[논문 리뷰] Electrically controlled localized charge trapping at amorphous fluoropolymer-electrolyte interfaces

Hao Wu, Ranabir Dey외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 20.

Electrowetting and Microfluidic Technologies참고 문헌 58인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 전기적으로 제어 가능한 국소적 전하 포획을 비정질 플루오로폴리머와 전해질의 인터페이스에서 실현하였으며, 전기적 적응성에 의해 유도된 잠재력 기울기를 이용해 삼상 접선에 따라 안정된 전하를 침착시켰다. 이 방법은 전하 밀도 최대 0.46 mC/m², 선 폭 20–300 µm를 달성하였고, 12시간의 물 노출 또는 3시간의 수증기 처리 후에도 전하가 안정되어 유지되어 마이크로플루이디크스 및 센서 응용 분야에서 신뢰할 수 있는 표면 전하 패턴 형성 가능성을 보였다.

ABSTRACT

Charge trapping is a long-standing problem in electrowetting-on-dielectric (EWOD), causing reliability reduction and restricting its practical applications. Although this phenomenon has been investigated macroscopically, the microscopic investigations are still lacking. In this work, the trapped charges are proven to be localized at three-phase contact line region by using three detecting methods -- local contact angle measurements, electrowetting (EW) probe, and Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM). Moreover, we demonstrate that this EW-induced charge trapping phenomenon can be utilized as a simple and low-cost method to deposit charges on fluoropolymer surfaces. Charge density near the three-phase contact line up to 0.46 mC/m2 and the line width with deposited charges ranging from 20 to 300 micrometer are achieved by the proposed method. Particularly, negative charge densities do not degrade even after harsh testing with a water droplet on top of the sample surfaces for 12 hours, as well as after being treated by water vapor for 3 hours. These findings provide an approach for applications which desire stable and controllable surface charges.

연구 동기 및 목표

• 전기적 적응성- dielectric (EWOD) 시스템에서 전하 포획의 미세구조적 기원을 규명하는 것.
• 비정질 플루오로폴리머-전해질 인터페이스에서 삼상 접선에서 포획된 전하의 공간적 국소화를 규명하는 것.
• 플루오로폴리머 표면에 안정된 표면 전하 패턴을 형성하기 위한 저비용, 전기적으로 제어 가능한 방법을 개발하는 것.
• 장기간의 수분 노출 및 수증기 노출과 같은 극한 환경 조건에서도 전하의 장기적 안정성을 평가하는 것.

제안 방법

• 삼상 접선에서 전하 포획에 의해 유도된 표면 에너지 변화를 감지하기 위해 국소적 접선 각도 측정을 수행하였다.
• 전기적 적응성(EW) 프로브를 사용하여 제어 가능한 전압 기울기를 적용하고 플루오로폴리머 표면으로 전하 주입을 유도하였다.
• 표면 전위를 직접 맵핑하고 국소적 전하 분포를 확인하기 위해 켈빈 프로브 힘 현미경(KPFM)을 활용하였다.
• 고저항성과 화학적 안정성으로 인해 비정질 플루오로폴리머를 유전체층으로 사용하였다.
• 적용 전압과 전해질 조성을 조절하여 전하 밀도와 선 폭을 조절함으로써 전하 침착 공정을 제어하였다.
• 내구성 테스트를 위해 전하가 침착된 샘플을 12시간 동안 액체 수증기 방울에 노출시키고, 3시간 동안 수증기 환경에 노출시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비정질 플루오로폴리머-전해질 인터페이스 내에서 포획된 전하는 정확히 어디에 국소화되어 있는가?
• RQ2 전기적 적응성에 의해 유도된 잠재력은 플루오로폴리머 표면에 제어 가능하고 국소적인 전하 침착을 달성하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ3 장시간의 물 및 수증기 노출 조건에서도 전기적으로 침착된 전하는 얼마나 안정적인가?
• RQ4 침착된 전하 패턴의 최대 전하 밀도와 공간 해상도는 얼마인가?

주요 결과

• 국소적 접선 각도, 전기적 적응성 프로브, 켈빈 프로브 힘 현미경을 포함한 세 가지 독립적인 측정 기술을 통해 전하가 삼상 접선 영역에 특별히 국소화되어 있음을 확인하였다.
• 전기적으로 제어 가능한 침착 방법을 통해 전하 밀도 최대 0.46 mC/m², 선 폭 20–300 µm 범위에서 도달하였다.
• 표면에 직접 물 방울을 12시간 노출시킨 후에도 음성 전하 밀도가 안정되어 유지되었다.
• 수증기 노출 3시간 후에도 침착된 전하가 그 본질을 유지하여 높은 환경 안정성을 보였다.
• 이 방법은 플루오로폴리머 표면에 정밀하고 저비용이며 반복 가능한 안정된 표면 전하 패턴 형성 가능성을 제공한다.