Dalam beberapa dekade terakhir, banyak perhatian telah diberikan pada EPD dibandingkan kertas biasa karena biaya rendah, bobot rendah, konsumsi daya rendah dan keamanan. EPD adalah tampilan reflektif yang bekerja berdasarkan migrasi partikel suspensi bermuatan dalam cairan dielektrik menuju elektroda bermuatan berlawanan dan ini dikenal sebagai elektroforesis [20,25,26] (Gbr. 4). Baru-baru ini, banyak tampilan telah memasuki pasar melalui perusahaan seperti Amazon Kindle, Hanvon, dan OED Technologies. Dua perusahaan besar di bidang ini adalah SiPix dan E-Ink yang telah bergabung, tetapi kedua teknologi ini berbeda. Teknologi SiPix terdiri dari mikrokapsul plastik tampilan elektroforetik, yang sangat tipis, ringan, dan diproduksi dengan proses roll-to-roll (Gbr. 5) [27]. Sifat tampilan elektroforetik dan tinta elektronik dijelaskan secara rinci di bawah ini.
Prinsip yang disebut elektroforesis mengacu pada pergerakan partikel bermuatan yang tersuspensi dalam cairan suspensi di bawah pengaruh medan listrik DC. Setiap kali medan listrik antara elektroda digunakan dalam sel, partikel bermigrasi dalam kaitannya dengan muatan listrik dan cairan suspensi tetap stabil [20,28,29]. Oleh karena itu, partikel elektroforetik adalah salah satu komponen utama EPD. Umumnya, partikel sferis, dengan muatan 'q', di bawah medan listrik 'E' dan tersuspensi dalam cairan elektroforetik, berada di bawah pengaruh empat gaya: listrik, daya apung, gravitasi, dan gaya viskos, saat bergerak di antara elektroda bivalen dan kutub yang berlawanan [30]. Persamaan Helmholtz-Smoluchowski [3] (Persamaan (1)) digunakan untuk menggambarkan kecepatan elektroforetik (U) dari partikel bermuatan. Dalam persamaan ini, suku ε, ξEP, Ex dan μ adalah konstanta dielektrik dari cairan, potensial zeta dari partikel, medan listrik yang diterapkan dan mobilitas partikel, masing-masing. Potensial zeta elektroforetik (ξEP) adalah karakteristik dari partikel bermuatan. Elektroforesis mengarah pada pergerakan partikel bermuatan melalui larutan stasioner. Berbagai parameter termasuk viskositas dari media transportasi dan perilaku dielektriknya, ukuran dan kerapatan muatan partikel hitam dan putih, ketebalan cangkang mikrokapsul dan tingkat dielektriknya dapat memengaruhi fungsi dan kinerja EPD. Salah satu cara untuk membuat partikel tidak stabil dalam media cair adalah dengan mengkompensasi gravitasi antara pelarut dispersi dan partikel, dan sebagai hasilnya, mengurangi sedimentasi [31].
Secara umum, EPD yang mengandung suspensi warna atau partikel bermuatan yang tersebar dalam media dielektrik menciptakan warna kontras dalam sel dengan dua elektroda konduktif, transparan, dan paralel yang telah ditempatkan pada jarak tertentu sekitar satu mikron.
Sejak tahun 1960, EPD (EPD) telah dikembangkan sebagai jenis tampilan reflektif. Gambarnya dapat ditulis atau dihapus berulang kali secara elektrik. Teknologi ini memiliki banyak keuntungan seperti sudut pandang yang lebar dan rasio kontras yang tinggi yang mirip dengan kertas cetak. EPD adalah pilihan pertama dan dasar untuk membuat kertas elektronik. Namun, kemampuan untuk memastikan kualitas gambar dan umur panjang pengelompokan partikel, aglomerasi, dan agregasi adalah beberapa masalah serius yang membatasi penerapannya di industri.
Sifat partikel elektroforetik adalah kunci untuk penentuan kualitas gambar. Kualitas gambar yang ditingkatkan membutuhkan ukuran partikel yang sangat kecil dengan distribusi ukuran yang sempit, muatan permukaan yang besar untuk secara akurat membuat dan mengontrol gambar, rasio kontras yang tinggi, respons cepat terhadap tegangan yang diterapkan, transparansi yang digunakan dalam cangkang, stabilitas cahaya, dan dispersi tinta yang stabil serta parameter lainnya. Akibatnya, beberapa peneliti telah mengeksplorasi efek dari partikel yang dimodifikasi, morfologi permukaan, muatan permukaan, dan stabilitas khusus [32–34]. Dengan demikian, untuk karakterisasi mikrokapsul E Ink, berbagai teknik instrumental termasuk spektroskopi ultraviolet–visible (UV–Vis), Mikroskopi Gambar Optik, Spektroskopi Inframerah Transformasi Fourier (FTIR), Mikroskop Elektron Pemindaian (SEM), Potensial Zeta, Hamburan Cahaya Dinamis (DLS), dan sel elektroforetik digunakan [34–41].
Seperti yang disebutkan sebelumnya, stabilitas spasial partikel elektroforetik adalah faktor kunci dalam menentukan kualitas gambar, yang ditentukan dari pengukuran potensial zeta. Faktanya, potensial zeta adalah faktor untuk potensi stabilitas sistem koloid. Jika semua partikel dalam suspensi memiliki muatan positif atau negatif, partikel cenderung saling tolak dan tidak menunjukkan kecenderungan untuk berintegrasi. Kecenderungan partikel dengan muatan serupa untuk saling tolak secara langsung terkait dengan potensial zeta. Secara umum, batas stabil dan tidak stabil dari suspensi dapat ditentukan oleh potensial zeta. Suspensi yang mengandung partikel dengan potensial zeta lebih besar dari 30 mV atau kurang dari −30 mV dianggap stabil [42].
Selain itu, tampilan berwarna dapat disiapkan menggunakan pewarna berwarna atau pigmen organik sebagai nanopartikel elektroforetik berwarna. Pewarna atau pigmen dalam tinta elektronik harus memiliki kecemerlangan yang baik, kekuatan warna, dan kinerja yang sangat baik dengan cahaya, panas, dan ketahanan terhadap pelarut yang dapat menawarkan potensi besar untuk diusulkan untuk berbagai aplikasi [43–45]. Tinta elektronik yang baik dalam EPD dapat mencapai stabilitas suspensi jangka panjang dan muatan permukaan yang lebih tinggi dalam suspensi elektroforetik [37,46,47]. Beberapa nanopartikel bahkan dimodifikasi oleh beberapa pengubah seperti polietilen [34,46,48,49] dan oktadesilamin [32,50,51] dalam aplikasi EPD. Untuk kontrol gambar yang akurat dan respons cepat terhadap medan listrik yang diterapkan, partikel harus memiliki muatan permukaan yang tinggi sehingga, mobilitasnya berada dalam kisaran 10-5–10-6 cm2/Vs, perbedaan kerapatan dengan pelarut kurang dari 0,5 g/cm3 dan diameter yang sesuai adalah sekitar 190–500 nm [30,52].
E Ink adalah hasil langsung dari integrasi kimia, fisika, dan elektronika. Komposisi E Ink untuk EPD mengandung partikel elektroforesis seperti bahan berwarna bermuatan atau mikrokapsul yang tersebar dalam lingkungan dielektrik dan agen pengontrol muatan [22–24]. Berdasarkan perangkat dan prinsip kerja yang disebutkan di atas, bahan penting dari teknologi ini meliputi partikel berwarna (pewarna/pigmen), cangkang mikrokapsul, minyak isolasi, dan agen pengontrol muatan dan penstabil. Bagian berikut menjelaskan masing-masing komponen tersebut.
Seperti yang disebutkan sebelumnya, partikel berwarna berukuran nano hingga mikro meter adalah bahan kunci untuk mengevaluasi fungsi elektroforetik. Pigmen diperlukan untuk memenuhi beberapa persyaratan; mengurangi jumlah sedimentasi, kerapatan harus kompatibel secara khusus dengan pelarut suspensi, kelarutan dalam pelarut harus cukup rendah, kecerahan harus tinggi sehingga memastikan kinerja optik yang efektif, permukaan harus mampu diisi dengan mudah, memastikan produksi massal membutuhkan pigmen untuk stabil dengan benar dan juga mampu dimurnikan dengan mudah. Penyerapan partikel pada permukaan kapsul atau dalam piksel harus dihindari jika terjadi enkapsulasi ke dalam mikrokapsul atau piksel. Bahan dari berbagai jenis telah diselidiki untuk aplikasi EPD [9,53–61]. TiO2 [38,62], karbon hitam [41], SiO2 [63], Al2O3 [58], pigmen kuning [34,64], pigmen merah [32,65], merah ironik dan ungu magnesium adalah bahan anorganik yang telah menarik banyak perhatian dalam penelitian. Merah toluidin, biru ftalosianin [66–69] dan hijau ftalosianin [51,70] juga telah diselidiki sebagai partikel organik. Secara umum, pewarna/pigmen berukuran nanometer tersebar dalam larutan dalam keadaan aslinya, diikuti dengan pelapisan dengan bahan polimer untuk membentuk struktur inti-cangkang. Bahan dengan gugus alkoksi, gugus asetil atau halogen adalah bahan organik rantai panjang yang khas yang cocok sebagai bahan cangkang karena ikatan hidrogen mereka. Ketersediaan di alam serta kecerahan yang tinggi adalah alasan mengapa perangkat EPD telah lama diproduksi oleh partikel hitam dan putih yang terbuat dari karbon hitam dan titanium dioksida masing-masing. Karena kedua bahan ini bersifat konduktif, persyaratan yang diinginkan dicapai melalui polimer pelapis pada mereka [71].
Dalam kualitas gambar karena kontras, sifat pigmen putih sangat penting. Sebagian besar, peneliti menggunakan TiO2 sebagai pigmen putih umum karena keputihan dan sifat optik dan refleksi yang sangat baik. Masalah paling penting dengan pigmen ini adalah ketidakstabilannya dalam suspensi karena kepadatannya yang tinggi. Dalam dekade terakhir, para peneliti telah mencoba secara intensif untuk memecahkan masalah ini dengan menyarankan solusi seperti nanopartikel TiO berongga2 [72], TiO2 dimodifikasi dengan pengubah [62,73] dan TiO2 dilapisi dengan polimer [22,43,74]. Untuk pertama kalinya, Comiskey dkk. melaporkan mikrokapsul E Ink dengan partikel putih yang tersebar dalam cairan biru yang disiapkan dengan metode polimerisasi in situ urea dan formaldehida. Titanium dioksida dengan berat jenis 4,2 digunakan untuk refleksi dan kemurnian warna tinggi sebagai partikel putih [75]. Polietilen digunakan sebagai lapisan pada titanium dioksida untuk mengurangi berat jenis dan sebagai modifikasi permukaan partikel untuk merespons medan listrik yang diterapkan. Dalam penelitian ini, waktu respons dilaporkan sebagai 0,1 s. Seperti yang ditunjukkan pada Gbr. 6(a), ketika partikel elektroforetik yang terenkapsulasi ditempatkan di antara dua elektroda dengan muatan berlawanan, partikel bermuatan diorientasikan dengan menerapkan arus yang jika tidak diorientasikan ke arah elektroda dengan muatan berlawanan. Dalam hal ini, ketika pemirsa melihat partikel dari atas, ia melihat latar belakang putih dengan muatan negatif di sekitar elektroda positif. Selanjutnya, bagian (b) menunjukkan fotomikrograf dari contoh asli mikrokapsul elektroforetik yang dibangun di medan listrik [75].
Yang dkk. memodifikasi partikel titanium dioksida dengan Vinyl Triethoxysilane (VTES) dengan metode Sol-Gel melalui cangkok gugus aliran pada permukaan partikel TiO2. Partikel TiO2 memiliki sifat yang sangat baik di lingkungan gelap untuk kontras dan banyak digunakan sebagai partikel elektroforetik putih dalam produksi E Ink. Namun, karena partikel ini memiliki kepadatan tinggi, daya tarik Van der Waals tidak mencukupi dan menyebabkan agregasi, sedimentasi cepat, dan menunjukkan respons lambat terhadap medan listrik. Oleh karena itu, penelitian ekstensif telah dilakukan pada modifikasi permukaan. Dalam penelitian ini, hasil dari seluruh FTIR telah mengkonfirmasi puncak baru pada panjang gelombang 560 dan 670 cm-1 karena getaran peregangan dan dua puncak dengan panjang gelombang 12.020 dan 1120 cm−1 yang mewakili getaran peregangan ikatan Si-O dalam VTES. Dengan demikian, ditunjukkan bahwa VTES juga dicangkokkan pada permukaan TiO2. Ukuran partikel yang dimodifikasi telah dilaporkan dalam kisaran 100–200 nm dengan distribusi yang sangat sempit [37]. Baru-baru ini, penggunaan nanopartikel silika telah dilaporkan dengan waktu respons 180–191 ms dalam prototipe tampilan elektroforetik [30]. Saat ini produk EPD dapat menunjukkan 16 Gy tingkat warna putih ke hitam dengan 260–300 ms dan 1000 ms sebagai waktu respons dan waktu penyegaran masing-masing [5]. Terlepas dari kenyataan bahwa pigmen putih dikomersialkan, masih ada kebutuhan untuk meningkatkan sifatnya secara spasial respons cepat terhadap medan listrik.
Tampilan penuh warna dapat dikembangkan dengan membagi setiap elemen gambar dalam EPD hitam dan putih dan menempatkan filter berwarna horizontal sebagai susunan RGB (merah, hijau, biru) dan CMY (biru, merah, kuning) [76]. Namun, filter berwarna menyerap sejumlah besar cahaya yang dipantulkan, yang mengarah pada kontras dan kecerahan yang rendah. Baru-baru ini, penelitian telah difokuskan pada persiapan partikel elektroforetik tiga warna untuk tampilan warna (CEPD). Pewarna yang terenkapsulasi dan pigmen yang dimodifikasi digunakan untuk sintesis partikel elektroforetik. Persiapan tinta berwarna diperoleh melalui penempatan bahan berwarna ke dalam polimer seperti polistirena, poli (N vinil pirolidon), poli (metil metakrilat) dan beberapa kopolimer lainnya [23,24]. Namun, beberapa kekurangan seperti visibilitas rendah dan stabilitas cahaya yang buruk membatasi penggunaan pewarna dalam CEPD. Sebagai perbandingan, pigmen organik dengan ketahanan ultra-cahaya, stabilitas yang lebih baik, dan kekuatan warna yang lebih tinggi menunjukkan lebih banyak kesesuaian untuk CEPD [77]. Banyak metode telah digunakan untuk persiapan pewarna yang diterapkan dalam CEPD yang tercantum di bagian berikut.
Dalam teknologi ini, mikrokapsul atau piksel mikro terdiri dari perangkat tampilan elektroforetik di mana dinding cangkang berubah menjadi bahan kunci. Peran kunci cangkang dalam tampilan elektroforetik adalah untuk mengkapsulasi partikel berwarna serta media. Untuk tujuan ini, tidak hanya diperlukan untuk memiliki transparansi yang baik dan tingkat konduktivitas yang rendah tetapi juga harus kompatibel dengan bahan di dalamnya. Spesifikasi lainnya adalah cara stabilitas mekanik sambil mempertahankan fleksibilitas pada saat yang sama. Oleh karena itu, polimer organik seperti poliamina, poliuretan, polisulfon, asam polietilen, selulosa, gelatin, gum arab, dll. dianggap sebagai pilihan yang paling cocok [32,55,78-87]. Menurut bahan yang dipilih, berbagai metode telah digunakan untuk fabrikasi mikrokapsul termasuk polimerisasi in situ formaldehida dan urea untuk membentuk resin urea-formaldehida [3,28,82,88] dan koagulasi komposit gelatin dan gum arab untuk membentuk film komposit [79,89,90].
Ada suspensi partikel berwarna dalam media cair di dalam mikrokapsul perangkat tampilan elektroforetik. Berdasarkan persyaratan utama dari perangkat ini, media harus mewakili beberapa spesifikasi khusus termasuk stabilitas termal dan kimia, sifat isolasi yang sesuai (konstanta dielektrik lebih besar dari 2), reflektivitas dan kerapatan yang hampir identik dengan partikel serta resistansi yang rendah terhadap transportasinya, dan akhirnya, sifat yang ramah lingkungan. Penerapan pelarut organik tunggal atau pelarut yang diformulasikan seperti alkilena, hidrokarbon aromatik/alifatik, oksosilan, dll. dapat memenuhi persyaratan yang disebutkan di atas [57,71,79,91,92]. Salah satu metode yang paling banyak digunakan adalah formulasi 2-fenilbutana-tetrakloroetilena, isopar L-tetrakloroetilena dan n-haxane-tetrakloroetilena. Pencampuran pelarut terfluorinasi dan hidrokarbon dengan kepadatan tinggi dan rendah adalah cara umum untuk penyesuaian kerapatan yang tepat. Tabel 1 menunjukkan beberapa pelarut yang digunakan dalam aplikasi EPD.
[26]