(A) study of surface polishing effects on electrowetting devices

Abstract

모든 일렉트로웨팅 (Electrowetting) 장치에서 시료의 단위인 드랍릿 (Droplet) 은 전극과 소수성 박막 표면 사이에 인가된 전기장에 의해 조작되므로 장치의 표면 상태는 드랍릿 조작에 중요한 영향을 미친다. 일렉트로웨팅 장치의 불균일한 표면은 피뢰침 효과에 의한 강도 높은 전기장 발생의 원인으로 일렉트로웨팅 장치의 드랍릿의 조작 능력과 안정성을 저하시키고 드랍릿을 가열시켜 빠르게 증발시킨다. 일렉트로웨팅 장치의 제작 과정에서 두께 1 um 이하의 절연 박막과 소수성 박막을 도포하기 때문에 전극 패턴 간격은 공정 후에도 메워지지 않고 장치 표면에 전극 두께 깊이의 트렌치로 남는다. 이러한 트렌치의 모서리에서는 박막의 두께가 더욱 더 얇기 때문에 발생한 강력한 전기장이 드랍릿 속도 저하, 드랍릿 점착, 절연체 파괴, 드랍릿 가열의 원인이다. 본 논문에서는 트렌치가 발생시키는 문제들을 해결하기 위해 소수성 박막을 도포하기 전에 절연 박막을 평탄화 (Chemical mechanical polishing, CMP) 한 일렉트로웨팅 장치를 제안하였다. 트렌치를 제거하는 것이 드랍릿 조작능력과 안정성 향상에 미치는 영향을 알아보기 위해 평탄화 하지 않은 Electrowetting on Dielectric (EWOD) 장치와 평탄화한 EWOD 장치를 제작하였다. 각 EWOD 장치는 1 uL 에서 10 uL 까지 총 일곱 종류의 드랍릿 속도에 대한 평탄화의 효과를 검증하기 위하여 0.5 ⨯ 0.5 mm2, 1 ⨯ 1 mm2, 1.5 ⨯ 1.5 mm2 크기의 전극 배열을 포함하였다. 드랍릿 속도 측정 실험결과, 평탄화 된 1 ⨯ 1 mm2 의 전극 배열에서 3.5 uL 의 드랍릿을 70 mm/s 의 속력으로 조작하여 평탄화 되지 않은 장치에서 측정한 35 mm/s 의 속력에 비해 드랏립 속도가 100 % 향상되었다. 다른 크기의 EWOD 장치에서의 실험을 포함해 종합하면 평탄화를 통해 드랍릿의 속력을 최소 21 %에서 최대 100 % 까지 향상시켰다. 같은 EWOD 장치를 이용한 절연체 파괴 실험에서 절연체 파괴 전압이 평탄화 공정에 의하여 110 V에서 140 V 로 약 27 % 향상되었다. 절연체 파괴 전압 향상을 이론적으로 검증할 목적으로 시행한 시뮬레이션의 결과, 평탄화 되지 않은 장치의 트렌치 모서리에서 252 V/um, 평탄화 된 장치에서 146 V/um 으로 평탄화로 인해 전기장의 세기가 약 40 % 감소하였다. 따라서 트렌치를 제거하는 것이 EWOD 장치의 절연체 파괴 전압을 높일 수 있다는 것을 이론과 실험을 통해 확인하였다. 일렉트로웨팅 장치의 공급전원으로 교류전압을 쓸 경우 전기장이 드랍릿 내부를 가열시킬 수 있다. 드랏립 가열은 드랍릿이 충분히 클 경우 영향이 미미하지만 드랍릿의 부피가 1 μL 이하일 경우 증발이 시료의 농도변화와 접촉각 감소의 문제를 일으킨다. 표면 평탄화가 드랍릿의 가열을 방지하는 지 비교연구하기 위해 평탄화하지 않은 오픈 옵토일렉트로웨팅 (Open optoelectrowetting, o-OEW) 장치와 평탄화한 o-OEW 장치를 제작하였다. 두 장치를 100 Hz 의 96 V에서 192 V 전압원에 병렬로 연결한 후 1 uL의 드랍릿이 완전히 증발하기까지의 시간을 측정하였다. 이 실험의 결과, o-OEW 장치의 표면을 평탄화 함으로써 드랍릿의 증발시간이 29 %에서 92 % 까지 증가하는 것을 확인하였다.