[发明专利]一种双稳态光子晶体彩色电子墨水材料及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种基于双稳态光子晶体彩色电子墨水材料。该光子晶体彩色电子墨水材料主要由表面带电荷的纳米胶粒，电泳分散液以及聚合物添加剂组成。凭借胶粒自发析出形成胶体晶，可实现胶粒有序排列的、具有结构色的第一稳态显示。通过在分散介质中引入聚合物来增加胶粒运动的粘滞阻力，平衡晶格坍缩后胶粒之间较强的库伦排斥作用，从而实现胶粒无序堆积下无色透明的第二稳态显示。两种稳态显示均无需外电压维持，且可以通过施加短促的正向和反向电压，实现快速可逆转换，适于发展基于光子晶体的电子墨水显示技术。

技术领域

本发明属于光子晶体材料应用领域以及电子墨水技术领域，具体涉及一种双稳态光子晶体彩色电子墨水材料及其制备和应用。

背景技术

电子墨水是一种通过胶粒显色、具有双稳态或多稳态、且由电场控制输出的新型动态显示技术，被广泛应用于电子阅读器、电子标签以及公交站牌等显示设备。早在1998年，Joseph Jacobson等人首次将黑白两色的胶体粒子封装在微胶囊内，当正向及反向电场分别作用于电子墨水时，具有不同表面电荷的胶体颗粒会在静电吸引作用下电泳至相应电极附近，使电子墨水呈现出黑色或白色的图案。由于采用了与胶粒密度匹配的分散介质，当电场撤去后，电子墨水能够保持当前的颜色状态。与发光二极管和液晶显示器等显示设备相比，电子墨水具有护眼、省电、低成本等主要优点。作为一种反射型显示器件，电子墨水没有任何电磁波发射，观感近似传统油墨，长时间使用更加护眼。电子墨水屏具有双稳态特性，保持图像不消耗电能，且无需背光模组，具有低功耗、节能环保的特性。此外，电子墨水的主要材料均为廉价的化学品，且制造成本也不高。目前，黑白显色的电子墨水已经在各种场合广泛使用，而彩色电子墨水也正在开启商业化之路，包括多色胶粒型彩色电子墨水和滤光片复合型彩色电子墨水。前者依靠三种或四种不同颜色胶粒的电泳实现彩显，制备工艺复杂，电场控制也需更加精准；而后者通透性不佳，色彩饱和度大幅降低。

电响应光子晶体具有高饱和、可调变的结构色，是传统电子墨水的理想升级材料，有望发展成为彩色电子墨水，近年来引起人们的广泛关注。与电子墨水工作原理相似的是，当电场作用于电响应光子晶体时，晶体中的带电胶粒会在电场力作用下向相反电荷的电极电泳迁移。不同的是，这种定向电泳会使得光子晶体的晶格发生收缩，反射峰发生蓝移，因此可以通过调节外场电压即电场强度来实现全彩色反射型显示。基于上述原理，研究人员开发了二氧化钛胶粒乙二醇溶液(TiO₂/EG)、聚苯乙烯胶粒水溶液(PS/H₂O)、硫化锌@二氧化硅核壳胶粒水溶液(ZnS@SiO₂/H₂O)、氧化铈@二氧化硅核壳胶粒碳酸丙烯酯溶液(CeO₂@SiO₂/PCb)等一系列电响应光子晶体，为其在彩色显示器件中的应用奠定了基础。

目前，限制光子晶体彩色电子墨水的最大障碍是传统的电响应光子晶体并不具有双稳态结构。施加电场时，光子晶体中的胶粒间距较近，胶粒之间的静电斥力与电极对胶粒的静电吸引力形成平衡，维持了光子晶体的晶格收缩。一旦撤去施加的电场，平衡立刻被打破，胶粒间的强静电斥力会使胶粒间距增大，直至受力重新平衡；因此光子晶体的反射峰会逐渐红移至初始位置，而结构色也随之恢复至初始状态。换言之，传统电响应光子晶体需要持续施加电场作用才能保持图像显示，无法实现电子墨水的无电场稳态显示。由此可见，开发一种具有双稳态特性的电响应光子晶体，对于推动彩色电子墨水的发展、推动光子晶体在显示领域的应用均具有重要的意义和实用价值。

发明内容