探討E Ink電子紙陣營(yíng)的特性與控制機制

在亞馬遜網(wǎng)路書(shū)店(Amazon.com)的Kindle帶動(dòng)下，電子紙近來(lái)受到市場(chǎng)頗多關(guān)注，多家研究機構也紛紛發(fā)表樂(lè )觀(guān)的研究報告，認為在未來(lái)3～5年內，全球電子書(shū)閱讀器的市場(chǎng)規?？赏砷L(cháng)至二千萬(wàn)臺左右。而各家供應商之間的合縱連橫與并購案，更讓電子紙顯示器成為一個(gè)話(huà)題不斷的產(chǎn)業(yè)。

隨著(zhù)電子書(shū)閱讀器成為各方關(guān)注的明星產(chǎn)品，電子紙顯示技術(shù)也頓時(shí)成為一門(mén)顯學(xué)。事實(shí)上，電子紙顯示器受限于原材料的限制，一直存在反應速度過(guò)慢的問(wèn)題，并因而使得電子紙顯示的應用范圍受到局限。

事實(shí)上，電子紙并非某種特定的顯示技術(shù)。根據目前業(yè)界的定義，只要是具備雙穩態(tài)、反射式顯示特性的顯示技術(shù)，均可作為電子紙顯示技術(shù)。因此，目前市面上有許多不同的電子紙流派，如膽固醇液晶、電子粉流體(QR LPD)、微膠囊化技術(shù)等但由于不同流派的顯示原理與驅動(dòng)方式差異頗大，因此本文將只就微膠囊化技術(shù)電子紙中，E Ink陣營(yíng)的特性與控制機制進(jìn)行探討，并說(shuō)明E Ink電子紙控制晶片未來(lái)的發(fā)展趨勢。

E Ink電子紙特性概觀(guān)

E Ink所開(kāi)發(fā)的電子紙墨水材料層是由無(wú)數個(gè)微膠囊(Microcapsules)鄰接排列所組成，而微膠囊內部承載了透明的流體、帶正電的白色氧化鈦粒子與帶負電的黑色碳黑粒子，其中在微膠囊的上方為透明玻璃，下方為電極。當下方電極供應正電時(shí)，白色粒子便會(huì )上浮，則面板顯示為白色;若下方電極供應為負電，便換黑色粒子上浮，面板則顯示為黑色。

此種以溶液為基礎的電泳電子紙技術(shù)采用帶有正電或負電的染料粒子作為顏色材料，然后借由施加正負電荷來(lái)驅動(dòng)染料粒子在溶液中的升降高度，以產(chǎn)生顏色階度的變化。

此一顯示機制雖然可滿(mǎn)足雙穩態(tài)與反射式顯示的要求，然由于必須依賴(lài)粒子在溶液中的電泳機制，因此其反應速度無(wú)法與市面上已相當普遍的液晶顯示(LCD)技術(shù)相提并論。

此外，電泳速度也會(huì )隨著(zhù)環(huán)境溫度而變化，若缺乏適當的溫度補償機制，將會(huì )使得顯示效果隨著(zhù)操作溫度變化而出現差異，因此必須基于溫度的變化程度再對控制波形作微幅的修正。

在反應速度方面，目前已量產(chǎn)的電子紙顯示面板反應速度約為數百毫秒。由于材料本身特性的限制，電泳式電子紙理論上很難實(shí)現動(dòng)態(tài)畫(huà)面顯示。姑且不論對反應速度要求嚴苛的動(dòng)態(tài)影片顯示，就連即時(shí)反應出終端使用者對電子紙顯示器所做出的觸碰或手寫(xiě)輸入行為，都有些捉襟見(jiàn)肘(圖1)。

圖1　反應速度不足將導致手寫(xiě)輸入的筆畫(huà)顯示效果不佳

除了反應速度與溫度變化對顯示效果的影響外，值得一提的是，在目前已商品化的電子書(shū)閱讀器中，顯示器的控制器晶片與顯示驅動(dòng)晶片實(shí)為兩個(gè)獨立的晶片，不如小尺寸液晶顯示器，市面上已有若干整合控制器和驅動(dòng)器的解決方案。事實(shí)上，電子紙控制器晶片可視為一電壓控制波形訊號產(chǎn)生器，負責依照溫度感測器所提供的溫度數值，以查表方式向系統內建的快閃記憶體取得一組適合的控制波形，依時(shí)序輸出。然后，此一輸出訊號再經(jīng)過(guò)后端驅動(dòng)器的數位類(lèi)比轉換器(DAC)與充電泵(Charger Pump)轉換成足以驅動(dòng)面板的類(lèi)比高壓波形。目前E Ink電子紙顯示器的驅動(dòng)電壓典型值為±15伏特。電子紙顯示控制訊號的產(chǎn)生流程如圖2。

圖2　電子紙顯示控制訊號產(chǎn)生流程圖

顯示控制技術(shù)可改善反應速度不足缺點(diǎn)

然而，若從顯示控制器設計著(zhù)手，仍有機會(huì )改善電子紙材料反應速度偏慢的先天限制。其中，以管線(xiàn)化的方式來(lái)進(jìn)行平行化的顯示控制，便是一個(gè)可行的解決之道。

圖3為一采用十六條管線(xiàn)控制架構的電子紙顯示控制器方塊圖。當主機控制器(Host Controller)送來(lái)一個(gè)連續變化的動(dòng)態(tài)圖形，如筆尖在電子紙顯示器上書(shū)寫(xiě)所產(chǎn)生的軌跡時(shí)，顯示控制晶片可將此連續變化的顯示內容依序分割成數個(gè)更新區域畫(huà)面(可多達十六個(gè))，再分別利用數條管線(xiàn)處理(可多達十六條)，有效提升電子紙對軌跡變化顯示的反應能力。

圖3　內建16條顯示控制管線(xiàn)的愛(ài)普生電子紙控制器解決方案

多重管線(xiàn)和單一管線(xiàn)顯示控制最大的區別在于，單一管線(xiàn)控制必須等到電子紙顯示器已完全處理完前一個(gè)畫(huà)面資訊后，才能處理下一個(gè)顯示區變化，因此其每一個(gè)更新畫(huà)面的間隔，即等同于電子紙本身數百毫秒的反應速度，因此會(huì )產(chǎn)生動(dòng)態(tài)畫(huà)面延遲的問(wèn)題。

而多重管線(xiàn)則不然，以現階段已經(jīng)商品化的多重管線(xiàn)電子紙顯示控制器為例，約每20毫秒間隔便可處理產(chǎn)生下一個(gè)區域更新畫(huà)面的控制波形，因此可以呈現出較為及時(shí)與順暢的動(dòng)態(tài)顯示效果。

從圖4更清楚地了解管線(xiàn)化顯示控制的運作過(guò)程。假設在電子紙顯示畫(huà)面中，有一個(gè)黑色方塊要從A點(diǎn)連續移動(dòng)到C點(diǎn)，當A點(diǎn)的畫(huà)素開(kāi)始逐漸由黑轉白，B點(diǎn)由白轉黑的過(guò)程中，C點(diǎn)的畫(huà)素過(guò)了20毫秒后，也會(huì )啟動(dòng)由白轉黑的過(guò)程，因此當B點(diǎn)畫(huà)素轉變?yōu)槿谥H，事實(shí)上，C點(diǎn)的畫(huà)素看起來(lái)已經(jīng)是灰色的了。 就人類(lèi)的視覺(jué)觀(guān)點(diǎn)，這樣的顯示方式可產(chǎn)生較具連續性的動(dòng)態(tài)變化。

圖4　多重管線(xiàn)控制示意圖

傳統單一管線(xiàn)的控制方式則如圖5所示，顯示控制器送出畫(huà)面應從A點(diǎn)轉到B點(diǎn)的控制訊息后，必須先等到電子紙完成此一轉換動(dòng)作，方可繼續命令電子紙進(jìn)行從B點(diǎn)到C點(diǎn)的轉換，因此整個(gè)畫(huà)面的更新時(shí)間將數倍于多重管線(xiàn)控制方式。

圖5　單一管線(xiàn)控制示意圖

提升反應速度拓展創(chuàng )新應用商機

提升電子紙的反應速度，除可讓電子紙顯示器的顯示效能提升，并對使用者的手寫(xiě)輸入反應更加靈敏外，也可讓終端產(chǎn)品開(kāi)發(fā)商開(kāi)發(fā)出更多功能與人性化的應用產(chǎn)品。

事實(shí)上，電子紙顯示器的反應速度雖然鮮少被拿來(lái)和全彩化、軟性化并列為電子紙技術(shù)日后的發(fā)展重點(diǎn)，但電子紙若想要支援更多新功能，更快的反應速度卻絕對是不可或缺的元素。唯有反應速度提升，電子紙顯示器支援畫(huà)中畫(huà)(PiP)、透明圖層(Alpha Layer)等與圖形使用者介面設計息息相關(guān)的功能，才有其實(shí)際應用價(jià)值。

隨著(zhù)結合聲音與動(dòng)靜態(tài)圖片的多媒體出版品日益流行，電子紙顯示技術(shù)也會(huì )面臨更嚴苛的反應速度考驗。此趨勢也將促使電子紙顯示控制晶片供應商持續推出新一代解決方案，來(lái)協(xié)助電子紙顯示技術(shù)與改善材料本身的限制。

全彩化時(shí)代即將來(lái)臨 控制器負擔加重

隨著(zhù)全彩化電子紙即將進(jìn)入量產(chǎn)，電子紙控制器晶片設計也將面臨新的挑戰。以E Ink即將實(shí)現全彩化的作法為例，其作法是將原有的微膠囊結構再加上紅、綠、藍、白四種顏色的彩色濾光片以產(chǎn)生彩色的效果。

對電子紙顯示控制器而言，此意味著(zhù)在同樣解析度的前提下，控制器必須處理四倍的顯示資料量與控制訊號，才能控制全彩電子紙。對顯示控制晶片設計而言，雖然可單純用串聯(lián)}u的方式來(lái)滿(mǎn)足全彩控制的需求，但若考量到晶片成本、封裝接腳數等市場(chǎng)接受度與高速介面、技術(shù)可行與否的重點(diǎn)，控制器晶片供應商仍必須在現有的基礎上創(chuàng )新，以滿(mǎn)足新一代電子紙的需求。