目前電子紙的使用者，對畫面更新速度慢，留有深刻印象，甚至，是項眾所周知的痛點，其他還包括影像殘影等問題；從圈內人的角度看，我們更關心電子紙在顯示/驅動的成本、材質、工法、技術難度上的優化，其中，當然包括解決全部使用者的痛點。
本期核心論點是為何與如何重新定義電子紙的新正面。具體來說，我們一反目前領域內把電子紙正（觀看）面，放在與共同電極同側的慣例，倡議典範轉移改與控制電極同側，這項因勢利導的策略選擇，結果將可消弭目前電子紙絕大多數問題且高效經濟。可以說，這是速博思研究成果的一小步卻是電子紙產業的一大步。
接下來，我將從當前電子紙設計原理的初探、探索、問題爬梳、界定電子紙作動原理，釐清主從特性，按主動方與被動方兩種不同顯示/驅動特性，在更能符合電子紙顯示特性的基礎上，倡議並比較新舊工法優劣，以取得高效、低成本作法。另外，如何促使新工法的成功，也提出後續研究議題，將在下期推出。
追根究柢 當前電子紙設計原理
目前電子紙設計原理是把帶電荷的粒子用推離方式往「共同電極」移動，不過，由於這些粒子被推得越遠，與「控制電極」上的同極電荷粒子互斥力道就越小；同時，當越多不同極的電荷粒子被吸往控制電極表面時，就愈易阻擋控制電極去推動較遠同極電荷粒子的電力線，使互斥力道變得更弱。
以上因素使得往正（觀看）面移動的帶電荷粒子移速越來越慢，必須藉由高能量、花更多時間才能讓電荷粒子移動到正面預設位置。這是當前電子紙畫面更新速度緩慢主因。因為越來越弱的推力，使得靠近共同電極的粒子，間距加大、排列混亂，導致粒子間的密度變小、光反射效果越差，詳下圖楕圓藍框區。
或許有人會問，在共同電極上難道沒有與控制電極帶相反極性的電荷，可以幫忙吸引被控制電極推離的粒子? 實際上並非如此。共同電極是整片導體，上面電荷分布並不會如同控制電極般，被電晶體鎖定在像素區內，反而更接近平均分配。假設全體控制電極正反兩極的電極數目相同，共同電極上的電荷將趨近電中性，換句話說，正負兩種電荷粒子此時並不相吸或相斥。
發現缺憾 當前電子紙問題根源
當往正面共同電極移動的帶電荷粒子，受不同控制電極間的電壓大小、不同極性，將橫向移動產生所謂的粒子擴散現象。在黑白顯示時，這種現象將造成邊界區域的對比下降、影像模糊或邊線殘影等問題。
這個問題，在彩色顯示時尤其嚴重，會造成嚴重影像殘影、顏色飽和度降低與顏色失真，這也解釋了電子紙在彩色顯示時，何以不如LCD能顯示真實色彩以及翻頁時出現影像殘影的主因。
如經多次不均勻擴散，將讓帶電荷粒子橫向移動的距離越來越遠，甚或堆積在微杯壁面無法復歸原位，使得原平均分布的帶電荷粒子密度不均勻分布，導致畫面顯示劣化。當畫面顯示劣化到某個程度，電子紙將壽終正寢。
電壓回踢 電壓差 影響顯示結果
帶電荷粒子當被吸引到控制電極表面時，儲存電容Cs上將構成控制電極與相對電極兩大電極，其中，相對電極上的電荷會釋出並往上方的共同電極移動，這些電荷受「電壓回踢」，會把原本要移往共同電極的同極粒子推離，致產生錯誤的顯示結果。
常見錯誤顯示，在白底黑字情況下，因為顯示白底要比顯示黑字的電荷大很多，所以，顯示白底的控制電極其相對電極流往共同電極的電荷，會與移動到共同電極的黑色粒子具有同極性，此時，黑色粒子將被推離共同電極造成黑字變細甚或消失不見。
此外，驅動電路在切換閘極線電壓時常使用極端的電壓差變化，過程產生的脈沖突波，也會讓接地的共同電極層產生突發式電荷波動，影響顯示結果。
特性配適 優化工法呼之欲出
共同電極層是電子紙上最大面積與導體，極易受其他靜電影響使畫面狀態改變。速博思研究發現，當前電子紙，主動控制電極位下方基板，其儲存電荷是力量作動來源，有強吸力、粒子堆疊整齊、密度高、光反射係數高的特性；被動共同電極位於上方基板，由弱互斥力主導，有粒子堆疊混亂、密度低、光反射係數低等特性。
根據以上發現，當前電子紙問題癥結在將正（觀看）面放在被動共同電極側，但被動方特性並不利電子紙顯示所需條件，正是當前電子紙發展的痛點所在。速博思以顯示特性配適驅動方法切入，重新定義正（觀看）面在控制電極這側，意在藉力使力，借用主動方有利電子紙顯示/驅動需要的特性與條件，成為優化既有問題、推陳出新的依據。
因勢利導 新正面更符顯示特性
新工法運用控制電極上的電荷，將帶不同極電荷的顏色粒子快速吸往控制電極表面，越靠近控制電極表面吸力越大，移動速度越快，到達定位後會被控制電極上的電荷鎖定，所以不會亂跑、不會產生粒子橫移現象；也沒有混色與色彩失真問題。
此時，在靠近控制電極表面的同極電荷顏色粒子，因很快就會被推離，故不會殘留在控制電極表面，輕易解決影像殘影問題。再者與控制電極同側的新正（觀看）面，吸力強可讓顏色粒子堆疊出更多層數，密度更整齊，提升光的反射率。
比較前後兩種不同設計原理與基礎，在推離與相吸造成的力量差異間，速博思的新方案與設計工法可以提高色彩準確度、對比度、亮度與飽和度。尤其，較大的吸力可以降低驅動所需的能量；較低的驅動電壓則可減少驅動電路設計的困難度。
同時，受粒子移動速度離控制電極愈近吸力越大的影響，新工法有助加快粒子移動速度，畫面更新速度將大幅提升。於此同時，新工法由於共同電極的功能性減弱，共同電極可以不再需要使用透明導電材料，採用鋁箔膜替代即可，成本相對經濟實惠且易生產。
其中，最重要的，原本電荷在共同電極平面上的移動，因受電壓回踢造成靠近共同電極上，帶電荷顏色粒子產生不規則波動；受到各種突波雜訊影響等問題，也因為不再位於正（觀看）面，因為看不到所以不再影響顯示品質。將正面重新定義與靠近控制電極同側表面，當前問題將一掃而空並能事半功倍，帶來更多好處。
客製多色方案 新舊取徑比較
雙色粒子同樣適用在紅黑白三色或三色以上粒子等裝置，如上圖，驅動多色粒子的新驅動技術需配合多色粒子的不同特性進行客製化設計，將另撰專文說明。在驅動方面，力量來源都需藉由粒子間的相吸或互斥產生，不過，此時粒子運動的行為完全不同甚至相反，所以，驅動方法也不同。
採用互斥取徑（approach），須將粒子推到最遠的共同電極，才能完成驅動任務；採用吸力取徑則只要把附近足夠的粒子吸往控制電極表面即可，那些靠近共同電極的粒子，無論如何混亂、團聚、擴散，對吸力取徑都變得無所謂，因為我們已將正面翻轉到控制電極那側，共同電極這側的這些影響，對使用者來說已經看不見。
坊間電子紙目前採用互斥驅動工法，電子墨水內的粒子密度不能太高，密度越高粒子移動就越困難，並且當正、負粒子上、下移動到彼此交錯的地方時，極易因相吸致團聚一起，尤其發生在靠近共同電極的團聚問題，很難用弱的互斥力去拆解抱團粒子，因為抱團粒子平均電荷較低，互斥力道更弱，將會形成無效粒子群。
其次，因為要放入足夠粒子數量以確保足夠反射率，微杯空間不能太小，所以微杯高度不能太低，否則情況將更為惡化。所以，使用原方案需要在粒子密度、懸浮液的黏滯性、ZETA電位，花很大功夫調整，既要避免粒子團聚發生又不能讓粒子移動有太多阻力。
較弱的互斥力在驅動方法上也有其複雜性。例如需多次交換控制電極、共同電極的電壓以搖開抱團粒子等等，並且，這種解決方案往往會造成畫面閃爍的副作用。尤當要驅動更多不同種類的粒子時，其複雜程度將隨粒子種類數量的增加呈指數性成長。
速博思新工法倡議使用靠近控制電極的吸力取徑，相對可用高粒子密度，即較高濃度的電子墨水，微杯空間比較小，微杯高度也就可以比較低；因與控制電極近，反應力量大，無論是吸力或互斥，都可輕易把需要的粒子吸往控制電極表面。
驅動方面也會更簡單，不怕粒子抱團，因為有足夠力量拆解附近抱團粒子，如此也就不需用多次交換控制電極與共同電極等方式搖開抱團粒子，畫面將不再有閃爍的問題。
新工法解鎖專利 成功關鍵下期分曉
工作原理不同，方法不同，當然就不會被現有專利束縛，新方案讓驅動專利重新洗牌，可以在新的起跑點重新出發。然而，本方案成功與否的關鍵在Array控制基板的開口率，開口率的定義是指像素透光區域的面積與像素總面積的比率，如果開口率不好，大部分畫面會被Array上的電路與電晶體遮蔽。
在20年前的LCD面板廠所使用的設備與技術是很難達到高開口率的，所以，本方案在20年前是行不通的，但今日LCD面板廠所使用的黃光製程，設備精度與可靠性早已不可同日而語，要做到高開口率確實可行，下次就為大家介紹如何設計開口率大於90%的Array 控制基板。(速博思全彩電子紙專利新知: 系列15-2，每週三刊出)。
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