CN1920611A - 具有稳定运动的电润湿系统 - Google Patents

Abstract

这里公开了一种利用电润湿现象的电润湿系统。该电润湿系统包含由按重量计30至89％的水、按重量计0.01至30％的盐以及按重量计10至60％的具有偶极距的极性溶剂组成的电解液。根据所述电润湿系统，被添加用以增加电解液的粘度的极性溶剂使得当施加电压来操作电润湿系统时电解液的运动稳定。另外，通过使用极性溶剂能确保电润湿系统的高温可靠性和低温可靠性。

Description

具有稳定运动的电润湿系统

本申请基于并要求于2005年8月23日提交的第2005-77367号韩国申请的优先权，该申请的公开通过引用被包含于此。

                         技术领域

本发明涉及一种电润湿系统，更具体地讲，本发明涉及一种使用导电溶液的电润湿系统，在这种导电溶液中包含极性溶剂以使溶液的运动稳定并增加溶液的粘度。

                         背景技术

电润湿是一种利用位于液体界面处的电荷而使液体的表面张力发生改变的现象。根据电润湿现象，当在界面处存在薄的绝缘体时，在液体的界面处获得高的电位差。

电润湿现象可被用来处理液体中存在的微液体(microliquid)和微粒。大量的研究已经集中在基于电润湿现象的产品上。近来，电润湿现象被广泛地用在各种应用中，包括用在液体透镜、微泵、显示装置、光学装置以及微机电系统(MEMS)中。具体地讲，与传统的液体透镜相比，自动聚焦(A/F)的液体透镜根据它们的操作方式具有尺寸小、电功耗降低以及响应速率(response rate)高的优点。

为了实现电润湿系统，必须考虑到各种因素，例如操作性能、光学性能、再现性、稳定性和可靠性。具体地讲，当对电润湿系统施加电压时，必须稳定地保持液体的形状并且在液体的界面处没有不稳定的颤动和运动，以达到期望的目的。

基于电润湿现象的电润湿系统的产品本质上需要使用一种或一种以上溶液。因为导电溶液具有电学性质并且起到基本上操作电润湿系统的作用，所以导电溶液(以下称作“电解液”)特别重要。通常，电解液包含纯水和用来将电学性质给予到纯水的盐例如Na₂SO₄或LiCl。图2示出了当对电润湿系统施加电压时在普通的电润湿系统中电解液运动的状态。

电润湿现象的机理尚未明确建立。基于在固相/液相之间以及在液相/气相之间界面能不发生变化的假设，已经对电润湿现象的机理进行了研究和开发。因此，采用利用电位差的单一控制来操作电润湿系统。

图1是示意性地示出基于电润湿现象的传统系统的结构的剖视图。固定板(solid plate)的接触角和表面能之间的关系通常用杨氏方程1表示：

γ_SL＝γ_SG-γ_LGcosθ     (1)

其中，γ_SL是固/液界面能，γ_SG是固/气界面能，γ_LG是液/气界面能，θ是接触角。

关于位于两个电极之间的电解液和对电极施加的电压的热机表示通常用李普曼方程2表示：

$\mathrm{\γ}={\mathrm{\γ}}_o-\frac{1}{2}{\mathrm{cV}}^2---\left(2\right)$

方程1与方程2结合来给出下面的方程3，被称作李普曼-杨氏方程：

$\cos \mathrm{\θ}=\cos {\mathrm{\θ}}_0+\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{LG}}}\frac{1}{2}{\mathrm{cV}}^2---\left(3\right)$

其中，θ是施加电压时的接触角，θ₀是初始接触角，c是电容，V是施加的电压。

李曼普-杨氏方程的变型给出下面的方程4。

$\cos \mathrm{\θ}={\cos \mathrm{\θ}}_0-\frac{\mathrm{\ϵ}}{2{\mathrm{\γ}}_{1}d}{V}^2---\left(4\right)$

其中，θ是施加电压时的接触角，θ₀是初始接触角，ε是电极之间的介电常数，d是绝缘体的厚度，V是施加的电压，γ₁是界面能。

位于电解质中的电荷根据它们的化学性质趋向于向电解质的边界运动。当对电解质施加电压时，这种趋势变得更加强烈。具体地讲，在边界叠置的三相接触线(triple contact line)(TCL)处，电荷的浓度显著增加。这种现象使得电荷之间的斥力增加，导致液体小液滴的边缘处的表面张力下降。这种现象用下面的关系式来表示：

图2示出了当对电润湿系统施加电压时在电润湿系统中运动的电解液的状态，其中，所述电解液含有纯水和用于将电学性质给予纯水的盐。参照图2，电解液的液滴滴在涂覆在电极上的绝缘体上。当对电极施加电压时，电解液中的电荷移动。电荷的这种移动引起电解液的液滴分散在绝缘体的表面上的现象。

当施加电压来操作电润湿系统时，保持电润湿系统不发生电解液的不稳定的颤动和运动非常重要。由于通过向纯水中添加少量的盐来制备普通的电解液以将电学性质给予到纯水上，所以普通的电解液具有低粘度，因此它们的不稳定运动是不可避免的。

                         发明内容

本发明的一个目的是通过使用极性溶剂来控制组成电润湿系统的电解液的粘度，从而当对电润湿系统施加电压时使电解液的运动稳定。

本发明的另一个目的是控制电解液的密度和表面张力，通过使用极性溶剂来降低电解液的凝固点并提高电解液的沸点，从而确保电解液的高温可靠性和低温可靠性。

根据本发明，提供了一种利用电润湿现象的电润湿系统，所述电润湿系统包含电解液，该电解液由按重量计30至89％的水、按重量计0.01至30％的盐以及按重量计10至60％的极性溶剂组成。

                         附图说明

结合附图从下面的详细描述中，将更加清楚地理解本发明的上面和其它目的、特征及其它优点，在附图中：

图1是示意性地示出基于电润湿现象的传统系统的结构的剖视图；

图2是示意性地示出当对传统的电润湿系统施加电压时电解液在该电润湿系统中的运动状态的剖视图；

图3示出了当对液体透镜施加电压时内部溶液在作为电润湿系统的液体透镜中的运动状态；

图4中的(a)是示出了当对以本发明的示例1生产的液体透镜施加30V的操作电压时电解液在该液体透镜中的运动状态的干涉图样(interferencepattern)，图4中的(b)是示出了当对以本发明的示例1生产的液体透镜施加50V的操作电压时电解液在该液体透镜中的运动状态的干涉图样；

图5中的(a)是示出了当不对以对比例1生产的传统液体透镜施加电压时电解液在该液体透镜中的运动状态的干涉图样，图5中的(b)是示出了当对以对比例1生产的传统液体透镜施加30V的操作电压时电解液在该液体透镜中的运动状态的干涉图样；

图6中的(a)和(b)是对比当对传统的液体透镜施加操作电压(30V)时电解液在该液体透镜中的运动(a)以及当对根据本发明的液体透镜施加操作电压(30V)时电解液在该液体透镜中的运动(b)的干涉图样。

                         具体实施方式

现在，将更详细地描述本发明。

本发明提供了一种具有电解液的稳定运动的电润湿系统，在该电解液中含有极性溶剂以增加电解液的粘度，并且不发生电解液不稳定的颤动和运动。下面将描述作为利用电润湿现象的系统的代表性示例的液体透镜。

图3示出了根据本发明一个实施例的利用电润湿现象的变焦液体透镜。变焦液体透镜包括：板式的下电极；绝缘层，厚度均匀地位于下电极上；电绝缘油或者电绝缘液体(以下简单地称作“绝缘溶液”)，位于绝缘层上；电解液，包围绝缘溶液。形成板式的上电极，并且该上电极与电解液接触。当对上电极和下电极施加预定电压时，电解液的表面张力发生变化，引起电解液的形状改变。结果，由于作为透镜的绝缘溶液的曲率相对改变，所以穿过液体透镜的光的焦距发生变化。

所述电解液通常是导电液体，并且可含有相对于电解液的总重量以重量计30-89％的量的水。

电解液还可含有用于降低水的表面能并改进流变性质的盐。上述盐没有特别地限制，只要是在本领域中通用的盐即可，上述盐的例子包括LiCl、NH₄Cl、NaCl、KCl、NaNO₃、KNO₃、CaCl₂、KBr、MgSO₄、CuSO₄和K₂SO₄。

根据电解液的总重量，可以以按重量计0.01-30％的量使用盐。考虑到电解液的导电性，优选地添加最小量的盐。

在本发明的电润湿系统中使用的电解液还包含具有偶极距的极性溶剂。极性溶剂用来增加电解液的粘度。这种增加的粘度使得当对液体透镜施加电压时电解液稳定的运动而没有不稳定的颤动和运动。

由于普通的极性溶剂根据它们的特性为高水溶性的并与油不相混，所以普通的极性溶剂在液体透镜的电解液的制备中是有用的。具有羟(-OH)基的醇基溶剂是特别优选的。由于醇基溶剂无色并且透明度高，所以它们适于在透镜中使用。另外，由于醇基溶剂具有广谱(broad spectrum)的物理性质，所以它们在控制电解液的其它物理性质方面非常有用。在本发明中使用的极性溶剂起到表面活性剂的作用，从而期望得到操作电压的下降。极性溶剂还可用来抑制电解液和绝缘溶液之间的混合。

适于在本发明中使用的醇基溶剂的具体示例包括甲醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇、1，2，3-丙三醇、1-丁醇、2-丁醇、1，2-丁二醇、1，3-丁二醇、1，4-丁二醇、1-戊醇、1，5-戊二醇、己醇、庚醇和辛醇，但不限于此。这些醇基溶剂可单独使用或者结合使用。更加优选的是乙醇、1-丙醇、2-丙醇、1，2-丙二醇、1，2，3-丙三醇、2-丁醇、1，3-丁二醇、1，4-丁二醇、1，5-戊二醇及它们的混合物。在表1中总结了这些醇基溶剂的物理性质。

                                      表1

极性溶剂	密度(g/cm3)	折射率(nD20)	沸点(℃)	凝固点(℃)	粘度(cP)
						乙醇	0.789	1.360	78	-114.0	1.2
1-丙醇	0.804	1.384	97	-127.0	2.3
						2-丙醇(IPA)	0.785	1.377	82	-89.5	2.1
1，2-丙二醇	1.036	1.432	187	-60.0	40.0
						1，2，3-丙三醇	1.25	1.474	182	20.0	800.0
2-丁醇	0.808	1.397	98	-115.0	2.8
						1，3-丁二醇	1.005	1.440	203	-50	96
1，4-戊二醇	1.017	1.445	230	16	72.8
						1，5-戊二醇	0.994	1.450	242	-18	106.5

根据电解液的总重量，极性溶剂可以以按重量计10至60％的量使用。当电解液具有3至50cP的粘度时，电解液在利用电润湿现象的系统中稳定地运动。在50cP以上，电解液会不适宜地抑制电润湿现象。

除了电解液之外，液体透镜包含绝缘溶液。由于绝缘溶液具有预定的粘度，所以绝缘溶液能对电解液的运动起到缓冲作用。使电解液的运动稳定所必须的最适宜的粘度是在3至20cP范围内。与暴露于周围空气中的普通电润湿系统相比，本发明的电润湿系统在操作时示出了几乎没有不稳定的颤动和运动。然而，在其它的电润湿系统中，例如，在微泵、显示装置、光学装置和微机电系统(MEMS)中，不包含绝缘溶液的电解液的运动在更高的粘度下稳定。在这些系统中，电解液在3至50cP的粘度范围内有效地稳定运动。

为了得到当对电润湿系统施加电压时电解液的稳定运动所需的粘度范围，电解液的组份可根据所使用的极性溶剂的种类而改变。

具体地讲，当电解液含有按重量计40至60％的水、按重量计5至10％的盐和按重量计30至50％的作为极性溶剂的1，2-丙二醇时，电解液具有5至10cP的粘度。当电解液含有按重量计30至70％的水、按重量计5至20％的盐和按重量计20至60％的作为极性溶剂的1，2-丙二醇时，电解液具有5至20cP的粘度。当电解液含有按重量计50至80％的水、按重量计5至15％的盐和按重量计10至40％的作为极性溶剂的1，4-丁二醇时，电解液具有3至8cP的粘度。可采用从由乙醇、1-丙醇、2-丙醇、1，2，3-丙三醇、2-丁醇和1，3-丁二醇组成的组中选择的至少一种溶剂来制备具有3至50cP的粘度的电解液。

在电润湿系统例如液体透镜的电解液中可需要不同的性能。例如，可需要电解液具有适于相应系统的密度或表面张力。另外，可需要电解液具有用于相应系统的稳定操作的较好的高温可靠性和低温可靠性。结果，极性溶剂可用来控制相应电解液的物理性质。

具体地讲，当意图得到在-40℃下48小时或更长时间的低温可靠性和/或在+85℃下96小时或更长时间的高温可靠性时，考虑到相应极性溶剂的沸点和凝固点，选择适合的极性溶剂例如1，2-丙二醇、1，4-丁二醇或者1，5-戊二醇，并且在限定的范围内与水和盐一起使用来制备电解液，从而得到想要的效果。

除了电解液之外，基于电润湿现象的系统可包含绝缘溶液，其中，上述绝缘溶液为油并可选地含有有机溶剂。绝缘溶液通常含有硅(Si)油和有机添加剂。绝缘溶液的组份可在本领域所通常采用的范围内使用。

基于电润湿现象的系统的示例包括液体透镜、微泵、显示装置、光学装置和微机电系统(MEMS)。

示例

下面，将参照下面的示例来更详细地解释本发明。然而，给出这些示例是为了示出的目的，并不意图限制本发明。尽管下面的示例示出了液体透镜的产品，但是本领域技术人员要清楚的是，这些示例可用于其它电润湿系统的产品上。

例1

将按重量计60％的纯水、按重量计10％的LiCl和按重量计30％的1，2-丙二醇混合在一起来制备具有粘度为6.1的透明电解液。将1，6-二溴己烷与商业上可使用的硅油混合来制备粘度为11.8的绝缘溶液。

用于容纳电解液和绝缘溶液的室包括上部和下部。上部由透明材料制成，上部的内部涂覆有金属膜，通过该金属膜对电解液施加电压。室的下部由与上部的材料相同的材料制成，下部与电解液接触的内部涂覆有聚合物绝缘体，金属膜涂覆在绝缘体下面。

将电解液和绝缘溶液引入室中来完成液体透镜的生产。

图4中的(a)的照片示出了当对液体透镜施加30V的电压时电解液在液体透镜中的运动状态的干涉图样，图4中的(b)的照片示出了当对液体透镜施加50V的电压时电解液在液体透镜中的运动状态的干涉图样。

照片表明，尽管对液体透镜施加电压，但是得到了电解液的稳定运动而没有不稳定的颤动和运动，其中，所述液体透镜包含利用极性溶剂来增加其粘度的电解液。

对比例1

将按重量计90％的纯水和按重量计10％的LiCl混合在一起来制备粘度为1.9的透明电解液。将1，6-二溴己烷与商业上可使用的硅油混合来制备粘度为11.8的绝缘溶液。

根据示例1中描述的步骤，使用电解液和绝缘溶液来生产液体透镜。

图5中的(a)中示出的照片是示出当不对液体透镜施加电压时电解液在液体透镜中的运动状态的干涉图样，图5中的(b)中示出的照片是示出当对液体透镜施加30V的电压时电解液在液体透镜中的运动状态的干涉图样。

图6中的(a)和(b)中示出的照片是对比对液体透镜施加30V的电压时不含极性溶剂的电解液的运动(a)以及对液体透镜施加30V的电压时含有极性溶剂的电解液的运动(b)的干涉图样。

图5中的(a)的干涉图样示出了当不施加电压时电解液的稳定运动并且在界面处没有不稳定的颤动和运动。相反，图5中的(b)的干涉图样示出了当施加30V的外部电压来操作液体透镜时，在两种溶液之间的界面处的曲率的变化，这表明，由于电解液的减小的粘度而引起在液体透镜的操作期间在外围位置发生颤动。

需要40至100V的高电压来操作普通的液体透镜。如果对液体透镜施加高电压，则电解液的不稳定运动变得严重，结果液体透镜的作用不能适当地执行。

从对比施加电压时普通的电解液的运动以及本发明的液体透镜中的电解液的运动的干涉图样的图6中的(a)和(b)的照片中，可以确定的是，与普通的电解液相比，根据本发明的液体透镜的电解液示出了极度稳定的运动，其中，所述电解液由于使用了极性溶剂而引起粘度增加。

图4、图5和图6的干涉图样是示出相应的电解液的界面处的高度的等高线。

从上面的描述清楚的是，根据本发明的电润湿系统，由于将极性溶剂添加到普通电解液中来增加电解液的粘度，所以能防止当对电润湿系统施加电压时电解液的界面处的不稳定的颤动。另外，由于包含在电解液中的极性溶剂起到表面活性剂的作用，所以可降低电润湿系统的操作电压。另外，根据极性溶剂的种类能确保电润湿系统的高温可靠性和低温可靠性。

尽管为了示出的目的已经公开了本发明的优选实施例，但是本领域的技术人员要清楚的是，在不脱离在权利要求中公开的本发明的范围和精神的情况下，能够种修改、添加和替换。

Claims (5)

1、一种利用电润湿现象的电润湿系统，所述电润湿系统包含由按重量计30至89％的水、按重量计0.01至30％的盐以及按重量计10至60％的极性溶剂组成的电解液。

2、如权利要求1所述的电润湿系统，其中，所述电解液具有3至50cP的粘度。

3、如权利要求1所述的电润湿系统，其中，所述电润湿系统还包含绝缘溶液和粘度为3至20cP的电解液。

4、如权利要求1所述的电润湿系统，其中，所述极性溶剂是具有偶极距的醇基溶剂。

5、如权利要求4所述的电润湿系统，其中，所述醇基溶剂是从由甲醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇、1，2，3-丙三醇、1-丁醇、2-丁醇、1，2-丁二醇、1，3-丁二醇、1，4-丁二醇、1-戊醇、1，5-戊二醇、己醇、庚醇和辛醇组成的组中选择的至少一种极性溶剂。

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