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문제 정의
- 본 연구에서는 이러한 광전기유체 소자에 미세채널을 집적시키고, 채널 내에 LCD 영상을 조사함으로써 미세입자의 유전영동을 유도하여, 채널 내 유동에 의해 이동하는 미세입자들을 하나씩 포획한 후 자유자재로 조작하고자 한다.
제안 방법
- 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 스탬프투스틱(stamp-to-stick) 방법과 마이크로트랜스퍼 몰딩(µTM; microtransfer molding)을 이용하여 미세유체 채널이 집적화된 광전기유체소자를 제작하였다.
- 이 때 광전도성층은 투명한 전극인 ITO(indium tin oxide) 기판 상에 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 방법을 이용하여 20 nm 두께의 n+ 도핑된 수소화된 비정질 실리콘(n+ doped hydrogenated amorphous silicon), 1 µm 두께의 진성의 수소화된 비정질 실리콘(intrinsic hydrogenated amorphous silicon), 50 nm 두께의 질화 실리콘(silicon nitride)를 차례로 증착하여 제작하였다[5,6].
- 본 연구에서는 위의 두 가지 제작 방법을 모두 이용하여 높이 30 µm의 미세유체 채널이 집적화된 광전기유체소자를 제작할 수 있었다(Fig. 3).
- 위와 같은 방법으로 제작된 광전기유체소자의 성능을 평가하기 위하여, 100 kHz 주파수를 지니는 10 V 교류전압을 광전도성층과 접지 전극 사이에 인가한 후, 15 µm 지름의 폴리스티렌 미세입자를 0.23 mS/m의 낮은 전도도(conductivity)를 지니는 3차 증류수(deionized water)에 희석시켜 미세채널을 통해 주입하였다.
- 23 mS/m의 낮은 전도도(conductivity)를 지니는 3차 증류수(deionized water)에 희석시켜 미세채널을 통해 주입하였다. 유동에 의해 이동하는 미세입자들을 CCD(charge-coupled device) 카메라에 의해 전송된 화면을 통해 관찰하면서, 렌즈를 통해 광전기유체소자에 조사된 LCD 영상을 조작함으로써 사용자가 원하는 특정 미세입자를 포획하고 구동하였다. 본 실험에서 소자에 인가한 교류 전압의 크기 및 주파수는 증류수 내에 존재하는 폴리스티렌 미세입자의 분극화 상수인 Re[fCM] 값을 계산한 결과와 유속과 유전영동력의 관계를 고려하여 선택하였으며, 미세입자에 작용하는 힘이 가장 크게 발생하여, 흐르는 유체 내에서도 미세 입자를 자유자재로 움직일 수 있도록 최적화된 전압 조건이다[6].
- 본 연구에서는 제작 과정이 상대적으로 간단하고 쉬우며, 제작 단가가 낮은 마이크로트랜스퍼 몰딩을 주로 이용하였으며, 채널의 구조가 복잡하여 몰딩에 어려움이 있거나, 내구성 높은 소자가 필요할 경우에는 스탬프투스틱 방법을 사용하였다.
- 본 연구에서는 스탬프투스틱 방법과 마이크로트랜스퍼 몰딩을 이용하여 광전기유체소자에 미세채널을 집적하였으며, LCD 영상을 이용하여 유동에 의해 이동하는 15 µm 지름의 폴리스티렌 미세입자를 하나씩 포획하고 구동하였다.
- 또한, 완성된 미세유체 채널을 통해 이동하는 유체 내부의 15 µm 지름의 폴리스티렌(polystyrene) 미세입자를 LCD(liquid crystal display) 영상을 이용하여 하나씩 포획(trapping)하고 구동(transport)하는데 성공하였다.
- 본 연구에서는 광전기유체소자에 미세채널을 집적화하기 위하여, 스탬프투스틱 방법과 마이크로트랜스퍼 몰딩, 두 가지 방법을 사용하였다. 스탬프투스틱 방법을 이용하기 위해서는 Fig.
- 유동에 의해 이동하는 미세입자들을 CCD(charge-coupled device) 카메라에 의해 전송된 화면을 통해 관찰하면서, 렌즈를 통해 광전기유체소자에 조사된 LCD 영상을 조작함으로써 사용자가 원하는 특정 미세입자를 포획하고 구동하였다. 본 실험에서 소자에 인가한 교류 전압의 크기 및 주파수는 증류수 내에 존재하는 폴리스티렌 미세입자의 분극화 상수인 Re[fCM] 값을 계산한 결과와 유속과 유전영동력의 관계를 고려하여 선택하였으며, 미세입자에 작용하는 힘이 가장 크게 발생하여, 흐르는 유체 내에서도 미세 입자를 자유자재로 움직일 수 있도록 최적화된 전압 조건이다[6].
성능/효과
- 또한, 완성된 미세유체 채널을 통해 이동하는 유체 내부의 15 µm 지름의 폴리스티렌(polystyrene) 미세입자를 LCD(liquid crystal display) 영상을 이용하여 하나씩 포획(trapping)하고 구동(transport)하는데 성공하였다. 본 논문에서 제안한 방법을 활용하면 광전기유체소자의 제작시 미세채널 외에도 다양한 미세 구조물과 센서 등의 집적화가 가능하다. 또한 광전기유체 구동 기술의 현존 한계를 극복할 수 있는 다양한 응용 기술의 발전을 가져와 생물, 재료, 화학, 의료 등 다양한 분야에 광전기유체 구동 기술을 실질적으로 활용하는 데 크게 공헌할 수 있을 것으로 기대된다.
- 스탬프투스틱 방법과 마이크로트랜스퍼 몰딩을 이용하여 미세유체 채널이 집적화된 광전기유체소자를 제작한 결과, 소자의 내구성 및 채널의 접착력은 스탬프투스틱 방법을 이용하였을 경우 월등히 좋았다. 하지만 소자를 사용하고 난 후 분리하여 재사용할 수 없으며, ITO가 코팅된 유리 웨이퍼(wafer)를 사용하기 때문에 PE 필름을 사용하는 마이크로트랜스퍼 몰딩과 비교하여 제작 단가가 더 비싸고, 샘플 주입 및 수거를 위한 구멍(hole)을 뚫기 어렵다는 단점이 있다.
- 마이크로트랜스퍼 몰딩을 이용하였을 경우에는, 불균일한 채널 두께로 인해 전체적으로 완전한 접착이 이루어지지 않는 스탬프투스틱 방법과 달리(Fig. 3(a), bottom), 균일한 PDMS 구조의 두께로 인해 채널의 전체 면적이 소자 표면과 접촉하여 유체의 밀봉(sealing)이 잘 이루어졌으며, 깨끗한 표면 특성상 광학적 관찰에도 유리하였다(Fig. 3(b), bottom).
- 유동에 의해 오른쪽에서 왼쪽으로 이동하고 있는 15 µm 지름의 폴리스티렌 미세입자를 LCD 영상에 의한 가상전극으로 하나씩 포획하고 원하는 위치로 이동시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
후속연구
- 본 논문에서 제안한 방법을 활용하면 광전기유체소자의 제작시 미세채널 외에도 다양한 미세 구조물과 센서 등의 집적화가 가능하다. 또한 광전기유체 구동 기술의 현존 한계를 극복할 수 있는 다양한 응용 기술의 발전을 가져와 생물, 재료, 화학, 의료 등 다양한 분야에 광전기유체 구동 기술을 실질적으로 활용하는 데 크게 공헌할 수 있을 것으로 기대된다.
- 본 연구에서는 스탬프투스틱 방법과 마이크로트랜스퍼 몰딩을 이용하여 광전기유체소자에 미세채널을 집적하였으며, LCD 영상을 이용하여 유동에 의해 이동하는 15 µm 지름의 폴리스티렌 미세입자를 하나씩 포획하고 구동하였다. 이러한 미세채널이 집적화된 광전기유체소자의 제작 기술은 여러 가지 센서와 미세유체 소자의 집적화를 용이하게 하여, 광전기유체 구동 기술을 다양한 분야에 실질적으로 활용하는 데 기여할 수 있을 것이다. 특히, 미세입자 기반의 생체물질 분석 장치 및 방법을 개발함에 있어서[11], 광전기유체소자를 이용한 미세입자 구동 기술을 광학 센서 및 미세 구조물과 접목시킴으로써 미세입자의 조작 및 생체물질 분석을 용이하게 하여, 새로운 미세 분석 시스템의 개발에 크게 기여할 수 있을 것으로 예상된다.
- 이러한 미세채널이 집적화된 광전기유체소자의 제작 기술은 여러 가지 센서와 미세유체 소자의 집적화를 용이하게 하여, 광전기유체 구동 기술을 다양한 분야에 실질적으로 활용하는 데 기여할 수 있을 것이다. 특히, 미세입자 기반의 생체물질 분석 장치 및 방법을 개발함에 있어서[11], 광전기유체소자를 이용한 미세입자 구동 기술을 광학 센서 및 미세 구조물과 접목시킴으로써 미세입자의 조작 및 생체물질 분석을 용이하게 하여, 새로운 미세 분석 시스템의 개발에 크게 기여할 수 있을 것으로 예상된다. 또한, 본 연구에서 제안한 미세채널 제작 방법은 단지 광전기유체소자 뿐만 아니라, 최근 많이 활용되고 있는 두 개의 평판 전극 구조로 이루어진 다른 유사한 미세전극 시스템에서도 널리 적용될 수 있을 것이다.
- 특히, 미세입자 기반의 생체물질 분석 장치 및 방법을 개발함에 있어서[11], 광전기유체소자를 이용한 미세입자 구동 기술을 광학 센서 및 미세 구조물과 접목시킴으로써 미세입자의 조작 및 생체물질 분석을 용이하게 하여, 새로운 미세 분석 시스템의 개발에 크게 기여할 수 있을 것으로 예상된다. 또한, 본 연구에서 제안한 미세채널 제작 방법은 단지 광전기유체소자 뿐만 아니라, 최근 많이 활용되고 있는 두 개의 평판 전극 구조로 이루어진 다른 유사한 미세전극 시스템에서도 널리 적용될 수 있을 것이다.
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