종이기반 유체 소자에서 유사 등속 흐름을 위한 자발 구동형 종이 펌프 제작

Abstract

다공성 종이는 모세관 힘으로 인해 자발적으로 수용액이 흡수되면서 이동하는 유체 흐름 특성으로 인하여 최근에 이에 대한 다양한 연구가 수행되고 있다. 일반적인 직사각형 형태의 종이 채널에서는 시간이 경과함에 따라 유체 흐름이 점점 감소하는 경향을 보인다. 하지만, 이러한 시간에 따른 유속 변화는 실제 응용에 있어서 많은 어려움을 발생시키므로 유속을 일정하게 유지/제어하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 직사각형 스트립에 확장 패드가 연결된 2차원 종이 팬 형상을 이용하여 스트립 채널에서 유사-등속 흐름(quasi-stationary flow)을 가지게 하고, 종이 스트립 내부 또는 상부에 빈 공간(중공)을 이용하여 유속을 변화 시킬 수 있는 종이 펌프를 제작하였다. PET로 상하부가 밀폐된 종이펌프 소자에서 확장 팬이 90, 180 및 270°으로 증가함에 따라 스트립 통로에서의 유사-등속 흐름의 선형 유속이 각각 4.5, 5.1, 5.7 mm/min으로 증가함을 관측하였고, 180° 팬을 가지는 종이 펌프에서 다양한 중공 유체 통로를 도입함으로써 10.6 - 26.4 mm/min 사이의 증가된 유속을 얻었다. 또한 주입 용액에 인가하는 압력에 의해서도 유속이 제어됨을 확인하였다. 이러한 유사-등속흐름 조건에서 녹색 잉크의 종이 크로마토그래피 색 분리 실험과 유속 변화에 따른 Fe(CN)6-4/-3 사이의 산화-환원 순환전압법(CV) 측정을 수행하였다. 종이 채널을 따라서 유속이 감소되는 일반적인 조건에서보다 유사-등속 흐름에서 녹색 잉크의 파란색 및 노란색 성분의 분리가 효과적으로 일어났다. 또한, 유속이 증가함에 따라서 CV 곡선의 한계 전류가 크게 증가하고, 빠른 대류 조건에서 보여지는 sigmoidal 모양으로 CV 곡선이 변화하였다. 이러한 결과는 제작된 자발 종이 펌프를 이용하여 화합물의 분리 및 전기화학적 검출이 가능한 랩온어칩 소자를 종이기반으로 손쉽게 제작할 수 있음을 암시한다.