저주파 저전압이 인가되는 2차전극을 이용한 전기삼투식 미세혼합에 관한 실험적 연구
Experimental study on periodically switching electroosmotic mixing with low voltages and low frequencies
- 주제(키워드) 전기삼투식 혼합 , 2차 직류 전압
- 발행기관 서강대학교 기계공학과 대학원
- 지도교수 정시영
- 발행년도 2009
- 학위수여년월 2009. 2
- 학위명 석사
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000045131
- 본문언어 한국어
초록/요약
미소유체소자의 구현을 위해서는 신속한 작동유체의 혼합이 필수적인 과정이지만, 마이크로 영역에서 유체의 층류 거동으로 인하여 혼합은 확산 메커니즘에만 의존한다는 한계를 갖고 있다. 이러한 한계를 극복하고 인위적으로 혼합 효과를 얻기 위하여 여러 연구그룹들에 의해 다양한 미소혼합기구가 개발되어왔지만, 대부분 복잡한 구조를 띠고 있어 제작이 힘들거나, 부가적인 장비들을 필요로 하여 그 실용성이 떨어지는 경향이 있었다. 본 연구에서는 전기삼투유동을 유도하기 위하여 본래적으로 필요한 전극 2개에 1개의 2차 전극만을 추가 설치함으로서 간단하게 혼합 효과를 얻어내는 새로운 미소혼합 메커니즘을 제시하고자 한다. 2차 전극에 주기적으로 직류 전압을 인가함으로서 작동 유체가 전후 방향으로 반복적으로 유동하게 하였고, 이러한 유동 패턴에 의하여 미소유체가 효과적으로 혼합된다는 것을 실험적으로 관찰하였다. 2차 전압의 인가 주파수가 혼합에 미치는 영향은 실험 범위 내(0.25Hz~1Hz)에서는 미약하였고, 이에 따라 낮은 주파수만으로도 유체의 혼합이 가능할 것으로 판단된다. 인가전압의 크기가 혼합 효율에 주는 영향을 고찰하기 위하여 다양한 전압을 인가해보았고, 상대적으로 낮은 전기장의 세기(30V/cm ~ 60V/cm)만으로도 6초 이내에 80% 이상의 높은 효율을 얻을 수 있음을 확인하였다. 저전압으로 혼합을 실현한다는 점은 향후 미소소자에 주입될 생화학적 물질에 악영향을 끼칠 수 있는 줄열 가열(Joule heating) 현상을 피할 수 있게 해주는 장점이 될 것으로 기대된다.
more초록/요약
Though rapid mixing is essential in a lot of microfluidic devices, the mixing is restricted to molecular diffusion owing to laminar flow behavior in microscale. Hence, diverse mixing methods to overcome the constraint of laminar regime have been presented. Most of them, however, could not be easily integrated into a microfluidic system due to complex structures or additional apparatus. The main focus of this study was to accomplish effective mixing effect in a simple way. Simply, just one electrode (secondary anode) was additionally equipped between two electrodes which are essentially required to induce electroosmotic flow. Peculiarly, an inverse flow occurred between the secondary anode and the primary cathode when DC voltage was supplied to the secondary anode, whereas a conventional electroosmotic flow was recovered when switching off the voltage. By repeating on and off phase periodically, oscillating flow pattern was observed and thus dramatic mixing was obtained. In the experimental range(0.25Hz~1Hz), changes in frequency seemed to have no significant contribution on mixing performance, so mixing might be possible solely with low frequency. This mechanism provides another advantage that relatively low voltages which is feasible to prevent Joule heating effect are utilized.
more목차
제1장 서론 = 1
1.1 연구 배경 및 필요성 = 1
1.2 관련 연구 = 2
1.3 연구 목적 = 3
제2장 2차 전극을 이용한 미세혼합 메커니즘 = 5
제3장 실험 장치 및 방법 = 7
3.1 미소유체소자의 제작 = 7
3.1.1 수작업을 통한 전극 배열 = 7
3.1.2 Lift-off 공정을 통한 전극 배열 = 9
3.2 실험 장치 개요 = 10
3.3 실험 방법 = 11
제4장 실험 결과 = 13
4.1 혼합 효율의 정량화 방안 = 13
4.2 수작업으로 전극을 배열한 소자의 혼합효율 = 14
4.3 Lift-off 공정으로 제작된 소자 효율 = 15
제5장 결론 = 18
References = 20
FIGURES = 22
TABLES = 64
