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문제 정의
- 본 연구는 상용화된 공압 핫프레스를 이용해열가소성 재질인 PC(Polycarbonate) 를 마이크로 구조물로 성형하기 위해 온도 , 압력 , 가압시간 등 최적의 조건을 찾기 위한 연구를 하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 10 을 보게 되면 유리전이온도보다 낮은 130 에서는 구조물의 형상이 성형되지 않았으며 140 에서는 구조물의 예상 높이인 10 보다 작은 약 5 의 높이로 PC 가 성형 되는 것을 확인할 수 있었다 . 따라서 140~150 사이의 온도에서 최적의 조건을 찾는 실험을 진행했다.
- 실험 온도 조건에 따라 폴리머의 성형 결과가 크게 달라졌다 . 따라서 PC 의 유리전이온도 150 를 기준으로 실험을 진행하며 압력과 시간 조건을 변경하며 실험을 진행했다.
- 마이크로 PC 의 성형 후 나노 필름과의 열접합 면으로 사용되어 질 나노필터 구조물의 너비는 200 이며 샘플 유체가 흐르는 마이크로채널의 너비는 200 로 제작 되었다 . 또한 , 마이크로 구조물의 외각에는 접합력 향상을 위해 넓은 열접합 면적을 만들었다.
- . 마이크로 몰드의 제작 조건은 공구 이송속도 50 mm/min, 회전수 12, 000 rpm 이며 , Face Cutting 을위해 end mill Ø 20, 황삭공구 Ø 0.7, 정삭공구 Ø 0.12 의 공구를 사용해 마이크로채널의 너비가 200 인 구조물들을 가공했다 .
- 5 의 사진과 같이 하부 유리판 , 황동 몰드 , PC, 상부 유리판 순으로 겹쳐서 핫플레이트 중앙에 투입한다 . 마지막으로 핫프레스에 온도 , 압력 , 가압 시간을 입력하고 실험을 진행한다 . 입력한 가압 시간이 종료되면 핫프레스의 Heat 전원을 끄고 압력을 유지한 채로 100 까지 자연 냉각시킨다.
- 본 연구에서는 공압 핫프레스를 사용하여 Polycarbonate(PC) 에 마이크로 미세유체장치를 성형하였다 . 공압 핫프레스는 Qmesys 사의 공압 핫 프레스 (QM40AS, Korea) 를 사용했으며 공압 실린더를 사용하여 위에서 아래로 실런더 로드와 프레스를 통하여 힘을 전달하는 방식이다 .
- 상용화된 공압 핫프레스를 이용하여 시간 압, 력 , 온도 등 실험 조건을 변경하며 마이크로 폴리머 칩을 제작했다 . 실험 온도 조건에 따라 폴리머의 성형 결과가 크게 달라졌다 .
대상 데이터
- 1 kgf의 미세 힘 조절이 가능하고 상부와 하부의 히팅 플레이트에는 K-type 의 temperature sensor 가 부착되어 있어 안정적이고 작은 편차의 온도 유지가 가능하다 . 또한 , 4 Columns LM Guidance 레일을 사용하였고 이 레일은 가압플레이트 간의 발란스 ± 0.02 mm 의 정밀도로 샘플 면적에 동일한 압력을 가할 수 있다 . 전자식 하중 제어로 인해 균일하고 얇은 두께의 샘플을 성형하기에 적합한 장비이다.
- 모든 마이크로 구조물의 높이는 마이크로 채널의 바닥면을 기준으로 10 로 동일하다 . 마이크로 PC 의 성형 후 나노 필름과의 열접합 면으로 사용되어 질 나노필터 구조물의 너비는 200 이며 샘플 유체가 흐르는 마이크로채널의 너비는 200 로 제작 되었다 . 또한 , 마이크로 구조물의 외각에는 접합력 향상을 위해 넓은 열접합 면적을 만들었다.
- 마이크로 몰드는 재질은 UNIST( 울산과학기술대학교) 의 ROBONANO a-0iB (FANUC 사의 초정밀나노 가공기) 를 이용하여 황동으로 제작되었다 . 마이크로 몰드의 제작 조건은 공구 이송속도 50 mm/min, 회전수 12, 000 rpm 이며 , Face Cutting 을위해 end mill Ø 20, 황삭공구 Ø 0.
- 미세유체장치의 재료로는 유리와 실리콘, PDMS, 열가소성 폴리머 등 다양한 공정 방법과 우수한 광학적 특성을 가진 재질을 이용하여 제작 되었다. 하지만 유리와 실리콘은 공정이 복잡하며 생산 비용이 높아 일회용 장치를 만드는 데에는 경제성과 대량생산의 측면에서 적합하지 않았다[5] .
성능/효과
- 1. 3 mm 의 PC 칩 성형은 핫프레스의 온도 , 압력 , 가압시간에 따라 성형 결과가 달라졌다 . PC 의 유리전이온도 150 ℃ 이상의 온도에서 PC 성형 시에는 샘플에 크랙과 기포가 발생하였고, 14 0℃ 이하의 온도에서는 구조물의 형상 성형이 되지 않았다 .
- 2. 온도를 기준으로 압력과 가압 시간 조건을 변경하며 실험을 진행 하였고 PC 성형의 최적 조건인 온도 146 ℃ , 압력 14.7 MPa, 가압시간 20 min 을 찾을 수 있었다 . 이 조건에서의 성형은 기포나 크랙이 발생하지 않았으며 마이크로 몰드 형상으로 PC 성형이 이루어졌다 .
- 3. 미세유체장치는 정밀한 분석 및 순수성을 요구하는 작업에 사용되는 특성으로 인해 생산 비용이 낮아야하며 대량생산이 가능해야한다 . 본 연구에서는 상용화된 장비의 사용으로 비교적 저렴하고 복잡하지 않은 방법으로 PC 의 마이크로성형을 할 수 있었다.
- 미세유체장치는 정밀한 분석 및 순수성을 요구하는 작업에 사용되는 특성으로 인해 생산 비용이 낮아야하며 대량생산이 가능해야한다 . 본 연구에서는 상용화된 장비의 사용으로 비교적 저렴하고 복잡하지 않은 방법으로 PC 의 마이크로성형을 할 수 있었다.
- 그리고 가압시간 (20 min) 이 끝난 후 100 까지 자연 냉각하여 PC 샘플을 배출했다 . 이후 성형된 PC 샘플을 나노 측정기 (NV-P1010( 나노 시스템즈 )) 로 높이를 측정한 결과 필터의 높이가 10.43 , 너비가 198 로 몰드의 구조물 크기와 동일하게 성형이 되었으며 구조물의 형상도 우수하게 성형이 된 것을 확인할 수 있었다 . Fig.
- 4 는 마이크로 몰드의 필터 구조물 크기를 나노 측정기( 나노 시스템즈사의 NV-P1010) 을 이용하여 측정했다 . 필터의 설계 너비인 200 에 비해 최대 2 의 오차가 발생했으며 설계 높이 10 에 비해 최대 0.25 의 오차로 제작된 것을 확인할 수 있다.
후속연구
- 4. 이후 실험으로는 폴리머 열접합을 통해 마이크로 폴리머 칩과 나노 폴리머 필름을 접합하여 유로와 구조물의 붕괴 및 손상 없이 열접합을 진행할 예정이다.
- 따라서 지속적인 미세유체장치의 연구를 통해 미세하고 정밀한 구조물 형상의 성형을 이루어내고 박테리아 및 바이러스 검출과 빠르고 정확한 분석이 가능한 미세유체장치를 제작할 수 있을 것이다.
- 13 은 나노 패턴을 성형한 PC 필름과 마이크로 구조물을 열 접합 한 것이다 . 필터 구조물 위로 나노 패턴이 열 접합되고 유로를 통해 유체를 흘러 보내면 나노 패턴에 의해 유체 속의 바이러스와 박테리아가 검출에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
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