3D 프린터로 제작한 미세액적 제조장치

Abstract

초창기에 미세액적(혹은 에멀젼) 생성 방법은 벌크반응기에서 서로 섞이지 않는 두상을 이용해 불균일한 액적을 형성하였다. 하지만 최근 미세유체기술의 개발을 통해 기술적 한계를 극복하고 균일한 액적을 생성할 수 있게 되었으며, 화학공학, 생명공학, 재료과학 분야 등 적용 가능한 범위가 확장되었다. 미세유체기술을 통해 매우 안정하고 균일한 액적을 생성할 수 있기 때문에 미세유체장치를 만드는 기술들이 꾸준히 발달되어 왔다. 미세유체장치는 PDMS(Polydimethylsiloxane)라는 고분자를 가지고 소프트리소그래피(Softlithography) 라는 기술을 이용하여 제작하거나 미세 유리관을 이용하여 제작하는 방법이 주로 쓰인다. 하지만 이 방법들은 과정이 복잡하고 제작기술을 가지고 있지 않은 사람이 만들기 어렵다는 단점이 있다. 따라서 최근에는 3D 프린터를 이용하여 미세유체장치를 만드는 방법이 각광받고 있다. 3D 프린터를 이용하면 복잡한 과정이 필요없이 쉽게 미세유체장치를 만들 수 있다. 따라서 3D 프린터를 이용하여 액적을 생성하는 구조(T-junction, Flow-focusing)를 만들고 액적을 생성하는 연구들이 많이 이루어지고 있다. 하지만 3D 프린터를 이용하여 미세유체장치를 만드는 방법에도 단점이 존재한다. 일반적으로 미세유로는 100~500 마이크로 크기의 단면을 가지기 때문에 일반적인 3D 프린터로는 제작이 어렵고 고해상도의 3D 프린터가 필요하다. 이 논문에서는 기존의 균일한 미세액적 생성 방법과는 다르게 고해상도의 3D 프린터가 필요없는 구조의 미세액적 생성기를 제작하고, 유체간의 밀도차로 인해 균일한 미세액적을 생성하는 방법을 연구하였다. 이 방법을 이용하여 100~400 마이크로 크기를 갖는 균일한 미세액적을 생성하였다. 또한, 미세액적 생성구조를 여러 개 배열한 장치를 제작하여 균일한 미세액적의 대량생산이라는 가능성을 제공하였다.

Monodisperse droplets have been utilized in a wide range applications such as material or chemical synthesis and biological assay. Due to its great potential on synthesis of monodisperse droplets, droplet generator has been rapidly emerged in recent years. However, conventional bulk system, however, has limitations in making monodisperse droplets. In order to make monodisperse droplets, many researchers do experiment in small length size of microfluidics. Microfluidic system allow precise control surface tension and viscous forces, making it possible to generate monodisperse droplets. Two well-known fabrication technique for microfluidic devices are soft-lithography using polydimethylsiloxane (PDMS) and glass capillary method. But, soft-lithography require special facility and complex processes. Glass capillary method also need good skill and it is difficult method to make device. Therefore, 3D printed microfluidic device is in the spotlight as the new fabrication method. Because 3D printing method do not require special facility and it has several merits (simple process, design-to-device time, low cost, full freedom of design and user friendly method). Here we suggest density-induced hydrodynamic flow focusing droplet generator using 3D-printing method. This system does not require high-resolution 3D printer and easy to generate monodisperse droplets.