蘊藏在電子紙技術中的界面科學 --- PART 3 電泳動及粉流體式電子紙

電泳動及粉流體式電子紙 -- 庫侖靜電力原理(本文發表於 2011/12 化工技術 Vol.225)

90 年代中期美國史丹佛大學物理系的博士後研究員雅各森（Joseph Jacobson）採用電泳（Electrophoresis）技術，該技術將不同顏色的帶電粒子注入充滿液體的膠囊中懸浮，並利用電場變化，讓懸浮帶電 粒子在膠囊中移動，而產生暗底白字的效果，其中暗底是帶負電的暗色粒子群聚的效果，白字則是帶正電的白色粒子群聚的效果，如圖8。由於帶電的色粒子懸浮在 液體中，因此這些膠囊被印在紙上或荷電材料上時，看起來就像是墨，而帶電粒子似乎是在液體中游泳，因此雅各森將他的技術稱作「電泳墨」 （Electrophoresis Ink）。

圖8、電泳動式電子紙的作動原理示意圖[7]。

 E-Ink所生產的顯示單元 – 電泳墨，主要是利用界面科學的微膠囊封裝技術。目前常見的微膠囊封裝技術包括：凝聚法、界面聚合法及原位聚合法。根據美國專利第6017584號專利所述之電子墨製程簡略說明如下：首先將帶電粒子(TiO₂)與油相介電流體混合形成均勻分散之油相電泳液。欲使帶電粒子達到均勻分散，可能需要添加適當的分散劑[8]。然後，製備水相溶液為一含有微膠囊封裝時所需之殼層樹脂液。如果使用凝聚法，一般添加水溶性樹脂(明膠、阿拉伯膠、PVA、CMC等)； 若為聚合法則添加所需之聚合單體及起始劑於水相或油相，視聚合方法而定。再將油相電泳液與水相殼層樹脂液混合，攪拌形成兩相之油滴分散在水中的分散液。同 時，藉由改變操作條件控制樹脂的溶解度及聚合度，使樹脂析出沈積於油相液滴表面形成微膠囊樹脂殼層。最後，將已封裝好的樹脂粒子取出乾燥，得到所要的電泳墨顯示單元，如圖9。

圖9 微膠囊封裝電泳液之製程示意圖[9]。

 E-Ink的電子紙製程，主要採用傳統塗佈方式製造，其步驟概述如下：先將樹脂液與電泳墨混合成樹脂漿料，然後利用刮墨刀(doctor blade)將漿料塗佈於基材上。控制刮墨刀的間隙(blade gap)，可以控制塗層的厚度，因而得到單層電泳墨之機能塗膜。再將此塗膜乾燥並與電極層貼合，形成所需的電子紙。Canon採用的技術較接近現行半導體顯影蝕刻製程，其詳細步驟請參閱美國專利第6524153號專利說明[10]。SiPix所採用的Micro-cup製程技術，則可參閱美國專利第6672921號專利說明[11]，如圖10所示。該製程的特點除了使用微機電壓印技術形成像素陣列外，值得一提的是其在填充及封裝電泳液時，巧妙利用封裝材料與電泳液間的物化性不同，使封裝材料會自動覆蓋在電泳液表面，經過硬化處理後完成封裝[12]。

圖10、Micro-cup電泳動式電子紙的結構示意圖[12]。

 粉流體移動原理和電泳動有點類似，但不同處在於微粒子的周圍是空氣或別的粒子。此方式是1998年日本千葉大學北村孝司教授(Takagi Kitamura)提出，利用由氟化碳構成的白色粒子與樹脂、碳粉構成的黑色粒子，加電壓使黑色粒子上下移動進而實現黑白畫面顯示，由於顯示面無法全部覆蓋黑色粒子，因此畫面的對比（contrast）偏低[13]。富士施樂（Fuji-Xerox）則是使黑色與白色粒子帶相異的電性，藉此使兩種顏色的粒子朝反方向移轉，顯示黑色畫面時白色粒子被吸至內側面板，如此一來畫面就全部被黑色粒子覆蓋，進而使得對比大幅提高，根據該公司的測驗結果顯示，該電子紙的反應時間高達5~10ms，如圖10所示[14]。Bridgestone和九州大學服部勵治教授(Reiji Hattori)共同研究利用具備液體動作機制的粉體，獲得0.2ms的反應時間，相較於膽固醇液晶方式與電泳動方式的電子紙約100ms的反應時間來說，粉體移動顯示器的反應時間是非常快速的， 但目前最大問題是需要降低驅動電壓，因為目前其驅動電壓高達70~500V[15]。

圖11、電子粉流體式電子紙的作動示意圖[14]。

 由於流體粉顯示器中的顯像顆粒並無液體間隔分散，為了避免流體粉顆粒團聚。故需對顯像碳粉進行表面處理，使其能達到足夠的帶靜電量，以及有效降低表面能量提昇粉體流動性[16]。所謂的流體粉，是指顯像碳粉的流動有如流體一般之意。一般的粉體流動差，故易堆疊成山狀(b)；而流動像液體之流體粉，其流動就像水一樣會四散開來不會堆積(a)，如圖12。流體粉粒徑約在10μm且窄粒徑分佈，可以採用傳統粉碎式碳粉(a)或化學式碳粉(b)，也可是特殊表面結構之顆粒(c)及(d)，如圖13。因為，顯像碳粉的帶電量及其流動性，會影響到顯示器顯影的驅動電壓。過高的驅動電壓，將不利於攜帶式電子產品的運用。目前，市售的流體粉顯示器其驅動電壓約在70-80 volt，而電泳動顯示器約在15 volt。因此，如何強化流體碳粉帶靜電量、提高碳粉的流動性及改善元件電性等，以達到降低驅動電壓的目的，是未來重要的課題。

圖12、粉體流動性測試[13]

圖13、電子流體粉的SEM外觀[13]。

 未來發展趨勢

雖然，電子紙當初的設想只是希望擁有類似紙張顯示文字資訊的功能。但隨著數位資訊的快速的增長，單純的文字顯示已不符合需求。新的電子紙技術，不但須具備資訊數位化傳輸能力，同時能進行動畫互動顯示。此外，彩色化及低耗能也是必備的基礎功能。目前，傳統LCD或OLED的 顯示器，其在數位資訊的顯示傳輸上相當成熟。同時，不論畫質、動畫或色彩鮮豔度都有超水準的表現，其缺點在於耗電量太大，無法長時間使用，以及透射式顯像 不利肉眼長時間閱讀，且在陽光下圖文對比差。而電子紙技術中，最為人所詬病的項目剛好與傳統顯示器的優缺點相反。電子紙顯示技術，主要是採用反射式雙穩態 顯示，也就是類似紙張顯示方式，畫面顯像後不需額外能量維持訊息，因此可以有效降低能源需求。不同於紙張之處在於當資訊需要更新時，仍可透過數位訊號修改 原有資訊。由於採用反射式顯像技術，因此電子紙必須在有外部光源下方可閱讀。所以，外部光源越強電子紙顯示對比越清晰。而為了實現電子紙彩色化，所採用彩 色濾光片技術會導致反射光被濾光片濾除，只剩1/3的CMY純色光反射。故其光源強度明顯減弱，造成對比清晰度下降，圖像的色彩飽和度及畫質不佳。另外，目前主流的電子紙採用電泳動顯示技術，此技術的圖像是藉由帶電微粒泳動顯示。由於微粒泳動需要花費較長的時間，使得此技術在動畫的顯示上無法達到滿意的結果。

為了解決上述的缺陷，新的電子紙技術逐漸朝向更快的顯示速度、更高的對比度、更有效降低能耗、更飽和的色彩及畫質。例如電泳動技術可藉由縮小顯像微膠囊粒徑達到加快圖像應答速度及解析度。2011年台灣平面顯示器展會，E-INK就展示最新一代彩色電子紙，具有高色彩飽和度及300dpi解析度。而粉流體技術及電潤濕技術，本身的顯示速度夠快，足以應用在動畫顯示。不過，粉流體技術需克服顯示碳粉受凡得瓦力吸附於電極表面，導致啟動電壓偏高無法適用於現今的半導體製程。Yang-Lippmann電潤濕技術則是目前最被看好的電子紙技術之一，原因在於擁有高速圖像應答能力、驅動電壓低、對比高及畫素小解析度高等優勢。唯一的缺點是無雙穩態顯像特性，因此操作能耗較高。但新一代的Yang-Laplace-Lippmann電潤濕顯示技術克服此一缺點，不過顯示元件需要採複雜的微影蝕刻製程製作。展望未來，電子紙的各項技術將隨著技術突破獲得實質的改善。不過，LCD及OLED等顯示技術同樣日益精進，難保電子紙技術不會如同CRT一樣遭到淘汰。為了保有競爭優勢，唯有持續改善色彩飽和度不佳的缺點，並強化低耗能及可撓式的優點。台灣下一個兆元的產業，讓我們拭目以待。

 參考資料

[1]    Tu, Y. O., "Theory of Liquid Ink Development in Electrophotography", IBM Journal of Research and Development, 19(6), 514~522(1975).

[2]     Hayes, R.A. and Feenstra, B.J., “Video-Speed Electronic Paper Based on Electrowetting”, Nature, 425, 383-385(2003)

[3]  Zhou, K., Heikenfeld, J., Dean, K.A., Howard, E.M. and Johnson, M.R., “A full description of a simple and scalable fabrication process for electrowetting displays”, J. Micromech. Microeng., 19, 065029-12pp (2009)

[4]     Hayes, R.A. and Feenstra, B.J., “Electrowetting Displays”, Liquivista report(2009).

[5]     Heikenfeld1, J., Zhou1, K., Kreit1, E., Raj,B., Yang, S., Sun, B., Milarcik, A., Clapp, L. and Schwartz, R., “Electrofluidic displays using Young–Laplace transposition of brilliant pigment dispersions”, Nature Photonics, 3, 292-296(2009).

[6]     Yang, S., Zhou, K., Kreit, E. and Heikenfeld, J., “High reflectivity electrofluidic pixels with zero-power grayscale operation”, Applied Physics Letters, 97, 143501, 2010.

[7]     Amundson, K., “Towards Electronic Paper”, E-Ink report(2004).

[8]  Liang, R.C.; Chan-Park, M.; Wu, Z.G.; Chen, X. and Zang, H.M., “Manufacturing Process For Electrophoretic Display”, US Patent 6672921, Sipix, 2004.

[9]     劉明輝,「在電場下舞動的微米色球：新型列印技術–類紙式顯示器的應用」, 化工技術月刊, 9月號，第138期, 183~194(2004).

[10] Ikeda, T. and Nakanishi, M., “Process For Producing Display Device”, US Patent 6524153, Canon, 2003.

[11]   Albert, J.D.; Comiskey, B.; Jacobson, J.M.; Zhang, L.; Loxley, A.; Feeney, R.; Drzaic, P. and Morrison, I., “Multi-Color Electrophoretic Displays And Materials For Making The Same”, US Patent 6017584, E-Ink, 2000.

[12]   Zang, H.M. and Liang, R.C., “Microcup Electronic Paper by Roll-to-Roll Manufacturing Processes”, The Spectrum, 16(2), 16-21, 2003.

[13]   Takagi, K., Kaga, N., and Tanuma, I., ” Novel Type of Bistable Reflective Display (QR-LPD^®) and Material Design of Electronic Liquid Powder^®”, IS&T NIP23 Conference, Anchorage, Alaska, USA, 624~627(2007).

[14]   Arisawa, H. and Shigehiro, K., “Photo-addressable E-Paper and Toner Display”, IS&T NIP20 Conference, 922~926(2004).

[15]   Hattori, R., Yamada, S., Masuda, Y. and Nihei, N., “Novel Type of Bistable Reflective Display using Quick Response Liquid Powder”, SID 20.3, 846-849(2003).

 [16] 劉明輝,「表面處理技術在雷射印表機彩色碳粉上的應用」, 化工技術月刊, 9月號，第198期, 183~194(2009).

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蘊藏在電子紙技術中的界面科學 --- PART 2 電潤濕式電子紙

界面科學扮演的角色 (本文發表於 2011/12 化工技術 Vol.225)

在這些電子紙的顯示技術中，電泳動、電潤濕、電子粉流體技術與界面科學息息相關。以下針對各個技術進行更詳細的說明：

電潤濕式電子紙 – Yang-Lippmann電潤濕原理

Lippmann1875年在實驗中發現，當界面的電壓改變時，在電極與液滴交界處會產生自發性的電雙層現象，進而改變物質接觸面的界面張力及接觸角，此時液體在固體上的親疏水性會隨電壓改變，並將此種現象稱為“電濕潤現象＂(electrowetting, EW)。將電壓與界面張力變化之間的關係，以方程式表示為：

 dγ_SL(V)= - ρ_SLdV............................................................................................................. (1)

其中，γ_SL為固-液間之界面張力，ρ_SL 為液體與固體交界面上受吸引產生的電荷之電荷密度。經過推導可得方程式(3) Lippmann equation如下：

......................................................... (2)

積分得到

........................ (3)

其中，γ_SL(V)為在電壓V時的固-液間之界面張力；C₀為電雙層的電容值；ε為電雙層的介電常數；ε₀為真空的介電常數；d₀為電雙層的厚度。由於Lippmann實驗是液體與電極直接接觸，過程中易產生電解反應造成電潤濕效應減弱。為了抑制電解現象的發生，於是在施加電壓的電極表面鍍上一層絕緣介電薄膜，如此一來不僅降低電解現象之影響，同時也提升了電濕潤現象操作的可靠度，並避免電極可能的損壞與工作流體的變質。此時液體極化形成的電雙層，會在絕緣介電膜的兩側。因此，方程式(3)中的C₀變為介電層的電容值、ε變為介電層的介電常數、d₀變為介電層的厚度。

圖1、界面作用力關係圖。

將1805年Yang所發現的接觸角與界面張力間的關連式方程式(4)，如圖1所示，與Lippmann 所得到的方程式(3)做合併整理得到Yang-Lippmann equation：

.......................... (4)

 ................. (5)

其中，γ_LV  為氣/液間之界面張力；γ_SV  為氣/固間之界面張力；θ為在未施加電壓時的固/液/氣三相接觸角；θ(V)為在電壓V時的固/液/氣三相接觸角。根據方程式(5)的結果顯示，液體接觸角會隨電壓升高而減小。

圖2、Yang-Lippmann電潤濕式電子紙作動示意圖[2]。

電濕潤顯示器的結構是將極性液體與疏水性的油封裝在兩電極間，電極的表面再鍍上疏水性介電薄膜。當未對此一元件施加電壓時，疏水性的油會完全覆蓋疏水介電表面以隔開極性液體使其自由能(Gibss free energy)趨向最低，如圖2 (a)及(c)所示；當對該元件施加電壓時會在介電層上產生電荷分佈，而該電荷分佈會吸引極性液體潤濕疏水介電表面，此時疏水性的油會被極性液體排擠至旁邊，如圖2 (b)及(d)所示。當驅動電壓越大時極性液體在疏水性介電表面的濕潤現象將更加明顯，而介電材料的厚度、介電常數與液/氣相界面張力會影響操作該元件所需之操作電壓。

圖3、電潤濕式電子紙的驅動電壓與反射率的關係圖[2]。

圖4、電潤濕式電子紙的顯示應答時間與反射率的關係圖[2]。

 最原始的電濕潤式顯示器是出現在1975年IBM的技術報告中[1]，該技術並於1978年取得美國專利第4079368號。當初由於材料穩定性、封裝技術及操作電壓過高等問題，並未實用化。直到Philip的Robert A. Hayes與B. J. Feenstra於2003年提出低驅動電壓之電濕潤式顯示器結構，相關研究並刊登於Nature期刊上[2]。該技術利用一具色彩之疏水性油性介質、一導電極性液體、以及一疏水性介電層介面，藉由施加電壓之不同來控制油性介質與疏水絕緣層間之接觸角，並以此一技術製作出反射率大於35% 與對比大於15之反射式顯示器，此一特性接近實際紙張之表現(反射率60%；對比15)。此外，值得注意的是其操作電壓小於20V，且on- state與off-state之響應時間分別為12及13 ms，十分符合顯示動畫之要求，如表1、圖3及圖4所示；此顯示器之結構主要包含極性液體(水)、具色彩之疏水性油性介質、疏水性絕緣層以及透明電極，其結構簡單且材料單純容易製備，與液晶或電泳顯示器比較起來，因不需配向製程且亦無複雜之微膠囊化處理，因此應用在未來製作可撓式顯示器(flexible display)時，深具發展潛力[3]。不過，由於Yang-Lippmann電潤濕顯示技術，無法像電泳動顯示器具有雙穩態顯示能力。所以，此技術在顯像的過程，必須持續提供電壓以維持畫素正確成像。因此，做為攜帶式顯示器，其耗電量仍偏大。所謂的雙穩態顯示，是指顯示元件在成像與不成像的狀態下，皆可穩定存在不需額外再提供能量。例如電泳動電子紙，其成像後顯示微粒受到凡得瓦吸引力作用吸附於顯示面，不需額外提供電壓維持，此種顯示方式便稱為雙穩態顯示。而LCD每一個畫素開或關都需要持續供應電壓以維持成像狀態，此種顯示方式便不是雙穩態顯示。

表1、不同電子紙技術的顯示參數比較表[4]。

 改良式電潤濕式電子紙 – Yang-Laplace-Lippmann電潤濕原理

由方程式(5) Yang-Lippmann equation得知，雖然可以藉由改變電壓來控制液體接觸角。但是，當電壓消失時，液體的接觸角將立刻恢復至未施壓時。因此，Yang-Lippmann的電潤濕原理，無法產生雙穩態效果。也就是每個顯示畫素必須維持加電壓的狀態，才能維持顯像。為了改善此一缺點，改良式電潤濕技術被提出[5]。所謂的改良式電潤濕原理，是將方程式(3) Lippmann equation結合方程式(6) Yang-Laplace equation所得到方程式(7)

............. (6)

....... (7)

其中，ΔP 為界面兩側的壓力差；R₁及R₂為界面曲率半徑（球面曲率半徑R₁ = R₂ = R)；ΔP (V)為在電壓V時的界面兩側的壓力差；h 為渠道的直徑。根據方程式(7)的結果顯示，界面壓力差會隨電壓升高而減小。換言之，改變電壓可以使工作液體的界面壓力差改變，也就是說可以控制工作流體的運動方向。

圖5、Yang-Laplace-Lippmann 電潤濕式電子紙作動示意圖[6]。

 方程式(6) Yang-Laplace equation說明氣/液或液/液界面的兩側存在一壓力差ΔP，且界面曲率半徑小的壓力高於曲率半徑大的。利用此一現象，設計如圖5的顯示結構可以達到雙穩態顯示的目的。藉由調整圖5上下渠道施加電壓的不同，可以得到(a)條件：上下渠道皆未施加電壓時，在相同內徑渠道中的顯像液體（pigment dispersion）形成相同曲率半徑之界面。因此，上下渠道中的顯像液體壓力差為零，故其在渠道內是靜止不動。條件(b)為下渠道施加電壓，此時下渠道的顯像液體會潤濕加壓側壁面，使得其曲率半徑變大。因此，上渠道的壓力便大於下渠道，導致顯像液體往下渠道流動。條件(c)為上渠道施加電壓，與條件(b)剛好相反，此時下渠道壓力相對較高，故顯像液體便往上渠道流動。條件(d)為上下渠道皆施加電壓，雖然上下渠道的顯像液體曲率皆變大。但因變動量相同，所以上下渠道的壓力差為零，顯像液體在渠道內是靜止不動。

圖6、Yang-Laplace-Lippmann 電潤濕式電子紙顯示元件結構示意圖[6]。

 詳細的Yang-Laplace-Lippmann顯示元件如圖6所示，元件主要由三層微影蝕刻基板堆疊形成上下渠道結構。底層電潤濕基板(bottom electrowetting substrate)包括一玻璃或塑膠基板，上面蒸鍍ITO導電層，最外側則是介電層。另外，利用微影蝕刻技術，將塗佈於底板的杜邦乾膜光阻PreMX蝕刻成每個大小為450x150μm²的單元(cell)，每單元間的間隔(grid)為30μm。中間層基板直接由PreMX形成，同時對應蝕刻單元的兩端有130x60μm²及130x20μm²的開孔，並覆蓋於底板上方。中間層基板的上方蒸鍍金屬鋁，做為光學反射層（optical reflector）及接地電極。然後，在鋁層上方再以PreMX進行微影蝕刻製作顯示單元，其結構與底板相似，不過此層的間隔與底層不同，其為不連續的，目的在於使工作流體（顏料水溶液及油性液體）進行自我充填(self-assembled dosing)，如圖7所示。在充填工作流體前，整個元件以浸鍍(dip-coating)方式，在元件表面再做氟樹脂塗層(floropolymer coating)疏水處理。最後，將透明的頂部電潤濕基板封裝於顯示元件上方。

圖7、Yang-Laplace-Lippmann 電潤濕式電子紙顯示元件結構SEM圖[6]。

 Yang-Laplace-Lippmann顯示元件的特點在於具有雙穩態顯示能力。當元件的頂部電潤濕基板通電時（圖5條件c），極性的顯示液體會被極化產生靜電吸引效應，使得顯示液體潤濕上基板(曲率半徑變大)。因此，造成上渠道的液壓低於下渠道，故顯示液體往上渠道移動得到成像的結果。此時，即使除掉元件電壓，但成像仍然維持。因為，未加電壓的條件下(圖5條件a)，上下渠道中的液壓相等，顯示液體維持不動。相反的，欲得到不成像的狀態，只需對底層電潤濕基板通電（圖5條件b），使得下渠道的顯示液體的曲率半徑大於上渠道的。這時下渠道的液壓便低於上渠道，顯示液體便會流入下渠道得到不成像的顯示。

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蘊藏在電子紙技術中的界面科學 --- PART 1 前言

前言 (本文發表於 2011/12 化工技術 Vol.225)

界面科學涵蓋了氣/液/固三相界面間的交互作用，包括氣/液、液/固、氣/固、液/液等兩相間界面張力，以及液/液/固與氣/液/固等三相間界面接觸角等。因為所有的物質皆以此三相存在，所以如能有效運用這些界面效應，便可強化物質間作用的能力。例如改善粉體的液/固界面張力，可以使粉體穩定分散於液體中，常見於油墨或塗料業。或是改變固體表面的接觸角，使得固體表面顯示出類似蓮花效應的超疏水狀態，常用於自清潔表面。更複雜的界面現象不僅與物質三相界面有關，更包含了光、熱、電及濃度間的交互作用。例如LCD產業中利用偵測接觸角來判別玻璃基板是否清潔，採用毛細或虹吸現象充填液晶，以及利用親疏水性來定位彩色濾光片三原色墨水位置；類似的應用也出現在半導體BGA封裝的錫球角位定位，或是微型幫浦傳輸上。甚至利用界面與電之間的交互作用，來改變液滴的表面曲率，做成變焦透鏡等。此外，利用增加界面面積來提升效率的應用也很常見，例如使用粉體或多孔材質所增加的表面積來提升觸媒催化，也可利用兩不互溶液體形成乳液或懸浮液來增加接觸面積提升反應或萃取速率，或是敏化太陽能電池利用奈米級TiO2所提升的比表面積來增加光電轉換效率等。所以，不論是傳統的塑化、紡織、食品、機械、運輸、建材及塗料等產業，還是高科技的半導體、特化品、電子元件、光電顯示元件、生物科技及奈米材料等產業，無不與界面科學息息相關。因此，如何善用界面科學的知識巧妙運用這些大自然的力量，來達到提升產品機能及可靠性是各產業所追求的目標。更重要的是發揮各位的巧思加入更多的創新應用，為台灣產業開闢新的藍海市場。由於界面科學所涉及的知識橫跨物理與化學且其應用太廣，作者所學有限實難就其在各產業中所扮演的角色一一說明。本文僅就其在電子紙方面之應用概略說明，希望將界面科學在此一領域的前瞻應用，能藉本文傳達給有興趣的讀者。

雖然電子媒體在內容方面有多種活潑的表現形式，在出版、更新及發佈方面速度快。但在閱讀方式上，現今電子顯示設備仍無法改變人類使用紙張的習性。主要還是因為電子顯示設備無法取代紙張適合閱讀的特性。白紙黑字的紙張閱讀起來非常舒服及清晰，而且除了翻閱容易外，也可彎曲。同時，列印的文字可以長時間保留而不會消失，也不需提供能量。而自發光的現代顯示設備，特別是閱讀內容多的文字時，肉眼長時間受光線刺激，容易引起眼睛疲勞及不適。另外，數位資訊的閱讀需要專門硬體設備及能源，體積和重量較大，攜帶不方便，給閱讀者帶來諸多限制，不能像書一樣隨時隨地都可閱讀。不過，紙張也有不如現代顯示設備之處，如紙張只能單次使用無法更新，大量耗用紙張勢必增加環境廢棄物，以及過度砍伐森林導致生態衝擊。另外，紙張顯示只能提供靜態資訊，並且只有圖像及文字，無法提供聲音、動態影像或是進行互動式應答。綜合其優劣處，研發人員著手開發一種既能擁有現代顯示設備容易更新改寫資訊及具備影音聲光效果的優點，同時保有紙張攜帶方便、可捲曲且便於閱讀、不需專門的硬體設備和消耗許多能源等特點的電子顯示科技，也就是今天我們要探討的「電子紙」。

綜合前述，可以歸納出優良的電子紙張技術，必須具備三要件，首先要容易閱讀，其包括文字或圖像的清晰度及顯示照明的舒適度。所謂的清晰度，與顯示的黑白對比及解析度有關。一般紙張顯示黑白對比很高，所以其文字的辨識度容易。而對比是指光線照射背景時的純白度，與文字光線反射所產生的黑白對比度。此外，解析度的高低（以 dpi 來衡量，即每英寸的像素點數）決定文字或圖像曲率的圓滑及細膩程度，也決定了所能顯示最小文字的大小。所謂的顯示照明舒適度，是指類似紙張的反射式照明具有較佳的舒適度。 第二個要件是即使關閉電源也必須能夠繼續顯示。由於閱讀時需要時間，因此畫面必須持續不變。目前的液晶顯示器，畫面的顯示及維持都需要電源，因此電子設備不易供應長久閱讀所需的電源，而須隨時充電，使用不便，因此若電子紙張不需要電源就能維持畫面的話，就不需要大電量的電池，可以讓設備更為輕便。 第三個要件則是必須能像傳統紙張般的易用。也就是說，必須像紙張般的輕薄，也必須像紙張般可捲曲攜帶，也因為可捲曲，故能實現加大顯示螢幕仍具可攜易收藏的特性。

新的電子紙技術，便是為了解決上述現代顯示器的缺點，提供一種近似紙張閱讀的新感受。其承襲了紙張顯示的所有特點，例如輕薄短小、容易閱讀、方便攜帶、不耗用能源。但同時兼具了現代顯示器的優點，例如資訊數位化、動態更新或互動、可連接網路。

電子紙技術概述：

電子紙技術緣起於1960年代末期由Matsushita及Xerox兩家公司獨立發展出相關製程專利。早期發展電子紙的原因，是當時的CRT螢幕畫質太差所引發的。由於當時電子紙的技術及材料都尚未成熟，加上CRT的顯像技術有顯著進步。因此，此項技術在1980年代後逐漸被淡忘。直至最近，由於紙資源耗用及數位資訊氾濫等問題，使得電子紙技術重新浮出檯面。加上攜帶式瀏覽器的興起，導致低耗電顯示技術又再度被重視。目前電子紙技術仍處於百家爭鳴的狀態，目前主流技術為電泳動顯示技術(electrophoretic disply, EPD)，約佔市場90%以上。此外，比較成熟的競爭技術還包括雙穩態液晶顯示技術、電子粉流體顯示技術、電潤濕顯示技術及MEMS光干涉調節技術等。

電泳動與電子粉流體技術的應用原理類似，是藉由顯示微粒所帶的電荷在電場下，受到庫侖靜電力而在電極間進行躍遷形成影像。差異處在於電泳動技術中，顯示微粒是分散於液態連續相裡；而電子粉流體技術中的微粒則是存在於氣相裡。所以，此技術的重點在於如何形成帶電微粒並使其穩定分散於連續相中，以及如何克服微粒在固體電極表面之吸附及脫離界面所需的能量。電泳動技術是目前最成熟的電子紙技術，但其缺點在於顯示微粒在液體中移動速率太慢，造成顯示應答速度不佳。而電子粉流體技術則改善此一缺陷，但是其啟動電壓太高限制其應用。在電子紙技術中，電潤濕技術算是新興的技術，但卻是目前最具競爭力的。主要的原因在於，電潤濕技術具有高速應答的顯示能力，同時製程簡單且易達到彩色化。第一代的Yang-Lippmann電潤濕技術的雙穩態顯示效能不佳，耗能較大。新一代的Yang-Laplace-Lippmann電潤濕技術，則改善此一缺點。此技術乃充分利用液體接觸角隨電壓變化的原理，在極性溶劑與非極性表面接觸時，液體會在非極性疏水面形成大接觸角之液滴狀；但在電場的作用下，極性液體會被極化並在疏水電極側形成帶電層，由於電荷作用會使得液體的接觸變小而形成潤濕狀態。

根據台灣光電協進會 (PIDA)所做的產業分析，電子紙今年產值將成長至12億美元 (約新台幣348億元)，年成長70%，預估2013年將挑戰30億美元 (約新台幣871億元)大關，3年成長1.5倍。所以，如果你還不知道什麼是電子紙，哪你就落伍囉！電子紙是什麼？我想簡單的定義電子紙為一種類似紙張的顯示方式，但同時具被數位資訊特性的一種新式顯示器。所謂的類似紙張的顯示方式，是指反射式顯示、高對比、可撓及低耗能。而所謂具備數位資訊特性，是指顯示的資料可被更新、互動及聯網。台灣已成為電子紙的製造與技術的發源地，其中電泳動顯示技術的主要技術開發者為美國E-INK及SiPix，其分別被台灣元太科技(PVI)及友達光電(AUO）所併購。其他技術如電子粉流體的技術領導者日本普利斯通(Bridgestone)，則與台灣台達電策略聯盟，共同開發及製造電子紙。而最近剛興起有後來居上之勢的電潤濕技術，則由荷蘭飛利浦(Philips)分離出的Liquivista公司為代表，具傳該公司已被三星(Samsung)收購。在台灣，電潤濕技術的研究則有工研院顯示中心與元太科技合作開發主動矩陣式電濕潤顯示器，並採用噴墨製程(ink jet printing)。而各種利用電潤濕技術所發展出之各項應用與研究也隨之孕育而出，例如使用電潤濕技術於反射式或穿透式顯示器、可變焦的光學凹/凸微流體透鏡、微流體幫浦、光纖通訊轉換器以及生醫晶片等。

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