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유체 소자를 이용한 미세 액적 생성
Generation of Fine Droplets in a Simple Microchannel 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.34 no.7 = no.298, 2010년, pp.671 - 677  

김수동 (서울대학교 기계항공공학부 및 정밀기계설계공동연구소) ,  김영원 (서울대학교 차세대기계항공시스템 창의설계인력양성사업단) ,  유정열 (서울대학교 기계항공공학부 및 정밀기계설계공동연구소)

초록
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본 연구에서는 직경이 수백 nm로부터 수 ${\mu}m$에 이르는 균일한 크기의 액적을 생성하는 마이크로 플루이딕 플랫폼이 설계되었다. 미세한 액적을 생성하기 위하여 T-정션과 유동집속 장치가 마이크로�a푸이딕 채널로 통합되었다. 상대적으로 큰 수성 액적들이 상류의 T-정션에서 생성되어 유동집속 장치로 이송되는데, 여기에서 각각의 액적은 압력과 점성응력의 작용에 의하여 목표로 하는 크기로 잘게 쪼개진다. 이러한 구성은 내부 유체의 매우 느린 유량과 유동집속 영역에서 내부 및 외부 유체 사이의 높은 유량비를 가능하게 한다. 본 마이크로플루이딕 장치는 약 $1\;{\mu}m$ 크기의 직경을 가지는 액적들을 3%보다 작은 표준 편차로 생성할 수 있음이 제시되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In the present study, we designed a microfluidic platform for generating monodisperse droplets with diameters ranging from hundreds of nanometers to several micrometers. To generate fine droplets, T-junction and flow-focusing geometry are integrated into the microfluidic channel. Relatively large aq...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서 제안한 방식은 간단한 형상의 마이크로 채널만으로도 이전 연구에서 보여준 크기보다 작은 미세 액적을 균일한 크기로 생성하여 안정한 유중수(water-in-oil) 유상액을 생성할 수 있는 가능성을 제시한다. 본 연구가 기존의 연구에 비해 가지는 차별성과 장점은 작동유체의 전기적 성질과는 무관하게 미세 액적을 생성할 수 있다는 점, 오리피스의 너비를 더욱 작게 제작할 필요 없이 유량비만을 제어하여 오리피스 너비보다 훨씬 작은 규모의 액적을 생성할 수 있다는 점, 작동유체에 계면활성제 등을 첨가하여 표면장력을 줄이지 않고 순수한 초순수의 미세 액적을 생성할 수 있다는 점, 복잡한 형상을 지니거나 여러 층으로 이루어진 PDMS 채널 혹은 공정비가 비싼 유리 채널을 제작하지 않고 간단한 PDMS 채널을 통해 미세 액적을 생성할 수 있다는 점이다.
  • 본 연구에서는 유동-집속 구조에서 높은 유량비를 통하여 전기장과 같은 부가적인 힘, 복잡한 채널 형상, 작동 유체의 성질 조작 없이 미세 액적을 생성하는 방법을 제안하였다. 마이크로채널 내부에 T자 채널과 유동-집속 구조를 결합하고 유상과 수상의 높은 유량비를 통해 1~2 ㎛ 수준의 미세 액적을 생성하였다.
  • 본 연구에서는 전기장 혹은 복잡한 채널 형상의 도움 없이, 그리고 작동 유체의 성질을 변화시키지 않고 1~2 ㎛ 수준의 작은 액적을 균일하게 생성해내는 방식을 제안하고자 한다. 이를 위하여 마이크로 채널에서 T자 채널과 유동-집속 구조를 결합하였다.
  • 본 연구에서는 지속적으로 감소하는 채널 양단의 압력차를 이용하여 높은 유동저항을 지닌 플러그를 이동시키므로 채널 내부의 플러그 이동 속도는 압력이 감소함에 따라 느려진다. 하지만 채널의 입구와 출구 사이의 압력차가 빠른 시간내에 회복되지 않기 때문에 이러한 이동 속도 둔화 역시 즉각적으로 나타나지 않고 느리게 진행된다.
  • 채널의 형상과 작동 유체가 결정되면 두 유체의 유량과 유량비에 의해 생성되는 액적의 크기가 쉽게 제어 가능하다. 일반적으로 유량비가 큰 경우 더 작은 액적을 생성할 수 있으며 본 연구의 미세 액적 생성 원리도 이러한 경향에 바탕을 둔다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
액적의 미세한 크기와 그 균일성은 무엇에 영향을 미치는가? 최근 마이크로 채널 구조를 이용하여 작고 균일한 유상 액(emulsion)을 생성하는 연구는 약물 전달, 특수 재료의 합성 등의 많은 분야에 적용 가능한 기술로 널리 연구되고 있다. 액적의 미세한 크기와 그 균일성은 유상액의 안정성, 유변학적 특성, 화학 반응성, 생리학적 효율성 등에 영향을 미치는 가장 중요한 성질이다.(1) 따라서 액적을 작고 균일하게 생성하기 위해 많은 연구들이 수행되어 왔다.
유동-집속 구조를 이용하여 생성되는 액적의 크기는 무엇에 의해 영향을 받는가? 본 연구에서는 생성되는 액적의 크기가 매우 균일한 장점을 지니는 유동-집속 구조를 사용하여 작은 액적을 생성하도록 한다. 유동-집속 구조를 이용하여 생성되는 액적의 크기는 채널의 형상과 작동 유체의 성질, 그리고 분산상과 연속상의 유량 및 두 유체 사이의 유량비에 의해 영향을 받는다.
유동-집속 구조에서 유량비를 크게 하기위해 취할 수 있는 두가지 전략은 무엇인가? 유동-집속 구조에서 유량비를 크게 하는 데에는 간단히 두 가지 전략을 취할 수 있다. 한 가지는 Qouter를 늘리는 방식이며, 다른 한 가지는 Qinner를 줄이는 방식이다. 전자의 방식은 모세관수(capillary number)가 커져 액적 크기가 균일하지 못하게 생성되는 단점이 있으며 PDMS의 결합력이 채널 내부의 큰 유량을 감당하지 못하는 문제점도 있다.
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참고문헌 (11)

  1. Kobayashi, I., Nakajima, M. and Mukataka, S.,2003, "Preparation Characteristics of oil-in-waterEmulsions Using Differently Charged Surfactants inStraight-through Microchannel Emulsification,"Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng.Aspects, Vol. 229, pp. 33-41. 

  2. Anna, S. L., Bontoux, N. and Stone, H. A., 2003,"Formation of Dispersions Using "flow focusing" inMicrochannels," App. Phy. Lett., Vol. 82, No. 3,pp. 364-366. 

  3. Anna, S. L. and Mayer, H. C., 2006, "MicroscaleTipstreaming in a Microfluidic Flow FocusingDevice," Phys. Fluids, Vol. 18, No. 12, pp.121512-1-121512-13. 

  4. Tan, Y. C. and Lee, A. P., 2005, "MicrofluidicSeparation of Satellite Droplets as the Basis of aMonodispersed Micron and Submicron EmulsificationSystem," Lab Chip, Vol. 5, No. 12, pp.1178-1183. 

  5. Link, D. R., Grasland-Mongrain, E., Duri, A.,Sarrazin, F., Cheng, Z., Cristobal, G., Marquez, M.and Weitz, D. A., 2006, "Electric Control of Dropletsin Microfluidic Devices," Angew. Chem., Vol. 118,No. 16, pp. 2618-2622. 

  6. Kim, H., Luo, D., Link, D., Weitz, D. A., Marquez,M. and Cheng, Z., 2007, "Controlled Production ofEmulsion Drops using an Electric Field in aFlow-focusing Microfluidic Device,"App. Phy. Lett.,Vol. 91, No. 13, pp. 133106-1-133106-3. 

  7. Barrero, A. and Loscertales, I. G., 2007, "MicroandNanoparticles via Capillary Flows," Annu. Rev.Fluid Mech., Vol. 39, pp. 89-106. 

  8. Adzima, B. J. and Velankar, S. S., 2006, "PressureDrops for Droplet Flows in Microfluidic Channels,"Journal of Micromech. and Microeng., Vol. 16, No.8, pp. 1504-1510. 

  9. Fuerstman, M. J., Lai, A., Thurlow, M. E.,Shevkoplyas, S. S. and Stone, H. A., Whitesides,G. M., "The Pressure Drop Along RectangularMicrochannels Containing Bubbles," Lab. Chip.,Vol. 7, No. 11, pp. 1479-1489. 

  10. Garstecki, P., Fuerstman, M. J., Stone, H. A. andWhitesides, G. M., 2006, "Formation of Dropletsand Bubbles in a Microfluidic T-junction Scalingand Mechanism of Break-up," Lab. Chip., Vol. 6,No. 3, pp. 437-446. 

  11. Bhattacharya, S., Datta, A., Berg, J. M. andGangopadhyay, S., 2005, "Studies on Surface Wettabilityof Poly(Dimethyl) Siloxane (PDMS) and Glass UnderOxygen-Plasma Treatment and Correlation With BondStrength," J. MEMS, Vol. 14, No. 3, pp. 590-597. 

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