3D 종이 미세 유체 장치를 구축하기 위해 접착제 패터닝을 사용하여

이 기술의 전반적인 목표는 에어로졸 접착제 패턴 형성을 통해 제작 과정 중 및 사용 후에 펼칠 수 있는 평면 및 비평면 3차원 종이 미세유체 소자를 제작하는 것입니다. 이 방법은 기존에 연구자들이 단순한 채널 네트워크 형태의 제작에 머물게 했던 제약들을 제거함으로써 종이 미세유체 역학의 완전히 새로운 설계 영역을 제시합니다. 이 기술의 주요 장점은 종이 미세유체 소자 제작 시 사용되는 접착제의 양을 크게 줄일 수 있다는 점과, 비평면 3차원 종이 미세유체 회로의 구축을 가능하게 한다는 점입니다.

먼저, 고체 잉크 프린터를 사용하여 필터 페이퍼에 장치의 각 층에 해당하는 어레이를 출력합니다. 각 필터 페이퍼를 170 °C의 핫플레이트 위에 2분 동안 놓아 왁스 기반 잉크를 녹이고, 잉크가 종이에 완전히 침투하여 소수성 장벽을 형성하도록 합니다. 종이가 식으면 마이크로피펫을 사용하여 3층의 각 분지(branch)에 서로 다른 색상의 염료를 넣습니다.

5 mM 염료를 4 µL씩 분주하여 준비합니다. 이제 제작을 시작합니다. 먼저, 스텐실과 판유리와 같은 단단한 뒷받침대 사이에 가장 아래쪽 층을 고정합니다.

스프레이 그림자가 최소화되도록 스텐실이 종이에 완전히 밀착되었는지 확인하십시오. 그런 다음, 메트로놈을 분당 180비트로 설정하고 약 24 centimeters 거리에서 4비트 동안 접착제를 분사하십시오. 스텐실 위에서 캔을 4회 일정하게 움직이며 분사합니다.

캔을 너무 천천히 이동시키면 스텐실 자체에 접착제가 쌓여 스텐실이 막히게 됩니다. 반대로 캔을 너무 빠르게 이동시키면 접착제가 충분히 도포되지 않습니다. 그 다음, 스텐실을 제거하고 장치의 다음 층을 방금 분사한 층 위에 배치하며, 가장자리 부분을 주의 깊게 정렬합니다.

층들을 단단히 눌러줍니다. 그 후, 접착제를 다시 뿌립니다. 모든 층이 단단히 접착될 때까지 이 과정을 반복합니다.

유체가 누출되는 것을 방지하기 위해 4층 적층 구조의 맨 아래층에 포장 테이프 조각을 길게 붙입니다. 그 후, 인쇄된 패턴을 따라 적층 구조에서 개별 장치들을 절단할 수 있습니다. 이전 과정과 마찬가지로, 고체 잉크 프린터를 사용하여 필터 페이퍼 위에 장치를 인쇄하고 170 °C의 핫플레이트에서 2분 동안 잉크를 녹입니다.

이 절차를 위해, 동일한 방식으로 접기 패턴(crease pattern)을 일반 프린터 용지에 출력하십시오. 출력물이 식으면, 접기 패턴의 선을 채널 패턴의 가장자리에 맞춥니다. 그 다음, 테이프를 사용하여 고정하십시오.

다음으로, 끝이 뭉툭한 스타일러스로 접기 선을 따라 그립니다. 소자 시트에 표시가 될 정도로 충분한 힘을 가하되, 종이가 찢어지지 않도록 주의하십시오. 만약 종이가 찢어지면 처음부터 다시 시작하십시오.

이 사전 접기 기법은 접기의 정확도와 정밀도를 높여줍니다. 이제 접기 패턴에 따라 산접기(mountain fold)와 골접기(valley fold)를 사용하여 장치를 접기 시작하십시오. 접착제를 도포하기 전에 먼저 접어두면 장치 조립 속도를 높이는 데 도움이 됩니다.

접은 후 다시 펴서 접착제가 필요한 부분을 노출시킵니다. 그런 다음 칼을 사용하여 접착제가 도포될 범위를 제한하는 마스크를 잘라냅니다. 이제 마스크가 부착된 스텐실과 단단한 받침대 사이에 장치를 평평하게 고정합니다.

메트로놈을 사용하여 1.3초를 맞춘 후, 이전과 동일하게 접착제를 도포하십시오. 주변 습도가 낮을 경우, 접착제가 너무 빨리 마르지 않도록 습도가 조절되는 구역에서 접착제를 도포하십시오. 그다음, 스텐실과 마스크를 제거하고 시트를 뒤집으십시오.

그런 다음, 종이의 뒷면도 동일한 방식으로 분사하십시오. 즉시 스텐실에서 소자를 제거하고 소자를 접기 시작하십시오. 소자가 완전히 접히면, 접착제가 포함된 부분에 건조될 때까지 지속적으로 압력을 가하십시오.

4층 장치의 심지 현상 테스트를 수행하려면, 20개의 장치를 무작위로 선택합니다. 증발을 최소화하기 위해 기류가 차단된 곳에 장치를 배치합니다. 그런 다음, 각 장치의 입구에 40 µL의 물을 떨어뜨립니다.

각 장치의 모든 배출구가 염료로 완전히 채워질 때까지 걸리는 시간을 기록하십시오. 오리가미 장치의 경우, 이전에 설명한 대로 제작한 오리가미 공작 한 마리와 접착제를 도포할 때 스텐실을 사용하지 않고 제작한 다른 오리가미 공작 한 마리를 비교하십시오. 그런 다음, 작은 종이 리드(paper lead)의 한쪽 끝을 공작의 몸체에 삽입하십시오.

90% 이상의 제어된 상대 습도 조건에서, 각 피콕(peacock)의 다리와 종이 리드를 5 mM 염료가 채워진 용기에 넣습니다. 도포된 접착제 양에 따라 제작된 4층 소자들의 평균 모세관 현상 시간(wicking times)과 성공률을 비교하였습니다. 접착제가 균일하게 도포되었을 때 상대적으로 높은 성공률을 보였으며, 접착제 양이 증가함에 따라 성공률은 감소하였습니다.

패턴화된 접착제를 양면에 도포했을 때가 한 면에만 도포했을 때보다 윅킹 시간이 더 빠르고 성공률도 훨씬 높았습니다. 접착제를 한 면에만 도포한 경우 실패가 더 빈번하게 발생했습니다. 전형적인 적층 장치의 실패 특징은 배출구가 염료로 완전히 채워지지 않거나, 채워지는 데 5분 이상이 소요되는 것이었습니다.

오리가미 접이식 소자에서 소자 실패는 염료가 전혀 채워지지 않은 배출구로 정의되었습니다. 이러한 배출구들은 접힘선이 포함된 소자의 두 가장자리를 따라 배정되어 있었습니다. 채널 주변의 테두리 크기를 두 배로 늘림으로써, 단면 및 양면 접착제 도포 모두에서 성공률이 증가했습니다.

두 가지 접착제 도포 방법 모두 액체를 채널 길이를 따라 혼합 없이 성공적으로 유도하는 장치를 생성하였습니다. 하지만 접착제를 균일하게 도포한 장치의 속도가 눈에 띄게 느렸습니다. 이 절차를 수행할 때는 접착제를 고르고 일정하게 도포하는 것이 중요합니다.

에어로졸 접착제는 반드시 환기가 잘 되는 구역에서만 도포해야 함에 유의하십시오. 이 영상을 시청하고 나면, 평면 및 비평면 3D 종이 미세유체 장치를 제작하기 위해 패턴 접착제를 도포하고 사용하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다. 이 기술을 통해 연구자들은 통합 구동 및 감지와 같이 기존 평면 장치에서는 찾을 수 없었던 기능을 구현하기 위해 비평면 구조의 활용 가능성을 탐구할 수 있습니다.