KR100781739B1 - 전기습윤에서 액적의 접촉각 변위 및 변화속도 증가방법 및상기 방법에 의해 형성된 액적을 적용한 액적제어장치 - Google Patents

전기습윤에서 액적의 접촉각 변위 및 변화속도 증가방법 및상기 방법에 의해 형성된 액적을 적용한 액적제어장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기습윤(electrowetting) 원리를 이용한 친수성액적의 제어방법에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 상기 친수성액적에 2원 또는 3원 전해질을 일정 농도로 더 포함하게 함으로써 상기 액적의 계면 접촉각 변위 및 변화속도를 증가시킬 수 있는 친수성 액적과 비극성 유체가 형성하는 계면의 접촉각 변위와 변화속도 증가방법 및 상기 방법에 의해 형성된 액적을 적용한 장치에 대한 것이다.
본 발명에 따르면, 친수성 액적과 비극성 유체가 형성하는 계면의 접촉각 변위와 변화속도를 증가시킬 수 있게 되며, 이와 같이 접촉각 변위 및 변화속도가 넓어진 액적을 사용하게 되면 상기 액적의 습윤운동을 빠르고 효과적으로 제어할 수 있고 가역적으로 유체의 이송 및 제어가 가능하므로, 동작성이 보다 향상된 액적제어장치를 제공하는 것이 가능하다.

Description

전기습윤에서 액적의 접촉각 변위 및 변화속도 증가방법 및 상기 방법에 의해 형성된 액적을 적용한 액적제어장치{Method for increasing the change of the contact angle and velocity scope of droplet in electrowetting and apparatus using the droplet thereby}
도 1은 전기습윤(electrowetting) 원리를 구현하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 방법에서 전기습윤을 이용한 액적 제어시 상기 액적의 접촉각변화 확인실험을 수행하기 위한 모세관 유리 튜브(capillary glass tube)를 이용한 장치의 개념도이다.
도 3은 실시예1을 첨가되는 전해질의 농도를 달리하면서 계속 수행하여 측정한 임계전압을 그래프로 도시한 것이다.
도 4a 및 4b는 각각 실시예2-1 및 2-2를 첨가되는 전해질의 농도를 달리하면서 계속 수행하여 측정한 임계전압을 그래프로 도시한 것이다.
도 5a 및 5b는 각각 실시예3-1 및 3-2를 첨가되는 전해질의 농도를 달리하면서 계속 수행하여 측정한 임계전압을 그래프로 도시한 것이다.
도 6은 실시예 1 내지 3을 첨가되는 전해질로 Na2SO4를 사용하여 그 농도별로 첨가하여 얻어지는 효과를 일원화하여 그래프로 도시한 것이다.
도 7은 실시예들을 통해 얻어진 임계전압 측정결과를 단순화하여 특히 구간 I에 대해 도시된 것이다.
도 8은 실시예들을 통해 얻어진 임계전압 측정결과를 단순화하여 특히 구간 II에 대해 도시된 것이다.
본 발명은 전기습윤(electrowetting) 원리를 이용한 친수성액적의 제어방법에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 상기 친수성 액적의 접촉각 변위 및 변화속도 증가방법 및 상기 방법에 의해 형성된 액적제어장치에 대한 것이다.
최근 마이크로 토탈 어낼러시스 시스템(micro total analysis system , μTAS)에 대한 관심이 증가하고 있는데, μTAS의 한 종류인 LOC(lab-on- a-chip)는 시료를 채취하고 이를 반응시키기 전의 전처리과정을 거쳐 실제로 반응시키고 분리 및 분석하는 모든 과정을 한 개의 칩위에서 가능하게 구현하는 것을 목표로 연구되고 있다.
이러한 LOC를 구현하는데 가장 중요한 과제로 떠오르고 있는 것이 LOC안에서 여러 과정을 수행하기 위한 미세 유동장의 제어이다. 현재 LOC안에서 미세 유동장을 제어하기 위해 사용하고 있는 방법 중 특히 미세 유동장의 이송의 제어를 위해서 주사기 펌프, 전기적삼투(electroosmosis), HPLC(High Performance Liquid Chromato-graphy) 등을 사용하는 방법이 있다. 그런데, 주사기 펌프, HPLC 등은 유 동이 맥동적인 형태를 나타내거나 가격이 비싸다는 단점이 있으며, 전기적삼투는 유동의 제어속도가 느리며 높은 전압을 필요로 하는 단점을 가지고 있다.
한편, 미세 유동장에서 유체에 작용하는 여러 가지 힘 중에서 특히 표면장력이 중요한데, 이러한 표면장력을 이용하여 유동을 제어하는 방법으로 Lippmann은 외부에서 유발된 정전기적 전하에 의해 전해질 용액과 금속 표면의 모세관력의 변화를 이용한 전기 모세관 현상을 제시한 바 있다. 그러나 전기 모세관 현상을 이용한 유동장 제어 방법은 유체에 전기가 통할 수 있고, 전기 화학 반응에 의해 표면 상태가 변할 수 있는 단점이 있다.
이러한 전기 모세관 현상에서 나타난 단점의 해결을 위한 대안으로 친수성액적을 금속전극에 직접 접촉시키는 것이 아니라 절연 물질로 코팅된 전극 위에 친수성액적을 떨어뜨린 후 외부전압을 가해서 상기 친수성액적을 제어하는 방법인 전기습윤(electrowetting)에 관한 연구가 본격화되었다.
상기 친수성액적의 표면 장력을 이용하는 전기습윤은 MEMS(micro electromechanical system)의 발전에 힘입어 수 볼트의 낮은 전압을 사용하여 효과적으로 상기 액적의 유동을 제어할 수 있으며 그 장치의 제작이 간단하며 경제적이고, 미세 채널에 유체를 채운 후 유동을 제어하는 방법들에 비하여 시료를 절약할 수 있는 장점도 있다.
현재 전기습윤의 이러한 장점을 응용하기 위한 연구가 다수 수행되었거나 진행 중에 있다.
특히 미국특허 제6,565,727호는 간단한 전기습윤 원리를 이용하여 액적의 접 촉각을 변화시키는 전극 패치를 연속적으로 구성하고, 전기회로를 통하여 전극 패치에 전위를 인가함으로써 액적의 분배, 혼합, 이송을 용이하게 한 기술을 개시하였는데, 상기 특허는 기존의 미세 유체 시스템에서 사용하는 연속 유체 조작법의 한계를 극복한 각 액적을 이산화 조작이 가능하게 하여 저전력, 빠른 속도의 미세유체 시스템 구동방식의 혁신을 가져왔다.
상기 특허를 기초로 LOC에 적용 가능한 보다 향상된 전기습윤 원리를 이용한 미세 유체 시스템 구동방식이 개발되고 있다.
또한, CeBIT 2004 에서 주목을 끈 액체렌즈는 전기 습윤 현상을 이용해 극성용매와 비극성 용매에 전압을 가하면 두 유체의 접촉면에 특정한 곡률이 형성돼 기존의 광학 렌즈처럼 기계적 구동 없이 사물과의 거리에 따라 자동으로 초점을 조절할 수 있는 것이 특징인데, 이러한 액체 렌즈를 이용해 자동으로 초점을 조절하는 금속산화물반도체(CMOS) 방식의 휴대폰용 130만 화소 카메라모듈이 국내에서 개발됐다.
상기 액체 렌즈 카메라모듈은 사물과 거리에 따라 렌즈의 두께가 자동으로 변하면서 초점을 조절한다는 점에서 사람 눈의 수정체와 비슷한데, 5㎝ 거리의 초근접 촬영이 가능해 휴대폰으로 지문이나 문자 인식도 할 수 있다. 또 초점 조절에 걸리는 시간이 기껏해야 100분의 2초에 불과하고, 생산비도 기존 광학렌즈 방식보다 40% 가량 저렴해 광학렌즈 대체품으로 각광받을 전망이다.
그런데, 지금까지 알려진 전기습윤 원리를 이용한 액적 제어방법에 사용되는 친수성액적은 전기습윤 임계전압이 낮아서 액적의 접촉각 변위 가 충분히 넓다고 볼 수 없을 뿐만 아니라 그 변화속도 또한 크지 않은 문제점이 있었다.
이에, 본 발명의 발명자들은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 예의 연구 노력한 결과, 전기습윤 원리를 이용한 친수성액적 제어시 상기 친수성액적에 특정 전해질을 일정농도로 첨가하게 되면 전기습윤 임계전압이 증가되어 친수성액적의 접촉각 변화범위가 증가되는 것을 확인하고, 본　발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 전기습윤 임계전압을 증가시켜 친수성액적의 소수성과 친수성 사이 계면 접촉각 변위 및 변화속도를 증가시킬 수 있는 계면의 접촉각 변위와 변화속도 증가방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 LOC 또는 액체렌즈 등과 같이 전기습윤원리가 적용되는 장치의 동작성을 향상시키기 위하여 상기 계면의 접촉각 변위와 변화속도 증가방법에 의해 증가된 접촉각 변위와 변화속도를 갖는 액적이 적용된 액적제어장치를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 절연체로 코팅된 전극 상의 친수성 액적에 외부전압을 가하면 액적의 접촉각이 변화되는 전기습윤 원리를 이용한 액적제어 방법에서, 상기 친수성액적에 2원 전해질 또는 3원 전해질을 첨가하여 상기 친수성 액적과 비극성 유체가 형성하는 계면의 접촉각 변위와 변화속도를 증가시키는 방법을 제공한다.
먼저, 본 발명에서 사용되는 전기습윤 원리에 대해 살펴보기로 한다.
전기습윤(electrowetting)은 높은 전압에서 표면장력을 제어할 수 있도록 금속판과 액적 사이에 얇은 절연막을 코팅하여 가해주는 전압의 변화에 따라 액적의 표면모양을 변화시킬 수 있으며, 전압이 높아질수록 액적이 금속판 위에서 퍼지는 현상이 나타나므로, 전기로 물을 적신다는 의미로 전기습윤이라 명명된 것이다.
보다 구체적으로 전기습윤은 도1에 도시된 개념도와 같이 절연체로 코팅된 전극 상에 친수성 액적을 떨어뜨린 후 상기 친수성 액적에 외부전압(V)을 가하면 액적의 접촉각(θ)이 변화되는 현상을 의미한다,
이 때 상기 접촉각(θ)은 하기 식에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112005054656836-pat00001
여기서 ε은 절연체의 유전율,
Figure 112005054656836-pat00002
VL은 유체-액적 계면의 계면장력, d 는 절연막 두께, V는 외부에서 가해지는 전압이다.
상기 식으로부터 접촉각의 변화범위가 커지려면 전압은 높고, 절연막 두께는 얇을수록 바람직함을 알 수 있는데, 그동안 알려진 바에 의하면 외부에서 전압을 가할 때 특정 전압 이상에서 더 이상 접촉각이 변하지 않고, 절연막의 파괴(dielectric breakdown)가 나타나는 임계전압(V C)이 존재한다.
따라서, 일단 최소한의 절연막 두께는 필요한 점을 감안하게 되면, 절연막 두께를 최소화하여 접촉각의 변화범위를 증가시키기 보다는 가해지는 외부전압 즉 액적의 상기 임계전압을 가능한 증가시키도록 액적의 계면특성을 변화시키는 것이 바람직할 것이다.
본 발명은 친수성액적에 2원 전해질 또는 3원 전해질을 첨가하게 되면, 전해질 첨가 전과 비교하여 상기 액적의 임계전압이 상당히 증가되는 것을 확인하고 완성된 것이다.
따라서, 상기 친수성 액적에 이온성 입자, 중성 입자, 생체물질 및 자성입자로 구성된 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하게 되면, 액적의 계면특성이 더욱 나빠지게 되는데, 본 발명의 방법을 사용하게 되면, 이러한 입자가 포함된 경우에도 LOC에 적용 가능할 정도의 계면특성을 갖도록 액적의 임계전압을 상당히 증가시킬 수 있다. 여기서 상기 생체물질은 핵산, 단백질, 펩타이드, 박테리아, 바이러스 및 포유동물세포로 구성된 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 것이다.
본 발명에서, 상기 친수성 액적과 계면을 형성하는 비극성 유체는 오일 또는 공기인 것이 바람직하다.
또한, 상기 절연체는 페럴린 C, 테프론 및 금속산화막으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 것이 바람직하며, 상기 전극은 인듐주석산화물(ITO), Au/Cr, Al 및 전도성 폴리머로 구성된 그룹으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에서 사용되는 상기 2원 전해질은 LiCl, KCl, NaCl을 포함하는 할로겐화 알칼리금속에서 선택되는 하나 이상이고, 상기 3원 전해질은 K2SO4, Na2SO4를 포함하는 알칼리금속 황산염 또는 알칼리금속 질산염에서 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하다. 위에 열거된 염들은 LOC에서 주로 사용되는 생체 물질과 친화적이며 침전이 형성되지 않아 본 발명의 효과를 확인하는데 사용되었다.
이 때, 상기 2원 전해질 또는 3원 전해질은 후술하는 실시예1에서 알 수 있듯이 1mM ~ 100mM의 농도로 첨가되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1mM ~ 30mM의 농도로 첨가되는 것이다.
또한, 상기 친수성액적에 중성 입자가 포함된 경우, 상기 2원 전해질 또는 3원 전해질은 1mM ~ 100mM의 농도로 첨가되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10mM ~ 30mM의 농도로 첨가되는 것이다.
또한 상기 액적에 음전하 또는 양전하를 띤 입자가 포함된 경우, 상기 2원 전해질 또는 3원 전해질은 30mM ~ 150mM의 농도로 첨가되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 30mM ~ 100mM의 농도로 첨가되는 것이다.
본 발명은 또한 비전도성의 제1기판(substrate) ; 상기 제1기판의 상면에 배열된 제 1전극; 상기 제1기판의 상면과 마주보게 배치되어 소정의 공간을 형성하는 비전도성의 제2기판(substrate); 상기 공간과 인접하여 제2기판의 표면에 배열된 제2전극; 상기 공간과 상기 제1 전극 사이 또는 상기 공간과 상기 제2전극 사이에 위치하는 절연막; 상기 공간과 상기 제1 전극 사이 또는 상기 공간과 상기 제2전극 사이에 위치하는 소수성막; 상기 공간 내에 위치하며, 2원 전해질 또는 3원 전해질을 포함하는 친수성 액적; 및 상기 공간 내에 위치하는 비극성 유체를 포함하는 액적제어장치를 제공한다.
여기서, 상기 비전도성의 제1기판 및 제2기판은 그 형상의 제한을 받지 않고 평판이나 곡면의 구조체일 수 있으며, 그 소재에 있어서도 비전도성이면 모두 가능하다.
또한, 상기 제1기판과 제2기판이 형성하는 일정 공간 안에서 대향되어 상기 기판들의 표면에 마주보게 배열되는 제1 및 제2 전극은 인듐주석산화물(ITO), Au/Cr, Al 및 전도성 폴리머로 구성된 그룹으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하여 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 절연막은 페럴린 C, 테프론 및 금속산화막으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하여 구성되는 것이 바람직하며, 상기 소수성막은 소수성을 갖는 소재이기만 하면 모두 가능하다.
따라서, 본 발명의 액적제어장치는 제1전극 또는 제2전극의 어느 한쪽에만 절연막이 형성되므로, 상기 공간에 위치하는 2원 전해질 또는 3원 전해질을 포함하는 친수성 액적에 전압을 가하게 되고, 가해진 외부 전압에 의해 상기 액적이 제어되는데, 이 때 상기 액적의 임계전압을 증가시켜서 액적과 비극성 유체 사이에 형성된 계면의 접촉각 변위를 증가시킬 뿐만 아니라 액적의 변화속도를 증가시킴으로써 액적의 제어를 보다 정교하게 할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 액적제어장치에 사용되는 그 밖의 다른 구성요소에 대해서 는 상술된 바 있어 상세한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명의 액적제어장치가 적용된 LOC(lab-on-a-chip)의 경우, 상기 액적은 50 V ~ 140 V의 전압 하에서 전기적으로 이동할 수 있고, 상기 이동은 이동을 원하는 방향 쪽의 액적 계면에만 전기를 걸어서 전기습윤을 유도하는 방식으로 이동된다. 이와 같이 본 발명의 액적제어장치를 LOC의 미세 유동장의 이송에 이용하게 되면 종래의 액적을 이용한 이송보다 빠른 이동을 보인다.
따라서, 본 발명의 액적제어장치가 적용된 LOC에서 실험 또는 분석하고자 하는 생분자(bio molecule)를 함유하는 시료를 상기 액적을 통해 일정량씩 원하는 곳으로 전기장을 이용하여 이송하는 것이 가능한데, 전류가 흐르지 않기 때문에 전력소모가 없으며 시료에 포함된 생분자에 미치는 영향이 적다.
본 발명의 방법에 의해 계면의 변위 및 변화속도가 증가된 액적 및 상기 액적제어장치는 또한 액체렌즈에 적용할 수 있는데, 여기서 액체렌즈는 전기습윤 원리를 이용하여 밀폐공간에 채워진 전해질 용액에 거는 전압을 높이거나 낮춰 렌즈(비전도성 유성액체와의 경계면) 두께와 초점거리를 조절하는 것으로, 수정체처럼 스스로 굴절률을 조절할 수 있어 소형화에 유리하고 생산비용도 저렴하다고 알려져 있다.
이와 같이 알려진 액체렌즈 제조시 상기 밀폐공간에 채워진 전해질 용액으로 본 발명의 방법에 의해 소수성 및 친수성 계면 사이 접촉각의 변위 및 변화속도가 증가된 액적을 사용하게 되면(사실상, 본 발명의 액적제어장치가 적용됨) 액적의 제어가 보다 용이해져 액체렌즈의 동작성이 현저하게 향상될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.
<비교예 1>
도 2에 도시된 액적의 접촉각변화 확인실험을 수행하기 위한 모세관 유리 튜브(capillary glass tube)를 이용한 장치를 이용하여 공지된 전기습윤 원리를 이용한 액적 제어방법에서 사용되는 액적의 접촉각 변화를 관찰하였다. 여기서 상기 장치는 유리관 장치, 전원공급장치, 컴퓨터, 광학현미경이 장착된 CCD카메라, 광원으로 구성된다.
상기 유리관 장치는 유리판위에 ITO박막을 증착하여 전극을 설치한 후 ITO전극 위에 도 2에 도시된 바와 같이 그 표면을 ITO박막을 증착하여 전극이 형성된 유리관이 배치되는데, 상기 유리관의 내측 표면의 ITO 전극측 상에 절연막이 형성된다. 이 때 상기 절연막은 광학적 투명성과 생체적합성이 우수하며 소수성(접촉각 ~104°)인 페럴린 C(Parylene C)를 2.5㎛ 두께로 화학적 증착법으로 ITO 전극상에 코팅하여 형성된다.
이와 같이 구성된 유리관 장치의 유리관에 PBS(1mM sodium phosphate, 15mM NaCl, pH 7.4)를 마이크로 피펫을 사용하여 떨어뜨린 후, 상기 전원공급장치로부터 1kHz,140V 미만의 교류전압을 인가한 후 PBS 액적의 접촉각변화를 관찰하면서 절연 막의 파괴가 일어나는 임계전압을 찾아내었다. 이 때 전압의 변화에 따른 PBS액적의 접촉각변화는 상기 CCD카메라를 이용하여 촬영되었는데, 상기 카메라가 촬영한 영상은 컴퓨터에 설치된 A/D보드, 영상 보드 및 소프트웨어 등을 이용하여 영상파일로 저장하였다.
PBS 액적은 60V에서 절연막의 파괴로 인한 전기분해 발생으로 유발된 기포가 관찰되는 것을 알 수 있어 임계전압이 60V임을 알 수 있다.
<비교예 2-1>
PBS에 1㎛× 3㎛의 실린더 모양인 E.coli (약한 소수성이지만 물에 섞이고 매우 약한 음전하를 띠나 거의 중성입자로 간주됨)가 더 포함된 것을 제외하고는 비교예1과 동일한 방법으로 실험을 수행하여 접촉각 변화를 관찰하였다. 이 때 51V에서 절연막의 파괴로 인한 전기분해 발생으로 유발된 기포가 관찰되는 것을 알 수 있어 E.coli가 포함된 PBS액적의 경우 그 임계전압이 51V임을 알 수 있다.
<비교예 2-2>
PBS에 4.16㎛의 폴리스티렌(polystyrene bead, PS bead, 소수성이지만 물에 섞이고 매우 약한 음전하를 띠나 거의 중성입자로 간주됨)이 2% v/v로 더 포함된 것을 제외하고는 비교예1과 동일한 방법으로 실험을 수행하여 접촉각 변화를 관찰하였다. 이 때 54V에서 절연막의 파괴로 인한 전기분해 발생으로 유발된 기포가 관찰되는 것을 알 수 있어 PS bead가 포함된 PBS액적의 경우 그 임계전압이 54V임을 알 수 있다.
<비교예 3-1>
PBS에 1.05㎛의 카르복실산 기로 종결된 자성비드(COOH bead, 친수성 표면을 갖고 음전하를 띰)가 2% v/v로 더 포함된 것을 제외하고는 비교예1과 동일한 방법으로 실험을 수행하여 접촉각 변화를 관찰하였다. 이 때 58V에서 절연막의 파괴로 인한 전기분해 발생으로 유발된 기포가 관찰되는 것을 알 수 있어 COOH bead가 포함된 PBS액적의 경우 그 임계전압이 58V임을 알 수 있다.
<비교예 3-2>
PBS에 1.5㎛의 아민기로 종결된 자성비드(NH2+ bead, 친수성 표면을 갖고 양전하를 띰)가 2% v/v로 더 포함된 것을 제외하고는 비교예1과 동일한 방법으로 실험을 수행하여 접촉각 변화를 관찰하였다. 이 때 53V에서 절연막의 파괴로 인한 전기분해 발생으로 유발된 기포가 관찰되는 것을 알 수 있어NH2+ bead가 포함된 PBS액적의 경우 그 임계전압이 53V임을 알 수 있다.
상기 실험결과로부터 액적(PBS액적)의 임계전압은 60V이고, 상기 액적에 중성입자, 음전하입자, 양전하입자 등이 포함되면 임계전압이 더 낮아지는 것을 알 수 있다. 따라서 임계전압을 증가시켜 접촉각 변화범위를 증가시킬 수 있는 새로운 방법이 요구되는 것을 알 수 있다.
<실시예 1-1>
비교예1의 PBS에 Na2SO4 1mM를 더 첨가한 것을 제외하면 비교예1과 동일한 방법으로 실험을 수행하여 Na2SO4 첨가 PBS 액적의 접촉각변화를 관찰하면서 절연막의 파괴가 일어나는 임계전압을 찾아내었다. Na2SO4 첨가 PBS 액적1은 85V에서 절연막의 파괴로 인한 전기분해 발생으로 유발된 기포가 관찰되는 것을 알 수 있어 임계전압이 85V임을 알 수 있다.
<실시예1-2>
PBS에 Na2SO4를 10mM 첨가한 것을 제외하면 비교예1과 동일한 방법으로 실험을 수행하여 Na2SO4 첨가 PBS 액적의 접촉각변화를 관찰하면서 절연막의 파괴가 일어나는 임계전압을 찾아내었다. Na2SO4 첨가 PBS 액적은 110V에서 절연막의 파괴로 인한 전기분해 발생으로 유발된 기포가 관찰되는 것을 알 수 있어 Na2SO4 첨가량이 많아질수록 임계전압이 증가하는 것을 알 수 있다.(도 3참조)
<실시예 1-3>
비교예1의 PBS에 KCl 1mM를 더 첨가한 것을 제외하면 비교예1과 동일한 방법으로 실험을 수행하여 KCl 첨가 PBS 액적의 접촉각변화를 관찰하면서 절연막의 파 괴가 일어나는 임계전압을 찾아내었다. 1mM KCl첨가 PBS 액적은 65V에서 절연막의 파괴로 인한 전기분해 발생으로 유발된 기포가 관찰되는 것을 알 수 있어 임계전압이 65V임을 알 수 있다.
<실시예1-4>
PBS에 KCl을 10mM 첨가한 것을 제외하면 비교예1과 동일한 방법으로 실험을 수행하여 KCl 첨가 PBS 액적의 접촉각변화를 관찰하면서 절연막의 파괴가 일어나는 임계전압을 찾아내었다. 10mM KCl첨가 PBS 액적은 90V에서 절연막의 파괴로 인한 전기분해 발생으로 유발된 기포가 관찰되는 것을 알 수 있어 임계전압이 90V임을 알 수 있다.
따라서 KCl첨가량이 많아질수록 임계전압이 증가하는 것을 알 수 있다.(도 3참조)
실시예1로부터 PBS액적에 2원 전해질 또는 3원 전해질이 더 첨가되면, 그 임계전압이 비교예1의 60V와 비교할 때 상당히 증가하는 것을 알 수 있다.
<실시예 2-1>
Na2SO4 를 10mM 더 첨가한 것을 제외하면 비교예 2-1과 동일한 방법으로 실험을 수행하여 접촉각 변화를 관찰하였다. 이 때 91V에서 절연막의 파괴로 인한 전기분해 발생으로 유발된 기포가 관찰되는 것을 알 수 있어, E.coli가 포함된 PBS액 적의 경우 그 임계전압이 51V이었던 것과는 달리 E. coli가 포함된 PBS액적에 Na2SO4 를 10mM 더 첨가하면 그 임계전압이 91V로 현저하게 높아짐을 알 수 있다.
<실시예 2-2>
Na2SO4를 10mM 더 첨가한 것을 제외하면 비교예 2-2와 동일한 방법으로 실험을 수행하여 접촉각 변화를 관찰하였다. 이 때 79V에서 절연막의 파괴로 인한 전기분해 발생으로 유발된 기포가 관찰되는 것을 알 수 있어, PS bead가 포함된 PBS액적의 경우 그 임계전압이 54V이었던 것과는 달리 PS bead가 포함된 PBS액적에 Na2SO4를 10mM 더 첨가하면 그 임계전압이 79V로 현저하게 높아짐을 알 수 있다.
실시예2로부터 중성입자를 포함하는 PBS액적에 3원 전해질이 더 첨가되면, 그 임계전압이 비교예2-1의 51V, 2-2의 54V와 비교할 때 상당히 증가하는 것을 알 수 있다.
<실시예 3-1>
Na2SO4를 10mM 더 첨가한 것을 제외하면 비교예 3-1과 동일한 방법으로 실험을 수행하여 접촉각 변화를 관찰하였다. 이 때 105V에서 절연막의 파괴로 인한 전기분해 발생으로 유발된 기포가 관찰되는 것을 알 수 있어, COOH bead가 포함된 PBS액적의 경우 그 임계전압이 58V이었던 것과는 달리 COOH bead가 포함된 PBS액적에 Na2SO4를 10mM 더 첨가하면 그 임계전압이 105V로 현저하게 높아짐을 알 수 있다.
<실시예 3-2>
Na2SO4를 10mM 더 첨가한 것을 제외하면 비교예 3-2와 동일한 방법으로 실험을 수행하여 접촉각 변화를 관찰하였다. 이 때 78V에서 절연막의 파괴로 인한 전기분해 발생으로 유발된 기포가 관찰되는 것을 알 수 있어, NH2+ bead가 포함된 PBS액적의 경우 그 임계전압이 53V이었던 것과는 달리 NH2 + bead가 포함된 PBS액적에 Na2SO4를 10mM 더 첨가하면 그 임계전압이 78V로 현저하게 높아짐을 알 수 있다.
실시예3으로부터 음전하 또는 양전하를 포함하는 PBS액적에 3원 전해질이 더 첨가되면, 그 임계전압이 비교예3-1의 58V, 3-2의 53V와 비교할 때 상당히 증가하는 것을 알 수 있다.
실시예1을 첨가되는 전해질의 농도를 달리하면서 계속 수행하여 측정한 임계전압을 그래프로 도시한 도3을 참조하면, 첨가되는 2원 전해질 또는 3원 전해질은 1mM ~ 100mM의 농도범위, 특히 1mM ~ 30mM의 농도범위에서 유효하게 임계전압을 증가시키는 것을 알 수 있다.
실시예2를 첨가되는 전해질의 농도를 달리하면서 계속 수행하여 측정한 임계전압을 그래프로 도시한 도4a, 4b를 참조하면, 상기 액적에 중성 입자가 포함된 경우, 상기 2원 전해질 또는 3원 전해질은 1mM ~ 100mM의 농도범위, 특히 1mM ~ 30mM의 농도범위에서 유효하게 임계전압을 증가시키는 것을 알 수 있다.
실시예3을 첨가되는 전해질의 농도를 달리하면서 계속 수행하여 측정한 임계전압을 그래프로 도시한 도5a, 5b를 참조하면, 상기 액적에 음전하 또는 양전하를 띤 입자가 포함된 경우, 상기 2원 전해질 또는 3원 전해질은 30mM ~ 150mM의 농도범위, 특히 30 mM ~ 100 mM의 농도 범위에서 유효하게 임계전압을 증가시키는 것을 알 수 있다.
이것은 실시예 1 내지 3에서 Na2SO4를 농도별로 첨가하여 얻어지는 효과를 일원화하여 그래프로 도시한 도6을 참조하면 더욱 분명히 알 수 있다.
한편, 실시예들을 통해 얻어진 임계전압 측정결과를 단순화하여 표시한 도7및 도8을 참조하면 첨가된 전해질로 인한 효과를 더욱 분명하게 이해할 수 있는데, 첨가된 전해질 효과는 현상학적으로 크게 두 구간으로 나누어 볼 수 있다. 구간 I은 첨가된 전해질 농도에 따라 임계전압이 증가하는 구간이며, 구간 II는 첨가되는 전해질 농도가 증가되어도 임계전압이 증가하지 않고 오히려 감소하는 구간이다.
구간 I의 경우, 첨가된 전해질에 의해 전체 전해질 혼합액의 전기 전도도가 증가하고 이를 통해 액적이 절연막과 접촉하고 있는 계면으로 가해준 전하들의 추가 이송이 일어나 전기습윤의 접촉각 변화가 발생하게 된다. 이러한 현상은 가해준 전해질의 농도가 증가할수록 활발히 일어나 전기습윤의 임계전압이 상승하는 결과를 가져오게 된다.
그러나 이러한 현상은 일정 농도이상 전해질이 첨가되면 달라지게 되는데, 구간II에서와 같이 고농도의 전해질 이온에 의한 전하이동 즉 전하의 운동에너지(kinetic energy) 상승이 계면에서의 접촉각 변화를 가져올 수 있는 표면 에너지(surface energy)의 한계를 초과하게 될 때 더 이상의 전기습윤현상이 일어나지 않고 초과 운동에너지가 절연막을 파괴하는 작용을 하게 된다. 결국 구간 II에서는 가해준 전해질의 농도가 증가할수록 오히려 전기습윤의 임계전압이 감소하는 결과를 가져오게 된다.
도 7에서 보여지는 구간 I에서의 입자 첨가에 의한 효과는 전해질 액적에 입자가 포함되면서 첨가되는 전해질의 농도에 의한 임계전압 증가효과를 둔화시키는 것으로 나타난다. 액적 내에 중성입자가 포함되면서 액적이 절연막과 접촉하고 있는 계면에서의 표면상태에 영향을 미치게 되고, 이로 인해 전기습윤 현상을 유기하는 표면에너지에 변화를 가져오게 된다. 이러한 변화는 전해질 첨가에 의한 임계전압 상승을 저해하는 역할을 하게 된다. 또한, 음전하 또는 양전하를 띤 입자들이 액적 내에 존재하게 되면 입자표면에 활성화되는 +/-작용기와 첨가된 전해질의 이 온 흡착이 발생하여 전해질 첨가에 의한 추가전하 이송효과가 둔화됨으로써 임계전압 상승효과가 한층 더 감소하게 된다.
도 8에서 보여지는 구간 II에서의 입자 첨가에 의한 효과는 구간 I에서와 같이 크게 변화되는 양상을 띄지 않는데, 이는 고농도 전해질 추가에 의한 초과 운동에너지의 절연막 파괴효과가 입자의 첨가효과보다 우세하게 작용되기 때문이다.
이상에서, 본 발명의 구성을 바람직한 실시예 및 도면을 참조하여 설명 및 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상 및 특허청구 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
이상에서 설명된 본 발명에 따르면, 전기습윤 임계전압을 증가시켜 친수성액적의 소수성과 친수성 사이 계면 접촉각 변위 및 변화속도를 증가시킬 수 있고, 상기 계면의 접촉각 변위와 변화속도 증가방법에 의해 증가된 접촉각 변위와 변화속도를 갖는 액적이 적용된 액적제어장치를 제공하게 되므로, 본 발명의 액적 및 액적제어장치에 의하면 LOC 또는 액체렌즈 등과 같이 전기습윤 원리가 적용되는 장치의 동작성을 보다 향상시킬 수 있다.

Claims (24)

  1. 절연체로 코팅된 전극 상의 친수성 액적에 외부전압을 가하면 액적의 접촉각이 변화되는 전기습윤 원리를 이용한 액적제어 방법에서, 상기 친수성액적에 2원 전해질 또는 3원 전해질을 1mM ~ 100mM의 농도로 첨가하여 상기 친수성 액적과 비극성 유체가 형성하는 계면의 접촉각 변위와 변화속도를 증가시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 친수성 액적은 이온성 입자, 중성 입자, 생체물질 및 자성입자로 구성된 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 계면의 접촉각 변위와 변화속도를 증가시키는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 생체물질은 핵산, 단백질, 펩타이드, 박테리아, 바이러스 및 포유동물세포로 구성된 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 계면의 접촉각 변위와 변화속도를 증가시키는 방법
  4. 제1항에 있어서, 상기 비극성 유체는 오일 또는 공기인 것을 특징으로 하는 계면의 접촉각 변위와 변화속도를 증가시키는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 절연체는 페럴린 C, 테프론 및 금속산화막으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 계면의 접촉각 변위와 변화속도를 증가시키는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전극은 인듐주석산화물(ITO), Au/Cr, Al 및 전도성 폴리머로 구성된 그룹으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 계면의 접촉각 변위와 변화속도를 증가시키는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 2원 전해질은 할로겐화 알칼리금속이고, 상기 3원 전해질은 알칼리금속 황산염 또는 알칼리금속 질산염인 것을 특징으로 계면의 접촉각 변위와 변화속도를 증가시키는 방법.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 상기 2원 전해질 또는 3원 전해질은 1mM ~ 30mM의 농도로 첨가되는 것을 특징으로 하는 계면의 접촉각 변위와 변화속도를 증가시키는 방법.
  10. 절연체로 코팅된 전극 상의 친수성 액적에 외부전압을 가하면 액적의 접촉각이 변화되는 전기습윤 원리를 이용한 액적제어 방법에서, 2원 전해질 또는 3원 전해질을 첨가하여 상기 친수성 액적과 비극성 유체가 형성하는 계면의 접촉각 변위와 변화속도를 증가시키는데,
    상기 친수성액적에 이온성 입자, 중성 입자, 생체물질 및 자성입자로 구성된 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 물질이 포함되고, 상기 액적에 포함된 물질이 중성인 경우, 상기 2원 전해질 또는 3원 전해질은 1mM ~ 100mM의 농도로 첨가되는 것을 특징으로 하는 계면의 접촉각 변위와 변화속도를 증가시키는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 액적에 포함된 물질이 중성인 경우, 상기 2원 전해질 또는 3원 전해질은 10mM ~ 30mM의 농도로 첨가되는 것을 특징으로 하는 계면의 접촉각 변위와 변화속도를 증가시키는 방법.
  12. 절연체로 코팅된 전극 상의 친수성 액적에 외부전압을 가하면 액적의 접촉각이 변화되는 전기습윤 원리를 이용한 액적제어 방법에서, 2원 전해질 또는 3원 전해질을 첨가하여 상기 친수성 액적과 비극성 유체가 형성하는 계면의 접촉각 변위와 변화속도를 증가시키는데,
    상기 친수성액적에 이온성 입자, 중성 입자, 생체물질 및 자성입자로 구성된 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 물질이 포함되고, 상기 액적에 포함된 물질이 음전하 또는 양전하를 띤 경우, 상기 2원 전해질 또는 3원 전해질은 30mM ~ 150mM의 농도로 첨가되는 것을 특징으로 하는 계면의 접촉각 변위와 변화속도를 증가시키는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 액적에 포함된 물질이 음전하 또는 양전하를 띤 경우, 상기 2원 전해질 또는 3원 전해질은 30mM ~ 100mM의 농도로 첨가되는 것을 특징으로 하는 계면의 접촉각 변위와 변화속도를 증가시키는 방법.
  14. 비전도성의 제1 기판(substrate) ;
    상기 제1기판의 상면에 배열된 제 1전극;
    상기 제1기판의 상면과 마주보게 배치되어 소정의 공간을 형성하는 비전도성의 제2 기판(substrate);
    상기 공간과 인접한 제2기판의 표면에 배열된 제2전극;
    상기 제1 전극 또는 상기 제2전극 중 어느 하나의 공간측 표면에 위치하는 절연막;
    상기 절연막의 공간측 표면에 위치하는 소수성막;
    상기 공간 내에 위치하며, 2원 전해질 또는 3원 전해질을 포함하는 친수성 액적; 및
    상기 공간 내에 위치하는 비극성 유체를 포함하는 액적제어장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 친수성 액적은 이온성 입자, 중성 입자, 생체물질 및 자성입자로 구성된 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 액적제어장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 생체물질은 핵산, 단백질, 펩타이드, 박테리아, 바이러스 및 포유동물세포로 구성된 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 액적제어장치.
  17. 제14항에 있어서, 상기 비극성 유체는 오일 또는 공기인 것을 특징으로 하는 액적제어장치.
  18. 제14항에 있어서, 상기 2원 전해질은 할로겐화 알칼리금속이고, 상기 3원 전해질은 알칼리금속 황산염 또는 알칼리금속 질산염인 것을 특징으로 액적제어장치.
  19. 제14항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2원 전해질 또는 3원 전해질은 1mM ~ 100mM의 농도로 첨가되는 것을 특징으로 하는 액적제어장치.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 2원 전해질 또는 3원 전해질은 1mM ~ 30mM의 농도로 첨가되는 것을 특징으로 하는 액적제어장치.
  21. 제15항에 있어서, 상기 액적에 포함된 물질이 중성인 경우, 상기 2원 전해질 또는 3원 전해질은 1mM ~ 100mM의 농도로 첨가되는 것을 특징으로 하는 액적제어장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 액적에 포함된 물질이 중성인 경우, 상기 2원 전해질 및 3원 전해질은 10mM ~ 30mM의 농도로 첨가되는 것을 특징으로 하는 액적제어장치.
  23. 제15항에 있어서, 상기 액적에 포함된 물질이 음전하 또는 양전하를 띤 경우, 상기 2원 전해질 또는 3원 전해질은 30mM ~ 150mM의 농도로 첨가되는 것을 특징으로 하는 액적제어장치.
  24. 제23항에 있어서, 상기 액적에 포함된 물질이 음전하 또는 양전하를 띤 경우, 상기 2원 전해질 또는 3원 전해질은 30mM ~ 100mM의 농도로 첨가되는 것을 특 징으로 하는 액적제어장치.
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