Приборы и устройства для формирования видимого изображения: Учебное пособие, страница 41

6.3. Электрофоретические индикаторы

Принцип действия электрофоретических индикаторов (ЭФИ) основан на переносе заряженных пигментных частиц (электрофорез) в коллоидной суспензии силами приложенного электрического поля. Первый патент по ЭФИ относится к 1971 г. Простейший ЭФИ, поперечное сечение которого приведено на рис. 6.3, представляет собой тонкий (десятки мкм) слой 8 коллоидной суспензии, помещённый между поверхностями прозрачных электродов 3 и 4, нанесённых на стеклянные пластины-обкладки 1,2. Суспензия состоит из пигментных частиц 6 и 7, взвешенных в цветной неводной жидкой суспензии 8 контрастного по отношению к пигменту цвета. Размер частиц не превышает одного мкм. Частицы пигмента изначально имеют однополярный электрический заряд, знак и величина которого при работе не изменяются. Ячейки ЭФИ закрыты прокладками 9 для обеспечения герметичности прибора.

Отображение информации осуществляется за счёт изменения цвета участка поверхности, который соответствует либо цвету пигмента, либо цвету суспензии. Трансформация цвета происходит при приложении к электродам ЭФИ напряжения той или иной полярности. Если при отрицательно заряженных частицах пигмента приложить отрицательное напряжение к электроду лицевой пластины, то частицы будут перемещаться к задней пластине и наблюдатель увидит цвет поверхности, определяемый цветом суспензии. При перемене полярности приложенного напряжения цвет будет определяться цветом частиц пигмента.

Яркость ЭФИ определяется яркостью внешнего источника и не достаточно полно характеризует качество изображения. Наиболее важным показателем качества является контраст изображения, зависящий от 3-х основных факторов. Первый из них - состав суспензии, т.е. концентрация в прозрачном растворителе красящего вещества и концентрация частиц пигмента. При некоторой концентрации краски контраст достигает максимума, а затем начинает уменьшаться по мере её дальнейшего увеличения. Спад начинается тогда, когда поглощение доли излучения краской начинает уменьшать яркость во включённом состоянии, т.е. пигмента со стороны наблюдателя становится больше, чем необходимо для достижения непрозрачности в выключенном состоянии. Обычно применяемые концентрации  краски - до 10 мг/л, концентрации пигмента - несколько десятков мг/л.

Вторым фактором, влияющим на контраст, является толщина слоя суспензии. Для данного состава суспензии и приложенного напряжения с ростом этой толщины контраст сначала увеличивается, а затем спадает. Спад обусловлен тем, что всё входящее в элемент и рассеиваемое пигментом у заднего электрода излучение поглощается слоем жидкой краски. Однако уменьшением концентрации краски можно получить больший контраст и при дальнейшем увеличении толщины элемента за счёт увеличения яркости пигмента у переднего электрода.

Третий фактор, оказывающий существенное влияние на контраст -величина приложенного электрического поля. Яркость и контраст плавно возрастают с ростом величины поля в слое  и при некотором его значении (около 1 В/мкм) достигают насыщения.

Заряд частиц пигмента происходит при диспергировании их в неполярной жидкости с высоким удельным сопротивлением, являющейся основой суспензии. Величина и знак заряда зависят от контактного потенциала на границе раздела между твёрдой и жидкой фазами и являются функцией относительных диэлектрических проницаемостей этих фаз. Фаза, имеющая более высокую диэлектрическую проницаемость, заряжается положительно.

При диспергировании частиц пигмента в жидкости на границе раздела частицы - жидкость образуется двойной электрический слой, разность потенциалов на котором называют электрокинетическим или дзэта-потенциалом. В одной части этого слоя, принадлежащей частицам, -мономолекулярном слое - заряды локализованы, в другой – диффузионном - заряды могут свободно перемещаться.

При приложении электрического поля частица вместе с мономолекулярным слоем из противоположно заряженных ионов и жидкостью на поверхности раздела движется в одном направлении, а диффузионный слой ионов за поверхностью раздела движется в противоположном направлении. Скорость движения частиц определяет время изменения цвета поверхности ЭФИ. На рис. 6.4 приведена зависимость интенсивности рассеянного света от времени.

Кривая, приведенная на рисунке, показывает, что время реакции ЭФИ составляет около 100 мкс. Это время во многом определяется коллоидной суспензией. Она состоит из жидкой основы, стабилизирующих агентов и субмикронных пигментных частиц. В идеальной суспензии пигмент не должен ни оседать, ни  всплывать на поверхность жидкости, т.е. должен быть гравитационно устойчив. Отдельные взвешенные частицы пигмента не должны слипаться и образовывать агломераты при работе прибора, т.е. должна быть коллоидная стабильность. Составляющие суспензии должны быть химически совместимыми друг с другом и с материалами контактирующих с суспензией элементов ЭФИ.

Срок службы ЭФИ ограничивается развитием неоднородности распределения пигмента у прозрачного электрода, связанной с агломерацией, образованием кластеров, перераспределением пигмента, прилипанием пигмента к электродам. Кроме того, сказываются и электрофотохимические эффекты - обесцвечивание краски и др. При испытаниях на срок службы элементы со стандартными суспензиями продолжали работать после более чем 2×10⁸ переключений при напряжении 50 В, частоте 0,5 Гц и толщине элемента 50 мкм. На срок службы большое влияние оказывает температура прибора.

6.4. Электромагнитные индикаторы

В индикаторах этого типа изменение цвета данного участка поверхности достигается механическим поворотом и сменой материала этого участка. В качестве участков поверхности с разным цветом используются две плоскости диска, две половины шарика и т.д. Переключение участков - поворот диска или шарика осуществляется с помощью магнитного поля, создаваемого электромагнитами. Возбуждение электромагнитов производится с помощью сильноточных устройств управления. Переключение и длительное отображение отдельных знаков обеспечиваются узлом самофиксации. Каждый отдельный элемент индикатора должен иметь своё устройство управления. Такие индикаторы являются пассивными, зато хранение информации в них происходит без потребления энергии.