探討E Ink電子紙陣營(yíng)的特性與控制機(jī)制

在亞馬遜網(wǎng)路書店(Amazon.com)的Kindle帶動(dòng)下，電子紙近來受到市場(chǎng)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(chǎng)規(guī)模可望成長(zhǎng)至二千萬臺(tái)左右。而各家供應(yīng)商之間的合縱連橫與并購(gòu)案，更讓電子紙顯示器成為一個(gè)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(shí)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(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(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(shì)。

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(gè)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(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(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(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(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(huì)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(huì)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(duì)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(dòng)態(tài)畫面顯示。姑且不論對(duì)反應(yīng)速度要求嚴(yán)苛的動(dòng)態(tài)影片顯示，就連即時(shí)反應(yīng)出終端使用者對(duì)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(duì)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(dòng)晶片實(shí)為兩個(gè)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(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(hào)產(chǎn)生器，負(fù)責(zé)依照溫度感測(cè)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(shí)序輸出。然后，此一輸出訊號(hào)再經(jīng)過后端驅(qū)動(dòng)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(dòng)面板的類比高壓波形。目前E Ink電子紙顯示器的驅(qū)動(dòng)電壓典型值為±15伏特。電子紙顯示控制訊號(hào)的產(chǎn)生流程如圖2。

圖2　電子紙顯示控制訊號(hào)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(huì)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(gè)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(gè)連續(xù)變化的動(dòng)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(shí)，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(gè)更新區(qū)域畫面(可多達(dá)十六個(gè))，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(duì)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(gè)畫面資訊后，才能處理下一個(gè)顯示區(qū)變化，因此其每一個(gè)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(huì)產(chǎn)生動(dòng)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(gè)區(qū)域更新畫面的控制波形，因此可以呈現(xiàn)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(gè)黑色方塊要從A點(diǎn)連續(xù)移動(dòng)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(huì)啟動(dòng)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(dòng)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(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(dòng)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(gè)畫面的更新時(shí)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(duì)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(duì)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(jià)值。

隨著結(jié)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(yán)苛的反應(yīng)速度考驗(yàn)。此趨勢(shì)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(shí)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(duì)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(hào)，才能控制全彩電子紙。對(duì)顯示控制晶片設(shè)計(jì)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(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(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。