In this paper, liquid drop formation at micro λ-junctions was studied for efficient mixing of fluids within a drop in lab-on-a-chip systems. The effects of viscosities of the working fluids (disperse- and continuous-phase liquids) and the geometry of λ-junction on drop size were observed experimentally and the drop formation performance (drop diameter ranges between 0.8 and 1.2 D_h,c, high drop formation frequency) of the junctions was discussed.
In the present experiment, the viscosities of both the disperse- and continuous-phase liquids were varied from 0.002 to 0.019 Pas. The width of the side and the main inlets and the height were changed within ranges of 30-90 micrometer, 90-270 micrometer and 38-90 micrometer, respectively. Also, the fluid injection angle was changed from 30 to 150 degrees with intervals of 30 degree. To predict the drop sizes generated by λ-junctions, drop formation modes and the formation process were examined in detail.
The drop formation mode maps were established with the injection velocities of both liquids taken as parameters. It was observed that the drop size depends largely on the viscosities of both fluids, widths of the side and the main inlet, and the height of the channel. The drop formation process consists of the growth stage and the detachment stage. At the end of the growth stage, a geometrical similarity between the bulged parts for different viscosities, widths and height of λ-junction was observed. From the experimental observations, the length of the bulged part in Y-direction, S_E, was chosen as the characteristic length that represents the fundamental length scale for the geometrical similarity to be related to the drop size. In addition, the detaching time is affected also by the viscosities and the geometry of the λ-junctions.
Based on the growth and detachment model, a basic form of the drop-size prediction correlation was proposed with adjusting coefficients to take account of the effect of viscosities, widths, and height; and the correlations represents the drop sizes within an error range of ±10%.
Finally, the drop generation performance with different λ-junction geometry was examined. According to the present experimental observations, higher performance could be achieved with the smaller width ratio was small. Also, the best performance was available when the aspect ratio was 0.8. In addition, the case with 120-degree injection angle showed the highest drop generation performance.
본 논문에서는 랩온어칩 시스템에서 액적내 혼합 효율을 높이기 위한 마이크로 λ-분지관에서 액적 생성에 관하여 논하였다. 작동 유체의 점도와 λ-분지관의 형상 변화에 따른 액적 크기를 측정하고 액적 생성 성능(0.8-1.2D_h,c의 크기를 갖는 액적을 빠르게 생성하는 것)에 관하여 논하였다.
작동 유체인 분산상과 연속상의 점도는 0.002-0.019 Pas로 변화시켰다. 또한 분산상 주입 채널과 연속상 주입 채널의 폭, 채널의 높이를 각각 30-90 마이크로미터, 90-270 마이크로 미터, 38-90 마이크로미터로 변화시켰다. 또한 작동 유체 주입 각도를 30-150도로 30도의 간격으로 변화시켰다. 액적 크기를 예측하기 위하여 액적 생성 모드와 액적 형성 과정을 자세히 관찰하였다.
실험 결과, 작동 유체의 겉보기 유속에 따라 액적 생성 모드 선도를 작성하였으며, 생성된 액적의 크기에 주요한 영향을 미치는 인자는 작동 유체의 점도, 주입 채널의 폭과 높이임을 확인하였다. 액적 생성 과정을 크게 성장단계와 분리단계로 구분하였으며, 성장단계가 끝나는 시점에서 액적으로 돌출된 부분의 Y 방향 크기(S_E, 생성된 액적의 크기와 연관되는 특성 길이)에 대하여 형상의 유사성이 있음을 도출하였다. 또한 액적 분리 시간이 작동 유체의 점도와 λ-분지관의 형상에 영향을 받음을 관찰하였다.
성장 단계와 분리단계의 모델을 기반으로 점도와 λ-분지관의 폭과 높이에 대한 액적 크기 예측 상관식을 제시하였으며 이는 약 10%의 오차범위에서 액적의 크기를 작 예측함을 확인하였다.
마지막으로 λ-분지관의 형상에 따른 액적 생성 성능을 관찰하였다. 그 결과 분산상 주입 채널과 연속상 주입 채널의 폭의 비가 좁을수록 액적 생성 성능이 좋아짐을 확인하였다. 또한, 종횡비와 작동 유체 주입 각도가 각각 0.8, 120도인 경우 액적 생성 성능이 가장 좋음을 확인하였다.
