Summary
간단한 프로토콜은 다양 한 크기, 모양 및 물자의 hemiwicking 구조체의 제작을 위해 제공 됩니다. 프로토콜 물리적 스탬프, 성형, PDMS 및 일반적인 재료 증 착 기술을 통해 박막 표면 수정의 조합을 사용 합니다.
Abstract
Hemiwicking 액체의 정상적인 일로 길이 모 세관 작용 및 imbibition의 조합 넘어 패턴화 된 표면을 늦으면 과정 이다. 이 일로 현상 생리학에서 항공 우주 공학에 이르기까지 많은 기술 분야에서 중요 하다. 현재, 몇 가지 다른 기술을 hemiwicking 구조를 날조를 위한 존재 한다. 그러나 이러한 전통적인 방법,, 시간이 소모 되는 고 어려운 넓은 영역에 대 한 최대 규모 또는 특정, nonhomogeneous 패턴 형상에 대 한 사용자 지정 하기가 어렵습니다. 제시 프로토콜에는 간단한, 확장 가능한, 연구자 및 마이크로 패턴 hemiwicking 표면 날조를 위한 비용 효율적인 방법을 제공 합니다. 메서드를 통해 우표 인쇄,입니다 (PDMS) 성형, 및 박막 표면 코팅 wicking 구조 제조. 프로토콜은 hemiwicking는 70 nm 두께 알루미늄 박막으로 코팅 된 PDMS micropillar 배열에 에탄올에 대 한 설명 했다.
Introduction
최근 활발히 그리고 수 동적으로 젖 음, 증발, 조절할 수 있게 되 고 체액의 혼합에 대 한 관심 증가 되었습니다. 독특한 질감된 hemiwicking 표면 질감된 표면 이동 부분 없이 액체 (또는 열) 펌프 역할을 하기 때문에 기술을 냉각을 위한 새로운 솔루션을 제공 합니다. 이 움직임은 액체 얇은 필름의 동적 곡률와 관련 된 모 세관 작업 이벤트의 의해 구동 됩니다. 일반적으로 때 액체 단단한 표면 늦으면, 곡선된 액체 얇은-영화 (즉, 액체 초승달 모양) 급속 하 게 형성 한다. 유체 두께 곡률 프로필 무료 에너지 최소값에 도달할 때까지 진화. 참고로,이 동적 일로 프로필 수 급속 하 게 수십 나노미터의 두께 수십 마이크로미터의 스패닝 (유체-젖 음) 길이 규모 내에 붕괴 됩니다. 따라서,이 전환 (액체 필름) 지역 액체 인터페이스 곡률에 상당한 변화를 받을 수 있습니다. 과도 (박막) 지역은 거의 모든 동적 물리학 및 화학 유래입니다. 특히, 과도 (박막) 지역 최대 (1) 증발 비율, (2) 창피 가입 압력 기온 변화도, 및 (3) 액체 정역학 압력 기온 변화도1,2발견 되는. 그 결과, 곡선된 액체-영화 열 전송, 단계 분리, 유체 불안정성, 및 다 성분 액체의 혼합에 중요 한 역할을 재생 합니다. 예를 들어, 열 전달에 관하여 가장 높은 벽 열 플럭스가 높은 곡선, 과도 박막 지역3,4,5,,67에 관찰 되었습니다.
최근 hemiwicking 연구는 형상 (예를 들어, 높이, 직경, 등) 및 기둥 배치 결정 일로 전면 프로필과 구조8통해 실행 하는 액체의 속도으로 나타났습니다. 유체 전면 배열에서 마지막 구조 끝 증발, 증발된 액체 wicking 구조9에 저장 된 액체에 의해 대체 되는 일정 한 거리와 곡률, 유체 전면 유지 됩니다. Hemiwicking 구조 또한 사용 되었습니다 열 파이프에 끓는 표면에 분석 하 고 다른 열 전달 메커니즘을 강화. 10 , 11 , 12.
현재 wicking 구조를 만드는 데 사용 하는 한 가지 방법은 열 인쇄물 리소 그래피13입니다. 이 방법은 열가 소성 폴리머 스탬프 실리콘 몰드 샘플에 저항 층으로 원하는 레이아웃을 스탬프 다음은 마이크로 구조를 유지 하기 위해 스탬프를 제거 하 여 수행 됩니다. 일단 제거, 샘플 반응성 이온 에칭 초과 저항 레이어14,15중 하나를 제거 하는 과정을 통해 들어가게 된다. 그러나이 프로세스는, wicking 구조의 제조의 온도에 민감한 수 있으며 wicking 구조16의 정확도 보장 하기 위해 다양 한 코팅을 활용 하는 여러 단계를 포함. 그것은 또한 리소 그래피 기술 하지 않은 매크로 스케일 패턴;에 대 한 실용적인 케이스 그들은 여전히 제공 하는 표면에 마이크로 구조의 패턴을 만들 수 있는 방법,이 절차의 처리량 보다 훨씬 대규모 복제에 이상적입니다. 대규모, 재현 텍스처링, 회전 또는 딥 코팅 등을 고려 하면은 제어 패턴의 고유한 부족이 이다. 이러한 방법은 대상 표면에 마이크로 구조의 무작위 배열 만들지만 전통적인 리소 그래피 기술17보다 훨씬 더 큰 영역을 커버를 확장할 수 있습니다.
이 보고서에서 제시 된 프로토콜; 각각의 특정 약점을 동시에 제거 하는 동안 전통적인 텍스처링 방법의 힘을 결합 하려고 그것은 다양 한 높이, 모양, 방향, 및 매크로-규모와 잠재적으로 높은 처리량을 가진 자료의 사용자 지정 hemiwicking 구조를 조작 하는 방법을 정의 합니다. 다양 한 wicking 패턴 최적화 wicking 특성, 유체 속도, 전파, 및 다른 체액의 혼합의 방향 제어 등의 목적으로 신속 하 게 만들 수 있습니다. 다른 wicking 구조체의 사용 또한 다양 한 박막 두께 곡률 프로필 다른 두께와 열 및 대량 전송 사이의 커플링을 체계적으로 공부 하는 데 사용할 수 있습니다. 및 액체의 곡률 프로필을 제공할 수 있습니다. 초승달 모양입니다.
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Protocol
1. 패턴 지도 만들기
- 그래픽 편집기를 사용 하 여 비트맵 이미지를 표시 하는 hemiwicking 구조에 대 한 원하는 패턴을 만듭니다.
참고: 일부 wicking 설계 매개 변수 (즉, 각도 기울기, 깊이 그라데이션) 각 픽셀에 할당 된 회색조 값에 종속 되도록 만들 수 있습니다. 회색 음영 값이 다음 원하는 매개 변수를 수정 하려면 편집 됩니다. - 휴대용 네트워크 그래픽 (.png)으로 비트맵을 저장 하 고 쉽게 사용할 수 있는 폴더에 파일을 배치.
2. 배치 플라스틱 성형에 대 한 스탬프
- 팁 (+z 변위, 그림 1)의 파손을 일으킬 수 있는 어떤 우발적인 접촉을 피하기 위해 작업 영역에서 각 인 비트 변환 하 여 시작 합니다.
- 스탬핑 금형/웨이퍼 위한 후속 x, y 번역 단계에서 백업 플레이트에 플라스틱 고정 ( 그림 1참조). 보안 샘플/백 판에 x, y 동력 박판 단계 (그림 1)
- 각 인 비트의 각 인 축과 플라스틱 금형/웨이퍼의 중심을 맞춥니다. 이것은 성취 를 통해 전산화 ±x 및 ±y 변위 x, y 동력 프레스 단계 이다.
- 플라스틱 몰드/웨이퍼 향해 스탬프 비트 번역 (-z 변위, 그림 1) 각 인 비트 형/웨이퍼 표면 접촉 거의 될 때까지.
3. PDMS 성형에 대 한 플라스틱 샘플 스탬프
- 스탬프 컴퓨터 제어 프로그램을 사용 하 여 각 인 비트 (팁) 및 플라스틱 금형/웨이퍼 표면 사이의 거리를 설정 합니다.
- 작은 단위로 각 인 비트 번역 (-δz 변위, 그림 1) 금형 플라스틱 접촉 될 때까지 샘플의 표면 쪽으로.
참고: 비트만 가볍게 접촉 표면 해야합니다. - 접촉 후 접촉을 피하기 위해 모든 가능한 비트와 샘플 사이의 후속 번역 (δz ≈ 100 μ m) 중 샘플에서 스탬프 비트 번역.
- 픽셀 거리 (미크론), 최대 및 최소 구멍 깊이 (미크론)에서 최대 및 최소 각도 (도), 패턴, 그리고 스탬프에 대 한 어떤 회색조 연결 된 패턴에 대 한 픽셀 임계값의 초기 x 및 y 픽셀 위치 지정 절차입니다.
- 프로그램에서 읽을 수를 모방 하는 지도 (단계 1.1에서에서 만든) 업로드. 픽셀 거리와 패턴화 지도에 따라, 모든 우표의 위치는 스테퍼 모터로 전송 됩니다.
- 난방 레이저 각 인 비트의 팁에 초점을 맞추고, 각 인 비트는 이동 그리고 플라스틱 금형에만 활성화 확인 하십시오.
- 다음 원하는 hemiwicking 패턴을 달성 하기 위해 모방 하는 지도 하는 동안 플라스틱으로 비트를 눌러 구멍을 만듭니다.
- 후속 표면 마무리 연마에 대 한 스탬프 플라스틱 금형을 제거 합니다.
- 9000 모래, 미세한 습식/건식 샌드 페이퍼를 사용 하 여 플라스틱 금형의 표면 폴란드어.
참고: 또는, 마이크로 메쉬 연마 사용할 수 있습니다 그 원인 cratering PDMS 몰드에 기둥 주위 표면 예금의 제거를 위해.
4. PDMS 성형 만들기
- 비 커에 기본 탄성 중합체의 2 세대 및 고무 경화제 0.2 g을 부 어와 3 분 동안 철저 하 게 함께 섞는다.
- 혼합물;에 모든 공기 거품을 공개 하는 대피 챔버로 섞어 배치 이 단계는 여러 번 반복 할 수 있습니다.
참고: 볼륨 요구 사항을 다양 한 샘플에 대 한 10:1 비율을 유지 하면서 필요에 따라 기본 및 경화 에이전트의 크기를 조정 합니다. - 이상적으로 하지 훨씬 발생 하 치료에 대 한 형의 외부 직경 보다 큰 벽으로 둘러싸인된 컨테이너에 스탬프 플라스틱 금형을 놓습니다.
- 스탬프 플라스틱에 공기 주머니는 컨테이너 내에서 무료 PDMS 혼합물을 붓는 다. PDMS 혼합물을 동등 하 게 가능한 배포 하려고 스탬프 영역의 중앙에서 시작 하는 나선형에 붓는 다.
- 스탬프 패턴에 혼합물을 따르고에서 형성 수 있습니다 모든 공기 주머니를 4.2 단계를 반복 합니다. PDMS 혼합물 및 뜨거운 접시에 스탬프 패턴으로 플라스틱 조각을 놓고 15 분 동안 100 ° C에서 어셈블리를 열. 다음 65 ° c.에 추가 25 분이 열
- 쿨을 처리 하기 전에 20 분 치료 PDMS 혼합물을 허용 한다.
- 컨테이너 벽에서 PDMS 플라스틱의 가장자리를 잘라내어 PDMS 플라스틱 금형에서 제거. PDMS 플라스틱 표면에 수집에서 먼지 입자를 피하기 위해 덮여 컨테이너에 저장 합니다.
5.는 PDMS에 박막 금속 입금
- 열리고 닫히는 게 셔터에 대 한 충분 한 공간을 가리지 떠나 증 착 챔버 내부 샘플 PDMS를 놓습니다.
- 적어도 10 mTorr 증 착 챔버 depressurize
- 드라이 펌프 시스템 참여 고 75 kRPM에 회전 속도 설정 합니다. 챔버 압력 10-8 Torr 순서에 도달 하실 수 있습니다.
참고:이 챔버;에서 대부분 오염 물질을 제거 합니다. 과정 완료에 12 h까지 걸릴 수 있습니다. - 냉각기에 전원 및 DC 전원 공급 및 W. 55 힘 설정
- 아르곤 밸브를 조금 열고 10-3 Torr 순서 챔버 압력. 드라이 펌프 시스템 50 kRPM 설정 하 고이 설정된 속도 달성 될 때까지 기다립니다.
- 35 W 전력을 절약 하 고 depressurize 13 mTorr 챔버. 붙 였을까 플라즈마 셔터를 열고 타이머를 시작 합니다.
참고: 붙 였을까 플라즈마, 백열 빛을 주어 야 한다. 영화 예금의 원하는 두께 대 한 타이머를 설정 해야 합니다. 그것은 35 W와 약 13 mTorr의 압력, 분당 7 nm 증 착 속도 예상 결정 되었습니다. - 원하는 필름 두께 달성 되 면 셔터를 닫고 전원 공급 장치를 해제 합니다.
- 증 착 챔버 내 밸브의 모든 닫고 건조 펌프 시스템을 해제 합니다. 완전 한 정지에와 서 드라이 펌프 팬에 대 한 시간을 허용 합니다.
- 천천히 로컬 대기 압력에 도달할 때까지 챔버 압력 하 고 미래 실험을 위해 그것을 저장 하는 샘플을 제거 합니다.
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Representative Results
그림 1 스탬프 메커니즘 만드는 방법 wicking 구조에 대 한 금형 플라스틱 금형에의 회로도를 제공 합니다. Wicking 필름 제조 스탬프 기구의 품질 조사, 두 개의 다른 기둥 배열 미래 wicking 실험에 대 한 기둥의 품질을 분석 하 창조 되었다. 조사 기구의 측면 했다 (와 깊이 그라데이션 없이) 기둥, PDMS 성형 후 기둥의 품질, 기둥 스퍼터 증 착 처리 후의 품질과 능력의 높이의 정확도 hemi wicking 만드는 구조. 이 위해 두 패턴 변형 wicking, 창조 되었다 하나 깊이 그라데이션 및 균일 한 깊이의 또 다른 표시는.
그림 2a 는 깊이 각도 그라디언트를 만들기 위해 사용 된 비트맵을 보여 줍니다. 그것은 모든 기둥 열 95 0에서 다양 한 다른 회색조 값을 할당 된 볼 수 있습니다. 이 각 기둥 열에 대 한 다른 깊이 있기 위하여 수행 되었다. 그림 2b 와 2c 성형 공정에 의해 만들어진 PDMS에 기둥을 표시 합니다. 이 그레이 스케일 값 사용 되었다 확인 영향을 플라스틱 성형에 따라서 PDMS 샘플에 기둥 높이 깊이. 표 1 깊이 그라데이션에서 데이터를 설명 하 고 각 인 패턴에서 예상된 높이의 비율을 보여줍니다. 이러한 데이터는 50 기둥, 또는 하나의 완전 한 배열, 그림 2에 표시 된 측정에서 모여 있었다. 주어진된 그레이 스케일 값으로 기둥의 예상된 높이 다음 방정식에서 계산 된:
(1)
어디 h특급 예상된 높이, h의최대 최대 높이 사용자에 의해 정의 된 대로, h분 은 최소 높이 사용자에 의해 정의 된 대로, PT 픽셀 임계값은 사용자에 의해 정의 된 대로 이며 GSV는 그레이 스케일 값입니다. 그것은 0 (즉, 검정)의 그레이 스케일 값에 대 한 예상된 높이 최대 높이 될 것입니다와 그레이 스케일 값이 픽셀 임계값, 하는 동안 예상된 높이 최소 높이 있을 것입니다 볼 수 있습니다.
그림 3a 일정 기둥 높이의 큰 wicking 구조 배열을 만드는 데 사용 하는 비트맵 파일을 보여 줍니다. 모든 검은 픽셀 픽셀 거리를 통해 프로그램에 정의 된 각 인 인스턴스 사이의 거리와 구멍 위치를 나타냅니다. 그림 1a와 이진이 접근 각도 기둥 높이의 균일 한 배열을 만듭니다. 그림 3b 와 3c 최고를 제공 하 고 각각의 기둥, 측면. 그것은 유니폼 높이 기둥 사양에도 불구 하 고 과정 언더사이즈 기둥을 생산 볼 수 있습니다. 최대 높이 100 μ m로 설정 하는 동안 그것은 기둥의 평균 높이 약 71.89 ± 10.18 μ m, 38 기둥에 기반 하는 것이 밝혀졌다. 이것 동안에 그들이 만들어진 되는 구멍에서 또는 가능한 공기 주머니를 형성 했 고 구멍에 남아 찾을 수 있는 가능한 결점을 표시 될 수 있습니다.
그림 4 알루미늄 PDMS 샘플에 입금 후 기둥의 4 개의 개별 이미지를 표시 합니다. 그림 4a 와 4b 표시 측면 및 평면도의 기둥, 각각, wicking 구조에서 작동 유체 없이. 무슨 샘플의 모든 기둥에서 일관 되지 않은 PDMS 샘플 보였다 비슷합니다. 높이 PDMS와 알 샘플 표준 편차 비교는 표 2에 표시 됩니다. 이러한 데이터는 기둥을 측정 한 후 모여 있었다 (n = 38)는 PDMS에 알루미늄 증 착 전후에 둘 다. 주목할 만한 표면 거칠기는 또한. 그것은 생각 sanding 절차 샘플에 사용 된 PDMS 샘플을 전송 알루미늄 필름의 표면에 반영 했다. 도 거칠기 증 착 프로세스에 할당만 가능 하다.
그림 4 c 및 4 d 시각화 기둥의 상위 뷰와 측면 각각 wicking 구조에서 작동 유체와 함께. 이 예제에서 사용 된 작동 유체는 에탄올을 했다. 그러나, 물 에탄올이 샘플 에서처럼 같은 반의 wicking 발생을 발생 하지 않습니다. 이 현상은 다음 (또는 조합)에 표시 될 수 있습니다: 1)는 비 이상적 표면 질감, (로 표시 된 그림 4b) 2) 잔여 표면 거칠기, 3) 불순물 및 네이티브 알루미늄 산화물 층의 4) 너무 얇은 알루미늄 코팅에. 그런말로 미루어 보아, 에탄올을 알루미늄 표면에 형성 된 알루미늄 산화물의 lyophilicity 때문에 심지 수 있었습니다. 알루미늄 산화물은 lyophilic, 비록 wicking에서 물 금지 친수성 특성을 표시 하지 않습니다. PDMS wicking 구조에 화학 지상 처리의 사용은-예를 들어샘플의 화란을 변경 하는 데 사용할 수 있는 또 다른 방법은, 습식된 화학 처리 hydrophylic 자가 조립 monolayers (SAMs)18 만드는 데 사용할 수 있습니다. . 이러한 결점에도 불구 하 고이 설명 된 절차를 통해 만든 wicking 구조는 작동 유체에 대 한 반의 wicking 만들 수 증명 한다.
그림 1: 스탬프의 회로도 비트 마이크로-꽃무늬 플라스틱 금형의 제작에 대 한 장치. X-및 y-축 따라 플라스틱 금형의 이동 2 개의 컴퓨터 제어 스테퍼 모터/단계 (각 방향에 대해 하나)에 의해 결정 됩니다. 마찬가지로, 각도 (θ) 스탬프 및 스탬프 스탬핑 비트의 깊이 (Δz) 두 개의 별도, 컴퓨터 제어 스테퍼 모터/단계에 의해 제어 됩니다. 컴퓨터 제어 난방 레이저 비트 플라스틱 금형에 스탬프 구멍을 만드는 하는 동안 활성화 됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 2: 깊이 그라데이션 기둥 배열 패턴 및 PDMS 기지. ' 깊이 그라데이션 ' micropillar 배열 조작에 사용 되는 (a) 비트맵. 각 인에 대 한 픽셀 임계값은 100으로 설정 최대 깊이 100 μ m로 설정 되어, 최소 깊이 25 μ m로 설정 되어을 각 픽셀 100 μ m의 거리를 표현 하기 위해 설정 됩니다. 이러한 값에 따라 각 행은 구분 100 μ m는 행에서 두 개의 기둥 사이의 거리는 200 μ m. 각 픽셀의 그레이 스케일 값 거리 스탬프 비트 플라스틱 금형에 여행 결정 합니다. 따라서 비트맵에 걸쳐 그레이 스케일 값 증가 기둥의 높이 감소. 해당 하는 그레이 스케일 값으로 기둥의 예상된 높이 제공 됩니다. (b) 기둥 열 1 ~ 5는 PDMS 기본 비트맵의 하단 왼쪽 모서리에 있는 파란색 상자 영역에서의 이미지. 기둥 열 5-비트맵의 오른쪽 하단 모서리에 빨간색 상자에서 PDMS 자료에 대 한 10의 (c) 이미지. (B) 와 (c) 에 대 한 이미지 픽셀 거리 0.335 μ m/픽셀입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 3: hemiwicking에 대 한 wicking 구조에 대 한 기본 패턴 및 PDMS. (a) 비트맵 직사각형 wicking 구조를 만드는 데 사용. 깊이 100 μ m로 설정 하 고 각 픽셀 100 μ m의 거리를 표현 하기 위해 설정 됩니다. 이후 모든 그레이 스케일 값이이 비트맵에서 동일은, 기둥 높이의 모두 동일 해야 합니다. 또한, 패턴 그림 2에서 마찬가지로 각 행은 구분 100 μ m 행 내에서 두 개의 기둥 사이의 거리는 200 μ m. (b)는 (a)에 있는 비트맵에 따라 플라스틱 금형을 사용 하 여 casted PDMS wicking 구조의 기둥의 최고 보기. 이미지 해상도 0.176 μ m/픽셀입니다. (c)는 (a)에 있는 비트맵에 따라 플라스틱 금형을 사용 하 여 casted PDMS wicking 구조의 기둥의 측면 보기. 그림 2에 제시 하는 wicking 구조와 달리 wicking 구조에서 기둥 높이 더 높이에 일치 하는. 이미지 해상도 0.723 μ m/픽셀입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 4: hemiwicking 없이 알루미늄 증 착 후 구조는 wicking. (a)는 사이드의 보기 에탄올 없이 알루미늄 증 착 후 그림 3 에서 만든 wicking 기둥. PDMS 위에 알루미늄의 두께 약 70 μ m입니다. (b) 에탄올 없이 알루미늄 증 착 후 그림 3 에서 만든 wicking 기둥의 최고 볼 수 있습니다. (c) 에탄올 (에탄올 대부분 볼 수 있습니다 초점 을된 기둥의 기지를 따라) 구조에 wicking Al 증 착 후 그림 3 에서 만든 wicking 기둥의 측면 보기. (d) 구조에 wicking 에탄올 알 증 착 후 그림 3 에서 만든 wicking 기둥의 최고 볼 수 있습니다. (A) 와 (c), 이미지 해상도 0.723 μ m/픽셀 및 (b) 와 (d), 이미지 해상도 0.176 μ m/픽셀입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
| 기둥 | 그레이 스케일 값 | 예상된 높이 (μ m) | 측정 된 높이 (μ m) | 예상의 % |
| 1 | 0 | 100 | 59.6 | 59.6 |
| ± 4.58 | ||||
| 2 | 10 | 92.5 | 59.71 | 64.55 |
| ± 5.88 | ||||
| 3 | 21 | 84.25 | 54.71 | 64.94 |
| ± 5.57 | ||||
| 4 | 31 | 76.75 | 46.48 | 60.56 |
| ± 2.61 | ||||
| 5 | 42 | 68.5 | 46.59 | 68.01 |
| ± 5.21 | ||||
| 6 | 53 | 60.25 | 38.92 | 64.6 |
| 1.62 ± | ||||
| 7 | 63 | 52.75 | 31.8 | 60.28 |
| ± 0.73 | ||||
| 8 | 74 | 44.5 | 26.58 | 59.73 |
| ± 1.49 | ||||
| 9 | 85 | 36.25 | 20.13 | 55.53 |
| 1.44 ± | ||||
| 10 | 95 | 28.75 | 16.01 | 55.69 |
| ± 1.94 |
표 1: 예상 하 고 측정의 높이 깊이 그라데이션 패턴에 대 한 모든 기둥 열.
| 예상된 높이 (μ m) | 측정 된 높이 (μ m)을 의미 | 표준 편차 (µ m) | |
| 알 보증금 없이 PDMS 샘플 | 100 | 71.89 | 10.18 |
| 알 보증금 PDMS 샘플 | 100 | 61.59 | 8.493 |
표 2: PDMS와 Al 증 착 없이 기둥 높이 비교.
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Discussion
Hemiwicking 구조용; 꽃무늬 기둥 배열을 만드는 방법 도입 되었습니다. 이것은 각 인 조각 장치는 사용자가 만든 비트맵에서 패턴화 된 플라스틱 웨이퍼에 충 치에 의해 수행 됩니다. PDMS 혼합물은 부, 치료 그리고 박막 증 착을 통해 알루미늄으로 코팅 된. 기둥 배열 특성이이 프로토콜에 따라 비트맵에서 할당 된 그레이 스케일 값에 따라 사용자 지정할 수 있습니다. 패턴의 중요 한 측면 열 시스템에 박막 연구 및 직접 응용 프로그램을 포함 하 여 다양 한 응용 프로그램에서 사용할 수 있는 가능한 테스트 구조 wicking의 넓은 범위를 만들 수 있습니다. 다양 한 대표 결과 에 언급 되지 않은 다른 영역 배열에서 구현할 수 있는 각도 그라데이션입니다. 깊이 그라데이션 마찬가지로 다른 픽셀의 그레이 스케일 값 변경 드릴 비트 (θ, 그림 1)의 각도 변경할 수 있습니다.
메모를 촬영 해야 하는 또 다른 중요 한 단계는 PDMS 기지의 창조 이다. 기둥 높이 기형과 기둥 주변에 차이 wicking 구조에서 일반적 이다. 마이크로 메쉬 또는 연마 슬러리와 표면 abrading 대칭 샘플 및 심지어 PDMS 두께 만들 수 있습니다. 또한, 피난 및 열 처리 프로세스는 난방 요소 자체 금형 내에서 통합 했다, 동시에 자리를 차지할 하도록 설계 되었습니다. 이 효과적으로 사용자와 모든 관련된 비리로 공 수 오염 (즉, 먼지 미 립 자) 치료 단계에 의해 처리를 제한합니다. 이러한 고려 사항은 미래의 샘플 구현 됩니다.
PDMS 베이스에 재료의 증 착은 또 다른 중요 한 단계 맞게 조정 해야 합니다 각 실험. 프로토콜에서 언급 한 조건 알루미늄 특정 있으며 따라서, 입금 소재 변경으로 변경 해야 합니다. 다른 금속 선호 하는 경우, 전원 출력, 챔버 압력, 및 스퍼터 링 시간 변경 원하는 입금 자료에 대 한 이상적인 표면 상태를 얻기 위하여 변경 한다. 미래의 샘플에 대 한 다른 표면 에너지 (즉, 골드, 게르 마 늄) 금속 그들의 각각 wicking 능력을 테스트 하 예금 될 것 이다. 미래에 다른 금속 입금, 제대로 PDMS에 원하는 금속을 예금 하려면 프로토콜을 업데이트 해야 합니다.
Hemiwicking 구조를 만드는 절차에 도입 된 가장 큰 문제는 샘플의 표면 거칠기입니다. PDMS 몰드 (그림 3b)와 (그림 3b, 3d); 알 표면에 존재 하는 표면 결함을 볼 수 있습니다 그것은 이 sanding 프로세스 또는 금속 증 착 공정에서 줄기 수 있습니다. 표면 결함 작업 액체의 wicking 속도 및 정면 거리에 영향을 미칠 수 있는 표면 결함 문제, 볼 수 있습니다. 이상적인 실험 했는 매끄러운 표면에 액체는 표면 상태에 의해 방해 받지 않는 wicking 구조를 통해 흐름 수 있도록 기둥 사이. 제안 된 솔루션 이전에 더 이상 연마 시간 뿐만 아니라 증 착, 플라스틱 웨이퍼 연마를 위한 높은 등급 (즉, 미세한 모래) 연마 재를 사용 하는 것입니다. 표 1 과 표 2에서 보듯이, 기둥 높이 예상 대로 제조 되지 스테퍼 모터에 주어진 값에 따라. 이 비트는 플라스틱으로 각 인 하는 동안 각 인 축 샘플의 편향 때문일 수 있었다. 비트는 플라스틱;으로 여행 하는 거리를 늘려이 문제를 해결할 수 있습니다. 그러나 이것,, 기둥 높이 미래 실험을 위한 기둥 베이스 지름으로 가능한 불일치를 떠난다. 방법은 샘플 경험 하는 편향의, 플라스틱, 저항을 제한 하는 팁의 온도 증가 또는 다른 방법으로 샘플 같은 양을 제한 하기 위해 개발 해야 합니다.
도전 각 인 과정을 정제에 남아, 설명된 방법 주문 유사한 형상의 배열 만들기에 대 한 효과적입니다. Hemiwicking 구조, 또는 어떤 표면 기능 마이크로 패턴, 샘플 빠르게 나중 다른 연구소 나 리서치 회사와 현대 방법 보다 더 빠른 속도로 저렴 한 비용에 처리를 위해 생성 될 수 있다 쇼를 만드는 데 사용 되는 방법론. 이러한 hemiwicking 구조는 최적의 박막 곡률 wicking 전면 속도 복제 하 쉽게 날조 될 수 있다. Wicking 전면 속도 액체 앞 기둥에서 기둥을 여행 분석 고속 카메라를 사용 하 여 측정 됩니다. 동시에, 두께 곡률 프로필 가장자리 기둥6에 이전 실험에서 입증 된 셋 및 간섭계 방식을 사용 하 여 얻을 수 있습니다. 자체 규제 성격 wicking 구조의 다른 표면 에너지 표면에 다양 한 유체에도 불구 하 고 분석에 대 한 지속적인 얇은 필름 영역을 유지 하는 데 도움이 됩니다. 이 방법으로 wicking 구조 변종 수 날조 될 빠르게 wicking 형상 박막 지역 및 다른 체액의 wicking 앞에 효과 이해의 목적을 위해.
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Disclosures
저자는이 문서에 대 한 언급을 전혀 공개를 있다.
Acknowledgments
이 자료는 부여 번호 아래 해군 연구 미국 사무실에 의해 부분적으로 후원 연구 기반 N00014-15-1-2481 고 보조금 번호 1653396에서 국립 과학 재단. 뷰 및 여기에 포함 된 결론 들 저자와 반드시 공식적인 정책 또는 보증, 명시적 또는 묵시적, 미국 오피스 해군 연구, 국립 과학 재단의 중을 나타내는으로 해석 해서는 안 또는 미국 정부입니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| NI-DAQ 9403 | National Instruments | 370466AE-01 | The communication interface between the camera and the control switch for the laser. |
| Control Switch | Crouzet | GN84134750 | A controller to use for the laser that activates the laser based on the voltage sent by the DAQ. |
| Flea Camera | FLIR | FL3-U3-120S3C-C | A flea camera used for imaging the drill bit on the plastic mold. |
| Flea Imaging Camera | Point Grey | FL3-U3-20E4M-C | A flea camera used for obtaining the side images of the pillars. |
| 200 Steps/rev, 12V-350mA Stepper Motor (x2) | AdaFruit | 324 | The stepper motors are used to control the depth and angle of the end mill. |
| 10x Infinity Corrected Long Working Distance Objective | Mitutoyo | #46-144 | The objective used to get the image of the side of the pillars. |
| 15x Infinite Conjugate, UV Coated, ReflX Objective | TechSpec | #58-417 | The objective used to get the image of the top of the pillars. |
| 72002 0.002D X 0.006 LOC Carbide SQ 2FL Miniature End Mill | Harvey Tools | 72002 | The drill bit that was used to create holes in the plastic mold. |
| DC Power Delivery at 1 kW | Advanced Energy | MDX-1K | Used to power the deposition sputterer. |
| Turbo-V 70LP Nacro Torr Pump | Varian | 9699336 | Turbo Pump used to reduce pressure inside deposition chamber. |
| 2000mw, 405nm High-Power Blue Light Focus Laser | WDLasers | KREE | Sample Heating Laser |
| 5.875" I.D. Dessicator w/ 0.25" Tube Connections | McMaster-Carr | 2204K5 | PDMS Dessicator |
| SYLGARD 184 Silicone Elastomer, 0.5kg Kit | Dow-Corning | 4019862 | The PDMS Kit used to make the base. |
| Diaphragm Air Compressor / Vacuum Pump | Gast | DOL-701-AA | Dessicator Vacuum Pump |
| Motorized Linear Stages (2x) | Standa | 8MT175 | The stepper motors used to control the sample plate in the x- and y- direction. |
| 2" Diameter Unmounted Poistive Achromatic Doublets, AR Coated: 400-700 nm | ThorLabs | AC508-150-A | The achromat was ued in order to obtain the images of the side of the pillars. |
| Flea 3 Mono Camera, 2448 X 2048 Pixels | Point Grey | FL3-GE-50S5M-C | A flea camera used for imiaging the top of the pillars. |
| Digital Vacuum Transducer | Thyrcont Vacuum Instruments | 4940-CF-212734 | Used for monitoring pressure inside deposition chamber. |
| Pressurized Argon Tank Resovoir | Airgas | AR RP300 | Gas used in deposition process. |
| 1-D Translation Stage | Newport Corporation | TSX-1D | A translation stage used to move the camera to focus on the end mill. |
| Cylindrical Laser Mount (x2) | Newport Corporation | ULM-TILT-M | The laser mount was used to move the camera to focus on the end mill. |
| Benchtop Chiller with Centrifugal Pump, 120V, 60Hz | Polyscience | LS51MX1A110C | A chiller used for the deposition assembly. |
| Alcatel Adixen 2010SD XP, Explosion Proof Motor, Rotary Vane Vacuum Pump, 1-Phase | Ideal Vacuum Products | 210SDMLAM-XP | A vacuum pump used for the deposition assembly. |
| Fan, 105 CFM, 115 V (x2) | Comair Rotron | MU2A1 | A fan used for cooling certain aspects of the deposition assembly. |
References
- Plawsky, J. L., et al. Nano- and Micro-structures for Thin Film Evaporation - A Review. Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering. 18, 251-269 (2014).
- Derjaguin, B. V., Churaev, N. V. On the question of determining the concept of disjoining pressure and its role in the equilibrium and flow of thin films. Journal of Colloid and Interface Science. 66, 389 (1978).
- Ma, H. B., Cheng, P., Borgmeyer, B., Wang, Y. X. Fluid flow and heat transfer in the evaporating thin film region. Microfluidics and Nanofluidics. 4 (3), 237-243 (2008).
- Hohmann, C., Stephan, P. Microscale temperature measurement at an evaporating liquid meniscus. Experimental Thermal and Fluid Science. 26 (2-4), 157-162 (2002).
- Potask, M. Jr, Wayner, P. C. Jr Evaporation from a two-dimensional extended meniscus. International Journal of Heat Mass Transfer. 15 (10), 1851-1863 (1972).
- Panchamgam, S. S., Plawsky, J. L., Wayner, P. C. Microscale heat transfer in an evaporating moving extended meniscus. Experimental Thermal and Fluid Science. 30 (8), 745-754 (2006).
- Arends, A. A., Germain, T. M., Owens, J. F., Putnam, S. A. Simultaneous Reflectometry and Interferometry for Measuring Thin-film Thickness and Curvature. Review of Scientific Instruments. 89 (5), (2018).
- Zhu, Y., Antao, D. S., Lu, Z., Somasundaram, S., Zhang, T., Wang, E. N. Prediction and characterization of dry out heat flux in micropillar wick structures. Langmuir. 32 (7), 1920-1927 (2016).
- Kim, J., Moon, M. W., Kim, H. Y. Dynamics of hemiwicking. Journal of Fluid Mechanics. 800, 57-71 (2016).
- Ding, C., Soni, G., Bozorgi, P., Meinhart, C. D., MacDonald, N. C. Wicking Study of Nanostructured Titania Surfaces for Flat Heat Pipes. Nanotech Conference & Expo. , Houston, TX. (2009).
- Chen, R., Lu, M. C., Srinivasan, V., Wang, Z., Cho, H. H., Majumdar, A. Nanowires for Enhanced Boiling Heat Transfer. Nano Letters. 9 (2), 548-553 (2009).
- Kim, B. S., Choi, G., Shim, D. II, Kim, K. M., Cho, H. H. Surface roughening for hemi-wicking and its impact on convective boiling heat transfer. International Journal of Heat and Mass Transfer. 102, 1100-1107 (2016).
- Mikkelsen, M. B., et al. Controlled deposition of sol-gel sensor material using hemiwicking. Journal of Micromechanics and Microengineering. 21 (11), (2011).
- Haatainen, T., Ahopelto, J. Pattern Transfer using Step&Stamp Imprint Lithography. Physica Scripta. 67 (4), 357-360 (2003).
- Chou, S. Y., Krauss, P. R., Renstrom, P. J. Nanoimprint lithography. Journal of vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena. 14 (6), 4129 (1996).
- Pozzato, A., et al. Superhydrophobic surfaces fabricated by nanoprint lithography. Microelectronic Engineering. 83 (4-9), 884-888 (2006).
- Nair, R. P., Zou, M. Surface-nano-texturing by aluminum-induced crystallization of amorphous silicon. Surface and Coatings Technology. 203 (5-7), 675-679 (2008).
- Ashby, P. D., Lieber, C. M. Ultra-sensitive Imaging and Interfacial Analysis of Patterned Hydrophilic SAM Surfaces Using Energy Dissipation Chemical Force Microscopy. Journal of the American Chemical Society. 127 (18), 6814-6818 (2005).
