在電場下舞動的微米色球：類紙式電子紙技術 --- PART 2 電子紙顯示器

電子紙顯示器 (本文發表於 2004/09 化工技術)

我想讀者一定很納悶，為何本文標題會將類紙式顯示器(paper-like display, PLD)與列印輸出兩種看似不相關的技術相提並論呢？隨這資訊數位化的普及，幾乎所有的資訊都被數位化儲存。人們預期資訊數位化後，將迎接一個無紙時代的來臨。因而，達到降低使用紙張資源傳遞資訊的目的。加上許多產業研究機構紛紛預估在未來10-20年內，紙張列印用量將驟降至目前一半以下，導致許多列印輸出設備商及其周邊相關產業的緊張。為了因應此一趨勢，眾多列印輸出相關廠商如Xerox, IBM, Philip, Canon, Sony, Fuji Xerox, Dainippon Ink, Dainippon Printing, Toppan Printing, 3M, Ricoh等，紛紛轉投資具數位化能力、與紙張相似顯示功能，且能重複使用的PLD技術。此項技術早在1960年代末期就由Matsushita及Xerox兩家公司獨立發展出相關製程專利。早期發展PLD的原因，是當時的CRT螢幕畫質太差所引發的。由於當時PLD的技術及材料都尚未成熟，加上CRT的顯像技術有顯著進步。因此，此項技術在1980年代後逐漸被淡忘。直至最近，由於紙資源耗用及數位資訊氾濫等問題，使得PLD技術重新浮出檯面。PLD之所以再度受到重視，除了上述紙資源耗用的原因外，還有一項極為重要且被忽略的因素 – 數 位資訊無遠弗屆。原本預期資訊數位化後可有效降低紙張用量，但卻忽略了數位資訊藉由網際網路快速傳播，使得每個人每日所接收到訊息與日劇增。面對如此龐大 的資訊，如果要使用人們不習慣的顯示方式進行資訊篩檢與閱讀，其效果勢必大打折扣。因此，新一代的顯示器必須具備人類最原始的閱讀習慣的顯示方式。而人們 最能適應的顯示方式，非紙張列印方式莫屬。因為紙張的顯示方式是採用反射光來顯示圖文，可以在較廣泛的照明條件下閱讀，以及具有較大可視角度範圍。此外， 紙張使用反射光源，可以得到較柔和的顯像使得眼睛在閱讀瀏覽時不易疲累。而且畫面輕薄可攜、可曲撓變形及圖文可永久顯示無需再消耗能源。而自發光式顯示器(CRT, LCD, PDP等)，需消耗電源發光，同時眼睛長時間受直射光源刺激易使其感到疲累。不過，紙張顯示方式亦有其缺點，例如顯示畫面無法修改(不具數位化能力)，只能顯示靜態資訊，需在有外部光源的場所方能使用等。因此，PLD其由來是要發展出一種與紙張顯示功能相類似的顯示器，但同時兼具數位資訊的能力，可以顯示動/靜態訊息。同時，在顯示靜態訊息時只需消耗一次轉寫能量便能長期顯示，並能在無外部光源下自發光顯像。換言之，PLD就像一種新式的紙張列印輸出技術，與傳統的列印輸出技術不同的地方在於顯像的材料不是油墨，而是數位資訊。但顯示的媒介都同樣具有紙張反射式顯像、可撓、輕薄、可攜及低耗能的特性(工研院光電所, 2003；沈義和, 2003)。

PLD亦被稱為電子紙(e-paper)或電子墨(e-ink)。他同時具有紙張與數位顯示器的功能。所謂的PLD具有下列幾項特點：

1.        反射式顯像 – 與現有閱讀習慣相同、不需內建光源耗電低。

2.        記憶功能 – 雙穩態顯像能力，圖文可長期顯像不需再消耗額外能量。

3.        資訊可再生 – 顯示的數位訊息可以更新及修改。

4.        超薄可撓 – 厚度低於 0.5mm近似紙張、可撓易於收藏與使用。

5.        可攜 – 輕薄可撓易於折疊捲曲，便於攜帶收藏。

6.        製程簡單低成本 – 可捲筒式連續塗佈或印刷，不需複雜且昂貴的設備。

雖然目前已有數家公司如Gyricon Media(Xerox), E-Ink(Philip, Canon), SiPix Imaging, Fuji Xerox, 3M等，已有相關產品問市。但PLD的開發及量產技術上仍存在相當多的障礙，例如成本、記憶時間、驅動電壓、應答速度及可靠性等。已知的PLD技術不下數十種，大概可歸納為7類，其相關資訊如表1所示：

表1、不同顯示技術之類紙式顯示器。

公司/合作伙伴	技術特徵	技術規格			對比	輸入 方式
		驅動力	記憶時間	應答速度
電泳動技術(E-Ink美國專利 6017584, 6262833, 6473072)
E-Ink(MIT)/ Philip; Nippon Toppan; Lucent; IBM;	帶電有色微粒分散於介電流體中，並被包覆於微膠囊內受電場作用垂直向泳動顯像	15V	1year	100-200ms	10:1	數位
Canon (美國專利 6524153)	微粒在介電流體夾層水平向電泳顯像	25-30V	5min	20ms	16:1	數位
Fuji Xerox (美國專利 6657612)	微粒在空氣夾層中	100-300V	－	10-50ms	20:1	數位
SiPix Imaging (美國專利 6672921)	微粒在微杯陣列中	10V	24hr	400ms	8:1	數位
旋轉球技術(美國專利 4126854, 5262098, 5604027, 6383619, 6699570)
Gyricon(Xerox)/3M	帶電雙色球受電場作用旋轉顯示	100V	6month	300-400ms	12:1	數位
電潤濕技術(Hayes and Feenstra, 2003)
Philip	顯色油受電潤濕作用顯色	20-30V	－	10ms	15:1	數位
雙穩態液晶技術
Kent Display (美國專利 6061107) Dainippon Ink (美國專利 5304323)	PSCT ＆ PDLC	12V	10min	70ms	16:1	數位
ZBD Display (Jones et al., 2000)	Bistable Nematic	10-35V	－	30ms	20:1	數位
Fuji Xerox (美國專利 6600473)	OPC/ChLC複合元件	300V	1Year	－	10:1	列印
電致變色技術
Ntera (美國專利 6605239)	具半導體性質之無機奈米粉體與有機電致變色材料複合	2V	－	100ms	18:1	數位
電解/電鍍顯色技術
Sony (美國專利 6219173)	電解析出銀而變色	1.5V	30min	100ms	30:1	數位
染料顯色技術
Ricoh (美國專利 6410478)	熱致染料變色	180℃	－	－	－	列印

上述PLD顯像技術，其製程與表面科學許多原理息息相關。尤其是目前PLD中的主流製程 – 電泳動顯像技術(electrophoresis)及旋轉球顯像技術(twisting ball)。此兩種技術巧妙的運用了許多表面科學的原理製造電泳微膠囊及雙色微粒作為顯像元件，並利用電場驅動靜電荷進行顯像控制。電潤濕技術(electrowetting)則利用表面科學中的電潤濕效應作為控制顯像的原理。此技術是目前PLD中，應答速度最快且唯一有機會挑戰動態顯示的新技術。雙穩態液晶技術主要有高分子分散液晶(polymer dispersed liquid crystal, PDLC)與高分子穩定膽固醇結構(polymer stabilized cholesteric texture, PSCT)顯像技術。PDLC是利用表面科學中微膠囊製造技術，將液晶以高分子包覆固定。PSCT則是利用表面科學中界面/分散原理，將高分子(或其單體)溶 液與液晶均勻混合，利用相分離或聚合反應析出高分子，並將液晶包覆於高分子多孔載體中固定。此兩種液晶顯示技術的特點在於，液晶最後被包覆在高分子中，因 此其製程可採連續塗佈方式進行，以及固定化的液晶不怕曲折具可撓的能力。電致變色技術是藉由奈米化無機半導體粉體，使其增加與有機電致變色材料間的接觸面 積，促進電致變色的應答速度及降低操作電壓。電解/電鍍顯示技術為一新型PLD技術，其利用固態電解質傳遞由銀電極(正極)解離之銀離子至透明電極(負極)，與負電荷結合析出顯像。染料熱致變色技術是利用染料與顯色劑在高溫下結合而顯色，降低溫度後分離恢復無色。以下針對目前PLD技術上較成熟的電泳動及旋轉球兩種技術與表面科學間的關連性，做更深入的說明。

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2011 國境之南

慶祝女兒國小畢業，全家決定前往國境之南接受 3 天 2 夜豔陽的洗禮。同時，回憶一下大學時機車奔馳的快感。所以，交通部分不自行開車，而是搭高鐵至高雄(事先訂早鳥票)，轉搭接駁公車至墾丁，再租機車至旅館。住宿的部分，一天住在南灣民宿(團購住宿卷)；另一天則住悠活麗緻渡假村。因為，是假日所以沒有訂到兒童主題套房，只訂到樓中樓家庭房。

冒煙的喬

第一天行程，中午抵達墾丁，租好機車後到旅館放行李。然後，到「HOT墾丁旅遊網」買團購卷，包括冒煙的喬餐廳卷、海底玻璃船等。中餐在冒煙的喬吃，主要是西式速食餐，不過也有賣中餐的米飯及麵。人很多，等了一下子才吃到東西，餐點普通，聽說高雄的那家比較讚? 吃完中餐後，先到砂島貝殼砂展示館(途中經過帆船石)，看一下貝殼砂及海灘(只能看不能下去走，怕砂子被挖光)，然後再到鵝鑾鼻公園走一圈，走完在門口喝椰子汁，然後回旅館。

帆船石

貝殼砂

砂島貝殼砂展示館

鵝鑾鼻燈塔

鵝鑾鼻燈塔

鵝鑾鼻燈塔

晚上，到墾丁大街逛夜市，人很多，攤販也很多。從墾丁公園牌樓門口一直延伸到福華飯店附近，走完腳也差不多沒力了。買了許多零食當晚餐吃，現在卻想不起來吃了什麼?真是年紀大了，記憶也變差了!

第二天吃完旅館的早餐，CHECK-OUT並寄放行李。然後出發到貓鼻頭公園，繞了一圈出來，感覺沒什麼變。接著一路騎車到白沙灣及關山，由於是中午到關山，所以沒有爬上觀景台。但是到附近的民宿餐廳吃中餐，景觀也不錯。

白沙灣

貓鼻頭

貓鼻頭

下午，回到後壁湖去搭海底玻璃船，看墾丁海底珊瑚。不幸遇上一群大陸仔，一路喧嘩如入無人之境，小朋友說真是大開眼界。海底玻璃船的噱頭不錯，在船上就可以看到海底的動態。珊瑚看起來還蠻壯觀的一整片，只是色彩有些單調。

後壁湖海世界觀光半潛艇

後壁湖海世界觀光半潛艇

看完珊瑚後，回旅館取回行李，往下一個落腳處出發。下一個住宿的地方比較偏僻，在恆春萬里的墾丁悠活麗緻渡假村。從南灣到悠活麗緻約要30min，所以沿途都是汽車，只有我家是兩輛小綿羊。但一路沿這海岸，兩旁有樹蔭，海風吹來打在臉上的真實感，應該是開車所享受不到的。

Check-in 後，放好行李稍作休息，果然高級的旅館設備不一樣。因為訂的是樓中樓，所以有一張床在二樓，小朋友當然是霸占二樓。窗外就是游泳池，遠方可以看到大海。幫小朋友預約明天的浮潛課程，然後再出發到恆春吃晚餐(高級旅館的費用太高囉!)，順便看一下「出火」。途中還去便利商店買了一個打火機，準備去放火。

原本預計到恆春的人氣「知豬人」吃排骨飯。不知何原因，今日竟然沒開。所以，隨便找了一家麵店吃一下當地的美食，真是便宜又大碗。吃完後驅車往恆春東門城的出火，以前的記憶「出火」就在路旁的稻田裡，旁邊有時還有取暖的牛群。這次尋訪卻出乎意料，整個出火區都蓋成一個公園，出火的地方還有圍欄阻隔不讓人靠近。不過，大家還是不習慣在圍籬外看，全都跑進來和出火合照。

恆春 -- 出火

看完出火後，就完成今日的行程，準備打道回旅館。半路在超商補充一些零食作為明日的早餐。從恆春回到悠活麗緻還真的蠻遠的，一路上沒有路燈黑漆漆的，地方又偏僻，當時又剛好農曆 7月。騎起來，還真是有些毛毛的。

隔天，早上小朋友參加旅館的浮潛課程，地點就在度假村的海邊。小朋友先在旅館裡的訓練池熟悉裝備及浮潛技巧，然後教練再帶大家到潮間帶。這裡水並不深，大概只到成人的大腿。這裡的魚大概已經被餵習慣了，時間到就自動出來。小朋友拿吐司麵包餵魚，因為水不深，所以不需真的浮潛，只要彎腰把頭探入水中就可以看到。

墾丁悠活麗緻度假村 -- 浮潛

墾丁悠活麗緻度假村 -- 浮潛

寄居蟹

海星

浮潛完後已經中午，盥洗及整理完行李就Check-out。然後，騎車回南灣還機車，再搭接駁公車回高鐵站(大概2.5HR)，結束這次國境之南的旅程。

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雷射印表機(激光打印機)的列印原理

雷射印表機自1984年開發成功後，技術日新月益，產品亦朝多樣化，高品質及價格大眾化方向發展，除了新的機種不斷推出外，近來普遍深植人心的環保意識，亦促使碳粉卡匣再回收市場的萌芽發展。而本計劃預計開發之電子顯像劑的主要用途是提供給全彩高解析度雷射印表機做為其顯像的主要關鍵耗材，圖 1 是雷射印表機的成像機構示意圖，圖 2 為碳粉匣細部各零組件之示意圖。從圖中清楚的顯示雷射印表機之列印過程，是藉由感光鼓產生靜電潛像，再由電子顯像劑顯像完成的。常見的 EP 設備如多功能事物機、影印機及雷射印表機都是光電成像技術的應用，其成像的過程可以分成七個步驟：

1. 佈電(Charging)-利用佈電輪(Primary Charge Roller, PCR)或電暈網(Corona)高壓放電，使感光鼓帶靜電；
2. 曝光(Exposure)-顯像物資訊經微電腦處理送至光學機構以雷射光束(laser beam)投射至感光鼓，藉由元件上之感光材料行光電作用中和表面電荷，形成靜電潛影；
3. 顯像(Developing)-將感光鼓上的靜電潛影與磁棒套筒(Magnetic Roller Sleeve)接觸，碳粉經過碳粉刮刀(doctor blade)摩擦而帶有電荷，並受到靜電吸引飛到感光鼓表面，以形成碳粉的顯影；
4. 轉印(Transfer)-攜帶顯像碳粉的感光鼓表面與紙接觸時，傳送滾輪(transfer roller)利用相反電荷將碳粉轉移到紙面上；
5. 固著(Fusing)-利用熱壓輪(Fusing/Pressure Roller)，將紙上顯影的碳粉定著於紙上；
6. 清理(Cleaning)-將感光鼓上殘存的碳粉利用清潔刮刀(Wiper Blade)刮除；
7. 除電(Erasing)- 感光鼓上殘存的電荷利用光源或佈電滾輪將之去除，以利下次列印並減少列印缺陷的發生。

上述常見EP設備多用於商務及個人列印輸出用，較少應用於大量列印之印刷媒體業，主要是因為早期高速全彩之EP硬體設備昂貴不符需求。但近年來隨著高解析度、高速、全彩之EP設備技術的成熟，EP硬體設備的價格正逐步降低中。同時隨著數位化科技的發展，數位印刷的時代正因應而生。數位印刷用的EP設備具有下列特性：不需製版(Plateless)、短版印刷(Short Run Printing)、即時印刷(Printing on Time, POT)、即時打樣(Proofing on Time)及隨選列印(Printing on Demand, POD)，有別隨傳統印刷的出版方式，極適合少量、多樣、快速、高品質的現代印刷需求。根據 Drupa 2000 及 IPEX 2002 印刷展的趨勢得知，數位印刷是未來印刷業的趨勢。數位印刷設備要取代傳統印刷設備，必須符合高速、高解析度、普通紙列印及低成本。目前符合上述需求的數位印刷設備有下列幾種：

	解析度(dpi)	色階	顯像速度(sec)	印刷速度(m/sec)	紙張/色料
EP設備	600-800	多色階	～10-5	6.35	普通/顏料
噴墨設備	300-1500	多色階	10-6～10-4	0.63～63.5	專用/顏料
電凝聚設備	400-	多色階	4 ×10-6	15	普通/顏料
磁記錄設備	300-	－	～10-6	～15	普通/顏料
電荷沈積設備	300-	多色階	－	－	普通/顏料

現今技術最成熟且已商品化之設備主要為EP設備及噴墨設備。其中，噴墨設備偏向較低階、低解析、全彩、高速及低價之印刷產品(噴墨設備亦可實現高解析度輸出，但其成本高昂)，而EP設備則多為高階、高解析度、全彩及高附加價值之印刷產品。目前以EP設備加入數位印刷市場的公司有Xerox, Oce, IBM, Xeikon, Agfa, Canon, HP-Indigo, Heidelberg-Kodak 及 Man Roland 等。

圖1：雷射印表機之成像機構示意圖

 圖2：碳粉匣細部各零組件及其相關位置之示意圖

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碳粉匣構造

雷射印表機(激光打印機)其主要的顯像元件為碳粉匣，也是印表機的主要技術核心，一般稱為印表機引擎(engine)。最常見到的碳粉匣構造，如圖1所示。此為HP或Canon桌上型雷射印表機所採用的碳粉匣，它同時擁有用於顯影的「碳粉」及能透過雷射紀錄影像的「感光鼓」，互相搭配在卡匣內完成顯像工作。故又稱為整合型卡匣(All in One, AIO cartridge)。

 圖1：碳粉匣細部各零組件及其相關位置之示意圖

 以下說明卡匣各元件的功能及作用：

1. 佈電滾輪(Primary Charge Roller, 佈/除電)
佈電滾輪在運作時會通入高壓電，利用滾輪與感光鼓接觸的間隙進行高壓放電，使得感光鼓表面帶有一定電壓的靜電荷，作為後續靜電潛像及碳粉顯像的基礎。
2. 雷射光源 (Laser, 曝光)
用於照射感光鼓表面，引發光電效應使照光區的表面電荷被中和，形成靜電潛像(所謂靜電潛像是指肉眼無法看到，影像只是靜電荷分布)
3. 磁性滾輪(Magnetic Roller, 顯像)
又稱顯像滾輪(developement roller)，其作用在於將碳粉均勻攜出，並轉移至感光鼓上形成顯像。一般顯像滾輪會帶有異於感光鼓的驅動電壓，藉此電壓差使得碳粉轉移至感光鼓表面。
4. 碳粉刮刀(Doctor Blade)
碳粉刮刀的功能在於使碳粉經過刮刀摩擦而帶適當靜電，並以一定厚度附著於顯像滾輪表面。
5. 碳粉儲存匣(Toner Hopper)：用於存放碳粉。
6. 碳粉攪拌棒(Agitator Bar)：用於攪動碳粉，避免碳粉存放過久結塊。
7. 碳粉存量感應器(Toner Low Sensor)：用於偵測粉粉存量。
8. 碳粉(Toner)：用於顯影。
9. 傳送滾輪(Transfer Roller, 轉印)：利用反相電荷吸引將碳粉轉移至紙張。
10. 感光鼓(OPC Drum)
卡匣的顯像元件，利用感光材料與雷射光作用產生電荷，再與表面靜電荷中和形成靜電潛像。未照光區因有電荷存在，故排斥帶同性電荷的碳粉吸附；相反的，照光區因電荷被中和無電荷排斥，故碳粉易受電壓差驅使吸附。
11. 廢碳粉回收刮刀(Recovery Blade)：用於回收感光鼓上未轉移的碳粉。
12. 加壓滾輪(Pressure Roller)：加壓使碳粉黏著於紙張。
13. 清除碳粉刮刀(Wiper Blade, 清除) ：用於清除感光鼓上未轉移的碳粉。
14. 加熱滾輪(Fuser Roller, 定著)
利用滾輪內的加熱燈管或陶片，可以加熱滾輪至碳粉的熔點。藉由加壓滾輪的擠壓，讓碳粉熔融並訂著於紙張表面。為了避免熔融的碳粉專黏在加熱滾輪上，一般滾輪表面會進行防沾黏處理(鐵氟龍塗層)。
15. 廢碳粉儲存匣(Waste Bin)：回收的廢碳粉儲槽。
16. 碳粉匣封條(Seal Channel)：碳粉儲槽密封條。

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