Nas últimas décadas, muita atenção tem sido dada aos EPDs em relação ao papel comum devido ao seu baixo custo, baixo peso, baixo consumo de energia e segurança. Os EPDs são exibições reflexivas que atuam com base na migração de partículas de suspensão carregadas no fluido dielétrico em direção ao eletrodo carregado opostamente, e isso é conhecido como eletroforese [20,25,26] (Fig. 4). Recentemente, muitas exibições entraram no mercado por meio de empresas como Amazon Kindle, Hanvon e OED Technologies. Duas grandes empresas neste campo são SiPix e E-Ink, que já foram fundidas, mas essas duas tecnologias são diferentes. A tecnologia SiPix consiste em microcápsulas de plástico exibição eletroforética, que é muito fina, leve e produzida pelo processo roll-to-roll (Fig. 5) [27]. As propriedades da exibição eletroforética e da tinta eletrônica são explicadas em detalhes a seguir.
O chamado princípio da eletroforese refere-se ao movimento de partículas carregadas suspensas em um fluido de suspensão sob a influência de um campo elétrico CC. Sempre que o campo elétrico entre os eletrodos é usado em uma célula, as partículas migram em relação à carga elétrica e o fluido de suspensão permanece estável [20,28,29]. Portanto, as partículas eletroforéticas são um dos principais componentes dos EPDs. Geralmente, uma partícula esférica, com uma carga 'q', sob um campo elétrico 'E' e suspensa em um líquido eletroforético, está sob a influência de quatro forças: as forças elétrica, de flutuação, gravitacional e de forças viscosas, à medida que se move entre o eletrodo bivalente e o polo oposto [30]. A Equação de Helmholtz-Smoluchowski [3] (Eq. (1)) é empregada para descrever a velocidade eletroforética (U) de uma partícula carregada. Nesta equação, os termos ε, ξEP, Ex e μ são a constante dielétrica do líquido, o potencial zeta da partícula, o campo elétrico aplicado e a mobilidade da partícula, respectivamente. O potencial zeta eletroforético (ξEP) é uma característica da partícula carregada. A eletroforese leva ao movimento de partículas carregadas através de uma solução estacionária. Vários parâmetros, incluindo a viscosidade do meio de transporte e seu comportamento dielétrico, o tamanho e a densidade de carga das partículas pretas e brancas, a espessura da casca da microcápsula e seu nível dielétrico podem afetar a função e o desempenho do EPD. Uma maneira de tornar as partículas instáveis no meio líquido é compensar a gravidade entre o solvente de dispersão e as partículas e, como resultado, reduzir a sedimentação [31].
Em geral, os EPDs contendo suspensões coloridas ou partículas carregadas dispersas em um meio dielétrico criam cores contrastantes em uma célula com dois eletrodos condutores, transparentes e paralelos que foram colocados a uma distância especificada de cerca de um mícron.
Desde 1960, os EPDs (EPDs) foram desenvolvidos como um tipo de exibição reflexiva. Suas imagens podem ser repetidamente escritas ou apagadas eletricamente. Essa tecnologia tem inúmeras vantagens, como amplo ângulo de visão e altas taxas de contraste, semelhantes aos papéis impressos. O EPD é a primeira e básica escolha para fazer papéis eletrônicos. No entanto, a capacidade de garantir a qualidade da imagem e a longevidade do agrupamento, aglomeração e agregação de partículas são alguns dos problemas sérios que limitam suas aplicações na indústria.
As propriedades das partículas eletroforéticas são fundamentais para a determinação da qualidade da imagem. A qualidade aprimorada da imagem requer tamanho de partícula muito pequeno com uma distribuição de tamanho estreita, grande carga superficial para criar e controlar com precisão as imagens, alta taxa de contraste, resposta rápida à tensão aplicada, transparência usada na casca, estabilidade à luz e dispersão estável da tinta e outros parâmetros. Consequentemente, vários pesquisadores exploraram o efeito de partículas modificadas, morfologia da superfície, cargas superficiais e estabilidade especial [32–34]. Assim, para a caracterização das microcápsulas E Ink, foram utilizadas várias técnicas instrumentais, incluindo espectroscopia ultravioleta-visível (UV–Vis), Microscopia de Imagem Óptica, Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR), Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV), Potencial Zeta, Dispersão Dinâmica de Luz (DLS) e célula eletroforética [34–41].
Como mencionado anteriormente, a estabilidade espacial das partículas eletroforéticas é um fator chave na determinação da qualidade da imagem, que é especificada a partir da medição do potencial zeta. Na verdade, o potencial zeta é um fator para a estabilidade potencial dos sistemas coloidais. Se todas as partículas em suspensão tiverem uma carga positiva ou negativa, as partículas tendem a se repelir e não mostram nenhuma tendência a se integrar. A tendência de partículas com carga semelhante se repelirem está diretamente relacionada ao potencial zeta. Em geral, a fronteira estável e instável da suspensão pode ser determinada pelo potencial zeta. Suspensões contendo partículas com potencial zeta maior que 30 mV ou menor que −30 mV são consideradas estáveis [42].
Além disso, exibições coloridas podem ser preparadas usando corantes coloridos ou pigmentos orgânicos como nanopartículas eletroforéticas coloridas. O corante ou pigmento na tinta eletrônica deve ter bom brilho, força de cor e excelente desempenho com luz, calor e resistência a solventes, o que pode oferecer grande potencial para ser proposto para uma gama mais ampla de aplicações [43–45]. Boa tinta eletrônica em EPDs pode alcançar estabilidade de suspensão a longo prazo e maior carga superficial na suspensão eletroforética [37,46,47]. Algumas das nanopartículas foram até mesmo modificadas por alguns modificadores, como polietileno [34,46,48,49] e octadecilamina [32,50,51] em aplicações de EPDs. Para o controle preciso da imagem e resposta rápida ao campo elétrico aplicado, as partículas devem ter uma alta carga superficial, de modo que a mobilidade esteja na faixa de 10-5–10-6 cm2/Vs, a diferença de densidade com o solvente seja menor que 0,5 g/cm3 e o diâmetro apropriado seja de cerca de 190–500 nm [30,52].
A E Ink é um resultado direto da integração de química, física e eletrônica. A composição da E Ink para EPD contém partículas de eletroforese, como material colorido carregado ou microcápsulas que são dispersas em um ambiente dielétrico e agente de controle de carga [22–24]. Com base no dispositivo e no princípio de funcionamento mencionado, os materiais importantes desta tecnologia incluem as partículas coloridas (corantes/pigmentos), a casca da microcápsula, o óleo isolante e os agentes de controle de carga e estabilizadores. As seções a seguir explicam cada um desses componentes.
Como mencionado anteriormente, as partículas coloridas do tamanho de nano a micro-metros são os materiais-chave para avaliar as funções da eletroforese. Os pigmentos são necessários para atender a vários requisitos; diminuir a quantidade de sedimentação, a densidade deve ser especificamente compatível com o solvente de suspensão, a solubilidade no solvente deve ser baixa o suficiente, o brilho deve ser alto para garantir o desempenho óptico eficaz, a superfície deve ser capaz de ser carregada facilmente, garantindo que a produção em massa exija que os pigmentos sejam devidamente estáveis e também capazes de serem purificados facilmente. A absorção de partículas na superfície da cápsula ou no pixel deve ser evitada em caso de encapsulação em microcápsulas ou pixels. Materiais de vários tipos foram investigados para aplicações de EPD [9,53–61]. TiO2 [38,62], negro de fumo [41], SiO2 [63], Al2O3 [58], pigmento amarelo [34,64], pigmento vermelho [32,65], vermelho irônico e magnésio roxo são os materiais inorgânicos que atraíram muita atenção em pesquisa. Vermelhos de toluidina, azul de ftalocianina [66–69] e verde de ftalocianina [51,70] também foram investigados como partículas orgânicas. Em geral, os corantes/pigmentos de tamanho nanômetro são dispersos em uma solução nos estados originais, seguidos de revestimento com materiais poliméricos para formar uma estrutura núcleo-casca. Materiais com grupo alcóxi, grupo acetil ou halogênios são materiais orgânicos de cadeia longa típicos adequados como materiais de casca devido às suas ligações de hidrogênio. Disponibilidade na natureza, bem como alto brilho, são as razões pelas quais os dispositivos EPD têm sido fabricados há muito tempo por partículas pretas e brancas feitas de carbono preto e dióxido de titânio, respectivamente. Como ambos os materiais são condutores, os requisitos desejados são alcançados por meio de polímeros de revestimento neles [71].
Na qualidade da imagem devido ao contraste, as propriedades do pigmento branco são muito importantes. Principalmente, os pesquisadores usaram TiO2 como um pigmento branco comum por causa de sua brancura e excelentes propriedades ópticas e de reflexão. O problema mais importante com este pigmento é sua instabilidade na suspensão devido à sua alta densidade. Na última década, os pesquisadores tentaram intensamente resolver esse problema, sugerindo soluções como nanopartículas ocas de TiO2 [72], TiO2 modificado com modificador [62,73] e TiO2 revestido com polímero [22,43,74]. Pela primeira vez, Comiskey et al. relatam as microcápsulas E Ink com partículas brancas dispersas em um fluido azul que foi preparado com o método de polimerização in situ de ureia e formaldeído. O dióxido de titânio com um peso específico de 4,2 foi usado para reflexão e alta pureza de cor como uma partícula branca [75]. O polietileno foi usado como revestimento no dióxido de titânio para reduzir o peso específico e como uma modificação da superfície das partículas para responder ao campo elétrico aplicado. Neste estudo, o tempo de resposta foi relatado como 0,1 s. Como demonstrado na Fig. 6(a), quando uma partícula eletroforética microencapsulada é colocada entre dois eletrodos com cargas opostas, as partículas carregadas são orientadas aplicando uma corrente que, caso contrário, são orientadas em direção ao eletrodo com carga oposta. Neste caso, quando um espectador olha para a partícula de cima, ele vê um fundo branco com carga negativa nas proximidades do eletrodo positivo. Além disso, a parte (b) mostra a fotomicrografia dos exemplos originais das microcápsulas eletroforéticas embutidas no campo elétrico [75].
Yang et al. modificaram as partículas de dióxido de titânio com Vinil Trietoxissilano (VTES) pelo método Sol-Gel através do enxerto de grupos de fluxo na superfície das partículas de TiO2. As partículas de TiO2 têm excelentes propriedades em ambientes escuros para contraste e são amplamente utilizadas como partículas eletroforéticas brancas na produção de E Ink. No entanto, como esta partícula tem alta densidade, a atração de Van der Waals não é suficiente e leva à agregação, sedimentação rápida e mostra resposta lenta ao campo elétrico. Portanto, extensas pesquisas foram conduzidas sobre a modificação da superfície. Neste estudo, os resultados de todo o FTIR confirmaram novos picos em comprimentos de onda de 560 e 670 cm-1 devido às vibrações de estiramento e dois picos com comprimento de onda de 12.020 e 1120 cm−1 que representam as vibrações de estiramento das ligações Si-O em VTES. Assim, foi demonstrado que o VTES também foi enxertado na superfície do TiO2. O tamanho das partículas modificadas foi relatado na faixa de 100–200 nm com distribuição muito estreita [37]. Recentemente, o uso de nanopartículas de sílica foi relatado com tempo de resposta de 180–191 ms no protótipo de exibição eletroforética [30]. Atualmente, os produtos EPDs podem mostrar níveis de 16 Gy de cores branco a preto com 260–300 ms e 1000 ms como tempo de resposta e tempo de atualização, respectivamente [5]. Apesar do fato de que os pigmentos brancos são comercializados, ainda há uma necessidade de melhorar suas propriedades espacialmente, resposta rápida ao campo elétrico.
A exibição colorida completa pode ser desenvolvida dividindo cada um dos elementos da imagem nos EPDs em preto e branco e colocando filtros coloridos horizontais como matrizes RGB (vermelho, verde, azul) e CMY (azul, vermelho, amarelo) [76]. No entanto, o filtro colorido absorve grandes quantidades de luz refletida, o que leva a baixo contraste e brilho. Recentemente, os estudos se concentraram na preparação das partículas eletroforéticas tricolores para exibições coloridas (CEPD). O corante encapsulado e o pigmento modificado são usados para a síntese de partículas eletroforéticas. A preparação da tinta colorida foi obtida através da colocação de material colorido em polímeros como poliestireno, poli (N vinil pirrolidona), poli (metacrilato de metila) e alguns outros copolímeros [23,24]. No entanto, algumas desvantagens, como baixa visibilidade e baixa estabilidade à luz, limitam o uso de corantes no CEPD. Em comparação, os pigmentos orgânicos com resistência ultra-leve, melhor estabilidade e maior força de cor mostram mais adequação para CEPD [77]. Numerosos métodos foram empregados para a preparação de corantes aplicados no CEPD, que estão listados nas seções a seguir.
Nesta tecnologia, microcápsulas ou micropixels compreendem o dispositivo de exibição eletroforética onde a parede da casca se torna um material chave. O papel fundamental da casca na exibição eletroforética é encapsular as partículas coloridas, bem como o meio. Para este fim, não é apenas necessário ter boa transparência e baixo nível de condutividade, mas também deve ser compatível com os materiais dentro dela. Outra especificação é a maneira de estabilidade mecânica mantendo a flexibilidade ao mesmo tempo. Portanto, polímeros orgânicos como poliamina, poliuretano, polissulfonas, ácido polietileno, celulose, gelatina, goma arábica, etc. são considerados as escolhas mais adequadas [32,55,78-87]. De acordo com os materiais escolhidos, vários métodos foram empregados para a fabricação de microcápsulas, incluindo a polimerização in situ de formaldeído e ureia para formar resina de ureia-formaldeído [3,28,82,88] e coagulação composta de gelatina e goma arábica para formar filme composto [79,89,90].
Há uma suspensão de partículas coloridas em um meio líquido dentro das microcápsulas de dispositivos de exibição eletroforética. Com base nos principais requisitos desses dispositivos, o meio deve representar várias especificações especiais, incluindo estabilidade térmica e química, propriedades de isolamento adequadas (constante dielétrica maior que 2), refletividade e densidade quase idênticas com partículas, bem como baixa resistência ao seu transporte e, finalmente, natureza ambientalmente amigável. A aplicação de diferentes solventes orgânicos únicos ou solventes formulados, como alcileno, hidrocarboneto aromático/alifático, oxosilano, etc., pode satisfazer os requisitos mencionados acima [57,71,79,91,92]. Um dos métodos mais amplamente utilizados é a formulação de 2-fenilbutano-tetracloroetileno, isopar L-tetracloroetileno e n-hexano-tetracloroetileno. A mistura de solvente fluorado de alta e baixa densidade e hidrocarboneto é uma forma comum de ajuste adequado da densidade. A Tabela 1 mostra alguns solventes usados em aplicações de EPDs.
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