PDMS 극초박막 마이크로벌룬을 이용한 강인한 음향 미소유체 교반기

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, we report, for the first time, the fabrication of a microscale microballoon mixer using a precision DLP 3D printer and PDMS thin films, followed by performance optimization through flow visualization and subsequent validation.
Microscale mixing plays a critical role in various applications, including lab-on-a-chip and μTAS (Micro Total Analysis Systems), and has been extensively studied. However, in microscale flows, the low Reynolds number results in laminar characteristics, making convection-based mixing inefficient. To overcome this limitation, both active and passive mixing strategies have been developed. Among them, cavitation microstreaming, which mixes fluids via oscillating bubbles, offers rapid and effective mixing with simple fabrication. Nevertheless, this approach suffers from instability of the water-air interface, leading to rapid submergence (<10 min) and limiting practical applications.
To address this drawback, we developed a microballoon mixer in which a PDMS thin film is inflated and oscillated in place of bubbles. The PDMS was spin-coated onto a petri dish and transferred onto the DLP 3D-printed substrate via an imprinting method. By optimizing spin-coating speed and duration without usingsolvents, we successfully fabricated PDMS films as thin as 860 nm. The microballoons were inflated using a syringe pump.
To actuate the microballoon mixer, a piezoelectric actuator was employed, with the resonance frequency measured and applied using the EMIS method. Flow visualization using fluorescent nanoparticles and a high-speed camera was performed to optimize the mixing performance. The optimal operating conditions were determined to be a PDMS membrane thickness of 40 μm, a microballoon diameter of 0.8 mm, and an excitation voltage of 60 Vpp. Notably, even after 6 hours, despite the deflation of the inflated microballoon (0.78 mm → 0.35 mm), excellent mixing performance was maintained. Under these conditions, a 6 μL ink droplet was fully homogenized in 600 μL of water within 32 seconds. To demonstrate the practical utility of the microballoon mixer, DNA extraction experiments were conducted using K562 cells. The extracted DNA exhibited concentration and purity comparable to those obtained with a commercial kit, while reducing the extraction time by a factor of three. PCR and gel electrophoresis further confirmed the integrity and usability of the extracted DNA.
Based on the demonstrated effective mixing performance of the fabricated microballoon mixer, this platform is expected to find broad applications in various microscale fluidic systems in the future.

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 최초로 정밀 DLP 3D 프린터와 PDMS 박막을 이용하여 마이크로벌룬 미소유체 교반기를 제작하고, 유동 가시화를 통해 그 성능을 최적화한 뒤 이를 검증하였다.
미소유체 교반은 랩온어칩(Lab-on-a-chip), μTAS(Micro Total Analysis Systems) 등 다양한 분야에 사용되며활발히 연구되고 있는 분야이다. 그러나 마이크로스케일의미소유체에서 유체는 레이놀즈수가 낮아 층류의 특성을 가져 대류 기반 혼합이 어렵다는 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 다양한 능동, 수동적 방법이 고안되었다. 그중 유체 속 기포를 진동시켜 혼합을 하는 공동 마이크로스트리밍 방법은 빠르고 효과적인 혼합이 가능하며 제작이 간단하다는 장점이 있지만, 불안정한 물-공기 계면을 진동시키기에 빠른(<10 분) 침수 문제가 있어 실제 응용에는 한계가 있다.
이러한 단점을 극복하기 위해, 본 연구에서는 PDMS 박막을 팽창시켜 기포 대신진동시키는 방법을 고안하였고, 그 장치를 마이크로벌룬 교반기라 명명했다. PDMS를스핀 코팅 방식을 통해 페트리디쉬에 퍼뜨린 후, 정밀 DLP 3D 프린팅 출력물 몸체를압인하여 떼어내는 박막 전이 방법을 이용했다. 또한 용매 없이 스핀 코팅 속도, 시간만을 이용하여 860 nm의 PDMS 박막을 만드는데 성공했다. 제작한 마이크로벌룬은시린지펌프를 통해 팽창시켰다.
제작한 마이크로벌룬 교반기의 구동을 위해 압전소자의 진동을 이용하였다. 공진주파수는 기전 임피던스 분광법으로 측정 후 적용하였다. 이때 마이크로벌룬 교반 성능을 최적화하기 위해 유동 가시화를 이용했고 형광 나노 입자와 고속 카메라를 사용하였다. 결과적으로 40 μm의 박막 두께, 0.8 mm의 마이크로벌룬 크기, 60 Vpp의 가진 전압으로 최적화하였다. 6시간이 지나 부푼 마이크로벌룬의 크기가 줄어들었음에도 불구하고(0.78 mm → 0.35 mm) 우수한 혼합 성능을 보였다. 또한 600 μl의 물에서 6 μl의잉크를 32초 안에 혼합했다.
마이크로벌룬 교반기의 유용성을 증명하기 위해 K562 세포에서 DNA를 추출하는실험을 했다. 추출된 DNA는 상용 키트에서 추출된 DNA와 견줄만한 농도와 순도를보였으며 추출 시간을 약 3배 단축했다. 이후 PCR과 전기영동 실험을 통해 DNA의유효성을 증명했다.
본 논문에서 제작한 마이크로벌룬 교반기의 효과적인 혼합 성능을 바탕으로, 추후다양한 미소유체 응용 분야에 사용될 것으로 기대한다.

목차 (Table of Contents)

• 그림목차 iii
• 표목차 iv
• 국문초록 v
• 제 1 장 서론
• 1.1 미소유체 교반기 1
• 1.2 공동 마이크로스트리밍 기반 미소유체 교반기 2
• 1.3 공동 마이크로스트리밍 기반 미소유체 교반기의 한계와 해결책 2
• 제 2 장 마이크로벌룬 교반기의 설계 및 제작
• 2.1 PDMS 박막 제작 5
• 2.2 마이크로벌룬 교반기 몸체 설계 및 제작 8
• 2.3 마이크로벌룬 교반기 제작 10
• 제 3 장 마이크로벌룬의 특성 분석
• 3.1 마이크로벌룬의 팽창 이론 12
• 3.2 마이크로벌룬의 팽창 12
• 3.3 마이크로벌룬의 수축 14
• 제 4 장 유동가시화를 통한 마이크로벌룬 교반기의 성능 최적화
• 4.1 유동가시화를 위한 실험 장치 17
• 4.2 임피던스 분석을 통한 공진 주파수 측정 18
• 4.3 유동가시화를 통한 마이크로벌룬 교반기의 성능 검증 및 최적화 19
• 4.3.1 PDMS 박막 두께 최적화 19
• 4.3.2 가진 전압 최적화 22
• 4.3.3 PDMS 박막 두께, 가진 전압 최적화 23
• 4.3.4 마이크로벌룬 크기 최적화 24
• 4.3.5 PDMS 박막 두께, 마이크로벌룬 크기 최적화 25
• 4.3.6 마이크로벌룬 교반기 최적화 26
• 4.3.7 마이크로벌룬 교반기의 장기 안정성 검증 27
• 제 5 장 마이크로벌룬 교반기의 성능 검증
• 5.1 마이크로벌룬 교반기의 혼합 성능 실험 29
• 5.1.1 잉크 혼합 성능 실험을 위한 실험 장치 29
• 5.1.2 잉크 혼합 성능 실험 결과 30
• 5.2 마이크로벌룬 교반기를 통한 DNA 추출 실험 32
• 5.2.1 DNA 추출 실험 장치 34
• 5.2.2 DNA 추출 실험 결과 35
• 5.2.3 추출한 DNA의 PCR, 전기영동 실험 36
• 제 6 장 결론 및 토의 39
• 참고문헌 41
• Abstract 53