KR20100060476A - 수동형 미세혼합기 - Google Patents

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Abstract

개시된 수동형 미세혼합기는, 유체가 유입 배출되는 주입구 및 배출구가 형성된 미세유로와; 상기 주입구와 상기 배출구 사이에 적어도 하나가 배치되며, 서로 다른 폭을 가지는 제1채널 및 제2채널이 X축을 중심으로 입구부 및 출구부가 대칭상태로 연결되는 링 형상의 서브채널을 포함한다.
이와 같은, 수동형 미세혼합기는, 유입되는 서로 다른 유체가 서로 다른 폭을 가지는 제1채널 및 제2채널을 통해 상호 교차하는 출구부 지점에서 관성의 차이로 인해 불균형한 충돌을 일으켜 유체의 혼합 성능을 향상되게 한다.

Description

수동형 미세혼합기{Passive micromixer}
본 발명은 미세혼합기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 서로 다른 두 유체를 혼합시키는 미세혼합기에 관한 것이다.
일반적으로, 미세장치들에서 유체의 혼합을 제어하는 문제는 랩온칩(lab-on-chip)을 비롯한 여러 응용분야에서 매우 중요한 과제가 되고 있다. 이러한, 유체의 혼합을 통해 양질의 생산을 얻기 위해서는 고성능의 미세혼합기가 필요하게 된다.
이러한, 상기 미세혼합기는 크기가 작아서 유동의 대부분이 층류가 되는데, 이는 유체혼합의 효율을 현저히 떨어뜨리는 요인이 된다. 더불어, 층류의 경우, 유체의 혼합은 분자확산에 의존하므로 혼합이 매우 느리게 진행된다. 따라서 혼합과정을 촉진시킬 수 있는 여러 종류의 미세혼합기가 개발되고 있다. 이러한, 상기 미세혼합기는 크게 능동형(active), 수동형(passive) 미세혼합기로 분류된다.
먼저, 상기 능동형 미세혼합기는, 유동자체의 에너지가 아닌 움직이는 요소나 전기적 힘과 같은 외부 에너지원을 이용하여 유체를 혼합하는 혼합기이다. 이러한, 상기 능동형 미세혼합기는 혼합성능이 좋은 반면에 제조가 어렵고 미세유체의 누출이 생길 수 있으며, 외부의 에너지를 사용한다는 단점이 있다.
반면에, 상기 수동형 미세혼합기는, 미세유로 내부에 정적인 여러 미세 구조물을 배치시켜 유동이 서로 맞닿는 면적을 증가시키거나 유동을 복잡하게 함으로써 혼합을 유도하는 혼합기이다. 이러한, 상기 수동형 미세혼합기는 외부 에너지를 사용하지 않으나, 상기 능동형 미세혼합기에 비해 혼합성능이 떨어지는 단점이 있다.
본 발명은, 유체의 혼합성능이 증대되는 수동형 미세혼합기를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 유체가 유입 배출되는 주입구 및 배출구가 형성된 미세유로와; 상기 주입구와 상기 배출구 사이에 적어도 하나가 배치되며, 서로 다른 폭을 가지는 제1채널 및 제2채널이 X축을 중심으로 입구부 및 출구부가 대칭상태로 연결되는 링 형상의 서브채널을 포함하여, 상기 주입구를 통해 유입되는 서로 다른 상기 유체가 서로 다른 폭을 가지는 상기 제1채널 및 상기 제2채널을 통해 상호 교차하는 상기 출구부 지점에서 관성의 차이로 인해 불균형한 충돌을 일으켜 상기 유체가 혼합되게 하는 수동형 미세혼합기를 제공한다.
이때, 상기 서브채널이 복수 개 배치되는 경우, 상기 서브채널들은 X축을 중심으로 상기 제1채널 및 제2채널의 위치가 반복적으로 바꿔진 상태로 배치할 수 있다.
그리고, 상기 서브채널의 입구부 및 출구부의 폭은 상기 제1채널 폭 및 상기 제2채널 폭의 합과 같을 수 있다.
또한, 상기 서브채널은 상기 제1채널 및 제2채널이 X축을 중심으로 대칭되는 원형링이나 사각링 형상으로 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 수동형 미세혼합기는, 유입되는 서로 다른 유체가 서로 다른 폭을 가지는 제1채널 및 제2채널을 통해 상호 교차하는 출구부 지점에서 관성의 차이로 인해 불균형한 충돌을 일으켜 유체의 혼합 성능을 향상되게 한다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수동형 미세혼합기의 구성 단면도이다. 도 1을 참조하면, 상기 수동형 미세혼합기는, 미세유로(100), 서브채널(200)을 포함하고 있다.
상기 미세유로(100)는 서로 다른 유체가 유입 배출된다. 여기서, 상기 미세유로(100)는 미세가공공정(MEMS)에 의해 기판(도면미도시) 상에 형성될 수 있다. 이러한, 상기 미세유로(100)의 일 단부에는 서로 다른 상기 유체가 각각 유입되는 제1주입구(111) 및 제2주입구(112)로 구성되는 주입구(110)를 형성한다. 그리고, 상기 미세유로(100)의 타 단부에는 유입된 상기 유체가 이후 설명될 서브채널(200)을 통과하며 혼합된 유체를 유출시키는 배출구(120)가 형성된다.
상기 서브채널(200)은 상기 미세유로(100)의 주입구(110)와 배출구(120) 사이에 적어도 하나가 배치되어, 상기 미세유로(100)로 유입된 서로 다른 상기 유체의 유동을 혼합시킨다.
이러한, 상기 서브채널(200)은 서로 다른 폭을 가지는 제1채널(210) 및 제2채널(220)을 포함한다. 여기서, 상기 제1채널(210) 및 상기 제2채널(220)은 X축을 중심으로 각각의 입구부(230) 및 출구부(240)가 대칭상태로 연결되는 링 형상을 가진다. 즉, 상기 서브채널(200)은 상기 제1채널(210) 및 상기 제2채널(220)이 X축을 중심으로 대칭되는 원형링 형상으로 형성된다. 도 2를 참조하면, 상기 서브채널(200)은 상기 제1채널(210) 및 상기 제2채널(220)이 X축을 중심으로 대칭되는 사각링 형상, 더욱 바람직하게는 마름모 형상으로 형성할 수도 있다.
이같이, 상기 서브채널(200)의 서로 다른 폭을 가지는 상기 제1채널(210) 및 상기 제2채널(220)로 상기 제1주입구(111) 및 제2주입구(112)를 통해 유입된 서로 다른 상기 유체가 유입된다. 이후, 상기 제1채널(210) 및 상기 제2채널(220)이 상호 교차되는 상기 출구부(240)로 배출시, 서로 다른 상기 유체는 관성의 차이로 인해 상기 출구부(240)에서 불균형한 충돌을 일으켜 상호 혼합된다. 즉, 상기 제1주입구(111) 및 상기 제2주입구(112)를 통해 서로 다른 상기 유체가 유입되어 합쳐진 후, 상기 제1채널(210) 및 상기 제2채널(220) 중 폭이 큰쪽으로 흐르는 상기 유체가 폭이 작은쪽으로 흐르는 상기 유체 보다 유량이 커지게 되면서 더 큰 관성을 가지게 된다. 따라서, 상기 유체는 상기 제1채널(210) 및 상기 제2채널(220)의 관성 차이로 인해 상호 교차하는 출구부(240) 지점에서 불균형한 충돌을 일으키며, 이러한, 불균형한 상기 유체의 충돌은 비대칭의 유동을 만들어 상기 유체의 혼합 성능을 향상되게 한다. 여기서, 서로 다른 상기 유체가 교차하는 지점인 상기 서브채널(200)의 입구부(230) 및 출구부(240)의 폭은 상기 제1채널(210) 폭 및 상기 제2채널(220)의 합과 같도록 형성한다.
더불어, 상기 서브채널(200)이 상기 미세유로(100)의 주입구(110)와 배출 구(120) 사이에 복수 개가 배치될 경우, 상기 서브채널(200)의 상기 제1채널(210) 및 상기 제2채널(220)에 의해 불균형하게 분배된 상기 유체가 상호 교차하는 출구부(240) 지점에서 충돌하는 과정이 반복적으로 일어나게 되면서 상기 유체의 혼합 성능이 더욱 증대된다. 여기서, 상기 서브채널(200)이 상기 미세유로(100)의 주입구(110)와 배출구(120) 사이에 복수 개가 배치될 경우, 상기 서브채널들(200,300,400,500)은 X축을 중심으로 상기 제1채널(210,310,410,510) 및 상기 제2채널(220,320,420,520)의 위치가 반복적으로 바꿔지는 상태로 순차 배치한다. 도 1을 참조하면, 상기 제1서브채널(200)의 제1채널(210)이 X축을 중심으로 상부에 위치하고, 제2채널(220)은 하부에 위치하면, 상기 제2서브채널(300)의 제1채널(310)은 X축을 중심으로 하부에 위치하고, 제2채널(320)은 상부에 위치한다. 그리고, 상기 제3서브채널(400)의 제1채널(410)은 다시 X축을 중심으로 상부에 위치하고, 제2채널(420)은 하부에 위치한다. 마지막으로, 상기 제4서브채널(500)의 제1채널(510)은 X축을 중심으로 하부에 위치하고, 제2채널(520)은 상부에 위치한다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 서브채널 4개인 미세혼합기의 유체 혼합성능 조사
상기 미세혼합기는 4개의 상기 서브채널(200,300,400,500)이 반복되도록 설 정되며, 상기 서브채널(200,300,400,500)의 각 주기(Pi)는 1.2mm로 고정된다. 이때 상기 서브채널(200,300,400,500)의 제1채널(210,310,410,510) 폭(W1) 및 제2채널(220,320,420,520) 폭(W2)은 W1>W2가 되게 하여 유입되는 상기 유체가 불균형하게 나누어진 후, 교차되는 출구부 지점에서 충돌이 일어나게 구성한다. 여기서, 상기 서브채널(200)의 입구부 및 출구부 폭은 상기 제1채널(210) 폭(W1) 및 상기 제2채널(310) 폭(W2)의 합과 같다.
W1 + W2 = W
그리고, 상기 서브채널(200,300,400,500)의 높이는 200㎛로 일정하며, 외벽의 위치를 움직여 상기 서브채널(200,300,400,500)의 폭을 조절한다. 여기서, 상기 서브채널(200,300,400,500) 내벽의 지름(d0)은 90㎛이다. 상기 제1주입구(111) 및 제2주입구(112)가 합쳐진 후, 상기 서브채널(200)과 접속되기 전까지의 거리인 L0는 450㎛이며, 상기 배출구(120)의 채널길이인 Le는 2.95mm이다.
상기 미세혼합기의 성능을 평가하기 위해 유동장과 유체혼합을 분석하기 위한 수치해석을 수행한다. 해석을 위해 상용 전산유체역학 코드인 ANSYS CFX-11.0을 사용하여 삼차원 Navier-Stokes 방정식과 연속방정식을 수치적으로 계산한다. 격자계는 육면체 격자의 정렬격자로 구성한다. 경계조건으로는 주입구(110)에 속도를 배출구(120)엔 정압조건을, 벽면은 점착조건을 부여하였으며, 혼합을 위한 두 가지 작동유체로 에탄올과 물을 적용한다. 20℃에서의 물성치를 사용하였으며, 물과 에탄올의 확산도(diffusivity)는 1.2×10-9m2/s이다. W1/W2를 형상변수로 결정하였으며, 이 변수를 1~3 범위에서 변화시켜가며 성능을 평가한다. 레이놀즈수는 모든 작동유체를 물로 가정하여 메인채널의 폭을 기준으로 계산한다.
혼합의 정량적 분석은 채널 내부 유체 종의 분산(variance)을 계산하여 수행한다. 미세혼합기내의 혼합정도를 평가하기 위해 유동방향에 수직한 단면 내에서 질량비의 분산을 다음과 같이 정의한다.
Figure 112008082011206-PAT00001
여기서 N은 단면 내 격자점의 수, ci는 격자 I점에서의 질량비, 그리고
Figure 112008082011206-PAT00002
은 최적 혼합질량비를 나타낸다. 혼합지수(mixing index), M은 유동방향에 수직한 단면에서 유체의 혼합정도를 나타내며, 다음과 같이 정의된다.
Figure 112008082011206-PAT00003
여기서
Figure 112008082011206-PAT00004
는 최대분산을 나타낸다.
도 3은 레이놀즈수가 60일 때 원형의 서브채널을 흐르는 에탄올의 질량분율(mass fraction)을 나타낸 상태도이다. 도 3을 참조하면, 기존에 사용되어 온 폭이 동일한(W1/W2=1) 서브채널의 경우 혼합이 잘 이루어 지지 않음에 따라 두 유체의 경계선이 사라지지 않고 남아있는 것을 볼 수 있다. 더불어, 폭이 불균일한 서브채널의 경우(b, c) 유체가 두 서브채널을 통과하면서 경계선이 없어짐에 따라 혼합이 증진되는 것을 확인할 수 있다.
도 4는 원형의 서브채널을 지나는 물과 에탄올의 유선(streamline)을 나타낸상태도이다. 도 4를 참조하면, 폭이 동일한 경우와는 달리 폭이 다른 서브채널의 경우 한쪽 입구에서 유입된 유체가 상하 서브채널로 분리되어 흐르는 현상이 발생하여 혼합이 증진되는 것을 알 수 있다.
도 5는 원형 서브채널 폭의 비(W1/W2)와 레이놀즈수에 따른 혼합지수 분포곡선을 나타낸 그래프이다. 도 5를 참조하면, 레이놀즈수가 증가함에 따라 혼합지수가 높아지는 것을 확인할 수 있으며, 기존에 사용되어온 폭의 비가 같은 경우에 비해 폭의 비가 다른 경우 혼합성능이 현저하게 향상되는 것을 알 수 있다.
도 6은 마름모형 서브채널 (straight subchannel)과 원형의 서브채널 너비의 비가 2와 3일 때의 레이놀즈수에 따른 혼합성능을 나타낸 그래프이다. 도 6을 참조하면, 너비의 비(W1/W2)에 대한 혼합성능을 살펴보면 원형의 서브채널의 경우 너비 의 비가 2일 때가 3일 때와 비교해 좋은 혼합성능을 보여주며, 마름모형 서브채널의 경우엔 너비의 비가 3일 때가 더 높은 혼합성능을 보여준다. 두 형상의 성능을 비교해 보면, 레이놀즈수가 0~20의 범위에서는 비슷한 성능을 보여주었으나, 레이놀즈수80을 제외한 나머지 영역에서는 원형의 서브채널이 마름모형 서브채널과 비교해 높은 혼합성능을 보여주고 있다.
도 7은 원형 서브채널 폭의 비와 레이놀즈수에 따른 압력강하를 나타낸 그래프이다. 기존에 사용되어 온 형상인 폭의 비가 같은 경우(W1/W2=1)에 가장 압력강하가 크게 일어나며, 폭의 비가 커짐에 따라 압력강하가 작아지는 사실을 확인할 수 있다. 따라서 일실시예에 따른 수동형 미세혼합기는, 기존의 형상에 비해 혼합도가 증진되고 압력손실도 감소함을 알 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수동형 미세혼합기의 구성 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수동형 미세혼합기의 구성 단면도이다.
도 3은 레이놀즈수가 60일 때 원형의 서브채널을 흐르는 에탄올의 질량분율(mass fraction)을 나타낸 상태도이다.
도 4는 원형의 서브채널을 지나는 물과 에탄올의 유선(streamline)을 나타낸상태도이다.
도 5는 원형 서브채널 폭의 비(W1/W2)와 레이놀즈수에 따른 혼합지수 분포곡선을 나타낸 그래프이다.
도 6은 마름모형 서브채널 (straight subchannel)과 원형의 서브채널 너비의 비가 2와 3일 때의 레이놀즈수에 따른 혼합성능을 나타낸 그래프이다.
도 7은 원형 서브채널 폭의 비와 레이놀즈수에 따른 압력강하를 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>
100: 미세유로 110: 주입구
120: 배출구 200,300,400,500: 서브채널
210,310,410,510: 제1채널 220,320,420,520: 제2채널

Claims (4)

  1. 유체가 유입 배출되는 주입구 및 배출구가 형성된 미세유로와;
    상기 주입구와 상기 배출구 사이에 적어도 하나가 배치되며, 서로 다른 폭을 가지는 제1채널 및 제2채널이 X축을 중심으로 입구부 및 출구부가 대칭상태로 연결되는 링 형상의 서브채널을 포함하여,
    상기 주입구를 통해 유입되는 서로 다른 상기 유체가 서로 다른 폭을 가지는 상기 제1채널 및 상기 제2채널을 통해 상호 교차하는 상기 출구부 지점에서 관성의 차이로 인해 불균형한 충돌을 일으켜 상기 유체가 혼합되게 하는 수동형 미세혼합기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 서브채널이 복수 개 배치되는 경우, 상기 서브채널들은 X축을 중심으로 상기 제1채널 및 제2채널의 위치가 반복적으로 바꿔진 상태로 배치되는 수동형 미세혼합기.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 서브채널의 입구부 및 출구부의 폭은 상기 제1채널 폭 및 상기 제2채널 폭의 합과 같은 수동형 미세혼합기.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 서브채널은 상기 제1채널 및 제2채널이 X축을 중심으로 대칭되는 원형링이나 사각링 형상으로 형성되는 수동형 미세혼합기.
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