DE102007018959A1

DE102007018959A1 - Schichtaufbau eines Elektrowetting-Systems

Info

Publication number: DE102007018959A1
Application number: DE102007018959A
Authority: DE
Inventors: Frank Bartels; Andriy Bitman; Dieter Jerosch
Original assignee: Advanced Display Technology AG
Current assignee: Advanced Display Technology AG
Priority date: 2007-04-21
Filing date: 2007-04-21
Publication date: 2008-10-30
Also published as: EP2140299B1; US7909974B2; WO2008128738A1; US20100165441A1; EP2140299A1

Abstract

Ein Schichtaufbau eines Elektrowetting-Systems, mit einer ersten Elektrodenschicht, einer Isolatorschicht auf der ersten Elektrodenschicht und einer Fluidschicht über der Isolatorschicht, wobei die Fluidschicht wenigstens zwei nicht mischbare Fluide aufweist, welche unter dem Einfluß einer angelegten Spannung ihr Benetzungsverhalten einer der Isolatorschicht zugeordneten Oberfläche reversibel ändern, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Isolatorschicht zumindest teilweise aus einem Material mit einer Dielektrizitätskonstante epsilon<SUB>r</SUB> >= 20 aufgebaut ist.

Description

Die Erfindung betrifft den Schichtaufbau eines Elektrowetting-Systems, mit einer ersten Elektrodenschicht, einer Isolatorschicht auf der ersten Elektrodenschicht und einer Fluidschicht über der Isolatorschicht, wobei die Fluidschicht wenigstens zwei nicht mischbare Fluide aufweist, welche unter dem Einfluß einer angelegten Spannung ihr Benetzungsverhalten einer der Isolatorschicht zugeordneten Oberfläche reversibel ändern.
Ein solcher Schichtaufbau ist in dem Artikel „Electrowetting Displays" von Johan Feenstra und Rob Hayes beschrieben, der unter http://www.liquavista.com/files/LWV060828XYR15.pdf abrufbar ist.
Als Elektrowetting bezeichnet man ein Verfahren, mit dem Fluide durch das Anlegen eines elektrischen Feldes in seiner Form modifiziert oder in seiner Position verändert wird. Die Form eines Tropfens wird durch seine Oberflächenspannung relativ zu angrenzenden Medien bestimmt. Die Oberflächenspannung ist eine Auswirkung der zugehörigen Oberflächenenergien, die im Fall des Elektrowetting durch einen elektrostatischen Beitrag beeinflußt werden. Dieser Zusammenhang wird durch die Young-Lippman-Gleichung beschrieben, nach der
wobei γ_LV, γ_SV und γ_SL sowie εr Materialkonstanten sind, so daß, wenn die Spannung V geändert wird, sich der Winkel θ ändert, der die Tangente eines Tropfens an der Grenzfläche zu einer festen Unterlage definiert. Dabei wird ε_r als durch das bzw. die Fluide vorgegeben betrachtet.
In der ersten Elektrodenschicht können unterschiedlichste Varianten von Elektrodenkonfigurationen aufgebaut werden, je nach dem, ob nur die Kontur des Tropfens modifiziert werden soll, ob der Tropfen über strukturierte Elektroden in seiner Position verändert werden soll oder ob eine Kombination beider Effekte gewünscht ist.
Als Isolierschicht wird bei den bekannten Schichtaufbauten Material eingesetzt, welches gute Isolationseigenschaften und hohe Durchschlagsfeldstärken aufweist. Der oben genannte Artikel schlägt Glas vor, also SiO₂.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß nicht nur das Material des Fluides, sondern auch andere Anteile einen Beitrag in der Young-Lippman-Gleichung liefern.
Die an dem Elektrowetting-System anliegende Spannung verteilt sich auf die einzelnen Bereiche unterschiedlich. Das Verhalten insgesamt kann als Ersatzschaltbild durch eine Serienschaltung von Kapazitäten beschrieben werden. Ein Teil der Spannung fällt an dem Fluidtropfen ab, ein Teil an der benetzten Grenzschicht zum Isolator, und wenn eine Deckelelektrode vorgesehen ist, auch an dieser. Durch die hohe Dielektrizitätskonstante der verwendeten Fluide ist der Spannungsabfall über der Tropfenhöhe allerdings vergleichsweise klein. Das Feld liegt bei bekannten Elektrowetting-Systemsn damit überwiegend an der Isolatorschicht über den Elektroden an.
Ein zufriedenstellender Elektrowetting-Effekt stellt sich erst bei Feldstärken ein, die bei etwa 70% der Durchschlagsfeldstärke liegen. Kleinste Unregelmäßigkeiten in der Dicke führen dann dazu, daß der Tropfen, sobald er eine solche Stelle erreicht, einen Felddurchbruch mit entsprechender Zerstörung bewirkt. Eine dickere Isolatorschicht, die normalerweise in solchen Fällen genutzt werden kann, ist hier nicht hilfreich, denn mit der Erhöhung der Schichtdicke sinkt der Feldanteil im Bereich des Tropfens signifikant. Dies macht wieder eine Erhöhung der Spannung notwendig, was wiederum das Feld an der Isolatorschicht an die Durchschlagsfeldstärke heranführt.
Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, daß die Isolatorschicht zumindest teilweise aus einem Material mit einer Dielektrizitätskonstante ε_r ≥ 20 aufgebaut ist. Damit wird der Feldanteil, der über der Isolatorschicht abfällt, reduziert und gleichzeitig die Ladungsträgerkonzentration an der Grenzschicht zum Tropfen erhöht. Weitere Materialeigenschaften richten sich nach dem beabsichtigten Einsatzzweck des Elektrowetting-Systems. Findet es beispielsweise Verwendung in einem Display, so sollte die Isolatorschicht transparente Materialien umfassen.
Bei der Auswahl der Materialien muß weiter bedacht werden, daß diese gleichzeitig eine hohe Durchschlagfeldstärke haben sollen. Es hat sich herausgestellt, daß als Materialien Metalle oder Metalloxide aus den Gruppen IIIb bis VIb der Übergangselemente des Periodensystems in Frage kommen. Dies sind Materialien, die auch bei der Fertigung von Kondensatoren oder Chips Einsatz finden; sie sind als High K-Materialien bekannt.
Eine gute Übersicht über geeignete Materialien gibt die WO01/99130 A1 , die insbesondere einen Vergleich von Tantal (ε_r ~ 27) und Niob (ε_r ~ 42) durchführt, wobei dort vorgeschlagen wird, die Eigenschaften von Niob dadurch zu verbessern, daß bei Kondensatoren eine Legierung bzw. Dotierung zumindest der Sperrschicht mit Vanadium deutlich verbesserte Eigenschaften zeigen.
Ein weiterer Ansatz, Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante bereitzustellen, ist in der US 7 172 947 B2 geschildert. Dort werden die in Frage kommenden Metalle bzw. Metalloxide mit einem Nichtmetall dotiert, vorzugsweise mit Stickstoff. Die Erhöhung der Dielektrizitätskonstanten wird dabei dem Effekt zugeschrieben, daß eine anfängliche Kristallstruktur durch das Dotieren in eine vorwiegend tetragonale Kristallstruktur umgewandelt wird. Damit ist ein Anstieg des Wertes der Dielektrizitätskonstante um mehr als 45% möglich.
Auch die Eigenschaften eines zweiten oder weiteren Fluides können zum Elektrowetting-Effekt beitragen. Üblicherweise wird als Fluidschicht Wasser mit einer Dielektrizitätskonstanten ε_r ungefähr 78 verwendet. Als Alternativen haben sich die ebenfalls farblosen Flüssigkeiten Propylencarbonat und γ-Butyrolacton herausgestellt. Diese haben den Vorteil, daß überdies ihre Schmelztemperatur bei –43°C liegt, so daß Displays, die mit dem Elektrowetting-Effekt arbeiten, auch in kalten Regionen eingesetzt werden können, in denen Wasser mit seiner Schmelztemperatur von 0°C schon zu einem Ausfall des Gerätes sorgen würde. Dabei ist Propylencarbonat besonders bevorzugt, obwohl seine Dielektrizitätskonstante mit ε_r ~ 65 deutlich höher liegt als die von γ-Butyrolacton mit ε_r ~ 36.
Eine Optimierung von Materialien für die einzelnen Komponenten des Schichtaufbaus führt bei gleichen Leistungen des Elektrowetting-Effektes dazu, daß die Spannung deutlich verringert werden kann bzw. daß bei höheren Spannungen entsprechende Verbesserungen der Leistungsdaten erreicht werden. Bei Verwendung von Nioboxid als Isolationsschicht konnte beispielsweise die Leistung des Elektrowetting-Effektes erhalten werden, wenn die Spannung von 60 V auf 12 V reduziert wird.
Insbesondere, wenn ein Tropfen verlagert werden soll, reicht die Optimierung der Dielektrika in den meisten Anwendungsfällen allerdings nicht aus. Es müssen nämlich die Bindungskräfte, die den Tropfen an der Oberfläche halten, möglichst klein sein. Daher ist nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß die Fluidschicht an mindestens eine für zumindestens eines der Fluide phobisierende Schicht angrenzt. Es hat sich gezeigt, daß die phobisierende Schicht für Wasser als Fluid vorteilhaft eine amorphe Fluorpolymerschicht ist, wobei insbesondere ein Polytetrafluorethylen geeignet ist, das von der Firma Dupont unter dem Namen TEFLON AF vertrieben wird. Wenn, wie in den meisten Fällen, eine Deckelektrode zum Einsatz kommt, muß die phobisierende Schicht auf dieser und auch auf der Isolatorschicht fest haftend aufgebracht werden, da ansonsten die Lebensdauer des Schichtsystems deutlich beschränkt ist.
Es wurde festgestellt, daß die haftvermittelnde Schicht bevorzugt Si_nH_2n+2 oder Si_nH_2n oder eine Mischung aus diesen oder Derivate von diesen aufweisen sollte.
Im folgenden soll die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden. Dabei zeigt die einzige Zeichnungsfigur einen optimierten Schichtaufbau in einem Elektrowetting-System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wenn in der Beschreibung bei einer Schicht davon die Rede ist, daß sie sich „auf" einer anderen Schicht befindet, so ist damit gemeint, daß sie unmittelbar an diese angrenzt. Ist eine Schicht „über" einer weiteren Schicht angeordnet, so können eine oder mehrere Schichten zwischengeschaltet sein.
Das Schichtsystem wird gemäß der Zeichnungsfigur aus Zellen aufgebaut, die jede einen Träger 100 aus einem transparenten isolierenden Material aufweist. Die Dicke des Trägers 100 wird sich dabei nach den erwarteten mechanischen Beanspruchungen bzw. der beabsichtigten Anwendung richten. So kann die minimale Dicke 5 μm betragen, die maximale Dicke einige Millimeter. Auf dem Träger 100 befindet sich eine Elektrodenschicht 110, deren Strukturierung gemäß der gedachten Anwendungsform betroffen ist. Auf der Elektrodenschicht 110 befindet sich eine Isolatorschicht 120 aus einem Material mit hoher Dielektrizitätskonstante, die erfindungsgemäß größer oder gleich 20 ist. Über der Isolationsschicht 120 ist eine Phobisierungsschicht 132 angeordnet, wobei eine dazwischen liegende haftvermittelnde Schicht 122 für ein gutes Anhaften der phobisierenden Schicht 132 am Aufbau sorgt. Dieser Unterbau wird ergänzt durch einen Oberbau aus einen Deckträger 150, einer Deckelektrode 140, einer weiteren Haftschicht 142 und einer weiteren phobisierenden Schicht 134. Unter der Deckelektrode 140 kann eine Isolatorschicht 136 angeordnet sein, die ebenfalls erfindungsgemäß ein Dielektrikum ε ≥ 20 aufweisen kann, aber nicht muß. Unterbau und Oberbau sandwichen eine Fluidschicht 130, in der sich zwei nicht miteinander vermischende Fluide 136, 138 befinden. Für den fluiddichten Abschluß der Fluidschicht 130 sorgt ein die Zelle umlaufender Resist 144.

Materialien und Bemaßungen für die einzelnen Schichten des Schichtaufbaus sind in der folgenden Tabelle 1 zusammengefaßt. Tabelle 1

Schicht	Material	Dicke min	Dicke max
Träger 100	Isolator/Transparent	5 μm	Einige mm
Elektrodenschicht 110	ITO Oxid	30 nm	1 μm
Isolatorschicht 120	High K-Material (Nioboxid)	100 nm	5 μm
Haftschicht 122	Silan	1 Atomlage	100 nm
Phobisierungsschicht 132	Teflon AF	10 nm	5 μm
Fluidschicht 130	Wasser, Propylencarbonat etc.	10 μm	200 μm
Phobisierungsschicht 134	Teflon AF	10 nm	5 μm
Haftschicht 142	Silan	1 Atomlage	100 nm
Deckelektrode 140	ITO Oxid	30 nm	1 μm
Deckträger 150	Isolator	5 μm	einige mm

Eine Übersicht über die Eigenschaften einiger Fluide, die in der Fluidschicht 130 verwendet werden können, sind in Tabelle 2 angegeben. Tabelle 2

Eigenschaften	Wasser	Propylencarbonat	γ-Butyrolacton
Farbe	Farblos	Farblos	Farblos
Viskosität dynamisch	1 mPa·s	2,8 mPa·s	1,92 mPa·s
Schmelztemperatur	0°C	–43°C	–43°C
Siedetemperatur	100°C	243°C	201–206°C
Dichte	1 g/cm³	1,20 g/cm³	1,128 g/cm³
Dielektrizitätskonstante	78	65	36

Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 01/99130 A1 [0011]
- US 7172947 B2 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Electrowetting Displays" von Johan Feenstra und Rob Hayes [0002]
- http://www.liquavista.com/files/LWV060828XYR15.pdf [0002]

Claims

Schichtaufbau eines Elektrowetting-Systems, mit – einer ersten Elektrodenschicht (110); – einer Isolatorschicht (120) auf der ersten Elektrodenschicht; und – einer Fluidschicht (130) über der Isolatorschicht (120), wobei die Fluidschicht wenigstens zwei nicht mischbare Fluide aufweist, welche unter dem Einfluß einer angelegten Spannung ihr Benetzungsverhalten einer der Isolatorschicht (120) zugeordneten Oberfläche reversibel ändern, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolatorschicht (120) zumindest teilweise aus einem Material mit einer Dielektrizitätskonstante ε_r ≥ 20 aufgebaut ist.
Schichtaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit einer Dielektrizitätskonstante ε_r ≥ 20 mindestens ein Metall oder Metalloxid aus der Gruppe IIIb bis VIb der Übergangselemente enthält.
Schichtaufbau nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall oder Metalloxid mit einem Nichtmetall, vorzugsweise Stickstoff, dotiert ist.
Schichtaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidschicht (130) Wasser, Propylencarbonat oder γ-Butyrolacton aufweist.
Schichtaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über der Fluidschicht (130) eine zweite Elektrodenschicht (140) angeordnet ist.
Schichtaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidschicht (130) an mindestens eine für zumindest eines der Fluide phobisierende Schicht (132, 134) angrenzt.
Schichtaufbau nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die phobisierende Schicht (132, 134) eine amorphe Fluorpolymerschicht ist.
Schichtaufbau nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Fluidschicht (130) und der zweiten Elektrodenschicht (140) eine für mindestens eine der Fluide phobisierende Schicht (134) angeordnet ist.
Schichtaufbau nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf der von der Fluidschicht (130) weg weisenden Oberfläche der phobisierenden Schicht (132, 134) eine haftvermittelnde Schicht (122, 142) zur dann folgenden Schicht (120, 140) vorgesehen ist.
Schichtaufbau nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die haftvermittelnde Schicht (122, 142) Si_nH_2n+2 oder Si_nH_2n (n ≥ 1) oder eine Mischung aus diesen aufweist.