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。
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| 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]。
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| 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]。
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| 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。
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| 圖12、粉體流動性測試[13] |
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| 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
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