지난 수십 년 동안 EPD는 저렴한 비용, 가벼운 무게, 낮은 전력 소비 및 안전성으로 인해 일반 종이보다 많은 관심을 받았습니다. EPD는 유전체 유체 내에서 하전된 현탁 입자의 이동을 기반으로 작동하는 반사형 디스플레이이며, 이를 전기 영동 [20,25,26] (그림 4)이라고 합니다. 최근 Amazon Kindle, Hanvon 및 OED Technologies와 같은 회사를 통해 많은 디스플레이가 시장에 진출했습니다. 이 분야의 두 주요 회사는 SiPix와 E-Ink인데 이미 합병되었지만 이 두 기술은 다릅니다. SiPix 기술은 얇고 가볍고 롤투롤 공정으로 생산되는 플라스틱 반사율의 마이크로캡슐로 구성됩니다(그림 5) [27]. 전기 영동 디스플레이 및 전자 잉크의 특성은 다음과 같습니다.
소위 전기 영동 원리는 DC 전기장의 영향 하에서 현탁액 내에 현탁된 하전 입자의 이동을 의미합니다. 전극 사이의 전기장이 셀에 사용될 때 입자는 전하와 관련하여 이동하고 현탁액은 안정적으로 유지됩니다 [20,28,29]. 따라서 전기 영동 입자는 EPD의 주요 구성 요소 중 하나입니다. 일반적으로 전하 'q'를 가진 구형 입자는 전기장 'E' 하에서 전기 영동 액체에 현탁되어 전기력, 부력, 중력 및 저항 점성력의 영향을 받으며 이중가 전극과 반대 극 사이를 이동합니다 [30]. Helmholtz-Smoluchowski 방정식 [3] (식 (1))은 하전 입자의 전기 영동 속도(U)를 설명하는 데 사용됩니다. 이 방정식에서 ε, ξEP, Ex 및 μ는 액체의 유전체 상수, 입자의 제타 전위, 인가된 전기장 및 입자의 이동도입니다. 전기 영동 제타 전위(ξEP)는 하전 입자의 특성입니다. 전기 영동은 하전 입자가 정지된 용액을 통해 이동하게 합니다. 수송 매질의 점성 및 유전체 거동, 흑백 입자의 크기 및 전하 밀도, 마이크로캡슐 쉘 두께 및 유전체 수준을 포함한 다양한 매개변수가 EPD의 기능 및 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 액체 매질에서 입자를 불안정하게 만드는 한 가지 방법은 분산 용매와 입자 사이의 중력을 보상하여 침전을 줄이는 것입니다 [31].
일반적으로 유전체 매질에 색상 현탁액 또는 분산된 하전 입자를 포함하는 EPD는 약 마이크론의 특정 거리에 배치된 두 개의 전도성, 투명하고 평행한 전극이 있는 셀에서 대비되는 색상을 생성합니다.
1960년부터 EPD(EPD)는 반사형 디스플레이의 한 유형으로 개발되었습니다. 이미지는 전기적으로 반복해서 쓰거나 지울 수 있습니다. 이 기술은 인쇄된 종이와 유사한 넓은 시야각과 높은 명암비와 같은 수많은 장점을 가지고 있습니다. EPD는 전자 종이를 만드는 첫 번째이자 기본적인 선택입니다. 그러나 이미지 품질과 입자 클러스터링, 응집 및 응집의 수명을 보장하는 능력은 업계에서 응용 분야를 제한하는 심각한 문제 중 일부입니다.
전기 영동 입자의 특성은 이미지 품질을 결정하는 데 핵심입니다. 향상된 이미지 품질에는 이미지를 정확하게 생성하고 제어하기 위한 매우 작은 입자 크기, 좁은 크기 분포, 큰 표면 전하, 인가된 전압에 대한 빠른 응답, 쉘에 사용되는 투명성, 광 안정성 및 잉크의 안정적인 분산 및 기타 매개변수가 필요합니다. 결과적으로 여러 연구자들이 변형된 입자, 표면 형태, 표면 전하 및 특수 안정성의 영향을 탐구했습니다 [32–34]. 따라서 E Ink 마이크로캡슐의 특성화를 위해 자외선-가시선 분광법(UV–Vis), 광학 이미지 현미경, 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR), 주사 전자 현미경(SEM), 제타 전위, 동적 광 산란(DLS) 및 전기 영동 셀이 사용되었습니다 [34–41].
앞서 언급했듯이 전기 영동 입자의 공간적 안정성은 제타 전위 측정에서 지정된 이미지 품질을 결정하는 핵심 요소입니다. 실제로 제타 전위는 콜로이드 시스템의 잠재적 안정성을 위한 요소입니다. 현탁액의 모든 입자가 양전하 또는 음전하를 띠면 입자는 서로 반발하는 경향이 있으며 통합하려는 경향이 없습니다. 유사한 전하를 가진 입자가 서로 반발하는 경향은 제타 전위와 직접 관련됩니다. 일반적으로 현탁액의 안정적이고 불안정한 경계는 제타 전위에 의해 결정될 수 있습니다. 제타 전위가 30 mV보다 크거나 −30 mV보다 작은 입자를 포함하는 현탁액은 안정적인 것으로 간주됩니다 [42].
또한 유색 디스플레이는 유색 염료 또는 유기 안료를 유색 전기 영동 나노입자로 사용하여 준비할 수 있습니다. 전자 잉크의 염료 또는 안료는 우수한 광채, 색상 강도 및 빛, 열 및 용매 저항성에 대한 우수한 성능을 가져야 하며, 이는 더 광범위한 응용 분야에 제안될 수 있는 큰 잠재력을 제공할 수 있습니다 [43–45]. EPD의 우수한 전자 잉크는 전기 영동 현탁액에서 장기간 현탁액 안정성과 더 높은 표면 전하를 달성할 수 있습니다 [37,46,47]. 일부 나노입자는 EPD 응용 분야에서 폴리에틸렌 [34,46,48,49] 및 옥타데실아민 [32,50,51]과 같은 일부 개질제에 의해 변형되었습니다. 이미지의 정확한 제어와 인가된 전기장에 대한 빠른 응답을 위해 입자는 높은 표면 전하를 가져야 하므로 이동성은 10-5–10-6 cm실리카 나노입자/Vs 범위 내에 있고, 용매와의 밀도 차이는 0.5 g/cm3 미만이며 적절한 직경은 약 190–500 nm입니다 [30,52].
E Ink는 화학, 물리학 및 전자의 통합의 직접적인 결과입니다. EPD용 E Ink의 구성은 유전체 환경에 분산된 하전된 유색 물질 또는 마이크로캡슐 및 전하 제어제를 포함합니다 [22–24]. 장치 및 앞서 언급한 작동 원리에 따라 이 기술의 중요한 재료에는 유색 입자(염료/안료), 마이크로캡슐 쉘, 절연 오일 및 전하 제어제 및 안정제가 포함됩니다. 다음 섹션에서는 이러한 각 구성 요소를 설명합니다.
앞서 언급했듯이 나노에서 마이크로미터 크기의 유색 입자는 전기 영동의 기능을 평가하는 핵심 재료입니다. 안료는 여러 가지 요구 사항을 충족해야 합니다. 침전량 감소, 밀도는 현탁 용매와 특별히 호환되어야 하고, 용매 내 용해도는 충분히 낮아야 하고, 유효한 광학 성능을 보장하기 위해 밝기가 높아야 하고, 표면은 쉽게 하전될 수 있어야 하고, 대량 생산을 보장하려면 안료가 적절하게 안정적이어야 하고 쉽게 정제할 수 있어야 합니다. 캡슐화 또는 픽셀에 캡슐화하는 경우 캡슐 표면 또는 픽셀에 입자가 흡수되는 것을 방지해야 합니다. 다양한 유형의 재료가 EPD 응용 분야에 대해 조사되었습니다 [9,53–61]. TiO실리카 나노입자 [38,62], 카본 블랙 [41], SiO실리카 나노입자 [63], Al실리카 나노입자O3 [58], 황색 안료 [34,64], 적색 안료 [32,65], 아이러닉 레드 및 마그네슘 퍼플은 연구에서 많은 관심을 받은 무기 재료입니다. 톨루이딘 레드, 프탈로시아닌 블루 [66–69] 및 프탈로시아닌 그린 [51,70]도 유기 입자로 조사되었습니다. 일반적으로 나노미터 크기의 염료/안료는 원래 상태에서 용액에 분산된 다음 고분자 재료로 코팅하여 코어-쉘 구조를 형성합니다. 알콕시 그룹, 아세틸 그룹 또는 할로겐을 가진 재료는 수소 결합으로 인해 쉘 재료로 적합한 전형적인 장쇄 유기 재료입니다. 자연에서 얻을 수 있고 밝기가 높다는 점이 EPD 장치가 각각 검은색 탄소와 이산화 티타늄으로 만들어진 흑백 입자로 오랫동안 제조된 이유입니다. 이 두 재료 모두 전도성이 있으므로 원하는 요구 사항은 이를 코팅 고분자를 통해 달성됩니다 [71].
대비로 인한 이미지 품질에서 흰색 안료의 특성은 매우 중요합니다. 대부분의 연구자들은 백색도와 우수한 광학 및 반사 특성으로 인해 TiO실리카 나노입자를 일반적인 흰색 안료로 사용했습니다. 이 안료의 가장 중요한 문제는 높은 밀도로 인한 현탁액에서의 불안정성입니다. 지난 10년 동안 연구자들은 중공 나노입자 TiO실리카 나노입자 [72], 개질제로 변형된 TiO실리카 나노입자 [62,73] 및 고분자로 코팅된 TiO실리카 나노입자 [22,43,74]와 같은 솔루션을 제안하여 이 문제를 해결하기 위해 집중적으로 노력했습니다. Comiskey et al.은 요소와 포름알데히드의 in situ 중합 방법으로 제조된 파란색 유체에 분산된 흰색 입자를 사용하여 E Ink 마이크로캡슐을 처음으로 보고했습니다. 반사를 위해 비중이 4.2인 이산화 티타늄이 흰색 입자로 사용되었으며 높은 색 순도를 보였습니다 [75]. 폴리에틸렌은 비중을 줄이고 인가된 전기장에 반응하기 위해 입자의 표면 개질로 이산화 티타늄에 코팅제로 사용되었습니다. 이 연구에서 응답 시간은 0.1 s로 보고되었습니다. 그림 6(a)에서와 같이 마이크로캡슐화된 전기 영동 입자가 반대 전하를 가진 두 전극 사이에 배치되면 하전된 입자는 전류를 인가하여 정렬되며, 그렇지 않으면 반대 전하를 가진 전극을 향해 정렬됩니다. 이 경우, 뷰어가 위에서 입자를 보면 양극 근처에 음전하가 있는 흰색 배경을 보게 됩니다. 또한 부분 (b)는 전기장에 내장된 전기 영동 마이크로캡슐의 원래 예의 사진 현미경 사진을 보여줍니다 [75].Yang et al.은 Sol-Gel 방법을 통해 Vinyl Triethoxysilane(VTES)으로 이산화 티타늄 입자를 변형하여 TiO2
입자 표면에 흐름 그룹을 접목했습니다. TiO실리카 나노입자 입자는 어두운 환경에서 대비에 우수한 특성을 가지고 있으며 E Ink 생산에서 흰색 전기 영동 입자로 광범위하게 사용됩니다. 그러나 이 입자는 밀도가 높기 때문에 반 데르 발스 인력이 충분하지 않아 응집, 빠른 침전이 발생하고 전기장에 대한 응답이 느립니다. 따라서 표면 개질에 대한 광범위한 연구가 수행되었습니다. 이 연구에서 전체 FTIR의 결과는 560 및 670 cm실리카 나노입자 파장에서 스트레칭 진동으로 인한 새로운 피크와 VTES의 Si-O 결합의 스트레칭 진동을 나타내는 12,020 및 1120 cm−1 파장의 두 피크를 확인했습니다. 따라서 VTES가 TiO2 표면에도 접목된 것으로 나타났습니다. 변형된 입자 크기는 100–200 nm 범위에서 매우 좁은 분포로 보고되었습니다 [37]. 최근 실리카 나노입자의 사용이 전기 영동 디스플레이의 프로토타입에서 180–191 ms의 응답 시간으로 보고되었습니다 [30]. 현재 EPD 제품은 260–300 ms 및 1000 ms를 각각 응답 시간 및 새로 고침 시간으로 하여 16 Gy 수준의 흰색에서 검은색까지의 색상을 표시할 수 있습니다 [5]. 흰색 안료가 상용화되었음에도 불구하고 전기장에 대한 공간적으로 빠른 응답 특성을 개선해야 할 필요가 있습니다.반사율폴리스티렌
, 폴리(N 비닐 피롤리돈), 폴리(메틸 메타크릴레이트) 및 기타 일부 공중합체와 같은 고분자에 유색 물질을 배치하여 얻었습니다 [23,24]. 그러나 낮은 가시성과 열악한 광 안정성과 같은 몇 가지 단점은 CEPD에서 염료의 사용을 제한합니다. 이에 비해 초경량 저항, 더 나은 안정성 및 더 높은 색상 강도를 가진 유기 안료는 CEPD에 더 적합성을 보입니다 [77]. CEPD에 적용된 염료의 제조에 사용된 수많은 방법이 다음 섹션에 나열되어 있습니다.3.3.2 유색 물질을 둘러싼 쉘 재료이 기술에서 마이크로캡슐 또는 마이크로픽셀은
장치를 구성하며 쉘 벽이 핵심 재료로 바뀝니다. 전기 영동 디스플레이에서 쉘의 핵심 역할은 유색 입자뿐만 아니라 매질을 캡슐화하는 것입니다. 이를 위해 우수한 투명도와 낮은 전도성 수준을 갖는 것뿐만 아니라 내부 재료와 호환되어야 합니다. 또 다른 사양은 동시에 유연성을 유지하면서 반사율의 방식입니다. 따라서 유기 고분자인 폴리아민, 폴리우레탄, 폴리설폰, 폴리에틸렌산, 셀룰로오스, 젤라틴, 아라비아 검 등이 가장 적합한 선택으로 간주됩니다 [32,55,78-87]. 선택된 재료에 따라 요소와 포름알데히드의 in situ 중합을 통해 요소-포름알데히드 수지를 형성하는 방법 [3,28,82,88]과 젤라틴과 아라비아 검의 복합 응고를 통해 복합 필름을 형성하는 방법 등 다양한 방법이 마이크로캡슐을 제조하는 데 사용되었습니다 [79,89,90].3.3.3 유전체 액체 매질전기 영동 디스플레이 장치의 마이크로캡슐 내부에는 액체 매질에 유색 입자가 현탁되어 있습니다. 이러한 장치의 주요 요구 사항에 따라 매질은 열 및 화학적 안정성, 적절한
(유전 상수 2 이상), 입자와 거의 동일한 반사율 및 밀도, 그리고 마지막으로 환경 친화적인 특성을 포함한 몇 가지 특수 사양을 나타내야 합니다. 알킬렌, 방향족/지방족 탄화수소, 옥소실란 등과 같은 다양한 단일 유기 용매 또는 제형 용매의 적용은 위에 언급된 요구 사항을 충족할 수 있습니다 [57,71,79,91,92]. 가장 널리 사용되는 방법 중 하나는 2-페닐부탄-테트라클로로에틸렌, 이소파 L-테트라클로로에틸렌 및 n-헥산-테트라클로로에틸렌의 제형입니다. 고밀도 및 저밀도 불소화 용매와 탄화수소를 혼합하는 것은 적절한 밀도를 조정하는 일반적인 방법입니다. 표 1은 EPD 응용 분야에 사용되는 일부 용매를 보여줍니다.[26]