피펫은 오늘날 실험실 환경에서 특정량의 액체를 측정하고 분사할 때에 꼭 필요합니다. 실험실 규모와 분사량에 따라 각기 다른 종류의 피펫이 사용됩니다.

  • 공기 변위
  • 양변위
  • 용량
  • 등급

2020년, 공기 변위 마이크로피펫은 병원균 인식(예를 들어 실시간 RT-PCR)을 위한 샘플 준비 등 COVID-19 극복에 중요한 역할을 하였습니다. 수동 및 전자 공기 변위 피펫이 있는데 일반적으로 두 가지 모두 사용할 수 있습니다. ( 그림 1)

수동 VS. 전자 피펫

공기 변위 피펫을 예로 들자면, 피스톤은 공기 컬럼에서 정압 혹은 부압을 생성하기 위해 피펫 안에서 위아래로 움직입니다. 이를 통해 사용자는 일회용 피펫 팁으로 액체 샘플을 채취 또는 배출할 수 있으며 팁 안의 공기 컬럼은 피펫의 비일회용 부분에서 액체를 분리합니다. ( 그림 2)

피스톤은 작동자가 수동으로 움직일 수도 있고 전자식으로 움직이도록 설계할 수 있습니다. 이러한 움직임은 모터에 의해 발생되며 작동자는 버튼을 사용해 통제할 수 있습니다.

수동 피펫의 한계

수동 피펫을 장기간 사용하면 불편할 수 있고 작동자가 부상을 입을 수도 있습니다. 반복적인 움직임과 결합하여 액체를 분사하고 피펫 팁을 배출하는 힘은 종종 몇 시간 이상 소요되며 엄지, 팔꿈치, 손목, 어깨 등 관절의 RSI(반복성 긴장 장애) 위험을 증가시킵니다.

전자 피펫은 전자 트리거 버튼이 있어 엄지 버튼을 눌러 액체를 배출하는 수동 피펫보다 인체 공학적인 면에서 훨씬 좋습니다. ( 그림 3)

전자 피펫 대체

전자 또는 전동 피펫은 수동 피펫에 대한 인체공학적 대안이며 정밀성과 정확성으로 시료 처리량을 증가시킬 수 있는 효율적인 방법입니다. 전자 피펫은 엄지손가락으로 제어하는 피펫팅 버튼 및 수동 용량 조절 대신, 용량을 조절하는 디지털 인터페이스와 흡인 및 분배용 전동 피스톤을 갖추고 있습니다. ( 그림 4)

전자 피펫의 또 다른 장점은 아래와 같습니다.

특성 사용자 혜택

각 피펫팅 단계 동안 액체를 분사할 때 필요한 사용자 힘 감소

피로 없는 작동, 부상 위험 감소

수동 엄지 제어 피펫팅 버튼 불필요

더욱더 인체 공학적인 디자인, 사용자 엄지손가락의 긴장 감소

컬러 터치 디스플레이와 같은 디지털 인터페이스

명확한 중요 매개 변수 표시, 사용 가능한 피펫팅 기능으로의 빠른 접근

자동 팁 배출, 팁 용량 자동 감지, 순차 멀티 분사가 가능한 첨단 기능

편안하고 안전한 작동, 오류 위험 감소, 높은 효율

전자 피펫용 모터 선택

피펫은 일반적으로 다단계 프로세스의 첫 번째 단계이기 때문에 이 소량의 액체를 측정하는 데 있어 부정확성과 불완전성이 프로세스 내내 누적될 수 있으며 전체적인 정밀성과 정확도에 영향을 주게 됩니다.

정밀성과 정확성이란 무엇입니까?

정밀성은 피펫이 같은 양을 여러 번 분사할 수 있는 것을 말합니다. 정확성은 피펫이 어떠한 오류 없이 목표량을 정확하게 분사할 수 있는 것을 말합니다. 정밀성과 정확성 중 하나를 달성하는 것은 가능한 일이지만 피펫을 사용하는 업계에서는 두 가지 모두가 필요합니다. 사실 정밀성 및 정확성을 달성하는 경우 실험 결과를 재현하는 것도 가능해집니다.

전자 피펫의 핵심은 모터입니다. 모터는 봉인 크기, 전원 및 무게와 같은 다른 중요 요인과 함께 정밀성과 정확성에 지대한 영향을 미칩니다. 피펫 디자인 엔지니어는 주로 스테퍼 선형 액추에이터 또는 DC 모터를 선택합니다. 스테퍼 모터와 DC 모터는 둘 다 궁극적인 장단점이 있습니다.

DC 모터

DC 모터는 DC 전원이 인가되면 회전하는 간단한 전기 기계입니다. 모터를 구동하기 위해 복잡한 전자 기술이 요구되지 않습니다. 그러나 전자 피펫의 선운동과 관련된 요구사항을 고려하면, DC 모터 솔루션은 회전운동을 선운동으로 변환하고 필요한 힘을 제공하는 별도의 리드 스크류와 기어링 시스템이 필요합니다. DC 솔루션은 또한 선형 피스톤 위치를 정확하게 제어하는 광센서 또는 엔코더 형태의 피드백 메커니즘이 필요하기도 합니다. 어떤 설계자들은 회전자의 높은 관성 때문에 제동 시스템을 추가하여 포지셔닝의 정확성을 개선하기도 합니다. DC 모터를 사용하면 피펫팅 시스템의 전반적인 정밀성과 정확성이 높아지지만, 비용이 많이 들 수 있습니다.

스테퍼 모터

반면, 통합의 용이성, 성능 및 낮은 비용 때문에 스테퍼 선형 액추에이터를 즐겨 사용하는 엔지니어가 많습니다. 스테퍼 선형 액추에이터는 나사산 회전자가 있는 캔 스택 스테퍼 모터 및 소형 패키지에 직접적인 선운동을 제공하는 통합형 리드 스크류로 구성됩니다. ( 그림 5  그림 6)

DC 모터와 달리, 스테퍼 선형 액추에이터 리드 스크류는 전기 펄스가 인가되면 이산형 단계 증분에서 위아래로 운동합니다. 스테퍼 선형 액추에이터의 중요한 이점 중 하나는 개방 루프 시스템에서 정확하게 제어될 수 있으므로 포지셔닝에 값비싼 피드백 장치 또는 제동 시스템이 필요하지 않다는 점입니다. 일반적으로, 작은 스텝 각도와 선택 가능한 다른 종류의 리드 스크류 피치는 고해상도 포지셔닝을 가능하게 합니다. 이는 스테퍼 선형 액추에이터를 마이크로스텝 모드로 구동하는 방법으로 더욱 증가시킬 수 있습니다.

크기가 올바르게 정해지지 않은 경우, 스테퍼 모터는 단계를 상실하여 분배 시 부정확성을 일으킬 수 있습니다. 하지만 구동 시스템에 모터의 정확한 출력을 보장하여 이 문제를 쉽게 바로잡을 수 있습니다.

모터 선택 시 주요 고려사항은 다음과 같습니다.

  • 속도/힘 곡선으로부터 최소 50%의 안전율 유지
  • 운전 중 저주파 공진점 회피
  • 후진, 갑작스러운 이동 및 외부적인 로드 변경 회피

결론

요약하면, 스테퍼 모터와 DC 모터는 둘 다 이 응용 분야에서 고유의 이점을 가지고 있습니다. 빌트인 피드백 메커니즘을 가진 DC 모터 개념은 개선된 정밀성 및 정확성을 제공하는 반면, 스텝 모터 개념은 가장 비용 효율이 높은 솔루션이며 입력 펄스 및 주파수 수를 간단하게 바꿔 개방 루프 시스템에서 정밀하게 제어할 수 있습니다. 크기가 해당 응용 분야에 맞는 경우, 스텝 모터는 정밀하고 정확한 분배에 필요한 신뢰성을 제공합니다.

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그림 1: 코로나 19 와의 전쟁에서 진단 등 중요한 역할을 하는 피펫
그림 2: 수동 피펫
그림 3: 수동 피펫
그림 4: 전자 피펫
그림 5 그림 6