KR100691372B1

KR100691372B1 - 신뢰성이 확보된 전해액을 포함하는 전기 습윤 장치

Info

Publication number: KR100691372B1
Application number: KR1020050098493A
Authority: KR
Inventors: 배재영; 김종윤; 정하용; 심지혜
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2005-10-19
Publication date: 2007-03-12
Also published as: US20070091455A1; DE602006000895D1; CN1952726A; ATE391933T1; EP1777556A1; DE602006000895T2; JP2007114784A; EP1777556B1

Abstract

본 발명은 전기 습윤 현상을 이용한 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전해액 및 선택적으로 절연액을 포함하며, 상기 전해액은 몰질량이 100 이하이고, 용해도가 27 이상인 제1 염, John-Dole 상수가 음의 값을 갖는 이온을 포함하는 구조 파괴자 계열의 제2 염 및 세트슈노우 상수(k_s)가 0.150 이상의 값을 갖는 이온을 포함하는 제3 염을 포함하며, 상기 염은 전해액의 총 중량에 대하여 10-30 중량%의 범위로 존재하는 전해액을 포함하는 전기 습윤 장치에 관한 것이다.

본 발명의 전기 습윤 장치는 각각의 특성을 갖는 여러 종류의 염을 혼합하여 사용함으로써, 용해도, 어는점, 온도에 따른 점도 변화 및 절연액과의 분리 특성을 모두 고려하여 온도에 따른 신뢰성을 만족하는 전해액을 갖는 전기 습윤 장치를 얻을 수 있다.

전기 습윤 장치, 전해액, 염, 몰분자량, 용해도, 어는점, 점도변화, 신뢰성

Description

신뢰성이 확보된 전해액을 포함하는 전기 습윤 장치{Electrowetting System Comprising Conducting Liquid With Reliability}

도 1은 일반적인 전기 습윤 시스템을 개략적으로 도시한 도면이고,

도 2는 전압 인가시의 액체 구동 모습을 개략적으로 도시한 도면이고,

도 3은 전압 인가시의 계면의 곡률이 변화하는 모습을 도시한 도면이며,

도 4는 물의 온도에 따른 점도 변화를 나타내는 그래프이다.

본 발명은 전기 습윤 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 염의 종류와 농도를 조절하여 온도에 따른 구동 성능의 신뢰성을 확보한 전도성 액체를 사용하는 전기 습윤 장치에 관한 것이다.

전기 습윤 현상이란 계면에 존재하는 전하를 조절하여 계면의 장력이 변화하는 현상을 말한다. 이러한 전기 습윤 현상을 이용하면 미소액체 및 액체 내의 미소 입자를 제어할 수 있기 때문에, 최근 전기 습윤 현상을 이용한 다양한 제품들이 연구되고 있다. 전기 습윤 현상을 이용한 적용 분야로는 액체 렌즈, 마이크로 펌프, 디스플레이 장치, 광학 장치, MEMS 분야 등을 들 수 있는데, 특히 Auto-Focus를 위한 액체 렌즈는 기존 렌즈의 구동방식과 비교하여 작은 사이즈, 낮은 소비전력, 그리고 빠른 응답 속도 등의 많은 장점이 있다.

이러한 전기 습윤 장치를 구현하기 위해서는 구동 성능, 광학 성능, 재현성, 안정성, 신뢰성 등을 고려해야 하는데, 특히 전압인가 시 액체의 계면이 떨리거나 흔들리는 문제(unstable moving)가 없이 안정적인 형상을 유지해야만 원하는 목적을 이룰 수 있으며, 초소형 정밀 전자기기에 사용되기 위해 구동전력이 낮고 응답속도가 빨라야 한다. 또한 액체 상태의 물질은 온도에 따른 물리적 특성의 변화가 크므로, 신뢰성 확보를 위해 온도에 따른 물성의 변화를 최소화시키는 것이 중요하다.

전기 습윤(electrowetting)이란, 계면에 존재하는 전하에 따라 계면의 표면장력이 변화되어 접촉각(contact angle)이 변화되는 현상에서 파생된 것으로, 특별히 계면에 작용하는 전위차가 높도록 계면에 얇은 절연체가 존재하는 경우를 의미한다. 도 1은 이와 같은 일반적인 전기 습윤 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.

전해질 안에 존재하는 전하는 화학적 특성에 의해 경계로 이동하려는 특성을 가지고 있다. 이때 외부에서 전기장을 인가해주면 이와 같은 특성은 더욱 강해지며, 특히 경계가 겹치는 TCL(Triple Contact Line)에서는 전하의 농도가 크게 증가한다. 이와 같은 현상은 전하간 존재하는 반발력을 증가시키며, 이는 액정의 가장자리(edge)에서 표면장력이 낮아지는 결과를 가져오게 된다.

전기습윤 현상들은 미소 유체의 이송, 혼합 및 코팅 속도의 증가, 광 스위치 등과 같은 많은 분야에 응용이 가능하며, 근래 들어 액체 렌즈, 마이크로 펌프, 디스플레이 장치, MEMS 및 미소유체 분야에서 세계적으로 이를 위한 많은 연구가 진행되고 있다.

이러한 현상을 이용하여 전기 습윤 장치를 구성하기 위해서는 기본적으로 한 가지 혹은 그 이상의 액체가 필요하며, 특히 전기적인 특성을 지니고 실질적인 구동 역할을 하는 전도성 액체의 특성이 가장 중요하다고 할 수 있다. 일반적으로 이러한 전해액은 순수한 물에 전기적인 성질을 부가하기 위한 염(Na₂SO₄, LiCl 등)을 소량 첨가하여 사용하고 있다. 도 2는 이와 같은 전해액을 사용하여 일반적인 전기습윤 시스템을 구성하였을 경우 전압 인가시 전해액이 동작하는 모습을 도식화한 도면이다.

전기습윤 시스템 내의 절연막이 코팅되어 있는 전극 위에 전해액 방울을 떨어뜨린 후 전압을 걸어주면, 전해액 내의 전하의 이동으로 인해, 도 2와 같이 전해액 방울이 절연막의 표면 위로 퍼지는 현상이 발생한다.

이와 같은 원리를 정밀 전자기기에 응용하기 위해서 고도의 신뢰성을 확보하는 것이 중요하다. 그러나, 종래 기술은 전해액에 첨가되는 염이 상기 액체에 전기적 성질을 부여하는 것만을 목적으로 하였으며, 전해액의 온도에 따른 신뢰성 확보에 대해서는 전혀 관심을 두지 않았다. 또한, 전해액에 유기용매를 첨가하여 액체간 굴절율 차이를 크게 함으로써 보다 우수한 광학 성능을 얻는 것을 목적으로 하였으나, 이들 선행기술들은 단지 상온에서의 광학특성을 향상시키기 위한 것으로서, 온도 변화에 따른 신뢰성 확보와는 거리가 있다.

이와 같은 전기 습윤 시스템은 다양한 전자기기에 응용하기 위해 온도에 따른 신뢰성을 확보하는 것이 중요하다. 일반적인 전자기기의 경우 -40℃~+85℃의 온도 구간에서 구동 신뢰성이 확보되어야 한다. 액체 상태의 물질은 고체 상태의 물질에 비해 온도에 따른 물리적 성질의 변화가 크기 때문에, 이를 구동 특성에 영향을 주지 않도록 최소화하는 방향으로 특성을 조절해 주어야 한다.

본 발명에서 사용하는 전해액은 그 상이 온도에 따른 물성의 변화가 큰 액체이므로, 상기 액체의 특성을 조절하여 온도에 따른 물성의 변화를 최소화하고 온도에 따른 신뢰성을 확보하기 위해 염의 종류와 농도를 최적화하는 것이 본 발명의 목적이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 전해액 및 선택적으로 비전도성 액체(이하, '절연액'이라 한다)를 포함하며, 상기 전해액은 몰질량이 100 이하이고, 용해도가 27 이상인 제1 염, John-Dole 상수가 음의 값을 갖는 이온을 포함하는 구조 파괴자 계열의 제2 염 및 세트슈노우 상수(k_s)가 0.150 이상의 값을 갖는 이온을 포함하는 제3 염을 포함하며, 상기 염은 전해액의 총 중량에 대하여 10-30 중량%의 범위로 존재하는 전해액을 포함하는 전기 습윤 장치를 제공한다.

이하 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 3은 액체 렌즈의 일례로서, 전압 인가시 내부의 액체가 구동하는 모습을 도식화한 것이다. 액체렌즈는 그 특성상 서로 섞이지 않는 2 종류의 액체, 즉 전기적 특성을 갖는 실제 구동 역할을 하는 전해액과 전해액의 움직임에 따라 상대적으 로 모양이 변하여 렌즈의 역할을 하는 비전도성 오일이나 액체(이하, '절연액'이라 한다)가 서로 계면을 형성하면서 존재하는 구조를 갖는다.

본 발명에 따르면, 전기 습윤 시스템에 사용되는 전해액은 몰질량이 100 이하이고, 용해도가 27 이상인 염을 사용하는 것이 바람직하다.

일반적으로 물에 염을 첨가함에 따라 물의 여러 가지 물성이 달라진다. 일반적으로 염을 첨가하면 수용액의 밀도가 증가한다. 또한, 염을 첨가하면, 그 몰랄 농도에 비례하여 수용액의 어는 점이 낮아진다. 액체 렌즈로 이용될 때, 저온에서 전해액이 어는 것을 방지하기 위해 과량의 염을 첨가할 필요가 있다. 즉, -40℃에서 얼지 않기 위해 물 100g당 1몰 이상의 염의 첨가가 요구된다. 표 1에 전기 습윤 장치의 전해액에 첨가될 수 있는 여러 가지 가용성 염의 몰질량과 용해도를 몰질량 크기 순서에 따라 나타낸다.

염	몰질량	용해도 (0℃, 100g)	염	몰질량	용해도 (0℃, 100g)
LiCl	42.4	67.0	CaCl₂	111.0	59.5
NH₄Cl	53.5	29.4	KBr	119.0	53.5
NaNl	58.4	35.7	MgSO₄	120.4	26.0
KCl	74.6	27.6	Na₂SO₄	142.0	4.8
NaNO₃	85.0	73.0	CuSO₄	159.6	19.2
KNO₃	101.1	13.3	K₂SO₄	174.3	7.35

액체 렌즈 구성에서 절연액을 구성하는 실리콘 오일 계열의 물질은 대부분 밀도가 1.0 이하인데, 액체 렌즈의 특성상 전해액과 절연액의 밀도는 같아야 하므로, 전해액의 밀도를 최소화하기 위해 몰질량이 작은 염을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 염 중 몰질량이 100 이하인 염이 전해액의 밀도를 최소화하여 절연액의 밀도와 같은 값을 갖도록 할 수 있으며, 나아가 27 이상의 용해도를 갖는 것을 사용함으로써 -40℃에서 얼지 않도록 하므로, 몰 질량이 100 이하이고, 용해도가 27 이상인 염을 사용하는 것이 바람직하다.

이와 같이 몰질량이 100 이하이고, 용해도가 27 이상인 염으로는 상기 표 1에 기재된 바와 같이 LiCl, NHCl, NaCl 및 KCl 등을 들 수 있다.

또한, 본 발명의 전해액에 사용되는 염은 Jones-Dole 상수가 음의 값을 갖는 이온을 포함하는 구조 파괴자 계열의 염을 사용하는 것이 바람직하다.

염을 첨가하였을 때, 수용액의 점도는 다음 식 1로 나타낼 수 있다.

η: 염을 포함한 수용액의 점도

η₀ : 순수한 물의 점도

c: 염의 농도

A: Debye-Hunkel 상수

B: Jones-Dole 상수

이때, 상수 B가 양의 값에 따라 구조 생성자(kosmotrope) 및 구조 파괴자(chaotrope) 이온으로 구분하며, 상기 구조 생성자 이온은 상수 B(Jones-Dole 상수)가 양의 값을 가지며, 구조 파괴자 이온은 음의 값을 갖는다.

이와 같이 상수 B가 음의 값을 갖는 이온을 전해액에 첨가하면, 물 분자의 구조적 결합을 방해하여 물 분자 간의 수소결합의 수가 줄어들게 되고, 나아가 수용액의 점도를 감소시켜 온도 변화에 따른 점도 변화를 감소시키므로 구조 파괴자 계열의 염을 사용하는 것이 바람직한 것이다.

전기 습윤 장치에 사용되는 전해액에 구조 생성자 이온을 첨가하면 이온 주위에 물 분자가 구조적으로 배열하며, 강하게 결합하게 되어 수용액의 점도가 높아진다. 전해액의 점도가 너무 낮으면 전압 인가시 표면 떨림 현상이 발생하므로 전기 습윤 장치의 안정적인 구동을 위해 수용액의 점도가 순수한 물보다 높은 것이 바람직하나, 온도가 낮아질 때 물의 점도가 증가하는 이유는 물 분자가 더 구조적 으로 배열하고, 물 분자 사이의 수소결합의 수가 증가하여 분자 간의 결합력이 강해지기 때문에, 도 4에 나타낸 것처럼 저온으로 갈수록 물의 점도가 지수적으로 상승하게 된다. 따라서 저온에서 점도가 계면 안정화에 필요한 이상으로 커지면 구동 속도가 느려지는 문제가 발생하게 되어, 전기 습윤 장치의 전해액으로서는 바람직하지 않다.

또한, 상기한 바와 같이 전해액의 점도는 순수한 물 보다 높은 것이 바람직하나, 가용성 염을 첨가하면 이온과 물 분자 간의 전기적 결합력으로 물 분자를 배열시켜 물 분자 사이의 결합을 강하게 하거나 약하게 하여 수용액의 점도를 변화시킬 수 있으므로, 별도의 극성 용매를 첨가하여 계면 안정화를 확보할 수 있어, 저온 구동 신뢰성 확보를 위해 온도에 따른 수용액의 점도 변화를 낮추는 염을 사용하는 것이 바람직하다.

일반적으로 크기가 작고, 전하가 큰, 즉 이온 주위의 전하 밀도가 높은 이온(Li⁺, Mg² ⁺, Ca² ⁺, F^- 등)이 구조 생성자 이온에 속하고, 전하 밀도가 낮은 이온(Cs⁺, Br^-, I^- 등)이 구조 파괴자 이온에 속한다. K⁺와 Cl^-는 두 분류의 경계(Jones-Dole 상수가 0에 근접)에 있는 것으로 보인다. 또한, NH₄ ⁺, NO₃ ^-와 같은 두 개 이상의 원자로 구성된 이온의 경우에도 전하 밀도가 낮아서 구조 파괴자 이온으로서 역할을 할 수 있다.

상기 표 1에 기재된 이온 분류에서 구조 파괴자 이온에 속하는 이온들은 점도를 감소시키는 효과가 있고, 특히 K⁺, Cl^-, I^- 등의 이온은 수용액의 온도가 감소함에 따라 Jones-Dole 상수가 더 작아지게 된다. 이와 같이 Jones-Dole 상수가 음의 값을 갖는 이온을 포함하는 염을 사용할 경우 저온 구동시간 신뢰성을 확보할 수 있다.

몰 질량이 작고 용해도가 높아 전해액용 전해질로서 사용 가능성이 높은 LiCl의 함량에 따른 수용액의 물성과 어는점 변화에 대해 표 2 및 표 3에 각각 나타내었다. 염의 농도가 증가함에 따라 밀도, 점도, 굴절율 및 표면 장력이 모두 증가하는 경향을 보임을 알 수 있다. 점도와 표면 장력이 증가하는 것으로 보아, Li⁺ 이온이 구조 생성자 이온으로 역할을 하여 물분자 사이의 결합력을 증가시킴을 알 수 있다. 또한, 전해액에 다른 첨가제(부동액)를 사용하지 않을 때, LiCl의 농도를 20% 이상으로 유지해야 저온에서 전해액이 얼지 않아 저온 구동 신뢰성을 만족할 수 있게 된다.

No.	전해액	밀도 (g/㎤)	점도 (mPa·s)	굴절율 (nD²⁰)	표면장력 (mN/m)
1	H₂O 100% LiCl 0%	1.000	1.4	1.3329	70.9
2	H₂O 99% LiCl 1%	1.006	1.2	1.3350	71.3
3	H₂O 90% LiCl 10%	1.055	2.4	1.3538	74.7
4	H₂O 80% LiCl 20%	1.105	2.8	1.3716	79.2
5	H₂O 70% LiCl 30%	1.154	4.8	1.3890	84.2

시료	어는점(℃)	저온 방치 테스트
시료	어는점(℃)	-10℃	-20℃	-30℃	-40℃
5% LiCl	-	얼음	얼음	얼음	얼음
10% LiCl	-29.6	정상	얼음	얼음	얼음
15% LiCl	-45.5	정상	정상	얼음	얼음
20% LiCl	-54.7	정상	정상	정상	정상

그러나 저온에서 수용액의 점도가 증가하여 구동 속도가 느려지는 문제를 개선하기 위해서는 LiCl 보다 KCl, KBr, NH₄Cl, KNO₃ 등의 구조 파괴자 계열 이온을 주로 하여 구성된 염을 사용하는 것이 보다 바람직하다. 그러나 이러한 염의 경우 몰질량이 커서 수용액의 밀도가 커지고, 물에 대한 용해도가 작아서 과량 첨가하였을 경우, 저온에서 석출될 우려가 있다.

따라서, 액체 렌즈로 작동하기 위한 어는점, 밀도, 저온 구동 속도의 모든 물성을 만족시키기 위해 몰질량이 작고, 용해도가 높은 LiCl과 저온에서 수용액의 점도를 감소시켜줄 구조 파괴자 계열 염을 적정 비율로 혼합하여 사용할 때, 좋은 구동 특성을 얻을 수 있다.

이와 같은 구조 파괴자 계열의 염은 John-Dole 상수가 음의 값을 갖는 것이며, 그 구체적인 예로서는 Cs⁺, Br^-, I^-, K⁺, Cl^-, NH₄ ⁺ 및 NO₃ ^-를 들 수 있다. 이와 같은 염을 전해액에 첨가함으로써, 온도 변화에 따른 점도변화, 즉, 온도 감소에 따른 점도 증가를 최소화할 수 있어 저온 구동 시간 신뢰성을 확보할 수 있게 되는 것이다.

본 발명의 전해액은 세트슈노우 상수(k_s)가 0.150 이상의 값을 갖는 이온을 포함하는 염을 사용하는 것이 바람직하다.

수용액에 염을 첨가하면, 비극성 분자의 수용액에 대한 용해도가 낮아져 비극성 분자가 수용액으로부터 분리되는 현상이 가속화된다. 이를 호프마이스터 효과(Hofmeister effect)라 하며, 다음과 같은 세트슈노우(Setschenow) 방적식으로 나타낼 수 있다.

c_i: 염을 포함한 수용액에서 비극성 분자의 몰 용해도

c_i(0): 순수한 물에서 비극성 분자의 몰 용해도

c_s: 염의 몰농도

k_s: 세트슈노우 상수

이때, 상수 k_s가 큰 양의 값을 가질수록 비극성 분자를 수용액으로부터 잘 분리시켜 고온에서 전해액과 절연액 간의 섞임 현상을 억제, 즉 고온 신뢰성을 확보할 수 있는 이온이다. 상기 상수 k_s는 일반적으로 이온의 크기가 작을수록 커진다(단, Li⁺는 예외. 표 4 참조). 액체 렌즈의 구동을 위해 특히 분자의 운동성이 큰 고온에서 전해액과 절연액 간의 물리적 혼합과 화학반응을 억제하는 것이 중요하며, 이를 위해 k_s값이 큰 이온을 전해액에 첨가하면 큰 효과를 볼 수 있다. 보다 구체적으로는 상기 k_s 값은 0.150 이상의 값을 갖는 이온이 바람직하다.

이온	Li⁺	Na⁺	K⁺	Cs⁺	Ba² ⁺	F^-	Cl^-	Br^-	I^-
k_s(dm³ ^/㏖)	0.141	0.195	0.166	0.088	0.334	0.254	0.195	0.155	0.095

벤젠에 대한 여러 이온들의 k_s 값은 표 4에 기재된 바와 같다. 상기 표 4로부터 k_s 값이 0.150 보다 큰 이온으로는 Na⁺, K⁺, Ba² ⁺, F^-, Cl^- 및 Br^- 등을 들 수 있다.

그러나 상기 k_s 값이 0.150보다 큰 이온 중에서, Ba² ⁺ 또는 F^-를 포함하는 염은 비극성 물질을 솔팅 아웃(salting out)하는 능력은 높으나, 용해도가 낮으므로 과량의 염이 필요한 액체 렌즈용 전해액에 이용되기에는 어려움이 있다.

일반적으로 절연액으로 이용되는 실리콘 오일의 물성이 벤젠과 크게 다르지 않다고 할 때, 전해액/절연액 분리에 가장 효율적인 염은 NaCl이다.

결론적으로 용해도, 어는점, 온도에 따른 점도 변화, 절연액과의 분리 특성을 모두 고려하여 몰질량이 작고 용해도가 높은 염, 전하밀도가 낮은 구조 파괴자 이온으로 구성된 염, 즉 Jones-Dole 상수가 음의 값을 갖는 이온으로 구성된 염, 및 솔팅 아웃 능력이 우수한 이온으로 구성된 염, 즉 Setshenow 상수 k_s가 0.150 이상의 값을 갖는 이온으로 구성된 염을 적정 비율로 혼합하여 사용함으로써 전기 습윤 장치에 사용되는 전해액으로서 요구되는 물성과 신뢰성을 만족하는 전해액을 설계할 수 있다.

본 발명에 따르면, 몰질량이 작고 용해도가 높은 염, 전하밀도가 낮은 구조 파괴자 이온으로 구성된 염, 솔팅 아웃 능력이 우수한 이온으로 구성된 염과 같은 특성을 갖는 여러 종류의 염을 혼합하여 사용함으로써, 용해도, 어는점, 온도에 따른 점도 변화 및 절연액과의 분리 특성을 모두 고려하여 온도에 따른 신뢰성을 만족하는 전해액이 제공된다.

Claims

몰질량이 100 이하이고, 용해도가 27 이상인 제1 염,

Jones-Dole 상수가 음의 값을 갖는 이온을 포함하는 구조 파괴자 계열의 제2 염 및

세트슈노우 상수(k_s)가 0.150 이상의 값을 갖는 이온을 포함하는 제3 염

을 갖는 전해액으로 이루어진 액체를 포함하는 전기 습윤 장치.
제 1항에 있어서,

상기 제1 염과 제2 염과 제3염의 합은 전해액의 총 중량에 대하여 10-30중량%의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 전기 습윤 장치.
제 1항에 있어서,

상기 제1 염은 LiCl, NH₄Cl, NaCl 및 KCl로 이루어진 군으로부터 선택되는 염임을 특징으로 하는 전기 습윤 장치.
제 1항에 있어서,

상기 제2 염은 Cs⁺, Br^-, I^-, K⁺, Cl^-, NH₄ ⁺ 및 NO₃ ^- 로 이루어진 군으로부터 선택된 이온을 포함하는 염임을 특징으로 하는 전기 습윤 장치.
제 1항에 있어서,

상기 제3 염은 Na⁺, K⁺, Cl^- 및 Br^- 로 이루어진 군으로부터 선택된 이온을 포함하는 염임을 특징으로 하는 전기 습윤 장치.
제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 액체는 절연액을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 습윤 장치.