The miniaturization technology such as micro total analysis systems (μ-TAS) and lab-on-a-chip has been paid big attention for biomedical application. Microfluidic actuation with high efficiency and low power is a key issue for operating these systems.
In micro systems the surface tension dominates over bulk forces because of high surface to volume ratio. Electrowetting phenomenon has been applied to manipulate discrete micro-droplet for the application in lab-on-a-chip systems by modulating the surface tension with electrical signals. It does not need complex micro-channel and additional elements such as valve, pump etc.
In this thesis, digital microfluidic chip based on electrowetting on dielectric has been studied. 1,000Å of aluminum was deposited and patterned as control electrodes. Polymer thin film which gives cost effectiveness and easy process was coated as dielectric. Cross-linked poly vinyl alcohol, poly vinyl alcohol, poly vinyl acetate and poly styrene were compared. Teflon $AF^\textregistered$, PECVD fluorocarbon and DDMS (dichloro-dimethylsilane) SAM (self-assembled monolayer) were compared and among them Teflon was finally adopted due to the lowest surface energy, the better smoothness and easier process.
2.0㎕ droplet of d.i. water dispensed onto EWOD chip and linear transportation, zigzag motion, and rotation were successfully performed according to voltage switching programmed by LabVIEW software. Maximum frequency for droplet actuation was measured as 66.7 Hz at 160V_{DC} and the velocity was 13.3 cm/s. 80-100 V_{DC} is enough to manipulate droplet as fast as 20 Hz over 100s cycles. Droplet merging, mixing and splitting were performed as well.
본 연구에서는 전기적 신호에 의한 전기습윤 현상을 이용하여 미세 액적을 구동시키는 EWOD (electrowetting on dielectric) 칩을 디자인 제작하였다. 알루미늄을 증착 및 패턴하여 다양한 모양의 제어 전극을 제조하였으며, 유전상수가 크고 치밀한 cross-linked poly vinyl alcohol (PVA)과 PVA, poly styrene (PS), poly vinyl acetate (PVAc) 고분자 박막이 비교되었다.
초소수성 박막의 코팅을 위해 Teflon 스핀 코팅 방법과 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)에 의한 불화탄소 증착, DDMS (dichloro-dimethyl silane) 자기조립 방법이 비교 분석되었다. 그 중에 Teflon이 가장 큰 접촉각, 가장 낮은 표면에너지와 균일한 표면을 보임으로 EWOD 칩에 선택 적용되었다.
전기장에 의한 액적의 접촉각 변화가 관찰되었으며, PS와 PVAc의 경우 약 70V를 가했을 때 약 68˚ 에서 포화되었다. PVA와 cross-linked PVA의 경우 약 50V의 전압에서 68˚ 도에서 포화되었다.
NI PCI-6503 보드와 solid state relays (SSR)를 이용하여 전압 스위칭 모듈을 개발하였으며, LabVIEW를 이용하여 프로그램하였다. 전압 스위칭 피크로부터 전원 제거시 약 5ms 이하의 지연시간이 관찰되었으며, 최대 스위칭 주파수는 100Hz였다.
2.0㎕의 액적이 EWOD 칩에 투여되어 선운동, 원운동 및 지그재그 운동을 성공적으로 수행하였다. 최대주파수는 80V에서 20Hz, 속도는 4cm/s였으며, 160V에서 66.7Hz 속도는 13.3 cm/s였다. 80-100V에서 100회 이상의 칩 구동이 가능하였다. 또한 액적의 병합, 혼합 및 분할이 EWOD 칩에서 수행되었으며, 이로써 디지털 전기적 신호에 구동되는 전기습윤 미세유체구동소자를 개발하였다. 이는 바이오, 의약, 미세 반응기, 환경 모니터링 랩온어칩 분야의 응용을 기대할 수 있다.
