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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 김도현
- 발행연도
- 2018
- 저작권
- 명지대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수13
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본 논문에서는 통합 마이크로플루이딕 시스템(Microfluidic system)을 위한 PCB(Printed Circuit Board)기술을 이용하여 제조된 전해질 미소유체펌프를 발표하고자 한다. 미소유체펌프는 랩온어칩(Lab-on-a-chip), μTAS(Micro Total Analysis Systems), 바이오 마이크로 디아비스 및 마이크로전자소자를 위한 냉각(microelectronics cooling)에서의 응용으로 인해 연구가 활발한 분야이다. 물의 전기분해를 기반으로 하는 마이크로 펌프는 큰 부피팽창, 우수한 배압, 높은 효율 및 낮은 전력 소비 등을 장점으로 1980 년대부터 많은 관심을 얻었다. 또한 움직이는 부품이 없고 전극과 전해질만을 이용하므로 구조가 단순하여 제작이 간단하다. 그러므로 앞서 언급한 디바이스들의 압력원으로 적합하다.
전통적으로 전기분해펌프는 반도체공정 기반의 미세가공(Microfabriaction)으로 제작되기에 비용이 많이 들어, 저가이며 일회용이어야 하는 랩온어칩의 특성상 상용화에 어려움이 많았다. 이러한 단점을 극복하기 위해 본 연구에서는 PCB 기술로 미소유체펌프를 제작하였다. PCB는 절연체 기판 위에 전기전자부품의 연결과 접속을 위한 배선, 패드 등 다양한 도체 패턴이 인쇄된 기판으로서 정밀한 회로의 저렴한 구현 및 대량생산이 가능하다. 본 논문에서는 PCB 기반 전기분해 미소유체펌프를 테스트하고 그 성능을 미세가공으로 제작된 미소유체펌프와 비교하였다.
전극이 내장된 미소유체펌프칩은 자체제작한 PMMA(poly methyl methacrylate, 아크릴) 지그에 장착된 후, 지그의 마이크로채널에서의 유체의 동영상 분석을 통해 유속을 측정하였다. 유속은 지그의 마이크로 채널에서 프런트 앤드 모션 이미지 분석에 의해 즉청되었다. 미세가공으로 제작된 미소유체펌프(금두께 100 nm)는 명지대학교의 클린룸(clean room)에서 제작을 하였고, 무전해도금(금두께 30 nm)과 전해도금(금두께 300 nm)PCB 칩은 외주(한샘디지텍, 대학민국)를 이용하여 제작을 하였다. 전류가 가해질 때 생성되는 가스 버블을 관찰하여 전기분해가 진행됨을 확인하고, 마이크로채널에서의 유속을 동영상으로 관찰하였다. 전기분해 이론공식을 통하여 예측한대로 전류와 유속 사이의 선형관계를 확인하였다. 전해도금 PCB 칩은 에지 효과(edge effect)로 인하여 1-10 mA 구간에 미세가공펌프칩과 비교하였을 때 높은 유속을 보여주었다. 전류 2 A에서 측정한 최대 유속은 30.1 ml/min으로 이전에 학술지에 게재된 논문에 비교하여 3번째로 높은 유속을 보여주었다. 미세가공칩으로 제작된 펌프는 상대적으로 짧은 수명을 보여주었는데 접합층(adhesion layer)으로 사용된 티타늄 층(20 nm)이 전기화학적 손상으로 쉽게 발생하는 것이 원인으로 보인다.
결론적으로 전해도금된 PCB펌프칩은 미세가공으로 제작된 펌프칩에 비해 낮은 제조비용과 가장 우수한 양수율(pumping rate), 긴 수명, 랩온어칩 디바이스 제작에 적합한 가공정밀도와 생산가격을 보여주었다. PCB기반 전기분해 미소유체펌프는 랩온어칩 효과적인 압력원으로서 널리 사용 될 것으로 기대된다.
전통적으로 전기분해펌프는 반도체공정 기반의 미세가공(Microfabriaction)으로 제작되기에 비용이 많이 들어, 저가이며 일회용이어야 하는 랩온어칩의 특성상 상용화에 어려움이 많았다. 이러한 단점을 극복하기 위해 본 연구에서는 PCB 기술로 미소유체펌프를 제작하였다. PCB는 절연체 기판 위에 전기전자부품의 연결과 접속을 위한 배선, 패드 등 다양한 도체 패턴이 인쇄된 기판으로서 정밀한 회로의 저렴한 구현 및 대량생산이 가능하다. 본 논문에서는 PCB 기반 전기분해 미소유체펌프를 테스트하고 그 성능을 미세가공으로 제작된 미소유체펌프와 비교하였다.
전극이 내장된 미소유체펌프칩은 자체제작한 PMMA(poly methyl methacrylate, 아크릴) 지그에 장착된 후, 지그의 마이크로채널에서의 유체의 동영상 분석을 통해 유속을 측정하였다. 유속은 지그의 마이크로 채널에서 프런트 앤드 모션 이미지 분석에 의해 즉청되었다. 미세가공으로 제작된 미소유체펌프(금두께 100 nm)는 명지대학교의 클린룸(clean room)에서 제작을 하였고, 무전해도금(금두께 30 nm)과 전해도금(금두께 300 nm)PCB 칩은 외주(한샘디지텍, 대학민국)를 이용하여 제작을 하였다. 전류가 가해질 때 생성되는 가스 버블을 관찰하여 전기분해가 진행됨을 확인하고, 마이크로채널에서의 유속을 동영상으로 관찰하였다. 전기분해 이론공식을 통하여 예측한대로 전류와 유속 사이의 선형관계를 확인하였다. 전해도금 PCB 칩은 에지 효과(edge effect)로 인하여 1-10 mA 구간에 미세가공펌프칩과 비교하였을 때 높은 유속을 보여주었다. 전류 2 A에서 측정한 최대 유속은 30.1 ml/min으로 이전에 학술지에 게재된 논문에 비교하여 3번째로 높은 유속을 보여주었다. 미세가공칩으로 제작된 펌프는 상대적으로 짧은 수명을 보여주었는데 접합층(adhesion layer)으로 사용된 티타늄 층(20 nm)이 전기화학적 손상으로 쉽게 발생하는 것이 원인으로 보인다.
결론적으로 전해도금된 PCB펌프칩은 미세가공으로 제작된 펌프칩에 비해 낮은 제조비용과 가장 우수한 양수율(pumping rate), 긴 수명, 랩온어칩 디바이스 제작에 적합한 가공정밀도와 생산가격을 보여주었다. PCB기반 전기분해 미소유체펌프는 랩온어칩 효과적인 압력원으로서 널리 사용 될 것으로 기대된다.
목차
그림목차 ⅲ표목차 ⅳ국문초록 ⅴ제 1 장 서론 1제 2 장 전기분해 미소유체펌프의 배경이론 52.1 전기분해 이론 52.2 깍지형 전극 설계 이론 8제 3 장 전기분해 미소유체펌프의 설계 123.1 펌프칩 지그 설계 123.2 미세가공펌프 설계 163.3 PCB펌프 설계 17제 4 장 전기분해 미소유체펌프의 제작 194.1 미세가공펌프칩 제작 194.2 PCB펌프칩 제작 23제 5 장 전기분해 미소유체펌프 성능검증 및 비교평가 265.1 미세가공펌프칩 성능검증 실험결과 265.2 미세가공펌프칩과 PCB펌프칩의 성능비교실험 325.3 PCB펌프칩 성능검증 실험결과 35제 6 장 결론 및 토의 40참고문헌 42Abstract 47
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