En las últimas décadas, se ha prestado mucha atención a las EPD sobre el papel ordinario debido a su bajo costo, bajo peso, bajo consumo de energía y seguridad. Las EPD son pantallas reflectantes que actúan en función de la migración de partículas de suspensión cargadas en el fluido dieléctrico hacia el electrodo con carga opuesta y esto se conoce como electroforesis [20,25,26] (Fig. 4). Recientemente, muchas pantallas han entrado en el mercado a través de empresas como Amazon Kindle, Hanvon y OED Technologies. Dos empresas importantes en este campo son SiPix y E-Ink, que ya se han fusionado, pero estas dos tecnologías son diferentes. La tecnología SiPix consiste en microcápsulas de plástico pantalla electroforética, que es muy delgada, liviana y se produce mediante el proceso de rollo a rollo (Fig. 5) [27]. Las propiedades de la pantalla electroforética y la tinta electrónica se explican en detalle a continuación.
El llamado principio de electroforesis se refiere al movimiento de partículas cargadas suspendidas en un fluido de suspensión bajo la influencia de un campo eléctrico de CC. Siempre que el campo eléctrico entre los electrodos se utiliza en una celda, las partículas migran en relación con la carga eléctrica y el fluido de suspensión permanece estable [20,28,29]. Por lo tanto, las partículas electroforéticas son uno de los componentes principales de las EPD. Generalmente, una partícula esférica, con una carga 'q', bajo un campo eléctrico 'E' y suspendida en un líquido electroforético, está bajo la influencia de cuatro fuerzas: las fuerzas eléctrica, de flotación, de gravedad y de fuerzas viscosas, a medida que se mueve entre el electrodo bivalente y el polo opuesto [30]. La ecuación de Helmholtz-Smoluchowski [3] (Ec. (1)) se emplea para describir la velocidad electroforética (U) de una partícula cargada. En esta ecuación, los términos ε, ξEP, Ex y μ son la constante dieléctrica del líquido, el potencial zeta de la partícula, el campo eléctrico aplicado y la movilidad de la partícula, respectivamente. El potencial zeta electroforético (ξEP) es una característica de la partícula cargada. La electroforesis conduce al movimiento de partículas cargadas a través de una solución estacionaria. Varios parámetros, incluida la viscosidad del medio de transporte y su comportamiento dieléctrico, el tamaño y la densidad de carga de las partículas blancas y negras, el grosor de la cubierta de la microcápsula y su nivel dieléctrico pueden afectar la función y el rendimiento de las EPD. Una forma de hacer que las partículas sean inestables en el medio líquido es compensar la gravedad entre el disolvente de dispersión y las partículas y, como resultado, reducir la sedimentación [31].
En general, las EPD que contienen suspensiones de color o partículas cargadas dispersas en un medio dieléctrico crean colores contrastantes en una celda con dos electrodos conductores, transparentes y paralelos que se han colocado a una distancia especificada de aproximadamente una micra.
Desde 1960, las EPD (EPD) se han desarrollado como un tipo de pantalla reflectante. Sus imágenes se pueden escribir o borrar repetidamente de forma eléctrica. Esta tecnología tiene numerosas ventajas, como un amplio ángulo de visión y altas relaciones de contraste que son similares a los papeles impresos. La EPD es la primera y básica opción para hacer papeles electrónicos. Sin embargo, la capacidad de garantizar la calidad de la imagen y la longevidad de la agrupación, aglomeración y agregación de partículas son algunos de los problemas graves que limitan sus aplicaciones en la industria.
Las propiedades de las partículas electroforéticas son clave para la determinación de la calidad de la imagen. La calidad de imagen mejorada requiere un tamaño de partícula muy pequeño con una distribución de tamaño estrecha, una gran carga superficial para crear y controlar con precisión las imágenes, una alta relación de contraste, una respuesta rápida al voltaje aplicado, transparencia utilizada en la cubierta, estabilidad a la luz y dispersión estable de la tinta y otros parámetros. En consecuencia, varios investigadores han explorado el efecto de las partículas modificadas, la morfología de la superficie, las cargas superficiales y la estabilidad especial [32–34]. Por lo tanto, para la caracterización de las microcápsulas de E Ink, se utilizaron varias técnicas instrumentales, incluida la espectroscopia ultravioleta-visible (UV–Vis), la microscopía de imagen óptica, la espectroscopia infrarroja transformada de Fourier (FTIR), el microscopio electrónico de barrido (SEM), el potencial zeta, la dispersión dinámica de la luz (DLS) y la celda electroforética [34–41].
Como se mencionó anteriormente, la estabilidad espacial de las partículas electroforéticas es un factor clave para determinar la calidad de la imagen, que se especifica a partir de la medición del potencial zeta. De hecho, el potencial zeta es un factor para la estabilidad potencial de los sistemas coloidales. Si todas las partículas en suspensión tienen una carga positiva o negativa, las partículas tienden a repelerse entre sí y no muestran tendencia a integrarse. La tendencia de las partículas con carga similar a repelerse entre sí está directamente relacionada con el potencial zeta. En general, el límite estable e inestable de la suspensión se puede determinar mediante el potencial zeta. Las suspensiones que contienen partículas con un potencial zeta superior a 30 mV o inferior a −30 mV se consideran estables [42].
Además, las pantallas de color se pueden preparar utilizando tintes de color o pigmentos orgánicos como nanopartículas electroforéticas de color. El tinte o pigmento en la tinta electrónica debe tener buen brillo, fuerza de color y un rendimiento excelente con la luz, el calor y la resistencia a los disolventes que pueden ofrecer un gran potencial para ser propuesto para una gama más amplia de aplicaciones [43–45]. La buena tinta electrónica en las EPD puede lograr una estabilidad de suspensión a largo plazo y una mayor carga superficial en la suspensión electroforética [37,46,47]. Algunas de las nanopartículas incluso fueron modificadas por algunos modificadores como polietileno [34,46,48,49] y octadecilamina [32,50,51] en la aplicación de EPD. Para un control preciso de la imagen y una respuesta rápida al campo eléctrico aplicado, las partículas deben tener una alta carga superficial de modo que la movilidad esté dentro del rango de 10-5–10-6 cm2/Vs, la diferencia de densidad con el disolvente es inferior a 0,5 g/cm3 y el diámetro adecuado es de aproximadamente 190–500 nm [30,52].
E Ink es un resultado directo de la integración de la química, la física y la electrónica. La composición de E Ink para EPD contiene partículas de electroforesis, como material de color cargado o microcápsulas que se dispersan en un entorno dieléctrico y un agente de control de carga [22–24]. Basado en el dispositivo y el principio de funcionamiento antes mencionado, los materiales importantes de esta tecnología incluyen las partículas de color (tintes/pigmentos), la cubierta de la microcápsula, el aceite aislante y los agentes de control de carga y estabilizadores. Las siguientes secciones explican cada uno de esos componentes.
Como se mencionó anteriormente, las partículas de color del tamaño de nano a micro-metro son los materiales clave para evaluar las funciones de la electroforesis. Los pigmentos deben cumplir varios requisitos; disminuir la cantidad de sedimentación, la densidad debe ser específicamente compatible con el disolvente de suspensión, la solubilidad en el disolvente debe ser lo suficientemente baja, el brillo debe ser alto para garantizar el rendimiento óptico efectivo, la superficie debe ser capaz de cargarse fácilmente, asegurar la producción en masa requiere que los pigmentos sean debidamente estables y también capaces de purificarse fácilmente. La absorción de partículas en la superficie de la cápsula o en el píxel debe evitarse en caso de su encapsulación en microcápsulas o píxeles. Se han investigado materiales de varios tipos para aplicaciones de EPD [9,53–61]. TiO2 [38,62], negro de carbón [41], SiO2 [63], Al2O3 [58], pigmento amarillo [34,64], pigmento rojo [32,65], rojo irónico y púrpura de magnesio son los materiales inorgánicos que han atraído mucha atención en la investigación. Los rojos de toluidina, el azul de ftalocianina [66–69] y el verde de ftalocianina [51,70] también se han investigado como partículas orgánicas. En general, los tintes/pigmentos de tamaño nanométrico se dispersan en una solución en los estados originales, seguido de un recubrimiento con materiales poliméricos para formar una estructura de núcleo-cubierta. Los materiales con grupo alcoxi, grupo acetilo o halógenos son materiales orgánicos de cadena larga típicos adecuados como materiales de cubierta debido a sus enlaces de hidrógeno. La disponibilidad en la naturaleza, así como el alto brillo, son las razones por las que los dispositivos EPD se han fabricado durante mucho tiempo con partículas blancas y negras hechas de carbono negro y dióxido de titanio, respectivamente. Dado que ambos materiales son conductores, los requisitos deseados se logran mediante polímeros de recubrimiento sobre ellos [71].
En la calidad de la imagen debido al contraste, las propiedades del pigmento blanco son muy importantes. En su mayoría, los investigadores utilizaron TiO2 como un pigmento blanco común debido a su blancura y excelentes propiedades ópticas y de reflexión. El problema más importante con este pigmento es su inestabilidad en la suspensión debido a su alta densidad. En la última década, los investigadores han intentado intensamente resolver este problema sugiriendo soluciones como nanopartículas huecas TiO2 [72], TiO2 modificado con modificador [62,73] y TiO2 recubierto con polímero [22,43,74]. Por primera vez, Comiskey et al. informan las microcápsulas de E Ink con partículas blancas dispersas en un fluido azul que se preparó con el método de polimerización in situ de urea y formaldehído. El dióxido de titanio con una gravedad específica de 4,2 se utilizó para la reflexión y la alta pureza del color como una partícula blanca [75]. El polietileno se utilizó como recubrimiento sobre el dióxido de titanio para reducir la gravedad específica y como una modificación de la superficie de las partículas para responder al campo eléctrico aplicado. En este estudio, el tiempo de respuesta se informó como 0,1 s. Como se demuestra en la Fig. 6(a), cuando una partícula electroforética microencapsulada se coloca entre dos electrodos con cargas opuestas, las partículas cargadas se orientan aplicando una corriente que, de lo contrario, se orientan hacia el electrodo con carga opuesta. En este caso, cuando un espectador mira la partícula desde arriba, ve un fondo blanco con carga negativa en las cercanías del electrodo positivo. Además, la parte (b) muestra la fotomicrografía de los ejemplos originales de las microcápsulas electroforéticas integradas en el campo eléctrico [75].
Yang et al. modificaron las partículas de dióxido de titanio con vinil trietoxisilano (VTES) mediante el método Sol-Gel a través del injerto de grupos de flujo en la superficie de las partículas de TiO2. Las partículas de TiO2 tienen excelentes propiedades en los alrededores oscuros para el contraste y se utilizan ampliamente como partículas electroforéticas blancas en la producción de E Ink. Sin embargo, dado que esta partícula tiene una alta densidad, la atracción de Van der Waals no es suficiente y conduce a la agregación, la sedimentación rápida y muestra una respuesta lenta al campo eléctrico. Por lo tanto, se ha realizado una extensa investigación sobre la modificación de la superficie. En este estudio, los resultados de todo el FTIR han confirmado nuevos picos en las longitudes de onda de 560 y 670 cm-1 debido a las vibraciones de estiramiento y dos picos con una longitud de onda de 12.020 y 1120 cm−1 que representa las vibraciones de estiramiento de los enlaces Si-O en VTES. Por lo tanto, se demostró que VTES también se injertó en la superficie de TiO2. El tamaño de las partículas modificadas se ha informado en el rango de 100–200 nm con una distribución muy estrecha [37]. Recientemente, se ha informado el uso de nanopartículas de sílice con un tiempo de respuesta de 180–191 ms en el prototipo de pantalla electroforética [30]. Actualmente, los productos EPD pueden mostrar niveles de 16 Gy de colores blanco a negro con 260–300 ms y 1000 ms como tiempo de respuesta y tiempo de actualización, respectivamente [5]. A pesar de que los pigmentos blancos se comercializan, todavía existe la necesidad de mejorar sus propiedades espacialmente, una respuesta rápida al campo eléctrico.
La pantalla a todo color se puede desarrollar dividiendo cada uno de los elementos de la imagen en las EPD en blanco y negro y colocando filtros de color horizontales como matrices RGB (rojo, verde, azul) y CMY (azul, rojo, amarillo) [76]. Sin embargo, el filtro de color absorbe grandes cantidades de luz reflejada, lo que conduce a un bajo contraste y brillo. Recientemente, los estudios se han centrado en la preparación de las partículas electroforéticas tricolores para pantallas de color (CEPD). El tinte encapsulado y el pigmento modificado se utilizan para la síntesis de partículas electroforéticas. La preparación de tinta de color se obtuvo mediante la colocación de material de color en los polímeros como poliestireno, poli (N vinil pirrolidona), poli (metacrilato de metilo) y algunos otros copolímeros [23,24]. Sin embargo, algunos inconvenientes, como la baja visibilidad y la mala estabilidad a la luz, limitan el uso de tintes en el CEPD. En comparación, los pigmentos orgánicos con resistencia ultra-ligera, mejor estabilidad y mayor fuerza de color muestran más idoneidad para CEPD [77]. Se han empleado numerosos métodos para la preparación de tintes aplicados en el CEPD que se enumeran en las siguientes secciones.
En esta tecnología, las microcápsulas o micropíxeles comprenden el dispositivo de pantalla electroforética donde la pared de la cubierta se convierte en un material clave. El papel clave de la cubierta en la pantalla electroforética es encapsular las partículas de color, así como el medio. Para este propósito, no solo se requiere que tenga buena transparencia y bajo nivel de conductividad, sino que también debe ser compatible con los materiales que contiene. Otra especificación es la forma de estabilidad mecánica manteniendo la flexibilidad al mismo tiempo. Por lo tanto, los polímeros orgánicos como la poliamina, el poliuretano, las polisulfonas, el ácido de polietileno, la celulosa, la gelatina, la goma arábiga, etc. se consideran las opciones más adecuadas [32,55,78-87]. De acuerdo con los materiales elegidos, se han empleado varios métodos para la fabricación de microcápsulas, incluida la polimerización in situ de formaldehído y urea para formar resina de urea-formaldehído [3,28,82,88] y la coagulación compuesta de gelatina y goma arábiga para formar película compuesta [79,89,90].
Hay una suspensión de partículas de color en un medio líquido dentro de las microcápsulas de los dispositivos de pantalla electroforética. Basado en los requisitos clave de estos dispositivos, el medio debe representar varias especificaciones especiales, incluida la estabilidad térmica y química, las propiedades de aislamiento adecuadas (constante dieléctrica superior a 2), reflectividad y densidad casi idénticas con las partículas, así como baja resistencia a su transporte y, finalmente, naturaleza respetuosa con el medio ambiente. La aplicación de diferentes disolventes orgánicos únicos o disolventes formulados como alquileno, hidrocarburo aromático/alifático, oxosilano, etc. puede satisfacer los requisitos mencionados anteriormente [57,71,79,91,92]. Uno de los métodos más utilizados es la formulación de 2-fenilbutano-tetracloroetileno, isopar L-tetracloroetileno y n-hexano-tetracloroetileno. La mezcla de disolvente fluorado de alta y baja densidad e hidrocarburo es una forma común de ajuste adecuado de la densidad. La Tabla 1 muestra algunos disolventes utilizados en la aplicación de EPD.
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