電泳動, Electrophoresis (本文發表於 2004/09 化工技術)
PLD電泳技術的發明人為J.M. Jacobson，此技術為其在1995年擔任史丹福大學物理系博士後研究員時所提出之構想。後來，Jacobson受聘為麻省理工學院(MIT)多媒體實驗室助理教授，持續相關研究，並於1997年在麻州劍橋開設E-Ink公司，致力於生產以電子墨(E-Ink)為顯示元件之PLD。目前，該公司已吸引許多創投公司及企業投資，如Lucent、Philips、IBM、Toppan及VST等。該公司於2000年與 Lucent共同開發出第一款主動式電子墨顯示器，其解析度達SVGA，尺寸為12.1吋，反應速度較舊版快10倍。2002年SID研討會中，E-Ink結合Philip的TFT基板與Toppan(日本凸版印刷)的彩色濾波器技術，推出解析度80ppi(pixel per inch)之彩色電子墨顯示器。2003年SID研討會中，E-Ink展示與Philip共同開發之高解析度PLD，其解析度為160ppi，厚度僅0.3mm，具可撓性。該公司生產的PLD主要用途在於靜/動態告示板、電子辭典、電子書、PDA及手機等。
E-Ink所生產的電子墨是指，將藍色染料墨水與帶電的白色粒子(TiO2)混合之電泳懸浮液，以透明樹脂包覆成細胞大小之電子墨微膠囊，如圖9所示。將此微膠囊封裝在電極中，當上部透明電極施加與粒子異性電壓後，帶電的白色粒子就會電泳向上移動，而顯示出白色圖像。反之，顯示藍色圖像。此外，Canon與SiPix兩家公司，亦發展出類似E-Ink之電泳技術的PLD製程。Canon所使用的電泳技術其特徵為帶電粒子移動方式為水平移動，又稱為水平電泳顯示器，與E-Ink或SiPix的垂直電泳不同。此外，其顯示元件並非以微膠囊方式包覆電泳液形成顯示單元(cell)，而是利用顯影蝕刻的方式，製備顯示像素的cell封裝電泳液，如圖10所示。隨這電泳槽中的電極位置不同，帶電粒子可進行水平電泳或垂直電泳。SiPix所採用的電泳技術其特點在於採用Micro-cup封裝技術，宣稱可以利用roll-to-roll方式連續生產PLD，如圖11所示。
圖9 電子墨顯示原理示意圖。
圖10 水平電泳顯示原理示意圖。
圖11 Micro-cup結構與製程示意圖(資料來源：SiPix)。
E-Ink所生產的電子墨，由於已將帶電粒子封裝於微膠囊中，因此在使用或製造PLD時較其它方法簡便，只需採用傳統塗佈方式即可。但其缺點在於，必須搭配TFT主動式陣列或直接驅動電路(active matrix or direct drive)來防止顯像單元間的訊號耦合(cross-talk)，無法使用被動式陣列(passive matrix)。雙穩態的時間較短，所顯示的影像隨時間會逐漸變灰色，無法長期記憶影像。影像應答速度仍慢，無法顯示動態連續畫面。藉由彩色濾光片實現彩色化，導致反射光量顯著降低(僅剩1/3光量)，且增加成本。Canon採用的水平電泳技術，可以加快顯像應答時間，已接近可播放動態連續影像的規格。但所需的驅動電壓較高，且持續雙穩態的時間更短，對於影像記憶的能力不佳。SiPix企圖改善E-Ink電子墨因未在基板上進行像素陣列設計，而直接塗佈所引發cross-talk的缺點，但又不希望如Canon所採用的高成本顯影蝕刻方式生產像素陣列。SiPix採用Mirco-cup封裝技術，利用微機電壓印技術以roll-to-roll的方式，連續將像素陣列壓印於基材上，然後填充電泳液並封裝。SiPix宣稱Micro-cup製程，可以得到PM驅動方式的PLD(李忠蕙和梁榮昌, 2003)。
E-Ink所生產的顯示單元 – 電子墨，主要是利用表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。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，得到所要的電子
墨顯示單元，如圖12。
圖12 微膠囊封裝電泳液之製程示意圖。
E-Ink的電子墨PLD製程，主要採用傳統塗佈方式製造，其步驟概述如下：先將樹脂液與電子墨混合成樹脂漿料，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，因而得到單層電子墨之機能塗膜。再將此塗膜乾燥並與電極層貼合，形成所需的PLD。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。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。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(Zang and Liang, 2003)。
三、結語
本文雖就目前常見之類紙式顯示器的各家技術進行簡略的說明，但截至目前為止，仍有許多新的技術被提出，如Bridgestone公司提出「電子粉流體」所製備的PLD，宣稱解析度達240dpi，應答速度比LCD快100倍。Iridigm Display公司則提出iDoDTM技術，使用微機電(MEMS)技術，使光在薄夾層中產生干涉現象，控制夾層厚度可以產生明暗與色彩變化。加拿大多倫多大學的研究人員則發現一種光墨水(photonic ink)，其原理是利用光的干涉與繞射，當光通過含直徑為300nm之SiO2球體的分散液，因光的干涉與繞射會使得反射光顏色改變。控制這些SiO2球體間的間隙，可以得到不同的反射光。而本文僅就市場上技術較成熟之旋轉球及電泳動之PLD技術，進行較深入的分析。但如電潤濕及雙穩態高分子分散/穩定液晶等PLD技術，也都與表面科學的許多原理息息相關，由於技術的成熟度及篇幅限制，在此並未深入研究，有興趣的讀者可參閱相關文獻。上述的PLD製程原理相當的簡單，並不需要複雜的設備及艱深的技術。因此，有人笑稱PLD技術像是「高中生的實驗」。然而，如何落實這樣的技術，使其能商品化並進一步取代現有產品，則有賴各位讀者的巧思。
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