In this thesis, the droplet control methods by external forces were designed. The droplet separation, coalescence, splitting, capturing, and releasing techniques are essential for handing droplet-based experiment. First, optical forces were used to capture and coalesce the droplet. The optical trapping and coalescence steps were modeled theoretically and demonstrated experimentally. Calcium-Alginate gen was synthesized by colliding two droplets by capturing one droplet by the optical force. Also, acoustic radiation force was used to split droplets actively in the straight microchannel. The narrow SAW beam deflected the droplet surface and split into the two daughter droplets. The mechanism of the droplet splitting was discovered by estimating the acoustic radiation force on the droplets through the Ray acoustics regime. Polystyrene particles inside droplets could be positioned at specific droplet during the splitting procedure by acoustic radiation force acting on the particles. On the other hand, the SAW position and effective aperture can be controlled by tuning the SAW frequency. The droplets could be transferred to the target microwell inside the micro channel by tuning the location of the SAW beam. This technique is useful for a long term monitoring of a single cell in droplets.
본 논문에서는 기존의 액적을 이용한 미세 유체 실험의 한계를 극복하기 위해, 외력을 이용한 액적의 제어 기법들을 개발하고 이를 응용하였다. 액적의 제어 기법은 크게 액적의 분리, 합병, 분열, 포획 그리고 방출로 대표된다. 액적을 효율적으로 제어하기 위하여 그 목적에 맞는 효율적인 기법인 광력 혹은 음향력을 이용하였다. 우선 액적과 매질의 굴절률 차이를 이용하는 광력을 이용하여 액적을 포획하거나 병합하는 플랫폼을 설계하였다. 통상적으로 높은 굴절률을 가지는 물 액적은 레이저가 조사될 때 그 중심으로 향하려는 힘이 생기므로 이를 이용하여 액적을 포획하고, 뒤 이어 오는 액적과 부딪히는 방법으로 병합하였다. 음향력을 이용하여 직선 모양의 유로에서 액적을 원하는 비율로 분열시키는 플랫폼 또한 구현되었다. 표면탄성파를 극도로 좁힌 전극 설계를 통하여 액적의 표면을 변형시킬 수 있었으며 음향력을 증가 시킴에 따라 액적을 원하는 비율로 잘라내었다. 이 뿐 아니라 액적 안에 입자를 분열 후 특정 액적에 위치 시킴에 따라 이 후 세포 배양지를 미세유체 플랫폼 안에서 교환하는 용도로 쓰일 수 있을 것으로 예상된다. 표면탄성파의 위치를 음향 주파수를 조절하여 가변하며 이를 통해 액적을 미세 유체 플랫폼 안에서 원하는 위치에 가두거나 꺼내는 연구를 수행하였다. 이 기법을 이용하여 액적 내부의 단일 세포 장기적 관찰 등에 응용될 수 있을 것으로 예상된다.
