마이크로채널은 단위체적당 표면적비가 높기 때문에 컴퓨터 마이크로 프로세서 냉각, 정밀 화학분석 및 바이오 분야로의 응용이 다양하게 적용 될 수 있어 많은 연구가 진행 중이다. 본 연구에서는 3D 프린터를 이용하여 사각 마이크로채널을 제작하였고, 실험에서 마이크로채널을 통과하는 액상 물은 탈이 온수를 사용하여 유량변화에 대한 압력강하를 측정하였다. 마이크로채널의 크기는 $161{\mu}m$에서 $664{\mu}m$로 변화시켜 제작하였으며, 유동의 레이놀즈 수는 16전자현미경으로 관찰한 결과 형상이 직사각형의 형태에 매우 근접한 것을 볼 수 있었다. 또한 유체유동의 특성은 전통적인 유체역학의 이론과의 차이를 나타내었으나 최근의 마이크로채널 유동과 연관된 연구와는 유사하게 측정되었다. 본 연구결과 3D프린터를 이용한 사각 마이크로채널의 제작과 이를 유동특성 실험에 적용 가능하다.
마이크로채널은 단위체적당 표면적비가 높기 때문에 컴퓨터 마이크로 프로세서 냉각, 정밀 화학분석 및 바이오 분야로의 응용이 다양하게 적용 될 수 있어 많은 연구가 진행 중이다. 본 연구에서는 3D 프린터를 이용하여 사각 마이크로채널을 제작하였고, 실험에서 마이크로채널을 통과하는 액상 물은 탈이 온수를 사용하여 유량변화에 대한 압력강하를 측정하였다. 마이크로채널의 크기는 $161{\mu}m$에서 $664{\mu}m$로 변화시켜 제작하였으며, 유동의 레이놀즈 수는 16
The validity of friction factor theory, based upon conventional-sized passages for microchannel flows, is an active area of research. The high surface to volume ratio of a microchannel offers many advantages over macroscale devices and processes. This study focused on the laminar flow (16
The validity of friction factor theory, based upon conventional-sized passages for microchannel flows, is an active area of research. The high surface to volume ratio of a microchannel offers many advantages over macroscale devices and processes. This study focused on the laminar flow (16$161{\mu}m$ to $664{\mu}m$ for single-phase liquid flow. A controllable syringe pump was used to provide flow while a differential pressure transducer was used to record the pressure drop. These results demonstrated that a 3D printer can drastically simplify custom microchannel fabrication and still support complex features, which are typically only accessible with advanced fabrication techniques.
The validity of friction factor theory, based upon conventional-sized passages for microchannel flows, is an active area of research. The high surface to volume ratio of a microchannel offers many advantages over macroscale devices and processes. This study focused on the laminar flow (16$161{\mu}m$ to $664{\mu}m$ for single-phase liquid flow. A controllable syringe pump was used to provide flow while a differential pressure transducer was used to record the pressure drop. These results demonstrated that a 3D printer can drastically simplify custom microchannel fabrication and still support complex features, which are typically only accessible with advanced fabrication techniques.
3D프린터를 이용한 마이크로채널을 제작은 기존의 제작공정단가 및 대량생산성뿐만 아니라 형상 자유도를 크게 향상시킬 수 있을 것이라고 기대된다.(21,22)따라서 본 연구에서는 3D 프린터로 제작된 마이크로채널의 유동특성을 실험적으로 고찰하고 형상정밀도와 적용성을 분석하였다.
제안 방법
3D 프린터를 이용하여 마이크로채널을 제작하여 압력강하 실험을 수행하였다. 마이크로채널의 크기는 161 μm~664 μm, 그리고 유동범위는 레이놀즈 수 16~1000사이로 변화시켰다.
대상 데이터
3D 프린터를 이용하여 마이크로채널을 제작하여 압력강하 실험을 수행하였다. 마이크로채널의 크기는 161 μm~664 μm, 그리고 유동범위는 레이놀즈 수 16~1000사이로 변화시켰다. 본 연구결과, 3차원 마이크로채널의 제작 성능은 50~60 μm 의 공차를 나타내었으나 설계보정으로 정밀도를 향상시킬 수 있을 것으로 생각된다.
또한 제작은 시간당 3 cm의 속도로 가능하다. 직사각형 마이크로채널을 제작하여 형상 정밀도를 측정하였다. Fig.
데이터처리
유동실험을 위한 마이크로채널의 외부형상 정밀도는 매우 우수한 것을 볼 수 있으며 내부에 설계된 채널이 형성된 것을 볼 수 있다. 실험 완료 후 마이크로채널의 단면을 절단하여 저전압주사전자현미경(Low voltage scanning electron microscope, Merlin compact/ 0.8nm @ 15kV)을 사용하여 채널의 단면을 관찰 하였다.
이론/모형
본 연구에서 사용된 3D 프린터의 제원은 Table 1에 제시하였고, DLP(Digital Light Processing)방식(27)을 채택하여 사용하였다. 이 방식은 아크릴경화수지 70%와 에폭시 30%가 포함되어있는 액체 상태의 광경화성 수지에 빔 프로젝트를 사용하여 조형하고자 하는 모양의 빛을 투사하여 수지를 경화시키는 방식이다.
성능/효과
8 %로 측정되었다. 마이크로채널의 크기가 작아질수록 오차가 작아지다가 600 μm에서 다시 커진 이유는 도면이 3D 프린팅을 위하여 변환이 광원을 발생시키는 픽셀과의 일치하지 않는 경우 발생된 오차라고 생각되어진다. 더 정밀한 제작을 위해서는 3D 프린터의 형상 오차에 대해 보정하는 방법이 고안되어야 할 것이다.
마이크로채널의 크기는 161 μm~664 μm, 그리고 유동범위는 레이놀즈 수 16~1000사이로 변화시켰다. 본 연구결과, 3차원 마이크로채널의 제작 성능은 50~60 μm 의 공차를 나타내었으나 설계보정으로 정밀도를 향상시킬 수 있을 것으로 생각된다. 마이크로채널의 유동흐름에 대한 압력강하는 유동특성에 대한 연구 등에 충분히 적용될 수 있다.
후속연구
이는 마이크로채널에 대한 이론이 정확하게 정립되지 못하였기 때문이다.(28)따라서 저자들은 제안된 3D 프린팅 기술을 바탕으로 측정된 유동현상을 이론적으로 설명 할 수 있는 방안에 대해 추가적인 연구를 진행 할 것이다. 그렇지만 3D 프린터를 이용하면 다양한 형상 및 크기의 마이크로채널을 낮은 가격에 제작할 수 있으므로 유동현상에 대한 연구에 크게 적용 될 수 있다.
마이크로채널의 유동흐름에 대한 압력강하는 유동특성에 대한 연구 등에 충분히 적용될 수 있다. 이러한 기술은 복잡한 3차원 형상의 마이크로 유체기기에도 적용될 수 있어 학술적, 산업적으로 높은 파급효과가 기대된다. 따라서 저자들은 제안된 3D 프린팅 기술을 바탕으로 측정된 유동현상을 이론적으로 설명 할 수 있는 방안에 대해 추가적인 연구를 진행할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
마이크로 스케일 유동 기술에 대해 어떤 연구들이 진행되고 있는가?
마이크로 스케일 유동 기술은 유동센서, 펌프, 밸브, 박막코팅, 열교환기, (1) 연소기, 연료 프로세서 및 생화학 분석 기기(2)들의 개발에 집중적으로 진행되고 있다. 특히 마이크로채널의 주요 특성인 높은 면적-부피비(high surface to volume ratio)를 고려하여 유체의 이동, 혼합(3) 및 열전달 특성(4~11)을 향샹시키는 기초연구도 동시에 진행되고 있다. 마이크로채널 내에서 흐르는 유동과 압력강하의 특성, 그리고 마찰계수에 대한 기존 연구자들의 연구(12~17)를 보면 Wu와 Little(18)은 질소를 사용하여 폭 130~300 μm, 높이 30~60 μm의 사다리꼴 마이크로채널 내에서의 압력강하 특성에 관한 실험결과마찰계수가 이론적인 계산 값에 비해 3배에서 5배가 크게 나타나고 유동천이는 레이놀즈 수 400부근에서 나타난다고 하였다.
미세한 유량을 정밀하게 조절하기 위해서 무엇이 사용되었나?
3에 나타내였다. 미세한 유량을 정밀하게 조절하기 위하여 주사기에 유체를 넣고 모터의 회전력을 이용하는 방식으로 일정한 유량을 주입해주는 시린지(Model NE-300 Syringe Pump)를 사용하였다. 마이크로채널의 입구측과 출구측의 압력을 측정하기 위하여 디지털 마노메타(Dwyer Series 490 Digital Manometer)를 사용하였다.
DLP(Digital Light Processing)방식 이란?
본 연구에서 사용된 3D 프린터의 제원은 Table 1에 제시하였고, DLP(Digital Light Processing)방식(27)을 채택하여 사용하였다. 이 방식은 아크릴경화수지 70%와 에폭시 30%가 포함되어있는 액체 상태의 광경화성 수지에 빔 프로젝트를 사용하여 조형하고자 하는 모양의 빛을 투사하여 수지를 경화시키는 방식이다. DLP방식의 가장 큰 장점은 정밀도와 표면조도가 우수하다는 점이다.
참고문헌 (28)
Jeon, S., Lee, K. and Moon, D., 2011, "Numerical Study on the Performance of a Microchannel Heat Exchanger with a Novel Channel Array," Trans. Korean Soc. Mech. Eng, B, Vol. 35, No. 11, pp. 1119-1126.
Mawatari, K., Kazoe, Y., Shimizu, H., Pihosh, Y. and Kitamori, T., 2014, "Fundamantal Technologies, Unique Liquid Properties, and Application in Chemical and Bio Analysis Methods and Devices," American Chemical Society, 86, pp. 4068-4077.
Lee, J. and Lee, K., 2015, "Prediction of Two-phase Taylor Flow Characteristics in a Rectangular Microchannel," Trans. Korean Soc. Mech. Eng, B, Vol. 39, No. 7, pp. 557-566.
Bucci, A., Celata, G. P., Cumo, M., Serra, E. and Zummo, G., 2003, "Water Single-phase Fluid Flow and Heat Transfer in Capillary Tubes," ICMM2003-1037.
Mirmanto, Kenning, D. B. R. Lewis, J. S. and Karayiannis, T. G., 2012, "Pressure Drop and Heat Transfer Characteristics for Single-phase Developing Flow of Water in Rectangular Microchannels," 6th European Thermal Sciences conference.
Park, H., 2009, "A Microchannel Heat Exchanger Design for Microelectronics Cooling Correlating the Heat Transfer Rate in Terms of Brinkman Number," Microsyst Technol 15:1373-1378.
Sahar, A. M., Oezemir, M. R., Fayyadh, E. M. Wissink, J., Mahmoud, M. M. and Karayiannis, T. G., 2016," Single-phase Flow Pressure Drop and Heat Transfer in Rectangular Metallic Microchannels," Applied Thermal Engineering 93, pp. 1324-1336.
Asadi, M., Xie, G. and Sunden, B., 2014, "A Review of Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics of Single and Two-phase Microchannles," International Journal of Heat and Mass Transfer 79, pp. 34-53.
Mohammed, H. A., Bhaskaran, G., Shuaib, N. H. and Saidur, R., 2011, "Heat Transfer and Fluid Flow Characteristics in Microchannels Heat Exchanger using Nanofluis: A Review," Renewable and Sustainable Energy Reviews 15, pp. 1502-1512.
Park, H. and Punch, J., 2008, "Friction Factor and Heat Transfer in Multiple Microchannels with Uniform Flow Distribution," International Journal of heat and Mass Transfer 51, pp. 4535-4543.
Mun, J. and Kim, S., 2011, "Study in Heat Transfer Characteristics for Single-phase Flow in Rectangular Microchannels," Trans. Korean Soc. Mech. Eng B, Vol. 35, No. 9, pp. 891-896.
Pfund, D., Rector, D., Shekarriz, A. Popescu. A. and Welty, J., 2000, "Pressure Drop Measurement in a Microchannel," AIChE Journal, Vol. 46, No. 8.
Papautsky, I., Gale, B. K., Mohanty, S., Ameel. T. A. and Frazier, A. B., "Effects of Rectangular Microchannel Aspect Ratio on Laminar Friction Constant,".
Bahrami, M., Yovanovich, M. M. and Culham, J. R., 2005, "Pressure Drop of Fully-developed, Laminar Flow in Microchannels of Arbitrary Cross-section," ICMM 2005-75109.
Akbari, M., Sinton, D. and Bahrami, M., 2009, "Pressure Drop in Rectangular Microchannels as Compared with Theory Based on Arbitrary Cross Section," Journal of Fluids Engineering, Vol. 131, 041202-1.
Judy, J., Maynes, D. and Webb, B. W., 2002, "Characterization of Frictional Pressure Drop for Liquid Flows Through Microchannels," International Journal of Heat and Mass Transfer 45, pp. 3477-3489.
Peiyi, W. and Little, W. A., 1983, "Measurement of Friction Factors for the Flow of Gases in Very Fine Channels Used for Microminiature Joule-Thomson refrigerators," Cryogenics, Vol. 23, pp. 273-277.
Son, S., Han, S., Sung, I. and Kim, W., 2013, "Surface Smoothing of Blastes Glass Micro-channels using Abrasive Waterjet," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 37, No. 12, pp. 1159-1165.
Joo, B., Baek, S. and Oh, S., 2006, "Micro Channel Forming with Ultrathin Metal Foil, 2006," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 30, No. 2, pp. 159-163.
Connor, J. O., Punch, J., Jeffers, N. and Stafford, J., 2014, "A Dimensional Comparison Between Embedded 3D-printed and Silicon Microchannels," Journal of Physics 2014, 012009.
Aritome, K., Bula, W. P., Sakamoto, K., Murakam, Y. and Miyake, R., 2013, "3D Printed Microfluidic Devices and Reconfigurable Analysis System," 17th International Conference in Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences.
White, F. M., 1994, Fluid Mechnics, Third ed., McGraw-Hill.
Kays, W. M. and Crawford, M. E., 1993, Convective Heat and Mass Transfer, third ed., McGraw-Hill.
Bejan, A., 1990, Convection Heat Transfer, Wiley.
Knight, R. W., Hall, D. J., Goodling, J. S. and Jaeger, R. C., 1992, "Heat Sink Optimization with Application to Microchannels," IEEE Trans. Compon., Hybr., Manufact. Technol. 15, pp. 832-842.
Comina, G., Suska, A. and Filippini, D., 2015, "3D Printed Unibody Lab-on-a-chip: Features Survey and Check-valves Integration," Micromachines 2015, Vol. 6, pp. 437-451.
Steinke, M. E. and Kandlikar, S. G., 2006, "Single-phase Liquid Friction Factors in Microchannels," International Journal of Thermal Sciences 45, pp. 1073-1083.
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