KR100600785B1 - 전기영동 디스플레이용 잉크 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기영동 디스플레이 잉크의 제조기술에 관한 것이며, 보다 상세하게는 안료로 사용되는 무기입자에 밀도조절제를 코팅하여 전기영동 디스플레이 장치에 적합한 제타전위을 가지는 디스플레이 잉크를 제조하는 기술에 관한 것으로서, 무기입자와 코팅용 고분자화합물을 용매와 함께 볼 밀에 투입하는 단계; 및 고분자화합물을 1 ㎛ 이하의 크기로 분쇄하고, 분쇄된 고분자화합물이 밀링시에 발생된 열에 의하여 무기입자 표면에 용융코팅되도록 볼 밀로 밀링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

전기영동, 전자종이, 무기입자, 제타전위, 전자잉크

Description

전기영동 디스플레이용 잉크 제조 방법{PRODUCTION METHOD OF ELECTROPHORETIC DISPLAY INK}

도 1은 전기영동 디스플레이 장치내에서 화상을 구현하는 원리를 나타내는 개략도, 그리고

도 2는 고분자화합물과 무기입자의 적정투입비를 나타내는 그래프이다.

본 발명은 전기영동 디스플레이 잉크의 제조기술에 관한 것이며, 보다 상세하게는 안료로 사용되는 무기입자에 밀도조절제를 코팅하여 전기영동 디스플레이 장치에 적합한 제타전위을 가지는 디스플레이 잉크를 제조하는 기술에 관한 것이다.

전기영동현상은 대전된 콜로이드 입자가 주위의 전기장에 따라 이동하는 현상을 말하는 것으로, 전기영동 디스플레이 장치는 이러한 전기영동 현상을 이용한 디스플레이 장치를 말하는 것이다. 구체적으로는, 도 1에 도시하였듯이 특정한 색을 띄거나 투명한 유전 유체 속에 흑,백,청 또는 기타 다양한 색을 띄는 무기입자를 콜로이드 상태로 분산시키면 주위 전기장의 형태와 대전패턴으로 인하여 무기입 자가 상부(a) 또는 하부(b)로 이동하게 되는데, 이동하는 무기입자가 반사하는 색상과 유체의 색상에 의하여 색상의 변화를 일으키게 하는 디스플레이 장치를 말하는 것이다.

이러한 디스플레이 장치는, 기존의 EL(Electro Luminescent) 이나 LCD(Liquid Crystal Display) 장치와 같은 발광형 장치에 비하여 제조비용이 저렴하고 휴대가 용이하여 향후, 전자종이, 전자북, 전자잡지 등에 사용되는 디스플레이로 널리 사용될 전망이다.

이러한 전기영동 디스플레이 장치내에서 무기입자는 전기장에 의하여 화상을 구현한 후 전기장을 제거한 후에도 그 화상을 그대로 유지하는 높은 쌍안정성(bistability)을 가져서 아무런 추가적인 에너지 없이 화상을 저장하는 기능도 가질 수 있다. 그런데, 이러한 안정성을 가지기 위해서는 무기입자와 유전유체의 밀도가 동일하여 무기입자가 밀도차이로 인하여 부상하거나 침전되는 현상이 없어야 한다.

그러나, 통상 사용되는 무기입자와 유전유체는 그 구성원소가 완전히 다른 물질이므로 무기입자 단독으로는 유전유체와 동일한 겉보기 밀도를 가지기 곤란하다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 무기입자에 저밀도의 고분자를 코팅하여 전체 밀도를 유전유체와 유사하게 되도록 조절하는 개념이 제안되었다.

이러한 고분자 코팅을 위하여, 종래에는 에틸렌을 이용하여 중합하면서 무기입자 표면에 폴리에틸렌을 코팅하는 방법 등과 같은 유화중합법을 적용하는 방법들이 제안되었는데, 이러한 방법은 무기입자를 먼저 분산시킨 후 중합과 함께 균일 코팅을 해야 하므로 공정이 복잡하고 비 경제적이고, 에틸렌이 무기입자표면에서 중합되면서 코팅되게 하기 위하여 교반기(stirrer)를 이용하여 교반을 시켜주게 되는데 상기 교반기의 회전속도에 따라 입자 크기의 차이가 현저하게 발생되어 입도 제어가 곤란하다는 문제가 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 보다 간단한 방법으로 저분자 폴리에틸렌과 무기입자를 유기 용매에 투입한다음 가열하면 폴리에틸렌이 녹으면서 무기입자 주위에 코팅이 되는 현상을 이용하는 기술이 제안되었다. 그러나 이러한 기술은 무기입자와 폴리에틸렌 만의 결합만이 아니라, 폴리에틸렌자체의 응집과 무기입자 자체의 응집도 같이 일어나기 때문에, 최종적으로는 불균질한 무기입자/폴리에틸렌 복합체가 생성된다는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 간단한 공정을 통하여 고분자 물질이 무기입자에 균질하게 코팅되게 할 수 있는 전기영동 디스플레이용 전자잉크 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 20V 이하의 낮은 구동전압에서도 작동이 원활한 전기영동 디스플레이용 전자잉크 제조방법을 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징적인 구성은, 무기입자와 코팅용 고분자화합물을 용매와 함께 볼 밀에 투입하는 단계; 및 고분자화합물을 1 ㎛ 이하의 크기로 분쇄하고, 분쇄된 고분자화합물이 밀링시에 발생된 열에 의하여 무 기입자 표면에 용융코팅되도록 볼 밀로 밀링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 고분자화합물과 무기입자의 투입 중량비율, 즉 [고분자화합물 중량/무기입자 중량]은 2.2~5.1배 사이인 것이 바람직하다.

또한, 용매의 양은 고분자화합물과의 무게비율로 5~8%인 것이 바람직하다.

그리고, 사용되는 고분자화합물은 융점이 200℃ 이하인 투명한 고분자화합물인 것이 바람직하다.

또한, 고분자화합물은 -CH₂-기를 가지는 고분자유기화합물인 것이 바람직하다.

이후, 상기 고분자화합물이 코팅된 무기입자가 현탁된 용액에, 용매와 분산제를 추가하는 단계 및 상기 추가적인 용매와 분산제가 추가된 용액에 열을 가하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 단계에서 투입되는 추가적인 용매의 양은 초기 투입된 용매의 양의 20% 이내인 것이 바람직하다.

또한, 투입되는 분산제의 양은 투입후 콜로이드 용액의 제타전위가 -100mV 이하가 되도록 용매의 투입 양에 대해 무게비로 0.9~5.0% 범위에서 조절하는 것이 바람직하다. 2개 이상의 전자잉크용 안료를 사용하는 경우에는 제타전위의 크기를 오히려 zero 또는 극성을 반대로 갖도록 하는 것이 필요한데 이때에는 분산제의 양 또는 종류를 조절하면된다.

그리고, 분산제는 상기 코팅용고분자화합물과 반응하여 콜로이드 입자를 대전시킬 수 있도록 OLOA1200(Chevron사 제품)인 것이 바람직하다.

이하 본 발명의 특징적인 구성에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

상기 종래기술의 문제점에서도 지적하였듯이, 벌크 상태의 고분자화합물을 직접적으로 무기입자 표면에 코팅하는 것은 무기입자의 응집과 고분자화합물의 자체 응집등으로 인하여 개개의 무기입자에 고분자화합물이 코팅되는 것이 아니라, 응집된 무기입자에 고분자화합물이 코팅되거나 아니면 고분자화합물 자체의 응집이 일어나는 문제가 발생할 수 있었다. 본 발명의 발명자들은 이러한 문제를 해결하기 위하여 연구검토한 결과, 고분자화합물을 일단 1 마이크론 이하의 크기로 분쇄한 후, 분쇄된 고분자화합물이 무기입자에 코팅되도록 하면 미세한 크기의 고분자화합물이 코팅된 무기입자를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있었다. 사용되는 무기입자는 큰 제약이 없으며, 다만 원하는 색상에 따라 다양하게 적용할 수 있는데, 예를 들면 흰색을 띄게 하기 위해서는 본 실시예와 동일하게 이산화티타늄을 사용하고, 적색을 띄게 하기 위해서는 Fe₂O₃를 사용하며 흑색을 띄게 하기 위해서는 카본 블랙, 녹색을 띄게 하기 위해서는 Cr₂O₃ 등을 사용하면 된다.

이러한 사실을 바탕으로 하여 높은 분쇄에너지를 제공할 수 있는 볼밀을 이용한 고분자화합물의 코팅방법을 발명하게 되었는데, 고분자화합물과 무기입자를 용매와 함께 볼밀에 넣고 분쇄할 경우 고분자화합물이 1 마이크론 이하의 미세한 입자로 분쇄되고 분쇄된 고분자화합물이 분쇄시에 발생된 마찰열로 인하여 용융되 어 무기입자의 표면에 코팅될 수 있다. 이러한 과정을 통하여 고분자화합물이 코팅된 미세한 무기입자를 얻을 수 있으며 상기 종래의 기술에서와 같은 무기입자들의 응집과 같은 현상은 거의 발생되지 않는다.

이때, 투입되는 고분자화합물은 무기입자의 투입양에 비해 무게비로 2.2 ~ 5.1배 사이인 것이 바람직한데, 2.2배 보다 낮을 경우에는 고분자화합물이 충분히 코팅되기 어려우며, 5.1배보다 높을 경우에는 코팅효과는 증대되지 않으면서 여분의 고분자화합물의 증가로 오히려 분산효과가 떨어지고 나중에 분산제의 소모량만 증가하기 때문이다. 또한, 고분자 화합물이 충분히 코팅되지 않을 경우에는 후속되는 전자잉크를 제조하는 공정에서 투입되는 분산제와 수소이온교환이 충분히 일어나지 않게 된다. 상기와 같은 결과로 적정 범위이내로 고분자화합물을 투입하지 않을 경우에는 제조되는 전자잉크의 제타전위가 -100mV 이하로 제조될 수 없게 되고, 그 결과 본 발명에서 목적으로 하는 구동전압이 20V 이하인 경우에서도 작동되는 전자잉크를 제조하기 힘들다. 도 2에 제타전위와 고분자화합물(본 도에서는 고분자화합물로 폴리에틸렌이 사용되었다)/무기입자(본 경우에서는 TiO₂)의 비와의 관계를 나타내었다.

또한, 상기 고분자화합물 및 무기입자와 함께 투입되는 용매의 양은 무게비율로 상기 고분자화합물의 투입량에 비하여 5~8%인 것이 바람직한데 상기 비율보다 낮을 경우에는 무기입자가 응집되는 경향이 강하고, 상기 비율보다 높은 경우에는 분쇄 및 코팅 효과가 감소되기 때문이다.

또한, 상기와 같은 볼밀에 의한 분쇄공정시에는 약 200℃ 정도의 고열이 발생하게 되고 이러한 고열로 인하여 고분자화합물이 용융코팅되는 것이므로, 상기 고분자화합물은 이러한 온도 범위에서 충분히 용융될 수 있도록 융점이 200℃ 이하인 것이 바람직하며, 무기입자의 색을 구현할 수 있도록 투명한 것이 바람직하다. 이러한 성질을 만족시키는 고분자화합물로는 폴리에틸렌이나 폴리스틸렌 등과 같은 물질을 들 수 있다.

상기와 같은 공정을 통하여 고분자화합물이 코팅된 콜로이드 용액을 얻을 수 있다.

그런데, 상기와 같은 콜로이드 용액을 직접 전자잉크에 사용되는 용액으로 하기 위해서는 하기와 같은 공정을 추가하는 것이 바람직하다.

상기의 콜로이드 용액은 콜로이드 입자(고분자화합물이 코팅된 무기입자)가 형성되기 적합하도록 용매의 투입량을 제한하였기 때문에, 점도와 제타 전위가 적정한 범위내에 있지 않아 전자잉크에 사용하기에는 곤란하기 때문이다. 즉, 전기영동 디스플레이에 사용되는 전자잉크는 용매내에 콜로이드입자가 분산되고 이러한 분산된 콜로이드 입자가 주위의 전기장에 의하여 이동하는 현상을 이용하는 것인데, 이러한 현상을 이용하기 위해서는 콜로이드 입자의 이동성이 좋아야 하며, 상기의 이동성을 확보하기 위해서는 용액의 점도가 낮아야 하며, 콜로이드 입자의 제타 전위가 적정한 범위에 있어야 하기 때문이다.

따라서, 용액의 점도를 감소시키기 위해서는 전단계에서 추가된 용매의 부피에 대하여 10~20% 이내의 비율로 추가적인 용매를 투입하여야 한다. 10% 이하의 양을 투입하면 점도 감소 효과가 미약하며, 20% 이상 투입할 경우에는 점도 감소 정도는 높으나 용액내 콜로이드 입자의 농도가 감소하여 대조비가 높은 화상을 구현하기에 곤란하기 때문이다.

또한, 전자잉크로 적용하기 위한 제타 전위를 확보하기 위해서는, 예를 들면 아민(-NH₂)기를 가지는 고분자화합물과 같은 물질(예를 들면 Chevron 사의 OLOA1200)을 분산제로 투입할 필요가 있다. 상기와 같은 고분자화합물의 아민기는 폴리에틸렌과 같은 코팅물질에 존재하는 -CH₂-기와 반응하여 암모늄(-NH₃ ⁺)기로 되며 -CH₂-기를 -CH^--기로 변화시키며 이러한 과정이 산과 염기의 상호작용과 함께 동적평형상태로 지속되어 콜로이드 입자는 음전하를 띄게 되고, 분산제는 양전하를 띄게 되어 콜로이드 입자는 적절히 분산되고, 제타전위을 가지게 되게 때문이다. 상기와 같은 이유로 투입되는 분산제의 양은 콜로이드 입자의 제타전위에 영향을 미치게 되고, 그 필요량은 분산제와 콜로이드 입자의 종류에 따라 달라지지만 약 20V 이하의 저전압에서도 작동가능한 전기영동 디스플레이 장치에 적합한 -100mV 이하의 제타전위을 가지도록 투입되면 된다.

상기와 같은 분산제의 투입 후에는 용액을 가열할 필요가 있는데, 용액의 가열로 인하여 상기 분산제와 콜로이드 입자간의 반응에 적합하도록 코팅층이 안정화되기 때문이다. 가열온도는 30 내지 75℃가 적합한데 40℃에서 3시간 열처리 하는 것이 바람직하다. 그 이유는 상기 온도 범위보다 낮을 경우에는 가열효과가 미미하여 가열에 필요한 시간이 장시간 소요되기 때문이며, 상기 온도 범위보다 높을 경우에는 코팅층이 부분적으로 용융되어 콜로이드 입자의 응집이 심해지기 때문이다.

상기의 본 발명의 특징적인 구성을 바탕으로 하기와 같은 실험을 행하였다.

(실시예)

1. 안료의 역할을 하는 무기입자로서 이산화티타늄(TiO₂)을 사용하였으며, 밀도조절을 위한 코팅제인 분자량이 4000인 고분자화합물로 폴리에틸렌을 사용하였다. 용매로는 저유전상수를 갖는 시클로헥산를 사용하였다. 상기 무기입자는 원하는 색상에 따라 다양하게 적용할 수 있는데, 예를 들면 흰색을 띄게 하기 위해서는 본 실시예와 동일하게 이산화티타늄을 사용하고, 적색을 띄게 하기 위해서는 Fe₂O₃를 사용하며 흑색을 띄게 하기 위해서는 카본 블랙, 녹색을 띄게 하기 위해서는 Cr₂O₃ 등을 사용하면 된다.

2. 폴리에틸렌의 분쇄를 위한 볼밀로는 서브마이크론(1마이크론 이하) 크기까지 밀링이 가능한 고에너지 볼밀인 유성형(planetary) 볼밀을 사용하였다.

3. 상기 볼밀의 바울(bowl)은 80cc 용량의 것을 이산화티타늄과 폴리에틸렌은 각각 1.4g, 4.9g의 양을 투입하였다. 이들과 함께 투입되는 용매는 100ml의 양으로 조절하였다.

4. 상기 볼밀을 450rpm 의 회전속도로 2시간 가동하여 졸 형태의 폴리에틸렌이 코팅된 이산화티타늄 콜로이드 용액을 얻을 수 있었다. 그러나, 상기 볼밀의 가동시간은 실질적으로는 1시간 이상이면 충분하고, 회전속도도 150 내지 600rpm의 범위내에 있으면 원하는 콜로이드 용액을 얻을 수 있다.

5. 상기의 콜로이드 용액에 20cc의 용매를 추가하였으며, 분산제로는 아민기를 가진 OLOA1200(Chevron사 제품) 을 1.0g 투입하였다.

6. 상기 추가 투입공정 이후 40℃의 항온조에서 3시간 정도 열처리를 실시하였다.

상기의 공정을 수회 실시하여 각 결과를 분석한 결과 콜로이드 입자의 응집현상은 거의 발견되지 않았으며, 종래의 유화 중합법에 비하여 훨씬 간편한 과정으로 안정한 전자잉크용 콜로이드를 제조할 수 있다는 것을 알 수 있었다.

또한, 상기의 과정으로 제조한 전자잉크의 제타 전위의 크기는 경우에 따라 약간씩 오차는 있었으나 대략적으로 - 100 내지 - 120mV의 범위내에 있는 것을 확인할 수 있었다.

본 발명에 의하면, 미세한 크기의 콜로이드 입자로서 무기입자에 고분자화합물이 코팅된 콜로이드 입자를 응집현상 없이 간편하고 경제적으로 제조할 수 있으며, 이를 이용하여 약 20V 이하의 저전압에서도 용이하게 작동하는 전기영동 디스플레이 잉크를 효과적으로 제조할 수 있다.

Claims (9)

1. 전기영동 디스플레이의 안료용 무기입자와 폴리에틸렌 및 폴리스티렌 중 1종또는 2종으로 이루어진 코팅용 고분자화합물을 전기영동 디스플레이의 유전유체로 사용되는 용매와 함께 볼 밀에 투입하는 단계; 및

   고분자화합물을 1 ㎛ 이하의 크기로 분쇄하고, 분쇄된 고분자화합물이 밀링시에 발생된 열에 의하여 무기입자 표면에 용융코팅되도록 볼 밀로 밀링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자잉크 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 코팅용 고분자화합물의 투입량은 전기영동 디스플레이의 안료용 무기입자의 투입양에 비해 무게비로 2.2~5.1배 사이인 것을 특징으로 하는 전자잉크 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 코팅용 고분자화합물 및 전기영동 디스플레이의 안료용 무기입자와 함께 투입되는 용매의 양은 무게비율로 상기 고분자화합물의 투입량의 5~8%인 것을 특징으로 하는 전자잉크 제조방법.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자화합물이 코팅된 무기입자가 현탁된 용액에, 용매와 분산제를 추가하는 단계 및 상기 추가적인 용매와 분산제가 추가된 용액에 열을 가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자잉크 제조방법.
7. 제 6 항에 있어서, 투입되는 추가적인 용매의 양은 부피기준으로 초기 투입된 용매의 양의 10~20% 인 것을 특징으로 하는 전자잉크 제조방법.
8. 제 6 항에 있어서, 투입되는 분산제의 양은 투입후 콜로이드 용액의 제타전위의 크기가 - 100mV 이하가 되도록 조절하는 것을 특징으로 하는 전자잉크 제조방법.
9. 제 6 항에 있어서, 투입되는 분산제는 OLOA1200(Chevron사 제품)인 것을 특징으로 하는 전자잉크 제조방법.

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