파우더 블라스팅은 미세 유리가공법으로서 가공속도가 빠르고 저비용의 장점이 있지만 유리를 취성파괴 시키기 때문에 표면거칠기가 좋지않다. 블라스팅된 표면에 저압의 워터젯을 분사하여 표면에서의 연마 슬러리의 흐름을 통해 표면거칠기를 저감할 수 있다. 본 연구에서는 소다라임 유리에 블라스팅으로 마이크로 채널을 가공한 후 워터젯을 연속 적용하고, 마이크로 채널의 표면거칠기 및 단면 형상의 변화의 과정을 관찰하였다. 워터젯의 적용결과, 초기단계에서는 블라스팅에 의한 미세 요철이 제거되었고, 이후 표면하부의 크랙이 제거되어 평균 표면거칠기 50 nm 근방의 매끈한 표면을 얻을 수 있었다. 표면거칠기 저감에 동반하여 채널단면의 확장 과정도 함께 관측하였다. 마지막으로 제안한 방법에 의해 미세유체칩의 가공 결과를 제시하였다.
파우더 블라스팅은 미세 유리가공법으로서 가공속도가 빠르고 저비용의 장점이 있지만 유리를 취성파괴 시키기 때문에 표면거칠기가 좋지않다. 블라스팅된 표면에 저압의 워터젯을 분사하여 표면에서의 연마 슬러리의 흐름을 통해 표면거칠기를 저감할 수 있다. 본 연구에서는 소다라임 유리에 블라스팅으로 마이크로 채널을 가공한 후 워터젯을 연속 적용하고, 마이크로 채널의 표면거칠기 및 단면 형상의 변화의 과정을 관찰하였다. 워터젯의 적용결과, 초기단계에서는 블라스팅에 의한 미세 요철이 제거되었고, 이후 표면하부의 크랙이 제거되어 평균 표면거칠기 50 nm 근방의 매끈한 표면을 얻을 수 있었다. 표면거칠기 저감에 동반하여 채널단면의 확장 과정도 함께 관측하였다. 마지막으로 제안한 방법에 의해 미세유체칩의 가공 결과를 제시하였다.
Powder blasting, which is an efficient micromachining method for glass, silicon, and ceramics, has a critical disadvantage in that the surface finish is poor owing to the brittle fracture of materials. Low-pressure waterjet machining can be applied to smoothen the rough surface inside the blasted st...
Powder blasting, which is an efficient micromachining method for glass, silicon, and ceramics, has a critical disadvantage in that the surface finish is poor owing to the brittle fracture of materials. Low-pressure waterjet machining can be applied to smoothen the rough surface inside the blasted structure. In this study, the surface roughness and sectional dimension of micro-channels are observed during the repetitive application of a waterjet to blasted micro-channels. The asperities and subsurface cracks created by blasting are removed by waterjet machining. Along with the surface roughness, it is found that the sectional dimension increases and the edges of the finished micro-channel become slightly round. Finally, a microfluidic chip is machined by the blasting-waterjet process and a transparent microfluidic channel is obtained efficiently.
Powder blasting, which is an efficient micromachining method for glass, silicon, and ceramics, has a critical disadvantage in that the surface finish is poor owing to the brittle fracture of materials. Low-pressure waterjet machining can be applied to smoothen the rough surface inside the blasted structure. In this study, the surface roughness and sectional dimension of micro-channels are observed during the repetitive application of a waterjet to blasted micro-channels. The asperities and subsurface cracks created by blasting are removed by waterjet machining. Along with the surface roughness, it is found that the sectional dimension increases and the edges of the finished micro-channel become slightly round. Finally, a microfluidic chip is machined by the blasting-waterjet process and a transparent microfluidic channel is obtained efficiently.
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문제 정의
이러한 방법은 마스크의 두께가 두꺼워지는 단점이 있지만, 포토리소그래피(photolithography) 공정을 필요로 하지 않아 제작이 간단하고, 마스크 마모율이 매우 낮아 마스크를 반복해서 사용할수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 Table 2 와 같이 마스크의 채널 개구부 선폭을 2 종으로 선정하여 결과를 관찰하고자 하였다.
본 연구에서는 블라스팅으로 가공된 마이크로 채널에 대해 저압의 워터젯으로 연마가공을 수행 하여 채널의 표면거칠기 변화를 관측하였다. 제트가 표면에 수직으로 충돌한 후 피가공물 평판 위에서 퍼져나가는 전단흐름에서, 마이크로 채널의 길이방향 유동이 발생하게 되고 채널 내부로 빠르게 흐르는 슬러리에 의해 미세 돌기가 빠르게 제거되고, 이후 표면하부의 크랙의 제거로 이어져 매끈한 표면이 형성된다.
한편 채널 모서리의 라운딩(rounding) 효과는 디바이스로서 성능을 저해하는 요인이 될 수도 있으므로 이후 워터젯 연마의 최적화 또는 후공정 등을 통해 라운딩을 최소화하기 위한 방안을 연구하고자 한다.
제안 방법
복수개의 채널가공이 끝난 후 마스크를 제거하고 워터젯 가공을 실시하였다. Channel A 와 B 에대해 같은 조건을 적용하였으며 알루미나 #2500 (평균입경 5.
본 논문에서 제안한 방법에 따라 지그재그 패턴을 갖는 미세유체칩을 제작하였다. 블라스팅과 워터젯을 연속적으로 적용함으로써 채널표면이 매끈한 칩을 가공할 수 있었다.
본 연구에서 제안한 방법에 의해 지그재그 패턴을 갖는 미세유체칩(microfluidic chip)을 제작하였다. Fig.
본 연구에서는 워터젯 연마의 새로운 응용으로서, 습식 파우더 블라스팅과 워터젯을 하나의 장치에서 연속으로 적용하여, 유리소재에 표면거칠 기가 매우 낮은 마이크로 채널 가공법을 제안하였다. 블라스팅에 의해 형성된 마이크로 채널에 워터젯을 적용하여 채널의 표면거칠기 및 단면 형상의 변화를 관찰하고 그 결과를 분석하고자 한다.
본 연구에서는 워터젯 연마의 새로운 응용으로서, 습식 파우더 블라스팅과 워터젯을 하나의 장치에서 연속으로 적용하여, 유리소재에 표면거칠 기가 매우 낮은 마이크로 채널 가공법을 제안하였다. 블라스팅에 의해 형성된 마이크로 채널에 워터젯을 적용하여 채널의 표면거칠기 및 단면 형상의 변화를 관찰하고 그 결과를 분석하고자 한다.
블라스팅은 노즐과 유리표면 간의 간격(standoff)을 5 mm로 설정하였고, 노즐을 마스크의 개구 부를 따라 1 mm/s의 이송속도로 11 회 왕복시켜서 채널을 가공하였다. 슬러리는 알루미나(alumina) 입자를 물에 질량기준 5:95 의 비율로 분산하여 사용하였으며, Table 3과 같이 마스크 선폭에 따라 입자크기와 공기압을 달리하였다.
블라스팅은 노즐과 유리표면 간의 간격(standoff)을 5 mm로 설정하였고, 노즐을 마스크의 개구 부를 따라 1 mm/s의 이송속도로 11 회 왕복시켜서 채널을 가공하였다. 슬러리는 알루미나(alumina) 입자를 물에 질량기준 5:95 의 비율로 분산하여 사용하였으며, Table 3과 같이 마스크 선폭에 따라 입자크기와 공기압을 달리하였다.
3 은 실험장치의 개요를 나타낸다. 습식 블라스팅과 워터젯 공정을 연속으로 수행할 수 있도록 3 축 이송테이블에 블라스팅 노즐과 워터젯 노즐을 나란히 고정하였다. 블라스팅용 2 유체 (two fluids) 노즐을 사용하여, 압축공기와 함께 상단의 용기(tank)의 슬러리가 함께 분무된다.
알파스텝(AlphaStep 500, Tencor Instrument)을 이용 하여 채널 바닥면의 평균표면거칠기를 측정하였다. 채널의 길이방향을 따라 100 µm의 길이를 5 µm/s 속도로, 3개소에서 측정하였으며 그 평균값을 Fig.
5 µm)를 물과 섞어 5wt%가 되도록 하였다. 워터젯 분사속도를 파악하기 위해서, 펌프 모터의 회전수에 따른 1 분간의 분사 슬러리의 체적을 확인하였고, 본 실험에서는 제트속도 35 m/s 를 유지하였다.
또한 블라스팅 때와 같이 노즐-유리시편 간격을 5 mm 로 유지하고, 이송속도 1 mm/s 로 하여 기 가공된 블라스팅 채널을 따라 왕복운동한다. 워터젯가공에 따른 마이크로 채널 표면거칠기의 변화 과정을 보기 위해 왕복스캔 횟수를 2, 4, 6 회로 하여 결과를 관측하였다.
대상 데이터
1 bar 수준으로 유지되었다. 워터젯 노즐의 직경은 1.5 mm, 원형부 직선길이는 15 mm 이다.
피가공 재료로서 소다라임(soda-lime) 유리를 선택하였다. 내열유리인 Pyrex 유리에 비해 열팽 창률이 크지만, 기계적 물성은 유사하며 미세유체 소자 등에 자주 사용되고 있다.
성능/효과
워터젯은 장치하단의 다이아프램(diaphragm) 펌프를 이용하여 발생시키며, 분사된 제트는 용기로 다시 수거되어 순환한다. 다이아프램 펌프 출구측에 댐퍼를 설치하여 토출압력을 안정화한 결과, 압력의 진동폭은 0.1 bar 수준으로 유지되었다. 워터젯 노즐의 직경은 1.
6 에 도시하였다. 두 채널에서 공통적으로 워터젯 가공 초기에 표면거칠기가 빠르게 감소하고, 워터 젯의 스캔횟수가 8회, 12회 사이에서는 거칠기 변화가 크지 않다. Channel A 의 경우는 블라스팅시에 channel B 에 비해 상대적으로 큰 입자가 적용되었 지만 블라스팅 표면거칠기는 다소 낮은 편이며, 이후 워터젯 반복시에도 표면거칠기가 더 낮다.
워터젯이 반복됨에 따라서 채널의 깊이는 깊어지고 폭도 또한 넓어지고 있다. 또한 채널의 모서리부분이 점차 완만해지면서 12회 적용되었을 때 곡률이 비교적 커졌음을 확인할 수 있다.
블라스팅과 워터젯을 연속적으로 적용함으로써 채널표면이 매끈한 칩을 가공할 수 있었다. 특히 기존의 다른 미세 유리 가공법에 비해 가공속도가 빠르고 제조비용이 낮아, 고품위 표면이 필요한 유리의 미세가공 시에 본 방법이 매우 효과적일 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
파우더 블라스팅은 어떤 방법인가?
파우더 블라스팅은 연마입자를 유리 표면에 고속으로 투사하고, 표면의 국부적인 취성파괴에 의해 형상을 구현하는 가공법이다. 공정비용이 매우 낮은 반면, 가공속도는 최대 100 µm/min 에 이를 정도로 매우 빠르다는 장점이 있다.
블라스팅 공정의 문제점은 무엇인가?
그러나 블라스팅의 문제점은 평균 표면거칠기가 0.7~2.5 µm 수준으로서 건식에칭법 등에 비해 매우 높다는 것이다. 취성파괴에 의해 생성된 마이 크로 채널 표면의 불규칙적인 요철과 표면하부로 이어진 크랙 때문에 제작된 미세유체 시스템의 성능의 안정성 및 신뢰성이 떨어져서 그 활용이 기피된다.
파우더 블라스팅 가공법의 장점은?
파우더 블라스팅은 연마입자를 유리 표면에 고속으로 투사하고, 표면의 국부적인 취성파괴에 의해 형상을 구현하는 가공법이다. 공정비용이 매우 낮은 반면, 가공속도는 최대 100 µm/min 에 이를 정도로 매우 빠르다는 장점이 있다. 그래서 블라스팅 가공은 마이크로 연료전지부품, 모세관 전기 영동 칩, 마이크로 펌프 및 믹서 등 마이크로시스 템의 넓은 영역에 두루 적용되어 왔다.
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