WO2017069579A1 - T자 채널 입자 분리 장치 및 이를 이용한 분리 방법 - Google Patents

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WO2017069579A1
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particles
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fluid
inlet
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고정상
김문정
전형진
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    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/02—Devices for withdrawing samples
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    • G01N11/00—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties
    • G01N11/02—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by measuring flow of the material
    • G01N11/04—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by measuring flow of the material through a restricted passage, e.g. tube, aperture
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles

Definitions

  • the present invention relates to a separation system for separation between particles based on a microfluidic system and a separation method using the same.
  • Microfluidic systems have the advantage of miniaturization. However, due to the nature of the microfluidic system, the laminar flow is large, which limits the separation performance.
  • An object of the present invention is to improve the particle separation performance by finding a method for mass-dispersing the particle separation in the microchannel.
  • the present invention the flat main channel; A first inlet having a width equal to a channel width of the main flow path, on an inflow side in the fluid flow direction of the flat main channel; A coarse discharge outlet equal to the channel width of the main flow path on the discharge side of the flat main flow channel; A device for separating particles by a microfluidic system, the fluid and solid particles being branched from a lower surface of the main flow channel and connected in fluid communication with a flat differential outlet equal to the channel width of the flat main flow path. It is injected into the first inlet provides a microfluidic separation device characterized in that to separate the large particles to the coarse outlet and the small particles to the fine powder outlet.
  • Microfluidic systems unlike macro systems, include: linear flow within the system; Mixing by diffusion of two fluids at the interface; It is a system with very large surface area compared to volume and large surface tension compared to inertia.
  • the height of the channel may be micro size, but the width of the channel may be macro size.
  • a diffuser-like configuration is included.
  • the flat main channel of the present invention is a hollow plate, as shown in Figure 1, the height is micro size and the width is macro size.
  • the fluid flow direction means the direction from the first inlet to the coarse spout.
  • Fluid that does not contain solid particles is injected through the second inlet so that particles injected into the first inlet are spread to the bottom of the main flow channel, thereby increasing separation efficiency.
  • the specific gravity of the solid particles is characterized by being larger than the specific gravity of the fluid, and allows the particles to separate well into the micro-outlet.
  • the differential outlet is branched from the main flow channel at an angle of 90 ° or less from the lower surface of the main flow path to the fluid flow direction, and is connected in fluid communication with the channel width of the flat main flow path.
  • the same plate-shaped second inlet The size difference between the fine particles and the coarse particles can be controlled while controlling the angle with the main channel of the differential outlet.
  • the longitudinal cross section crossing the channel width (z direction) and the channel height (y direction) perpendicular to the fluid flow direction (x direction) of the main flow channel in the shortest direction is parallel to the opening surface of the first inlet
  • the particle separation device includes a diffuser channel, and the diffuser channel includes side grooves in the side of the diffuser channel transversely extending in both directions thereof in a height direction, the opening surface of the side grooves and the opening of the first inlet.
  • the cone-shaped diffuser channel and the main flow channel are connected in fluid communication through an opening surface, and the diffuser channel is a cone-shaped which gradually decreases the area of its cross-section from one of its cross-sections to the other.
  • the larger of the two cross-sections may include a diffuser inlet.
  • a cross section of the diffuser channel has a base parallel to the plane of the main channel; A hypotenuse which forms an acute angle with the side groove side of the bottom surface; A side groove side between the base and hypotenuse; And curved sides forming a curved surface with the inclined surface at an opposite side of the side groove of the bottom surface.
  • the particles are lithium carbonate, and the fluid is air.
  • the particles are characterized by having a density of 500 to 3000 kg / m 3 .
  • the particles are of the same material, that is, particles having the same mass are injected and separated according to the size difference and density difference.
  • the term identical herein should not be construed as being only numerically exact, but will mean a range that can be separated by size or density with the system of the present invention within an arbitrary range.
  • the device of the present invention is characterized in that the angle formed with the main flow channel of the fine powder outlet is adjustable to control the size difference of the separated particles separated into the fine powder outlet and the coarse powder outlet.
  • the interval in the fluid flow direction of the fine powder outlet is characterized in that it can be controlled to control the size difference of the separation particles separated into the fine powder outlet and the coarse powder outlet.
  • the present invention provides a method for separating coarse and fine particles, in the separation device, injecting fluid and fine particles through a first inlet to separate large particles at the coarse outlet and separating small particles to the fine outlet. to provide.
  • the separation device is branched from the main flow channel in an acute angle with the main flow channel in an opposite direction to the fluid flow direction from an upper surface of the main flow path and connected in fluid communication with the channel width of the flat main flow path.
  • Coarse particles having the same plate-shaped second inlet and injecting a fluid containing no solid particles through the second inlet, and controlling the fluid velocity to separate the coarse particles into the finely divided outlet and the particle size of the coarse particles into the coarse outlet Controlling the difference.
  • Particles injected with the fluid through the first inlet are characterized in that they are of the same mass with the same material and are separated according to size and density.
  • the method of the present invention is characterized in that it comprises controlling the size difference of the separated particles separated into the fine powder outlet and the coarse powder outlet by adjusting the angle formed with the main flow channel of the fine powder outlet.
  • controlling the interval of the fluid flow direction of the fine powder outlet characterized in that it comprises controlling the size difference of the separated particles separated into the fine powder outlet and the coarse powder outlet.
  • the present invention provides a method capable of massizing sub-micron sized particle separation.
  • FIG. 1 is a three-dimensional image of a microparticle separation system of the present invention.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram of particle separation of the microparticle separation system of the present invention.
  • FIG 3 shows particle separation parameters of the microparticle separation system of the present invention.
  • FIG. 4 is a view for analyzing the particle separation according to the particle diameter of the microparticle separation system of the present invention.
  • Figure 6 shows the particle separation analysis results (particle distribution, 4 ⁇ 6 ⁇ m diameter particles) of the microparticle separation system of the present invention.
  • Figure 7 shows the results of the particle separation computational analysis when the angle between the first inlet and the second inlet of the microparticle separation system of the present invention is 30 °.
  • FIG. 8 shows the particle separation computational analysis velocity vector results when the angle between the first inlet and the second inlet of the microparticle separation system of the present invention is 30 °.
  • Fig. 9 shows the results of the particle separation computational analysis when the angle between the fine jet port and the crude jet port is 45 °.
  • Fig. 10 shows the results of the particle separation computational analysis vector when the angle between the fine jet port and the crude jet port is 45 °.
  • FIG. 11 is a schematic diagram of a microparticle separation system of the present invention wherein a diffuser channel is introduced at a channel inlet for a constant velocity.
  • FIG. 12 shows a cross section of the diffuser channel introduced at the channel inlet for a constant velocity.
  • FIG. 13 is a schematic diagram of a microparticle separation system of the present invention wherein a diffuser channel is introduced at a channel inlet for a constant velocity.
  • FIG. 14 is a side view of a microparticle separation system of the present invention wherein a diffuser channel is introduced at the channel inlet for a constant velocity.
  • 15 is a velocity distribution at a channel width of 100 mm and a channel height of 100 ⁇ m.
  • 16 is a velocity distribution at a channel width of 100 mm and a channel height of 300 ⁇ m.
  • 17 is a velocity distribution at a channel width of 100 mm and a channel height of 500 ⁇ m.
  • 18 is a velocity distribution at a channel width of 50 mm and a channel height of 100 ⁇ m.
  • 19 is a velocity distribution at a channel width of 150 mm and a channel height of 100 ⁇ m.
  • 20 is a velocity distribution at a channel width of 200 mm and a channel height of 100 ⁇ m.
  • FIG. 21 shows particle separation computational results (first inlet 6.2 m / s, second inlet 12.4 m / s) at a particle density of 1 kg / m 3 ( ⁇ air (fluid) density 1.23 kg / m 3 ).
  • FIG. 22 shows particle separation computational results (first inlet 6.2 m / s, second inlet 12.4 m / s) at 1.23 kg / m 3 ( ⁇ air (fluid) density 1.23 kg / m 3 ).
  • FIG. 23 shows particle separation computational results (first inlet 6.2 m / s, second inlet 12.4 m / s) at a particle density of 10 kg / m 3 ( ⁇ air (fluid) density 1.23 kg / m 3 ).
  • FIG. 24 shows particle separation computational results (first inlet 6.2 m / s, second inlet 12.4 m / s) at a particle density of 100 kg / m 3 ( ⁇ air (fluid) density 1.23 kg / m 3 ).
  • FIG. 25 shows particle separation computational results (first inlet 6.2 m / s, second inlet 12.4 m / s) at a particle density of 500 kg / m 3 ( ⁇ air (fluid) density 1.23 kg / m 3 ).
  • FIG. 26 shows particle separation computational results (first inlet 6.2 m / s, second inlet 12.4 m / s) at a particle density of 1500 kg / m 3 ( ⁇ air (fluid) density 1.23 kg / m 3 ).
  • FIG. 27 shows particle separation computational results (first inlet 4 m / s, second inlet 5 m / s) at a particle density of 1500 kg / m 3 ( ⁇ air (fluid) density 1.23 kg / m 3 ).
  • FIG. 28 shows particle separation computational results (first inlet 6.2 m / s, second inlet 12.4 m / s) at a particle density of 2500 kg / m 3 ( ⁇ air (fluid) density 1.23 kg / m 3 ).
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • Microfluidic particle separation device of the present invention comprises a flat main channel 110; A first inlet 111 equal to the channel width of the main flow path on an inflow side of the flat main flow channel in a fluid flow direction; A coarse outlet 112 equal to the channel width of the main flow passage on the discharge side of the flat main flow channel; It is branched from the lower surface of the main flow channel and connected in fluid communication, and includes a flat differential outlet 113 equal to the channel width of the flat main flow path.
  • Figure 2 is a schematic diagram illustrating how the particles are separated by the microfluidic particle separation device.
  • Particles in the fluid flowing through the main flow channel separates the large particles to the coarse powder outlet 112 and the small particles to the fine powder outlet 113 according to the density difference of the particles.
  • the coarse powder outlet 112 When particles and fluids flow through the channel inlet, there is a crossroad between the coarse and differential outlets, where particle separation occurs.
  • the particles having a relatively high inertia force proceed to the coarse outlet while maintaining the direction of travel, and the relatively small particles exit the fine outlet along the flow flowing downward. This results in particle separation according to size.
  • Particle separation is achieved by the balance of forces between the fluid and the particles trying to maintain inertia. The behavior is determined by the position and size of the particles in the fluid that are going to go straight down while maintaining the inertia of the fluid to flow down.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing channel separation parameters, as another example of the microfluidic particle separation system of the present invention. In Figure 3 the separation variables are shown.
  • the microfluidic particle separation system of the present invention is acutely connected to the main flow channel in an opposite direction to the fluid flow direction from an upper surface of the main flow path, branched from the main flow channel to be in fluid communication, and the flat main flow path. It may comprise a plate-shaped second inlet 114 equal to the channel width of the.
  • a fluid containing no solid particles is injected through the second inlet so that the solid particles injected through the first inlet are spread to the bottom of the main fluid channel, thereby maximizing particle separation efficiency.
  • Fluid eg air
  • the fluid velocity at the second inlet affects the position in the channel of the particles. Depending on the velocity of the fluid, the particles can sink to the bottom of the channel or rise above the channel. By varying this velocity, it is adjusted to reach a position where particles can exit to the differential outlet. The location of the particles can increase the likelihood of separation.
  • the differential outlet of the present invention may be branched from the main flow channel to be in fluid communication with the main flow channel at an angle of 90 ° or less from the lower surface of the main flow path in the fluid flow direction.
  • the system of the present invention includes fluid injection through the diffuser channel 210 such that the velocity of the fluid in the main flow path is uniform along the Z direction (indicated in Figure 3).
  • the diffuser channel is configured to position the inlet on the side of the main channel, as illustrated in FIGS. 11 to 13.
  • the diffuser channel includes side grooves 220 crossing the two end surfaces 231 and 232 in the shortest direction along the height direction on the side of the diffuser channel, and the diffuser channel is one side of both end surfaces 231 and 232 thereof. It is a cone shape from which the area of the cross section thereof gradually decreases from the other surface.
  • the cross section is illustrated in FIG. 12.
  • the opening surface of the first inlet is configured to be parallel to a longitudinal section crossing the channel width (z direction) and the channel height (Y direction) perpendicular to the fluid flow direction (x direction) of the main flow channel, and the side surface
  • the cone-shaped diffuser channel and the main channel are connected in fluid communication through the opening surface of the groove 220 and the opening surface of the first inlet. Fluid is injected through the larger side 231 of both ends of the diffuser channel.
  • the size of the cross-sectional area of the diffuser channel becomes smaller according to the direction of fluid injection into the diffuser channel, and the flow rate passing through the opening surface during the fluid movement to the main fluid channel is set to be uniform along the channel width direction.
  • the cross section of the diffuser channel has a bottom side 241 parallel to the plane of the main channel as shown in FIG.
  • a hypotenuse 242 which forms an acute angle with the side groove 220 side of the bottom;
  • a curved edge 243 constituting a curved surface with the inclined surface on the opposite side of the side groove of the bottom surface 241.
  • FIG. 13 is an example in which a diffuser channel is introduced to maintain a constant speed.
  • the velocity must remain constant at the same location in the channel.
  • Table 1 shows the mean velocity (V mean ), the standard deviation (s), and the coefficient of variation (CV) at the position of each line of FIG. 15.
  • the coefficient of variation Say the value of. Based on the coefficient of variation, it is assumed that the velocity is constant when the coefficient of variation is less than 10%. It can be seen that the speed is constant according to the position in the table below and FIGS. 15 to 20.
  • Table 1 shows the mean velocity, standard deviation and coefficient of variation at 100 mm channel width and 100 ⁇ m channel height.
  • Table 2 shows the mean velocity, standard deviation and coefficient of variation at channel width 100 mm and channel height 300 ⁇ m.
  • Table 3 shows the mean velocity, standard deviation and coefficient of variation at channel width 100 mm and channel height 500 ⁇ m.
  • Table 4 shows the average velocity, standard deviation and coefficient of variation at channel width 50 mm and channel height 100 ⁇ m.
  • Table 5 shows the average velocity, standard deviation and coefficient of variation at channel width 150 mm and channel height 100 ⁇ m.
  • the density of separable particles in the system of the present invention may be at least 500 kg / m 3 , preferably 500 kg / m 3 to 3000 kg / m 3 .

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Abstract

본 발명은 평판형 메인유로채널; 상기 평판형 메인유로채널의 유체 흐름 방향의 유입측에 상기 메인 유로의 채널 폭과 동일한 제1 입구; 상기 평판형 메인유로채널의 유체 흐름 방향의 배출측에 상기 메인 유로의 채널 폭과 동일한 조분 출구; 상기 메인유로채널의 하면으로부터 분지되어 유체 소통가능하게 연결되고, 상기 평판형 메인 유로의 채널 폭과 동일한 평판형 미분 출구를 포함하는, 마이크로유체 시스템에 의한 입자 분리 장치로서, 상기 유체 및 고체 입자가 상기 제1 입구로 주입되어 상기 조분 출구로 큰 입자를 분리하고 상기 미분 출구로 작은 입자를 분리함을 특징으로 하는 마이크로유체 분리 장치에 관한 것이다.

Description

T자 채널 입자 분리 장치 및 이를 이용한 분리 방법
본 발명은 마이크로유체 시스템(Microfluidic System)을 기반한 입자간의 분리를 위한 분리 시스템 및 이를 이용한 분리 방법에 관한 것이다.
마이크로유체 시스템(Microfluidic System)을 기반으로 한 입자와 세포 분리 연구가 다양하게 이루어지고 있다. 마이크로유체 시스템은 소형화할 수 있는 장점이 있다. 그러나 마이크로유체 시스템의 특성상 층류 유동이 대부분이고 이로 인해 분리 성능에 한계를 가지게 된다.
본 발명은 마이크로 채널 내에서의 입자 분리를 대량화 할 수 있는 방법을 모색하여 입자 분리 성능을 향상시킴을 목적으로 한다.
본 발명은, 평판형 메인유로채널; 상기 평판형 메인유로채널의 유체 흐름 방향의 유입측에 상기 메인 유로의 채널 폭과 동일한 폭의 제1 입구; 상기 평판형 메인유로채널의 유체 흐름 방향의 배출측에 상기 메인 유로의 채널 폭과 동일한 조분 출구; 상기 메인유로채널의 하면으로부터 분지되어 유체 소통가능하게 연결되고, 상기 평판형 메인 유로의 채널 폭과 동일한 평판형 미분 출구를 포함하는, 마이크로유체 시스템에 의한 입자 분리 장치로서, 상기 유체 및 고체 입자가 상기 제1 입구로 주입되어 상기 조분 출구로 큰 입자를 분리하고 상기 미분 출구로 작은 입자를 분리함을 특징으로 하는 마이크로유체 분리 장치를 제공한다.
마이크로유체 시스템은, 매크로 시스템과는 달리, 시스템 내에서의 선형(Laminar) 흐름; 경계면에서의 두 유체의 확산에 의한 혼합; 체적에 비해 매우 넓은 표면적, 관성에 비해 큰 표면장력의 특성을 같는 시스템이다. 본 발명의 시스템은 채널의 높이는 마이크로 사이즈이나, 채널의 폭은 매크로 크기일 수 있다. 채널 폭의 매크로 크기 확장에 따른 유체 흐름 속도의 균일성을 확보하기 위해, 디퓨저와 같은 구성을 포함하고 있다.
본 발명의 평판형 메인유로채널은 도 1에 도시된 바와 같이 속이 빈 플레이트이고, 높이가 마이크로 사이즈이며 폭은 매크로 사이즈이다.
유체 흐름 방향은 제1 입구에서 조분출구로의 방향을 의미한다.
상기 메인 유로의 상면으로부터 상기 유체흐름방향의 반대방향으로 상기 메인유로채널과 예각을 이뤄 상기 메인유로채널로부터 분지되어 유체 소통가능하게 연결되고, 상기 평판형 메인 유로의 채널 폭과 동일한 평판형 제2 입구를 포함한다.
상기 제2 입구를 통해 고체 입자를 포함하지 않는 유체가 주입되어 제1 입구로 주입되는 입자가 메인유로채널 바닥으로 깔리도록 하여 분리의 효율을 높인다.
상기 고체 입자의 비중은 상기 유체의 비중에 비해 큼을 특징으로 하며, 입자가 미분출구로 잘 분리되도록 한다.
상기 미분 출구는 상기 메인 유로의 하면으로부터 상기 유체흐름방향으로 상기 메인유로채널과 90°이하의 각을 이뤄 상기 메인유로채널로부터 분지되어 유체 소통가능하게 연결되고, 상기 평판형 메인 유로의 채널 폭과 동일한 평판형 제2 입구를 포함한다. 미분 출구의 메인유로채널과의 각을 제어하면서 미분입자와 조분입자의 크기 차이를 제어할 수 있다.
상기 메인유로채널의 유체 흐름 방향(x방향)에 수직한 채널폭(z방향) 및 채널 높이(y방향)를 최단으로 가로지르는 종단면과 상기 제1입구의 개구면은 평행하고,
상기 입자 분리 장치는 디퓨저 채널을 포함하고, 상기 디퓨저 채널은 이의 양단면을 최단으로 높이방향에 따라 가로지르는 측면홈을 디퓨저 채널의 측면에 포함하며, 상기 측면홈의 개구면과 상기 제1 입구의 개구면을 통해 상기 콘형 디퓨저 채널과 메인유로채널이 유체소통가능하도록 연결되어 있고, 상기 디퓨저 채널은 이의 양단면 중 한면으로부터 타면으로 점증적으로 이의 횡단면의 면적이 감소하는 콘형이고, 상기 디퓨저 채널의 두 양단면 중 더 큰 면에 디퓨저입구를 포함할 수 있다.
상기 디퓨저 채널의 횡단면은 메인유로채널의 평면과 평행한 밑변; 상기 밑면의 상기 측면홈측과 예각을 이루는 빗변; 상기 밑변과 빗변 사이의 측면홈변; 및상기 밑면의 상기 측면홈의 반대측에서 상기 빗면과 곡면을 이루는 곡선변으로 이뤄짐을 특징으로 한다.
상기 입자는 탄산리튬이며, 상기 유체는 공기임을 특징으로 한다.
상기 입자는 500 내지 3000 kg/m3의 밀도를 가짐을 특징으로 한다.
상기 입자는 동일한 재료이며, 즉 동일한 질량의 가진 입자들이 주입되며, 크기 차이, 밀도 차이에 따라, 분리됨을 특징으로 한다. 여기서 동일하다는 의미는 수치적으로 정확히 일치하는 것으로만 해석하면 안되고, 임의의 범위 내에서 본 발명의 시스템으로 크기 또는 밀도별로 분리가능한 범위를 의미할 것이다.
특히, 본 발명의 장치는, 상기 미분 출구의 상기 메인유로채널과 이루는 각은 조절가능하도록 구성되어 상기 미분 출구와 상기 조분 출구로 분리되는 분리입자의 크기차이를 제어할 수 있음을 특징으로 한다. 또한, 상기 미분 출구의 유체흐름 방향의 간격은 조절가능하도록 구성되어 상기 미분 출구와 상기 조분 출구로 분리되는 분리입자의 크기차이를 제어할 수 있음을 특징으로 한다.
다른 측면으로서, 본 발명은 상기 분리 장치에서, 제1 입구를 통해 유체 및 미세 입자를 주입하여 상기 조분 출구로 큰 입자를 분리하고 상기 미분 출구로 작은 입자를 분리하는, 조분 및 미분 입자 분리 방법을 제공한다.
상기 분리 장치는, 상기 메인 유로의 상면으로부터 상기 유체흐름방향의 반대방향으로 상기 메인유로채널과 예각을 이뤄 상기 메인유로채널로부터 분지되어 유체 소통가능하게 연결되고, 상기 평판형 메인 유로의 채널 폭과 동일한 평판형 제2 입구를 포함하고, 상기 제2 입구를 통해 고체 입자를 포함하지 않는 유체를 주입하고, 상기 유체 속도를 조절하여 미분 출구로 분리되는 조분 입자 및 조분 출구로 분리되는 입자의 입자 크기 차이를 제어함을 포함한다.
상기 제1 입구를 통해 유체와 함께 주입되는 입자는 동일한 재료로서 동일한 질량이고 크기 및 밀도에 따라 분리됨을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 방법은 상기 미분 출구의 상기 메인유로채널과 이루는 각을 조절하여, 상기 미분 출구와 상기 조분 출구로 분리되는 분리입자의 크기차이를 제어함을 포함함을 특징으로 한다.
또한, 상기 미분 출구의 유체흐름 방향의 간격을 조절하여, 상기 미분 출구와 상기 조분 출구로 분리되는 분리입자의 크기차이를 제어함을 포함함을 특징으로 한다.
본 발명은 마이크로 이하 사이즈의 입자 분리를 대량화할 수 있는 방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 마이크로입자 분리 시스템의 3차원 이미지이다.
도 2는 본 발명의 마이크로입자 분리 시스템의 입자 분리 개념도이다.
도 3은 본 발명의 마이크로입자 분리 시스템의 입자 분리 파라미터를 보여준다.
도 4는 본 발명의 마이크로입자 분리 시스템의 입자 직경에 따른 입자 분리 해석을 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 마이크로입자 분리 시스템의 입자 분리 해석 결과를 보여준다.
도 6은 본 발명의 마이크로입자 분리 시스템의 입자 분리 해석 결과(입자 분포, 직경 4~6μm 입자)를 보여준다.
도 7은 본 발명의 마이크로입자 분리 시스템의 제1 입구와 제2 입구의 사이 각이 30°일 때의 입자 분리 전산해석 결과를 보여준다.
도 8은 본 발명의 마이크로입자 분리 시스템의 제1 입구와 제2 입구의 사이 각이 30°일 때의 입자 분리 전산 해석 속도 벡터 결과를 보여준다.
도 9는 미분출구와 조분출구의 사이 각이 45°일 때의 입자 분리 전산 해석 결과를 보여준다.
도 10은 미분출구와 조분출구의 사이 각이 45°일 때의 입자 분리 전산 해석 벡터 결과를 보여준다.
도 11은 일정한 속도를 위한 채널 입구에 디퓨저 채널이 도입된 본 발명의 마이크로입자 분리 시스템의 개략도이다.
도 12는 일정한 속도를 위한 채널 입구에 도입되는 디퓨저 채널의 단면을 보여준다.
도 13은 일정한 속도를 위한 채널 입구에 디퓨저 채널이 도입된 본 발명의 마이크로입자 분리 시스템의 개략도이다.
도 14는 일정한 속도를 위한 채널 입구에 디퓨저 채널이 도입된 본 발명의 마이크로입자 분리 시스템의 측면도이다.
도 15는 채널 폭 100 mm, 채널 높이 100 μm 에서의 속도 분포이다.
도 16은 채널 폭 100 mm, 채널 높이 300 μm 에서의 속도 분포이다.
도 17은 채널 폭 100 mm, 채널 높이 500 μm 에서의 속도 분포이다.
도 18은 채널 폭 50 mm, 채널 높이 100 μm 에서의 속도 분포이다.
도 19는 채널 폭 150 mm, 채널 높이 100 μm 에서의 속도 분포이다.
도 20는 채널 폭 200 mm, 채널 높이 100 μm 에서의 속도 분포이다.
도 21은 입자 밀도 1 kg/m3 (<공기(유체) 밀도 1.23 kg/m3)일 때 입자 분리 전산해석 결과(제1 입구 6.2 m/s, 제2 입구 12.4 m/s)를 보여준다.
도 22는 입자 밀도 1.23 kg/m3 (<공기(유체) 밀도 1.23 kg/m3)일 때 입자 분리 전산해석 결과(제1 입구 6.2 m/s, 제2 입구 12.4 m/s)를 보여준다.
도 23은 입자 밀도 10 kg/m3 (<공기(유체) 밀도 1.23 kg/m3)일 때 입자 분리 전산해석 결과(제1 입구 6.2 m/s, 제2 입구 12.4 m/s)를 보여준다.
도 24는 입자 밀도 100 kg/m3 (<공기(유체) 밀도 1.23 kg/m3)일 때 입자 분리 전산해석 결과(제1 입구 6.2 m/s, 제2 입구 12.4 m/s)를 보여준다.
도 25는 입자 밀도 500 kg/m3 (<공기(유체) 밀도 1.23 kg/m3)일 때 입자 분리 전산해석 결과(제1 입구 6.2 m/s, 제2 입구 12.4 m/s)를 보여준다.
도 26는 입자 밀도 1500 kg/m3 (<공기(유체) 밀도 1.23 kg/m3)일 때 입자 분리 전산해석 결과(제1 입구 6.2 m/s, 제2 입구 12.4 m/s)를 보여준다.
도 27는 입자 밀도 1500 kg/m3 (<공기(유체) 밀도 1.23 kg/m3)일 때 입자 분리 전산해석 결과(제1 입구 4 m/s, 제2 입구 5 m/s)를 보여준다.
도 28은 입자 밀도 2500 kg/m3 (<공기(유체) 밀도 1.23 kg/m3)일 때 입자 분리 전산해석 결과(제1 입구 6.2 m/s, 제2 입구 12.4 m/s)를 보여준다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들에 대해서만 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 구성요소 등이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 구성요소 등이 존재하지 않거나 부가될 수 없음을 의미하는 것은 아니다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 마이크로유체 입자 분리 장치를 예시하는 개략도이다. 본 발명의 마이크로유체 입자 분리 장치는 평판형 메인유로채널(110); 상기 평판형 메인유로채널의 유체 흐름 방향의 유입측에 상기 메인 유로의 채널 폭과 동일한 제1 입구(111); 상기 평판형 메인유로채널의 유체 흐름 방향의 배출측에 상기 메인 유로의 채널 폭과 동일한 조분 출구(112); 상기 메인유로채널의 하면으로부터 분지되어 유체 소통가능하게 연결되고, 상기 평판형 메인 유로의 채널 폭과 동일한 평판형 미분 출구(113)를 포함한다.
도 2는 마이크로유체 입자 분리 장치에 의해 입자가 분리되는 모습을 예시하는 개략도이다. 메인유로채널을 통해 흐르는 유체 내의 입자들은 입자의 밀도 차이에 따라 상기 조분 출구(112)로 큰 입자를 분리하고 상기 미분 출구(113)로 작은 입자를 분리하게 된다. 채널 입구를 통해 입자와 유체가 흘러들어오면, 조분 출구와 미분 출구로 나눠지는 갈림길이 나오게 되고, 이곳에서 입자 분리가 이루어진다. 입자의 크기에 따라 상대적으로 관성력이 큰 입자는 진행 방향을 유지하여 조분 출구로 진행을 하고, 상대적으로 작은 입자는 아래쪽으로 흐르는 유동을 따라 미분 출구로 빠져나가게 된다. 이렇게 함으로써 크기에 따른 입자 분리가 이루어지게 된다. 입자 분리는 유체와 관성을 유지하려하는 입자 사이에서 힘의 평형에 의해 이루어지게 된다. 아래로 흘러들어가려는 유체와 관성을 유지하여 직진으로 진행하려는 유체 내의 입자의 각 위치와 크기에 따라 거동이 결정되어 진다.
도 3은 본 발명의 마이크로유체 입자 분리 시스템의 다른 예로서, 채널 분리 변수들을 표시하는 개략도이다. 도 3에서 분리 변수들을 나타내었다.
본 발명의 마이크로유체 입자 분리 시스템은 상기 메인 유로의 상면으로부터 상기 유체흐름방향의 반대방향으로 상기 메인유로채널과 예각을 이뤄 상기 메인유로채널로부터 분지되어 유체 소통가능하게 연결되고, 상기 평판형 메인 유로의 채널 폭과 동일한 평판형 제2 입구(114)를 포함할 수 있다. 상기 제2 입구를 통해 고체 입자를 포함하지 않는 유체가 주입되어, 제1 입구를 통해 주입된 고체입자가 메인유체채널의 바닥으로 깔리도록 해서, 입자 분리의 효율을 극대화할 수 있다. 제1 입구로는 유체(예를 들어, 공기) 및 입자가 주입되고 제2 입구로는 공기만 주입되도록 한다. 제2 입구의 유체 속도는 입자의 채널 내의 위치에 영향을 준다. 유체의 속도에 따라 입자가 채널 바닥으로 가라앉기도 하고 채널 위쪽으로 뜨기도 한다. 이 속도를 변화시키므로 해서 입자가 미분 출구로 빠져나갈 수 있는 위치에 도달할 수 있도록 조절한다. 입자의 위치에 따라 분리의 가능성을 높일 수 있다.
본 발명의 미분 출구는 도 9에서 예시된 바와 같이, 상기 메인 유로의 하면으로부터 상기 유체 흐름 방향으로 상기 메인유로채널과 90°이하의 각을 이뤄 상기 메인유로채널로부터 분지되어 유체 소통가능하게 연결될 수 있다.
본 발명의 시스템은 메인유로 내의 유체의 속도가 Z방향(도3에 방향 표시됨)에 따라 균일하도록 디퓨저 채널(210)을 통한 유체 주입을 포함한다. 디퓨저 채널은 도 11 내지 도 13에서 예시된 바와 같이, 메인유로채널의 측면에 주입구를 위치시키도록 하는 구성이다. 상기 디퓨저 채널은 이의 양단면(231, 232)을 최단으로 높이방향에 따라 가로지르는 측면홈(220)을 디퓨저 채널의 측면에 포함하고, 상기 디퓨저 채널은 이의 양단면(231, 232) 중 한 면으로부터 타면으로 점차적으로 이의 횡단면의 면적이 감소하는 콘형이다. 횡단면은 도 12에서 예시한다. 상기 제1입구의 개구면을 상기 메인유로채널의 유체 흐름 방향(x방향)에 수직한 채널폭(z방향) 및 채널 높이(Y방향)를 최단으로 가로지르는 종단면과 평행하도록 구성하고, 상기 측면홈(220)의 개구면과 상기 제1 입구의 개구면을 통해 상기 콘형 디퓨저 채널과 메인유로채널이 유체소통가능하도록 연결한다. 상기 디퓨저 채널의 두 양단면 중 더 큰 면(231)을 통해 유체를 주입시키도록 한다. 디퓨저 채널의 단면적의 크기는 디퓨저 채널로의 유체 주입 방향에 따라 점점 작아지며, 메인유체채널로의 유체 이동시 개구면을 통과하는 유속이 채널 폭 방향에 따라 균일하도록 설정한다.
바람직하게는 상기 디퓨저 채널의 횡단면은 도 12에 도시되어 있는 바와 같이, 메인유로채널의 평면과 평행한 밑변(241); 상기 밑면의 상기 측면홈(220)측과 예각을 이루는 빗변(242); 및 상기 밑면(241)의 상기 측면홈의 반대측에서 상기 빗면과 곡면을 이루는 곡선변(243)으로 이뤄짐을 특징으로 한다.
도 13은 일정한 속도를 유지하기 위한 디퓨터 채널이 도입된 예시이다. 2차원으로 이루어진 입자 분리가 3차원에서 동일하게 이루어지기 위해서는 채널 내의 동일 위치에서 속도가 일정하게 유지되어야 한다. 본 발명의 디퓨저 채널의 형상을 디자인하므로 해서 일정한 속도 분포를 얻을 수 있다.
아래 표와 도 15 내지 20에서 채널 내 속도 분포를 나타내었다. 도 15의 각 선의 위치에서 평균 속도(Mean velocity, Vmean)와 표준편차(Standard deviation, s), 그리고 변동 계수(Coefficient of variation, CV)를 표1에 나타내었다. 변동계수는
Figure PCTKR2016011925-appb-I000001
의 값을 말한다. 변동계수를 기준으로 하여 변동계수가 10% 이하의 경우 속도가 일정하다고 가정하였다. 아래 표와 도 15 내지 20에서 위치에 따라 속도가 일정해지는 것을 볼 수 있다.
표 1
Mean velocity
Figure PCTKR2016011925-appb-I000002
(m/s) 		Standard deviation s Coefficient of variation CV ( = s /
Figure PCTKR2016011925-appb-I000003
* 100) (%)
0 mm 115.637 17.124 14.8
10 mm 115.870 9.677 8.4
20 mm 115.990 9.331 8.0
30 mm 115.913 9.207 7.9
40 mm 115.917 9.182 7.9
80 mm 115.527 9.261 8.0
90 mm 115.477 9.443 8.2
표 1는 채널 폭 100 mm, 채널 높이 100 ㎛에서의 평균 속도, 표준 편차 및 변동계수를 보여준다.
표 2
Mean velocity
Figure PCTKR2016011925-appb-I000004
(m/s) 		Standard deviation s Coefficient of variation CV ( = s /
Figure PCTKR2016011925-appb-I000005
* 100) (%)
0 mm 32.664 5.491 16.8
10 mm 40.012 5.280 13.2
20 mm 39.385 3.481 8.8
30 mm 39.195 3.064 7.8
40 mm 39.145 2.979 7.6
80 mm 39.147 2.833 7.2
90 mm 39.152 2.611 6.7
표 2는 채널 폭 100 mm, 채널 높이 300 ㎛ 에서의 평균 속도, 표준 편차 및 변동계수를 보여준다.
표 3
Mean velocity
Figure PCTKR2016011925-appb-I000006
(m/s) 		Standard deviation s Coefficient of variation CV ( = s /
Figure PCTKR2016011925-appb-I000007
* 100) (%)
0 mm 27.550 6.129 22.2
10 mm 25.850 5.128 19.8
20 mm 24.702 4.176 16.9
30 mm 24.128 3.909 16.2
40 mm 23.942 3.627 15.1
80 mm 23.746 2.497 10.5
90 mm 23.722 2.315 9.8
표 3는 채널 폭 100 mm, 채널 높이 500 ㎛ 에서의 평균 속도, 표준 편차 및 변동계수를 보여준다.
표 4
Mean velocity
Figure PCTKR2016011925-appb-I000008
(m/s) 		Standard deviation s Coefficient of variation CV ( = s /
Figure PCTKR2016011925-appb-I000009
* 100) (%)
0 mm 236.996 14.615 6.2
10 mm 244.392 8.504 3.5
20 mm 244.385 8.398 3.4
30 mm 244.385 8.304 3.4
40 mm 244.384 8.259 3.4
80 mm 244.383 8.250 3.4
90 mm 244.383 8.250 3.4
표 4는 채널 폭 50 mm, 채널 높이 100 ㎛에서의 평균 속도, 표준 편차 및 변동계수를 보여준다.
표 5
Mean velocity (m/s) Standard deviation s Coefficient of variation CV ( = s /
Figure PCTKR2016011925-appb-I000011
* 100) (%)
0 mm 78.935 5.018 6.4
10 mm 77.726 2.416 3.1
20 mm 77.552 2.296 3.0
30 mm 77.541 2.280 2.9
40 mm 77.542 2.245 2.9
80 mm 77.541 2.172 2.8
90 mm 77.541 2.168 2.8
표 5는 채널 폭 150 mm, 채널 높이 100 ㎛에서의 평균 속도, 표준 편차 및 변동계수를 보여준다.
탄산리튬의 입자 밀도 2110 kg/m3(도 6~8)를 기본으로 한 것이다. 도 21~29에서 밀도가 1, 1.23, 10, 100, 500, 1500, 2500, 3000 kg/m3 일 때 입자 분리 해석을 수행하였다. 결과에서 보듯 밀도가 1, 1.23, 10, 100 kg/m3 에서는 동일한 해석 조건의 500, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000 kg/m3 에 비해 분리가 잘 이루어지지 않는 것으로 해석이 되었다. 실험 결과 본 발명의 시스템에서 분리 가능한 입자의 밀도는 500 kg/m3 이상, 바람직하게는 500 kg/m3 내지 3000 kg/m3 일 수 있다.

Claims (17)

  1. 평판형 메인유로채널;
    상기 평판형 메인유로채널의 유체 흐름 방향의 유입측에 상기 메인 유로의 채널 폭과 동일한 폭의 제1 입구;
    상기 평판형 메인유로채널의 유체 흐름 방향의 배출측에 상기 메인 유로의 채널 폭과 동일한 폭의 조분 출구;
    상기 메인유로채널의 하면으로부터 분지되어 유체 소통가능하게 연결되고, 상기 평판형 메인 유로의 채널 폭과 동일한 폭의 평판형 미분 출구를 포함하는, 마이크로유체 시스템에 의한 입자 분리 장치로서,
    상기 유체 및 고체 입자가 상기 제1 입구로 주입되어 상기 조분 출구로 큰 입자를 분리하고 상기 미분 출구로 작은 입자를 분리함을 특징으로 하는,
    마이크로유체 시스템에 의한 입자 분리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메인 유로의 상면으로부터 상기 유체흐름방향의 반대방향으로 상기 메인유로채널과 예각을 이뤄 상기 메인유로채널로부터 분지되어 유체 소통가능하게 연결되고, 상기 평판형 메인 유로의 채널 폭과 동일한 평판형 제2 입구를 포함하는,
    마이크로유체 시스템에 의한 입자 분리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 입구를 통해 고체 입자를 포함하지 않는 유체가 주입됨을 특징으로 하는,
    마이크로유체 시스템에 의한 입자 분리 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고체 입자의 비중은 상기 유체의 비중에 비해 큼을 특징으로 하는,
    마이크로유체 시스템에 의한 입자 분리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 미분 출구는 상기 메인 유로의 하면으로부터 상기 유체흐름방향으로 상기 메인유로채널과 90°이하의 각을 이뤄 상기 메인유로채널로부터 분지되어 유체 소통가능하게 연결되고, 상기 평판형 메인 유로의 채널 폭과 동일한 평판형 제2 입구를 포함하는,
    마이크로유체 시스템에 의한 입자 분리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 메인유로채널의 유체 흐름 방향(x방향)에 수직한 채널폭(z방향) 및 채널 높이(y방향)를 최단으로 가로지르는 종단면과 상기 제1입구의 개구면은 평행하고,
    상기 입자 분리 장치는 디퓨저 채널을 포함하고,
    상기 디퓨저 채널은 이의 양단면을 최단으로 높이방향에 따라 가로지르는 측면홈을 디퓨저 채널의 측면에 포함하며,
    상기 측면홈의 개구면과 상기 제1 입구의 개구면을 통해 상기 콘형 디퓨저 채널과 메인유로채널이 유체소통가능하도록 연결되어 있고,
    상기 디퓨저 채널은 이의 양단면 중 한면으로부터 타면으로 점증적으로 이의 횡단면의 면적이 감소하는 콘형이고,
    상기 디퓨저 채널의 두 양단면 중 더 큰 면에 디퓨저입구를 포함하는,
    마이크로유체 시스템에 의한 입자 분리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 디퓨저 채널의 횡단면은
    메인유로채널의 평면과 평행한 밑변;
    상기 밑면의 상기 측면홈측과 예각을 이루는 빗변;
    상기 밑변과 빗변 사이의 측면홈변; 및
    상기 밑면의 상기 측면홈의 반대측에서 상기 빗면과 곡면을 이루는 곡선변으로 이뤄짐을 특징으로 하는,
    마이크로유체 시스템에 의한 입자 분리 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 입자는 탄산리튬이며, 상기 유체는 공기임을 특징으로 하는,
    마이크로유체 시스템에 의한 입자 분리 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 입자는 500 내지 3000 kg/m3의 밀도를 가짐을 특징으로 하는,
    마이크로유체 시스템에 의한 입자 분리 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 입자는 동일한 질량의 재료이고 밀도 또는 크기에 따라 분리됨을 특징으로 하는,
    마이크로유체 시스템에 의한 입자 분리 장치.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 미분 출구의 상기 메인유로채널과 이루는 각은 조절가능하도록 구성되어 상기 미분 출구와 상기 조분 출구로 분리되는 분리입자의 크기차이를 제어할 수 있는,
    마이크로유체 시스템에 의한 입자 분리 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 미분 출구의 유체흐름 방향의 간격은 조절가능하도록 구성되어 상기 미분 출구와 상기 조분 출구로 분리되는 분리입자의 크기차이를 제어할 수 있는,
    마이크로유체 시스템에 의한 입자 분리 장치.
  13. 제1항 내지 제 12항 중 어느 한 항의 분리 장치에서, 제1 입구를 통해 유체 및 미세 입자를 주입하여 상기 조분 출구로 큰 입자를 분리하고 상기 미분 출구로 작은 입자를 분리하는, 조분 및 미분 입자 분리 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 분리 장치는, 상기 메인 유로의 상면으로부터 상기 유체흐름방향의 반대방향으로 상기 메인유로채널과 예각을 이뤄 상기 메인유로채널로부터 분지되어 유체 소통가능하게 연결되고, 상기 평판형 메인 유로의 채널 폭과 동일한 평판형 제2 입구를 포함하고,
    상기 제2 입구를 통해 고체 입자를 포함하지 않는 유체를 주입하고, 상기 유체 속도를 조절하여 미분 출구로 분리되는 조분 입자 및 조분 출구로 분리되는 입자의 입자 크기 차이를 제어함을 포함하는,
    마이크로유체 시스템에 의한 조분 및 미분 입자 분리 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1 입구를 통해 유체와 함께 주입되는 입자는 동일한 질량의 재료이고 밀도 또는 크기에 따라 분리됨을 특징으로 하는,
    마이크로유체 시스템에 의한 조분 및 미분 입자 분리 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 미분 출구의 상기 메인유로채널과 이루는 각을 조절하여, 상기 미분 출구와 상기 조분 출구로 분리되는 분리입자의 크기차이를 제어함을 포함하는,
    마이크로유체 시스템에 의한 조분 및 미분 입자 분리 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 미분 출구의 유체흐름 방향의 간격을 조절하여, 상기 미분 출구와 상기 조분 출구로 분리되는 분리입자의 크기차이를 제어함을 포함하는,
    마이크로유체 시스템에 의한 조분 및 미분 입자 분리 방법.
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Citations (5)

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