본 연구에서는 다양한 작동조건(인가전압, 주파수)에 대하여 박막의 두께와 챔버의 직경이 열공압형 마이크로펌프의 액추에이터 박막의 거동 특성에 미치는 영향을 실험적으로 파악하기 위해 다양한 박막 두께와 챔버직경의 액추에이터를 제작하였다. 액추에이터는 파이렉스 표면에 위치한 마이크로히터, 챔버, 그리고 박막으로 구성된다. 모든 인가전압에 대하여 주파수가 10 Hz 이하로 감소함에 따라 박막 중앙의 최대 변위는 박막의 두께와 챔버의 직경에 관계없이 크게 증가한다. 낮은 주파수 영역에서 챔버로 공급되는 열량이 증가함에 따라 박막 중앙의 변위는 박막의 두께가 얇을수록, 챔버의 직경이 작을수록 증가한다. 10 Hz 이상의 주파수 영역에서 박막 두께, 챔버 직경, 공급 열량과 같은 모든 설계 변수가 박막 중앙의 변위에 미치는 영향은 미미하다.
본 연구에서는 다양한 작동조건(인가전압, 주파수)에 대하여 박막의 두께와 챔버의 직경이 열공압형 마이크로펌프의 액추에이터 박막의 거동 특성에 미치는 영향을 실험적으로 파악하기 위해 다양한 박막 두께와 챔버직경의 액추에이터를 제작하였다. 액추에이터는 파이렉스 표면에 위치한 마이크로히터, 챔버, 그리고 박막으로 구성된다. 모든 인가전압에 대하여 주파수가 10 Hz 이하로 감소함에 따라 박막 중앙의 최대 변위는 박막의 두께와 챔버의 직경에 관계없이 크게 증가한다. 낮은 주파수 영역에서 챔버로 공급되는 열량이 증가함에 따라 박막 중앙의 변위는 박막의 두께가 얇을수록, 챔버의 직경이 작을수록 증가한다. 10 Hz 이상의 주파수 영역에서 박막 두께, 챔버 직경, 공급 열량과 같은 모든 설계 변수가 박막 중앙의 변위에 미치는 영향은 미미하다.
In the present study, actuators with diaphragms of different thickness and chambers of different diameter are fabricated to examine experimentally how the behavior characteristics of the actuator diaphragm in a thermopneumatic micropump are affected by diaphragm thickness and chamber diameter under ...
In the present study, actuators with diaphragms of different thickness and chambers of different diameter are fabricated to examine experimentally how the behavior characteristics of the actuator diaphragm in a thermopneumatic micropump are affected by diaphragm thickness and chamber diameter under various operating conditions with different values of input voltage and frequency. The actuator comprises a microheater set on Pyrex glass, a chamber, and a diaphragm. For all values of the input energy, as the frequency decreases below 10 Hz, the maximum center deflection of the diaphragm greatly increases irrespective of diaphragm thickness and chamber diameter. At low frequencies, as the heat energy supplied to the chamber increases, the center of deflection of the diaphragm increases; the magnitude of deflection is high for thin diaphragms and for diaphragms whose chambers have small diameters. At frequencies higher than 10 Hz, all the design variables such as diaphragm thickness, chamber diameter, and the input energy have negligible effect on the center deflection of the diaphragm.
In the present study, actuators with diaphragms of different thickness and chambers of different diameter are fabricated to examine experimentally how the behavior characteristics of the actuator diaphragm in a thermopneumatic micropump are affected by diaphragm thickness and chamber diameter under various operating conditions with different values of input voltage and frequency. The actuator comprises a microheater set on Pyrex glass, a chamber, and a diaphragm. For all values of the input energy, as the frequency decreases below 10 Hz, the maximum center deflection of the diaphragm greatly increases irrespective of diaphragm thickness and chamber diameter. At low frequencies, as the heat energy supplied to the chamber increases, the center of deflection of the diaphragm increases; the magnitude of deflection is high for thin diaphragms and for diaphragms whose chambers have small diameters. At frequencies higher than 10 Hz, all the design variables such as diaphragm thickness, chamber diameter, and the input energy have negligible effect on the center deflection of the diaphragm.
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문제 정의
하지만 앞서 언급한 열공압형 연동식 마이크로펌프에 대한 대부분의 선행 연구에서는 이를 수행하지 않았다. 따라서 본 연구에서는 열공압형 마이크로펌프의 성능을 결정하는 주요 설계 변수중 하나인 액추에이터 박막의 변위 특성에 박막의 두께와 챔버의 직경 그리고 인가전압과 주파수가 미치는 영향을 다양한 실험을 통해 분석하였다.
제안 방법
3에 나타낸 바와 같이 실험장치를 구성하였다. PC 기반 제어 및 계측 프로그램인 LabVIEW를 이용하여 전원공급장치(power supply, N6701A, Agilent)로부터 마이크로히터에 가해주는 전압, 주파수 그리고 듀티비(duty ratio)를 설정하였다. 박막의 변위는 CCD 레이저 변위측정기(LK-G30, Keyence)를 사용하여 0.
그리고 챔버층과 박막을 제작하기 위해서 PDMS 예비중합체(prepolymer)와 경화제(curing agent)를 10:1의 무게비로 혼합한 후 스핀 코팅과 열처리 공정을 이용하였다. 스핀 코팅의 회전 속도와 공정 시간의 조절을 통해 PDMS 박막의 두께를 결정할 수 있으며, 챔버층(500 μm)은 400 rpm에서 10초, 박막(20 μm, 30 μm, 40 μm)은 5,000 rpm에서 각각 20초 15초, 10초간 스핀 코팅 공정을 통해 제작되었다.
Table 1에 나타낸 바와 같이, 챔버의 직경이 커짐에 따라 챔버 내 열선의 면적 또한 증가하기 때문에 챔버 내 마이크로히터의 저항은 약간 커지게 된다. 따라서 챔버의 직경에 따른 박막의 변위 측정에 관한 실험에서는 챔버 직경에 상관없이 챔버 내 마이크로히터로부터 동일한 전열량을 발생시키기 위해서, 챔버 직경이 3 mm인 액추에이터의 전열량을 기준으로 직경이 4 mm와 5 mm인 액추에이터에 대하여 인가전압을 보정하여 실험을 수행하였다. Table 2는 인가전압에 따른 챔버 내 마이크로히터로부터 발생되는 전열량을 나타낸다.
PC 기반 제어 및 계측 프로그램인 LabVIEW를 이용하여 전원공급장치(power supply, N6701A, Agilent)로부터 마이크로히터에 가해주는 전압, 주파수 그리고 듀티비(duty ratio)를 설정하였다. 박막의 변위는 CCD 레이저 변위측정기(LK-G30, Keyence)를 사용하여 0.01초 간격으로 측정하였다.
또한 1 Hz 미만의 주파수는 본 연구에서 고려하지 않았으며, 그 이유는 본 실험조건에서 마이크로히터가 과열되어 파손되었기 때문이다. 박막의 변위는 대기압 및 상온 상태에서 측정하였다.
본 연구에서는 열공압형 연동식 마이크로펌프의 설계 및 제작에 앞서, 펌프의 성능을 결정하는 구동요소인 액추에이터의 주요 형상(박막 두께: 20~40 μm, 챔버 직경: 3~5 mm) 및 작동조건(인가전압: 2~8 V, 주파수: 1~50 Hz)에 따른 액추에이터 박막의 변위 특성을 실험적으로 분석하였으며, 이를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
스핀 코팅의 회전 속도와 공정 시간의 조절을 통해 PDMS 박막의 두께를 결정할 수 있으며, 챔버층(500 μm)은 400 rpm에서 10초, 박막(20 μm, 30 μm, 40 μm)은 5,000 rpm에서 각각 20초 15초, 10초간 스핀 코팅 공정을 통해 제작되었다.
액추에이터 박막의 두께와 챔버의 직경이 박막의 변위에 미치는 영향을 알아보기 위해서, 본 연구에서는 액추에이터 챔버의 직경이 3 mm이고 박막의 두께가 각각 20 μm, 30 μm, 40 μm 그리고 박막의 두께가 30 μm이고 챔버의 직경이 각각 4 mm, 5 mm인 액추에이터를 제작하여 다양한 인가전압(2~8 V)과 주파수(1~50 Hz)의 작동 조건하에서 실험을 수행하였다.
Table 2는 인가전압에 따른 챔버 내 마이크로히터로부터 발생되는 전열량을 나타낸다. 약 10 V 이상의 인가전압은 본 연구에서 제작한 마이크로히터의 최대 정격용량(약 1.646 W)을 초과하기 때문에, 최대 8 V까지 고려하여 실험을 수행하였다. 또한 1 Hz 미만의 주파수는 본 연구에서 고려하지 않았으며, 그 이유는 본 실험조건에서 마이크로히터가 과열되어 파손되었기 때문이다.
파이렉스 표면에 마이크로히터의 열선을 형성시키기 위하여 접착층으로 크롬(Cr)을 500 Å 두께로 증착시키고, 그 위에 금(Au)을 1500 Å 두께로 증착시켰다.
대상 데이터
본 연구에서 제작한 열공압형 마이크로펌프 액추에이터는 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 크게 액추에이터 박막(actuator diaphragm), 챔버층(chamber layer), 내열 유리인 파이렉스(pyrex)와 파이렉스 표면에 위치한 마이크로히터(microheater)로 구성되어 있다. 마이크로히터와 파이렉스를 제외한 구성 요소는 모두 PDMS(Sylgard 184 silicone elastomer, Dow corning)로 제작되었다.
이를 통해 제작된 마이크로히터의 열선의 너비와 간격은 각각 90 μm, 80μm이며, 전원을 연결하기 위한 두 전극의 간격은 6 mm이다.
성능/효과
(1) 박막의 두께(20~40 μm)와 챔버의 직경(3~5 mm)에 상관없이 본 연구에서 고려한 인가전압(2~8 V)에 대하여 10 Hz 이하로 주파수가 감소함에 따라 챔버의 내부압력이 크게 상승하여 박막 중앙의 최대 변위는 크게 증가한다.
(2) 각각의 박막 두께(20 μm, 30 μm, 40 μm)에 대한 단위 인가전압당 박막 변위의 증가량은 주파수가 1 Hz일 때 각각 22 μm/V, 17 μm/V, 14 μm/V, 2 Hz일 때 각각 15 μm/V, 12 μm/V, 10 μm/V 그리고 5 Hz일 때 각각 9 μm/V, 7 μm/V, 6 μm/V로, 상대적으로 낮은 주파수에서 인가전압의 증가에 따른 박막의 변위는 박막의 두께가 얇을수록 더욱 크게 증가한다.
(3) 고려된 모든 주파수와 마이크로히터의 발열량에 대하여 박막의 변위는 챔버의 직경이 커짐에 따라 감소하며, 이는 챔버 직경의 증가에 따른 챔버 내 공기의 열용량과 유효 열전달 면적의 증가량에 비해 마이크로히터의 발열량이 상대적으로 작기 때문이다.
(4) 챔버의 직경, 박막의 두께 및 주파수가 상대적으로 작고 마이크로히터의 발열량이 큰 작동 조건에서 주파수의 증가에 대한 박막 변위의 민감도는 상당히 높지만, 주파수가 증가함에 따라 이는 크게 감소하며, 10 Hz 이상에서는 모든 조건에 대하여 매우 낮다.
변위의 민감도는 상대적으로 얇은 박막, 낮은 주파수와 높은 인가전압 조건에서 높지만, 주파수가 증가함에 따라 크게 감소하며, 10 Hz 이상이 되면 모든 조건에 대하여 민감도는 매우 낮다. 그리고 주어진 인가전압에서 박막의 두께에 대한 박막 변위간의 최대 차는 인가전압과 주파수가 각각 증가 및 감소함에 따라 크게 증가함을 볼 수 있다.
하지만 이는 주파수가 증가함에 따라 크게 감소하며, 10 Hz 이상에서는 모든 조건에 대하여 매우 낮다. 또한 마이크로히터의 발열량과 주파수가 각각 증가 및 감소함에 따라 챔버의 직경에 대한 박막 변위간의 최대 차는 크게 증가함을 볼 수 있다.
후속연구
향후 본 연구를 기반으로 액추에이터 박막의 거동 특성에 관한 이론적 해석이 요구되며, 본 실험을 통해 얻은 결과는 해석을 위한 기초 자료로 활용될 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
열공압형 마이크로펌프의 장점은 무엇인가?
이 중에서 열공압형 마이크로펌프는 액추에이터 챔버 내 마이크로히터에 전압을 공급 및 차단하여 팽창 또는 수축되는 유체에 의해 박막이 변형되는 원리를 이용하여 구동된다. 이러한 열공압형 마이크로펌프는 다른 종류의 펌프에 비해 제작이 간단하고, 상대적으로 낮은 전압으로 구동이 가능하다. 또한 액추에이터 챔버 내 박막의 변형이 크기 때문에 비교적 넓은 범위의 유량(0.1~2.0 μl/s)에 대하여 제어가 가능하고, 소형화 및 밸브가 필요 없다는 장점이 있다.(8) 하지만 인가전압의 급격한 변화에 대하여 유체의 열적 반응이 상대적으로 느리기 때문에 박막의 변위 제어가 상당히 어렵고, 챔버 내 발생된 열이 마이크로펌프와 이송유체의 온도를 상승시키는 문제점이 있다.
열공압형 마이크로펌프는 어떤 원리로 구동되는가?
(1~7) 주로 연구되고 있는 펌프에는 정전형(electrostatic), 공압형(pneumatic), 열공압형(thermopneumatic)과 압전형(piezoelectric) 등이 있다. 이 중에서 열공압형 마이크로펌프는 액추에이터 챔버 내 마이크로히터에 전압을 공급 및 차단하여 팽창 또는 수축되는 유체에 의해 박막이 변형되는 원리를 이용하여 구동된다. 이러한 열공압형 마이크로펌프는 다른 종류의 펌프에 비해 제작이 간단하고, 상대적으로 낮은 전압으로 구동이 가능하다.
주로 연구되고 있는 PDMS를 이용한 마이크로 펌프에는 어떤 것들이 있는가?
최근 MEMS(micro electro mechanical systems)의 한 분야로서 PDMS(polydimethylsiloxane)를 이용한 마이크로 펌프의 제작과 성능에 대한 연구들이 활발히 진행되고 있다.(1~7) 주로 연구되고 있는 펌프에는 정전형(electrostatic), 공압형(pneumatic), 열공압형(thermopneumatic)과 압전형(piezoelectric) 등이 있다. 이 중에서 열공압형 마이크로펌프는 액추에이터 챔버 내 마이크로히터에 전압을 공급 및 차단하여 팽창 또는 수축되는 유체에 의해 박막이 변형되는 원리를 이용하여 구동된다.
참고문헌 (9)
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Mamanee, W., Tuantranont, A., Afzulpurkar, N. V., Porntheerapat, N., Rahong, S. and Wisitsoraat, A., 2006, "PDMS Based Thermopneumatic Peristaltic Micropump for Microfluidic Systems," Journal of Physics: Conference Series, Vol. 34, pp. 564-569.
Jeong, O. C., Park, S. W., Yang, S. S. and Pak, J. J., 2005, "Fabrication of a Peristaltic PDMS Micropump," Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 123-124, pp. 453-458.
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Woias, P., 2005, "Micropump - Past, Progress and Future Prospects," Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 105, pp. 28-38.
Loy, C. T., Pradhan, S. C., Ng, T. Y. and Lam, K. Y., 1999, "A Series Solution Approach to an Analytical Load-Deflection Relation for the Measurement of Mechanical Properties of Thin Films," Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 9, pp. 341-344.
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