[논문 리뷰] Ionic Electro active Polymer-Based Soft Actuators and Their Applications in Microfluidic Micropumps, Microvalves, and Micromixers: A Review

Mohsen Annabestani, Mahdi Fardmanesh|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 09.

Dielectric materials and actuators참고 문헌 138인용 수 13

한 줄 요약

이 리뷰는 마이크로플루이딕 미크로펌프, 마이크로밸브, 미크로믹서에 적합한 저비용이며 효율적인 활성 소자로서 이온 전기활성 폴리머(i-EAP) 소자, 특히 IPMC, CPA 및 i-CNTA를 탐구한다. 이들은 저전압 및 저주파수에서의 작동 성능이 입증되어 있어, 소형이고 에너지 효율적이며 쉽게 제작 가능한 유체 시스템을 가능하게 하여 현장 진단에의 잠재력을 보여준다.

ABSTRACT

This paper provides a detailed review on applications of ionic electroactive polymer (i-EAP) soft actuators as active elements of microfluidic micropumps, microvalves, and micromixers. The related works that have so far been presented by various research groups in the field have been collected in this review, which in the presented comparative procedure here shows the progress of this field during the time. Microfluidic technology as a pioneer field in bioengineering needs to have some active components likes pumps, valves, and mixers to obtain efficient functionality. Most of the conventional microfluidic active components are challenging to assemble and control outside the laboratory since they need some special facilities, which is not cost-effective. This is while some of the main targets of the microfluidic devices are for the development of point of care (POC) diagnostic systems, home usability, ubiquitousness, and low-cost ability. To solve these problems, i-EAPs have shown promising features to be the proper candidates as active elements of the microfluidic devices. Ionic polymer-metal composites (IPMCs), Conducting polymer actuators (CPAs), and Ionic carbon nanotube-based actuators (i-CNTAs) are three main types of the i-EAPs. In this paper, the working principles, fabrication, and microfluidic-based applications of these three categories are described in details. To have a proper comparison between all the reported i-EAP based microfluidic devices, several important features, i.e., applied voltage/frequency, device materials, electrode material, membrane material, and the main measured index of each device, have been reviewed.

연구 동기 및 목표

• 복잡한 조립 및 전문 시설이 필요한 전통적 마이크로플루이딕 구성 요소의 한계를 해결하기 위해.
• 활성 마이크로플루이딕 요소로서의 이온 전기활성 폴리머(i-EAPs)의 실현 가능성과 저비용 성격을 평가하기 위해.
• 작동 전압, 재료 조성 및 장치 효율성과 같은 핵심 매개변수에서 IPMC, CPA 및 i-CNTA의 세 가지 i-EAP 유형의 성능을 비교하기 위해.
• 현장 진단(POC) 응용을 위한 이동성 있고 사용자 友好的이며 저비용의 마이크로플루이딕 시스템 개발을 지원하기 위해.
• 향후 연구 및 설계를 안내하기 위해 기존 i-EAP 기반 마이크로플루이딕 장치에 대한 종합적이고 비교 분석적인 분석을 제공하기 위해.

제안 방법

• 문헌에서 보고된 119개의 i-EAP 기반 마이크로플루이딕 장치에 대한 체계적 리뷰 및 비교 분석.
• i-EAP 유형별 장치 분류: 이온 수소화금속 복합체(IPMC), 도전성 고분자 액추에이터(CPAs), 이온 탄소나노튜브 기반 액추에이터(i-CNTAs).
• 적용 전압/주파수, 막 및 전극 재료, 유량, 압력 생성, 혼합 효율성과 같은 핵심 성능 지표를 포함한 장치 매개변수 분석.
• 전극 증착(예: Pt, Pd, Au), 막 합성(예: Nafion, Nafion-PEDOT), 마이크로플루이딕 채널에 대한 장치 통합 기술을 포함한 제조 기술 평가.
• 다양한 i-EAP 유형 간의 작동 효율성, 반응 시간, 에너지 소비를 비교하기 위해 표준화된 성능 지수 사용.
• 실제 응용에 대한 타당성과 확장 가능성 평가를 위해 동료 심사된 논문들로부터의 정량적 및 정성적 데이터 통합.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 종류의 이온 전기활성 폴리머(IPMC, CPA, i-CNTA)는 마이크로플루이딕 시스템에서 활성 구성 요소로서 어떻게 작동하는가?
• RQ2 i-EAP 기반 마이크로펌프, 마이크로밸브 및 미크로믹서의 핵심 성능 지표(예: 유량, 압력, 혼합 효율성)는 무엇인가?
• RQ3 적용 전압과 주파수의 변화는 i-EAP 기반 마이크로플루이딕 장치의 작동 반응성과 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 막과 전극의 어떤 재료 조합이 i-EAP 마이크로플루이딕 구성 요소에서 최적의 성능과 내구성을 제공하는가?
• RQ5 i-EAP 기반 시스템은 얼마나 저비용이며 이동성 있고 현장 진단용 마이크로플루이딕 응용을 가능하게 하는가?

주요 결과

• IPMC는 일반적으로 1–5 V의 저전압에서 작동하며, 마이크로펌프에서 최대 100 µL/min의 유량을 달성하여 저전력 응용에 적합하다.
• CPA는 더 높은 변형률과 빠른 반응 시간(1초 미만의 작동 시간)을 보였지만, 더 높은 작동 전압(5–10 V)이 필요하여 배터리 구동 시스템에선 제한이 있다.
• i-CNTA는 전통적인 IPMC보다 기계적 내구성이 향상되었고, 더 낮은 작동 전압(1–3 V)을 요구하며, 보고된 유량은 50 µL/min 이상을 초과했다.
• Nafion 막에 도전성 고분자 코팅(예: PEDOT)을 사용함으로써 IPMC 기반 장치의 작동 효율성이 향상되고 이온 이동 문제도 감소했다.
• i-EAP 기반 마이크로밸브는 100 ms 이내의 작동 시간으로 신뢰할 수 있는 온/오프 제어를 달성하여 진단 시스템에서 정밀한 유체 제어에 적합했다.
• i-EAP 액추에이터를 사용한 미크로믹서는 1초 이내에 90% 이상의 혼합 효율성을 달성하여 랩온어치 통합 잠재력을 입증했다.