As the rapid growth of the lab-on-chip system and micro-total analysis system, the requirement of mass production of disposable microfluidic chips has been increased. Polymer micro-thermoforning method, due to its rapid production cycle and moderate cost, has been drawn great interest in the research field. To move on to industrial field, prediction through pre-production simulation is mandatory. Therefore, it is necessary to characterize thin film polymer material mechanical behavior under thermoforming condition.
During the thermoforming process, the polymer thin film undergoes the strain-rate rages from 10 to 100 /s. However, due to the limitations of the development of the test apparatus and the test methods, the studies on polymer mechanical behavior are limited only under static strain-rate tensile loading condition or high rate compression loading condition at elevated temperature. To fill the gap in the current research status, the polymer tensile behavior under strain-rate from 0.001 to 100 /s at elevated temperature was investigated.
For this study, 0.1 mm thickness PMMA film has selected as subject material due to its excellent optical and mechanical characteristics. PMMA is conventionally known as brittle glassy polymer in room temperature. In this study, the material mechanical behavior at room temperature and 75 °C is investigated under various loading conditions. For the test, micro-tensile test specimen has been tailored from the thin film via femto-second laser cutting. As a result, specimens with smooth and homogeneous edge have been acquired. For the micro-scaled material tensile test, static micro-material tensile testing machine (SMMTM) and high speed micro-material tensile testing machine (HSMMTM) are implemented. For temperature elevation upon the gage section, a radiation heater instrumented with halogen lamp is developed. This device has achieved uniform heating upon the gage section with rapid response time, yet eliminated auxiliary components such as temperature chamber or hot stage.
As the result of tensile test under various temperature and loading conditions, the stress-strain profile of PMMA film at each test condition has acquired. Based on acquired stress-strain information of the material, it was able to perform comparative evaluation among each test condition not only qualitatively but also quantitatively. PMMA uniaxial tensile behavior is observed to have significant dependency on the test temperature and loading conditions.
Lab-on-chip 시스템이나 micro-total anaysis system 시장의 급속한 성장에 따라 일회용 microfluidic chip의 대량 생산에 대한 수요가 급증하고 있다. 그중에서도 폴리머 micro-thermoforming 방식은 짧은 생산주기로 하여 고속 생산이 가능함으로 경제적 효율성이 높아 이에대한 많은 연구가 진행되고 있다. 공업적 대량 생산에 이 기술을 도입하려면 사전에 폴리머 재료의 특성에 대해 잘 파악하고 생산도입전 시뮬레이션이 가능해야 하는데 micro-thermoforming 조건하에서의 폴리머 물성에 대한 현구가 역 부족 한 상태이다. Micro-thermoforming 과정에서 폴리머 필름은 10 부터 100 /s 의 변형률 속도를 겪게 되는데, 실험 장비와 실험 방식의 제약으로 하여 이 구간에서의 폴리머 필름 재료에 대한 물성치 획득에 대한 연구가 많이 진행 되고 있지 않다. 때문에 본 연구에서는 변형률 속도 0.001 부터 100 /s 사이의 상온에서와 75 °C 에서의 단축인장 물성에 대하여 연구를 진행하였다.
본 연구를 수행하기 위하여 0.1 mm 두께의 PMMA 얇은 필름을 연구 대상으로 지정하였다. PMMA 필름은 강한 내 부식성과 탁월한 물리적 특성으로 하여 광학재료나 바이오 재료에 많이 쓰이고 있는 재료이다. 연구 수행을 하기 위하여 폴리머 마이크로 인장 시편을 femto-second 레이저로 획득 하였다다. Femto-second 레이저는 폴리머와 레이저 빔 사이의 접촉 시간이 짧아 폴리머 재료에 큰 열변형과 열변성을 일으키지 않는다는 장점이 있다.
마이크로 인장 실험을 위한 장비로는 본 연구실에서 연구하고 개발한 static micro-material tensile testing machine (SMMTM)과 high speed micro-material tensile testing machine (HSMMTM)을 사용하였다. 변형률 속도 0.001 부터 0.1 /s 까지의 구간은 SMMTM 을 사용하여 실험을 수행하였고 변형률 속도 1 부터 100 /s 까지의 구간은 HSMMTM 을 사용하였다.
온도 실험을 하기 위하여서는 가열 장치가 필요한데 기존의 장치들은 온도 조절 영민도가 낮고 furnace나 hot-stage와 같은 부가 장비가 필요하여 기존의 인장 실험기의 공간적 제약으로 하여 설치가 불가능하다는 단점이 있다. 이를 극복하기 위하여 열복사의 방법으로 직접 인장 실험기나 시편에 가열부가 닿이지 않아도 가열이 가능한 가열장치를 개발하였다. 이 가열장치는 할로겐 램프를 사용하여 시편 표점부를 가열 하는데 램프의 파워를 potentiometer를 사용해 연속적으로 조절할수 있게 하였다. 이 가열 장치는 시편 표점의 온도 가열 분포가 균일하고 공간적 제약이 적어 기존의 인장 시험기와 함께 사용할수 있다는 장점이 있다.
온도 변화와 변형률 속도 변화를 고려한 단축인장 실험을 수행하여 PMMA 필름의 온도와 변형률 속도에 따른 응력-변형률 경향을 얻을수 있었다. 획득한 응력-변형률 물성을 온도 조건과 변형률 조건에 따라 비교 분석을 하고 이에 대한 정성적, 정량적 결과를 획득하였다.
