KR100714561B1 - 구동 특성이 안정화된 전기 습윤 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기 습윤 현상을 이용한 장치에 있어서, 물 30-89%, 염 0.01-30중량% 및 쌍극자 모멘트를 갖는 극성 용매 10-60중량%로 구성되는는 전해액을 포함하는 구동 특성이 안정화된 전기 습윤 장치가 제공된다.
본 발명에 따르면, 극성 용매를 포함함으로써 전해액의 점도가 상승되어 구동 전압을 인가한 경우에 상기 액체의 구동 특성이 안정화되며, 고온 및 저온 신뢰성을 확보할 수 있다.
전기 습윤 장치, 전해액, 극성 용매, 점도, 구동 전압
Description
도 1은 종래 기술에 따른 전기 습윤 현상을 이용한 시스템의 구성을 나타내는 모식적 단면도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 전해액을 사용한 일반적인 전기 습윤 시스템을 구성한 경우에 있어서, 전압 인가시 전해액이 구동하는 모습의 모식적 단면이다.
도 3은 전기 습윤 장치의 하나인 액체 렌즈의 전압 인가시 내부의 액체가 구동하는 모습을 도식화한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전해액을 사용한 액체 렌즈에서 구동 전압 인가시 액체의 구동 모습을 촬영한 간섭 무늬 사진으로서,
(a)는 30V의 구동 전압을 인가한 경우이며,
(b)는 50V의 구동 전압을 인가한 경우이다.
도 5는 종래 기술인 비교예 1에 따른 전해액을 사용한 액체 렌즈의 전압 인가시 액체의 구동모습을 촬영한 간섭 무늬 사진으로서,
(a)는 구동 전압을 인가하지 않은 경우이며,
(b)는 30V의 구동 전압을 인가한 경우이다.
도 6은 30V 의 구동 전압을 인가한 경우에 있어서, (a)종래 기술에 따른 전해액의 구동 특성과 (b)본 발명에 따른 구동 특성을 비교한 간섭 무늬 사진이다.
본 발명은 전기 습윤 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 구동 특성을 안정화시키기 위해 전도성 액체에 극성 용매를 포함하여 점도가 증가된 상기 액체를 사용하는 전기 습윤 장치에 관한 것이다.
전기 습윤(elelctrowetting)이란 계면에 존재하는 전하를 조절하여 계면의 장력이 변화하는 현상을 말하는 것으로서, 특히 계면에 작용하는 전위차가 높도록 계면에 얇은 절연막(insulator)이 존재하는 경우를 의미한다.
이러한 현상을 이용하여 전기 습윤 장치를 구성하기 위해서는 미소액체 및 액체 내의 미소 입자를 제어할 수 있기 때문에, 최근 전기 습윤 현상을 이용한 많은 제품이 연구되고 있다. 전기 습윤 현상을 이용한 적용분야로는 액체 렌즈, 마이크로 펌프, 디스플레이 장치, 광학 장치, MEMS 분야 등을 들 수 있는데, 특히 Auto-Focus를 위한 액체 렌즈는 기존 렌즈의 구동 방식과 비교하여 작은 사이즈, 낮은 소비전력, 그리고 빠른 응답 속도 등의 많은 장점이 있다.
이러한 전기 습윤 장치를 구현하기 위해서는 구동성능, 광학성능, 재현성, 안정성, 신뢰성 등을 고려해야 하는데, 특히 전압인가시 액체의 계면이 떨리거나 흔들리는 문제(unstable moving)가 없이 안정적인 형상을 유지해야만 원하는 목적을 이룰 수 있다.
이러한 현상을 이용하여 전기 습윤 장치를 구성하기 위해서는 기본적으로 한 가지 또는 그 이상의 액체가 필요하며, 특히 전기적인 특성을 지니고 실질적인 구동 역할을 하는 전도성 액체(이하, '전해액'이라 한다)의 특성이 가장 중요하다고 할 수 있다. 일반적으로 이러한 전해액은 순수한 물에 전기적인 성질을 부가하기 위해 염, 예를 들어, Na2SO4, LiCl 등을 첨가하여 사용하고 있다. 도 2는 이와 같은 전해액을 사용하여 일반적인 전기 습윤 시스템을 구성한 경우 전압 인가시 전해액이 동작하는 모습을 도식화한 것이다.
그러나 종래의 전기 습윤 현상은 아직까지 명확하게 규명되어 있지 않은 상태이며, 고체/액체, 액체/기체 상간의 계면 에너지의 변화가 없는 것을 전제로 설정하여 연구 및 개발되어 왔다. 따라서 전위차에 따른 단순한 제어만이 가능하였다.
도 1은 종래 기술에 따른 전기 습윤 현상을 이용한 시스템의 구성을 나타내는 모식적 단면도이다. 일반적인 고체 평판 위의 접촉각과 표면 에너지의 관계식은 다음 식 (1)로 표시되는 Young의 식으로 설명된다.
[식 1]
상기 식 (1)에서, γSL은 고체/액체 계면 에너지이며, γSG는 고체/기체 계면 에너지이고, γLG는 액체/기체 계면 에너지이며, θ는 접촉각을 나타낸다.
전극 사이의 전해액이 존재할 때, 전압 인가에 따른 열역학적 수식은 일반적으로 하기 식 (2)로 표시되는 Lippmann의 식으로 설명된다.
[식 2]
상기 식 (1) 및 (2)로부터 하기 식 (3)으로 표시되는 Lippmann-Young의 식이 도출된다.
[식 3]
상기 식에서, θ는 전압 인가시의 접촉각이며, θ0는 최초의 접촉각이며, c는 전기용량을 나타내고, V는 인가된 전압을 나타낸다.
상기 Lippmann-Young 식을 변형하면 하기 식 (4)로 나타낼 수 있다.
[식 4]
상기 식 (4)에서 θ는 전압 인가시의 접촉각이며, θ0는 최초의 접촉각이며, ε은 전극 사이의 유전율을 나타내며, d는 절연막의 두께를 나타내며, V는 인가된 전압을 나타내며, γ1은 계면 에너지를 나타낸다.
전해질 내에 존재하는 전하는 화학적 특성에 의해서 경계로 이동하려는 특성을 가지며, 이때 외부에서 전기장을 인가해 주면, 이러한 특성은 더욱 강해지며, 특히 경계가 겹치는 TCL(Triple Contact Line)에서는 전하의 농도가 매우 증가한다. 이러한 현상은 전하 간에 존재하는 반발력을 증가시키며, 이는 액적의 가장자리에서 표면 장력이 낮아지는 결과를 가져오게 된다.
도 2는 일반적으로 순수한 물에 전기적 성질을 부가하기 위한 염을 첨가한 전해액을 사용한 전기 습윤 시스템을 구성한 경우 전압 인가시 전해액이 구동하는 모습을 도식화한 도면이다. 전기 습윤 시스템 내의 절연막이 코팅되어 있는 전극 위에 전해액 방울을 떨어뜨린 후 전압을 걸어주면, 전해액 내의 전하의 이동으로 인해 도 2와 같은 전해액 방울이 절연막의 표면 위로 퍼지는 현상이 발생하게 된 다.
이때 중요한 것은 전압을 걸어 액체가 구동할 때 불안정한 떨림이나 흔들림 없이 안정된 동작을 해야 하는데, 일반적인 전해액, 즉, 순수한 물에 전기적 특성을 부여하기 위하여 소량의 염을 첨가한 경우에는 점도가 낮아 불안정한 구동(unstable moving) 특성을 나타낸다.
본 발명은 이와 같은 전기 습윤장치를 구성하는 액체에 있어서, 극성 용매를 이용하여 전해액의 점도를 조절함으로써 구동 전압 인가시 유체의 구동 특성을 안정화시킴을 목적으로 한다. 또한, 극성 용매를 이용하여 전해액의 밀도와 표면 장력을 조절하며, 어는점을 낮추거나 끓는점을 높여 고온 및 저온에서의 신뢰성을 확보함을 목적으로 한다.
이에 본 발명에서는 전기 습윤 현상을 이용한 장치에 있어서, 물 30-89중량%, 염 0.01-30중량% 및 극성용매 10-60중량%로 이루어지는 전해액을 포함하는 전기 습윤 장치가 제공된다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명에서는 전기 습윤 장치의 액체 구동시 불안정한 떨림이나 흔들림(unstable moving) 문제를 해결하기 위하여 전해액에 극성 용매를 첨가하여 점도를 증가시킴으로써 전해액의 구동 특성을 안정화하는 것으로, 전기 습윤 현상을 이용한 장치 중에서 대표적인 액체 렌즈를 중심으로 기술한다.
도 3은 전기 습윤 현상을 이용한 가변 초점 액체 렌즈의 실시 형태를 나타낸다. 가변 초점을 위한 액체 렌즈는 전극으로 형성된 하부 평판 위에 일정한 두께를 갖는 절연층이 위치하고, 상기 절연층 위에 절연성을 갖는 오일이나 액체(이하, '절연액'이라 한다)가 위치하고, 그 주변을 도전성을 갖는 전해액으로 둘러쌈으로써 액체 렌즈를 구성하게 된다. 이때 도전성의 액체와 접하는 상부 평판에는 전극이 형성되어 있다. 이러한 경우, 상하부 평판의 전극에 일정한 전압을 인가하게 되면, 전해액의 표면장력이 변하면서 형상이 바뀜에 따라, 상대적으로 렌즈 역할을 하는 절연액의 곡률을 변화시켜 이를 통과하는 광의 초점 거리가 변하게 된다.
상기 전해액은 일반적으로 도전성을 갖는 액체로서, 물을 사용하며, 전해액 총 중량에 대하여 30-89중량% 포함할 수 있다.
전해액에는 상기 물의 표면 에너지를 낮추고, 유변학적 성질을 개선하기 위해 염을 사용할 수 있다. 상기 염은 본 발명의 기술분야에서 일반적으로 사용되는 것일 수 있으며, 구체적으로는 예를 들어, LiCl, NH4Cl, NaCl, KCl, NaNO3, KNO3, CaCl2, KBr, MgSO4, CuSO4, K2SO4 등을 들 수 있다.
이와 같은 염은 전해액 총 중량에 대하여 0.01 내지 30중량%의 범위로 포함될 수 있다. 일반적으로 염은 전기전도도를 고려하여 아주 극소량 첨가하는 것이 바람직하다.
본 발명의 전해액은 상기 물 및 염을 포함하는 일반적인 전해액에 쌍극자 모멘트를 갖는 극성 용매를 포함한다. 이와 같은 극성 용매는 전해액의 점도를 높임으로써 전압을 인가한 경우에 불안정한 떨림이나 흔들림 없이 안정된 구동을 나타내도록 하기 위해 사용된다.
일반적으로 극성 용매는 그 특성상 물에 대한 용해도가 높고 오일과 섞이지 않으므로, 액체 렌즈의 전해액을 구성하는데 적합하다. 상기 극성 용매 중에서 특히 -OH기를 갖는 알코올 계열의 극성 용매를 사용하는 것이 바람직하다. 이들 알코올 계열의 극성 용매는 무채색으로 투명성이 높아 렌즈로서 적합하게 사용될 수 있으며, 또 다양한 범위의 물성을 지니고 있어 전해액의 기타 물성을 제어하는데도 유용하다. 또한, 이러한 극성 용매는 계면활성제로서의 역할도 한다. 이와 같은 계면 활성 기능에 의해 구동 전압 감소 효과를 기대할 수 있으며, 아울러 전해액과 절연액 간의 섞임 현상을 억제하는 역할을 할 수 있다.
본 발명에서 사용될 수 있는 상기 알코올 계열의 극성 용매로는 이로써 한정하는 것은 아니지만, 구체적으로 예를 들어, 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 1,2-프로판디올, 1,3-프로판디올, 1,2,3-프로판트리올, 1-부탄올, 2-부탄올, 1,2-부탄디올, 1,3-부탄디올 1,4-부탄디올, 1-펜타놀, 1,5-펜탄디올, 헥사놀, 헵타놀 및 옥타놀로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 극성 용매일 수 있다. 상기 극성 용매 중에서 보다 바람직한 것으로는 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 1,2-프로판디올, 1,2,3-프로판트리올, 2-부탄올, 1,3-부탄디올 1,4-부탄디올 및 1,5-펜탄디올로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 하나이며, 이들의 물성은 다음 표1 과 같다.
| 극성용매 | 밀도 g/㎤ | 굴절율 nD 20 | 끓는점 ℃ | 어는점 ℃ | 점도 cP |
| 에탄올 | 0.789 | 1.360 | 78 | -114.0 | 1.2 |
| 1-프로판올 | 0.804 | 1.384 | 97 | -127.0 | 2.3 |
| 2-프로판올(IPA) | 0.785 | 1.377 | 82 | -89.5 | 2.1 |
| 1,2-프로판디올 | 1.036 | 1.432 | 187 | -60.0 | 40.0 |
| 1,2,3-프로판트리올 | 1.25 | 1.474 | 182 | 20.0 | 800.0 |
| 2-부탄올 | 0.808 | 1.397 | 98 | -115.0 | 2.8 |
| 1,3-부탄디올 | 1.005 | 1.440 | 203 | -50 | 96 |
| 1,4-펜탄디올 | 1.017 | 1.445 | 230 | 16 | 72.8 |
| 1,5-펜탄디올 | 0.994 | 1.450 | 242 | -18 | 106.5 |
이와 같은 극성 용매는 전해액 총 중량에 대하여 10 내지 60중량%로 사용할 수 있다. 전기 습윤 현상을 이용하는 장치에 있어서, 전해액의 점도가 3-50cP사이에서 안정된 구동 특성을 나타내며, 그 이상의 점도에서는 오히려 전기 습윤 현상을 억제할 수 있으므로 바람직하지 않다.
보다 구체적으로는 액체렌즈의 경우에는 전해액과 절연액으로 구성되며, 상기 절연액은 일정한 점도를 지니고 있으므로 전해액의 움직임에 대한 완충 역할을 할 수 있다. 따라서 구동 특성을 안정화시키는데 필요한 적정 점도는 3-20cP 범위로서, 대기 중에서 공기와 접하는 일반적인 전기 습윤 장치보다는 전해액 구동시의 불안정한 떨림이나 흔들림이 적다. 그러나 액체 렌즈에서와 같은 절연액을 포함하지 않는 다른 전기 습윤 현상을 이용하는 장치, 예를 들면, 마이크로 펌프, 디스플레이 장치, 광학 장치, MEMS(micro-electromechanical) 등에서는 보다 높은 점도에서 구동 특성이 안정화된다. 따라서 이 경우 적정 점도는 3 내지 50cP에서 충분히 안정한 구동 특성을 얻을 수 있다.
전기 습윤 장치에 있어서, 전압 인가시 전해액의 구동 특성을 안정화시키기 위해 요구되는 상기 범위의 점도를 얻기 위해서는, 극성 용매에 따라 전해액의 조성이 상이할 수 있다.
구체적으로는 극성 용매가 1,2-프로판디올인 경우에는 물 40-60중량%, 염 5-10중량% 및 극성 용매 30-50중량%를 포함할 때 점도가 5-10cP의 값을 가지며, 극성 용매가 1,5-펜탄디올인 경우에는 물 30-70중량%, 염 5-20중량% 및 극성 용매 20-60중량%를 포함하는 때에 점도가 5-20cP의 값을 갖는다. 또한, 극성 용매가 1,4부탄디올인 경우에는 물 50-80중량%, 염 5-15중량% 및 극성용매 10-40중량%를 포함할 때 점도 3-8cP의 범위를 가지며, 극성 용매가 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 1,2,3-프로판트리올, 2-부탄올 및 1,3-부탄디올로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 하나의 용매를 혼합하여 점도 3-50cP의 전해액을 제조할 수 있다.
나아가, 액체 렌즈와 같은 전기 습윤 장치에 있어서, 해당 전해액에 각기 다른 특성이 요구되는 경우가 있다. 예를 들어 해당 전해액의 밀도나 표면 장력을 장치의 특성에 맞게 조절하거나, 안정된 동작성을 유지하기 위한 고온 또는 저온 신뢰성을 요구하는 경우가 있다. 이러한 경우에도 해당 극성 용매를 사용하여 전해액의 물성을 조절할 수 있다.
예를 들어, 저온 신뢰성 조건(-40℃, 48시간 이상) 및/또는 고온 신뢰성 조건(+85℃, 96시간 이상)을 만족시키고자 하는 경우에는 각 극성용매의 끓는점 및 어는점을 고려하여 적절한 극성 용매, 이에 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, 1,2-프로판디올, 1,4-부탄디올 또는 1,5-펜탄디올 등을 본 발명의 함량 범위 내에서 물과 염으로 구성된 전해액에 사용함으로써, 원하는 효과를 얻을 수 있다.
전기 습윤 현상을 이용하는 장치로서, 전해액과 절연액으로 구성되는 경우에, 상기 절연액은 일반적으로 오일 또는 오일과 유기 용매의 혼합물을 포함한다. 상기 절연액은 일반적으로 Si-오일 및 유기 첨가물이 포함된다. 상기 절연액은 조성비는 본 발명이 속하는 분야에서 통상적으로 사용되는 범위의 함량으로 구성될 수 있다.
상기 전기 습윤 현상을 이용하는 장치로는 액체 렌즈, 마이크로 펌프, 디스플레이 장치, 광학 장치, MEMS(micro-electromechanical) 등을 들 수 있다.
실시예
이하, 본 발명을 실시예로서 보다 구체적으로 설명한다. 본 실시예는 본 발명의 일 구현예에 불과한 것으로서, 본 발명을 이에 한정하는 것이 아니다. 이하의 실시예는 전기 습윤 장치 중 액체 렌즈에 대한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 당업자라면 이를 다른 전기 습윤 장치에도 적용할 수 있음을 알 것이다.
실시예
1
순수한 물 60중량%, LiCl 10중량% 및 1,2-프로판디올 30중량%를 혼합하여 점도 6.1의 투명한 전해액을 제조하고, 상용화된 실리콘 오일에 1,6-디브로모헥산을 혼합하여 점도 11.8의 절연액을 제조하였다.
전해액과 절연액으로 구성된 액체를 담기 위한 셀은 상부와 하부로 구성되며, 상부는 투명한 물질로 구성되며, 그 내부는 금속 막으로 코팅되어 있어 금속 막을 통해 전해액에 전압을 인가할 수 있도록 구성된다. 하부는 상부와 동일한 재질로 되어 있으며, 액체와 접하는 내부는 고분자 절연막 재질로 코팅되어 있으며, 절연막 아래에는 금속 재질의 막이 코팅되어 있다.
상기 제조된 전해액과 절연액을 상기 렌즈의 셀에 넣어, 액체 렌즈 장치를 제조하였다.
이와 같이 제조된 액체 렌즈에 30V 및 50V의 전압을 인가하였다. 각 전압 인가시 액체의 구동 모습에 대한 간섭 무늬 사진(각각 a, b)을 촬영하였다. 그 결과를 도 4에 나타내었다.
4에 나타난 바와 같이, 극성 용매를 사용하여 점도를 상승시킨 전해액으로 구성된 액체 렌즈에 전압을 인가하더라도, 불안정한 떨림이나 흔들림 없이 안정된 구동 특성을 가짐을 알 수 있다.
비교예
1
순수한 물 90중량% 및 LiCl 10중량%를 포함하는 점도 1.9의 투명한 전해액을 제조하고, 상용화된 실리콘 오일에 1,6-디브로모헥산을 혼합하여 점도 11.8의 절연액을 제조하였다.
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 액체 렌즈를 제조하였다.
상기 제조된 액체 렌즈의 인가 전압이 없는 경우(a) 및 30V의 전압을 인가한 경우의 액체의 구동 모습에 대한 간섭 무늬 사진을 촬영하였다. 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 6은 30V의 전압을 인가한 경우에 있어서, 극성 용매를 포함하지 않는 전해액과 극성용매를 포함하는 개선된 전해액을 사용한 액체 렌즈의 구동 모습을 비교하기 위한 사진이다.
반면, 도 5에 나타난 바와 같이, 외부에서 전압이 인가되지 않은 일반적인 상태에서의 구동 모습을 촬영한 사진에서의 간섭무늬는 액체의 계면이 떨림이나 흔들림없이 안정된 모습을 보여주나, 액체 구동을 위하여 외부에서 30V의 전압을 인가한 경우 (b)에 나타나는 바와 같이 두 액체 간의 계면 곡률이 변화하는데, 전해액의 낮은 점도 때문에 구동시에 주변 부위가 흔들리는 현상이 발생함을 알 수 있다.
일반적으로 액체 렌즈를 구동하기 위해서는 40-100V 이상의 높은 전압을 인가해야 하는데, 이러한 고전압이 인가될 경우에는 이러한 불안정한 현상들이 더 심해져서 렌즈로서의 역할을 하지 못하게 된다.
본 발명의 전해액과 일반적인 전해액에 대하여, 전압 인가시 구동 특성을 도시한 도 6으로부터, 본 발명에 따른 극성 용매를 사용하여 점도를 상승시킨 전해액을 사용한 경우가 일반적인 전해액을 사용한 경우에 비하여 매우 우수한 구동 안정성을 가짐을 명확하게 알 수 있다.
도 4, 5 및 6에 있어서, 나타나는 간섭 무늬는 액체간 계면의 높이를 나타내는 일종의 등고선이다.
본 발명에 따르면, 통상적인 전해액에 극성 용매를 사용하여 전기 습윤 장치의 점도를 조절함으로써, 전압 인가시 발생하는 계면의 불안정한 떨림 현상을 해결할 수 있는 효과를 부여하며, 전해액에 포함되는 극성 용매가 계면활성제의 역할을 함으로써 구동 전압을 낮출 수도 있으며, 또한, 상기 전해액에 포함되는 극성 용매의 선택에 따라 고온 또는 저온 신뢰성을 확보할 수 있는 효과도 얻을 수 있다.
Claims (5)
- 전기 습윤 현상을 이용한 장치에 있어서, 물 30-89중량%, 염 0.01-30중량% 및 극성용매 10-60중량%로 이루어지는 전해액을 포함하는 전기 습윤 장치.
- 제1항에 있어서,상기 전해액의 점도가 3-50cP인 것을 특징으로 하는 전기 습윤 장치.
- 제1항에 있어서,절연액을 추가로 포함하며, 상기 전해액의 점도는 3-20cP임을 특징으로 하는 전기 습윤 장치.
- 제1항에 있어서,상기 극성용매는 쌍극자 모멘트를 갖는 알코올계열의 극성 용매임을 특징으로 하는 전기 습윤 장치.
- 제4항에 있어서,상기 알코올 계열의 극성 용매는 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 1-프로판올, 1,2-프로판디올, 1,3-프로판디올, 1,2,3-프로판트리올, 1-부탄올, 2-부탄올, 1,2-부탄디올, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 1-펜타놀, 1,5-펜탄디올, 헥사놀, 헵타놀 및 옥타놀로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 극성 용매임을 특징으로 하는 구동 특성이 안정화된 전기 습윤 장치.
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