KR20150060082A - 미세 유로 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 각각의 유로를 구비한 평판 형상의 상부 플레이트 및 하부 플레이트를 대면시켜 형성되는 미세 유로 반응기로서,
상기 유로는 서로 다른 유체가 각각 주입되는 하나 이상의 주입 유로들, 상기 주입 유로들로 주입된 각각의 유체가 합류되어 지나는 혼합 유로, 및 상기 혼합 유로에 의해 합류된 유체가 배출되는 배출 유로;를 포함하고, 상기 혼합 유로는, 상기 주입 유로들로부터 배출 유로까지 연장되는 줄기 유로, 및 상기 줄기 유로로부터 분기되어 중단되는 하나 이상의 가지 유로들을 포함하며; 분기와 합류를 반복하는 유체들의 혼합에서, 유체들이 상하 방향으로 분기된 후 좌우 방향으로 합류되는 혼합 과정을 거치도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 미세 유로 반응기에 관한 것이다.

Description

미세 유로 반응기 {A Micro-Channel Reactor}
본 발명은 미세 유로 반응기에 관한 것으로, 입자의 합성에 적용할 경우, 반응물의 혼합 능력은 유지하면서 반응 생성물의 침전 및 정체에 의한 유로 막힘을 최소화한 신규한 구조의 미세 유로 반응기에 관한 것이다.
적어도 2종류 이상의 유체를 혼합하기 위해, 각종 정지 혼합 반응기가 제안되어 있다. 정지 혼합 반응기는, 화학 반응이나 정석(晶析) 등에 의한 미립자 제조에 사용된다. 그 중에서도, 혼합할 유체를 미세 유로 내에 공급하는 미세 유로 반응기가 주목받고 있다.
미세 유로 반응기는, 유로 폭이 10㎛ 내지 1000㎛ 정도인 미세 유로를 갖고 있다. 미세 유로 반응기에서는, 적어도 2종류 이상의 유체가, 미세 유로에 의해 미소한 흐름으로 분할된 후에 혼합된다. 미세 유로 반응기 내에서는, 유체가 미소한 흐름으로 분할되어, 유체의 확산 거리가 짧아진다. 이에 의해, 유체의 혼합 속도가 빨라진다. 따라서, 종래의 정지 혼합 반응기보다도 단시간에 효율적으로 유체를 혼합할 수 있다.
상기 미세 유로 반응기의 구조로서, 예를 들어 Y자형의 유로를 갖는 반응기가 알려져 있다. 이러한 종류의 혼합 반응기에서는, 제 1 유체를 주입하는 유로와 제 2 유체를 주입하는 유로가 Y자를 이루도록 교차하여, 1개의 합류로가 형성되어 있다. 각 유로에 각각 공급된 유체는, 유로의 교차부에서 층류의 상태로 합류한다. 그 후, 각 유체는, 서로 확산되어 혼합된다.
도 1에는 종래 적층형 미세 유로 반응기의 사진이 개시되어 있다.
도 1을 참조하면, 종래 미세 유로 반응기(10)는 반응물 A가 흐르는 미세 유로가 형성된 상부 플레이트(11)와, 반응물 B가 흐르는 미세 유로가 형성된 하부 플레이트(12)를 구비하고 있다. 즉, 상부 플레이트(11)와 하부 플레이트(12)가 서로 대면하는 접속면 상에는 각각의 상기 유체를 주입하기 위한 유입 유로, 이들 유체의 흐름을 일 회 또는 그 이상 교차 및 분할하는 혼합 유로, 및 혼합된 유체가 빠져나가는 유출 유로가 구비되어 있으며, 상기 혼합 유로는 상부 플레이트(11)와 하부 플레이트(12)가 겹쳐지면 유체가 교대로 상부 플레이트(11)에서 하부 플레이트(12)로 넘어가는 구조가 되도록 메인 유로와 분기 유로로 이루어져 있다.
따라서, 상기 미세 유로 반응기는 각 유체가 층류의 상태로 혼합된다. 이러한 혼합 거동(50)이 도 2에 모식되어 있다.
도 2를 도 1과 함께 참조하면, 도 1의 유입 유로로부터 주입된 유체들(51, 52)이 각각 도 2의 (a)와 같은 형태로 적층이 이루어진다. 이 후, 혼합 유체는 첫번째 분기부에서 분기되어 일부는 메인 유로로, 나머지는 분기 유로 쪽으로 향했다가 다시 합류하는데, 분기 유로는 중단된 형태이므로, 다음 합류부에서는 도 2의 (b)와 (c)와 같은 적층 형태를 이루는 상부 유체와 하부 유체가 합류되어 도 2의 (d)와 같은 적층 형태를 보이게 되고, 세 번째 합류 지점에서의 혼합 유체는 도 2의 (e)와 같은 층이 형성된다. 이러한 과정이 반복되면서, n 번째 합류 지점에서 혼합 유체에는 2n개의 층이 형성된다.
이와 같이 미세 유로 반응기에서는 위와 같은 유로의 구조로 계면을 형성하는 층류 흐름을 위 아래로 교대로 포개어 줌으로써 혼합을 촉진하는 효과를 주게 된다.
즉, 이러한 구조의 미세 유로 반응기는 반응 생성물이 용액 상태인 경우가 대부분으로 반응물 사이의 혼합을 극대화하는 구조로 설계되어 있으며, 반응 생성물의 정체는 큰 문제가 되지 않았다. 따라서, 저점도 반응물에 대해서는 반응물 사이의 혼합을 극대화하면서 연속적으로 반응시킬 수 있는 장점이 있으나, 유로가 불연속적으로 나타나고 사라지는 구조로 되어 있어 유로가 급격히 변하므로 반응 생성물이 침전되는 경우에는 유로의 정체 지점이 존재하면 유로 막힘 현상이 일어나기 쉬우며, 상기 미세 유로 반응기는 유로가 매우 작은 미세 구조로 되어 있기 때문에 이러한 유로 막힘 현상에 매우 취약하다는 문제점이 있다. 따라서, 나노 입자와 같이 반응 생성물이 고체인 경우에는 기존의 혼합 성능을 유지하면서 반응 생성물의 정체를 막기 위한 새로운 구조의 미세 유로 반응기의 개발에 대한 필요성이 높은 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 본 발명에 따른 신규한 구조의 미세 유로 반응기를 입자의 합성과 같이 침전이 발생하는 반응에 적용하는 경우, 유로 정체 지점에서의 반응 생성물의 침전, 및 그에 따른 막힘 현상을 최소화하면서도 반응물의 혼합 성능은 유지할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 미세 유로 반응기는, 각각의 유로를 구비한 평판 형상의 상부 플레이트 및 하부 플레이트를 대면시켜 형성되는 미세 유로 반응기로서,
상기 유로는 서로 다른 유체가 각각 주입되는 하나 이상의 주입 유로들, 상기 주입 유로들로 주입된 각각의 유체가 합류되어 지나는 혼합 유로, 및 상기 혼합 유로에 의해 합류된 유체가 배출되는 배출 유로;를 포함하고,
상기 혼합 유로는, 상기 주입 유로들로부터 배출 유로까지 연장되는 줄기 유로, 및 상기 줄기 유로로부터 분기되어 중단되는 하나 이상의 가지 유로들을 포함하며;
분기와 합류를 반복하는 유체들의 혼합에서, 유체들이 상하 방향으로 분기된 후 좌우 방향으로 합류되는 혼합 과정을 거치도록 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
일반적으로 종래 미세 유로 반응기는, 상기에서 설명한 바와 같이, 적층형으로서 층류의 상태, 즉 좌우 방향으로 분기된 후 상하 방향으로 합류되는 혼합 과정을 거치도록 구성되어 있다. 이와 같은 층류의 흐름에서는 반응 생성물이 용액 상태인 경우에는 혼합 효율 및 침전에 대한 문제가 없었으나, 입자가 형성되는 반응에서는 상하로 급격히 분리되는 유로 부분에서 침전이 발생하고, 이에 하부 플레이트 부분에 막힘 현상이 심화되므로 혼합 효율이 저하될 뿐만 아니라, 반응의 안정성 측면에서도 심각한 문제가 있다.
이에 본 출원의 발명자들은, 심도있는 연구를 거듭한 끝에 입자의 합성과 같이 침전이 발생하는 반응에서 최적화된 구조의 미세 유로 반응기를 개발하였다. 구체적으로, 본 발명에 따른 미세 유로 반응기는, 기존의 미세 유로 반응기와 상이하게, 유체들이 상하 방향으로 분기된 후 좌우 방향으로 합류되는 혼합 과정을 거치는 바, 불연속적으로 사라지는 유로가 존재하지 아니하여 유체의 정체를 최소화할 수 있고, 자연스럽게 분기된 후 합류되는 형태를 가지므로 입자가 형성되는 반응에서 혼합 효율은 높이면서 상기와 같은 문제점은 해결할 수 있다
더 나아가, 침전 현상에 의한 유로의 막힘을 더욱 방지하기 위해서는, 유로가 나타나는 경우에도 그 깊이가 연속적으로 변하도록 설계할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 미세 유로 반응기의 각각의 유로의 구조에 대해서는 이하에서 더욱 자세히 설명한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 서로 다른 유체들이 주입되는 주입 유로들은 크게, 유체들이 분기되고 합류되는 부분을 이은 선을 중심축으로 할 때, 중심축 상에 위치하는 제 1 주입 유로 및 중심축을 기준으로 소정의 각도로 분기되어 위치하는 하나 이상의 제 2 주입 유로들로 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 제 2 주입 유로들에는 서로 다른 유체가 각각 주입될 수 있다. 즉, 상기 제 1 주입 유로 및 제 2 주입 유로들은 모두 다른 유체가 주입될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 경우에 따라, 소망하는 반응에 따라, 주입 유로들에 주입되는 유체는 동일하게, 또는 상이하게 정해질 수 있다.
이러한 상기 제 2 주입 유로들의 분기 각도는 중심축을 기준으로 30도 내지 60도의 범위일 수 있다.
상기 범위를 벗어나, 30도 미만으로는 유로의 제작이 어렵고, 60도를 초과하는 경우에는 다른 유체들과의 자연스러운 혼합이 형성되지 못하고, 꺾임 부분에 의해 유체의 흐름이 정체될 가능성이 있는 바, 바람직하지 않다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 주입 유로들의 직경은 1.5 밀리미터 내지 5.0 밀리미터일 수 있다. 이는, 이하 설명하는 혼합 유로의 직경보다 큰 범위로, 혼합 유로에서 유체의 흐름에 의해 형성되는 압력을 주입 유로에서부터 형성시킬 필요가 없으며, 유체의 흐름에 의한 압력을 낮추어 주입을 좀 더 용이하게 하기 위함이다.
한편, 혼합 유로는 상기에서 설명한 바와 같이, 줄기 유로와 가지 유로로 나뉜다.
이 중 가지 유로는 대면하는 플레이트의 줄기 유로에 더해져 그 직경을 크게 하는 역할을 하는 것으로, 일부분에만 형성되어 있어 구간을 따로 나눠 설명할 필요 없으나, 줄기 유로는 혼합 유로 전체적으로 형성되어 있는 바, 유체들의 분기, 합류의 양상에 의해 두 개의 구간으로 나뉜다.
구체적으로, 하나는 유체들이 합류되어 있는 구간이고, 다른 하나는 유체들이 좌우로 분기되어 있는 구간이다.
이 때, 유체들이 합류되어 있는 구간의 줄기 유로의 직경은 0.5 밀리미터 내지 1.5 밀리미터일 수 있고, 유체들이 좌우로 분기되어 있는 구간의 줄기 유로의 직경은 유체들이 합류되어 있는 구간의 줄기 유로의 직경 대비 0.5배 내지 1.0배일 수 있다.
이는 합류되어 있는 구간의 줄기 유로에 비해 분기되어 있는 구간의 줄기 유로의 직경이 작아야 분기되었던 유체가 다시 합류될 때 일정한 직경을 갖도록 할 수 있기 때문이다.
따라서, 유체들이 합류되어 있는 구간의 줄기 유로의 직경을 일정하게 유지하기 위해서는, 상기 유체들이 좌우로 분기되어 있는 구간의 줄기 유로의 직경은 유체가 합류되는 지점으로 갈수록 순차적으로 감소하여, 좌우로 분기되어 있는 줄기 유로의 말단의 직경은 유체들이 합류되어 있는 구간의 줄기 유로의 직경 대비 0.5배임이 바람직하다.
한편, 상기 줄기 유로는 유체들이 분기되는 지점에서 합류되는 지점에 이르는 경로가 상호 대칭일 수 있고, 상기 가지 유로는 유체들이 분기되고 합류되는 부분을 이은 선을 중심축으로 하여, 줄기 유로에 대해 대칭으로 분기될 수 있다. 따라서, 상부 플레이트와 하부 플레이트가 대면되면, 줄기 유로와 가지 유로는 겹쳐지고, 이 때, 줄기 유로와 가지 유로가 이루는 평면 구조는, 대칭 구조라면 한정되지 아니하나, 상세하게는 마름모 형상을 이루도록 구성될 수 있다.
이 때, 상기 가지 유로들의 분기 방향은, 상하 방향으로 분기된 유체들이 좌우에서 합류될 수 있도록 분기된 구간의 어느 한 지점에서 대면하는 플레이트의 줄기 유로와 합쳐지게 형성되는 바, 하나의 구체적인 예에서, 줄기 로부터 주입 유로들이 형성되어 있는 방향으로 상향 분기될 수 있고, 분기 각도는, 유체가 분기되고 합류되는 부분을 이은 선을 중심축으로 할 때, 10도 내지 45도의 범위일 수 있다.
분기 각도가 상기 범위를 벗어나, 10도 미만으로는 유로의 제작이 어렵고, 45도를 초과하는 경우에는 꺾임 부분에 의해 유체의 자연스러운 흐름이 형성되지 못하고 정체될 가능성이 큰 바, 바람직하지 않다.
한편, 상기에서 설명한 바와 같이, 침전 현상에 의한 유로의 막힘을 더욱 방지하기 위해서는, 상부 플레이트와 하부 플레이트를 대면시켰을 때, 가지 유로에 의해 유로가 급격히 나타나지 않도록, 유로 깊이가 연속적으로 변하게 설계할 수 있는 바, 상기 가지 유로들은 플레이트 표면에 대해 그 깊이가 연속적으로 변하는 구간을 하나 이상 포함할 수 있고, 상기 깊이가 연속적으로 변하는 구간은 가지 유로의 중단 지점, 즉, 유로를 흐르는 유체가 처음 가지 유로를 만나는 지점에서 분기 지점, 즉 유로를 흐르는 유체가 좌우에서 합류되는 지점으로 하향 테이퍼된 구조일 수 있다.
이 때, 햐향 테이퍼된 구조는 30도 내지 45도의 기울기를 가질 수 있고, 상기 범위를 벗어나 30도 미만인 경우에는 줄기 유로의 유체들이 합류되어 있는 구간의 깊이와 동일하게 되기까지 상대적으로 가지 유로의 길이가 길어져야 하는 바, 비효율적이고, 45도를 초과하는 경우에는 급격한 경사로 경사진 부분의 바로 밑부분에서 유체의 정체 있을 수 있어, 입자들의 침전 현상이 발생할 수 있는 바 바람직하지 않다.
마지막으로, 상기 주입 유로들로 주입되고 상기 혼합 유로를 거쳐 균일하게 혼합된 유체들은, 상기 배출 유로를 통해 배출되는데, 상기 배출 유로의 직경은, 혼합된 유체들의 막힘 현상 없이 원활히 배출되도록, 혼합 유로의 직경보다 큰 범위에서 1.5 밀리미터 내지 5.0 밀리미터일 수 있다.
한편, 본 발명은, 상기 미세 유로 반응기를 사용하여 나노 입자를 합성하는 방법을 제공하고, 상기 방법으로 제조된 나노 입자를 제공한다.
상기 나노 입자의 합성 방법은 상기 미세 유로 반응기의 하나 이상의 주입 유로들에 반응물, 증류수 및 환원제를 각각 투입하여 상기 미세 유로 반응기의 혼합 유로를 거쳐 상기 유체들이 좌우 방향으로 합류되게 함으로써 달성할 수 있다.
이와 같이 나노 입자를 제조하는 경우에는, 입자의 침전에 따른 반응기의 막힘 현상 없어 안정적으로 나노 입자를 수득할 수 있을 뿐만 아니라, 반응기에서의 침전으로 인한 손실을 방지할 수 있는 바, 그 수득률 또한 기존의 미세 유로 반응기에 의한 경우보다 높다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 미세 유로 반응기는, 정체를 최소화하고 혼합을 최대화하는 신규한 구조로 설계됨으로써, 입자의 합성과 같이 침전이 발생하는 반응에 적용하는 경우에 우수한 반응물의 혼합 성능을 유지하면서도 유로 정체 지점에서의 반응 생성물의 침전, 및 그에 따른 막힘 현상을 최소화하여 반응 안정성을 최대화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 적층형 미세 유로 반응기의 사진이다;
도 2는 도 1의 종래 적층형 미세 유로 반응기의 각 부분에서 일어나는 단면에서의 혼합 거동을 나타내는 모식도이다;
도 3은 본 발명에 따른 미세 유로 반응기의 상부 플레이트 및 하부 플레이트의 모식도이다;
도 4는 도 3의 하부 플레이트 A부분의 확대 모식도이다;
도 5는 도 4의 B부분의 유로 깊이 형상을 나타내기 위한 측면 모식도이다;
도 6는 도 3의 상부 플레이트 및 하부 플레이트를 대면시킨 상태의 모식도이다;
도 7은 도 6의 미세 유로 반응기의 각 부분에서 일어나는 단면에서의 혼합 거동을 나타내는 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 미세 유로 반응기의 상부 플레이트와 하부 플레이트를 도시하는 모식도이며, 도 4는 도 3의 하부 플레이트의 A부분을 확대하여 도시한 모식도이다. 이하에서는 편의상 제 1 주입 유로로부터 주입되는 유체를 제 1 유체, 제 2 주입 유로들로부터 주입되는 유체를 제 2 유체 및 제 3 유체라고 정의한다.
먼저, 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 미세 유로 반응기는 상부 플레이트(110)과 하부 플레이트(120)으로 구분되며, 상부 플레이트(110) 및 하부 플레이트(120)에는 서로 다른 유체가 각각 주입되는 제 1 주입 유로(111, 121) 및 제 2 주입 유로들(112, 113, 122, 123), 상기 주입 유로들(111, 112, 113, 121, 122, 123)로 주입된 각각의 유체가 합류되어 지나는 혼합 유로, 및 상기 혼합 유로에 의해 합류된 유체가 배출되는 배출 유로(116, 126)가 형성되어 있다. 여기서, 혼합 유로는, 주입 유로들(111, 11, 113, 121, 122, 123)로부터 배출 유로(116, 126)까지 연장되는 줄기 유로(114, 124), 및 줄기 유로(114, 124)부터 분기되어 중단되는 하나 이상의 가지 유로들(115, 125)로 구성되어 있다.
이하에서는 도 4를 참조하여, 주입 유로들 및 혼합 유로에 대해 자세히 설명하도록 한다.
먼저 주입 유로들(121, 122, 123)을 살펴보면, 제 1 주입 유로(121)는 유체들이 분기되고 합류되는 부분을 이은 중심축(129) 상에 위치하고 있고, 제 2 주입 유로들(122, 123)은 중심축(129)을 기준으로 30도 내지 60도의 각도(a1)로 분기되어 위치하고 있다.
주입 유로들(121, 122, 123)의 직경(d1)은 유체의 흐름에 의합 압력을 낮추어 유체들의 주입을 좀 더 용이하게 하기 위해, 혼합 유로의 평균 직경보다 큰 범위로 1.5 밀리미터 내지 5.0 밀리미터로 형성된다.
혼합 유로는 줄기 유로(124)와 가지 유로(125)로 나뉘고, 줄기 유로(124)는 유체들이 분기되는 지점에서 합류되는 지점에 이르는 경로가 상호 대칭이며, 가지 유로(125)는 중심축(129)을 기준으로 줄기 유로(124)에 대해 대칭으로 상향 분기되어 있다. 이 때, 가지 유로(125)의 분기 각도(a2)는 중심축(129)을 기준으로 10도 내지 45이고, 따라서, 이와 대칭인 줄기 유로 또한 10도 내지 45도의 각도(a3)로 꺾여 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120)가 대면되면, 줄기 유로와 가지 유로는 겹쳐지고, 이 때, 줄기 유로와 가지 유로가 이루는 평면 구조는, 대칭 구조라면 한정되지 아니하나, 이하, 도 6에서 보는 바와 같이 마름모 형상을 이룬다.
다시 도 4를 참조하면, 줄기 유로(124)는 크게 유체들의 분기, 합류의 양상에 의해 두 개의 구간으로 나뉜다.
줄기 유로(124)는 그 구간에 따라 직경의 변화가 존재하는데, 구체적으로, 유체들이 합류되어 있는 구간의 줄기 유로의 직경(w1)과 유체들이 좌우로 분기되어 있는 구간의 직경(w2, w3)이 상이하다.
유체들이 합류되어 있는 구간의 줄기 유로의 직경(w1)은 0.5 밀리미터 내지 1.5 밀리미터이고, 유체들이 좌우로 분기되어 있는 구간의 줄기 유로의 직경(w2, w3)은 유체들이 합류되어 있는 구간의 줄기 유로 직경(w1) 대비 0.5배 내지 1.0배이다.
유체들이 좌우로 분기되어 있는 구간의 줄기 유로의 직경(w2, w3)을 더욱 상세하게 설명하면, 첫 번째 유체들이 합류되어 있는 구간과 접하는 좌우로 분기되어 있는 구간의 줄기 유로의 직경(w2)은, 유체들이 합류되어 있는 구간의 줄기 유로 직경(w1) 대비 1.0배이고, 두 번째 유체들이 합류되어 있는 구간과 접하는 좌우로 분기되어 있는 구간의 줄기 유로의 직경(w3)은, 유체들이 합류되어 있는 구간의 줄기 유로 직경(w1) 대비 0.5배로 첫 번째 유체들이 합류되어 있는 구간과 접하는 부분에서, 두 번째 유체들이 합류되어 있는 구간과 접하는 부분까지 순차적으로 감소한다.
줄기 유로(214)와 대칭인 가지 유로들(215) 역시 줄기 유로와 대응되게 직경이 변함은 물론이다.
이와 같이, 혼합 유로를 구성하면, 유체들이 합류되어 있는 구간의 줄기 유로 직경(w1)은 혼합 유로 전체적으로 일정하게 유지되므로 일정한 양의 유체들이 미세 유로 반응기를 흐르게 된다.
한편, 도 5에는 도 4의 B부분의 유로 깊이 형상을 나타내기 위한 측면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 가지 유로(215)의 깊이 형상은 가지 유로(215)의 중단 지점(E), 즉, 유로를 흐르는 유체가 처음 가지 유로를 만나는 지점에서 분기 지점(S), 즉 유로를 흐르는 유체가 좌우에서 합류되는 지점으로 하향 테이퍼된 구조로 이루어져 있고, 이 때, 햐향 테이퍼된 구조의 기울기(a4)는 30도 내지 45도이다. 본 명세서에는 하부 플레이트의 가지 유로만을 도시했으나, 상부 플레이트의 가지 유로 역시 하부 플레이트의 가지 유로와 동일한 형상을 가질 수 있다.
상기와 같은 구조의 미세 유로 반응기는, 상부 플레이트와 하부 플레이트를 대면시켰을 때, 가지 유로에 의해 유로가 급격히 나타나지 않으므로, 급격한 유로 형성 부분에 입자의 침전 현상에 의한 유로 막힘 현상을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.
도 6에는 도 3의 상부 플레이트 및 하부 플레이트를 대면시킨 상태의 미세 유로 반응기(100)가 도시되어 있고, 도 7에는 도 6의 미세 유로 반응기의 각 부분에서 일어나는 단면에서의 혼합 거동(300)이 모식적으로 도시되어 있다.
이하에서는 도 6 및 도 7을 참조하여, 미세 유로 반응기(100) 내의 유체가 서로 분기 및 합류되는 과정을 설명한다.
먼저 도 6을 참조하면, 상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 미세 유로 반응기(100)는 줄기 유로와 가지 유로가 이루는 평면 구조가 마름모 형상인 혼합 유로를 포함하는 구성으로 이루어져 있다. 이러한 마름모 형상의 혼합 유로마다 유체들이 혼합되는 바, 도 7에는 첫 번째 마름모 형상의 혼합 유로의 전후에서의 유체들의 혼합 거동(300)만을 도시하였다.
도 7를 도 6과 함께 참조하면, 도 6의 제 1 주입 유로에는 제 1 유체(301)가, 제 2 주입 유로들에는 제 2 유체(302) 및 제 3 유체(303)가 각각 주입되어 도 7의 (a)와 같이 미세 유로 반응기의 유로를 따라 유동하게 된다. 제 1 주입 유로와 제 2 주입 유로에 제 1 유체(301), 제 2 유체(302), 및 제 3 유체(303)가 주입되면 혼합 유로에 유입되기 전에 X 구간에서 도 7의 (b)와 같은 형태로 좌우 방향에서 합류한다.
이 후, 도 7의 (b)와 같이 혼합된 유체는 첫번째 분기부인 Y 구간에서 분기되어 일부는 상부 플레이트의 줄기 유로로, 나머지는 하부 플레이트의 줄기 유로 쪽으로 향하여 도 7의 (c)와 같이 상하 방향으로 분기된다. 이와 같이 분기된 혼합 유체는 소정의 각도로 꺾인 줄기 유로를 따라 이동하는데, 유체가 분기되어 있는 구간의 줄기 유로의 직경은 분기 지점에서부터 순차적으로 줄어드는 바, Z 구간에서 혼합 유체는 도 7의 (d)와 같은 형상을 하게 된다.
상부 플레이트 및 하부 플레이트로 분기되어 흐르던 유체는 이후에 각각 대면되는 플레이트의 가지 유로와 만나게 되고, 따라서, 상하 방향으로 분기되었던 혼합 유체는 T 구간에서 도 7의 (e)와 같이 좌우 방향으로 흘러 두 번째 합류 구간인 U 구간에서 도 7의 (f)와 같이 합류된다.
이와 같은 혼합 거동을 마름모 형상의 혼합 유로마다 거치게 되면, 마지막 배출 유로로 배출되는 혼합 유체는, 마름모 형상의 개수(n)만큼 혼합되어 도 7의 (b)와 같은 혼합 유체가 2n개 합류된 형상을 하게 된다.
즉, 본 발명에 따른 미세 유로 반응기 내에서는 유체들이 상하 방향으로 자연스럽게 분기된 후 좌우 방향으로 합류되는 과정을 거치는 바, 불연속적으로 사라지는 유로가 존재하지 아니하여 유체의 정체를 최소화하면서 혼합 성능은 유지하였음을 볼 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (19)

  1. 각각의 유로를 구비한 평판 형상의 상부 플레이트 및 하부 플레이트를 대면시켜 형성되는 미세 유로 반응기로서,
    상기 유로는 서로 다른 유체가 각각 주입되는 하나 이상의 주입 유로들, 상기 주입 유로들로 주입된 각각의 유체가 합류되어 지나는 혼합 유로, 및 상기 혼합 유로에 의해 합류된 유체가 배출되는 배출 유로;를 포함하고,
    상기 혼합 유로는, 상기 주입 유로들로부터 배출 유로까지 연장되는 줄기 유로, 및 상기 줄기 유로로부터 분기되어 중단되는 하나 이상의 가지 유로들을 포함하며;
    분기와 합류를 반복하는 유체들의 혼합에서, 유체들이 상하 방향으로 분기된 후 좌우 방향으로 합류되는 혼합 과정을 거치도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 미세 유로 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 주입 유로들은, 유체들이 분기되고 합류되는 부분을 이은 선을 중심축으로 할 때, 중심축 상에 위치하는 제 1 주입 유로 및 중심축을 기준으로 소정의 각도로 분기되어 위치하는 하나 이상의 제 2 주입 유로들로 이루어진 것을 특징으로 하는 미세 유로 반응기.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 주입 유로들에는 서로 다른 유체가 각각 주입되는 것을 특징으로 하는 미세 유로 반응기.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 주입 유로들의 분기 각도는 중심축을 기준으로 30도 내지 60도의 범위인 것을 특징으로 하는 미세 유로 반응기.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 주입 유로들의 직경은 1.5 밀리미터 내지 5.0 밀리미터인 것을 특징으로 하는 미세 유로 반응기.
  6. 제 1 항에 있어서, 유체들이 합류되어 있는 구간의 줄기 유로의 직경은 0.5 밀리미터 내지 1.5 밀리미터인 것을 특징으로 하는 미세 유로 반응기.
  7. 제 1 항에 있어서, 유체들이 좌우로 분기되어 있는 구간의 줄기 유로의 직경은 유체들이 합류되어 있는 구간의 줄기 유로의 직경 대비 0.5배 내지 1.0배인 것을 특징으로 하는 미세 유로 반응기.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 유체들이 좌우로 분기되어 있는 구간의 줄기 유로의 직경은 유체가 합류되는 지점으로 갈수록 순차적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 미세 유로 반응기.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 줄기 유로는 유체들이 분기되는 지점에서 합류되는 지점에 이르는 경로가 상호 대칭인 것을 특징으로 하는 미세 유로 반응기.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 가지 유로는, 유체들이 분기되고 합류되는 부분을 이은 선을 중심축으로 하여, 줄기 유로에 대해 대칭으로 분기되는 것을 특징으로 하는 미세 유로 반응기.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 가지 유로들은, 줄기 유로로부터 주입 유로들이 형성되어 있는 방향으로 상향 분기되어 있는 것을 특징으로 하는 미세 유로 반응기.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 가지 유로들의 분기 각도는, 유체가 분기되고 합류되는 부분을 이은 선을 중심축으로 할 때, 10도 내지 45도의 범위인 것을 특징으로 하는 미세 유로 반응기.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 가지 유로들은 플레이트 표면에 대해 그 깊이가 연속적으로 변하는 구간을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유로 반응기.
  14. 제 13 항에 있어서, 그 깊이가 연속적으로 변하는 구간은 가지 유로의 중단 부분에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 미세 유로 반응기.
  15. 제 13 항에 있어서, 그 깊이가 연속적으로 변하는 구간은 가지 유로의 중단 지점에서 분기 지점 방향으로 하향 테이퍼된 구조인 것을 특징으로 하는 미세 유로 반응기.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 하향 테이퍼된 구조는 30 내지 45도의 기울기를 갖는 것을 특징으로 하는 미세 유로 반응기.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 배출 유로의 직경은 1.5 밀리미터 내지 5.0 밀리미터인 것을 특징으로 하는 미세 유로 반응기.
  18. 미세 유로 반응기를 사용하여 나노 입자를 합성하는 방법으로서,
    상기 미세 유로 반응기는 각각의 유로를 구비한 평판 형상의 상부 플레이트 및 하부 플레이트를 대면시켜 형성되고,
    상기 유로는 서로 다른 유체가 각각 주입되는 하나 이상의 주입 유로들, 상기 주입 유로들로 주입된 각각의 유체가 합류되어 지나는 혼합 유로, 및 상기 혼합 유로에 의해 합류된 유체가 배출되는 배출 유로를 포함하며,
    상기 혼합 유로는, 상기 주입 유로들로부터 배출 유로까지 연장되는 줄기 유로, 및 상기 줄기 유로로부터 분기되어 중단되는 하나 이상의 가지 유로들을 포함하고,
    상기 하나 이상의 주입 유로들에는 반응물, 증류수 및 환원제가 각각 투입되어 상기 유체들이 좌우 방향으로 합류되는 것을 특징으로 하는 나노 입자의 합성 방법.
  19. 제 18 항에 따른 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 나노 입자.
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