be inclined downward from the one end to the other end. a first groove formed so that the inclination angle of both inclined surfaces is greater than the contact angle of the fluid so that A can flow from the one end side to the other end side by capillary force;
a second groove connected adjacent to the first groove and having one end connected to the other end of the first groove; and
The first groove and the second groove are formed stepwise at the connection portion, forming a three-dimensional saw blade shape together with the first groove and the second groove as a whole, and the fluid flows toward the second groove by a pressure difference. and an edge portion forming an area in which a pinning phenomenon does not flow toward the first groove having a wider width and depth.
 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제1그루브의 깊이방향 단면은 “Ｖ” 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 유체다이오드.
According to claim 1,
A fluid diode, characterized in that the cross section in the depth direction of the first groove is formed in a “V” shape.
 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 경사면부는 상기 제1그루브의 깊이방향 수직선을 기준으로 대칭되게 형성되는 것을 특징으로 하는 유체다이오드.
According to claim 1,
The inclined surface portion is formed symmetrically with respect to a vertical line in the depth direction of the first groove.
 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 경사면부의 경사각은 상기 제1그루브의 수평선을 기준으로 40-90° 범위로 형성되는 것을 특징으로 하는 유체다이오드.
According to claim 1,
The inclination angle of the inclined surface portion is formed in the range of 40-90 ° based on the horizontal line of the first groove.
 삭제delete 복수의 그루브가 유체의 유동방향을 따라 연결되는 다이오드 채널부가 소재의 표면에 복수 개 형성되고,
상기 다이오드 채널부는,
일단부에서 타단부로 갈수록 폭이 점차적으로 넓게 형성되고, 깊이방향으로 갈수록 폭이 점차적으로 좁아지는 형태로 형성되되, 깊이방향의 하단부가 상기 일단부에서 상기 타단부측으로 갈수록 하향 경사지게 형성되며, 유체가 모세관힘(capillary force)에 의해 상기 일단부측에서 상기 타단부측으로 유동가능하게 양측 경사면부의 경사각이 유체의 접촉각보다 크게 형성되는 제1그루브;
상기 제1그루브와 이웃하여 연결되고, 상기 일단부가 상기 제1그루브의 타단부와 연결되는 제2그루브; 및
상기 제1그루브와 상기 제2그루브가 연결되는 부분에 단차지게 형성되어, 상기 제1그루브 및 상기 제2그루브와 함께 전체적으로 3차원 톱날 형태를 형성하며, 유체가 압력차에 의해 상기 제2그루브측에서 폭과 깊이가 더 넓은 상기 제1그루브측으로 유동되지 않는 피닝 현상이 발생되는 영역을 형성하는 엣지부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체이송장치.
A plurality of diode channel portions to which a plurality of grooves are connected along the flow direction of the fluid are formed on the surface of the material,
The diode channel part,
The width is gradually wider from one end to the other end, and the width gradually narrows in the depth direction, and the lower end in the depth direction is formed to be inclined downward from the one end to the other end. a first groove formed so that the inclination angle of both inclined surfaces is greater than the contact angle of the fluid so that A can flow from the one end side to the other end side by capillary force;
a second groove connected adjacent to the first groove and having one end connected to the other end of the first groove; and
The first groove and the second groove are formed stepwise at the connection portion, forming a three-dimensional saw blade shape together with the first groove and the second groove as a whole, and the fluid flows toward the second groove by a pressure difference. and an edge portion forming an area in which a pinning phenomenon occurs, which does not flow toward the first groove having a wider width and depth.
 삭제delete 제9항에 있어서,
상기 제1그루브의 깊이방향 단면은 “Ｖ” 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 유체이송장치.
According to claim 9,
The cross section in the depth direction of the first groove is formed in a “V” shape.
 삭제delete 제9항에 있어서,
상기 제1그루브의 양측 경사면부는 상기 제1그루브의 깊이방향 수직선을 기준으로 대칭되게 형성되는 것을 특징으로 하는 유체이송장치.
According to claim 9,
The fluid transport device, characterized in that the slopes on both sides of the first groove are formed symmetrically with respect to a vertical line in the depth direction of the first groove.
 삭제delete 제9항에 있어서,
상기 경사면부의 경사각은 상기 제1그루브의 수평선을 기준으로 40-90° 범위로 형성되는 것을 특징으로 하는 유체이송장치.
According to claim 9,
The inclination angle of the inclined surface portion is formed in the range of 40-90 ° based on the horizontal line of the first groove.
 삭제delete 제9항에 있어서,
상기 다이오드 채널부는 상측으로 세워지거나 경사진 상기 소재에 유체를 상향으로 유동시키게 형성되는 것을 특징으로 하는 유체이송장치.
According to claim 9,
The diode channel portion is a fluid transport device, characterized in that formed to flow the fluid upward through the material that is erected or inclined upward.
 제9항 또는 제17항에 있어서,
상기 다이오드 채널부는 상기 소재에 라운드지게 형성되는 것을 특징으로 하는 유체이송장치.The method of claim 9 or 17,
The diode channel portion fluid transport device, characterized in that formed round in the material.
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