In this thesis, we studied on the one-dimensional (1-D) confinement of colloids and light by hydrodynamic flow focusing. The 1-D confinement of colloids could be achieved using the fiber, which was generated by the electrohydrodynamic flow focusing known as electrospinning, as a confined geometry. As the electrospun fiber was extended highly, the colloids dispersed in the polymer solution began to assemble spontaneously into a pearl-necklace structure. The fabrication of multilayer polydimethylsiloxane (PDMS) microfluidic system was also examined. Stable stratified liquid stream could be generated by the hydrodynamic flow focusing using the PDMS microfluidic devices. 1-D confinement of light could be achieved by total internal reflection in the stable stratified liquid stream. Optofluidic waveguides with large captured fraction and low propagation loss could be prepared using the 1-D confinement of light. Monte Carlo simulation method was developed to calculate the captured fraction of the fluorescent optofluidic waveguides. Evanescent wave coupling-based optofluidic sensor was also studied by coupling two different wavelength of light into the optofluidic waveguides. Meanwhile, real time detection of droplet in microfluidic device was studied using integrated optics. Finally, we investigated the pneumatic control of optofluidic waveguides toward optofluidic switch by using the multilayer PDMS microfluidic systems.
본 논문에서는 유체역학적 흐름 집속을 이용한 콜로이드와 빛의 1차원 제한에 관한 연구를 수행하였다. 흐름 집속에 사용되는 외부 전단 응력을 발생시키기 위하여 전기적인 Maxwell 응력을 이용하는 전기유체역학적 접근법과 미세유체 채널에서의 측면 외피 유체를 도입하는 유체역학적 접근법이 사용되었다.
전기유체역학적 접근법의 경우, 임계값 이상의 전압을 가해주면 돌출된 계면으로부터 액체 제트가 방출된다. 사용된 액체의 점도가 낮은 경우, 방출된 제트는 샘플 수집기로 도달하는 중에 마이크론 크기의 액적으로 깨지게 된다. 균일한 크기의 콜로이드가 분산되어있는 액체를 사용한 경우, 액적 내부에서 액체의 증발에 의한 자기조립을 통해 구형의 콜로이드 결정을 제조할 수 있었다. (Chapter 1.2) 높은 점도를 가지는 고분자 용액을 사용한 경우, 방출된 제트는 액적으로 깨지지 않고 섬유형태로 늘어나게 된다. Chapter 2.1에서는 전기방사라고 알려진 전기유체역학적 접근법을 이용하여 1차원 콜로이드 조립체를 제조하였다. 전기방사된 섬유가 늘어남에 따라, 고분자 용액에 분산되어있는 콜로이드가 자발적으로 진주목걸이와 같은 구조의 1차원 콜로이드 조립체를 형성하였다. Chapter 2.2에서는 마이크로미터와 나노미터의 복합적인 크기 수준에서 기복이 있는 섬유로 이루어진 필름을 제조하기 위해서 전기유체역학적 접근법을 이용하여 두 가지 서로 다른 크기의 콜로이드로 이루어진 1차원 조립체를 형성하였다. 두 가지 서로 다른 크기의 콜로이드로 이루어진 1차원 조립체를 불소계 실란 커플링제로 표면처리하여 낮은 미끄러짐 각도를 가지는 초소수성 표면을 제조하였다.
유체역학적 접근법의 경우, 미세유체 채널에서 액체 제트를 형성하기 위하여 측면 외피 유체를 도입하였다. Chapter 3.1에서는 다층의 Polydimethylsiloxane (PDMS) 미세유체 소자의 제조 방법을 기술하였다. 또한 다층 PDMS 미세유체 소자에 가해지는 공기압을 이용한 유체 흐름 제어 시스템과 Java 기반의 그래픽 사용자 인터페이스의 구축에 대하여 Chapter 3.2에서 기술하였다. 내부 유체 유량과 외피 유체 유량의 비율이 특정영역의 값을 가질 때 미세유체 채널 내에서 안정적인 층상 유체 흐름이 형성될 수 있었고, 내부 유체와 외피 유체의 굴절률 차이에 의한 빛의 전반사를 통해 빛을 1차원으로 제한시킬 수 있었다. Chapter 4.1에서는 곡선형태의 미세유체 채널을 이용하여 내부 유체가 굴절률이 비슷한 PDMS와 접촉하지 않고, PDMS보다 상대적으로 굴절률이 낮은 외피 유체에 의하여 완전히 둘러싸인 형태의 액체-코어/ 액체-클래딩 광도파로를 제조하였다. Chapter 4.2에서는 굴절률이 낮은 공기를 외피 유체로 도입함으로써 액체-코어/ 공기-클래딩 광도파로를 제조하였다. 이러한 방법들을 통하여 기존의 광자유체 광도파로에 비하여 높은 빛의 포획률과 낮은 광도파 손실을 가지는 광자유체 광도파로를 구현할 수 있었다. Chapter 4.3에서는 액체-코어/ 액체-클래딩 광도파로에 두 가지 서로 다른 파장을 가지는 빛을 도입함으로써 감쇄파 결합에 기반한 광자유체 센서를 구현하였다. 감쇄파 결합에 기반한 광자유체 센서는 기존의 광자유체 센서들이 가졌던 외부 노이즈와 광학부품의 오염 등에 의한 불필요한 효과를 제거할 수 있었다. Chapter 4.4에서는 광섬유를 미세유체 소자에 집적함으로써 미세 액적의 크기 및 생성주기를 실시간으로 검출할 수 있었다. Chapter 4.5에서는 액체-코어/ 액체-클래딩 광도파로를 이용한 광자유체 스위치 구현에 관한 연구를 수행하였다. 다층의 PDMS 미세유체 시스템에서 공기압을 이용하여 유체의 흐름을 제어함으로써, 기존의 추가적인 클래딩 유체를 도입하여 유체의 흐름을 제어하는 방법보다 빠른 응답속도를 가지는 광자유체 스위치를 구현하였다.
