终极环保显示器——电子纸

    1. 前言

本文要介绍的是可称作终极环保显示器的“电子纸”。将以其中率先实现实用化的电泳显示（EPD：ElectroPhoretic Display）方式为中心，介绍形状可灵活改变的柔性电子纸的开发和实用化现状以及展望等。

旨在取代纸的电子纸因其用途多样性，需要轻量、柔性、掉落后不会摔坏的坚固性等性能。本文将介绍具备这些性能的电子纸的特点，以及电子纸对于“绿色工艺”的支持情况。

2. 电子纸的特点和对绿色工艺的支持

2.1 电子纸的特点

电子纸是通过电气方式改变像素状态，使显示内容可擦写的显示器件。率先实现实用化的电子纸是美国E Ink公司（现在是台湾E Ink Holding旗下公司）开发的微胶囊型EPD。其原理和构造如图1所示。在装满透明流体的微型胶囊内加入白色颜料和黑色颜料的颗粒，通过电场的变化和静电的作用使这些颗粒移动，从而使显示器显示面的像素颜色在黑白之间变化。



图1：微胶囊型电泳方式的显示原理
此外，还有In-plane型EPD、普利司通推出的电子粉流体方式（现在已经退出）等其他几种方式。由于是不使用背照灯的反射型等原因，这种显示器件仅在像素单位的状态发生变化（擦写）时才会在一定程度上消耗较大电力。维持画面显示状态几乎或完全不消耗电力。

如果是完全不消耗电力的类型，擦写一次后，只要不再擦写，电子纸就会永远保留显示内容。与号称是“自发光元件，耗电量低”，但依然会消耗相应电力的有机EL（OLED），以及作为遮光快门工作的液晶等普通的显示器件不同，电子纸无需以一定的周期反复对画面整体进行擦写，耗电量非常低。这就是可以称之为终极环保显示器的理由。

目前，在展示货架等安装的商品介绍标签方面，一些超市等采用组合了小型液晶显示器和MCU的器件。不过，这种液晶显示器即使是没有背照灯的反射型，也会消耗一定电力，显示部分需要定期更换电池等维护作业。另外，还需要保持显示器上显示的内容。如果换成EPD，就可以完全或者基本省去更换电池的麻烦。而且，向显示器输入显示内容的计算机也无需始终运行。


2.2 对绿色工艺的支持情况



接下来看一下电子纸对节能型及环保型制造技术，也就是“绿色工艺”的支持情况。

在多种类型的柔性显示器中，电子纸对于TFT特性和阻气性的要求最低。因此，可以说实用化门槛是最低的。而且，电子纸的前板已经开始利用卷对卷（R2R）方式生产。但背板还存在问题。前板与背板的贴合方面，枚叶方式已经实现实用化。

3. 利用绿色工艺的电子纸的开发和实用化

3.1 凸版印刷的举措

（1）有机薄膜晶体管驱动EPD

在日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的项目中，凸版印刷公司确立了利用印刷电子技术实现柔性器件的印刷工艺技术，由此实现了薄型、轻量而且可以弯曲的柔性电子纸。这种柔性电子纸中，用来驱动EPD的柔性TFT，是采用环保性较高的印刷技术在塑料基板上形成有机薄膜晶体管（OTFT）阵列而实现的。

利用印刷工艺在塑料基板上形成TFT时，对于电极材料、绝缘材料和有机半导体材料等不同的材料，要分别使用适合的印刷方法。另外，高精度对准多个层之间的位置也非常重要。

柔性TFT制造技术的重点如下。

·可形成高精细电极的转印印刷工艺技术
　（实现高分辨率、直线性和平坦性）
·线/间隔（L/S）=1μm/1μm的高精细银布线（图2）
·可形成有机半导体层的柔版印刷工艺技术
·印刷TFT阵列制造技术
　（提高TFT元件的迁移率，降低偏差）



图2：高精细银布线图案（摄影：NEDO）
今后将进一步推进印刷电子技术的研究，运用柔性电子纸薄型、轻量、不易破损的优势和曲面显示特性，在物流、制造、数字标牌和IC卡等多个领域开发新产品。


（2）利用柔性电子纸试制货架标签


凸版印刷公司利用彩色滤光片技术，实现了柔性电子纸的部分彩色化，并利用这种柔性电子纸，试制了图3中的“横条型电子货架标签（ESL：Electronic Shelf Label）”。



图3：横条型电子货架标签（摄影：凸版印刷）
这种轨条型电子货架标签可以将货架前表面的整体作为显示区域，因此，与纸制货架标签和独立的电子货架标签相比显示面积更大，可提高配置及表现自由度。这样一来，不仅能发挥电子货架标签的优势——可统一更改销售信息等，还能向客户显示促销信息、向工作人员显示商品陈列指示信息等，可用于多种用途。另外，通过实现部分彩色化，还可以重点显示促销信息和商品介绍等，增强醒目效果，或者提醒工作人员注意，减少失误。

凸版印刷的“横条型电子货架标签”的主要性能参数如下。
·显示元件：EPD方式的电子纸（E Ink Holdings生产）
·显示驱动基板：柔性TFT电路板
·外形尺寸：约900mm（宽）×约30mm（高）
·显示部形状：凸型弯曲显示（曲率半径为50mm）
·部分彩色：绿线（上端），红线（下端）

凸版印刷公司计划今后继续改良这种横条型电子货架标签，在2017年度实现实用化。

2.2 Plastic Logic的弯曲电子纸

英国Plastic Logic公司开发并制造了表1中多种画面尺寸的柔性塑料显示器。这些显示器在阳光下也比较容易阅读，实现了超轻量、超薄型而且极结实的特性，电池消耗也非常慢。这是融合Plastic Logic的有机薄膜晶体管（OTFT）技术和E Ink Holdings的EPD技术获得的成果。另外，该产品还具备5年以上的产品寿命、1000万页以上的更新及非常高的灵活性等传统显示器所没有的优点。具体特点如下。

·基于有机TFT（OTFT）的有源矩阵驱动
·采用双稳态EPD技术
·超低功耗（无需持续循环刷新）
·高弯曲性
·超广视角
·备有1英寸至15英寸的大范围画面尺寸的产品线
·低至200μm的超薄型化（可选）
·最大16色阶的灰阶显示
·实现薄型、轻量、结实的产品设计

制造方式目前采用片式，R2R方式尚未实现。



表1：Plastic Logic的不同画面尺寸的柔性显示器一览（作者根据Plastic Logic的资料制作） （点击放大）

2.3 Polyera的柔性智能手表

开发柔性器件的美国Polyera公司经过10年的研发，终于推出了可灵活变形的智能手表“Wove Band”（图4）。该产品配备能随意弯曲的触摸屏，可以缠绕在手腕上，也可以摊平使用，最大特点是使用灵活。该公司在全球率先实现了这种智能手表的商品化。



图4：智能手表“Wave Band”（摄影：Polyera）
Wove Band的显示屏采用的是以有机薄膜晶体管（OTFT）驱动的柔性电子纸。通过利用柔性TFT，与玻璃基板上的TFT相比，削减了产品整体的重量和厚度。电子纸采用EPD方式。

前面已经提到过，具备双稳态性的EPD显示静止图像时不消耗电力。因此，Wove Band的耗电量比其他画面尺寸更小的智能手表还要低。如果消耗相同的耗电量，则可以安装更大尺寸的显示屏。

那么，为何弯曲不会破坏其内部构造呢？秘密在于Wove Band的显示元件。该产品采用前板和背板双层构造，前板用来显示图像，背板利用TFT，控制前板显示的像素的开关切换。通过这样的双层构造，实现了可以弯曲的柔性显示屏，而且不会影响内部构造。这种划时代的显示器将大大改变我们目前对配饰的概念。

2.4 Visionect的显示可变型交通标志

澳大利亚悉尼市已开始利用基于EPD式电子纸（E Ink Holdings生产）的可切换显示的道路交通标志牌。这种标志牌由斯洛文尼亚的Visionect公司开发，可利用3G通信线路自由变更显示内容。不过，由于电子纸的响应时间较慢，因此不适合显示视频。

长时间显示相同内容的用途是电子纸最擅长的领域。因此，有些场所设定了某些时段禁止停车和禁止进入的区间，用于这些场所的交通标志牌应该可以说是电子纸最合适的用途。Visionect在悉尼市导入的EPD标志牌通过3G线路接收显示内容。还可以根据设定，在不同时段切换显示内容。电力利用标志牌背面设置的太阳能电池板提供，无需接入外部电源。因此，即使突然停电也能正常运行。

由于电子纸是不会自行发光的反射型显示器，在没有阳光的夜间无法看到内容。因此，这种标志牌采用了存储太阳能电池板的电力，在夜间点亮前灯的机制。

4. 结束语

以上介绍了可称作终极环保显示器的“柔性电子纸”的现状和展望。这种显示器具备液晶屏和有机EL屏所没有的存储性（双稳态性），另外，由于采用无需偏光板的构造，因此可实现明亮的反射型产品。而且，有机半导体TFT驱动已经实现实用化。估计柔性电子纸的生产采用卷对卷方式也指日可待。（特约撰稿人：鹈饲育弘，Ukai Display Device Institute代表）