초록 ▼

Microfluidics 시스템의 설계 및 작동원리들 중에서 가장 중요한 부분인 유체 시료의 이동과 혼합, 그리고 유체 시료 내부에서의 물질 전달 현상을 제어하는 방법
으로 비균일 전기장 분포를 이용하는 연구를 수행하고자 한다. 이러한 연구의 결과는 기존의 microfluidics 시스템에서 사용되는 유동 및 전달특성의 제어 방법들을 보완하고, 나아가 새로운 기능의 microfluidics 시스템을 설계하고 작동하는데
필요한 핵심 기술로 활용될 수 있도록 한다.
Microfluidics 시스템에서 유체의 이동과 혼합

Microfluidics 시스템의 설계 및 작동원리들 중에서 가장 중요한 부분인 유체 시료의 이동과 혼합, 그리고 유체 시료 내부에서의 물질 전달 현상을 제어하는 방법
으로 비균일 전기장 분포를 이용하는 연구를 수행하고자 한다. 이러한 연구의 결과는 기존의 microfluidics 시스템에서 사용되는 유동 및 전달특성의 제어 방법들을 보완하고, 나아가 새로운 기능의 microfluidics 시스템을 설계하고 작동하는데
필요한 핵심 기술로 활용될 수 있도록 한다.
Microfluidics 시스템에서 유체의 이동과 혼합을 전기력으로 제어할 때 전기력의 공간/시간적 분포를 변화시키는 방법들과 전기적 유동의 활용 기술들을 연구하였
다. 전기력은 전하와 전기장의 분포를 변화시켜 제어할 수 있음에 착안하여 비균일 전하 분포와 비균일 전기장 분포의 활용기술을 연구하였다. 비균일 전기장은
복잡한 구조의 전극 시스템을 이용하여 얻을 수 있고 비균일 전하 분포는 미세채널의 표면과 유체의 전기적 특성을 이용하여 변화시킬 수 있다. 전극 시스템을
이용하여 특정한 형태의 전기삼투 유동과 새로운 전기영동 기술을 개발하였다.
비균일 전기장을 이용하여 얻어지는 전기삼투 유동이 유체의 혼합에 미치는 영향을 연구하고 비균일 전기장이 액적의 이동과 유동에 미치는 영향을 연구하였다.
또한 액적의 전기습윤 기술 개발을 위한 기초 이론을 연구하였다.
유체의 계면에 형성되는 전기이중층에 비균일 전기장을 가하여 유체의 유동을 제어하는 새로운 기술들을 개발하였다. 미세 전극 시스템을 이용하여 나선형 유
동을 유발시키는 기술과 시간 주기적으로 변하는 비균일 제타 전위 분포와 교류 전기장을 동시에 적용하여 전기삼투 유동의 불안정성을 제어하는 기술들은
microfluidics 시스템을 설계할 때 활용이 가능한 기술들이다. 미세 전극 시스템을 이용하여 얻을 수 있는 비균일 전기장은 전기영동에도 활용할 수 있는데, 본 연구에서는 제타 전위의 쌍극자를 측정하는 새로운 기술을 개발하였다. Microfluidics 시스템에 액적이 포함된 경우 적절한 비균일 전기장은 액적의 교반 효율과 전달 특성을 획기적으로 증가시킴을 알아냈다. 액적을 이동시키는데 필요한 전기습윤기술의 기초 이론을 개발하였는데 향후 전기습윤 현상을 이용한 미세 유체시스템의 설계에 활용될 수 있을 것이다.

Abstract ▼

We investigate novel applications of nonuniform electric field to control the
flow and transport of fluid samples in microfluidic devices. Both continuous
fluid steams and fluid drops are considered to study their electrokinetic and
electrohydrodynamic behaviors under the action of nonunifo

We investigate novel applications of nonuniform electric field to control the
flow and transport of fluid samples in microfluidic devices. Both continuous
fluid steams and fluid drops are considered to study their electrokinetic and
electrohydrodynamic behaviors under the action of nonuniform electric fields.
Various schemes are developed to control the local flow characteristics by
applying nonuniform electric field on the electrical double layer formed at
fluid/solid interfaces in microchannels. Flow characteristics are controlled by
manipulating the spatial distribution of electrostatic forces by using either
nonuniform distribution of external electric field or nonuniform charge
distributions in the electrical double layer. Nonuniform external fields are
produced by using complex electrode configurations. Helical flow is produced
electroosmotically by using special configuration of microelectrode system.
Nonuniform electric field produced by special configuration of microelectrodes is
also utilized for high-order field particle electrophoresis. In high-order field
electrophoresis electrokinetic properties such as dipole moment that cannot be
measured in conventional electrophoresis systems can be readily analyzed. The
stability of electroosmotic flow is controlled by manipulating the frequency of
AC field when the zeta potentials of microchannel surfaces are spatially
nonuniform and time-varying. The instability in AC electroosmotic flow in
T-channels are also investigated experimentally. By adjusting the frequency of
AC field we could enhance the fluid mixing. As for the utility of nonuniform
electric field for the transport of fluid drop, the effects of nonuniform electric
field on the mixing of a fluid drop are analyzed. The electrowetting has many
practical applications in microfluidic devices, and we developed an extended
version of Young-Lippmann equation especially suited for the analysis of
electrowetting of micro-drops.
We proposed several novel schemes for controlling the flow and transport of
fluid samples in microchannels. Such schemes can be effectively implemented in
designing new breed of microfluidic devices for novel applications. With recent
advances in the design and manufacturing of diverse microfluidic devices our
work can be a valuable contribution to the field of microfluidics.

목차 Contents

• Ⅰ. 연구계획 요약문...3
• 1. 국문요약문...3
• Ⅱ. 연구결과 요약문...4
• 1. 국문요약문...4
• 2. 영문요약문...5
• Ⅲ. 연구내용...6
• 1. 서론...6
• 2. 연구 방법 및 결과...8
• 2.1 비균일 전기장을 이용한 나선형 전기삼투 유동 제어...8
• 2.2 비균일 제타 전위 및 교류 전기장을 이용한 전기삼투 유동 제어...26
• 2.3 교류 전기장을 이용한 T채널 전기삼투 유동 실험...27
• 2.4 비균일 전기장을 이용한 입자의 전기영동...37
• 2.5 비균일 전기장을 이용한 액적의 혼합 효율 제어...46
• 2.6 액적의 전기습윤 해석을 위한 기초 이론 개발...62
• 3. 결론...73
• 4. 인용문헌...74