高分子材料在微胶囊电泳显示技术中的应用

第21卷第期高分子材料科学与工程Vol.21 No.2 年9月POLYMER MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING Sept. 2高分子材料在微胶囊电泳显示技术中的应用杨毅王亭杰金涌(清华大学化工系北京1 84摘要,介绍了微胶囊电泳显示技术的原理~微胶囊电泳显示器件的制备阐述了高分子材料在制备微胶囊电泳显示材料和器件过程中的应用重点说明了在这种新型的显示技术中颜料-聚合物复合粒子~微胶囊和塑料晶体管的应用关键词,微胶囊;电泳显示;显示材料;复合粒子;塑料晶体管中图分类号,TN2 文献标识码,A文章编号,1 - (2 - 1- 4微胶囊电泳显示技术是一种新型的电子显示技术[1~4]在微胶囊电泳显示技术中微胶囊电泳显示材料在驱动电路的驱动下显示相应的图像由于这种显示材料具有能耗低~亮度高~对比度高~超薄~超轻等一系列优点微胶囊电泳显示技术可以用于各种移动电子设备(个人移动助理~手机~电子阅读器等的显示而且具有传统的显示技术(CRT~LCD等无法比拟的优势随着微胶囊电泳显示器件柔性的提高这种技术有望实现真正的电子纸的功能即具有信息存取能力的纸张在微胶囊电泳显示材料和显示器件的制备过程中高分子材料的选择~合成和应用具有重要的意义特别是其中微胶囊的制备~颜料-聚合物复合粒子的应用~塑料晶体管的应用对于显示器件的尺寸规格~显示性能和柔性有直接影响f ig.1Display principle of microencapsulated electrophoretic technigue1,transparent electrode;2,microcapsule;3,binder;4,backplane;,light electrophoretic particles;6,organic solvent;,dark electrophoretic particles;8,dark organic solvent1微胶囊电泳显示技术的特点微胶囊电泳显示器件由微胶囊电泳显示材料和带有驱动电路的底板构成如Fig.1 在底板电路的驱动下显示材料显示相应的图像微胶囊电泳显示材料由固定在透明粘合剂中的上百万个微胶囊组成每个微胶囊的芯材为电泳粒子悬浮液电泳粒子悬浮液由无色透明的有机溶剂和悬浮在溶剂中的两种颜色不同(一般是白色和黑色~表面电荷电性相反的电泳粒子组成在电场的作用下两种电性的电泳粒子分别电泳并聚集在微胶囊的两端从而显示不同的颜色如Fig.1a另一种微胶囊的结构是浅色的电泳粒子悬浮在溶有深色染料的有机溶剂中如Fig.1b收稿日期,2 4- 1- 8;修订日期,2 4- 6-1 联系人,王亭杰微胶囊电泳显示器件属于反射型的平板显示器[1]它具有宽视角~高亮度和高对比度(超过10 1)而且不受环境光照条件的影响G总之它具有类似于印刷纸张的显示性能G电泳粒子在电场的作用下聚集在微胶囊的一端后由于粒子和微胶囊囊壁~粒子之间的相互作用会形成粒子的紧密堆积此时即使撤去电场这种紧密堆积仍会长时间保持只有在加入反向电场时粒子的堆积才会被消解并在微胶囊的另一端形成新的稳定的紧密堆积G因此微胶囊电泳显示具有双稳性图像形成后撤去电场图像仍可以长时间保持G所以微胶囊电泳显示器只在改变图像时消耗能量这使得它的能耗很低其能耗约为同尺寸液晶显示器的千分之一到十分之一[5]G显示器件的低能耗还降低了电池的重量提高了设备的便携性G显示材料和底板电路是微胶囊电泳显示的主要组成部分G这两部分用现有的技术就可以做得非常薄(200pm以下)G而且显示材料本身具有很好的柔性可任意弯曲如果底板电路具有同样好的柔性那么整个显示设备就可以像真正的纸张一样弯曲从而使电子纸技术成为现实G综上所述微胶囊电泳显示器具有能耗低~亮度高~对比度高~视角宽~可读性强~超薄~超轻等优点可用于各种移动电子设备G微胶囊电泳显示材料的制备对这些性能有重要影响;而底板电路的制备则影响到微胶囊电泳显示器的进一步应用G2电泳粒子从微胶囊电泳显示的稳定性~对比度~亮度~响应速度~分辨率等方面考虑微胶囊中的电泳粒子应该具有如下四个特性,(1)在分散介质中稳定分散;(2)具有良好的荷电特性;(3)具有较小的粒径(0.1pm~5pm);(4)具有良好的光学性能G无机颜料粒子(如二氧化钛)虽然具有良好的光学性能但一般都具有比有机溶剂大得多的密度而且无机颜料粒子与有机溶剂亲和性很差在有机溶剂中无法稳定分散G为了提高粒子的分散稳定性和荷电特性通常对颜料粒子进行有机改性使之成为颜料-聚合物复合粒子G制备微胶囊电泳显示材料中的颜料-聚合物复合粒子的方法很多[6]可以分为化学方法和物理方法两大类G物理方法包括,球磨~研磨~喷射磨等G Eink公司的Comiskey B.等[2]将金红石型二氧化钛与熔融的低分子量聚乙烯共混通过喷雾的方法得到白色复合粒子G用深色的颜料粒子通过这种方法还可以制备深色的复合粒子G化学方法包括,悬浮聚合法~种子乳液聚合~微乳液聚合法~原位聚合法~无皂乳液聚合法~溶胶凝胶法~相分离法~溶剂蒸发等G各种化学方法实质上都是形成聚合物包裹无机颜料粒子的核-壳结构的微胶囊化过程G Chen J.H.等[7 8]先用溶有引发剂的溶剂处理颜料粒子使颜料粒子表面吸附一层引发剂然后再将颜料粒子分散到单体中升温引发单体的自由基聚合单体在引发剂周围聚合从而在颜料粒子表面形成一层聚合物薄膜G Jacobson M.等[9]将聚乙烯或聚苯乙烯溶解在二氯甲烷和异构烷烃油中与无机颜料粒子(如二氧化钛微粒)混合后超声并急速冷却使聚合物沉积在无机颜料微粒表面获得的复合粒子具有厚度为50nm~100nm的壳层G颜料-聚合物复合粒子中的聚合物组分范围很广[10]如,聚苯乙烯~聚乙烯~聚丙烯~酚醛树脂~聚酯~聚丙烯酸酯~聚甲基丙烯酸甲酯等G除了使用颜料-聚合物复合粒子作为电泳粒子外还可以直接制备聚合物微球作为电泳粒子GHou W.S.[11]利用两步聚合反应制备绝缘微粒,先将一种单体~交联剂~引发剂~稳定剂分散在分散介质中并发生聚合反应然后加入第二种单体使其聚合并接枝在先前形成的聚合物微粒上最终形成低密度高交联度的微粒G 粒子在低极性的有机溶剂中双电层的静电斥力对于提高固液分散的稳定性作用较小[12]要得到稳定的电泳悬浮液需要在电泳粒子间引入更强的斥力即空间位阻斥力G在上述第一种微胶囊中带异种电荷的电泳粒子之间还存在静电引力在这种情况下更需要引入足够大的斥力以防止粒子间的团聚G因此引入空间位阻斥力是提高电泳粒子在悬浮液中分散稳定性的关键G引入空间位阻斥力的方法通常是在悬浮液中加入高分子分散剂或超分散剂G2高分子材料科学与工程2005年高分子分散剂的分子结构主要有两部分2一部分是锚固基团9通过氢键\范德华力\离子对等作用紧密地结合在粒子表面S另一部分是能被分散介质溶剂化的聚合物链0在微胶囊电泳显示中常用的高分子分散剂是系列分散剂[1091 ]9它是一种亚胺类的共聚物9其锚固基团胺基吸附在颗粒表面9长度为数10m 的烃链向悬浮介质中伸展开9从而起到空间位阻的作用9实现电泳粒子的稳定悬浮0微胶囊微胶囊的制备是微胶囊电泳显示材料制备过程中的关键步骤0电泳显示用的微胶囊应该具有如下特点2囊壁透明光滑9具有一定的力学强度9平均粒径在30lm~300lm之间9且粒径分布窄0通常用下列三种方法制备电泳显示中的微胶囊2原位聚合法\界面聚合法和凝聚法0这三种微胶囊化的方法都是将电泳悬浮液分散在水相中9形成水包油的乳液9然后使生成的囊壁材料包覆在油滴表面并固化9从而形成微胶囊0在三种微胶囊化的方法中9水包油体系的形成和囊壁的形成过程对最终微胶囊的形态和性能有重要影响0具体而言9水包油体系的形成主要受乳化条件\水相中的分散剂或系统改性剂的影响9而囊壁的形成则主要受反应条件9如温度\黏度\pH值\反应物浓度等的影响0在微胶囊电泳显示材料的制备过程中常常以尿素和甲醛作为单体通过原位聚合法制备以脲醛树脂为囊壁材料的微胶囊0在这种制备微胶囊的工艺中9关键是在水相中加入适当的系统改性剂0研究发现[13914]9在水相中加入带负电的\羧基取代的线性脂肪烃聚电解质(如乙烯马来酸酐共聚物\丙烯马来酸酐共聚物\异丁烯马来酸酐共聚物\聚丙烯酸等)作为改性剂9可以在较高的pH值和较低黏度下大量制备脲醛树脂微胶囊0这种工艺制备的微胶囊具有良好的密封性和强度0原位聚合法制备脲醛树脂微胶囊9除了可以用尿素和甲醛作为单体外9还可以使用低分子量的尿素-甲醛低聚物(二羟甲基脲等)作为微胶囊过程的反应物0最常用的工艺是先使甲醛和尿素在弱碱性条件下反应生成低分子量的预聚物9然后将预聚物溶于水相中9并引发缩聚反应[15]0凝聚法是通过控制温度\pH值或浓度9使一种或几种聚合物从水相中凝聚并沉积在油滴表面形成壳层0常用阿拉伯树胶和明胶的复合凝聚制备微胶囊[16]9当调节体系的pH值在4.5以下时9水相中溶解的阿拉伯树胶和明胶发生复凝聚9凝聚的产物从水相中析出9包在油滴上形成微胶囊的囊壁0界面聚合法是让油相中的单体和水相中的单体在相界面上发生缩聚反应9生成的聚合物既不溶于水9也不溶于油9而是在界面上析出9从而作为囊壁材料将油滴微胶囊化0在界面聚合法中9常用的水溶性单体是二元胺\二元醇等9常用的油溶性单体是二元酰氯\二异氰酸酯等0oxley.等[6]用癸二酰氯作为油溶性单体9用196-己二胺作为水溶性单体制备微胶囊0用界面聚合法制得的微胶囊9水溶性单体和油溶性单体只在界面区反应9囊壁相对较薄9容易导致微胶囊密封性不良9但是9该方法可在室温下进行9不需要升温9可以降低对微胶囊芯材的要求04显示器件微胶囊显示器件的制备方法是2将制备好的微胶囊和液相的粘合剂混合形成微胶囊的悬浮液S将悬浮液通过丝网印刷等方法涂布在基质上9粘合剂固化后形成前板S然后将前板与带有驱动电路的底板通过层压的方法组合成显示器件0粘合剂在显示器件中起到分散\支承\保护微胶囊的作用0粘合剂的存在使得微胶囊显示材料可以很容易地涂布在各种基质上(玻璃\纸\布等)0粘合剂的选择也有很大的灵活性9可以是各种聚合物2水溶性的聚合物(比如各种多糖\聚乙烯醇等)\水介质聚合物(主要是聚氨酯的乳液)\油溶性聚合物\热固性聚合物(主要是各种环氧树脂)\热塑性聚合物(通常是聚酯)\辐射熟化聚合物0为了提高最终制成的显示器件的性能9有时需要对粘合剂进行一些改性9以使得固化后的粘合剂具有良好的透明度\柔性\延伸系数和别的力学和化学性能0如9在使用聚氨酯乳液作为粘合剂时9加入聚酯\聚碳酸酯等以提高固化后粘合剂的性能03第5期杨毅等2高分子材料在微胶囊电泳显示技术中的应用在高像素容量的微胶囊电泳显示中*用有源矩阵电路作为底板上的驱动电路[17*18]G由于电泳显示材料(即前板D具有良好的柔性*因此整个微胶囊电泳显示器件的柔性只取决于底板的柔性G为了提高微胶囊电泳显示设备的柔性*研究人员一直致力于开发具有柔性的高分辨率有源矩阵寻址电路底板G虽然在钢箔上形成a-Si~Poly-Si薄膜晶体管阵列可以制备具有较好柔性的底板电路[19];但全塑料的底板是柔性平板显示器和电子纸技术的发展趋势G全塑料的底板不仅要求基板材料为塑料*而且要求基板上的晶体管也是塑料的G利用可溶解的半导体聚合物制备的塑料晶体管不仅比硅晶体管更轻~更廉价*而且制备工艺更为简单[20]*最终制成的底板电路也具有更好的柔性G目前*塑料晶体管的研制是塑料电子学的前沿和热点G Bell实验室的Rogers等人[21*22]用橡胶压印的方法在聚对苯二甲酸乙二醇酯基质上形成塑料晶体管*从而制成了大面积(约1平方英尺D~高分辨率(每个印刷基元约为1pm D的塑料底板电路G研究者用该底板电路与微胶囊显示材料制成电子纸的原型*所制得的电子纸中每一个塑料晶体管控制一个像素*整个器件具有良好的显示性能和柔性*其显示不受弯曲的影响*而且仅用一个小型的电池组就可以连续使用几个月G橡胶压印的分辨率越高*所制得的底板电路的分辨率就越高G如果用耐磨损的钢制印戳代替橡胶印戳*则可以使底板电路的分辨率达到纳米水平G除了橡胶压印外*还有两种制备塑料晶体管的工艺:喷墨打印[23]和旋转涂敷G~uitema等人[24]通过旋转涂敷的方法在经过处理的基质上形成聚噻吩乙烯的前驱体膜*前驱体转化成半导体并通过光刻蚀形成塑料半导体*最后通过旋转涂覆在有源矩阵上涂布一层聚乙烯基苯酚的保护性的膜G5结语微胶囊电泳显示技术方兴未艾*由于前述优点*这种技术在成熟后将改变人们获取~储存~展示和阅读信息的方式G各种高分子材料在这一极具潜力的技术中具有举足轻重的作用*微胶囊电泳显示技术的发展也有赖于高分子材料的研究进展*尤其是塑料晶体管性能的改进G 参考文献:[1]Ritter rmation Display*2001*12(1D:22~25.[2]Comiskey B*Albert J D*YoshizaWa~*et al.Nature*1998*394(7D:253~255.[3]Cravotta R.EDN*2001(8D:42~48.[4]McKenzie M.NeW Technologies*2001*1(6D:4~7.[5]Alix L.Paultre A L.Electronic Products*2001*(1D:23.[6]Loxley A.U.S.6262833B1.2001.[7]Chen J~*Schubert F E.U.S.5964935.1999.[8]Chen J~*Schubert F E.U.S.6194488.2001.[9]Jacobson J M*YoshizaWa~.U.S.6241921.2001.[10]Albert J D*Comiskey B.U.S.6067185.2000.[11]~ou 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-xing(Institute of Functional Polymel Matelials ,School of Matelials ScienceS Engineeling ,Tongji Uniuelsity ,Shanghai 200092,China )ABSTRACT ;Recent progress of vapor deposition polymerization (VDP )for the preparation of polyimide films was reviewed .~igh purity ,controllable thickness ,capability of synthesizing for insoluble and infusible polymers ,and integration of synthesis process and fabrication process are all the prominent advantages of this technigue .Effects of temperature ,pressure ,and time ,etc ,on the deposition and imidization process were discussed .The applications of PI films prepared by VDP method were viewed .Keywords ;vapor deposition polymerization ;polyimide ;influence ;application(上接第A 页o continued from p .A )T H E APPLICATION O POLYMER MATERIALS IN MICROENCAPS U LATED ELECTROP H ORETIC DISPLAYYANG Yi ,WANG Ting -J ie ,J IN Yong(D e P altment of Chemical Engineeling ,Tsinghua Uniuelsity ,B eijing I 00084,China )ABSTRACT ;The principle ,structure and fabrication of microencapsulated electrophoretic dis-plays were introduced .The application of polymer materials in the preparation of microencapsu-lated electrophoretic displays and relative materials were indicated .Typical manufacturing tech-nigues for polymer particles and pigment -polymer composite particles used as electrophoretic par-ticles were illustrated .Three useful encapsulation processes ,in situ polymerization ,complex coacervation and interfacial polymerization and the related polymer materials utilized in the prepa-ration of the microcapsules were elucidated .In the fabrication of the display ,various kinds of polymers can be used as binder for the purpose of supporting and protecting the microcapsules .In addition ,the novel plastic transistors and related manufacturing technigues were also presented .Keywords ;microcapsule ;microencapsulated electrophoretic display ;display materials ;composite particle ;plastic transistor9第5期浦鸿汀等;聚酰亚胺气相沉积聚合的研究进展。