液滴操作のための超撥液面の開発
陳 昱中, 森本 賢一, 鈴木 雄二
概要
本研究では，マイクロ流体デバイスにおける液滴操作技術の高性能化・高機能化を実現する観点から，エレクトレット上の液体誘電泳動（Liquid dielectrophoresis on electret: L-DEPOE）を用いた液滴操作に関する研究を進めている．液滴の基板上での輸送，分離，合体などの操作には，エレクトロウェッティング，液体誘電泳動が多く用いられるが，駆動に必要な電圧が比較的高いという課題がある．L-DEPOEでは，エレクトレットの持つ1 kV程度の表面電位を電圧源として用いるため，原理的に低電圧による駆動が可能であり，集積回路を用いたデジタルマイクロ流体デバイスに適する駆動技術として期待される．下図に示すように，絶縁体に電荷を注入させてエレクトレットと，2枚の電極の間に誘電液体を挟み，外部コンデンサをスイッチ切替で左右の電極どちらかに接続させる．これによって，静電ポテンシャルが非対称となり，誘電液体に静電力が作用し，外部駆動源を必要とせずに液滴を左右に駆動することが可能である．現在までに，L-DEPOEの回路網モデルを構築し，その動作原理を明らかにするとともに，MEMS技術により試作したプロタイプデバイスにおいて， 手動スイッチ，あるいは直流電圧を駆動源としたリレーを用いてナノリットルオーダーの誘電液体を可逆的に輸送できることを実証した．また，液体中でのエレクトレットの表面電圧の安定性に対する検討を行い，異なるポリマー材料，コーティング方法に対して表面電圧の変化を評価した．さらに，L-DEPOEデバイスにおける液滴運動の軌跡について数値シミュレーションとの比較を行い，ナノリットルオーダーの液滴輸送において，接触角ヒステ リシスが抵抗力において支配的であることを明らかにした．
L-DEPOEを用いた低電圧液滴操作 (Wu et al., 2010)
L-DEPOEは外部電源を必要としない液滴駆動方法ではあるが，エレクトロウェッティングに比べて液滴速度が遅いことが欠点である．そこで，本研究では，水および油を含む種々の液体に対して接触角が150°以上となる超撥液面（Superlyophobic surfaces: SLS）を用いて，液滴速度向上を目指している．これまで，MEMS技術を用いてSiピラー構造を持つSLSを製作し，濡れ性および流体力学的な特性を系統的に評価した．さまざまな液体に対して，Cassie–Baxter (C-B) 状態を安定化させるための4つの設計基準を提案した．特に，表面張力の小さい有機液体に対しては，ピン止め条件・ぶら下がり条件と同時に，圧力バランスと界面曲率 に対する条件を考慮した．幾何学的な設計規則を定式化することにより，わずかなアンダーカットを施したT字型形状がロバストな3次元構造として適している ことを示した．試作したSLS上のヘキサデカン，水に対する接触角はそれぞれ167°，170°であり，接触角ヒステリシスは約8°と小さいことを示した．また，既存の濡れモデルではSLS上の接触角特性を完全には説明することができず，今後，SLS上で の液滴の挙動を正確に記述するための新たなモデル化を行う必要があると考えられる (Wu and Suzuki., 2011)．
ピラー構造を用いた超撥液面上での接触角 (Wu and Suzuki., 2011)
オーバーハングを持つ超撥液性を示すピラー構造（Chen et al., 2016）
気液界面形状のレーザー計測（Chen et al., 2016）
さらに，電場が印加された場合のCassie状態の安定性について，ピラー構造のピッチ，直径，高さを系統的に変えて検討を進めている(Song et al., 2016)．電圧印加状態における気液界面の変形量のレーザー計測を行い，Cassie状態がWenzel状態に遷移する場合に，Pull-inおよびElectrowettingの２つの崩壊モードが存在することを示した．そして，２つのモードのモデルを構築することにより，どちらの崩壊モードが発生するかの指標を提案し，本研究における計測値，および過去の研究における実験データが説明できることを示した（Chen et al., 2016）．さらに，これらの知識を活かして，現在，液体中でも安定なエレクトレット面の開発を進めている．
最近の発表論文
L-DEPOEを用いた低電圧液滴駆動
- Wu, T.-Z., and Suzuki, Y.,
“Liquid Dielectrophoresis on Electret: A Novel Approach Towards CMOS-driven Digital Microfludics,”
J. Adhes. Sci. and Technol., Vol. 26, pp. 2025-2045 (2012).
(doi:10.1163/156856111X600208) - Wu, T.-Z., Suzuki, Y., and Kasagi, N.,
" Low-voltage Droplet Manipulation Using Liquid Dielectrophoresis on Electret,"
J. Micromech. Microeng., Vol. 20, Issue. 8, No. 085043, 8pp (2010).
(doi:10.1088/0960-1317/20/8/085043)
高速液滴駆動のための超撥液マイクロピラー構造の開発
- Chen, Y.-C., Morimoto, K., and Suzuki, Y.,
“Electric Instability of Cassie Droplets on Super-lyophobic Pillar Surface: Pull-in versus Electrowetting,”
28th IEEE Int. Conf. Micro Electro Mechanical Systems (MEMS’16), Shanghai, pp. 137-140 (2016). - Song, K.-Y., Morimoto, K., Chen, Y.-C., and Suzuki, Y.,
"Electrostatic Instability of Liquid Droplets on MEMS-Based Pillared Surfaces,”
Sens. Actuators B, Vol. 225, pp. 492-497 (2016).
(doi:10.1016/j.snb.2015.11.031). - Chen, Y.-C., Song, K.-Y., Morimoto, K., and Suzuki, Y.,
“Liquid-Tolerant Electret Using Super-Lyophobic Pillar Surface,”
28th IEEE Int. Conf. Micro Electro Mechanical Systems (MEMS’15), Estoril, pp. 1086-1089 (2015). - Wu, T.-Z., and Suzuki, Y.,
"Design, Microfabrication and Evaluation of Robust High-Performance Superlyophobic Surfaces,"
Sensors Actuators B, Vol.156, pp. 401-409 (2011).
(doi: 10.1016/j.snb.2011.04.065) - Wu, T.-Z., and Suzuki, Y.,
“Engineering Superlyophobic Surfaces as the Novel Microfluidic Platform for Droplet Manipulation,”
Lab Chip, Vol. 11, pp. 3121-3129 (2011).
(doi:10.1039/C0LC00513D)
最終更新: 2016-04-01