후 각 디스플레이 대 한 표면 어쿠스틱 웨이브-분무기 효율의 향상 방법

요약

우리 여기는 후 각 디스플레이에 응용 프로그램에 필요한 원자화 효율 향상을 위해 비정 질 테 플 론 필름 표면 탄성 파 (SAW) 장치의 표면 코팅 하는 방법을 설정 합니다.

초록

후각이 인간 인터페이스에서 중요 한 의미 이기 때문에, 우리는 후 각 디스플레이 표면 탄성 파 (SAW) 분무기와 마이크로 디스펜서를 사용 하 여 개발 했습니다. 이 후 각 디스플레이에서 원자화의 효율은 인간의 후 각 인터페이스에서 자주 발생 하는 냄새 지 속성 문제를 피하기 위해 중요 한. 따라서, 본 장치는 친수성에서 소수 성 기질 성격 변경 비정 질 테 플 론 필름으로 코팅 되어 있습니다. 그것은 또한 silanize 영화의 접착을 향상 시키기 위해 테 플 론 코팅 전에 압 전 기판 표면에 필요한입니다. 딥 코팅 방법 기판에 균일 한 코팅을 얻기 위해 채택 되었다. 고속 솔레노이드 밸브의 정확성과 재현성 높은 이후 톱 장치 표면에 액체 방울을 오 르네를 마이크로 디스펜서로 사용 되었다. 그렇다면,는 원자화 소수 성 기질에 쉽게 되었다. 이 연구에서는 분무 후 기판에 남은 액체를 최소화를 위한 비정 질 테 플 론 코팅 연구 했다. 여기에 설명 된 프로토콜의 목표 비정 질 테 플 론 영화와 함께 봤다 장치 표면 코팅에 대 한 메서드를 표시 하는 것입니다 감각 테스트 선행 본 분무기와 마이크로 디스펜서를 사용 하 여 냄새를 생성 하 고.

서문

시각 및 청각 감각 자극에 대 한 장치는 인기, 우리 모든 감각을 우리가 인식; 현재 수 없다 하지만, 우리가 일반적으로 감각만이 두 가지 감각을 사용 하 여 표시할 수 있습니다. 후 각 디스플레이 향기를 제시할 수 있습니다 가제트 이며 향기^{1,2,3,,45,6, 인식 하는 사용자 수 있도록 그것은 가상 현실에서 사용 7}. 후각이 감정에 크게 기여, 이후는 후 각 자극 현실 향상을 위한 불가결 하지 않습니다. 우리 이전 영화, 애니메이션, 그리고 향기^8,9게임을 공부 했습니다.

몇몇 연구원은 공부 후 각 표시; 예를 들어 야나기 다 그 또는 그녀의 주위에 아무도¹인식 하는 경우에 지정 된 사람에 게는 향기를 제공 하는 향기 프로젝터를 공부 했다. 야마다 외. 냄새 농도²의 간단한 가우스 분포 모델을 사용 하 여 가상 공간에 냄새 소스 지역화를 공부 했다. 김 외. 냄새를 방출 장치 ³의 2 차원 배열의 개념을 제안 했다. 또한, 간단한 착용 후 각 디스플레이 이러한 향기의 방향을 제어 하기 위한 초음파 위상 배열 제안된^4,,56되었습니다.

후 각 디스플레이에서 문제 중 하나는 냄새 지 속성입니다. 사용자는 공기 또는 다른 향기로 변경 될 것 후에 냄새를 검색할 수 있습니다. 가상 현실에서 최대한 신속 하 게 향기를 전환 하는 것이 바람직합니다, 이후 냄새 지 속성 문제를 공부 한다.

우리는 많은 재료를 혼합의 기능을 가진 후 각 디스플레이 공부 했다. 우리는 이전 고속 스위칭¹⁰솔레노이드 밸브를 사용 하 여이 시스템을 개발 했다. 그것은 안정적으로 많은 재료를 혼합, 비록 우리가 아직 냄새 지 속성의 문제를 해결 하지 수 없습니다. 따라서, 우리는 이후 마이크로 디스펜서를 사용 하 여 본 분무기¹¹후 각 디스플레이 개발 하 고. 비슷한 기술 액체 방울^12,,1314조작에 사용 되었습니다, 하지만 우리 세대 향기를 적용. 본 장치는 때문에 그것은 액체 방울을 원자화 수 액체 작은 물방울을 원자로 만드는 적합 즉시^15,은¹⁶; 그러나, 우리는 작은 액체 방울은 원자화 후 압 전 기판에 있어 발견 했다. 이러한 작은 액체 물방울 발생 냄새 지 속성, 액체의 대부분을 원자화 하는 경우에.

일반적으로, 향수 점도 줄이기 위해 에탄올과 같은 용 매에 녹입니다. 그러나, 희석된 향수의 친수성 특성상 압 전 기판의 표면에 확산 하 고 분무 효율 악화 때 박막 확산. 따라서, 원자화, RF 전력 증가 하는 경우에 제거할 수 없습니다 후에 남아 있는 액체의 일부. 용 매 증발 후 곧,만 향수에 고 기판에 스틱.

이 연구에서 우리가 그렇게 되 면 실제로 소수 성 비정 질 테 플 론 박막과 압 전 기판의 표면 코트. 우리는 소수 성 표면에 물방울 모양의 구체를 유지할 수 있습니다, 이후 기판 표면에서 액체를 분리 하는 데 필요한 에너지는 감소 한다. 본 장치의 표면 소수 성 해지면 원자화 효율이 향상 된 전망 이다. 향기를 즉시 제시 하 고 그것의 프레 젠 테이 션 후 신속 하 게 사라질 수 있도록 분무 효율을 개선 하기 위해이 방법의 전반적인 목표는 궁극적으로 후 각을 응용 프로그램에 대 한 표시. 이 문서에서 우리 본 장치 비정 질 테 플 론 필름 코팅 방법을 보여 원자화 효율의 향상을 보여와 실험 결과 참조¹⁷에서 설명 했다.

프로토콜

여기에 설명 된 메서드는 인간의 연구 윤리 위원회의 도쿄 기술 연구소에 의해 승인 되었습니다가지고.

1. 본 장치 준비 및 임피던스 검사

1. LiNbO₃ 기판에 10 MHz 톱 장치 준비 [128^o-21 손가락 쌍 IDT (간 digitated 변환기)의 전파, X Y-컷, 회전], 그림 1a와 같이 32 손가락 쌍 IDT 한쪽에 만든 반사 경와 함께.
   참고: 그림 1b 는 분무의 원리를 보여 줍니다. 톱 액체 작은 물방울에서 경도 파로 변환 됩니다. 안개 때문에 본 에너지는 충분히 큰 경우에 음향 스트리밍 생성 됩니다.
   참고: 본 장치는 저자 설계 된 전극 패턴에 따라 일반적인 포토 리소 그래피를 사용 하 여 제조 업체에 의해 조작 되었다. 위에서 언급 한 압 전 기판 때문에 높은 전기 기계 결합 계수 선정 됐다.
2. 인쇄 회로 기판 (이 본 장치에 대 한 설계) 알루미늄에 알루미늄 호 일 및 전도성 붙여넣기를 사용 하 여 본 장치를 탑재 SMA 커넥터 연결 (그림 2).
   참고: 인쇄 회로 기판 알루미늄 방열에 대 한 효과적입니다.
3. 네트워크 분석기를 사용 하 여 임피던스의 주파수를 측정 합니다. 본 장치는 인쇄 회로 기판에서 동축 케이블 연결을 통해 분석기에 연결 된다. 주파수 특성 장치 출입의 허수 부분이 0, 본 장치 공명 주파수는 주파수를 표시 합니다.
   참고: 장치에서 음향 손실이 큰 경우 원자화 발생 하지 않습니다. 청각 손실 임피던스의 주파수 특성을 측정 하 여 확인할 수 있습니다. 때 본 장치는 테 플 론 영화, 사이의 차이점은 전에 주파수 특성 코팅 영화는 너무 두꺼운 경우 확인 모니터링 해야 하는 후로 입힌 다.

2입니다. Silanization

1. 기반 아미노 실 란 커플링 에이전트 (3 ahhminopropyltriethoxy 실)을 준비 합니다. 0.5% (v/v)는 피 펫을 사용 하 여 물에 그것의 농도 조정 합니다.
   참고: Silanization 비정 질 테 플 론 코팅의 접착을 향상 시키기 위해 필수입니다. 테 플 론 코팅 silanization 수행 되지 않은 경우 원자화 하는 동안 제거 됩니다.
2. 아세톤으로 젖은 면봉을 사용 하 여 본 장치의 표면 청소.
3. Dip coater (그림 3)에서 장치를 설정 합니다.
   참고: 인쇄 회로 보드 어디에 본 장치를 사용 하 여 고정 테이프 수에 연결 되어 dip coater 톱 장치 (0.5 m m)의 두께 너무 얇은를 dip coater 직접 연결할 수 있기 때문.
4. 원자화 지역 0.2 m m의 속도로 솔루션에 몰입 될 수/미는 5 분 동안 솔루션에 장치를 유지 하는 장치 아래로 당겨.
5. 1.7 m m의 속도로 장치를 당겨/s. 5 분 동안 공중에 장치를 유지 합니다.
6. 1 분에 대 한 순수한 물에서 장치 린스.
7. 30 분 동안 공기에서 장치를 계속.

3. 비정 질 테 플 론 코팅

1. 희석에 대 한 비정 질 테 플 론 소재 및 용 매를 준비 합니다. 3% (v/v) 용 매를 사용 하 여 비정 질 테 플 론 용액의 농도 조정 합니다.
2. Dip coater (그림 3)에서 장치를 설정 합니다.
   참고: 딥 코팅 채택 되었다 여기 있기 때문에 균일 한 코팅은 필수. 너무 두꺼운 코팅 뿐 아니라 거친 코팅 본 감쇄 때문 원자화 효율의 저하를 일으킬 수 있습니다.
3. 원자화 지역 0.2 m m의 속도로 솔루션에 몰입/미 15 솔루션에서 장치를 유지 하는 장치 아래로 당겨 s.
4. 1.7 m m의 속도로 장치를 당겨/s. 5 분 동안 공중에 장치를 유지 합니다.
5. 원자화 지역 0.2 m m의 속도로 솔루션에 몰입/미 15 솔루션에서 장치를 유지 하는 장치 아래로 당겨 s.
6. 1.7 m m의 속도로 장치를 당겨/미 30 분 동안 공중에 장치를 유지 합니다.
7. 뜨거운 접시를 사용 하 여 60 분 동안 180 ° C에서 장치를 구워.
   참고: 코팅의 두께 약 400 nm 크리스털 중량 (QCM) 측정에 따르면.

4. 실험 설정 원자화에 대 한

1. 인쇄 회로 기판에 본 장치를 탑재 합니다.
   참고: 본 장치의 두께 0.5 m m 이기 때문에, 그것은 수 쉽게 깨지지. 따라서, 그것은 기계적으로 그것을 지 원하는 데 필요한입니다.
2. 네트워크 분석기를 사용 하 여 본 장치 임피던스의 주파수를 측정 합니다. 본 장치는 인쇄 회로 기판의 동축 케이블 연결을 통해 분석기에 연결 된다. 주파수 특성 장치 출입의 허수 부분이 0, 본 장치 공명 주파수는 주파수를 표시 해야 합니다.
   참고: 본 장치에서 RF 감쇄를 확인 하십시오. 본 장치의 손실 부적절 하 게 코팅 하는 때 증가 한다. 손실에 있는이 증가 코팅 이질성 또는 과도 한 두께의 코팅; 일반적으로 발생 합니다. 따라서, 코팅 전후 임피던스 특성을 비교 한다. 본 감쇠는 너무 많은 경우는 원자화를 수행할 수 없습니다.
3. RF 전력 증폭기를 통해 함수 발생기에 본 장치를 연결 합니다.
4. 함수 발생기 (그림 4a)에서 RF 버스트 신호의 파형을 설정 합니다. 본 장치에 대 한 버스트 신호는 사인파, 고의 듀티 사이클 10% 이어야 한다. 파 주파수 임피던스 특성 측정에서 얻은 톱 장치 공명 주파수로 설정 되어야 합니다.
5. 솔레노이드 밸브에는 버스트 구형 파 발생기를 연결 [즉,., (그림 5) 구동 회로 통해 마이크로 디스펜서] 토론^18, 에서 언급은 디스펜서를 24 V 펄스 신호를 제공할 수 있도록 ¹⁹.
   팁: 운전 솔레노이드 밸브, 트랜지스터 배열이 편리 합니다. 최대 8 개의 솔레노이드 밸브 트랜지스터 어레이 사용 하 여이 연구에서 구동 수 있습니다.
6. 마이크로 펌프 마이크로 디스펜서 (그림 5)에 액체 흐름에 압력을 적용 하려면 설정 합니다. 마이크로 펌프 마이크로 디스펜서²⁰의 셀프 프라이 밍 기능을 지원합니다.
7. SAW 소자의 온도 측정 하는 적외선 온도계를 사용 하 여 필요한 경우.
   참고: 본 장치에는 온도 도달 하면 약 45 ° C는 RF 신호 (85 v p-p와 10% 듀티 사이클)를 파열 할 때 5 분 동안 적용 됩니다 일반적으로 표면.

5입니다. 원자화

1. 액체를 넣어 (즉., 향수 또는 화학 에탄올 희석)를 유리병에.
2. 마이크로 디스펜서 (그림 4b)에 적용 되는 펄스 신호 파형을 설정 합니다. 펄스 신호 10% 듀티 사이클 구형 파 펄스 시퀀스 이며, 함수 발생기와 함께 생성 됩니다.
3. 본 장치¹⁸액체 작은 물방울을 제트를 마이크로 디스펜서에 펄스 신호를 적용 됩니다. 마이크로 디스펜서에서 하나의 작은 물방울만 몇 nanoliters 이므로, 원자화에 대 한 더 큰 작은 물방울을 형성 하는 펄스 시퀀스 필요 합니다.
4. 본 장치 액체 방울¹⁷원자화에 RF 버스트 신호를 적용 합니다. 버스트 신호는 증폭기를 통해 액체 방울의 형성 후 함수 발생기에서 적용 됩니다. 증기 원자화 과정에서 여전히 생성으로 신호에 적용 되어야 한다.
   참고: RF 버스트 신호는 평균 RF 파워를 조정 하는 데 사용 됩니다. 본 장치는 RF 전원이 W. 2 보다 훨씬 더 큰 경우 균열 있을 수 있습니다.
5. 나머지 액체 방울 검사 본 장치의 표면을 관찰 합니다.
6. 4.1-4.7 단계에서 완료 동일한 절차를 수행 하 고는 맨 손으로 5.1-5.5 본 장치. 다음, 맨 손으로 하나에서 그 코팅 된 기판에 남은 액체 방울의 양을 비교 합니다.

6. 향기를 감지

1. 5.1 단계에서 완료 된 유리병에 액체를 넣어.
2. 되도록 높이 참가자의 코와 같은 잭을 사용 하 여 본 분무기의 높이 조정 합니다.
3. 본 장치에 액체 분배.
4. 팬을 켭니다.
5. 냄새를 감지 하는 참가자를 허용 합니다.
   참고: 저자 증기 농도 평가 한다 보다는 인식된 강도부터 이전 작업에 사용 되는 휘발성 유기 화합물 분석기 대신 감각 테스트를 않았다.

결과

에탄올의 1 개 microliter 베어와 코팅 LiNbO₃ 기판 (에탄올 일반적으로 사용 되었다 용 매로 향수에 대 한)에 배치 되었다. (그림 6a); 기판에 확산 후 에탄올 솔루션의 박막 형성 되었다 다른 한편으로, 구체 모양의 코팅된 기판 (그림 6b)에 보관 했다. 물의 1 개 microliter의 접촉 각 (그림 6 c 와 d 6) 비정 질 테 플 론 코팅 후 110도에서 50 증가. 비정 질 테 플 론 코팅 소수 성의 특성을 향상 발견 했다. 반면 액체 맨 기판에 박막으로 확산 코팅 된 기판에는 물방울의 구체 모양의 유지 되었다.

다음, 200의 원자화와 실험 라벤더의 nL은 (그림 7)를 수행. 원자화 고 코팅의 후속 이미지 그림 7a , 7b, 각각 표시 됩니다. 사진에 날짜 표시줄 프레임 디지털 카메라에 의해 기록 된 수에서 얻은 했다. 라벤더는 에탄올 희석 (희석 비율: 50: 1 v/v). 노출 된 기판에 액체 확산 직후 적절 했다. 33 ms에서 강한 원자화 반면 제한 된 안개 그림 7a와 같이 동그라미 안에 액체 가장자리에서 생성 된 액체의 센터에서 발생 했습니다. 100 ms에서 원자화 중지; 그래서, 원자화 처음에 발생 했습니다, 하지만 그것은 곧 후 중단 되었습니다. 다음, 액체의 부분에 남아 있었다. 용 매, 급속 하 게 증발 하는 동안 부분 용액; 기판 표면에 남아 따라서, 나머지 용액 심각한 냄새 지 속성을 발생합니다. 그것은 적절 했다 후 이상 90도의 접촉 각도와 구체 모양의 코팅된 기판에 유지 했다 다른 한편으로, (그림 7b). 집중된 안개 분무 하는 동안 생성 되었습니다. 원자화, 후 훨씬 작은 지역에서 액체 맨 기판에 비해 작은 영역에 버려졌습니다. 이후 남은 액체는 부드럽고 완벽 한 표면 아니었지만 대신 작은 하나의 작은 물방울을 형성, 테 플 론 코팅에 방울의 범위를 정확 하 게 계산 하기가 어렵습니다. 대략 말하기, 소수 성 표면에 남은 액체에서 가장 친수성 표면에 그 10% 이었다.

그림 1: 톱 분무기. (a) 본 장치와 톱 분무기의 원리 (b)의 구성입니다. 골드와 크롬의 전극에 의하여 이루어져 있다. 그림 1a 는 허가²⁰매 판. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 2: 인쇄 회로 기판에 장치를 보았다.

그림 3:이 연구에 사용 된 coater 찍어.

그림 4: 시퀀스 시간. (a) RF 버스트 신호 파형. T_r V_pp 의 일반적인 값은 85 V_p-p 와 1 s, 각각. 일반적인 의무와 같은 T_H/T_r 은 10%를 주기. (b) 파형 마이크로 디스펜서에 적용. 전형적인 Tw, T 및 N은 1 ms, 10 ms, 그리고 70 펄스, 각각.

그림 5: 분무 액체 작은 물방울을 위한 실험 설치. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 6: 액체 작은 물방울 모양의 맨 그리고 subtrates 사이 비교. 벌 거 벗은 리튬 피리 표면에 박막의 (a) 평면도 및 코팅된 하나에 액체 작은 물방울의 (b)는 측면 보기는입니다. 에탄올의 1 개 microliter 사용 되었다 모두 (a)와 (b). 여기, (c)와 (d) 보기 쪽 물 한 microliter의 베어와 코팅 된 기판에 각각. 이 수치는 허가¹⁷재현 했다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 7: 액체 작은 물방울의 분무. (A) 친수성 표면 (맨 리튬 피리) 및 (b) 소수 성 표면 (기판 비정 질 테플론으로 코팅)은입니다. 샘플은 200 라벤더의 nL. 이 수치는 허가¹⁷재현 했다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 8: 솔레노이드 밸브를 기반으로 하는 마이크로 디스펜서. (A) 마이크로 디스펜서의 원리 및 (b) 단일 채널에 대 한 드라이버 회로입니다. 이 그림은 권한을²⁰매 판. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 9: 톱 분무기 비정 질 테 플 론 필름 코팅의 응용 프로그램. 도쿄, 일본에서 지능형 사용자 인터페이스 (IUI) 심포지엄 2018에서에서 연구 시범.

토론

이 연구의 주요 구성 요소 중 하나는 고속 솔레노이드 밸브^18,19의 마이크로 디스펜서입니다. 그림 8a 이 마이크로 디스펜서의 원리를 보여 줍니다. 플런저는 전자기 코일에 의해 주도 되었다. 그 콘센트 OFF 단계 플런저에 의해 완전히 닫힙니다. 플런저 빠르게 이동 단계, 그 후에 그것에 짧은 기간 동안 앞에 액체를 그릴 원래 위치로 다시 이동 하 고 그림 8b의 회로 의해 구동 솔레노이드 밸브의 구멍에서 작은 액체 방울을 제트기. 한 액체 방울의 양은 몇 nanoliters 이다. 밸브의 주파수 1 사이 1000 Hz, 그것의 최소 펄스 폭은 0.5 ms 이며 전형적인 솔레노이드 밸브 보다 훨씬 더 빠르게 작동. 솔레노이드 밸브의 오리 피스와 기판 사이의 전형적인 거리 15 m m 이었다. 이 연구가 보여주었다는 액체의 양을 정확 하 고 재현; 또한, 그것은 거품에 대 한 강력한입니다.

냄새 지 속성 때문에 본 분무기에 따라 후 각 디스플레이 아 몰 퍼스 테 플 론 coatingwhen 크게 감소 될 수 있다²¹. 청소를 위해 기판 표면에 용 제를 제공 하는 채널 사용 하는 경우에 더 개선할 수 있습니다.

수동으로 프로토콜에 중요 한 단계는 최적의 하나에서 일탈 하는 때 분무기의 구동 주파수를 조정 이다. 이 수행 되어야 한다 자동으로 나중에. 테 프 론 silanization은 원자화 없이 자체 코팅 이후 silanization 프로세스를 포함 하도록 초기 프로토콜에서 수정이 했다.

이 기술 하나 되 서 파 문제를 제한 하는 두 개의 나머지 문제가 있습니다. 서 파 반사 기판의 가장자리에서 발생 하는 경우 생성 됩니다. 정재파와 노드는 주기적으로 나타납니다, 원자화 노드에서 약한 된다. 우리는 실리콘 젤 서 파 억제를 사용 하 여,이 충분 하지 않습니다. 음향 에너지를 흡수 하는 더 나은 자료는 필요 합니다.

두 번째 한계는 테 플 론 코팅의 내구성이 다. 테 플 론 코팅은 부분적으로 여러 번 액체를 분무 후 제거 됩니다. 코팅에 대 한 현재 상태는 광범위 하 게 공부 되는, 이후 저자는 테 플 론 코팅의 내 구성을 연장 하 그것을 최적화할 수 있습니다.

그럼에도 불구 하 고, 기존의 방법에 관하여 프로토콜의 의미 없이 코팅에 비해 코팅 표면에 분무 후 남은 액체의 감소 이다. 따라서, 냄새 지 속성은 크게 감소 함¹⁷설명 되어. 이 본 장치를 사용 하 여 후 각 디스플레이 수행 되었다. 카시 스, 주황색, 위스키, 그리고 그들의 혼합을 보여주는 8-구성 후 각 디스플레이 머리 (그림 9) 디스플레이 탑재¹⁹사용자에 게 제시 했다. 이 상황에서 제안 코팅 본 장치는 상당히 향기 프레 젠 테이 션의 품질을 악화 수 있습니다 냄새 지 속성 억제를 잘 작동 합니다.

여기에 설명 된 기술은 후 각 디스플레이 대 한 중요 하다. 또한, 본 분무기 의료 사용을 위한 분무기와 분무 이온화 질량 분석에 대 한에 적용 됩니다. 원자화 효율 또한 해당 응용 프로그램에 필요 합니다.

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
SAW device	Lightom		Custom-made
Network analyzer	SDR-kits	DG84AQ VNWA 3E
Dip coater	Aiden	DC4300
Silane coupling agent	Shin-etsu Chemical	KBE 903
Cytop amorphous teflon coating	Asahi glass	CT107MK
Solvent for diluting cytop coating	Asahi glass	CT-SOLV100K
Solenoid valve	Lee	INKA2438510H
Transistor array	Texas Instrument	ULN2803A
RF power amplifier	Mini-Circuits	ZHL-5W-1
Digital camera	Panasonic Corp	DMC-FZ300
Head Mount Display	Occulus	Occulus Rift Headset
Hot plate	As One	HHP-170A