Elektrophorese. Martin Lenders Freie Universität Berlin

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1 Elektrophorese Martin Lenders Freie Universität Berlin Proseminar Technische Informatik, WS 2009/2010

2 Überblick Einleitung Elektronisches Papier Der Prototyp: EPID-Panel E-Ink SiPix Herstellungsverfahren für elektronisches Papier elektrophoretischen Flüssigkeit E-Ink-Papier SiPix-Papier Physikalische Grundlagen Vergleich mit anderen Bildschirmtechnologien FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 2

3 Einleitung Was ist Elektrophorese? gr. electron, der Bernstein; gr. phoresis, das Tragen erstmal beobachtet durch F. F. Reuß (1809) Definition: Elektrophorese bezeichnet Wanderung elektrisch geladener Teilchen in einer Lösung, Suspension oder kolloidalen Lösung unter Einfluss eines elektrischen Feldes. FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 3

4 Einleitung Was ist Elektrophorese? gr. electron, der Bernstein; gr. phoresis, das Tragen erstmal beobachtet durch F. F. Reuß (1809) Definition: Elektrophorese bezeichnet Wanderung elektrisch geladener Teilchen in einer Lösung, Suspension oder kolloidalen Lösung unter Einfluss eines elektrischen Feldes. Einsatzgebiete: Einsatz in der Chemie zur Trennung hochmolekularer Strukturen Tauchlackierung Elektrophoretische Displays (EPD) = E-Papier FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 3

5 EPID-Panel I weiß schwarz 1973 erstmals vorgestellt elektrophoretisches Flüssigkeit zwischen zwei Elektroden Sieben- und Vierzehnsegmentanzeigen FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 4

6 EPID-Panel II weiß schwarz Elektrophoreretische Flüssigkeit: one-particle-systems Partikel in gefärbterflüssigkeit FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 5

7 EPID-Panel II weiß schwarz Elektrophoreretische Flüssigkeit: one-particle-systems Partikel in gefärbterflüssigkeit Partikelbewegungdurch gefärbte poröse Wand FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 5

8 EPID-Panel II weiß schwarz Elektrophoreretische Flüssigkeit: one-particle-systems Partikel in gefärbterflüssigkeit Partikelbewegungdurch gefärbte poröse Wand two-particle-systems Partikel haben unterschiedlicheladung FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 5

9 EPID-Panel II weiß schwarz Elektrophoreretische Flüssigkeit: one-particle-systems Partikel in gefärbterflüssigkeit Partikelbewegungdurch gefärbte poröse Wand two-particle-systems Partikel haben unterschiedlicheladung Partikel haben unterschiedlicheelektrophoretische Mobilität FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 5

10 E-Ink am MIT entwickelt Umsetzung der two particle -Variante des EPID Elektrophoretische Flüssigkeit in Microkapseln Vermarktung seit 1999 FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 6

11 SiPix 2003 durch SiPix entwickelt Umsetzung der one particle -Variante des EPID Elektrophoretische Flüssigkeit in Microcups FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 7

12 elektrophoretischen Flüssigkeit Pigment-Partikel in flüssigem Polyethylen zerstäubt und gehärtet resultierende Partikel gesiebt Durchmesser: 5 µm Partikel in Gemisch aus Tetrachloroethylen und anderen Kohlenwasserstoffen Partikel und Flüssigkeit: Etwa gleiche Dichte weitere Stoffe (wie Farbstoffe oder Tenside) FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 8

13 Herstellung von E-Ink-Papier Herstellung von E-Ink-Papier: Elektrophoretisches Gemisch in wässrige Lösung Tröpfchenbildung Polykondensation von Urea und Formaldehyd an deren Oberfläche Transparente, harte Polymerschicht Kapseln in UV-härtendem Urethan auf ITO-Film aufgetragen mit silberdotierter Tinte rückseitige Elektrode aufgedruckt FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 9

14 Herstellung von SiPix-Papier FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 10

15 Physikalische Grundlagen I Kraft auf ein Teilchen im elektrischen Feld: F =Eq FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 11

16 Physikalische Grundlagen I Kraft auf ein Teilchen im elektrischen Feld: F =Eq Gegenkraft: Reibungskraft/Strömungskraft: F R =6πrηv (Stokes sches Gesetz) FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 11

17 Physikalische Grundlagen I Kraft auf ein Teilchen im elektrischen Feld: F =Eq Gegenkraft: Reibungskraft/Strömungskraft: F R =6πrηv (Stokes sches Gesetz) Gleichsetzung: v = Eq 6πrη =Em m bezeichnet die elektrophretische Mobilität: m= q 6πrη = v E FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 11

18 Physikalische Grundlagen I Kraft auf ein Teilchen im elektrischen Feld: F =Eq Gegenkraft: Reibungskraft/Strömungskraft: F R =6πrηv (Stokes sches Gesetz) Gleichsetzung: v = Eq 6πrη =Em m bezeichnet die elektrophretische Mobilität: m= q 6πrη = v E Was ist, wenn das Teilchen keine Ladunghat? FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 11

19 Physikalische Grundlagen II Antwort: (elektrolytische) Doppelschicht Teilchenoberfläche FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 12

20 Physikalische Grundlagen II Antwort: (elektrolytische) Doppelschicht Oberflächenladungsdichte σ durch Bewegung von geladenen Teilchen in der Flüssigkeit: σ =ζϵϵ 0 Kraft auf das Teilchen: F =σe Teilchenoberfläche FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 12

21 Physikalische Grundlagen II Antwort: (elektrolytische) Doppelschicht Oberflächenladungsdichte σ durch Bewegung von geladenen Teilchen in der Flüssigkeit: σ =ζϵϵ 0 Kraft auf das Teilchen: F =σe Nach Smoluchowski Berechnung von m daher auch wie folgt: m= σ η = ζϵϵ 0 η Teilchenoberfläche FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 12

22 Vergleich mit anderen Bildschirmtechnologien Vorteile: hohes Kontrastvermögen zwischen Schwarz und Weiß Lesbarkeit vom Winkel unabhängig Energieeffizient Unabhängigkeit vom Trägermaterial geringes Gewicht sehr flexibel und robust FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 13

23 Vergleich mit anderen Bildschirmtechnologien Vorteile: hohes Kontrastvermögen zwischen Schwarz und Weiß Lesbarkeit vom Winkel unabhängig Energieeffizient Unabhängigkeit vom Trägermaterial geringes Gewicht sehr flexibel und robust Nachteile: langsamere Schaltzeiten Farbdarstellung noch in den Kinderschuhen FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 13

24 Zusammenfassung Elektrophorese bildet die Grundlage für E-Papier Grundlagen-Forschung: EPID-Panel Technologien: E-Ink SiPix Herstellung ähnelt meist Druckverfahren Bewegung der Teilchen durch elektrophoretische Mobilität bestimmt technische Entwicklung noch in den Kinderschuhen FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 14