研究電子紙的前輩先進們，披荊斬棘在這條路上走了20年，原認為開拓出新藍海，不料發展以來一路有些窒礙難行。前面幾期，速博思已展現在這片藍海中，找到產業進展遲滯的痛點與答案，成功解決畫面閃爍、殘影、色彩不準、亮度不足、飽和度不夠與生產困難等關鍵問題。甚至，向來為使用者詬病的畫面更新速度慢等問題。
經由速博思團隊的努力，我們一次次從發現問題、反思成因、提出解決方案，最終已解決現有電子紙的全部痛點。可以說，我們正向現有全彩電子紙產業，以創新與事實提出典範競爭，然而，重點不在挑戰而是希望快速調整先前20年邁出的方向，在新的技術思維下可以有更多人結伴同行，讓全彩電子紙鮮麗起來，使產業取得全面與快速的進展。
本期主要核心議題在分享速博思全彩電子紙的架構。也就是我們如何能讓全彩電子紙鮮艷起來的思路、方法與工序。文章毫無保留的讓事實帶路，提供領域裡外有志者，對全彩電子紙產業有更深更全面的瞭解；也期待得到業內先進的回應與指教。
本文從去年微隔間產品搶先問世的大陸無錫威峰切入，從該公司的背景與產品，足證微隔間方案確定繼微膠囊、微杯後，可以成為電子紙的第三種解決方案，且在技術與資本投入的門檻不高，不過該公司的產品，顯然尚未完全展現微隔間的好處，我們由此出發提出觀察、指教；也提出優化作法。
接著，我們提出速博思彩色濾光片的新設計、全彩電子紙製作程序、微隔間作法，並且比較了我們提出的新方案，在各種核心顯示效果上，相較現有方案勝出的理由與事實。
最後，確立速博思全彩電子紙架構介紹完成後，預告下期將公開全彩電子紙的驅動IC設計、確定驅動方法與測試。我們將以多年在IC設計、面板設計的經驗與實務，在下期揭曉全彩電子紙零成本的內嵌式觸控作法。
微隔間實作範例
大陸無錫威峰的DES(Display Electronic Slurry)技術，是微隔間實作成功的首家產品。該公司說，他們用的是圍堰技術。2017年開始研發，2018年提出專利申請。2020年樣品成功、2023年專利核准，2022年產品問世，使微隔間方案確定繼微膠囊、微杯後成為電子紙領域的第三種解決方案。以無錫威峰資本額看，估計投入資金不高，足證微隔間方案進入門檻不高。
在無錫威峰官網，我們看到該全彩產品聲稱解析度可達300dpi，不過，由照片中看到的影像品質判斷，他們並沒有完全把微隔間的真正優勢發揮出來。
基本上，無論微膠囊、微杯或微隔間，目的都為限制顏色粒子的移動方向、禁止其橫向擴散。因為一旦產生粒子擴散，紅、藍、綠三色在顯示時亮度就會降低，嚴重時亮度可能降低一半，讓這3種顏色看起來特別暗。我們可以大膽假設，無錫威峰的微隔間，他們的圍堰可能只圍了較多像素的大區域圍堰；沒有兼顧子像素範圍。
DES的優點在於彩色濾光片可以緊貼顏色粒子，所以光反射的效益優於元太的Kaleido 系列；加上不用製作電子紙薄膜，所以更具成本優勢。如果無錫威峰把圍堰範圍縮小到子像素大小，估計在全彩飽和度與亮度上就會優於Kaleido 系列。
如果能更進一步採用速博思的方案，把正（觀看）面移到與Array玻璃同側，由於粒子堆積密度可以提高一倍以上，光反射的能力也會提高一倍，全彩的顏色也就會鮮豔起來，同時，也可以避開元太在驅動方面設下的專利網。
全彩電子紙如使用額外製作的彩色濾光片貼合在黑白電泳顯示器上，便會產生兩項重要缺失。首先因為對位貼合誤差，濾光顏色區塊與控制電極在正（觀看）面投影時，因無法完全重疊，同一控制電極因此會跨到不同色塊上，造成混色效應，顏色顯示時將因此失真。
其次，濾光顏色區塊與反射粒子間的間距加大，會造成不同入射角度的光線，在反射回觀看面時，因要跨越不同顏色區塊而被吸收，無法穿透彩色濾光層，從而造成反射率不足問題，間距越大問題越嚴重。
彩色濾光片新設計
考量LCD的彩色濾光原理，當光線由背光模組送出後，直接穿透濾光色塊，光線只被濾光色塊吸收一次，只造成一次光損；然而，電子紙採用光反射方式，光線由觀看面入射時，被濾光色塊吸收一次，就會造成光損一次，反射或漫射出去時，則會出現兩種狀況。
第一種情況，由相同顏色的濾光色塊反射出去，這時還會造成光損一次，只不過這次因為相同顏色所以光損比光線入射時損失較少；第二種情況是由不同顏色的濾光色塊反射出去，這時大部分光線將被吸收，造成嚴重光損。
此外，還必須考慮使用場景。當用於電子閱讀器時，彩色影像與黑白文字，黑白與彩色都存在時，彩色濾光的結果並不影響文字表現時的解析度，所以傳統LCD彩色濾光片設計上並不適合這場景，必須要有新思維才可以得到最佳顯示結果。
速博思提出的解決方案是在彩色濾光的色塊上，製作一定面積比例的孔洞，讓光線透過孔洞入射，到達反射粒子後，再經由非孔洞區域離開，到達觀看者的眼睛或經由非孔洞區域入射，到達反射粒子後，再經由孔洞位置離開，到達觀看者的眼睛，其結果光損只有一次，增加的反射率，可以提高色彩飽和度。
再者，孔洞若位於沒有濾光色塊的區域，直線入射與反射的光，將呈現出黑或白的顏色，有助增加亮度對比，解決文字顯示時解析度降低的問題，同時將改善彩色濾光方案，顯示白與黑兩色時，亮度不足的問題。
圖4-1中，兩塊綠色的面積和等同一塊紅色或藍色區塊的面積。
圖4-2，色塊中間都留空，意在黑白顯示模式下做為人眼注視亮度的焦點。人眼對彩色靈敏度較低，彩色的色塊解析度可較低；但人眼對亮度靈敏度高，所以對黑白解析度的要求必須較高。
圖4-2的設計，補足傳統4色塊分開對黑白顯示不利的缺點，4個控制電極的形狀對應濾光色塊，中央的留空區域，即白色小方塊，可分別對應藍色與紅色的控制電極，面積各分配一半。
速博思全彩新方案
速博思的解決方案是將彩色濾光色塊製作在控制基板上，如圖4-3。由於製程在同一基板上完成，故可精準對位控制電極區域，沒有控制電極與濾光色塊跨區問題就沒有混色問題，色彩準確度將大大提升。
配合微隔間結構，子像素內的粒子，不會出現跨像素擴散。濾光層的光反射粒子與彩色濾光色塊，因為可以緊貼在一起，所以將有較強的吸力，把更多光反射粒子聚集在表面。因為粒子密度提高，進而將提高光反射率，解決入射光跨區反射時，被不同顏色濾光色塊吸收的問題。光反射率因而再提升，亮度就會更亮，同理，因為濾光效果提升，顏色飽和度也將隨之提升。
圖4-4，把儲存電容的電極與控制電極一起做在平坦層上，完成後再送至彩色濾光片廠做二次加工，製作紅、綠、藍三色濾光色塊，然後製作微隔間結構。速博思方案建議微隔間壁高7um，同時提高電子墨水濃度到50%以上。
圖4-5中，儲存電容Cs的相對電極與像素電極重疊的面積可以極大化，增加儲存電容Cs上可存放的電荷數量，連接相對電極的共同電極線與閘極線平行，目的在此設計內嵌式觸控；電晶體TFT設計沿用上期所談的高開口率設計，把TFT設計在閘極線上以提升開口率。其中，內嵌式觸控設計，將在下期介紹。
規範式製作程序
首先製作Array玻璃上的控制電路與控制電極，完成後將Array玻璃送至彩色濾光片玻璃廠做二次加工的製程。 彩色濾光廠在Array玻璃上先製作彩色濾光的3道光阻色塊，然後再製作微隔間。
微隔間製作方法
在製作好的含彩色濾光層的Array玻璃上使用間隙層製程，連做兩次光阻塗佈與曝光，每次光阻塗佈厚度3.5um，最後，再顯影把中間的凹槽洗出來就完成深度為7um的微隔間凹槽，新增加1次的光阻塗布與曝光，估計增加彩色濾光玻璃的生產成本不會超過15%。
微隔間越薄，帶電粒子所需移動的距離就越短，畫面更新的速度就越快，至於有粒子團聚的風險，但是在靠近控制電極表面時會被電極內的電荷經由吸引力與互斥力拆解，讓同電荷極性的粒子遠離，相異極性的粒子靠近，吸引力也可有效的讓粒子堆疊的密度增加，增加光的反射率。
然後將成品送回面板廠在真空的工作條件下，於微隔間所界定的槽室內噴塗帶黑白兩色的電子墨水，然後在顯示區四個邊框塗上框膠後進行貼合共同電極基板，之後送入氣體加壓腔內加熱、加壓兩片基板或在大氣壓力下靜置一段時間，完成後把電子墨水擠入並填滿微隔間結構內的槽室空間，最後，再固化框膠，完成全彩電子紙。
典範競爭高下立判
速博思電子紙方案（新典範）與現有彩色濾光方案（原典範）的電子紙典範競爭才剛開始，但高下立判。新典範的顏色粒子因會堆積在控制電極上方的彩色濾光色塊上，有密度較高的優勢，故反射率(亮度)勝出。
新典範採用微隔間設計，可以把顏色粒子準確限制在像素電極區域內，沒有粒子擴散問題，顏色準確度較優。相較原典範，當粒子擴散時紅、藍、綠三原色將特別暗:以紅色為例，周圍藍色與綠色子像素皆為黑色粒子，當黑色粒子擴散滲入紅色濾光色塊範圍，將縮小紅色濾光區塊內的白色反光粒子範圍。
再者，電壓回踢效應也將造成紅色區域內白色粒子被推離表面，造成反射粒子的密度降低，整體光的反射光損將超過30-50%，至於確切的光損程度，端視微膠囊壓扁後的直徑大小而定，微膠囊直徑越大，光損越嚴重。這是新典範在彩色反射率(亮度)上勝出的主因。
新典範勝出的其他優勢還包括:因為反射粒子可以緊貼濾光色塊，反射效率(亮度)提升，顏色飽和度、對比度均可勝出；微杯壁高度小於現有電子紙且運用較強的吸力取代較弱推力，畫面更新速度快，遠優於現有方案。
較強的吸力與斥力可以拆解團聚的粒子，不會出現畫面閃爍問題；零成本的內嵌式觸控，在成本方面完勝現有方案；因正（觀看）面已不再與共同電極同側，諸如電壓回踢、驅動雜訊、DC不平衡等問題將變得無關緊要，勝過原典範的現有方案。另外，新典範可以鎖定控制電極內的電荷，緊緊吸住帶電荷的光反射粒子，畫面不會出現殘影問題，穩定性與持久性相較現有方案同樣勝出。
整體而言，速博斯方案可以增加一倍以上的光反射率。隨光反射率的提升，電子紙的彩色亮度與飽和度，將同步增加一倍以上。如此，全彩電子紙顯示出來的顏色就會跟著鮮豔起來。
內嵌式觸控如虎添翼
誠如前述速博思全彩電子紙的架構大致完成，後續剩下為這個架構進行驅動IC設計、確定驅動方法與測試。根據速博思在驅動領域的經驗，我們深知在控制基板的設計與佈局上，細節處理尤為重要，因為稍有一絲閃失都會造成失敗。
速博思擁有多年IC設計、面板設計的經驗與實務，願意提供大家必要的協助，速博思布局的專利群更可做為大家堅實的後盾，竭誠歡迎洽詢技術移轉、委託設計與專利授權等相關事宜。
下期，本專欄將揭露全彩電子紙內嵌式觸控的作法，這在速博思方案提出前，對整個電子紙領域來說是項不可能任務，然而，速博思逐夢踏實，終至美夢成真，欲知詳情請待下期分曉。(速博思全彩電子紙專利新知系列：15-4，每週三刊出)。
