解析:柔性印刷電子與電子紙顯示技術

未來,電子紙市場的研究趨勢必然朝著降低成本、提升響應速度、全綵色化、柔性等多個方向發展。


電子紙顯示技術是具有類似紙張印刷顯示效果的新型平板顯示技術的一種統稱,主要有以下幾種技術方案:


  • 電泳顯示技術(EPD)
  • 膽固醇液晶顯示技術(Ch-LCD)
  • 雙穩態向列項液晶技術(Bi-TNLCD)
  • 電潤溼顯示技術(EWD)
  • 電流體顯示技術(EFD)
  • 干涉調製技術(iMod)

其中,電泳顯示技術最具代表性,已量產多年,工藝成熟、成本低、性能高,與傳統紙張形態最為接近。

電泳顯示技術,是類紙式顯示器較早發展的顯示技術,基本原理是利用外加電場控制液體內部的帶電粒子的運動,當粒子運動到某一位置時,呈現不同顏色的顯示效果。

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◤ 微膠囊電泳顯示

微膠囊電泳顯示材料塗布前是一種液態材料,被形象地稱為電子墨“水”。

在這種液態材料中懸浮著成百上千個與人類髮絲直徑差不多大小的微囊體,每個微囊體由正電荷粒子和負電荷粒子組成。

當微囊體兩端被施加一個負電場的時候,帶有正電荷的白色粒子在電場的作用下移動到電場負極,帶有負電荷的粒子移動到微囊體的底部“隱藏”起來,這時表面會顯示白色,反之就顯現為黑色,使電子墨水顯示需要的圖像和文字。

◤ 微杯電泳顯示

微杯電泳的顯示原理與微膠囊式基本相同,不同之處在於將含帶電粒子的溶液封裝在特製的微型杯中,而不是膠囊裡。

通過對該分散體系施加、切換電場,使帶電粒子在微型杯中產生電泳實現圖像顯示。

將白色帶電粒子與電介質液體封裝在微杯中,微杯結構將電泳液分隔成細小的獨立單元,有效地預防了電泳液的外漏以及微粒的位移。

微杯結構具有造型上的任意性,結構完整性和機械穩定性的優點,在彎曲、捲曲、受壓的情況下顯示性能優異,側面不需要使用密封膠,可備裁切成任意需要的尺寸和形狀,電泳顯示時鄰近區域的電泳液不會相互混合或者交叉干擾。

另外,微杯結構使帶電粒子具有較均勻的運動空間,且微杯的高度比較一致,比較容易實現三種(或者多種)粒子的控制顯示,目前已經有采用三色粒子(紅,黑,白)的產品量產,且全綵的原型機也已經展出。

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SiPix Imaging的微杯電泳顯示技術示意圖

◤ 膽固醇液晶顯示

該技術的研發機構包括美國Kent Display、日本富士通、日本富士施樂等公司以及中國臺灣的工業技術研究院。

膽固醇液晶為一種呈螺旋狀排列的特殊液晶模式,是通過在向列型液晶中加入旋光劑來達到特殊排列結構,並利用膽固醇液晶分子,在不同電位下呈現的“反射”與“透過”兩種不同偏極光旋轉狀態來達到顯示效果。

膽固醇液晶屬於反射式顯示器,利用外界環境光源來顯示影像,無需背光源,同時具有雙穩態特性,所以膽固醇液晶顯示技術非常省電。

同時,該技術可以通過添加不同旋轉螺距的旋光劑,調配出紅、綠、藍等顏色,以滿足彩色化顯示的需求。由紅、綠、藍三層膽固醇液晶薄膜堆疊而成,通過外界光反射,顯示彩色顏色。

該技術的缺點是驅動電壓較高(30~45 V),不易做出柔性產品。目前,該技術大規模應用於手寫板產品,比較常見的是Boogie Board。

◤ 電潤溼顯示(E-WET)

電潤溼顯示技術利用絕緣膜能夠在電壓控制下從疏水性轉為親水性的性質,控制每一個面板下的電壓來調節顏色。

在面板下鋪設反射膜能夠將其作為類似於電子墨水屏的反射型顯示屏,其反射率可高達50%以上(E-ink carta反射率為44%)。

飛利浦於2002年發佈了該技術的專利,由Liquavista公司進行產業開發。三星於2011年買下此公司,兩年後因為需求減少以及成效不明顯,出售給亞馬遜。

據消息透露,亞馬遜計劃運用Liquavista技術推出彩色Kindle電子書,將產品市場化。

不同於電泳墨水屏,電潤溼顯示的刷新速度可以達到觀看視頻的要求。其亮度為LCD的三到四倍,卻更為節能,為產品提供更長的使用時間。旗下產品有三種:

  • Liquavista Bright:黑白屏幕,高對比度,刷新速度足以觀看視頻。類似墨水屏,主要用於電子書
  • Liquavista Color:彩色屏,適用於視頻播放、讀書、雜誌等
  • LiquavistaVivid:結合黑白與彩色屏為一身,有黑白模式(更適合閱讀)與彩色模式(更適合視頻圖片觀看)

◤ 電子紙生產中的印刷技術

在目前主流的電泳顯示生產中,塗布是非常重要的工藝。

下圖是微膠囊的電泳顯示器的結構圖,在該器件中,電子墨水層處於前公共電極和底部像素電極之間。

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微膠囊電泳顯示器結構圖

通常的生產方式是先將電子墨水塗布到薄膜上,塗布方式包括:狹縫塗布、絲網塗布、噴墨打印塗布、刮刀塗布、噴塗等。

為了控制生產成本,根據電泳顯示材料的特性,目前微膠囊電泳顯示薄膜採用卷對卷的塗布方式,可以快速生產出符合產品應用需求的顯示材料。下圖為卷狀的薄膜材料。

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卷狀的電子紙薄膜材料

另外,電子紙的很多配套材料,例如保護膜,也是採用卷對卷的印刷工藝。包括未來的柔性TFT襯底,也有可能採用印刷工藝進行生產。

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◤ 未來展望

現階段,電子紙市場定位為代替紙張、印刷品,不與多媒體競爭,並非取代LCD等顯示器,但未來的研究趨勢必然朝著降低成本、提升響應速度、全綵色化、柔性等多個方向發展。

目前,全球能夠批量生產電子紙的廠商僅有美國E-INK(1999年被臺灣元太PVI兼併,目前改名EIH)和廣州奧翼電子科技有限公司兩家,都是採用電泳顯示技術。

一、成本降低

電泳顯示技術尤其是微膠囊顯示技術由於製作工藝簡單和捲到卷的塗布方式,類似於紙張生產,良率可望逐年提升。

隨著產量和良率同步提高,必將使電子紙顯示器成本逐年降低。電子紙顯示器的價格走勢必將與其它電子產品一樣逐年降低,隨著價格的不斷下降,各種新興應用將會出現。

二、提升響應速度

為了滿足雙穩態的性能需求,電子紙顯示技術犧牲了響應速度,用於顯示的更新時間較長,長達幾百毫秒,這個速度對視頻應用是不夠的。

隨著技術的發展,越來越快響應的電子紙材料已經出現,目前已經可以做到幾十毫秒,將來有機會進一步提升,滿足客戶需求。

三、全綵色化

目前,彩色電泳顯示電子紙可以通過兩種方式實現,一種採用彩色濾光片加黑白電子紙,另一種採用彩色粒子或染料,都已製作出樣品。

由於依賴反射光來成像,電子紙屏看起來有些暗淡,與液晶屏的亮度和色彩準確度相比還有差距。

四、柔性化

正如一般的讀者並不期望把書卷起來,採用柔性電子紙顯示屏的主要目的不是為了可以捲起來,而是為了便攜和耐衝擊。

柔性電子紙顯示屏可選擇塑料基板作為背板。採用塑料基板的電子紙重量較玻璃材質減輕80%左右,厚度僅0.3 mm,十分符合輕薄、耐衝擊等需求。然而,塑料基板需克服的最大難題則在於材料的耐熱及耐化性。



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