반도체 칩의 집적 기술, MEMS, Bio-MEMS 기술이 발달함에 따라 전자-기계 장치가 소형화되고 있다. 특히 휴대용 통신 장치와 일회용 진단 시스템, 랩온어칩(Lab-on-a-Chip)과 같은 생체 시스템이 그 예이다. 휴대용 전자 장치의 경우 성능은 향상되고 집적도가 높아지면서 많은 열을 발생하며, 생체 시스템은 분석 시료를 이송할 수 있는 마이크로 펌프를 필요로 하거나 마이크로 펌프없이 분석 시료를 이송할 수 있어야 한다. 본 논문은 위와 같은 마이크로 전자-기계 시스템에서 발생하는 열 및 유체 흐름에 관한 문제를 해결하는데 그 목적이 있다. 본 논문에서는 마이크로 사각 히터의 정상 상태와 과도 상태에서의 온도 분포를 구하기 2차원적인 열확산을 고려한 준1차원 해를 구하였다. 그리고 마이크로 히터의 응용분야로 노즐-확산기를 이용한 기포 동력 마이크로 펌프를 개발, 연구하였다. 산화막에 파묻힌 병렬 배열된 2개의 마이크로 히터를 이용하여 작동 유체를 구동하였다. 이송되는 유량은 전류 흐름률(duty ratio)과 구동 주파수에 의해 좌우된다는 사실을 알 수 있었다. 또한 기포 생성, 성장, 수축 등의 기포 거동을 가시화하여 펌프의 구동 특성을 파악할 수 있었다. 마이크로 유로 유동은, 첫째로 단백질 기포와 ...
반도체 칩의 집적 기술, MEMS, Bio-MEMS 기술이 발달함에 따라 전자-기계 장치가 소형화되고 있다. 특히 휴대용 통신 장치와 일회용 진단 시스템, 랩온어칩(Lab-on-a-Chip)과 같은 생체 시스템이 그 예이다. 휴대용 전자 장치의 경우 성능은 향상되고 집적도가 높아지면서 많은 열을 발생하며, 생체 시스템은 분석 시료를 이송할 수 있는 마이크로 펌프를 필요로 하거나 마이크로 펌프없이 분석 시료를 이송할 수 있어야 한다. 본 논문은 위와 같은 마이크로 전자-기계 시스템에서 발생하는 열 및 유체 흐름에 관한 문제를 해결하는데 그 목적이 있다. 본 논문에서는 마이크로 사각 히터의 정상 상태와 과도 상태에서의 온도 분포를 구하기 2차원적인 열확산을 고려한 준1차원 해를 구하였다. 그리고 마이크로 히터의 응용분야로 노즐-확산기를 이용한 기포 동력 마이크로 펌프를 개발, 연구하였다. 산화막에 파묻힌 병렬 배열된 2개의 마이크로 히터를 이용하여 작동 유체를 구동하였다. 이송되는 유량은 전류 흐름률(duty ratio)과 구동 주파수에 의해 좌우된다는 사실을 알 수 있었다. 또한 기포 생성, 성장, 수축 등의 기포 거동을 가시화하여 펌프의 구동 특성을 파악할 수 있었다. 마이크로 유로 유동은, 첫째로 단백질 기포와 나노 입자가 부유된 나노 유체를 이용하여 나노 입자의 상태에 따른 거시적인 유동 특성을 연구하였다. 또한 마이크로 유로 유동 전-후의 단백질 기포의 크기 분포를 광산란법으로 측정하였다. 실험 결과 공기로 채워진 단백질 기포는 마이크로 유로 유동 중 받는 불규칙적인 전단력을 줄이기 위해 그 크기가 작아진다는 사실을 알 수 있었다. 이것은 100×100 μm2 마이크로 유로의 실험 결과에서 확인할 수 있는데, 같은 조건에서의 유량이 나노 입자가 부유된 나노 유체는 탈이온수보다 낮게 나타났으나, 단백질 기포가 부유된 나노 유체는 거의 변화가 없었다. 둘째로 사각 마이크로 유로에서 Al2O3 나노 입자가 부유된 나노 유체를 이용하여 강제 대류 열전달 계수와 마찰 계수를 측정하였다. 층류 유동일 때는 분자 확산에 의한 나노 입자의 운동이 열전달에 중요하다. 나노 유체의 열전달 계수는 나노 입자의 부피 비가 1.8 %일 때 탈이온수와 비해 최고 32 % 높은 열전달 계수를 얻을 수 있었으며 마찰에 의한 손실은 거의 없었다. 측정된 Nusselt수는 Reynolds수와 나노 유체의 열전도도를 이용한 Prandtl수의 상관식으로 표현할 수 있었으며, 이는 대류 열전달 계수를 결정짓는 중요한 요소가 된다. 마지막으로 마이크로/나노 입자와 생체 입자가 물(유체)에 혼합된 경우, 유전 영동에 의한 전기적 힘과 액적 증발에 의한 유체 흐름을 이용하여 이를 분리할 수 있음을 보였다. 전기장 구배를 형성하기 위하여 산화 실리콘 막 위에 금으로 전극을 형성하였으며 유체에 혼합된 폴리 스티렌, 적혈구, 대장균을 분리하였다. 전극에 공급되는 교류 전압 의 크기와 주파수를 조절하여 원하는 입자는 유전 영동 구역에서 포획하고 불필요한 입자는 전극에서 밀려나 액적의 가장자리로 흘려가게 된다. 본 논문의 결과를 토대로 마이크로/나노 입자와 생체 입자를 분리, 조정, 감지할 수 있는 기술을 개발할 수 있을 것으로 기대된다.
반도체 칩의 집적 기술, MEMS, Bio-MEMS 기술이 발달함에 따라 전자-기계 장치가 소형화되고 있다. 특히 휴대용 통신 장치와 일회용 진단 시스템, 랩온어칩(Lab-on-a-Chip)과 같은 생체 시스템이 그 예이다. 휴대용 전자 장치의 경우 성능은 향상되고 집적도가 높아지면서 많은 열을 발생하며, 생체 시스템은 분석 시료를 이송할 수 있는 마이크로 펌프를 필요로 하거나 마이크로 펌프없이 분석 시료를 이송할 수 있어야 한다. 본 논문은 위와 같은 마이크로 전자-기계 시스템에서 발생하는 열 및 유체 흐름에 관한 문제를 해결하는데 그 목적이 있다. 본 논문에서는 마이크로 사각 히터의 정상 상태와 과도 상태에서의 온도 분포를 구하기 2차원적인 열확산을 고려한 준1차원 해를 구하였다. 그리고 마이크로 히터의 응용분야로 노즐-확산기를 이용한 기포 동력 마이크로 펌프를 개발, 연구하였다. 산화막에 파묻힌 병렬 배열된 2개의 마이크로 히터를 이용하여 작동 유체를 구동하였다. 이송되는 유량은 전류 흐름률(duty ratio)과 구동 주파수에 의해 좌우된다는 사실을 알 수 있었다. 또한 기포 생성, 성장, 수축 등의 기포 거동을 가시화하여 펌프의 구동 특성을 파악할 수 있었다. 마이크로 유로 유동은, 첫째로 단백질 기포와 나노 입자가 부유된 나노 유체를 이용하여 나노 입자의 상태에 따른 거시적인 유동 특성을 연구하였다. 또한 마이크로 유로 유동 전-후의 단백질 기포의 크기 분포를 광산란법으로 측정하였다. 실험 결과 공기로 채워진 단백질 기포는 마이크로 유로 유동 중 받는 불규칙적인 전단력을 줄이기 위해 그 크기가 작아진다는 사실을 알 수 있었다. 이것은 100×100 μm2 마이크로 유로의 실험 결과에서 확인할 수 있는데, 같은 조건에서의 유량이 나노 입자가 부유된 나노 유체는 탈이온수보다 낮게 나타났으나, 단백질 기포가 부유된 나노 유체는 거의 변화가 없었다. 둘째로 사각 마이크로 유로에서 Al2O3 나노 입자가 부유된 나노 유체를 이용하여 강제 대류 열전달 계수와 마찰 계수를 측정하였다. 층류 유동일 때는 분자 확산에 의한 나노 입자의 운동이 열전달에 중요하다. 나노 유체의 열전달 계수는 나노 입자의 부피 비가 1.8 %일 때 탈이온수와 비해 최고 32 % 높은 열전달 계수를 얻을 수 있었으며 마찰에 의한 손실은 거의 없었다. 측정된 Nusselt수는 Reynolds수와 나노 유체의 열전도도를 이용한 Prandtl수의 상관식으로 표현할 수 있었으며, 이는 대류 열전달 계수를 결정짓는 중요한 요소가 된다. 마지막으로 마이크로/나노 입자와 생체 입자가 물(유체)에 혼합된 경우, 유전 영동에 의한 전기적 힘과 액적 증발에 의한 유체 흐름을 이용하여 이를 분리할 수 있음을 보였다. 전기장 구배를 형성하기 위하여 산화 실리콘 막 위에 금으로 전극을 형성하였으며 유체에 혼합된 폴리 스티렌, 적혈구, 대장균을 분리하였다. 전극에 공급되는 교류 전압 의 크기와 주파수를 조절하여 원하는 입자는 유전 영동 구역에서 포획하고 불필요한 입자는 전극에서 밀려나 액적의 가장자리로 흘려가게 된다. 본 논문의 결과를 토대로 마이크로/나노 입자와 생체 입자를 분리, 조정, 감지할 수 있는 기술을 개발할 수 있을 것으로 기대된다.
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