[논문]절연층에 따른 액적의 전기습윤 특성 분석

최진호; 김규만

doi:10.14775/ksmpe.2019.18.8.038

절연층에 따른 액적의 전기습윤 특성 분석
Characteristic Analysis of Electrowetting on Dielectric Layer 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.18 no.8, 2019년, pp.38 - 43

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Electrowetting on dielectric (EWOD) is a unique method of shape control of small-volume droplets in microfluidic biochips that relies on modification of surface wetting characteristics using electrical methods. In this study, the droplet shape control on various dielectric surfaces by the EWOD and the effect of droplets on the contact angle as well as the shape were investigated. The droplet used in the experiment was on a sample substrate with $5{\mu}l$ of de-ionized water (DIW) using a micropipette, and wettability was measured with a contact angle meter. This study is expected to be helpful for the development of various micro-total-analysis-systems (${\mu}TAS$) and microfluidic systems with MEMS technology.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

EWOD 실험은 절연층 표면에 소수성 물질인 Teflon을 증착한 기판을 제작 후 직류전압(DC voltage)의 (+)극을 연결하고, 기판 위에 액적을 올린 후 백금 전극을 직류전압의 (-)극으로 연결하여 EWOD 현상을 구현하여 액적의 접촉각 변화를 확인한다. Fig.
일반적인 EWOD 실험은 Parylene-C를 절연층으로 사용하며, 그 위로 Teflon(AF1600S, Dupont) 박막을 증착하여 기판을 제작한다. 그리고 제작된 기판 위로 탈이온수 액적을 올리고 직류전원을 이용하여 젖음성을 측정한다. 본 연구에서는 절연물질에 따른 젖음성 특성을 평가하기 위해 Table 1의 Parylene-C, SU-8, PDMS를 5μm 두께로 절연층을 형성하고 각 절연층 위로 Fig.
본 실험에는 동일한 두께를 가지는 세 가지 다른 절연층을 가지는 소수성 표면의 샘플 기판을 이용하여 EWOD 실험을 수행하고 EWOD 현상의 접촉각 변화는 접촉각측정기(Contact angle meter, GBX Digidrop)로 측정하였다. 실험에 사용된 액적은 5μl의 탈이온수(De-ionized water)로 마이크로 피펫을 이용하여 샘플 기판 위에 형성하였고, 실험환경은 대기압상태에서 온도 22±1℃, 습도는 35±5% 조건을 유지하면서 세 가지 다른 절연층을 가지는 소수성 표면의 샘플 기판의 접촉각을 측정하는 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 EWOD 실험에 보편적으로 사용되는 절연물질인 Parylene-C와 MEMS 및 Microfluidics 공정에서 많이 사용되는 절연물질인 SU-8과 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 이용하여 동일한 조건(DC전압을 이용한 액적의 접촉각 측정)에서 EWOD 현상을 구현하고 이를 통해 각각의 절연 층에 대한 EWOD 효과를 실험을 통해 분석하였다. 실험에 사용된 SU-8 과 PDMS는 Parylene-C와 비교하여 마이크로 구조물 제작이 용이하며, 쉽게 빠르게 절연층을 증착 할 수 있는 장점을 가진 절연물질로 이를 이용한 EWOD 실험은 추후 MEMS 기술이 적용된 다양한 분석용 미세유체 시스템 개발에 많은 도움이 될 것으로 예상된다.
본 연구에서는 여러가지 절연층에서 EWOD 현상을 구현하기 위하여 절연층을 Parylene-C, SU-8, PDMS로 제작하고, Teflon 코팅 후 액적의 접촉각을 측정하였다. 그 결과 Parylene-C를 이용한 EWOD와 SU-8을 이용한 EWOD 실험에서의 접촉각 측정 결과는 비슷함을 확인 할 수 있었으며, PDMS를 이용한 EWOD 실험의 측정값은 다른 두 종류의 절연층에 비해 접촉각의 변화가 작음을 확인 할 수 있었다.
본 연구에서는 절연물질에 따른 젖음성 특성을 평가하기 위해 Table 1의 Parylene-C, SU-8, PDMS를 5μm 두께로 절연층을 형성하고 각 절연층 위로 Fig. 4와 같이 소수성 층을 형성하기 위하여 Teflon을 100nm두께로 증착하여 EWOD 실험을 위한 세 가지의 다른 절연층을 가지는 샘플을 제작하였다.
실험에 사용된 액적은 5μl의 탈이온수(De-ionized water)로 마이크로 피펫을 이용하여 샘플 기판 위에 형성하였고, 실험환경은 대기압상태에서 온도 22±1℃, 습도는 35±5% 조건을 유지하면서 세 가지 다른 절연층을 가지는 소수성 표면의 샘플 기판의 접촉각을 측정하는 실험을 수행하였다.
또한, PDMS는실리콘 중합체(Silicon elastomer)로 SU-8과 같은 스핀코팅으로 증착하였다. 제작된 실험 샘플은 직류 전원을 이용하여 각 샘플에 따른 접촉각을 측정하여 절연층에 따른 젖음성 특성을 분석한다.

대상 데이터

4와 같이 소수성 층을 형성하기 위하여 Teflon을 100nm두께로 증착하여 EWOD 실험을 위한 세 가지의 다른 절연층을 가지는 샘플을 제작하였다. Parylene-C는 폴리머 (Polymer) 소재의 절연물질로 열기상증착법을 이용하여 증착하고, SU-8 은 에폭시(Epoxy) 소재의 절연물질로 스핀코팅으로 증착하였다. 또한, PDMS는실리콘 중합체(Silicon elastomer)로 SU-8과 같은 스핀코팅으로 증착하였다.
실험에 사용된 액적은 마이크로 피펫을 이용하여 탈이온수를 5μl 로 고정하여 동일한 부피의 액적으로 실험하였으며, 사용된 백금 전극의 직경은 100μm 이다.
일반적인 EWOD 실험은 Parylene-C를 절연층으로 사용하며, 그 위로 Teflon(AF1600S, Dupont) 박막을 증착하여 기판을 제작한다. 그리고 제작된 기판 위로 탈이온수 액적을 올리고 직류전원을 이용하여 젖음성을 측정한다.

성능/효과

1°로 낮은 변화를 보였다. 3가지 종류의 샘플 기판을 이용한 EWOD 실험의 접촉각 측정에서 Parylene-C와 SU-8은 비슷한 결과 값을 가지는 것을 확인할 수 있었으며, PDMS는 접촉각의 변화가 작은 것을 확인 할 수 있었다. 이러한 결과를 보면 Parylene-C의 절연층을 대체 할 수 있는 물질로 SU-8이 활용 가능함을 확인 할 수 있으며, PDMS는 접촉각의 변화가 작기는 하지만 EWOD 실험에 사용이 가능함을 확인 할 수 있었다.
SU-8 샘플 기판은 0V에서 접촉각이 106.8°로 측정되었고, 직류전압이 180V가 되었을 때 측정된 접촉각은 76.8°로 직류전압이 증가할수록 접촉각이 30°낮아지면서 젖음성이 변화되는 것을 확인하였다.
본 연구에서는 여러가지 절연층에서 EWOD 현상을 구현하기 위하여 절연층을 Parylene-C, SU-8, PDMS로 제작하고, Teflon 코팅 후 액적의 접촉각을 측정하였다. 그 결과 Parylene-C를 이용한 EWOD와 SU-8을 이용한 EWOD 실험에서의 접촉각 측정 결과는 비슷함을 확인 할 수 있었으며, PDMS를 이용한 EWOD 실험의 측정값은 다른 두 종류의 절연층에 비해 접촉각의 변화가 작음을 확인 할 수 있었다. 이를 이용하여 일반적인 EWOD 방법인 Parylene-C 절연층을 이용한 실험을 대체하는 방법으로 MEMS 공정에서 미세패턴의 제작과 구조물 제작으로 많이 사용되는 SU-8을 이용한 EWOD 실험이 가능함을 알 수 있었다.
그리고 PDMS 샘플 기판은 0V에서 접촉각이 109.7°이며, 직류전압이 180V일 때 접촉각은 95.6°로 직류전압이 증가할수록 접촉각이 14.1°로 낮은 변화를 보였다.
3가지 종류의 샘플 기판을 이용한 EWOD 실험의 접촉각 측정에서 Parylene-C와 SU-8은 비슷한 결과 값을 가지는 것을 확인할 수 있었으며, PDMS는 접촉각의 변화가 작은 것을 확인 할 수 있었다. 이러한 결과를 보면 Parylene-C의 절연층을 대체 할 수 있는 물질로 SU-8이 활용 가능함을 확인 할 수 있으며, PDMS는 접촉각의 변화가 작기는 하지만 EWOD 실험에 사용이 가능함을 확인 할 수 있었다. 특히 SU-8은 MEMS 공정을 이용한 다양한 형상의 미세패턴 제작 및 미세유체구조 제작이 가능한 재료이며, 바이오 응용 연구의 미세유체장치를 활용한 모터, 엑츄에이터, 믹서, 미세유체 렌즈 등과 같은 다양한 분야의 진단과 분석이 가능한 시스템으로 적용이 가능할 것으로 예상된다.
그 결과 Parylene-C를 이용한 EWOD와 SU-8을 이용한 EWOD 실험에서의 접촉각 측정 결과는 비슷함을 확인 할 수 있었으며, PDMS를 이용한 EWOD 실험의 측정값은 다른 두 종류의 절연층에 비해 접촉각의 변화가 작음을 확인 할 수 있었다. 이를 이용하여 일반적인 EWOD 방법인 Parylene-C 절연층을 이용한 실험을 대체하는 방법으로 MEMS 공정에서 미세패턴의 제작과 구조물 제작으로 많이 사용되는 SU-8을 이용한 EWOD 실험이 가능함을 알 수 있었다. 또한, SU-8을 절연층으로 이용한 EWOD 실험은 절연층 제작이 스핀코팅을 이용하기 때문에 쉽고 간단한 장점을 가진다.

후속연구

본 연구에서는 EWOD 실험에 보편적으로 사용되는 절연물질인 Parylene-C와 MEMS 및 Microfluidics 공정에서 많이 사용되는 절연물질인 SU-8과 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 이용하여 동일한 조건(DC전압을 이용한 액적의 접촉각 측정)에서 EWOD 현상을 구현하고 이를 통해 각각의 절연 층에 대한 EWOD 효과를 실험을 통해 분석하였다. 실험에 사용된 SU-8 과 PDMS는 Parylene-C와 비교하여 마이크로 구조물 제작이 용이하며, 쉽게 빠르게 절연층을 증착 할 수 있는 장점을 가진 절연물질로 이를 이용한 EWOD 실험은 추후 MEMS 기술이 적용된 다양한 분석용 미세유체 시스템 개발에 많은 도움이 될 것으로 예상된다.
또한, SU-8을 절연층으로 이용한 EWOD 실험은 절연층 제작이 스핀코팅을 이용하기 때문에 쉽고 간단한 장점을 가진다. 이러한 SU-8의 장점을 이용하면 미세유체를 활용한 유체렌즈 및 디스플레이 장치, 마이크로 유체모터, 엑츄에이터 등의 제작이 가능하며 Bio-MEMS 및 Microfluidics 분야와 결합하여 바이오 시약 분석 및 진단 시스템으로 적용이 가능할 것으로 예상된다.
이러한 결과를 보면 Parylene-C의 절연층을 대체 할 수 있는 물질로 SU-8이 활용 가능함을 확인 할 수 있으며, PDMS는 접촉각의 변화가 작기는 하지만 EWOD 실험에 사용이 가능함을 확인 할 수 있었다. 특히 SU-8은 MEMS 공정을 이용한 다양한 형상의 미세패턴 제작 및 미세유체구조 제작이 가능한 재료이며, 바이오 응용 연구의 미세유체장치를 활용한 모터, 엑츄에이터, 믹서, 미세유체 렌즈 등과 같은 다양한 분야의 진단과 분석이 가능한 시스템으로 적용이 가능할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기습윤이란?	전기습윤은 액적에 임의의 전기를 가하여 계면의 장력을 변화시켜 액적의 모양이 변하는 것이며, 액적과 소수성 표면 사이에 절연층을 삽입 후 전압을 인가하여 전기습윤의 요구 전압을 낮추어 액적의 젖음성 특성이 변하는 현상을 EWOD(Electrowetting on dielectric) [1-4] 라 한다. 이러한 EWOD는 개별 액적을 정확하게 제어할 수 있는 장점을 가지며, MEMS 및 Microfluidics분야에서 샘플이나 시약이 포함된 액적의 개별 유체 작동 메커니즘 [5,6] 으로 활용된다.
	EWOD의 장점과 활용분야는?	전기습윤은 액적에 임의의 전기를 가하여 계면의 장력을 변화시켜 액적의 모양이 변하는 것이며, 액적과 소수성 표면 사이에 절연층을 삽입 후 전압을 인가하여 전기습윤의 요구 전압을 낮추어 액적의 젖음성 특성이 변하는 현상을 EWOD(Electrowetting on dielectric) [1-4] 라 한다. 이러한 EWOD는 개별 액적을 정확하게 제어할 수 있는 장점을 가지며, MEMS 및 Microfluidics분야에서 샘플이나 시약이 포함된 액적의 개별 유체 작동 메커니즘 [5,6] 으로 활용된다. 또한, 전압인가 조건에 따른 액적의 젖음성 변화 [4,7,8] 를 이용하면 액적의 형상을 제어 할 수 있으며 미세유체를 혼합하는 마이크로 믹서와 액적의 움직임을 이용한 마이크로 유체모터로 응용 [9-12] 이가능하고 디스플레이 및 가변형 유체렌즈로 활용 [13-15] 할 수 있다.
	SU-8의 장점을 이용하면 미세유 체를 활용한 유체렌즈 및 디스플레이 장치, 마이크로 유체모터, 엑츄에이터 등의 제작이 가능한 이유는?	이를 이용하여 일반적인 EWOD 방법인 Parylene-C 절연층을 이용한 실험을 대체하는 방법으로 MEMS 공정에서 미세패턴의 제작과 구조물 제작으로 많이 사용되는 SU-8을 이용한 EWOD 실험이 가능함을 알 수 있었다. 또한, SU-8 을 절연층으로 이용한 EWOD 실험은 절연층 제작이 스핀코팅을 이용하기 때문에 쉽고 간단한 장점을 가진다. 이러한 SU-8의 장점을 이용하면 미세유 체를 활용한 유체렌즈 및 디스플레이 장치, 마이크로 유체모터, 엑츄에이터 등의 제작이 가능하며 Bio-MEMS 및 Microfluidics 분야와 결합하여 바이오 시약 분석 및 진단 시스템으로 적용이 가능할 것으로 예상된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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