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문제 정의
- 본 연구에서는 수백 나노미터 크기의 매우 미세한 액적을 전기장 혹은 복잡한 채널 형상의 도움 없이 균일하게 생성해 내는 방식을 제안하고자 한다. 이를 위하여 마이크로 채널에 T-junction과 flow-focusing geometry를 결합하였다.
제안 방법
- (2)은 마이크로 채널 내부에서 액적을 생성할 때 부수적으로 생성되는 위성 액적(satellite droplet)을 따로 수확하는 채널 형상을 제안하여 100 ㎚ 이하여 작은 미세 액적을 생성하였다. 하지만 이러한 방식은 채널 형상이 복잡하고 미세 액적의 크기가 균일하지 못하다는 한계를 지닌다.
- (5) 4면이 모두 PDMS인 채널을 제작하기 위하여 몰드에서 떼어낸 PDMS 채널과 채널 바닥면을 구성할 PDMS를 oxygen plasma로 처리하여 결합하였다. plasma에 노출된 PDMS 면은 일시적으로 친수성의 성질을 가지게 되므로 결합된 채널을 다시 65 ℃에서 수 시간동안 보관하여 PDMS가 소수성의 성질을 회복하도록 하였다.
- T-junction으로 유입되는 2개의 inlet에는 시린지 2개를 동시에 밀어줄 수 있는 시린지 펌프를 이용하여 1:1의 유량비를 유지하였다. flow-focusing 영역의 외부채널은 silicone oil을 일정 유량으로 유입해 주어 2갈래로 나누어지도록 하여 inner fluid인 water plug의 양쪽에서 전단력을 주도록 설계되었다.
- (5) 4면이 모두 PDMS인 채널을 제작하기 위하여 몰드에서 떼어낸 PDMS 채널과 채널 바닥면을 구성할 PDMS를 oxygen plasma로 처리하여 결합하였다. plasma에 노출된 PDMS 면은 일시적으로 친수성의 성질을 가지게 되므로 결합된 채널을 다시 65 ℃에서 수 시간동안 보관하여 PDMS가 소수성의 성질을 회복하도록 하였다.
- 미세 액적을 생성하기 위해 유체 소자 내부에 T-junction과 flow-focusing geometry를 결합하였다. T-junction에서 생성된 water plug를 통해 직관 채널에서 높은 유동저항을 유도하고, plug들을 작은 압력차에서 느린 속도로 이송하였다.
- 본 연구에서는 생성된 액적이 T-junction 하류 채널의 단면을 거의 막아버리는 water plug를 생성하고 이로 인해 유발되는 높은 유동 저항을 이용하므로 T-junction을 구성하는 두 채널의 너비가 50 ㎛로 서로 같게 제작하였다.
- 본 연구에서는 직선 채널에서 연속적인 plug에 의한 유동저항을 이용하여 flow-focusing 영역의 내부 채널 유량을 매우 작게 제어하였다. 이를 위하여 시린지 펌프를 통하여 일정한 유량을 계속적으로 주어주지 않고 시린지 펌프에 의해 유도된 채널 inlet과 outlet의 압력차를 이용하여 plug들이 움직이도록 하였다.
- 액적의 생성에는 일반적으로 서로 섞이지 않는 2가지의 유체를 이용하는데 본 연구에서도 마찬가지로 oil phase와 water phase를 이용하여 oil phase의 내부에 미세한 크기의 액적이 분산되어 있는 유상액(emulsion)을 생성하였다. 채널은 3개의 inlet을 지니는데 두 inlet은 T-junction에서 water plug를 생성하기 위한 water phase inlet, oil phase inlet이며 나머지 하나의 inlet은 flow-focusing 영역의 외부유체를 주입하기 위한 oil phase inlet이다.
- 본 연구에서는 수백 나노미터 크기의 매우 미세한 액적을 전기장 혹은 복잡한 채널 형상의 도움 없이 균일하게 생성해 내는 방식을 제안하고자 한다. 이를 위하여 마이크로 채널에 T-junction과 flow-focusing geometry를 결합하였다. T-junction에서 생성된 plug는 채널의 상류와 하류의 inlet, outlet에 걸린 압력차에 의해 서서히 이동하여 flow-focusing 영역의 내부유체 유입되고, 외부유체와의 높은 유량비에서 기인한 전단력에 의해 다시 작은 액적으로 분해된다.
- 본 연구에서는 직선 채널에서 연속적인 plug에 의한 유동저항을 이용하여 flow-focusing 영역의 내부 채널 유량을 매우 작게 제어하였다. 이를 위하여 시린지 펌프를 통하여 일정한 유량을 계속적으로 주어주지 않고 시린지 펌프에 의해 유도된 채널 inlet과 outlet의 압력차를 이용하여 plug들이 움직이도록 하였다. 시린지 펌프로 일정 유량을 inlet에 흘려주고 채널 내부의 유동이 정상상태에 도달하면 지속적인 유량을 유지할 수 있는 압력차(ΔP = Pinlet - Poutlet)가 채널내의 유동저항에 비례하여 채널의 inlet과 outlet사이에 걸리게 된다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 압력차에 의해 느린 속도로 움직이는 plug를 flow-focusing 영역의 내부유체로 사용한다. flow-focusing 영역에서 내부 유량이 작기 때문에 유량비를 크게 유지하여 전단력을 증가시키고, 이를 통해 생성되는 액적의 크기를 줄일 수 있다.
이론/모형
- 본 연구에서는 매우 미세한 액적을 생성하기 위해 기존에 잘 알려진 액적 생성 방식인 T-junction과 flow-focusing geometry를 결합하여 사용하였다. Fig.
성능/효과
- T-junction에서 생성된 water plug를 통해 직관 채널에서 높은 유동저항을 유도하고, plug들을 작은 압력차에서 느린 속도로 이송하였다. 그리고 이를 flow-focusing 영역의 내부채널로 유입함으로써 dripping 모드에서 높은 유량비를 얻을 수 있었다. 이 유량비에서 유도되는 전단력을 이용하여 5 ㎛이하(1~3 ㎛)의 미세 액적을 생성하였다.
- 본 연구는 flow-focusing geometry에서 외부유체의 유량을 증가시키지 않고 내부유체의 유량을 0.3 ㎕/h 수준으로 작고 비교적 균일하게 유지시켜 줌으로써, dripping 모드가 가능한 Capillary number의 범위에서 103배 단위의 높은 유량비를 얻었다. Capillary number에 따른 액적 생성의 모드 변화를 내부, 외부채널의 유량과 유량비에 의해 정량화하고 dripping 모드에서 가능한 최대 유량비를 통해 미세 액적을 생성하는 추가적인 실험이 요구된다.
후속연구
- 3 ㎕/h 수준으로 작고 비교적 균일하게 유지시켜 줌으로써, dripping 모드가 가능한 Capillary number의 범위에서 103배 단위의 높은 유량비를 얻었다. Capillary number에 따른 액적 생성의 모드 변화를 내부, 외부채널의 유량과 유량비에 의해 정량화하고 dripping 모드에서 가능한 최대 유량비를 통해 미세 액적을 생성하는 추가적인 실험이 요구된다. 또한 생성되는 액적을 잔상 없이 촬영하고 유량비에 따른 액적의 크기와 크기 분포를 통계 처리하는 과정 또한 차후에 지속적으로 진행해 나갈 것이다.
- Capillary number에 따른 액적 생성의 모드 변화를 내부, 외부채널의 유량과 유량비에 의해 정량화하고 dripping 모드에서 가능한 최대 유량비를 통해 미세 액적을 생성하는 추가적인 실험이 요구된다. 또한 생성되는 액적을 잔상 없이 촬영하고 유량비에 따른 액적의 크기와 크기 분포를 통계 처리하는 과정 또한 차후에 지속적으로 진행해 나갈 것이다.
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