Electrowetting on dielectrics on flexible substrates for displays technology

The present study aimed to realize a flexible device on which electrowetting could be performed. The substrate of the device was a thin plate of pure aluminum; the metal was anodized in order to grow a compact, not porous and adherent oxide layer on top. In order to grow this kind of dielectric layer, different electrolytic solutions were tested in potenziostatic conditions, varying different parameters such as voltage, time and pH. Among the solutions tested a neutral boric acid solution has been chosen. The anodizing was carried out among 10V and 40V to observe the effect of the anodizing voltage on macroscopically observable phenomena such as the static contact angle of water drops and their electrowetting performances. The effect of the surface structure was also analyzed subjecting the samples to electropolishing before anodizing. Once the electrolyte has been selected, the samples have been also sealed and annealed at different temperatures and in different atmospheres, always with the aim of obtaining the highest possible contact angle and of observing electrowetting. To monitor the current circulating during anodizing, transient currents were registered for all the voltages selected. To characterize morphologically and topographically the device surface, scanning electron microscope (SEM) images were collected together with electron dispersive (EDS) analyses and also atomic force microscopy (AFM) analyses were performed. To obtain a depth profile of the samples, with an elemental analysis, GDOES data were obtained too. The anodic oxide layer was characterized by detecting breakdown voltages for different electrowetting fluids. Since with the only compact growth no electrowetting was observed, a polymer was applied on the anodized samples by immersion. A thermal treatment followed and then contact angles were measured again. In this case electrowetting was observed with relevant contact angle variations between the ON and OFF voltage states. The process parameters were then optimized, analyzing the effect of the polymer thickness on both contact angle and electrowetting performances. Typical phenomena associated with electrowetting, like contact angle saturation and hysteresis, were studied. In addition to the water-in-air configuration, contact angle and electrowetting performances were measured for different fluids in oil: particularly satisfactory results were obtained using propylene carbonate drops in heptane. Flexible devices were assembled by heat sealing the aluminum plates on a flexible polymeric base. The metal was then anodized and the polymer applied as before. Contact angles and electrowetting behavior of water drops in air were measured for both planar and flexed configurations. The results obtained were satisfactory and did not differ a lot from those without the flexible base and with the only anodized-not curved samples. As an additional test, a flexible plastic sheet with an electroless plated copper layer on top was immersed in the polymeric solution and its electrowetting behavior was tested. Promising results were obtained also in this case.

Questo lavoro ha avuto lo scopo di realizzare un dispositivo flessibile su cui poter sperimentare electrowetting. Come substrato del dispositivo è stato usato un sottile foglio di alluminio. Il metallo è stato anodizzato per permettere la crescita di un ossido compatto, non poroso ed aderente. Per ottenere questo tipo di dielettrico sono state testate diverse soluzioni elettrolitiche in condizioni potenzio statiche, variando diversi parametri, quali il voltaggio, il tempo ed il pH. Tra le soluzioni testate ne è stata selezionata una neutra di acido borico. Le anodizzazioni sono state svolte tra 10V e 40V per osservare l’effetto del voltaggio di anodizzazione su fenomeni macroscopicamente osservabili quali l’angolo di contatto statico delle gocce di acqua e le relative performances di elettrowetting. È stato inoltre indagato l’effetto della finitura superficiale sottoponendo alcuni campioni ad electropolishing prima dell’anodizzazione. Una volta scelto l’elettrolita, sui campioni sono stati effettuati trattamenti di sigillatura e ricottura in diverse atmosfere e a differenti temperature, sempre con lo scopo di ottenere angoli di contatto iniziali più alti possibili e di sperimentare electrowetting. Sono stati inoltre monitorati i transitori di corrente per tutti i voltaggi di anodizzazione selezionati. Per caratterizzare morfologicamente e topograficamente le superfici dei campioni sono state raccolte delle immagini tramite microscopio elettronico a scansione (SEM) accoppiato con analisi spettroscopiche a dispersione (EDS). Sono inoltre state svolte analisi tramite microscopio a forza atomica (AFM). Per ottenere un profilo composizionale lungo la profondità dei campioni, sono state effettuate anche analisi tramite GDOES. Lo strato di ossido anodico è stato caratterizzato rilevando i voltaggi di rottura del dielettrico utilizzando differenti fluidi. Non osservando electrowetting utilizzando come dielettrico il solo ossido, è stato applicato del polimero ai campioni anodizzati tramite immersione. È seguito il trattamento termico e gli angoli di contatto sono stati nuovamente misurati. In questo caso si è notata un significativa variazione di angolo di contatto tra gli stati di accensione e spegnimento del voltaggio. I parametri di processo sono stati così ottimizzati, andando a valutare l’effetto dell’applicazione di diversi strati di polimero sui valori di angolo di contatto e sull’elettrowetting. Sono stati studiati fenomeni tipici dell’electrowetting, ossia la saturazione e l’isteresi dell’angolo di contatto. Oltre alla configurazione di gocce di acqua in aria si sono valutati gli angoli d contatto e il comportamento a electrowetting di diversi fluidi in olio: risultati particolarmente soddisfacenti sono stati ottenuti utilizzando gocce di propilencarbonato in eptano. Sono stati costruiti dei campioni flessibili andando a termosaldare le lastrine di alluminio con una base polimerica flessibile. Il metallo è stato quindi anodizzato ed il polimero applicato come in precedenza. Misure di angolo di contatto e di electrowetting sono state effettuate utilizzando gocce di acqua in aria in configurazione sia planare che curvata. I risultati ottenuti sono soddisfacenti e non differiscono molto da quelli senza la base flessibile non piegata. Come test aggiuntivo, un foglio di plastica flessibile ricoperto con rame tramite processo di deposizione electroless è stato immerso nella soluzione polimerica e il comportamento a electrowetting di gocce di acqua poste sullo stesso è stato valutato. Anche in questo caso sono stati ottenuti dei risultati soddisfacenti.