폴리머 열접합은 열가소성 폴리머의 표면에 열과 압력을 가해 폴리머 표면의 경계면의 고분자끼리 엉겨 붙는 것이다. 접합면에서의 용융과 샘플 외부에서의 가압을 통해 접합이 이루어지므로 열가소성 폴리머 용융 접합이라고도 한다. 열가소성 폴리머에 레이저, 초음파, 열을 가하면 폴리머의 접합면이 용융 및 연화되며 열가소성 폴리머의 유리전이온도(Glass Transition Temperature)에서 접합이 진행된다. 유리전이온도에서 열가소성 폴리머의 상태는 유동의 성질이 생기기 시작하는 고무상 상태이며 온도나 압력에 예민하게 반응하므로 정밀한 온도 및 압력 제어를 통해 고분자끼리 엉겨 붙어 폴리머 샘플의 접합이 이루어진다.^16,17

Fig. 1은 폴리머 열접합의 개략도이다. 유리위에 폴리머 샘플을 올리고, 열과 압력을 가해 접합이 이루어진다. 유리는 필름의 변형 방지 및 표면에 균일한 온도와 압력을 전달하기 위함이다.

Fig. 1 
Schematic of polymer thermal bonding protocol

본 논문에 사용된 PMMA는 EVONIK사의 두께 3.0 mm의 Plexiglas Sheet와 두께 0.3 mm의 Plexiglas Film을 사용했다. PMMA는 광 투과율, 경제성 및 성형성 등이 좋아 폴리머 미세유체장치의 재질로 많이 사용되며 열 압축 성형기인 핫 프레스(Hot Press)와 황동금형(Brass Mold)을 사용하여 마이크로 채널을 성형했다. 두께 3.0 mm의 PMMA Sheet에 열 압축 성형을 했으며, 성형온도는 160^oC, 성형압력은 7 MPa로 8분간 가압을 통해 성형을 했다. Fig. 2는 폴리머 열성형 개략도이다. 폴리머 시트 위에 몰드를 올리고, 열과 압력을 이용해 폴리머를 가공한다.

Fig. 2 
Thermal compression molding process

Table 1은 성형 조건 및 결과를 나타낸 것이며 채널에 크랙이나 기포 없이 성형이 우수하게 되었다.¹⁸

Temperature [oC]	160
Pressure [MPa]	7
Time [min]	8
Result

PMMA 열접합 시스템은 상용화된 압력밥솥을 챔버로 사용했다. 챔버 내부에는 히터를 부착했고, 용량은 3,600Watt로 1,800 Watt 히터 2개를 사용했다. 각각의 히터 제어를 통해 강열모드(3,600Watt)와 약열모드(1,800Watt)로 컨트롤할 수 있다. 샘플의 접합이 이루어지는 폴리머 실링백은 내부압력이 대기압과 동일하도록 벤트 튜브가 챔버 외부로 연결되어 있다. 챔버 내부 온도를 측정하기 위해 K-Type 열전대(Thermocouple)와 온도계를 사용해 챔버 내부 온도를 확인했으며 메인 전원 컨트롤러를 사용해 히터의 On/Off를 제어했다.

챔버 내부의 압력은 레귤레이터(Regulator)의 무게 조절을 통해 컨트롤했으며 상부에 부착된 아날로그 압력계를 통해 내부 압력을 확인했다. PMMA 열접합 시스템은 상용화된 압력밥솥을 챔버로 사용하여 허용 사용온도는 119^oC, 허용 사용 압력은 103 kPa이다.

Fig. 3은 PMMA 열접합 시스템의 외부 사진과 챔버 내부의 사진이다. 챔버 내부에는 벤트 튜브와 폴리머 실링백이 커넥터를 통해 연결이 되어 있는 것을 볼 수 있으며 챔버 내부의 온도 측정을 위해 열전대가 부착되어 있다.

Fig. 3 
PMMA thermal bonding system and chamber inside

PMMA 열접합 시스템은 레귤레이터의 중량 조절을 통해 물의 끓는점을 제어했다. 폴리머 샘플은 유리-필름-샘플 순서로 위치시킨 후 테프론 테이프로 고정하여 폴리머 실링백에 넣었다. 샘플이 들어있는 폴리머 실링백은 벤트 튜브와 연결하여 챔버 내부의 물속에 위치시켰다. 이때 폴리머 실링백은 챔버 내부의 유체가 실링백으로의 유입을 방지하기 위해 완전히 밀봉했다. 이후 챔버 뚜껑과 본체를 결합하고, PMMA의 열접합 온도에서 물이 끓도록 챔버 내부의 목표 압력에 상응하는 중량의 레귤레이터를 부착해 실험을 진행했다. 총 실험 시간은 45분이며, 메인 전원을 켠 후 104^oC까지 강열모드로 가열한 후 약열모드로 변경하여 레귤레이터에 의한 타겟온도에서 20분간 열접합을 진행한다. 열접합 시간 이후 안정화 구간으로 메인 전원을 끈 후 레귤레이터를 제거하지 않고, 80^oC까지 약 20분간 자연냉각 시켰다. 이후 레귤레이터를 제거하고, 챔버 내부의 잔류 압력을 제거한 후 샘플을 회수한다.

Table 2는 레귤레이터의 중량과 이에 따른 PMMA 열접합 시스템의 최고온도를 나타낸다. 레귤레이터를 절단하여 챔버 내부의 최고압력을 조절했으며, 이를 통하여 챔버 내부 물의 끓는 온도를 조절할 수 있었다. 절단되지 않은 레귤레이터의 무게는 93.97 g이며, 이에 상응하는 최고온도는 110.5^oC이다. 레귤레이터의 무게 70.03 g에 상응하는 물의 끓는 온도는 107.1^oC, 레귤레이터의 무게 66.47 g에 상응하는 물의 끓는 온도는 106.7^oC, 레귤레이터의 무게 52.00 g에 상응하는 챔버 내부의 최고온도는 105.8^oC이다. 본 연구에서는 레귤레이터가 없는 경우와 레귤레이터의 무게 93.97 g, 그리고 레귤레이터의 무게 52.00 g의 경우에 한하여 열접합 결과들을 Table 3에 비교하였다. 레귤레이터의 무게 70.03과 66.47 g의 경우에는 각각 93.97과 52.00 g의 열접합 결과와 비교하여 중간 정도의 열접합 결과를 보여준다.

Regulator	Weight [g]	Maximum temperature [oC]
	93.97	110.5
	70.03	107.1
	66.47	106.7
	52.00	105.8

Case	Depth [μm]	Width [μm]	Temperature [oC]	Pressure [kPa]
(a)	100	200	100	0
(b)	200	500	100	0
(c)	700	700	100	0
(d)	100	200	105.5	26.2
(e)	200	500	105.5	26.2
(f)	700	700	105.5	26.2
(g)	100	200	110.5	32.4
(h)	200	500	110.5	32.4
(i)	700	700	110.5	32.4

Table 3은 열접합 온도 3가지 경우와 그 온도에 대응하는 압력 3가지 경우, 그리고 3가지의 마이크로 채널 종힁비를 가진 PMMA 샘플에 대한 조건들과 각 조건들의 열접합 결과를 마이크로 채널의 단면사진으로 보여주고 있다. 열접합 온도 100^oC와 압력 0 kPa의 경우인 Cases (a)부터 (c)는 PMMA Sheet와 PMMA Film의 열접합이 되지 않았으며, 열접합 온도 105.5^oC와 압력 26.2 kPa의 경우인 (d)부터 (f)는 마이크로 채널의 형상이 변화없이 열접합이 되었으며, 열접합 온도 110.5^oC와 압력 32.4 kPa의 경우인 (g)부터 (i)는 마이크로 채널이 손상되었다.

이는 PMMA의 유리전이온도가 105^oC인 것을 고려하면 논리적으로 합당한 결과이며 레귤레이터의 무게 52.00 g을 사용하여 형성된 열접합 온도 105.5^oC와 열접합 압력 26.2 kPa이 본 열접합 시스템의 최적의 PMMA 열접합의 조건으로 고려될 수 있다.

Table 4는 PMMA 열접합 시스템을 이용한 최적의 PMMA 샘플의 열접합 조건을 보여주고 있다.

Fig. 4는 PMMA 열접합 시스템의 온도 변화 그래프를 보여주고 있다. 레귤레이터의 무게 52.00 g을 사용하여 열접합 구간(Bonding Zone) 내에서 챔버 내부의 끓는 물의 온도는 105.5^oC(±0.3^oC)로 정밀한 온도 제어가 가능했으며 이는 열접합 부분과 열평형 상태로 동일한 온도로 고려된다. 또한, 챔버 내부의 압력은 약 26.2 kPa로 일정하게 유지되었다.

Fig. 4 
Temperature graph of PMMA thermal bonding condition using a PMMA thermal bonding system

PMMA 열접합 시스템의 열접합 조건에 따른 PMMA 접합력 비교를 위해 100, 105.5, 110.5^oC의 3가지 조건으로 열접합 후 접합력 테스트를 수행하였다. PMMA 접합력 시험을 위해 PMMA Sheet에 홀 가공을 하고, PMMA Sheet와의 열접합을 진행하였다. 열접합 후 접합된 PMMA Sheet 샘플들의 양 끝단에 와이어를 묶은 후 인장 압축 시험기에 고정시켰다. Fig. 5는 PMMA 접합력 테스트를 위한 인장 압축 시험을 보여주고 있다.

Fig. 5 
Bonding strength test using tension and compression tester

Table 5는 PMMA 샘플의 접합력 결과이며 100, 105, 110.5^oC로 총 3가지 조건으로 실험했다. 100^oC에서는 샘플이 접합되지 않아 접합력 측정이 불가했으며 105.5^oC에서는 195.9±1 N으로 측정되었다. 110.5^oC에서는 252.2±1.5 N으로 측정되었다.