電子紙技術簡介

第一章 緒論

此章節裏將介紹電子紙的發展與技術簡介，並且提出本文的研究目的與方法。

本章目錄：

1.1 前言

1.2 電子紙技術簡介 1.3 研究目的

1.5 顯色特性化方法 1.6 論文架構

1.1 前言

電子紙(E-paper)為一具有雙穩態(Bi-stable)之反射式顯示器，由於使用性質與傳統 紙張應用有許多重疊，因而得名。此種低耗能之顯示器，對於資訊傳遞的便利性以及 製造成本上極具一定程度的優勢，有機會滲透部分紙張印刷以及穿透式顯示器市場。

舉凡一般書籍、海報、標籤等，皆屬於電子紙應用範疇，因此電子紙成為近年來最熱 門的新型顯示器技術之一。除此之外，隨著高階主動式電子紙全彩化技術的不斷發 展，電子紙所呈現的影像品質逐漸成為一項重要的研究議題。如何建立一套精準地描述 電子紙顯色與混色機制之物理模型，進而發展出屬於電子紙之特性模型與色彩重現技 術即為各家廠商所不斷努力的方向。由於電子紙兼具一般顯示器可複寫資訊(soft copy) 與傳統紙張(hard copy)的外貌特徵，如何扮演正確傳達圖文資訊的媒體，為電子紙是否 能在市場上占有一席之地的關鍵課題之一。

1.2 電子紙技術簡介

目前電子紙包含多種反射型顯示技術，按結構和顯示原理大致可分為下述三大類 型：

(1) 液晶顯示(Liquid Crystal Display)，包含膽固醇液晶、光寫入型液晶、高分子

2 分散型液晶等。

(2) 有機電激發光(Electro-Luminance)顯示，包含小分子有機 EL 型、彩色撓性大 分子有機 EL 型。

(3) 以 真 正 電 子 紙 為 目 標 的 類 紙 型 (paper-like) 電 子 紙 ， 包 含 微 膠 囊 電 泳 式 (Electrophoresis)、微杯電泳式、旋轉微球式、熱覆寫式、電子粉流體式等技術。

下圖為目前各種軟性顯示器上的顯示介質與機制，其中包含現有各技術之反射率與對 比度特性[1]。

（資料來源：菲利浦）

真正電子紙為目標的類紙型(paper-like)電子紙代表需具有雙穩態特性，即除了在 更換影像資訊外，不需再持續充電即可維持該畫面至下次信號更新，具有低耗電量，

方便應用於攜帶型產品。本文也將以具有雙穩態特性的微杯電泳式電子紙作為研究的 對象。目前電泳技術主要分為微膠囊(Microcapsule)電泳與微杯(Microcup)電泳兩種主

[圖 1-1] 各種軟性顯示器顯示介質與機制

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流，前者俗稱電子墨水(Electronic Ink, E-Ink)，以 E-Ink 為主要研發公司，後者以 SiPix 為主要研發公司。電泳動基本顯示原理主要是以外加電場驅動懸浮在溶液(fluid)中的 帶電粒子(一般以 TiO2為主)，利用粒子存在位置或角度的改變，來組合粒子、溶液、

背東之間的亮度對比，進而呈現單色或全彩影像[2-5]。

E-ink 發展的微膠囊電泳技術，在兩片透明的玻璃或塑膠基東中間，灌入包覆帶 有極性的黑、白帶電粒子之微膠囊，並且膠囊和個別像素不需完全對位。當施加外加 電位於上下兩片基東時，會形成電場以驅動不同極性的微帶電粒子，膠囊中以電泳 (electrophoresis, EP)的機制，達成新的粒子分佈狀態，以調節各別畫素之反射率，最後 形成畫面，如圖 1-2 所示。和 TFT-LCD 相比，它少了背光模組、彩色濾光片和偏光片 等元件，所以重量與生產成本可大幅降低。相對於 E-ink 利用微膠囊將流動的微粒子 包覆，SiPix 則是將微杯製作在可撓性塑膠基東上。該基東包括一個 80-150μm²尺寸的 氧化銦錫(ITO)透明導電膜，隨後微杯被密封並層壓在一個佈滿電極的顯示器驅動背東 上。微杯製造採用一種捲軸式壓印製程，首先利用透明導電膜，然後是專用樹脂，對 連續 PET 塑料薄片進行塗佈。微壓印機在樹脂上鑄出微杯，這些微杯被染料填滿、密 封，再黏接到背東上，如圖 1-3 所示。與微膠囊不同之處，在於微杯型電子紙利用電 壓調整白色微粒子於微杯中的分布位置，改變染料的光學密度，進而達到灰階的控 制。

[圖 1-2] 微膠囊電泳式電子紙結構與顯色模型

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[圖 1-3] 微杯電泳式電子紙結構與顯色模型

現階段市面的電子紙依然以黑白或單色為主，除了 Fuijitsu 的電子書和 Magink 的膽固 醇液晶，未來達到全彩化的方法基本上可分成三種：

1. 利用彩色濾光波加在黑白電子紙上，在製程上最容易達成，但反射率會較低。

2. 利用空間排列的子畫素形成全彩，如 SiPix 在各個微杯中填入不同顏色的溶液或微粒 子，使得光進入微杯後，反射不同的顏色形成全彩的畫面。

3. 利用不同顏色層的堆疊選擇性吸收光的波段，形成全彩畫面，如菲利浦控制 CMYK 四原色層堆疊。

下表為此三種全彩化方法的比較：

[表 1-1]全彩化電子紙方法比較表

(資料來源:DISPLAYSERCH) 1.3 研究目的

本文研究目的為電子紙顯色特性化。顯色媒介的色彩管理中，主要可分成三個重 點：顯色特性化、色彩重現和人因實驗。首先顯色特性化的目的在於定義「媒介色彩 空間(或設備從屬色彩空間)與 CIE 色度資料(非設備從屬色彩空間)之間的轉換關係」，

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如圖 1-4 所示，亦即「建立此媒介與其他設備之間具有相同或共通色彩語言的溝通方 式」；色彩重現是指依據配色原理，對被攝物體或彩色原稿等的原物製作複製影像，

主要分成頻譜配色和條件配色，通常以條件配色為主，若為不同的顯色媒介則需選擇 適當的色域對映方法，以及觀色環境的差異；人因實驗的目的在於研究色彩的物理刺 激值與感知之間的關係，即如何將人眼視覺的感知轉化成量化的數值。由於目前全彩 化電子紙的技術還在研發中，所以本文研究著重於顯色特性化，並且在各家電子紙技 術當中，以微杯電泳式(Electrophoretic)電子紙為例，介紹如何從物理顯色機制開始，

發展出屬於電泳式微杯電子紙的顯色特性化(characterization)。

[圖 1-4] 各媒介之間具有相同或共通色彩語言的溝通方式

1.4 預期困難

電子紙是一項嶄新的顯示科技，包含過去 softcopy 和 hardcopy 的優點，如以電子 式讀取、重覆改寫、方便閱讀和方便攜帶等等，但不同於 softcopy 的光源來自於背光 或是自發光，乃是和 hardcopy 一樣由外界光源照明，而顯色機制則皆不同於兩者。雖 然 softcopy 和 hardcopy 在色彩工程已經發展的相當成熟，但我們無法直接套用他們己 臻至完備的顯色特性化模型於電子紙，而必頇根據電子紙的顯色機制，發展出適合的

6 顯色特性化模型。

1.5 顯色特性化方法

將電子紙色彩特性化的方法有許多種類，但最終的目的仍需保有下列幾項特點：

「色彩之正確性」、「視覺可接受性」、「計算容易」、「測量次數的減少」及「可逆的解 析解」等要素[6]。大體上，顯色特性化可歸納為三種方式，包含物理模式(Physical model)、數值模式(Numerical model)、及對照表模式(Look-Up table)。

物理模式：利用成像設備的色彩物理特性，將色彩轉換至所需的色彩屬性。例如 混合加法模型、混合減法模型(Beer-Bouguer 定律、Kubelka-Munk 理論)等。皆是利用 元件顯色之物理特性找出其相互關係之理論定律。

數值模式：利用少數測試樣本的測量資料並利用多項式迴歸數學模式，導出設備 色彩之轉換相關係數。原則上，利用多項式求出之方程式階數愈高，色彩的轉換預測 結果愈準確，但計算時間相對較長。

對照表模式：對照表模式的作法是利用已知前面二種模式任一種方式得到「轉換 前」與「轉換後」的色彩資訊，建立像素間數位訊號與色度資訊之間直接的轉換對照 關係。本文將針對電子紙的色彩特性，結合上述三種模式建立適用於電子紙的色彩模 型。

1.6 論文架構

本論文的目的在於根據電子紙的顯色機制，建立其色彩模型。在第一章中，首先 介紹電子紙的重要性和各家簡略的技術比較，接著深入介紹微杯電泳式的顯色機制，

並且說明本文的研究目的和特性化建立的方法；第二章則介紹基本的色度學計算和色 差，並以 CIEDE2000 作為色差討論的重點，目的在於驗證本文顯色模型的準確性；第

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三章以顯色特性化理論作為本文的理論核心，分別介紹加法混色和減法混色的顯色特 性化，以及兩種特性化的演算方法；第四章針對單色微杯電子紙的顯示機制，建立其 顯色模型；第五章為建立顯色特性化的實驗，並以 CIEDE2000 作為模型準確度的評估 指標；第六章為結論。

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第二章 色度學計算與色差

本章節中將概述色度學原理中，色彩的定量化描述和計算，主要針對國際照明委員 會(CIE)所制定的標準進行介紹。第二部份以 CIEDE2000 作為色度值差量的指標，常用 於色彩複制時，評估目標色票和標準色票的色差

本章目錄：

2.1 色度學計算 2.2 色差

2.1 色度學計算

色度學的目的為量化人眼所感知的色彩，此目的將延伸出三個主要的概念：

1. 每一種顏色有唯一的色度座標，亦即不同的色度座標將呈現不同的色外貌。

2. 色度值描述於色彩座標系統裡，各維度之間互相獨立，並且跟人眼所感知的色彩 有一定的關聯，如 Lab 系統表達亮度、紅綠軸和黃藍軸。

3. 色度值的差量應正相關於人眼所感知的差量。

CIE 制定的標準色度系統便以這些概念作為基礎。首先 CIE 1931 定義出新的原色刺 激 XYZ 和配色函數，如圖 2-1 所示，它是基於 2°度角的配色實驗，可由 RGB 色度系統 的配色函數經由一次線性轉換求得，並且皆為正值以利於計算方便。

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其中S( ) 為照明光源光譜的能量分布，可以是量測結果，也可以是一組數據，R( ) 為 物體反射的能量分布(若考慮透射物體則換成穿透頻譜 T(λ))， x 、y和 z 為人眼視覺系 統的配色函數。u 跟 l 為波長範圍的上下限，在 CIE Publication 15.2 中規定全波長範 圍為 360-830nm，並以 1nm 為間隔，可見光範圍為 380-780nm，而實際應用中，將波 長範圍 380-760nm 並以 5nm 為間隔的數值，再進行內插計算，便有足夠的準確性，在 人所感知到的明度(lightness)，通常把 Y 定義為物體的亮度(luminous)。

明，如白熾燈(A)、日光(D65)、螢光燈(F2)等等，最常使用的 D65 和 D50，前者應用

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CIE 發展出各種均勻色彩空間(Uniform Color Space UCS)，如 CIE 1964 U*V*W*、CIE 1976 L*u*v*和 CIE 1976 L*a*b*。CIELUV 主要用於顯示器和照明，CIELAB 則用於 表面色工業(Surface color industries)，定義分別如下：

* 116( / )1/ 3 16

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其中 a*和 b*分別代表紅綠軸和黃藍軸，並且垂直(orthogonal)於 L*，當 a*=b*=0 時，

其中 a*和 b*分別代表紅綠軸和黃藍軸，並且垂直(orthogonal)於 L*，當 a*=b*=0 時，