Figure 4. Calculate and simulate the injection of water in a single-channel injection chamber with a nozzle diameter of 60 μm and a thickness of 50 μm, at an operating frequency of 5 KHz, in the X-Y two-dimensional cross-sectional view, at 10, 20, 30, 40 and 200 μs.

DNA Printing Integrated Multiplexer Driver Microelectronic Mechanical System Head (IDMH) and Microfluidic Flow Estimation

DNA 프린팅 통합 멀티플렉서 드라이버 Microelectronic Mechanical System Head (IDMH) 및 Microfluidic Flow Estimation

by Jian-Chiun Liou 1,*,Chih-Wei Peng 1,Philippe Basset 2 andZhen-Xi Chen 11School of Biomedical Engineering, Taipei Medical University, Taipei 11031, Taiwan2ESYCOM, Université Gustave Eiffel, CNRS, CNAM, ESIEE Paris, F-77454 Marne-la-Vallée, France*Author to whom correspondence should be addressed.

Abstract

The system designed in this study involves a three-dimensional (3D) microelectronic mechanical system chip structure using DNA printing technology. We employed diverse diameters and cavity thickness for the heater. DNA beads were placed in this rapid array, and the spray flow rate was assessed. Because DNA cannot be obtained easily, rapidly deploying DNA while estimating the total amount of DNA being sprayed is imperative. DNA printings were collected in a multiplexer driver microelectronic mechanical system head, and microflow estimation was conducted. Flow-3D was used to simulate the internal flow field and flow distribution of the 3D spray room. The simulation was used to calculate the time and pressure required to generate heat bubbles as well as the corresponding mean outlet speed of the fluid. The “outlet speed status” function in Flow-3D was used as a power source for simulating the ejection of fluid by the chip nozzle. The actual chip generation process was measured, and the starting voltage curve was analyzed. Finally, experiments on flow rate were conducted, and the results were discussed. The density of the injection nozzle was 50, the size of the heater was 105 μm × 105 μm, and the size of the injection nozzle hole was 80 μm. The maximum flow rate was limited to approximately 3.5 cc. The maximum flow rate per minute required a power between 3.5 W and 4.5 W. The number of injection nozzles was multiplied by 100. On chips with enlarged injection nozzle density, experiments were conducted under a fixed driving voltage of 25 V. The flow curve obtained from various pulse widths and operating frequencies was observed. The operating frequency was 2 KHz, and the pulse width was 4 μs. At a pulse width of 5 μs and within the power range of 4.3–5.7 W, the monomer was injected at a flow rate of 5.5 cc/min. The results of this study may be applied to estimate the flow rate and the total amount of the ejection liquid of a DNA liquid.

이 연구에서 설계된 시스템은 DNA 프린팅 기술을 사용하는 3 차원 (3D) 마이크로 전자 기계 시스템 칩 구조를 포함합니다. 히터에는 다양한 직경과 캐비티 두께를 사용했습니다. DNA 비드를 빠른 어레이에 배치하고 스프레이 유속을 평가했습니다.

DNA를 쉽게 얻을 수 없기 때문에 DNA를 빠르게 배치하면서 스프레이 되는 총 DNA 양을 추정하는 것이 필수적입니다. DNA 프린팅은 멀티플렉서 드라이버 마이크로 전자 기계 시스템 헤드에 수집되었고 마이크로 플로우 추정이 수행되었습니다.

Flow-3D는 3D 스프레이 룸의 내부 유동장과 유동 분포를 시뮬레이션 하는데 사용되었습니다. 시뮬레이션은 열 거품을 생성하는데 필요한 시간과 압력뿐만 아니라 유체의 해당 평균 출구 속도를 계산하는데 사용되었습니다.

Flow-3D의 “출구 속도 상태”기능은 칩 노즐에 의한 유체 배출 시뮬레이션을 위한 전원으로 사용되었습니다. 실제 칩 생성 프로세스를 측정하고 시작 전압 곡선을 분석했습니다. 마지막으로 유속 실험을 하고 그 결과를 논의했습니다. 분사 노즐의 밀도는 50, 히터의 크기는 105μm × 105μm, 분사 노즐 구멍의 크기는 80μm였다. 최대 유량은 약 3.5cc로 제한되었습니다. 분당 최대 유량은 3.5W에서 4.5W 사이의 전력이 필요했습니다. 분사 노즐의 수에 100을 곱했습니다. 분사 노즐 밀도가 확대 된 칩에 대해 25V의 고정 구동 전압에서 실험을 수행했습니다. 얻은 유동 곡선 다양한 펄스 폭과 작동 주파수에서 관찰되었습니다. 작동 주파수는 2KHz이고 펄스 폭은 4μs입니다. 5μs의 펄스 폭과 4.3–5.7W의 전력 범위 내에서 단량체는 5.5cc / min의 유속으로 주입되었습니다. 이 연구의 결과는 DNA 액체의 토 출액의 유량과 총량을 추정하는 데 적용될 수 있습니다.

Keywords: DNA printingflow estimationMEMS

Introduction

잉크젯 프린트 헤드 기술은 매우 중요하며, 잉크젯 기술의 거대한 발전은 주로 잉크젯 프린트 헤드 기술의 원리 개발에서 시작되었습니다. 잉크젯 인쇄 연구를 위한 대규모 액적 생성기 포함 [ 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8]. 연속 식 잉크젯 시스템은 고주파 응답과 고속 인쇄의 장점이 있습니다. 그러나이 방법의 잉크젯 프린트 헤드의 구조는 더 복잡하고 양산이 어려운 가압 장치, 대전 전극, 편향 전계가 필요하다. 주문형 잉크젯 시스템의 잉크젯 프린트 헤드는 구조가 간단하고 잉크젯 헤드의 다중 노즐을 쉽게 구현할 수 있으며 디지털화 및 색상 지정이 쉽고 이미지 품질은 비교적 좋지만 일반적인 잉크 방울 토출 속도는 낮음 [ 9 , 10 , 11 ].

핫 버블 잉크젯 헤드의 총 노즐 수는 수백 또는 수천에 달할 수 있습니다. 노즐은 매우 미세하여 풍부한 조화 색상과 부드러운 메쉬 톤을 생성할 수 있습니다. 잉크 카트리지와 노즐이 일체형 구조를 이루고 있으며, 잉크 카트리지 교체시 잉크젯 헤드가 동시에 업데이트되므로 노즐 막힘에 대한 걱정은 없지만 소모품 낭비가 발생하고 상대적으로 높음 비용. 주문형 잉크젯 기술은 배출해야 하는 그래픽 및 텍스트 부분에만 잉크 방울을 배출하고 빈 영역에는 잉크 방울이 배출되지 않습니다. 이 분사 방법은 잉크 방울을 충전할 필요가 없으며 전극 및 편향 전기장을 충전할 필요도 없습니다. 노즐 구조가 간단하고 노즐의 멀티 노즐 구현이 용이하며, 출력 품질이 더욱 개선되었습니다. 펄스 제어를 통해 디지털화가 쉽습니다. 그러나 잉크 방울의 토출 속도는 일반적으로 낮습니다. 열 거품 잉크젯, 압전 잉크젯 및 정전기 잉크젯의 세 가지 일반적인 유형이 있습니다. 물론 다른 유형이 있습니다.

압전 잉크젯 기술의 실현 원리는 인쇄 헤드의 노즐 근처에 많은 소형 압전 세라믹을 배치하면 압전 크리스탈이 전기장의 작용으로 변형됩니다. 잉크 캐비티에서 돌출되어 노즐에서 분사되는 패턴 데이터 신호는 압전 크리스탈의 변형을 제어한 다음 잉크 분사량을 제어합니다. 압전 MEMS 프린트 헤드를 사용한 주문형 드롭 하이브리드 인쇄 [ 12]. 열 거품 잉크젯 기술의 실현 원리는 가열 펄스 (기록 신호)의 작용으로 노즐의 발열체 온도가 상승하여 근처의 잉크 용매가 증발하여 많은 수의 핵 형성 작은 거품을 생성하는 것입니다. 내부 거품의 부피는 계속 증가합니다. 일정 수준에 도달하면 생성된 압력으로 인해 잉크가 노즐에서 분사되고 최종적으로 기판 표면에 도달하여 패턴 정보가 재생됩니다 [ 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 ].

“3D 제품 프린팅”및 “증분 빠른 제조”의 의미는 진화했으며 모든 증분 제품 제조 기술을 나타냅니다. 이는 이전 제작과는 다른 의미를 가지고 있지만, 자동 제어 하에 소재를 쌓아 올리는 3D 작업 제작 과정의 공통적 인 특징을 여전히 반영하고 있습니다 [ 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 ].

이 개발 시스템은 열 거품 분사 기술입니다. 이 빠른 어레이에 DNA 비드를 배치하고 스프레이 유속을 평가하기 위해 다른 히터 직경과 캐비티 두께를 설계하는 것입니다. DNA 제트 칩의 부스트 회로 시스템은 큰 흐름을 구동하기위한 신호 소스입니다. 목적은 분사되는 DNA 용액의 양과 출력을 조정하는 것입니다. 입력 전압을 더 높은 출력 전압으로 변환해야 하는 경우 부스트 컨버터가 유일한 선택입니다. 부스트 컨버터는 내부 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터 (MOSFET)를 통해 전압을 충전하여 부스트 출력의 목적을 달성하고, MOSFET이 꺼지면 인덕터는 부하 정류를 통해 방전됩니다.

인덕터의 충전과 방전 사이의 변환 프로세스는 인덕터를 통한 전압의 방향을 반대로 한 다음 점차적으로 입력 작동 전압보다 높은 전압을 증가시킵니다. MOSFET의 스위칭 듀티 사이클은 확실히 부스트 비율을 결정합니다. MOSFET의 정격 전류와 부스트 컨버터의 부스트 비율은 부스트 ​​컨버터의 부하 전류의 상한을 결정합니다. MOSFET의 정격 전압은 출력 전압의 상한을 결정합니다. 일부 부스트 컨버터는 정류기와 MOSFET을 통합하여 동기식 정류를 제공합니다. 통합 MOSFET은 정확한 제로 전류 턴 오프를 달성하여 부스트 변압기를 보다 효율적으로 만듭니다. 최대 전력 점 추적 장치를 통해 입력 전력을 실시간으로 모니터링합니다. 입력 전압이 최대 입력 전력 지점에 도달하면 부스트 컨버터가 작동하기 시작하여 부스트 컨버터가 최대 전력 출력 지점으로 유리 기판에 DNA 인쇄를 하는 데 적합합니다. 일정한 온 타임 생성 회로를 통해 온 타임이 온도 및 칩의 코너 각도에 영향을 받지 않아 시스템의 안정성이 향상됩니다.

잉크젯 프린트 헤드에 사용되는 기술은 매우 중요합니다. 잉크젯 기술의 엄청난 발전은 주로 잉크젯 프린팅에 사용되는 대형 액적 이젝터 [ 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 ]를 포함하여 잉크젯 프린트 헤드 기술의 이론 개발에서 시작되었습니다 . 연속 잉크젯 시스템은 고주파 응답과 고속 인쇄의 장점을 가지고 있습니다. 잉크젯 헤드의 총 노즐 수는 수백 또는 수천에 달할 수 있으며 이러한 노즐은 매우 복잡합니다. 노즐은 풍부하고 조화로운 색상과 부드러운 메쉬 톤을 생성할 수 있습니다 [ 9 , 10 ,11 ]. 잉크젯은 열 거품 잉크젯, 압전 잉크젯 및 정전 식 잉크젯의 세 가지 주요 유형으로 분류할 수 있습니다. 다른 유형도 사용 중입니다. 압전 잉크젯의 기능은 다음과 같습니다. 많은 소형 압전 세라믹이 잉크젯 헤드 노즐 근처에 배치됩니다. 압전 결정은 전기장 아래에서 변형됩니다. 그 후, 잉크는 잉크 캐비티에서 압착되어 노즐에서 배출됩니다. 패턴의 데이터 신호는 압전 결정의 변형을 제어한 다음 분사되는 잉크의 양을 제어합니다. 압전 마이크로 전자 기계 시스템 (MEMS) 잉크젯 헤드는 하이브리드 인쇄에 사용됩니다. [ 12]. 열 버블 잉크젯 기술은 다음과 같이 작동합니다. 가열 펄스 (즉, 기록 신호) 하에서 노즐의 가열 구성 요소의 온도가 상승하여 근처의 잉크 용매를 증발시켜 많은 양의 작은 핵 기포를 생성합니다. 내부 기포의 부피가 지속적으로 증가합니다. 압력이 일정 수준에 도달하면 노즐에서 잉크가 분출되고 잉크가 기판 표면에 도달하여 패턴과 메시지가 표시됩니다 [ 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 ].

3 차원 (3D) 제품 프린팅 및 빠른 프로토 타입 기술의 발전에는 모든 빠른 프로토 타입의 생산 기술이 포함됩니다. 래피드 프로토 타입 기술은 기존 생산 방식과는 다르지만 3D 제품 프린팅 생산 과정의 일부 특성을 공유합니다. 구체적으로 자동 제어 [ 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 ] 하에서 자재를 쌓아 올립니다 .

이 연구에서 개발된 시스템은 열 기포 방출 기술을 사용했습니다. 이 빠른 어레이에 DNA 비드를 배치하기 위해 히터에 대해 다른 직경과 다른 공동 두께가 사용되었습니다. 그 후, 스프레이 유속을 평가했다. DNA 제트 칩의 부스트 회로 시스템은 큰 흐름을 구동하기위한 신호 소스입니다. 목표는 분사되는 DNA 액체의 양과 출력을 조정하는 것입니다. 입력 전압을 더 높은 출력 전압으로 수정해야하는 경우 승압 컨버터가 유일한 옵션입니다. 승압 컨버터는 내부 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터 (MOSFET)를 충전하여 출력 전압을 증가시킵니다. MOSFET이 꺼지면 부하 정류를 통해 인덕턴스가 방전됩니다. 충전과 방전 사이에서 인덕터를 변경하는 과정은 인덕터를 통과하는 전압의 방향을 변경합니다. 전압은 입력 작동 전압을 초과하는 지점까지 점차적으로 증가합니다. MOSFET 스위치의 듀티 사이클은 부스트 ​​비율을 결정합니다. MOSFET의 승압 컨버터의 정격 전류와 부스트 비율은 승압 컨버터의 부하 전류의 상한을 결정합니다. MOSFET의 정격 전류는 출력 전압의 상한을 결정합니다. 일부 승압 컨버터는 정류기와 MOSFET을 통합하여 동기식 정류를 제공합니다. 통합 MOSFET은 정밀한 제로 전류 셧다운을 실현할 수 있으므로 셋업 컨버터의 효율성을 높일 수 있습니다. 최대 전력 점 추적 장치는 입력 전력을 실시간으로 모니터링하는 데 사용되었습니다. 입력 전압이 최대 입력 전력 지점에 도달하면 승압 컨버터가 작동을 시작합니다. 스텝 업 컨버터는 DNA 프린팅을 위한 최대 전력 출력 포인트가 있는 유리 기판에 사용됩니다.

MEMS Chip Design for Bubble Jet

이 연구는 히터 크기, 히터 번호 및 루프 저항과 같은 특정 매개 변수를 조작하여 5 가지 유형의 액체 배출 챔버 구조를 설계했습니다. 표 1 은 측정 결과를 나열합니다. 이 시스템은 다양한 히터의 루프 저항을 분석했습니다. 100 개 히터 설계를 완료하기 위해 2 세트의 히터를 사용하여 각 단일 회로 시리즈를 통과하기 때문에 100 개의 히터를 설계할 때 총 루프 저항은 히터 50 개의 총 루프 저항보다 하나 더 커야 합니다. 이 연구에서 MEMS 칩에서 기포를 배출하는 과정에서 저항 층의 면저항은 29 Ω / m 2입니다. 따라서 모델 A의 총 루프 저항이 가장 컸습니다. 일반 사이즈 모델 (모델 B1, C, D, E)의 두 배였습니다. 모델 B1, C, D 및 E의 총 루프 저항은 약 29 Ω / m 2 입니다. 표 1 에 따르면 오류 범위는 허용된 설계 값 이내였습니다. 따라서야 연구에서 설계된 각 유형의 단일 칩은 동일한 생산 절차 결과를 가지며 후속 유량 측정에 사용되었습니다.

Table 1. List of resistance measurement of single circuit resistance.
Table 1. List of resistance measurement of single circuit resistance.

DNA를 뿌린 칩의 파워가 정상으로 확인되면 히터 버블의 성장 특성을 테스트하고 검증했습니다. DNA 스프레이 칩의 필름 두께와 필름 품질은 히터의 작동 조건과 스프레이 품질에 영향을 줍니다. 따라서 기포 성장 현상과 그 성장 특성을 이해하면 본 연구에서 DNA 스프레이 칩의 특성과 작동 조건을 명확히 하는 데 도움이 됩니다.

설계된 시스템은 기포 성장 조건을 관찰하기 위해 개방형 액체 공급 방법을 채택했습니다. 이미지 관찰을 위해 발광 다이오드 (LED, Nichia NSPW500GS-K1, 3.1V 백색 LED 5mm)를 사용하는 동기식 플래시 방식을 사용하여 동기식 지연 광원을 생성했습니다. 이 시스템은 또한 전하 결합 장치 (CCD, Flir Grasshopper3 GigE GS3-PGE-50S5C-C)를 사용하여 이미지를 캡처했습니다. 그림 1핵 형성, 성장, 거품 생성에서 소산에 이르는 거품의 과정을 보여줍니다. 이 시스템은 기포의 성장 및 소산 과정을 확인하여 시작 전압을 관찰하는 데 사용할 수 있습니다. 마이크로 채널의 액체 공급 방법은 LED가 깜빡이는 시간을 가장 큰 기포 발생에 필요한 시간 (15μs)으로 설정했습니다. 이 디자인은 부적합한 깜박임 시간으로 인한 잘못된 판단과 거품 이미지 캡처 불가능을 방지합니다.

Figure 1. The system uses CCD to capture images.
Figure 1. The system uses CCD to capture images.

<내용 중략>…….

Table 2. Open pool test starting voltage results.
Table 2. Open pool test starting voltage results.
Figure 2. Serial input parallel output shift registers forms of connection.
Figure 2. Serial input parallel output shift registers forms of connection.
Figure 3. The geometry of the jet cavity. (a) The actual DNA liquid chamber, (b) the three-dimensional view of the microfluidic single channel. A single-channel jet cavity with 60 μm diameter and 50 μm thickness, with an operating frequency of 5 KHz, in (a) three-dimensional side view (b) X-Z two-dimensional cross-sectional view, at 10, 20, 30, 40 and 200 μs injection conditions.
Figure 3. The geometry of the jet cavity. (a) The actual DNA liquid chamber, (b) the three-dimensional view of the microfluidic single channel. A single-channel jet cavity with 60 μm diameter and 50 μm thickness, with an operating frequency of 5 KHz, in (a) three-dimensional side view (b) X-Z two-dimensional cross-sectional view, at 10, 20, 30, 40 and 200 μs injection conditions.
Figure 4. Calculate and simulate the injection of water in a single-channel injection chamber with a nozzle diameter of 60 μm and a thickness of 50 μm, at an operating frequency of 5 KHz, in the X-Y two-dimensional cross-sectional view, at 10, 20, 30, 40 and 200 μs.
Figure 4. Calculate and simulate the injection of water in a single-channel injection chamber with a nozzle diameter of 60 μm and a thickness of 50 μm, at an operating frequency of 5 KHz, in the X-Y two-dimensional cross-sectional view, at 10, 20, 30, 40 and 200 μs.
Figure 5 depicts the calculation results of the 2D X-Z cross section. At 100 μs and 200 μs, the fluid injection orifice did not completely fill the chamber. This may be because the size of the single-channel injection cavity was unsuitable for the highest operating frequency of 10 KHz. Thus, subsequent calculation simulations employed 5 KHz as the reference operating frequency. The calculation simulation results were calculated according to the operating frequency of the impact. Figure 6 illustrates the injection cavity height as 60 μm and 30 μm and reveals the 2D X-Y cross section. At 100 μs and 200 μs, the fluid injection orifice did not completely fill the chamber. In those stages, the fluid was still filling the chamber, and the flow field was not yet stable.
Figure 5 depicts the calculation results of the 2D X-Z cross section. At 100 μs and 200 μs, the fluid injection orifice did not completely fill the chamber. This may be because the size of the single-channel injection cavity was unsuitable for the highest operating frequency of 10 KHz. Thus, subsequent calculation simulations employed 5 KHz as the reference operating frequency. The calculation simulation results were calculated according to the operating frequency of the impact. Figure 6 illustrates the injection cavity height as 60 μm and 30 μm and reveals the 2D X-Y cross section. At 100 μs and 200 μs, the fluid injection orifice did not completely fill the chamber. In those stages, the fluid was still filling the chamber, and the flow field was not yet stable.
Figure 6. Calculate and simulate water in a single-channel spray chamber with a spray hole diameter of 60 μm and a thickness of 50 μm, with an operating frequency of 10 KHz, in an XY cross-sectional view, at 10, 20, 30, 40, 100, 110, 120, 130, 140 and 200 μs injection situation.
Figure 6. Calculate and simulate water in a single-channel spray chamber with a spray hole diameter of 60 μm and a thickness of 50 μm, with an operating frequency of 10 KHz, in an XY cross-sectional view, at 10, 20, 30, 40, 100, 110, 120, 130, 140 and 200 μs injection situation.
Figure 7. The DNA printing integrated multiplexer driver MEMS head (IDMH).
Figure 7. The DNA printing integrated multiplexer driver MEMS head (IDMH).
Figure 8. The initial voltage diagrams of chip number A,B,C,D,E type.
Figure 8. The initial voltage diagrams of chip number A,B,C,D,E type.
Figure 9. The initial energy diagrams of chip number A,B,C,D,E type.
Figure 9. The initial energy diagrams of chip number A,B,C,D,E type.
Figure 10. A Type-Sample01 flow test.
Figure 10. A Type-Sample01 flow test.
Figure 11. A Type-Sample01 drop volume.
Figure 11. A Type-Sample01 drop volume.
Figure 12. A Type-Sample01 flow rate.
Figure 12. A Type-Sample01 flow rate.
Figure 13. B1-00 flow test.
Figure 13. B1-00 flow test.
Figure 14. C Type-01 flow test.
Figure 14. C Type-01 flow test.
Figure 15. D Type-02 flow test.
Figure 15. D Type-02 flow test.
Figure 16. E1 type flow test.
Figure 16. E1 type flow test.
Figure 17. E1 type ejection rate relationship.
Figure 17. E1 type ejection rate relationship.

Conclusions

이 연구는 DNA 프린팅 IDMH를 제공하고 미세 유체 흐름 추정을 수행했습니다. 설계된 DNA 스프레이 캐비티와 20V의 구동 전압에서 다양한 펄스 폭의 유동 성능이 펄스 폭에 따라 증가하는 것으로 밝혀졌습니다.

E1 유형 유량 테스트는 해당 유량이 3.1cc / min으로 증가함에 따라 유량이 전력 변화에 영향을 받는 것으로 나타났습니다. 동력이 증가함에 따라 유량은 0.75cc / min에서 3.5cc / min으로 최대 6.5W까지 증가했습니다. 동력이 더 증가하면 유량은 에너지와 함께 증가하지 않습니다. 이것은 이 테이블 디자인이 가장 크다는 것을 보여줍니다. 유속은 3.5cc / 분이었다.
작동 주파수가 2KHz이고 펄스 폭이 4μs 및 5μs 인 특수 설계된 DNA 스프레이 룸 구조에서 다양한 전력 조건 하에서 유량 변화를 관찰했습니다. 4.3–5.87 W의 출력 범위 내에서 주입 된 모노머의 유속은 5.5cc / 분이었습니다. 이것은 힘이 증가해도 변하지 않았습니다. DNA는 귀중하고 쉽게 얻을 수 없습니다. 이 실험을 통해 우리는 DNA가 뿌려진 마이크로 어레이 바이오칩의 수천 개의 지점에 필요한 총 DNA 양을 정확하게 추정 할 수 있습니다.

<내용 중략>…….

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Figure 2.6 ESI apparatus for offline analysis with microscope imaging.

MODELING AND CHARACTERIZATION OF MICROFABRICATED EMITTERS: IN PURSUIT OF IMPROVED ESI-MS PERFORMANCE

미세 가공 방사체의 모델링 및 특성화 : 개선된 ESI-MS 성능 추구

by XINYUN WU

A thesis submitted to the Department of Chemistry in conformity with the requirements for the degree of Master of Science Queen’s University Kingston, Ontario, Canada December, 2011 Copyright © Xinyun Wu, 2011

Abstract

ESI (Electrospray ionization)는 특히 탁월한 감도, 견고성 및 단순성으로 대형 생체 분자를 분석하는 데있어 질량 분석 (MS)에 매우 귀중한 기술이었습니다. ESI 기술 개발에 많은 노력을 기울였습니다. 그 형태와 기하학적 구조가 전기 분무 성능과 추가 MS 감지에 중추적 인 것으로 입증 되었기 때문입니다.

막힘 및 낮은 처리량을 포함하여 전통적인 단일 홀 이미터의 본질적인 문제는 기술의 적용 가능성을 제한합니다. 이 문제를 해결하기 위해 현재 프로젝트는 향상된 ESI-MS 분석을위한 다중 전자 분무(MES) 방출기를 개발하는데 초점을 맞추고 있습니다.

이 논문에서는 스프레이 전류 측정을 위한 전기 분무와 오프라인 전기 분무 실험을 위한 전산 유체 역학 (CFD) 시뮬레이션의 공동 작업이 수행되었습니다. 전기 분무 성능에 대한 다양한 이미터 설계의 영향을 테스트하기 위해 수치 시뮬레이션이 사용되었으며 실험실 결과는 가이드 및 검증으로 사용되었습니다.

CFD 코드는 Taylor-Melcher 누설 유전체 모델(LDM)을 기반으로 하며 과도 전기 분무 공정이 성공적으로 시뮬레이션되었습니다.

이 방법은 750 μm 내경 (i.d.) 이미 터를 통해 먼저 검증되었으며 20 μm i.d.에 추가로 적용되었습니다. 모델. 전기 분무 공정의 여러 단계가 시각적으로 시연되었으며 다양한 적용 전기장 및 유속에서 분무 전류의 변화에 ​​대한 정량적 조사는 이전 시뮬레이션 및 측정과 잘 일치합니다.

단일 조리개 프로토 타입을 기반으로 2 홀 및 3 홀 이미터로 MES 시뮬레이션을 수행했습니다. 시뮬레이션 예측은 실험 결과와 유사하게 비교되었습니다. 이 작업의 증거는 CFD 시뮬레이션이 MES의 이미 터 설계를 테스트하는 효과적인 수치 도구로 사용될 수 있음을 입증했습니다.

이 작업에서 달성 된 마이크로 스케일 에미 터 전기 분무의 성공적인 시뮬레이션에 대한 벤치마킹 결과는 현재까지 발표 된 전기 분무에 대한 동적 시뮬레이션의 가장 작은 규모로 여겨집니다.

Co-Authorship

공동 저자: 이 논문에 대한 모든 연구는 Natalie M. Cann 박사와 Richard D. Oleschuk 박사의 지도하에 완료되었습니다. 다중 전자 분무에 관한 4 장에서 제시된 연구 작업의 일부는 Ramin Wright가 공동 저술했으며, 이 작업은 press에서 다음 논문에서 인용되었습니다.

ibson,G.T.T.; Wright, R.D.; Oleschuk, R.D. Multiple electrosprays generated from a single poly carbonate microstructured fibre. Journal of Mass Spectrometry, 2011, in press.

Chapter 1 Introduction

소프트 이온화 방법으로 ESI (electrospray ionization)의 도입은 질량 분석법 (MS)의 적용 가능성에 혁명을 일으켰습니다. 이 기술의 부드러운 특징은 상대적으로 높은 전하를 가진 이온을 생성하는 고유한 이점으로 인해 액상에서 직접 펩티드 및 단백질과 같은 큰 생체 분자를 분석 할 수 있게했습니다 [1].

지난 10 년 동안 ESI-MS는 놀라운 성장을 보였으며 현재는 단백질 체학, 대사 체학, 글리코 믹스, 합성 화학자를 위한 식별 도구 등 다양한 생화학 분야에서 광범위하게 채택되고 있습니다 [2-3].

ESI-MS는 겔 전기 영동과 같은 생물학적 분자에 대한 기존의 질량 측정 기술보다 훨씬 빠르고 민감하며 정확합니다. 또한, 액체상에서 직접 분석 할 수 있는 큰 비 휘발성 분자의 능력은 고성능 액체 크로마토 그래피 (HPLC) 및 모세관 전기 영동 (CE)과 같은 업스트림 분리 기술과의 결합을 가능하게합니다 [4].

일반적인 ESI 공정은 일반적으로 액적 형성, 액적 수축 및 기상 이온의 최종 형성을 포함합니다. 일렉트로 스프레이의 성능에 영향을 미치는 많은 요소 중에서 스프레이를 위한 이미터의 구조 (즉, 기하학, 모양 등)가 중요한 요소입니다.

전통적인 전기 분무 이미터는 일반적으로 풀링 또는 에칭 기술로 제작 된 단일 채널 테이퍼 형 또는 비 테이퍼 형입니다. 그러나 이러한 이미터는 종종 막힘, 부적절한 처리량 등과 같은 문제로 어려움을 겪습니다. [5]

향상된 감도 및 샘플 활용을 위해 다중 스프레이를 생성하는 새로운 이미터 설계 개발로 분명한 발전이 있었습니다. 새로운 ESI 이미터 설계에 대한 연구는 실험적으로나 이론적으로 큰 관심을 불러 일으켰습니다 [3]. 그러나 ESI의 복잡한 물리적 과정은 팁 형상 외에도 많은 다른 변수에 의존하기 때문에 연구간 직접 비교의 어려움은 장애물이 됩니다.

또한 새로운 나노 이미터 제조 및 테스트 비용이 상당히 높을 수 있습니다. 이 논문은 CFD 시뮬레이션 도구를 활용하여 가상 랩을 설정함으로써 이러한 문제를 해결합니다. 다른 매개 변수로 인해 상호 연결된 변경 없이 다양한 이미터 설계를 비교할 수 있도록 이상적으로 균일한 물리적 조건을 제공합니다.

맞춤 제작된 프로토 타입의 실험 측정 값도 수집되어 더 나은 계산 체계를 형성하는 데 도움이 되는 지침과 검증을 모두 제공합니다. 특히 이 분야의 주요 미래 플랫폼으로 여겨지는 다중 노즐 이미 터 설계에 중점을 둘 것입니다.

전기 분무 거동에 영향을 미치는 요인에 대한 추가 기본 연구는 다양한 기하학적 및 작동 매개 변수와 관련하여 수행됩니다. 이는 보다 효율적이고 견고한 이미터의 개발을 가능하게 할 뿐만 아니라 더 넓은 영역에서 ESI의 적용을 향상시킬 수 있습니다.

Figure 1.1Schematic setup for ESI-MS technique
Figure 1.1Schematic setup for ESI-MS technique
Figure 1.2 Schematic of major processes occurring in electrospray [5].
Figure 1.2 Schematic of major processes occurring in electrospray [5].
Figure 1.3 Illustration of detailed geometric parameters of a spraying Taylor cone wherera is the radius of curvature of the best fitting circle at the tip of the cone; re is the radius of the emission region for droplets at the tip of a Taylor cone;is the liquid cone angle.
Figure 1.3 Illustration of detailed geometric parameters of a spraying Taylor cone wherera is the radius of curvature of the best fitting circle at the tip of the cone; re is the radius of the emission region for droplets at the tip of a Taylor cone;is the liquid cone angle.
Figure 1.4 (A)Externally tapered emitter  (B) Optical image of a clogged tapered emitter with normal use [46].
Figure 1.4 (A)Externally tapered emitter (B) Optical image of a clogged tapered emitter with normal use [46].
Figure 1.5 (A)Three by three configuration of an emitter array made with polycarbonate using laser ablation; (B) Photomicrograph of nine stable electrosprays generated from the nine-emitter array [52]
Figure 1.5 (A)Three by three configuration of an emitter array made with polycarbonate using laser ablation; (B) Photomicrograph of nine stable electrosprays generated from the nine-emitter array [52]
Figure 1.6 SEM images of the distal ends of four multichannel nanoelectrospray emitters and a tapered emitter: (A) 30 orifice emitter; (B) 54 orifice emitter; (C) 84 orifice emitter; (D) 168 orifice emitter; Scale bars in A, B, and C represent 50 μm, and 100 μm in D[54]
Figure 1.6 SEM images of the distal ends of four multichannel nanoelectrospray emitters and a tapered emitter: (A) 30 orifice emitter; (B) 54 orifice emitter; (C) 84 orifice emitter; (D) 168 orifice emitter; Scale bars in A, B, and C represent 50 μm, and 100 μm in D[54]
Figure 1.7 Photomicrographs of electrospray from of a 168-hole MCN emitter at different flow rates. (A) A traditional integrated Taylor cone observed from offline electrospray of water with 0.1% formic acid at 300 nL/min; (B) A mist of coalesced Taylor cones observed from offline electrospray at 25 nL/min[54]
Figure 1.7 Photomicrographs of electrospray from of a 168-hole MCN emitter at different flow rates. (A) A traditional integrated Taylor cone observed from offline electrospray of water with 0.1% formic acid at 300 nL/min; (B) A mist of coalesced Taylor cones observed from offline electrospray at 25 nL/min[54]
Figure 1.8 Circular arrays of etched emitters for better electric field homogeneity [53].
Figure 1.8 Circular arrays of etched emitters for better electric field homogeneity [53].
Figure 2.6 ESI apparatus for offline analysis with microscope imaging.
Figure 2.6 ESI apparatus for offline analysis with microscope imaging.
Figure 3.9 Typical panel for displaying instant simulation result during simulation process.
Figure 3.9 Typical panel for displaying instant simulation result during simulation process.
Figure 5.3 Generation of a Taylor cone-jet mode (simulation) plotted with iso-potential lines at times    (Top to bottom panels correspond to 0.002 s, 0.012 s, 0.018 s, 0.08 s respectively).
Figure 5.3 Generation of a Taylor cone-jet mode (simulation) plotted with iso-potential lines at times (Top to bottom panels correspond to 0.002 s, 0.012 s, 0.018 s, 0.08 s respectively).
Figure 5.8 (A) Taylor cone-jet profiles with different contact angle of 30 degrees and 20 degrees (B) under the same physical conditions of 6 kV and 0.04 m/s. (C) Cone-jet profile generated from a tapered tip with a 20 degree contact angle at 6 kV and 0.04 m/s (as a comparison with (B)).
Figure 5.8 (A) Taylor cone-jet profiles with different contact angle of 30 degrees and 20 degrees (B) under the same physical conditions of 6 kV and 0.04 m/s. (C) Cone-jet profile generated from a tapered tip with a 20 degree contact angle at 6 kV and 0.04 m/s (as a comparison with (B)).

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Liquid Metal 3D Printing

Liquid Metal 3D Printing

This article was contributed by V.Sukhotskiy1,2, I. H. Karampelas3, G. Garg 1, A. Verma1, M. Tong 1, S. Vader2, Z. Vader2, and E. P. Furlani1
1
University at Buffalo SUNY, 2Vader Systems, 3Flow Science, Inc.

Drop-on-demand 잉크젯 인쇄는 상업 및 소비자 이미지 재생을 위한 잘 정립 된 방법입니다. 이 기술을 주도하는 동일한 원리는 인쇄 및 적층 제조 분야에도 적용될 수 있습니다. 기존의 잉크젯 기술은 폴리머에서 살아있는 세포에 이르기까지 다양한 재료를 증착하고 패턴화하여 다양한 기능성 매체, 조직 및 장치를 인쇄하는 데 사용되었습니다 [1, 2]. 이 작업의 초점은 잉크젯 기반 기술을 3D 솔리드 금속 구조 인쇄로 확장하는 데 있습니다 [3, 4]. 현재 대부분의 3D 금속 프린팅 응용 프로그램은 고체 물체를 형성하기 위해 레이저 [6] 또는 전자 빔 [7]과 같은 외부 지향 에너지 원의 영향을 받아 증착 된 금속 분말 소결 또는 용융을 포함합니다. 그러나 이러한 방법은 비용 및 프로세스 복잡성 측면에서 단점이 있습니다. 예를 들어, 3D 프린팅 프로세스에 앞서 분말을 생성하기 위해 시간과 에너지 집약적인 기술이 필요합니다.

이 기사에서는 MHD (자기 유체 역학) drop-on-demand 방출 및 움직이는 기판에 액체 방울 증착을 기반으로 3D 금속 구조의 적층 제조에 대한 새로운 접근 방식에 대해 설명합니다. 프로세스의 각 부분을 연구하기 위해 많은 시뮬레이션이 수행되었습니다.

단순화를 위해 이 연구는 두 부분으로 나뉘었습니다.

첫 번째 부분에서는 MHD 분석을 사용하여 프린트 헤드 내부의 Lorentz 힘 밀도에 의해 생성 된 압력을 추정 한 다음 FLOW-3D 모델의 경계 조건으로 사용됩니다. 액적 방출 역학을 연구하는 데 사용되었습니다.

두 번째 부분에서는 이상적인 액적 증착 조건을 식별하기 위해 FLOW-3D 매개 변수 분석을 수행했습니다. 모델링 노력의 결과는 그림 1에 표시된 장치의 설계를 안내하는데 사용되었습니다.

코일은 배출 챔버를 둘러싸고 전기적으로 펄스되어 액체 금속을 투과하고 폐쇄 루프를 유도하는 과도 자기장을 생성합니다. 그 안에 일시적인 전기장. 전기장은 순환 전류 밀도를 발생시키고, 이는 과도장에 역 결합되고 챔버 내에서 자홍 유체 역학적 로렌츠 힘 밀도를 생성합니다. 힘의 방사형 구성 요소는 오리피스에서 액체 금속 방울을 분출하는 역할을 하는 압력을 생성합니다. 분출된 액적은 기질로 이동하여 결합 및 응고되어 확장된 고체 구조를 형성합니다. 임의의 형태의 3 차원 구조는 입사 액적의 정확한 패턴 증착을 가능하게 하는 움직이는 기판을 사용하여 층별로 인쇄 될 수 있습니다. 이 기술은 상표명 MagnetoJet으로 Vader Systems (www.vadersystems.com)에 의해 특허 및 상용화되었습니다.

MagnetoJet 프린팅 공정의 장점은 상대적으로 높은 증착 속도와 낮은 재료 비용으로 임의 형상의 3D 금속 구조를 인쇄하는 것입니다 [8, 9]. 또한 고유한 금속 입자 구조가 존재하기 때문에 기계적 특성이 개선된 부품을 인쇄 할 수 있습니다.

프로토타입 디바이스 개발

Vader Systems의 3D 인쇄 시스템의 핵심 구성 요소는 두 부분의 노즐과 솔레노이드 코일로 구성된 프린트 헤드 어셈블리입니다. 액체화는 노즐의 상부에서 발생합니다. 하부에는 직경이 100μm ~ 500μm 인 서브 밀리미터 오리피스가 있습니다. 수냉식 솔레노이드 코일은 위 그림에 표시된 바와 같이 오리피스 챔버를 둘러싸고있습니다 (냉각 시스템은 도시되지 않음). 다수의 프린트 헤드 디자인의 반복적인 개발은 액체 금속 배출 거동뿐만 아니라, 액체 금속 충전 거동에 대한 사출 챔버 기하적인 효과를 분석하기 위해 연구되었습니다.

이 프로토타입 시스템은 일반적인 알루미늄 합금으로 만들어진 견고한 3D 구조를 성공적으로 인쇄했습니다 (아래 그림 참조). 액적 직경, 기하학, 토출 빈도 및 기타 매개 변수에 따라 직경이 50 μm에서 500 μm까지 다양합니다. 짧은 버스트에서 최대 5000 Hz까지 40-1000 Hz의 지속적인 방울 분사 속도가 달성 되었습니다.

Computational Models

프로토 타입 장치 개발의 일환으로, 성능 (예 : 액적 방출 역학, 액적-공기 및 액적-기질 상호 작용)에 대한 설계 개념을 스크리닝하기 위해 프로토타입 제작 전에 계산 시뮬레이션을 수행했습니다. 분석을 단순화하기 위해 CFD 분석 뿐만 아니라 컴퓨터 전자기(CE)를 사용하는 두 가지 다른 보완 모델이 개발되었습니다. 첫 번째 모델에서는 2 단계 CE 및 CFD 분석을 사용하여 MHD 기반 액적 분출 거동과 효과적인 압력 생성을 연구했습니다. 두 번째 모델에서는 열-유체 CFD 분석을 사용하여 기판상의 액적 패턴화, 유착 및 응고를 연구했습니다.

MHD 분석 후, 첫 번째 모델에서 등가 압력 프로파일을 추출하여 액적 분출 및 액적-기질 상호 작용의 과도 역학을 탐구하도록 설계된 FLOW-3D 모델의 입력으로 사용되었습니다. FLOW-3D 시뮬레이션은 액적 분출에 대한 오리피스 안과 주변의 습윤 효과를 이해하기 위해 수행되었습니다. 오리피스 내부와 외부 모두에서 유체 초기화 수준을 변경하고 펄스 주파수에 의해 결정된 펄스 사이의 시간을 허용함으로써 크기 및 속도를 포함하여 분출 된 액 적의 특성 차이를 식별 할 수있었습니다.

Droplet 생성

MagnetoJet 인쇄 프로세스에서, 방울은 전압 펄스 매개 변수에 따라 일반적으로 1 – 10m/s 범위의 속도로 배출되고 기판에 충돌하기 전에 비행 중에 약간 냉각됩니다. 기판상의 액적들의 패터닝 및 응고를 제어하는 ​​능력은 정밀한 3D 솔리드 구조의 형성에 중요합니다. 고해상도 3D 모션베이스를 사용하여 패터닝을 위한 정확한 Droplet 배치가 이루어집니다. 그러나 낮은 다공성과 원하지 않는 레이어링 artifacts가 없는 잘 형성된 3D 구조를 만들기 위해 응고를 제어하는 ​​것은 다음과 같은 제어를 필요로하기 때문에 어려움이 있습니다.

  • 냉각시 액체 방울로부터 주변 물질로의 열 확산,
  • 토출된 액적의 크기,
  • 액적 분사 빈도 및
  • 이미 형성된 3D 물체로부터의 열 확산.

이들 파라미터를 최적화 함으로써, 인쇄된 형상의 높은 공간 분해능을 제공하기에 충분히 작으며, 인접한 액적들 및 층들 사이의 매끄러운 유착을 촉진하기에 충분한 열 에너지를 보유 할 것입니다. 열 관리 문제에 직면하는 한 가지 방법은 가열된 기판을 융점보다 낮지만 상대적으로 가까운 온도에서 유지하는 것입니다. 이는 액체 금속 방울과 그 주변 사이의 온도 구배를 감소시켜 액체 금속 방울로부터의 열의 확산을 늦춤으로써 유착을 촉진시키고 고형화하여 매끄러운 입체 3D 덩어리를 형성합니다. 이 접근법의 실행 가능성을 탐구하기 위해 FLOW-3D를 사용한 파라 메트릭 CFD 분석이 수행되었습니다.

액체 금속방울 응집과 응고

우리는 액체 금속방울 분사 주파수뿐만 아니라 액체 금속방울 사이의 중심 간 간격의 함수로서 가열된 기판에서 내부 층의 금속방울 유착 및 응고를 조사했습니다. 이 분석에서 액체 알루미늄의 구형 방울은 3mm 높이에서 가열 된 스테인리스 강 기판에 충돌합니다. 액적 분리 거리 (100)로 변화 될 때 방울이 973 K의 초기 온도를 가지고, 기판이 다소 943 K.도 3의 응고 온도보다 900 K로 유지됩니다. 실선의 인쇄 중에 액적 유착 및 응고를 도시 50㎛의 간격으로 500㎛에서 400㎛까지 연속적으로 유지하고, 토출 주파수는 500Hz에서 일정하게 유지 하였습니다.

방울 분리가 250μm를 초과하면 선을 따라 입자가 있는 응고된 세그먼트가 나타납니다. 350μm 이상의 거리에서는 세그먼트가 분리되고 선이 채워지지 않은 간극이 있어 부드러운 솔리드 구조를 형성하는데 적합하지 않습니다. 낮은 온도에서 유지되는 기질에 대해서도 유사한 분석을 수행했습니다(예: 600K, 700K 등). 3D 구조물이 쿨러 기질에 인쇄될 수 있지만, 그것들은 후속적인 퇴적 금속 층들 사이에 강한 결합의 결여와 같은 바람직하지 않은 공예품을 보여주는 것이 관찰되었습니다. 이는 침전된 물방울의 열 에너지 손실률이 증가했기 때문입니다. 기판 온도의 최종 선택은 주어진 용도에 대해 물체의 허용 가능한 인쇄 품질에 따라 결정될 수 있습니다. 인쇄 중에 부품이 커짐에 따라 더 높은 열 확산에 맞춰 동적으로 조정할 수도 있습니다.

FLOW-3D 결과 검증

위 그림은 가열된 기판 상에 인쇄된 컵 구조 입니다. 인쇄 과정에서 가열된 인쇄물의 온도는 인쇄된 부분의 순간 높이를 기준으로 실시간으로 733K (430 ° C)에서 833K (580 ° C)로 점차 증가했습니다. 이것은 물체 표면적이 증가함에 따라 국부적인 열 확산의 증가를 극복하기 위해 행해졌습니다. 알루미늄의 높은 열전도율은 국부적인 온도 구배에 대한 조정이 신속하게 이루어져야 하기 때문에 특히 어렵습니다. 그렇지 않으면 온도가 빠르게 감소하고 층내 유착을 저하시킵니다.

결론

시뮬레이션 결과를 바탕으로, Vader System의 프로토타입 마그네슘 유체 역학 액체 금속 Drop-on-demand 3D 프린터 프로토 타입은 임의의 형태의 3D 솔리드 알루미늄 구조를 인쇄할 수 있었습니다. 이러한 구조물은 서브 밀리미터의 액체 금속방울을 층 단위로 패턴화하여 성공적으로 인쇄되었습니다. 시간당 540 그램 이상의 재료 증착 속도는 오직 하나의 노즐을 사용하여 달성 되었습니다.

이 기술의 상업화는 잘 진행되고 있지만 처리량, 효율성, 해상도 및 재료 선택면에서 최적의 인쇄 성능을 실현하는 데는 여전히 어려움이 있습니다. 추가 모델링 작업은 인쇄 과정 중 과도 열 영향을 정량화하고, 메니스커스 동작뿐만 아니라 인쇄된 부품의 품질을 평가하는 데 초점을 맞출 것입니다.

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igure 1:Essential componentsof the MHD printhead (a) cross-sectional view of printhead showing flow of liquid metal.(b) simulation model showing the magneticfield generated by a pulsed magnetic coil as well as an ejecteddroplet of liquid aluminum.

Timeline of molten metal droplet ejection

용융 금속 액적 분출 타임 라인

Keywords: Magnetohydrodynamicdroplet ejection, droplet on demandprinting, 3D printing of molten metal, additive manufacturing, thermo-fluidic analysis, molten aluminum.

우리는 액체 금속 방울을 사용하여 3D 고체 금속 구조의 DOD (drop-on-demand) 프린팅을 위한 새로운 방법을 제시합니다. 이 방법은 MHD (Magnetohydrodynamic) 기반 방울 생성에 의존합니다. 특히, 외부 코일에 의해 공급되는 맥동 자기장은 액체 금속으로 채워진 분사 챔버 내에서 MHD 기반 힘 밀도를 유도하여 물방울이 노즐을 통해 분사되도록 합니다.

임의의 모양의 3 차원 (3D) 고체 금속 구조는 드롭 방식의 유착 및 응고와 함께 방울의 층별 패턴 증착을 통해 인쇄 할 수 있습니다. 샘플 인쇄 구조와 함께 이 프로토 타입 MHD 인쇄 시스템을 소개합니다. 또한 드롭 생성을 제어하는 기본 물리학에 대해 논의하고 장치 성능을 예측하기 위한 계산 모델을 소개합니다.

주문형 잉크젯 인쇄는 상업용 및 소비자용 이미지 재생을 위한 잘 정립된 방법입니다. 이 기술을 주도하는 동일한 원리는 기능 인쇄 및 적층 제조 분야에도 적용될 수 있습니다. 기존의 잉크젯 기술은 폴리머에서 살아있는 세포에 이르기까지 다양한 재료를 증착하고 패턴 화하여 다양한 기능성 매체, 조직 및 장치를 인쇄하는 데 사용되어 왔습니다 [1, 2]. 이 작업의 초점은 잉크젯 기반 기술을 3D 솔리드 금속 구조 프린팅으로 확장하는 데 있습니다 [3, 4]. 현재 대부분의 3D 금속 프린팅 응용 분야에는 레이저 (예 : 선택적 레이저 소결 [5] 및 직접 레이저 금속 소결 [6]) 또는 전자 빔 (예 : 레이저 소결 [6])과 같은 외부 지향 에너지 원의 영향으로 증착 된 금속 분말 소결 또는 용융이 포함됩니다. 전자빔 용융 [7])을 사용하여 고체 물체를 형성합니다. 그러나 이러한 방법은 비용 및 복잡성 측면에서 단점이 있습니다. 3D 프린팅 프로세스에 앞서 금속을 밀링해야 합니다.

igure  1:Essential componentsof the MHD printhead (a) cross-sectional  view  of  printhead  showing  flow  of liquid metal.(b) simulation model showing the magneticfield  generated  by  a  pulsed  magnetic  coil  as  well  as an ejecteddroplet of liquid aluminum.
igure 1:Essential componentsof the MHD printhead (a) cross-sectional view of printhead showing flow of liquid metal.(b) simulation model showing the magneticfield generated by a pulsed magnetic coil as well as an ejecteddroplet of liquid aluminum.

이 작업에서 우리는 자기 유체 역학의 원리에 기반한 금속 구조물의 적층 제조에 대한 새로운 접근 방식을 소개합니다. 이 방법에서는 감긴 고체 금속 와이어가 MHD 프린트 헤드의 아세라 미치 팅 챔버에 연속적으로 공급되고 용융되어 그림 1에 표시된 것처럼 모세관 힘을 통해 배출 챔버에 공급되는 액체 금속 저장소를 형성합니다. 코일이 배출 챔버를 둘러싸고 있습니다. 액체 금속 내에서 과도 전기장을 유도하는 과도 자기장을 생성하도록 전기적으로 펄스됩니다. 전기장은 유도 된 순환 전류 밀도를 생성하며, 이는 적용된 자기장과 결합하여 챔버 내에서 오리피스의 액체 금속 방울을 방출하는 역할을하는 로렌츠 힘 밀도 (fMHD)를 생성합니다. 분출 된 액 적은 기질로 이동하여 결합 및 응고되어 확장 된 고체 구조를 형성합니다. 임의의 형태의 3 차원 구조는 입사 액 적의 정확한 패턴 증착을 가능하게하는 움직이는 기판을 사용하여 층별로 인쇄 될 수 있습니다. 이 기술은 Vader Systems (www.vadersystems.com)에서 MagnetoJet이라는 상표명으로 개척하고 상용화했습니다. MagnetoJet 인쇄 공정의 장점은 상대적으로 높은 증착 속도와 낮은 재료 비용으로 임의의 모양의 3D 금속 구조를 인쇄하는 것입니다. 이 작업에서는 MagnetoJet 프로토 타입 프린팅 프로세스에 대해 논의하고 샘플 3D 프린팅 구조를 시연하며 합리적인 설계 및 장치 성능 예측을 가능하게하는 계산 모델을 소개합니다.

Figure 2:Printed     3D structures: (a) ring showing as printed base and processed    upper    portion, and (b) cat
Figure 2:Printed 3D structures: (a) ring showing as printed base and processed upper portion, and (b) cat

Particles | 입자

입자 / Particles

본질적으로 Lagrangian 입자는 복잡한 흐름에서 물리량을 추적하는 독특한 방법을 가지고 있습니다. 이들의 속성은 메시 해상도에 의해 덜 제한되며, 동시에 질량, 운동량 및 열 전달을 통해 유체 및 고체와 함께 매우 세부적이고 사실적으로 상호 작용할 수 있습니다. 후 처리(Post Processing) 측면에서 입자는 시각화를 향상 시킬 수 있습니다.

금속 증착 시뮬레이션으로 시각화된 Lagrangian 입자
FLOW-3D의 Lagrangian 입자 모델

FLOW-3D의 입자 모델은 전기장 효과 및 유체 흐름과의 양방향 커플 링을 포함하여 마커에서 크기와 밀도가 다른 질량 입자로 진화했습니다. 이 모델은 공기 중의 오염 물질, 금속 함유물 및 분리기에서 포착되는 파편을 추적하는데 성공적으로 적용되었습니다. 최근에는 FLOW-3D의 입자 모델이 기능을 확장하기 위한 큰 변화가 있었습니다. 현재 모델에서 입자는 기본 기능에 따라 클래스로 그룹화됩니다.

  • 마커 입자 는 단순한 질량이 없는 마커로 유체 흐름을 추적하는 데 가장 적합합니다.
  • 질량 입자 는 모래 알갱이 또는 내포물과 같은 고체 물체를 나타냅니다.
  • 액체 입자 는 유체로 만들어지며 모든 유체 속성을 상속합니다.
  • 가스 입자 는 주변 유체의 온도 및 압력 부하에 따라 크기가 변하는 기포를 나타냅니다.
  • 보이드 입자 는 가스 입자와 유사하지만 그 특정 기능은 붕괴된 기포를 표시하고 추적하는 것입니다. 이는 다른 응용 분야에서 주조시 금형 충전 중에 생성되는 잠재적 다공성 결함을 예측하는 데 유용합니다.
  • 프로브 입자 는 해당 위치에서 변수 값을 기록하고 보고하는 진단 장치로 사용됩니다. 다른 클래스의 입자로 만들 수 있습니다.
  • 사용자 입자 는 소스 코드에서 사용자 정의 함수를 통해 사용자 정의를 할 수 있습니다.

각 입자 클래스에는 드래그 계수 및 각 숫자 입자가 물리적 입자의 구름을 나타낼 수 있는 매크로 입자 계수와 같이 클래스의 모든 입자에 적용되는 속성이 있습니다. 사용자 클래스의 입자에는 사용자가 사용자 정의 할 수 있는 세 가지 추가 속성이 있습니다.

다양한 크기와 밀도의 입자를 나타내는 재료 입자 클래스 내에서 여러 종을 정의 할 수 있습니다. 주변 유체와의 열 전달은 모든 재료 입자, 즉 질량, 액체, 가스, 보이드 및 사용자 입자에 적용되는 또 다른 기능입니다.

가스 입자의 압력은 상태 방정식과 온도 변화에 따른 변화를 사용하여 계산됩니다. 기체 입자가 유체가 없는 표면을 벗어나면 기체 영역에 부피를 추가합니다.

액체 입자의 유체는 응고 뿐만 아니라 증발 및 응축으로 인해 상 변화를 겪을 수 있습니다. 응고된 입자는 질량 입자와 유사한 고체 물체로 작동하지만 일단 들어가서 다시 녹으면 유체로 변환됩니다. 또한 2 유체 상 변화 모델이 활성화되면 액체 입자가 기체 내에서 이동하면서 증발 및 응축될 수 있으므로 스프레이 냉각 모델링에 유용합니다.

각 파티클 클래스는 FLOW-3D POST 에서 별도의 개체로 시각화 할 수 있습니다. 속도, 온도, 입자 수명 또는 고유 ID와 같은 개별 입자 속성을 색상에 사용할 수 있습니다. 표시된 입자 크기는 클래스 내에서의 변화를 반영합니다.

Lagrangian 입자를 직접 금속 증착에 적용

직접 금속 증착은 동일한 금속의 분말 스트림이 주입되는 고체 금속 기판에 용융 풀을 형성하기 위해 레이저를 사용하는 적층 제조 공정의 한 유형입니다. 분말 입자가 풀 내부에서 녹고, 풀이 다시 응고되면 일반적으로 두께가 0.2-0.8mm이고 너비가 1-2mm 인 고형화된 금속 층이 형성됩니다.

laser/powder gun 어셈블리가 기판 표면을 계속 스캔하므로 복잡한 모양을 층별로 만들 수 있습니다. 레이저 출력, 속도 및 분말 공급 사이의 적절한 균형은 공정의 성공과 효율성을 위해 중요합니다. 엔지니어의 주요 관심 사항은 다음과 같습니다.

  • 용융 풀의 크기와 모양
  • 금속 흐름 및 그 내부의 냉각 속도
  • 응고된 층의 형상

이 섹션에서 설명하는 시뮬레이션은 이러한 특성을 정확하게 예측합니다. 레이저와 기판의 움직임은 좌표계를 레이저에 부착함으로써 반전됩니다. Inconel 718 합금의 기판은 10mm/s의 일정 속도로 움직입니다. 레이저는 1.8kW의 출력으로 반경 1mm의 원형 열원으로 모델링됩니다. 3 개의 파우더 건은 0.684 g/s의 속도로 레이저 충돌 점에서 고체 금속 입자를 전달합니다. 각 건은 크기가 2 x 2 mm이고 초당 입자 비율은 105 입니다.

입자는 액체 입자 클래스를 사용하여 모델링됩니다. 모든 입자의 직경은 40 μm입니다. 매크로 입자 배율 10은 시뮬레이션에서 입자 수를 줄이는데 사용됩니다. 3백만 개의 물리적 입자를 나타내는 매 초당 시뮬레이션에서 3 x 105 개의 숫자 입자가 생성됩니다. 입자의 초기 온도는 480°C입니다. 즉, 풀에 충돌하기 전에 고체 상태입니다.

시뮬레이션은 분말을 첨가하기 전에 용융 풀이 형성 될 수 있도록, 시작한 후 2초 후에 입자 소스를 활성화하여 10초 동안 실행했습니다. 일단 풀에 들어가면 입자가 녹아 금속으로 전환되어 금속의 부피가 증가하여 궁극적으로 레이저에서 하류의 재응고 금속 층을 형성합니다. 용융 풀 모양은 대칭 평면에 표시됩니다.

새로운 Lagrangian 입자 모델은 FLOW-3D의 현재 기능을 크게 확장 할 뿐만 아니라 금속의 핵심 가스 버블 추적과 같은 향후 확장을 위한 강력한 개발 플랫폼을 만듭니다.

Figure 2. Simulation of droplet separation by EWOD

Non-Linear Electrohydrodynamics in Microfluidic Devices

미세 유체 장치의 비선형 전기 유체 역학

by Jun ZengHewlett-Packard Laboratories, Hewlett-Packard Company, 1501 Page Mill Road, Palo Alto, CA 94304, USAInt. J. Mol. Sci.201112(3), 1633-1649; https://doi.org/10.3390/ijms12031633Received: 24 January 2011 / Revised: 10 February 2011 / Accepted: 24 February 2011 / Published: 3 March 2011

Abstract

Since the inception of microfluidics, the electric force has been exploited as one of the leading mechanisms for driving and controlling the movement of the operating fluid and the charged suspensions. Electric force has an intrinsic advantage in miniaturized devices. Because the electrodes are placed over a small distance, from sub-millimeter to a few microns, a very high electric field is easy to obtain. The electric force can be highly localized as its strength rapidly decays away from the peak. This makes the electric force an ideal candidate for precise spatial control. The geometry and placement of the electrodes can be used to design electric fields of varying distributions, which can be readily realized by Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) fabrication methods. In this paper, we examine several electrically driven liquid handling operations. The emphasis is given to non-linear electrohydrodynamic effects. We discuss the theoretical treatment and related numerical methods. Modeling and simulations are used to unveil the associated electrohydrodynamic phenomena. The modeling based investigation is interwoven with examples of microfluidic devices to illustrate the applications. 

Keywords: dielectrophoresiselectrohydrodynamicselectrowettinglab-on-a-chipmicrofluidicsmodelingnumerical simulationreflective display

요약

미세 유체학이 시작된 이래로 전기력은 작동 유체와 충전 된 서스펜션의 움직임을 제어하고 제어하는 ​​주요 메커니즘 중 하나로 활용되어 왔습니다. 전기력은 소형 장치에서 본질적인 이점이 있습니다. 전극이 밀리미터 미만에서 수 미크론까지 작은 거리에 배치되기 때문에 매우 높은 전기장을 쉽게 얻을 수 있습니다. 

전기력은 강도가 피크에서 멀어지면서 빠르게 감소하기 때문에 고도로 국부화 될 수 있습니다. 이것은 전기력을 정밀한 공간 제어를 위한 이상적인 후보로 만듭니다.

전극의 기하학적 구조와 배치는 다양한 분포의 전기장을 설계하는 데 사용될 수 있으며, 이는 MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) 제조 방법으로 쉽게 실현할 수 있습니다. 

이 논문에서 우리는 몇 가지 전기 구동 액체 처리 작업을 검토합니다. 비선형 전기 유체 역학적 효과에 중점을 둡니다. 이론적 처리 및 관련 수치 방법에 대해 논의합니다. 모델링과 시뮬레이션은 관련된 전기 유체 역학 현상을 밝히는 데 사용됩니다. 모델링 기반 조사는 응용 분야를 설명하기 위해 미세 유체 장치의 예와 결합됩니다. 

키워드 : 유전 영동 ; 전기 유체 역학 ; 전기 습윤 ; 랩 온어 칩 ; 미세 유체 ; 모델링 ; 수치 시뮬레이션 ; 반사 디스플레이

Droplet processing array Droplet based BioFlip
igure 1. Example of droplet-based digital microfluidics architecture. Above is an elevation view showing the layered structure of the chip. Below is a diagram illustrating the system (Adapted from [4]).
Figure 2. Simulation of droplet separation by EWOD
Figure 2. Simulation of droplet separation by EWOD. The top two figures illustrate the device configuration. Electric voltages are applied to all four electrodes embedded in the insulating material. The bottom left figure shows transient simulation solution. It illustrates the process of separating one droplet into two via EWOD. The bottom right figure shows the electric potential distribution inside the device. The color indicates the electric potential; the iso-potential surfaces are also drawn. The image shows the electric field is absent within the droplet body indicating the droplet is either conductive or highly polarizable.
Figure 4. Transient sequence of the Taylor cone formation
Figure 4. Transient sequence of the Taylor cone formation: simulation and experiment comparison. Experimental images are shown in the top row. Simulation results are shown in the bottom row. Their correspondence is indicated by the vertical alignment (Adapted from [4]).
Figure 6. Simulation of charge screening effect using a parallel-plate cell
Figure 6. Simulation of charge screening effect using a parallel-plate cell. Top-left image shows the electric current as function of time and driving voltage, top-right image shows the evolution of the species concentration as function of time and space, the bottom image shows the electric current readout after switching the applied voltage.
Figure 7. Transient simulation of electrohydrodynamic instability and the development of the cellular convective flow pattern.
Figure 7. Transient simulation of electrohydrodynamic instability and the development of the cellular convective flow pattern.
Figure 3. Simulation of dielectrophoresis driven axon migration
Figure 3. Simulation of dielectrophoresis driven axon migration. The set of small images on the left shows a transient simulation of single axon migration under an electric field generated by a pin electrode. The image on the right is a snapshot of a simulation where two axons are fused by dielectrophoresis using a pin electrode. Axons are outlined in white. Also shown are the iso-potential curves.

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Damascene templates

High-Rate Nanoscale Offset Printing Process Using Directed Assembly and Transfer of Nanomaterials

지난 10 년 동안 나노 크기의 재료와 공정을 제품에 통합하는 데 제한적인 성공을 거두면서 나노 기술에 상당한 투자와 발전이 있었습니다.

잉크젯, 그라비아, 스크린 프린팅과 같은 접근 방식은 나노 물질을 사용하여 구조와 장치를 만드는 데 사용됩니다. [1–7] 그러나 상당히 느리고 µm 스케일 분해능 만 제공 할 수 있습니다. 다양한 모양과 크기의 100nm 미만의 특징을 달성하기 위해 딥펜 리소그래피 (DPN) [8-11] 및 소프트 리소그래피 [12-16]와 같은 다양한 기술이 개발되고 광범위하게 연구되었습니다.

DPN은 직접 쓰기 기술로, atomic force microscopy 현미경 팁을 사용하여 다양한 기판에 여러 패턴을 생성합니다. DPN을 사용한 확장 성을 해결하기 위해 단일 AFM 팁 대신 2D 형식으로 배포 된 AFM (Atomic Force Microscopy) 팁 [17,18]이 사용되었습니다. 소프트 리소그래피에서는 나노 물질을 포함하는 잉크로 적셔진 원하는 릴리프 패턴을 가진 경화된 엘라스토머가 기판과 컨 포멀 접촉하게 되며, 여기서 패턴 화 된 나노 물질이 전달되어 기판에서 원하는 특징을 달성합니다.

이 논문에서는 작거나 큰 영역에서 몇 분 만에 나노, 마이크로 또는 거시적 구조를 인쇄 할 수 있는 다중 스케일 오프셋 인쇄 접근 방식을 제시합니다. 이 프로세스는 나노 입자 (NP), 탄소 나노 튜브 (CNT) 또는 용해 된 폴리머를 포함하는 서스펜션 (잉크)에서 나노 물질의 전기 영동 방향 조립을 사용하여 특별히 제작 된 재사용 가능한 Damascene 템플릿에 패턴을 “inking” 하는 것으로 시작됩니다. 이 잉크 프로세스는 실온과 압력에서 수행됩니다.

두 번째 단계는 템플릿에 조립된 나노 물질이 다른 기판으로 전송되는 “printing”로 구성됩니다. 전송 프로세스가 끝나면 템플릿은 다음 조립 및 전송주기에서 즉시 재사용 할 수 있습니다. 이 오프셋 인쇄 프로세스를 통해 NP (폴리스티렌 라텍스 (PSL), 실리카,은) 및 CNT (다중 벽 및 단일 벽)를 100μm에서 500nm까지의 크기 범위를 가진 패턴에 조립하고 유동성 기판에 성공적으로 옮깁니다.

다양한 나노 물질을 다양한 아키텍처로 조립하기 위해 템플릿 유도 유동, 대류, 유전 영동 (DEP) 및 전기 영동 조립과 같은 몇 가지 직접 조립 프로세스가 조사되었습니다. 모세관력이 지배적인 조립 메커니즘인 유체 조립 공정은 다양한 나노 물질에 적용 할 수 있습니다.

대류 조립 공정은 현탁 메니 스커 스와 증발을 활용하여 단일 나노 입자 분해능으로 정밀 조립을 가능하게 합니다. 이러한 조립 공정 중 많은 부분이 트렌치와 같은 마이크로 및 나노 스케일 기능으로 고해상도의 직접 조립을 보여 주었지만, 확장성 부족, 느린 공정 속도 및 반복성과 같은 많은 단점이 있습니다.

DEP 어셈블리는 NP와 전극 사이에 고배향 탄소 나노 튜브 어셈블리를 사용하여 나노 와이어 및 구조를 만드는 데 사용되었습니다. 조립 효율은 전기장과 전기장 구배에 상당한 영향을 미치는 전극의 기하학적 구조와 간격에 크게 좌우됩니다. 전기 영동 기반 조립 공정은 유체 조립에 비해 훨씬 짧은 시간에 전도성 표면에 표면 전하를 가진 나노 물질을 조립하는 것을 포함합니다. [34–37]

그러나 전기 영동 조립은 조립이 전도성 표면에 발생해야 하므로 다양한 장치를 만드는 데 실용적이지 않습니다. 한 가지 해결책은 원하는 나노 스케일 구조를 기반으로 전도성 패턴이 있는 템플릿을 만들고, 전기 영동 공정을 사용하여 패턴 위에 나노 물질을 조립 한 다음 조립 된 구조를 수용 기판에 옮기는 것입니다.

그림 1a와 같이 절연 필름에 전도성 와이어와 같은 패턴 구조가있는 기존 템플릿을 사용하면 나노 스케일 와이어의 잠재적 인 큰 강하로 인해 어셈블리가 불균일 해지며 대부분의 입자는 그림 1에 표시된 마이크로 와이어 b. 또한 NP는 3D 와이어의 측벽에도 조립되므로 바람직하지 않습니다. 또한 나노 스케일 와이어와 템플릿 사이의 작은 접촉 면적으로 인해 나노 스케일 와이어는 이송 과정에서 쉽게 벗겨집니다.

Damascene templates
Figure 1. Damascene templates: a) A schematic of a conventional wire template used for electrophoretic assembly. In these templates nanowire are connected to a micrometer scale electrodes, which are in turn connected, to a large metal pad through which the potential is applied. b) SEM images of a typical nanoparticle assembly result obtained for confi guration shown in (a). c) A schematic of a Damascene template where all of the wires (nano- or micrometer scale) and the metal pad are connected to a conductive fi lm underneath the insulating fi lm. d) A schematic of Damascene template fabrication. Inset is artifi cially colored cross-sectional SEM image showing the metal nanowires to be at the same height as that of the SiO 2 and showing the conductive fi lm underneath the insulator. e) An optical image of a 3 inch Damascene template.
Offset printing
Figure 2. Offset printing: a) A schematic of the nanoscale offset printing approach. The insulating (SiO 2 ) surface of the Damascene template is selectively coated with a hydrophobic SAM (OTS). Using electrophoresis, nanomaterials are assembled on the conductive patterns of the Damascene template (“inking”), which are then transferred to a recipient substrate (“printing”). After the transfer, the template is ready for the next assembly and transfer cycle. b) SEM image of 50 nm PSL particles assembly with high density on 1 µm wide electrodes. c) Silica particles (20 nm) assembly on crossbar 2D patterns demonstrating the versatility of the Damascene template. Inset fi gure is a high-resolution image of assembled silica particles. d) SEM image of assembled SWNTs on micrometer scale patterns. e) MWNTs assembled on 100 µm features. f) Cellulose assembled on 2 µm electrodes. g) SWNTs assembled in cross bar architecture patterns. h) Flexible devices with array of transferred SWNTs and metal electrodes (printed on PEN). Inset is the microscopy image of two electropads and transferred SWNTs on PEN fi lm.
Analysis of nanomaterial assembly on electrodes
Figure 3. Analysis of nanomaterial assembly on electrodes

이것은 또한 그림 3b에 표시된대로 유한 체적 모델링 (Flow 3D)을 사용하는 전기장 윤곽 시뮬레이션 결과에 의해 확인됩니다. 전기장 강도의 윤곽은 전도성 패턴의 가장자리에있는 전기장이 중앙에있는 것보다 더 강하다는 것을 나타냅니다. 그러나 적용된 전위가 2.5V로 증가하면 그림 3c에 표시된대로 100nm 실리카 입자가 Damascene 템플릿을 가로 질러 전도성 패턴의 표면에 완전히 조립되어 조립을위한 임계 전기장 강도에 도달했음을 나타냅니다. 정렬 된 SWNT는 여과 전달 경로를 피하고 나노 튜브 사이의 접합 저항을 최소화하여 소자 성능의 최소 변화를 가져 오기 때문에 많은 응용 분야에서 고도로 조직화 된 SWNT가 필요합니다.

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FLOW-3D AM

flow3d AM-product
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FLOW-3D AM 은 레이저 파우더 베드 융합 (L-PBF), 바인더 제트 및 DED (Directed Energy Deposition)와 같은 적층 제조 공정 ( additive manufacturing )을 시뮬레이션하고 분석하는 CFD 소프트웨어입니다. FLOW-3D AM 의 다중 물리 기능은 공정 매개 변수의 분석 및 최적화를 위해 분말 확산 및 압축, 용융 풀 역학, L-PBF 및 DED에 대한 다공성 형성, 바인더 분사 공정을위한 수지 침투 및 확산에 대한 매우 정확한 시뮬레이션을 제공합니다.

3D 프린팅이라고도하는 적층 제조(additive manufacturing)는 일반적으로 층별 접근 방식을 사용하여, 분말 또는 와이어로 부품을 제조하는 방법입니다. 금속 기반 적층 제조 공정에 대한 관심은 지난 몇 년 동안 시작되었습니다. 오늘날 사용되는 3 대 금속 적층 제조 공정은 PBF (Powder Bed Fusion), DED (Directed Energy Deposition) 및 바인더 제트 ( Binder jetting ) 공정입니다.  FLOW-3D  AM  은 이러한 각 프로세스에 대한 고유 한 시뮬레이션 통찰력을 제공합니다.

파우더 베드 융합 및 직접 에너지 증착 공정에서 레이저 또는 전자 빔을 열원으로 사용할 수 있습니다. 두 경우 모두 PBF용 분말 형태와 DED 공정용 분말 또는 와이어 형태의 금속을 완전히 녹여 융합하여 층별로 부품을 형성합니다. 그러나 바인더 젯팅(Binder jetting)에서는 결합제 역할을 하는 수지가 금속 분말에 선택적으로 증착되어 층별로 부품을 형성합니다. 이러한 부품은 더 나은 치밀화를 달성하기 위해 소결됩니다.

FLOW-3D AM 의 자유 표면 추적 알고리즘과 다중 물리 모델은 이러한 각 프로세스를 높은 정확도로 시뮬레이션 할 수 있습니다. 레이저 파우더 베드 융합 (L-PBF) 공정 모델링 단계는 여기에서 자세히 설명합니다. DED 및 바인더 분사 공정에 대한 몇 가지 개념 증명 시뮬레이션도 표시됩니다.

레이저 파우더 베드 퓨전 (L-PBF)

L-PBF 공정에는 유체 흐름, 열 전달, 표면 장력, 상 변화 및 응고와 같은 복잡한 다중 물리학 현상이 포함되어 공정 및 궁극적으로 빌드 품질에 상당한 영향을 미칩니다. FLOW-3D AM 의 물리적 모델은 질량, 운동량 및 에너지 보존 방정식을 동시에 해결하는 동시에 입자 크기 분포 및 패킹 비율을 고려하여 중규모에서 용융 풀 현상을 시뮬레이션합니다.

FLOW-3D DEM FLOW-3D WELD 는 전체 파우더 베드 융합 공정을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다. L-PBF 공정의 다양한 단계는 분말 베드 놓기, 분말 용융 및 응고,이어서 이전에 응고 된 층에 신선한 분말을 놓는 것, 그리고 다시 한번 새 층을 이전 층에 녹이고 융합시키는 것입니다. FLOW-3D AM  은 이러한 각 단계를 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있습니다.

파우더 베드 부설 공정

FLOW-3D DEM을 사용하면 아래 동영상처럼 입자의 분포를 무작위로 떨어뜨려 파우더 베드 배치 프로세스를 시뮬레이션할 수 있습니다.

다양한 파우더 베드 압축을 달성하는 한 가지 방법은 베드를 놓는 동안 다양한 입자 크기 분포를 선택하는 것입니다. 아래에서 볼 수 있듯이 세 가지 크기의 입자 크기 분포가 있으며, 이는 가장 높은 압축을 제공하는 Case 2와 함께 다양한 분말 베드 압축을 초래합니다.

파우더 베드 분포 다양한 입자 크기 분포
세 가지 다른 입자 크기 분포를 사용하여 파우더 베드 배치
파우더 베드 압축 결과
세 가지 다른 입자 크기 분포를 사용한 분말 베드 압축

입자-입자 상호 작용, 유체-입자 결합 및 입자 이동 물체 상호 작용은 FLOW-3D DEM을 사용하여 자세히 분석 할 수도 있습니다 . 또한 입자간 힘을 지정하여 분말 살포 응용 분야를 보다 정확하게 연구 할 수도 있습니다.

FLOW-3D AM  시뮬레이션은 이산 요소 방법 (DEM)을 사용하여 역 회전하는 원통형 롤러로 인한 분말 확산을 연구합니다. 비디오 시작 부분에서 빌드 플랫폼이 위로 이동하는 동안 분말 저장소가 아래로 이동합니다. 그 직후, 롤러는 분말 입자 (초기 위치에 따라 색상이 지정됨)를 다음 층이 녹고 구축 될 준비를 위해 구축 플랫폼으로 펼칩니다. 이러한 시뮬레이션은 저장소에서 빌드 플랫폼으로 전송되는 분말 입자의 선호 크기에 대한 추가 통찰력을 제공 할 수 있습니다.

파우더 베드 용해

파우더 베드를 놓은 후 FLOW-3D  WELD 에서 레이저 빔 공정 매개 변수를 지정 하여 고 충실도 용융 풀 시뮬레이션을 수행 할 수 있습니다  . 온도, 속도, 고체 분율, 온도 구배 및 고체 속도의 플롯을 자세히 분석 할 수 있습니다.

레이저 출력 200W, 스캔 속도 3.0m / s, 스폿 반경 100μm에서 파우더 베드의 용융 풀 분석.

용융 풀이 응고되면 FLOW-3D AM  압력 및 온도 데이터를 Abaqus 또는 MSC Nastran과 같은 FEA 도구로 가져와 응력 윤곽 및 변위 프로파일을 분석 할 수도 있습니다.

다층 적층 제조

첫 번째 용융 층이 응고되면 입자의 두 번째 층이 응고 층에 증착됩니다. 새로운 분말 입자 층에 레이저 공정 매개 변수를 지정하여 용융 풀 시뮬레이션을 다시 수행합니다. 이 프로세스를 여러 번 반복하여 연속적으로 응고 된 층 간의 융합, 빌드 내 온도 구배를 평가하는 동시에 다공성 또는 기타 결함의 형성을 모니터링 할 수 있습니다.

다층 적층 적층 제조 시뮬레이션

바인더 분사 (Binder jetting)

Binder jetting 시뮬레이션은 모세관 힘의 영향을받는 파우더 베드에서 바인더의 확산 및 침투에 대한 통찰력을 제공합니다. 공정 매개 변수와 재료 특성은 증착 및 확산 공정에 직접적인 영향을 미칩니다.

방향성 에너지 증착

FLOW-3D AM 의 내장 입자 모델 을 사용하여 직접 에너지 증착 프로세스를 시뮬레이션 할 수 있습니다. 분말 주입 속도와 고체 기질에 입사되는 열유속을 지정함으로써 고체 입자는 용융 풀에 질량, 운동량 및 에너지를 추가 할 수 있습니다. 다음 비디오에서 고체 금속 입자가 용융 풀에 주입되고 기판에서 용융 풀의 후속 응고가 관찰됩니다.

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FLOW DEM

FLOW DEM 은 FLOW-3D 의 기체 및 액체 유동 해석에 DEM(Discrete Element Method : 개별 요소법)공법인 입자의 거동을 분석해주는 모듈입니다.

주요 기능 :고체 요소의 충돌, 스프링(Spring) / 대시 포트(Dash Pot) 모델 적용 Void, 1 fluid, 2 fluid(자유 계면 포함) 각각의 모드에 대응 가변 밀도 / 가변 직경 입자 크기조절로 입자 특성을 유지하면서 입자 수를 감소 독립적인 DEM의 Sub Time Step 이용

Discrete Element Method : 개별 요소법

다수의 고체 요소의 충돌 운동을 분석하는 데 유용합니다. 유동 해석과 함께 사용하면 광범위한 용도에 응용을 할 수 있습니다.

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입자 간의 충돌

Voigt model은 스프링(Spring) 및 대시 포트(Dash pot)의 조합에 의해 입자 충돌 시의 힘을 평가합니다. 탄성력 부분은 스프링 모델에서,
비탄성 충돌의 에너지 소산부분은 대시 포트 모델에서 시뮬레이션되고 있으며, 중량 및 항력은 작용하는 외력으로 고려 될 수 있습니다.

분석 모드

기본적으로 이용하는 운동 방정식은 FLOW-3D 에 사용되는 질량 입자의 운동 방정식과 같은 것이지만, 여기에 DEM으로
평가되는 항목이 추가되기 형태로되어 있으며, 실제 시뮬레이션으로는 ‘void + DEM’, ‘1 Fluid + DEM’ , ‘ 1 Fluid 자유계면 + DEM ‘을 기본 유동 모드로 취급이 가능합니다.

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입자 유형

입자 타입도 표준 기능의 질량 입자 모델처럼 입자 크기 (반경)와 밀도가 동일한 것 외, 크기는 같지만 밀도가 다른 것이나 밀도는 같지만 크기가 다른 것 등도 취급 가능합니다. 이로 인해 표준 질량 입자 모델에서는 입자 간의 상호 작용이 고려되어 있지 않기 때문에 모든 아래에 가라 앉아 버리고 있었지만, FLOW DEM을 이용하여 기하학적 관계를 평가하는 것이 가능합니다.

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응용 분야

1. Mechanical Engineering 분야

수지 충전, 스쿠류 이송, 분말 이송 / Resin filling, screw conveyance, powder conveyance

2. Civil Engineering분야

3. Civil Engineering 분야

파편, 자갈, 낙 성/ Debris flow, gravel, falling rock

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3. Chemical Engineering, Pharmaceutics 분야

유동층, 사이클론, 교반기 / Fluidized bed, cyclone, stirrer

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4. MEMS, Electrical Engineering 분야

하전 입자를 포함한 전기장 해석 등

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입자 그룹 가시화

그룹 가시화

DEM은 일반적으로 다수의 입자를 필요로하는 분석을 상정하고 있습니다. 
다만 이 경우, 계산 부하가 높아 지므로 현실적인 계산자원을 고려하면, 입자 수가 너무 많아 현실적으로 취급 할 수 없는 경우 입자의 특성은 유지하고 숫자를 줄여 가시화할 필요가 있습니다 .
일반적인 유동해석 계산의 메쉬 해상도에 해당합니다.
메쉬 수 많음 (계산 부하 큼) → 소 (계산 부하 적음)
입자 수 다 (계산 부하 큼) → 소 (계산 부하 적음)

원래 입자수
입자 사이즈를 키운경우
그룹 가시화
  • 입자 수를 줄이기 위해 그대로 입경을 크게했을 경우와 그룹 가시화 한 경우의 비교.
  • 입자 크기를 크게하면 개별 입자 특성이 달라지기 때문에 거동이 달라진다. (본 사례에서는 부력이 커진다.)
  • 그룹 가시화의 경우 개별 특성은 동일 원래의 거동과 대체로 일치한다.

주조 시뮬레이션에 DEM 적용

그룹 가시화 비교 예

그룹 가시화한 경우와 입경을 크게하여 수를 줄인 경우, 입경을 크게하면
개별 입자 특성이 변화하여 거동이 바뀌어 버리기 때문에 실제 계산으로는 사용할 수 어렵습니다.

중자 모래 분사 분석

DEM에서의 계산부하를 생각할 때는 입자모델에 의한 안정제한을 고려해야 하지만 서브타임스텝이라는 개념을 도입함으로써 입자의 경우와 유체의 경우의 타임스텝을 바꾸고 필요이상으로 계산시간을 들이지 않고 효율적으로 계산하는 것을 가능하게 하고 있습니다.

이를 통해 예를 들어 중자사 분사 시뮬레이션 실험에서는 이러한 문제로 자주 이용되는 빙엄 유체에서는 실험과의 정합성이 별로 좋지 않기 때문에 당사에서는 이전부터 입상류 모델이라는 모델을 개발하고 연속체로부터의 접근에서도 실험과의 높은 정합성을 실현할 수 있는 모델화를 해왔는데, 이번에 DEM을 사용해도 그것과 거의 같은 결과를 얻습니다. 할 수 있음을 확인할 수 있었다.

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Simulation results from FLOW-3D highlighting the droplet formation and the input pressure pulse

연속 잉크젯 인쇄

Continuous Inkjets

연속 잉크젯 인쇄는 약 150 년 동안 축적 된 기술입니다. 간단히 말해, 프린트 헤드가 작동하면 연속적인 유체 흐름이있는 액적 생성 방법입니다. 이 개념은 1867 년 Lord Kelvin에 의해 처음 특허를 받았지만 80 년 이상 지난 1951 년 Siemens가 최초의 상용 장치를 선보였습니다. 처음에 이 기술은 만료일, 배치 코드, 이름 및 제품 로고와 같은 가변 정보의 비접촉식 고속 인쇄에 사용되었습니다.

물방울 생성

노즐 크기 선택

액적 생성을위한 시스템 매개 변수를 계산하기 위해 Rayleigh 제트 불안정성 이론을 사용할 수 있습니다. 이 이론에 따르면 물방울 형성으로 이어지는 제트 분리에 대한 자극의 최적 파장 (λ)은 대략 다음과 같습니다.

Nozzle size selection
Nozzle size selection

작동 주파수 선택

최적의 드롭 생성 주파수는 최적의 파장에서 직접 계산할 수 있습니다. 위의 이론과 알려진 산업 매개 변수를 사용하여 FLOW-3D 에서 계산 모델을 설정하는 동안 125μm의 노즐 반경과 10kHz의 주파수가 사용되었습니다

FLOW-3D 결과 검증

FLOW-3D 는 강력하고 정확한 표면 장력 모델로 인해 연속 잉크젯 인쇄와 같은 액적 기반 공정을 시뮬레이션하는 데 적합합니다.

아래 시뮬레이션 결과에서 10kHz의 주파수에서 진동하는 입력 압력 펄스를 볼 수 있습니다. 평균 액적 크기는 약 240 μm이며 이론적으로 추정 된 액적 크기 약 250 μm와 잘 일치합니다.

Simulation results from FLOW-3D highlighting the droplet formation and the input pressure pulse
Simulation results from FLOW-3D highlighting the droplet formation and the input pressure pulse

OLED Mura Problem

이론적으로는 정확히 동일한 진폭으로 압력 펄스를 생성 할 수 있습니다. 그러나 OLED의 잉크젯 인쇄와 같은 산업 응용 분야에서 모든 노즐은 본질적으로 불완전한 제조 또는 작동 매개 변수로 인해 약간 다릅니다. 이러한 모든 결함은 액적 부피의 변동을 일으켜 OLED 패널의 각 하위 픽셀에 증착 된 유기 화합물의 부피를 변화시켜 증착 된 필름 두께의 비례적인 변화를 초래합니다. 이러한 두께 변화는 잉크젯 인쇄 OLED 디스플레이에서 패널 휘도 불균일의 가장 중요한 원인 중 하나입니다 (Madigan et al. ). 이러한 패널 휘도의 불균일성을 “무라 효과”라고합니다.

무라 문제를 해결하는 한 가지 접근 방식은 평균 법칙을 사용하는 것입니다. 이것이 의미하는 바는 서로 다른 노즐 (픽셀 내 혼합)의 방울을 무작위로 결합하여 방울 부피의 양 및 음 오류를 평균화하여 방울 부피 오류를 거의 0에 가깝게 만드는 것입니다.

FLOW-3D 에서 픽셀 내 혼합 과정을 시뮬레이션하기 위해 입력 압력 펄스 진폭에 약간의 임의성이 추가되었습니다. 최대 변동의 크기는 1.7MPa의 원래 압력 진폭에 더하여 200kPa로 설정되었습니다. 아래 애니메이션은 무작위성이있는 케이스와 무작위성이없는 초기 케이스의 비교를 보여줍니다.

압력 펄스의 무작위성 대 일정한 진폭의 경우를 비교하는 애니메이션.

예상대로 액적 생성은 액적 모양, 액적 크기, 액적 간 간격 및 비행 속도 측면에서 균일하지 않습니다. 그러나 오른쪽의 일정한 진폭 케이스는 균일 한 모양과 크기의 균일 한 간격의 물방울을 생성합니다.

연속 잉크젯 인쇄는 저장소에서 마이크로 미터 크기의 노즐 뱅크로 액체를 보내는 고압 펌프로 시작하여 진동하는 압전 결정의 진동에 의해 결정되는 주파수에서 연속적인 물방울 흐름을 생성합니다. 특히 인쇄 응용 분야의 경우, 잉크 방울은 외부 전기장의 존재로 인해 연속 흐름에서 편향됩니다. 이것은 인쇄 매체의 표면에 패턴을 생성합니다. 이 기술의 장점 중 일부는 높은 처리량, 높은 액적 속도, 프린트 헤드에서 기판까지의 거리 증가, 연속 작동으로 인한 노즐 막힘 없음입니다. 이러한 긍정적 인 특성 덕분에이 기술은 오늘날 종이에 일반 인쇄 잉크에서 다양한 재료 (생존 세포 포함)를 증착하는 것으로 발전했습니다.

Continuous inkjet animation

결론

FLOW-3D 는 연속 잉크젯 인쇄 프로세스와 관련된 물리학에 대한 이해를 촉진하는 데 사용되었습니다. 강력한 표면 장력 모델 덕분에 FLOW-3D 는 다양한 고급 액적 생성 및 증착 응용 분야에서도 유용 할 수 있습니다. 예를 들어 OLED 프린팅의 경우 FLOW-3D 를 사용하여 픽셀 내 혼합 중에 발생하는 액 적의 변화를 효과적으로 이해하여 OLED 패널의 품질을 높일 수 있습니다.

References

Madigan C. F., Hauf C. R., Barkley L. D., Harjee N., Vronsky E., Slyke S. A. V., Advancements in Inkjet Printing for OLED Mass Production. Kateeva, Inc.

Three-Dimensional Crystalline and Homogeneous Metallic Nanostructures Using Directed Assembly of Nanoparticles

나노 입자의 직접 조립을 사용한 3 차원 결정질 및 균질 금속 나노 구조

Cihan Yilmaz,† Arif E. Cetin,‡ Georgia Goutzamanidis,† Jun Huang,† Sivasubramanian Somu,†
Hatice Altug,‡,§ Dongguang Wei,^ and Ahmed Busnaina†,*

†NSF Nanoscale Science and Engineering Center for High-Rate Nanomanufacturing (CHN), Northeastern University, Boston, Massachusetts 02115, United States, ‡
Photonics Center and Department of Electrical and Computer Engineering, Boston University, Boston, Massachusetts 02215, United States, §
Bioengineering Department, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL), Lausanne CH-1015, Switzerland, and ^
Carl Zeiss Microscopy, One Zeiss Drive, Thornwood, New York 10594, United States

ABSTRACT

나노 빌딩 블록의 직접 조립은 고유 한 특성을 가진 복잡한 나노 구조를 생성하는 다양한 경로를 제공합니다. 나노 입자의 상향식 조립은 이러한 기능적이고 새로운 나노 구조를 제작하는 가장 좋은 방법 중 하나로 간주되었습니다.

그러나 결정질, 고체 및 균질 나노 구조를 만드는 데 대한 연구가 부족합니다. 이를 위해서는 나노 입자의 조립을 유도하는 힘에 대한 근본적인 이해와 원하는 나노 구조의 형성을 가능하게하는 이러한 힘의 정밀한 제어가 필요합니다. 여기에서, 우리는 콜로이드 나노 입자가 외부에서 적용된 전기장을 사용하여 단일 단계로 조립되고 동시에 3D 고체 나노 구조로 융합 될 수 있음을 보여줍니다.

다양한 조립 매개 변수의 영향을 이해함으로써, 우리는 1 분 이내에 25nm의 작은 피처 크기를 가진 나노 기둥, 나노 박스 및 나노 링과 같은 복잡한 형상을 가진 3D 금속 재료의 제조를 보여주었습니다.

제작된 금 나노 기둥은 다결정 성질을 가지며 전기 도금 된 금보다 낮거나 동등한 전기 저항을 가지며 강력한 플라즈몬 공명(plasmonic resonances)을 지원합니다. 또한 제조 공정이 전기 도금만큼 빠르며 밀리미터 단위로 확장 할 수있는 다용도성을 보여줍니다. 이러한 결과는 제시된 접근법이 실온과 압력에서 수용액에서 새로운 3D 나노 물질 (균질 또는 하이브리드)의 제조를 용이하게 하는 동시에 반도체 나노 전자 공학 및 나노 포토닉스의 많은 제조 과제를 해결함을 의미합니다.

. Fabricating 3-D nanostructures through electric field-directed assembly of NPs. (a,b) NPs suspended in aqueous
solution are (a) assembled and (b) fused in the patterned via geometries under an applied AC electric field. (c) Removal of the
patterned insulator film after the assembly process produces arrays of 3-D nanostructures on the surface.

복잡한 지오메트리와 3 차원 (3-D) 아키텍처를 가진 나노 구조는 우수한 장치 성능과 소형화를 가능하게하기 때문에 최근 전자, 광학, 에너지 및 생명 공학을 포함한 많은 분야에서 상당한 관심을 받고 있습니다. 이러한 나노 구조를 제조하기위한 대부분의 접근 방식은 진공 기반 박막 증착 또는 전기 도금에 의존하며, 이는 시드 층과 많은 화학 첨가제를 필요로합니다. 나노 입자 (NPs)의 직접 조립은 실온과 압력에서 수용액에서 기능성 나노 물질과 나노 구조를 구축하는 유망한 대안 인 것으로 나타났습니다 .

중략…

 

Effect of via geometries on nanopillar formation. (ac) SEM images of (a) 50, (b) 100, (c) 200 nm-wide nanopillars.
The nanostructure height is 150 nm. (df) Cross-sectional view (from the 3-D simulation) of different size vias, revealing the
simulated localized electric field. (g) Electric field intensity in the via (at the center of the via) as a function of the aspect ratio
(depth/diameter) for different via diameters. The spacing between the vias is 1 μm in these simulations. (h) Electric field
intensity in the via (at the center of the via) as a function of the spacing between the vias. The via depth was 150 nm in these
simulations. The scale bars in the inset figures in (g) and (h) are 100 nm.

결정질, 고체 및 균질 나노 구조를 제조하는 연구는 부족합니다. 이것은 주로 NP의 조립 및 원하는 형상으로의 융합을 제어하는 ​​데 어려움이 있기 때문입니다. 입자 구성, 기능화 및 크기에 따라 NP의 조립 및 융합을 제어하는 ​​힘과 에너지가 다를 수 있습니다. 예를 들어, 현탁 매체를 기반으로하여 NP는 표면 에너지 및 전하와 같은 다른 표면 특성을 가질 수 있으며, 이는 조립 공정 및 기판과의 NP 상호 작용에 영향을 줄 수 있습니다 .

마찬가지로 더 큰 크기의 NP는 작은 것은 단단한 구조로 융합하기 어렵습니다. 원하는 재료와 기하학적 구조로 나노 구조를 성공적으로 제작하려면 조립 공정에 관련된 힘을 제어하는 ​​지배적 인 매개 변수를 식별하는 것이 중요합니다. 이 연구에서 우리는 다양한 금속 NP의 조립 및 융합을 가능하게하는 직접 조립 기술을 개발하여 표면에 고도로 조직화 된 3D 결정질, 고체 나노 구조를 제작했습니다.

이 기술에서는 콜로이드 NP가 조립되고 동시에 외부에서 적용된 전기장을 사용하여 3D 나노 구조로 융합됩니다. 이 방법을 사용하여 금, 구리, 알루미늄 및 텅스텐으로 만든 3 차원 나노 구조체를 시드 층과 화학 첨가제없이 실온과 압력에서 1 분 이내에 25nm의 작은 피처 크기로 제작했습니다.

나노 구조 치수의 제어는 전압, 주파수, 조립 시간 및 입자 농도와 같은 많은 지배 매개 변수의 함수로 조사되었습니다. 재료 및 전기적 특성은 제작 된 금 나노 구조가 다결정 특성을 가지며 매우 낮은 저항률 (1.96 10 7 Ω 3 m)을 가지고 있음을 보여줍니다. 제작 된 고체 3D 나노 구조는 또한 13nm의 좁은 선폭으로 강력한 플라즈 모닉 공명을 지원하는 높은 광학 품질을 보여줍니다. 이것은 단백질의 매우 민감한 플라즈몬 기반 바이오 센싱을 가능하게합니다.

자세한 내용은 본문을 참고하시기 바랍니다.

Electrokinetics

Dielectrophoresis

유전 영동은 분극성 입자에 힘을 생성하여 균일하지 않은 전기장 (일반적으로 AC 전기장)에서 움직임을 유도합니다. 유전 영동력은 마이크로스케일 및 나노스케일 바이오 입자를 특성화, 처리 또는 조작하는 데 사용할 수 있습니다. 여기에는 세포, 바이러스, 박테리아, DNA 등의 분류, 포획 및 분리가 포함될 수 있습니다. 유전 영동은 FLOW-3D에서 완전히 설명 할 수 있으며 날카로운 인터페이스가 있거나 없는 단일 유체 또는 2 유체 흐름과 같이 코드에서 사용할 수있는 다른 모든 유체 흐름 옵션과 함께 활성화 될 수 있습니다.

Electro-wetting

전도성 액적에서 액체와 전극 사이에 인가되는 얇은 유전체 코팅 전위를 갖는 전극 상에 배치되면, 드롭 평면화와 전극 표면 확산이 일어납니다. 이 현상은 종종electro-wetting라 부릅니다. 현상은 전하 층의 발달과 관련되어 있으므로, 외부 전기장을 그들을 이동, 합체, 깨지거나 하는 원인을 조작하기 위해 사용될 수 있습니다.

 

Lab-On-Chip Electro-wetting Applications

Lab-on-chip 기반electro-wetting 은 분리된 물방울을 조절할 수 있어 설계자들이 복잡한 절차를 전통적인 실험실 장치를 달지만 훨씬 작은 volumes 으로 비슷한 실험을 수행할 수 있습니다. 이러한 기기는 효율적으로 운송, 병합되어 있으며 분리된 물방울들이 요구합니다. FLOW-3D는 사용자가이 장치를 조작하는 데 사용되는 기하학적 파라미터들 및 전압의 영향을 시뮬레이션 할 수 있도록 하여 설계 프로세스에 유용한 도구가 될 수 있습니다.

아래의 애니메이션은 수송 시뮬레이션 병합 및 분할 방울에 FLOW-3D의 기능을 보여줍니다. Lab-on-chip은 약 300 ㎛로 분리 된 두 개의 평행 한 플레이트로 구성됩니다. 바닥 판은 방울을 조작하기 위해 사용되는 그 안에 삽입 된 전극을 보유하고 있습니다. 액 적은 물 (약간 도전성) 실리콘 오일에 의해 둘러싸여 있습니다. 액체 방울의 부피가 800nl 관한 것입니다.

This lab-on-a-chip electrowetting simulation demonstrates an electric field being applied in order to split a small droplet.

Here an electric field is being applied in order to merge two small droplets.

This simulation shows an electric field being applied to a small droplet to control its motion.

Digital Microfluidics

Electrowetting은 전기장을 사용하여 표면 습윤 특성을 변경하는 과정입니다. Digital microfluidics는 전기 습식이 개별 유체 방울을 제어하고 조작하는데 사용되는 미세 유체 분야입니다. 이 아이디어는 디지털 마이크로 일렉트로닉스에서 영감을 얻었지만 전류 대신 이산 (또는 디지털화 된)액적을 사용하여 특정 시간 내에 특정 거리에 포함된 특정 양의 유체 또는 반응물을 이동합니다. 디지털 마이크로 플루이딕스는 높은 재구성 가능성과 대규모 병렬화를 통해 프로세스 속도를 높일 수있는 능력 때문에 다양한 바이오칩 설계에서 응용 분야를 찾습니다.

가장 중요한 표면 습윤 특성은 유체와 표면 사이의 접촉각입니다. FLOW-3D의 강력한 표면장력 모델은 전기 운동 모델과 함께 유전 영동, 열 모세관 작동 (온도에 따른 표면 장력을 통한 작동) 및 전기 습윤 자체와 같은 디지털 미세 유체 공정에서 습윤 역학을 포착하는 데 사용됩니다.

Lab-on-a-chip – Joule heating and circulation in conducting fluid (전도성 유체의 줄 가열 및 순환)

Joule heating and circulation in conducting fluid (전도성 유체의 줄 가열 및 순환)

  • 줄 가열은 전류가 전도성 유체를 통과 할 때 발생함
    – 유체가 유전체인 경우에 전기장이 있을 경우 분극이 발생하여 유동이 발생
  • 많은 미세 유체의 공정은 마이크로 채널 내부의 유체를 조작하기 위해 외부의 자기력 및 전기력을 필요로 함
    – 유체에 대하여 이러한 외력이 미치는 영향을 이해하는 것이 중요함

FLOW-3D에서의 줄 가열 및 유동 시뮬레이션

  • 시뮬레이션 파라미터
    – 파란색 전극은 +9V, 분홍색 전극은 -9V
    – 전극 위의 유전체 유체 전도
  • 줄 가열은 유체의 온도를 500도로 상승시킴
  • 분극 유체는 전기장 윤곽을 따라 유체의 속도를 유도함

Micro/Biofluidics with FLOW-3D – Liquid handling (액체 취급)

나노리터 물방울의 정밀 분배

  • 섬세하고 정확한 분석
  • 원액의 소비를 정확하게 제어할 수 있음
  • 유체 특성/동역학에 기반한 공정 파라미터
    – 자유 표면 흐름의 복잡성을 고려
    – 자연스러운 모세관 중심 불안정을 고려
    – 씨닝 및 핀치 오프를 고려

방울의 형성 및 분리

  • 모세관, 관성, 점성 및 중력의 복잡한 상호 작용
  • 표면 장력과 점성력이 “핀치 오프”를 넘어가면 분리가 발생
  • FLOW-3D는 예측할 수 있음
    – 근본적인 응력
    – 확장된 유동장
    – 희석된 액체 필라멘트 내의 유동장을 시각화

미세 방울의 병합을 위한 유전영동

  • 유전영동력은 불균일한 전기장(일반적으로 AC전기장)에서 움직임을 유발함
  • 나노리터 유체 또는 나노 규모 입자의 특성을 다루고 처리하는데 사용

유동 집중

  • 다유체 계면 장력 파악
  • 방울 형성의 세부 사항 확인
  • 미세 방울의 진화 파악 (형태/크기)

FLOW-3D DEM

FLOW DEM

 

FLOW DEM 은 FLOW-3D 의 기체 및 액체 유동 해석에 DEM(Discrete Element Method : 개별 요소법) 기법인 입자의 거동을 분석해주는 제품입니다.

입자 – 입자 간, 입자 – 벽 사이의 접촉이나 상호 작용을 모델링 할 수 있으므로 보다 현실적인 입자 거동의 해석이 가능합니다. 
또한 유체 부분은 전문적인 FLOW-3D 분석 기능을 사용하기 때문에 유체 와 입자거동의 연성해석을 정밀하게 또한 효율적으로 분석할 수 있습니다.

주요 기능 :
  • 고체 요소의 충돌, 스프링(Spring) / 대시 포트(Dash Pot) 모델 적용
  • Void, 1 fluid, 2 fluid(자유 계면 포함) 각각의 모드에 대응
  • 가변 밀도 / 가변 직경
  • 입자 크기조절로 입자 특성을 유지하면서 입자 수를 감소
  • 독립적인 DEM의 Sub Time Step 이용

Discrete Element Method : 개별 요소법

다수의 고체 요소의 충돌 운동을 분석하는 데 유용합니다. 유동 해석과 함께 사용하면 광범위한 용도에 응용을 할 수 있습니다.

dem1
dem2

입자 간의 충돌

Voigt model은 스프링(Spring) 및 대시 포트(Dash pot)의 조합에 의해 입자 충돌 시의 힘을 평가합니다. 탄성력 부분은 스프링 모델에서,
비탄성 충돌의 에너지 소산부분은 대시 포트 모델에서 시뮬레이션되고 있으며, 중량 및 항력은 작용하는 외력으로 고려 될 수 있습니다.

 
  • 스프링 : 변형에 관련된 힘
  • 대시 포트 : 충돌시의 상대 속도에 관련된 힘
    (점성 감쇠)
  • 스프링 및 대시 포트를 병렬로 연결
    ⇒ Voigt model
  • 힘은 법선 방향과 접선 방향으로 나누어진다

분석 모드

기본적으로 이용하는 운동 방정식은 FLOW-3D 에 사용되는 질량 입자의 운동 방정식과 같은 것이지만, 여기에 DEM으로 평가되는 항목이 추가되는 형태로 되어 있으며, 실제 시뮬레이션으로는 ‘void + DEM’, ‘1 Fluid + DEM’ , ‘ 1 Fluid 자유계면 + DEM ‘을 기본 유동 모드로 취급이 가능합니다.

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void + DEM 1-fluid + DEM 1-fluid 자유계면 + DEM

입자 유형

입자 타입도 표준 기능의 질량 입자 모델처럼 입자 크기 (반경)와 밀도가 동일한 것 외, 크기는 같지만 밀도가 다른 것이나 밀도는 같지만 크기가 다른 것 등도 취급 가능합니다. 이로 인해 표준 질량 입자 모델에서는 입자 간의 상호 작용이 고려되어 있지 않기 때문에 모든 아래에 가라 앉아 버리고 있었지만, FLOW DEM을 이용하여 기하학적 관계를 평가하는 것이 가능합니다.

dem7-균일
-밀도 변화
-입자크기 변화

응용 분야

1. Mechanical Engineering 분야

Resin filling, screw conveyance, powder conveyance

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2. Civil Engineering분야

Debris flow, gravel, falling rock

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3. Chemical Engineering, Pharmaceutics 분야

Fluidized bed, cyclone, stirrer

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4. MEMS, Electrical Engineering 분야

전기 입자를 포함한 전기장 해석 등

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Coarse Graining

DEM은 일반적으로 다수의 입자를 필요로 하는 해석에 사용이 되고 있습니다. 다만 이 경우, 계산 부하가 높아지므로 현실적인 계산자원을 고려하면, 입자 수가 줄여 해석할 필요가 있습니다 .

Particle Size Increase 경우

 

중자 모래 분사 분석

DEM에서의 계산부하를 생각할 때는 입자모델에 의한 안정제한을 고려해야 하지만 서브타임스텝이라는 개념을 도입함으로써 입자의 경우와 유체의 경우의 타임스텝을 바꾸고 필요이상으로 계산시간을 들이지 않고 효율적으로 계산하는 것을 가능하게 하고 있습니다.

이를 통해 예를 들어 중자사 분사 시뮬레이션 실험에서는 이러한 문제로 자주 이용되는 빙엄 유체에서는 실험과의 정합성이 별로 좋지 않기 때문에 당사에서는 이전부터 입상류 모델이라는 모델을 개발하고 연속체로부터의 접근에서도 실험과의 높은 정합성을 실현할 수 있는 모델화를 해왔는데, 이번에 DEM을 사용해도 그것과 거의 같은 결과를 얻습니다. 할 수 있음을 확인할 수 있었다.

Reference :

  • Lefebvre D., Mackenbrock A., Vidal V., Pavan V. and Haigh PM, 2004,
  • Development and use of simulation in the Design of Blown Cores and Moulds

[FLOW-3D 물리모델]Electro-mechanics / 기전역학

1. Electric Fields / 전기장

전기포텐셜은 계산영역 내에서 전하와 포텐셜 분포의 함수로 계산될 수 있다. 전기포텐셜은 Model Setup Physics Electro-mechanics 에서 활성화된다. Permittivity of vacuum 는 해석을 위해 시스템 단위에 맞게 지정되어야 한다. 해석하는 동안에 입자가 존재하면 입자전하가 정의되어야 한다. ; 영역 내 존재하는 모든 입자는 같은 전하를 갖는 것으로 가정한다. 게다가 Fluid electric charge field 모델은 또한 전기적으로 부하가 걸린 유체를 해석하도록 활성화 될 수가 있다.

유체#1 과 유체#2 의 전도도 및 유전체상수는 Fluids Properties Electrical Properties 에서 정의된다. Fluid electric charge field 가 사용되면 초기유체전하밀도는 Model Setup Meshing & Geometry Initial 에서 정의 된다. 그러나 전기포텐셜(전기장)은 계산영역 내에서 유체가 없이도 활성화 될 수 있다.

격자 경계에서의 조건들은 Model Setup Meshing & Geometry Mesh Boundaries 에서 정의된다. 전기 포텐셜의 경계조건은 전도 또는 절연일 수 있다. 한 경계는 Specified potential boundary 을 선택하고 그 경계에서의 전기 포텐셜의 특정 값을 지정함으로써 전도를 할 수가 있다. 또한 시간의 함수로 주어질 수도 있다. Fluid electric charge field 가 사용되면 밀도가 시간의 함수로 입구경계에서 정의될 수 있다.

계산영역 내에 고체구성요소가 존재하면 이들은 두 가지 형태를 갖는다: IOEPOTM 의 값에 따라 유전체거나 전도체. IOEPOTM 가 지정되지 않으면 그 구성요소는 고정 포텐셜을 갖는 것으로 간주된다. 이 속성들은 Meshing & Geometry Component Properties Electrical Properties 에서 정의된다. 구성요소의 초기부하밀도는 Meshing & Geometry Geometry Component Initial Electric Charge Density 에서 정의 된다.

포텐셜을 지배하는 Poisson 방정식의 해는 GMRES 반복법에 의해 구해진다. 수렴기준과 최대 반복수는 EPSELE 과 MAXPHIT에서 각기 정의된다. 두 매개변수 모두 적당한 디폴트 값을 가지며 일반적으로 이들을 변화시키지 않아야 한다. 이 모두 input (File Edit Simulation) 파일을 편집하여 변경된다.

See also:

  • Input Variable Summary and Units section Scalar Electrostatics, Electro-osmosis and Electromechanics Model Parameters
  • Model Reference -> Dielectrophoresis
  • Model Reference -> Electro-osmosis (Zeta Potential)
  • Model Reference -> Particles

2, Electro-osmosis (Zeta Potential) / 전기 삼투

많은 물질들(즉 실리카 또는 유리 같은)은 물(극성을 띠는)같은 매질(전해용액)과 접촉하게 될 때 표면전하를 가질 것이다. 이런 경우가 발생할 때에 EDL (Electric Double Layer)을 생성한다. EDL 이란 표면전하를 중립화하기 위해 양이온보다 많은 음이온이 존재하는 부하표면 가까이의 층을 말한다. 전기 포텐셜(zeta-potential) 이 실험적으로 측정될 수 있는 액체 고체쌍의 물성을 보여주는 EDL에 의해 생성된다. 전기삼투유동이 EDL 의 존재와 그 위에 부과된 외부 포텐셜로 인해 발생한다. 전기삼투를 모델링하기 위해 electric potential 모델이 Electric Fields 에서 기술된 바와 같이 Physics Electro-mechanics 에서 활성화되어야 한다. 전기삼투모델은 이때 같은 window 에서 활성화된다.

 

이 모델은 Physics Electro-mechanics 에서 정의되는 2개의 집중변수, F*C F/R*T 를 필요로 하는데 여기서 F 는 Faraday 상수, C 는 체적용액내의 이온농도, R 은 보편기체상수 그리고 T 는 Kelvin 단위의 주위 온도이다. 유체의 전기 물성치는 Fluids Properties Electrical Properties 에서 정의된다.

구성요소들의 전기적물성은 Meshing & Geometry Geometry Component Electrical Properties 에서 정의된다. 전기포텐셜 모델에서 필요한 물성에 추가하여 Zeta-potential 이 또한 정의되어야 한다. Zeta-potential 은 단지 개체(모든 격자 경계에서는 Zeta-potential 의 구배가 0으로 가정되어 있다.)와 관련되어 있고 디폴트 Zeta-potential 은 0이다.

See also:

3. Electro-thermal Effects / 전기열 효과

자유전하 및 Joule 발열은 물질의 전기전도에 따라 나타나는 두 결과이다. 전하의 형성, 이완 그리고 대류이송을 기술하는 전하밀도 방정식은 전기장 방정식과 함께 해석된다. 그 때에 전하층은 유체 경계면이나 유체와 전기와 유전체 힘을 유도하는 고체면사이의 경계에서 나타난다.

Joule 발열과 추가력이 전류에 의한 고체와 유체의 가열을 포함하도록 더해질 수 있다. 이런 모델들의 선택은 Physics Heat Transfer Fluid internal energy advectionPhysics Heat Transfer Full energy equation 에서 열에너지 전달의 활성화를 필요로 한다. 전기포텐셜모델 역시 Physics Electro-mechanics 에서 활성화되어야 한다.

electro-thermal forces 선택을 갖는 Joule 발열은 유전율과 온도에 따른 전도의 변화로 인해 발생하는 유체내의 힘들을 포함한다. 각 속성은 Permittivity temperature sensitivity, Conductivity temperature sensitivity 그리고 Electric field angular frequency 와 같이 Physics Electromechanics and Fluids에서 정의된다.

전기 전도도는 전기 열 효과가 작동하기 위해 유체에서 정의되어야 한다. 이는 Model Setup → Fluids → Fluid 1 or 2 → Electrical Properties 에서 정의된다.

4. Dielectrophoresis / 유전영동

유전력은 적용되는 전기장에서 유체분자 및 입자의 극성화에 의해 발생한다. 우선 전기 포텐셜 모델이 Physics → Electro-mechanics 에서 활성화되어야 한다. 그 후에 유전영동 모델은 같은 창에서 활성화된다. 유체에 대한 유전 속성은 Fluids → Properties → Electrical Properties 에서 정의된다.

형상 구성요소에서 관련물성은 Meshing & Geometry → Geometry → Component 에서 정의된다.

Electrical Properties:

유전영동 모델이 Physics → Electro-mechanics 에서 활성화되면 유전력은 1보다 큰 유전상수를 갖는 유체 안에서 작용한다. 유전력은 또한 모든 계산영역에 있는 질량입자에 적용된다. 이 경우 입자 유전율은 Physics → Electro-mechanics 에서 정의되어야 한다. 유전이동은 각 힘이 영향을 미치는 척도가 다르기 때문에 전기삼투모델과는 같이 사용될 수 없다. 유전이동모델은 전기삼투가 작동되면 자동적으로 비활성화된다. 전기삼투모델은 Physics → Electro-mechanics 에서 작동되는데 이 경우 추가 input 이 필요하고 같은 Electro-mechanics 창에서 주어질 수 있다. Meshing & Geometry → Geometry → Component Properties → Electrical Properties 에 있는 각 고체 구성요소에 대해 Zeta-potential 이 정의된다. Permittivity of vacuum (ELPERM)은 electrical units 에서 지정되는데 적정한 전기단위(즉, MKS 단위의 경우 볼트의 포텐셜, 쿨롱의 전하에 대해 ELPERM = 8.8542×10-12 C/(V m))를 반영하도록 정의되어야 한다. 모든 유전율들은 물질의 유전상수에 대한 진공의 유전상수 비율로 나타난다.

두 implicit solver, GMRES ADI 가 전기 포텐셜 방정식 풀이에 이용된다.
See also:
• Model Reference -> Electric Fields.
• Model Reference -> Electro-osmosis (Zeta Potential).
• Flow Science Technical Note 56 on modeling dielectric phenomena at http://users.flow3d.com/technotes/default.asp.

Dielectrophoresis

Dielectrophoresis

Dielectrophoresis(유전이동)는 불균일한 전기장(보통 AC전기장)안에서 활동을 유도하기 위해 편광 시킬 수 있는 입자들에게 힘의 구축을 수반합니다. Dielectrophoretic 힘을 해결 및/또는 나노 크기의 미소 규모의 bioparticles 조작들을 특징 짓는데 사용될 수 있습니다. 이러한 것들 중에 세포나 바이러스, 박테리아, DNA 등을sorting, trapping, separating 하는 것을 포함될 수 있습니다. FLOW-3D안에서 Dielectrophoresisone-fluid 또는 two-fluid flow, with or without sharp interfaces 등의 기능들을 이용하여 설명될 수 있습니다.