Figure 6: Anticipated amplitude response of the sensors during scour and sedimentation processes.

교량 붕괴의 주범, 세굴! 토양 전자기 특성을 이용한 무선 모니터링 신기술

이 기술 요약은 Panagiotis Michalis 외 저자가 2015년 Smart Materials and Structures에 발표한 논문 “Wireless monitoring of scour and re-deposited sediment evolution at bridge foundations based on soil electromagnetic properties”를 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.

키워드

Primary Keyword: 교량 세굴 모니터링
Secondary Keywords: 무선 센서, 토양 전자기 특성, 구조 건전성 모니터링, 홍수 피해 예방, 실시간 모니터링

Executive Summary

도전 과제: 교량 세굴은 구조물 붕괴의 주요 원인이지만, 기존의 검사 방식은 비용이 많이 들고 홍수 시에는 적용이 불가능하여 실시간 대응이 어렵습니다.
해결 방법: 주변 토양의 유전율(dielectric permittivity) 변화를 감지하는 전자기 센서가 통합된 새로운 무선 프로브를 개발했습니다.
핵심 돌파구: 이 센서는 세굴 깊이, 퇴적물 재퇴적 과정을 정확하게 감지할 뿐만 아니라, 기존의 다져진 토양과 느슨하게 재퇴적된 퇴적물을 구별할 수 있어 기초의 하중 지지 능력에 대한 중요한 정보를 제공합니다.
핵심: 이 저비용 실시간 모니터링 시스템은 구조적 붕괴 위험에 대한 조기 경보를 제공하여 교량 안전을 획기적으로 개선할 수 있는 대안을 제시합니다.

도전 과제: 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한 이유

최근 기후 변화로 인해 극심한 강우와 돌발 홍수가 빈번해지면서, 수로에 건설된 교량은 세굴(scour)로 인한 붕괴 위험에 크게 노출되어 있습니다. 세굴은 교량 기초 주변의 하상 토양이 물의 흐름에 의해 침식되는 현상으로, 구조적 불안정을 야기하여 치명적인 붕괴로 이어질 수 있습니다.

기존의 교량 안전 점검은 주로 잠수부의 육안 검사에 의존하는데, 이는 비용과 시간이 많이 소요될 뿐만 아니라, 유속이 빠른 홍수 기간에는 안전 문제로 수행 자체가 불가능합니다. 더 큰 문제는 홍수 후 세굴로 파였던 공간이 느슨한 퇴적물로 다시 채워지는 경우입니다. 이 재퇴적된 토양은 원래의 다져진 토양만큼의 지지력을 갖지 못해 작은 규모의 홍수에도 쉽게 다시 유실되어 구조물의 안전을 심각하게 위협합니다. 하지만 기존의 사후 검사 방식으로는 이렇게 ‘숨겨진’ 세굴을 발견하기 어렵습니다. 이러한 기술적 한계는 교량의 안전성을 평가하고 유지보수 계획을 수립하는 데 있어 중대한 난제로 남아있었습니다.

접근 방식: 방법론 분석

본 연구는 토양의 전자기적 특성, 특히 유전율(dielectric permittivity)의 차이를 이용한 새로운 모니터링 개념을 제시합니다. 물(유전율, ɛw ≈ 80)은 건조한 토양 입자(ɛs = 3 ÷ 5)나 공기(ɛa ≈ 1)에 비해 월등히 높은 유전율 값을 가집니다. 이 원리를 이용하여, 연구팀은 여러 개의 전자기 센서가 내장된 프로브를 개발했습니다.

이 프로브는 진폭 영역 반사 측정법(Amplitude Domain Reflectometry, ADR) 기술을 사용합니다. 각 센서는 주변 매질(토양 또는 물)의 유전율에 따라 임피던스가 변하는 커패시터 역할을 합니다. 센서가 토양에 묻혀 있을 때와 물에 노출되었을 때의 유전율 차이로 인해 반사되는 신호의 진폭이 크게 달라지며, 이를 통해 세굴 발생 여부를 감지할 수 있습니다.

이 시스템의 실효성을 검증하기 위해 다음과 같은 실험을 수행했습니다. 1. 정적 세굴 시뮬레이션: 실험실 내 원통형 탱크에서 다양한 종류의 토양(자갈, 모래)과 수질 조건(담수, 염수) 하에 인위적으로 토양을 제거하며 센서의 반응을 측정했습니다. 2. 실시간 수로 실험(Flume Experiments): 실제 하천 환경과 유사하게 조성된 대형 수로에서 물의 흐름을 발생시켜 실시간으로 세굴 및 퇴적 현상을 유도하고, 무선으로 연결된 센서 프로브를 통해 데이터를 수집 및 분석했습니다.

이 접근법을 통해 센서는 세굴 깊이의 변화뿐만 아니라, 재퇴적된 토양의 밀도 변화까지 감지하여 교량 기초의 안정성에 대한 보다 정밀한 정보를 제공할 수 있습니다.

돌파구: 주요 발견 및 데이터

발견 1: 세굴 및 퇴적에 대한 높은 민감도와 정확한 감지

실시간 수로 실험 결과, 개발된 센서 시스템은 세굴 및 퇴적 과정의 미세한 변화를 매우 민감하게 감지했습니다. 예를 들어, 굵은 모래 혼합물로 진행된 실험에서(그림 19a), 초기에는 토양 속에 묻혀 있던 센서 S2와 S3는 약 27 이하의 낮은 유전율 값을 보였습니다.

실험 시작 1시간 후, 세굴 깊이가 7.2cm에 도달하자 센서 S2의 유전율 값은 물의 유전율 값인 75까지 급격히 상승하여 해당 지점이 완전히 물에 노출되었음을 명확히 보여주었습니다.
실험 시작 2.5시간 후, 세굴이 15.7cm까지 깊어지자 센서 S3의 유전율 값 역시 75까지 상승했습니다.
실험 시작 5시간 후, 인위적으로 퇴적을 유도하자 S3와 S2의 유전율 값은 각각 37과 34로 다시 감소하여, 해당 위치가 다시 퇴적물로 채워졌음을 성공적으로 감지했습니다.

이러한 결과는 센서가 수중 하상 변화를 실시간으로 정확하게 추적할 수 있음을 입증합니다.

Figure 1: (a) Permittivity values obtained in various porosity conditions and (b) electromagnetic fringing field
generated between 2 electrodes penetrating the external medium outside the access tube. — Figure 1: (a) Permittivity values obtained in various porosity conditions and (b) electromagnetic fringing field generated between 2 electrodes penetrating the external medium outside the access tube.

발견 2: 기존 토양과 재퇴적된 토양의 밀도 차이 식별

본 연구의 가장 중요한 성과는 세굴 감지를 넘어, 재퇴적된 토양의 물리적 특성까지 추정할 수 있다는 점입니다. 센서가 측정한 유전율 값을 토양 혼합 모델(soil mixing model)에 적용하여 토양의 건조 밀도(dry density)를 추정했습니다.

굵은 모래 실험에서(그림 20a), 세굴 전 센서 S2와 S3 위치의 초기 토양 밀도는 각각 1.5 g/cm³와 1.6 g/cm³로 측정되었습니다.
세굴 후 재퇴적이 완료된 시점에서, 동일한 위치의 토양 밀도는 각각 1.2 g/cm³와 1.3 g/cm³로 현저히 낮아졌습니다.

이는 재퇴적된 퇴적물이 기존의 다져진 원지반 토양보다 훨씬 느슨한 상태임을 의미하며, 이는 교량 기초의 지지력 감소와 직결되는 매우 중요한 정보입니다. 이 센서 시스템은 단순히 하상 높이의 변화뿐만 아니라, 지반의 공학적 특성 변화까지 감지할 수 있는 잠재력을 보여주었습니다.

Figure 2: Small-scale off-the-shelf probe equipped with wireless interface.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

공정 엔지니어 (토목/구조 엔지니어)에게: 이 연구는 홍수 후 긴급 복구나 사후 대응이 아닌, 지속적인 모니터링을 통한 선제적 유지보수 전략을 가능하게 합니다. 세굴 위험이 감지되면 즉각적인 보강 조치를 취하여 대규모 붕괴를 예방할 수 있습니다.
품질 관리팀 (인프라 자산 관리자)에게: 논문의 그림 19와 20의 데이터는 세굴과 재퇴적에 따른 유전율 및 밀도 변화를 명확히 보여줍니다. 이는 교량 기초의 건전성 상태를 실시간으로 평가하고, 위험 등급을 정량화하여 한정된 예산 내에서 가장 시급한 구조물부터 검사 및 보수를 진행하는 데 중요한 기준을 제공할 수 있습니다.
설계 엔지니어 (교량 설계자)에게: 실제 현장에서 수집된 장기적인 세굴 및 퇴적 동역학 데이터는 기존의 경험적 설계 공식을 보완하고, 더 안전하고 내구성 있는 교량 기초를 설계하는 데 귀중한 자료로 활용될 수 있습니다.

논문 상세 정보

Wireless monitoring of scour and re-deposited sediment evolution at bridge foundations based on soil electromagnetic properties

1. 개요:

제목: Wireless monitoring of scour and re-deposited sediment evolution at bridge foundations based on soil electromagnetic properties (토양 전자기 특성에 기반한 교량 기초의 세굴 및 재퇴적 퇴적물 변화 무선 모니터링)
저자: Michalis, Panagiotis and Tarantino, Alessandro and Tachtatzis, Christos and Judd, Martin D
발행 연도: 2015
학술지/학회: Smart Materials and Structures, 24 (12)
키워드: Structural health monitoring; Geophysics; Electromagnetism; Wireless sensor; Scour; Sediment re-deposition; Soil density; Flood; Bridge foundation.

2. 초록:

유압 구조물은 교통 인프라에서 가장 취약한 요소입니다. 최근 강수량 증가는 심각하고 빈번한 돌발 홍수를 유발했으며, 이로 인해 교량은 세굴로 인한 붕괴 위험이 높아졌습니다. 본 연구는 구조적 붕괴가 임박했음을 조기 경보하는 시스템을 지원하기 위해, 교량 기초 부근의 세굴 깊이 변화와 퇴적물 퇴적 과정을 측정하는 새로운 센서를 제시합니다. 모니터링 시스템은 주변 교량 기초의 유전율 변화를 감지하도록 설계된 전자기 센서가 통합된 프로브로 구성됩니다. 이 프로브는 무선 인터페이스를 갖추고 있으며, 다양한 토양 유형과 실제 설치 환경에서 흔히 발생할 수 있는 온도 및 수질 염도 조건 하에서 세굴 및 퇴적물 퇴적을 감지하는 능력을 평가받았습니다. 또한 원지반 퇴적물과 재퇴적된 퇴적물을 구별할 수 있는 새로운 방법론이 개발되어 기초의 하중 지지 능력에 대한 중요한 정보를 제공합니다. 실험적 접근법은 ‘정적’ 세굴 시뮬레이션과 실시간 개방 수로 실험을 사용하여 검증되었습니다. 결과는 이 센서가 수중 하상 변화에 매우 민감하며, 기존 장비에 대한 경제적이고 정확한 구조 건전성 모니터링 대안을 제공할 수 있음을 나타냅니다.

3. 서론:

최근 몇 년간 전 세계적으로 발생한 심각하고 빈번한 홍수로 인해 교량은 세굴로 인한 붕괴 위험이 높아졌습니다. 세굴은 구조물 기초 주변의 하상이 침식되어 구조적 불안정을 초래하고 궁극적으로 치명적인 붕괴를 일으키는 현상입니다. 홍수로 인한 세굴은 교량 붕괴의 주요 원인으로, 인명 손실, 교통 두절 및 막대한 경제적 손실을 초래합니다. 세굴은 대부분의 유압 구조물에서 사용 기간 동안 발생할 것으로 예상됩니다. 예를 들어 영국에는 9,000개 이상의 주요 수로 교량과 거의 95,000개의 교량 경간 및 암거가 세굴 과정에 취약합니다. 2003년까지 교대 및 교각 세굴은 130건 이상의 철도 교량 붕괴와 관련된 가장 흔한 원인으로 확인되었습니다. 영국 철도 구조물에 대한 세굴 피해만 해도 연평균 1백만 파운드가 넘는 것으로 추정됩니다. 미래 예측에 따르면 유럽 전역의 극심한 홍수 빈도는 2050년까지 두 배로 증가할 것으로 예상되며, 이는 고속도로 및 철도 인프라에 중대한 영향을 미칠 것입니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

교량 붕괴의 주된 원인인 세굴 현상은 기후 변화로 인한 홍수 빈도 증가로 인해 그 위험성이 더욱 커지고 있습니다. 기존의 시각적 검사 방법은 비용과 시간, 안전상의 문제로 한계가 명확하며, 특히 홍수 후 재퇴적된 토양으로 인해 숨겨진 위험을 파악하기 어렵습니다.

이전 연구 현황:

과거에는 지진파 반사 프로파일링, 지표 투과 레이더(GPR), 음향 측심기 등 다양한 지구물리학적 방법이 세굴 측정에 사용되었습니다. 또한, 시간 영역 반사 측정법(TDR)이나 광섬유 브래그 격자(FBG) 센서를 영구적으로 설치하는 방식도 연구되었으나, 높은 비용, 내구성, 복잡한 데이터 처리 등의 문제로 현장 적용이 제한적이었습니다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 토양의 전자기적 특성을 이용하여 세굴 및 퇴적 과정을 실시간으로 모니터링할 수 있는 저비용의 새로운 무선 센서 기술의 성능을 평가하는 것입니다. 특히, 원지반 토양과 지지력이 약한 재퇴적 토양을 구별하는 방법론을 개발하여 교량 기초의 안정성에 대한 보다 정확한 정보를 제공하고자 합니다.

핵심 연구:

연구의 핵심은 진폭 영역 반사 측정법(ADR) 기술을 기반으로 한 다중 센서 프로브를 개발하고, 이를 무선 통신 모듈과 결합하여 실시간 원격 모니터링 시스템을 구축하는 것입니다. 이 시스템을 이용해 (1) 다양한 환경 조건(토양 종류, 염도, 온도)에서의 센서 민감도 평가, (2) 토양 밀도 추정을 위한 혼합 모델 보정, (3) 실제와 유사한 흐름 조건 하에서의 실시간 세굴 및 퇴적 추적 능력 검증을 수행했습니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 실험실 기반의 기초 성능 평가와 실제 환경을 모사한 동적 성능 검증의 두 단계로 설계되었습니다. 첫째, 센서의 기본 교정 및 환경 변수(염도, 온도)에 대한 민감도를 평가했습니다. 둘째, 다양한 밀도로 다져진 토양 샘플을 통해 유전율과 토양 밀도 간의 관계를 정립하는 모델을 보정했습니다. 셋째, ‘정적’ 세굴 테스트를 통해 여러 토양 유형에서 센서의 반응을 확인했습니다. 마지막으로, 대형 수로(flume)에서 실제 물의 흐름을 이용한 실시간 세굴 및 퇴적 실험을 수행하여 시스템의 종합적인 성능을 검증했습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

데이터는 프로브에 장착된 각 센서로부터 전압 신호 형태로 수집되었습니다. 이 전압 값은 제조사가 제공한 6차 다항식을 사용하여 유전율(permittivity)로 변환되었습니다. 수집된 유전율 데이터는 보정된 2상 혼합 모델(two-phase mixing model)을 통해 토양의 공극률(porosity) 및 건조 밀도(dry density)로 계산되었습니다. 모든 데이터는 저전력 무선 노드(AdvanticSys CM 5000)를 통해 실시간으로 기지국(노트북)에 전송되어 기록 및 분석되었습니다. 수로 실험 중 실제 세굴 깊이는 버니어 포인트 게이지를 사용하여 주기적으로 측정하여 센서 데이터와 비교 검증했습니다.

연구 주제 및 범위:

연구는 교량 기초 주변의 세굴 및 재퇴적 현상을 모니터링하는 새로운 무선 센서 기술의 개발 및 검증에 초점을 맞췄습니다. 연구 범위는 (1) 센서의 교정 및 염도/온도 영향 평가, (2) 토양 밀도와 유전율 간의 관계 모델링, (3) 다양한 토양(중간 자갈, 굵은 모래, 중간 모래)에서의 정적/동적 세굴 감지 능력 평가를 포함합니다. 실험은 담수 및 고농도 염수(35 ppt) 조건에서 수행되었습니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

센서는 유전율 값 1(공기)부터 80(물)까지의 범위에서 매우 정확한 측정이 가능함을 검증했습니다. 염도가 높은 물에서는 측정값의 포화 현상이 나타났으나, 토양과 물을 구별하는 데는 충분한 신호 변화를 보였습니다.
토양 밀도가 증가함에 따라 측정된 유전율 값이 예측대로 증가하는 것을 확인했으며, 이를 통해 토양의 다짐 상태를 평가할 수 있는 가능성을 입증했습니다.
실시간 수로 실험에서 센서는 수 cm 단위의 세굴 및 퇴적 변화를 성공적으로 추적했습니다.
가장 중요한 결과로, 센서는 세굴 전의 다져진 토양(예: 밀도 1.6 gr/cm³)과 세굴 후 느슨하게 재퇴적된 토양(예: 밀도 1.3 gr/cm³)을 밀도 차이를 통해 명확하게 구별해냈습니다.

Figure 목록:

Figure 1: (a) Permittivity values obtained in various porosity conditions and (b) electromagnetic fringing field generated between 2 electrodes penetrating the external medium outside the access tube.
Figure 2: Small-scale off-the-shelf probe equipped with wireless interface.
Figure 3: Sensing electronics placed at each sensor location, adapted from [21].
Figure 4: Wireless node components.
Figure 5: (a) Wireless probe used in the experimental scour tests and (b) real-time wireless data transmission to the base station.
Figure 6: Anticipated amplitude response of the sensors during scour and sedimentation processes.
Figure 7: Evaluation of the probe in various solvents.
Figure 8: Experimental set up for soil density tests.
Figure 9: (a) Experimental setup and (b) sensor position during ‘static’ scour tests.
Figure 10: Flume experimental set up.
Figure 11: (a) Position of sensors in the riverbed segment; (b) wireless node location downstream of the scour probe and data transmission to the base station at the entrance of the flume.
Figure 12: Measured and predicted voltage output in solvents with known dielectric constant values.
Figure 13: Sensor response in various salinity conditions.
Figure 14: Temperature influence on the sensor output when immersed in (a) fresh water and (b) saline water of 35 ppt.
Figure 15: (a) Density effect on the sensor output and (b) optimum factor a for estimated and experimental permittivity values obtained with non-linear least square error analysis.
Figure 16: (a) Sensor permittivity outputs and (b) estimated soil porosity (n) values obtained for the optimum a factor during ‘static’ scour tests.
Figure 17: Measured and estimated permittivity values for the sensor embedded in (a) gravel (b) coarse sand and (c) medium sand sediments using saline water of 35 ppt.
Figure 18: Permittivity values obtained in (a) coarse sand and (b) medium sand sediments during the saturation process of the riverbed segment.
Figure 19: Measured permittivity values and scour depth during flume experiments in (a) coarse sand mixture and (b) medium sand sediments. The measured scour depth and the location of each sensor along the probe length are also presented for each flume test.
Figure 20: Estimated density values and scour depth during flume experiments in (a) coarse sand mixture and (b) medium sand sediments. The measured scour depth and the location of each sensor along the probe length are also presented for each flume test.

7. 결론:

본 연구는 교량 기초의 세굴 및 퇴적 변화를 지속적으로 모니터링할 수 있는 새로운 기술을 제시했습니다. 진폭 영역 반사 측정법(ADR)을 이용한 이 시스템은 상용 프로브와 무선 인터페이스를 결합하여 실시간 원격 모니터링을 가능하게 합니다.

체계적인 실험을 통해 센서의 교정 곡선, 염도 및 온도에 대한 민감도를 평가했습니다. 특히, 다양한 밀도 조건에서 얻은 실험 데이터를 바탕으로 토양 혼합 모델을 보정하여, 센서 신호로부터 토양의 공극률 및 밀도를 추정할 수 있음을 보였습니다. 이는 원지반 토양과 지지력이 약한 재퇴적 토양을 구별하는 핵심적인 기능입니다.

실시간 수로 실험에서 ADR 센서 플랫폼은 세굴 및 퇴적 과정에 대해 높은 민감도를 보였으며, 재퇴적된 퇴적물이 더 낮은 밀도(더 높은 유전율)를 갖는다는 것을 성공적으로 감지했습니다. 제안된 센싱 기술은 기존의 세굴 검사 방법에 비해 더 경제적이고 정확하며 실시간 대응이 가능한 대안을 제공할 수 있습니다. 본 연구 결과는 이 ADR 센서를 교량 구조 건전성 모니터링 시스템에 통합하여 기초의 하상 변화에 대한 핵심 정보를 제공하는 현장 적용의 중요한 지침이 될 것입니다.

8. 참고 문헌:

Wardhana K and Hadipriono F 2003 Analysis of Recent Bridge Failures in the United States J. Perform. Constr. Facil. 17(3) 144–150
Richardson E V and Davis S R 2001 Evaluating scour at bridges FHWA NHI 01-001: Hydr. Engrg. Circular No. 18 4th Ed. US Department of Transportation Washington DC
Rail Safety and Standards Board 2004 Impact of scour and flood risk on railway structures Rail Safety & Standards Board Infrastructure Integrity Research Project Number T112 London UK
Rail Safety and Standards Board 2005 Safe Management of Railway Structures Flooding & Scour Risk Rail Safety & Standards Board Research Programme Engineering London UK
Jongman B, Hochrainer-Stigler S, Feyen L, Aerts J C J H, Mechler R, Botzen W J W, Bouwer L M, Pflug G, Rojas R and Ward P J 2014 Increasing stress on disaster risk finance due to large floods Nature Climate Change 4 264–268
Hunt B E 2009 Monitoring scour critical bridges NCHRP synthesis 396 Transportation Research Board Washington DC
Arjwech R, Everett M E, Briaud J-L, Hurlebaus S, Medina-Cetina Z, Tucker S and Yousefpour N 2013 Electrical resistivity imaging of unknown bridge foundations Near Surface Geophysics 11(6) 591-598
Gorin S R and Haeni F P 1989 Use of surface-geophysical methods to assess riverbed scour at bridge piers US Geological Survey Water-Resources Investigations Rep. No. 88-4212 Federal Highway Administration Hartford CT
Placzek G and Haeni F P 1995 Surface-geophysical techniques used to detect existing and infilled scour holes near bridge piers Water Resources Investigations Report 95-4009 US Geological Survey Storrs CT
Forde M C, McCann D M, Clark M R, Broughton K J, Fenning P J and Brown A 1999 Radar measurement of bridge scour NDT & E Int. 32(8) 481–492
Mueller D S and Landers N M 1999 Portable Instrumentation for Real-time Measurement of Scour at Bridges Federal Highway Administration Report FHWA-RD-99-085 McLean VA
Schall J D and Price G R 2004 Portable Scour Monitoring Equipment NCHRP Report 515 Transportation Research Board Washington DC
Yankielun N and Zabilansky L 1999 Laboratory Investigation of Time-Domain Reflectometry System for Monitoring Bridge Scour J. Hydraul. Eng. 125(12) 1279–1284
Yu X and Yu X 2009 Time Domain Reflectometry Automatic Bridge Scour Measurement System: Principles and Potentials Structural Health Monitoring 8(6) 463-476
Lin Y B, Lai J S, Chang K C and Li L S 2006 Flood scour monitoring system using fiber Bragg grating sensors Smart Mater. Struct. 15(6) 1950–1959
Zarafshan A, Iranmanesh A and Ansari F 2012 Vibration-Based Method and Sensor for Monitoring of Bridge Scour J. Bridge Eng.17(6) 829–838
Whalley W R, Dean T J and Izzard P 1992 Evaluation of the Capacitance Technique as a Method for Dynamically Measuring Soil Water Content J. Agric. Engng. Res. 52 147-155
Roth K R, Schulin R, Fluhler H and Attinger W 1990 Calibration of Time Domain Reflectometry for Water Content Measurement using a Composite Dielectric Approach Water Res. Res. 26(10) 2267-2273
Birchak J R, Gardner C G, Hipp J E and Victor J M 1974 High dielectric constant microwave probes for sensing soil moisture Proc. IEEE 62(1) 93–98
Dobson M C, Ulaby F T, Hallikainen M T and El-Rayes M A 1985 Microwave dielectric behavior of wet soil part II: Dielectric mixing models IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing GE-23(1) 35-46
Delta-T Devices Ltd 2006 Moisture content sensor and related methods International Patent Publication WO 2006/064266 A1
Delta-T Devices Ltd 2008 User Manual for the Profile Probe: type PR2 Cambridge UK
Maryott A A and Smith E R 1951 Table of dielectric constants of pure liquids Circular 514 Washington US
Michalis P, Saafi M and Judd D M 2013 Capacitive Sensors for Offshore Scour Monitoring Proc. of the ICE – Energy 166(4) 189–196
Michalis P, Saafi M and Judd D M 2012 Integrated Wireless Sensing Technology for Surveillance and Monitoring of Bridge Scour Proceedings of the 6th Int. Conference on Scour and Erosion Paris France 27-31 August 2012 395-402
Stogryn A 1971 Eqs. for Calculating the Dielectric Constant of Saline Water IEEE Trans. On Microwave Theory and Techniques 19(8) 733-736
Weitz A M, Grauel W T, Keller M and Veldkamp E 1997 Calibration of TDR technique using undisturbed soil samples from humid tropical soils of volcanic origin Water Res. Res. 33(6) 1241-1249
Yu C, Warrick A W, Conklin M H, Young M H and Zreda M 1997 Two- and three-parameter calibrations of time domain reflectometry for soil moisture measurement Water Res. Res. 33 2417-2421
Whalley W R 1993 Considerations on the use of time domain reflectometry (TDR) for measuring soil water content J. Soil Sci. 44 (1) 1–9

Expert Q&A: 전문가 질의응답

Q1: 물의 염도가 센서 정확도에 어떤 영향을 미칩니까? 현장 적용 시 문제가 될 수 있나요?

A1: 논문의 그림 13과 14에 따르면, 물의 염도가 15 ppt 이상으로 높아지면 센서가 측정할 수 있는 유전율 값의 상한선에 도달하여(포화 상태), 염도 변화에 따른 유전율 변화를 정확히 측정하기는 어렵습니다. 하지만, 염도가 높은 물의 유전율 값조차도 토양의 유전율 값과는 매우 큰 차이를 보입니다. 따라서 센서가 토양에 묻혀 있다가 염수가 있는 물에 노출될 때 발생하는 신호 변화는 매우 뚜렷하므로, 세굴 발생 여부를 감지하는 데는 전혀 문제가 없습니다.

Q2: 토양 혼합 모델에서 기하학적 매개변수 ‘α’ 값의 중요성은 무엇이며, 어떻게 결정되었나요?

A2: 매개변수 ‘α’는 토양, 물, 공기가 혼합된 매질 내에서 전기장의 방향성을 나타내는 중요한 요소입니다. 이 값을 정확히 알아야 측정된 유전율로부터 토양의 공극률과 밀도를 역으로 계산할 수 있습니다. 본 연구에서는 다양한 밀도로 다져진 모래 샘플에 대한 실험을 통해(그림 15 참조), 비선형 최소 제곱 오차 회귀 분석을 이용하여 최적의 α 값으로 0.478을 도출했습니다. 이 값은 기존 문헌에서 보고된 0.46~0.50 범위와 일치하여 모델의 신뢰성을 높여줍니다.

Q3: 이 시스템이 원지반의 다져진 토양과 홍수 후 느슨하게 재퇴적된 퇴적물을 실제로 구별할 수 있습니까?

A3: 네, 이것이 이 시스템의 핵심적인 장점입니다. 논문의 그림 20에서 볼 수 있듯이, 수로 실험에서 세굴이 발생하기 전의 원지반 토양은 상대적으로 높은 밀도(1.5~1.7 gr/cm³)를 보였습니다. 하지만 세굴 후 퇴적물이 다시 쌓인 후에는 동일한 위치의 토양 밀도가 1.2~1.4 gr/cm³로 현저히 낮아졌습니다. 센서는 이 밀도 차이를 유전율 값의 차이로 감지하므로, 단순히 하상 높이의 복원이 아닌, 지반의 공학적 품질 저하까지 파악할 수 있습니다.

Q4: 센서의 무선 통신 거리는 어느 정도이며, 실제 교량 환경에 적용하기에 충분한가요?

A4: 논문 8페이지에 따르면, 사용된 무선 센서 노드(AdvanticSys CM 5000)는 온보드 안테나를 사용하여 장애물이 없는 공간에서 35m의 통신 범위를 제공합니다. 이는 교각이나 교대 근처에 설치된 센서 프로브에서 교량 상부나 제방에 설치된 기지국까지 데이터를 전송하기에 대부분의 중소 규모 교량 환경에서 충분한 거리입니다. 더 넓은 범위가 필요한 경우 외부 안테나나 중계 노드를 사용하여 확장이 가능합니다.

Q5: 센서가 정적인 실험실 환경이 아닌, 실제와 같은 동적 흐름 조건 하에서 어떻게 검증되었나요?

A5: 연구팀은 길이 12m, 폭 0.4m의 대형 개방 수로(flume)를 이용하여 실제 하천과 유사한 환경을 조성했습니다(섹션 4.4 참조). 펌프를 이용해 최대 1.30 m/s의 유속을 발생시켜 모래 하상에서 실시간으로 세굴이 일어나도록 유도했습니다. 센서는 이 역동적인 환경 속에서 7시간 동안 지속적으로 데이터를 전송했으며, 그 결과는 주기적으로 측정한 실제 세굴 깊이와 매우 잘 일치하여 동적 조건에서의 신뢰성과 성능을 입증했습니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 위한 길

교량 기초의 세굴은 예측하기 어렵고 기존 방식으로 감지하기 힘들어 심각한 인명 및 재산 피해를 야기하는 재해입니다. 본 연구에서 제시된 토양 전자기 특성 기반의 교량 세굴 모니터링 시스템은 이러한 문제를 해결할 획기적인 돌파구를 제공합니다. 이 기술은 저비용으로 실시간 데이터를 제공할 뿐만 아니라, 눈에 보이지 않는 위험, 즉 지지력이 약화된 재퇴적 토양의 존재까지 감지하여 교량 안전 관리를 한 차원 높은 수준으로 끌어올립니다.

STI C&D는 최신 산업 연구를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 돕는 데 전념하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 구성 요소에 어떻게 구현할 수 있는지 알아보십시오.

(주)에스티아이씨앤디에서는 고객이 수치해석을 직접 수행하고 싶지만 경험이 없거나, 시간이 없어서 용역을 통해 수치해석 결과를 얻고자 하는 경우 전문 엔지니어를 통해 CFD consulting services를 제공합니다. 귀하께서 당면하고 있는 연구프로젝트를 최소의 비용으로, 최적의 해결방안을 찾을 수 있도록 지원합니다.

연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr

저작권 정보

이 콘텐츠는 “Panagiotis Michalis” 외 저자의 논문 “Wireless monitoring of scour and re-deposited sediment evolution at bridge foundations based on soil electromagnetic properties”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
출처: http://dx.doi.org/10.1088/0964-1726/24/12/125029

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Fig. 1. A schematic sketch of a GTAW process [Wikipedia].

GTAW 시뮬레이션으로 용접 품질 예측: COMSOL을 활용한 공정 최적화 방안

이 기술 요약은 Yang Xiang, Joyce Hu가 University of Bridgeport에서 발표한 학술 포스터 “Simulation of a Gas Tungsten Arc Welding Process in COMSOL”을 기반으로 합니다. STI C&D의 기술 전문가들이 CAE 전문가를 위해 분석하고 요약했습니다.

키워드

Primary Keyword: 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW) 시뮬레이션
Secondary Keywords: COMSOL, 아크 용접, 용접 공정 모델링, CFD, 열전달 해석, 유체 유동 해석, 용접 품질 최적화

Executive Summary

도전 과제: 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW) 공정은 매우 복잡하며, 시행착오에 의존하는 기존의 방식은 시간과 비용이 많이 소요됩니다.
해결 방법: COMSOL Multiphysics를 사용하여 열전달, 유체 유동, 전류 흐름을 포함하는 통합 아크-용접 풀 모델을 개발하여 GTAW 공정을 시뮬레이션합니다.
핵심 돌파구: 시뮬레이션을 통해 용접 아크와 용접 풀 내부의 온도 분포, 유체 속도 등 핵심 물리 현상을 정량적으로 예측하고 시각화할 수 있습니다.
핵심 결론: GTAW 시뮬레이션은 공정 변수가 최종 용접 품질에 미치는 영향을 사전에 예측하여, 개발 시간을 단축하고 제품 품질을 향상시키는 강력한 도구를 제공합니다.

도전 과제: CFD 전문가에게 이 연구가 중요한 이유

가스 텅스텐 아크 용접(GTAW), 또는 TIG 용접은 항공우주 및 기타 정밀 산업에서 얇은 금속을 접합하는 데 널리 사용되는 핵심 기술입니다. 하지만 용접 전압, 전류, 전극 형상, 보호 가스 유량 등 수많은 공정 변수가 최종 용접 품질에 복잡하게 영향을 미칩니다.

이 때문에 최적의 용접 조건을 찾기 위한 공정 설계 및 재료 선택은 엔지니어의 경험에 크게 의존해 왔습니다. 이러한 시행착오 기반의 접근 방식은 시간과 비용이 많이 들 뿐만 아니라, 개발 기간을 지연시키는 주요 원인이 됩니다. 제품 개발 시간 단축과 생산 비용 절감, 그리고 용접 품질 향상이라는 압박 속에서, 항공우주 기업들을 중심으로 용접 공정을 예측하고 최적화하기 위한 시뮬레이션 도구의 필요성이 절실히 요구되고 있습니다.

접근 방식: 연구 방법론 분석

본 연구는 COMSOL Multiphysics를 활용하여 GTAW 공정의 복잡한 물리 현상을 모델링하는 것을 목표로 합니다. 연구진은 두 단계의 모델 개발 전략을 채택했습니다. 먼저, 아크(arc) 모델과 용접 풀(weld pool) 모델을 각각 독립적으로 개발한 후, 이 두 모델을 통합하여 아크와 용접 풀 간의 상호작용을 정밀하게 시뮬레이션하는 통합 아크-용접 풀 모델을 완성했습니다.

이 모델은 다음과 같은 핵심 물리 법칙을 지배 방정식으로 사용합니다.

전자기학(Electromagnetism): 전기 포텐셜(V)과 자기 포텐셜(A)을 사용하여 전류 밀도(j)와 전기장(E)을 계산하며, 이를 통해 아크에서 발생하는 줄열(Joule heating)과 로렌츠 힘(Lorentz force)을 모델링합니다.
유체 유동(Fluid Flow): 질량 보존 및 운동량 보존 방정식을 통해 용융된 금속(용접 풀)의 유동을 해석합니다.
열전달(Heat Transfer in Fluid): 에너지 보존 방정식을 통해 아크 플라즈마와 용접 풀 내의 열전달 현상을 계산합니다.

이러한 다중 물리(Multiphysics) 접근 방식을 통해, 연구진은 GTAW 공정의 핵심적인 물리 현상을 포괄적으로 해석할 수 있었습니다.

돌파구: 주요 연구 결과 및 데이터

연구진은 개발된 모델을 사용하여 펄스 전류 GTAW 공정의 과도 동작을 시뮬레이션했으며, 그 결과는 아크와 용접 풀의 동적 거동에 대한 깊은 통찰력을 제공합니다.

결과 1: 배경 전류(Background Current) 상태의 열-유동장 분석

펄스 전류의 낮은 구간인 배경 전류 상태(t=0.5 s)에서 시뮬레이션 결과(Figure 2 좌측), 용접 풀의 최고 온도는 14,270 K, 최대 유속은 33.6 m/s로 예측되었습니다. 이는 아크가 공작물에 안정적으로 에너지를 전달하고 있으며, 용접 풀 내에서 유동이 형성되고 있음을 보여줍니다.

결과 2: 피크 전류(Peak Current) 상태의 급격한 온도 및 유속 증가

펄스 전류가 최고조에 달하는 피크 전류 상태(t=1 s)에서는 열-유동장이 극적으로 변화했습니다(Figure 2 우측). 최고 온도는 16,758 K까지 상승했으며, 최대 유속은 118 m/s로 급격히 증가했습니다. 이는 피크 전류가 용접 깊이와 용융지 거동에 결정적인 영향을 미침을 정량적으로 입증합니다. 이처럼 모델은 펄스 전류의 동적 효과를 정밀하게 포착하여, 고급 용접 기술의 최적화에 기여할 수 있음을 보여줍니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

이 연구 결과는 용접 공정을 다루는 다양한 분야의 전문가들에게 다음과 같은 실질적인 통찰을 제공합니다.

공정 엔지니어: 이 연구에서 제시된 모델을 활용하면 양극 재료, 아크 길이, 보호 가스 종류 등 다양한 공정 변수가 용접 풀의 형상과 온도 분포에 미치는 영향을 사전에 분석할 수 있습니다. 이를 통해 실험 횟수를 줄이고 최적의 공정 조건을 더 빠르게 찾을 수 있습니다.
품질 관리팀: Figure 2의 온도 분포 데이터는 열영향부(HAZ)의 범위와 냉각 속도를 예측하는 데 사용될 수 있습니다. 이는 잔류 응력, 균열, 기공과 같은 잠재적 용접 결함을 예측하고, 새로운 품질 검사 기준을 수립하는 데 중요한 정보를 제공합니다.
설계 엔지니어: 용접 풀 내부의 유체 유동 패턴 분석은 용접부의 응고 과정에서 결함이 어떻게 형성되는지에 대한 단서를 제공합니다. 이 정보를 바탕으로 초기 설계 단계에서부터 불완전 용융이나 기공 발생 가능성을 최소화하는 접합부 설계를 고려할 수 있습니다.

논문 상세 정보

Simulation of a Gas Tungsten Arc Welding Process in COMSOL

1. 개요:

제목: Simulation of a Gas Tungsten Arc Welding Process in COMSOL
저자: Yang Xiang, Joyce Hu
발표 연도: 정보 없음
발표 기관: University of Bridgeport, Department of Engineering
키워드: Gas Tungsten Arc Welding (GTAW), COMSOL Multiphysics, arc model, weld pool model, transport phenomena

2. 초록:

이 프로젝트의 목적은 COMSOL Multiphysics를 사용하여 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW) 공정에서의 전달 현상(열전달, 유체 유동, 전류 흐름)을 모델링하는 것입니다. 모델 개발은 아크 모델과 용접 풀 모델이라는 두 개의 개별 모델을 개발하는 것으로 시작하여, 아크와 용접 풀 간의 상호작용을 시뮬레이션하기 위한 통합 아크-용접 풀 모델로 마무리될 것입니다. 통합 아크-용접 풀 모델은 양극 재료, 아크 길이, 보호 가스 등 일부 용접 공정 변수가 최종 용접 품질에 미치는 영향을 연구하는 데 사용될 것입니다.

3. 서론:

가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)은 비소모성 텅스텐 전극을 사용하여 용접을 수행하는 아크 용접 공정입니다. GTAW는 많은 용접 공정 변수가 관련되는 매우 복잡한 공정으로, 부품 설계 및 재료 선택은 종종 엔지니어의 이전 경험에 의존합니다. 이 과정은 시행착오적 특성으로 인해 길고 비용이 많이 듭니다. 제품 개발 시간과 생산 비용을 줄이고 동시에 용접 품질을 개선하고 에너지 소비를 낮추려는 압력 속에서, 항공우주 회사들은 용접 시뮬레이션 도구를 사용하여 용접 공정이 부품에 미치는 영향을 예측하고 공정을 최적화 및 제어하고 있습니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

GTAW(TIG 용접)는 항공우주 산업 등에서 널리 사용되지만, 공정의 복잡성으로 인해 최적의 조건을 찾기 어렵습니다. 전통적인 경험 기반 접근 방식은 시간과 비용 측면에서 비효율적입니다.

이전 연구 현황:

본 포스터는 Traidia와 Roger(2011)의 연구를 샘플 결과로 인용하며, 펄스 전류 GTA 용접의 아크 및 용접 풀 거동에 대한 수치적 및 실험적 연구가 선행되었음을 보여줍니다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 COMSOL Multiphysics를 사용하여 GTAW 공정의 전달 현상을 모델링하고, 이를 통해 다양한 공정 변수가 최종 용접 품질에 미치는 영향을 예측 및 분석하는 것입니다.

핵심 연구:

핵심 연구 내용은 아크 모델과 용접 풀 모델을 개별적으로 개발한 후, 이들을 통합하여 아크와 용접 풀 간의 상호작용을 시뮬레이션하는 것입니다. 이 통합 모델은 공정 최적화를 위한 예측 도구로 활용됩니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 다중 물리(Multiphysics) 시뮬레이션 접근법을 사용합니다. 전자기학, 유체 유동, 열전달 현상을 연계하여 해석하는 통합 모델을 COMSOL 소프트웨어를 이용해 구축합니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

수치 해석을 통해 얻어진 온도장, 속도장, 전류 밀도 등의 데이터를 분석합니다. 포스터에 제시된 샘플 결과는 Traidia와 Roger의 연구에서 가져온 것으로, 특정 조건(배경 전류 및 피크 전류)에서의 시뮬레이션 결과를 시각화하여 보여줍니다.

연구 주제 및 범위:

연구 범위는 GTAW 공정의 아크 및 용접 풀 모델링에 초점을 맞춥니다. 향후 연구에서는 이 모델을 사용하여 양극 재료, 아크 길이, 보호 가스 등의 변수가 용접 품질에 미치는 영향을 분석할 계획입니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

펄스 전류 GTAW 공정의 동적 거동을 성공적으로 시뮬레이션했습니다.
배경 전류(t=0.5s) 상태에서 최대 온도 14,270 K, 최대 속도 33.6 m/s를 기록했습니다.
피크 전류(t=1s) 상태에서 최대 온도는 16,758 K, 최대 속도는 118 m/s로 크게 증가하여, 전류 펄스가 용접 풀 동역학에 미치는 강력한 영향을 확인했습니다.

Figure 목록:

Fig. 1. A schematic sketch of a GTAW process [Wikipedia].
Fig. 2. Computational Domain (top) and sample result (bottom) [Traidia and Roger].

7. 결론:

본 연구는 COMSOL Multiphysics를 사용하여 GTAW 공정을 모델링하는 프레임워크를 제시했습니다. 개발된 통합 아크-용접 풀 모델은 용접 공정 변수가 최종 품질에 미치는 영향을 예측하는 강력한 도구가 될 수 있습니다. 시뮬레이션을 통해 기존의 시행착오적 접근법을 대체하고, 개발 시간 단축, 비용 절감, 용접 품질 향상을 달성할 수 있는 가능성을 보여주었습니다.

8. 참고문헌:

A. Traidia and F. Roger, Numerical and experimental study of arc and weld pool behaviour for pulsed current GTA welding, International Journal of Heat and Mass Transfer, 54 (2011) 2163-2179.
[Wikipedia] (for Fig. 1)

전문가 Q&A: 자주 묻는 질문

Q1: 이 시뮬레이션에 COMSOL Multiphysics를 선택한 특별한 이유가 있나요?

A1: COMSOL Multiphysics는 전자기학, 유체 유동, 열전달과 같은 여러 물리 현상을 하나의 환경에서 연계하여 해석(coupled analysis)하는 데 강점이 있습니다. GTAW 공정은 이러한 물리 현상들이 복잡하게 상호작용하기 때문에, 다중 물리 해석이 가능한 COMSOL이 이 연구에 매우 적합한 도구입니다.

Q2: Figure 2의 용접 풀 내부에서 보이는 소용돌이 패턴은 무엇을 의미하나요?

A2: 이 소용돌이 패턴은 주로 표면 장력 구배로 인해 발생하는 마랑고니 대류(Marangoni convection)를 나타냅니다. 용접 풀 표면의 온도 차이로 인해 표면 장력이 달라지고, 이로 인해 유체가 고온부에서 저온부로 흐르면서 소용돌이가 형성됩니다. 이 유동은 열 분배와 용접 비드 형상에 매우 중요한 역할을 합니다.

Q3: 초록에서 양극 재료(anode materials) 연구를 언급했는데, 모델에서 다른 재료는 어떻게 처리할 수 있나요?

A3: 모델에서 다른 재료를 시뮬레이션하려면 해당 재료의 물리적 속성(물성치)을 입력 데이터로 변경하면 됩니다. 예를 들어, 열전도율, 전기 전도도, 밀도, 비열, 녹는점 등의 값을 새로운 재료의 값으로 교체하여 시뮬레이션하면 해당 재료를 사용했을 때의 용접 결과를 예측할 수 있습니다.

Q4: 결과에서 ‘배경(background)’과 ‘피크(peak)’ 상태를 보여주는 것의 중요성은 무엇인가요?

A4: 이는 펄스 전류 GTAW 공정을 시뮬레이션했음을 의미합니다. 펄스 용접은 높은 전류(피크)와 낮은 전류(배경)를 주기적으로 반복하여 열 입력량을 정밀하게 제어하는 고급 기술입니다. 모델이 이 두 상태의 뚜렷한 차이를 포착할 수 있다는 것은, 단순한 연속 전류 용접뿐만 아니라 더 복잡하고 정밀한 용접 공정도 정확하게 시뮬레이션할 수 있음을 보여줍니다.

Q5: 플라즈마 아크 자체는 모델에서 어떻게 구현되나요?

A5: 플라즈마 아크는 전자기학과 열전달 방정식을 연계하여 모델링됩니다. 전류 밀도(j)와 전기장(E) 계산을 통해 발생하는 줄열(Joule heating, j·E)이 플라즈마의 고온을 유지하는 주된 에너지원입니다. 또한, 전류와 자기장의 상호작용으로 발생하는 로렌츠 힘(j x B)은 플라즈마 제트의 유동을 구동하는 역할을 합니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

이 연구는 복잡하고 경험에 의존하던 용접 공정을 예측 가능한 과학의 영역으로 이끄는 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW) 시뮬레이션의 가치를 명확히 보여줍니다. 시행착오를 거치지 않고도 다양한 공정 변수가 용접 품질에 미치는 영향을 사전에 파악함으로써, 기업은 개발 시간을 단축하고, 비용을 절감하며, 최종 제품의 신뢰성을 획기적으로 높일 수 있습니다.

STI C&D는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 지원하기 위해 최선을 다하고 있습니다. 이 보고서에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보십시오.

연락처 : 02-2026-0450
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr

저작권 정보

이 콘텐츠는 “Simulation of a Gas Tungsten Arc Welding Process in COMSOL” (저자: Yang Xiang, Joyce Hu) 포스터를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
출처: https://core.ac.uk/download/pdf/217482813.pdf

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[Webinar] FLOW-3D를 활용한 마이크로/바이오 유체 애플리케이션 모델링

이 문서는 FLOW-3D 소프트웨어를 활용한 마이크로/바이오 유체 애플리케이션 모델링에 대한 웨비나 내용을 요약한 것입니다. FLOW-3D는 유체 인터페이스가 있는 모든 현상을 다루는 과도기적 자유 표면 흐름 전문 시뮬레이션 소프트웨어입니다. 마이크로유체학은 생명공학, 생체의학, 제약 산업의 다양한 응용 분야에서 중요한 도구로 사용되며, FLOW-3D는 이러한 분야에서 다양한 핵심 모델링 기능을 제공합니다. 특히 동적 접촉각 모델은 작은 길이 스케일의 자유 표면 애플리케이션에서 매우 중요한 역할을 합니다. FLOW-3D는 액체 핸들링, 유량 제어, 입자 함유 유체, Lab-on-a-Chip 애플리케이션 등 다양한 사례 연구를 통해 그 유용성과 정확성을 입증했습니다. 이 소프트웨어는 장치 설계 및 개발 과정에서 설계 공간 탐색, DOE 케이스 실행, 최적화 등을 가능하게 하는 필수적인 도구입니다. 이 컨텐츠는 FLOW-3D를 통해 마이크로/바이오 유체 시스템의 설계 및 최적화를 효율적으로 수행할 수 있음을 보여줍니다.

1. 🚀 FLOW-3D의 개요와 기술적 특성

FLOW-3D는 마이크로 및 바이오 유체 애플리케이션 모델링을 위한 웨비나 내용을 요약하기 위해 작성된 문서이다.
이 소프트웨어는 유체 인터페이스가 있는 모든 과도적 자유 표면 흐름을 시뮬레이션하는 데 전문화된 도구이다.
FLOW-3D는 1980년대 Dr. Tony Hirt가 개발한 체적 유체(VOF, Volume of Fluid) 방법을 기반으로 상용화되었으며, 뉴멕시코 산타페에 본사를 두고 있다.
이 소프트웨어는 일반적인 자유 표면 및 다중 물리 애플리케이션에 특화되어 있고, 마이크로유체, 소비재, 토목 공학, 주조, 적층 제조, 항공우주 추진제 관리 등 다양한 산업 분야에 활용된다.
FLOW-3D 솔버는 3D 과도기적 나비에-스톡스 솔버를 기반으로 하며, 자유 표면 현상은 VOF 또는 TruVOF 기법으로 처리되고, 필요에 따라 통합 다중 물리 모델이 추가된다.

2. 💡 마이크로유체학의 주요 응용과 FLOW-3D의 동적 접촉각 모델

마이크로유체학은 생명공학, 생체의학, 제약 산업에서 다양한 IVD, 약물 전달, 현장 진단, 마이크로어레이, Lab-on-a-Chip(LOC), MEMS 등 여러 응용 분야의 필수 도구로 활용된다.
Lab-on-a-Chip과 같은 복합 마이크로유체 시스템을 시뮬레이션할 때는 이동, 확산, 표면 장력, 자유 표면, 점성, 모세관 압력, 입자 역학, 화학 반응 등을 모두 고려해야 한다.
FLOW-3D의 동적 접촉각 모델은 정적 값 설정을 넘어서, 유체 접촉선에서의 점성력, 관성력, 표면 장력 효과를 통합해 실제 현상과 동일하게 접촉각을 산출한다.
이 모델은 작은 길이 스케일에서의 자유 표면 현상에 필수적이며, 예를 들어 친수성(65도)과 비친수성(120도) 유체가 표면에 충돌할 때 접촉선의 진화 차이를 정확히 모사한다.
마이크로 채널 내 Phase Guide 예시에서 FLOW-3D는 압력이 임계값을 초과할 때 접촉선이 고정되는 Conquest-Finn 조건을 예측하며, 오버플로우 메커니즘 등 복합 현상을 시뮬레이션할 수 있다.

3. 🧪 FLOW-3D 기반 마이크로유체 애플리케이션 사례 요약

정밀 액체 핸들링에서 표면장력과 핀치-오프 메커니즘이 나노리터 드롭렛 분주에 결정적이며, FLOW-3D는 중력, 점성, 관성력의 작용을 실제 실험과 거의 일치하게 예측한다.
유량 제어에서는 다양한 채널 구성(육각형, 직사각형, 분기형)에 따른 유체-유체 교환 효율과 자유 표면 결함 및 압력 불안정 등 입구 역학이 분석되었고, FLOW-3D의 시뮬레이션 결과가 실험치와 7% 이내 오차로 잘 맞는다.
입자 함유 유체의 경우, 관성 마이크로유체학, 부력 및 항력 분석, 외부장(전기, 자기, 음향)에 의한 능동 입자 분류 등이 포함되며, 크기·질량에 따라 입자 분리 양상이 뚜렷하게 달라진다.
Lab-on-a-Chip(LOC) 분야에서는 열전달, 전기동역학, 미세 믹싱, 열 모세관 유동, 줄 발열, 광학 유체학 등에 대해 FLOW-3D를 활용해 설계 최적화와 렌즈 곡률 등 정밀 예측이 가능하다.
전반적으로 FLOW-3D는 모세관 효과, 자유 표면 결함, 표면 장력, 열적 효과 등 마이크로유체 분야의 중요한 물리 현상을 높은 정확도로 시뮬레이션하고 실험 결과와 매우 잘 일치함을 보인다.

3.1. 마이크로유체에서의 정밀 액체 핸들링 및 드롭렛 생성 원리

정밀한 액체 분주 및 이동은 의료 기기에서 샘플을 수집하고 분주하는 초기에 매우 중요한 역할을 한다.
나노리터 드롭렛 생성 시 표면 장력이 드롭렛 역학, 특히 핀치-오프 메커니즘을 결정하는 데 크게 작용한다.
일리노이 대학교 연구에서는 FLOW-3D 시뮬레이션이 중력, 점성, 관성력의 역학을 모두 반영해 드롭렛의 모양을 실험과 매우 유사하게 예측했다.
유전체 영동력은 비균일 전기장 하에서 유전체 특성에 따라 드롭렛을 이동시키는 원리로, 작은 부피의 유체를 효과적으로 조작할 수 있다.
유체 포커싱은 서로 다른 계면 특성을 가진 두 유체(예: 물과 기름)의 유량을 조절하여, 정밀한 드롭렛 배열을 형성하는 기술이다.

3.2. 마이크로 채널 내 다양한 유량 제어 기술 및 적용 사례

마이크로 채널에서 정밀한 유체 조작과 이동이 중요하며, 일부 응용에서는 단백질 분해 방지를 위해 확산 기반 흐름이 활용된다.
Roche Diagnostics의 조직 진단 플랫폼에서는 육각형, 직사각형, 분기형 채널을 비교하여, 분기형이 비효율적임을 확인하고, 입구 특성 분석으로 캐비테이션 기포 형성과 자유 표면 압력 불안정 문제를 밝혀냈다.
원심 플랫폼에서는 비방사형 유량 제어와 공기압 압축 메커니즘이 중요하며, FLOW-3D 시뮬레이션 결과가 실험치와 7% 이내 오차로 일치하여 실장치 설계 개선이 가능함을 보여준다.
전기삼투는 전기장으로 압력차 없이 유체 흐름을 유도해 플러그 흐름 형태의 정밀 유량 제어를 실현한다.
모세관력은 마이크로그루브와 같은 구조에서 모세관 효과에 의해 유체를 이동시키며, FLOW-3D가 실험 결과와 매우 잘 일치함이 버팔로 대학교 연구에서 확인되었다.
확산 기반 흐름은 고전단 응력 회피에 유리하며, Royal Society of Chemistry 연구에서는 두 대류 유닛 연결로 농도 조절이 가능하고, 시뮬레이션과 실험 데이터가 잘 일치함이 검증되었다.

3.3. 마이크로유체 시스템에서 입자 분리 및 분류 기술

입자 함유 유체는 세포 분류와 입자 분리에 활용되며, 이는 샘플 내 기질 분석에 매우 중요하다.
관성 마이크로유체학은 입자의 크기, 유체 역학(hydrodynamics), 항력(drag), 부력(buoyancy)을 기반으로 수동적으로 입자를 분류한다.
메커니즘: 질량, 직경, 항력 계수, 슈미트 수(Schmidt number), 반발 계수(restitution coefficient) 등 개별 입자 특성을 고려한다.
사례: 큰 직경의 입자는 더 큰 항력을 받아 유체와 함께 쉽게 이동하는 반면, 작은 입자는 경로를 유지한다. 질량이 다른 경우, 무거운 입자는 관성이 커 감속하기 어려워 경로를 유지하고 가벼운 입자는 확산된다.
부력 대 항력의 우위는 유동장 특성 및 시스 액체(sheath liquid) 속도에 따라 달라지며, 중력이 작용하는 상황에서는 큰 입자가 부력이 커서 작은 입자 위로 이동하고, 시스 속도가 높으면 항력 효과가 지배적이 되어 큰 입자가 작은 입자 아래로 침전한다.
능동 입자 분류는 외부 전기장 또는 자기장을 사용하여 입자를 분류하는 방식이며, UCLA의 Dino Di Carlo 박사가 이 분야에서 많은 연구를 수행했다.
음향영동 분류는 음향 막을 통해 압력장을 생성하여 서있는 음파를 만들고, 이 파동의 특성에 따라 입자를 채널 중앙으로 집중시켜 분리 및 수집을 용이하게 하며, FLOW-3D의 탄성 막 모델을 사용한다.

3.4. Lab-on-a-Chip 시스템의 핵심 기술 응용

열전달 및 전기동역학은 LOC 시스템에서 필수적인 요소로 작용하며, 미세 유체가 층류 특성을 가져 혼합이 어렵기 때문에 강제적 체적력을 이용한 마이크로 믹서가 필요하다.
곡선 마이크로 채널에서는 D 번호(Dean number)를 조절해 혼합을 유도하고, CFD는 채널 치수 및 유체 특성 기반의 최적 설계에 매우 유용하다.
FLOW-3D의 설계 공간 탐색 및 최적화 도구는 혼합 효율이 가장 우수한 채널 형상을 도출하는 데 효과적이다.
열 모세관 작동은 온도 변화에 따른 표면 장력 변화와 친수성/소수성 조절을 활용해, 물방울을 따뜻한 곳에서 차가운 곳으로 이동시킬 수 있다. 또한 줄 발열(Joule Heating)은 전기장 인가로 발생한 온도상승과 접목해 다양한 유체 이동 및 LOC 기능 구현에 응용된다.
광학 유체학으로 LOC 내에서 렌즈 없이 유체를 이용해 빛을 집중할 수 있으며, 유량 제어로 렌즈 곡률을 변형하거나 다양한 유형의 렌즈 실현이 가능하다. FLOW-3D 시뮬레이션 결과는 실험과 매우 유사해, 정확한 예측 도구임이 검증되었다.

4. 🚀 FLOW-3D의 고성능 컴퓨팅 활용 및 미래 전망

하이브리드 OpenMP 및 MPI 병렬화 기법을 통해 작업 스테이션 대비 클라우드 환경에서 시뮬레이션 속도를 최대 4배까지 높일 수 있다(예: 40코어에서 160코어로 확장 시).
병렬화와 HPC 도입을 통해 설계 공간 탐색, DOE(Design of Experiments), 최적화 같은 반복 작업을 대폭 신속하게 수행할 수 있다.
FLOW-3D는 마이크로유체 및 다중 물리 기능을 예측하는 데 검증된 강력한 도구이며, 모든 핵심 기능이 실험 데이터로 검증되었다.
하드웨어 비용 절감과 HPC 활용으로 시뮬레이션의 확장성과 효율성이 극대화되어 장치 설계 및 개발에서 필수적인 역할을 한다.

FLOW DEM

FLOW-3D DEM Module 개요

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.

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.

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.

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

3. Chemical Engineering, Pharmaceutics 분야

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

4. MEMS, Electrical Engineering 분야

하전 입자를 포함한 전기장 해석 등

입자 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)

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.

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 AM

FLOW-3D WELD 2025R1 변경점

워크플로우 향상

User Interface 통일

FLOW-3D AM 2025R1은 FLOW-3D, FLOW-3D WELD, FLOW-3D DEM의 기능을 매끄럽게 통합하여 획기적인 사용 편의성을 제공합니다. 사용자는 하나의 간소화된 인터페이스 내에서 모든 관련 물리 모델을 활성화할 수 있으며, 단일 또는 이중 합금 적용을 위한 모든 필요한 재료 특성을 정의할 수 있습니다.

신규 프로세스 탬플릿

FLOW-3D AM 2025R1에 새로 추가된 사전 로드 템플릿은 복잡한 시뮬레이션 설정을 그 어느 때보다 쉽게 만들어 줍니다. 사용자는 분말 작업, 레이저 용융, 능동 입자가 포함된 레이저 용융의 세 가지 새로운 템플릿 중 하나로 시뮬레이션을 시작할 수 있습니다. 이후에는 프로세스 시뮬레이션의 다양한 단계 간을 손쉽게 이동할 수 있으며, FLOW-3D AM 내에서 프로젝트의 연속성을 완벽하게 유지할 수 있습니다.

Restrat 워크플로우 향상

모든 입자 데이터, 재료 및 유체 특성을 이제 Restart 시뮬레이션을 위한 초기 유체 영역으로 직접 변환할 수 있습니다. 또한 사용자는 이전 분말층 적층 시뮬레이션에서 생성된 입자층을 시각화하면서 레이저 용융 시뮬레이션을 설정할 수 있습니다.

퍼포먼스 향상

이번 릴리스를 통해 FLOW-3D AM 2025R1은 고성능 컴퓨팅(HPC) 플랫폼을 지원하여 시뮬레이션 처리 속도를 대폭 향상시킵니다. 코어 솔버의 고급 OpenMP – MPI 기능을 활용함으로써, HPC 플랫폼에서의 적층 제조(AM) 시뮬레이션은 일반 워크스테이션 대비 최대 약 9배 빠르게 실행됩니다. 이를 통해 적층 제조 전문가들은 보다 빠른 시뮬레이션 수행으로 핵심 AM 애플리케이션의 시장 출시 시간을 단축할 수 있습니다.

반사 모델 향상

용융 표면의 에너지 반사는 특히 키홀 영역을 시뮬레이션할 때 중요한 요소가 될 수 있습니다. FLOW-3D WELD의 개선된 반사 모델은 레이저 반사를 보다 정확하게 표현할 수 있습니다.

열원 통합 및 개선

업그레이드된 열원 정의 옵션을 통해 사용자는 나선형 및 스큐 라인과 같은 복잡한 레이저 경로를 더 정밀하게 정의할 수 있습니다. 추가적인 제어 기능을 통해 다중 소스 시뮬레이션을 위한 열원 속성을 전송할 수 있어 시간을 절약하고 오류 발생 가능성을 줄입니다.

입자-입자 상호작용

FLOW-3D AM에 새롭게 통합된 DEM 기능은 이제 파티클 위젯 내에서 기본적으로 제공되며, 다양한 입자 클래스에서 지원됩니다. DEM 모델은 병렬화되어 있으며 고성능 컴퓨팅(HPC) 플랫폼과도 호환됩니다.

개선된 반사 모델은 실제 키홀(keyhole) 역학을 보다 정밀하게 재현하기 위해 에너지 반사를 정확하게 포착함

FLOW-3D POST 지원

유체, 용융 영역, 열원, 반사 및 입자를 위한 새로운 사전 구성 객체는 FLOW-3D WELD 시뮬레이션의 시각화를 용이하게 합니다. 일반적으로 사용되는 출력의 주석은 FLOW-3D POST에서 결과 파일을 열면 자동으로 제공되므로 후처리 워크플로우가 가속화됩니다.

와이어 파우더 기반 DED | Wire Powder Based DED

일부 연구자들은 부품을 만들기 위해 더 넓은 범위의 처리 조건을 사용하여 하이브리드 와이어 분말 기반 DED 시스템을 찾고 있습니다. 예를 들어, 이 시뮬레이션은 다양한 분말 및 와이어 이송 속도를 가진 하이브리드 시스템을 살펴봅니다.

와이어 기반 DED | Wire Based DED

와이어 기반 DED는 분말 기반 DED보다 처리량이 높고 낭비가 적지만 재료 구성 및 증착 방향 측면에서 유연성이 떨어집니다. FLOW-3D AM 은 와이어 기반 DED의 처리 결과를 이해하는데 유용하며 최적화 연구를 통해 빌드에 대한 와이어 이송 속도 및 직경과 같은 최상의 처리 매개 변수를 찾을 수 있습니다.

FLOW-3D AM Brochure Download

FLOW-3D AM은 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 공정을 위한 수지 침투 및 확산에 대해 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)

LPBF 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 및 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 통해 분말 크기 분포, 재료 특성, 응집 효과는 물론 롤러 또는 블레이드 움직임 및 상호 작용과 같은 기하학적 효과와 관련된 분말 확산 및 압축을 이해할 수 있습니다. 이러한 시뮬레이션은 공정 매개 변수가 후속 인쇄 공정에서 용융 풀 역학에 직접적인 영향을 미치는 패킹 밀도와 같은 분말 베드 특성에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 정확한 이해를 제공합니다.

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.

이 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.

Melting | 파우더 베드 용해

DEM 시뮬레이션에서 파우더 베드가 생성되면 STL 파일로 추출됩니다. 다음 단계는 CFD를 사용하여 레이저 용융 공정을 시뮬레이션하는 것입니다. 여기서는 레이저 빔과 파우더 베드의 상호 작용을 모델링 합니다. 이 프로세스를 정확하게 포착하기 위해 물리학에는 점성 흐름, 용융 풀 내의 레이저 반사 (광선 추적을 통해), 열 전달, 응고, 상 변화 및 기화, 반동 압력, 차폐 가스 압력 및 표면 장력이 포함됩니다. 이 모든 물리학은 이 복잡한 프로세스를 정확하게 시뮬레이션하기 위해 TruVOF 방법을 기반으로 개발되었습니다.

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.

Multilayer | 다층 적층 제조

용융 풀 트랙이 응고되면 DEM을 사용하여 이전에 응고된 층에 새로운 분말 층의 확산을 시뮬레이션 할 수 있습니다. 유사하게, 레이저 용융은 새로운 분말 층에서 수행되어 후속 층 간의 융합 조건을 분석 할 수 있습니다.

해석 진행 절차는 첫 번째 용융층이 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 응고된 층 간의 융합, 빌드 내 온도 구배를 평가하는 동시에 다공성 또는 기타 결함의 형성을 모니터링 할 수 있습니다.

LPBF의 키홀 링 | Keyholing in LPBF

키홀링 중 다공성은 어떻게 형성됩니까? 이것은 TU Denmark의 연구원들이 FLOW-3D AM을 사용하여 답변한 질문이었습니다. 레이저 빔의 적용으로 기판이 녹으면 기화 및 상 변화로 인한 반동 압력이 용융 풀을 압박합니다. 반동 압력으로 인한 하향 흐름과 레이저 반사로 인한 추가 레이저 에너지 흡수가 공존하면 폭주 효과가 발생하여 용융 풀이 Keyholing으로 전환됩니다. 결국, 키홀 벽을 따라 온도가 변하기 때문에 표면 장력으로 인해 벽이 뭉쳐져서 진행되는 응고 전선에 의해 갇힐 수 있는 공극이 생겨 다공성이 발생합니다. FLOW-3D AM 레이저 파우더 베드 융합 공정 모듈은 키홀링 및 다공성 형성을 시뮬레이션 하는데 필요한 모든 물리 모델을 보유하고 있습니다.

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.

Scan Strategy | 스캔 전략

스캔 전략은 온도 구배 및 냉각 속도에 영향을 미치기 때문에 미세 구조에 직접적인 영향을 미칩니다. 연구원들은 FLOW-3D AM 을 사용하여 결함 형성과 응고된 금속의 미세 구조에 영향을 줄 수 있는 트랙 사이에서 발생하는 재 용융을 이해하기 위한 최적의 스캔 전략을 탐색하고 있습니다. FLOW-3D AM 은 하나 또는 여러 레이저에 대해 시간에 따른 방향 속도를 구현할 때 완전한 유연성을 제공합니다.

Beam Shaping | 빔 형성

레이저 출력 및 스캔 전략 외에도 레이저 빔 모양과 열유속 분포는 LPBF 공정에서 용융 풀 역학에 큰 영향을 미칩니다. AM 기계 제조업체는 공정 안정성 및 처리량에 대해 다중 코어 및 임의 모양의 레이저 빔 사용을 모색하고 있습니다. FLOW-3D AM을 사용하면 멀티 코어 및 임의 모양의 빔 프로파일을 구현할 수 있으므로 생산량을 늘리고 부품 품질을 개선하기 위한 최상의 구성에 대한 통찰력을 제공 할 수 있습니다.

이 영역에서 수행 된 일부 작업에 대해 자세히 알아 보려면 “The Next Frontier of Metal AM”웨비나를 시청하십시오.

Multi-material Powder Bed Fusion | 다중 재료 분말 베드 융합

이 시뮬레이션에서 스테인리스 강 및 알루미늄 분말은 FLOW-3D AM 이 용융 풀 역학을 정확하게 포착하기 위해 추적하는 독립적으로 정의 된 온도 의존 재료 특성을 가지고 있습니다. 시뮬레이션은 용융 풀에서 재료 혼합을 이해하는 데 도움이됩니다.

다중 재료 용접 사례 연구

이종 금속의 레이저 키홀 용접에서 금속 혼합 조사

GM과 University of Utah의 연구원들은 FLOW-3D WELD 를 사용 하여 레이저 키홀 용접을 통한 이종 금속의 혼합을 이해했습니다. 그들은 반동 압력 및 Marangoni 대류와 관련하여 구리와 알루미늄의 혼합 농도에 대한 레이저 출력 및 스캔 속도의 영향을 조사했습니다. 그들은 시뮬레이션을 실험 결과와 비교했으며 샘플 내의 절단 단면에서 재료 농도 사이에 좋은 일치를 발견했습니다.

참조 : Wenkang Huang, Hongliang Wang, Teresa Rinker, Wenda Tan, 이종 금속의 레이저 키홀 용접에서 금속 혼합 조사 , Materials & Design, Volume 195, (2020). https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109056

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.

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 Peng¹ ,Philippe Basset² andZhen-Xi Chen¹¹School 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 printing; flow estimation; MEMS

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.

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.

<내용 중략>…….

Table 2. Open pool test starting voltage results.

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 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 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 9. The initial energy diagrams of chip number A,B,C,D,E type.

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.

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References

Pydar, O.; Paredes, C.; Hwang, Y.; Paz, J.; Shah, N.; Candler, R. Characterization of 3D-printed microfluidic chip interconnects with integrated O-rings. Sens. Actuators Phys. 2014, 205, 199–203. [Google Scholar] [CrossRef]
Ohtani, K.; Tsuchiya, M.; Sugiyama, H.; Katakura, T.; Hayakawa, M.; Kanai, T. Surface treatment of flow channels in microfluidic devices fabricated by stereolitography. J. Oleo Sci. 2014, 63, 93–96. [Google Scholar] [CrossRef]
Castrejn-Pita, J.R.; Martin, G.D.; Hoath, S.D.; Hutchings, I.M. A simple large-scale droplet generator for studies of inkjet printing. Rev. Sci. Instrum. 2008, 79, 075108. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
Asai, A. Application of the nucleation theory to the design of bubble jet printers. Jpn. J. Appl. Phys. Regul. Rap. Short Notes 1989, 28, 909–915. [Google Scholar] [CrossRef]
Aoyama, R.; Seki, M.; Hong, J.W.; Fujii, T.; Endo, I. Novel Liquid Injection Method with Wedge-shaped Microchannel on a PDMS Microchip System for Diagnostic Analyses. In Transducers’ 01 Eurosensors XV; Springer: Berlin, Germany, 2001; pp. 1204–1207. [Google Scholar]
Xu, B.; Zhang, Y.; Xia, H.; Dong, W.; Ding, H.; Sun, H. Fabrication and multifunction integration of microfluidic chips by femtosecond laser direct writing. Lab Chip 2013, 13, 1677–1690. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
Nayve, R.; Fujii, M.; Fukugawa, A.; Takeuchi, T.; Murata, M.; Yamada, Y. High-Resolution long-array thermal ink jet printhead fabricated by anisotropic wet etching and deep Si RIE. J. Microelectromech. Syst. 2004, 13, 814–821. [Google Scholar] [CrossRef]
O’Connor, J.; Punch, J.; Jeffers, N.; Stafford, J. A dimensional comparison between embedded 3D: Printed and silicon microchannesl. J. Phys. Conf. Ser. 2014, 525, 012009. [Google Scholar] [CrossRef]
Fang, Y.J.; Lee, J.I.; Wang, C.H.; Chung, C.K.; Ting, J. Modification of heater and bubble clamping behavior in off-shooting inkjet ejector. In Proceedings of the IEEE Sensors, Irvine, CA, USA, 30 October–3 November 2005; pp. 97–100. [Google Scholar]
Lee, W.; Kwon, D.; Choi, W.; Jung, G.; Jeon, S. 3D-Printed microfluidic device for the detection of pathogenic bacteria using size-based separation in helical channel with trapezoid cross-section. Sci. Rep. 2015, 5, 7717. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
Shin, D.Y.; Smith, P.J. Theoretical investigation of the influence of nozzle diameter variation on the fabrication of thin film transistor liquid crystal display color filters. J. Appl. Phys. 2008, 103, 114905-1–114905-11. [Google Scholar] [CrossRef]
Kim, Y.; Kim, S.; Hwang, J.; Kim, Y. Drop-on-Demand hybrid printing using piezoelectric MEMS printhead at various waveforms, high voltages and jetting frequencies. J. Micromech. Microeng. 2013, 23, 8. [Google Scholar] [CrossRef]
Shin, S.J.; Kuka, K.; Shin, J.W.; Lee, C.S.; Oha, Y.S.; Park, S.O. Thermal design modifications to improve firing frequency of back shooting inkjet printhead. Sens. Actuators Phys. 2004, 114, 387–391. [Google Scholar] [CrossRef]
Rose, D. Microfluidic Technologies and Instrumentation for Printing DNA Microarrays. In Microarray Biochip Technology; Eaton Publishing: Norwalk, CT, USA, 2000; p. 35. [Google Scholar]
Wu, D.; Wu, S.; Xu, J.; Niu, L.; Midorikawa, K.; Sugioka, K. Hybrid femtosecond laser microfabrication to achieve true 3D glass/polymer composite biochips with multiscale features and high performance: The concept of ship-in-abottle biochip. Laser Photon. Rev. 2014, 8, 458–467. [Google Scholar] [CrossRef]
McIlroy, C.; Harlen, O.; Morrison, N. Modelling the jetting of dilute polymer solutions in drop-on-demand inkjet printing. J. Non Newton. Fluid Mech. 2013, 201, 17–28. [Google Scholar] [CrossRef]
Anderson, K.; Lockwood, S.; Martin, R.; Spence, D. A 3D printed fluidic device that enables integrated features. Anal. Chem. 2013, 85, 5622–5626. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
Avedisian, C.T.; Osborne, W.S.; McLeod, F.D.; Curley, C.M. Measuring bubble nucleation temperature on the surface of a rapidly heated thermal ink-jet heater immersed in a pool of water. Proc. R. Soc. A Lond. Math. Phys. Sci. 1999, 455, 3875–3899. [Google Scholar] [CrossRef]
Lim, J.H.; Kuk, K.; Shin, S.J.; Baek, S.S.; Kim, Y.J.; Shin, J.W.; Oh, Y.S. Failure mechanisms in thermal inkjet printhead analyzed by experiments and numerical simulation. Microelectron. Reliab. 2005, 45, 473–478. [Google Scholar] [CrossRef]
Shallan, A.; Semjkal, P.; Corban, M.; Gujit, R.; Breadmore, M. Cost-Effective 3D printing of visibly transparent microchips within minutes. Anal. Chem. 2014, 86, 3124–3130. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
Cavicchi, R.E.; Avedisian, C.T. Bubble nucleation and growth anomaly for a hydrophilic microheater attributed to metastable nanobubbles. Phys. Rev. Lett. 2007, 98, 124501. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
Kamei, K.; Mashimo, Y.; Koyama, Y.; Fockenberg, C.; Nakashima, M.; Nakajima, M.; Li, J.; Chen, Y. 3D printing of soft lithography mold for rapid production of polydimethylsiloxane-based microfluidic devices for cell stimulation with concentration gradients. Biomed. Microdevices 2015, 17, 36. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
Shin, S.J.; Kuka, K.; Shin, J.W.; Lee, C.S.; Oha, Y.S.; Park, S.O. Firing frequency improvement of back shooting inkjet printhead by thermal management. In Proceedings of the TRANSDUCERS’03. 12th International Conference on Solid-State Sensors.Actuators and Microsystems. Digest of Technical Papers (Cat. No.03TH8664), Boston, MA, USA, 8–12 June 2003; Volume 1, pp. 380–383. [Google Scholar]
Laio, X.; Song, J.; Li, E.; Luo, Y.; Shen, Y.; Chen, D.; Chen, Y.; Xu, Z.; Sugoioka, K.; Midorikawa, K. Rapid prototyping of 3D microfluidic mixers in glass by femtosecond laser direct writing. Lab Chip 2012, 12, 746–749. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

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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 1.2 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 1.4 (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 1.6 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 1.8 Circular arrays of etched emitters for better electric field homogeneity [53].

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 5.8 (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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Bibliography

1. Mclafferty, F.W., Tandem Fourier-Transform Mass-Spectrometry of Large Molecules.Abstracts of Papers of the American Chemical Society, 1986. 192: p. 21-Anyl. 2. Griffiths, W.J. and Y.Q. Wang, Mass spectrometry: from proteomics to metabolomics and lipidomics. Chemical Society Reviews, 2009. 38(7): p. 1882-1896. 3. Gibson, G.T.T., S.M. Mugo, and R.D. Oleschuk, Nanoelectrospray Emitters: Trends and Perspective. Mass Spectrometry Reviews, 2009. 28(6): p. 918-936. 4. Cech, N.B. and C.G. Enke, Practical implications of some recent studies in electrospray ionization fundamentals. Mass Spectrometry Reviews, 2001. 20(6): p. 362-387. 5. Su, S., Development and Application of Non-tapered Electrospray Emitters for Nano-ESI Mass Spectrometry, in Chemistry. 2008, Queen’s University: Kingston. p. 185. 6. Zeleny, J., The electrical discharge from liquid points, and a hydrostatic method of measuring the electric intensity at their surfaces. Physical Review, 1914. 3(2): p. 69-91. 7. Dole, M., L.L. Mack, and R.L. Hines, Molecular Beams of Macroions. Journal of Chemical Physics, 1968. 49(5): p. 2240-&. 8. Yamashita, M. and J.B. Fenn, Negative-Ion Production with the Electrospray Ion-Source.Journal of Physical Chemistry, 1984. 88(20): p. 4671-4675. 9. Kebarle, P. and U.H. Verkerk, Electrospray: From Ions in Solution to Ions in the Gas Phase, What We Know Now. Mass Spectrometry Reviews, 2009. 28(6): p. 898-917. 10. Taylor, G., Disintegration of Water Drops in Electric Field. Proceedings of the Royal Society of London Series a-Mathematical and Physical Sciences, 1964. 280(138): p. 383. 11. Cole, R.B., Some tenets pertaining to electrospray ionization mass spectrometry. Journal of Mass Spectrometry, 2000. 35(7): p. 763-772. 12. Rayleigh, L., On the equilibrium of liquid conducting masses charged with electricity.Philos. Mag., 1882. 14: p. 184-186. 13. Mack, L.L., et al., Molecular Beams of Macroions .2. Journal of Chemical Physics, 1970. 52(10): p. 4977-&. 14. Gamero-Castano, M. and J.F. de la Mora, Kinetics of small ion evaporation from the charge and mass distribution of multiply charged clusters in electrosprays. Journal of Mass Spectrometry, 2000. 35(7): p. 790-803. 15. Gamero-Castano, M. and J.F. de la Mora, Modulations in the abundance of salt clusters in electrosprays. Analytical Chemistry, 2000. 72(7): p. 1426-1429. 16. Loscertales, I.G. and J.F. Delamora, Experiments on the Kinetics of Field Evaporation of Small Ions from Droplets. Journal of Chemical Physics, 1995. 103(12): p. 5041-5060. 17. Rohner, T.C., N. Lion, and H.H. Girault, Electrochemical and theoretical aspects of electrospray ionisation. Physical Chemistry Chemical Physics, 2004. 6(12): p. 3056-3068.

18. Iribarne, J.V. and B.A. Thomson, Evaporation of Small Ions from Charged Droplets.Journal of Chemical Physics, 1976. 64(6): p. 2287-2294. 19. Meng, C.K. and J.B. Fenn, Formation of Charged Clusters during Electrospray Ionization of Organic Solute Species. Organic Mass Spectrometry, 1991. 26(6): p. 542-549. 20. Nohmi, T. and J.B. Fenn, Electrospray Mass-Spectrometry of Poly(Ethylene Glycols) with Molecular-Weights up to 5 Million. Journal of the American Chemical Society, 1992. 114(9): p. 3241-3246. 21. de la Mora, J.F., Electrospray ionization of large multiply charged species proceeds via Dole’s charged residue mechanism. Analytica Chimica Acta, 2000. 406(1): p. 93-104. 22. Iavarone, A.T., J.C. Jurchen, and E.R. Williams, Supercharged protein and peptide lone formed by electrospray ionization. Analytical Chemistry, 2001. 73(7): p. 1455-1460. 23. Hogan, C.J., et al., Charge carrier field emission determines the number of charges on native state proteins in electrospray ionization. Journal of the American Chemical Society, 2008. 130(22): p. 6926-+. 24. Nguyen, S. and J.B. Fenn, Gas-phase ions of solute species from charged droplets of solutions. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2007. 104(4): p. 1111-1117. 25. Luedtke, W.D., et al., Nanojets, electrospray, and ion field evaporation: Molecular dynamics simulations and laboratory experiments. Journal of Physical Chemistry A, 2008. 112(40): p. 9628-9649. 26. Enke, C.G., A predictive model for matrix and analyte effects in electrospray ionization of singly-charged ionic analytes. Analytical Chemistry, 1997. 69(23): p. 4885-4893. 27. Maze, J.T., T.C. Jones, and M.F. Jarrold, Negative droplets from positive electrospray.Journal of Physical Chemistry A, 2006. 110(46): p. 12607-12612. 28. Kebarle, P. and M. Peschke, On the mechanisms by which the charged droplets produced by electrospray lead to gas phase ions. Analytica Chimica Acta, 2000. 406(1): p. 11-35. 29. Loeb, L.B., A.F. Kip, and G.G. Hudson, Pulses in negative point-to-plane corona.Physical Review, 1941. 60(10): p. 714-722. 30. Cole, R.B., Electrospray ionization mass spectrometry : fundamentals, instrumentation, and applications. 1997, New York: Wiley. xix, 577 p. 31. Smith, D.P.H., The Electrohydrodynamic Atomization of Liquids. Ieee Transactions on Industry Applications, 1986. 22(3): p. 527-535. 32. Taylor, G.I. and A.D. Mcewan, Stability of a Horizontal Fluid Interface in a Vertical Electric Field. Journal of Fluid Mechanics, 1965. 22: p. 1-&. 33. Ikonomou, M.G., A.T. Blades, and P. Kebarle, Electrospray Mass-Spectrometry of Methanol and Water Solutions Suppression of Electric-Discharge with Sf6 Gas. Journal of the American Society for Mass Spectrometry, 1991. 2(6): p. 497-505.

34. Wampler, F.M., A.T. Blades, and P. Kebarle, Negative-Ion Electrospray Mass-Spectrometry of Nucleotides – Ionization from Water Solution with Sf6 Discharge Suppression. Journal of the American Society for Mass Spectrometry, 1993. 4(4): p. 289-295. 35. Marginean, I., P. Nemes, and A. Vertes, Order-chaos-order transitions in electrosprays: The electrified dripping faucet. Physical Review Letters, 2006. 97(6): p. -. 36. Marginean, I., P. Nemes, and A. Vertes, Astable regime in electrosprays. Physical Review E, 2007. 76(2): p. -. 37. Nemes, P., I. Marginean, and A. Vertes, Spraying mode effect on droplet formation and ion chemistry in electrosprays. Analytical Chemistry, 2007. 79(8): p. 3105-3116. 38. Marginean, I., et al., Electrospray characteristic curves: In pursuit of improved performance in the nanoflow regime. Analytical Chemistry, 2007. 79(21): p. 8030-8036. 39. Page, J.S., et al., Subambient pressure ionization with nanoelectrospray source and interface for improved sensitivity in mass spectrometry. Analytical Chemistry, 2008. 80(5): p. 1800-1805. 40. Delamora, J.F. and I.G. Loscertales, The Current Emitted by Highly Conducting Taylor Cones. Journal of Fluid Mechanics, 1994. 260: p. 155-184. 41. Ganan-Calvo, A.M., On the general scaling theory for electrospraying. Journal of Fluid Mechanics, 2004. 507: p. 203-212. 42. Smith, D.R., G. Sagerman, and T.D. Wood, Design and development of an interchangeable nanomicroelectrospray source for a quadrupole mass spectrometer.Review of Scientific Instruments, 2003. 74(10): p. 4474-4477. 43. Barnidge, D.R., S. Nilsson, and K.E. Markides, A design for low-flow sheathless electrospray emitters. Analytical Chemistry, 1999. 71(19): p. 4115-4118. 44. Guzzetta, A.W., R.A. Thakur, and I.C. Mylchreest, A robust micro-electrospray ionization technique for high-throughput liquid chromatography/mass spectrometry proteomics using a sanded metal needle as an emitter. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 2002. 16(21): p. 2067-2072. 45. Wilm, M. and M. Mann, Analytical properties of the nanoelectrospray ion source.Analytical Chemistry, 1996. 68(1): p. 1-8. 46. Covey, T.R. and D. Pinto, Practical Spectroscopy. Vol. 32. 2002. 47. Kelly, R.T., et al., Nanoelectrospray emitter arrays providing interemitter electric field uniformity. Analytical Chemistry, 2008. 80(14): p. 5660-5665. 48. Choi, Y.S. and T.D. Wood, Polyaniline-coated nanoelectrospray emitters treated with hydrophobic polymers at the tip. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 2007. 21(13): p. 2101-2108. 49. Tojo, H., Properties of an electrospray emitter coated with material of low surface energy. Journal of Chromatography A, 2004. 1056(1-2): p. 223-228.

50. Liu, J., et al., Electrospray ionization with a pointed carbon fiber emitter. Analytical Chemistry, 2004. 76(13): p. 3599-3606. 51. Sen, A.K., et al., Modeling and characterization of a carbon fiber emitter for electrospray ionization. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2006. 16(3): p. 620-630. 52. Tang, K.Q., et al., Generation of multiple electrosprays using microfabricated emitter arrays for improved mass spectrometric sensitivity. Analytical Chemistry, 2001. 73(8): p. 1658-1663. 53. Deng, W. and A. Gomez, Influence of space charge on the scale-up of multiplexed electrosprays. Journal of Aerosol Science, 2007. 38(10): p. 1062-1078. 54. Su, S.Q., et al., Microstructured Photonic Fibers as Multichannel Electrospray Emitters.Analytical Chemistry, 2009. 81(17): p. 7281-7287. 55. Sen, A.K., J. Darabi, and D.R. Knapp, Simulation and parametric study of a novel multi-spray emitter for ESI-MS applications. Microfluidics and Nanofluidics, 2007. 3(3): p. 283-298. 56. Hayati, I., A. Bailey, and T.F. Tadros, Investigations into the Mechanism of Electrohydrodynamic Spraying of Liquids .2. Mechanism of Stable Jet Formation and Electrical Forces Acting on a Liquid Cone. Journal of Colloid and Interface Science, 1987. 117(1): p. 222-230. 57. Glonti, G.A., On the Theory of the Stability of Liquid Jets in an Electric Field. Soviet Physics Jetp-Ussr, 1958. 7(5): p. 917-918. 58. Nayyar, N.K. and G.S. Murty, The Stability of a Dielectric Liquid Jet in the Presence of a Longitudinal Electric Field. Proceedings of the Physical Society of London, 1960. 75(483): p. 369-373. 59. Allan, R.S. and S.G. Mason, Particle Behaviour in Shear and Electric Fields .1. Deformation and Burst of Fluid Drops. Proceedings of the Royal Society of London Series a-Mathematical and Physical Sciences, 1962. 267(1328): p. 45-&. 60. Melcher, J.R. and G.I. Taylor, Electrohydrodynamics – a Review of Role of Interfacial Shear Stresses. Annual Review of Fluid Mechanics, 1969. 1: p. 111-&. 61. Saville, D.A., Electrohydrodynamics: The Taylor-Melcher leaky dielectric model. Annual Review of Fluid Mechanics, 1997. 29: p. 27-64. 62. Carretero Benignos, J.A. and Massachusetts Institute of Technology. Dept. of Mechanical Engineering., Numerical simulation of a single emitter colloid thruster in pure droplet cone-jet mode. 2005. p. 117 leaves. 63. Hartman, R.P.A., et al., The evolution of electrohydrodynamic sprays produced in the cone-jet mode, a physical model. Journal of Electrostatics, 1999. 47(3): p. 143-170. 64. Hartman, R.P.A., et al., Electrohydrodynamic atomization in the cone-jet mode physical modeling of the liquid cone and jet. Journal of Aerosol Science, 1999. 30(7): p. 823-849.

65. Yoon, S.S., et al., Modeling multi-jet mode electrostatic atomization using boundary element methods. Journal of Electrostatics, 2001. 50(2): p. 91-108. 66. Zeng, J., D. Sobek, and T. Korsmeyer, Electro-hydrodynamic modeling of electrospray ionization: Cad for a mu fluidic device – Mass spectrometer interface. Boston Transducers’03: Digest of Technical Papers, Vols 1 and 2, 2003: p. 1275-1278, 1938. 67. Lastow, O. and W. Balachandran, Numerical simulation of electrohydrodynamic (EHD) atomization. Journal of Electrostatics, 2006. 64(12): p. 850-859. 68. http://www.flow3d.com. 69. Valaskovic, G.A., et al., Attomole-Sensitivity Electrospray Source for Large-Molecule Mass-Spectrometry. Analytical Chemistry, 1995. 67(20): p. 3802-3805. 70. Kriger, M.S., K.D. Cook, and R.S. Ramsey, Durable Gold-Coated Fused-Silica Capillaries for Use in Electrospray Mass-Spectrometry. Analytical Chemistry, 1995. 67(2): p. 385-389. 71. Fang, L.L., et al., Online Time-of-Flight Mass-Spectrometric Analysis of Peptides Separated by Capillary Electrophoresis. Analytical Chemistry, 1994. 66(21): p. 3696-3701. 72. Cao, P. and M. Moini, A novel sheathless interface for capillary electrophoresis/electrospray ionization mass spectrometry using an in-capillary electrode. Journal of the American Society for Mass Spectrometry, 1997. 8(5): p. 561-564. 73. Fong, K.W.Y. and T.W.D. Chan, A novel nonmetallized tip for electrospray mass spectrometry at nanoliter flow rate. Journal of the American Society for Mass Spectrometry, 1999. 10(1): p. 72-75. 74. Emmett, M.R. and R.M. Caprioli, Micro-Electrospray Mass-Spectrometry – Ultra-High-Sensitivity Analysis of Peptides and Proteins. Journal of the American Society for Mass Spectrometry, 1994. 5(7): p. 605-613. 75. Gatlin, C.L., et al., Protein identification at the low femtomole level from silver-stained gels using a new fritless electrospray interface for liquid chromatography microspray and nanospray mass spectrometry. Analytical Biochemistry, 1998. 263(1): p. 93-101. 76. Aturki, Z., et al., On-line CE-MS using pressurized liquid junction nanoflow electrospray interface and surface-coated capillaries. Electrophoresis, 2006. 27(23): p. 4666-4673. 77. Edwards, J.L., et al., Negative mode sheathless capillary electrophoresis electrospray ionization-mass spectrometry for metabolite analysis of prokaryotes. Journal of Chromatography A, 2006. 1106(1-2): p. 80-88. 78. http://www.kiriama.com/kiriama%20single-mode%20polymer%20fibers_009.htm. 79. Wilm, M.S. and M. Mann, Electrospray and Taylor-Cone Theory, Doles Beam of Macromolecules at Last. International Journal of Mass Spectrometry, 1994. 136(2-3): p. 167-180.

80. Hirt, C.W. and B.D. Nichols, Volume of Fluid (Vof) Method for the Dynamics of Free Boundaries. Journal of Computational Physics, 1981. 39(1): p. 201-225. 81. Melcher, J.R., Continuum electromechanics. 1981, Cambridge, Mass.: MIT Press. 1 v. (various pagings). 82. http://www.flow3d.com/cfd-101/cfd-101-FAVOR.html. 83. http://www.flow3d.com/cfd-101/cfd-101-FAVOR-no-loss.html. 84. Savage, B.M. and M.C. Johnson, Flow over ogee spillway: Physical and numerical model case study. Journal of Hydraulic Engineering-Asce, 2001. 127(8): p. 640-649. 85. http://www.flow3d.com/cfd-101/cfd-101-free-surface-fluid-flow.html. 86. Graham T. T. Gibson, R.D.W.a.R.D.O., Multiple electrosprays generated from a single poly carbonate microstructured fibre. Mass Spectrometry, 2011. 87. Smith, R.D., et al., Analytical characterization of the electrospray ion source in the nanoflow regime. Analytical Chemistry, 2008. 80(17): p. 6573-6579. 88. Hirt, C.W., Electro-hydrodynamics of semi-conductive fluids: with application to electro-spraying. Flow Science Technical Note, 2004. 70(FSI–04–TN70): p. 1-7. 89. de la Mora, J.F., The fluid dynamics of Taylor cones. Annual Review of Fluid Mechanics, 2007. 39: p. 217-243. 90. Cloupeau, M. and B. Prunetfoch, Electrostatic Spraying of Liquids in Cone-Jet Mode.Journal of Electrostatics, 1989. 22(2): p. 135-159. 91. Hayati, I., A.I. Bailey, and T.F. Tadros, Investigations into the Mechanisms of Electrohydrodynamic Spraying of Liquids .1. Effect of Electric-Field and the Environment on Pendant Drops and Factors Affecting the Formation of Stable Jets and Atomization. Journal of Colloid and Interface Science, 1987. 117(1): p. 205-221. 92. FLOW-3D User Manual, Ver. 9.4. 93. Sen, A.K., J. Darabi, and D.R. Knapp, Analysis of Droplet Generation in Electrospray Using a Carbon Fiber Based Microfluidic Emitter. Journal of Fluids Engineering-Transactions of the Asme, 2011. 133(7).

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Liquid Metal 3D Printing

This article was contributed by V.Sukhotskiy^1,2, I. H. Karampelas³, G. Garg ¹, A. Verma¹, M. Tong ¹, S. Vader², Z. Vader², and E. P. Furlani^1
1University 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.

References
[1] Roth, E.A., Xu, T., Das, M., Gregory, C., Hickman, J.J. and Boland, T., “Inkjet printing for high-throughput cell patterning,” Biomaterials 25(17), 3707-3715 (2004).

[2] Sirringhaus, H., Kawase, T., Friend, R.H., Shimoda, T., Inbasekaran, M., Wu, W. and Woo, E.P., “High-resolution inkjet printing of all-polymer transistor circuits,” Science 290(5499), 2123-2126 (2000).

[3] Tseng, A.A., Lee, M.H. and Zhao, B., “Design and operation of a droplet deposition system for freeform fabrication of metal parts,” Transactions-American Society of Mechanical Engineers Journal of Engineering Materials and Technology 123(1), 74-84 (2001).

[4] Suter, M., Weingärtner, E. and Wegener, K., “MHD printhead for additive manufacturing of metals,” Procedia CIRP 2, 102-106 (2012).

[5] Loh, L.E., Chua, C.K., Yeong, W.Y., Song, J., Mapar, M., Sing, S.L., Liu, Z.H. and Zhang, D.Q., “Numerical investigation and an effective modelling on the Selective Laser Melting (SLM) process with aluminium alloy 6061,” International Journal of Heat and Mass Transfer 80, 288-300 (2015).

[6] Simchi, A., “Direct laser sintering of metal powders: Mechanism, kinetics and microstructural features,” Materials Science and Engineering: A 428(1), 148-158 (2006).

[7] Murr, L.E., Gaytan, S.M., Ramirez, D.A., Martinez, E., Hernandez, J., Amato, K.N., Shindo, P.W., Medina, F.R. and Wicker, R.B., “Metal fabrication by additive manufacturing using laser and electron beam melting technologies,” Journal of Materials Science & Technology, 28(1), 1-14 (2012).

[8] J. Jang and S. S. Lee, “Theoretical and experimental study of MHD (magnetohydrodynamic) micropump,” Sensors & Actuators: A. Physical, 80(1), 84-89 (2000).

[9] M. Orme and R. F. Smith, “Enhanced aluminum properties by means of precise droplet deposition,” Journal of Manufacturing Science and Engineering, Transactions of the ASME, 122(3), 484-493, (2000)

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.

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

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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.

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.
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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.2011, 12(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: dielectrophoresis; electrohydrodynamics; electrowetting; lab-on-a-chip; microfluidics; modeling; numerical simulation; reflective 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 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. 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 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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References

Muller, RS. MEMS: Quo vadis in century XXI. Microelectron. Eng 2000, 53(1–4), 47–54. [Google Scholar]
Reyes, DR; Iossifidis, D; Auroux, PA; Manz, A. Micro total analysis systems. 1. Introduction, theory, and technology. Anal.Chem 2002, 74, 2623–2636. [Google Scholar]
Levy, U; Shamai, R. Tunable optofluidic devices. Microfluid. Nanofluid 2008, 4, 97–105. [Google Scholar]
Zeng, J; Korsmeyer, FT. Principles of droplet electrohydrodynamics for lab-on-a-chip. Lab Chip 2004, 4, 265–277. [Google Scholar]
Fair, RB. Digital microfluidics: Is a true lab-on-a-chip possible? Microfluid. Nanofluid 2007, 3, 245–281. [Google Scholar]
Pollack, MG; Fair, RB; Shenderov, AD. Electrowetting-based actuation of liquid droplets for microfluidic applications. Appl. Phys. Lett 2000, 77(11), 1725–1726. [Google Scholar]
Peykov, V; Quinn, A; Ralston, J. Electrowetting: A model for contact-angle saturation. Colloid Polym. Sci 2000, 278, 789–793. [Google Scholar]
Verheijen, HJJ; Prins, MWJ. Reversible electrowetting and trapping of charge: Model and experiments. Langmuir 1999, 15, 6616–6620. [Google Scholar]
Mugele, F; Baret, J. Electrowetting: From basics to applications. J. Phys. Condens. Matter 2005, 17, R705–R774. [Google Scholar]
Quilliet, C; Berge, B. Electrowetting: A recent outbreak. Curr. Opin. Colloid Interface Sci 2001, 6, 34–39. [Google Scholar]
Probstein, RF. Physicochemical Hydrodynamics; Wiley: New York, NY, USA, 1994. [Google Scholar]
Koo, J; Kleinstreuer, C. Liquid flow in microchannels: Experimental observations and computational analyses of microfluidics effects. J. Micromech. Microeng 2003, 13, 568–579. [Google Scholar]
Hu, G; Li, D. Multiscale phenomena in microfluidics and nanofluidics. Chem. Eng. Sci 2007, 62, 3443–3454. [Google Scholar]
Haus, HA; Melcher, JR. Electromagnetic Fields and Energy; Prentice-Hall: Englewood Cliffs, NJ, USA, 1989. [Google Scholar]
Leal, LG. Laminar Flow and Convective Transport Processes: Scaling Principles and Asymptotic Analysis; Butterworth-Heinemann: Oxford, UK, 1992. [Google Scholar]
Collins, RT; Harris, MT; Basaran, OA. Breakup of electrified jets. J. Fluid Mech 2007, 588, 75–129. [Google Scholar]
Sista, R; Hua, Z; Thwar, P; Sudarsan, A; Srinivasan, V; Eckhardt, A; Pollack, M; Pamula, V. Development of a digital microfluidic platform for point of care testing. Lab Chip 2008, 8, 2091–2104. [Google Scholar]
Zeng, J. Modeling and simulation of electrified droplets and its application to computer-aided design of digital microfluidics. IEEE Trans. Comput. Aid. Des. Integr. Circ. Syst 2006, 25(2), 224–233. [Google Scholar]
Walker, SW; Bonito, A; Nochetto, RH. Mixed finite element method for electrowetting on dielectric with contact line pinning. Interface. Free Bound 2010, 12, 85–119. [Google Scholar]
Eck, C; Fontelos, M; Grün, G; Klingbeil, F; Vantzos, O. On a phase-field model for electrowetting. Interface. Free Bound 2009, 11, 259–290. [Google Scholar]
Gascoyne, PRC; Vykoukal, JV. Dielectrophoresis-based sample handling in general-purpose programmable diagnostic instruments. Proc. IEEE 2004, 92(1), 22–42. [Google Scholar]
Jones, TB; Gunji, M; Washizu, M. Dielectrophoretic liquid actuation and nanodroplet formation. J. Appl. Phys 2001, 89(3), 1441–1448. [Google Scholar]
Sretavan, D; Chang, W; Keller, C; Kliot, M. Microscale surgery on single axons. Neurosurgery 2005, 57(4), 635–646. [Google Scholar]
Pohl, HA; Crane, JS. Dielectrophoresis of cells. Biophys. J 1971, 11, 711–727. [Google Scholar]
Melcher, JR; Taylor, GI. Electrohydrodynamics: A review of the role of interfacial shear stresses. Annu. Rev. Fluid Mech 1969, 1, 111–146. [Google Scholar]
Saville, DA. Electrohydrodynamics: The taylor-melcher leaky-dielectric model. Annu. Rev. Fluid Mech 1997, 29, 27–64. [Google Scholar]
Schultz, GA; Corso, TN; Prosser, SJ; Zhang, S. A fully integrated monolithic microchip electrospray device for mass spectrometry. Anal. Chem 2000, 72(17), 4058–4063. [Google Scholar]
Killeen, K; Yin, H; Udiavar, S; Brennen, R; Juanitas, M; Poon, E; Sobek, D; van de Goor, T. Chip-MS: A polymeric microfluidic device with integrated mass-spectrometer interface. Micro Total Anal. Syst 2001, 331–332. [Google Scholar]
Dukhin, SS. Electrokinetic phenomena of the second kind and their applications. Adv. Colloid Interface Sci 1991, 35, 173–196. [Google Scholar]
Wang, Y-C; Stevens, AL; Han, J. Million-fold preconcentration of proteins and peptides by nanofluidic filter. Anal. Chem 2005, 77(14), 4293–4299. [Google Scholar]
Kim, SJ; Wang, Y-C; Han, J. Nonlinear electrokinetic flow pattern near nanofluidic channel. Micro Total Anal. Syst 2006, 1, 522–524. [Google Scholar]
Comiskey, B; Albert, JD; Yoshizawa, H; Jacobson, J. An electrophoretic ink for all-printed reflective electronic displays. Nature 1998, 394(6690), 253–255. [Google Scholar]
Beunis, F; Strubbe, F; Neyts, K; Bert, T; De Smet, H; Verschueren, A; Schlangen, L. P-39: Electric field compensation in electrophoretic ink display. In Proceedings of the Twenty-fifth International Display Research Conference—Eurodisplay 2005; Edinburgh, UK, 19–22 2005; pp. 344–345. [Google Scholar]
Strubbe, F; Verschueren, ARM; Schlangen, LJM; Beunis, F; Neyts, K. Generation current of charged micelles in nonaqueous liquids: Measurements and simulations. J. Colloid Interface Sci 2006, 300, 396–403. [Google Scholar]
Hsu, MF; Dufresne, ER; Weitz, DA. Charge stabilization in nonpolar solvents. Langmuir 2005, 21, 4881–4887. [Google Scholar]
Hayes, RA; Feenstra, BJ. Video-speed electronic paper based on electrowetting. Nature 2003, 425, 383–385. [Google Scholar]
Chakrabarty, K; Su, F. Digital Microfluidic Biochips: Synthesis, Testing, and Reconfiguration Techniques; CRC Press: Boca Raton, FL, USA, 2006. [Google Scholar]
Chakrabarty, K; Fair, RB; Zeng, J. Design tools for digital microfluidic biochips: Towards functional diversification and more than Moore. IEEE Trans.CAD Integr. Circ. Syst 2010, 29(7), 1001–1017. [Google Scholar]

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.

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.

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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References

[1] M.Abulikemu, E.H.Da’as, H.Haverinen, D.Cha, M.A.Malik, G.E.Jabbour, Angew.Chem.Int.Ed.2014, 53, 599.
[2] a) Z.Lu, M.Layani, X.Zhao, L.P.Tan, T.Sun, S.Fan, Q.Yan, S.Magdassi, H.H.Hng, Small 2014, 10, 3551; b) H.Ko, J.Lee, Y.Kim, B.Lee, C.H.Jung, J.H.Choi, O.S.Kwon, K.Shin, Adv.Mater.2014, 26, 2286.
[3] C.J.Hansen, R.Saksena, D.B.Kolesky, J.J.Vericella, S.J.Kranz, G.P.Muldowney, K.T.Christensen, J.A.Lewis, Adv.Mater.2013, 25, 2.
[4] F.C.Krebs, N.Espinosa, M.Hösel, R.R.Søndergaard, M.Jørgensen, Adv.Mater.2014, 26, 29.
[5] W.Honda, S.Harada, T.Arie, S.Akita, K.Takei, Adv.Funct.Mater. 2014, 24, 3298.
[6] R.Guo, Y.Yu, Z.Xie, X.Liu, X.Zhou, Y.Gao, Z.Liu, F.Zhou, Y.Yang, Z.Zheng, Adv.Mater.2013, 25, 3343.
[7] A.Dzwilewski, T.Wågberg, L.Edman, J.Am.Chem.Soc.2009, 131, 4006.
[8] R.D.Piner, J.Zhu, F.Xu, S.Hong, C.A.Mirkin, Science 1999, 283, 661.
[9] J.-H.Lim, C.A.Mirkin, Adv.Mater.2002, 14, 1474.
[10] X.Liu, L.Fu, S.Hong, V.P.Dravid, C.A.Mirkin, Adv.Mater.2002,14, 231.
[11] D.A.Weinberger, S.Hong, C.A.Mirkin, B.W.Wessels, T.B.Higgins, Adv.Mater.2000, 12, 1600.
[12] J.P.Rolland, E.C.Hagberg, G.M.Denison, K.R.Carter, J.M.DeSimone, Angew.Chem.2004, 116, 5920.
[13] T.Granlund, T.Nyberg, L.S.Roman, M.Svensson, O.Inganäs, Adv.Mater.2000, 12, 269.
[14] Y.Xia, G.M.Whitesides, Annu.Rev.Mater.Sci.1998, 28, 153.
[15] W.S.Beh, I.T.Kim, D.Qin, Y.Xia, G.M.Whitesides.Adv.Mater. 1999, 11, 1038.
[16] Y.Yin, B.Gates, Y.Xia.Adv.Mater.2000, 12, 1426.
[17] K.Salaita, Y.Wang, J.Fragala, R.A.Vega, C.Liu, C.A.Mirkin,Angew.Chem.2006, 118, 7378.
[18] D.Bullen, S.-W.Chung, X.Wang, J.Zou, C.A.Mirkin, C.Liu, Appl.Phys.Lett.2004, 84, 789.
[19] Y.L.Kim, H.Y.Jung, S.Park, B.Li, F.Liu, J.Hao, Y.-K.Kwon, Y.J.Jung, S.Kar, Nat.Photonics 2014, 8, 239.
[20] X.Xiong, L.Jaberansari, M.G.Hahm, A.Busnaina, Y.J.Jung, Small 2007, 3, 2006.
[21] A.B.Marciel, M.Tanyeri, B.D.Wall, J.D.Tovar, C.M.Schroeder, W.L.Wilson, Adv.Mater.2013, 25, 6398.
[22] J.T.Wang, J.Wang, J.J.Han, Small 2011, 7, 1728.
[23] S.Y.Lee, S.H.Kim, H.Hwang, J.Y.Sim, S.M.Yang, Adv.Mater. 2014, 26, 2391.
[24] J.Y.Oh, J.T.Park, H.J.Jang, W.J.Cho, M.S.Islam, Adv.Mater. 2014, 26, 1929.
[25] K.W.Song, R.Costi, V.Bulovi, Adv.Mater.2013, 25, 1420.
[26] P.Maury, M.Escalante, D.N.Reinhoudt, J.Huskens, Adv.Mater. 2005, 17, 2718.
[27] Y.Xia, Y.Yin, Y.Lu, J.McLellan, Adv.Funct.Mater.2003, 13, 907.
[28] L.Jaber-Ansari, M.G.Hahm, S.Somu, Y.E.Sanz, A.Busnaina, Y.J.Jung, J.Am.Chem.Soc.2008, 131, 804.
[29] T.Kraus, L.Malaquin, H.Schmid, W.Riess, N.D.Spencer, H.Wolf,Nat.Nanotechnol.2007, 2, 570.
[30] K.D.Hermanson, S.O.Lumsdon, J.P.Williams, E.W.Kaler, O.D.Velev, Science 2001, 294, 1082.
[31] H.-W.Seo, C.-S.Han, D.-G.Choi, K.-S.Kim, Y.-H.Lee, Microelectron.Eng.2005, 81, 83.
[32] E.M.Freer, O.Grachev, X.Duan, S.Martin, D.P.Stumbo, Nat.Nanotechnol.2010, 5, 525.
[33] D.Xu, A.Subramanian, L.Dong, B.J.Nelson, IEEE Trans.Nanotechnol.2009, 8, 449.
[34] X.Xiong, P.Makaram, A.Busnaina, K.Bakhtari, S.Somu, N.McGruer, J.Park, Appl.Phys.Lett.2006, 89, 193108.
[35] R.C.Bailey, K.J.Stevenson, J.T.Hupp, Adv.Mater.2000, 12, 1930.
[36] Q.Zhang, T.Xu, D.Butterfi eld, M.J.Misner, D.Y.Ryu, T.Emrick, T.P.Russell, Nano Lett.2005, 5, 357.
[37] E.Kumacheva, R.K.Golding, M.Allard, E.H.Sargent, Adv.Mater. 2002, 14, 221.
[38] M.Wei, Z.Tao, X.Xiong, M.Kim, J.Lee, S.Somu, S.Sengupta, A.Busnaina, C.Barry, J.Mead, Macromol.Rapid Commun.2006, 27, 1826.
[39] a) D.Schwartz, S.Steinberg, J.Israelachvili, J.Zasadzinski, Phys.Rev.Lett.1992, 69, 3354; b) W.Yang, P.Thordarson, J.J.Gooding, S.P.Ringer, F.Braet, Nanotechnology 2007, 18, 412001.
[40] S.Siavoshi, C.Yilmaz, S.Somu, T.Musacchio, J.R.Upponi, V.P.Torchilin, A.Busnaina, Langmuir 2011, 27, 7301.
[41] E.Artukovic, M.Kaempgen, D.Hecht, S.Roth, G.Grüner, NanoLett.2005, 5, 757.
[42] L.Hu, D.Hecht, G.Grüner, Nano Lett.2004, 4, 2513.
[43] M.Fuhrer, J.Nygård, L.Shih, M.Forero, Y.G.Yoon, H.J.Choi, J.Ihm, S.G.Louie, A.Zettl, P.L.McEuen, Science 2000, 288,
494.
[44] J.J.Gooding, A.Chou, J.Liu, D.Losic, J.G.Shapter, D.B.Hibbert,Electrochem.Commun.2007, 9, 1677.
[45] A.Chou, T.Böcking, N.K.Singh, J.J.Gooding, Chem.Commun. 2005, 7, 842.
[46] D.Hines, V.Ballarotto, E.Williams, Y.Shao, S.Solin, J.Appl.Phys. 2007, 101, 024503.
[47] H.Park, A.Afzali, S.-J.Han, G.S.Tulevski, A.D.Franklin, J.Tersoff, J.B.Hannon, W.Haensch, Nat.Nanotechnol.2012, 7, 787.
[48] S.Somu, H.Wang, Y.Kim, L.Jaberansari, M.G.Hahm, B.Li, T.Kim, X.Xiong, Y.J.Jung, M.Upmanyu, A.Busnaina, ACS Nano 2010, 4, 4142.
[49] L.Jaber-Ansari, M.G.Hahm, T.H.Kim, S.Somu, A.Busnaina, Y.J.Jung, Appl.Phys.A 2009, 96, 373.
[50] B.Li, M.G.Hahm, Y.L.Kim, H.Y.Jung, S.Kar, Y.J.Jung, ACS Nano 2011, 5, 4826.
[51] B.Li, H.Y.Jung, H.Wang, Y.L.Kim, T.Kim, M.G.Hahm, A.Busnaina, M.Upmanyu, Y.J.Jung, Adv.Funct.Mater.2011, 21, 1810.
[52] M.A.Meitl, Z.T.Zhu, V.Kumar, K.J.Lee, X.Feng, Y.Y.Huang, I.Adesida, R.G.Nuzzo, J.A.Rogers, Nat.Mater.2005, 5, 33.
[53] F.N.Ishikawa, H.Chang, K.Ryu, P.Chen, A.Badmaev, L.GomezDe Arco, G.Shen, C.Zhou, ACS Nano 2008, 3, 73.
[54] N.Inagaki, Plasma Surface Modifi cation and Plasma Polymerization, CRC, Boca Raton, FL, USA 1996.
[55] E.Liston, L.Martinu, M.Wertheimer, J.Adhes.Sci.Technol.1993, 7, 1091.
[56] T.Tsai, C.Lee, N.Tai, W.Tuan, Appl.Phys.Lett.2009, 95, 013107.
[57] J.G.Bai, Z.Z.Zhang, J.N.Calata, G.-Q.Lu, IEEE Trans.Compon.Packag.Technol.2006, 29, 589.
[58] J.G.Toffaletti, Crit.Rev.Clin.Lab.Sci.1991, 28, 253.
[59] J.-L.Vincent, P.Dufaye, J.Berré, M.Leeman, J.-P.Degaute, R.J.Kahn, Crit.Care Med.1983, 11, 449.
[60] R.Henning, M.Weil, F.Weiner, Circ.Shock 1982, 9, 307.

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.

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.

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.

Electrokinetics

Thermocapillary Actuation

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

Particle sorting 1 (입자 분류)

응용
– 진단
– 화학 및 생물학적 분석
– 화학적 과정
– 환경 평가
능동적 분류에는 외부 전기장 또는 자기장이 필요함
수동적 분류는 순수하게 유체역학, 입자 상호 작용 및 마이크로 채널 구조를 기반으로 함

유체역학을 기반으로 한 입자 분류

FLOW-3D 질량 입자 모델
– 확산 계수, 항력 계수, 난류 슈미트 수 및 복원 계수와 같은 특성을 역학을 제어할 수 있음
– 활성 입자 분류를 위해 열적, 자기적 및 전기적 특성으로 지정할 수 있음

일정 질량 vs 일정 크기

일정 질량(다른 크기)
– 직경이 큰 입자는 더 높은 항력을 받음
– 유동으로 쉽게 합류
일정 크기(다른 질량)
– 강한 관성으로 인해 무거운 입자는 감속하기 어려움
– 무거운 입자는 코스를 유지함

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.

입자 간의 충돌

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.


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

입자 유형

-균일
-밀도 변화
-입자크기 변화

응용 분야

1. Mechanical Engineering 분야

Resin filling, screw conveyance, powder conveyance

2. Civil Engineering분야

Debris flow, gravel, falling rock

3. Chemical Engineering, Pharmaceutics 분야

Fluidized bed, cyclone, stirrer

4. MEMS, Electrical Engineering 분야

전기 입자를 포함한 전기장 해석 등

dem15

dem16

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

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

Joule Heating

Joule heating과 electrothermal effect두개 모두를 이해하는 것은 micro devices의 적정한 설계를 하는데 중요한 요소입니다. FLOW-3D는 이러한 분야에 유용한 유동 시뮬레이션으로 사용되며 실질적인 과정을 모형화 할 수 있습니다.

Simulation of a Conducting Di-electric Fluid placed over Electrodes

Simulating electric potential with FLOW-3D

Joule heating은 전류가 유체와 같은 전도성 물질을 통과 할 때 발생합니다. microscopic level 에서 Joule heating은 움직이는 대전 입자 사이의 상호 작용에 의해 발생합니다. 추가적으로 유체 유동을 일으키는 전기장 하에 있다면 유체는 di-electric, polarization이 발생될 것입니다. FLOW-3D는 이러한 전기-동력학에 대한 효과를 정확히 포착할 수 있음을 아래이 예에서 볼 수 있습니다

아래 왼쪽 이미지는 세포 배양 챔버에서의 전극의 배치를 도시합니다. 파란색 전극은 9V의 양의 전위이고 핑크 전극은 동일한 음의 전위 -9V 입니다. 전도성 유체는 전극 위에 배치됩니다. 유체는 di-electric 상수의 값으로 주어지고, 이는 polarization을 유발합니다. 시간이 지남에 따라, 전기장을 따라 가는 유체의 편광 입자는 유체의 속도를 따르게 됩니다. (the electric field is shown in top left of the animation below).

이 시뮬레이션은 주울 가열로 인해 유체의 온도 상승을 보여줍니다. 온도는 시뮬레이션 마지막까지 500 °C까지 상승하고 시뮬레이션의 우측 절반에 보여준 바대로 FLOW-3D는 전기장 내부 di-electric fluid 유체 유동 현상을 보여줍니다. 유선은 유체 유동을 시각화하기 위해 FlowSight을 사용하여 도시화 되고, 전기장 강도에 의해 컬러화됩니다. 편광 입자가 전기장에 의해 주위로 이동하는 시간이 지남에 따라 독특한 순환 cell유체가 분명히 형성됩니다. 시뮬레이션의 왼쪽 상단 그래프는 전기장의 크기 윤곽을 보여줍니다.

Simulate Resistance Heating in Bubble Jet Printheads

열 기포 구동(Thermal bubble-driven) 프린트 헤드는 잉크의 작은 부피를 기화시키는 여러 방식을 필요로 합니다. 생성 된 증기 거품은 수백만의 다른 방울과 함께 인쇄 된 이미지를 생성, 작은 물방울을 만들어 노즐을 통해 잉크로 나오게 됩니다. 잉크를 가열하는 일반적인 방법은 저항, 즉, 주울 가열을 발생하기 위해 금속의 얇은 층을 통해 전류를 전달하는 것입니다.

This FLOW-3D simulation shows a thermal bubble opening, where the heating element is inside the base.

정확한 양의 열이 생성되도록 기간과 전기적 펄스의 주기와 크기가 주의 깊게 선택 되어야 합니다. 너무 적은 열은 잉크가 증발되지 않습니다. 너무 많은 열은 물방울이 너무 커서 프린트 헤드에 손상의 원인이 됩니다. FLOW-3D는 열 버블 제트 프린트 헤드에 있는 많은 복잡하게 얽혀있는 물리적 과정을 시뮬레이션하는 데 필요한 모든 도구를 제공합니다.

Electro-osmosis

Electro-osmosis 는 전기장이 전기 이중층 (double layer) 고체의 본질적 속성에 적용되는 경우 발생하는 유체 흐름을 말합니다. 이 현상 미세 유체 응용 프로그램에 대한 상당한 실제적 중요성이 있음을 증명되었습니다. FLOW-3D는 free surface가 있고 없을 때 one 또는two-fluid 일때에 combined pressure-electro-osmotic-driven 모델링을 가능하게 합니다.

Micro-pumps

Microchannel 안에 deep slot들을 생성하고 채널에 걸린 전위를 인가함으로써, 유체 유동은 MEMS 스케일 펌프를 제어 할 수 있습니다. 적용된 전위를 조정함으로써 유량 제어될 수 있습니다. 아래 동영상은 micro-pump를 사용하기 위한 electro-osmosis응용 프로그램을 보여 줍니다.

그 위의 예에서 보는 바와 같이FLOW-3D는 복잡하고 전개되는 유동장을 시공간에 streamline을 정확하게 나타냅니다. 이 애니메이션의 유선과 입자들은 이 펌프를 디자인 함에 재순환 구역을 따내면서는 비효율이 있는 부분을 보여 줍니다. 모든 흐름이 효율적으로 전진 할 때 이러한 영역은 효율적으로 줄일 수 있습니다.

Velocity Profile Evolution of an Electro-Osmotic Micro Pump

그 시뮬레이션 아래는 슬롯 사이의 흐름 방향 속도의 변경을 보여 줍니다. Velocities 기름 방울들이no-slip 조건 때문에 슬롯 벽에 접근하고 제로로 한다. 아래 시뮬레이션은 슬롯 사이의 흐름 방향 속도의 전개를 보여 줍니다. 시간이 지남에 따라 높은 유동 속도와 유체의 혼합으로 인해 일정하고 선형 형태가 됩니다.

Micromixing

위의 애니메이션에서, 불균일한 전위가 마이크로 채널의 벽의 채널 안에 있는 나선형 흐름을 유도하도록 생성됩니다. FLOW-3D는 유체의 stretching과folding하는 것처럼 시각적으로는marker-particle로 보여지는 바와 같이 혼합 효과를 분명히 보여주고 있습니다.

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 Dielectrophoresis는 one-fluid 또는 two-fluid flow, with or without sharp interfaces 등의 기능들을 이용하여 설명될 수 있습니다.

Tag: 전기장

키워드

Executive Summary

도전 과제: 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한 이유

접근 방식: 방법론 분석

돌파구: 주요 발견 및 데이터

발견 1: 세굴 및 퇴적에 대한 높은 민감도와 정확한 감지

발견 2: 기존 토양과 재퇴적된 토양의 밀도 차이 식별

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

논문 상세 정보

Wireless monitoring of scour and re-deposited sediment evolution at bridge foundations based on soil electromagnetic properties

1. 개요:

2. 초록:

3. 서론:

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

이전 연구 현황:

연구 목적:

핵심 연구:

5. 연구 방법론

연구 설계:

데이터 수집 및 분석 방법:

연구 주제 및 범위:

6. 주요 결과:

주요 결과:

Figure 목록:

7. 결론:

8. 참고 문헌:

Expert Q&A: 전문가 질의응답

결론: 더 높은 품질과 생산성을 위한 길

저작권 정보

키워드

Executive Summary

도전 과제: CFD 전문가에게 이 연구가 중요한 이유

접근 방식: 연구 방법론 분석

돌파구: 주요 연구 결과 및 데이터

결과 1: 배경 전류(Background Current) 상태의 열-유동장 분석

결과 2: 피크 전류(Peak Current) 상태의 급격한 온도 및 유속 증가

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

논문 상세 정보

Simulation of a Gas Tungsten Arc Welding Process in COMSOL

1. 개요:

2. 초록:

3. 서론:

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

이전 연구 현황:

연구 목적:

핵심 연구:

5. 연구 방법론

연구 설계:

데이터 수집 및 분석 방법:

연구 주제 및 범위:

6. 주요 결과:

주요 결과:

Figure 목록:

7. 결론:

8. 참고문헌:

전문가 Q&A: 자주 묻는 질문

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

저작권 정보

1. 🚀 FLOW-3D의 개요와 기술적 특성

2. 💡 마이크로유체학의 주요 응용과 FLOW-3D의 동적 접촉각 모델

3. 🧪 FLOW-3D 기반 마이크로유체 애플리케이션 사례 요약

3.1. 마이크로유체에서의 정밀 액체 핸들링 및 드롭렛 생성 원리

3.2. 마이크로 채널 내 다양한 유량 제어 기술 및 적용 사례

3.3. 마이크로유체 시스템에서 입자 분리 및 분류 기술

3.4. Lab-on-a-Chip 시스템의 핵심 기술 응용

4. 🚀 FLOW-3D의 고성능 컴퓨팅 활용 및 미래 전망

FLOW-3D DEM Module 개요

Discrete Element Method : 개별 요소법

입자 간의 충돌

분석 모드

입자 유형

응용 분야

1. Mechanical Engineering 분야

3. Civil Engineering 분야

3. Chemical Engineering, Pharmaceutics 분야

4. MEMS, Electrical Engineering 분야

입자 그룹 가시화