21세기에 가장 시급하게 확보되어야 하는 기술은 BT(Biotechonolgy)와 NT(Nano technology)를 접목시키는 기술이다. 특히, 이들을 종합한 MEMS 에 관한 연구는 가장 광범위한 분야에서 활발하게 이루어지고 있어 그 기술적 가치가 점차 중요시되고 있다. 본 연구는 Simulation을 통하여 Bio-MEMS 기술에서 사용되는 미세Pump 내에서의 유체흐름을 Fluent 프로그램을 사용하여 알아보고자 하였다. 즉, 미세Pump 내로 유체가 흐를 경우, 유체의 압력변화나 온도변화 및 Model에 따른 유동의 흐름을 관찰하여 미세Pump 내에서의 최적의 외부조건과 최적의 Pump Model을 알아보고자 실험하였다. 유동의 흐름을 조사해 본 결과 Chamber의 유무에 따라 압력과 온도의 변화를 관찰할 수 있었다. Chamber가 있는 경우 압력의 변화가 적었고 온도의 변화 또한 적었다. 따라서 Chamber가 있는 Pump가 유체의 흐름에 영향을 적게 줌을 알 수 있었으며 이는 Chamber가 있는 Pump를 설계하는 것이 필요하다고 할 수 있다.
21세기에 가장 시급하게 확보되어야 하는 기술은 BT(Biotechonolgy)와 NT(Nano technology)를 접목시키는 기술이다. 특히, 이들을 종합한 MEMS 에 관한 연구는 가장 광범위한 분야에서 활발하게 이루어지고 있어 그 기술적 가치가 점차 중요시되고 있다. 본 연구는 Simulation을 통하여 Bio-MEMS 기술에서 사용되는 미세Pump 내에서의 유체흐름을 Fluent 프로그램을 사용하여 알아보고자 하였다. 즉, 미세Pump 내로 유체가 흐를 경우, 유체의 압력변화나 온도변화 및 Model에 따른 유동의 흐름을 관찰하여 미세Pump 내에서의 최적의 외부조건과 최적의 Pump Model을 알아보고자 실험하였다. 유동의 흐름을 조사해 본 결과 Chamber의 유무에 따라 압력과 온도의 변화를 관찰할 수 있었다. Chamber가 있는 경우 압력의 변화가 적었고 온도의 변화 또한 적었다. 따라서 Chamber가 있는 Pump가 유체의 흐름에 영향을 적게 줌을 알 수 있었으며 이는 Chamber가 있는 Pump를 설계하는 것이 필요하다고 할 수 있다.
The technology of joining BT (Biotechnology) with NT (Nanotechnology) must be rapidly arranged in 21c. Specially, the technical value is important more and more since the research about MEMS, which synthesizes BT and NT, is variously proceeding on the wide fields. This study by simulation shows the ...
The technology of joining BT (Biotechnology) with NT (Nanotechnology) must be rapidly arranged in 21c. Specially, the technical value is important more and more since the research about MEMS, which synthesizes BT and NT, is variously proceeding on the wide fields. This study by simulation shows the Fluid-Flow within micro Pump used in Bio-MEMS technology through Fluent Program. Namely, this experiment shows the most suitable external conditions and Pump Model within micro Pump by observing the flow of fluids as to the conditions of pressure, temperature and Model when the Fluid flows within micro Pump. We saw the variousness of pressure and temperature as to the existence of Chamber through examining by reference of Fluid-Flow. In the case of the existence of Chamber, the variousness of pressure and temperature is less than in the case of the non-existence of Chamber. By this simulation, we know that the Pump, which has a Chamber, affects the Fluid-Flow less than that. So we can say that it is necessary for us to design the Pump which has a Chamber.
The technology of joining BT (Biotechnology) with NT (Nanotechnology) must be rapidly arranged in 21c. Specially, the technical value is important more and more since the research about MEMS, which synthesizes BT and NT, is variously proceeding on the wide fields. This study by simulation shows the Fluid-Flow within micro Pump used in Bio-MEMS technology through Fluent Program. Namely, this experiment shows the most suitable external conditions and Pump Model within micro Pump by observing the flow of fluids as to the conditions of pressure, temperature and Model when the Fluid flows within micro Pump. We saw the variousness of pressure and temperature as to the existence of Chamber through examining by reference of Fluid-Flow. In the case of the existence of Chamber, the variousness of pressure and temperature is less than in the case of the non-existence of Chamber. By this simulation, we know that the Pump, which has a Chamber, affects the Fluid-Flow less than that. So we can say that it is necessary for us to design the Pump which has a Chamber.
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문제 정의
이러한 상황을 고려할 때 전산유체역학 시뮬레이션을 통해 Pump의 대류 현상과 온도와 압력 등 여러 가지 외부 조건에 따른 결과를 연구하는 것은 중요한 의미를 가진다. 앞으로 본 연구에서는 CAD 프로그램인 Gambit 프로그램을 사용하여 사용하고자하는 Model을 modeling 한 후 Fluent를 이용하여 미세Pump 내에 흐르는 액체의 온도와 압력, 유속 등을 부여하여 그에 따른 미세 Pump 내에서의 유체흐름의 변화를 관찰하여 최적의 조건을 찾아내고자 한다.
제안 방법
11332.4 Pa에서의 설정온도변화에 의한 실험온도변화(34℃, 36.5℃, 39℃)에 따른 각 Model별 유동의 흐름을 비교·관찰하였다. 그림 12에서와 같이 Model 1에서는 모든 온도 분포에서 동일한 흐름을 볼 수 있었다.
11332.4Pa에서의 model별 설정 온도(36℃, 36.5℃, 39℃)값 변화에 따른 펌프 내에서의 온도변화를 비교 · 관찰하였다. 그림 10에서와 같이 Model 1에서는 온도변화 차는 매우 미세하게 나타났고 34℃ 36.
17331.9Pa에서의 온도변화에 이은 온도변화(36℃, 36.5℃, 39℃)에 따른 각 Model별 유동의 흐름을 비교·관찰하였다(그림 13).
msh File로 저장한다. Gambit Program에서의 Modeling과 Group설정 작업이 끝나면 실제 계산을 위하여 3D Fluent Program으로 Modeling한 .msh File을 불러들인다.
따른 계산 Solver를 해준다. 마지막으로 정확성을 위하여 설정한 횟수만큼의 반복 수행인 Iteration을 통해 데이터를 얻는다.
msh File을 불러들인다. 먼저 실험에서 사용될 Scale을 맞추어 주고 Define을 통하여 Boundary Condition 설정을 한 후, 3D 작업을 하기 위하여 필요한 환경 즉, 실험 Model에 사용될 재료(고상 Silicon, 액상 Water) 등을 설정하고, 실험에 사용될 작업환경을 설정 (온도, 압력, 유속 등)한다.
본 연구는 표 1의 사양으로 확정된 컴퓨터를 가지고 Gambit과 Fluent 프로그램을 사용하여 실험하였다.
이를 분석함으로써 작업환경이 Model에 미치는 정도를 분석하여 보다 좋은 작업환경을 구축할 수 있다. 실험에 사용된 작업환경은 인체 내에서 작동한다는 가정 하에 실험하였기 때문에 온도는 인체 평균온도 36.5℃를 기준으로 오차범위를 +, - 2.5℃로 하여 설정하였고 설정압력 또한 인체 평균 압력 85 mmHg ⇒ 11332.4 Pa에서 130 mmHg ⇒ 17331.9 Pa로 설정하여 실험하였고 혈속도는 임의의 속도 0.3m/s로 고정하여 실험하였다. 혈액의 물리적.
실험에서 Chamber의 유무와 Inlet의 위치변화에 따른 변화를 알아보았다. Chamber가 있는 Pump에서는 Chamber가 없는 Pump에 비해서 압력변화가 적게 나타났다.
압력 17331.9Pa에서의 각 Model별 설정 온도값 변화에 따른 온도변화를 비교·관찰하였다(그림 11). Model 1에서는 압력 11332.
온도 36.5℃에서의 압력변화를 관찰하였다. Model 1, Model 2, Model 3에서 모두 온도 34℃에서의 결과 Inlet과 Outlet에서의 좁아지고 다시 넓어짐에 따라서 압력의 변화가 나타나는 것을 각 온도별 압력변화 관찰에서도 알 수 있다.
온도 39℃에서의 압력의 변화를 관찰하였다. Model 1), Model 2), Model 3)에서 모두 온도 34℃와 36.
온도를 34℃로 고정하였을 때 각 Model별 압력 (11332.4Pa, 17331.9Pa) 의 변화를 관찰하였다(그림 14). Model 1에서는 11332.
이러한 여러 가지 장점을 바탕으로 Bio- MEMS 기술은 게놈 프로젝트(Genome Project)를 통해 확보된 인간 유전자에 대학 막대한 정보의 효율적인 활용과 새로운 의료 BT산업 환경을 위한 핵심 기술로 자리 매김하고 있다. 이러한 Bio-MEMS기술 중 인체에 사용하는 미세 Pump의 재질을 Si으로 하였을 경우 펌프 내의 유동의 흐름을 Computer Simulation을 통해 3 차원적으로 알아보고, Pump 내에서의 대류현상을 발견하여 최적의 조건을 알아내고자 한다. 이러한 상황을 고려할 때 전산유체역학 시뮬레이션을 통해 Pump의 대류 현상과 온도와 압력 등 여러 가지 외부 조건에 따른 결과를 연구하는 것은 중요한 의미를 가진다.
이론/모형
Modeling한 구조를 이용하여 Mesh기법을 이용하여 Mesh작업을 한다(그림 7, 8, 9).
성능/효과
셋째, 동력과 유지 관리비용이 감소한다. 넷째, 전후처리를 소자에 통합할 수 있으므로, 작동 스텝이 감소하여 신뢰성이 높고, 소자의 내부에 기준을 포함하여 제작할 경우 정확성을 향상시킬 수 있다. 또한 반응시키거나 가열하거나 혼합하는 시료의 양이 작으므로전체적인 반응 시간이 빨라 소요되는 시간이 짧은 장점이 있다.
밀도변화는 액체의 고유밀도를 부여하였고 Pump의 모양이나 Chamber의 유무에 상관없이 일정함을 알 수 있다. 본 실험결과 Chamber가 있는 Pump가 유체의 흐름에 영향이 적음을 알 수 있었으므로 Chamber가 있는 Pump가 Chamber가 없는 Pump에 비해 유용함을 알 수 있다.
또한 시료 채취에 드는 비용이나 고통이 감소하는 효과가 있다. 셋째, 동력과 유지 관리비용이 감소한다. 넷째, 전후처리를 소자에 통합할 수 있으므로, 작동 스텝이 감소하여 신뢰성이 높고, 소자의 내부에 기준을 포함하여 제작할 경우 정확성을 향상시킬 수 있다.
후속연구
예를 들어, 한 전염병이 한 지역에 퍼졌을 때, 현장에서 검체를 즉시 분석할 수 있는 경우와 특정 연구소로 검체를 옮긴 후 결과를 기다리는 경우의 차이를 생각해보면 그 이점이 얼마나 중요한 지 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 둘째 적은 양의 시료에서도 분석이 가능하므로 비용이 절감되며, 시료 채취의 한계가 있을 경우에도 활용이 가능하다. 또한 시료 채취에 드는 비용이나 고통이 감소하는 효과가 있다.
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