KR20040086572A - 나노구조 및 마이크로구조 표면상의 액체의 이동을제어하는 방법 및 장치 - Google Patents

나노구조 및 마이크로구조 표면상의 액체의 이동을제어하는 방법 및 장치 Download PDF

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크루펜키네티모페이니키타
만디치마리루이스
슈나이더토비아스마누엘
테일러조셉애슐리
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Abstract

나노구조 또는 마이크로구조 표면상에 배치된 액적의 이동이 액적의 적어도 하나의 특성 또는 나노구조 특징 패턴의 적어도 하나의 특성에 의해 결정되는 방법 및 장치가 개시된다. 일 실시예에서, 액적의 이동은, 액적이 나노구조 특징 패턴을 따라 원하는 방향으로 이동하도록 나노구조 특징 패턴의 적어도 하나의 특성에 의해 측방향으로 결정된다. 다른 실시예에서, 액적의 이동은 나노구조 특징 패턴의 적어도 하나의 특성 또는 액적의 적어도 하나의 특성 중 어느 한쪽에 의해 액적이 원하는 영역에서 특징 패턴으로 침투하고 실질적으로 부동화되도록 결정된다.

Description

나노구조 및 마이크로구조 표면상의 액체의 이동을 제어하는 방법 및 장치{Method and apparatus for controlling the movement of a liquid on a nanostructured or microstructured surface}
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 극도로 작은, 사전결정된 표면 특징부들을 갖는 표면상에 배치된 액체들의 운동에 관련한 것으로, 특히, 사전결정된 나노구조 또는 마이크로구조 특징부들을 갖는 표면상의 액체의 이동을 제어하는 것에 관련한 것이다.
발명의 배경
무수한 어플리케이션들의 다수의 유리한 디바이스들 또는 구조들은 적어도 하나의 고체 표면과 접촉하는 액체를 갖는 것을 적어도 부분적인 특성으로 한다. 예로서, 표면들상에 또는 채널들내에 배치된 액체 액적들은 다수의 마이크로유체 디바이스들, 생리학적/화학적 센서들, 화학 반응기들, 광학 부품들, 열 소산 디바이스들 및 패터닝 어플리케이션들의 특성들이다. 다수의 이들 디바이스들 및 어플리케이션들은 액체가 이동하는 또는 표면과 접촉하면서 이동되게되는 것을 특성으로 한다. 액체 및 표면 양자 모두의 특성들이 액체와 표면 사이의 상호작용을 결정하기 때문에, 이들 표면들과 액체의 상호작용의 제어를 달성하기 위해 이들 특성들을 이해 및 제어하는 것이 바람직한 경우가 많다. 관련 어플리케이션이 비교적 소량의 액체를 수반할 때 이는 특히 더 그렇다.
도 1은 액체 마이크로렌즈(101)를 형성하는 방식으로 표면상에 배치된 작은 액체 액적의 일 예시적 종래 기술 실시예를 도시한다. 이런 액체 렌즈들은 2001년 6월 19일자로 출원된 발명의 명칭이 "Tunable Liquid microlens"인 출원번호 제09/884,605 호 및 2001년 9월 13일자로 출원된 발명의 명칭이 "Tunable Liquid Microlens With Lubrication Assisted Electrowetting"인 출원번호 제 09/951,637호의 동시계류중인 US 특허 출원들의 주제이다. 이들 동시계류 특허 출원들 양자 모두는 그 전문을 여기서 참조하고 있다. 도 1의 마이크로렌즈 실시예는 액적 및 표면이 마이크로렌즈의 일부이던 또는 다른 어플리케이션이건, 소정의 액체의 액적과 이 액적이 그 위에 배치되어 있는 표면 사이의 상호작용을 실연하는데 유용하다. 도 1에서, 액적(102)은 일반적으로(그러나, 필액적이지는 않음) 수 마이크로미터 내지 수 밀리미터의 직경을 갖는 물 같은 투명 액체의 액적이다. 액적은 일반적으로 소수성이거나 또는 소수성 코팅을 포함하는 투명 기판(103)상에 배치된다. 액적과 기판 사이의 접촉각(θ)은 일반적으로 미터당 밀리뉴톤(mN/m)으로 측정되는 경계면 장력들(또한, 경계 에너지라고도 알려져 있음)(γ)에 의해 결정된다. 여기서 사용될 때, γS-V는 기판(103)과 기판을 둘러싸는 공기, 가스 또는 다른 액체 사이의 경계 장력이다. γL-V는 액적(102)과, 이 액적을 둘러싸는 공기, 가스 또는 다른 액체 사이의 경계 장력이고, γS-L은 기판(103)과 액적(102) 사이의 경계 장력이다. 접촉각(θ)은 수학식 1로부터 결정될 수 있다.
[수학식 1]
cosθ=(γS-V- γS-L)/γL-V
수학식 1은 액적이 마이크로렌즈로서 사용되던지 그렇지 않던지, 액체의 액적이 표면상에 배치되는 모든 경우에 적용된다.
도 1의 마이크로렌즈 실시예 및 액체가 표면상에 배치되는 다른 예들에서, 액적의 형상을 변경시킬 수 있는 것이 바람직한 경우가 많다. 도 2는 도 1의 마이크로렌즈들과 유사한 종래기술 마이크로렌즈들(201)을 도시하며, 여기서, 두께 "d" 및 유전 상수(εr)를 갖는 유전성 절연층(203) 및 도전층의 액적(202) 사이의 접촉각(θ)을 가역적으로 변경함으로써, 액적의 형상을 변화시키기 위해 전자습윤의 현상이 사용된다. 금속 전극(204) 같은 전극이 유전층(203) 아래에 배치되고, 이 층에 의해 액적(202)으로부터 절연된다. 액적(202)은 예로서, 액적일 수 있으며, 유전성 절연층(203)은 예로서, 테플론/파릴렌(Teflon/Parylene) 표면일 수 있다.
액적(202)과 전극(204) 사이에 어떠한 전압차도 존재하지 않을 때, 액적(202)은 액적의 체적과 접촉각(θ1)에 의해 규정된 그 형상을 유지하며, 여기서, θ1은 상술한 바와 같은 경계 장력(γ)에 의해 결정된다. 전압(V)이 전극(204)에 인가되었을 때, 전극(204)과 액적(202) 사이의 전압차는 액적이 확산되게 한다. 점선(205)은 액적(202)이 전극(204)에 대해 그 중앙 위치로부터 층(203)을 가로질러 균등하게 확산하는 것을 예시한다. 명확히, 전압이 전극(204)과 액적(202) 사이에 인가될 때, 접촉각(θ)은 θ1로부터 θ2로 감소한다. 액적의 다른 부분들 아래에 분리된 전극들을 사용하고, 그 개별 전극들로의 전압을 변화시킴으로써, 액적이 그 중심 위치로부터 다른 원하는 위치로 이동하도록 액적의 확산이 달성될 수 있다. 이런 이동은 상술한 동시계류중인 '605 및 '637 특허 출원들에 기술되어 있다. 액적의 형상을 변화시키든 그 위치를 변화시키든 그 확산을 달성하기 위해 필요한 전압(V)은 수 볼트로부터 수백 볼트까지의 범위일 수 있다. 확산의 양, 즉, θ1과 θ2사이의 편차에 의해 결정되는 바와 같은 확산의 양은 인가된 전압(V)의 함수이다. 접촉각(θ2)은 하기의 수학식 4로부터 결정될 수 있다.
[수학식 4]
cosθ(V) = cosθ(V=0)+V2(ε0εr)/(2dγL-V)
여기서, cosθ(V=0)는 액적(202)과 전극(204) 사이에 어떠한 전압도 인가되지 않을 때, 절연층(203)과 액적(202) 사이의 접촉각이고, γL-V는 상술된 액적 경계 장력이며, εr은 절연층(203)의 유전 상수이고, ε0은 8.85 x 10-12F/M-진공의 유전율이다.
상술한 액체 마이크로렌즈 같은 구현예들에서, 액적이 배치되는 표면은 소수성이지만, 그 표면의 특성들은 표면과 접촉하게되는 영역에서 액적이 현저히 평탄화되도록 된다. 따라서, 표면과 액적 사이의 결과적인 큰 접촉 영역으로 인해, 현저한 양의 흐름 저항이 표면과 액적 사이에 존재한다. 이는 상기 마이크로렌즈에서 적합하며, 그 이유는 너무 작은 흐름 저항이 존재하는 경우에, 액적이 자유롭게 이동하고, 액적을 제어하기 위한 다른 수단이 없을 때 그 원하는 고정된 위치 또는 형상으로 액적을 유지하기가 불가능해지기 때문이다. 그러나, 다수의 예들에서, 표면상에 액체가 겪는 흐름 저항을 감소시키는 것이 종종 적합하다.
따라서, 이런 표면상에 배치된 액체들에 의존하는 최근 어플리케이션들은 액체상에 작용되는 상술한 흐름 저항을 감소시키려는 시도에 중점을 두어왔다. 상술된 것들 같은 다수의 디바이스들은 디바이스의 동작 전력 소모의 현저한 감소를 초래하기 때문에, 이런 감소된 흐름 저항으로부터 이득을 얻을 수 있다. 한가지 이런 어플리케이션은 여기서, 그 전문을 참조하고 있는, J. Kim 및 C. J. Kim의 "Nanostructured Surfaces for Dramatic Reduction of Flow Resistance in Droplet-based Microfluidics(IEEE Conf. MEMS, Las Vegas, NV, Jan. 2002, pp. 479 내지 482)"에 기술되어 있다. 이 참조문헌은 사전결정된 나노구조 특징부들을 갖는 표면들을 사용함으로써, 표면과 접촉하는 액체에 대한 흐름 저항이 현저히 감소될 수 있는 방식을 개괄적으로 기술한다.
Kim의 참조문헌은 액체와 접촉하는 표면을 미세하게 패턴화하고, 상술한 액체 표면 장력의 원리를 사용함으로써, 표면과 액체 사이의 접촉 영역을 현저히 감소시키는 것이 가능하다는 것을 교지한다. 이에 따라서, 표면상의 액체에 대한 흐름 저항이 대응적으로 감소된다.
도 3a 내지 3f는 다른 극도로 미세한 특징부를 갖는 마이크로구조 및 나노구조 표면 패턴들이 결과적인 표면과 액적 사이에 다른 접촉각들을 초래하는 방식을 도시한다. 도 3a 및 3b는 각각 마이크로라인 표면 및 마이크로포스트 표면을 도시한다. 도 3a의 라인들(301) 각각은 폭이 약 3 내지 5마이크로미터이고, 도 3b의 마이크로포스트들(302) 각각은 그 가장 넓은 지점에서 직경이 약 3 내지 5마이크로미터이다. 마이크로라인 패턴을 마이크로포스트 패턴에 비교하면, 각 표면들상에 배치된 주어진 크기의 액적에 대해, 마이크로라인 패턴을 갖는 액적의 접촉 영역은마이크로포스트 패턴을 가진 액적의 접촉 영역 보다 크다. 도 3d 및 3e는 도 3a의 마이크로라인 표면 및 도 3b의 마이크로포스트 표면 각각에 대한 액적의 접촉각을 도시한다. 마이크로라인 패턴상의 액적(305)의 접촉각(303)은 마이크로포스트 패턴을 갖는 액적의 접촉각(304)(-460°) 보다 작다(-145°). 상술한 바와 같이, 이는 마이크로라인 패턴에 의해 액적상에 작용되는 흐름 저항이 마이크로포스트 패턴에 의해 작용되는 것 보다 크다는 것을 직접적으로 따른다.
도 3c는 마이크로라인 및 마이크로포스트 패턴의 것 보다 매우 미세한 패턴을 도시한다. 명확히, 도 3c는 1마이크로미터 보다 작은 직경을 갖는 각 나노포스트(309)를 갖는 나노포스트 패턴을 도시한다. 도 3c가 다소 원추형 형상으로 형성된 나노포스트들(309)을 도시하지만, 다른 형상들 및 크기들도 달성할 수 있다. 사실 원통형 나노포스트 어레이들이 10nm 미만의 직경을 갖는 각 나노포스트로 형성되어 있다. 명확하게, 도 4a 내지 4e는 다양한 방법들을 사용하여 생성된 나노포스트들의 다른 예시적 배열들을 도시하며, 이런 다양한 직경의 나노포스트들이 다른 규칙도들로 형성될 수 있다는 것을 추가로 도시한다. 또한, 이들 도면들은 다른 거리들로 분리된 다양한 직경들을 갖는 나노포스트들을 생성할 수 있다는 것을 보여준다. 나노포스트들을 생성하는 예시적 방법은 여기서 그 전문을 참조하고 있는 Tonucci 등의 2001년 2월 13일자로 허여된 발명의 명칭이 "Nanopost arrays and process for making same"인 US 특허 제 6,185,961 호에서 발견된다. 나노포스트들은 포스트들을 형성하기 위한 형판을 사용하는 것에 의한, 다양한 리소그래피 수단에 의한, 그리고, 다양한 에칭 방법들에 의한 것 같은 다양한 방법들에 의해 제조되어 왔다.
도 3f를 참조하면, 도 3c의 나노포스트 표면상에 배치된 액적(307)은 175°와 180°사이와 같은 표면과 액적 사이의 접촉각(308)을 갖는 거의 구형이다. 이 표면상에 배치된 액적(307)은 거의 0 흐름 저항을 겪는다. 결과적으로, Kim의 참조문헌에 의해 주지된 바와 같이, 이런 표면상의 액적 배치시의 종래의 시도들은 나노구조 표면상에 액적들을 정지상태로 유지하는 것을 거의 불가능하게 하는 이 극도로 낮은 흐름 저항 때문에 문제가 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 이 낮은 흐름 저항의 이유는 적절한 액적(501)의 표면 장력(표면 구조에 의존)이 액적(501)이 액적과 아래의 고체 표면 사이에 어떠한 접촉도 없이 나노포스트들의 상단상에 현수될 수 있게 한다는 것이다. 이는 액적과 표면 사이의 극도로 작은 접촉 영역을 초래하고(즉, 액적이 단지 각 포스트(502)의 상단과만 접촉), 그래서 낮은 흐름 저항을 초래한다.
따라서, 예로서, Kim의 참조문헌에 의해 고려된 바와 같이, 나노구조들의 사용을 통한 액체들의 흐름 저항을 감소시키기 위한 종래의 시도들은 사전규정된 영역내로 액적의 자유 이동을 제어하기 위해, 좁은 채널, 관 또는 다른 수납체내에 액적들을 배치하는 것에 제한되어 왔다.
나노구조 또는 마이크로구조 특징 패턴상에 액체 액적을 유리하게 배치하기 위한 종래의 시도들이 구속 채널내에 그 액적을 배치하는데 한정되어 왔지만, 우리는 채널내에 액체 액적을 배치하지 않고, 나노구조 또는 마이크로구조 표면상에 배치된 액적의 이동을 가변적으로 제어할 수 있게되는 것이 극도로 유리하다는 것을 인지하고 있다. 또한, 우리는 나노구조 또는 마이크로구조 표면 사이의 접촉 영역의 결과로서 액체상에 작용되는 흐름 저항의 양 같은 나노구조 또는 마이크로구조 표면과 액체 액적의 경계면의 특성들을 제어할 수 있게 되는 것이 특히 유리하다는 것을 인지하고 있다. 부가적으로, 우리는 다수의 어플리케이션들에서 나노구조 또는 마이크로구조 표면 내측으로의 액적의 침투도를 제어할 수 있는 것이 매우 우리하다는 것을 인지하고 있다.
우리는 나노구조 또는 마이크로구조 표면상에 배치된 액체 액적의 이동이 여기에 후술되어 있는 적어도 하나의 인트라-패턴(intra-pattern) 특성에 의해 결정되는 장치 및 방법을 발명하였다. 일 실시예에서, 액적의 측방향 이동은 특징 패턴을 따른 원하는 방향으로 액적이 이동하도록 나노구조 또는 마이크로구조 특징 패턴의 적어도 하나의 특성에 의해 결정된다. 이 이동을 달성하기 위해서, 예시적으로, 나노구조 또는 마이크로구조의 크기, 형상, 밀도 또는 전기적 특성들은 원하는 이동을 달성하기 위해, 액적의 선도 에지의 접촉각이 액적의 추종 에지의 접촉각 보다 낮게 이루어지도록 설계된다.
다른 실시예에서, 액적의 이동은 특징 패턴의 적어도 하나의 인트라-패턴 특성 또는 액적의 적어도 하나의 특성 중 어느 한쪽에 의해 액적이 원하는 영역에서 특징 패턴으로 침투하고 부동화되도록 결정된다. 이 특성은 예로서, 액적의 표면 장력, 액적 또는 패턴 중 어느 하나의 온도 또는 액적과 특징 패턴 사이의 차등 전압일 수 있다.
본 발명의 이들 실시예들 중 하나 또는 양자 모두는 예로서, 생리학적 또는 마이크로화학적 검출기, 화학 반응기, 패터닝 어플리케이션, 조율가능한 회절 격자, 총 내부 반사 거울, 마이크로유체 혼합기, 마이크로유체 펌프 및 열 소산 디바이스 같은 다양한 어플리케이션들에 유용하다.
도 1은 기판상에 배치된 액체의 상호작용을 예시하는 종래기술 마이크로렌즈 디바이스를 도시하는 도면.
도 2는 기판을 가로지른 사전결정된 방향으로 액적을 이동시키기 위해 도 1의 마이크로렌즈와 함께 사용되는 종래 기술 전자습윤 원리들이 사용될 수 있는 방식을 도시하는 도면.
도 3a는 종래 기술 마이크로라인 표면을 도시하는 도면.
도 3b는 종래 기술 마이크로포스트 표면을 도시하는 도면.
도 3c는 종래 기술 나노포스트 표면을 도시하는 도면.
도 3d는 도 3a의 종래 기술 표면상에 배치된 액적과, 액적과 그 표면 사이에 초래하는 대응 접촉각을 도시하는 도면.
도 3e는 도 3b의 종래 기술 표면상에 배치된 액체의 액적과, 액적과 그 표면사이에 초래하는 대응 접촉각을 도시하는 도면.
도 3f는 도 3c의 종래 기술 표면상에 배치된 액체의 액적과, 액적과 그 표면 사이에 초래하는 대응 접촉각을 도시하는 도면.
도 4a, 4b, 4c, 4d 및 4e는 본 발명에 사용하기에 적합한 사전규정된 나노구조들의 다양한 종래 기술 나노구조 특징 패턴을 도시하는 도면.
도 5는 나노구조 특징 패턴상에 액체 액적이 배치되는 예시적 종래 기술 디바이스를 도시하는 도면.
도 6은 도 4c의 종래 기술 나노구조 특징 패턴의 상세도.
도 7a, 7b, 7c 및 7d는 도 6의 나노구조 특징 패턴상에 배치된 다른 표면 장력들을 갖는 다른 액적들을 도시하는 도면.
도 8a는 도 7a의 액적과 나노구조 특징 패턴의 단면을 도시하는 도면.
도 8b는 도 7c의 액적과 나노구조 특징 패턴의 단면을 도시하는 도면.
도 9a 및 도 9b는 도 2의 전자 습윤 원리들이 액체 액적이 나노구조 특징 패턴으로 침입하게 하기 위해 사용되는, 본 발명의 원리들에 따른 디바이스를 도시하는 도면.
도 10은 도 9a 및 9b의 나노구조 특징 패턴의 예시적 나노포스트의 상세도.
도 11은 변화하는 나노포스트들의 밀도를 갖는 나노구조 특징 패턴상에 액적을 배치함으로써, 나노포스트의 최고밀도 영역을 향해 액적이 이동하게 되는 방식을 도시하는 도면.
도 12는 톱니형 패턴으로 배열된 나노포스트들을 갖는 나노구조 특징 패턴상에 액적을 배치함으로써, 액적이 그 패턴에 대해 알려진 방향으로 이동하게 되는 방식을 도시하는 도면.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 원리들에 따른 화학적 또는 생리학적 검출기를 도시하는 도면.
도 14는 다수의 엘리먼트들 또는 콤포넌트들을 검출할 수 있도록 도 13a 및 13b의 검출기가 어레이로 배열될 수 있는 방식을 도시하는 도면.
도 15는 본 발명의 원리들에 따라 패턴이 형성될 수 있는 방식을 도시하는 도면.
도 16a 및 16b는 본 발명의 원리들에 따른 회절 격자를 도시하는 도면.
도 16a 및 17b는 본 발명의 원리들에 따른 총 내부 반사(TIR) 거울을 도시하는 도면.
도 18a, 18b 및 18c는 본 발명의 원리들에 따른 마이크로유체 혼합기를 도시하는 도면.
도 19는 본 발명의 원리들에 따른 열 소산 디바이스를 도시하는 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
601 : 표면 602 : 나노포스트
903 : 도전성 기판 904 : 리드
905 : 전원 1002 : 저표면 에너지 재료
1106 : 에지 1204 : 방향
도 6은 표면상에 배치된 나노포스트들(602)의 나노구조 특징 패턴을 갖는 예시적인 공지된 표면(601)을 도시한다. 여기의 설명 전반에 걸쳐, 본 기술의 숙련자는 나노포스트들 또는 나노구조들의 사용에 적용된 동일 원리들이 마이크로포스트들 또는 특징 패턴의 다른 보다 큰 특징부들에 대등하게 적용될 수 있다는 것을 인지할 것이다. 도 6의 표면(601) 및 나노포스트들(602)은 예로서, 실리콘으로 이루어진다. 도 6의 나노포스트들(602)은 예로서, 직경이 약 350nm이고, 높이가 약 6㎛이며, 중심간에 약 4㎛ 이격 배치된다. 본 기술분야의 숙련자는 이런 어레이들이 규칙적 간격으로 또는 대안적으로, 불규칙적 간격으로 생성될 수 있다는 것을 명백히 알 것이다.
도 7a, 7b, 7c 및 7d는 도 6의 예시적 표면(601)상에 배치될 때 다른 액체들이 거동하는 방식을 도시한다. 도 7a는 72mN/m의 표면 장력(γ)을 갖는 액적(701)이 표면(601)상에 배치되었을 때, 액적(701)이 상술한 이유들 때문에 거의 구형 형상을 유지하는 것을 보여준다. 도 7b, 7c 및 7d는 감소하는 표면 장력(에틸렌글리콜[γ=47mN/m], 사이클로펜타놀[γ=33mN/m] 및 옥타놀[γ=27mN/m])을 갖는 액체 액적들(702, 703 및 704) 각각에 대하여, 가장 낮은 표면 장력을 갖는 액적(액적704)이 가장 큰 범위로 확산하는 상태로, 액적이 보다 큰 영역에 걸쳐 증가하는 양들로 분산한다는 것을 보여 준다.
여기서 사용될 때, 다른 서술이 없는 한, "나노구조"는 1 마이크로미터 미만의 적어도 한 치수를 갖는 사전규정된 구조이고, "마이크로구조"는 1 밀리미터 미만의 적어도 한 치수를 갖는 사전규정된 구조이다. 용어 "특징 패턴"은 마이크로구조들의 패턴 또는 나노구조들의 패턴 중 어느 하나를 지칭한다. 또한, 용어 "액체(liquid)", "액적(droplet)" 및 "액체 액적(liquid droplet)"은 여기서 상호호환적으로 사용된다. 이들 용어들 각각은 액적의 형태이든 아니든 액체 또는 액체의 일부를 지칭한다. 부가적으로, 여기서 사용되는 매체는 여기서 후술된 바와 같이, 생리학적 또는 화학적 엘리먼트가 존재할 수 있는 기체 또는 액체이다. 마지막으로, 여기서 사용되는 인트라-패턴 특성들은 a) 다른 엘리먼트들에 대한 개별 특징 패턴 엘리먼트들의 특성들(전체 패턴의 배향 같은 특징 패턴의 거시적 특성들인 패턴 상호간 특성들에 반대되는) 또는 b) 형상, 크기, 높이 및 전기적 특성들 같은 개별 특징 패턴 엘리먼트들의 특정 특성들로서 규정된다.
도 8a 및 8b는 다른 액체들의 액적들과 도 6의 나노구조 표면(601) 사이의 상호작용들의 단면 예시를 보여준다. 도 8a는 예로서, 도 7a의 액적(701)을 나타낸다. 나노구조들의 인트라-패턴 특성들과 함께, 물의 비교적 높은 표면 장력으로 인해, 액적(701)은 나노포스트들(602)(도 6에 보다 상세히 도시)의 상단부들 상에 현수되며, 이미 언급한 바와 같이, 나노구조 표면(601)과 매우 높은 접촉각을 가진다. 결과적으로, 액적(701)은 매우 낮은 흐름 저항을 겪는다. 도 8b는 도 7c의 사이클로펜타놀의 액적(703)을 예시적으로 나타낸다. 도 8a의 액적(701)에 비해, 사이클로펜타놀의 액적(703)은 나노포스트들(602)의 상단부들상에 현수되지 않는다. 대신, 액체의 비교적 낮은 표면 장력으로 인해, 액적(703)은 표면(601)을 완전히 침투하고, 그에 의해, 나노포스트들(602) 아래의 고체면과 접촉하게 된다. 액적은 도 8a의 액적(701)에 비해 낮은 접촉각을 가지며, 나노구조 표면(601)의 완전한 침투로 인해, 비교적 높은 흐름 저항을 받는다.
본 발명자들은 나노구조 또는 마이크로구조 표면내로의 주어진 액체의 침투를 제어, 따라서, 고체 표면의 습윤 특성들 및 그 액체상에 작용되는 흐름 저항을 제어할 수 있는 것이 적합하다는 것을 인지하였다. 도 9a 및 도 9b는 도 2의 예시적 마이크로렌즈에 사용되는 것과 유사한 전자습윤이 사용되어 나노구조 표면내로의 액체의 침투를 제어하는 본 발명의 원리들에 따른 일 실시예를 도시한다.
도 9a를 참조하면, 도전성 액체의 액적(901)이 상술한 바와 같이, 액적(901)의 표면 장력이 나노포스트들(902)의 상부 부분상에 액적이 현수되게 하는 결과를 초래하도록 원추형 나노포스트들(902)의 나노구조 특징 패턴상에 배치된다. 이 배열에서, 액적은 단지 각 나노포스트의 표면 영역(f1)만을 덮는다. 나노포스트들(902)은 도전성 기판(903)의 표면에 의해 지지된다. 액적(901)은 예시적으로, 전원(905)을 갖는 리드(904)를 경유하여 기판에 전기적으로 연결된다. 예시적 나노포스트는 도 10에 보다 상세히 도시되어 있다. 이 도면에서, 나노포스트(902)는 유전 재료의 절연층 같은 재료(1001)에 의해 액체(도 9a의 901)로부터 전기적으로 절연된다. 나노포스트는 널리 알려진 플루오로-폴리머 같은 저 표면 에너지 재료(1002)로부터 추가로 분리된다. 이런 저 표면 에너지 재료는 나노포스트의 표면과 액체 사이에 적절한 개시 접촉각을 얻을 수 있게 한다. 본 기술 분야의 숙련자는 충분히 낮은 표면 에너지와 충분히 높은 절연 특성들을 소유하는 재료의 단일 층이 사용될 수 있다는 것을 명백히 알 것이다.
도 9b는 도전성 액체의 액적(901)에 저 전압(예로서, 10 내지 20V)을 인가함으로써, 전압차가 액체(901)와 나노포스트들(902) 사이에 전압차가 초래된다는 것을 보여 준다. 액체와 나노포스트의 표면 사이의 접촉각은 감소되고, 충분히 낮은 접촉각에서, 액적(901)은 나노포스트들(902)의 표면을 따라 y-방향으로 하향 이동하여, 나노포스트들(902) 각각을 완전히 둘러싸서 기판(903)의 상부면과 접촉하게될 때까지 나노구조 특징 패턴으로 침입한다. 이 구성에서, 액적은 각 나노포스트의 표면 영역(f2)을 덮는다. f2>>f1이기 때문에, 액적(901)과 나노포스트들(902) 사이의 전체 접촉 영역은 비교적 높고, 따라서, 액적(901)가 겪게되는 흐름 저항은 도 9a의 실시예 보다 크다. 따라서, 도 9b에 도시된 바와 같이, 액적(901)은 특징 패턴으로부터 액적(901)을 분리시키기에 충분한 다른 힘이 없을 때, 나노구조 형상 표면에 대해 효과적으로 정지하게 된다.
도 11은 본 발명의 원리들에 따른 예시적 디바이스를 도시하며, 여기서, 나노구조 특징 패턴을 침입하기 위해 y-방향으로 액적을 이동시키는 대신, 나노구조들(본 예시적 실시예의 나노포스트들(1102))은 액적(1101)이 x-방향(1104)으로 측방향으로 이동하도록 배열된다. 명확하게, 나노포스트들(1102)은 나노포스트들(1102)의 밀도가 x-방향(1104)으로 증가하도록 배열된다. 이 증가된 밀도는 액적의 추종 에지(1106)에서 접촉각에 대해 액적의 선도 에지(1105)에서 보다 낮은 접촉각을 유도 한다. 에지(1105)에서의 보다 낮은 접촉각은 에지(1106)에서 비교적 보다 높은 접촉각에서 보다 액적(1101)에 인가된 x-방향의 보다 낮은 힘을 유도한다. 따라서, 액적(1101)은 액적(1101)이 평형을 달성하기를 시도할 때, 나노포스트들(1102)의 보다 높은 밀도의 영역을 향해 x-방향(1104)으로 "표류"한다. 따라서, 표면상에 액체를 배치하고자 하는 그 위치에 보다 높은 나노포스트들의 밀도를 배치함으로써, 액적은 표면상의 다른 위치에 최초에 배치될 수 있고, 이는 자동으로 보다 높은 밀도의 영역을 향해 이동하게 된다.
도 11의 예시적 실시예에 의해 달성되는 이동이 최고 나노구조 밀도의 영역에서 최종 평형 위치로 액적이 이동할 수 있게 하는 반면에, 최고 밀도의 영역으로부터 멀어지는 방향으로 이 이동을 반전시키는 것이 적합할 수도 있다. 도 12는 이런 가역적 이동을 가능하게 하는 본 발명의 원리들에 따른 일 실시예를 도시한다. 명확하게, 도 12는 톱니 구조로 배열된 나노구조들(1202)을 갖는 표면상에 배치된 액적(1201)을 도시한다. 평형시, 액적은 도 8a에 의해 예시된 것 같은 나노포스트 특징 패턴을 가질 때, 위치 B에 정지 유지될 것이다. 그러나, 시간 주기성 여기가 액적(1201)에 인가될 때, 이는 방향(1204)으로 표류하기 시작한다. 이런 주기성 여기는 예로서, 특정 나노구조들(1202)에 인가된 교류 전압에 의해, 또는, 대안적으로, 액적(1201)의 평형을 교란시키는 진폭 및 주파수의 초음파에 의해 생성될 수있다. 본 기술 분야의 숙련자는 다수의 다양한 전압들, 음파들의 주파수들 및 진폭들이 사용되어 액적(1201)의 평형을 교란시키기 위해 필요한 힘을 생성할 수 있다는 것을 인지할 것이다. 부가적으로, 본 기술 분야의 숙련자는 다수의 다른 방법에 의해 이 여기가 생성될 수 있다는 것도 명백히 알 것이다.
액적(1201)의 이동은 교란시 액적이 그 접촉 스폿의 크기를 주기적으로 변경하고, 따라서, 액적(1201)의 에지들(1205, 1206)이 형상 인트라-패턴의 나노구조들(1207)위로 전후로 이동하기 시작하기 때문이다. 그러나, 나노구조들(1207)의 비대칭 형상으로 인하여, 표면에 대한 액적의 에지(1206)에서의 접촉각 히스테리시스는 에지(1205)에서의 접촉각 히스테리시스 보다 낮아진다. 달리 말해서, 표면 위에서의 전후 이동시, 액적(1201)이 예로서 특징부(1208)의 수직면(1211)까지 이동하는 것이 액적(1201)이 특징부(1208)의 면(1212)까지 이동하는 것 보다 매우 곤란하다. 따라서, 액적이 방향(1204)으로 특정 나노구조를 횡단하고 나면, 반대 방향으로 다시 이동하지 않는 경향이 있으며, 위치 D 같은 새로운 평형 위치를 형성한다. 시간 주기성 여기(초음파 같은)가 계속되는 경우에, 액적은 방향(1204)으로 다음 나노구조(1213)위를 횡단할 때까지 표면을 가로질러 전후 이동을 계속한다. 다시 한번, 액적은 나노구조(1213)를 횡단한 이후 뒤로 이동하지 않는 경향을 가지며, 방향(1204)으로 또 다른 새로운 평형 위치에 도달한다. 결과적으로, 주기성 여기를 지속함으로써, 액적은 확율론적으로 방향(1204)으로 이동한다.
도 12의 실시예를 도 11의 실시예에 도시된 바와 같은 나노구조들의 보다 높은 밀도의 영역들과 조합함으로써, 액적(1201)의 가역적 측방향 이동이 달성될 수 있다. 예로서, 다시 한번 도 12를 참조하면, 나노구조들(1202)의 보다 높은 밀도의 영역이 표면상의 위치(A)에 위치되는 경우, 액적(1201)은 상술한 바와 같이, 소정의 상쇄작용력의 부재시 위치(A)를 향해 이동하려는 경향을 갖는다. 그러나, 도 12의 예시적 톱니형 패턴이 예로서, 액적(12)의 평형을 교란시키기 위해 초음파에 의해 생성된 교란력과 결부되어 사용되는 경우에, 위치(A)(보다 높은 밀도의 나노구조들)를 향해 액적을 이동시키려는 경향의 힘은 극복되고, 액적(1201)은 표면상의 위치(C)를 향해 방향(1204)으로 이동할 것이다. 힘이 제거되는 경우(즉, 초음파 소스가 꺼지는 경우), 액적(1201)은 다시 한번 위치(C)의 나노구조들의 보다 높은 밀도를 향해 이동하려는 경향을 갖는다. 따라서, 가역적 측방향 운동이 달성된다.
누적하여, 도 9a, 9b, 10, 11 및 12의 예시적 실시예들은 본 발명의 원리들을 사용함으로써, 거의 흐름 저항을 갖지 않고, 표면을 따라 측방향으로 액체의 액적을 이동시킬 수 있으며, 또한, 액적이 사전결정된 위치에서 그 표면으로 침투하여 실질적으로 부동화되도록 액적을 수직방향으로 이동시킬 수도 있다는 것을 보여준다. 이런 이동 가능성들에 대하여 다수의 어플리케이션들이 발견될 수 있다. 예로서, 도 13a 및 도 13b는 본 발명의 원리들을 사용하는 생리학적 또는 화학적 검출기의 실시예를 보여준다. 도 13a를 참조하면, 액적(1301)은 도 9a에 도시된 것과 유사한 나노구조들(1302)상에 배치된다. 원하는 생리학적 또는 화학적 화합물(1303)을 검출할 수 있는 검출기들(1306)이 표면(1304)상에 배치된다. 액적(1301)을 위한 액체 및 나노구조들(1302)은 원하는 화합물(1303)이 원하는 양으로 액체에 들어갈 때, 액체의 표면 장력이 강하하고, 도 13b에 도시된 바와 같이, 액체(1301)가 나노구조 패턴으로 침투하여 검출기들(1306)과 접촉하게 되도록 선택된다. 화합물(1303)이 검출기들(1306)과 접촉할 때, 이런 접촉의 표시가 검출기의 색의 변화 또는 전기 신호의 생성을 경유하는 것 같은 널리 알려진 방법들에 의해 생성될 수 있다.
본 기술의 숙련자는 검출기로서 사용되는 것에 부가하여, 도 13a 및 도 13b의 실시예가 원하는 화학 반응을 달성하는 방법으로서 사용될 수도 있다는 것을 명백히 알 것이다. 예로서, 다시 한번 도 13a를 참조하면, 액적(1301)을 위한 액체를 액체가 이미 화학적 화합물(1303)을 포함하도록 선택할 수 있다. 본 실시예의 검출기들(1306)은 엘리먼트 또는 화합물(1303)과 접촉시 원하는 반응을 달성하는 원하는 반응 화합물로 형성된다. 이들 검출기들/반응체들(1306)은 액체 액적이 도 13b에 도시된 바와 같이 나노구조 특징 패턴으로 침투할 때, 두 화학제들이 서로 접촉하고 원하는 반응이 발생하도록 나노구조들 사이에 배치된다. 상술된 바와 같이(예로서, 상기한 도 9a, 9b와 연계된 설명에서) 액적에 전압을 인가하거나, 또는, 대안적으로, 예로서, 액체 액적(1301)의 온도를 증가시키는 것 같이 액체 액적(1301)의 표면 장력(그리고, 따라서, 나노구조들의 표면들과 형성하는 접촉각)을 저하시키기 위한 소정의 방법을 사용함으로써, 액적이 특징 패턴으로 침투하게될 수 있다.
도 14는 화학적/생리학적 검출기로서 사용되든, 화학 반응 어플리케이션에 사용되든, 도 13a 및 도 13b의 예시적 실시예들의 가능한 배열을 도시한다. 명확하게, 액체는 그 표면상에 패턴화된 나노구조들의 사전결정된 결정된 배열을 갖는, 어레이(1402)의 표면을 가로질러 방향(1401)으로 흐르게될 수 있다. 각 영역들(1403)은 예로서, 예로서, 다른 화학적/생리학적 화합물과 반응 또는 그를 검출하기에 적합한 나노구조들 사이에 배치된 검출기들/반응체들(도 13a 및 13b의 1306 같은)을 가질 수 있다. 따라서, 검출기로서 사용되는 경우, 도 14의 어레이(1402)는 다수의 다른 화합물들을 검출하기 위해 사용될 수 있다. 화학 반응기로 사용되는 경우, 각 영역들은 원하는 반응들을 달성하기 위해 단지 특정 화합물들과만 반응하도록 설계될 수 있다.
본 발명의 원리들의 다른 용도가 도 15에 도시되어 있다. 명확하게, 도 15는 표면상으로의 원하는 패턴의 선택적 패터닝이 본 발명의 원리들을 사용함으로써 달성될 수 있는 방식을 보여 준다. 이 도면에서, 원하는 패턴(본 경우에는 특징 패턴들(1502, 1503, 1504 및 1505)이 나노구조 형성부들에 의해 특성지워지는 기판(1506)상에 형성되어 있다. 패턴들(1502 내지 1505)내에서 액체가 이동하여 이들 패턴들내에 잔류하게 하는 것이 이런 패터닝 어플리케이션의 원하는 목적이다. 이 목적을 달성하는 한 가지 방법은 기판을 가로질러 방향(1501)으로 흐름하는 액체와 특징 패턴들(1503 및 1505)내의 나노구조들 사이에, 상술된 널리 알려진 전압 차등 전자습윤을 사용하는 것이다. 액체가 이 표면을 가로질러 통과할 때, 액체는 단지 이들 두 패턴들내의 나노구조들 사이에서만 침투하며, 따라서, 실질적으로 부동화된다. 이 결과적인 부동성으로 인하여, 액체 흐름이 제거될 때, 액체는 단지 패턴들(1503 및 1505)내에만 잔류한다.
패터닝 어플리케이션에서 특징 패턴들로 액체가 이동하게 하는 대안적인 방법은 패턴(1502) 같은 상대적으로 밀집한 패턴으로 액체를 이동시키고, 그후, 이런 전자 습윤에 의해 적소에 유지하기 위해, 도 11에 예시된 것 같은 변화하는 밀도 패턴을 사용하는 것이다. 또한, 전자 습윤은 도 15의 특징 패턴들을 보다 완전히 습윤하기 위해 패터닝시(및 다른 어플리케이션들) 사용될 수도 있다. 명확하게, 상술한 변화하는 밀도 패턴을 사용하여, 패턴의 첨단부들(1507)로 완전히 액체를 이동시키게 하기 위해, 특징 패턴(1502) 같은 복잡한 패턴으로 액적을 이동시키는 것은 어려울 수 있다. 그러나, 충분한 전자습윤 전압을 인가함으로써, 총 습윤이 얻어질 수 있다.
따라서, 기판(1506) 같은 기판상의 특정한, 그리고, 복잡한 영역들내에 액체를 패턴화하는 것이 가능하다. 중합 가능한 널리 알려진 액체를 선택하고(예로서, Norland, Inc.에 의해 제조된 NA72 광 접착제를 비제한적으로 포함하는, 아크릴 기반 모노머성 액체 같은), 예로서, 자외선 광을 그 액체에 인가함으로써, 패턴들(1503 및 1505)에 부합되는 중합된, 경화된 재료가 달성될 수 있다. 본 기술 분야의 숙련자는 이 중합 프로세스가 액체를 원하는 위치로 이동시키고, 액체가 나노구조 특징 패턴으로 침투하게 하고, 그후, 액적을 그 위치에서 중합된 상태로 고정시키기 위해, 여기의 예시적 실시예들 중 소정의 것과 함께 사용될 수 있다는 것을 명백히 알 것이다.
도 16a 및 16b는 본 발명의 원리들의 다른 유용한 어플리케이션을 도시한다. 명확하게, 도 16a에서, 광의 적어도 일부 파장들에 투명한 액체의 액적(1601)이 나노구조들(1602)상에 배치되어 있는 광 회절 격자가 도시되어 있다. 나노구조들(1602)은 순차적으로 예로서, 이미 설명된 바와 같이 실리콘 기판인 표면(1603)상에 배치된다. 광 빔(1604)이 액적(1601)상에 입사할 때, 적어도 일부의 파장들은 액적(1601)을 통과하고, 광이 액체의 액적을 통해 역으로 경로(1606)를 따라 이동하는 방식으로 표면(1603)에 반사된다. 액적(1601)을 통과하고, 그후, 영역(1605)(유전 상수(ε1)를 가짐)를 통과하며, 아래의 기판(1603)에 반사됨으로써, 광의 다양한 주파수들이 필터링 제거되고(액체와 영역(1605) 사이의 굴절 지수의 차이로 인해), 단지 파장(λ1)만 사전결정된 방향으로 전파하도록 빠져나온다. 도 16b는 액적(1601)이 나노구조들(1602)을 침투하도록 함으로써(상술된 방법들 중 하나를 사용하여), 영역(1605)의 유전 상수가 ε2로 변경되고, 따라서, 광이 통과해 이동하는 매체의 굴절 지수를 변화시키며, 따라서, 단지 λ2만이 사전결정된 방향으로 전파하도록 빠져나오게 하는 것을 예시한다. 따라서, 본 기술의 숙련자는 액체(1601)가 나노구조 특징 패턴으로 침입할 때, 액체(1601)가 형상 인트라-패턴으로 침투하지 않을 때에 비해 다른 파장의 광이 격자를 통과할 수 있게 하는 조율가능한 회절 격자가 생성된다는 것을 인지할 것이다.
도 16a 및 17b는 명확하게는 총 내부 반사(TIR) 거울로서의 본 발명의 원리들의 다른 예시적 광학적 용도를 도시한다. 예로서, 도 16a를 참조하면, 광의 적어도 하나의 파장에 투명한 기판(1701)(예로서, 유리 기판)이 나노구조들(1702)의 특징 패턴을 지지한다. 액적(1703)은 여기서 상술한 바와 같이, 나노구조들(1702)상에 현수된다. 기판(1701)은 방향(1704)으로 이동하는 광 빔이 특정 입사각(즉, 광의 파장에 의존하는 널리 알려진 각도)으로 기판을 통과할 때, 광 빔이 상부면(1705)과 기체(1706)의 경계와 부딪힐 때 반사되도록 배치된다. 이 반사는 기체(예로서, 공기)가 기체(1706)의 굴절 지수가 기판(1701)의 것 보다 낮아지게 하는 유전 상수(ε1)를 가지기 때문에 달성된다.
도 16b는 나노구조 특징 패턴(1702)으로 침투된(다시 한번, 상술된 방법들을 경유하여) 액적(1703)을 도시한다. 나노구조 특징 패턴의 침투된 영역은 기판(1701)의 것 보다 높은 굴절 지수를 초래하는 유전 상수(ε2)를 갖는다. 결과적으로, 광은 액적(1703)을 통과하고, 반사되지 않는다. 본 기술의 숙련자는 적절한 기판 재료, 기체 및 액적 액체와 조합될 때, 도 16a 및 17b에 도시 및 여기에 설명된 조율가능한 반사 특성들을 달성하는 특정 파장들의 광빔의 특정 입사각들을 인지할 것이다.
도 18a, 18b 및 18c는 본 발명의 원리들에 따른 다른 실시예를 도시하며, 여기서, 나노구조 특징 패턴은 마이크로유체 관(1802) 같은 채널의 내벽상에 배치된다. 도 18a는 종래의 마이크로유체 관들 같이, 어떠한 나노구조들도 관의 표면상에 사용되지 않는 경우에, 내벽과 액체 사이의 마찰에 의해 유발된 흐름 저항이 액체가 채널을 통해 이동할 때 내벽에 근접한 액체의 속도를 감소시키는 것을 보여 준다. 채널의 내벽으로부터 다른 거리들에서 액체의 속도는 속도 벡터 프로파일(1801)에 의해 표현된다. 이 벡터 프로파일(1801)은 채널의 중심의 액체가가장 빨리 이동하고(보다 긴 속도 벡터), 벽에 바로 인접한 액체가 가장 느리게 이동한다는 것(보다 짧은 속도 벡터)을 보여 준다. 내벽에서의 이 흐름 저항의 결과로서, 마이크로유체 채널(1802)을 통해 액체를 펌핑하기 위해 비교적 높은 전력의 양들을 소모하는 보다 큰 펌프들이 필요해진다. 도 18b는 마이크로유체 채널(1802)의 내벽상에 나노구조 특징 패턴(1803)이 배치됨으로써, 액체상에 작용되는 흐름 저항이 유리하게 감소되는 방식을 보여준다. 이는 채널(1802)의 벽에 인접한 액체의 속도가 채널의 중앙의 액체의 속도와 거의 동일해지는 방식을 보여주는 액체의 속도 벡터 프로파일(1804)에 의해 표현된다. 나노구조 특징 패턴(1803)의 사용으로부터 초래하는 흐름 저항의 저하로 인해, 채널을 통해 액체를 펌핑하기 위해 필요한 펌프들이 보다 작아지고, 동작을 위해 비교적 낮은 전력을 필요로 하게 되어 유리하다.
마이크로유체 어플리케이션들에서, 둘 이상의 채널들을 통해 이동하는 다른 액체들을 혼합하는 것이 바람직한 경우가 많다. 예로서, 이는 통합형 마이크로유체 생화학 분석 시스템들에 사용하기 위해 별개의 채널들내에서 이동하는 DNA와 시약을 혼합시키기 위해 유용하다. 이런 시스템들에서, 이 혼합은 그를 통해 DNA 샘플로부터 유전자 정보가 유도되는 전기영동 프로세서에 선행한다. 다수의 채널들을 혼합하기 위한 종래의 노력들은 이 혼합을 완전히 달성하기 위해 비교적 긴 거리를 소요하여 불리하다. 도 18c는 본 발명의 원리들에 따른 혼합기를 도시한다. 이 혼합기는 예로서, 방향들(1809 및 1810)로 흐르는 두 다른 액체들의 흐름들을 조합하기를 원하는 경우에 유용하다. 상술한 바와 같이, 채널의 내벽들상에 나노구조 특징 패턴(1803)을 배치함으로써, 비교적 낮은 흐름 저항이 채널을 통해 달성된다. 상술한 바와 같이, 예로서, 나노구조 특징 패턴의 불연속 영역들(1806)의 온도를 증가시킴으로써, 도는, 대안적으로, 특징 패턴의 영역들(1806)과 액체 사이의 차등 전압을 생성함으로써, 선택적으로 액체가 나노구조 특징 패턴으로 침입하게 함으로써, 벽을 따른 영역들(1806) 같은 특정 영역에서의 흐름 저항이 증가될 수 있다. 따라서, 도 18c의 혼합기를 통한 흐름(1805)은 마이크로유체 채널(1802)의 영역들(1806)에 인접한 액체에 대한 높은 흐름 저항의 영역들을 갖는, 낮은 흐름 저항의 영역들을 특성으로 한다. 따라서, 흐름들(1808)에 의해 표현된 것 같은 강하게 교란된 흐름이 생성된다. 이 교란된 흐름은 혼합 프로세스를 크게 향상시키고, 비교적 짧은 거리에 걸쳐 둘 이상의 액체들의 혼합을 달성한다. 부가적으로, 도 18의 혼합기가 흐름 저항 같은 표면과 액체 사이의 경계면 특성들의 동적 제어를 가능하게 하기 때문에, 도 18의 혼합기는 능동적으로 조율될 수 있다.
도 19는 본 발명의 다른 실시예를 도시하며, 여기서, 나노구조 특징 패턴은 열 소산 디바이스에 유리하게 사용되는 것 같은 채널의 내벽에 배치된다. 열 소산은 전자 디바이스들에 의해 생성된 열을 소산시키는 것 같은 다수의 어플리케이션들에 주 관점이다. 전 자 디바이스의 성능 및 총 수명은 과도한 열에 의해 부정적인 영향을 받는 경우가 많다. 디바이스(1901)는 중앙 처리 유니트 또는 컴퓨터내의 다른 프로세서 같은 예시적인 발열 디바이스이다. 채널(1902)은 디바이스(1901)와 인접하게, 또는 바람직하게는 그와 접촉 배치된다. 디바이스(1901)에 의해 어떠한 열도 생성되지 않을 때, 채널(1902)내의 액체는 도 18b에 도시된 바와 같이 낮은흐름 저항을 받는다. 예시적으로, 액체는 사전결정된 양의 열이 경험되었을 때, 액체의 표면 장력이 강하하고, 액체가 벽(1904)의 표면을 습윤하도록 선택된다. 본 기술의 숙련자는 도 9a 및 도 9b에 예시된 상술된 전자 습윤 방법 같은 나노구조 표면을 습윤시키는 다른 방법도 사용될 수 있다는 것을 인지할 것이다.
디바이스(1901)가 충분한 양의 열을 생성할 때, 열은 채널 벽(1904)을 통해 전달된다. 방향(1903)으로 채널내에서 이동하는 액체의 표면 장력이 강하하고, 결과적으로, 액체가 나노구조 특징 패턴의 영역(1905)에서 채널의 내벽들상의 나노구조 특징 패턴으로 침입한다. 이와 같이, 영역(1905)내의 액체는 벽(1904)과 직접적으로 접촉하게 되고, 보다 효과적으로 열을 벽으로부터 방향(1903)으로 흐르는 액체에게로 전달하게 된다. 본 기술의 숙련자가 인지할 수 있는 바와 같이, 영역(1905)내의 액체의 침투로부터 초래하는 교란된 흐름(1906)은 비교란 층상 흐름 보다 열 소산을 보다 많이 전도한다, 종래의 액체 기반 열 소산 시도들(나노구조 특징 패턴에 의존하지 않는)이 특정 범위의 열을 소산시키기 위해 적합하지만, 도 19의 실시예는 현저히 보다 많은 열을 소산시킬 수 있어 유리하다.
상술한 바는 단지 본 발명의 원리들을 예시한다. 따라서, 본 기술의 숙련자들은 비록 여기에 명시적으로 설명 또는 도시되지 않았지만, 본 발명의 원리들을 구현하며, 그 개념 및 범주내에 존재하는 다양한 배열들이 안출될 수 있다는 것을 인지할 것이다. 예로서, 본 기술의 숙련자는 여기의 다양한 실시예들의 설명들의 견지에서, 본 발명의 원리들이 광범위한 이종의 분야들 및 어플리케이션들에 활용될 수 있다는 것을 인지할 것이다. 예로서, 액체의 액적이 이동 및 이를 원하는 고정 위치에 유지하게 하는 것은 마이크로렌즈들 같은 다양한 디바이스들의 자체 조립에 유용하다. 여기에 기술된 원리들을 사용함으로써, 마이크로렌즈가 표면상에 배치될 수 있고, 그 지점에 마이크로렌즈가 정지상태로 잔류하여야 하는 원하는 위치로 자동으로 이동될 수 있다. 본 발명의 다른 잠재적 실시예에서, 본 발명의 나노 구조 또는 마이크로구조 표면들은 디스플레이 디바이스에 사용된다. 여기에 기술된 원리들의 사용을 통해 디스플레이 내측의 하나 이상의 액체들의 이동을 제어함으로써, 다른 이미지들이 디스플레이될 수 있다.
여기에 기술된 모든 실시예들 및 조건적 언어는 전적으로 본 발명의 원리들의 이해시 독자를 돕기 위한 교액적 목적들만을 위한 것이며, 이런 명확히 기술된 실시예들 및 상태들에 대한 한정 없이 해석된다. 또한, 본 발명의 실시예들 및 양태들과 그 특정 예들을 기술하는 여기의 모든 진술들은 그 기능적 등가체들을 포함하는 것을 의도한다.

Claims (25)

  1. 특징부들의 패턴을 갖는 표면을 포함하는 장치에 있어서:
    상기 표면은 인트라-패턴 특성들을 갖는 복수의 나노구조들 또는 마이크로구조들을 포함하고,
    상기 인트라-패턴 특성들 중 적어도 하나는 상기 표면상에 배치된 액체의 액적(droplet)의 사전결정된 방향으로의 제어된 이동을 생성하는, 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 인트라-패턴 특성들 중 상기 적어도 하나는 상기 액적에 대한 상기 나노구조들 또는 마이크로구조들 중 적어도 하나의 전압인, 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 인트라-패턴 특성들 중 상기 적어도 하나는 상기 복수의 나노구조들 또는 마이크로구조들의 적어도 일부의 각각 사이의 거리인, 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 인트라-패턴 특성들 중 상기 적어도 하나는 상기 복수의 나노구조들 또는 마이크로구조들의 적어도 일부의 형상인, 장치.
  5. 나노구조들 또는 마이크로구조들의 패턴을 갖는 표면으로서, 상기 나노구조들 또는 마이크로구조들의 상기 패턴의 적어도 일부의 공간적 밀도가 변화하는, 상기 표면, 및
    상기 표면상에 배치된 액체의 액적을 포함하고,
    상기 패턴의 상기 공간적 밀도는 사전결정된 방향으로의 상기 액적의 제어된 이동을 생성하는, 장치.
  6. 나노구조들 또는 마이크로구조들의 패턴을 갖는 표면으로서, 상기 나노구조들 또는 마이크로구조들의 상기 패턴의 적어도 일부의 공간적 밀도가 변화하는, 상기 표면, 및
    상기 표면상에 배치된 액체의 액적을 포함하고,
    상기 표면과 상기 액적 사이의 접촉 영역은 사전결정된 방향으로의 상기 액적의 제어된 이동을 생성하는, 장치.
  7. 나노구조들 또는 마이크로구조들의 패턴을 갖는 표면,
    상기 표면상에 배치된 액체의 액적, 및
    상기 액적이 상기 표면으로 침투하는 것을 유발하는 수단을 포함하는, 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 유발하는 수단은 상기 액적에 전압을 인가하는 수단을 포함하는, 장치.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 유발하는 수단은 상기 액적의 표면 장력을 저감시키는 수단을 포함하는, 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 저감시키는 수단은 상기 액적의 적어도 일부내로 적어도 화학적 또는 생리학적 엘리먼트를 도입시키는 수단을 포함하는, 장치.
  11. 제 7 항에 있어서, 상기 표면상에 입사하는 광빔의 적어도 일부가 상기 표면을 통과하고,
    상기 일부는, 상기 액적이 상기 표면내로 침투되었는지 여부에 의존하는, 장치.
  12. 제 7 항에 있어서, 상기 표면상에 입사하는 광빔의 적어도 일부가 상기 표면에서 반사되고,
    상기 일부는, 상기 액적이 상기 표면내로 침투되었는지 여부에 의존하는, 장치.
  13. 제 7 항에 있어서, 광빔의 제 1 파장이 상기 표면에서 제 1 사전결정된 방향으로 반사되는, 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 액체의 액적이 상기 패턴으로 침투시, 광의 제 2 파장이 상기 표면에서 제 2 사전결정된 방향으로 반사되는, 장치.
  15. 제 7 항에 있어서, 상기 유발하는 수단은 상기 액체의 액적의 온도를 증가시키는 수단을 포함하는, 장치.
  16. 제 7 항에 있어서, 상기 유발하는 수단은 상기 표면의 온도를 증가시키는 수단을 포함하는, 장치.
  17. 사전결정된 방향으로의 액체의 액적의 제어된 이동을 생성하고 상기 액적은 상기 표면상에 배치되고, 복수의 나노구조들 또는 마이크로구조들을 포함하는 표면을 포함하고,
    상기 복수 중 적어도 제 1 부분은 상기 복수 중 적어도 제 2 부분과 다른 공간적 밀도를 갖는, 장치.
  18. 사전결정된 방향으로의 액체의 액적의 제어된 이동을 생성하고 상기 액적은 상기 표면상에 배치되고, 복수의 나노구조들 또는 마이크로구조들을 포함하는 표면을 포함하고,
    상기 복수 중 적어도 제 1 부분의 상기 나노구조들 또는 마이크로구조들 각각은 사전결정된 비대칭 형상을 갖는, 장치.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 복수 중 적어도 제 2 부분의 상기 나노구조들 또는 마이크로구조들 각각은 변화되는 공간적 밀도를 갖는, 장치.
  20. 검출기로 화학적 또는 생리학적 엘리먼트의 존재를 검출하는 방법으로서, 상기 검출기는 표면을 갖고, 상기 표면은 상기 표면상에 배치된 액체의 액적 및 나노구조들 또는 마이크로구조들의 패턴을 포함하는, 상기 검출 방법에 있어서:
    상기 검출기를 매체에 노출시키는 단계를 포함하고,
    상기 액체는, 상기 액적이 상기 액적내로 유도되는 상기 매체내의 화학적 또는 생리학적 엘리먼트에 응답하여 상기 표면으로 침투하는 방식으로 선택되는, 검출 방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 표면으로 침투하는 상기 액적에 응답하여 표시를 생성하는 단계를 더 포함하는, 검출 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 표시는 상기 표면의 적어도 일부의 색의 변화를 포함하는, 검출 방법.
  23. 제 21 항에 있어서, 상기 표시는 전기 신호를 포함하는, 검출 방법.
  24. 마이크로유체 혼합기에 있어서:
    제 1 액체를 수용하는 제 1 채널,
    제 2 액체를 수용하는 제 2 채널,
    상기 제 1 액체와 상기 제 2 액체를 포함하는 제 3 액체를 수용하는 제 3 채널,
    상기 제 1 채널과 상기 제 2 채널을 상기 제 3 채널로 합병하는 수단, 및
    상기 제 1 액체 및 상기 제 2 액체 중 적어도 하나가 상기 제 3 채널의 표면으로 침투하는 것을 유발함으로써 상기 제 3 채널내의 흐름을 교란시키는 수단을 포함하는, 마이크로유체 혼합기.
  25. 조율가능한 열 소산 디바이스에 있어서,
    액체를 수용하며, 그 표면상에 발열 장치가 배치되는 채널, 및
    상기 액체가 상기 채널의 표면으로 침투하는 것을 유발함으로써 상기 채널내의 흐름을 교란시키는 수단을 포함하는, 조율가능한 열 소산 디바이스.
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