表面科學於操控微滴及微粒的應用 --- PART 2 電潤濕電子紙

電潤濕在電子紙的應用 (本文發表於 2013/04 化工技術 Vol.241) 
目前較具代表性的電子紙顯示技術，可概分為6大類的技術，包括電泳動、粉流體、電致變色 (electrochormic)、電潤濕、光干涉調變(interferometric modulation, IMOD)及反射型液晶技術[2]。目前真正量產的電子紙技術，包括市佔率最高的電泳動技術、其他還有粉流體(liquid powder)、電致變色、IMOD及液晶顯示技術等，而本節要詳述的電潤濕技術則是新開發的未來之星。電泳動技術主要來自E-Ink公司，此公司目前已被台灣元太公司併購，其產品如亞馬遜的Kindle平板顯示器，顯示原理如圖8所示。粉流體技術由普利斯通(Bridgestone)開發，台灣台達電是其協力廠商，主要生產電子標籤類產品，其顯示原理如圖9。第一代的電潤濕電子紙，採用的是Yang- Lippmann技術。主要的技術開發公司是由飛利浦(Philips)分離出的Liquivista，該公司目前已被三星(Samsung)收購，其顯示原理如圖3。

 

圖9、Bridgestone粉流體顯示器[2]。

“電濕潤現象＂是Lippmann於1875年在水銀電毛細(electrocapillary)實驗中發現，並將電壓與界面張力間的變化以Lippmann 方程式(2)表示：

其中，γ_SL(V)為在電壓V時的固/液間之界面張力；ε₀為真空的介電常數；ε變為介電層的介電常數；d₀變為介電層的厚度。將Yang方程式(1)與Lippmann 所得到的方程式(2)做合併整理得到Yang-Lippmann 方程式(3)：

其中，γ_LG  為氣/液間之界面張力；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(3)的結果顯示，液體接觸角會隨電壓升高而減小。

Liquivista公司所生產的Yang-Lippmann電潤濕電子紙結構，如圖3。以此一技術製作出反射率約55% 與對比在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約15~20V，且響應時間只有10 ms，十分符合顯示動畫之要求。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(bistable)顯示能力。所以，此技術在顯像的過程與傳統LCD相同，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，偏大的耗電量仍是一不利因素。

為了改善Yang-Lippmann電潤濕無雙穩態顯示的缺點，改良式第二代電潤濕技術被 γ-Dynamics公司提出[6]。所謂的改良式電潤濕原理，是將Lippmann方程式(2)結合Yang-Laplace方程式(4)，得到Yang-Laplace-Lippmann方程式(5)

其驅動顯示的力量由原本表面張力或接觸角，轉變為跨越界面的壓差。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(5)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。根據Yang-Laplace方程式(4)，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10的顯示結構可以達到雙穩態顯示的目的。藉由調整圖10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10、Yang-Laplace-Lippmann 電潤濕式電子紙作動示意圖[7]。

圖11、Yang-Laplace-Lippmann 電潤濕式電子紙顯示元件結構示意圖[7]。

Yang-Laplace-Lippmann顯示元件(如圖11)，其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10條件c），極性的顯示液體會被極化產生電潤濕效應，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10條件a)，上下渠道中的液壓相等，顯示液體維持不動。相反的，欲得到不顯像的狀態，只需對底層電潤濕基板通電（圖10條件b），使得下渠道的顯示液體的曲率半徑大於上渠道的。這時下渠道的液壓低於上渠道，顯示液體便會流入下渠道得到不顯像的顯示。