За последние несколько десятилетий EPD уделялось большое внимание по сравнению с обычной бумагой из-за их низкой стоимости, небольшого веса, низкого энергопотребления и безопасности. EPD - это отражающие дисплеи, которые работают на основе миграции заряженных взвешенных частиц в диэлектрической жидкости к противоположно заряженному электроду, и это известно как электрофорез [20,25,26] (рис. 4). В последнее время на рынок вышло много дисплеев от таких компаний, как Amazon Kindle, Hanvon и OED Technologies. Две основные компании в этой области - SiPix и E-Ink, которые уже объединились, но эти две технологии различаются. Технология SiPix состоит из микрокапсул из пластика электрофоретического дисплея, который очень тонкий, легкий и производится по технологии roll-to-roll (рис. 5) [27]. Свойства электрофоретического дисплея и электронных чернил подробно объясняются ниже.
Так называемый принцип электрофореза относится к движению взвешенных заряженных частиц в суспензионной жидкости под воздействием электрического поля постоянного тока. Всякий раз, когда электрическое поле между электродами используется в ячейке, частицы мигрируют в зависимости от электрического заряда, а суспензионная жидкость остается стабильной [20,28,29]. Поэтому электрофоретические частицы являются одним из основных компонентов EPD. Как правило, сферическая частица с зарядом 'q', под воздействием электрического поля 'E' и взвешенная в электрофоретической жидкости, находится под воздействием четырех сил: электрической, плавучести, гравитации и замедляющих вязких сил, когда она движется между двухвалентным электродом и противоположным полюсом [30]. Уравнение Гельмгольца-Смолуховского [3] (уравнение (1)) используется для описания электрофоретической скорости (U) заряженной частицы. В этом уравнении термины ε, ξEP, Ex и μ являются диэлектрической постоянной жидкости, дзета-потенциалом частицы, приложенным электрическим полем и подвижностью частицы соответственно. Электрофоретический дзета-потенциал (ξEP) является характеристикой заряженной частицы. Электрофорез приводит к движению заряженных частиц через неподвижный раствор. Различные параметры, включая вязкость транспортной среды и ее диэлектрическое поведение, размер и плотность заряда черных и белых частиц, толщина оболочки микрокапсулы и ее диэлектрический уровень могут влиять на функцию и характеристики EPD. Один из способов сделать частицы нестабильными в жидкой среде - компенсировать гравитацию между растворителем дисперсии и частицами и, как следствие, уменьшить осаждение [31].
В общем, EPD, содержащие цветные суспензии или диспергированные заряженные частицы в диэлектрической среде, создают контрастные цвета в ячейке с двумя проводящими, прозрачными и параллельными электродами, которые были размещены на определенном расстоянии около микрона.
С 1960 года EPD (EPD) разрабатывались как тип отражающего дисплея. Их изображения можно многократно записывать или стирать электрически. Эта технология имеет многочисленные преимущества, такие как широкий угол обзора и высокие коэффициенты контрастности, которые аналогичны печатным бумагам. EPD - это первый и основной выбор для создания электронных бумаг. Однако способность обеспечивать качество изображения и долговечность кластеризации, агломерации и агрегации частиц - это некоторые из серьезных проблем, которые ограничивают ее применение в промышленности.
Свойства электрофоретических частиц являются ключом к определению качества изображения. Улучшенное качество изображения требует очень маленького размера частиц с узким распределением по размерам, большого поверхностного заряда для точного создания и управления изображениями, высокого коэффициента контрастности, быстрой реакции на приложенное напряжение, прозрачности, используемой в оболочке, светостойкости и стабильной дисперсии чернил и других параметров. Следовательно, несколько исследователей изучили влияние модифицированных частиц, морфологии поверхности, поверхностных зарядов и особой стабильности [32–34]. Таким образом, для характеристики микрокапсул E Ink использовались различные инструментальные методы, включая ультрафиолетовую–видимую спектроскопию (УФ–Vis), оптическую микроскопию изображений, Фурье-преобразованную инфракрасную спектроскопию (FTIR), сканирующий электронный микроскоп (SEM), дзета-потенциал, динамическое рассеяние света (DLS) и электрофоретическую ячейку [34–41].
Как упоминалось ранее, пространственная стабильность электрофоретических частиц является ключевым фактором в определении качества изображения, которое определяется измерением дзета-потенциала. Фактически, дзета-потенциал является фактором потенциальной стабильности коллоидных систем. Если все частицы во взвеси имеют положительный или отрицательный заряд, частицы имеют тенденцию отталкиваться друг от друга и не проявляют тенденции к объединению. Тенденция частиц с одинаковым зарядом отталкиваться друг от друга напрямую связана с дзета-потенциалом. В общем, стабильная и нестабильная граница суспензии может быть определена по дзета-потенциалу. Суспензии, содержащие частицы с дзета-потенциалом, превышающим 30 mV или менее −30 mV, считаются стабильными [42].
Кроме того, цветные дисплеи могут быть подготовлены с использованием цветных красителей или органических пигментов в качестве цветных электрофоретических наночастиц. Краситель или пигмент в электронных чернилах должны обладать хорошим блеском, цветовой насыщенностью и отличными характеристиками по отношению к свету, теплу и стойкости к растворителям, что может предложить большой потенциал для более широкого спектра применений [43–45]. Хорошие электронные чернила в EPD могут обеспечить долгосрочную стабильность суспензии и более высокий поверхностный заряд в электрофоретической суспензии [37,46,47]. Некоторые из наночастиц были даже модифицированы некоторыми модификаторами, такими как полиэтилен [34,46,48,49] и октадециламин [32,50,51] в применении EPD. Для точного управления изображением и быстрой реакции на приложенное электрическое поле, частицы должны иметь высокий поверхностный заряд, такой, чтобы подвижность находилась в диапазоне 10-5–10-6 см2/Vs, разница в плотности с растворителем составляла менее 0,5 g/cm3, а подходящий диаметр составлял около 190–500 nm [30,52].
E Ink является прямым результатом интеграции химии, физики и электроники. Состав E Ink для EPD содержит электрофоретические частицы, такие как заряженный цветной материал или микрокапсулы, диспергированные в диэлектрической среде, и агент управления зарядом [22–24]. Основываясь на устройстве и вышеупомянутом принципе работы, важными материалами этой технологии являются цветные частицы (красители/пигменты), оболочка микрокапсулы, изоляционное масло и агенты управления зарядом и стабилизаторы. В следующих разделах объясняется каждый из этих компонентов.
Как упоминалось ранее, цветные частицы размером от нано- до микрометров являются ключевыми материалами для оценки функций электрофореза. Пигменты должны соответствовать нескольким требованиям; уменьшать количество осаждения, плотность должна быть специально совместима с растворителем суспензии, растворимость в растворителе должна быть достаточно низкой, яркость должна быть высокой, чтобы обеспечить эффективные оптические характеристики, поверхность должна быть способна легко заряжаться, обеспечение массового производства требует, чтобы пигменты были надлежащим образом стабильными, а также легко очищаемыми. Следует избегать поглощения частиц на поверхности капсулы или в пикселе в случае их инкапсуляции в микрокапсулы или пиксели. Материалы различных типов были исследованы для применения в EPD [9,53–61]. TiO2 [38,62], сажа [41], SiO2 [63], Al2O3 [58], желтый пигмент [34,64], красный пигмент [32,65], железный красный и магниевый фиолетовый - это неорганические материалы, которые привлекли большое внимание в исследованиях. Толуидиновые красные, фталоцианиновый синий [66–69] и фталоцианиновый зеленый [51,70] также были исследованы в качестве органических частиц. В общем, красители/пигменты нанометрового размера диспергируются в растворе в исходном состоянии, а затем покрываются полимерными материалами для образования структуры ядро-оболочка. Материалы с алкоксигруппой, ацетильной группой или галогенами являются типичными длинноцепочечными органическими материалами, подходящими в качестве материалов оболочки из-за их водородных связей. Наличие в природе, а также высокая яркость являются причинами, по которым устройства EPD уже давно производятся из черных и белых частиц, изготовленных соответственно из черного углерода и диоксида титана. Поскольку оба эти материала являются проводящими, желаемые требования достигаются путем покрытия полимерами на них [71].
В качестве качества изображения из-за контрастности свойства белого пигмента очень важны. В основном исследователи использовали TiO2 в качестве обычного белого пигмента из-за его белизны и превосходных оптических и отражающих свойств. Самой важной проблемой с этим пигментом является его нестабильность в суспензии из-за его высокой плотности. За последнее десятилетие исследователи интенсивно пытались решить эту проблему, предлагая такие решения, как полые наночастицы TiO2 [72], TiO2 модифицированный модификатором [62,73] и TiO2 покрытый полимером [22,43,74]. Впервые Comiskey et al. сообщают о микрокапсулах E Ink с белыми частицами, диспергированными в синей жидкости, которая была приготовлена методом полимеризации in situ мочевины и формальдегида. Диоксид титана с удельным весом 4,2 использовался для отражения и высокой чистоты цвета в качестве белой частицы [75]. Полиэтилен использовался в качестве покрытия на диоксиде титана для уменьшения удельного веса и в качестве модификации поверхности частиц для реагирования на приложенное электрическое поле. В этом исследовании время отклика было зарегистрировано как 0,1 s. Как показано на рис. 6(a), когда микроинкапсулированная электрофоретическая частица помещается между двумя электродами с противоположными зарядами, заряженные частицы ориентируются путем приложения тока, который в противном случае ориентируется к электроду с противоположным зарядом. В этом случае, когда зритель смотрит на частицу сверху, он видит белый фон с отрицательным зарядом вблизи положительного электрода. Кроме того, часть (b) показывает микрофотографию оригинальных примеров электрофоретических микрокапсул, встроенных в электрическое поле [75].
Янг и др. модифицировали частицы диоксида титана с помощью винилтриэтоксисилана (VTES) методом Sol-Gel через прививку функциональных групп на поверхности частиц TiO2. Частицы TiO2 обладают превосходными свойствами в темной среде для контрастности и широко используются в качестве белых электрофоретических частиц при производстве E Ink. Однако, поскольку эта частица имеет высокую плотность, притяжение Ван-дер-Ваальса недостаточно и приводит к агрегации, быстрому осаждению и медленной реакции на электрическое поле. Поэтому были проведены обширные исследования по модификации поверхности. В этом исследовании результаты всего FTIR подтвердили новые пики на длинах волн 560 и 670 cm-1 из-за колебаний растяжения и два пика с длиной волны 12 020 и 1120 cm−1, которые представляют колебания растяжения связей Si-O в VTES. Таким образом, было показано, что VTES также был привит на поверхность TiO2. Сообщалось, что размер модифицированных частиц находится в диапазоне 100–200 nm с очень узким распределением [37]. Недавно сообщалось об использовании наночастиц кремнезема со временем отклика 180–191 ms в прототипе электрофоретического дисплея [30]. В настоящее время продукты EPD могут отображать 16 Gy уровней белого и черного цветов со временем отклика 260–300 ms и 1000 ms и временем обновления соответственно [5]. Несмотря на то, что белые пигменты коммерциализированы, все еще существует необходимость улучшить их свойства пространственно быстрой реакцией на электрическое поле.
Полноцветный дисплей может быть разработан путем разделения каждого из элементов изображения в черно-белых EPD и размещения горизонтальных цветных фильтров в виде массивов RGB (красный, зеленый, синий) и CMY (синий, красный, желтый) [76]. Однако цветной фильтр поглощает большое количество отраженного света, что приводит к низкой контрастности и яркости. В последнее время исследования были сосредоточены на подготовке трехцветных электрофоретических частиц для цветных дисплеев (CEPD). Инкапсулированный краситель и модифицированный пигмент используются для синтеза электрофоретических частиц. Получение цветных чернил было получено путем помещения цветного материала в полимеры, такие как полистирол, поли (N-винилпирролидон), поли (метилметакрилат) и некоторые другие сополимеры [23,24]. Однако некоторые недостатки, такие как низкая видимость и плохая светостойкость, ограничивают использование красителей в CEPD. Для сравнения, органические пигменты с ультра-светостойкостью, лучшей стабильностью и более высокой цветовой насыщенностью показывают большую пригодность для CEPD [77]. Для подготовки применяемых красителей в CEPD было использовано множество методов, которые перечислены в следующих разделах.
В этой технологии микрокапсулы или микропиксели состоят из устройства электрофоретического дисплея, где стенка оболочки превращается в ключевой материал. Ключевая роль оболочки в электрофоретическом дисплее заключается в инкапсуляции цветных частиц, а также среды. Для этой цели требуется не только хорошая прозрачность и низкий уровень проводимости, но и совместимость с материалами внутри нее. Еще одной спецификацией является способ механической стабильности при одновременном сохранении гибкости. Следовательно, органические полимеры, такие как полиамин, полиуретан, полисульфоны, полиэтиленовая кислота, целлюлоза, желатин, арабская камедь и т. д., считаются наиболее подходящими вариантами [32,55,78-87]. В соответствии с выбранными материалами были использованы различные методы изготовления микрокапсул, включая полимеризацию формальдегида и мочевины in situ для образования смолы мочевины-формальдегида [3,28,82,88] и композитную коагуляцию желатина и арабской камеди для образования композитной пленки [79,89,90].
Внутри микрокапсул устройств электрофоретического дисплея находится суспензия цветных частиц в жидкой среде. Основываясь на основных требованиях этих устройств, среда должна представлять несколько специальных спецификаций, включая термическую и химическую стабильность, подходящие изоляционные свойства (диэлектрическая проницаемость больше 2), почти идентичную отражательную способность и плотность с частицами, а также низкое сопротивление их транспортировке и, наконец, экологически чистый характер. Применение различных отдельных органических растворителей или сформулированных растворителей, таких как алкилен, ароматические/алифатические углеводороды, оксосилан и т. д., может удовлетворить вышеупомянутые требования [57,71,79,91,92]. Одним из наиболее широко используемых методов является составление 2-фенилбутан-тетрахлорэтилена, изопар L-тетрахлорэтилена и н-гексан-тетрахлорэтилена. Смешивание высоко- и низкоплотного фторированного растворителя и углеводорода является распространенным способом надлежащей регулировки плотности. В таблице 1 показаны некоторые растворители, используемые в применении EPD.
[26]