探討E Ink電子紙陣營的特性與控制機制

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注，多家研究機構也紛紛發(fā)表樂觀的研究報告，認為在未來3～5年內，全球電子書閱讀器的市場規(guī)模可望成長至二千萬臺左右。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話題不斷的產(chǎn)業(yè)。

隨著電子書閱讀器成為各方關注的明星產(chǎn)品，電子紙顯示技術也頓時成為一門顯學。事實上，電子紙顯示器受限于原材料的限制，一直存在反應速度過慢的問題，并因而使得電子紙顯示的應用范圍受到局限。

事實上，電子紙并非某種特定的顯示技術。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，均可作為電子紙顯示技術。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)、微膠囊化技術等但由于不同流派的顯示原理與驅動方式差異頗大，因此本文將只就微膠囊化技術電子紙中，E Ink陣營的特性與控制機制進行探討，并說明E Ink電子紙控制晶片未來的發(fā)展趨勢。

E Ink電子紙特性概觀

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，白色粒子便會上浮，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驅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制，因此其反應速度無法與市面上已相當普遍的液晶顯示(LCD)技術相提并論。

此外，電泳速度也會隨著環(huán)境溫度而變化，若缺乏適當?shù)臏囟妊a償機制，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(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現(xiàn)動態(tài)畫面顯示。姑且不論對反應速度要求嚴苛的動態(tài)影片顯示，就連即時反應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　反應速度不足將導致手寫輸入的筆畫顯示效果不佳

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閱讀器中，顯示器的控制器晶片與顯示驅動晶片實為兩個獨立的晶片，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器的解決方案。事實上，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(shù)值，以查表方式向系統(tǒng)內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)過后端驅動器的數(shù)位類比轉換器(DAC)與充電泵(Charger Pump)轉換成足以驅動面板的類比高壓波形。目前E Ink電子紙顯示器的驅動電壓典型值為±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

顯示控制技術可改善反應速度不足缺點

然而，若從顯示控制器設計著手，仍有機會改善電子紙材料反應速度偏慢的先天限制。其中，以管線化的方式來進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的電子紙顯示控制器方塊圖。當主機控制器(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)變化的顯示內容依序分割成數(shù)個更新區(qū)域畫面(可多達十六個)，再分別利用數(shù)條管線處理(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作過程。假設在電子紙顯示畫面中，有一個黑色方塊要從A點連續(xù)移動到C點，當A點的畫素開始逐漸由黑轉白，B點由白轉黑的過程中，C點的畫素過了20毫秒后，也會啟動由白轉黑的過程，因此當B點畫素轉變?yōu)槿谥H，事實上，C點的畫素看起來已經(jīng)是灰色的了。 就人類的視覺觀點，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

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從A點轉到B點的控制訊息后，必須先等到電子紙完成此一轉換動作，方可繼續(xù)命令電子紙進行從B點到C點的轉換，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，并對使用者的手寫輸入反應更加靈敏外，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用產(chǎn)品。

事實上，電子紙顯示器的反應速度雖然鮮少被拿來和全彩化、軟性化并列為電子紙技術日后的發(fā)展重點，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中畫(PiP)、透明圖層(Alpha Layer)等與圖形使用者介面設計息息相關的功能，才有其實際應用價值。

隨著結合聲音與動靜態(tài)圖片的多媒體出版品日益流行，電子紙顯示技術也會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(xù)推出新一代解決方案，來協(xié)助電子紙顯示技術與改善材料本身的限制。

全彩化時代即將來臨 控制器負擔加重

隨著全彩化電子紙即將進入量產(chǎn)，電子紙控制器晶片設計也將面臨新的挑戰(zhàn)。以E Ink即將實現(xiàn)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、技術可行與否的重點，控制器晶片供應商仍必須在現(xiàn)有的基礎上創(chuàng)新，以滿足新一代電子紙的需求。