Three-dimensional (3D) colloidal assemblies of sub-micrometer monodisperse latex particles have received much attention recently, because of their potential uses as photonic crystals and photonic molecules. If the shape and size of spherical photonic crystals are well controlled, it can be used in highly reflective paints, light diffusing materials or in electronic paper. And colloidal clusters are applicable to building blocks for novel photonic crystal, sensor technologies and microphotonics because of their morphology dependent resonances (MDRs). In this paper, the fabrication of such uniform colloidal aggregates using soft-microfluidic devices will be discussed. In soft-microfluidic devices, uniform emulsions were generated at regular intervals by droplet break-off at the junction of two microfluidic channels. The balance of surface tension and high shear forces at the leading edge of the water that is perpendicular to the emerging oil flow determines the diameter of droplets and generation frequency. Droplet size is increased as surface tension and flow rate ratio of aqueous phase and oil phase are increased. And polystyrene suspension whose mass concentration is less than 30% is used as aqueous phase, but there is no significant change in flow pattern such a low mass concentration. Generated droplets suspended in oil kept moving along the microchannel and was shrunk down slowly as water was dissolved into the oil phase and if PS suspension solution with adequate concentration is used as aqueous phase, consolidated spherical colloidal aggregates were obtained at the downstream of the microchannel. For high concentration of suspension solution, the number fluctuation was negligibly small and within a few percentages. For low concentration, however, the number fluctuation of colloidal aggregates became significant and the generated colloidal aggregates were not uniform.
본 논문에서는 미세연성유체소자 내에서의 액적의 크기제어 및 이를 응용한 균일한 크기의 광결정구 및 고분자 입자집합체의 제조에 관한 실험내용을 다루었다. 수용액 상과 오일 상이 십자교차하게끔 설계된 미세연성유체소자 내에서 수용액 상은 오일 상의 전단응력에 의해 균일하게 끊어지는 현상을 나타낸다. 균일하게 생성된 마이크로미터 크기의 액적은 마이크로 채널 내를 흘러가면서 실리콘 오일과 계속 접촉하게 되고 수분이 점점 실리콘 오일 속으로 용해된다. 광결정구 및 고분자 액적의 제조 실험에서는 수용액 상으로 적당한 농도의 고분자입자 분산용액을 주입하였고 미세연성유체소자 내에서 균일하게 생성된 에멀젼이 실리콘 오일과의 접촉에 의해 수분이 점점 제거되는 성질을 이용하여 최종적으로 입자만의 집합체를 제조하였다. 따라서 최종적으로 생성되는 광결정구의 제조의 크기를 제어하기 위해서는 초기에 생성되는 액적의 크기를 제어해야 하므로 초기 액적의 생성에 영향을 줄 것으로 예상되는 네가지 인자를 선정하여 이의 영향을 조사하였다. 네가지 인자는 각각 계면장력의 영향, 오일 점도의 영향, 수용액 상 유속의 영향, 고분자입자 분산용액 농도의 영향이다. 실험을 통해 입자의 초기크기는 계면 장력 및 수용액 상 유속에는 비례하며 오일 점도에 대해서는 반비례하는 경향을 확인하였고, 고분자입자 분산용액 농도에 대해서는 거의 영향을 받지 않음을 확인하였다. 이러한 기초실험으로부터 광결정구 및 고분자입자 집합체제조 조건에 관한 기본 정보를 얻었고, 이를 바탕으로 광결정구 및 고분자입자 집합체를 제조하여 이들의 구조를 주사전자현미경과 공초점 형광현미경을 사용하여 각각 확인하였다. 고분자입자 집합체의 제조 실험에서 하나의 에멀젼 내에 들어가는 입자의 개수를 조사하였고, 이의 평균값과 표준편차를 조사한 결과 저농도의 고분자입자 분산용액을 사용했을 경우(고분자입자 집합체를 제조할 경우) 에는 에멀젼 내에 포함된 입자개수의 편차가 심함을 알 수 있었으며, 고농도의 고분자입자 분산용액을 사용했을 경우 (광결정구를 제조할 경우) 에는 상대적으로 미미한 편차이어서 무시할 수 있을 것으로 예상된다.
