[논문]열공압력 구동 방식의 PDMS 마이크로 밸브의 제작

김진호; 김주호; 김용상

열공압력 구동 방식의 PDMS 마이크로 밸브의 제작
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김진호 (명지대학교 전기공학과) , 김주호 (명지대학교 전기공학과) , 김용상 (명지대학교 전기공학과)

본 연구에서 제안하는 마이크로 밸브는 열공압 방식으로 구동되고 제작비용이 저렴한 indium tin oxide (ITO) 및 polydimethylsiloxane (PDMS)로 제작되었다. 제안된 마이크로 밸브의 구조는 ITO 히터, SU-8 층, PDMS membrane, 그리고 PDMS 채널로 구성되어 있다. 제작된 열공압 구동기의 PDMS membrane의 변위는 현미경의 초점 거리의 변화로 측정하였으며 히터에 160mW 전력 인가 시 변위는 대략 $132{\mu}m$이다. 마이크로 밸브의 히터에 인가 전력에 따른 유량측정은 DI water를 사용하여 측정하였고 inlet 압력은 1.2kpa를 인가하여 측정하였다. 히터 인가 전력이 영일 경우 채널 폭이 $200{\mu}m$와 $400{\mu}m$인 마이크로 밸브의 유량은 각각 대략 $36{\mu}{\el}$/min과 $110{\mu}{\el}$/min 이었다. 채널 폭이 $200{\mu}m$와 $400{\mu}m$인 마이크로 밸브의 유량은 히터 인가 전력이 각각 70mW와 160mW에서 영이 되었다.

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문제 정의

본 논문에서는 제안된 마이크로 밸브를 제작 하였고 제작된 마이크로 밸브의 PDMS membrane의 변위를 측정하였다. 그리고 히터의 전력 인가에 따른 유량을 측정분석하였다.
본 연구에서는 가격이 저렴한 PDMS 충과 ITO 히터로 구성되어 있는 마이크로 밸브를 제작하고 특성을 분석하였다. 제안된 마이크로 밸브는 매우 간단하게 제작할 수 있었고 특성도 우수하였다.

제안 방법

증착된 ITO의 면저항은 #이다. ITO 위에 AZ-1512 PR을 1.8/zm 두께로 코팅 후 현상하였다. ITO 히터를 패턴하기 위해 FeCh/HCl 용액에 20분 동안 ITO를 에칭하였다.
8/zm 두께로 코팅 후 현상하였다. ITO 히터를 패턴하기 위해 FeCh/HCl 용액에 20분 동안 ITO를 에칭하였다. 그림 3은 제작된 ITO 히터를 보여주는 SEM 사진이다.
PDMS A, B 타입 용액을 10:1로 잘 섞은 후 SU-8이 패턴된 실리콘 기판 위에 붓는다. PDMS curinge 상온에서 24시간 동안 실시하였고, curing이 끝난 후 조심스럽게 실리콘 기판으로부터 PDMS 채널 총을 분리하였다. 세번째 공정은 그림 2(c)와 같이 PDMS membrane 공정이다.
실리콘 기판 위에 PDMS를 65㎛ 두께로 스핀코팅 하였고 60℃ 에서 2시간 동안 curing 하였다. PDMS membrane과 PDMS 채널 충에 reactive ion 순tchinolRIE)을 사용하여 산소 플라즈마를 처리한 훈즉시 접착을 실시하고 조심스럽게 실리콘 기판을 분리하였다. 이러한 공정을 통해 PDMS 채널 위에 PDMS membrane이 있는 구조물을 제작할 수 있었다.
PDMS membrane의 변위를 측정하기 위해서 실리 # 위에 PDMS membrane을 스핀 코팅한 후 히터 구조물과 에폭시로 접착 후 실리콘 기판을 분리하는 방법으로 변위 측정용 구동기를 완성하였다. membrane의변위를 측정하기 위해서 현미경을 사용하였으며 membrane의 중앙부분에 초점을 맞춘 후 초점거리의변화로 측정하였다'
사용하였다. inlet 압력은 L2kPa를 인가하여측정 하였고 유량은 outlet 튜브의 유체와 공기 경계면의 이동거리로 측정하였다.
membrane의변위를 측정하기 위해서 현미경을 사용하였으며 membrane의 중앙부분에 초점을 맞춘 후 초점거리의변화로 측정하였다';
그리고 히터의 전력 인가에 따른 유량을 측정분석하였다.
그림 3은 제작된 ITO 히터를 보여주는 SEM 사진이다. 열공압 챔버를 제작하기 위해 ITO 히터가 있는 소다 유리 기판 위에 SU-8을 200㎛ 두께로 스핀 코팅 후 현상하여 구조물을 제작하였다. 두 번째, 그림 2(b)와 같이 PDMS 채널 충 공정은 실리콘 기판 위에 SU-8을 80㎛ 두께로 코팅 후 채널을 패턴하였다.

대상 데이터

있다. 제작 공정은 크게 네 부분으로 히터 제작 공정, PDMS 채널 충 공정, PDMS membrane 공정, 그리고 조립 공정이다. 첫째, 그림 2(a)와 같이 ITO 히터 공정은 소다 유리 기판에 ITO를 sputter 장비를 사용하여 0.
제작된 마이크로 밸브의 특성온 히터에 언가되는 전력에 따른 유량 특성을 측정하였고 테스트 유체는 DI water를 사용하였다. inlet 압력은 L2kPa를 인가하여측정 하였고 유량은 outlet 튜브의 유체와 공기 경계면의 이동거리로 측정하였다.

성능/효과

본 연구에서 제안 하는 마이크로 펌프의 구조는 비용이매우 저렴한 물질로 구성되어 있고 공정도 매우 간단하다, 채널과 membrane 을 모두 polydimcthylsiloxane (PDMS)를 사용하여 제작 하였기 때문에 실리콘에 비홍]] 몰딩 대량 생산이 가능하고 물질 및 공정비용 모두가 저렴하다.[6] 히터는 indium tin oxide (ITO)를 사용하여제작하였으므로 히터로 흔하게 사용되는 금에 비해 가격이매우 저렴하다, 이런 측면에서 micro-TAS는 일회용으로사용되는 웅용분야가 많으므로 매우 좋은 장점을 가진다.
이것은 그림 4에서도관찰할 수 있듯이 인가 천력의 증가에 따라 membrane 의 변위가 증가하기 떕문이다. 이런 특성을 통해 본 연구에서 제작된 마이크로 밸브는 유량의 on/off 뿐만 아니라 유량의 크기의 제어도 용의하다는 것을 관찰할 수 있다. 채널이 200㎛인 마이크로 밾브는 인가 전력이#, 채널이 400㎛인 마이크로 밸브는 인가 천력이 #에서 완전히 유량이 영이 되는 것을 관찰할 수 있다.
제안된 마이크로 밸브는 매우 간단하게 제작할 수 있었고 특성도 우수하였다. 제작된 마이크로 밸브는 유량의 on/off 뿐만 아니라 유량의 크기 제어도 잘됨을 확인할 수 있었다.
제안된 마이크로 밸브는 매우 간단하게 제작할 수 있었고 특성도 우수하였다. 제작된 마이크로 밸브는 유량의 on/off 뿐만 아니라 유량의 크기 제어도 잘됨을 확인할 수 있었다. 제작된 마이크로 밸브의 히터에인가된 전력이 영일 경우 채널 폭이 200#와 400㎛인 마이크로 밸브의 유량은 각각 대략 36/min과 110/^ /min 이었다.

후속연구

[6] 히터는 indium tin oxide (ITO)를 사용하여제작하였으므로 히터로 흔하게 사용되는 금에 비해 가격이매우 저렴하다, 이런 측면에서 micro-TAS는 일회용으로사용되는 웅용분야가 많으므로 매우 좋은 장점을 가진다. 또한 마이크로 밸브의 membrane을 PDMS로 제작하면 flexible한 특성이 있어 변위가 크고 누설유량이 없을 것으로 기대된다.

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