JP2016112498A

JP2016112498A - 液滴駆動装置

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Publication number: JP2016112498A
Application number: JP2014252615A
Authority: JP
Inventors: 金子　由利子; Yuriko Kaneko; 由利子金子; 健司田頭; Kenji Tagashira; 石川　貴之; Takayuki Ishikawa; 貴之石川; 大西　慶治; Keiji Onishi; 慶治大西; 篤志表; Atsushi Omote
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-12-15
Filing date: 2014-12-15
Publication date: 2016-06-23

Abstract

【課題】第二の基板面と小滴の界面は、油膜と疎水膜の不均一な分布になる場合があり、さらに、液滴の駆動によってその分布が変動する。この界面の変動は、液滴の安定駆動を阻害する。【解決手段】第一の基板１面には疎水性かつ撥油性膜を付設し、第一の基板１と第二の基板２の隙間を絶縁性オイル６で満たされていることから、小滴の低電圧駆動が可能となる。また、第二の基板２面には疎水性かつ親油性膜を付設することにより、第二の基板面２と液滴の界面は、安定した油膜面となり、安定した液滴駆動が実現する。【選択図】図１

Description

本発明は一般に、マイクロ流体スケールの小滴サンプルを作成、混合、希釈するなど、小滴の液体を操作および処理する技術分野に関する。とりわけ本発明は、エレクトロウェッティング方式の技術を用いた小滴の操作に関する。

微少量の水性液体（以下、小滴と称す）を操作する方法として、特許文献１には、平面基板に形成された電極上に小滴を置き、電気的な制御により搬送する方法が開示されている。この方法は、搬送する小滴を、表面に沿って複数の制御電極が形成された基板（以下、第一の基板と称す）と一定の間隔をなすように対向して配置した基板（以下、第二の基板と称す）間で挟み込み、制御電極に電圧を印加することで、液体を搬送する。制御電極に一定電圧を印加すると、エレクトロウェッティング現象により、制御電極上の小滴との親和性が変化し、小滴が移動する。このプロセスを繰り返すことで、制御電極配列に沿って小滴を搬送する。

第一の基板表面および第二の基板表面には、疎水性絶縁膜を付設している。特許文献１には、好適な疎水性絶縁膜の材料として、テフロン（登録商標）ＡＦ１６００が開示されている。また、特許文献２の従来例として、疎水性絶縁膜材料はフルオロポリマーが開示されている。これらのテフロン（登録商標）系材料は、疎水性であると同時に、撥油性にも優れている。電圧印加による、第一の基板表面の水性小滴との親和性変化は、基板表面を疎水性にすることでより大きくなるため、低電圧駆動が可能となる。

また、小滴の蒸発を防ぐために、両基板間の媒質は、シリコーンオイルなどの非混和絶縁性流体であってもよい。

特許文献２には、電圧を印加する制御電極基板上に親油性膜を配置することが開示されている。電圧印加をＯＦＦしたときに、オイルの濡れ広がりを均一にする効果がある。

特許第４２９８６５６号公報特開２０１４−５２５６１号公報

第一の基板表面を撥油性にすることで、表面近傍における絶縁性オイルは、はじかれやすくなり小滴の流動性が向上し、低電圧での駆動が可能となる。

しかし、第二の基板表面は、第一の基板表面とは異なり、電圧印加等によるダイナミックな表面状態の変化はない。そこで、第二の基板表面に接する小滴の界面は、小滴の駆動に関係なく安定した状態であることが好ましい。特許文献１に開示されている例にあるように、第二の基板表面は、第一の基板表面と同様の疎水性かつ撥油性膜が塗布される場合が多い。しかし、第二の基板表面を撥油性にすると、絶縁性オイルがはじかれやすくなり、第二の基板表面に接する小滴の界面は、絶縁性オイルと疎水性絶縁膜が不均一な分布で混在する場合が発生する。さらに小滴の駆動によってその分布は変動する。この界面の不均一な分布の変動は、小滴の安定駆動を阻害する。

界面の不均一な分布は、第一の基板表面にも起こるが、第一の基板では電圧印加によりダイナミックな表面変化が起こるので、前記界面の不均一な分布により安定駆動を阻害しない。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、駆動電圧の低減と安定駆動を実現した液滴駆動装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の液滴駆動装置は、複数の制御電極が設けられている第一の基板と、前記第一の基板に対して隙間を空けて対向配置される第二の基板と、外部とつながる液注入部があり、前記第一の基板表面は、少なくとも一部を覆うように形成された疎水性かつ撥油性膜を備え、前記第二の基板表面は、少なくとも一部が疎水性かつ親油性であって、前記第一の基板と前記第二の基板の間及び、前記液注入部は、絶縁性オイルで満たされ、前記絶縁性オイル中には前記絶縁性オイルに相溶性がない液滴があり、前記液滴は、前記第一の基板、第二の基板ともに接しており、前記制御電極の少なくとも一部に電圧が印加すると、前記液滴は、前記制御電極に沿って移動する。本構成によって、液滴の低電圧駆動と安定駆動の両立を実現することができる。

本発明の液滴駆動装置によれば、低電圧かつ安定した駆動を実現することができる。

本発明の実施の形態１における液滴駆動装置の断面図

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における液滴駆動装置の断面図である。

図１において、１は第一の基板であり、ホウケイ酸ガラスを用いている。第一の基板上には、制御電極２が１５個一列に配置している。１個の制御電極の大きさは、１ｍｍ×１ｍｍの正方形で、電極間距離は、５０μmである。電極上には、絶縁層（SiO2）があり、厚みは１００μｍである。さらにその上には、疎水性かつ撥油性膜としてアモルファスフッ素樹脂（商品名CYTOP 品番：CTL−809M 旭硝子株式会社製）の層（厚み２μｍ）がある。疎水性かつ撥油性膜としては、フッ素系以外に、パラキシリレン系ポリマー（商品名パリレンパリレン株式会社製）などがある。

絶縁層の誘電率と厚み、疎水性かつ撥油性膜の誘電率と厚みは、駆動電圧に影響を与える設計パラメーターである。

２は、第二の基板である。第二の基板は、第一の基板同様、ホウケイ酸ガラスを用いている。

前記基板の材料としては、ガラス（例えば、無アルカリガラス、ソーダガラス、パイレックス（登録商標）ガラス、石英ガラス等）、プラスチック（例えば、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリイミド等）、金属（例えば、アルミ、ステンレス、シリコン）などを用いることができる。中でも、光透過性の観点から、ガラス基板、またはプラスチック基板が好ましい。

また、第二の基板にポリスチレンなどの疎水性かつ親油性である材料を用いた場合、疎水性かつ親油性膜を付設する必要がなくなる。この場合、疎水性かつ親油性膜塗布におけるコストが削減されるという利点がある。疎水性かつ親油性材料としては、他に例えば、ジメチルポリシロキサンやエポキシ樹脂、などがある。

第二の基板面内には液注入口８が設けている。第二の基板表面および液注入口８の周囲には、疎水性かつ親油性膜としてＵＶ硬化型樹脂（例えば、商品名ヒタロイド７２００日立化成株式会社製）が厚み１μｍの層をなしている。

疎水性かつ親油性膜は、不飽和炭化水素系化合物が一般的である。例えば、特許文献２に記載の材料は、フルオロポリマー同等の撥水性を確保しつつオイルの濡れ広がり性に優れ、かつ、耐久性にも優れた疎水性絶縁膜であって、好適である。

第一の基板１と第二の基板２の隙間は、１８０μｍである。

前記隙間、および液注入口８内を埋める媒質は、シリコーンオイル（ＳＨ−２００東レ・ダウコーニング株式会社製）である。この媒質は、水性試料と相溶しないこと、粘度が低いこと、絶縁性が高いこと、水性試料よりも比重が小さい特徴がある。これらの特徴は、媒質を選ぶ利点となる。ただし、水性試料よりも比重が小さいことに関しては、注入口の位置や第一の基板の位置によって、特に必要がない。例えば、第一の基板を上に、第二の基板を下に対向して配置した場合、水性試料よりも比重が大きい媒質を選ぶ必要がある。以上の特徴に合致する媒質であれば、シリコーンオイルに限定されることはない。例えば、フッ素系液体（一例では、商品名Ｎｏｖｅｃ３Ｍ株式会社製）でもよい。

注入口８から、水性試料の液滴を約１μｌ注入する。液滴は、比重により第一の基板表面にまで沈下する。

注入口８内に、疎水性かつ撥油性膜が付設している場合、注入口8内に液滴が太鼓状に保持され、容易に抜けない場合がある。しかし、注入口８内に、疎水性かつ親油性膜が付設している場合、あるいは、注入口８自体が疎水性かつ親油性である場合は、少し振動を加えてやれば、液滴は沈下する。これは、注入口８の周囲にオイル層ができているので、オイルの振動や流れが液滴を移動させる力となるためである。

次に、制御電極３のスイッチングにより電極２個分の液滴に分注する。分注する小滴は、およそ３７０ｎｌ（高さ180μｍ×１ｍｍ×２．０５ｍｍ）である。この小滴が隣の電極へ移動するのに必要な印加電圧を駆動電圧とする。スイッチング周波数は１０Ｈｚである。

小滴の量は、電極一つと、隣接する一つの電極の少なくとも一部に接することが可能な量であることが好ましい。小滴と第一の基板表面との接触面積が電極１個分より随分小さい量では、隣接電極の表面状態変化を感知できず、移動が困難になる。

また、小滴の量は、高価であったり、希少であったりする理由から、ごく少量しか準備できない場合がある。その場合は、１つの電極サイズを小さくし、第一の基板と第二の基板の隙間量を減らすことで、小滴量を減らすことができる。電極サイズと第一の基板と第二の基板の隙間量は、小滴量を決める設計パラメーターである。

第二の基板は、小滴量を決めるだけでなく、シリコーンオイル中では球形となる小滴を扁平化する役目をもつ。小滴が扁平化することで、第一の基板との接触面積が増加することにより、より第一の基板の表面変化を受けやすくなり、低電圧駆動が可能となる。一方、第二の基板との接触面積も増加することにより、界面が不安定な状態であれば、その影響を受け、駆動が不安定になる。しかし、第二の基板の表面が疎水性かつ親油性であることから、界面には油膜面ができ、安定した駆動が可能となる。

第一の基板と第二の基板間の媒質を空気の場合とシリコーンオイルの場合で駆動電圧を比較すると、空気の場合は１３０Ｖで、シリコーンオイルの場合は４０Ｖとなる。媒質をシリコーンオイルにすることで小滴の蒸発を防止するだけではなく、低電圧の駆動が可能になる。

臨界表面張力γ_cは、Ｚｉｓｍａｎが固体表面での液体の濡れ性を示す物性値として提案した。液体の表面張力γ₁が

であるとき、その液体は、固体表面で濡れる。一般的にオイルの臨界表面張力は２０から３０ｍＮ／ｍである。また、水の臨界表面張力は、７２ｍＮ／ｍである。エレクトロウェッティング現象では、水性試料の濡れ性変化が駆動力となるので、電圧印加OFF時の接触角と電圧印加ON時の接触角の差が大きいほど、低電圧駆動が可能となる。

そこで、第一の基板表面は、水性試料に濡れない材料である必要がある。また、シリコーンオイルは、小滴の形状変化に合わせて、自在に流動する必要がある。第一の基板表面が撥油性であれば、シリコーンオイルははじかれやすく小滴の流動性が向上する。つまり、第一の基板に付設する疎水性かつ撥油性膜は、臨界表面張力が３０ｍＮ／ｍより低いことが好ましい。

また、第二の基板によって小滴が扁平化され、第二の基板と小滴との界面は、平面状になる。第二の基板を疎水性にすることで、水性小滴の動きが滑らかになる。また、第二の基板を親油性にすることで、第二の基板表面と小滴の界面は小滴の駆動に関係ない油膜ができ、安定した駆動を実現する。そこで、第二の基板表面に付設する疎水性かつ親油性膜は、臨界表面張力が、３０ｍＮ／ｍより大きく、７２ｍＮ／ｍより小さいことが好ましい。

臨界表面張力の低い材料としては、ＣＦ₃―基は６ｍＮ／ｍであり、最小であると知られている。また、―ＣＦ２Ｈ基（１５ｍＮ／ｍ）、―ＣＦ₂ＣＦ₂―基（１８ｍＮ／ｍ）、―ＣＦ₂ＣＦＨ―基（２２ｍＮ／ｍ）、―ＣＨ₃基（２２ｍＮ／ｍ）、―ＣＦ₂ＣＨ₂―基（２５ｍＮ／ｍ）、―ＣＦＨ―ＣＨ₂―基（２８ｍＮ／ｍ）、―ＣＨ₂ＣＨ₂―基（３１ｍＮ／ｍ）なども低い材料である。材料の臨界表面張力は、臨界表面張力が既知の分子基が表面をカバーする割合によって、ある程度はデザインできる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上気した実施例は本発明を分かりやすく説明する為に詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

本発明にかかる液滴駆動装置は、第一の基板面に疎水性かつ撥油性膜を、第二の基板表面に疎水性かつ親油性膜を有し、ラボオンチップ等として有用である。また表示装置等の用途にも応用できる。

１第一の基板
２第二の基板
３制御電極
４疎水性かつ撥油性膜
５疎水性かつ親油性膜
６非混和絶縁性流体
７液滴
８液注入口
９液駆動部
１０液取り出し部

Claims

複数の制御電極が設けられている第一の基板と、
前記第一の基板に対して隙間を空けて対向配置される第二の基板と、
外部とつながる液注入部があり、
前記第一の基板表面は、少なくとも一部を覆うように形成された疎水性かつ撥油性膜を備え、
前記第二の基板表面は、少なくとも一部が疎水性かつ親油性であって
前記第一の基板と前記第二の基板の間及び、前記液注入部は、絶縁性オイルで満たされ、
前記絶縁性オイル中には前記絶縁性オイルに相溶性がない液滴があり、
前記液滴は、前記第一の基板、第二の基板ともに接しており、
前記制御電極の少なくとも一部に電圧が印加すると、前記液滴は、前記制御電極に沿って移動することを特徴とする液滴駆動装置。
前記第二の基板表面は、少なくとも一部を覆うように形成された疎水性かつ親油性膜を備えることを特徴とする請求項１記載の液滴駆動装置。
前記疎水性かつ撥油性膜は、臨界表面張力が３０ｍＮ／ｍより小さいことを特徴とする請求項１から２記載の液滴駆動装置。
前記疎水性かつ親油性膜は、臨界表面張力が３０ｍN/ｍより大きく７２ｍＮ／ｍより小さいことを特徴とする請求項１から請求項３記載の液滴駆動装置。