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電子紙技術之發展現況與趨勢 2010/4/6
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紙的發展已有數千年歷史,並成為生活不可或缺的書寫記事工具,從環保角度來看,電子紙重複更新內容的特性,可減少紙張的過度使用,目前有許多種不同電子紙的技術發展,並已出現電子書產品。未來電子紙將走向更豐富的畫面顯示、更輕薄與便利攜帶,以及更普及化的使用,因此技術發展趨勢包括彩色化、提升更新速率、可撓曲、低成本化等。除了電子書外,電子紙尚可應用於電子標籤、手持裝置、資訊與情境看板等產品,進一步豐富未來智慧生活之內涵。

電子紙的綠色節能優勢
電子紙的最大特點是可重複更新內容,故從取代紙張的角度來看,電子紙可用於減少現有對書籍、文件紙張之耗費,以節省有限之地球資源。以2008年美國新聞報紙4400萬份的日發行量計算,一年累積下來也相當於砍伐8500萬棵樹木, 並產生約4.2億噸的廢水及0.3億噸的溫室氣體。若能以電子紙進行部分替代,將可節省下可觀的紙張用量,故可瞭解電子紙將有助於把傳統的書寫記載及資訊傳播行為,轉變為更符合綠色節能之型式。

現行TFTLCD顯示器結構複雜,由背光、導光板、擴散板、偏光膜、TFT背板、彩色濾光片等零組件組成,這些零組件都會造成能源的耗損,從背光、面板到最後打出來呈現的影像,只有5%的光利用效率,相當的不經濟。相對地,電子紙結構簡單,為反射型顯示,藉由反射環境光呈現影像而不需使用背光源;此外,電子紙顯示介質具有雙穩態(Bistability)的記憶特性,在顯示靜態畫面時不耗電,反觀LCD則需要持續供電來維持固定的靜態畫面。故電子紙非常適合用於顯示如書本、文字這樣的靜態資訊內容,除了節能省電之外,反射式畫面也更加適合長時間閱讀而不會感到疲勞。

電子紙技術面面觀
圖三列出目前發展中的主要電子紙技術,包括使用微粒顯像的電泳顯示器(Electrophoretic Display; EPD)與電子粉流體顯示器(Quick Response-Liquid Powder Display; QR-LPD)技術、使用液晶顯像的膽固醇液晶顯示器(Cholesteric Liquid Crystal Display; Ch-LCD)與雙穩態向列液晶顯示器(Bistable Nematic Liquid Crystal Display; BiNem),以及使用氧化還原原理的電致變色顯示器(Electrochromic Display; ECD),以上五種顯示技術均具有雙穩態特性。另外,電濕潤顯示器(Electro-wetting Display; EWD)與干涉調變顯示器(Interferometric Modulator; IMOD)雖不具有雙穩態特性,但其特殊的反射顯示結構符合綠色節能特性,亦可列入於廣義的電子紙技術。


圖三、發展中的主要電子紙技術

電泳顯示器由美國E-Ink及SiPix所開發,將黑、白兩色不同電荷之帶電微粒封裝於微胞化液滴或微杯結構中,並填充比重相同液體而形成電泳,藉由外加電場控制黑白顆粒之升降移動,呈現黑白單色之顯示效果。EPD可呈現接近紙張質感的高反射率、高對比的黑白顯示效果,十分適合做為電子紙顯示器。

膽固醇液晶顯示器早期由美國Kent Display開發,並陸續技轉Kodak及日本Fujitsu、Fuji Xerox等公司開發不同電子紙技術,工研院亦進行Ch-LCD電子紙技術的開發。膽固醇液晶為一種螺旋狀之液晶排列結構,可由向列型(Nematic)液晶添加旋光劑(Chiral Dopant)達成。膽固醇液晶分子在不同電位下有Planar與Focal Conic兩種不同穩態排列,而呈現反射與穿透兩種光學效果。另一方面,可藉由添加不同旋轉螺距(Pitch)的旋光劑,調配出紅、綠、藍等顏色液晶,達到彩色化顯示效果。目前Fujitsu已發表8吋的彩色電子書產品“Flepia 2”,而工研院及韓國Samsung 亦相繼發表彩色Ch-LCD電子紙並持續開發。

電濕潤顯示器由荷蘭Philips 於2003年所發表,藉由電場控制液滴在疏水性介電層的濕潤行為,使液滴有收縮或濕潤不同狀態而呈現影像,EWD具有高對比、快速應答特性,同時可藉由在液滴中添加染料來呈現顏色,在反射式顯示下有不錯之彩色效果。目前EWD 主要研發單位包括自Philips轉出之Liquavista 、美國University of Cincinnati,以及工研院等單位。

電子紙的技術發展趨勢
目前的電子紙可做到重複更新畫面及節能的雙穩態單色顯示,由過去傳統紙的發展歷程,可預測未來電子紙的技術發展趨勢,將走向更豐富的畫面顯示、更輕薄與便利攜帶,以及更普及化的使用。故電子紙的關鍵技術突破將在於彩色化、提高應答速率、可撓性,以及低成本化等議題。

許多機構正專注於彩色電子紙的開發,對沒有顏色變化的微粒或液晶技術而言,外貼彩色濾光片是直接作法,EPD、QR-LPD、BiNem、EWD等技術皆可藉此達成彩色電子紙。然而彩色濾光片會使面板反射率降低至1/3,且微粒本身顏色亦可能影響色純度,造成畫面之亮度與對比降低,以及色彩飽和度不佳等問題,導致彩色化效果未達預期;未來進一步的做法是直接使用彩色微粒或電泳,但將不同顏色微粒或電泳依序定址排列並加以封裝之製程(如Inkjet Printing噴印),仍有待進一步開發。相對地,Ch-LCD及IMOD技術則可藉由調整液晶旋光螺距或MEMS間隙之反射波長,顯現紅、綠、藍等不同色彩,故不需額外貼彩色濾光片即可達成彩色化,具有更高的光源使用效率。

若要達到可撓曲特性,軟性的驅動背板是技術關鍵。以工研院開發的主動TFT背板技術為例,藉由開發高透明度、高耐溫特性的軟性PI基板與取下設備技術,可以現行量產製程設備製作高電性穩定的矽基TFT背板,用於驅動軟性AMEPD、軟性AMOLED等顯示面板。另一方面,工研院亦開發結構更為簡單的大面積軟性Ch-LCD電子紙技術,使用簡單的單基板Ch-LCD顯示結構,並以快速、低成本的連續式捲對捲製程(Roll to Roll; R2R)來取代高真空度、昂貴,又浪費材料的製作設備,目前已達成幅寬為24 cm×300 cm 的大面積Ch-LCD軟性電子紙,並搭配熱寫入方式達到200 dpi之高解析度……以上內容為重點摘錄,如欲詳細全文請見原文

作者:林家興、李岳樺、陳心惠/工研院顯示中心
★本文節錄自「工業材料雜誌280期」,更多資料請見:http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=8484

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