KR20110001981A - Method of measuring flow properties of e-printing ink using a microfluidic chip and micro piv system to apply immersion oil technology - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이머젼 오일 기술을 적용한 마이크로 입자영상속도계 시스템 및 미세유동칩을 이용하여 전자 인쇄용 잉크의 유동 특성을 측정하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 미세유동칩을 제작하여 마이크로 채널 내 유체 유동의 속도 분포를 측정하고 이를 활용하여 비뉴턴 유체의 특성을 갖는 전자 인쇄용 잉크의 유동 특성을 파악할 수 있는 이머젼 오일 기술(Immersion oil technology)을 적용한 마이크로 입자영상속도계(PIV;Particle Image Velocimetery) 시스템과 미세유동칩을 이용한 전자 인쇄용 잉크의 유동 특성 측정 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for measuring the flow characteristics of an electronic printing ink using a micro particle image tachometer system and a microfluidic chip applying immersion oil technology. Particle Image Velocimetery (PIV) system and microfluidic chip with Immersion oil technology to measure the flow characteristics of non-Newtonian fluid printing ink using the distribution The present invention relates to a method for measuring the flow characteristics of an ink for electronic printing.
전자 인쇄용 잉크는 전도성 나노입자를 포함하고 있으며 이 함유량에 따라 잉크의 유변물성이 변화하게 되고, 이는 잉크의 소결을 통해 얻게 되는 결과물의 특성에도 영향을 끼치게 된다. 잉크의 특성을 파악하는 것은 결과물의 특성에 대한 영향성 때문만이 아니라 인쇄 공정의 안정적인 구축을 위해서도 중요하다. Electronic printing inks contain conductive nanoparticles and the rheological properties of the ink change according to the content, which affects the properties of the resultant obtained through sintering of the ink. Understanding the characteristics of the ink is important not only because of its impact on the properties of the result, but also for the stable construction of the printing process.
전자 인쇄용 잉크는 비뉴턴 유체의 특성을 보이며, 이러한 비뉴턴 유체의 경우 점성과 전단 변형률 및 전단 응력의 관계를 통해 수학적으로 그 특성을 표현하는 것이 가능하다. 따라서 위의 변수들과 연관성이 있는 인자들을 실험을 통해 얻게 된다면 이론적인 해석을 통해 유체의 특성을 파악할 수 있게 된다. 이러한 사실들은 유변학 또는 유체역학의 범주 내에서 기술된 많은 서적들을 통해 확인될 수 있다.(참조:R.B. BIRD, R.C. ARMSTRONG and O.HASSAGER : DYNAMICS OF POLYMERIC LIQUIDS, Vol.1 FLUID MECHANICS 2nd, p.169~254, 한국유변학회 : 유변학의 이론과 응용, p.3~44).Electronic printing inks exhibit the properties of non-Newtonian fluids, and in the case of such non-Newtonian fluids, it is possible to mathematically express their properties through the relationship between viscosity, shear strain and shear stress. Therefore, if the factors related to the above variables are obtained through experiments, it is possible to grasp the characteristics of the fluid through theoretical analysis. These facts can be confirmed by a number of books described within the scope of rheology or hydrodynamics (see RB BIRD, RC ARMSTRONG and O. HASSAGER: DYNAMICS OF POLYMERIC LIQUIDS, Vol. 1 FLUID MECHANICS 2nd, p. 169). ~ 254, The Korean Society of Rheology: Theory and Application of Rheology, p.3 ~ 44).
인쇄 공정의 안정성 및 효율성을 확보하기 위해서는 잉크의 유동에 대한 해석을 통해 그 특성을 파악하는 것이 필수적이나, 기존의 잉크 특성 측정 방법들은 고가의 장비를 활용하는 방법들이 대부분이고 이러한 장비들의 경우, 고가의 잉크를 사용함에 있어서 경제성을 갖추고 있다고 판단하기 어렵다. In order to ensure the stability and efficiency of the printing process, it is essential to analyze the characteristics of the ink through analysis of the flow of ink, but the existing methods of measuring ink characteristics are mostly using expensive equipment. It is difficult to judge that it is economical in using the ink of.
따라서, 마이크로 채널이 집적되어 있는 미세유동칩을 이용할 경우 위의 문제점에 대한 효율적인 해결이 가능하며, 아울러 마이크로 PIV기법을 사용한다면 비뉴턴 유체의 특성을 파악할 수 있으며, 선행 연구 결과로부터 그 가능성을 확인할 수 있다(참조:G. Degre, P. Joseph, P. Tabeling, S. Lerouge, M. Cloitre and A. Ajdari: Applied Physics Letters Vol. 89 No. 024104, 2006, p.1~3).Therefore, the use of microfluidic chips with integrated microchannels can effectively solve the above problems, and if using the micro PIV technique, the characteristics of non-Newtonian fluids can be identified. (G. Degre, P. Joseph, P. Tabeling, S. Lerouge, M. Cloitre and A. Ajdari: Applied Physics Letters Vol. 89 No. 024104, 2006, p. 1-3).
이에 본 발명에서는 이머젼 오일 기술을 적용한 마이크로 PIV 시스템과 미세유동칩을 이용하여 비뉴턴 유체의 유동 특성을 측정함에 있어서 정확성과 효율성이 향상된 방법을 구축하고, 전자인쇄용 잉크의 성능 평가에 활용될 수 있는 전자인쇄용 잉크의 유동 특성 측정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Therefore, in the present invention, a method of improving accuracy and efficiency in measuring the flow characteristics of non-Newtonian fluids using a micro PIV system and a microfluidic chip to which immersion oil technology is applied may be established, and may be used to evaluate the performance of an electronic printing ink. It is an object of the present invention to provide a method for measuring flow characteristics of an ink for electronic printing.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는, 전자 인쇄용 잉크가 흐를 수 있도록 하는 마이크로 채널과, 상기 마이크로 채널에 빛을 조사하는 광원과, 상기 잉크의 형광 이미지를 촬영할 수 있는 형광 현미경과, 상기 잉크의 압력강하를 측정하기 위한 압력변환기와, 유체를 상기 마이크로 채널 속으로 주입하기 위한 주사기 펌프와, 압력변환기에서의 신호를 받아 들여서 컴퓨터로 전달하는 데이터 수집보드를 포함하는 마이크로 입자영상속도계 시스템이 제공된다.In order to solve the above technical problem, in the present invention, a microchannel through which the ink for electronic printing can flow, a light source for irradiating light to the microchannel, a fluorescence microscope capable of capturing a fluorescent image of the ink, and the ink Provided is a microparticle imagemeter system comprising a pressure transducer for measuring the pressure drop of the micrometer, a syringe pump for injecting fluid into the microchannel, and a data collection board for receiving a signal from the pressure transducer and transferring the signal to a computer. do.
본 발명에 있어서, 상기 마이크로 채널을 설치하기 위한 슬라이드 글래스와, 상기 마이크로 채널의 안정적인 적용성 확보를 위해 상기 형광 현미경에 장착되는스탠드와 케이스가 더 포함될 수 있다. In the present invention, a slide glass for installing the micro channel, and a stand and a case mounted to the fluorescence microscope to ensure a stable applicability of the micro channel may be further included.
본 발명에 있어서, 상기 형광 현미경에는 고배율 렌즈가 적용되고, 굴절률을 높일 수 있는 이머젼 오일이 사용될 수 있다.In the present invention, a high magnification lens is applied to the fluorescence microscope, and an immersion oil capable of increasing the refractive index may be used.
본 발명에서는 상기 마이크로 채널로서 미세유동칩을 적용한 것을 특징으로 한다.In the present invention, a microfluidic chip is applied as the microchannel.
상기 미세유동칩은 폴리다이메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane)을 재료로 이용하고 포토리소그래피(photolithography)와 몰딩 기법을 이용하여 제작할 수 있다. The microfluidic chip may be manufactured by using polydimethylsiloxane (PDMS) as a material and using photolithography and molding techniques.
구체적으로, 상기 미세유동칩 제작방법은, 실리콘 웨이퍼를 아세톤과 아이소프로필 알코올로 세척한 후 포토 레지스트(Photoresist)를 실리콘 웨이퍼 위에 소정의 두께로 스핀 코팅을 하고 65℃에서 5분간 및 95℃에서 30분간 열처리하는 단계와, 필름 마스크를 포토 레지스트가 코팅된 웨이퍼 위에 올린 후 자외선으로 노광하는 단계와, 65℃에서 5분간 및 95℃에서 12분간 열처리하고, 디벨로퍼 용액에 10분간 담가두어 자외선에 노출되지 않은 포토레지스트를 제거함으로써 마이크로 채널 패턴을 완성하는 단계와, 상기 PDMS 몰드에 PDMS를 붓고, 진공 챔버에서 30분간 진공 상태로 둠으로써 PDMS 속의 기포를 제거한 후, 70℃의 오븐에서 2시간 동안 열처리하여 PDMS 채널을 제작하는 단계와, 상기 PDMS 채널의 일면에 오존 플라즈마를 이용하여 슬라이드 글래스를 접합시키는 단계로 진행될 수 있다.Specifically, the microfluidic chip manufacturing method, after washing the silicon wafer with acetone and isopropyl alcohol, spin coating the photoresist to a predetermined thickness on the silicon wafer and at 65 ℃ for 5 minutes and at 95
본 발명에 있어서, 상기 전자 인쇄용 잉크에 대한 부피비 0.037%로 형광 입자를 분산시켜 입자의 운동을 관측할 수 있도록 한다.In the present invention, the fluorescent particles are dispersed in a volume ratio of 0.037% with respect to the electronic printing ink to observe the motion of the particles.
또한, 상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 전자 인쇄용 잉크의 유동특성 측정방법은, 전자 인쇄용 잉크에 소정량의 형광 입자를 분산시키고 미세유동칩 내부를 유동하는 상기 형광 입자의 운동을 관측함으로써, 전자 인쇄용 잉크의 속도 분포와 압력 강하를 측정하여 전자 인쇄용 잉크의 유동 특성을 파악하는 것을 특징으로 한다.In addition, the flow characteristics measurement method of the electronic printing ink of the present invention for solving the above technical problem, by dispersing a predetermined amount of fluorescent particles in the electronic printing ink by observing the movement of the fluorescent particles flowing inside the microfluidic chip The flow characteristics of the electronic printing ink are measured by measuring the velocity distribution and the pressure drop of the electronic printing ink.
본 발명에 있어서, 상기 전자 인쇄용 잉크의 속도 분포를 측정하는 방법은, 주사기 펌프와 미세주사기 그리고 관측 튜브(PEEK tube)를 이용하여 상기 미세유동칩 내에 유체를 주입하는 단계와, 유체 유동이 정상 상태가 되었음을 확인한 후 이미지를 촬영하는 단계와, 촬영된 영상을 프레임으로 분할한 후 상호상관(Cross-correlation) 소프트웨어를 이용하여 속도 벡터 데이터를 얻어 이를 평균하여 결과에 적용하는 단계로 진행될 수 있다.In the present invention, the method for measuring the velocity distribution of the ink for electronic printing, the step of injecting fluid into the microfluidic chip using a syringe pump, a micro syringe and a PEEK tube, the fluid flow is steady state After confirming that the image is taken, the photographed image may be divided into frames, and the velocity vector data may be obtained by using cross-correlation software, averaged, and applied to the result.
본 발명에 있어서, 상기 전자 인쇄용 잉크의 압력 강하를 측정하는 방법은,상기 미세유동칩 외부에 설치된 압력변환기를 통해 미세유동칩 입구의 압력을 측정하고, 상기 미세유동칩 출구의 압력을 대기압으로 가정하여 압력 강하 값을 측정하고, 상기 측정된 압력 신호는 데이터 수집 장비를 이용하여 수집하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the method for measuring the pressure drop of the ink for electronic printing, by measuring the pressure of the microfluidic chip inlet through a pressure transducer installed outside the microfluidic chip, assuming the pressure of the microfluidic chip outlet as atmospheric pressure The pressure drop value is measured, and the measured pressure signal is collected using a data collection device.
이와 같은 본 발명은 이머젼 오일 기술을 적용한 마이크로 PIV기법을 통해 채널의 높이에 따라 비뉴턴 유체의 유동 특성을 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 이머젼 오일 기술(Immersion oil technology)를 적용한 마이크로 PIV 시스템으로 미세유동칩 내 전자 인쇄용 잉크의 유동 특성을 측정하는 방법을 제공한다. The present invention is a micro PIV system using the immersion oil technology (Immersion oil technology), characterized in that the flow characteristics of the non-Newtonian fluid can be measured according to the height of the channel through the micro PIV technique applying the immersion oil technology. A method of measuring the flow characteristics of an ink for electronic printing in a flow chip is provided.
상기 마이크로 PIV 시스템에 적용된 이머젼 오일 기술은 낮은 초점심도(focal depth)를 가지고 있는 고배율 렌즈와 빛의 굴절률을 높일 수 있는 이머젼 오일을 기본으로 하여 마이크로 채널 내에서의 유동 측정을 일정한 간격에 따라 마이크로 채널 높이에 대해 측정할 수 있도록 한다. The immersion oil technology applied to the micro PIV system is based on a high magnification lens having a low focal depth and immersion oil capable of increasing the refractive index of light. Allow to measure for height.
상기 이머젼 오일 기술은 마이크로 채널을 집적한 슬라이드 글래스를 고배율 렌즈의 focal depth를 고려하여 얇은 슬라이드 글래스(t=0.13mm)로 제작하고 쉽게 휘어지는 특성을 고려하여 안정적으로 글래스를 현미경에 부착할 수 있도록 하는 스탠드(stand)와 케이스(case)를 제작하여 사용한다. The immersion oil technology produces a slide glass in which microchannels are integrated into a thin slide glass (t = 0.13mm) in consideration of the focal depth of a high magnification lens, and stably attaches the glass to a microscope in consideration of its easily curved property. Make stand and case.
본 발명의 이머젼 오일 기술을 적용한 마이크로 PIV 시스템과 미세유동칩을 이용한 전자인쇄용 잉크의 유동 특성 측정방법에 따르면, 구축된 미세유동시스템은 마이크로 채널 내 유체 유동의 속도 분포를 채널 높이에 따라 측정함으로써 전자 인쇄용 잉크의 유동 특성을 파악함에 있어서 정확성과 효율성을 향상시킬 수 있다.According to the flow characteristic measurement method of the electroprinting ink using the micro PIV system and the microfluidic chip to which the immersion oil technology of the present invention is applied, the constructed microfluidic system measures the velocity distribution of the fluid flow in the microchannel according to the channel height. Accuracy and efficiency can be improved by understanding the flow characteristics of printing inks.
그리고, 상기 시스템을 전자인쇄용 잉크의 유동 특성 측정방법에 적용하면, 비뉴턴 유체의 특성을 갖는 전자인쇄용 잉크의 유변물성을 파악할 수 있도록 하는 효과가 있다.In addition, if the system is applied to the method for measuring the flow characteristics of the electroprinting ink, the rheological properties of the electroprinting ink having the properties of non-Newtonian fluid can be grasped.
도 1은 본 발명의 이머젼 오일 기술을 적용한 마이크로 PIV 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 이머젼 오일 기술을 적용한 마이크로 PIV 시스템의 일실시예를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 미세유동칩의 설치구조를 보인 정면도와 평면도이다.
도 4는 이머젼 오일 기술을 적용하기 위해 형광 현미경에 부착되는 스탠드를 도시한 평면도이다.
도 5는 이머젼 오일 기술을 적용하기 위해 미세유동칩이 장착되는 케이스의 평면도이다.
도 6은 이머젼 오일 기술을 적용하기 위해 미세유동칩이 장착되는 케이스의 측면도이다.
도 7은 본 발명의 전자 인쇄용 잉크의 유동특성 측정방법을 나타내는 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예로서 전자인쇄용 잉크의 마이크로 채널 내 높이에 따른 속도 분포 특성을 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예로서 전자인쇄용 잉크의 마이크로 채널 내 단위 길이 당 압력 강하의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예로서 전자인쇄용 잉크의 마이크로 채널 내 전단변형률과 전단응력 사이의 관계 변화를 보여주는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예로서 전자인쇄용 잉크를 활용한 유체 유동 측정 결과를 바탕으로 선정된 레올로지 모델을 사용하여 전단변형률과 점성의 관계를 로그 척도로 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예로서 전자인쇄용 잉크를 활용한 유체 유동 측정 결과를 바탕으로 선정된 레올로지 모델과 그 변수들에 대한 표이다.1 is a block diagram of a micro PIV system to which the immersion oil technology of the present invention is applied.
Figure 2 is a schematic diagram showing one embodiment of a micro PIV system applying the immersion oil technology of the present invention.
3 is a front view and a plan view showing the installation structure of the microfluidic chip of the present invention.
4 is a plan view showing a stand attached to a fluorescence microscope for applying immersion oil technology.
5 is a plan view of a case in which the microfluidic chip is mounted to apply the immersion oil technology.
6 is a side view of a case in which a microfluidic chip is mounted to apply the immersion oil technology.
7 is a flowchart illustrating a method of measuring flow characteristics of an ink for electronic printing of the present invention.
8 is a graph showing velocity distribution characteristics according to heights in microchannels of an electronic printing ink as an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a graph showing a change in pressure drop per unit length in a microchannel of an electronic printing ink as an embodiment of the present invention.
10 is a graph showing a relationship change between shear strain and shear stress in a microchannel of an electronic printing ink as an embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a graph showing the relationship between shear strain and viscosity using a rheology model selected based on a fluid flow measurement result using an electronic printing ink as an embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a table showing a rheology model and its variables selected based on a fluid flow measurement result using an electroprinting ink as an embodiment of the present invention.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in this specification and claims are not to be construed as limiting in their usual or dictionary meanings, and the inventors may properly define the concept of terms in order to best explain their invention in the best way possible. It should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대하여 상세히 설명한다.이하에서 첨부된 예시도면에 의거하여 이머젼 오일 기술과 미세유동칩을 구비한 마이크로 PIV 시스템을 설명하고, 다음으로 본 발명의 일실시예에 의한 이머젼 오일 기술을 적용한 마이크로 PIV 시스템과 미세유동칩을 이용한 전자인쇄용 잉크의 유동 특성 측정방법을 설명하고자 한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Hereinafter, a micro PIV system having an immersion oil technology and a microfluidic chip will be described based on the accompanying drawings. The flow characteristic measurement method of the electronic printing ink using the micro PIV system and the microfluidic chip applying the immersion oil technology according to the embodiment will be described.
1. 마이크로 PIV 시스템1. Micro PIV System
PIV(Particle Image Velocimetery) 기법은 유체의 유동장을 촬영하여 얻은 이미지를 해석하여 대상 영역 전체의 유속장을 얻기 위해 활용된다. 적용되는 유체 속에는 사용되는 광원의 파장에 반응하여 다른 파장의 빛을 방출할 수 있는 형광입자를 섞게 되며 형광입자의 속도가 유체의 속도와 동일하다는 가정을 통해 관심이 있는 유동장의 유속을 얻을 수 있게 된다. Particle Image Velocimetery (PIV) technique is used to obtain the flow field of the entire target area by analyzing the image obtained by photographing the flow field of the fluid. The applied fluid is mixed with fluorescent particles capable of emitting light of different wavelengths in response to the wavelength of the light source used, and the flow rate of the flow field of interest can be obtained by assuming that the velocity of the fluorescent particles is the same as that of the fluid. do.
도 1은 본 발명의 이머젼 오일 기술을 적용한 마이크로 PIV 시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 이머젼 오일 기술을 적용한 마이크로 PIV 시스템의 일실시예를 나타내는 개략도이다.Figure 1 is a schematic diagram of a micro PIV system applying the immersion oil technology of the present invention, Figure 2 is a schematic diagram showing an embodiment of a micro PIV system applying the immersion oil technology of the present invention.
이를 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로 PIV 시스템은 전자 인쇄용 잉크가 일자 형태를 따라 흐를 수 있도록 하는 마이크로 채널(110), 상기 마이크로 채널(110)에 빛을 조사하는 광원 및 형광 이미지를 촬영할 수 있는 CCD 카메라 등을 포함한 형광 현미경(130)(IX71, Olympus), 압력강하를 측정하기 위한 소형 압력변환기(140), 유체를 상기 마이크로 채널(110) 속으로 주입하기 위한 주사기 펌프(120), 상기 압력변환기(140)에서의 신호를 받아 들여서 컴퓨터로 전달하는 DAQ 보드(150)를 포함한다.Referring to this, the micro PIV system according to an embodiment of the present invention is a micro-channel 110, the light source for irradiating light to the micro-channel 110 and the fluorescent light to allow the ink for electronic printing flow along the date form Fluorescence microscope 130 (IX71, Olympus) including a CCD camera capable of taking images, a
DAQ 보드(150)(Data Acquisition Board)는 데이터 수집보드의 일종으로, 물리량의 변화를 연속적으로 측정하는데 사용되는 것이 바로 데이터 수집 장치(DAQ System, Data Acqusition System)이다 DAQ board 150 (Data Acquisition Board) is a type of data acquisition board, used to continuously measure the change in physical quantity is a data acquisition device (DAQ System, Data Acqusition System)
본 발명의 일 실시예에 의한 상기 시스템에는 A. Ajdari 등이 제안한 방법(G. Degre, P. Joseph, P. Tabeling, S. Lerouge, M. Cloitre and A. Ajdari: Applied Physics Letters Vol. 89 No. 024104, 2006, p.1~3)을 응용한 이머젼 오일 기술(Immersion oil technology)이 적용되었다. 본 발명에서 이머젼 오일 기술은 고배율 렌즈(100X, OLYMPUS), 이머젼 오일(immersion oil)(MERCK), 슬라이드 글래스(t=0.13mm) 및 스탠드, 케이스로 구성되고, 상기 케이스에 유동 해석에 대한 오차를 최소화할 수 있도록 높은 세장비를 가지는 마이크로 채널(W=500μm, H=50μm)이 장착된다. In the system according to an embodiment of the present invention, the method proposed by A. Ajdari et al. (G. Degre, P. Joseph, P. Tabeling, S. Lerouge, M. Cloitre and A. Ajdari: Applied Physics Letters Vol. 89 No 024104, 2006, p.1 ~ 3) were applied to the immersion oil technology. In the present invention, the immersion oil technology is composed of a high magnification lens (100X, OLYMPUS), immersion oil (MERCK), slide glass (t = 0.13mm) and a stand, a case, and the case has an error in flow analysis. To minimize it, the microchannels (W = 500μm, H = 50μm) are equipped with high fine equipment.
실험 유체에는 형광 입자(G900, dp=500nm, 폴리스티렌, 1%(wt) aqueous suspension, λab/λem=468/508nm, Duke Scientific Co.)를 전자 인쇄용 잉크(TEC PR-020, Inktec co.)전체에 대한 부피비 0.037%로 분산시켜 입자의 운동이 관측될 수 있도록 하였다.Fluorescent particles (G900, d p = 500 nm, polystyrene, 1% (wt) aqueous suspension, λ ab / λ em = 468/508 nm, Duke Scientific Co.) were used as the test fluids for the printing fluid (TEC PR-020, Inktec co). .) Dispersion was performed in a volume ratio of 0.037% of the total so that the motion of the particles could be observed.
종래에 마이크로PIV 기법을 통해 미세 채널 내에서 채널 중앙 부분에서의 속도 분포를 통해 유동 특성을 파악하던 방식에서 낮은 초점심도(focal depth)를 가지고 있는 고배율 렌즈와 굴절률을 높일 수 있는 이머젼 오일(immersion oil)을 활용한 마이크로PIV 기법을 통해 전도성 나노 입자를 포함하고 있는 전자 인쇄용 잉크의 유동 특성을 좀 더 정확하게 파악할 수 있는 미세유동 시스템을 구축하였다.Conventionally, the microPIV technique uses a high velocity lens with a low focal depth and an immersion oil to increase the refractive index in a method of identifying flow characteristics through velocity distribution in the center portion of a channel within a microchannel. Using the microPIV technique, the microfluidic system was developed to more accurately understand the flow characteristics of electronic printing inks containing conductive nanoparticles.
2. 미세유동칩의 제작2. Fabrication of microfluidic chips
전자 인쇄용 잉크의 유동특성을 측정하기 위한 상기 마이크로 채널로서 미세유동칩을 제조하였으며, 상기 미세유동칩은 폴리다이메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane)을 재료로 이용하고 포토리소그래피(photolithography)와 몰딩 기법을 이용하여 제작하였다(참조:J.C. McDonald, D.C. Duffy, J.R. Anderson, D.T. Chiu, H. Wu, O.J.A. Schueller and G.M. Whitesides: Electrophoresis Vol. 21, 2000, p.27~40, Y. Berdichevsky, J. Khandurina, A. Guttman and Y.H. Lo: Sensors and Actuators B 97, 2004, p.402~408).A microfluidic chip was fabricated as the microchannel for measuring the flow characteristics of an ink for electronic printing, and the microfluidic chip was made of polydimethylsiloxane (PDMS) as a material, and used photolithography and molding techniques. (JC McDonald, DC Duffy, JR Anderson, DT Chiu, H. Wu, OJA Schueller and GM Whitesides: Electrophoresis Vol. 21, 2000, p. 27-40, Y. Berdichevsky, J. Khandurina, A Guttman and YH Lo: Sensors and Actuators B 97, 2004, p.402-408.
본 발명의 미세유동칩을 제작하는 방법은, PDMS 몰드를 제작하기 위하여 실리콘 웨이퍼를 아세톤과 아이소프로필 알코올로 세척한 후 PR(Photoresist)(SU-8)을 4인치의 실리콘 웨이퍼 위에 150μm 두께로 스핀 코팅을 하고 65℃에서 5분간 및 95℃에서 30분간 열처리하였다.In the method for fabricating the microfluidic chip of the present invention, in order to fabricate a PDMS mold, the silicon wafer is washed with acetone and isopropyl alcohol, and then a PR (Photoresist) (SU-8) is spun onto a 4-inch silicon wafer at 150 μm thickness. The coating was applied and heat treated at 65 ° C. for 5 minutes and at 95 ° C. for 30 minutes.
마이크로 채널 패턴을 형성하기 위하여 필름 마스크를 PR이 코팅된 웨이퍼 위에 올린 후 365nm UV(Ultraviolet)로 상기 PR을 노광하였다.The film mask was placed on a PR coated wafer to form a micro channel pattern, and then the PR was exposed to 365 nm UV (Ultraviolet).
그 후 다시 65℃에서 5분간 및 95℃에서 12분간 열처리하고, SU-8 디벨로퍼 용액에 10분간 담가두어 UV에 노출되지 않은 PR을 제거함으로써 마이크로 채널 패턴을 완성한 후 세척하였다.Thereafter, heat treatment was performed again at 65 ° C. for 5 minutes and at 95 ° C. for 12 minutes, and then immersed in a SU-8 developer solution for 10 minutes to remove the PR that was not exposed to UV to complete and wash the micro channel pattern.
이렇게 완성된 PDMS 몰드에 PDMS를 붓고, 진공 챔버에서 30분간 진공 상태로 둠으로써 PDMS 속의 기포를 제거한 후, 70℃의 오븐에서 2시간 동안 열처리하여 PDMS 채널을 제작하였으며, 마지막으로 상기 PDMS 채널의 일면에 오존 플라즈마를 이용하여 슬라이드 글래스를 접합시켰다. 상기 슬라이드 글래스를 통해 마이크로 채널 내의 유동을 촬영할 수 있다.The PDMS was poured into the completed PDMS mold, and the air bubbles were removed in the vacuum chamber for 30 minutes in a vacuum chamber to remove bubbles in the PDMS, followed by heat treatment in an oven at 70 ° C. for 2 hours to produce a PDMS channel. The slide glass was bonded together using ozone plasma. The slide glass can capture the flow in the microchannel.
도 3은 마이크로 채널 내 유체 유동의 속도 분포를 측정할 수 있는 미세유동칩의 설치구조를 보인 정면도와 평면도로서, 마이크로 채널(110)의 일면에 슬라이드 글래스(111)가 접합되어 있으며, 관측 튜브(PEEK tube)(114)를 통해 유체를 주입하고 상기 마이크로 채널(110)에 전자 인쇄용 잉크를 흘려보냄으로써 유체 유동을 구현할 수 있다. 3 is a front view and a plan view showing an installation structure of a microfluidic chip capable of measuring a velocity distribution of fluid flow in a microchannel. A
도 4는 이머젼 오일 기술을 마이크로 PIV 시스템에 적용하기 위해 제작된 스탠드의 평면도로서, 렌즈의 이동성을 확보할 수 있도록 중앙 부분이 비어 있는 사각형 형태로 제작되었다. 그리고 좌우에 현미경에 대한 장착 및 케이스의 설치를 용이하게 할 수 있도록 나사 체결 부위가 형성되어 있다.4 is a plan view of a stand manufactured to apply the immersion oil technology to a micro PIV system, and has a rectangular shape with a hollow central portion to secure lens mobility. And screw fastening sites are formed on the left and right to facilitate mounting and installation of the case to the microscope.
도 5와 도 6은 미세유동칩을 장착할 수 있도록 제작된 케이스를 나타낸다. 상기 케이스의 사용을 통해 얇은 슬라이드 글래스(t=0.13mm)로 제작되어 쉽게 휘어지는 특성을 가진 미세유동칩이 렌즈와 접촉하여 마이크로 채널 내 유동에 영향을 끼치는 것을 방지함과 동시에 유동 측정에 안정성을 확보할 수 있도록 하였다. 5 and 6 show a case manufactured to mount the microfluidic chip. Through the use of the case, it is made of thin slide glass (t = 0.13mm) to prevent the microfluidic chip having easy bending property from contacting the lens and affecting the flow in the microchannel, while ensuring stability in flow measurement. I could do it.
상기와 같은 과정을 거쳐 200μL의 유체만으로도 전자 인쇄용 잉크의 점성을 측정할 수 있도록 유체 샘플 소모량을 최소화한 미세유동칩을 구비한 마이크로 PIV 시스템이 완성된다.Through the above process, a micro PIV system is provided with a microfluidic chip which minimizes the fluid sample consumption so that the viscosity of the electronic printing ink can be measured with only 200 μL of fluid.
도 7은 본 발명의 전자 인쇄용 잉크의 유동특성 측정방법을 나타내는 순서도로서, 본 발명의 전자 인쇄용 잉크의 유동특성 측정방법은 전자 인쇄용 잉크에 소정량의 형광 입자를 분산시키고 미세유동칩 내부를 유동하는 상기 형광 입자의 운동을 관측함으로써, 전자 인쇄용 잉크의 속도 분포와 압력 강하를 측정하여 전자 인쇄용 잉크의 유동 특성을 파악한다.7 is a flowchart illustrating a method of measuring flow characteristics of an electronic printing ink of the present invention. The method of measuring flow characteristics of an electronic printing ink of the present invention disperses a predetermined amount of fluorescent particles in an electronic printing ink and flows inside a microfluidic chip. By observing the motion of the fluorescent particles, the velocity distribution and the pressure drop of the ink for electronic printing are measured to grasp the flow characteristics of the ink for electronic printing.
3. 속도 측정3. Speed measurement
먼저, 미세유동칩 내부를 유동하는 전자 인쇄용 잉크의 속도분포를 측정한다. First, the velocity distribution of the ink for electronic printing flowing in the microfluidic chip is measured.
주사기 펌프(120)(KDS120, KD Scientific Co.)와 미세주사기(N-2607809, 250μL, ILS Co.), 그리고 PEEK tube(114)(din/dout= 0.5/1.5875mm, Upchurch Co.)를 이용하여 마이크로 채널(110) 내에 유체를 주입한다(S210). Syringe pump 120 (KDS120, KD Scientific Co.) and microinjector (N-2607809, 250 μL, ILS Co.), and PEEK tube 114 (d in / d out = 0.5 / 1.5875 mm, Upchurch Co.) Injecting the fluid into the
유체 유동이 정상 상태가 되었음을 확인한다(S211). It is confirmed that the fluid flow is in the normal state (S211).
정상 상태가 되었음이 확인되면 이미지를 촬영한다(S212). When it is confirmed that the normal state has been taken (S212).
촬영된 영상을 프레임으로 분할한 후 상호상관(Cross-correlation) 소프트웨어를 이용하여 속도 벡터 데이터를 얻는다(S213).After dividing the photographed image into frames, velocity vector data is obtained using cross-correlation software (S213).
이를 평균하여 결과에 적용한다.This is averaged and applied to the results.
도 8은 비뉴턴 유체의 특성을 갖는 전자인쇄용 잉크의 마이크로 채널 내 속도 분포 특성을 보여주는 그래프로서, 상기와 같은 방법으로 측정된 속도 값을 이용한 분포 라인을 나타내고 있다.FIG. 8 is a graph showing velocity distribution characteristics in a microchannel of an electroprinting ink having characteristics of non-Newtonian fluid, and shows distribution lines using velocity values measured by the above method.
4. 압력 강하 측정4. Pressure drop measurement
다음으로, 미세유동칩 내부를 유동하는 전자 인쇄용 잉크의 압력강하를 측정한다(S214). Next, the pressure drop of the ink for electronic printing flowing in the microfluidic chip is measured (S214).
압력 강하 측정은 미세 채널 외부에서 소형의 압력변환기(140)(8510B-2, 0~2psig, Endevco Co.)를 통해 측정함으로써 이를 미세 채널 입구에서의 압력으로 가정하였고, 미세 채널 출구에서의 압력을 대기압으로 가정함으로써 간단하게 압력 강하 값을 측정할 수 있는 과정을 구축하였다. The pressure drop was measured by a small pressure transducer 140 (8510B-2, 0-2 psig, Endevco Co.) outside the microchannel and assumed this as the pressure at the microchannel inlet. By assuming atmospheric pressure, a simple procedure for measuring the pressure drop was established.
그리고, 측정된 압력 신호는 데이터 수집 장비(SCXI 1000 & 1620, National Instrument Co.)를 이용하여 수집한다(S215).In addition, the measured pressure signal is collected using a data acquisition device (SCXI 1000 & 1620, National Instrument Co.) (S215).
도 9는 인쇄용 잉크의 마이크로 채널 내 단위 길이당 압력강하의 변화를 보여주는 그래프로서, 상기와 같은 방법으로 측정된 압력강하 값과 그를 이용하여 도시한 피팅 라인(Fitting line)을 함께 나타내고 있다. FIG. 9 is a graph showing a change in pressure drop per unit length in a microchannel of a printing ink, and shows a pressure drop value measured by the above method and a fitting line shown using the same.
이와 같이 측정된 속도분포를 미분하여 전단변형률 및 전단응력을 구한다(S216).Differentiate the velocity distribution thus measured to find the shear strain and shear stress (S216).
도 10은 전자 인쇄용 잉크의 마이크로 채널 내 전단변형률과 전단응력 사이의 관계 변화를 보여주는 그래프로서, 상기에서 측정된 값을 이용하여 계산된 값에 의해 나타낸 그림이다. 이와 같은 전단변형률과 전단응력 사이의 관계를 이용하여 전단변형률과 점성의 관계를 파악함으로써 비뉴턴 유체에 대한 점성을 계산하고 그래프로 나타낼 수 있다(S217).FIG. 10 is a graph showing a change in the relationship between the shear strain and the shear stress in the microchannel of the electronic printing ink, which is represented by a value calculated using the measured values. By identifying the relationship between shear strain and viscosity using the relationship between the shear strain and the shear stress, the viscosity for the non-Newtonian fluid can be calculated and graphed (S217).
도 11은 전자 인쇄용 잉크의 유체 유동 측정 결과를 바탕으로 레올로지 모델을 사용하여 전단변형률과 점성의 관계를 로그 척도로 나타내고 있다.Fig. 11 shows the relationship between shear strain and viscosity on a logarithmic scale using a rheology model based on fluid flow measurement results of electronic printing inks.
도 12는 전자 인쇄용 잉크의 유체 유동 측정 결과를 적용한 레올로지 모델과 그 변수들에 대한 표로서, 유변물성을 수치적으로 표현하고 있다. 12 is a table showing a rheology model to which the fluid flow measurement result of an electronic printing ink is applied and its variables, and numerically expresses rheological properties.
상기와 같이 하여 비뉴턴 유체인 전자 인쇄용 잉크의 점성 측정에서 극소량의 유체만으로도 종래의 연구결과와 유사한 형태의 결과를 확인할 수 있으며, 그에 따라 수학적 점도 표현식을 얻고 유동 해석에 적용할 수 있게 된다.As described above, even in the measurement of the viscosity of non-Newtonian fluid ink for electronic printing, only a very small amount of fluid can confirm the results similar to those of the conventional research results, thereby obtaining a mathematical viscosity expression and applying it to flow analysis.
110 : 마이크로 채널 111 : 슬라이드 글래스
114 : 관측 튜브 130 : 형광 현미경
140 : 압력변환기 120 : 주사기 펌프
150 : DAQ 보드110: micro channel 111: slide glass
114: observation tube 130: fluorescence microscope
140: pressure transducer 120: syringe pump
150: DAQ board
Claims (10)
상기 마이크로 채널에 빛을 조사하는 광원;
상기 잉크의 형광 이미지를 촬영할 수 있는 형광 현미경;
상기 잉크의 압력강하를 측정하기 위한 압력변환기;
유체를 상기 마이크로 채널 속으로 주입하기 위한 주사기 펌프; 및
압력변환기에서의 신호를 받아 들여서 컴퓨터로 전달하는 데이터 수집보드를 포함하는 마이크로 입자영상속도계 시스템.Microchannels to enable the flow of ink for electronic printing;
A light source for irradiating light to the micro channel;
A fluorescence microscope capable of capturing a fluorescence image of the ink;
A pressure transducer for measuring the pressure drop of the ink;
A syringe pump for injecting fluid into the micro channel; And
Micro particle image speedometer system including a data collection board that receives the signal from the pressure transducer and transmits it to the computer.
상기 마이크로 채널을 설치하기 위한 슬라이드 글래스와,
상기 마이크로 채널의 안정적인 적용성 확보를 위해 상기 형광 현미경에 장착되는 스탠드와 케이스가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 마이크로 입자영상속도계 시스템.The method of claim 1,
Slide glass for installing the micro channel,
Micro particle image tachometer system further comprises a stand and a case mounted to the fluorescence microscope to ensure the stable application of the micro channel.
상기 형광 현미경에는 고배율 렌즈가 적용되고,
굴절률을 높일 수 있는 이머젼 오일이 사용되는 것을 특징으로 하는 마이크로 입자영상속도계 시스템.The method of claim 1,
High magnification lens is applied to the fluorescence microscope,
Micro-particle imagemeter system, characterized in that the immersion oil can be used to increase the refractive index.
상기 마이크로 채널로서 미세유동칩을 적용한 것을 특징으로 하는 마이크로 입자영상속도계 시스템.The method of claim 1,
Microparticle image rate system, characterized in that the microfluidic chip is applied as the micro channel.
상기 미세유동칩은 폴리다이메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane)을 재료로 이용하고 포토리소그래피(photolithography)와 몰딩 기법을 이용하여 제작하는 것을 특징으로 하는 이머젼 오일 기술을 적용한 마이크로 입자영상속도계 시스템.The method of claim 4, wherein
The microfluidic chip is a micro-particle imaging system using immersion oil technology, characterized in that the polydimethylsiloxane (PDMS, polydimethylsiloxane) is used as a material and manufactured using photolithography and molding techniques.
상기 전자 인쇄용 잉크에 대한 부피비 0.037%로 형광 입자를 분산시켜 입자의 운동을 관측하는 것을 특징으로 하는 마이크로 입자영상속도계 시스템.The method of claim 1,
The micro-particle imaging system, characterized in that for observing the movement of the particles by dispersing the fluorescent particles in a volume ratio of 0.037% relative to the ink for electronic printing.
상기 전자 인쇄용 잉크의 속도 분포를 측정하는 방법은,
주사기 펌프와 미세주사기 그리고 관측 튜브(PEEK tube)를 이용하여 상기 미세유동칩 내에 유체를 주입하는 단계;
유체 유동이 정상 상태가 되었음을 확인한 후 이미지를 촬영하는 단계;
촬영된 영상을 프레임으로 분할한 후 상호상관(Cross-correlation) 소프트웨어를 이용하여 속도 벡터 데이터를 얻어 이를 평균하여 결과에 적용하는 단계;
로 진행되는 전자 인쇄용 잉크의 유동특성 측정방법.The method of claim 7, wherein
The method for measuring the speed distribution of the ink for electronic printing,
Injecting fluid into the microfluidic chip using a syringe pump, a microinjector, and a PEEK tube;
Capturing an image after confirming that the fluid flow is in a normal state;
Dividing the photographed image into frames, obtaining velocity vector data using cross-correlation software, and averaging them to the result;
Method for measuring the flow characteristics of the ink for electronic printing to proceed.
상기 전자 인쇄용 잉크의 압력 강하를 측정하는 방법은,
상기 미세유동칩 외부에 설치된 압력변환기를 통해 미세유동칩 입구의 압력을 측정하고, 상기 미세유동칩 출구의 압력을 대기압으로 가정하여 압력 강하 값을 측정하고,
상기 측정된 압력 신호는 데이터 수집 장비를 이용하여 수집하는 것을 특징으로 하는 전자 인쇄용 잉크의 유동특성 측정방법.The method of claim 7, wherein
Method for measuring the pressure drop of the ink for electronic printing,
Measure the pressure at the inlet of the microfluidic chip through a pressure transducer installed outside the microfluidic chip, and measure the pressure drop value assuming the pressure at the outlet of the microfluidic chip as atmospheric pressure,
The measured pressure signal is a flow characteristic measurement method of the electronic printing ink, characterized in that for collecting by using a data collection equipment.
상기 미세유동칩은,
실리콘 웨이퍼를 아세톤과 아이소프로필 알코올로 세척한 후 포토 레지스트(Photoresist)를 실리콘 웨이퍼 위에 소정의 두께로 스핀 코팅을 하고 65℃에서 5분간 및 95℃에서 30분간 열처리하는 단계;
필름 마스크를 포토 레지스트가 코팅된 웨이퍼 위에 올린 후 자외선으로 노광하는 단계;
65℃에서 5분간 및 95℃에서 12분간 열처리하고, 디벨로퍼 용액에 10분간 담가두어 자외선에 노출되지 않은 포토레지스트를 제거함으로써 마이크로 채널 패턴을 완성하는 단계;
상기 PDMS 몰드에 PDMS를 붓고, 진공 챔버에서 30분간 진공 상태로 둠으로써 PDMS 속의 기포를 제거한 후, 70℃의 오븐에서 2시간 동안 열처리하여 PDMS 채널을 제작하는 단계;
상기 PDMS 채널의 일면에 오존 플라즈마를 이용하여 슬라이드 글래스를 접합시키는 단계;
로 제작되는 것을 특징으로 하는 전자 인쇄용 잉크의 유동특성 측정방법.The method of claim 7, wherein
The microfluidic chip,
Washing the silicon wafer with acetone and isopropyl alcohol and then spin coating the photoresist to a predetermined thickness on the silicon wafer and heat-processing at 65 ° C. for 5 minutes and at 95 ° C. for 30 minutes;
Placing the film mask on the photoresist-coated wafer and then exposing it with ultraviolet light;
Heat-treating at 65 ° C. for 5 minutes and at 95 ° C. for 12 minutes, and immersing in a developer solution for 10 minutes to remove photoresist that is not exposed to ultraviolet light to complete the microchannel pattern;
Pouring the PDMS into the PDMS mold, removing the air bubbles in the PDMS by leaving the vacuum in the vacuum chamber for 30 minutes, and then heat-treating in an oven at 70 ° C. for 2 hours to produce a PDMS channel;
Bonding a slide glass to one surface of the PDMS channel using ozone plasma;
Method for measuring the flow characteristics of the ink for electronic printing, characterized in that it is produced by.
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