全彩電子紙創新發明邁向康莊大道

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2023/10/24 17:04:16

經濟日報翁永全

速博思公司為新進者掃除技術與專利障礙，成功新建一條直達全彩電子紙的康莊大道。速博思的方案解決了畫面閃爍、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，加快畫面更新速度，讓全彩電子紙鮮豔起來；其新專利群排除現有的專利束縛，新的工法不需大筆設備投資，可運用現有的顯示面板製程實施量產，大幅降低進入門檻與風險。

速博思方案（上圖右邊）開拓一條新康莊大道，讓新進者不再陷入左邊的陰霾險境。

速博思全彩電子紙的新方案，在結構中導入新發明微卡榫，微隔間搭配微卡榫是完美的組合，可以把兩片基板在不用光學膠貼合的條件下，透過大氣壓力緊緊地固定在一起（參考下圖結構）。在真空裝填電子墨水進入微隔間的凹槽內，在顯示區域外的四周塗上框膠，在把有微卡榫結構的共同電極玻璃基板，對位貼合Array基板，微卡榫可以把電子墨水擠入凹槽內並填滿凹槽。

卡入凹槽的微卡榫可以阻擋電子墨水透過壓合面的空隙流動，也可以阻擋空氣進入微隔間的凹槽，兩片基板不會因為空氣滲入而剝離。達到強化結構穩定性、簡化生產流程，比較符合面板廠的現有的生產設備。

現有【生產流程】：1. 在Array玻璃上建置驅動電路與控制電極層。2. 將Array玻璃送至彩色濾光片廠做二次工程。3. 彩色濾光片廠在Array玻璃上製作3道顏色的濾光光阻。

4. 於間隙層製程時製作7um的微隔間結構。5. 面板廠製作帶有微卡榫的共用電極的玻璃基板，在基板上塗布金屬層後塗佈絕緣層，最後用PLN製程製作微卡榫。6. 面板廠將二次加工後帶有微隔間與彩色濾光片的Array控制基板噴塗電子墨水後於顯示區的四周塗上框膠。

7. 將帶有微卡榫的共同電極基板與Array控制基板對位貼合。8. 上述的噴塗電子墨水與貼合共同基板都在真空的條件下進行。9. 完成後在大氣壓力的條件下靜置一段時間，等大氣壓力把電子墨水完整的擠入微隔間的凹槽內。10. 固化框膠。11. 大版切割成小片。12. 在切割後的小片使用COG方式貼合驅動IC，再用熱壓合FPC後完成全彩電子紙模組。

FPC上包含MCU與觸控IC以及被動元件，Gate driver在Array控制基板上用A-Si TFT製作成GOA電路，所以不需要額外的Gate驅動IC。

上圖為Array控制基板的規劃圖，以2K解析度作為範例，其中規劃1920條Gate line，1080條Data line，設計上將畫面分為上、下兩區子畫面1920 X 540，可合併成完整的1920 X 1080畫面。每個子畫面分別有自己的GOA電路與 Drive ASIC做為顯示的驅動用，兩個Drive ASIC合併連接到FPC上的MCU與觸控IC。

使用A-Si製程設計GOA電路(Gate on Array)為速博思的另一發明，將在後續的篇幅為大家詳細介紹。由於A-Si的電晶體通常只有NMOS，沒有CMOS的結構且導通電阻以10M歐姆為單位，在設計GOA電路時會很困難，尤其在電子紙的控制上由於驅動的時間比LCD長(LCD畫面更新快，電子紙畫面更新慢)使用電容暫存的方案設計GOA電路會因漏電流或是驅動RC問題而失敗，此外驅動電子紙需要更多的彈性，複雜程度遠高於LCD，更不利於GOA電路的設計。目前還沒有成功的案例，不過這些難題都被速博思的團隊克服，讓使用A-Si製程的電子紙可以使用GOA電路，來簡化目前方案中的驅動IC數量與窄邊寬需求所搭配的高成本方案(例如COF方案等)。

Drive ASIC 規格的特性如下：1. 具有大於540條Data line的輸出線(觸控操作時為輸入線)，建議設計640條Data line可做為日後擴充需求。2. 可以控制大於1920條GOA電路的控制訊號線。3. 1920條與Gate line平行的共同電極線，每48條連接再一起，成為40條的共同電極線連接進入Drive ASIC，預備作為觸控的驅動電極(Tx)。4. 使用OCTAL SPI transfer 高速介面與MCU通訊(接收來自MCU的命令與影像資料)。5. 內部自行產生+/-18V的驅動用電源。6. 每顆Drive ASIC輸出40條觸控驅動電極與10條觸控讀取電極，兩顆的40條觸控驅動電路可以連接在一起，成為共同的40條觸控驅動電極，兩顆的各10條觸控讀取電極合併成20條的觸控讀取電極，並將40條的觸控驅動電極與20條的觸控讀取電極經由FPC送至觸控IC。

7. MCU可以使用SPI下命令給Drive ASIC 控制GOA電路的輸出。8. GOA電路具有全開、全關、部分Gate line 開啟、單一Gate line 開啟等多種功能。9. 具有省電模式等待模式(Standby mode)，睡眠模式(Sleep mode) 功能。10. 顯示模式與觸控模式可以用SPI下命令互相切換。

MCU是透過 SPI 介面控制操作2顆Drive ASIC做顯示畫面或是觸控操作。透過 USB2.0以上的介面與主CPU通訊，接收顯示畫面資料或是回報觸控座標。透過 SPI、I2C、UART介面與觸控IC通訊，控制觸控IC完成觸控感測的任務。4. MCU具有512K bytes的 SRAM儲存影像資料，512Kbytes 以上的Flash，5.具備溫度感測Sensor，做為溫度補償時調整驅動畫面顯示的依據。

觸控IC為電容式觸控，支援主動式筆寫功能，驅動channel(Tx) 數量大於40，接收 channel(Rx) 數量大於20條，能支援LCD內嵌式觸控的IC尤佳。

【第一段面板製程】下圖為在面板廠製作的Array玻璃的剖面圖。

採用在平坦層PLN上製作Cs儲存電容的兩個電極(控制電極 Pixel與相對電極 Vcom)，完成後送至彩色濾光廠做二次加工，在控制電極上方可以再做一層絕緣層作保護。

【彩色濾光廠二次加工】下圖為在彩色濾光廠製作的濾光色塊與微隔間的剖面圖。

【像素設計平面圖:TFT電晶體排列】

上圖所示的像素排列方式，速博思採取2條Data line一組與2條 Gate line一組的作法，把控制2X2像素的電晶體聚集在一起，可增厚微隔間的壁面及方便Layout布局，上述設計，中間4格為4個控制電極，相當於一個彩色像素(包含4個子像素)，每個子像素採用300DPI的設計(85umX85um)，開口率達到88%。