물리적 표면 수정을 통해 유체 움직임을 수동적으로 제어하기 위해 유연하게 설계 가능한 습윤성 구배

Mar 22, 2024

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 6440(2023) 이 기사 인용

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수정된 고체 표면은 소수성 및 친수성과 같은 독특한 습윤 거동을 나타냅니다. 이러한 동작은 유체 흐름을 수동적으로 제어할 수 있습니다. 본 연구에서 우리는 실리콘 기판의 반응성 이온 에칭을 통해 에칭되지 않은 표면과 물리적으로 에칭된 표면으로 구성된 습윤성 설계가 가능한 셀 어레이를 실험적으로 시연했습니다. 에칭 공정은 실리콘 표면에 상당한 표면 거칠기를 유발했습니다. 따라서 에칭되지 않은 표면과 에칭된 표면은 서로 다른 습윤성을 갖습니다. 에칭되지 않은 표면 영역과 에칭된 표면 영역 사이의 비율을 조정하여 유체 채널에 대한 1차원 및 2차원 습윤성 구배를 설계했습니다. 결과적으로 미세 조정된 채널은 단방향 및 곡선형 유체 동작을 수동적으로 실현했습니다. 습윤성 구배 설계는 유체 채널이 통합된 실용적이고 휴대 가능한 시스템에 매우 중요합니다.

미세유체 채널은 고감도 및 휴대용 센서와 같은 화학적 및 생물학적 응용 분야를 위해 조사되었습니다. 마이크로 채널의 유체 움직임을 능동적으로 제어하는 ​​것은 성능을 결정하는 중요한 기술입니다. 현재까지 마이크로 기계식 밸브14,15, 공압 제어 밸브16 및 전기적으로 전환 가능한 표면 수정17,18,19,20이 탐구되었습니다. 이러한 능동 제어에는 우수한 제어성과 외부 자극에 의한 습윤성 재형성을 달성하기 위한 복잡한 제조 절차와 외부 에너지원이 필요합니다. 유체의 수동 제어는 또 다른 중요한 접근법입니다. 이 방법론을 사용하면 재구성 가능한 기능 없이 간단한 구조를 사용하여 습윤성을 제어할 수 있습니다. 수동 제어 플랫폼으로서 정렬된 이방성 구조(예: 야누스 기둥 배열 및 오목 곡률 가장자리 구조)와 다양한 재료 기반 습윤성 구배가 조사되었습니다. 그러나 이러한 접근 방식은 채널 설계의 유연성을 제한합니다.

반응성 이온 에칭(RIE)과 같은 에칭 프로세스는 고체 물질의 표면 상태를 수정하기 때문에 에칭되지 않은 표면과 에칭된 표면은 단일 재료를 사용하는 경우에도 서로 다른 습윤성 특성을 나타냅니다. 반도체 공정을 사용하여 미세한 에칭되지 않은 표면 또는 에칭된 표면을 제조하면 유연한 설계가 가능하고 특별한 습윤성을 갖춘 기능성 표면을 간단하게 제작할 수 있습니다.

본 연구에서는 사각형 습윤성 설계가 가능한 셀 어레이를 사용하여 단방향 및 곡선형 유체 채널을 실험적으로 조사했습니다. 단위 셀은 에칭되지 않은 영역과 RIE로 에칭된 영역으로 구성됩니다. RIE 공정은 실리콘 표면에 나노 크기의 홈을 만들어 에칭되지 않은 표면에 다양한 습윤성을 제공합니다. 실리콘 표면의 습윤성은 에칭되지 않은 표면적과 에칭된 표면적의 비율을 조정하여 조정되었습니다. 개별 셀의 미세 조정된 에칭 패턴은 실리콘 기판에 1차원 및 2차원(1D 및 2D) 습윤성 구배를 수동적으로 생성했습니다. 이를 통해 습윤성 구배의 형태를 유연하게 설계하여 유체 채널의 방향과 모양을 제어할 수 있었습니다. 우리 플랫폼은 실제 응용 분야에서 유체 운동의 수동 제어에 기여할 수 있습니다.

여기서는 RIE 프로세스를 통해 실리콘 기반 습윤성 설계가 가능한 유체 채널을 제시합니다. 그림 1a는 습윤성 설계가 가능한 유체 채널의 표면 구조를 보여줍니다. 우리의 유체 채널은 그림 1b, c와 같이 RIE를 통해 물리적으로 에칭되지 않은 표면과 에칭된 표면으로 구성된 정사각형 단위 셀로 포장되었습니다. 단위 셀(그림 1a에서 깨진 빨간색 사각형으로 둘러싸여 있음)에는 에칭되지 않은 영역과 에칭된 영역이 있습니다. 에칭 공정으로 인해 함몰된(녹색) 영역이 형성되었습니다. 에칭되지 않은(노란색) 영역은 단위 셀의 중심에 원통형 기둥으로 남아 있습니다.

(a) 1D 습윤성 구배를 제공하는 습윤성 지정 가능 셀을 포함하는 표면의 도식. 빨간색 점선 사각형으로 둘러싸인 단위 셀에는 에칭되지 않은(노란색) 영역과 물리적으로 에칭된(녹색) 영역이 있습니다. \(d\left(x, y\right)\) 매개변수는 기둥의 직경입니다. (b) 단위 셀의 상단 및 (c) 측면도 개략도. 제작된 채널에서 단위 셀의 측면 길이와 기둥의 높이는 각각 \(L=5 \mathrm{\mu m}\) 및 \(h=0.2 \mathrm{\mu m}\)입니다. (d) 에칭되지 않은 표면과 에칭된 표면에 대한 단면 구조. (e) 단위 셀(왼쪽 도식)과 등가 복합 표면(오른쪽 도식)으로 포장된 표면의 단면 도식.