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柔性印刷电子与电子纸显示技术解析

发布时间:2019-01-28 访问次数:913次 来源: 印刷电子在线 分享:

电子纸显示技术是具有类似纸张印刷显示效果的新型平板显示技术的一种统称,主要有以下几种技术方案:电泳显示技术(EPD)、胆固醇液晶显示技术(Ch-LCD)、双稳态向列项液晶技术(Bi-TNLCD)、电润湿显示技术(EWD)、电流体显示技术(EFD)、干涉调制技术(iMod)。其中,电泳显示技术最具代表性,已量产多年,工艺成熟、成本低、性能高,与传统纸张形态最为接近。

一、微胶囊电泳显示

电泳显示技术,是类纸式显示器较早发展的显示技术,基本原理是利用外加电场控制液体内部的带电粒子的运动,当粒子运动到某一位置时,呈现不同颜色的显示效果。

微胶囊电泳显示材料涂布前是一种液态材料,被形象地称为电子墨“水”。在这种液态材料中悬浮着成百上千个与人类发丝直径差不多大小的微囊体,每个微囊体由正电荷粒子和负电荷粒子组成。当微囊体两端被施加一个负电场的时候,带有正电荷的白色粒子在电场的作用下移动到电场负极,带有负电荷的粒子移动到微囊体的底部“隐藏”起来,这时表面会显示白色,反之就显现为黑色,使电子墨水显示需要的图像和文字。

二、微杯电泳显示

其显示原理与微胶囊式基本相同,不同之处在于将含带电粒子的溶液封装在特制的微型杯中,而不是胶囊里。通过对该分散体系施加和切换电场使带电粒子在微型杯中产生电泳实现图像显示。将白色带电粒子与电介质液体封装在微杯中,微杯结构将电泳液分隔成细小的独立单元,有效地预防了电泳液的外漏以及微粒的位移。微杯结构具有造型上的任意性,结构完整性和机械稳定性的优点,在弯曲、卷曲、受压的情况下显示性能优异,侧面不需要使用密封胶,可备裁切成任意需要的尺寸和形状,电泳显示时邻近区域的电泳液不会相互混合或者交叉干扰。另外微杯结构使带电粒子具有较均匀的运动空间,并且微杯的高度比较一致,比较容易实现三种(或者多种)粒子的控制显示,目前已经有采用三色粒子(红,黑,白)的产品量产,并且全彩的原型机也已经展出。

                            

图表:SiPix Imaging的微杯电泳显示技术示意图

三、胆固醇液晶显示

该技术的研发机构包括美国Kent Display、日本富士通、日本富士施乐等公司以及中国台湾的工业技术研究院。胆固醇液晶为一种呈螺旋状排列的特殊液晶模式,是通过在向列型液晶中加入旋光剂来达到特殊排列结构,并利用胆固醇液晶分子在不同电位下呈现的“反射”与“透过”两种不同偏极光旋转状态来达到显示效果。胆固醇液晶属于反射式显示器,利用外界环境光源来显示影像,无需背光源,同时具有双稳态特性,所以胆固醇液晶显示技术同样非常省电。同时,该技术可以通过添加不同旋转螺距的旋光剂,调配出红、绿、蓝等颜色,以满足彩色化显示的需求。由红、绿、蓝三层胆固醇液晶薄膜堆叠而成,通过外界光反射,显示彩色颜色。该技术的缺点是驱动电压较高(30 ~ 45 V),不易做出柔性产品。目前该技术大规模应用于手写板产品,比较常见的是Boogie Board。

四、电润湿显示(E-WET)

电润湿显示技术利用绝缘膜能够在电压控制下从疏水性转为亲水性的性质,控制每一个面板下的电压来调节颜色。在面板下铺设反射膜能够将其作为类似于电子墨水屏的反射型显示屏,其反射率可高达50%以上(E-ink carta反射率为44%)。飞利浦于2002年发布了该技术的专利,由Liquavista公司进行产业开发。三星于2011年买下此公司,两年后因为需求减少以及成效不明显,出售给亚马逊。据消息透露,亚马逊计划运用Liquavista技术推出彩色Kindle电子书,将产品市场化。

不同于电泳墨水屏,电润湿显示的刷新速度可以达到观看视频的要求。其亮度为LCD的三到四倍,却更为节能,为产品提供更长的使用时间。旗下产品有三种:Liquavista Bright:黑白屏幕,高对比度,刷新速度足以观看视频。类似墨水屏,主要用于电子书。Liquavista Color:彩色屏,适用于视频播放,读书,杂志,查看图片等。LiquavistaVivid:结合黑白与彩色屏为一身,有黑白模式(更适合阅读)与彩色模式(更适合视频图片观看)。高亮度,高对比。

五、电子纸生产中的印刷技术

 在目前主流的电泳显示生产中,涂布是非常重要的工艺。图表94是微胶囊的电泳显示器的结构图,在该器件中,电子墨水层处于前公共电极和底部像素电极之间。通常的生产方式是先将电子墨水涂布到薄膜上,涂布方式包括:狭缝涂布,丝网涂布,喷墨打印涂布,刮刀涂布,喷涂等等。通常对涂布机的精度要求比较高,要求能够做到+/- 1um的涂布精度。



图表:微胶囊电泳显示器结构图

为了控制生产成本,根据电泳显示材料的特性,目前微胶囊电泳显示薄膜采用卷对卷的涂布方式,可以快速生产出符合产品应用需求的显示材料。图表95为卷状的薄膜材料。


图表:卷状的电子纸薄膜材料

 另外,电子纸的很多配套材料,例如保护膜,也是采用卷对卷的印刷工艺。包括未来的柔性TFT衬底,也有可能采用印刷工艺进行生产。

六、未来展望

现阶段电子纸市场定位为代替纸张、印刷品,不与多媒体竞争,并非取代LCD等显示器,但未来的研究趋势必然朝着降低成本、提升响应速度、全彩色化、柔性等多个方向发展。目前全球能够批量生产电子纸的厂商仅有美国E-INK(1999年被台湾元太PVI兼并,目前改名EIH)和广州奥翼电子科技有限公司两家,都是采用电泳显示技术。

a ) 成本降低

电泳显示技术尤其是微胶囊显示技术由于制作工艺简单和卷到卷的涂布方式,类似于纸张生产,良率可望逐年提升。随着产量和良率同步提高,必将使电子纸显示器成本逐年降低。电子纸显示器的价格走势必将与其它电子产品一样逐年降低,随着价格的不断下降,各种新兴应用将会出现。

b ) 提升响应速度

为了满足双稳态的性能需求,电子纸显示技术牺牲了响应速度,用于显示的更新时间较长,长达几百毫秒,这个速度对视频应用是不够的。随着技术的发展,越来越快响应的电子纸材料已经出现,目前已经可以做到几十毫秒,将来有机会进一步提升,满足客户需求。

c ) 全彩色化

目前彩色电泳显示电子纸可以通过两种方式实现,一种采用彩色滤光片加黑白电子纸,另一种采用彩色粒子或染料,都已制作出样品。由于依赖反射光来成像,电子纸屏看起来有些暗淡,与液晶屏的亮度和色彩准确度相比还有差距。因此彩色化是电子纸技术革命性的突破,目前已经投入大量的人力物力在研发,相信不久的将来就可以看到彩色的电子纸显示器。

d) 柔性化

正如一般的读者并不期望把书卷起来,采用柔性电子纸显示屏的主要目的不是为了可以卷起来,而是为了便携和耐冲击。柔性电子纸显示屏可选择塑料基板作为背板。采用塑料基板的电子纸重量较玻璃材质减轻80%左右,厚度仅0.3 mm,十分符合轻薄、耐冲击等需求。然而塑料基板需克服的最大难题则在于材料的耐热及耐化性,需持续改良基板材料。

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