电子墨水的显示原理及组成

【中心议题】

•     *电子墨水的显示原理
•     *电子墨水的组成及材料的选择

【解决方案】

•     *在电场的作用下,白色颗粒能够感应电荷朝不同的方向运动,并根据人们的设定不断地改变所显示的图案和文字
•     *电泳颗粒起到图像呈色作用

1 电子墨水的显示原理

电子墨水是由无数透明的微胶囊悬浮在透明基液中而形成的悬浮体系,其中微胶囊囊心由固体微粒和染料溶液组成。在电场的作用下,白色颗粒能够感应电荷朝不同的方向运动,并根据人们的设定不断地改变所显示的图案和文字,其显示原理如图所示。

2 电子墨水的组成及材料的选择

电子墨水是一种多相功能材料,其制备重点在于微粒的表面荷电及微胶囊的制备。各种材料的选择及性质将直接影响到电子墨水的显示性能。

2.1　分散相———电泳颗粒

它在电子墨水显示中起到图像呈色作用而构成整个图像。

电泳颗粒的选择有很大的灵活性,可以是任何一种带电或容易获得电荷的颗粒。一般应该具备以下条件:(1)为了降低和减少颗粒的聚沉或悬浮,它的密度应与分散介质的接近;(2)颗粒在有机溶剂中应具有低溶解度、无溶胀性及化学稳定性;(3)颗粒应具有良好的光学性能,具有高的折射率、高的散射系数和低的吸收系数,即有一定的颜色,高明亮度,不透明性;(4)颗粒尺寸应尽可能小,以增加分散系的稳定性;(5)颗粒表面易吸附电荷或改性。

颗粒就其化学组成可以是单相颜料和复合颜料(无机/无机复合、有机/无机复合、无机/聚合物复合、有机/聚合物复合颗粒)等。就其光学性质可以是散射光颗粒、吸收光颗粒、反光颗粒、电致发光颗粒和光致发光颗粒等。Hayakawa Kunio等研究了以高聚物为芯,包裹10~100nm的颜料颗粒制成的电泳颗粒。W.H.Hou[11]以四氧化锇或四氧化钌等包覆多孔高聚物制成黑色颜料颗粒。当选择密度较大的无机颗粒是可以在其表面包裹一层透明的聚合物(如聚乙烯)来降低颗粒的密度。

常用的无机颜料颗粒有二氧化钛、氧化硅、铬黄、群青、碳黑、锰紫、铁红和镉红等;有机颜料颗粒有大红粉、甲苯胺红、酞菁蓝和喹吖啶酮等。

2.2　分散介质———连续相

它在电子墨水显示中的作用是分散固体颗粒,并与颗粒形成强烈的色彩对比。一般应该具备以下条件:(1)在宽广的温度范围内稳定,因而应具有较高的沸点和较低的熔点;(2)应为良好的绝缘性有机溶剂,即具有较低的介电常数、较高的电阻率和较低的水溶性;(3)具有良好的光学和电化学稳定性;(4)良好的颗粒流动性,即动力学黏度要低;(5)分散介质的折射率和密度与颗粒的要相匹配,以增加体系的稳定性;(6)应具有低的毒性,即表现出良好的环境相容性。

有机溶剂可以选择一种或两种以上的溶剂复配,以满足电子墨水显示的性能要求。可以使用的有机溶剂包括环氧化合物、芳烃、卤代烃、脂肪烃和硅氧烷等。F.E.Schubert[12]研究了以仲丁基苯与四氯乙烯复配的分散介质,Kato Ikuo等研制了由四氯乙烯与正己烷复配的分散介质。

2.3　染料

它的作用是溶解于分散介质形成染料溶液,以赋予其与固体颗粒强烈的色彩对比。例如,采用白色TiO2为无机颜料颗粒,则染料可用油溶性蓝,使有机溶剂呈深色,这样底色与图像鲜明对照。一般应该具备以下条件:(1)在分散介质有良好的溶解度且不电离;(2)有良好的化学稳定性和耐光、耐电稳定性;(3)既不吸附在电极上又不吸附在固体颗粒表面上;(4)具有高的光密度。必要时可以通过化学处理以提高染料的油溶性,降低其在固体颗粒表面的吸附。可以使用的染料有偶氮类、蒽醌类及三苯代甲烷类染料,如油溶性红、苏丹红、油溶蓝、Macrolex蓝RR[13]、Hytherm蓝等。

2.4　电荷控制剂

它的主要作用是吸附在固体电泳颗粒表面使其带电,这样才能在外电场的作用下产生电泳。非水介质中电荷控制机理尚不十分清楚,因此还没有一个选择电荷控制剂的确切规则可循。

一般认为有以下4种原因:

(1)当颗粒与有机溶剂为质子给体-受体体系时,颗粒可以通过以下的离解方式带电:

PH2++S-= PH+SH= P-+SH2+　　

式中PH、SH分别为颗粒的表面基团和溶剂分子,即颗粒表面的质子转移。

(2)当体系中存在离子型表面活性剂时,它们可离解出部分正负离子,颗粒通过选择吸附某种离子而带电。

(3)非水体系中难免含有微量的水等杂质,颗粒可以通过吸附H+或OH-带电。

(4)两相对电子亲和力不同时,颗粒的热运动在两相间发生摩擦作用可使电子从一个相进入另一相,至使颗粒带电,即接触极化。

因此电荷控制剂一般应该具备以下条件:(1)能在有机溶剂中电离;(2)电离出来的其中一种离子能优先吸附在固体颗粒表面;(3)在溶液中的自由离子必须降低到最低,以降低自由离子的电导,节约电能。

电荷控制剂可以是有机硫酸盐或磺酸盐、金属皂、有机酰胺、有机磷酸盐或磷酸酯,还可以是聚合物和嵌段或接枝共聚物及它们的单体。F.E.Schubert和Beilin SolominⅠ分别研究了以聚异丁烯和有机硅衍生物为电荷控制剂。

2.5　稳定剂

它是一种表面活性剂,主要起到两种作用:一是使干的固体颗粒被有机介质润湿而均匀分散于介质中;二是为分散体系中悬浮的颗粒提供空间稳定作用,以降低颗粒自身或在囊壁上的团聚和沉淀。这是因为在非水介质中质点间几乎不存在电斥力,其稳定体系作用主要是吸附在质点表面的表面活性剂疏水链形成的溶剂化膜。一般颗粒表面吸附层要有一定厚度才能具有明显的稳定作用。

由于低分子表面活性剂在非水介质中的分散稳定作用远不及在水介质中,因此人们研制开发了适合于非水溶剂体系使用的高分子表面活性剂作为颜料表面处理剂,通常称之为超分散剂。超分散剂不仅显示通常表面活性剂具有的亲水/亲油性能,而且具有亲颜料/亲溶剂的特征。其分子结构中含有功能完全不同的两个部分,一部分为锚固基团,可通过离子对、氢键、范德华力及改性剂结合等作用以单点锚固或多点锚固的形式紧密地结合在颗粒表面上。另一部分为亲介质的溶剂化的聚合物链,它通过空间位阻效应对颗粒的分散其稳定作用。