DE602006000895T2

DE602006000895T2 - Elektrobenetzungssystem mit Elektrolytlösung von hoher Zuverlässigkeit

Info

Publication number: DE602006000895T2
Application number: DE602006000895T
Authority: DE
Inventors: Jae Young Bae; Jong Yun Kim; Ha Yong Jung; Ji Hye Shim
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2006-10-18
Publication date: 2009-05-28
Anticipated expiration: 2026-10-19
Also published as: CN1952726A; US20070091455A1; EP1777556B1; KR100691372B1; ATE391933T1; EP1777556A1; DE602006000895D1; JP2007114784A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Elektrobenetzungssystem. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Elektrobenetzungssystem, welches eine elektrisch leitende Lösung verwendet, in welcher die Art und Konzentration von den in der elektrisch leitenden Lösung enthaltenen Salzen abgestimmt wird, um Zuverlässigkeit in der betrieblichen Effizienz des Elektrobenetzungssystems bezüglich Temperaturänderung der leitenden Lösung zu gewährleisten.
Beschreibung des Standes der Technik
Elektrobenetzung ist ein Phänomen, bei dem die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit unter Verwendung elektrischer Ladungen, welche an der Grenzfläche der Flüssigkeit vorhanden sind, verändert wird. Das Elektrobenetzungsphänomen kann zur Behandlung von in Flüssigkeiten vorhandenen Mikroflüssigkeiten und Mikropartikeln verwendet werden. Ein großer Teil der Forschung hat sich auf Produkte basierend auf dem Elektrobenetzungsphänomen konzentriert. Das Elektrobenetzungsphänomen wird gegenwärtig in einer breiten Vielfalt von Anwendungen, einschließlich Flüssiglinsen, Mikropumpen, Displayvorrichtungen, optischen Vorrichtungen und mikroelektromechanischen Systemen (MEMSs) verwendet. Insbesondere weisen Flüssiglinsen für Autofokus (A/F) die Vorteile einer kleinen Größe, vermindertem Stromverbrauch und eine hohen Antwortquote bezüglich ihres Funktionsverhaltens im Vergleich zu konventionellen Flüssiglinsen auf.
Verschiedene Faktoren, wie beispielsweise betriebliche Effizienz, optische Effizienz, Reproduzierbarkeit, Stabilität und Zuverlässigkeit müssen in Betracht gezogen werden, um Elektrobenetzungssysteme zu realisieren. Insbesondere, wenn eine Spannung an ein Elektrobenetzungssystem angelegt wird, muss die Form einer Flüssigkeit stabil gehalten werden, ohne instabiles Zittern und Bewegung an der Grenzfläche der Flüssigkeit, um erwünschte Zielsetzungen zu erreichen. Des Weiteren muss ein Elektrobenetzungssystem zur Verwendung in mikroelektromechanischen Systemen (MEMSs) einen geringen Betriebstrom und eine hohe Antwortrate aufweisen. Ein Material in einem flüssigen Zustand zeigt große Schwankungen in physikalischen Eigenschaften nach Temperaturänderung. Es ist dementsprechend wichtig, die Schwankungen in den physikalischen Eigenschaften einer Flüssigkeit eines Elektrobenetzungssystems nach Temperaturänderung zu minimieren, um die Zuverlässigkeit der Flüssigkeit sicherzustellen.
Elektrobenetzung ist ein Phänomen, bei dem die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit unter Verwendung elektrischer Ladungen, welche an der Grenzfläche der Flüssigkeit vorhanden sind, verändert wird, um Änderungen im Kontaktwinkel der Flüssigkeit herbeizuführen. Entsprechend dem Elektrobenetzungsphänomen wird eine hohe Potenzialdifferenz an der Grenzfläche einer Flüssigkeit erreicht, wenn ein dünner Isolator an der Grenzfläche vorhanden ist. 1 zeigt ein schematisches Diagramm eines konventionellen Elektrobenetzungssystems.
In einem Elektrolyten vorhandene Ladungen haben wegen ihrer chemischen Eigenschaften die Tendenz, sich zu den Grenzen des Elektrolyten zu bewegen. Die Tendenz wird stärker, wenn eine externe Spannung an den Elektrolyten angelegt wird. Insbesondere wird die Konzentration der Ladungen an Tripelkontaktlinien (tripel contact lines, TCLs), wo die Grenzen überlappen, stark erhöht. Dieses Phänomen bringt eine Zunahme der repulsiven Kräfte zwischen den Ladungen hervor, welches in einer Abnahme der Oberflächenspannung an den Rändern von Flüssigkeitstropfen resultiert. Dies wird durch die folgende Beziehung ausgedrückt.
Das Elektrobenetzungsphänomen kann in einer Vielzahl von Anwendungsfeldern eingesetzt werden, beispielsweise im schnellen Transport, Mischen und Beschichten von Mikroflüssigkeiten und optischen Schaltern. Neuere Forschung richtete sich auf die Anwendung des Elektrobenetzungsphänomens bei optischen Linsen, Mikropumpen, Displayvorrichtungen, optischen Vorrichtungen, MEMSs und Mikroflüssigkeiten.
Die Herstellung eines Elektrobenetzungssystems basierend auf dem Elektrobenetzungsphänomen erfordert im Wesentlichen die Verwendung eines oder mehrerer Lösungen. Eine elektrisch leitende Lösung (hiernach als „Elektrolytlösung" bezeichnet) ist besonders wichtig, weil sie elektrische Eigenschaften besitzt und den Betrieb eines Elektrobenetzungssystems wesentlich bewirkt. Im Allgemeinen enthält eine Elektrolytlösung zur Verwendung in einem Elektrobenetzungssystem reines Wasser und ein Salz, z. B. in Na₂SO₄ oder LiCl, welche dazu dienen, dem reinen Wasser elektrische Eigenschaften zu verleihen. 2 zeigt einen Zustand, in dem eine Elektrolytlösung in einem üblichen Elektrobenetzungssystem bewegt wird, wenn eine Spannung an das Elektrobenetzungssystem angelegt ist.
WO 2004/099845 beschreibt ein Elektrobenetzungsmodul, welches die Merkmale aus dem Oberbegriff des Anspruches 1 der anhängenden Ansprüche aufweist.
Zunächst wird ein Tropfen der Elektrolytlösung auf einen Isolator getropft, welcher eine Elektrode beschichtet. Daraufhin, wenn eine Spannung an die Elektrode angelegt wird, wandern die in der Elektrolytlösung vorhanden Ladungen. Diese Wanderung der Ladungen erzeugt ein Phänomen, in welchem sich der Tropfen der Elektrolytlösung auf die Oberfläche des Isolators ausbreitet, wie in 2 gezeigt.
Für die Anwendung dieses Prinzips in mikroelektromechanischen Systemen ist es wichtig, höhere Zuverlässigkeit der Elektrolytlösung zu gewährleisten. Gemäß den gebräuchlichen Elektrobenetzungssystemen werden Salze zu Elektrolytlösungen nur zum Zwecke der Vermittlung elektrischer Eigenschaften an die Elektrolytlösung hinzugegeben. Zusätzlich, gemäß gebräuchlicher Elektrobenetzungssysteme, ist kein Versuch unternommen worden, die Zuverlässigkeit bezüglich Temperaturänderung einer Elektrolytlösung zu gewährleisten. Des Weiteren wurden einige Elektrobenetzungssysteme mit erhöhter optischer Effizienz entwickelt, in denen durch Hinzufügen eines organischen Lösungsmittels zu einer Elektrolytlösung die Differenz im Brechungsindex der Flüssigkeiten erhöht wurde. Diese Elektrobenetzungssysteme zeigen verbesserte optische Eigenschaften bei Raumtemperatur, aber gewährleisten keine Zuverlässigkeit bezüglich der Temperaturänderung der Elektrolytlösung.
Für die Anwendung eines Elektrobenetzungssystems in einer Vielzahl von elektronischen Vorrichtungen ist es wichtig, die Zuverlässigkeit des Elektrobenetzungssystems bezüglich Temperaturänderung zu gewährleisten. Bei allgemeinen elektronischen Vorrichtungen ist es erforderlich, dass diese eine Betriebszuverlässigkeit im Bereich von –40°C bis +85°C aufweisen. Da ein Material in einem flüssigen Zustand große Änderungen in physikalischen Eigenschaften erfährt, im Vergleich zu einem Material im festen Zustand, müssen solche Änderungen minimiert werden, so dass sie wenig Einfluss auf die Betriebseffizienz eines Elektrobenetzungssystems haben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Elektrobenetzungssystem, umfassend eine Elektrolytlösung, welche in einem flüssigen Zustand große Änderungen in physikalischen Eigenschaften nach Temperaturveränderung erfährt und deren Charakteristika kontrolliert werden, um Änderungen in physikalischen Eigenschaften zu minimieren und deren Zuverlässigkeit bezüglich Temperaturänderungen gewährleistet ist durch Optimierung der Art und Konzentration von Salzen, welche in der Elektrolytlösung enthalten sind, bereitzustellen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zur Lösung der oben genannten Aufgabe wird ein Elektrobenetzungssystem bereitgestellt, umfassend eine Elektrolytlösung und optional eine nicht-leitende Flüssigkeit (hiernach als „Isolierlösung" bezeichnet), wobei die Elektrolytlösung ein erstes Salz mit einer Molmasse von 100 oder weniger und einer Löslichkeit von 27 g oder mehr in 100 g Wasser aufweist ein zweites Salz (ein chaotropes Salz), enthaltend ein Ion mit einem negativen Jones-Dole-Koeffizienten (B) und einem dritten Salz, das ein Ion mit einer Setschenow-Konstante (k_s) von 0,150 oder mehr enthält, wobei das erste, zweite und dritte Salz verschieden sind. Vorzugsweise liegen die Salze in dem Bereich von 10–30 Gew.-%, basierend auf dem Gesamtgewicht der Elektrolytlösung, vor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen Ziele, Merkmale und weiteren Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung verstanden werden, herangezogen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, in welchen:
1 ein schematisches Diagramm, welches die Struktur eines allgemeinen Elektrobenetzungssystems zeigt;
2 ein Diagramm, welches schematisch einen Zustand eines Elektrobenetzungssystems, in welchem eine Elektrolytlösung bewegt wird, wenn eine Spannung an das Elektrobenetzungssystem angelegt ist, zeigt;
3 Änderungen in der Krümmung einer Grenzfläche zwischen einer Elektrolytlösung und einer isolierenden Lösung eines Elektrolytsystems, wenn eine Spannung an das Elektrolytsystem angelegt wird, zeigt; und
4 einen Graph, welcher Änderungen in der Viskosität von Wasser als eine Funktion der Temperatur zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wird nun in größerem Detail beschrieben.
3 zeigt einen Zustand, in welchem eine Elektrolytlösung einer Flüssiglinse bewegt wird, wenn eine Spannung an die Flüssiglinse angelegt wird. Die Flüssiglinse umfasst zwei Arten von nicht-mischbaren Lösungen, d. h. i) eine Elektrolytlösung, welche elektrische Eigenschaften aufweist und wesentlich der Funktionalität der Flüssiglinse dient und ii) ein nicht-leitendes Öl oder Flüssigkeit (hiernach als „isolierlösung" bezeichnet), dessen Form relativ verändert wird, abhängig von der Bewegung der Elektrolytlösung, um als Linse zu fungieren, welche von einer Grenzfläche getrennt sind, welche zwischen diesen gebildet wird.
Die Elektrolytlösung des Elektrobenetzungssystems gemäß vorliegender Erfindung beinhaltet ein erstes Salz, welches eine Molmasse von 100 oder weniger und eine Löslichkeit von 27 g oder mehr in 100 g Wasser aufweist.

Im Allgemeinen verursacht die Zugabe eines Salzes zu Wasser Änderungen in den physikalischen Eigenschaften des Wassers. Beispielsweise erhöht ein zum Wasser zugegebenes Salz die Dichte der wässrigen Lösung und erniedrigt den Gefrierpunkt der wässrigen Lösung in Proportion zu der molaren Konzentration des Salzes. Im Falle einer Elektrolytlösung für eine Flüssiglinse muss ein Überschuss an Salz hinzugegeben werden, um die Elektrolytlösung vor dem Gefrieren bei niedriger Temperatur zu bewahren. Beispielsweise müssen ein oder mehrere Mole eines Salzes zu 100 g Wasser hinzugegeben werden, um die wässrige Lösung vor dem Gefrieren bei –40°C zu bewahren. Tabelle 1 zeigt die molare Masse und Löslichkeit verschiedener löslicher Salze, welche zu einer Elektrolytlösung eines Elektrobenetzungssystems hinzugegeben werden können, entsprechend der zunehmenden Größe der molaren Masse. Tabelle 1

Salz	molare Masse	Löslichkeit (0°C, 100 g)	Salz	molare Masse	Löslichkeit (0°C, 100 g)
LiCl	42.4	67.0	CaCl₂	111.0	59.5
NH₄Cl	53.5	29.4	KBr	119.0	53.5
NaNl	58.4	35.7	MgSO₄	120.4	26.0
KCl	74.6	27.6	Na₂SO₄	142.0	4.8
NaNO₃	85.0	73.0	CuSO₄	159.6	19.2
KNO₃	101.1	13.3	K₂SO₄	174.3	7.35

Die meisten Siliconöl-basierten Materialien, welche eine isolierende Lösung einer Flüssigkeitslinse bilden könnten, weisen eine Dichte von 1,0 oder weniger auf. Eine Vorraussetzung für eine Flüssigkeitslinse ist, dass eine Elektrolytlösung die gleiche Dichte aufweisen muss wie eine Isolierlösung. Daher wird ein Salz, welches eine relativ niedrige molare Masse aufweist, bevorzugt, weil die Dichte einer Elektrolytlösung minimieren kann. Ein Salz mit einer Molmasse von 100 oder weniger und einer Löslichkeit von 27 oder mehr in 100 g Wasser wird bevorzugt in der Elektrolytlösung des Elektrobenetzungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, weil es die Dichte der Elektrolytlösung minimiert, um der Elektrolytlösung zu ermöglichen, die gleiche Dichte wie die Isolierlösung aufzuweisen und die Elektrolytlösung vor dem Gefrieren bei einer Temperatur von –40°C zu bewahren.
Mit Bezug auf Tabelle 1 sind LiCl, NH₄Cl, NaCl und KCl (KC1) in Salzen enthalten, welche eine Molmasse von 100 oder weniger und eine Löslichkeit von 27 oder mehr in 100 g Wasser aufweisen.
Die Elektrolytlösung des Elektrobenetzungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein chaotropes Salz, welches ein Ion mit einem negativen Jones-Dole-Koeffizienten enthält.
Wenn ein Salz zu Wasser gegeben wird, kann die Viskosität der wässrigen Lösung durch folgende Gleichung 1 dargestellt werden: Gleichung 1

η: Viskosität der Salz enthaltenden wässrigen Lösung
η₀: Viskosität von reinem Wasser
c: Konzentration des Salzes
A: Debye-Hückel-konstante
B: Jones-Dole-Koeffizient

Ionen können durch ihren Jones-Dole-Koeffizienten (B) in Kosmotrope Ionen und chaotrope Ionen klassifiziert werden. Im besonderen weisen Kosmotrope Ionen einen positiven Jones-Dole-Koeffizienten (B) und chaotrope Ionen weisen einen negativen Jones-Dole-Koeffizienten (B) auf.
Ein Ion (d. h. ein chaotropes Ion) welches einen negativen Jones-Dole-Koeffizienten (B), welches zu einer Elektrolytlösung gegeben wird, hemmt die strukturelle Bindung von Wassermolekülen. Als ein Ergebnis wird die Anzahl der Wasserstoffbindungen zwischen den Wassermolekülen reduziert und die Viskosität der wässrigen Lösung (d. h. der Elektrolytlösung) vermindert. Diese Ergebnisse verursachen lediglich eine geringe Veränderung in der Viskosität der wässrigen Lösung mit sich verändernder Temperatur. Dementsprechend wird bevorzugt ein chaotropes Salz in der Elektrolytlösung des Elektrobenetzungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet.
Wird unterdessen ein Ion (d. h. ein kosmotropes Ion), welches einen positiven Jones-Dole-Koeffizienten (B) aufweist, zu einer Elektrolytlösung eines Elektrobenetzungssystems gegeben, so wird die strukturelle Ausrichtung der Wassermoleküle um das Ion herum verstärkt und dieses stark an die Wassermoleküle gebunden. Im Ergebnis wird die Viskosität der wässrigen Lösung (d. h. der Elektrolytlösung) erhöht. Ist die Viskosität einer Elektrolytlösung zu niedrig, erleidet ein Elektrobenetzungssystem umfassend die Elektrolytlösung ein Oberflächenzittern, wenn eine Spannung an das Elektrobenetzungssystem angelegt wird. Dementsprechend ist es bevorzugt, dass die wässrige Lösung eine höhere Viskosität aufweist als reines Wasser, um das System stabil zu betreiben. Andererseits nimmt die Viskosität von Wasser mit abnehmender Temperatur zu. Der Grund für dieses Verhalten des Wassers liegt darin, dass Wassermoleküle uniform ausgerichtet sind und die Anzahl der Wasserstoffbindungen zwischen den Wassermolekülen mit niedriger Temperatur zunimmt und damit eine starke Bindungskraft zwischen den Wassermolekülen erzeugt. Wie in 4 gezeigt, nimmt mit fallender Wassertemperatur die Viskosität des Wassers exponentiell zu. Ist die Viskosität des Wassers größer als jene, welche zur Stabilisierung der Grenzfläche einer Elektrolytlösung bei niedrigen Temperaturen erforderlich ist, wird eine langsame Bewegung der Elektrolytlösung ausgelöst. Dementsprechend ist die Verwendung eines Kosmotropen Salzes in der Elektrolytlösung eines Elektrobenetzungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung nicht bevorzugt.
Wie oben beschrieben, ist bevorzugt, dass eine Elektrolytlösung eine größere Viskosität aufweist als reines Wasser. Jedoch erzeugt ein lösliches Salz, welches zu einer Elektrolytlösung hinzugegeben wird, eine elektrische Bindungskraft zwischen den Ionen des Salzes und den Wassermolekülen, um die Wassermoleküle auszurichten. Da diese Ausrichtung der Wassermoleküle die Bindung zwischen den Wassermolekülen stärker oder schwächer macht, kann die Viskosität der wässrigen Lösung geändert werden. Das heißt, dass das Hinzufügen eines polaren Lösungsmittels wirksam zur Gewährleistung von Grenzflächenstabilisierung ist. Dementsprechend wird ein Salz, welches zur Abmilderung von Änderungen in der Viskosität einer wässrigen Lösung nach Temperaturänderung geeignet ist, bevorzugt verwendet, um die operative Zuverlässlichkeit des Elektrobenetzungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung bei niedrigen Temperaturen zu gewährleisten, bevorzugt verwendet.
Im Allgemeinen gehören Ionen, welche eine geringe Größe und eine hohe elektrische Ladung aufweisen, d. h. Ionen (zum Beispiel Li⁺, Mg²⁺, Ca²⁺ und F) mit einer hohen Oberflächenladungsdichte, zu den kosmotropen Ionen und Ionen (zum Beispiel Cs⁺, Br^– und I^–), welche eine niedrige Oberflächenladungsdichte aufweisen, gehören zu den chaotropen Ionen. Zusätzlich können diatomare Ionen, wie beispielsweise NH₄ ⁺ und NO₃ ^– in folge ihrer niedrigen Oberflächenladungsdichte als chaotrope Ionen fungieren.
Die in Tabelle 1 dargestellten chaotropen Ionen sind zur Reduzierung der Viskosität einer Elektrolytlösung wirksam. Insbesondere weisen Ionen, wie beispielsweise K⁺, Cl^– und I^– mit abnehmender Temperatur einen tendenziell kleinen Jones-Dole-Koeffizienten auf. Dementsprechend garantiert die Verwendung eines Salze, welches ein Ion mit negativem Jones-Dole-Koeffizienten in der Elektrolytlösung des Elektrobenetzungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung enthält, operative Tieftemperatur-Zuverlässigkeit des Elektrobenetzungssystems.

Die Tabellen 2 und 3 zeigen Änderungen in physikalischen Eigenschaften und Gefrierpunkt der wässrigen Lösungen, welche jeweils verschiedene LiCl-Konzentrationen aufweisen. LiCl wird wegen seiner kleinen Größe und hohen Löslichkeit häufig als Elektrolyt für eine Elektrolytlösung verwendet. Aus den Tabellen kann bestätigt werden, dass, wenn die Salzkonzentration zunimmt, die Dichte, Viskosität, Brechungsindex und Oberflächenspannung der wässrigen Lösungen zur Zunahme neigen. Die Zunahme in der Viskosität und dem Brechungsindex der wässrigen Lösungen deuten an, dass Li⁺-Ionen als Kosmotrope Ionen fungieren, um die Bindungskraft zwischen den Wassermolekülen zu erhöhen. In dem Fall, wo kein Additiv (beispielsweise eine Gefrierschutzlösung) in den Elektrolytlösungen verwendet wird, muss die LiCl-Konzentration bei 20% oder mehr gehalten werden, um die Elektrolytlösungen vor dem Gefrieren bei niedrigen Temperaturen zu bewahren, so dass operative Niedrigtemperatur-Zuverlässigkeit der Elektrolytlösungen erzielt werden kann. Tabelle 2

Nr.	Elektrolytlösung	Dichte in (g/cm³)	Viskosität (mPa·s)	Brechungsindex (nD²⁰)	Oberflächenspannung (mN/m)
1	H₂O 100% LiCl 0%	1.000	1.4	1.3329.	70.9
2	H₂O 99% LiCl 1%	1.006	1.2	1.3350	71.3
3	H₂O 90% LiCl 10%	1.055	2.4	1.3538	74.7
4	H₂O 80% LiCl 20%	1.105	2.8	1.3716	79.2
5	H₂O 70% LiCl 30%	1.154	4.8	1.3890	84.2

Tabelle 3

Probe	Gefrierpunkt (°C)	Nach Stehen bei Niedrigtemperatur
		–10°C	–20°C	–30°C	–40°C
5% LiCl	-	gefroren	gefroren	gefroren	gefroren
10% LiCl	–29.6	Nicht gefroren	gefroren	gefroren	gefroren
15% LiCl	–45.5	Nicht gefroren	Nicht gefroren	gefroren	gefroren
20% LiCl	–54.7	Nicht gefroren	Nicht gefroren	Nicht gefroren	Nicht gefroren

Um jedoch die langsame Bewegung der wässrigen Lösungen aufzulösen, welche aus der zunehmenden Viskosität der wässrigen Lösungen bei niedrigen Temperaturen resultieren, ist es eher bevorzugt, ein Salz zu verwenden, welches ein chaotropes Ion, wie beispielsweise KCl (KC1), KBr, NH₄Cl oder KNO₃), eher als LiCl, zu verwenden. Da das Salz jedoch eine höhere molare Masse aufweist, erhöht es die Dichte der wässrigen Lösung und ist schwer wasserlöslich. Dementsprechend, wenn das Salz in überhöhter Menge hinzugegeben wird, kann es bei niedrigen Temperaturen einen Niederschlag bilden.
Schließlich kann eine Mischung von LiCl, welche eine niedrige molare Masse und eine hohe Löslichkeit und ein chaotropes Salz aufweist, welches zur Reduzierung der Viskosität einer Elektrolytlösung für eine Flüssigkeitslinse bei niedrigen Temperaturen in einem angemessenen Verhältnis befähigt ist, verwendet werden, um alle physikalischen Eigenschaften zu erfüllen, beispielsweise Gefrierpunkt, Dichte und Niedrigtemperatur-Betrieb, welche für die Elektrolytlösung erforderlich sind und so bessere operative Charakteristika für die Flüssiglinse erzielen.
Das chaotrope Salz ist ein Salz, welches einen negativen Jones-Dole-Koeffizient aufweist und typische Beispiele davon beinhalten Cs⁺, Br^–, I^–, K⁺, Cl^–, NH₄ ⁺ und NO₃ ^–. Das chaotrope Salz dient dazu, Änderungen in der Viskosität einer Elektrolytlösung nach Temperaturänderung zu minimieren, d. h. eine Zunahme in der Viskosität einer Elektrolytlösung nach einer Erniedrigung der Temperatur, so dass die operative Zuverlässigkeit bei Niedrigtemperatur der Elektrolytlösung gewährleistet werden kann.
Die Elektrolytlösung des Elektrobenetzungssystems gemäß vorliegender Erfindung beinhaltet ein Salz, welches ein Ion mit einer Setschenow-Konstante (k_s) von 0,150 oder mehr enthält.
Ein Salz, welches zu einer wässrigen Lösung gegeben wird, verursacht eine Verringerung der Löslichkeit von nicht-polaren Molekülen in der wässrigen Lösung und beschleunigt damit die Separation der nicht-polaren Moleküle aus der wässrigen Lösung. Dieses Phänomen wird als „Hofmeister-Effekt" bezeichnet, welcher durch die folgende Setschenow-Gleichung dargestellt wird:

c_i: molare Löslichkeit nicht-polarer Moleküle in Salz enthaltender wässriger Lösung
c_i(0): Molare Löslichkeit nicht-polarer Moleküle in einem Wasser
c_s: molare Konzentration des Salzes
k_s: Setschenow-Konstante

Ein Ion, welches eine größere positive Setschenow-Konstante (k_s) aufweist, separiert die nicht-polaren besser Moleküle aus der wässrigen Lösung und verhindert das Mischen zwischen der Elektrolytlösung und einer Isolierlösung bei hohen Temperaturen und gewährleistet damit Hochtemperatur-Zuverlässigkeit der Elektrolytlösung. Im Allgemeinen gilt, je geringer die Größe eines Ions (ausgenommen Li⁺), desto größer die Konstante (k_s) des Ions (siehe Tabelle 4). Es ist wichtig, das Auftreten physikalischen Mischens und chemischer Reaktionen zwischen der Elektrolytlösung und einer Isolierlösung einer Flüssiglinse zu unterbinden, insbesondere bei hoher Temperatur, wo in den Lösungen enthaltene Moleküle aktiv bewegt werden, um die Flüssiglinse zu betreiben. Zu diesem Zweck ist die Zugabe eines Ions, welches einen großen k_s-Wert aufweist, wirksam, um die gewünschten Effekte zu erzielen. Insbesondere wird bevorzugt ein Ion, welches einen k_s-Wert von 0,150 oder mehr aufweist, zu der Elektrolytlösung des Elektrobenetzungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung gegeben. Tabelle 4

Ion Li⁺ Na⁺ K⁺ Cs⁺ Ba²⁺ F^– Cl^– Br^– I^–

k_s (dm³/mol) 0.141 0.195 0.166 0.088 0.334 0.254 0.195 0.155 0.095
Tabelle 4 zeigt relative k_s-Werte verschiedener Ionen unter Bezug auf den k_s-Wert von Benzol. Wie den in Tabelle 4 gezeigten Daten entnommen werden kann, weisen Na⁺, K⁺, Ba²⁺, F^–, Cl^– und Br^– k_s-Werte größer als 0,150 auf.
Ein Salz enthaltend Ba²⁺ oder F^–, welche Ionen mit einem k_s-Werte größer als 0,150 sind, hat die ausgeprägte Fähigkeit, nicht-polare Moleküle auszusalzen, jedoch weist es eine geringe Löslichkeit auf. Diese geringe Löslichkeit macht das Salz ungeeignet zur Verwendung in einer Elektrolytlösung einer Flüssiglinse, welche die Verwendung einer überschüssigen Menge des Salzes benötigt.
In der Annahme, dass die physikalischen Eigenschaften von Siliconöl, welches üblicherweise als Isolierlösung verwendet wird, nicht maßgeblich von denen des Benzols verschieden sind, ist NaCl das wirksamste Salz für die Separation der Elektrolytlösung von der Isolierlösung.
Wenn schließlich die oben genannten Faktoren (z. B. Löslichkeit, Gefrierpunkt, Änderungen in der Viskosität nach Temperaturänderung und Separation einer Isolierlösung von einer Elektrolytlösung) berücksichtigt werden, kann eine Mischung enthaltend ein Salz, welches eine geringe molare Masse und eine hohe Löslichkeit aufweist, ein Salz enthaltend ein chaotropes Ion mit einer geringen Ladungsdichte (d. h. ein Salz enthaltend ein Ion mit einem negativen Jones-Dole-Koeffizient (B)) und ein Salz enthaltend ein Ion mit einer ausgeprägten Befähigung zum Aussalzen (d. h. ein Salz enthaltend ein Ion mit einer Setschenow-Konstante (k_s) von 0,150 oder mehr), in einem angemessenen Mischungsverhältnis verwendet werden, um eine Elektrolytlösung, welche die physikalischen Eigenschaften und die in einem Elektrobenetzungssystem erforderliche Zuverlässigkeit erfüllt, zu entwickeln.
Wie aus dem vorhergehenden ersichtlich, wird eine Mischung aus einigen Arten von Salzen, welche verschiedene inhärente Charakteristika aufweisen, d. h. ein Salz mit geringer Molmasse und hoher Löslichkeit, ein Salz enthaltend ein chaotropes Ion mit einer geringen Ladungsdichte und ein Salz enthaltend ein Ion mit einer ausgeprägten Befähigung zum Aussalzen, als Elektrolytlösung für ein Elektrobenetzungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet. Unter Berücksichtigung aller Faktoren, wie beispielsweise Löslichkeit, Gefrierpunkt, Änderungen in der Viskosität nach Temperaturänderung und Separation der Isolierlösung aus der Elektrolytlösung, erfüllt die Elektrolytlösung die Zuverlässigkeit bezüglich der Temperaturänderung.

Claims

Elektrobenetzungssystem, umfassend eine Elektrolytlösung, wobei die Elektrolytlösung ein erstes Salz mit einer Molmasse von 100 oder weniger und einer Löslichkeit von 27 g oder mehr in 100 g Wasser aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolytlösung ferner ein zweites chaotropes Salz, das ein Ion mit einem negativen Jones-Dole-Koeffizienten (B) enthält, und ein drittes Salz aufweist, das ein Ion mit einer Setschenow-Konstante (k_s) von 0,150 oder mehr enthält, wobei das erste, zweite und dritte Salz verschieden sind.
Elektrobenetzungssystem nach Anspruch 1, wobei die Salze basierend auf dem Gesamtgewicht der Elektrolytlösung im Bereich von 10 bis 30 Gew.-% liegen.
Elektrolytbenetzungssystem nach Anspruch 1, wobei das erste Salz ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus LiCl, NH₄Cl, NaCl und KCl (KC1).
Elektrobenetzungssystemen nach Anspruch 1, wobei das erste Salz ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Cs⁺, Br^–, I^–, K⁺, Cl^–, NH₄ ⁺ und NO₃ ^–.
Elektrobenetzungssystemen nach Anspruch 1, wobei das zweite Satz ein Ion enthält, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Na⁺, K⁺, Cl^– und Br^–.
Elektrobenetzungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend eine Isolierlösung.