KR101217550B1 - 방사형 전기삼투 유동을 이용한 증발하는 액적 내의 입자분포 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 입자를 포함하고 있는 액적 주위에 형성된 제1 전계형성 전극; 및 기판에 고정되어 있고, 상기 전극과 절연되어 있으며, 액적 중심에 배치되어 있는 제2 전계형성전극을 포함하는 액적 내 입자 분포 제어 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 액적의 테두리 주위의 원형 전극 및 바닥-중앙의 포인트 전극으로 이루어지는 미세전극 시스템을 이용함으로써, 액적의 바닥 표면에서 방사형 전기삼투 유동을 유도하여 완전히 증발 후에 균일한 용질 분포를 생성할 수 있다. 이 때 방사형 전기삼투 유동은 방향과 세기가 변화하며 시간 주기적으로 인가하며 균일화에 사용되는 입자들은 폴리머, 유기물, 무기물, 금속류, 또는 생체분자로 구성된 군으로 선택되며 전하 성질에 따라 중성입자, 양전하 입자, 또는 음전하 입자로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 한다.

Description

방사형 전기삼투 유동을 이용한 증발하는 액적 내의 입자 분포 제어 장치 {Device for controlling particle distribution in an evaporating droplet using radial electroosmotic flow}

도 1은 (a) 단순화된 제작 방법, (b) 중앙 전극 패터닝을 위한 마스크 1, (c) 단락을 막기 위한 실리콘 증착을 위한 마스크 2 및 (d) 원형 전극 패터닝을 위한 마스크 3를 모식적으로 도시한다.

도 2는 (a) 실리콘 웨이퍼에서 제작된 다양한 반경 0.5 mm, 1 mm, 1.5 mm, 및 2 mm에서 완성된 전극 시스템과 (b) 실험을 위해 외부 전원장치와 연결된 사진이다.

도 3은 원통형 좌표계 (r, z)에서 증발하는 액적의 모식도를 보여준다. R, h ₀ 및 θ는 각각 액적 반경, 중앙 높이 및 접촉각이다. J(r, t)는 방사 위치 및 시간의 함수로서 액적 표면 상의 불균일한 증발 속도이며, h(r, t)는 국부적인 액적 높이이다.

도 4는 증발하는 액적의 바닥 표면 근처의 중앙 및 테두리 전극의 모식적인 배치도이다. φ₀ 및 φ_R은 각각 중앙 및 테두리 전극에서의 전위이다.

도 5는

= 0.0 및

= 0.5의 자연 건조 조건에서 증발하는 액적 내의 단면 (a) 유동 필드 및 (b) 유선(stream line)을 보여준다.

도 6은 폴리스티렌 액적의 1 mm 반경 전극 상의 (a)

= 0.0 및 (b)

= 1.0 및 커피 액적의 2 mm 반경 전극 상의

= 1.0일 때, 전기삼투현상이 없는 액적 증발의 실험 결과를 보여준다.

도 7은 외향 방사형 전기삼투 유동이 유도될 때 (α= 0.025),

= 0.0 및

= 0.5에서 액적 내의 (a) 유동 필드 및 (b) 유선을 보여준다.

도 8은 외향 전기삼투 유동의 다양한 강도인 (a) α = 0.025, (b) α= 0.050 및 (c) α= 0.050에서 완전히 증발 후에 액적 얼룩 패턴의 실험 결과를 보여준다. (c)는 2 mm 반경 전극 상의 커피 얼룩의 경우이다.

도 9는 내향 방사형 전기삼투 유동이 있을 때 (α= -0.025),

= 0.0 및

= 0.5에서 액적 내의 (a) 유동 필드 및 (b) 유선을 보여준다.

도 10은 내향 전기삼투 유동의 다양한 강도인 (a) 및 (c) α = -0.025, (b) 및 (d) α= -0.050에서 완전히 증발 후에 액적 얼룩 패턴의 실험 결과를 보여준다. (c) 및 (d)는 2 mm 반경 전극 상의 커피 얼룩의 경우이다.

도 11은 음전하를 띈 카르복실산 라텍스 입자를 포함한 액적의 반경 1 mm 의 전극 위에서의 증발 후 액적 얼룩이다. (a) DC 0.6V + AC 0.8V, (b) DC 1.0V + AC 0.8V, (c) DC 1.4V + AC 0.8V의 내향 전기장을 인가하여준 경우이다. 각각 DC만 인가해 준 경우와 DC + AC를 동시에 인가해준 경우의 결과이다.

본 발명은 방사형 전기삼투 유동을 이용한 증발하는 액적 내의 입자 분포 제어 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 입자를 포함하고 있는 액적 주위에 형성된 제1 전계형성 전극; 및 기판에 고정되어 있고, 상기 전극과 절연되어 있으며, 액적 중심에 배치되어 있는 제2 전계형성전극을 포함하는 액적 내 입자 분포 제어 장치에 관한 것이다.

고체 기판 상의 증발하는 액적의 역학은 열 전달 적용과 같은 과학 분야에서 강조되어 왔으며, 예를 들면 커피 액적을 증발시킨 후에 고리 유사 얼룩과 같이 매일 생활에서 흔히 관찰된다. 최근에, 간단한 현상이 특히 대기에 개방된 환경의 경우에 지난 몇 십년 동안 생물학 및 분석 화학 분야에서 필수적인 기작이 되었다. 단백질칩 및 게놈 DNA 마이크로어레이의 정확한 분석 또는 MALDI-TOFMS를 이용한 DNA 및 단백질의 성공적인 분석을 위한 매우 중요한 단계로서 증발 과정이 입증되어 왔다. 그러나, 액적의 완전한 증발 후에 예기치않은 고리 패턴의 얼룩 형성이 효율적인 분석을 위한 주요한 장애가 되었다. 용질의 상기 국부화(localization)는 풍부한 신호를 수득하는 시료 스팟을 탐색하기 위해 필요한 시간을 요구할 수 있다. 상기 탐색은 분석의 자동화 개념을 감소시키는 노동 집약적이며, 시간이 소요되는 작업이다. 그리하여, 완전한 증발 후의 액적 내의 용질 분포를 균일하게 하는 방법을 고안하는 것이 바람직하다.

액적 얼룩 현상의 이화학적 기작은 아직 완전히 개발되지 않았으나, 친수성 표면 및 액적의 가장자리로부터 불균일한 증발로 인한 접촉선 고정(pinning)은 용질의 외향 이동에 기여할 수 있다. 액적이 기판 상에 고정되고, 액체가 액적의 가장자리로부터 먼저 제거될 때, 내부로부터 외향 유동은 물질 손실을 보충해야 한다. 가장자리로부터 증발에 대한 설명은 가장자리에서 증발하는 분자의 빠져나가는 확률이 액적의 기하학적 곡면으로 인해 중앙에서보다 더 높다는 것이다. 공간의 얼룩 균일성을 개선하는 하나의 방식은 베어 메탈(bare metal) 이외의 또 다른 기판 또는 화학적 표면 처리를 이용하는 시스템을 개발하는 것이다. 폴리-테트라플루오로에틸렌 및 폴리머/Nafion 기판의 이용은 비교적 균일한 용질 분포를 생성한다고 보고되었다(Kim, Y.; Hurst, G. B.; Doktycz, M. J.; Buchanan, M. V. Anal. Chem. 2002, 73, 2817-2824). 또 다른 가능성은 액적 내의 외향 방사형 유동의 제어이다. 교반 및 스핀 코팅 시료 제조 방법이 상기 제어를 달성하는 것으로 보고되었다(Westman, A.; Demirev, P.; Huth-Fehre, T.; Bielawski, J.; Sundqvist, B. U. R. Int . J. Mass. Spectrum. Ion Proc . 1994, 130, 107-115 및 Perera, I. K.; Perkins, J.; Kantartzoglou, S. Rapid Commun . Mass Spectrum. 1995, 9, 180-187). 그러나, 표면 처리 및 시료 제조 기술은 실험 과정 동안 제어할 수 없는 증착 패턴을 야기하는 단점을 가진다. 따라서, 소수성 및 친수성 표면에 상관없이 균일한 표면을 유지하고, 스팟팅 및 코팅 등에서 흔히 생길 수 있는 불균일한 현상을 해소하며, 금속으로 코팅된 표면 등에 유의한 코팅 방법의 필요성이 요구되고 있다.

본 발명의 발명자들은 상기와 같은 종래 기술을 바탕으로 액적 내의 액체 유 동을 제어하는 효과적인 수단으로서 방사형 전기삼투 유동의 유용성을 연구하였다. 본 발명가는 원의 중앙에 포인트 전극을 갖는 원형 전극 시스템을 고안하였다. 중앙 포인트 전극 및 액적 테두리를 따라 위치한 원형 전극 사이에 생성된 전기장은 액적의 바닥 근처에서 방사형 전기삼투 유동을 야기한다. 인가된 전압의 극성 및 강도를 변화시킴으로써, 방사형 전기삼투 유동의 방사형 방향 (내향 및 외향) 및 양을 제어할 수 있으므로, 요구하는 대로 액적 내의 입자 분포를 변형할 수 있다. 또한 시간 주기적인 전기장을 가하여 보다 균일한 입자 분포와 액적의 건조 시간을 단축시킴으로써 입자의 분석에 용이하도록 하였다. 상기 장치를 이용하여, 기판 상의 균일한 증착이 가능하며, 입자가 인가된 전압에 따라 액적의 중앙으로도 집합될 수 있다.

따라서, 본 발명의 주된 목적은 입자를 포함하고 있는 액적 주위에 형성된 제1 전계형성 전극; 및

기판에 고정되어 있고, 상기 전극과 절연되어 있으며, 액적 중심에 배치되어 있는 제2 전계형성전극;

을 포함하는 액적 내 입자 분포 제어 장치에 관한 것이다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

입자를 포함하고 있는 액적 주위에 형성된 제1 전계형성 전극; 및

기판에 고정되어 있고, 상기 전극과 절연되어 있으며, 액적 중심에 배치되어 있는 제2 전계형성전극;

을 포함하는 액적 내 입자 분포 제어 장치를 제공한다.

도 2는 본 발명의 미세 액적 제어 장치의 개략적인 모식도이다. 본 발명의 미세 액적 제어 장치는 액적을 제어할 수 있으며, 바람직하게는 미세 액적을 제어한다. 도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 미세 액적 제어 장치는 액적의 테두리에 위치한 원형 전극(제1 전계형성 전극) 및 액적의 중앙에 위치한 포인트 전극(제2 전계형성 전극)으로 이루어진다. 상기 제1 전계형성 전극의 형상은 원형, 타원형, 삼각형, 사각형 등의 다각형이 가능하나, 특별히 이에 제한되지 않는다. 포인트 전극 및 원형 전극 사이에 생성된 전기장은 액적의 바닥 근처에서 방사형 전기삼투 유동을 야기한다. 인가된 전압의 극성 및 강도를 변화시킴으로써, 방사형 전기삼투 유동의 방사형 방향 (내향 및 외향) 및 양을 제어할 수 있으므로, 요구하는 대로 액적 내의 입자 분포를 변형할 수 있다.

포인트 전극은 기판에 고정되어 있으며, 원형 전극과는 절연층에 의해 절연되어 있다. 상기 포인트 전극 및 원형 전극은 리드선에 의해 접지판에 연결되어 있으며, 접지판에 전압인가장치를 연결하여 양 전극에 전기장을 공급한다. 중앙 포인트 전극 및 액적 테두리를 따라 위치한 원형 전극 사이에 생성된 전기장은 액적의 바닥 근처에서 방사형 전기삼투 유동을 야기한다.

본 발명의 장치에서, 상기 전압인가장치는 교류전압 및 직류전압을 동시에 인가할 수 있다. 상기 전압인가장치가 교류전압 또는 직류전압을 단독으로 인가하여 균일한 액적 분포를 유도할 수도 있지만, 바람직하게는 교류전압 및 직류전압을 동시에 인가하면 더욱 균일한 액적 분포를 유도할 수 있다. 직류 전압을 단독으로 사용하면 생체 분자의 경우 손상이 가해 질 수 있으며 미세 전극 패턴도 손상을 입을 수 있다. 이에 교류 전압과 같이 사용하게 되는데 1kHz 이상의 높은 주파수의 교류 전기장은 액적 내부의 입자의 움직임을 안정화시켜 액적 테두리로의 이동을 최소화 할 수 있어 균일한 흔적을 얻을 수 있는 것이다. 또한 100Hz 근처의 낮은 주파수의 교류 전기장을 사용하면 액적 내부의 유동을 원활하게 함으로써 증발하고자 하는 용제와 외부 환경과의 횟수를 높임으로써 액적 증발 시간을 줄일 수 있다.

본 발명의 장치에서, 상기 입자는 성질에 따라 액적 중심 방향 또는 액적 주위 방향으로 방사형 전기 삼투 유동이 형성될 수 있다. 전압인가장치의 전기장 방향에 따라 액적 내의 입자는 액적 중심 방향 또는 액적 주위 방향으로 방사형 전기 삼투 유동이 형성될 수 있다. 예를 들면, 입자의 표면이 음전하이고, 포인트 전극이 음전위이고, 원형 전극이 양전위인 경우에 액적 내의 입자는 액적 주위 방향으로 이동하게 된다. 즉, 포인트 전극 및 원형 전극의 전위 및 입자의 성질에 따라 원하는 대로 입자를 유동시킬 수 있는 것이다.

본 발명의 장치에서, 상기 입자는 10nm ～ 5㎛ 인 것이 바람직하다. 입자의 크기가 상기 범위를 벗어나면 원하는 방사형 전기 삼투 유동을 따라 입자의 이동을 유발하기 어렵기 때문이다.

본 발명의 장치에서, 상기 입자는 폴리머, 유기물, 무기물, 금속류, 생체분자 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

본 발명의 장치에서, 상기 입자는 중성입자, 양전하 입자, 음전하 입자일 수 있다. 전술한 바와 같이, 유동시키고자 하는 입자의 성질에 따라 액적 중심 방향 또는 액적 주위 방향으로 입자를 유동시키는 것이 가능하다.

본 발명의 장치에서, 상기 제1 및 제2 전계형성 전극간의 전위차가 1mV~5V 인 것이 바람직하다. 전위차가 1mV 미만이면 입자가 인가된 전압에 의해 거의 유동하지 않을 것이며, 전위차가 5V를 초과하면 입자의 균일한 분포를 수득하기 어려울 것이다.

본 발명의 장치에서, 상기 전계형성 전극에는 1Hz～10kHz의 교류전압이 인가될 수 있다. 주파수가 1Hz 미만이면 입자가 인가된 전압에 의해 거의 유동하지 않을 것이며, 주파수가 10kHz를 초과하면 입자의 균일한 분포를 수득하기 어려울 것이다.

본 발명의 장치에서, 상기 전계형성 전극에는 sine 파형, square 파형, pulse 파형 또는 triangular 파형의 교류전압이 인가될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

본 발명의 장치에서, 상기 전계형성 전극은 도전성 금속, 도전성 폴리머, ITO 유리 등일 수 있다. 도전성 금속으로는 Au, Cr, Pt, Pd, 또는 Ni 등을 이용할 수 있으며, 도전성 폴리머로는 아크릴로니트릴, 부타디엔, 스티렌, 폴리염화비닐, 폴리카보네이트, 폴리페닐렌 수지, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 나일론, 열가소성 폴리에스테르, 폴리스티렌, 기타 도전성 폴리머 등을 이용할 수 있다.

본 발명의 장치에서, 상기 기판은 실리콘, 유리, 또는 폴리머 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.

실시예 1: 전극의 제조

본 발명은 원형 전극 시스템을 제조하기 위해 4인치 실리콘 웨이퍼를 이용하였다. 실리콘 웨이퍼의 미세 제작 전에, 웨이퍼를 세정하여 오염물질을 제거하였다. 도 1은 이용된 마스크와 함께, 단순화된 제작 과정의 모식도를 보여준다. 먼저, 실리콘 웨이퍼의 표면을 산화시켜 단락을 방지하였다. 포지티브 필름의 박층을 이어서 중앙 Cr/Au 전극의 스퍼터링(sputtering)을 위해 도 1(b)에 보여준 바와 같이 마스크로서 이용하였다. 패터닝된 Cr/Au을 1 ㎛ 높이의 전극을 형성하기 위해 스퍼터링하였다. 중앙 전극은 원형 전극 아래에 묻힐 수 있도록 디자인하였다. 그리하여, 실리콘 절연층을 증착하여 도 1(c)에 보여준 네거티브 필름 마스크를 이용하여 단락을 방지하였다. 최종적으로, 원형의 패터닝된 Cr/Au 전극 및 이의 포드(pod)를 도 1(d)에 보여준 포지티브 마스크를 이용하여 1 ㎛ 높이로 재증착하였다. 단일 실리콘 웨이퍼에서 다양한 반경, 1 mm, 2 mm, 및 5 mm의 원형 전극을 제조하였다. 도 2는 완성된 전극 시스템을 보여준다.

실시예 2: 시료 액체를 포함하는 시스템 셋업

0.01 M NaCl 용액 중의 계면활성제가 없는 50 nm의 폴리스티렌 미세구의 콜로이드 현탁액을 증착 패턴 트레이서(A Johnson Matthey Company)로서 이용하였다. 전해질로서 NaCl 용액은 전기삼투 유동을 유도하기 위해 액적을 형성하였으며, 전기 이중층 두께는 상기 농도에서 10 nm 미만이었다. 폴리스티렌 입자가 약간 음전하를 갖지만, 우리는 이를 중성전하의 입자로 간주하였다. 폴리스티렌 입자의 전기영동 이동은 극히 적어서 전기영동 효과를 무시하였다. 전해질 용액이 없는, 즉 탈이온수 실험을 수행하여 폴리스티렌 입자 자체의 전기영동 운동을 시험하였다. 탈이온수에서, 생성된 증착 패턴은 내향-방사형 및 외향-방사형 전기장 조건에서조차 자연 증발하는 경우와 동일하였다. 자연 대류로 인한 유속은 약 40 ㎛/초이었다. 외부의 인가된 전압이 상기 시스템에서 1.5 V의 최대값을 가지기 때문에, 약간 음전하의 폴리스티렌 입자의 전기영동 이동성은 1 ㎛/sec 미만이었다. 그러므로, 우리는 폴리스티렌 입자를 중성 전하 입자로 간주하였다. 중력 및 온도 구배가 고리 얼룩의 형성에 중요한 역할을 하지 않았지만, 우리는 실온에서 실험 동안 기판을 수평으로 유지하였다. 피크리트수(Peclet number)가 100보다 훨씬 크기 때문에 용질의 확산은 무시될 수 있다 (Pe = UL/D = 40 ㎛/sec × 1 mm/10^-12 m²/sec = 4 × 10⁴). DC 전기장이 이용되었기 때문에 유전영동 효과가 또한 무시되었다. 원형 전극의 성능은 30초마다 디지탈 카메라(Optio4, PENTAX)를 이용하여 포획하였다. 마이크로피펫을 이용하여 액적의 모양이 구형 캡인 가정하에 60도의 초기 접촉각을 의미하는 1 mm 반경의 원형 전극에 1 ㎕의 액적을 떨어뜨렸다. 상기 조건 하에, 떨어뜨린 액적은 20분 내에 완전히 증발하였다. 방사형 전기삼투 유동 필드의 효과를 조사하기 위해 전압의 다양한 강도 및 극성에서 실험을 수행하였다.

실시예 3: 이론적인 모델링

스케일 언급

액적 모양은 액적 상의 표면 장력 및 중력의 비인 결합수인 Bo = ρgRh ₀/σ 및 모세관 힘에 대한 점성의 비인 모세관 수인 Ca = μu/σ에 의해 제어된다. 여기에서, ρ는 유체 밀도, μ는 유체 점도, σ는 공기-물 경계면에서 경계면 장력, g는 중력가속도 상수, R은 접촉선 반경, h₀는 액적의 초기 높이, 및 u는 액적 증발에 의해 유도된 평균 방사 속도를 나타낸다. 본 발명의 액적 시스템의 접촉선 반경은 약 1.0 mm이며, 액적 내부의 유속은 40 ㎛/초 미만이다. 따라서, 결합수는 대략 0.07이며, 모세관 수는 약 10^{- 8} 이므로, 액적 모양은 구형 캡으로 간주될 수 있다. 액적 내의 유동 필드는 스톡스 방정식인 0 = -∇p + μ∇²u 및 연속 방정식인 ∇?u = 0에 의해 결정된다. 유동 경계 조건은 자연 증발 경우에 비미끄럼 조건이며, 방사형 전기삼투 유동이 유도될 경우에 Smoluchowski 미끄럼 조건이다.

증발 액적에서 2D 유동 필드의 분석 해

고체 기판 상에 위치한 물의 작은 구형 캡 모양의 액적을 고려하였다 (도 3 참고). 우리는 액적의 기저 원의 중앙에 이의 원점을 갖는 (r, ρ, z) 원통형 좌표계를 도입하였다. 축방향 대칭으로 인해, ρ-방향의 변수의 변화는 없는데, 즉 δ/δρ= 0 이다. 이어서, 연속 및 스톡스 방정식을 하기와 같이 원통형 좌표계에서 기재한다:

상기 식에서, u_r 및 u_z는 각각 r 및 z 방향의 속도 성분을 나타낸다.

구형 액적의 국부적인 높이 h(r, t)는 하기와 같이 접촉각 θ 및 접촉반경 R로부터 결정된다:

Deegan 등 (Deegan, R. D.; Bakajin, O.; Dupont, T. F.; Huber, G.; Nagel, S. R.; Witten, T. A. Science 1997, 389, 827-829) 및 Larson 등 (Hu, H.; Larson, R. G. J. Phys. Chem . B 2002, 106, 1334-1344)에 의해 수행된 이전 연구에서, 액적 내의 2차원 속도 필드는 하기와 같다:

상기 식에서, 무차원 변수는 하기와 같이 정의되며:

λ(θ)는 증발의 불균일성을 반영하는 실험 변수이며, 0.5-θ/π에 의해 결정되며, t_f는 총 건조 시간이다.

증발로 인한 액적 내의 자연 유동은 액체/기판 경계면에서 비미끄럼 유동 조건을 만족한다. 그러나, 미끄럼 유동 조건은 전기삼투 유동이 액적 내에 유도되는 한 적용가능하다. 전기삼투 미끄럼 조건은 박막 전기 이중층의 경우에 유효하다. 전기 이중층의 두께는 다양한 인자에 의해 결정되며, 가장 중요한 인자는 벌크 전해질의 농도이다 (더 높은 전해질 농도는 더 얇은 전기 이중층을 제공한다). 우리는 미끄럼 속도 근사값을 이용하기에 충분한 매우 농축된 전해질을 이용하였다. 전기삼투현상으로 인한 미끄럼-속도 경계 조건을 적용하기 위해, 기판 표면의 근처에서 전기장 분포를 측정해야 한다. 도 4는 증발하는 액적의 바닥 표면 근처의 중앙 및 테투리 전극의 모식적인 배치를 보여준다. φ₀ 및 φ_R은 각각 중앙 및 테두리 전극에서 전위이다. 전해질 농도가 액적 내에 균일하다면, 전기장은 단지 현재 보존 조건인 ∇?E = 0를 만족시키며, 전위는 극 좌표에서 라플라스 방정식을 따르며, 로그 함수 형태를 가진다. 전기장은 전위의 네거티브 구배와 동일하기 때문에, 즉, E = -∇φ이므로, 우리는 불균일한 전기장 분포가 z-방향의 유도가 무시될 수 있는 가정하에 1/r 에 비례한다는 것을 대략 나타낼 수 있다.

상기 특성을 이용하여, 우리는 먼저 방사속도

를 고려하였다. 우리는 하기와 같이 기판 표면상에 전기삼투 미끄럼 속도를 갖는

를 수득하기 위해, 식(5)에 상수 배수 1/r 을 삽입하였다:

상기 식에서, α는 하기 식으로부터 결정된 전기삼투 속도의 강도 변수이다:

상기 식에서, u _e ^avg 는 액적의 중앙에서 테두리까지의 1/r 을 적분함으로써 수득될 수 있는 방사형 평균 전기삼투 속도이다. 기판 상에서, 방사 속도는 전기장에 정확하게 비례하며, 이의 강도는 표면 제타 포텐셜 및 외부 전기장 강도에 의해 제어된다. 축방향 속도인

는 연속 방정식(1)을 이용하여 수득되며, 식(6)과 동일한 식을 가진다. 또한, 식(7)에서 용어 1/r 은 연속 방정식 (1) 및 스톡스 방정식 (2), (3)을 만족시키는데, 이는 r 에 대한 r × α/r 의 미분이 0이 되기 때문이다. 최종적으로, 우리는 각각 식 (7) 및 (6)에 의해 제공되는 완전한 2차원 방사형 및 축방향 전기삼투 속도 필드를 이용할 수 있다. 상기 유동장 해석은 입자의 전하가 중성인 경우에만 해당하는 것으로 양전하, 음전하의 경우 입자의 거동을 포함하는 전기 영동 효과를 고려하고 재해석하여야 한다.

실시예 4: 자연 증발

자연 건조 상태의 액적 내의 단면 유동 필드 및 유선(stream line)은 식 (7) 및 (6)에 의해 이론적으로 계산되었으며, 도 5에 보여준다. 도 5는 중앙 근처의 유동이 우세하게 수직 성분을 가지며, 테투리 근처의 유동의 양이 가장자리의 최대 증발 속도로 인해 가장 많다는 것을 보여준다. 또한, 외향 방사형 유동의 양은 증발 시간에 따라 가속화된다. 따라서, 액체/기체 경계면으로부터 출발하는 폴리스티렌 입자는 내려가서, 액적의 테두리 쪽으로 이동한다. 도 6은 전기삼투 유동이 없는, 즉, 식 (7)에서 α가 제로인 증발하는 액적 얼룩의 실험 결과를 보여준다. 초기에 떨어뜨린 액적은 도 6(a)에 보여주며, 도 6(b)에 보여준 바와 같이 완전히 증발한 후에 고리 유사 얼룩이 명백하게 관찰되었다. 2 mm 반경 전극 상의 커피 얼룩을 또한 도 6(c)에 보여준다. 수많은 미지의 물질이 커피 입자에 포함되지만, 테두리 주위의 고리 모양 증착 패턴을 관찰할 수 있었다.

실시예 5: 방사형 전기삼투 유동의 효과

외향 방사형 전기삼투 유동이 외향 자연 유동을 도울 때 액적 내의 유동 필드 및 유선을 도 7에 보여준다. 전기삼투 유동의 강도 변수인 α는 0.025 (|E| = 600 V/m)이다. 전기삼투 유동이 액적의 가장자리보다 중앙에서 더 강하므로, 중앙에서의 총 유동 필드 (자연 유동 및 전기삼투 유동의 합)는 액적의 가장자리에 대해 수평 속도 성분을 가지며, 용질을 가장자리로 수송하는 것을 돕는다. 따라서, 자연 증발 경우보다 더 두꺼운 증착이 도 8에 보여준 다양한 외향 전기삼투 유동에 대해 실험적으로 관찰되었다. α의 값은 (a) 0.025 (|E| = 600 V/m), (b) 및 (c) 0.050 (|E| = 1200 V/m)이다. 도 8(c)는 2 mm 반경 전극 상의 커피 얼룩의 경우이다. 상기 경우에, 더 조밀한 증착이 자연 증발 조건보다 더 강한 외향 전기삼투 유동 조건에서 관찰되었다.

외향 유동과 대조적으로, 도 9는 α = -0.025 (|E| = 600 V/m)을 갖는 내향 방사형 전기삼투 유동이 있을 때, 유동 필드 및 유선을 보여준다. 상기 유선은 도 9(b)에 보여준 바와 같이 중앙 근처의 더 강한 내향 전기삼투 유동으로 인해

= 0.4 주위에서 분리된다. 시간이 흐름에 따라, 별개의 위치가 도 9(b)의 두번째 도면에 보여준 바와 같이 액적의 중앙에 가깝게 되며, 실험 결과에서 분리된 용질 증착 패턴을 야기한다. 상기 내향의 경우에, 중요한 특징이 전기삼투 유동의 강도에 따라 관찰되었다. 가장자리 주위의 고리 모양의 용질 증착은 약한 내향 전기삼투 유동에서 자연 건조의 경우와 매우 유사하였다. 그러나, 상기 용질은 내향 전기장이 증가할 때 액적의 중앙으로 모였다. 상기 작업에 의해, 우리는 용이하게 균일한 용질 증착을 제공하는 특정 강도의 전기장이 존재함을 알 수 있었다. 도 10은 다양한 전기삼투 유동 강도에서 실험적인 입자 증착 패턴을 보여준다. α가 -0.025 (|E| = 600 V/m)일 때, 도 10(a) 및 도 10(c)에 보여준 균일한 증착 패턴을 수득하였다. 상기 용질은 오히려 도 10(b) 및 도 10(d)(α = -0.050 및 |E| = 1200 V/m)에 보여준 전압 강도에 대해 가장자리보다 중앙에 집중되었다. 도 10(c) 및 도 10(d)는 2 mm 반경 전극 상의 커피의 입자 증착 패턴이다. 도 10(b) 및 도 10(d)는 강한 내향 전기삼투현상으로부터 초래되는 분리된 증착 패턴을 보여준다. 방사형 유동이 도 9에서 예상된

= 0.4 주위에서 분리되므로, 상기 용질은 액적의 중앙뿐만 아니라 테두리에서 증착된다.

실시예 6: 시간 주기적 전기장과 음전하를 띈 입자의 효과

도 11은 무계면활성제 황색 카르복실산 라텍스 입자 (0.31㎛, Molecular Probe Invitrogen)의 건조 경향을 보여준다. 반지름이 1 mm인 전극에서 peak to peak 크기가 각각 0.8인 교류 전기장을 각각 0.6, 0.8 및 1.4V의 직류 전기장에 더하여 내향형 전기 삼투흐름을 인가하였다. 도 11에서 보듯이 (a)의 경우 액적 주변에 입자가 분포하며, (b)의 경우 균일한 분포를 얻었으며, (c)의 경우 액적 중앙과 주변에 동시에 분포하는 동일한 결과를 도출하였다. 각각의 경우 α는 0.025, 0.033 및 0.058이 된다. 이러한 조건에서 균일한 분포는 α= 0.033에서 얻어진다. 전하를 띄지 않은 입자의 경우는 α= 0.025에서 균일한 분포가 얻어졌으나, 음전하 등의 전하를 띈 입자는 입자가 전기장에 따라 이동하기 때문에 α가 달라지게 된다. 하지만 크게 변화하지 않으며 실험 조건의 5V/mm 이하의 전기장을 초과하지 않는다. 실제로의 응용에 있어서는 분석하고자 하는 입자의 성질에 따라 외부 전기장의 세기를 변화시켜 줌으로써 입자 분포를 제어할 수 있는 개념이, 표면 처리 등에 의한 일률적인 방법에 비해 우세하다. 방대한 양의 입자에 관하여 적절한 외부 전압 값을 실험을 통해 미리 확인한다면 실제 분석 장치 응용에 매우 용이할 것이다. 100Hz의 교류 전기장을 인가하여 주어 기록되었듯이 액적의 건조 시간이 2~7 분 가량 단축되어 실제 분석 장치에 응용되는 경우 입자 분포를 얻기까지의 시간을 절약하는 효과를 보인다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 액적의 테두리 주위의 원형 전극 및 바닥-중앙의 포인트 전극으로 이루어지는 미세전극 시스템을 이용함으로써, 액적의 바닥 표면에서 방사형 전기삼투 유동을 유도하여 완전히 증발 후에 균일한 용질 분포를 생성할 수 있다.

Claims (12)

1. 입자를 포함하고 있는 액적 주위에 형성된 제1 전계형성 전극;

   기판에 고정되어 있고, 상기 전극과 절연되어 있으며, 액적 중심에 배치되어 있는 제2 전계형성전극; 및

   전압인가장치를 포함하는 액적 내 입자 분포 제어 장치로서, 상기 전압인가장치는 교류전압 및 직류전압을 동시에 인가하는 것이고, 제1 및 제2 전계형성 전극간의 전위차가 1mV~5V 인 것이고, 상기 전계형성 전극에는 1Hz～10kHz의 교류전압이 인가되는 것인 액적 내 입자 분포 제어 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 입자는 성질에 따라 액적 중심 방향 또는 액적 주위 방향으로 방사형 전기 삼투 유동이 형성되는 것을 특징으로 하는 액적 내 입자 분포 제어 장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 입자는 10nm ～ 5㎛ 인 것을 특징으로 하는 액적 내 입자 분포 제어 장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 입자는 폴리머, 유기물, 무기물, 금속류, 또는 생체분자로 구성된 군으로 부터 선택되는 것을 특징으로 하는 액적 내 입자 분포 제어 장치.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 입자는 중성입자, 양전하 입자, 또는 음전하 입자로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 액적 내 입자 분포 제어 장치.
8. 삭제
9. 삭제
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 전계형성 전극에는 sine 파형, square 파형, pulse 파형 또는 triangular 파형으로 구성된 군으로부터 선택되는 교류전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 액적 내 입자 분포 제어 장치.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 전계형성 전극은 도전성 금속, 도전성 폴리머, 또는 ITO 유리로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 액적 내 입자 분포 제어 장치.
12. 제 1 항에 있어서,

    상기 기판은 실리콘, 유리, 또는 폴리머로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 액적 내 입자 분포 제어 장치.

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