全彩電子紙新專利 速博思微隔間工法

速博思李祥宇總經理
李祥宇,現任速博思總經理,民國70年畢業於國立台北工專五專部電子科,創業40年。擅新技術、新產品研發未曾失敗。目前帶領菁英成立速博思,以10人規模同步跨越IC設計、面板設計、專利佈局三大領域;研究範圍橫跨觸控、指紋辨識、資安到最近的電子紙,累計取得專利超過300件以上。圖 / 策略風知識新聞網

微膠囊與微杯是目前生產電子墨水薄膜的核心技術,產出全彩電子紙需具備的高技術門檻部分。目前,電子墨水薄膜的結構柔弱是導致生產困難與良率低落的主因。

試想,在比頭髮半徑還薄的塑膠膜上,還要再挖掉70%容積用來裝液態電子墨水,姑不論技術難度,光是弱化的塑膠模,其軟度將比家用保鮮膜還軟、還易扯破,因此,不論在生產或加工程序,在在考驗工藝能力。

反觀,速博思建議把微杯的結構,用面板成熟製程替代,直接做在Array或彩色濾光片的基板上,材料硬度高於3H以上,非常堅固。還可省略最困難的電子墨水薄膜的生產程序。

其實,三星早在2006年就提出類似概念並申請專利(US 7,715,089),EINK也在2021年申請相關專利(TW I774223),速博思補強先前專利不足,增加專利群申請,同時把這個方法命名為「微隔間」,意指在玻璃基板上做出微小的隔間牆。

在玻璃基板上製作微隔間,最大的好處是易生產、良率高、結構強、硬度大於3H、成本低、且可與像素電極完美對位。作為隔間的微牆壁,可以設計在像素與像素間的位置,如此,還可以阻擋微隔間內的電子墨水跨像素移動。

並列圖解
觀察微杯、像素電極與兩圖合併影像。圖/速博思

微膠囊與微杯由於無法與像素做對位,圖解比較如上,左邊是微杯形狀,中間是像素電極,大小以微杯形狀相同的顯微倍數拍攝所得,右邊是將前兩張圖合併的影像,以方便觀察兩者的相對位置。

從上圖可以看到,部分微杯跨越兩個以上像素,當這些像素電極的電壓極性相異,內部帶電荷顏色粒子的移動方向,就會因跨越像素造成影像顏色失真,這個問題在彩色顯示時尤其嚴重。

觀察下圖,紅色圈起來的區域兩色粒子混融,不能明確分離,此外,微杯壁落在像素內的區域,這個區域是無法顯示影像的死區,這將造成顏色失真並降低反射率。

使用彩色濾光片方案的彩色電子紙說明圖示。
使用彩色濾光片方案的彩色電子紙說明圖示。圖 / 速博思

在使用彩色濾光片方案的彩色電子紙,圖解如上,濾光片與電子墨水間,隔了一層保護膜(透明塑膠基板)與光學膠(總厚度為H),這個厚度將造成部分光線在反射出去時,因跨越不同顏色而被吸收掉,因而降低反射率。

我們可以這樣想像,某些區域的濾光色塊反射出去的光,因被其他濾光色塊吸收而失效。當H越厚,濾光色塊失效的區域將越大、可反射光的區域會變小,導致反射率變差。此外電子墨水薄膜的厚度受限既有製程工藝的水準,無法悉如預期持續做薄。

由於越厚的電子墨水薄膜,墨水中的顏色粒子需移動的距離越遠,受到下方控制電極的電荷推力將越小,移動速度將再減慢,如此一來畫面更新率自然較差,同理,靠近上方共同電極的顏色粒子,分布會比較分散,降低光的反射率(詳上圖藍色圈起來的部分)。

面板廠可用方案

面板廠可用方案:以面板製程為解決方案的圖示說明。
面板廠可用方案:以面板製程為解決方案的圖示說明。圖 / 速博思

上圖用來說明以面板製程為解決方案的一種範例,我們可將微杯做在Color filter 玻璃上,作法是先噴塗電子墨水後再貼合Array 玻璃,其中,關鍵因素在微杯壁的高度:高度越高實施上越困難,反之,實作越容易。速博思建議壁高設定10um。

製作方法

在color filter玻璃,做完3道濾光色塊後,間隙層製程,連做三次光阻塗佈與曝光,即重複程序4-5三次,每次光阻塗佈厚度3.5um,最後,再顯影把中間的凹槽洗出來,如此就可完成深度10.5um微隔間凹槽。在此,新增2次光阻塗布與曝光,估增Color filter玻璃生產成本,不超過25%(製作圖解如下)。

微隔間製程
微隔間製程:重複步驟4-5即可做出符合目標厚度的微隔間。 圖 / 速博思

配套措施

當容納電子墨水的容積減少,在不影響反射率的條件下,調高電子墨水濃度1倍,讓容積內的反射粒子數量維持一定,如此將可維持需要的反射率。估計採用這個面板製程方案的電子紙,成本將遠低於電子墨水薄膜貼合控制基板的製程,屆時面板廠將有機會全面滲透彩色電子紙市場且具自帶「主場優勢」的競爭力。

同時,面板廠藉此還可活化汰舊設備(例如a-Si 5代線)。將原先用來噴塗液晶的裝置調整為可噴塗電子墨水的裝置,如此即可完成量產準備,不用投入太多資本支出,就可順利轉型量產彩色電子紙,此一高毛利產品。

對面板廠而言,這將是大利多,畢竟買電子墨水與買電子墨水薄膜的成本差異很大,何況黑白兩色墨水,經查專利都將屆期或已過期(例如EINK US7002728 在2004/2/9申請,2024/2/8就會消滅),即便此間或有新參與者加入,比如京東方2015年申請製作新電子墨水專利(WO2015/090025),但彩色電子紙市場勢頭正起,相信可以吸引更多廠商投入黑白兩色電子墨水生產。

進一步討論這兩種方案在顯示品質上的差異。首先,面板廠可做的新方案,微杯壁可對位設計,不會橫跨像素電極,如此,帶電荷的顏色粒子就不會跨越不同像素移動擴散,這對顏色的準確度與對比度助益甚大。

其次,較低的微隔間壁(例如:10um)有利縮短顏色粒子的移動距離,加快畫面更新速度,也可讓反射粒子的堆疊密度增加,提升光線反射率;再者,彩色濾光層可以緊貼反光粒子(相當於厚度H接近0、濾光色塊的有效反射面積為100%),提升光反射效益,大大增加色彩飽和度與亮度…等等與現有解決方案相較,更具優勢效用。

然而,上述方案只是微杯結構的再進化,由於較高濃度的電子墨水中,帶電荷的粒子因彼此會相互吸引致有團聚的問題;另外,驅動原理上也受限於EINK專利,如何一舉突破EINK在驅動專利上的限制,同時解決粒子團聚問題,速博思已有新專利,欲知作法,下回分曉。(速博思全彩電子紙專利新知:系列15-1,每週三刊出)

 

 

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