KR20120093260A - 전기습윤 디바이스 - Google Patents

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KR20120093260A
KR20120093260A KR1020127011606A KR20127011606A KR20120093260A KR 20120093260 A KR20120093260 A KR 20120093260A KR 1020127011606 A KR1020127011606 A KR 1020127011606A KR 20127011606 A KR20127011606 A KR 20127011606A KR 20120093260 A KR20120093260 A KR 20120093260A
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electrowetting
dielectric
electrowetting device
electrode
electrolyte solution
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KR1020127011606A
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슈타인 쿠이퍼
요한네스 빌헬무스 베에캄프
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은 유전체 상의 전기습윤 디바이스(200)에 관한 것이다. 이는 하나 이상의 셀을 포함하고, 각각의 셀은 제 1 및 제 2 혼합 불가능 유체의 전기습윤 조성물로서, 제 1 유체는 전해질 용액(240)인 전기습윤 조성물, 유전체(231)에 의해 전 기습윤 조성물로부터 분리된 제 1 전극(230), 및 전기습윤 디바이스를 작동하기 위해 제 1 전극(230)과 전해질 용액 사이에 작동 전압차를 인가하기 위한 전압원(260)을 포함하는 전기습윤 디바이스이다. 본 발명에 따르면, 유전체 상의 전기습윤 디바이스(200)의 제 1 전극(230)은 밸브 금속을 포함하고, 전해질 용액(240)은 작동 전압차에서 금속 산화물을 형성하도록 밸브 금속을 양극 산화하는 것이 가능하다. 이는 유전체 상의 전기습윤 디바이스(200)에 자기 복구 특성을 제공하여 이에 의해 유전체의 파괴를 방지한다. 그 결과, 전기습윤 디바이스는 낮은 전압에서 작동될 수 있고, 이는 향상된 신뢰성을 갖는다.

Description

전기습윤 디바이스{ELECTROWETTING DEVICE}
본 발명은 하나 이상의 셀을 포함하고, 각각의 셀은 (a) 제 1 및 제 2 혼합 불가능 유체를 포함하고, 제 1 유체는 전해질 용액인 전기습윤 조성물, (b) 유전체에 의해 전기습윤 조성물로부터 분리된 제 1 전극, 및 (c) 전기습윤 디바이스를 작동하기 위해 제 1 전극과 전해질 용액 사이에 작동 전압차를 인가하기 위한 전압원을 포함하는 전기습윤(electrowetting) 디바이스에 관한 것이다.
본 발명은 또한 전술된 전기습윤 디바이스의 제조 및 작동 방법에 관한 것이다.
전기습윤은 액체와 고체 사이의 접촉각의 정전 제어이다. 전도성 액체와 전도성 기판 사이에 인가된 전압차는 계면 에너지를 감소시키고, 이는 액체에 의한 기판의 습윤의 정도를 증가시킨다. 전기습윤은 액체의 체적을 이동시키고 형상화하도록 적용될 수 있다. 예를 들어, 물 액적이 소수성 표면 상에 존재할 때, 양자간의 접촉 면적이 최소화된다. 그러나, 적합한 전압차가 소수성 표면 아래에 존재하는 제 1 전극과 물 액적 내에 배치되는 제 2 전극 사이에 인가될 때, 물 액적은 소수성 표면 위에 확산된다(달리 말하면, 표면의 소수성 특성은 감소되는 것으로 보임). 전압차가 제거될 때, 물 액적은 그 원래 상태로 복귀한다.
전기습윤 디바이스는 작동시에 전기습윤 효과를 사용하는 디바이스이다. 전기습윤 디바이스는 가변 초점 렌즈(가변 초점 콘택트 렌즈와 같은), 전자 디스플레이, 광 파이버용 스위치 및 마이크로전기기계 시스템[마이크로유체 디바이스 및 랩온어칩(lab-on-a-chip) 디바이스]을 포함하는 광범위한 용례에 사용된다.
전기습윤 디바이스는 통상적으로 그중 하나가 극성이고 그리고/또는 전기 전도성인 2개의 혼합 불가능 유체를 포함하는 전기습윤 조성물이 2개의 전극 사이에 전압차를 인가함으로써 조작될 수 있는 셀을 포함한다.
전기습윤 조성물의 전기 분해를 방지하기 위해, 전극 중 하나는 유전 매체(본 명세서의 나머지 부분에서 간단히 유전체라 칭함)에 의해 전기습윤 조성물로부터 분리될 수 있다. 이러한 전기습윤 디바이스는 일반적으로 유전체 상의 전기습윤(electrowetting-on-dielectric: EWOD) 디바이스라 칭한다. 다른 전극은 극성 및/또는 전기 전도성 액체와 직접 접촉할 수 있고, 또는 이는 이 액체에 용량성 결합될 수 있다.
EWOD 디바이스는 통상적으로 비교적 높은 전압차(100 V의 정도)가 이들 디바이스를 작동하는데 요구되도록 마이크로미터의 정도의 두께를 갖는, 비정질 플루오로폴리머(예를 들어, 테플론
Figure pct00001
AF), 이산화실리콘(SiO2) 또는 파릴렌[화학 기상 증착에 의해 증착될 수 있는 폴리(p-자일리렌) 폴리머] 또는 이들 층의 스택을 포함하는 유전체를 갖는다.
디바이스 크기 및/또는 전력 소비를 감소시키고 표준 전자 부품을 사용하는 것을 가능하게 하기 위해, 낮은 전압에서 작동될 수 있는 EWOD 디바이스에 대한 요구가 존재한다.
EWOD 디바이스의 요구 작동 전압은 유전 상수를 증가시킴으로써 및/또는 유전체의 두께를 감소시킴으로써 감소될 수 있어, 유전체의 캐패시턴스를 증가시킨다.
유전체의 두께를 감소시키는 것은 낮은 작동 전압, 뿐만 아니라 유전체 내부의 더 큰 전기장 및 유전체 내의 핀홀의 발생을 위한 더 높은 확률을 유도한다. 특정 최소층 두께 미만에서, 유전체의 절연 파괴(또한 유전 파괴라 칭함)가 원하는 전기습윤 효과가 얻어지기 전에 발생한다.
감소된 전압에서 작동될 수 있는 EWOD 디바이스가 US-2006/0221458호 및 US-2008/0100905호 각각에 개시되어 있다. 이들 공지된 EWOD 디바이스는 전도성 또는 극성 액체 재료를 갖는 용기와, 유전체를 통해 전도성 또는 극성 액체 재료에 전압을 인가하기 위한 제 1 전극을 포함한다. 유전체는 제 1 전극을 양극 산화함으로써 형성된 금속 산화물층이다. 유전체의 두께는 양극 산화 프로세스 중에 인가된 전압을 조정함으로써 용이하고 정확하게 조정될 수 있다. 더욱이, 상대적으로 높은 유전 상수의 금속 산화물이 알루미늄 및 탄탈을 양극 산화함으로써 형성될 수 있다. 더욱이, 이러한 금속 산화물은 핀홀이 없는 층으로 형성될 수 있다.
공지의 EWOD 디바이스의 결점은 예를 들어 디바이스의 수명 중에 기계적 응력, 유전 피로 또는 유체로부터의 이온 주입의 결과로서 시간 경과에 따라 유전 파괴가 여전히 발생할 수 있다는 것이다.
본 발명의 목적은 낮은 전압에서 작동될 수 있고, 향상된 신뢰성을 갖는 전기습윤 디바이스를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 이러한 전기습윤 디바이스를 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 이러한 전기습윤 디바이스를 작동하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 상기 목적은 제 1 전극이 밸브 금속을 포함하고, 전해질 용액은 작동 전압차에서 금속 산화물을 형성하도록 밸브 금속을 양극 산화하는 것이 가능한, 개시 단락에 따른 전기습윤 디바이스에 의해 실현된다.
본질적으로, 본 발명에 따른 전기습윤 디바이스는 전해질 캐패시터를 포함한다. 캐패시터는 유전 매체에 의해 분리된 2개의 전도성 플레이트를 포함하고, 전해질 캐패시터에서 "플레이트" 중 하나는 금속 애노드이고, 반면에 다른 하나는 전해질 용액이다. 전해질 용액은 용제 내의 전해질의 용액이고, 전해질은 용제 내에 용해될 때 전기적으로 하전된 이온으로 해리하는 화학적 화합물(염, 산 또는 염기)이다. 전해질 용액(또한 전해질성 용액, 이온 용액 또는 간단히 전해질이라 칭함)은 전기의 이온성 전도체이다.
전해질 캐패시터에서, 전해질 용액은 금속 애노드를 양극 산화하는 것이 가능하다. 일반적으로, 전해질 캐패시터의 유전 매체는 양극 산화 프로세스에서 금속 애노드로부터 생성된 금속 산화물이다. 이 양극 산화 프로세스 중에, 전류는 금속 애노드로부터 전해질 양극 산화 용액을 함유하는 욕을 통해 욕 캐소드로 흐른다. 전류의 흐름은 절연성 금속 산화물이 금속 애노드의 표면 내외로 성장하게 한다. 이 절연성 금속 산화물의 두께, 구조 및 조성은 그 유전 강도를 결정한다. 이 목적으로, 애노드는 산화물이 전해질 셀 내의 양극 조건 하에서 형성되는 금속인 밸브 금속을 포함해야 한다. 밸브 금속은 마그네슘, 알루미늄, 티타늄, 바나듐, 크롬, 아연, 지르코늄, 니오브, 안티몬, 하프늄, 탄탈, 텅스텐 및 비스무스를 포함한다.
본 발명에 따른 전기습윤 디바이스에서, 전해질 캐패시터는 유전체에 의해 분리된 제 1 전극 및 전해질 용액에 의해 형성되고, 전해질 용액(전기습윤 조성물의 제 1 유체)은 전해질 양극 산화 용액이다.
전해질 캐패시터에서, 전해질 양극 산화 용액은, 작동중에 있을 때 유도되는 캐패시터의 누설 전류에 의해 구동되는 프로세스인, 요구되는 바와 같이 유전 매체를 국부적으로 복구하고 두껍게 하는 것이 가능하다. 유사한 자기 복구(또는 치유) 메커니즘이 본 발명에 따른 전기습윤 디바이스에 적용되어 디바이스의 향상된 신뢰성을 초래한다.
본 발명에 따른 전기습윤 디바이스에서, 유전체는 단층 또는 다층 구조체(스택)일 수 있다. 유전체는 양극 산화 프로세스에서 금속 애노드로부터 생성된 금속 산화물일 수 있지만, 이는 반드시 그래야 하는 것은 아니다. 기본적으로, 제 1 전극과 전기습윤 조성물의 조합이 전술된 자기 복구 기능을 전기습윤 디바이스에 제공하는 한, 임의의 유전체가 사용될 수 있다. 이는 예를 들어 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같은 파릴렌 또는 폴리에스터를 포함하는 유전체와 같은 제 1 전극의 양극 산화에 의해 얻어지지 않는 유전체가 사용될 때에도 본 발명에 따른 전기습윤 디바이스가 향상된 신뢰성을 갖는 것을 의미한다. PET와 같은 폴리에스터를 사용하는 장점은 엑시머 레이저로 즉시 구조화될 수 있는 저가의 재료라는 것이다. 따라서, 이는 예를 들어 랩온어칩 용례와 같은 저가의 1회용 용례에 사용을 위해 매우 양호하게 적합된다.
본 발명에 따른 전기습윤 디바이스에서, 전기습윤 조성물의 제 1 유체는 작동 전압차에서 금속 산화물을 형성하기 위해 제 1 전극의 밸브 금속을 양극 산화하는 것이 가능한 전해질 양극 산화 용액이다. 달리 말하면, 제 1 유체는 전기장에 민감하다. 제 1 유체와 혼합 불가능한 전기습윤 디바이스의 제 2 유체는 제 1 유체보다 전기장에 훨씬 덜 민감하다. 제 2 유체는 오일, 예를 들어 실리콘 오일 또는 공기일 수 있다.
전해질 양극 산화 용액은 이들 용액이 전술된 바와 같이 자기 복구(또는 치유) 메커니즘을 제공하면서 유전체의 완전성을 유지하기 때문에 전해질 캐패시터에 사용된 바와 같은 임의의 이러한 용액일 수 있다. 부가적으로, 본 발명에 따른 전기습윤 디바이스에 사용을 위해, 전해질 양극 산화 용액은 비교적 높은 전기 전도도가 요구되지 않는 점에서 전해질 캐패시터에 대한 것과 동일한 전도도 요구에 순응해야 할 필요는 없다. 일반적으로, 전해질 양극 산화 용액 내의 이온의 농도가 낮을수록, 유전 파괴의 확률이 낮고, 전기습윤 디바이스의 신뢰성이 높아진다.
전해질 양극 산화 용액은 바람직하게는 물과 같은 극성 용제를 포함한다. 물 이외에, 폴리하이드릭 알코올, 감마-부티롤락톤(GBL), 디메틸포름알미드(DMF), N-메틸피로리돈(NMP), 아미드, 폴리피롤, 용융염 및 이들의 임의의 조합과 같은 다수의 다른 극성 용제가 또한 사용될 수 있다.
특히 바람직한 전해질 양극 산화 용액은 실질적으로 비다공성(또는 핀홀이 없는) 양극 산화된 금속 산화물층을 생성하는 것들이다. 이러한 용액의 예는 시트르산, 타르타르산 및 붕산의 용액 또한 암모늄 보레이트, 암모늄 타르트레이트 및 암모늄 포스페이트의 용액이다.
본 발명에 따른 전기습윤 디바이스에서, 전압차가 전압원에 의해 제 1 전극과 전해질 용액(전기습윤 조성물의 제 1 유체) 사이에 인가된다. 명백하게, 이는 전압원의 일 단자를 제 1 전극에, 다른 단자를 전해질 용액에 직접 결합되거나 중간 절연층을 경유하여 용량성 결합된 제 2 전극에 접속함으로써 행해질 수 있다.
제 2 전극은 바람직하게는 전해질 양극 산화 용액(전기습윤 조성물의 제 1 유체)에 대해 불활성이다. 예를 들어, 제 2 전극은 스테인레스강 전극일 수 있다.
화학 안정성과 전기 저항 사이의 적합한 균형을 얻기 위해, 제 1 유체(전해질 양극 산화 용액)는 설탕 및/또는 에틸렌 글리콜과 같은 첨가제를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전기습윤 디바이스에서, 유전체는 층의 스택일 수 있고, 여기서 스택은 전기습윤 조성물과 접촉하고 있는 소수성층을 포함한다. 바람직하게는, 층은 테플론
Figure pct00002
과 같은 비정질 플루오로폴리머를 포함한다.
유전체는 제 1 전극의 밸브 금속을 양극 산화함으로써 형성되어 있는 금속 산화물층을 포함할 수 있다.
전해질 양극 산화 용액은 산성 용액 또는 알칼리성 용액일 수 있다. 전기습윤 디바이스가 테플론
Figure pct00003
층을 포함할 때, 산성 용액의 사용이 바람직한데, 이는 실험이 하이드로늄 이온(H3O+) 상의 수산기 이온(OH-)의 바람직한 흡착에 기인하여 알칼리성 용액이 테플론
Figure pct00004
층의 표면의 네거티브 하전을 야기하는 것으로 나타났기 때문이다. 산성 용액은 알칼리성 용액보다 훨씬 더 적은 수산기 이온을 함유하고, 따라서 수산기 이온의 흡착 확률을 감소시킨다.
전해질 양극 산화 용액이 산성 용액일 때, 이는 유기산을 포함할 수 있다. 유기산은 지방족 또는 방향족 유기산일 수 있다. 지방족 유기산은 직쇄, 분지쇄 또는 비방향족 고리를 갖는다.
적합한 지방족 유기산의 예는 모노-카르복실 유기산 아세트산, 프로피온산, 아크릴산 및 부티르산이다. 이러한 유기산은 단독으로, 또는 암모늄산 보레이트, 나트륨 보레이트, 나트륨 칼륨 타르트레이트, 암모늄 포스페이트, 나트륨 아세테이트 또는 암모늄 아세테이트와 조합하여 사용될 수 있다.
젖산, 하이드록시-아크릴산, 크로톤산, 에틸렌 젖산, 디하이드록시 프로피온산, 이소부티르산, 디에틸 아세트산, 이소-아밀 아세트산 및 이소-뷰틸 아세트산과 같은 모노카르복실 유기산의 유도체가 또한 사용될 수 있다.
모노카르복실 유기산에 이어서, 디-카르복실 유기산 타르타르산 및 트리-카르복실 시트르산과 같은 멀티카르복실산이 또한 사용될 수 있다.
적합한 방향족 유기산의 예는 크레율릭산(creyulic acid)(크레졸) 및 석탄산(페놀)이다.
유기산에 이어서, 무기산이 또한 단독으로 또는 유기산과 조합하여 사용될 수 있다. 적합한 무기산의 예는 붕산이다.
바람직한 산은 시트르산, 타르타르산 및 붕산으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 산인데, 이러한 산을 포함하는 전해질 양극 산화 용액이 실질적으로 비다공성(또는 핀홀이 없는) 양극 산화된 금속 산화물층을 생성하기 때문이다.
본 발명에 따른 전기습윤 디바이스에서, 전기습윤 조성물의 제 1 유체는 염, 바람직하게는 보레이트, 타르트레이트, 시트레이트 및 포스페이트로 이루어진 그룹으로부터 선택된 염인데, 이들이 실질적으로 비다공성(또는 핀홀이 없는) 양극 산화된 금속 산화물층을 생성하기 때문이다.
본 발명에 따른 전기습윤 디바이스에서, 제 1 전극의 밸브 금속은 마그네슘, 알루미늄, 티타늄, 바나듐, 크롬, 아연, 지르코늄, 니오브, 안티몬, 하프늄, 탄탈, 텅스텐 및 비스무스로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
유전체 내의 핀홀의 경우에, 자기 복구 메커니즘이 시작될 수 있다. 이 프로세스 중에, 수소 가스가 애노드(제 1 전극) 상에 생성된다. 소량의 이 가스는 용해될 수 있지만, 더 많은 양이 압력을 축적할 수 있고, 특히 디바이스가 렌즈 기능을 가질 때 전기습윤 디바이스의 기능을 방해할 수 있다. 이 문제점은 압력 릴리프 밸브를 제조함으로써 또는 전해질 용액에 수소 게터(getter)를 첨가함으로써 해결될 수 있다. 적합한 수소 게터의 예는 통상적으로 1%의 농도의 질소방향족 및 아민염이다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 상기 목적은 제 1 전극의 밸브 금속을 양극 산화함으로써 유전체를 형성하는 단계를 포함하는 상기 전기습윤 디바이스를 제조하는 방법에 의해 실현된다.
본 발명의 제 3 양태에 따르면, 상기 목적은 시간 평균된 순 포지티브 전압이 제 1 전극에 인가되도록 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 전압차를 인가하는 단계를 포함하는 상기 전기습윤 디바이스를 작동하는 방법에 의해 실현된다. 작동 방법은 바람직하게는 양극 산화를 가능하게 하기 위해 포지티브 극성을 갖는 제 1 전극을 갖는 DC 전압을 사용한다. 더욱이, 유전체가 금속 산화물을 포함하는 경우에, DC 전압의 사용은 금속 산화물의 용해를 방지한다. 그러나, AC 전압은 또한 유전체의 하전을 방지하기 위해 사용될 수 있다. 평균적으로 순 포지티브 전압이 제 1 전극에 인가되도록 AC 구동이 수행되면, 유전체 내에 포함된 금속 산화물은 용해되지 않아야 한다.
본 발명에 따른 전기습윤 디바이스에 AC 전압을 인가하기 위한 대안적인 방법은 소위 "백투백(back-to-back)" 구성이 생성되는 방식으로 디바이스와 직렬로 캐패시터를 사용하는 것이다. 달리 말하면, 전압원에 추가하여, 캐패시터가 전극과 전기습윤 조성물 사이에 삽입된다. 이 방법은 AC 전압으로 전해질 캐패시터를 구동하기 위해 공지되어 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 전기습윤 디바이스 내에 포함될 수 있는 셀의 단면도를 도시하는 도면.
도 2a 및 도 2b는 가변 초점 렌즈의 형태의 본 발명에 따른 전기습윤 디바이스의 예의 단면도를 도시하는 도면.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 전기습윤 디바이스에 포함될 수 있는 다수의 셀의 단면도를 도시한다.
도 1에서, 셀(100)은 제 1 유체(110) 및 제 2 유체(120)의 전기습윤 조성물을 포함한다. 제 1 유체(110)는 제 2 유체(120)와 혼합 불가능하다. 더욱이, 제 1 유체(110)는 전해질 용액이다. 셀(100)은 알루미늄층(130)의 형태의 전기 전극을 추가로 포함하고, 알루미늄은 밸브 금속이고, 파릴렌층(140) 및 소수성 코팅(150)을 포함하는 스택의 형태의 유전체에 의해 전기습윤 조성물로부터 분리되고, 소수성 코팅은 전기습윤 조성물과 접촉하고 있다.
셀(100)은 그 포지티브 단자가 알루미늄층(130)에 접속되어 있고 네거티브 단자는 제 1 유체(110)에 접속되어 있는 배터리(160)의 형태의 DC 전압원을 또한 포함한다. 도 1a에서 전압이 인가되어 있지 않고, 반면 도 1b에서는 작동 전압차가 알루미늄층(130)과 제 1 유체(110) 사이에 인가되어 있다. 따라서, 전기습윤 효과는 전기기계적 힘에 의해 발생된 제 1 유체(110)와 제 2 유체(120) 사이의 계면의 변화에 의해 도시된 바와 같이 얻어져서, 소수성 코팅(150)의 소수성 특성의 명백한 변화를 유도한다. 이 작동 전압차에서, 전해질 용액인 제 1 유체(110)는 알루미늄층(130)의 알루미늄을 양극 산화시켜 알루미늄 산화물을 형성하는 것이 가능하다.
대안적으로, 도 1에 도시된 것과 같은 셀은 파릴렌층(140) 대신에, 금속 산화물층, 바람직하게는 알루미늄층(130) 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)층의 양극 산화에 의해 얻어진 알루미늄 산화물층을 포함하는 유전체를 가질 수 있다. 더욱이, 알루미늄층(130)은 글래스 캐리어 또는 실리콘 캐리어와 같은 캐리어 상에 제공될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 전기습윤 디바이스의 예인 가변 초점 렌즈(200)의 단면도를 도시한다.
가변 초점 렌즈(200)는 제 1 투명 기판(210), 제 2 투명 기판(220) 및 제 1 투명 기판(210)과 제 2 투명 기판(220)을 이격시키는 금속 스페이서(230)를 포함한다. 제 1 투명 기판(210), 제 2 투명 기판(220) 및 금속 스페이서(230)는 상이한 광학 특성을 갖는 수성 전해질 용액(240) 및 오일(250)을 포함하는 전기습윤 조성물을 함유하는 셀을 구성한다.
금속 스페이서(230)는 가변 초점 렌즈(200)의 제 1 전극이고, 밸브 금속을 포함하고, 금속 스페이서(230)를 전기습윤 조성물로부터 분리하는 금속 산화물층(231)의 형태의 유전체로 코팅된다. 제 1 투명 기판(210)은 친수성 투명 전도성 코팅(211)의 형태의 다른 전극으로 코팅된다.
제 2 투명 기판(220) 및 전기습윤 조성물에 노출된 금속 산화물층(231)의 영역은 소수성 투명 코팅(221)으로 코팅된다. 소수성 투명 코팅(221)은 또한 임의의 전도성 액체가 제 2 기판(220) 상에 응축하는 것을 방지하기 위해 제 2 기판(220) 상에 도포된다.
가변 초점 렌즈(200)는 그 포지티브 단자가 금속 스페이서(230)에 접속되어 있고 네거티브 단자는 친수성 전도성 코팅(211)에 접속되어 있는 배터리(260)의 형태의 DC 전압원을 또한 포함한다. 네거티브 단자는 바람직하게는 전해질 용액(240)을 주위와 동일한 전위에 유지하기 위해 접지되고, 따라서 유체-유체 계면을 왜곡하는 전해질 용액(240)과 주위 사이의 전위차를 방지한다. 도 2a에서 전압이 인가되어 있지 않고, 반면 도 2b에서는 작동 전압차가 금속 스페이서(230)와 친수성 전도성 코팅(211) 사이에 인가되어 있다. 따라서, 전기습윤 효과는 소수성 코팅(221)의 소수성 특성의 변화에 의해 발생된 수성 전해질 용액(240)과 오일(250) 사이의 계면의 변화에 의해 도시된 바와 같이 얻어진다. 이 작동 전압차에서, 전기습윤 조성물의 수성 전해질 용액(240)은 금속 스페이서(230)의 밸브 금속을 양극 산화시켜 금속 산화물을 형성하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 전기습윤 디바이스는 이하와 같이 제조될 수 있다.
알루미늄 기판은 8% 시트르산 및 0.5% 인산의 수용액 내에 배치된다. 알루미늄 기판의 양극 산화는 수용액과 알루미늄 기판 사이에 전압차를 인가함으로써 수행되고, 알루미늄 기판이 애노드를 형성하고 반면에 캐소드는 스테인레스강으로 이루어진다. 전류 밀도는 약 10 mA/cm2이고, 개시 양극 산화 전압은 150 V보다 낮고, 종료 양극 산화 전압은 150 V이다. 몇시간 후에, 210 nm의 두께를 갖는 알루미늄의 층이 알루미늄 기판 상에 성장되었다.
바람직하게는, 시트르산의 수용액의 pH는 증가되어 전압이 디바이스에 인가되지 않을 때 알루미늄 및 알루미늄 산화물의 에칭을 방지하면서 양극 산화 능력 및 양호한 전기습윤 성능을 유지한다. 시트르산의 수용액의 pH는 수산화암모늄의 용액을 첨가함으로써 증가될 수 있다. 예를 들어, 8% 시트르산의 1 리터의 수용액의 pH는 0.18 리터의 5 M 수산화암모늄 용액을 첨가함으로써 증가될 수 있어 6.68의 pH를 얻는다.
양극 산화에 의해 얻어진 유전층은 다공성일 수 있기 때문에, 양극 산화 후에, 밀봉 프로세스가 유전층 핀홀이 없게 하기 위해 수행될 수 있다.
알루미늄 산화물층은 이어서 FC-75(C8F16O의 화학적 조성을 갖는 테트라하이드로퓨란의 탄화불소 유도체) 내에 1% 테플론
Figure pct00005
AF-1600 용액 내의 침지 코팅에 의해 비정질 플루오로폴리머 테플론
Figure pct00006
AF-1600의 10 nm 층으로 코팅된다. 비정질 플루오로폴리머 코팅은 10분 동안 200℃에서 어닐링되어 임의의 잔여 용제를 증발시킨다. 코팅의 침착은 기체 양극 산화로, 산소 플라즈마를 사용하여, 또는 원자층 증착으로 또한 수행될 수 있다.
다음, 실리콘 오일에 의해 둘러싸인 8% 시트르산의 수용액의 액적이 비정질 플루오로폴리머 코팅 상에 제공된다.
상기의 것은 본 발명에 따른 전기습윤 디바이스를 생성하고, 여기서 전기습윤 조성물의 제 1 유체는 8% 시트르산의 수용액의 형태의 전해질 용액이고, 전기습윤 조성물의 제 2 유체는 실리콘 오일이고, 양 유체는 혼합 불가능하다. 제 1 전극은 210 nm 두께 알루미늄 산화물층 및 10 nm 두께 테플론
Figure pct00007
AF-1600 층의 스택의 형태의 유전체에 의해 전기습윤 조성물로부터 분리되어 있는 알루미늄 기판이다.
알루미늄 기판이 전압원의 포지티브 단자에 접속되고 실리콘 오일에 의해 둘러싸인 8% 시트르산의 수용액의 액적이 전압원의 네거티브 단자에 접속될 때, 0 V 내지 20 V의 작동 전압이 얻어지는데, 이들 전압차는 액적이 전압차의 증가시에 더 확산하는 점에서 전기습윤 효과를 명백하게 나타내기 때문이다. 전체 스택을 통해 관통하는 스크래치를 층의 스택 내에 의도적으로 형성한 후에도, 전기습윤 효과는 유전 파괴 없이 지속되었다.
유사한 디바이스가 또한 그 위에 대응 금속 산화물층이 양극 산화에 의해 성장될 수 있는, 마그네슘, 알루미늄, 티타늄, 바나듐, 크롬, 아연, 지르코늄, 니오브, 안티몬, 하프늄, 탄탈, 텅스텐 및 비스무스를 포함하는 기판으로부터 제조될 수 있다.
유전체는 스퍼터링, 증발, 페이스트의 어닐링, 기체 전구체로부터의 원자층 증착, 화학 기상 증착, 열 산화, 일록세이션(eloxation) 또는 양극 산화에 의해 제공될 수 있다.
양극 산화 프로세스에서, 인가된 전압차는 유전체의 두께를 결정한다. 예를 들어, 알루미늄 산화층에 대해, 얻어질 수 있는 두께는 1.4 nm/V이고, 탄탈 산화물층에 대해 2 nm/V이다.
본 발명자들은 유전체의 특정 두께에 대해, 전기습윤 디바이스를 작동하는데 사용된 전압은 제 1 전극의 양극 산화에 의해 유전체를 성장하는데 요구된 전압보다 훨씬 낮다는 것을 이해하였다. 이는 유전체가 전기습윤 디바이스의 작동 중에 성장하지 않는다는 것을 암시한다. 단지 유전체 내의 고장의 경우에 성장 프로세스가 시작될 수 있지만, 유전체는 원래 설계되었던 것보다 결코 두꺼워지지 않을 것이다. 예를 들어, 100 nm 탄탈 산화물층의 형태의 유전체를 포함하는 전기습윤 디바이스가 통상적으로 10 V의 작동 전압에서 작동되고, 반면에 탄탈 산화물층은 50 V에서 성장되어 있다. 더 두꺼운 유전체에 대해, 차이는 양극 산화 전압에 대한 유전체 두께의 선형 의존성에 비교할 때, 유전체 두께에 대한 전기습윤 구동 전압의 제곱근 의존성에 기인하여 더욱 더 커지게 된다.
특히 유전체가 금속 산화물층을 포함할 때, 본 발명에 따른 전기습윤 디바이스는 바람직하게는 금속 산화물층의 용해를 방지하기 위해, 양극 산화를 가능하게 하는 포지티브 극성을 갖는 제 1 전극을 갖고 DC 전압으로 작동된다.
그러나, 유전체의 하전을 방지하기 위해, AC 전압을 사용하는 것이 유리하다. AC 구동은 바람직하게는 평균적으로 순 포지티브 전압이 제 1 전극에 인가되어 유전체가 용해하는 것을 방지하도록 수행된다. 전하 축적은 예를 들어 0 V인 높은 포지티브값(동작점)과 낮은 값(전하 제거점) 사이의 전압을 스윕함으로써 미리 방지될 수 있다.
평균적으로 순 포지티브 전압이 제 1 전극에 인가되도록 AC 구동을 사용하는 제 1 방법은 AC 구동 전압에 포지티브 전압 오프셋을 추가하는 것이다.
AC 전압에 포지티브 오프셋을 추가함으로써, 평균 전압은 포지티브이고 반면에 축적 전하가 네거티브 전압으로 제거될 수 있다. 포지티브 전압의 인가 중의 양극 산화 프로세스와 네거티브 전압의 인가 중의 용해 프로세스 사이에 경쟁이 있을 수 있다. 이들 프로세스는 인가된 전압의 기간 및 크기에 의존한다. 포지티브 오프셋이 너무 낮을 때, 용해 프로세스가 우세할 수 있고 양극 산화된 층은 파괴될 수 있다. 또는, 양극 산화된 층이 아직 없는 경우에(예를 들어, 알루미늄 상에 증착된 천공된 파릴렌의 경우), 양극 산화된 층이 형성되지 않을 수 있다. 포지티브 오프셋이 너무 높을 때, 양극 산화 프로세스가 우세할 수 있지만, 네거티브 전압을 인가하는 것에 의한 전하 제거는 덜 효율적일 수 있다.
실험은 양극 산화 프로세스가 용해 프로세스보다 우세한 오프셋은 주파수 의존성이 있고, 더 낮은 주파수는 용해 및 양극 산화 프로세스가 동등하게 강한 점에 도달하기 위해 더 높은 DC 오프셋을 필요로 한다는 것을 나타내고 있다.
예를 들어, 실험은 알루미늄 상에 증착된 300 nm의 두께를 갖는 천공된 파릴렌-C 코팅 상에 실리콘 오일에 의해 둘러싸인 수성 8% 시트르산 용액을 사용하여 수행되었다. 표 1은 AC 구동 주파수의 함수로서, 용해 및 양극 산화 프로세스가 동등하게 강한(DC 오프셋 임계치) DC 오프셋을 제공한다. 표 1에서, DC 오프셋은 또한 이 실험에서는 7 V인 최대 전압 진폭의 퍼센트로서 제공되어 있다.
[표 1]
알루미늄 상에 증착된 300 nm의 두께를 갖는 천공된 파릴렌-C 코팅 상에 실리콘 오일에 의해 둘러싸인 수성 8% 시트르산 용액을 사용하여 디바이스에 대한 AC 구동 주파수의 함수로서 DC 오프셋 임계치
Figure pct00008
더 높은 주파수는 비교적 작은 오프셋만을 요구하거나 심지어 오프셋을 전혀 요구하지 않을 수 있다. 예를 들어, 전술된 디바이스가 대략 1000 Hz의 AC 주파수로 구동될 때, 오프셋이 요구되지 않는다. 이론적으로, 양극 산화 프로세스가 용해 프로세스보다 더 효과적인 경우에, 비교적 작은 네거티브 오프셋으로 구동하는 AC조차 여전히 양극 산화를 가능화하는 것이 가능할 수 있다.
평균적으로 순 포지티브 전압이 제 1 전극에 인가되도록 AC 구동을 사용하는 제 2 방법은 수정된 듀티 사이클을 사용하여 AC 구동을 수행하는 것이다. 전술된 바와 같이, 경쟁 양극 산화 및 용해 프로세스는 인가된 전압의 기간 및 크기에 의존한다. 포지티브 전압이 인가되는 주기의 기간이 네거티브 전압이 인가되는 기간의 주기에 비교하여 비교적 짧을 때, 용해 프로세스가 우세할 수 있고 양극 산화된 층이 파괴될 수 있다. 또는, 양극 산화된 층이 존재하지 않는 경우에(예를 들어, 알루미늄 상에 증착된 천공된 파릴렌의 경우에), 양극 산화된 층이 형성되지 않을 수 있다. 포지티브 전압이 인가되는 주기의 기간이 비교적 길면, 양극 산화 프로세스가 우세할 수 있지만 네거티브 전압이 인가되는 (비교적 짧은) 주기 중에 전하 제거가 덜 효과적일 수 있다.
예를 들어, 실험은 알루미늄 상에 증착된 300 nm의 두께를 갖는 천공된 파릴렌-C 코팅 상에 실리콘 오일에 의해 둘러싸인 수성 8% 시트르산 용액을 사용하여 수행되었다. 표 2는 AC 구동 주파수의 함수로서, 용해 및 양극 산화 프로세스가 동등하게 강한(듀티 사이클 임계치) 듀티 사이클(포지티브 전압이 인간된 시간의 분율)을 제공한다.
[표 2]
알루미늄 상에 증착된 300 nm의 두께를 갖는 천공된 파릴렌-C 코팅 상에 실리콘 오일에 의해 둘러싸인 수성 8% 시트르산 용액을 사용하여 디바이스에 대한 AC 구동 주파수의 함수로서 듀티 사이클 임계치
Figure pct00009
재료 및 조건의 선택에 따라, AC 구동은 하전을 방지하는데 효과적으로 사용될 수 있다. 전술된 디바이스에 대해, 포지티브 전압이 인가되는 시간의 분율은 바람직하게는 약 250 Hz 이하의 AC 구동 주파수가 사용될 때 50% 이상이다. 더 높은 AC 구동 주파수에 대해, 포지티브 전압이 인가되는 시간의 분율은 50% 미만일 수 있다.
이론적으로, 포지티브 전압이 인가되는 주기의 기간이 네거티브 전압이 인가되는 주기의 기간보다 짧은 듀티 사이클은 양극 산화 프로세스가 용해 프로세스보다 더 효과적일 때 양극 산화를 여전히 가능화한다.
상세한 설명 및 청구범위에서 용어 "제 1", "제 2" 등은 유사한 요소를 구별하기 위해 사용된 것이고, 반드시 순차적인 또는 연대적인 순서를 설명하기 위한 것은 아니다. 이와 같이 사용된 용어는 적절한 상황 하에서 상호 교환 가능하고, 본 명세서에 설명된 본 발명의 실시예는 본 명세서에 설명된 또는 예시된 다른 순서로 동작이 가능하다는 것이 이해되어야 한다.
전술된 실시예는 본 발명을 한정하기보다는 예시하는 것이고, 당 기술 분야의 숙련자는 첨부된 청구범위의 범주로부터 벗어나지 않고 다수의 대안 실시예를 설계하는 것이 가능할 수 있다는 것이 주목되어야 한다. 청구범위에서, 괄호 안에 배치된 임의의 도면 부호는 청구범위를 한정하는 것으로서 해석되어서는 안된다. 동사 "포함하는" 및 그 활용형의 사용은 청구항에 언급된 것들 이외의 요소 또는 단계의 존재를 배제하는 것은 아니고, 또한 이 동사가 "~으로 이루어지는"을 의미하는 실시예를 배제하는 것도 아니다. 단수 형태의 요소는 복수의 이러한 요소의 존재를 배제하지 않는다. 단지 특정 수단이 서로 상이한 종속 청구항에 언급되어 있다는 사실은 이들 수단의 조합이 장점을 갖고 사용될 수 없다는 것을 지시하는 것은 아니다.
100: 셀 110: 제 1 유체
120: 제 2 유체 130: 알루미늄층
140: 파릴렌층 150: 소수성 코팅
200: 가변 초점 렌즈 210: 제 1 투명 기판
220: 제 2 투명 기판 230: 금속 스페이서
240: 수성 전해질 용액 250: 오일

Claims (14)

  1. 하나 이상의 셀들을 포함하고, 각각의 셀은
    - 제 1 혼합 불가능 유체(240) 및 제 2 혼합 불가능 유체(250)를 포함하고, 상기 제 1 유체(240)는 전해질 용액인 전기습윤 조성물,
    - 유전체(231)에 의해 상기 전기습윤 조성물로부터 분리된 제 1 전극(230), 및
    - 전기습윤 디바이스(200)를 작동하기 위해 상기 제 1 전극(230)과 상기 전해질 용액(240) 사이에 작동 전압차를 인가하기 위한 전압원(260)을 포함하는 상기 전기습윤 디바이스(200)에 있어서,
    - 상기 제 1 전극(230)은 밸브 금속을 포함하고,
    - 상기 전해질 용액(240)은 작동 전압차에서 금속 산화물을 형성하도록 상기 밸브 금속을 양극 산화하는 것이 가능한 것을 특징으로 하는 전기습윤 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 유전체(231)는 스택이고, 상기 스택은 상기 전기습윤 조성물과 접촉하는 소수성층(221)을 포함하는 전기습윤 디바이스.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 소수성층(221)은 비정질 플루오로폴리머를 포함하는 전기습윤 디바이스.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유전체(231)는 상기 제 1 전극(230)의 밸브 금속을 양극 산화함으로써 형성된 금속 산화물층을 포함하는 전기습윤 디바이스.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유전체(231)는 파릴렌을 포함하는 전기습윤 디바이스.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전해질 용액(240)은 산을 포함하는 전기습윤 디바이스.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 산은 유기산인 전기습윤 디바이스.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 산은 시트르산, 타르타르산 및 붕산으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 전기습윤 디바이스.
  9. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전해질 용액(240)은 염을 포함하는 전기습윤 디바이스.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 염은 보레이트, 타르트레이트, 시트레이트 및 포스페이트로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 전기습윤 디바이스.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밸브 금속은 마그네슘, 알루미늄, 티타늄, 바나듐, 크롬, 아연, 지르코늄, 니오브, 안티몬, 하프늄, 탄탈, 텅스텐 및 비스무스로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 전기습윤 디바이스.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전해질 용액(240)은 수소 게터를 포함하는 전기습윤 디바이스.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항의 전기습윤 디바이스(200)를 제조하는 방법으로서, 제 1 전극(230)의 밸브 금속을 양극 산화함으로써 유전체(231)를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항의 전기습윤 디바이스(200)를 작동하는 방법으로서, 시간 평균된 순 포지티브 전압이 제 1 전극(230)에 인가되도록 상기 제 1 전극(230)과 전해질 용액(240) 사이에 전압차를 인가하는 단계를 포함하는 방법.
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