自1875年Lippman發現電潤濕 (electrowetting)現象後，各種利用電潤濕技術所發展出之各項應用與研究便隨之孕育而出；這一方面的研究與應用有如使用電潤濕技術於反射 式、穿透式顯示器、可轉換式光學凹/凸微流體透鏡、光纖通訊轉換器以及生醫晶片等；其中，在眾多研究發展裡，當屬利用電濕潤技術作為新一代顯示器之應用最為矚目，以電濕潤技術製作之顯示器原型已相繼被各公司與學術機構所發表。
目前最早之電濕潤式顯示器係由Philip之Robert A. Hayes與B. J. Feenstra於2003年所提出，相關研究並刊登於Nature期刊上[1]。該技術係藉由利用一具色彩之疏水性油性介質、導電極性液體以及疏水性介電層介面的表面張力(surface tension)變化來達到色彩轉換之目的，藉由施加電壓之不同來控制油性介質與疏水絕緣層間之接觸角，並以此一技術製作出反射率>35%與對比>15之反射式顯示器[2]，此一特性接近實際紙張之表現(反射率60%；對比15)。此外，值得注意的是其操作電壓<20v且on->
電濕潤顯示器操作原理與特性
電 濕潤顯示器係應用極性液體在疏水性介電薄膜上的電濕潤行為其操作原理，當未對此一元件施加電壓時，極性液體會在疏水介電表面上會呈現收縮的狀態以使其自由 能(Gibss free energy)趨向最低，如圖一(a)所示，當對該元件施加電壓時會在介電層上產生電荷分佈，而該電荷分佈會吸引極性液體親和，極性液體呈現攤開的狀態使 自由能重新達到最低能量，如圖一(b)所示。當驅動電壓越大時極性液體在疏水性介電表面的濕潤現象將更加明顯，而介電材料的厚度、介電常數與液氣相表面張 力可影響操作該元件所需之操作電壓。
圖一、電濕潤元件操作原理
反射式顯示器由於具備節能省電，可在強光下閱讀的特性，可應用於手機、掌上型電腦(PDA)等行動式電子產品與戶外 看板等，目前反射式顯示技術主要有：反射式液晶技術(Reflective LC)、膽固醇液晶技術(ChLC)、電泳式技術(EP)、微機電陣列鏡技術(MEMS)與電濕潤技術(EW)。反射液晶技術具有與傳統液晶顯示器製程高 度相容性，廠商在導入產線時不需額外添購設備，因此為目前反射式顯示器主要產品，但是反射式液晶顯示器的光利用率低、色彩表現不佳使其始終無法達到使用者 的需求，膽固醇液晶顯示技術具備雙穩態(bistable)、液晶本身具備顏色而無需彩色濾光片的優勢，但是過高的驅動電壓與應答速度慢為其缺點，由E- ink與SiPix主導開發的電泳式技術具備高反射率、高對比與雙穩態特性，且易於搭配於可饒式基板，目前已被使用於商業化的電子書產品，但是彩色化效果 不佳與反應速度慢的問題目前還未被克服，微機電陣列鏡技術具備彩色化效果佳與反應速度快的優勢，但是所採用的微機電製程限制了其製作尺寸與量率，電潤濕技 術因具有高對比度(contrast ratio:15)、無視角限制以及快速應答(response time <>
電濕潤顯示器發展近況
目前發展電濕潤顯示器的公司與學術單位主要有荷蘭的Liquavista、Mirotech、德國的ADT、美國的辛辛那堤大學(University of Cincinnati)與台灣的工研院顯示中心。Liquavista為發展電濕潤顯示器技術最早也最具規模的廠商，Liquavista自菲利普實驗室 (Philips Research Labs)轉移電濕潤技術於2006年成立公司，其結構包含一含染料(dye)之非極性油滴於疏水介電層表面，此非極性油滴被親水性擋牆 (hydrophilic rib)包圍而成畫素，非極性油滴層上則為極性水溶液，當未施加電壓於元件時，非極性油滴對疏水介電層的親和度大於極性水溶液而使油滴平鋪於疏水介電層表 面，此時俯視該畫素可見平鋪油滴所展現之色彩，當對該元件施加電壓時，疏水性介電層上產生的電荷分佈會增加其對水的親和力而驅使油滴被擠壓到畫素角落，此 時俯視該畫素可見其面板底部之顏色，圖二為Liquavista的電濕潤顯示器結構圖與驅動畫面，電極設計可驅使油滴規則的向同一方向收縮，BM設計則可 提高顯示器的對比，此顯示原理目前為電濕潤顯示器之主流，多家公司以此結構為基礎進行電濕潤顯示器的研究開發。
圖二、Liquavista提出的電濕潤顯示器顯示原理
對於彩色電濕潤顯示器的開發，Liquavista提出了兩種可能的顯示模式，分別為單層與多層結構，圖三為單層彩 色電濕潤顯示器結構示意圖，單層電濕潤顯示器採用黑色油墨搭配彩色濾光片製作，在製程上較為簡單，但是彩色濾光片會大幅降低光利用率，並不適用於反射模式 的電濕潤顯示器，圖四為Liquavista於SID’08所展出搭配彩色濾光片製作的1.8吋彩色電濕潤顯示器，Liquavista於文獻中另外提出 了多層結構的電濕潤顯示器，採用青色(cyan)、洋紅色(magenta)、黃色(yellow)三色的電濕潤結構堆疊而成，光利用率較高但是結構複雜 並不易製作。
圖三、Liquavista提出的單層彩色電濕潤式顯示器
圖四、Liquavista於SID’08發表的彩色電濕潤顯示器
圖五、Liquavista提出的多層彩色電濕潤式顯示器
台灣的工研院顯示中心於2008年與元太科技(PVI)合作開發主動矩陣式電濕潤顯示 器，研發重點在將電濕潤顯示器製程導入傳統的2.5代面板廠，為了達到大面積量產的需求，採用噴墨製程(ink jet printing)可快速將油滴置入畫素區內，表面處理可解決疏水介電層表面材料附著不易的問題，圖十二為工研院與元太與SID’08發表的6吋主動矩陣 式電濕潤顯示器，未來顯示中心計畫發展彩色與可撓式的電濕潤顯示器，彩色電濕潤顯示器目前採搭配彩色濾光片的方式製作，未來將使用噴墨技術在將不同顏色的 墨滴滴入畫素內形成單層彩色電濕潤顯示器，如圖所示十三與搭配彩色濾光片的結構相比，具有光利用率高，結構簡單的優勢。電濕潤顯示器的元件操作受基板間隙 (cell gap)影響並不顯著，因此在可饒式顯示器的開發上深具潛力，顯示中心也將針對塑膠基板上的電濕潤結構製程與低溫材料製程進行開發。
圖十二、工研院顯示中心與元太於SID’08發表的6吋主動式電濕潤顯示器
圖十三、採用噴墨製程製作單層彩色電濕潤顯示器
對於電濕潤顯示器技術有興趣者，歡迎mail至materialsnet@itri.org.tw
作者：羅國隆、鄭惟元 / 工研院顯示中心
材料世界網
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