[从实验到生产线：审视ＢｉＮｅｍ电子纸生产] 电子纸

　　摘要：随着电子纸产品在市场上暂露头角，确定一下这些相关技术怎样以各自不同的的方式从发展阶段进入大规模生产的路线图是很有趣的。本文研究探讨BiNem液晶电子纸显示怎样使用现有的LCD生产线。
　　关键词：电子纸；电泳技术；双稳态液晶
　　中图分类号：TN141.9 文献标识码：B
　　
　　From Lab to Fab: A Look at BiNem E-Paper Manufacturing
　　Jacques Angelé
　　（Nemoptic，Hameaux, France）
　　Abstract: As e-paper products begin to emerge into the marketplace, it is interesting to examine the roadmap of how these technologies work their way from the development stage into mass manufacturing. Here is a case study that examines how BiNem e-paper displays make use of the existing LCD ecosystem and production lines.
　　Keywords:E-paper; electrophoretic technology; bistable liquid crystal
　　
　　过去10年，一项引人入胜的研发成果――电子纸显示器（electronic-paper displays ,EPD）持续受到公众的关注并引发广泛的商业兴趣。这项成果始于1970年代由Nick Sheridon在施乐公司的Palo Alto研究中心所进行的开创性工作。到了1990年代，Joseph Jacobson发明了最初的电泳技术（Nick Sheridon和Joseph Jacobson后来共同创办了E Ink Corp公司）。电子纸显示器在相同的照明条件下能获得与印刷纸同样舒适的阅读体验，装备电子纸显示的器件由于零功耗特性（图像更新时）可以延长电池的寿命。从2006年以来包括Amazon"s Kindle在内的十多种电子纸模式的EPD已经发布。
　　在不同的技术或者工艺发展阶段，电子纸显示技术运用了许多令人惊奇的不同的物理学原理[1]：电泳（带电有色粒子的移动）、双稳态液晶（利用向列相或者胆甾相液晶）、微机电系统（MEMS）、电致变色和铁电液晶等等。因为印刷纸的低成本和应用的多样性，许多人认为大规模推广电子纸器件还有很长的路要走。但是，这些技术正迅速趋于成熟，市场的增长和发展规模前景看好推动着这项技术持续向前发展。索尼、Amazon这些大厂商已经进入这个领域。对于内容提供商以及终端设备制造商来说，和其他想要抓住良机并创造新型的经济模式的人一样，这可能是从这个非凡的创新中获得经济价值的合适的时机。
　　本文将描述一种电子纸技术的路线图，揭示BiNem液晶显示怎样从概念发展到样机并形成产品（图1）。
　　
　　图1HVGA BiNem液晶开发工具包提供了一个快捷方便的方式供客户评估双稳态液晶显示器的新应用
　　
　　BiNem是双稳态向列液晶的缩写，它是一种使用液晶的电子纸技术，由CNRS（法国国家科学研究中心）的研究人员发明。1999年， Nemoptic公司启动，以发展BiNem技术并为商业开发进行准备。BiNem技术旨在兼容现有的液晶显示器生产线、生态链以及供应链以获得和其他电子纸显示技术相比低得多的成本优势。BiNem 显示技术已经在提高经济规模方面有了实质性的进展。
　　
　　BiNem显示器的结构
　　
　　BiNem显示器具有与扭曲向列液晶显示器（TN）及超扭曲向列液晶显示器（STN）相当类似的简单的结构。它们都是填充了向列相液晶混合物的三明治结构；主要的不同在于BiNem显示器具有更薄的器件厚度（～1.5μm）和BiNem对齐层，以及具有特殊锚固性质的BiNem液晶混合物的运用。器件有两个偏振片，顶部偏振片是透视型的，底部偏振片是反射型的。BiNem显示利用两种稳定的晶体结构来呈现黑和白，它们分别有标准反射形态。
　　顶部和底部衬底上涂敷不同的线路层并且沿同方向排列。一个衬底上涂BiNem对齐层，另一个衬底上涂传统的聚酰亚胺。BiNem层利用中等强度的顶点能（zenithal energy）提供近平面固定，而聚酰亚胺层利用顶点能（zenithal energy）提供倾斜固定。两种固定能保持一定的强度用来维持对齐层的液晶取向。
　　
　　工作原理
　　
　　无源矩阵型BiNem显示可以实现很高的分辨率（A4纸大小的区域内超过1,200线），因为Alt and Pleshko定律[2]对于它们不适用。Alt and Pleshko定律设定了一个分辨率极限，响应运用电压均方根的多重显示。例如，它限制了超扭曲向列显示器的最大分辨率――图像阵列（VGA）。BiNem不受Alt and Pleshko定律的限制，因为这个定律只对RMS响应显示技术有效。一个简单的例子就可以说明BiNem显示的非RMS响应：一个方形驱动脉冲立即被一个逐渐的上升沿开关像素加到显示白的状态（由于适当的电压和时间），而一个下降沿开关像素跟在同样的脉冲后面使它处于显示黑的状态。这两个驱动波形有同样的RMS电压，但是驱动显示不同光状态。
　　BiNem显示中有两种稳定的准平面液晶纹理：0°扭曲纹理U（一致的）和180°扭曲纹理T。标准反射结构中U纹理显示黑，T纹理显示白（图2）。T纹理作为具有小的旋光能力的媒介，导致光的偏振面有个小角度的旋转，而U纹理作为简单的半波板。液晶混合物掺杂了手性分子用来平衡U和T的能量，使器件单元宽度增加4倍。这个补偿单元达到了无限的双稳定性，使得在没有外部场和缺陷的作用下通过连续的体变形从U变到T成为可能。U纹理和T纹理是"拓扑独特的"――它们不能改变对方变成相反的纹理，通过这个单元内部的液晶指示器的连续调整（对于纸和剪刀，你可以剪开纹理利用不同的方式重新连接它变成相反的纹理）；显示的信息将保持很长的时间，因为纹理不会自发地转变。
　　
　　图2BiNem液晶器件结构。没有电场情况下的两种稳定本体液晶纹理U（黑），T（白）
　　
　　在BiNem对齐层里面两种纹理的转变通过破坏液晶锚定来获得。如果像素驱动电压是阶梯波形，将产生黑状态U纹理。如果像素驱动电压是单独方形脉冲，器件单元将经过瞬间弯曲态迅速转换成白状态T纹理。纹理选择机制依赖于由电压决定的液晶逆流。图3说明了纹理转换机制。
　　
　　图3BiNem液晶显示中的纹理转换。左图，一个小的或者中等的电压降驱动像素中的黑色U纹理。右图，一个大而快的电压降驱动像素中白色T纹理
　　
　　性能
　　
　　典型的BiNem液晶显示器在白平衡模式正常入射有33%的反射率，在最近开发的高效模式中反射率高达40%。正常入射时对比度大于10，极性角扩大到50°时候对比度大于4，在这个角度像纸一样白，没有颜色偏移。典型的BiNem液晶显示器性能参数见表1 。通过BiNem液晶实现几乎无色差的白色状态如图4 。
　　
　　
　　图4（a）测量BiNem液晶显示漫反射时的反射等高线(正常情况的漫反射是35%);(b）实
　　验测量大面积BiNem液晶显示白色状态色度图（CIE 1976），它位于图中理想白色点位置
　　
　　BiNem液晶显示的灰度和色度
　　
　　BiNem液晶显示有灰度级显示能力。Nemoptic制定了一种叫"窗帘效应"的方法来显示双稳态灰度。这种方法在每个像素都实现了多达32的稳定灰度级。当人眼正常观察时灰度级和人眼是一致的，但重要的是他们是由微观的白色和黑色区域组成的。这种方法类似于传统印刷纸张过程中喷墨和胶印技术实现灰度级的方法。它涉及到像素内部液晶流的控制。当驱动电压关闭，液晶流就产生了。速度高于阈值的部分液晶流产生白色T纹理，其他部分产生黑色U纹理。用合适的驱动电压能够连续调整像素内T纹理和U纹理两种区域的空间延展。而眼睛感知空间灰度级与不间断的纹理填充率有关。
　　彩色BiNem液晶显示建立在彩色填充基质上。彩色BiNem液晶显示由能显示多种不同颜色的"窗帘效应"灰度级驱动（已经证实能显示多达32,768种不同颜色）。RGBW结构（每个像素由红绿蓝白点组成）已经在最近推出的大量常规显示和电子纸显示技术中用于改善彩色显示效果[3]。这种四色微像素结构已经运用于BiNem液晶显示模块中以提高亮度，同时可以保持反射模式中良好的对比度和色纯度。最近已经开发出了5.1in， 400×300像素的BiNem彩色显示器，其分辨率为100ppi（图5）。它已经实现了白状态下20%的反射率，并且弥漫照射下的对比度能超过10∶1。而优化亮度和色彩饱和度的工作正在进行中。
　　
　　图55.1in像素为400×300彩色BiNem液晶显示，分辨率为100ppi，对比度大于10∶1，反射率约为20%
　　
　　与柔性衬底的兼容性
　　
　　柔性电子纸显示器满足了对高信息容量、大尺寸显示的更薄显示器的需求。柔性显示器在柔和的机械应力下发生弯曲而不会损坏，而且携带方便。基于聚醚砜（PES）衬底上加阻挡层的柔性BiNem液晶显示样品在实验室中已经表现出满意的效果[4]。由于柔性BiNem液晶显示具有简单的无源矩阵结构，它不会遭受来自其他运用有机或者硅薄膜晶体管柔性衬底的电子纸技术引起的在技术或者经济方面的妨碍。
　　
　　BiNem液晶显示器的运用
　　
　　电子货架标签（ESL）、购物点和宣传屏是BiNem液晶显示器的主要运用领域。图形化电子货架标签是市场中增长很快的一个部分，因为包含名称、产地、条形码等大量产品相关信息的器件需要运用点阵设计技术。这种条形码能够被光学读码机和有摄像能力的手机读取。BiNem液晶电子货架标签显示的条形码标签是为了超市和商店中价格管理和产品物流管理的自动化。BiNem液晶显示器的对比度无论分辨率多少都保持很大，而亮度则由于视角的关系而相对恒定。
　　显示器尺寸从低于3～10in 到HVGA或者是高分辨率大尺寸显示器都有。这些显示器的应用中，每天成本都是个挑战，价格优惠作为额外的手段必须谨慎地对待。而BiNem液晶电子纸技术则可以使用现有的液晶显示器制造工厂从而避免以上问题。
　　电子报纸和电子书市场是高增长、高潜力的市场。大尺寸、高分辨率的BiNem液晶显示技术能够提供简单易读高信息量的器件。另外，简单无源矩阵结构可以大量减少BiNem液晶模块个性化服务所需的成本，这些个性化服务包括专门的尺寸和特殊运用所需的分辨率。尺寸为A4纸大小、分辨率为200ppi的电子纸显示器的潜在运用是巨大的（特别是如果显示器有一定的柔韧度）。A4纸大小的BiNem液晶显示器在不需要有源矩阵显示背板的情况下可以提供数百万像素的分辨率，并且与有机或硅塑胶衬底的TFTsj技术相比具有巨大的经济和技术优势。这些特点使得BiNem液晶柔性显示器是大尺寸、高分辨率、低成本电子文件的解决方案。
　　
　　从实验室到工厂
　　
　　最初由Durand、Martinot-Lagarde和 Dozov[5] 发明的液晶显示器包括一个通过无机材料倾斜方向真空蒸发的特殊对齐层。这种方法需要使用特定的研发和制造工具，而且只适用于小尺寸的衬底，因为在衬底区域上需要一个统一并且精确控制的蒸发掠角(15°±0.5°)；这个条件与由于衬底尺寸扩大一点超过源和衬底之间合理距离所造成的角度偏差不相容。
　　Nemoptic决定开发一种新的BiNem液晶制造工艺与现有的STN液晶显示器制造工艺完全兼容（图6）。这种做法显著降低了满足市场容量所需的投资水平，因为不需要从零开始建设基础设施。液晶显示器制造商的合作伙伴调整他们的生产工艺以满足BiNem液晶生产需求之后，就可以开始大量生产BiNem液晶显示器。这些调整是轻微并且可逆的，线路配置也不变，使得BiNem液晶显示和STN液晶显示可以同一天推向市场。运用现有的并且成熟的基础设施使得BiNem液晶显示具有了成本竞争的优势。
　　BiNem液晶显示器的成本结构与STN液晶显示器的类似，而且液晶显示器供应链可以直接利用。BiNem液晶显示器受益于低成本、高容量的液晶原材料（衬底、液晶混合物、取向层、光学薄膜、间隔层）和电子元件（驱动器、控制器、电源）的供应。他们与任意的标准驱动器包装兼容（TAB、TCP、COF）。此外，BiNem液晶显示器不需要有源矩阵背板。
　　
　　制造过程
　　
　　从一个制造业的角度来看，BiNem液晶显示器和传统液晶显示器存在两个主要的不同：（1）对齐层和液晶混合物需要特殊的锚定能属性；（2）BiNem液晶显示器件单元间隔比传统液晶显示器间隔小（BiNem为1.5μm，LCDs为5μm）。
　　LCD生产线通常使用柔性印刷把聚酰亚胺对齐层材料转印到衬底上。Nemoptic已经集中力量开发弱锚定能材料，这种材料的生产程序和传统的聚酰亚胺对齐材料一样简单[6-7]。这些努力导致了一种高分子BiNem液晶对齐材料的发展，这种材料用于优化柔性印刷沉积以达到预期的方位角或者顶级锚定能。这一主要成就开辟了批量生产的道路。
　　锚定性能取决于对齐层材料和液晶混合物。最近Nemoptic的研究集中于改进液晶混合物以取得这种应用的更好性能，包括寻址速率、响应时间、工作温度范围、驱动电压、光学常数以及可靠性。正因为如此，我们的新BiNem液晶混合物通常含有10多个纯向列型化合物。这些化合物的具体细节在此不予赘述。
　　BiNem液晶显示器件单元间隔由衬底分配的间隔层直径决定。生产过程中使用了和生产LCD一样的标准喷雾配料机和装配设备。唯一的不同是使用了直径较低的间隔层（～1.6μm）。为防止面板生产中的颗粒污染，前端加工步骤在当地环境中进行，并且使用湿法清洗及干燥超声去污。最后器件单元间隔的调整和面板间的低离散通过密封过程中大量校准间隔层密度、压力和时间参数来实现。
　　
　　图6BiNem液晶显示模块生产流程（前端、后端、模块组装）
　　
　　备用的BiNem液晶对齐层溶液印刷到有图案的ITO玻璃板上。研磨步骤使用配有商业研磨布的工业研磨机。装配过程与标准LCD生产过程相同，并使用丝网印刷机沉淀热固化密封剂。
　　对于前端加工工序来说，关键设备是高通量印刷机、研磨机、装配机、清洗机。主要加工因素是良好的表面清洁度、低颗粒污染率、良好的器件单元间隔和厚度层控制。后端生产过程与传统LCD生产相比不变。
　　
　　结论
　　
　　电子纸市场发展迅速。Nemoptic作为市场的主导和积极角色，已经和它的制造伙伴Seiko Instruments, Inc建立了一个BiNem液晶显示器模块的批量生产基地。
　　Nemoptic已经把电子货架标签（ESL）作为它优先发展的市场目标，因为这种技术将简易的B/W设计和大量的需求结合起来。许多中小尺寸电子货架标签显示模块已经开始规模生产。积累制造经验、促进市场需求，在颇具潜力的电子纸技术应用过程中很重要，这种应用需要彩色、柔性、高分辨率以及更快的响应时间。Nemoptic对其BiNem液晶显示技术保持强劲增长持有信心，并享有将开放电子纸应用领域的多重商业机会。
　　
　　参考文献
　　[1]P. S. Drzaic, "Reflective Displays: The Quest for Electronic Paper," SID Seminar Lecture Notes (2006)
　　[2]P. M. Alt and P. Pleshko, "Scanning limitations of liquid crystal displays," IEEE Electron Devices ED-21 (1974).
　　[3]B-w. Lee et al., "TFT-LCD with RGBW Color System," SID Symposium Digest Tech Papers 34, 1212-1215 (2003).
　　[4]C. Barron, J. Angelé, L. Bajic, I. Dozov, F. Leblanc, and S. Perny, Proc. Asia Display/IMID "04, 16.2 (2004).
　　[5]U.S. Patent No. 6,327,017 B2 (2001).
　　[6]I. Dozov et. al., "Recent improvement of the bistable nematic displays switched by anchoring breaking," SID Symposium Digest Tech Papers 32 (2001).
　　[7]P. Martinot-Lagarde and I. Dozov, SPIE Proc. 5003, 25-34 (2003).
　　[8]J. Angelé et al., "Development of 5.1-in. High Speed SVGA Bistable BiNem Display for Electronic Document Applications," SID Sympo -sium Digest Tech Papers 37, 1634-1637 (2006).
　　（北京交通大学 张 智 译自《Information Display》01/08）