정전분사를 이용한 PDMS 마이크로렌즈의 제작 및 분석
Fabrication and Analysis of PDMS Microlens Using Electrohydrodynamic Atomization
초록/요약
본 논문은 정전분사를 이용하여 PDMS 마이크로렌즈를 제작 및 분석한다. 정전분사는 정전기력을 이용하여 액적을 분사하는 방법이다. 주재료와 경화제를 10:1의 부피비로 교반한 PDMS 프리폴리머는 PDMS가 코팅된 유리기판 위에 정전분사되어 PDMS 마이크로렌즈로 제작된다. 본 논문에서는 단일 액적의 분사가 가능한 적하모드와 스핀들모드를 이용한다. 정전분사된 PDMS 프리폴리머 액적은 표면장력에 의해서 구면을 형성하며 경화되어 PDMS 마이크로렌즈가 된다. PDMS 마이크로렌즈의 직경은 노즐과 접지판 사이의 인가전압을 조절함으로써 제어된다. 정전분사된 PDMS 프리폴리머 액적은 PDMS와의 낮은 표면에너지 차이로 인하여 작은 접촉각을 형성한다. PDMS 프리폴리머 액적은 기판에 정전분사된 직후에는 반구형의 높은 접촉각을 형성하나, 이후 등방성으로 퍼져서 낮은 접촉각을 형성한다. PDMS 프리폴리머는 온도에 따라 경화시간이 달라지므로 PDMS 마이크로렌즈의 접촉각은 기판의 온도를 조절함으로써 제어할 수 있다. 상온에서 1200V에서 1900V까지의 인가전압으로 정전분사된 마이크로렌즈는 470μm에서 2850μm까지의 직경으로 제작된다. 1900V의 인가전압에서 20°C에서 150°C사이로 유지된 기판 위에 정전분사된 마이크로렌즈는 7.5°에서 44°까지의 접촉각을 가진다. 제작된 PDMS 마이크로렌즈의 광학적 성능은 렌즈를 투과한 가우시안 빔을 측정함으로써 확인하였다. 약간의 구면오차가 존재하나 초점에서 가우시안 빔을 집속하고 초점을 기준으로 최고파워밀도와 유효반경이 대칭임을 확인하였다. 정전분사를 이용한 렌즈 제작 방식은 사진석판 공정을 하지 않으므로 시간과 비용의 효율이 높다. 가열 리플로 공정이 없으므로 유리전환 온도가 낮은 폴리머 기판 위에 렌즈를 제작하는 것이 가능하며 폴리머 기반의 랩온어칩에 활용도가 높을 것이다. 향후 연구 방향은 고분자 기반의 형광 검출용 랩온어칩에 PDMS 마이크로렌즈를 집적하는 것과 마이크로렌즈 어레이를 제작하는 것이다.
more초록/요약
This paper presents the fabrication and analysis of PDMS microlens using electrohydrodynamic atomization. The electrohydrodynamic atomization is the method to jet the droplet by electrostatic field. The PDMS prepolymer mixed with base and curing agent by 10:1 volume ratio is electrohydrodynamically-atomized on the PDMS coated glass wafer and then forms microlens. We use the dripping mode and spindle mode to jet single droplet. The atomized droplet of PDMS prepolymer on the PDMS coated substrate forms spherical shape due to the surface tension and is cured to PDMS microlens. The diameter of PDMS microlens is controlled by changing the applied voltage between the nozzle and ground plate. The contact angle of PDMS prepolymer on the PDMS coated substrate is low because of the minimum difference of surface energy. The contact angle of droplet right after atomization is high and then the PDMS prepolymer spreads isotropically and has low contact angle to substrate. The contact angle of PDMS microlens is controlled by changing the substrate temperature because the curing time of PDMS prepolymer depends on the temperature. The diameter of fabricated PDMS microlens is from 470μm to 2850μm at the various applied voltages from 1900 V to 1200 V. The contact angle of fabricated PDMS microlens is from 7.5° to 44° at the various substrate temperature from 20°C to 150°C. The optical property of the fabricated PDMS microlens is confirmed by measuring the Gaussian beam passing through the PDMS microlens. In spite of having spherical aberration, the fabricated microlens focuses the Gaussian beam. The measured peak power density and effective diameter of Gaussian beam is symmetric for the focal point of microlens. The process of microlens fabrication using electrohydrodynamic atomization has high efficiency of time and cost because the photolithographic process is excluded. It is considered that PDMS microlens can be integrated into the Lab-on-a-chip directly by electrohydrodynamic atomization. The fabrication process without thermal reflow makes it possible to integrate the microlens into the polymer based Lab-on-a-chip which is weak to the thermal treatment. Future works are the fabrication of Lab-on-a-chip integrated with PDMS microlens for fluorescence detection and the fabrication of microlens array using electrohydrodynamic atomization of PDMS prepolymer.
more목차
제 1 장 서 론 1
제 2 장 정전분사 4
제 3 장 정전분사에 의한 제작 공정 11
3.1 재료와 물성 11
3.2 정전분사를 이용한 마이크로렌즈의 제작 방법 13
제 4 장 PDMS 마이크로렌즈의 제작 20
4.1 인가전압의 변화에 따른 마이크로렌즈의 직경 20
4.2 경화 온도 변화에 따른 마이크로렌즈의 접촉각 25
4.3 고속카메라를 이용한 정전분사 과정의 촬영 31
제 5 장 제작된 렌즈의 광학적 성능 40
제 6 장 결과 분석 및 토의 46
제 7 장 결 론 48
참고문헌 50
Abstract 53
Appendix A : Calculation of droplet diameter 55
