探讨E Ink电子纸阵营的特性与控制机制

作者：台湾爱普生电子零件事业群技术经理　　

在亚马逊网路书店(Amazon.com)的Kindle带动下，电子纸近来受到市场颇多关注，多家研究机构也纷纷发表乐观的研究报告，认为在未来3～5年内，全球电子书阅读器的市场规模可望成长至二千万台左右。而各家供应商之间的合纵连横与并购案，更让电子纸显示器成为一个话题不断的产业。

随着电子书阅读器成为各方关注的明星产品，电子纸显示技术也顿时成为一门显学。事实上，电子纸显示器受限于原材料的限制，一直存在反应速度过慢的问题，并因而使得电子纸显示的应用范围受到局限。

事实上，电子纸并非某种特定的显示技术。根据目前业界的定义，只要是具备双稳态、反射式显示特性的显示技术，均可作为电子纸显示技术。因此，目前市面上有许多不同的电子纸流派，如胆固醇液晶、电子粉流体(QR LPD)、微胶囊化技术等但由于不同流派的显示原理与驱动方式差异颇大，因此本文将只就微胶囊化技术电子纸中，E Ink阵营的特性与控制机制进行探讨，并说明E Ink电子纸控制晶片未来的发展趋势。

E Ink电子纸特性概观

E Ink所开发的电子纸墨水材料层是由无数个微胶囊(Microcapsules)邻接排列所组成，而微胶囊内部承载了透明的流体、带正电的白色氧化钛粒子与带负电的黑色碳黑粒子，其中在微胶囊的上方为透明玻璃，下方为电极。当下方电极供应正电时，白色粒子便会上浮，则面板显示为白色；若下方电极供应为负电，便换黑色粒子上浮，面板则显示为黑色。

此种以溶液为基础的电泳电子纸技术采用带有正电或负电的染料粒子作为颜色材料，然后借由施加正负电荷来驱动染料粒子在溶液中的升降高度，以产生颜色阶度的变化。

此一显示机制虽然可满足双稳态与反射式显示的要求，然由于必须依赖粒子在溶液中的电泳机制，因此其反应速度无法与市面上已相当普遍的液晶显示(LCD)技术相提并论。

此外，电泳速度也会随着环境温度而变化，若缺乏适当的温度补偿机制，将会使得显示效果随着操作温度变化而出现差异，因此必须基于温度的变化程度再对控制波形作微幅的修正。

在反应速度方面，目前已量产的电子纸显示面板反应速度约为数百毫秒。由于材料本身特性的限制，电泳式电子纸理论上很难实现动态画面显示。姑且不论对反应速度要求严苛的动态影片显示，就连即时反应出终端使用者对电子纸显示器所做出的触碰或手写输入行为，都有些捉襟见肘(图1)。

图1　反应速度不足将导致手写输入的笔画显示效果不佳

除了反应速度与温度变化对显示效果的影响外，值得一提的是，在目前已商品化的电子书阅读器中，显示器的控制器晶片与显示驱动晶片实为两个独立的晶片，不如小尺寸液晶显示器，市面上已有若干整合控制器和驱动器的解决方案。事实上，电子纸控制器晶片可视为一电压控制波形讯号产生器，负责依照温度感测器所提供的温度数值，以查表方式向系统内建的快闪记忆体取得一组适合的控制波形，依时序输出。然后，此一输出讯号再经过后端驱动器的数位类比转换器(DAC)与充电泵(Charger Pump)转换成足以驱动面板的类比高压波形。目前E Ink电子纸显示器的驱动电压典型值为±15伏特。电子纸显示控制讯号的产生流程如图2。

图2　电子纸显示控制讯号产生流程图

显示控制技术可改善反应速度不足缺点

然而，若从显示控制器设计着手，仍有机会改善电子纸材料反应速度偏慢的先天限制。其中，以管线化的方式来进行平行化的显示控制，便是一个可行的解决之道。

图3为一采用十六条管线控制架构的电子纸显示控制器方块图。当主机控制器(Host Controller)送来一个连续变化的动态图形，如笔尖在电子纸显示器上书写所产生的轨迹时，显示控制晶片可将此连续变化的显示内容依序分割成数个更新区域画面(可多达十六个)，再分别利用数条管线处理(可多达十六条)，有效提升电子纸对轨迹变化显示的反应能力。

图3　内建16条显示控制管线的爱普生电子纸控制器解决方案

　
多重管线和单一管线显示控制最大的区别在于，单一管线控制必须等到电子纸显示器已完全处理完前一个画面资讯后，才能处理下一个显示区变化，因此其每一个更新画面的间隔，即等同于电子纸本身数百毫秒的反应速度，因此会产生动态画面延迟的问题。

而多重管线则不然，以现阶段已经商品化的多重管线电子纸显示控制器为例，约每20毫秒间隔便可处理产生下一个区域更新画面的控制波形，因此可以呈现出较为及时与顺畅的动态显示效果。

从图4更清楚地了解管线化显示控制的运作过程。假设在电子纸显示画面中，有一个黑色方块要从A点连续移动到C点，当A点的画素开始逐渐由黑转白，B点由白转黑的过程中，C点的画素过了20毫秒后，也会启动由白转黑的过程，因此当B点画素转变为全黑之际，事实上，C点的画素看起来已经是灰色的了。 就人类的视觉观点，这样的显示方式可产生较具连续性的动态变化。

图4　多重管线控制示意图[!--empirenews.page--]

传统单一管线的控制方式则如图5所示，显示控制器送出画面应从A点转到B点的控制讯息后，必须先等到电子纸完成此一转换动作，方可继续命令电子纸进行从B点到C点的转换，因此整个画面的更新时间将数倍于多重管线控制方式。

图5　单一管线控制示意图

提升反应速度拓展创新应用商机

提升电子纸的反应速度，除可让电子纸显示器的显示效能提升，并对使用者的手写输入反应更加灵敏外，也可让终端产品开发商开发出更多功能与人性化的应用产品。

事实上，电子纸显示器的反应速度虽然鲜少被拿来和全彩化、软性化并列为电子纸技术日后的发展重点，但电子纸若想要支援更多新功能，更快的反应速度却绝对是不可或缺的元素。唯有反应速度提升，电子纸显示器支援画中画(PiP)、透明图层(Alpha Layer)等与图形使用者介面设计息息相关的功能，才有其实际应用价值。

随着结合声音与动静态图片的多媒体出版品日益流行，电子纸显示技术也会面临更严苛的反应速度考验。此趋势也将促使电子纸显示控制晶片供应商持续推出新一代解决方案，来协助电子纸显示技术与改善材料本身的限制。

全彩化时代即将来临 控制器负担加重

随着全彩化电子纸即将进入量产，电子纸控制器晶片设计也将面临新的挑战。以E Ink即将实现全彩化的作法为例，其作法是将原有的微胶囊结构再加上红、绿、蓝、白四种颜色的彩色滤光片以产生彩色的效果。

对电子纸显示控制器而言，此意味着在同样解析度的前提下，控制器必须处理四倍的显示资料量与控制讯号，才能控制全彩电子纸。对显示控制晶片设计而言，虽然可单纯用串联複製的方式来满足全彩控制的需求，但若考量到晶片成本、封装接脚数等市场接受度与高速介面、技术可行与否的重点，控制器晶片供应商仍必须在现有的基础上创新，以满足新一代电子纸的需求。