[논문]연속적 전기습윤 효과를 이용한 액체금속 액적의 채널 내 거동

백승범; 원동준; 김호진; 김준원

doi:10.7736/kspe.2016.33.3.217

연속적 전기습윤 효과를 이용한 액체금속 액적의 채널 내 거동
Movement of Liquid Metal Droplet in Channel by Continuous Electrowetting Effect 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.33 no.3, 2016년, pp.217 - 223

백승범 (포항공과대학교 기계공학과) , 원동준 (포항공과대학교 기계공학과) , 김호진 (포항공과대학교 기계공학과) , 김준원 (포항공과대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the movement of a liquid metal droplet in a channel by continuous electrowetting effect is analyzed. The channel is fabricated using two glass substrates and silicone rubber as spacers, and a mercury droplet and dilute sulfuric acid are added into the channel. The droplet is moved according to voltage applied at both ends of the channel through an electrolyte. According to the shape of the droplet and the applied voltage, the velocity of the droplet is changed. The velocity is proportional to the applied voltage and inversely proportional to the length of the droplet, both theoretically and experimentally. Contact angle hysteresis and a meniscus change were also found in the moving state. This implies the existence of a threshold in movement by Laplace pressure difference. The experiment indicated that the sliding angle was inversely proportional to the width of the droplet but that the voltage threshold was proportional to the width.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 논문에서는 유리기판 내에 실리콘 고무로 채널을 형성한 후 액체금속 액적의 폭, 길이와 인가전압에 따른 액적의 움직임을 관찰하였다. 측정 결과 액적의 속도는 인가전압에 비례, 액적의 길이에 반비례하였으며 1 mm 이상의 폭에서는 작게 감소하였으나 1 mm 미만의 경우 액적의 속도가 크게 상승하는 것을 확인하였다.

제안 방법

하지만 이상적인 상황과 달리 실제 액적의 움직임에는 접촉각 이력이 발생하고 결국 라플라스 압력에 의한 유동저항이 발생한다. 이에 본 논문에서는 유리기판 사이에 실리콘 고무 PDMS를 이용하여 채널을 만들고 수은 액적과 묽은 황산을 채운 디바이스를 사용하여 미끄러짐 각 및 전압 문턱값을 측정하고, 전해질 양단에 전압을 가하여 액적의 속도를 측정하였다.

대상 데이터

4(b)와 같이 테프론 코팅된 실리콘 기판 위에 실리콘 웨이퍼 조각을 이용하여 스페이서의 두께 (1 mm)를 설정한 뒤 구멍이 뚫린 아크릴 기판을 덮는다. 아크릴 기판의 구멍을 통해 Sylgard 184 A:B의 비율을 10:1로 혼합한 프리폴리머 (Prepolymer)를 주입하여 굳힘으로써 1 mm 두께의 PDMS 박막을 제작하였다.¹³

성능/효과

그 결과, 이론적 예측대로 액적의 속도는 인가전압에 비례하고 액적의 길이에 반비례 하였으나 폭의 감소에 따라 오히려 속도가 증가하였고 특히 1 mm 미만의 폭에서는 급격히 상승하였다. 또한 미끄러짐 각은 액적의 폭에 반비례하는 경향을 보였으나 전압 문턱값은 오히려 비례하였다.
그 결과, 이론적 예측대로 액적의 속도는 인가전압에 비례하고 액적의 길이에 반비례 하였으나 폭의 감소에 따라 오히려 속도가 증가하였고 특히 1 mm 미만의 폭에서는 급격히 상승하였다. 또한 미끄러짐 각은 액적의 폭에 반비례하는 경향을 보였으나 전압 문턱값은 오히려 비례하였다. 이러한 현상은 액적의 크기가 커짐에 따라 액적의 반원형부분이 상대적으로 커지게 되어 전기이중막의 영향이 줄어든 것으로 분석된다.

후속연구

이는 전압 문턱값의 분석과 마찬가지로 폭이 감소하면서 전기이중막이 발생하는 액적과 벽면의 접촉부위의 비율이 증가하여 연속적 전기습윤 효과가 커진 것으로 분석된다. 또한 연속적 전기습윤 효과에 비해 액적의 크기가 커서 발생한 크기 효과(Scaling Effect)에 의한 영향을 고려할 수 있기에 향후 미세관 내에서의 실험을 통해 추가적인 검증을 하고자 한다.
작은 전압에서도 액적을 구동시킬 수 있는 연속적 전기습윤 효과는 미세 모터, 펌프뿐만 아니라 액적의 광학적 특성을 이용한 거울 등 다양한 분야에 활용될 수 있다. 본 연구에서 확인한 폭의 감소에 따른 미끄러짐 각의 향상은 중력 혹은 작은 관성의 영향을 무시할 만큼 얇은 폭일 경우 디바이스의 사용에 있어서 발생할 수 있는 동작의 제약을 완화시킬 수 있는 중요한 성능이 될 것이다.
작은 전압에서도 액적을 구동시킬 수 있는 연속적 전기습윤 효과는 미세 모터, 펌프뿐만 아니라 액적의 광학적 특성을 이용한 거울 등 다양한 분야에 활용될 수 있다. 본 연구에서 확인한 폭의 감소에 따른 미끄러짐 각의 향상은 중력 혹은 작은 관성의 영향을 무시할 만큼 얇은 폭일 경우 디바이스의 사용에 있어서 발생할 수 있는 동작의 제약을 완화시킬 수 있는 중요한 성능이 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연속적 전기습윤 효과에 의한 액체금속 액적의 거동분석시 이상적인 상황과 실제 상황을 비교한 결과는 무엇인가?	상온에서 금속이면서 액체상태로 존재하는 액체금속의 구동방식인 연속적 전기습윤 효과에 의한 액체금속 액적의 거동을 분석하였다. 이론적으로 액적의 속도는 액적의 폭, 인가전압에 비례하고, 길이에 반비례하며 미세한 전압에도 유동이 발생하여야 한다. 하지만 이상적인 상황과 달리 실제 액적의 움직임에는 접촉각 이력이 발생하고 결국 라플라스 압력에 의한 유동저항이 발생한다. 이에 본 논문에서는 유리기판 사이에 실리콘 고무 PDMS를 이용하여 채널을 만들고 수은 액적과 묽은 황산을 채운 디바이스를 사용하여 미끄러짐 각 및 전압 문턱값을 측정하고, 전해질 양단에 전압을 가하여 액적의 속도를 측정하였다.
	금속의 특징은?	금속은 우수한 기계적, 전기적, 광학적 특성 등으로 인해 다양한 분야에서 사용되고 있다. 일반적으로 금속은 상온에서 고체상태로 존재하기에 센서혹은 엑츄에이터의 구조물로 사용될 경우 피로파괴에 의한 수명이 반드시 존재하며 고체의 특성상 구조물의 위치 및 형상이 고정되어 있다. 이에 상온에서 액체이면서 금속의 성질을 띄고 있는 액체금속(Liquid Metal)을 사용하게 되면 피로가 누적되는 현상을 막을 수 있으며 액적의 형태로 사용될 경우 형상뿐만 아니라 위치의 변경도 자유롭다.
	액체금속의 장점은?	일반적으로 금속은 상온에서 고체상태로 존재하기에 센서혹은 엑츄에이터의 구조물로 사용될 경우 피로파괴에 의한 수명이 반드시 존재하며 고체의 특성상 구조물의 위치 및 형상이 고정되어 있다. 이에 상온에서 액체이면서 금속의 성질을 띄고 있는 액체금속(Liquid Metal)을 사용하게 되면 피로가 누적되는 현상을 막을 수 있으며 액적의 형태로 사용될 경우 형상뿐만 아니라 위치의 변경도 자유롭다. 대표적 액체금속인 수은 (Mercury)이 주로 활용되고 있으며 갈륨 (Gallium)을 기반으로 한 무독성의 액체금속이 개발되어 다양한 센서 혹은 엑츄에이터의 개발에 사용되고 있다.

참고문헌 (13)

Lin, C. H. and Kuo, S. M., "Micro-Impedance Inclinometer with Wide-Angle Measuring Capability and No Damping Effect," Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 143, No. 1, pp. 113-119, 2008.

상세보기
Yun, K.-S., Cho, I.-J., Bu, J.-U., Kim, C.-J., and Yoon, E., "A Surface-Tension Driven Micropump for Low-Voltage and Low-Power Operations," Microelectromechanical Systems, Vol. 11, No. 5, pp. 454-461, 2002.

상세보기
Park, Y.-L., Chen, B.-R., and Wood, R. J., "Design and Fabrication of Soft Artificial Skin Using Embedded Microchannels and Liquid Conductors," Sensors Journal, IEEE, Vol. 12, No. 8, pp. 2711-2718, 2012.

상세보기
Zhang, J., Yao, Y., Sheng, L., and Liu, J., "Self-Fueled Biomimetic Liquid Metal Mollusk," Advanced Materials, Vol. 27, No. 16, pp. 2648-55, 2015.

상세보기
Baek, S., Park, U., Choi, I. H., and Kim, J., "Pneumatic RF Mems Switch Using a Liquid Metal Droplet," Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 23, No. 5, Paper No. 055006, 2013.

상세보기
Gough, R. C., Morishita, A. M., Dang, J. H., Hu, W., Shiroma, W. A., et al., "Continuous Electrowetting of Non-Toxic Liquid Metal for RF Applications," Access, IEEE, Vol. 2, pp. 874-882, 2014.

상세보기
Li, G., Parmar, M., Kim, D., Lee, J.-B., and Lee, D.-W., "PDMS Based Coplanar Microfluidic Channels for the Surface Reduction of Oxidized Galinstan," Lab on a Chip, Vol. 14, No. 1, pp. 200-209, 2014.

상세보기
Lee, J., Moon, H., Fowler, J., Schoellhammer, T., and Kim, C.-J., "Electrowetting and Electrowetting-on-Dielectric for Microscale Liquid Handling," Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 95, No. 2, pp. 259-268, 2002.

상세보기
Lee, J. and Kim, C.-J., "Surface-Tension-Driven Microactuation Based on Continuous Electrowetting," Microelectromechanical Systems, Journal of, Vol. 9, No. 2, pp. 171-180, 2000.

상세보기
Beni, G., Hackwood, S., and Jackel, J., "Continuous Electrowetting Effect," Applied Physics Letters, Vol. 40, No. 10, pp. 912-914, 1982.

상세보기
Chakraborty, S., "Electrocapillary," in: Encyclopedia of Microfluidics and Nanofluidics, Li, D., (Ed.), Springer US, pp. 1-15, 2014.
Boukellal, H., Selimovic, S., Jia, Y., Cristobal, G., and Fraden, S., "Simple, Robust Storage of Drops and Fluids in a Microfluidic Device," Lab on a Chip, Vol. 9, No. 2, pp. 331-338, 2009.

상세보기
Folch, A., Jo, B.-H., Hurtado, O., Beebe, D. J., and Toner, M., "Microfabricated Elastomeric Stencils for Micropatterning Cell Cultures," Journal of Biomedical Materials Research, Vol. 52, No. 2, pp. 346-353, 2000.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증