基于直流平衡的電子紙驅(qū)動(dòng)方法的研究

劉先明，王　利，易子川，水玲玲，周?chē)?guó)富*

（1.華南師范大學(xué)華南先進(jìn)光電子華南先進(jìn)光電子研究院，彩色動(dòng)態(tài)電子紙顯示技術(shù)研究所，廣州510006；2.深圳市國(guó)華光電科技有限公司，深圳518110）

基于直流平衡的電子紙驅(qū)動(dòng)方法的研究

劉先明1，2，王利1，2，易子川1，2，水玲玲1，周?chē)?guó)富1，2*

（1.華南師范大學(xué)華南先進(jìn)光電子華南先進(jìn)光電子研究院，彩色動(dòng)態(tài)電子紙顯示技術(shù)研究所，廣州510006；2.深圳市國(guó)華光電科技有限公司，深圳518110）

作為一種類(lèi)紙顯示設(shè)備，電子紙已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，然而，電子紙的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仍需進(jìn)一步改善，用以提升電子紙的顯示性能.在電子紙驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，各級(jí)灰階的顯示均沒(méi)有固定的閾值電壓；因此，電子紙需要利用驅(qū)動(dòng)波形來(lái)顯示一個(gè)特定的灰階.直流平衡是驅(qū)動(dòng)波形設(shè)計(jì)中的一個(gè)非常重要的因素，直流不平衡時(shí)，顯示屏將容易被損壞并且影響使用壽命.該文基于直流平衡提出了2種驅(qū)動(dòng)方案，其中一種是在灰階循環(huán)變化過(guò)程中實(shí)現(xiàn)直流平衡；另外一種驅(qū)動(dòng)方案是基于單一的灰階變化的直流平衡方式.提出的驅(qū)動(dòng)方案效果良好，可應(yīng)用在商業(yè)化的E-ink電泳顯示屏中.

電子紙；驅(qū)動(dòng)方案；閾值電壓；直流平衡

當(dāng)今，電子紙已經(jīng)是一種非常重要的顯示裝置，可數(shù)字化控制并能迅速更新信息.電子紙的反射式顯示方式可以提供舒適的閱讀感受，符合人類(lèi)的閱讀習(xí)慣，具有非常廣泛的應(yīng)用前景.電泳顯示（EPD）是實(shí)現(xiàn)電子紙顯示的一個(gè)重要的技術(shù)手段.首先，它具有良好的雙穩(wěn)態(tài)特性，并且可以長(zhǎng)時(shí)間保存顯示的內(nèi)容［1］；第二，電泳材料較為容易實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制，可以通過(guò)控制施加的驅(qū)動(dòng)電壓的形態(tài)來(lái)顯示不同灰階［2］.另外，電泳顯示器的材料價(jià)格相對(duì)較低，顯示過(guò)程中能耗小，因此，電泳顯示技術(shù)被廣泛應(yīng)用在電子書(shū)閱讀器中［3］.

電泳顯示裝置由一個(gè)有源矩陣基板［4］、時(shí)序控制器和一套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成.電泳粒子是電泳顯示器的一個(gè)重要組成部分.在電泳顯示過(guò)程中，電泳粒子在外加電壓的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行電泳運(yùn)動(dòng)，但其對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓的響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)，且是非線性的［5-7］.因此，需要選擇合適的電壓時(shí)序，以校正粒子的電泳運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)灰階顯示.在實(shí)際應(yīng)用中，施加到像素驅(qū)動(dòng)電極上的電壓時(shí)序被稱(chēng)作驅(qū)動(dòng)波形.

目前，對(duì)驅(qū)動(dòng)波形提出一些驅(qū)動(dòng)原理和方案［8-11］.然而，這些驅(qū)動(dòng)波形的設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮直流平衡的問(wèn)題.在液晶顯示器中，通過(guò)給公共電極提供反向電壓來(lái)釋放靜電［12-13］.然而，電泳粒子并不具有液晶分子的極性反轉(zhuǎn)特性，因此，不能使用改變電泳顯示器中公共電極電壓的方法，僅可通過(guò)改善像素電極的驅(qū)動(dòng)波形來(lái)實(shí)現(xiàn)直流平衡.本文提出2種驅(qū)動(dòng)方案以實(shí)現(xiàn)電泳顯示過(guò)程中的直流平衡，一種是在灰階循環(huán)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)直流平衡，另一種是在單一灰階轉(zhuǎn)換過(guò)程中實(shí)現(xiàn)直流平衡［14］.在驅(qū)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)過(guò)程中，一個(gè)完整的驅(qū)動(dòng)波形被分成3個(gè)階段:直流平衡補(bǔ)償，激活顆粒，顯示下一個(gè)灰階.在直流平衡補(bǔ)償階段中，使用2種不同的方法實(shí)現(xiàn)直流平衡，具有良好的顯示效果.

1　電泳顯示器組成

微膠囊型的電泳顯示屏主要包含微膠囊顯示材料，像素電極和公共電極.微膠囊內(nèi)部含有2種粒子:一種是帶正電的黑色粒子，另一種是帶負(fù)電的白色粒子.微膠囊的引入是電泳顯示技術(shù)的一個(gè)重大突破，把粒子封裝在有限空間的微膠囊里（圖1），粒子的擴(kuò)散和聚集運(yùn)動(dòng)都被限制在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，從而解決了粒子電泳運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定問(wèn)題.由像素電極的TFT（薄膜晶體管）給像素提供驅(qū)動(dòng)電壓，通過(guò)控制TFT柵極的開(kāi)關(guān)就可以調(diào)整施加到像素電極的驅(qū)動(dòng)電壓，TFT的源極可以用于改變驅(qū)動(dòng)波形的電壓值.一般情況下，微膠囊顯示系統(tǒng)包括電泳粒子、電泳懸浮液、背景染色材料、電荷控制劑. EPD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1　電泳顯示原理Figure 1　The working principle of EPD

電荷控制劑可以防止帶電粒子的聚集或沉積在膠囊壁上，使電泳粒子具有良好的電泳特性.在電荷控制劑的作用下，帶電粒子的電荷量達(dá)到單位半徑1 μm的粒子帶有100～150 C的電荷，同時(shí)，電泳遷移率達(dá)到10-4～10-5cm2/Vs.響應(yīng)時(shí)間的表達(dá)式如下:

式中，T是響應(yīng)時(shí)間，d是電極之間的距離，V是電極間施加的電壓，ζ是電荷量，ε為懸浮液的介電常數(shù).

2　直流殘留

在電泳顯示屏的制造過(guò)程中，其所使用的材料不可避免地存在一些可移動(dòng)離子殘余物于顯示屏中［15］.當(dāng)有電壓施加到像素電極時(shí)，這些離子將在顯示屏中向著一定的方向移動(dòng).當(dāng)施加到像素電極上的電壓極性被改變時(shí)，這些離子將向相反方向移動(dòng).如果電壓被施加到像素電極的平均值是0，在2個(gè)電極之間流動(dòng)的離子的運(yùn)動(dòng)將抵消，運(yùn)動(dòng)的凈距離是0.然而當(dāng)施加的電壓平均值不為0時(shí)，這些帶電離子將被集中到一個(gè)特定的地方形成一個(gè)內(nèi)部電場(chǎng)，進(jìn)而這種內(nèi)部電場(chǎng)會(huì)阻斷電泳粒子的運(yùn)動(dòng).更加嚴(yán)重的情況下，當(dāng)這種離子積累到一定程度時(shí)會(huì)破壞電泳顯示屏.

在液晶顯示器（LCD）的驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，公共電極電壓值的極性變化常用來(lái)消除直流殘留.在電子紙顯示器中，粒子的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有特定的規(guī)律，并且也沒(méi)有極性反轉(zhuǎn)的特性.因此，不能使用改變共用電極電壓值的方法，來(lái)達(dá)到去除直流殘留的目的.本文改變了像素電極上的驅(qū)動(dòng)方式，使正電壓和負(fù)電壓之間的關(guān)系達(dá)到一定的平衡.驅(qū)動(dòng)過(guò)程被分成3個(gè)階段:直流平衡補(bǔ)償，激活顆粒和寫(xiě)入下一個(gè)圖像.激活顆粒的階段是使用1個(gè)占空比為50%的方波驅(qū)動(dòng)，正電壓和負(fù)電壓的時(shí)間是相等的，因此，這一階段不會(huì)導(dǎo)致直流殘留.顯示屏要寫(xiě)入下一個(gè)圖像顯示時(shí)，電極需要被施加正電壓，該階段可能會(huì)導(dǎo)致直流不平衡.因此，需要使用DC平衡補(bǔ)償以補(bǔ)償負(fù)電壓.

驅(qū)動(dòng)方案的實(shí)例如圖2A所示.在2個(gè)虛線之間的間隔代表單位時(shí)間，當(dāng)幀速率是50幀/秒時(shí)，單位時(shí)間的長(zhǎng)度為1/50=20 ms.在每個(gè)時(shí)隙上電壓的狀態(tài)可設(shè)置為15、0或-15 V.在驅(qū)動(dòng)波形的作用下，微膠囊內(nèi)的顆粒開(kāi)始朝向公共電極或像素電極移動(dòng).最終，粒子的運(yùn)動(dòng)將通過(guò)電泳顯示屏的亮度和反射率變化來(lái)體現(xiàn).當(dāng)電泳顯示屏的初始狀態(tài)是黑色灰階時(shí)，將呈現(xiàn)反射率變化（圖2B）.

圖2　一種驅(qū)動(dòng)波形及其顯示屏相應(yīng)反射率變化Figure 2　A driving waveform and the corresponding reflectance transformation

3　電泳顯示技術(shù)驅(qū)動(dòng)方案

微膠囊中含有2種粒子，給像素電極施加正電壓時(shí)，黑色粒子會(huì)移動(dòng)到公共電極從而在屏幕上顯示黑色灰階.相反地，施加負(fù)電壓時(shí)，白色粒子會(huì)移向公共電極，黑色粒子移動(dòng)到像素電極，使屏幕顯示白色灰階（圖1）.在電子紙的灰階顯示過(guò)程中，由于從白色灰階變化到其他灰階所用的時(shí)間，要比以黑色灰階為基準(zhǔn)的變化時(shí)間更短，所以將白色灰階作為參考灰階.在激活粒子過(guò)程中，必須先顯示黑色灰階，然后復(fù)位為白色狀態(tài).在驅(qū)動(dòng)方案的第三個(gè)階段，在最佳時(shí)機(jī)施加正電壓驅(qū)動(dòng)像素電極，可以得到新的圖像灰階.在DC平衡補(bǔ)償階段，必須根據(jù)下一個(gè)圖像選擇合適的時(shí)機(jī)施加負(fù)電壓.根據(jù)上述原理，在本文中提出2種直流平衡補(bǔ)償?shù)姆椒?

3.1基于灰階循環(huán)的驅(qū)動(dòng)方案

第一種DC平衡驅(qū)動(dòng)方案是基于灰階循環(huán)的平衡方式.圖像從一種特定的灰階顯示變化到另一種灰階，并最終返回到該特定灰階，這種變換就是一個(gè)灰階循環(huán).這里以一個(gè)4級(jí)灰階的驅(qū)動(dòng)方案為例（其它多級(jí)灰階的驅(qū)動(dòng)方案同樣可以適用）.具體驅(qū)動(dòng)波形過(guò)程如圖3A所示，其中B代表黑色灰階，DG代表深灰色灰階，LG代表淺灰色灰階，W代表白灰色灰階.灰階的變化過(guò)程是B→DG→LG→W→B，整個(gè)循環(huán)過(guò)程中，所施加正電壓與負(fù)電壓的時(shí)間相等.

每一級(jí)灰階的變化過(guò)程中，直流都是不平衡的；但是在整個(gè)灰階轉(zhuǎn)換的循環(huán)中，單一灰階變換中積累的靜電荷就一定會(huì)被釋放.如果所有的灰階循環(huán)都實(shí)現(xiàn)DC平衡，顯示薄膜就可以避免被靜電破壞.該驅(qū)動(dòng)波形用于驅(qū)動(dòng)E-ink電泳顯示屏顯示4級(jí)灰階的結(jié)果如圖3B所示，這種驅(qū)動(dòng)波形在保證器件顯示效果的情況下，提高了器件的使用壽命.

圖3　基于灰階循環(huán)的平衡驅(qū)動(dòng)波形設(shè)計(jì)及其電泳顯示屏顯示效果Figure 3　A DC balance driving scheme and the electrophoretic display effect based on a gray scale circulation

3.2基于單一灰階變化的驅(qū)動(dòng)方案

另外一種驅(qū)動(dòng)方案是基于單一灰階變化的直流平衡方式，其特點(diǎn)是在每個(gè)灰階轉(zhuǎn)換過(guò)程中都保持DC平衡，并且靜電荷可被有效釋放.該方法中，一定時(shí)間長(zhǎng)度的正電壓被用來(lái)寫(xiě)入新的顯示灰階，相同時(shí)間長(zhǎng)度的負(fù)電壓用作直流平衡補(bǔ)償.激活粒子階段的驅(qū)動(dòng)波形占空比為50%且不會(huì)改變，所以它對(duì)直流是否平衡沒(méi)有影響.圖4A為該驅(qū)動(dòng)波形方法的示例，其中4個(gè)灰階變換的過(guò)程分別為:B→B、B→DG、B→LG和B→W.該驅(qū)動(dòng)波形用于驅(qū)動(dòng)E-ink電泳顯示屏顯示的4級(jí)灰階實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4B所示.該灰階轉(zhuǎn)換方法用于驅(qū)動(dòng)電泳顯示屏，每次灰階變化都能夠有效釋放靜電，保障了顯示器件的穩(wěn)定性和壽命.

圖4　基于單次灰階轉(zhuǎn)換的直流平衡驅(qū)動(dòng)波形設(shè)計(jì)及其電泳顯示屏顯示效果Figure 4　DC balance driving waveform and the electrophoretic display effect based on the single gray scale conversion

4　結(jié)論

本文針對(duì)電泳顯示系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)性能進(jìn)行描述和研究，提出了2種直流平衡的驅(qū)動(dòng)方案.以商用E-ink電泳顯示屏為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這2種方法原理，結(jié)果顯示這2種驅(qū)動(dòng)波形都能驅(qū)動(dòng)顯示屏正確地顯示4級(jí)灰階圖像.這兩種驅(qū)動(dòng)波形的設(shè)計(jì)基于增加直流平衡的原理，消除了直流殘留對(duì)電泳顯示屏的損害，提高顯示屏的穩(wěn)定性和壽命.

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【中文責(zé)編：譚春林英文責(zé)編：肖菁】

Research on Electronic Paper Driving Schemes Based on DC Balance

Liu Xianming1，2，Wang Li1，2，Yi Zichuan1，2，Shui Lingling1，Zhou Guofu1，2*
（1.Institute of Electronic Paper Displays，South China Academy of Advanced Optoelectronics，South China Normal University，Guangzhou 510006，China；2.Shenzhen Guohua Optoelectronics Tech.Co.Ltd.，Shenzhen 518110，China）

As a novel display device，electronic paper has been widely used in various fields；however，the electronic paper driving system still needs to be further improved for the better performance.During the driving process，the electrophoretic display（EPD）screen has no fixed threshold voltage value for gray scale display. Therefore，a driving scheme is required for displaying a specific gray scale.DC balance is a very important influence factor for display screens，and it could damage the screen and then influence the display life time if the DC had not been unbalanced.Two kinds of driving schemes are proposed based on DC balance.One driving scheme is to achieve DC balance during the gray scale circulation.The other is to achieve DC balance based on one single gray scale transformation.Experimental results show that the proposed methods in this paper show good performance on commercial E-ink EPD devices.

electronic paper；driving scheme；threshold voltage；DC balance

TN27

A

1000-5463（2015）03-0010-04

2015-03-10《華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》網(wǎng)址:http://journal.scnu.edu.cn/n

教育部“長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃”項(xiàng)目（IRT13064）；廣東省引進(jìn)創(chuàng)新科研團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目（2011D039，2013C102）；廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（S2013010014418）

周?chē)?guó)富，教授，國(guó)家“千人計(jì)劃”入選者，Email:zhougf@scnu.edu.cn.