[논문]마이크로 유체 원심분리기의 챔버 크기에 따른 회전 유동 가시화

전형진; 권봉현; 김대일; 고정상

doi:10.5407/jksv.2012.10.3.025

[국내논문] 마이크로 유체 원심분리기의 챔버 크기에 따른 회전 유동 가시화
Visualization of Rotational Flow for Chamber Size of a 2×2 Microfluidic Centrifuge 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.10 no.3, 2012년, pp.25 - 29

전형진 (부산대학교 기계공학부) , 권봉현 (부산대학교 기계공학부) , 김대일 (부산대학교 기계공학부) , 고정상 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper introduces a new parameter to design the $2{\times}2$ microfluidic centrifuge with single flow rotation positioned at the center of microchamber. The dimensional centrifugal acceleration momentum flux which is defined as the interfacial momentum flux divided by distance from the center of the chamber explains the flow rotation and its threshold provides a reference to expect single flow rotation. Through the numerical and experimental visualization of the flow rotation, the number and position of flow rotation in the $2{\times}2$ microfluidic centrifuge were examined. At a channel width of $50{\mu}m$ and chamber width of $250{\mu}m$, single flow rotation was obtained over at a Reynolds number of 300, while at a channel width of $100{\mu}m$ and chamber width of $500{\mu}m$, single flow rotation did not appear. The numerical analysis showed that the threshold centrifugal acceleration momentum flux to obtain single flow rotation was $3500kg/m{\cdot}s^2$.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 기계적 회전 없이 마이크로채널에 유체 주입만으로 챔버에서 발생하는 회전 유동을 이용하여 나노 입자를 분리하기 위하여 제안된 마이크로 유체 원심분리기의 설계에 있어서 마이크로 챔버 중앙에서 원형의 단일 회전 유동을 발생시키기 위한 설계 값으로 원심가속 운동량 유속을 새롭게 제안하였다. 전산해석과 유동을 가시화 실험을 통하여 크기가 다른 챔버에서 레이놀즈 수의 증가에 따라 회전 유동 특성이 달라지는 것을 확인하였으며, 전산해석과 가시화 실험 결과가 일치함을 보였다.

가설 설정

5에서 보듯이 챔버와 채널이 만나는 경계면에서 깊이 방향의 a-a' 선을 따른 운동량 유속과 챔버 중앙에서 경계면까지의 거리 비를 원심가속 운동량 유속(Centrifugal acceleration momentum flux)이라 정의하였고, 이를 다음과 같이 계산하였다. 이러한 원심가속 운동량 유속은 회전 유동의 전산해석과 가시화 실험을 통해 얻어진 결과를 바탕으로 동일한 입력조건에 대하여 챔버가 커지면 거리가 길어져 그 값이 선형적으로 감소할 것이라는 가정을 바탕으로 가정되었다.

제안 방법

본 연구에서 단일 입·출구 마이크로 유체 원심분리기의 성능개선을 위해 회전 중심으로부터 거리에 따라 속도가 선형적으로 증가하는 안정된 유속분포와 높은 원심가속도를 얻을 수 있는 두 개의 입·출구를 가진 마이크로 유체 원심분리기(2×2 마이크로 유체 원심분리기)를 제안하였고, 이때 챔버 내에서 발생하는 회전 유동의 전산해석과 가시화 실험을 통해 회전 유동 특성을 고찰하였다.
이를 개선하기 위해 두 개의 입·출구를 가진 2×2 마이크로 유체 원심분리기를 제안하였고, 그 형상 및 크기를 Fig. 2에 나타내었다.
마이크로 유체 원심분리기는 실리콘 기판에 사진작업을 이용하여 챔버와 채널 패턴을 형성하고, 건식 비등방성 반응이온 식각을 이용하여 선택적으로 채널과 챔버 그리고 입·출구 구멍을 식각하였다.
입자 거동을 가시화하기 위해 초순수와 1 µm크기의 형광 입자를 10:1 무게 비율로 혼합하여 마이크로 유체 원심분리기에 주입하였다.
마이크로 유체 원심분리기는 실리콘 기판에 사진작업을 이용하여 챔버와 채널 패턴을 형성하고, 건식 비등방성 반응이온 식각을 이용하여 선택적으로 채널과 챔버 그리고 입·출구 구멍을 식각하였다. 다음으로 챔버 내부에서 회전 유동을 가시화 하기 위해 투명한 파이렉스 유리(#7740) 기판을 400^oC에서 5분 동안 양극 접합하여 마이크로 유체 원심분리기를 제작하였다.
또한 챔버 내부의 회전 유동 가시화를 위해 도립형 현미경에 초당 1000 프레임 촬영이 가능한 고속카메라를 설치하였고, 입력 유량 조절이 가능한 실린지 펌프를 이용하여 유체를 주입하도록 구성하였다. 입자 거동을 가시화하기 위해 초순수와 1 µm크기의 형광 입자를 10:1 무게 비율로 혼합하여 마이크로 유체 원심분리기에 주입하였다.
채널과챔버크기가 50 µm와 250 µm 인챔버에서단일 회전 유동이 발생하는 원심가속 운동량 유속은 3500 kg/m·s2으로 계산되었으며, 이를 이용하여 채널과챔버 크기가 100 µm와 500 µm인 챔버에서 단일 회전 유동을 발생시키기 위한 레이놀즈 수를 예측하였다.
먼저 Fig. 6에서 원심가속 운동량 유속이 3500 kg/m·s2에 해당하는채널과챔버크기가 100 µm와 500 µm인 챔버에서의 레이놀즈 수는 660이었으며, 이를 입구 조건으로 하여 챔버 내에서 유동을 전산해석 하였다.
마이크로 유체 원심분리기를 이용한 나노 소낭의 분리에 사용되기 위해서는 하나의 원형 회전 유동이 챔버 중앙에서 얻어져야 한다. 챔버 크기와 레이놀즈 수에 따라 하나의 회전 유동이 얻어지는 특성 값을 얻기 위해 채널과 챔버의 경계면에서 얻어지는 운동량 유속과 챔버 중앙에서 경계면까지의 거리비를 고찰하였다.

데이터처리

먼저 2×2 마이크로 유체 원심분리기의 챔버 내부에서 발생하는 회전 유동을 가시화하기 위해 상용 전산 유동 해석 프로그램(CFD-ACE+)을 사용하여 전산해석을 수행하였다.

성능/효과

레이놀즈 수가 100일 때, 회전 중심은 챔버 상하 부분에서 2개가 생성되었고, 위치는 챔버의 중심보다 채널에 가깝게 위치함을 알 수 있었다. 레이놀즈 수가 증가함에 따라 두 개의 회전 중심은 챔버 중심으로 모아지면서 최종적으로 하나의 회전 중심을 가짐을 알 수 있었다.
3(b)에 도시하였다. 레이놀즈 수를 500까지 증가시켜도 회전 중심은 두 개가 얻어졌으며,그 위치는 챔버 중앙에서 벗어남을 확인하였다.
4(a)에서 보듯이 200이하의 낮은 레이놀즈 수에서는 회전 중심이 두 개가 발생하였고 타원형의 회전 유동이 얻어졌다. 그러나 레이놀즈 수가 증가함에 따라 회전 중심이 하나로 원형의 회전 유동이 챔버 중앙에서 발생함을 확인하였다.
7에서 도시된 전산해석 결과에서 볼 수 있듯이 회전 중심이 하나이며, 좌우 대칭의 회전 유동이 챔버 중앙에서발생하는것을확인하였다. 이러한 결과를 볼때 원심가속 운동량 유속 값이 단일 회전 유동을 가진 마이크로 유체 원심분리기의 설계에 직접적으로 사용이 가능함을 보여준다.
본 연구에서는 기계적 회전 없이 마이크로채널에 유체 주입만으로 챔버에서 발생하는 회전 유동을 이용하여 나노 입자를 분리하기 위하여 제안된 마이크로 유체 원심분리기의 설계에 있어서 마이크로 챔버 중앙에서 원형의 단일 회전 유동을 발생시키기 위한 설계 값으로 원심가속 운동량 유속을 새롭게 제안하였다. 전산해석과 유동을 가시화 실험을 통하여 크기가 다른 챔버에서 레이놀즈 수의 증가에 따라 회전 유동 특성이 달라지는 것을 확인하였으며, 전산해석과 가시화 실험 결과가 일치함을 보였다. 또한, 원심가속 운동량 유속을 계산하였으며, 그 값이 증가할수록 챔버 중앙에서 원형의 회전 유동이 발생하는 유동 특성이 결정됨을 보였다.
전산해석과 유동을 가시화 실험을 통하여 크기가 다른 챔버에서 레이놀즈 수의 증가에 따라 회전 유동 특성이 달라지는 것을 확인하였으며, 전산해석과 가시화 실험 결과가 일치함을 보였다. 또한, 원심가속 운동량 유속을 계산하였으며, 그 값이 증가할수록 챔버 중앙에서 원형의 회전 유동이 발생하는 유동 특성이 결정됨을 보였다.

후속연구

향후 원심가속 운동량 유속을 이용하여 마이크로 유체 원심분리기의 설계에 사용이 기대되며 이러한 연구는 다양한 크기를 갖는 세포 소낭의 분리에 사용이 가능할 것으로 예상된다.

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J. H. Lee, J. B. Ha, Y. K. Bahk, S. H. Yoon, T. Arakawa, J. S. Ko, B. S. Shin, S. Shoji, and J. S. Go, "Microfluidic centrifuge of nano-particles using rotating flow in a microchamber," Sens. Actuators B, vol. 132 pp. 525-530, 2008.

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