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상홍 궉
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1 CLEAN TECHNOLOGY, Vol. 13, No. 3, September 2007, pp. 195~200. PDMS 표면특성에따른비균일계마이크로채널의유속변화 노순영, 이효송, 김기호, 최재호, 유재근, 윤수경, 이영우 * 충남대학교공과대학화학공학과 대전광역시유성구궁동 220 한국환경자원공사 인천광역시서구경서동종합환경연구단지내 한국신발 피혁연구소 부산광역시부산진구당감동 아주대학교공학교육혁신센터 경기도수원시영통구원천동산 5 번지 ( 2007 년 8 월 31 일접수 ; 2007 년 9 월 15 일채택 ) Flow Rate Changes in the Heterogeneous Rectangular Microchannels with Different Hydrophilicity for the PDMS Bottom Surface Soon Young Noh, Hyo Song Lee, Ki Ho Kim, Jae Ho Choi, Jae Keun Yu, Soo Kyung Yoon and Young Woo Rhee * Department of Chemical and Biological Engineering, Chungnam National University, Daejeon , Korea Korea Environment & Resources Corporation, Incheon , Korea Korea Institude of Footwear and Leather Technology, Pusan , Korea Ajou University, Suwon , Korea ( Received for review August 31, 2007; Revision accepted September 15, 2007 ) 요 약 본연구에서는표면특성에따른비균일계마이크로채널에서의유속변화를조사하였다. 비균일계마이크로채널은 PDMS와 soft lithography를사용하여제작하였고, 마이크로채널의내부표면중아랫면만을 allyl alcohol로증착하여친수성을띠게하였다. 채널의길이는 10, 20, 30 mm, 너비는 100, 200, 300 μm로각각제작하였으며, 채널내전기영동에의한흐름을생성하기위해외부전압을가해주었다. 그결과동일한세기의전기장과밑면의친수성정도가동일할때유속은같았다. 이는이론적결과에부합하고, 연구가신뢰성이있다는것을뒷받침할수있었다. 같은친수성을갖는밑면일때채널의너비가증가할수록유속도증가하고, 친수성정도가큰채널이작은채널보다유속이빨랐다. 이결과는밑면의친수성정도에따라채널유속을조절할수있다는것을의미한다. 주제어 : PDMS, 전기영동, 비균일계마이크로채널, 친수성, 진공플라즈마 Abstract-This study investigated the flow rate changes of the heterogeneous rectangular microchannels which have different hydrophilic property on the bottom surface. The heterogeneous rectangular microchannel has three native PDMS (poly-dimethyl siloxane) surfaces which were patterned by the soft lithography. PDMS bottom surface was treated by the argon plasma and coated by the allyl alcohol (99%). The channel length was 10, 20 and 30 mm and the channel width was 100, 200 and 300 μm, respectively. Several external voltages were * To whom correspondence should be addressed. ywrhee@cnu.ac.kr 195

2 196 청정기술, 제 13 권제 3 호, 2007 년 9 월 applied to make the fluid flow by the electroosmosis in the microchannel. For the same electric field strength and hydrophilicity of the bottom surface, the flow rate is almost same. This result is matched to the theoretical expectation and confirms that the experimental system is reliable. With increasing the channel width, the flow rate increased for the same hydrophilicity of the bottom surface. The flow rate of the microchannel of higher hydrophilicity was larger than that of the microchannel of lower hydrophilicity. This result implies that the hydrophilicity change of the bottom surface could be applied to control the flow rate in the microchannel. Key words : PDMS, Electroosmosis, Heterogeneous rectangular microchannel, Hydrophilicity, Vacuum plasma 1. 서론최근들어 microsystem 에대한관심이높아지면서제약, 의료, 화학공학, 생물공학등과같은산업분야에서의연구가활발히진행되고있다. Microfluidic을사용하는 microsystem 은비용의절감, 반응성의증가, 에너지소비의감소, 시스템의소형화등을가능하게하는장점으로인하여, 소형연료전지와마이크로반응기등의연구를통한청정분야와의관련성이매우높다 [1]. 기존에는유리, 석영또는실리콘등의재료를사용한마이크로시스템의제작이주로이루어졌으나, 이러한재료들은고가이면서제작에많은시간이필요하다는단점으로인하여값싸고, 제작이용이한 polydimethylsiloxane (PDMS) 을이용하여연구가진행되고있다 [2,3]. 그러나 PDMS의표면은높은소수성을띠기때문에유체의흐름을어렵게하므로플라즈마를이용하여 PDMS의표면을친수성으로바꾸어주어야한다 [4,5]. 일반적으로 PDMS 표면을친수성으로바꾸어주기위해산소플라즈마로처리해주는데, 이때바뀐친수성은계속유지되는것이아니라공기중에서시간의흐름에따라다시소수성으로바뀌게된다. 이를억제하기위해서소수성으로된 PDMS 표면을친수성으로바꾸어유지하기위해특정용액에세척하거나다른물질로코팅하기도한다 [6,7]. 마이크로채널내유체의흐름은전기삼투에의해이루어지는데, 이는고체와액체표면사이에서의전기이중층에의해형성된다. 특히전기이중층의제타포텐셜과전기장은마이크로채널시스템에서유속을통제할수있는핵심적인요소이다 [8-10]. 마이크로채널에서전기삼투에의해발생하는유체의흐름은형광물질을유체에투입한후 particle image velocity (PIV) 로관찰할수있다. 일반적으로전기삼투시스템은채널과저장소가연결된곳에두전극이존재한다. 외부전압이전기삼투시스템에공급되면 PDMS의표면이음으로하전되어양이온들이달라붙고, 유체가음극으로이동하는전기삼투흐름 (Electroosmotic Flow, EOF) 이형성된다 [11-14]. 전기삼투시스템을정확하게디자인하기위해서는직사각형마이크로채널의단면적변화의영향을이해해야하고, 유속을정확히통제하기위해서는채널의표면성질변화를이해해야한다. 본연구에서는소수성인세면과 allyl alcohol (99%) 로코팅한밑면으로이루어진비균일계마이크로채널의유속변화를조사하였다. 밑면의접촉각은 20 와 80 로하였다. 채널의구조변화의영향을조사하기위해채널의길이는 10, 20, 30 mm로, 너비는 100, 200, 300 μm로하였고, 전기장과전기삼투 에의한유속의관계를알아보기위해다양한외부전압을걸어주며유속을측정하였다. 2. 실험마이크로채널의제작에서가장먼저수행되어야하는것은마스크를제작하는것이다. 원하는패턴의마스크를얻기위해 25,000 DPI의고해상도프린터를사용하였다. 전기영동시스템에서길이변화의영향을조사하기위해마이크로채널의형태를다양하게제작하였다. SU (Microchem, USA) 감광제 (photoresist, PR) 를사용하여채널의깊이는 100 μm로고정하였다. Figure 1 에 soft lithography를사용하여마이크로채널을제작하는과정을간단하게나타내었다. 마스크제작이완성되면, 실리콘웨이퍼 (ULTRAPACK Wafershield, H ) 에 PR을코팅해야하는데 PR 을균일하게코팅하기위해웨이퍼에 hydromethyldisiloxane (HMDS) 를 10분간노출시킨다. PR의두께를제어하기위하여 spin coater의회전속도를 2단계로조절하였다. 또한웨이퍼에일정한두께의 PR을코팅한후 PR에존재하는용매를제거하기위해건조기를사용하여 65 에서 20분동안가열하였고, 온도를분당 1 정도로서서히올린후에 95 에서 50분동안가열하였다. 용매가제거된웨이퍼위에디자인된 Figure 1. Process of the soft lithographic method.

Clean Tech., Vol. 13, No. 3, September 2007 197 마스크를올리고 180초동안 UV (350 nm ) 에노출시켰다. UV 노출후에는 65 에서 1분동안, 95 에서 12분동안가열하였다. 마지막으로현상, 세척, 건조시켜서원하는형태의패턴을웨이퍼위에얻을수있었다.

그후에 70 에서 2시간정도가열하여고형화시키고웨이퍼에서떼어내면 PDMS 패턴이형성된다. 마이크로채널밑면의 PDMS는마스크없이 soft lithography 를사용하여제작하였고, 비균일계마이크로채널을만들기위해서밑면의 PDMS를진공플라즈마를이용하여표면처리를하였다. 진공플라즈마장치의개략도는 Figure 2 에서나타내었다.

3 Clean Tech., Vol. 13, No. 3, September 마스크를올리고 180초동안 UV (350 nm ) 에노출시켰다. UV 노출후에는 65 에서 1분동안, 95 에서 12분동안가열하였다. 마지막으로현상, 세척, 건조시켜서원하는형태의패턴을웨이퍼위에얻을수있었다. 원하는패턴이완성되면 PDMS를사용하여본을뜨게되는데, 그전에웨이퍼에서 PDMS가잘떨어지게할수있도록웨이퍼를 trimethylchlorosilane (TMCS) 에 10분간노출시킨다. PDMS를웨이퍼에부은후진공건조기를사용하여 0 ~ 100 mmhg의압력에서 1시간정도유지하면 PDMS 내에존재하는기포가완전히제거된다. 그후에 70 에서 2시간정도가열하여고형화시키고웨이퍼에서떼어내면 PDMS 패턴이형성된다. 마이크로채널밑면의 PDMS는마스크없이 soft lithography 를사용하여제작하였고, 비균일계마이크로채널을만들기위해서밑면의 PDMS를진공플라즈마를이용하여표면처리를하였다. 진공플라즈마장치의개략도는 Figure 2 에서나타내었다. 먼저 PDMS 표면을깨끗이하기위해아르곤에노출시킨후, allyl alcohol로코팅하였다. 코팅한후, Face Contact Angle (Kyowa Interface, CA-A) 을사용하여 PDMS 표면의접촉각을측정하였는데접촉각은 20 와 80 를나타내었다. 원하는패턴의 PDMS와표면처리한밑면의 PDMS를접합시키고마이크로채널의양쪽끝부분에 adapter 를꽂아마이크로채널을완성하였다. 전기삼투흐름에서 ph 변화에따른영향을없애기위해서 ph가 7.0이고, 25.9 에서전도도가 4.87 ms/ cm인완충용액 (Weilheim, WTW ph 7.0, Technical buffer 50 ml ) 을사용하였다. 일반적으로마이크로채널내에서유체의속도를측정하기위해형광물질이나형광입자를사용하지만본연구에서는마이크로채널양쪽끝에연결된저장소의무게차이를이용하여유속을측정하였다. Figure 3은본실험에서사용한장치의개략도이다. 완충용액을채널에유입시키고, 외부전압을공급하기전에채널내의기포를완전히제거해준후에유량변화를측정한다. 만약채널내에기포가존재할경우에는 Figure 3. Schematic diagram of the flow rate measuring system. 전기삼투가걸리지않거나순간적인과전압의원인이되기때문이다. 3. 결과및검토 본연구에서는 PDMS의본성질을지닌세개의면과표면처리한밑면으로이루어진비균일계마이크로채널의길이와너비를다양하게변화시켜가면서유속을측정하고자하였다. PDMS 밑면은진공플라즈마를사용하여아르곤에노출시키고, allyl alcohol로코팅하였다. 마이크로채널내의유체는전기영동에의해흐름이생성되고따라서전기장을형성하여유속을변화시켜주기위해다양한외부전압을걸어주었다. Figure 4 ~ 6은밑면의접촉각이 20 일때, 채널너비에따른유속의변화를보여준다. Figure 4는채널길이가 10 mm일때외부전압에따른유속변화를나타내었다. 그래프에서 Figure 2. Schematic diagram of the vacuum plasma treatment instrument. Figure 4. Flow rate change of the microchannel with (contact angle=20 o, channel length = 10 mm ).

4 198 청정기술, 제 13 권제 3 호, 2007 년 9 월 Figure 5. Flow rate change of the microchannel with (contact angle = 20 o, channel length = 20 mm ). 부전압에비례하여증가하고, 제타포텐셜은채널너비가증가함에따라증가하기때문에유속은채널의너비에비례하여증가한다. Figure 7 ~ 9는채널의밑면의접촉각이 80 이고, 채널길이가각각 10 mm, 20 mm, 30 mm일때실험결과를보여준다. 그래프에서모든마이크로채널의너비가같을때유체의속도는외부전압에비례하여증가하는것을알수있다. 또한채널의길이가같은마이크로채널에서같은외부전압을걸어주었을때유체의속도는채널의너비가증가함에따라증가하였다. 이는 Figure 4 ~ 6에서의보여주는결과와동일한이유에서나타나는것으로설명할수있다. 동일한전기장에서채널의길이에따른유속변화는 Figure 10에서보여주고있다. 동일한전기장을가진마이크로채널에서채널의길이가달라져도유체의속도는거의비슷하게나타났다. 이론적으로채널의길이가변한다고해도채널의유속은전기장에따라변한다는것을알고있기때문에이결과는본연구에서사용한측정방법이신뢰성이있다는것을보여준다. 같은유속으로채널길이를변화시켜줄때는 Figure 6. Flow rate change of the microchannel with (contact angle = 20 o, channel length = 30 mm ). 보면알수있듯이같은너비를가진각각의채널에대해유속은외부전압의증가에비례하여증가하는데, 이는채널의전기장이외부전압의증가에따라증가하기때문이다. 이것은다른조건들이일정하다면, 마이크로시스템에서유체의속도는외부전압에의해서쉽게제어될수있다는것을의미한다. 외부전압이동일할때에는채널너비가증가함에따라유속이증가하였다. 이는 0.10 ~ 0.20 kv의높은외부전압에서실험해본결과로써, 동일한전기장에서채널너비가증가함에따라유속이감소하는일반적인유체들과는다른결과를보여준다. 채널너비증가에대한효과는표면의제타포텐셜에기인한전기이중층의압축으로설명할수있다 [1]. Figure 5 ~ 6 은채널길이가각각 20 mm, 30 mm인채널의유속변화를나타내고있다. 그래프를통하여동일한채널너비를가진시스템은외부전압이증가함에따라유속이증가하는것을알수있다. 외부전압이동일할때유속은채널너비가증가할수록증가하였는데이는 Figure 4와같은경향을나타내고있다. 전기장은외부전압이증가함에따라증가하기때문에유속은외 Figure 7. Flow rate change of the microchannel with (contact angle = 80 o, channel length = 10 mm ). Figure 8. Flow rate change of the microchannel with (contact angle = 80 o, channel length = 20 mm ).

5 Clean Tech., Vol. 13, No. 3, September Figure 9. Flow rate change of the microchannel with (contact angle = 80 o, channel length = 30 mm ). Figure 11. Flow rate change for the different bottom surface hydrophilicity (channel width = 100 μm, channel length = 10 mm ). Figure 10. Flow rate change of the microchannel with the same electric field (channel width = 200 μm ). Figure 12. Flow rate change for the different bottom surface hydrophilicity (channel width = 200 μm, channel length = 20 mm ). 채널길이의변화율만큼외부전압을증가시켜주면된다는것을보여준다. Figure 11 ~ 13은밑면이접촉각이각각 20 와 80 인마이크로채널의유속을나타내고있다. Figure 11에채널의길이가 10 mm, 너비가 100 μm일때유속의변화를나타내었다. 높은친수성을나타내는접촉각이 20 인밑면의유속이더높게나타났다. 낮은전압에서유체의속도변화가뚜렷하게변하지않지만, 외부전압이증가할수록유속의변화도증가하였다. 이는전기삼투흐름에서표면성질의차이가유속변화에영향을줄수있다는것을의미한다. 따라서같은조건일때에는표면성질을바꿔줌으로써유속을제어할수있다는가능성을보여준다. Figure 12는채널의길이가 20 mm, 너비가 200 μm일때유속의변화를보여주는데채널밑면이높은친수성을나타낼수록유속이높게나타났다. Figure 13은채널의길이가 30 mm, 너비가 300 μm일때유속의변화를보여주고있 Figure 13. Flow rate change for the different bottom surface hydrophilicity (channel width = 300 μm, channel length = 30 mm ).

6 200 청정기술, 제 13 권제 3 호, 2007 년 9 월 다. Figure 13에서유속의변화는 Figure 11 ~ 12와같은경향을나타냈다. Figure 11 ~ 13의결과에따르면채널의길이와너비변화에상관없이표면성질의변화가항상유속의변화에영향을준다는결론을얻을수있다. 4. 결론본연구에서는비균일계마이크로채널에서유체의흐름을채널의너비와길이, 외부전압에따른영향을조사하였다. 비균일계마이크로채널을만들기위해채널의밑면을 allyl alcohol로코팅하여 PDMS 표면을친수성으로바꾸어주었고, 밑면의접촉각은 20 와 80 로하였다. 그결과외부전압이증가함에따라마이크로채널의유속또한증가하였다. 외부전압, 채널밑면의접촉각과채널길이가동일할때채널너비가증가할수록유속도증가하는것을보여주었다. 또한채널의밑면의접촉각이작을때유속이항상높게나타났다. 따라서마이크로채널의표면성질이유속을제어할수있는데기여한다는것을알수있었다. 감사본연구는한국과학재단의목적기초연구사업 ( 특정기초연구사업 : R ) 의일환으로수행되었습니다. 참고문헌 1. Lee, H. S., Kim, K. H., Yu, J. K., Noh, S. Y., Choi, J. H., Yoon, S. K., and Rhee, Y. W., "Potential Change in the Cross Section of the Rectangular Microchannel with Different Hydraulic Diameter", Clean Tech., 12(4), (2006). 2. Hillborg, H., Ankner, J. F., Gedde, U. W., Smith, G. D., Yasuda, H. K., and Wikström, K., "Crosslinked Polydimethylsiloxane Exposed to Oxygen Plasma Studied by Neutron Reflectometry and Other Surface Specific Techniques", Polymer, 41, (2000). 3. Ren, X., Bachman, M., Sims, C., Li, G. P., and Allbritton, N., "Electroosmotic Properties of Microfluidic Channels Composed of Poly(dimethylsiloxane)", J. Chromatography B, 762, (2001). 4. Berdichevsky, Y., Khandurina, J., Guttman, A., and Lo, Y. H., "UV/ozone Modification of Poly(dimethylsiloxane) Microfluidic Channels", Sensor. Actuat. B, 97, (2004). 5. Hu, S., Ren, X., Bachman, M., Sims, C. E., Li, G. P., and Allbritton, N., "Surface Modification of Poly(dimethylsiloxane) Microfluidic Devices by Ultraviolet Polymer Grafting", Anal. Chem., 74, (2002). 6. McCormick, R. M., "Capillary Zone Electophoretic Separation of Peptides and Proteins Using Low ph Buffers in Modified Silica Capillary", Anal. Chem., 60, (1988). 7. Hayes, M. A., and Ewing, A. G., "Electroosmotic Flow Control and Monitoring With an Applied Radial Voltage for Capillary Zone Electrophoresis", Anal. Chem., 64, (1992). 8. Erickson, D., and Li, D., "Analysis of Alternating Current Electroosmotic Flows in a Rectangular Microchannel", Langmuir, 19, (2003). 9. Chan, C. C. V., Elliott, J. A. W., and Williams, M. C., "Investigation of The Dependence of Inferred Interfacial Tension on Rotation Rate in a Spinning Drop Tensiometer", J. Colloid Inter. Sci., 260, (2003). 10. Yang, C., and Li, D., "Analysis of Electrokinetic Effects on the Liquid Flow in Rectangular Microchannels", Colloids Surf. A, 143, (1998). 11. Polson, N. A., and Hayes, M. A., "Electroosmotic Flow Control of Fluids on a Capillary Electrophoresis Microdevice Using an Applied External Voltage", Anal. Chem., 72, (2000). 12. Sinton, D., Canseco, C. E., Ren, L., and Li, D., "Direct and Indirect Electroosmotic Flow Velocity Measurements in Microchannels", J. Colloid Inter. Sci., 254, (2002). 13. Meinhart, C. D., Wereley, S. T., and Santiago, J. G., "PIV Measurements of a Microchannel Flow", Exp. Fluids, 27, (1999). 14. Lee, H. S., Kim, K. H., Yu, J. K., Noh, S. Y., Choi, J. H., Yoon, S. K., Lee, C.-S., Hwang, T.-S., and Rhee, Y. W., "Potential Changes of the Cross Section for Rectangular Microchannel with Different Aspect Ratios", Korean J. Chem. Eng., 24(1), (2007).

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 29, no. 10, Oct ,,. 0.5 %.., cm mm FR4 (ε r =4.4)

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2018 Oct.; 29(10), 799 804. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2018.29.10.799 ISSN 1226-3133 (Print) ISSN 2288-226X (Online) Method