미세 패턴 표면을 갖는 폴리염화비닐 겔을 사용한 연동식 마이크로 펌프

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 22608(2022) 이 기사 인용

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본 논문에서는 폴리염화비닐(PVC) 젤을 사용한 펌프를 제시합니다. PVC 젤은 규정을 준수하고 구조가 단순하며 100~1000V 범위의 전압에서 큰 변형을 나타내므로 마이크로 펌프에 적합합니다. 본 연구에서는 두께 방향의 활성 변형을 향상시키는 표면 패턴을 갖는 PVC 젤 시트를 펌프 제작에 사용했습니다. 이를 위해 PVC 겔 시트를 세 세트의 양극 및 음극 전극 사이에 끼운 후 이들 전극에 순차적으로 전압을 가하여 겔 시트의 연동 변형을 생성하여 액체를 밀어내고 일방향 흐름을 생성했습니다. 다양한 표면 패턴을 갖는 PVC 젤 시트를 사용하여 다양한 펌프를 제작하고 펌프의 특성을 분석했습니다. 펌프의 외형 치수는 35mm × 25mm이고 두께는 4mm이며 이는 총 부피 3.5 × 103mm3에 해당합니다. 그 결과, 174μm 높이의 피라미드 패턴 겔 시트를 이용하여 제작한 펌프는 인가 전압 800V, 구동 주파수 3Hz에서 224.1μL/min의 유량을 발생시키는 것으로 나타났다. 이 관측값은 스마트 소재를 기반으로 한 기존 펌프의 값과 비슷하거나 그 이상입니다.

펌프는 의료, 생물학, 화학, 로봇 공학 분야의 광범위한 응용 분야에 사용되는 유체 구동 시스템의 기본 요소입니다. 최근 수십 년 동안 외부 자극에 반응하여 스스로 변형될 수 있는 소재인 스마트 소재의 활용이 펌프를 구성하는 방법으로 널리 연구되어 왔다. 이는 주로 기존 펌프에 비해 구조가 단순하여 크기를 확장할 수 있기 때문일 수 있습니다1,2,3,4. 이에 따라 스마트 소재를 기반으로 한 다양한 펌프가 개발되고 있다. 이러한 스마트 재료에는 형상기억합금(SMA)5,6,7, 압전 세라믹(PZT)8,9, 유전체 엘라스토머(DE)10,11,12,13, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)14, 이온성 고분자 금속 복합재( IPMC)15,16,17,18 및 전도성 폴리머(CP)19.

스마트 소재인 폴리염화비닐(PVC) 젤은 펌프에 유망한 기능을 나타냅니다. PVC 겔은 일반적으로 PVC 수지와 액체 가소제(예: 디부틸 아디페이트)를 혼합하여 합성되며 일반적으로 시트형 형태를 갖습니다20,21,22. 두 전극 사이에 PVC 겔 시트를 끼우고 전위차를 가하면 겔이 양극쪽으로 끌려 변형됩니다. 이러한 변형은 음의 측면에서 전하 주입에 이어 양의 쪽으로 가소제가 이동한 결과입니다. PVC 겔은 부드럽고 구조가 단순하며 100-1000V 범위의 전압에서 큰 변형(예: 12% 수축 변형24)과 응력(예: 5.26kPa24)을 나타냅니다. 전극 사이의 누설 전류는 제곱밀리미터당 수십 나노암페어라고 합니다22. 이러한 기능으로 인해 PVC 젤은 인공 근육 모듈, 그리퍼 및 인간 보조 장치를 포함한 다양한 장치에 적용되었습니다. PVC 젤은 다양한 장치에 적용되어 왔지만 우리가 아는 한 펌프 제작에 PVC 젤을 사용하는 것에 대한 연구는 없습니다.

본 연구에서는 PVC 겔 펌프를 개발하여 펌핑 장치에서 PVC 겔의 효과를 조사합니다. 개발된 펌프는 PVC 겔 시트의 연동 변형을 통해 액체의 지속적인 흐름을 생성할 수 있었습니다. 시트의 연동 변형은 구조의 여러 전극에 전압을 가하여 달성되었습니다. 본 연구에 사용된 PVC 겔 시트의 표면에는 미세 패턴이 나타나 있어 효율적인 액체 이동이 가능할 것으로 기대된다. 서로 다른 미세 패턴을 가진 다양한 PVC 겔 시트를 제작하여 펌프에 구현했으며, 고정 전압에서 연동 사이클의 구동 주파수에 따른 유량 측면에서의 성능을 특성화했습니다.