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문제 정의
- LOC의 경우 각각의 장치를 결합하여 하나의 칩을 제작한다. 그러나 본 연구에서는 앞에서 언급한 마이크로 펌프에 혼합 기능까지 보유하여 한 개의 장치에서 두 가지 기능을 동시에 수행하고자 한다.
- 본 연구에서는 LOC에 필요한 요소인 micropump와 micromixer를 한 장치 내에 결합하였다. 기존 연구는 각기 독립적인 장치로 연구되어 왔으므로 이번 연구는 새로운 시도이다. 본 연구에서는 이 두 장치를 결합한 모델의 성능을 예측하기 위하여 CFD 프로그램을 활용하였고 보다 혼합 성능을 높일 수 있는 모델을 제안하였다.
- 기존 연구는 각기 독립적인 장치로 연구되어 왔으므로 이번 연구는 새로운 시도이다. 본 연구에서는 이 두 장치를 결합한 모델의 성능을 예측하기 위하여 CFD 프로그램을 활용하였고 보다 혼합 성능을 높일 수 있는 모델을 제안하였다. 이번 연구의 또 하나의 특징은 DC MHD micropump의 단점인 기포 생성으로 인한 문제를 passivation layer 공정과 기포의 크기가 일정한 입력 전압의 구간을 찾아 해결하였다.
제안 방법
- (9) 실험값과 이론값의 차이를 일으키는 가장 큰 요인이 기포이므로 이를 제어할수 있는 방법을 모색하였다. 기포를 제어하는 방식으로 기포의 위치와 크기를 고정하는 방식을 택하였다.
- 15에서와 같이 실험을 세팅하였다. PBS 용액은 무색이므로 육안으로 이동을 보다 선명히 확인하기 위하여 PBS 용액에 잉크를 혼합 하였다.
- 이와 더불어 이 micropump가 구동할 때 세포나 생체 물질들과 접촉할 가능성이 높은데 Au가 생체 물질에 안정적이다. PR(Photo Resist)를 coating하고 photolithography 공정을 진행하여 전극의 부분을 제작하였다. 이후 passivation layer로 Si3N4를 증착하였다.
- (9) 실험값과 이론값의 차이를 일으키는 가장 큰 요인이 기포이므로 이를 제어할수 있는 방법을 모색하였다. 기포를 제어하는 방식으로 기포의 위치와 크기를 고정하는 방식을 택하였다. 즉 기포가 발생하더라도 Passivation layer로 인하여 기포가 전극 전체에서 일어나는 것이 아니라 모서리 부분에서만 발생하도록 하여 기포가 발생하는 위치를 고정하였다.
- 두 액체의 혼합 정도를 시뮬레이션 하기 위하여 Fig. 8에서와 같이 오른쪽 위와 아래(빨간 색으로 표시한 부분)에 각기 다른 용액을 주입하여 혼합 정도를 분석하는 방식을 택하였다. Fig.
- 즉 기포가 발생하더라도 Passivation layer로 인하여 기포가 전극 전체에서 일어나는 것이 아니라 모서리 부분에서만 발생하도록 하여 기포가 발생하는 위치를 고정하였다. 또한 낮은 전압을 이용하여 전압에 따른 기포의 크기가 일정한 영역을 찾아 이 구간을 활용하는 방식을 택하였다.
- 본 연구에서는 LOC에 필요한 요소인 micropump와 micromixer를 한 장치 내에 결합하였다. 기존 연구는 각기 독립적인 장치로 연구되어 왔으므로 이번 연구는 새로운 시도이다.
- 시뮬레이션 결과를 바탕으로 micropump를 제작하였다. Micropump는 Fig.
- 이 micropump는 Lorentz force로 작동되므로 자기장의 세기와 전압의 변화에 따라 유량이 변할 것으로 예상할 수 있다. 영구 자석을 사용하므로 전압에 관한 변화에 따른 유량을 구하였다. 실험에서 사용한 전압과 해석시 입력 전압을 동일하게 하기 위하여 입력 전압은 3~3.
- 유동 해석에 사용한 CFD-ACE라는 상용 유체 해석 프로그램은 MHD 펌프의 지배 방정식을 모듈로 포함하고 있어 이를 이용하여 해석하였다. 폭이 2mm이고 높이가 500um인 마이크로 펌프를 해석모델로 하여 CFD 해석을 위해 격자를 만들었다.
- 2027mm2가 된다. 이 면적에 유속을 곱하여 단위 시간당 이동 부피를 계산하였다. Table 4는 입력 전압 3V에 대하여 실험을 통해 체적 유량을 구한 결과이다.
- 두 결과 모두 좌우로의 혼합이 이루어지지 않아 혼합이 제대로 이루어지지 않음을 확인 수 있었다.이를 바탕으로 Fig. 10에서와 같이 전극의 길이를 달리한 모델을 제안 하였다. 폭 방향으로 전극의 길이가 달라짐에 따라 좌우로 이동하면서 혼합이 촉진이 될 것으로 판단하였다.
- 본 연구에서는 이 두 장치를 결합한 모델의 성능을 예측하기 위하여 CFD 프로그램을 활용하였고 보다 혼합 성능을 높일 수 있는 모델을 제안하였다. 이번 연구의 또 하나의 특징은 DC MHD micropump의 단점인 기포 생성으로 인한 문제를 passivation layer 공정과 기포의 크기가 일정한 입력 전압의 구간을 찾아 해결하였다. 그리하여 이 구간에서 micropump를 구동함으로써 전압에 따른 유량을 선형적으로 만들 수 있었다.
- 이 type 에 속하는 micropump는 EHD(Electrohydrodynamic) micropump,(4) MHD(Magnetohydrodynamic) micropump(5~7)가 있다. 이번에 제작한 마이크로 펌프도 Dynamic type micropump중 하나인 MHD micropump를 응용한 것이다.
- 기포를 제어하는 방식으로 기포의 위치와 크기를 고정하는 방식을 택하였다. 즉 기포가 발생하더라도 Passivation layer로 인하여 기포가 전극 전체에서 일어나는 것이 아니라 모서리 부분에서만 발생하도록 하여 기포가 발생하는 위치를 고정하였다. 또한 낮은 전압을 이용하여 전압에 따른 기포의 크기가 일정한 영역을 찾아 이 구간을 활용하는 방식을 택하였다.
대상 데이터
- LOC를 덮개를 제작할 때에는 주형을 통한 제작으로 쉽고 빠르게 만들 수 있는 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 사용하였다. Tichlorosilane deposition 이라는 방법을 사용하여 이형을 쉽게 하였다.
- MHD micropump는 크게 두 개의 힘으로 작동되는데, 그것은 Lorentz force와 전기장 내에서의 전하의 이동력이다. LOC의 작동유체로 많이 사용하는 PBS(Phospate Buffered Saline)용액을 이번 micropump의 작동유체로 사용하였다. 이 용액은 일정한 pH를 유지해주고 용액의 이온 농도가 일반적인 인체의 농도와 동일하여 인체 세포의 저장에 사용된다.
- 이번 실험에서 네오디움(Neodymium) 자석과 실험시 표면장력의 영향을 최소화하기 위하여 내화 학성이 우수한 Tygon tube를 사용하였다. 이번에 제작한 micropump의 pumping 성능을 확인하기 위하여 Fig.
- 유동 해석에 사용한 CFD-ACE라는 상용 유체 해석 프로그램은 MHD 펌프의 지배 방정식을 모듈로 포함하고 있어 이를 이용하여 해석하였다. 폭이 2mm이고 높이가 500um인 마이크로 펌프를 해석모델로 하여 CFD 해석을 위해 격자를 만들었다. 격자의 개수 9만개로 해석했다.
데이터처리
- 앞의 실험 결과를 바탕으로 단위시간당 이동부피를 계산하였다. 관의 내경이 0.
이론/모형
- Trichlorosilane은 점착방지 막으로 Nano- implant 공정에서도 많이 사용된다. Wafer 부분과 PDMS channel 부분을 bonding하는 방법으로는 corona bonding(treatment)이라는 방법을 이용하였다.
성능/효과
- 9의 전극의 길이가 다른 micropump에 대한 해석 결과이다. 기존에 비하여 좌우로 이동하며 혼합이 잘 이루어지는 것을 확인할 수 있었다. 이 경우에 3V의 전압에 대한 유량을 구한 결과 10.
- 두 결과 모두 좌우로의 혼합이 이루어지지 않아 혼합이 제대로 이루어지지 않음을 확인 수 있었다.이를 바탕으로 Fig.
- 그리하여 이 구간에서 micropump를 구동함으로써 전압에 따른 유량을 선형적으로 만들 수 있었다. 실험 결과 3.6V를 인가하였을 때 최대 2.83 ㎕/min 이었다. 시험 값과 해석 값의 오차 발생 요인으로는 passivation layer로 인하여 해석시 사용한 전압 값과 시험시 PBS 용액에 인가된 전압 값의 차이가 있을 것으로 예상된다.
- 이러한 속도 벡터 해석결과를 분석하면 Fig. 7과 같이 전극에서 와류가 발생하여 회전이 일어나는 것을 확인할 수 있었다. 이렇게 발생한 회전이 혼합기능을 할 수 있을 것으로 판단되었다.
- 오차 발생 주요 요소 중 passivation layer로 인한 실제 전압과 시험 시 입력된 전압차이가 전압에 비례하여 오차가 증가하는 요소이고 언급한 주요 요소 중 후자가 전압과는 무관한 오차이다. 인가전압이 3.0V에서 3.6V구간의 시험 값과 해석 값의 선형 추세선을 구한 결과 시험 값에서의 기울기는 0.231, 해석 값에서의 기울기는 0.67이었다. 이 기울기의 차이가 전압에 비례하여 증가하는 요소로 인한 차이로 생각 된다.
- 17은 입력 전압에 따른 체적 유량을 그래프로 나타낸 그림이다. 입력 전압에 비례하여 실험값과 이론값 모두 선형성을 지니며 증가하는 것을 확인 할 수 있었다.
후속연구
- 이로 인하여 기포로 인한 영향을 최소화 할 수 있다. 이때 생긴 기포는 유동을 방해하는 장애물로 가정하여 그 수치를 구할 수 있다면 실험값과 이론값의 오차를 줄일 수 있을 것이다
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