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유연한 콜로이드 광결정 박막을 이용한 미세 유체 압력 센서 제작

Fabrication of Microfluidic Pressure Sensor using Flexible Colloidal Crystal Membrane

초록/요약

광결정은 서로 다른 굴절률을 가진 유전물질을 주기적으로 배열한 구조체로, 특정 파장의 빛을 반사하여 독특한 구조색을 띠는 특징이 있다. 구조색의 반사 파장과 세기는 광결정을 이루는 물질의 굴절률과 크기, 빛의 입사각과 반사각 등으로 조절될 수 있다. 이처럼 다양한 자극에 의해서 반사되는 파장의 특성이 변화할 수 있기 때문에, 광결정은 센서 분야에 높은 잠재력을 가진 소재로 주목받고 있다. 본 연구에서는 이러한 광결정의 특성을 이용해 유연한 광결정 박막을 제작하고 미세 유체 압력 센서로 이용하였다. 광결정은 나노미터 단위의 정교한 배열을 가진 구조체이며, 균일한 크기의 입자들을 이용하면 자기조립을 통해 콜로이드 광결정 구조체를 형성할 수 있다. 무유화제 유화중합을 이용하여 폴리스타이렌 (Polystyrene; PS) 나노 입자를 합성하고, 딥-코팅 기법을 이용해 자기조립을 통한 콜로이드 광결정을 형성시켰다. 나노 입자 합성 결과를 주사 전자 현미경 (Scanning electron microscope; SEM)으로 확인하고 다양한 반사색을 가진 광결정을 형성하였다. 광결정이 실리콘 계열 엘라스토머인 폴리디메틸실록산 (Poly(dimethylsiloxane); PDMS)과 콜로이드 광결정 복합체를 형성할 때와 입자의 크기가 달라질 때 변화하는 광신호를 확인하였다. 반사 현미경과 연결된 분광계를 통해 반사율 및 투과율의 변화를 관찰하여 미세 유체 센서로써 사용될 박막의 성능을 평가하였다. 제작된 콜로이드 광결정 박막은 본 연구에서 미세 유체 채널과 결합하여 미세 유체 압력 센서로써 이용되었다. 박막 압력 센서는 압력의 변화에 따라서 변형되고 반사율에 변화가 생긴다. 압력 측정 과정을 검증하기 위한 시뮬레이션을 유한요소해석 (Finite element method; FEM) 프로그램인 COMSOL Multiphysics® Modeling Software로 계산하였고, 실제 실험 결과와 비교하였다. 압력 센서는 0.4 psi 이상에서 0.1 psi 수준의 압력 차이를 감지하는 성능을 보였다. 또한, 실제 유체를 흘려 압력을 측정함으로써 압력을 실시간으로 모니터링할 수 있음을 확인하였다. 미세 유체 압력 센서 박막은 대면적으로 제작이 가능하며 간단하고 경제적이다. 콜로이드 광결정의 장점과 광학 응답을 유도하기 위한 외부 에너지가 필요하지 않은 특징을 통해 휴대용 센서, 일회용 진단 도구와 같은 미세 유체 칩 기반 소형 장치와의 통합에 유리함을 가진다.

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목차

1. 서론 1
2. 이론 4
2-1 무유화제 유화중합 4
2-2 균일한 입자의 자기조립 8
2-3 광결정의 원리와 Braggs equation 10
2-4 압력에 따른 고분자 박막의 변형 11
2-5 광신호의 각도 의존성 11
3. 실험 재료 및 과정 14
3-1 PS 나노 입자 합성 14
3-2 콜로이드 광결정 박막의 제작 15
3-3 PDMS 마이크로 채널의 제작 16
3-4 광결정 박막과 마이크로 채널의 통합 17
3-5 분석방법 18
4. 결과 및 토의 20
4-1 입자와 매트릭스의 구성에 따른 광결정 특성 분석 20
4-2 박막 변형에 따른 광학적 특성 및 압력 감지 성능 27
4-3 시뮬레이션을 통한 박막 변형과 반사율 변화 분석 34
4-4 박막의 변형에 따른 실시간 압력 모니터링 40
5. 결론 48

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