nanopalice, g) Si nanožičke na polipirolnih nanoizboklinah, h) strukture lotosovega lista, i)
Teoretične osnove in pregled literature
Pri dovedeni električni napetosti 10 V se kot omočljivosti iz več kot 150° zmanjša na 100°
[26]. Kot že omenjeno v poglavju 2.2.4 sta pri analizi omočljivosti na mikro in nanostrukturah uporabljena dva modela. To sta Cassie-Baxter model in Wenzel model (glej sliko 2.12). Krupenkin [27] je dokazal, da kapljice na mikro in nanostrukturirani površini prehajajo iz Cassie-Baxter modela v Wenzel model. Med tem prehodom disipacija energije izvira iz širjenja tekočine v mikro in makropore. Posledica tega je, da je sila okoli trifaznega stika tako velika, da postane prehod nepovraten. Prehod je nepovraten tudi po odstranitvi električnega polja [27]. Izjemo predstavlja vpliv zunanjih dražljajev (vročina – vrenje, dodajanje olja – odtaljevanje). Dovajanje dodatne energije je učinkovita metoda za povraten prehod omočljivosti, torej iz Wenzelovega stanja nazaj v Cassie-Baxterjevo stanje.
Reverzibilnost lahko dosežemo s trenutnim zvišanjem temperature površine. Visoka temperatura namreč prispeva k povečanju prostornine ujetega plina, s čimer ponovno dosežemo prostor med mikro in nanostrukturami. Druga izmed metod za doseganje reverzibilnosti postopka je vibracija kapljic. Eden izmed načinov pa je tudi zmanjšanje disipacije energije med postopkom omočljivosti [7], [26].
2.3.4. Dielektrik
Največji vpliv na delovanje EWOD ima dielektrični sloj, zato je to področje že od začetka razvoja EWOD najbolj raziskano. Z namenom izboljšanja delovanja EWOD naprav je bila izvedena precejšnja količina raziskav s poudarkom na optimizaciji zunanjih lastnosti (npr.
debelina dielektrika, uporabljena dovedena napetost) in lastnih lastnosti (npr. površinske lastnosti, dielektrična konstanta) [28].
Dielektrični material ima zelo veliko specifično upornost, zaradi česar ne prevaja električnega toka. V dielektriku zato obstaja statično električno polje, v katerem ne teče električni tok. Dielektrični material ima sposobnost polarizacije v električnem polju.
Dielektričnost, snovna konstanta, ki je odvisna od temperature in frekvence, določa obnašanje dielektrika v električnem polju. Preprosti primeri dielektrikov so vosek, papir, les, steklo, porcelan in keramika.
Za delovanje EWOD sta pomembna parametra histereza omočljivosti in debelina dielektričnega sloja. Debelina dielektričnega sloja naj bi bila čim tanjša, da lahko zmanjšamo dovedeno električno napetost. Tanjšanje dielektričnega sloja pa lahko povzroči slabšo dielektrično trdnost in rezultira v dielektričnem zlomu že pri nizkih napetostih. Debelejše izvedbe dielektrikov imajo običajno manj defektov kakor tanke izvedbe [7], [28].
Obstaja več načinov za ustvarjanje visoko zmogljivih EW dielektrikov. Najenostavnejši pristop je izdelava debelega sloja dielektrika, ki ima majhno kapacitivnost. Dovedena električna napetost za doseganje določenega kota omočljivosti je premo sorazmerna s kvadratnim korenom debeline dielektrika, kakor prikazano v enačbi (2.30). Potrebno električno polje za EW je določeno z razmerjem potrebne dovedene električne napetosti in debeline dielektrika. Sledi, da se s povečevanjem debeline dielektrika intenzivnost električnega polja preko dielektrika zmanjša [7].
Teoretične osnove in pregled literature
𝑈𝐸𝑊∝ √𝑑, 𝐸𝐸𝑊=𝑈𝐸𝑊
𝑑 ∴ 𝐸𝐸𝑊∝ √1/𝑑 (2.30)
Najučinkovitejši pristopi za doseganje potrebnih lastnosti dielektrikov so:
- uporaba počasi odloženega parilena HT,
- uporaba dielektrikov, ki so sposobni samoobnove, - večplastni dielektrični pristop.
Glavne lastnosti zgoraj naštetih posameznih pristopov so opisane v nadaljevanju.
2.3.4.1. Uporaba počasi odloženega parilena HT
Gre za počasi odložen parilen (vrsta polimerov (p-ksililena)) HT v obliki tankoslojnega dielektrika. Ta omogoča delovanje pri napetostih pod 15 V že pri debelini filma dielektrika 300 nm. Parilen HT ima zaradi zmanjšane reakcije plinske faze manj deficitov v primerjavi s parilenom C, pri katerem reakcija plinaste faze povzroči odlaganje granul parilena, s čimer se tvori zrnat film. Iz istega razloga se predvideva podobne rezultate tudi pri parilenu N, ki se prav tako odlaga počasi [7], [14].
2.3.4.2. Uporaba dielektrikov sposobnih samoobnove
Gre za uporabo dielektrika za samoobnovo s kislo prevodno tekočino in elektrodo, ki jo je mogoče anodizirati (tvorjenje pasivnega oksidnega dielektrika na področju dielektrične okvare). Gre za pristop omejen na delovanje enosmernega toka ali pa na izmenični tok z enosmernim potencialom izravnave, ki definira največje število aktivacijskih ciklov zaradi morebitnega dielektričnega polnjenja [7].
2.3.4.3. Večplastni dielektriki
V tem primeru namesto enega sloja izolatorja uporabimo več tanjših slojev dielektrika, ki jih nalagamo drug na drugega, dokler se njihove posamezne pomanjkljivosti ne povežejo.
Značilnost tankih slojev dielektrikov so deformacije v strukturi, kar vpliva na samo učinkovitost. Večplastni dielektriki so učinkoviti, če se napake na posameznem sloju ne prekrivajo. Če imamo dva sloja dielektrika in ima en sloj defekt, bo drugi sloj na mestu defekta prvega sloja občutil polno dovedeno električno napetost in mora ta potencial zanesljivo zadržati brez okvare. Sloji dielektrika so določeni z vrstnim redom. Prvi sloj predstavljajo anorganski dielektriki, drugi sloj organski dielektriki in tretji sloj fluoropolimeri [7], [30].
Teoretične osnove in pregled literature
2.3.4.4. Pogoste težave dielektričnega sloja
Dielektrična odpoved
Dielektrična odpoved je pojav, pri katerem je električni izolator oz. dielektrik prisiljen v prevajanje električne napetosti. V EWOD se dielektrična odpoved nanaša na okvaro izolacijskih materialov, čigar posledica je kratek stik med elektrodo in prevodno tekočino.
Zaradi okvare v dielektričnem sloju pride do prehajanja električnega potenciala preko dielektrika in prevodne tekočine, kar vodi v okvaro EWOD. Pri uporabi vode kot prevodne tekočine je ob dielektrični odpovedi, na mestu defekta na površini, kjer preko izolatorja uhaja napetost, moč opaziti zračne mehurčke zaradi elektrolize vode [7], [14], [28].
Napetost pri kateri pride do dielektrične odpovedi 𝑈𝑑𝑜 je določena z enačbo (2.31), pri kateri se oznaka 𝐸𝑑𝑜nanaša na dielektrično moč. To je kritično električno polje oz. mejna vrednost električnega polja, ki ga sloj dielektričnega materiala še zdrži. Poleg dielektrične moči pa je pri določanju napetosti dielektrične odpovedi pomemben parameter tudi debelina dielektričnega sloja d [28].
𝑈𝑑𝑜= 𝐸𝑑𝑜∙ 𝑑 (2.31)
Eden izmed vzrokov za dielektrično odpoved so defekti oz. pore v dielektričnem sloju. Te lahko nastanejo že pri izdelavi dielektričnega sloja. Dielektrično puščanje ali popolno odpoved pa povzroči tudi enosmerni električni tok. Enosmerni električni tok povzroči, da se del dovedenega električnega potenciala preko električno upornega materiala delno ali v celoti zmanjša. Večina dielektrikov ima nelinearen odziv električne upornosti na doveden električni potencial, zaradi česar je električna upornost tipično konstantna le kratek čas ob dovajanju potenciala, ki je precej nižji od mejne vrednosti. S prepuščanjem električnega potenciala preko dielektričnega sloja pa se električna upornost s časom še poslabša [7].
Pojav dielektrične odpovedi je prikazan na sliki 2.19. Slika 2.19 a) prikazuje popolno stanje elektro-omočljivosti, b) dielektrično odpoved ter c) polnjenje dielektričnega sloja (gre za pojav, ki je opisan v nadaljevanju).
Slika 2.19: Dielektrični sloj v a) popolnem stanju ter ob pogostih pojavih okvare: b) dielektrična