KR100769306B1 - 미세유로 내부에 로터가 장착된 준 능동형 마이크로 혼합기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로 혼합기 및 유동의 혼합방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 미세가공공정(MEMS; Micro Electro Mechanical Systems)에 의해 미세유로 내부에 로터가 장착되는 준 능동형 마이크로 혼합기 및 상기 마이크로 혼합기 내부 유동의 효율적인 혼합방법에 관한 것이다.

본 발명에 의한 마이크로 혼합기는 미세유로; 상기 미세유로 중간부에 상기 미세유로를 흐르는 유동에 의해 동작하는 유동교란수단; 을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 이 때 상기 유동교란수단은 필요에 의하여 다수 개 배열되어 작동될 수도 있으며, 특히 상기 유동교란수단은 로터인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 상기 마이크로 혼합기의 미세유로 내부 유동의 혼합방법에 있어서, 상기 유동의 혼합은 상기 미세유로를 흐르는 유동이 가진 에너지를 이용하는 것을 특징으로 하는 마이크로 혼합기의 유동 혼합방법을 제공하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

미세가공공정(MEMS), 확산, 혼합, 미세유로, 유동교란수단, 로터

Description

미세유로 내부에 로터가 장착된 준 능동형 마이크로 혼합기{Quasi-Active Micromixer with Micro-structured Rotors in Microchannel}

도 1은 종래 마이크로 혼합기의 개략적인 결합 사시도이다.

도 2a는 상기 도 1의 마이크로 혼합기의 개략적인 하부기판 평면구성도이다.

도 2b는 상기 도 1의 마이크로 혼합기의 주 마이크로 채널에 형성된 제 1 구조물의 형상을 도시한 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 마이크로 혼합기의 단면 사시도이다.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 마이크로 혼합기에 형성되는 미세유로의 다양한 형성예이다.

도 5a 내지 도 5c는 유동교란수단인 로터가 다수 개 배치되는 실시예이다.

도 6은 본 발명에 따른 마이크로 혼합기의 유입구에 다수 개의 가이드 베인을 형성된 실시예이다.

도 7a 내지 도 7f는 본 발명에 사용되는 로터 블레이드의 개수와 다양한 형태의 단면형상을 나타내는 개념도이다.

도 8a 내지 도 8e는 본 발명에 사용되는 로터의 회전을 위한 구성의 다양한 실시예이다.

<도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 기판 20 : 유동교란수단

30 : 미세유로

40 : 제 1 유입구 50 : 제 2 유입구

60 : 유출구

70 : 가이드베인

80 : 축 81 : 원추형 받침

82 : 회전받침 83 : 회전홈

84 : 회전돌기

본 발명은 마이크로 혼합기에 관한 것이며, 보다 상세하게는 미세가공공정(MEMS; Micro Electro Mechanical Systems)에 의해 미세유로 내부에 로터가 장착되는 준 능동형 마이크로 혼합기(Quasi-Active Micromixer)에 관한 것이다. 특히 미소 화학반응기나 바이오 소자 등과 같이 유체가 섞여 혼합되거나 생화학 반응이 일어나는 장치에서 혼합 효율 또는 반응 효율을 높이기 위해 사용되거나 잉크젯프린터용 헤드 어레이(array) 등과 같이 유체의 흐름을 제어하기 위한 미소유체 소자에 적용될 수 있는 마이크로 혼합기 및 그 내부의 유동 혼합방법에 관한 것이다.

기존의 대규모 시스템에서 사용하던 매크로 시스템 레벨에 속하는 혼합기의 경우 둘 이상의 유체 혼합은 상대적으로 용이하며 프로펠러나 자기 막대(magnetic bar)등의 움직이는 요소나 전기적 힘에 의해 발생된 난류유동(turbulent flow)을 이용하여 혼합을 하였다.

그러나 마이크로 플랜트에서 사용하는 마이크로 혼합기의 경우 레이놀즈수가 매우 낮아 난류유동이 유발되지 않게 되어 결국 분자확산(molecular diffusion)에 의한 혼합만을 기대할 수 있는데 이 경우 혼합거리와 압력손실(pressure loss)의 장애로 인하여 혼합성능이 상대적으로 떨어지게 된다.

최근 반도체 공정을 이용한 미세가공공정(MEMS) 기술의 발달로 기존의 장치를 소형화 시키려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 기존의 기계 가공법은 제작 가 능한 크기와 가공오차, 가공비용 등의 문제로 제품의 소형화에 어려움이 있었으나, 미세가공공정(MEMS) 기술은 소형화는 물론 집적화, 저전력 및 저가격 등 대부분의 전자, 기계 및 부품들이 궁극적으로 추구하는 목표를 모두 만족시킬 수 있다는 장점을 가지고 있어 각 분야별로 이를 접목한 연구가 활발히 진행 중이다. 이와 같은 미세 가공의 가능성이 현실화 되면서 기존의 거대한 화학 공장을 소형화 시킨 마이크로 플랜트(Micro Plant) 개념이 생겨나게 되었다. 마이크로 플랜트를 이용할 경우 무엇보다도 두 유체가 만나는 면적이 넓어져 생산물의 수득률이 좋아지고, 적은 양의 원료를 사용하기 때문에 원료의 손실 없이 제품을 생산할 수 있으며, 다품종 소량 생산이 가능하다는 장점이 있다. 한편, 기존의 대규모 화학 공장에서는, 실험실 수준에서는 제품생산에 성공하였더라도, 많은 양의 반응물을 한꺼번에 반응시키기 때문에 온도, 압력 등의 조건을 전체 반응물에 고루 맞춰줄 수 없다. 따라서 대량생산을 위한 별도의 연구가 필요하였다. 하지만 마이크로 플랜트를 사용할 경우 마이크로 플랜트 자체가 하나의 실험실 역할을 하게 되고, 각각의 마이크로 플랜트를 병렬화 시킴으로써 대량생산이 가능하다.

이러한 마이크로 플랜트에서 두 종류 또는 그 이상의 유체를 혼합하는 공정은 필수적으로 존재하게 되고, 양질의 생산물을 얻기 위해서는 고성능의 마이크로 혼합기가 필요하다. 따라서 마이크로 반응기, 마이크로 펌프, 또는 마이크로 혼합기 등의 마이크로 플랜트 구성요소 중에서 마이크로 혼합기가 가장 핵심적인 구성요소라고 할 수 있다.

상기 마이크로 혼합기는 일반적으로 확산(diffusion)의 원리를 이용하여 서 로 다른 유체물질을 혼합하는 마이크로 단위의 믹서(mixer)로서, 참고 문헌 Volker Hessel, et al., "Micromixers-a review on passive and active mixing principles", Chemical Engineering Science, Vol 60, pp. 2479-2501, 2005. 와 Nam-Trung Nguyen, et al., "Micromixers-a review", Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol 15, pp. R1-R16, 2005. 에 소개된 바와 같이 크게 능동형 혼합기와 수동형 혼합기로 나눌 수 있다.

그러나 상기 수동형 혼합기는 미세유로 내부에 정적인 여러 미세 구조물을 배치시켜 유동이 서로 맞닿는 면적을 증가시키거나 유동을 복잡하게 함으로써 혼합을 유도하는 혼합기이므로, 다른 마이크로 장치들과의 통합이 용이하고 제조가 용이하며 무엇보다도 외부 에너지를 사용하지 않는다는 장점이 있으나, 구조물을 세밀하고 복잡하게 만들수록 유동저항이 증가하여 압력손실이 발생하므로 소형화가 곤란하고 혼합성능이 능동형 마이크로 혼합기에 비해 상대적으로 떨어진다는 단점이 있다.

반면에 능동형 혼합기는 유동자체의 에너지가 아닌 움직이는 요소나 전기적 힘과 같은 외부의 에너지를 이용하여 유체를 혼합하는 혼합기로서, 혼합성능이 좋다는 장점이 있는 반면에 제조가 어렵고 미세유체의 누출이 생길 수 있으며 외부의 에너지를 사용한다는 단점이 있다.

상기 마이크로 혼합기에 관한 종래 기술로서 특허 제485317호에는 마이크로 채널이 형성된 하부기판과 상부기판을 본딩하여 구성하되 상기 마이크로 채널 내부 표면에 다수의 돌출부를 형성함으로써 유체의 흐름을 방해하여 두 용액사이의 계면 을 증가시키고 교류의 전기장을 인가하여 채널 내에서의 유체의 흐름을 변화시켜 혼합효율을 향상시키려는 시도가 소개되고 있다. 또한 그 외에도 3차원적으로 형성된 구불구불한 파이프 형태의 유로로 인해 유체가 흐르면 나선 모양으로 회전하는 유동이 생기고 굴곡 부분에서 이차 유동(secondary flow)이 생기게 하여 유동의 복잡성을 만들어 내는 실시예가 보고되기도 하였다.

그러나 이 역시 3차원 구조로 되어 있어 그 구성이 복잡하여 제작이 어렵거나 또는 혼합효과가 우수하지 않다는 종래의 문제점을 그대로 안고 있는 것으로 평가되고 있는 형편이다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 수동형 혼합기와 능동형 혼합기의 단점들을 극복하고 그들 각각의 장점을 모두 발휘할 수 있도록 기본적인 형태는 수동형 혼합기를 취하고 능동형 혼합기의 움직이는 요소를 가미한 방식의 준 능동형 마이크로 혼합기를 제공하는 것이다.

본 발명의 보다 구체적인 목적은 미세유로 내부에 외부 에너지가 아닌 유동 자체의 에너지만으로 혼합을 유도하는 마이크로 혼합기와 상기 준 능동형 마이크로 혼합기의 미세유로 내부 유동의 효율적인 혼합방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 준 능동형(Quasi- Active) 마이크로 혼합기는 미세가공공정(MEMS)에 의해 가공되며, 미세유로; 상기 미세유로의 일단과 타단에 각각 형성된 유입구와 유출구; 상기 미세유로 중간부에 상기 미세유로를 흐르는 유동에 의해 동작하는 유동교란수단; 을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이 때 상기 유동교란수단은 필요에 의하여 다수 개 배열되어 작동될 수도 있으며, 특히 상기 유동교란수단은 로터인 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 미세유로에는 상기 로터 블레이드의 하부가 상기 유로에 접하지 않도록 하는 이격수단이 형성되되, 상기 이격수단은 상기 유로에 고정된 회전축일 수도 있고, 이 때 상기 회전축은 하부지름이 상기 로터의 회전구멍보다 더 큰 것을 특징으로 한다.

또한 상기 이격수단은 상기 유로에 회전홈이 형성될 수도 있으며, 이 경우에는 상기 로터는 회전중심부에 돌출된 원형의 회전돌기를 갖는 것이 바람직하며 상기 회전돌기의 길이는 상기 회전홈의 깊이보다 길어야함은 물론이다.

한편, 본 발명은 상기 마이크로 혼합기의 미세유로 내부 유동의 혼합방법에 있어서, 상기 유동의 혼합은 상기 미세유로를 흐르는 유동이 가진 에너지를 이용하는 것을 특징으로 하는 준 능동형 마이크로 혼합기의 유동 혼합방법을 제공하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

상기 유동의 혼합은 상기 미세유로를 흐르는 유동에 의해 작동하는 유동교란수단에 의해 이루어지며, 상기 유동교란수단은 회전하는 로터인 것을 특징으로 한다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 준 능동형 마이크로 혼합기 및 상기 준 능동형 마이크로 혼합기 내부 유동의 혼합방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 1은 종래 마이크로 혼합기의 개략적인 결합 사시도이며, 한 쌍의 관통홀(210, 220)이 형성된 상부기판(200)을 하부기판(100)에 본딩시키되, 상기 하부기판(100)에 형성된 제 1과 2 입구(110, 120)와 상기 관통홀(210, 220)이 각각 연통되도록 본딩되는 것을 도시하고 있다.

도 2a는 상기 도 1의 마이크로 혼합기의 개략적인 하부기판 평면구성도로서, 표면에 구조물이 형성된 주마이크로 채널(140)은 보조 마이크로 채널(130)과 출구(150)에 연결된 채널의 폭(d1)보다 큰 폭(d2)을 갖는 확대 마이크로 채널 영역(140a)을 더 구비하며, 상기 확대 마이크로 채널 영역(140a) 양측의 기판(100)에는 '-'전극(161)과 '+'전극(162)이 형성되어 있다. 제 1과 2 입구(110, 120)로 각각 주입된 두 용액은 채널 폭이 작은 주 마이크로 채널(140)을 통과하면서 구조물에 의해 혼합되고, 상기 확대 마이크로 채널 영역(140a)을 통과하면서 전기장에 의해 용액에서 발생되는 와류로 혼합 효율을 증가시킬 수 있다는 개념을 보여주고 있다.

도 2b는 상기 도 1의 마이크로 혼합기의 주 마이크로 채널에 형성된 제 1 구조물의 형상을 도시한 도면으로서, 도시된 바와 같이 주 마이크로 채널(140)의 내부 표면에 상호 이격된 복수의 돌출부(142)들이 형성되어 있는 구성을 도시하고 있 다.

도 3은 본 발명에 따른 마이크로 혼합기의 단면 사시도이다. 미세가공공정(MEMS)에 의해 기판(10)에 미세유로(30)를 형성하며 상기 미세유로(30)의 일단부에는 서로 다른 유체를 각각 제공하는 제1 유입구(40)와 제2 유입구(50)가 형성되고 타단부에는 상기 미세유로(30)를 통과하며 혼합된 유체를 유출시키는 유출구(60)가 형성된다. 그리고 상기 미세유로(30)의 중간부에는 상기 제1 유입구(40)및 제2유입구(50)로부터 유입된 유체들의 유동을 혼합시키기 위한 유동교란수단(20)이 구비된다. 상기 제1 및 제2 유입구(40, 50)로부터 유입된 두 유체는 확산(diffusion)에 의하여 서로 혼합되며 상기 유동교란수단(20)은 상기 두 유체의 혼합작용을 더욱 촉진시키는 역할을 한다. 본 발명에서 특징적인 기술사상은 상기 유동교란수단(20)은 외부로부터 어떠한 에너지원을 공급받지 아니하고 단지 상기 유입된 두 유체의 유동에 의해서만 작동된다는 점에 그 특징이 있다. 이를 위하여 본 발명에서 상기 유동교란수단(20)은 유동에 의해 회전하는 로터(20)인 것이 바람직하며, 상기 로터(20)는 역시 미세가공공정(MEMS)에 의해 제조된 마이크로 로터(micro rotor)인 것이 바람직하다. 그리고 상기 로터(20)에 회전력을 효율적으로 부여할 수 있도록 상기 로터(20)의 지름 및 회전을 위한 영역에 비하여 상기 미세유로(30)의 폭은 상대적으로 좁은 것이 바람직하며, 상기 로터(20)를 중심으로 상기 미세유로(30)의 연통경로는 소정의 간격을 두고 서로 이격되어 형성될 수도 있다. 상기와 같은 구성에 의하여 두 유체가 각각 제1 유입구(40) 및 제2 유입구(50)를 통하여 공급되어 미세유로(30)를 통하여 흘러 상기 로터(20)를 회전시키게 되며 이 로터의 회전에 의하여 뒤따르는 유동이 교란됨으로써 상기 두 유체의 혼합작용을 촉진시키게 되는 것이다. 통상 미세유로라고 하면 0.2mm 이하를 의미하지만 마이크로 혼합기의 경우 그 보다 더 큰 경우도 있으며 이를 운용유량 범위로 환산하면 시간당 5밀리리터 ~ 5리터 정도의 유량대를 보여준다.

도 4a 내지 도 4c는 미세유로(30)의 다양한 형성예를 보여준다. 즉 도 4a에서 보는 바와 같이 상기 미세유로(30)는 유동교란수단인 로터(20)를 전후로 서로 소정의 간격을 두고 이격되어 유동의 흐름을 유도할 수도 있으며, 도 4b는 로터(20) 전후의 미세유로(30)가 모두 상기 로터(20)의 회전중심을 벗어나서 배열되되 유동방향은 일직선상에 정렬될 수도 있다. 그리고 도 4c는 로터(20)를 중심으로 유출되는 미세유로(30) 및 유출구(60)를 복수 개 형성할 수도 있음을 보여준다.

도 5a 내지 도 5c는 유동교란수단인 로터(20)가 다수 개 배치되는 실시예를 보여준다. 도 5a는 각 로터(20) 사이의 소정의 길이를 갖는 미세유로(30)를 형성시키는 경우를 도시한 것이고, 도 5b는 로터(20)들 사이에 별도의 미세유로(30)를 형성시키지 않고 다수 개 인접하여 배열하되 인접한 로터(20)의 회전력을 이용하도록 각각 편심되어 배열되는 실시예를 도시한 것이며, 도 5c는 다수 개의 로터(20)를 배열한 경우에도 유출되는 미세유로(30)를 복수 개 형성할 수 있음을 보여준다.

도 6은 유체가 공급되는 유입구에 다수 개의 가이드 베인(70)을 배열함으로써 형성된 복수 개의 유입경로(A와 B)를 통하여 두 유체를 번갈아 교대로 유입하는 실시예를 보여준다.

도 7a 내지 도 7f는 본 발명에 사용되는 로터(20) 블레이드의 개수와 다양한 형태의 단면형상을 보여준다.

도 8a 내지 도 8e는 본 발명에 사용되는 로터(20)의 회전을 위한 구성의 다양한 실시예를 보여준다. 본 발명에서 사용되는 로터(20)는 외부 에너지를 공급받지 않고 순수하게 미세유로(30)를 통과하는 유동의 자체 에너지만에 의해 구동된다. 따라서 로터(20)의 블레이드가 상기 유로의 바닥 또는 천정에 닿게 되면 마찰력 또는 표면장력의 영향을 받게 되어 회전에 불리하므로 이를 방지하기 위하여 가급적 유로의 바닥과 어느 정도 간격을 유지하며 회전하도록 하는 것이 매우 중요하다. 이를 위하여 도 8a는 로터(20)의 회전중심에 끼워지는 축(80)에 의해 높이를 유지할 수 있도록 상기 축(80)의 하부 지름이 상기 로터(20)의 회전구멍의 직경보다 더 커지도록 하거나 또는 상기 축(80)의 하부 면적이 상기 로터(20)의 회전구멍의 면적보다 더 커지도록 단면이 테이퍼 진 형태로 설계된 실시예이다. 도 8b는 상기 도 8a에서의 축(80)이 유로의 하부에 원추형 받침(81)으로 형성된 실시예를 보여주며, 도 8c는 상기 도 8b의 원추형 받침(81)이 상부 기판과 하부 기판에 각각 형성되어 결합된 경우를 보여준다. 도 8d는 단차를 두어 지름을 달리한 회전 받침(82)을 보여주며, 도 8e는 상기 도 8d에서 회전 받침(82)이 상부 기판과 하부 기판에 각각 형성되어 결합된 경우를 보여준다. 도 8f는 유로의 하부에 원통형 회전홈(83)을 형성하고 이에 상응하는 원통형 회전돌기(84)를 로터(20)의 중심부에 일체로 형성되도록 한 경우를 보여주며, 도 8g는 상기 도 8f의 원통형 회전홈(83)이 상부 기판과 하부 기판에 각각 형성되어 결합된 경우이고 상기 회전홈(83)은 그 깊이가 상기 로터(20)의 회전돌기(84)보다 더 얕게 형성된 실시예이다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 의한 마이크로 혼합기는 기본적인 형태는 수동형 혼합기를 취하고 여기에 능동형 혼합기의 움직이는 요소를 가미하는 방식을 취함으로써 종래 수동형 혼합기와 능동형 혼합기의 장점만을 발휘할 수 있는 새로운 방식의 준 능동형 마이크로 혼합기를 제공한다.

본 발명의 준 능동형 마이크로 혼합기는 미세유로 내부에 외부 에너지가 아닌 유동 자체의 에너지만에 의해 작동하는 유동교란수단을 도입함으로써 미세유로 내부의 서로 다른 유체들의 혼합을 효율적으로 촉진하는 작용효과를 갖는다.

Claims (12)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 미세유로;

   상기 미세유로의 일단과 타단에 각각 형성된 유입구와 유출구;

   상기 미세유로 중간부에 다수개 배치되어 상기 미세유로를 흐르는 유체의 유동에 의해 동작하는 로터로 이루어지는 유동교란수단; 을 포함하며, 미세가공공정(MEMS)에 가공되는 것을 특징으로 하는 준 능동형 마이크로 혼합기.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 미세유로에는 상기 로터 블레이드의 하부가 상기 유로에 접하지 않도록 하는 이격수단이 형성되는 것을 특징으로 하는 준 능동형 마이크로 혼합기.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 이격수단은 상기 유로에 고정된 회전축인 것을 특징으로 하는 준 능동형 마이크로 혼합기.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 회전축은 그 하부지름이 상기 로터의 회전구멍보다 더 큰 것을 특징으로 하는 준 능동형 마이크로 혼합기.
8. 제 5 항에 있어서,

   상기 이격수단은 상기 유로에 형성된 회전홈인 것을 특징으로 하는 준 능동형 마이크로 혼합기.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 회전홈은 그 깊이가 상기 로터의 회전돌기보다 더 얕은 것을 특징으로 하는 준 능동형 마이크로 혼합기.
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제

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