KR20050010246A - Microinjectors and Droplet Volume Adjustment Method using Microinjectors - Google Patents

Microinjectors and Droplet Volume Adjustment Method using Microinjectors Download PDF

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조영호
강태구
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한국과학기술원
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Abstract

PURPOSE: A micro-injector and a method for adjusting a droplet volume using the same are provided to inject fluid to an exterior using the pressure of the fluid generated when energy is supplied. CONSTITUTION: A micro-injector injects fluid to an exterior using the pressure of a droplet generated when fluid supplied into a fluid passage through a fluid injecting hole is evaporated. A micro heating part(120) has a plurality of micro heating structures(121) in a matrix shape in a predetermined interval of the fluid passage. The micro heating part(120) is connected to an energy delivering part. The energy delivering part applies an external input signal to each micro heating structure and individually drives the micro heating structure. The micro heating part(120) has 1xN micro heating structures(121). The fluid injecting hole(112) is formed in a direction vertical to a growth direction of the droplet created by the micro heating part.

Description

미소유체 분사기 및 이를 이용한 분사액적의 크기조절 방법{Microinjectors and Droplet Volume Adjustment Method using Microinjectors}Microfluidic Injector and Spray Droplet Size Control Method Using the Injector {Microinjectors and Droplet Volume Adjustment Method using Microinjectors}

본 발명은 미소유체 분사기에 관한 것이며, 특히, 미소 유로내로 공급된 유체가 에너지 발열부로부터 에너지를 공급받아 기화될 때 발생하는 기포의 압력을 이용해 유체를 미소 유로로부터 외부로 분사하는 미소유체 분사기 및 이를 이용한 분사액적의 크기조절 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a microfluidic injector, and more particularly, to a microfluidic injector for injecting a fluid from the microfluid to the outside by using a pressure of bubbles generated when the fluid supplied into the microfluid is vaporized by receiving energy from the energy heating unit, and It relates to a method for adjusting the size of the spray droplet using the same.

프린터 시장에 있어서 잉크젯 프린터는 상대적으로 낮은 가격, 작은 작동 소음, 다양한 칼라 표현성과 같은 장점을 갖고 있으며, 최근 들어 인터넷 및 디지털 카메라 등의 사용에 따른 칼라 인쇄물의 증가로 각광을 받고 있다. 또한, 바이오산업에 대한 관심이 증가하면서 미소 생체 시료 주입기, 미소 약물 주입기 등의 응용에 대해서도 연구가 진행되고 있다. 이러한 응용 분야에서는 1조분의 1ℓ정도의 소량의 유체를 원하는 시간에 원하는 양을 정밀하게 분사할 수 있는 기술이 요구된다. 이러한 요구 사항을 만족시키기 위해서는 분사되는 액적의 크기 조절이 가능한 미소유체 분사기가 필요하다.In the printer market, inkjet printers have advantages such as relatively low price, low operating noise, and various color expressiveness. Recently, the inkjet printer has been in the spotlight due to the increase in color prints with the use of the Internet and digital cameras. In addition, as interest in the bioindustry increases, studies on microbiological sample injectors and micro drug injectors are being conducted. This application requires a technology capable of precisely dispensing the desired amount of a small amount of fluid, such as a trillion 1L at a desired time. To meet this requirement, a microfluidic injector capable of controlling the size of the ejected droplets is required.

종래의 미소유체 분사기는 미소 유로에 사각형 또는 라인 형상을 가지는 단일 미소 발열체가 설치되어 일정한 크기를 가지는 분사액적을 분사하도록 구성되어 있다. 또한, 종래의 미소유체 분사기는 미소 가열기(에너지 발열부)에 인가되는 전압의 인가 시간을 조절하거나 크기가 다른 히터를 사용하여 분사되는 액적의 크기를 조절하고자 하였다. 즉, 전압의 인가 시간을 조절하는 방법은 입력 전압의인가 시간을 바꾸어 공급되는 에너지를 조절하여 생성되는 기포의 크기를 변화시켜 분사되는 액적의 크기를 조절하는 것으로서, 기포의 크기비가 작고 아날로그 방식의 조절로 인해 정확한 액적크기로의 조절에 어려움이 있었다. 그리고, 크기가 다른 히터를 이용하는 방법은 히터마다 생성되는 다른 크기의 기포를 통해 분사되는 액적의 크기를 조절하는 것으로서, 1개의 미소유체 분사기에 다수의 유체 분사출구가 필요하므로 공간을 많이 차지하고 다양한 크기를 갖는 액적을 얻는데 어려움이 있었다.The conventional microfluidic injector is configured to spray a spray droplet having a predetermined size by installing a single micro heating element having a rectangular or line shape in the microchannel. In addition, the conventional microfluidic injector is intended to adjust the application time of the voltage applied to the micro heater (energy heating unit) or to control the size of the droplets are sprayed using a heater having a different size. That is, the method of adjusting the voltage application time is to change the size of the bubbles generated by changing the size of the bubbles generated by changing the time of application of the input voltage, and the size of the bubbles is small and the analog method Due to the adjustment, it was difficult to control the exact droplet size. In addition, the method using a heater having a different size is to adjust the size of the droplets injected through the bubbles of different sizes generated for each heater. Since a single fluid injector requires a plurality of fluid ejection outlets, it takes up a lot of space and has various sizes. There was a difficulty in obtaining droplets with.

상기와 같은 미소유체 분사기에 관한 종래 기술을 살펴보면 다음과 같은 것들이 있다.Looking at the prior art related to such a microfluidic injector is as follows.

미국 특허 제6,137,502호(Dual droplet size printhead)에는 분사 액적의 크기를 조절할 수 있는 잉크젯 프린트헤드(inkjet printhead) 내에 크기가 다른 미소 가열부를 각각 포함하는 서로 다른 유체 분사구열을 설치하여, 서로 다른 크기의 분사 액적이 서로 다른 유체 분사구에서 분사되도록 구성된 기술에 대해 공지되어 있다. 그러나, 이 특허기술은 얻고자 하는 액적 크기만큼의 서로 다른 유체 분사구가 필요하고, 이에 따라 유체 분사구의 열 집적도가 현격히 낮아진다는 문제점이 있다. 따라서, 이 특허기술은 조절하고자 하는 분사 액적의 크기에도 제한이 있다는 문제점이 있다.U.S. Patent No. 6,137,502 (Dual droplet size printhead) is provided with different fluid jet streams including different micro heating parts in inkjet printheads for controlling the size of the jetting droplets, It is known to the art that the spray droplets are configured to spray at different fluid jets. However, this patent technique requires a different fluid jet as much as the size of the droplet to be obtained, and thus has a problem that the thermal density of the fluid jet is significantly lowered. Therefore, this patent technology has a problem that there is a limit in the size of the injection droplet to be adjusted.

그리고, 미국특허 제6,142,599호(Variable drop mass inkjet drop generator)에는 분사 액적의 크기를 조절할 수 있는 잉크젯 프린트헤드(inkjet printhead)에 있어서, 유체 분사구내에 설치되는 미소 가열부에 인가하는 입력 전기신호의 펄스(pulse)의 개수를 이용하되 점성이 다른 잉크를 사용하도록 구성된 기술에 대해 공지되어 있다. 그러나, 이 특허기술은 한 종류의 잉크만을 사용할 경우 분사 액적의 크기가 하나로 고정된다는 문제점이 있다. 또한, 이 특허기술은 크기가 서로 다른 2개의 히터를 사용하여 작동하는 히터에 따라 분사 액적의 부피를 조절하는 방법을 제안하고 있는데, 이 경우 분사되는 액적의 크기가 3가지 형태(작은 히터의 액적, 큰 히터의 액적, 작은 히터 + 큰 히터의 액적)로 제한되는 문제점을 가지고 있다.In addition, US Patent No. 6,142, 599 (Variable drop mass inkjet drop generator) has an inkjet printhead that can control the size of the injection droplet, the pulse of the input electrical signal applied to the micro heating unit installed in the fluid injection port Techniques are known for using an ink of different viscosities using a number of pulses. However, this patent technology has a problem in that the size of the spray droplets is fixed to one when only one type of ink is used. In addition, this patent technique proposes a method of adjusting the volume of the spray droplets according to the heater operating by using two heaters of different sizes, in which case the size of the spray droplets is sprayed into three types (the droplet of the small heater). , Droplets of large heaters, droplets of small heaters + large heaters).

그리고, 미국특허 제6,276,782호(Assisted drop-on-demand inkjet printer)에는 분사 액적의 크기를 조절할 수 있는 잉크젯 프린트헤드(inkjet printhead)에 있어서, 유체 분사구의 끝단부에 미소 가열기를 추가로 설치하여 유체 분사구에서 잉크가 분사되는 순간 미소 가열기를 추가적으로 작동시켜 그 작동상태에 따라 분사되는 잉크의 온도를 변화시킴으로써 발생하는 잉크의 점성변화를 이용한다는 기술이 공지되어 있다. 그러나, 이 특허기술은 추가적인 미소 가열기에서 발생하는 열이 잉크 분사구의 끝단부에 위치하고 있으므로 잉크의 점성을 충분히 변화시키기 까지 소요되는 시간이 비교적 길 것으로 예상되어 결과적으로 분사 주파수를 감소시키는 문제점을 내포하고 있다.In addition, US Patent No. 6,276,782 (Assisted drop-on-demand inkjet printer) in the inkjet printhead (adjustable ink jet printhead) that can adjust the size of the injection droplet, the micro-heater is additionally installed at the end of the fluid injection port fluid It is known to utilize the viscosity change of the ink generated by additionally operating the micro heater as soon as the ink is ejected from the ejection port to change the temperature of the ejected ink according to its operating state. However, this patent technique is expected to take a long time to change the viscosity of the ink sufficiently because the heat generated from the additional micro-heater is located at the end of the ink injection port, and consequently has a problem of reducing the injection frequency. have.

따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 다수개의 미소 발열체를 행렬 형태로 배열하고 각각의 미소 발열체가 개별적으로 작동할 수 있도록 하여, 작동하는 미소 발열체의 개수 및 그조합에 따라 분사 액적의 크기를 조절하는 미소유체 분사기 및 이를 이용한 분사액적의 크기조절 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, the number of the micro heating elements to operate by arranging a plurality of micro heating elements in the form of a matrix and each micro heating element can operate individually. And it is an object of the present invention to provide a microfluidic injector for adjusting the size of the spray droplets according to the combination and a method for controlling the size of the spray droplets using the same.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 측면 분사방식의 미소유체 분사기의 구성관계를 도시한 일부 절취 사시도이고,1 is a partially cutaway perspective view showing a configuration of a side fluid spray microfluidic injector according to an embodiment of the present invention;

도 2는 도 1에 도시된 측면 분사방식의 미소유체 분사기를 구성하는 미소 발열체의 배열 상태를 도시한 개략도로서, (a)는 미소 발열체가 1 x N 형태의 행렬로 배열 구성된 상태를 도시한 것이고, (b)는 미소 발열체가 N x N 형태의 행렬로 배열 구성된 상태를 도시한 것이며, (c)는 미소 발열체가 동심원 형태의 행렬로 배열 구성된 상태를 도시한 것이고,FIG. 2 is a schematic view showing an arrangement of micro heating elements constituting the microfluidic injector of the side injection method shown in FIG. 1, wherein (a) illustrates a state in which micro heating elements are arranged in a matrix of 1 × N type. , (b) shows a state in which the micro heating elements are arranged in a matrix of N x N form, (c) shows a state in which the micro heating elements are arranged in a concentric circle matrix,

도 3은 도 1에 도시된 미소유체 분사기를 통해 분사액적을 조절하는 방법을 도시한 개략도로서, (a)는 미소 발열체가 작동하기 전 유체가 미소 유로 내부에 채워져 있는 상태를 도시한 것이고, (b)는 1개의 미소 발열체만 작동하여 최소 분사액적이 분사되고 있는 상태를 도시한 것이며, (c)는 여러 개의 미소 발열체가 한꺼번에 작동하여 보다 큰 분사액적이 분사되고 있는 상태를 도시한 것이고,FIG. 3 is a schematic view illustrating a method of controlling spray droplets through the microfluidic injector illustrated in FIG. 1, wherein (a) illustrates a state in which a fluid is filled inside the microchannel before the micro heating element is operated. b) shows the state in which the minimum spray droplets are being sprayed by operating only one micro heating element, and (c) shows the state in which the larger spray droplets are being sprayed by operating several micro heating elements at once,

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 상면 분사방식의 미소유체 분사기의 구성관계를 도시한 일부 절취 사시도이고,Figure 4 is a partially cutaway perspective view showing the configuration of the microfluidic injector of the top injection method according to another embodiment of the present invention,

도 5는 도 4에 도시된 상면 분사방식의 미소유체 분사기를 통해 분사액적을조절하는 방법을 도시한 개략도로서, (a)는 미소 발열체가 작동하기 전 유체가 미소 유로 내부에 채워져 있는 상태를 도시한 것이고, (b)는 1개의 미소 발열체만 작동하여 최소 분사액적이 분사되고 있는 상태를 도시한 것이며, (c)는 여러 개의 미소 발열체가 한꺼번에 작동하여 보다 큰 분사액적이 분사되고 있는 상태를 도시한 것이고,FIG. 5 is a schematic view illustrating a method of controlling spray droplets through the microfluidic injector of the upper surface injection method shown in FIG. 4, wherein (a) illustrates a state in which the fluid is filled inside the microchannel before the micro heating element is operated. (B) shows a state in which the minimum injection liquid droplets are being sprayed by operating only one micro heating element, and (c) shows a state in which a larger spray droplet is being sprayed by operating several micro heating elements at the same time. One,

도 6은 본 발명에 따른 미소유체 분사기의 제작과정을 도시한 개략도이고,6 is a schematic diagram showing a manufacturing process of the microfluidic injector according to the present invention;

도 7은 본 발명에 따른 미소유체 분사기의 크기를 나타내고 시험을 위해 보드에 결합한 상태를 촬영한 사진이며,Figure 7 is a photograph showing the size of the microfluidic injector according to the present invention and the state bonded to the board for the test,

도 8은 본 발명에 따른 미소유체 분사기에서 생성되는 미소기포의 성장과 소멸과정을 관측하는 시험장치의 개략도이고,8 is a schematic diagram of a test apparatus for observing the growth and disappearance process of the micro-bubbles generated in the microfluidic injector according to the present invention,

도 9는 본 발명에 따른 미소유체 분사기에서 생성되는 미소기포를 각각 촬영한 사진이며,9 is a photograph of each of the micro-bubbles generated in the microfluidic injector according to the present invention,

도 10은 본 발명에 따른 미소유체 분사기에서 분사된 분사액적을 각각 촬영한 사진이다.10 is a photograph of each of the injection droplets injected from the microfluidic injector according to the present invention.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠♠ Explanation of symbols on the main parts of the drawing ♠

100 : 미소유체 분사기 110 : 미소 유로100: micro fluid injector 110: micro euro

111 : 유입구 112 : 분사구111: inlet 112: injection hole

120 : 미소 발열부 121 : 미소 발열체120: micro heating element 121: micro heating element

130 : 유체 140, 160 : 기포130: fluid 140, 160: bubble

150, 170 : 분사액적150, 170: spray droplets

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 유입구를 통해 유로내로 공급된 유체가 에너지 전달부로부터 에너지를 공급받아 기화될 때 생성되는 기포의 압력을 이용해 유체를 상기 유로의 분사구를 통해 외부로 분사하는 미소유체 분사기로서, 상기 유로의 일정 구간에는 행렬 형태로 다수개의 미소 발열체가 배열된 미소 발열부가 설치되고, 상기 미소 발열부에는 각각의 미소 발열체에 동일한 외부 입력신호를 인가하여 개별적으로 구동시키는 상기 에너지 전달부가 접속되는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object, the micro-injecting the fluid to the outside through the injection port of the flow path using the pressure of the bubble generated when the fluid supplied into the flow path through the inlet is evaporated by the energy delivery unit A fluid injector, in which a plurality of micro heating elements are arranged in a matrix form in a predetermined section of the flow path, and the micro heating parts transmit the energy for driving each of the micro heating elements by individually applying the same external input signal. And an additional connection.

또한, 본 발명은 유입구를 통해 유로내로 공급된 유체가 에너지 전달부로부터 에너지를 공급받아 기화될 때 생성되는 기포의 압력을 이용해 유체를 상기 유로의 분사구를 통해 외부로 분사하는 미소유체 분사기에서 분사액적의 크기를 조절 방법으로서, 상기 유로의 일정 구간에는 행렬 형태로 다수개의 미소 발열체가 배열된 미소 발열부가 설치되고, 상기 미소 발열부에는 각각의 미소 발열체에 동일한 외부 입력신호를 인가하여 개별적으로 구동시키는 상기 에너지 전달부가 접속되며, 상기 에너지 전달부를 통해 인가되는 상기 미소 발열체의 개수와 그 조합에 따라 분사액적의 크기를 조절하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is the injection liquid in the microfluidic injector for injecting the fluid to the outside through the injection port of the flow path by using the pressure of the bubble generated when the fluid supplied into the flow path through the inlet is supplied with energy from the energy transfer unit vaporized As a method of controlling the size of the enemy, a minute heating unit in which a plurality of micro heating elements are arranged in a matrix form in a predetermined section of the flow path, and the micro heating units are individually driven by applying the same external input signal to each of the micro heating elements. The energy transfer unit is connected, characterized in that for controlling the size of the spray droplets in accordance with the number and combination of the micro heating element applied through the energy transfer unit.

아래에서, 본 발명에 따른 미소유체 분사기 및 이를 이용한 분사액적의 크기조절 방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.In the following, with reference to the accompanying drawings, a preferred embodiment of the microfluidic injector and the method for controlling the size of the injection droplet using the same will be described in detail.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 측면 분사방식의 미소유체 분사기의 구성관계를 도시한 일부 절취 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 미소유체 분사기(100)는 미소 유로내로 공급된 유체가 에너지 전달부로부터 에너지를 공급받아 기화될 때 발생하는 기포의 압력을 이용해 유체를 미소 유로로부터 외부로 분사하는 것이다. 이러한 본 발명의 미소유체 분사기(100)는 종래의 미소유체 분사기에 사용되는 단일 미소 발열체 대신에 다수개의 미소 발열체를 행렬 형태로 배열하고, 각각의 미소 발열체가 개별적으로 작동할 수 있도록 구성한 것을 제외하고는 종래의 미소유체 분사기와 동일하게 구성된다.1 is a partially cutaway perspective view illustrating a configuration relationship of a side fluid injection microfluidic injector according to an exemplary embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the microfluidic injector 100 of the present invention uses a pressure of bubbles generated when the fluid supplied into the microchannel is vaporized by receiving energy from an energy transfer unit, thereby moving the fluid from the microchannel to the outside. To spray. The microfluidic injector 100 of the present invention is arranged in a matrix form instead of a single micro heating element used in the conventional microfluidic injector, except that the microfluidic injector is configured to operate individually. Is configured in the same way as a conventional microfluidic injector.

즉, 본 발명의 미소유체 분사기(100)는 유체가 유입된 후 분사되는 유입구(111) 및 분사구(112)를 갖는 미소 유로(110)를 갖도록 구성된 것으로서, 상기 미소 유로(110)의 일정 구간에는 여러 가지 형태의 행렬 형태로 다수개의 미소 발열체(121)가 배열된 미소 발열부(120)가 설치되어 있다. 그리고, 미소 발열부(120)에는 각각의 미소 발열체(121)에 동일한 외부 입력신호를 인가하여 개별적으로 구동시키는 에너지 전달부(도시안됨)가 접속되어 있다. 이러한 에너지 전달부는 통상적인 원리로 각각의 미소 발열체(121)에 동일 종류의 시그널이 개별적으로 제공하도록 구성된다. 따라서, 본 발명은 에너지 전달부를 통해 인가되는 동일 종류의 시그널이 인가되는 미소 발열체(121)의 개수와 그 조합에 따라 다양한 크기를 갖는 액적을 분사할 수 있다.That is, the microfluidic injector 100 of the present invention is configured to have a micro-channel 110 having an inlet 111 and an injection port 112 that are injected after the fluid is introduced into, and in a predetermined section of the micro-channel 110. The micro heating unit 120 in which the plurality of micro heating elements 121 are arranged in various matrix forms is provided. The micro heating unit 120 is connected to an energy transmission unit (not shown) for applying the same external input signal to each micro heating element 121 to individually drive the same. This energy transfer unit is configured to individually provide the same kind of signal to each micro heating element 121 in a conventional principle. Therefore, according to the present invention, droplets having various sizes may be sprayed according to the number and combination of the micro heating elements 121 to which the same type of signal applied through the energy transfer unit is applied.

도 1에 도시된 미소유체 분사기(100)는 측면 분사방식으로서, 분사구(112)가 미소 발열부(120)에서 생성되는 기포의 성장방향과 수직한 방향에 형성된다. 즉,본 발명의 측면 분사방식의 미소유체 분사기(100)는 유체가 유입되고 분사되는 유입구(111)와 분사구(112)가 동일 선상에서 관통하도록 구성된다.The microfluidic injector 100 shown in FIG. 1 is a side injection method, and the injection hole 112 is formed in a direction perpendicular to the growth direction of bubbles generated in the microheater 120. That is, the microfluidic injector 100 of the side injection method of the present invention is configured such that the inlet 111 and the injector 112 through which the fluid is introduced and injected penetrate on the same line.

도 2는 도 1에 도시된 측면 분사방식의 미소유체 분사기를 구성하는 미소 발열체의 배열 상태를 도시한 개략도로서, (a)는 미소 발열체가 1 x N 형태의 행렬로 배열 구성된 상태를 도시한 것이고, (b)는 미소 발열체가 N x N 형태의 행렬로 배열 구성된 상태를 도시한 것이며, (c)는 미소 발열체가 동심원 형태의 행렬로 배열 구성된 상태를 도시한 것이다.FIG. 2 is a schematic view showing an arrangement of micro heating elements constituting the microfluidic injector of the side injection method shown in FIG. 1, wherein (a) illustrates a state in which micro heating elements are arranged in a matrix of 1 × N type. , (b) shows a state in which the micro heating elements are arranged in an N x N matrix, and (c) shows a state in which the micro heating elements are arranged in a concentric matrix.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 미소유체 분사기(100)는 사각형 또는 환형 형태로 구성된 다수개의 미소 발열체(121)를 근접 배치하되 행렬 형태로 배열하여 미소 발열부(120)를 구성한 것으로서, 도 2의 (a)와 같이 미소 발열체를 1 x N 형태의 행렬로 배열 구성하거나, 도 2의 (b)와 같이 미소 발열체를 N x N 형태의 행렬로 배열 구성하거나, 도 2의 (c)와 같이 미소 발열체를 동심원 형태의 행렬로 배열 구성한 것이다.As shown in FIGS. 1 and 2, the microfluidic injector 100 of the present invention closely arranges a plurality of micro heating elements 121 formed in a quadrangular or annular shape, and arranges the micro heating elements 120 in a matrix form. As shown in FIG. 2A, the micro heating elements are arranged in a matrix of 1 × N form, or the micro heating elements are arranged in an N × N matrix as shown in FIG. As shown in (c), the micro heating elements are arranged in a concentric matrix.

이렇게 배열되는 사각형 또는 환형 형태의 미소 발열체에는 에너지 전달부가 각각 접속되어 있다. 따라서, 에너지 전달부를 통해 인가되는 미소 발열체의 개수와 그 조합에 따라 다양한 크기를 갖는 분사액적을 분사할 수 있다. 또한, 본 발명은 미소 발열체를 사각형 또는 환형 형태를 비롯한 다양한 형태로 구성하되, 행렬 형태로 배열 구성할 수 있으면 어떠한 형태로 구성하여도 무방하다.The energy transmitting units are connected to the micro heating elements having a rectangular or annular shape arranged in this manner. Therefore, the spray droplets having various sizes may be sprayed according to the number and combination of the micro heating elements applied through the energy transfer unit. In addition, the present invention may be configured in a variety of forms, including a rectangular or annular form, but may be configured in any form as long as it can be arranged in a matrix form.

도 3은 도 1에 도시된 미소유체 분사기를 통해 분사액적을 조절하는 방법을 도시한 개략도로서, (a)는 미소 발열체가 작동하기 전 유체가 미소 유로의 내부에채워져 있는 상태를 도시한 것이고, (b)는 1개의 미소 발열체만 작동하여 최소 분사액적이 분사되고 있는 상태를 도시한 것이며, (c)는 여러 개의 미소 발열체가 한꺼번에 작동하여 보다 큰 분사액적이 분사되고 있는 상태를 도시한 것이다.Figure 3 is a schematic diagram showing a method of controlling the spray droplets through the microfluidic injector shown in Figure 1, (a) shows a state in which the fluid is filled inside the micro-channel before the micro heating element is operated, (b) shows a state in which the minimum injection liquid droplets are being sprayed by operating only one micro heating element, and (c) shows a state in which a larger spray liquid is being sprayed by operating several micro heating elements at the same time.

도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 미소유체 분사기(100)를 작동시킴에 있어서, 에너지 전달부에서 시그널이 인가되지 않아 (a)와 같이 미소 발열체(121)가 작동하기 전에는 유체(130)가 미소 유로(110)의 내부에 채워져 있게 된다. 그러다가, 에너지 전달부에서 1개의 미소 발열체(121)에만 시그널이 인가되면 (b)와 같이 인가되는 1개의 미소 발열체(121)만 작동하여 작은 기포(140)가 생성되고 이러한 기포(140)의 압력에 의해 최소 분사액적(150)이 분사구(112)를 통해 분사된다. 하지만, 에너지 전달부에서 여러 개의 미소 발열체(121)에 시그널이 인가되면 (c)와 같이 인가되는 여러 개의 미소 발열체가(121) 한꺼번에 작동하여 보다 큰 기포(160)가 생성되고 이러한 기포(160)의 압력에 의해 보다 큰 분사액적(170)이 분사구(112)를 통해 분사된다.As shown in Figure 1 and 3, in operating the microfluidic injector 100 of the present invention, the signal is not applied in the energy transfer unit, the fluid before the micro heating element 121 is operated as shown in (a) The 130 is filled inside the micro flow path 110. Then, when a signal is applied to only one micro heating element 121 in the energy transfer unit, only one micro heating element 121 applied as shown in (b) operates to generate a small bubble 140, and the pressure of the bubble 140 is increased. By the minimum injection droplet 150 is injected through the injection port 112. However, when a signal is applied to the plurality of micro heating elements 121 in the energy transfer unit, several micro heating elements 121 applied as shown in (c) operate at the same time to generate larger bubbles 160 and such bubbles 160. Due to the pressure of the larger injection droplet 170 is injected through the injection port 112.

따라서, 본 발명은 에너지 전달부를 통해 인가되는 미소 발열체의 개수와 그 조합에 따라 다양한 크기를 갖는 액적을 분사할 수 있다.Therefore, the present invention may spray droplets having various sizes depending on the number and combination of micro heating elements applied through the energy transfer unit.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 상면 분사방식의 미소유체 분사기의 구성관계를 도시한 일부 절취 사시도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 미소유체 분사기(200)는 유체가 분사되는 미소 유로(210)의 분사구(212)가 상면에 형성된다는 것을 제외하고는 상기 실시예의 미소유체 분사기(100)와 동일하게 구성된다. 즉, 분사구(212)는 미소 유로(210)에 배열 설치되는 미소 발열부(220)의 상부에 형성된다. 도 4에 도시된 미소유체 분사기(200)는 상면 분사방식으로서, 분사구(212)가 미소 발열부(220)에서 생성되는 기포의 성장방향과 동일한 방향에 형성된다. 즉, 본 발명의 상면 분사방식의 미소유체 분사기(200)는 유체가 유입되고 분사되는 유입구(211)와 분사구(212)가 수직선상에서 관통하도록 구성된다.Figure 4 is a partially cutaway perspective view showing the configuration of the microfluidic injector of the top injection method according to another embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the microfluidic injector 200 of the present invention is a microfluidic injector 100 of the embodiment except that the injection hole 212 of the microchannel 210 through which the fluid is injected is formed on the upper surface. It is configured in the same way. That is, the injection hole 212 is formed in the upper portion of the micro heating unit 220 arranged in the micro flow path 210. The microfluidic injector 200 illustrated in FIG. 4 is an upper surface spraying method, and the injection holes 212 are formed in the same direction as the growth direction of bubbles generated by the microheater 220. That is, the microfluidic injector 200 of the upper surface injection method of the present invention is configured such that the inlet 211 and the inlet 212 through which the fluid is introduced and injected penetrate in a vertical line.

또한, 본 발명은 미소 발열부가 배열 설치되는 미소 유로의 하면에 분사구를 형성하여도 무방하다. 즉, 본 발명은 분사구를 미소 발열부에서 생성되는 기포의 성장방향과 반대 방향에 형성하여도 무방하다.In addition, in the present invention, the injection port may be formed on the lower surface of the microchannel in which the microheater is arranged. That is, the present invention may be formed in the direction opposite to the growth direction of the bubbles generated in the micro heating unit.

도 5는 도 4에 도시된 상면 분사방식의 미소유체 분사기를 통해 분사액적을 조절하는 방법을 도시한 개략도로서, (a)는 미소 발열체가 작동하기 전 유체가 미소 유로의 내부에 채워져 있는 상태를 도시한 것이고, (b)는 1개의 미소 발열체만 작동하여 최소 분사액적이 분사되고 있는 상태를 도시한 것이며, (c)는 여러 개의 미소 발열체가 한꺼번에 작동하여 보다 큰 분사액적이 분사되고 있는 상태를 도시한 것이다.FIG. 5 is a schematic view illustrating a method of controlling spray droplets through the microfluidic injector of the upper surface injection method shown in FIG. 4, wherein (a) shows a state in which a fluid is filled inside the microchannel before the micro heating element is operated. (B) shows the state in which the minimum injection liquid droplets are being injected by operating only one micro heating element, and (c) shows the state in which the larger injection liquid is being sprayed by operating several micro heating elements at once. It is shown.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 미소유체 분사기(200)를 작동시킴에 있어서는 상기 실시예에서 설명한 동일한 방법으로 작동한다. 따라서, 본 발명은 에너지 전달부를 통해 인가되는 미소 발열체의 개수와 그 조합에 따라 다양한 크기를 갖는 액적을 분사할 수 있다.4 and 5, the microfluidic injector 200 of the present invention operates in the same manner as described in the above embodiment. Therefore, the present invention may spray droplets having various sizes depending on the number and combination of micro heating elements applied through the energy transfer unit.

<실험예>Experimental Example

아래에서는 앞서 설명한 바와 같이 구성되는 본 발명의 미소유체 분사기를 구성하여 실험한 일예에 대해 설명하도록 하겠다.Below will be described an example of the experiment to configure the microfluidic injector of the present invention configured as described above.

먼저, 도 6에 도시된 방법으로 본 발명의 미소유체 분사기를 제작하였다. 이 때, 1,000Å 두께의 TaAl 박막을 미소 발열체의 재료로 사용하였으며, 전기적 연결을 위하여 5,000Å 두께의 알루미늄 박막을 사용하였다. 또한, 미소 유로를 형성하는 채널의 격벽은 20㎛ 두께의 SU8 재료를 사용하여 제작하였으며, 이러한 격벽의 상부에 에폭시 접착제를 사용하여 Pyrex 글라스를 접합함으로써 본 발명의 미소유체 분사기의 제작을 완료하였다.First, the microfluidic injector of the present invention was manufactured by the method shown in FIG. 6. In this case, a 1,000 μm thick TaAl thin film was used as a material of the micro heating element, and an aluminum thin film of 5,000 μm thick was used for electrical connection. In addition, the partition wall of the channel forming the micro-channel was made using a SU8 material having a thickness of 20㎛, and the production of the microfluidic injector of the present invention was completed by bonding Pyrex glass using an epoxy adhesive on top of the partition wall.

상기와 같이 제작된 본 발명의 미소유체 분사기의 전체 크기는 도 7의 (a)와 같이 7,640㎛ x 5,260㎛m 로서, 그 내부에 설치되는 미소 발열체의 크기는 30㎛ x 30㎛ 였고, 각 미소 발열체 사이의 간격은 5㎛ 였으며, 분사구의 단면적은 20㎛ x 20㎛ 였다. 그래서, 도 7의 (b)에 나타낸 바와 같이 시험의 편의성을 위해 FPC Board(Flexible Printed Circuit Board)에 접합하였다.The total size of the microfluidic injector of the present invention manufactured as described above was 7,640 μm × 5,260 μm as shown in FIG. 7A, and the size of the micro heating element installed therein was 30 μm × 30 μm, and each micro The spacing between the heating elements was 5 μm, and the cross section of the injection hole was 20 μm × 20 μm. Thus, as illustrated in FIG. 7B, the substrate was bonded to an FPC board (Flexible Printed Circuit Board) for convenience of testing.

그런 다음, 도 8에 도시된 바와 같이 미소기포의 성장과 소멸을 시간대별로 관측할 수 있도록 고안된 시험장치를 이용하여, 10.0V, 1KHz, 1㎲ pulse-width 의 디지털 전기 입력신호를 40Ω의 미소 발열체에 인가한 후, 동작하는 미소 발열체의 개수를 늘려가며 미소기포의 성장 및 소멸 특성을 관측하였다. 미소기포의 최대크기는 도 9에 나타낸 바와 같이 모두 입력신호를 가한 후 2㎲ 시간이 경과하였을 때 나타났으나, 미소기포가 소멸되는 데 소요되는 시간은 동작하는 미소 발열체의 개수가 늘어남에 따라 4㎲ 에서 8㎲ 까지 점차적으로 늘어나는 것을 확인할 수 있었다. 그 이유는 기포가 성장하는 동안은 각각의 미소 발열체에서 발생한 초기 기포가 서로 합쳐지지 않고 개별적으로 성장함으로써 기포가 한 개 일 때와 여러 개 일 때 최대치까지 성장하는 데 소요되는 시간은 같은 반면, 기포가 소멸하기 시작하면서 각각 성장하였던 기포가 합쳐지고 합쳐진 기포의 개수에 따라 그 크기가 각각 다르므로 소멸되는 시간은 동작하는 미소 발열체의 개수에 따라 증가하는 경향을 나타내는 것이다. 도 9의 (a) 내지 (d)는 미소 발열체가 1개 내지 4개 작동할 때 생성되는 미소기포를 각각 나타낸 것이다.Then, as shown in Figure 8, using a test device designed to observe the growth and disappearance of the micro-bubble by time zone, the micro heating element of 10.0V, 1KHz, 1㎲ pulse-width digital electrical input signal of 40Ω After the application to, the growth and disappearance characteristics of the microbubbles were observed while increasing the number of micro heating elements. As shown in FIG. 9, the maximum size of the microbubbles was shown when 2 ms elapsed after the input signal was applied, but the time required for the microbubbles to disappear disappears as the number of the micro heating elements operating increased. From ㎲ to 8㎲ gradually increased. The reason is that while bubbles are growing, the initial bubbles from each micro heating element do not merge with each other and grow individually, so that the time taken to grow to the maximum when there is one bubble and several bubbles is the same, As the bubbles start to disappear, the grown bubbles are combined and the size varies depending on the number of bubbles, and the extinction time tends to increase with the number of micro heating elements. 9 (a) to 9 (d) show micro bubbles generated when one to four micro heating elements are operated.

도 10은 본 발명의 미소유체 분사기에서 분사되어 종이 위에 인쇄된 미소액적의 사진을 동작하는 미소 발열체의 개수[(a)는 1개, (b)는 2개, (c)는 3개, (d)는 4개]에 따라 나타낸 것으로서, 인쇄된 미소액적의 형태를 타원형태의 반구로 가정하여 분사된 미소액적의 부피를 실험적으로 측정하였다. 즉, 인쇄된 미소액적의 장축과 단축의 길이(2rmax, 2rmin)를 측정함으로써 아래의 수학식 1을 이용하여 미소액적의 부피(Vmeasure)를 유추하였다.10 is the number of micro heating elements sprayed from the microfluidic injector of the present invention to operate a photograph of micro droplets printed on paper [(a) is 1, (b) is 2, (c) is 3, ( d) is shown in [4], and the volume of the sprayed microdroplets was experimentally measured assuming the shape of the printed microdroplets as ellipsoidal hemispheres. That is, by measuring the length (2r max , 2r min ) of the long axis and short axis of the printed microdroplets, the volume (V measure ) of the microdroplets was inferred using Equation 1 below.

그리고, 표 1은 실험적으로 측정한 인쇄된 미소액적의 장축과 단축의 길이와 이로부터 유추된 미소액적의 부피 및 15개의 측정값들로부터 계산된 이들의 오차한계(error bound)를 정리한 것이다. 인쇄된 미소액적으로부터 측정한 장축과 단축의 길이의 오차한계는 ±1㎛ 였다.Table 1 summarizes the lengths of the major and minor axes of the printed microdroplets measured experimentally, the volume of the microdroplets inferred therefrom, and their error bounds calculated from the 15 measurements. The margin of error of the major and minor axes measured from the printed microdroplets was ± 1 μm.

미소 발열체의 작동 개수Working number of micro heating element 1One 22 33 44 분사액적의 단축 평균길이[㎛]Shortened average length of sprayed droplets [㎛] 7.47.4 12.012.0 13.113.1 16.516.5 분사액적의 장축 평균길이[㎛]Long axis average length of sprayed droplets [㎛] 12.512.5 13.913.9 16.616.6 21.521.5 분사액적의 평균 부피[pℓ]Average volume of spray droplets [pℓ] 1.41.4 4.24.2 6.06.0 11.011.0 분사액적의 최소 부피[pℓ]Volume of spray droplets [pℓ] 1.01.0 2.72.7 4.74.7 9.99.9 분사액적의 최대 부피[pℓ]Volume of spray droplets [pℓ] 1.81.8 5.55.5 7.57.5 12.512.5 분사액적의 평균오차[pℓ]Average error of sprayed droplets [pℓ] 0.50.5 1.01.0 1.31.3 1.91.9

표 1에 나타낸 바와 같이, 실험적으로 측정된 미소액적의 부피는 작동하는 미소 발열체의 개수에 따라 1.4±0.5, 4.2±1.0, 6.0±1.3, 11.0±1.9 pℓ로 조절되는 것을 알 수 있다.As shown in Table 1, it can be seen that the volume of the experimentally measured microdroplets is adjusted to 1.4 ± 0.5, 4.2 ± 1.0, 6.0 ± 1.3, 11.0 ± 1.9 p l depending on the number of micro heating elements that operate.

상기 실험예를 통해서도 알 수 있듯이, 본 발명은 에너지 전달부를 통해 인가되는 미소 발열체의 개수와 그 조합에 따라 다양한 크기를 갖는 액적을 분사할 수 있다.As can be seen from the above experimental example, the present invention can spray droplets having various sizes according to the number and combination of micro heating elements applied through the energy transfer unit.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 미소유체 분사기는 다수개의 미소 발열체를 행렬 형태로 배열하고 각각의 미소 발열체가 개별적으로 작동할 수 있도록 하여, 작동하는 미소 발열체의 개수 및 그 조합에 따라 분사 액적의 크기를 조절할 수 있으므로, 다양한 크기를 갖는 액적을 정확하고 빠르게 분사할 수 있다. 따라서, 본 발명의 미소유체 분사기를 잉크젯 프린트헤드에 적용할 경우 고해상도와 고속분사를 동시에 할 수 있도록 해주는 효과가 있다.As described in detail above, the microfluidic injector of the present invention arranges a plurality of micro heating elements in a matrix form and allows each micro heating element to operate individually, so that the size of the spray droplets depends on the number and combinations of the micro heating elements that operate. Since it can be adjusted, it is possible to eject droplets of various sizes accurately and quickly. Therefore, when the microfluidic injector of the present invention is applied to an inkjet printhead, high resolution and high speed injection can be simultaneously performed.

또한, 본 발명은 미소 생체 시료 주입기나 미소 약물 주입기 등 미소 유체를 다루는 장치에 사용할 수 있다.Moreover, this invention can be used for the apparatus which handles micro fluids, such as a micro biological sample injector and a micro drug injector.

이상에서 본 발명의 미소유체 분사기 및 이를 이용한 분사액적의 크기조절 방법에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.Although the technical details of the microfluidic injector of the present invention and the method for controlling the size of the jetting droplet using the same have been described with the accompanying drawings, the exemplary embodiments of the present invention have been described by way of example and are not intended to limit the present invention.

또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않고 첨부한 특허청구의 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.In addition, it is obvious that any person skilled in the art can make various modifications and imitations within the scope of the appended claims without departing from the scope of the technical idea of the present invention.

Claims (8)

유입구를 통해 유로내로 공급된 유체가 에너지 전달부로부터 에너지를 공급받아 기화될 때 생성되는 기포의 압력을 이용해 유체를 상기 유로의 분사구를 통해 외부로 분사하는 미소유체 분사기로서,A microfluidic injector for injecting a fluid to the outside through the injection port of the flow path by using the pressure of the bubble generated when the fluid supplied into the flow path through the inlet receives the energy from the energy transfer unit to evaporate, 상기 유로의 일정 구간에는 행렬 형태로 다수개의 미소 발열체가 배열된 미소 발열부가 설치되고, 상기 미소 발열부에는 각각의 미소 발열체에 동일한 외부 입력신호를 인가하여 개별적으로 구동시키는 상기 에너지 전달부가 접속되는 것을 특징으로 하는 미소유체 분사기.In a predetermined section of the flow path is a micro-heater is arranged in a plurality of micro-heater is arranged in a matrix form, the micro-heater is connected to the energy transfer unit for driving separately by applying the same external input signal to each micro-heater. Characterized in that the microfluidic injector. 제1항에 있어서, 상기 미소 발열부는 상기 다수개의 미소 발열체가 1 x N 형태의 행렬로 배열 구성되는 것을 특징으로 하는 미소유체 분사기.The microfluidic injector of claim 1, wherein the micro heating unit comprises the plurality of micro heating elements arranged in a matrix of a 1 × N form. 제1항에 있어서, 상기 미소 발열부는 상기 다수개의 미소 발열체가 N x N 형태의 행렬로 배열 구성되는 것을 특징으로 하는 미소유체 분사기.The microfluidic injector of claim 1, wherein the micro heating unit comprises the plurality of micro heating elements arranged in an N × N matrix. 제1항에 있어서, 상기 미소 발열부는 상기 다수개의 미소 발열체가 동심원 형태의 행렬로 배열 구성되는 것을 특징으로 하는 미소유체 분사기.The microfluidic injector of claim 1, wherein the micro heating unit comprises the plurality of micro heating elements arranged in a concentric matrix. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분사구가 상기 미소 발열부에서 생성되는 상기 기포의 성장방향과 수직한 방향에 형성되는 것을 특징으로 하는 미소유체 분사기.The microfluidic injector according to any one of claims 1 to 4, wherein the injection hole is formed in a direction perpendicular to the growth direction of the bubbles generated in the micro heating unit. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분사구가 상기 미소 발열부에서 생성되는 상기 기포의 성장방향과 동일한 방향에 형성되는 것을 특징으로 하는 미소유체 분사기.The microfluidic injector according to any one of claims 1 to 4, wherein the injection hole is formed in the same direction as the growth direction of the bubbles generated in the micro heating unit. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분사구가 상기 미소 발열부에서 생성되는 상기 기포의 성장방향과 반대 방향에 형성되는 것을 특징으로 하는 미소유체 분사기.The microfluidic injector according to any one of claims 1 to 4, wherein the injection hole is formed in a direction opposite to the growth direction of the bubbles generated in the micro heating unit. 유입구를 통해 유로내로 공급된 유체가 에너지 전달부로부터 에너지를 공급받아 기화될 때 생성되는 기포의 압력을 이용해 유체를 상기 유로의 분사구를 통해 외부로 분사하는 미소유체 분사기에서 분사액적의 크기를 조절 방법으로서,How to adjust the size of the spray droplets in the microfluidic injector that injects the fluid to the outside through the injection port of the flow path by using the pressure of the bubble generated when the fluid supplied into the flow path through the inlet receives the energy from the energy transfer unit to evaporate As 상기 유로의 일정 구간에는 행렬 형태로 다수개의 미소 발열체가 배열된 미소 발열부가 설치되고, 상기 미소 발열부에는 각각의 미소 발열체에 동일한 외부 입력신호를 인가하여 개별적으로 구동시키는 상기 에너지 전달부가 접속되며, 상기 에너지 전달부를 통해 인가되는 상기 미소 발열체의 개수와 그 조합에 따라 분사액적의 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 미소유체 분사기를 이용한 분사액적의 크기조절 방법.The micro heating unit in which a plurality of micro heating elements are arranged in a matrix form is installed in a predetermined section of the flow path, and the energy transmitting unit for driving the micro heating elements individually by applying the same external input signal to each micro heating element is connected. And controlling the size of the spray droplets according to the number and combination of the micro heating elements applied through the energy transfer unit.
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