KR20190043725A

KR20190043725A - 3차원 유로구조 미세 유체 혼합기

Info

Publication number: KR20190043725A
Application number: KR1020170135645A
Authority: KR
Inventors: 김광용; 라자와심
Original assignee: 인하대학교 산학협력단
Priority date: 2017-10-19
Filing date: 2017-10-19
Publication date: 2019-04-29
Also published as: KR102014601B1

Abstract

본 발명은 미세 유체 혼합기 및 랩온어칩에 관한 것으로, 상세하게는 상하 방향으로 연장된 형태를 갖고 서로 마주보며 이격되어 배치되는 한 쌍의 직육면체 유로; 상기 한 쌍의 직육면체 유로를 이의 상부 전면부 및 이의 하부 후면부에서 각각 연결하는 수평유로;를 포함하는 O자형 유로가 반복되어 포함되고, 상기 반복되는 O자형 유로 사이에 위치하고, O자형 유로에 포함되는 일 직육면체 유로의 상부 전면부에서 타 직육면체 유로의 하부 전면부로 사선으로 연결되는 제1 사선유로; 및 상기 반복되는 O자형 유로 사이에 위치하고, O자형 유로에 포함되는 일 직육면체 유로의 하부 후면부에서 타 직육면체 유로의 상부 후면부로 사선으로 연결되는 제2 사선유로;를 포함하는 X자형 유로가 반복되어 포함되고, 상기 제1 사선유로와 제2사선유로는 서로 만나는 부분에서 연통되는 것을 특징으로 하는 미세 유체 혼합기 및 상기 미세 유체 혼합기를 포함하는 랩온어칩(Lab on a chip)에 관한 것이다.

Description

3차원 유로구조 미세 유체 혼합기 {Three-dimensional flow structure microfluidic mixer}

본 발명은 3차원 유로구조 미세 유체 혼합기에 관한 것이다.

최근 생화학과 생명공학 분야에서 미세유체기계 시스템(microfluidic systems)이 널리 이용되기 시작하였다. 여기에 관련된 응용 과정들로는 샘플의 준비, 청결화, 혼합, 화학반응, 분리 등이 있다. 이러한 일련의 과정들을 하나의 집적 마이크로 시스템 상에서 이루어질 수 있도록 한 것이 랩온어칩(Lab-on-a-chip, 이하 LOC)이다. 이것의 장점으로는 대량 생산이 가능하며 적은 양의 시료를 사용할 수 있다는 점이다. 따라서 향후 더 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 전망된다.

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 집적화 시킨 작은 화학/생물 마이크로 프로세서이다. 즉, 수 cm²정도 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.

마이크로 분석 시스템에서 시약이나 샘플을 효과적으로 혼합시키기 위한 혼합기구(mixer)가 필수적이다. 전통적인 매크로 영역에서는 난류생성을 통해 효과적으로 혼합을 할 수 있다. 즉, 유체 내에서 프로펠러를 돌리거나, 자기 구슬(magnetic bead) 등의 움직이는 파트를 유체 내에 도입할 경우 레이놀드(Reynolds) 수가 충분히 큼으로 난류(turbulent flow)를 유발하는 것이 가능하여, 유체의 혼합을 얻을 수 있었다. 그러나 마이크로 크기의 유체기구에서는 매우 작은 특성길이와 유동속도로 인해 난류를 생성시키는 것이 불가능하게 된다. 나아가 혼합은 대부분 확산에 의해 일어나므로 매우 느리게 진행된다. 따라서 효과적인 혼합을 위해서는 복잡한 형상을 적용하거나 아주 긴 마이크로 채널을 이용하여야 한다. 이는 큰 압력강하를 수반하게 될 가능성이 있으며, 설계와 제조 공정상의 어려움을 유발할 수 있다. 이를 극복하기 위해서 단순한 형상을 가지며, 혼합되는 경로를 줄이면서 면적은 넓게 하는 것이 효과적인 믹서설계의 전제조건이 된다.

미세 혼합기는 능동형 방식(active type)과 수동형 방식(passive type)으로 나누어진다. 능동형 방식(active type)은 초음파, 자기장 등과 같이 외부의 동력원을 이용하여 혼합을 유도한다. 단점으로 제작 시 어려움이 있고, 비용이 많이 든다. 이와 반대로 수동형 방식(passive type)은 채널 내부의 형상을 변형 또는 유동의 흐름을 변화시켜서 혼합을 유도하는 방식이다. 이는 제작이 용이하고, 혼합을 하기 위한 별도의 장치 또는 공정이 필요하지 않으며, 낮은 비용이 드는 장점이 있다.

미세 혼합기는 크기가 매우 작아, 내부의 유동이 층류로 흐르게 된다. 층류(laminar flow)의 경우 난류와 달리, 유체의 혼합을 분자확산에 의존하기 때문에 서로 다른 유체의 혼합성능을 떨어뜨리는 요인이 된다. 유체의 혼합에는 확산, 스트레칭, 폴딩과 붕괴의 과정이 수반된다. 확산은 유체간의 농도 구배에 의해 발생한다. 스트레칭과 폴딩은 대류에 의해 발생하는데 유체의 대류는 유로 표면형상의 변화에 의해 큰 영향을 받을 수 있으며, 서로 다른 유체가 만나는 면적을 증가시킴으로써 증가시킬 수 있다.

나아가, 수동형 혼합기의 성능은 거의 채널의 기하학적 구조에 의존한다. 따라서, 미세 채널 내에서 유동 현상의 명확한 인식이 미세 혼합기 개발하기에 앞서 요구된다. 이에, 3차원 네비어-스톡스 방정식 기반의 전산 유체역학(CFD;Computational Fluid Dynamics)은 효과적인 미세 혼합기 개발에 제안될 수 있는 기술이다. 따라서, 마이크로 단위에서 효율적인 혼합을 얻기 위해 다수의 장치들이 제안된다. 2차원 유동에서 주기적인 교란에 의해 발생되는 카오스 흐름 메커니즘은 상당하게 층류에서 혼합 효율을 증진할 수 있다.

이와 같이 수동형 방식의 미세 혼합기에서 각각의 카오스 이류를 형성하는 혼합기와 채널 내부의 유동의 흐름을 변형하여 분할과 재결합을 반복하여 혼합을 유도하는 방식인 SAR(split and recombination) 혼합기에 대한 연구가 많이 진행되고 있다(대한민국 공개특허공보 제10-2006-0094659 호, 대한민국 공개특허공보 제10-2004-0088335호). 하지만 이 경우, 상대적으로 높은 레이놀즈 수(Re)가 카오스 이류를 형성하기 위해 필요한 문제점이 있다. 또한, 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.

대한민국 공개특허공보 제10-2004-0088335호 대한민국 공개특허공보 제10-2006-0094659호

본 발명의 목적은 낮은 레이놀즈 수에서 카오스 이류를 형성하기 위해 채널 내부의 유동의 흐름을 변형하여 분할과 재결합을 반복하여 혼합을 유도하는 방식으로, 짧은 혼합 길이로도 혼합 효율이 향상된 미세 유체 혼합기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 실시 예를 따르는 미세 유체 혼합기는 상하 방향으로 연장된 형태를 갖고 서로 마주보며 이격되어 배치되는 한 쌍의 직육면체 유로; 상기 한 쌍의 직육면체 유로를 이의 상부 전면부 및 이의 하부 후면부에서 각각 연결하는 수평유로;를 포함하는 O자형 유로가 반복되어 포함되고, 상기 반복되는 O자형 유로 사이에 위치하고, O자형 유로에 포함되는 일 직육면체 유로의 상부 전면부에서 타 직육면체 유로의 하부 전면부로 사선으로 연결되는 제1 사선유로; 및 상기 반복되는 O자형 유로 사이에 위치하고, O자형 유로에 포함되는 일 직육면체 유로의 하부 후면부에서 타 직육면체 유로의 상부 후면부로 사선으로 연결되는 제2 사선유로;를 포함하는 X자형 유로가 반복되어 포함되고, 상기 제1 사선유로와 제2사선유로는 서로 만나는 부분에서 연통되는 것을 특징으로 하는 미세 유체 혼합기를 포함한다.

또한, 본 발명의 실시 예를 따르는 랩온어칩(Lab on a chip)은 상하 방향으로 연장된 형태를 갖고 서로 마주보며 이격되어 배치되는 한 쌍의 직육면체 유로; 상기 한 쌍의 직육면체 유로를 이의 상부 전면부 및 이의 하부 후면부에서 각각 연결하는 수평유로;를 포함하는 O자형 유로가 반복되어 포함되고, 상기 반복되는 O자형 유로 사이에 위치하고, O자형 유로에 포함되는 일 직육면체 유로의 상부 전면부에서 타 직육면체 유로의 하부 전면부로 사선으로 연결되는 제1 사선유로; 및 상기 반복되는 O자형 유로 사이에 위치하고, O자형 유로에 포함되는 일 직육면체 유로의 하부 후면부에서 타 직육면체 유로의 상부 후면부로 사선으로 연결되는 제2 사선유로;를 포함하는 X자형 유로가 반복되어 포함되고, 상기 제1 사선유로와 제2사선유로는 서로 만나는 부분에서 연통되는 것을 특징으로 하는 미세 유체 혼합기를 포함한다.

본 발명의 일 실시 예를 따르는 미세 유체 혼합기는 두 유체가 O자형 유로 및 X자형 유로가 반복되어 포함되고, 제1 사선유로와 제2사선유로는 서로 만나는 부분에서 연통되어, 이를 통과함으로써 낮은 레이놀즈 수에서도 짧은 혼합 길이로 유체의 효과적인 혼합 효율을 나타낼 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세 유체 혼합기의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세 유체 혼합기의 또 다른 개략도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 비교 예 1의 레이놀즈 수 1일때 유동 구조를 나타낸 그림이다.
도 3b는 본 발명에 따른 실시 예 1의 레이놀즈 수 1일때 유동 구조를 나타낸 그림이다.
도 3c는 본 발명에 따른 비교 예 1의 레이놀즈 수 30일때 유동 구조를 나타낸 그림이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세 유체 혼합기에서 두 유체의 흐름을 나타낸 그림이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 레이놀즈 수에 따른 유로 단면의 혼합도를 나타낸 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 미세 유체 혼합기의 길이 및 레이놀즈 수에 따른 혼합도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 실시 예 1, 비교 예 1 에 따른 레이놀즈 수에 따른 배출부의 혼합도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세 유체 혼합기의 O자 형상의 평면 상의 속도 벡터 분포를 도시한 그림이다.
도 9a는 본 발명에 따른 실시예 1의 미세 유체 혼합기의 단면 AA에서 W/Pi 비율에 대해 염료 농도 분포를 나타낸 그림이다.
도 9b는 본 발명에 따른 실시예 1의 미세 유체 혼합기의 단면 AA에서 d/Pi 비율에 대해 염료 농도 분포를 나타낸 그림이다.
도 9c는 본 발명에 따른 실시예 1의 미세 유체 혼합기의 단면 AA에서 w₂/Pi 비율에 대해 염료 농도 분포를 나타낸 그림이다.
도 9d는 본 발명에 따른 실시예 1의 미세 유체 혼합기의 단면 BB에서 h₁/H 비율에 대해 염료 농도 분포를 나타낸 그림이다.
도 9e는 본 발명에 따른 실시예 1의 미세 유체 혼합기의 단면 CC에서 h₂/H 비율에 대해 염료 농도 분포를 나타낸 그림이다.
도 9f는 본 발명에 따른 미세 유체 혼합기에서 염료 농도 분포를 확인하는 단면의 위치를 표시하는 개략도이다.
도 10a 및 도 10b는 비교 예 1에 따르는 미세 유체 혼합기의 일례를 나타낸 개략도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.　 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다. 덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

본 발명은, 3차원의 O자 및 X자 형상이 반복된 형태를 갖는 2층의 교차 유로를 통해 낮은 레이놀즈 수에서도 짧은 혼합 길이로 유체의 효과적인 혼합 효율을 나타낼 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 상하 방향으로 연장된 형태를 갖고 서로 마주보며 이격되어 배치되는 한 쌍의 직육면체 유로; 상기 한 쌍의 직육면체 유로를 이의 상부 전면부 및 이의 하부 후면부에서 각각 연결하는 수평유로;를 포함하는 O자형 유로가 반복되어 포함되고, 상기 반복되는 O자형 유로 사이에 위치하고, O자형 유로에 포함되는 일 직육면체 유로의 상부 전면부에서 타 직육면체 유로의 하부 전면부로 사선으로 연결되는 제1 사선유로; 및 상기 반복되는 O자형 유로 사이에 위치하고, O자형 유로에 포함되는 일 직육면체 유로의 하부 후면부에서 타 직육면체 유로의 상부 후면부로 사선으로 연결되는 제2 사선유로;를 포함하는 X자형 유로가 반복되어 포함되고, 상기 제1 사선유로와 제2사선유로는 서로 만나는 부분에서 연통되는 미세 유체 혼합기를 제공한다.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시 예를 따르는 미세 유체 혼합기를 상세하게 설명한다.

본 발명의 일 실시 예를 따르는 미세 유체 혼합기에 있어서, 상하 방향으로 연장된 형태를 갖고 서로 마주보며 이격되어 배치되는 한 쌍의 직육면체 유로와, 상기 한 쌍의 직육면체 유로를 이의 상부 전면부 및 이의 하부 후면부에서 각각 연결하는 수평유로를 포함하여 O자형 유로가 반복하여 형성될 수 있다.

또한, 상기 반복되는O자형 유로 사이에 위치하고, O자형 유로에 포함되는 일 직육면체 유로의 상부 전면부에서 타 직육면체 유로의 하부 전면부로 사선으로 연결되는 제1 사선유로 및 상기 반복되는 O자형 유로 사이에 위치하고, O자형 유로에 포함되는 일 직육면체 유로의 하부 후면부에서 타 직육면체 유로의 상부 후면부로 사선으로 연결되는 제2 사선유로를 포함하여 X자형 유로가 반복하여 형성될 수 있다.

이때, 상기 반복되는 O자형 유로 중 첫번째 직육면체 유로의 상부에 수직하게 연결되고, 유체를 유입시키는 제1 유입구가 형성될 수 있다. 또한, 상기 직육면체 유로의 하부에 수직하게 연결되고, 유체를 유입시키는 제2 유입구가 형성될 수 있다. 또한, 반복되는 X자형 유로 중 끝단의 제1 사선유로 및 제2 사선유로에 유체를 배출하는 배출부가 형성될 수 있다.

상기 X자형 유로의 형태는 유체의 낮은 레이놀즈 수의 경우에도 교차점에서 늘리고 접을 때 혼란스러운 이류를 제공할 수 있다. 또한, 상기 O자형 유로의 형태에 의해 생성 된 3차원의 구불구불한 유체 경로는 높은 레이놀즈 수에서 추가적인 혼란을 일으킴으로써 혼합 성능을 향상시킬 수 있다. 더욱이, 상기O자 및 X자 형태가 조합된 배열은 상기 제1 사선유로와 제2사선유로는 서로 만나는 부분에서 연통되는 교차점을 빠져나와 상기 수평유로로 들어가는 유체의 회전을 초래하여 혼합 성능을 향상시킬 수 있다.

상기 제1 사선유로와 제2사선유로는 서로 만나는 부분에서는 서로 연통되어 두 유체가 만나게 되는데, 이 교차점에서는 안장 모양(saddle-shaped)의 유동 구조가 생성되며, 유체 사이의 계면층은 대각선을 따라 쌍곡선을 중심으로 뻗어있으며 얇은 라미네이션을 형성한다. 따라서 혼란스러운 이류를 형성하여 계면 표면적을 증가시킴으로써 유체의 혼합 성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시 예를 따르는 미세 유체 혼합기에 있어서, 상기 제1 사선유로와 제2사선유로는 서로 만나는 부분에서 연통됨으로써 미세 유체 혼합기를 형성할 수 있다.

구체적으로, 상기 제1 사선유로 일면과 제2 사선유로 타면이 접하여 연통하며 교차점을 형성하고, 제1 사선유로로 이동하는 유체 및 제2 사선유로로 이동하는 유체가 교차점에서 혼합될 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에 따르는 미세 유체 혼합기의 유체의 혼합 길이는 1400㎛ 내지 1600㎛일 수 있다.

종래의 미세 유체 혼합기는 대부분 높은 레이놀즈 수에서만 높은 혼합 성능을 달성하였다. 낮은 레이놀즈 수에서 효율적인 혼합을 위해서는 더 긴 혼합 길이가 필요하다. 본 발명에 따르면 교차 유로를 이용한 3차원의 구불구불한 형상과 분할과 재결합을 반복하여 혼합을 유도하는 방식인 SAR(split and recombination)혼합기 개념을 기반으로 0.1 내지120의 넓은 레이놀즈 수 범위에서 매우 짧은 혼합 길이로 높은 혼합 성능을 달성할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세 유체 혼합기에서 두 유체의 흐름을 나타낸 그림이고, 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세 유체 혼합기의 O자형 유로의 평면 상의 속도 벡터 분포를 도시한 그림이다.

도4 및 도8에 따르면, 두 유체가 만나는 교차점에서 유선형 흐름이 나타나며, 직육면체 유로의 모서리에서는 소용돌이형 와류가 형성되어 유선형 흐름과 소용돌이형 와류가 결합된 효과로 인하여 짧은 혼합 길이로도 높은 혼합효율을 나타낼 수 있다.

구체적으로, 상기 O자형 유로 및 X자형 유로가 반복되어 형성된 미세 유체 혼합기는 유체의 혼합과 분리가 교대로 발생하는 기하학적 구조를 나타낼 수 있어, 카오스 이류를 효과적으로 형성하고, 낮은 레이놀즈 수에서도 혼합 효율이 뛰어난 장점이 있다.

본 발명의 일 실시 예를 따르는 미세 유체 혼합기에 있어서, 상기 미세 유체 혼합기에 유입되는 유체의 레이놀즈 수(Re)는 0.1 내지 120일 수 있고, 0.2 내지 20일 수 있고, 0.2 내지 15일 수 있으며, 0.2 내지 10일 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다.

다만, 혼합하기 어려운 레이놀즈 수가 낮은(Re = 0.2 내지 10) 영역 대의 층류에서도 본 발명의 두 유체가 혼합 및 분리가 교대로 발생하는 기하학적 혼합기 구조로 인하여, 높은 혼합 효율을 달성할 수 있다.

한편, 상기 수평유로의 높이(h₁)는 25 ㎛ 내지 100㎛ 일 수 있고, 상기 제1 사선유로 및 제2 사선유로의 높이(h₂)는 25 ㎛ 내지 50㎛일 수 있다. 이 때 상기 직육면체 유로의 높이(H)는 100㎛일 수 있다. 상기 수평유로는 그 높이가 감소할 때 전체유로의 중앙에서 외곽방향으로 그 높이가 감소할 수 있고, 상기 제1 사선유로 및 제2 사선유로는 두 유로가 서로 만나는 부분에서 연결이 되어 있어야 하므로 그 높이가 감소할 때 전체유로의 외곽에서 중앙방향으로 그 높이가 감소할 수 있다.

또한, 상기 O자형 유로 및 X자형 유로가 5개가 반복되는 것이 바람직하며 이에 따라 매우 짧은 혼합 길이로 높은 혼합 성능을 달성할 수 있다.

본 발명은, 상기 미세 유체 혼합기를 포함하는 랩온어칩(Lab on a chip)을 제공한다. 랩온어칩(lab-on-a chip)은 분리, 혼합, 반응 및 해석 등을 하나의 칩에서 수행하는 장치로써, 상기 미세 유체 혼합기를 구비함으로써 높은 혼합 효율을 달성할 수 있다.

이하, 하기 실시예 및 실험예에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 발명의 범위가 실시예 및 실험예에 의해서 한정되는 것은 아니다.

<실시 예 1> 미세 유체 혼합기

도 1 및 도 2를 참조하면, 직육면체 유로 높이(H)는 100 μm로 일정하게 유지하였으며, O자형 유로의 수평유로(h₁)와 X 자형 유로의 제1 사선유로 및 제2 사선유로(h₂)의 높이는 50 μm로 유지되었다. OX-형상 단위의 길이 Pi (= 2b + d + p)와 총 개수 (n)는 각각 275 μm와 5에서 일정하게 유지되었다. 유입구 길이(L₀), OX- 형상 길이 (L = nPi) 및 배출부 길이(L_e)는 각각 100 ㎛, 1375 ㎛ 및 1500 ㎛로 고정되었다. 미세 유체 혼합기의 총 길이 (L_t)는 유입구 의 너비를 제외하고 2975 μm이다. 총 폭(W)은 200 μm로 하였다. 사선유로는 X- 형상의 교차점에서 상호 연결되었다.

<비교 예 1>

미세 유체 혼합기로, 도 10a 및 도 10b와 같이 O-H형상이 반복되는 형태로 구성된 미세 유체 혼합기를 구비하였다.

본 발명의 실험 예는 3차원 네비어-스토크 방정식이 유체의 요동 분석 및 혼합 거동을 분석하기 위해 전산 유체역학(CFD), 코드 ANSYS CFX 15.0을 이용하여 사용되었다. 삼차원 정상상태 층류에 대해 지배방정식인 질량보존 방정식과 운동량 방정식이 계산되고, 대류-확산 모델을 사용해 미세혼합기 내의 혼합과정을 계산하였다. 혼합의 정량적 분석은 미세 유체 혼합기 내에서 유체의 분산을 계산함으로써 수행되었다. 미세 유체 혼합기 내의 혼합 정도를 평가하기 위해 유동방향에 수직한 단면 내에서 질량비의 분산(σ)은 다음과 같이 정의된다.

[수학식 1]

(상기 수학식 1에 있어서, N은 단면 내 격자점의 수, c_i는 격자 i에서의 질량비, 그리고

은 최적 혼합질량비를 의미한다.)

M은 유동방향에 수직한 단면에서 유체의 혼합정도를 나타내며, 다음과 같이 정의된다.

[수학식 2]

(상기 수학식 2에 있어서, σ_max는 최대분산을 의미한다.)

나아가, 레이놀즈 수(Re)는 다음과 같이 정의된다.

[수학식 3]

(상기 수학식 3에 있어서, ρ는 유체의 평균 밀도, V는 유입구에서의 유체의 평균 속도, D는 유입구의 수력 직경, μ는 유체의 평균 절대 점성을 의미한다.)

격자계는 ANSYS ICEM 15.0을 사용한 육면체 격자의 비정렬격자로 구성하며, 혼합을 위한 두 가지 작동 유체로 순수(pure water)와 dye-water를 적용하였다. 순수의 밀도, 점성계수는 각각 25 의 온도에서 997 kg/m³, 8.8·10^-3 kg/m·s이고, dye-water는 997 kg/m³, 8.8·10^-3kg/m·s이며, 상기 두 유체(순수, dye-water)간 확산도는 1·10^-11m²/s이다.

<실험예 1> 유체의 레이놀즈 수 및 유입구로부터 거리에 따른 혼합도 분석

본 발명에 따른 미세 유체 혼합기의 레이놀즈 수와 유입구로부터 거리에 따른 혼합도를 확인하기 위하여, 실시 예 1을 통해 구비된 미세 유체 혼합기에 특정 레이놀즈 수를 갖는 순수와 dye-water를 각각 주입하고, 유입구로부터 거리(x/w, x는 유입구로부터 거리이고, w는 제1 사선유로, 제2 사선유로 및 배출부의 폭이다.), 즉, 5개의 교차점의 단면에 따른 혼합도를 전산 유체 역학(CFD), 코드 ANSYS CFX 15.0를 통해 측정하였으며, 그 결과를 도 5 및 도 6에 나타내었다.

도 5는 레이놀즈 수가 각각 0.1, 1, 20, 40일 때 도 1에서 제시된 미세 혼합기의 각 교차점을 지날 때 dye-water의 질량 분율 분포를 나타내었다. 도 5 및 도 6에서 알 수 있는 바와 같이 낮은 레이놀즈 수(1 이하)에서, 유체의 관성력은 무시될 수준이기 때문에(스톡스 흐름), 0.1의 레이놀즈 수와 1의 레이놀즈 수의 혼합도는 거의 차이가 없는 것을 확인할 수 있었다. 나아가, 낮은 레이놀즈 수(1 이하)에서도 그보다 큰 레이놀즈 수(1, 20, 40)에 못지 않게 유입구로부터 거리(x/w)에 따라 두 유체의 혼합이 이루어졌음을 확인할 수 있었다. 교차점에서의 경계면의 교란은 강화된 신축과 접힘 과정으로 인해 레이놀즈 수에 따라 증가함을 확인할 수 있다.

또한, 도 6에서 레이놀즈 수가 40보다 큰 경우 출구에서의 혼합 지수는 네 번째 교차점에서 0.99의 값에 도달하고, Re ≥ 40에서 미세 유체 혼합기의 총 길이의 38 %에서 혼합 지수는 최대 혼합 지수에 거의 도달함을 확인할 수 있다.

<실험예 2> 유체의 레이놀즈 수에 따른 배출부의 혼합도 분석

본 발명에 따른 미세 유체 혼합기의 레이놀즈 수에 따른 혼합도를 확인하기 위하여, 실시 예 1, 비교 예 1을 통해 구비된 미세 유체 혼합기에 특정 레이놀즈 수를 갖는 순수와 dye-water를 주입하고, 배출부 혼합도를 전산 유체 역학(CFD), 코드 ANSYS CFX 15.0를 통해 측정하였으며, 그 결과를 도 7에 나타내었다.

도 7에서 알 수 있는 바와 같이 실시 예 1 및 비교 예 1에 대해 레이놀즈 수의 범위가 0.1내지120 인 경우 비교를 수행하였다. 비교 예 1 의 미세 유체 혼합기를 물과 에탄올 대신 분석에 사용하였다. 비교 예1의 축 방향 길이는 본 발명의 실시 예 1의 길이와 동일하게 조정되었다. 실시 예1 의 혼합 지수는 비교 예 1의 레이놀즈 수 1에 비해 약 10 배, 레이놀즈 수가 10 일 때의 혼합 지수는 5 배 더 높다. 그러나 Re = 70 이상인 경우 실시 예 1 및 비교 예 1의 혼합지수는 유사하다. 이를 통해 실시 예 1에 따른 미세 유체 혼합기는 낮은 레이놀즈 수에서 우수한 혼합 성능을 나타냄을 확인할 수 있었다.

<실험예 3>

도3a 및 도3c 는 비교 예 1에 대해 각각 레이놀즈 수 1과 30일때의 미세 유체 혼합기의 X형상에서의 x / W = 1.44에서 y-z 평면상의 유동 구조를 비교 한 것이다. 도3b는 실시 예 1의 레이놀즈수 1일때의 미세 유체 혼합기의 X형상에서의 x / W = 1.44에서 y-z 평면상의 유동 구조이다.

도 3에서 알 수 있는 바와 같이 Re = 1에서, 실시 예 1 및 비교 예 1의 유동 구조에는 뚜렷한 차이가 있다. 비교 예 1의 유체 계면에 어떠한 방해도 보이지 않으며, 평행한 층에서 두 유체 층의 확산으로 혼합이 발생한다 (도3 a). 그러나, 도 3b에 도시 된 바와 같이, 실시 예 1에서의 교차점에서 안장 모양의 유동 구조가 관찰되며, 상부 교차점으로부터의 유체 흐름은 하부 통로에서의 유동과 상호 작용한다. 유체 사이의 계면 층은 대각선을 따라 쌍곡선을 중심으로 뻗어 있으며 얇은 라미네이션을 형성한다. 안장 모양의 흐름 패턴은 카오스 이류 생성에 중요한 역할을 하는 바, 실시 예 1의 카오스 이류는 계면 표면적을 증가시킴으로써 유체의 혼합을 향상시킨다.

그러나 비교 예 1에서는 횡단 운동에 의한 계면 영역의 신축과 접힘이 관찰 되었으나 그림 3 c와 같이 Re = 30과 같은 훨씬 더 높은 레이놀즈 수에서도 관찰되었다. 따라서, 실시 예1의 미세 유체 혼합기는 낮은 레이놀즈 수에서도 우수한 성능을 보인 반면, 비교 예 1의 미세 유체 혼합기는 높은 레이놀즈 수에서만 양호한 성능을 보임을 확인할 수 있다.

<실험예 4>

도 9를 참조하면, AA, BB, CC단면 평면상의 염료 농도 분포를 도시하였다.

첫 번째 교차점에서 단면 AA의 분포는 세 가지 다른 W/Pi 비율에 대해 그림 9a에 도시하였다. 최소 비율Pi= 0.58에서 유체 경계면은 평면 폭이 가장 작음에도 불구하고 평균 속도가 가장 낮기 때문에 평면의 전체 폭에 걸쳐 확장되지 않는다. W/Pi = 0.73에서, 유체 경계면은 평균 속도의 증가로 인해 전체 폭에 걸쳐 확장된다. 유체 경계면의 스트레칭은 확산이 일어나는 계면 표면적을 증가시킨다. 따라서, 혼합 지수는 W/Pi가 0.58에서 0.73으로 증가함에 따라 증가하지만, 비율이 더 증가함에 따라 전체 폭 연신에도 불구하고 혼합 지수는 약간 감소한다. 이는 더 높은 평균 속도로 인한 유체가 머무르는 시간의 감소로 인한 것일 수 있다.

도 9b 는 세 가지 다른 d/Pi 비에 대한 첫 번째 교차점에서 단면 AA의 염료 농도 분포를 나타낸다. 가장 낮은 비율 (d/Pi=0.24)에서, 계면은 횡단면의 전체 폭을 따라 완전히 신장하지 않으며, 이는 교차점에서 가장 낮은 평균 속도에 의해 야기되는 약한 신축 및 접힘에 기인할 수 있으며 불량한 혼합을 초래한다. d/Pi=0.35의 비율에서, 평균 속도가 더 높아짐에 따라 계면이 완전히 신장하여 혼합이 개선된다. 그러나 비율을 d/Pi=0.45로 증가시키면 유체가 머무르는 시간이 짧아지기 때문에 혼합 지수가 감소한다.

도 9c는 세 가지 다른 w₂/Pi 비율에 대한 첫 번째 교차점에서의 단면 AA에서의 염료 농도 분포를 보여준다. w₂/Pi=0.15에서의 경계면의 신장 및 유체의 머무르는 시간의 최적 조합은 최상의 혼합을 초래한다.

도 9d는 O자형 유로에서의 횡단면 BB상의 염료 농도의 질적 표현을 도시한다. 가장 높은 비율 (h₁/H=1.0)에서 유체 계면은 BB에서 거의 수직임을 알 수 있다. 그러나, h₁/H가 감소함에 따라 계면은 회전하고 가장 낮은 비율 (h₁/H= 0.25)에서 거의 수평이 된다. 낮은 h₁/H 비율을 갖는 채널에서 보다 빠른 속도는 혼돈된 움직임을 촉진함으로써 혼합을 향상시킴을 확인할 수 있다.

도 9e는 3 개의 상이한 h₂/w₂ 비에 대한 제 2 교차점에서의 단면 CC에서의 염료 농도 분포를 도시한다. 가장 낮은 비율 (h₂/H=0.25)에서 다른 두 비율의 경우와 달리 계면층이 하나뿐이기 때문에 혼합 지수가 가장 낮다. 이 평면에서의 유동 형상은 접합 노드에서 두 교차 채널 사이의 유체 흐름 교환에 의해 크게 영향을 받는다.

실험 예1 내지 실험 예 4를 통해, 본 발명의 일 실시 예에 따르는 미세 유체 혼합기는 상대적으로 짧은 혼합 길이 내에서 낮은 레이놀즈 수에서 높은 혼합 성능을 달성할 수 있는 장점이 있음을 확인할 수 있다.

본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

Claims

상하 방향으로 연장된 형태를 갖고 서로 마주보며 이격되어 배치되는 한 쌍의 직육면체 유로; 상기 한 쌍의 직육면체 유로를 이의 상부 전면부 및 이의 하부 후면부에서 각각 연결하는 수평유로;를 포함하는 O자형 유로가 반복되어 포함되고,
상기 반복되는 O자형 유로 사이에 위치하고, O자형 유로에 포함되는 일 직육면체 유로의 상부 전면부에서 타 직육면체 유로의 하부 전면부로 사선으로 연결되는 제1 사선유로; 및 상기 반복되는 O자형 유로 사이에 위치하고, O자형 유로에 포함되는 일 직육면체 유로의 하부 후면부에서 타 직육면체 유로의 상부 후면부로 사선으로 연결되는 제2 사선유로;를 포함하는 X자형 유로가 반복되어 포함되고, 상기 제1 사선유로와 제2사선유로는 서로 만나는 부분에서 연통되는 것을 특징으로 하는 미세 유체 혼합기.
제1항에 있어서,
상기 미세 유체 혼합기의 유체의 혼합 길이는 1400㎛ 내지 1600㎛인 미세 유체 혼합기.
제1항에 있어서,
상기 미세 유체 혼합기에 유입되는 유체의 레이놀즈 수(Re)는 0.1 내지 120인 미세 유체 혼합기.
제 1항에 있어서,
상기 직육면체 유로의 상부에 수직하게 연결되고, 유체를 유입시키는 제1 유입구를 더 포함하는 미세 유체 혼합기.
제1항에 있어서,
상기 직육면체 유로의 하부에 수직하게 연결되고, 유체를 유입시키는 제2 유입구를 더 포함하는 미세 유체 혼합기.
제1항에 있어서,
상기 제1 사선유로 및 제2 사선유로와 연결되고, 유체를 배출하는 배출부를 더 포함하는 미세 유체 혼합기.
제1항에 있어서,
상기 O자형 유로 및 X자형 유로가 5개가 반복되는 미세 유체 혼합기.
제 1항의 미세 유체 혼합기를 포함하는 랩온어칩(Lab on a chip).