최고의 유체 제어 시스템을 위한 미세유체 압력 컨트롤러 비교 

적합한 미세유체 흐름 제어 시스템 선택 방법 

미세유체 기술은 학술 연구에서 생명 과학, 화학, 식품 분야의 다양한 응용 분야에서 널리 사용됩니다. 이 기술은 분석 장치 및 생물반응기 산업에서도 점점 더 인기를 끌고 있고, 새로운 수준의 분석을 제공하며 더 신뢰할 수 있는 결과를 도출하고 시약 소비를 최소화하는 등 여러 이점을 제공합니다.  

오늘날 널리 사용되는 확장된 응용 분야에는 세포 생물학, 정밀 관류 및 칩 상의 장기 연구를 위한 미세유체 기술이나 생물학적 캡슐화(디지털 PCR, 오가노이드)를 위한 액적 미세유체 기술이 포함됩니다. 

다양한 압력 컨트롤러와 조절 장치가 넘쳐나는 시장에서 미세유체를 위한 최적의 압력 조절기는 무엇일까요? 

압력 조절기에는 어떤 유형이 있나요? 

시장에서 사용자들이 선택할 수 있는 3가지 유형의 압력 컨트롤러를 선정해 가성비와 품질 측면에서 비교했습니다. 

• 비용 효율적인 압력 컨트롤러는 가장 기본적이고 저렴한 옵션입니다. 일반적으로 중급 및 프리미엄급 옵션에 비해 성능이 낮습니다.  
• 중급 압력 컨트롤러는 가격과 성능 사이의 균형을 제공합니다. 비용 효율적인 압력 컨트롤러에 비해 개선된 성능을 제공하지만 여전히 합리적인 가격을 갖춥니다.  
• 프리미엄 압력 컨트롤러는 이름이 시사하듯 최고 수준의 정확성과 안정성을 제공합니다. 미세유체학 분야와 같이 정밀도와 신뢰성이 매우 중요한 응용 분야에서 주로 사용되도록 설계되었습니다. 여기에서 사용되는 압력 컨트롤러는 Fluigent Flow EZ 및 F-OEM입니다.  

먼저, 3개의 압력 컨트롤러를 성능(정확도, 안정성, 응답 시간) 측면에서 비교한 후, 사용 용이성과 통합 가능성에 초점을 맞춰 살펴보겠습니다. 마지막으로 각 장치에서 구현 가능한 응용 분야에 대해 논의했습니다.  

성능 기반의 압력 컨트롤러 선택 

압력 컨트롤러를 선택할 때, 제품 데이터시트나 사용자 매뉴얼과 같은 제품 기술 문서에 나열된 사양을 비교하는 것이 일반적입니다. 제품의 정확도, 재현성, 또는 응답 시간과 같은 여러 중요한 매개변수들을 고려해야 합니다.  

명백하게 사양을 벗어난 제품을 제거하는 것은 좋은 방법이지만, 일부 제조업체는 압력 컨트롤러를 구성하는 센서나 밸브에 근거한 사양을 제공하는 반면, 다른 제조업체는 실제 테스트에 근거한 데이터를 제공하는 경향이 있어서 이것은 복잡한 작업입니다.  

사양뿐만 아니라 조절 알고리즘으로 인해 압력 컨트롤러의 일반적인 성능이 결정됩니다. 사실, 기본 압력 컨트롤러는 전압에 기반한 아날로그 통신만을 제공하는 반면, 일부는 실시간 피드백 루프를 제공하고 압력 센서의 피드백에 따라 압력을 조절할 수 있는 PID 컨트롤러를 제공할 수 있습니다. 이는 궁극적으로 압력 안정성, 정확도, 응답 시간 및 압력 변환에 영향을 미칩니다.  

여기서는 0~1bar의 압력 범위를 가진 비용 효율적인 중간 범위 및 프리미엄 압력 컨트롤러에 대해 정확성, 응답 시간 및 압력 전환을 기준으로 미세유체 압력 컨트롤러를 비교합니다. 

사용 중인 압력 컨트롤러는 얼마나 정확하고 안정적인가요? 

정확도는 압력 컨트롤러를 선택할 때 고려해야 할 중요한 요소입니다. 높은 정확도를 가진 압력 컨트롤러는 원하는 압력 설정점을 달성하도록 보장합니다. 또한, 많은 응용 분야에서 안정적인 가압 과정에 의존하고 있기 때문에 압력 안정성은 압력 컨트롤러를 선택할 때 고려해야 할 중요한 요소입니다.  

750mbar의 압력을 설정하고, 외부에서 교정된 압력 센서로 측정한 후, 10시간 이상 해당 압력을 유지하면서 정확도 및 안정성 분석을 수행합니다.  

이러한 접근 방식을 통해 연속적인 운영 조건에서 장치의 작동을 파악하고, 장기간 운영을 통해 드러나는 드리프트나 안정성 문제를 감지할 수 있습니다. 

그림 1: 비용 효율적인, 중간 및 프리미엄 압력 컨트롤러를 이용한 정확도 및 안정성 비교 

그림 1은 비용 효율적인, 중간 및 프리미엄 압력 컨트롤러의 정확도와 안정성을 보여줍니다. 평균을 보면 비용 효율적인 컨트롤러와 중간 압력 컨트롤러 모두 목표 값인 750mbar에 비해 2mbar 이상의 정확도 차이를 보이는 것을 볼 수 있습니다. 이는 두 제품 모두 실시간 교정 기능이 없어 목표 값에 비해 변화를 유발하고 결국 소음을 발생시키는 것과 관련이 있습니다(그림 2 참조). 

프리미엄 유체 컨트롤러를 사용한 더 나은 응답 시간 

그림 3은 중간 압력 컨트롤러와 프리미엄 컨트롤러를 사용한 가압 및 감압을 보여줍니다. 중간 압력 컨트롤러를 사용할 때, 가압 시 목표 값의 98%에 도달하는 데 걸리는 시간은 0.8초입니다. 프리미엄 압력 컨트롤러를 사용할 때도 0.8초입니다. 감압 시 목표 값의 98%에 도달하는 데 걸리는 시간은 0.7초이며, 프리미엄 압력 컨트롤러를 사용할 경우 0.1초입니다. 

이는 중간 압력 컨트롤러와 프리미엄 압력 컨트롤러가 100mbar에서의 전환을 위한 가압 시 유사한 반응 시간을 가지며, 감압의 경우 프리미엄 압력 컨트롤러가 약 10배 더 빠르다는 것을 보여줍니다. 

또한, 중간 압력 컨트롤러를 사용할 때 안정된 단계에 도달한 후에도 약간의 압력 변동과 오버슈트가 발생하는 것을 관찰할 수 있는데, 이는 조절 알고리즘의 성능에서 기인합니다. 

또한, 유체 프로토콜을 중단해야 할 때, 감압 시간은 사용된 압력 컨트롤러에 따라 달라질 것입니다. 그림 4는 중간 및 프리미엄 압력 컨트롤러를 사용하여 500mbar에서 400mbar로 감압하는 데 걸리는 시간을 보여줍니다. 중간 압력 컨트롤러를 사용할 때 0.7초, 프리미엄 압력 컨트롤러를 사용할 때는 0.1초가 걸리는 것을 확인할 수 있습니다.  

그림 4: 중간 압력 컨트롤러와 프리미엄 압력 컨트롤러를 사용한 응답 시간 

감압 시간은 미세유체 프로토콜에 큰 영향을 미치는데, 실험이 종료된 후에도 감압 시간 동안 액체가 계속 주입되기 때문입니다. 감압 시간 동안 주입된 귀중한 액체가 낭비되며, 이는 궁극적으로 실험 비용에 영향을 미치게 됩니다. 사용된 시스템 및 관련 유체 저항에 따라 감압 시간이 수십 초 이상 걸릴 수 있습니다! 

더 부드럽게 할수록 좋음: 제품 알고리즘과 PID는 최종적으로 성능에 영향을 미침 

위의 문단에서 언급했듯이, 제품 사양만으로는 충분하지 않습니다. PID와 알고리즘 또한 성능에 영향을 미칩니다. 그림 5는 중간 압력 컨트롤러에서 더 높은 압력으로 전환하는 동안의 압력 곡선을 보여줍니다. 100mbar로 전환할 때 일부 떨림 현상이 관찰되는데, 이는 프리미엄 압력 컨트롤러 사용 시에는 나타나지 않습니다(그림 5 참조). 

압력 컨트롤러 간 비교 분석을 통해 정확성과 안정성 측면에서 성능에 눈에 띄는 차이를 관찰하였습니다. 비용 효율적인 압력 컨트롤러는 더 큰 변동을 보였으며 평형 상태에 도달하기 위해서 더 긴 시간이 필요했습니다. 또한, 이는 동급 제품에 비해 덜 정밀한 압력 범위 안에서 안정화되었습니다. 

반면에, 프리미엄 제품은 훨씬 더 부드럽고 안정적인 전환 프로파일을 나타냈습니다. 원하는 정밀도 수준에 밀접하게 맞춰 효율적이면서도 신속하게 안정성을 달성했습니다.  

다양한 조건에서 일관된 압력 제어를 유지하는 탁월한 성능은 프리미엄 제품의 첨단 엔지니어링 및 설계를 부각시킵니다.  

정확한 압력 제어가 결과의 정확성과 무결성에 결정적인 영향을 미치는데, 미세유체 응용 분야에서 이러한 특성은 특히 중요합니다. 

미세유체 기술에서는 통합을 위한 전문 지식 요구 

시장 출시 시간: 압력 컨트롤러가 사용할 준비가 되어 있고 통합이 용이합니까? 

간단한 압력 컨트롤러를 사용할 때, 일반적으로 즉시 사용 가능한 소프트웨어나 고급 기능이 포함되어 있지 않습니다. 저렴한 중간 범위 모델의 경우, 적절한 데이터 수집 및 해석을 위해 아날로그-디지털 통신 변환기가 필요했습니다.  

이 추가적인 단계는 내부 개발의 추가적인 부분과 시장 출시 시간 측면에서 고려되어야 합니다. 아래에는 즉시 사용 가능한 기능을 기준으로 한 미세유체 압력 컨트롤러의 비교를 제시합니다. 

• 비용 효율적인 압력 컨트롤러: 시스템을 제어하기 위한 추가적인 DAQ 장치 개발이 필요합니다. 아날로그-디지털 변환기가 필요 없다는 것은 더 발전되고 통합된 설계를 나타내며, 최신 디지털 인터페이스 및 표준과 더 잘 맞습니다. 
• 중간 범위 압력 컨트롤러: 추가적인 DAQ(모든 내부 전자 부품이 장치에 통합됨)가 필요하지 않음에도 불구하고, 측정을 시작하기 위한 맞춤형 소프트웨어 인터페이스 개발이 필요합니다.  
• 프리미엄 압력 컨트롤러: 여러 언어(Python, C++, C#)에서 사용할 수 있는 고급 전용 SDK가 포함되어 사용할 준비가 된 소프트웨어