열은 보내고 액체는 막아야 한다: 출력된 미세유체 장치의 경계층

발열체와 액체 통로 사이에 놓이는 얇은 플라스틱 층에는 두 요구가 걸린다. 열은 위쪽으로 전달되어야 하고, 액체는 아래쪽 저항으로 새지 않아야 한다. MIT가 2023년 12월 11일 소개한 미세유체 연구는 이 층까지 장치와 함께 3D프린팅했다.

작은 통로를 데우는 재료

미세유체 장치는 적은 액체를 다루며 화학 반응을 돕는다. 많은 응용에서 반응에 필요한 온도를 맞춰야 한다. 연구진은 금이나 백금 발열 요소를 따로 만드는 기존 방식에 대해, 출력 재료로 발열 저항을 만드는 방법을 제시했다.

사용한 재료는 일반 PLA와 구리 나노입자가 섞인 PLA다. 일반 PLA는 전기를 잘 통하지 않지만, 구리 혼합 PLA는 전기 전도성을 갖는다. 구리 혼합 PLA 저항에 전류가 흐르면 에너지가 열로 소모되고, 위쪽 통로를 흐르는 액체를 데운다.

다중 재료 압출 공정은 여러 노즐에서 재료를 밀어내며 한 층씩 쌓는다. 발열 저항을 먼저 출력한 뒤 유로가 있는 부분을 위에 출력하고, 둘 사이에는 얇고 연속적인 PLA 층을 둔다. 재료의 바탕이 같아 출력 온도가 비슷하고 서로 호환된다.

분리층은 열을 전달할 만큼 얇아야 하지만, 액체가 저항으로 새는 문제도 막아야 한다. 단순히 가장 얇은 층을 만드는 문제가 아닌 이유다. 전체 장치는 출력 뒤 별도 조립 없이 한 공정으로 만들었다.

장치는 미국 25센트 동전 정도 크기였고 제작에는 몇 분이 걸렸다. 유로는 폭 약 500마이크로미터, 높이 약 400마이크로미터였다. 기사에서 약 2달러로 소개한 것은 재료비다. 반투명한 PLA를 통해 내부 액체를 볼 수도 있다.

시제품은 입구에서 출구까지 흐르는 액체의 온도를 섭씨 4도 높일 수 있었다. 하지만 PLA는 약 섭씨 50도를 넘겨 가열하면 열화하기 시작한다. 기사에서 제시한 PCR 반응의 섭씨 90도 이상 조건에는 재료의 한계가 남는다.

정밀한 온도 제어에는 온도를 감지하는 세 번째 재료를 통합해야 한다. 연구진은 더 높은 온도용 재료도 탐색하고 있었다. 이 연구에서는 가열 기능과 유로를 함께 출력했고, 그 사이의 얇은 층이 열 전달과 액체 분리를 연결하는 제조 과제가 됐다.