[논문 리뷰] Manipulation of Spherical Droplets on a Liquid Platform Using Thermal Gradients

Ehsan Yakhshi-Tafti, Hyoung J. Cho외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 10. 15.

Electrowetting and Microfluidic Technologies참고 문헌 12인용 수 30

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 기판에 내장된 투명티타늄 마이크로히터를 사용하여 액체 플랫폼 위에서 구형 방울을 열기울기 기반으로 조작하는 방법을 제안한다. 공간적·시간적 열지도를 생성함으로써, 고체 기판에서 흔히 발생하는 고착 및 증발 등의 문제를 피하면서도, 최소한의 열부하로 정의된 경로를 따라 빠르고 신뢰성 있게 방울을 이동시켰다. 이는 랩온칩 응용 분야에서 높은 속도, 제어 가능성, 뛰어난 성능을 갖춘 견고한 운동을 실현하였다.

ABSTRACT

In the recent years, there has been a growing interest in droplet-based (digital) microfluidics for which, reliable means of droplet manipulation are required. In this study we demonstrate thermal actuation of droplets on liquid platforms, which is ideal for biochemical microsystems and lab-on-chip applications because droplets can be transported with high speed, good control and minimal thermal loading as compared to using conventional solid substrates. In addition, other disadvantages of using solid surfaces such as evaporation, contamination, pinning, hysteresis and irreversibility of droplet motion are avoided. Based on the theoretical development and measurements, a silicon-based droplet transportation platform was developed with embedded Titanium micro heaters. A shallow liquid pool of inert liquid (FC-43) served as the carrier liquid. Heaters were interfaced with control electronics and driven through a computer graphical user interface. By creating appropriate spatio-temporal thermal gradient maps, transport of droplets on predetermined pathways was successfully demonstrated with high level of robustness, speed and reliability. The video shows normal imaging of droplet manipulation accompanied by the corresponding infrared thermal imaging showing the spatio-temporal temperature maps and the outline of the drop as it moves towards hot spots.

연구 동기 및 목표

• 고체 기판의 한계를 극복하는 드롭렛 조작 플랫폼을 개발하기 위해.
• 고체 표면 시스템에서 흔히 발생하는 드롭렛 고착, 증발, 오염을 최소화하고 열부하를 줄이기 위해.
• 액체 매체 위에서 열기울기를 이용해 고속, 제어 가능하고 가역적인 드롭렛 이동을 가능하게 하기 위해.
• 실시간 열제어를 통해 사용자가 정의한 경로를 따라 견고하고 프로그래머블한 드롭렛 운동을 구현하기 위해.
• 드롭렛 동역학을 동시에 가시광선 및 적외선 열영상으로 관측함으로써 플랫폼 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• 정밀한 열작동을 위한 타이타늄 마이크로히터가 통합된 실리콘 기반 플랫폼을 제작하였다.
• 낮은 깊이의 관성 있는 FC-43 액체 풀이 매체로 기능하여, 드롭렛이 고체 기판에 접촉하지 않도록 하였다.
• 컴퓨터 인터페이스를 통해 그래픽 사용자 인터페이스를 이용해 히터 어레이 제어를 통해 열기울기를 생성하였다.
• 공간적·시간적 열지도를 동적으로 조정하여 드롭렛 운동을 핫스팟 쪽으로 유도하였다.
• 드롭렛 운동을 가시광선 및 적외선 열영상의 동기화를 통해 모니터링하여 온도 분포와 드롭렛 궤적 간의 상관관계를 분석하였다.
• 사용자가 정의한 경로를 따라 높은 반복성으로 드롭렛 운동을 닫힌 루프 제어로 실현하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 액체 플랫폼 상의 열기울기가 고체 기판에 기인한 잡음 없이 신뢰성 있고 고속의 드롭렛 이동을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 고체-액체 접촉이 없는 것이 마이크로유체 시스템에서 드롭렛 고착, 증발, 오염에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 열작동을 통해 액체 매체 위에서 얼마나 정밀하고 프로그래머블하며 가역적인 드롭렛 운동을 달성할 수 있는가?
• RQ4 공간적·시간적 열기울기 패tern과 드롭렛 궤적 제어 간의 관계는 어떠한가?
• RQ5 랩온칩 응용 분야에서 플랫폼의 견고성, 속도, 열효율성 측면에서 시스템 성능은 어떠한가?

주요 결과

• 동적으로 제어된 열기울기를 이용해 정의된 경로를 따라 드롭렛을 높은 신뢰성과 반복성으로 성공적으로 이동시켰다.
• 액체 플랫폼의 열버퍼 효과로 인해 심각한 열부하 없이 고속 드롭렛 운동을 달성하였다.
• 드롭렛이 고체 표면에 접촉하지 않아 고착, 증발, 오염이 효과적으로 제거되었으며, 액체 매체 위에서 부유 상태를 유지하였다.
• 적외선 열영상으로 드롭렛 이동이 핫스팟 위치와 정확히 일치하는 것으로 확인되어 실시간 제어의 타당성이 입증되었다.
• 다수의 시험에서 플랫폼이 견고한 성능을 보이며 디지털 마이크로유체 및 랩온칩 시스템에의 통합 가능성을 보였다.
• 액체 플랫폼의 사용으로 고체 표면에서 흔히 발생하는 히스테리시스 및 비가역성 문제의 심각도가 크게 감소하였다.