在電場下舞動的微米色球：類紙式電子紙技術 --- PART 3 雙色旋轉球

雙色旋轉球, bichromal twisting ball (本文發表於 2004/09 化工技術)

雙色旋轉球技術起源於全錄(Xerox)的PARC研究中心，主要的發明人為N.K. Sheridon資深研究員。全錄將此種PLD取名為「電子可再用紙」(electronic reusable paper)。早在1970年代初期，即已出現電子紙的概念。而Sheridon當初的構想是尋找一種近似紙張顯示，但非取代紙張用途的顯示器。同時為他取名為Gyricon，此字源自於希臘文之「旋轉圖像」的意思，正好說明此種顯像技術的特徵。2000年全錄將該技術商品化，並在加州成立Gyricon Media公司，由Sheridon擔任研究主任主持開發此項技術之PLD。2002年該公司遷移至密西根州，並建立第一條生產線。其主要的合作伙伴為3M公司，並共同以此種技術開發出原型產品，稱為智慧紙(SmartPaper)。主要用途如告示牌(SyncroSign)、價目表、可攜式顯示幕、電子書及電子報等。

雙色旋轉球技術是藉由雙色的Gyricon球，受到電場作用旋轉而產生顏色變化，其顯示機制如示意圖3所示。所謂的Gyricon球，分別由帶不同界面電位(Zeta potential)及顏色之半球所組成。藉由電場變化改變電極所帶電荷，利用電荷異性相吸與同性相斥之庫侖靜電力作用，控制Gyricon球的旋轉方向，達到改變畫素顏色的目的。因此，Gyricon球在被封裝到電極中後，需設法使球體外圍包覆一層介電流體使其易於旋轉。早期為了使在基板中之Gyricon球外圍包覆一層介電流體(美國專利第4126854號)，採用熱交鏈型彈性體(elastomer)與Gyricon球混合塗佈後，進行熱交鏈製成基板，並浸泡介電流體使彈性體膨潤(swell)及吸入介電流體在Gyricon球四周形成液膜，如圖4所示。新的方法，則採用表面科學中的微膠囊封裝(microencapsulation)技術，直接將Gyricon球封裝在介電流體中。常見的微膠囊封裝技術有界面聚合法、原位聚合法及凝聚法等。其實施方法，先將Gyricon球與油相介電流體混合，使球體外圍包覆一層薄油膜。然後，將其置入水相中形成兩相分散液。再藉由上述微膠囊封裝方法，使液相中之單體或樹脂，在油/水界面聚合或析出形成樹脂薄殼，並將Gyricon球包覆在薄油層中，如圖5所示(美國專利第5604027及6445490號)。

圖3 雙色旋轉球顯像機構示意圖。

圖4 非微膠囊式Gyricon球之封裝製程示意圖。

圖5 微膠囊封裝Gyricon球之製程示意圖 (美國專利5604027)。

   

由於Gyricon球旋轉後，在未加反相電場下，具有幾乎永久穩態。因此，其雙穩態之記憶效應遠較其他類型的PLD強。不過，此技術在顯像過程需將Gyricon球翻轉180^o，故其所需之驅動電壓偏高，影像應答時間較長。此外，此技術不易達到顯示器所需之全彩顯像的要求。但Gyricon Media公司宣稱已獲得該技術之全彩顯示專利，故其後續發展值得注意。

雙色Gyricon旋轉球的製造程序大概可區分為下列四種：旋轉盤法(spin disc method)、液柱法(liquid jet method)、共擠出法(coextrusion method)及熱蒸鍍法(vapor thermal deposition method)。四種製造方法中，以全錄所提出之旋轉盤法、液柱法及熱蒸鍍法最為方便可行。圖6為旋轉盤法及液柱法製備雙色或多色Gyricon球的示意圖。

圖6 旋轉盤法與液柱法製造Gyricon球的示意圖(美國專利 5262098及5344594)。

 所謂的旋轉盤法是藉由在旋轉盤的上下兩側中央，同時注入不同顏色流體材料(熱融態樹脂)，利用旋轉離心力使此材料往轉盤的邊界流動，並在轉盤邊界聚集形成雙色(或多色)之複合液。此複合液因受離心力作用，會由轉盤邊界切線方向脫離。其脫離方式根據流體動力學可區分為兩階段，首先形成連續穩定液柱，此液柱界面受到瑞利-泰勒不穩定(Rayleigh-Taylor instability)作 用，而引發不穩定的界面波動現象，最後液柱在波動節點斷裂形成液滴。藉由解出轉盤上之液膜至轉盤邊界液柱間的流體動力學微分方程式，可以求出轉盤邊界液膜 形成之液柱半徑。而轉盤邊界之液柱至形成液滴的流體動力學微分方程式，則可解出旋轉盤法所製備之液滴半徑。其中形成液柱及液滴的大小，與材料本身的表面張 力息息相關。相關的理論分析，可以參考美國專利第4315720及5900192號之說明。至於液柱法(美國專利第5344594號)可視為旋轉盤法的一種變形設計，因為不同顏色材料的液柱最後仍聚集形成單一液柱，再藉由界面波動引發液柱斷裂形成液滴。所謂熱蒸鍍法是指，將欲著色之球體以蒸鍍方式將無機色料蒸鍍於投影半球上，因而形成雙色球。圖7為熱蒸鍍法製備雙色Gyricon球的示意圖。

圖7 熱蒸鍍法製備雙色Gyricon球的示意圖。

3M與Xerox所合作開發之「智慧紙」製程可參考美國專利第6383619號專利。其製程步驟簡略說明如下：首先在一基材上以傳統塗佈技術如刮刀塗佈(knife coating)、噴霧塗佈(curtain coating)或捲軸式塗佈(roll-to-roll coating)，將第一層樹脂均勻塗佈於基材上。然後，利用印刷(printing)、轉印(transferring)、網印(screening)、串級(cascading)等方式，將單層之Gyricon球排列在第一層樹脂上。再藉由與第一層樹脂相同之塗佈方式，塗佈第二層樹脂層以包埋Gyricon球。重複上述動作，可以製備多層之Gyricon球之薄膜。最後，在Gyricon球膜層的最上方再塗佈一均勻樹脂層，並除去底部基材及加上驅動電極便完成顯示器之製程。一種連續式加工製程被3M提出，如圖8所示。其特點在於製備Gyricon球膜層，是藉由半成品之上下樹脂膜以捲軸式連續壓合方式生產，Gyricon球是在壓合上下樹脂膜層時填入兩膜層間。壓合後的Gyricon球膜層厚度，由夾縫滾筒(nip roller)控制。實際上填入兩樹脂膜層間的漿料除了Gyricon球外，還包含封裝樹脂。球體與封裝樹脂的比例會影響到最後壓合的Gyricon球膜層之球體排列的緊密度。

圖8 Gyricon球製備PLD之製程示意圖(美國專利 6383619)。