This thesis describes an experimental investigation of microfluidic mixer for micro chemical plant. Rapid and effective mixing in the micro chemical plant is very important for high-quality chemical products. Micro mixers along with heat exchangers and reactors are building blocks of a micro chemical plant. The miniaturization of a liquid mixer poses a number of problems to be addressed. The most fundamental problem is that the flow becomes laminar at extremely low Re as the cross sectional area of the flow channel diminishes down to tens to hundreds of micrometers. At this low Re laminar flow, the transport of flow properties including mass is controlled by molecular diffusion process that is often too slow. In this regard, a micromixer using a micro rotor is presented. The rotor rotated by tangential inflow into a circular chamber enhances mixing performance. When the rotor rotates, a small vortex was induced between blades and the strong perturbation was generated in the circular mixing chamber.
Seven layers of glass wafers were fabricated individually and bonded together to form the mixer structure. Typical wet etching process of the photosensitive glass wafer was used for this fabrication. Having high chemical resistance and temperature stability, the photosensitive glass is suitable material for micro chemical plant. High aspect ratio microstructure can be realized with the photosensitive glass. Further advantages of photosensitive glass are transparency, high mechanical strength, and easy fabrication of high aspect ratio microstructure.
Mixing efficiency of the fabricated mixer was measured to evaluate the effectiveness of the micro rotor by two experimental methods. One is the method using dye; another is the method using chemical reaction. In the vortex micro mixer, diffusion mixing was dominated less than Re 80. For Re greater than 80, however, the mixing efficiency improved significantly by convection. In the micro mixer added the micro rotor, similarly, diffusion mixing was induced less than Re 80 and convection mixing was generated less than Re 1000. For Re greater than 1000, however, the micro rotor rotated and the mixing efficiency was higher than vortex mixer.
본 논문에서는 챔버 내부에 마이크로 로터를 첨가한 마이크로 혼합기에 관한 내용을 다루었다. 본 연구에서는 유동의 초기 주입에너지를 이용하는 수동형 혼합기의 원리와 움직이는 요소를 이용하는 능동형 혼합기의 원리를 이용한 마이크로 혼합기를 제작하여 성능을 판단하고자 한다.
이를 위해 여러 설계조건을 고려해 마이크로 혼합기를 설계하였다. 마이크로 혼합기를 제작할 재료로 내화학성이 있는 감광유리 선정했다. 화학 플랜트에서 생산하는 화학제품은 강산과 같이 일반적인 구조물이 견딜 수 없는 물질들이 많다. 하지만 감광유리는 내화학성을 가지고 있어서 이러한 물질들에 의해 형태가 변하거나 녹지 않는다. 그리고 감광유리를 사용하면 높은 종횡비의 구조물을 비교적 쉽게 가공할 수 있다.
그리고 혼합기의 형태는 원형 챔버 내부에, 유동이 가진 에너지에 의해 회전하는 마이크로 로터를 삽입하는 형태이다. 로터는 원형 챔버에 접하는 4갈래의 유동에 의해 회전을 하게 된다. 로터가 회전을 하게 되면 혼합 챔버에 강한 교란이 발생하여 혼합이 이루어진다. 그리고 로터의 블레이드 사이의 공간으로 서로 다른 유체가 번갈아 가면서 유입이 되기 때문에 그 공간도 작은 혼합 챔버가 된다.
이러한 설계조건에 따라 마이크로 혼합기를 제작하기 전에 제작공정을 확립할 필요가 있다. 이를 위해 챔버, 기둥, 로터 등의 가공한계 및 로터의 삽입방법에 대해 선행연구를 수행하였다. 결과를 보면 기둥은 지름이 800 μm이상이 되어야 기계적 강도가 보장된다는 것을 알았고, 로터는 지름 0.9 mm, 1.9 mm, 3.9 mm 모두 제작 가능하며 챔버에 삽입하는 것도 가능하다는 것을 확인하였다.
선행연구를 통해 로터가 장착된 마이크로 혼합기를 재설계하고 제작을 하였다. 감광유리를 이용해 제작했으며, 총 7층으로 이루어졌다. 제작된 혼합기의 형상은 유입 채널이 가로 600 μm, 세로 700 μm, 기둥 지름이 2 mm, 로터가 장착된 챔버 지름 8 mm, 혼합 챔버 지름 4.8 mm, 수축 챔버 지름 1.2 mm이었다. 제작된 혼합기는 알루미늄 홀더에 장착하여 실험을 수행하였다. 검은 염료와 물을 혼합한 후 CCD카메라를 통해 혼합영상을 획득하여 이미지 처리하는 방법과 경쟁반응을 이용하는 방법을 가지고 혼합성능을 평가하였다. 또한 초고속 카메라를 이용하여 혼합이 이루어지는 과정을 촬영하였다.
