KR20150105856A - 테일러 괴틀러 와류를 이용한 마이크로 믹서 및 그 제작방법 - Google Patents

테일러 괴틀러 와류를 이용한 마이크로 믹서 및 그 제작방법 Download PDF

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Abstract

테일러-괴틀러 와류를 이용한 마이크로 믹서 및 그 제작방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 믹서는, 이종(異種)유체를 공급받아 상기 이종유체를 혼합하는 미세 유로를 구비하는 마이크로 믹서(500A, 500B)로서, 일단부에 제 1 유체가 유입되는 제 1 공급유로(110) 및 타단부에 제 2 유체가 유입되는 제 2 공급유로(120)를 구비하는 일직선 형태의 공급유로(100); 상기 공급유로(100)의 중앙부와 연통되고, 소정의 거리만큼 이격되어 배치되어 소정의 각도로 꺽인 다수의 유로 절곡부(310)를 구비하는 혼합유로(300); 및 상기 혼합유로(300)의 타단부에 형성되고, 제 1 유체와 제 2 유체의 혼합 유체가 배출되는 배출유로(400);를 포함하되, 상기 제 1 유체와 제 2 유체는 유로 절곡부(310)를 지나면서 테일러-괴틀러 와류(Taylor-Gortler Vortex)를 형성하는 것을 구성의 요지로 한다.

Description

테일러 괴틀러 와류를 이용한 마이크로 믹서 및 그 제작방법 {Micro Mixer Using Taylor Gortler Vortex and Manufacturing Method Thereof}
본 발명은 마이크로 믹서 및 그 제작방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유로 내부에 테일러-괴틀러 와류(Taylor-Gotrler Vortex)를 생성시켜 줌으로써, 이종(異種)유체의 혼합 효율을 향상시킬 수 있는 마이크로 믹서 및 그 제작방법에 관한 것이다.
최근 현장검진(point-of-care diagnostics), 병원균검출, 환경감시 및 신약개발 등의 생의학 연구를 위하여 집적화된 생물학적 분석시스템의 개발에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
그 중에서도 바이오 멤스(Bio MEMS) 또는 바이오나노정보기술(Bio Nano Information Technology, BINT) 등의 나노 바이오(Nano-Bio)기술이 주류를 이루고 있다.
특히, 생체분자 등의 검출에 대한 관심이 지극히 높은 상태인데, 생체분자는 아주 적은 양으로도 인체에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에 이를 검출할 수 있는 센싱 기술은 차세대 나노 바이오 기술의 핵심이라고 할 것이다.
이를 위하여 새로운 형태의 바이오 센서 및 이를 채용한 랩 온어 칩(Lab On a Chip, 이하 LOC)과 마이크로 통합분석 시스템(Micro-Total-Analysis-System)의 개발이 활발하다.
LOC는 말 그대로 생물학, 화학 실험실의 구성 요소를 미세화(scale down)하여 하나의 칩에 구현함으로써 기존의 실험을 하나의 칩에서 수행할 수 있도록 하는 것을 의미하는 것으로, 미소한 하나의 칩 위에 분석을 위해서, 미량의 생체 시료의 채취, 운반, 처리, 측정을 위한 마이크로 유체소자(마이크로 밸브, 마이크로 펌프, 마이크로 채널, 마이크로 필터, 혼합기 등), 항원이나 유전자와 같은 생물분자를 이동 조작하기 위한 바이오 필터, 시료를 분석 감지하기 위한 반응기 및 센서(면역센서, 생화학센서 등), 마이크로 유체 소자를 구동시키기 위한 엑츄에이터, 주변 회로부 등의 소자를 멤스(Micro Electro Mechanical Systems, 이하 MEMS)공정을 이용하여 집적화시킨 작은 화학/생물 마이크로 프로세서이다. 즉, 수 cm2 정도 되는 하나의 칩 위에서 생체 시료의 전처리 과정, 운송, 제어, 분석 등을 모두 일어나게 하는 것이다.
복잡한 화학공정을 소형화 및 집적화하여 손 위에서 수행할 수 있는 LOC 개념은 사용되는 값비싼 시료의 양을 줄일 수 있고, 폐기물의 최소화, 소형화에 따른 이동성 및 현장 적응성이 뛰어나다는 점 등에 있어서 현대기술의 커다란 혁명이다.
LOC와 마이크로 통합분석 시스템 등의 초소형 장치는 분석에 필요한 모든 과정들이 하나의 작은 칩 위에서 수행될 수 있도록, 여러 개의 채널이나 미세구조물들을 포함한다. 이와 같은 초소형 장치에서 분석 혹은 생화학 반응을 위해 마이크로 채널에 의해 운반되는 시료와 시약 등의 효과적인 혼합은 필수적이라 할 것이다. 특히 이와 같은 바이오 응용 LOC 분야에서는 소모되는 시료의 양을 최소화시키는 것이 기구의 설계 및 시료의 채취를 고려한 비용 측면에서 매우 중요하다. 이를 위해서는 LOC 칩 내에서 화학물 간의 반응 시간을 최소화 시키는 기술이 필요하며, 이는 시료간 화학 반응이 활발히 일어날 수 있도록 섞어주기 위한 혼합(mixing) 기술이 요구된다. 즉, 최대한 짧은 유로 길이 내에서 시료 간의 반응이 원활히 일어날 수 있도록 하는 혼합(mixing) 기술이 필요하다.
하지만, 마이크로 단위에서 일어나는 유체 유동은 기존의 대규모 시스템과는 다른 독특한 특성을 보여주며, 이를 해결하기 위한 유체 유동 제어 및 혼합이 제품 성능에 지대한 영향을 주고 있는 실정이다.
기존의 대규모 시스템의 경우, 유체 내에서 프로펠러를 돌리는 등의 방법으로 레이놀드 수(Reynolds number, 시스템의 크기와 유동특성, 점성효과를 고려하여 나타낼 수 있는 무차원 수로써 다음과 같이 표현된다. Re=(시스템의 특성길이ㅧ유체 밀도ㅧ유체 속도/점성))를 충분히 키워서 난류(turbulent flow)를 유발하는 것이 가능하여, 이에 의한 유체의 혼합을 얻을 수 있었다.
그러나, 미세 유체공학 시스템의 경우, 레이놀드 수가 작아서 난류가 형성되지 않고 층류(laminar flow)만 이루어지므로 확산(diffusion)에 의한 혼합 밖에 기대할 수 없게 되어, 결과적으로 균일한 유체의 혼합물을 얻기가 힘들어진다. 유동간의 대류(convection or advection)에 의한 섞임에 비하여 확산에 의한 섞임은 시간 scale이 매우 느리며 확산 현상이 일어나는 영역도 서로 다른 유체가 맞닿아 있는 계면(interface)에서만 발생하기 때문에 매우 제한적이고 비효율적이다. 이에 채널 내부에서 와류의 생성을 통한 혼합(mixing)을 유도하는 기술이 요구된다. 일반적으로는 시료의 유입 속도를 증가(Reynolds 수 증가)를 통해 시료간의 혼합(mixing)을 촉진시킬 수 있으나, 이는 곧 사용하게 될 시료의 소모량이 증가한다는 것을 의미한다. 언급한 바와 같이 LOC 기반의 바이오 시료의 반응에서는 시료의 소모량을 최소화 시키는 것이 요구된다. 또한 시료의 주입 속도 증가를 통해 Reynolds 수를 수백 이상으로 증가시키게 되면 유로 내 급격한 압력의 상승을 유발하므로, 시료의 유입 자체가 어려워 지거나(주입을 위한 특수한 기구의 사용이 불가피) 액체 시료의 leakage가 발생하게 된다. 이러한 점에서 실제 LOC 응용에서는 혼합(mixing)을 위해 Reynolds 수를 수백 이상으로 증가시키는 것이 현실적인 방법은 되지 못한다. 실제 사용되는 환경과 조건을 고려하였을 때, 실제 LOC 적용 가능한 적절한 Reynolds 수의 영역을 최대 수백 이하(≤200)로 설정해 볼 수 있다.
이러한 저속의 low Reynolds 수 영역에서의 혼합(mixing)을 위한 대책으로 마이크로 채널 내부에 유동발생 수단을 도입한 능동 혼합(active 혼합(mixing)) 방법을 통해 혼합 성능의 향상을 가져오기도 하지만, 이 경우 마이크로 채널 내부의 미세 소량 유체의 누출 가능성과 함께 제조원가의 상승 및 다른 마이크로 장치들과의 통합에 따른 문제점이 따르게 된다.
도 1에는 종래 기술에 따른 마이크로 믹서를 나타내는 사시도가 도시되어 있다.
상기 언급한 마이크로 장치들과는 달리, 도 1에 도시된 바와 같이, 마이크로 채널 내부에 정적인 여러 미세 구조를 도입함으로써 유체가 섞일 수 있게 유도하는 수동 혼합(passive 혼합(mixing)) 방법도 있다.
이 경우, 위의 능동 혼합 방법보다 혼합 성능은 떨어질 수 있으나, 능동 혼합 방법의 많은 문제점들을 해결할 수 있으며, 특히 제조 원가를 크게 낮출 수 있고, 다른 마이크로 장치들과의 통합을 용이하게 하며, 혼합(mixing)을 일어나게 하기 위해 요구되는 추가적인 동력원(power source, 예를 들어, 전류, 전기장, 자기장 등)이 필요 없다는 장점을 가질 수 있다.
이러한 요구에 발맞추어 여러 가지 수동 혼합 방법을 이용한 마이크로 믹서들이 보고되고 있다.
하지만 기존 기술의 수동 혼합 방법들의 경우, 마이크로 채널 내부에 많은 장애물 또는 분리벽 등을 설치하여 혼합이 이루어지게 하는 방법으로, 큰 압력 손실을 유발하게 되는 단점을 안고 있으며 게다가 점점 복잡한 장애물들을 삽입함에 따라 제조 공정이 복잡하여 지고, 제조 원가가 상승되는 단점을 가지고 있다.
한국공개특허공보 제10-2004-0088335호 (2004년 10월 16일 공개)
본 발명의 목적은, 층류(laminar) 조건에서, 추가적인 와류 생성을 위한 구조물의 삽입 없이 이류(移流) 움직임(advective motion)을 유발시킴으로써 이종(異種) 유체간의 혼합 효율을 개선시킬 수 있는 구조의 마이크로 믹서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 마이크로 믹서는,
이종(異種)유체를 공급받아 상기 이종유체를 혼합하는 미세 유로를 구비하는 마이크로 믹서로서,
일단부에 제 1 유체가 유입되는 제 1 공급유로 및 타단부에 제 2 유체가 유입되는 제 2 공급유로를 구비하는 일직선 형태의 공급유로;
상기 공급유로의 중앙부와 연통되고, 소정의 거리만큼 이격되어 배치되어 소정의 각도로 꺽인 다수의 유로 절곡부를 구비하는 혼합유로; 및
상기 혼합유로의 타단부에 형성되고, 제 1 유체와 제 2 유체의 혼합 유체가 배출되는 배출유로;
를 포함하되,
상기 제 1 유체와 제 2 유체는 유로 절곡부를 지나면서 테일러-괴틀러 와류(Taylor-Gortler Vortex)를 형성하는 구성일 수 있다.
이 경우, 상기 제 1 공급유로로 제 1 유체를 공급하는 압력은, 제 2 공급유로로 제 2 유체를 공급하는 압력과 동일할 수 있다.
또한, 상기 공급유로와 혼합유로 사이에는,
상기 공급유로의 중앙부에 수직으로 연통되는 일단부, 및 상기 혼합유로와 연통되는 타단부를 구비하는 일직선 형태의 유입유로(200)가 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유로 절곡부에 의해 절곡된 각 혼합유로가 이루는 사이각(a1, a2)은, 20 도 내지 120 도일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 혼합유로의 평면상 폭(W1, W2) 대비 혼합유로의 측면상 수직 높이(H1, H2)의 비율(Duct aspect ratio)은, 1.0 내지 10.0 일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 혼합유로의 평면상 폭(W1, W2) 대비 혼합유로의 각 유로 절곡부 사이의 평면상 길이(L1, L2) 비율(L1/W1, L2/W2)은, 1.0 내지 10.0 일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 마이크로 믹서는,
이종(異種)유체를 공급받아 상기 이종유체를 혼합하는 미세 유로를 구비하는 마이크로 믹서로서,
제 1 유체를 공급하고, 제 2 공급유로의 형성방향과 대향하는 방향으로 형성되고, 혼합유로의 일단부와 연통되는 제 1 공급유로;
제 2 유체를 공급하고, 상기 제 1 공급유로의 형성방향과 대향하는 방향으로 형성되고, 혼합유로의 일단부와 연통되는 제 2 공급유로;
상기 제 1 공급유로 및 제 2 공급유로와 일단부에서 연통되고, 소정의 거리만큼 이격되어 배치되고 소정의 각도로 꺽인 다수의 유로 절곡부를 구비하는 혼합유로; 및
상기 혼합유로의 타단부에 형성되고, 제 1 유체와 제 2 유체의 혼합 유체가 배출되는 배출유로;
를 포함하되,
상기 제 1 유체와 제 2 유체는 유로 절곡부를 지나면서 혼합유로 내부에서 테일러-괴틀러 와류(Taylor-Gortler Vortex)를 형성하는 구성일 수 있다.
이 경우, 상기 제 1 공급유로와 제 2 공급유로는 120 도 내지 180 도의 각도(a0)를 형성하는 구조일 수 있다.
또한, 상기 제 1 공급유로로 제 1 유체를 공급하는 압력은, 제 2 공급유로로 제 2 유체를 공급하는 압력과 동일할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 공급유로와 혼합유로 사이에는,
상기 제 1 공급유로 및 제 2 공급유로와 연통되는 일단부, 및 상기 혼합유로와 연통되는 타단부를 구비하는 일직선 형태의 유입유로가 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유로 절곡부에 의해 절곡된 각 혼합유로가 이루는 사이각(a3, a4)은, 20 도 내지 120 도 일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 혼합유로의 평면상 폭(W3, W4) 대비 혼합유로의 측면상 수직 높이(H3, H4)의 비율(Duct aspect ratio, H3/W3, H4/W4)은, 1.0 내지 10.0 일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 혼합유로의 평면상 폭(W3, W4) 대비 혼합유로의 각 유로 절곡부 사이의 평면상 길이(L3, L4) 비율(L3/W3, L4/W4)은, 1.0 내지 10.0 일 수 있다.
본 발명은 상기 마이크로 믹서를 제작하는 방법을 제공할 수 있는 바, 본 발명의 일 측면에 따른 마이크로 믹서 제작방법은,
a) 공급유로, 혼합유로 및 배출유로의 형상을 갖는 금형인서트를 준비하는 금형준비단계;
b) 상기 금형인서트에 폴리머를 몰딩하는 몰딩단계;
c) 상기 몰딩단계에서 몰딩한 폴리머를 취출하는 취출단계;
를 포함하는 구성일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 마이크로 믹서 제작방법은,
a) 마이크로 믹서를 이루는 소재로 구성되고, 마이크로 믹서의 측면 높이와 대응되는 두께를 가지는 기판을 준비하는 기판준비단계; 및
b) 기판의 표면을 바로 식각하여, 마이크로 믹서의 유로를 직접 형성하는 유로형성단계;
를 포함하는 구성일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 마이크로 믹서 제작방법은,
폴리머 물질(Polymer material)을 이용한 임프린팅(imprinting) 방법을 포함하는 구성일 수 있다.
본 발명은 상기 마이크로 믹서를 포함하는 것을 특징으로 하는 분석시스템을 제공할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 마이크로 믹서에 따르면, 유로 내부에 여러 쌍의 서로 마주보며 회전하는 와류 구조(counter-rotating vortex structure)를 생성시켜 줌으로써, 이종(異種) 유체의 혼합 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 마이크로 믹서에 따르면, 층류(laminar) 조건에서, 추가적인 와류 생성을 위한 구조물의 삽입 없이 이류(移流) 움직임(advective motion)을 유발시킴으로써 이종(異種) 유체간의 혼합 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 마이크로 믹서에 따르면, 유로 내부에 돌출 또는 함몰 형성된 요철물이나 추가적인 부재가 필요하지 않은 구조이므로, 간단한 제작 공정으로 제작될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 마이크로 믹서를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 마이크로 믹서를 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 마이크로 믹서의 평면도이다.
도 4는 꺾어진 형상의 유로 내부에서 발생하는 테일러-괴틀러 와류(Taylor-Gortler Vortex)를 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 도 3의 A - A' 절단면도이다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 마이크로 믹서를 나타내는 사시도이다.
도 7은 도 6에 도시된 마이크로 믹서의 평면도이다.
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 마이크로 믹서를 나타내는 사시도이다.
도 9는 도 6에 도시된 마이크로 믹서의 평면도이다.
도 10은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 마이크로 믹서를 나타내는 사시도이다.
도 11은 도 10에 도시된 마이크로 믹서의 평면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 믹서에 대한 이종(異種) 유체 혼합 성능을 실험한 결과값 중 혼합 유로 내부에서 발생된 테일러-괴틀러 와류(Taylor-Gortler Vortex)를 나타내는 그림이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 믹서에 대한 이종(異種) 유체 혼합 성능을 실험한 결과값 중 혼합 정도를 나타내는 그림이다.
도 14는 본 발명의 여러 실시예에 따른 마이크로 믹서에 대한 이종(異種) 유체 혼합 성능을 실험한 결과값을 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 믹서의 제작방법을 나타내는 흐름도이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 믹서의 제작방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하지만 본 발명의 범주가 그것에 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성에 대해서는 그 상세한 설명을 생략하며, 또한 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 소지가 있는 구성에 대해서도 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2에는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 마이크로 믹서를 나타내는 사시도가 도시되어 있고, 도 3에는 도 2에 도시된 마이크로 믹서의 평면도가 도시되어 있다. 또한, 도 4에는 꺾어진 형상의 유로 내부에서 발생하는 테일러-괴틀러 와류(Taylor-Gortler Vortex)를 설명하기 위한 모식도가 도시되어 있고, 도 5에는 도 3의 A - A' 절단면도가 도시되어있다.
이들 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 마이크로 믹서(500A)는, 이종(異種)유체를 공급받아 상기 이종유체를 혼합하는 미세 유로를 구비하는 마이크로 믹서로서, 공급유로(100), 혼합유로(300) 및 배출유로(400)를 포함하는 구성일 수 있다.
구체적으로, 공급유로(100)는 일단부에 제 1 유체가 유입되는 제 1 공급유로(110) 및 타단부에 제 2 유체가 유입되는 제 2 공급유로(120)를 구비하는 일직선 형태일 수 있다. 이때, 제 1 공급유로(110)로 제 1 유체를 공급하는 압력은, 제 2 공급유로(120)로 제 2 유체를 공급하는 압력과 동일한 것이 바람직하다.
배출유로(400)는, 혼합유로(300)의 타단부에 형성되고, 제 1 유체와 제 2 유체의 혼합 유체가 배출되는 구조일 수 있다.
경우에 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 공급유로(100)와 혼합유로(300) 사이에는, 공급유로(100)의 중앙부에 수직으로 연통되는 일단부, 및 상기 혼합유로(300)와 연통되는 타단부를 구비하는 일직선 형태의 유입유로(200)가 형성될 수 있다.
혼합유로(300)는, 공급유로(100)의 중앙부와 연통되고, 소정의 거리만큼 이격되어 배치되어 소정의 각도로 꺽인 다수의 유로 절곡부(310)를 구비하는 구조일 수 있다.
이때, 제 1 유체와 제 2 유체는, 도 5에 도시된 바와 같이, 유로 절곡부(310)를 지나면서 테일러-괴틀러 와류(Taylor-Gortler Vortex)를 형성할 수 있다.
테일러-괴틀러 와류(Taylor-Gortler Vortex)란, 도 4에 도시된 바와 같이, 꺾어진 형상의 유로(4) 내부에서 유동 불안정에 기인하여 발생하는 와류를 의미하는 것으로서, 둘 이상의 유체의 흐름이 서로 마주보며 회전하는 와류 구조(counter-rotating vortex structure)를 형성한다. 이러한 와류 구조에 의해 둘 이상의 유체의 흐름은 서로 혼합될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 유로 내부에서는, 테일러-괴틀러 와류(Taylor-Gortler Vortex)에 의해 제 1 유체(10)와 제 2 유체(20)가 서로 마주보며 회전하는 와류 구조(counter-rotating vortex structure)가 형성될 수 있다. 이러한 와류 구조에 의해 제 1 유체(10)와 제 2 유체(20)의 혼합 효율이 향상될 수 있다.
유로 내부에 테일러-괴틀러 와류(Taylor-Gortler Vortex)를 형성하기 위해서는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 혼합유로(300)의 폭, 길이, 높이 및 각 혼합유로(300) 들이 이루는 각도는 특정 범위 이내로 한정되어야 한다.
예를 들어, 유로 절곡부(310)에 의해 절곡된 각 혼합유로(300)가 이루는 사이각(a1)은, 20 도 내지 120 도 일 수 있다.
또한, 혼합유로(300)의 평면상 폭(W1) 대비 혼합유로(300)의 측면상 수직 높이(H1)의 비율(Duct aspect ratio, H1/W1)은, 1.0 내지 10.0 일 수 있다.
또한, 혼합유로(300)의 평면상 폭(W1) 대비 혼합유로(300)의 각 유로 절곡부(310) 사이의 평면상 길이(L1) 비율(L1/W1)은, 1.0 내지 10.0 일 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 본 발명의 마이크로 믹서에 따르면, 유로 내부에 여러 쌍의 서로 마주보며 회전하는 와류 구조(counter-rotating vortex structure)를 생성시켜 줌으로써, 이종(異種) 유체의 혼합 효율을 향상시킬 수 있다.
도 6에는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 마이크로 믹서를 나타내는 사시도가 도시되어 있고, 도 7에는 도 6에 도시된 마이크로 믹서의 평면도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 마이크로 믹서(500B)는, 상기 언급한 제 1 실시예에 따른 마이크로 믹서(500A)와는 달리 유입유로(200)가 생략된 구조이다.
구체적으로, 본 실시예에 따른 마이크로 믹서(500B)는, 공급유로(100)로 공급된 제 1 유체와 제 2 유체가 바로 혼합유로(300) 내부로 진입하는 구조일 수 있다.
다른 구성에 대한 구체적인 설명은 상기 제 1 실시예에 따른 마이크로 믹서(500A)의 설명과 동일하므로 생략하기로 한다.
도 8에는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 마이크로 믹서를 나타내는 사시도가 도시되어 있고, 도 9에는 도 8에 도시된 마이크로 믹서의 평면도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 마이크로 믹서(500C)는, 이종(異種)유체를 공급받아 상기 이종유체를 혼합하는 미세 유로를 구비하는 마이크로 믹서로서, 제 1 공급유로(110), 제 2 공급유로(120), 혼합유로(300) 및 배출유로(400)를 포함하는 구성일 수 있다.
구체적으로, 제 1 공급유로(110)는 제 1 유체를 공급하고, 제 2 공급유로(120)의 형성방향과 대향하는 방향으로 형성되고, 혼합유로(300)의 일단부와 연통되는 구조이고, 제 2 공급유로(120)는 제 2 유체를 공급하고, 상기 제 1 공급유로(110)의 형성방향과 대향하는 방향으로 형성되고, 혼합유로(300)의 일단부와 연통되는 구조일 수 있다. 이때, 도 8에 도시된 바와 같이, 제 1 공급유로(110)와 제 2 공급유로(120)는 90 도 내지 180 도의 각도(a0)를 형성하는 구조일 수 있다. 또한, 제 1 공급유로(110)로 제 1 유체를 공급하는 압력은, 제 2 공급유로(120)로 제 2 유체를 공급하는 압력과 동일함이 바람직하다.
배출유로(400)는 혼합유로(300)의 타단부에 형성되고, 제 1 유체와 제 2 유체의 혼합 유체가 배출되는 구조일 수 있다.
경우에 따라서, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 제 1 공급유로(110) 및 제 2 공급유로(120)와 연통되는 일단부, 및 상기 혼합유로와 연통되는 타단부를 구비하는 일직선 형태의 유입유로(200)가 형성될 수 있다.
혼합유로(300)는, 제 1 공급유로(110) 및 제 2 공급유로(120)와 일단부에서 연통되고, 소정의 거리만큼 이격되어 배치되고 소정의 각도로 꺽인 다수의 유로 절곡부(310)를 구비하는 구조일 수 있다.
이때, 제 1 유체와 제 2 유체는, 유로 절곡부(310)를 지나면서 테일러-괴틀러 와류(Taylor-Gortler Vortex)를 형성할 수 있다(도 4 참조). 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 유로 내부에서는, 테일러-괴틀러 와류(Taylor-Gortler Vortex)에 의해 제 1 유체(10)와 제 2 유체(20)가 서로 마주보며 회전하는 와류 구조(counter-rotating vortex structure)가 형성될 수 있다. 이러한 와류 구조에 의해 제 1 유체(10)와 제 2 유체(20)의 혼합 효율이 향상될 수 있다.
유로 내부에 테일러-괴틀러 와류(Taylor-Gortler Vortex)를 형성하기 위해서는, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 혼합유로(300)의 폭, 길이, 높이 및 각 혼합유로(300) 들이 이루는 각도는 특정 범위 이내로 한정되어야 한다.
예를 들어, 유로 절곡부(310)에 의해 절곡된 각 혼합유로(300)가 이루는 사이각(a3)은, 20 도 내지 120 도 일 수 있다.
또한, 혼합유로(300)의 평면상 폭(W3) 대비 혼합유로(300)의 측면상 수직 높이(H3)의 비율(Duct aspect ratio, H3/W3)은, 1.0 내지 10.0 일 수 있다.
또한, 혼합유로(300)의 평면상 폭(W3) 대비 혼합유로(300)의 각 유로 절곡부(310) 사이의 평면상 길이(L3) 비율(L3/W3)은, 1.0 내지 10.0 일 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 본 발명의 마이크로 믹서에 따르면, 유로 내부에 여러 쌍의 서로 마주보며 회전하는 와류 구조(counter-rotating vortex structure)를 생성시켜 줌으로써, 이종(異種) 유체의 혼합 효율을 향상시킬 수 있다.
도 10에는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 마이크로 믹서를 나타내는 사시도가 도시되어 있고, 도 11에는 도 10에 도시된 마이크로 믹서의 평면도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 마이크로 믹서(500D)는, 상기 언급한 제 3 실시예에 따른 마이크로 믹서(500C)와는 달리 유입유로(200)가 생략된 구조이다.
구체적으로, 본 실시예에 따른 마이크로 믹서(500D)는, 공급유로(100)로 공급된 제 1 유체와 제 2 유체가 바로 혼합유로(300) 내부로 진입하는 구조일 수 있다.
다른 구성에 대한 구체적인 설명은 상기 제 3 실시예에 따른 마이크로 믹서(500C)의 설명과 동일하므로 생략하기로 한다.
도 12에는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 믹서에 대한 이종(異種) 유체 혼합 성능을 실험한 결과값 중 혼합 유로 내부에서 발생된 테일러-괴틀러 와류(Taylor-Gortler Vortex)를 나타내는 그림이 도시되어 있고, 도 13에는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 믹서에 대한 이종(異種) 유체 혼합 성능을 실험한 결과값 중 혼합 정도를 나타내는 그림이다.
우선 도 12를 참조하면, 총 30개(15개 쌍)의 유로 절곡부로 구성된 마이크로 믹서에 이종유체를 공급할 때, 마이크로 믹서의 혼합유로 내부에서 발생되는 테일러-괴틀러 와류(Taylor-Gortler Vortex)를 확인할 수 있다.
도 12에 도시된 색상은 마이크로 믹서의 유로 내부에서 생성되는 와류 패턴을 헬리시티(helicity) 값으로 산출하여 도시한 것이다.
또한, #1 내지 #15의 표기는 각 유로 절곡부를 나타내는 번호로서, 공급유로에서부터 배출유로까지 순차적으로 표기한 것이다.
도 12에 도시된 바와 같이, #1 단면에서 #15 단면으로 갈수록 여러 쌍의 서로 마주보며 회전하는 와류 구조(counter-rotating vortex structure)가 명확히 생성되는 것을 확인할 수 있다.
구체적으로, #1 단면에서 #2 단면까지는 1 내지 2 개의 서로 마주보며 회전하는 와류 구조(counter-rotating vortex structure)가 생성되고, #3번째 단면부터는 3개의 서로 마주보며 회전하는 와류 구조(counter-rotating vortex structure)가 생성됨을 확인할 수 있다.
다음으로 도 13을 참조하면, 총 30개(15개 쌍)의 유로 절곡부로 구성된 마이크로 믹서에 이종유체를 공급할 때, 마이크로 믹서의 혼합유로 내부에서 발생되는 이종유체의 혼합정도를 확인할 수 있다.
도 13에 도시된 색상은 마이크로 믹서의 유로 내부에서 발생되는 이종유체의 혼합정도를 헬리시티(helicity) 값으로 산출하여 도시한 것이다. 즉, 도 13에 표기된 헬리시티(helicity) 값은, Mass fraction이 1인 제 1 유체와 Mass fraction이 0인 두 유체가 공급유로로 주입된 후, 혼합유로를 지나면서 섞임 정도를 나타낸 값이다.
도 13에 도시된 바와 같이, #1 단면에서 #15 단면으로 갈수록 이종유체의 섞임 현상이 뚜렷해지는 것을 확인할 수 있다.
도 14에는 본 발명의 여러 실시예에 따른 마이크로 믹서에 대한 이종(異種) 유체 혼합 성능을 실험한 결과값을 나타내는 그래프가 도시되어 있다.
도 14를 도 2와 함께 참조하면, 유로 절곡부(310)에 의해 절곡된 각 혼합유로(300)가 이루는 사이각(a1)을 30도, 45도, 60도, 90도, 120도로 설정한 다섯 가지의 마이크로 믹서에 이종유체를 주입하여 혼합유로의 길이에 따른 이종유체의 혼합정도를 확인할 수 있다.
실험에 사용된 각 마이크로 믹서의 혼합유로의 높이(H1), 길이(L1), 폭(W1)은 특정한 값으로 한정하였다. 여기에서는, 혼합유로(300)의 평면상 폭(W1) 대비 혼합유로(300)의 측면상 수직 높이(H1)의 비율(Duct aspect ratio, H1/W1)을 5.0으로 한정하였다. 또한, 혼합유로(300)의 평면상 폭(W1) 대비 혼합유로(300)의 각 유로 절곡부(310) 사이의 평면상 길이(L1) 비율(L1/W1)을 4.0으로 한정하였다.
도 14에 도시된 그래프의 X축은 혼합유로의 길이를 나타내고, 그래프의 Y축은 혼합율을 나타낸다. 구체적으로, Y축의 0 % 라 함은 이종유체가 전혀 섞이지 않은 상태를 의미하고, Y축의 100 % 라 함은 이종유체가 완전히 섞인 상태를 의미하는 것이다.
도 14에 도시된 그래프에서 보는 바와 같이, 유로 절곡부(310)에 의해 절곡된 각 혼합유로(300)가 이루는 사이각(a1)이 120도 인 경우에는 테일러-괴틀러 와류(Taylor-Gortler Vortex)가 생성되지 않아 혼합 효율이 매우 저하된 것을 확인할 수 있다.
또한, 유로 절곡부(310)에 의해 절곡된 각 혼합유로(300)가 이루는 사이각(a1)이 45도 인 경우에는, 95 % 이상의 혼합율을 얻기 위해서는 혼합유로의 길이가 600 ㎛ 정도만 되어도 충분하다는 것을 확인할 수 있다.
도 15에는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 믹서의 제작방법을 나타내는 흐름도가 도시되어 있다.
도 15를 참조하면, 본 실시예에 따른 마이크로 믹서의 제작방법(S100)은, 공급유로, 혼합유로 및 배출유로의 형상을 갖는 금형인서트를 준비하는 금형준비단계(S110), 상기 금형인서트에 폴리머를 몰딩하는 몰딩단계(S120), 및 상기 몰딩단계에서 몰딩한 폴리머를 취출하는 취출단계(S130)를 포함하는 구성일 수 있다.
도 16에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 믹서의 제작방법을 나타내는 흐름도가 도시되어 있다.
도 16을 참조하면, 본 실시예에 따른 마이크로 믹서의 제작방법(S200)은, 마이크로 믹서를 이루는 소재로 구성되고, 마이크로 믹서의 측면 높이와 대응되는 두께를 가지는 기판을 준비하는 기판준비단계(S210), 및 기판의 표면을 바로 식각하여, 마이크로 믹서의 유로를 직접 형성하는 유로형성단계(S220)를 포함하는 구성일 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 본 발명의 마이크로 믹서에 따르면, 유로 내부에 여러 쌍의 서로 마주보며 회전하는 와류 구조(counter-rotating vortex structure)를 생성시켜 줌으로써, 이종(異種) 유체의 혼합 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 마이크로 믹서에 따르면, 층류(laminar) 조건에서, 추가적인 와류 생성을 위한 구조물의 삽입 없이 이류(移流) 움직임(advective motion)을 유발시킴으로써 이종(異種) 유체간의 혼합 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 마이크로 믹서에 따르면, 유로 내부에 돌출 또는 함몰 형성된 요철물이나 추가적인 부재가 필요하지 않은 구조이므로, 간단한 제작 공정으로 제작될 수 있다.
이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10: 제 1 유체 20: 제 2 유체
100: 공급유로 110: 제 1 공급유로
120: 제 2 공급유로 200: 유입유로
300: 혼합유로 310: 유로 절곡부
400: 배출유로
500A, 500B, 500C, 500D: 마이크로 믹서

Claims (17)

  1. 이종(異種)유체를 공급받아 상기 이종유체를 혼합하는 미세 유로를 구비하는 마이크로 믹서(500A, 500B)로서,
    일단부에 제 1 유체가 유입되는 제 1 공급유로(110) 및 타단부에 제 2 유체가 유입되는 제 2 공급유로(120)를 구비하는 일직선 형태의 공급유로(100);
    상기 공급유로(100)의 중앙부와 연통되고, 소정의 거리만큼 이격되어 배치되어 소정의 각도로 꺽인 다수의 유로 절곡부(310)를 구비하는 혼합유로(300); 및
    상기 혼합유로(300)의 타단부에 형성되고, 제 1 유체와 제 2 유체의 혼합 유체가 배출되는 배출유로(400);
    를 포함하되,
    상기 제 1 유체와 제 2 유체는 유로 절곡부(310)를 지나면서 테일러-괴틀러 와류(Taylor-Gortler Vortex)를 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 믹서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 공급유로(110)로 제 1 유체를 공급하는 압력은, 제 2 공급유로(120)로 제 2 유체를 공급하는 압력과 동일한 것을 특징으로 하는 마이크로 믹서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공급유로(100)와 혼합유로(300) 사이에는,
    상기 공급유로(100)의 중앙부에 수직으로 연통되는 일단부, 및 상기 혼합유로(300)와 연통되는 타단부를 구비하는 일직선 형태의 유입유로(200)가 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로 믹서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유로 절곡부(310)에 의해 절곡된 각 혼합유로(300)가 이루는 사이각(a1, a2)은, 20 도 내지 120 도 인 것을 특징으로 하는 마이크로 믹서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합유로(300)의 평면상 폭(W1, W2) 대비 혼합유로(300)의 측면상 수직 높이(H1, H2)의 비율(Duct aspect ratio, H1/W1, H2/W2)은, 1.0 내지 10.0 인 것을 특징으로 하는 마이크로 믹서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합유로(300)의 평면상 폭(W1, W2) 대비 혼합유로(300)의 각 유로 절곡부(310) 사이의 평면상 길이(L1) 비율(L1/W1, L2/W2)은, 1.0 내지 10.0 인 것을 특징으로 하는 마이크로 믹서.
  7. 이종(異種)유체를 공급받아 상기 이종유체를 혼합하는 미세 유로를 구비하는 마이크로 믹서(500C, 500D)로서,
    제 1 유체를 공급하고, 제 2 공급유로(120)의 형성방향과 대향하는 방향으로 형성되고, 혼합유로(300)의 일단부와 연통되는 제 1 공급유로(110);
    제 2 유체를 공급하고, 상기 제 1 공급유로(110)의 형성방향과 대향하는 방향으로 형성되고, 혼합유로(300)의 일단부와 연통되는 제 2 공급유로(120);
    상기 제 1 공급유로(110) 및 제 2 공급유로(120)와 일단부에서 연통되고, 소정의 거리만큼 이격되어 배치되고 소정의 각도로 꺽인 다수의 유로 절곡부(310)를 구비하는 혼합유로(300); 및
    상기 혼합유로(300)의 타단부에 형성되고, 제 1 유체와 제 2 유체의 혼합 유체가 배출되는 배출유로(400);
    를 포함하되,
    상기 제 1 유체와 제 2 유체는 유로 절곡부(310)를 지나면서 혼합유로(300) 내부에서 테일러-괴틀러 와류(Taylor-Gortler Vortex)를 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 믹서.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 공급유로(110)와 제 2 공급유로(120)는 90 도 내지 180 도의 각도(a0)를 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 믹서.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 공급유로(110)로 제 1 유체를 공급하는 압력은, 제 2 공급유로(120)로 제 2 유체를 공급하는 압력과 동일한 것을 특징으로 하는 마이크로 믹서.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 공급유로(100)와 혼합유로(300) 사이에는,
    상기 제 1 공급유로(110) 및 제 2 공급유로(120)와 연통되는 일단부, 및 상기 혼합유로와 연통되는 타단부를 구비하는 일직선 형태의 유입유로(200)가 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로 믹서.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 유로 절곡부(310)에 의해 절곡된 각 혼합유로(300)가 이루는 사이각(a3, a4)은, 20 도 내지 120 도 인 것을 특징으로 하는 마이크로 믹서.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 혼합유로(300)의 평면상 폭(W3, W4) 대비 혼합유로(300)의 측면상 수직 높이(H3, H4)의 비율(Duct aspect ratio, H3/W3, H4/W4)은, 1.0 내지 10.0 인 것을 특징으로 하는 마이크로 믹서.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 혼합유로(300)의 평면상 폭(W3, W4) 대비 혼합유로(300)의 각 유로 절곡부(310) 사이의 평면상 길이(L3, L4) 비율(L3/W3, L4/W4)은, 1.0 내지 10.0 인 것을 특징으로 하는 마이크로 믹서.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 마이크로 믹서를 제작하는 방법(S100)으로서,
    a) 공급유로, 혼합유로 및 배출유로의 형상을 갖는 금형인서트를 준비하는 금형준비단계;
    b) 상기 금형인서트에 폴리머를 몰딩하는 몰딩단계;
    c) 상기 몰딩단계에서 몰딩한 폴리머를 취출하는 취출단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 믹서 제작방법.
  15. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 마이크로 믹서를 제작하는 방법(S200)으로서,
    a) 마이크로 믹서를 이루는 소재로 구성되고, 마이크로 믹서의 측면 높이와 대응되는 두께를 가지는 기판을 준비하는 기판준비단계; 및
    b) 기판의 표면을 바로 식각하여, 마이크로 믹서의 유로를 직접 형성하는 유로형성단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 믹서 제작방법.
  16. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 마이크로 믹서를 제작하는 방법(S300)으로서,
    폴리머 물질(Polymer material)을 이용한 임프린팅(imprinting) 방법을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 믹서 제작방법.
  17. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 마이크로 믹서를 포함하는 것을 특징으로 하는 분석시스템.
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