고전하 유무기 코어-쉘 입자를 이용한 풀컬러 포토닉 전기영동 디스플레이 = Full-Color Electrophoretic Photonic Displays Based on Highly Charged Organic-Inorganic Core-Shell Particles

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Reflective electrophoretic displays （EPDs） are highly attractive for next-generation low-power display applications, yet conventional pigment-based systems continue to suffer from intrinsic limitations including pigment fading, particle instability, and restricted long-term reliability. Here, we report a pigment-free full-color photonic EPD based on monodisperse PS@PMAA@SiO2 core-shell nanoparticles rationally designed with a high-refractive-index polystyrene core, a poly（methacrylic acid） adhesion layer, and a mechanically robust silica shell. To enable stable operation in a low-dielectric nonpolar medium suitable for long-term device use, the colloidal charging environment is optimized through the combined use of the polymeric surfactant Solsperse 19k and di（ethylene glycol） ethyl ether acrylate （DEGEEA）, which enhances interfacial compatibility with the silica surface while preserving low dielectric characteristics. This strategy produced highly charged colloids with zeta potentials exceeding – 100 mV and enabled the formation of crystalline colloidal arrays even at a low particle concentration of 20 vol%. As a result, the optimized photonic ink exhibits high reflectance, suppressed angular color dependence, and large voltage-driven color tunability reaching 50 nm V-1 across the visible range. In addition, the device achieves fast response kinetics with a sub-second response time, stable and reversible full-color operation over repeated driving cycles, and ultra-low power consumption on the order of microwatt-level. The resulting CIE color gamut reaches 39 %, demonstrating practically meaningful full-color performance for reflective displays. Furthermore, microencapsulation of the photonic ink was performed through a complex coacervation process, and the photonic ink was successfully incorporated into spherical microcapsules. This result suggests the potential to mitigate liquid ink leakage and further expand the system toward capsule-based reflective EPD devices. These results establish silica-engineered photonic inks as a compelling alternative to conventional pigment-based EPD materials and provide a viable materials platform for high-definition, fast-response, and energy-efficient reflective display technologies.

국문 초록 (Abstract)

반사형 전기영동 디스플레이（Electrophoretic Displays, EPDs）는 차세대 저 전력 디스플레이 응용을 위한 유망한 기술로 주목받고 있다. 그러나 기존의 안료 기반 시스템은 안료의 퇴색, 입자 안정성 저하, 그리고 장기 신뢰성의 한계와 같은 본질적인 문제를 갖는다. 본 연구에서는 안료를 사용하지 않는 풀컬러 광결정 기반 EPD를 구현하기 위해, 고굴절률 폴리스타이렌 （PS） 코 어, poly（methacrylic acid） （PMAA） 접착층, 그리고 물리적으로 견고한 실리 카 （SiO2） 쉘로 구성된 단분산 PS@PMAA@SiO2 코어-쉘 나노입자를 설계하 였다. 장기 구동에 적합한 저유전율 비극성 매질 내에서 안정적인 구동을 확보하기 위해, 고분자 계면활성제인 Solsperse 19k와 di（ethylene glycol） ethyl ether acrylate （DEGEEA）를 병용하여 콜로이드 전하 환경을 최적화하 였다. 이를 통해 실리카 표면과의 계면 적합성을 향상시키는 동시에 낮은 유전 특성을 유지할 수 있었다. 그 결과, 제타 전위가 –100 mV 이상인 고 전하 콜로이드를 구현하였으며, 20 vol%의 낮은 입자 농도에서도 결정성 콜로이드 배열 형성이 가능함을 확인하였다. 최적화된 광결정 잉크는 높은 반사도, 낮은 시야각 의존성, 그리고 가시광 영역에서 50 nm V-1 수준의 넓 은 구조색 변화 범위를 나타내었다. 또한 소자는 1초 이하의 빠른 응답 속 도와 반복 구동에 대한 안정적이고 가역적인 풀컬러 구현, 마이크로와트 수 준의 초저전력 소비 특성을 확보하였다. 최종적으로 CIE 1931 색좌표계에서 색 영역 면적은 39 %에 도달하였으며, 이를 통해 풀컬러 디스플레이로서의 구현 가능성을 확인하였다. 또한 complex coacervation 공정을 통해 광결정 잉크의 마이크로캡슐화를 수행하였으며, 구형 캡슐 내부에 광결정 잉크가 안정적으로 포함된 것을 확인하였다. 이는 액체 잉크의 누출 문제를 완화하 고, 향후 캡슐형 반사형 EPD 소자로 확장할 수 있는 가능성을 보여준다. 본 연구는 실리카 기반 광결정 잉크가 기존 안료 기반 전기영동 디스플레 이 소재를 대체할 수 있는 유망한 대안임을 보여주며, 고해상도, 빠른 응답 및 에너지 효율을 동시에 만족하는 차세대 반사형 디스플레이 기술을 위한 플랫폼으로서의 가능성을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 제2장 본 론 3
• 1. 실험 기구 및 시약 3
• 가. 콜로이드 입자의 합성 3
• 1) Poly(styrene@methacrylic acid) 입자 합성 3
• 2) Fe3O4 입자 합성 3
• 3) Silica coating 3
• 나. 광결정 잉크 제조 4
• 다. 전기영동 디스플레이 셀 제작 4
• 라. 마이크로 캡슐화 4
• 마. SPION 마이크로 캡슐 EPD 셀 제작 4
• 2. 실험 방법 5
• 가. 콜로이드 입자의 합성 5
• 1) Poly(styrene@methacrylic acid) 입자 합성 5
• 2) Fe3O4 입자 합성 5
• 3) Silica coating 6
• 나. 광결정 잉크 제조 7
• 다. 전기영동 디스플레이 셀 제작 7
• 라. 마이크로 캡슐화 8
• 마. SPION 마이크로 캡슐 EPD 셀 제작 8
• 3. 측정 기기 및 분석 방법 10
• 가. Field-Emission Scanning Electron Microscope (SEM) 10
• 나. Cs corrected Scanning Transmission Electron Microscope (STEM) 10
• 다. Zeta potential and Particle size analyser 10
• 라. Thermogravimetric analysis and Differential scanning calorimetry (TGA/DSC) 10
• 마. FT-IR 11
• 바. Reflected Microscope with UV-Vis spectrometer 11
• 사. Automatic Battery Cycler 11
• 제3장 결과 및 고찰 12
• 1. PS@PMAA@SiO2를 이용한 전기영동 디스플레이 12
• 가. PS@PMAA@SiO2 합성 12
• 나. 비극성 매질에서의 표면 전하 형성 메커니즘 18
• 다. DEGEEA 도입에 따른 매질 특성 및 표면 전하 향상 20
• 라. 광결정 전기영동 디스플레이의 조성 최적화 및 구동 특성 24
• 1) IPG/HC/Sols-19k 기반 EPD의 초기 구동 특성 24
• 2) DEGEEA 함량에 따른 색상 조절 특성 26
• 3) 계면활성제 농도에 따른 전기영동 응답 및 색상 조절성 최적화 28
• 4) 입자 농도에 따른 CCA 형성 및 구동 특성 31
• 5) 입자 간 거리 변화 분석 33
• 마. 최적 조성 기반 풀컬러 EPD 성능 평가 35
• 1) 전압 의존 구조색 변화 35
• 2) 반복 구동에 따른 응답 속도 및 가역성 평가 37
• 3) 장기 구동 안정성 및 소비전력 평가 38
• 바. 입자 농도에 따른 시야각 의존성 40
• 사. 디스플레이의 활용 42
• 2. 마이크로 캡슐화 44
• 가. SPION 합성 44
• 나. SPION 광결정 잉크 46
• 다. coacervation을 통한 마이크로캡슐의 제조 47
• 라. SPION 마이크로캡슐의 전기변색 EPD 50
• 제4장 결 론 52
• 참고문헌 54