This dissertation presents numeral simulations and experiments for simultaneously mixing and pumping small liquid using asymmetric microelectrodes. To this end, four arrangements of electrode pairs were considered with diagonal/herringbone shapes. For the diagonal shape of the electrodes, a repeated pattern and a staggered pattern were studied. For the herringbone shape, a diverging flow case and a converging flow case were examined. Numerical simulations were made of three- dimensional geometries, using the linear theory with regard to AC electroosmosis. The pumping ability was assessed using the mean flow velocity, and the mixing degree was quantified by a mixing efficiency parameter. The mixing efficiencies for three cases were increased at a cost of the pumping performances, compared to the reference case in which mixing occurs only by diffusion. However, for the converging flow case with the herringbone electrodes, even though the mixing degree was slightly inferior to those of other three cases, the pumping and mixing were increased at the same time, compared to the reference. This desirable behavior is attributed to higher slip velocity in the middle region of the channel. To validate the numerical predictions, the microfluidic devices were made through MEMS. The flow rate was obtained by using micro PIV, increasing the applied frequency. The electrolyte was potassium chloride solution. The flow patterns above electrodes were visualized to see lateral flow for mixing. The experimental results showed good agreements with the numerical predictions. Additionally, an advanced image processing for PIV was developed to increase the measurement accuracy.
미세영역 유동에 관한 그동안 연구는 주로 혼합 또는 펌핑 등 하나의 소자가 하나의 기능을 하는 것에 이루어져왔다. 미세영역 유동에 관한 연구 중 혼합 또는 펌핑은 랩온어칩 등 미세유체기계 응용되며, 기계적인 방법, 전기적인 방법, 화학적인 방법 등 많은 방법들이 제시되었다. 본 논문은 기존의 미세유체소자와 달리 미세유로 내 유체를 혼합하면서 동시에 펌핑하는 미세유체소자 개발에 관한 연구이다. 이처럼 한 소자가 2가지 기능을 동시에 하게 되면 미세유체기계 내 소자 수를 줄일 수 있게 된다. 이는 랩온어칩을 단순화 하거나 또는 다른 기능을 하는 소자를 위한 공간을 확보함으로써 다기능 랩온어칩을 설계할 수 있을 것으로 기대된다.
미세영역에서 유체를 혼합하면서 동시에 펌핑하기 위한 힘으로 교류전기삼투력을 사용하였다. 교류전기삼투력은 수 볼트의 낮은 전압으로도 유체를 움직이는데, 비대칭 미세전극을 사용함으로써 유체가 미세유로 내에서 한방향으로 흐르게 하였다. 혼합을 위하여 전극 라인의 형상을 대각선 또는 헤링본 형상으로 하였다. 전극은 Ti-Au-Ti(20-100-20nm)으로 유리판 위에 만들었으며, 좁은 전극의 너비는 5㎛, 넓은 전극의 너비는 25㎛, 두 전극 사이의 거리는 5㎛ 으로 하였다. 유로는 PDMS 실리콘은 경화시켜 만들었으며, 유로의 너비와 높이는 각각 60, 120㎛ 이다. 펌핑 성능을 측정하기 위하여 micro PIV 기법을 사용하여 유로 중앙에서 유체속력을 측정하였다. 그 결과 미세유로 내 유동은 혼합을 위한 2차 유동과 펌핑을 위한 주유동이 동시에 형성되었다. 펌핑의 성능은 헤링본 모양의 전극을 사용하여 유체가 유로의 중앙으로 모이는 경우에 가장 좋았다.
혼합 특성을 평가하고, 실험적에서 얻어진 펌핑성능, 유동을 설명하기 위하여 수치해석을 수행하였다. 이를 위하여 전기이중층에 대한 선형이론은 사용하였다. 그 결과 유동형태는 실험결과와 유사하였으며, 펌핑성능 또한 각 전극형태에 대한 상대적 비는 동일하였다. 각 전극형태에서 펌핑 성능은 유체의 미끄럼속력이 유로의 어느 부분에서 높은지에 따라 결정되었다. 전극 라인이 대각선, 헤링본 모양인 경우 모두 유체의 혼합 성능은 기존 펌프 일 때보다 좋았졌다. 펌핌 성능의 경우 헤링본 모양의 전극으로 유체가 유로의 중앙으로 모일 때 기존 펌프보다 향상되었으나, 다른 전극형태에서는 펌핑 성능이 낮았다.
