CN113495355A - 基于浸润表面复合介电层的电润湿液体透镜以及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于浸润表面复合介电层的电润湿液体透镜以及制作方法，电润湿液体透镜包括具有腔体的基质、极性液体和非极性液体，极性液体和非极性液体盛装在腔体内并能够在腔体内形成一分界面，在基质上设有导电层，在导电层通电后能够对极性液体施加电压以改变分界面的形状，其中，在基质的内壁上覆盖有与极性液体直接接触的浸润表面复合介电层，浸润表面复合介电层包括多孔绝缘层和形成在多孔绝缘层表面的超滑液膜层，多孔绝缘层覆盖在电极上并能够吸收超滑液体。本发明具有反应速度快、可恢复性强的优点。

Description

基于浸润表面复合介电层的电润湿液体透镜以及制作方法

技术领域

本发明涉及透镜技术领域，具体涉及一种基于浸润表面复合介电层的电润湿液体透镜和基于浸润表面复合介电层的电润湿液体透镜的制作方法。

背景技术

电润湿(Electrowetting，EW)是指通过改变液滴与绝缘基质之间电压，来改变液滴在基质上的润湿性，即改变接触角，使液滴发生形变、位移的现象。电润湿技术已经开始广泛地被用作各种流体及电光设备的驱动机制。利用电润湿现象的液体透镜如同人的眼睛一样，能够自动地适应所瞄准的对象，而不需要机械装置的辅助，只需改变两极电压来修改液体的外形，就可达到聚焦和变焦的目的。

与传统的透镜相比，电润湿透镜具有非偏振依赖性、成本低、耗电量小、变焦速度快、寿命长、成像的质量好等优点。另外，利用电润湿现象，还可以制造显示器装置。

现有的电润湿透镜大多依赖于固体疏水层，由于液体、固体物理性质的差异，基于固体介电质的电润湿透镜在工作时会出现以下两个问题：

1)由于固体表面接触线钉扎效应导致接触角滞后较大以及大电压下接触角饱和影响，想要实现大角度范围下的液体接触角控制依旧具有挑战性。目前的基于固体介电质的电润湿透镜只能实现有限角度变化范围和有限调控次数下的形状控制，即有限的可恢复性。

2)施加电压时，由于受到外部激励电场的瞬间作用，基于固体介电质的电润湿透镜内部的极性液体无可避免的会出现震荡现象，从而延长了从开始施加电压到透镜呈现清晰图像的时间间隔，导致电润湿透镜响应时间过长。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于浸润表面复合介电层的电润湿液体透镜以及制作方法，具有反应速度快、可恢复性强的优点。

为了实现上述目的，一方面，本发明提供了一种基于浸润表面复合介电层的电润湿液体透镜，包括具有腔体的基质、极性液体和非极性液体，极性液体和非极性液体盛装在腔体内并能够在腔体内形成一分界面，在基质上设有导电层，在导电层通电后能够对极性液体施加电压以改变分界面的形状，其中，在基质的内壁上覆盖有与极性液体直接接触的浸润表面复合介电层，浸润表面复合介电层包括多孔绝缘层和形成在多孔绝缘层表面的超滑液膜层，多孔绝缘层覆盖在电极上并能够吸收超滑液体。

根据本发明的另一种具体实施方式，多孔绝缘层为纳米尺度材料所形成的多孔结构。

根据本发明的另一种具体实施方式，形成超滑液膜层的超滑液体为能够被多孔绝缘层所吸收的低表面张力的油。

根据本发明的另一种具体实施方式，基质包括底层基质、多个侧面基质、顶层基质，顶层基质的底部设有疏水层，位于腔体内的非极性液体靠近疏水层，位于腔体内的极性液体远离疏水层。

根据本发明的另一种具体实施方式，浸润表面复合介电层分布在对称的两个侧面基质上。

根据本发明的另一种具体实施方式，导电层至少包括两块电极，两块电极分别电连接浸润表面复合介电层。

根据本发明的另一种具体实施方式，基质采用透明材料制成，导电层采用透明导电材料制成，极性液体为透明液体，其选自水、氯化钠水溶液、氯化钾水溶液中的至少一种，非极性液体为透明液体，其选自硅油、癸烷、十二烷、十四烷中的至少一种。

另一方面，本发明提供了一种基于浸润表面复合介电层的电润湿液体透镜的制作方法，包括：

提供底层基质；

提供侧面基质，在侧面基质上设有导电层和浸润表面复合介电层，导电层能够与浸润表面复合介电层之间可以形成开路电压，极性液体受电场影响改变形状；

其中浸润表面复合介电层的形成过程为：

1)在侧面电极表面上形成多孔材料层；

2)将超滑液体注入多孔材料层并在多孔材料层的表面形成液膜；

3)多孔材料层充分吸收超滑液体并稳定后，形成超滑液膜层；

提供顶层基质，其中底层基质、侧面基质和顶层基质围合形成密封的腔体，在腔体内盛装有极性液体和非极性液体，所盛装的极性液体和非极性液体能够在腔体内形成一分界面，对导电层施加不同电压能够改变分界面的形状。

根据本发明的另一种具体实施方式，在顶层基质的底部形成有疏水层，腔体内的非极性液体靠近疏水层，极性液体远离疏水层。

根据本发明的另一种具体实施方式，采用滴注法将极性液体和非极性液体滴注在腔体内，再将顶层基质覆盖并密封腔体。

本发明具备以下有益效果：

本发明能够消除在液－液体表面上的接触线钉扎效应，进行电润湿操作时，可以实现完全的可恢复性；同时由于超滑液膜形成浸润表面复合介电层所形成的液－液界面可以加快透镜的粘性能量耗散，因此将极性液体受电场瞬态激励而产生的欠阻尼震荡转化为临界阻尼震荡，加快了电湿润透镜的反应速度，减小响应时间以达到快速成像目的。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明润湿液体透镜的剖面示意图；

图2是本发明润湿液体透镜中浸润表面复合介电层的示意图；

图3是本发明润湿液体透镜施加一定电压后的剖面示意图；

图4是本发明制作方法的流程示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。

实施例1

图1示出了一种基于浸润表面复合介电层的电润湿液体透镜的剖面示意图，包括底层基质104、竖立于底层基质104两侧的左侧面基质102和右侧面基质103、顶层基质101，在底层基质104上设置有部分占有底层基质104上表面的第一底层电极202和第二底层电极204，在左侧面基质102上设置有左侧面电极201，相应的，在右侧面基质103上设置有右侧面电极203，并且在左侧面电极201和右侧面电极203上分别覆盖有浸润表面复合介电层401(402)。

本实施例中的基质还具有其他侧面基质，底层基质104、左侧面基质102、右侧面基质103、顶层基质101以及其他侧面基质围合形成腔体，在腔体内盛装有极性液体601和非极性液体602。

进一步的，顶层基质101的底部还分布有疏水层501。

疏水层501与非极性液体602由于受双方表面自由能的作用而使得两者始终紧密相连，从而使得位于同一空间中的极性液体601和非极性液体602分为上下两层，并且，非极性液体602靠近疏水层501，而极性液体601远离疏水层501，如图1所示，非极性液体602靠近疏水层501位于腔体内的上方，极性液体601远离疏水层501位于腔体内的下方，在极性液体601和非极性液体602之间形成一分界面。

本实施例中极性液体601和非极性液体602均为透明液体，极性液体601的材料可以选自水、氯化钠水溶液、氯化钾水溶液等，非极性液体602的材料可以选自硅油、癸烷、十二烷、十四烷等。

第一底层电极202和左侧面电极201形成一导电层，第二底层电极204和右侧面电极203形成一导电层，第一底层电极202、左侧面电极201、第二底层电极204和右侧面电极203可以是由ITO(Indium Tin Oxide，氧化铟锡)、IZO(Indium Zinc Oxide，氧化铟锌)或其他透明导电材料形成。

本实施例中的基质(包含底层基质104、左侧面基质102、左侧面基质102和顶层基质101)均为透明材料，其可以是玻璃或高分子透明材料等，疏水层501可以采用含氟或含氯类的疏水性的高分子材料，或含氟或含氯类的自聚性分子膜(比如全氟辛基－三氯硅烷)。

浸润表面复合介电层401包括多孔材料层301和超滑液膜层303(浸润表面复合介电层402包括多孔材料层302和超滑液膜层304)；

多孔材料层301为纳米尺度材料所形成的多孔结构，例如为PTFE多孔薄膜或二氧化硅纳米球形成的多孔结构。

形成超滑液膜层303的超滑液体为能够被多孔绝缘层所吸收的低表面张力的油，比如3M公司Fluorinert氟化液，杜邦Krytox GPL系列润滑油，或者硅油。

以位于左侧的浸润表面复合介电层401为例进行详细介绍其制作过程：

在制作时先在左侧面电极201(左侧面基质102)上制备处多孔的PTFE膜作为多孔材料层301，再将超滑液体缓慢注入到PTFE膜上，使得多孔的PTFE薄膜可以充分吸收这些超滑液体，最后会在PTFE膜上形成一层超滑液膜层303，二者复合形成左侧浸润表面复合介电层401。

图2示出了浸润表面复合介电层401的微观结构，该图是浸润表面复合介电层的一种微观结构，除了这种结构外，也可以使用其他方法形成类似的多孔结构，通过向其中注入超滑液体，形成浸润表面复合介电层。如图2所示，首先制备出多孔材料层301，例如在平面介电层衬底基质a上通过自组装等方式形成多层二氧化硅纳米球多孔结构，再将其硅烷化疏水处理后向其缓慢注入超滑液体，在毛细力的作用下超滑液体会自发的铺展并浸润二氧化硅纳米球间的多孔区域，最终会在多孔绝缘材料层上形成超滑液膜层303。

如1图所示，当在第一底层电极202与左侧面电极201、第二底层电极204与右侧面电极203之间未施加电压时，基于浸润表面复合介电层401(402)具有疏水性，以图中左侧的浸润表面复合介电层401进行举例介绍如下：

极性液体601、非极性液体602由于与具有疏水性的浸润表面复合介电层401的润湿角度不同，与浸润表面复合介电层401接触的极性液体601具有比非极性液体602更大的接触角，因此，处于平衡状态时，极性液体601与非极性液体602之间的表面呈现如图所示的向非极性液体602一侧凸出的凸面形状。

极性液体601与非极性液体602之间的表面的形状基于左侧面电极201与第一底层电极202之间的电场强度大小、右侧面电极203与第二底层电极204之间的电场强度大小的改变而改变。

根据Young＇s Equation(杨氏方程式)，电场能改变液体与其所在介面上的接触角的大小，从而改变该液体的形状，如3图所示，以左侧为例，当在左侧面电极201与第一底层电极202之间施加一定的电压时，在左侧面电极201与第一底层电极202之间形成电场，由于极性液体601处在电场中受到电场力的作用，其在复合介电层401上的浸润特性将发生变化，施加于其的电场越强，其与浸润表面复合介电层401的接触角也将减小，因此导致极性液体601与非极性液体602的结合处在左侧产生表面形状的变化，右侧施加相同强度的电场，会产生同等的效应。

极性液体601与非极性液体602之间的表面根据所受的电场强度的不同而可能具有不同的形状，例如，极性液体601与非极性液体602之间的表面可以呈现出如图3所示的向极性液体601一侧凹进的凹面形状。

根据施加在左侧面电极201与第一底层电极202、右侧面电极203与第二底层电极204之间的电压的大小，极性液体601与非极性液体602之间的表面可以呈现向非极性液体602一侧凸出的凸面、平面或者向极性液体601一侧凹进的凹面等不同的形状。

本实施例中极性液体601和非极性液体602的厚度范围均介于10－20000微米，具体厚度由实际应用场景决定，在满足该电润湿透镜具有较大穿透率的同时，又可以使得极性液体601和非极性液体602之间的界面处可以自由快速地形成所需要的形状。

本实施例的电润湿透镜根据在左侧面电极201与第一底层电极202、右侧面电极203与第二底层电极204之间施加的电场强度的大小来改变腔体中的极性液体601与非极性液体602之间的表面形状，从而使得本实施例中的电润湿透镜可以分别呈现出凸透镜、平光透镜或者凹透镜等特性，根据本实施例的电润湿透镜所呈现出的凸透镜、平光透镜以及凹透镜三种光学透镜的不同光学特性，本实施例的电润湿透镜可以应用于立体(3D)显示、2D和3D相互切换的显示或者其他显示领域中。

本实施例是以左侧面电极201和右侧面电极203具有整面的电极结构，第一底层电极202和第二底层电极204具有部分面电极结构为例进行描述的，然而本发明的电极结构并不限于此，在本发明的其他示例中可以根据设计需求进行适应性改变，

例如：将左侧面电极201与第一底层电极202均设置在第一侧面基质，将右侧面电极203与第二底层电极204均设置在第二侧面基质，施加电压后改变极性液体601、与非极性液体602的形状。

再例如：将左侧面电极201与第一底层电极202上下平行放置，将右侧面电极203和第二底层电极204上下平行放置，施加电压后改变极性液体601、与非极性液体602的形状。

总之，本发明的左侧面电极201、右侧面电极203、第一底层电极202和第二底层电极204的具体形状、位置可以是多样的，所有能够产生所需要的电场，使得能够改变极性液体601与非极性液体602之间的表面形状的结构设计及其等同变换以实现电润湿液体透镜功能的，均在本发明的保护内。

实施例2

一种基于浸润表面复合介电层的电润湿液体透镜的制作方法，能够制作实施例1中的电润湿液体透镜，参件图4并结合图1－3，包括：

步骤S10、提供底层基质104；

步骤S11、在底层基质104上形成第一底层电极202和第二底层电极204；

步骤S20、提供对称的左侧面基质102和右侧面基质103；

步骤S21、在左侧面基质102上形成左侧面电极201，在右侧面基质103上形成右侧面电极203；

步骤S22、在左侧面电极201和右侧面电极203上形成浸润表面复合介电层，其中浸润表面复合介电层的形成过程为：

1)在侧面电极表面上形成多孔材料层301；

2)将超滑液体注入多孔材料层301并在多孔材料层301的表面形成液膜；

3)多孔材料层301充分吸收超滑液体并稳定后，形成超滑液膜层303；

步骤S30、提供顶层基质101；

步骤S31、在顶层基质101下形成疏水层501。

步骤S40、底层基质104和侧面基质和顶层基质101形成腔体；

步骤S50、采用滴注法在腔体内注入极性液体601和非极性液体602，其中极性液体601在下，非极性液体602在上，极性液体601和非极性液体602能够在腔体内形成一分界面；

步骤S60、将顶层基质101盖合以密封腔体，从而得到基于浸润表面复合介电层的电润湿液体透镜，通过对第一底层电极202与左侧面电极201、第二底层电极204与右侧面电极203施加相同的电压，改变分界面的形状。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于浸润表面复合介电层的电润湿液体透镜，包括具有腔体的基质、极性液体和非极性液体，所述极性液体和所述非极性液体盛装在所述腔体内并能够在所述腔体内形成一分界面，在所述基质上设有导电层，在所述导电层通电后能够对所述极性液体施加电压以改变所述分界面的形状，其中，在所述基质的内壁上覆盖有与极性液体直接接触的浸润表面复合介电层，所述浸润表面复合介电层包括多孔绝缘层和形成在所述多孔绝缘层表面的超滑液膜层，所述多孔绝缘层覆盖在所述电极上并能够吸收超滑液体。

2.如权利要求1所述的基于浸润表面复合介电层的电润湿液体透镜，其中，所述多孔绝缘层为纳米尺度材料所形成的多孔结构。

3.如权利要求2所述的基于浸润表面复合介电层的电润湿液体透镜，其中，形成所述超滑液膜层的超滑液体为能够被所述多孔绝缘层所吸收的低表面张力的油。

4.如权利要求1所述的基于浸润表面复合介电层的电润湿液体透镜，其中，所述基质包括底层基质、多个侧面基质、顶层基质，所述顶层基质的底部设有疏水层，位于所述腔体内的所述非极性液体靠近所述疏水层，位于所述腔体内的所述极性液体远离所述疏水层。

5.如权利要求4所述的基于浸润表面复合介电层的电润湿液体透镜，其中，所述浸润表面复合介电层分布在对称的两个所述侧面基质上。

6.如权利要求5所述的基于浸润表面复合介电层的电润湿液体透镜，其中，所述导电层至少包括两块电极，两块所述电极分别电连接所述浸润表面复合介电层。

7.如权利要求1所述的基于浸润表面复合介电层的电润湿液体透镜，其中，所述基质采用透明材料制成，所述导电层采用透明导电材料制成，所述极性液体为透明液体，其选自水、氯化钠水溶液、氯化钾水溶液中的至少一种，所述非极性液体为透明液体，其选自硅油、癸烷、十二烷、十四烷中的至少一种。

8.一种基于浸润表面复合介电层的电润湿液体透镜的制作方法，包括：

提供底层基质；

提供侧面基质，在侧面基质上设有导电层和浸润表面复合介电层，导电层能够与浸润表面复合介电层之间形成开路电压，极性液体受电场影响改变形状；

其中浸润表面复合介电层的形成过程为：

1)在侧面电极表面上形成多孔材料层；

2)将超滑液体注入多孔材料层并在多孔材料层的表面形成液膜；

3)多孔材料层充分吸收超滑液体并稳定后，形成超滑液膜层；

提供顶层基质，其中底层基质、侧面基质和顶层基质围合形成密封的腔体，在腔体内盛装有极性液体和非极性液体，所盛装的极性液体和非极性液体能够在腔体内形成一分界面，对导电层施加不同电压能够改变分界面的形状。

9.如权利要求8所述的基于浸润表面复合介电层的电润湿液体透镜的制作方法，其中，在顶层基质的底部形成有疏水层，腔体内的非极性液体靠近疏水层，极性液体远离疏水层。

10.如权利要求8所述的基于浸润表面复合介电层的电润湿液体透镜的制作方法，其中，采用滴注法将极性液体和非极性液体滴注在腔体内，再将顶层基质覆盖并密封腔体。

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