电纸显示系统及驱动器

　　1 引 言

　　许多人认为，因应电脑的普及，信息得以储存于电子媒介中，从而减少纸张的用量。然而，由于纸张载体的方便和电脑打印的良好品质，许多电子信息还是被打印到纸张上，以方便阅读。纸张用量的增加造成了浪费，带来了树木的过度砍伐和环境的恶化。

　　如果纸张载体可以用电子载体替代，则上面提到的环境问题就可望得到解决。虽然许多常规的显示解决方案，如LCD、OLED和等离子显示，都能达到部份纸张的功能，但这些技术难免会消耗能量，因为各种显示器必须不断更新以维持图像的内容。这些平板显示亦不像纸张一样柔软，从而必须放置在平面化的装置中。人们一直在寻找一种新型的显示器技术，它的特性要与纸张一样，即图像的保持无需功耗，而且可以卷成不同曲率的曲面，以应用于各种不同外形规格的设备中。在科学家的不懈努力下，基于电泳显示(EPD，Electrophoretic Display)技术的电纸 技术于1969年问世了。

　　EPD平板本身无法独立运作，其图像的显示需要一个驱动器IC的驱动。作为显示器集成电路行业的先驱和领先厂商，晶门科技已经开发了一种电纸(E-Paper)显示器驱动IC，将这种创新性的理念变为现实。

　　2 电纸显示机理

　　电纸由大量的胶囊构成。每个胶囊盛有彩色的介质流体以及大量带正电的有色颗粒。透明的ITO行电极覆盖了电纸的上表面，而列电极则埋入底层。列与行电极则分别连接到电纸驱动器IC的分段和共用驱动模块。

　　当电纸驱动器IC向列电极提供正电压波形时，带正电的颗粒受到所施加的正电场的排斥，移向胶囊的上侧面。白色的颗粒是反光型的，可将环境光反射，让读者看到电纸呈白色。如果电纸驱动器IC向列电极提供负电压波形，则带正电的颗粒受到负电场的吸引，移向胶囊的底部，此时电纸的上表面将不再有白色颗粒，读者便能看到彩色的电介质液体。

　　3 电纸的优势

　　具备和纸张一样的可读性，电纸是一种不发光的显示装置。白色的颗粒和彩色的电介质流体对环境照明中不同颜色的光线形成反射，使得读者可以看到图像。因此，在可读性方面它与纸张类似，而且具有很宽的可视角和极高的图像对比度。只要环境光照充足，电纸就无需添加正面或者背面照明来照亮图像。在弱光和强光条件下，电纸都有良好的显示品质。

　　(1) 轻、薄电纸的结构非常简单，它只包括为数不多的几层材料。因此，一张轻、薄的电纸的厚度仅有200_m，这两点对于电纸在便携式装置中的应用都是非常重要的影响因素。

　　(2) 可弯折电纸用柔软的塑料制成，这些塑料中包封了微小的颗粒和流体。由于没有坚硬的材料，电纸有高度的柔性，它可以扭曲或弯折成不同的曲面。电纸可以贴附到不同形状的产品上，没有必须贴到平面显示板上的限制。最终产品在形状和样式上将能让人们发挥更为丰富的想象力。

　　(3) 低功耗对电纸的驱动器进行图像更新后，面板就不需要用任何刷新来保持图像显示。即使切断电纸显示系统的电源，流体中的颗粒也可以长时间保持其原位置，直到下一次施加电场为止。这展示出电纸的双稳态特性。在无电源的情况下，电纸的图像可以维持几天。因此，整个系统的功耗得到降低，从而可以延长便携式装置的电池供电寿命，正好应用于不需要频繁更新的电子书这类型的广品。照片1，电纸可以柔性地弯折。

　　(4) 制造工艺简单制造工艺采用了连续传送滚筒(roll-roll)方式，该方式与报纸的印刷类似，制造中要将电介质流体和带电颗粒注入胶囊层的胶囊中，然后将顶层密封住。制造过程可以高速度运行。此外，更可制作大张的电纸，然后随意切割成需要的尺寸和形状，以满足不同的应用。.

　　4 电纸驱动器

　　电纸需要高性能的驱动器IC，以展示令人印象深刻的图像品质和更长的双稳定性，这样，即使在电源被切断以后，图像也能维持。基本上驱动IC从微控制器接收输入信号，然后将这些信号转换为适当的模拟波形，以驱动电纸。

　　4.1 电纸的驱动要求

　　基于EPD技术的电纸，需要驱动器具有某些特殊的、及要求极高的功能，才能完成驱动功能。为了让带电的彩色颗粒从一侧迁移到另一侧，就需要在嵌入到电子书平板两侧的两个电极间形成极高的电势差。该电压值约为40V(峰-峰值)，这对于电池驱动的手持式装置应用来说是一个很高的量值。

　　图1 电纸的驱动波形

　　4.2 电纸驱动器的功能特性

　　晶门科技提供的电纸驱动器IC，实现了电纸技术应用于现实中。这种驱动器IC是一个单芯片的解决方案，具有160个段通道，还有一个共用通道和一个背景通道。它可以接收来自微控制器的显示数据，并将数据转换成驱动波形，以实现电纸图像显示。.

　　输入的逻辑电源电压为2.5V到5.5V，到EPD的输出驱动电压是15V到40V。考虑到输出电压非常高(特别是相对于手持设备而言)，驱动器内部集成了一个DC-DC变换器。只需给驱动器提供单种逻辑电压，DC-DC变换器即可将很低的逻辑电压变换为极高的输出电压，以驱动EPD面板。为了进一步降低电纸显示器系统的功耗，驱动器还具备节电模式。只要EPD面板的内容无需更新，微控制器就可以命令驱动器进入这一模式，从而将驱动器IC的功耗降至最低。

　　电纸驱动器IC的EPD驱动输出波形有单极或者双极两种形式，波形可以由用户设置。该驱动器的另一个功能特性是包含连接MCU 的SPI接口，该接口使得微控制器可以对驱动器的特性和功能进行配置。该电纸驱动IC带有一个双向的级联接口，以支持更大的EPD面板。 晶门科技提供COF和COG两种封装的电纸驱动IC。

　　4.3 系统应用图示

　　图2 电纸显示系统原理图

　　图中Positive Charged pigment particle——带正电的彩色颗粒。Top Transparent ITO Electrode——顶面透明的ITO电极，User View as White in this area——用户所见的这部分是白色的，User View as blue in thisarea——用户所见的这部分是蓝色的。Common line signal——共用线信号，Segment Line Signal——分段线信号，Bottom Electrode——底面电极，Segment Output driver——段输出驱动，COM Output driver——共用输出驱动，Data Latch——数据锁存器，Switch Register——交换寄存器，Voltage converter——电压变换器，Electronics paper display driver controller IC——电纸显示驱动控制器IC。

　　5 电纸的各项应用

　　电纸的特性与传统的纸类似，在强和弱的光线条件下都具有很好的可读性，而且既薄又轻，具有充分的柔韧性。另外，通过电纸驱动IC，显示的内容可随时更新。电纸在某些领域里将是纸张的替代品。以下便是电纸应用的最佳实例。

　　5.1 电子货架标签

　　在大型的百货商店或超市中，货架上需要摆放多个显示产品价格的标签、标牌。一旦价格信息有变化，逐个更换价格标签就成为一件单调乏味的工作。如果用电纸来取代纸质的标签，只要把电纸价格牌通过一个无线网络连接在一起，价格信息就可以得到方便地刷新。电纸价格标签上的显示无需电池来维持，价格信息可以依靠RF波的能量来完成刷新。

　　照片　电纸应用于货架标签上

　　5.2 电子钟表

　　电纸技术可以让钟表设计变得更富于生动的想象。例如，采用电纸的手表可以让时间和图像显示在表带上。

　　5.3 智能卡显示

　　如今，很多信用卡内带一个智能卡，以储存信息，如累积的存款和开销金额等。因为电纸具有功耗更低的优点，而且能和卡一同弯折，因此是显示这类信息的优良的解决方案。