（凝聚态物理专业论文）基于微胶囊电泳显示的手写显示板器件技术研究.pdf

基于微胶囊电泳显示的手写显示板 器件技术研究 专业：凝聚态物理 学位申请入：杜健新 导师：邓少芝教授 摘要 电泳显示技术的低功耗和类纸性显示特点，使它在电子纸应用上有着独特的 优势。本论文以手写电子纸痖用出发，以所依托实验室的电子墨水材料和显示薄 膜为基础，开展了基于微胶囊电泳显示的手写板式显示板器件技术的研究，主要 研究工作包括：1 ) 基于磁控溅射技术，研究在塑料( p e t ) 树底上沉积, i t o 薄膜 的制备方法和工艺；2 ) 基于静电场原理的技术路线，研制采用电霹笔控制的手 写显示板器件；3 基于魅摸屏的技术路线，研究采蔫触摸屏控制的手写显示板 器件。在上述工作中，主要进展包括：采用直流磁控溅射技术，发展了在p e t 衬 底上沉积i t o 薄膜的方法，并获得了满足器侔应用要求的制备工艺条佟，制作鑫 导电性能和透明度都比较好的i t o 薄膜；设计和研制出采用电写笔控制的电子墨 水手写显示叛原理性器件，并设计塞藕应电写笔和刷涂辅助部件；设计和研制塞 了采用触摸屏控制的电子墨水手写显示板样屏，及其相关电路和攀写识别系统。 所实现的手写显示板器件样屏，都可以较好避实现书写和劂薪功雏。 【关键词】电泳显示；电子墨水；手写识别；触摸屏；磁控溅射 r e s e a r c ho fh a n d w r i t t e nd i s p l a yb o a r dd e v i c eb a s e do n m i c r o - e n c a p s u l a t e de l e c t r o p h o r e t i cd i s p l a y m a j o r ：c o n d e n s e m a t t e r p h y s i c s a p p l i c a n t ：j i a n x i nd u s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rs h a o z h id e n g a b s t r a c t e l e c t r o p h o r e t i cd i s p l a y ( m e p d ) t e c h n o l o g yp r o c e s s e st h ed i s p l a ys p e c i a l t i e so f l o w - p o w e rc o n s u m p t i o na n dp a p e r - l i k ec h a r a c t e r , w h i c hm a k ei th a v es p e c i a l a d v a n t a g e si nt h ea p p l i c a t i o no fe l e c t r o n i cp a p e r s t a r t i n g 、析mt h ea p p l i c a t i o no f e l e c t r o n i cp a p e r , b a s e do nt h ee l e c t r o n i ci n km a t e r i a l sa n dd i s p l a yf i l m si nt h el a b ，t h i s p a p e rd e v e l o p e dt h er e s e a r c ho fh a n d w r i t t e ns c r e e nm o d ee - p a p e rd e v i c et e c h n o l o g y b a s e do nm i c r o - e n c a p s u l a t e de l e c t r o p h o r e t i cd i s p l a y ，t h em a i nr e s e a r c hw o r ki n c l u d e s ： 1 ) b a s e do nm a g n e t r o ns p u t t e r i n gt e c h n o l o g y ，r e s e a r c h i n go nt h em a k i n gm e t h o da n d t e c h n i c so fd e p o s i t i n gi t of i l mo np l a s t i c ( p e t ) u n d e r l a y ；2 ) b a s e do nt h et e c h n o l o g y w a y o fs t a t i cf i e l dp r i n c i p l e ，d e v e l o p i n gh a n d w r i t t e nd i s p l a yd e v i c e sc o n t r o l l e db y e l e c t r o n i cp e n ；3 ) b a s eo nt h et e c h n o l o g yw a yo ft o u c hs c r e e n ，r e s e a r c h i n go nt h e h a n d w r i t t e nd i s p l a yd e v i c ec o n t r o l l e db yt o u c hs e r e e n i nt h ew o r ka b o v e ，t h em a i n d e v e l o p m e n t si n c l u d e ：u s i n gt h ed cm a g n e t r o ns p u t t e r i n g ，d e v e l o p e dt h em e t h o do f d e p o s i t i n gi t of i l mo np e tu n d e r l a y ，a n dg o tt h em a k i n gt e c h n i c sc o n d i t i o n sw h i c h s a t i s f yt h ed e m a n d so f d e v i c ea p p l i c a t i o n ，h a v em a d ei t o f i l mw h i c hh a v eg o o d c o n d u c t i v i t ya n dt r a n s p a r e n c e ；h a v ed e s i g n e da n dd e v e l o p e de i n kh a n d w r i t t e n d i s p l a yb o a r dd e v i c e sc o n t r o l l e db ye l e c t r o n i cp e n ，a n dd e s i g n e dr e l e v a n te l e c t r o n i c p e n a n dr e f u r b i s h p a r t s ；h a v ed e s i g n e da n dd e v e l o p e d e l e c t r o n i ci n kh a n d w r i t t e n v d i s p l a ys a m p l es c r e e nc o n t r o l l c c lb yt o u c hs c r e e n , a n dr e l e v a n tc i r c u i t sa n d h a n d w r i t t e nr e c o g n i z i n gs y s t e m 。t h eh a n d w r i t t e nd i s p l a yb o a r dd e v i c es a m p l e s c r e e n sd e s c r i b e da b o v ec a l lb o t hr e a l i z et h ew r i t i n ga n d r e f u r b i s h i n gf u n c t i o nq u i t e w e l l k e yw o r d s ：e l e c t r o p h o r e t i cd i s p l a y ；e l e c t r o n i cp a p e r ；h a n d - w r i t t e n r e c o g n i z i n g ；t o u c hs c r e e n ；m a g n e t r o ns p u t t e r i n g v i 原创性声明 本人郑重声明：所里交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：和哆参彩 日期：矽? 年6 月l ；日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定 机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢 利冒的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室 被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：和1 影够导师签名：川y 艺 疆期：猡0 年6 月；1 日日期：硼年d 月f 7 日 l 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导 师指导下完成的成果，该成果属于中山大学物理科学与工程 技术学院，受国家知识产权法保护。在学期间与毕业后以任 何形式公开发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系 人，未经导师的书面许可，本人不得以任何方式，以任何其 它单位做全部和局部署名公布学位论文成果。本人完全意识 到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：毋刁移彬 日期：7 夕四年【7 月 1 日 j i l l 引言 当今社会已进入信息时我，作为薷息酶重要载体之纸张的需求量不断 加大，而造纸工业是重污染工业，造纸过程中排放的废渣、废水和废气，对环境 造成重大影响。另癸，每年由予造纸砍伐掉的树木更是无数，生态遭蓟破坏，霾 此，寻找一种纸的替代品非常必要，而电子纸的出现顺应了这个需求。 电子纸也器q 做数码纸，它是一种超薄、超轻的显示屏，可理解为一静“像纸 一样簿、柔软的显示器”。目前实现电予纸技术的途径主要包括有胆固醇液晶显 示技术、电泳显示技术( e p d ) 以及电润湿显示技术等，其中以患泳显示技术鸯 最有前途的技术途径1 1 1 。 基于徽胶囊化电泳显示技术是霹前进入产业纯技术的电泳显示技术。该技术 利用颜料粒予的电泳特性把颜料颗粒和染料溶液( 或带有不同电性和颜色颗粒) 镪裹在微胶囊内并配成液体状( 俗稼为电子墨水) ，然后将微胶囊制成薄膜，或 将微胶囊涂布在矩阵电极的底扳上。引入电场时微胶囊中的颜料粒子沿电场方向 ( 带i e 电粒子) 或逆电场方向( 带负电粒子) 移动，聚集在徽胶囊孛与电场对应的显 示单元上，从丽显示信息图像中的像素点。这种薄膜型的结构具备微胶囊电泳显 示性能，类纸特征甓显，霹具有宽视角、柔性最示1 2 1 、能耗低t 3 1 、方便携带等优 点，因此受到了广泛的关注。 当前徽胶囊电泳霖示技术主要应用在电子书、电子报纸、广告牌、手机屏等 领域上。与现有的显示器( l c d 、l e d 、及c r t 等) 相比，微胶囊电泳驻示器 件在易读性、节能性、便携性及人体工学方面都暴有优势。比如在人体工学方面， 因电予墨水显示器显示时就像在纸上用墨水写的字迹一榉，可减轻眼睛疲势，同 时与普逶l c d 相比，该显示器薄且轻3 0 以上。正因为有如此优势，徽胶囊电 泳显示技术成为了显永领域的研究热点之一。 与传统纸张稻冼，基于徽胶囊电泳显示技术的电子纸的最大特点是可激随意 存储，反复使用。这种电子纸可以反复写入信息，很适合用作手写输入，其驱动 也比较简单，利用电写笔建立静电场鄂可达到手写的爵的。另外，使雳触摸屏也 使得在电子纸上书写非常方便、快捷。 本论文以微胶囊电泳显示在手写领域中的应用为出发，研究手写显示板器件 技术。本论文共分为四章：第一章介绍微胶囊电泳显示技术原理及技术状况，第 二章介绍基予静电场原理的电子墨水手写显示板的设计与实现技术，第三章会绍 基于触摸屏技术的电子墨水手写显示屏设计与实现，第四章对研究工作进行总 结，并探讨了可能的改进方两。 2 第一章激脱囊电幕墓帮i 搴纹术厦域及技术枕况 第一章微胶囊电泳显示技术原理及技术状况 1 1 微胶囊电泳显示技术原理 微胶囊化电泳显示技术e n c a p s u l a t e de l e e t r o p h o r e t i cd i s p l a y ) 是由麻省理工 学院( m i t ) 媒体实验窒于1 9 9 7 年提出的概念，它是在电泳显示基础上，创新 性地把电泳基液微胶囊仡，不但有效抑制了电泳胶粒在大于胶囊尺度范围内的团 聚、沉积等缺点，而且在微胶囊内实现了电泳显示，进而提高了其稳定性，延长 使用寿命。之焉的十凡年时间里，微胶囊仡电泳显示技术得到了长足酶发展，从 单色到彩色，从无源到有源，从硬基板到柔性显示，其显示速度也在不断提高， 应用领域越来越广阔。 微胶囊电泳显示也叫做电予墨水显示，它是种新型的显示材料和显示技 术。微胶囊电泳显示属于菲发光显示类型，它建立在带电色素颗粒在胶质悬浮液 中的运输原理中，即带电色素颗粒通过外加电场在电泳液中运动而成像。电泳技 术第一次用于记录或者显示信息是在电子照穰应用于液体运动过程孛。在这个过 程中，幅包含所需信息电荷的图像被浸入到充满相反极性带电调色微粒的胶状 悬浮物中，卣予静电作用，颜色微粒被输运并在电极主沉积下来，这样，颜色微 粒因而形成的图像就在这过程中被长久网定下来，从而实现信息的显示1 4 l 。 徽胶囊电泳显示原理如图1 1 所示。其对应的显示材料( 称为电子墨水) 由 球状微胶囊组成，每个胶囊都有透明外壳，胶囊内充满囊液和悬浮在里面的两种 颜色颖粒( 这亟以黑彝两色为倒) ，并量两种颡粒的电学性质极性相反。将球状 微胶囊以致密排列方式形成薄膜，并在薄膜两个侧面施加电压。在电场作用下， 微胶囊内部的两种纳米粒子分掰向薄膜两个侧面运动并积聚，获而薄膜两侧星现 出两种颜色。 3 第一章豫脘童电蕊显示技术厦理及技术状况 c r o s s 毒e c t i o no f e l e c t r o n i c i n km i c r o c a p s u l e s 图】- i 电子墨水挂示原邢圈( 柬源：e - i n k c o r p 除了上述通过两种不同颜色颗粒获得显示外，也有采用单种颜色颗粒米实现 显示。以搀 二氧化钛的电子墨水为例，微胶囊中充满深色染料溶液和悬浮在其 巾的带电二氧化钛白色颗粒。当向微胶囊两端加上一电压时，二氧化钛白色颗粒 就会在一端秘聚而显色。 电子墨水显示并不局限于显示黑白两色，通过调整颗粒内的染料或颗粒的颜 色町以使电子墨水显示各种不同的色彩。一般来说，由于不同颜色的颗粒的物 理性质有差异，使得它们在电场中运动的速度不一样，从而具有不同的电泳迁移 率即具有不同的z e t a 电位，所以可以通过控制外加电场的时间和方向来控制 所要显示的颜色。 电子墨水显示结构通常采刚静态驱动和有源矩阵驱动两种驱动方式。静态驱 动中，显示屏的上电极是一个透明的1 i 0 公共电极，屏的下部是像素电极，每 个显示电极单元由独立的显示控制线控制，通过控制驱动时间和驱动电压大小来 控制屏幕像素单元显示的明度，实现灰度显示。图i 一2 是中山大学显示材料与技 术广东省重点实验室采用静态驱动的电子纸日历和信息广告牌。静态驱动又分为 段式和点阵式显示两种类型。段式一般用来显示一些不需变动的图案，需要的元 件数也少如图l 七( a ) 所示的日历；点阵式可以显示任意变化的图形显示灵 活，但分辨率一般不能做得太高如图1 - 2 ( b ) 所示的信息广告屏。静态驱动方 式的缺点是像素电极连线太多，像素尺寸不可能做得太小，从而限制了屏幕分辨 0 砉1 言一_ ； + + 罟 一 + = 第一章撤肢童电琼豆幂拽术原理嚣技术状况 率的提高，在制作点阵式大显示屏时需要很多的驱动芯片驱动，所以萁成本也高， 例如制作图1 - 2 ( b ) 中分辨率为2 0 0 1 9 2 的信息广告屏需要2 4 0 片1 6 0 输出脚 的s s d l 7 0 1 驱动芯片驱动，元件需求量太。 图1 - 3 有游矩阵驱动电于纸 第一肇缴胺薰憾深显罘蠛术原理蕊藏术状瑞 1 2 微胶囊电泳显示技术应用状况概述 微胶囊化电子墨永作淹一种反射型电子显示技术，跌其优越的性毖得到了超 界许多公司的大力支持。研究开发公司主要有：e - i n k 、p h i l i p s 、s o n y 、朗讯科技 和日本油墨公司等，主要应用的定便是电予书、电予报纸、信息广告屏、超市价 格牌、手机屏等。 微胶囊电泳鼗示器件在广告行业上有撮大的潜力，可制作成各种各样的广告 牌，如图重4 ( a ) 是采用电子纸制作的超市价格牌。 微胶囊电子纸具有类纸特性，超薄、柔性、超低功耗，是种很好的制终电 子书的材料。2 0 0 4 年4 月日本索尼和e - i n k 合作推蹬了全球第一款商品电子书 l i b r i e ，如图1 - 4 ( b ) 所示。l i b r i e 廷有2 0 0 克，超低功耗，拥有s v g a ( 8 0 0 x 6 0 0 ) 的解析发，其清晰度胜过任何l c d 显示屏。 手机显示屏也是微胶囊电子纸的一大应用领域，鹜l - 4 ( c ) 是2 0 0 7 年初发 蠢的一款针对低端市场的手机摩托罗拉f 3 ，其功能相对比较单一，并且屏幕为 单色显示。 目前彩色微胶囊电泳显示器件技术处于在研酚段。微胶囊化电子墨水显示可 以通过红、绿、蓝三原色相加混色原理实现彩色电子墨水显示1 6 1 。这里要求不同 颜色的颗粒应该具有不同麴电泳迁移率，印具有不同的m e t a 电位，这样就可以通 过控制施加电场的方向和时间来控制所要显示的颜色。实现彩色显示的另一种方 法是采用彩色滤光片阵列闭。2 0 0 1 年l o 胃在秘本奈良举行的照测显示会 ( i d w 2 0 0 1 ) 上，e - i n k 公司和t o p p a n 印刷公司展示了首台彩色电予攫水显示器 样枫，该样机利用彩色滤光片阵列得裂多色显示。该样规保持了单色显示器的类 纸特性。图1 4 ( d ) 是日本b r i a g e s t o n e 近期研制出的全球最大的彩色电子纸，这 款电子纸的蟊积达到了4 3 5 x 3 2 6m m 2 ( 与a 3 纸大小差不多) 。除了作为最大的彩 色电子纸，其厚度也是最薄的，仪有0 2 9 毫米。 徽胶囊电泳显示技术在柔性显示方耍熊应震，是热点磺究方岛。2 0 0 5 年l o 月e i n k 公司和飞利浦公司以及n i p p o ns t e e l 合作发稚了一款8 0 0 x 6 0 0 解析度的柔 毪t f t - e p d 显示蘑，如窝l 珥o 所忝。该屏只有0 。3 蕊厚，拥有1 0 0d p i 的分 辨率，1 0 ：1 的对比度，4 级灰度显示，可弯曲等优良特性。此外，飞利浦公司还 开发了静基予有机磊体管嚣集成行驱动的铺姒大小豹毯煳显示群瓣。 6 第一章破脘童电琼置帚技术席理噩技术就巩 【c ) 图1 4 微腔囊电濠器件的应用( 部分图片来自e - i n k 公司 除了具有一般纸张的特点外，微胶囊电泳显示还具有环保、可重复刷写等多 种优点，这使得其在手写领域上有着很好的发展潜力。使用电写笔，利用静电场， 直接对制备在i t o 薄膜上的电子墨水显示屏进行书写，是实现手写显示板器件 的一种方法。图l 一5 是采用带电笔直接书写式电子墨水手写显示板器件结构。它 使用直流电源建立静电场。具体实现方法如下：将制备有i t o 膜的塑料衬底作 为下电极电写笔作为上电极。以带电笔进行书写，电源电压范围为1 5v 3 0 v 。 第一章啦腔童电巍觅幂技术厦理噩拽术就巩 带电笔外表要有良好的绝缘性。笔尖材料不能太硬或是a 尖，以免书写时划破电 子墨水薄膜。图i - 5 手写板的构造非常简单，它存在笔尖易于损伤微胶囊、刷新 困难等缺点。 罔i5 电写笔式的电子墨水下写显示板器件结构不意图l ” 除了使用静电场书写外，触摸屏也是一个很好的工具，利用它_ j 以在各种显 示器件上书写。使用触摸屏进行书写使得系统具有记忆功能，从而能对书写轨迹 作进一步的处理，同时也不存在显示速度跟不上的问题。图1 - 6 是2 0 0 9 年5 月 汉王科技展出的全球首款于写电子书，5 寸显示屏，8 级灰度分辨率达到 8 0 0 6 0 0 。 圈1 - 6 汉王手写电子书产品圈 i ”1 微胶囊电泳显示技术的应用远不i t 这些。随着技术的进步，未来的微胶囊电 子纸可能应用于彩色笔记本电脑、电子报纸、宽幅显示器、印制品、室内装饰材 料等。作为一个高科技产品，它给人类社会带来的影响足深远的。 第一掌墩殿囊电碌显烬芨术原瑰凌纹术扰阮 本论文主要研究内容 由于电子微胶囊电泳显示技术具有存储功能，简时可以实现超薄、柔性器件 结构，因此将该显示技术应用于电子纸领域，极具优势。脚前基于电子墨水显示 技术的电子纸器件是显示领域各大公司和研究机构研究的热点课题。 本论文以手写薄膜显示器件为研究对象，采用微胶囊电子墨水显示技术，研 究显示屏结构、手写识别方法、器件结构和裙关电路技术，设计出相关系统电路。 9 第二章纛子静电耢艨理盲皇电子垦水李辫垦采板胄孽役钟与窝端 第二章基于静电场原理的电子墨水 手写显示板的设计与实现 手写显示板( 称为手写屏) 的设计首先从选用电子墨水材料开始。电子墨水 显示材料具有多种颜色，不同颜色的电子墨水对电压的响应速度不同；同一种颜 色的电子墨水由于制作环节不可避免地存在一定的条件差异性，材料的性质也存 在差异，为此必须选择适合的电子墨水材料。电子纸器件是柔性显示器件，公共 电极般采用透明度很高的i t o 薄膜制作，为此，需要研究在塑料衬底上沉积 i t o 薄膜的方法。以上述两方面的研究为基础，本论文探索了几种基于静电场原 理的手写屏器件，并开发出相应的辅助部件。下面详细介绍相关内容。 2 1 电子墨水材料的选择 研究者所依托的实验室现有的电子墨水可以显示红、绿、蓝、黑、自等颜色。 不同颜色的电子墨水对电压的响应速度不一样，显示的图形在断电的情况下保持 的时闻也有很大不同，最长的可以保持几个胃，最短的只有几天。要在电子墨水 显示屏上实现书写，要求电子墨水的响应速度要跟得上笔触的移动速度，也就是 z e t a 电位要大，这样才能跟上书写节奏，否燹l j 就达不到较好的实时显示效果，另 外也要考虑到人们的书写习惯。在已有的电子墨水材料中，红色、黑色电予墨水 的响应速度比较快，同时黑自显示是人类对色彩感知较好的一种显示色，所以一 般选用黑色电子墨水作为制作手写显示屏的显示材料。 研究工作中使用x r i t e 公司的d t p 2 2 数码分光仪对样品的明度( l i g h t n e s s ) 随时间的变化图来表征其反应速度，测试设备和装置实物图如图2 1 所示。数码分 光仪是光反射与探测仪器，内嵌的光源可产生一束白光，照射到样片中，然后探 测反射回来的光强。与d t p 2 2 配套使用的程序是c o l o r s h o p ，可对d t p 2 2 反射 1 0 苇二章王子静电蟹厦珏舸电手直求手写里乖教句豫计茸窑豫 回来的数据进行处理。分光仪通过串口与计算机相连，使用时先对分光仪定标， 然后将待测样片放置到分光仪下，轻轻按下仪器，等待片刻即可在计算机屏幕上 看到样品的明度、饱和度、色调等参数。 囝2 - l 测试设备和装置实物图 测试的样片如图2 - 2 所示。制样片过程是将被测试的电子墨水放在两块i t o 薄膜之间并压实，延长上下1 t o 电极使之能够与电源两极形成良好接触，底面 再放一张保护膜，密封处理后即可作为样片进行测量。 蹦2 - 2 电子墨水测试样片 对于不同批次制各的同一种颜色的电子墨永，由于制备工艺、材料组成等方 面的微小差异，其对电压的响应速度也有不同。图2 - 3c a ) 和2 - 3 ( b ) 分别是四 批黑色电子墨水材料样品( s l s 4 ) 在1 5v 直流电压下，随着作用时问的增加 从黑变白和从白变黑的明度响应特性曲线图。其中l i g h t n e s s 代表的是明度，它 是描述颜色的鲜艳度和灰暗度的物理量；t 代表驱动电压作用时间。 第二章纛皆静电场廉理阳电子置术手簿蔑幂撅盼墩升与宾拨 从图中可以看出，虽然同是黑色电子墨水，但其电压特性曲线有着不小的差 异，而且同一批次样品在从黑变自和从自变黑的过程中，其特性曲线形状也有不 同，特别是s 4 样品，在两幅圈中，特性醢线形状有着很大的区别。在选用材料 时，必须对不同的样品进行测试，以选取满足设计要求的最佳材料。 本论文研究工作中，通过对不同批次的电子墨水材料进行测试、比较，选取 了具有较快响应速度和较好对比度的黑色电子墨水作为制作手写板的材料，以保 证器件的显示效果。 ，、 霉 、_ 一 茏 o j e l 。毒 警 一 霎 i 嚣 g 儡 j t 细母 c a ) 黑变白过程的明度变化曲线 鑫交黑过程的凌凌变纯馥线 图2 3 四批次黑色电予墨水样品的响应特性曲线，驱动电压为1 5 伏 1 2 帮二覃蠢于静电场艨理约电子墨水手颦蔑幂撅朗设计茸实税 2 2 塑料衬底上沉积i t o 工艺 研究中，设计的手写屏器件结构采用i t o 作为电极，并且选择柔性塑料作为 衬底。i t o 薄膜在电子墨水显示器件结构的电极中起着非常重要的作用，下面介 绍在塑料衬底上制各i t o 薄膜的工艺。 实验中，衬底采用p e t ( p o l y t h y l e n et e r e p h t h a l a t e ) 膜，俗称涤纶树脂。它 是对苯二甲酸与乙二醇的缩聚物。i t o 薄膜采用磁控溅射技术制备。磁控溅射 的基本原理是利用氩气和氧气滟合气体中的等离子体在电场和交变磁场的作用 下，被加速的高能粒子轰击靶材表面；熊量交换后，靶材表面的原子脱离原晶格 而逸出，转移到基体表面丽成膜。磁控溅射的特点是成膜速率高，基片温度低， 膜的糕附性好，可实现大面积镀膜。该技术可以分为直流磁控溅射法和射频磁控 溅射法，本论文工作中采用直流溅射法制备i t o 薄膜。 制膜时首先将p e t 膜固定在玻璃或金属板上并拉紧，以便在制膜时不会因为 衬底和i t o 膨胀系数不一致而影响薄膜的质量。镀膜前先进行预溅射，清除i t o 靶材上的杂质；制膜过程中通入氩气和微量氧气，制膜后进行退火，使其透明度 和电导率等参数达到较好的性能i n i 。由于所采用的衬底是塑料，熔点低，所以磁 控溅射后不能像在玻璃衬底上那样在高温条件下退火。具体的实验过程是：在制 膜时邋入氢气( 流量为6 0s c c m ) 的同时，通入少量氧气( 1 到2s c c m ) ，使 得反应腔内氧气浓度为1 7 到3 3 左右，使沉积在塑料衬底上的i t o 化学结构 发生改变，然后在1 8 0 0 c 的温度下进行退火1 1 2 1 。退火后得到的i t o 薄膜经测量比 较，电阻率比退火前的电阻率低1 0 0 0 倍以上，而且透明度也更好。图2 4 为不 同工艺条件所制备的柔性i t o 薄膜样品。表2 。l 列出了图2 4 中三种不同工艺制 造的样品的透明度( 假设衬底的透明度为1 ) 。 表2 1 三种不同工艺制作的样品的透明度比较 实验条搏 未通氧气，未退火处理遥氧气，未退火处理遁氧气，退火处理 透明度3 9 8 7 9 6 9 0 2 1 3 第二章i t 予毫苷属疆打电子量术亭写置采艟向硬升量霉糖 乜) 宋通氧气，未退火处理( b ) 通氧气，来退火处理( c ) 通氧气退火处理 嗍2 4 不同制各工艺f 的柔性1 3 o 薄膜样品 从实验数据得知，经微量氧气和退火处理后的 t o 膜，透明度得到了较大 的改善。 2 3 基于静电场的手写板显示器件设计 2 3 1 基于静电场的四种手写板器件概述 利用电写笔建立静电场，可以直接在电子纸上进行书写。但是这种结构存在 响应速度慢、难刷写、电子墨水窖易损坏等缺点，使得难以推广麻用。国际上这 方面的研究报道很少。本人使用直流磁控溅射，激光切割、打孔等t 艺设计了四 种手板结构设计具有原创性。四种结构名称如下： ( 1 ) i t o 电子翠水薄膜i t o 器件结构 ( 2 ) 下电极书写的器件结构 ( 3 ) 侧壁连接上电极的器件结构 ( 4 ) 过渡孔连接上电极的器件结构 以下几节将详细介绍这几种结构。 第二窜置于并电蛴厦理由电子量求串写量带授的谩升与窑氍 2 3 2i t o 电子墨水薄膜i t o 器件结构 为了克服电写笔易于损伤微胶囊的缺点，研究者在电子墨水上增加一层塑料 保护膜，但实验表明即使是沉秘一层只有十几纳米厚的塑料薄膜由于其很高的 绝缘性导致电压难于旆加到微胶囊上，也就难以实现显示。为了解决上述问题 方案之一是直接用磁控溅射技术在电子墨水显示薄膜上沉积一层1 t o 膜，然后 使用激光技术在i t o 薄膜上进行像素分割，制成像素边长为3 4m m 的点阵式 电子墨水显示结构，如图2 - 5 所示。 图2 - 5i t o - 电子墨水薄膜- i t o 结构实物幽 使用电写笔书写时，上述点阵式电子墨水显示结构的显示速度快。但是该结 构存在材料易氧化，像素问易短路的现象，同时在制备上电极的i t o 薄膜时， 电子墨水的微胶囊由于高温受到一定的损伤，如图2 - 5 中的局部区域变黑。激光 切割时也会损害到电子墨水表面。 在制作静电场手写板时，经常要使用激光雕刻切割机对i t o 薄膜作切割、 打孔等处理。图2 6 是激光雕刻切割机( 型号：i l s - 3 n m r _ $ 2 5 ) 的外观图。激 光雕刻切割机通过打印口与计算机相连，精度可达到3r a n ，切割或雕刻的图案 可在所有与w i n d o w s 相容的c a d 及绘图软件编辑和打开，使用时需调整好激光 头的工作功率、移动速度及与1 t o 的距离，并设置好雕刻区域和切割区域。一 切就绪后按“打印”即可对i t o 薄膜进行加工处理。 第二章堇于辟电摒原理聍电手互术手富正幂援力设计茸窑耽 图2 - 6 激光雕刻切割机 2 3 3 下电极书写的器件结构 为了使电子墨水免受损伤，可在显示薄膜上加了一层表面镀有i t o 的柔性 塑料( p e t ) 膜，其结构原理图如图2 7 所示。该显示器件结构由许多小单元组 成，如图2 - 7 ( a ) 所示，每个像素由上电极、下电极和电子墨水薄膜组成。将电 子墨水薄膜切成条状每条又可以分成很多整齐排列的单元，如图2 7 ( b ) 所示。 当将长条电子墨水组装拼接成屏幕时，每个单元的下电极的延长面放在其邻近单 儿的卜面，如图2 - 7 ( c ) 所示，由于塑辩薄膜是透明的，所以通过薄膜能够容易 实现像素对位。当在一个单元上书写时，事实上是使邻近单元显示r 出来。把像 素单元做得足够小，就可以实现较好的显示效果。图2 - 8 是所制备的于写显示板 实物圈。 该结构的优点是：制各简单，不需要复杂的工艺；驱动电压可全部作用在电 子墨水上；书写和刷写方便。缺点是：书写屏幕不平，像素之间有沟道；显示有 错位，接触点不是所显示点，有一个像素大小的位移：制备步骤环节多。 年二l 于辟电苷曩疆竹电手求手写量幕概妇便升茸窑现 上电极i t o 3t 自* t 0 f _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ j _ _ _ _ _ _ 一 _ _ _ _ _ _ _ 1、6 扳 2 3 12 、 m ；= = = = = = = = = = = 4 导电 5r 电+ 基 6 7 图2 7 利用f 电极进行l5 写的手写板式电子纸结构原理图 周2 - 8f 电极 e 写的手写显示器件实物图 2 3 4 连接上电极式的器件结构 以上讨论的两种手写器件存在各自的缺点，要不器件过于简单容易损坏，要 不就是工艺复杂，难于推广。手写显示板的设计目标是有着类似普通纸的形状和 书写特征，而且制备工艺不能过于复杂。针对以上要求，提出了两种连接上电极 式的手写显示板器件结构。 第二章王子静电耪厦理田电子量求手写里暑i 板的谩计茸窑现 首先介绍采用侧壁连接上电极的手写板器件结构。其结构如图2 - 9 所示，下 电极为公共电极，上电极被分成众多的正方形方块，每个方块对应一个像素，方 块的上下两而都制备有i t o 薄膜，通过一个侧面将上下两面连通，也就是方块的 一个侧面镀有i t o ，其它三个侧面没镀，阻保持与相邻像素方块间的绝缘性。这 样电压就可以直接从上电极的上表面传到下表面，与下电极共同作用，驱动显示 薄膜巾的微胶囊工作显示。巾间的透明衬底起到保护和支撑的作用。 撇i i o 茸薯目臼孽守考慧 下电梗i t 0 一塑斟忘扳 图2 - 9 侧壁连接式的手写板式的电予纸器件剖而刚 图2 一1 0 为侧壁连接上电极式的于写显示板器件中的l 电极制备i 。艺流程罔。 首先，利崩磁控溅射的方法在透明塑料衬底上制备一层i t o 薄膜，使用激光器辖 i t o 膜切害4 成长条状，然后在役有制备有i t o 的一面再镀上一层i t o 薄膜。由 于制膜时衬底侧壁也镀上了i t o 薄膜，所以这时上下荫层i t o 通过侧壁连接在 一起，长条衬底完全被1 t o 所包裹，如图2 1 0 ( a ) 所示。接着将条状衬底埘半 切开，如图2 1 0 ( b ) 所示。利_ l i j 激光将其分割成众多只有一个侧壁连通的像素 方块，导通的侧壁都朝一面放置，以保证像素之间的绝缘性，如图2 1 0 ( c ) 所 不。将像素方块拼在一起形成卜电极基板，如图2 - 1 0 ( d ) 所示。最后，使用热 压机将其与电予墨水薄膜层压在一起，形成显示板。 悱 黔 a )( b )( c ) 图2 - 1 0 侧壁连接上电极式的基板制备方法 1 8 弟= 蕈l 于静电扬厦理由电手玉求手写置乖授自键升与窑观 如图2 一1 1 所示是所制各样屏显示情况，其显示速度快，基本能同步显示书 写轨迹，器件表面比较光滑，显示效果比较好，但是这种结构制作起来工艺程序 环节多。 ， 爨i _ i ；意囊一 鬻l 7 豢藕霍曩f 图2 1 i 采用侧壁连接上电极的手写显示扳原理型器什实物图 上面捉到，由于工艺复杂，采用侧壁连接上电极的手写板难以大面积制作， 如果采用过渡孔连接上电极的方法，工艺环节将变得简单。图2 一1 2 为采用过渡 孔连接上电极式的手写显示板器件结构，它的主要构成部分如下：“l ”，过孔，气”， 匕电极( i t o 薄膜) ，3 ，塑料衬底，4 ，电子器水薄膜，“5 ”，下电极( i t o 薄膜) ，“6 ”底板，其特点是采用过渡孔实现上电极两面的连接。 图2 - 1 2 采用过渡孔连接上电极的手写显示板的器件结构示意图 第二章1 1 予静电场原理朗电子墨水手写显亨l 詈板胄芎j ；乏计茸实现 手写板的上电极是采用两面都镀有i t o 的一块透明绝缘的塑料衬底( p e t 膜) 制成。在衬底的每一面上，i t o 薄膜被激光分割成大小相同、整齐排列的方 块像素单元，尺寸可以小到1m m x lh i i l l 以下，相邻两个像素相互绝缘。像素中 心是一直径小于o 1m i l l 的过孔，由激光束打孔形成，孔壁同样镀有i t o 薄膜。 上下两面对应的方块像素单元通过过渡孔连在一起，这样上电极驱动电压可以通 过过渡孔由上而下传送，驱动电子墨水薄膜显示。 手写板的制作程序如下：首先将激光器的功率调高，并调整好激光头扫描速 度及其与所加工i t o 的距离，设置好其它工作参数后，将计算机端的加工设计 图通过打印口输出到激光器，在透明、绝缘的p e t 膜上打出直径小于0 1m i l l 的 过孔阵列，每个过孔对应于一个像素，且孔口位于像素中心；采用直流磁控溅射 等镀膜方法在布满过孔的塑料衬底的一面上沉积一层透明度和电导率都较高的 i t o 薄膜，其厚度要适中，介于7 0n m - - - 2 0 0l l l n 之间；调低激光器的功率，使用 激光对p e t 衬底表面上的一层i t o 进行切割，将i t o 分割成大小、形状一致的 方形电极，过孔位于像素方块中心，相邻像素方块单元相互不导通，经测量确保 所有相邻像素电极之间不导通后，使用热压机将电子墨水显示薄膜与上电极基板 压紧；用同样的方法在塑料衬底的另一面上再制作一层i t o 薄膜，厚度要比第 一次镀的要稍大，以避免书写时被刮花，再用激光分割，使上下两面i t o 的切 痕完全重合，这样上下对应的两小块i t o 像素单元便通过过渡孔导通，形成剖 面图中像素呈“工”字形的i t o 结构。所施加的电压可以从上直接穿过塑料衬底到 达下部驱动电子墨水显示。 图2 1 3 给出采用过渡孔连接上电极的手写板的显示器件实物图。图2 1 3 ( a ) 中样屏的像素大小为2m m x 2m i l l ，分辨率为3 2 3 2 ，屏幕光滑，像素排列整齐。 图2 1 3 ( b ) 为使用电写笔书写手写板的视频截图。屏幕像素大小为lm m x lm m ， 分辨率为4 8 x 4 8 ，显示效果较好。从图中可以看出，使用这种方法制作出来的手 写器件相对来说比较美观，像素可以做得较小，书写流畅，显示速度跟得上笔触 的移动速度。 通过对以上各种手写显示板器件设计的比较，可以发现，以过渡孔连接上电 极的器件结构方案最好，它不仅书写快速，刷写方便，而且工艺简单，容易实现 大面积制作。该器件和样屏的特性表征如下： 苇= 章l 子一电苷鱼理的电千量，| 【手写直采截的泣升茸窖巩 。 墨 卞 j 一 _ 一电 愫 ( a ) 像素大小为2r a m 2m m 的手写显示板( 时像素大小为ir a r a lm m 的手写显示板 图2 1 3 采用过渡孔连接上电极的手写显示板的器件实物图 外形特性：上电极像素采用双层i t o 结构，通过过渡孔相连。像素大小和过 渡孔孔径是影响显示效果的两个重要指标。像素大小以做到lm m x lm m 以下， 孔径小于0 1 r e a l 。 反应速度：由于电压通过表面i t o 直接作用在墨水上，所以反应速度快，电 压作用1 0 0m s 左右即可达到较佳的显示效果。 反射特性：上电极表面i t o 的厚度和透明度很大程度上决定了反射系数。由 于在塑料衬底上制作i t o 的实验条件还不十分成熟，反射系数有待进一步提高。 使用寿命：手写显示板表面的i t o 比较薄，书写时仍存在容易刮花的问题。 2 3 5 辅助部件研制 一套完整的书写上具除了要有千写显示板外，还少不了相应的辅助工具，如 电写笔、刷除工具等，下面将分别介绍配套手写显示板的辅助部件研制情况。 l 、电写笔研制 根据人们的书写习惯用连着电线的笔来书写非常不方便，所以需要研制小 型化的供电电路。在现有的屯写笔供电方案中，有使用干电池供电的m l ，也有使 用压电陶瓷供电的1 1i ，本文将15 伏的钮扣电池电压升高至能满足电子墨水驱动 电压特性的要求。 第- - x t 蠢于静电场原理的电子垦水手写垦采板约设计与宾现 ( a ) 电写笔结构原理图( b ) 供电电路图 图2 1 4 电写笔结构原理图和供电电路图 如图2 1 4 所示是所设计的电写笔结构原理图和供电电路图。该电写笔采用 钮扣电池供电，笔腔内装有升压电路，电池的直流电压经升压、整流、滤波、稳 压等环节后稳定输出1 5 - 3 0 伏特的直流电压，输出两极分别接上电写笔笔头、 导电金属膜及引出线。其原理如图2 1 4 ( a ) 中，结构分别为l ”，电源开关，2 ”， 电极引出线，“3 ”，笔夹，4 ”，双刀双掷开关，“5 ”，绝缘外壳，“6 ”，导电金属 膜，“7 ”，金属笔杆及弹簧，“8 ”，导电橡胶球。笔腔内嵌入了升压芯片( s p 4 4 0 3 ) ， 能将低压直流电压升高到1 5v 至3 0v t l 5 1 。绝缘笔壳外面贴有导电金属膜，与输 出电压的一极相连，另一极接到笔尖上。书写时一手握笔，一手触摸手写板的下 电极，这样导电金属膜的电压便经过人体传送到下电极上，从而实现了电写笔的 “无线化”，使得书写方便，也符合人们书写习惯。另外，也可以不使用导电金属 膜，而直接将这一极用导线引出接到手写显示板下电极上，这样驱动电压不通过 人体。在笔尖上的导电橡胶球能降低电写笔对手写板造成的伤害，弹簧能保证笔 杆内部部件的紧密含接，避免断路，绝缘外壳可以防止漏电。 图2 1 4 ( b ) 是升压电路结构图，采用s p 4 4 0 3 升压芯片实现升压，使用时 只需在芯片外围接上适当的电感和电容即可达到升压的目的。输出交流电压大小 由电池电压和外接元件决定。设计结构中钮扣电池输入1 5 - 3v 直流电压，芯 片输出交流电压，经过直流电桥整流和电容滤波后变为1 5 - - 3 0v 的直流输出电 压，输出端接上笔头。双刀双掷开关s 2 控制输出电压的极性，实现黑屏写白字 弟二窜差予静电抒厦理时电乎五玳手写置采攮阿瑗计茸窑靶 或白屏写黑字的模式切换。保护电阻r 1 和r 2 可确保电源正负极意外接通时输 出较低电流，保障人身安全。图2 一1 5 为制各出的原理型电写笔实物图，笔的末 端接有导线是为了方便接上直流屯源。 蚓2 - 1 5 麒理犁电写笔实物斟 2 、刷除配件研制 咀上讨论的都是关于如何书写的口j 题但是方便快捷的刷除方法也相当重 要。屏幕刷新效果羞会使得屏幕留有前幅图像的残影，严重影响屏幕以后的显示 质量，同时，如果刷新速度慢也使得手写板丧失实际意义。 当刷除屏幕的图像或者字迹时，需