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• 理想的電子紙具有輕薄易攜帶、低耗能、易捲曲等特點，也具備關閉電源後仍能保留影像的特性。
• 目前市面上的電子紙以電泳顯示為主流，帶電染色粒子根據被施加的電場方向與強度，能移動到電泳顯示薄膜上方或是下方並顯示出顏色。
• 除了應用於閱讀器、手機、穿戴式裝置外，電子紙也能用於大賣場的貨架標籤、公車站的即時訊息看板中，兼顧節能與永續目標。

在這個資訊爆炸的時代，人們每天都需要廣泛閱讀書籍、文件、即時訊息，但是傳統的液晶顯示器（liquid crystal display, LCD）其實並不適合長時間閱讀，因此促使了電子紙（electronic paper,ePaper）的發明。

什麼是電子紙？

電子紙究竟是什麼，它能取代傳統的LCD 嗎？理想的電子紙具有輕薄易攜帶、低耗能、易實現捲曲等特點，而這些都是LCD 所欠缺的特質，因此電子紙有望成為下一個世代最重要的顯示器之一。此外，由於電子紙具備關閉電源後仍能保有影像的特性，加上它可以透過反射式不發光的方式純粹以染料顯示影像，具有較為保護人眼的優點，所以舉凡書籍、標籤、海報、布告欄等，都可採用電子紙。過去50 多年間，有各種能達成此目標的電子紙科技被提出，例如：電子粉流體（quick response
liquid powder display）、膽固醇液晶（cholesteric liquid crystal display）等顯示器。但基於影像的顯示品質、電子驅動系統的設計複雜度、量產穩定性等系統整合實務考量，目前仍以電泳顯示器（electrophoretic display, EPD）為主流。現在市面上販售的電子紙產品，基本上大多是以電泳材料為顯示介質，搭配薄膜電晶體（thin-film transistor,TFT）基板形成顯示矩陣式面板。因為電泳材料薄膜本身是軟性的，若能再結合軟性的TFT 基板，就能夠使軟性電子紙達到自由捲曲的目標。

電子紙如何顯色？

EPD 的電子紙材料是由帶電染色粒子懸浮在有色或透明的溶液上所構成，它的基本原理是依據被施加的電場方向及強度，將帶電粒子移動到電泳顯示薄膜的上方或是下方。在穩定狀態（steady state）時電泳顯示無須耗電，並擁有使染色粒子停滯以維持圖像的省電功能。為了讓電泳材料中的粒子能夠平均分布，有兩項主要技術已被開發：微膠囊（microcap）與微杯（microcup），這兩種技術也有各自的特色與對應且適合的應用。

圖一｜微杯黑白電泳式顯示器的內部結構

以黑白的微杯電泳式顯示器為例（圖一），每個微杯中裝入帶正電的白色二氧化鈦（titanium dioxide, TiO2）顆粒及黑色的流體溶液。其中微杯的上方為透明軟性基板、下方為電極，當電極改變時，帶電顆粒便會根據電極的正負而向上或向下移動，使得像素顯示出白色粒子或黑色溶液。接著，再搭配黏滯係數較高的膠體（colloid），使染料粒子在介質中不易移動，便能達到斷電時仍能保持原顯示畫面的特性。

圖二｜微杯彩色電泳顯示器的結構圖 

至於彩色電子紙，則是將微杯內置入含有兩種以上的帶色粒子。以微杯彩色電泳顯示器為例（圖二），在微杯內放入白色（W）、青色（C）、洋紅色（M）、黃色（Y）四種組成粒子，以白色粒子形成上層反光面，當顯示藍色時便將C 和M 推至面板上方，使白色粒子形成反光面，經過C 和M 兩種粒子反射回去的光線成為藍色；而排序為M、Y、W、C，便能顯示出紅色。透過多種有色粒子的堆疊，利用有色粒子間的加色與減色特性，便能反射出不同的顏色。可能顯示的顏色包括：白色、黑色（K）、紅色（R）、綠色（G）、藍色（B）、青色、洋紅色、黃色的帶電粒子。

圖三｜ TFT 主動式矩陣驅動電子紙

以上顯示器搭配TFT 主動式矩陣驅動的電子紙系統架構（圖三），則是將EPD 薄膜貼合在具有可撓性（flexibility）或是剛體的TFT 背板上，背板能夠提供電極所需的電路。由於典型驅動電泳顯示器的電壓為±15 伏特（V），而新一代的多粒子彩色電子紙需要更多不同的電壓，因此彩色電子紙會再透過電源電路（power circuits）來轉換出其他不同的電壓。此外，系統中的快閃記憶體（flash memory）用於儲存驅動波形對照表與影像，當系統開機時對照表與影像會被載入到隨機記憶體（random access memory, RAM）中，並透過顯示控制器（display controller）同時存取對照表與影像產生驅動晶片的控制信號，並將訊號送至驅動晶片（driver chip）顯示出影像。

未來的電子紙

黑白電子紙的技術已經非常成熟，近期的電子紙技術發展可從核心技術面與應用技術面兩種面向說明。電子紙的核心技術發展方向包括以下五項：

1.彩色電子紙軟性化：市售的矩陣式電子紙均須搭配TFT 陣列背板，而成熟的TFT 背板多採用玻璃基板。若能搭配軟性TFT 背板，將可實現軟性電子紙的目標。目前市面上已經有實驗性產品發表，未來仍將持續改進軟性背板的可靠度與電氣特性。

2.彩色電子紙的影像處理系統及對應的晶片設計：多粒子彩色電子紙的驅動方法與色彩表現，完全不同於舊有的彩色電子紙。例如：舊式彩色電子紙的每個像素只能在有限的顏色中選取， 也不容易有多色階表現，因此它在色彩處理的議題也完全不同；新一代多粒子彩色電子紙的影像處理演算法與晶片設計，則仍需要學界與產業一同持續研究。

3.新一代的影片播放晶片設計：當電子紙使用於閱讀文件的情境下，已經可以有很好的使用者經驗，但是現在許多新型態的閱讀材料也搭配影片或動畫，因此電子紙播放影片的功能也日趨重要。過去幾年，搭配即時的視訊處理技術，黑白電子紙已經可以帶給使用者很不錯的影片播放經驗。但由於下一世代的彩色電子紙的顯示原理不同，影像更新、色彩轉換、驅動方法也都不一樣，因此仍須持續改進它的計算效能。

4. 彩色電子紙的前光控制演算法設計：為了進一步增加彩色電子紙的色彩表現，新一代的彩色電子紙面板已經加入紅、綠、藍、白四色前光燈源來輔助。然而前光對面板色彩的影響是全面性的，針對輸入畫面選擇前光模組中四種顏色的電流比例，並且讓面板像素對於前光的選擇能有一定程度的調整，最終才能夠改善畫面整體的色彩表現。這個議題雖與LCD 的背光控制有雷同之處，但對於下個世代多粒子彩色電子紙搭配不同顏色的前光所延伸的議題仍待討論，同時還需要開發即時色彩處理晶片的技術。

5. 下世代電子紙驅動晶片設計：在多粒子的彩色電子紙驅動波型中，每個輸出級需要多個可能的輸出電壓，這將導致每一個在驅動晶片的輸出級電路都須搭配多電壓選擇器。然而可選的電壓愈多，晶片的複雜度就會愈高，因此適用於下一代多粒子彩色電子紙的驅動系統與對應的晶片仍有待持續開發。

（123RF）

應用技術發展方向則可包括下面三項技術： 

1. 彩色電子紙的人機介面控制晶片設計：一般使用者在閱讀紙本文件時，也常在文件上使用筆來加註閱讀心得與重點，因此電子紙目前也已開發出適用於黑白電子紙的手寫預測演算法。經由改進演算法架構，使人機介面控制晶片能套用於下世代的彩色電子紙系統，之後也能再修正機率統計模型，精準預測出未來筆跡可能出現的位置，並讓電子紙面板預先進行驅動，進一步降低手寫延遲的情況，並開發加速設計晶片。

2. 搭配近場通訊的無電源式電子紙：近場通訊（near field communication, NFC）能允許電子設備之間執行非接觸式點對點資料傳輸，並進行短距離高頻的無線通訊。它的運作原理是利用感應器發射無線電波，觸動一定範圍內的感應線圈，再藉由電磁感應產生電流，供應晶片運作並發出電磁波回應感應器。若以驅動能量來源區別，又可以分為主動式及被動式兩種⸺主動式的電子紙系統內置有電池，可以主動傳送訊號供感應器讀取；被動式本身則沒有電池的裝置，所需電流全靠感應器的無線電波電磁感應產生，所以只有在接收到感應器發出的訊號才會被動的回應感應器。整合本技術與利用電子紙改變顯示內容時需要電源的基本特性，便可發展無電源式電子紙系統。 

3. 新型態的電子紙應用：除了應用於閱讀器、手機、其他穿戴式裝置之外，電子紙也已經大量應用於大賣場中的貨架標籤中。這些貨價標籤所顯示的即時訊息與價格可以透過無線通訊的技術，達到即時更新的目標、減低人力需求負擔。另一方面，電子紙非常適合應用於公車站的即時訊息看板中，尤其在許多偏遠地區布設電線的工程十分不易，若能藉由電子紙極度省電的特性，再搭配太陽能儲電系統與無線通訊系統，就可以直接安裝、直接使用。此外，電子紙早已成功應用於行李箱的登機條碼、信用卡的即時密碼等應用。未來可將應用層面再次擴展於各類廣告招牌，使得顯示於招牌的內容更加多元豐富也不至於浪費能源。甚至還可以結合人工智慧（artificial intelligence, AI）系統，將電子紙應用於智慧家庭與智慧城市等領域，讓即時訊息的顯示可以無所不在，更兼顧節能目標。

用電子紙達成永續的目標

電子紙的發明並非完全取代現有的顯示器，它的基本目標是提供人類享受閱讀的載具，用於取代印表機與紙張。若大家漸漸將閱讀習慣從紙本改至電子紙，我們將有機會營造一個無紙化的世界，達到節能減碳永續地球的目標。

近年來，電子紙彩色化技術已日漸成熟，其他全新的應用也陸續浮出檯面，我們將有機會逐漸淘汰那些高耗能的顯示設備，並提供更豐富、更無所不在的資訊顯示方式。而全世界電子紙的產業龍頭元太科技（Eink）是由臺灣主導的跨國企業，電子紙所需的晶片與軟硬體設計也是臺灣的強項，可以預期臺灣將持續引領全世界電子紙科技發展，為永續地球盡一分心力。

（123RF）