電子紙翻面看才是王道 速博思全彩電子紙扭轉乾坤

下圖為現有的電子紙原理，是將帶電荷粒子用推離方式往共同電極(觀看面)移動，當粒子被推離得越遠，控制電極上電荷對帶同極性電荷粒子的互斥力推動就越柔弱；愈多與控制電極帶相異極性電荷的粒子被吸引到靠近控制電極表面時，又會阻擋控制電極推動較遠的同極性粒子的電力線，導致遠離的粒子所受的推動力量(互斥力)更弱。

在雙重不良因素影響下，往觀看面移動的帶電荷粒子移動速度會越來越慢，需要更高的能量及更多時間才能將帶電荷粒子移動到預期的觀看面位置，這是目前電子紙畫面更新速度慢的主要原因。推動力量越弱，讓靠近共同電極的粒子彼此間的間距擴大，且排列混亂，導致粒子密度變低，光的反射效果也就相對較差。(參考下圖藍色圈起之處)。

圖中黑色粒子帶正電荷、白色粒子帶負電荷。速博思/提供

或許有人認為，共同電極上會有與控制電極相反極性的電荷幫忙吸引控制電極推離的粒子，但實務上不會如此。共同電極是整片的導體，上面的電荷分布不會如控制電極般被電晶體鎖定在像素的區域內，反而是接近平均分配，例如下方全體的控制電極，假設其正、反極性的電極數量相同時，共同電極上的電荷就會接近電中性，也就是對正、負電荷的粒子都不具吸引力或是互斥力。

再則，往觀看面移動的帶電荷粒子會受不同控制電極之間的電壓大小與極性的不同，產生橫向移動，稱為粒子的擴散現象，在黑白顯示時，會造成邊界區域對比下降影像模糊，或邊線殘影的問題；在彩色顯示時尤其嚴重，會造成嚴重的影像殘影、顏色的飽和度降低與顏色失真，為電子紙在彩色顯示時，不能如LCD般顯示真實的色彩，以及翻頁時會有影像殘影的主因。

多次不均勻擴散，讓帶電荷粒子橫向移動的距離越來越遠，或堆積在微杯的壁面無法回到原來位置，造成原來平均分布的帶電荷粒子密度產生不均勻現象，造成畫面顯示劣化，當畫面顯示劣化到某個程度，電子紙就壽終正寢了。

當帶電荷粒子被吸引到控制電極表面時，此時構成儲存電容Cs上的兩大電極，控制電極與相對電極，其相對電極上的電荷會釋出到上方的共同電極，這些電荷會把到達共同電極的同極性粒子推離(電壓回踢)，造成錯誤的顯示，例如顯示白底黑字時顯示白底的電荷遠大於黑字，所以，由顯示白底的控制電極之相對電極流往共同電極的電荷，會與移動到共同電極的黑色粒子有相同極性，黑色粒子會被推離共同電極，造成黑字變細或消失。此外，驅動電路在切換閘極線電壓時，會以最極端的電壓差距來變化，產生的脈沖突波也會讓接地的共同電極層產生突發式電荷波動而影響顯示。

共同電極層是電子紙上最大面積的導體，很容易受其他靜電的影響讓畫面改變狀態。以上問題都源於觀看面與共同電極同邊所造成。主動方的控制電極在下方基板，儲存的電荷就是力量的來源。被動方的共同電極在上方基板，跟觀看面同側是產生問題的根源。主動方由強吸引力主導，粒子堆疊整齊密度高，光反射係數高，被動方由弱互斥力主導，粒子堆疊混亂密度低，光反射係數低。若反其道而行，把觀看面放在控制電極這一邊，看看會有甚麼結果發生呢?

下圖就是把電子紙翻面看，主動的控制電極翻轉到上方，被動的共同電極移到下方。

首先運用控制電極上的電荷，其吸引力把帶異極性電荷的顏色粒子快速移動到控制電極的表面，越靠近控制電極表面吸引力就越大，移動速度就越快；一旦到達定位，就會被控制電極上的電荷鎖定不會亂跑，不會產生粒子橫移的現象，沒有混色與色彩失真的問題。

在靠近控制電極表面的帶同極性電荷的顏色粒子，會很快地被推離，不會殘留在控制電極的表面，便可解決殘影問題。由於觀看面在控制電極側較強的吸引力，可以讓更多顏色粒子堆疊更多的層數與密度，更整齊來增加光反射能力(提高光反射率)，比原有觀看面在另一側使用互斥力推動顏色粒子到較遠的共同電極；由於離共同電極越近(離力量來源的控制電極越遠)，互斥力越小無法在共同電極的區域形成多層的粒子堆疊，且粒子分布比較分散混亂，粒子密度也會降低，造成光反射係數普遍不足，這個力量上的差異讓新方案提高色彩的準確度、對比度、亮度與飽和度。

此外，較大的吸引力，讓驅動所需要的能量降低，可用較低驅動電壓，減少驅動電路設計的困難度。由於粒子移動速度離控制電極愈近，吸引力越大，粒子移動速度會加快，也讓畫面更新的速度大幅提升。共同電極的功能性減弱，共同電極可以不需要使用透明導電材料，可以使用便宜的鋁箔膜，進一步下降成本，生產也較為容易。

最重要的，原本電荷在共同電極平面上的移動，造成靠近共同電極上帶電荷顏色粒子產生的不規則波動(電壓回踢等問題)與各種突波雜訊的影響也因為不在觀看面，看不到所以不會影響顯示品質。因此把觀看面移往靠近控制電極的同一表面，之前的問題將一掃而空，並增加許多好處。

除兩色粒子外同樣適用於紅黑白三色粒子的裝置(如上圖)或者四色粒子的系統，驅動多色粒子的新的驅動技術須配合多色粒子的不同特性客製化設計，下次另闢章節說明。

在驅動方面使用吸引力的方式與使用互斥力的方式，其粒子運動的行為完全不同甚至相反，所以驅動的方法也會不同，互斥力必須將粒子推到最遠的共同電極，才能完成驅動的任務。吸引力只要把附近足夠的粒子吸引到控制電極的表面即可完成任務。靠近共同電極的粒子，無論如何混亂、團聚、擴散都無所謂，因為看不到。

所以使用互斥力的方案，電子墨水內的粒子密度不能太高，以免粒子移動困難，且當正、負粒子上、下移動到彼此交錯的地方時很容易因互相吸引而團聚在一起，尤其發生在靠近共同電極的團聚問題，就很難用弱的互斥力去拆解抱團的粒子(抱團的粒子平均電荷較低，互斥力也會更低，就會形成無效粒子群)。

其次，為了放入足夠的粒子數量，以保有足夠的反射率，微杯空間就不能太小，所以微杯的高度不能太低，如此讓情況更惡化。所以使用原方案需要在粒子密度與懸浮液的黏滯性及ZETA電位上，花很大的功夫做調整，要避免粒子團聚，也不能讓粒子移動的阻力高。較弱的互斥力在驅動上很複雜，例如需要多次交換控制電極與共同電極上的電壓，把抱團的粒子搖開等，會造成畫面閃爍。且驅動越多種類粒子的複雜度，會隨粒子種類數量以指數的方式上升。

反之，使用靠近控制電極的吸引力方案，可以使用較高的粒子密度(較高濃度的電子墨水)，所以微杯的空間可以比較小，微杯的高度也可以比較低，與控制電極越近反應的力量越大，無論是吸引力或是互斥力都是最大，可以很輕易把需要的粒子吸引到控制電極的表面，把不需要的粒子推離表面。驅動變簡單，也不怕粒子抱團，因為有足夠的力量拆解附近的抱團粒子，就不需要多次的交換控制電極與共同電極的方式把抱團的粒子搖開，解決畫面閃爍的問題。

上圖為速博思 全彩電子紙方案 將在第四篇為大家做詳細解說。

工作原理不同，方法不同，當然也就不會被現有專利束縛，新方案讓驅動專利重新洗牌，可以在新的起跑點重新出發。

本方案成功與否的最大關鍵在於Array控制基板的開口率，開口率定義為像素透光區域的面積與像素總面積的比率，如果開口率不好大部分的畫面會被Array上的電路與電晶體所遮蔽。20年前LCD面板廠所使用的設備與技術，很難達到高開口率，所以本方案在20年前行不通，但目前LCD面板廠使用的黃光製程，設備的精度與可靠性不可同日而語，要做到高開口率確實可行，下一篇要介紹如何設計開口率大於90%的Array控制基板。