탄소나노튜브 박막을 이용한 마이크로 유량 센서의 특성 연구

Abstract

최근 발전하는 반도체 제조 공정은 micro fluidic 기술에도 큰 발전을 기대할 수 있도록 하였으며, lab-on-a-chip, μTAS 등과 같은 분야를 만들어내기에 이르렀다. 그리고 또한 이는 생명공학분야와 접목되어 세포의 분리/분석 기술, 세포 배양기술의 발전을 야기하였으며 이를 이용한 화학적 분석에도 큰 공헌을 하였다.

바로 이 lab-on-a-chip 기술에서 미세 유량의 제어를 좀 더 정확하게 하는 연구는 나아가 전체적인 시스템의 정확도를 결정하는 중요한 요소이며 이를 위해서는 보다 정확하게 유량을 잡아낼 수 있는 소자가 필요하다.

따라서 본 논문에서는, pressure-type의 micro flow sensor에 대한 논의를 할 것이며, 이를 위해서 탄소 나노튜브를 기반으로 한 Piezoresistive film의 제작을 함께 논할 것이다.

센서층은 poly(dimethylsiloxane) elastomer 와 함께 구비된 300 마이크로 미터 크기의 orifice로 이루어져 있으며, 이 위에 arc-discharge 법으로 정제된 single-wall 탄소 나노튜브 박막을 selective vacuum filtration 법을 이용하여 형성하는 것으로 완성된다.

본 센서는 일반적인 Piezoresistive 방식의 압력 센서를 사용하였으며, 유량의 측정을 위해서 센서층에 일정한 크기의 orifice를 형성하였다. 이는 나아가 유체의 흐름을 방해하는 요소로 작용하여 유체의 속도에 따라서 센서층이 압력을 받아 물리적으로 변형하는 작용을 하게 된다. 이 때, 센서층의 물리적 변형이 탄소 나노튜브 박막의 물리적 변형으로 이어지며 이는 곧 탄소 나노튜브 박막의 전기적 신호로 검출되게 된다.

결과적으로 CNTF의 유속에 대한 관계와 그 측정 결과를 얻어내는데 성공하였으며, flow rate와 저항변화 값 간의 상관 관계가 PDMS diaphragm의 deflection 값과 상당히 비슷한 경향성을 띄는 것을 성공적으로 확인하였다. 이를 통하여 특정된 flow sensor의 sensitivity는 1 mL/min의 유량이 변할 때 마다 약 11.8% 만큼의 저항값이 변하는 것으로 확인 되었으며, flow가 흐를 때 약 2.2초, 흐르지 않을 때 약 3.2초 만큼의 delay가 있은 후에 그 전기적 측정값이 안정적으로 얻어짐을 확인하였다.