KR20100010078A - 양 벽에 홈이 설치된 마이크로 채널 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양 벽에 홈(groove)이 설치된 마이크로 채널에 관한 것이다.

본 발명에 의한 마이크로 채널은 충분한 항력 감소 효과를 얻을 수 있으면서도 기존의 상·하 표면이 가공된 마이크로 채널보다 제작 시간 및 비용이 적게 든다.

마이크로 채널, 항력, 유량, 압력 강하(pressure-drop), 홈(groove)

Description

양 벽에 홈이 설치된 마이크로 채널{A MICROCHANNEL HAVING WALLS INSTALLED WITH GROOVES}

본 발명은 마이크로 채널에서의 효과적인 유동 제어 기법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 양 벽에 홈(groove)이 설치된 마이크로 채널에 관한 것이다.

마이크로 채널을 이용하여 랩온어칩(lap-on-a-chip) 또는 미세유동칩 내의 유동을 효과적으로 제어하는 기술이 근래 분석화학, 생명공학 및 임상의학 등의 분야에서 널리 보급되고 있다.

마이크로 이하 스케일에서의 유체의 유동은 통상적으로 접할 수 있는 매크로 스케일에서의 유체의 유동과는 전혀 다른 특성을 나타낸다. 유체의 흐름은 채널의 입구 및 출구 사이의 압력 차이에 의하여 실현될 수 있는데, 마이크로 스케일에서는 매크로 스케일에서와는 달리 입구 및 출구 사이의 압력 강하(pressure-drop)가 극한적으로 큰 경우에만 유체의 흐름이 실현될 수 있다. 그 이유는 각종 장치들의 스케일이 마이크로 단위로 축소되면서 [표면적/부피] 의 비가 크게 증가하여 매크로 스케일에서는 무시될 수 있었던 표면 장력이 중요한 인자로 고려되어야 할 뿐만 아니라, 유체 및 이와 접촉하는 채널 벽 사이의 마찰 저항이 유량에 상당한 영향을 주기 때문이다.

이와 관련하여, 표면적이 증가함에 따라 채널 내에서의 유동 저항이 증가하는 것을 방지하기 위한 다양한 방법들이 연구되어 왔다. 이러한 방법들은 채널의 표면을 화학적으로 처리하는 화학적 방법 및 채널의 기하학적 변화를 이용하는 기하학적 방법으로 크게 분류될 수 있다.

상기 화학적 방법과 관련하여, 문헌 [C.H. Choi et al., Physics of Fluids Vol. 15 (2003), p.2897-2902)] 에는 채널의 표면을 화학적으로 처리하여 유체와의 접촉면을 매끄럽게 개질시킴으로써 표면 마찰을 감소시키는 방법이 기재되어 있다. 그러나, 상기와 같은 화학적 처리 방법은 표면이 매우 거친 경우에는 효과가 거의 없다는 문제점이 있다.

이에, 다수의 연구자들은 채널 내에서의 유동 저항을 감소시키기 위하여 기하학적인 변화를 이용한 방법을 연구하였다. 이는 잎 표면 상에 물방울이 구슬처럼 맺히고 젖는 현상 없이 미끄러져 내려가는 자연 현상, 소위 '연 꽃잎 효과'에 착안한 것이다. 보다 구체적으로는, 연잎의 표면 상에 미세돌기들이 분포함으로써, 돌기들 사이의 존재하는 공기층으로 인하여 연잎과 물방울의 접촉 면적이 감소하여, 물방울 및 연잎 사이의 마찰의 크기가 무시할 수 있을 정도로 작아져서 물방울이 빠르게 미끄려져 내려가는 현상에 착안한 것이다. 이러한 현상은 마이크로 채널의 기하학적인 변화로 응용되었으며, 이와 관련하여 다수의 논문에서 마이크로 채널 벽에 구멍(cavity) 또는 미세둑(micro rib)을 설치하여 마이크로 채널 내에서 항력 감소의 효과를 얻을 수 있음을 보고되어 있다.

Choi 와 Davies 등은 문헌 [J.M.D. Davies, B.W. Webb, and B. Woolford, Physics of Fluids Vol. 18 (2006)] 및 [C.H. Choi, C. J. Kim, Physical Review Letters Vol. 96 (2006)] 에서, 채널의 상·하 표면에 유동의 방향과 수직인 미세둑(micro rib) 및 구멍(cavity)을 형성시킴으로써 채널 내에서 항력 감소 효과를 얻을 수 있음을 보고하였다. 한편, Ou 등은 문헌 [J. Ou, B. Perot, and J.P. Rothstein, Physics of Fluids Vol. 16, (2004), p.4635-4643] 에서, 채널 바닥면에 사각의 미세 기둥 또는 유동의 방향과 평행인 전단력이 없는 띠를 형성시킴으로써 물과 벽면 사이의 접촉 면적을 적절히 조절하여 마찰 항력을 감소시켜, 입구 및 출구 사이의 압력 강하를 40 % 정도 감소시킬 수 있음을 보고하였다.

그러나, 상기 연구들에서 사용된 상·하 표면이 가공된 채널은, 채널의 전체 폭에 대한 채널 높이의 비가 큰 경우에는, 항력 감소 효과가 충분하지 않을 뿐만 아니라, 제작 시간 및 비용 면에서도 비효율적이라는 단점이 있다. 왜냐하면, 상·하 표면을 깎아내는 가공을 위하여 고가의 반응이온 식각(reactive ion etching; RIE) 장비 또는 나노 그레이팅(nano-grating) 장비가 필요할 뿐만 아니라, 2 차 및 3 차의 반복적 공정을 거쳐야 하므로 비교적 장시간이 소요되기 때문이다.

상기 언급한 바와 같이, 종래 기술에서 채널 내 항력을 감소시키기 위하여 사용된 상·하 표면이 가공된 채널은, 채널의 전체 폭에 대한 채널 높이의 비가 큰 경우 항력 감소 효과가 불충분하며 제작 시간 및 비용 면에서도 비효율적이다.

따라서, 본 발명에서는 상기의 상·하 표면이 가공된 채널의 단점을 극복하면서, 충분한 항력 감소 효과를 얻을 수 있는 마이크로 채널을 제공함을 목적으로 한다.

보다 구체적으로, 본 발명에서는 마이크로 채널 내에 다양한 형태의 홈을 형성하여 채널 벽에서 발생하는 마찰 항력을 감소시키기에 적합한 채널 구조를 설계 및 개발하는 것을 발명의 목적으로 한다.

이에 본 발명자들은, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 연구를 거듭한 결과, 마이크로 채널 내에 홈이 상·하 표면이 아닌 양 벽면에 형성된 경우에도, 적합하게 설계된 경우, 채널 내의 유동 저항을 충분히 감소시킬 수 있다는 점을 밝혀내어 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명은 양 벽에 홈이 설치된 마이크로 채널에 관한 발명이다. 본 발명에 의한 마이크로 채널에서, 채널 내 유체가 홈 안으로 들어가지 못하도록 양 벽에 설치된 홈을 소수성으로 표면 처리하는 것이 바람직하다.

상기 홈의 형상은 사각형, 반원 또는 삼각형 등 임의의 형상일 수 있으며, 홈의 형상이 유체와 채널 벽면의 접촉면을 좁게 하는 삼각형 모양이 바람직하다.

한편, 본 발명에 의한 마이크로 채널에서, 채널 벽면의 단위 길이(1㎜)당 설치된 홈의 개수는 10 개 내지 20 개인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 양 벽에 홈이 설치된 마이크로 채널을 사용하여 유량을 증가시키는 방법에 관한 것이다.

본 발명자들은 상용 소프트웨어인 전산 유체 역학 소프트웨어(CFD-ACE+; ESI US R&D Inc., Huntsville, Al, USA)를 이용하여 속도 분포(velocity profile), 출구에서의 유량값 및 압력 강하를 통하여, 홈의 개수, 크기 및 형상에 따른 유동의 변화를 관찰하였다.

보다 구체적으로, 본 발명자들은 마이크로 채널 내에서의 유동 저항을 감소시키기 위하여 채널 벽에 공기가 들어 있는 홈을 설계하고, 홈의 개수, 크기 및 형상에 따라 채널 내에서의 유량의 변화를 수치적인 시뮬레이션을 통하여 관찰·분석하였다. 그 결과 홈의 개수가 많을수록, 홈의 가로 폭의 길이(너비)가 클수록, 홈의 형상이 유체와 채널 벽면의 접촉 면적을 좁게 하는 형상일수록, 채널 내에서의 유량이 증가함을 확인하였으며, 그 유량 증대 효과는 13 % 내지 180 % 이었다. 즉, 유체 및 채널 벽 사이의 총 접촉 면적이 좁을수록 마이크로 채널 내에서 유량 증가의 효과가 크다는 점을 확인할 수 있었다.

결론적으로, 본 발명에서는 상·하 표면이 아닌 측면 벽에 홈을 설치한 경우에도, 채널의 폭이 채널의 높이보다 현저히 큰 경우만을 제외하고는 충분한 유량 증가 효과를 얻을 수 있으며, 오히려 제작 시간 및 비용이 적게 든다는 것을 확인 할 수 있었다.

본 발명에 의한 마이크로 채널은, 충분한 항력 감소 효과를 얻을 수 있으면서도 기존의 상·하 표면이 가공된 마이크로 채널보다 제작 시간 및 비용이 적게 든다. 보다 구체적으로, 상·하 표면을 깎아내는 가공을 위해서는 고가의 반응이온 식각(reactive ion etching; RIE) 장비 또는 나노 그레이팅(nano-grating) 장비가 필요할 뿐만 아니라, 2 차 및 3 차의 반복적 공정을 거쳐야 하므로 비교적 장시간이 소요되는데 반하여, 본 발명에 의한 마이크로 채널의 제작에 있어서는, 채널의 높이만을 고려하여 채널의 형틀을 제작하고, 상기 형틀에 액상의 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS)을 부은 후, 70 ℃ 의 오븐에서 2 시간 정도 방치하여 PDMS 를 고형화시킴으로써, 고가의 장비를 매번 이용하지 않고 반복적으로 용이하게 채널을 제작할 수 있다.

이하에서, 본 발명을 하기의 실시예 및 첨부된 도면을 통하여 구체적으로 설명한다. 하기의 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 의도일 뿐, 본 발명의 보호범위가 하기의 실시예에 기재된 예만으로 국한되는 것은 결코 아니다. 또한, 하기의 실시예 뿐만 아니라, 당업자에 의해서 이로부터 용이하게 추론될 수 있는 사항까지도 본 발명의 보호범위에 속함은 자명하다.

본 발명에서는, 홈이 설치된 2 차원 마이크로 채널 내의 유동의 수치해석을 위하여, 상용 소프트웨어인 CFD-ACE+ (ESI US R&D Inc., Huntsville, Al, USA)를 사용하였다. 계산된 모델은 2 차원이며, 채널을 중심으로 대칭이므로 1 / 2 모델만을 사용하였다. 또한, 해석의 정확성이 격자의 수에 의존한다는 점을 고려하여, 본격적 계산에 앞서 격자 테스트(grid test)를 수행하였으며, 이로써 격자의 수를 200,000 개 수준으로 고정하였다. 홈이 사각형인 채널 모델은 조직 격자(structured grid)를 사용하였으며, 홈이 삼각형 또는 원형인 채널 모델은 비조직 격자(unstructured grid)를 사용하여 채널 내 격자를 생성하였다.

유체와 공기의 경계면이 되는 채널 주변은 복잡한 유동을 정확하게 해석하기 위하여 격자의 크기를 상대적으로 작게 조절하였으며, 실험 결과의 비교를 위하여 홈이 없는 채널에 대하여서도 수치 해석을 수행하였다.

그 결과, 속도 분포 및 유량의 값이 2 차원 무한 평판에서의 포와젤(Poiseuille) 유동 이론적 해와 정량적으로 일치함을 확인하였다.

실시예 1 : 채널 내 홈의 개수에 따른 유량의 변화

가로 및 세로의 폭이 각각 50 ㎛ 인 채널 내에 홈의 개수를 2 의 제곱의 수로 증가시키면서 마이크로 채널 내의 유동장을 관찰하였다. 입구 및 출구 사이에는 2.5 Pa, 5 Pa 및 10 Pa 의 압력 강하를 적용하였다.

마이크로 채널 벽에 위치한 일정 간격의 홈의 개수의 변화에 따른 채널 내 유량의 변화를 도 2 에 나타내었다. 이를 통하여 홈의 개수가 64 개일 때에는 홈이 없는 매끄러운 채널에서보다 유량이 약 13 % 증가함을 확인할 수 있었다.

또한, 입구 및 출구 사이의 압력 강하가 클수록 마이크로 채널 내의 홈의 개수의 변화에 따른 채널 내 유량의 변화가 조금씩 더 크다는 점을 확인하였다.

실시예 2 : 채널 내 홈의 크기에 따른 유량의 변화

실시예 1 에서 사용한 모델과 동일한 크기의 채널을 사용하였다. 상기 채널 내에 세로의 폭이 50 ㎛ 인 홈 64 개에 대하여 홈의 가로의 폭의 길이(너비)를 50 ㎛, 75 ㎛, 100 ㎛ 로 증가시키면서 마이크로 채널 내의 유동장을 관찰하였다. 이때, 입구 및 출구 사이에는 모두 동일하게 10 Pa 의 압력 강하를 적용하였다.

도 3(A) 에 홈의 너비의 증가에 따른 채널 출구의 속도 분포 변화를 나타내었다. 이를 통하여 홈의 너비가 증가할수록 채널 출구에서의 최대 속도가 동일한 비율로 증가함을 확인할 수 있었다.

한편, 도 3(B) 를 통하여 홈의 너비가 75 ㎛, 100 ㎛ 로 증가함에 따라, 유량 역시 선형적으로 증가함을 확인하였다. 또한, 홈의 길이가 100 ㎛ 인 채널에서는 홈이 없는 채널과 비교하여 채널 내 유량이 37 % 정도 증가함을 확인하였다.

실시예 3: 채널 내 홈의 형상에 따른 유량의 변화

도 4 에 제시된 바와 같이 사각형, 반원 및 정삼각형 모양의 홈을 가진 동일한 크기의 마이크로 채널에 대하여 채널 내의 유동장을 관찰하였다. 채널 내의 홈의 개수는 사각형 및 반원 모양의 홈을 가진 채널의 경우에는 64 개, 삼각형 모양의 홈을 가진 채널의 경우에는 127 개로 하였으며, 입구 및 출구 사이에는 모두 동일하게 10 Pa 의 압력 강하를 적용하였다.

그 결과, 반원 모양의 홈을 가진 채널에서는 d = 50 ㎛, w = 50 ㎛, r = 25 ㎛ 이었으며, 정삼각형 모양의 홈을 가진 채널에서는 w = 50 ㎛ 이었다. 홈의 형상에 따른 채널 출구에서의 속도 분포를 도 5 (A) 에 나타내었다. 이를 통하여, 홈의 형상이 유체와 채널 벽면의 접촉 면적을 좁게 하는 형상일수록 출구에서의 최대 속도가 증가함을 확인할 수 있었다.

한편, 도 5 (B) 에 제시된 결과를 통하여, 홈의 형상을 반원의 형태로 변경할 경우 그 유량이 기존의 사각형 모양의 홈을 가진 채널보다 30.4 %, 홈이 없는 매끄러운 채널보다는 47.5 % 가량 증가함을 확인하였다. 또한, 홈의 형상을 정삼각형으로 변경할 경우 그 유량이 사각형 모양의 홈을 가진 채널보다 148.4 %, 홈이 없는 매끄러운 채널보다는 180 % 가량 증가함을 확인하였다.

도 1 은 홈이 설치된 마이크로 채널에 대한 개략도 및 그 경계조건을 나타낸 것이다.

도 2 는 홈의 개수가 2 의 제곱수로 증가함에 따른, 마이크로 채널 출구에서의 유량의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 3 은 10 Pa 의 압력 강하 조건 하에서, 홈의 너비가 50 ㎛, 75 ㎛, 100 ㎛ 로 증가함에 따른, 마이크로 채널 출구에서의 속도 분포(A) 및 유량의 변화(B) 를 나타낸 그래프이다.

도 4 는 다양한 홈의 형상에 따른 유량의 변화를 확인하기 위하여 설계된 반원(w = 50 ㎛, d = 50 ㎛) 및 삼각형(w = 50 ㎛) 모양의 홈에 대한 개략도이다.

도 5 는 10 Pa 의 압력 강하 조건 하에서, 홈의 형상이 사각형, 삼각형, 반원형인 경우의 마이크로 채널 출구에서의 속도 분포(A) 및 유량의 변화(B) 를 나타낸 그래프이다.

Claims (5)

1. 양 벽에 홈(groove)이 설치된 마이크로 채널.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 홈이 소수성으로 표면처리되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 홈의 형상이 사각형, 반원 또는 삼각형인 것을 특징으로 하는 마이크로 채널.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 채널 벽면의 단위 길이(1㎜)당 설치된 홈의 개수가 10 개 내지 20 개인 것을 특징으로 하는 마이크로 채널.
5. 양 벽에 홈이 설치된 마이크로 채널을 사용하여 유량을 증가시키는 방법.

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