微流控法制备可用于电泳显示微胶囊的微液珠研究

朱云飞，水玲玲，周国富，2，金名亮*

（1.华南师范大学华南先进光电子研究院，彩色动态电子纸显示技术研究所，广州510006；2.深圳市国华光电科技有限公司，深圳518110）

微流控法制备可用于电泳显示微胶囊的微液珠研究

朱云飞1，水玲玲1，周国富1，2，金名亮1*

（1.华南师范大学华南先进光电子研究院，彩色动态电子纸显示技术研究所，广州510006；2.深圳市国华光电科技有限公司，深圳518110）

基于微流控技术，提出一种制备电泳显示液微胶囊的新方法，解决了传统电泳微胶囊制备方法中颗粒粒径不均匀、影响显示器件的显示性能及其驱动波形设计等问题.使用2种玻璃汇聚流通道（小型和大型），外相溶液为1.5%明胶阿拉伯胶混合溶液，内相为四氯乙烯溶液.当小型通道和大型通道外相溶液流速与内相溶液体积流速比分别为2∶1和10∶6时，可得到液滴平均直径分别为47 μm和315 μm的均匀的微液珠.同时，通过调节内外相流速可以精确控制微胶囊粒径大小.与传统机械搅拌法制备的微液珠（52±18.81 μm）相比，微流控法制备的微液珠（45±0.28 μm）粒径分布得到了很大改善.该方法为电泳显示器显示效果的改善提供了可行方法.

电泳显示器；微胶囊；微流控；粒径分布

Sheridon率先提出电子纸和电子墨水的概念［1］，由贝尔实验室成功制造出电子纸原型［2］.之后，美国E-ink公司推出用于户外广告的电子纸.

电泳电子纸的显示原理是依赖微胶囊内部的颜料粒子的电泳现象，显示屏材料由成千上万个透明壁材的微胶囊组成，微胶囊内部含有带正电荷的白色颜料粒子和带有负电荷的黑色颜料粒子.在不同电场方向的电压驱动下，不同颜色的粒子会向屏幕的不同方向泳动，结合一定的驱动波形，就形成了不同的灰阶，从而实现信息和图像的显示功能［3］.

电泳电子纸具有以下特征:反射式显示，环境光反射进入人眼可看到图像，与纸张的特性更为相近.双稳态，在图像形成后，断电后图像可以保持数年.低能耗，充电一次可以使用数周或更长时间，其能耗仅相当于LCD的0.1%～10%.电子纸也有一些缺点，对于E-ink公司的微胶囊材料电泳显示屏，反应速率仅为150 ms，难以满足现实视频动画的要求.同时，由于胶囊内部颜料粒子的颜色局限性，很难实现高清晰度的彩色显示.

电泳显示液微胶囊是电泳显示屏幕的关键组成.传统电泳微胶囊的制备过程包括乳化、表面聚合、固化封装等，其中表面聚合是将乳化液滴表面聚合并包裹上一层囊壁，其方法包括原位聚合法［4-5］、复合凝聚法［6］或界面聚合法［1］等.图1是通过传统方法制备得到的微胶囊图片.微胶囊大小非常不均一，最大的胶囊与最小的粒径相差10倍以上，导致每一批显示屏材料都不一样，对驱动程序设计和最佳显示效果调节带来困难.在电压驱动方面，电泳显示时，由于不同粒径的微胶囊显示同一图像所需要的加压时间不一样，所以在设计驱动程序很难满足每一个屏幕的要求，特别是对于批量生产的屏幕来说，由于微胶囊本身的粒径不一样，每一批屏幕的驱动波形就不一致，使得统一驱动程序的设计存在很大困难.

图1　传统机械搅拌法制备的微胶囊显微镜图Figure 1　Microscopic picture of microcapsules fabricated by agitation

电泳微胶囊的显示性能强烈地依赖于液滴的尺寸和形态，其尺寸分布一直是表征微胶囊的最重要的物理量之一，对于微胶囊尺寸及其粒径分布的控制一直是研究者关注的热点.获得粒径更加均匀的微胶囊，通过粒径与性能关系的研究，为驱动波形设计和显示精度的提升提供理论依据.生物化学领域的微流控芯片技术可以产生高度单分散的均一微液滴［7-9］，本研究将此技术运用到电泳显示液微胶囊前期液体的乳化制备上，解决其颗粒不均匀的问题.

1　实验方法

1.1溶液配制

制备明胶-阿拉伯胶为胶囊所使用的外相溶液为相同浓度的明胶和阿拉伯胶混合溶液.取明胶和阿拉伯胶各0.75 g，分别在40℃条件下溶于50 mL水中，搅拌30 min充分溶解，再配制0.2%的十二烷基硫酸钠水溶液100 mL，在40℃搅拌下混合3种溶液，过滤，得到外相溶液.内相溶液为四氯乙烯溶液，取10 mL四氯乙烯溶液，加入2%Span80作为表面活性剂，超声振荡30 min，过滤，作为内相溶液使用.

1.2实验装置

图2　微流控制备微胶囊实验装置Figure 2　Microfludic system for EPD microdroplets preparation

微流控装置（图2）为Micronit公司生产的芯片固定器（Fluidic Connect PRO，Micronit，Netherland）.包含芯片槽、嵌入接口、固定装置.流体进样装置为双通道注射泵（KD Scientific，KDS200），通过特氟龙透明软管链接微流控芯片接口与注射器.

观察微通道中流体情况.为了观察流体高速运动形成液滴的情况，在倒置显微镜（CKX41，Olympus，Japan）镜头上安装高速相机（Phantom MiRO M110，Vision Research，USA）对液滴形成过程进行拍摄.

对于微流控通道的选择，通过对比Y型通道［9-10］、T型通道［11-12］和汇聚流通道［11，13］发现，Y型通道更适合做层流和萃取等微流控实验［14］，而T型通道对液滴形成实验的稳定性不如汇聚流通道高.本研究主要使用2种汇聚流通道产生液珠，分别为小型汇聚流通道（FC_FFDG.2_PACK，Micronit，Netherland）和大型汇聚流通道（FC_FFDG.2.50_ PACK，Micronit，Netherland）.小型汇聚流通道宽度100 μm，深度20 μm.大型汇聚流通道宽度500 μm，深度100 μm.

2　结果与分析

2.1微流控法产生微液珠

图3显示了2种汇聚流微流控通道中液滴的形成情况.使用的外相溶液为1.5%明胶阿拉伯胶混合溶液，内相为四氯乙烯溶液.小通道内，当外相溶液流速与内相溶液流速为2∶1时，微液滴的形成稳定，生成过程可持续数小时，用玻璃瓶在通道出口位置收集生成的微液滴.生成的液滴如图3B所示，液滴比较均匀，通过显微镜静态测量，液滴的直径为47 μm.图3C为大的汇聚流通道中形成微液滴的情况，由于通道变宽，液体的流速达到10 μL/min，液滴的形成稳定，当内外相流速为10∶6时，收集液滴，如图3D所示，液滴具有很好的单分散性，液滴平均直径为315 μm.

2.2微液滴大小与内外相流速的关系

为了精确控制生成微胶囊的大小，分别测量2个大小不同的汇聚流通道中流速与液滴大小的关系.外相流体均为1.5%的明胶阿拉伯胶混合溶液，并以十二烷基硫酸钠（SDS）作为表面活性剂，内相溶液为四氯乙烯（C2Cl4）溶液.在大的汇聚流通道中，保持外相溶液的流速不变，始终为10 μL/min，通过改变内相溶液的流速来控制液滴的大小，得到图4A所示的曲线.当内外相流速比达到1∶5时，均匀的液滴开始稳定形成，当内相流速增加，液滴的直径也开始增大，插图中选取的是当内相流速为4 μL/min时产生的微液滴收集到的情况，液滴直径为315 μm.实验中，每次流速的改变后都经过0.5 h后再开始收集液滴，以保持液滴的高度单分散性，图4B是小的汇聚流通道中产生微液珠的情况.同样，保持外相流速始终为70 μL/h，随着内相溶液流速的增加，液珠的直径增大，小通道中产生液珠的直径范围约在40～100 μm之间，如果同样调节外相流速，可更精确控制液滴的直径和生成速度.插图中选择的是当内相流速为45 μL/h时得到的微液滴的图片，测量得到微液滴直径为63 μm.

图3　微流控通道及其产生的单分散液珠Figure 3　Channel of Microfluidic and the monodisperse microcapsules

图4　内外相流速与形成的液滴大小的关系Figure 4　Relationship between the inner and outer phase flow rate and the size of microcapsules

2.3粒径分布对比

通过显微镜对制备的微胶囊进行粒径测量，得到了粒径分布曲线（图5）.结果表明，微流控法制备的微胶囊粒径分布在40～46 μm之间，具有很窄的粒径分布.用差异系数（Coefficient of Variation，CV）［15］表示微胶囊的单分散性，其表达式为:

CV=（标准偏差（SD）/平均值）×100%.

通过机械搅拌法制备的微胶囊其平均粒径为52 μm，差异系数为36.18%，微流控法制备的微胶囊其平均粒径为45 μm，差异系数为6.35%.这说明微流控法制备的微胶囊（52±18.81 μm）相对传统搅拌方法制备的微胶囊（45±0.28 μm）具有更高的单分散性，同时微胶囊粒径更易于控制，为驱动波形的设计和响应时间的提升研究提供了实验条件.

图5　电泳显示液微胶囊的粒径分布曲线Figure 5　Electrophoresis showed size distribution curves of liquid microcapsule particles

3　结论

利用微流控芯片和技术，通过汇聚流结构的微流控通道，制备出具有高度单分散性的微液珠，同时其直径大小可以通过微通道中流体的流速精确的控制，这些液珠可用于制备明胶-阿拉伯胶囊壁材料的电泳显示液微胶囊.与传统方法制备的微胶囊相比，微流控法制备的微胶囊具有极窄的粒径分布，其差异系数只有6.35%，低于传统机械搅拌方法制备微胶囊的差异系数（36.18%）.因此，40～400 μm粒径范围内的单分散微胶囊均可以通过微流控方法制备，这为微胶囊粒径与显示效果关系的研究提供了可行性.

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［2］赵晓鹏，郭慧琳，王建平，等.电子墨水与电子纸［M］.北京:化学工业出版社，2005:3-10.

［3］周国富，易子川，王利，等.电泳电子纸驱动波形研究现状与前景［J］.华南师范大学学报:自然科学版，2013，45（6）:56-61. Zhou G F，Yi Z C，Wang L，et al.Present situation and prospect of the driving waveform for electrophoretic display［J］.Journal of South China Normal University:Natural Science Edition，2013，45（6）:56-61.

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【中文责编：谭春林英文责编：肖菁】

Microfluidic Fabrication of Monodisperse Microdroplets for Electrophoretic Display Applications

Zhu Yunfei1，Shui Lingling1，Zhou Guofu1，2，Jin Mingliang1*
（1.Institute of Electronic Paper Displays，South China Academy of Advanced Optoelectronics，South China Normal University，Guangzhou 510006，China；2.Shenzhen Guohua Optoelectronics Tech.Co.Ltd.，Shenzhen 518110，China）

A novel method of creating monodisperse microdroplets for electrophoretic display microcapsules application is introduced.The microcapsules fabricated by common agitation are lack of uniformity，which result in difficulty in driving waveform design.In this report，the narrow distributed microdroplets of EPD materials using two types of microchannel with the outer phase of 1.5%gelatin and Arabic gum solution and the inner phase of tetrachloroethylene are fabricated.Controlling the flow rate ratio of the inner to outer phase at 2∶1（small channel）and 10∶6（big channel），monodisperse microdroplets with diameter of 47 μm and 315 μm are obtained，respectively. At the same time，the size of the microdroplet could be precisely controlled by the fluidic flow rates.The size distribution of the microdroplets fabricated by microfluidic channels was（45±0.28）μm which was highly improved comparing to the droplets created by agitation with the size of（52±18.81）μm.This implies that the microfluidics is a reliable technology which would be a feasible way to improve the quality and performance of the electrophoretic displays.

electrophoretic displays；microcapsules；microfluidics；size distribution

TN27；TP6

A

1000-5463（2015）03-0019-05

2015-03-26《华南师范大学学报（自然科学版）》网址:http://journal.scnu.edu.cn/n

国家自然科学基金项目（21303060）；教育部“长江学者和创新团队发展计划”项目（IRT13064）；广东省引进创新科研团队计划资助项目（2011D039）；广东省高等学校人才引进专项资金项目（2050205）；华南师范大学研究生科研创新基金项目（2013KYJJ043）

金名亮，副研究员，Email:jinml@scnu.edu.cn.