KR101300485B1 - 수동형 미세 혼합기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수동형 미세 혼합기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 서로 다른 두 유체를 혼합시키기 위하여 사용되는 미세 혼합기의 채널이 사인파 형상을 이루도록 함으로써 단순한 구성으로 종래에 비해 월등히 향상된 혼합성능을 얻을 수 있도록 하는 수동형 미세 혼합기에 관한 것이다.
본 발명은 수동형 미세 혼합기에 있어서, 서로 다른 유체가 유입되는 두 개의 유입구와, 상기 유입구에 연결 설치되는 사인파 형상의 혼합채널과, 상기 혼합채널에 연결 설치되는 배출구를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

수동형 미세 혼합기 {Passive Micromixer}
본 발명은 수동형 미세 혼합기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 서로 다른 두 유체를 혼합시키기 위하여 사용되는 미세 혼합기의 채널이 사인파 형상을 이루도록 함으로써 단순한 구성으로 종래에 비해 월등히 향상된 혼합성능을 얻을 수 있도록 하는 수동형 미세 혼합기에 관한 것이다.
일반적으로, 랩온칩(lab-on-chip)은 분리, 혼합, 반응 및 해석 등을 하나의 칩에서 수행하는 장치를 뜻한다.
화학반응에서 물질들의 용액을 균질화하는 문제를 비롯해 랩온칩과 같은 미세장치들에서 유체의 혼합을 제어하는 문제는 여러 응용분야에서 매우 중요한 과제이다.
미세혼합기는 크기가 작아서 유동의 대부분이 층류가 되는데, 이러한 층류 유동은 유체혼합의 효율을 현저히 떨어뜨리는 요인이 된다. 즉, 유체의 혼합은 분자확산에 의존하므로 유체가 규칙적인 경로로 운동하는 층류유동의 경우 혼합이 매우 느리게 진행된다.
따라서, 혼합과정을 촉진시킬 수 있는 방법을 연구하는 것이 매우 중요하고, 지난 수십년 동안 이와 같이 혼합과정을 촉진시킬 수 있도록 하기 위하여 다양한 종류의 미세 혼합기가 개발되었는데, 이들은 크게 능동형(active) 미세혼합기와, 수동형(passive) 미세혼합기로 분류된다.
이 중 능동형 미세혼합기는 외부 에너지원을 이용하여 구동되는 것에 특징이 있는 것으로, 제작이 어렵다는 단점이 있어 잘 사용되지 않고 있다.
또한, 수동형 미세혼합기는 외부 에너지원 없이도 구동이 가능하다는 점에 특징이 있는 것으로, 제작이 용이하다는 장점으로 인해 주로 사용되고 있는데, 그 채널 형상이 지그재그형(zig-zag), 서펜틴형(serpentine) 또는 원형을 이루는 다양한 형태의 수동형 미세혼합기가 개발되고 있는 실정이다.
그 중, 대한민국 등록특허공보 제10-1005676호에는 수동형 미세혼합기가 개시되어 있는데, 그 주요 기술적 구성은 도 1에 나타낸 바와 같이, 주입구(11)와 배출구(12) 사이에 적어도 하나가 배치되며, 서로 다른 폭을 가지는 제1채널(21,31,41,51) 및 제2채널(22,32,42,52)이 X축을 중심으로 입구부(23) 및 출구부(24)가 대칭상태로 연결되는 링 형상의 서브채널(20,30,40,50)을 포함하여, 주입구(11)를 통해 유입되는 서로 다른 유체가 서로 다른 폭을 가지는 제1채널(21,31,41,51) 및 제2채널(22,32,42,52)을 통해 상호 교차하는 출구부(24) 지점에서 관성의 차이로 인해 불균형한 충돌을 일으켜 유체가 혼합되도록 한 것에 특징이 있다.
상기와 같은 구성은 혼합하고자 하는 유체 사이에 불균형한 충돌을 일으켜 유체의 혼합성능을 향상시킬 수 있도록 하는 효과는 있으나, 서로 다른 폭을 갖는 두 개의 채널을 사용하여야 하므로 제조가 어렵고, 출구부(24) 지점에서 발생하는 유체의 충돌로 인해 유체의 진행속도가 저하되어 유체의 혼합이 더디게 진행되는 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 서로 다른 두 유체를 혼합시키기 위하여 사용되는 미세 혼합기의 채널이 사인파 형상을 이루도록 함으로써 단순한 구성으로 미세유로에서의 유체의 혼합성능을 향상시킬 수 있도록 하는 수동형 미세 혼합기를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
수동형 미세 혼합기에 있어서, 서로 다른 유체가 유입되는 두 개의 유입구와, 상기 유입구에 연결 설치되는 사인파 형상의 혼합채널과, 상기 혼합채널에 연결 설치되는 배출구를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 혼합채널은 두 개의 유입구가 만나는 지점에 연결 설치되는 연결부와, 상기 연결부와 배출구의 사이에 형성되는 혼합부로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 혼합채널의 형상은 y=asin(2πx/λ) 형태의 사인함수로 정의되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 혼합채널은 5개 이상의 피크점을 포함하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 서로 다른 두 유체를 혼합시키기 위하여 사용되는 미세 혼합기의 채널이 사인파 형상을 이루도록 함으로써 단순한 구성으로 미세유로에서의 유체의 혼합속도를 저하시키지 않으면서도 유체의 혼합성능을 향상시킬 수 있는 뛰어난 효과를 갖는다.
또한, 본 발명에 따르면 미세유체기계 시스템(micro fluidic system), 특히 생명의학(biomedical) 분야에서 그 수요가 빠르게 증가하고 있는 수동형 미세 혼합기의 구조를 단순화하면서도 혼합성능을 향상시킬 수 있도록 하여 다양한 산업분야에 크게 기여할 수 있는 효과를 추가로 갖는다.
도 1은 종래의 수동형 미세혼합기를 나타낸 단면도.
도 2의 (a),(b)는 본 발명에 따른 수동형 미세혼합기를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 3의 (a),(b),(c)는 도 2에 나타낸 본 발명 중 혼합채널의 다양한 실시예를 나타낸 단면도.
도 4의 (a),(b),(c)는 도 3에 나타낸 혼합채널의 피크점에 위치한 단면에서의 유체의 2차 흐름을 나타낸 도면.
도 5는 도 3에 나타낸 혼합채널의 레이놀즈수에 따른 혼합성능을 나타낸 그래프.
도 6의 (a),(b)는 본 발명에 따른 수동형 미세혼합기와 종래의 수동형 미세혼합기의 혼합성능 비교 결과를 나타낸 도면.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 따른 수동형 미세혼합기의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2의 (a),(b)는 본 발명에 따른 수동형 미세혼합기를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 3의 (a),(b),(c)는 도 2에 나타낸 본 발명 중 혼합채널의 다양한 실시예를 나타낸 단면도이며, 도 4의 (a),(b),(c)는 도 3에 나타낸 혼합채널의 피크점에 위치한 단면에서의 유체의 2차 흐름을 나타낸 도면이고, 도 5는 도 3에 나타낸 혼합채널의 레이놀즈수에 따른 혼합성능을 나타낸 그래프이며, 도 6의 (a),(b)는 본 발명에 따른 수동형 미세혼합기와 종래의 수동형 미세혼합기의 혼합성능 비교 결과를 나타낸 도면이다.
본 발명은 서로 다른 두 유체를 혼합시키기 위하여 사용되는 미세 혼합기(100)의 채널이 사인파 형상을 이루도록 함으로써 단순한 구성으로 종래에 비해 월등히 향상된 혼합성능을 얻을 수 있도록 하는 수동형 미세 혼합기(100)에 관한 것으로, 그 구성은 도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이, 크게 미세유로로 이루어지는 유입구(110), 혼합채널(120) 및 배출구(130)를 포함하여 이루어진다.
보다 상세히 설명하면, 상기 유입구(110)는 혼합을 위한 유체를 유입시키는 통로 역할을 하는 것으로, 제1 및 제2유입구(112)(114)로 분리 구성되어 서로 다른 유체를 각각 유입시킬 수 있도록 구성되어 있다.
다음, 상기 혼합채널(120)은 일측 단부가 유입구(110)에 연결 설치되어 유입구(110)를 통해 유입된 유체들을 혼합시키면서 이동시킬 수 있도록 하는 통로 역할을 하는 것으로, 전체적으로 사인파의 형상을 이루도록 구성되어 있다.
보다 상세히 설명하면, 상기 혼합채널(120)은 연결부(122)와 혼합부(124)로 구성되는데, 상기 연결부(122)는 도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이, 제1 및 제2유입구(112)(114)가 서로 만나는 지점에서 T자 형상을 이루도록 연결 설치되어 제1 및 제2유입구(112)(114)를 통해 각각 유입된 서로 다른 유체가 합쳐져서 혼합부(124)로 유입될 수 있도록 하는 역할을 하는 것이고, 상기 혼합부(124)는 연결부(122)를 통해 유입된 서로 다른 유체를 혼합시키는 역할을 하는 것으로, 전체적으로 사인파 형상을 이루도록 구성되어 피크(peak) 부분과 골(trough) 부분에서 난류 흐름을 발생시켜 혼합성능을 향상시킬 수 있도록 구성된 것이다.
즉, 상기 혼합채널(120)의 혼합부(124) 형상은 y=asin(2πx/λ)로 정의될 수 있는데, 이때, a는 진폭을 의미하는 것이고, λ는 피치 또는 파장을 의미하는 것이며, x,y는 각각 가로, 세로에 따른 좌표값을 나타내는 것이다.
여기서, 진폭은 중심점 즉, 중립의 위치로부터 발생하는 y방향으로의 최대 변위를 의미하고, 피치 또는 파장은 연속된 두 피크 또는 골 사이의 거리로 정의되는 것인데, 이는 통상적인 사인함수의 표기법과 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
상기와 같은 사인파 형상의 혼합채널(120)은 피크 부분과 골 부분에서 만곡부(curvature)가 형성되므로 혼합 유체가 만곡부를 통과하면서 관성력, 원심력 및 점성력의 상호작용에 의해 딘 와류(Dean vortices)라 불리는 2차 흐름(secondary flows)을 발생시키고, 이러한 2차 흐름에 의해 유체의 확산(diffusion)이 발생되고, 그에 따라 난류가 발생하면서 유체의 혼합성능이 향상되는 것이다.
또한, 사인함수가 갖는 고유 특성상 만곡부가 아닌 부분에서는 거의 직선을 이루는 통로가 형성되어 혼합채널(120) 내부에서 확산이 발생되는 부분이 최소화되므로 유체의 혼합 성능을 더욱 향상시킬 수 있게 된다. 이에 대해서는, 실험결과와 함께 보다 상세히 후술하기로 하겠다.
다음, 상기 배출구(130)는 혼합채널(120)의 타측 단부에 연결 설치되어 사인파 형상을 이루는 혼합부(124)에서 혼합된 유체를 외부로 배출시킬 수 있도록 하는 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 따른 수동형 미세 혼합기(100)를 이용하여 두 가지 유체를 혼합하는 과정 및 실험결과에 대해 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 혼합채널(120)의 단면을 형성하는 두 개의 사인 곡선은 -y 방향으로 0.1mm의 간격을 이루도록 구성하고, y=asin(2πx/λ)에서 a를 0.2mm로 하여 전체적인 혼합채널(120)의 높이(H)가 0.5mm(H=2a+0.1)가 되도록 하였다.
또한, 서로 다른 유체가 각각 유입되는 제1 및 제2유입구(112)(114)는 서로 180도 간격을 이루도록 하였고, 상기 제1 및 제2유입구(112)(114)가 서로 만나는 지점에 연결 설치되는 혼합채널(120)의 연결부(122)는 그 단면적이 0.1mm×0.1mm의 정사각형을 이루도록 하여 제1 및 제2유입구(112)(114)와 수직으로 연결 설치함으로써 제1 및 제2유입구(112)(114)와 혼합채널(120)의 연결부(122)가 T자 형상으로 연결되도록 하였다.
그리고, 혼합채널(120)의 연결부(122)의 길이(
Figure 112011082450713-pat00001
)는 0.1mm, 혼합부(124)의 길이(
Figure 112011082450713-pat00002
)는 4.48mm, 배출구(130)의 길이(
Figure 112011082450713-pat00003
)는 1.8mm가 되도록 구성하였다.
발명된 미세혼합기(100)의 성능을 평가하기 위해 유동장과 유체혼합에 대한 수치해석을 수행하였다. Navier-Stokes 방정식과 연속방정식을 풀기 위해 상용 전산유체역학 코드인 ANSYS CFX-11.0을 사용하였으며, 격자계는 육면체 격자의 정렬격자로 구성하였다.
경계조건으로는 입구에 속도를 출구엔 정압조건을, 벽면은 점착조건을 부여하였으며, 혼합을 위한 작동유체로 에탄올과 물을 선택하였다.
20℃에서의 물성치를 사용하였으며, 물과 에탄올의 확산도(diffusivity)는
Figure 112011082450713-pat00004
㎡/s 이다. 혼합채널(120)의 너비가 변함에 따라 속도를 다르게 하였으며, 레이놀즈수는 모든 작동유체를 물로 가정하여 메인채널의 너비를 기준으로 계산하였다.
혼합의 정량적 분석은 채널 내부 유체 종의 분산(variance)을 계산하여 수행하였는데, 미세혼합기(100) 내의 혼합정도를 평가하기 위해 유동방향에 수직한 단면 내에서 질량비의 분산을 다음과 같이 정의하였다.
Figure 112011082450713-pat00005
... (1)
상기 (1)식에서,
Figure 112011082450713-pat00006
은 단면 내 격자점 수,
Figure 112011082450713-pat00007
는 격자 i점에서의 질량비,
Figure 112011082450713-pat00008
은 최적 혼합질량비를 나타낸다.
혼합지수 M은 유동방향에 수직한 단면에서 유체의 혼합정도를 나타내며 다음과 같이 정의한다.
Figure 112011082450713-pat00009
... (2)
상기 식 (2)에서
Figure 112011082450713-pat00010
는 최대분산을 나타내고, 분산은 완전히 혼합되지 않은 유체의 최대값, 완전히 혼합된 유체의 최소값으로부터 얻어진다.
먼저, 도 3의 (a),(b),(c)에 나타낸 바와 같이, 길이 4.48mm의 혼합부(124) 형상을 y=asin(2πx/λ)에서 피치(λ)값이 각각 1.12. 0.56, 0.28mm가 되도록 설정한 후, 물과 에탄올을 혼합시켰을 때, 피크점에서의 단면적에서 발생하는 2차 흐름(secondary flows)의 속도벡터를 Dean number(K)와 함께 도 4의 (a),(b),(c)에 각각 나타내었다.
이때, Dean Number는,
Figure 112011082450713-pat00011
와 같이 정의되는 것으로, 여기서 Re는 레이놀즈 넘버를 의미하고, d와 R은 각각 피크점에서의 단면 직경과, 피크점에서의 곡률반경을 나타낸다.
도 4에서는 레이놀즈 넘버(Re)가 각각 1과 30인 경우를 좌측과 우측에 나타내었다.
도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 피치(λ)값이 감소할수록 피크점에서의 곡률반경 또한 줄어드는 것을 확인할 수 있고, 곡률반경이 감소할수록 Dean number가 커지면서 이차 흐름의 강도가 증가함을 확인할 수 있다.
또한, 피치(λ)값 즉, 파장이 줄어들수록 와류(vortex)의 회전 중심이 내측 벽면 쪽으로 이동함을 확인할 수 있다.
따라서, 상기와 같은 테스트 결과를 통해 사인파 형상의 피치값 즉, 파장을 줄일수록 혼합성능이 향상되고, 레이놀즈 수가 높을수록 혼합성능이 향상됨을 확인할 수 있다.
이와 같은 테스트 결과를 도 5에 그래프로 나타내었다. 도 5에서 확인할 수 있는 바와 같이, 혼합지수(Mixing index)는 피치값 λ=0.28mm 일 때, 가장 높고, 레이놀즈 넘버가 높아질수록 향상된다.
보다 상세히 설명하면, 피치값이 낮을 수록, 즉 동일한 길이의 혼합채널(120)에서 피크와 골이 많이 존재할수록 피크와 골에서의 곡률반경이 줄어들어 만곡구간이 짧아지고, 만곡구간이 짧아질수록 피크와 골부분에서 발생하는 2차 흐름이 강해지게 되어 혼합성능이 대폭 상승되는 것이다.
이에 반해, 도 3 및 도 4의 (a)에 나타낸 바와 같이, 피치값이 큰 경우, 즉 동일한 길이의 혼합채널(120)에서 피크와 골이 적게 존재하는 경우에는 2차 흐름의 강도가 약해지므로 혼합과정이 지연되고 혼합지수도 낮게 나타난다.
한편, 도 6의 (a),(b)에는 고정된 동일한 x축 길이를 갖는 혼합채널(120)의 형상에 따른 혼합지수를 나타낸 것으로, 도 6의 (a)에는 본 발명에 따른 수동형 미세 혼합기(100)의 혼합채널(120)(λ=0.28mm인 경우), 사각파장의 형상을 갖는 혼합채널 및 직선으로 이루어진 혼합채널을 나타내었다.
이때, 사각파장 채널의 높이(H)와 피치(λ)는 각각 0.5mm와, 0.28mm로 본 발명에 따른 사인파 형상의 혼합채널(120)과 동일하고, 그 단면은 정사각형이며, 0.1 mm ×0.1 mm 의 치수를 가졌다.
도 6의 (b)는 상기 세 가지 형상의 혼합채널(120)의 레이놀즈 넘버에 따른 혼합지수를 나타낸 것으로, 본 발명에 따른 사인파 형상의 혼합채널(120)이 다른 두 가지 형상에 비해 전반적으로 혼합지수가 월등히 향상된 것을 확인할 수 있다.
즉, 일반적으로 사각파장 형상을 갖는 혼합채널은 지그재그 형상의 혼합채널 및 커브 형상의 혼합채널보다 높은 혼합성능을 나타낸다고 알려져 있는데, 본 발명에 따른 사인파 형상의 혼합채널(120)은 전 구간, 특히 레이놀즈 넘버(Re)가 30이하일 때, 사각파장 형상을 갖는 혼합채널보다도 월등히 향상된 혼합성능을 갖는 것이다.
따라서, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 수동형 미세 혼합기(100)에 의하면, 서로 다른 두 유체를 혼합시키기 위하여 사용되는 미세 혼합기(100)의 혼합채널(120)이 사인파 형상을 이루도록 함으로써 단순한 구성으로 미세유로에서의 유체의 혼합속도를 저하시키지 않으면서도 유체의 혼합성능을 대폭 향상시킬 수 있는 등의 다양한 장점을 갖는 것이다.
전술한 실시예들은 본 발명의 가장 바람직한 예에 대하여 설명한 것이지만, 상기 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것은 당업자에게 있어서 명백한 것이다.
본 발명은 수동형 미세 혼합기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 서로 다른 두 유체를 혼합시키기 위하여 사용되는 미세 혼합기의 채널이 사인파 형상을 이루도록 함으로써 단순한 구성으로 종래에 비해 월등히 향상된 혼합성능을 얻을 수 있도록 하는 수동형 미세 혼합기에 관한 것이다.
100 : 혼합기 110 : 유입구
112 : 제1유입구 114 : 제2유입구
120 : 혼합채널 122 : 연결부
124 : 혼합부 130 : 배출구

Claims (4)

  1. 수동형 미세 혼합기에 있어서,
    서로 다른 유체가 유입되는 두 개의 유입구와,
    상기 유입구에 연결 설치되는 사인파 형상의 혼합채널과,
    상기 혼합채널에 연결 설치되는 배출구를 포함하여 구성되되,
    상기 혼합채널의 형상은 y=asin(2πx/λ) 형태의 사인함수로 정의되며, 5개 이상의 피크점을 포함하도록 구성된 것을 특징으로 하는 수동형 미세 혼합기.
    (이때, a는 진폭, λ는 피치 또는 파장, x,y는 각각 가로, 세로에 따른 좌표값을 나타내는 것임.)
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 혼합채널은 두 개의 유입구가 만나는 지점에 연결 설치되는 연결부와, 상기 연결부와 배출구의 사이에 형성되는 혼합부로 이루어진 것을 특징으로 하는 수동형 미세 혼합기.
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