3 Display elettroforetici (EPD)
Negli ultimi decenni, molta attenzione è stata rivolta agli EPD rispetto alla carta ordinaria grazie al loro basso costo, al peso ridotto, al basso consumo energetico e alla sicurezza. Gli EPD sono display riflettenti che agiscono in base alla migrazione di particelle di sospensione cariche nel fluido dielettrico verso l'elettrodo caricato in modo opposto e questo è noto come elettroforesi [20,25,26] (Fig. 4). Recentemente, molti display sono entrati nel mercato attraverso aziende come Amazon Kindle, Hanvon e OED Technologies. Due importanti aziende in questo campo sono SiPix ed E-Ink che sono già state fuse, ma queste due tecnologie sono diverse. La tecnologia SiPix è costituita da microcapsule di plastica display elettroforetici, che è molto sottile, leggero e prodotto tramite il processo roll-to-roll (Fig. 5) [27]. Le proprietà del display elettroforetico e dell'inchiostro elettronico sono spiegate in dettaglio di seguito.
3.1 Funzionamento dei display elettroforetici (EPD)
Il cosiddetto principio di elettroforesi si riferisce al movimento di particelle cariche sospese in un fluido di sospensione sotto l'influenza di un campo elettrico CC. Ogni volta che il campo elettrico tra gli elettrodi viene utilizzato in una cella, le particelle migrano in relazione alla carica elettrica e il fluido di sospensione rimane stabile [20,28,29]. Pertanto, le particelle elettroforetiche sono uno dei componenti principali degli EPD. Generalmente, una particella sferica, con una carica ‘q’, sotto un campo elettrico ‘E’ e sospesa in un liquido elettroforetico, è sotto l'influenza di quattro forze: le forze elettrica, di galleggiamento, di gravità e di forze viscose, mentre si muove tra l'elettrodo bivalente e il polo opposto [30]. L'equazione di Helmholtz-Smoluchowski [3] (Eq. (1)) è impiegata per descrivere la velocità elettroforetica (U) di una particella carica. In questa equazione, i termini ε, ξEP, Ex e μ sono la costante dielettrica del liquido, il potenziale zeta della particella, il campo elettrico applicato e la mobilità della particella, rispettivamente. Il potenziale zeta elettroforetico (ξEP) è una caratteristica della particella carica. L'elettroforesi porta al movimento di particelle cariche attraverso una soluzione stazionaria. Vari parametri tra cui la viscosità del mezzo di trasporto e il suo comportamento dielettrico, le dimensioni e la densità di carica delle particelle bianche e nere, lo spessore del guscio della microcapsula e il suo livello dielettrico possono influenzare la funzione e le prestazioni degli EPD. Un modo per rendere le particelle instabili nel mezzo liquido è quello di compensare la gravità tra il solvente di dispersione e le particelle e, di conseguenza, ridurre la sedimentazione [31].
In generale, gli EPD contenenti sospensioni colorate o particelle cariche disperse in un mezzo dielettrico creano colori contrastanti in una cella con due elettrodi conduttivi, trasparenti e paralleli che sono stati posizionati a una distanza specifica di circa un micron.
Dal 1960, gli EPD (EPD) sono stati sviluppati come un tipo di display riflettente. Le loro immagini possono essere scritte o cancellate ripetutamente elettricamente. Questa tecnologia presenta numerosi vantaggi come un ampio angolo di visione e alti rapporti di contrasto simili alle carte stampate. L'EPD è la prima e fondamentale scelta per realizzare carte elettroniche. Tuttavia, la capacità di garantire la qualità dell'immagine e la longevità dell'aggregazione, dell'agglomerazione e dell'aggregazione delle particelle sono alcuni dei seri problemi che ne limitano le applicazioni nel settore.
3.2 Parametri efficaci nella qualità dell'immagine del display EPD con E Ink
Le proprietà delle particelle elettroforetiche sono fondamentali per la determinazione della qualità dell'immagine. La migliore qualità dell'immagine richiede dimensioni delle particelle molto piccole con una distribuzione dimensionale ristretta, una grande carica superficiale per creare e controllare accuratamente le immagini, un elevato rapporto di contrasto, una rapida risposta alla tensione applicata, trasparenza utilizzata nel guscio, stabilità alla luce e dispersione stabile dell'inchiostro e altri parametri. Di conseguenza, diversi ricercatori hanno esplorato l'effetto delle particelle modificate, della morfologia superficiale, delle cariche superficiali e della stabilità speciale [32–34]. Pertanto, per la caratterizzazione delle microcapsule E Ink, sono state utilizzate varie tecniche strumentali tra cui spettroscopia ultravioletta-visibile (UV–Vis), microscopia a immagine ottica, spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR), microscopio elettronico a scansione (SEM), potenziale zeta, scattering dinamico della luce (DLS) e cella elettroforetica [34–41].
Come accennato in precedenza, la stabilità spaziale delle particelle elettroforetiche è un fattore chiave per determinare la qualità dell'immagine, che è specificata dalla misurazione del potenziale zeta. In effetti, il potenziale zeta è un fattore per la potenziale stabilità dei sistemi colloidali. Se tutte le particelle in sospensione hanno una carica positiva o negativa, le particelle tendono a respingersi a vicenda e non mostrano alcuna tendenza a integrarsi. La tendenza delle particelle con carica simile a respingersi a vicenda è direttamente correlata al potenziale zeta. In generale, il confine stabile e instabile della sospensione può essere determinato dal potenziale zeta. Le sospensioni contenenti particelle con potenziale zeta maggiore di 30 mV o minore di −30 mV sono considerate stabili [42].
Inoltre, i display a colori possono essere preparati utilizzando coloranti colorati o pigmenti organici come nanoparticelle elettroforetiche colorate. Il colorante o il pigmento nell'inchiostro elettronico dovrebbero avere una buona brillantezza, intensità del colore e prestazioni eccellenti con luce, calore e resistenza ai solventi che possono offrire un grande potenziale per essere proposti per una gamma più ampia di applicazioni [43–45]. Un buon inchiostro elettronico negli EPD può ottenere una stabilità di sospensione a lungo termine e una carica superficiale più elevata nella sospensione elettroforetica [37,46,47]. Alcune delle nanoparticelle sono state persino modificate da alcuni modificatori come polietilene [34,46,48,49] e ottadecilammina [32,50,51] nell'applicazione EPD. Per un controllo accurato dell'immagine e una rapida risposta al campo elettrico applicato, le particelle dovrebbero avere un'elevata carica superficiale tale che la mobilità sia compresa nell'intervallo di 10-5–10-6 cm2/Vs, la differenza di densità con il solvente è inferiore a 0,5 g/cm3 e il diametro appropriato è di circa 190–500 nm [30,52].
3.3 Inchiostro elettronico (E Ink) o inchiostro elettroforetico
E Ink è un risultato diretto dell'integrazione di chimica, fisica ed elettronica. La composizione di E Ink per EPD contiene particelle di elettroforesi come materiale colorato carico o microcapsule disperse in un ambiente dielettrico e agente di controllo della carica [22–24]. Sulla base del dispositivo e del suddetto principio di funzionamento, i materiali importanti di questa tecnologia includono le particelle colorate (coloranti/pigmenti), il guscio della microcapsula, l'olio isolante e gli agenti di controllo della carica e gli stabilizzatori. Le seguenti sezioni spiegano ciascuno di questi componenti.
3.3.1 Coloranti/pigmenti come particelle colorate per il nucleo
Come accennato in precedenza, le particelle colorate delle dimensioni da nano a micrometro sono i materiali chiave per valutare le funzioni dell'elettroforesi. I pigmenti devono soddisfare diversi requisiti; diminuire la quantità di sedimentazione, la densità deve essere specificamente compatibile con il solvente di sospensione, la solubilità nel solvente deve essere sufficientemente bassa, la luminosità deve essere elevata in modo da garantire le prestazioni ottiche efficaci, la superficie deve essere in grado di essere caricata facilmente, garantendo che la produzione di massa richieda che i pigmenti siano adeguatamente stabili e anche in grado di essere purificati facilmente. L'assorbimento delle particelle sulla superficie della capsula o nel pixel deve essere evitato in caso di incapsulamento in microcapsule o pixel. Materiali di vario tipo sono stati studiati per le applicazioni EPD [9,53–61]. TiO2 [38,62], nero di carbonio [41], SiO2 [63], Al2O3 [58], pigmento giallo [34,64], pigmento rosso [32,65], rosso ironico e viola magnesio sono i materiali inorganici che hanno attirato molta attenzione nella ricerca. I rossi di toluidina, il blu ftalocianina [66–69] e il verde ftalocianina [51,70] sono stati studiati anche come particelle organiche. In generale, i coloranti/pigmenti di dimensioni nanometriche sono dispersi in una soluzione negli stati originali, seguiti dal rivestimento con materiali polimerici per formare una struttura core-shell. I materiali con gruppo alcossi, gruppo acetilico o alogeni sono tipici materiali organici a catena lunga adatti come materiali di rivestimento grazie ai loro legami idrogeno. La disponibilità in natura e l'elevata luminosità sono i motivi per cui i dispositivi EPD sono stati a lungo fabbricati da particelle bianche e nere rispettivamente di carbonio nero e biossido di titanio. Poiché entrambi questi materiali sono conduttivi, i requisiti desiderati vengono raggiunti attraverso polimeri di rivestimento su di essi [71].
Nella qualità dell'immagine dovuta al contrasto, le proprietà del pigmento bianco sono molto importanti. Per lo più, i ricercatori hanno utilizzato TiO2 come pigmento bianco comune per la sua bianchezza ed eccellenti proprietà ottiche e di riflessione. Il problema più importante con questo pigmento è la sua instabilità nella sospensione a causa della sua alta densità. Nell'ultimo decennio i ricercatori hanno cercato intensamente di risolvere questo problema suggerendo soluzioni come nanoparticelle cave TiO2 [72], TiO2 modificato con modificatore [62,73] e TiO2 rivestito con polimero [22,43,74]. Per la prima volta, Comiskey et al. riportano le microcapsule E Ink con particelle bianche disperse in un fluido blu che è stato preparato con il metodo di polimerizzazione in situ di urea e formaldeide. Il biossido di titanio con un peso specifico di 4,2 è stato utilizzato per la riflessione e l'elevata purezza del colore come particella bianca [75]. Il polietilene è stato utilizzato come rivestimento sul biossido di titanio per ridurre il peso specifico e come modifica superficiale delle particelle per rispondere al campo elettrico applicato. In questo studio, il tempo di risposta è stato riportato come 0,1 s. Come dimostrato in Fig. 6(a), quando una particella elettroforetica microincapsulata viene posta tra due elettrodi con cariche opposte, le particelle cariche sono orientate applicando una corrente che altrimenti sono orientate verso l'elettrodo con carica opposta. In questo caso, quando uno spettatore guarda la particella dall'alto, vede uno sfondo bianco con carica negativa in prossimità dell'elettrodo positivo. Inoltre, la parte (b) mostra la fotomicrografia degli esempi originali delle microcapsule elettroforetiche integrate nel campo elettrico [75].
Yang et al. hanno modificato le particelle di biossido di titanio con vinil trietossisilano (VTES) con il metodo Sol-Gel attraverso l'innesto di gruppi di flusso sulla superficie delle particelle di TiO2. Le particelle di TiO2 hanno proprietà eccellenti nell'ambiente buio per il contrasto e sono ampiamente utilizzate come particelle elettroforetiche bianche nella produzione di E Ink. Tuttavia, poiché questa particella ha un'elevata densità, l'attrazione di Van der Waals non è sufficiente e porta all'aggregazione, alla sedimentazione rapida e mostra una risposta lenta al campo elettrico. Pertanto, sono state condotte ampie ricerche sulla modifica della superficie. In questo studio, i risultati dell'intero FTIR hanno confermato nuovi picchi a 560 e 670 cm-1 lunghezze d'onda dovute alle vibrazioni di stretching e due picchi con 12.020 e 1120 cm−1 lunghezza d'onda che rappresenta le vibrazioni di stretching dei legami Si-O in VTES. Pertanto, è stato dimostrato che VTES è stato anche innestato sulla superficie di TiO2. Le dimensioni delle particelle modificate sono state riportate nell'intervallo di 100–200 nm con una distribuzione molto ristretta [37]. Recentemente, l'uso di nanoparticelle di silice è stato riportato con un tempo di risposta di 180–191 ms nel prototipo di display elettroforetici [30]. Attualmente i prodotti EPD possono mostrare livelli di 16 Gy di colori da bianco a nero con 260–300 ms e 1000 ms come tempo di risposta e tempo di aggiornamento rispettivamente [5]. Nonostante il fatto che i pigmenti bianchi siano commercializzati, c'è ancora bisogno di migliorare le loro proprietà di risposta spazialmente rapida al campo elettrico.
Il display a colori può essere sviluppato dividendo ciascuno degli elementi dell'immagine negli EPD in bianco e nero e posizionando filtri colorati orizzontali come array RGB (rosso, verde, blu) e CMY (blu, rosso, giallo) [76]. Tuttavia, il filtro colorato assorbe grandi quantità di luce riflessa, il che porta a un basso contrasto e luminosità. Recentemente, gli studi si sono concentrati sulla preparazione delle particelle elettroforetiche tricolore per display a colori (CEPD). Il colorante incapsulato e il pigmento modificato vengono utilizzati per la sintesi di particelle elettroforetiche. La preparazione dell'inchiostro colorato è stata ottenuta attraverso il posizionamento di materiale colorato nei polimeri come polistirene, poli (N vinil pirrolidone), poli (metacrilato di metile) e alcuni altri copolimeri [23,24]. Tuttavia, alcuni inconvenienti come la bassa visibilità e la scarsa stabilità alla luce limitano l'uso dei coloranti nel CEPD. In confronto, i pigmenti organici con resistenza ultra-leggera, migliore stabilità e maggiore intensità del colore mostrano una maggiore idoneità per CEPD [77]. Numerosi metodi sono stati impiegati per la preparazione di coloranti applicati nel CEPD che sono elencati nelle seguenti sezioni.
3.3.2 I materiali del guscio per il materiale colorato circostante
In questa tecnologia, le microcapsule o i micropixel comprendono il display elettroforetici dispositivo in cui la parete del guscio si trasforma in un materiale chiave. Il ruolo chiave del guscio nel display elettroforetico è quello di incapsulare le particelle colorate e il mezzo. A tal fine, non solo è necessario avere una buona trasparenza e un basso livello di conducibilità, ma dovrebbe anche essere compatibile con i materiali al suo interno. Un'altra specifica è il modo di stabilità meccanica mantenendo la flessibilità allo stesso tempo. Quindi, polimeri organici come poliammina, poliuretano, polisulfoni, acido polietilenico, cellulosa, gelatina, gomma arabica, ecc. sono considerati le scelte più adatte [32,55,78-87]. In base ai materiali scelti, sono stati impiegati vari metodi per la fabbricazione di microcapsule, tra cui la polimerizzazione in situ di formaldeide e urea per formare resina urea-formaldeide [3,28,82,88] e coagulazione composita di gelatina e gomma arabica per formare pellicola composita [79,89,90].
3.3.3 Mezzo liquido dielettrico
C'è una sospensione di particelle colorate in un mezzo liquido all'interno delle microcapsule di display elettroforetici dispositivi. Sulla base dei requisiti chiave di questi dispositivi, il mezzo dovrebbe rappresentare diverse specifiche speciali tra cui stabilità termica e chimica, proprietà isolanti adeguate (costante dielettrica maggiore di 2), quasi identica riflettività e densità con particelle, nonché bassa resistenza al loro trasporto e, infine, natura rispettosa dell'ambiente. L'applicazione di diversi solventi organici singoli o solventi formulati come alchilene, idrocarburi aromatici/alifatici, ossosilano, ecc. può soddisfare i requisiti sopra menzionati [57,71,79,91,92]. Uno dei metodi più utilizzati è la formulazione di 2-fenilbutano-tetracloroetilene, isopar L-tetracloroetilene e n-esano-tetracloroetilene. La miscelazione di solvente fluorurato ad alta e bassa densità e idrocarburo è un modo comune per la corretta regolazione della densità. Tabella 1 mostra alcuni solventi utilizzati nell'applicazione EPD.