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문제 정의
- 본 연구에서는 새로운 개념의 미세유동제 어장 치를 개발하고 그 성능을 평가하였다. 본 연구에서 개발한 미세유동제어장치는 레귤레이터와 압력챔버를 각각의 독립된 가변저항기에 연결하여 여러 개의 입구부를 가진 LOC에 동시에 적용할 수 있는 방식으로 압력챔버 내부 압력은 가변저항에 비례하는 입력전압에 의해 조절되고 ■유체 흐름의 차단은 솔레노이드 밸브의 ON/OFF 스위치를 통해 이루어진다.
제안 방법
- 6은 길이가 2cm이고 직경이 100/xm인 실리카 모세관을 이용하여 가변저항에 따른 작동 유체의 토출 유량을 측정한 결과이다. 가변저항을 R=0.01kQ 에 서 R=0.3kQ 까지 O.OlkQ 씩 증가시 켜 가면서, 1 분당 증가하는 유체의 질량을 측정하였다. 측정 오차를 최소화하기 위해 동일한 조건에서 5회 반복 측정하여 평균하였다.
- 개발된 제어장치는 유동의 차단 여부에 상관없이압력챔버 내부 압력을 레귤레이터가 스스로 조절하여 일정한 유량을 토출하였다. 반면에 주사기 펌프는 일정한 입력유량만큼 토출유량이 나오지 않으며, 유동이 차단되기 전후로 토출유량이 크게 변하여 LOC의 유동제어용으로 사용되기에는 한계점을 가지고 있는 것으로 나타났다.
- 4에서 보는 바와 같이 저항에 비 례하는 입 력전압이 레귤레이터로 공급되었다. 또한 압력챔버안에 1.5ml 용량의 물을 챔버안의 작은 용기에 담고 레귤레이터를 작동시 켜 물이 모두 토줄되는 데까지 걸리는 시간을 측정하여 유량변화(Q)를 계산하였다.
- 개발하고 그 성능을 평가하였다. 본 연구에서 개발한 미세유동제어장치는 레귤레이터와 압력챔버를 각각의 독립된 가변저항기에 연결하여 여러 개의 입구부를 가진 LOC에 동시에 적용할 수 있는 방식으로 압력챔버 내부 압력은 가변저항에 비례하는 입력전압에 의해 조절되고 ■유체 흐름의 차단은 솔레노이드 밸브의 ON/OFF 스위치를 통해 이루어진다.
- 여기서 측정 유량이 저항 변화에 완벽 하게 선형 적 이지 않은 것은 압력챔버 내부 용기의 용량이 작기 때문이다. 본 연구에서는 각각의 실험조건에서 5회 반복 실험하였는데, 각 실험 사이마다 압력 챔버 내부 용기를 채워서 실험을 수행하였다. 용기에 액체를 다시 채우게 되면 수두 변화에 기인하여 데이터 값이 선형적 변화에서 다소 벗어날 수 있다.
- 본 연구에서는 압력 레귤레이터(regulator)와 압력챔버, 가변저항기, 솔레노이드(solenoid) 밸브를 이용하여 LOC의 내부 유체유동을 효과적으로 제어함으로써 기존의 주사기 펌프에 비해 크기 및 무게가 작고 가격이 저렴한 미세유동제 어장 치를 개발하였다.
- 측정시 저울 위에 물이 반쯤 담긴 작은 유리병을 올리고 실리콘 튜브의 출구를 물속에 넣어 튜브 끝단에서 물이 방울 형 태로 나오지 않도록 하였다. 압력챔버에서 나온 물이 실리콘 튜브를 거쳐 유리병 안으로 흘러 들어온 후 저울을 영점 보정하고, 유리병의 무게 증가로부터 유량을 측정하였다. 직경 0.
- 우선 레귤레 이터로 들어가는 입 력전압이 가변저항에 비례하여 선형적으로 변화하는지 직류 전압계를 이용하여 측정하였다. 그 결과 Fig.
- 영향을 분석하였다. 유량 측정시 유동 제어장치의 저항을 변화시킨 다음 1분 후 질량증가를 측정하고 그 결과를 이용하여 유량 변화를 계산하였다.
- 이때 테프론 테이프 연결에 기인한 유동 저항이 있을 수 있으나 각각의 실험을 동일한 연결상태에서 수행함으로써 그 효과를 최소화하고 다른 매개변수의 영향을 분석하였다. 유량 측정시 유동 제어장치의 저항을 변화시킨 다음 1분 후 질량증가를 측정하고 그 결과를 이용하여 유량 변화를 계산하였다.
- 3은 압력챔버에서 공압에 의해 토출되는 유체의 흐름을 제어하는데 사용되는 솔레노이드 밸브와 그 작동원리를 나타낸 그림이다. 전자석 솔레노이드 밸브의 전원을 차단하기 위해 ON/OFF 스위치를 설치하였다. 스위치를 ON시켜 솔레노이드 밸브에 전원이 공급되면, 캡과 솔레노이드가 붙어 유체흐름이 차단되어진다.
- 압력챔버에서 나온 물이 실리콘 튜브를 거쳐 유리병 안으로 흘러 들어온 후 저울을 영점 보정하고, 유리병의 무게 증가로부터 유량을 측정하였다. 직경 0.8mm의 실리콘 튜브와 직경 10叩m의 실리카 모세관을 연결할 때 생기는 튜브 사이의 공백은 테프론 테이프를 이용하여 제거하였다.
- OlkQ 씩 증가시 켜 가면서, 1 분당 증가하는 유체의 질량을 측정하였다. 측정 오차를 최소화하기 위해 동일한 조건에서 5회 반복 측정하여 평균하였다.
- 0005g 의 정밀도를 가지며 유량을 1阳의 분해능으로 측정할 수 있는 전자저울을 사용하였다. 측정시 저울 위에 물이 반쯤 담긴 작은 유리병을 올리고 실리콘 튜브의 출구를 물속에 넣어 튜브 끝단에서 물이 방울 형 태로 나오지 않도록 하였다. 압력챔버에서 나온 물이 실리콘 튜브를 거쳐 유리병 안으로 흘러 들어온 후 저울을 영점 보정하고, 유리병의 무게 증가로부터 유량을 측정하였다.
대상 데이터
- 한다.«3) 본 연구에서 사용한 압력 챔버의 크기는 65mm (가로)x37mm(세로)x58mm(높이)이며, 압력 챔버를비롯한 레귤레이터, 전원장치, 가변저항 등을 모두 포함한 전체 시스템의 크기는 대략 250mm(가로) x250mm(세로) xlOOmm(높이)정도이다. 만약 주사기 펌프를 이용하여 본 미세유동제어장치의 성능을 구현하려면 최소한 279mm(가로) x228min(세로) 시59mm(높이) 크기의 주사기 펌프 4대가 필요하므로 전체 크기가 매우 커지며 무게도 무거워진다.
- 본연구에 사용되어진 주사기 펌프는 펄스 하나당 1.8°씩 회전하는 스텝모터로 구동되어진다. 따라서 주사기 펌프를 저속유동(낮은 Re수)에 적용할 경우 스텝모터의 영향으로 맥동현상이 나타날 수 있다.
- 유량을 보다 정확히 측정하기 위해 최대용량이 210g이고, 최소눈금단위는 0.001g으로서 ±0.0005g 의 정밀도를 가지며 유량을 1阳의 분해능으로 측정할 수 있는 전자저울을 사용하였다. 측정시 저울 위에 물이 반쯤 담긴 작은 유리병을 올리고 실리콘 튜브의 출구를 물속에 넣어 튜브 끝단에서 물이 방울 형 태로 나오지 않도록 하였다.
성능/효과
- 가변저항이 증가함에 따라 일정량의 물이 토출되는데 소요되는 시간은 점차 짧아져, 유량이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 본 연구에서는 신뢰성을 확보하기 위하여 동일한 실험조건하에서 다섯 차례 이상 반복 실험을 수행한 결과 거의 동일 한결 과를 얻었다.
- 만약 기존의 방법을 그대로 사용하면 10개의 주사기 펌프가 필요하여 제어시스템이 매우 복잡해지며 10개 채널을 동시에 제어하기도 어렵다. 그러나 본 연구에서 개발한 미세유동제어장치의 경우 저렴하면서도 작은 부피의 장치로 미세유동을 다양하게 제어할 수 있다.
- 따라서 주사기 펌프를 저속유동(낮은 Re수)에 적용할 경우 스텝모터의 영향으로 맥동현상이 나타날 수 있다. 그러나, 본 연구에서 개발된 미세유동제 어장 치는 일정한 공압으로 유체를 눌러주게 되므로 가변저항만 고정시켜 놓으면 유량 변화가 거의 없다는 장점을 가지고 있다. 따라서 본 미세유동제 어장 치는 기존의 주사기 펌프에 비해 크기나 가격, 성능면에서 보다 많은 장점을 가지고 있다고 볼 수 있다.
- 그리고 본 시스템의 경우 여러 채널의 다른 압력을 동시에 제어하는 것이 가능하여 기존의 압력 구동 시스템으로는 불가능하였던 멀티채널(mul ti-channel)에서의 미소유량제어를 효과적으로 구현할 수 있다.
- 솔레노이드 캡의 전원 스위치를 ON 시키기 전, 즉 솔레노이드 캡에 의해 유동이 차단되지 않는 경우에는 설정된 유량만큼 실제 유량이 토출되지 않음을 알 수 있다. 그리고 유체 유동을 10초간 차단한 후 다시 스위치를 OFF시켰을 경우에는 반대로 토출유량이 크게 증가하는 것으로 나타났다. 즉 솔레노이드 캡에 의해 유동이 차단될 경우 채널 내부 압력이 지속적으로 높아지게 되고 스위치를 OFF시켜 다시 유체를 흐르게 하면 튜브 내부의 누적된 압력에 의해 토출유량이 크게 증가하게 되는 것이다.
- 만약 주사기 펌프를 이용하여 본 미세유동제어장치의 성능을 구현하려면 최소한 279mm(가로) x228min(세로) 시59mm(높이) 크기의 주사기 펌프 4대가 필요하므로 전체 크기가 매우 커지며 무게도 무거워진다. 따라서 본 미세유동제어장치를 이용하게 되면 기존의 주사기 펌프에 비해 크기 및 무게를 크게 줄일 수 있다.
- 3kQ)의 유량은 264/d/min 로 Re수는 약 Re=50이다. 따라서 저항을 변화시킴으로써 Re수를 선형적으로 제어하는 것이 가능하고, 주사기 펌프를 대신해 미세유동제 어장 치로 사용할 수 있음을 알 수 있다.
- 일정한 유량을 토출하였다. 반면에 주사기 펌프는 일정한 입력유량만큼 토출유량이 나오지 않으며, 유동이 차단되기 전후로 토출유량이 크게 변하여 LOC의 유동제어용으로 사용되기에는 한계점을 가지고 있는 것으로 나타났다. 향후 다양한 미세채널 내부유동의 제어에 개발된 미세유동제 어장 치를 적용할 계획이다.
- 미세채널 내부 유동을 Re=0.5~5。범위에서 구현하고 주사기 펌프와의 성능비교 실험을 통해 개발된 미세유동제어장치가 미소유량제어 및 작동 특성에 있어서 그 성능이 우수함을 확인하였다.
- 본 연구에서 개발된 미세유동제어장치는 주사기 펌프에 비해 가격이 저렴하며, 압력챔버 내부에 유체용기를 여러 개 설치하여 각각 다른 가변저항으로 토출유량을 독립적으로 제어함으로써 동시에 여러 미세채널의 유동을 효과적으로 제어할 수 있는 장점이 있다. 또한 주사기 펌프로 저속 유동을 구현할 때 스텝모터에 의한 맥동유동 (pulsating flow) 현상이 나타나게 되는데, 개발된 시스템의 경우에는 이러한 문제가 발생하지 않았다.
- 본 연구에서 개발한 미세유동제어장치는 기존의 주사기 펌프에 비해 미소유량을 보다 정확하게 제어할 수 있으며, 동시에 여러 채널을 독립적으로 제어할 수 있기 때문에 LOC의 미세 유동제 어장 치로 적합하다고 할 수 있다.
- 것을 확인할 수 있다. 본 연구에서는 신뢰성을 확보하기 위하여 동일한 실험조건하에서 다섯 차례 이상 반복 실험을 수행한 결과 거의 동일 한결 과를 얻었다.
- 즉, 본 연구에서 개발한 유동제어장치의 경우, 토출 유량이 챔버 내부의 공기압력에 크게 의존하고 솔레노이드 스위치의 ON/OFF에는 거의 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. Fig.
후속연구
- 반면에 주사기 펌프는 일정한 입력유량만큼 토출유량이 나오지 않으며, 유동이 차단되기 전후로 토출유량이 크게 변하여 LOC의 유동제어용으로 사용되기에는 한계점을 가지고 있는 것으로 나타났다. 향후 다양한 미세채널 내부유동의 제어에 개발된 미세유동제 어장 치를 적용할 계획이다.
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