Fundamentals and Applications of Microfluidics -- Chapter 1

Fundamentals and applications of microfluidics - ch1 from 明輝 劉

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表面科學於操控微滴及微粒的應用 --- PART 5 結論及參考資料

結論

越來越多場合需要應用到微滴及微粒的操控，對於這些微小的物質，表面效應便顯得極具影響力。本文中介紹的電潤濕電子紙與電潤濕變焦透鏡，便是典型的表面效應 應用例子。藉由發明者的巧思，將簡單的電潤濕表面現象轉化成商機無限的特色商品。此外，光致電滲流及光電鑷子的應用，則是結合不同功能，將光及電的效應整 合在表面科學應用中。利用跨界的組合，簡化原有的機構，並強化原有的功能。如何巧妙的運用這些表面作用力，並將其應用在實務的領域上，將會是表面科學的新 里程。

參考文獻

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表面科學於操控微滴及微粒的應用 --- PART 4 光電滲流與光電鑷子技術

新型光電滲流與光電鑷子技術 (本文發表於 2012/04 化工技術 241期)
隨著生物科技的日新月異，對於操控微小生物組織的需求也日益殷切。生物的多樣性及高度組織分化，使得相關的分析工作顯得龐大而複雜。例如不同物種間的DNA圖譜分析，早期往往需要耗費研究人員一生的時間方能完成。如今藉由微機電製程及微操控技術所組成的生物晶片，則大大縮短檢驗分析的時程。此節要介紹兩種操控微滴及微粒的新技術 — 光電滲流與光電鑷子，都具有非接觸及非侵入的特性，能有效降低對操控物傷害。所以，廣泛的應用在生物科技中。但是傳統的電滲流及光學鑷子技術，受到一些先天設備的限制。因此，在操作上及使用上一直無法更有效率的執行。例如為了提高電滲流的分離效率或流動速率，往往需要提高電極間的電壓。但過大的電壓，會導致電極產生焦耳熱，對樣品產生不良影響。而固定的電極裝置，使得電滲流的操作僵化無法任意調動。為了增加電滲流的可操作性，則須製作複雜的驅動電極。而此複雜的驅動電極只能適用單一特殊用途，無通用性。同樣的，光學鑷子需要藉由雷射光聚焦來進行微粒捕捉，雷射光能量越強，捕捉的能力越強。但過高的雷射光能量，同樣會造成高熱影響樣品。此外，雷射光的聚焦距離受限於鏡頭，單次可操控的顆粒數目少，因此也限制光學鑷子的使用範圍。

新型光電滲流與光電鑷子技術，分別在電滲流中添加光學驅動電極，和在光學鑷子中增加光電場使其產生介電泳效應，以改善前述的操控缺點。光學驅動電極與光電場的形成，是藉由在電極上塗佈一層有機光導材料(organic photoconductive materials)，搭配光源圖譜(light pattern)可以任意變換驅動電極大小、形狀及位置。有機光導材料與目前熱門的有機敏化太陽能電池所用的光敏材料相似，其特性在於未照光時近似絕緣體，但照光時材料吸收光能後會產生電荷變成導體。這樣的材料其實廣泛的應用在雷射印表機及數位影印機的顯影耗材中，例如碳粉匣中的感光滾筒。目前穩定性高、價格便宜、光敏度佳的光導材料以「酞菁氧鈦(Titanium oxide phthalocyanine, TiOPc)」為主流。含有此光導塗層之光致電滲流（light-induced electroosmotic flow, LEOF）操控元件的結構如圖20。

圖20、用於磁珠濃縮之含光導TiOPc塗層的光致電滲流晶片(LEOF chip)結構示意圖。其晶片結構為夾層式，包括頂部透明ITO電極、液體介質、及塗佈於底部透明電極上的TiOPc光導層。照光區電荷藉由光導層傳輸至表面，引發表面LEOF。驅動流體往照光邊界流動，並帶動磁珠往照光區形成濃縮[13]。

此元件的特性在於TiOPc光導塗層在照光後，會由非導體變為導體。因此，照光區的電極會變成帶正電之虛擬電極，與兩側未照光區比較起來，照光區形成一個高電位區。所以，照光區與未照光區之間形成一非均勻電場(non-uniform electric field)，並驅動液體介質往照光區滲流。光致電滲流晶片的製作程序，如圖21。

圖21、光致電滲流晶片的製作程序，(a)~(d) 利用剝離程序(lift-off process)來定義ITO圖案的位置。(e) ITO圖案製作後，以旋轉塗佈法(spin-coating process)塗上TiOPc光導薄層，並於加熱板上加熱硬化TiOPc薄層[14]。其中Pyrex是玻璃基材；Mask是微影蝕刻用光罩；AZ4620是正型光阻劑。

圖21所製作的晶片為非均勻電極，搭配TiOPc光導層，可以任意變化出不同的非均勻電極組合。不同的電極組合可以得到不同的電滲流調控參數，例如流動方向及速度、流場的形式等，藉此來達到混合、分離、輸送特定微滴或微粒的目的。實際的晶片結構及操控方式，如圖22所示。

圖22、光致電滲流晶片的側視圖，關鍵技術在於利用光操作液體流動方向。(a)照光區電荷被誘導至TiOPc表面形成虛擬電極序列引發電滲流使液體流動。(b)光圖譜右移使得在TiOPc表面之虛擬電極序列反轉，並引發電滲流方向反轉[14]。

根據照光區的不同，圖22(a)顯示之虛擬電極之序列為1：1：5：3，其中包括1單位負電極，1單位間隔，5單位正電極及3單位間隔，形成向右之電滲流。相反的，圖22(b)則顯示反轉的電極序列3：5：1：1，形成向左之電滲流。如果照光區改為使虛擬電極序列變成對稱之均勻電極，電滲流將形成如同圖20之渦流。

新型光電鑷子操控微粒的方式為結合光鑷子與介電泳的特色而成的光電鑷子技術。利用改變光學圖案，並投射到光導材質的表面，在外加一交流電場(AC electric field)，可操控懸浮於絕緣介質的單一或大量粒子。由於，改用介電泳力捕獲微粒，故不需使用雷射光及顯微鏡聚焦，因此不再受到透鏡聚焦的限制。圖23為一新型光電鑷子晶片的運作原理示意圖。當光圖譜投影於 OET 晶片表面上時，暗區未照光的TiOPc光導層近似絕緣體。因此，暗區具有較高的阻抗，使得大部分壓降落於暗區，未能對懸浮於溶液中之粒子造成影響。相對的，亮區的 TiOPc受光激發而產生大量電子電洞對形成導體狀態，與上電極 ITO玻璃間形成一非均勻電場。此時，亮區的TiOPc光導層成為虛擬電極，懸浮於介質溶液中之微粒將受到介電泳的作用。當微粒的介電常數小於介質液體時，系統形成負介電泳，微粒會被吸附於低電場區。相反的，微粒具有高介電常數時，系統形成正介電泳，微粒會朝電極區移動。圖23為一負介電泳系統，因此微粒會吸附在暗區(低電場區)。

圖23、光電鑷子晶片的運作原理示意圖[15]。

使用光導虛擬電極的優勢在於，電極的位置及形狀不需事先設定。因此，在製作OET晶片時，將不再需要製作繁瑣的電極圖譜。只需要將電極圖譜轉換成光投影圖譜，利用TiOPc光導層即可轉化成虛擬電極。同時，此虛擬電極可以被覆寫更新，反覆使用。圖24為利用TiOPc光導虛擬電極之光電鑷子操控微粒的展示。操作方式為，將圖24(a)上方夾鉗(clamp)光譜以電腦游標(Cursor)控制，使其開口對準欲捕捉的微粒並移動捕獲微粒，然後關閉開口。圖24(b)則是將關閉開口的夾鉗移動到下方儲藏區(虛線)。圖24(c)&(d)則是打開開口釋出夾鉗捕獲之微粒，然後用放置器(putter)將微粒驅趕至儲藏區左側。

圖24、光電鑷子操控微粒的展示[15]。

(動態展示網址http://www.youtube.com/watch?v=ADmOwXlPtKA)

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表面科學於操控微滴及微粒的應用 --- PART 3 液體透鏡

電潤濕在液體變焦透鏡的應用 (本文發表於 2013/04 化工技術 Vol.241)

傳統的變焦鏡頭使用由一組複雜的玻璃或塑膠透鏡，加上精密的步進馬達與一些機械結構組成，藉由馬達改變鏡片間之距離達到變焦的目的。但是這種方式的機械結構複雜且脆弱，價錢昂貴，並需要極大的空間來換取變焦範圍，不利於攜帶式3C產品的應用。因此，尋找一種異於傳統鏡頭之變焦技術，方能跳脫出原有空間的限制。藉由分析人眼水晶體調節焦距的方式，科學家了解到水晶體即為一種天然液體透鏡，如圖12。它藉由睫狀肌調節水晶體的曲率，使人類可以清楚地看到不同距離之景物，這種方式因為不需要精密的步進裝置與複雜的機械結構，因此可以降低成本，且可以將變焦系統的空間大幅縮小。

圖12、人眼水晶體聚焦成像的示意圖[8]。

最早的液體透鏡可以追溯到 17 世紀，當時 Stephan Gray利用液滴作為顯微鏡的透鏡，製作方式是在平板上鑽孔，將液滴滴入孔洞中，利用孔徑大小的不同，來改變液滴的曲率變化。現今的液體透鏡，其變焦的技術可區分為4類：(1) 液壓作用(fluidic pressure)、(2) 熱效應(thermal effect)、(3) 介電泳動(dielectrophoresis, DEP)、(4) 電潤濕。所謂的液壓作用是指利用外力使液壓改變，進而改變液滴的曲率來達到變焦的目的，如圖13。

 

  圖13、液壓式液體透鏡結構與改變曲率機制之示意圖：1.環形密封環；2.橡膠薄膜；3.玻璃平板；4.彈性薄膜；5.液體；6.小孔[9]。

而熱效應變焦技術，是藉由水凝膠(hydrogel)在不同溫度下會有吸水膨脹及脫水收縮的現象。當水凝膠受冷時會吸水膨脹，進而擠壓水相使液滴凸起形成凸透鏡，如圖14。

 

圖14、熱效應作用製作的液體透鏡之示意圖：a.  水-油界面形成之液體透鏡；b.  結構截面圖；c~f. 不同溫度下，水/油界面變化[10]。

圖15、微透鏡陣列形成過程：(a)兩種不同液體，L-1 隨機分布於絕緣層上；(b)透鏡形成；(c)加電壓時的穩定狀態；(d)不加電壓時的穩定狀態[11]。 

至於介電泳動的變焦原理，則是利用在不均勻電場下，低介電常數L-1液體易往低電場移動的特性，如圖15。此乃因高介電常數L-2液體易被電場極化，而受電極吸引，並將L-1液體擠壓至非電極區形成透鏡。而本文欲探討的電潤濕變焦技術，則是採用Yang-Lippmann方程式。透過調控電壓來改變液滴接觸角，進而達到變焦的目的。圖16為Varioptic公司提出的變焦液體透鏡結構圖。

圖16、左圖為光學透鏡的垂直剖面，其組成包括封裝液-水及透鏡液體-油滴。在電壓還沒有接通時，凹面油滴會形成光擴散，這是因為油的折射率大於水的(Snell定律)。右圖為電壓導通狀態，在其影響下水會推壓油滴成為凸面和使光通過它並聚焦[1]。

液體透鏡變焦系統較傳統變焦鏡頭具有許多的優勢，例如不需驅動馬達來移動透鏡組以完成變焦程序。此外，因為無須透鏡組來變焦，故不需精密機械定位的伸縮鏡筒。所以，變焦液體透鏡具有體積小，裝置精簡成本低，以及能耗少的優勢。這些優勢對於可攜式3C產品，例如手機、平板電腦、行車記錄器等，符合其輕薄短小低耗能之特性需求。然而，液體透鏡穩定性仍有待驗證，常見的問題有光軸穩定性、透鏡液體及封裝液體穩定性等。目前主要的技術開發者有Philips、Sony、Samsung及Varioptic等，圖17為Philip液體透鏡及其封裝成鏡頭組的外觀與結構。圖18為Varioptic所販售的液體透鏡。

圖17、Philips液體透鏡及其封裝成鏡頭組的外觀與結構[12]。

圖18、Varioptic所販售的液體透鏡[1]。

由於液體透鏡的鏡面是液態，故無法如傳統玻璃或塑膠透鏡一樣，維持固定的光軸中心。為了避免液體透鏡因環境因素造成光軸偏移，在設計液體透鏡之液滴儲槽的幾何形狀時，會特別考慮光軸的幾何對稱性及最低能勢。使得光軸本身具有自動補償偏移的能力，圖19為幾種具代表性之液滴儲槽的幾何形狀。

圖19、具光軸穩定的液滴儲槽幾何形狀。

此外，液體透鏡中的透鏡液體與封裝液體，有以下的要求，包括

• 儲存穩定性要高，兩液體長期接觸不會產生化學反應、乳化或互溶。
• 穿透率及透明性要高
• 兩液體的介電常數差異要大
• 操作溫度範圍要大
• 兩液體的密度越接近越好
• 黏度低及黏滯係數要小
• 兩液體的折射率差要大
• 透鏡液體的導電度要低

為了達到高穩定性，透鏡液體通常選擇低活性及低表面張力的矽油類，例如聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)。PDMS擁有低化學活性、與水不互溶、透明且黏度低、密度接近水、操作溫度寬、介電常數低、導電度低等特性。低化學活性故儲存穩定性高、與水不互溶可降低液體劣化速率、透明有助於光穿透、低黏度讓液滴變焦速度加快、介電常數差異大能提升電潤濕效率及降低操作電壓、操作溫度寬以適用於各種氣候環境、液體密度越接近越能克服重力或浮力干擾、折射率大則有助於變焦範圍的提升、導電度低可避免電解發生。

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表面科學於操控微滴及微粒的應用 --- PART 2 電潤濕電子紙

電潤濕在電子紙的應用 (本文發表於 2013/04 化工技術 Vol.241) 
目前較具代表性的電子紙顯示技術，可概分為6大類的技術，包括電泳動、粉流體、電致變色 (electrochormic)、電潤濕、光干涉調變(interferometric modulation, IMOD)及反射型液晶技術[2]。目前真正量產的電子紙技術，包括市佔率最高的電泳動技術、其他還有粉流體(liquid powder)、電致變色、IMOD及液晶顯示技術等，而本節要詳述的電潤濕技術則是新開發的未來之星。電泳動技術主要來自E-Ink公司，此公司目前已被台灣元太公司併購，其產品如亞馬遜的Kindle平板顯示器，顯示原理如圖8所示。粉流體技術由普利斯通(Bridgestone)開發，台灣台達電是其協力廠商，主要生產電子標籤類產品，其顯示原理如圖9。第一代的電潤濕電子紙，採用的是Yang- Lippmann技術。主要的技術開發公司是由飛利浦(Philips)分離出的Liquivista，該公司目前已被三星(Samsung)收購，其顯示原理如圖3。

 

圖9、Bridgestone粉流體顯示器[2]。

“電濕潤現象＂是Lippmann於1875年在水銀電毛細(electrocapillary)實驗中發現，並將電壓與界面張力間的變化以Lippmann 方程式(2)表示：

其中，γ_SL(V)為在電壓V時的固/液間之界面張力；ε₀為真空的介電常數；ε變為介電層的介電常數；d₀變為介電層的厚度。將Yang方程式(1)與Lippmann 所得到的方程式(2)做合併整理得到Yang-Lippmann 方程式(3)：

其中，γ_LG  為氣/液間之界面張力；θ為在未施加電壓時的固/液/氣三相接觸角；θ(V)為在電壓V時的固/液/氣三相接觸角。根據方程式(3)的結果顯示，液體接觸角會隨電壓升高而減小。

Liquivista公司所生產的Yang-Lippmann電潤濕電子紙結構，如圖3。以此一技術製作出反射率約55% 與對比在15之反射式顯示器，此一特性接近實際紙張之表現(反射率60%；對比15)。此外，值得注意的是其操作電壓約15~20V，且響應時間只有10 ms，十分符合顯示動畫之要求。不過，由於Yang-Lippmann電潤濕顯示技術，無法像電泳動顯示器具有雙穩態(bistable)顯示能力。所以，此技術在顯像的過程與傳統LCD相同，必須持續提供電壓以維持畫素正確成像。因此，做為攜帶式顯示器，偏大的耗電量仍是一不利因素。

為了改善Yang-Lippmann電潤濕無雙穩態顯示的缺點，改良式第二代電潤濕技術被 γ-Dynamics公司提出[6]。所謂的改良式電潤濕原理，是將Lippmann方程式(2)結合Yang-Laplace方程式(4)，得到Yang-Laplace-Lippmann方程式(5)

其驅動顯示的力量由原本表面張力或接觸角，轉變為跨越界面的壓差。其中，ΔP 為界面兩側的壓力差；R₁及R₂為界面曲率半徑（球面曲率半徑R₁ = R₂ = R)；ΔP (V)為在電壓V時的界面兩側的壓力差；h 為渠道的直徑。根據方程式(5)的結果顯示，界面壓力差會隨電壓升高而減小。換言之，改變電壓可以使工作液體的界面壓力差改變，也就是說可以控制工作流體的運動方向。根據Yang-Laplace方程式(4)，氣/液或液/液界面的兩側存在一壓力差ΔP，且界面曲率半徑小的壓力高於曲率半徑大的。利用此一現象，設計如圖10的顯示結構可以達到雙穩態顯示的目的。藉由調整圖10上下渠道施加電壓的不同，可以得到(a)條件：上下渠道皆未施加電壓時，在相同內徑渠道中的顯像液體（pigment dispersion）形成相同曲率半徑之界面。因此，上下渠道中的顯像液體壓力差為零，故其在渠道內是靜止不動。條件(b)為下渠道施加電壓，此時下渠道的顯像液體會潤濕加壓側壁面，使得其曲率半徑變大。因此，上渠道的壓力便大於下渠道，導致顯像液體往下渠道流動。條件(c)為上渠道施加電壓，與條件(b)剛好相反，此時下渠道壓力相對較高，故顯像液體便往上渠道流動。條件(d)為上下渠道皆施加電壓，雖然上下渠道的顯像液體曲率皆變大。但因變動量相同，所以上下渠道的壓力差為零，顯像液體在渠道內是靜止不動。

圖10、Yang-Laplace-Lippmann 電潤濕式電子紙作動示意圖[7]。

圖11、Yang-Laplace-Lippmann 電潤濕式電子紙顯示元件結構示意圖[7]。

Yang-Laplace-Lippmann顯示元件(如圖11)，其特點在於具有雙穩態顯示能力。當元件的頂部電潤濕基板通電時（圖10條件c），極性的顯示液體會被極化產生電潤濕效應，使得顯示液體潤濕上基板(曲率半徑變大)。因此，造成上渠道的液壓低於下渠道，故顯示液體往上渠道移動得到成像的結果。此時，即使除掉元件電壓，但成像仍然維持。因為，未加電壓的條件下(圖10條件a)，上下渠道中的液壓相等，顯示液體維持不動。相反的，欲得到不顯像的狀態，只需對底層電潤濕基板通電（圖10條件b），使得下渠道的顯示液體的曲率半徑大於上渠道的。這時下渠道的液壓低於上渠道，顯示液體便會流入下渠道得到不顯像的顯示。

 

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表面科學於操控微滴及微粒的應用 --- PART I 前言

前言 (本文發表於 2013/04 化工技術 Vol.241)

表面科學在微滴及微粒的操控技術應用越來越廣泛，例如噴墨印表機的墨水、微滴反應器(生物晶片 biochip)、細胞微粒操控(光學鑷子)、微滴致動幫浦(電潤濕或電滲流驅動)、微流控晶片（microfluidic chip or lab-on-chip）、電潤濕顯示器及液體透鏡等。因為液滴的存在代表有氣/液、液/液、氣/液/固、氣/液/液、或液/液/固的界面存在。尤其當液滴粒徑顯著縮小時，比表面積的躍增將使得表面效應無法被忽視。因此，表面科學在微滴及微粒的操控上一直扮演著舉足輕重的地位。

不同的微滴及微粒應用，需要不同的操控技術。例如噴墨墨水採用壓電或熱泡式的致動原理，需要考慮液滴表面張力及墨水黏度，表面張力會影響供墨、液滴形成及滲透，黏度則影響液滴大小及流動。而生物晶片則是在矽晶片上以微影蝕刻製程，製作出數百個陣列式的檢驗點，來加速篩檢的程序；但如何將檢體依序加入這些微米級的檢驗陣列中，將會是一大挑戰。利用微液滴致動幫浦、光學鑷子或微流控晶片，可以將特定的微滴及微粒混合或傳輸到所需的地方，其傳輸的驅動力主要來自電潤濕、電泳動或電滲流。還有，一種新型顯示器電子紙，也採用電潤濕技術來操控液滴潤濕變化，以其作為顯示畫素。另外，液體透鏡也是利用電潤濕技術，藉由調控液滴接觸角來改變液滴的表面曲率，進而達到調整焦距的目的。

這些微滴及微粒操控技術的共通點，在於有效的應用幾種常見的表面作用力。在跨越界面的不同相間，其分子內聚力不同；故在界面產生眾所周知的表面張力或界面張力。在氣/液/固三相的接觸線上，液滴會有一平衡的形狀，並會形成液滴接觸角θ，如圖1所示。此一平衡狀態，可以用Yang方程式(1)描述。

圖1、界面作用力關係圖。

其中，γ_LG  為氣/液間之界面張力；γ_SG  為氣/固間之界面張力；γ_SL  為液/固間之界面張力。根據Gibbs自由能的描述，在一疏水性介電層(dielectric layer)上，極性水滴的內聚力大於液/固界面張力。故液滴會因內聚力而形成球狀無法潤濕固體表面，其接觸角會大於90度，如圖2(a)。若在此液滴上加入一個電壓，極性水滴會被極化形成電荷吸引，而與疏水性介電薄膜產生親和潤濕現象，此時接觸角小於90度，如圖2(b)所示。上述液滴因電壓產生接觸角變化的現象，稱之為電潤濕現象。

圖2、電潤濕原理示意圖[1]。

圖3、電潤濕顯示畫素的作動示意圖[2]。

Philips的研究人員 Hayes與 Feenstra於2003年利用此原理提出低驅動電壓之電濕潤式顯示器結構[3]。其結構是將極性液體及帶顏色油墨液滴封裝於顯示畫素的上下兩個電極間，當電極未加電壓時，油墨液滴與疏水介電層是潤濕狀態，如圖3(a)左側。反之，當電極通入電壓時，油墨液滴的接觸角變大，呈現如圖3(a)右側現象。由圖3(b)的上視圖可以瞭解其顯示作動情形。相同的技術亦被應用在液體透鏡中，1995年Gorman等人首先利用電潤濕調控液滴形狀，來達到液體透鏡變焦的目的[4]。圖4為液體透鏡變焦原理及結構示意圖。

圖4、液體透鏡變焦原理及結構示意圖。

而電泳動現象是指溶液中的帶電粒子受到電場的作用，使得溶液中帶正電粒子往負極移動，帶負電的粒子會朝正極移動的現象，如圖5。利用此特性，可以用來分離不同帶電粒子。

圖5、電泳動示意圖。

圖6、電滲流示意圖。

 

電滲流的原理近似電泳動，但電滲流是藉由極化流體介質使其受電場作用。電滲流的產生，起因於流體通道一般採用矽基材質，因此管壁易因氧化矽水解產生帶負電現象。為了平衡電性，溶液便被極化成帶正電流體。此帶正電的流體受到電場的作用便會往負極移動，因而形成電滲流，如圖6。

圖7、光學鑷子原理示意圖。

光學鑷子是由科學家Ashkin於1969年在測量光壓時發現[5]。其基本概念則是將一道雷射光束經透鏡聚焦後，在雷射聚焦處形成一穩定的位能井。於是，在此焦點周圍的微粒子就會被吸引到焦點，而達到捕捉與操控的目的。我們可利用簡單的幾何光學與動量變化產生力的概念來解釋光學鑷子的工作原理。當光線由一介質中進入到另一不同介質中時，光會發生偏折的現象，也就是所謂的折射。如果將光線想像成是由光子所組成，當光線發生偏折時，光子的動量即產生改變，而動量改變即反應有作用力的存在。所以當雷射光經過微粒子後發生偏折，相當於微粒子對雷射光子施一作用力使之偏折。又由牛頓第三運動定律所描述之作用力與反作用力的關係知道，雷射光子亦對微粒子施一反作用力，而這些反作用力的合力便是光學鑷子的捕捉力，如圖7。 

此技術的特點在於對微小的粒子，亦可進行非接觸式的捕捉及移動。此種非侵入式的微滴操作方法，還包括前述的電潤濕、電泳動、電滲流等技術。這些技術具有不會污染生物體，且對生物體的傷害可降至最低，以及不會破壞生物活性等特性。因此，廣泛的應用於生物科技領域。但光學鑷子需要高數值孔徑物鏡，以方便聚焦雷射光束使其對粒子產生吸引力。而過短的工作距離（焦距短）限制了其應用範圍，操作範圍小也減少了可操控的細胞數目。此外，為了增加細胞捕捉的能力，其需要大約1×10⁶ W/cm²的高功率雷射。但生物樣本則易因此受其光與熱的能量傷害。至於電潤濕、電泳動及電滲流，則需藉由固定金屬電極產生非均勻電場，來極化欲操控之細胞或粒子，再以電潤濕、電泳動或電滲流的方式，進行粒子方向控制與移動。儘管非均勻電場操控系統可由微機電技術簡單達成，但其固定電極的設計方式也使得動態操作上大大受限。另外，為了提高電泳動的分離效率或電滲流的流動速率，往往需要提高電極間的電壓。但過大的電壓，會導致電極產生焦耳熱，亦會對樣品產生不良影響。

為了改善這些非侵入式操控技術的限制，以提昇其在生物科技的應用方便性。新型的光電滲流及光電鑷子已陸續被提出，並針對前述的限制提出解決之道。本文後續將針對電潤濕技術在電子紙顯示器與液體變焦透鏡的應用、以及新型光電滲流與光電鑷子之技術，作更深入的說明。

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蘊藏在電子紙技術中的界面科學 --- PART 3 電泳動及粉流體式電子紙

電泳動及粉流體式電子紙 -- 庫侖靜電力原理(本文發表於 2011/12 化工技術 Vol.225)

90 年代中期美國史丹佛大學物理系的博士後研究員雅各森（Joseph Jacobson）採用電泳（Electrophoresis）技術，該技術將不同顏色的帶電粒子注入充滿液體的膠囊中懸浮，並利用電場變化，讓懸浮帶電 粒子在膠囊中移動，而產生暗底白字的效果，其中暗底是帶負電的暗色粒子群聚的效果，白字則是帶正電的白色粒子群聚的效果，如圖8。由於帶電的色粒子懸浮在 液體中，因此這些膠囊被印在紙上或荷電材料上時，看起來就像是墨，而帶電粒子似乎是在液體中游泳，因此雅各森將他的技術稱作「電泳墨」 （Electrophoresis Ink）。

圖8、電泳動式電子紙的作動原理示意圖[7]。

 E-Ink所生產的顯示單元 – 電泳墨，主要是利用界面科學的微膠囊封裝技術。目前常見的微膠囊封裝技術包括：凝聚法、界面聚合法及原位聚合法。根據美國專利第6017584號專利所述之電子墨製程簡略說明如下：首先將帶電粒子(TiO₂)與油相介電流體混合形成均勻分散之油相電泳液。欲使帶電粒子達到均勻分散，可能需要添加適當的分散劑[8]。然後，製備水相溶液為一含有微膠囊封裝時所需之殼層樹脂液。如果使用凝聚法，一般添加水溶性樹脂(明膠、阿拉伯膠、PVA、CMC等)； 若為聚合法則添加所需之聚合單體及起始劑於水相或油相，視聚合方法而定。再將油相電泳液與水相殼層樹脂液混合，攪拌形成兩相之油滴分散在水中的分散液。同 時，藉由改變操作條件控制樹脂的溶解度及聚合度，使樹脂析出沈積於油相液滴表面形成微膠囊樹脂殼層。最後，將已封裝好的樹脂粒子取出乾燥，得到所要的電泳墨顯示單元，如圖9。

圖9 微膠囊封裝電泳液之製程示意圖[9]。

 E-Ink的電子紙製程，主要採用傳統塗佈方式製造，其步驟概述如下：先將樹脂液與電泳墨混合成樹脂漿料，然後利用刮墨刀(doctor blade)將漿料塗佈於基材上。控制刮墨刀的間隙(blade gap)，可以控制塗層的厚度，因而得到單層電泳墨之機能塗膜。再將此塗膜乾燥並與電極層貼合，形成所需的電子紙。Canon採用的技術較接近現行半導體顯影蝕刻製程，其詳細步驟請參閱美國專利第6524153號專利說明[10]。SiPix所採用的Micro-cup製程技術，則可參閱美國專利第6672921號專利說明[11]，如圖10所示。該製程的特點除了使用微機電壓印技術形成像素陣列外，值得一提的是其在填充及封裝電泳液時，巧妙利用封裝材料與電泳液間的物化性不同，使封裝材料會自動覆蓋在電泳液表面，經過硬化處理後完成封裝[12]。

圖10、Micro-cup電泳動式電子紙的結構示意圖[12]。

 粉流體移動原理和電泳動有點類似，但不同處在於微粒子的周圍是空氣或別的粒子。此方式是1998年日本千葉大學北村孝司教授(Takagi Kitamura)提出，利用由氟化碳構成的白色粒子與樹脂、碳粉構成的黑色粒子，加電壓使黑色粒子上下移動進而實現黑白畫面顯示，由於顯示面無法全部覆蓋黑色粒子，因此畫面的對比（contrast）偏低[13]。富士施樂（Fuji-Xerox）則是使黑色與白色粒子帶相異的電性，藉此使兩種顏色的粒子朝反方向移轉，顯示黑色畫面時白色粒子被吸至內側面板，如此一來畫面就全部被黑色粒子覆蓋，進而使得對比大幅提高，根據該公司的測驗結果顯示，該電子紙的反應時間高達5~10ms，如圖10所示[14]。Bridgestone和九州大學服部勵治教授(Reiji Hattori)共同研究利用具備液體動作機制的粉體，獲得0.2ms的反應時間，相較於膽固醇液晶方式與電泳動方式的電子紙約100ms的反應時間來說，粉體移動顯示器的反應時間是非常快速的， 但目前最大問題是需要降低驅動電壓，因為目前其驅動電壓高達70~500V[15]。

圖11、電子粉流體式電子紙的作動示意圖[14]。

 由於流體粉顯示器中的顯像顆粒並無液體間隔分散，為了避免流體粉顆粒團聚。故需對顯像碳粉進行表面處理，使其能達到足夠的帶靜電量，以及有效降低表面能量提昇粉體流動性[16]。所謂的流體粉，是指顯像碳粉的流動有如流體一般之意。一般的粉體流動差，故易堆疊成山狀(b)；而流動像液體之流體粉，其流動就像水一樣會四散開來不會堆積(a)，如圖12。流體粉粒徑約在10μm且窄粒徑分佈，可以採用傳統粉碎式碳粉(a)或化學式碳粉(b)，也可是特殊表面結構之顆粒(c)及(d)，如圖13。因為，顯像碳粉的帶電量及其流動性，會影響到顯示器顯影的驅動電壓。過高的驅動電壓，將不利於攜帶式電子產品的運用。目前，市售的流體粉顯示器其驅動電壓約在70-80 volt，而電泳動顯示器約在15 volt。因此，如何強化流體碳粉帶靜電量、提高碳粉的流動性及改善元件電性等，以達到降低驅動電壓的目的，是未來重要的課題。

圖12、粉體流動性測試[13]

圖13、電子流體粉的SEM外觀[13]。

 未來發展趨勢

雖然，電子紙當初的設想只是希望擁有類似紙張顯示文字資訊的功能。但隨著數位資訊的快速的增長，單純的文字顯示已不符合需求。新的電子紙技術，不但須具備資訊數位化傳輸能力，同時能進行動畫互動顯示。此外，彩色化及低耗能也是必備的基礎功能。目前，傳統LCD或OLED的 顯示器，其在數位資訊的顯示傳輸上相當成熟。同時，不論畫質、動畫或色彩鮮豔度都有超水準的表現，其缺點在於耗電量太大，無法長時間使用，以及透射式顯像 不利肉眼長時間閱讀，且在陽光下圖文對比差。而電子紙技術中，最為人所詬病的項目剛好與傳統顯示器的優缺點相反。電子紙顯示技術，主要是採用反射式雙穩態 顯示，也就是類似紙張顯示方式，畫面顯像後不需額外能量維持訊息，因此可以有效降低能源需求。不同於紙張之處在於當資訊需要更新時，仍可透過數位訊號修改 原有資訊。由於採用反射式顯像技術，因此電子紙必須在有外部光源下方可閱讀。所以，外部光源越強電子紙顯示對比越清晰。而為了實現電子紙彩色化，所採用彩 色濾光片技術會導致反射光被濾光片濾除，只剩1/3的CMY純色光反射。故其光源強度明顯減弱，造成對比清晰度下降，圖像的色彩飽和度及畫質不佳。另外，目前主流的電子紙採用電泳動顯示技術，此技術的圖像是藉由帶電微粒泳動顯示。由於微粒泳動需要花費較長的時間，使得此技術在動畫的顯示上無法達到滿意的結果。

為了解決上述的缺陷，新的電子紙技術逐漸朝向更快的顯示速度、更高的對比度、更有效降低能耗、更飽和的色彩及畫質。例如電泳動技術可藉由縮小顯像微膠囊粒徑達到加快圖像應答速度及解析度。2011年台灣平面顯示器展會，E-INK就展示最新一代彩色電子紙，具有高色彩飽和度及300dpi解析度。而粉流體技術及電潤濕技術，本身的顯示速度夠快，足以應用在動畫顯示。不過，粉流體技術需克服顯示碳粉受凡得瓦力吸附於電極表面，導致啟動電壓偏高無法適用於現今的半導體製程。Yang-Lippmann電潤濕技術則是目前最被看好的電子紙技術之一，原因在於擁有高速圖像應答能力、驅動電壓低、對比高及畫素小解析度高等優勢。唯一的缺點是無雙穩態顯像特性，因此操作能耗較高。但新一代的Yang-Laplace-Lippmann電潤濕顯示技術克服此一缺點，不過顯示元件需要採複雜的微影蝕刻製程製作。展望未來，電子紙的各項技術將隨著技術突破獲得實質的改善。不過，LCD及OLED等顯示技術同樣日益精進，難保電子紙技術不會如同CRT一樣遭到淘汰。為了保有競爭優勢，唯有持續改善色彩飽和度不佳的缺點，並強化低耗能及可撓式的優點。台灣下一個兆元的產業，讓我們拭目以待。

 參考資料

[1]    Tu, Y. O., "Theory of Liquid Ink Development in Electrophotography", IBM Journal of Research and Development, 19(6), 514~522(1975).

[2]     Hayes, R.A. and Feenstra, B.J., “Video-Speed Electronic Paper Based on Electrowetting”, Nature, 425, 383-385(2003)

[3]  Zhou, K., Heikenfeld, J., Dean, K.A., Howard, E.M. and Johnson, M.R., “A full description of a simple and scalable fabrication process for electrowetting displays”, J. Micromech. Microeng., 19, 065029-12pp (2009)

[4]     Hayes, R.A. and Feenstra, B.J., “Electrowetting Displays”, Liquivista report(2009).

[5]     Heikenfeld1, J., Zhou1, K., Kreit1, E., Raj,B., Yang, S., Sun, B., Milarcik, A., Clapp, L. and Schwartz, R., “Electrofluidic displays using Young–Laplace transposition of brilliant pigment dispersions”, Nature Photonics, 3, 292-296(2009).

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[7]     Amundson, K., “Towards Electronic Paper”, E-Ink report(2004).

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[9]     劉明輝,「在電場下舞動的微米色球：新型列印技術–類紙式顯示器的應用」, 化工技術月刊, 9月號，第138期, 183~194(2004).

[10] Ikeda, T. and Nakanishi, M., “Process For Producing Display Device”, US Patent 6524153, Canon, 2003.

[11]   Albert, J.D.; Comiskey, B.; Jacobson, J.M.; Zhang, L.; Loxley, A.; Feeney, R.; Drzaic, P. and Morrison, I., “Multi-Color Electrophoretic Displays And Materials For Making The Same”, US Patent 6017584, E-Ink, 2000.

[12]   Zang, H.M. and Liang, R.C., “Microcup Electronic Paper by Roll-to-Roll Manufacturing Processes”, The Spectrum, 16(2), 16-21, 2003.

[13]   Takagi, K., Kaga, N., and Tanuma, I., ” Novel Type of Bistable Reflective Display (QR-LPD^®) and Material Design of Electronic Liquid Powder^®”, IS&T NIP23 Conference, Anchorage, Alaska, USA, 624~627(2007).

[14]   Arisawa, H. and Shigehiro, K., “Photo-addressable E-Paper and Toner Display”, IS&T NIP20 Conference, 922~926(2004).

[15]   Hattori, R., Yamada, S., Masuda, Y. and Nihei, N., “Novel Type of Bistable Reflective Display using Quick Response Liquid Powder”, SID 20.3, 846-849(2003).

 [16] 劉明輝,「表面處理技術在雷射印表機彩色碳粉上的應用」, 化工技術月刊, 9月號，第198期, 183~194(2009).

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