In Chapter 2, dynamic breakup of emulsion droplets was demonstrated in double-layered microfluidic devices equipped with designed pneumatic actuators. Uniform emulsion droplets, produced by shearing at a T-junction, were broken into smaller droplets when they passed downstream through constrictions formed by a pneumatically actuated valve in the upper control layer. The valve-assisted droplet breakup was significantly affected by the shape and layout of the control valves on the emulsion flow channel. Interestingly, by actuating the pneumatic valve immediately above the T-junction, the sizes of the emulsion droplets were controlled precisely in a programmatic manner that produced arrays of uniform emulsion droplets in various sizes or dynamic patterns. Also, with same manner, the droplets were broken up to two daughter droplets. The pneumatic actuators induced the resistance difference between two branch channels. By controlling the pressure applied to the valves, the size of the broken droplets could be controlled precisely.
In Chapter 3, active trapping and release of emulsion droplets was demonstrated in a double-layer microfluidic device. Uniform emulsion droplets were trapped at a junction between the flow and control channels by the deflection of a thin PDMS membrane into the control channel, which expanded the flow channel at cross-sectional area. As long as the droplets assumed disk-like shapes inside the microchannels and the oil phase flow rate was relatively slow, the droplets could be stably trapped within the locally expanded valve region. In the valve region, the droplets assumed a more spherical shape to reduce the surface energy. However, as the droplet length reached a limiting value under flow, the droplet broke up into two smaller droplets, one of which remained trapped while the other flowed away. As the oil phase flow rate reached a limiting value, the droplets could no longer be trapped. The trapped droplets were released upon constriction of the expanded flow channel by applying a pressurized gas to the control channel and deflecting the thin PDMS membrane into the flow channel. We demonstrated that a series of droplets could be trapped and released on demand beneath a series of pneumatic valves.
In Chapter 4, using double-layer microfluidic devices, the alternating parallel laminar flows were generated to use microfluidic photomasks for fabricating line patterns. In single-layer devices, generation of a number of alternating laminar flows is quite difficult because many inlets for injecting fluids are necessary. The designed double-layer microfluidic devices could be generated a number of alternating parallel laminar flows easily with two different fluids. (opaque and transparent fluids) The opaque and transparent stream of 64 lines flowed side by side alternately in wide and long microfluidic channel. The feature scales, width and interval, of the alternating laminar flows could be controlled rapidly by changing the flow rates of two different fluids. The alternating parallel laminar flows were used as a photomask. Because the opaque fluid absorbed the UV light, selective transmission of UV light was induced. Line patterns with controlled feature scale could be fabricated by the selective UV transmission of microfluidic photomask.
In Chapter 5, we fabricated photonic membranes which are photonic crystals embedded in thin PDMS film. The photonic crystals containing black-colored dye molecules were fabricated by evaporation-driven self-assembly method. Because the black-colored dye absorbed scattering light by nano-sized particles, reflective colors of photonic crystals were more vivid than the colors of photonic crystals without the dye. To integrate to a PDMS mold for deflecting (111) plane of the photonic crystal by pressurized gas, PDMS polymer was infiltrated into the photonic crystal. By spin-coating, thin PDMS-photonic crystal composite, photonic membrane, was fabricated. After then, the photonic membrane attached to PDMS mold which has designed microchannels could be expanded to outside of the channels by pressurized gas. Color of the expanded photonic membrane was changed in compared with original color of the photonic membrane due to change of incidence angle of the light. With designed microchannels and programmed actuation, we demonstrated single digit numbers for display applications. Response time of the photonic membrane is less than 100 ms. Moreover, actuation of the membrane was stable for a long time.
본 논문에서는 다층 구조의 미세유체소자를 이용하여 액적의 깨짐, 갇힘 그리고 방출과 같은 액적 제어와 빛의 투과와 반사와 같은 빛의 흐름을 제어하는 연구를 수행하였다. 기본적으로 다층의 구조를 가지는 미세유체소자는 탄성이 있는 얇은 막에 의해 층이 분리가 된다는 특징이 있다. 이 얇은 막은 공기압 혹은 채널 내에서 흐르는 유체의 유압에 의하여 늘어나는 위치 그리고 정도가 조절이 된다. 기존의 연구들은 이와 같은 막을 이용하여 채널을 막고 여는 역할로만 주로 이용을 하였는데 본 논문에서는 공기압을 조절하여 막의 팽창 정도를 조절함으로써 액적의 흐름을 제어하였다. 또한 미세유체소자에서의 안정적인 유체 흐름을 이용하여 빛의 선택적인 투과를 유도하였으며 얇은 막에 광결정을 도입시킴으로써 막의 팽창 여부에 따른 빛의 선택적인 반사를 유도하였다.
우선, 두 층 사이에 놓여진 얇은 막은 팽창 정도에 따라 유체가 흐르는 층의 채널(channel) 모양을 정교하게 그리고 빠르게 변형시킬 수 있었다. 유체가 흐르는 채널은 막의 팽창에 의하여 좁아지게 된다. 변형된 채널을 흐르는 액적은 불안정한 모양으로 변형되어 작은 액적들로 깨지게 된다. 막의 팽창 정도를 조절함으로써 깨지는 액적의 크기를 제어할 수 있었다. 막의 위치를 액적 생성 부분으로 옮기면 액적의 생성 크기를 유속 조절이 아닌 공기압으로 제어할 수 있었다. 이는 미세유체소자의 채널 크기에 따른 생성 가능한 액적의 크기가 제한되는데 채널의 크기를 변화시킴으로써 넓은 범위의 액적 생성이 가능하였다. 또한, 막에 의한 채널 너비 변화는 수력학적인 저항을 증가시키기 때문에 액적의 비대칭의 액적 깨짐 현상을 유도할 수 있었으며, 막의 팽창 정도를 제어함으로써 깨지는 액적의 크기 또한 조절할 수 있었다. 그리고 실시간적인 팽창 정도를 변화시킴으로써 깨지는 액적들의 크기 또한 실시간으로 변화될 수 있음을 확인하였다.
또한, 막에 가해지는 공기압이 없는 경우, 유압에 의하여 유체가 흐르는 채널의 단면적이 증가를 하게 된다. 이를 이용하여 납작한 모양의 액적의 표면 에너지를 줄어들게 유도함으로써 액적을 특정 지역에 가두는 현상을 유도하였다. 갇힌 액적은 막에 적절한 압력을 가함으로써 액적의 표면 에너지가 증가되는 방향으로 유도함으로써 방출시킬 수 있었다. 막의 능동적인 제어를 이용한 액적 흐름 제어는 실시간으로 원하는 결과를 유도할 수 있으며, 막의 팽창 정도 제어를 통한 결과 변화 시간 (반응시간) 이 매우 짧다는 장점이 있다. 이와 같은 연구는 다양한 목적을 가지는 미세유체소자 내에서의 액적을 포함한 유체의 흐름 제어에 응용될 수 있는 기본적인 기술이다.
그리고, 미세유체소자를 이용하여 빛의 투과 및 반사와 같은 흐름 제어를 유도하였다. 선택적인 투과를 위하여, 미세유체소자 내부에 두 가지 유체의 반복적인 층류 흐름을 유도하였다. 두 층으로 설계된 미세유체소자는 많은 층류 흐름을 생성시킬 수 있었으며 색소를 함유한 유체와 함유하지 않은 유체가 번갈아가며 흐르는 층류 흐름은 색소의 빛의 흡수에 의해 선택적으로 투과될 수 있었다. 투과되는 너비는 간단히 유체의 유속을 조절함으로써 제어할 수 있었다. 이와 같은 빛의 선택적인 투과는 광식각공정에서 사용되는 포토마스크(photomask) 와 같은 역할을 할 수 있었으며, 다양한 너비 및 간격을 가지는 선 패턴(pattern) 을 제조할 수 있었다.
한편, 얇은 고분자 막에 광결정을 도입시킴으로써 빛의 선택적인 반사를 유도하였다. 광결정은 결정을 이루는 입자의 크기, 굴절률, 부피비, 빛의 입사각 등에 의해 반사되는 빛의 파장이 조절된다. 본 연구는 공기압에 의한 막의 팽창을 이용하여 팽창된 부분과 팽창되지 않은 부분의 빛의 입사각 변화에 의한 반사색 차이를 유도하였다. 막의 팽창은 광결정 반사면의 각도 변화를 유도할 수 있었으며 이는 고정된 위치의 광원과의 입사각이 제어됨을 의미한다. 이와 같은 현상을 이용하여 팽창되는 막의 위치 및 반복적인 움직임을 통하여 간단한 숫자 표현을 응용하였다. 이와 같은 시스템은 빠른 반응 시간 및 안정적인 작동할 수 있다는 장점이 있기 때문에 반사형 디스플레이로 응용이 가능할 것이다.
