1、哈尔滨商业大学毕业设计（论文） I 哈尔滨商业大学毕业设计（论文） 微胶囊电子墨水 电子纸 的 研究进展 学 生 姓 名： 指 导 教 师： 专 业 班 级 ： 印刷工程 学 号 ： 学 院： 轻工学院 二 XX 年 六 月 八 日 哈尔滨商业大学毕业设计（论文） II 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
2、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 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 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 哈尔滨商业大学毕业设计（论文） III Abstract Due to the demand for multimedia rising, the study of
3、 electronic ink electronic paper appeared. In this paper, the research purposes is in order to improve the performance of electronic ink electronic paper , by the method of reading a lot of literatures and Analyzing and summarizing these literatures, to research and overview the main principle, the
4、main components and the main ingredients modification of the microcapsules electronic ink electronic paper. It concluded: electronic ink component selection and surface properties of electrophoretic particles are likely to affect the electronic ink effect, an appropriate increase in electrophoretic
5、particles and dyes may improve contrast electronic ink color; preparation physically modified electrophoretic particle method is relatively easy, but the particle size of the electrophoretic particles is generally prepared only reach m level, so, to some extent, reduce the contrast and resolution, r
6、esponse time becomes large; and chemical nm particle level can be achieved, even more parcels of particles firm. But it is difficult to control the monodisperse and the speed of response. Keywords: electronic ink; electronic paper; electrophoretic particles; electronic ink of microcapsules 哈尔滨商业大学毕业
7、设计（论文） 目 录 摘 要 .II Abstract . III 1 绪 论 . 6 1.1 研究目的和意义 . 6 1.2 微胶囊电子墨水电子纸的概述 . 7 1.3 国内外研究现状 . 8 1.3.1 国内研究现状 . 8 1.3.2 国外研究现状 . 9 1.4 电子墨水微胶囊的发展趋势 . 11 1.5 本课题主要研究 内容 . 12 2 微胶囊电子墨水电子纸的基本原理 . 13 2.1 单色电子墨水显示原理 . 14 2.2 彩色电子墨水的显示原理 . 15 3 电子墨水的组成 . 17 3.1 分散相 电泳颗粒 . 17 3.2 连续相 分散介质 . 18 3.3 染料 . 20
8、 3.4 电荷控制剂 (CCA) . 21 3.5 稳定剂 . 21 3.6 本章小结 . 22 4 电泳颗粒的改性研究进展 . 23 4.1 物理法 . 23 4.1.1 喷 雾法 . 23 4.1.2 相分离法 . 23 哈尔滨商业大学毕业设计（论文） 4.1.3 熔融法 . 24 4.1.4 其他物理法 . 24 4.2 化学法 . 24 4.2.1 分散聚合法 . 25 4.2.2 细乳液聚合法 . 25 4.2.3 无皂乳液聚合法 . 26 4.2.4 微悬浮聚合法 . 26 4.3 提出电泳颗粒改性的新方法 . 27 4.4 本章小结 . 27 结 论 . 29 参考文献 . 30
9、 致 谢 . 34 哈尔滨商业大学毕业设计（论文） 6 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(Liquid crystal displays)、等离子显示器 PDP(Plasma displays)以及相对较晚出现的电子纸显示器 OLED(Organic light Electronic d
10、isplays)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
11、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
12、 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 (Electrophoretic image display， 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。 哈尔滨商业大学毕业设计（论文） 7 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
13、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
14、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 (Bistable Display)，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
15、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，
16、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，哈尔滨商业大学毕业设计（论文） 8 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 (Encapsulated electrophoretic ink)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
17、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
18、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
19、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哈尔滨商业大学毕业设计（论文） 9 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
20、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： 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。 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。 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
21、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
22、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
23、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，柔性基哈尔滨商业大学毕业设计（论文） 10 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（ 160 pixels2240 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： KOH 为
24、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。 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。 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： TiO2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 。 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。 电泳墨水是利用 TiO2 PS PAA颗粒和对比鲜明
25、的黑色染料配方。 Pei-Pei Yin16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（ OLOA 1200）和酸性（跨度 80），分别为电泳迁移率和 zeta电位为 -3.87*10-10 m 2 V-1 s-1和 -25.1 mV的白色油墨颗粒， 3.79*10-10 m 2 V-1 s-1和 24.6 mV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（ ATR
26、P）合成，首次纳入在颜料的改性优良的封装。 Zi-Qiang Wen17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。 Tingfeng Tan18等合成了新型低密度TiO2TiO2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。 Qian Zhao19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. Guo20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。 Cui Sun21等对色散稳定性和悬浮在 Isopar M 色素极化率进行了研究。经实验得出结论：壁面 /芯材的
