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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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用「熱」力開創電子紙新「視」界

文/羅弘旭

還以為電子紙、電子書總是方方一片,後面還得裝個電池之類的嗎?工研院研發的可重複書寫電子紙(i2R e-paper),別開蹊徑,把常用的熱感印表機與電子紙結合,做出只要在機器上一掃,就能改變內容的電子紙,讓笨重的產品,變成可捲可攜帶的隨身報紙。

有這麼一天,你起床時候,不用再擔心今天要搭配什麼領帶,只要在機器前輕點圖案,領帶就變成你所要的花色;看報紙,不需要到巷口的便利店,更不需要帶著重量不輕的平板電腦,拿起一張電子紙,在機器前掃過,立刻就顯出最新的內容;到了捷運站,也不用擔心卡裡面還有多少錢,票卡一掃過閘門,卡上立刻顯現出餘額。

這樣的科技世界,不是夢想,只需要一種技術—可捲曲式的電子紙—就做得到,這種技術,更不遙遠,不需要等待矽谷的創新業者發明,因為,在台灣的工研院就有了。

電子紙 到底是什麼

很多人對於這樣的技術,必定有兩個疑惑?什麼是電子紙?第二個疑惑,台灣的TFT LCD這麼發達,不能取代電子紙嗎?

這個問題可以說是一體的兩面,電子紙(Electronic Paper),簡稱ePaper,與紙十分相似,最大特色在於能自由彎曲,但是更大的優勢在於它不像TFT LCD,TFT LCD需要使用到背光燈源照亮像素,電子紙則如同普通紙一樣可以反射環境光。而且電子紙可以在不通電的情況下保留住原先顯示的圖片和文字狀態。

而且TFT LCD的主要材料是玻璃基板,電子紙則是以塑膠基板為主。先不說玻璃本身的特性,根本不可能在形狀上做出太多變化,簡單說,TFT LCD不可能彎曲成衣服或者是領帶,主流用途還是當電視、螢幕、平板電腦的顯示用。

套用到我們真實的使用環境來說,光是兩者的重量就天差地遠,耐摔程度更是不可同日而語,我們可以隨身帶著一台平板電腦走,但應該沒幾個人有體力穿戴著玻璃基板為結構的衣服或者是領帶(當然,灰姑娘的玻璃舞鞋另當別論),更不用說為了讓這種衣服變化圖案,你得在那上面附加一堆發電裝置,就算克服形狀、重量、易碎這些物理上的困難點,用TFT LCD做出了衣服和領帶,但為了讓它發亮,還是得隨身帶著發電機,不然,它就跟沒開機的螢幕一樣,一片灰暗。

但電子紙就沒這樣的問題了,它的形狀可變化、重量輕,更重要的是,它只有在需要改變上面顯示文字時候才會需要電力,所以穿戴在身上,根本不需要持續電力供它顯示圖像文字。

更輕 更薄 更方便的新科技

所以電子紙的使用特性就跟紙一樣,可以用在圖畫掛軸、可以用在書本顯示、可以作成標籤、可以作成海報、可以當成報紙,未來甚至可以作成衣服、領帶這些用品。但它比紙更優秀之處,在於印刷在上面的圖案是可以變化的,透過電力改變裡面的顯示介質,圖案也就改變了。

但工研院開發的可重複書寫電子紙(i2R e-paper),既是電子紙,卻又不只是電子紙!

為什麼說他既是電子紙,又不是電子紙呢?前面說過,電子紙顯示文字時候不需要電力,但改變顯示內容時候仍然需要電力。而工研院的可重複書寫電子紙(i2R e-paper),靠的是前所未有的熱力~只需用「熱」即可將儲存的影像寫入軟性液晶電子紙面板上。

在創新的科技上繼續加分,從電感進步到熱感,是工研院可重複書寫電子紙(i2R e-paper)受到國際矚目的最大原因。這樣的創新,讓工研院繼去年獲獎的「超薄軟性螢幕」後,今年再度以可重複書寫電子紙(i2R e-paper),獲得科技產業奧斯卡的百大科技研發獎(R&D 100 Awards)的肯定。

用環保和節能為骨幹 再創科技巔峰

可重覆書寫電子紙(i2R e-Paper),背後的精神,不只是創新,更是以環保及節能為應用訴求的特殊綠色節能顯示科技。

這項產品,主要是利用一種結構相似於膽固醇分子的液晶為材料的反射式顯示器,利用外界環境光源來顯示影像,所以不需背光源;同時具有雙穩態特性,影像顯示後關掉電源,仍能繼續顯像,非常省電。另一方面,膽固醇液晶可經由添加不同旋轉螺距(pitch)的旋光劑,調配出紅、綠、藍等顏色,形成彩色化顯示,是未來 彩色電子書顯示材料之一。

除了不需要持續供電,可重覆書寫電子紙(i2R e-Paper)只需用「熱」即可將儲存或傳輸的影像寫在軟性膽固醇液晶面板上,目前已經達300dpi的高解析度,具有記憶功能不耗電,更換顯示內容時,只要放入電子紙使用的熱寫機,就能一次完成影像清除及寫入的步驟。

從無到有 聚焦未來兩大趨勢

回想這項產品的開發過程,工研院顯示科技中心主任程章林感慨的說:「看準趨勢,加上努力和運氣,才得來今天的成果。」回想起2006年,顯示科技中心剛成立的時候,在美國柯達服務24年的程章林受到工研院延攬,回台擔任主任一職,當時就面臨研發方向往哪裡走的困難。

跟著別人走,永遠只能走更低價的路線,雖然仍有競爭力,但總脫不了代工和低價的格局。工研院肩負著帶領台灣產業火車頭的角色,技術研發不能自外於產業之外,但是剛成立的顯示中心,只有200多位同仁,有限的資源就要聚焦再聚焦。

但是如何定位聚焦路線?工研院在2006年就看到兩個趨勢,一個是資訊會越來越行動化,程章林說:「資訊會跟著人走,數位化之後資訊將隨手可得,所以智慧行動上網的手持裝置和顯示器會是大方向之一。」

這個當初看起來遙不可及的願景,五年之後,人手一台iPhone已經說明了趨勢來臨的速度之快,遠超過你我所想像。

工研院另一個看到的趨勢則是跳脫科技的桎梏,從人文思想出發。程章林認為,如果科技不從人性出發,不給科技更多的生命,「那科技不會有根,創造不出真正能改善人類生活的產品。」

當時全球暖化、氣候變遷問題正方興未艾,環保節能議題已經開始受到重視,但還沒退燒的CRT顯示和起步中的TFT LCD都稱不上節能產品,因此工研院另一個想法,就是要致力開發具有環保節能的顯示器。

開創新世代 創造新契機

從這兩個方向延伸出來,最終將研發方向定位在「開啟軟性顯示新世代、再造顯示產業新契機」,這兩個方向的研發成果分別在去年和今年開花結果,前者是多用途軟性電子基板(FlexUPD)顯示器材料技術,是台灣首度摘下華爾街日報科技創新獎最高榮譽「金獎」,後者就是今年得獎的可重複書寫電子紙(i2R e-paper)。

當確定要發展具有環保和節能特色的技術後,工研院就觀察到地球每天消耗這麼多的紙張、報紙、書籍,換算成樹木,這是多少的樹木要被砍,因此電子書、電子紙就被確定為工研院要發展的技術。

確定要發展電子紙這個方向之後,就面臨技術從何而來的問題?當時全世界都看好電子紙這方向,開始開發技術,許多專利權都被大廠申請卡住,工研院切入無門,就在這關鍵時刻,百年大廠柯達公司決定放棄電子紙的投資和研發,曾經任職柯達的程章林覺得這是大好機會,帶著團隊同事,前往美國,跟著美國柯達研究院的學者親炙電子紙技術,14天之後,不僅掌握了關鍵技術,更帶回來200項專利和嶄新的製程技術。

對柯達來說,這僅僅是個開發到一半的完成品,當時,只能作到6DPI的顯示,這種連放在手機上都嫌粗糙的電子紙,當然無法作為商品之用,但四年之後,工研院已經突破300DPI的解析度,不管是拿來印製圖畫或者書籍,都已經不遜於其他公司開發的電子紙技術。

技術開發過程中也曾經遇到困難,尤其當初還在使用電力驅動時候,受限於電力線路的密集度關係,解析度一直面臨瓶頸,最後是研發團隊偶然的巧合,才走出另一條路。

千百次試驗 換來一次契機

當時,在實驗室中有另一台熱吹風機,在烘乾其他產品時候,發現擺在一旁的電子紙居然變色了,才勾起他們「為什麼不用熱來取代電力?」的想法,這時候曾經在其他單位開發過熱讀寫頭的同事,更靈機一動,想說:「乾脆就拿熱印表機的熱寫頭來試看看吧!」

這一試,不僅打開了解析度無法突破的限制,更讓可重複書寫電子紙(i2R e-paper)超越所有的想像。這原理很簡單,熱傳給液晶,給液晶不同的轉變,這就是寫入的動作,只要簡單拿熱印表機機構去改裝,就可以寫進去,比起以前用電驅動,不需要加裝太多的電力機構,從外表來看,就是一張塑膠紙而已。

少了背後繁複的電力機構,現在的可重複書寫電子紙(i2R e-paper),其實就是一張塑膠紙而已,所以它可以像國畫一樣,彎曲成一個捲軸隨身攜帶,長度和寬度更加沒有限制,橫寬要到八公尺、九公尺以上都不是問題。

同時,由於該熱寫頭體積小、低耗電,不用另外進行影像清除步驟,製作成本低也容易進行量產,可製作不限長度的數位書畫、電子看板、情境壁 紙、大面積數位看板等創新應用。為了證明電子紙在藝術上的應用,工研院與故宮博物院合作,重現南宋畫家夏圭,長達8.9公尺的溪山清遠圖。由於電子紙呈現紙張閱讀的質感,較一般閱讀器光線投射的螢幕具舒適感,更加能體會藝術之美。

除了用在藝術書畫報紙等方面,可重複書寫電子紙(i2R e-paper)與傳統CRT螢幕或者液晶螢幕比起來,還有一個最大的優勢就是「輕」和「環保」。

i2R e-paper採用捲對捲(R2R)的連續式生產製程,電子紙輸出的長度可不受限制,其可重複書寫次數目前已達260次,而其中電子紙所使用的液晶、電極及塑膠基板都可以回收,完全符合綠色環保的訴求。

根據美國Air Bus公司對油料的評估,機體只要每減輕一公斤,一年就可以省4,000美元的油料,而現在飛機上為了服務旅客,大量使用液晶螢幕,如果把這些螢幕全部改為輕量的電子紙,不僅節省開支,對於節能減碳也是大有幫助。

這項獲得華爾街肯定的技術,不僅國際大廠紛紛來台灣接洽,台灣廠商也有極高興趣,已完成4家材料廠及5家設備業者的業界科技專案,更技術移轉給長春化工進行試量產驗證,未來將可應用於小面積的停車電子票卡、臨時識別證、電子車票與大面積的數位書畫、電子看板、情境壁紙及數位看板等。



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