KR20110119259A - Method and apparatus for the separation of two kinds of microparticles in fluid flow by using the ultrasonic wave - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 초음파를 이용한 이종 미세입자 분리 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 초음파를 이용하여 유체내의 이종 미세입자를 미세채널내에서 각기 다른 경로를 통해 용이하게 분리시킬 수 있도록 한 초음파를 이용한 이종 미세입자 분리 장치 및 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to an apparatus and method for separating heterogeneous microparticles using ultrasonic waves, and more particularly, using ultrasonic waves to easily separate heterogeneous microparticles in a fluid through different paths in microchannels using ultrasonic waves. It relates to a heterogeneous microparticle separation device and method.
매질 내의 입자에 초음파를 가하면 음향방사력(acoustic radiation force)으로 인해 입자에 힘을 가할 수 있다. 이러한 기술은 유체내에 유동을 따라 부유하는 수 마이크로미터 이하의 크기를 가진 미세입자의 제어가 가능하므로 세포나 DNA 같은 유기입자의 분석에 응용하고자 하는 시도가 활발하다. 특히, 환경, 의료, 분석 등 미세입자의 정밀 제어를 요구하는 산업분야가 다양해지면서 많은 주목을 받고 있다.The application of ultrasound to particles in a medium can force the particles due to acoustic radiation force. This technique enables the control of microparticles having a size of several micrometers or less suspended along the flow in the fluid, so there are many attempts to apply them to the analysis of organic particles such as cells and DNA. In particular, a variety of industries that require precise control of microparticles, such as environmental, medical, analysis, etc. are attracting much attention.
미세입자 제어 과정은 그 목적에 따라 분리(separation), 정제(purification), 포집(harvesting), 고정(trapping), 여과(filtration) 등의 있으며, 이를 위해서 전자기적, 역학적, 광학적 방법 등 다양한 기전이 적용된다. 종래의 미세입자 제어 방법으로 여러가지 기술들이 알려져 있지만, 이러한 기술에 비해 초음파를 이용하는 방법은 다량의 입자를 고속으로 제어할 수 있는 장점이 있고, 무엇보다도 초음파에 의한 음향방사력은 그 크기가 입자의 역학적 물성과 관련이 있으므로, 입자의 전기적, 자기적 특성과 무관하게 적용할 수 있다.Microparticle control processes include separation, purification, harvesting, trapping, and filtration, depending on their purpose, and various mechanisms such as electromagnetic, mechanical, and optical methods are used for this purpose. Apply. Although various techniques are known as a conventional method for controlling fine particles, compared to these techniques, the method using ultrasonic waves has the advantage of controlling a large amount of particles at high speed, and above all, the acoustic radiation power of ultrasonic waves has the size of the particles. Since it is related to mechanical properties, it can be applied regardless of the electrical and magnetic properties of the particles.
이에, 초음파를 이용한 미세입자 제어 기술은 바이오 공학 및 나노공학 등을 비롯하여, 여러가지 산업 분야에서 그 응용 가능성이 매우 넓다.Accordingly, the microparticle control technology using ultrasonic waves has a wide range of applications in various industrial fields, including biotechnology and nanotechnology.
정재파(standing wave)는 파장이 동일한 두 파동이 소로 마주 보며 진행하다가 만날 때 중첩이 되어 나타나는 현상으로, 마치 파가 제자리에 머물러 있는 듯한 양상을 보인다. 이 때, 파의 음압이 항상 0인 지점과 음압이 시간에 따라 극대/극소를 나타내는 지점이 생기는데, 전자를 음압마디(sound pressure node) 후자를 반음압마디(sound pressure antinode)라고 한다. A standing wave is a phenomenon in which two waves of the same wavelength are overlapping each other while facing each other, and appear as if the wave stays in place. At this time, there is a point where the sound pressure of the wave is always zero and a point where the sound pressure represents the maximum / minimum with time. The former is called a sound pressure antinode.
정재파가 형성된 공간안에 입자가 위치해 있을 때 입자의 상대적 역학적 물성에 따라 정재파의 음압마디 또는 반음압마디 쪽으로 음향방사력이 작용한다. 이러한 입자에 작용하는 음향방사력으로 인해 입자는 정재파의 음압마디 혹은 반음압마디로 이동하므로 정재초음파를 이용하면 입자의 위치 제어가 가능하다.When the particle is located in the space where the standing wave is formed, the acoustic radiation force acts toward the negative or semi-negative node of the standing wave according to the relative mechanical properties of the particle. Due to the acoustic radiation force acting on these particles, the particles move to the sound pressure node or the semi-negative pressure node of the standing wave.
정재파는 일반적으로 서로 반대방향으로 진행하는 동일한 파동을 중첩시켜서 생성한다. 대개 진행하는 파가 반사체를 만나서 반사할 때 입사파와 반사파가 서로 중첩되므로 반사체 근처에서 정재초음파가 형성된다. 따라서 반사체를 향해 초음파를 수직입사시키면 정재초음파를 용이하게 생성할 수 있다.
Standing waves are usually created by superimposing identical waves traveling in opposite directions. Normally, when an advancing wave meets and reflects on a reflector, the incident wave and the reflected wave overlap each other, so that standing ultrasonic waves are formed near the reflector. Therefore, when the ultrasonic wave is vertically incident toward the reflector, the standing ultrasonic wave can be easily generated.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 연구된 결과물로서, 미세입자의 크기, 밀도, 압축률 등과 같은 미세입자의 역학적 물성으로 인해 초음파가 미세입자에 미치는 힘의 차이가 발생하는 것을 이용하여, 미세채널내를 흐르는 유체내의 이종 미세입자를 각기 다른 분기경로를 통해 용이하게 분리시킬 수 있도록 한 초음파를 이용한 이종 미세입자 분리 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
The present invention has been studied in view of the above points, by using the micro-channel due to the mechanical properties of the microparticles such as the size, density, compression rate of the microparticles, using the difference in the force applied to the microparticles, microchannels An object of the present invention is to provide an apparatus and method for separating heterogeneous microparticles using ultrasonic waves, which enables the heterogeneous microparticles in a fluid flowing therein to be easily separated through different branching paths.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 한쪽에 유체와 이종 미세입자가 각각 투입되는 두 개의 입구가 형성되고, 반대쪽에는 서로 분리된 이종 미세입자가 각각 빠져나가는 두 개의 출구가 형성된 구조로서, 그 내부에는 입구에서부터 소정 위치까지 직선을 이루는 단일이송경로와, 단일이송통로에서 두 개의 출구를 향해 분기된 분기이송경로가 형성된 소정 길이의 미세채널과; 상기 미세채널의 일측벽면에 장착되어, 미세채널내의 유체 및 이종 미세입자들에 초음파를 인가하는 초음파 발생수단과; 상기 미세채널의 타측벽면에 구성되어 초음파를 반사시키는 반사체와; 상기 이종 미세입자중 역학적 물성이 큰 미세입자만이 반사체쪽으로 이송되도록 초음파 발생수단과 전기적으로 연결되어 미세채널내에 인가되는 정재초음파의 주파수를 스윕 제어를 하는 제어부; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 이종 미세입자 분리 장치를 제공한다.One embodiment of the present invention for achieving the above object is: two inlets are formed in each of the fluid and heterogeneous microparticles are injected into one side, two outlets are formed on the opposite side are separated from each other heterogeneous microparticles As a structure, therein is a microchannel of a predetermined length having a single feed path forming a straight line from the inlet to a predetermined position, and branch feed paths branched toward two outlets in the single feed path; Ultrasonic generating means mounted to one side wall of the microchannel to apply ultrasonic waves to the fluid and heterogeneous microparticles in the microchannel; A reflector formed on the other side wall surface of the microchannel to reflect ultrasonic waves; A controller for sweep control of the frequency of standing ultrasonic waves electrically connected to the ultrasonic wave generating means so that only the fine particles having high mechanical properties among the heterogeneous fine particles are transferred to the reflector; It provides a heterogeneous microparticle separation device using ultrasonic waves, characterized in that configured to include.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 일측에 초음파 발생수단이 부착되고, 타측에 반사체가 형성된 미세채널내에 이종 미세입자를 투입하는 동시에 유체를 소정의 속도로 투입하는 단계와; 상기 초음파 발생수단에서 발생된 초음파가 반사체에 반사되면서 미세채널내에 정재초음파가 인가되는 단계와; 상기 정재초음파에 대한 주파수 스윕 제어가 이루어지는 단계와; 상기 정재초음파에 의한 힘이 이종 미세입자들에 작용하되, 미세입자의 크기, 밀도, 압축률에 따라 이종의 미세입자에 작용하는 초음파의 음향방사력이 서로 다르게 작용하는 단계와; 초음파에 의해 작용하는 음향방사력이 큰 미세입자만이 주파수 스윕 제어에 따른 정재초음파의 각 음압마디를 옮겨가면서 반사체의 최대 인접 위치까지 순차적으로 이송되어, 초음파에 의해 작용하는 음향방사력이 작은 미세입자와 서로 분리되는 단계와; 초음파에 의해 작용하는 음향방사력이 큰 미세입자가 미세채널의 분기이송경로중 하나를 통해 유체와 함께 배출되어 분리되는 동시에 초음파에 의해 작용하는 음향방사력이 작은 미세입자가 분기이송경로중 다른 하나를 통해 배출 분리되는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 이종 미세입자 분리 방법을 제공한다.
Another embodiment of the present invention for achieving the above object is the ultrasonic wave generating means is attached to one side, the other side is the step of introducing the heterogeneous microparticles in the microchannel formed with a reflector at the same time the fluid at a predetermined speed; Applying ultrasonic waves in the microchannel while the ultrasonic waves generated by the ultrasonic wave generating means are reflected on the reflector; Performing frequency sweep control on the standing ultrasonic waves; A step in which the force generated by the ultrasonic waves acts on the heterogeneous microparticles, and the acoustic radiation power of the ultrasonic waves acting on the heterogeneous microparticles varies according to the size, density, and compression ratio of the microparticles; Only fine particles with large acoustic radiation force acted by ultrasonic waves are sequentially transferred to the maximum adjacent position of the reflector while moving each sound pressure node of the standing ultrasonic wave according to the frequency sweep control. Separating the particles from each other; Microparticles with large acoustic radiation force acting by ultrasonic wave are discharged and separated together with fluid through one of the branch transfer paths of the microchannel, while microparticles with small acoustic radiation force acting by ultrasonic wave are the other one of the branch transfer path. Separating the discharge through; It provides a method for separating heterogeneous microparticles using ultrasonic waves, characterized in that consisting of.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.Through the above problem solving means, the present invention provides the following effects.
본 발명에 따르면, 이종의 미세입자를 유체와 함께 미세채널내를 흐르게 하고, 동시에 미세채널내에 정재초음파를 주파수 스윕 제어를 통해 인가함으로써, 이종의 미세입자중 크기, 밀도, 압축률 등의 역학적 물성에 따라 초음파에 의해 작용하는 음향방사력이 큰 미세입자만이 정재초음파의 각 음압마디를 옮겨가면서 특정한 한쪽 방향으로 이동하는 동시에 정해진 미세입자중 초음파에 의해 작용하는 음향방사력이 작은 미세입자와 서로 분리되게 하고, 각각의 이종 미세입자가 서로 다른 분기이송경로로 배출되도록 함으로써, 이종의 미세입자를 용이하게 분리시킬 수 있다.According to the present invention, by allowing heterogeneous microparticles to flow in a microchannel with a fluid, and simultaneously applying standing ultrasonic waves into the microchannel through frequency sweep control, the mechanical properties such as size, density, and compression ratio of heterogeneous microparticles are applied. Therefore, only microparticles with a large acoustic radiation force acting by ultrasonic waves move in a specific direction while moving each sound pressure node of standing ultrasonic waves, and are separated from microparticles with small acoustic radiation force acting by ultrasonic waves among predetermined microparticles. By discharging each heterogeneous microparticles into different branch feed paths, the heterogeneous microparticles can be easily separated.
본 발명의 장치 및 방법을 적용하여, 이종의 미세입자를 고속으로 분리 및 정제가 가능하여, 바이오 및 의료분석을 위한 세포 또는 DNA 제어, 나노 공학 분야, 대기중 오염물질 및 미세먼지 등 환경오염 측정 등 다양한 분야에 응용할 수 있다.
By applying the apparatus and method of the present invention, it is possible to separate and purify heterogeneous microparticles at high speed, so as to measure environmental pollution such as cell or DNA control for bio and medical analysis, nano engineering field, air pollutants and fine dust It can be applied to various fields.
도 1은 본 발명에 따른 초음파를 이용한 이종 미세입자 분리 장치를 나타내는 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 초음파를 이용한 이종 미세입자 분리장치의 구성중 미세채널의 구조에 대한 일례를 나타내는 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 이종 미세입자의 분리를 위한 초음파의 주파수 스윕 제어에 대한 일례를 나타내는 그래프.
도 4는 도 3의 주파수 스윕 제어에 의하여 이종 미세입자중 초음파에 의한 음향방사력이 큰 미세입자만이 정재초음파의 음압마디를 따라 이송되는 것을 설명하는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 미세입자 분리장치에 대한 시험예 결과로서, 초음파의 주파수 스윕 주기 조절에 따른 미세채널내 이종 미세입자의 위치를 관찰한 결과 이미지,
도 6은 반사체에 의해 정재초음파 장이 형성되는 원리를 설명하는 개략도,
도 7은 정재초음파의 각 음압마디 또는 반음압마디로 미세입자가 이동하는 것을 설명하는 개념도.1 is a schematic view showing a heterogeneous microparticle separation device using ultrasonic waves according to the present invention.
Figure 2 is a perspective view showing an example of the structure of the micro-channel of the configuration of the heterogeneous microparticle separation apparatus using ultrasonic waves according to the present invention.
Figure 3 is a graph showing an example of the frequency sweep control of the ultrasonic wave for the separation of heterogeneous microparticles according to the present invention.
FIG. 4 is a view for explaining that only fine particles having a large acoustic radiation force by ultrasonic waves of heterogeneous fine particles are transported along a sound pressure node of standing ultrasonic waves by the frequency sweep control of FIG. 3.
5 is a test result of the microparticle separation device according to the present invention, the result of observing the position of the heterogeneous microparticles in the microchannel according to the frequency sweep period of the ultrasonic wave,
6 is a schematic diagram illustrating a principle in which a standing ultrasonic field is formed by a reflector;
7 is a conceptual diagram illustrating the movement of fine particles to each sound pressure node or semi-negative pressure node of the standing ultrasonic wave.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 초음파를 이용한 이종 미세입자 분리 장치를 나타내는 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 초음파를 이용한 이종 미세입자 분리장치의 구성중 미세채널의 구조에 대한 일례를 나타내는 사시도이며, 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 이종 미세입자 분리장치의 주파수 스윕 제어와 그에 따른 이종 미세입자의 분리 원리를 설명하는 그래프이다.1 is a schematic view showing a heterogeneous microparticle separation apparatus using ultrasonic waves according to the present invention, and FIG. 2 is a perspective view showing an example of the structure of the microchannels in the configuration of the heterogeneous microparticle separation apparatus using ultrasonic waves according to the present invention. 3 and 4 are graphs illustrating the frequency sweep control of the heterogeneous microparticle separator and the separation principle of the heterogeneous microparticles according to the present invention.
본 발명은 초음파를 이용하여 미세채널내에서 유체와 함께 유동중인 이종 미세입자들의 위치를 제어하여, 이종 미세입자의 크기, 밀도, 압축률 등과 같은 역학적 물성의 차이로 인해 초음파에 의해 미세입자에 작용하는 음향방사력이 작은 미세입자는 제자리에 머물게 하고, 동시에 초음파에 의해 미세입자에 작용하는 음향방사력이 큰 미세입자들을 한쪽으로 이송되게 하여, 이종 미세입자를 서로 분리시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.The present invention controls the position of heterogeneous microparticles flowing with a fluid in a microchannel using ultrasonic waves, and thus acts on the microparticles by ultrasonic waves due to differences in mechanical properties such as size, density, and compression ratio of the heterogeneous microparticles. The main point is that the microparticles with small acoustic radiation force stay in place, and at the same time, the ultrasonic particles with large acoustic radiation force acting on the microparticles are transferred to one side to separate heterogeneous microparticles from each other. have.
즉, 본 발명은 초음파의 주파수를 점진적으로 증가시키는 동시에 급작스럽게 하강시키는 스윕 제어 방법을 이용하여 미세채널내의 유체내에서 유동중인 이종의 미세입자중 초음파에 의해 미세입자에 작용하는 음향방사력이 큰 미세입자만이 한쪽 방향으로 이송되어 모이도록 함으로써, 이종의 미세입자들을 서로 다른 분기경로를 통해 별도로 분리시킬 수 있도록 한 점에 특징이 있다.That is, the present invention uses a sweep control method that gradually increases the frequency of the ultrasonic wave and decreases it suddenly, so that the acoustic radiation force acting on the microparticles by the ultrasonic wave is large among heterogeneous microparticles flowing in the fluid in the microchannel. Only microparticles are transported in one direction and are collected, so that different types of microparticles can be separated separately through different branching paths.
이를 위한 본 발명의 이종 미세입자 분리 장치는 두 개의 입구(12a,12b)와 두 개의 출구(14a,14b)를 가지는 미세채널(10)과, 미세채널(10)내의 유체 및 이종 미세입자에 초음파를 인가하는 초음파 발생수단(16)과, 미세채널(10)내로 인가된 초음파를 반사시키는 반사체(18)와, 초음파에 대한 주파수 스윕 제어를 위한 제어부(20) 등을 포함하여 구성된다.The heterogeneous microparticle separation apparatus of the present invention has an ultrasonic wave in the
상기 미세채널(10)은 한쪽에 유체와 이종 미세입자가 각각 투입되는 두 개의 입구(12a,12b)가 형성되고, 다른 한쪽에는 서로 분리된 이종 미세입자가 각각 빠져나가는 두 개의 출구(14a,14b)가 형성된 구조로서, 그 내부는 입구(12a,12b)에서 출구(14a,14b)까지 중공이송통로(30)로 형성된다.The
보다 상세하게는, 상기 미세채널(10)의 중공이송통로(30)는 입구(12a,12b)에서부터 소정 위치까지 직선을 이루는 단일이송경로(32)와, 이 단일이송통로(32)에서 두 개의 출구(14a,14b)를 향해 분기된 분기이송경로(34)로 구분된다.More specifically, the
이때, 상기 미세채널(10)의 입구(12a)에는 크기, 밀도, 압축률과 같은 역학적 물성이 서로 다른 이종의 미세입자가 채워져 있는 제1탱크(25)가 연결되고, 다른 입구(12b)에는 미세입자가 포함되지 않은 순수 유체(예를 들어, 물)를 저장하는 제2탱크(26)가 펌프(28)를 매개로 연결되며, 상기 미세채널(10)의 출구(14a,14b)에는 서로 분리된 각각의 이종 미세입자를 저장하는 제3탱크(36)와 제4탱크(38)가 라인을 통해 연결된다.At this time, the
상기 초음파 발생수단(16)은 미세채널(10)의 일측면에 일체로 장착되어, 미세채널(10)내를 흐르는 유체내 미세입자에 정재초음파를 인가하는 것으로서, 압전 초음파 트랜스듀서 등을 사용할 수 있다.The ultrasonic wave generating means 16 is integrally mounted on one side of the
바람직하게는, 상기 초음파 발생수단(16)은 미세채널(10)의 일측벽면에 장착되되, 미세채널(10)의 입구(12a,12b)에서 중공이송통로(30)중 단일이송경로(32)가 형성된 구간에 장착되어, 단일이송경로(32)를 흐르는 유체 및 이종 미세입자에 초음파를 인가하게 된다.Preferably, the ultrasonic wave generating means 16 is mounted on one side wall surface of the
이때, 상기 초음파 발생수단(16)에는 초음파의 주파수를 가변시킬 수 있는 일종의 제어부(20)로서, 파워 증폭기(22: Power amplifier)와 신호 발생기(24: Function generator)가 연결된다.In this case, the
한편, 상기 미세채널(10) 자체를 유체에 비해 음향 임피던스가 커서 초음파가 잘 반사하는 재질(예를 들어, 탄소강 재질)로 제작함에 따라, 미세채널(10)의 타측벽면 자체가 반사체(18)가 되고, 반면에 상기 초음파 발생수단(16)이 장착되는 미세채널(10)의 일측벽면은 음향 임피던스가 유체와 비슷해서 초음파가 잘 투과할 수 있는 재질(예를 들어, 아크릴 재질)인 초음파 정합층(17)으로 구성된다.On the other hand, as the
여기서, 상기한 구성을 기반으로 이루어지는 본 발명의 초음파를 이용한 이종 미세입자 분리 방법을 설명하면 다음과 같다.Here, the heterogeneous microparticle separation method using the ultrasonic wave of the present invention based on the above configuration will be described.
본 발명의 초음파 발생수단에서 발생된 초음파가 미세채널내에 인가되면, 미세채널내의 이종의 미세입자중 크기, 밀도, 압축률과 같은 역학적 물성의 차이로 인해 초음파에 의해 미세입자에 작용하는 음향방사력이 작은 미세입자는 제자리에 머물게 되고, 정재초음파의 주파수 스윕 제어에 의하여 초음파에 의해 미세입자에 작용하는 음향방사력이 큰 미세입자들은 정재초음파의 음압마디 선(sound pressure node line)을 따라 반사체(18)쪽으로 이동하게 된 후, 역학적 물성이 서로 다른 이종 미세입자가 각기 다른 분기이송경로를 통해 빠져나갈 수 있도록 함으로써, 이종 미세입자의 고속 분리 및 정제가 가능하도록 한 점에 주안점이 있다.When the ultrasonic wave generated by the ultrasonic wave generating means of the present invention is applied in the microchannel, the acoustic radiation force acting on the microparticles by the ultrasonic wave is due to the difference in mechanical properties such as size, density, and compression ratio among heterogeneous microparticles in the microchannel. Small microparticles stay in place, and microparticles with large acoustic radiation acting on the microparticles by ultrasonic waves by frequency sweep control of the standing ultrasonic wave are reflected along the sound pressure node line of the standing ultrasonic wave. After moving to the) side, the mechanical properties of the heterogeneous microparticles can be separated through different branch transfer paths, the main point is to enable the high-speed separation and purification of the heterogeneous microparticles.
이를 위해, 먼저 제1탱크(25)에 저장되어 있던 이종 미세입자(크기, 밀도, 압축률의 차이로 인해 초음파에 의해 작용하는 음향방사력이 서로 다른 미세입자)가 미세채널(10)의 입구(12a)로 유입시키는 동시에 제2탱크(26)에 저장되어 있던 미세입자가 혼합되지 않은 순수 유체(예를 들어, 물)를 펌프(28)의 구동에 의하여 미세채널(10)의 입구(12b)로 유입시켜서, 이종 미세입자들이 유체의 흐름에 의하여 미세채널(10)내의 단일이송경로(32)를 따라 흐르게 한다.To this end, first, heterogeneous microparticles (microparticles having different acoustic radioactive forces acting by ultrasonic waves due to differences in size, density, and compression ratio) stored in the
이와 동시에, 상기 미세채널(10)의 일측벽면에 장착된 초음파 발생수단(16)에서 초음파를 발생시키게 된다.At the same time, the ultrasonic wave generating means 16 mounted on one side wall surface of the
이에, 상기 초음파 발생수단(16)에서 발생된 초음파가 미세채널(10)의 반사체(18)에 반사되면, 첨부한 도 6에서 보듯이 음압마디(sound pressure node)와 반음압마디(sound pressure antinode)가 반복되는 정재파(standing wave) 형태의 초음파 장(field)이 미세채널(10)의 단일이송경로(32)내에 형성되는 상태가 되고, 동시에 정재초음파가 미세채널(10)의 단일이송경로(32)를 따라 흐르는 이종 미세입자에 작용하게 된다.Thus, when the ultrasonic wave generated by the ultrasonic wave generating means 16 is reflected on the
따라서, 상기 미세채널(10)의 단일이송경로(32)내의 유체내 널리 퍼져 있던 미세입자가 첨부한 도 7에서 보듯이 정재초음파의 각 음압마디(sound pressure node) 또는 반음압마디로 이동하여 정렬되는 상태가 되는데, 이는 정재초음파가 인가되는 조건에서 아래의 수학식 1과 같은 음향방사력이 미세입자에 가해지기 때문이다.Therefore, as shown in FIG. 7 to which microparticles widely spread in the fluid in the
위의 수학식 1에서, P는 음압(sound pressure), V는 입자의 부피, λ는 초음파의 파장(wavelength), β는 입자의 압축률, ρ는 입자의 밀도, z는 입자의 위치를 나타낸다.In
이렇게 미세채널(10)의 단일이송경로(32)내를 흐르는 유체내 이종 미세입자가 최초로 인가된 정재초음파의 각 음압마디로 이동하여 정렬되지만, 이종 미세입자의 크기, 밀도, 압축률의 차이로 인해 초음파에 의해 미세입자에 작용하는 음향방사력이 작은 미세입자는 계속 제자리에 머물게 되고, 반면에 초음파에 의해 미세입자에 작용하는 음향방사력이 큰 미세입자들은 정재초음파의 각 음압마디를 따라 이동하게 된다.In this way, heterogeneous microparticles in the fluid flowing in the
이를 위해, 정재초음파의 주파수를 상한치까지 점진적으로 상승시킨 후, 급작스럽게 최초 인가된 하한치의 주파수로 하강시키는 주파수 스윕 제어를 실시하게 되며, 이 주파수 스윕 제어는 파워 증폭기(22) 및 신호 발생기(24)로 이루어진 제어부(20)의 제어 작동에 의하여 이루어진다.To this end, a frequency sweep control is performed to gradually raise the frequency of the standing ultrasonic wave to the upper limit, and then abruptly lower the frequency of the first applied lower limit value, which is performed by the
이에, 정재초음파의 주파수가 계속 높아지면 정재초음파의 음압마디 개수가 증가하면서 위치가 반사체(18)쪽으로 이동하는데, 이 때 정재초음파 주파수의 스윕 주기에 따라서 초음파에 의해 미세입자에 작용하는 음향방사력이 큰 미세입자는 음압마디를 따라서 반사체(18)쪽으로 잘 이동하지만 초음파에 의해 미세입자에 작용하는 음향방사력이 작은 미세입자는 음압마디를 따라서 이동하지 못한다.Therefore, if the frequency of the standing ultrasonic wave continues to increase, the number of sound pressure nodes of the standing ultrasonic wave increases and the position moves toward the
이때, 상기 주파수 스윕 제어에 의하여, 미세채널(10)의 단일이송경로(32)내에 인가된 정재초음파의 음압마디가 증가하는 변화시, 반사체(18)쪽에 가까운 음압마디는 주파수에 따른 위치변화가 크지 않지만 반사체(18)로부터 멀어질수록 음압마디의 위치가 크게 변하게 되는데, 이는 미세채널(10)의 단일이송경로(32)와 반사체(18)간의 경계에서 음향임피던스 차이가 크기 때문에 이 경계에 항상 정재초음파의 반음압마디가 생성되기 때문이다.At this time, when the sound pressure node of the standing ultrasonic wave applied in the
따라서, 미세입자가 음압마디를 따라서 잘 이동할 수 있을 만큼 초음파에 의해 작용하는 음향방사력이 큰 미세입자는 주파수가 증가함에 따라 반사체(18)쪽으로 이동한다. Therefore, the microparticles with a large acoustic radiation force acting by the ultrasonic waves can move toward the
이렇게, 초음파의 주파수를 상한치까지 점진적으로 상승시킨 후, 급작스럽게 최초 인가된 하한치의 주파수 수준으로 하강시키는 주파수 스윕 제어를 반복 실시함에 따라, 이종 미세입자중 초음파에 의해 미세입자에 작용하는 음향방사력이 큰 미세입자만이 반사체(18)쪽을 향하는 그 다음의 음압마디로 계속 이동하여 정렬되고, 반면에 초음파에 의해 미세입자에 작용하는 음향방사력이 작은 미세입자는 음압마디의 위치 변화를 따라가지 못해서 계속 제자리에 머무르면서 유체와 함께 유동을 하게 된다.Thus, as the frequency sweep control gradually raises the frequency of the ultrasonic wave to an upper limit and then suddenly lowers it to the frequency level of the initially applied lower limit, the acoustic radiation force acting on the microparticles by the ultrasonic wave among heterogeneous microparticles. Only these large microparticles continue to align with the next sound pressure node towards the
따라서, 유체내 이종 미세입자중 초음파에 의해 미세입자에 작용하는 음향방사력이 작은 미세입자는 미세채널(10)의 분기이송경로(34)중 하나를 통해 출구(14a)로 빠져나가게 되고, 이와 동시에 초음파에 의해 미세입자에 작용하는 음향방사력이 큰 미세입자들은 분기이송경로(34)중 다른 하나를 통해 출구(14b)로 빠져나가게 되어, 각각 제3탱크 및 제4탱크(38)내에 농축된 상태로 저장된다.Therefore, among the heterogeneous microparticles in the fluid, the microparticles having small acoustic radiation force acting on the microparticles by the ultrasonic wave exit through the one of the
한편, 상기 미세채널(10)의 길이는 유체의 흐름속도에 맞추어 선택 조절 가능하다.On the other hand, the length of the
여기서, 본 발명에 따른 초음파를 이용한 유체내 미세입자 분리 장치 및 방법을 하나의 실시예로서, 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.Here, an apparatus and method for separating microparticles in a fluid using ultrasonic waves according to the present invention will be described in more detail as an embodiment.
실시예Example
본 발명의 일 실시예로서, 폭 1.5mm의 미세채널(10)로 구성된 소형 모듈을 제작하였는 바, 이 모듈은 아크릴과 탄소강 재질로 제작하였다.As an embodiment of the present invention, a small module composed of a
즉, 두 개의 입구(12a,12b) 및 두 개의 출구(14a,14b)를 가지고, 내부에는 입구(12)에서 시작되는 단일이송경로(32)가 형성되는 동시에 단일이송경로(32)의 말단부에 분기이송경로(34)가 형성된 미세채널(10)을 탄소강 재질로 제작하였고, 초음파 발생수단(16)이 부착되는 미세채널(10)의 일측벽면은 아크릴 재질로 제작하였으며, 물론 미세채널(10)의 타측벽면은 탄소강 재질의 반사체(18)로 구성하였다.That is, it has two
또한, 상기 미세채널(10)의 내부를 관찰할 수 있도록 단일이송경로(32) 및 분기이송경로(34)를 노출시키고, 그 노출된 표면을 투명한 유리재질로 밀폐하였다.In addition, the
또한, 상기 미세채널(10)의 일측벽면에 초음파 발생수단(16)으로서 압전 초음파 트랜서듀서를 장착하고, 초음파의 주파수를 제어하기 위하여 파워 증폭기(22) 및 신호 발생기(24)를 압전 초음파 트랜서듀서에 연결하며, 미세채널(10)의 내부를 촬영할 수 있는 CCD 카메라와 모니터를 인접 설치하였다.In addition, a piezoelectric ultrasonic transducer is mounted on one side wall of the microchannel 10 as the
이때, 상기 미세채널(10)의 입구(12a)를 통해 투입되는 이종 미세입자는 각각 직경 25 마이크로미터와 6 마이크로미터로 서로 크기가 다른 폴리스티렌 입자를 사용하였고, 입구(12b)를 통해 투입되는 유체는 물을 사용하였다.
At this time, the heterogeneous microparticles introduced through the
시험예Test Example
상기의 실시예에 따라 제작된 미세채널(10) 모듈의 입구(12a)에 이종 미세입자로서 각각 직경 25 마이크로미터와 6 마이크로미터인 폴리스티렌 입자를 투입하는 동시에 초음파 발생수단(16)인 압전 초음파 트랜서듀서에서 최초 1.75 MHz의 초음파를 미세채널(10)내의 단일이송경로(32)내에 인가하였고, 이후 초음파 발생수단(16)의 주파수를 1.75 MHz부터 3.05 MHz 까지 점진적으로 상승시키는 변화를 주면서 이종 미세입자의 집속 위치를 관찰하고, 이로부터 각 음압마디 선의 위치를 CCD 카메라를 이용하여 측정하였는 바, 그 측정 결과는 첨부한 도 5에 도시된 바와 같다.The piezoelectric ultrasonic transducer, which is an ultrasonic wave generating means 16, is injected with polystyrene particles having a diameter of 25 micrometers and 6 micrometers, respectively, as heterogeneous microparticles to the
도 5a의 이미지에서 보듯이, 미세채널(10)내에 유체와 이종 미세입자가 투입되는 시점에서는 이종 미세입자가 서로 혼합되어 미세채널(10)의 일측(반사체의 반대쪽)에 모여져 있는 것을 볼 수 있고, 도 5b 및 5c에서 보듯이 정재초음파가 주파수 스윕 제어를 통해 인가되어 이종 미세입자중 초음파에 의해 작용하는 음향방사력이 큰 직경 25 마이크로미터 폴리스티렌 입자만 반사체(18)쪽으로 이동하고, 반면에 초음파에 의해 미세입자에 작용하는 음향방사력이 작은 직경 6 마이크로미터의 폴리스티렌 입자는 채널의 횡방향으로는 움직이지 못하고 유체와 함께 채널 방향으로 유동함을 볼 수 있다.As shown in the image of FIG. 5A, when the fluid and the heterogeneous microparticles are introduced into the
또한, 도 5d의 이미지에서 보는 바와 같이, 초음파에 의해 미세입자에 작용하는 음향방사력이 작은 미세입자는 미세채널(10)의 분기이송경로(34)중 하나를 통해 출구(14a)로 빠져나가게 되고, 이와 동시에 초음파에 의해 미세입자에 작용하는 음향방사력이 큰 미세입자들은 분기이송경로(34)중 다른 하나를 통해 출구(14b)로 빠져나가는 것을 볼 수 있었다.In addition, as shown in the image of FIG. 5D, the microparticles having a small acoustic radiation force acting on the microparticles by ultrasonic waves exit through the
이와 같이, 본 발명에 따르면, 이종 미세입자에 음압마디를 갖는 정재초음파를 주파수 스윕 제어를 반복 인가하여, 이종 미세입자중 초음파에 의해 미세입자에 작용하는 음향방사력이 큰 미세입자를 정재초음파의 음압마디를 따라 특정한 한쪽 방향으로 이동시킴으로써, 초음파에 의해 미세입자에 작용하는 음향방사력이 큰 입자와 작은 입자를 각각 정해진 분기경로를 통해 용이하게 분리시킬 수 있다.
As described above, according to the present invention, frequency sweep control is repeatedly applied to a standing ultrasonic wave having a sound pressure node to the heterogeneous microparticles, so that the fine particles having a large acoustic radiation force acting on the microparticles by ultrasonic waves of the heterogeneous microparticles By moving in a specific direction along the sound pressure node, it is possible to easily separate the large particles and the small particles having a large acoustic radiation force acting on the microparticles by ultrasonic waves, respectively through a predetermined branching path.
10 : 미세채널 12a,12b : 입구
14a,14b : 출구 16 : 초음파 발생수단
17 : 초음파 정합층 18 : 반사체
20 : 제어부 22 : 파워 증폭기
24 : 신호 발생기 25 : 제1탱크
26 : 제2탱크 28 : 펌프
30 : 중공이송통로 32 : 단일이송경로
34 : 분기이송경로 36 : 제3탱크
38 : 제4탱크10:
14a, 14b: Exit 16: Ultrasonic generating means
17: ultrasonic matching layer 18: reflector
20: control unit 22: power amplifier
24: signal generator 25: the first tank
26: the second tank 28: the pump
30: hollow feed path 32: single feed path
34: branch feed route 36: third tank
38: fourth tank
Claims (10)
상기 미세채널(10)의 일측벽면에 장착되어, 미세채널내의 유체 및 이종 미세입자에 초음파를 인가하는 초음파 발생수단(16)과;
상기 미세채널(10)의 타측벽면에 구성되어 초음파를 반사시키는 반사체(18)와;
상기 이종 미세입자중 역학적 물성이 큰 미세입자만이 반사체(18)쪽으로 이송되도록 초음파 발생수단(16)과 전기적으로 연결되어 미세채널(10)내에 인가되는 정재초음파의 주파수 스윕 제어를 하는 제어부(20);
를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 이종 미세입자 분리 장치.
Two inlets 12a and 12b into which fluid and heterogeneous microparticles are respectively injected are formed on one side, and two outlets 14a and 14b through which heterogeneous microparticles are separated from each other are formed. There is a single feed path 32 which forms a straight line from the inlet 12a, 12b to a predetermined position, and the branch feed path 34 branched from the single feed path 32 toward the two outlets 14a, 14b. A microchannel 10 of length;
Ultrasonic generating means (16) mounted on one side wall of the microchannel (10) to apply ultrasonic waves to the fluid and heterogeneous microparticles in the microchannel;
A reflector 18 formed on the other side wall surface of the microchannel 10 to reflect ultrasonic waves;
The controller 20 is electrically connected to the ultrasonic generator 16 so as to transfer only the fine particles having high mechanical properties among the heterogeneous microparticles toward the reflector 18 to control frequency sweep of standing ultrasonic waves applied in the microchannel 10. );
Heterogeneous microparticle separation device using ultrasonic waves, characterized in that configured to include.
상기 초음파 발생수단(16)은 압전 초음파 트랜스듀서인 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 이종 미세입자 분리 장치.
The method according to claim 1,
The ultrasonic generation means 16 is a heterogeneous microparticle separation device using ultrasonic waves, characterized in that the piezoelectric ultrasonic transducer.
상기 제어부(20)는 초음파 발생수단(16)에 순차적으로 연결되는 파워 증폭기(22) 및 신호 발생기(24)로 구성된 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 이종 미세입자 분리 장치.
The method according to claim 1,
The control unit 20 is a heterogeneous microparticle separation device using ultrasonic waves, characterized in that consisting of a power amplifier 22 and a signal generator 24 sequentially connected to the ultrasonic wave generating means (16).
상기 미세채널(10)은 음향 임피던스가 크면서 유체로부터 초음파 잘 투과되지 않는 재질로 제작되어, 미세채널(10)의 타측벽면 자체가 반사체(18)로 형성된 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 이종 미세입자 분리 장치.
The method according to claim 1,
The microchannel 10 is made of a material that has a large acoustic impedance and is not easily transmitted from the fluid by ultrasonic waves, so that the other side wall surface of the microchannel 10 is formed of a reflector 18, heterogeneous microparticles using ultrasonic waves. Separation device.
상기 초음파 발생수단(16)이 장착되는 미세채널(10)의 일측벽면은 음향 임피던스가 유체와 비슷하여 유체로 초음파 투과가 잘 되는 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 이종 미세입자 분리 장치.
The method according to claim 1,
One side wall surface of the microchannel (10) on which the ultrasonic wave generating means (16) is mounted is a heterogeneous microparticle separation device using ultrasonic waves, characterized in that the acoustic impedance is made of a material that is well transmitted through the ultrasonic wave as a fluid.
상기 초음파 발생수단(16)에서 발생된 초음파가 반사체(18)에 반사되면서 미세채널(10)내에 정재초음파가 인가되는 단계와;
상기 정재초음파에 대한 주파수 스윕 제어가 이루어지는 단계와;
상기 정재초음파에 의한 힘이 이종 미세입자들에 작용하되, 이종 미세입자의 크기, 밀도, 압축률의 차이로 인해 초음파에 의해 미세입자에 작용하는 음향방사력이 서로 다르게 작용하는 단계와;
초음파에 의해 미세입자에 작용하는 음향방사력이 큰 미세입자만이 주파수 스윕 제어에 따른 정재초음파의 각 음압마디를 옮겨가면서 반사체(18)의 최대 인접 위치까지 순차적으로 이송되어, 초음파에 의해 미세입자에 작용하는 음향방사력이 작아서 반사체로 이동하지 못하는 미세입자와 서로 분리되는 단계와;
초음파에 의해 미세입자에 작용하는 음향방사력이 큰 미세입자가 미세채널의 분기이송경로중 하나를 통해 유체와 함께 배출되어 분리되는 동시에 초음파에 의해 미세입자에 작용하는 음향방사력이 작은 미세입자가 분기이송경로중 다른 하나를 통해 배출 분리되는 단계;
로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 이종 미세입자 분리 방법.
A step of introducing heterogeneous microparticles into the microchannel 10 having the ultrasonic generator 16 attached to one side and the reflector 18 formed on the other side, and simultaneously introducing the fluid at a predetermined speed;
Applying ultrasonic waves in the microchannels 10 while the ultrasonic waves generated by the ultrasonic wave generator 16 are reflected by the reflector 18;
Performing frequency sweep control on the standing ultrasonic waves;
A step in which the force generated by the ultrasonic waves acts on the heterogeneous microparticles, but the acoustic radiation force acting on the microparticles by ultrasonic waves is different due to the difference in size, density, and compression ratio of the heterogeneous microparticles;
Only microparticles having a large acoustic radiation force acting on the microparticles by ultrasonic waves are sequentially transferred to the maximum adjacent position of the reflector 18 while moving the sound pressure nodes of the standing ultrasonic waves according to the frequency sweep control, and the microparticles by the ultrasonic waves. Separating the microparticles from each other because the acoustic radiation force acting on the small particles does not move to the reflector;
Microparticles having a large acoustic radiation force acting on the microparticles by the ultrasonic wave are discharged and separated together with the fluid through one of the branch transfer paths of the microchannel, and microparticles having a small acoustic radiation force acting on the microparticles by the ultrasonic wave Discharge separation through the other of the branch feed path;
Heterogeneous microparticle separation method using ultrasonic waves, characterized in that consisting of.
상기 정재초음파에 대한 주파수 스윕 제어는;
미리 정해진 하한치의 주파수에서 상한치의 주파수까지 정해진 스윕 주기에 맞추어, 정재초음파의 주파수를 점진적으로 상승시키는 과정과;
정재초음파의 주파수가 상한치에 도달한 후, 하한치 주파수까지 급작스럽게 하강시키는 과정;
을 반복 진행시키는 것임을 특징으로 하는 초음파를 이용한 이종 미세입자 분리 방법.
The method of claim 6,
Frequency sweep control for the standing ultrasonic wave;
Gradually raising the frequency of the standing ultrasonic waves at a predetermined sweep period from a frequency of a predetermined lower limit to a frequency of an upper limit;
After the frequency of the standing ultrasonic waves reaches the upper limit, abruptly lowering to the lower limit frequency;
Heterogeneous microparticle separation method using ultrasonic waves, characterized in that to proceed repeatedly.
상기 주파수 스윕 제어중 주파수를 상승시키는 과정에서는 정재초음파의 음압마디 개수가 증가하고 음압마디의 위치가 반사체쪽으로 이동함으로써 초음파에 의해 미세입자에 작용하는 음향방사력이 큰 미세입자만이 반사체쪽으로 이송되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 이종 미세입자 분리 방법.
The method according to claim 6 or 7,
In the process of raising the frequency during the frequency sweep control, the number of sound pressure nodes of the standing ultrasonic wave increases and the position of the sound pressure nodes is moved toward the reflector, so that only the fine particles having a large acoustic radiation force acting on the microparticles by ultrasonic waves are transferred to the reflector. Heterogeneous microparticle separation method using an ultrasonic wave.
상기 주파수 스윕 제어중 주파수를 하강시키는 과정에서는 정재초음파의 음압마디 개수가 감소하고 음압마디의 위치가 갑자기 변하면서 초음파에 의해 미세입자에 작용하는 음향방사력이 큰 미세입자만이 반사체쪽에 더 가까운 음압마디로 이동하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 이종 미세입자 분리 방법.
The method according to claim 6 or 7,
In the process of lowering the frequency during the frequency sweep control, the number of sound pressure nodes of the standing ultrasonic waves decreases and the position of the sound pressure nodes suddenly changes, so that only the fine particles having a large acoustic radiation force acting on the microparticles by ultrasonic waves are closer to the reflector side. Heterogeneous microparticle separation method using ultrasonic waves, characterized in that moving to the node.
상기 미세채널(10)내의 이종 미세입자 흐름통로와 반사체(18)간의 경계에는 항상 정재초음파의 반음압마디가 생성되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 이종 미세입자 분리 방법.The method of claim 6,
Method for separating heterogeneous microparticles using ultrasonic waves, characterized in that the semi-negative pressure node of the standing ultrasonic wave is always generated at the boundary between the heterogeneous microparticle flow passage in the microchannel (10) and the reflector (18).
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- 2010-04-27 KR KR1020100038868A patent/KR101149356B1/en not_active IP Right Cessation
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