Electrowetting is a phenomenon in which the interfacial tension between liquid and solid phases is changed by simply adjusting the voltage applied across an insulator layer, the top surface of which is com-monly engineered to be hydrophobic. Enabling unique functionalities that are not easily achieved by solid-state materials alone, it can be utilized in many fields such as liquid lens, electrowetting display, and lab-on-a-chip, etc. To apply electrowetting onto devices and increase its utility, the driving voltage should be as low as possible. And in terms of flexibility, more attention is being given to polymer dielectrics than inorganic die-lectrics that have been dominantly used to date.
In this thesis, conditions for lowering the driving voltage of electrowetting devices are investigated with a particular emphasis placed on a bilayer polymeric dielectric system. A process called ‘initial chemical vapor deposition (iCVD)’ method plays an important role in reducing the operation voltage by providing a fabrication route to form a high-quality polymeric layer with robust insulating properties even at small thick-nesses. The hydrophobicity of the bilayer dielectric system is enabled by a hydrofluoric polymer called $Cytop^{TM}$ spin-coated on poly(1,3,5-trimethyl-1,3,5-trivinyl cyclotrisiloxane) (pV3D3) films made with the iCVD process. With the $Cytop^{TM}$ layer placed on top of pV3D3 layers, contact angle increases by $23^\circ$ to $103^\circ$ when compared to the case where only the pV3D3 layer is used. Moreover, the electrowetting property of $Cytop^{TM}$ surface turns out to be completely reversible, making it possible to control the shape of droplets in a repeata-ble fashion.
For demonstration of the electrowetting controllability of the proposed bilayer polymeric system, a test geometry is fabricated in which a series of electrodes are patterned in a linear array configuration. With the 20-nm-thick $Cytop^{TM}$ and 100-nm-thick pV3D3 layers coated on top of the electrodes, droplet movement is shown to begin at a threshold voltage as low as 12.5V, which is among the lowest values obtained for polymer-only dielectric layers and comparable to those obtained in conventional devices implementing inorganic insulators.
전기습윤 현상은 간단한 전압의 조절로 액체를 제어할 수 있어 활용도가 높다. 액체 렌즈, 전기습윤 디스플레이, 랩온어칩 등 다양한 활용이 있으며 공통적으로 소수성의 절연층이 사용된다. 전기습윤을 소자에 적용시키고 활용도를 높이기 위하여서는 구동전압이 낮을 필요가 있다. 또한 유연성 측면에서 무기물 유전체 보다는 유기물 유전체가 주목 받고 있다.
본 논문에서는 전기습윤 소자에서 구동전압을 낮추기 위한 조건에 대하여 검토하고 절연층의 두께를 줄인 얇은 이중층 구조의 고분자 절연층 구조를 고려하였다. 기상 화학 증착법을 사용하여 고분자 절연층을 형성하는 방법을 채택하여 두께를 줄인 절연층을 형성하였다. iCVD 고분자 절연층은 얇은 두께에서도 좋은 절연특성을 보이는 점을 이용한다.
첫 번째로 pPFDA를 증착한 전기습윤 소자에서 초기 접촉각이 $112^\circ$ 로 소수성은 확인되었고 인가전압에 접촉각 변화도 관찰되었으나 전압을 0V로 낮추었을 때 접촉각이 되돌아 오지 않음을 보였다. 또한 접촉각 이력이 $17^\circ$ 보다 큰 특성을 보였다. 두 번째로 Cytop을 스핀 코팅하여 소수성층으로 기능하게 한 pV3D3 유전체를 사용한 전기습윤 소자에서 초기 접촉각은 코팅 이전의 $80^\circ$ 에서 코팅 이후 $103^\circ$ 로 접촉각이 증가하여 소수성을 확인할 수 있었다. pV3D3 두께를 50nm 와 100nm, 그리고 Cytop 두께를 20nm 로 제작하여 특성을 확인하였다. pV3D3 두께를 100nm로 한 이중층 구조의 경우 얇은 두께로 인해 구동전압도 낮으며, 접촉각 이력이 어느 정도 있으나 인가전압을 낮출 때 접촉각이 되돌아 오는 것을 관찰할 수 있었다.
또한 액적 수송을 위한 전극 샘플을 구현하고 액적 이동을 시험한 결과 액적은 12.5V라는 낮은 문턱전압에서 이동하기 시작하였다. 또한 인가전압이 높아질수록 이동속도가 증가하는 양상을 보였다. 이러한 문턱전압값은 유기물을 사용하여 구현된 기존 소자들에 비하여 낮은 값이며 무기물을 사용한 기존 소자들과 비교하여도 양호한 수준이다.
