[논문]동일 구조의 마이크로 펌프와 밸브가 직접된 열공압 방식의 PDMS 미세 유체 시스템

문민철; 유종철; 강치중; 김용상

동일 구조의 마이크로 펌프와 밸브가 직접된 열공압 방식의 PDMS 미세 유체 시스템
A thermopneumatic-actuated polydimethylsiloxane microfluidic system integrated with micropump and microvalve on the same structure 원문보기

문민철 (명지대학교 전기공학과 & 나노 바이오 연구소) , 유종철 (명지대학교 전기공학과 & 나노 바이오 연구소) , 강치중 (명지대학교 물리학과 & 나노 바이오 연구소) , 김용상 (명지대학교 전기공학과 & 나노 바이오 연구소)

열공압 방식으로 동작하는 마이크로 펌프와 밸브가 집적된 (polydimethylsiloxane)PDMS 미 세 유체 시스템을 제작하였다. 본 실험에서 제안한 미세 유체 시스템은 PDMS 마이크로 채널, PDMS membrane, 열공압 챔버, indium tin oxide(ITO) 히터로 구성되어 있다. 마이크로 펌프의 경우 가해주는 펄스 전압의 변화를 통해 유속을 최적화 하였고 마이크로 밸브의 경우 가해주는 직류 전압을 변화시켜 유체의 흐름을 제어할 수 있었다. 미세 유체 시스템의 최적화된 조건은 마이크로 펌프의 경우 duty 4%와 주파수 4Hz에서 최대 pumping rate을 나타냈고 그때의 pumping rate 68nl/min이었다. 마이크로 밸브의 유체를 closing 전력은 450mW이었다.

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문제 정의

본 연구에서 마이크로 펌프와 밸브를 동일 기판 위에 제작하였을 뿐만 아니라 동일 유속 내예서 함꼐 동작하는 특성을 확인하였다. 두 디바이스 모두 가해준 전압의 간단한 조작을 통해 특성을 확인할 수 있었다.

제안 방법

미세 유체 시스템 내에 마이크로 펌프와 밸브가 동시에 동작하는 최적의 조건하에 실험을 진행하였다. 그림 5는 미세 유체 시스템 내부의 마이크로 펌프의 동작 특성을 보여준다 £)uty 비를 4, 7%로 고정시격 놓고 freetience 를 1~9㎐까지 변화시켜 flow rate를 측정하였다.
본 연거에서 동일 구조와 동작 원리를 갖는 마이크로펌프와 밸브를 동일 기판 위에 제작하고 분석하였다. 마이크로 펌프로 유속을 제어하고 마이크로 밸브를 통해 전체 유체를 제어할 수 있다는 것을 실험을 통해 알 수 있었다.
이들 디바이스를 단일 디바이스에 그치지 않고 한 기판 위에 집적함으로써 하나의 시스템으로 사용할 수 있계 된다. 전자기 [1], 정전기[2], 전기삼투[3], 압전기[4], 열공압⑸ 등의 디바이스 동작 원리가 있지만 공정이 간단하고 저렴한 열공압 방식으로 디바이스를 제작하였다. 뿐만 아니라 기존 연구들의 경우 반도체 물질이나 Glass를 이용해 공정이 복잡하고 비용이 많이 들었으나 본 연구에서 제안하는 PDMS와 Glass, ITO를 이용한 시스템의 경우 공정이 간단하고 비용이 저렴하며 투명하며 휴대가 간편하고 일회용이 가능하다는 장점을 갖는다.

성능/효과

마이크로 펌프로 유속을 제어하고 마이크로 밸브를 통해 전체 유체를 제어할 수 있다는 것을 실험을 통해 알 수 있었다. 마이크로 펌프의 쳐대 flow ratee duty비가 4%이고 frequence가 4Hz일때 68n!/min이었고 마이크로밸브의 closing 전력은 400mW였다.
두 디바이스 모두 가해준 전압의 간단한 조작을 통해 특성을 확인할 수 있었다. 마이크로펌프의 경우 펄스 전압(duty베, frequency)의 변화로 flow ratQ을 확인하였고 마이크로 밸브의 경우 input 전압의 변화로 on/off 톡성을 확인하였다.
전자기 [1], 정전기[2], 전기삼투[3], 압전기[4], 열공압⑸ 등의 디바이스 동작 원리가 있지만 공정이 간단하고 저렴한 열공압 방식으로 디바이스를 제작하였다. 뿐만 아니라 기존 연구들의 경우 반도체 물질이나 Glass를 이용해 공정이 복잡하고 비용이 많이 들었으나 본 연구에서 제안하는 PDMS와 Glass, ITO를 이용한 시스템의 경우 공정이 간단하고 비용이 저렴하며 투명하며 휴대가 간편하고 일회용이 가능하다는 장점을 갖는다. 또한 인-채널 구조로 마이크로 펌프와 마이크로 밸브가 같은 공정으로 제작된다.

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