[논문]LOC적용을 위한 새로운 마이크로믹서의 연구

최범규; 이승현; 강호진

[국내논문] LOC적용을 위한 새로운 마이크로믹서의 연구
A Study on the Novel Micro Mixer for the Application of LOC 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.25 no.6 = no.207, 2008년, pp.143 - 149

최범규 (서강대학교 기계공학과) , 이승현 (서강대학교 기계공학과) , 강호진 (서강대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the results of the study on the novel micro mixer. Existing micro mixer is classified as active mixing and passive mixing by the mixing principles. Both mixing principles have problems. For solving these problems, this research has developed the novel micro mixers based on a totally different principle compared with former mixers. They not only have a simpler structure than former ones but also are able to achieve high mixing efficiency in spite of low power consumption due to using Lorentz Force. In addition, they are designed to increase the efficiency of mixing by changing the rotating direction of fluid with a polar switching circuit. Driving forces of the mixer are Lorentz force and a moving force of fluid due to electrophoresis. Because the efficiency of mixer is affected by electrode shape, several models have been made. The computer simulation has been made to estimate the efficiency of each mixer.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 마이크로 믹서가 MHD force로 chaotic flow를 발생시 켜 기존에 확산에 의 한 혼합이 이루어지는 믹서에 비하여 높은 혼합 효율을 가지는 마이크로 믹서를 설계하였다. 또한 정확한 유동 해석을 위하여 전산 유체 해석프로그램을 통하여 유동을 예측하였다.
본 논문은 LOC(Lab On a Chip)에 반드시 필요한 component 중 하나인 마이크로 믹서에 대하여 연구를 수행하였다. 기존의 정적인 방식의 마이크로 믹서는 확산으로 인한 혼합이 이루어져야 함으로 접촉 면적을 넓히기 위하여 복잡한 형상으로 제작하여야 하는 단점이 있었다.
알았다. 이러한 사실을 바탕으로 보다 다양한 유체의 흐름을 알기 위하여 네 개의 전극을 2열로 나열시킨 마이크로 믹서를 설계하고자 한다. 이번 설계에서는 혼합효율을 높이기 위하여 각각의 전극에 +전압과 -전압을 마주보게 인가하였다.

가설 설정

로렌츠 힘(Lorentz force)과 전하의 이동력 의 벡터 합에 의해서 +전하는 시계방향으로 회전을 할 것이고, -전하는 반시계 방향으로 회 전을 할 것이다. +전하와 -전하의 질량 차이로 인해 실제로 +전하가 더 큰 회전반경을 가질 것이다.
4는 전압(V)을 걸어주었을 경우, 예상되는 유로의 경로를 화살표로 나타내었다. 로렌츠 힘(Lorentz force)과 전하의 이동력 의 벡터 합에 의해서 +전하는 시계방향으로 회전을 할 것이고, -전하는 반시계 방향으로 회 전을 할 것이다. +전하와 -전하의 질량 차이로 인해 실제로 +전하가 더 큰 회전반경을 가질 것이다.
양쪽 전극에 +와 - 전극을 걸어주면 마이크로 믹서에서 필요로 하는 유체의 회전력을 얻을 수 있다고 가정하였다. Fig.

제안 방법

네 개의 전극을 이용하여 설계한 마이크로 믹서도 Fig. 7과 같이 흐르는지를 보다 정확히 알아보기 위하여 시뮬레이션 해보았다. PBS 용액의 물성치는 Table 1과 같고, Table 3은 네 개의 전극을 이용한 마이크로 믹서의 설계 값이다.
흐름을 시뮬레이션 하여 보았다. 또한 이 실험 결과를 바탕으로 네 개의 전극을 2개씩 2열로 배열하여 유체의 흐름도 시뮬레이션 해 보았다.
가지는 마이크로 믹서를 설계하였다. 또한 정확한 유동 해석을 위하여 전산 유체 해석프로그램을 통하여 유동을 예측하였다. 최종적으로 실험을 통하여 얻은 결과와 해석된 결과를 비교 분석하였다.
실제로 Fig. 4와 같이 유체가 회전을 하는지를 정확히 예측하기 위하여 CFD-ACE라는 CFD해석 프로그램을 이용하여 시뮬레이션을 해보았다. Table 1 은 시뮬레이션을 하기 위한 PBS(Phosphate Buffered Saline) solution의 물성치이고, Table 2는 마이크로믹서의 설계 값이다.
앞 절에서 설명하였듯이, 네 개의 전극을 2열로 나열하였을 때 믹서를 작동시켰을 경우에는 총 네 곳에서 유체가 회전한다는 것을 시뮬레이션 결과로 알았다. 실험 결과 예상한 경로로 유체가 회전을 하였지만, +전하와 -전하의 질량차이로 인한 회전반경의 차이로 예상과는 조금 다른 새로운 경로로 유체가 이동한다는 사실을 알았다.
앞 절에서 설명한 구동원리가 실제로 작동하는지 알아보기 위하여 두 개의 전극을 이용하여 유체의 흐름을 시뮬레이션 하여 보았다. 또한 이 실험 결과를 바탕으로 네 개의 전극을 2개씩 2열로 배열하여 유체의 흐름도 시뮬레이션 해 보았다.
앞선 시뮬레이션 결과를 바탕으로 마이크로 믹서를 제작하였다.
이러한 사실을 바탕으로 보다 다양한 유체의 흐름을 알기 위하여 네 개의 전극을 2열로 나열시킨 마이크로 믹서를 설계하고자 한다. 이번 설계에서는 혼합효율을 높이기 위하여 각각의 전극에 +전압과 -전압을 마주보게 인가하였다.
일반적인 정적인 믹서가 확산에 의한 혼합이 이루어지므로 확산에 의한 혼합과 이번에 제작한 믹서를 이용한 혼합을 비교하는 실험을 진행하였다. Fig.
함수발생기 (function generator)를 이용하여 전극들에 Fig. 8 의 위에 나타낸 사진과 같은 형태의 주기가 6초이고 amplitude가 4V인 sine파 전압을 인가하였다. Fig.

대상 데이터

기판으로 사용된 부분은 Si wafer이고, 전극 부분은 금(Au)를 사용하였다. 또한 Si wafer와 전극 부분을 절연하기 위하여 Si wafer 위에 SiQ를 2000A 증착하였다.
확인할 수 있었다. 이 흐름을 정밀하게 촬영을 위하여 접사 촬영 가능하고 초당 1024프레임을 찍을 수 있는 고속카메라를 사용하였다.

데이터처리

또한 정확한 유동 해석을 위하여 전산 유체 해석프로그램을 통하여 유동을 예측하였다. 최종적으로 실험을 통하여 얻은 결과와 해석된 결과를 비교 분석하였다.

이론/모형

Table 1 은 시뮬레이션을 하기 위한 PBS(Phosphate Buffered Saline) solution의 물성치이고, Table 2는 마이크로믹서의 설계 값이다. CFD-ACE를 이용하여 시뮬레이션을 실시하였다. Fig 5의 왼쪽 그림은 +4V를 인가하였을 때의 유체의 경로를 나타내는 해석 결과이고, 오른쪽 그림은 -4V를 인가하였을 때의 유체의 경로를 나타낸 해석결과이다.

성능/효과

두 개의 전극을 이용한 믹서의 시뮬레이션 결과, 양쪽 방향으로 유체가 회전한다는 사실을 알았다. 이러한 사실을 바탕으로 보다 다양한 유체의 흐름을 알기 위하여 네 개의 전극을 2열로 나열시킨 마이크로 믹서를 설계하고자 한다.
13은 PBS 용액위에 잉크를 떨어뜨린 후 제작한 믹서를 통하여 혼합 이루어지도록 setting하고 촬영한 사진이다. 두 사진을 비교하면 정성적으로나마 현재 널리 사용되는 정적인 마이크로 믹서와 이번에 제작한 마이크로 믹서의 혼합 율의 차이를 알 수 있다.
실험 결과 예상한 경로로 유체가 회전을 하였지만, +전하와 -전하의 질량차이로 인한 회전반경의 차이로 예상과는 조금 다른 새로운 경로로 유체가 이동한다는 사실을 알았다.
이는 보다 복잡한 유체의 이동경로가 발생할 것이며, 실험 결과 혼돈흐름(chaotic flow)이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이 흐름을 정밀하게 촬영을 위하여 접사 촬영 가능하고 초당 1024프레임을 찍을 수 있는 고속카메라를 사용하였다.
기존의 정적인 방식의 마이크로 믹서는 확산으로 인한 혼합이 이루어져야 함으로 접촉 면적을 넓히기 위하여 복잡한 형상으로 제작하여야 하는 단점이 있었다. 이번에 개발된 믹서는 chaotic flow를 발생 시켜 혼합 효율을 높인 기 존에 정적인 마이크로 믹서에 비해 높은 혼합 효율을 보여주었다. 또한 이전에 포항공대에서 연구한 chaotic flow를 가지는 마이크로 믹서의 경우 barrier를 삽입하여야만 chaotic flow가 발생하였다.

후속연구

이번에 제작한 믹서는 4V라는 낮은 교류 전압을 사용하면서도 충분한 혼합 효과를 보여주었다. 본 연구에서 제작한 마이크로 믹서를 이용한다면, LOC 부분에서 보다 짧은 시간에 항원, 항체를 반응시킬 수 있다. 또한 4V의 저전압으로 구동되기 때문에 휴대용으로 사용이 가능하다.

참고문헌 (9)

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He, B., Burke, B. J., Zhang, X., Zhang, R. and Regnier, F. E., "A picoliter-volume mixer for microfluidic analytical systems," Anal. Chem., Vol. 73, No. 9, pp. 1942-1947, 2001

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Kim. D., Lee. S., Kwon. T. and Lee. S., "A barrier embedded chaotic micromixer," J. Micromech Microeng., Vol. 14, No. 6, pp. 798-805, 2004

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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