Naprave, ki za delovanje izkoriščajo efekt elektro-omočljivosti, potrebujejo velik Youngov kot omočljivosti in nizko histerezo. Idealna vrednost kota omočljivosti je 180° zaradi dveh razlogov. Prvi razlog je v tem, da kot 180° zmanjša histerezo, kar pomeni, da se kapljica nikoli povsem ne dotakne dielektrične površine, ampak leži na tankem filmu izolacijske tekočine. In drugič, predvideva se, da pri tem kotu ščitimo dielektrično površino, saj kapljica ne pride v stik z dielektričnim slojem. Doseganje velikih kotov omočljivosti je možno doseči z ustrezno izbiro izolacijske tekočine in dielektrikom, ki imata podobni vrednosti površinske napetosti. Večina komercialnih naprav za izolacijsko tekočino uporablja olje in ne zrak. Olje namreč zagotavlja zelo velik kot omočljivosti in nizko histerezo. Olje prav tako manjša vpliv gravitacije in vibracij v zaprtih sistemih. Z uporabo zraka, kot izolacijsko tekočino, je nemogoče doseči Youngov kot 180°, saj ima zrak ničelno površinsko napetost. Zato je edini način za povečanje kontaktnih kotov pri zraku z nanosom hidrofobnega sloja na površino dielektrika. Če količina dovedene električne napetosti ni problematična, se pogosto preprosto uporabi debelejši dielektrik. Pri natančneje izračunanih porazdelitvah električnega polja se lahko uporabi večplastne dielektrične sloje. Najpogosteje se uporablja izmenični električni tok, ki preprečuje in zmanjšuje prehod ionov preko dielektrika [7], [26].
Teoretične osnove in pregled literature
2.3.1. Izolacijska tekočina
Izolacijska tekočina je lahko vsaka tekočina, ki je pri sobni temperaturi dielektrično nevtralna in se ne meša s prevodno tekočino. Najpogosteje se uporablja mešanico izolacijskih tekočin, pogosto mešanico s topili (npr. barvo). Izbira izolacijske tekočine temelji na zagotavljanju kota omočljivosti 180°, kar manjša histerezo kota omočljivosti.
Izolacijska tekočina s tankim filmom med prevodno tekočino in zgornjo plastjo trdne površine zagotavlja zaščito pred dielektrično odpovedjo. Med pogosteje uporabljenimi so izolacijske tekočine, ki vključujejo alkalna in silikonska olja. Silikonska olja se uporabljajo predvsem zaradi tega, ker imajo velik temperaturni razpon delovnega območja. Raziskave kažejo na zmanjšano uparjanje prevodne tekočine pri uporabi izolacijskega olja. Izolacijska olja so sintetični izoparafini, kateri zagotavljajo nizko viskoznost, širok temperaturni razpon delovanja in nizko stopnjo mešanja s številnimi prevodnimi tekočinami (izjema so glikoli).
Najzahtevnejša je izbira izolacijske tekočine pri prikazovalnikih, saj mora v izolacijski tekočini raztopiti delež barve. Izziv predstavljajo tudi izolacijske tekočine za EW optiko, kjer mora izolacijska tekočina podpreti najvišji lomni količnik [7], [21].
2.3.2. Prevodna tekočina
Najbolj priročna izbira prevodne tekočine je voda. Na razpolago jo je v zadostnih količinah, ima relativno visoko površinsko napetost, nizko viskoznost in se ne meša z večino izolacijskih tekočin. Z vidika same zanesljivosti, pa je voda ena najslabših možnih izbir (izjema pri uporabi zelo debelih dielektrikov). Zaradi fizikalnih lastnosti vode obstaja nevarnost dielektrične odpovedi (elektrolize), pri čemer hidrofobni oz. dielektrični sloj odpove pri izolaciji med prevodno tekočino in elektrodo [7]. Z uporabo deionizirane vode in debele fluoropolimerne (hidrofobne) plasti znatno zmanjšamo izgube napetosti in možnosti dielektrične odpovedi. Dionizirana voda je voda, ki je očiščena vseh zunanjih ionov in ima nizko prevodnost (0,055 µS/cm) [22]. Dokazana lastnost tekočin z nizko prevodnostjo pa je slaba odzivnost na električno napetost, četudi enosmerno. Zato se tekočini dodaja vsebnost ionov za pravilno akumulacijo naboja v bližini trifazne kontaktne linije.
Zato v realnih sistemih elektro-omočljivosti prevodne tekočine potrebujejo ionsko vsebnost [23].
Naprave elektro-omočljivosti pogosto uporabljajo prevodno tekočino z ionsko površinsko aktivnimi snovmi in anorganskimi solmi. Naprave z nizkim potencialom (to so naprave s tankim dielektričnim slojem), lahko v nekaj minutah razgradijo vodne raztopine. Proces razgradnje je veliko bolj dolgotrajen z uporabo glikola (predvsem etilen glikola in propilen glikola; oba lahko dostopna in netoksična). Alternativo nevodnim prevodnim tekočinam predstavljajo ionske tekočine, katere imajo višjo viskoznost in visoko prevodnost, kar pa zmanjša njihovo zanesljivost. Uporaba ionskih topil (npr. KCl in natrijev dodecil sulfat) pogosto rezultira v pojavu elektrolize. Najnovejše raziskave ugotavljajo manj pomanjkljivosti pri uporabi tekočin z ioni večjih velikosti. V tem primeru je izboljšana zlasti odpornost na okvare ionsko površinsko aktivnih snovi, ki imajo dolgo alkansko verigo. Pri kationsko površinsko aktivnih sredstvih (v katerem sta oba iona amfifilna) je opaziti manj pojavov dielektrične odpovedi, tako v negativnih kot v pozitivnih potencialih [7].
Teoretične osnove in pregled literature
2.3.3. Površina elektrode
Površina elektrode ima največji vpliv na velikost kota omočljivosti, histerezo in potrebno dovedeno električno napetost za manipulacijo kapljice. Zaradi tega je konstrukcija površine ključnega pomena za aplikacije elektro-omočljivosti.
Za povečanje kota omočljivosti je potrebno na površini elektrode ustvariti hidrofobne lastnosti. Hidrofobno površino najpogosteje dosegamo z:
- oplaščenjem z materiali nizke površinske energije (fluoropolimeri),
- ustrezno izbiro materiala (enaka vrednost medfazne napetosti površine in izolacijske tekočine),
- uporabo superhidrofobnih površin.
Zgoraj našteti postopki so predstavljeni v nadaljevanju.
2.3.3.1. Oplaščenje z materiali nizke površinske energije (fluoropolimeri)
Najbolj razširjen in konvencionalen pristop za doseganje velikega Youngovega kota omočljivosti je uporaba fluoropolimernih dielektrikov ali uporaba tankega filma fluoropolimera na površini. Zaradi kemične in fizikalne homogenosti amorfni fluoropolimeri predstavljajo idealne površine za EW. Te površine pri uporabi vode tipično dosegajo histerezo, manjšo od 10°, kar je znatno manj kot pri uporabi hidrokarbonske površine.
Fluoropolimeri zagotavljajo tako zadostno dielektrično moč, kot tudi hidrofobičnost, ki jo EW naprave potrebujejo. Visoko hidrofobičnost dosegajo zaradi prisotnosti CF2 in CF3 v svoji kemični strukturi. Nanos tankega filma fluoropolimera običajno poteka v vakuumu z uporabo kemijske reakcije v plazmi ali raztopini [7], [24].
Teflon je dober primer hidrofobne površine. Vendar je teflon kristalne strukture in nima potrebne homogenosti za doseganje tako nizke histereze kota omočljivosti, kot amorfni fluoropolimer. Najpogosteje analizirani fluoropolimerni materiali (in njihove lastnosti omočljivosti) za doseganje hidrofobne površine so prikazani v preglednici 2.1. Iz preglednice je razvidno, da fluoropolimerni sloji običajno zagotavljajo kot omočljivosti 100°-120° v zraku (izolacijska tekočina), s približno 10° histerezo. Razpon površinskih energij je med 16 mJ/m2 in 19 mJ/m2 [7].
Fluoropolimeri lahko zagotavljajo kote omočljivosti tudi do 180° in to brez histereze, če je uporabljena prava kombinacija izolacijske in prevodne tekočine [7].
Teoretične osnove in pregled literature Preglednica 2.1: Najpogosteje analizirani fluoropolimeri in njihove lastnosti [7]
Material Izolacijska
Katerikoli Fluoropel Silikonsko olje Voda 16-20 ~ 180
Katerikoli Fluoropel Heksan Raztopina 17-20 ~ 180
Parilen C Heksan Raztopina 40 ~ 120
Parilen C Dibromooktan Raztopina 40 ~ 180
Teflon AF Dibromooktan Raztopina 16 ~ 120
Parilen HT Tetradekan Voda 26 ~ 180
2.3.3.2. Ustrezna izbira izolacijske tekočine in materiala površine
Leta 2009 je bila objavljena študija elektro-omočljivosti z uporabo kombinacije izolacijske in prevodne tekočine, ki se medsebojno ne mešata na dielektričnem sloju, ki ni fluoropolimer [25]. V študiji so dosegli vrednost kota omočljivosti 180° z uporabo izolacijske tekočine in dielektrika, ki imata medfazno površinsko napetost blizu ali enako 0. Študija je potrdila, da površinska energija dielektrika ni najbolj kritičen parameter za doseganje velikih vrednosti kota omočljivosti. To jasno prikazuje tudi preglednica 2.1, kjer vidimo, kako hidrofobni materiali (npr. teflon AF) ne zagotavljajo kota omočljivosti 180°, če se izolacijska tekočina in dielektrik ne ujemata z nizko vrednostjo medfazne napetosti. Zato lahko namesto fluoropolimerov uporabljamo visoko kvalitetne izolacijske tekočine. Pomembno je, da imajo v tem primeru izolacijske tekočine višjo površinsko napetost, kar pa jih v nekaterih primerih naredi nezdružljive s tekočino zaradi mešanja ali medsebojne topnosti [25].
2.3.3.3. Uporaba superhidrofobnih površin
Cilj uporabe superhidofobnih površin je v doseganju večjih kotov omočljivosti in manjše histereze. Kot omočljivosti nad 150° pri uporabi vode (kot prevodne tekočine) na superhidrofobnih površinah je bil dokazan pri različnih strukturah na površini.
Na sliki 2.17 sta prikazani dve najpogostejši metodi izdelave superhidrofobne površine. Prva metoda je nanos dielektričnega sloja preko prevodnika z mikro in nano strukturami elektroda). Druga metoda pa je izdelava dielektričnega sloja mikro in nano struktur (µ-dielektrik) na ravni in gladki elektrodi. Pri obeh metodah nato preko dielektričnega sloja nanesemo hidrofobni sloj. Izmed obeh metod je t. i. µ-elektroda preprostejša, saj je postopek tehnologije izdelave iz silikona in ogljika že ustaljen in dodobra raziskan. Očitna pomanjkljivost je omejena selektivnost elektrodnih materialov [26].
Teoretične osnove in pregled literature