作者：臺灣愛普生電子零件事業(yè)群技術(shù)經(jīng)理
在亞馬遜網(wǎng)路書店(Amazon.com)的Kindle帶動下，電子紙近來受到市場頗多關(guān)注，多家研究機(jī)構(gòu)也紛紛發(fā)表樂觀的研究報(bào)告，認(rèn)為在未來3～5年內(nèi)，全球電子書閱讀器的市場規(guī)?？赏砷L至二千萬臺左右。而各家供應(yīng)商之間的合縱連橫與并購案，更讓電子紙顯示器成為一個話題不斷的產(chǎn)業(yè)。
隨著電子書閱讀器成為各方關(guān)注的明星產(chǎn)品，電子紙顯示技術(shù)也頓時成為一門顯學(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(yīng)速度過慢的問題，并因而使得電子紙顯示的應(yīng)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(jù)目前業(yè)界的定義，只要是具備雙穩(wěn)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(qū)動方式差異頗大，因此本文將只就微膠囊化技術(shù)電子紙中，E Ink陣營的特性與控制機(jī)制進(jìn)行探討，并說明E Ink電子紙控制晶片未來的發(fā)展趨勢。
E Ink電子紙?zhí)匦愿庞^
E Ink所開發(fā)的電子紙墨水材料層是由無數(shù)個微膠囊(Microcapsules)鄰接排列所組成，而微膠囊內(nèi)部承載了透明的流體、帶正電的白色氧化鈦粒子與帶負(fù)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(dāng)下方電極供應(yīng)正電時，白色粒子便會上浮，則面板顯示為白色；若下方電極供應(yīng)為負(fù)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(chǔ)的電泳電子紙技術(shù)采用帶有正電或負(fù)電的染料粒子作為顏色材料，然后借由施加正負(fù)電荷來驅(qū)動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(jī)制雖然可滿足雙穩(wěn)態(tài)與反射式顯示的要求，然由于必須依賴粒子在溶液中的電泳機(jī)制，因此其反應(yīng)速度無法與市面上已相當(dāng)普遍的液晶顯示(LCD)技術(shù)相提并論。
此外，電泳速度也會隨著環(huán)境溫度而變化，若缺乏適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償機(jī)制，將會使得顯示效果隨著操作溫度變化而出現(xiàn)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(yīng)速度方面，目前已量產(chǎn)的電子紙顯示面板反應(yīng)速度約為數(shù)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(xiàn)動態(tài)畫面顯示。姑且不論對反應(yīng)速度要求嚴(yán)苛的動態(tài)影片顯示，就連即時反應(yīng)出終端使用者對電子紙顯示器所做出的觸碰或手寫輸入行為，都有些捉襟見肘(圖1)。
圖1 反應(yīng)速度不足將導(dǎo)致手寫輸入的筆畫顯示效果不佳
除了反應(yīng)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閱讀器中，顯示器的控制器晶片與顯示驅(qū)動晶片實(shí)為兩個獨(dú)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(qū)動器的解決方案。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(fù)責(zé)依照溫度感測器所提供的溫度數(shù)值，以查表方式向系統(tǒng)內(nèi)建的快閃記憶體取得一組適合的控制波形，依時序輸出。然后，此一輸出訊號再經(jīng)過后端驅(qū)動器的數(shù)位類比轉(zhuǎn)換器(DAC)與充電泵(Charger Pump)轉(zhuǎn)換成足以驅(qū)動面板的類比高壓波形。目前E Ink電子紙顯示器的驅(qū)動電壓典型值為±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(yīng)速度不足缺點(diǎn)
然而，若從顯示控制器設(shè)計(jì)著手，仍有機(jī)會改善電子紙材料反應(yīng)速度偏慢的先天限制。其中，以管線化的方式來進(jìn)行平行化的顯示控制，便是一個可行的解決之道。
圖3為一采用十六條管線控制架構(gòu)的電子紙顯示控制器方塊圖。當(dāng)主機(jī)控制器(Host Controller)送來一個連續(xù)變化的動態(tài)圖形，如筆尖在電子紙顯示器上書寫所產(chǎn)生的軌跡時，顯示控制晶片可將此連續(xù)變化的顯示內(nèi)容依序分割成數(shù)個更新區(qū)域畫面(可多達(dá)十六個)，再分別利用數(shù)條管線處理(可多達(dá)十六條)，有效提升電子紙對軌跡變化顯示的反應(yīng)能力。
圖3 內(nèi)建16條顯示控制管線的愛普生電子紙控制器解決方案
多重管線和單一管線顯示控制最大的區(qū)別在于，單一管線控制必須等到電子紙顯示器已完全處理完前一個畫面資訊后，才能處理下一個顯示區(qū)變化，因此其每一個更新畫面的間隔，即等同于電子紙本身數(shù)百毫秒的反應(yīng)速度，因此會產(chǎn)生動態(tài)畫面延遲的問題。
而多重管線則不然，以現(xiàn)階段已經(jīng)商品化的多重管線電子紙顯示控制器為例，約每20毫秒間隔便可處理產(chǎn)生下一個區(qū)域更新畫面的控制波形，因此可以呈現(xiàn)出較為及時與順暢的動態(tài)顯示效果。
從圖4更清楚地了解管線化顯示控制的運(yùn)作過程。假設(shè)在電子紙顯示畫面中，有一個黑色方塊要從A點(diǎn)連續(xù)移動到C點(diǎn)，當(dāng)A點(diǎn)的畫素開始逐漸由黑轉(zhuǎn)白，B點(diǎn)由白轉(zhuǎn)黑的過程中，C點(diǎn)的畫素過了20毫秒后，也會啟動由白轉(zhuǎn)黑的過程，因此當(dāng)B點(diǎn)畫素轉(zhuǎn)變?yōu)槿谥H，事實(shí)上，C點(diǎn)的畫素看起來已經(jīng)是灰色的了。 就人類的視覺觀點(diǎn)，這樣的顯示方式可產(chǎn)生較具連續(xù)性的動態(tài)變化。
圖4 多重管線控制示意圖[!--empirenews.page--]
傳統(tǒng)單一管線的控制方式則如圖5所示，顯示控制器送出畫面應(yīng)從A點(diǎn)轉(zhuǎn)到B點(diǎn)的控制訊息后，必須先等到電子紙完成此一轉(zhuǎn)換動作，方可繼續(xù)命令電子紙進(jìn)行從B點(diǎn)到C點(diǎn)的轉(zhuǎn)換，因此整個畫面的更新時間將數(shù)倍于多重管線控制方式。
圖5 單一管線控制示意圖
提升反應(yīng)速度拓展創(chuàng)新應(yīng)用商機(jī)
提升電子紙的反應(yīng)速度，除可讓電子紙顯示器的顯示效能提升，并對使用者的手寫輸入反應(yīng)更加靈敏外，也可讓終端產(chǎn)品開發(fā)商開發(fā)出更多功能與人性化的應(yīng)用產(chǎn)品。
事實(shí)上，電子紙顯示器的反應(yīng)速度雖然鮮少被拿來和全彩化、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(yīng)速度卻絕對是不可或缺的元素。唯有反應(yīng)速度提升，電子紙顯示器支援畫中畫(PiP)、透明圖層(Alpha Layer)等與圖形使用者介面設(shè)計(jì)息息相關(guān)的功能，才有其實(shí)際應(yīng)用價值。
隨著結(jié)合聲音與動靜態(tài)圖片的多媒體出版品日益流行，電子紙顯示技術(shù)也會面臨更嚴(yán)苛的反應(yīng)速度考驗(yàn)。此趨勢也將促使電子紙顯示控制晶片供應(yīng)商持續(xù)推出新一代解決方案，來協(xié)助電子紙顯示技術(shù)與改善材料本身的限制。
全彩化時代即將來臨 控制器負(fù)擔(dān)加重
隨著全彩化電子紙即將進(jìn)入量產(chǎn)，電子紙控制器晶片設(shè)計(jì)也將面臨新的挑戰(zhàn)。以E Ink即將實(shí)現(xiàn)全彩化的作法為例，其作法是將原有的微膠囊結(jié)構(gòu)再加上紅、綠、藍(lán)、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(shè)計(jì)而言，雖然可單純用串聯(lián)複製的方式來滿足全彩控制的需求，但若考量到晶片成本、封裝接腳數(shù)等市場接受度與高速介面、技術(shù)可行與否的重點(diǎn)，控制器晶片供應(yīng)商仍必須在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上創(chuàng)新，以滿足新一代電子紙的需求。
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