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微胶囊电泳彩色显示结构与制备技术研究 专业： 硕士生： 导师： 凝聚态物理 张璐 许宁生教授 邓少芝教授 摘要 微胶囊电泳显示是一种新型显示技术，彩色显示实现技术是这种新型显示器 件技术需要解决的关键技术。本论文研究工作内容是：以红、绿、蓝三种颜色的 微胶囊作为基色胶囊，研究采用空间混色方法来实现彩色显示的相关技术，主要 包括：1 ) 设计显示单元结构；2 ) 研究结构制备方法，包括探索采用丝网印刷技 术和微加工技术制备彩色显示薄膜结构的方法等；3 ) 研究混色特性。主要工作 进展如下：探索了刀涂、喷涂等涂布方式制备显示薄膜的方法，并分别测试和分 析了相应显示薄膜的特性；研究了丝网印刷型大面积制备微胶囊电泳显示薄膜的 工艺并成功地将这种工艺在企业中完善和成为了一种应用于企业生产微胶囊显 示薄膜的涂布工艺；以红、绿、蓝三种颜色的微胶囊电子墨水作为基色、采用空 间混色方式，研究了微胶囊电泳彩色显示薄膜结构和制备方法；制备出了单元像 素分别为5m m x 5r a i n 和3m m x 4m n l 规格的微胶囊电泳彩色显示原理型器件结 构；对上述微胶囊电泳彩色显示薄膜和原理型器件结构进行了较系统地性能测试 和分析。 关键词：电泳显示，微胶囊，显示薄膜，涂布工艺，彩色显示薄膜 s t u d y o fs t r u c t u r e sa n df a b r i c a t i o nt e c h n o l o g i e sf o r c o l o rd i s p l a yf i l mo fm i c r o c a p s u l ee l e c t r o p h o r e t i c m a j o r ：c o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c s n a m e ：l u z h a n g s u p e r v i s o r ：n i n g s h e n gx up r o f e s s o r s h a o z h id e n gp r e o f e s s o r a b s t r a c t m i c r o e n c a p s u l a t e de l e c t r o p h o r e t i cd i s p l a yi san e wd i s p l a yt e c h n o l o g y a tp r e s e n t ， t h er e a l i z a t i o no ft h em i c r o e n c a p s u l a t e de l e c t r o p h o r e t i cc o l o rd i s p l a yi st h ek e y t e c h n o l o g yt h a tn e e d st ob er e s o l v ei n t h i sa r e a i nt h i ss t u d y , r e d ，g r e e na n db l u e c o l o r so fe l e c t r o n i ci n ka r eu s i n ga sp r i m ec o l o r s ，a n dt h es p a c eb l e n d i n gm e t h o d sa r e e m p l o y e d t h em a i nw o r ki n c l u d et h ef ol l o w s ：1 ) t h ed e s i g no fd i s p l a yu n i ts t r u c t u r e ； 2 ) s t u d y i n gt h ep r e p a r a t i o nm e t h o d so ft h ec o l o rd i s p l a ys t r u c t u r e ，a n de x p l o r i n gt h e u s eo fs c r e e n - p r i n t i n gt e c h n o l o g ya n dm i c r o p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yt op r e p a r ei t ；3 ) s t u d i e dt h ec o l o rb l e n d i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i s p l a yf i l m t h em a i nr e s e a r c h r e s u l t sa r ea sf ol l o w s ：1 ) e x p l o r e dt h ed i s p l a yf i l mp r e p a r a t i o nb yk n i f ec o a t i n g t e c h n o l o g y , s c r e e n p r i n t i n gt e c h n o l o g ya n ds p r a yf m i s h i n gt e c h n o l o g y , t e s t i n ga n d a n a l y z e d t h e p e r f o r m a n c e o ft h r e ek i n d s d i s p l a y f i l m r e s p e c t i v e l y ；2 ) s t u d i e d s c r e e n p r i n t i n gp r e p a r a t i o no fl a r g ea r e am i c r o c a p s u l ee l e c t r o p h o r e t i cd i s p l a yf i l m , a n di m p r o v e di tt ob eap r o d u c t i o na p p l i e sm i c r o c a p s u l ef i l mc o a t i n gt e c h n o l o g yi n t h ec o r p o r a t i o n ；3 ) s t u d i e dt h es t r u c t u r ea n dt h ep r e p a r a t i o no fm i c r o e n c a p s u l a t e d e l e c t r o p h o r e t i cc o l o rd i s p l a yw i t hr e d ，g r e e n , b l u et h r e ec o l o r so fe l e c t r o n i ci n ka s p r i m ec o l o r s ，b yt h es p a c eb l e n d i n gm e t h o d s ；4 ) t w op r i n c i p l e t y p em i c r o c a p s u l e e l e c t r o p h o r e t i cc o l o rd i s p l a y sw e r ep r e p a r e d ，a n dt h es i z eo fp i x e la r e5 m m 5 m m a n d3 m m 4 m mr e s p e c t i v e l y ；5 ) t e s t e da n da n a l y z e dt h ep e r f o r m a n c es y s t e m a t i c a l l y o ft h ep r i n c i p l e - t y p em i c r o c a p s u l ee l e c t r o p h o r e t i cc o l o rd i s p l a y s v k e yw o r d s ：e l e c t r o p h o r e t i cd i s p l a y , c o l o rd i s p l a yf i l m , m i c r o c a p s u l e s ， c o a t i n gt e c h n ol o g y v 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：比最隆 日期：a 口pc 年易月0 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定 机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢 利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室 被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 删釉鼾队瓣喊靴施骼靴敝弛刍涉 学位论文作者签名：酰褪导师签名：( 珥卜t 日期：扣。c 7 年6 月。e t 日期怠一年鼬i 1 e l | 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导 师指导下完成的成果，该成果属于中山大学物理科学与工程 技术学院，受国家知识产权法保护。在学期间与毕业后以任 何形式公开发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系 人，未经导师的书面许可，本人不得以任何方式，以任何其 它单位做全部和局部署名公布学位论文成果。本人完全意识 到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：翌乞磷 日期：a 。oo 年6 月i o 日 第一章引言 第一章引言 1 8 8 3 年，俄裔德国科学家保尔尼普可夫设想能否用电把图像传送到远方。 1 8 8 8 年奥地利植物学家f r e i n e t z e r 发现液晶。1 8 9 7 年，德国的物理学家布劳恩 发明了一种带荧光屏的阴极射线管( c a t h o d er a yt u b e ) 。1 9 5 1 年电晶体取代真 空管，c r t 技术开始成为人们生活中不可或缺的部分。1 9 6 8 年，美国首先做出 l c d 产品。1 9 7 3 年夏普做出t n l c d 。1 9 8 4 年s t n l c d 和t f t - l c d 诞生。 2 0 0 9 年，夏普第十代t f t 生产线投产。 显示技术给人们的生活和社会带来了深刻的变革，随着网络的发展与普及， 人们的办公与阅读已经从纸面上转移到了显示器上。但实际上，随着数字显示技 术的应用，纸张的消耗恰好与之成j 下比。可见传统的纸张媒介至今仍无法被现有 的显示技术替代，反射型显示例如纸张还是最适合人类视觉感受的阅读媒介。有 没有可以替代纸媒介的显示器呢? 1 1 电子纸 1 9 7 5 年，科学家提出了一个概念电子纸【i 】。这种显示技术除了具有纸张 的视觉( 反射型) 之外，还具有纸张的柔性( 可弯曲) ，而且能够根据输入的数 字信息随时更新显示内容，轻薄便携，经济环保。自提出“电子纸 概念以来， 施乐、朗讯、飞利浦、柯达、3 m 、东芝、摩托罗拉、佳能、爱普生、理光、i b m 、 富士通、索尼、三星等国际著名公司都在涉足电子纸类显示器件的研发。到目前 为止科学家已经研究出许多技术来实现“电子纸 ，分别有：电泳显示技术 ( e l e c t r o p h o r e t i cd i s p l a y ) 、反射型液晶显示技术( l i q u i dc r y s t a l ) 、染色剂迁移技术 ( t o n e rm i g r a t i o n ) 、色球旋转技术( t w i s t i n gb a l l ) 、电致色变技术( e l e c t r o c h r o m i s m ) 等 2 - 5 。表1 1 罗列了当前主流的电子纸技术的名称、原理、与研发 机构【3 4 】。 1 第一章 - 3 i 言 表1 1 ：电子纸的各种技术 微胶囊电泳显示( e p i d ) 1 4 1通过# l - ：j n 电场使微胶囊中带电颜料 美国e i n k 公司 粒子的电泳迁移来实现显示 旋转球( g y r i c o n ) i , 5 , 6 , 7 1 以电场的变化来控制双色球的旋转 美国x e r o x 公司 显示 双色性染料液晶【8 1利用双色性染料的液晶分子的排列 大日本印刷公司和东海 变化实现显示大学 色粉( 电子粉流体) 显示p l利用超小摩擦系数的导电色粉在电日本b r i d g es t o n e 和千叶 场中移动来实现显示大学 胆甾醇液晶显示【9 】利用胆甾醇液晶的螺旋间距来选择 美国k e n td i s p l a y 公司 色光进行反射实现显示 电子浸渍显示1 1 0 , 1 1 1利用疏水绝缘固体和水之间的彩色 荷兰飞利浦公司 油墨的运动改变同体表面的润湿性 实现显示 微型杯显示1 1 2 , 1 9 , 2 0 1 利用微型杯( 印刷或者光刻得到)美国s i p i xi m a g i n g 公司 内的带电颗粒的屯泳迁移实现显示 蛋白质分子电泳显示1 1 3 1蛋白质在不同电场下对光波长的吸朗讯( l u c e n t ) 公司 收改变从而实现显示 电致显示1 1 4 1利用电化学反应使银溶解或析出实日本s o n y 公司 现显示 第一章引言 每一种技术有着各自的特点，表1 2 对其中几种重要的电子纸技术作了对比。 表1 2 ：部分电子纸性能对比 li i l髓 j 即n l2i懋司i 灌i 叠ii i vil 代表一商 e i n k t 5 ，l6 l s o n y f u j ix e r o x 火日本i n k 优势轻、薄、可弯曲、无反射率达7 3 ，可轻，薄，可弯有较好的反应速 视角问题。双稳态，呈现与影印之一 曲度及可靠度。可 耗电量极低，入量资般的白色，5 v 低以在1 5 v 的低电 金支援。电压驱动压下驱动。 劣势 响应时间长、色彩表 响应速度慢，商业 响应时间长，成本较高，反射 现能力差。化仍待考虑。 色彩表现能力率差 差 7 3 5 反射率 4 0 - - 7 0 响应时间 15 0 5 0 0 m sl sp i7 0 m s 应用电子书，p d a ，智能公共场所咨询 电子书 卡，手机外部显示 端末设备 器。 第一章引言 1 2 电泳显示技术 电泳( e l e c t r o p h o r e s i s ) 就是在直流电场中，溶液中的带电粒子向符号相反的 电极移动的现象。电泳显示技术就是利用这一现象使具有颜色的带电粒子电泳从 而达到显示的目的。 1 8 0 9 年，俄国物理学家p e h c e 首先发现了电泳现象【4 4 】。1 9 3 7 年，瑞典的 t i s e l i u s 建立了分离蛋白质的界面电泳( b o u n d a r ye l e c t r o p h o r e s i s ) 。之后，电泳技 术被广泛应用于分析化学、生物化学、临床化学、药理学、免疫学、微生物学、 遗传学等科学中。1 9 5 5 年，k a m e t c a l f e b 、m e t e 、r j w r i g h t 等人首 次将电泳应用来记录和显示信息【1 7 】。1 9 6 9 年e v n a sp u a l f 发明了第一台电泳显 示器i 博】。但由于无法解决电泳粒子团聚的问题，之后的2 0 年来电泳显示技术的 发展停滞不前。真正达到应用化程度则是近几年的事。这主要得益于纳米技术、 微胶囊技术、微电子技术和材料改性等新材料技术及其器件集成技术的发展。 1 9 9 7 年，美国麻省理工学院的媒体实验室与e i n k 公司合作成功地将电泳液 包覆于微胶囊内开发出来的微胶囊电泳显示技术( e p i d ) 【l9 1 。一年后，s i p i x 公 司利用微加工技术研制出微杯电泳显示技术2 1 2 0 1 。两种技术成功地克服了电泳 粒子团聚的问题并进入了商业化阶段。 电泳显示型电子纸的关键技术有两个，一是朗讯公司的贝尔研究所于两年前 开发的塑料晶体管( 或称有机晶体管) 【2 2 1 ，也就是柔性的t f t 板。二是e i n k 公司所拥有的电子墨水技术，即微胶囊电泳显示技术。二者的结合带来的是真正 的柔性的、无视觉限制、双稳态、轻薄省电的电子纸。 1 3 微胶囊电泳显示的特性与前景 微胶囊技术起源于2 0 世纪5 0 年代，在7 0 年代中期得到迅猛发展，并且出现了 许多基于微胶囊技术的产品。微胶囊技术是指一种利用高分子成膜材料把固体、 液体或气体包覆起来，使其形成微小粒子的技术，其用途非常广泛，可用于医药、 食品、农药、饲料、化妆品、染料、黏合剂、复写纸等领域。 早期的电泳显示类似于液晶的封装，将由单色带电粒子和含有燃料的分散剂 组成的电泳液灌注于上下电极薄层之间。如图1 1 ，最左边用于观察的一层是公 4 第章引言 弛电板，最右边的一层是像素显示电极。叶1 间层是由有色的电泳粒子、染料、表 面活性剂以及使粒子带电的电荷控制剂的混合液体，即电泳液。当对两块导电极 板加电压时，这些有色带电的粒子会以电泳的方式从所在的薄扳迁移到带有相反 电荷的薄板上。当粒子位于显示器的正面( 显示面) 时，显示屏为粒子的颜色，这 是因为光通过电泳粒子散射回阅读者一方；当粒子位于显示器背面时显示器为 染料色。显示电极板具有像素结构，通过对显示器的每个像素加载电压来产生图 文的显示。这样的早期的电泳显示器什对比度低下，更大的缺陷在于电泳液中的 带电粒子会在重力或青外电场还有自身表面张力的作用下产生团聚，严重缩短了 电泳液寿命。 q r 一一t r a i v $ p a r e t c te l e c t r o d 幽1 - l 早期电泳显不器件结构瞄 m 一$ ；i 图1 2 为目前已经商业化了1 1 匀微胶囊电泳显示原理示意圈。微胶囊技术在电 泳显示领域的应用无疑是极具创造件的，将大量的电泳粒子分散在了微小的胶囊 之中，减少了微粒之间的相互作用力，口r 有效阻i l 微粒的团聚与沉积并将电冰 显示液“固体”化了，方便保存与涂布。另外敢电泳粒子系统的引入，从而放弃 了染料的使用，大大提高了对比度。 z 卜 图1 2 微胶囊电泳显示的原理幽” 作为目前最为成熟的电子纸技术美围e - i n k 公司在电子纸领域处于领先地 位，但其产品主要以黑一显示或单色显示为二e 。电子纸的彩色化将成为下代屯 子纸的究破口。2 0 0 7 年三星电子与e - i n k 合作，在电泳显示介质上加装彩色滤 光片，形成彩色化，不过也因为增加了彩色滤光片，让其推出的产品囚反射率降 低而看来有些暗淡。2 0 0 9 年最新消息，e i n k 同意接受台湾兀a 科技215 亿美元 的收购，此项变易将帮助合并后的公司丌发其显示器的彩色版本，并于2 0 1 0 年 年底之前开始大批量生产。 国内微胶囊电泳显示研究起步晚，但进步很快，比如西北工业大学的赵晓鹏、 郭慧林等i m 7 。8 2 9 , 3 0 】，清华大学的裴广玲i ，大连理工大学的李路海、杨锦宗、 皱竞1 3 2 i ，浙江大学的荣宇、吴刚、陈红征、汪茫m i ，天津大学的李刚 3 4 1 等，都 孚 第一章引言 在其材料及应用方面有过系统地研究。另外，本文作者所在实验室中山大学 显示材料与技术广东省重点实验室与广州奥翼电子科技有限公司合作，开展了微 胶囊显示技术研究与驱动技术研究，并在显示薄膜制备技术、无源显示屏器件技 术、驱动技术方向取得进展。本文的工作就是在这基础之上展开的。 1 4 本论文工作内容和论文章节简介 本论文的工作是开展微胶囊彩色显示屏器件技术研究，以红、绿、蓝三种颜 色微胶囊电泳显示材料作为基色材料，采用空间混色方式，研究制备彩色微胶囊 电泳显示薄膜的技术，并对其混色特性进行表征和分析。论文共由六章组成，第 一章为引言部分。第二章介绍了双粒子体系微胶囊材料的一般制备方式和文章所 用微胶囊材料的特点，还介绍了基于这种材料的显示器件结构与文章对这种显示 器件的表征方法。第三章介绍了刀涂、丝网印刷、喷涂三种微胶囊涂布工艺的研 究工作，并分别对三种涂布工艺制备的显示薄膜进行了测试表证。第四章介绍了 色品图，并对丝印方式制备的三色单色显示薄膜进行了测试与混色计算，对单色 显示薄膜的测试与理论计算做了简单的对比。第五章介绍了微胶囊电泳显示结构 器件的最终制各工作，包括有显示下极板的设计与制备、相应彩色显示薄膜的制 备，最后对彩色显示器件进行了表征与分析。第六章为结论和建议部分。 7 第二章双粒子体系的微胶囊l 乜泳显示 第二章试验用显示材料和测试器件结构 及其性能表征方法介绍 深浅两种颜色的电泳微粒( 如黑白两色微粒) ，分别带有相反电荷，稳定的 存在于微胶囊中的分散剂中。这样的双粒子电泳体系微胶囊是目前性能最好的电 泳显示系统。 2 1 双电泳粒子微胶囊电泳显示材料 电泳显示微胶囊的制备一般有三个步骤：电泳微粒的制备、电泳液的配制、 微胶囊的制备。 2 1 1 电泳微粒的制备 电泳微粒是微胶囊电泳显示中的成像部分，其色泽与带电特性直接影响着显 示器的显示颜色、对比度、图像灰度、响应时间等性能。所以要求电泳粒子具有 如下特点：( 1 ) 密度应与分散介质接近；( 2 ) 颗粒在有机溶剂中应具有低溶解度、 高化学稳定性；( 3 ) 颗粒应具有高的折射率、散射系数和低的吸收系数，即有一 定的颜色、亮度高、不透明；( 4 ) 颗粒尺寸要小，粒径要在微米级以下，几百纳 米，以增加分散系的稳定性；( 5 ) 颗粒表面易吸附电荷或改性。 常见的白色电泳粒子有：氧化钦、硫酸钡、氧化锌等无机颜料；黑色有：碳 黑或钦黑等金属氧化物；其它如黄色有：氧化铁、福黄、钦黄等无机颜料；另外 还有橙色、红色、紫色、蓝色、绿色等各种颜色类别的粒子1 3 5 】：也可以通过表 面改性来弥补具有较高光学特性而不具有合适的密度与带电特性的粒子的缺陷 3 6 1 。 2 1 2 电泳液的配制 电泳液由分散剂、电泳粒子、电荷控制剂构成。 分散剂应具备以下几个条件：( 1 ) 较低的熔点和较高的沸点；( 2 ) 较低的介 8 第二章双粒子体系的微胶囊电泳显示 电系数、水溶性和较高的电阻率；( 3 ) 良好的光学和电化学稳定性：( 4 ) 较低的 动力学黏度；( 5 ) 分散介质的折射率和密度与颗粒的相匹配：( 6 ) 良好的环境相 溶性、低毒性 3 7 , 3 8 】。 通常可以选择非极性烷烃、环烷烃、芳香烃、环氧化合物、卤代烃或硅氧烷 3 9 1 o 电荷控带o n ( c h a r g ec o n t r o la d d i t i v e ，c c a ) ，它可以与电泳微粒表面功能性 基团作用，使微粒表面产生较高的z e t a 电势，在悬浮液中可以较快的运动。电 荷控制剂一般应该具备以下条件：( 1 ) f l 皂在有机溶剂中电离；( 2 ) 电离的其中一种 离子能优先吸附在固体颗粒表面；( 3 ) 在溶液中的自由离子数量必须降到最t g 4 0 1 。 常用的电荷控制剂有：有机硫或磺酸盐、金属皂、有机酞胺、有机磷酸盐或磷酸 酷等【4 l 】。 2 1 3 微胶囊的制备 微胶囊的制备过程就是将电泳液包覆在微胶囊当中的过程。 制备微胶囊的方法主要有化学法、物理化学法和机械法，其中化学法包括凝 聚法、界面聚合法、原位聚合法等【4 2 1 。一般采用化学法进行制备。 微胶囊尺寸太小，胶囊中没有电泳液或者电泳液中的电泳粒子没有运动空 间；胶囊尺寸太大，驱动电压和响应时间很低，达不到显示要求。所以，二者都 属于无效胶囊。 最后，制备好的胶囊还需要筛选，一来是去除掉无效胶囊，二来为了保证后 期的涂布质量和最终显示效果的均一性。 2 1 4 本文所用的微胶囊显示材料 本文实验所需的微胶囊显示材料由广州奥翼电子科技有限公司提供。 以黑8 双电泳粒子体系微胶囊为例，胶囊中白色、黑色电泳粒子的原料分 别为钛白粉微粒和金属氧化物微粒，经过高聚物的表面改性使得两种颜色的粒子 比重相当且具有相反电荷。将电泳粒子分散在有机溶剂中并加入电荷控制剂使得 两种粒子的带电性能保持稳定。然后采用明胶阿拉伯树胶复凝聚法，制备出黑白 9 第= 章h 粒子件系的微胶囊l u 冰目目； 双色电泳粒子微胶囊。所制备h 的微胶囊粒径范围般在5 - 2 0 0u m 之问。 将胶囊通过3 0 0 目、4 0 0 目的振动网筛：得到直径分柑在1 0 6 5 m 的范围 内的胶囊。胶囊中的有机分散剂易透过胶囊壁溶解于其它有机溶剂中，所以一般 将胶囊保存在纯水中。圈2 1 为分散在水中的胶囊通过粒径分析得到的胶囊容积 分布表和胶囊数量分布表，可以看到4 0 - 5 0 岫的胶囊容积分柿占了5 0 以上， 但l 刊时15g m 以下的胶囊数量约为2 3 。图2 - 2 足胶囊分离后分散在去离子水中 的显微图片。 1 g ” i ! o 口 1 。 0 0 9 0 2 8 0 1 7 8 1 v o h 日c d i m m m c h n “一d 0 ) k 。， 0 9 0 2 1 8 0 1 7 b i q u m f i t y d i s n i b u l i 皿c h z t o l 1 6 0 1 1 m ：1 20 _ 伸m po c6 0 目 4 0 2 0 = ；2 ，4n o 1 0 0 嘲21 微胶囊粒经分布表 毫一_n【i口；o m m m；噜； m扩哥护。 第二章日粒t 体系的微脞囊i u 泳 蒸瓣 背光模组一 削2 - 3 液品显示器的一股结构 相比之f ，e p i d 的显不结构简单许多。首先e p i d 属r 反射型丝示，所以 不需要背光源，也不需要偏振透射光，保留t f t 和玻璃基板；然后将液品材料 层换成胶囊层日莳e p i d1 要足黑白显示，去掉彩色滤光l ：鹾后，由于胶囊 第一章日粒r 体系的馓脞囊l u 淋f 具有一定的韧性与抗压能力的优良特性同时为了显示器件的轻量化，将观看面 的i t o 玻璃基板换成透明导电的薄膜( p e t - i t o ) 。这样就得到了图2 - 4 所示的 简单四层结构i 。 1f l e x i b l e $ u b 6 1 r a t e3e l e 咖, p h o r a t i c m a t e r i a l 2a - s i t f t b a c k d a n e4t r a n s p a r e n tp r o t e c t i v e l a y 日 矧2 - 4e p i d 的般显示掣构示意图 关于微胶囊电泳彩色品示得研究报道并不多见，通过阅读相戈专利，目前微 胶囊电泳彩色锃示的实现力法士要有两种方式：滤光膜式和像素式。滤光膜式是 目前研究最多的方式，已有新闻报道了采用此技术路线的多款微胶囊电泳彩色显 示样机。至于像素式，其相应的研究上作鲜有文献可寻。 微胶囊电泳冠示技术与t f t 的良好结合让科学家们很自然的想到可以采用 液晶显示中的滤光片技术来实现e n d 的彩色显不，j o s e p h o r o v e r g o r d o ni i 等 ”对这种方法进行了较详细的叙述，原理如图2 5 。可以看到在图2 - 4 的第四层 结构之上加入了第五层结构滤光片，通过对像素电压的控制使胶囊中的黑白 微粒的电泳率变化产生扶阶，从而实现彩色硅示。 l t o 趱陋耀幽艘幽凇雠攀 t f t 剀2 - 5 采用滤光片技术的微胶囊电泳彩色显示原理图 擗一日# r 体系m 脏囊r u 淋u i 像素式是直接以红、绿、蓝( r g b ) 三种不州颜色的微胶囊电子墨水作为基 色，在透明导屯薄膜l 直接制备具有像素结构的胶囊层，利用空间混色原理实现 彩色显示。这剃，方式的优点是不会像滤光膜那样强列降低显示薄膜的反射率。像 素式原理如图2 - 6 所示。它足将周2 - 4 的第三层的黑白色墨水层换成其有像素结 构的彩色墨水层。 透明i t o 膜 电路基椒 刚2 - 6 基】空刚混色的微腔囊电淋彩色显示结构示意图 通常，直接将微胶囊涂巾在透明导电薄膜( p e t - i t o ) 上形成显示薄膜，然 后将显不薄膜粘合塍压在显不i 乜极下基板上，制成微胶囊电泳显示器件删。透 明导电薄膜作为上公共电极，胶囊作为中间膳，下电极根据显不的要求可以选用 具有血阼显示或段码砬示的p c b ，还可以选样具有高分辨率的t f t 电檄板，或 者采用柔性树底的t f t 电极板，最后将器件的边缘进行封装。 为了研究微胶囊电泳硅示薄膜光电性能，需要制各测试器件结构。我们采用 层压机将显示薄膜与i t o 薄膜枯台层压形成测试结构。并用铝箔封装，如图2 - 7 所示。图2 - 8 为测试器件结构的示意图。 削2 - 7 测试样品实物分别为州色显示状态_ f 白色显示状态，显示薄膜人小5c m 5c m 辩= 章职粒t 体系微坡囊i “泳“示 观看面透明上屯极 电泳显示微胶囊 i t o 下电檄 铝薄 孺葡两丽瞩丽甄丽爵蕊孓蕊两i 奄蛰一1 垫一1 自垫7 逑女7 镪女，唑女，、鳖7 蛰 幽2 - 8 测试结构示意幽 2 3 微胶囊电泳显示薄膜的性能参数定义和测试方法 下面是实验中对微胶囊电泳显示薄膜主要显示性能参数的定义与测试方法。 1 ) 对比度 对于反射型显不器来讲，对比度是一项1 分重要的参数我们采用间接测试 的方法，即先测试样品的明度，然后通过换算得到对比度。采用x - r i t e c o l o rd t p 2 2 测色仪对样品处于深色显示状态和浅色显示状态下分别测其明度l ，然后通过公 式( 2 - 1 ) 换算成反射率晟后将换算后的浅色反射率与深色反射率相除得到对 比度。公式( 2 1 ) l l ，r 为反射率，实验l j 的钡9 试电压是15 v 。 酬气警r 协) 如果驱动显小薄膜的电信号是脉冲信号，脉冲叫问越长，对比度越高，直至 趋于饱和。 2 ) 响应时间 响应时间表示从施加屯压到最示图像所需要的时间。电泳粒子的电泳时间为 p 7 】： f ：6 8 d 2 r ( 2 2 ) 1 4 7 1 r 其中，t ：电淋粒子在电极间运动时问，d ：电极问的距离， ：分散介质粘度， v ：电极间电势差，e ：分散介质介电常数，f ：电泳粒子z e t a 电势。 实验中，为了统一检测条件便于对比，本文一般选取对比度达到5 时所需要 的脉冲时间作为响应时阳j ，脉冲电压幅度为1 5 v 。 第二章双粒子体系的微胶囊电泳显示 3 ) 分辨率( r e s o l u t i o n ) 和点距( p i x e lp i t c h ) 分辨率指的是分辨图像细节的能力，一般用水平像素个数x 乘以垂直像素个 数y 来表示。分辨率越高，图象就越清晰【4 引。 点距指显示屏上相邻的两个像素点之间的距离( 即相邻的同基色点之间的中 心距离) 。在显示屏幕大小一定的前提下，点距越小，则屏幕上的像素排列越紧 密，图象就越清晰细腻1 4 9 , 5 5 】。 微胶囊尺寸一般在5 - 2 0 0p m 之间，而同一个胶囊可以对其覆盖的多个像素 电极做出响应，所以大尺寸的胶囊不会降低显示屏的分辨率。如果胶囊尺寸很小， 一个像素电极之上排列着多个胶囊，同样不会影响分辨率。所以e p i d 的分辨率 和胶囊的尺寸并没有太大联系，主要还是由像素电极基板的结构决定。 本文中点距在没有特别说明的情况下指的是像素点距，即点阵像素基板相邻 显示点中心的间距。 4 ) 胶囊层厚度 胶囊层的薄厚对响应时间的影响很大，胶囊层越厚响应时间越长，胶囊层越 薄响应时间越短，但是如果胶囊层太薄会出现胶囊排列稀疏从而带来对比度的损 失，所以我们希望可以得到单层较薄且排列紧密的胶囊层。实验中，从涂布好的 显示薄膜上切下一块5c m x 5c i t i 的薄膜作为测试片，选取1 5 个点用精度为微米级 的数显卡尺进行厚度测量，最后求均值作为整张薄膜的厚度值。 5 ) 饱和驱动电压 电子墨水显示没有一个阈值电压，它从显示浅色一直趋向于色饱和状态。图 2 - 9 是粒径为l o 2 5t a m 的胶囊显示薄膜在白色显示状态下驱动电压与明度的关系 曲线，可以看出在电压1 0v 左右，l 水趋向于饱和，所以这个显示薄膜的饱和驱 动电压为1 0v 。胶囊粒径范围的不同和制膜工艺的不同，显示薄膜的饱和驱动 电压也不同。一般，我们取用1 5v 作为其显示驱动电压。 第二章双粒子体系的微胶囊i 乜泳显示 6 ) 灰度 图2 - 9 黑白微胶囊显示薄膜驱动电压与明度的关系曲线 灰度越高，图像层次越分明，其颜色越丰富，图像更柔和。由于微胶囊的大 小不同，囊壁厚度不均，个体胶囊的性能有差异，所以狄度的控制对于微胶囊电 泳显示是个难点，目前本研究所用的显示材料通过脉冲加压方式可以实现1 6 级 灰度显示。 1 6 第三章电泳显示微胶囊的涂布工艺研究 第三章微胶囊电泳显示薄膜的 涂布方法及其工艺研究 通常，微胶囊电泳显示材料先直接涂布在透明导电薄膜形成微胶囊电泳显 示薄膜，然后将制备好的显示薄膜通过层压机粘合在显示电路基板上。最常用的 衬底是塑料基的透明导电薄膜( p e t i t o 薄膜) 。p e t - i t o 薄膜具有良好的物理 化学性质，耐酸碱、透明度高，但是p e t - i t o 的涂装工艺历来是涂布行业中的 难点。所以微胶囊的p e t - i t o 涂布是一项非常重要的工作，涂布效果不好，将 直接影响微胶囊电泳显示器件的最终显示效果。另一方面彩色微胶囊电泳显示薄 膜的制备是建立在微胶囊涂布技术基础之上的。本章主要研究了三种涂布方法， 分别是刀涂，丝网印刷涂布，和喷涂。 3 1 微胶囊电泳显示浆料的配置方法 涂布方式不同，但是涂布浆料的配置程序是一样的。制备出来的微胶囊其粒 径一般在5 - 2 0 0l , t m 之间，这些胶囊不是全部可用的，粒径小于1 01 t m 大于1 0 0r t m 的胶囊由于其性能达不到要求一般都不选用。另一方面，胶囊颗粒的不均匀性会 给涂布工艺带来诸多不便，例如刀涂会出现刮痕，丝印会出现堵孔，喷涂会出现 堵赛枪口等问题。我们希望可以得到粒径范围控制在3 0 4 01 t m 之间的胶囊，但 这一点很难实现，实际情况是一般只能得到直径分布在1 0 6 5p , m 范围内的胶囊。 微胶囊浆料的配置分为三个步骤。 1 ) 离心，保存在纯水中的胶囊在使用前需要用离心机将其中水分分离出去。 2 ) 配置粘结剂，涂布方式的不同，需要选用不同性质与黏度的粘结剂。若 性能无法达到要求可通过添加助剂来改善其性能，实验中采用的助剂有：水性表 面活性剂、水性抑泡剂与破泡剂、水性增稠剂、水性流变剂、水性分散剂等。 3 ) 离心好的胶囊与配置好的粘结剂按照一定比例充分混合，其中要注意的 是搅拌时要缓慢，否则会有少部分电泳液从胶囊壁析出而影响整体浆料的涂布性 能。 1 7 第三章电泳显示微胶囊的涂布工艺研究 粘结剂与微胶囊浆料的黏度使用b r o o k f i e l dd v - i i iu l t r a 流变黏度计测量，测 试的固定条件为：容器8 0m l 、室温、6 4 转子，另外根据粘结剂或者浆料的不同， 在5 1 5 0r p m 之间选择转速( 黏度越大，测量需要的转速越低，黏度越小，测量 需要的转速越大) ，5 分钟后读数。 接下来将微胶囊浆料涂布在p e t - i t o 薄膜上。涂布后，将显示薄膜放入烘 箱干燥，使粘结剂中的水分蒸发后形成网络结构，也称为粘结剂的成膜过程，后 盖上离形膜保存备用。 3 2 微胶囊电泳显示薄膜的刀涂制备工艺研究与分析 3 2 1 刀涂工艺介绍 刀涂( k n i f ec o a t i n g ) 涂布也称流延法涂布，目前刀涂的发展方向已由传统 的辊式涂布、刮刀涂布向高压流延涂布方向发展，以最大的限度保证涂布的均匀 性，避免气泡和针眼的产生，保证涂布质量。而高压流延法在国内技术尚不成熟， 国内主要采用的仍是传统的辊式涂布。 本文采用高精度可调式刮刀研究了刀涂方式制备微胶囊电泳显示薄膜的工 艺。图3 1 是刀涂试验装置结构示意图，涂布台精度很高且具有吸风孔，任意两 点误差在1 0l x m 以下，刮刀的刀口与涂布台的距离通过刀腿可调节，调节精度为 2 5g m 。具体步骤如下：将透明p e t - i t o 薄膜吸附于涂布台上；为了得到单层的 显示薄膜，根据胶囊的粒经范围调整刮刀距基材的距离。然后匀速地移动刮刀将 浆料均匀的涂敷在i t o 薄膜上，干燥成膜后得到微胶囊电泳显示薄膜。 1 州坤l 矿一”。芎嘴? r ：4 麓1 丐1 ：鼍 ? 一i 2v 2 = ： 一，j z i t # rn ? z ，。批h。恍? 4 q f # 撬耘，。i f n ： 髟”掣”7：? ：”一酽。”1 。”7 ”一。”：”7一”溺 锈。叫。、。日? ，j “，。? j 蝴j 。诲一j 。h 。 一? 、j3 7 文协，j 。，? 。钒i 盘啪_ 一| 盘“。镶 图3 1 微胶囊电泳显示薄膜制备装置结构示意图， 其中“1 ”是涂布台“2 ”是刮刀腿“3 ”是刮刀主体 3 2 2 刀涂浆料的配制 刀涂工艺要求涂布后衬底上的浆料可以依靠自身重力自然流平，所以一般选 1 8 第三章电泳显示微胶囊的涂布工艺研究 用粘度较小( 3 0 3 0 0c p s ) 和流平性较好的水性聚氨酯、p v a 、环氧树脂等作为 粘结剂。将胶囊在1 5 0 0 转分钟条件下离心5 分钟，然后加入粘结剂，也可以根 据需要加入助剂以调节浆料的特性。同样，助剂需要先加入到粘结剂中均匀分散 后再加入胶囊。 3 2 3 刮刀高度与成膜厚度的关系 刮刀的高度指的是刀口距涂布衬底的距离，首先要求刮刀高度应高于胶囊粒 径的最大范围，否则浆料中大尺寸的胶囊由于无法通过刮刀而紧贴刮刀随着刮刀 一起移动形成一条条的刮痕。由于浆料具有很好的流平性，可以预见胶囊膜的厚 度会随着刮刀高度上升而趋于饱和。当浆料黏度在4 0 0c p s 的时候，其饱和厚度 为1 0 0g m ，此时的墨水层中胶囊已经不再是单层排列，而是多层排列，显示性 能差。为此我们研究刮刀的高度与成膜厚度的关系，以获得最佳的工艺参数，具 体内容叙述如下。 选用黏度为4 0e p s ( 8 0m l 、室温、6 4 转子、1 5 0r p m ) 的水性聚氨酯乳液作 为粘结剂。将胶囊在1 5 0 0 转分钟条件下离心5 分钟，然后加入粘结剂，同时加 入o 5 的消泡剂配制成微胶囊浆料，浆料黏度4 0 0e p s 。分别调整刮刀距基材的 距离为7 5 岬、8 7 5g m 、1 0 0l a m 、1 1 2 5 肛m 。为了光电性能测试的准确性，每一 种高度的微胶囊电泳显示薄膜制备8 个样品，所测的各项数据取均值作为其相应 的对比度、厚度等的最终测试数据，如表3 1 所示。 从表3 1 中的四张放大1 0 0 倍的显微照片很难辨别其差别，但是通过显示性 能测试可以看到，随着刮刀高度的升高，对比度会有轻微的提高，但是在1 1 2 5 岬 其对比度下降了。前文提到过，胶囊层较薄时会由于胶囊排列的不够紧密带来对 、 比度的下降；胶囊层太厚，因其内建电场的下降，电泳粒子电泳不完全，对比度 也会下降。所以可以从对比度的数值来寻找合适的刮刀高度。由上表可以看到， 对于直径分布在l o 一6 5g m 的范围内的胶囊，浆料黏度4 0 0c p s 时，1 0 0g m 的高 度效果最好。 第= 口i u 淋u 示m 腔l 的滁布t 2 ”k 采3 - 1 不同刮刀高度的测试片的反射率，平均对比度厚度与其显微强片 刮刀高反射率( )对比度平均厚度 显微嘏片 度( t t m l ( 黑，白1( )对比虚( m ) 42 3 燃 3 39 t 3 2 1 8 戮錾鬻黧黼 l 藩魏8 撼皴躞辩蝴 3 25 6 湖 3 49 1 7 3 黼 3 72 6 “。黼 3 34 l 3 39 l 7 9 93 l9 l 。翳缀 3 29 2 黼 3 3 1 5 37 l 72 63 48 2 第三章电泳显示微胶囊的涂布工艺研究 3 2 4 黏度与浆料成膜电性能的关系 选用黏度为3 0c p s 的水性聚氨酯乳液作为粘结剂。将胶囊在1 5 0 0 转分钟条 件下离心5 分钟，然后加入粘结剂，同时加入0 5 的消泡剂配制成电子墨水。 通过改变粘结剂的加入量，我们得到了六种不同黏度范围的电子墨水，它们黏度 范围分别是1 0 0 _ _ _ 2 0c p s 、3 0 0 2 0c p s 、5 0 0 2 0c p s 、7 0 0 2 0 c p s 、9 0 0 2 0c p s 、 1 2 0 0 _ _ _ 2 0c p s 。上述过程使用b r o o k f i e l dd v - i i iu l t r a 流变粘度计测量黏度，测试 条件是：容器8 0 m l 、转速2 0 0 r p m 、室温、十分钟后读数。 调整刮刀距基材的距离为7 5g m ，实验中，每一种黏度的电子墨水制备两个 样品，所测的数据取均值作为相应的测试数据。 图3 2 是微胶囊显示薄膜厚度随墨水黏度变化的关系曲线。从图中可以看到， 随着黏度的增加，所制备出的薄膜厚度也增加，厚度差别不到5g m 。黏度为5 0 0 c p s 、7 0 0c p s 、9 0 0c p s 三种墨水涂层厚变化不大。六者的微观图片一样，看不出 区别，分析其原因应该是：黏度大的薄膜，其大胶囊与大胶囊之间被更多的小胶 囊填充，从而提高了整体平均厚度。 5 4 5 3 5 2 蜊