3 Ηλεκτροφορητικές οθόνες (EPD)
Τις τελευταίες δεκαετίες, έχει δοθεί μεγάλη προσοχή στις EPDs έναντι του συνηθισμένου χαρτιού λόγω του χαμηλού κόστους, του μικρού βάρους, χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας και ασφάλειας. Οι EPDs είναι οθόνες ανάκλασης που λειτουργούν με βάση τη μετανάστευση φορτισμένων σωματιδίων αιώρησης στο διηλεκτρικό υγρό προς το ηλεκτρόδιο με αντίθετο φορτίο και αυτό είναι γνωστό ως ηλεκτροφόρηση [20,25,26] (Εικ. 4). Πρόσφατα, πολλές οθόνες έχουν εισέλθει στην αγορά μέσω εταιρειών όπως η Amazon Kindle, η Hanvon και η OED Technologies. Δύο μεγάλες εταιρείες σε αυτόν τον τομέα είναι η SiPix και η E-Ink, οι οποίες έχουν ήδη συγχωνευθεί, αλλά αυτές οι δύο τεχνολογίες είναι διαφορετικές. Η τεχνολογία SiPix αποτελείται από μικροκάψουλες πλαστικού ηλεκτροφορηκής οθόνης, η οποία είναι πολύ λεπτή, ελαφριά και παράγεται με τη διαδικασία roll-to-roll (Εικ. 5) [27]. Οι ιδιότητες της ηλεκτροφορητικής οθόνης και του ηλεκτρονικού μελανιού εξηγούνται λεπτομερώς στα ακόλουθα.
3.1 Λειτουργία ηλεκτροφορητικών οθονών (EPD)
Η λεγόμενη αρχή της ηλεκτροφόρησης αναφέρεται στην κίνηση αιωρούμενων φορτισμένων σωματιδίων σε ένα υγρό αιώρησης υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου συνεχούς ρεύματος. Όποτε το ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των ηλεκτροδίων χρησιμοποιείται σε ένα κελί, τα σωματίδια μεταναστεύουν σε σχέση με το ηλεκτρικό φορτίο και το υγρό αιώρησης παραμένει σταθερό [20,28,29]. Επομένως, τα ηλεκτροφορητικά σωματίδια είναι ένα από τα κύρια συστατικά των EPDs. Γενικά, ένα σφαιρικό σωματίδιο, με φορτίο ‘q’, υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου ‘E’ και αιωρούμενο σε ένα ηλεκτροφορητικό υγρό, υπόκειται στην επίδραση τεσσάρων δυνάμεων: της ηλεκτρικής, της άνωσης, της βαρύτητας και των δυνάμεων ιξώδους, καθώς κινείται μεταξύ του δισθενή ηλεκτροδίου και του αντίθετου πόλου [30]. Η εξίσωση Helmholtz-Smoluchowski [3] (Εξίσωση. (1)) χρησιμοποιείται για την περιγραφή της ηλεκτροφορητικής ταχύτητας (U) ενός φορτισμένου σωματιδίου. Σε αυτήν την εξίσωση, οι όροι ε, ξEP, Ex και μ είναι η διηλεκτρική σταθερά του υγρού, το δυναμικό ζήτα του σωματιδίου, το εφαρμοσμένο ηλεκτρικό πεδίο και η κινητικότητα του σωματιδίου, αντίστοιχα. Το ηλεκτροφορητικό δυναμικό ζήτα (ξEP) είναι χαρακτηριστικό του φορτισμένου σωματιδίου. Η ηλεκτροφόρηση οδηγεί στην κίνηση φορτισμένων σωματιδίων μέσω ενός σταθερού διαλύματος. Διάφορες παράμετροι, συμπεριλαμβανομένου του ιξώδους του μέσου μεταφοράς και της διηλεκτρικής του συμπεριφοράς, του μεγέθους και της πυκνότητας φόρτισης των μαύρων και λευκών σωματιδίων, του πάχους του κελύφους της μικροκάψουλας και του διηλεκτρικού της επιπέδου, μπορούν να επηρεάσουν τη λειτουργία και τις επιδόσεις της EPD. Ένας τρόπος για να γίνουν τα σωματίδια ασταθή στο υγρό μέσο είναι να αντισταθμιστεί η βαρύτητα μεταξύ του διαλύτη διασποράς και των σωματιδίων και, ως αποτέλεσμα, να μειωθεί η καθίζηση [31].
Γενικά, οι EPDs που περιέχουν έγχρωμες αναρτήσεις ή διασκορπισμένα φορτισμένα σωματίδια σε ένα διηλεκτρικό μέσο δημιουργούν αντιθετικά χρώματα σε ένα κελί με δύο αγώγιμα, διαφανή και παράλληλα ηλεκτρόδια που έχουν τοποθετηθεί σε μια καθορισμένη απόσταση περίπου ενός μικρομέτρου.
Από το 1960, οι EPDs (EPDs) έχουν αναπτυχθεί ως ένας τύπος οθόνης ανάκλασης. Οι εικόνες τους μπορούν να γραφούν ή να διαγραφούν επανειλημμένα ηλεκτρικά. Αυτή η τεχνολογία έχει πολυάριθμα πλεονεκτήματα, όπως ευρεία γωνία θέασης και υψηλές αναλογίες αντίθεσης που είναι παρόμοιες με τα τυπωμένα χαρτιά. Η EPD είναι η πρώτη και βασική επιλογή για την κατασκευή ηλεκτρονικών χαρτιών. Ωστόσο, η ικανότητα διασφάλισης της ποιότητας της εικόνας και της μακροζωίας της συσσωμάτωσης, της συσσωμάτωσης και της συσσώρευσης σωματιδίων είναι μερικά από τα σοβαρά προβλήματα που περιορίζουν τις εφαρμογές της στη βιομηχανία.
3.2 Αποτελεσματικές παράμετροι στην ποιότητα της εικόνας της οθόνης EPD με E Ink
Οι ιδιότητες των ηλεκτροφορητικών σωματιδίων είναι το κλειδί για τον καθορισμό της ποιότητας της εικόνας. Η βελτιωμένη ποιότητα εικόνας απαιτεί πολύ μικρό μέγεθος σωματιδίων με στενή κατανομή μεγέθους, μεγάλο επιφανειακό φορτίο για τη δημιουργία και τον ακριβή έλεγχο των εικόνων, υψηλή αναλογία αντίθεσης, γρήγορη απόκριση στην εφαρμοσμένη τάση, διαφάνεια που χρησιμοποιείται στο κέλυφος, σταθερότητα φωτός και σταθερή διασπορά μελανιού και άλλες παραμέτρους. Κατά συνέπεια, αρκετοί ερευνητές έχουν διερευνήσει την επίδραση των τροποποιημένων σωματιδίων, μορφολογία επιφάνειας, επιφανειακά φορτία και ειδική σταθερότητα [32–34]. Έτσι, για τον χαρακτηρισμό των μικροκαψουλών E Ink, χρησιμοποιήθηκαν διάφορες οργανολογικές τεχνικές, όπως φασματοσκοπία υπεριώδους-ορατού (UV–Vis), οπτική μικροσκοπία εικόνας, Φασματοσκοπία υπερύθρων μετασχηματισμού Fourier (FTIR), μικροσκόπιο σάρωσης ηλεκτρονίων (SEM), δυναμικό ζήτα, δυναμική σκέδαση φωτός (DLS) και ηλεκτροφορητικό κύτταρο [34–41].
Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η χωρική σταθερότητα των ηλεκτροφορητικών σωματιδίων είναι βασικός παράγοντας για τον καθορισμό της ποιότητας της εικόνας, η οποία καθορίζεται από τη μέτρηση του δυναμικού ζήτα. Στην πραγματικότητα, το δυναμικό ζήτα είναι ένας παράγοντας για τη δυνητική σταθερότητα των κολλοειδών συστημάτων. Εάν όλα τα σωματίδια σε αιώρηση έχουν θετικό ή αρνητικό φορτίο, τα σωματίδια τείνουν να απωθούν το ένα το άλλο και δεν δείχνουν τάση να ενσωματωθούν. Η τάση των σωματιδίων με παρόμοιο φορτίο να απωθούν το ένα το άλλο σχετίζεται άμεσα με το δυναμικό ζήτα. Γενικά, το σταθερό και ασταθές όριο της αιώρησης μπορεί να προσδιοριστεί από το δυναμικό ζήτα. Οι αναρτήσεις που περιέχουν σωματίδια με δυναμικό ζήτα μεγαλύτερο από 30 mV ή μικρότερο από −30 mV θεωρούνται σταθερές [42].
Επίσης, οι έγχρωμες οθόνες μπορούν να παρασκευαστούν χρησιμοποιώντας έγχρωμες βαφές ή οργανικές χρωστικές ως έγχρωμα ηλεκτροφορητικά νανοσωματίδια. Η βαφή ή η χρωστική ουσία στο ηλεκτρονικό μελάνι θα πρέπει να έχει καλή λαμπρότητα, χρώμα δύναμη και εξαιρετική απόδοση με φως, θερμότητα και αντοχή σε διαλύτες που μπορεί να προσφέρει μεγάλες δυνατότητες για να προταθεί για ένα ευρύτερο φάσμα εφαρμογών [43–45]. Το καλό ηλεκτρονικό μελάνι σε EPDs μπορεί να επιτύχει μακροχρόνια σταθερότητα αιώρησης και υψηλότερο επιφανειακό φορτίο σε ηλεκτροφορητική αιώρηση [37,46,47]. Ορισμένα από τα νανοσωματίδια τροποποιήθηκαν ακόμη και από ορισμένους τροποποιητές όπως πολυαιθυλένιο [34,46,48,49] και οκταδεκυλαμίνη [32,50,51] σε εφαρμογή EPDs. Για ακριβή έλεγχο της εικόνας και γρήγορη απόκριση στο εφαρμοσμένο ηλεκτρικό πεδίο, τα σωματίδια θα πρέπει να έχουν υψηλό επιφανειακό φορτίο, έτσι ώστε η κινητικότητα να είναι εντός της περιοχής 10-5–10-6 cm2/Vs, η διαφορά πυκνότητας με τον διαλύτη είναι μικρότερη από 0,5 g/cm3 και η κατάλληλη διάμετρος είναι περίπου 190–500 nm [30,52].
3.3 Ηλεκτρονικό μελάνι (E Ink) ή ηλεκτροφορηικό μελάνι
Το E Ink είναι άμεσο αποτέλεσμα της ενσωμάτωσης χημείας, φυσικής και ηλεκτρονικών. Η σύνθεση του E Ink για EPD περιέχει ηλεκτροφόρηση σωματιδίων όπως φορτισμένο έγχρωμο υλικό ή μικροκάψουλες που διασκορπίζονται σε ένα διηλεκτρικό περιβάλλον και παράγοντα ελέγχου φόρτισης [22–24]. Με βάση τη συσκευή και την προαναφερθείσα αρχή λειτουργίας, τα σημαντικά υλικά αυτής της τεχνολογίας περιλαμβάνουν τα έγχρωμα σωματίδια (βαφές/χρωστικές), το κέλυφος της μικροκάψουλας, το μονωτικό λάδι και τους παράγοντες ελέγχου φόρτισης και σταθεροποιητές. Οι ακόλουθες ενότητες εξηγούν καθεμία από αυτές τις συνιστώσες.
3.3.1 Βαφές/χρωστικές ως έγχρωμα σωματίδια για τον πυρήνα
Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, τα έγχρωμα σωματίδια μεγέθους νανο- έως μικρομέτρων είναι τα βασικά υλικά για την αξιολόγηση των λειτουργιών της ηλεκτροφόρησης. Οι χρωστικές ουσίες πρέπει να πληρούν αρκετές απαιτήσεις. μειώστε την ποσότητα της καθίζησης, η πυκνότητα πρέπει να είναι ειδικά συμβατή με τον διαλύτη αιώρησης, η διαλυτότητα στον διαλύτη πρέπει να είναι αρκετά χαμηλή, η φωτεινότητα πρέπει να είναι υψηλή ώστε να εξασφαλίζεται η αποτελεσματική οπτική απόδοση, η επιφάνεια πρέπει να είναι ικανή να φορτίζεται εύκολα, εξασφαλίζοντας ότι η μαζική παραγωγή απαιτεί οι χρωστικές ουσίες να είναι σωστά σταθερές και επίσης ικανές να καθαρίζονται εύκολα. Η απορρόφηση σωματιδίων στην επιφάνεια της κάψουλας ή στο εικονοστοιχείο πρέπει να αποφεύγεται σε περίπτωση ενθυλάκωσής τους σε μικροκάψουλες ή εικονοστοιχεία. Υλικά διαφόρων τύπων έχουν ερευνηθεί για εφαρμογές EPD [9,53–61]. TiO2 [38,62], μαύρο άνθρακα [41], SiO2 [63], Al2O3 [58], κίτρινη χρωστική ουσία [34,64], κόκκινη χρωστική ουσία [32,65], σιδηρούχο κόκκινο και μαγνήσιο μωβ είναι τα ανόργανα υλικά που έχουν προσελκύσει μεγάλη προσοχή στην έρευνα. Τα Toluidine reds, phthalocyanine blue [66–69] και phthalocyanine green [51,70] έχουν επίσης ερευνηθεί ως οργανικά σωματίδια. Γενικά, οι βαφές/χρωστικές ουσίες νανομέτρου μεγέθους διασκορπίζονται σε ένα διάλυμα στις αρχικές καταστάσεις, ακολουθούμενη από επίστρωση με πολυμερή υλικά για το σχηματισμό δομής πυρήνα-κέλυφους. Τα υλικά με ομάδα αλκοξυ, ομάδα ακετυλίου ή αλογόνα είναι τυπικά μακράς αλυσίδας οργανικά υλικά κατάλληλα ως υλικά κελύφους λόγω των δεσμών υδρογόνου. Η διαθεσιμότητα στη φύση καθώς και η υψηλή φωτεινότητα είναι οι λόγοι για τους οποίους οι συσκευές EPD έχουν κατασκευαστεί εδώ και καιρό από μαύρα και λευκά σωματίδια από μαύρο άνθρακα και διοξείδιο του τιτανίου αντίστοιχα. Δεδομένου ότι και τα δύο αυτά υλικά είναι αγώγιμα, οι επιθυμητές απαιτήσεις επιτυγχάνονται μέσω πολυμερών επίστρωσης σε αυτά [71].
Στην ποιότητα της εικόνας λόγω αντίθεσης, οι ιδιότητες της λευκής χρωστικής είναι πολύ σημαντικές. Κυρίως, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν TiO2 ως κοινή λευκή χρωστική ουσία λόγω της λευκότητάς της και των εξαιρετικών οπτικών και ανακλαστικών ιδιοτήτων. Το πιο σημαντικό πρόβλημα με αυτή τη χρωστική ουσία είναι η αστάθειά της στην αιώρηση λόγω της υψηλής πυκνότητάς της. Την τελευταία δεκαετία, οι ερευνητές έχουν προσπαθήσει εντατικά να λύσουν αυτό το πρόβλημα προτείνοντας λύσεις όπως νανοσωματίδια κοίλου TiO2 [72], TiO2 τροποποιημένο με τροποποιητή [62,73] και TiO2 επικαλυμμένο με πολυμερές [22,43,74]. Για πρώτη φορά, οι Comiskey et al. αναφέρουν τις μικροκάψουλες E Ink με λευκά σωματίδια διασκορπισμένα σε ένα μπλε υγρό που παρασκευάστηκε με τη μέθοδο in situ polymerization της ουρίας και της φορμαλδεΰδης. Το διοξείδιο του τιτανίου με ειδικό βάρος 4,2 χρησιμοποιήθηκε για ανάκλαση και υψηλή καθαρότητα χρώματος ως λευκό σωματίδιο [75]. Το πολυαιθυλένιο χρησιμοποιήθηκε ως επίστρωση στο διοξείδιο του τιτανίου προκειμένου να μειωθεί το ειδικό βάρος και ως επιφανειακή τροποποίηση σωματιδίων για την απόκριση στο εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο. Σε αυτή τη μελέτη, ο χρόνος απόκρισης αναφέρθηκε ως 0,1 s. Όπως αποδεικνύεται στο Εικ. 6(α), όταν ένα μικροενθυλακωμένο ηλεκτροφορητικό σωματίδιο τοποθετείται μεταξύ δύο ηλεκτροδίων με αντίθετα φορτία, τα φορτισμένα σωματίδια προσανατολίζονται εφαρμόζοντας ένα ρεύμα, το οποίο διαφορετικά προσανατολίζονται προς το ηλεκτρόδιο με αντίθετο φορτίο. Σε αυτήν την περίπτωση, όταν ένας θεατής κοιτάζει το σωματίδιο από πάνω, βλέπει ένα λευκό φόντο με αρνητικό φορτίο στην περιοχή του θετικό ηλεκτρόδιο. Επιπλέον, το μέρος (β) δείχνει τη μικροφωτογραφία των αρχικών παραδειγμάτων των ηλεκτροφορητικών μικροκαψουλών που είναι ενσωματωμένες στο ηλεκτρικό πεδίο [75].
Ο Yang et al. τροποποίησαν τα σωματίδια διοξειδίου του τιτανίου με Vinyl Triethoxysilane (VTES) με τη μέθοδο Sol-Gel μέσω μόσχευσης ομάδων ροής στην επιφάνεια των σωματιδίων TiO2. Τα σωματίδια TiO2 έχουν εξαιρετικές ιδιότητες στο σκοτεινό περιβάλλον για αντίθεση και χρησιμοποιούνται εκτενώς ως λευκά ηλεκτροφορητικά σωματίδια στην παραγωγή E Ink. Ωστόσο, δεδομένου ότι αυτό το σωματίδιο έχει υψηλή πυκνότητα, η έλξη Van der Waals δεν είναι επαρκής και οδηγεί σε συσσωμάτωση, γρήγορη καθίζηση και δείχνει αργή απόκριση στο ηλεκτρικό πεδίο. Επομένως, έχει διεξαχθεί εκτεταμένη έρευνα για την τροποποίηση της επιφάνειας. Σε αυτή τη μελέτη, τα αποτελέσματα ολόκληρου του FTIR έχουν επιβεβαιώσει νέες κορυφές σε 560 και 670 cm-1 μήκη κύματος λόγω των ταλαντώσεων τεντώματος και δύο κορυφές με 12.020 και 1120 cm−1 μήκος κύματος που αντιπροσωπεύει τις ταλαντώσεις τεντώματος των δεσμών Si-O στο VTES. Έτσι, αποδείχθηκε ότι το VTES εμβολιάστηκε επίσης στην επιφάνεια του TiO2. Το τροποποιημένο μέγεθος σωματιδίων έχει αναφερθεί στην περιοχή των 100–200 nm με πολύ στενή κατανομή [37]. Πρόσφατα, η χρήση νανοσωματιδίων πυριτίου έχει αναφερθεί με χρόνο απόκρισης 180–191 ms στο πρωτότυπο της ηλεκτροφορηκής οθόνης [30]. Επί του παρόντος, τα προϊόντα EPDs μπορούν να δείξουν 16 Gy επίπεδα λευκού έως μαύρου χρώματος με 260–300 ms και 1000 ms ως χρόνο απόκρισης και χρόνο ανανέωσης αντίστοιχα [5]. Παρά το γεγονός ότι οι λευκές χρωστικές ουσίες είναι εμπορικές, εξακολουθεί να υπάρχει ανάγκη βελτίωσης των ιδιοτήτων τους χωρικά γρήγορη απόκριση στο ηλεκτρικό πεδίο.
Η πλήρως έγχρωμη οθόνη μπορεί να αναπτυχθεί διαιρώντας καθένα από τα στοιχεία της εικόνας στις ασπρόμαυρες EPDs και τοποθετώντας οριζόντια έγχρωμα φίλτρα ως συστοιχίες RGB (κόκκινο, πράσινο, μπλε) και CMY (μπλε, κόκκινο, κίτρινο) [76]. Ωστόσο, το έγχρωμο φίλτρο απορροφά μεγάλες ποσότητες ανακλώμενου φωτός, γεγονός που οδηγεί σε χαμηλή αντίθεση και φωτεινότητα. Πρόσφατα, οι μελέτες έχουν επικεντρωθεί στην παρασκευή των τριών χρωμάτων ηλεκτροφορητικών σωματιδίων για έγχρωμες οθόνες (CEPD). Η ενθυλακωμένη βαφή και η τροποποιημένη χρωστική ουσία χρησιμοποιούνται για τη σύνθεση ηλεκτροφορητικών σωματιδίων. Η παρασκευή έγχρωμου μελανιού επιτεύχθηκε μέσω της τοποθέτησης έγχρωμου υλικού σε πολυμερή όπως πολυστυρένιο, πολυ (Ν βινυλοπυρρολιδόνη), πολυ (μεθακρυλικό μεθύλιο) και ορισμένα άλλα συμπολυμερή [23,24]. Ωστόσο, ορισμένα μειονεκτήματα όπως η χαμηλή ορατότητα και η κακή σταθερότητα του φωτός περιορίζουν τη χρήση βαφών στο CEPD. Σε σύγκριση, οι οργανικές χρωστικές ουσίες με εξαιρετική αντοχή στο φως, καλύτερη σταθερότητα και υψηλότερη χρωματική αντοχή δείχνουν μεγαλύτερη καταλληλότητα για CEPD [77]. Πολλές μέθοδοι έχουν χρησιμοποιηθεί για την παρασκευή εφαρμοσμένων βαφών στο CEPD που παρατίθενται στις ακόλουθες ενότητες.
3.3.2 Τα υλικά κελύφους για το περιβάλλον έγχρωμο υλικό
Σε αυτήν την τεχνολογία, οι μικροκάψουλες ή τα μικροεικονοστοιχεία αποτελούν τη συσκευή ηλεκτροφορηκής οθόνης όπου το τοίχωμα του κελύφους μετατρέπεται σε βασικό υλικό. Ο βασικός