2010年2月9日

研發電子書─膽固醇型液晶應用

作者/胥智文(任職工研院顯示中心)

膽固醇型液晶是具有雙穩態特性的素材,如今廣泛應用在顯示技術上,成為電子書顯示介面的選擇之一,並能進行彩色顯示。

大自然物質的形體可區分為固體、液體、氣體三種形態,其中固體具有固定體積與固定分子距離結構,液體則有固定體積但是分子卻混亂排列,氣體則無固定體積並且分子混亂排列。然而西元1883年奧地利植物學家萊尼澤(Friedrich Reinitzer)發現一種物質,加溫到攝氏150度的時候會融化變成混濁液體狀態,並且具有特殊光澤;再繼續加溫到攝氏180度以上則變成透明的液體狀態,再降低溫度後又可以回復到混濁狀態。於是當他向德國物理學家雷曼(Otto Lehmann)請教,透過架設可加溫的顯微鏡並加上偏光鏡作觀察,發現此物質為具有固態晶體結構的流動液體,是介於固態晶體與液體之間的一種新狀態,故稱之為液晶,而這兩位發現者也因此被尊稱為液晶之父。

液晶依照分子排列結構區分為層列型液晶(sematic liquid crystal)、向列型液晶(nematic liquid crystal)與膽固醇型液晶(cholesteric liquid crystal,圖一)。其中層列型液晶具有層狀結構,向列型液晶具有條狀結構但是並無清楚層狀排列,膽固醇型液晶則在液晶排列方向會有依照垂直軸向水平旋轉的結構,當液晶方向旋轉360度的時候所需要距離則稱為一個旋距(pitch),透過調整液晶材料組成,則可以改變膽固醇型液晶的旋距。


膽固醇型液晶具有雙穩態特性,就是說在自然存在狀態下有兩個穩定的狀態,其中一個是平面狀態(planar state),為液晶分子排列整齊可以反射特性波長光線的狀態,通常稱為亮態;另一個狀態為焦點圓錐狀態(focal conic state),其液晶分子排列混亂,會將入射光線散射,通常稱之為暗態,此狀態可以看到液晶層下一層物質的顏色;此外, 還有一個暫時態則為垂直狀態(homeotropic state),其液晶分子全部呈垂直排列,光線可全部穿透而能看到液晶層下一層物質的狀態(圖二A)。

這三個狀態可以透過加諸在膽固醇型液晶的電場進行改變:當膽固醇型液晶處於平面狀態時,可以加以較小電場以改變到焦點圓錐狀態;當施加以較高電場時候則可以將液晶全部垂直排列轉換成垂直狀態。而在垂直狀態下,若將電場快速移除則液晶回復到平面狀態,若電場緩慢移除則液晶會變成焦點圓錐狀態,所以透過加諸電場與移除快慢則可以改變膽固醇型液晶的狀態。

膽固醇型液晶除了具有雙穩態特性之外,也會遵守布拉格反射定律(Bragg's reflection law,圖二B)。所謂布拉格反射定律就是當光線入射結晶格排列物質的時候,第一束光線遇到A點反射與第二束光線遇到B點反射,此兩束光線所走路徑差異為CB與BD兩段距離,這兩段距離總和為2d × sinθ,其中d為週期結晶格之間距離,θ則為入射光線與物體表面夾角。若此兩束光線所走距離的差異(2d × sinθ)為入射光線波長(λ)的整數倍,則有建設性干涉現象。


因為膽固醇型液晶遵守布拉格反射定律,所以可透過調整液晶的旋距來調整反射光波長(圖三A)。當液晶旋距調整為讓藍色光線具有建設性干涉現象,則可以反射藍色光線,使液晶顯示出藍色,同樣道理也可以調整液晶旋距達到反射綠色、紅色波長的效果,如此膽固醇型液晶便可以透過調整旋距而顯示出不同顏色效果。利用此現象將膽固醇型液晶調整為反射黃色波長,再將底層塗以藍色吸收層(圖三B),當膽固醇型液晶處在平面狀態時候則能反射黃色效果,再加上底層藍色吸收層,則兩色光線可以組合成白色畫面;當液晶處於焦點圓錐狀態時候,光線僅反射底層藍色吸收層顏色,所以只有藍色,如此則可以製作藍色、白色兩種顏色之面板。


利用膽固醇型液晶可以反射不同顏色效果的特性, 美國肯特顯示公司(Kent Display Inc., KDI)提出以三層堆疊方式達到全彩效果(圖四)。當要顯示紅色畫面時候,則將藍色、綠色面板驅動到焦點圓錐狀態,紅色面板驅動到平面狀態;若要顯示紫色畫面則將藍色與紅色面板驅動到平面狀態,只要將綠色面板驅動到焦點圓錐狀態,以此類推則可以顯示不同顏色。

肯特顯示公司所開發的全彩面板放置於戶外大太陽底下,仍可以顯示非常清楚的畫面。此乃膽固醇型液晶的另一種特色:因為是反射式面板所以不需要背光模組,只要利用環境光反射就能顯示畫面,如同書本、紙張一樣,在戶外非常亮的環境仍可以清楚辨識,不像目前市售平面穿透型液晶顯示器,在戶外強光下就無法看清楚畫面。

膽固醇型液晶電子書

以膽固醇型液晶作為顯示介面開發應用於電子書的產品,因為具有雙穩態特性,當不提供電場的時候,畫面可維持不變,具有非常省電的特質。此外膽固醇型液晶本身可以反射出不同顏色,不需要額外增加彩色零件即可顯示不同顏色,所以各國公司利用此技術陸續開發電子書產品的應用。主要看重其省電優勢,可以將數千本書籍內容儲存於電子書後,長時間閱讀不需要另外充電,並且由於其光源是採取反射式面板接近紙張的閱讀方式,不容易造成眼睛疲勞。

這一類的電子書,最早於2003 年由歌林公司開發出綠色、黑色的單色電子書產品i-Library,利用綠色膽固醇型液晶與黑色底層吸收層,可以顯示黑色與綠色畫面。

後續日本松下公司(Panasonic)也以藍色、白色顯示方式開發出雙螢幕的電子書產品ΣBook,可顯示16灰階效果,對於閱讀漫畫、圖片已經可以清楚顯示細緻灰度變化。發展出三層堆疊技術的肯特顯示公司也開發了單色電子書雛形,反射率超過35%、對比大於25 ,顯示照片的效果良好。到了2007年日本富士通公司(Fujitsu)透過專利與技術轉移獲得肯特顯示公司的技術,將三層堆疊結構應用於全彩電子書產品,並開始販售8 吋、12 吋兩種規格的電子書,正式開啟彩色電子書的產品階段。

富士通公司利用三層堆疊結構,當三層液晶全部驅動於平面狀態時,可以顯示白色畫面。最底層則為黑色吸收層,藉以顯示黑色畫面,並且製作三層不同顏色膽固醇型液晶面板,再進行三層組合組裝貼合,形成全彩顯示的彩色面板。在2005 年研發初期所開發堆疊的彩色面板僅有8 個顏色,反射率僅有18%,後透過液晶顏色的調整、驅動技術與系統改善、面板結構材料搭配設計等方面,陸續將反射率提升到22%、25%,並且顏色也大幅改善到可以顯示4096 色,也就是能顯示16 灰階效果。富士通以此規格開始販售彩色電子書產品,其推出的兩種尺寸規格與不同解析度,可以清楚顯示漫畫圖畫效果,並且創新應用於電子菜單、電子目錄等產品,提供消費者最新產品狀況以便購買,並且整合觸控面板功能,方便使用者輸入與作筆記需求。


在2009 年的顯示器國際會議(Society of Information Display, SID)上,富士通公司發表最新研發的改善規格,將反射率提升至33%,顏色表現可達26 萬色,色飽和度可已達19%。主要在面板結構上以光阻製作擋牆以控制基板之間的間隙,而不是使用傳統以塑膠粒子作為間隙的控制材料,可以避免液晶在塑膠粒子周圍的漏光,並且使液晶排列整齊,大幅提升反射率與對比。也由於解決了暗態漏光的問題,得以提升色彩表現達19%,而光阻製作擋牆均勻性,與控制液晶均勻性的提高,則可提升灰階表現能力,進而呈現更多色彩,達到26 萬色的顯示效果。

同一場國際會議上,韓國三星公司(Samsung)也發表了以單層結構製作10 吋彩色膽固醇型液晶面板的雛形,並且能以主動驅動方式驅動膽固醇型液晶,達到顯示動畫效果,其反應速率為25 毫秒。但由於僅有單層結構,所以反射率只達10%,色彩表現飽和度為15%,而且有別於富士通公司的被動驅動方式——其更換畫面需時超過10 秒,對於使用者仍嫌過慢。所以主動驅動膽固醇型液晶具有快速更換畫面、播放動畫、靜態不耗電顯示等優點,勢必為未來電子書發展重要趨勢。由於富士通所發展的三層堆疊彩色化技術,主要是從美國肯特顯示公司技術轉移而來,所以在此會議中該公司也發表與富士通相同的彩色電子書產品。

在台灣膽固醇型液晶的研發也有多年經驗,主要於工研院顯示中心投入最多研發能量,其應用於電子書的顯示技術以單層彩色化結構為主(圖五)。此結構以光阻製作擋牆(bank),將每一畫素作隔離,再用黏著層(adhesion layer)將上下基板作黏合,確保每一畫素液晶不會混合;再使用目前平面顯示器製程的真空注入方法,分別將紅色、綠色、藍色液晶注入畫素區內,即可以分別控制畫素液晶狀態,達到顯示彩色的效果。工研院顯示中心所製作10.4 吋四分之一視訊圖形陣列(QVGA, 320×Red Green Blue× 240)、解析度40ppi(pixel per inch ,每吋的畫素數目)的彩色電子書雛形,分別於2007 年、2008 年開發展示,在液晶材料、結構設計、製程改良、驅動技術等方面進行改善,可以達到對比大於5、反射率大於25%、512 色表現等性能。此種創新結構也有申請專利獲得認證,以確保工研院其自主專利性。


由於單層彩色化結構在設計上僅能利用三分之一光線亮度,為了提升反射率,工研院顯示中心又提出雙單元(dual-cell)結構,以利用另一旋性的光線。先前介紹膽固醇型液晶具有軸像旋轉的特性,所以僅能反射單一旋性的光線,另一旋性的光線則在穿透後被吸收掉。所以此雙單元結構要製作兩片同為左旋性膽固醇型液晶面板,中間夾一層半波板(λ /2 wave plate ,圖六)。當右旋性光線通過第一片面板後經過半波板,會改變旋性為左旋光線,如此通過第二片面板反射時,可以大幅提升反射率。採用此結構製作的雛形於2009 年底開發完成解析度100ppi 的彩色電子書樣品,其反射率超過34%、4096 色表現、驅動電壓小於40 伏特,而在放大影像時仍可以清楚顯示畫面,並且透過光學模擬將白平衡作改善,達到白色畫面時更接近白紙的表現。


膽固醇型液晶電子紙

對於電子紙的應用開發,各國也投入心力以開拓新的應用市場與產品。例如歐洲公司魔彩(Magink)以拼接數百片膽固醇型玻璃面板,製作成大型戶外與室內廣告看板,以取代以往大圖印刷輸出的廣告紙張,做出長度2 公尺、寬度3 公尺的大型面板。由於是反射式面板,所以晚上需要外加燈光。製作出的面板規格反射率超過33%、對比大於40 、色彩飽和度超過34%,比雜誌色彩表現(27%)更為優異。該公司將面板暗態驅動到垂直狀態,可以將液晶完全垂直排列,所以大幅降低暗態反射率以提升對比。

除此之外,日本富士全錄(Fuji Xerox)公司採用了聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate, PET)塑膠基板,將微胞化膽固醇型液晶(polymer dispersed liquid crystal,PDLC,以高分子材料將液晶包覆形成微小膠囊狀的方法)作為顯示介質,並且增加一層光感應發電材料(optical photo conducting, OPC),如此一來,當有光線通過時會產生電壓變化,因此可以透過照光方式,更換膽固醇型液晶面板畫面,取代影印紙張的應用(圖七)。


美國柯達(Kodak)公司也採用塑膠基板進行電子紙開發(圖八),結構以PET為基底,上面製作透明導電層(indium tin oxide, ITO)、微胞化膽固醇型液晶層、黑色吸收層(dark layer, DL)、上導電層(top conductors, C2),微胞化液晶以顯微鏡確認直徑大小約為10 微米。


柯達所開發出來的軟性電子紙雛形,可以像紙張一樣捲曲成筒狀,更接近紙張的柔軟可捲曲特性,而其製程採用連續式成捲方式(roll-to-roll),類似報紙印刷方式進行電子紙製作。第一道製程以雷射蝕刻將透明導電層進行圖案化,第二道製程則以精密塗布方式將已經分散均勻的微胞化膽固醇型液晶快速均勻地塗布在塑膠基板上面,並且同時塗布吸收層材料,達到快速生產低成本的製作方式。再來以網印製程將上導電層以銀漿料圖案化印刷於吸收層上,固化後即完成軟性電子紙的製作,再依照客戶需求剪裁大小。相關製程與專利技術已經於2007 年技術轉移給工研院顯示中心(圖九)。


如此連續製作出來的軟性電子紙,透過改變液晶反射波長與吸收層材料顏色(nano-pigment, NP),得到的樣品反射率可達35%、對比大於10 、解析度30dpi(dot per inch)、驅動電壓170伏特。其中吸收層材料以奈米等級大小之顏料混合而成,如此可以有各種不同的顏色組合。

除了以電壓驅動膽固醇型液晶電子紙之外,工研院顯示中心也與南分院雷射中心合作,開發以雷射寫入方式將畫面進行重複寫入的技術:利用雷射寫入區域將膽固醇型液晶局部加熱,造成液晶轉態而顯示不同狀態。因為雷射光束直徑大小約為10 微米,可以寫入高解析度的畫面達225dpi ,也因為高解析度而能將畫面以空間分布達到灰階效果。用類似列印紙張的方法將畫面以微小區塊分割,雖然僅有顯示亮態、暗態效果,但是巨觀呈現則有灰階效果,可以清楚顯示相片畫質。

透過膽固醇型液晶不同寫入驅動方式的呈現(電壓寫入、雷射寫入、熱寫入),可以應用在各種不同的電子紙產品,例如以電壓寫入應用於電子識別證(e-badge),可清楚顯示8灰階人
像相片效果;還有以雷射寫入的高解析度電子桌曆(e-calendar)與電子賀卡,以及點陣式滾動電壓驅動方式達到長度1公尺的電子字畫(e-banner)。工研院顯示中心並且與國內知名設計公司合作開發具有藝術價值的造型軟性電子時鐘。大幅擴展電子紙在各種生活層面的應用產品。

2009 年底顯示中心更改裝需市售熱寫入列印模組,進行電子紙熱寫入樣品,開發完成全世界最長(超過3 公尺長度)的電子紙雛形,解析度達200dpi 以上,不僅可以清晰表現中國國畫細膩與灰階效果,更具有畫軸之意境,開創了新型中國電子書畫的產品應用。若整合無線傳輸系統與熱寫入模組,將系統整合縮小化達到可以壁掛式方式呈現,則可無線傳輸電腦中的圖片來更換畫面,未來可以同時更換數十片電子字畫產品,達到數位藝廊或居家書畫布置效果。目前這些電子字畫可重複寫入次數超過30次,未來仍需要在液晶材料、寫入均勻性控制、材料表面粗糙度、保護層材料等各方面進行改善,以達到寫入次數達百次甚至千次的產品化需求。

未來產品將更注重互動式需求,整合軟性導電材料,利用壓力感應不同電阻,達到訊號變化差異以更換畫面。因為軟性電子紙具有可捲曲方便攜帶、耐衝擊、不易碎裂、省電等特性,未來應用面將可望改變人類生活。

國際上市售電子紙應用產品如美國肯特顯示公司所生產的產品,可應用於電子商品外殼的顏色更換、電子卡片、電子手寫板、行動硬碟顯示幕等。其中電子手寫板的原理,是利用膽固醇型液晶受到外部壓力時,由焦點圓錐狀態轉換為平面狀態的特性。如此設計單一電極畫素,當書寫完成後只需要按一下按鈕提供電壓作整個畫面清除,就可以避免紙張使用浪費,具有電子白板的功能。而行動硬碟的顯示幕,更可以讓使用者清楚了解目前硬碟容量與儲存內容,不需要額外提供電能作畫面維持。這些都是已經市售的產品,提供電子紙產品更多樣的選擇。

未來市場與規畫

韓國市場預測公司Displaybank於2008年預測了未來電子紙、電子書的市場:2017年電子紙(包含電子書)產值將超過美金65 億元,其成長幅度也以曲線方式向上成長。而工研院產業經濟與趨勢研究中心(IEK)於2009 年所做的評估(圖十),也預測電子書未來產值將大幅向上提升,2018 年出貨量上看5200 萬台,產值高達100億美元以上,未來的市場預估與產值更可望大幅成長。


電子書的應用結合軟體開發、系統整合、內容提供等布局,可以廣泛應用於書籍、雜誌、教科書、目錄、廣告等不同領域。在規格需求上則朝向彩色化表現、快速反應、節能省電等方面技術改善,而電子紙更將廣泛應用到未來生活的不同角落,例如電子標籤、卡片、識別證、電子外殼、電子書畫、互動式廣告、布告欄、情境牆面布置等創新應用。所需要的改善則在於系統整合、信賴性需求、使用方便性、互動式、色彩表現、節能省電模組設計等方面。

在不遠的未來,電子書的普及將更有益於知識的傳播與累積,讓人人隨身都能攜帶相當於一個圖書館的藏書。(本文圖片皆由葉敏華繪製)


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