Encre électronique

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L'encre électronique est un type spécial d'encre qui peut afficher différentes couleurs lorsqu'elle est exposée à un champ électrique. Il est fabriqué selon un processus en deux étapes qui consiste à créer des particules chargées bicolores et à les encapsuler dans une coque polymère transparente. Les coquilles de nanoparticules résultantes sont suspendues dans un solvant jusqu'à ce que l'encre puisse être appliquée sur une surface. Développée pour la première fois au début des années 90, l'encre électronique promet de révolutionner l'industrie de l'imprimerie et peut-être même de changer la façon dont nous interagissons avec le monde.

Contexte

L'encre existe depuis des siècles et dans le but d'afficher une idée, l'encre sur papier présente de nombreux avantages par rapport aux affichages électroniques. Le papier est facile à transporter et peut être lu presque n'importe quand et n'importe où. Il ne nécessite pas de source d'alimentation et est relativement durable. Cependant, l'encre sur papier présente l'inconvénient de ne pas pouvoir être mise à jour. L'encre électronique a été conçue pour conserver les avantages du papier et de l'encre traditionnels tout en offrant les avantages supplémentaires de la mise à jour et du stockage de données haute capacité.

L'encre électronique est comme l'encre traditionnelle dans la mesure où il s'agit d'un liquide coloré qui peut être appliqué sur presque toutes les surfaces. En suspension dans le liquide, des millions de microcapsules contiennent de minuscules particules polymères bicolores. Un côté de la particule est de couleur sombre tandis que l'autre est de couleur claire contrastante. Semblable à un aimant, le côté de couleur foncée de la particule a une charge électrique opposée à celle du côté de couleur claire. Lorsque l'encre est exposée à un champ électrique, les particules se réalignent en fonction de la charge du champ. Lorsque tous les côtés de couleur foncée sont attirés par la surface, l'encre semble sombre. Lorsqu'une charge électrique opposée est appliquée, les côtés de couleur claire sont orientés vers l'avant et la surface semble claire. Cette possibilité de passer du blanc au noir ou vice versa à tout moment rend l'encre électronique extrêmement utile. Lorsqu'un livre ou une autre surface est enduite d'encre électronique, il peut être reprogrammé pour afficher différents mots ou images.

Il est connu depuis longtemps dans l'industrie de l'imprimerie que les lettres et les images peuvent être affichées à l'aide de points distincts, ou pixels. Plus il y a de pixels qui peuvent être rapprochés les uns des autres, meilleure est l'image. Sur un journal standard, environ 300 pixels sont utilisés dans la zone d'un pouce carré. Lorsque de l'encre électronique est appliquée sur une surface en quantités spécifiques, chacun de ces pixels peut être rendu clair ou sombre selon la façon dont le champ électronique est appliqué. La technologie d'impression est déjà disponible pour couvrir des surfaces avec plus de 1 200 pixels par pouce carré d'encre électronique. Cette résolution rend l'encre électronique adaptée à presque tous les travaux imprimés.

Le fonctionnement d'un affichage à encre électronique ressemble beaucoup à celui d'un écran d'ordinateur. Chaque pixel d'encre peut être contrôlé par un ordinateur connecté. Des groupes de pixels adjacents peuvent être activés ou désactivés pour créer des lettres, des chiffres et des images. Bien que cela puisse être difficile à réaliser sur un morceau de papier standard, un papier spécialement conçu est en cours de développement. Ce papier spécial ne serait cependant pas indispensable car un scanner spécial pourrait également être développé pour avoir le même effet.

L'une des caractéristiques les plus utiles de l'encre électronique est qu'une fois le champ électrique supprimé, l'encre reste dans sa configuration. Cela signifie que seule une petite quantité d'énergie est requise par rapport aux écrans électroniques typiques. La configuration peut cependant être modifiée en appliquant un nouveau champ électrique à tout moment. Cela signifie que si un livre était imprimé à l'encre électronique, il pourrait contenir les mots d'un livre un jour et d'un autre livre le lendemain. S'il est équipé d'un stockage en mémoire, un seul livre électronique peut contenir des milliers de textes différents.

Historique

Alors que le mot imprimé existe depuis des siècles, l'idée de l'encre électronique est une invention relativement récente. À la fin des années 1970, des recherches au Xerox PARC ont développé un prototype de livre électronique. L'appareil utilisait des millions de minuscules aimants qui avaient des côtés de couleurs opposées (noir sur l'un, blanc sur l'autre) incrustés sur une surface mince et douce en caoutchouc. Lorsqu'une charge électrique a été introduite, les aimants se sont retournés, créant une marque noire ou blanche semblable à des pixels sur un écran vidéo. L'appareil n'a jamais été un succès commercial car il était volumineux et difficile à utiliser.

Au cours de la décennie suivante, divers écrans ont été introduits et l'idée d'un livre électronique est devenue une réalité. Cependant, ces dispositifs restent encore plus encombrants que le papier imprimé. En 1993, Joe Jacobson, chercheur au MIT, a commencé à étudier l'idée d'un livre qui se compose lui-même. Il a conçu une variation de l'idée PARC en utilisant des particules réversibles. Finalement, il a créé une encre électronique, qui utilise des polymères colorés enfermés dans une coque transparente. Il a déposé son idée pour brevet en 1996 et a finalement été récompensé en 2000.

Jacobson a formé E Ink Corporation, qui a été conçue pour mettre l'encre électronique sur le marché. Le premier produit commercial est le présentoir Immedia. C'est un panneau publicitaire qui ressemble à un panneau en papier. Cependant, ce signe est enduit d'encre électronique lui permettant d'être programmé pour changer son message. E ink prévoit que l'encre électronique sera éventuellement utilisée dans un domaine où l'encre traditionnelle est utilisée, comme les journaux, les livres, les magazines et même les vêtements.

Matières premières

Diverses matières premières sont utilisées dans la production d'encre électronique. Ceux-ci comprennent des polymères, des agents de réaction, des solvants et des colorants.

Les polymères sont des matériaux de poids moléculaire élevé qui sont constitués de monomères liés chimiquement. Pour fabriquer les parties colorées chargées de l'encre électronique, on utilise du polyéthylène, du fluorure de polyvinylidène ou d'autres polymères appropriés. Ces matériaux sont utiles car ils peuvent devenir liquides lorsqu'ils sont chauffés, se solidifier lorsqu'ils sont refroidis et maintiennent des dipôles stables et durables.

Des matériaux de remplissage sont ajoutés aux polymères pour modifier leurs caractéristiques physiques. Les polymères étant généralement incolores, des colorants leur sont ajoutés pour produire le contraste nécessaire à l'encre électronique. Il peut s'agir de colorants solubles ou de pigments broyés. Pour produire une couleur blanche, un matériau inorganique tel que le dioxyde de titane peut être utilisé. Les oxydes de fer peuvent être utilisés pour produire d'autres couleurs comme le jaune, le rouge et le marron. Des colorants organiques tels que les rouges de pyrazolone, le violet de quinacridone et le jaune de flavanthrone peuvent également être utilisés. D'autres charges telles que des plastifiants peuvent être ajoutées pour modifier les caractéristiques électriques des polymères. Ceci est particulièrement important pour l'encre électronique. Pendant la production, le polymère est chauffé. Pour cette raison, des stabilisants sont ajoutés pour l'empêcher de se décomposer. Les stabilisants thermiques comprennent les huiles insaturées comme l'huile de soja. Les matériaux protecteurs qui sont ajoutés comprennent des protecteurs UV tels que les benzophénones et des antioxydants tels que les thiols aliphatiques. Ces matériaux aident respectivement à prévenir la dégradation par les UV et l'oxydation environnementale.

Au cours du processus d'encapsulation d'encre électronique, divers composés sont utilisés. L'eau est utilisée pour créer une émulsion et fournir un véhicule pour que la réaction d'encapsulation ait lieu. Des monomères sont ajoutés pour produire la coque d'encapsulation. Des agents de réticulation qui provoquent la réaction des monomères sont utilisés. L'huile de silicone est le matériau hydrophobe qui s'incorpore aux particules colorées dans l'encapsulation. Ce matériau fournit un milieu liquide pour les particules à traverser lorsque le champ électrique est appliqué. Il est clair, incolore et extrêmement glissant. Autres gels ou matériaux polymères Composée de minuscules nanoparticules chargées bicolores, l'encre électronique peut afficher différentes couleurs ou messages lorsqu'elle est exposée à un champ électrique. Selon le type de charge, les particules seront attirées ou repoussées de la surface, créant ainsi des effets différents. peuvent être ajoutés à l'encapsulage pour améliorer la stabilité du système.

Le processus de fabrication

L'encre électronique est fabriquée par étapes. Premièrement, deux encres contrastées reçoivent des charges opposées. Ensuite, les encres sont encapsulées dans des microsphères conductrices et appliquées sur la surface souhaitée.

Production d'encre chargée

• 1 Deux polymères liquides contrastés sont chargés dans des conteneurs séparés auxquels sont attachées des buses d'atomisation. Les matériaux sont maintenus chauffés afin qu'ils restent liquides. L'une des buses a un potentiel chargé positivement tandis que l'autre a un potentiel négatif. La pression est ensuite utilisée pour forcer les encres à travers les buses, les amenant à se briser en minuscules particules et à acquérir également les charges opposées. Les conteneurs sont situés les uns à côté des autres, de sorte que lorsque les encres sortent des buses, elles entrent en contact. Comme ils ont des charges opposées, ils sont attirés les uns par les autres et forment des particules neutres plus grosses.
• 2 Une fois que les plus grosses particules se sont formées, les matériaux peuvent refroidir, ce qui les fait se solidifier. Il en résulte une petite particule solide bicolore qui a un côté positif et un côté négatif. Les particules passent ensuite devant un élément chauffant qui réduit la tension superficielle et crée une sphère plus parfaite.
• 3 Les particules sont ensuite passées à travers un jeu d'électrodes pour séparer celles qui sont imparfaitement chargées. En passant devant les électrodes, les particules imparfaites sont attirées vers l'électrode correspondante puis éliminées. Le reste des particules est transféré vers la zone d'encapsulation.

Encre d'encapsulation

• 4 Les particules sont déplacées dans un réservoir qui contient une solution liquide de monomère dans une huile de silicone. Les particules sont soigneusement mélangées afin qu'elles soient uniformément dispersées. Cette solution est associée à une phase aqueuse qui crée une émulsion. Une émulsion est un mélange semi-stable d'huile et d'eau. Les particules d'encre électronique restent dans l'huile de silicone qui est entourée d'eau.
• 5 Un agent de réticulation est ajouté à la solution qui fait réagir le monomère avec lui-même. Cela produit de minuscules sphères qui contiennent de l'huile de silicone et des particules d'encre électronique. Les particules d'encre peuvent ensuite être séparées de la phase aqueuse pour diverses applications. Cela peut être fait par évaporation suivie d'un lavage au solvant.
• 6 Une fois les réactions terminées, les articles d'encre électronique sont stockés dans un solvant liquide jusqu'à ce qu'ils puissent être appliqués. Selon le produit final, ce processus d'application peut impliquer l'étalement de l'encre liquide sur du papier spécialisé, du tissu ou d'autres types de fibres.

Contrôle qualité

Afin de garantir la qualité de l'encre électronique, chaque phase du processus de production est surveillée. Comme il s'agit d'une technologie relativement nouvelle, l'encre électronique n'est pas fabriquée en grande quantité et rapidement. Pour cette raison, chaque étape peut être minutieusement testée avant de passer à la suivante. Les inspections commencent par une évaluation des matières premières entrantes. Ces matériaux sont testés pour des éléments tels que le pH, la viscosité et la densité. En outre, la couleur et l'apparence sont évaluées. Une fois l'encre électronique terminée, elle est testée pour s'assurer qu'elle réagira correctement à un champ électrique. Le matériau peut être étalé sur une surface mince et avoir un champ électrique appliqué. La couleur de la surface doit changer en conséquence. La taille des particules est également testée à l'aide de divers tamis à mailles.

Le futur

Les premiers produits utilisant de l'encre électronique viennent d'être lancés. Ce sont de simples appareils bicolores qui ne sont pas plus impressionnants que les écrans électroniques à écran plat. Cependant, les générations futures promettent d'avoir de larges applications et peuvent avoir un impact significatif sur la façon dont nous interagissons avec le monde. L'espoir des fabricants d'encre électronique est que ce matériau soit initialement incorporé dans des panneaux d'affichage extérieurs, des ordinateurs de poche, des livres et des journaux. Mais en fin de compte, l'encre électronique sera appliquée sur n'importe quelle surface telle que les vêtements, les murs, les étiquettes de produits et les autocollants pour pare-chocs. Il deviendra alors omniprésent dans l'environnement afin que n'importe quel message puisse être affiché n'importe où et n'importe quand.

Étant donné que le produit d'encre électronique actuel n'est composé que de deux couleurs, les produits fabriqués avec celui-ci ne peuvent pas créer un affichage entièrement coloré. À l'avenir, davantage de couleurs d'encre électronique seront développées. Les scientifiques doivent encore trouver comment afficher ces différentes couleurs au bon moment, mais une fois cela fait, toute surface recouverte d'encre électronique pourrait devenir aussi intéressante à regarder qu'un écran de télévision.