專利名稱：具有穩(wěn)定運動的電潤濕系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電潤濕系統(tǒng)，更具體地講，本發(fā)明涉及一種使用導(dǎo)電溶液的電潤濕系統(tǒng)，在這種導(dǎo)電溶液中包含極性溶劑以使溶液的運動穩(wěn)定并增加溶液的粘度。
背景技術(shù)：
電潤濕是一種利用位于液體界面處的電荷而使液體的表面張力發(fā)生改變的現(xiàn)象。根據(jù)電潤濕現(xiàn)象，當在界面處存在薄的絕緣體時，在液體的界面處獲得高的電位差。
電潤濕現(xiàn)象可被用來處理液體中存在的微液體(microliquid)和微粒。大量的研究已經(jīng)集中在基于電潤濕現(xiàn)象的產(chǎn)品上。近來，電潤濕現(xiàn)象被廣泛地用在各種應(yīng)用中，包括用在液體透鏡、微泵、顯示裝置、光學(xué)裝置以及微機電系統(tǒng)(MEMS)中。具體地講，與傳統(tǒng)的液體透鏡相比，自動聚焦(A/F)的液體透鏡根據(jù)它們的操作方式具有尺寸小、電功耗降低以及響應(yīng)速率(response rate)高的優(yōu)點。
為了實現(xiàn)電潤濕系統(tǒng)，必須考慮到各種因素，例如操作性能、光學(xué)性能、再現(xiàn)性、穩(wěn)定性和可靠性。具體地講，當對電潤濕系統(tǒng)施加電壓時，必須穩(wěn)定地保持液體的形狀并且在液體的界面處沒有不穩(wěn)定的顫動和運動，以達到期望的目的。
基于電潤濕現(xiàn)象的電潤濕系統(tǒng)的產(chǎn)品本質(zhì)上需要使用一種或一種以上溶液。因為導(dǎo)電溶液具有電學(xué)性質(zhì)并且起到基本上操作電潤濕系統(tǒng)的作用，所以導(dǎo)電溶液(以下稱作“電解液”)特別重要。通常，電解液包含純水和用來將電學(xué)性質(zhì)給予到純水的鹽例如Na2SO4或LiCl。圖2示出了當對電潤濕系統(tǒng)施加電壓時在普通的電潤濕系統(tǒng)中電解液運動的狀態(tài)。
電潤濕現(xiàn)象的機理尚未明確建立。基于在固相/液相之間以及在液相/氣相之間界面能不發(fā)生變化的假設(shè)，已經(jīng)對電潤濕現(xiàn)象的機理進行了研究和開發(fā)。因此，采用利用電位差的單一控制來操作電潤濕系統(tǒng)。
圖1是示意性地示出基于電潤濕現(xiàn)象的傳統(tǒng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的剖視圖。固定板(solid plate)的接觸角和表面能之間的關(guān)系通常用楊氏方程1表示γSL＝γSG-γLGcosθ (1)其中，γSL是固/液界面能，γSG是固/氣界面能，γLG是液/氣界面能，θ是接觸角。
關(guān)于位于兩個電極之間的電解液和對電極施加的電壓的熱機表示通常用李普曼方程2表示γ=γo-12cV2---(2)]]>方程1與方程2結(jié)合來給出下面的方程3，被稱作李普曼-楊氏方程cosθ=cosθ0+1γLG12cV2---(3)]]>其中，θ是施加電壓時的接觸角，θ0是初始接觸角，c是電容，V是施加的電壓。
李曼普-楊氏方程的變型給出下面的方程4。
cosθ=cosθ0-ϵ2γ1dV2---(4)]]>其中，θ是施加電壓時的接觸角，θ0是初始接觸角，ε是電極之間的介電常數(shù)，d是絕緣體的厚度，V是施加的電壓，γ1是界面能。
位于電解質(zhì)中的電荷根據(jù)它們的化學(xué)性質(zhì)趨向于向電解質(zhì)的邊界運動。當對電解質(zhì)施加電壓時，這種趨勢變得更加強烈。具體地講，在邊界疊置的三相接觸線(triple contact line)(TCL)處，電荷的濃度顯著增加。這種現(xiàn)象使得電荷之間的斥力增加，導(dǎo)致液體小液滴的邊緣處的表面張力下降。這種現(xiàn)象用下面的關(guān)系式來表示 圖2示出了當對電潤濕系統(tǒng)施加電壓時在電潤濕系統(tǒng)中運動的電解液的狀態(tài)，其中，所述電解液含有純水和用于將電學(xué)性質(zhì)給予純水的鹽。參照圖2，電解液的液滴滴在涂覆在電極上的絕緣體上。當對電極施加電壓時，電解液中的電荷移動。電荷的這種移動引起電解液的液滴分散在絕緣體的表面上的現(xiàn)象。
當施加電壓來操作電潤濕系統(tǒng)時，保持電潤濕系統(tǒng)不發(fā)生電解液的不穩(wěn)定的顫動和運動非常重要。由于通過向純水中添加少量的鹽來制備普通的電解液以將電學(xué)性質(zhì)給予到純水上，所以普通的電解液具有低粘度，因此它們的不穩(wěn)定運動是不可避免的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是通過使用極性溶劑來控制組成電潤濕系統(tǒng)的電解液的粘度，從而當對電潤濕系統(tǒng)施加電壓時使電解液的運動穩(wěn)定。
本發(fā)明的另一個目的是控制電解液的密度和表面張力，通過使用極性溶劑來降低電解液的凝固點并提高電解液的沸點，從而確保電解液的高溫可靠性和低溫可靠性。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種利用電潤濕現(xiàn)象的電潤濕系統(tǒng)，所述電潤濕系統(tǒng)包含電解液，該電解液由按重量計30至89％的水、按重量計0.01至30％的鹽以及按重量計10至60％的極性溶劑組成。


結(jié)合附圖從下面的詳細描述中，將更加清楚地理解本發(fā)明的上面和其它目的、特征及其它優(yōu)點，在附圖中圖1是示意性地示出基于電潤濕現(xiàn)象的傳統(tǒng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖2是示意性地示出當對傳統(tǒng)的電潤濕系統(tǒng)施加電壓時電解液在該電潤濕系統(tǒng)中的運動狀態(tài)的剖視圖；圖3示出了當對液體透鏡施加電壓時內(nèi)部溶液在作為電潤濕系統(tǒng)的液體透鏡中的運動狀態(tài)；圖4中的(a)是示出了當對以本發(fā)明的示例1生產(chǎn)的液體透鏡施加30V的操作電壓時電解液在該液體透鏡中的運動狀態(tài)的干涉圖樣(interferencepattern)，圖4中的(b)是示出了當對以本發(fā)明的示例1生產(chǎn)的液體透鏡施加50V的操作電壓時電解液在該液體透鏡中的運動狀態(tài)的干涉圖樣；圖5中的(a)是示出了當不對以對比例1生產(chǎn)的傳統(tǒng)液體透鏡施加電壓時電解液在該液體透鏡中的運動狀態(tài)的干涉圖樣，圖5中的(b)是示出了當對以對比例1生產(chǎn)的傳統(tǒng)液體透鏡施加30V的操作電壓時電解液在該液體透鏡中的運動狀態(tài)的干涉圖樣；圖6中的(a)和(b)是對比當對傳統(tǒng)的液體透鏡施加操作電壓(30V)時電解液在該液體透鏡中的運動(a)以及當對根據(jù)本發(fā)明的液體透鏡施加操作電壓(30V)時電解液在該液體透鏡中的運動(b)的干涉圖樣。
具體實施例方式
現(xiàn)在，將更詳細地描述本發(fā)明。
本發(fā)明提供了一種具有電解液的穩(wěn)定運動的電潤濕系統(tǒng)，在該電解液中含有極性溶劑以增加電解液的粘度，并且不發(fā)生電解液不穩(wěn)定的顫動和運動。下面將描述作為利用電潤濕現(xiàn)象的系統(tǒng)的代表性示例的液體透鏡。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的利用電潤濕現(xiàn)象的變焦液體透鏡。變焦液體透鏡包括板式的下電極；絕緣層，厚度均勻地位于下電極上；電絕緣油或者電絕緣液體(以下簡單地稱作“絕緣溶液”)，位于絕緣層上；電解液，包圍絕緣溶液。形成板式的上電極，并且該上電極與電解液接觸。當對上電極和下電極施加預(yù)定電壓時，電解液的表面張力發(fā)生變化，引起電解液的形狀改變。結(jié)果，由于作為透鏡的絕緣溶液的曲率相對改變，所以穿過液體透鏡的光的焦距發(fā)生變化。
所述電解液通常是導(dǎo)電液體，并且可含有相對于電解液的總重量以重量計30-89％的量的水。
電解液還可含有用于降低水的表面能并改進流變性質(zhì)的鹽。上述鹽沒有特別地限制，只要是在本領(lǐng)域中通用的鹽即可，上述鹽的例子包括LiCl、NH4Cl、NaCl、KCl、NaNO3、KNO3、CaCl2、KBr、MgSO4、CuSO4和K2SO4。
根據(jù)電解液的總重量，可以以按重量計0.01-30％的量使用鹽?？紤]到電解液的導(dǎo)電性，優(yōu)選地添加最小量的鹽。
在本發(fā)明的電潤濕系統(tǒng)中使用的電解液還包含具有偶極距的極性溶劑。極性溶劑用來增加電解液的粘度。這種增加的粘度使得當對液體透鏡施加電壓時電解液穩(wěn)定的運動而沒有不穩(wěn)定的顫動和運動。
由于普通的極性溶劑根據(jù)它們的特性為高水溶性的并與油不相混，所以普通的極性溶劑在液體透鏡的電解液的制備中是有用的。具有羥(-OH)基的醇基溶劑是特別優(yōu)選的。由于醇基溶劑無色并且透明度高，所以它們適于在透鏡中使用。另外，由于醇基溶劑具有廣譜(broad spectrum)的物理性質(zhì)，所以它們在控制電解液的其它物理性質(zhì)方面非常有用。在本發(fā)明中使用的極性溶劑起到表面活性劑的作用，從而期望得到操作電壓的下降。極性溶劑還可用來抑制電解液和絕緣溶液之間的混合。
適于在本發(fā)明中使用的醇基溶劑的具體示例包括甲醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇、1，2，3-丙三醇、1-丁醇、2-丁醇、1，2-丁二醇、1，3-丁二醇、1，4-丁二醇、1-戊醇、1，5-戊二醇、己醇、庚醇和辛醇，但不限于此。這些醇基溶劑可單獨使用或者結(jié)合使用。更加優(yōu)選的是乙醇、1-丙醇、2-丙醇、1，2-丙二醇、1，2，3-丙三醇、2-丁醇、1，3-丁二醇、1，4-丁二醇、1，5-戊二醇及它們的混合物。在表1中總結(jié)了這些醇基溶劑的物理性質(zhì)。
表1

根據(jù)電解液的總重量，極性溶劑可以以按重量計10至60％的量使用。當電解液具有3至50cP的粘度時，電解液在利用電潤濕現(xiàn)象的系統(tǒng)中穩(wěn)定地運動。在50cP以上，電解液會不適宜地抑制電潤濕現(xiàn)象。
除了電解液之外，液體透鏡包含絕緣溶液。由于絕緣溶液具有預(yù)定的粘度，所以絕緣溶液能對電解液的運動起到緩沖作用。使電解液的運動穩(wěn)定所必須的最適宜的粘度是在3至20cP范圍內(nèi)。與暴露于周圍空氣中的普通電潤濕系統(tǒng)相比，本發(fā)明的電潤濕系統(tǒng)在操作時示出了幾乎沒有不穩(wěn)定的顫動和運動。然而，在其它的電潤濕系統(tǒng)中，例如，在微泵、顯示裝置、光學(xué)裝置和微機電系統(tǒng)(MEMS)中，不包含絕緣溶液的電解液的運動在更高的粘度下穩(wěn)定。在這些系統(tǒng)中，電解液在3至50cP的粘度范圍內(nèi)有效地穩(wěn)定運動。
為了得到當對電潤濕系統(tǒng)施加電壓時電解液的穩(wěn)定運動所需的粘度范圍，電解液的組份可根據(jù)所使用的極性溶劑的種類而改變。
具體地講，當電解液含有按重量計40至60％的水、按重量計5至10％的鹽和按重量計30至50％的作為極性溶劑的1，2-丙二醇時，電解液具有5至10cP的粘度。當電解液含有按重量計30至70％的水、按重量計5至20％的鹽和按重量計20至60％的作為極性溶劑的1，2-丙二醇時，電解液具有5至20cP的粘度。當電解液含有按重量計50至80％的水、按重量計5至15％的鹽和按重量計10至40％的作為極性溶劑的1，4-丁二醇時，電解液具有3至8cP的粘度?？刹捎脧挠梢掖?、1-丙醇、2-丙醇、1，2，3-丙三醇、2-丁醇和1，3-丁二醇組成的組中選擇的至少一種溶劑來制備具有3至50cP的粘度的電解液。
在電潤濕系統(tǒng)例如液體透鏡的電解液中可需要不同的性能。例如，可需要電解液具有適于相應(yīng)系統(tǒng)的密度或表面張力。另外，可需要電解液具有用于相應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定操作的較好的高溫可靠性和低溫可靠性。結(jié)果，極性溶劑可用來控制相應(yīng)電解液的物理性質(zhì)。
具體地講，當意圖得到在-40℃下48小時或更長時間的低溫可靠性和/或在+85℃下96小時或更長時間的高溫可靠性時，考慮到相應(yīng)極性溶劑的沸點和凝固點，選擇適合的極性溶劑例如1，2-丙二醇、1，4-丁二醇或者1，5-戊二醇，并且在限定的范圍內(nèi)與水和鹽一起使用來制備電解液，從而得到想要的效果。
除了電解液之外，基于電潤濕現(xiàn)象的系統(tǒng)可包含絕緣溶液，其中，上述絕緣溶液為油并可選地含有有機溶劑。絕緣溶液通常含有硅(Si)油和有機添加劑。絕緣溶液的組份可在本領(lǐng)域所通常采用的范圍內(nèi)使用。
基于電潤濕現(xiàn)象的系統(tǒng)的示例包括液體透鏡、微泵、顯示裝置、光學(xué)裝置和微機電系統(tǒng)(MEMS)。
示例下面，將參照下面的示例來更詳細地解釋本發(fā)明。然而，給出這些示例是為了示出的目的，并不意圖限制本發(fā)明。盡管下面的示例示出了液體透鏡的產(chǎn)品，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員要清楚的是，這些示例可用于其它電潤濕系統(tǒng)的產(chǎn)品上。
例1將按重量計60％的純水、按重量計10％的LiCl和按重量計30％的1，2-丙二醇混合在一起來制備具有粘度為6.1的透明電解液。將1，6-二溴己烷與商業(yè)上可使用的硅油混合來制備粘度為11.8的絕緣溶液。
用于容納電解液和絕緣溶液的室包括上部和下部。上部由透明材料制成，上部的內(nèi)部涂覆有金屬膜，通過該金屬膜對電解液施加電壓。室的下部由與上部的材料相同的材料制成，下部與電解液接觸的內(nèi)部涂覆有聚合物絕緣體，金屬膜涂覆在絕緣體下面。
將電解液和絕緣溶液引入室中來完成液體透鏡的生產(chǎn)。
圖4中的(a)的照片示出了當對液體透鏡施加30V的電壓時電解液在液體透鏡中的運動狀態(tài)的干涉圖樣，圖4中的(b)的照片示出了當對液體透鏡施加50V的電壓時電解液在液體透鏡中的運動狀態(tài)的干涉圖樣。
照片表明，盡管對液體透鏡施加電壓，但是得到了電解液的穩(wěn)定運動而沒有不穩(wěn)定的顫動和運動，其中，所述液體透鏡包含利用極性溶劑來增加其粘度的電解液。
對比例1將按重量計90％的純水和按重量計10％的LiCl混合在一起來制備粘度為1.9的透明電解液。將1，6-二溴己烷與商業(yè)上可使用的硅油混合來制備粘度為11.8的絕緣溶液。
根據(jù)示例1中描述的步驟，使用電解液和絕緣溶液來生產(chǎn)液體透鏡。
圖5中的(a)中示出的照片是示出當不對液體透鏡施加電壓時電解液在液體透鏡中的運動狀態(tài)的干涉圖樣，圖5中的(b)中示出的照片是示出當對液體透鏡施加30V的電壓時電解液在液體透鏡中的運動狀態(tài)的干涉圖樣。
圖6中的(a)和(b)中示出的照片是對比對液體透鏡施加30V的電壓時不含極性溶劑的電解液的運動(a)以及對液體透鏡施加30V的電壓時含有極性溶劑的電解液的運動(b)的干涉圖樣。
圖5中的(a)的干涉圖樣示出了當不施加電壓時電解液的穩(wěn)定運動并且在界面處沒有不穩(wěn)定的顫動和運動。相反，圖5中的(b)的干涉圖樣示出了當施加30V的外部電壓來操作液體透鏡時，在兩種溶液之間的界面處的曲率的變化，這表明，由于電解液的減小的粘度而引起在液體透鏡的操作期間在外圍位置發(fā)生顫動。
需要40至100V的高電壓來操作普通的液體透鏡。如果對液體透鏡施加高電壓，則電解液的不穩(wěn)定運動變得嚴重，結(jié)果液體透鏡的作用不能適當?shù)貓?zhí)行。
從對比施加電壓時普通的電解液的運動以及本發(fā)明的液體透鏡中的電解液的運動的干涉圖樣的圖6中的(a)和(b)的照片中，可以確定的是，與普通的電解液相比，根據(jù)本發(fā)明的液體透鏡的電解液示出了極度穩(wěn)定的運動，其中，所述電解液由于使用了極性溶劑而引起粘度增加。
圖4、圖5和圖6的干涉圖樣是示出相應(yīng)的電解液的界面處的高度的等高線。
從上面的描述清楚的是，根據(jù)本發(fā)明的電潤濕系統(tǒng)，由于將極性溶劑添加到普通電解液中來增加電解液的粘度，所以能防止當對電潤濕系統(tǒng)施加電壓時電解液的界面處的不穩(wěn)定的顫動。另外，由于包含在電解液中的極性溶劑起到表面活性劑的作用，所以可降低電潤濕系統(tǒng)的操作電壓。另外，根據(jù)極性溶劑的種類能確保電潤濕系統(tǒng)的高溫可靠性和低溫可靠性。
盡管為了示出的目的已經(jīng)公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員要清楚的是，在不脫離在權(quán)利要求中公開的本發(fā)明的范圍和精神的情況下，能夠種修改、添加和替換。
權(quán)利要求
1.一種利用電潤濕現(xiàn)象的電潤濕系統(tǒng)，所述電潤濕系統(tǒng)包含由按重量計30至89％的水、按重量計0.01至30％的鹽以及按重量計10至60％的極性溶劑組成的電解液。
2.如權(quán)利要求1所述的電潤濕系統(tǒng)，其中，所述電解液具有3至50cP的粘度。
3.如權(quán)利要求1所述的電潤濕系統(tǒng)，其中，所述電潤濕系統(tǒng)還包含絕緣溶液和粘度為3至20cP的電解液。
4.如權(quán)利要求1所述的電潤濕系統(tǒng)，其中，所述極性溶劑是具有偶極距的醇基溶劑。
5.如權(quán)利要求4所述的電潤濕系統(tǒng)，其中，所述醇基溶劑是從由甲醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇、1，2，3-丙三醇、1-丁醇、2-丁醇、1，2-丁二醇、1，3-丁二醇、1，4-丁二醇、1-戊醇、1，5-戊二醇、己醇、庚醇和辛醇組成的組中選擇的至少一種極性溶劑。
全文摘要
這里公開了一種利用電潤濕現(xiàn)象的電潤濕系統(tǒng)。該電潤濕系統(tǒng)包含由按重量計30至89％的水、按重量計0.01至30％的鹽以及按重量計10至60％的具有偶極距的極性溶劑組成的電解液。根據(jù)所述電潤濕系統(tǒng)，被添加用以增加電解液的粘度的極性溶劑使得當施加電壓來操作電潤濕系統(tǒng)時電解液的運動穩(wěn)定。另外，通過使用極性溶劑能確保電潤濕系統(tǒng)的高溫可靠性和低溫可靠性。
文檔編號G02B3/14GK1920611SQ20061011508
公開日2007年2月28日 申請日期2006年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月23日
發(fā)明者鄭夏龍, 崔熙圣, 梁珍赫, 裴宰英, 金鐘允 申請人:三星電機株式會社