Electrostatically-induced trajectory switching system on a multi-inlet-multi-outlet superhydrophobic droplet guiding track

연구 배경

개방형 미세유체 시스템은 반응과 용액 전달을 위해 작은 액적을 이동시키며, 보통 초소수성 표면의 친수성 패턴을 따라 중력으로 액적을 보냅니다. 그러나 친수성 패턴은 트랙을 오염시키고 물 손실을 일으킵니다. 홈을 낸 초소수성 Cu 트랙은 이러한 손실 없이 액적을 유도하며, 전기적 방법은 액적을 운반·분류·병합할 수 있지만 액적이 조작 내내 전기장에 노출되고 전극과 계속 접촉해야 합니다.

설계와 접근

두께 1 mm의 Cu 판에 컴퓨터 수치제어(CNC) 가공으로 폭 1.5 mm, 깊이 0.5 mm의 홈을 만들었습니다. 3 mM 질산은(AgNO3) 용액에서 무전해 갈바닉 석출로 홈 표면에 Ag 나노구조를 성장시키고 1H,1H,2H,2H-퍼플루오로데칸티올(PFDT)을 코팅해 PFDT Ag/Cu 유도 트랙을 만들었습니다. 유리 기판에 Ti(50 nm)와 Cu(300 nm)로 패턴한 축전기를 역Y자 홈의 분기부 위 2 mm에 두었으며, 한쪽 축전기에 바이어스를 걸면 전극 가장자리에 전하가 쌓여 생긴 전기장이 지나가는 액적을 그쪽으로 끌어당깁니다. 이때 액적은 접지된 초소수성 트랙에만 닿습니다.

평가 방법

갈바닉 반응 시간에 따른 물 접촉각(CA)과 미끄럼각(SA)을 측정하고, 전계방출 주사전자현미경으로 Ag 나노구조를 관찰했으며, 5° 기울인 트랙에서 액적 거동을 기록했습니다. 분기부에서 액적에 작용하는 전기장과 힘은 액적을 반경 1 mm 구로 가정해 COMSOL Multiphysics 4.3으로 계산했습니다. x 방향 정전기력(Fex)은 직선형 트랙에서 0.4~1.8 kV 조건의 임계 미끄럼각으로 3, 5, 7 μL 액적에 대해 추정해 계산값과 비교했고, 기판 경사각과 인가 전압에 따른 유도 결과를 정리한 뒤 MIMO 트랙에 적용했습니다.

연구 내용과 주요 결과

PFDT를 코팅한 평평한 Cu에서 물의 CA는 117.3°, SA는 90°를 넘었습니다. Ag/Cu 표면에서는 반응 시간이 20분을 넘으면 CA가 160° 이상에서 포화되고 SA는 약 1°까지 낮아졌습니다. 30분 반응한 표면의 Ag는 300 nm~1 μm 크기의 응집체와 100~200 nm 입자로 이루어진 이중 거칠기 구조를 이루었고 CA는 160° ± 1.23°였습니다. 5 μL 액적은 5° 기울기에서 곡선형 Y자 트랙을 따라 5.71 cm s−1의 속도로 굴러갔습니다.

역Y자 트랙의 분기부에서 액적은 1 kV 바이어스가 걸린 축전기 쪽으로 방향을 바꾸었습니다. 계산에서 액적이 양극에 가장 가까울 때 액적 표면 전기장은 최대 0.59 MV m−1, 정전기력은 최대 8.21 μN이었고, 거리가 멀어질수록 힘이 줄었습니다. 액적이 분기부를 0.08초 안에 지나가고 기판 표면 전기장이 약 0.1 MV m−1로 낮아, 연구진은 전기습윤 효과를 무시할 수 있다고 보았습니다. 카놀라유 액적은 경로를 바꿀 수 없었으며, 연구진은 그 원인을 비극성 특성으로 보았습니다.

0.7 kV 미만에서는 정전기력이 액적을 붙잡기에 부족했고, 그 이상에서 실험으로 추정한 Fex는 계산값과 상대오차 10.1% 이내로 일치했습니다. 3 μL와 7 μL 액적의 미끄럼각도 5 μL 액적과 비슷했습니다. 중력 성분과 정전기력의 비(Fg/Fex)가 2.93을 넘으면 액적이 경로를 벗어났고, 1.04 미만이면 분기부에 멈췄으며, 그 사이에서는 의도한 경로로 유도되었습니다. 안정적으로 작동하려면 미끄럼각 15° 미만, 전압 1.4 kV 미만을 유지해야 했습니다.

축전기 12개를 패턴한 유리 기판 아래 2 mm 간격으로 둔 입구 3개, 출구 4개의 MIMO 트랙을 5° 기울이고, 축전기에 선택적으로 1 kV를 걸어 염색한 5 μL 액적을 입구 1에서 출구 1로, 입구 3에서 출구 3으로, 입구 2에서 출구 2 또는 출구 4로 보냈습니다.

남은 과제

경로 전환은 액적에 작용하는 정전기력과 중력이 균형을 이룰 때에만 작동하므로 기판 경사각과 인가 전압의 범위가 제한됩니다. 비극성인 카놀라유 액적은 방향을 바꾸지 못해, 보고된 방식은 물 액적에 적용됩니다.

다른 연구와의 연결

윤활액 주입 다공성 표면(SLIPS)은 주입된 윤활층으로 액적 부착을 낮추는 반면, 이 트랙은 초소수성 Ag/Cu 표면 위에 액적을 두고 액적에 닿지 않는 축전기의 정전기력으로 방향을 바꿉니다.