（材料物理与化学专业论文）单色微米胶囊电子墨水及其显示性能研究.pdf

摘要 摘要 电子纸是一种薄而柔软的纸状物，是新一代的显示器。它将传统纸的属性和 电子显示可重复擦写的特点有机地结合在一起。电子墨水显示，即微胶囊化电泳 显示，它利用电泳显示原理，创新性地把电泳基液微胶囊化，不但抑制了电泳胶 粒在大于胶囊尺度范围内的团聚、沉积等缺点，而且在微胶囊内实现了电泳显示， 提高了其稳定性。将微胶囊化的电泳基液通过打印或e i j , 镕怕方法涂覆在柔性基体 材料上，即可实现柔性显示电子纸。目前，电子墨水显示的研究还主要集中 在黑白显示，而对彩色显示方面报道较少。 由于有机颜料比重小，容易稳定悬浮，色系全，有利于配置多色显示电子墨 水，所以本项目对有机颜料电泳液体微胶囊化展丌研究，并以此作为彩色电子纸 及其产品化的基础。 在本论文中，采用明胶阿拉伯树胶复合凝聚法制备了以t i o ：和联苯胺黄为颜 料颗粒的电子墨水微胶囊，并研究了微胶囊在电场下的动态响应行为，再将制各 的微胶囊涂布在i t o 导电玻璃上，制作成电子墨水显示原型器件，在直流电场驱 动下，实现了文字显示，同时为电子墨水微胶囊显示技术的实用化以及实现柔性 显示建立了基础。本文取得了以下研究结果： 1 采用乳液聚合法制各聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 改性的t i 0 2 ，并测定了t i 0 2 改性前后在四氯乙烯中的分散状况，以及它们之f 日j 的接触角。结果表明：p m m a 改性的二氧化钛颗粒在四氯乙烯中的分散性和亲和力得到了明显的改善，且其 沉降性也得到了提高。以p m m a 改性t i 0 2 为显示颗粒，以明胶阿拉伯树胶 为壁材，四氯乙烯为分散介质，采用复凝聚法制备了红白显示电子墨水微胶囊， 工艺过程简单，成本低廉，制备的微胶囊表面光滑、囊壁透明、形状规则： 2 以硬脂胺改性联苯胺黄为颜料颗粒，四氯乙烯和甲苯混合溶液为电泳显示基 液，采用复合凝聚法制备了有机颜料电子墨水微胶囊。从微胶囊显微照片观察， 可以看出微胶囊表面比较光滑，囊壁厚度均匀：当将微胶囊置于一个o 2 5 v g m 的直流电场时，颗粒向f 极移动，响应时间约为几百毫秒，改变电场方向，颗 粒迅速向相反方向移动，表明颗粒在电场作用下具有可逆性： 3 采用硬脂股对联苯胺黄表面进行改性，测定了颗粒在四氯乙烯中的分散能力及 其与四氧乙烯之间的动态接触角，以及其在分散基液中的移动速度。研究表明： 阳北l ：业火学硕十学位论文 改性后的联苯胺黄颗粒与四氯乙烯的亲和性得到了改善，其在t c e 中有较高的 稳定性。用斗八胺改性的联苯胺黄制得的电泳基液，在2 0 0 v c m 电场下的电泳 颗粒的移动速度比改性丽提高了5 倍： 4 将过滤的微胶囊浆液分散于水溶性胶粘剂中，涂布在透明i t 0 导电玻璃上( 单 层分布) ，再将刻蚀有图案的电极通过固化剂粘贴在其上部，制作成电子墨水 显示原型器件，在直流电场作用下实现了文字显示。显示效果测试表明：以改 性二氧化钛颗粒制备的微胶囊电子墨水显示驱动电压较高( 2 5 v u r n ) ，且保留 时间较短，但对比度高，而以有机颜料联苯胺黄为昆示颗粒制各的电子墨水显 示驱动电压较低( 1 v u r n ) ，保留时间较长，经过3 个月，其对比度无恶化现象， 表现出良好的稳定性，但缺点是对比度较低：同时试验结果发现：微胶囊电子 墨水的涂层厚度对电子墨水显示有一定的影响： 5 通过调节阴离子表面活性剂s d s 浓度和搅拌速度，采用明胶与阿拉伯胶复合凝 聚法制备了粒径在一定范围可控且均匀的微胶囊。研究表明：s d s 浓度和搅拌 速度对微胶囊平均粒径及粒度分布的有很大影响，较大的界面张力有利于微胶 囊的形成，随着s d s 浓度和搅拌速度的增加，囊芯液滴的平均粒径逐渐减小， 粒径分布趋于集中；此外，在微囊化过程中阴离子表面活性剂的存在，不但可 以明显改善囊j 枣液滴的分散程度，降低粒径分布，而且对明胶的凝聚也起到促 进作用： 6 微胶囊化工艺研究认为，制各明胶阿拉伯树胶电子墨水微胶囊的最佳实验条件 为：温度4 0 一5 0 。c ，s d s 浓度o 0 0 1 0 0 1 5w t ，搅拌速度为7 0 0 9 0 0 r p m 。在 此条件下制备的微胶囊颗粒分布均匀且形状规则、表面光滑无粘连，平均粒径 为4 0 k t m ，湿胶囊壁厚约为2 “m 。 关键词： 电予墨水，微胶囊，电场响应，复合凝聚法，t i 0 2 ，联苯胺黄g ，明胶 阿拉伯树脂，改性。 a bs t r a c t e l e c t r o n i ci n kd i s p l a y ，a l s oc a l l e dm i c r o e n c a p s u l a t e de l e c t r o p h o r e t i ci m a g ed i s p l a y s ， i san o n e m i s s i v ed e v i c eb a s e do nm i c r o e n c a p s u l a t i n gt h ee l e c t r o p h o r e t i cm a t e r i a l si n t o i n d i v i d u a lm i c r o c a p s u l e s t h i sn o to n l ys o l v e st h ep a r t i c l ea g g l o m e r a t i o na n dl a t e r a l d r i f to nas c a l el a r g e rt h a nt h ec a p s u l es i z e ，b u ta l s or e a l i z e sb i s t a b l ed i s p l a yi n t ot h e m i c r o c a p s u l e s t o d a y , m i c r o e n c a p s u l a t e de p d sa r eb e c o m i n go n eo ft h em o s ta p p e a l i n g a p p l i c a t i o n si ne l e c t r o n i cp a p e rb e c a u s ee l e c t r o n i ci n kc a l lb ep r i n t e do n t oas u i t a b l e s u b s t r a t et or e a l i z ef l e x i b l ed i s p l a y b yn ow lt h er e s e a r c ho fe l e c t r o n i ci n kd i s p l a yi s f o c u s e do nm o n o c h r o m e d i s p l a y s ，w h i l ef u l l c o l o re l e c t r o n i ci n kd i s p l a yh a sb e e nr a r e l y r e p o r t e d t h i sp a p e r f o c u s e do n s t u d y o fm i c r o e n c a p s u l a t e d o r g a n i cp i g m e n t e l e c t r o p h o r e t i cl i q u i d ss y s t e m i nt h i sp a p e r , t h et i 0 2p a r t i c l e sa n dp i g m e n tb e n z i d i n ey e l l o w ( p y - 1 2 ) h a v eb e e n u s e dt op r e p a r et h em i c r o e n c a p s u l a t e de l e c t r o p h o r e i ci n kb yc o m p l e xc o a c e r v a t i o n m e t h o du s i n gg e l a t i na n dg u ma r a b i ca sw a l lm a t e r i a l st h er e s p o n s i v eb e h a v i o ro ft h e m i c r o c a p s u l e si sa l s oi n v e s t i g a t e du n d e rad c e l e c t r i cf i e l d i na d d i t i o n ，e l e c t r o p h o r e t i c d i s p l a yp r o t o t y p ew a sp r e p a r e db yc o a t i n ge l e c t r o p h o r e t i ci n km i c r o c a p s u l e ss l u r r yo n i t og l a s sw i t hn e a r l ys i n g l el a y e ra n ds e a l e db ya d h e s i v e s t h ec h a r a c t e r s “x i g o n g d a w a sf i r s t l yd i s p l a y e du n d e rad ce l e c t r i cf i e l d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r eg i v e na s f o l l o w i n g ： 1 t i 0 2p a r t i c l e sc o a t e dw i t hp m m aw e r ep r e p a r e dv i ai ns i t up o l y m e r i z a t i o n b e f o r ea n da f t e rm o d i f i e dw i t hp m m aa n dt h ec o n t a c ta n g l e sb e t w e e nt h e p a r t i c l e sa n dt h et e t r a c h l o r o e t h y l e n ea r em e a s u r e d i ti sf o u n dt h a tt h em o d i f i e d p a r t i c l e s h a v e s u p e r i o ra f f i n i t y f o r t e t r a c h l o r o e t h y l e n e a k i n do fw h i t e e l e c t r o p h o r e t i ci n km i c r o c a p s u l e si sp r e p a r e db yc o m p l e xc o a c e r v a t i o nu s i n gt h e m o d i f i e dt i 0 2p a r t i c l e sa sw h i t ep i g m e n t s ，t e t r a c h l o r o e t h y l e n ea sd i s p e r s i o na n d g e l a t i na n dg u ma r a b i ca sw a l lm a t e r i a l s t h e m o r p h o l o g ya n d s i z eo f m i c r o c a p s u l e sw e r ec h e c k e dt h r o u g ho p t i c a lm i c r o s c o p e i tw a ss h o w nt h a tt h e m i c r o c a p s u l e sw e r eo fg o o ds m o o t h n e s sa n dt r a n s p a r e n c e 2 am i c r o c a p s u l e s c o n t a i n i n go r g a n i cp i g e m e n t f o r e l e c t r o p h o r e t i cd i s p l a y i s p r e p a r e db yc o m p l e xc o a c e r v a t i o no fg e l a t i na n dg u ma r a b i c ，i nw h i c ho r g a n i c p i g m e n to fb e n z i d i n ey e l l o wm o d i f i e d w i t h o c t a d e c y la m i n ei st a k e na s d i s p l a y i n gp a r t i c l e s ，t e t r a c h l o r o e t h y l e n ea n dt o l u e n ea ss u s p e n d i n gf l u i d ，o i l s o l u b l eb l a c kd y ea s l i g h ta b s o r b e ra n ds p a n8 0a ss t a b i l i t ya g e n t f r o mt h e o p t i c a lm i c r o s c o p ei m a g e so fs h e l ls u r f a c e ，t h em i c r o c a p s u l e sh a v er e l a t i v e l y i i i 塑! ! i 些查堂堡立童堡堕壅 一 s m o o t hs u r f a c e sa n dt h ea v e r a g et h i c k n e s si sw e l l p r o p o r t i o n e d t h er e s p o n s et o t h ee l e c t r i cf i e l d ( o 2 5 u r n ) a n dd i s p l a yp e r f o r m a n c eo fm i c r o c a p s u l e sw e r ea l s o i n v e s t i g a t e d f a s ta n dr e v e r s i b l ed i s p l a yb yt h em i c r o c a p s u l e sw a sa c h i e v e di na l l e l e c t r i cf i e l d 3 i no r d e rt o i n v e s t i g a t e t h ei n f l u e n c eo f o c t a d e c y l a m i n eo nt h es u r f a c e m o d i f i c a t i o no ft h eb e n z i d i n ey e l l o wp a r t i c l e s ，t h ed i s p e r s i b i l i t yo ft h ep a r t i c l e s a n dt h ec o n t a c ta n g l e sb e t w e e nt h ep a r t i c l e sa n dt h et e t r a c h l o r o e t h y l e n ea r e m e a s u r e d i ti sf o u n dt h a tt h ed i s p e r s i n ge x t e n ta n dl i p o p h i l i c i t yo ft h eb e n z i d i n e y e l l o wp a r t i c l e sa r ei m p r o v e dd u et ot h e i rs u r f a c em o d i f i c a t i o nw i 也o c t a d e c y l a m i n e ，a n dt h ee l e c t r o p h o r e s i sv e l o c i t yo ft h em o d i f i e dp a r t i c l e s i n t e t r a c h l o r o e t h y l e n e ( t c e ) i si n c r e a s e db yf i v et i m e sc o m p a r e dt ot h a to f u n r n o d i f i e do n e s 4 e l e c t r o p h o r e t i cd i s p l a yp r o t o t y p e i s p r e p a r e db yc o a t i n ge l e c t r o n i ci n k m i c r o c a p s u l e sd i s p e r s i n gi nh y d r o s o ls o l u s i o ns l u r r yo ni t og l a s s ( n e a r l ys i n g l e l a y e r ) a n ds e a l e db ya d h e s i v e t h ei m a g ei sd i s p l a y e du n d e rad ce l e c t r i cf i e l d i t i sf o u n dt h a te l c t r o p h o r e t i ci n km i c r o c a p s u l e sc o n t a i n i n gt i 0 2p a r t i c l e sh a sh i g h e r c o n t r a s t 、d r i v e ne l e c t r i cf i e l d ( 2 5 v u r n ) a n dp o o r s t a b i l i t y , b u tt h o s eo n e s c o n t a i n i n gb e n z i d i n ey e l l o wp a r t i c l e sd i s p l a yh a sl o w e rc o n t r a s t 、d r i v e ne l e c t r i c f i e l d ( 1v u m ) a n de x c e l l e n ts t a b i l i t y 5 e l e c t r o n i ci n km i c r o c a p s u l e si nn a r r o wd i s p e r s i t ya r ep r e p a r e db yc o m p l e x c o a c e r v a t i o nu s i n gg e l a t i na n dg u ma r a b i ca sw a l lm a t e r i a l s t h ee f f e c to f v a r i o u sp a r a m e t e r s ，s u c ha st h ec o n t e n to fs o d i u md o d e c y ls u l p h a t e ( s d s ) a n d a g i t a t i o nr a t e a r e i n v e s t i g a t e d f r o me x p e r i m e n t ，t h ea v e r a g ed i a m e t e ra n d d i s p e r s i t yo f c o r ed r o p l e t sd e c r e a s ea st h ec o n c e n t r a t i o no fs d sa n da g i t a t i o nr a t e i n c r e a s e o nt h ew h o l e ，n a r r o w - d i s p e r s e dm i c r o c a p s u l e so fv a r i o u sd i a m e t e r sc a n b eo b t a i n e di nc o n t r o l l a b l ew a y s 6 ，f r o mt h er e s e a r c ho fm i c r o e n c a p s u l a t i n gt e c h n o l o g i e s ，t h eo p t i m u mp r o c e s so f t h em i c r o e n c a p s u l a t i o nu s i n gg e l a t i na n dg u ma r a b i c ( g a ) a sw a l lm a t e r i a l si s ： t h et e m p e r a t u r ei s4 0 5 0 。c ，t h ec o n c e n t r a t i o no f s d si s0 0 0 1 一o 0 1 5 w t ，a n dt h e s t i r r i n g r a t ei s7 0 0 9 0 0r p m t h em i c r o c a p s u l e sp r e p a r e db yt h eo p t i m i z e d p r o c e s sh a v et h em e r i to fe v e ns i z e ，s m o o t hs u r f a c ea n dr e g u l a rm o r p h o l o g y t h e a v e r a g ed i a m e t e ra n dt h i c k n e s si sa b o u t4 0 u m a n d2 1 x m ，r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：e l e c t r i ci n k ；m i c r o c a p s u l e s ；e l e c t r i cr e s p o n s e ；c o m p l e xc o a c e r v a t i o n ；g e l a t i na n d g u m ；t i 0 2 ；b e n z i d i n ey e l l o w 第一章前言 第一章前言 传统的显像管( c r t ) 显示，因其物理构造限制了向更大屏幕超薄方向的发展， 从而逐渐被平板显示器( f p d ) 所取代。平板显示技术的产生突破传统的布劳恩管 ( c r t ) 体积大、电压高等造成的应用限制而获得迅速发展，己发展成为和c r t 相抗衡的显示技术。平板显示器分为受光型和发光型。其中受光型主要有液晶显 示( l c d ) 和电泳显示( e p i d ) ，而发光型显示主要有等离子体显示( p d p ) 、有 机薄膜电致发光( o e l ) 、真空荧光显示( v f d ) 、场发射显示( f e d ) 、有机发光 二极管( 0 l e d ) 显示等。 随着电子、信息科学的飞速发展、网络的广泛传播和普及，许多过去用印刷 品的形式分发的文字信息都逐步采用电子文档的形式传送，越来越多的书籍和报 刊杂志也采用电子出版物的形式发送。通常人们只能通过电脑显示屏来阅读这些 信息资料和出版物。但是人们长期受到电子显示器的辐射侵害，容易疲劳、视力 下降甚至患上眼疾、神经衰弱等所谓的电脑病。因此，科学的发展、人类社会的 进步和需求迫切呼唤新型信息显示器和载体取代旧有的电子显示器，而电子纸的 出现引起人们的极大关注。 1 1 电子纸 电子纸是一种超轻、超薄的显示屏，它可以像报纸一样折叠起来。目前己开 发的电子纸主要有两种形态，一种是可随身携带的电子薄膜显示板；另- - e e 是可 以反复多次重写文字和图像的再写入纸。作为前一种形态，电子纸是一种新的高 科技产品，其应用前景非常广阔，将对广告、报刊图书出版等行业产生重大影响。 不久的将来，人们不用担心因为天气不好而误了送报时问，也不需要每天到报摊 去买报，只要随身携带一款电子纸，就可以随时随地浏览各个版面的新闻。未来 的报纸将会这样传播：只要预先订阅一份报纸，报社就能按时把当天的版面发送 到你的电子纸 二。只要愿意，可以躺在床上手罩拿着电子纸阅读新闻：还可以把 电子纸折叠放在手提袋罩，走到哪里都能收看随时更新的新闻。如果发生重大新 闻，报社的出报频率就会很高，有可能一边看着报纸，报纸的内容一边还在更新。 也可以将每天的报纸内容存起来，随时将以前看过的内容从存储器晕调到纸面上 看。 作为后一种形态出现的电子纸与传统纸张相比，其最大特点是随意存取，反 拍北1 ：业大学硕士学位论文 复使用。在电子纸上可以反复写入信息一种方式是手写输入，另一种方式是通 过网络下载刷新内容。与p d a ( 个人数字助理) 相比，电子纸轻便，可以随意折 叠；与个人电脑相比，电子纸便于携带，操作更加简单。电子纸可与互联网融合， 人们只需要1 张电子纸，无论在什么地方，就能像电脑上网那样，通过网络下载 数据，查阅大量信息，享受阅读的快乐。另外，用电脑上网浏览新闻，时间稍长 眼睛就会疲劳，而电子纸不会带来这种烦恼。 i 2 电子墨水显示的概念 电子墨水显示，即微胶囊化电泳显示技术( m i c r o e n c a p s u l a t e de l e c t r o p h o r e t i c d i s p l a y ) ，是由麻省理工学院( m i t ) 媒体实验室于1 9 9 7 年提出的。它利用电泳显 示原理，创新性地把颜料颗粒和深色染料溶液包裹在微囊内，在微囊内实现了电 泳显示，从而抑制了电泳胶粒在大于胶囊尺度范围内的团聚、沉积等缺点，提高 了其稳定性，延长使用寿命。电子墨水是一种墨水状的悬浮物，在外电场作用下 可以实现可逆、双稳态、柔性显示，是一种融合物理、化学、电子学等学科的柔 性显示材料和技术。电子墨水薄层与塑料晶体管薄层压在一起便可制得薄而柔软 的纸状物，即电子纸。利用电予墨水制成的电子纸张，报社、杂志社通过电脑或 其它设备来传递信息，从而实现电子报纸、杂志的更新。 电子墨水可以在除了刚劲蛏硬和平的表面显示以外，还可以在聚脂膜、塑料、 纸和布等柔性和弯曲的表面上显示；由于它是通过反射自然光而发色，对人的视 觉刺激柔和，且具有较高的反射率和对比度；同时，幽于电子墨水制成的电子书 或电子报纸l j 以与互联网连接，或用无线寻呼下载文本与图像信启、，信息的更新 可出遥控自动改变；一页电予墨水显示仅耗电0 1 瓦，只有相应尺寸的l c d 所需 功率的i 1 0 1 1 0 0 0 ，且可保持图像达数周；电子墨水显示可以使用现有的丝网印 刷技术打印到任何基体上，并可以进行大规模的生产，且该产品的生产工艺成本 低于液晶显示器，足以同观今传统的l c d 工艺竞争；此外，电子墨水显示技术具 有节约能源、无废热散发、无电磁辐射、节约纸张等工业原材料的优点，且可以 从根本上解决现有平板显示技术的不足。 1 3 本研究的目的及工作安排 目前，电子墨水显示在国外研究较多，其已作为产品丌始走向市场，而我国 在电子墨水显示技术方面的研究很少，只有少数单位开展了一些初步的材料探索 工作，还没有刀：始进行显示器件的研究。在我困的专利中，相关的专利只有数十 第一章前言 篇，绝大部分是和电子墨水材料的选择有关，涉及电子墨水显示技术及器件开发 的几乎没有。因此，国内在电子墨水显示领域还处于起步阶段。本项研究的目的 是制各一种可实用化的电子墨水微胶囊以及电子墨水显示原型器件，了解其显示 效果及其稳定性，旨在促进满足动画视频速度以及各种颜色电子墨水显示技术发 展，同时为我国在电子纸这一高新技术上同国际抗衡提供基础。由于有机颜料比 重小，容易稳定悬浮，色系全，有利于配置多色显示电子墨水，且可以配置不同 颜色的电泳液，虽然电泳显示对比度低，但仍然是值得研究的方向。本项目研究 在制备了以二氧化钛为电泳颗粒的微胶囊并将其用于电子墨水显示原型器件的基 础上，围绕有机颜料电泳液体系，以电泳显示微胶囊电子墨水作为研究方向，以 延长电子墨水图像保存时间为目标，研究了微胶囊电子墨水的组成及其悬浮液微 胶囊化过程中的基本规律，研究了微胶囊在电场下的动态响应行为及其显示效果 和稳定性，并咀此作为彩色电子纸及其产品化的基础。 本研究论文分别以二氧化钛和联苯胺黄为颜料颗粒，四氯乙烯以及四氯乙烯 与二甲苯混合液为分散介质，明胶阿拉伯树胶为壁材，采用复合凝聚法分别制备 了白色显示和黄色显示电子墨水微胶囊，并研究了它们在电场下的动态响应行为； 此外，通过将微胶囊涂覆在i t o 导电玻璃上，制作成电子墨水显示原型器件，并 在电场作用下，实现了文字显示。全文安排如下：第二章介绍了电子墨水显示的 原理，电子墨水显示材料的组成和制备方法，以及电子墨水显示的应用前景和发 展趋势：第三章主要以二氧化钛为颜料颗粒，四氯乙烯为分散剂，使用明胶阿拉 伯树胶为壁材，采用复合凝聚法制备了白色显示电子墨水微胶囊，并将胶囊涂在 导电玻璃上制作电子墨水显示原型器件，电场下实现文字显示：第四章主要以联 苯胺黄g 为颜料颗粒制备了黄色显示电子墨水微胶囊，并着重讨论了表面活性剂 s d s 浓度和搅拌速度，对获得粒径基本均匀的电子墨水微胶囊的影响：第五章对 微胶囊电子墨水的涂布方式及其显示性能进行了研究：第六章为全文总结。 曲北r 业大学硕士学传论文 第二章电子墨水显示及其研究进展 在2 l 世纪信息化时代，随着电子技术的迅速发展，电子媒体登上世界舞台， 特别是互联网的兴起，越来越多的文字信息都在逐步采用电子文档的形式传送， 人们通常只能在有计算机的地方通过电脑显示屏来阅读这些文字信息或者需要将 此文件打印出来阅读，因此，人们长期受到电子显示器的辐射，如果长时间阅读 文件或阅读太长的电子邮件，眼睛很不舒服、容易疲劳、视力下降，甚至患有神 经衰弱。 面对这种境况，人们正致力于丌发使传统纸的属性和电子显示可重复擦写的 特点有机结合在一一起的电子纸。它具有类似于纸的显示特征，如有较高的对比度、 较宽的视角，有记忆功能( 低功耗) ，可以折叠；同时，其显示内容可以通过连接 到互联网，进行有线或无线下载，信息的更新可以由遥控自动变更。这种新代 显示器受到了人们极大的关注，世界各大公司己丌始竞相开发具有自主知识产权 的电子纸显示技术。而电子纸显示技术研究的核心是电子墨水显示材料及技术。 2 0 世纪7 0 年代i o t a 等就提出了电泳显示液的制备；之后，pm u r a u 等。3 制各了一种非水悬浮液劳对其不稳定因素进行了研究：m 。d ，c r o c h e r 等”对组成电 泳悬浮液各种物质的性质进行了评价。 电泳显示作为一种非发光平面显示，由于可通过电子学方法寻址和擦涂，具 有视角宽、对比度高等类似于纸的显示特征，被认为是实现电子纸的可行性的技 术之一。但电泳显示存在电泳基液中颗粒团聚和沉淀等问题引起可靠性差、寿命 短等缺点，因此这项技术的工! 世化进程受到了f 一重限制。1 9 9 7 年，c o m i s k e y 等人 采用电泳基液微胶囊化的方法，不但解决了颗粒在人丁 微胶囊尺度范围的团聚和 沉淀，提高了稳定性，而且在微胶囊内实现了双稳念电泳显示，同时微胶囊化电 子墨水也以其超低损耗、宽视角、高对比度以及便携性高等优越的特性而得到人 们的青睐，出于微胶囊化的电泳基液可以通过打印或印刷的方法涂覆在适当的基 体材料上，进而实现柔性显示。因此，微胶囊化电泳最示被认为是当前最具发展 前途的电子纸显示技术之一。 第二章电子墨水显示及其研究进腱 2 1 电子墨水显示技术各论 2 1 1 电泳图像显示技术4 | ( e l e c t r o p h o r e t i ci m a g ed i s p l a y s e p d ) 电泳图像显示技术是利用胶体化学中的电泳原理，把带电的颜料固体颗粒稳 定地分散在含染料的非水体系分散介质中，使分散相与分散介质呈强烈反差。在 电场作用下，带电颜料粒子移动到电极表面上而显示出图像。 图2 1 a 是一块简单的电泳图像显示器匣体的基本结构，它由两块电极组成， 其中一块是透明电极，通常采用导电玻璃电极。两电极之间的距离为2 5 1 0 0 微米， 中j 旬充满悬浮液。悬浮液为带色的粒子分散在被着色的非水悬浮液中，带色粒子 为亚微米的尺寸大小并有相同极性的电荷( 假设粒子带负电) ，倘若把透明电极连 接在电源的正极，而把另一1 电极连接到负极，颜料粒子就会在电场力的作用下向 正极方向移动并附着在透明电极上，这时观察者将看到颜料的色彩( 图2 1 b ) 。相 反，如果将透明电极按在负极，颜料颗粒就会远离观察者，此时看到的是非水介 质呈现的颜色。 电泳显示是一种非发光平面显示。由于可咀通过电子学方法寻址和擦涂，并 具有视角宽、对比度高等类似于纸拷贝的显示特征，曾被认为是实现电子纸的可 行性的技术之一。然而，电泳显示存在电泳基液中颗粒团聚和沉淀等问题引起可 靠性差、寿命短等缺点p i ，因此使这项技术的工业化进程受到严重限制。 斟21 电泳显示的基本结构( a ) 年1 1 1 作原 l ( b ) 2 i 2 微胶囊电子墨水显示技术6 】 e - i n k 公司和m i t 为代表的微胶囊电子墨水是研究最早和最为成熟的电子墨水 技术，其微囊内部含有黑白带电粒子的电泳悬浮波，再将微胶囊分散在透明的薄 西北工业大学硕十学位论文 膜上与塑料晶体管组成器件。根据外加电压的变化，黑白色微粒在微胶囊内电泳 显示由黑色和白色组成的图像，如图2 2 所示： 削2 2 微股囊电泳显示器的结构 微胶囊的直径一般都在3 0 - - 3 0 0 u m 。在理想状态下，微粒在悬浮液中稳定分 散不沉积，其密度与悬浮液密度相等，微粒、悬浮液、染料和微胶囊相互不发生 化学反应。微粒相同的z e t a 电势使微粒之间相互排斥，有利于体系的稳定，但不 能完全阻止微胶囊中的微粒发生沉积。微粒的沉积会影响电泳显示器的显示效果 和使用寿命。在微胶囊中加入稳定剂可以有效的阻止微粒沉积。 2 1 ：3 双色拧转球显示技术( 双色球显示) ( t w i s t i n gb a l ld i s p l a y s ) 施乐( x e r o x ) 公帕洛阿尔托研究中心( p a r c ) n k s h e r u d o n 等丌发的电子 墨水是双色拧转球技术【7 j 。其显示结构是在一透明塑料薄膜中随机分散了成千上 万个类似调色微粒的小球，这些小球是双色的，两个半球为反差色。其显示原理 是利用电场控制双色球的翻转达到显示不同颜色的目的，双色球显示器的底板、 面板均为透明电极( 氧化铟锡i t o ) ，如图2 3 。透明电极之问为具有矩阵微孔的 橡胶弹性体。橡胶弹性体的微孔中充满了油，双色球就悬浮在油中。双色球是由 两种刁i 同的材料构成，其在浊性介质中产生不同的界面电势，从而使双色球的两 端带不同的电荷。当给像素的电极加上不同极性的电压时，双色球就会朝不同的 方向翻转，而使像素显示不同的颜色。这些旋转球可以由着色的塑料通过机械的 方法制备。n k s h e r i d o n 8 , 9 1 和m s a i t c h 1 0 l 等人制备了双色球并研究了双色球翻 转的显示特征，且视角宽，在外电场作用下可以实现可逆、双稳态、柔性显示。 一般双色球为黑白两色，也有多色球的方案，通过改进双色球制造技术和工 第一二章电子墨水显示及其 i j l = 究进展 艺，可以改变球的结构，使得不同部位分别为黑、白、无色透明( 类似玻璃或水) ， 有色透明( 红、蓝、绿、青、紫、黄等) ，这些彩色球在倾斜屯场中构成显示， 从而可以实现彩色拧转球电子墨水。但双色球的制备工艺复杂且难于实现完全翻 转，对比度相对较低。 幽2 3 域色球显示示意幽 2 1 4 电化学反应显示技术( e l e c t r o c h e m i c a lr e a c t i o nd i s p l a y s ) 到2 4 电化辱：反廊显示与驱动原理 利用电化学反应引起的银的析出与溶解作用，其结构是在两电极之间封入一 层白色乳胶状固体电解质( 由聚合物、t i 0 2 、a g 、卤化物组成) 。电化学反应使 溶解在电解质中的银离子还原为银而析出在透明电极上，看起来是黑色的；反之， 如果把析出的银溶解到固体电解质中，出于直接看到的是白色乳胶状，而显示白 色。电化学反应显示及驱动原理如图2 4 所示l “】。同本s o n y 公司制得4 英寸、像 素为3 2 0 x 2 4 0 ，分辨率为1 0 0 d p i ，工作电压小于5 v ，对比度2 0 ：1 ，响应时间1 0 0 m s ， 其反射率高达7 3 的电子纸。浚驱动方式还具有存储性，存储持续时间约3 0 分钟。 目前，该显示的寿命很稳定，超过了1 0 0 万次，但其在低温环境下的响应速度以 及密封引起的特性变坏问题还有待解决。 2 1 5 柔性液晶显示技术光写入型电子纸l i t , 1 2 j 光写入型电子纸是一种结合了显示器的瞬时改写性与纸张易用性的器件。这 种电子纸本身没有写入功能，它是摄取投射光图像，并具有存储性和改写性的媒 曲北卜业人学硕十学位论文 质。摄取图像与视角无关，分辨率可达6 0 0 d p i ，显示对比度为1 0 比l ，改写次数 可达1 万次以上。它是把表面积相同的两枚透明电极与具有存储性的胆箔醇液晶 与光导电层叠加在一起，黑色遮光板位于液晶层和光导电层之削。摹本的写入方 式是按有无光的照射，使光导层的电阻随之改变，从而控制加在液晶上的电压以 实现显示。其厚度只有o 3 毫米，并非常柔软。由于在电子纸上不用布线，因而价 格低廉且易于制作大屏幕显示。 显示材料胆甾醇液晶在不加电场的状态下呈平面取向，相应于液晶的螺距选 择来反射色光。如加弱电场，则呈聚焦圆锥曲线的取向来透光。在这种状态下去 除电场，仍然维持聚焦圆锥曲线的取向。如加上强电场，则呈垂直扭曲向列取向， 增加透明度，而由这4 状态去除电场，便回到平面取向。通过电场控制，可以选 择平面取向或聚焦圆锥曲线取向，通过内侧设置的遮挡层，就能实现显示或非显 示的无电源保持。此外，控制液晶的螺距，便可反射任色彩。把红绿蓝( r g b ) 三层叠在一起，即可实现彩色显示。这种叠层结构因不限定生色的位置，无需写 入光的对应，可说是彩色化的大优点。 2 1 6 移动颗粒显示技术u 1 ( m o b i l ef i n ep a r t i c l ed i s p l a y ) 移动颗粒显示是一种摩擦带电型的微粒显示器，它比上述光写入型更接近于 电子纸，而且因看得见着色粒子，达到了像纸那样的高对比度和宽视角。其基本 结构在一对电极基板及中间2 0 0 微米的绝缘层其中密封有直径约为2 0 微米的白 色t i 0 2 和黑色微粒( 图2 5 ) 。自黑颗粒分别具有不同的带电特性，在图2 6 ( a ) 状 态下从上面看时，白色颗粒被上面的黑色颗粒遮挡，显示黑色。这时在上方加上 f 电，下方加上负电，带f 电的微粒向下面的白色微粒上移动( b ) ，上下翻转， 便成了白色显示( c ) 。而附着于基板的粒子由于与绝缘层之间产尘的影响力及范 德华力，微粒被保持，从而具有存储性能。这种方法的白色反射率可达4 0 ，对 比度为2 0 。同时，该器件具有闽值电压，驱动简单。 幽2 , 5 微粒显示器的结构 8 第一章电子墨水显示及矮研究进展 幽26 微粒显示器的驱动原理 2 1 7 电润湿显示技术( e l e c t r o w e t t i n g d i s p l a y ) 电润湿显示是通过施加电压来控制被包围的水油的表层，所造成的影格像素 的变化，如图2 7 所示。首先，在每个影格表面涂一层自色聚合感光底层，这层聚 合物拥有一个1 5 r i m 厚的1 t o 电极和一层防水的含氟绝缘体：然后，在被小“墙” 堵住而限定的影格象素上，加了一层大约1 0 9 r e 厚的彩色油层，并加了一层水。当 没有电压时，彩色油在水与含氟绝缘体之间形成一层扁平膜，这样就能形成一个 彩色的象素；当在电极与水之唰施加电压( 大约2 0 v ) 时，水和绝缘体之间的界 面张力就会产生变化，结果使其原来的静止状态1 ；再稳定，而且水导致了油移至 旁边，这样底下的白色平面就暴露了出来形成一卜白色的像素。研究表明，白色 和彩色影像之间的转换只用了不到1 0 i l s ，这个速度已足够进行视频显示。 电润温技术现在已经达到了书刊报纸的反射率和对比度，比反射型液晶显示 亮4 倍，是其他新兴技术的两倍。在低电压下，这一微流体运动原理特别适合于 大面积的电子光学显示器件。与其它技术相比，电润湿显示技术出现较晚，尚需 进一步探索研究和工艺优化，目前以该技术显示的电子纸模型样机还未面世，但 是该技术有显著的优势和难以估量的潜力。 图2 7 电润湿显示原理 聃北j ：业人学硕士学位论文 2 1 8 有机电致发光显示技术1 5 1 ( o r g a n i cl i g h te m i t t i n gd i o d e ) 有机电致发光( e l ) 器件，或称有机发光二极管( o l e d ) 的一般结构是在一 金属阴极和一透明阳极之间夹一层有机电致发光介质。这层有机发光介质层又由空 穴导八层、空穴输运层、发光层和电子输运层等组成。当在电极间施加一定的电压 ( 一般2 1 0 v ) 时，电子就会从阴极注