Geen geheimen meer rond electrowetting dankzij simulatie

12 december 2011

Electrowetting is een nieuwe techniek waarmee displays kunnen worden gemaakt die zuiniger, helderder en rustiger voor de ogen zijn dan lcd-displays en die zelfs in de felle zon een goed contrast leveren. Als onderdeel van het Printvalley-project heeft ingenieursbureau Reden een simulatiemodel opgesteld van het electrowettingproces om de techniek te optimaliseren en te verbeteren.

We kunnen er niet meer omheen. In de wachtruimte bij de tandarts of op het vliegveld zit iedereen met een telefoon, e-reader of tablet in de hand. Gadgets domineren het straatbeeld. We hebben een navigatiesysteem in de auto en anno 2011 kijken we films op onze flatscreens. Displays zijn overal. Geen wonder dus dat veel branches geïnteresseerd zijn in de verbetering en optimalisatie ervan.

Ingenieursbureau Reden specialiseert zich in het modelleren van complexe fysieke producten met hoge prestatie-eisen. In het kader van het Printvalley-project heeft het zich gebogen over electrowetting in displays. De techniek opent de deuren naar flexibele, kleurrijke en onbreekbare schermen zonder dat er altijd achtergrondverlichting nodig is. Dit zorgt  niet alleen voor een lager energieverbruik, maar ook voor een hogere reflectie, beter contrast en levendigere interactie.

In een electrowettingpixel kan gekleurde olie zich uitspreiden over de bodem of juist in een hoekje kruipen, afhankelijk van het elektrische veld.

Het modelleren van de techniek achter electrowetting is vrij complex, maar het principe is simpel. Een pixel van een electrowettingdisplay bestaat uit een laagje olie op teflonfolie. De folie is deels doorschijnend, deels reflecterend. Boven op de olie ligt een laagje water. Als er geen elektrische spanning op de pixel staat, bedekt de olie het hele oppervlak van de waterafstotende teflonlaag. Door spanning aan te brengen tussen het water en de elektrodes verandert de teflonlaag van waterafstotend in wateraantrekkend. Het water drukt de olie weg zodat de achtergrond omgevingslicht reflecteert of (in het donker) de achtergrondverlichting doorlaat. Het proces gebeurt in slechts enkele milliseconden, waarmee de toepassing geschikt is voor snelle wisseling van plaatjes, zoals gebeurt bij video en film.

Electrowetting bestaat dus uit een aantal fysisch gekoppelde problemen. We hebben te maken met twee verschillende vloeistoffen, de ontwikkeling en het gedrag van een elektrisch veld en de manipulatie van de vloeistoffen hierdoor. Dit probleem hebben we gemodelleerd met Comsol Multiphysics. Daarmee is het gemakkelijk om verschillende stukken fysica aan elkaar te koppelen.

Maxwell

Voorafgaand aan de implementatie moesten we bepalen welke fysica een rol speelt en hoe het model deze gegevens moet meenemen. Zo is de hydrodynamica belangrijk, omdat deze bepalend is voor de snelheid waarmee de olie en het water zich bewegen. Het elektrische veld daarentegen past zich vele malen sneller aan dan de vloeistoffen, dus dat is als quasistatisch te beschouwen.

Om inzicht te krijgen in het proces en om de verhoudingen en ordegroottes van de krachten te bepalen, hebben we aan het begin van het project een analytisch model van de belangrijkste mechanismes opgezet. Als eerste keek dit naar de verhouding tussen de oppervlaktespanning tussen de vloeistoffen enerzijds en de drukkracht van het elektrisch veld op verschillende ‘indrukkingen’ van de water-olie-interface anderzijds. De hoeveelheid olie hebben we constant gehouden, met de aanname dat de uiteindelijke vorm een deel van een cirkel beschrijft. Op deze manier kregen we snel een indicatie van het voltage en van beweging en vorm van de scheidingslaag tussen olie en water. Zodra het water de bodem raakt, wordt een tweede mechanisme actief, dat de contacthoek bepaalt. Deze heeft een geheel andere waarde dan wanneer er geen elektrisch veld is.

Met deze kennis uit het analytische model konden we vervolgens een 2D-model opstellen. Dit hebben we gedaan met behulp van partial differential equations (PDE’s), vergelijkingen waarmee fysica wordt beschreven. Diverse modules binnen Comsol werken hiervoor samen: het model houdt rekening met de krachten op het vloeistofoppervlak die het elektrische veld veroorzaakt (Maxwell), de verandering in contacthoek op de bodem van de cel (Lippman) en de invloed en beïnvloeding van het elektrisch veld (afhankelijk van de vloeistof). Dit 2D-model hebben we vergeleken met de voorspellingen uit het analytische model. Dat was nodig om te kijken of we het model goed in de simulatiesoftware hadden geïmplementeerd. Het enige verschil zat hem in de contacthoek op de wand. Deze was bij de simulatie gefixeerd en in de analytische situatie veranderlijk.

De laatste stap was om vanuit het 2D-model een 3D-model te realiseren. Dit zetten we nu in om het electrowettingproces te simuleren en uiteindelijk te innoveren. Deze simulatie geeft ons veel meer inzicht in dat proces, zodat we de concepten kunnen verbeteren zonder dat steeds nieuwe prototypes hoeven te worden gebouwd.

Erik Dannenberg is projectengineer bij Reden.

Erik Dannenberg

Terug naar overzicht