Volume-9 (04/2005)


Dr. Thomas Skrivanek, Dr. Jan-Gerd Frerichs und Dominik Hennemann
KRUSS GmbH, Wissenschaftliche Laborgerate, 22453 Hamburg


요약 [ Top ]

마이크로 단위의 극소 샘플 위에 20~30 방울의 액체를 떨어뜨리는 것을 상상할 수 있습니까?
새롭게 출시된 마이크로-도징 시스템 DSA100M을 이용하여 마이크로 단위의 극소 샘플 위에 피코 단위의 아주 작은 액체 방울을 정확한 지점에 떨어뜨릴 수 있습니다.

소개 [ Top ]

1959년 12월 29일 물리학자이자 노벨상 수상자인 Richard Feynman은 칼리포니아 기술대학(Caltech)에서 열린 아메리칸 물리학자 회의에서 다음과 같은 강의를 하였다.
“There's Plenty of Room at the Bottom” 그는 극소 스케일의 제어 및 이론적 정립과 처리 가능성에 대하여 말하였다 . 물론 당시 사람들도 시스템의 소형화에 대하여 생각하고 있었다. 1960년대부터 전자공학에서 이 분야에 많은 연구가 결과가 성취되었다. 컴퓨터와 같은 전자 장치들은 오늘날 더 이상 설치에 많은 공간을 차지 하지 않는다 .모바일 폰이나 USB같은 저장 매체는 바지 주머니에 들어갈 만큼 컴팩트하게 설계되었다. 이러한 진보는 다른 분야에서도 가능해졌다. 왜냐하면 다년간의 측정기술의 발전은 우리를 더 작고, 소형화된 세계로 나아가게 하였기 때문이다. 오늘날 동역학상의 진보는 화성 (化成)과 화학적 결합물의 파열과 같은 1,000조(兆)분의 1 (10 -15 )로 대체되는 과정이 관찰 가능하게 되었고 (2) 기기적 분석을 통해 감지될 수 있다. [3-5]

본문[ Top ]

실험에 사용된 DSA100M의 구성 (그림1)


그림1 : Drop Shape Analysis System DSA100M of KRUSS GmbH

- 기본 장비: 접촉각 측정 시스템 DSA100
- Optics: 6 fold zoom lens with 20x microscope objective, operating distance 20mm, min. Field of View 150μm
- Illumination: High-Power LED Illumination
- Dosing modules: Piezo dosing for drops down to picoliters
- Detection: the available optical systems ensure image acquisition speed from 25 up to 1000 fps
(fps = frames per second)

작은 액적 방울은 증발 속도가 빠르기 때문에 이미지 포착 스피드는 초당 프래임 250fps로 측정하였다.

물을 이용한 기본 실험 (Table1)


표 1: Data of test liquid water according to Strom [6]


실험 결과 및 고찰

1) 잉크 카트리지 헤드의 젖음성(Wetting) 분석

마이크로 도징 시스템 DSA100M을 이용하여 잉크 카트리지 헤드에 도징하여 친수성이나 소수성등의 성질에 대하여 측정할 수 있다. 일반적으로 수성 잉크로 인쇄할 때 소수성(疎水性) 을 가진 표면은 약한 상호 작용이 발생하기 때문에 친수성(親水性 )을 가진 표면에 인쇄할 때 보다 잉크 카트리지 이용에 더 적합하다. 피코 사이즈의 작은 물방울을 여러 차례 떨어뜨려 카트리지 헤드에 정확한 위치에 도징할 수 있다.



그림 2 : 잉크 카트리지 헤드에 도징한 물방울(부피 100pl) 모습 (이미지 포착 속도 : 250 fps)

(그림 2)는 마이크로 단위의 극소 샘플 위에 물방울이 도징 된 모습을 선명하게 보여준다. (약 80㎛ 범위) 이 실험에서 측정된 물방울의 접촉각 Q = 66.2° 이다.

2) Analysis of wetting behaviour in capillary cavities

DSA100M을 적용 가능한 또 다른 어플리케이션은 모세관 움푹한 곳이나 함몰된 곳의 젖음성을 평가하는 것이다. 그림 3을 보면, 마이크로 단위의 작은 톱질이 된 모세관의 “협곡” (너비 약 200㎛, 깊이 약 2mm안에 형성) 에 도징 된 물방울 모양을 보여준다 . 이 경우 물방울의 부피(Volume)는 약 100pl이다.

DSA100M을 이용하여 (예를 들면 플라즈마 처리와 같이) 모세관의 움푹한 부분의 표면 처리 과정의 성공과 실패를 평가할 수 있다.


그림 3: 물방울 (볼륨 100 pl) 너비 200 μm. 깊이 약 2 mm.

3) 구부러지는 섬유 재료의 성질 측정

지난 case study에서 알아본 바와 같이 접촉각 측정 기술을 이용하여 마이크로 단위로 구부러지는 섬유 재료의 성질을 측정할 수 있다. 예를 들면 아무런 처리도 하지 않은 자연 상태의 머리카락과 산화제를 이용하여 몇 시간 동안 처리한 머리카락의 접촉각 비교했다. 그림 4는 사람의 머리카락 위에 볼륨 약 100pl의 물방울 모습을 보여준다.( (약 150㎛ 범위)


그림 4: 머리카락의 접촉각 측정 (물방울 볼륨 100pl)

(그림 5-1,2)는 DSA100M을 이용하여 아무런 처리도 하지 않은 머리카락(위)과 산화제에서 처리한 머리카락(아래)의 접촉각 측정 data를 보여준다.



5-1 : 자연모발의 접촉각 측정
자연상태의 모발을 이용하여 5초마다 5 방울을 떨어뜨려 볼륨 100pl의 물방울을 이용하여 접촉각 측정한 data / 이미지 포착 속도는 250fps


5-2 : 산화제 처리한 모발의 접촉각 측정
산화제 처리한 머리카락 위에 4방울 떨어뜨려 볼륨100pl의 물방울을 이용한 접촉각 측정 data/이미지 포착 속도는 250fps

지그재그 모양의 그래프가 그려진 이유는

- 물방울이 작아서 빨리 증발되며 또한 머리카락 속으로 침투하기 때문이다.
(1~2초 안에 접촉각이 급격히 떨어짐)

- 다시 도징 된 물방울에 의하여 실험 반복(측정 접촉각 데이터의 급격한 상승)

두 머리카락의 실험 결과를 비교하며 보면 접촉각의 평균값을 산출 할 수 있다 .(그림5에서 두 그래프의 최고값을 구할 수 있다) 자연상태의 머리카락의 접촉각은 Θ=66.0°±4.5°이며 산화제 처리한 머리카락은 Θ=82.3°±4.8° 라는 결과를 얻었다. 산화제로 처리한 머리카락은 자연상태의 머리카락보다 더 소수[疎水] 적이라는 것을 알 수 있다 .

정리 [ Top ]

조합식 접촉각 측정기 DSA100의 한 부품으로서 마이크로-도징 시스템 DSA100M을 이용하여 젖음성 및 극소 고체 샘플의 표면 성질을 측정할 수 있다. 부피가 약 100pl 정도의 물방울을 이용하여 위의 세 실험을 수행하여 표면의 성질을 측정할 수 있을 뿐만 아니라 액적의 젖음성 성질에 관하여도 알아보았다.

참고문헌


[1] R. P. Feynman, Sci. Eng. 23 (1960), 20ff.
[2] A. H. Zewail, Angew. Chemie. 112 (2000), 2689-2738.
[3] E. B. Shera, N. K. Seitzinger, L. M. Davis, R. A. Keller, S. A. Soper, Chem. Phys. Lett. 174 (1990), 553-557.
[4] B. Hecht, B. Sick, U. P. Wild, V. Deckert, R. Zenobi, O. J. F. Martin, D. W. Pohl, J. Chem. Phys. 112 (2000), 7761-7774.
[5] J. K. Gimzewski, C. Joachim, Science 283 (1999), 1683-1688.
[6] G.Strom, M.Frederiksson, P.Stenius; J. Coll. Interf. Sci. 10, 119/2, 352-361.