速博思透明控制背板Array玻璃顛覆傳統全彩電子紙

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2023/10/02 06:11:41

經濟日報翁永全

下圖為透明的Array基板示意圖，在透明的玻璃上微型化電路，視覺可穿透微型化電路看到電子墨水呈現清楚的全彩影像。

上圖是電子紙控制電路中單一像素的電路圖。驅動電路先將電荷經由TFT電晶體儲存到Cs儲存電容上，電容的CE1電極連接到控制電極PE，並與電子墨水中的帶電荷粒子互動，吸引帶相異極性電荷的粒子移動到控制電極PE，推離帶相同極性的粒子遠離控制電極PE。

這時，在儲存電容CE2端的相對電極上的電荷會流往共同電極，圖左邊的電阻R並聯電容Cp為等效於電子墨水薄膜的電路，其中Cp為控制電極與共同電極之間的電容(電容值遠比Cs小)，R等效於儲存電容Cs的CE2相對電極端流往共同電極的電流(模擬儲存電極透過電阻R放電到上基板的共同電極)。上圖中的Vcom符號為要連接到上基板的共同電極之連接線。(參考下圖下方的連接線)

上圖中電荷會儲存在構成Cs的兩片平行電極上(控制電極PE與相對電極CE2)，控制電極會與電子墨水互動，當吸引相異極性的顏色粒子靠近控制電極，相對電極CE2上的電荷就會移出，維持儲存電容Cs的靜電平衡，移出的淨電流就會往上基板的共同電極堆積電荷，並吸引電子墨水中的帶電荷粒子後達到靜電平衡。

上圖是現有電子紙將電路圖設計在Array玻璃上的疊層圖。左邊為TFT電晶體(不透明結構)，最大面積部分為控制電極(Pixel)由透明導電材料ITO製作，次大面積為形成儲存電容Cs的CE1與CE2的兩片電極，分別由M1金屬層與M2金屬層所構成，這部分為不透明的結構。所以目前電子紙使用的控制基板開口率小於10%，可視為不透明的基板。

上圖為電子紙像素電路的平面圖，其中淺灰色區域透明，其餘顏色區域不透明，所以無法把觀看面移往與控制基板同面向，只能把觀看面設定在與共同基板同面向。

形成Cs電容的CE2端的相對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建立在這個電場的基礎上，可能會有不如預期的結果)。主要力量來源是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互斥力，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。

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相對電極所形成的電容Cs。Cs的電容值可能百倍大於Cp(因為控制電極與共同電極間的距離約25um，是控制電極與CE2相對電極之間距離約0.2um的百倍)，這表示在相同電壓下，如果沒有Cs的結構，控制電極的電容為Cp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(電荷Q=電容C * 電壓V)。

電容值差一百倍時，相當於電荷也會差一百倍，即若沒有Cs電容的設計時，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，就會有部分電荷由Cs電容的CE2相對電極移出。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。

移出的電流會流往共同電極，並且成功吸引到與移出電荷同異極性的粒子互相鎖住為止，這才達到靜電平衡，這個過程很慢；由於並非所有像素電極都是同極性，所以由CE2相對電極流出的淨電流為上述流出電流的總和。(正、負電流互相抵銷後的結果)

至於如何加速DC平衡的方法，速博思以研發的自動DC平衡專利發明來因應。

由於觀看面在共同基板同側，所以須在共同基板上增加保護機制，畢竟電子墨水薄膜非常柔弱，很容易因為剝離而破損(Peeling)。所以，墨水薄膜表面的保護膜不能受溫度熱脹冷縮而產生較大的形變，最好接近底材玻璃的溫度膨脹係數，此外還要耐刮、耐撞擊等。

邊框的封膠也要很考究，因為防止剝離的力量全部要靠邊框封膠，不能依賴保護膜與電子墨水薄膜之間的光學膠。反之，觀看面在另一面的控制基板時，就沒有太多問題，因為有玻璃保護電子墨水薄膜，解決結構柔弱的問題。

上圖為速博思的方案疊層圖。其中把佔主要面積的Pixel直接當作儲存電容的CE1端電極，Vcom層作為CE2端電極，這兩層都使用透明導電材料製作，所以像素內的空間大部分可以透光，開口率達到80%以上。

上圖藍色框內的面積為透明的像素電極部分。速博思顛覆傳統的TFT設計，重新佈局把TFT直接放在閘極線上並與閘極線重疊，增加開口率到90%以上。

標準的顯示器驅動電路設計都採用原本LCD的電路設計作為規範，其中使用非晶矽薄膜電晶體a-Si設計時，由於a-Si的遷移速度很慢，造成導通時的電阻很大，所以TFT在設計上都會採用較高比值的(閘極通道寬度W/閘極通道長度L)來降低導通時的電阻值，因此薄膜電晶體會佔據很高比例的面積。

尤其在越高的解析度下，薄膜電晶體的面積占比就會更高。薄膜電晶體不透明，越高的薄膜電晶體面積占比，代表越低的開口率，由於LCD的液晶轉態的速度遠高於電泳顯示器中帶電荷粒子移動的速度，所以LCD顯示器可以提供較高的畫面更新率，驅動的RC時間要比較短，所以導通電阻要更小。

然而，使用電泳方式的顯示器，帶電荷粒子在電子墨水溶液中移動的速度很慢，畫面更新速度也比較慢，在薄膜電晶體設計考量上，應該可與LCD驅動電路的薄膜電晶體設計思維有所不同。

LCD的薄膜電晶體設計要考量使用較低的導通電阻，電泳式顯示器則允許使用較高導通電阻的設計，較高導通電阻相對的在不導通時的漏電流比較小，低漏電流的特性對電子紙運用而言相當重要。

上圖LCD面板廠常用的TFT設計。不透明的TFT的面積加上貫孔的面積會占用像素內的面積而影響開口率，面積約在600~1200平方微米，以300DPI的解析度的電子紙來看，單一像素尺寸為85umX85um面積為7225平方微米的條件下，影響開口率約在8.5%~15%。

上圖為採用速博思方案一的TFT設計。其中通道寬度與長度的比例為1:1，設計上讓不透明的TFT與閘極線重疊來減少不透明的區域增加開口率，本設計露出在閘極線外的面積約為100平方微米，在同樣300DPI的條件下影響開口率為1.4%，比一般TFT設計小5~10倍，可以有效提升開口率。

採用速博思方案二的TFT設計。通道寬度與長度比例為5:1，設計上讓不透明的TFT與閘極線重疊來減少不透明的區域，在閘極線外的面積為120平方微米，影響開口率為1.66%。本設計的像素電極與資料線為相鄰的兩層，之間沒有絕緣層可以互相使用重疊的方式相互連接導通，儲存電容的CE2電極與閘極線為相鄰的兩層，之間沒有絕緣層也可以經由重疊方式相互連接導通。