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速博思創新技術 讓全彩電子紙更鮮豔

本文共3618字

經濟日報 翁永全

科技業技術專家劈荊斬棘在電子紙路上走了20年,開拓一片新藍海。速博思以反其道而行的創新手法,成功解決了畫面閃爍、殘影、色彩不準、亮度不足、飽和度不夠與生產困難等關鍵問題,可加快畫面更新速度,一次解決電子紙全部的痛點,讓全彩電子紙更加鮮豔。

上圖左邊為現有電子紙的濾光片設計,右邊為速博思的新設計。

【微隔間實施範例】

無錫威峰的DES(Display Electronic Slurry)技術是,首家把微隔間實作成功的產品。無錫威峰稱為圍堰技術,2017年開始研發,2018年提出專利申請,2020年樣品成功,2023年專利核准,2022年產品推向市場,確定了微隔間方案的可行性,成為繼微膠囊、微杯之後的第三種方案。

以無錫威峰的資本額來看,估計投入資金不是很高,但證明了微隔間方案,是低進入門檻的最佳範例。

無錫威峰官網顯示,其全彩產品規格達300DPI,由照片的影像品質來看,很可惜沒有把微隔間的優勢發揮出來。速博思表示,微膠囊、微杯或是微隔間的目的都是為了限制顏色粒子的移動方向,禁止其橫向擴散,一旦產生粒子擴散就會讓紅、藍、綠三色顯示時亮度降低,嚴重時會達到50%的程度,讓上述3種顏色特別暗。無錫威峰的圍堰沒有做到子像素的範圍,而是圍了較多像素的大區域圍堰(微隔間)。

DES的優點在於彩色濾光片可以緊貼顏色粒子,所以光反射的效益優於元太的Kaleido 系列,且更具有成本優勢(不需要製作電子紙薄膜),如果無錫威峰可以把圍堰的範圍縮小到子像素的大小,估計全彩的飽和度與亮度就會優於Kaleido 系列,更進一步的採用速博思的方案(把觀看面移到Array玻璃同側),由於粒子堆積的密度可以提高一倍以上,光反射的能力也會提高一倍,全彩的顏色也就會鮮豔起來,也可以避開元太在驅動方面所設下的專利網。

全彩電子紙使用額外製作的彩色濾光片貼合在黑白的電泳顯示器上,如此會產生兩項重要缺點。首先由於對位貼合的誤差,會造成濾光的顏色塊與控制電極在觀看面的投影下,沒有完全重疊,因而同一控制電極會跨越不同的顏色塊,造成混色效應,讓顯示的顏色失真。其次濾光顏色區塊與反射粒子之間的間距加大,會造成不同入射角度的光線,反射回到觀看面時會因為跨越不同的顏色區塊而被吸收無法穿透彩色濾光層,造成反射率不足,間距越大問題也就越嚴重。

【彩色濾光片新設計】

考量LCD的彩色濾光,光線由背光模組送出後直接穿透濾光色塊,光線只被濾光色塊吸收一次(光損一次)。而電子紙係採用光反射式的方式,光線由觀看面入射時被濾光色塊吸收一次(光損一次),反射或是漫射出去時會出現兩種狀況,第一種由相同顏色的濾光色塊出去還會光損一次(因為相同顏色所以比進來時損失少),第二種由不同顏色的濾光色塊出去(大部分的光線都被吸收,光損嚴重)。此外還須考慮到使用場景,當用於電子閱讀器時彩色影像與文字(黑白)兩種情景都會存在(黑白與彩色,彩色濾光的結果不能影響到文字表現時的解析度,傳統的LCD彩色濾光片設計上並不適合這個場景,必須有新的思維更好的良策才能達到最佳顯示結果。

速博思的方案在彩色濾光的色塊上製作一定面積比例的孔洞,讓光線可以透過孔洞的區域入射進入到達反射粒子後經由非孔洞區域離開到達觀看者的眼睛,或是經由非孔洞區域入射到反射粒子後再經由孔洞的位置離開到達觀看者的眼睛,如此都只有一次的光損,可以增加反射率,提高色彩的飽和度。此外孔洞若為沒有濾光色塊的區域,直線入射與反射的光則會表現出黑或白的顏色,所以增加了亮度的對比,解決在文字顯示時解析度降低的問題,也改善了彩色濾光方案在顯示白色與黑色兩色時不足的問題。

上圖為速博思建議使用2X2 四區塊的彩色濾光設計方案一,其中兩塊綠色的面積總和等同於一塊的紅色或是藍色區塊的面積。

上圖為另一種彩色濾光設計方案二

每個色塊中間留空的目的,在於黑白顯示模式下,可以做為人眼注視亮度的焦點。人眼對彩色的靈敏度比較低(彩色的解析度可以比較低),但對亮度的靈敏度高(黑白的解析度必須比較高),上圖的設計補足了傳統4色塊分開對黑白顯示不利的缺點,4個控制電極的形狀對應濾光色塊,中間的留空區域(白色小方塊)可分別對應到藍色與紅色的控制電極(各分配1/2)。

【控制基板上的彩色濾光方案】

上圖為速博思 全彩電子紙方案

速博思方案將彩色濾光色塊製作在控制基板上(如上圖)。由於在同一基板上的製程完成,所以可以很精準的對位控制電極的區域,沒有控制電極與濾光色塊跨區的問題,也就沒有混色的問題,色彩準確度大為提升。加上配合微隔間的結構,子像素內的粒子不會跨像素擴散。此外本方案的濾光層光反射粒子與彩色濾光色塊可以緊貼在一起,且使用較強的吸引力可以把更多的光反射粒子聚集在表面,便可提高粒子密度進而提高光反射率,也順利解決入射光跨區反射被不同顏色濾光色塊吸收的問題,反射率可以再度提升,亮度就會更亮,同樣的濾光效果提升,顏色的飽和度也會提升。

上圖為速博思全彩電子紙的Array控制基板的剖面圖,把儲存電容的電極與控制電極一起做在平坦層上,完成後再送至彩色濾光片廠做二次加工,製作三色的濾光色塊(紅色、綠色、藍色),之後再製作微隔間結構。

上圖為速博思全彩電子紙的單一像素設計平面圖。其中儲存電容Cs的相對電極與像素電極重疊的面積可以極大化,增加儲存電容Cs上可存放的電荷數量,連接相對電極的共同電極線與閘極線平行,目的在於下一篇會向各位介紹的內嵌式觸控而設計,電晶體TFT設計沿用前篇的高開口率設計,把TFT設計在閘極線上增加開口率。

速博思方案建議微隔間的壁高為7um,並把電子墨水的濃度提高到50%以上。

【製作程序】

首先製作Array玻璃上的控制電路與控制電極,完成後將Array玻璃送至彩色濾光片玻璃廠做二次加工的製程。彩色濾光廠在Array玻璃上先製作彩色濾光的3道光阻色塊,之後再製作微隔間。

【微隔間製作方法】在製作好的含彩色濾光層的Array玻璃上使用間隙層製程,連做二次的光阻塗佈與曝光,每次光阻塗佈厚度為3.5um,最後再顯影把中間的凹槽洗出來就完成深度為7um的微隔間凹槽,新增加1次的光阻塗布與曝光,估計增加彩色濾光玻璃的生產成本不會超過15%。

微隔間越薄,帶電粒子所需移動的距離就越短,畫面更新的速度就越快,至於有粒子團聚的風險,但是在靠近控制電極表面時會被電極內的電荷經由吸引力與互斥力拆解,讓同電荷極性的粒子遠離,相異極性的粒子靠近,吸引力也可有效的讓粒子堆疊的密度增加,增加光的反射率。

之後將成品送回面板廠在真空的工作條件下,於微隔間所界定的槽室內噴塗帶黑白兩色的電子墨水,然後在顯示區的四個邊框塗上框膠後進行貼合共同電極基板,之後送入氣體加壓腔內加熱、加壓兩片基板,或是在大氣壓力下靜置一段時間,完成把電子墨水擠入並填滿微隔間結構內的槽室空間,最後再固化框膠,完成全彩電子紙。

比較速博思方案與現有的彩色濾光方案的電子紙功能,如下。

1. 本方案顏色粒子堆積在控制電極上方的彩色濾光色塊上,密度要高於現有的電子紙方案,所以反射率(亮度)優於現有電子紙。

2. 採用微隔間設計,可以把顏色粒子準確的限制在像素電極區域內,沒有粒子擴散問題,在顏色的準確度上優於現有的電子紙。

3. 當上述的粒子擴散時,就會發生在紅、藍、綠三原色時特別暗的狀況,例如以顯示紅色做範例,由於周圍的藍色與綠色的子像素皆為黑色粒子,黑色粒子會經由擴散到紅色濾光色塊的範圍,讓紅色濾光區塊內的白色反光粒子範圍縮小,其次電壓回踢效應造成紅色區域內的白色粒子被推離表面,造成反射粒子的密度降低,整體的光的反射損失會超過30%~50%,並依微膠囊壓扁後的直徑大小而定,微膠囊的直徑越大光損就越大,所以在彩色的反射率(亮度)表現上優於現有的電子紙。

4. 反射粒子可以緊貼濾光色塊,反射效率(亮度)提升,顏色的飽和度、對比度優於現有的電子紙。

5. 微杯壁高度小於現有電子紙,且運用較強的吸引力取代較弱的推斥力,在畫面更新的速度上遠優於現有的電子紙。

6. 較強的吸引力與排斥力可以拆解團聚的粒子,沒有畫面閃爍的問題優於現有的電子紙。

7. 再加上零成本的內嵌式觸控,在成本優勢上完勝現有的電子紙。

8. 觀看面不在共同電極同側,電壓回踢,驅動雜訊,DC不平衡的問題就無關緊要,不用特別處理勝過現有方案的電子紙。

9. 鎖定在控制電極內的電荷,可以緊緊吸引住帶電荷的光反射粒子,畫面沒有殘影的問題,且畫面的穩定性與持久性勝過現有方案的電子紙。

10. 整體而言可以增加一倍以上的光反射率,彩色的亮度與飽和度就會增加一倍以上,顏色就鮮豔起來了。

到此全彩電子紙的架構大致完成,只剩驅動IC的設計與驅動方法的確定與測試,依速博思的經驗,控制基板設計與佈局尤須注意細節,任何閃失都會造成失敗。速博思擁有多年的IC設計、面板設計經驗與實務,其專利群可做為堅實的後盾,可洽詢技術移轉、委託設計與專利授權等相關事宜。

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