Electrowetting is a phenomenon that controls the surface tension of droplets by electricity and changes the contact angle of the droplets on the surface of the substrate. There are many applications of electrowetting, such as tunable liquid lenses, electronic paper, and 3D displays. Among them, electrowetting multi-view lenticular 3D displays have many advantages, such as a 2D/3D switching function, an increased viewing zone, and super multi-view capability using time multiplexing. Of course, these functions are only possible if the operating speed of electrowetting is fast enough. To realize a super multi-view display, the chamber size of the lenticular lens must be increased, but the response speed is slowed down. In addition to the lenticular structure, fast response time is essential for many large-scale applications that require real-time processing. The response time of electrowetting applications is very important, but the relationship between response time and the physical parameters for electrowetting operations has not been deeply investigated. Therefore, the effects of physical properties, such as viscosity, interfacial tension, and substrate roughness, on the response speed in AC electrowetting were investigated and the optimal conditions for fast electrowetting were found.
When the contact angle of the droplets on the surface of the solid substrate changes, the three-phase contact line moves. Contact line velocity is related to driving force and contact line friction. The driving force of electrowetting is proportional to the interfacial surface tension of two immiscible liquids, and the contact line friction is related to the viscosity of droplets and the substrate roughness. Liquids that have very low viscosity have high contact line velocity but under-damped response. Hence, some liquids with a certain viscosity may exhibit the fastest response time. On the other hand, the substrate roughness in areas that the conducting liquid touches typically slows down the wetting speed of droplets. However, the contact line friction can be reduced by roughness. Liquid droplets exhibit the Cassie-Baxter wetting state on substrates that have roughness with a high aspect ratio. In the Cassie-Baxter wetting state, a shear-free interface enhances the mobility of droplets.
An experiment was conducted on a 0.4 mm-thick aluminum plate with a 1 um-thin Parylene C film deposited with a 50 nm Teflon coating. The experimental results showed that the shortest response time was obtained for $5 mPa \cdot s$ conducting liquid (water-glycerol mixture) with 0 wt % sodium dodecyl sulfate (SDS) on a default aluminum plate (RMS roughness 270 nm). Through this experiment, it was possible to control the spreading response pattern of electrowetting from an under-damped response to an over-damped response by adjusting the conditions of the viscosity of the conducting liquid, the surface tension between two immiscible liquids, and the substrate roughness. Also, a critical damping response was implemented using a hardware method by applying the optimum condition without voltage shape variation technology. Finally, two types of electrowetting liquid lenses (circular and lenticular) were fabricated by applying optimal conditions and their performances were evaluated. It was confirmed that the response times of the circular and lenticular electrowetting lenses were reduced by 50 % and 70 % reduced respectively.
전기습윤은 전기를 이용하여 물방울의 계면 장력을 조절하고 기판의 표면에 대한 물방울의 접촉 각을 바꾸는 기술이다. 가변 액체 렌즈, 전자 종이, 3차원 디스플레이 등 전기습윤을 이용한 수많은 어플리케이션들이 있다. 그 중에서 전기습윤 다시점 렌티큘러 3차원 디스플레이가 많은 장점을 가지는데, 그것으로는 2D/3D 전환 기능, 시야각의 증가, 그리고 시분할을 이용한 초다시점 기능이 있다. 물론 이러한 기능들은 전기습윤의 동작 속도가 충분히 빨라야만 가능해진다. 초다시점 디스플레이를 구현하기 위해서는 렌티큘러 렌즈의 챔버 크기가 반드시 커져야 하지만 동작속도가 느려지게 된다. 렌티큘러 구조 외에도 빠른 동작 시간은 실시간 처리를 요구하는 많은 큰 규모의 어플리케이션에 필수적이다. 전기습윤 어플리케이션의 동작 시간은 매우 중요하지만 전기습윤의 동작 시간과 물리적 매개변수들 사이의 관계는 깊이 연구되지 않았다. 그러므로 교류 전기습윤에서 동작 속도에 대한 점성, 계면 장력, 기판의 거칠기와 같은 물리적인 특성들의 효과들을 연구하였고, 빠른 전기습윤을 위한 최적의 조건을 얻었다.
고체 기판의 표면에 대한 물방울의 접촉 각이 변화할 때, 3 상 접촉 선이 움직인다. 접촉 선 속도는 전기습윤의 추진력, 접촉 선 마찰과 관련이 있다. 접촉 선의 추진력은 두개의 혼합되지 않는 액체들 사이의 계면 장력에 비례하고, 접촉 선 마찰은 물방울의 점성, 기판의 거칠기와 관련이 있다. 매우 낮은 점성의 액체는 높은 접촉 선 속도를 보이지만 언더댐핑 반응을 보인다. 그러므로 어느 정도의 점성을 가지는 액체가 가장 빠른 반응 시간을 나타낼 수 있다. 다른 한편으로, 전도성 액체가 닿아있는 기판의 거칠기는 일반적으로 물방울의 습윤 속도를 낮춘다. 그러나 접촉 선 마찰이 거칠기에 의해 줄어들 수도 있다. 물방울은 높은 종횡비의 거칠기를 가지는 기판 위에서 캐시-백스터 습윤 상태를 나타낸다. 캐시-백스터 습윤 상태에서, 전단이 없는 경계는 물방울의 이동성을 향상시킨다.
실험은 50 nm 테플론 코팅과 함께 1 um의 얇은 페를린 C 필름이 증착된 0.4 mm두께의 알루미늄판 위에서 진행되었다. 실험 결과는 가장 짧은 동작 시간이 기본 알루미늄 기판 (제곱평균제곱근 거칠기 270 nm) 위에서 도데실 황산 나트륨을 섞지 않은 $5 mPa \cdot s$의 전도성 액체(물-글리세롤 혼합물)에서 나타났다. 이 실험을 통해 전도성 액체의 점성, 2개의 비혼화성 액체 사이의 계면 장력 및 기판의 거칠기 조건을 조정함으로써 언더댐핑 반응에서 오버댐핑 반응까지 전기습윤의 확산 반응 패턴을 제어하는 것이 가능했다. 또한 전압 변화 기법 없이 최적의 조건을 적용하여 하드웨어 방식으로 크리티컬 댐핑 반응을 구현하였다. 마지막으로 최적의 조건을 적용하여 2가지 유형의 전기습윤 액체렌즈(원형 및 렌티큘러)를 제작하였고 그 성능을 평가했다. 전기습윤 원형 및 렌티큘러 렌즈의 동작 시간이 각각 50% 및 70% 감소한 것으로 확인되었다.
