СВМБМ

Типичная коллоидная взвесь (табл. 12.1) состоит из суспензирующей жидкости, растворимого красителя, стабилизирующих агентов и субмикронных частиц пигмента. Состав взвеси во многом определяет срок службы, контраст, времена реакции и релаксации ЭФИ Пигмент не должен осаждаться или всплывать в суснензирующей жидкости (седиментационная стабильность), индивидуально диспергированные частицы пигмента при любых условиях не должны сливаться (коллоидная стабильность), все составные части должны быть совместимы одна с другой и с материалами, присутствующими в ячейке ЭФИ (химическая стабильность).

Таблица 12. 1

Характеристики типичной коллоидной взвеси [ ]

Простой метод достижения седиментационной стабильности — обеспечение равенства плотностей пигмента и суспснзирующеи жидкости. Как правило, это достигается смешиванием в нужной пропорции двух суспензирующих жидкостей, одна из которых имеет большую, а вторая — меньшую плотность по сравнению с плотностью пигмента.

Чтобы обеспечить коллоидную стабильность, т. е. предохранить взвесь от агломерации, необходимо создать отталкивающую силу, противодействующую силе притяжения между частицами (дисперсионной силе). Очевидно, что коллоидная стабильность должна быть очень высокой. В то же время многие взвеси, которые не разделяются в течение десятков тысяч часов без приложения напряженности электрического поля, агломерируются при работе ЭФИ значительно

быстрее, поскольку при этом частицы пигмента на электроде сильно прижимаются друг к другу и вероятность агломерации резко возрастает. Кроме того, стабильность снижается при росте концентрации (на электроде) за счет экранирования перекрытых слоев. Но, несмотря на указанные проблемы, разработаны коллоидные взвеси, допускающие до 108 переключений.

С точки зрения обеспечения химической стабильности следует исключить реакции на электродах и в объеме, растворение пигмента, химическое изменение оптических и электрических свойств взвеси.

Цветная суспензирующая жидкость получается растворением красителей в непроводящих органических растворителях. Основное требование при выборе суспензирующей жидкости — обеспечение высокой подвижности. Для быстродействующих устройств предпочтительны жидкости с высоким отношением ε/η), где η — вязкость. Кроме того, жидкость должна работать в широком диапазоне температур, иметь высокие плотность и удельное сопротивление и быть химически нейтральной. Однако на практике многие жидкости с высокой вязкостью оказываются довольно летучими, а жидкости с высокими диэлектрическими постоянными обычно химически и электрохимически не очень устойчивы, чувствительны к примесям и плохо поддаются очистке из-за сильного растворяющего действия на ионные материалы. Чрезмерные концентрации ионных примесей особенно нежелательны, так как любой ток, переносимый носителем заряда и не связанный с двойным слоем, является паразитным и приводит лишь к возрастанию потребляемой мощности. Относительным показателем чистоты может быть удельное сопротивление с минимальным значением 109 Ом·см.

Что касается пигмента, то к нему предъявляют следующие требования: хорошие оптические свойства (непрозрачность, цвет), нерастворимость, плотность и химическая устойчивость, которые согласуются с соответствующей суспензирующей жидкостью. Для пигмента используются как органические, так и неорганические материалы, но лучше последние.

Краситель во взвеси выбирают на основании растворимости в суспензирующей жидкости, химической устойчивости, высокой оптической плотности в спектральном диапазоне, где происходит отражение от пигмента. Надо отметить, что адсорбция красителя на поверхности пигмента снижает контраст ЭФИ. Этот факт, являющийся

следствием уменьшения отражения от пигмента, вызванного поглощением света адсорбированным на поверхности красителем, детально описан в литературе. В частности, отмечено, что адсорбция красителя возрастает с ростом его концентрации, но до предела, при котором поверхность частиц пигмента полностью покрывается красителем. Разработанные неадсорбируемые красители дают 15—30% - ный выигрыш в контрасте по сравнению с индикаторами на адсорбируемых красителях, даже если коэффициенты поглощения красителей одинаковы. Стабилизирующие агенты, используемые во взвесях, в основном определяются эмпирически, поскольку их взаимодействие с поверхностью пигмента изучено мало.

Параметры, характеристики и конструкции ЭФИ Контраст ЭФИ определяется составом суспензии, размером ячейки

и напряженностью электрического поля (рис. 12.2). Например, по мере увеличения концентрации пигмента контраст растет до тех пор, пока непрозрачность суспензии не снизит яркость состояния «включено» в большей мере, чем увеличит потемнение состояния «выключено».

Рис. 12.2. Зависимости контраста ЭФИ от концентрации красителя γкр при U =40 В (а) и напряжения при d=30 мкм (б)

Благодаря рассеивающим свойствам содержащихся в рабочем веществе ЭФИ частиц пространственное распределение отраженного света для обоих типов индикаторов является почти ламбертовским.

Потребление мощности в ЭФИ обусловлено прохождением тока при перемещении частиц пигмента и током покоя, идущим после прекращения этого импульса. Вторая составляющая может быть исключена снятием приложенного напряжения по окончании времени, необходимого для перемещения частиц, и обеспечением эффекта памяти для поддержания желаемого изображения. В элементе толщиной 50 мкм

приводит к потреблению энергии 6 мкДж/см2. Таким образом, для прямоугольного импульса частотой 1 Гц и скважностью 2 потребление мощности не превышает 12 мкВт/см2. При постоянном напряжении питания рассеиваемая индикаторами мощность с ростом температуры возрастает из-за увеличения проводимости. Обычно рекомендуемый диапазон температур для ЭФИ от — 15 до 50 °С.

Главные причины выхода из строя ЭФИ — группировка, миграция, утечки и электрохимические эффекты (например, гидролиз, отбеливание красителя). Группировка частиц пигмента происходит вследствие гидродинамической нестабильности. Она крайне нежелательна для всего ЭФИ, поскольку препятствует сосредоточению пигмента, приводит к потере контраста и вредно влияет на способность индикатора точно управлять траекториями частиц пигмента, что снижает разрешающую способность.

При переключении ЭФИ перемещение частиц приводит в движение жидкость, что, в свою очередь, нарушает правильное возвратнопоступательное движение частиц пигмента. В результате некоторые частицы начинают мигрировать в бок, пока не выйдут за площадь электрода. Они собираются в окружающем электрод участке фона, понижая контраст. Разработаны методы, устраняющие или снижающие группировку и миграцию.

Рис. 12.3. Поперечное сечение ЭФИ с матричной адресацией: 1 - анод; 2 – электрод – строка; 3 – изолятор; 4 – электрод - столбец

В настоящее время ресурс простейших ЭФИ превышает 108 циклов, более сложных (цифровые, матричные) — 5·107 (108 циклов при частоте переключения 1 Гц составляют 4 мес. непрерывной работы). По мере повышения требований к индикаторам появились новые материалы и конструкции ЭФИ.

Для устранения осаждения частиц при поперечной миграции, а также других гидродинамических эффектов отдельная ячейка ЭФИ

разбивалась на малые элементы размером 50 Х 50 мкм узкими и высокими (до 50 мкм) стенками.

Амплитудную характеристику нужной формы для матричной адресации можно получить введением в ЭФИ третьего электрода (рис. 12.3). В таком индикаторе имеется сплошной электрод — анод. Второй электрод на противоположной стороне индикатора представляет собой систему полос. Дополнительный (третий) электрод состоит также из полос шириной 5 мкм и шагом 25 мкм, расположенных ортогонально второму электроду и отделенных от него тонким (0,5 мкм) слоем диэлектрика. Принцип действия такого ЭФИ следующий. При подаче положительного потенциала 30 В на все столбцы частицы пигмента вводятся в ячейки. Затем на аноде устанавливают потенциал 50 В. Пигмент остается в ячейках из-за существующей разности потенциалов. Для адресации элемента ЭФИ потенциал столбца У понижается, например, в 2 раза, а потенциал строки Х устанавливается равным или большим потенциала столбца У. Тогда пигмент в этом элементе переносится электрическим полем, обусловленным положительным напряжением на аноде.

Разность потенциалов между строкой и столбцом для остальных элементов вдоль Х и У становится меньше половины величины, соответствующей нормальному режиму с разностью потенциалов 30 В. Геометрия ячейки и уровни напряжения выбираются так, чтобы пигментные частицы, покинувшие другие элементы ЭФИ, отсутствовали и, следовательно, не было бы проблемы полувыборки. Напряжение адресации на строках и столбцах во время вывода должно быть приложено лишь в течение времени, необходимого для ухода пигментных частиц из ячеек.

Разрешающая способность такого ЭФИ при наблюдении со стороны управляющего электрода ограничена только возможностями фотолитографии, которая применяется для формирования ячеек. В настоящее время разрешающая способность составляет 5 мм-1 и может быть увеличена до 10— 15 мм-1. Высказывается предположение, что именно эта конструкция может стать основой для создания сложных многофункциональных ЭФИ с мультиплексной адресацией.