KR20210058435A - Free-energy droplet mixing and flow control method - Google Patents

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Abstract

According to the present invention, a free-energy droplet mixing and flow control method is provided. A capillary filled with a volatile material having lower surface tension than a target droplet is disposed around the target droplet located inside a sealed case. The size and intensity of the internal flow field of the target droplet can be adjusted while the distance between the center of the target droplet and the capillary, and the size of the capillary are adjusted. It is possible to use a vapor-driven solutal Marangoni effect.

Description

무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 기법{FREE-ENERGY DROPLET MIXING AND FLOW CONTROL METHOD}Non-powered micro-droplet mixing and flow control technique {FREE-ENERGY DROPLET MIXING AND FLOW CONTROL METHOD}

본 발명은 무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 기법에 관한 것으로, 구체적으로는 전기력, 자기력, 음향력 등의 외부의 힘을 적용하지 않고 증기형 용질성 마랑고니 효과(vapor-driven solutal Marangoni effects)를 이용한 무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 기법에 관한 것이다.The present invention relates to a non-powered microdroplet mixing and flow control technique, and specifically, using a vapor-driven solutal Marangoni effect without applying external forces such as electric force, magnetic force, acoustic force, etc. It relates to a non-powered microdroplet mixing and flow control technique.

기판 위 미소 액적에 관한 연구는 질병 진단(비특허문헌 1 내지 3), 세포 분리(비특허문헌 4 및 5), 잉크젯 프린팅(비특허문헌 6) 등 다양한 생화학 분야에 적용될 수 있다.Research on microscopic droplets on a substrate can be applied to various biochemical fields such as disease diagnosis (non-patent documents 1 to 3), cell separation (non-patent documents 4 and 5), and inkjet printing (non-patent documents 6).

이러한 시스템은 연속 유체 기반 시스템과 비교해서 가격이 저렴하고 구성이 간단하다는 장점이 있는데, 이와 같은 장점을 극대화하기 위해서는 액적 내 유동을 형성하는데 필요한 에너지를 최소화시킬 필요가 있다.Such a system has advantages in that it is inexpensive and simple in configuration compared to a continuous fluid-based system. In order to maximize such advantages, it is necessary to minimize the energy required to form a flow in a droplet.

종래에는 외부 장치들을 활용해서 전기력(비특허문헌 7), 음향력(비특허문헌 8), 자기력(비특허문헌 9) 등을 발생시켜 액적 내 유동을 제어했다.Conventionally, external devices were used to generate electric force (Non-Patent Document 7), acoustic force (Non-Patent Document 8), magnetic force (Non-Patent Document 9), and the like to control the flow in the droplet.

이처럼 외부 에너지원을 사용한 액적 내 유동제어 방식은 필연적으로 외부 부속품을 필요로 하기 때문에, 미세 유체 시스템의 전체 크기가 증가하게 되고 구성이 복잡해지는 문제점이 있다.As described above, since the flow control method in a droplet using an external energy source inevitably requires an external accessory, the overall size of the microfluidic system increases and the configuration is complicated.

이는, 제조 비용의 증가를 초래하고, 시장에서 필요로 하는 휴대용 미세 유체 시스템을 만드는 것을 어렵게 한다는 문제점이 있다.This leads to an increase in manufacturing cost, and there is a problem in that it is difficult to make a portable microfluidic system required in the market.

한편, 액적 내부 유동은 마랑고니 효과를 사용해서도 유발시킬 수 있다.On the other hand, the flow inside the droplet can also be induced by using the Marangoni effect.

이러한 마랑고니 효과를 발생시키는 요인은 온도 구배, 계면활성제, 용질의 3 가지가 대별할 수 있다.(비특허문헌 10 내지 12)The factors that cause the marangoni effect can be roughly classified into three types: a temperature gradient, a surfactant, and a solute. (Non-Patent Documents 10 to 12)

그 중, 용질성 마랑고니 효과는 별도의 외부 장치가 필요하지 않고, 액적 샘플을 오염시키지 않는다는 장점을 가지고 있다.Among them, the solute marangoni effect has the advantage of not requiring a separate external device and not contaminating the droplet sample.

최근에는 증기형 용질성 마랑고니 효과를 사용해서 액적 내 유동을 형성하고 최종 퇴적 패턴을 조절하는 연구에 대해서 진행되고 있다.(비특허문헌 13)Recently, research has been conducted on forming a flow in droplets using the vapor-type solute marangoni effect and controlling the final deposition pattern (Non-Patent Document 13).

또한, 상대적으로 빠르게 증발하는 외부 휘발성 용액으로부터 발생된 경계조건 변화에 따른 액적 내 유동 변화를 관찰하는 연구가 진행되고 있다.(비특허문헌 14)In addition, research is being conducted to observe the flow change in the droplet according to the change in boundary conditions generated from the external volatile solution that evaporates relatively quickly (Non-Patent Document 14).

그러나, 증기형 용질성 마랑고니 효과를 이용한 액적 내 유동 제어에 관한 연구는 아직까지 이루어지고 있지 않은 실정이다.However, studies on the flow control in droplets using the vapor-type solute marangoni effect have not been conducted yet.

J. R. Trantum, D. W. Wright, F. R. Haselton, “Biomarker-mediated disruption of coffee-ring formation as a low resource diagnostic indicator”, Langmuir, 28(4) (2011), 2187-2193. J. R. Trantum, D. W. Wright, F. R. Haselton, “Biomarker-mediated disruption of coffee-ring formation as a low resource diagnostic indicator”, Langmuir, 28(4) (2011), 2187-2193. D. Brutin, B. Sobac, B. Loquet, J. Sampol, “Pattern formation in drying drops of blood”, Journal of Fluid Mechanics 667 (2011) 85-95. D. Brutin, B. Sobac, B. Loquet, J. Sampol, “Pattern formation in drying drops of blood”, Journal of Fluid Mechanics 667 (2011) 85-95. R. Hernandez-Perez, Z. H. Fan, J. L. Garcia-Cordero, “Evaporation-driven bioassays in suspended droplets”, Analytical Chemistry, 88(14) (2016) 7312-7317. R. Hernandez-Perez, Z. H. Fan, J. L. Garcia-Cordero, “Evaporation-driven bioassays in suspended droplets”, Analytical Chemistry, 88(14) (2016) 7312-7317. T.-S. Wong, T.-H. Chen, X. 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본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 여러 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 전기력, 자기력, 음향력 등의 외부의 힘을 적용하지 않고 증기형 용질성 마랑고니 효과(vapor-driven solutal Marangoni effects)를 이용한 무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 기법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been devised to solve the various problems of the prior art as described above, and provides vapor-driven solutal Marangoni effects without applying external forces such as electric force, magnetic force, and acoustic force. Its purpose is to provide a non-powered microdroplet mixing and flow control technique used.

상기와 같은 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1실시예에 따르면, 밀폐된 케이스의 내부에 위치한 대상 액적 주변에 상기 대상 액적보다 표면 장력이 낮은 휘발성 물질이 채워진 모세관을 배치시키고, 상기 대상 액적의 중심과 모세관 사이의 거리, 및 모세관의 크기를 조절하면서 상기 대상 액적 내부 유동장의 크기 및 세기를 조절하는 것을 특징으로 하는 무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 기법을 제공한다.In order to achieve the above objects, according to the first embodiment of the present invention, a capillary tube filled with a volatile material having a lower surface tension than the target droplet is disposed around a target droplet located inside a sealed case, and the target liquid It provides a non-powered microdroplet mixing and flow control technique, characterized in that the size and intensity of the flow field inside the target droplet are controlled while adjusting the distance between the center of the enemy and the capillary tube and the size of the capillary tube.

또한, 상기 대상 액적의 주변에 상기 대상 액적보다 표면 장력이 낮은 휘발성 물질이 채워진 복수의 모세관이 이격되게 배치될 수 있다.In addition, a plurality of capillaries filled with a volatile material having a lower surface tension than the target droplet may be spaced apart from each other around the target droplet.

아울러, 상기 대상 액적은 유리 기판 위에 위치하고, 상기 모세관은 상기 대상 액적과 소정 거리 이격되어 상기 유리 기판 위에 배치되며, 상기 모세관에서 증발한 휘발성 물질의 증기는 상기 유리 기판을 따라 상기 대상 액적 방향으로 확산되는 것을 특징으로 한다.In addition, the target droplet is positioned on a glass substrate, the capillary is disposed on the glass substrate by being spaced apart from the target droplet by a predetermined distance, and the vapor of the volatile material evaporated from the capillary is diffused in the direction of the target droplet along the glass substrate. It is characterized by being.

본 발명의 제2실시예에 따르면, 밀폐된 케이스의 내부에 대상 액적을 위치시키고, 상기 대상 액적보다 표면 장력이 낮은 휘발성 물질이 상기 케이스의 내부에 부착되며, 상기 대상 액적과 휘발성 물질과의 거리를 조절하면서 상기 대상 액적 내부 유동장의 크기 및 세기를 조절하는 것을 특징으로 하는 무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 기법을 제공한다.According to a second embodiment of the present invention, a target droplet is located inside a sealed case, and a volatile material having a lower surface tension than the target droplet is attached to the inside of the case, and the distance between the target droplet and the volatile material It provides a non-powered micro-droplet mixing and flow control technique, characterized in that the size and intensity of the flow field inside the target droplet are controlled while controlling.

전술한 과제의 해결수단에 의하면 본 발명은 다음과 같은 효과를 가진다.According to the above-described problem solving means, the present invention has the following effects.

본 발명은 대상 액적 주위에 대상 액적보다 표면 장력이 낮은 휘발성 용액(에탄올, 아세톤 등)을 노출하여 대상 액적 내부에 유동을 형성하는 방법을 사용하면 전기력, 자기력, 음향력 등의 외부의 힘을 적용하지 않고 증기형 용질성 마랑고니 효과(vapor-driven solutal Marangoni effects)를 이용할 수 있어 시스템을 간단하게 구성할 수 있고 대상 액적 및 샘플이 오염되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.In the present invention, when a volatile solution (ethanol, acetone, etc.) having a lower surface tension than the target droplet is exposed around the target droplet to form a flow inside the target droplet, external forces such as electric force, magnetic force, and acoustic force are applied. It is possible to use the vapor-driven solutal Marangoni effects without doing so, so that the system can be simply configured and the target droplets and samples are prevented from being contaminated.

또한, 본 발명은 대상 액적과 휘발성 물질과의 거리, 및 휘발성 물질이 대상 액적에 노출되는 표면적의 크기를 조절함으로써, 대상 액적 내 유동을 효율적으로 조절할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the present invention, by controlling the distance between the target droplet and the volatile material, and the size of the surface area at which the volatile material is exposed to the target droplet, there is an effect of efficiently controlling the flow in the target droplet.

이에 따라, 본 발명은 질병진단 산업, 화장품 산업, 화학 공정, 코팅 산업 등 다양한 생화학 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.Accordingly, the present invention is expected to be used in various biochemical fields such as disease diagnosis industry, cosmetics industry, chemical process, and coating industry.

뿐만 아니라, 미량 정량판(microtiter plate)이 작은 부피의 용액에 부적합하다는 한계점을 보완해줄 수 있는 기술이 될 수 있다.In addition, it can be a technology that can compensate for the limitation that a microtiter plate is unsuitable for a small volume of solution.

작은 부피용(1 ㎕ 이하) 마이크로 플레이트는 용액의 증발이 빨리 일어난다는 점과 부피 대비 표면비가 높다는 점으로 인해서 반응까지의 충분한 시간을 확보하기 어려워서 상용화가 쉽지 않다.Microplates for small volumes (less than 1 µl) are difficult to commercialize because it is difficult to secure a sufficient time until reaction due to the fact that the evaporation of the solution occurs quickly and the surface ratio to volume is high.

관찰하고자 하는 용액의 증발을 억제하기 위해 미량 정량판 내부를 외부효과로부터 차단하는데 사용하는 덮개에 휘발성 물질을 부착한다면 관찰 용액의 원활한 혼합을 유발할 수 있고, 제한된 시간 안에 반응을 일으켜서 기존 기술의 한계를 극복할 수 있을 것이다.In order to suppress evaporation of the solution to be observed, if volatile substances are attached to the cover used to block the inside of the micro-quantity plate from external effects, it can cause a smooth mixing of the observed solution and cause a reaction within a limited time, thereby limiting the limitations of existing technologies. You will be able to overcome it.

도 1은 본 발명에 따른 무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 기법의 제1실시예를 구현하기 위한 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에서 대상 액적과 모세관을 위에서 내려다 본 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에서 대상 액적과 모세관을 측면에서 바라본 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 대상 액적 주위에 휘발성 물질에 의한 증기점이 없는 경우 대상 액적 내부를 관찰한 사진이다.
도 5는 대상 액적 주위에 휘발성 물질에 의한 증기점이 한 개 있는 경우 대상 액적 내부를 관찰한 사진이다.
도 6은 본 발명에 따른 무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 기법을 설명하기 위한 이론 모델을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 대상 액적 주위에 휘발성 물질에 의한 증기점이 한 개 있는 경우 대상 액적 내부에 마랑고니 유동이 발생된 상태를 나타낸 사진이다.
도 8은 에탄올의 질량분율과 표면 장력의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 9는 대상 액적의 중심과 모세관 사이의 거리에 대한 유동의 최대 속도를 나타낸 실험값과 이론값을 비교한 그래프이다.
도 10은 대상 액적의 중심과 모세관 사이의 거리에 대한 진동수를 나타낸 실험값과 이론값을 비교한 그래프이다.
도 11은 도 10에서 구한 진동수의 이론값과 실험값을 비교한 그래프이다.
도 12는 대상 액적 주위에 위치한 휘발성 물질에 의한 증기점의 개수에 따른 대상 액적 내부의 유동 상태를 나타낸 사진이다.
도 13은 대상 액적 주위에 위치한 휘발성 물질에 의한 증기점의 개수에 따라 대상 액적 내부에 발생된 와류의 개수를 나타낸 그래프이다.
도 14는 국부 표면 장력의 차이와 유동의 최대 속도 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 15의 (a) 내지 (d)는 대상 액적 주위에 위치한 휘발성 물질에 의한 증기점의 개수가 각각 1 내지 4인 경우이고, (e)는 대상 액적 주위에 위치한 휘발성 물질에 의한 증기점이 없는 경우로서, 대상 액적 내부 유동 모양과 시간에 따른 혼합 정도를 나타낸 사진이다.
도 16은 도 15의 (a) 내지 (e)의 경우에 시간에 따른 표준 편차를 나타낸 그래프이다.
도 17은 도 15의 (a) 내지 (e)의 경우에 대상 액적이 완전히 혼합되는데 걸리는 시간을 나타낸 그래프이다.
도 18은 미량 정량판 내의 대상 액적 혼합시 확산만을 이용한 경우 혼합에 소요되는 시간을 나타낸 사진이다.
도 19는 미량 정량판 내의 대상 액적 혼합시 거름종이에 휘발성 물질을 적신 다음 대상 액적에 노출시킨 경우 혼합에 소요되는 시간을 나타낸 사진이다.
1 is a diagram schematically showing a system for implementing a first embodiment of a non-powered microdroplet mixing and flow control technique according to the present invention.
FIG. 2 is a view showing a target droplet and a capillary tube viewed from above in FIG. 1.
3 is a view showing a state as viewed from the side of the target droplet and the capillary in FIG. 1.
4 is a photograph of observing the inside of a target droplet when there is no vapor spot due to a volatile substance around the target droplet.
5 is a photograph of observing the inside of a target droplet when there is one vapor point due to a volatile substance around the target droplet.
6 is a diagram schematically showing a theoretical model for explaining a non-powered microdroplet mixing and flow control technique according to the present invention.
7 is a photograph showing a state in which a marangoni flow occurs inside a target droplet when there is one vapor point due to a volatile substance around the target droplet.
8 is a graph showing the relationship between the mass fraction of ethanol and the surface tension.
9 is a graph comparing experimental and theoretical values showing the maximum velocity of flow with respect to the distance between the center of the target droplet and the capillary tube.
10 is a graph comparing an experimental value and a theoretical value showing the frequency with respect to the distance between the center of the target droplet and the capillary tube.
11 is a graph comparing the theoretical value and the experimental value of the frequency obtained in FIG. 10.
12 is a photograph showing a flow state inside a target droplet according to the number of vapor points caused by volatile substances located around the target droplet.
13 is a graph showing the number of vortices generated inside the target droplet according to the number of vapor points caused by volatile substances located around the target droplet.
14 is a graph showing the relationship between the difference in local surface tension and the maximum velocity of the flow.
15A to 15D show the cases in which the number of vapor points due to volatile substances located around the target droplet is 1 to 4, respectively, and (e) shows the case where there are no vapor points due to volatile substances located around the target droplet. This is a photograph showing the shape of the flow inside the target droplet and the degree of mixing over time.
16 is a graph showing the standard deviation over time in the cases of FIGS. 15A to 15E.
FIG. 17 is a graph showing the time it takes for the target droplets to be completely mixed in the case of FIGS. 15A to 15E.
18 is a photograph showing the time required for mixing when only diffusion is used when mixing target droplets in a trace quantity plate.
19 is a photograph showing the time required for mixing when a volatile substance is wetted on a filter paper and then exposed to the target droplet when mixing the target droplet in a trace quantity plate.

이하, 본 발명에 따른 무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 기법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들에 의거하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어와 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석해야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, a preferred embodiment of a non-powered microdroplet mixing and flow control technique according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. For reference, terms and words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to their usual or dictionary meanings, and the inventors appropriately explain the concept of terms in order to explain their own invention in the best way. Based on the principle that it can be defined, it should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention. In addition, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are only the most preferred embodiments of the present invention, and do not represent all the technical ideas of the present invention, so various alternatives that can be substituted for them at the time of application It should be understood that there may be equivalents and variations.

도 1은 본 발명에 따른 무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 기법의 제1실시예를 구현하기 위한 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a diagram schematically showing a system for implementing a first embodiment of a non-powered microdroplet mixing and flow control technique according to the present invention.

본 발명에 따른 무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 532 nm의 레이저(L)를 액적(D)에 노출시키면 액적(D)에 첨가된 형광입자(F)는 607 nm의 신호(S)를 방출한다.In the non-powered microdroplet mixing and flow control system according to the present invention, as shown in FIG. 1, when the 532 nm laser (L) is exposed to the droplet (D), the fluorescent particles (F) added to the droplet (D) are 607 Emits a signal (S) of nm.

이때, 형광입자(F)의 사이즈는 1.9 ㎛, 밀도는 1.05 g/㎤ 이다.At this time, the size of the fluorescent particles (F) is 1.9 μm and the density is 1.05 g/cm 3.

광학필터(5)를 사용해서 형광입자(F)로부터 방출된 신호(S)만을 도립 현미경(4)에 연결된 초고속 카메라(6)에서 읽어들여 입자영상유속계 실험을 진행한다.Using the optical filter 5, only the signal S emitted from the fluorescent particles F is read from the ultra-high-speed camera 6 connected to the inverted microscope 4, and the particle image velocimetry experiment is conducted.

외부로부터의 영향을 막기 위해 아크릴로 제작한 케이스(1)를 사용해서 시스템 전체를 감쌌다.In order to prevent external influences, the entire system is wrapped using a case (1) made of acrylic.

후술하는 도 5의 사진에서 증기형 용질성 마랑고니 유동장을 확인할 수 있는데, 노란색 표식은 에탄올이 담긴 모세관(2)의 위치(증기점)를 나타낸다.In the photograph of FIG. 5 to be described later, a vapor-type solute marangoni flow field can be seen, and the yellow mark indicates the location (vapor point) of the capillary tube 2 containing ethanol.

에탄올의 물에 대한 높은 용해도로 인해서, 마랑고니 유동은 에탄올이나 물 액적이 완전히 증발하기 전까지 발생한다.Due to the high solubility of ethanol in water, marangoni flow occurs until the ethanol or water droplets completely evaporate.

도 2는 도 1에서 대상 액적과 모세관을 위에서 내려다 본 상태를 나타낸 도면이고, 도 3은 도 1에서 대상 액적과 모세관을 측면에서 바라본 상태를 나타낸 도면이다.FIG. 2 is a view showing a state viewed from above of a target droplet and a capillary tube in FIG. 1, and FIG. 3 is a view illustrating a state viewed from a side of the target droplet and a capillary tube in FIG. 1.

기판(3) 위 미소액적(D) 내부에 유동을 발생시키기 위한 방법으로는 모세관 효과를 이용해서 에탄올을 모세관(2)에 담고 액적(D) 주변에 위치시키는 방법이 있다.As a method for generating a flow inside the microdroplet D on the substrate 3, there is a method of placing ethanol in the capillary tube 2 using a capillary effect and placing it around the droplet D.

이때, 모세관(2) 팁부에서 에탄올이 증발한다. 에탄올 증기는 대기보다 분자량이 크기 때문에 모세관(2)에서 증발한 대부분의 에탄올 증기는 유리 기판(3)을 따라 확산한다.At this time, ethanol evaporates from the tip of the capillary tube (2). Since ethanol vapor has a higher molecular weight than the atmosphere, most of the ethanol vapor evaporated from the capillary tube (2) diffuses along the glass substrate (3).

에탄올 증기는 모세관(2)에서 가까운 영역이 먼 영역에 비해 상대적으로 많은 양이 분포한다.The ethanol vapor is distributed in a relatively large amount compared to a region near the capillary tube 2 and far away.

그러므로, 모세관(2)과 가까운 영역에선 상대적으로 많은 에탄올 증기로 인해서 표면 장력이 낮다. 마랑고니 유동은 표면 장력이 낮은 영역에서 높은 영역으로 발생하기 때문에 도 2의 화살표 방향과 같이 유동이 발생한다.Therefore, in the region close to the capillary tube 2, the surface tension is low due to the relatively large amount of ethanol vapor. Since the marangoni flow occurs from a region having a low surface tension to a region having a high surface tension, the flow occurs as shown in the arrow direction of FIG. 2.

본 실험에선 두 개의 변수를 조절하면서 유동장을 관측했다. 첫번째 변수는 모세관과 액적 중심 사이의 거리(l)이며, 두번째는 모세관의 크기이다.In this experiment, the flow field was observed while controlling two variables. The first variable is the distance (l) between the capillary and the center of the droplet, and the second is the size of the capillary.

이 두 변수를 바꿔가며 액적계면에서의 에탄올 농도를 조절하고 액적 내 유동을 제어했다.By changing these two parameters, the ethanol concentration at the droplet interface was controlled and the flow within the droplet was controlled.

모세관과 액적 사이의 거리(l)가 1.5 내지 4 mm 인 구간에서의 유동을 본 실험을 통해 관찰했다.The flow in the section where the distance (l) between the capillary tube and the droplet is 1.5 to 4 mm was observed through this experiment.

또한, 3가지 크기의 모세관(r0는 0.25, 0.375, 0.55 ㎜)을 사용해서 에탄올 증기 유량을 조절했다.In addition, the ethanol vapor flow rate was adjusted using capillary tubes of three sizes (r 0 is 0.25, 0.375, 0.55 mm).

아울러, 액적의 부피는 2.0±0.2 ㎕, 반경(R)은 1.3 내지 1.6 ㎜), 높이(h)는 0.52 내지 0.73 ㎜ 이다.In addition, the volume of the droplet is 2.0±0.2 μl, the radius (R) is 1.3 to 1.6 mm), and the height (h) is 0.52 to 0.73 mm.

도 4는 대상 액적 주위에 휘발성 물질에 의한 증기점이 없는 경우 대상 액적 내부를 관찰한 사진이고, 도 5는 대상 액적 주위에 휘발성 물질에 의한 증기점이 한 개 있는 경우 대상 액적 내부를 관찰한 사진이다.FIG. 4 is a photograph of observing the inside of a target droplet when there is no vapor spot due to a volatile substance around the target droplet, and FIG. 5 is a photograph of observing the inside of a target droplet when there is one vapor spot due to a volatile substance around the target droplet.

해당 사진들을 통해서 외부 증기점의 유무에 따른 유동장 생성여부를 확인해보았다. 본 사진과 이후 사진들은 대비 제한 적응 히스토그램 평활화(CLAHE)와 하이패스(highpass) 필터를 사용해서 가시성을 높혔다.Through the pictures, we checked whether the flow field was created according to the presence or absence of an external steam point. In this and subsequent photos, the visibility was improved by using a contrast-limited adaptive histogram smoothing (CLAHE) and a highpass filter.

도 4에 도시된 바와 같이 증기점이 없는 경우는, 내부 유동이 거의 발생하지 않는다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 레이저를 사용했음에도 thermal Marangoni 효과로 인한 유동이 관측되지 않았다.As shown in FIG. 4, when there is no vapor point, it can be seen that internal flow hardly occurs. In addition, no flow due to the thermal Marangoni effect was observed even when the laser was used.

도 6은 본 발명에 따른 무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 기법을 설명하기 위한 이론 모델을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 7은 대상 액적 주위에 휘발성 물질에 의한 증기점이 한 개 있는 경우 대상 액적 내부에 마랑고니 유동이 발생된 상태를 나타낸 사진이다.6 is a diagram schematically showing a theoretical model for explaining the non-powered microdroplet mixing and flow control technique according to the present invention. This is a photograph showing the state where the swine flow occurred.

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서,here,

cA 는 공기중에서의 에탄올의 농도,c A is the concentration of ethanol in the air,

r0 는 모세관의 반지름,r 0 is the radius of the capillary tube,

c0 는 모세관 팁에서의 에탄올의 초기 농도,c 0 is the initial concentration of ethanol at the capillary tip,

l은 액적 중심과 모세관 팁 사이의 거리,l is the distance between the droplet center and the capillary tip,

R은 액적의 반지름이다.R is the radius of the droplet.

증기형 용질성 마랑고니 유동장을 분석하기 위해 사용한 이론 모델에 대한 설명이다. 국소 표면 장력 차이를 계산하기 위해서, 우선 공기에서의 에탄올 농도를 구형좌표계에서의 1차원 정상상태 푸아송 확산 방정식을 이용해서 계산했다.This is an explanation of the theoretical model used to analyze the vapor-type solute Marangoni flow field. To calculate the local surface tension difference, the ethanol concentration in air was first calculated using the one-dimensional steady-state Poisson diffusion equation in a spherical coordinate system.

분자동역학 연구에 따르면, 에탄올 분자가 물에 용해되면 수피코초만에 열적 평형 상태에 도달하고 그 후 운동에너지의 부족으로 인해 표면에서 빠져나가지 못한다.According to molecular dynamics studies, when ethanol molecules dissolve in water, they reach a state of thermal equilibrium in supicoseconds, and then cannot escape from the surface due to lack of kinetic energy.

즉, 에탄올 분자가 물로 빠르게 용해되기 때문에 물과 공기에서의 에탄올 농도는 거의 같다.In other words, since the ethanol molecule dissolves rapidly into water, the ethanol concentration in water and air is almost the same.

따라서, 같은 위치의 공기와 물에서 에탄올 농도는 같다는 가정을 사용할 수 있다.Therefore, the assumption that the ethanol concentration is the same in air and water at the same location can be used.

도 7의 사진을 통해 모세관에 반대쪽에 위치한 영역에서는 마랑고니 유동이 거의 발생하지 않는다는 것을 확인할 수 있다. 이는 에탄올 증기가 모세관이 위치한 반대쪽 영역에 도달하기 어렵다는 것을 보여준다.It can be seen from the photograph of FIG. 7 that marangoni flow hardly occurs in the region located opposite to the capillary tube. This shows that it is difficult for the ethanol vapor to reach the region opposite where the capillary is located.

본 실험 구성 상에서 에탄올 농도가 최대가 되는 지점은 도 6을 기준으로 왼쪽이며 최소가 되는 부분은 위나 아래쪽이다.In this experimental configuration, the point at which the concentration of ethanol is maximized is on the left side based on FIG. 6, and the portion at which the concentration becomes minimum is at the top or bottom.

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서,here,

cw 는 액적 계면에서 에탄올의 농도,c w is the concentration of ethanol at the droplet interface,

Re 는 레이놀즈수,Re is the Reynolds number,

ε은 액적의 종횡비(높이/반지름),ε is the aspect ratio (height/radius) of the droplet,

ρ는 물의 밀도,ρ is the density of water,

V는 유동의 속도,V is the velocity of the flow,

μ는 물의 점성,μ is the viscosity of the water,

Δγ(delta gamma)는 국소 표면 장력 차이,Δγ (delta gamma) is the local surface tension difference,

β는 비례상수이다.β is the proportionality constant.

에탄올 농도의 최대, 최소값을 사용해서 최대 에탄올 농도 차이를 계산할 수 있다.The difference in maximum ethanol concentration can be calculated using the maximum and minimum values of the ethanol concentration.

최대 에탄올 농도 차이는 액적 계면에서의 에탄올 분포를 확인할 수 있는 지표이며 국소 표면 장력 차이와 비례관계를 가진다.The difference in the maximum ethanol concentration is an index that can confirm the ethanol distribution at the droplet interface and has a proportional relationship with the local surface tension difference.

본 연구에서 레이놀즈 수와 액적 모양의 종횡비를 곱한 값은 1보다 작다. 이를 통해, 점성력이 주로 마랑고니 힘과 균형을 이룬다는 것을 알 수 있다.In this study, the product of the Reynolds number and the aspect ratio of the droplet shape is less than 1. From this, it can be seen that the viscous force is mainly balanced with the marangoni force.

마랑고니 힘과 점성력의 간단한 상사 법칙을 통해서 이론 속도 식을 얻었다. 후술할 도 8을 통해 본 연구에서 사용한 상수인 β와 c0를 어떻게 계산했는지에 대해 확인해볼 수 있다.The theoretical speed equation was obtained through a simple similarity law of marangoni force and viscous force. It is possible to check how the constants β and c 0 used in this study were calculated through FIG. 8 to be described later.

도 8은 에탄올의 질량분율과 표면 장력의 관계를 나타낸 그래프이다.8 is a graph showing the relationship between the mass fraction of ethanol and the surface tension.

Figure pat00003
Figure pat00003

(비특허문헌 16)(Non-patent document 16)

첫번째로, 에탄올의 질량분율과 표면 장력의 관계를 이용해 비례상수를 구했다. 여기서, 낮은 질량분율에서는 표면 장력 변화가 선형이라는 가정을 사용해서 계산했다. First, the proportionality constant was calculated using the relationship between the mass fraction of ethanol and the surface tension. Here, it was calculated using the assumption that the change in surface tension is linear at low mass fractions.

두번째로, 모세관 표면에서의 초기 농도 값이다. 닫힌 계에서의 돌턴의 분압법칙을 사용해서 이 상수를 계산했다.Second, it is the initial concentration value at the capillary surface. This constant was calculated using Dalton's law of partial pressure in a closed system.

Figure pat00004
Figure pat00004

도 9는 대상 액적의 중심과 모세관 사이의 거리에 대한 유동의 최대 속도를 나타낸 실험값과 이론값을 비교한 그래프이다.9 is a graph comparing experimental and theoretical values showing the maximum velocity of flow with respect to the distance between the center of the target droplet and the capillary tube.

Figure pat00005
Figure pat00005

액적 중심과 모세관 사이의 거리 및, 모세관 크기의 두 개의 변수를 변화시켜가며 마랑고니 유동장을 분석했다.The Marangoni flow field was analyzed by varying two variables, the distance between the droplet center and the capillary tube and the size of the capillary tube.

도 9에 도시된 바와 같이 거리(l) 이 증가함에 따라 최대 속도가 감소함을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 9, it can be seen that the maximum speed decreases as the distance l increases.

에탄올 농도 식을 통해서 액적 표면에서의 에탄올 농도는 모세관과 액적 계면 사이의 거리와 반비례 관계임을 확인할 수 있다.From the ethanol concentration equation, it can be confirmed that the ethanol concentration at the droplet surface is inversely proportional to the distance between the capillary tube and the droplet interface.

만약, 모세관을 액적에서 상대적으로 먼 거리에 위치시킨다면 최대 에탄올 농도 차이는 감소한다.If the capillary is placed at a relatively long distance from the droplet, the difference in maximum ethanol concentration decreases.

최대 에탄올 농도 차이의 감소는 국소 표면 장력 차이의 감소로 이어지며, 이는 액적 내 마랑고니 유동의 세기는 감소시킨다.The decrease in the difference in the maximum ethanol concentration leads to a decrease in the difference in local surface tension, which decreases the intensity of the marangoni flow in the droplet.

다른 변수인 모세관의 크기를 변경시킴으로써 모세관에서부터 확산되는 에탄올 증기유량을 조절할 수 있다.Another variable, the size of the capillary, can be adjusted to control the flow of ethanol vapor that diffuses from the capillary.

확산되는 에탄올 증기유량을 증가시키면 액적 계면에서 상대적으로 더 많은 에탄올 분자의 용해가 일어나게 하며, 이는 최대 에탄올 농도 차이의 증가를 유발해서 마랑고니 유동의 세기를 증가시킨다.Increasing the diffused ethanol vapor flow rate causes the dissolution of relatively more ethanol molecules at the droplet interface, which causes an increase in the difference in the maximum ethanol concentration, thereby increasing the intensity of the marangoni flow.

도 9에서 오차 막대는 진동하는 마랑고니 유동 패턴을 나타낸다. 실선들은 앞서 구한 이론 속도식을 사용해서 계산했다. 색칠된 영역은 액적 반지름과 높이의 변화를 고려해서 그래프에 나타냈다.In FIG. 9, error bars represent a vibrating marangoni flow pattern. The solid lines were calculated using the theoretical velocity equation obtained earlier. The colored area is shown in the graph taking into account the change in droplet radius and height.

도 10은 대상 액적의 중심과 모세관 사이의 거리에 대한 진동수를 나타낸 실험값과 이론값을 비교한 그래프이다.10 is a graph comparing an experimental value and a theoretical value showing the frequency with respect to the distance between the center of the target droplet and the capillary tube.

Figure pat00006
Figure pat00006

본 연구에서 고속 푸리에 변환을 사용해서 진동수를 계산했다. 진동수 또한 모세관과 액적 중심 사이의 거리(l) 이 증가함에 따라 감소한다는 것을 확인할 수 있다.In this study, the frequency was calculated using a fast Fourier transform. It can be seen that the frequency also decreases as the distance l between the capillary tube and the center of the droplet increases.

실선과 색칠된 영역은 진동수의 이론 모델을 나타낸다. 이론 진동수 값은 이론 속도에 액적의 반지름 값을 나눠서 계산했다.The solid line and the colored area represent the theoretical model of the frequency. The theoretical frequency value was calculated by dividing the theoretical velocity by the radius of the droplet.

액적의 반지름으로 나눈 이유는 액적 내 지배적인 유동이 도 2를 기준으로 액적 중심에서 x 방향으로 즉, 거리 R 만큼 이동하기 때문이다.The reason for dividing by the radius of the droplet is that the dominant flow within the droplet moves in the x direction from the center of the droplet, that is, by a distance R based on FIG. 2.

도 11은 도 10에서 구한 진동수의 이론값과 실험값을 비교한 그래프이다.11 is a graph comparing the theoretical value and the experimental value of the frequency obtained in FIG. 10.

도 10에서 구한 이론진동수와 실험으로 구한 진동수를 그래프를 통해 비교했다. 본 그래프를 통해서 일치하는 경향성을 확인할 수 있다.The theoretical frequency obtained in FIG. 10 and the frequency obtained by experiment were compared through a graph. Through this graph, you can check the matching trend.

도 12는 대상 액적 주위에 위치한 휘발성 물질에 의한 증기점의 개수에 따른 대상 액적 내부의 유동 상태를 나타낸 사진이다.12 is a photograph showing a flow state inside a target droplet according to the number of vapor points caused by volatile substances located around the target droplet.

1개에서 4개의 모세관을 사용해서 최대 8개의 와류를 만들었다. 도 12에서 빨간 화살표는 마랑고니 유동의 방향을 나타내며, 노란 표식은 모세관의 위치(증기점)를 나타낸다.Up to 8 vortices were created using 1 to 4 capillaries. In FIG. 12, the red arrow indicates the direction of the marangoni flow, and the yellow mark indicates the position (vapor point) of the capillary tube.

증기점의 수를 증가시키면 유동이 생기지 않는 영역이 점차적으로 감소하는 것을 확인할 수 있다.It can be seen that when the number of vapor points is increased, the area where no flow occurs gradually decreases.

도 13은 대상 액적 주위에 위치한 휘발성 물질에 의한 증기점의 개수에 따라 대상 액적 내부에 발생된 와류의 개수를 나타낸 그래프이다.13 is a graph showing the number of vortices generated inside the target droplet according to the number of vapor points caused by volatile substances located around the target droplet.

모세관 개수에 따른 증기형 용질성 마랑고니 유동장 측정 결과를 도 13을 통해서 살펴볼 수 있다.The measurement result of the vapor-type solute marangoni flow field according to the number of capillaries can be seen through FIG. 13.

본 실험에서 액적 중심과 모세관 사이의 거리는 2.1 mm로 유지하고 모세관 반지름 또한 0.25 mm로 고정시켜서 실험을 진행했다.In this experiment, the distance between the droplet center and the capillary was maintained at 2.1 mm, and the radius of the capillary was also fixed at 0.25 mm.

한 개의 에탄올 증기점은 한 쌍의 와류를 만든다. 이는 에탄올 성분이 기체 상에서 확산할 때의 대칭 경계 조건 때문이다. 와류의 개수(M)과 외부 증기점의 개수 (N)의 관계는 M=2N 이다.One ethanol vapor point creates a pair of vortices. This is due to the symmetric boundary condition when the ethanol component diffuses in the gas phase. The relationship between the number of vortices (M) and the number of external vapor points (N) is M=2N.

도 14는 국부 표면 장력의 차이와 유동의 최대 속도 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.14 is a graph showing the relationship between the difference in local surface tension and the maximum velocity of the flow.

Figure pat00007
Figure pat00007

Figure pat00008
Figure pat00008

Figure pat00009
Figure pat00009

모세관 단면에서의 초기농도와 비례상수는 국소 표면 장력 차이와 최대 속도를 변경한다.The initial concentration and proportionality constant at the capillary cross section change the local surface tension difference and maximum velocity.

휘발성 용액의 유형에 따라 내부 유속의 변화를 확인하기 위해 모세관 튜브 크기와 모세관과 액적 중심 사이의 거리가 일정한 모세관 튜브 크기로 각 휘발성 용액에 대해 5 번 이상의 실험을 수행하였다.In order to confirm the change of the internal flow rate according to the type of volatile solution, five or more experiments were performed on each volatile solution with a capillary tube size and a capillary tube size having a constant distance between the capillary tube and the center of the droplet.

국부 표면 장력 차이와 최대 속도 사이의 관계가 비례임을 확인할 수 있다.It can be seen that the relationship between the local surface tension difference and the maximum velocity is proportional.

도 15의 (a) 내지 (d)는 대상 액적 주위에 위치한 휘발성 물질에 의한 증기점의 개수가 각각 1 내지 4인 경우이고, (e)는 대상 액적 주위에 위치한 휘발성 물질에 의한 증기점이 없는 경우로서, 대상 액적 내부 유동 모양과 시간에 따른 혼합 정도를 나타낸 사진이고, 도 16은 도 15의 (a) 내지 (e)의 경우에 시간에 따른 표준 편차를 나타낸 그래프이며, 도 17은 도 15의 (a) 내지 (e)의 경우에 대상 액적이 완전히 혼합되는데 걸리는 시간을 나타낸 그래프이다.15A to 15D show the cases in which the number of vapor points due to volatile substances located around the target droplet is 1 to 4, respectively, and (e) shows the case where there is no vapor points due to volatile substances located around the target droplet. As, it is a photograph showing the shape of the flow inside the target droplet and the degree of mixing over time, FIG. 16 is a graph showing the standard deviation over time in the cases of FIGS. 15A to 15E, and FIG. In the cases (a) to (e), it is a graph showing the time it takes for the target droplet to be completely mixed.

이러한 유동제어 기술을 액적 내 혼합에 적용해 보았다. 도 15는 외부 증기점의 개수(N)를 1~4개로 조절했을 때의 액적 내 유동모양과 시간에 따른 혼합 정도를 나타낸 것이다. 에탄올과 아세톤을 이용했을 때 액적이 완전히 혼합 되는데 걸리는 시간은 도 17에 표시되어 있다.This flow control technique was applied to the mixing in droplets. 15 shows the flow shape in the droplet and the degree of mixing over time when the number of external vapor points (N) is adjusted to 1-4. The time taken for the droplets to be completely mixed when ethanol and acetone are used is shown in FIG. 17.

도 18은 미량 정량판 내의 대상 액적 혼합시 확산만을 이용한 경우 혼합에 소요되는 시간을 나타낸 사진이고, 도 19는 미량 정량판 내의 대상 액적 혼합시 거름종이에 휘발성 물질을 적신 다음 대상 액적에 노출시킨 경우 혼합에 소요되는 시간을 나타낸 사진이다.FIG. 18 is a photograph showing the time required for mixing when only diffusion is used when mixing target droplets in a trace quantitative plate, and FIG. 19 is a case where volatile substances are wetted in filter paper and exposed to target droplets when mixing target droplets in a trace quantitative plate This is a picture showing the time it takes to mix.

실제 응용을 위해 미량 정량판 내에서의 액적 혼합에 대해 실험했다.For practical application, the mixing of droplets in a micro-quantity plate was tested.

미량 정량판 내의 액적 샘플 혼합 시 확산만을 이용할 때(도 18)와 증기형 용질성 마랑고니 효과를 사용할 때(도 19), 혼합에 소요되는 시간 차이를 비교했다.The difference in time required for mixing was compared when using only diffusion when mixing a droplet sample in a trace quantity plate (FIG. 18) and when using the vapor-type solute marangoni effect (FIG. 19).

도 18은 미량 정량판에 액적을 위치시키기만 했고, 도 19는 거름종이에 아세톤을 적시고 약 7초 동안 액적에 노출시킨 후 거름종이를 제거하는 순서를 취해 실험을 진행했다. 덮개를 사용했을 때가 약 5배 빠르게 샘플 혼합이 진행되는 것을 확인할 수 있다.18 shows only the droplets are placed on the trace quantity plate, and in FIG. 19, the filter paper was soaked with acetone and exposed to the droplets for about 7 seconds, and then the filter paper was removed. It can be seen that sample mixing proceeds about 5 times faster when the cover is used.

[적용 및 응용분야][Application and application field]

기판 위 액적 기반 미세 유체 시스템은 경제성과 간단한 구성으로 인해 생물검정(bioassays), 질병진단, 코팅 및 프린팅 등의 다양한 분야에 적용되고 있다. The droplet-based microfluidic system on a substrate is applied in various fields such as bioassays, disease diagnosis, coating and printing due to its economical and simple configuration.

전술한 미세 유체 시스템의 성능은 대부분 얼마나 유동 제어를 효과적으로 할 수 있는지에 의존한다.The performance of the microfluidic system described above largely depends on how effectively flow control can be achieved.

따라서, 액적 내 내부 유동장에 대한 정밀한 분석은 선행적으로 이루어져야 한다.Therefore, a precise analysis of the internal flow field in the droplet must be carried out in advance.

그러므로, 정지 액적의 내부 유동장 제어 기술은 혼합, 입자 분리, 균일 코팅 방법의 개발에 적용될 수 있는 기술이다.Therefore, the technology for controlling the internal flow field of stationary droplets is a technology that can be applied to the development of mixing, particle separation, and uniform coating methods.

본 발명에서 제시하는 외부 휘발성 물질을 이용한 유동 제어 방식은 마랑고니 효과를 일으키고 나면 증발에 의해 외부로부터 공급된 증기가 자동으로 사라지므로 최종 샘플의 변화를 최소화할 수 있다.In the flow control method using an external volatile substance proposed in the present invention, since the vapor supplied from the outside is automatically disappeared by evaporation after the marangoni effect occurs, the change of the final sample can be minimized.

이러한 특성 때문에 세포 분리, 생물검정 등 온도나 외부조건에 민감한 샘플을 다뤄야 하는 공정에 용질성 마랑고니 효과를 적용할 수 있다.Because of these characteristics, the solute marangoni effect can be applied to processes that require handling samples sensitive to temperature or external conditions, such as cell separation and bioassay.

코팅 및 프린팅 공정에서 본 발명에서 제시한 방법을 사용하면 초기 시스템 설계 시 발생하는 비용을 절감할 수 있다.If the method proposed in the present invention is used in the coating and printing process, it is possible to reduce the cost incurred during initial system design.

기존에는 혼합 물질이 정해지면 다양한 혼합비의 후보 용액들을 준비하고 시행착오를 통해 공정에 최적화된 용액을 선정했다.Previously, when a mixture material was determined, candidate solutions with various mixing ratios were prepared, and a solution optimized for the process was selected through trial and error.

증기형 용질성 마랑고니 효과를 이용하면 별도의 혼합액을 만들 필요없이 증기노출면적, 증기점과 대상 액적 간의 거리를 조절해서 균일한 코팅을 진행할 수 있다.By using the vapor-type solute marangoni effect, uniform coating can be performed by controlling the vapor exposure area and the distance between the vapor point and the target droplet without having to make a separate mixture.

또한, 용질성 마랑고니 효과를 이용한 시스템은 구성이 간단하고 가격이 저렴하다는 장점을 가지고 있어 휴대용 미세 유체 시스템을 구성하기에 적합하다.In addition, the system using the solute marangoni effect is suitable for constructing a portable microfluidic system because it has the advantages of simple configuration and low price.

[시장성][marketability]

고령화 사회로 접어들면서 건강에 대한 사람들의 관심도가 지속적으로 증가하고 있다.As we enter an aging society, people's interest in health is constantly increasing.

이에 따라, 질병을 진단할 수 있는 기술에 대한 수요는 지속해서 증가하고 있다.Accordingly, the demand for technology capable of diagnosing diseases continues to increase.

글로벌 혈액진단기 시장 규모는 50조원에 이른다.The global blood diagnostic device market is worth 50 trillion won.

당뇨 측정기부터 암 진단기 등 다양한 혈액진단기가 시중에 출시되어있다. Various blood diagnostic devices such as diabetes meter to cancer diagnostic device are on the market.

시중에 상용화된 혈액검사 방법들을 사용하면 검사 뒤 결과를 얻기까지 2-3일의 시간이 소요된다.When using commercially available blood test methods, it takes 2-3 days to obtain results after the test.

이를 휴대용 질병진단 장치로 대체한다면 사용자들이 건강상태를 수시로 확인가능하고 누적된 데이터들을 통해 더욱 정확한 진단을 받을 수 있다는 장점이 있다.If this is replaced by a portable disease diagnosis device, there is an advantage that users can check their health status from time to time and receive more accurate diagnosis through accumulated data.

이러한 장점들로 인해 국내외 많은 바이오 기업이 소량의 혈액으로 다양한 질병을 조기 진단하는 기술에 대한 투자를 늘리고 있다.Due to these advantages, many domestic and foreign bio companies are increasing their investment in technology for early diagnosis of various diseases with a small amount of blood.

모바일 헬스케어 사업에서 중요한 요소 중 하나는 간단한 시스템과 경제성이다.One of the important factors in the mobile healthcare business is a simple system and economics.

따라서, 본 발명에서 제안하는 유동 제어 방식을 활용한다면 효율적인 질병 진단이 가능할 것으로 기대한다.Therefore, it is expected that effective disease diagnosis will be possible if the flow control method proposed in the present invention is used.

[기술 사업화 전망][Technology commercialization prospect]

본 기술은 하나의 증기점 당 한 쌍의 와류를 형성할 수 있다는 특징이 있다. This technique is characterized by the ability to form a pair of vortices per vapor point.

액적 내 다수의 와류를 발생시켜 효과적인 자가 혼합, 입자 분리 등을 수행할 수 있을 것으로 기대한다.It is expected that effective self-mixing and particle separation can be performed by generating a large number of vortices in the droplet.

다량의 액적을 내 유동을 제어하는 방법은 다음과 같은 것들이 있다.There are several ways to control the flow of large droplets.

액적 사이마다 알코올 증기 흐름을 형성해서 다량의 액적 내 유동을 동시에 일으키는 방법이 있다.There is a method of forming a flow of alcohol vapor between the droplets to simultaneously cause flow in a large amount of droplets.

그리고, 휘발성 물질을 부착시킨 용기를 미세 유체 시스템 위에 덮는다면 액적 내 마랑고니 유동을 일으킬 수 있다.In addition, if the container to which the volatile material is attached is covered over the microfluidic system, the flow of marangoni in the droplets may occur.

그 외에도 용질성 마랑고니 유동을 일으킬 수 있는 구조적 장치를 개발한다면 시스템에 최적화된 유동 조건을 만족시킬 수 있을 것이다.In addition, if a structural device capable of generating solute marangoni flow is developed, it will be possible to satisfy the flow conditions optimized for the system.

[본 발명의 적용이 가능한 기업][Companies applicable to the present invention]

소량의 혈액을 통해 질병을 진단하고 혈액을 이용해 치료제를 만드는 기술은 BBB, GC녹십자, 베르티스 등 헬스케어 및 바이오기업에서 지속해서 개발되고 있다. The technology for diagnosing diseases through a small amount of blood and making treatments using blood is continuously being developed by healthcare and bio companies such as BBB, GC Green Cross, and Bertis.

이러한 측면에서 추가 에너지원 없이 샘플을 혼합하고 입자들을 분리할 수 있는 기술은 유용하게 쓰일 것이다.In this respect, a technique capable of mixing samples and separating particles without an additional energy source would be useful.

또한, 용액공정을 이용한 OLED 제조 기술에 증기형 용질성 마랑고니 효과를 적용할 수 있다.In addition, the vapor-type solute marangoni effect can be applied to OLED manufacturing technology using a solution process.

용액공정은 진공증착 공정과 비교해서 낮은 설비 투자비용, 높은 재료 사용 효율 등의 장점을 가지고 있다.The solution process has advantages such as low equipment investment cost and high material use efficiency compared to the vacuum deposition process.

스핀코팅, 잉크젯 프린팅, 노즐 프린팅과 같은 습식 공정을 통해 박막을 형성하는 용액공정을 활용해 OLED 재료를 코팅할 때 알코올 증기를 노출시킨다면 균일한 퇴적층도 얻을 수 있고 공정을 간결하게 할 수 있을 것이다.If alcohol vapor is exposed when an OLED material is coated using a solution process that forms a thin film through a wet process such as spin coating, inkjet printing, and nozzle printing, a uniform deposition layer can be obtained and the process can be simplified.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면들에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형, 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited by the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible within the scope of the technical spirit of the present invention. It will be obvious to those of ordinary skill in the following.

1 : 케이스 2 : 모세관
3 : 유리 기판 4 : 현미경(렌즈)
5 : 광학 필터 6 : 카메라
D : 액적 F : 형광입자
1: case 2: capillary tube
3: glass substrate 4: microscope (lens)
5: optical filter 6: camera
D: droplet F: fluorescent particles

Claims (4)

밀폐된 케이스의 내부에 위치한 대상 액적 주변에 상기 대상 액적보다 표면 장력이 낮은 휘발성 물질이 채워진 모세관을 배치시키고,
상기 대상 액적의 중심과 모세관 사이의 거리, 및 모세관의 크기를 조절하면서 상기 대상 액적 내부 유동장의 크기 및 세기를 조절하는 것을 특징으로 하는 무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 기법.
A capillary tube filled with a volatile substance having a lower surface tension than the target droplet is disposed around the target droplet located inside the sealed case,
A non-powered microdroplet mixing and flow control technique, characterized in that, while adjusting the distance between the center of the target droplet and the capillary tube and the size of the capillary tube, the size and intensity of the flow field inside the target droplet are controlled.
청구항 1에 있어서,
상기 대상 액적의 주변에 상기 대상 액적보다 표면 장력이 낮은 휘발성 물질이 채워진 복수의 모세관이 이격되게 배치되는 것을 특징으로 하는 무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 기법.
The method according to claim 1,
A non-powered microdroplet mixing and flow control technique, characterized in that a plurality of capillaries filled with a volatile material having a lower surface tension than the target droplet are disposed around the target droplet to be spaced apart.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 대상 액적은 유리 기판 위에 위치하고, 상기 모세관은 상기 대상 액적과 소정 거리 이격되어 상기 유리 기판 위에 배치되며, 상기 모세관에서 증발한 휘발성 물질의 증기는 상기 유리 기판을 따라 상기 대상 액적 방향으로 확산되는 것을 특징으로 하는 무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 기법.
The method according to claim 1 or 2,
The target droplet is located on the glass substrate, the capillary is disposed on the glass substrate by being spaced apart from the target droplet by a predetermined distance, and the vapor of the volatile material evaporated from the capillary is diffused in the direction of the target droplet along the glass substrate. Non-powered microdroplet mixing and flow control technique characterized.
밀폐된 케이스의 내부에 대상 액적을 위치시키고,
상기 대상 액적보다 표면 장력이 낮은 휘발성 물질이 상기 케이스의 내부에 부착되며,
상기 대상 액적과 휘발성 물질과의 거리를 조절하면서 상기 대상 액적 내부 유동장의 크기 및 세기를 조절하는 것을 특징으로 하는 무동력 미소액적 혼합 및 유동제어 기법.
Place the target droplet inside the sealed case,
A volatile material having a lower surface tension than the target droplet is attached to the inside of the case,
A non-powered microdroplet mixing and flow control technique, characterized in that the size and intensity of the flow field inside the target droplet are controlled while controlling the distance between the target droplet and the volatile material.
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