為什麼電子書閱讀器比較不傷眼？「電子紙」背後的科學原理

文：高文忠（台灣師範大學電機工程學研究講座教授）

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• 理想的麼電電子紙具有輕薄易攜帶、低耗能、書閱易捲曲等特點，讀器也具備關閉電源後仍能保留影像的比較不傷特性。
• 目前市面上的眼電原理電子紙以電泳顯示為主流，帶電染色粒子根據被施加的紙背電場方向與強度，能移動到電泳顯示薄膜上方或是科學下方並顯示出顏色。
• 除了應用於閱讀器、麼電手機、書閱穿戴式裝置外，讀器電子紙也能用於大賣場的比較不傷貨架標籤、公車站的眼電原理即時訊息看板中，兼顧節能與永續目標。紙背

在這個資訊爆炸的科學時代，人們每天都需要廣泛閱讀書籍、麼電文件、即時訊息，但是傳統的液晶顯示器（liquid crystal display, LCD）其實並不適合長時間閱讀，因此促使了電子紙（electronic paper, ePaper）的發明。

什麼是電子紙？

電子紙究竟是什麼，它能取代傳統的LCD嗎？理想的電子紙具有輕薄易攜帶、低耗能、易實現捲曲等特點，而這些都是LCD所欠缺的特質，因此電子紙有望成為下一個世代最重要的顯示器之一。

此外，由於電子紙具備關閉電源後仍能保有影像的特性，加上它可以透過反射式不發光的方式純粹以染料顯示影像，具有較為保護人眼的優點，所以舉凡書籍、標籤、海報、布告欄等，都可採用電子紙。

過去50多年間，有各種能達成此目標的電子紙科技被提出，例如：電子粉流體（quick response
liquid powder display）、膽固醇液晶（cholesteric liquid crystal display）等顯示器。但基於影像的顯示品質、電子驅動系統的設計複雜度、量產穩定性等系統整合實務考量，目前仍以電泳顯示器（electrophoretic display, EPD）為主流。

現在市面上販售的電子紙產品，基本上大多是以電泳材料為顯示介質，搭配薄膜電晶體（thin-film transistor, TFT）基板形成顯示矩陣式面板。因為電泳材料薄膜本身是軟性的，若能再結合軟性的TFT基板，就能夠使軟性電子紙達到自由捲曲的目標。

電子紙如何顯色？

EPD的電子紙材料是由帶電染色粒子懸浮在有色或透明的溶液上所構成，它的基本原理是依據被施加的電場方向及強度，將帶電粒子移動到電泳顯示薄膜的上方或是下方。在穩定狀態（steady state）時電泳顯示無須耗電，並擁有使染色粒子停滯以維持圖像的省電功能。

為了讓電泳材料中的粒子能夠平均分布，有兩項主要技術已被開發：微膠囊（microcap）與微杯（microcup），這兩種技術也有各自的特色與對應且適合的應用。

Photo Credit：科學月刊

以黑白的微杯電泳式顯示器為例（圖一），每個微杯中裝入帶正電的白色二氧化鈦（titanium dioxide, TiO2）顆粒及黑色的流體溶液。其中微杯的上方為透明軟性基板、下方為電極，當電極改變時，帶電顆粒便會根據電極的正負而向上或向下移動，使得像素顯示出白色粒子或黑色溶液。接著，再搭配黏滯係數較高的膠體（colloid），使染料粒子在介質中不易移動，便能達到斷電時仍能保持原顯示畫面的特性。

Photo Credit：科學月刊

至於彩色電子紙，則是將微杯內置入含有兩種以上的帶色粒子。以微杯彩色電泳顯示器為例（圖二），在微杯內放入白色（W）、青色（C）、洋紅色（M）、黃色（Y）四種組成粒子，以白色粒子形成上層反光面，當顯示藍色時便將C和M推至面板上方，使白色粒子形成反光面，經過C和M兩種粒子反射回去的光線成為藍色；而排序為M、Y、W、C，便能顯示出紅色。

透過多種有色粒子的堆疊，利用有色粒子間的加色與減色特性，便能反射出不同的顏色。可能顯示的顏色包括：白色、黑色（K）、紅色（R）、綠色（G）、藍色（B）、青色、洋紅色、黃色的帶電粒子。

Photo Credit：科學月刊

以上顯示器搭配TFT主動式矩陣驅動的電子紙系統架構（圖三），則是將EPD薄膜貼合在具有可撓性（flexibility）或是剛體的TFT背板上，背板能夠提供電極所需的電路。由於典型驅動電泳顯示器的電壓為±15 伏特（V），而新一代的多粒子彩色電子紙需要更多不同的電壓，因此彩色電子紙會再透過電源電路（power circuits）來轉換出其他不同的電壓。

此外，系統中的快閃記憶體（flash memory）用於儲存驅動波形對照表與影像，當系統開機時對照表與影像會被載入到隨機記憶體（random access memory, RAM）中，並透過顯示控制器（display controller）同時存取對照表與影像產生驅動晶片的控制信號，並將訊號送至驅動晶片（driver chip）顯示出影像。

未來的電子紙

黑白電子紙的技術已經非常成熟，近期的電子紙技術發展可從核心技術面與應用技術面兩種面向說明。電子紙的核心技術發展方向包括以下五項：

1. 彩色電子紙軟性化

市售的矩陣式電子紙均須搭配TFT陣列背板，而成熟的TFT背板多採用玻璃基板。若能搭配軟性TFT背板，將可實現軟性電子紙的目標。目前市面上已經有實驗性產品發表，未來仍將持續改進軟性背板的可靠度與電氣特性。

2. 彩色電子紙的影像處理系統及對應的晶片設計

多粒子彩色電子紙的驅動方法與色彩表現，完全不同於舊有的彩色電子紙。例如：舊式彩色電子紙的每個像素只能在有限的顏色中選取， 也不容易有多色階表現，因此它在色彩處理的議題也完全不同；新一代多粒子彩色電子紙的影像處理演算法與晶片設計，則仍需要學界與產業一同持續研究。

3. 新一代的影片播放晶片設計

當電子紙使用於閱讀文件的情境下，已經可以有很好的使用者經驗，但是現在許多新型態的閱讀材料也搭配影片或動畫，因此電子紙播放影片的功能也日趨重要。過去幾年，搭配即時的視訊處理技術，黑白電子紙已經可以帶給使用者很不錯的影片播放經驗。但由於下一世代的彩色電子紙的顯示原理不同，影像更新、色彩轉換、驅動方法也都不一樣，因此仍須持續改進它的計算效能。