KR20230041545A - 광마이크로 반응기 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
광마이크로 반응기가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 의한 광마이크로 반응기는 반응물 및 광촉매가 내부에서 유동하며 광화학반응이 일어나는 유동 모듈을 포함하는 광마이크로 반응기로서, 상기 유동 모듈은, 형광 염료가 도핑되고 소정의 두께를 갖는 제 1 집광판; 상기 제 1 집광판의 일측에 형성되고 상기 반응물 및 광촉매가 유입되는 제 1 유입구; 상기 제 1 집광판의 타측에 형성되고 상기 광화학반응에 의해 생성되는 생성물 및 광촉매가 유출되는 제 1 유출구; 및 상기 제 1 집광판의 내부에 형성되어 상기 제 1 유입구와 상기 제 1 유출구를 연결하는 제 1 채널을 포함한다.
Description
본 발명은 광마이크로 반응기 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세히, 유기 광촉매 또는 유기 용매에 노출되어도 화학적으로 안정된 상태를 유지할 수 있는 발광형 태양광 집광기 기반의 광마이크로 반응기 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
광화학반응은 빛을 흡수함으로써 발생하는 화학 반응을 의미한다. 광화학반응은 빛에너지를 흡수하여 광화학반응을 개시하고 광화학반응을 촉진하는 광촉매에 의해 높은 반응속도로 이루어질 수 있다.
이러한 광촉매 중 유기 염료계 광촉매는 접근성이 높고 환경 친화성으로 인해 금속계 광촉매에 대한 대안으로 고려되어 왔으며, 광화학반응의 빛에너지원으로서 지속가능성을 갖는 태양광을 이용하는 방안이 고려되어 왔다.
또한, 마이크로 반응기의 높은 표면 대 부피 비에 의한 빠른 질량 및 열 전달 속도를 통하여 광화학반응의 효율 및 속도를 개선하고, 더 짧은 광 경로 및 균일한 광분포를 제공할 수 있으므로 광화학반응을 가속화할 수 있었다.
따라서, 유기 화학 및 제약 산업은 태양광 및 유기 염료계 광촉매가 이용되는 광화학반응 및 이러한 광화학반응이 일어나는 광마이크로 반응기에 대하여 많은 관심을 가져왔다.
그러나, 유기 염료계 광촉매는 금속계 광촉매에 비하여 비효율적인 문제가 있어왔다. 종래에는 이러한 문제를 해결하기 위해 태양 전지에 사용되는 발광형 태양광 집광기(LSC, Luminescence solar concentrator)를 광마이크로 반응기에 도입하여 왔다. 발광형 태양광 집광기는 넓은 면적에 걸쳐 태양광을 수집하고 이를 목표 파장으로 전환하여 비교적 좁은 면적으로 전달할 수 있었다.
이러한 종래의 발광형 태양광 집광기 기반 광마이크로 반응기(LSC-PM, LSC-based photomicroreactor)는 형광 염료가 도핑된 PDMS(polydimethylsiloxane) 또는 PMMA(polymethylmethacrylate)를 사용하여 소프트 리소그래피(soft lithography) 또는 모세관 내장법(capillary embedding method)을 통해 제조되어 왔다.
그러나 PDMS 및 PMMA를 사용하여 제조된 LSC-PM은 대부분의 유기 용매에 노출될 경우에 높은 팽윤 현상을 일으키며 파괴되는 문제가 있었으며, 팽윤 현상에 의하여 LSC-PM의 내부에 도핑된 형광 염료가 유기 용매로 침출되는 문제가 있어왔다. 또한, 유기 염료계 광촉매가 LSC-PM 내부 채널의 벽에 침착되는 문제가 있어 왔다.
따라서, 유기 광촉매 또는 유기 용매에 노출되어도 화학적으로 안정된 상태를 유지할 수 있어 다양한 유기 광촉매 또는 유기 용매와 호환될 수 있는 발광형 태양광 집광기 기반의 광마이크로 반응기 및 이의 제조 방법이 요구되어 왔다.
또한, 광마이크로 반응기를 제조하기 위한 소프트 리소그래피와 같은 종래의 방법은 다단계 가공을 필요로 하고, 많은 시간, 비용 및 숙련도를 필요로 해 왔으며, 마이크로 반응기와 같은 소형 장치에 적합하지 않은 문제가 있었다.
따라서, 종래의 제조 방법에 비하여 높은 숙련도를 요구하지 않고, 시간, 비용을 절감할 수 있으며 복잡한 소형 장치의 제조에 적합한 3차원 프린팅을 이용할 수 있는 광마이크로 반응기 및 이의 제조 방법의 개발이 요구되어 왔다.
또한, 광화학반응의 효율을 개선하고 높은 처리량 및 전환율을 달성하기 위해 광마이크로 반응기의 설계 파라미터를 제어할 수 있고, 소형화 및 모듈화가 이루어진 광마이크로 반응기 및 이의 제조방법이 요구되어 왔다.
이때, 마이크로 반응기의 모듈화가 이루어질 경우, 복수의 모듈의 결합부에서 발생할 수 있는 유체의 누출 문제가 있었으며, 마이크로 반응기의 소형화가 이루어질 경우, 소형화된 복수의 모듈의 배열 및 정열이 용이하지 않은 문제가 있어왔다.
따라서, 상술한 문제점을 해결하면서도 소형화 및 모듈화에 따른 광화학반응의 효율을 개선 및 높은 처리량과 전환율을 달성할 수 있는 광마이크로 반응기 및 이의 제조방법의 개발이 요구되어 왔다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 유기 광촉매 또는 유기 용매에 노출되어도 화학적으로 안정된 상태를 유지할 수 있어 다양한 유기 광촉매 또는 유기 용매와 호환될 수 있는 발광형 태양광 집광기 기반의 광마이크로 반응기 및 이의 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 제조 과정에 높은 숙련도를 요구하지 않으며, 제조 과정에 투입되는 시간 및 비용을 절감할 수 있는 광마이크로 반응기 및 이의 제조 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
또한, 광화학반응의 전환율과 처리량을 개선할 수 있는 광마이크로 반응기 및 이의 제조 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
또한, 스스로 일정한 배열로 정렬될 수 있으며 내부를 흐르는 유체의 누출을 방지할 수 있는 복수의 모듈을 포함하는 광마이크로 반응기 및 이의 제조 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 반응물 및 광촉매가 내부에서 유동하며 광화학반응이 일어나는 유동 모듈을 포함하는 광마이크로 반응기로서, 상기 유동 모듈은, 형광 염료가 도핑되고 소정의 두께를 갖는 제 1 집광판; 상기 제 1 집광판의 일측에 형성되고 상기 반응물 및 광촉매가 유입되는 제 1 유입구; 상기 제 1 집광판의 타측에 형성되고 상기 광화학반응에 의해 생성되는 생성물 및 광촉매가 유출되는 제 1 유출구; 및 상기 제 1 집광판의 내부에 형성되어 상기 제 1 유입구와 상기 제 1 유출구를 연결하는 제 1 채널을 포함하는, 광마이크로 반응기가 제공된다.
이때, 상기 제 1 채널은, 상기 제 1 유출구과 상기 제 1 유입구 사이에 복수개의 열이 배열되도록 지그재그방식으로 형성되어 하나의 유로를 이룰 수 있다.
이때, 상기 광촉매는 유기 염료계 광촉매이고, 상기 제 1 집광판은 퍼플루오로폴리에테르-우레탄 메타크릴레이트(perfluoropolyether-urethane methacrylate)를 더 포함하는 광경화성 수지를 이용하여 제조될 수 있다.
이때, 상기 제 1 집광판은 입사되는 태양광에 수직하는 정육각형의 평면을 가질 수 있다.
이때, 상기 제 1 유입구는 상기 정육각형을 형성하는 일 변의 중심에 형성되며, 상기 제 1 유출구는 타 변의 중심에 형성될 수 있다.
이때, 상기 제 1 유입구는 상기 정육각형의 일 변의 중심에 형성되며, 상기 제 1 유출구는 상기 일 변에 대향하는 변의 중심에 형성될 수 있다.
이때, 상기 복수개의 열은 제 1 열 및 상기 제 1 열에 인접한 제 2 열을 포함하고, 상기 제 1 채널의 직경과 상기 제 1 열과 상기 제 2 열 사이의 거리는 하기의 관계식을 만족할 수 있다.
1 ≤ L/D ≤ 6 (D : 채널의 직경, L : 제 1 열과 제 2 열 사이의 거리)
이때, 상기 유동 모듈은 상기 제 1 유입구의 양측에 대칭으로 구비되는 제 1 자석쌍; 및 상기 제 1 유출구의 양측에 대칭으로 구비되어 상기 제 1 자석쌍과 자기력에 의해 결합될 수 있는 제 2 자석쌍을 포함할 수 있다.
이때, 상기 제 1 유입구 및 상기 제 1 유출구 각각에는 오 링이 구비될 수 있다.
이때, 상기 유동 모듈은 복수개이며, 상기 복수의 유동 모듈은 제 1 유동 모듈 및 제 2 유동 모듈을 포함하고, 상기 제 1 유동 모듈의 제 2 자석 쌍과 상기 제 2 유동 모듈의 제 1 자석 쌍이 결합하여, 상기 제 1 유동 모듈의 제 1 유출구과 상기 제 2 유동 모듈의 제 1 유입구가 연결될 수 있다.
이때, 분배 모듈을 더 포함하고, 상기 분배 모듈은, 형광 염료가 도핑되고 소정의 두께를 갖는 제 2 집광판; 상기 제 2 집광판의 일면에 형성되며 상기 반응물 및 상기 광촉매가 상기 집광판의 내부로 유입되는 제 2 유입구; 상기 제 2 집광판의 내부로 유입된 상기 반응물 및 상기 광촉매가 상기 제 2 집광판의 외부로 유출되는 복수의 제 2 유출구; 및 상기 제 2 유입구 및 상기 복수의 제 2 유출구를 연결하도록 상기 제 2 집광판의 내부에 형성되는 제 2 채널을 포함하고, 상기 유동 모듈은 복수개이며, 상기 복수의 제 2 유출구 각각에는 상기 복수의 유동 모듈 중 어느 하나의 제 1 유입구가 연결될 수 있다.
이때, 상기 분배 모듈은 상기 제 2 유출구의 양측에 대칭으로 구비되며 상기 제 1 자석쌍과 자기력에 의해 결합될 수 있는 제 3 자석쌍을 더 포함하여, 상기 제 1 자석쌍과 상기 제 3 자석쌍이 결합함으로써 상기 제 2 유출구에는 상기 복수의 유동 모듈 중 어느 하나의 제 1 유입구가 연결될 수 있다.
이때, 상기 제 2 집광판은 상기 제 1 집광판의 정육각형과 같은 크기의 정육각형으로 형성되는 평면을 갖고, 상기 복수의 제 2 유출구 각각은 상기 정육각형의 변의 중심에 형성되어, 상기 분배 모듈을 중심으로 상기 복수의 유동 모듈이 방사 방향으로 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 광화학반응의 반응물 및 유기 염료계 광촉매가 내부에서 유동하며 상기 광화학반응이 일어나는 광마이크로 반응기 제조 방법으로서, (Ⅰ) 중합체 및 형광 염료를 이용하여 상기 형광 염료가 도핑된 수지를 제조하는 단계; (Ⅱ) 상기 (Ⅰ)단계에서 제조된 상기 수지의 내화학성을 확인하는 단계; (Ⅲ) 상기 (Ⅱ)단계에서 확인된 상기 내화학성을 토대로 상기 광마이크로 반응기의 설계 파라미터를 최적화하는 단계; 및 (Ⅳ) 상기 수지를 이용하여 상기 (Ⅲ)단계에서 최적화된 상기 설계 파라미터를 토대로 광마이크로 반응기를 제조하는 단계를 포함하는, 광마이크로 반응기 제조 방법이 제공된다.
이때, 상기 (Ⅰ)단계에서는, 상기 중합체 및 상기 형광 염료 중 적어도 하나가 다른 종류인 복수개의 수지를 제조하고, 상기 (Ⅱ)단계 이후에는, 상기 (Ⅱ)단계에서 확인된 상기 내화학성을 토대로 상기 복수의 수지 중 어느 하나를 선택하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 (Ⅱ) 단계는, (Ⅱ-1) 상기 수지를 이용하여 검체를 제조하는 단계; (Ⅱ-2) 상기 검체를 용매 또는 유기 염료계 광촉매에 노출시키는 단계; 및 (Ⅱ-3) 상기 검체를 상기 용매 또는 상기 유기 염료계 광촉매에 노출시킴으로써 발생되는 상기 검체, 상기 용매 또는 상기 유기 염료계 광촉매의 물리적 및 화학적 특성을 확인하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 검체의 물리적 및 화학적 특성은, 상기 용매에 노출된 상기 검체의 팽윤, 상기 검체로부터 상기 형광 염료의 침출 또는 상기 유기 염료계 광촉매에 의한 상기 검체의 착색 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이때, (Ⅲ-1) 확인된 상기 내화학성을 토대로 상기 설계 파라미터가 변화된 복수개의 실험체를 제공하는 단계; (Ⅲ-2) 상기 복수의 실험체의 상기 광화학반응의 효율을 확인하는 단계; 및 (Ⅲ-3) 확인된 상기 효율을 토대로 상기 설계 파라미터를 최적화하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 검사체는, 상기 형광 염료가 도핑되고 소정의 두께를 갖는 제 4 집광판 및 상기 집광판의 내부에 복수개의 열이 배열되도록 지그재그방식으로 형성되어 전체적으로 하나의 유로를 형성하는 제 4 채널을 포함하며, 상기 설계 파라미터는 복수개이고, 상기 복수의 설계 파라미터는 상기 제 4 집광판의 두께와 상기 제 4 채널의 직경의 비 또는 상기 복수개의 열 사이의 간격과 상기 제 4 채널의 직경의 비를 포함할 수 있다.
이때, 상기 수지는 광개시제를 더 포함하는 광경화성 수지이고, 상기 (Ⅱ)단계 이전에, 상기 (Ⅰ)단계에서 제조된 광경화성 수지를 토대로 상기 3차원 프린팅 과정을 최적화하는 단계를 더 포함하고, 상기 (Ⅳ)단계는, 상기 제조된 광경화성 수지를 이용하여 상기 광마이크로 반응기를 3차원 프린팅하여 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 수지의 유기 용매 및 유기 염료계 광촉매에 대한 내화학성을 확인하고, 확인된 내화학성을 갖는 수지를 이용하여 광마이크로 반응기를 제조하여, 다양한 유기 광촉매 또는 유기 용매와 호환될 수 있는 광마이크로 반응기를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 복잡한 소형 장치의 제조에 적합하고 높은 숙련도를 요구하지 않는 3차원 프린팅 방법을 사용하여 광마이크로 반응기를 제조하므로, 광마이크로 반응기의 제조 과정에 투입되는 시간 및 비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 소형화된 복수의 모듈로 광마이크로 반응기를 구성하고 복수의 모듈의 배열을 제어함으로써, 광화학반응의 전환율 및 처리량의 개선을 달성할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 수지의 확인된 내화학성을 토대로 광마이크로 반응기의 설계 파라미터를 최적화하여, 광화학반응의 전환율을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 광마이크로 반응기를 구성하는 모듈의 유출구 및 유입구에 오링을 설치하고, 유출구 및 유입구에 인접한 위치에 자석쌍을 구비하여 복수의 모듈이 자기력에 의하여 결합되도록 함으로써, 복수의 모듈이 스스로 정렬될 수 있으며, 복수의 모듈 사이에서 발생할 수 있는 유체의 누출을 방지할 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1의 (a)는 퍼플루오로폴리에테르-우레탄 메타크릴레이트(PFPE, Perfluoropolyether-urethane dimethacrylate), 페닐포스핀옥사이드(PPO, Phenylbis phosphine oxide), 2-이소프로필티오크산톤(ITX, 2-Isopropylthioxanthone) 및 쿠마린 6(C6, Courmarin 6)의 구조식이고, 도 1의 (b)는 3D 프린터(Agisa Pico2)의 UV LED에서 방출되는 스펙트럼 및 PPO, ITX 및 쿠마린 6의 흡수 스펙트럼을 비교한 그래프이고, 도 1의 (c)는 광경화성 수지에 포함된 쿠마린 6의 농도에 따른 3차원 프린팅된 구조체의 사진 도 1의(d) UV의 노광 시간에 따라 다양한 농도의 쿠마린 6를 포함하는 PFPE 기반 수지의 층 두께를 비교한 그래프이고, 도 1의 (e)는 쿠마린 6를 포함하는 광경화성 수지를 이용하여 3차원 프린팅된 채널 구조와 쿠마린 6를 포함하지 않는 광경화성 수지를 이용하여 3차원 프린팅된 채널 구조의 사진이다.
도 2의 (a)는 쿠마린 6가 도핑된 퍼플루오로폴리에테르-우레탄 메타크릴레이트(PFPE, Perfluoropolyether-urethane dimethacrylate) 기반 수지를 이용하여 3차원 프린팅된 집광판의 흡수 및 방출 스펙트럼, 로즈벤갈(Rosebengal)의 흡수 스펙트럼 및 에오신Y(Eosin-Y)의 흡수 스펙트럼을 비교한 그래프이고, 도 2의 (b)는 로즈벤갈, 에오신Y에 의한 발광의 퀀칭 현상을 보여주는 그래프이다.
도 3의 (a)는 다양한 용매에 노출된 퍼플루오로폴리에테르-우레탄 메타크릴레이트(PFPE, Perfluoropolyether-urethane dimethacrylate) 검체, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA, polymethylmethacrylate) 검체 및 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane) 검체의 형태 및 색 변화를 보여주는 사진이고, 도 3의 (b)는 다양한 용매에 노출된 PFPE 검체, PMMA 검체 및 PDMS 검체의 질량 증가를 나타낸 그래프이고, 도 3의 (c)는 검체로부터 용매로 침출된 쿠마린 6의 침출 정도를 보여주는 UV-Vis 스펙트럼이다.
도 4의 (a)는 다양한 용매에 노출된 쿠마린 6가 도핑된 퍼플루오로폴리에테르-우레탄 메타크릴레이트(PFPE, Perfluoropolyether-urethane dimethacrylate) 검체, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA, polymethylmethacrylate) 검체 및 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane) 검체의 모양 변화를 육안으로 확인할 수 있는 사진이고, 도 4의 (b)는 쿠마린 6가 도핑된 PFPE 검체, PMMA 검체 및 PDMS 검체가 노출되었던 다양한 용매의 쿠마린 6 침출 정도를 육안으로 확인할 수 있는 사진이다.
도 5의 (a)는 슬라이드 글라스에 얇은 두께의 퍼플루오로폴리에테르-우레탄 메타크릴레이트(PFPE, Perfluoropolyether-urethane dimethacrylate) 수지, 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane) 수지 및 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA, polymethylmethacrylate) 수지가 코팅된 슬라이드 글라스에 로즈벤갈이 착색된 정도를 육안으로 비교할 수 있는 사진이고, 도 5의 (b)는 PFPE 수지, PDMS 수지 및 PMMA 수지에 로즈벤갈이 착색된 정도를 비교할 수 있는 UV-Vis 스팩트럼이고, 도 5의 (c)는 슬라이드 글라스에 얇은 두께의 PFPE 수지, PDMS 수지 및 PMMA 수지가 코팅된 슬라이드 글라스에 에오신Y가 착색된 정도를 육안으로 비교할 수 있는 사진이고, 도 5의 (d)는 PFPE 수지, PDMS 수지 및 PMMA 수지에 에오신Y가 착색된 정도를 비교할 수 있는 UV-Vis 스팩트럼이다.
도 6의 (a)는 청색광 하에서 실험체에 의한 광화학반응의 효율을 시험하기 위한 장비의 사진이고, 도 6의 (b)는 백색광 하에서 실험체에 의한 광화학반응의 효율을 시험하기 위한 장비의 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기 제조 방법의 설계 파라미터를 최적화하는 단계에 사용되는 실험체의 사시도이다. 발명의 설명을 위해서 집광판은 점선으로 표시되었으며, 집광판에 의해 투시되는 구성은 실선으로 표시되었다.
도 8의 (a)는 채널을 이루는 복수개의 열 사이의 간격을 변화시킨 실험체들의 도면 및 사진이고, 도 8의 (b)는 실험체 내부에서 일어나는 광화학반응의 반응식이고, 도 8의 (c)는 채널간의 간격과 광화학반응의 전환율을 나타낸 표이고, 도 8의 (d)는 채널의 직경에 대한 채널을 이루는 복수개의 열 사이의 간격의 비와 광화학반응의 전환율과의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 9의 (a)는 집광판의 두께를 변화시킨 실험체들의 도면 및 사진이고, 도9 의(b)는 실험체 내부에서 일어나는 광화학반응의 반응식이고, 도 9의 (c)는 집광판의 두께와 광화학반응의 전환율을 나타낸 표이고, 도 9의 (d)는 채널의 직경에 대한 집광판의 두께의 비와 광화학반응의 전환율과의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 10의 (a)는 정적 혼합기가 구비된 실험체와 정적 혼합기가 구비되지 않은 실험체의 평면도 및 사진이고, 도 10의 (b)는 실험체 내부에서 일어나는 광화학반응의 반응식이고, 도 10의 (c)는 정적 혼합기의 유무와 광화학반응의 전환율을 나타낸 표이다.
도 11는 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기의 유동 모듈의 사시도이다. 이때, 발명의 설명을 위해서 제 1 집광판은 점선으로 표시되었고, 제 1 집광판에 의해 투시된 구성은 실선으로 표시되었다.
도 12의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기의 분배 모듈의 사시도이고, 도 12의 (b)는 분배 모듈의 제 2 채널의 사시도이다. 이때, 도 12의 (a)는 발명의 설명을 위해서 제 2 집광판은 점선으로 표시되었고, 제 2 집광판에 의해 투시된 구성은 실선으로 표시되었다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기의 분배 모듈의 유량 분배에 대한 수치 해석 및 실험 결과를 나타낸다. 도 13의 (a)는 수치 분석에 의하여 얻은 유량이 30 ul/min인 속도장 컨투어(contour)를 나타낸다. 도 13의 (b)는 분배 모듈의 실험 결과를 도시한 막대 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기의 커넥터의 사시도이다. 이때, 발명의 설명을 위해서 제 3 집광판은 점선으로 표시되었고, 제 3 집광판에 의해 투시된 구성은 실선으로 표시되었다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기의 직선형 결합체의 평면도이다. 이때, 발명의 설명을 위해서 제 1 집광판 및 제 2 집광판에 의해 투시된 구성은 점선으로 표시되었으며, 오링은 도시되지 않았다.
도 16의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기의 직선형 결합체 내부에서 일어나는 광화학반응의 반응식이고, 도 16의 (b)는 형광 염료를 도핑한 직선형 결합체의 유동 모듈의 개수에 따른 광화학반응의 전환율과 형광 염료를 도핑하지 않은 직선형 결합체의 유동 모듈의 개수에 따른 광화학반응의 전환율을 비교한 그래프이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기의 방사형 결합체의 평면도이다. 이때, 발명의 설명을 위해서 제 1 집광판, 제 2 집광판 및 제 3 집광판에 의해 투시된 구성은 점선으로 표시되었으며, 오링은 도시되지 않았다.
도 18의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기의 방사형 결합체 내부에서 일어나는 광화학반응의 반응식이고, 도 18의 (b)는 형광 염료를 도핑한 방사형 결합체의 유동 모듈, 형광 염료를 도핑한 단일 유동 모듈 및 형광 염료를 도핑하지 않은 단일 유동 모듈의 전환율을 비교한 그래프이다.
도 2의 (a)는 쿠마린 6가 도핑된 퍼플루오로폴리에테르-우레탄 메타크릴레이트(PFPE, Perfluoropolyether-urethane dimethacrylate) 기반 수지를 이용하여 3차원 프린팅된 집광판의 흡수 및 방출 스펙트럼, 로즈벤갈(Rosebengal)의 흡수 스펙트럼 및 에오신Y(Eosin-Y)의 흡수 스펙트럼을 비교한 그래프이고, 도 2의 (b)는 로즈벤갈, 에오신Y에 의한 발광의 퀀칭 현상을 보여주는 그래프이다.
도 3의 (a)는 다양한 용매에 노출된 퍼플루오로폴리에테르-우레탄 메타크릴레이트(PFPE, Perfluoropolyether-urethane dimethacrylate) 검체, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA, polymethylmethacrylate) 검체 및 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane) 검체의 형태 및 색 변화를 보여주는 사진이고, 도 3의 (b)는 다양한 용매에 노출된 PFPE 검체, PMMA 검체 및 PDMS 검체의 질량 증가를 나타낸 그래프이고, 도 3의 (c)는 검체로부터 용매로 침출된 쿠마린 6의 침출 정도를 보여주는 UV-Vis 스펙트럼이다.
도 4의 (a)는 다양한 용매에 노출된 쿠마린 6가 도핑된 퍼플루오로폴리에테르-우레탄 메타크릴레이트(PFPE, Perfluoropolyether-urethane dimethacrylate) 검체, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA, polymethylmethacrylate) 검체 및 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane) 검체의 모양 변화를 육안으로 확인할 수 있는 사진이고, 도 4의 (b)는 쿠마린 6가 도핑된 PFPE 검체, PMMA 검체 및 PDMS 검체가 노출되었던 다양한 용매의 쿠마린 6 침출 정도를 육안으로 확인할 수 있는 사진이다.
도 5의 (a)는 슬라이드 글라스에 얇은 두께의 퍼플루오로폴리에테르-우레탄 메타크릴레이트(PFPE, Perfluoropolyether-urethane dimethacrylate) 수지, 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane) 수지 및 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA, polymethylmethacrylate) 수지가 코팅된 슬라이드 글라스에 로즈벤갈이 착색된 정도를 육안으로 비교할 수 있는 사진이고, 도 5의 (b)는 PFPE 수지, PDMS 수지 및 PMMA 수지에 로즈벤갈이 착색된 정도를 비교할 수 있는 UV-Vis 스팩트럼이고, 도 5의 (c)는 슬라이드 글라스에 얇은 두께의 PFPE 수지, PDMS 수지 및 PMMA 수지가 코팅된 슬라이드 글라스에 에오신Y가 착색된 정도를 육안으로 비교할 수 있는 사진이고, 도 5의 (d)는 PFPE 수지, PDMS 수지 및 PMMA 수지에 에오신Y가 착색된 정도를 비교할 수 있는 UV-Vis 스팩트럼이다.
도 6의 (a)는 청색광 하에서 실험체에 의한 광화학반응의 효율을 시험하기 위한 장비의 사진이고, 도 6의 (b)는 백색광 하에서 실험체에 의한 광화학반응의 효율을 시험하기 위한 장비의 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기 제조 방법의 설계 파라미터를 최적화하는 단계에 사용되는 실험체의 사시도이다. 발명의 설명을 위해서 집광판은 점선으로 표시되었으며, 집광판에 의해 투시되는 구성은 실선으로 표시되었다.
도 8의 (a)는 채널을 이루는 복수개의 열 사이의 간격을 변화시킨 실험체들의 도면 및 사진이고, 도 8의 (b)는 실험체 내부에서 일어나는 광화학반응의 반응식이고, 도 8의 (c)는 채널간의 간격과 광화학반응의 전환율을 나타낸 표이고, 도 8의 (d)는 채널의 직경에 대한 채널을 이루는 복수개의 열 사이의 간격의 비와 광화학반응의 전환율과의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 9의 (a)는 집광판의 두께를 변화시킨 실험체들의 도면 및 사진이고, 도9 의(b)는 실험체 내부에서 일어나는 광화학반응의 반응식이고, 도 9의 (c)는 집광판의 두께와 광화학반응의 전환율을 나타낸 표이고, 도 9의 (d)는 채널의 직경에 대한 집광판의 두께의 비와 광화학반응의 전환율과의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 10의 (a)는 정적 혼합기가 구비된 실험체와 정적 혼합기가 구비되지 않은 실험체의 평면도 및 사진이고, 도 10의 (b)는 실험체 내부에서 일어나는 광화학반응의 반응식이고, 도 10의 (c)는 정적 혼합기의 유무와 광화학반응의 전환율을 나타낸 표이다.
도 11는 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기의 유동 모듈의 사시도이다. 이때, 발명의 설명을 위해서 제 1 집광판은 점선으로 표시되었고, 제 1 집광판에 의해 투시된 구성은 실선으로 표시되었다.
도 12의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기의 분배 모듈의 사시도이고, 도 12의 (b)는 분배 모듈의 제 2 채널의 사시도이다. 이때, 도 12의 (a)는 발명의 설명을 위해서 제 2 집광판은 점선으로 표시되었고, 제 2 집광판에 의해 투시된 구성은 실선으로 표시되었다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기의 분배 모듈의 유량 분배에 대한 수치 해석 및 실험 결과를 나타낸다. 도 13의 (a)는 수치 분석에 의하여 얻은 유량이 30 ul/min인 속도장 컨투어(contour)를 나타낸다. 도 13의 (b)는 분배 모듈의 실험 결과를 도시한 막대 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기의 커넥터의 사시도이다. 이때, 발명의 설명을 위해서 제 3 집광판은 점선으로 표시되었고, 제 3 집광판에 의해 투시된 구성은 실선으로 표시되었다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기의 직선형 결합체의 평면도이다. 이때, 발명의 설명을 위해서 제 1 집광판 및 제 2 집광판에 의해 투시된 구성은 점선으로 표시되었으며, 오링은 도시되지 않았다.
도 16의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기의 직선형 결합체 내부에서 일어나는 광화학반응의 반응식이고, 도 16의 (b)는 형광 염료를 도핑한 직선형 결합체의 유동 모듈의 개수에 따른 광화학반응의 전환율과 형광 염료를 도핑하지 않은 직선형 결합체의 유동 모듈의 개수에 따른 광화학반응의 전환율을 비교한 그래프이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기의 방사형 결합체의 평면도이다. 이때, 발명의 설명을 위해서 제 1 집광판, 제 2 집광판 및 제 3 집광판에 의해 투시된 구성은 점선으로 표시되었으며, 오링은 도시되지 않았다.
도 18의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기의 방사형 결합체 내부에서 일어나는 광화학반응의 반응식이고, 도 18의 (b)는 형광 염료를 도핑한 방사형 결합체의 유동 모듈, 형광 염료를 도핑한 단일 유동 모듈 및 형광 염료를 도핑하지 않은 단일 유동 모듈의 전환율을 비교한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부가한다. 또한, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서, 도면에 도시된 구성 요소들과의 상관 관계를 설명하기 위해 공간적으로 상대적인 용어인 "전방", "후방", "상부" 또는 "하부" 등이 사용될 수 있다. 이들은 도면 상 도시된 것을 기준으로 정하여진 상대적인 용어들로서 배향에 따라 위치 관계는 반대로 해석될 수도 있다.
또한, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "전방", "후방", "상부" 또는 "하부"에 있다는 것은 특별한 사정이 없는 한 다른 구성 요소와 바로 접하여 "전방", "후방", "상부" 또는 "하부"에 배치되는 것뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 구성 요소가 배치되는 경우도 포함한다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예를 통하여 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명하는 실시예에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 이하의 실시예에 의해 본 발명이 제한되어서는 안 된다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기 제조 방법에 대해설명한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기 제조 방법에 의하면, 광마이크로 반응기를 이루는 광경화성 수지를 제조한 후, 광경화성 수지의 유기 용매 및 유기 염료계 광촉매에 대한 내화학성을 우선적으로 확인함으로써 다양한 유기 광촉매 또는 유기 용매에 호환되는 광마이크로 반응기를 제조할 수 있다.
또한, 광경화성 수지의 확인된 내화학성을 토대로 3차원 프린팅 방법을 이용하여 광마이크로 반응기를 제조함으로써, 광마이크로 반응기의 제조 과정에 투입되는 시간 및 비용을 절감할 수 있고, 광마이크로 반응기를 소형으로 제조할 수 있다.
나아가, 광경화성 수지의 확인된 내화학성을 토대로 광마이크로 반응기의 설계 파라미터를 최적화하여, 광화학반응의 효율이 개선된 광마이크로 반응기를 제공할 수 있다.
한편, 광화학반응의 효율은 광화학반응이 일어난 정도를 확인할 수 있는 지표를 의미할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 광화학반응의 효율은 광화학반응의 반응물의 전환율(Conversion)을 의미할 수 있다. 이때, 광화학반응의 전환률(Conversion)은 광화학반응이 이루어진 반응물의 몰수와 광화학반응을 위해 공급된 반응물의 몰수의 비를 의미할 수 있다. 광화학반응의 전환률은 후술하는 표 또는 그래프에서 백분율로 표시될 수 있다.
광화학반응은 빛에너지를 흡수하여 일어나는 화학 반응을 의미할 수 있으며, 광화학반응은 광촉매를 이용하여 높은 반응 속도로 이루어질 수 있다. 광촉매는 빛에너지를 흡수하여 광화학반응을 개시하고 광화학반응을 촉진하는 물질을 의미할 수 있다.
한편, 광화학반응 및 광촉매의 종류는 목적하는 생성물의 종류, 수량 및 농도 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 광화학반응은 C-C 결합을 형성하는 아자-헨리 반응(Aza-Henry reaction, 이하 ‘제 1 반응’이라 한다) 및 C-P 결합 형성을 위한 반응(이하, ‘제 2 반응’이라 한다)이 채택되었다. 또한, 광촉매는 제 1 반응에 대하여 로즈벤갈(RB, Rosebengal) 및 제 2 반응에 대하여 에오신Y(EY, Eosin-Y)가 채택되었다. 제 1 반응 및 제 2 반응은 도 15의 (a) 및 도 17의 (a)에 도시된 화학 반응식으로 표시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 달리 명시되지 않는 한 모든 시약 및 용매는 Sigma Aldrich(St. Louis, USA)에서 구입되었고, 추가적인 정제 과정 없이 사용되었다.
보다 상세히, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 마이크로 반응기 제조 방법은 (Ⅰ) 중합체 및 형광 염료를 이용하여 상기 형광 염료가 도핑된 수지를 제조하는 단계; (Ⅱ) (Ⅰ)단계에서 제조된 수지의 내화학성을 확인하는 단계; (Ⅲ) (Ⅱ)단계에서 확인된 내화확성을 토대로 광마이크로 반응기의 설계 파라미터를 최적화하는 단계; 및 (Ⅳ) 수지를 이용하여 (Ⅲ)단계에서 최적화된 설계 파라미터를 토대로 광마이크로 반응기를 제조하는 단계를 포함한다.
(Ⅰ)단계 - 중합체 및 형광 염료를 이용하여 상기 형광 염료가 도핑된 수지를 제조
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기 제조 방법에서는 중합체 및 형광 염료를 이용하여 상기 형광 염료가 도핑된 광경화성 수지를 제조한다[(Ⅰ) 단계].
이 때, 수지(resin)는 제조 공정의 특성, 제조되는 광마이크로 반응기의 물성 등을 고려하여 다른 물질을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 수지는 광개시제를 더 포함하는 광경화성 수지로 제조될 수 있다. 또한, 다른 화학 구조식을 갖는 복수의 중합체, 광개시제 또는 형광 염료를 동시에 포함할 수 있음은 물론이다.
이때, 중합체(polymer)는 화학적 합성에 의해 단위체가 반복되어 연결되는 고분자를 의미할 수 있으며, 광개시제(photoinitiator)는 자외선(UV, Ultraviolet) 광원으로부터 에너지를 흡수하여 중합반응을 개시시키는 물질을 의미할 수 있다. 형광 염료(luminescent dyes)는 특정한 범위의 파장의 빛을 흡수한 후, 그보다 긴 특정한 범위의 파장을 방출하며 발광하는 물질을 의미할 수 있으며, 광경화성 수지(photocurable resin)는 자외선 또는 전자선 등의 빛에너지를 받아 가교 또는 경화하는 합성 유기 재료를 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기 제조 방법에서, 중합체는 퍼플루오로폴리에테르-우레탄 메타크릴레이트(PFPE, perfluoropolyether-urethane methacrylate)이고, 광개시제는 페닐포스핀옥사이드(PPO, Phenylbis phosphine oxide) 및 2-이소프로필티오크산톤(ITX, 2-Isopropylthioxanthone)이며, 형광 염료는 쿠마린 6(C6, Courmarin 6)이다. 도 1의 (a)를 참조하면, PFPE, PPO, ITX 및 C6의 화학 구조식을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, PFPE(Fluorolink MD 700, viscosity 581 cP)는 Solvay(Milan, Italy)에서 구입되었고, PPO는 BASF(Ludwigshafen, Germany)에서 구입되었다. ITX 및 C6은 Tokyo Chemical Industry Co. Ltd.(Tokyo, Japan)에서 구입되었다.
상술한 중합체, 광개시제 및 형광 염료의 조합은 비제한적인 일 예시에 불과하며, 다양한 종류의 중합체, 광개시제 또는 형광 염료가 이용될 수 있다. 또한, 광경화성 수지의 제조에 이용되는 중합체, 광개시제 및 형광 염료는 다양한 방법에 의하여 선택될 수 있다.
일 예로서, 형광 염료는 광화학반응의 광촉매의 흡수 스펙트럼과 형광 염료가 포함된 수지의 흡수 및 방출 스펙트럼을 비교하여 선택될 수 있다. 도 2의 (a)를 참조하면, C6을 포함하는 수지의 방출 스펙트럼(Resin emission)과 광촉매인 RB 및 EY의 흡수 스펙트럼(RB absorption, EY absorption)은 대부분 일치함을 확인할 수 있다. 또한, 도 2의 (b)를 참조하면 C6을 포함하는 PFPE 수지의 발광 스펙트럼이 RB 및 EY에 의하여 퀀칭(photoluminescence quenching)되었음을 확인할 수 있다. 따라서, 광촉매 EY 및 RB에 의한 광화학반응은 형광 염료 C6의 태양광 흡수 및 발광에 의하여 촉진될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기 제조 방법에서, (Ⅰ)단계에서는 중합체 및 형광 염료 중 적어도 하나가 다른 종류인 복수개의 수지를 제조할 수 있다.
본 실시예에서, 중합체로서 PFPE를 포함하는 광경화성 수지(이하, 제 1 수지) 외에, 중합체로서 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane)를 포함하는 수지(이하, 제 2 수지) 및 중합체로서 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA, polymethylmethacrylate)를 포함하는 수지(이하, 제 3 수지)를 추가로 제조하였다. 이때, 제 1 수지 내지 제 3 수지는 형광 염료로서 C6를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기 제조 방법에서, (Ⅰ)단계 이후에 제조된 광경화성 수지를 토대로 3차원 프린팅 과정을 최적화는 단계가 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 3차원 프린팅 과정에는 385 nm의 파장 및 20.0 mW/cm2의 강도를 갖는 디지털 광 처리(DLP) 데스크탑 프린터로서 Asiga Pico 2(Asiga, Australia)가 사용되었다. 수지의 흡수 및 발광 스펙트럼은 UV-Vis 분광법 (NanoDropTM 2000c, Thermo Fisher Scientific) 및 광발광 분광법 (FP-6500, JASCO)을 사용하여 수득되었다.
3차원 프린팅 과정의 최적화는 3차원 프린팅 과정을 고려하여 결정되는 다양한 인자들을 제어함으로써 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 인자는 UV의 노광 시간, 파장 및 세기, 광개시제의 채택, 광개시제의 농도, 형광 염료의 채택, 형광 염료의 농도 및 3차원 프린팅에 의해 형성되는 하나의 층의 두께 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, PPO 및 ITX는 수지 1ml 당 6 mg의 농도로 혼합되었다. 또한, C6은 200 ppm의 농도로 혼합되었다.
광개시제 및 형광 염료는 프린터가 방출하는 UV의 스펙트럼, 광개시제 및 형광 염료의 흡수 스펙트럼을 비교하여 채택될 수 있다. 이때, 프린터가 방출하는 UV의 스펙트럼과 유사한 흡수 스펙트럼을 갖는 광개시제를 채택하는 것이 바람직할 수 있다. 이에 따라, 프린터에서 방출되는 대부분의 UV가 광개시제에 의해 흡수되어, 중합 반응이 원활하게 일어나 3차원 프린팅 될 수 있다.
도 1의 (b)를 참조하면, 프린터가 방출하는 UV의 스펙트럼(385nm DLP)의 대부분은 PPO 및 ITX의 흡수 스펙트럼에 대부분 포함되며, 프린터가 방출하는 UV의 스펙트럼 중 일부만이 C6의 흡수 스펙트럼에 포함된다. 따라서, 프린터기에서 방출되는 대부분의 UV는 PPO 및 ITX에 의해 흡수되어, 중합 반응이 원활하게 일어날 수 있다.
한편, 형광 염료의 농도는 UV 노광 시간에 따른 경화층의 두께에 영향을 미칠 수 있다. 도 1의 (d)를 참조하면, C6의 농도 및 UV의 노광 시간에 따른 경화층의 두께를 확인할 수 있다. 이를 참조하여 목적하는 경화층의 두께에 적합한 형광 염료의 농도 및 UV의 노광 시간을 최적화할 수 있다.
또한, 형광 염료는 광경화성 수지의 경화에 영향을 미칠 수 있다. 도 1의 (e)를 참조하면, UV의 노광 시간이 6초인 경우에, PFPE 수지에 C6이 200ppm 혼합된 경우에 미세한 채널 구조가 형성되나, C6을 포함하지 않는 경우에는 채널 구조의 상측에 과경화(overcure)가 일어남을 확인할 수 있다. 한편, 본 발명자들은 PFPE 수지에 C6이 200ppm 혼합된 경우에는 C6이 수지의 과경화를 방지하여 노광 시간이 6초를 넘어설 경우에 과경화가 일어남을 확인할 수 있었다. 또한, UV의 노광 시간이 6초일 경우에는 과경화가 일어나지 않고 채널 구조를 제작할 수 있음을 확인할 수 있었다.
한편, UV의 노광 시간은 제조 시간(즉, 3차원 프린팅에 소요되는 시간)을 추가로 고려하여 최적화될 수 있다. 예를 들어, UV의 노광 시간은 제조 시간을 단축하기 위하여, 채널 구조를 제작하기 위하여 필요한 노광 시간 중 가장 짧은 시간으로 최적화될 수 있다.
앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서 본 발명자들은 UV의 노광 시간을 6초로 최적화할 수 있었다.
(Ⅱ)단계 - (Ⅰ)단계에서 제조된 수지의 내화학성을 확인하는 단계
본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기 제조 방법에서는, (Ⅰ)단계 이후에, (Ⅰ)단계에서 제조된 수지의 내화학성을 확인한다[(Ⅱ) 단계].
(Ⅱ)단계에서는 (Ⅱ-1) 수지를 이용하여 검체를 제조하는 단계; (Ⅱ-2) 검체를 용매 또는 광촉매에 노출시키는 단계; 및 (Ⅱ-3) 검체를 용매 또는 광촉매에 노출시킴으로써 발생되는 검체, 용매 또는 광촉매의 물리적 및 화학적 특성을 확인하는 단계를 수행할 수 있다. 이때, 용매 또는 광촉매는 유기 용매 또는 유기 염료계 광촉매일 수 있다.
검체, 용매 또는 광촉매의 물리적 및 화학적 특성은 광화학반응, 수지, 광마이크로 반응기의 구조 및 광마이크로 반응기에 입사되는 광원 등에 따라 다양하게 결정될 수 있다. 또한, 검체, 용매 또는 광촉매의 물리적 및 화학적 특성을 확인한다는 것은 검체를 용매 또는 광촉매에 노출시킴으로써 발생되는 검체, 용매 또는 광촉매의 물리적 및 화학적 성질의 변화를 확인하는 것을 포함할 수 있다.
비 제한적인 일 예로서, 검체의 물리적 및 화학적 특성은 용매에 노출된 검체의 팽윤, 검체로부터 형광 염료의 침출 또는 유기 염료계 광촉매에 의한 검체의 착색을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, (Ⅱ-1)단계는 제 1 내지 제 3 수지를 이용하여 복수의 검체를 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, (Ⅱ-1)단계에서 제조되는 검체는 (Ⅱ-2)단계 및 (Ⅱ-3)단계를 고려하여 형태 및 개수가 결정될 수 있다. 보다 구체적으로, 용매에 노출된 검체의 팽윤을 확인하기 위해, 제 1 수지 내지 제 3 수지를 이용하여 제 1 검체 내지 제 3 검체를 제조할 수 있다. 검체로부터 형광 염료의 침출을 확인하기 위하여, 제 4 검체 내지 제 6 검체를 제조할 수 있다. 유기 염료계 광촉매에 의한 검체의 착색을 확인하기 위하여, 제 1 수지 내지 제 3 수지를 이용하여 제 7 검체 내지 제 9 검체를 제조할 수 있다.
이하에서, 제 1 검체 내지 제 9 검체의 제조 과정을 보다 상세히 설명한다. 제 1 수지를 사용하여 5mm x 5mm x 5mm의 크기를 가지는 입방체(이하, ‘제 1 검체’라 한다)를 3차원 프린팅한다. 제 2 수지에 SYLGARD 184 Base 및 경화제를 9:1의 중량% 비율로 혼합한 뒤, 제 2 수지를 70°C에서 120분 동안 중합시킨 후, 제 1 검체와 동일한 크기로 절단한다(이하, ‘제 2 검체’라 한다). 이때, 혼합 공정 동안 발생한 기포를 데시케이터(desiccator) 및 진공 펌프를 이용하여 제거할 수 있다. 제 3 수지를 사용하여 제 1 검체와 동일한 크기의 입방체를 3차원 프린팅한다(이하, ‘제 3 검체’라 한다). 이때, 제 3 수지에 발생할 수 있는 공기 기포 및 용매는 회전자 증발기(rotor evaporator)를 이용하여 제거될 수 있다.
이때, 제 1 내지 제 3 검체의 질량은 정밀 저울을 사용하여 미리 측정될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 정밀 저울로서 ME54(Mettler Toledo, OH, United States of America)가 사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서, 제 1 검체 내지 제 3 검체를 제조하는 방법과 동일한 방법으로 제 4 검체 내지 제 6 검체를 제조할 수 있다.
제 1 수지가 30um의 두께로 코팅된 슬라이드 유리를 제조한다(이하, ‘제 7 검체’라 한다). 동일한 과정을 제 2 및 제 3 수지에 대해서 수행한다(이하, 각각 ‘제 8 검체’ 및 ‘제 9 검체’라 한다).
그 후, 본 발명의 일 실시예에서, (Ⅱ-2)단계에서는 제 1 내지 제 6 검체를 복수의 유기 용매에 노출시키는 단계 및 제 7 내지 제 9 검체를 유기 용매 및 유기 염료계 광촉매를 함유하는 복수의 용액에 노출시키는 단계를 수행할 수 있다.
보다 상세히, 제 1 내지 제 3 검체를 복수의 유기 용매 2ml에 각각 72시간 동안 노출된 후 용매를 가볍게 건조시키는 단계; 제 4 내지 제 6 검체를 복수의 용매에 72시간 동안 노출시키는 단계; 및 제 7 내지 제 9 검체를 유기 용매 및 유기 염료계 광촉매를 함유하는 복수의 용액에 12시간 동안 노출시키는 단계를 수행할 수 있다.
복수의 유기 용매는 아세토니트릴(acetonitrile), 테트라히드로푸란(THF, tetrahydrofuran), 아세톤(acetone), 에탄올(ethanol), 클로로포름(chloroform), 디클로로메탄(DCM, dichloromethane), 디메틸포름아미드(DMF, dimethylformamide), 디메틸 술폭시드(DMSO, dimethyl sulfoxide), 니트로메탄(nitromethane) 및 디에틸 포스파이트(diethyl phosphite)를 포함할 수 있다.
또한, 유기 염료계 광촉매는 광화학반응의 유기 염료계 광촉매를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 유기 용매 및 유기 염료계 광촉매를 함유하는 복수의 용액은 RB, 아세토니트릴 및 니트로메탄을 함유하는 용액(이하, ‘제 1 용액’) 및 EY, 아세토니트릴 및 니트로메탄을 함유하는 용액(이하, ‘제 2 용액’)을 포함할 수 있다.
그 후, 본 발명의 일 실시예에서, (Ⅱ-3)단계에서는 유기 용매에 노출된 검체의 팽윤을 확인하는 단계, 검체로부터 형광 염료의 침출을 확인하는 단계 및 유기 염료계 광촉매에 의한 검체의 착색을 확인하는 단계를 수행할 수 있다.
이때, 유기 용매에 노출된 검체의 팽윤을 확인하는 단계에서는 유기 용매에 노출된 제 1 내지 제 3 검체의 변형을 확인하는 단계 또는 유기 용매에 노출되기 전의 제 1 내지 제 3 검체의 질량과 유기 용매에 노출된 후의 제 1 내지 제 3 검체의 질량을 비교할 수 있다.
도 3의 (a) 및 도 4의 (a)를 참조하면, 유기 용매에 노출된 제 1 검체는 유기 용매에 노출된 제 2 및 제 3 검체에 비하여 부피 증가나 손상이 적게 발생하였음을 확인할 수 있다. 도 3의 (b)를 참조하면, 유기 용매에 노출된 제 1 검체는 유기 용매에 노출된 제 2 및 제 3 검체에 비하여 질량 변화가 적음을 확인할 수 있다. 따라서, 유기 용매에 노출될 경우 제 1 검체가 제 2 및 제 3 검체에 비하여 팽윤이 적게 발생하였음을 확인할 수 있다.
한편, 검체로부터 형광 염료의 침출을 확인하는 단계에서는 제 4 내지 제 6 검체가 노출된 복수의 유기 용매의 변색을 시각적으로 확인하고 제 4 내지 제 6 검체가 노출된 복수의 유기 용매의 스펙트럼을 UV-Vis 분광법을 이용하여 확인할 수 있다.
도 4의 (b)를 참조하면, 제 5 및 제 6 검체에 노출된 복수의 유기 용매가 제 4 검체에 노출된 복수의 유기 용매에 비하여 검체로부터 더 많은 형광 염료(즉, C6)가 침출되어 더 변색되었음을 확인할 수 있다. 도 3의 (c)를 참조하면, C6에 상응하는 흡광도 피크의 강도가 제 4 검체에 노출된 복수의 유기 용매에 비하여 제 5 및 제 6 검체에 노출된 복수의 유기 용매에 더 강하게 나타남을 확인할 수 있다. 따라서, 제 4 검체가 제 5 및 제 6 검체에 비해 형광 염료가 현저하게 낮게 침출 되었음을 확인할 수 있다.
한편, 및 유기 염료계 광촉매에 의한 검체의 착색을 확인하는 단계에서는 유기 용매 및 유기 염료계 광촉매를 함유하는 복수의 용액에 노출된 제 7 내지 제 9 검체의 착색을 시각적으로 확인하고 UV-Vis 분광법을 이용하여 확인할 수 있다.
도 5의 (a) 및 도 5의 (b)를 참조하면, 제 7 및 제 9 검체는 제 8 검체에 비하여 RB 및 EY의 착색이 더 적음을 확인할 수 있다. 또한, 제 8 검체는 제 7 및 제 9 검체에 비하여 더 큰 흡광도를 가짐을 확인할 수 있다. 따라서, 제 8 검체가 제 7 및 제 9 검체에 비하여 유기 염료계 광촉매에 의해 더 착색되었음을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기 제조 방법에서는 상술한 (Ⅱ)단계에 이후에, 확인된 내화학성을 토대로 복수의 수지 중 어느 하나를 선택하는 단계를 수행할 수 있다.
보다 상세히, 본 발명의 일 실시예에서, 제 1 내지 제 3 검체 중 제 1 검체가 유기 용매에 노출되더라도 팽윤이 가작 적게 발생하였고, 제 4 내지 제 6 검체 중 제 4 검체가 유기 용매로 C6이 가장 적게 침출되었으며, 제 7 내지 제 9 검체 중 제 8 검체가 유기 염료계 광촉매에 의해 가장 많이 착색되었음을 확인할 수 있는 결과를 토대로, 제 1 내지 제 3 수지 중 유기 용매 및 유기 염료계 광촉매에 대하여 내화학성이 가장 우수한 제 1 수지를 선택할 수 있다.
(Ⅲ) 단계 - (Ⅱ)단계에서 확인된 내화확성을 토대로 광마이크로 반응기의 설계 파라미터를 최적화하는 단계
본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기 제조 방법에서는, (Ⅱ)단계 이후에 (Ⅱ)단계에서 확인된 내화학성을 토대로 광마이크로 반응기의 설계 파라미터를 최적화한다[(Ⅲ) 단계].
이때, (Ⅲ)단계에서는 (Ⅲ-1) 확인된 내화학성을 토대로 설계 파라미터가 변화된 복수개의 실험체를 제공하는 단계; (Ⅲ-2) 복수의 실험체의 광화학반응의 효율을 확인하는 단계; 및 (Ⅲ-3) 확인된 효율을 토대로 설계 파라미터를 최적화하는 단계를 수행할 수 있다.
한편, 확인된 내화학성을 토대로 설계 파라미터가 변화된 복수개의 실험체를 제공하는 것은 내화확성이 확인된 수지를 이용하여 설계 파라미터가 변화된 복수개의 실험체를 제조하는 것을 의미할 수 있다.
이때, 내화학성이 확인된 수지는 광경화성 수지일 수 있으며, 복수개의 실험체는 광경화성 수지를 이용하여 3차원 프린팅하여 제조될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 내화학성이 확인된 수지는 광경화성 수지인 제 1 수지이며, 복수개의 실험체는 3차원 프린팅하여 제조된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기 제조 방법의 설계 파라미터를 최적화하는 단계에 사용되는 실험체의 사시도이다. 발명의 설명을 위해서 집광판은 점선으로 표시되었으며, 집광판에 의해 투시되는 구성은 실선으로 표시되었다.
도 7을 참조하면 본 발명의 일 실시에에 따른 광마이크로 반응기 제조 방법의 설계 파라미터를 최적화하는 단계에 사용되는 실험체(60)는 제 4 집광판(62), 제 4 채널(63), 제 4 유입구(65a) 및 제 4 유출구(65b)를 포함할 수 있다.
제 4 집광판(62)은 소정의 두께(t)를 갖되 입사되는 광선에 수직하는 직사각형의 평면을 포함하도록 제조될 수 있다. 이때, 제 4 집광판(40)은 형광 염료가 도핑될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 도핑되는 형광 염료는 제 1 수지에 포함되는 C6이다.
제 4 집광판(62)의 상면에는 광화학반응의 반응물, 유기 용매 및 유기 염료계 광촉매를 포함하는 유체가 유입될 수 있는 제 4 유입구(65a) 및 광화학반응을 통해 생성되는 생성물, 광화학반응 하지 않은 반응물, 유기 용매 및 유기 염료계 광촉매를 포함하는 유체가 유출될 수 있는 제 4 유출구(65b)가 형성될 수 있다.
제 4 집광판(62)의 내부에는 소정의 직경(D)을 갖고, 제 4 유입구(65a)와 제 4 유출구(65b)를 연결하되 복수개의 열(63a,63b)이 배열되도록 지그재그방식으로 형성되어 전체적으로 하나의 유로를 형성하는 제 4 채널(63)이 형성될 수 있다. 제 4 채널(63)의 내부에서는 광화학반응이 일어날 수 있다. 한편, 채널(63)의 단면은 채널(63)의 내부를 흐르는 유체의 특성, 유체의 유속, 유체와 채널(63)의 벽 사이의 마찰 및 제조 방법의 특성 등을 고려하여 적절한 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 실험체(60)는 제 4 채널(63)의 단면이 정사각형을 가지며, 정사각형의 한 변의 길이(D)는 1mm로 제조되었다.
또한, 설계 파라미터는 복수개일 수 있다. 도 7을 참조하면, 비제한적인 일 예로서 복수의 설계 파라미터는 복수개의 열(63a,63b) 사이의 간격(L)과 제 4 채널(63)의 직경(D)의 비(즉, L/D이며, 이하 ‘제 1 파라미터’라 한다), 제 4 집광판(62)의 두께(t)와 제 4 채널(63)의 직경(D)의 비(즉, t/D이며, 이하 ‘제 2 파라미터’라 한다) 및 정적 혼합기의 유무를 포함할 수 있다.
이때, 정적 혼합기는 유체를 혼합하거나 분산시키는 기구를 의미할 수 있다. 한편, 정적 혼합기는 제 4 채널(63)의 내벽에 제 4 채널(63)의 내측으로 소정의 높이를 갖고 돌출되어 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 정적 혼합기는 상측에서 보아 헤링본 형상으로 형성되는 복수개의 돌기로 형성될 수 있다. 복수의 돌기 중 어느 하나의 헤링본 형상의 꼭지점은 제 4 채널(63)의 내벽 중 일면에 인접하도록 치우쳐 형성되고, 상기 어느 하나의 헤링본 형상에 인접하는 다른 헤링본 형상의 꼭지점은 제 4 채널(63)의 일면에 대향하는 면에 인접하도록 형성될 수 있다.
또한, 헤링본 형상은 헤링본 형상의 꼭지점은 제 4 채널(63)의 내부를 흐르는 유체의 이동 방향을 향하도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 제 4 채널(63)의 내부를 흐르는 유체는 정적 혼합기에 의하여 불규칙적인 흐름이 발생되어 혼합 및 분산이 촉진될 수 있다.
또한, (Ⅲ-1)단계에서 제공되는 복수의 실험체는 제 1 파라미터가 1, 2 및 3의 값을 갖도록 제조되는 제 1, 제 2 및 제 3 실험체; 제 2 파라미터가 3, 5 및 7의 값을 갖도록 제조되는 제 4, 제 5 및 제 6 실험체; 정적 혼합기가 있는 제 7 실험체 및 정적 혼합기가 없는 제 8 실험체를 포함할 수 있다.
이때, 변화되는 설계 파라미터 외에 광화학반응의 전환률에 영향을 미칠 수 있는 요소들은 일정한 값을 갖도록 고정될 수 있다. 예를 들면, 변화되는 설계 파라미터 외의 다른 설계 파라미터, 형광 염료의 종류 및 농도(도 8의 경우, doped dye), 광원의 특성(도 8의 경우, Light source), 실험체 내부에 유체가 머무르는 시간(도 8의 경우, Residence time) 등은 일정한 값을 갖도록 고정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기 제조 방법의 (Ⅲ-2)단계에서는, 실험체의 내부 채널에 광화학반응의 반응물, 유기 염료계 광촉매 및 유기 용매를 포함하는 유체가 흐르도록 하는 단계; 상기 복수의 실험체에 백색광 또는 청색광을 조사하는 단계; 및 실험체의 내부에서 일어나는 광화학반응의 반응물의 전환율을 측정하고 비교하는 단계를 수행할 수 있다.
도 8의 (c) 및 도 8의 (d)를 참조하면, 제 1 파라미터의 값이 1에서 2로 증가하면, 광화학반응의 전환률이 64.2%에서 85.5%로 증가함을 확인할 수 있다. 제 1 파라미터의 값이 2에서 3으로 증가하면 광화학반응의 전환률이 85.5%에서 88.5%로 증가함을 확인할 수 있다.
제 1 파라미터가 증가하면, 복수의 열 사이에서 입사되는 광선을 흡수한 후 채널로 전달하는 형광 염료 분자의 수가 증가하여, 광화학반응의 전환율이 증가한다. 그러나, 전달되는 광선을 흡수할 수 있는 채널의 표면적은 일정하므로, 제 1 파리미터가 일정 값을 넘어서면 복수의 열 사이의 거리가 증가하더라도 광화학반응의 전환율의 증가량은 작아지게 된다. 다만, 제 1 파라미터가 증가할수록 광마이크로 반응기에 투입되는 재료의 양 및 제조 비용이 증가하므로, 경제적인 측면에서 제 1 파라미터의 최대값은 제한될 필요성이 있다.
도 9의 (c) 및 도 9의 (d)를 참조하면, 제 2 파라미터의 값이 3에서 5로 증가하면, 광화학반응의 전환률이 88.5%에서 65.4%로 감소하고, 제 2 파라미터의 값이 5에서 7로 증가하면, 광화학반응의 전환률이 65.4%에서 47.3%로 감소함을 확인할 수 있다.
제 2 파라미터가 증가하면, 입사되는 광선을 흡수한 후 채널로 전달하는 형광 염료 분자의 수는 증가하지만, 광화학반응까지 투과되는 광선의 입사량은 감소하게 된다. 그 중, 후자의 영향이 지배적이므로, 제 2 파라미터가 증가하면 광화학반응의 전환률이 감소함을 확인할 수 있다. 다만, 채널의 상측은 외부에 노출되지 않도록 밀폐되어야 한다. 또한, 제조 과정상 집광판의 두께(t)가 최소가 되도록 할 수 있는 크기에 한계가 있을 수 있다.
도 10의 (c)를 참조하면, 정적 혼합기가 있는 제 7 실험체에 비해 정적 혼합기가 없는 제 8 실험체의 광화학반응의 전환률이 4.9% 작음을 확인할 수 있다. 정적 혼합기에 의하여 반응물 및 유기 염료계 광촉매가 균일하게 혼합될 뿐만 아니라, 반응물 및 유기 염료계 광촉매에 균일한 분포를 갖는 광선이 입사될 수 있으므로, 광화학반응의 전환률이 개선될 수 있다.
한편, (Ⅲ-3)단계에서 확인된 효율을 토대로 설계 파라미터를 최적화한다는 것은 확인된 효율 중 가장 높은 효율을 갖는 설계 파라미터를 채택한다는 것을 의미할 수 있다. 또한, 확인된 효율의 경향성을 토대로 더 높은 효율을 가질 것으로 예측되는 설계 파라미터를 채택한다는 것을 의미할 수 있다. 나아가, 확인된 효율이나 예측되는 효율, 제조 과정의 한계 및 제조 과정에 투입되는 비용 등을 고려하여 설계 파라미터를 채택한다는 것을 의미할 수도 있다.
이때, 설계 파라미터가 복수개인 경우, 어느 하나의 설계 파라미터에 대하여 (Ⅲ-1) 내지 (Ⅲ-3)단계를 수행한 후, 다른 설계 파라미터에 대하여 (Ⅲ-1) 내지 (Ⅲ-3)단계를 수행하는 과정을 반복함으로써, 최적화된 복수의 설계 파라미터의 조합을 채택할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제 1 파라미터가 증가할수록 높은 효율을 가질 것으로 예측되나, 제 1 파라미터의 증가에 따른 광화학반응의 전환률 증가의 감소와 소요되는 제조 비용의 증가를 절충적으로 고려하여, 제 1 파라미터의 값은 3으로 최적화되었다.
그 후, 제 1 파라미터의 값은 3으로 고정한 후에, 제 2 파라미터에 대하여 (Ⅲ-1) 내지 (Ⅲ-3)단계를 수행하였다. 제 2 파라미터가 감소할수록 높은 효율을 가질 것으로 예측되나, 제조 과정의 한계를 고려하여 제 2 파라미터의 값은 3으로 최적화되었다.
그 다음, 정적 혼합기에 따른 제조 비용의 증가와 광화학반응의 전환률의 개선을 고려하여, 정적 혼합기를 설치하는 것으로 최적화되었다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기 제조 방법은 광경화성 수지의 확인된 내화확성을 토대로 광마이크로 반응기의 설계 파라미터를 최적화하여, 광화학반응의 전환률을 개선할 수 있다.
(Ⅳ)단계 - 수지를 이용하여 (Ⅲ)단계에서 최적화된 설계 파라미터를 토대로 광마이크로 반응기를 제조하는 단계
본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기 제조 방법에서는, (Ⅲ)단계 이후에 수지를 이용하여 (Ⅲ)단계에서 최적화된 설계 파라미터를 토대로 광마이크로 반응기를 제조한다[(Ⅳ) 단계].
이때, (Ⅳ)단계에서는 제조된 광경화성 수지인 제 1 수지를 이용하여 광마이크로 반응기를 3차원 프린팅하여 제조하는 단계를 수행할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기 제조 방법은 복잡한 소형 장치의 제조에 적합하면서도 제조 과정에 높은 숙련도를 요구하지 않는 3차원 프린팅 방법을 사용하여 광마이크로 반응기를 제조하여, 광마이크로 반응기의 제조 과정에 투입되는 시간 및 비용을 절감할 수 있다.
이하에서 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기는 직선형 조립체 및 방사형 조립체를 포함할 수 있다. 직선형 조립체 및 방사형 조립체를 설명하기에 앞서, 직선형 조립체 및 방사형 조립체를 구성하는 유동 모듈, 분배 모듈 및 커넥터에 관하여 먼저 설명하도록 한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기의 유동 모듈의 사시도이다. 이때, 발명의 설명을 위해서 제 1 집광판은 점선으로 표시되었고, 제 1 집광판에 의해 투시된 구성은 실선으로 표시되었다. 도 12의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기의 분배 모듈의 사시도이고, 도 12의 (b)는 분배 모듈의 제 2 채널의 사시도이다. 이때, 도 12의 (a)는 발명의 설명을 위해서 제 2 집광판은 점선으로 표시되었고, 제 2 집광판에 의해 투시된 구성은 실선으로 표시되었다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기는 유동 모듈(10)을 포함할 수 있다. 이때, 유동 모듈(10)은 복수개로 형성될 수 있다.
유동 모듈(10)은 제 1 집광판(12), 제 1 유입구(15a), 제 1 유출구(15b) 및 제 1 채널(13)을 포함할 수 있다.
제 1 집광판(12)은 입사되는 태양광을 집광할 수 있도록 소정의 두께를 갖되, 형광 염료가 도핑된 판형 부재로 형성될 수 있다. 이때, 제 1 집광판(12)은 입사되는 태양광에 수직하는 정육각형의 평면을 가질 수 있다.
복수개의 삼각형, 사각형 또는 정육각형 각각은 평면상에 빈 공간이 없도록 배치될 수 있다. 이때, 정육각형은 삼각형 및 사각형에 비해 원형에 가까우므로, 평면상에 빈 공간이 없도록 복수개의 정육각형이 배치되는 것이 삼각형 또는 사각형이 배치되는 것에 비하여 더 높은 구조적 안정성을 가짐을 알 수 있다.
따라서, 복수개의 유동 모듈(10) 각각은 제 1 집광판(12)의 상호 일면이 서로 접하도록 인접하게 배치될 경우, 안정적이고 높은 공간 활용성을 갖도록 배열될 수 있다.
한편, 상술한 제 1 집광판(12)의 형상은 비제한적인 일 예에 불과하며, 광마이크로 반응기의 유동 모듈(10)이 배치되는 공간의 형상, 입사되는 태양광의 방향 및 각도 또는 내부에 형성되는 제 1 채널(13)의 형상 등에 따라 적절한 형상으로 형성될 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 제 1 집광판(12)은 태양광에 수직하는 직사각형의 평면을 갖도록 형성될 수 있다.
한편, 동일한 크기를 갖는 복수의 정육면체가 평면상을 빈 공간이 없도록 채우기 위해서는, 정육면체의 일 변과 다른 정육면체의 일 변이 접하고, 접하는 변의 중심이 서로 맞닿아야 한다.
제 1 유입구(15a)은 제 1 집광판(12)의 정육각형의 일 변의 중심에 형성될 수 있으며, 제 1 유출구(15b)는 제 1 집광판(12)의 정육각형의 일 변에 대향 하는 변의 중심에 형성될 수 있다.
따라서, 복수의 유동 모듈(10)이 평면상을 빈 공간이 없도록 배치되면, 복수의 유동 모듈(10) 중 어느 하나의 제 1 유입구(15a)와 다른 유동 모듈(10)의 제 1 유출구(15b)가 서로 연결될 수 있다. 이에 의해, 복수의 유동 모듈(10)은 안정적이고 높은 공간 활용성을 가지면서도, 복수의 유동 모듈(10)의 제 1 유입구(15a) 및 제 2 유출구가 연결되어 하나의 긴 채널을 형성하도록 배치될 수 있다.
제 1 집광판(12)의 내부에는 제 1 유출구(15b)와 제 1 유입구(15a)를 연결하는 제 1 채널(13)이 형성될 수 있다.
광화학반응의 반응물, 광촉매 및 유기 용매를 포함하는 용액은 제 1 유입구(15a)를 통하여 제 1 집광판(12)의 내부로 유입되고, 제 1 집광판(12)의 내부에 형성되는 제 1 채널(13)의 내부를 흐른 후, 제 2 유출구를 통하여 제 1 집광판(12)의 외부로 유출될 수 있다. 제 1 집광판(12)의 내부에 도핑된 형광 염료는 제 1 집광판(12)에 집광된 빛(또는 태양광)을 흡수한 후, 광촉매가 흡수할 수 있는 스펙트럼을 갖는 빛을 제 1 채널(13)로 전달할 수 있다. 제 1 채널(13)의 내부를 유동하는 광화학반응의 반응물 및 광촉매는 제 1 채널(13)로 직접 입사되는 빛과 형광 염료에 의해 전달되는 빛을 흡수하여 광화학반응을 일으킬 수 있다.
이때, 제 1 채널(13)의 길이가 길수록 반응물 및 광촉매는 광화학반응이 일어나기에 충분한 빛에너지를 흡수할 확률을 높힐 수 있다.
따라서, 제한되는 크기를 갖는 제 1 집광판(12)의 내부 공간을 최대한 활용하여 길이가 긴 채널을 형성하기 위해, 제 1 채널(13)은 제 1 유출구(15b)과 상기 제 1 유입구(15a) 사이에 복수개의 열(13a,13b,13c,13d,13e,13f)이 배열되도록 지그재그방식으로 형성되어 하나의 유로를 이루도록 형성될 수 있다.
한편, 본 말명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기에서, 유동 모듈(10)은 제 1 유입구(15a)의 양측에 대칭으로 구비되는 제 1 자석쌍(16a) 및 제 1 유출구(15b)의 양측에 대칭으로 구비되어 상기 제 1 자석쌍(16a)과 자기력에 의해 결합될 수 있는 제 2 자석쌍(16b)을 포함할 수 있다. 또한, 제 1 유입구(15a) 및 제 1 유출구(15b) 각각에는 오 링(18)이 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기에 따르면, 제 1 채널(13)에는 정적 혼합기(14)가 형성될 수 있다. 정적 혼합기(14)는 제 1 채널(13)의 내부를 흐르는 반응물, 광촉매 및 유기 용매를 포함하는 유체에 불규칙적인 흐름을 발생시킬 수 있다.
이에 따라, 광화학반응의 반응물, 광촉매 및 유기 용매가 고르게 분포하도록 혼합 및 확산을 촉진하고, 제 1 채널(13)로 입사되는 광선이 광화학반응의 반응물, 광촉매에 균일하게 입사되도록 할 수 있다.
도 11을 참조하면, 정적 혼합기(14)는 제 1 채널(13)의 내벽 중 일 면에 형성될 수 있다. 이때, 제 1 채널(13)의 상측으로 입사되는 빛에 미칠 수 있는 영향을 줄이기 위하여, 제 1 채널(13)의 내벽 중 하면에 형성될 수 있다.
정적 혼합기(14)는 제 1 채널(13)의 내측으로 소정의 높이를 갖도록 돌출되는 복수의 돌기로 형성될 수 있다. 이때, 복수의 돌기는 상측에서 보아 헤링본 형상을 갖도록 형성될 수 있다.
복수의 돌기 중 어느 하나의 헤링본 형상(14a)의 꼭지점은 제 1 채널(13)의 길이방향에 수직한 방향을 따라 일 측으로 치우치도록 형성될 수 있으며, 이에 인접한 다른 헤링본 형상(14b)은 대향하는 방향으로 치우치도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 지그재그 방향으로 흐르는 유체의 흐름을 발생시켜 반응물, 광촉매의 확산 및 분산을 촉진할 수 있다.
또한, 헤링본 형상(14a,14b)의 정적 혼합기(14)는 제 1 채널(13)의 내부를 흐르는 반응물, 광촉매를 연속적으로 순환시키고 이들을 표면에 노출시킴으로써 제 1 채널(13) 내부의 빛 구배를 감소시킬 수 있다.
한편, 제 1 채널(13)을 이루는 복수개의 열(13a,13b,13c,13d,13e,13f)은 제 1 열(13b) 및 제 1 열(13b)에 인접한 제 2 열(13c)을 포함하고, 제 1 채널(13)(13)의 직경(D)과 제 1 열(13b)과 제 2 열(13c) 사이의 거리(L)는 다음의 관계식을 만족할 수 있다. 1 ≤ L/D ≤ 6 (D : 제 1 채널(13)의 직경, L : 제 1 열과 제 2 열 사이의 거리)
다시 도 8의 (c) 및 도 8의 (d)를 참조하면, L/D의 값이 1에서 2로 증가하면, 광화학반응의 전환률이 64.2%에서 85.5%로 증가하고, L/D의 값이 2에서 3으로 증가하면 광화학반응의 전환률이 85.5%에서 88.5%로 증가함을 확인할 수 있다. 따라서, L/D의 값이 1 이상일 경우에는 높은 광화학반응의 전환율을 달성할 수 있다. 그러므로, L/D의 하한값은 바람직하게는 1 이상의 값을 가질 수 있다.
L/D의 값이 2 이상으로 증가하더라도, 광화학반응의 전환율의 증가량은 L/D가 2 이하인 경우이 비하여 적음을 알 수 있다. 특히, 도 8의 (d)를 참조하면, L/D가 3 이상의 값을 가질 경우에는 광화학반응의 전환율이 특정한 한계값으로 수렴할 것으로 예상될 수 있다. 따라서, L/D의 하한값은 더 바람직하게는 2 이상의 값을 가질 수 있다.
한편, L/D의 상한값은 광마이크로 반응기의 특성, 제조 비용 및 제조 공정 등을 고려하여 3이상의 값으로 적절하게 설정되수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, L/D의 상한값은 3차원 프린팅 공정 및 제조 비용을 고려하여 6으로 설정될 수 있다.
이에 따라, L/D의 값은 바람직하게는 1 이상 6 이하의 값을 가질 수 있다. 이때, L/D의 값은 더 바람직하게는 2 이상 6 이하의 값을 가질 수 있다.
다시 도 9의 (c) 및 도 9의 (d)를 참조하면, t/D의 값이 3에서 5로 증가하면, 광화학반응의 전환률이 88.5%에서 65.4%로 감소하고, t/D의 값이 5에서 7로 증가하면, 광화학반응의 전환률이 65.4%에서 47.3%로 감소함을 확인할 수 있다.
즉, t/D의 값이 작을수록 더 높은 광화학반응의 전환율을 달성할 수 있다. 그러나, 제 1 채널(13)의 직경(D)이 제 1 집광판(12)의 두께(t)보다 작은 값을 가질 수 없으므로, t/D은 1 보다 큰 값을 가져야 한다.
따라서, 제 1 채널(13)의 직경(D)과 제 1 집광판(12)의 두께(t)는 다음의 관계식을 만족할 수 있다. 1 < t/D ≤ 5 (t : 제 1 집광판(12)의 두께, D : 제 1 채널(13)의 직경). 보다 바람직하게, t/D의 값은 1 < t/D ≤ 3 의 범위 내의 값을 가질 수 있다.
한편, 제 1 집광판(12)은 퍼플루오로폴리에테르-우레탄 메타크릴레이트(PFPE, perfluoropolyether-urethane methacrylate)를 더 포함하는 광경화성 수지를 이용하여 제조될 수 있다. 전술한 바와 같이 PFPE를 포함하는 광경화성 수지는 유기 용매 및 유기 염료계 광촉매에 대하여 내화학성이 우수하다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기에 의하면, 제 1 집광판(12)의 내부로 유입되는 유체에 유기 염료계 광촉매 또는 유기 용매를 포함하더라도, 화학적으로 안정된 상태를 유지할 수 있어 다양한 유기 광촉매 또는 유기 용매와 호환될 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이 PFPE를 포함하는 광경화성 수지는 3차원 프린팅에 사용될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기는 복잡한 소형 장치의 제조에 적합하면서도 제조 과정에 높은 숙련도를 요구하지 않는 3차원 프린팅 방법을 사용하여 제조될 수 있으므로, 광마이크로 반응기의 제조 과정에 투입되는 시간 및 비용을 절감할 수 있다.
나아가, 광마이크로 반응기의 모듈화 및 소형화를 달성할 수 있으므로, 소형화된 복수의 모듈로 광마이크로 반응기를 구성하고 복수의 모듈의 배열을 제어함으로써, 광화학반응의 전환률 및 처리량의 개선을 달성할 수 있다.
도 12의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기의 분배 모듈의 사시도이고, 도 12의 (b)는 분배 모듈의 제 2 채널의 사시도이다. 이때, 도 12의 (a)는 발명의 설명을 위해서 제 2 집광판은 점선으로 표시되었고, 제 2 집광판에 의해 투시된 구성은 실선으로 표시되었다.
도 12의 (a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기는 분배 모듈(20)을 포함할 수 있다. 이때, 분배 모듈(20)은 제 2 집광판(22), 제 2 채널(23), 제 2 유입구(25a) 및 복수의 제 2 유출구(25b)를 포함할 수 있다.
제 2 집광판(22)은 형광 염료가 도핑되고 소정의 두께를 갖는 판형 부재로 형성될 수 있다. 이때, 제 2 집광판(22)은 제 1 집광판의 정육각형과 같은 크기의 정육각형으로 형성되는 평면을 가질 수 있다.
제 2 집광판(22)의 상면에는 반응물 및 광촉매가 제 2 집광판(22)의 내부로 유입되는 제 2 유입구(25a)가 형성될 수 있다. 제 2 집광판(22)의 측면에는 제 2 집광판(22)의 내부로 유입된 반응물 및 광촉매가 제 2 집광판(22)의 외부로 유출되는 복수의 제 2 유출구(25b)가 형성될 수 있다.
또한, 복수의 제 2 유출구(25b) 각각은 제 2 집광판(22)의 정육각형의 변의 중심에 형성될 수 있다. 즉, 제 2 유출구(25b)는 6개로 형성될 수 있다. 이에 따라, 분배 모듈(20)을 중심으로 복수의 유동 모듈(10)이 방사 방향으로 배치되며, 복수의 제 2 유출구(25b) 각각에 복수의 유동 모듈(10)의 제 1 유입구(15a)가 연결되면서도, 평면상에 빈 공간없이 분배 모듈(20) 및 복수의 유동 모듈(10)이 배치될 수 있어, 안정적이고 높은 공간 활용성을 가질 수 있다. 또한, 분배 모듈(20)의 제 2 채널(23)과 유동 모듈(10)의 제 1 채널(13)이 연결되어 하나의 긴 채널을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기에서, 분배 모듈(20)은 제 2 유출구(25b)의 양측에 대칭으로 구비되며 제 1 자석쌍과 자기력에 의해 결합될 수 있는 제 3 자석쌍(26)이 설치될 수 있다. 나아가, 제 2 유입구(25a) 및 복수의 제 2 유출구(25b) 각각에는 오 링(28)이 구비될 수 있다.
한편, 제 2 집광판(22)은 PFPE를 포함하는 광경화성 수지를 이용하여 제조될 수 있다. 또한, 제 2 집광판(22)은 3차원 프린팅 방법에 의하여 제조될 수 있다.
제 2 채널(23)은 제 2 집광판(22)의 내부에 형성되고, 제 2 유입구(25a) 및 상기 복수의 제 2 유출구(25b)를 연결하도록 상기 제 2 집광판(22)의 내부에 형성될 수 있다.
이때, 도 12의 (b)를 참조하면, 제 2 채널(23)은 수직 유로(23a)와 방사 유로(23b)를 포함할 수 있다. 수직 유로(23a)는 일단이 제 2 유입구(25a)와 연결되되 상하 방향으로 연장되어 형성될 수 있다. 방사 유로(23b)는 수직 유로(23a)의 타단과 6개의 제 2 유출구(25b)를 연결하도록 수직 유로(23a)를 중심으로 제 2 집광판(22)의 외측을 향하여 연장되어 형성될 수 있다. 즉, 방사 유로(23b)는 6개의 수평으로 형성되는 유로를 포함할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기에서, 분배 모듈(20)은 하나의 제 2 유입구(25a)로 유입된 유체를 복수의 제 2 유출구(25b)로 분배하여 유출함으로써, 광마이크로 반응기가 설치되는 공간의 효율성을 높이고 그와 동시에 처리량을 증가시킬 수 있다.
상술한 제 2 채널(23)의 형태에 따른 광마이크로 반응기의 성능을 평가하기 위하여 수치 연구가 수행되었다. 계산 유체 역학(CFD) 시뮬레이션은 FLUENT 6.1 소프트웨어(ANSYS, INC.)를 통해 수행되었다. 유한 부피 방법에 기초하여, 방정식을 이산화하고, 채널 벽 상의 슬립 경계 조건 없이 유입구 및 유출구에 대해 선속도 및 압력 조건을 확립하였다. 계산은 나비에-스토스크스(Navier-stokes) 방정식에 기초하여 수행하였다. 6개의 방사 유로(23b)에 걸친 유량 분포의 균일성은 MF(maldistribution factor)에 의해 결정된다. MF의 정의는 다음과 같다.
여기서 
은 유동 모듈(10)의 수, 
는 i-번째 유동 모듈(10)의 질량 유량, 
는 마이크로반응기의 평균 질량 유량이다. MF는 질량 유량의 표준 편차를 평균 질량 유량으로 나눈 값이다. 따라서 낮은 MF 값은 마이크로반응기 사이의 유동 분포가 균일하다는 것을 나타낸다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기의 분배 모듈의 유량 분배에 대한 수치해석 및 실험 결과를 나타낸다. 도 13의 (a)는 수치 분석에 의하여 얻은 유량이 30 ul/min인 속도장 컨투어(contour)를 나타낸다. 도 13의 (b)는 분배 모듈의 실험 결과를 도시한 막대 그래프이다.
유동 조건 (총 유량 = 30 ul/분)에서 부적정 분포 인자(MF)는 대략 0.92% 수치 및 1.31% 실험적으로 계산되었으며, 이는 화학 합성을 위해 충분히 허용가능하다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기의 커넥터의 사시도이다. 이때, 발명의 설명을 위해서 제 3 집광판은 점선으로 표시되었고, 제 3 집광판에 의해 투시된 구성은 실선으로 표시되었다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기는 커넥터(30)를 더 포함할 수 있다. 이때, 커넥터(30)는 제 3 집광판(32), 제 3 채널(33), 제 3 유입구(35a) 및 제 3 유출구(35b)를 포함할 수 있다.
제 3 집광판(32)은 형광 염료가 도핑되되 소정의 두께를 갖는 직사각형의 판형 부재로 형성될 수 있다. 제 3 집광판(32)의 일측에는 제 3 유입구(35a)가 형성될 수 있고, 제 3 집광판(32)의 상면에는 제 3 유출구(35b)가 형성될 수 있다. 이때, 제 3 유입구(35a) 및 제 3 유출구(35b) 각각에는 오 링(38)이 구비될 수 있다.
한편, 제 3 유입구(35a)의 양측에는 제 3 유입구(35a)를 중심으로 대칭으로 설치되는 제 4 자석쌍(36)이 설치될 수 있다. 제 4 자석쌍(36)은 유동 모듈(10)의 제 1 및 제 2 자석쌍(16a,16b)과 자기력에 의해 결합되도록 형성될 수 있다.
제 3 집광판(32)의 내부에는 제 3 유입구(35a)와 제 3 유출구(35b)를 연결하는 제 3 채널(33)이 형성될 수 있다.
한편, 제 3 집광판(32)은 PFPE를 포함하는 광경화성 수지를 이용하여 제조될 수 있다. 또한, 제 3 집광판(32)은 3차원 프린팅 방법에 의하여 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기에서, 커넥터(30)의 제 3 유입구(35a)는 유동 모듈(10)의 제 1 유입구(15a) 또는 제 1 유출구(15b)와 연결될 수 있다. 커넥터(30)의 제 3 유출구(35b)는 광화학반응의 반응물 및 광촉매를 포함하는 유체를 공급하는 펌프 또는 광화학반응의 반응물, 광촉매 및 생성물을 포함하는 유체를 저장할 수 있는 저장부와 연결될 수 있다. 이에 따라, 커넥터(30)는 유동 모듈(10)의 내부를 따라 유체가 지속적으로 흐를 수 있도록 하는 역할을 수행할 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기의 직선형 결합체의 평면도이다. 이때, 발명의 설명을 위해서 제 1 집광판 및 제 2 집광판에 의해 투시된 구성은 점선으로 표시되었으며, 오링은 도시되지 않았다. 도 16의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기의 직선형 결합체 내부에서 일어나는 광화학반응의 반응식이고, 도 16의 (b)는 형광 염료를 도핑한 직선형 결합체의 유동 모듈의 개수에 따른 광화학반응의 전환률과 형광 염료를 도핑하지 않은 직선형 결합체의 유동 모듈의 개수에 따른 광화학반응의 전환률을 비교한 그래프이다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기는 직선형 조립체를 포함할 수 있다. 이때, 직선형 조립체는 일렬로 배열된 복수의 유동 모듈(10) 및 복수의 커넥터(30)를 포함할 수 있다. 이때, 복수의 유동 모듈(10)은 제 1 내지 제 5 유동 모듈(10a,10b,10c,10d,10e)을 포함할 수 있다.
일렬로 배열된 복수의 유동 모듈(10) 중 제 1 유동 모듈(10a)의 제 1 유입구(15a)와 제 5 유동 모듈(10e)의 제 1 유출구(15b)에는 커넥터(30)의 제 4 유입구(35a)가 연결될 수 있다.
이때, 제 1 유입구(15a)와 제 4 유입구(35a)는 제 1 자석쌍(16a)과 제 4 자석쌍(36)이 자기력에 의해 서로 결합되어 연결될 수 있다. 이에 따라, 복수의 유동 모듈(10) 및 커넥터(30)가 스스로 정렬될 수 있다.
제 1 유동 모듈(10a)과 제 5 유동 모듈(10e)의 사이에 배치되는 복수의 유동 모듈(10b,10c,10d)은 각각 제 1 유입구(15a)와 제 1 유출구(15b)가 제 1 자석쌍(16a) 및 제 2 자석쌍(16b)의 자기력에 의한 결합에 의하여 연결될 수 있다.
제 1 유입구(15a), 제 1 유출구(15b) 및 제 3 유입구(35a)에는 오링(18,38)이 구비되어 있으므로, 커넥터(30) 및 복수의 유동 모듈(10)의 사이에서 발생할 수 있는 유체의 누출을 방지할 수 있다.
이에 따라, 직선형 조립체(40)는 커넥터(30) 및 복수의 유동 모듈(10)의 제 1 채널(13) 및 제 3 채널(33)로 이루어지는 하나의 연결되는 긴 채널을 형성할 수 있다. 채널의 길이가 길수록 채널의 내부를 유동하는 반응물 및 광촉매는 입사되는 빛에 노출되는 시간이 늘어나 광화학반응이 일어나기에 충분한 빛에너지를 흡수할 가능성이 높아지므로, 더 높은 광화학반응의 전환율을 달성할 수 있다.
도 16의 (b)를 참조하면, 직선형 조립체를 구성하는 유동 모듈의 개수가 증가할수록, 광화학반응의 반응물 및 광촉매가 채널 내부를 머무르는 시간(Residence time) 및 전환율이 증가함을 확인할 수 있다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기의 방사형 결합체의 평면도이다. 이때, 발명의 설명을 위해서 제 1 집광판, 제 2 집광판 및 제 3 집광판에 의해 투시된 구성은 점선으로 표시되었으며, 오링은 도시되지 않았다. 도 18의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기의 방사형 결합체 내부에서 일어나는 광화학반응의 반응식이고, 도 18의 (b)는 형광 염료를 도핑한 방사형 결합체의 유동 모듈, 형광 염료를 도핑한 단일 유동 모듈 및 형광 염료를 도핑하지 않은 단일 유동 모듈의 전환률을 비교한 그래프이다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기는 방사형 조립체를 포함할 수 있다. 이때, 방사형 조립체는 분배 모듈(20), 복수의 유동 모듈(10) 및 복수의 커넥터(30)를 포함할 수 있다.
복수의 유동 모듈(10)은 분배 모듈(20)을 중심으로 방사 방향으로 배치될 수 있다. 이때, 복수의 유동 모듈(10)의 제 1 유입구(15a)는 분배 모듈(20)의 복수의 제 2 유출구(25b)에 각각 연결될 수 있다.
복수의 커넥터(30)는 분배 모듈(20) 및 복수의 유동 모듈(10)을 중심으로 방사 방향으로 배치될 수 있다. 이때, 복수의 커넥터(30)의 제 1 유입구(35a)는 유동 모듈(10)의 제 1 유출구(15b)에 각각 연결될 수 있다.
이에 따라, 분배 모듈(20)의 제 2 유입구(25a)로 유입된 광화학반응의 반응물 및 광촉매를 포함하는 유체는 분배 모듈(20)의 방사 유로(23a)에 의하여 분배된 후, 복수의 유동 모듈(10)의 제 1 채널(13)을 따라 유동하며 광화학반응을 일으킬 수 있다. 따라서, 방사형 조립체(50)는 광마이크로 반응기가 설치되는 공간의 효율성을 높이고 그와 동시에 처리량을 증가시킬 수 있다.
도 18의 (b)를 참조하면, 단일 유동 모듈(Single LSC-PM)과 방사형 조립체를 이루는 복수의 유동 모듈 각각(Radial LSC-PM)은 광화학반응의 전환율이 대등함을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기에서, 방사형 조립체는 유동 모듈의 전환율을 감소시키지 않으면서도, 유동 모듈의 개수를 증가시킬 수 있으므로, 광마이크로 반응기의 처리량을 높일 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기는 복수의 직선형 조립체 및 복수의 방사형 조립체를 포함할 수 있다. 이에 따라, 광화학반응의 높은 처리량 및 전환율을 달성할 수 있다.
앞서 살핀바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광마이크로 반응기 및 이의 제조 방법은 수지의 유기 용매 및 유기 염료계 광촉매에 대한 내화학성을 확인하고, 확인된 내화학성을 갖는 수지를 이용하여 광마이크로 반응기를 제조하여, 다양한 유기 광촉매 또는 유기 용매와 호환될 수 있다.
또한, 복잡한 소형 장치의 제조에 적합하고 제조 과정에 높은 숙련도를 요구하지 않는 3차원 프린팅 방법을 사용하여 광마이크로 반응기를 제조하므로, 광마이크로 반응기의 제조 과정에 투입되는 시간 및 비용을 절감할 수 있다.
또한, 소형화 및 모듈화가 이루어진 복수의 유동 모듈, 분배 모듈 및 커넥터를 이용하여 광마이크로 반응기를 구성하고, 유동 모듈, 분배 모듈 및 커넥터의 배열을 제어함으로써, 광화학반응의 전환율 및 처리량을 높일 수 있다.
또한, 수지의 확인된 내화학성을 토대로 광마이크로 반응기의 설계 파라미터를 최적화하여 광화학반응의 전환율을 개선할 수 있다.
또한, 유동 모듈, 분배 모듈 및 커넥터의 유출구와 유입구에 오 링을 구비하여, 복수의 모듈 사이에서 발생할 수 있는 유체의 누출을 방지할 수 있다.
또한, 복수의 모듈이 자석쌍을 구비하고, 자석쌍의 자기력에 의하여 결합되도록 함으로써, 복수의 모듈의 배열을 용이하게 이루어낼 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
1 광마이크로 반응기 10 유동 모듈
12 제 1 집광판 13 제 1 채널
14 정적 혼합기 14a 14b 헤링본 형상
15a 제 1 유입구 15b 제 1 유출구
16a 제 1 자석쌍 16b 제 2 자석쌍
18 28 38 오링 20 분배 모듈
22 제 2 집광판 23 제 2 채널
23a 수직 유로 23b 방사 유로
25a 제 2 유입구 25b 제 2 유출구
26 제 3 자석쌍 30 커넥터
32 제 3 집광판 33 제 3 채널
35a 제 3 유입구 35b 제 3 유출구
36 제 4 자석쌍 40 직선형 조립체
50 방사형 조립체
12 제 1 집광판 13 제 1 채널
14 정적 혼합기 14a 14b 헤링본 형상
15a 제 1 유입구 15b 제 1 유출구
16a 제 1 자석쌍 16b 제 2 자석쌍
18 28 38 오링 20 분배 모듈
22 제 2 집광판 23 제 2 채널
23a 수직 유로 23b 방사 유로
25a 제 2 유입구 25b 제 2 유출구
26 제 3 자석쌍 30 커넥터
32 제 3 집광판 33 제 3 채널
35a 제 3 유입구 35b 제 3 유출구
36 제 4 자석쌍 40 직선형 조립체
50 방사형 조립체
Claims (20)
- 반응물 및 광촉매가 내부에서 유동하며 광화학반응이 일어나는 유동 모듈을 포함하는 광마이크로 반응기로서,
상기 유동 모듈은,
형광 염료가 도핑되고 소정의 두께를 갖는 제 1 집광판;
상기 제 1 집광판의 일측에 형성되고 상기 반응물 및 광촉매가 유입되는 제 1 유입구;
상기 제 1 집광판의 타측에 형성되고 상기 광화학반응에 의해 생성되는 생성물 및 광촉매가 유출되는 제 1 유출구; 및
상기 제 1 집광판의 내부에 형성되어 상기 제 1 유입구와 상기 제 1 유출구를 연결하는 제 1 채널을 포함하는, 광마이크로 반응기. - 제 1항에 있어서,
상기 제 1 채널은,
상기 제 1 유출구과 상기 제 1 유입구 사이에 복수개의 열이 배열되도록 지그재그방식으로 형성되어 하나의 유로를 이루는, 광마이크로 반응기. - 제 1항에 있어서,
상기 광촉매는 유기 염료계 광촉매이고,
상기 제 1 집광판은 퍼플루오로폴리에테르-우레탄 메타크릴레이트(perfluoropolyether-urethane methacrylate)를 더 포함하는 광경화성 수지를 이용하여 제조되는, 광마이크로 반응기. - 제 2항에 있어서,
상기 제 1 집광판은 입사되는 태양광에 수직하는 정육각형의 평면을 갖는, 광마이크로 반응기. - 제 4항에 있어서,
상기 제 1 유입구는 상기 정육각형을 형성하는 일 변의 중심에 형성되며,
상기 제 1 유출구는 타 변의 중심에 형성되는, 광마이크로 반응기. - 제 4항에 있어서,
상기 제 1 유입구은 상기 정육각형의 일 변의 중심에 형성되며,
상기 제 1 유출구은 상기 일 변에 대향하는 변의 중심에 형성되는, 광마이크로 반응기. - 제 2항에 있어서,
상기 복수개의 열은 제 1 열 및 상기 제 1 열에 인접하는 제 2 열을 포함하고,
상기 제 1 채널의 직경과 상기 제 1 열과 상기 제 2 열 사이의 거리는 하기의 관계식을 만족하는, 광마이크로 반응기.
1 ≤ L/D ≤ 6
(D : 채널의 직경, L : 제 1 열과 제 2 열 사이의 거리) - 제 6항에 있어서,
상기 유동 모듈은 상기 제 1 유입구의 양측에 대칭으로 구비되는 제 1 자석쌍; 및
상기 제 1 유출구의 양측에 대칭으로 구비되어 상기 제 1 자석쌍과 자기력에 의해 결합될 수 있는 제 2 자석쌍을 포함하는, 광마이크로 반응기. - 제 8항에 있어서,
상기 제 1 유입구 및 상기 제 1 유출구 각각에는 오 링이 구비되는, 광마이크로 반응기. - 제 9항에 있어서,
상기 유동 모듈은 복수개이며,
상기 복수의 유동 모듈은 제 1 유동 모듈 및 제 2 유동 모듈을 포함하고,
상기 제 1 유동 모듈의 제 2 자석 쌍과 상기 제 2 유동 모듈의 제 1 자석 쌍이 결합하여, 상기 제 1 유동 모듈의 제 1 유출구과 상기 제 2 유동 모듈의 제 1 유입구가 연결되는, 광마이크로 반응기. - 제 9항에 있어서,
분배 모듈을 더 포함하고,
상기 분배 모듈은,
형광 염료가 도핑되고 소정의 두께를 갖는 제 2 집광판;
상기 제 2 집광판의 일면에 형성되며 상기 반응물 및 상기 광촉매가 상기 제 2 집광판의 내부로 유입되는 제 2 유입구;
상기 제 2 집광판의 내부로 유입된 상기 반응물 및 상기 광촉매가 상기 제 2집광판의 외부로 유출되는 복수의 제 2 유출구; 및
상기 제 2 유입구 및 상기 복수의 제 2 유출구를 연결하도록 상기 제 2 집광판의 내부에 형성되는 제 2 채널을 포함하고,
상기 유동 모듈은 복수개이며,
상기 복수의 제 2 유출구 각각에는 상기 복수의 유동 모듈 중 어느 하나의 제 1 유입구가 연결되는, 광마이크로 반응기. - 제 11항에 있어서,
상기 분배 모듈은 상기 제 2 유출구의 양측에 대칭으로 구비되며 상기 제 1 자석쌍과 자기력에 의해 결합될 수 있는 제 3 자석쌍을 더 포함하여,
상기 제 1 자석쌍과 상기 제 3 자석쌍이 결합함으로써 상기 제 2 유출구에는 상기 복수의 유동 모듈 중 어느 하나의 제 1 유입구가 연결되는, 광마이크로 반응기. - 제 12항에 있어서,
상기 제 2 집광판은 상기 제 1 집광판의 정육각형과 같은 크기의 정육각형으로 형성되는 평면을 갖고,
상기 복수의 제 2 유출구 각각은 상기 제 2 집광판의 정육각형의 변의 중심에 형성되어,
상기 분배 모듈을 중심으로 상기 복수의 유동 모듈이 방사 방향으로 배치되는, 광마이크로 반응기. - 광화학반응의 반응물 및 유기 염료계 광촉매가 내부에서 유동하며 상기 광화학반응이 일어나는 광마이크로 반응기 제조 방법으로서,
(Ⅰ) 중합체 및 형광 염료를 이용하여 상기 형광 염료가 도핑된 수지를 제조하는 단계;
(Ⅱ) 상기 (Ⅰ)단계에서 제조된 상기 수지의 내화학성을 확인하는 단계;
(Ⅲ) 상기 (Ⅱ)단계에서 확인된 상기 내화학성을 토대로 상기 광마이크로 반응기의 설계 파라미터를 최적화하는 단계; 및
(Ⅳ) 상기 수지를 이용하여 상기 (Ⅲ)단계에서 최적화된 상기 설계 파라미터를 토대로 광마이크로 반응기를 제조하는 단계를 포함하는, 광마이크로 반응기 제조 방법. - 제 14항에 있어서,
상기 (Ⅰ)단계에서는,
상기 중합체 및 상기 형광 염료 중 적어도 하나가 다른 종류인 복수개의 수지를 제조하고,
상기 (Ⅱ)단계 이후에는,
상기 (Ⅱ)단계에서 확인된 상기 내화학성을 토대로 상기 복수의 수지 중 어느 하나를 선택하는 단계를 더 포함하는, 광마이크로 반응기 제조 방법. - 제 14항에 있어서,
상기 (Ⅱ)단계는,
(Ⅱ-1) 상기 수지를 이용하여 검체를 제조하는 단계;
(Ⅱ-2) 상기 검체를 용매 또는 유기 염료계 광촉매에 노출시키는 단계; 및
(Ⅱ-3) 상기 검체를 상기 용매 또는 상기 유기 염료계 광촉매에 노출시킴으로써 발생되는 상기 검체, 상기 용매 또는 상기 유기 염료계 광촉매의 물리적 및 화학적 특성을 확인하는 단계를 포함하는, 광마이크로 반응기 제조 방법. - 제 16항에 있어서,
상기 검체의 물리적 및 화학적 특성은,
상기 용매에 노출된 상기 검체의 팽윤, 상기 검체로부터 상기 형광 염료의 침출 또는 상기 유기 염료계 광촉매에 의한 상기 검체의 착색 중 적어도 하나를 포함하는, 광마이크로 반응기 제조 방법. - 제 14항에 있어서,
상기 (Ⅲ)단계는,
(Ⅲ-1) 확인된 상기 내화학성을 토대로 상기 설계 파라미터가 변화된 복수개의 실험체를 제공하는 단계;
(Ⅲ-2) 상기 복수의 실험체의 상기 광화학반응의 효율을 확인하는 단계; 및
(Ⅲ-3) 확인된 상기 효율을 토대로 상기 설계 파라미터를 최적화하는 단계를 포함하는, 광마이크로 반응기 제조 방법. - 제 18항에 있어서,
상기 검사체는,
상기 형광 염료가 도핑되고 소정의 두께를 갖는 제 4 집광판 및
상기 집광판의 내부에 복수개의 열이 배열되도록 지그재그방식으로 형성되어 전체적으로 하나의 유로를 형성하는 제 4 채널을 포함하며,
상기 설계 파라미터는 복수개이고,
상기 복수의 설계 파라미터는 상기 제 4 집광판의 두께와 상기 제 4 채널의 직경의 비 또는 상기 복수개의 열 사이의 간격과 상기 제 4 채널의 직경의 비를 포함하는, 광마이크로 반응기 제조 방법. - 제 14항에 있어서,
상기 수지는 광개시제를 더 포함하는 광경화성 수지이고,
상기 (Ⅱ)단계 이전에,
상기 (Ⅰ)단계에서 제조된 광경화성 수지를 토대로 상기 3차원 프린팅 과정을 최적화하는 단계를 더 포함하고,
상기 (Ⅳ)단계는,
상기 제조된 광경화성 수지를 이용하여 상기 광마이크로 반응기를 3차원 프린팅하여 제조하는 단계를 더 포함하는, 광마이크로 반응기 제조 방법.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210125301A KR102558532B1 (ko) | 2021-09-17 | 2021-09-17 | 광마이크로 반응기 및 이의 제조 방법 |
| US17/751,992 US20230089322A1 (en) | 2021-09-17 | 2022-05-24 | Module structure for photomicro-reactor, photomicro- reactor including the same, and method of manufacturing the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210125301A KR102558532B1 (ko) | 2021-09-17 | 2021-09-17 | 광마이크로 반응기 및 이의 제조 방법 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230041545A true KR20230041545A (ko) | 2023-03-24 |
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ID=85872592
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210125301A KR102558532B1 (ko) | 2021-09-17 | 2021-09-17 | 광마이크로 반응기 및 이의 제조 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102558532B1 (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20130085132A (ko) * | 2012-01-19 | 2013-07-29 | 한국과학기술원 | 태양광 발전용 프레넬 렌즈 - 광가이드 복합형 집광 렌즈 장치 |
-
2021
- 2021-09-17 KR KR1020210125301A patent/KR102558532B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20130085132A (ko) * | 2012-01-19 | 2013-07-29 | 한국과학기술원 | 태양광 발전용 프레넬 렌즈 - 광가이드 복합형 집광 렌즈 장치 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| Angew. Chem. 2016, 128, 1 - 7* * |
| J. Name., 2013, 00, 1-3 * |
| Photoredox reactions in Luminescent Solar Concentrator-PhotoMicroreactors, MASTER OF SCIENCE in CHEMICAL ENGINEERING & CHEMISTRY, Eindhoven, March 2018 * |
| Progress in Organic Coatings 77 (2014) 528- 536* * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102558532B1 (ko) | 2023-07-20 |
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