[논문]모세관 인력으로 작동되는 열공압형 마이크로 펌프의 형상이 성능에 미치는 영향

전도한; 양상식

doi:10.3795/ksme-b.2009.33.10.778

모세관 인력으로 작동되는 열공압형 마이크로 펌프의 형상이 성능에 미치는 영향
The Influence of the Geometry on the Performance of a Thermopneumatic Micropump Operated by Capillary Attraction 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.33 no.10 = no.289, 2009년, pp.778 - 782

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, we developed a simple thermopneumatic micropump having neither a membrane nor a valve. This micropump discharges liquid by a thermopneumatic pressure and refill by a capillary attraction. In case of the micropump driven by the capillary attraction, the flow characteristic depends mainly on the geometry of the micropump. In this paper, we investigated the influence of the geometry of the micropump on the performance of the micropump to illustrate the properness of the micropump shape. We analyzed the micropump characteristics of six types having different geometries by FVM simulation with a commercial CFD tool. Also we fabricated the micropumps with PDMS and glass by micromachining, and tested the performances. The simulation and the test results illustrate that the discharge volume and the discharge time depend on the chamber volume. The expansion angle of the inlet channel location has influence on the refill time, while the front air channel direction has influence on the backward flow loss.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

^(1~3) 발표된 연구 결과에서는 초소형의 마이크로 펌프를 제작하였고 그 성능도 우수하지만, 마이크로 펌프의 구조와 제작 공정이 복잡하다는 단점이 있다. 구조와 제작 공정이 간단한 마이크로 펌프의 개발이 필요함에 따라 본 연구진은 열공압과 표면장력으로 구동되는 간단한 구조의 마이크로 펌프를 제안하고 그 작동을 확인하였다.⁽⁴⁾
본 논문에서는 이미 발표된 마이크로 펌프의 형상의 적합성을 확인하기 위하여 마이크로 채널의 위치와 형상에 따른 마이크로 펌프의 동작 성능의 차이를 수치해석과 실험으로 밝히고 비교한다.
본 논문에서는 입구측 유로의 확장각과 전방공기유로의 방향을 다르게 하여 Fig. 2 와 같이 다양한 형상의 마이크로 펌프의 성능을 비교함으로써 두 가지 주요 형상이 펌프의 성능에 미치는 영향을 분석하고자 한다. 입구측 유로의 확장각에 따라 두 가지 형태로 나누고 확장각이 20°인 형상을 Type 1, 확장각이 37°인 형상을 Type 2 로 하였다.

제안 방법

(5) 이러한 성질을 이용하여 입구측 유로는 유체 유입이 용이하게 확장각을 설계하였고, 출구측 유로는 유체가 출구에서 유입되는 것을 막기 위해서 확장각을 90°로 설계하였다.
수치해석에서 펌프의 입구와 출구 압력은 대기압으로, 유리와 PDMS 의 접촉각은 각각 15°, 100°로 설정하였다. 마이크로 펌프의 구조가 대칭이므로 반쪽만 수치해석방법으로 계산하였다. 계산에 사용된 격자수는 6500~7000 개로서 마이크로펌프의 형상에 따라 격자수가 약간 다르다.
먼저 하부 기판인 유리에 Ti/Au 를 각각 500/2000Å 두께로 증착한 후 사진식각 공정을 이용하여 히터를 패턴하고 전기 화학 방전 가공(Electro Chemical Discharge Machining)공정을 이용하여 입구와 출구를 제작하였다.
본 논문에서는 FVM 수치해석과 제작, 실험을 통해서 입구측 유로의 확장각과 전방공기유로의 방향이 다른 여섯 가지 형상의 열공압과 표면장력으로 구동되는 마이크로 펌프의 동작 성능을 비교하였다.
수치해석 결과와 실험 결과를 비교해 보면 토출시간과 충전시간에 차이가 있는데, 이는 실제 실험에서는 펌프를 구동시키는 공기의 팽창과 수축이 가열과 냉각에 의해서 발생하지만, 시뮬레이션에서는 컴퓨터의 성능 및 소요되는 계산 시간 등의 제한 요소로 인해 가열과 냉각에 의한 공기의 팽창과 수축을 계산할 수 없어 공기 챔버의 벽에서 공기가 주입되거나 흡입되도록 조건을 설정하였다. 이 때문에 실험 결과와 수치해석 결과에 약간의 차이가 존재한다.
수치해석에서 펌프의 입구와 출구 압력은 대기압으로, 유리와 PDMS 의 접촉각은 각각 15°, 100°로 설정하였다.
중간층은 먼저 음성후막감광제를 이용하여 마이크로 펌프 형상의 몰드를 제작한 후, 그 위에 10:1 비율로 섞은 PDMS 를 부어 마이크로 펌프 구조의 PDMS 층을 제작하였다. 이렇게 제작된 하부 기판, 중간층, 상부 기판을 O₂ 플라즈마를 이용하여 접합하여 최종적으로 마이크로 펌프를 제작하였다.
입구측 유로의 확장각에 따라 두 가지 형태로 나누고 확장각이 20°인 형상을 Type 1, 확장각이 37°인 형상을 Type 2 로 하였다.
Type 1 과 Type 2 의 펌프챔버 부피는 각각 120 nL 와 140 nL 이다. 전방공기유로의 방향에 따라 세 가지 형태로 나누고 전방공기유로가 입구를 향하는 형상을 Type A, 가운데를 향하는 형상을 Type B, 출구를 향하는 형상을 Type C 로 하였다.
중간층은 먼저 음성후막감광제를 이용하여 마이크로 펌프 형상의 몰드를 제작한 후, 그 위에 10:1 비율로 섞은 PDMS 를 부어 마이크로 펌프 구조의 PDMS 층을 제작하였다. 이렇게 제작된 하부 기판, 중간층, 상부 기판을 O₂ 플라즈마를 이용하여 접합하여 최종적으로 마이크로 펌프를 제작하였다.

데이터처리

제작된 마이크로 펌프에 2V 의 전압을 인가하여 동작 실험을 수행하였다. 그리고 펌프 작동시 출구와 입구에서 토출되는 유량은 입구와 출구에 연결된 튜브에서 유체의 이동을 측정하여 계산하였으며 10 회의 토출 실험을 수행하여 평균 토출량과 표준편차를 계산하였다.

이론/모형

자유표면 문제를 해결하기 위해서 VOF(Volume of fluid) 방법을 이용하였다.(6) 수치해석은 유한체적법을 기반으로 한 상용소프트웨어인 CFD-ACE+ Ver. 2009 를 이용하여 수행하였다. 수치해석에서 펌프의 입구와 출구 압력은 대기압으로, 유리와 PDMS 의 접촉각은 각각 15°, 100°로 설정하였다.
펌프의 작동을 연속방정식과 Navier-Stokes 방정식을 이용하여 수치해석적 방법으로 해석하였다. 자유표면 문제를 해결하기 위해서 VOF(Volume of fluid) 방법을 이용하였다.(6) 수치해석은 유한체적법을 기반으로 한 상용소프트웨어인 CFD-ACE+ Ver.
펌프의 작동을 연속방정식과 Navier-Stokes 방정식을 이용하여 수치해석적 방법으로 해석하였다. 자유표면 문제를 해결하기 위해서 VOF(Volume of fluid) 방법을 이용하였다.

성능/효과

수치해석 결과에서 전방공기유로의 방향에 따른 펌프 동작 특성 비교해 보면 전방공기유로는 토출량과 토출시간, 충전시간 등에는 영향을 주지 않는다. Type B 의 경우, 즉 전방공기유로가 가운데를 향하는 경우 다른 형상에 비하여 역류량이 큰 것을 보여준다.
토출량의 차이는 펌프 챔버의 부피 차이로 인한 것이다. 수치해석 결과에서는 토출시간이 펌프챔버 부피에 단순하게 비례하나, 실험 결과에서는 열공압의 비선형적 특성 때문에 챔버의 크기가 커지면 그 부피만큼 공기를 더 팽창시키기 위해 훨씬 더 많은 열이 필요하여 토출시간이 비선형적으로 증가하는 것을 볼 수 있다. Type 2 의 충전시간이 Type 1 에 비해서 더 오래 걸리는데 이는 Type 2 의 펌프챔버의 부피가 클 뿐만 아니라, Type 2 의 입구측 유로의 확장각이 Type 1 에 비하여 크기 때문에 유체가 느리게 유입되기 때문이다.
수치해석과 실험에서 얻은 역류량과 충전시간으로 평가할 때 Type 1A 와 Type 1C 가 우수하다. 특히 타입 1A 는 토출시간에 비한 토출량이 커서 본 논문에서 시도한 여섯 가지 형상의 마이크로 펌프 중에서 가장 우수한 성능을 갖는 것으로 평가된다.
수치해석과 실험에서 얻은 역류량과 충전시간으로 평가할 때 Type 1A 와 Type 1C 가 우수하다. 특히 타입 1A 는 토출시간에 비한 토출량이 커서 본 논문에서 시도한 여섯 가지 형상의 마이크로 펌프 중에서 가장 우수한 성능을 갖는 것으로 평가된다. 토출량의 표준편차는 2% 이내로 약물 전달 장치에 적합한 특성을 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	약물 전달 장치의 장점은 무엇인가?	최근 발달한 마이크로머시닝 기술을 바이오, 의료 기기 등의 분야에 응용하려는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 대표적인 예로 랩온어칩(Lab-ona-chip), 약물 전달 장치(Drug Delivery System) 등이 있다. 약물 전달 장치의 경우 국소 환부에만 일정한 양의 약물 농도를 유지할 수 있어 기존의 약물 투여 방식에 비해 치료 효과를 높이고 부작용을 줄일 수 있는 장점이 있다.
	FVM 수치해석과 제작, 실험을 통해서 입구측 유로의 확장각과 전방공기유로의 방향이 다른 여섯 가지 형상의 열공압과 표면장력으로 구동되는 마이크로 펌프의 동작 성능을 비교한 결과는 어떠한가?	제작된 마이크로 펌프는 2V 의 전압에서 동작하였으며 수치해석 상의 제한 요소로 인한 차이를 제외하고는 수치해석과 실험에서 유사한 펌프 특성을 얻었다. 펌프의 토출량과 토출시간은 펌프챔버의 부피에 따라 달라지며, 입구측 유로의 확장각이 큰 경우 충전시간이 길어지나 역류량에는 영향을 주지 않는다. 전방공기유로의 방향은 유체의 역류량에 영향을 미치며 공기 채널이 가운데를 향하고 있는 경우 다른 경우에 비해 역류량이 크다.
	마이크로머시닝 기술을 바이오, 의료 기기 등의 분야에 응용하려는 연구의 예로 무엇이 있는가?	최근 발달한 마이크로머시닝 기술을 바이오, 의료 기기 등의 분야에 응용하려는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 대표적인 예로 랩온어칩(Lab-ona-chip), 약물 전달 장치(Drug Delivery System) 등이 있다. 약물 전달 장치의 경우 국소 환부에만 일정한 양의 약물 농도를 유지할 수 있어 기존의 약물 투여 방식에 비해 치료 효과를 높이고 부작용을 줄일 수 있는 장점이 있다.

참고문헌 (6)

Charles Grosjean, X. Yang, and Yu-Chong Tai, 1999, 'A Thermopneumatic Peristaltic Micropump,' International Conference on Solid-State Sensors and Actuators
Van, D. A. L., McGuire, T. and Langer, R., 2003, 'Small-Scale Systems for in Vivo Drug Delivery,' Nature biotechnology, Vol. 21, No. 10, pp. 1184-1191

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Maillefer, D., Gamper, S., Frehner, B., Balmer, P., Van Lintel, H. and Renaud, P., 2001, 'A High- Performance Silicon Micropump for Disposable Drug Delivery Systems,' The 14th IEEE international conference on MEMS
Do Han Jun, Woo Young Sim, and Sang Sik Yang, 2007, 'A Novel Constant Delivery Thermopneumatic Micropump Using Surface Tensions,' Sensors and Actuators A, Vol. 139, No. 1-2, pp. 210-215

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Kwang Hyo Chung, Sung-Jin Kim, Hyun-Bong Pyo, and Hae-Sik Yang, 2004, 'Polymer Microfluidic Device Accomplishing Slf-Wash and Fluid Replacement via Capillary Force,' The 6th Korean MEMS conference
Hirt, C. W. and Nichols, B. D., 1981, 'Volume of Fluid(VOF) Method for the Dynamics of Free Boundarys,' Journal of computational physics, Vol. 39, No. 1, pp. 201-225

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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