微胶囊电子墨水电子纸的研究进展毕业作品Word文档下载推荐.docx
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8.按要求完成论文。
时间安排:
第一周~第二周(3月2日~3月13日)根据论文题目实习、调研、查阅资料。
第三周~第四周(3月16日~3月27日)调研查阅资料,完成论文综述、外文翻译、实习报告、实习日记、开题报告(第一次会审)。
第五周~第十周(3月30日~5月8日)针对所搜集的资料,对微胶囊型电子墨水电子纸的显示原理、主要组成成分、制备方法及应用等进行综述。
完成论文初稿(第二次会审)。
第十一周~第十四周(5月11日~6月5日)整改论文,并完成答辩幻灯片(第三次会审)。
第十五周(6月8日~6月12日)答辩。
指导教师要求:
保质保量按时按要求完成毕业设计任务
(签字)年月日
教研室主任意见:
院长意见:
摘 要
由于人们对多媒体的需求不断上升,所以出现了电子纸电子墨水的研究。
本文以提高电子纸的电子墨水性能为研究目的,采用阅读大量文献并对文献进行分析总结的方法,对微胶囊电子墨水电子纸主要原理、组成和主要成分的改性进行研究综述。
得出结论:
在电子墨水组分中电泳颗粒的选择和表面性质,都容易影响电子墨水效果,适当提高电泳颗粒和染料可以提高电子墨水颜色的对比度;
电泳颗粒的物理改性方法的制备工艺相对容易,但是制备的电泳颗粒的粒径一般只能达到μm级,所以,一定程度上降低了对比度和分辨率,响应时间变大;
而化学法粒径可达到nm级,包裹的颗粒会均匀更牢固,但是很难控制单分散性和反应速度。
关键词:
电子墨水;
电子纸;
电泳颗粒;
微胶囊电子墨水电子纸
Abstract
Duetothedemandformultimediarising,thestudyofelectronicinkelectronicpaperappeared.Inthispaper,theresearchpurposesisinordertoimprovetheperformanceofelectronicinkelectronicpaper,bythemethodofreadingalotofliteraturesandAnalyzingandsummarizingtheseliteratures,toresearchandoverviewthemainprinciple,themaincomponentsandthemainingredientsmodificationofthemicrocapsuleselectronicinkelectronicpaper.Itconcluded:
electronicinkcomponentselectionandsurfacepropertiesofelectrophoreticparticlesarelikelytoaffecttheelectronicinkeffect,anappropriateincreaseinelectrophoreticparticlesanddyesmayimprovecontrastelectronicinkcolor;
preparationphysicallymodifiedelectrophoreticparticlemethodisrelativelyeasy,buttheparticlesizeoftheelectrophoreticparticlesisgenerallypreparedonlyreachμmlevel,so,tosomeextent,reducethecontrastandresolution,responsetimebecomeslarge;
andchemicalnmparticlelevelcanbeachieved,evenmoreparcelsofparticlesfirm.Butitisdifficulttocontrolthemonodisperseandthespeedofresponse.
Keywords:
electronicink;
electronicpaper;
electrophoreticparticles;
electronicinkofmicrocapsules
1绪论
1.1研究目的和意义
进入网络化时代后,科学技术的发展日新月异。
大家对多媒体形式的终端显示、高清晰度电视、携式信息产品、数字化电视、大屏幕电视的需求不断上升。
在短短时间内,显示技术已经达到非常高的阶段。
平板显示器则具有轻薄、完全平面化、低电耗等特性,完全符合图像显示器未来趋势的必然发展.现在平板显示器主要包括:
液晶显示器LCD(Liquidcrystaldisplays)、等离子显示器PDP(Plasmadisplays)以及相对较晚出现的电子纸显示器OLED(OrganiclightElectronicdisplays)等。
液晶显示LCD虽然具有薄型、功耗低、质量轻和工作电压低等优点,但也存在相应得问题。
比如它的显示具有低温特性差和响应速度慢的缺点,所以这些单元很难保证能够完好无损,例如一些比较精密的图文(如经抖动处理的图文)可能在液晶显示屏上非常难实现波纹或者干扰纹的再现,更重要的是存在可视角度。
等离子显示器也有响应快、大视角、有存储特性、色彩纯度丰富和数字化的工作模式的特点。
而且大尺寸的制作非常简易。
但在图像的对比度、亮度、色彩的保真度等很多方面仍然需要做进一步的改进,而且功耗非常大(300~400W),低成品率,价格贵。
多年来,电子纸一直是研究者研究的显示对象。
显示媒体中创建一个灵活的低成本系统是类纸显示。
其中最吸引人的应用是柔性显示阳离子的电子纸,这结合控制理想的观赏特点,具有与传统的印刷纸操纵能力的电子显示信息。
在这样的背景下,许多不同的技术被提出用于电子纸,如搓球显示,电化学反应显示,电子墨水显示和电润湿显示。
电子墨水显示,也被称为微胶囊电泳网织红细胞图像的显示,是一种基于非发射装置带电颜料粒子的电泳现象。
具有—颗粒悬浮在溶剂和显示图像电写入或擦除反复的特性。
这是为了解决横向漂移和集聚(内附悬浮微颗粒),微胶囊,导致改进的可靠性。
因此,电子墨水显示具有特殊的携带方便,广视角、无电磁辐射。
在电子墨水等优点的显示下,许多公司和研究机构致力于对电子墨水显示和其他材料的研究相关技术。
电泳图像显示(Electrophoreticimagedisplay,EPID)则是根据分散颗粒在电场力的作用下发生的电泳现象,他的优点是具有大的视角、较高的对比度、高显示的亮度、低的价格,而且容易实现较大平面显示等。
电子纸作为一种不能发光的平面显示,因此具有可以通过电子学的方法进行寻址和擦涂,同时也具有非常宽的视角、较大的对比度等相似于纸的显示特征[1]。
但电泳显示也存在相应的电泳基液中颗粒的团聚和沉淀等严重问题,而引起的较低的可靠度、寿命短的缺点,所以电子纸技术在工业化发展的进程受到了非常严重的限制。
因此采用胶囊化的方法后,不仅仅解决了整体颗粒大于微胶囊大的尺度范围的团聚及沉淀现象,增加了电荷的稳定性能,而且通过微胶囊实现了具有双稳态电泳的显示。
因而使微胶囊电子墨水电子纸同时兼备薄、轻、全视角、对比度高、亮度高、低功耗和可以柔曲的性质[2]。
具有易于携带、价格非常低廉还可以实现大面积操作的优点而倍受大众的喜爱。
由于将电泳基液微胶囊化可以利用印刷或打印的方法,涂覆到合适的基体材料的表面上,所以可通过这样来实现柔性显示的特点。
所以,将微胶囊电子墨水电子纸可以认为现如今极具发展前景的显示技术之一。
因此本文将对电子墨水电子纸进行更深入探究,并对电子墨水电子纸作详细总结,为将来能够进一步深入的研究电泳颗粒、微胶囊电子墨水的制备等打下坚实的基础。
1.2微胶囊电子墨水电子纸的概述
“柔版显示器”是电子纸的另一个称号,它是一种比较新型的显示器件,兼具重量小、价格低廉、柔性显示、无污染、实现大面积显示容易的优点。
现今是各国竞相研究的显示器件之一。
电子纸和平板显示器比较,它有如下特点:
1)电子纸对图文的显示是呈现的双稳态(Bi—stableDisplay),就是在外加电场的条件下实现显示,而且当电场撤去以后,但是依然保持显示,因此,电子纸有信息储存功能,还有节能的特点;
2)电子纸属于反射型显示,它符合朗伯的对光线的反射定律,所以,拥有非常大的视角;
3)柔版导电的高分子薄膜晶体管可以作为电子纸的电极,它的物理机械性能和传统的纸张非常类似,所以,可卷曲折叠和方便携带;
4)具有可擦写型的显示媒体也是电子纸。
它可以反复使用几万次乃至几十万次,不仅可以节省大量的纸张,间接的节省大量的木材等造纸的原材料从而可以保护稀少的森林资源[3-4]。
目前,极有可能进行产业化的电子纸器件有两种,由美国MIT媒体实验室研发的微胶囊电泳柔版显示器是其一,还有一种是旋转球柔版的显示器。
电子纸有各种各样的方式来实现,其中制备电子纸的主要方法是根据印刷的技术在柔性基材上用电子墨水来涂覆。
电子墨水是一种悬浮物类似墨水状,在不同的类型电压下,呈现出不同的状态,从而显示出不一样的灰度和颜色,并且在外电场作用下还可以实现双稳态、可逆的柔性显示的特点。
当然,电子墨水不只限制于制造电子的纸张,也能制备电子墨水平板显示器用电子墨水涂覆到硬质的基板上。
电子墨水(Encapsulatedelectrophoreticink)是由MIT媒体实验室提出的。
电子墨水是物理,化学和电子学之间相融合而产生的一种新材料。
事实上它与墨水非常相似,是一种液体,其中包含了几百万个微小的微胶囊个体,每个微胶囊都有清澈的外壳,其内充有深色染料和悬浮其中的大量微胶粒子。
经过时间的发展,电子墨水已经成为一个内涵非常丰富的概念,电子纸与电子墨水渐渐的合二为一。
一般人们会把所有的有双稳态的显示材料和具有柔性的都被称为电子墨水。
它会像很多的传统墨水一样,能通过改变颜色的线路实现打印到许多表面,从弯曲塑料、聚脂膜到纸到布。
它和传统纸相比,电子墨水在通电时可改变颜色,并且能够显示图像的变化,类似计算器或手机的显示上存在差异。
电子纸的电泳显示也是一种新颖的显示技术,它兼具电子显示器和普通纸张两者的优点[5]。
它能够使用现在的丝网印刷技术承印到所有的基体材料上,可以实现大规模生产,并且生产工艺的成本低.而且,电子纸具有可以节约能量、无电磁辐射、无废热、节约纸张等优点。
电子纸包括电子墨水,而微胶囊是对电子墨水的包裹,提高性能。
所以微胶囊电子墨水就是其主要的成分电泳颗粒稳定分散在分散介质里面从而形成电泳液,然后在将电泳液包覆在透明的微胶囊内,实现微胶囊化。
电泳颗粒在外部的电压变化的影响下,在由于稳定剂及电荷控制剂的作用,使在微胶囊中的电泳而趋向某一边而进行而显示,并实现显示的一种双稳状态,相反电泳颗粒在不受电场力作用时,容易分散而且容易受电场作用后聚集,所以在这两种状态下无需提供任何能量,只有在两种状态间转换时的时候才需要提供能量。
1.3国内外研究现状
1.3.1国内研究现状
近年来,国内针对电子墨水电子纸做了大量研究,目前的研究方向大多在微胶囊电子墨水和电子墨水中的电泳颗粒上面。
虽然没有国外起步早,但我国在这方面仍然有这很大研究进展。
徐辉波[6]等着重介绍了微胶囊化电子墨水的组成,并且阐述了电泳颗粒的表面改性、微胶囊常用的的制备方法,并且对微胶囊化电子墨水电子纸应用的情况进行评述以及对未来微胶囊电子墨水的展望。
温婷[7]等通过总结的方法,分别对三大颜色电泳粒子的制备和进行包裹粒子修饰的方法,评价出各种制备方法或包裹粒子修饰的方法在应用于电子墨水中的主要成分的制备中的优缺点进行阐述。
除此之外,还总结出在国内制备各种颜色电泳颗粒范围的内各部分研究的新进展,这能够应用于在不同颜色的电泳颗粒物复合过程中,同时也为研究相关复合颗粒工作的科研人员发展出一个新的方向。
路新成[8]针对了制备电子墨水中电泳颗粒及对其改性进行了深入的研究。
实验经过,得到如下结论:
①采用凝胶法制备出了Ti02粉体颗粒,此方法容易操作、工艺简单、制备时间短,能够得粉出完整的实心颗粒。
②升温的速率对粉体晶型影响很小,只能够影响粉体粒径的大小。
③制得的凝胶经过缎烧,在不同温度情况下,转变的主体方向在改变。
谢冰[9]等研究得出复合TiO2溶胶是由TiO2颗粒和TiO2溶胶组合而成的,以及电泳制备出的涂层具有光催化性。
实验结果表明:
相应的溶胶Zeta电位大于复合溶胶的Zeta电位。
于在不同温度下对溶胶煅烧制备出的TiO2粉末进行XRD表征,得出随着煅烧温度的下降,粉末结晶的程度就得到了降低,500℃时开始出现红色类似的TiO2晶相,在200℃时则出现锐钛矿类型的TiO2。
在光催化性能的显示下,由溶胶而得出的TiO2涂层的好于复合TiO2溶胶的性能。
伍媛婷[10]采用了凝胶法制备出了球状的亚微米级Si02白色显色粒子。
实心TiO2颗粒是以柠檬酸为金属离子络合剂制备的,经研究得出了在前驱物中同时检测出柠檬酸和聚乙二醇的质量分数以及水醇比和凝胶化的时间和湿凝胶干燥发泡效果之间的关系,并且探讨出了在的不同煅烧温度下所制备出得TiO2颗粒晶体类型,并研究出不同的溶剂、硫酸钛和柠檬酸的质量分数分别对TiO2的粒径大小及其分散程度的影响。
牛晓伟[11]等经过文献分析,介绍了微胶囊电子墨水中因存在的缺点,从而研究以纳米材料颗粒的表面改性和电泳颗粒的制备原理分析、并对电子墨水的制备方法及其研究进展进行总结。
结果发现采用一种新的表面改性的方法和新的改性物来改善电泳颗粒性能的方法,从而可以提高电子墨水显示器的性能。
就单纯的制备微胶囊工艺来说,需要改进和提高微胶囊的性能,寻找到适用、价格低廉的胶囊壁材,也要能够更好的提高微胶囊制作技术。
而且并对微胶囊化电子墨水和电泳颗粒的应用现状进行深入的研究[12]。
1.3.2国外研究现状
国外的研究者从一九四三年开始就有相关的文献,到一九七五年为止相关的文献就达到10000篇以上。
至今研究者对于电子墨水电子纸的研究有着显著成果。
Y.Chen[13]等针对电子墨水进行了深入研究。
利用电子墨水技术对超薄,柔性基板应该大大延长显示器的应用范围。
在实验中,实现的显示在一个弯曲的有源矩阵阵列板的制备中。
显示小于0.3毫米厚的,具有高像素密度(160pixels2240像素)分辨率(每英寸96像素),可以弯曲到1.5厘米的曲率半径没有任何降解的对比。
S.-K.Lee[14]等采用酰化钛和水热法进行电子墨水的实验研究。
研究表明:
①KOH为异丙醇钛摩尔比的溶液的pH值有重要影响的大小,形态,和BaTiO3粉体的结晶度。
②通过红外光谱和拉曼光谱表明,仍然有一些结构在制备粉体的低pH值的碱性溶液中形成的。
③水热老化时间的增加,所制备的粉体的晶体结构的连续转化非晶的乙酰基将消除破损。
M.P.L.Werts[15]等通过沉淀聚合和微悬浮聚合的方法制备无机–有机核壳粒子的实验。
得到以下结论:
①TiO2表面处理、聚合物的比例、该合成路线的简化、表面功能化都对TiO2的聚合有严重的影响。
②反相微悬浮法为了利用聚电解质作为独特的聚合物涂层的颜料表面获得更好的电荷控制。
③电泳墨水是利用TiO2PSPAA颗粒和对比鲜明的黑色染料配方。
Pei-PeiYin[16]等对带相反电荷的油墨粒子基于二氧化钛和炭黑的设计的研究。
经过实验得出:
白色粒子的表面酸性和黑色油墨粒子与基本面合成和长链烷基的空间位阻稳定,这是由基本的表面活性剂混合带相反电荷的表面活性剂(OLOA1200)和酸性(跨度80),分别为电泳迁移率和zeta电位为-3.87*10-10m2V-1s-1和-25.1mV的白色油墨颗粒,3.79*10-10m2V-1s-1和24.6mV的黑色油墨粒子。
在此外,嵌段共聚物,聚(甲基丙烯酸酯)-b-聚(2-(二甲基氨基)乙基甲基丙烯酸酯)通过原子转移自由基聚合(ATRP)合成,首次纳入在颜料的改性优良的封装。
Zi-QiangWen[17]等经过实验对提高在电泳液的电泳性质进行了研究。
对粒径分布和的改性颜料的表面形貌进行了测定,该功能的存在对颜料的表面基团被确认,和分散稳定性和充电的悬浮在电泳颜料进行了表征。
TingfengTan[18]等合成了新型低密度TiO2–TiO2–炭黑复合材料,其中涉及的沉积无机涂层对核心–壳胶乳粒子与乳胶粒子去除表面—采用高纯氮气中焙烧颗粒。
特点是结构的形态和内部扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)。
图像显示复合材料具有球形的形状和光滑的表面和内部结构的中空或多孔的。
QianZhao[19]等通过实验研究表明,空心TiO2聚合物颗粒有足够的电泳迁移率的聚合物在涂料。
H.L.Guo[20]等利用尿素和甲醛制备电子墨水的聚合。
通过红外光谱和麦克风的改性颜料—色谱和微胶囊,也以同样的方式研究。
实验表明,微囊中的颜料移向负极,而场修正的颜料拉回可逆。
且响应时间颗粒是约3.2秒。
CuiSun[21]等对色散稳定性和悬浮在IsoparM色素极化率进行了研究。
经实验得出结论:
壁面/芯材的质量比是影响微胶囊的产量的关键因素。
间苯二酚浓度对表面形貌和机械强度的影响微胶囊壁。
RunyingDai[22]等描述了含有电泳液为芯材的微胶囊,制备明胶,羧甲基纤维素钠(NaCMC)和琥珀酸二异辛酯磺酸钠(DSS)的复杂凝聚法。
研究发现,决策支持系统在微胶囊壁的形成和稳定性中起着重要的作用。
传统的DSS深深影响产率的提高与明胶的相互作用与NaCMC。
所制得的微胶囊与0.6mmDSS内容显示囊壁,结构紧凑赋予胶囊具有良好的阻隔性能和高的热稳定性。
1.4电子墨水微胶囊的发展趋势
电子墨水显示器综合了电子媒体和印刷媒体两个方面的优势,不仅与人们的阅读习惯更加贴切,而且还可以节约大面积的森林资源,具有非常广阔的应用前景。
然而电泳颗粒作为电子墨水显示器的组成部分,它的密度与电泳介质的匹配程度从而决定显示器使用的寿命;
其光学性能是影响色彩的饱和度以及最终显示对比度的重要原因;
而其所带电荷量和表面性质决定了电泳颗粒在分散介质的分散的稳定性和在电场中的响应速度,从而改变影响电泳显示器画面更换的速度。
综合以上所述因素,应选用尺寸分布比较窄、光学性能相对较好、呈现较规则形状的电泳颗粒,而且合理的选择还可以降低电泳颗粒的密度并能够提高表面电荷量的改性物修饰颜料颗粒,从而达到良好的显示效果。
目前,电子纸的电子墨水为达到以上目的,通常可以对其进行微胶囊化也可对电子墨水进行聚合物包覆。
其中,微胶囊电子墨水是现在研究者主要的研究对象。
其中制备微胶囊电子墨水的方法有很多,但是主要以界面聚合法、原位聚合法、复凝聚聚合法为主。
其中复合凝聚法是最有应用前景的制备方法。
但是微胶囊电子墨水进行包裹与电子墨水颗粒相比,微胶囊电子墨水制备相比其研究起步较晚。
然而目前发展的各种方法均不能完全达到以上的目的,距离实际应用远。
还需解决几个严重的问题。
现在电子墨水和电子纸的技术虽然发展趋于成熟而且还进行实现了大量的生产,但是也存在着很多现今还没有解决的问题。
例如复合凝聚法主要就是根据胶体溶胶和凝胶的一个可逆反应,但是如果解除凝聚的条件因素,那么之前发生的凝胶就会发生解凝聚,从而使电子墨水表面形成的微胶囊壁消失。
所以在复合凝聚的方法中,一定都要加入固(如甲醛,戊二醛、明矾等)来使凝聚的凝胶不会再次溶解。
现今主要用于生产的主要是黑白电子墨水电子显示器,但是彩色电子墨水电子纸也进行了大量的研究。
现在很多学者已经制备了红白、蓝白、绿白的电子墨水,但是还有很多颜色是需要开发研究并制备的,还更需要在应用上多多加以实现。
1.5本课题主要研究内容
本文将主要进行包裹微胶囊化的电子墨水电子纸及电子墨水的重要组成成分的综述研究,将以下几个方面作为研究重点进行研究。
1、介绍了微胶囊电子墨水电子纸在国内外的研究及应用进展,关于微胶囊电子墨水电子纸的研究多是对电子墨水的说明的总结,而电泳显示的实验方法研究大多是对国外研究成果的借鉴。
2、电子墨水本身的性质不仅在于原理显示上,还在于电子墨水表面具有良好的特性,因此需要同时满足这些性质。
本文针对电子墨水的原理进行介绍,并对电子墨水的组分进行深入研究。
还对电子墨水中各组分常见的物质进行举例,并总结这些组分常见的原因。
3、针对电子墨水中电泳颗粒表面改性常见的方法进行分析。
并总结出物理,化学方法各自存在的优缺点,绘制成表格,并针对他们的优缺点,提出电泳颗粒改性的新发展。
这样可同时满足物理化学法的优点,又改善了改性方法的缺点。
2微胶囊电子墨水电子纸的基本原理
微胶囊电泳显示电子墨水技术是用微胶囊包覆带有正或者负电荷的显色微粒悬浮液,当对该分散体系施加电场时,微胶囊中的带电显色例子发生电泳,从而完成显示的技术[23-27]。
电子油墨是一种薄膜状的专用材料,使用时可与电子显示设备结合在一起,是物理学、化学和电子技术的综合应用。
电子油墨是由数百万个微胶囊构成的,微胶囊的尺寸很小,直径几乎与头发丝相当。
每一个微胶囊中都包含了黑色颗粒和白色颗粒,上面分别带有负电荷和正电荷,它们均悬浮在清洁的液体中。
如图2-1所示。
图2-1电子墨水的剖面图
如上图所示,在微胶囊电子油墨的薄膜顶部是一层薄薄透明的材料,被认定为电极端使用;
其底部就是微胶囊电子油墨的另外的一个电极,使微胶囊电子墨水夹在这两个电极之间。
当微胶囊受到负电场的作用时,白色的电泳颗粒因带有正电荷而向微胶囊顶部移动,其对应位置的显示为白色;
黑色的颗粒因为带有负电荷,所以到达微胶囊底部在电场力的作用下,使得人眼不能看到下面的黑色。
如果在电场作用方向相反的情况下,则微胶囊电子墨水的显示效果也会完全相反,也就是说黑色部分显示,白色部分隐藏。
如此看来,只要使电场的作用方向改变就能在显示黑色和白色间切换,白色部位相对应于纸张的未着墨部分,而黑色则相对应着纸张上的印刷图文部分,如图2-2所示。
图2-2微胶囊分析图
2.1单色电子墨水的显示原理
微胶囊电子墨水是物理、化学和电子学相互融合而产生的一种新材料。
电子墨水实际上是一种液体,和墨水的形态一样。
其中电子墨水中包含了几千万甚至几百万个细小的球状徽胶囊(大小约是人体毛发直径)。
而每一个微胶囊的电子墨水小颗粒是由透明的外壳构
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