エレクトロウェッティング

エレクトロウェッティングとは、電界を印加することで表面（通常は疎水性）の濡れ特性を変化させることです。

可変電荷表面における水銀およびその他の液体のエレクトロウェッティングは、おそらく1875 年にGabriel Lippmannによって初めて説明され^[1]、それよりずっと以前に観察されていたことは確かです。AN Frumkin は1936 年に表面電荷を使用して水滴の形状を変更しました。^[2]エレクトロウェッティングという用語は、1981 年に G. Beni と S. Hackwood によって初めて導入され、特許を取得した新しいタイプのディスプレイ デバイスの設計で提案された効果を説明しました。^[3]化学流体および生物学的流体を操作するためのマイクロ流体回路での「流体トランジスタ」の使用は、1980 年に J. Brown によって初めて調査され、その後 1984 ～ 1988 年に NSF 助成金 8760730 および 8822197 の下で資金提供されました。^[4]小型のインターリーブ（鋸歯状）電極と大型または対応するインジウムスズ酸化物（ITO）電極の大量アレイを使用して、ナノ液滴を直線状、円形、および方向付けられた経路にデジタル的に再配置し、流体をポンプまたは混合し、リザーバーを満たし、電子的または光学的に流体の流れを制御します。その後、NIHのJ.シルバーとの共同作業で、単一および非混和性の流体でデジタルPCRサブサンプルのアレイを移動、分離、保持、密封するためのEWODベースのエレクトロウェッティングが公開されました。^[5]

裸電極の上に絶縁層を使用するエレクトロウェッティングは、1993年にブルーノ・ベルゲによって研究されました。^[6]この誘電体コーティングされた表面でのエレクトロウェッティングは、裸電極上の従来のエレクトロウェッティングと区別するために、誘電体上のエレクトロウェッティング（EWOD） ^{[7]と呼ばれます。エレクトロウェッティングは、EWODシステムの金属電極を}半導体に置き換えることで実証できます。^{[8] [9]}エレクトロウェッティングは、ショットキーダイオードの電気回路構成でショットキー接点を形成するために半導体表面（シリコンなど）に直接置かれた導電性液滴（水銀など）に逆バイアスを印加した場合にも観察されます。この効果は「ショットキーエレクトロウェッティング」と呼ばれています。^[10]

エレクトロウェッティングによる液体のマイクロ流体操作は、最初に水中の水銀液滴で実証され^[11]、その後、空気中の水^[7]や油中の水で実証されました。^[12] 2次元経路上の液滴の操作は後に実証されました。^{[13] [14]} 液体が離散化され、プログラム可能に操作される場合、このアプローチは「デジタルマイクロ流体回路」^{[15] [16]}または「デジタルマイクロ流体工学」と呼ばれます。^[17]誘電体上のエレクトロウェッティング (EWOD) による離散化は、Cho、Moon、Kim によって最初に実証されました。^[18]

エレクトロウェッティング効果は、「固体と電解質の間に印加された電位差による固体電解質 接触角の変化」と定義されています。エレクトロウェッティングの現象は、印加された電界から生じる力の観点から理解できます。 ^{[19] [20]}電解質液滴の角にあるフリンジ電界は、液滴を電極に引き下げる傾向があり、マクロ的な接触角を下げ、液滴の接触面積を増やします。あるいは、エレクトロウェッティングは熱力学的観点から見ることもできます。界面の表面張力は、その表面の特定の領域を作成するために必要なヘルムホルツ自由エネルギーとして定義されるため、化学的要素と電気的要素の両方が含まれ、その方程式では電荷が重要な項になります。化学的要素は、電界のない固体/電解質界面の自然な表面張力です。電気的要素は、導体と電解質の間に形成されたコンデンサに蓄えられたエネルギーです。

エレクトロウェッティング挙動の最も簡単な導出は、その熱力学モデルを考慮することによって行われます。電気フリンジフィールドの正確な形状とそれが局所的な液滴の曲率にどのように影響するかを考慮することで、エレクトロウェッティングの詳細な数値モデルを取得することは可能ですが、そのようなソリューションは数学的にも計算的にも複雑です。熱力学的導出は次のように行われます。関連する表面張力を次のように定義します。

${\displaystyle \gamma _{ws}\,}$– 電解質と導体間の電気的および化学的表面張力の合計

${\displaystyle \gamma _{ws}^{0}\,}$– 電界ゼロ時の電解質と導体間の表面張力

${\displaystyle \gamma _{s}\,}$– 導体と外部環境との間の表面張力

${\displaystyle \gamma _{w}\,}$– 電解質と外部環境との間の表面張力

${\displaystyle \theta}$– 電解質と誘電体間のマクロ的な接触角

${\displaystyle C}$_{– 厚さtと誘電率єr}の均一誘電体の界面の面積あたりの静電容量_{єrє0 /} t

${\displaystyle V}$– 有効印加電圧、電解質から導体までの電界の積分

総表面張力をその化学的および電気的成分に関連付けると、次のようになります。

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

接触角はYoung-Dupre 方程式によって与えられますが、唯一の複雑な点は総表面エネルギーが使用されることです。 ${\displaystyle \gamma_{ws}}$

${\displaystyle \gamma _{ws}=\gamma _{s}-\gamma _{w}\cos(\theta )\,}$

2 つの式を組み合わせると、有効印加電圧に対する θ の依存性は次のようになります。

${\displaystyle \cos \theta =\left({\frac {\gamma _{s}-\gamma _{ws}^{0}+{\frac {CV^{2}}{2}}}{\gamma _{w}}}\right)\,}$

さらに複雑なのは、液体も飽和現象を示すことです。一定の電圧、つまり飽和電圧を超えると、それ以上の電圧の増加でも接触角は変化せず、極端な電圧では界面が不安定になるだけです。

しかし、表面電荷は表面エネルギーの 1 つの要素にすぎず、他の要素は誘導電荷によって確実に乱されます。したがって、エレクトロウェッティングの完全な説明は定量化されていませんが、これらの制限が存在することは驚くべきことではありません。

Klarmanら^[21]は最近、エレクトロウェッティングがシステムの詳細な形状によって影響を受ける全体的な現象として観察される場合、接触角飽和は、使用される材料に関係なく、普遍的な効果として説明できることを示しました。この枠組みでは、逆エレクトロウェッティング（接触角が電圧とともに増加する）も可能であると予測されます。

^{また、接触角飽和はすべての材料パラメータに対して不変であることがChevaloitt [22]}によって実験的に示されており、良質の材料が使用される場合、ほとんどの飽和理論は無効であることが明らかになっています。この同じ論文ではさらに、電気流体力学的不安定性が飽和の原因である可能性が示唆されていますが、この理論は証明されていませんが、他のいくつかのグループによっても示唆されています。

逆エレクトロウェッティング^[23]は、機械から電気への工学的スキームを介してエネルギーを収穫するために使用することができます。

もう一つのエレクトロウェッティング構成は、液体注入フィルム上のエレクトロウェッティングである。液体注入フィルムは、液体相と固体相の濡れ特性を微妙に制御することにより、多孔質膜内に液体潤滑剤を固定することによって実現される。液液界面における接触線のピンニングが無視できることを利用して、EWOLF の液滴応答は、従来の EWOD と比較して、スイッチング性と可逆性の程度が向上し、電気的に処理できる。さらに、多孔質膜への液体潤滑剤相の浸透は、粘性エネルギー散逸を効率的に高め、液滴の振動を抑制し、望ましいエレクトロウェッティング可逆性を犠牲にすることなく高速応答につながる。一方、EWOLF に関連する減衰効果は、液体潤滑剤の粘度と厚さを操作することによって調整できる。^[24]

オプトエレクトロウェッティング、^{[25] [26]}およびフォトエレクトロウェッティング^[27]は、どちらも光誘起エレクトロウェッティング効果です。オプトエレクトロウェッティングでは光伝導体を使用するのに対し、フォトエレクトロウェッティングでは光容量を使用し、エレクトロウェッティングに使用される液体/絶縁体/伝導体スタックの伝導体を半導体に置き換えた場合に観察できます。半導体の空間電荷領域内のキャリアの数を光学的に変調することにより、液滴の接触角を連続的に変えることができます。この効果は、ヤング・リップマン方程式の修正によって説明できます。

まだ調査中の理由により、理論的に予測されるエレクトロウェッティング挙動を示す表面は限られている。このため、表面をコーティングして機能化するために使用できる代替材料を使用して、予想される濡れ挙動を作り出す。たとえば、アモルファスフッ素ポリマーは広く使用されているエレクトロウェッティングコーティング材料であり、これらのフッ素ポリマーの挙動は適切な表面パターン化によって強化できることがわかっている。これらのフッ素ポリマーは、通常アルミホイルまたはインジウムスズ酸化物（ITO）で作られた必要な導電性電極をコーティングして、望ましいエレクトロウェッティング特性を作り出す。^[28]このようなポリマーは3種類市販されており、疎水性および超疎水性のFluoroPel VシリーズポリマーはCytonix社、CYTOPは旭硝子社、Teflon AFはデュポン社が販売している。SiO2やガラス上の金などの他の表面材料も使用されている。^{[29] [30]}これらの材料により、表面自体が電流の接地電極として機能することができる。^[30]

エレクトロウェッティングは現在、モジュール式から調整可能なレンズ、電子ディスプレイ（電子ペーパー）、屋外用電子ディスプレイ、光ファイバー用スイッチまで、幅広い用途に使用されています。 ^{[31]エレクトロウェッティングは、特に}ソフトマターの操作、コーヒーリング効果の抑制に最近注目されています。^[32]さらに、エレクトロウェッティング機能を備えたフィルターは、油流出の洗浄や油水混合物の分離に使用できることが提案されています。^[33]

エレクトロウェッティングに関する国際会議は2年ごとに開催されています。最新の会議は2018年6月18日から20日にオランダのトゥエンテ大学で開催されました。^[34]

エレクトロウェッティング会議の過去の開催地は、モンス (1999 年)、アイントホーフェン (2000 年)、グルノーブル (2002 年)、ブラウボイレン (2004 年)、ロチェスター (2006 年)、ロサンゼルス (2008 年)、浦項 (2010 年)、アテネ (2012 年)、シンシナティ (2014 年)、台北 (2016 年) です。

• 金属半導体接合
• マイクロ流体
• ソフトマター
• 濡れ

• 国立台湾大学の Fan-TASY ラボ (2020 年アーカイブ)
• トロント大学ウィーラーマイクロ流体研究所
• デューク大学デジタルマイクロ流体研究所
• トゥエンテ大学の複雑流体物理学
• エレクトロウェッティングを説明する図
• エレクトロウェッティングディスプレイの進歩
• シンシナティ大学 UC NanoLab のナノエレクトロニクス研究所
  • シンシナティ大学のナノラボ研究
• Liquidvista 低周波エレクトロウェッティング 6.2 インチ ディスプレイ
• エレクトロウェッティングプロトタイピングに特化した完全なシステムとデバイスの開発。シンシナティ大学とのコラボレーション。