Elektronische Tinte

Elektronische Tinte ist eine spezielle Tintenart, die unterschiedliche Farben anzeigen kann, wenn sie einem elektrischen Feld ausgesetzt wird. Es wird in einem zweistufigen Prozess hergestellt, bei dem zweifarbige geladene Partikel erzeugt und in eine transparente Polymerhülle eingekapselt werden. Die resultierenden Nanopartikelhüllen werden in einem Lösungsmittel suspendiert, bis die Tinte auf eine Oberfläche aufgetragen werden kann. Die in den frühen 1990er Jahren erstmals entwickelte elektronische Tinte verspricht, die Druckindustrie zu revolutionieren und vielleicht sogar die Art und Weise, wie wir mit der Welt interagieren, zu verändern.

Hintergrund

Tinte gibt es schon seit Jahrhunderten und um eine Idee darzustellen, hat Tinte auf Papier viele Vorteile gegenüber elektronischen Displays. Papier ist leicht zu transportieren und kann fast immer und überall gelesen werden. Es benötigt keine Stromquelle und ist relativ langlebig. Tinte auf Papier hat jedoch den Nachteil, dass sie nicht aktualisiert werden kann. Elektronische Tinte wurde entwickelt, um die Vorteile von herkömmlichem Papier und Tinte beizubehalten und gleichzeitig die zusätzlichen Vorteile der Aktualisierung und der Datenspeicherung mit hoher Kapazität zu bieten.

Elektronische Tinte ist wie herkömmliche Tinte, da es sich um eine farbige Flüssigkeit handelt, die auf fast jede Oberfläche aufgetragen werden kann. In der Flüssigkeit sind Millionen von Mikrokapseln suspendiert, die winzige, zweifarbige Polymerpartikel enthalten. Eine Seite des Partikels hat eine dunkle Farbe, während die andere eine kontrastierende helle Farbe hat. Ähnlich wie bei einem Magneten hat die dunkle Seite des Partikels eine elektrische Ladung, die der hellen Seite entgegengesetzt ist. Wird die Tinte einem elektrischen Feld ausgesetzt, richten sich die Partikel je nach Feldladung neu aus. Wenn alle dunklen Seiten von der Oberfläche angezogen werden, sieht die Tinte dunkel aus. Wenn eine entgegengesetzte elektrische Ladung angelegt wird, zeigen die hellen Seiten nach vorne und die Oberfläche sieht hell aus. Diese Möglichkeit, jederzeit von Weiß zu Schwarz oder umgekehrt zu wechseln, macht elektronische Tinte äußerst nützlich. Wenn ein Buch oder eine andere Oberfläche mit elektronischer Tinte beschichtet wird, kann es umprogrammiert werden, um andere Wörter oder Bilder anzuzeigen.

In der Druckindustrie ist seit langem bekannt, dass Buchstaben und Bilder unter Verwendung unterschiedlicher Punkte oder Pixel angezeigt werden können. Je mehr Pixel näher beieinander platziert werden können, desto besser sieht das Bild aus. Auf einer Standardzeitung werden etwa 300 Pixel im Quadratzoll verwendet. Wenn elektronische Tinte in bestimmten Mengen auf eine Oberfläche aufgetragen wird, kann jedes dieser Pixel hell oder dunkel gemacht werden, je nachdem, wie das elektronische Feld angewendet wird. Drucktechnologie ist bereits verfügbar, um Oberflächen mit über 1.200 Pixeln pro Quadratzoll elektronischer Tinte zu bedecken. Diese Auflösung macht elektronische Tinte für fast alle gedruckten Arbeiten geeignet.

Die Funktionsweise eines elektronischen Tintendisplays ähnelt einem Computerbildschirm. Jedes Tintenpixel könnte von einem angeschlossenen Computer gesteuert werden. Gruppen benachbarter Pixel können ein- oder ausgeschaltet werden, um Buchstaben, Zahlen und Bilder zu erstellen. Während dies auf einem Stück Standardpapier schwierig zu erreichen ist, wird derzeit ein speziell entwickeltes Papier entwickelt, das sich wie Papier anfühlt und aussieht, aber in Wirklichkeit ein Mini-Computer mit einer Vielzahl elektrischer Schaltungen zur Steuerung jedes Pixels ist. Dieses Spezialpapier wäre jedoch nicht unbedingt erforderlich, da auch ein spezieller Scanner entwickelt werden könnte, der den gleichen Effekt hat.

Eine der nützlichsten Eigenschaften von elektronischer Tinte besteht darin, dass die Tinte nach dem Entfernen des elektrischen Felds in ihrer Konfiguration verbleibt. Dadurch wird im Vergleich zu typischen elektronischen Displays nur wenig Strom benötigt. Die Konfiguration kann jedoch jederzeit geändert werden, indem ein neues elektrisches Feld angelegt wird. Dies bedeutet, dass ein Buch, das mit elektronischer Tinte gedruckt wurde, an einem Tag die Wörter eines Buches und am nächsten eines anderen Buches enthalten könnte. Wenn es mit einem Speicher ausgestattet ist, könnte ein einziges elektronisches Buch Tausende von verschiedenen Texten enthalten.

Verlauf

Während es das gedruckte Wort schon seit Jahrhunderten gibt, ist die Idee der elektronischen Tinte eine relativ neue Erfindung. In den späten 1970er Jahren entwickelten Forschungen bei Xerox PARC einen Prototyp eines elektronischen Buches. Das Gerät verwendet Millionen winziger Magnete mit entgegengesetzt gefärbten Seiten (schwarz auf der einen, weiß auf der anderen), eingebettet auf einer dünnen, weichen Gummioberfläche. Wenn eine elektrische Ladung eingeführt wurde, drehten sich die Magnete um und machten entweder eine schwarze oder eine weiße Markierung, ähnlich den Pixeln auf einem Videobildschirm. Das Gerät war nie ein kommerzieller Erfolg, da es groß und schwer zu bedienen war.

Im Laufe des nächsten Jahrzehnts wurden verschiedene Bildschirme eingeführt und die Idee eines elektronischen Buches wurde Wirklichkeit. Diese Geräte bleiben jedoch immer noch umständlicher als bedrucktes Papier. 1993 begann Joe Jacobson, ein Forscher am MIT, die Idee eines Buches zu untersuchen, das sich selbst setzt. Er konzipierte eine Variation der PARC-Idee mit reversiblen Teilchen. Schließlich schuf er elektronische Tinte, die farbige Polymere verwendet, die in eine transparente Hülle eingeschlossen sind. 1996 reichte er seine Idee zum Patent ein und wurde schließlich im Jahr 2000 damit belohnt.

Jacobson gründete die E Ink Corporation, die elektronische Tinte auf den Markt bringen sollte. Das erste kommerzielle Produkt ist das Immedia-Display. Es ist ein Werbeschild, das wie ein Papierschild aussieht und sich auch so anfühlt. Dieses Schild ist jedoch mit elektronischer Tinte beschichtet, sodass es so programmiert werden kann, dass es seine Nachricht ändert. E Ink geht davon aus, dass elektronische Tinte irgendwann in einem Bereich verwendet wird, in dem traditionelle Tinte verwendet wird, wie Zeitungen, Bücher, Zeitschriften und sogar Kleidung.

Rohstoffe

Bei der Herstellung von elektronischer Tinte werden verschiedene Rohstoffe verwendet. Diese umfassen Polymere, Reaktionsmittel, Lösungsmittel und Farbstoffe.

Polymere sind hochmolekulare Materialien, die aus chemisch gebundenen Monomeren bestehen. Um die geladenen farbigen Teile der elektronischen Tinte herzustellen, werden Polyethylen, Polyvinylidenfluorid oder andere geeignete Polymere verwendet. Diese Materialien sind nützlich, weil sie beim Erhitzen flüssig werden können, sich beim Abkühlen verfestigen und stabile Dipole mit langer Lebensdauer beibehalten.

Den Polymeren werden Füllstoffe zugesetzt, um ihre physikalischen Eigenschaften zu verändern. Da Polymere im Allgemeinen farblos sind, werden ihnen Farbstoffe zugesetzt, um den für elektronische Tinte erforderlichen Kontrast zu erzeugen. Dies können lösliche Farbstoffe oder zerkleinerte Pigmente sein. Um eine weiße Farbe zu erzeugen, kann ein anorganisches Material wie Titandioxid verwendet werden. Eisenoxide können verwendet werden, um andere Farben wie Gelb, Rot und Braun zu erzeugen. Organische Farbstoffe wie Pyrazolonrot, Chinacridonviolett und Flavanthrongelb können ebenfalls verwendet werden. Andere Füllstoffe wie Weichmacher können hinzugefügt werden, um die elektrischen Eigenschaften der Polymere zu modifizieren. Dies ist besonders wichtig für elektronische Tinte. Während der Herstellung wird das Polymer erhitzt. Aus diesem Grund werden Stabilisatoren hinzugefügt, um einen Abbau zu verhindern. Hitzestabilisatoren umfassen ungesättigte Öle wie Sojabohnenöl. Zu den hinzugefügten Schutzmaterialien gehören UV-Schutzmittel wie Benzophenone und Antioxidantien wie aliphatische Thiole. Diese Materialien tragen dazu bei, UV-Zersetzung bzw. Umweltoxidation zu verhindern.

Während des Verkapselungsprozesses von elektronischer Tinte werden verschiedene Verbindungen verwendet. Wasser wird verwendet, um eine Emulsion zu erzeugen und ein Vehikel für die stattfindende Einkapselungsreaktion bereitzustellen. Zur Herstellung der Kapselungshülle werden Monomere zugegeben. Es werden Vernetzungsmittel verwendet, die eine Reaktion der Monomere bewirken. Silikonöl ist das hydrophobe Material, das mit den farbigen Partikeln in die Kapselung eingearbeitet wird. Dieses Material stellt ein flüssiges Medium bereit, durch das sich die Partikel bewegen können, wenn das elektrische Feld angelegt wird. Es ist klar, farblos und extrem rutschig. Andere Gel- oder Polymermaterialien Elektronische Tinte besteht aus winzigen, zweifarbigen geladenen Nanopartikeln und kann unterschiedliche Farben oder Botschaften anzeigen, wenn sie einem elektrisches Feld. Je nach Ladungsart werden die Partikel von der Oberfläche angezogen oder abgestoßen, wodurch unterschiedliche Effekte entstehen. kann der Kapselung hinzugefügt werden, um die Stabilität des Systems zu verbessern.

Der Herstellungsprozess

Elektronische Tinte wird schrittweise hergestellt. Erstens werden zwei kontrastierenden Tinten entgegengesetzte Ladungen gegeben. Anschließend werden die Tinten in leitfähige Mikrokügelchen eingekapselt und auf die gewünschte Oberfläche aufgetragen.

Herstellung aufgeladener Tinte

• 1 Zwei kontrastierende flüssige Polymere werden in separate Behälter gefüllt, die angesetzte Zerstäuberdüsen haben. Die Materialien werden erhitzt, damit sie flüssig bleiben. Eine der Düsen hat ein positiv geladenes Potential, während die andere ein negatives Potential hat. Dann wird Druck verwendet, um die Tinten durch die Düsen zu drücken, wodurch sie in winzige Partikel zerbrechen und auch die entgegengesetzten Ladungen aufnehmen. Die Behälter sind nebeneinander angeordnet, sodass die Tinten beim Austritt aus den Düsen in Kontakt kommen. Da sie gegensätzliche Ladungen haben, ziehen sie sich gegenseitig an und bilden größere, neutrale Teilchen.
• 2 Nachdem sich die größeren Partikel gebildet haben, lässt man die Materialien abkühlen, wodurch sie sich verfestigen. Dies führt zu einem kleinen zweifarbigen Feststoffpartikel, der eine positive und eine negative Seite hat. Die Partikel werden dann an einem Heizelement vorbeigeführt, das die Oberflächenspannung reduziert und eine perfektere Kugel erzeugt.
• 3 Die Partikel werden dann durch eine Reihe von Elektroden geleitet, um diejenigen zu trennen, die nicht perfekt geladen sind. Beim Passieren der Elektroden werden die unvollkommenen Partikel von der entsprechenden Elektrode angezogen und dann entfernt. Der Rest der Partikel wird auf den Einkapselungsbereich übertragen.

Einkapselnde Tinte

• 4 Die Partikel werden in einen Tank bewegt, der eine flüssige Monomerlösung in einem Silikonöl enthält. Die Partikel werden gründlich gemischt, damit sie gleichmäßig verteilt werden. Diese Lösung wird mit einer wässrigen Phase kombiniert, wodurch eine Emulsion entsteht. Eine Emulsion ist eine halbstabile Mischung aus Öl und Wasser. Die elektronischen Tintenpartikel verbleiben im Silikonöl, das von Wasser umgeben ist.
• 5 Der Lösung wird ein Vernetzungsmittel zugesetzt, das bewirkt, dass das Monomer mit sich selbst reagiert. Dabei entstehen winzige Kügelchen, die etwas Silikonöl und die Partikel der elektronischen Tinte enthalten. Die Tintenpartikel können dann für verschiedene Anwendungen von der wässrigen Phase getrennt werden. Dies kann durch Verdampfen mit anschließendem Waschen mit Lösungsmittel erfolgen.
• 6 Nachdem die Reaktionen abgeschlossen sind, werden die elektronischen Tintenartikel in einem flüssigen Lösungsmittel aufbewahrt, bis sie aufgetragen werden können. Je nach Endprodukt kann dieser Auftragsprozess das Auftragen der flüssigen Tinte auf spezielles Papier, Gewebe oder andere Arten von Fasern beinhalten.

Qualitätskontrolle

Um die Qualität der elektronischen Tinte sicherzustellen, wird jede Phase des Produktionsprozesses überwacht. Da es sich um eine relativ neue Technologie handelt, wird elektronische Tinte nicht in großen, schnellen Mengen hergestellt. Aus diesem Grund kann jeder Schritt gründlich getestet werden, bevor mit dem nächsten fortgefahren wird. Die Kontrollen beginnen mit einer Bewertung der eingehenden Rohstoffe. Diese Materialien werden auf Dinge wie pH, Viskosität und spezifisches Gewicht getestet. Auch Farbe und Aussehen werden bewertet. Nachdem die elektronische Tinte fertig ist, wird sie getestet, um sicherzustellen, dass sie richtig auf ein elektrisches Feld reagiert. Das Material kann auf eine dünne Oberfläche aufgetragen werden und ein elektrisches Feld angelegt werden. Die Farbe der Oberfläche sollte sich entsprechend ändern. Die Partikelgröße wird auch mit verschiedenen Maschensieben getestet.

Die Zukunft

Die ersten Produkte mit elektronischer Tinte werden gerade eingeführt. Sie sind einfache zweifarbige Geräte, die nicht beeindruckender sind als elektronische Flachbildschirme. Künftige Generationen versprechen jedoch breite Anwendungsmöglichkeiten und können die Art und Weise, wie wir mit der Welt interagieren, erheblich beeinflussen. Die Hersteller von elektronischer Tinte hoffen, dass dieses Material zunächst in Werbetafeln im Freien, tragbaren Computergeräten, Büchern und Zeitungen verwendet wird. Aber letztendlich wird elektronische Tinte auf jede Oberfläche wie Kleidung, Wände, Produktetiketten und Autoaufkleber aufgetragen. Es wird dann in der Umgebung allgegenwärtig, sodass jede Nachricht jederzeit und überall angezeigt werden kann.

Da das derzeitige elektronische Tintenprodukt nur aus zwei Farben besteht, können die damit hergestellten Produkte kein vollfarbiges Display erzeugen. In Zukunft werden weitere Farben der elektronischen Tinte entwickelt. Wissenschaftler müssen noch herausfinden, wie diese unterschiedlichen Farben zum richtigen Zeitpunkt angezeigt werden können, aber sobald dies gelungen ist, könnte jede mit elektronischer Tinte beschichtete Oberfläche so interessant werden wie ein Fernsehbildschirm.