전기화

전기장치는 적용된 전기장으로 표면의 습윤 특성(일반적으로 소수성)을 수정하는 것이다.

역사

가변적으로 충전된 표면에 수은과 다른 액체를 전기장치는 아마도 1875년^[1] 가브리엘 리프먼에 의해 처음 설명되었고 훨씬 이전에 확실히 관찰되었다.A. N. Frumkin은 1936년 물방울 모양을 바꾸기 위해 표면 전하를 사용했다.^[2]전기장난이라는 용어는 1981년 G. Beni와 S에 의해 처음 도입되었다.해커우드는 특허를 받은 새로운 유형의 디스플레이 장치를 설계하기 위해 제안된 효과를 설명한다.^[3]는"트랜지스터 유체"의 미세 유체학 회로에 화학 및 생물학적 유체를 조작하기 위한 사용은 먼저 J. 브라운이 1980년에 나중에 1984–1988에 NSF오래 8760730 및 아래 자금을 지원, 미니어처의 8822197,[4]고, 질량 절연과 소수성 유전 layer(s)(EWOD), 혼합되지 않는 체액 VDC나 RF전력을 고용하여 배열 조사를 받았다. interl나노 방울을 선형, 원형 및 방향 경로에 디지털 방식으로 재배치하고, 펌핑 또는 혼합하며, 저장소를 채우며, 전자적 또는 광학적으로 유체 흐름을 제어하기 위해 대형 또는 매칭 인듐 주석 산화물(ITO) 전극이 내장된(소 톱니) 전극이후, NIH의 J. Silver와 협력하여 디지털 PCR 하위 샘플의 배열을 이동, 분리, 고정 및 밀봉할 수 있는 단일 불변 유체에 대한 EWOD 기반 전기장치는 공개되었다.^[5]

맨 전극 위에 단열층을 사용한 전기장치는 1993년 브루노 베르지에 의해 연구되었다.^[6]이 유전체 코팅 표면의 전기화(EWOD)는 맨 전극의 기존 전기화(electrowetting-on dielectric)와 구별하기 위해 전기화(eWOD)^[7]라고 한다.전기장치는 EWOD 시스템의 금속 전극을 반도체로 교체하여 시연할 수 있다.^[8][9]전기장치는 반도체 표면(예: 실리콘)에 직접 배치되어 쇼트키 다이오드 전기 회로 구성에서 쇼트키 접점을 형성한 전도성 방울(예: 수은)에 역 바이어스를 가했을 때도 관찰된다. 이러한 효과를 '쇼트키 전기장전'이라고 한다.^[10]

전기장치에 의한 액체의 미세유체적 조작은 처음에는^[11] 물속의 수은 방울로, 나중에는^[7] 공기중의 물과 기름의 물로 시연되었다.^[12]2차원 경로에서 물방울의 조작은 나중에 입증되었다.^[13][14]액체를 분해하여 프로그래밍할 수 있는 방식으로 조작할 경우, 이 접근 방식을 "디지털 마이크로유체 회로"^[15][16] 또는 "디지털유체학"^[17]이라고 한다.조, 문, 김 전 차관이 먼저 시연했다.^[18]

전기화 이론

전기장치의 효과는 "고체와 전해질 사이에 적용된 전위차에 의한 고체 전극 접촉각의 변화"로 정의되었다.전기장치의 현상은 적용된 전기장에서 발생하는 힘의 관점에서 이해할 수 있다.^[19][20]전해질 방울의 모서리에 있는 프링 필드는 드롭렛을 전극 위로 끌어내려 거시적인 접촉 각도를 낮추고 드롭렛 접촉 영역을 증가시키는 경향이 있다.또는 열역학적 관점에서 전기장비를 볼 수 있다.인터페이스의 표면 장력은 해당 표면의 특정 영역을 생성하는 데 필요한 헬름홀츠 자유 에너지로 정의되므로, 화학적 및 전기적 구성 요소를 모두 포함하고, 전하가 그 방정식에서 중요한 용어가 된다.화학 요소는 전기장이 없는 고체/전극 인터페이스의 자연 표면 장력일 뿐이다.전기부품은 도체와 전해질 사이에 형성된 콘덴서에 저장된 에너지다.

전기장치의 가장 간단한 파생은 열역학 모델을 고려함으로써 주어진다.전기 프링장의 정확한 형태와 그것이 국소 방울 곡률에 어떻게 영향을 미치는지 고려함으로써 전기장치의 상세한 수치 모델을 얻을 수 있지만, 그러한 해법은 수학적으로 그리고 계산적으로 복잡하다.열역학적 파생은 다음과 같이 진행된다.관련 표면 장력을 다음과 같이 정의한다.

${\displaystyle {\gamma }_{}}$ ${\displaystyle w_{}}$ $displaystyle \gamma _{ws}\,}$ $$– 전해질과 도체 사이의 총, 전기 및 화학, 표면 장력

${\displaystyle {\gamma }_{}^{}}$ ${\displaystyle w_{}^{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{}}_{}^{}}$ $displaystyle \gamma _{ws}^{0}\,}$ $$– 전기장 0에서 전해질과 도체 사이의 표면 장력

${\displaystyle {\gamma }_{}}$ ${\displaystyle s_{}}$ $displaystyle \gamma _{s}\,}$ $$– 도체와 외부 주변 사이의 표면 장력

${\displaystyle {\gamma }_{}}$ ${\displaystyle w_{}}$ $displaystyle \gamma _{w}\,}$ $$– 전해질과 외부 주위 사이의 표면 장력

${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \theta}$ $$– 전해질과 유전체 사이의 거시적 접촉 각도

${\displaystyle C}$ ${\displaystyle C}$ $$– 두께 t의 균일한 유전체 및 허용률 є에_r 대한 인터페이스 용량성 єє_r0/t

${\displaystyle V}$ ${\displaystyle V}$ $$– 전해액에서 도체에 이르는 전기장의 정수인 유효 인가 전압

총 표면 장력을 화학 및 전기 구성 요소와 연관시키면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

${\displaystyle \gamma _{ws}=\gamma _{ws}^{0}-{\frac {CV^{2}}:\,}$

접촉 각도는 영-듀프레 방정식에 의해 주어지며, 유일한 복잡성은 총 표면 에너지 ${\displaystyle {\gamma }_{}}$ ${\displaystyle w_{}}$ ${\$가 사용된다는$$ 것이다.

${\displaystyle \property_{ws}=\properties_{s}-\properties_{w}\cos(\theta )\,}$

두 방정식을 조합하면 다음과 같이 유효 인가 전압에 대한 θ의 의존도가 발생한다.

${\displaystyle \cos \theta =\왼쪽({\frac {\gamma_{s}-\gamma_{ws}^{0}+{\frac {CV^{2}}:{\gamma _{w}\오른쪽)\,},},}$

추가적인 복잡성은 액체도 포화 현상을 보인다는 것이다: 특정 전압, 포화 전압 후에 전압의 추가 증가는 접촉 각도를 바꾸지 않을 것이며, 극한 전압의 경우 인터페이스가 불안정만 보일 것이다.

그러나 표면 전하가 표면 에너지의 한 요소에 지나지 않으며, 다른 구성 요소는 유도 전하에 의해 확실히 동요된다.그러므로 전기장치에 대한 완전한 설명은 정량화되지 않았지만, 이러한 한계가 존재한다는 것이 놀랄 일은 아니다.

최근 Klarman 외 연구진에 의해 전기 방전이 시스템의 세부 기하학적 형상에 의해 영향을 받는 전역 현상으로 관찰되는 경우, 사용 재료에 관계 없이 접촉 각도 포화도 보편적 효과로 설명될 수 있다는 것이 밝혀졌다.^[21]이 프레임워크 내에서 역방향 전기 설정도 가능할 것으로 예측된다(접촉 각도는 전압에 따라 증가한다).

또한 체발로이트에^[22] 의해 모든 재료 매개변수에 접촉 각도 포화가 불변하므로 좋은 재료를 사용할 때 대부분의 포화 이론이 무효라는 것을 실험적으로 밝혀냈다.이 같은 논문은 더 나아가 전기유체역학적 불안정성이 포화의 원인이 될 수 있음을 시사하는데, 이 이론은 입증되지는 않았지만 여러 다른 집단에서도 제시되고 있다.

역방향 전기 설정

역방향 전기장치는^[23] 기계 대 전기 공학 계획을 통해 에너지를 수집하는 데 사용될 수 있다.

액상유입필름(EWOLF)에 전기장착

또 다른 전기적 설정은 액체가 주입된 필름에 전기적 장치를 설치하는 것이다.액상유입막은 액상 및 고체상 습윤성의 섬세한 제어를 통해 다공성 막에 액체 윤활유를 고정시켜 완성한다.액체-액체 인터페이스에서 미세한 접촉 라인을 고정하는 이점을 이용하여, EWOD의 드롭릿 응답은 기존 EWOD에 비해 향상된 전환성과 가역성으로 전기적으로 해결할 수 있다.게다가 다공성 막에서 액체 윤활유의 단계 침투는 또한 점성 에너지 방산을 효율적으로 강화하여 방울의 진동을 억제하고 원하는 전기적 가역성을 희생시키지 않고 빠른 반응으로 이끈다.한편, EWOLF와 관련된 댐핑 효과는 액체 윤활유의 점도와 두께를 조작하여 조정할 수 있다.^[24]

광전자화 및 광전자화

광전자발광과 ^[25][26]광전자발광은^[27] 둘 다 광학적으로 유발되는 전기발광 효과다.광전기는 광전자를 사용하는 반면 광전기는 광전자를 사용하는 것으로, 전기에 사용되는 액체/인슐레이터/콘덕터 스택의 도체를 반도체로 교체할 경우 관측할 수 있다.반도체의 공간충전 영역에 있는 캐리어의 수를 광학적으로 변조함으로써 액체 방울의 접촉 각도를 연속적으로 변경할 수 있다.이 효과는 영-리프만 방정식의 수정으로 설명할 수 있다.

자재

아직 조사 중인 이유로, 오직 제한된 표면 집합만이 이론적으로 예측된 전기장전 동작을 나타낸다.이 때문에 표면을 코팅하고 기능화하는 데 사용할 수 있는 대체 재료가 사용되어 기대되는 습윤 동작을 만들어 낸다.예를 들어, 비정형 플루오르폴리머는 전기화 코팅 재료로 널리 사용되고 있으며, 이러한 플루오르폴리머의 거동은 적절한 표면 패터닝에 의해 강화될 수 있는 것으로 밝혀졌다.이러한 플루오르폴리머는 일반적으로 알루미늄 호일 또는 인듐 주석 산화물(ITO)으로 만들어진 필요한 전도성 전극을 코팅하여 원하는 전기화 특성을 생성한다.^[28]이러한 중합체의 세 가지 유형이 상업적으로 이용 가능하다.FluoroPel 소수성 및 초저공포성 V 시리즈 폴리머는 사이토닉스가, CYTOP는 아사히글라스사가, 테플론 AF는 듀폰트가 각각 판매한다.그 밖에 SiO2와 유리에 금과 같은 표면 재료가 사용되어 왔다.^[29][30]이러한 물질들은 표면 자체가 전류의 접지 전극 역할을 할 수 있게 한다.^[30]

적용들

이제 전기장치는 모듈러에서 조절 가능한 렌즈, 전자 디스플레이(전자 종이), 전자 아웃도어 디스플레이, 광섬유를 위한 스위치에 이르기까지 광범위한 응용 분야에서 사용되고 있다.전기장치는 최근 커피 얼룩 효과를 억제하면서 특히 연성 물질을 조작했다는 이유로 도마에 올랐다.^[31]또한 기름 유출 청소 및 유수 혼합물 분리를 위해 전기 조정 기능이 있는 필터가 제안되었다.^[32]

국제회의

전기집회를 위한 국제회의는 2년마다 열린다.가장 최근의 회의는 2018년 6월 18일부터 20일까지 네덜란드 Twente 대학에서 열렸다.^[33]

이전 회의 개최국은 몬스(1999년), 아인트호번(2000년), 그르노블(2002년), 블로베언(2004년), 로체스터(2006년), 로스앤젤레스(2008년), 포항(2010년), 아테네(2012년), 신시내티(2014년), 타이페이(2016년) 등이다.

참고 항목

• 미세유체학
• 습식
• 연성 물질
• 금속-반도체 접합부

참조

외부 링크

• 국립대만대학교 팬타시 연구실
• 토론토 대학교 휠러 디지털 마이크로유체학 그룹
• 신시내티 대학에서 전기충격을 했어
• 듀크 대학교 디지털 마이크로유체학
• 20대 대학 복합유체물리학
• 전기장비를 설명하는 다이어그램
• 디스플레이 전기 설정 진행
• 신시내티 대학 UC NanoLab에서 전동식 플렉시블 디스플레이 설치
• Liquidvista 저주파 전기화 6.2인치 디스플레이
• 전기화 시제품 제작에 전문성을 갖춘 완전한 시스템 및 장치 개발.신시내티 대학과 협력.