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Einleitung
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Die
Erfindung betrifft die Verwendung eines Fluidgemisches zur Elektrobenetzung
in einer geeigneten Vorrichtung, und eine Vorrichtung zum Manipulieren des
erfindungsgemäßen Fluidgemisches unter Benutzung
des Effektes der Elektrobenetzung.
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Unter
dem Begriff „Elektrobenetzung" (engl. „electrowetting")
wird die Auswirkung des Effektes eines elektrischen Feldes auf die
Oberflächenspannung einer Flüssigkeit verstanden.
Durch Verringerung der Oberflächenspannung breitet sich
die Flüssigkeit auf einer den Tropfen zunächst
abstoßenden Oberfläche auf, die bevorzugt gleichzeitig
eine Elektrode darstellt. Durch Erhöhung der Oberflächenspannung
zieht sich die Flüssigkeit zusammen und bildet einen eher
kugelförmigen Tropfen. Man kann die Flüssigkeit
daher auch als „elektrisch aktivierbar" bezeichnen.
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Die Änderung
der Oberflächenspannung zieht im Falle eines einzelnen
Tropfens eine Änderung des Kontaktwinkels nach sich, mit
welchem der Tropfen die Unterlage benetzt. Der Zusammenhang zwischen
der Feldstärke und der Änderung des Kontaktwinkels
wird durch die Lippmann-Young-Gleichung beschrieben und ist dem
Fachmann bekannt.
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Durch
eine lokale Variation der elektrischen Feldstärke von Null
bis zu einem Maximalwert kann demnach die lokale Oberflächenspannung
der Flüssigkeit modifiziert und somit die Geometrie eines Tropfens
lokal verändert werden. Insbesondere kann durch das Herstellen
einer lokal verringerten Oberflächenspannung eine Bewegung
des Tropfens erfolgen, indem sich dieser bevorzugt in den entsprechenden,
durch das Vorhandensein eines elektrischen Feldes gekennzeichneten
Bereich ausdehnt. Umgekehrt wird Flüssigkeit aus dem Bereich
hoher Oberflächenspannung herausgedrückt, da in
diesem Bereich der Tropfen der energieärmsten Geometrie, nämlich
der einer Kugelform, zustrebt. Daraus resultiert ein Nettotransport
von Flüssigkeit aus dem Bereich geringer in den Bereich
hoher Feldstärke.
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Häufig
wird die elektrisch aktivierbare Flüssigkeit in einem entsprechend
obiger Diktion „elektrisch inerten" Fluid, z. B. in Öl,
eingebettet, wobei sicherzustellen ist, dass sich die beiden Fluide
nicht mischen. Das elektrisch inerte Fluid ist besonders bevorzugt
dabei so beschaffen, dass seine Oberflächenspannung im
Wesentlichen durch ein elektrisches Feld unbeeinflussbar ist. Jedoch
sind auch Konfigurationen denkbar, nach denen beide Flüssigkeiten,
jedoch nicht in gleichem Umfange, elektrisch aktivierbar sind. Durch
Anlegen des elektrischen Feldes verdrängt die elektrisch
aktivierbare (bzw. aktivierbarere) Flüssigkeit das elektrisch
inerte (bzw. inertere) Fluid, indem sie sich an die entsprechende Oberfläche
bzw. Elektrode anlegt bzw. in den Bereich höherer Feldstärke
und somit geringerer Oberflächenspannung hineinbewegt.
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Auch
eine weitere Methode zum Manipulieren von Flüssigkeiten
oder Fluidgemischen, bei der ebenfalls elektrische Felder Verwendung
finden, basiert auf deren Wirkung auf die in polaren Flüssigkeiten
vorhandenen Dipole. Bei derartigen Flüssigkeiten wie z.
B. bei Wasser kann die Auswirkung eines elektrischen Feldes demnach
nicht nur bei Elektrobenetzung, sondern auch unter anderen Umständen
beobachtet werden. Wird ein Tropfen einer polaren Flüssigkeit
auf einer superhydrophoben Oberfläche positioniert (Kontaktwinkel
nahezu 180 Grad, entsprechend einer Kugelform des Tropfens), so
sinkt die Reibungskraft zwischen der superhydrophoben Oberfläche
und dem Tropfen auf ein Minimum, so dass eine Rollbewegung des Tropfens
nahezu reibungslos verlaufen kann. Auf derartigen Oberflächen werden
insbesondere kleine Tropfen von einem elektrischen Feld angezogen
(Feldanziehungseffekt), weil sich einzelne Moleküle (Dipole)
der Flüssigkeit im elektrischen Feld ausrichten. Damit
können einzelne Tropfen solch polarer Flüssigkeiten
bewegt werden. Auch die Bewegung von Tropfen, die sich in einem
Fluidgemisch befinden, ist möglich, sofern die beiden Fluide
in zwei getrennten Phasen, identisch der zuvor geschilderten Variante,
vorliegen. Allerdings ist dann die erhöhte Reibung in dem
elektrisch inerten Fluid zu beachten, insbesondere wenn das Fluid
eine Flüssigkeit ist.
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Da
beide beschriebenen Effekte im Wesentlichen identische Vorrichtungen
nutzen, und auf im Wesentlichen identische Flüssigkeiten
wirken, lassen sich die verursachenden Effekte aufgrund der Ähnlichkeit
ihrer Auswirkungen unter Umständen nicht eindeutig voneinander
abgrenzen. Auch eine Überlagerung beider Effekte ist demnach
zu erwarten.
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Die
im Folgenden getroffenen Aussagen werden anhand des Elektrobenetzungseffektes
illustriert; eine Anwendbarkeit auf den dargelegten Feldanziehungseffekt
ist dadurch selbstverständlich nicht ausgeschlossen, sondern
implizit ebenso offenbart.
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Stand der Technik und Nachteile
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Als
elektrisch aktivierbare, also polare bzw. Dipole enthaltende Flüssigkeit
wird zumeist demineralisiertes (DI-)Wasser eingesetzt. DI-Wasser
ist leicht erhältlich und weist gute Dipoleigenschaften auf.
Außerdem ist es mit Öl als elektrisch inertem
Fluid nicht mischbar, weswegen praktisch alle bisher bekannten,
mit Elektrobenetzung arbeitenden Vorrichtungen Kombinationen aus
Wasser und Öl benutzen.
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Beispielsweise
findet sich in einer ersten Applikation eines flüssigkeitsbetriebenen
Feldeffekt-Transisitors (D. Y. Kim und A. J. Steckl: „Liquid-state
field-effect transistors using electrowetting"; Applied Physics
Letters, Vol. 90, No. 4; 22. Jan. 07) die Kombination aus
Wasser, welches zwecks Leitfähigkeit mit Kochsalz angereichert
wurde, und einem unpolarem, nicht näher bezeichneten Öl.
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In
einer zweiten Applikation, einer fluidischen Anzeige, bei welcher
die Bildpunkte (Pixel) mittels Elektrobenetzung geschaltet werden,
kommen ebenfalls Wasser und Öl zum Einsatz (
Johan
Feenstra & Rob
Hayes: „Liquavista electrowetting displays", Liquavista
BV, Niederlande, Januar 2006;
http://www.liquavista.com/files/LQV060828XYR-15.pdf;
siehe z. B. auch
US 7,304,786 , „Methods
and apparatus for bi-stable actuation of displays").
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Auch
in einer dritten Applikation, die eine aus Flüssigkeit
bestehende Linse betrifft, wird eine Kombination aus Wasser und Öl
eingesetzt, wobei beide Flüssigkeiten eine ähnliche
Dichte, jedoch unterschiedliche Brechungsindices haben. Durch Anlegen einer
Spannung an eine Elektrode verformt sich die Grenzschicht zwischen
beiden Flüssigkeiten, woraus der Linseneffekt resultiert
(
www.varioptic.com). Das zu dieser Technologie
gehörende Patent (
WO/1999/018456 – LENS
WITH VARIABLE FOCUS) spricht ebenfalls nur diffus von einer ersten,
leitenden, und einer zweiten, isolierenden Flüssigkeit, offenbart
jedoch insbesondere für die erste Flüssigkeit
lediglich Wasser oder „alle organischen oder nicht-organischen
Flüssigkeiten, die leiten oder leitend gemacht werden können".
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In
einer vierten Applikation, die so genannte „Lab-On-A-Chip"-Systeme
betrifft, wird wiederum Wasser, welches in Öl eingebettet
ist, benutzt. Durch Anlegen mehrerer elektrischer Felder können
Flüssigkeitstropfen bewegt, voneinander getrennt und miteinander
verbunden werden (Y. Fouillet et al.: „EWOD Digital
Microfluidics For Lab an A Chip", Keynote Paper, Proceedings of
ICNMM 2006, Juni 2006, Limerick, Irland).
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Während
die Vorteile der leichten und sicheren sowie kostengünstigen
Verfügbarkeit von Wasser als elektrisch aktivierbare Flüssigkeit
auf der Hand liegen, hat sich der eingeschränkte Temperaturbereich
als problematisch erwiesen. Da Wasser bekanntermaßen bei
0°C gefriert und bei 100°C siedet, sind alle Elektrobenetzung
nutzenden Applikationen, die Wasser als Flüssigkeit einsetzen,
entsprechend auf diesen Temperaturbereich limitiert. Zusätzlich
zu dem bloßen, außerhalb des zulässigen
Temperaturbereiches zu erwartenden Versagen eines auf Wasser basierenden
Elektrobenetzungsgerätes ist davon auszugehen, dass es
bei Verlassen des zulässigen Temperaturbereiches zerstört
wird, da Wasser sich sowohl im Falle des Gefrierens im festen als
auch im Falle des Siedens im gasförmigen Zustand ausdehnt und
dementsprechend mehr Volumen benötigt. Während
dem Fall einer Überhitzung noch mit entsprechenden Ausweichreservoirs
begegnet werden kann, die das benötigte vergrößerte
Volumen bereitstellen, ist dies im Fall einer Unterkühlung
nicht mehr leicht möglich, da die gefrorene Flüssigkeit
nicht mehr beweglich ist, so dass eine dauerhafte Beschädigung der
fluidischen Teile des Systems kaum ausgeschlossen werden kann.
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Dementsprechend
sind Geräte der herkömmlichen Bauart weder bei
tiefen Temperaturen wie z. B. im Winter im Freien zu verwenden,
noch können sie bei hohen Temperaturen wie z. B. als Anzeigegeräte
in der Umgebung von Verbrennungsmaschinen oder z. B. bei starker
Sonneneinstrahlung auf oder an dem Armaturenbrett eines KFZ benutzt werden.
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Aufgabe der Erfindung und
Lösung
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Aufgabe
der Erfindung ist daher die Bereitstellung einer polaren Flüssigkeit,
die anstelle von Wasser in Elektrobenet zung nutzenden Vorrichtungen
eingesetzt werden kann, und die alle Merkmale einer hierzu geeigneten
Flüssigkeit besitzt, wobei die Flüssigkeit insbesondere
dadurch gekennzeichnet ist, dass sie gegenüber Wasser einen
erweiterten Anwendungstemperaturbereich besitzen muss. Die weiteren
Merkmale sind:
- – keine Mischbarkeit
mit einer zweiten Flüssigkeit, die bevorzugt auf Öl
basiert (2-Phasen-Gemisch)
- – eine Dichte, die bevorzugt im Bereich der Dichte von
Wasser liegt, z. B. ±20%
- – eine geringe dynamische Viskosität, bevorzugt im
Bereich 1 mPas
- – eine geringe Oberflächenspannung
- – keine Absorption von sichtbarem Licht (Farblosigkeit)
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Die
Aufgabe wird unter Verwendung des in Anspruch 1 beschriebenen Stoffes
und der in Anspruch 13 vorgeschlagenen Vorrichtung gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen
Ansprüchen und der Beschreibung sowie der Figur.
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Figurenübersicht
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Die
einzige Figur zeigt den Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Verwendung
der erfindungsgemäßen Flüssigkeit.
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Beschreibung
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Die
Erfindung richtet sich auf die Verwendung eines Fluidgemisches zur
Elektrobenetzung in einer hierfür geeigneten Vorrichtung.
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Eine
zum Manipulieren von Fluiden mittels Elektrobenetzung geeignete
Vorrichtung umfasst dabei wenigstens die folgenden Komponenten bzw. Merkmale:
- – eine erste Oberfläche,
- – ein schaltbares elektrisches Feld,
- – eine elektrisch aktivierbare Flüssigkeit,
- – ein elektrisch inertes Fluid.
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Die
erste Oberfläche dient dabei als Unterlage oder Grenzschicht
für das Fluid und ggf. zur Aufnahme weiterer Komponenten
wie z. B. hydrophoben Beschichtungen, Elektroden und dergleichen.
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Das
schaltbare elektrische Feld dient der Beeinflussung des erfindungsgemäßen
Fluidgemisches und wird beispielsweise durch eine oder mehrere Elektroden,
die bevorzugt in der ersten Oberfläche enthalten sein können,
und der Umgebung geformt (monopolare Anordnung), oder das elektrische
Feld bildet sich alternativ zwischen den genannten Elektroden und
einer oder mehrerer weiterer Elektroden aus, die den entsprechenden
Gegenpol bilden (bipolare Anordnung).
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Weiter
ist eine elektrisch aktivierbare Flüssigkeit vorgesehen,
welche in einer nachfolgend genauer beschriebenen Art beschaffen
ist bzw. entsprechende Merkmale aufweist.
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Demnach
ist das Fluidgemisch dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens
aus einer elektrisch aktivierbaren Flüssigkeit sowie einem
zweiten, elektrisch inerten Fluid besteht. Die elektrische Aktivierbarkeit
der Flüssigkeit ist dadurch gegeben, dass die Flüssigkeit
auf eine Änderung der Stärke des sie umgebenden
bzw. ganz oder teilweise durchdringenden elektrischen Feldes in
der Art reagiert, dass sich ihre Oberflächenspannung ändert.
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Weiter
ist das Fluidgemisch dadurch gekennzeichnet, dass es auf oder in
der Nähe der ersten Oberfläche positionierbar
ist. Das bedeutet, dass es nach einer ersten Ausführungsform
direkt an der ersten Oberfläche anliegt bzw. diese berührt.
Naturgemäß ist es nicht möglich und auch
nicht notwendig, dass das Fluidgemisch vollständig an der
ersten Oberfläche anliegt, sondern es ist ausreichend,
wenn zumindest ein Teil des Fluidgemisches die erste Oberfläche
berührt. Nach einer zweiten Ausführungsform befindet
sich das Fluidgemisch nur in der Nähe der ersten Oberfläche,
und zwar so nah, dass ein elektrisches Feld, welches beispielsweise
durch in der ersten Oberfläche enthaltene Elektroden erzeugt
wird, noch ausreichende Stärke besitzt, um die erfindungsgemäße
Beeinflussung des Fluidgemisches hervorzurufen.
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Während,
wie bereits gesagt, die Oberflächenspannung der erfindungsgemäß elektrisch
aktivierbaren Flüssigkeit durch die Stärke des
elektrischen Feldes beeinflussbar ist, trifft dies für
das elektrisch inerte Fluid erfindungsgemäß gerade
nicht zu. Mit anderen Worten, das elektrisch inerte Fluid ändert
seine Oberflächenspannung nicht, wenn sich das es umgebende
oder teilweise oder ganz durchdringende elektrische Feld ändert.
Nach einer alternativen Ausführungsform kann das Fluid
zumindest nur geringfügig durch die Stärke des
elektrischen Feldes beeinflussbar sein. In jedem Falle muss ein
deutlicher Unterschied zwischen der Reaktion beider Flüssigkeiten
bzw. Fluide auf Feldstärkeänderungen vorhanden
sein, damit sich der Effekt der Elektrobenetzung in technisch nutzbarer
Form ausbilden kann. Bevorzugt ist ein Beeinflussungsfaktor bezüglich
der Aktivierbarkeit von mindestens 2, was bedeutet, dass die elektrisch
aktivierbare Flüssigkeit mindestens doppelt so stark auf
Feldstärkeänderungen mit einer Änderung
ihrer Oberflächenspannung reagiert wie das elektrisch inerte
Fluid. Besonders bevorzugt ist jedoch ein Beeinflussungsfaktor von
10 oder mehr.
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Das
erfindungsgemäße Fluidgemisch kann jeweils genau
einen elektrisch aktivierbaren und einen elektrisch inerten Bestandteil
aufweisen, oder nach anderen Ausführungsformen jeweils
auch mehrere der entsprechenden Bestandteile umfassen. Beispielsweise
ist eine Kombination aus einem elektrisch inerten Bestandteil mit
zwei elektrisch aktivierbaren Bestandteilen kombiniert denkbar,
um ein Fluidgemisch nach der erfindungsgemäßen
Lehre zu erhalten.
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Außerdem
ist das Fluidgemisch dadurch gekennzeichnet, dass der oder die elektrisch
aktivierbaren Bestandteile mit dem oder den elektrisch inerten Bestandteilen
des Fluidgemisches ein Zwei- oder Mehrphasengemisch ergeben. Das
bedeutet, dass nach einer Ausführungsform, welche eine
bestimmte Zahl an elektrisch aktivierbaren und inerten Bestandteilen
umfasst, genau zwei Phasen gebildet werden, wobei in einer ersten
Phase alle elektrisch aktivierbaren und in einer zweiten Phase alle
elektrisch inerten Bestandteile vorliegen. Zweiphasig bedeutet dabei, dass
sich die beiden Bestandteilsarten nicht selbsttätig miteinander
vermischen. Nach einer anderen Ausführungsform, welche
insgesamt mehr als zwei Fluidbestandteile aufweist, können
auch mehr als zwei Phasen gebildet werden, wobei wiederum erforderlich
ist, dass alle elektrisch aktivierbaren und alle elektrisch inerten
Bestandteile in unterschiedlichen Phasen vorliegen. Nach einer weiteren
Ausführungsform, die ebenfalls insgesamt mehr als zwei
Fluidbestandteile aufweist, können die elektrisch aktivierbaren
und die elektrisch inerten Bestandteile in mindestens zwei Phasen
vorliegen, wobei zumindest eine der Phasen sowohl aus elektrisch
aktivierbaren als auch inerten Bestandteilen zusammengesetzt sein kann.
Wesentlich ist lediglich, dass die Bestandteile in der Summe eine
jeweilige Phase ergeben, die im Vergleich zu der bzw. den andere(n)
Phase(n) eine unterscheidbare Beeinflussbarkeit durch ein elektrisches
Feld besitzt.
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Schließlich
ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mindestens
die elektrisch aktivierbare Flüssigkeit einen Gefrierpunkt
unterhalb und/oder einen Siedepunkt oberhalb dem von Wasser besitzt. Bevorzugt
liegen der Gefrierpunkt mindestens bei –15 Grad Celsius
oder tiefer und der Siedepunkt bei 130 Grad Celsius oder höher.
Besonders bevorzugt liegen der Gefrierpunkt mindestens bei –25
Grad Celsius oder tiefer und der Siedepunkt bei 230 Grad Celsius
oder höher.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform ist das Fluidgemisch
dadurch gekennzeichnet, dass auch das elektrisch inerte Fluid einen
Gefrierpunkt unterhalb und/oder einen Siedepunkt oberhalb dem von
Wasser besitzt. Die bevorzugten und besonders bevorzugten Temperaturbereiche
sind die gleichen wie für die elektrisch aktivierbare Flüssigkeit.
Dementsprechend besitzt dann das Fluidgemisch als Ganzes die Eigenschaft
eines entsprechenden Temperaturbereiches.
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Durch
einen derartigen, im Vergleich zu Wasser ausgedehnten Temperaturbereich
ermöglicht das erfindungsgemäße Fluidgemisch
einen Einsatz beispielsweise in Kühlhäusern, im
Freien bei Minustemperaturen, bzw. in der unmittelbaren Umgebung
von Verbrennungskraftmaschinen oder anderen Geräten hoher
Temperatur; in Umgebungen also, bei denen herkömmliche
Fluidgemische Schaden nehmen würden und ihren ursprünglichen
Zweck nicht mehr erfüllen könnten.
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Nach
einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform besitzt mindestens
einer der Bestandteile des erfindungsgemäßen Fluidgemisches
eine Dichte, die der Dichte von Wasser entspricht. Besonders bevorzugt
ist dies der elektrisch aktivierbare Bestandteil; am meisten bevorzugt
sind es beide Bestandteile.
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Nach
einer alternativen Ausführungsform besitzt mindestens einer
der Bestandteile des erfindungsgemäßen Fluidgemisches
eine Dichte im Bereich von 0,75 bis 1,25 g/cm2.
Es hat sich herausgestellt, dass Fluide, deren Dichte innerhalb
dieses Bereiches liegt, besonders gute Manipulationseigenschaften
aufweisen.
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Nach
einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform besitzt mindestens
einer der Bestandteile des erfindungsgemäßen Fluidgemisches
eine dynamische Viskosität, die der von Wasser bei 21°C
entspricht.
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Nach
einer alternativen Ausführungsform besitzt mindestens einer
der Bestandteile des erfindungsgemäßen Fluidgemisches
eine dynamische Viskosität im Bereich von 0,5 bis 25 mPas.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform besitzt mindestens einer
der Bestandteile des erfindungsgemäßen Fluidgemisches
ohne Einwirkung eines elektrischen Feldes eine Oberflächenspannung im
Bereich von höchstens 100 mN/m. Auch hier haben Versuche
ergeben, dass eine Oberflächenspannung, welche kleiner
oder gleich der von Wasser (Wert bei 20 Grad Celsius: 72,75 mN/m)
ist, sich vorteilhaft auf die Nutzbarkeit des Elektrobenetzungseffektes
auswirkt. Besonders bevorzugt beträgt der Wert der Oberflächenspannung
weniger als 25 mN/m.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Fluidgemisches
ist dieses dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch aktivierbare Flüssigkeit
und/oder das elektrisch inerte Fluid einfärbbar ist, vorzugsweise
indem ein jeweils unterschiedlicher Farbstoff zugesetzt ist. Auf
diese Weise können im einfachsten Falle Hell-Dunkel-Wechsel, aber
auch andere Farbwechsel oder Effekte durch Überlagerungen
erzielt werden, beispielsweise durch die Überlagerung mehrerer übereinander
liegender Ebenen mit jeweils unterschiedlich eingefärbten
Fluidgemischen. Nach einer weiteren Ausführungsform, nach
der mehr als zwei Bestandteile vorhanden sind, ist die Färbung
nicht an diese Bestandteile, sondern an die Phasen gekoppelt. Diese
Phasen können, wie oben bereits dargelegt, beide Bestandteilsarten (elektrisch
aktivierbar/elektrisch inert) enthalten, solange eine Unterscheidbarkeit
der Phasen bezüglich der Beeinflussbarkeit durch das elektrische
Feld gegeben ist. Daher ist es in diesen Fällen sinnvoll,
die Farbstoffe an die Phasen und nicht an die jeweiligen Fluidbestandteile
zu koppeln.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform besitzt mindestens eine
der Phasen des Fluidgemisches eine Durchgängigkeit von
50% oder besser für Licht im Wellenlängenbereich
von 380 bis 750 nm. Dieser Wellenlängenbereich entspricht
dem Bereich des sichtbaren Lichtes. Aufgrund der hohen Lichtdurchlässigkeit
kann das Fluidgemisch gut als Basis für Anzeigeinstrumente
dienen, die den Elektrobenetzungseffekt nutzen, und bei denen beispielsweise eine
Beleuchtung der Anzeige von der Rückseite her vorgesehen
ist. Gleiches gilt für eine Beleuchtung von der Vorderseite,
wenn sich hinter den mittels Elektrobenetzung manipulierbaren Anzeigeelementen
eine reflektive Schicht befindet, die von vorn eintretendes Licht
wieder nach vorne zurückwirft, so dass dieses das Fluidgemisch
zweimal passieren muss. Nur durch eine ausreichend hohe Lichtdurchlässigkeit
kann die Funktionalität der Anzeige gewährleistet
bleiben; bei zu geringer Durchlässigkeit hingegen wäre
entweder zu viel Lichtleistung nötig, um durch das Fluidgemisch
hindurchzustrahlen, oder der Kontrast bzw. die Helligkeit der Anzeige
wäre zu gering, um gut ablesbar zu sein. Das Merkmal der Lichtdurchlässigkeit
ist insbesondere in Verbindung mit dem zuvor genannten Merkmal der
Einfärbbarkeit bevorzugt vorhanden.
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Nach
einer besonders bevorzugten Ausführungsform stammt die
elektrisch aktivierbare Flüssigkeit des erfindungsgemäßen
Fluidgemisches aus der Gruppe umfassend die Stoffe Propylencarbonat, Diethylcarbonat,
Diacetonalkohol, Cyclohexanon, Butylacetat, Propylacetat und Ethylhexanol.
Versuche mit diesen Flüssigkeiten haben gezeigt, dass diese
Stoffe einige oder alle der oben aufgeführten Merkmale aufweisen
und insbesondere einen Siedepunkt oberhalb und einen Gefrierpunkt
unterhalb dem von Wasser aufweisen. Sie sind daher besonders gut
zum Einsatz als elektrisch aktivierbare Flüssigkeit im
Rahmen der Erfindung geeignet.
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Am
meisten bevorzugt ist dabei Propylencarbonat. Diese Flüssigkeit
reagiert auf die Änderung des elektrischen Feldes mit einer Änderung
ihrer Oberflächenspannung, ist transparent, mischt sich nicht
mit Silikonöl, einem häufig eingesetzten elektrisch
inerten Fluid, ihre Dichte liegt innerhalb der oben festgesetzten
bevorzugten Grenzen, sie ist einfärbbar, gefriert bei –49
Grad Celsius und siedet bei 241 Grad Celsius. Propylencarbonat ist
daher optimal für den Einsatz als elektrisch aktivierbare
Flüssigkeit geeignet.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße
Fluidgemisch dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch inerte Fluid
aus der Gruppe umfassend die Stoffgruppen der Gase, der Öle
bzw. ölhaltigen Flüssigkeiten, und der fluorhaltigen
Flüssigkeiten stammt.
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Als
Gase werden bevorzugt Luft und Schutzgase verwendet.
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Im
Falle von Flüssigkeiten als dem elektrisch inerten Bestandteil
kommen bevorzugt Silikonöl, Perfluoroktan, Perfluordecalin,
die Flüssigkeiten FC-3283, FC-40 und FC-43 der Firma 3M
sowie Perfluornonan zum Einsatz.
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Nach
einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Fluidgemisches
ist dieses dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der elektrisch
aktivierbaren Flüssigkeit zwischen 30% und 70% beträgt.
Der restliche Anteil besteht aus elektrisch inertem Fluid. Je nach
Anwendungsfall können jedoch auch andere Aufteilungen sinnvoll
und wünschenswert sein. Insbesondere dann, wenn das elektrisch inerte
Fluid ein Gas ist und an die Umgebung grenzt, ist ein sinnvolles
Verhältnis zwischen den beiden Bestandteilen des Fluidgemisches
nicht mehr anzugeben. Insofern gilt die Aussage bezüglich
der Mengenverhältnisse nur für Flüssigkeitsstysteme,
die bevorzugt abgeschlossen sind, bei denen also klar erkennbare
Systemgrenzen vorhanden sind. Dies ist beispielsweise bei Anzeigeinstrumenten
der Fall, die auf dem Elektrobenetzungseffekt beruhen, nicht jedoch, wenn
es sich um Anordnungen handelt, bei denen ein einzelner Flüssigkeitstropfen
auf einer nach oben offenen Oberfläche manipuliert wird,
die beispielsweise von Luft umgeben ist.
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Im
Folgenden wird eine Vorrichtung beschrieben, mit der das erfindungsgemäße
Fluidgemisch bevorzugt verwendet wird.
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Demnach
umfasst eine Vorrichtung zum Manipulieren eines erfindungsgemäßen
Fluidgemisches, welches mindestens aus einer elektrisch aktivierbaren
Flüssigkeit sowie einem elektrisch inerten Fluid besteht,
unter Benutzung des Effektes der Elektrobenetzung folgende Merkmale:
- – eine erste Oberfläche,
- – mindestens eine Elektrode,
- – ein Fluidgemisch,
- – eine weitere Oberfläche,
- – eine hydrophobe Beschichtung;
- – mindestens eine dielektrische Schicht;
- – einen Haftvermittler,
- – für jede Oberfläche ein Substrat.
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Die
erste Oberfläche wurde bereits oben beschrieben und dient
im Wesentlichen der Begrenzung der Vorrichtung und der Aufnahme
bzw. der Begrenzung des Bewegungsbereiches des Fluidgemisches. Außerdem
kann die erste Oberfläche auch weitere Komponenten enthalten
bzw. direkt an diese angrenzen, wie nachfolgend detailliert erläutert
wird.
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Das
erfindungsgemäß notwendige schaltbare elektrische
Feld wird bevorzugt mittels mindestens einer Elektrode erzeugt.
Alternativ kann auch eine Mehrzahl von Elektroden vorhanden sein,
die gemeinsam, sequenziell oder nach einem andern Muster geschaltet
sind. Die Fläche der mindestens einen Elektrode kann den
gesamten oder nur einen Teil der ersten und/oder der weiteren Oberfläche
bedecken. Die Form der mindestens einen Elektrode kann rechteckig,
rund, oval oder anders geformt sein. Die mindestens eine Elektrode
kann transparent, opak oder undurchsichtig sein.
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Weiterhin
ist auch ein erfindungsgemäßes Fluidgemisch Bestandteil
der Vorrichtung. Dieses umfasst die oben beschriebene, erfindungsgemäße elektrisch
aktivierbare Flüssigkeit sowie das elektrisch inerte Fluid.
Hierfür gelten auch sämtliche Ausführungen,
die an der entsprechenden Stelle weiter oben offenbart worden sind.
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Ebenfalls
Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist eine weitere Oberfläche. Diese ist derart angeordnet,
dass zwischen der ersten und der weiteren Oberfläche ein
Spalt entsteht, in welchem das Fluidgemisch positionierbar ist.
Dieser Spalt kann seitlich offen oder alternativ ganz oder teilweise begrenzt
sein. Wesentlich ist lediglich, dass sich im Spalt das elektrische
Feld ausbreiten und seine Wirkung auf das Fluidgemisch bzw. dessen
elektrisch aktivierbaren Bestandteil entfalten kann. Bevorzugt sind
beide Oberflächen in etwa gleich groß, parallel zueinander
ausgerichtet, und im Wesentliche flächig ausgebildet, so
dass sich ein ein- oder zweidimensionaler Spalt bildet. Dieser erstreckt
sich in eine oder zwei Raumrichtungen, die ggf. zueinander senkrecht und
gleichzeitig parallel zu den beiden Oberflächen verlaufen.
Bevorzugt erstreckt sich der Spalt in diese eine bzw. diese beiden
Raumrichtungen deutlich länger als in Richtung senkrecht
zu den beiden Oberflächen. Der eindimensionale Spalt entspricht
demnach einem Kanal, der zweidimensionale Spalt wird zwischen zwei
plattenartigen und voneinander geringfügig beabstandeten
Flächen gebildet.
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Weiterhin
umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine
hydrophobe Beschichtung, die sich auf einer oder auf beiden Oberflächen
befindet. Die Beschichtung weist dabei jeweils in Richtung des Fluidgemisches
und ist so beschaffen, dass sie dieses erfindungsgemäß abstößt.
Ist das Fluidgemisch nicht wässrig, so wird die Hydrophobisierung
sinngemäß durch eine entsprechend geeignete, das
Fluidgemisch abstoßende Schicht ersetzt. Es kann dabei ausreichend
sein, wenn nur ein Bestandteil oder eine Phase des Fluidgemisches
abgestoßen wird. Bevorzugt wird jedoch das Gemisch als
Ganzes abgestoßen.
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Weiterer
Bestandteil der Vorrichtung ist mindestens eine dielektrische Schicht,
die jeweils zwischen der betreffenden Oberfläche und der
hydrophoben Beschichtung, sofern vorhanden, angeordnet ist. Diese
Schicht erfüllt mehrere Aufgaben. So dient sie der Verstärkung
des elektrischen Feldes und somit des Effektes der Elektrobenetzung.
Außerdem dient sie der elektrischen Isolation der einzelnen Elektroden
voneinander, insbesondere der Elektroden unterschiedlicher Polarität,
um einen Kurzschluss zu verhindern.
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Außerdem
ist bevorzugt ein Haftvermittler vorgesehen, welcher der einfachen
Verbindbakeit von hydrophober Beschichtung und der jeweils darunter
liegenden Schicht dient.
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Schließlich
umfasst die Vorrichtung für jede Oberfläche ein
Substrat, welches alle beschriebenen Schichten trägt und
den stofflichen Zusammenhalt der Schichten sicherstellt. Dieses
Substrat kann beispielsweise aus Glas, Kunststoff, Keramik, Metall oder
Kombinationen derselben hergestellt sein.
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Daneben
kann die Vorrichtung noch eine oder mehrere elektrische Leitungen
umfassen, die der Verbindung der mindestens einen Elektrode mit der
entsprechenden Spannungsquelle dienen, welche bevorzugt außerhalb
der Vorrichtung angeordnet ist.
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Nach
einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist die elektrisch aktivierbare Flüssigkeit
Propylencarbonat, das elektrisch inerte Fluid ein Öl oder ölhaltig,
die hydrophobe Schicht aus Polytetrafluorethylen, der Haftvermittler
aus einem Silan und das Substrat aus Glas.
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Figurenbeschreibung
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Die
Figur zeigt einen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1.
Diese besteht aus zwei Substraten (9), die als Basis für
die weiteren, nicht selbst tragenden Schichten dienen. Diese Schichten
sind
- – eine Elektrode 4 zur
Erzeugung eines elektrischen Feldes F, wobei diese Schicht 4 nur
auf einem der Substrate 9 vorhanden ist, und dieses in der
dargestellten Ausführungsform auch nur teilweise überdeckt;
- – eine dielektrische Schicht 7 zur Vergrößerung der
Dielektrizität, wobei diese Schicht 7 nur auf demjenigen
der Substrate 9 vorhanden ist, das auch die Elektrode 4 trägt;
- – eine Schicht 8, die als Haftvermittler dient;
- – eine hydrophobe Beschichtung 6, die den
jeweiligen Schichtaufbau abschließt.
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Die
Feldlinien des elektrischen Feldes F beginnen an der Elektrode 4;
eine Gegenelektrode ist nicht dargestellt, da hierzu die Umgebung
dient. Nach alternativen, hier nicht dargestellten Ausführungsformen
können jedoch eine oder auch mehrere Elektroden vorgesehen
sein, die sich im gegenüberliegenden Schichtaufbau befinden.
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Zwischen
den beiden Schichtaufbauten befindet sich ein Spalt 5,
der dadurch entsteht, dass sich die beiden hydrophoben Beschichtungen 6 nicht direkt
berühren, sondern voneinander in einem Abstand gehalten
werden. Die den Spalt begrenzenden Oberflächen werden erfindungsgemäß durch
die erste Oberfläche 3A und die zweite Oberfläche 3B gebildet.
Diese Zuordnung ist unabhängig von der jeweiligen konkreten
physikalischen Beschaffenheit der Oberflächen, welche je
nach der entsprechenden Ausführungsform variiert. Beispielsweise
ist nach der gezeigten Ausführungsform die erste Oberfläche 3A identisch
mit der hydrophoben Beschichtung 6. Nicht gezeichnet sind
ggf. vorhandene seitliche Oberflächen, die das fluidische
System entsprechend begrenzen und nach anderen, hier nicht dargestellten Ausführungsformen
zusätzlich vorhanden sein können.
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Zwischen
den Oberflächen 3A und 3B befindet sich
das erfindungsgemäße Fluidgemisch 2.
Dieses besteht aus zwei Komponenten, einer elektrisch aktivierbaren
Flüssigkeit 2A und einem elektrisch inerten Fluid 2B.
In der dargestellten Ausführungsform befindet sich die
Flüssigkeit 2A in Tropfenform zwischen den Oberflächen 3A und 3B.
Sie wird seitlich durch das nicht näher gezeigte Fluid 2B umgeben, welches
mit der elektrisch aktivierbaren Flüssigkeit nicht mischbar
ist und daher eine Phasengrenze ausbildet.
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Durch
Einschalten des elektrischen Feldes F beeinflusst dieses die Oberflächenspannung
der elektrisch aktivierbaren Flüssigkeit 2A derart,
dass sich diese erfindungsgemäß verringert. Dadurch
verformt sich der aus der Flüssigkeit 2A bestehende Tropfen
in die Richtung des Bereiches, in welchem das elektrische Feld F
vorhanden ist. Dementsprechend bewegt er sich in Bewegungsrichtung 10 fort.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Fluidgemisch
- 2A
- elektrisch
aktivierbare Flüssigkeit
- 2B
- elektrisch
inertes Fluid
- 3A
- erste
Oberfläche
- 3B
- zweite
Oberfläche
- 4
- Elektrode
- 5
- Spalt
- 6
- hydrophobe
Beschichtung
- 7
- dielektrische
Schicht
- 8
- Haftvermittler
- 9
- Substrat
- 10
- Bewegungsrichtung
- F
- elektrisches
Feld
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 7304786 [0011]
- - WO 1999/018456 [0012]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - D. Y. Kim
und A. J. Steckl: „Liquid-state field-effect transistors
using electrowetting"; Applied Physics Letters, Vol. 90, No. 4;
22. Jan. 07 [0010]
- - Johan Feenstra & Rob
Hayes: „Liquavista electrowetting displays", Liquavista
BV, Niederlande, Januar 2006 [0011]
- - http://www.liquavista.com/files/LQV060828XYR-15.pdf [0011]
- - www.varioptic.com [0012]
- - Y. Fouillet et al.: „EWOD Digital Microfluidics For Lab
an A Chip", Keynote Paper, Proceedings of ICNMM 2006, Juni 2006,
Limerick, Irland [0013]