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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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正方形 Icon 創新之鑰Innovation

電濕潤顯示器EWD 不只是螢幕 更是人機互動介面

文/魏茂國

彩色電子書和智慧窗,這兩個乍看並無關聯的產品,
卻在電濕潤顯示器的技術開發下,同時成為創新影像顯示的應用領域;
除了具有切換速度快的特性,能取代現有電子書等產品的顯示方式外,更因為耗電量低,
並可在窗戶設計上結合太陽能發電,使電濕潤技術成為新型態的節能代表。

從一般常見的各類電視與螢幕,到筆記型電腦、手機、電子書,或是近來相當熱門的平板電腦等電子產品上,都少不了顯示器的存在,也可看出顯示器產品在現今所擁有的龐大市場,以及持續研發顯示技術的必要性。光是從傳統的CRT(Cathode Ray Tube,陰極射線管)顯示器,到現在蔚為主流的液晶顯示器(Liquid Crystal Display,LCD),而且在許多設備上還加上了觸控、3D等功能,就更令人期待未來顯示技術的發展應用。

著重材料與結構創新

電濕潤顯示器(Electrowetting Display,EWD)的技術投入,便是希望能透過材料與結構的創新運用,達到顯示的效果及目的。以電濕潤原理來看,是利用帶有離子、並添入如抗凍劑等成分以擴大工作溫度的導電液體,周圍則包覆著油墨;當導電液體接觸到不親和的介質時,兩者間就不會產生潤濕緊密的現象,因此導電液體就會形成水滴狀,就像是水遇上了蓮花葉或是不沾鍋的情形般。

然而,這樣的結構一旦通電之後,給予外加的電壓驅動,就會讓導電液體與介質中的正負離子相吸,產生親和潤濕的現象;此時原本與介質較為親和的油墨便會被推擠開來,並改變導電液體的形貌,因與介質相互吸引的力量而變得更為扁平,也就是兩者的接觸面積更大,而導電液體與介質間的接觸角度也會不同。

隨著電壓的高低,就可調整導電液體與介質的接觸角,並可運用在液態光學鏡頭上;藉由改變導電液體的形貌,就能使影像產生不同的折射,達到變焦的效果。相較於傳統固態鏡頭,必須透過至少兩個鏡片的間距改變來進行變焦,但採用電濕潤原理的液態鏡頭,因為只需要一組元件,無論在尺寸與體積上都可大幅縮減,因此特別適合用在小型鏡頭上。

另一方面,如果在同一組電濕潤元件中,設計多個連續性的電極,並在不同時間分別給電或放電,便可控制導電液體的位置移動,也就成為控制液體移動行為的機制。這種機制可應用在生醫及化學檢測當中,或是做為化學藥物合成的反應器等,以電壓驅動的方式,催化不同的元素、分子、檢體等能夠融合或產生反應。

低耗能、高透光率

由此看來,電濕潤技術的運用範疇相當廣,工研院則是關注在顯示器的應用上。工研院影像顯示科技中心面板開發技術部專案經理鄭惟元表示,在電濕潤顯示器的結構上,是將導電液體與油墨的位置調換,由於油墨和介質的基板較為親和,便會完全覆蓋基板,而導電液體也會在上層將油墨蓋住;當油墨並非透明時,光線就無法穿透。

若給予電壓驅動電濕潤顯示元件時,原先在上層的導電液體因會與基板親和,反而會將油墨推開,此時光線就能通過;透過電壓的開關與大小,也就能控制元件是否透光,以及透光的程度,藉以顯示各種圖案與畫面。而在彩色顯示的要求下,則可利用彩色濾光片(Color Filter)搭配黑色墨水,甚至直接使用彩色墨水來因應變化。

相較於LCD因需加上許多偏光板(polarizer),使得透光率大幅耗損至僅約6%,相對背光源的強度就必須提高,耗能也就上升。鄭惟元解釋,電濕潤顯示器的組成結構,基本上只有上下兩片基板,以及油墨與導電液體,不需要加上偏光板與其他材料層,因此透光度可高達40%至50%,進而降低背光源的強度,加上驅動的電壓也相當低(25V),整體耗能可較LCD減少三分之一。

從數據上來看,聚合物(高分子)分散液晶(Polymer-Dispersed Liquid Crystal,PDLC)的耗電量約為5 W/m2,電致色變顯示器(Electrochromic Display,ECD)則為1-3 W/m2,但電濕潤顯示器卻只需1 W/m2。

電濕潤顯示器的低耗能特性,就特別利於手持式電子產品或行動裝置的應用,可以達到省能功效,並提升設備使用操作的時間。此外,由於以電濕潤技術驅動導電液體的移動相當快,可達到每秒25cm,也就是10微米(μm)的距離只需要0.04毫秒(ms)的時間;因此,運用在顯示器上時,畫面的反應及切換速度也同樣快速,像是用來播放動畫尤其適合。

穿透、反射,運用模式多元

在工研院的研發下,電濕潤顯示器還具備了另一項特點,就是因應不同的需求場合與設備,可選擇製作成反射、穿透、半反射半穿透以及自發光等顯示模式。以反射式為例,採用的便是白色、金屬或是不透明的底板,環境光源便會從外照射並經底板反射回來;穿透式則與LCD相同,主要是運用背光模組,將光線由底板與油墨透出。

半反射半穿透式則充份發揮了電濕潤顯示器透光度高的特性,利用半透明的底板,加上元件的切換控制,來決定光線的運用方式;像是在室內光線較不足時,就可打開背光模組來輔助,到了戶外環境光線較強時,就可將背光模組關閉,以外界光源來反射,達到更佳的能源調控。而自發光式的電濕潤顯示器,除了搭配透明的導光板外,在油墨中則是加入螢光染料,運用外界光源激發出不同的光線效果。

鄭惟元表示,目前工研院已與國內廠商合作,嘗試開發不同的電濕潤顯示器產品型式,包括單色、彩色,或是反射模式、穿透模式等,並由廠商負責TFT基板的設計,其他上層的結構與製程則由工研院製作;合作的電濕潤顯示器產品,並於今(2011)年獲得第十四屆經濟部傑出光電產品獎。

雖然市面上還未有相關的產品上市,但對於國內廠商而言,電濕潤顯示器在製程上已擁有不少優點;最主要就在於電濕潤顯示器的面板製造,和既有TFT LCD玻璃面板的製程,有九成是相容,包括TFT下板製作、電極塗布、光阻塗布、結構製作等。以現有LCD廠房就可以生產,對於生產製造LCD相當熟悉的國內產業也極有優勢。

不過,鄭惟元也指出,目前在電濕潤顯示器的製程上最缺乏的,就是墨水塗布與面板封裝的技術與設備,而且電濕潤顯示器在國際上仍是相當先進的技術,投入研發的單位或廠商並不多,對於技術發展與背景並不夠了解;最具規模的就是韓國三星集團收購飛利浦研究實驗室(Philips Research Labs)所成立的Liquavista公司,工研院則是與美國辛辛那堤大學(University of Cincinnati)合作。換句話說,不論學術界或產業界,能夠獲得的技術資訊也相當有限,在沒有充分的製程技術支援下,廠商也不敢冒然投入量產,以免影響成品良率。

開發節能智慧窗

與發展已久、技術不斷更新的LCD相比,創新的電濕潤顯示器在影像品質上仍較遜色;目前LCD已可達8-10 bit的灰階度,但電濕潤顯示器僅有5 bit的灰階度。因此未來的發展關鍵,就在於能夠更精確地控制墨水的移動,讓透光量有更清楚多階的表現。而包括面板穩定性的提升,以及嘗試不同的驅動方式,使整體功耗更低等,也都是未來需要再克服及改善的議題。

事實上,在產業鏈完整的LCD,與尚未投入量產的電濕潤顯示器可說是各有所長;像是穿透式或半穿透半反射式的產品應用,就適合以透光性及耗能較佳的電濕潤顯示器來製作。於是在產品應用面上,工研院即突破一般單純「顯示」的角度,將電濕潤顯示器技術運用在智慧窗上,並與工研院材化所、綠能所合作,除了開發更好的油墨材料外,還提高了油墨材料在戶外的耐受性,同時開發節能智慧窗。

鄭惟元表示,從電濕潤顯示器可採用穿透模式的觀點,便聯想到可以應用在同樣是透明的窗戶上,並由於結構簡單、透光率良好,讓窗戶本身就可以調控光線進入,達到遮光或透光的效果,不需要再使用窗簾,也能呈現如百葉窗的效果;甚至能夠在窗戶上呈現各種影像或圖案,營造出舒適的生活情境,或是更進一步立利用影像偵測技術或觸控技術,只要揮揮手、點點指頭就能控制影像變化,等於是將窗戶當成螢幕來運用。

工研院更嘗試將電濕潤智慧窗與太陽能板結合,只要以同面積的太陽能板發電,就足以自行供應電濕潤智慧窗的用電,不必再使用額外的電力;並可選擇與電濕潤面板整合,或是加裝在窗框或屋簷上,以避免太陽能板影響透光性。以一平方公尺的電濕潤面板面積,在連續開啟不中斷,並以尖峰時段耗電來計算,一個月電費也僅需6元而已,堪稱是可節能的智慧窗。

「透明」即是機會

在窗戶之外,同樣的方式也可應用在類似的場合情境中。鄭惟元指出,現在顯示器市場競爭激烈,除了既有的電視與消費性電子產品外,工研院也思考是否還有其他市場可以切入,以提高廠商承接技術的意願,並且拓展擴大顯示器的市場。同時,未來的產品應用也愈來愈趨向人機介面與擴充實境,在影像顯示時還能與現實產品與環境整合,不再只是從顯示器單向地提供訊息。

早在2002年的電影《關鍵報告》中,男主角湯姆克魯斯就用雙手在透明的面板上隨意擷取移動資訊,電濕潤智慧窗可說是相同的概念,也可用在軍事、教育等用途;其他像是會議室的玻璃隔板、建築體外的窗戶、以及百貨商場的廣告櫥窗等,也都能利用同樣的技術,當成是廣告或訊息展示操作的空間。

例如在百貨櫥窗上,就可以顯示商品的特色、櫃位、促銷、價格、存貨等,讓消費者更能掌握購買資訊,使實境能與虛擬訊息結合。另外,電濕潤顯示器在汽車上,可用做抬頭顯示的工具介面,讓駕駛人不必低頭就能看到行車資訊,也是值得研究的未來應用。



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