Tunable lens is one of the most popular application of electrowetting-on-dielectric (EWOD) technology. Nowadays, the electrowetting-based tunable lens has successfully manufactured and commercialized by several companies. To be able to compete with the already developed electrowetting tunable lens, several parameters such as low operational voltage and dioptric power range should be improved. Theoretically, a low operating voltage can be obtained by using a very thin and/or high dielectric constant materials. However, thin dielectric layer is known to be vulnerable to dielectric failure and pinholes problem. A multilayer dielectric structure is commonly used to increase the breakdown voltage and delay the dielectric failure.
In this thesis, a modification of conventional multilayer dielectric structure for EWOD called sandwich-like multilayer dielectric is introduced. In conventional multilayer, two dielectric materials are simply stacked together forming a two layer structure while in sandwich-like multilayer, those two materials are assembled to form a three layer structure. One dielectric material will be deposited two times, as the first and third layer respectively. Those layers are called the sandwich layer while the other material placed in between the sandwich layer is called the middle layer. The performance of both multilayer structures was compared. Both were composed from the same dielectric materials and designed to have an identical thickness and total capacitance. Dodecane oil (n = 1.421) and DI water with 0.1% SDS (n = 1.33) were used as the conducting liquid and the insulating medium respectively. Although both structures were operated at a low voltage, sandwich-like multilayer structure gave a lower contact angle saturation, higher breakdown voltage and a mild electrolysis compared to the conventional structure.
To further enhance the breakdown voltage, three dielectric materials, Parylene C, Aluminum Oxide (Al2O3) and Tantalum Oxide (TaOx), were considered to be combined in sandwich-like multilayer structure. Two among those three dielectric materials will be chosen according to their capability to prevent ions penetration. Poor ions barrier will trigger an electrolysis and a premature dielectric failure. The combination of Parylene C and TaOx in sandwich-like structure were able to demonstrate a good electrowetting effect with low contact angle saturation (60.668˚) and provide -70 ~ +50 $m^{-1}$ calculated dioptric power with low operational voltage (~8.45 V - 13.31 V). No electrolysis was observed even with 40V applied voltage, however contact angle hysteresis occurred after 28V. The structure also performed a good result in reversibility test and lifetime test.
Dioptric power was calculated according to the liquid materials, lens diameter and the droplet contact angle. The lens diameter is determined to be 1 mm while the droplet contact angle was obtained from electrowetting experiment. Contact angle was measured using an open source program called Drop Analysis - Low Bond Axisymmetric Drop Shape Analysis (LB-ADSA).
제안된 샌드위치 구조의 다층 유전체 구조는 기존의 다층 구조에 비해서 더 개선되었음을 보여주었다. 샌드위치 구조는 물질의 종류나 물질의 두께에 변화 없이 단순히 두 개의 층에서 세 개의 층으로 구조적인 변경을 주어 동작 전압을 희생하지 않고 breakdown 전압을 더 높게 올린다. 기존의 다층 구조에서는 전기습윤(Electrowetting) 기반 가변초점 렌즈에서 꺼려지는 현상인 접촉 각도의 saturation 현상이 문제로 인식된다. 이러한 접촉 각도에서 일어나는 saturation 현상은 디옵터 파워의 감소로 이어진다.
본 논문에서는, Parylene C 와, Al2O3, 그리고 TaOx를 교대로 사용하였다. 듀폰 사에서 제작한 얇은 테프론 AF1600 층은 소수성 막으로 위쪽에 코팅되었다. 전도성이 있는 액체와 절연성 매체에 대해서는, 구동전압을 낮추기 위한 SDS 용액과 dodecane 오일이 각각 사용되었다. SDS의 낮은 농도는 더 높은 breakdown 전압을 줄 수 있는 것으로 증명 되었지만, 어느 지점부터는 breakdown 전압뿐만 아니라 구동전압 역시 높아졌다. 위의 상황을 고려한 결과, 0.1% 농도의 SDS 용액이 전기습윤 시스템을 구현하기 위한 최선의 농도임을 알게 되었다.
첫 번째 샌드위치 구조 샘플로는 Parylene C와 Al2O3의 조합을 사용하였다. 이 샘플은 같은 물질을 사용한 기존의 다층 구조에 비해 더 높은 breakdown 전압을, 또 더 낮은 구동전압을 보여주었다. 그러나, 전기분해 현상이 구동전압의 가까운 범위에서 관측되었다. Table 3.5에 따르면, 전기분해 현상은 16V에서 일어난 반면에 구동 전압 범위는 불과 8.74~ 13.17V 인 것을 볼 수 있다. 이같이 구동 전압과 breakdown 전압의 좁은 간격은 디바이스의 안정성에 큰 문제를 야기할 수 있다.
Breakdown 전압의 문제를 개선하기 위해서, Parylene C보다 더 높은 유전 상수와 유전 강도를 가진 TaOx 와 Al2O3의 조합을 사용하였다. 하나는 TaOx가 샌드위치 층으로 사용되었고, 다른 하나는 Al2O3가 샌드위치 층으로 사용되어 총 두 가지 샘플을 가지고 실험을 진행하였다. TaOX 샌드위치 샘플의 breakdown 전압은 18V로 불과 7V인 Al2O3 샌드위치 샘플에 비해 더 높은 breakdown 전압을 가졌다. 이 결과는 TaOx가 Al2O3에 비해 더 나은 moisture barrier임을 보여주었고, TaOx와 Al2O3 두 가지 물질의 단일 층 구조 실험으로 다시금 확인 되었다. 전압 층으로부터 두 번 보호를 해야 하기 때문에 위 아래로 쌓이는 샌드위치 물질은 샌드위치 구조에서 가장 중요한 층이다.
그러나, 이어서 TaOx가 샌드위치 층으로 사용되었을 때, 측정 결과와 계산 결과 사이에 큰 차이가 있다는 것을 발견했다. 이전에 Parylene C를 샌드위치 층으로 사용했을 때는 나타나지 않던 상황이었다. 추후 더 정밀한 측정 결과로 Parylene C가 ion barrier로서 TaOx보다 더 나은 물질임이 밝혀졌다. 따라서, breakdown 전압을 더 높이기 위하여, Parylene C를 샌드위치 레이어로 TaOx와 함께 샌드위치 구조로 조합하였다. 이 조합은 saturation 현상의 감소와, 낮아지는 구동 전압, 전기분해 없이 더 높은 breakdown을 가지는 뛰어난 전기습윤 구동을 가능케 했다. (Table 5.1) 신뢰성 테스트에서도 Parylene과 TaOx의 샌드위치 구조 조합은 다른 연구진들의 제안된 구조에 비해서 뒤쳐지지 않는 성능을 보였다.
진행한 실험결과에 따르면, 본 논문에서는 신뢰할만한 가변 초점 렌즈의 전기습윤 플랫폼으로 Parylene C와 TaOx의 샌드위치 구조를 제안한다. 샌드위치 구조의 전체 두께는 300nm이며 한 층당 100nm의 두께로 이루어진다. 충분한 구동 전압 범위 안에서 목표로 하는 디옵터 파워를 얻으려면 렌즈의 사이즈는 직경 1mm 가 되어야 한다. 논문에서 제안한 구조를 사용했을 시, 목표로 하는 디옵터 파워 (-70 ~ +50 m^{-1})는 8.45 - 13.31V의 인가 전압 안에서 구현되었다. 전기분해 현상은 40V에 이를 때까지 관측되지 않았으며, 다만 28V에서 접촉각의 히스테리시스(hysteresis) 효과가 관측되었다.
