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電子紙內嵌式觸控 吸引大廠關注

本文共2697字

經濟日報 翁永全

電子紙採用光反射式的原理,任何增加疊層的光損都是兩次(光進入一次,反射出去一次),因此使用外掛式觸控時的光損會比LCD多一次。目前觸控面板的光損約在10~15%,使用在電子紙上亮度就被觸控面板衰減20~30%,對彩色電子紙而言是很大的包袱。觸控面板也會增加電子紙10~20美元成本,若使用內嵌式觸控,就沒有上述的亮度損失與成本增加。

目前電子紙的觀看面在共同電極的同側,因為觀看面與控制基板間存在共同電極,其導電特性會成為電容感應的屏蔽,所以目前全彩電子紙無法設計具備內嵌式觸控功能。觸控是電子閱讀器必備的功能,尤其筆記本功能,不但要觸控還要能夠筆寫輸入,都增加電子閱讀器許多成本,影響全彩電子閱讀器的普及。

速博思的全彩電子紙方案內含內嵌式觸控功能,不會增加成本,可以省下外掛式觸控面板的成本及在貼合觸控面板良率的損失,並減少觸控全彩電子紙的厚度與重量,避免觸控面板讓顯示亮度再一次衰減,提高觸控與顯示表現。

上圖為速博思全彩電子紙含內嵌式觸控的剖面圖,觸控結構整合在高開口率的驅動電路層內。操作及控制基板的設計與原理如下圖,為控制面板上單一像素的電路。

速博思作為內嵌式觸控的設計範例平面圖。

以上兩圖:Cs電容的CE2端電極為單一像素內次大面積的導體,目的在於可以與像素電極形成平行板電容,可以存放較多數量的電荷。造成電子墨水內帶電電荷移動的主要力量,不是由像素電極與共同電極上的電壓差所產生的電場(如果計算粒子運動模型是建立在這個電場的基礎上時,可能會有不如預期的結果)。來自像素電極上的電荷與電子墨水內的帶電荷粒子間的相互吸引力或排斥力。共同電極上的電荷受電子墨水內的帶電荷粒子阻擋,不易與控制電極形成完美的平行板電容模型。

上圖為速博思作為內嵌式觸控的設計範例疊層圖。

可以這樣看,假設微杯內沒有帶電荷的顏色粒子,控制電極與共同電極所形成的電容Cp、控制電極與CE2電極所形成的電容Cs。Cs的電容值會百倍大於Cp(因為控制電極與共同電極之間的距離是控制電極與CE2電極之間距離的百倍),表示在相同電壓下,如果沒有Cs的結構,控制電極的電容會小百倍,在控制電極上的電荷也會只剩下百分之一的數量(Q=CV),電容值差一百倍,電荷也會差一百倍。

也就是說沒有Cs電容的設計,電子紙可以動作的機會不大。有Cs的設計時,像素電極上的電荷每吸引一份相異極性的帶電荷粒子靠近時,就有部分電荷由Cs電容的CE2電極移出,移出的電荷必須要有去處,不然就會推積在外部的導體上形成靜電(DC不平衡),或是因無法移出造成控制電極上的電荷無法繼續吸引新的粒子靠近而提早達到靜電平衡。

移出的電荷會流往共同電極並且於成功吸引到與其極性相異的電荷粒子互相鎖住為止,才達到靜電平衡,過程很慢。並非所有的像素電極都是同極性,所以由CE2電極流出的靜電流為上述流出電流的總和(正、負電流互相抵銷後的結果)。速博思的自動DC平衡發明,可加速DC平衡。

當顯示的任務完成,Cs電容的CE2電極可搭配資料線一起作為觸控使用,兩者可以形成垂直與水平相交的互電容結構。閘極線由於要保持TFT在關閉狀態,所以不能作為觸控使用。平面圖中綠色框標示的範圍就是CE2電極,藍色框標示的範圍為像素電極,兩者重疊的區域就是形成Cs平行板電容的範圍。

以下圖為例,Tx 由多條儲存電容Cs的CE2電極串聯成線再組合而成,Rx由多條資料線所組合而成,以8吋的全彩電子紙300DPI的解析度做參考,像素矩陣為1920 X 1080 規劃為1920 條閘極線與1080條資料線,由於儲存電容的CE2電極串連的線與閘極線平行,所以也會有1920條,這1920條CE2電極串聯的線在控制基板上每以每48條連接在一起變成40組的Tx1~Tx40進入TDDI觸控顯示驅動整合IC,資料線1080條也會全數進入TDDI觸控顯示驅動整合IC。

【顯示畫面週期】在TDDI觸控顯示驅動整合IC內部,所有的資料線分別斷開並連接到顯示驅動電路,40條Tx全部連接在一起連接到V com接點(上方的共同電極),然後開始畫面顯示驅動控制週期,直到畫面更新完成結束週期。

【觸控週期】 將與上方共同電極的V com斷開,在TDDI觸控顯示驅動整合IC內部將資料線每52條連接在一起成為Rx觸控接收線合計20條,將40條的Tx 全部斷開做為觸控的驅動線,將40條的Tx 觸控驅動線與20條的觸控接收線送至觸控IC做為觸控輸入使用。整個設計在控制基板上並無增加新的元件與疊成結構,就可達到觸控的需求,達到真正觸控面板的零成本目標。

【可行性分析】

觸控操作時會不會影響到全彩電子紙的影像顯示(畫面會不會因而改變)?在LCD的內嵌式觸控時已經得到驗證。以APPLE 用FFS內嵌式觸控螢幕範例來看,也是用雙層的ITO,上層為像素電極,下層為共同電極,這兩層重疊的範圍也是儲存電容。結構上與速博思的方案頗為類似,不同的是,APPLE將下層的共同電極層切碎後重新連結為單層結構的互電容觸控設計

,速博思把結構簡化為本來就分割好的共同電極串接起來的線與資料線組合成雙層的互電容結構。

LCD的液晶反應速度快,觸控操作時,驅動訊號如果會造成像素電極與觸控驅動電極(原共同電極)間的電壓變化,液晶就會改變角度,畫面也會改變。實證結果是,畫面不會改變,因為像素電極的開關是處於關閉狀態,所以像素電極內的電荷不會改變。就像海上的船一樣,無論浪有多高(浪比喻為觸控驅動訊號大小),船浮出水面的高度(比喻為像素電極與共同電極之間的電壓差)都一樣,像素電極與變身為驅動電極的原共同電極之間的電壓會維持不變(當觸控驅動的訊號變化時)。

以全彩電子紙而言,電子墨水內顏色粒子移動的速度是很慢的,相當於低通濾波器,相對之下觸控驅動訊號的高頻更是難以影響粒子變更位置,所以更不會影響畫面的品質。

資料線的線寬很細,會不會造成觸控接收訊號不良?以目前觸控IC的精良程度問題也都有解,可以舉三星的Super OLED作為範例,三星Super OLED上的觸控用的就是金屬網格,與速博思方案用的資料線是一樣的,速博思的觸控驅動用的面積遠大於三星使用金屬線做為驅動使用,而且三星的方案金屬網格與OLED的陰極(接地)非常接近,接收訊號的衰減遠比速博思方案大許多,三星的方案被證明確實可行,所以速博思的方案就更沒問題。

可以使用筆寫輸入嗎?答案是,可以用較少條的資料線與共同電極線連接在一起組成更高解析度的觸控面板作為筆寫使用,可以使用主動式電容觸控筆或是APPLE Pencil,但必須搭配可支援的觸控IC,主動式觸控筆可行的前景看好,但需進一步驗證。

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