Electrowetting

Von der Physik zum Display

10.05.2007 | Autor / Redakteur: Karlheinz Blankenbach* / Andreas Mühlbauer

Quelle: pixelio.de
Quelle: pixelio.de

Der elektrische Kapillareffekt – Electrowetting – ermöglicht es, unter anderem, bistabile, flexible Displays herzustellen, die in einem weiten Temperaturbereich einsetzbar sind. Auch sehr dünne Linsen mit variabler Brennweite sowie Mikropumpen lassen sich mit dieser Technologie realisieren.

Ein bereits vor langer Zeit entdeckter Effekt macht in jüngster Vergangenheit Furore: Mittels Electrowetting, was sich in etwa mit „Elektrischer Kapillareffekt“ übersetzen lässt, lassen sich neuartige (elektro-)optische Bauelemente und Mikroreaktoren aufbauen. Ihre Funktion basiert darauf, dass ein elektrisches Feld die Oberflächeneigenschaften von Flüssigkeitssystemen verändert.

Das Grundprinzip des Electrowettings ist in Bild 1 dargestellt: Ein Wassertropfen, in dem eine der beiden Elektroden steckt, befindet sich auf einer hydrophoben (Wasser abstoßenden) Schicht, die durch ein Dielektrikum („Electrowetting on Dielectrics“) von der zweiten Elektrode getrennt ist. Das Ganze befindet sich auf einem Substrat, das die mechanische Stabilität gewährleistet. Im spannungslosen Zustand (links) kontrahiert der Wassertropfen auf der hydrophoben Schicht. Wird eine Spannung angelegt (rechts), so zerfließt der Tropfen. Dies ist vergleichbar mit einem Wassertropfen auf frisch gewachsten Autolack, was dem spannungslosen Zustand entspricht, und ohne Wachs, wobei das Wasser zerfließt.

Der Kontaktwinkel zwischen Tropfen und Unterlage ist von der angelegten Spannung abhängig. Mittels der Lippmann-Young-Gleichung lässt sich dieser spannungsabhängige Kontaktwinkel Θ(U) berechnen:

cosθ(U) = cosθ0 + ε0εrU2/(2γd)

Die anliegende Spannung U, die Eigenschaften des Dielektrikum (εr, Dicke d) und die Grenzflächenenergie γ vergrößern den Kontaktwinkel Θ0 des spannungslosen Zustandes. Für Tröpfchen im Bereich von 1 mm Durchmesser liegt die benötigte Spannung typischerweise bei etwa 30 V. Dies ermöglicht Schaltgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 100 ms. Die Steuerung erfolgt praktisch leistungslos, da kein direkter Strom fließt. Bei potenziellen Electrowetting-Anwendungen müssen die Größenverhältnisse so gewählt werden, dass die Gravitation im Vergleich zu den Oberflächeneffekten vernachlässigbar gering ist. Die Einsatzgebiete unterscheiden sich je nach Ausgestaltung des Flüssigkeitsraumes, der Elektroden-Anordnung und den gewählten Flüssigkeitsgemischen: Flüssiglinsen, mikrofluidische Systeme sowie Displays sind mögliche Anwendungen.

Dünne Linsen nach dem Electrowetting-Prinzip

Fast alle Fotohandys sind mit Objektiven ausgestattet, die weder fokussieren können noch ein optisches Zoom haben. Die Gründe liegen darin, dass die erforderliche Mechanik und das Linsensystem verhältnismäßig teuer wären und eine zu große Bautiefe erfordern. Hier setzt die Innovation durch Electrowetting an. Eine solche Linse besteht statt aus Glas oder Kunststoff aus zwei unvermischbaren Flüssigkeiten – typischerweise Öl und Wasser – mit unterschiedlichem Brechungsindex und geschickter Elektrodengeometrie (Bild 2): Durch den Electrowetting-Effekt werden die beiden Flüssigkeiten mittels angelegter variabler Spannung unterschiedlich stark von der hydrophoben Zylinderwand angezogen oder abgestoßen.

Entsprechend lässt sich die Form der Grenzfläche zwischen den Flüssigkeiten und damit die Form der Linse stufenlos von konvex zu konkav verändern. Man erhält eine Linse mit variabler Fokussierung und Brennweite.

Solche Linsen besitzen typischerweise einen optischen Durchmesser von 3 mm bei einer Bautiefe von etwa 2 mm. Ihr Brennweitenbereich liegt zwischen 10 cm und unendlich. Das Fokussieren dauert etwa 10 ms. Ebenso sind Kombinationen möglich, die bei geringster Bautiefe ein optisches Dreifach-Zoom ermöglichen. Das gesamte System hat keinerlei mechanisch bewegte Teile und ist praktisch leistungslos eine Millionen Mal steuerbar. Somit eignet es sich ideal für den Handyeinsatz.

Weitere Einsatzgebiete des Electrowettings liegen in hochintegrierten mikrofluidischen Systemen wie „Lab on a Chip“, in denen die gezielte Manipulation geringster Flüssigkeitsvolumina möglich ist. Die Mikrofluidik erfüllt die Forderungen für automatisierte chemische und klinische Diagnosegeräte hinsichtlich Automatisierung, Integration und Miniaturisierung – die heutigen Apparate sind dagegen verhältnismäßig groß. Für solche Systeme gibt es zwei unterschiedliche Ausführungen von Electrowetting-Mikropumpen: solche mit ständigem Fördern und die so genannte digitale Mikrofluidik, welche einzelne Tropfen gezielt separieren, fördern und mischen kann.

Mikrofluidische Systeme

Diese Art des Electrowettings stellt im Wesentlichen eine Erweiterung des in Bild 1 dargestellten Prinzips dar, bei dem die untere Elektrode strukturiert wird (Bild 3). Durch Anlegen von Spannung lassen sich Flüssigkeitstropfen gezielt bewegen (Mitte), nach Abschalten der Spannung verharren diese an ihrer neuen Position (rechts), was bei Displays als Bistabilität bezeichnet wird. Sowohl mit der Methode des Linseneffekts als auch der Mikrofluidik lassen sich elektronische Displays herstellen. Anzeigen, die den Linseneffekt ausnutzen, sind aus einzelnen Pixeln aufgebaut, die elektrisch betrachtet einem Plattenkondensator mit transparenten Elektroden ähneln (Bild 4). Mechanisch sind sie mit einer Wanne vergleichbar, die mit farbigem Öl und Wasser gefüllt ist.

Eine der Elektroden ist hydrophob beschichtet. Ohne Spannung beziehungsweise elektrisches Feld legt sich das Öl als Film über die Wasser abstoßend beschichtete Elektrode (links). Liegt eine äußere Spannung an, so kontrahiert das Öl durch das Zusammenspiel von elektrostatischen und hydrophoben Kräften zu einem Tropfen (rechts). Die Farbe des Öltröpfchens bestimmt die Farbe des Pixels – hier beispielsweise schwarz. Im spannungslosen Zustand bedeckt das Öl den weißen Reflektor vollständig, es wird praktisch kein Licht reflektiert. Ist der schwarze Öltropfen dagegen zusammengezogen wird ein großer Flächenanteil des Pixels durchsichtig, und Licht wird reflektiert. Das Verhältnis der Pixelfläche zur Fläche des kontrahierten Öls ist maßgebend für das erzielbare Kontrastverhältnis. Graustufen lassen sich durch die Spannungshöhe einstellen.

Displays nach dem Mikrofluidik-Prinzip

Auf dem Linseneffekt basieren die Prototypen der Philips-Ausgründung Liquavista. Es ließen sich Anzeigen mit Pixelgrößen im Bereich 200 µm und Schaltfrequenzen von 100 Hz als Sieben-Segment-Anzeigen und videofähige Handydisplays auf Aktiv-Matrix-Basis realisieren. Ein Vorteil dieser Methode ist ihr einfacher Aufbau, die Homogenität der Pixel ist noch optimierbar.

Ein anderer Ansatz von Electrowetting-Displays beruht auf dem mikrofluidischen Prinzip von Bild 3: Aus einem Reservoir wird ein gefärbter Wassertropfen in das Sichtfeld gebracht (Bild 5). Ein weißer Reflektor lenkt nun einfallendes Licht gemäß dem Bedeckungsgrad des Tropfens zum Betrachter. Graustufen erzielt man bei dieser Methode ebenfalls durch unterschiedliche Bedeckungsgrade (in Bild 5 von oben nach unten zunehmend) und Farbe durch entsprechende Flüssigkeiten. Bei geschickter Wahl der Geometrie und der Elektroden lässt sich ein dem menschlichen Empfinden angepasster Graustufenverlauf erzielen.

Displays nach dem Verformungs-Prinzip

Basierend auf dem Mikrofluidik-Prinzip hat die Firma ADT in Zusammenarbeit mit Bartels Mikrotechnik aus Dortmund und dem Displaylabor der Hochschule Pforzheim hoch reflektive Prototypen der so genannten „Droplet-Driven-Displays“ entwickelt. Der Vorteil dieses Ansatzes ist seine Bistabilität, die Aktiv-Matrix-Backplanes überflüssig macht. Somit sind auch flexible Displays aus Plastik realisierbar. Die Technologie ist zudem skalierbar – von monochromen Einzelpixeln bis hin zum elektronischen Plakat. Dabei liegen die Pixelgrößen zwischen 0,5 und 3 mm.

Farbige Displays können sowohl additiv (RGB) als auch subtraktiv (CMY) wie bei Druckern hergestellt werden. Durch geschickte Anordnung lässt sich im flächigen Aufbau eine gute Apertur erzielen (Bild 5). Größt mögliche Nutzflächenanteile lassen sich mit dreidimensionalen Strukturen erzielen. Erste Tests mit optimierten Materialkombinationen lassen einen Temperaturbereich von –45 bis 200 °C für Glassubstrate realistisch erscheinen. In Kombination mit der hohen Transmission und der Bistabilität erscheint die Droplet-Driven-Display-Technologie somit auch für automobile Anwendungen prädestiniert.

Große Zukunft

Electrowetting ermöglicht eine Vielzahl neuer Produkte mit sehr geringem Stromverbrauch. Dies reicht von dünnen Linsen mit variabler Brennweite über Mikropumpen für die Bio- und Medizintechnik bis hin zu Displays.

Gerade bei Displayanwendungen ergeben sich durch die hohe Transmission neue Möglichkeiten bei hellem Umgebungslicht. Anzeigen nach dem Verformungs-Prinzip sind heute schon videotauglich, erforden jedoch eine Aktiv-Matrix-Backplane. Droplet-Driven-Displays benötigen auf Grund ihrer Bistabilität keine Aktiv-Matrix und zeichnen sich durch Flexibilität und einen weiten Temperaturbereich aus.

*Prof. Dr. Blankenbach ist Leiter des Displaylabors der Hochschule Pforzheim.

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