KR20040050371A - 나선형 전기삼투 흐름을 갖는 마이크로 채널 - Google Patents

나선형 전기삼투 흐름을 갖는 마이크로 채널 Download PDF

Info

Publication number
KR20040050371A
KR20040050371A KR1020020078186A KR20020078186A KR20040050371A KR 20040050371 A KR20040050371 A KR 20040050371A KR 1020020078186 A KR1020020078186 A KR 1020020078186A KR 20020078186 A KR20020078186 A KR 20020078186A KR 20040050371 A KR20040050371 A KR 20040050371A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
microchannel
channel
vertical electrodes
electric field
electrodes
Prior art date
Application number
KR1020020078186A
Other languages
English (en)
Other versions
KR100523282B1 (ko
Inventor
김성재
김동성
윤병준
강인석
권태헌
Original Assignee
학교법인 포항공과대학교
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 학교법인 포항공과대학교 filed Critical 학교법인 포항공과대학교
Priority to KR10-2002-0078186A priority Critical patent/KR100523282B1/ko
Publication of KR20040050371A publication Critical patent/KR20040050371A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100523282B1 publication Critical patent/KR100523282B1/ko

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/008—MEMS characterised by an electronic circuit specially adapted for controlling or driving the same
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/05—Microfluidics
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/03—Static structures
    • B81B2203/0323—Grooves
    • B81B2203/0338—Channels

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

본 발명은 나선형 전기삼투 흐름을 갖는 마이크로 채널에 관한 것으로, 특히 마이크로 채널의 양끝단에 각각 배치된 수평 전극들과, 마이크로 채널 측면의 바닥 좌우에 각각 소정 간격으로 배치된 적어도 2개이상의 수직 전극들과, 각 수평 전극에 전원 및 접지가 연결되며 다수개의 수직 전극들에 각각 전원 및 접지를 통해 연결된 다수개의 저항들을 포함하며 수평 전극을 통해 채널에 평행한 전기장을 형성하며 수직 전극들을 통해 채널에 수직인 전기장을 형성하여 채널을 통과하는 유체에 나선형 전기삼투 흐름을 유발하는 전기 회로를 구비한다. 그러므로 본 발명은 마이크로 채널의 측면 바닥, 좌우에 배치된 수직 전극들에 전기장을 발생시켜 채널 내부에서 3차원 나선형 전기삼투 흐름을 생성하여 시료의 혼합 효율을 높일 수 있다.

Description

나선형 전기삼투 흐름을 갖는 마이크로 채널{MICRO CHANNEL WITH A HELICAL ELECTROOSMOSIS FLOW}
본 발명은 마이크로 채널(micro channel)에 관한 것으로서, 특히 마이크로 채널 내에 전기장을 가할 경우 전기 삼투 현상에 의해 유체의 나선 유동(helical flow)을 유발하는 나선형 전기삼투 흐름을 갖는 마이크로 채널에 관한 것이다.
최근 생명공학 및 분석화학 분야에서 각광을 받고 있는 랩온어칩(lab on a chip)은 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 바탕으로 하여 시료의 반응, 분리, 분석에 이르는 일련의 공정들을 작은 평면형 장치 위에 구성하여 신약 탐색, 의료 진단, 물질 분석 등의 분야에서 활용 가능성이 적극 모색되고 있다. 이러한 기술 중 마이크로유체(microfluidic) 기술은 시료의 운송, 혼합 및 분리하는 핵심 기술로써 기계, 화공 등의 분야에서 다양한 연구가 진행 중이다. 마이크로유체 기술 중에서 가장 널리 알려진 기술인 모세관 전기영동 기술은 화학분석용 랩온어칩에 이용되면서, 현재 전세계적으로 활발히 연구되고 있다.
마이크로유체 시스템에서는 시료인 유체가 직경이 ㎛ 단위 크기인 마이크로 채널을 따라 이동하게 되는데, 이때 유체의 부피는 유체와 채널 벽면의 면적에 비하여 상대적으로 매우 작다. 따라서 마이크로유체 시스템 내부의 유동은 레이놀드(Reynolds) 수가 매우 작은 스토크(Stokes) 유동이며 표면 장력(surface force)의 영향을 크게 받는다. 이러한 이유로 마이크로유체 시스템에서의 유체 이동은 기계적인 장치를 이용한 미세한 압력의 차를 이용하기보다 전기삼투, 전기모세관, 표면장력 등을 이용한다. 이와 함께 여러 가지 물질들과 반응을 위한 유체 흐름의 분할과 혼합, 동전기적 특성에 따른 특정 성분의 분리 등을 동시에 고려해야 하기 때문에 마이크로유체 시스템의 설계에는 동전기학, 전기유체역학, 콜로이드 계면현상 등을 기반으로 하는 복합적인 연구가 필요하다.
한편 일반적인 마이크로유체 시스템은 적은 양의 시료만으로 원하는 결과를 얻을 수 있으며 높은 표면/부피의 비로 인한 빠른 분석이 용이하며 낮은 열용량으로 빠른 히팅(heating)과 쿨링(cooling)이 가능하다. 또한 폐기물이 거의 없는 일회용으로 제작할 수 있는 장점을 가지고 있다. 하지만 높은 표면/부피의 비로 인해 시료 내의 입자와 채널 벽면에 비구체적인 바인딩(non-specific binding)이 생길 수 있으며 무엇보다도 마이크로 채널 내의 시료는 레이놀드 수가 100이하인 라미나(Laminar) 흐름이므로 시료의 혼합 효율이 매우 떨어지는 커다란 문제점이 생긴다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 MEMS 기술에 기반을 둔 마이크로제조(micro-fabrication) 방법을 이용하여 마이크로 채널을 복잡한 형태로만들어 패시브 믹서(passive mixer)를 이용하여 시료를 혼합하려는 시도가 있었다. 하지만 시료 내에 거대한 생분자 등이 포함되어 있는 경우 비구체적인 바인딩이 발생할 확률이 높아져 화학 반응에 치명적인 결함을 나타낼 수 있다. 또한 마이크로 채널에 기계적인 장치를 사용하여 움직이는 부분을 넣는 액티브 믹서(active mixer)로 시료를 혼합하려는 시도도 있었지만 이 또한 제작 과정이 쉽지 않고 국부적인 스트레스를 이용하기 때문에 세포벽과 같이 연약한 조직의 입자가 포함되어 있는 경우 이에 손상을 줄 수 있었다.
따라서 마이크로 채널 내부에서 일어나는 화학반응에 관여하는 시료에 생분자 등이 포함되어 있는 경우 마이크로 채널 내부의 형태가 간단하면서도 시료의 혼합이 잘 이루어지는 장치가 필요하다. 이러한 장치들은 대부분 압력-구동(pressure-driven) 흐름보다는 전기-구동(electrical-driven) 흐름에서 많이 이용되는데, 이때 레이놀드 수는 거의 0에 근접하여 압력-구동(pressure-driven) 흐름에서보다 더욱 어려운 혼합문제가 생긴다.
한편, 전하를 띠고 있는 고체면과 접촉하고 있는 전해질 용액상에 전위차를 걸어주면 전기적 힘에 의하여 용액이 흐르게 되며 이러한 현상을 전기삼투현상이라 한다. 도 1은 일반적인 전기삼투 흐름을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 실리콘이나 유리와 같이 전하를 띠고 있는 고체면 사이에 전해질 용액이 채워져 있을 때, 벽면 전하(-)에 반대되는 counter-ion(+)들이 벽면근처에 모이면서 전기이중층을 형성하게 된다. 여기에 외부에서 전기장(+, -)을 걸어주면 전기이중층 내에 이온들이 힘을 받아 전기장(E) 방향에 평행하게 끌려가면서 전기삼투 흐름이 생성된다. 이때 전기삼투 흐름은 전기이중층 내에서 충분히 발달하여 마치 플러그 타입의 흐름을 보인다. 따라서 전기삼투 흐름을 이용한 마이크로 유체 시스템에서는 시료의 운송이 전기장(E)에 의해 제어되므로 기계적인 밸브가 필요없이 전기적 신호의 온(on)/오프(off)에 의해 제어될수 있다. 또한 플러그 타입의 흐름이므로 시료의 테일러 분산(Taylor dispersion)이 최소화되므로 반응물 분석에 용이하게 된다. 하지만 시료의 혼합 문제를 해결하기 위해서는 전기삼투 흐름을 플러그 타입이 아닌 좀 더 복잡한 형태로 변화시킬 필요성이 있다.
전기삼투 흐름을 변화시키기 위하여 다음의 세가지 요소를 변화시켜야 한다. 첫째, 걸어주는 전기장을 변화시켜준다. 전기삼투 흐름은 걸어주는 전기장에 평행한 방향으로 움직이기 때문에 비균일한 전기장을 걸어주면 복잡한 형태의 흐름이 나타난다. 이는 추가적인 전극을 설계하여 쉽게 설치할 수 있다. 둘째, 벽면 전위를 변화시켜 준다. 벽면 전위에 반대되는 이온들이 모여 전기이중층을 형성하고 이곳으로부터 흐름이 생성되므로 벽면 전위의 세기나 극성을 조정하여 전기삼투 흐름의 세기와 방향을 조정할 수 있다. 이는 극성을 가지는 고분자를 코팅하거나 자외선 처리 등으로 만들 수 있다. 마지막으로 전해질의 농도를 변화시켜준다. 전해질의 농도를 변화시켜주면 전기이중층의 형성에 영향을 미치게 되어 전기삼투 흐름에 미세한 영향을 줄 수 있으나, 실제 마이크로 유체 시스템에서 전해질의 농도는 주어지는 실험 조건이기 때문에 이를 제어하여 시료의 혼합을 하는 것은 현실적으로 불가능하다. 따라서 전기삼투현상을 이용하여 시료의 혼합을 극대화하기 위해서는 앞선 두 가지 요소, 전기장과 채널 벽면 조건을 변화시켜주는 것이 가장 용이하다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 마이크로 채널 양 끝단에 수평측 전극과 채널 내부 바닥면에 소정 간격 이격된 수직측 전극 배열을 좌우로 배치하고 이들 전극에 저항, 전원, 접지 등을 연결한 전기 회로를 설치함으로써 채널 벽면의 성질과 외부 전기장의 변화에 따라 발생하는 나선형 전기삼투 흐름을 이용하여 유체의 혼합을 극대화하는 나선형 전기삼투 흐름을 갖는 마이크로 채널을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 마이크로 채널에 있어서, 마이크로 채널의 양끝단에 각각 배치된 수평 전극들과, 마이크로 채널 측면의 바닥 좌우에 각각 소정 간격으로 배치된 적어도 2개이상의 수직 전극들과, 각 수평 전극에 전원 및 접지가 연결되며 다수개의 수직 전극들에 각각 전원 및 접지를 통해 연결된 다수개의 저항들을 포함하며 수평 전극을 통해 채널에 평행한 전기장을 형성하며 수직 전극들을 통해 채널에 수직인 전기장을 형성하여 채널을 통과하는 유체에 나선형 전기삼투 흐름을 유발하는 전기 회로를 구비한다.
도 1은 일반적인 전기삼투 흐름을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에 따른 나선형 전기삼투 흐름을 갖는 마이크로 채널의 평면을 나타낸 도면,
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 마이크로 채널의 다양한 실시예들,
도 4는 본 발명에 따른 마이크로 채널내에 전위 분포를 구하기 위한 경계 조건을 나타낸 도면,
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 마이크로 채널내부 바닥면의 전기장 분포와 등전위선을 나타낸 도면들,
도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 마이크로 채널 단면에서의 전기삼투 속도장을 나타낸 도면들,
도 7a 내지 도 7d는 본 발명에 따른 마이크로 채널의 3차원 전기삼투 흐름선을 나타낸 도면들,
도 8a 및 도 8b는 본 발명에 있어서 시간에 따른 마이크로 채널내 두 그룹의 입자들 경로를 나타낸 도면들.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
10 : 마이크로 채널
20, 201, 202, 203… : 우측 수직 전극들
30, 301, 302, 303… : 좌측 수직 전극들
40, 50 : 수평 전극들 60 : 전원
70 : 접지 80 : 전기 회로
91, 92, 93, 94 …: 스위치
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명에 따른 나선형 전기삼투 흐름을 갖는 마이크로 채널의 평면을 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 발명은 마이크로 채널(10)의 양끝단에 각각 배치된 수평 전극들(40, 50)과, 채널(10)의 바닥 좌우에 각각 소정 간격으로 배치된 적어도 2개이상의 수직 전극들(20, 30)이 배치된다. 이때 좌측 및 우측 수직 전극들(20, 30)은 마이크로 채널(10) 측면에서 바닥의 폭만큼 서로 이격되어 좌우로 배열된다.
본 발명에서는 마이크로 채널(10)내에 나선형 전기삼투 흐름을 유발시키기 위해서 도 2와 같이 수직 전극들(20, 30)과 수평 전극들(40, 50)을 설계하고 수치 해석 방법으로 검증한다. 상수 점성도 및 밀도를 갖는 일반적인 유체의 움직임은 다음의 네비이어-스토크(Navier-Stokes)식과 연속방정식에 의하여 기술된다.
여기서 u는 유체의 속도장이며, p는 압력장이고, ρ, μ는 각각 유체의 밀도와 점성도이다. F는 물체력(body force)으로써 전기삼투의 경우 중력 영향이 없다고 가정하면 전기 물체력은만이 존재한다. 정상상태이고 매우 작은 레이놀드 수 영역의 마이크로 유동이면 관성항이 사라져 수학식 1은 다음의 전기 물체력을 포함하는 스토크식으로 표시된다.
전하밀도는 포이즌-볼쯔만(Poisson-Boltzmann) 식의 해를 구하여 수학식 2에 대입하여 구할 수 있다. 일반적인 전기삼투 흐름은 수학식 2를 기본 지배방정식으로 하고 안미끄러짐(no-slip) 경계조건을 사용하게 되지만, 마이크로 유체 시스템은 대부분 전해질의 농도가 충분하여 전기이중층이 매우 얇기때문에 전기이중층 내에서 완전히 발달하는 전기삼투 흐름의 특성상 벽면 근처에서 유체의 흐름이 미끄러지는 것과 같이 된다. 이러한 경우의 전기삼투 흐름은 다음의 수학식 3에 의존하며,
경계 조건으로는 다음의 스모루쵸스키(Smoluchowski) 관계식을 사용하게 된다.
여기서 ζ는 벽면에서의 제타 전위인데 일반적으로 알려진 -20mV로 할 수 있다.
수학식 4에서 알 수 있듯이, 벽면에서의 유체 속도는 전기장(E)과 같은 방향으로 움직이므로 전기장(E)을 변화시켜주면 결국 경계조건이 변화하게 된다.
이를 위해 도 2와 같이 수직 전극들(20, 30)과 수평 전극들(40, 50)로 구성된 본 발명의 마이크로 채널(10)을 살펴보면, 채널(10) 벽면의 전위가 균일하고 채널 좌우에 배치된 수직 전극들(20, 30)이 오프(off)될 경우 y축에 평행한 일반적인 전기장 방향의 전기삼투 흐름이 생긴다. 하지만 수직 전극들(20, 30)이 온(on)되면 수직 전극들(20, 30)의 전기장에 의하여 채널내 전기삼투 흐름이 변화된다.
예를 들어, 채널의 물리적인 크기가 W(폭)×H(높이)×L(길이)= 100㎛×100㎛×1㎜이며 수직 전극들 사이의 간격(S)이 100㎛일 경우 수평 전극(40, 50)은 마이크로 채널(10)에 평행한 방향으로 전기장(E∥)을 형성하며 채널 바닥 좌우면에 설치된 수직 전극(20, 30)은 채널에 수직인 방향(y축 방향)으로 전기장(E⊥)을 형성하게 된다. 평행한 전기장(E∥)과 수직한 전기장(E⊥)의 비율(α), α=E∥/E⊥에 따라 이들 수직 전극(20, 30)의 공급되는 전압을 조정하기 위한 전기 회로의 내부 구성을 변화할 수 있지만, 다음과 같은 전기 회로들로 평행한 전기장(E∥)과 수직한 전기장(E⊥)의 비(α)를 조절할 수 있다. 수직 전극들(20, 30)에 주어지는 전위 값은 전극에 소정 전압을 공급하는 전기 회로의 저항값에 따라 표 1과 같이 설정된다.
여기서 표 1은 미세 전극의 정량적인 전위 값을 나타내며 그 단위는 V이다. 도 2의 평면도에 도시된 바와 같이, 수직 전극(20, 30)의 각 φi(우측 전위)와 φj(좌측 전위)는 상기 표 1과 같다. 평행한 전기장(E∥)과 수직한 전기장(E⊥)의 비(α)를 조정하더라도 항상 같은 (i, j) 쌍은 같은 전위차를 갖게 되고 각 우측의 수직 전극(i)끼리, 각 좌측의 좌측 전극(j)끼리의 전위는 일정하게 변화하게 된다. 예를 들어, α가 1.0일 경우 최대 전위(φmax)가 10.0V이며 최소 전위(φ0)가 0V이며 총 9개의 수직 전극들(20, 30)의 각 각 φi(우측 전위)와 φj(좌측 전위)는 9.5/8.5∼1.5/0.5로 변화된다.
따라서 본 발명의 마이크로 채널(10)은 채널 좌/우측에 구비된 수직전극들(20, 30)의 온(on) 작동에 의해 채널 바닥에 균일한 전위차가 발생하고 이로 인해 채널내 전기삼투 흐름이 나선 유동으로 변화된다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 마이크로 채널의 다양한 실시예들로서, 본 발명의 실시예들에서는 설명의 편의를 위해 좌측 및 우측에 있는 수직 전극들(201,202, 203…)(301,302,303…)의 개수를 각각 9개로 한다.
도 3a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 채널(10)은 채널 양끝단에 있는 각 수평 전극(40, 50)에 전원(60) 및 접지(70)가 연결되어 있으며 채널(10)의 측면 바닥 좌우에 각각 배치된 수직 전극들(201,202, 203…)(301,302,303…)이 각각 전원(60) 및 접지(70) 사이에 연결된 다수개의 저항들(R1, R2)을 갖는 전기 회로(80)로 구성된다. 이때, 전원(60)과 접지(70) 사이에는 2R1+9R2 저항이 상기 저항들(R1, R2)에 대해 병렬로 연결되어 있다. 여기서, 채널(10) 방향에 대해 좌측인 수직 전극(201,202, 203…)들과 우측 수직 전극들(301,302,303…)이 순차적으로 각각 n+1(n>1)번째 저항(R2) 양쪽에 연결된다. 본 발명의 전기 회로(80)에 사용되는 저항들(R1, R2)은 가변저항이다.
본 실시예의 전기 회로(80)는 채널에 평행한 전기장(E∥) 세기와 이와 직교하는 수직 전기장(E⊥)의 비율(α)을 예컨대 α=1.0로 제어한다. 예를 들어, 전원 전압(60)이 10V이고 전류가 1㎃라고 하면 α=1.0인 전기장을 좌측 수직 전극들(201,202, 203…)과 우측 수직 전극들(301,302,303…)에 공급하기 위해서는 전기 회로(80)의 저항 R1을 0.5kΩ,저항 R2을 1.0kΩ 조건으로 맞춰주면 된다.
도 3b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 채널(10)은 수직전극들(201,202, 203…)(301,302,303…)과 도 3a의 전기 회로(80)의 각 저항(R2)에 대해 동일하게 연결되어 있으나, R2 저항들 사이에 보조 저항(R3)이 추가 연결된다. 이때 보조 저항(R3) 역시 가변 저항으로 이루어진다. 이때, 전원(60)과 접지(70) 사이에는 2R1+9R2+8R3 저항이 상기 저항들(R1, R2)에 대해 병렬로 연결되어 있다.
다른 실시예의 전기 회로(80)는 채널에 평행한 전기장(E∥) 세기와 이와 직교하는 수직 전기장(E⊥)의 비율(α)을 예컨대 α<1.0로 제어한다. 예를 들어, 전원 전압(60)이 10V이고 전류가 1㎃라고 하면 α=0.5인 전기장을 수직 전극들(201,202, 203…)과 우측 수직 전극들(301,302,303…)에 공급하기 위해서 전기 회로(80)의 저항 R1을0.75kΩ,저항 R2=R3을 0.5kΩ 조건으로 맞춰주면 된다.
도 3c를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 채널(10)은 채널 방향에 대해 우측인 수직 전극들(201,202, 203…)과 전기 회로(80)의 n+1(n>1)번째 저항(R2)을 순서적으로 각각 연결하고 좌측인 수직 전극들(301,302, 303…)은 n+2(n>1)번째 저항과 각각 연결된다. 이때, 전원(60)과 접지(70) 사이에는 2R1+9R2 저항이 상기 저항들(R1, R2)에 대해 병렬로 연결되어 있다.
또 다른 실시예의 전기 회로(80)는 채널에 평행한 전기장(E∥) 세기와 이와 직교하는 수직 전기장(E⊥)의 비율(α)을 예컨대 α>1.0로 제어한다. 예를 들어, 전원 전압(60)이 10V이고 전류가 1㎃라고 하면 α=2.0인 전기장을 좌측 수직 전극들(201,202, 203…)과 우측 수직 전극들(301,302,303…)에 공급하기 위해서는 전기 회로(80)의 저항 R1을 1.0kΩ,저항 R2을 1.0kΩ 조건으로 맞춰준다.
또한 도 3d를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 채널(10)은 도 3a, 도 3b 및 도 3c의 전기 회로를 병합한 형태로서, 좌측 수직 전극들(301,302, 303…)과 전기 회로(80)내 저항(R1, R2, R3)의 연결 위치를 조정하기 위한 다수개의 스위치(91, 92, 93, 94…)를 별도로 구비한다.
이러한 다양한 실시예의 마이크로 채널(10)은 채널 양끝단에 각각 배치된 수평 전극들(40, 50)을 통해 채널 방향으로 전원 전압이 공급되어 평행한 전기장을 형성하고, 채널(10)의 바닥 좌우에 각각 구정 간격으로 배치된 적어도 2개이상의 수직 전극들(201,202, 203…)(301,302, 303…)과 이에 연결된 저항들을 통해 수직 전기장이 형성되기때문에 채널을 통과하는 유체에서 나선형 전기삼투 흐름을 유발하게 된다.
예를 들어, 상기와 같은 구성을 갖는 마이크로 채널(10)에 평행한 전기장(E∥) 세기를 일반적인 전기삼투 흐름에 걸어주는 5×104V/m로 하고, 평행 전기장(E∥) 세기와 수직 전기장(E⊥)의 비율(α)을 0.5, 1.0, 2.0으로 변화시키면서 전기장을 구할 경우 채널의 수직 전극들(201,202, 203…)(301,302,303…)의 전위가 두 배 이상으로 커지면서 발생한 전기장이 채널 아랫면 이외에 다른 면에 작용하여 전기삼투 흐름이 x축 방향으로 진행하지 못하게 된다. 또한 α가 0.5보다 작게 되어 전위가 절반 이하가 되면 수평한 전기장에 크게 영향을 주지 못하여 원하는 전기삼투 흐름을 얻을 수 없다.
이러한 구성을 갖는 마이크로 채널 내부의 전기장을 해석하기 위해서는 다음과 같이 0<x<L, 0<y<W, 0<z<H 영역에서 전위를 지배하는 라플라스(Laplace) 방식으로 풀고 그 변화율을 구함으로써 전기장을 구할 수 있다. 여기서, L은 채널 길이, W는 채널 폭, H는 채널 높이값이다.
한편 채널 경계(φ) 조건은 도 4를 참조하기로 한다. 경계요소법을 사용하여 채널의 전위 분포를 구하는데, L×W×H의 영역을 삼각형 요소로 차분화시키고 도 4에서와 같이 회색영역의 경계요소부분은 φ의 경계값이 일정하게 정해주고 나머지 영역의 경계요소에는의 노이만(Neumann) 조건으로 조건을 준다. 수직 전극들의 값은 저항 값을 조절함으로써 다음과 같이 경계 값을 정할 수 있다.
여기서, n은 수직 전극들의 개수이며 도 3a 내지 도 3d의 실시예들에서는 9개의 수직 전극들이 있는 채널을 설계하였으므로 n의 값은 9이다.
경계요소법을 통하여 얻은 전기장을 수학식 4에 대입하여 L×W×H의 영역에서의 전기삼투 흐름의 경계조건으로 사용하고 수학식 3을 수치 해석하면 마이크로 채널의 전기삼투 흐름을 구할 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 마이크로 채널내부 바닥면의 전기장 분포(굵은선)와 등전위선(얇은선)을 나타낸 도면들로서, 채널에 평행한 전기장(E∥) 세기와 이와 직교하는 수직 전기장(E⊥)의 비율(α) 변화에 따라 마이크로 채널 바닥 내부의 전기장 분포가 변화되는 것을 나타낸 것이다. 도 5a는 α=1.0, 도 5b는 α=0.5, 도 5c는 α=2.0의 조건인 경우이다.
본 발명의 마이크로 채널은 수직 전극의 전위가 커질수록 채널에 대각선 방향으로 더욱 급격하게 전기장이 분포하는 것을 볼 수 있다.(도 5b, 도 5c 참조) 그리고 E⊥≤2E∥인 조건에서는 수직 전극의 전기장이 마이크로 채널의 다른 면에 영향을 거의 미치지 못하므로 채널의 다른 면 내부의 전기장은 x축에 거의 평행한 형태를 가지게 된다.(도 5a 참조)
도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 마이크로 채널 단면에서의 전기삼투 속도장을 나타낸 도면들로서, 도 5의 전기장을 경계조건으로 하여 마이크로 채널 내부의 x=L(채널 길이)/2 단면에서의 전기삼투 흐름을 나타낸 것이다. 도 6a는 α=1.0, 도 6b는 α=0.5, 도 6c는 α=2.0의 조건인 경우이다.
이들 도면들을 참조하면, 채널 방향에 직교하는 수직 전기장(E⊥)이 커질수록 더욱 활발한 와류가 형성되는 것을 관찰 할 수 있다. 이러한 나선 유동을 형성하기 위해서 반드시 마이크로 채널 바닥에 수직 전극을 설치할 필요는 없으며 채널 윗면, 옆면 중에서 어느 한 면에 설치하더라도 원하는 와류를 얻을 수 있다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명에 따른 마이크로 채널의 3차원 전기삼투 흐름선을 나타낸 도면들로서, x=0일 때 각기 다른 5개의 점에서 출발한 3차원 마이크로 채널 내부의 전기삼투 흐름선을 나타낸 것이다. 도 7a는 α=1.0, 도 7b는 α=0.5,도 7c는 α=2.0의 조건인 경우이다.
7a와 같이, 본 발명의 마이크로 채널이 수직 전극에 영향을 받지 않으면 일반적인 전기삼투 흐름선이 나타난다. 하지만, 수직 전극이 온(On)으로 작동하면 도 7b 내지 도 7d와 같이 마이크로 채널 내부에 나선형 유동이 발생함을 알 수 있다. 또한 α가 커짐에 따라 채널내 나선형 움직임도 더욱 활발해짐을 알 수 있다.
이러한 나선형 전기삼투 흐름을 본 발명이 적용된 마이크로 유체 시스템에서의 마이크로믹서(micro mixer)로의 적용가능성을 확인하기 위하여 x=0의 단면에 서로 다른 색을 갖는 두 그룹의 각기 5000개의 입자를 띄워 마이크로 채널의 입자경로를 살펴보면 도 8과 같다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명에 있어서 시간에 따른 마이크로 채널내 두 그룹의 입자들 경로를 나타낸 도면들이다. 도 8a에서 (ㄱ)은 α=0.0, (ㄴ)은 α=1.0이며 도 8b에서 (ㄱ)은 α=0.5, (ㄴ)은 α=2.0의 조건인 경우이다.
이들 도면을 참조하면, 시간이 10초(t=0 ∼ t=10)가 경과하였을 때 본 발명의 마이크로 채널에서 두 경로로 나선형 유동이 발생할 수 있기때문에 마이크로믹서의 응용이 가능하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 마이크로 채널 바닥 좌/우측에 소정 간격으로 배치된 수직 전극에 연결된 저항들과 채널 양단면에 배치된 수평 전극에 전원을 공급하는 전원 및 접지로 이루어진 전기 회로를 추가함으로써 수직 전극의 전압 공급으로 3차원 나선형 전기삼투 흐름을 유발할 수 있다. 또한 마이크로 채널의내부 위치에 따라 전기장 분포를 변화시키거나 시간에 따른 변화를 주면 전기삼투 흐름이 복잡한 형태를 갖게 되어 결국 채널내에 흐르는 유체, 즉 시료의 혼합 효율을 높일 수 있어 랩온어칩(lab-on-a-chip)과 같은 마이크로믹서 등의 마이크로 유체 제어장치에 이용될 수 있다.
또한 본 발명의 수직 전극을 여러개 사용할 경우 마이크로 채널내 시료의 혼합 효과를 크게 기대할 수 있을 것이며 수평 전극 또는 수직 전극을 통해 마이크로 채널에 인가되는 직류 전기장 이외에 교류 전기장을 사용하면 보다 다양하고 효율 높은 전기삼투 혼합 효과를 볼 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 실시예에 국한되는 것이 아니라 후술되는 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상과 범주내에서 당업자에 의해 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (7)

  1. 마이크로 채널에 있어서,
    상기 마이크로 채널의 양끝단에 각각 배치된 수평 전극들;
    상기 마이크로 채널 측면의 바닥 좌우에 각각 소정 간격으로 배치된 적어도 2개이상의 수직 전극들; 및
    상기 각 수평 전극에 전원 및 접지가 연결되며 상기 다수개의 수직 전극들에 각각 전원 및 접지를 통해 연결된 다수개의 저항들을 포함하며 상기 수평 전극을 통해 상기 채널에 평행한 전기장을 형성하며 상기 수직 전극들을 통해 채널에 수직인 전기장을 형성하여 상기 채널을 통과하는 유체에 나선형 전기삼투 흐름을 유발하는 전기 회로를 구비한 것을 특징으로 하는 나선형 전기삼투 흐름을 갖는 마이크로 채널.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 수직 전극들중에서 채널 방향에 대해 좌측인 수직 전극들과 우측 수직 전극들은 순차적으로 각각 n+1(n>1)번째 저항 양쪽에 연결되는 것을 특징으로 하는 나선형 전기삼투 흐름을 갖는 마이크로 채널.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 동일한 배열의 좌측 및 우측 수직 전극에 각각 연결된 저항들 사이에는 보조 저항이 추가 연결되는 것을 특징으로 하는 나선형 전기삼투 흐름을 갖는 마이크로 채널.
  4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서, 상기 저항과 보조 저항은 각각 가변 저항으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나선형 전기삼투 흐름을 갖는 마이크로 채널.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 수직 전극들중에서 채널 방향에 대해 우측인 수직 전극들은 n+1(n>1)번째 저항과 각각 연결되며 좌측인 수직 전극들은 n+2(n>1)번째 저항과 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 나선형 전기삼투 흐름을 갖는 마이크로 채널.
  6. 제 2항 또는 제 5항에 있어서, 상기 좌측 또는 우측 수직 전극들과 저항의 연결 위치를 조정하기 위한 스위치를 별도로 구비한 것을 특징으로 하는 나선형 전기삼투 흐름을 갖는 마이크로 채널.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 좌측 및 우측 수직 전극들은 상기 마이크로 채널 바닥의 폭만큼 서로 이격되어 좌우로 배열된 것을 특징으로 하는 나선형 전기삼투 흐름을 갖는 마이크로 채널.
KR10-2002-0078186A 2002-12-10 2002-12-10 나선형 전기삼투 흐름을 갖는 마이크로 채널 KR100523282B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2002-0078186A KR100523282B1 (ko) 2002-12-10 2002-12-10 나선형 전기삼투 흐름을 갖는 마이크로 채널

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2002-0078186A KR100523282B1 (ko) 2002-12-10 2002-12-10 나선형 전기삼투 흐름을 갖는 마이크로 채널

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20040050371A true KR20040050371A (ko) 2004-06-16
KR100523282B1 KR100523282B1 (ko) 2005-10-24

Family

ID=37344574

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR10-2002-0078186A KR100523282B1 (ko) 2002-12-10 2002-12-10 나선형 전기삼투 흐름을 갖는 마이크로 채널

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100523282B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100739025B1 (ko) * 2006-08-25 2007-07-12 동아대학교 산학협력단 마이크로 채널내 유체 재료의 혼합효과를 높이기 위한전극의 설치구조
KR100758362B1 (ko) * 2006-11-29 2007-09-14 동아대학교 산학협력단 마이크로 채널내 유체 재료의 혼합효과를 높이기 위한 방법
CN110670574A (zh) * 2019-10-13 2020-01-10 南通大学 用于加固软黏土地基的强化电渗方法及系统

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101680179B1 (ko) 2014-08-13 2016-11-28 국민대학교산학협력단 입자 계수용 시료 챔버 카트리지

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4936974A (en) * 1988-11-03 1990-06-26 The University Of North Carolina At Chapel Hill Capillary separation system with electric field assisted post separation mixing
US5092972A (en) * 1990-07-12 1992-03-03 Board Of Supervisors Of Louisiana State University And Agricultural And Mechanical College Field-effect electroosmosis
US5398756A (en) * 1992-12-14 1995-03-21 Monsanto Company In-situ remediation of contaminated soils
US5320730A (en) * 1993-01-22 1994-06-14 The Penn State Research Foundation Capillary electrophoresis apparatus with improved electroosmotic flow control
US5358618A (en) * 1993-01-22 1994-10-25 The Penn State Research Foundation Capillary electrophoresis apparatus with improved electroosmotic flow control
US5632876A (en) * 1995-06-06 1997-05-27 David Sarnoff Research Center, Inc. Apparatus and methods for controlling fluid flow in microchannels
WO1998000705A1 (en) * 1996-06-28 1998-01-08 Caliper Technologies Corporation Electropipettor and compensation means for electrophoretic bias
NL1010327C2 (nl) * 1998-10-15 2000-04-18 Univ Twente Inrichting en werkwijze voor het besturen van een vloeistofstroom.

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100739025B1 (ko) * 2006-08-25 2007-07-12 동아대학교 산학협력단 마이크로 채널내 유체 재료의 혼합효과를 높이기 위한전극의 설치구조
KR100758362B1 (ko) * 2006-11-29 2007-09-14 동아대학교 산학협력단 마이크로 채널내 유체 재료의 혼합효과를 높이기 위한 방법
CN110670574A (zh) * 2019-10-13 2020-01-10 南通大学 用于加固软黏土地基的强化电渗方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
KR100523282B1 (ko) 2005-10-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Paik et al. Electrowetting-based droplet mixers for microfluidic systems
US8037903B2 (en) Micromachined electrowetting microfluidic valve
EP1554568B1 (en) Methods and apparatus for manipulating droplets by electrowetting-based techniques
Wu et al. Mixing and flow regulating by induced-charge electrokinetic flow in a microchannel with a pair of conducting triangle hurdles
Banerjee et al. Reconfigurable virtual electrowetting channels
US20070037294A1 (en) Methods for performing microfluidic sampling
Chen et al. Electrokinetically driven flow mixing utilizing chaotic electric fields
US6994826B1 (en) Method and apparatus for controlling cross contamination of microfluid channels
US20150122651A1 (en) Method and Fluidic Microsystem for Generating Droplets Dispersed in a Continuous Phase
US8444837B2 (en) Arrangement for producing fluid flows and/or particle flows, and a method for the manufacture and operation thereof
Yang et al. A new focusing model and switching approach for electrokinetic flow inside microchannels
Manshadi et al. Induced-charge electrokinetics in microfluidics: A review on recent advancements
US7063778B2 (en) Microfluidic movement
Tsouris et al. Electrohydrodynamic mixing in microchannels
KR100523282B1 (ko) 나선형 전기삼투 흐름을 갖는 마이크로 채널
Fouillet et al. Ewod digital microfluidics for lab on a chip
KR100811543B1 (ko) 직접 전극접촉에 의하여 전하의 충전을 통한 전도성 액적의이동방법
Pan et al. Electrokinetic flow focusing and valveless switching integrated with electrokinetic instability for mixing enhancement
JP4111266B2 (ja) 液体混合装置
TWI444324B (zh) 液體介電泳裝置
JP4660492B2 (ja) 交流電気泳動法による微細流体の混合・移送装置及び微細流体の混合・移送方法
Tiflidis et al. Inducing AC-electroosmotic flow using electric field manipulation with insulators
KR100767277B1 (ko) 마이크로채널에서 유체의 혼합방법 및 시스템
CA2500252C (en) Methods and apparatus for manipulating droplets by electrowetting-based techniques
KR100700227B1 (ko) 마이크로 채널내 전기삼투성 액체 이동을 유도하는마이크로 유체 공학 시스템내 작동기

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20091012

Year of fee payment: 5

LAPS Lapse due to unpaid annual fee