در چند دهه گذشته، توجه زیادی به EPDها نسبت به کاغذ معمولی به دلیل کم‌هزینه بودن، وزن کم، مصرف کم انرژی و ایمنی شده است. EPDها نمایشگرهای بازتابی هستند که بر اساس مهاجرت ذرات معلق باردار در سیال دی‌الکتریک به سمت الکترود با بار مخالف عمل می‌کنند و این به عنوان الکتروفورز [20,25,26] (شکل 4) شناخته می‌شود. اخیراً، بسیاری از نمایشگرها از طریق شرکت‌هایی مانند Amazon Kindle، Hanvon و OED Technologies وارد بازار شده‌اند. دو شرکت اصلی در این زمینه SiPix و E-Ink هستند که قبلاً ادغام شده‌اند، اما این دو فناوری متفاوت هستند. فناوری SiPix شامل میکروکپسول‌های پلاستیکی نمایشگر الکتروفورتیک است که بسیار نازک، سبک وزن است و توسط فرآیند رول به رول تولید می‌شود (شکل 5) [27]. خواص نمایشگر الکتروفورتیک و جوهر الکترونیکی به تفصیل در ادامه توضیح داده شده است.
اصل به اصطلاح الکتروفورز به حرکت ذرات باردار معلق در یک سیال تعلیق تحت تأثیر یک میدان الکتریکی DC اشاره دارد. هر زمان که از میدان الکتریکی بین الکترودها در یک سلول استفاده شود، ذرات نسبت به بار الکتریکی مهاجرت می‌کنند و سیال تعلیق پایدار می‌ماند [20,28,29]. بنابراین، ذرات الکتروفورتیک یکی از اجزای اصلی EPDها هستند. به طور کلی، یک ذره کروی، با بار 'q'، تحت یک میدان الکتریکی 'E' و معلق در یک مایع الکتروفورتیک، تحت تأثیر چهار نیرو قرار دارد: نیروهای الکتریکی، شناوری، گرانش و نیروهای ویسکوز بازدارنده، همانطور که بین الکترود دو ظرفیتی و قطب مخالف حرکت می‌کند [30]. معادله هلمهولتز-اسمولوخوفسکی [3] (معادله (1)) برای توصیف سرعت الکتروفورتیک (U) یک ذره باردار استفاده می‌شود. در این معادله، اصطلاحات ε، ξEP، Ex و μ به ترتیب، ثابت دی‌الکتریک مایع، پتانسیل زتا ذره، میدان الکتریکی اعمال شده و تحرک ذره هستند. پتانسیل زتای الکتروفورتیک (ξEP) ویژگی یک ذره باردار است. الکتروفورز منجر به حرکت ذرات باردار از طریق یک محلول ثابت می‌شود. پارامترهای مختلفی از جمله ویسکوزیته محیط انتقال و رفتار دی‌الکتریک آن، اندازه و چگالی بار ذرات سیاه و سفید، ضخامت پوسته میکروکپسول و سطح دی‌الکتریک آن می‌تواند بر عملکرد و عملکردهای EPD تأثیر بگذارد. یک راه برای ناپایدار کردن ذرات در محیط مایع، جبران گرانش بین حلال پراکندگی و ذرات است و در نتیجه، رسوب را کاهش می‌دهد [31].
به طور کلی، EPDهایی که حاوی سوسپانسیون‌های رنگی یا ذرات باردار پراکنده در یک محیط دی‌الکتریک هستند، رنگ‌های متضادی را در یک سلول با دو الکترود رسانا، شفاف و موازی ایجاد می‌کنند که در فاصله مشخصی حدود یک میکرون قرار داده شده‌اند.
از سال 1960، EPDها (EPD) به عنوان نوعی نمایشگر بازتابی توسعه یافته‌اند. تصاویر آنها را می‌توان به طور مکرر به صورت الکتریکی نوشت یا پاک کرد. این فناوری دارای مزایای متعددی مانند زاویه دید وسیع و نسبت کنتراست بالا است که شبیه به کاغذهای چاپ شده است. EPD اولین و اساسی‌ترین انتخاب برای ساخت کاغذهای الکترونیکی است. با این حال، توانایی اطمینان از کیفیت تصویر و طول عمر خوشه‌بندی، تجمع و تجمیع ذرات، برخی از مشکلات جدی هستند که کاربردهای آن را در صنعت محدود می‌کند.
خواص ذرات الکتروفورتیک برای تعیین کیفیت تصویر کلیدی است. کیفیت تصویر بهبود یافته به اندازه ذرات بسیار کوچک با توزیع اندازه باریک، بار سطحی زیاد برای ایجاد و کنترل دقیق تصاویر، نسبت کنتراست بالا، پاسخ سریع به ولتاژ اعمال شده، شفافیت مورد استفاده در پوسته، پایداری نور و پراکندگی پایدار جوهر و سایر پارامترها نیاز دارد. در نتیجه، چندین محقق اثر ذرات اصلاح شده، مورفولوژی سطح، بارهای سطحی و پایداری ویژه را بررسی کرده‌اند [32–34]. بنابراین، برای مشخصه سازی میکروکپسول‌های E Ink، از تکنیک‌های ابزاری مختلفی از جمله طیف‌سنجی فرابنفش–مرئی (UV–Vis)، میکروسکوپ تصویربرداری نوری، طیف‌سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، پتانسیل زتا، پراکندگی نور دینامیکی (DLS) و سلول الکتروفورتیک استفاده شد [34–41].
همانطور که قبلاً ذکر شد، پایداری فضایی ذرات الکتروفورتیک یک عامل کلیدی در تعیین کیفیت تصویر است که از اندازه‌گیری پتانسیل زتا مشخص می‌شود. در واقع، پتانسیل زتا عاملی برای پایداری بالقوه سیستم‌های کلوئیدی است. اگر تمام ذرات موجود در سوسپانسیون دارای بار مثبت یا منفی باشند، ذرات تمایل به دفع یکدیگر دارند و تمایلی به ادغام نشان نمی‌دهند. تمایل ذرات با بار مشابه برای دفع یکدیگر مستقیماً با پتانسیل زتا مرتبط است. به طور کلی، مرز پایدار و ناپایدار سوسپانسیون را می‌توان با پتانسیل زتا تعیین کرد. سوسپانسیون‌های حاوی ذرات با پتانسیل زتای بیشتر از 30 mV یا کمتر از −30 mV پایدار در نظر گرفته می‌شوند [42].
همچنین، نمایشگرهای رنگی را می‌توان با استفاده از رنگ‌های رنگی یا رنگدانه‌های آلی به عنوان نانوذرات الکتروفورتیک رنگی تهیه کرد. رنگ یا رنگدانه در جوهر الکترونیکی باید درخشندگی خوب، قدرت رنگ و عملکرد عالی با نور، گرما و مقاومت در برابر حلال داشته باشد که می‌تواند پتانسیل زیادی را برای پیشنهاد برای طیف وسیع‌تری از کاربردها ارائه دهد [43–45]. جوهر الکترونیکی خوب در EPDها می‌تواند به پایداری تعلیق طولانی‌مدت و بار سطحی بالاتر در سوسپانسیون الکتروفورتیک دست یابد [37,46,47]. برخی از نانوذرات حتی توسط برخی از اصلاح‌کننده‌ها مانند پلی‌اتیلن [34,46,48,49] و اکتادسیلامین [32,50,51] در کاربرد EPDها اصلاح شدند. برای کنترل دقیق تصویر و پاسخ سریع به میدان الکتریکی اعمال شده، ذرات باید دارای بار سطحی بالایی باشند به طوری که تحرک در محدوده 10-5–10-6 cm2/Vs، اختلاف چگالی با حلال کمتر از 0.5 g/cm3 و قطر مناسب حدود 190–500 nm [30,52] باشد.
E Ink نتیجه مستقیم ادغام شیمی، فیزیک و الکترونیک است. ترکیب E Ink برای EPD حاوی ذرات الکتروفورز مانند مواد رنگی باردار یا میکروکپسول‌هایی است که در یک محیط دی‌الکتریک و عامل کنترل بار پراکنده شده‌اند [22–24]. بر اساس دستگاه و اصل کار ذکر شده، مواد مهم این فناوری شامل ذرات رنگی (رنگ‌ها/رنگدانه‌ها)، پوسته میکروکپسول، روغن عایق و عوامل کنترل بار و تثبیت‌کننده‌ها هستند. بخش‌های زیر هر یک از این اجزا را توضیح می‌دهد.
همانطور که قبلاً ذکر شد، ذرات رنگی با اندازه نانو تا میکرومتر مواد کلیدی برای ارزیابی عملکردهای الکتروفورتیک هستند. رنگدانه‌ها برای برآورده کردن چندین نیاز مورد نیاز هستند. کاهش مقدار رسوب، چگالی باید به طور خاص با حلال تعلیق سازگار باشد، حلالیت در حلال باید به اندازه کافی کم باشد، درخشندگی باید زیاد باشد تا عملکرد نوری موثر را تضمین کند، سطح باید قادر به بارگیری آسان باشد، اطمینان از تولید انبوه مستلزم این است که رنگدانه‌ها به درستی پایدار باشند و همچنین به راحتی قابل تصفیه باشند. جذب ذرات روی سطح کپسول یا در پیکسل باید در صورت محصور شدن آنها در میکروکپسول‌ها یا پیکسل‌ها اجتناب شود. مواد از انواع مختلف برای کاربردهای EPD مورد بررسی قرار گرفته‌اند [9,53–61]. TiO2 [38,62]، کربن سیاه [41]، SiO2 [63]، Al2O3 [58]، رنگدانه زرد [34,64]، رنگدانه قرمز [32,65]، قرمز آهنی و منیزیم بنفش مواد معدنی هستند که توجه زیادی را در تحقیقات به خود جلب کرده‌اند. قرمزهای تولوئیدین، فتالوسیانین آبی [66–69] و فتالوسیانین سبز [51,70] نیز به عنوان ذرات آلی مورد بررسی قرار گرفته‌اند. به طور کلی، رنگ‌ها/رنگدانه‌های با اندازه نانومتر در یک محلول در حالت‌های اولیه پراکنده می‌شوند، و پس از آن با مواد پلیمری پوشانده می‌شوند تا یک ساختار هسته-پوسته تشکیل شود. مواد دارای گروه آلکوکسی، گروه استیل یا هالوژن‌ها مواد آلی زنجیره بلند معمولی هستند که به عنوان مواد پوسته به دلیل پیوندهای هیدروژنی آنها مناسب هستند. در دسترس بودن در طبیعت و همچنین درخشندگی بالا دلایلی هستند که چرا دستگاه‌های EPD مدت‌هاست که توسط ذرات سیاه و سفید ساخته شده از کربن سیاه و دی‌اکسید تیتانیوم به ترتیب تولید می‌شوند. از آنجایی که هر دوی این مواد رسانا هستند، الزامات مورد نظر از طریق پوشش پلیمرها روی آنها به دست می‌آید [71].
در کیفیت تصویر به دلیل کنتراست، خواص رنگدانه سفید بسیار مهم است. بیشتر، محققان از TiO2 به عنوان یک رنگدانه سفید رایج به دلیل سفیدی و خواص نوری و بازتابی عالی آن استفاده کردند. مهمترین مشکل این رنگدانه ناپایداری آن در سوسپانسیون به دلیل چگالی بالای آن است. در دهه گذشته، محققان تلاش زیادی برای حل این مشکل با پیشنهاد راه‌حل‌هایی مانند نانوذرات توخالی TiO2 [72]، TiO2 اصلاح شده با اصلاح‌کننده [62,73] و TiO2 پوشش داده شده با پلیمر [22,43,74] انجام داده‌اند. برای اولین بار، Comiskey و همکاران میکروکپسول‌های E Ink را با ذرات سفید پراکنده در یک سیال آبی گزارش کردند که با روش پلیمریزاسیون درجا اوره و فرمالدئید تهیه شده بود. دی‌اکسید تیتانیوم با وزن مخصوص 4.2 برای انعکاس و خلوص رنگ بالا به عنوان یک ذره سفید استفاده شد [75]. پلی‌اتیلن به عنوان پوششی روی دی‌اکسید تیتانیوم برای کاهش وزن مخصوص و به عنوان اصلاح سطح ذرات برای پاسخ به میدان الکتریکی اعمال شده استفاده شد. در این مطالعه، زمان پاسخ به عنوان 0.1 s گزارش شد. همانطور که در شکل 6(a) نشان داده شده است، هنگامی که یک ذره الکتروفورتیک میکروکپسوله شده بین دو الکترود با بارهای مخالف قرار می‌گیرد، ذرات باردار با اعمال جریان جهت‌گیری می‌شوند که در غیر این صورت به سمت الکترود با بار مخالف جهت‌گیری می‌شوند. در این حالت، وقتی بیننده از بالا به ذره نگاه می‌کند، یک پس‌زمینه سفید با بار منفی در مجاورت الکترود مثبت می‌بیند. علاوه بر این، قسمت (ب) میکروفتوگرافی نمونه‌های اصلی میکروکپسول‌های الکتروفورتیک ساخته شده در میدان الکتریکی را نشان می‌دهد [75].
یانگ و همکاران ذرات دی‌اکسید تیتانیوم را با وینیل تری‌اتوکسی‌سیلان (VTES) با روش Sol-Gel از طریق پیوند گروه‌های جریانی روی سطح ذرات TiO2 اصلاح کردند. ذرات TiO2 دارای خواص عالی در محیط‌های تاریک برای کنتراست هستند و به طور گسترده به عنوان ذرات الکتروفورتیک سفید در تولید E Ink استفاده می‌شوند. با این حال، از آنجایی که این ذره دارای چگالی بالایی است، جاذبه واندروالس کافی نیست و منجر به تجمع، رسوب سریع و پاسخ کند به میدان الکتریکی می‌شود. بنابراین، تحقیقات گسترده‌ای در مورد اصلاح سطح انجام شده است. در این مطالعه، نتایج کل FTIR قله‌های جدیدی را در طول موج‌های 560 و 670 cm-1 به دلیل ارتعاشات کششی و دو قله با طول موج‌های 12020 و 1120 cm−1 که نشان‌دهنده ارتعاشات کششی پیوندهای Si-O در VTES است، تأیید کرده است. بنابراین، نشان داده شد که VTES نیز روی سطح TiO2 پیوند زده شده است. اندازه ذرات اصلاح شده در محدوده 100–200 nm با توزیع بسیار باریک گزارش شده است [37]. اخیراً، استفاده از نانوذرات سیلیس با زمان پاسخ 180–191 ms در نمونه اولیه نمایشگر الکتروفورتیک گزارش شده است [30]. در حال حاضر محصولات EPD می‌توانند 16 Gy سطح رنگ‌های سفید تا سیاه را با 260–300 ms و 1000 ms به ترتیب به عنوان زمان پاسخ و زمان تازه‌سازی نشان دهند [5]. با وجود این واقعیت که رنگدانه‌های سفید تجاری شده‌اند، هنوز هم نیاز به بهبود خواص آنها به سرعت در فضا برای پاسخ به میدان الکتریکی وجود دارد.
نمایشگر تمام رنگی را می‌توان با تقسیم هر یک از عناصر تصویر در EPDهای سیاه و سفید و قرار دادن فیلترهای رنگی افقی به عنوان آرایه‌های RGB (قرمز، سبز، آبی) و CMY (آبی، قرمز، زرد) توسعه داد [76]. با این حال، فیلتر رنگی مقادیر زیادی از نور منعکس شده را جذب می‌کند که منجر به کنتراست و روشنایی کم می‌شود. اخیراً، مطالعات بر روی تهیه ذرات الکتروفورتیک سه‌رنگ برای نمایشگرهای رنگی (CEPD) متمرکز شده است. رنگدانه‌های کپسوله شده و رنگدانه اصلاح شده برای سنتز ذرات الکتروفورتیک استفاده می‌شوند. تهیه جوهر رنگی از طریق قرار دادن مواد رنگی در پلیمرهایی مانند پلی‌استایرن، پلی (N وینیل پیرولیدون)، پلی (متاکریلات متیل) و برخی دیگر از کوپلیمرها به دست آمد [23,24]. با این حال، برخی از معایب مانند دید کم و پایداری ضعیف نور، استفاده از رنگ‌ها را در CEPD محدود می‌کند. در مقایسه، رنگدانه‌های آلی با مقاومت فوق‌العاده در برابر نور، پایداری بهتر و قدرت رنگ بالاتر، مناسب‌تر برای CEPD نشان می‌دهند [77]. روش‌های متعددی برای تهیه رنگ‌های اعمال شده در CEPD به کار گرفته شده است که در بخش‌های زیر فهرست شده‌اند.
در این فناوری، میکروکپسول‌ها یا میکروپیکسل‌ها شامل دستگاه نمایشگر الکتروفورتیک می‌شوند که در آن دیواره پوسته به یک ماده کلیدی تبدیل می‌شود. نقش کلیدی پوسته در نمایشگر الکتروفورتیک، محصور کردن ذرات رنگی و همچنین محیط است. برای این منظور، نه تنها داشتن شفافیت خوب و سطح کم رسانایی مورد نیاز است، بلکه باید با مواد داخل آن نیز سازگار باشد. مشخصات دیگر، نحوه پایداری مکانیکی در حالی که انعطاف‌پذیری را در همان زمان حفظ می‌کند. از این رو، پلیمرهای آلی مانند پلی‌آمین، پلی‌اورتان، پلی‌سولفون‌ها، اسید پلی‌اتیلن، سلولز، ژلاتین، صمغ عربی و غیره به عنوان مناسب‌ترین انتخاب‌ها در نظر گرفته می‌شوند [32,55,78-87]. با توجه به مواد انتخاب شده، روش‌های مختلفی برای ساخت میکروکپسول‌ها از جمله پلیمریزاسیون درجا فرمالدئید و اوره برای تشکیل رزین اوره-فرمالدئید [3,28,82,88] و انعقاد کامپوزیت ژلاتین و صمغ عربی برای تشکیل فیلم کامپوزیت به کار گرفته شده است [79,89,90].
یک سوسپانسیون از ذرات رنگی در یک محیط مایع در داخل میکروکپسول‌های دستگاه‌های نمایشگر الکتروفورتیک وجود دارد. بر اساس الزامات کلیدی این دستگاه‌ها، محیط باید چندین مشخصات ویژه از جمله پایداری حرارتی و شیمیایی، خواص عایق مناسب (ثابت دی‌الکتریک بزرگتر از 2)، تقریباً یکسان بازتابندگی و چگالی با ذرات و در نهایت، ماهیت سازگار با محیط زیست را نشان دهد. استفاده از حلال‌های آلی منفرد یا حلال‌های فرموله شده مانند آلکیلن، هیدروکربن‌های آروماتیک/آلیفاتیک، اکسوسیلان و غیره می‌تواند الزامات ذکر شده در بالا را برآورده کند [57,71,79,91,92]. یکی از پرکاربردترین روش‌ها، فرمولاسیون 2-فنیل‌بوتان-تتراکلرواتیلن، ایزوپار L-تتراکلرواتیلن و n-هگزان-تتراکلرواتیلن است. اختلاط حلال‌های فلوئورینه شده با چگالی بالا و کم و هیدروکربن یک راه رایج برای تنظیم مناسب چگالی است. جدول 1 برخی از حلال‌های مورد استفاده در کاربرد EPDها را نشان می‌دهد.
[26]