Trong vài thập kỷ qua, người ta đã chú ý nhiều đến EPD so với giấy thông thường do chi phí thấp, trọng lượng nhẹ, tiêu thụ điện năng thấp và an toàn. EPD là màn hình phản xạ hoạt động dựa trên sự di chuyển của các hạt lơ lửng tích điện trong chất lỏng điện môi về phía điện cực tích điện trái dấu và điều này được gọi là điện di [20,25,26] (Hình 4). Gần đây, nhiều màn hình đã gia nhập thị trường thông qua các công ty như Amazon Kindle, Hanvon và OED Technologies. Hai công ty lớn trong lĩnh vực này là SiPix và E-Ink, cả hai đã hợp nhất, nhưng hai công nghệ này khác nhau. Công nghệ SiPix bao gồm các vi nang bằng nhựa màn hình điện di, rất mỏng, nhẹ và được sản xuất bằng quy trình cuộn-cuộn (Hình 5) [27]. Các đặc tính của màn hình điện di và mực điện tử được giải thích chi tiết trong phần sau.
Nguyên tắc điện di được gọi là đề cập đến sự di chuyển của các hạt tích điện lơ lửng trong chất lỏng lơ lửng dưới ảnh hưởng của điện trường DC. Bất cứ khi nào điện trường giữa các điện cực được sử dụng trong một tế bào, các hạt di chuyển liên quan đến điện tích và chất lỏng lơ lửng vẫn ổn định [20,28,29]. Do đó, các hạt điện di là một trong những thành phần chính của EPD. Nói chung, một hạt hình cầu, với điện tích 'q', dưới điện trường 'E' và lơ lửng trong chất lỏng điện di, chịu ảnh hưởng của bốn lực: điện, lực nổi, trọng lực và lực cản lực nhớt, khi nó di chuyển giữa điện cực hai hóa trị và cực đối diện [30]. Phương trình Helmholtz-Smoluchowski [3] (Phương trình (1)) được sử dụng để mô tả vận tốc điện di (U) của một hạt tích điện. Trong phương trình này, các số hạng ε, ξEP, Ex và μ là hằng số điện môi của chất lỏng, điện thế zeta của hạt, điện trường ứng dụng và độ di động của hạt, tương ứng. Điện thế zeta điện di (ξEP) là một đặc tính của hạt tích điện. Điện di dẫn đến sự di chuyển của các hạt tích điện qua một dung dịch đứng yên. Các thông số khác nhau bao gồm độ nhớt của môi trường vận chuyển và hành vi điện môi của nó, kích thước và mật độ điện tích của các hạt đen và trắng, độ dày vỏ vi nang và mức điện môi của nó có thể ảnh hưởng đến chức năng và hiệu suất của EPD. Một cách để làm cho các hạt không ổn định trong môi trường lỏng là bù lại trọng lực giữa dung môi phân tán và các hạt, và kết quả là, làm giảm sự lắng đọng [31].
Nói chung, EPD có chứa các hạt lơ lửng màu hoặc các hạt tích điện phân tán trong môi trường điện môi tạo ra các màu tương phản trong một tế bào với hai điện cực dẫn điện, trong suốt và song song đã được đặt ở một khoảng cách cụ thể khoảng một micron.
Kể từ năm 1960, EPD (EPD) đã được phát triển như một loại màn hình phản xạ. Hình ảnh của chúng có thể được viết hoặc xóa nhiều lần bằng điện. Công nghệ này có nhiều ưu điểm như góc nhìn rộng và tỷ lệ tương phản cao tương tự như giấy in. EPD là lựa chọn đầu tiên và cơ bản để tạo giấy điện tử. Tuy nhiên, khả năng đảm bảo chất lượng hình ảnh và tuổi thọ của sự kết tụ, kết tụ và kết tụ của các hạt là một số vấn đề nghiêm trọng hạn chế các ứng dụng của nó trong ngành.
Các đặc tính của các hạt điện di là chìa khóa để xác định chất lượng hình ảnh. Chất lượng hình ảnh nâng cao đòi hỏi kích thước hạt rất nhỏ với phân bố kích thước hẹp, điện tích bề mặt lớn để tạo và kiểm soát chính xác hình ảnh, tỷ lệ tương phản cao, phản ứng nhanh với điện áp đặt vào, độ trong suốt được sử dụng trong vỏ, độ ổn định ánh sáng và sự phân tán ổn định của mực và các thông số khác. Do đó, một số nhà nghiên cứu đã khám phá tác động của các hạt đã sửa đổi, hình thái bề mặt, điện tích bề mặt và độ ổn định đặc biệt [32–34]. Vì vậy, để đặc trưng cho các vi nang E Ink, các kỹ thuật đo lường khác nhau bao gồm quang phổ cực tím–khả kiến (UV–Vis), Kính hiển vi hình ảnh quang học, Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), Kính hiển vi điện tử quét (SEM), Điện thế Zeta, Tán xạ ánh sáng động (DLS) và tế bào điện di đã được sử dụng [34–41].
Như đã đề cập trước đó, độ ổn định không gian của các hạt điện di là một yếu tố quan trọng trong việc xác định chất lượng hình ảnh, được chỉ định từ phép đo điện thế zeta. Trên thực tế, điện thế zeta là một yếu tố cho sự ổn định tiềm năng của các hệ keo. Nếu tất cả các hạt trong hệ treo có điện tích dương hoặc âm, các hạt có xu hướng đẩy nhau và không có xu hướng tích hợp. Xu hướng của các hạt có điện tích tương tự đẩy nhau có liên quan trực tiếp đến điện thế zeta. Nói chung, biên giới ổn định và không ổn định của hệ treo có thể được xác định bằng điện thế zeta. Hệ treo có chứa các hạt có điện thế zeta lớn hơn 30 mV hoặc nhỏ hơn −30 mV được coi là ổn định [42].
Ngoài ra, màn hình màu có thể được chuẩn bị bằng cách sử dụng thuốc nhuộm màu hoặc sắc tố hữu cơ dưới dạng hạt nano điện di màu. Thuốc nhuộm hoặc sắc tố trong mực điện tử phải có độ chói tốt, cường độ màu và hiệu suất tuyệt vời với ánh sáng, nhiệt và khả năng chống dung môi có thể mang lại tiềm năng lớn để được đề xuất cho nhiều ứng dụng hơn [43–45]. Mực điện tử tốt trong EPD có thể đạt được độ ổn định lơ lửng lâu dài và điện tích bề mặt cao hơn trong hệ treo điện di [37,46,47]. Một số hạt nano thậm chí còn được sửa đổi bởi một số chất điều chỉnh như polyethylene [34,46,48,49] và octadecylamine [32,50,51] trong ứng dụng EPD. Để kiểm soát chính xác hình ảnh và phản ứng nhanh với điện trường ứng dụng, các hạt phải có điện tích bề mặt cao sao cho, độ di động nằm trong khoảng 10-5–10-6 cm2/Vs, sự khác biệt về mật độ với dung môi nhỏ hơn 0,5 g/cm3 và đường kính thích hợp là khoảng 190–500 nm [30,52].
E Ink là kết quả trực tiếp của sự tích hợp của hóa học, vật lý và điện tử. Thành phần của E Ink cho EPD chứa các hạt điện di như vật liệu màu tích điện hoặc vi nang phân tán trong môi trường điện môi và chất kiểm soát điện tích [22–24]. Dựa trên thiết bị và nguyên tắc hoạt động đã nói ở trên, các vật liệu quan trọng của công nghệ này bao gồm các hạt màu (thuốc nhuộm/sắc tố), vỏ vi nang, dầu cách điện và các chất kiểm soát điện tích và chất ổn định. Các phần sau giải thích từng thành phần đó.
Như đã đề cập trước đó, các hạt màu có kích thước nano đến micromet là những vật liệu quan trọng để đánh giá các chức năng của điện di. Các sắc tố cần thiết để đáp ứng một số yêu cầu; giảm lượng lắng đọng, mật độ phải tương thích cụ thể với dung môi lơ lửng, độ hòa tan trong dung môi phải đủ thấp, độ sáng phải cao để đảm bảo hiệu suất quang học hiệu quả, bề mặt phải có khả năng tích điện dễ dàng, đảm bảo sản xuất hàng loạt đòi hỏi các sắc tố phải ổn định đúng cách và cũng có khả năng tinh chế dễ dàng. Sự hấp thụ các hạt trên bề mặt nang hoặc trong pixel phải được tránh trong trường hợp chúng được bao bọc vào vi nang hoặc pixel. Các vật liệu thuộc nhiều loại khác nhau đã được điều tra cho các ứng dụng EPD [9,53–61]. TiO2 [38,62], carbon đen [41], SiO2 [63], Al2O3 [58], sắc tố vàng [34,64], sắc tố đỏ [32,65], sắt đỏ và magiê tím là những vật liệu vô cơ đã thu hút nhiều sự chú ý trong nghiên cứu. Toluidine đỏ, phthalocyanine xanh [66–69] và phthalocyanine xanh lục [51,70] cũng đã được điều tra như các hạt hữu cơ. Nói chung, các loại thuốc nhuộm/sắc tố có kích thước nanomet được phân tán trong dung dịch ở trạng thái ban đầu, sau đó được phủ bằng vật liệu polyme để tạo thành cấu trúc lõi-vỏ. Các vật liệu có nhóm alkoxy, nhóm acetyl hoặc halogen là các vật liệu hữu cơ chuỗi dài điển hình phù hợp làm vật liệu vỏ do liên kết hydro của chúng. Tính sẵn có trong tự nhiên cũng như độ sáng cao là lý do tại sao các thiết bị EPD đã được sản xuất từ lâu bởi các hạt đen và trắng được làm bằng carbon đen và titan dioxide tương ứng. Vì cả hai vật liệu này đều dẫn điện, các yêu cầu mong muốn đạt được thông qua polyme phủ trên chúng [71].
Trong chất lượng hình ảnh do độ tương phản, các đặc tính của sắc tố trắng là rất quan trọng. Hầu hết, các nhà nghiên cứu đã sử dụng TiO2 làm sắc tố trắng phổ biến vì độ trắng và các đặc tính quang học và phản xạ tuyệt vời của nó. Vấn đề quan trọng nhất với sắc tố này là sự không ổn định của nó trong hệ treo do mật độ cao của nó. Trong thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu đã cố gắng chuyên sâu để giải quyết vấn đề này bằng cách đề xuất các giải pháp như hạt nano rỗng TiO2 [72], TiO2 đã sửa đổi bằng chất điều chỉnh [62,73] và TiO2 được phủ bằng polyme [22,43,74]. Lần đầu tiên, Comiskey và cộng sự báo cáo các vi nang E Ink với các hạt trắng phân tán trong chất lỏng màu xanh lam được điều chế bằng phương pháp trùng hợp tại chỗ của urê và formaldehyde. Titan dioxide với tỷ trọng là 4,2 đã được sử dụng để phản xạ và độ tinh khiết màu cao như một hạt trắng [75]. Polyethylene đã được sử dụng làm lớp phủ trên titan dioxide để giảm tỷ trọng và làm biến tính bề mặt của các hạt để đáp ứng với điện trường ứng dụng. Trong nghiên cứu này, thời gian phản hồi được báo cáo là 0,1 s. Như được minh họa trong Hình 6(a), khi một hạt điện di được bao bọc trong vi nang được đặt giữa hai điện cực có điện tích trái dấu, các hạt tích điện được định hướng bằng cách đặt dòng điện mà nếu không sẽ được định hướng về phía điện cực có điện tích trái dấu. Trong trường hợp này, khi người xem nhìn vào hạt từ trên xuống, anh ta thấy một nền trắng với điện tích âm ở gần điện cực dương. Hơn nữa, phần (b) cho thấy ảnh chụp hiển vi của các ví dụ ban đầu về các vi nang điện di được tích hợp trong điện trường [75].
Yang và cộng sự đã sửa đổi các hạt titan dioxide bằng Vinyl Triethoxysilane (VTES) bằng phương pháp Sol-Gel thông qua ghép các nhóm dòng chảy trên bề mặt hạt TiO2. Các hạt TiO2 có các đặc tính tuyệt vời trong môi trường xung quanh tối để tạo độ tương phản và được sử dụng rộng rãi làm các hạt điện di màu trắng trong sản xuất E Ink. Tuy nhiên, vì hạt này có mật độ cao, lực hút Van der Waals không đủ và dẫn đến sự kết tụ, lắng đọng nhanh và cho thấy phản ứng chậm với điện trường. Do đó, nghiên cứu sâu rộng đã được tiến hành về sửa đổi bề mặt. Trong nghiên cứu này, kết quả của toàn bộ FTIR đã xác nhận các đỉnh mới ở bước sóng 560 và 670 cm-1 do các dao động kéo dài và hai đỉnh với bước sóng 12.020 và 1120 cm−1 đại diện cho các dao động kéo dài của liên kết Si-O trong VTES. Do đó, nó đã được chứng minh rằng VTES cũng được ghép trên bề mặt TiO2. Kích thước hạt đã sửa đổi đã được báo cáo trong khoảng 100–200 nm với phân bố rất hẹp [37]. Gần đây, việc sử dụng hạt nano silica đã được báo cáo với thời gian phản hồi là 180–191 ms trong nguyên mẫu của màn hình điện di [30]. Hiện tại, các sản phẩm EPD có thể hiển thị 16 Gy mức màu trắng đến đen với 260–300 ms và 1000 ms là thời gian phản hồi và thời gian làm mới tương ứng [5]. Mặc dù thực tế là các sắc tố trắng được thương mại hóa, nhưng vẫn cần phải cải thiện các đặc tính của chúng về mặt không gian phản ứng nhanh với điện trường.
Màn hình đầy đủ màu sắc có thể được phát triển bằng cách chia mỗi phần tử hình ảnh trong EPD đen trắng và đặt các bộ lọc màu ngang dưới dạng mảng RGB (đỏ, lục, lam) và CMY (lam, đỏ, vàng) [76]. Tuy nhiên, bộ lọc màu hấp thụ một lượng lớn ánh sáng phản xạ, dẫn đến độ tương phản và độ sáng thấp. Gần đây, các nghiên cứu đã tập trung vào việc chuẩn bị các hạt điện di ba màu cho màn hình màu (CEPD). Thuốc nhuộm được bao bọc và sắc tố đã sửa đổi được sử dụng để tổng hợp các hạt điện di. Việc chuẩn bị mực màu thu được thông qua việc đặt vật liệu màu vào các polyme như polystyrene, poly (N vinyl pyrrolidone), poly (methyl methacrylate) và một số copolyme khác [23,24]. Tuy nhiên, một số nhược điểm như tầm nhìn thấp và độ ổn định ánh sáng kém đã hạn chế việc sử dụng thuốc nhuộm trong CEPD. Để so sánh, các sắc tố hữu cơ có khả năng chống ánh sáng cực tím, độ ổn định tốt hơn và cường độ màu cao hơn cho thấy sự phù hợp hơn cho CEPD [77]. Nhiều phương pháp đã được sử dụng để chuẩn bị thuốc nhuộm ứng dụng trong CEPD được liệt kê trong các phần sau.
Trong công nghệ này, vi nang hoặc pixel nhỏ bao gồm thiết bị màn hình điện di nơi thành vỏ chuyển thành vật liệu chính. Vai trò chính của vỏ trong màn hình điện di là bao bọc các hạt màu cũng như môi trường. Vì mục đích này, nó không chỉ cần có độ trong suốt tốt và độ dẫn điện thấp mà còn phải tương thích với các vật liệu bên trong nó. Một thông số kỹ thuật khác là cách thức của độ bền cơ học trong khi vẫn duy trì tính linh hoạt cùng một lúc. Do đó, polyme hữu cơ như polyamine, polyurethane, polysulfone, axit polyethylene, cellulose, gelatin, kẹo cao su Ả Rập, v.v. được coi là những lựa chọn phù hợp nhất [32,55,78-87]. Theo các vật liệu đã chọn, nhiều phương pháp đã được sử dụng để chế tạo vi nang bao gồm trùng hợp tại chỗ formaldehyde và urê để tạo thành nhựa urê-formaldehyde [3,28,82,88] và đông tụ hỗn hợp gelatin và kẹo cao su Ả Rập để tạo thành màng composite [79,89,90].
Có một hệ treo các hạt màu trong môi trường lỏng bên trong các vi nang của thiết bị màn hình điện di. Dựa trên các yêu cầu chính của các thiết bị này, môi trường phải thể hiện một số thông số kỹ thuật đặc biệt bao gồm độ ổn định nhiệt và hóa học, tính chất cách điện phù hợp (hằng số điện môi lớn hơn 2), độ phản xạ và mật độ gần như giống hệt nhau với các hạt cũng như điện trở thấp đối với việc vận chuyển của chúng và cuối cùng là bản chất thân thiện với môi trường. Ứng dụng của các dung môi hữu cơ đơn lẻ khác nhau hoặc dung môi đã được xây dựng như alkylene, hydrocarbon thơm/aliphatic, oxosilane, v.v. có thể đáp ứng các yêu cầu đã đề cập ở trên [57,71,79,91,92]. Một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất là công thức 2-phenylbutane-tetrachloroethylene, isopar L-tetrachloroethylene và n-haxane-tetrachloroethylene. Việc trộn dung môi flo hóa mật độ cao và thấp và hydrocarbon là một cách phổ biến để điều chỉnh mật độ thích hợp. Bảng 1 cho thấy một số dung môi được sử dụng trong ứng dụng EPD.
[26]