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문제 정의
- 본 연구에서는 새로운 레이저 마이크로 가공공정을 이용하여 폴리머 마이크로 밸브 시스템과 폴리머 마이크로 펌프와 같은 마이크로 유체 장치를 개발하고 이러한 마이크로 장치들의 기능과 효과를 검증한다.
제안 방법
- 1 gm 의 해상도를 가진 이송 장치가 사용되었으며 각 형상의 크기에 따라 1 ~ 100μm/s 의 이송 속도를 사용하였다. 가공되는 폴리머의 표면은 빔 스플리터(beam splitter)와 CCD 카메라를 이용하여 실시간 모니터링되었다. 폴리머는 PET 와 PI 두 가지가 사용되었다.
- 본 연구에서는 레이저 마이크로 가공법을 이용하여 폴리이 미드 필름에 디퓨저 마이크로 펌프를 제작하였다. 이 펌프는 세 개의 층으로 구분되어 있는데 베이스 층은 유체의 입출구가 연결된 포트가 아크릴에 가공되어 있고 두 번째 층은 디퓨저 및 챔버가 가공된 폴리이미드 증이며 세 번째 폴리이미드 층은 마이크로 가공된 두 번째 층을 덮어주는 커버 역할을 하고 있다.
- 이 펌프는 세 개의 층으로 구분되어 있는데 베이스 층은 유체의 입출구가 연결된 포트가 아크릴에 가공되어 있고 두 번째 층은 디퓨저 및 챔버가 가공된 폴리이미드 증이며 세 번째 폴리이미드 층은 마이크로 가공된 두 번째 층을 덮어주는 커버 역할을 하고 있다. 세 번째 층에 포함된 진동판은 전자기 엑 추에이 터 (electromagnetic actuator)를 이용하여 진동시키는 방식을 채용하였다. 폴리이미드 필름의 두께는 100 gm 이고 레이저로 가공된 디퓨저는 좁은 쪽의 폭이 45gm 이고 길이는 2320 gm 이다.
대상 데이터
- 역 방향의 경우 유체의 압력에 의해 플립을 누르게 되어 마이크로 홀이 플립에 의해 닫히면서 유체의 흐름을 차단하게 된다. 레이저 가공으로 제작된 본 시스템은 2개의 체크 밸브, 1 개의 챔버, 입출구 마이크로 채널로 구성되어 있다. 각 층은 레이저 가공으로 제작되었으며 아크릴 하우징에 조립되었다.
- 레이저 가공을 이용하여 폴리머 마이크로 유체 장치가 연구되었다. 폴리머 마이크로 장치를 가공할 때 레이저 시스템을 이용하였으며 이 러 한 가공방법은 원형 제조에 있어서 마이크로 시스템의 제작이 용이하고 설계의 변경을 신속히 반영할 수 있는 장점을 가지고 있다.
- 가장 중요한 요소는 유체의 압력에 의해 작동하는 플립(flip)이다. 본 연구에서는 폴리머 마이크로 체크 밸브 시스템이 설계되고 레이저 가공으로 제작되었다. 본 시스템은 몇 가지 폴리머 층으로 이루어져 있는데(Fig.
- Figure 3에서는 PET 에 만들어진 미세 채널 형상을 보여주고 있다. 부드럽고 깨끗한 절삭면을 만들기 위해 2.9 J/cm2 의 에너지 밀도와4000 회 이상의 레이저 펄스를 이용하여 가공하였다. Figure 4 에서는 이러한 마이크로 채널을 가진 기본적인 유체 장치인 폴리머 모세관 전기영동 장치(polymer capillary electrophoresis device)-® 가공한 예 이다.
- 1에 나타나 있다. 실험에 쓰인 레이저 광원은 KrF 엑시머 레이저 시스템 (X = 248 nm, pulse width = 24 ns)과 극초단 펄스 레이저 시스템(入 = 780 nm, pulse width = 80 fs) 이다.
- 엑시머 레이저 시스템의 경우 촛점 거리 88.4mm 의 복합 구면 렌즈가 빔의 축소 공정을 위해 사용되었다. 폴리머 상의 레이저 빔의 에너지 밀도(fluence)는 1 ~ 2 J/cm2 이 고 반복율(repetition rate)은 1 ~ 8 Hz 이다.
- 입출구 마이크로 채널은 아크릴 하우징에 연결되어 있는 외부 채널로 연결되어 있다. 증류수가 본 시스템의 유체로 사용되었다. 제작된 마이크로 체크 밸브 시스템은 Fig.
- 가공되는 폴리머의 표면은 빔 스플리터(beam splitter)와 CCD 카메라를 이용하여 실시간 모니터링되었다. 폴리머는 PET 와 PI 두 가지가 사용되었다. 레이저 가공 후나 노 사이즈의 미세한 잔해가 가공된 형상 주위에서 발생되었고 이러한 잔해는 증류수로 세척 제거되었다.
성능/효과
- 지금까지 개발된 능동 폴리머 유체 장치 중 그 대표적인 예가 폴리머 마이크로 콤 전동기(polymer micro comb drive)이다.' 이 마이크로 전동기는 전자기력을 이용하여 두 개의 판을 진동시키는데 두 개의 판 사이에 마이크로 콤 모양의 형상을 가공하여 전자기력의 작용 면적을 높였고 폴리머의 유연성을 이용해 실리콘으로 제작된 전동기에 비해 작은 전압으로 높은 효율을 낼 수 있음이 확인되었다. 그 밖에 서로 다른 열 변형율을 이용하는 등의 폴리머의 성질을 이용하여 마이크로 파트를 제어하는 마이크로 전동기들의 개발이 연구되어 왔다.
- 제작된 폴리머 마이크로 체크 밸브 시스템의 경우 기존의 실리콘 마이크로 밸브에 비하여 작은 유압에서도 개폐가 용이함을 보였다. 또한 폴리머 디퓨저 마이크로 밸브에서는 같은 조건의 실리콘 밸브에 비하여 더 높은 성능을 가지는 것으로 나타났다.
- 낮은 진동수 영역의 수량 증가는 엑추에이터의 진동수의 증가에 따른 작용으로 설명되어질 수 있으며 높은 진동수 영역에서는 전자기 엑추에이터의 진동폭이 급격히 작아짐에 맞추어 그 진동판의 진동폭이 진동수의 증가에 따라 감소하는 특성을 보여주고 있기 때문에 이것이 유량 감소의 원인으로 설명되어질 수 있다. 본 폴리머 마이크로 펌프에서 최대 유량은 180 Hz 에서 50 mm3/min 으로써 기존의 보고된 실리콘 마이크로 펌프의 경우보다 최소 10 배 이상 높게 나타났다. 24, 25 또한 진동판을 움직이는 엑추에이터의 작동 영역을 현 수백 Hz 에서 수천 Hz 로 증가시킨다면 마이크로 영역의 펌핑 유량을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 여겨진다.
- 폴리머 마이크로 시스템의 예로 폴리머 마이크로 체크 밸브 시스템과 폴리머 디퓨저 마이크로 펌프가 제시되었다. 실리콘에 비하여 폴리머의 경제적인 면과 다양한 재료의 특성을 마이크로 장치의 제작에 이용할 수 있었고 제작된 마이크로 장치의 성능 등에서 큰 이득을 얻을 수 있다. 제작된 폴리머 마이크로 체크 밸브 시스템의 경우 기존의 실리콘 마이크로 밸브에 비하여 작은 유압에서도 개폐가 용이함을 보였다.
- 실리콘에 비하여 폴리머의 경제적인 면과 다양한 재료의 특성을 마이크로 장치의 제작에 이용할 수 있었고 제작된 마이크로 장치의 성능 등에서 큰 이득을 얻을 수 있다. 제작된 폴리머 마이크로 체크 밸브 시스템의 경우 기존의 실리콘 마이크로 밸브에 비하여 작은 유압에서도 개폐가 용이함을 보였다. 또한 폴리머 디퓨저 마이크로 밸브에서는 같은 조건의 실리콘 밸브에 비하여 더 높은 성능을 가지는 것으로 나타났다.
- 진동판의 최대 변형율을 측정하여본 결과 가운데 부분에서의 변형이 6 - 10 μm 정도인 것으로 확인 되었다. 이는 기존의 실리콘 마이크로 펌프에서의 진동판의 변형율이 최대 lum 정도인 것으로 미루어 보아 10 배 이상의 더 큰 유량을 챔버에서 밀어 낼 수 있는 것으로 여겨진다.
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