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Optical manipulation of droplets in microfluidics = 광력을 이용한 액적의 연속적인 분리 및 제어
서명 / 저자 Optical manipulation of droplets in microfluidics = 광력을 이용한 액적의 연속적인 분리 및 제어 / Jin-Ho Jung.
저자명 Jung, Jin-Ho ; 정진호
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2013].
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초록정보

In this paper, we investigate optical particle separation method for separating the micro emulsions by their refractive indices. Micro emulsions of two different chemical species are generated with T-junction method with the controlled size and frequency by the flow rate. Heavy water emulsions were generated using the fluorinated oil as continuous phase as water in oil emulsion scheme. The size and frequency of the emulsions can be determined by the flow rate of the disperse phase and continuous phase. The particles are injected and flowed following the microchannel and pushed to normal to the flow direction by the optical force from a continuous laser in the light field area. Because the optical forces exerting on the emulsions are different from its refractive index and size, each transported chemical species emulsions have different retention distance in the continuous manner and can be separated simultaneously. The retention distance defined as particle’s displacement perpendicular to flow direction in microfluidic channel while it is deflected by optical force perpendicular to flow direction. To enhance the system performance, T-junction and bifurcation junc-tion were designed to align the droplets intended direction. Navier-stokes equation with large particle was solved with commercial software. To generate and manipulate droplets, micro channel was designed, fabricated, and chemically treated. The optical forces exerting on droplets and their trajecto-ries were calculated and evaluated with experiment data. The retention distance of droplets assessed with experiment data and numerical calculation. Because large droplet and channel dimension ratio, drag force is much higher than small particle at the same condition. The behavior of the particle in tightly confined micro channel was derived and compared. Therefore, separating by its retention distance within micro fluidic channel was achieved. Also, droplet trapping and coalescence were demonstrated with tightly confined micro channel with optical gradient force.

이번 연구에서는 cross type optical particle separation 방식의 분리 기법을 사용하여서 마이크로 액적을 그 굴절률에 따라 분리하는 장치기 고안 되었다. 서로 다른 두 종류의 액적이 한 채널에서 생성 되었고 그 크기와 주기는 연속상 유체에 의해 조절 되었으며, 중수가 분상상으로, 플루오르 카본 오일이 연속상으로서 이용이 되었다. 분리를 위해서 드랍렛들이 연속상의 유체의 유동에 따라 이송이 되게 될 때 레이저가 그 수직한 방향으로 조사 되게 된다. 광력에 반응 하는 수치들을 무차원화 한 분석값인 옵티컬 모빌리티에 따라 드랍렛의 이동 경로가 달라지게 되므로, 이 수치에 따라서 분리가 이루어 질 수 있게 된다. 이 시스템의 성능을 향상 시킬 수 있도록, 드랍렛을 의도한 방향으로 이송하기 위하여 필요한 T-junction 의 구조가 고찰 되었다. 또한, Navier-stokes equation을 해석하여, 드랍렛이 바깥으로 나가기 직전인 Y 모양의 브랜치에서의 거동을 분석 하였으며, 해석 결과 압력 분배 채널을 통하여 드랍렛의 거동에 따른 압력의 파동을 줄일 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 드랍렛을 생성하기 위하여 미세 유체 디바이스를 제작한 다음, 표면을 플루오르 카본 용액에 용해 되어 있는 실레인 폴리머 채널 내에 흘려주어 코팅하는 방식으로 표면을 소수성으로 처리 하였다. 분산상과 연속상의 유체를 동시에 흘려 주어 생성 되는 드랍렛의 크기와 유량과의 관계를 조사 하여 기록 한 다음, 광력 하에서의 드랍렛의 거동을 실험적, 계산적으로 평가하였다. 또한 이 과정에서 드랍렛과 채널 크기가 비슷하기 때문에 생기는 높은 항력을 발견할 수 있었다. 좁고 사방이 막힌 채널 안에서의 드랍렛의 거동에 대한 선행 연구들을 참조하여 위와 같은 환경에서의 광력에 의한 드랍렛의 거동을 계산할 수 있었다. 높은 항력을 가지는 환경에서는 광력을 이용하여 드랍렛이나 입자들을 조종하는 것이 어렵기 때문에 채널 크기에 비해 드랍렛의 크기를 줄여줄 필요가 있다. 이 때 생성되는 드랍렛의 크기는 채널 높이에 비례하기 때문에 단순히 채널 높이를 증가시키는 것으로는 드랍렛 크기와 채널 높이의 비를 바꿀 수 는 없다. 미세 유체 채널을 두 겹으로 디자인 하여, 드랍렛이 생성 되는 부분은 낮은 높이로 유지 하되 광력을 받아 움직이는 부분만 높은 채널 높이를 가지게 하면 드랍렛이 받는 항력을 크게 줄일 수 있으며 분리하기에 충분한 효과를 가지게 된다. 따라서, 드랍렛의 크기와 굴절률에 따라 광력이 작용하는 정도가 다르기 때문에 이를 이용하여 화학적 종류에 따라 분류를 할 수 있다. 레이저를 켜고 끌 때 높은 굴절률을 가지는 드랍렛이 버려지는 출구와 모으는 출구로 이송되는 실험을 통하여 이를 적용할 수 있음을 보였다. 또한, 높은 수렴도를 가지는 광 모양을 이용하여 드랍렛들을 포획하거나 합쳐지는 현상들을 관찰 하였다. 이러한 기능을 이용하면 단일 세포 관찰 및 연구, 미세 유체 혼합 연구, 약물 전달 시스템 등 많은 분야로 확장이 가능할 것이다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MME 13044
형태사항 vii, 60 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 정진호
지도교수의 영문표기 : Hyung-Jin Sung
지도교수의 한글표기 : 성형진
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 References : p. 54-59
주제 Droplet
microfluidics
optical force
optical toolbox
flow cytometer
드랍렛
미세유체
광력
광학 툴박스
유세포 분석기
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