Au cours des dernières décennies, une grande attention a été accordée aux EPD par rapport au papier ordinaire en raison de leur faible coût, de leur faible poids, faible consommation d'énergie et de leur sécurité. Les EPD sont des écrans réfléchissants qui agissent sur la base de la migration de particules chargées en suspension dans le fluide diélectrique vers l'électrode chargée négativement et c'est ce qu'on appelle l'électrophorèse [20,25,26] (Fig. 4). Récemment, de nombreux écrans sont entrés sur le marché par l'intermédiaire de sociétés comme Amazon Kindle, Hanvon et OED Technologies. Deux grandes entreprises dans ce domaine sont SiPix et E-Ink qui ont déjà fusionné, mais ces deux technologies sont différentes. La technologie SiPix est constituée de microcapsules de plastique afficheurs électrophorétiques, qui est très fin, léger et produit par le procédé roll-to-roll (Fig. 5) [27]. Les propriétés de l'affichage électrophorétique et de l'encre électronique sont expliquées en détail ci-dessous.
Le principe dit d'électrophorèse fait référence au mouvement de particules chargées en suspension dans un fluide de suspension sous l'influence d'un champ électrique continu. Chaque fois que le champ électrique entre les électrodes est utilisé dans une cellule, les particules migrent par rapport à la charge électrique et le fluide de suspension reste stable [20,28,29]. Par conséquent, les particules électrophorétiques sont l'un des principaux composants des EPD. Généralement, une particule sphérique, avec une charge 'q', sous un champ électrique 'E' et suspendue dans un liquide électrophorétique, est soumise à quatre forces : les forces électrique, de flottabilité, de gravité et de forces visqueuses, lorsqu'elle se déplace entre l'électrode bivalente et le pôle opposé [30]. L'équation de Helmholtz-Smoluchowski [3] (équation (1)) est utilisée pour décrire la vitesse électrophorétique (U) d'une particule chargée. Dans cette équation, les termes ε, ξEP, Ex et μ sont la constante diélectrique du liquide, le potentiel zêta de la particule, le champ électrique appliqué et la mobilité de la particule, respectivement. Le potentiel zêta électrophorétique (ξEP) est une caractéristique de la particule chargée. L'électrophorèse conduit au mouvement de particules chargées à travers une solution stationnaire. Divers paramètres, notamment la viscosité du milieu de transport et son comportement diélectrique, la taille et la densité de charge des particules noires et blanches, l'épaisseur de l'enveloppe de la microcapsule et son niveau diélectrique peuvent affecter le fonctionnement et les performances de l'EPD. Une façon de rendre les particules instables dans le milieu liquide est de compenser la gravité entre le solvant de dispersion et les particules, et par conséquent, de réduire la sédimentation [31].
En général, les EPD contenant des suspensions colorées ou des particules chargées dispersées dans un milieu diélectrique créent des couleurs contrastées dans une cellule avec deux électrodes conductrices, transparentes et parallèles qui ont été placées à une distance spécifiée d'environ un micron.
Depuis 1960, les EPD (EPD) ont été développés comme un type d'affichage réfléchissant. Leurs images peuvent être écrites ou effacées à plusieurs reprises électriquement. Cette technologie présente de nombreux avantages tels qu'un grand angle de vision et des rapports de contraste élevés qui sont similaires aux papiers imprimés. L'EPD est le premier et le choix de base pour fabriquer des papiers électroniques. Cependant, la capacité à garantir la qualité de l'image et la longévité de l'agglomération, de l'agglomération et de l'agrégation des particules sont des problèmes graves qui limitent ses applications dans l'industrie.
Les propriétés des particules électrophorétiques sont essentielles pour déterminer la qualité de l'image. L'amélioration de la qualité de l'image nécessite une très petite taille de particules avec une distribution granulométrique étroite, une grande charge de surface pour créer et contrôler avec précision les images, un rapport de contraste élevé, une réponse rapide à la tension appliquée, la transparence utilisée dans la coque, la stabilité à la lumière et une dispersion stable de l'encre et d'autres paramètres. Par conséquent, plusieurs chercheurs ont exploré l'effet des particules modifiées, de la morphologie de surface, des charges de surface et de la stabilité particulière [32–34]. Ainsi, pour la caractérisation des microcapsules E Ink, diverses techniques instrumentales, notamment la spectroscopie ultraviolette–visible (UV–Vis), la microscopie optique d'image, la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), le microscope électronique à balayage (MEB), le potentiel zêta, la diffusion dynamique de la lumière (DLS) et la cellule électrophorétique ont été utilisées [34–41].
Comme mentionné précédemment, la stabilité spatiale des particules électrophorétiques est un facteur clé pour déterminer la qualité de l'image, qui est spécifiée à partir de la mesure du potentiel zêta. En fait, le potentiel zêta est un facteur de stabilité potentielle des systèmes colloïdaux. Si toutes les particules en suspension ont une charge positive ou négative, les particules ont tendance à se repousser et ne montrent aucune tendance à s'intégrer. La tendance des particules de charge similaire à se repousser est directement liée au potentiel zêta. En général, la limite stable et instable de la suspension peut être déterminée par le potentiel zêta. Les suspensions contenant des particules avec un potentiel zêta supérieur à 30 mV ou inférieur à −30 mV sont considérées comme stables [42].
De plus, des écrans colorés peuvent être préparés en utilisant des colorants colorés ou des pigments organiques comme nanoparticules électrophorétiques colorées. Le colorant ou le pigment dans l'encre électronique doit avoir une bonne brillance, une force de couleur et d'excellentes performances avec la lumière, la chaleur et la résistance aux solvants qui peuvent offrir un grand potentiel pour être proposés pour une plus large gamme d'applications [43–45]. Une bonne encre électronique dans les EPD peut atteindre une stabilité de suspension à long terme et une charge de surface plus élevée dans la suspension électrophorétique [37,46,47]. Certaines des nanoparticules ont même été modifiées par des modificateurs tels que le polyéthylène [34,46,48,49] et l'octadécylamine [32,50,51] dans l'application EPD. Pour un contrôle précis de l'image et une réponse rapide au champ électrique appliqué, les particules doivent avoir une charge de surface élevée telle que la mobilité soit comprise entre 10-5–10-6 cm2/Vs, la différence de densité avec le solvant est inférieure à 0,5 g/cm3 et le diamètre approprié est d'environ 190–500 nm [30,52].
E Ink est le résultat direct de l'intégration de la chimie, de la physique et de l'électronique. La composition de l'encre E Ink pour EPD contient des particules d'électrophorèse telles que des matériaux colorés chargés ou des microcapsules dispersées dans un environnement diélectrique et un agent de contrôle de charge [22–24]. Sur la base de l'appareil et du principe de fonctionnement susmentionné, les matériaux importants de cette technologie comprennent les particules colorées (colorants/pigments), l'enveloppe de la microcapsule, l'huile isolante et les agents de contrôle de charge et les stabilisateurs. Les sections suivantes expliquent chacun de ces composants.
Comme mentionné précédemment, les particules colorées de la taille du nano au micromètre sont les principaux matériaux pour évaluer les fonctions de l'électrophorèse. Les pigments doivent répondre à plusieurs exigences : diminuer la quantité de sédimentation, la densité doit être spécifiquement compatible avec le solvant de suspension, la solubilité dans le solvant doit être suffisamment faible, la luminosité doit être élevée afin d'assurer la performance optique efficace, la surface doit être capable d'être chargée facilement, assurer la production de masse exige que les pigments soient correctement stables et également capables d'être purifiés facilement. L'absorption des particules sur la surface de la capsule ou dans le pixel doit être évitée en cas d'encapsulation dans des microcapsules ou des pixels. Des matériaux de différents types ont été étudiés pour les applications EPD [9,53–61]. TiO2 [38,62], noir de carbone [41], SiO2 [63], Al2O3 [58], pigment jaune [34,64], pigment rouge [32,65], rouge ferrique et violet magnésium sont les matériaux inorganiques qui ont attiré beaucoup d'attention dans la recherche. Les rouges de toluidine, le bleu de phtalocyanine [66–69] et le vert de phtalocyanine [51,70] ont également été étudiés comme particules organiques. En général, les colorants/pigments de taille nanomètre sont dispersés dans une solution dans les états d'origine, puis recouverts de matériaux polymères pour former une structure cœur-enveloppe. Les matériaux avec un groupe alcoxy, un groupe acétyle ou des halogènes sont des matériaux organiques typiques à longue chaîne adaptés comme matériaux d'enveloppe en raison de leurs liaisons hydrogène. La disponibilité dans la nature ainsi que la haute luminosité sont les raisons pour lesquelles les appareils EPD ont longtemps été fabriqués par des particules noires et blanches respectivement en carbone noir et en dioxyde de titane. Étant donné que ces deux matériaux sont conducteurs, les exigences souhaitées sont atteintes grâce au revêtement de polymères sur eux [71].
Dans la qualité d'image due au contraste, les propriétés du pigment blanc sont très importantes. La plupart du temps, les chercheurs ont utilisé le TiO2 comme pigment blanc courant en raison de sa blancheur et de ses excellentes propriétés optiques et de réflexion. Le problème le plus important avec ce pigment est son instabilité dans la suspension en raison de sa forte densité. Au cours de la dernière décennie, les chercheurs ont essayé intensivement de résoudre ce problème en suggérant des solutions telles que les nanoparticules creuses TiO2 [72], TiO2 modifié avec un modificateur [62,73] et TiO2 recouvert de polymère [22,43,74]. Pour la première fois, Comiskey et al. rapportent les microcapsules E Ink avec des particules blanches dispersées dans un fluide bleu qui a été préparé avec la méthode de polymérisation in situ de l'urée et du formaldéhyde. Le dioxyde de titane avec une densité de 4,2 a été utilisé pour la réflexion et une grande pureté de couleur en tant que particule blanche [75]. Le polyéthylène a été utilisé comme revêtement sur le dioxyde de titane afin de réduire la densité et comme modification de surface des particules pour répondre au champ électrique appliqué. Dans cette étude, le temps de réponse a été rapporté comme étant de 0,1 s. Comme le montre la figure 6(a), lorsqu'une particule électrophorétique microencapsulée est placée entre deux électrodes avec des charges opposées, les particules chargées sont orientées en appliquant un courant qui, sinon, sont orientées vers l'électrode avec la charge opposée. Dans ce cas, lorsqu'un spectateur regarde la particule d'en haut, il voit un fond blanc avec une charge négative au voisinage de l'électrode positive. De plus, la partie (b) montre la photomicrographie des exemples originaux des microcapsules électrophorétiques intégrées dans le champ électrique [75].
Yang et al. ont modifié les particules de dioxyde de titane avec du vinyltriéthoxysilane (VTES) par la méthode Sol-Gel par greffe de groupes d'écoulement sur la surface des particules de TiO2. Les particules de TiO2 ont d'excellentes propriétés dans les environnements sombres pour le contraste et sont largement utilisées comme particules électrophorétiques blanches dans la production d'E Ink. Cependant, comme cette particule a une densité élevée, l'attraction de Van der Waals n'est pas suffisante et conduit à l'agrégation, à une sédimentation rapide et montre une réponse lente au champ électrique. Par conséquent, des recherches approfondies ont été menées sur la modification de surface. Dans cette étude, les résultats de l'ensemble de l'IRTF ont confirmé de nouveaux pics à des longueurs d'onde de 560 et 670 cm-1 en raison des vibrations d'étirement et deux pics avec une longueur d'onde de 12 020 et 1 120 cm−1 qui représentent les vibrations d'étirement des liaisons Si-O dans le VTES. Ainsi, il a été démontré que le VTES était également greffé sur la surface du TiO2. La taille des particules modifiées a été rapportée dans la plage de 100–200 nm avec une distribution très étroite [37]. Récemment, l'utilisation de nanoparticules de silice a été rapportée avec un temps de réponse de 180–191 ms dans le prototype d'afficheurs électrophorétiques [30]. Actuellement, les produits EPD peuvent afficher 16 Gy niveaux de couleurs blanc à noir avec 260–300 ms et 1000 ms comme temps de réponse et temps de rafraîchissement respectivement [5]. Malgré le fait que les pigments blancs soient commercialisés, il est toujours nécessaire d'améliorer leurs propriétés spatialement, une réponse rapide au champ électrique.
Un affichage en couleur peut être développé en divisant chacun des éléments d'image dans les EPD en noir et blanc et en plaçant des filtres colorés horizontaux comme des réseaux RVB (rouge, vert, bleu) et CMJ (bleu, rouge, jaune) [76]. Cependant, le filtre coloré absorbe de grandes quantités de lumière réfléchie, ce qui entraîne un faible contraste et une faible luminosité. Récemment, des études se sont concentrées sur la préparation des particules électrophorétiques tricolores pour les écrans couleur (CEPD). Le colorant encapsulé et le pigment modifié sont utilisés pour la synthèse de particules électrophorétiques. La préparation d'encre colorée a été obtenue grâce au placement de matériaux colorés dans les polymères tels que le polystyrène, le poly (N vinyl pyrrolidone), le poly (méthacrylate de méthyle) et certains autres copolymères [23,24]. Cependant, certains inconvénients tels qu'une faible visibilité et une faible stabilité à la lumière limitent l'utilisation des colorants dans le CEPD. En comparaison, les pigments organiques avec une résistance aux ultraviolets, une meilleure stabilité et une plus grande intensité de couleur montrent plus d'adéquation pour le CEPD [77]. De nombreuses méthodes ont été utilisées pour la préparation des colorants appliqués dans le CEPD qui sont énumérées dans les sections suivantes.
Dans cette technologie, les microcapsules ou les micropixels comprennent l'afficheurs électrophorétiques dispositif où la paroi de l'enveloppe devient un matériau clé. Le rôle clé de l'enveloppe dans l'affichage électrophorétique est d'encapsuler les particules colorées ainsi que le milieu. À cette fin, il est non seulement nécessaire d'avoir une bonne transparence et un faible niveau de conductivité, mais il doit également être compatible avec les matériaux qu'il contient. Une autre spécification est la manière de la stabilité mécanique tout en maintenant la flexibilité en même temps. Par conséquent, les polymères organiques tels que la polyamine, le polyuréthane, les polysulfones, l'acide polyéthylène, la cellulose, la gélatine, la gomme arabique, etc. sont considérés comme les choix les plus appropriés [32,55,78-87]. Selon les matériaux choisis, diverses méthodes ont été utilisées pour la fabrication de microcapsules, notamment la polymérisation in situ du formaldéhyde et de l'urée pour former une résine urée-formaldéhyde [3,28,82,88] et la coagulation composite de gélatine et de gomme arabique pour former un film composite [79,89,90].
Il existe une suspension de particules colorées dans un milieu liquide à l'intérieur des microcapsules des afficheurs électrophorétiques appareils. Sur la base des exigences clés de ces appareils, le milieu doit représenter plusieurs spécifications spéciales, notamment la stabilité thermique et chimique, des propriétés d'isolation appropriées (constante diélectrique supérieure à 2), une réflectivité et une densité presque identiques avec les particules ainsi qu'une faible résistance à leur transport, et enfin, une nature respectueuse de l'environnement. L'application de différents solvants organiques uniques ou de solvants formulés tels que l'alkylène, les hydrocarbures aromatiques/aliphatiques, l'oxosilane, etc. peut satisfaire aux exigences mentionnées ci-dessus [57,71,79,91,92]. L'une des méthodes les plus largement utilisées est la formulation de 2-phénylbutane-tétrachloroéthylène, d'isopar L-tétrachloroéthylène et de n-haxane-tétrachloroéthylène. Le mélange de solvant fluoré et d'hydrocarbure à haute et basse densité est un moyen courant d'ajuster correctement la densité. Le tableau 1 montre quelques solvants utilisés dans l'application des EPD.
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