KR101126149B1 - 초음파를 이용한 유체내 미세입자 분리 장치 및 방법 - Google Patents

초음파를 이용한 유체내 미세입자 분리 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파를 이용한 유체내 미세입자 분리 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 초음파를 이용하여 미세채널내를 흐르는 유체내의 미세입자를 용이하게 분리시킬 수 있도록 한 초음파를 이용한 유체내 미세입자 분리 장치 및 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 유체내에 포함된 미세입자에 정재초음파를 인가하여, 미세입자가 정재초음파의 음압마디 또는 반음압마디로 이동하도록 하되, 정재초음파의 주파수를 스윕 제어하여 미세입자의 위치를 특정한 한쪽 방향으로 이동시킬 수 있도록 함으로써, 유체의 미세입자만을 정해진 분기경로를 통해 용이하게 분리시킬 수 있도록 한 초음파를 이용한 유체내 미세입자 분리 장치 및 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

초음파를 이용한 유체내 미세입자 분리 장치 및 방법{Method and apparatus for the separation of microparticles in fluid by ultrasonic wave}
본 발명은 초음파를 이용한 유체내 미세입자 분리 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 초음파를 이용하여 미세채널 내를 흐르는 유체 내의 미세입자의 위치를 제어하여 미세입자를 용이하게 유체와 분리시킬 수 있도록 한 초음파를 이용한 유체내 미세입자 분리 장치 및 방법에 관한 것이다.
매질 내의 입자에 초음파를 가하면 음향방사력(acoustic radiation force)으로 인해 입자에 힘을 가할 수 있다. 이러한 기술은 유체내에 유동을 따라 부유하는 수 마이크로미터 이하의 크기를 가진 미세입자의 제어가 가능하므로 세포나 DNA 같은 유기입자의 분석에 응용하고자 하는 시도가 활발하다. 특히, 환경, 의료, 분석 등 미세입자의 정밀 제어를 요구하는 산업분야가 다양해지면서 많은 주목을 받고 있다.
미세입자 제어 과정은 그 목적에 따라 분리(separation), 정제(purification), 포집(harvesting), 고정(trapping), 여과(filtration) 등의 있으며, 이를 위해서 전자기적, 역학적, 광학적 방법 등 다양한 기전이 적용된다. 종래의 미세입자 제어 방법으로 여러가지 기술들이 알려져 있지만, 이러한 기술에 비해 초음파를 이용하는 방법은 다량의 입자를 고속으로 제어할 수 있는 장점이 있고, 무엇보다도 초음파에 의한 음향방사력은 그 크기가 입자의 역학적 물성과 관련이 있으므로, 입자의 전기적, 자기적 특성과 무관하게 적용할 수 있다.
이에, 초음파를 이용한 미세입자 제어 기술은 바이오 공학 및 나노공학 등을 비롯하여, 여러가지 산업 분야에서 그 응용 가능성이 매우 넓다.
정재파(standing wave)는 파장이 동일한 두 파동이 소로 마주 보며 진행하다가 만날 때 중첩이 되어 나타나는 현상으로, 마치 파가 제자리에 머물러 있는 듯한 양상을 보인다. 이 때, 파의 음압이 항상 0인 지점과 음압이 시간에 따라 극대/극소를 나타내는 지점이 생기는데, 전자를 음압마디(sound pressure node) 후자를 반음압마디(sound pressure antinode)라고 한다.
정재파가 형성된 공간안에 입자가 위치해 있을 때 입자의 상대적 역학적 물성에 따라 정재파의 음압마디 또는 반음압마디 쪽으로 음향방사력이 작용한다. 이러한 입자에 작용하는 음향방사력으로 인해 입자는 정재파의 음압마디 혹은 반음압마디로 이동하므로 정재초음파를 이용하면 입자의 위치 제어가 가능하다.
정재파는 일반적으로 서로 반대방향으로 진행하는 동일한 파동을 중첩시켜서 생성한다. 대개 진행하는 파가 반사체를 만나서 반사할 때 입사파와 반사파가 서로 중첩되므로 반사체 근처에서 정재초음파가 형성된다. 따라서 반사체를 향해 초음파를 수직입사시키면 정재초음파를 용이하게 생성할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 연구된 결과물로서, 유체내에 포함된 미세입자에 다수의 음압마디를 갖는 정재초음파를 인가하여, 미세입자가 정재초음파의 음압마디 또는 반음압마디로 움직이도록 하되, 정재초음파의 주파수를 스윕 제어(frequency sweep control)하여 음압마디가 채널의 한쪽 방향으로 이동하도록 하고 그 결과 미세입자의 위치가 음압마디를 따라 채널의 특정한 한쪽 방향으로 이동할 수 있도록 함으로써, 유체의 미세입자만을 정해진 분기경로를 통해 용이하게 분리시킬 수 있도록 한 초음파를 이용한 유체내 미세입자 분리 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 한쪽에 하나의 입구가 형성되고 다른쪽에 두 개의 출구가 형성된 소정 길이의 미세채널과; 상기 미세채널의 일측벽면에 장착되어, 미세채널내의 유체 및 미세입자에 초음파를 인가하는 초음파 발생수단과; 상기 미세채널의 타측벽면에 구성되어 초음파를 반사시키는 반사체와; 상기 미세채널내에 인가되는 정재초음파의 주파수 스윕 제어를 위한 제어부; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 유체내 미세입자 분리 장치를 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 일측에 초음파 발생수단이 부착되고, 타측에 반사체가 형성된 미세채널내에 미세입자를 내포한 유체를 소정의 속도로 투입하는 단계와; 상기 초음파 발생수단에서 발생된 초음파가 반사체에 반사되면서 미세채널내에 정재초음파가 인가되는 단계와; 상기 미세채널내의 유체내 미세입자가 정재초음파의 각 음압마디 또는 반음압마디로 이동하여 정렬하는 단계와; 상기 정재초음파의 주파수를 상승 및 하강시키는 주파수 스윕 제어를 실시하여, 미세입자가 반사체의 최대 인접 위치까지 순차적으로 이송되는 단계와; 상기 반사체의 최대 인접 위치까지 이송된 미세입자만이 미세채널의 분기이송경로중 하나를 통해 외부로 배출되어 분리되는 동시에 미세입자가 분리된 유체가 분기경로중 다른 하나를 통해 외부로 배출되는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 유체내 미세입자 분리 방법을 제공한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 미세입자가 포함된 유체를 미세채널내로 흐르게 하고, 동시에 미세채널내에 정재초음파를 주파수 스윕 제어를 통해 인가함으로써, 정재초음파의 음압마디를 미세채널의 특정 방향으로 이동시키고, 그 결과 미세입자가 정재초음파의 음압마디를 따라 특정한 한쪽 방향으로 이동하는 동시에 정해진 분기경로를 통해 배출되도록 함으로써, 유체로부터 미세입자만을 용이하게 분리시킬 수 있다.
본 발명의 장치 및 방법을 적용하여, 유체내 미세입자를 유동 중 대량으로 제어가 가능하므로, 고속으로 분리 및 정제가 가능하여, 바이오 및 의료분석을 위한 세포 또는 DNA 제어, 나노 공학 분야, 대기중 오염물질 및 미세먼지 등 환경오염 측정 등 다양한 분야에 응용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 초음파를 이용한 유체내 미세입자 분리 장치를 나타내는 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 초음파를 이용한 유체내 미세입자 분리장치의 구성중 미세채널의 구조에 대한 일례를 나타내는 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 초음파를 이용한 유체내 미세입자 분리를 위한 주파수 마디선 위치를 보여주는 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 초음파를 이용한 유체내 미세입자 분리를 위한 주파수 스윕 제어에 대한 일례를 나타내는 그래프.
도 5는 도 4의 주파수 스윕 제어에 의하여 미세입자의 이송이 이루어지는 것을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 미세입자 분리장치를 위한 미세채널의 출구인 분기경로를 통해 유체내 미세입자가 배출되는 모습을 촬영한 이미지로서, (a)도면은 초음파를 가하지 않는 경우를 나타내고, (b)도면은 초음파를 가한 경우를 나타낸다.
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 미세입자 분리장치에 대한 시험예 결과로서, 초음파의 주파수 스윕 주기 조절에 따른 미세채널내 입자 위치를 관찰한 결과 이미지,
도 9는 반사체에 의해 정재초음파 장이 형성되는 원리를 설명하는 개략도,
도 10은 정재초음파의 각 음압마디 또는 반음압마디로 미세입자가 이동하는 것을 설명하는 개념도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 초음파를 이용한 유체내 미세입자 분리 장치를 나타내는 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 초음파를 이용한 유체내 미세입자 분리장치의 구성중 미세채널의 구조에 대한 일례를 나타내는 사시도이다.
본 발명은 초음파를 이용하여 미세채널내에서 유체와 함께 유동중인 입자의 위치를 제어하여 입자들만 별도로 분리할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
즉, 본 발명은 초음파의 주파수를 점진적으로 증가시키는 동시에 급작스럽게 하강시키는 스윕 제어 방법을 이용하여 미세채널내의 유체내에 유동중인 미세입자가 한쪽 방향으로 모이도록 함으로써, 유체내의 미세입자들만을 별도로 분리시킬 수 있도록 한 점에 특징이 있다.
이를 위한 본 발명의 미세입자 분리 장치는 하나의 입구(12)와 두 개의 출구(14a,14b)를 가지는 미세채널(10)과, 미세채널(10)내의 유체에 초음파를 인가하는 초음파 발생수단(16)과, 미세채널(10)내로 인가된 초음파를 반사시키는 반사체(18)와, 초음파를 제어하는 제어부(20) 등을 포함하여 구성된다.
상기 미세채널(10)은 한쪽에 하나의 입구(12)가 형성되고, 다른 한쪽에 두 개의 출구(14a,14b)가 형성된 구조로서, 그 내부는 입구(12)에서 출구(14a,14b)까지 중공이송통로(30)로 형성된다.
보다 상세하게는, 상기 미세채널(10)의 중공이송통로(30)는 입구(12)에서부터 소정 위치까지 직선을 이루는 단일이송경로(32)와, 이 단일이송통로(32)에서 두 개의 출구(14a,14b)를 향해 분기된 분기이송경로(34)로 구분된다.
이때, 상기 미세채널(10)의 입구에는 미세입자가 함유된 유체(분리 대상 유체)를 저장하는 제1탱크(26)가 펌프(28)를 매개로 연결되고, 상기 미세채널(10)의 출구(14a,14b)에는 각각 유체 저장을 위한 제2탱크(36)와 미세입자 저장을 위한 제3탱크(38)가 라인을 통해 연결된다.
상기 초음파 발생수단(16)은 미세채널(10)의 일측면에 일체로 장착되어, 미세채널(10)내를 흐르는 유체내 미세입자에 초음파를 인가하는 것으로서, 압전 초음파 트랜스듀서 등을 사용할 수 있다.
바람직하게는, 상기 초음파 발생수단(16)은 미세채널(10)의 일측벽면에 장착하되, 미세채널(10)의 입구에서 중공이송통로(30)중 단일이송경로(32)가 형성된 구간에 장착되어, 단일이송경로(32)를 흐르는 유체내 미세입자에 초음파를 인가하게 된다.
이때, 상기 초음파 발생수단(16)에는 초음파의 주파수를 가변시킬 수 있는 일종의 제어부(20)로서, 파워 증폭기(22: Power amplifier)와 신호 발생기(24: Function generator)가 연결된다.
한편, 상기 미세채널(10) 자체를 유체에 비해 음향임피던스가 커서 초음파가 잘 반사하는 재질(예를 들어, 탄소강 재질)로 제작함에 따라, 미세채널(10)의 타측벽면 자체가 반사체(18)가 되고, 반면에 상기 초음파 발생수단(16)이 장착되는 미세채널(10)의 일측벽면은 음향임피던스가 유체와 비슷해서 초음파가 잘 투과할 수 있는 재질(예를 들어, 아크릴 재질)인 초음파 정합층(17)으로 구성된다.
여기서, 상기한 구성을 기반으로 이루어지는 본 발명의 초음파를 이용한 유체내 미세입자 분리 방법을 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 초음파 발생수단에서 발생된 초음파가 미세채널내에 인가되면, 미세채널내의 유체내 미세입자가 정재초음파의 음압마디 선(sound pressure nodal line)로 이동하게 되고, 이때 정재초음파의 주파수를 제어하면 입자의 위치를 한쪽 방향으로 이동시킬 수 있으며, 이러한 원리를 이용하여 유체내 입자들을 미세채널내의 한쪽으로 이동시킴과 함께 한쪽 방향에 정렬된 입자가 미세채널의 분기이송경로중 하나를 통해 빠져나갈 수 있도록 제어함으로써, 미세입자의 고속 분리 및 정제가 가능하도록 한 점에 주안점이 있다.
이를 위해, 먼저 제1탱크(26)에 저장되어 있던 유체 즉, 미세입자가 함유된 유체(분리 대상 유체)가 펌프(28)의 구동에 의하여 미세채널(10)의 입구(12)로 유입되어 미세채널(10)내의 단일이송경로(32)를 따라 흐르게 되고, 동시에 상기 미세채널(10)의 일측벽면에 장착된 초음파 발생수단(16)에서 초음파를 발생시키게 된다.
이에, 상기 초음파 발생수단(16)에서 발생된 초음파가 미세채널(10)의 반사체(18)에 반사되면, 첨부한 도 9와 같이 음압마디(sound pressure node)와 반음압마디(sound pressure antinode)가 반복되는 정재파(standing wave) 형태의 초음파장(field)이 미세채널(10)의 단일이송경로(32)내에 형성되는 상태가 되고, 동시에 정재초음파가 미세채널(10)의 단일이송경로(32)를 따라 흐르는 유체에 작용하게 된다.
따라서, 상기 미세채널(10)의 단일이송경로(32)내의 유체내 널리 퍼져 있던 미세입자가 유체와의 상대적 물성에 따라 첨부한 도 10과 같이 정재초음파의 각 음압마디(sound pressure node) 또는 반음압마디로 이동하여 정렬되는 상태가 되는데, 이는 정재초음파가 인가되는 조건에서 아래의 수학식 1과 같은 음향방사력이 미세입자에 가해지기 때문이다.
Figure 112010027168032-pat00001
위의 수학식 1에서, P는 음압(sound pressure), V는 입자의 부피, λ는 초음파의 파장(wavelength), β는 입자의 압축률(compressibility), ρ는 입자의 밀도, z는 입자의 위치를 나타낸다.
이렇게 미세채널(10)의 단일이송경로(32)내를 흐르는 유체내 미세입자가 최초로 인가된 정재초음파의 각 음압마디로 이동하여 정렬된 후, 파워 증폭기(22) 및 신호 발생기(24)로 이루어진 제어부(20)의 제어 작동에 의하여 초음파의 주파수가 점진적으로 상승되면, 정재초음파의 음압마디 개수가 증가하게 된다.
이때, 미세채널(10)의 단일이송경로(32)내에 인가된 정재초음파의 음압마디가 증가하는 변화시, 반사체(18)쪽에 가까운 음압마디는 주파수에 따른 위치변화가 크지 않지만 반사체(18)로부터 멀어질수록 음압마디의 위치가 크게 변하게 되는데, 이는 미세채널(10)의 단일이송경로(32)와 반사체(18)간의 경계에서 음향임피던스 차이가 크기 때문에 이 경계에 항상 정재초음파의 반음압마디가 생성되기 때문이다.
따라서, 최초로 인가된 정재초음파의 각 음압마디에 정렬되어 있던 미세입자는 주파수 증가에 따라 음압마디가 반사체(18)쪽으로 이동하므로 음압마디를 따라서 반사체(18)쪽으로 이동한다.
이렇게, 초음파의 주파수를 상한치까지 점진적으로 상승시킨 후, 급작스럽게 최초 인가된 하한치의 주파수로 하강시키는 주파수 스윕 제어를 실시함에 따라, 미세입자는 반사체(18)쪽을 향하는 그 다음의 음압마디로 이동하여 정렬된다.
즉, 미세채널(10)의 단일이송경로(32)내에 정재초음파를 인가하되, 점진적으로 정재초음파의 주파수를 상승시키는 주파수 제어 및 급작스럽게 하강시키는 주파수 제어를 반복함으로써, 첨부한 도 6b에 도시된 실제 이미지에서 보는 바와 같이 유체내 미세입자를 미세채널(10)내의 반사체(18)쪽 벽면에 최대로 근접되게 이송시킴과 더불어 미세입자만을 분리시킬 수 있다.
따라서, 유체내 미세입자는 미세채널(10)의 분기이송경로(34)중 하나를 통해 출구(14a)로 빠져나가게 되고, 이와 동시에 미세입자가 분리된 상태의 유체는 분기이송경로(34)중 다른 하나를 통해 출구(14b)로 빠져나가게 되어, 유체는 제2탱크(36)내에 정수된 상태로 저장되고, 미세입자는 제3탱크(38)내에 농축된 상태로 저장되며, 결국 유체내 미세입자의 고속 분리 및 정제가 용이하게 이루어질 수 있다.
물론, 상기 미세채널(10)의 길이는 유체의 흐름속도에 맞추어 선택 조절 가능하다.
참고로, 미세채널(10)의 단일이송경로(32)내에 초음파를 인가하지 않으면, 도 6a에서 보는 바와 같이 분기이송경로(34)의 양갈래로 미세입자가 무작위 배열을 이루며 빠져나가게 된다.
한편, 상기 미세입자가 유체보다 훨씬 가벼운 재질인 경우, 정재초음파의 반음압마디로 이동 정렬되어, 상기와 같은 동일한 분리 과정을 통해 분리될 수 있다.
즉, 미세입자의 물성에 따라, 미세입자의 무게가 기름 또는 기체 등의 유체보다 훨씬 가벼운 재질의 경우, 미세입자가 반음압마디로 정렬하게 되어, 상기와 같이 음압마디 뿐만 아니라 반음압마디로 모이는 미세입자들의 경우도 동일한 과정으로 분리할 수 있다.
여기서, 본 발명에 따른 초음파를 이용한 유체내 미세입자 분리 장치 및 방법을 하나의 실시예로서, 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
실시예
본 발명의 일 실시예로서, 폭 1.5mm의 미세채널(10)로 구성된 소형 모듈을 제작하였는 바, 이 모듈은 아크릴과 탄소강 재질로 제작하였다.
즉, 하나의 입구(12) 및 두 개의 출구(14a,14b)를 가지고, 내부에는 입구(12)에서 시작되는 단일이송경로(32)가 형성되는 동시에 단일이송경로(32)의 말단부에 분기이송경로(34)가 형성된 미세채널(10)을 탄소강 재질로 제작하였고, 초음파 발생수단(16)이 부착되는 미세채널(10)의 일측벽면은 아크릴 재질로 제작하였으며, 물론 미세채널(10)의 타측벽면은 탄소강 재질의 반사체(18)로 구성하였다.
또한, 상기 미세채널(10)의 내부를 관찰할 수 있도록 단일이송경로(32) 및 분기이송경로(34)를 노출시키고, 그 노출된 표면을 투명한 유리재질로 밀폐하였다.
또한, 상기 미세채널(10)의 일측벽면에 초음파 발생수단(16)으로서 압전 초음파 트랜서듀서를 장착하고, 초음파의 주파수를 제어하기 위하여 파워 증폭기(22) 및 신호 발생기(24)를 압전 초음파 트랜서듀서에 연결하며, 미세채널(10)의 내부를 촬영할 수 있는 CCD 카메라와 모니터를 인접 설치하였다.
이때, 상기 미세채널(10)의 입구를 통해 투입되는 유체로서, 폴리스티렌 입자(45마이크로미터)가 무작위로 함유된 물을 사용하였다.
시험예 1
상기의 실시예에 따라 제작된 미세채널(10) 모듈의 입구(12)에 미세입자로서 폴리스티렌 입자(45마이크로미터)가 함유된 유체를 투입하는 동시에 초음파 발생수단(16)인 압전 초음파 트랜서듀서에서 최초 1.75 MHz의 초음파를 미세채널(10)내의 단일이송경로(32)내에 인가하였고, 이후 초음파 발생수단(16)의 주파수를 1.75 MHz부터 3.05 MHz 까지 점진적으로 상승시키는 변화를 주면서 미세입자의 집속 위치를 관찰하고, 이로부터 각 음압마디 선의 위치를 CCD 카메라를 이용하여 측정하였는 바, 그 측정 결과는 첨부한 도 3의 그래프에 나타낸 바와 같다.
도 3의 그래프는 측정된 음압마디 선의 위치를 표시한 것으로서, 1.75 MHz에서는 음압마디 선이 4개만이 존재하지만 주파수가 높아지면서 음압마디 선이 점차 증가하여 3.05 MHz에서는 6개의 음압마디 선이 생긴 것을 알 수 있었고, 이로부터 반사체쪽에 가까운 첫번째 음압마디는 주파수 변화에 따른 위치 변화가 크지 않지만 반사체로부터 멀어질수록 음압마디 선의 위치가 크게 변한다는 것을 알 수 있었으며, 이는 상술한 바와 같이 미세채널의 단일이송경로와 반사체간의 경계에서 음향임피던스 차이가 크기 때문에 이 경계에 항상 정재초음파의 반음압마디가 생성되기 때문이다.
따라서, 미세채널내에 정재초음파 장(field)이 형성된 상태에서 입자는 항상 음압마디 선에 집속되고, 주파수가 연속적으로 변화함에 따라 반사체쪽에 인접하는 음압마디 선으로 이동하게 된다.
예를 들어, 도 3의 그래프에서 보는 바와 같이 1.75 MHz에서 4번째 음압마디 선(4th node: 반사체로부터 약 1.3mm 떨어진 위치)에 있던 입자가 주파수가 연속적으로 증가하여 3.05 MHz가 되었을 때에도 4번째 음압마디 선(반사체로부터 약 8mm 떨어진 위치)에 위치하게 됨을 알 수 있었고, 결국 초음파의 주파수 스윕을 조정하면 4번째 음압마디 선에 존재하는 입자의 위치를 약 8mm~1.3mm 범위내에서 이동시킬 수 있는 제어가 가능함을 알 수 있었다.
시험예 2
상기 압전 초음파 트랜서듀서에서 최초 1.75 MHz의 초음파를 미세채널(10)내의 단일이송경로(32)내에 인가하고, 이후 주파수를 1.75 MHz부터 3.05 MHz 까지 3.5초간 점차 상승시키는 주파수 스윕 변화를 주는 동시에 급격하게 1.75MHz 수준까지 하강시켰을 때, 정재초음파의 음압마디 변화 및 미세입자의 이동위치를 측정하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 4 및 5의 그래프에 나타낸 바와 같다.
도 4의 1번에서 8번까지의 초음파 주파수 위치에서의 미세입자의 위치는 도 5에 나타낸 바와 같이 각 음압마디 선을 옴겨가면서 점차 반사체쪽으로 이동함을 알 수 있다.
시험예 3
상기의 실시예에 따라 제작된 미세채널(10) 모듈의 입구(12)에 미세입자로서 탄화규소 입자(-400 mesh)와 폴리스티렌 입자(25마이크로미터)가 함유된 유체를 각각 투입하는 동시에 초음파 발생수단(16)인 압전 초음파 트랜서듀서에서 최초 1.75 MHz의 초음파를 미세채널(10)내의 단일이송경로(32)내에 인가하고, 주파수 스윕(sweep) 제어를 통해 초음파의 주파수를 점진적으로 증가시켰다.
상기 탄화규소 입자(-400 mesh)의 경우, 초음파 발생수단의 주파수를 1초간 1.75 MHz부터 3.05 MHz 까지 점진적으로 상승시키는 주파수 스윕 변화를 주고, 갑작스럽게 1.75 MHz 수준으로 다시 주파수를 하강시킴으로써, 첨부한 도 7에서 보는 측정 이미지와 같이 약 3초후 미세입자인 탄화규소 입자가 미세채널의 단일이송경로내에서 반사체쪽으로 몰리게 됨을 알 수 있었다.
또한, 상기 폴리스티렌 입자(25마이크로미터)의 경우, 초음파 발생수단의 주파수를 3초간 1.75 MHz부터 3.05 MHz 까지 점진적으로 상승시키는 주파수 스윕 변화를 주고, 갑작스럽게 1.75 MHz 수준으로 다시 주파수를 하강시킴으로써, 첨부한 도 8에서 보는 측정 이미지와 같이 약 9초후 미세입자인 폴리스티렌 입자가 미세채널의 단일이송경로내에서 반사체쪽으로 이동함을 알 수 있었다.
이와 같이, 본 발명에 따르면 유체내에 포함된 미세입자에 음압마디를 갖는 정재초음파를 주파수 스윕 제어를 통해 인가함으로써, 미세입자를 정재초음파의 음압마디를 따라 특정한 한쪽 방향으로 이동시키는 동시에 정해진 분기경로를 통해 용이하게 분리시킬 수 있다.
10 : 미세채널 12 : 입구
14a,14b : 출구 16 : 초음파 발생수단
17 : 초음파 정합층 18 : 반사체
20 : 제어부 22 : 파워 증폭기
24 : 신호 발생기 26 : 제1탱크
28 : 펌프 30 : 중공이송통로
32 : 단일이송경로 34 : 분기이송경로
36 : 제2탱크 38 : 제3탱크

Claims (13)

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  8. 일측에 초음파 발생수단(16)이 부착되고, 타측에 반사체(18)가 형성된 미세채널(10)내에 미세입자를 내포한 유체를 소정의 속도로 투입하는 단계와;
    상기 초음파 발생수단(16)에서 발생된 초음파가 반사체(18)에 반사되면서 미세채널(10)내에 정재초음파가 인가되는 단계와;
    상기 미세채널(10)내의 유체내 미세입자가 정재초음파의 각 음압마디로 이동하여 정렬하는 단계와;
    상기 정재초음파의 주파수를 상승 및 하강시키는 주파수 스윕 제어를 실시하여, 미세입자가 반사체(18)의 최대 인접 위치까지 순차적으로 이송되는 단계와;
    상기 반사체(18)의 최대 인접 위치까지 이송된 미세입자만이 미세채널의 분기이송경로중 하나를 통해 외부로 배출되어 분리되는 동시에 미세입자가 분리된 유체가 분기경로중 다른 하나를 통해 외부로 배출되는 단계;
    로 이루어지고,
    상기 정재초음파에 대한 주파수 스윕 제어는;
    미리 정해진 하한치의 주파수에서 상한치의 주파수까지 정해진 스윕 주기에 맞추어, 정재초음파의 주파수를 점진적으로 상승시키는 과정과;
    정재초음파의 주파수가 상한치에 도달한 후, 하한치 주파수까지 급작스럽게 하강시키는 과정;
    을 반복 진행시키는 것임을 특징으로 하는 초음파를 이용한 유체내 미세입자 분리 방법.
  9. 삭제
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 주파수 스윕 제어중 주파수를 점진적으로 상승시키는 과정에서는 정재초음파의 음압마디 개수가 증가하고 음압마디의 위치가 반사체쪽으로 이동함으로써 미세입자가 반사체쪽으로 이송되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 유체내 미세입자 분리 방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 주파수 스윕 제어중 주파수를 급작스럽게 하강시키는 과정에서는 정재초음파의 음압마디 개수가 감소하고 음압마디의 위치가 갑자기 변하면서 미세입자가 반사체쪽에 더 가까운 음압마디로 이동하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 유체내 미세입자 분리 방법.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 미세채널(10)로부터 분리되어 나온 미세입자는 농축된 상태로 저장하고, 미세입자가 제거된 유체는 정수된 상태로 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 유체내 미세입자 분리 방법.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 미세입자가 유체보다 훨씬 가벼운 재질인 경우, 정재초음파의 반음압마디로 이동하여 정렬하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 유체내 미세입자 분리 방법.
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