表面處理技術在雷射印表機彩色碳粉上的應用 --- PART 1 前言

前言 (本文發表於 2009/04 化工技術 Vol.193)

有 人說表面處理技術就像是女人化妝品一樣，具有化腐朽為神奇的特殊療效。可以改善設備或材料的功能，同時顯著提升其使用壽命。所以，表面處理技術已廣泛的運 用在化工、機械、土木、電機及其他工程之設備或材料中，例如醫藥的微膠囊藥物釋放控制、金屬表面電鍍處理、材料表面硬化及自潔處理、半導體封裝及蝕刻、LCD光學膜等。由於上述課題已被廣為討論，故本文不再贅述。在此，僅聚焦於表面處理技術運用在雷射印表機彩色碳粉(Color Toner)上的現況。

台灣雖然號稱是電子產品的製造王國，同時擁有電腦、半導體、數位相機、手機及LCD顯 示器等數個生產製造的第一。但是，印表機的生產製造，在台灣始終未能形成重要的產業。原因在於，整個印表機的產業其營運模式與大部分電子產品不同。因為， 印表機的市場主要是以耗材銷售為獲利的來源，而印表機硬體本身並無法成為有效的獲利來源。以雷射印表機為例，其主要的耗材為碳粉匣(Toner Cartridge)，整個使碳粉匣運作的機構稱為列印引擎(engine)，是印表機的關鍵元件。目前，整個雷射印表機的生產製造技術完全控制在日本廠商手中，雖然國內一些代工廠如明碁、東元、虹光、金寶、鴻海等，也陸陸續續替HP、Dell、Lexmark、Canon、Epson等 大廠進行印表機生產代工。但大多只是機殼及周邊電路之組裝，印表機的列印引擎關鍵零組件等技術仍都控制在原廠的手裡。當然，國內的科技廠商也不是省油的 燈，也陸陸續續的開發出許多的關鍵零組件，例如新采科技企圖開發全新的列印引擎、黑木及優力膠業則開發卡匣用滾筒及刮刀、全通及精御科技則生產單色碳粉、 光華及金瑞智則生產有機感光鼓(Organic Photoconductor, OPC)。

拜 數位相機普及所賜，全彩數位相片輸出的需求日益殷切。隨著科技的進步及市場的需求，雷射印表機在最近幾年也逐步踏上全彩化的趨勢。彩色雷射印表機由早期的 數十萬元單價，迅速下降至萬元以下，進而加速彩色雷射印表機的普及化。為了達成高性能低成本的要求，原廠莫不大幅簡化印表機顯像機構並提升軟硬體處理效 率。此外，更發展出新式彩色化學碳粉(Chemically Produced Toner, CPT )製程，以因應此一趨勢。以下將說明彩色雷射印表機的成像原理，並解釋新式彩色CPT對於提升雷射印表機全彩相片輸出的特異功能。

彩色雷射印表機的運作原理

光電成像(Electrophotography)技術起源於美國Chester Carlson在1938年對光導體物質與擦電物質間相互作用的研究所獲致的發明，現已廣泛運用於雷射印表機、影印機、傳真機及多功能複合機等。第一部商用影印機在1959年問世，這項技術發明開啟了千億美元的市場應用。而雷射印表機卻直到1984年才開發成功，並將技術由傳統的類比式演進到數位雷射式成像。顯像解析度也大幅提升至近期的1200 dpi，列印速度上小型雷射印表機可達到約20 ppm的速度，而專業的機型更可達100 ppm的輸出。光電成像技術的演進提供了人們精巧、可靠又便利的列印輸出機器，對資訊與知識之散播流通影響極其深遠。圖 1是雷射印表機的卡匣機構與顯像程序示意圖，其成像的過程可以分成七個步驟[1]：

1. 佈電(Charging) ─ 利用佈電滾筒(Primary Charge Roller, PCR)或電暈網(Corona)高壓放電，使OPC表面帶靜電；
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)射至OPC，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(Latent Image)；
3. 顯像(Developing) ─ 碳粉匣內的碳粉經由顯像滾筒(Developer Roller)攜出，與平準刮刀(Doctor Blade)摩擦或注入電荷而帶與OPC相同電性之靜電，藉由OPC上的靜電潛影與顯像滾筒上已帶電之碳粉間的交互作用，使碳粉因靜電吸引或排斥而飛到OPC靜電潛像區，以形成碳粉的顯影；
4. 轉印(Transfer) ─ 帶有顯影碳粉的OPC透過帶吸引電荷的傳送滾筒(Transfer Roller)，將OPC上的碳粉藉由靜電吸引而轉移到紙張上；
5. 固著(Fusing) ─ 帶有顯影碳粉的紙張傳輸至熱壓滾筒(Fusing/Pressure Roller)元件時，將紙上顯影的碳粉熱融定著於紙上；
6. 清理(Cleaning) ─ 將OPC上殘存的碳粉利用清潔刮刀(Wiper Blade)刮除；
7. 除電(Erasing) ─ OPC上殘存的電荷利用光源或佈電滾筒將之去除，以利下次列印並減少列印缺陷的發生。

圖1：碳粉匣細部各零組件及其相關位置之示意圖[2]

面對全彩圖片輸出在品質及成本的嚴格要求，以及彩色噴墨印表機對全彩輸出市場的威脅。彩色雷射印表機為了提昇列印效率、強化列印品質及降低輸出成本，尚需要克服下列幾項潛在的問題：

1.          圖像解析度

雷射印表機的顯像方式是採網點套印，當顯像網點越小，則所能顯示的圖像細節越精細，如圖2所示。而影響顯像網點大小的因素，包括雷射光束的直徑及碳粉粒徑等。目前傳統粉碎式製程所製備的碳粉顆粒，因設備及成本的考量，無法顯著縮小碳粉粒徑。尤其當碳粉粒徑小於6μm以 下時，傳統粉碎製程的成本將大幅提昇，且製程良率會顯著下降。這也就是目前新式彩色雷射印表機大多採用濕式化學碳粉製程的緣故。而縮小碳粉粒徑，不僅可以 提昇顯像解析度，同時顯影所需碳粉層厚度也隨粒徑縮小而變薄。換言之，雷射印表機顯影所消耗的碳粉將隨粒徑縮小而變少，如圖3。

圖2、碳粉粒徑對解析度及列印品質的影響。

圖3、碳粉粒徑對碳粉消耗量的影響[3]。

 2.          色彩均勻度

所 謂的色彩均勻度，意指形成圖像之碳粉層的均勻度及覆蓋效率。當碳粉的粒徑分佈及外觀形狀越均一，則碳粉在顯影堆疊時則越均勻，所需的顯像碳粉堆疊厚度亦較 薄。而碳粉的粒徑分佈及外觀形狀越均一，則碳粉的摩擦帶電量也會越均一，進一步促使碳粉被靜電傳輸時能更均勻傳送。此外，碳粉外觀越接近球型，則碳粉的流 動性越佳，有助於碳粉均勻通過平準刮刀，並在顯像滾筒上形成均勻碳粉薄層。而粒徑越小或流動性越佳的碳粉，易於填入紙張纖維坑洞中，有利於提高覆蓋效率， 如圖4。相反的，傳統粉碎式碳粉其粒徑分佈較寬廣且碳粉外觀為粗糙不規則，故其在顯影堆疊、摩擦帶電或流動性上，無法有效滿足現有全彩寫真輸出的需求。

圖4、粒徑及擦電均一性對列印品質的影響[4]。

 3.          色階分辨率

由 於，粒徑分佈越均一的碳粉，其摩擦帶電量也越均一。因此，當雷射印表機藉由不同顯像電壓調控不同色階分辨率時，摩擦帶電量均一的碳粉，可以被精確的控制並 得到所需的全彩套色。相反的，粒徑分佈較寬的碳粉將獲得不均一的摩擦帶電性。由於小粒徑碳粉比表面積大，易造成靜電帶電量過高；而大粒徑的碳粉則相反。所 以，粒徑分佈不均的碳粉，無法被準確的顯影並得到正確的色階分辨率，易造成圖像有色偏差，無法顯示細節，如圖5所示。此外，不均的碳粉帶電量易導致碳粉顯像位置產生偏差，產生列印毛邊(smear)或底灰(background)。粒徑不均及形狀不規則的碳粉，其顯像堆疊的碳粉層較鬆散，需較厚的碳粉層覆蓋著色，碳粉虛耗較多，較不經濟，如圖3所示。

圖5、色階分辨率不足，易導致圖像產生色偏差。

4.          轉移效率

碳粉主要是利用靜電力來傳遞，並藉此形成影像。因此，影響到碳粉轉移的因素包括來自卡匣元件間的偏壓所形成的庫侖靜電力(Coulomb electrostatic force)，以及物質間的凡得瓦力(van der Waals force)。例如光電成像步驟3，顯像滾筒上的碳粉要轉移至OPC時，驅動碳粉的轉移力是由顯像滾筒與OPC間的元件偏壓所引發；而抑制碳粉轉移的力量包括碳粉與顯像滾筒間的庫侖靜電力及凡得瓦力[5]。當轉移力大於抑制力時，碳粉才會發生轉移，並在OPC表面形成圖像，如圖6所示。所以，控制碳粉轉移效率的參數包括元件偏壓，碳粉帶靜電能力，以及碳粉表面的凡得瓦力[6]。 影響碳粉摩擦帶電能力與凡得瓦力的因素包括碳粉粒徑大小、碳粉外觀、以及碳粉表面材料性質。碳粉粒徑越小，其比表面積越大，所以摩擦帶電能力越強，且凡得 瓦吸引力也越大。碳粉外觀越規則或平坦，例如呈圓形或橢圓形，其摩擦帶電能力較差，且凡得瓦吸引力也較小。碳粉的表面如果帶有極性基或低機械強度之材料， 則碳粉間易團聚或易沾黏於卡匣元件上，進而影響碳粉摩擦帶電能力，以及導致硬體元件間偏壓異常。一般而言，碳粉摩擦帶電能力有一最佳值，並非越高越好，需 搭配硬體元件偏壓的條件。所以，提升轉移效率的有效辦法是降低凡得瓦吸引力，也就是使用外表越規則或平坦的碳粉，或是降低碳粉表面能量。圖7顯示不同外觀之碳粉的轉移能力，越球型化的碳粉轉移率越高。但過度球型化會降低碳粉摩擦阻力，導致擦電能力下降，以及不易被清潔刮刀去除。

圖6、碳粉轉移示意圖。

圖7、不同外觀之碳粉的轉移能力[3]。

  5.          圖像光澤度

高光澤度的圖像，有助於提升色彩飽和度，以及增加照片的質感。有效提升光澤度的方法，就是讓形成圖像的碳粉層表面盡可能平整。如此，光線才不易因紙張表面的凹凸造成散射，而降低光澤度。為了使碳粉層在融熔定著時能平坦均勻，大多會添加低分子量樹脂或是蠟來幫助碳粉融熔[7]。但是低分子量樹脂或蠟都是低機械強度材料，如果這些材料裸露在碳粉表面，將導致碳粉沾黏於卡匣元件上，引發污染造成列印缺陷[8]。因此，如何提高低分子量樹脂或蠟的添加量，但又不會造成碳粉沾黏於卡匣元件上，是新式碳粉的一項挑戰。

6.          印表機能耗及列印效率

最 近幾年，為了降低印表機熱定著的能耗及提升印表機的列印速度，各大印表機廠商紛紛推出低溫定著之節能減碳型印表機。為了在短時間內完成碳粉熱熔定著，勢必 需要降低圖像碳粉層厚度，或是採用可低溫熱熔的碳粉材料。較薄的碳粉圖像層，有助於熱傳送以縮短熱壓定著的時間，可以降低能量消耗及加快列印速度。而且， 較薄且均勻的碳粉顯像層，可以使得影像透光性較佳，質感接近平版印刷，過厚的碳粉顯像層會導致影像表面粗糙，同時易使得列印紙張捲曲。但過薄的圖像碳粉 層，將不易形成均勻圖層，且色濃度亦會不足。所以，採用低溫熱熔之碳粉材料將是不可避免的趨勢[9]。然而，常用的低溫定著材料，如低分子量樹脂及蠟，往往會造成碳粉污染卡匣元件等問題，有待解決。

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在電場下舞動的微米色球：類紙式電子紙技術 --- PART 1 前言

前言 (本文發表於 2004/09 化工技術)

表面科學涵蓋了氣/液/固 三相表面間交互作用之物理與化學。現今不論是傳統的塑化、紡織、食品、機械、運輸、建材及塗料等產業，還是高科技的半導體、特化品、電子元件、光電顯示元 件、生物科技及奈米材料等產業，無不與表面科學息息相關。當所有的產品朝向高機能低耗能、輕薄短小及可靠耐用時，單位面積所需的功能元件數量將增加，故這 些功能元件的尺寸勢必將縮小，但其效能需提高且耗能必須減少。因此，如何善用表面科學的知識來完成縮小功能元件達到提升產品機能及可靠性等，及如何利用縮 小功能元件後系統中所產生之大量表面來促進產品的效能及降低產品能源消耗等，應是各種產業急需建立的技術知識。由於表面科學所涉及的知識橫跨物理與化學且 其應用太廣，作者所學有限實難就其在各產業中所扮演的角色一一說明。本文僅就其在新型列印輸出技術 – 類紙式可撓超薄平面顯示器(Novel Printing Technology – Flexible, Ultra-Thin Paper-Like Display)方面之應用概略說明(簡稱電子紙顯示器)，希望將表面科學在此一領域的前瞻應用，能藉本文傳達給有興趣的讀者。

政府於2002年提出「兩兆雙星」計畫，其中兩兆計畫的第一個一兆是指半導體IC產業在2006年的產值達一兆；另一個一兆的計畫是指影像顯示CI (color Image)產業在2006年平面顯示器(Flat-Panel Display, FPD )及液晶顯示器(Liquid Crystal Display, LCD)的產值達一兆。至於雙星計畫是指未來的明星產業生物科技及數位內容。由此可知，影像顯示產業將是未來國家的短中期科技發展目標。政府相關單位對於影像顯示產業擬定了下列發展策略：(1) 推動成立LCD產業第五代技術共同研發聯盟，開發前瞻性技術，提升未來競爭力。(2) 建構上下游完整產業體系，提高關鍵零組件自主比例，以降低生產成本。(3) 配合產業成長需求，增加平面顯示器產業人才培訓計畫及國防訓儲役人才投入。(4) 與先進國家策略聯盟，提升國內研發技術，並合作發展次世代顯示器技術及設備。(5) 結合國內資訊通訊既有技術、市場及產業優勢，拓展平面顯示器市場。其中多項發展策略已經逐漸成形，例如LCD五代廠的設立、關鍵零組件自主比例提升及人才培訓等。目前甚至已有多家LCD廠籌建六代及七代廠，而關鍵零組件中無鹼玻璃、導電玻璃、彩色濾光片、配向膜及背光板等，也有多家廠商投入生產。同時各家LCD廠，亦投入大量研發人力，進行次世代顯示技術之開發。但主要的技術取代對象由早期的CRT轉為LCD。而主要的新型平面影像顯示技術如圖1所示，代表技術包括場發射顯示器(Field Emission Display, FED) – 奈米碳管場發射顯示器(Carbon NanoTube FED, CNT-FED)及電激發光顯示器(ElectroLuminescence Display, ELD) – 有機電激發光顯示器(OELD)，其他如投影式顯示器(Projector)、電漿顯示器(Plasma Display)、真空螢光顯示器(Vacuum Fluorescent Display, VFD)、電致變色顯示器(ElectroChromic Display, ECD)和發光二極體顯示器(Light Emitting Diode Display, LED)等。

 

圖一、顯示器技術分類(資料來源：SIEMENS)

現有商業化的顯示器技術大多符合平面化顯示器之潮流。圖2為各種顯示器技術適用領域。但對於未來所需求大尺寸、輕薄可撓、易攜帶、方便收藏、製程簡單、低成本且低耗能的顯示技術，則仍有極大的技術限制。例如目前超大尺寸的平面顯示器(40-100吋)以投影式顯示器為主，其結構包括尺寸通常小於1英吋之高解析度微型顯示器(microdisplay)， 再搭配光學投射系統及高亮度光源所組成。故其特色在於利用適當的光學投射系統即可在近距離下達到超大尺寸的畫面，欲達到相同尺寸畫面所需的技術及設備成 本，遠低於其他顯示器技術。但其受限於光學投影系統的技術，難以達到薄型化的目的。此外，投影光線的均勻度、投影光源的亮度及壽命也是一大技術挑戰。值得 注意的是，若將投影式顯示器中的投影設備與螢幕分開，則投影顯示器具有可攜式。但先決條件需先解決投射系統體積過大、投射光源亮度及耗能等問題。中大型顯 示器技術(40-60吋)主要為電漿顯示器，其特點與傳統CRT類似，在於擁有高亮度、高對比及較佳的色彩飽和度。但同樣地亦繼承了CRT的缺點，例如會產生輻射線、高熱及耗能等。此外，其製程技術複雜而昂貴，亦無法達到輕量化及可撓化的需求。而中小型顯示技術(10-40吋)主要為液晶顯示器，其特點在於無輻射、高解析度、較低的耗能及易製成薄型顯示器等。但其缺點在於製程繁複不易製造大尺寸、有視角的限制(已有廣視角技術)，亮度、對比及均勻度較差等。目前液晶顯示器視雖具有輕量化的能力(相對於CRT及PDP)，但其對可撓及可攜等特點仍難以實現。而目前最熱門的OELD及CNT-FED兩種顯示技術，則最具有成為LCD接班人與未來顯示器候選人的架勢。此兩種技術皆具有實現超薄、可撓、可攜、低耗能及大尺寸等未來顯示器所需具備之特性的可能性。不過就現階段而言，此兩種技術在製程、材料及穩定度等仍未達商業化的標準，有待持續觀察。

 圖二、各種顯示技術適用領域(資料來源：工研院材料所)

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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)。

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在電場下舞動的微米色球：類紙式電子紙技術 --- PART 4 電泳動電子紙

電泳動, Electrophoresis (本文發表於 2004/09 化工技術)

PLD電泳技術的發明人為J.M. Jacobson，此技術為其在1995年擔任史丹福大學物理系博士後研究員時所提出之構想。後來，Jacobson受聘為麻省理工學院(MIT)多媒體實驗室助理教授，持續相關研究，並於1997年在麻州劍橋開設E-Ink公司，致力於生產以電子墨(E-Ink)為顯示元件之PLD。目前，該公司已吸引許多創投公司及企業投資，如Lucent、Philips、IBM、Toppan及VST等。該公司於2000年與 Lucent共同開發出第一款主動式電子墨顯示器，其解析度達SVGA，尺寸為12.1吋，反應速度較舊版快10倍。2002年SID研討會中，E-Ink結合Philip的TFT基板與Toppan(日本凸版印刷)的彩色濾波器技術，推出解析度80ppi(pixel per inch)之彩色電子墨顯示器。2003年SID研討會中，E-Ink展示與Philip共同開發之高解析度PLD，其解析度為160ppi，厚度僅0.3mm，具可撓性。該公司生產的PLD主要用途在於靜/動態告示板、電子辭典、電子書、PDA及手機等。

E-Ink所生產的電子墨是指，將藍色染料墨水與帶電的白色粒子(TiO₂)混合之電泳懸浮液，以透明樹脂包覆成細胞大小之電子墨微膠囊，如圖9所示。將此微膠囊封裝在電極中，當上部透明電極施加與粒子異性電壓後，帶電的白色粒子就會電泳向上移動，而顯示出白色圖像。反之，顯示藍色圖像。此外，Canon與SiPix兩家公司，亦發展出類似E-Ink之電泳技術的PLD製程。Canon所使用的電泳技術其特徵為帶電粒子移動方式為水平移動，又稱為水平電泳顯示器，與E-Ink或SiPix的垂直電泳不同。此外，其顯示元件並非以微膠囊方式包覆電泳液形成顯示單元(cell)，而是利用顯影蝕刻的方式，製備顯示像素的cell封裝電泳液，如圖10所示。隨這電泳槽中的電極位置不同，帶電粒子可進行水平電泳或垂直電泳。SiPix所採用的電泳技術其特點在於採用Micro-cup封裝技術，宣稱可以利用roll-to-roll方式連續生產PLD，如圖11所示。

  

圖9 電子墨顯示原理示意圖。

 圖10 水平電泳顯示原理示意圖。

 

圖11 Micro-cup結構與製程示意圖(資料來源：SiPix)。

E-Ink所生產的電子墨，由於已將帶電粒子封裝於微膠囊中，因此在使用或製造PLD時較其它方法簡便，只需採用傳統塗佈方式即可。但其缺點在於，必須搭配TFT主動式陣列或直接驅動電路(active matrix or direct drive)來防止顯像單元間的訊號耦合(cross-talk)，無法使用被動式陣列(passive matrix)。雙穩態的時間較短，所顯示的影像隨時間會逐漸變灰色，無法長期記憶影像。影像應答速度仍慢，無法顯示動態連續畫面。藉由彩色濾光片實現彩色化，導致反射光量顯著降低(僅剩1/3光量)，且增加成本。Canon採用的水平電泳技術，可以加快顯像應答時間，已接近可播放動態連續影像的規格。但所需的驅動電壓較高，且持續雙穩態的時間更短，對於影像記憶的能力不佳。SiPix企圖改善E-Ink電子墨因未在基板上進行像素陣列設計，而直接塗佈所引發cross-talk的缺點，但又不希望如Canon所採用的高成本顯影蝕刻方式生產像素陣列。SiPix採用Mirco-cup封裝技術，利用微機電壓印技術以roll-to-roll的方式，連續將像素陣列壓印於基材上，然後填充電泳液並封裝。SiPix宣稱Micro-cup製程，可以得到PM驅動方式的PLD(李忠蕙和梁榮昌, 2003)。

E-Ink所生產的顯示單元 – 電子墨，主要是利用表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。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，得到所要的電子 墨顯示單元，如圖12。

圖12 微膠囊封裝電泳液之製程示意圖。

E-Ink的電子墨PLD製程，主要採用傳統塗佈方式製造，其步驟概述如下：先將樹脂液與電子墨混合成樹脂漿料，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，因而得到單層電子墨之機能塗膜。再將此塗膜乾燥並與電極層貼合，形成所需的PLD。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。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。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(Zang and Liang, 2003)。

三、結語

本文雖就目前常見之類紙式顯示器的各家技術進行簡略的說明，但截至目前為止，仍有許多新的技術被提出，如Bridgestone公司提出「電子粉流體」所製備的PLD，宣稱解析度達240dpi，應答速度比LCD快100倍。Iridigm Display公司則提出iDoDTM技術，使用微機電(MEMS)技術，使光在薄夾層中產生干涉現象，控制夾層厚度可以產生明暗與色彩變化。加拿大多倫多大學的研究人員則發現一種光墨水(photonic ink)，其原理是利用光的干涉與繞射，當光通過含直徑為300nm之SiO₂球體的分散液，因光的干涉與繞射會使得反射光顏色改變。控制這些SiO2球體間的間隙，可以得到不同的反射光。而本文僅就市場上技術較成熟之旋轉球及電泳動之PLD技術，進行較深入的分析。但如電潤濕及雙穩態高分子分散/穩定液晶等PLD技術，也都與表面科學的許多原理息息相關，由於技術的成熟度及篇幅限制，在此並未深入研究，有興趣的讀者可參閱相關文獻。上述的PLD製程原理相當的簡單，並不需要複雜的設備及艱深的技術。因此，有人笑稱PLD技術像是「高中生的實驗」。然而，如何落實這樣的技術，使其能商品化並進一步取代現有產品，則有賴各位讀者的巧思。

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