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：
dγSL(V)= - ρSLdV............................................................................................................. (1)
其中，γSL為固-液間之界面張力，ρSL 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，γSL(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。
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| 圖1、界面作用力關係圖。 |
................. (5)
其中，γLV 為氣/液間之界面張力；γSV 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。
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| 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。
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| 圖3、電潤濕式電子紙的驅動電壓與反射率的關係圖[2]。 |
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| 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。
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| 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。
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| 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。
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| 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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