In this thesis, autonomous flow-rate regulators using pressure-adaptive parallel membrane valves, capable of maintaining a constant flow-rate at varying inlet pressure supplied from micropumps, has been proposed. The previous flow-rate regulators are difficult to be integrated with micropumps, because of not only the complex multi-layer structures, but also the high threshold inlet pressure required for flow-rate regulation. The present autonomous flow-rate regulators achieve flow-rate regulation function at the minimum threshold inlet pressure as low as 15 kPa with simple structure formed by a single mask process.
The pressure-adaptive parallel membrane valves in the autonomous flow-rate regulators are designed to adjust flow resistance according to the inlet pressure, thus maintaining a constant flow-rate independent of the inlet pressure variation. Total 6 different prototypes of W4, W10, W20, W30, W40, and W50, having different gaps between parallel membranes of 4, 10, 20, 30, 40 and 50 μm, respectively, has been designed and fabricated by polymer molding process using PDMS (PolyDiMethylSiloxane) with different base and curing agent mixing ratios (10 : 1 and 20 : 1).
In the experimental study, flow-rate characteristics of the fabricated autonomous flow-rate regulators for both static and dynamic inlet pressures was measured. The prototype W20 fabricated by 10 : 1 PDMS achieved the constant flow-rate of 6.09 ± 0.32 μl/s over an inlet pressure of 20 kPa. The prototype fabricated by 20 : 1 PDMS, having lower Young's Modulus than 10 : 1 PDMS, showed a lower threshold inlet pressure for regulation, and higher flow-rate than prototypes fabricated by 10 : 1 PDMS. The measured flow-rates from the combination of 6 different prototypes and 2 different material properties, were ranged from 32.83 nl/s (W4, 10 : 1 PDMS) to 24.32μl/s (W50, 20 : 1 PDMS), thus achieving 800\% of ratio. For a dynamic inlet pressure, we had applied the inlet pressure switched between 20 to 50 kPa with the maximum frequency of 60 Hz. The prototype W20 fabricated by 10 : 1 PDMS was observed to perform the flow-rate regulation function for the dynamic inlet pressure. For application of present devices, pumpless fuel supply method using pressurized fuel and the autonomous flow-rate regulators was demonstrated. The present pumpless fuel supply method could provide constant fuel flow-rate without micropumps, thus achieving cheaper and more efficient fuel cell.
In this thesis, autonomous flow-rate regulators using pressure-adaptive parallel membrane valves have been proposed and verified its strong potential for application to the integrated microfluidic systems.
본 논문에서는 압력적응형 평행박막밸브를 이용하여 입력압력이 변하여도 일정한 유량을 유지할 수 있는 자율 유량제어기를 제안하고 이를 실험적으로 검증하였다. 기존의 수동형 유량제어기는 동작압력이 미소펌프의 생성압력 보다 높고 구조가 복잡하여 미소펌프와의 집적이 곤란하였으나, 본 연구에서 제안한 자율 유량제어기는 다수의 압력적응형 밸브를 이용하여 동작압력이 미소펌프의 생성압력보다 낮고, 단일층의 간단한 구조를 갖기 때문에 미소펌프와의 집적이 가능한 장점이 있다.
자율 유량제어기는 압력적응형 평행박막밸브로 이루어진 가변유동저항 소자를 갖는 것을 특징으로 한다. 평행박막은 입력압력의 변화에 따라 변형을 일으켜 미소유로의 유동저항을 자율적으로 조절하게 되어, 입력압력의 변화에도 불구하고 일정한 유량을 유지시켜줄 수 있다. 해석적 및 수치적 방법으로 각각 자율 유량제어기에서의 유량특성을 예측하였고 이를 바탕으로 하여, 평행박막밸브 사이의 간격에 따라 서로 다른 6개의 소자를 제작하였다. 소자의 제작은 SU-8 PR(Photoresist)을 이용한 PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 몰딩 기법을 이용하여 제작되었다.
정압특성 실험에서는 각각의 소자에 대해 입력 압력을 변화시켜가며 유량의 변화를 측정하였다. 압력적응형 평행박막밸브가 없는 소자와의 비교실험을 통해 유량제어 효과를 확인하였고, 이 때 측정된 유량은 소자의 치수 및 PDMS조성에 따라 32.83±1.624 nl/s에서 최대 24.32 μl/s까지 약 800배의 범위 내에서 조절 가능함을 확인하였다. 동압특성 실험에서는 20 ~ 50 kPa 범위의 압력을 최대 60Hz까지 증가시켜가며 PIV(Particle Image Velocometry)방법을 통해 유량의 변화를 관찰하였으며, 제안된 소자는 동압조건 하에서도 유량제어가 가능함을 확인하였다. 한편, 자율 유량제어기의 응용사례로써, 연료전지에서 연료의 압력만으로도 일정한 유량의 연료를 공급할 수 있는 수동형 연료공급 방법을 제안하였고 이를 실험적으로 검증하였다.
본 논문에서 제안한 압력적응형 평행박막밸브를 이용한 자율 유량제어기는 간단한 구조와 낮은 동작압력으로 미소펌프와의 집적이 용이하기 때문에 랩온어칩, 약물전달시스템, 연료전지 등과 같은 집적화된 미소유체시스템에 널리 사용될 수 있을 것이다.
