電致變色和電泳技術在低功耗顯示器中大放異彩
2023-07-04 11:14:13 EETOP編譯自allaboutcircuits超薄、靈活和低功耗的顯示器支持無線、物聯網和能源收集應用，這些應用將繼續為更多產品帶來智能。本文探討兩種最流行的低功耗反射式顯示技術--電致變色和電泳。
隨著低功耗電子技術的不斷進步，智能產品正在大量涌現。這包括將電子產品放入可穿戴設備和標簽等應用中，，這些應用必須輕薄、靈活且堅固。雖然液晶顯示器（LCD）產品已經存在了幾十年，以低成本提供低功耗，但它們的視角有限，而且太厚，無法在可穿戴設備中彎曲或用于標簽。兩種顯示技術（電致變色和電泳）正在這些類型的應用中取代LCD（圖1）。
當我們想到顯示器時，我們自然會想到電視、電腦顯示器和智能手機屏幕。這些都是透射式顯示器的示例。它們依靠有源背光源照亮顯示器，如圖2左側所示。通過提供自己的光源，它們在低光下工作得很好，但在明亮的陽光下效果很差。但是產生這種光意味著力量，通常是很多。
當我們想到電子顯示器時，我們自然會想到電視、電腦顯示器和智能手機屏幕。這些都是透射式顯示器的例子。如圖2左側所示，它們依靠有源背光源來照亮顯示器。通過提供自己的背光光源，它們在弱光下工作得很好，但在明亮的陽光下卻很差。但是，產生這種光通常意味著大量的電力消耗。
作為透射式顯示器的替代方案，反射式顯示器依靠外部光源來照亮顯示器（圖 2，中間）。外部環境光通過屏幕背面的反射器反射回觀看者。反射式顯示器所需的功率明顯低于透射式顯示器，可減少眩光，并最大程度地減少眼睛疲勞，因為對比度非常高。但是，它們在低光照條件下無法使用。最著名的反射式電子顯示器類型是亞馬遜Kindle電子閱讀器中使用的電泳顯示器。
半透反射顯示器是透射式和反射式技術的混合體，如圖2所示。提供部分反射背襯和主動光源。半透反射顯示器可以在低光和強光環境中使用，但不能提供純反射顯示器可能的高對比度和極低功率。
雖然電泳和電致變色顯示器都是反射式顯示器的例子，但基礎技術卻大不相同。電致變色顯示器采用超薄聚合物，可根據外加電場改變顏色。電場使電致變色材料發生化學氧化和還原。此更改需要很少的能量并且相對穩定，因此刷新要求較低。
顯示器是通過將電極、聚合物和電解質的材料堆疊打印成薄層來制造的（圖 3）。這些顯示器的厚度只有幾百微米，這使得它們具有高度的靈活性。電致變色顯示器可以在低至3 V的電壓下進行切換，這意味著它們通常可以直接由標準CMOS產品驅動，而無需產生更高開關電壓的專用顯示驅動器。
在電泳顯示器中，電場的應用會導致充滿彩色顏料的微小微膠囊移動。帶負電荷的白色顏料油墨顆粒被吸入帶正電荷的頂部電極（圖4）。帶正電荷的黑色顏料油墨顆粒被吸入帶負電荷的底部電極。從頂部看，此像素將顯示為白色。
施加相反極性的電場將切換狀態，并且像素將顯示為黑色。這些是雙穩態。因此，不僅過渡能量低，而且不需要任何刷新。像素幾乎可以無限期地保持其狀態，但隨著時間的推移可能會有一些降級。電泳顯示器需要15 V才能切換，因此專用顯示器驅動器可將3或5 V的標準CMOS系統電壓升壓至開關所需的15 V。
電致變色和電泳顯示器的獨特特性（低功耗、薄型和柔性）將允許將動態顯示器引入傳統上僅限于靜態印刷標簽的應用中。圖5提供了零售展示電子貨架標簽（左）和智能監控標簽（右）的示例。
圖5. 薄型、柔性低功耗顯示器應用示例
零售商可能會隨著價格的變化而更改零售顯示屏上的信息，或者響應潛在購買者對更多信息的請求。智能標簽可以提供有關溫度歷史記錄、產品過期或篡改的信息。這些顯示器的其他應用可能包括物聯網、物流、庫存跟蹤、冷鏈監控、醫療和可穿戴設備。
一種有望使柔性顯示器激增的技術是絲網印刷等低成本制造方法。特別是，大批量卷對卷印刷正被用于構建電致變色和電致變色顯示器（圖 6）。低成本的承印物和高速印刷可以創造規模經濟，甚至可以為智能標簽等應用提供一次性動態顯示器。
開始開發包含柔性電子顯示器的產品從未如此簡單。用于評估和演示的電泳顯示樣品已經從Eink等供應商處直接提供一段時間了，并得到了Adafruit等原型和業余愛好者網站的支持（圖7，左）。同樣，Ynvisible為傳統的分段顯示器甚至一些異想天開的顏色和圖像提供電致變色顯示套件（圖7，右）。
根據事實與數據，到2020年，全球柔性顯示器市場約為124億美元，預計每年增長34%，到73年達到2026億美元左右。使用電致變色和電泳技術的低功耗、柔性、反射式顯示器可能會推動這一增長的很大一部分。
