Πειραματική Διερεύνηση Φαινομένων Ηλεκτροδιαβροχής σε διηλεκτρικά

Abstract

Η ηλεκτροδιαβροχή σε διηλεκτρικό (electrowetting on dielectric, EWOD) αφορά στην ενίσχυση της διαβροχής διηλεκτρικών επιφανειών από αγώγιμα υγρά, συνήθως σε μορφή μικρο-σταγόνων, με την επιβολή ηλεκτρικής τάσης μεταξύ του υγρού και ηλεκτροδίου επικαλυμμένου με το διηλεκτρικό. Με την εφαρμογή τάσης, φορτία συσσωρεύονται στο τοίχωμα του ηλεκτροδίου ενώ αντίθετα φορτία συσσωρεύονται στη διεπιφάνεια υγρού/στερεού στο αγώγιμο υγρό. Η συσσωρευμένη ηλεκτροστατική ενέργεια μειώνει τη διεπιφανειακή ενέργεια υγρού/διηλεκτρικού και έχει ως αποτέλεσμα την ενίσχυση της διαβροχής του στερεού που συνοδεύεται από μείωση της φαινόμενης γωνίας επαφής μεταξύ υγρού και διηλεκτρικού. Μετά από κάποια κρίσιμη τάση (κρίσιμη τάση κορεσμού,Vs) η γωνία επαφής δεν μειώνεται περαιτέρω και παραμένει σταθερή ανεξάρτητα από την αύξηση της τάσης. Η γωνία επαφής αυτή ονομάζεται γωνία κορεσμού, θκ. Συνέπεια του κορεσμού είναι αρκετές φορές η κατάρρευση του διηλεκτρικού που εμφανίζεται στις υπο μελέτη σταγόνες με τη μορφή φυσαλίδων. Στην παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιούνται πειράματα ηλεκτροδιαβροχής σε επικαθήμενες σταγόνες ιοντικών τασιενεργών υγρών. Αρχικά πραγματοποιήθηκαν πειράματα ηλεκτροδιαβροχής για περιβάλλον μέσο του αγώγιμου υγρού, αέρα ή δωδεκάνιου σε AC ή +DC εφαρμοζόμενη τάση. Οι γωνίες κορεσμού και οι τάσεις κορεσμού καταγράφονται για καθένα απο τα πειράματα αυτά και συγκρίνονται μεταξύ τους. Στη συνέχεια περιγράφονται πειράματα δοκιμασιών αντοχής της διηλεκτρικής δομής σε περιβάλλον δωδεκάνιο (συνεχής εφαρμογή απο μερικά λεπτά ως και ώρες τάσης AC, +DC ή -DC) για τα εν λόγω υγρά. Παρατηρείται εξάρτηση της κατάρρευσης του διηλεκτρικού από το μέγεθος των ιόντων του διαλύματος σε σχέση με το είδος της πόλωσης της εφαρμοζόμενης τάσης, (+DC ή –DC). Τέλος, για να μελετηθεί περαιτέρω η εξάρτηση της διηλεκτρικής κατάρρευσης από το μέγεθος των ιόντων έγιναν μετρήσεις ρευμάτων διαρροής απο το διηλεκτρικό. Τα αποτελέσματα έδειξαν σύνδεση του κορεσμού της γωνίας επαφής με την κατάρρευση του διηλεκτρικού που επηρεάζεται απο το μέγεθος των ιόντων του υπο εξέταση υγρού σε σχέση με το είδος της εφαρμοζόμενης τάσης (+DC ή –DC).

Electrowetting on dielectric (EWOD) is used to modify the wettability of a dielectric solid substrate by a conductive liquid (often microdroplets) through a suitable application of an external voltage applied between a conductive drop and a flat electrode coated by the dielectric. The applied voltage induces opposite charging accumulation between the electrode and the liquid. The accumulated electrostatic energy reduces the liquid/solid interfacial energy, thus enhancing the wetting of the solid by the liquid; as a consequence, the contact angle between the liquid and the dielectric is reduced. After a critical voltage, called saturation voltage, Vs, the contact angle remains the same – saturation contact angle – and becomes independent of the applied voltage. Saturation is associated dielectric breakdown, which is often detected by bubbles rising in the vicinity of the contact line of the liquid droplet. This thesis deals with electrowetting experiments with ionic surfactants. At first, electrowetting tests were performed for oil and air ambient at AC or +DC applied voltage. The contact angle saturation and the critical saturation voltage are found and compared for each test. Lifetime EW tests of the dielectric are performed in dodecane ambient by continuous long term application (for minutes or even hours) of +DC, -DC or AC voltage. All obtained measurements support an electrowetting dielectric failure mode that is highly dependent on ion size and on the type of the applied voltage (+DC or –DC). For further investigation concerning the link between dielectric breakdown and the size of ions of the surfactant, leakage current measurements were performed. The results show a connection between the contact angle saturation and the dielectric breakdown, which depends on the size of the ions of the surfactant when different voltage is applied (+DC or –DC).