3 Wyświetlacze elektroforetyczne (EPD)
W ostatnich dziesięcioleciach dużą uwagę poświęcono wyświetlaczom EPD w porównaniu do zwykłego papieru ze względu na ich niski koszt, niską wagę,niskie zużycie energiii bezpieczeństwo. EPD to wyświetlacze odbiciowe, które działają w oparciu o migrację naładowanych cząstek zawiesiny w cieczy dielektrycznejw kierunku przeciwnie naładowanej elektrody, co jest znane jako elektroforeza [20,25,26](Rys. 4). Ostatnio wiele wyświetlaczy weszło na rynek za pośrednictwem takich firm jak Amazon Kindle, Hanvon i OED Technologies. Dwie główne firmy w tej dziedzinie to SiPix i E-Ink, które zostały już połączone, ale te dwie technologie są różne. Technologia SiPix składa się z mikrokapsułek z tworzywa sztucznego wyświetlacza elektroforetycznego, który jest bardzo cienki, lekki i produkowany w procesie roll-to-roll (Rys. 5) [27]. Właściwości wyświetlacza elektroforetycznego i elektronicznego tuszu są szczegółowo wyjaśnione poniżej.
3.1 Funkcjonowanie wyświetlaczy elektroforetycznych (EPD)
Tak zwana zasada elektroforezy odnosi się do ruchu zawieszonych naładowanych cząstek w cieczy zawiesinypod wpływem pola elektrycznego prądu stałego. Ilekroć pole elektryczne między elektrodami jest używane w komórce, cząstki migrują w odniesieniu do ładunku elektrycznego, a ciecz zawiesiny pozostaje stabilna [20,28,29]. Dlatego cząstki elektroforetyczne są jednym z głównych składników EPD. Ogólnie rzecz biorąc, kulista cząstka o ładunku ‘q’, pod wpływem pola elektrycznego ‘E’ i zawieszona w cieczy elektroforetycznej, podlega działaniu czterech sił: elektrycznej, wyporu, grawitacji i oporu siłom lepkości, gdy porusza się między dwuwartościową elektrodą a przeciwnym biegunem [30]. Równanie Helmholtza-Smoluchowskiego [3](Równ. (1)) jest stosowane do opisania prędkości elektroforetycznej (U) naładowanej cząstki. W tym równaniu wyrazy ε, ξEP, Ex i μ to dielektryczna stała cieczy, potencjał zeta cząstki, przyłożone pole elektryczne i ruchliwość cząstki. Potencjał zeta elektroforetyczny (ξEP) jest charakterystyką naładowanej cząstki. Elektroforeza prowadzi do ruchu naładowanych cząstek przez nieruchomy roztwór. Różne parametry, w tym lepkość ośrodka transportowego i jego zachowanie dielektryczne, wielkość i gęstość ładunku cząstek czarnych i białych, grubość powłoki mikrokapsułki i jej poziom dielektryczny mogą wpływać na funkcję i wydajność EPD. Jednym ze sposobów uczynienia cząstek niestabilnymi w ośrodku ciekłym jest zrekompensowanie grawitacji między rozpuszczalnikiem dyspersyjnym a cząstkami, a w rezultacie zmniejszenie sedymentacji [31].
Ogólnie rzecz biorąc, EPD zawierające zawiesiny kolorów lub rozproszone naładowane cząstki w ośrodku dielektrycznym tworzą kontrastujące kolory w komórce z dwiema przewodzącymi, przezroczystymi i równoległymi elektrodami, które zostały umieszczone w określonej odległości około mikrona.
Od 1960 roku EPD (EPD) zostały opracowane jako rodzaj wyświetlacza odbiciowego. Ich obrazy można wielokrotnie zapisywać lub kasować elektrycznie. Ta technologia ma liczne zalety, takie jak szeroki kąt widzenia i wysoki współczynnik kontrastu, które są podobne do papierów drukowanych. EPD jest pierwszym i podstawowym wyborem do tworzenia elektronicznych papierów. Jednak zdolność do zapewnienia jakości obrazu i trwałości grupowania, aglomeracji i agregacji cząstek to poważne problemy, które ograniczają jego zastosowania w przemyśle.
3.2 Efektywne parametry w jakości obrazu wyświetlacza EPD z E Ink
Właściwości cząstek elektroforetycznych są kluczem do określenia jakości obrazu. Zwiększona jakość obrazu wymaga bardzo małego rozmiaru cząstek z wąskim rozkładem wielkości, dużego ładunku powierzchniowego, aby dokładnie tworzyć i kontrolować obrazy, wysokiego współczynnika kontrastu, szybkiej reakcji na przyłożone napięcie, przezroczystości użytej w powłoce, stabilności światła i stabilnej dyspersji tuszu oraz innych parametrów. W konsekwencji kilku badaczy zbadało wpływ zmodyfikowanych cząstek, morfologii powierzchni, ładunków powierzchniowych i specjalnej stabilności [32–34]. Zatem do charakteryzacji mikrokapsułek E Ink zastosowano różne techniki instrumentalne, w tym spektroskopię w zakresie ultrafioletu i światła widzialnego (UV–Vis), mikroskopię obrazu optycznego, spektroskopię w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR), skaningowy mikroskop elektronowy (SEM), potencjał zeta, dynamiczne rozpraszanie światła (DLS) i komórkę elektroforetyczną [34–41].
Jak wspomniano wcześniej, stabilność przestrzenna cząstek elektroforetycznych jest kluczowym czynnikiem w określaniu jakości obrazu, która jest określana na podstawie pomiaru potencjału zeta. W rzeczywistości potencjał zeta jest czynnikiem potencjalnej stabilności układów koloidalnych. Jeśli wszystkie cząstki w zawiesinie mają ładunek dodatni lub ujemny, cząstki mają tendencję do odpychania się i nie wykazują tendencji do łączenia się. Tendencja cząstek o podobnym ładunku do odpychania się jest bezpośrednio związana z potencjałem zeta. Ogólnie rzecz biorąc, stabilną i niestabilną granicę zawiesiny można określić na podstawie potencjału zeta. Zawiesiny zawierające cząstki o potencjale zeta większym niż 30 mV lub mniejszym niż −30 mV są uważane za stabilne [42].
Ponadto kolorowe wyświetlacze można przygotować za pomocą barwników lub pigmentów organicznych jako kolorowe elektroforetyczne nanocząstki. Barwnik lub pigment w elektronicznym tuszu powinien mieć dobrą jasność, siłę koloru i doskonałą wydajność w świetle, cieple i odporności na rozpuszczalniki, co może zaoferować duży potencjał do zaproponowania dla szerszego zakresu zastosowań [43–45]. Dobry elektroniczny tusz w EPD może osiągnąć długotrwałą stabilność zawiesiny i wyższy ładunek powierzchniowy w zawiesinie elektroforetycznej [37,46,47]. Niektóre z nanocząstek zostały nawet zmodyfikowane przez niektóre modyfikatory, takie jak polietylen [34,46,48,49] i oktadecyloamina [32,50,51] w zastosowaniach EPD. Aby dokładnie kontrolować obraz i szybko reagować na przyłożone pole elektryczne, cząstki powinny mieć wysoki ładunek powierzchniowy, tak że ruchliwość mieści się w zakresie 10-5–10-6 cm2/Vs, różnica gęstości z rozpuszczalnikiem jest mniejsza niż 0,5 g/cm3 a odpowiednia średnica wynosi około 190–500 nm [30,52].
3.3 Tusz elektroniczny (E Ink) lub tusz elektroforetyczny
E Ink jest bezpośrednim wynikiem integracji chemii, fizyki i elektroniki. Skład E Ink dla EPD zawiera cząstki elektroforetyczne, takie jak naładowany kolorowy materiał lub mikrokapsułki, które są rozproszone w środowisku dielektrycznym i środku kontroli ładunku [22–24]. W oparciu o urządzenie i wspomnianą zasadę działania, ważne materiały tej technologii obejmują kolorowe cząstki (barwniki/pigmenty), powłokę mikrokapsułki, olej izolacyjny oraz środki kontroli ładunku i stabilizatory. Poniższe sekcje wyjaśniają każdy z tych składników.
3.3.1 Barwniki/pigmenty jako kolorowe cząstki dla rdzenia
Jak wspomniano wcześniej, kolorowe cząstki o rozmiarze od nano do mikrometra są kluczowymi materiałami do oceny funkcji elektroforetycznych. Pigmenty muszą spełniać kilka wymagań; zmniejszyć ilość sedymentacji, gęstość musi być szczególnie zgodna z rozpuszczalnikiem zawiesiny, rozpuszczalność w rozpuszczalniku musi być wystarczająco niska, jasność musi być wysoka, aby zapewnić skuteczne działanie optyczne, powierzchnia musi być zdolna do łatwego ładowania, zapewniając masową produkcję wymaga, aby pigmenty były odpowiednio stabilne, a także zdolne do łatwego oczyszczania. Należy unikać absorpcji cząstek na powierzchni kapsułki lub w pikselu w przypadku ich enkapsulacji w mikrokapsułkach lub pikselach. Materiały różnego rodzaju zostały zbadane pod kątem zastosowań w EPD [9,53–61]. TiO2 [38,62], sadza [41], SiO2 [63], Al2O3 [58], żółty pigment [34,64], czerwony pigment [32,65], żelazisty czerwony i magnezowy fiolet to nieorganiczne materiały, które przyciągnęły wiele uwagi w badaniach. Czerwienie toluidynowe, ftalocyjanina niebieska [66–69] i ftalocyjanina zielona [51,70] zostały również zbadane jako cząstki organiczne. Ogólnie rzecz biorąc, barwniki/pigmenty o rozmiarze nanometrowym są rozpraszane w roztworze w stanach pierwotnych, a następnie powlekane materiałami polimerowymi w celu utworzenia struktury rdzeń-powłoka. Materiały z grupą alkoksylową, grupą acetylową lub halogenami są typowymi długołańcuchowymi materiałami organicznymi odpowiednimi jako materiały powłokowe ze względu na ich wiązania wodorowe. Dostępność w naturze, a także wysoka jasność to powody, dla których urządzenia EPD są od dawna produkowane przez czarne i białe cząstki wykonane odpowiednio z czarnego węgla i dwutlenku tytanu. Ponieważ oba te materiały są przewodzące, pożądane wymagania są spełniane poprzez powlekanie polimerami na nich [71].
W jakości obrazu ze względu na kontrast, właściwości białego pigmentu są bardzo ważne. Najczęściej naukowcy używali TiO2 jako powszechnego białego pigmentu ze względu na jego biel i doskonałe właściwości optyczne i odbiciowe. Najważniejszym problemem z tym pigmentem jest jego niestabilność w zawiesinie ze względu na jego wysoką gęstość. W ostatniej dekadzie naukowcy intensywnie próbowali rozwiązać ten problem, sugerując rozwiązania, takie jak puste nanocząstki TiO2 [72], TiO2 zmodyfikowany modyfikatorem [62,73] i TiO2 powlekany polimerem [22,43,74]. Po raz pierwszy Comiskey i in. donoszą o mikrokapsułkach E Ink z białymi cząstkami rozproszonymi w niebieskim płynie, który został przygotowany metodą polimeryzacji in situ mocznika i formaldehydu. Dwutlenek tytanu o ciężarze właściwym 4,2 został użyty do odbicia i wysokiej czystości koloru jako biała cząstka [75]. Polietylen został użyty jako powłoka na dwutlenku tytanu w celu zmniejszenia ciężaru właściwego oraz jako modyfikacja powierzchni cząstek w celu reagowania na przyłożone pole elektryczne. W tym badaniu czas reakcji został zgłoszony jako 0,1 s. Jak pokazano na Rys. 6(a), gdy mikroenkapsulowana cząstka elektroforetyczna jest umieszczona między dwiema elektrodami o przeciwnych ładunkach, naładowane cząstki są orientowane przez przyłożenie prądu, który w przeciwnym razie jest zorientowany w kierunku elektrody o przeciwnym ładunku. W tym przypadku, gdy obserwator patrzy na cząstkę z góry, widzi białe tło z ujemnym ładunkiem w pobliżu elektrody dodatniej. Ponadto część (b) pokazuje fotomikrograf oryginalnych przykładów mikroenkapsułek elektroforetycznych wbudowanych w pole elektryczne [75].
Yang i in. zmodyfikowali cząstki dwutlenku tytanu za pomocą winylotrietoksysilanu (VTES) metodą Sol-Gel poprzez przeszczep grup przepływu na powierzchni cząstek TiO2. Cząstki TiO2 mają doskonałe właściwości w ciemnym otoczeniu dla kontrastu i są szeroko stosowane jako białe cząstki elektroforetyczne w produkcji E Ink. Jednakże, ponieważ ta cząstka ma wysoką gęstość, przyciąganie Van der Waalsa jest niewystarczające i prowadzi do agregacji, szybkiej sedymentacji i wykazuje powolną reakcję na pole elektryczne. Dlatego przeprowadzono szeroko zakrojone badania nad modyfikacją powierzchni. W tym badaniu wyniki całego FTIR potwierdziły nowe piki w zakresie 560 i 670 cm-1 długości fal ze względu na drgania rozciągające i dwa piki o długości fali 12 020 i 1120 cm−1, które reprezentują drgania rozciągające wiązań Si-O w VTES. Zatem wykazano, że VTES został również przeszczepiony na powierzchnię TiO2. Zmodyfikowany rozmiar cząstek został zgłoszony w zakresie 100–200 nm z bardzo wąskim rozkładem [37]. Ostatnio zgłoszono zastosowanie nanocząstek krzemionki z czasem reakcji 180–191 ms w prototypie wyświetlacza elektroforetycznego [30]. Obecnie produkty EPD mogą wyświetlać 16 Gy poziomów kolorów od białego do czarnego z czasem reakcji 260–300 ms i 1000 ms jako czas odświeżania [5]. Pomimo faktu, że białe pigmenty są komercjalizowane, nadal istnieje potrzeba poprawy ich właściwości przestrzennych i szybkiej reakcji na pole elektryczne.
Pełnokolorowy wyświetlacz można opracować, dzieląc każdy z elementów obrazu w czarno-białych EPD i umieszczając poziome filtry kolorów jako tablice RGB (czerwony, zielony, niebieski) i CMY (niebieski, czerwony, żółty) [76]. Jednak filtr kolorów pochłania duże ilości odbitego światła, co prowadzi do niskiego kontrastu i jasności. Ostatnio badania skupiły się na przygotowaniu trójkolorowych cząstek elektroforetycznych do wyświetlaczy kolorowych (CEPD). Do syntezy cząstek elektroforetycznych stosuje się enkapsulowany barwnik i zmodyfikowany pigment. Przygotowanie kolorowego tuszu uzyskano poprzez umieszczenie kolorowego materiału w polimerach, takich jak polistyren, poli (N winylopirolidon), poli (metakrylan metylu) i niektóre inne kopolimery [23,24]. Jednak pewne wady, takie jak niska widoczność i słaba stabilność światła, ograniczają stosowanie barwników w CEPD. Dla porównania, pigmenty organiczne o ultra-odporności na światło, lepszej stabilności i wyższej sile koloru wykazują większą przydatność dla CEPD [77]. Liczne metody zostały zastosowane do przygotowania stosowanych barwników w CEPD, które są wymienione w poniższych sekcjach.
3.3.2 Materiały powłokowe dla otaczającego kolorowego materiału
W tej technologii mikrokapsułki lub mikropiksele składają się z wyświetlacza elektroforetycznego urządzenia, w którym ściana powłoki staje się kluczowym materiałem. Kluczową rolą powłoki w wyświetlaczu elektroforetycznym jest enkapsulacja kolorowych cząstek, a także medium. W tym celu wymagana jest nie tylko dobra przezroczystość i niski poziom przewodnictwa, ale także zgodność z materiałami wewnątrz. Kolejną specyfikacją jest sposób stabilności mechanicznej przy jednoczesnym zachowaniu elastyczności. Stąd, polimery organiczne takie jak poliamina, poliuretan, polisulfony, kwas polietylenowy, celuloza, żelatyna, guma arabska itp. są uważane za najbardziej odpowiednie wybory [32,55,78-87]. Zgodnie z wybranymi materiałami, zastosowano różne metody wytwarzania mikrokapsułek, w tym polimeryzację in situ formaldehydu i mocznika w celu utworzenia żywicy mocznikowo-formaldehydowej [3,28,82,88] i kompozytową koagulację żelatyny i gumy arabskiej w celu utworzenia filmu kompozytowego [79,89,90].
3.3.3 Dielektryczne medium ciekłe
Wewnątrz mikrokapsułek wyświetlacza elektroforetycznego urządzeń znajduje się zawiesina kolorowych cząstek w medium ciekłym. W oparciu o kluczowe wymagania tych urządzeń, medium powinno reprezentować kilka specjalnych specyfikacji, w tym stabilność termiczną i chemiczną, odpowiednie właściwości izolacyjne(stała dielektryczna większa niż 2), prawie identyczna odbijalność i gęstość z cząstkami, a także niski opór ich transportu i wreszcie przyjazny dla środowiska charakter. Zastosowanie różnych pojedynczych rozpuszczalników organicznych lub sformułowanych rozpuszczalników, takich jak alkilen, węglowodór aromatyczny/alifatyczny, oksysilan itp. może spełnić powyższe wymagania [57,71,79,91,92]. Jedną z najczęściej stosowanych metod jest formulacja 2-fenylobutan-tetrachloroetylenu, izoparu L-tetrachloroetylenu i n-heksan-tetrachloroetylenu. Mieszanie fluorowanego rozpuszczalnika o wysokiej i niskiej gęstości oraz węglowodoru jest powszechnym sposobem na odpowiednie dostosowanie gęstości. Tabela 1 pokazuje niektóre rozpuszczalniki stosowane w zastosowaniach EPD.