3 इलेक्ट्रोफोरेटिक डिस्प्ले (ईपीडी)
पिछले कुछ दशकों में, साधारण कागज की तुलना में ईपीडी पर बहुत ध्यान दिया गया है, क्योंकि इसकी कम लागत, कम वजन, कम बिजली की खपत और सुरक्षा। ईपीडी रिफ्लेक्टिव डिस्प्ले हैं जो डाईइलेक्ट्रिक तरल में चार्ज किए गए निलंबन कणों के विपरीत चार्ज किए गए इलेक्ट्रोड की ओर प्रवास के आधार पर कार्य करते हैं और इसे इलेक्ट्रोफोरेसिस [20,25,26] (चित्र 4) के रूप में जाना जाता है। हाल ही में, अमेज़ॅन किंडल, हनवोन और ओईडी टेक्नोलॉजीज जैसी कंपनियों के माध्यम से कई डिस्प्ले बाजार में प्रवेश कर चुके हैं। इस क्षेत्र की दो प्रमुख कंपनियां SiPix और E-Ink हैं जो पहले ही विलय हो चुकी हैं, लेकिन ये दोनों तकनीकें अलग-अलग हैं। SiPix तकनीक में प्लास्टिक के माइक्रो कैप्सूल शामिल हैं इलेक्ट्रोफोरेटिक डिस्प्ले, जो बहुत पतला, हल्का है और रोल-टू-रोल प्रक्रिया द्वारा निर्मित है (चित्र 5) [27]। इलेक्ट्रोफोरेटिक डिस्प्ले और इलेक्ट्रॉनिक स्याही के गुणों को निम्नलिखित में विस्तार से समझाया गया है।
3.1 इलेक्ट्रोफोरेटिक डिस्प्ले (ईपीडी) फ़ंक्शन
तथाकथित इलेक्ट्रोफोरेसिस सिद्धांत एक डीसी विद्युत क्षेत्र के प्रभाव में निलंबन तरल में निलंबित चार्ज किए गए कणों की गति को संदर्भित करता है। जब भी इलेक्ट्रोड के बीच विद्युत क्षेत्र का उपयोग एक सेल में किया जाता है, तो कण विद्युत आवेश के संबंध में प्रवास करते हैं और निलंबन तरल स्थिर रहता है [20,28,29]। इसलिए, इलेक्ट्रोफोरेटिक कण ईपीडी के मुख्य घटकों में से एक हैं। आम तौर पर, एक गोलाकार कण, जिसका आवेश 'q' है, एक विद्युत क्षेत्र 'E' के तहत और एक इलेक्ट्रोफोरेटिक तरल में निलंबित है, चार बलों के प्रभाव में है: विद्युत, उछाल, गुरुत्वाकर्षण और मंद चिपचिपा बल, क्योंकि यह द्विध्रुवीय इलेक्ट्रोड और विपरीत ध्रुव के बीच चलता है [30]। हेल्महोल्ट्ज़-स्मोलुचोव्स्की समीकरण [3] (समीकरण (1)) का उपयोग एक चार्ज किए गए कण के इलेक्ट्रोफोरेटिक वेग (यू) का वर्णन करने के लिए किया जाता है। इस समीकरण में, शब्द ε, ξEP, Ex और μ क्रमशः तरल का डाईइलेक्ट्रिक स्थिरांक, कण का जीटा विभव, अनुप्रयुक्त विद्युत क्षेत्र और कण की गतिशीलता हैं। इलेक्ट्रोफोरेटिक जीटा विभव (ξEP) चार्ज किए गए कण की एक विशेषता है। इलेक्ट्रोफोरेसिस एक स्थिर घोल के माध्यम से चार्ज किए गए कणों की गति की ओर ले जाता है। विभिन्न पैरामीटर जिनमें चिपचिपापन परिवहन माध्यम और इसका डाइइलेक्ट्रिक व्यवहार, काले और सफेद कणों का आकार और आवेश घनत्व, माइक्रो कैप्सूल शेल की मोटाई और इसका डाइइलेक्ट्रिक स्तर ईपीडी के कार्य और प्रदर्शन को प्रभावित कर सकते हैं। तरल माध्यम में कणों को अस्थिर बनाने का एक तरीका फैलाव विलायक और कणों के बीच गुरुत्वाकर्षण की भरपाई करना है, और परिणामस्वरूप, अवसादन को कम करना है [31][79,89,90]
सामान्य तौर पर, डाईइलेक्ट्रिक माध्यम में रंगीन निलंबन या बिखरे हुए चार्ज किए गए कणों वाले ईपीडी एक सेल में विपरीत रंग बनाते हैं जिसमें दो प्रवाहकीय, पारदर्शी और समानांतर इलेक्ट्रोड होते हैं जिन्हें लगभग एक माइक्रोन की निर्दिष्ट दूरी पर रखा गया है।
1960 के दशक से, ईपीडी (ईपीडी) को एक प्रकार के रिफ्लेक्टिव डिस्प्ले के रूप में विकसित किया गया है। इसकी छवियों को बार-बार विद्युत रूप से लिखा या मिटाया जा सकता है। इस तकनीक के कई फायदे हैं जैसे कि व्यापक देखने का कोण और उच्च कंट्रास्ट अनुपात जो मुद्रित कागजात के समान हैं। ईपीडी इलेक्ट्रॉनिक पेपर बनाने का पहला और बुनियादी विकल्प है। हालाँकि, छवि की गुणवत्ता और कण क्लस्टरिंग, जमावट और एकत्रीकरण की दीर्घायु सुनिश्चित करने की क्षमता कुछ गंभीर समस्याएँ हैं जो उद्योग में इसके अनुप्रयोगों को सीमित करती हैं।
3.2 ई इंक के साथ ईपीडी डिस्प्ले की छवि गुणवत्ता में प्रभावी पैरामीटर
इलेक्ट्रोफोरेटिक कणों के गुण छवि गुणवत्ता के निर्धारण की कुंजी हैं। बेहतर छवि गुणवत्ता के लिए बहुत छोटे कण आकार की आवश्यकता होती है जिसमें एक संकीर्ण आकार वितरण, छवियों को सटीक रूप से बनाने और नियंत्रित करने के लिए बड़ा सतह आवेश, उच्च कंट्रास्ट अनुपात, अनुप्रयुक्त वोल्टेज के लिए त्वरित प्रतिक्रिया, शेल में उपयोग की जाने वाली पारदर्शिता, प्रकाश स्थिरता और स्याही का स्थिर फैलाव और अन्य पैरामीटर। नतीजतन, कई शोधकर्ताओं ने संशोधित कणों, सतह आकृति विज्ञान, सतह आवेशों और विशेष स्थिरता के प्रभाव का पता लगाया है [32–34]। इस प्रकार, ई इंक माइक्रो कैप्सूल के लक्षण वर्णन के लिए, विभिन्न उपकरण तकनीकों में पराबैंगनी–दृश्य स्पेक्ट्रोस्कोपी (यूवी–विस), ऑप्टिकल इमेज माइक्रोस्कोपी, फूरियर ट्रांसफॉर्मेड इंफ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी (एफटीआईआर), स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (एसईएम), जीटा विभव, डायनेमिक लाइट स्कैटरिंग (डीएलएस) और इलेक्ट्रोफोरेटिक सेल का उपयोग किया गया [34–41][79,89,90]
जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, इलेक्ट्रोफोरेटिक कणों की स्थानिक स्थिरता छवि गुणवत्ता निर्धारित करने में एक प्रमुख कारक है, जिसे जीटा विभव के माप से निर्दिष्ट किया गया है। वास्तव में, जीटा विभव कोलाइडल सिस्टम की संभावित स्थिरता का एक कारक है। यदि निलंबन में सभी कणों में एक धनात्मक या ऋणात्मक आवेश होता है, तो कण एक दूसरे को पीछे हटाने की प्रवृत्ति रखते हैं और एकीकृत होने की कोई प्रवृत्ति नहीं दिखाते हैं। समान आवेश वाले कणों की एक दूसरे को पीछे हटाने की प्रवृत्ति सीधे जीटा विभव से संबंधित होती है। सामान्य तौर पर, निलंबन की स्थिर और अस्थिर सीमा को जीटा विभव द्वारा निर्धारित किया जा सकता है। 30 mV से अधिक या −30 mV से कम जीटा विभव वाले कणों वाले निलंबन को स्थिर माना जाता है [42][79,89,90]
इसके अलावा, रंगीन डिस्प्ले को रंगीन रंगों या कार्बनिक पिगमेंट का उपयोग करके रंगीन इलेक्ट्रोफोरेटिक नैनोकणों के रूप में तैयार किया जा सकता है। इलेक्ट्रॉनिक स्याही में रंग या वर्णक में अच्छी चमक, रंग शक्ति और प्रकाश, गर्मी और विलायक प्रतिरोध के साथ उत्कृष्ट प्रदर्शन होना चाहिए जो अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए प्रस्तावित होने की महान क्षमता प्रदान कर सकता है [43–45]। ईपीडी में अच्छी इलेक्ट्रॉनिक स्याही इलेक्ट्रोफोरेटिक निलंबन में दीर्घकालिक निलंबन स्थिरता और उच्च सतह आवेश प्राप्त कर सकती है [37,46,47]। कुछ नैनोकणों को ईपीडी अनुप्रयोगों में पॉलीइथिलीन [34,46,48,49] और ऑक्टाडेसिलमाइन [32,50,51] जैसे कुछ संशोधकों द्वारा भी संशोधित किया गया था। छवि के सटीक नियंत्रण और अनुप्रयुक्त विद्युत क्षेत्र के लिए त्वरित प्रतिक्रिया के लिए, कणों में एक उच्च सतह आवेश होना चाहिए जैसे कि, गतिशीलता 10-5–10-6 cm2/Vs की सीमा के भीतर है, विलायक के साथ घनत्व अंतर 0.5 g/cm से कम है3 और उपयुक्त व्यास लगभग 190–500 nm है [30,52][79,89,90]
3.3 इलेक्ट्रॉनिक स्याही (ई इंक) या इलेक्ट्रोफोरेटिक स्याही
ई इंक रसायन विज्ञान, भौतिकी और इलेक्ट्रॉनिक्स के एकीकरण का सीधा परिणाम है। ईपीडी के लिए ई इंक की संरचना में इलेक्ट्रोफोरेसिस कण जैसे चार्ज किए गए रंगीन पदार्थ या माइक्रो कैप्सूल शामिल हैं जो एक डाइइलेक्ट्रिक वातावरण और चार्ज नियंत्रण एजेंट में फैले हुए हैं [22–24]। डिवाइस और पूर्वोक्त कार्य सिद्धांत के आधार पर, इस तकनीक की महत्वपूर्ण सामग्रियों में रंगीन कण (रंग/वर्णक), माइक्रो कैप्सूल शेल, इन्सुलेशन तेल और चार्ज नियंत्रण एजेंट और स्टेबलाइजर शामिल हैं। निम्नलिखित खंडों में इन घटकों में से प्रत्येक की व्याख्या की गई है।
3.3.1 कोर के लिए रंगीन कणों के रूप में रंग/वर्णक
जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, नैनो से माइक्रो-मीटर आकार के रंगीन कण इलेक्ट्रोफोरेटिक के कार्यों का मूल्यांकन करने के लिए प्रमुख सामग्री हैं। वर्णक को कई आवश्यकताओं को पूरा करने की आवश्यकता है; अवसादन की मात्रा कम करें, घनत्व को निलंबन विलायक के साथ विशिष्ट रूप से संगत होना चाहिए, विलायक में घुलनशीलता पर्याप्त रूप से कम होनी चाहिए, चमक अधिक होनी चाहिए ताकि प्रभावी ऑप्टिकल प्रदर्शन सुनिश्चित हो सके, सतह को आसानी से चार्ज करने में सक्षम होना चाहिए, बड़े पैमाने पर उत्पादन सुनिश्चित करने के लिए वर्णक को ठीक से स्थिर होना चाहिए और आसानी से शुद्ध करने में भी सक्षम होना चाहिए। कैप्सूल सतह या पिक्सेल पर कणों के अवशोषण से बचना चाहिए, माइक्रो कैप्सूल या पिक्सेल में उनके एन्कैप्सुलेशन के मामले में। ईपीडी अनुप्रयोगों के लिए विभिन्न प्रकार की सामग्रियों की जांच की गई है [9,53–61]। TiO2 [38,62], कार्बन ब्लैक [41], SiO2 [63], Al2O3 [58], पीला वर्णक [34,64], लाल वर्णक [32,65], लौह लाल और मैग्नीशियम बैंगनी अकार्बनिक पदार्थ हैं जिन्होंने शोध में बहुत ध्यान आकर्षित किया है। टोलुइडाइन रेड्स, थैलोसाइनिन ब्लू [66–69] और थैलोसाइनिन ग्रीन [51,70] की भी कार्बनिक कणों के रूप में जांच की गई है। सामान्य तौर पर, नैनोमीटर आकार के रंगों/वर्णकों को मूल अवस्था में एक घोल में फैलाया जाता है, इसके बाद कोर-शेल संरचना बनाने के लिए बहुलक सामग्री के साथ कोटिंग की जाती है। एल्कोक्सी समूह, एसिटाइल समूह या हैलोजन वाली सामग्री उनके हाइड्रोजन बंधनों के कारण शेल सामग्री के रूप में उपयुक्त विशिष्ट लंबी श्रृंखला वाली कार्बनिक सामग्री हैं। प्रकृति में उपलब्धता के साथ-साथ उच्च चमक ऐसे कारण हैं कि ईपीडी उपकरणों का निर्माण लंबे समय से काले कार्बन और टाइटेनियम डाइऑक्साइड से बने काले और सफेद कणों से किया जाता है। चूंकि ये दोनों सामग्रियां प्रवाहकीय हैं, इसलिए वांछित आवश्यकताओं को उन पर कोटिंग पॉलिमर के माध्यम से प्राप्त किया जाता है [71][79,89,90]
कंट्रास्ट के कारण छवि गुणवत्ता में, सफेद वर्णक के गुण बहुत महत्वपूर्ण हैं। ज्यादातर, शोधकर्ताओं ने TiO2 का उपयोग एक सामान्य सफेद वर्णक के रूप में किया क्योंकि इसकी सफेदी और उत्कृष्ट ऑप्टिकल और परावर्तन गुण हैं। इस वर्णक के साथ सबसे महत्वपूर्ण समस्या इसकी उच्च घनत्व के कारण निलंबन में अस्थिरता है। पिछले दशक में शोधकर्ताओं ने इस समस्या को हल करने की गहनता से कोशिश की है, जिसमें खोखले नैनोकणों TiO2 [72], TiO2 संशोधक के साथ संशोधित [62,73] और TiO2 बहुलक के साथ लेपित [22,43,74] जैसे समाधान सुझाए गए हैं। पहली बार, कोमिस्की एट अल। नीले तरल में फैले सफेद कणों के साथ ई इंक माइक्रो कैप्सूल की रिपोर्ट करते हैं जिसे यूरिया और फॉर्मेल्डिहाइड की इन सीटू पोलीमराइजेशन विधि से तैयार किया गया था। 4.2 का विशिष्ट गुरुत्व वाला टाइटेनियम डाइऑक्साइड का उपयोग परावर्तन और उच्च रंग शुद्धता के लिए एक सफेद कण के रूप में किया गया था [75]। पॉलीइथिलीन का उपयोग विशिष्ट गुरुत्व को कम करने के लिए टाइटेनियम डाइऑक्साइड पर एक कोटिंग के रूप में और अनुप्रयुक्त विद्युत क्षेत्र के प्रति प्रतिक्रिया करने के लिए कणों के सतह संशोधन के रूप में किया गया था। इस अध्ययन में, प्रतिक्रिया समय 0.1 s के रूप में बताया गया था। जैसा कि चित्र 6(ए) में दिखाया गया है, जब एक माइक्रोएन्कैप्सुलेटेड इलेक्ट्रोफोरेटिक कण को विपरीत आवेशों वाले दो इलेक्ट्रोड के बीच रखा जाता है, तो चार्ज किए गए कण एक धारा लगाकर उन्मुख होते हैं जो अन्यथा विपरीत आवेश वाले इलेक्ट्रोड की ओर उन्मुख होते हैं। इस मामले में, जब एक दर्शक ऊपर से कण को देखता है, तो वह धनात्मक इलेक्ट्रोड के आसपास के क्षेत्र में ऋणात्मक आवेश के साथ एक सफेद पृष्ठभूमि देखता है। इसके अलावा, भाग (बी) विद्युत क्षेत्र में निर्मित इलेक्ट्रोफोरेटिक माइक्रो कैप्सूल के मूल उदाहरणों का फोटोग्राफ दिखाता है [75][79,89,90]
यांग एट अल। ने सोल्-जेल विधि द्वारा विनाइल ट्राइएथोक्सीसिलेन (वीटीईएस) के साथ टाइटेनियम डाइऑक्साइड कणों को संशोधित किया, जो टीआईओ2 कणों की सतह पर प्रवाह समूहों को ग्राफ्ट करते हैं। TiO2 कणों में कंट्रास्ट के लिए अंधेरे परिवेश में उत्कृष्ट गुण होते हैं और ई इंक के उत्पादन में सफेद इलेक्ट्रोफोरेटिक कणों के रूप में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं। हालाँकि, चूंकि इस कण का घनत्व अधिक होता है, इसलिए वैन डेर वाल्स आकर्षण पर्याप्त नहीं होता है और इससे एकत्रीकरण, त्वरित अवसादन होता है और विद्युत क्षेत्र के प्रति धीमी प्रतिक्रिया होती है। इसलिए, सतह संशोधन पर व्यापक शोध किया गया है। इस अध्ययन में, संपूर्ण एफटीआईआर के परिणामों ने 560 और 670 cm-1 तरंग दैर्ध्य में नए शिखर की पुष्टि की, जो वीटीईएस में Si-O बंधनों के खिंचाव कंपन और 12,020 और 1120 cm−1 तरंग दैर्ध्य वाले दो शिखर का प्रतिनिधित्व करता है। इस प्रकार, यह दिखाया गया था कि वीटीईएस को टीआईओ2 सतह पर भी ग्राफ्ट किया गया था। संशोधित कणों का आकार 100–200 nm की सीमा में बहुत संकीर्ण वितरण के साथ बताया गया है [37]। हाल ही में, सिलिका नैनोकणों के उपयोग की सूचना इलेक्ट्रोफोरेटिक डिस्प्ले [30] के प्रोटोटाइप में 180–191 ms की प्रतिक्रिया समय के साथ दी गई है। वर्तमान में ईपीडी उत्पाद 260–300 ms और 1000 ms के रूप में प्रतिक्रिया समय और ताज़ा समय के साथ 16 Gy स्तर के सफेद से काले रंग दिखा सकते हैं [5]। इस तथ्य के बावजूद कि सफेद वर्णक का व्यावसायीकरण किया जाता है, विद्युत क्षेत्र के लिए स्थानिक रूप से तेज़ प्रतिक्रिया में उनके गुणों को बेहतर बना