Электронные чернила

<час />

Электронные чернила - это особый тип чернил, которые могут отображать разные цвета при воздействии электрического поля. Это делается с помощью двухэтапного процесса, который включает создание двухцветных заряженных частиц и их инкапсуляцию в прозрачную полимерную оболочку. Полученные оболочки наночастиц суспендируют в растворителе до тех пор, пока чернила не могут быть нанесены на поверхность. Электронные чернила, впервые разработанные в начале 1990-х годов, обещают произвести революцию в полиграфической отрасли и, возможно, даже изменить способ нашего взаимодействия с миром.

Фон

Чернила существуют на протяжении веков, и для демонстрации идеи чернила на бумаге имеют много преимуществ перед электронными дисплеями. Бумагу легко носить с собой, и ее можно читать практически в любое время и в любом месте. Он не требует источника питания и относительно долговечен. Однако недостатком чернил на бумаге является невозможность обновления. Электронные чернила были разработаны для сохранения преимуществ традиционной бумаги и чернил, обеспечивая при этом дополнительные преимущества обновления и хранения данных большой емкости.

Электронные чернила похожи на традиционные чернила в том, что это цветная жидкость, которую можно нанести практически на любую поверхность. В жидкости суспендированы миллионы микрокапсул, содержащих крошечные двухцветные полимерные частицы. Одна сторона частицы имеет темный цвет, а другая - контрастирующий светлый цвет. Подобно магниту, сторона частицы темного цвета имеет электрический заряд, противоположный заряду светлой стороны. Когда чернила подвергаются воздействию электрического поля, частицы перестраиваются в зависимости от заряда поля. Когда все стороны темного цвета притягиваются к поверхности, чернила выглядят темными. Когда применяется противоположный электрический заряд, светлые стороны ориентируются лицом вперед, и поверхность выглядит светлой. Эта способность при желании менять цвет с белого на черный или наоборот делает электронные чернила чрезвычайно полезными. Когда книга или другая поверхность покрыта электронными чернилами, ее можно перепрограммировать для отображения других слов или изображений.

В полиграфической промышленности давно известно, что буквы и изображения могут отображаться с использованием отдельных точек или пикселей. Чем больше пикселей можно разместить ближе друг к другу, тем лучше будет выглядеть изображение. В стандартной газете используется около 300 пикселей на площади квадратного дюйма. Когда электронные чернила наносятся на поверхность в определенных количествах, каждый из этих пикселей может быть светлым или темным в зависимости от того, как применяется электронное поле. Технология печати уже доступна для покрытия поверхностей с более чем 1200 пикселей на квадратный дюйм электронных чернил. Благодаря такому разрешению электронные чернила подходят практически для любой печатной работы.

Работа дисплея с электронными чернилами очень похожа на экран компьютера. Каждым пикселем чернил можно было управлять с помощью подключенного компьютера. Группы соседних пикселей могут быть включены или выключены для создания букв, цифр и изображений. Хотя это может быть трудно достичь на листе стандартной бумаги, разрабатывается специально разработанная бумага, которая будет ощущаться и выглядеть как бумага, но на самом деле представляет собой мини-компьютер с огромным набором электрических цепей для управления каждым пикселем. Однако эта специальная бумага не была бы необходимой, потому что для того же эффекта можно было бы разработать специальный сканер.

Одна из наиболее полезных характеристик электронных чернил заключается в том, что после снятия электрического поля чернила остаются в своей конфигурации. Это означает, что требуется лишь небольшое количество энергии по сравнению с обычными электронными дисплеями. Однако конфигурацию можно изменить, применив новое электрическое поле, когда это необходимо. Это означает, что если книга была напечатана электронными чернилами, в один день она могла содержать слова из одной книги, а в другой - из другой. Если бы она была снабжена памятью, одна электронная книга могла бы содержать тысячи различных текстов.

История

Хотя печатное слово существует уже много веков, идея электронных чернил появилась сравнительно недавно. В конце 1970-х исследователи Xerox PARC разработали прототип электронной книги. В устройстве использовались миллионы крошечных магнитов со сторонами противоположного цвета (черная с одной, белая с другой), встроенных в тонкую мягкую резиновую поверхность. Когда вводился электрический заряд, магниты переворачивались, образуя черную или белую метку, похожую на пиксели на видеоэкране. Это устройство никогда не имело коммерческого успеха, потому что оно было большим и сложным в использовании.

В течение следующего десятилетия были представлены различные экраны, и идея электронной книги стала реальностью. Однако эти устройства по-прежнему остаются более громоздкими, чем печатная бумага. В 1993 году Джо Джейкобсон, исследователь из Массачусетского технологического института, начал исследовать идею книги, которая сама набирает текст. Он задумал вариант идеи PARC с использованием обратимых частиц. В конце концов, он создал электронные чернила, в которых используются цветные полимеры, заключенные в прозрачную оболочку. Он представил свою идею на патент в 1996 году и в конечном итоге получил патент в 2000 году.

Якобсон основал E Ink Corporation, которая была разработана для вывода на рынок электронных чернил. Первый коммерческий продукт - дисплей Immedia. Это рекламный знак, который выглядит и ощущается как бумажный. Однако этот знак покрыт электронными чернилами, что позволяет запрограммировать его на изменение своего сообщения. E ink предполагает, что электронные чернила в конечном итоге будут использоваться в областях, где используются традиционные чернила, таких как газеты, книги, журналы и даже одежда.

Сырье

Для производства электронных чернил используется разнообразное сырье. К ним относятся полимеры, реакционные агенты, растворители и красители.

Полимеры - это высокомолекулярные материалы, состоящие из химически связанных мономеров. Для изготовления заряженных окрашенных частей электронных чернил используются полиэтилен, поливинилиденфторид или другие подходящие полимеры. Эти материалы полезны, потому что они могут становиться жидкими при нагревании, затвердевать при охлаждении и поддерживать стабильные диполи, которые сохраняются в течение длительного времени.

В полимеры добавляются наполнители для изменения их физических характеристик. Поскольку полимеры, как правило, бесцветны, в них добавляют красители для создания контраста, необходимого для электронных чернил. Это могут быть растворимые красители или измельченные пигменты. Для получения белого цвета можно использовать неорганический материал, такой как диоксид титана. Оксиды железа можно использовать для получения других цветов, таких как желтый, красный и коричневый. Также можно использовать органические красители, такие как пиразолоновый красный, хинакридоновый фиолетовый и флавантроновый желтый. Другие наполнители, такие как пластификаторы, могут быть добавлены для изменения электрических характеристик полимеров. Это особенно важно для электронных чернил. В процессе производства полимер нагревается. По этой причине добавляются стабилизаторы, чтобы предотвратить его разрушение. Термостабилизаторы включают ненасыщенные масла, такие как соевое масло. Добавляемые защитные материалы включают средства защиты от ультрафиолета, такие как бензофеноны, и антиоксиданты, такие как алифатические тиолы. Эти материалы помогают предотвратить УФ-деградацию и окисление в окружающей среде соответственно.

В процессе инкапсуляции электронных чернил используются различные соединения. Вода используется для создания эмульсии и обеспечения протекания реакции инкапсуляции. Мономеры добавляются для создания инкапсулирующей оболочки. Используются сшивающие агенты, которые вызывают реакцию мономеров. Силиконовое масло - это гидрофобный материал, который входит в состав окрашенных частиц инкапсулята. Этот материал обеспечивает жидкую среду для перемещения частиц при приложении электрического поля. Он прозрачный, бесцветный и очень скользкий. Другие гелевые или полимерные материалы Электронные чернила, состоящие из крошечных двухцветных заряженных наночастиц, могут отображать разные цвета или сообщения при воздействии электрическое поле. В зависимости от типа заряда частицы будут либо притягиваться, либо отталкиваться от поверхности, создавая различные эффекты. могут быть добавлены в инкапсулят для повышения стабильности системы.

Производственный процесс

Электронные чернила изготавливаются поэтапно. Во-первых, двум контрастным чернилам даны противоположные обвинения. Затем краски инкапсулируются в проводящие микросферы и наносятся на желаемую поверхность.

Производство заряженных чернил

• 1 Два контрастных жидких полимера загружают в отдельные емкости, к которым прикреплены распылительные форсунки. Материалы хранятся в горячем состоянии, поэтому они остаются жидкими. Одно из сопел имеет положительно заряженный потенциал, а другое - отрицательный. Затем используется давление, чтобы протолкнуть чернила через сопла, заставляя их разбиваться на мельчайшие частицы, а также приобретать противоположные заряды. Контейнеры расположены рядом друг с другом, поэтому при выходе чернил из сопел они соприкасаются. Поскольку у них противоположные заряды, они притягиваются друг к другу и образуют более крупные нейтральные частицы.
• 2 После образования более крупных частиц материалам дают остыть, в результате чего они затвердевают. В результате получается небольшая двухцветная твердая частица, имеющая положительную и отрицательную стороны. Затем частицы проходят мимо нагревательного элемента, который снижает поверхностное натяжение и создает более совершенную сферу.
• 3 Затем частицы пропускают через набор электродов, чтобы отделить несовершенно заряженные. Проходя через электроды, несовершенные частицы притягиваются к соответствующему электроду, а затем удаляются. Остальные частицы переносятся в зону инкапсуляции.

Инкапсулирующие чернила

• 4 Частицы перемещаются в резервуар, содержащий жидкий раствор мономера в силиконовом масле. Частицы тщательно перемешиваются, поэтому они равномерно распределены. Этот раствор объединяется с водной фазой, которая образует эмульсию. Эмульсия - это полустабильная смесь масла и воды. Частицы электронных чернил остаются в силиконовом масле, окруженном водой.
• 5 К раствору добавляется сшивающий агент, который заставляет мономер реагировать сам с собой. В результате получаются крошечные сферы, содержащие некоторое количество силиконового масла и частицы электронных чернил. Затем частицы чернил можно отделить от водной фазы для различных применений. Это можно сделать упариванием с последующей промывкой растворителем.
• 6 После завершения реакций изделия с электронными чернилами хранятся в жидком растворителе до тех пор, пока их не можно будет нанести. В зависимости от конечного продукта этот процесс нанесения может включать нанесение жидких чернил на специальную бумагу, ткань или другие виды волокон.

Контроль качества

Чтобы гарантировать качество электронных чернил, контролируется каждый этап производственного процесса. Поскольку это относительно новая технология, электронные чернила не производятся в больших и быстрых количествах. По этой причине каждый шаг можно тщательно протестировать, прежде чем переходить к следующему. Инспекции начинаются с оценки поступающего сырья. Эти материалы проходят испытания на такие параметры, как pH, вязкость и удельный вес. Также оценивается цвет и внешний вид. После того, как электронные чернила закончены, они проверяются, чтобы убедиться, что они правильно отреагируют на электрическое поле. Материал можно распределить по тонкой поверхности и приложить электрическое поле. Соответственно должен измениться цвет поверхности. Размер частиц также проверяется с использованием различных сетчатых сит.

Будущее

Первые продукты, использующие электронные чернила, только появляются. Это простые двухцветные устройства, не более впечатляющие, чем электронные дисплеи с плоскими панелями. Однако будущие поколения обещают найти широкое применение и могут существенно повлиять на то, как мы взаимодействуем с миром. Производители электронных чернил надеются, что этот материал первоначально будет использоваться в наружных рекламных щитах, портативных компьютерах, книгах и газетах. Но в конечном итоге электронные чернила будут нанесены на любую поверхность, такую ​​как одежду, стены, этикетки продуктов и наклейки на бампер. Затем он станет повсеместным в среде, так что любое сообщение можно будет отображать где угодно и когда угодно.

Поскольку текущий продукт с электронными чернилами состоит только из двух цветов, продукты, изготовленные с его использованием, не могут создавать полноцветный дисплей. В будущем будет разработано больше цветов электронных чернил. Ученым еще предстоит решить, как отображать эти разные цвета в нужное время, но после этого любая поверхность, покрытая электронными чернилами, может стать столь же интересной для просмотра, как экран телевизора.