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電泳式和膽固醇式液晶電子墨水-電子紙系列報導

電子紙又可稱為軟性電子顯示器,該項產品的生產需要十多種技術間的互相配合。在與其它顯示器相比較下,是更希望可以突顯,具有「紙張」特色的顯示器。在高彩度、高亮度、低耗電、在自然光下能觀看的幾點要求下,目前最受矚目的技術主流有兩種:電泳式技術和膽固醇式液晶技術。而這兩種技術就好比印刷的墨水一般,讓電子紙在正確的位置上顯示出圖片和文字。

首先,在「自然光下可觀看」的條件,是希望電子紙能夠模仿普通紙張的特性,直接反射外界環境的光源,就立即達到顯示觀看效果,稱為「非自發光」;與「自發光」的顯示器,如:電視、i-phone、手機的原理不同。擁有電泳式技術的E Ink元太科技表示:「該技術的優點是運用周遭的光線去做閱讀,好比你盯住電視30秒,和盯著電子紙30秒,眼睛疲勞程度的感覺是不同的。電子紙在人體視覺接受度上比較舒適,而且也沒有輻射困擾,是極大優勢。」另外,膽固醇式液晶技術也是相同屬於非自發光類。

第二,在「低耗電」的要求下,電泳式技術和膽固醇式液晶技術都能夠做到,因為,兩者同樣屬於「雙穩態顯示技術」。雙穩態(bistable)是指可以不施加任何電壓維持在同樣的畫面,因為有兩個穩定狀態,故稱之。該技術的特點是,若不需更換螢幕資訊時,是可以關閉電源,螢幕是仍維持著原本的文字與圖片狀態,不會消失。只有在變換螢幕資訊內容時,才有必要通電。顯而易見的,雙穩態是一種具有非常省電特性的技術。

以下分別就電泳式技術和膽固醇式液晶技術的技術原理做簡單介紹:

電泳式技術原理

具有百分之九十以上市佔率的E Ink元太科技公司,掌握了由美國E Ink創造的重要光學元件——「電子墨水」的關鍵技術。「電子墨水」是眾多電泳式技術的其中一種技術架構。

電子墨水聽起來是一種前端高科技的新潮技術,然而按照E Ink元太科技所公佈的說法,電子墨水與傳統印刷業使用的墨水相似,皆是利用當今印刷使用的顏料製成。不同之處在於,電子墨水是融合了現有化學、物理學和電子知識所創造的全新材料。經過這樣解釋,電子墨水反而與大眾親近不少,從肉眼來看,與一般普通墨水無異,然而電泳式技術背後的原理,卻牽連著視覺上黑白顏色的差別。

圖片來源:E Ink元太科技公司

電子墨水是一種可顯示黑白顏色的技術。內含有由數百萬個肉眼幾乎難以看見、微小的微膠囊,包覆成一顆顆的圓形狀的球體,稱之「微膠囊技術」。在每個微膠囊中含有電泳粒子,即帶正電的白色粒子,以及帶負電的黑色粒子,他們紛紛浸泡在懸浮液中。

利用正負相吸的原理,當有電場接通,若黑色粒子球被正電荷吸引黏著於底部,使得白色粒子移動到上方,螢幕上顯示的便是白色影像。反之,白色粒子被負電荷吸引之處,而黑色粒子上升,該區塊肉眼所見的便是黑色。接著,可以運用相同原理,使得墨水顆粒擁有灰階的顏色。

智慧型墨水顯示器

擁有了電子墨水技術,顯示器的製造便是下一步的階段。將墨水抹一層於可彎曲的柔軟塑膠薄膜上做為基板,形成電路層板。電路層板由三樣材料構成,即是透明的前版、電子墨水和不透明後版,彷彿是三明治一般,將電子墨水塗抹、夾於中間層,雙眼由透光的前版面觀看,可以看見黑白色彩上變化,就是簡單的電泳式顯示器。而電子墨水最終將可讓生活周遭大部分的表面成為顯示器(如玻璃、纖維、塑膠),使得此項技術與其他產品結合後的應用面潛力無窮。

上述的電子墨水所擅長的是在黑白顯示方面,若想要讓畫面看起來五彩繽紛,E Ink元太科技的技術中,就必須加上一層彩色濾光片(Color Filter),讓光的三原色,紅、藍、綠混和調節後形成螢幕上的影像。然而現今所面臨的挑戰是,因其反射率會變低,在視覺上所展現的,便是全彩的飽和度上仍難達到令人滿意的狀態,且在靜態圖片的表現上較佳;若要展示動態影像,為了使反應速度加快,顏色純度就不如預期了。

膽固醇式液晶技術原理

「從技術原理來看就不太一樣,電泳式是顆粒狀,而膽固醇式則呈現一片片的片狀」。工研院影像顯示科技中心面板整合技術副組長胥智文,用這句話來簡單告訴我們兩種技術的區別。因為E Ink在電泳式技術上擁有太多專利權,工研院便將膽固醇式列為重點發展技術,長年投入研發,企圖以另一種管道,開創電子紙技術的另一種可能性。

膽固醇式本身就是有顏色的液晶

「因為膽固醇本身的液晶排列,很像人體膽固醇結構的片狀,所以稱之為膽固醇。」。該技術可以視為液晶顯示器(LCD)的延伸,在顯微鏡下,很像線狀液晶。加入旋光劑後,液晶分子就會360度旋轉,旋轉360度後所需的分子厚度稱為旋距(pitch)。因為膽固醇式本身就是有顏色的液晶,當我們利用液晶分子的縮放調整旋距厚度時,會影響反射出來不同的顏色。如此一來,膽固醇式便輕易的達成人們對於彩色畫面的要求。反觀電子墨水,由於基本上只能呈現黑、白以及灰階的顏色,還需加上彩色濾光片後才有其他顏色的顯現。

用單層結構顯示三原色

利用膽固醇式液晶可以反射出不同顏色效果的特質,美國大廠便提出以三層堆疊方式,將紅、綠、藍三層面板疊起,在運用上述的雙穩態原理,將每個面板驅動到亮態或暗態,顯現出不同顏色達到彩色的功用。

而工研院自行研發的單層結構顯示器,只用薄薄的一層便可以完成全彩的效果,不僅可避免掉,三層堆疊結構製做程序複雜的問題,還可有效降低成本,厚度更減少60%以上。其基本概念即是將單層面板畫分三條垂直的畫素區塊,使用真空注入的方式,分別將紅色、綠色、藍色液晶注入各個畫素區域內,並確保每個區塊不會混合。接著只要分別控制,彩色圖片的顯示品質之優質,甚至可以達到與筆記型電腦不分上下的程度。

黑白畫面與挑戰

上述的膽固醇式液晶技術在彩色顯示方面較電子墨水更具有發展性。但是相較之下,因為膽固醇式是採用紅、綠、藍三種顏色面板的形式當作油墨,在黑白顏色的表現方面,白色看起來有點灰灰暗暗的,不若元太科技的電子墨水的黑白顏色展現。其次,膽固醇式的驅動電壓比較高,使得成本相對提高,廠商在成本考量下,多抱持著觀望態度。這也說明了膽固醇式液晶技術所面臨的挑戰。

 國科會科技新聞寫作班深度報導 楊瓊蘭 / 嚴巧珍 / 林姿吟

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