KR20090106089A

KR20090106089A - 미세유체 혼합 장치

Info

Publication number: KR20090106089A
Application number: KR1020080031592A
Authority: KR
Inventors: 박제균; 이명권; 최성용
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2008-04-04
Filing date: 2008-04-04
Publication date: 2009-10-08
Also published as: KR100931983B1

Abstract

본 발명은 마이크로 채널 내부에 흐르는 유체가 와류를 형성하게 함으로서 주입된 서로 다른 유체가 와류를 통해 서로 혼합되는 미세유체 혼합 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 미세유체 혼합 장치는,

적어도 하나 이상의 미세유체 주입부; 상기 미세유체 주입부와 연결된 제1 채널 구간과 상기 제1채널 구간의 유동 단면적보다 작은 유동 단면적을 갖는 제2 채널 구간을 구비한 미세유체 혼합부; 및, 상기 미세유체 혼합부와 연결된 미세유체 배출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

미세유체 혼합 장치{Apparatus for mixing micro-fluids}

본 발명은 미세유체 혼합 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게 마이크로 채널 내부에 흐르는 유체가 와류를 형성하게 함으로서 주입된 서로 다른 유체가 와류를 통해 서로 혼합되는 미세유체 혼합 장치에 관한 것이다.

일반적으로 서로 다른 액상의 물질을 혼합하기 위해서는 용기에 넣고, 섞거나(Stirring) 교반(Agitation)을 수행하여야 한다. 그러나 마이크로 단위의 채널 내에서는 기본적으로 층류(laminar flow)를 형성하므로, 섞거나 교반을 수행하여도 혼합이 되지 않고, 확산(diffusion)이나 이류(advection)를 이용한다.

마이크로 채널 내에 구조물을 형성함으로써, 채널 내에 주입된 서로 다른 두 유체의 접촉면(Contact surface)를 증가시키고, 확산거리(diffusion path)를 감소시켜 혼합의 효과를 향상시킬 수 있다. 그러나, 이러한 방법은 두 유체의 접촉면 증가 및 확산거리를 감소시키기 위해 형성된 구조물이 복잡하고, 채널 내의 확산시간을 길게 하여야 하기 때문에, 빠른 시간 내에 많은 양을 혼합시킬 수 없는 문제 점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 채널내부에 특정 구조물과 높은 유속을 형성하여, 와류를 발생시킴으로써, 주입된 한 개 이상의 유체가 형성된 와류에 의해 빠르게 혼합이 될 수 있도록 하는 미체유체 혼합 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 미세유체 혼합 장치는,

또한, 상기 미세유체 혼합부는 상기 제1 채널 구간과 상기 제2 채널 구간이 기 설정된 간격으로 적어도 하나 이상 연속적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2 채널 구간은 적어도 하나 이상이며, 상기 미세유체 혼합부의 내벽에 기 설정된 간격으로 교대로 연속해서 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 채널 구간의 유동 단면적과, 상기 제2 채널 구간에서 유동 단면적이 가장 작은 영역의 유동 단면적의 비는 3 ~ 15 : 1 인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 채널 구간의 유동 단면적과, 상기 제2 채널 구간에서 유동 단면적이 가장 작은 영역의 유동 단면적의 비는 11 : 1 인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2 채널 구간에서 유동 단면적이 가장 작은 영역의 직경은 100μm이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2 채널 구간의 유동 단면적이 가장 작은 영역과 그 인접한 영역에서 와류(vortex)가 형성되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미세유체 혼합 장치는,

적어도 하나 이상의 미세유체 주입부; 상기 미세유체 주입부와 연결되며, 내벽에 돌출 구조물이 형성된 미세유체 혼합부; 및, 상기 미세유체 혼합부와 연결된 유체 배출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 돌출 구조물은 적어도 하나 이상이며, 기 설정된 간격으로 연속적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 돌출 구조물은 적어도 하나 이상이며, 상기 미세유체 혼합부의 내벽에 기 설정된 간격으로 교대로 연속해서 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 돌출 구조물은 그 단면이 반원, 톱니, 그리고 사각형 형상 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 돌출 구조물의 길이가 가장 긴 영역과 그 인접한 영역에서 와류가 형성되는 것을 특징으로 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 미세유체 혼합 장치는 마이크로 채널 내부에 형성된 돌출 구조물에 인해 와류(vortex)가 형성되기 때문에, 종래와은 달리 와류를 형성함에 있어서 채널에 전압을 인가하는 등의 별도의 에너지를 이용하지 않아도 된다. 그리고, 채널과 채널 내부의 형상 및 크기를 조절하여 다양하게 제조할 수 있으며, 별도의 전압 인가 장치가 필요없으므로 장치 제조 비용이 절감되며 조작이 용이하다. 또한, 와류 형성을 위해 빠른 유속을 이용하기 때문에 높은 시료 처리량을 가지는 효과를 가진다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 미세유체 혼합 장치는 미세유체 주입부에 혼합할 하나 이상의 유체를 주입한 후, 상기 미세유체 주입부와 연결된 혼합부 내부의 특정 구조물들에 의해 발생된 와류에 의해 주입된 유체가 서로 혼합이 될 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다. 이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨 부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하 실시예는 두 가지 용액(물(water), 형광 용액(FITC solution))의 혼합에 대해서 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 미세유체 혼합 장치를 도시한 단면도, 도 2는 본 발명에 따른 미세유체 혼합 장치의 미세유체 혼합부에서의 미세유체 혼합 원리를 도시한 도, 도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 미세유체 혼합 장치의 미세유체 혼합부의 다양한 돌출 구조물을 도시한 단면도, 도 4는 본 발명에 따른 미세유체 혼합 장치의 레이놀즈 수에 따른 와류의 크기를 나타낸 도, 도 5는 본 발명에 따른 미세유체 혼합 장치의 레이놀즈 수에 따른 혼합 정도를 나타낸 그래프이다.

도 1은 본 발명에 따른 미세유체 혼합 장치를 도시한 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 미세유체 혼합 장치는 적어도 하나 이상의 미세유체 주입부(10), 상기 미세유체 주입부와 연결된 제1 채널 구간과 상기 제1채널 구간의 유동 단면적보다 작은 유동 단면적을 갖는 제2 채널 구간을 구비한 미세유체 혼합부(20), 그리고 상기 미세유체 혼합부와 연결된 미세유체 배출부(40)를 포함한다. 그리고, 도면에는 도시되어 있지는 않지만, 상기 미세유체 주입부에 유체를 빠른 유속으로 주입하기 위해서, 시린지(syringe)에 유체를 주입시키고 시린지 펌프(syringe pump)로 압력을 가하여 주입되는 미세유체의 유속을 조절하는 미세유체 주입수단(미도시)을 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 미세유체 혼합부(20)는 상기 제1 채널 구간(21)과 상기 제2 채널 구간(22)이 기 설정된 간격으로 적어도 하나 이상 연속적으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제2 채널 구간(22)은 적어도 하나 이상이며, 상기 미세유체 혼합부(20)의 내벽에 기 설정된 간격으로 교대로 엇갈리게 연속해서 형성되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1 채널 구간(21)의 유동 단면적과, 상기 제2 채널 구간(22)에서 유동 단면적이 가장 작은 영역의 유동 단면적의 비가 3 ~ 5 : 1 범위인 경우, 와류 형성에 효과적이며, 특히 11 : 1 인 경우 가장 효과적이다. 구체적으로는 상기 제2 채널 구간(22)에서 유동 단면적이 가장 작은 영역의 직경은 100μm이하로 형성되는 것이 바람직하다. 미세유체 주입수단(미도시)에 의해 미세유체 주입부(10)로 주입되는 미세유체의 유속이 큰 경우, 제1 채널 구간(21)과 제2 채널 구간(22)의 유동 단면적 비율이 작더라도 효과적인 와류가 생기지만, 미세유체의 유속이 작은 경우에는 상기 유동 단면적 비율이 작으면 미세유체가 혼합될 수 있는 와류가 형성되지 않는다. 통상적인 미세유체의 유속을 고려할 때, 상기 비율과 수치범위에서 미세유체 혼합을 위한 효과적인 와류가 형성된다. 도 1에서는 상기 제1 채널 구간(21)의 유동 단면적의 직경이 550μm이고, 제2 채널 구간(22)에서 유동 단면적이 가장 작은 영역의 직경이 50μm인 경우가 도시되어 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 미세유체 혼합 장치의 동작 과정은 다 음과 같다.

혼합하고자 하는 서로 다른 두 용액을 미세유체 주입부(10)에 각각 주입한다. 예를 들어, 제1 미세유체 주입부(11)에 물(water)을 주입하고, 제2 미세유체 주입부(12)에 형광 용액(FITC solution; fluorescent isothiocyanate solution)을 주입한다. 상기 주입된 두 가지 용액은 제1 채널 구간(21)과 제2 채널 구간(22)이 형성된 미세유체 혼합부(20)로 흘러들어간다.

상기 미세유체 혼합부(20)로 유입된 두 가지 용액은 상기 제2 채널 구간(22)의 유동 단면적이 가장 작은 영역과 그 인접한 영역에서 와류(vortex)를 형성하게 되고, 이렇게 형성된 와류로 인해 주입된 두 가지 용액은 혼합된다. 상기 미세유체 혼합부(20)를 통해 혼합이 완료된 유체는 미세유체 배출부(40)을 통해 배출된다.

도 2를 참조하여 본 발명에 따른 미세유체 혼합 장치의 미세유체 혼합부에서의 미세유체 혼합 과정을 상세히 설명한다.

미세유체 주입부(10)을 통해 주입된 한 가지 이상의 유체는 마이크로 채널 내부에서 포물선 형태의 유체 흐름을 형성하며 흐르게 되고, 제1 채널 구간(21)의 유동 단면적보다 유동 단면적이 상대적으로 좁은 제2 채널 구간(22)을 통과하면서 유선의 분리(23)가 발생한다. 유선의 분리는 제2 채널 구간의 유동 단면적이 가장 좁은 구간의 이후 영역에서부터 발생되기 시작하며, 이로 인해 와류(24)가 형성되게 된다.

상기 형성된 와류를 통해 주입된 한 가지 이상의 유체는 서로 혼합되게 된 다. 예를 들어, 제1 미세유체 주입부(11)을 통해 주입된 물(water)과 제2 미세유체 주입부(12)를 통해 주입된 형광 용액(FITC)는 상기 미세유체 혼합부(20) 내부에 형성된 제1 채널 구간(21)과 제2 채널 구간(22)을 통과하면서, 제2 채널 구간에서 유동 단면적이 가장 좁은 구간과 인접한 영역에 형성된 와류(24)에 의해 주입된 물의 흐름(25)과 형광 용액의 흐름(26)이 서로 섞이게 된다. 이후 서로 섞인 용액은 미세유체 배출부(40)을 통해 배출되게 된다.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 미세유체 혼합 장치의 미세유체 혼합부의 다양한 돌출 구조물을 도시한 단면도이다. 상기 미세유체 혼합부(20)의 돌출 구조물의 형태는 도3a 내지 3d와 같이 원형(35a, 36a), 사각형(35b, 36b), 톱니 형태(35c, 36d)(35d, 36d)로 형성될 수 있으며, 형성된 제2 채널 구간(32)은 제1 채널 구간(31)보다 그 유동 단면적이 좁게 형성되며, 제2 채널 구간에서 유동 단면적이 가장 좁은 영역(33)과 인접한 영역에서 와류(34)가 형성된다. 상기 돌출 구조물(35a~35d, 36a~36d)은 미세유체 혼합부(20) 내부의 내벽에 연속적으로 일정 간격(예, 500mm)을 두고 형성되며, 첫 번째 돌출 구조물(35a~35d)과 두 번째 돌출 구조물(36a~36d)는 두 돌출 구조물 사이의 중점을 중심으로 점 대칭으로 마주보는 형상으로 형성된다. 상기 제2 채널 구간에서 유동 단면적이 가장 좁은 영역의 유동 단면적의 직경은 약 100μm 이하로, 상기 제1 채널 구간의 유동 단면적이 가장 긴 영역의 직경과 상기 제2 채널 구간의 유동 단면적이 가장 작은 영역의 직경과의 비는 약 10:1로 하는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명에 따른 미세유체 혼합 장치의 레이놀즈 수에 따른 와류의 크기를 나타낸 도면이다. 도 4a와 같이 상기 혼합부(20)의 돌출 구조물에 의한 와류형성에 있어서, 미세유체 주입부(10)로부터 주입되는 유속이 높을수록 와류 형성이 더 잘 되며(Re=9.4, 18.8, 24.4, 28.2, 37.5, 46.9 / 유량=10mL/hr, 20mL/hr, 26mL/hr, 30mL/hr, 40mL/hr, 50mL/hr), 도4b는 레이놀즈 수(Re = Vd/v, V=유속, d=특성길이, v=동점성도)에 따른 형성된 와류의 면적을 나타낸 그래프이다.

도 5는 본 발명에 따른 미세유체 혼합 장치의 레이놀즈 수에 따른 혼합 정도를 나타낸 그래프이다. 상기 제1 미세유체 주입부에 물(water)를 주입하고 제2 미세유체 주입부에 형광 용액(FITC solution)을 주입한 후, 도 3a와 같이 반원 형태의 돌출 구조물이 형성된 혼합부를 통과한 이후 형광 세기를 측정한 결과를 나타내었으며, X축은 레이놀즈 수를 나타내고, Y축은 미세유체 배출부(40)의 앞 부분의 영역의 형광(FITC) 세기의 표준편차(σ)를 나타내었다. σ의 값이 0.5에 가까울 때 두 유체의 혼합이 거의 일어나지 않은 상태이며, 값이 0에 가까울수록 두 유체의 혼합이 완벽하게 일어난 상태이다.

이상과 같이 본 발명에 따른 미세유체 혼합 장치를 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어 질 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명에 따른 미세유체 혼합 장치를 도시한 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 미세유체 혼합 장치의 미세유체 혼합부에서의 미세유체 혼합 원리를 도시한 도,

도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 미세유체 혼합 장치의 미세유체 혼합부의 다양한 돌출 구조물을 도시한 단면도,

도 4는 본 발명에 따른 미세유체 혼합 장치의 레이놀즈 수에 따른 와류의 크기를 나타낸 도,

도 5는 본 발명에 따른 미세유체 혼합 장치의 레이놀즈 수에 따른 혼합 정도를 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 미세유체 주입부 20 : 미세유체 혼합부

21, 31 : 제1 채널 구간 22, 32 : 제2 채널 구간

35a ~ 35d, 36a ~ 36d : 돌출 구조물

40 : 미세유체 배출부

Claims

적어도 하나 이상의 미세유체 주입부;

상기 미세유체 주입부와 연결된 제1 채널 구간과 상기 제1채널 구간의 유동 단면적보다 작은 유동 단면적을 갖는 제2 채널 구간을 구비한 미세유체 혼합부; 및,

상기 미세유체 혼합부와 연결된 미세유체 배출부

를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체 혼합 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 미세유체 혼합부는 상기 제1 채널 구간과 상기 제2 채널 구간이 기 설정된 간격으로 적어도 하나 이상 연속적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 미세유체 혼합 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 제2 채널 구간은 적어도 하나 이상이며, 상기 미세유체 혼합부의 내벽에 기 설정된 간격으로 교대로 연속해서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 미세유체 혼합 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 제1 채널 구간의 유동 단면적과, 상기 제2 채널 구간에서 유동 단면적이 가장 작은 영역의 유동 단면적의 비는 3 ~ 15 : 1 인 것을 특징으로 하는 미세유체 혼합 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 제1 채널 구간의 유동 단면적과, 상기 제2 채널 구간에서 유동 단면적이 가장 작은 영역의 유동 단면적의 비는 11 : 1 인 것을 특징으로 하는 미세유체 혼합 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 제2 채널 구간에서 유동 단면적이 가장 작은 영역의 직경은 100μm이하인 것을 특징으로 하는 미세유체 혼합 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 제2 채널 구간의 유동 단면적이 가장 작은 영역과 그 인접한 영역에서 와류(vortex)가 형성되는 것을 특징으로 하는 미세유체 혼합 장치.
적어도 하나 이상의 미세유체 주입부;

상기 미세유체 주입부와 연결되며, 내벽에 돌출 구조물이 형성된 미세유체 혼합부; 및,

상기 미세유체 혼합부와 연결된 유체 배출부

를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체 혼합 장치.
청구항 8에 있어서,

상기 돌출 구조물은 적어도 하나 이상이며, 기 설정된 간격으로 연속적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 미세유체 혼합 장치.
청구항 8에 있어서,

상기 돌출 구조물은 적어도 하나 이상이며, 상기 미세유체 혼합부의 내벽에 기 설정된 간격으로 교대로 연속해서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 미세유체 혼합 장치.
청구항 8에 있어서,

상기 돌출 구조물은 그 단면이 반원, 톱니, 그리고 사각형 형상 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 미세유체 혼합 장치.
청구항 8에 있어서,

상기 돌출 구조물의 길이가 가장 긴 영역과 그 인접한 영역에서 와류가 형성되는 것을 특징으로 하는 미세유체 혼합 장치.