KR20120105033A - 전기습윤, 전기유체 및 전기영동 기술용 착색 유체 - Google Patents

전기습윤, 전기유체 및 전기영동 기술용 착색 유체 Download PDF

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Abstract

전기습윤, 전기유체, 및 전기영동 발색단 장치가 기재되어 있다. 하나의 양태에서, 착색된 유체는 하나 이상의 용매 및, 당해 용매 중의 하나 이상의 올리고머성 및/또는 중합체성 염료를 포함한다. 올리고머성 염료는 하나 이상의 올리고머성 쇄에 부착된 하나 이상의 발색단을 가지며, 중합체성 염료는 하나 이상의 올리고머성 및/또는 중합체성 쇄에 부착된 하나 이상의 발색단을 갖는다. 염료는 또한 400 내지 100,000의 분자량, 25℃에서 5중량% 이상의 용매중의 용해도, 및 25℃에서 0.5 cPs 내지 2,000 cPs의 역학 점도를 갖는다. 용매가 극성인 경우, 유체는 약 0.1 μS/cm 내지 3000 μS/cm의 전도도, 15 dyne/cm 내지 90 dyne/cm의 표면장력, 및 2.0Å 미만의 반경을 갖는 일원자성 이온 및 1.45Å 미만의 반경을 갖는 다원자성 이온의 총 함량 500 ppm 미만을 갖는다. 용매가 비극성인 경우, 유체는 5 x 10 μS/cm 미만의 전도도 및 25℃에서 10 dyne/cm 내지 40 dyne/cm의 표면장력을 갖는다.

Description

전기습윤, 전기유체 및 전기영동 기술용 착색 유체{COLORED FLUIDS FOR ELECTROWETTING, ELECTROFLUIDIC, AND ELECTROPHORETIC TECHNOLOGIES}
관련 출원의 교차 참조
본 출원은 2009년 12월 18일자로 출원된 미국 가 특허원 제61/287,933호의 이익을 청구하며, 이의 기재내용은 전문이 본원에서 참조문헌으로 포함된다.
기술 분야
본 발명은 일반적으로 전기습윤(electrowetting) 분야, 및 보다 구체적으로는 전기습윤, 전기유체(electrofluidic) 또는 전기영동(electrophoretic) 장치용 착색된 유체, 및 전기습윤, 전기유체 및 전기영동 장치에 관한 것이다.
배경
2개의 비혼화성 유체들 사이의 계면장력은 전위(electrical potential)에 의해 조절될 수 있다. 이러한 기본 원리는, 영상화 물질(imaging material)의 광학 상태가 영상화 물질을 전기장 또는 전자의 수송에 처리함으로써 조절되거나 변화되는 장치, 예를 들면, 전기습윤, 전기유체, 전기영동 또는 전기변색 장치를 포함하는 전기-광학 조절된 디스플레이(elecro-optical modulated display)의 다양하고 연속 성장하는 그룹에서 사용된다.
전기습윤은 고 휘도(brightness), 콘트라스트 비, 큰 시야각(viewing angle) 및 신속한 변환 속도의 바람직한 조합에 부분적으로 기인하여 다양한 과학 적용을 위한 매력적인 조절 계획이 되어 왔다. 또한, 전기습윤 디스플레이의 전력 소비는 비교적 낮은데 그 이유는 이들이 프런트라이팅 또는 백라이팅을 필요로 하지 않기 때문이다. 예를 들면, 전기습윤을 사용하여 카메라 및 안내 시스템, 과학 픽업 장치, 광도파관 물질, 및 비디오 디스플레이 화소를 위한 섬유 광학장치, 광학 셔터 또는 필터를 위한 광학 스위치를 제공해 왔다. 용어 "전기습윤"은 소수성 표면을 갖는 액체의 접촉 각 위의 전기장의 영향을 기술한다. 전기장 내에서, 액체는 장치의 스펙트럼 특성에서의 변화를 일으키는 액체를 초기에 반박하는 표면 위에서 분배하거나 또는 이를 습윤시킨다. 전기장이 제거되는 경우, 접촉 각은 증가하며 액체는 영역 내로 접촉하여 스펙트럼 특성들이 초기 상태로 복귀한다.
초기 전기습윤 시스템은 물 및, 물과 기타 극성 용매의 혼합물을 사용하였다. 그러나, 물의 물리적 특성, 예를 들면, 높은 온도 및 동결점은 장치와 같은 제품을 제한한다. 물, 기타 용매, 예를 들면, 글리콜, 프로필렌 카보네이트, 디에틸카보네이트, 디아세톤 알콜, 사이클로헥사논, 부틸아세테이트, 프로필아세테이트, 감마-부티로락톤, 에틸헥산올, 및 이온성 유체는 물을 대체하는 것으로 제안되어 왔다. 일반적으로 사용된 비극성 용매는 알칸, 예를 들면, 데칸, 도데칸 및 테트라데칸, 플루로오알칸, 방향족 및 부분 수소화된 방향족 탄화수소, 헤테로사이클릭 방향족 화합물, 고급 알콜 및 카복실산 및 실리콘 오일을 포함한다.
착색된 비혼화성 유체(colored immiscible fluid)는 전기유체 및 전기습윤 장치의 필수불가결한 부분이며, 여기서 가시적 정보 및 영향의 재생이 적용을 위해 필요하다. 통상적인 전기습윤 장치는 전형적으로 절연 불소중합체 위에 필름을 형성하는 착색된 오일을 갖는다. 이러한 착색된 오일 필름은 장치에 가시적 색상을 부여한다. 오일 필름 위에 위치한 수 층과 절연 불소중합체 밑의 전극 사이에 전압이 인가되는 경우, 오일 필름은 물이 표면을 전기습윤시킴에 따라 파괴된다. 파괴된 오일 필름은 장치에 더 이상 색상을 제공하지 않는다. 일단 전압이 제거되면, 오일은 절연 불소중합체를 우선적으로 습윤시키고, 오일 필름이 재형성되며, 색상이 다시 분명해진다.
일반적으로, 착색제는 염료 또는 안료일 수 있다. 염료는 적용 매질에서 가용성이다. 즉, 이는 용매중에 분자 수준 또는 비교적 작은 클러스터(결합체), 예를 들면, 이량체, 삼량체, 사량체 등에 분산된다. 안료는 본질적으로 적용 매질 속에서 불용성이며 특별한 분산액의 형태로 존재한다. 역사적으로, 염료는 잉크젯 잉크, 컬러 필터 및 전기습윤 장치와 같은 각종 디지탈 제품을 위한 선택된 착색제이어 왔다. 이러한 사실은 선명하고 강렬한 색상, 용액의 저점도, 우수한 투명성 및 착색된 유체의 안정성을 입증하는 제공된 매우 다양한 제품을 이해하기가 힘들다. 그러나, 염료는 불량한 광 및 기후 견뢰도(light and weather fastness)를 포함하는 특정한 단점들을 갖는다. 기타 단점은, 특히 정제된 형태, 비극서 용매 중에서의 부적합한 용해도, 유출에 대한 저 내성 및/또는 불투명성의 결핍을 위한, 고 비용을 포함한다. 염료가 착색제로서 사용되어 온 제품들에 있어서, 유기 안료는 바람직한 광 견뢰도 및 용매 및 유출에 대한 내성으로 인하여 최근 수년 동안 증가된 유용성을 발견해 왔다. 한편, 안료는 투명성이 적으며 안료 분산액의 안정화는 항상 심각한 걱정이다.
물 및 기타 용매, 및 착색제의 사용과 관련된 문제점들이 제기되지만, 각종 전기습윤, 전기유체 및 전기영동 장치에 대한 증가된 착색된 유체에 대한 명확한 필요성이 여전히 존재한다.
따라서, 예를 들면, 장치 성분들에 대한 부정적인 영향이 최소이거나 없는 것을 입증하고 바람직한 기간에 걸쳐 목적하는 기능을 유지하는 전기습윤, 전기유체 또는 전기영동 장치를 위한 개선된 착색된 유체를 제공하는 것이 유리할 것이다.
요약
본 발명의 양태들은 전기습윤, 전기유체 또는 전기영동 장치를 위한 착색된 유체를 제공한다.
하나의 양태에서, 착색된 유체는 용매 중에 하나 이상의 극성 또는 비극성 용매 및, 당해 용매 중의 하나 이상의 올리고머성 및/또는 중합체성 염료를 포함한다. 올리고머성 염료는 하나 이상의 올리고머성 쇄에 부착된 하나 이상의 발색단을 가지며, 중합체 염료는 하나 이상의 올리고머성 및/또는 중합체성 쇄에 부착된 하나 이상의 발색단을 갖는다. 염료는 또한, 분자량이 400 내지 100,000이고, 용매 중의 용해도가 25℃에서 5중량% 이상이며, 역학 점도(dynamic viscosity)가 25℃에서 0.5 cPs 내지 2,000 cPs이다. 용매가 극성 용매인 경우, 착색된 유체는 전도도가 0.1μS/cm 내지 3000μS/cm이고, 표면장력이 25℃에서 15dyne/cm 내지 90dyne/cm이며, 2.0Å 보다 작은 반경을 갖는 일원자성 이온(monoatomic ion) 및 1.45Å 보다 작은 반경을 갖는 다원자성 이욘의 총 함량이 500ppm 미만이다. 착색된 유체는 안료를 임의로 함유한다. 착색된 유체는 착색된 극성 및/또는 착색된 비극성 유체를 정의한다.
또 다른 양태에서, 전기습윤 또는 전기유체 장치는 착색된 극성 및/또는 착색된 비극성 유체를 함유한다. 또 다른 양태에서, 전기영동 장치는 착색된 비극성 유체를 함유한다. 여전히 또 다른 양태에서, 디스플레이용 화소(pixel)는 착색된 극성 및/또는 착색된 비극성 유체를 함유한다.
여전히 또 다른 양태에서, 디스플레이용 화소의 디스플레이 상태를 변화시키기 위한 방법이 제공된다. 이 방법은 잠재적인 차이를, 착색된 극성 및/또는 착색된 비극성 유체를 포함하는, 화소의 저장소에, 착색된 유체의 형태를 이동시키거나 변화시킴으로서 화소의 디스플레이 상태에서의 변화를 생성하는 다수의 전극들 통해 적용하는 것을 포함한다.
디스플레이 기술에서의 이러한 착색된 유체의 사용은 내구성에 있어서의 개선을 제공하며, 높은 수준의 채도 및 염료 및 안료 선택을 통한 고 콘트라스트 비를 성취하는 능력을 제공한다. 착색된 유체는 또한 신속한 변환 속도, 낮은 전합 소비, 및 큰 장치 내구성을 제공할 수 있다.
구체적인 양태들의 상세한 설명
본원에 사용된 기술은 특별한 양태들을 기술할 목적이며 본 발명을 제한하려는 의도는 아니다. 본원에서 사용된 바와 같은, 단수 형태 "하나(a 또는 an)" 및 "그(the)"는, 내용에서 명확히 다르게 나타내지 않는 한, 다수 형태도 포함하는 것을 의도한다. 또한, 용어 "포함하다" 및/또는 "함유하다"는, 본 명세서에서 사용되는 경우, 언급된 특징, 정수, 단계, 작동, 요소 및/또는 성분을 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 작동, 요소, 성분 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 더욱이, 용어 "포함하다", "갖는", "함께", "구성된", "포함된" 또는 이들의 변형 표현이 상세한 설명 또는 특허청구범위에서 사용되는 정도로, 이러한 용어들은 용어 "함유하는"과 유사한 방식으로 포함하는 것으로 의도되지 않는다.
본 발명은 전기습윤, 전기유체 또는 전기영동 장치를 위한 착색된 유체에 관한 것이다. 전기습윤 및 전기유체 장치는 전형적으로 소수성 유전체 및 전극으로 구성되며, 다른 소수성 표면을 포함할 수 있다. 일반적으로, 기판 및 연결된 특징은 극성 유체 및 비극성 유체에 노출되며, 이들 중의 적어도 하나는 착색되며 서로에 대하여 혼화성이 아니거나 유화성이 아니다. 전기영동 장치는 전형적으로 단지 착색된 비극성 유체이며, 이는 하전된 입자를 포함한다. 본 발명의 장치에서 사용된 극성 및/또는 비극성 유체는 올리고머성 및/또는 중합체성 염료를 포함할 수 있으며 명시된 전기 전도성 뿐만 아니라 바람직한 점도, 동결점, 및 비등점 특성의 특징을 가질 수 있으며, 또한 장치의 유전 기판 및 다른 성분에 부정적인 영향을 나타낼 수 있는 성능-손상 이온을 감소시키거나 제거할 수 있다. 올리고머성 및/또는 중합체성 염료는 하나의 상으로부터 다른 상으로 확산되지 않아야 하거나 장치의 표면을 오염시키지 않아야 한다.
본 발명의 양태들에 따라, 전기습윤 또는 전기유체 장치와 함께 사용하기 위한 착색된 유체는 일반적으로 하나 이상의 극성 용매, 용매 중의 하나 이상의 올리고머성 및/또는 중합체성 염료, 및 임의로 안료 표면에 이온성, 비이온성 또는 중합체성 그룹을 공유적으로 부착시킴으로써 화학적 변형의 방법에 의해 제조된 유기 또는 무기 안료 도는 표면 개질된 안료 뿐만 아니라, 임의로 전기 전도성 조절을 위한 첨가제, 계면활성제, 상승제, 살생물제, 소포제 및 당해 기술분야의 숙련가에게 공지된 기타 작용성 첨가제를 포함할 수 있다. 착색된 유체는 착색된 극성 유체를 정의한다.
또 다른 양태에 딸, 전기습윤, 전기유체 또는 전기영동 장치와 함께 사용하기 위한 착색된 유체는 일반적으로, 비지온성 저분자량 또는 올리고머성 또는 중합체성 그룹을 안료 표면 및 또한 임의로 계면활성제, 상증제, 분산제, 당해 분야에 공지된 기타 첨가제 또는 이의 조합물에 공유결합적으로 부착시킴에 의한 화학적 변형의 방법에 의해 제조된, 하나 이상의 비극성 용매, 당해 용매 중의 하나 이상의 올리고머성 및/또는 중합체성 염료, 및 임의로 유기 또는 무기 안료 또는 표면 개질된 안료를 함유할 수 있다. 착색된 유체는 착색된 비극성 유체를 정의한다.
본 발명의 극성 용매는 개개의 용매 또는 하나 이상의 용매들의 임의의 조합물일 수 있다. 극성 용매의 비제한적 예는 물, 글리콜, 폴리글리콜, 알콜, 폴리올, 에테르, 에스테르, 케톤, 케탈, 락톤, 락탐, 피롤리돈 및 폴리비닐피롤리돈, 피롤리딘, 카보네이트, 설폰, 설폭사이드, 아민, 아미드, 이민, 니트릴, 카복실산, 아세탈, 카바메이트, 우레아, 알데히드, 할로겐화된, 티오, 또는 니트로 화합물, 이온성 유체 또는 이들의 임의의 혼합물을 포함한다.
극성 용매는 25℃에서 10 초과의 유전상수를 나타낼 수 있다. 다른 예에서, 유전 상수는 25℃에서 30 초과이다.
극성 용매의 역학 점도는 25℃에서 2000cP 미만일 수 있다. 또 다른 예에서, 역학 점도는 25℃에서 0.1 cp 내지 2000cP이다. 여전히 다른 예에서, 역학 점도는 25℃에서 0.1 cp 내지 500cP이다.
극성 용매는 또한 20 내지 80%의 범위에서 30V의 직류 또는 교류에 대하여 전기습윤 상대 반응(electrowetting relative response; EWRR)을 입증할 수 있다. EWRR은 본원에서 다음 수학식에 따라 정의된다:
수학식 1
EWRR = (Θ0 - ΘV) x 100/Θ0, %
상기 수학식 1에서,
Θ0는 0 V의 전압에서 초기 접촉 각이고;
ΘV는 30 V의 전압에서 최종 접촉 각이다.
접촉 각을 측정하기 위한 적합한 과정은 문헌[참조: Balaji Raj et al., "Ion and Liquid Dependent Dielectric Failure in Electrowetting Systems", Langmuir | 3b2 | ver.9 | 13/8/09]에 기재되어 있으며, 이의 내용은 전문이 본원에서 참조로 포함되며, 시험 과정하에 이하에 상세히 논의된다.
본 발명의 비극성 용매는 임의의 액체 또는 2개 이상의 액체의 조합물일 수 있다. 비극성 용매의 비제한적 예는 비치환되 선형 및 측쇄 알칸 및 이들의 유도체, 예를 들면, 할로겐화 알칸, 치환된 및 비치환된 방향족 탄화수소 및 부분 할로겐화 방향족 탄화수소, 지방 알콜 및 카복실산 , 에스테르 및 아미드, 또는 이들의 임의의 혼합물을 포함한다. 장치 중의 비극성 유체는 극성 유체와 비혼화성일 수 있으며 이 액체에 용해된 성분들은 극성 용매 내로 이동하지 않을 수 있다.
비극성 용매는 25℃에서 10 미만의 유전상수를 나타낼 수 있다. 다른 예에서, 유전 상수는 25℃에서 5 미만이다.
비극성 용매의 역학 점도는 25℃에서 2000 cP 미만일 수 있다. 다른 예에서, 역학 점도는 25℃에서 0.1 cP내지 2000 cP이다, 여전히 다른 예에서, 역학 점도는 25℃에서 0.1 cP 내지 500 cP이다.
본원의 목적을 위하여, 올리고머성 염료는 공유 또는 이온 결합을 이용하여 직접 또는 연결 그룹을 통해 하나 이상의 올리고머성 쇄에 부착된 하나 이상의 발색단을 포함하며 400 내지 5,000의 범위의 총 분자량을 갖는 화합물로서 정의된다. 중합체성 염료는 공유 또는 이온 결합을 이용하여 직접 또는 연결 그룹을 통해 하나 이상의 올리고머성 쇄에 부착된 하나 이상의 발색단을 포함하며 5,000 내지 10,000의 범위의 총 분자량을 갖는 화합물로서 정의된다.
하나의 양태에서, 본 발명의 올리고머성 및 중합체성 염료는 다음 일반식들 중의 하나 이상에 의해 정의될 수 있다:
(1) Q[X-(Y)l]m
(2) (Q-X)p-Z-(X-Y)q
(3) (Q-X)p(X-Y)q Z-Y-Z(X-Y)q(X-Q)p
(4) (Q-X)p(X-Y)q Z-L-Z(X-Y)q(X-Q)p
(5) Q-X-Y-X-Q (6) Z(X-Y-X-Q)p
(7) [(Y)lX]mQ-X-Y-X-Q[X(Y)l]m
(8) X-Q-X-Y-[X-Q-X-Y]k-X-Q-X-Y
(9) Y(-X-Q)[Y(-X-Q)]kY(-X-Q)Y
(10) Q[X1 -Y1 +]m
(11) Q[X2 +Y2 -]m
(12) [Y1 +X1 -]m Q-X-Y-X-Q[X1 -Y1 +]m
(13) [Y2 -X2 +]mQ-X-Y-X-Q[X2 +Y2 -]m
(14) Z{X-Y-X-Q[X1 -Y1 +]m}p
(15) Z{X-Y-X-Q[X2 +Y2 -]m}p
Q는 아조 또는 아조 축합된 화합물, 금속 착체, 벤즈이미다졸론, 아조메틴, 메틴, 예를 들면, 시아닌, 아자카보시아닌, 엔아민, 헤미시아닌, 스트렙토시아닌, 스티릴, 제로메틴, 모노-, 디-, 트리- 및 테트라아자메틴; 카라테노이드, 아릴메탄, 예를 들면, 디아릴메탄 및 트리아릴메탄; 크산텐, 티오크산텐, 플라바노이드, 스틸벤, 쿠마린, 아크리덴, 플루오렌, 플로오렌, 벤조디푸라논, 포르마잔, 피라졸, 티아졸, 아진, 디아진, 옥사진, 디옥사진, 트리페노디옥사진, 페나진, 티아진, 옥사존, 인다민, 니트로소, 니트로, 퀴논, 예를 들면, 하이드로퀴논, 나프토퀴논, 및 안트라퀴논; 로다민, 프탈로시아닌, 뉴트로시아닌, 디아자헤미시아닌, 포르피린, 페리논, 페릴렌, 피로닌, 디케노피롤로로피롤, 인디고, 인디고이드, 티오인디고, 인도페놀, 나프탈이미드, 이소인돌린, 이소인돌린, 이미노이소인돌린, 이미노이소인돌리논, 퀴나크리돈, 플라반트론, 인단트론, 안트라피리미딘, 퀴노프탈론, 이소비올란트론, 피란트론 및 이들의 임의의 조합물로부터 선택될 수 있는 발색단이다. Q는 또한 임의의 산성, 직접, 반응성, 매염(mordant), 용매, 천연, 분산, 염기성(양이온성), 황, 형광, 식품(food), 형광 증백제, 또는 뱃트(vat) 염료, 또는 안료의 잔기를 나타낼 수 있다.
높은 광 견뢰도 및 높은 몰 흡광 계수(molar extinction coefficient)를 입증하는 발색단이 더 바람직하다.
X는 R; RC(O)O; ROC(O); RC(O)NR1; RNR1C(O); SO2NR1; SO2; RO; RS; RNR1; =N-; RNHC(O)NR1; RNHC(O)O; ROC(O)NH; RC(O)OCH2CH(OH)CH2; ROCH2CH(OH)CH2; 또는 RNR1CH2CH(OH)CH2이고, 여기서 R은 단일 결합, 알킬, 아릴, 알킬아릴, 또는 헤테로사이클이며 R1은 H, 알킬, 아릴 또는 알킬아릴이다.
Y는 임의의 폴리비닐, 폴리비닐레덴, 폴리디엔, 폴리알킬렌, 폴리무수물, 폴리알킬렌글리콜, 폴리알콜, 폴리에스테르, 폴리에폭시, 폴리우레탄, 폴리아민, 폴리이민, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리우레아, 폴리카보테이트, 폴리아세탈, 폴리설폰, 폴리알데히드, 폴리케톤, 또는 이들의 임의의 랜덤, 블록 또는 그래프트 공중합체로부터 선택된 올리고머 또는 중합체이다.
Z는 1,3,5- 및 1,2,4-트리아진, 벤젠-1,3,5-트리카복실산, 벤젠-1,2,4-트리카복실산, 벤젠-2,3,5,6-테트라카복실산, 글리세롤, 펜타에리트리톨, 디메틸올 프로피온산, 시트르산, 이소시트르산, 프로판-1,2,3- 트리카복실산,무크산, 말산, 타르타르산, 2,4-디하이드록시벤조산, 1,3,5-트리아미노벤젠, 1,3,5-트리하이드록시벤젠, 갈산, 2-아미노-1,3-프로판디올, 또는 트리에탄올아민의 라디칼이다.
L은 단일 결합, 이작용성 결합 그룹, 예를 들면, 지방족, 지환족, 방향족 또는 헤테로사이클릭 디올, 디아민, 디카복실산 또는 이들의 할로게나이드, 디에폭시, 디이소시아네이트, 또는 디설포클로라이드, 또는 이들의 임의의 조합물을 나타낸다.
X1 - 는 발색단 Q의 음이온성 그룹, 예를 들면, 설포닉, 포스포닉 또는 카복실릭을 타나내며, X2 + 는 발색단 Q의 양이온성 그룹, 예를 들면, 암모늄, 포스포늄, 설포늄을 나타낸다.
Y1 +는 올리고머 또는 중합체 Y의 양이온성 그룹, 예를 들면, 암모늄, 포스포늄 또는 설포늄을 나타내고, Y2 - 는 올리고머 또는 중합체 Y의 음이온성 그룹, 예를 들면, 설포닉, 포스포닉 또는 카복실릭을 나타낸다.
l은 1내지 2이고; m은 1 내지 8이고; p 및 q는 1 내지 4이고; p+q는 <5이며; k는 0 내지 500이다.
하나의 실시예에서, 염료는 다음 화학식 1로 정의된 올리고머성 염료이다:
[화학식 1]
Q[X-(Y)l]m
상기 화학식 1에서,
Q는 구리 프탈로시아닌, 벤즈이미다졸론, 디옥사진, 페릴렌, 디케토피롤로피롤, 퀴나크리돈 또는 안트라퀴논 안료의 잔기일 수 있고;
X = SO2NR (여기서, R은 H이다) 또는 RC(O)O (여기서, R은 단일 결합이다)이고;
l은 1이고;
m은 1내지 3이며;
Y는 300 내지 3000의 분자량을 갖는 폴리에톡실화된 또는 폴리알킬렌 올리고머성 쇄이다. 또 다른 예에서, 염료는 형광성 염료이다.
본 발명의 올리고머성 및 중합체성 염료는 단량체 및 올리고머를, 예를 들면, 다음 화학식의 출발 화합물과 반응시킴으로써 합성할 수 있다:
Q-[X1]m,
상기 화학식에서,
X1은 RNHR1; RCOOH; RCOCl; ROH, RSH, RSO2Cl; RSO3H; RHal; ROC(O)R1Hal; RNHCOR1Hal; R1CH=CH2; RNCO; RCHO, 에폭시, 아미드, 이미드, 카복실산 무수물, 및 이들의 임의의 조합물을 나타내고,
Q, R 및 R1은 위에서 정의한 바와 같으며,
Hal은 F, Cl, Br 또는 I를 나타낸다.
본 발명의 염료의 합성에 적합한 반응성 단량체 및 올리고머는 하나 이상의 비닐, 하이드록실, 카복실, 무수물, 할로겐, 머캅토, 알콕시, 에폭시, 이소시아네이토, 아미드, 이미드, 설포닉, 포스포닉, 1급, 2급, 3급 또는 4급 아미노 그룹, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
본 발명의 올리고머성 및 중합체성 염료는, 전도성 및 이온 함량과 관련한 상기한 조건들이 충족되는 경우 추가의 정제없이 합성한 직후에 유체 착색을 위해 및 안료 분산제로서 사용할 수 있다. 그러나, 정제된 염료는 전체 양호한 유체 성능 및 보다 바람직한 장기간 장치 성능을 제공한다. 임의의 적합한 기술들이 올리고머성 및 중합체성 염료를 정제하기에 적합하다. 비제한적 예는 크로마토그래피적 분리, 용매 대체에 의한 용액으로부터의 침전, 추출, 승화, 원심분리, 증류, 재결정화, 분별 결정, 초여과, 역 삼투압, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.
극성 및 비극성 용매 중에서의 용해도와 관련하여, 본 발명의 염료는 용매 중에서의 5중량% 이상의 용해도를 입증한다. 다른 예에서, 용해도는 10중량% 이상이다. 여전히 다른 예에서, 용해도는 20중량% 이상이다.
올리고머성 및 중합체성 염료는 또한 추가의 작용 그룹을 포함할 수 있다. 이들 작용 그룹의 비제한적 예는 알킬, 아릴, 알킬아릴, 할로겐, 니트로, 니트로조, 시아노, 티오, 아미노, 알킬아미노, 하이드록실, 카복실릭, 알데히드, 무수물, 아미드, 설폰아미드, 카복실산 및 설폰산의 염, 또는 이들의 임의의 조합물이다.
착색된 극성 유체와 함께 이용된 올리고머성 및 중합체성 염료는 극성 그룹을 포함할 수 있지만, 비극성 그룹은 전기장에 의해 거의 영향받지 않기 때문에 더 바람직한 것으로 이해된다.
착색된 비극성 유체와 함께 이용된 올리고머성 및 중합체성 염료는, 유체의 전도도를 5x10-3μS/cm 초과로 증가시킬 수 있는 어떠한 그룹, 이온/역 이온(ion/counter ion)도 제거해야 한다. 고 전도도는 유체 및 장치 성능에 부정적인 영향을 가질 수 있다.
착색된 극성 또는 비극성 유체 중의 올리고머성 및/또는 중합체성 염료의 함량은, 유체의 총 중량을 기준으로 하여, 약 0.01 중량% 내지 약 50 중량%의 범위일 수 있다. 0.01중량% 미만의 염료 농도는 목적하는 색 강도를 제공할 수 없으며, 50중량% 초과는 매우 어두운 색 및 부적합한 유동학적 거동을 생성할 수 있다. 하나의 예에서, 극성 또는 비극성 유체 중의 올리고머성 및/또는 중합체성 염료의 함량은 약 1중량% 내지 약 30중량%의 범위이다.
극성 및 비극성 유체 중에 포함될 수 있는 안료는 아조 및 아조 축합된, 금속 착체, 벤즈이미다졸론, 아조메틴, 메탄, 안트라퀴논, 프탈로시아닌, 페리논, 페릴렌, 디테코피롤로피롤, 인디고, 티오인디고, 디옥사진, 이소인돌린, 이소인돌리논, 이미노이소인돌린, 이미노이소인돌리논, 퀴나크리돈, 플라반트론, 인단트론, 안트라피리미딘, 나프탈이미드, 퀴노프탈론, 이소비올란트론, 피란트론 안료, 또는 카본 블랙, 또는 이들의 임의의 조합물 및 고체 용액에 속하는 임의의 유기 안료를 포함할 수 있다.
안료는 금속 산화물, 혼합된 금속 산화물, 안티몬 옐로우, 납 크로메이트, 납 크로메이트 설페이트, 납 몰리브데이트, 우트라마린 블루, 코발트 블루, 망간 블루, 크롬 산화물 그린, 수화된 크롬 옥사이드 그린, 코발트 그린, 금속 설파이드, 카드뮴 설포셀레니드, 아연 페라이트, 비스무트 바나데이트, 또는 이의 유도체와 같은 임의의 무기 안료를 포함할 수 있다.
안료는 또한 임의의 공지된 연장제(extender), 예를 들면, 카보네이트, 설페이트, 포스페이트일 수 있으며, 합성물 또는 무기물일 수 있다.
안료는 또한 분산된 중합체, 예를 들면, 폴리스티렌, 폴리아미드, 폴리설폰, 도는 폴리설파이드일 수 있다. 안료는 또한 유기, 무기 안료 및 연장제의 임의의 혼합물, 및 이의 고체 용액일 수 있다. 또한, 안료는 임의의 캡슐화된 유기 또는 무기 안료 또는 연장제일 수 있거나, 또는 유기 쉘(shell)로 덮여진 무기 핵(inorganic nuclei) 또는 이의 역인 쉘 형 안료일 수 있다.
안료는 안료 표면에 이온성, 비이온성 또는 중합체성 그룹을 공유적으로 부착시킴으로써 화학적 변형 방법으로 제조한 표면 개질된 안료일 수 있다. 개질 그룹의 비제한적인 예는 카복시, 설포닉, 포스페이트, 하이드록실, 폴리알킬렌글리콜, 폴리알킬렌, 폴리아미드, 및 폴리에스테르-그룹, 또는 이들의 임의의 조합물이다.
안료 입자는 약 10 nm 내지 약 5 ㎛의 범위의 동적 광 산란 입자 크기 분석으로부터의 평균 중량 직경을 가질 수 있다. 다른 예에서, 입자 크기는 20 내지 300 nm의 범위이다.
극성 또는 비극성 유체의 안료 함량은, 안료화된 유체의 총 중량을 기준으로 하여, 0 중량% 내지 50 중량%의 범위일 수 있다. 하나의 예에서, 안료 함량은, 착색된 유체의 총 중량을 기준으로 하여, 약 0.1중량% 내지 50중량%의 범위이다. 다른 예에서, 안료 함량은, 착색된 유체의 총 중량을 기준으로 하여, 약 1중량% 내지 약 20중량%의 범위이다. 0.1중량% 미만의 안료 농도는 대개 색상 기여(color contribution)를 제공하지 않을 것이며, 50중량% 초과의 안료 농도는 효과적으로 전기습윤시키지 않을 것이다.
착색된 유체 중에 포함시킬 수 있는 계면활성제는 임의의 음이온성, 양이온성, 양극성(catanioic), 쯔비터이온성(zwitterionic)(양쪽성), 비이온성 계면활성제, 또는 이들의 조합물일 수 있다. 계면활성제는, 계면장력을 낮추어서 전기습윤을 유발하는데 필요한 전압을 증가시키고/시키거나 유체의 전도도를 증가시키기 위해, 더 양호한 염료 용해도, 유체 중의 안료 입자의 콜로이드 안정화에 사용할 수 있다.
착색된 유체는 유체 중의 안료의 0중량% 내지 10중량%의 계면활성제를 함유할 수 있다.
착색된 유체 중에 포함될 수 있는 상승제는 설폰산, 설폰산의 금속 염, 설폰산과 1급, 2급, 3급 및 4급 아민과의 염; 설폰아미드, 프탈이미도메틸, 아릴메틸, 알킬아민, 카복실산, 카복실산의 염, 아미드 및 에스테르; 카보닐, 아미도메틸, 알킬아미노메틸, 아릴알킬옥시, 아조의 페닐티오 및 페닐 아미노 유도체, 금속 착체, 벤즈이미다졸론, 아조메틴, 메탄, 안트라퀴논, 프탈로시아닌, 페리논, 페릴렌, 디케토피롤로피롤, 인디고, 티오인디고, 디옥사진, 이소인돌린, 이소인롤리논, 이미노이소인돌린, 이미노이소인돌리논, 퀴나크리돈, 플라반트론, 인단트론, 안트라피리미딘, 퀴나프탈론, 이소비올란트론, 피란트론 안료, 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상승제는 또한 임의의 시판되거나 개질된 직접, 산성, 양이온성, 반응성, 뱃트, 황 및 분산 염료 또는 이들의 임의의 혼합물일 수 있다. 상승제는 안료 표면을 위해 사용되어 유체 중의 안료 입자를 안정화시켜서, 유체의 유동학적 특성을 증진시키고/시키거나 유체의 전도성을 증가시킬 수 있다.
착색된 유체는 유체 중의 안료의 0중량% 내지 30중량%의 상승제를 함유할 수 있다.
착색된 유체 중에 함유될 수 있는 분산제는 다음 부류들로부터 선택될 수 있다: 음이온성, 양이온성, 쯔비터이온성(양쪽성), 블록, 랜덤, 콤브(comb) 중합체 또는 공중합체일 수 있는 비이온성 중합체; 또는 이들의 조합물.
상승제와 함께 임의로 사용될 수 있는 분산제는 유체 중의 안료를 안정화하는 데 도움을 준다. 착색된 유체는 유체 중의 안료의 0중량% 내지 200중량%의 분산제를 포함할 수 있다.
하나의 양태에서, 전기습윤 또는 전기유체 장치는, 올리고머성 및/또는 중합체성 염료로 착색되는 투명한 비극성 유체 및 착색된 극성 유체를 포함한다. 다른 양태에서, 전기습윤 또는 전기유체 장치는 올리고머성 및/또는 중합체성 염료로 착색되는, 투명한 극성 유체 및 착색된 비극성 유체를 포함한다. 여전히 다른 양태에서, 전기습윤 또는 전기유체 장치는, 기타 유체 속으로 확산되지 않는 올리고머성 및/또는 중합체성 염료로 각각 착색된, 착색된 극성 및 착색된 비극성 유체를 포함한다.
여전히 다른 양태에서, 착색된 유체는 용매 중의 하나 이상의 극성 또는 비극성 용매, 하나 이상의 올리고머성 및/또는 중합체성 염료, 및 올리고머성 및/또는 중합체성 염료에 의해 안정화되는 하나 이상의 안료를 포함하며, 여기서 안료는 10 내지 200 nm의 범위의 평균 중량 직경을 갖는다. 다른 예에서, 안료는 20 내지 100 nm의 평균 중량 직경을 갖는다.
다른 예에서, 다수의 착색된 유체는 함께 조합할 수 있다. 예를 들면, 극성 용매중의 중합체성 및/또는 올리고머성 염료 및 극성 용매를 갖는 착색된 유체는, 비극성 용매를 갖는 착색된 유체 및 비극성 용매 중의 중합체성 및/또는 올리고머성 염료를 갖는 착색된 유체와 조합될 수 있으며, 이들 각각은 위에서 토의한 바와 같이 추가의 임의 성분들을 포함한다.
착색된 극성 유체는 3000 μS/cm 이하의 전기 전도도를 가질 수 있다. 다른 예에서, 착색된 극성 유체는 약 0.1 μS/cm 내지 3000 μS/cm의 범위 내의 전기 전도도를 가질 수 있다. 다른 예에서, 착색된 극성 유체는 약 5 μS/cm 내지 3000 μS/cm의 전기 전도도를 갖는다. 여전히 다른 예에서, 착색된 극성 유체는 약 5 μS/cm 내지 약 500 μS/cm의 전기 전도도를 갖는다. 여전히 다른 예에서, 착색된 극성 유체는 약 10 μS/cm 내지 약 300 μS/cm의 전기 전도도를 갖는다. 전도도가 너무 낮은 경우, 절절한 장치 기능을 위해서는 고 전압이 인가되어야 한다. 전도도가 너무 높으면, 유전 파괴(dielectric breakdown)의 가능성이 증가된다.
필요한 경우, 전도도는 적합한 염의 첨가에 의해 용이하게 조절될 수 있지만, 2.0Å 미만의 반경 및 1.45Å 미만의 다원자 이온(polyatomic ion)을 갖는 임의의 존재하는 일원자 이온의 총 농도는 총 500 ppm을 초과하지 않아서, 하기에 추가로 토의되는, 유전체의 이론적 작동 전압의 3배 이하의 인가된 전압에서, 유체를 사용하는 장치에서 유전체의 전기적 파괴를 방지하여야 한다. 하나의 예에서, 명시된 이온 종의 함량은 총 300 ppm을 초과하지 않아야 한다. 여전히 다른 예에서, 명시된 이온 종의 함량은 총 100 ppm을 초과하지 않아야 한다.
또한, 착색된 극성 유체는 25℃에서 약 15 dyne/cm 내지 약 90 dyne/cm의 표면장력을 갖는다. 다른 예에서, 표면 장력은 25℃에서 약 15 dyne/cm 내지 약 75 dyne/cm이다.
착색된 유체의 전도도는, 더 높은 전도도가 유체 및 장치 성능에 대하여 해로울 수 있는 한에서는 약 5x10-3μS/cm 의 값을 초과하지 않아야 한다.
착색된 유체는 -40℃ 내지 80℃의 온도 범위에서 안정성을 나타낼 수 있다. 하나의 예에서, 안정성은 4주 이상 동안 지속된다.
착색된 유체의 역학 점도는 25℃에서 0.5 cP 내지 2,000cPs일 수 있다. 다른 예에서, 역학 점도는 25℃에서 0.1 cPs 내지 500cPs이다. 여전히 다른 예에서, 역학 점도는 25℃에서 0.5 cPs 내지 100cPs이다.
극성 유체와 비극성 유체 사이의 계면장력은 약 2 내지 약 70 dyne/cm일 수 있다. 다른 예에서, 극성 유체와 비극성 유체 사이의 계면장력은 약 5 내지 약 55 dyne/cm일 수 있다. 계면장력이 너무 낮은 경우, 극성 유체와 비극성 유체의 혼합이 일어날 것이며, 너무 높은 경우, 전기습윤 반응을 위해서는 고 전압이 필요할 것이다.
비극성 용매를 갖는 착색된 유체는 극성 용매를 갖는 착색된 유체와 혼화성이지 않아야 하며, 이와 안정한 유화액을 형성하지 않아야 한다. 이러한 목적으로, 비극성 용매는 약 10% 미만인 극성 용매를 갖는 교차-용해도를 가져야 한다. 하나의 예에서, 교차-용해도는 약 1% 미만이다. 또한, 착색된 극성 유체의 성분들은 착색된 비극성 유체 속으로 이동하지 않아야 하거나 이의 역이어야 한다.
착색된 유체를 제조함에 있어서, 성분들은 500 내지 12,000 RPM의 범우의 회전 속도로 고속 교반기가 장착된 용기 속에서 혼합할 수 있다. 혼합물은 이후에, 회전 볼 밀(rotating ball mill), 진동 밀, 교반된 수평 또는 수직 매질 밀, 바스켓 밀, 회전자/고정자(rotor/stator) 유형 기계, 또는 분쇄기와 같지만 이에 제한되지 않는 공지된 분쇄 장치를 이용하여 분쇄할 수 있다. 혼합물은 뱃치 작동에 의하거나 재순환 및/또는 별개의 통과를 사용하여 분쇄할 수 있다. 예를 들면, 유리, 세라믹, 모래, 중합체 및, 크기가 15㎛ 내지 약 10 cm의 범위인 금속 매질과 같은 임의의 공지된 유형 및 크기의 매질을 사용할 수 있다. 전형적인 분쇄기는 Eiger, Netzsch, Buhler, Premier, Hockmeyer, Chicago Boiler, Drais, Union Process 등에 의해 제조된 것들을 포함한다. 대안적으로, 착색된 유체는 회전 볼 밀 또는 교반된 볼 밀과 같은 뱃치 공정 장치에서 제조할 수 있다. 전자는 Paul-O-Abbe에 의해 제공된 것들로 유형화되며; 후자는 Union Process에 의해 공급된 것들로 유형화된다. 이들중 어느 하나에 대한 매질 크기는 위에서 언급한 바와 같은 크기의 범위일 수 있으며, 매질 형태는 원형, 규칙형, 불규칙형 또는 이들의 혼합물일 수 잇다. 착색된 유체는 또한 IKA Works, Baker-Perkins, 시그마 블레이드 혼합기(sigma blade mixer) 등과 같은 전단 메카니즘을 갖는 고 에너지 분산기에서 제조할 수 있다. 착색된 유체는 임의로 여과 또는/및 원심분리되어 큰 안료 입자, 파괴된 매질 또는 오염물질을 제거할 수 있다. 당해 분야에 공지된 기타 제조방법을 또한 사용할 수 있다.
착색된 유체의 점도는 T = 25℃, 회전 속도 30 RPM 및 스핀들 수(spindle number) 18에서 브룩필드 점도계(Brookfield Viscometer) LVDV-II + Pro를 사용하여 측정한다. 입자 크기 분포는 NanotracTM 250, NPA 250 (Microtrac, Inc.) 및 MicrotracTM UPA (Microtrac, Inc.)를 이용하여 측정한다. 착색된 유체에 대한 계면장력은 점적 점도측정계(drop tensiometer) IFT TrackerTM(Teclis)을 사용하여 측정한다. 이러한 점도측정계는 점적 형태 분석(drop shape analysis)을 이용하여 표면장력 또는 계면장력을 계산하는 데, 여기서 점적 형태는 점적에 작용하는 표면장력 및 중력의 힘에 의해 측정한다. 매달린 점적(pendant drop) 또는 솟아오르는 점적(rising drop) 형태 어느 것도 사용되며, 이러한 형태는 유체의 비중 및 광학 특성에 의해 측정된다. 유전 상수는 Scientifica 870 Liquid Dielectric Constant Meter (Princeton Instruments)를 이용하여 25℃에서 측정한다.
착색된 유체의 전기 전도도는, 목적하는 전도도 범위를 측정할 수 있는 전도도 측정기, 예를 들면, VWR 모델 번호 23226, Oakton®Acorn Con 6, 및 Liquid Conductivity Picosiemens/Metre, Model L40 (Wolfson Electronics)를 사용하여 25℃에서 측정하였다.
착색된 유체를, 전압 인가를 사용한 소수성 유전체 및 전극 기판에서의 접촉 각의 변화를 평가함으로써 전기습윤 능력에 대하여 시험하였다. 인듐 주석 산화물(ITO) 코팅된 유리를 주변(ambient)으로서 Parylene C 유전체와 Cytonix Fluoropel 1601V 소수성 불소중합체의 조합물로 피복하였다. 대안적으로, 유전 층은 Al2O3 및 Asahi Cytop CTL-809M 소수성 불소중합체로 구성될 수 있다. 기판의 ITO 층에 대하여 한 지점에서 부착된 전도성 와이어는 접지 전극(ground electrode)으로서 작용하였다.　 기판은 투명한 비극성 용매 중에 침지되고 극성 유체를 갖는 착색된 유체의 점적을 기판 위에 위치시킨다. 2V의 증분의 직류 또는 교류를 텅스텐 캣 위스터 프로브(tungsten cat whisker probe)를 통해 점적에 가하고 각각의 전압에서의 점적의 접촉각을 기록하며 VCA Optima 소프프웨어 프로그램(AST Products)을 사용하여 계산하였다.　 유체는 접촉각이 전압의 인가에 의해 감소되어 최종 접촉각이 90°미만인 경우 전기습윤이 가능한 것으로 고려되었다[참조: Balaji Raj et al., "Ion and Liquid Dependent Dielectric Failure in Electrowetting Systems", Langmuir | 3b2 | ver.9 | 13/8/09, 이의 전문은 본원에서 참조문헌으로 포함됨]. 또한, 착색된 극성 유체는 전도성 조절없이 측정하였으며, 단 유체 전도도는 25μS/cm 이상이었다.
착색된 유체는 또한, 유전 파괴로도 언급되는 유전 실패를 유발하는 이들의 경향에 대해 시험하였다. 유전 실패 또는 파괴의 가능성은, 유전층 내로 및/또는 이를 통해 이동할 수 있는 착색된 유체 중의 작은 이온성 종의 존재하에 상당히 증가할 수 있다. SnO2:In2O3 피복된 기체는 얇은 유전 층으로 피복되었으며, 이는 Asahi Cytop 불소 중합체를 갖는 Al2O3 또는 FluoroPel 불소 중합체를 갖는 Parylene일 수 있다. 시험할 1μL 점적의 유체를 기판 위에 두고 텅스텐 프로브를 점적 속에 위치시켰다. 전류를 측정하면서 직류 -99 V 내지 99 V의 직류(DC) 전압 스윕(sweep)을 완결하였다.　 유전 실패는 1 μA 초과의 전류 또는 전류의 지수적 증가에 의해 나타내었다[참조: Balaji Raj et al., "Ion and Liquid Dependent Dielectric Failure in Electrowetting Systems", Langmuir | 3b2 | ver.9 | 13/8/09; 이의 전문은 보누언에서 참조문헌으로 포함됨]. 본 발명의 목적을 위해, 유체는, 유전 파괴가 목적하는 유전체에 대해 이론적 작동 전압의 3배 이하로 인가된 전압에서 발생하지 않은 경우에 시험을 통과하는 것으로 고려되었다. 3 내지 5개의 점적을 반복성을 위해 각각의 용액에 대해 시험하였다. 일부 샘플에서, 각각의 용액에 대한 최악의 결과가 제공되었다.
유전체에 대한 이론적 작동 전압은 7 dyne/cm의 IFT 값, 75°의 전기습윤 각, 및 180°의 영의 각(Young's angle)을 사용하여, 다음 수학식으로 계산하였다:
수학식
Figure pct00001
상기 수학식에서,
VO는 작동 전압이고,
θV는 전기습윤 각이고,
θν는 영의 각이고,
γNP는 극성 유체와 비극성 유체 사이의 계면장력이고,
ε0는 유전류 상수(permittivity constant)이고,
εr은 상대 유전률 상수이며,
d는 유전체의 두께이다.
착색된 유체는, 이에 의해 계산된 바와 같은 목적하는 유전체에 대한 이론적 작동 전압의 3배 이하의 인가된 전압에서 명시된 방법으로 시험한 경우의 유전 파괴를 생성하지 않아야 한다.
이온 함량은 전도적으로 커플링된 플라스마 분광학(ICP)을 이용하여 원소분석법으로 측정하였다. 샘플을 진한 질산에서의 소화(digestion) 및 이후의 탈이온수 중에서의 5% 산 농도로의 희석에 의해 금속 함량에 대해 제조하였다. 이후에, 샘플을 Thermo Scientific iCAP 6000 ICP-OES 장치로 도입하여 비-이온성 종의 금속, 메탈로이드, 및 비금속, 예를 들면, 인, 항 및 셀레늄을 포함하는 총 원소 함량을 확인하고 정량화하였다. 나트륨, 마그네슘, 칼슘, 철, 알루미늄 및 칼륨을 포함하지만 이에 제한되지 않는, 이러한 원소들의 함량이 ICP에 의해 측정되는 경우, 총 원소 함량의 상한치는 합계에 의해 설정된다. 본원에서 정의된 바와 같은 이온 함량은 원소 분석보다 작은 것으로 공지되어 있으며, 이에 따라 이온 함량의 상한선을 설정한다. 또한, 총 할로겐(브롬, 크롬) 함량은 산화에 의해 측정하였다. 총 할로겐을 측정하기 위하여, 샘플을 Scheoniger Oxidation Flask 속에서 산화시키고 발달된 할로겐(evolved halogen)을 알칼리 용액 속으로 흡수시켰다. 할로겐을 이후에 당해 용액으로부터 침전시키고 비중적으로 측정하였다. 다원자 이온은 이온 종에 특이적인 일반적인 분석 기술을 통해 측정할 수 있다. 이들은 이에 제한되지는 않지만, pH, 적정법(titrimetric method), 비색계 방법, 분광분석법, 중량측정법 및/또는 질량 분광분석법을 포함한다.
디스플레이 기술에서 본 발명에 따르는 착색된 유체를 사용하면 내구성에 있어서의 개선을 제공하며, 높은 수준의 채도 및 염료 및 안료 선택을 통한 고 콘트라스트 비를 성취하는 능력을 제공하며, 또한 신속한 변환 속도, 낮은 전합 소비, 및 큰 장치 내구성을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 양태에 따르는 디스플레이에서 전기습윤 장치로서 사용하기 위한 대표적인 화소를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 다른 양태에 따르는 디스플레이에서 전기습윤 장치로서 사용하기 위한 화소를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 다른 양태에 따르는 디스플레이에서 전기습윤 장치로서 사용하기 위한 화소를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 다른 양태에 따르는 디스플레이에서 전기습윤 장치로서 사용하기 위한 화소를 나타낸다.
실시예
다음 실시예는 본 발명의 상세한 사항들을 설명하며 본 발명의 취지 및 영역을 제한하려는 의도는 아니다. 달리 나타내지 않는 한, % 및 부는 항상 중량% 및 중량부를 나타낸다.
실시예 1: 비극성 유체에 대한 황색 올리고머성 염료
43부의 2-(4-카복시페닐아조)아세토니트릴 및 238부의 오르토-클로로톨루엔을 질소 퍼지(nitrogen purge)하에 혼합하였다. 20부의 티오닐 클로라이드 및 1.5부의 디메틸포름아미드를 이후에 가하였다. 반응 혼합물을 90℃로 3시간에 걸쳐 가열하고 당해 온도에서 1시간 동안 유지시켰다. 과량의 티오닐 클로라이드를 증류에 의해 제거한 다음 385부의 폴리이소부틸아민 Kerocom PIBA 03 (BASF로부터 입수가능함)을 가하고 진공을 가하면서 90℃에서 3시간 동안 교반하였다. 이 단계에서, 온도를 120℃까지 상승시키고 5시간 동안 유지시킨 다음 용매를 진공하에 증류시켰다. 실온으로 냉각시킨 후에, 점성 황색 유체를 배출시켰다. 올리고머성 염료를 4-[(E)-(2,4-디옥소펜탄-3-일)디아제닐]-N-폴리이소부틸벤즈아미드(mw = 1700)로서 확인하였는데, 이는 화학식 (1) Q[X-(Y)l]m에 상응하며, 여기서 Q는 모노아조 안료 잔기이고; X는 CONH이고; l은 1이고; m은 1이며, Y는 폴리이소부틸아민이다. 테트라데칸 중의 올리고머성 염료의 용해도는 20중량% 이상이었다.
실시예 2: 비극성 유체를 위한 적색 올리고머성 염료(Red oligomeric dye)
176부의 폴리이소부틸아민 Kerocom PIBA 03 (BASF), 12.5부의 퀴니자린, 및 12.3부의 류코퀴나자린을 질소 유동하에 20분 동안 혼합하고, 70℃ 이하로 가열하고 70℃에서 2시간 동안 교반하였다. 이후에, 온도를 130℃ 이하로 상승시키고 혼합물을 130℃에서 2시간에 및 150℃에서 4시간에 걸쳐 질소 유동없이 상승시켰다. 이 시점에서, 출발 물질의 입자가 검출되지 않았으며, 반응물의 색상이 오렌지 색상에서 암적색으로 변하였다. 가열 유체를 반응기로부터 배출시켰다. 올리고머성 염료는 1-하이드록시-4-(폴리이소부틸아미노)안트라센-9,10-디온 (mw = 1700)으로 확인되었으며, 이는 화학식 (1) Q[X-(Y)l]m에 상응하고, 여기서 Q는 안트라퀴논 잔기이고; X는 NH이고; l은 1이고; m은 1이며, Y는 폴리이소부틸아민이다. 올리고머성 염료의 수율은 약 200부이었으며, 이는 테트라데칸 중의 40중량% 이하의 용해도를 입증하였다.
실시예 3: 비극성 유체에 대한 적색 올리고머성 염료
4구 플라스크 속에, 10부의 3, 4, 9, 10-페릴렌 테트라카복실산 무수물, 1.1부의 아세트산아연 이수화물, 85부의 폴리이소부틸아민 Kerocom PIBA 03 (BASF), 및 100부의 N-메틸피롤리돈을 충전하였다. 반응 혼합물을 질소 유동하에 220℃로 가열하고 이 온도에서 16시간 동안 교반하였다. 점성 암적색 액체를, 700부의 물 속으로 냉각시키고 침지시킨 후에 배출시켰다. 생성물을 여과로 회수하고 물로 세척한 다음 이소프로판올로 세척하고, 85℃에서 진공하에 건조시켰다. 올리고머성 염료는 페릴렌테트라카복실산-비스-(폴리이소부틸)-이미드 (mw = 1700)로 확인되었으며, 이는 화학식 (1) Q[X-(Y)l]m에 상응하며, 여기서 Q는 페릴렌 안료 잔기이고; X는 =N-이고; l은 1이고; m은 2이며, Y는 폴리이소부틸아민이다. 테트라데칸 중에서의 당해 실시예의 올리고머성 염료의 용해도는 20중량% 이상이었다.
실시예 4: 비극성 유체에 대한 청색 올리고머성 염료
35% 수계 프레스-케이크(water based press-cake)의 형태의 약 1.2-그룹의 치환 수준을 갖는 새롭게 제조된 구리 프탈로시아닌 설포닐 클로라이드의 80부의 35% 수계 프레스-케이크를 85부의 폴리이소부틸아민 Kerocom PIBA 03 (BASF), 100 부의 이소프로판올, 100부의 빙수, 및 15부의 탄산나트륨의 혼합물에 5℃에서 서서히 가하고, 2시간 동안 교반하였다. 반응 혼합물을 50℃ 이하로 가열하고, 2시간 동안 교반하고, 온도를 80℃로 상승시키고 혼합물을 당해 온도에서 3시간 동안 유지시켰다. 반응 생성물을 여과하고, 물로 세척한 다음 이소프로판올로 세척하여 고점성 암청색 덩어리를 수득하였다. 올리고머성 염료는 N-(폴리이소부틸)-구리 프탈로시아닌설폰아미드(mw = 1700)로 확인되었으며, 이는 화학식 (1) Q[X-(Y)l]m에 상응하며, 여기서 Q는 프탈로시아닌 안료 잔기이고; X는 SO2NH이고; l은 1이고; m은 1 내지 2이며, Y는 폴리이소부틸아민이다. 테트라데칸 중에서의 당해 실시예의 올리고머성 염료의 용해도는 20중량% 이상이다.
실시예 1 내지 4의 올리고머성 염료를 컬럼 크로마토그래피를 사용하여 정제하였다. 용출제로서 클로로포름/2-헵타논 70/30 부 및 정지 상으로서 실리카 겔 60의 혼합물을 이용하였다. 분리한 후에, 용매를 증발시키고 올리고머성 염료를 진공하에 80℃에서 24시간 동안 건조시킨 다음, 테트라데칸에 용해시켜 상기한 바와 같은 전기습윤 성능 및 파괴를 시험한 10% 용액을 제공하였다. 실시예 1 내지 4의 올리고머성 염료는 만족스러운 전기습윤 성능을 입증하였으며 -99 V 내지 99 V의 직류(DC) 전압 스윕에서 유전체의 파괴를 유발하지 않았다.
실시예 5: 극성 유체를 위한 황색 올리고머성 염료
43부의 2-(4-카복시페닐아조)아세토니트릴 및 238부의 오르토-클로로톨루엔을 질소 퍼지하게 혼합하였다. 20부의 티오닐 클로라이드 및 1.5부의 디메틸포름아미드를 이후에 가하였다. 반응 혼합물을 90℃에서 3시간에 걸쳐 가열하고 이 온도로 1시간 동안 유지시켰다. 과량의 티오닐 클로라이드를 증류에 의해 제거한 다음 400부의 Surfonamine B-200 (Huntsman)을 가하고 진공을 적용하면서 90℃에서 3시간 동안 교반하였다. 이 단계에서, 온도를 120℃ 이하까지 상승시키고, 5시간 동안 유지시킨 다음 용매를 진공하에 증류시켰다. 실온으로 냉각시킨 후에, 점성 황색 유체를 배출시켰다. 올리고머성 염료는 4-[(E)-(2,4-디옥소펜탄-3-일)디아제닐]-N-폴리에테트벤즈아미드(mw = 2000)로 확인되었으며, 이는 화학식 (1) Q[X-(Y)l]m에 상응하며, 여기서 Q는 모노아조 안료 잔기이고; X는 CONH이고; l은 1이고; m은 1이며, Y는 폴리에톡실화된 프로폭실화된 올리고머성 쇄이다. 감마-부티로락톤 중에서의 당해 실시예의 올리고머성 염료의 용해도는 20중량% 이상이었다.
실시예 6: 극성 유체에 대한 황색 올리고머성 염료
43부의 2-(4-카복시페닐아조)아세토니트릴 및 238부의 오르토-클로로톨루엔을 질소 퍼지하에 혼합하였다. 이후에, 20부의 티오닐 클로라이드 및 1.5부의 디메틸포름아미드를 가하였다. 반응 혼합물을 90℃에서 3시간에 걸쳐 가열하고 이 온도로 1시간 동안 유지시켰다. 과량의 티오닐 클로라이드를 증류에 의해 제거한 다음 200부의 Surfonamine L-200 (Huntsman)을 가하고 진공을 적용하면서 90℃에서 3시간 동안 교반하였다. 이 단계에서, 온도를 120℃ 이하까지 상승시키고, 5시간 동안 유지시킨 다음 용매를 진공하에 증류시켰다. 실온으로 냉각시킨 후에, 점성 황색 유체를 배출시켰다. 올리고머성 염료는 4-[(E)-(2,4-디옥소펜탄-3-일)디아제닐]-N-폴리에테트벤즈아미드(mw = 2000)로 확인되었으며, 이는 화학식 (1) Q[X-(Y)l]m에 상응하며, 여기서 Q는 모노아조 안료 잔기이고; X는 CONH이고; l은 1이고; m은 1이며, Y는 폴리에톡실화된 프로폭실화된 올리고머성 쇄이다. 프로필렌 글리콜 중에서의 당해 실시예의 올리고머성 염료의 용해도는 20중량% 이상이었다.
실시예 7: 극성 유체에 대한 황색 올리고머성 염료
43부의 2-(4-카복시페닐아조)아세토니트릴 및 238부의 오르토-클로로톨루엔을 질소 퍼지하에 혼합하였다. 이후에, 20부의 티오닐 클로라이드 및 1.5부의 디메틸포름아미드를 가하였다. 반응 혼합물을 90℃에서 3시간에 걸쳐 가열하고 이 온도로 1시간 동안 유지시켰다. 과량의 티오닐 클로라이드를 증류에 의해 제거한 다음 400부의 Surfonamine L-200 (Huntsman)을 가하고 진공을 적용하면서 90℃에서 3시간 동안 교반하였다. 이 단계에서, 온도를 120℃ 이하까지 상승시키고, 5시간 동안 유지시킨 다음 용매를 진공하에 증류시켰다. 실온으로 냉각시킨 후에, 점성 황색 유체를 배출시켰다. 올리고머성 염료는 4-[(E)-(2,4-디옥소펜탄-3-일)디아제닐]-N-폴리에테트벤즈아미드(mw = 2000)로 확인되었으며, 이는 화학식 (1) Q[X-(Y)l]m에 상응하며, 여기서 Q는 모노아조 안료 잔기이고; X는 CONH이고; l은 1이고; m은 1이며, Y는 폴리에톡실화된 프로폭실화된 올리고머성 쇄이다. 프로필렌 글리콜/물, 80부/20부의 혼합물 중에서의 당해 실시예의 올리고머성 염료의 용해도는 20중량% 이상이었다.
실시예 8: 극성 유체에 대한 적색 올리고머성 염료
4구 플라스크 속에, 10부의 3, 4, 9, 10-페릴렌 테트라카복실산 무수물, 1.1부의 아세트산아연 디하이드라이트, 90부의 Surfonamine B-200 (Huntsman), 및 100부의 N-메틸피롤리돈을 충전하였다. 반응 혼합물을 질소 유동하에 220℃로 가열하고 이 온도에서 16시간 동안 교반하였다. 점성 암적색 액체를, 700부의 물 속으로 냉각시키고 침지시킨 후에 배출시켰다. 생성물을 여과로 회수하고 물로 세척한 다음 이소프로판올로 세척하고, 85℃에서 진공하에 건조시켰다. 올리고머성 염료는 페릴렌테트라카복실산-비스-(폴리에테르)-이미드 (mw = 200)로 확인되었으며, 이는 화학식 (1) Q[X-(Y) l]m에 상응하며, 여기서 Q는 페릴렌 안료 잔기이고; X는 =N-이고; l은 1이고; m은 2이며, Y는 폴리에톡실화된프로폭실화된 올리고머성 쇄이다. 프로필렌 카보네이트 중에서의 당해 실시예의 올리고머성 염료의 용해도는 20중량% 이상이었다.
실시예 9: 극성 유체에 대한 청색 올리고머성 염료
35% 수계 프레스-케이크 형태의 약 1.2-그룹의 치환 수준을 갖는 새롭게 제조된 구리 프탈로시아닌 설포닐 클로라이드의 80부의 35% 수계 프레스-케이크를 95부의 Surfonamine B-200 (Huntsman), 100 부의 이소프로판올, 100부의 빙수, 및 15부의 탄산나트륨의 혼합물에 5℃에서 서서히 가하고, 2시간 동안 교반하였다. 반응 혼합물을 50℃ 이하로 가열하고, 2시간 동안 교반하고, 온도를 80℃로 상승시키고 혼합물을 당해 온도에서 3시간 동안 유지시켰다. 반응 생성물을 여과하고, 물로 세척한 다음 이소프로판올로 세척하여 고점성 암청색 덩어리를 수득하였다. 올리고머성 염료는 N-(폴리에테르)-구리 프탈로시아닌설폰아미드(mw = 200)로 확인되었으며, 이는 화학식 (1) Q[X-(Y)l]m에 상응하며, 여기서 Q는 프탈로시아닌 안료 잔기이고; X는 SO2NH이고; l은 1이고; m은 1 내지 2이며, Y는 폴리에톡실레이트화된 올리고머성 쇄이다. 감마-부티로락톤 중에서의 당해 실시예의 올리고머성 염료의 용해도는 20중량% 이상이었다.
실시예 10: 청색 올리고머성 염료를 사용하여 안정화된 청색 안료화된 비-극성 유체
5부의 C.I. Pigment Blue 15:3 (Sun Chemical), 실시예 4의 1.5부의 올리고머성 염료, 및 93.5부의 테트라데칸을 예비혼합한 다음, 세라믹 0.8 mm 매질을 사용하여 아이거 밀(Eiger mill) 속에서 1시간 동안 분쇄하였다. 평균 입자 크기는 150 nm이었고, 유체 전도도는 4.4x10-5μS/cm이었다. 유체는 만족스러운 전기습윤 성능을 입증하였으며, -99 V 내지 99 V의 직류(DC) 전압 스윕에서 유전체의 파괴가 유발되지 않았다.
실시예 11: 청색 올리고머성 염료를 사용하여 안정화된 청색 안료화된 극성 유체
5부의 C.I. Pigment Blue 15:3 (Sun Chemical), 실시예 9의 1.5부의 올리고머성 염료, 및 93.5부의 감마-부티로락톤을 예비혼합한 다음, 세라믹 0.8 mm 매질을 사용하여 아이거 밀 속에서 1시간 동안 분쇄하였다. 평균 입자 크기는 135 nm이었고, 유체 전도도는 8.5μS/cm이었다. 유체는 만족스러운 전기습윤 성능을 입증하였으며, -99 V 내지 99 V의 직류(DC) 전압 스윕에서 유전체의 파괴가 유발되지 않았다.
본 발명의 착색된 유체의 각종 양태들을 사용하여, 컬러 필터, 잉크젯 잉크, 액체 토너, 및 현상제 속에서 , 전기습윤, 전기유체 및/또는 전기영동의 원리에 의해 작동하는 전자 디스플레이에서 착색을 제공할 수 있다. 하나의 특별한 양태에서, 본 발명의 양태들의 착색된 유체는, 영상을 생성하는 전기습윤 원리에 따라 작동하는 디스플레이에서 사용할 수 있다. 일반적으로, 전기습윤 장치는, 비혼화성인 극성 유체 및 비극성 유체로 충전되는 다수의 개개 화소를 포함한다. 각각의 화소에 인가되거나 이로부터 제거된 전압은 극성 유체를 이동시키며, 이에 따라, 예를 들면, 착색된 상태를 비-착색된 또는 투명한 생태로 화소의 외관 또는 상태를 변화시킨다.
디스플레이에서 전기습윤 장치로서 사용하기 위한 대표적인 화소(10)는 도 1a 및 1b에서 본 발명의 하나의 양태로서 나타낸다. 하나 이상의 극성 용매 및 하나 이상의 올리고머성 및/또는 중합체성 염료를 포함하는 극성 유체(12)는 본 발명의 양태들 중의 하나와 일치하며 비-극성 유체(14)는 저장소(reservoir; 16) 내부에 포함된다. 저장소(16)는 제1 전극(18)과 제2 전극(20) 사이에 배치된다. 각각의 전극(18, 20)은 불소 중합체와 같은 절연체로 구성된 각각의 소수성 코팅(22, 24)으로 코팅된다. 적층된 배열 상태의 유체(12, 14), 전극(18, 20) 및 코팅(22, 24)은 기판(26, 28)에 의해 지지된다. 전원(30)은 전극(18, 20)들 사이에 연결되며 디스플레이의 화소를 위한 조절 회로(나타내지 않음)와 추가로 연결되어 화소(10)가 디스플레이 상태를 변화시키도록 할 수 있다.
광(light)을 기판(26)에 공급하고 화소(10) 외부의 환경에 대하여 유체(12, 14), 전극(18, 20), 코팅(22, 24), 및 기판(28)의 적층물을 통해 지향하도록 한다. 도 1a에 나타낸 바와 같은 전극(18, 20)에 대한 전원(30)에 의해 인가된 전압의 존재하에, 극성 유체(12)가 소수성 코팅(22) 위에서 필름을 형성하여 화소(10)가 필름의 착색과 관련한 가시적 외관을 갖도록 한다. 예를 들면, 극성 유체(12)가 적색인 경우, 적색 파장의 광이 화소(10)로부터 관찰된다. 극성 유체(12)의 색상이 화소(10)를 통해 투과된 광에서 명백한데, 그 이유는 소수성 코팅(22)의 영역 위에서의 극성 유체(12)의 증가된 표면적 때문이다. 전위차가 도 1b에 나타낸 바와 같이 제거되는 경우, 극성 유체(12)는 이의 형태 변화를 변화시킴에 의해 반응하며, 이에 따라 소수성 코팅(22)의 표면에 대한 이의 접촉각에 반응한다. 극성 유체(12)의 가시적 착색은 도 1b의 디스플레이 상태에서 덜 명백한데, 그 이유는 더 적은 광이 극성 유체(12)를 통해 전송되기 때문이며, 비교함으로써, 더 많은 광이 비극성 유체(14)를 통해 전송되기 때문이다. 극성 유체(12)의 착색이 결여되는 비극성 유체(14)는, 전압이 도 1b에서 전극(18, 20)에서 부재하는 경우 소수성 코팅(22)의 표면적의 대부분을 우선적으로 습윤시킨다. 비극성 유체(14)는 착색되지 않거나 투명할 수 있다. 화소(10)와 유사한 기타 화소(나타내지 않음)의 대비되는 디스플레이 상태에 따라, 이들 2개의 대비되는 디스플레이 상태는 영상을 생성하기 위한 디스플레이에 의해 사용될 수 있다. 전위차가 화소(10)의 전극(18, 20)들 사이에 재인가되는 경우, 극성 필름(12)은 도 1b의 디스플레이 상태로부터 도 1a의 디스플레이 상태로 복귀될 것이다.
당해 분야의 숙련가는, 화소(10)가 각종의 대안적인 구성을 가질 수 있고 도 1a 및 1b에 나타낸 구성이 변할 수 있다는 것을 인지할 것이다. 대안적인 양태에서, 화소(10)는, 인가된 전위차가 극성 유체(12)가 도 1a에서와 같은 필름을 형성하고 인가된 전위차의 제거가 도 1b에서 증가된 접촉각의 상태를 생성하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 극성 유체(12)는, 극성 유체(12)가 관찰자로부터 보이지 않고 숨겨져 있는 화소(10) 내의 위체로 전위차에 의해 이동될 수 있다.
유사한 도면부호가 도 1a 및 1b에서의 유사한 특징부를 나타내는 도 2a 및 도 2b를 참조로 하면, 하나 이상의 비극성 용매 및 하나 이상의 올리고머성 및/또는 중합체성 염료를 포함하는 비극성 유체(14)는 본 발명의 양태들 중의 하나와 일치하며, 착색, 예를 들면, 검정색이 될 수 있으며, 극성 유체(12)와 함께 디스플레이 화소(10)에서 사용되어 영상을 생성할 수 있다. 하나의 양태에서, 검정색으로 착색된 비극성 유체(14)는 도 2a에 나타낸 바와 같이 소수성 코팅(22) 위에서 필름을 형성하며, 이는 어두운, 예를 들면, 검정색의 영상 영역을 생성한다. 전위차가 도 2b에서와 같이 인가되는 경우, 극성 유체(12)는 소수성 코팅(22)를 습윤시킬 것이며, 비극성 유체(14)는 이동하여, 예를 들면,감소된 표면적으로 특징지워지는 점적을 형성할 것이다. 결과적으로, 비극성 유체(14)의 색상은 화소(10)의 작은 가시적 영역으로 한정되며 화소(10)의 외관은 주로, 착색되지 않거나 투명하게될 극성 유체(12)의 착색을 반영할 것이다. 화소(10)와 유사한 기타 화소(나타내지 않음)의 대비되는 디스플레이 상태에 따라, 이들 2개의 대비되는 디스플레이 상태는 영상을 생성하기 위한 디스플레이에 의해 사용될 수 있다.
유사한 도면부호가 도 1a 및 1b에서의 유사한 특징부를 나타내고 본 발명의 하나의 양태에 따르는 도 3a 내지 3c를 참조하면, 본 발명의 양태들의 극성 유체(12)는, 극성 유체(12)의 점적이 비가시적인 위치(도 3a)로부터 가시적 위치(도 3c)까지의 화소(40) 내로 이동되는 디스플레이의 화소(40)에서 사용될 수 있다. 기판(26, 28)과 유사한 기판들이 존재하지만, 명확히하기 위해 도면들로부터 생략된다. 비-가시적 위치와 가시적 위치 사이의 극성 유체(12)의 이동은 도 3b에서 명백하다. 화소(40)의 전극(18)은 2개의 별개의 전극(18a, 18b) 내로 세그멘트화된다. 전극(18a)은 화소(40)의 일부에 위치하며, 여기서 극성 유체(12)는 관찰자로부터 숨겨지고 관찰자에게 보이지 않으며 전극(18b)은 화소(40)의 부분에 위치하며, 여기서 극성 유체(12)는 극성 유체(12)를 통한 빗의 투과로 인하여 관찰자에게 보인다.
전극(18b, 20)들 사이에 인가된 전위차를 변환시킴으로써, 극성 유체(12)는 비-가시적 위치(도 2a)로부터 가시적 위치(도 3b)로 이동한다. 가시적 위치에서, 광은 극성 유체(12)를 통해 투과하며 극성 유체(12)의 착색을 반영하는 파장을 습득한다. 특성적 착색을 습득한 후의 광은 소수성 코팅(24) 및 전극(20)을 통해 투과되며 화소(40) 밖에서 관찰자에게 투과된다. 극성 유체(12)는 가시적 위치(도 3c)로부터 비-가시적 위치(도 3a)로 복귀되어 전극(18a, 20)에 전위차를 인가함으로써 초기 디스플레이 상태르 재설정한다.
화소(40)와 유사한 기타 화소(나타내지 않음)의 대비되는 디스플레이 상태에 따라, 도 3a 및 3c에 나타낸 화소(40)의 이들 2개의 대비되는 디스플레이 상태는 영상을 생성하기 위한 디스플레이에 의해 사용될 수 있다. 대안적인 양태에서, 화소(40)의 비극성 유체(14)는 극성 유체(12)의 착색 외에도 착색될 수 있다. 극성 유체(12)의 양태들은 화소(40)과 같은 장치 화소에 사용되어 영상 콘트라스트를 증진시킬 수 있다.
본 발명의 양태들과 일치하는 하나의 조성을 갖는 착색된 비극성 유체를 디스플레이를 위한 전기영동 장치에 사용할 수 있다. 유사한 도면부호가 도 1a 및 1b에서 유사한 특징부를 나타내고 본 발명의 하나의 양태에 따르는 도 4a 및 4b를 참조하면, 비극성 유체(14)는 단일 입자형 전기영동 디스플레이의 화소(50)를 위한 대조 색상으로서 사용될 수 있다. 구체적으로, 충전된 입자(52)는 비극성 유체(14)의 용적 내에 현탁되며 화소(50)는 비극성 유체(14)의 착색의 외관을 갖는다. 전위차가 전원(30)으로부터의 전압에 의해 전극(18, 20)들 사이에 인가되는 경우, 충전된 입자(52)는, 이경우 도 4b에 나타낸 바와 같이, 전극(18, 20)들 중의 하나 이상을 향해 정전적으로 구인된다. 착색된 비극성 유체(14)의 벌크(bulk) 내의 충전된 입자(52)의 재분배의 결과로서, 화소(50)의 가시적 외관은 디스플레이 상태에서의 변화로 인하여 충전된 입자(52)의 착색을 반영하도록 변한다. 화소(50)와 유사한 기타 화소(나타내지 않음)의 대비되는 디스플레이 상태에 따라, 도 4a 및 4b에 나타낸 화소(10)의 이들 2개의 대비되는 디스플레이 상태는 영상을 생성하기 위한 디스플레이에 의해 사용될 수 있다. 대안적으로, 비극성 유체(14) 내의 염료가 적합하게 충전되는 경우, 착색된 극성 유체(14)는 이중 입자형 디스플레이에서 대비 색상일 수 있다.
따라서, 고 용해도로 인하여, 특히 비극성 용매 대 통상적인 염료에서, 올리고머성 또는 중합체성 염료는 바람직한 색 강도 및 포화를 제공하여, 장치에서 더 옅은 착색 층의 구성, 및 고 콘트라스트 비를 성취하기 위한 능력을 허용한다. 올리고머성 및 중합체성 염료는 또한 저온, 예를 들면, -40℃ 미만의 저온에서 용액에서 결정화되기 쉽지 않으며, 또는 이들의 고분자량으로 인하여 하나의 유체로부터 다른 유체로의 확산이 쉽지 않아서 개선된 장치 신뢰성을 제공한다. 또한, 올리고머성 및 중합체성 염료는, 가용화 그룹들이 바람직하게는 비이온성인 것을 고려하면, 유체의 전도도 또는 작은 이온의 함량을 증가시키지 않고 개선된 용해도를 제공한다. 이들 특성은 기존의 염료들에 비하여 개선된 성능을 제공하며, 전기습윤, 전기영동 및 전기유체 발색단 장치를 위한 안료화된 극성 및 비극성 유체를 위한 분산제 및 안정화제로서 바람직한 유용성을 갖는다.
본 발명은 각종 양태들의 설명에 의해 기술하였고 이들 양태들은 상당히 상세히 기술되었지만, 본 출원인은 첨부한 특허청구범위의 영역을 이러한 상세한 사항으로 어떠한 식으로든지 제한하거나 한정하려는 의도는 아니다. 추가의 이점 및 변형은 당해 분야의 숙련가들에게 매우 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 이의 광의의 측면에서 나타내고 기술된 구체적인 상세한 사항, 대표적인 장치 및 방법, 및 설명적 실시예로 제한되지 않는다. 따라서, 본 출원인의 발명적 개념의 정신 또는 영역으로부터 벗어나지 않고 이러한 상세한 사항으로부터의 일탈들이 이루어질 수 있다.

Claims (21)

  1. 하나 이상의 극성 또는 비극성 용매 및, 당해 용매 중의 하나 이상의 올리고머성 및/또는 중합체성 염료를 포함하며, 여기서 올리고머성 염료가 하나 이상의 올리고머성 쇄에 부착된 하나 이상의 발색단을 갖고, 중합체성 염료가 하나 이상의 올리고머성 및/또는 중합체성 쇄에 부착된 하나 이상의 발색단을 갖고, 염료가 추가로 400 내지 100,000의 분자량, 25℃에서 5중량% 이상의 용매중의 용해도, 및 25℃에서 0.5 cPs 내지 2,000 cPs의 역학 점도를 갖는 착색된 유체(colored fluid)로서,
    여기서 용매가 극성 용매인 경우, 착색된 유체는 0.1 μS/cm 내지 3000 μS/cm의 전도도, 25℃에서 15 dyne/cm 내지 90 dyne/cm의 표면장력, 및 2.0Å 미만의 반경을 갖는 일원자성 이온 및 1.45Å 미만의 반경을 갖는 다원자성 이온의 총 함량 500 ppm 미만을 가지며, 용매가 비극성 용매인 경우, 착색된 유체는 5 x 10 μS/cm 미만의 전도도 및 25℃에서 10 dyne/cm 내지 40 dyne/cm의 표면장력을 갖는 착색된 유체.
  2. 제1항에 있어서, 올리고머성 또는 중합체성 염료가 다음 화학식들 중의 하나 이상에 의해 정의되는 착색된 유체:
    (1) Q[X-(Y)l]m
    (2) (Q-X)p-Z-(X-Y)q
    (3) (Q-X)p(X-Y)q Z-Y-Z(X-Y)q(X-Q)p
    (4) (Q-X)p(X-Y)q Z-L-Z(X-Y)q(X-Q)p
    (5) Q-X-Y-X-Q (6) Z(X-Y-X-Q)p
    (7) [(Y)l X]mQ-X-Y-X-Q[X(Y)l]m
    (8) X-Q-X-Y-[X-Q-X-Y]k-X-Q-X-Y
    (9) Y(-X-Q)[Y(-X-Q)]kY(-X-Q)Y
    (10) Q[X1 -Y1 +]m
    (11) Q[X2 +Y2 -]m
    (12) [Y1 +X1 -]mQ-X-Y-X-Q[X1 -Y1 +]m
    (13) [Y2 -X2 +]mQ-X-Y-X-Q[X2 +Y2 -]m
    (14) Z{X-Y-X-Q[X1 -Y1 +]m}p
    (15) Z{X-Y-X-Q[X2 +Y2 -]m}p; 여기서,
    Q는 발색단이고;
    X는 R; RC(O)O; ROC(O); RC(O)NR1; RNR1C(O); SO2NR1; SO2; RO; RS; RNR1; =N-; RNHC(O)NR1; RNHC(O)O; ROC(O)NH; RC(O)OCH2CH(OH)CH2; ROCH2CH(OH)CH2; 또는 RNR1CH2CH(OH)CH2, 여기서 R은 단일 결합, 알킬, 아릴, 알킬아릴, 또는 에테로 사이클이며 R1은 H, 알킬, 아릴 또는 알킬아릴이고;
    Y는 폴리비닐, 폴리비닐레덴, 폴리디엔, 폴리무수물, 폴리알킬렌글리콜, 폴리에스테르, 폴리에폭시, 폴리우레탄, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리우레아, 폴리카보네이트, 폴리아세탈, 폴리설폰, 폴리알데히드, 폴리케톤, 또는 이들의 랜덤 또는 블록 공중합체로부터 선택된 올리고머 또는 중합체이고;
    Z는 1,3,5- 및 1,2,4-트리아진, 벤젠-1,3,5-트리카복실산, 벤젠-1,2,4-트리카복실산, 벤젠-2,3,5,6-테트라카복실산, 글리세롤, 펜타에리트리톨, 디메틸올 프로피온산, 시트르산, 이소시트르산, 프로판-1,2,3- 트리카복실산, 무크산, 말산, 타르타르산, 2,4-디하이드록시벤조산, 1,3,5-트리아미노벤젠, 1,3,5-트리하이드록시벤젠, 갈산, 2-아미노-1,3-프로판디올, 또는 트리에탄올아민의 라디칼이고;
    L은 단일 결합 또는 이작용성 결합 그룹이고;
    X1 -는 발색단의 음이온성 그룹이고;
    X2 +는 발색단의 양이온성 그룹이고;
    Y1 +는 올리고머 또는 중합체의 양이온성 그룹이고;
    Y2 -는 올리고머 또는 중합체의 음이온성 그룹이고;
    l은 1 내지 2이고; m은 1 내지 8이고; p 및 q는 1 내지 4이고; p+q는 <5이며; k는 0 내지 500이다.
  3. 제1항에 있어서, 용매가 극성 용매인 착색된 유체.
  4. 제3항에 있어서, 극성 용매가 10 초과의 유전 상수, 25 dyne/cm 내지 90 dyne/cm의 표면 장력, 25℃에서 0.1 내지 2,000 cPs의 역학 점도, 및 20 내지 80%의 범위의, 30 V의 직류 또는 교류 전류에 대한 전기습윤 상대 반응도(EWRR)를 갖는 착색된 유체.
  5. 제3항에 있어서, 극성 용매가 물, 글리콜, 폴리글리콜, 알콜, 폴리올, 에테르, 에스테르, 케탈, 락톤, 케톤, 락탐, 피롤리돈 및 폴리비닐피롤리돈, 피롤린, 카보네이트, 우레아, 설폰, 설폭사이드, 아민, 이민, 아미드, 니트릴, 카복실산, 아세탈, 카바메이트, 알데히드, 할로겐화된, 티오, 또는 니트로 화합물, 이온성 유체, 또는 이들의 임의의 혼합물로부터 선택되는 착색된 유체.
  6. 제3항에 있어서, 극성 용매가 물, 1,2-프로필렌 글리콜, 1,3-프로필렌 글리콜, 1,4-부틸렌 글리콜, 프로필렌 카보네이트, 베타-프로피오락톤, 베타-발레로락톤, 감마-부티로락톤, 감마-발레로락톤, 또는 이들의 임의의 혼합물인 착색된 유체.
  7. 제2항에 있어서, 용매가 비극성 용매인 착색된 유체.
  8. 제7항에 있어서, 비극성 용매가 10 미만의 유전 상수, 25℃에서 0.1 내지 2,000 cPs의 역학 점도, 및 10 dyne/cm 내지 40 dyne/cm의 표면 장력을 갖는 착색된 유체.
  9. 제7항에 있어서, 비극성 용매가, 할로겐, 니트로, 니트로조, 또는 시아노 그룹, 지방 알콜 및 카복실산, 에스테르, 아미드, 또는 이들의 임의이 혼합물을 포함하는 직쇄 또는 측쇄 지방족 또는 방향족 탄화수소, 부분 할로겐화된 방향족 탄화수소, 지환족 또는 방향족 헤테로사이클릭 화합물 또는 이들의 유도체로부터 선택되는 착색된 유체.
  10. 제7항에 있어서, 비극성 용매가 옥탄, 노난, 데칸, 운데칸, 도데칸, 테트라데칸, 테트랄린, 또는 데칼린인 착색된 유체.
  11. 제1항에 있어서, 올리고머성 및/또는 중합체성 염료가 약 0.01중량% 내지 약 50중량%의 유체의 양으로 존재하고 극성 또는 비극성 용매가 약 50중량% 내지 약 99.99중량%의 유체의 양으로 존재하는 착색된 유체.
  12. 제1항에 있어서, 안료를 추가로 포함하는 착색된 유체.
  13. 제12항에 있어서, 안료가 10 내지 200 nm의 입자 크기를 갖는 착색된 유체.
  14. 제12항에 있어서, 올리고머성 및/또는 중합체성 염료가 약 0.01중량% 내지 약 50중량%의 유체의 양으로 존재하고, 안료가 0.01중량% 내지 30중량%의 유체의 양으로 존재하며, 극성 또는 비극성 용매가 약 40중량% 내지 약 99.98중량%의 유체의 양으로 존재하는 착색된 유체.
  15. 제1항에 있어서, 염료가 형광성 염료인 착색된 유체.
  16. 제1항 내지 제15항 중의 어느 한 항의 착색된 유체를 포함하는, 전기습윤 또는 전기유체 장치.
  17. 제16항에 있어서, 투명한 극성 또는 비극성 유체를 추가로 포함하는 장치.
  18. 제16항에 있어서, 착색된 유체가 극성 용매를 포함하여 착색된 극성 유체를 한정하며, 제1항의 다른 착색된 유체를 추가로 포함하며, 비극성 용매를 포함함으로써 착색된 비극성 유체를 한정하는 장치.
  19. 비극성 용매를 포함함으로써 비극성 유체를 한정하는, 제1항의 착색된 유체를 포함하는 전기영동 장치.
  20. 제1항 내지 제15항 중의 어느 한 항의 착색된 유체를 포함하는, 디스플레이용 화소(pixel).
  21. 제1항 내지 제15항 중의 어느 한 항의 착색된 유체를 포함하는 화소의 저장소(reservoir)에 전위차를 다수의 전극을 통해 적용하여, 착색된 유체의 형태를 이동시키거나 변화시킴으로써 화소의 디스플레이 상태의 변화를 생성시키는 것을 포함하여, 디스플레이용 화소의 디스플레이 상태를 변화시키는 방법.
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