미세유체 칩 생산에 사용되는 세라믹 사출 성형

May 22, 2024

2022년 10월 17일

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미세 유체 장치는 빠른 응답 시간 및 낮은 분석 소비와 같은 주요 이점으로 인해 학술 및 산업 연구 모두에서 엄청난 관심을 얻었습니다. 1세대 미세유체 칩의 제조에는 실리콘이 사용되었지만 지금까지는 다양한 미세유체 장치의 다양한 기능에 따라 다양한 재료(예: 석영/융합 실리카, 유리, 세라믹, 폴리머 및 금속)가 사용되었습니다.

현재 일부 미세유체 응용 분야는 적외선(IR) 분광법과 통합되어 있으며, 이는 분자의 결합 진동 주파수를 측정하고 작용기를 결정하는 데 사용됩니다. 그러나 미세 유체 칩에 사용되는 대부분의 고분자 및 유리 기판은 중적외선 영역에서 투명하지 않으며 일반 IR 호환 재료는 가격이 비싸고 미세 가공에 까다롭습니다. 투명 다결정 세라믹은 투명성 문제를 해결할 수 있으며 FTIR 분석과 결합된 미세 유체 응용 분야에 사용될 수 있는 잠재력을 갖고 있어 세라믹 기판에 필요한 미세 형상을 저렴한 비용으로 제조할 수 있습니다.

싱가포르에 본사를 둔 싱가포르 제조 기술 연구소(SIMTech), 난양 기술 대학(NTU) 기계 및 항공 우주 공학부, 화학 공학 연구소(ICES)의 공동 연구 프로그램에서 세라믹이 다음과 같은 결과를 보였다. 사출 성형은 상대적으로 저렴한 비용으로 100μm만큼 미세한 작고 복잡한 마이크로 기능을 갖춘 순 또는 거의 순 모양의 고성능 IR 투명 세라믹 마이크로칩을 생산하는 데 성공적으로 사용될 수 있습니다. PIM을 통해 원하는 형상 프로파일, 미세 구조 및 광학 특성을 갖춘 IR 투명 세라믹 미세 유체 칩을 생산할 수 있는 타당성을 설명하는 연구 결과는 재료 과학 연구 및 개발 분야의 Tao Li 등이 짧은 커뮤니케이션으로 발표했습니다. 2021년 7월 7일, 1707-1712.

통신문 작성자는 평균 입자 크기가 0.25μm인 고순도 이트리아(Y2O3) 분말을 분무 건조하여 30~50μm의 구형 입자를 생성했다고 보고했습니다. 소결 온도를 낮추고 투명성을 더욱 향상시키기 위해 볼 밀링을 통해 이트리아 분말 배치에 5 mol.% 3Y-지르코니아 분말을 첨가했습니다. 그런 다음 이 혼합물에 파라핀 왁스(PW), 폴리프로필렌(PP) 및 스테아르산(SA)을 기반으로 하는 자체 개발 바인더 시스템을 첨가하여 CIM 공급원료를 생성했습니다.

사출 성형 매개 변수를 최적화한 후 그림 1과 같이 폭 200μm, 깊이 100μm의 마이크로 채널을 갖춘 20 x 2mm의 원형 디스크와 25 x 25 x 2.5mm의 정사각형 미세 유체 칩이 생성되었습니다. 성형된 녹색 부품에서 대부분의 PW 및 SA 바인더를 제거하는 데 사용됩니다. 남은 바인더는 다단계 열탈바인딩 공정을 통해 제거되었으며, 이 공정에서는 부품이 불활성 분위기에서 가열되고 가열 프로파일이 엄격하게 제어되었습니다. 열 탈지 후 갈색 부품을 고진공로로 옮겨 1770°C의 온도와 다양한 체류 시간에서 소결했습니다.

앞서 언급한 바와 같이 지르코니아 첨가는 투명한 이트리아 제조에 중요한 역할을 한다. 1750°C에서 소결된 지르코니아가 있거나 없는 PIM 디스크가 그림 2에 나와 있으며 지르코니아를 첨가하지 않은 소결된 샘플(그림 2a)은 여전히 ​​불투명한 반면 지르코니아를 첨가하면 특정 투명성이 달성되었습니다(그림 2). .2b).

지르코니아가 포함된 이트리아 디스크 샘플을 연마하면 소결된 부품에 비해 훨씬 더 나은 투명성을 얻을 수 있습니다(그림 3). 연마된 PIM 디스크의 빛 투과율도 연마되지 않은 샘플에 비해 약 10~20% 증가합니다. 연구진은 이는 연마되지 않은 표면에 비해 연마된 표면에서 산란되는 빛이 적기 때문이라고 밝혔습니다. 연마 후 부품의 투과율은 가시광선 범위(400~800nm)에서 약 50~70%입니다. 투과율은 단파장에서 장파장으로 증가하며 시료의 적외선 파장에서는 투과율이 70~74%입니다. 동일한 파장대에서 약 80%의 투과율을 보이는 이트리아 단결정에 비해 분말사출성형으로 생산된 다결정 세라믹은 90%의 투과율을 달성할 수 있습니다.