電紙及其驅(qū)動(dòng)器控制芯片

電紙及其驅(qū)動(dòng)器控制芯片
E-Paper And Its Driver Controller IC

晶門科技有限公司 高級(jí)技術(shù)推廣工程師  何沛文

1 引言
許多人認(rèn)為，因應(yīng)電腦的普及，信息得以儲(chǔ)存于電子媒介中，從而減少紙張的用量。然而，由于紙張載體的方便和電腦打印的良好品質(zhì)，許多電子信息還是被打印到紙張上，以方便閱讀。紙張用量的增加造成了浪費(fèi)，帶來了樹木的過度砍伐和環(huán)境的惡化。

如果紙張載體可以用電子載體替代，則上面提到的環(huán)境問題就可望得到解決。雖然許多常規(guī)的顯示解決方案，如LCD、OLED和等離子顯示，都能達(dá)到部份紙張的功能，但這些技術(shù)難免會(huì)消耗能量，因?yàn)楦鞣N顯示器必須不斷更新以維持圖像的內(nèi)容。這些平板顯示亦不像紙張一樣柔軟，從而必須放置在平面化的裝置中。人們一直在尋找一種新型的顯示器技術(shù)，它的特性要與紙張一樣，即圖像的保持無需功耗，而且可以卷成不同曲率的曲面，以應(yīng)用于各種不同外形規(guī)格的設(shè)備中。在科學(xué)家的不懈努力下，基于電泳顯示（EPD，Electrophoretic Display）技術(shù)的電紙技術(shù)于1969年問世了。

EPD平板本身無法獨(dú)立運(yùn)作，其圖像的顯示需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)器IC的驅(qū)動(dòng)。作為顯示器集成電路行業(yè)的先驅(qū)和領(lǐng)先廠商，晶門科技已經(jīng)開發(fā)了一種電紙（E－Paper）顯示器驅(qū)動(dòng)IC，將這種創(chuàng)新性的理念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

2電紙顯示機(jī)理

電紙由大量的膠囊構(gòu)成。每個(gè)膠囊盛有彩色的介質(zhì)流體以及大量帶正電的有色顆粒。透明的ITO行電極覆蓋了電紙的上表面，而列電極則埋入底層。列與行電極則分別連接到電紙驅(qū)動(dòng)器IC的分段和共用驅(qū)動(dòng)模塊。

當(dāng)電紙驅(qū)動(dòng)器IC向列電極提供正電壓波形時(shí)，帶正電的顆粒受到所施加的正電場的排斥，移向膠囊的上側(cè)面。白色的顆粒是反光型的，可將環(huán)境光反射，讓讀者看到電紙呈白色。如果電紙驅(qū)動(dòng)器IC向列電極提供負(fù)電壓波形，則帶正電的顆粒受到負(fù)電場的吸引，移向膠囊的底部，此時(shí)電紙的上表面將不再有白色顆粒，讀者便能看到彩色的電介質(zhì)液體。

3 電紙的優(yōu)勢
3.1 具備和紙張一樣的可讀性
電紙是一種不發(fā)光的顯示裝置。白色的顆粒和彩色的電介質(zhì)流體對(duì)環(huán)境照明中不同顏色的光線形成反射，使得讀者可以看到圖像。因此，在可讀性方面它與紙張類似，而且具有很寬的可視角和極高的圖像對(duì)比度。只要環(huán)境光照充足，電紙就無需添加正面或者背面照明來照亮圖像。在弱光和強(qiáng)光條件下，電紙都有良好的顯示品質(zhì)。

3.1 輕、薄電紙的結(jié)構(gòu)非常簡單，它只包括為數(shù)不多的幾層材料。因此，一張輕、薄的電紙的厚度僅有200_m，這兩點(diǎn)對(duì)于電紙?jiān)诒銛y式裝置中的應(yīng)用都是非常重要的影響因素。

3.2 可彎折
電紙用柔軟的塑料制成，這些塑料中包封了微小的顆粒和流體。由于沒有堅(jiān)硬的材料，電紙有高度的柔性，它可以扭曲或彎折成不同的曲面。電紙可以貼附到不同形狀的產(chǎn)品上，沒有必須貼到平面顯示板上的限制。最終產(chǎn)品在形狀和樣式上將能讓人們發(fā)揮更為豐富的想象力。

3.3 低功耗
對(duì)電紙的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行圖像更新后，面板就不需要用任何刷新來保持圖像顯示。即使切斷電紙顯示系統(tǒng)的電源，流體中的顆粒也可以長時(shí)間保持其原位置，直到下一次施加電場為止。這展示出電紙的雙穩(wěn)態(tài)特性。在無電源的情況下，電紙的圖像可以維持幾天。因此，整個(gè)系統(tǒng)的功耗得到降低，從而可以延長便攜式裝置的電池供電壽命，正好應(yīng)用于不需要頻繁更新的電子書這類型的廣品。
照片1，電紙可以柔性地彎折

3.4 制造工藝簡單
制造工藝采用了連續(xù)傳送滾筒（roll－roll）方式，該方式與報(bào)紙的印刷類似，制造中要將電介質(zhì)流體和帶電顆粒注入膠囊層的膠囊中，然后將頂層密封住。制造過程可以高速度運(yùn)行。此外，更可制作大張的電紙，然后隨意切割成需要的尺寸和形狀，以滿足不同的應(yīng)用。.

4 電紙驅(qū)動(dòng)器
電紙需要高性能的驅(qū)動(dòng)器IC，以展示令人印象深刻的圖像品質(zhì)和更長的雙穩(wěn)定性，這樣，即使在電源被切斷以后，圖像也能維持。基本上驅(qū)動(dòng)IC從微控制器接收輸入信號(hào)，然后將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)哪M波形，以驅(qū)動(dòng)電紙。
4.1 電紙的驅(qū)動(dòng)要求
基于EPD技術(shù)的電紙，需要驅(qū)動(dòng)器具有某些特殊的、及要求極高的功能，才能完成驅(qū)動(dòng)功能。為了讓帶電的彩色顆粒從一側(cè)遷移到另一側(cè)，就需要在嵌入到電子書平板兩側(cè)的兩個(gè)電極間形成極高的電勢差。該電壓值約為40V（峰－峰值），這對(duì)于電池驅(qū)動(dòng)的手持式裝置應(yīng)用來說是一個(gè)很高的量值。

圖1 電紙的驅(qū)動(dòng)波形

4.2 電紙驅(qū)動(dòng)器的功能特性
晶門科技提供的電紙驅(qū)動(dòng)器IC，實(shí)現(xiàn)了電紙技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)中。這種驅(qū)動(dòng)器IC是一個(gè)單芯片的解決方案，具有160個(gè)段通道，還有一個(gè)共用通道和一個(gè)背景通道。它可以接收來自微控制器的顯示數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)波形，以實(shí)現(xiàn)電紙圖像顯示。.

輸入的邏輯電源電壓為2.5V到5.5V，到EPD的輸出驅(qū)動(dòng)電壓是15V到40V?？紤]到輸出電壓非常高（特別是相對(duì)于手持設(shè)備而言），驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部集成了一個(gè)DC－DC變換器。只需給驅(qū)動(dòng)器提供單種邏輯電壓，DC－DC變換器即可將很低的邏輯電壓變換為極高的輸出電壓，以驅(qū)動(dòng)EPD面板。為了進(jìn)一步降低電紙顯示器系統(tǒng)的功耗，驅(qū)動(dòng)器還具備節(jié)電模式。只要EPD面板的內(nèi)容無需更新，微控制器就可以命令驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入這一模式，從而將驅(qū)動(dòng)器IC的功耗降至最低。

電紙驅(qū)動(dòng)器IC的EPD驅(qū)動(dòng)輸出波形有單極或者雙極兩種形式，波形可以由用戶設(shè)置。.

該驅(qū)動(dòng)器的另一個(gè)功能特性是包含連接MCU 的SPI接口，該接口使得微控制器可以對(duì)驅(qū)動(dòng)器的特性和功能進(jìn)行配置。該電紙驅(qū)動(dòng)IC帶有一個(gè)雙向的級(jí)聯(lián)接口，以支持更大的EPD面板。
晶門科技提供COF和COG兩種封裝的電紙驅(qū)動(dòng)IC。

4.3 系統(tǒng) 應(yīng)用圖示

圖2  電紙顯示系統(tǒng)原理圖
圖中Positive Charged pigment particle——帶正電的彩色顆粒。Top Transparent ITO Electrode——頂面透明的ITO電極，User View as White in this area——用戶所見的這部分是白色的，User View as blue in this area——用戶所見的這部分是藍(lán)色的。Common line signal——共用線信號(hào)，Segment Line Signal——分段線信號(hào)，Bottom Electrode——底面電極，Segment Output driver——段輸出驅(qū)動(dòng)，COM Output driver——共用輸出驅(qū)動(dòng)，Data Latch——數(shù)據(jù)鎖存器，Switch Register——交換寄存器，Voltage converter——電壓變換器，Electronics paper display driver controller IC——電紙顯示驅(qū)動(dòng)控制器IC。

5 電紙的各項(xiàng)應(yīng)用
電紙的特性與傳統(tǒng)的紙類似，在強(qiáng)和弱的光線條件下都具有很好的可讀性，而且既薄又輕，具有充分的柔韌性。另外，通過電紙驅(qū)動(dòng)IC，顯示的內(nèi)容可隨時(shí)更新。電紙?jiān)谀承╊I(lǐng)域里將是紙張的替代品。以下便是電紙應(yīng)用的最佳實(shí)例。

5.1 電子貨架標(biāo)簽
在大型的百貨商店或超市中，貨架上需要擺放多個(gè)顯示產(chǎn)品價(jià)格的標(biāo)簽、標(biāo)牌。一旦價(jià)格信息有變化，逐個(gè)更換價(jià)格標(biāo)簽就成為一件單調(diào)乏味的工作。如果用電紙來取代紙質(zhì)的標(biāo)簽，只要把電紙價(jià)格牌通過一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)連接在一起，價(jià)格信息就可以得到方便地刷新。電紙價(jià)格標(biāo)簽上的顯示無需電池來維持，價(jià)格信息可以依靠RF波的能量來完成刷新。

照片2　電紙應(yīng)用于貨架標(biāo)簽上

5.2 電子鐘表
電紙技術(shù)可以讓鐘表設(shè)計(jì)變得更富于生動(dòng)的想象。例如，采用電紙的手表可以讓時(shí)間和圖像顯示在表帶上。

5.3 智能卡顯示
如今，很多信用卡內(nèi)帶一個(gè)智能卡，以儲(chǔ)存信息，如累積的存款和開銷金額等。因?yàn)殡娂埦哂泄母偷膬?yōu)點(diǎn)，而且能和卡一同彎折，因此是顯示這類信息的優(yōu)良的解決方案。.

6 小結(jié)
晶門科技的電紙驅(qū)動(dòng)控制器IC將革新性的技術(shù)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，它已經(jīng)改變了顯示器產(chǎn)業(yè)，而且正在給我們的日常生活引入新技術(shù)的產(chǎn)品。這同時(shí)有助于實(shí)現(xiàn)無紙化的世界，保護(hù)我們所在的地球環(huán)境。

照片3　─　電「紙」表及可彎折模塊