In this master’s thesis, we introduce a novel integration method for the functional nanostructures within microfluidic channel by in-situ nanomaterial synthesis for the advanced microfluidic systems. Nanostructures integrated within microfluidic devices have great potentials for substantial improvement of performance and widening of applications by taking advantages of unique nanoscale material properties such as high chemical reactivity, electrical sensitivity, and mechanical robustness. However, the integration of nanostructures such as nanowires and nanotubes has been carried out by sequential multi-step procedures: ex-situ high-temperature synthesis of nanostructures followed by the assembly with microfluidic that requires complicated alignment processes. In this work, we report an extremely simple and controllable route to the fabrication of nanowires, in particular ZnO nanowires, within pre-fabricated microfluidic channel by liquid-phase synthesis. Since ZnO nanowires can be synthesized in low-temperature liquid environment, they can be easily grown within both silicon/glass-based and polymer-based microfluidic devices. In this dissertation, we will first describe our work on the global synthesis within the entire fluidic channel. Then, we will present local synthesis of nanowires either by seed patterning or by localized heating with microheaters in microfluidic channel. Finally, we will demonstrate the applications of in-situ synthesized nanowire arrays to chemical sensor, cell stimulation tool, particle trapping structure, and chaotic fluid mixer.
본 학위논문에서 미세유체소자를위한 기능성 나노구조물을 마이크로채널내에 In-stu 방법으로 합성하고 집적하는 방법에 대해 이야기한다. 미세유체소자내에 집적된 나노구조물은 높은 화학 반응성, 전기 민감성, 기계적 강성 등 나노 스케일의 물질의 독특한 특성을 취해 다양한 활용에서 성능을 향상시킬 수 있다는 가능성을 가지고 있다. 하지만, 현재까지 보고된 나노선이나 나노튜브 등 나노구조물을 미세유체 소자 내에 집적시키는 방법은 여러 복잡한 과정들에 의해 행해지고 있다. 먼저 나노구조물을 합성한 후, 이 구조물들 마이크로채널 내에 정확하게 정렬시키기 위해 복잡한 정렬방식을 사용하여야 한다. 이는 복잡할 뿐만 아니라 정확성도 떨어지게 된다. 본 학위논문에서는 훨씬 간단하고 제어가 가능한 방법을 통해 ZnO 나노선을 미리 만들어진 마이크로채널 내에 합성하고 집적하는 방법에 대해 제안한다. 본 방법에서 ZnO 나노선은 수열합성법으로 낮은 온도에서 액체상에서 합성되므로, 실리콘 혹은 유리 기판을 이용한 미세유체소자뿐만 아니라 폴리머기판을 이용한 유연성 미세유체소자 내에서도 합성이 가능하다. 본 학위논문에서는 먼저, ZnO 나노선을 마이크로채널 전체를 가열하여 전체적으로 합성하는 방법에 대해 소개한다. 또한, seed 패턴을 이용하거나 국부적 가열을 통해 마이크로채널 내에 국부적으로 합성하는 방법에 대해 소개한다. 마지막으로 본 방법을 이용하여 화학 센서, 세포 자극, 입자 trapping, chaotic mixer 등의 활용에 대해 시연하고 그 결과와 앞으로의 발전 가능성에 대해 서술한다.
