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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

活躍星系核_96
・2011/10/06 ・2646字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 563 ・九年級

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

電子紙系列報導:

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


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人類的遠古好兄弟:認識鯊魚的「適應性免疫系統」——《我們為什麼還沒有死掉?》

麥田出版_96
・2021/10/23 ・1867字 ・閱讀時間約 3 分鐘

• 作者/伊丹.班—巴拉克
• 譯者/傅賀

你可能聽過這個說法:鯊魚不會得癌症。事實上,牠們的免疫系統接近完美,牠們幾乎不會得任何疾病,牠們的免疫系統在過去幾億年裡都沒多大變化。是不是很神奇?

可惜,這都是無稽之談。沒錯,鯊魚的免疫系統非常驚人,全身分布有許多有趣而且有效的抗菌和抗病毒分子,牠們患癌症的概率也的確比人們通常預計的更低,但是鯊魚仍然會患上各種疾病,包括腫瘤。除此之外,數百萬隻鯊魚每年死於愚蠢。不是牠們自己的愚蠢(就智力而言,鯊魚還行),而是人類的愚蠢,特別是那些認為鯊魚軟骨產品可以「提高免疫力」、抗發炎甚至抗癌的江湖郎中。那種認為「鯊魚有完美的免疫系統」的觀念是由那些想透過賣軟骨藥而大賺一筆的藥商推動的,這背後的研究也不可靠。真正的科學研究已經揭穿了這些騙人的鬼把戲,但是依然有人在獵殺鯊魚,依然把它們的骨骼碾碎,當成「神奇的藥方」。

所謂「鯊魚的免疫系統從未改變過」的說法也經不起推敲。根據化石證據,我們的確發現今天的鯊魚跟牠們幾億年前的祖先「看起來 」 沒什麼差別,顯然,這讓一些人認為,鯊魚在其他方面也沒有任何變化。但這裡有一個重要區別:鯊魚的體型解決的是在水中穿行的問題;鯊魚的免疫系統解決的則是對抗病原體的問題。水沒有發生演化,但是病原體卻一直在演化。想必你明白我的意思了。

模樣特別古老的皺腮鯊(Chlamydoselachus anguineus)。圖/WIKIPEDIA by Citron

鯊魚有適應性免疫系統,也有完整可辨認的 T 細胞、B 細胞、抗體,以及各種其他組成。鯊魚跟人類的適應性免疫系統有許多差異,畢竟,我們分開的時間已經很久了。不過,牠們在許多基本的細節上跟我們類似,我們可以自信地說,某種類似的適應性免疫系統在四億年前(我們分開的時候)就已經出現並且發揮功能了。

牠們選擇留在水裡,發育出可以替換的鋒利牙齒,追逐魚類,而我們(更準確地說,是那些不再是硬骨魚的我們)則爬到岸上,失去了鰓,發育出了四肢,又過了許多年,我們回到海裡,拍攝了多部關於鯊魚及其鋒利牙齒的驚悚電影。儘管如此,我們的免疫系統提醒我們,在不同的外表之下,鯊魚和我們其實是失散多年的兄弟

但是,讓我們沿著演化史再往回走一步,來到所有的脊椎動物分成兩類—有頜與無頜脊椎動物—的時間點。你也許沒聽說過還有無頜脊椎動物;老實說,這一類生物後來活得不太好,只有兩個科的動物避免了滅絕的厄運,活到了今天:七鰓鰻和盲鰻。這兩種動物長得都比較搞笑,牠們看起來像是努力要長成魚,但是好像不太合格,直到最近,人們一直都認為牠們並沒有適應性免疫系統

屬於無頷類的盲鰻,是韓國炒魚菜的原料。圖/WIKIPEDIA

也許牠們不需要:第一批有頜脊椎動物可能是掠食者,而掠食者往往會活得更久,後代更少,而且一般更注重質而不是量。同樣可以推斷,牠們在演化過程中對感染的抵抗力更強。鯊魚、人類、其他魚類以及所有有頜脊椎動物都有一個胸腺和脾臟,而且在各個物種裡無論是形狀還是功能看起來都比較類似,但是七鰓鰻和盲鰻就沒有。研究人員仔細檢查了無頜脊椎動物的基因組,發現牠們也沒有 T 細胞、B 細胞或者抗原受體的重組基因。但是問題在於,牠們實際上是有適應性免疫系統的—只是跟我們的不一樣而已。

這一點其實意義重大。我們以為我們的適應性免疫系統相當特殊,但是我們現在看到,適應性免疫系統在脊椎動物中似乎出現了兩次,而且是獨立演化出來的。

這也許是一種經典的趨同演化(convergent evolution):正如鳥類和蝙蝠各自以不同的方式演化出了翅膀,無頜脊椎動物使用一種和我們一樣的隨機重排機制,來增加抗原受體基因的多樣性,但是牠們使用的是跟我們這些有頜脊椎動物完全不同的一套基因,這種重排機制使用的是不同的酶,做著完全不同的事情。同樣地,牠們的淋巴球類型跟我們的也不一樣。不過,牠們的免疫系統看起來跟我們的一樣有效。

——本文摘自《我們為什麼還沒有死掉?》,2020 年 9 月,麥田出版

麥田出版_96
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1992,麥田裡播下了種籽…… 耕耘多年,麥田在摸索中成長,然後努力使自己成為一個以人文精神為主軸的出版體。從第一本文學小說到人文、歷史、軍事、生活。麥田繼續生存、繼續成長,希圖得到眾多讀者對麥田出版的堅持認同,並成為讀者閱讀生活裡的一個重要部分。
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