[논문]<tex> $CO_2$</tex>레이저 가공을 이용한 3D 랩언어칩

손문탁; 권혁홍

문제 정의

홀딩코일의 소형화는 유리나 PMMA(polymethyl metha acrylate)수지에 미세한 유로를 에칭하거나[3] 레이저 기법으로 형성하는 방법으로 구현한다[4]. 본 연구는 PMMA 수지에 CO2 레이저를 이용한 미세가공으로 SIA를 소형화하는 방법에 관한 것이다.
연구결과 SIA시스템에서는 미세유로의 단면형상이 중요한데, 횡적 단면을 보면 원뿔모양의 단면이 문제가 되었고 종적 단면에서는 유로의 양끝이 깊이가 너무 깊어지는 문제가 발견되었다. 본 연구에서는 시행착오법으로 레이저빔의 속도와 파워를 조정하여 가공을 수행하였으나, 향후 좀더 체계적이고 자동화된 미세유로 가공법을 개발하고자 한다.

제안 방법

레이어 1 은 전기화학 센서 층이며 검출기로 사용된다. 2D CAD 를 이용하여 도면을 그린 후 필름마스크를 만들었다. 스크린에 감광제를 바르고 필름마스크를 덧대어 자외선을 조사하고, 바로 현상하여 인쇄용 스크린을 제작하였다.
3D CAD 를 이용하여 8 개의 층의 도면을 그리고 레이저 가공용 CAM 소프트웨어에 레이저 가공조건을 입력한 다음 80W CO2 레이저가공기(베이징레이저, 중국)를 이용하여 2mm, 1mm 두께의 PMMA(polymethylmetha acrylate)판에 레이저를 조사하여 8 개의 PMMA 레이어를 얻었다(Fig. 3 좌측 그림).
본 연구에서는 PMMA수지를 CO2 레이저를 이용하여 미세가공 하여 초소형 SIA 분석기를 구현하였다. 완성된 시스템은 80x50x70mm³ 이었다.
본 연구에서는 모든 유로 세그먼트에 대해 가속, 감속 구간에 대해 시행착오로 얻은 파워감쇄변수를 지정하여, 빔의 강도를 감쇄시켰다. 적당한 감쇄량은 등속구간에 대해 70%이었다.
이 PCB 는 멀티포트밸브 위치제어, 주사기펌프 피스톤 위치제어, 주사기펌프용 3-way 밸브 위치제어용으로 사용하였다. 서보제어는 디지털 PID 알고리즘을 사용하였고 시행착오법으로 P,I,D 게인을 조정하였다. 펌웨어는 C 언어로 제작하고 AVR-GCC 로 컴파일 하였다.
2D CAD 를 이용하여 도면을 그린 후 필름마스크를 만들었다. 스크린에 감광제를 바르고 필름마스크를 덧대어 자외선을 조사하고, 바로 현상하여 인쇄용 스크린을 제작하였다. 스크린인쇄기를 이용하여 탄소잉크, 은 잉크 그리고 절연잉크를 차례로 인쇄한 다음 오븐에서 건조하였다.
스크린에 감광제를 바르고 필름마스크를 덧대어 자외선을 조사하고, 바로 현상하여 인쇄용 스크린을 제작하였다. 스크린인쇄기를 이용하여 탄소잉크, 은 잉크 그리고 절연잉크를 차례로 인쇄한 다음 오븐에서 건조하였다. 은전극에는 염화은 층을 전기화학적으로 형성하여 은/염화은 기준전극으로 사용하였다(Fig.
이 레이어들은 CNC 고속가공기와 CO2 레이저를 이용하여 드릴링, 포켓가공, 그루브 가공, 홀가공, 절단 가공 등의 공정으로 제작하였다(레이저 출력제어: 20KHz PWM 펄스). 열융착 접합법으로 각 레이어들을 접합한 다음 액츄에이터를 삽입하여 조립하였다. 초소형모터를 사용하여 멀티포트밸브, 시린지펌프의 액츄에이터로 사용하였다.
레이어 5,6,7,8 은 주사기펌프와 멀티포트밸브를 위한 액츄에이터를 실장하기 위한 공간을 제공하는 역할을 한다. 이 레이어들은 CNC 고속가공기와 CO2 레이저를 이용하여 드릴링, 포켓가공, 그루브 가공, 홀가공, 절단 가공 등의 공정으로 제작하였다(레이저 출력제어: 20KHz PWM 펄스). 열융착 접합법으로 각 레이어들을 접합한 다음 액츄에이터를 삽입하여 조립하였다.
미세유로를 CO2 레이저로 가공하기 때문에 기존의 광식각이나, 핫엠보싱에 비해 가공속도가 빨랐으나 유로의 품질이 떨어지는 단점이 발견되었다. 이번 연구에서는 레이저로 그루브가공(유로), 홀가공(thruhole), 절단가공을 수행하였는데, 가장 문제가 되는 것이 바로 그루브 가공이었다.
2). 정밀한 유로가공을 위해 레이저빔의 파워와 속도를 다양한 조합으로 가공을 해보았고 최적의 조건을 찾았다. 레이어 2 와 3 은 열융착접합법에 따라 온도와 압력을 가하여 접합하였다.
한편 홀가공의 경우 레이저파워를 75%에서 30%까지 변화시키면서 0.3 초 동안 같은 위치에서 레이저를 조사하였다. 레이저 빔에 의하여 순간적으로 홀이 생겼다.

대상 데이터

초소형모터를 사용하여 멀티포트밸브, 시린지펌프의 액츄에이터로 사용하였다. 광학식 엔코더는 0.05mm 두께의 금속판을 광식각법으로 에칭하여 제작하였고 초소형모터의 샤프트에 접착제로 붙였다. 마이크로컨트롤러(ATMega123, ATMEL,USA)와 모터 제어용 H-Bridge 칩(L298), 광센서를 이용하여 위치 서보 제어기를 3 개 제작하여 단일 PCB 에 조립하고 10 번째 레이어로 붙였다.
05mm 두께의 금속판을 광식각법으로 에칭하여 제작하였고 초소형모터의 샤프트에 접착제로 붙였다. 마이크로컨트롤러(ATMega123, ATMEL,USA)와 모터 제어용 H-Bridge 칩(L298), 광센서를 이용하여 위치 서보 제어기를 3 개 제작하여 단일 PCB 에 조립하고 10 번째 레이어로 붙였다. 이 PCB 는 멀티포트밸브 위치제어, 주사기펌프 피스톤 위치제어, 주사기펌프용 3-way 밸브 위치제어용으로 사용하였다.
전기화학센서 판독을 위한 포텐시오 스텟은 OPAMP(OP07, TL082, TI,USA)와 마이크로컨트롤러(ATMega8, ATMEL, USA) 반도체를 사용하여 제작하였고 PCB 를 시스템의 9 번째 레이어로 부착하였다. 컴퓨터와 RS232C 로 연결하여 뷰어프로그램을 제작하여 데이터를 얻었다(Visual C++ 6.
열융착 접합법으로 각 레이어들을 접합한 다음 액츄에이터를 삽입하여 조립하였다. 초소형모터를 사용하여 멀티포트밸브, 시린지펌프의 액츄에이터로 사용하였다. 광학식 엔코더는 0.

이론/모형

그러나 레이저 파워 서플라이에서 Duty 비를 조절할 때, Duty 비 30%이하 구간에서는 Duty 에 대한 빔의 파워가 선형적인 관계가 아니었다. 이러한 문제 때문에 빔의 파워가 15%이하가 되지 않도록 Fig. 6 과 같이 파워감쇄변수를 일정한 휴리스틱 알고리즘으로 조정하였다.

성능/효과

6mm) 그림에서 보듯이 레이저파워가 50%를 넘어서면 홀 주위의 홀 입구가 심하게 열로 변형된다. 빔 조사 시간을 0.3, 0.2, 0.1 초로 변화시키면서 가공을 해본 결과 0.2 초가 적당함을 알게 되었다. Thruhole 은 액체를 위층과 아래 층 사이의 연결을 해주는 역할을 하므로 그루브보다 단면형상의 중요성이 크지 않다(Fig.
완성된 시스템은 80x50x70mm³ 이었다. 연구결과 SIA시스템에서는 미세유로의 단면형상이 중요한데, 횡적 단면을 보면 원뿔모양의 단면이 문제가 되었고 종적 단면에서는 유로의 양끝이 깊이가 너무 깊어지는 문제가 발견되었다. 본 연구에서는 시행착오법으로 레이저빔의 속도와 파워를 조정하여 가공을 수행하였으나, 향후 좀더 체계적이고 자동화된 미세유로 가공법을 개발하고자 한다.

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