基于直流平衡的电子纸驱动方法的研究

刘先明，王　利，易子川，水玲玲，周国富*

（1.华南师范大学华南先进光电子华南先进光电子研究院，彩色动态电子纸显示技术研究所，广州510006；2.深圳市国华光电科技有限公司，深圳518110）

基于直流平衡的电子纸驱动方法的研究

刘先明1，2，王利1，2，易子川1，2，水玲玲1，周国富1，2*

（1.华南师范大学华南先进光电子华南先进光电子研究院，彩色动态电子纸显示技术研究所，广州510006；2.深圳市国华光电科技有限公司，深圳518110）

作为一种类纸显示设备，电子纸已经被广泛应用于各个领域，然而，电子纸的驱动系统仍需进一步改善，用以提升电子纸的显示性能.在电子纸驱动过程中，各级灰阶的显示均没有固定的阈值电压；因此，电子纸需要利用驱动波形来显示一个特定的灰阶.直流平衡是驱动波形设计中的一个非常重要的因素，直流不平衡时，显示屏将容易被损坏并且影响使用寿命.该文基于直流平衡提出了2种驱动方案，其中一种是在灰阶循环变化过程中实现直流平衡；另外一种驱动方案是基于单一的灰阶变化的直流平衡方式.提出的驱动方案效果良好，可应用在商业化的E-ink电泳显示屏中.

电子纸；驱动方案；阈值电压；直流平衡

当今，电子纸已经是一种非常重要的显示装置，可数字化控制并能迅速更新信息.电子纸的反射式显示方式可以提供舒适的阅读感受，符合人类的阅读习惯，具有非常广泛的应用前景.电泳显示（EPD）是实现电子纸显示的一个重要的技术手段.首先，它具有良好的双稳态特性，并且可以长时间保存显示的内容［1］；第二，电泳材料较为容易实现驱动控制，可以通过控制施加的驱动电压的形态来显示不同灰阶［2］.另外，电泳显示器的材料价格相对较低，显示过程中能耗小，因此，电泳显示技术被广泛应用在电子书阅读器中［3］.

电泳显示装置由一个有源矩阵基板［4］、时序控制器和一套驱动系统组成.电泳粒子是电泳显示器的一个重要组成部分.在电泳显示过程中，电泳粒子在外加电压的驱动下进行电泳运动，但其对驱动电压的响应时长，且是非线性的［5-7］.因此，需要选择合适的电压时序，以校正粒子的电泳运动来实现灰阶显示.在实际应用中，施加到像素驱动电极上的电压时序被称作驱动波形.

目前，对驱动波形提出一些驱动原理和方案［8-11］.然而，这些驱动波形的设计没有考虑直流平衡的问题.在液晶显示器中，通过给公共电极提供反向电压来释放静电［12-13］.然而，电泳粒子并不具有液晶分子的极性反转特性，因此，不能使用改变电泳显示器中公共电极电压的方法，仅可通过改善像素电极的驱动波形来实现直流平衡.本文提出2种驱动方案以实现电泳显示过程中的直流平衡，一种是在灰阶循环过程中实现直流平衡，另一种是在单一灰阶转换过程中实现直流平衡［14］.在驱动方案的设计过程中，一个完整的驱动波形被分成3个阶段:直流平衡补偿，激活颗粒，显示下一个灰阶.在直流平衡补偿阶段中，使用2种不同的方法实现直流平衡，具有良好的显示效果.

1　电泳显示器组成

微胶囊型的电泳显示屏主要包含微胶囊显示材料，像素电极和公共电极.微胶囊内部含有2种粒子:一种是带正电的黑色粒子，另一种是带负电的白色粒子.微胶囊的引入是电泳显示技术的一个重大突破，把粒子封装在有限空间的微胶囊里（图1），粒子的扩散和聚集运动都被限制在一个很小的范围内，从而解决了粒子电泳运动的不稳定问题.由像素电极的TFT（薄膜晶体管）给像素提供驱动电压，通过控制TFT栅极的开关就可以调整施加到像素电极的驱动电压，TFT的源极可以用于改变驱动波形的电压值.一般情况下，微胶囊显示系统包括电泳粒子、电泳悬浮液、背景染色材料、电荷控制剂. EPD的内部结构如图1所示.

图1　电泳显示原理Figure 1　The working principle of EPD

电荷控制剂可以防止带电粒子的聚集或沉积在胶囊壁上，使电泳粒子具有良好的电泳特性.在电荷控制剂的作用下，带电粒子的电荷量达到单位半径1 μm的粒子带有100～150 C的电荷，同时，电泳迁移率达到10-4～10-5cm2/Vs.响应时间的表达式如下:

式中，T是响应时间，d是电极之间的距离，V是电极间施加的电压，ζ是电荷量，ε为悬浮液的介电常数.

2　直流残留

在电泳显示屏的制造过程中，其所使用的材料不可避免地存在一些可移动离子残余物于显示屏中［15］.当有电压施加到像素电极时，这些离子将在显示屏中向着一定的方向移动.当施加到像素电极上的电压极性被改变时，这些离子将向相反方向移动.如果电压被施加到像素电极的平均值是0，在2个电极之间流动的离子的运动将抵消，运动的净距离是0.然而当施加的电压平均值不为0时，这些带电离子将被集中到一个特定的地方形成一个内部电场，进而这种内部电场会阻断电泳粒子的运动.更加严重的情况下，当这种离子积累到一定程度时会破坏电泳显示屏.

在液晶显示器（LCD）的驱动过程中，公共电极电压值的极性变化常用来消除直流残留.在电子纸显示器中，粒子的运动没有特定的规律，并且也没有极性反转的特性.因此，不能使用改变共用电极电压值的方法，来达到去除直流残留的目的.本文改变了像素电极上的驱动方式，使正电压和负电压之间的关系达到一定的平衡.驱动过程被分成3个阶段:直流平衡补偿，激活颗粒和写入下一个图像.激活颗粒的阶段是使用1个占空比为50%的方波驱动，正电压和负电压的时间是相等的，因此，这一阶段不会导致直流残留.显示屏要写入下一个图像显示时，电极需要被施加正电压，该阶段可能会导致直流不平衡.因此，需要使用DC平衡补偿以补偿负电压.

驱动方案的实例如图2A所示.在2个虚线之间的间隔代表单位时间，当帧速率是50帧/秒时，单位时间的长度为1/50=20 ms.在每个时隙上电压的状态可设置为15、0或-15 V.在驱动波形的作用下，微胶囊内的颗粒开始朝向公共电极或像素电极移动.最终，粒子的运动将通过电泳显示屏的亮度和反射率变化来体现.当电泳显示屏的初始状态是黑色灰阶时，将呈现反射率变化（图2B）.

图2　一种驱动波形及其显示屏相应反射率变化Figure 2　A driving waveform and the corresponding reflectance transformation

3　电泳显示技术驱动方案

微胶囊中含有2种粒子，给像素电极施加正电压时，黑色粒子会移动到公共电极从而在屏幕上显示黑色灰阶.相反地，施加负电压时，白色粒子会移向公共电极，黑色粒子移动到像素电极，使屏幕显示白色灰阶（图1）.在电子纸的灰阶显示过程中，由于从白色灰阶变化到其他灰阶所用的时间，要比以黑色灰阶为基准的变化时间更短，所以将白色灰阶作为参考灰阶.在激活粒子过程中，必须先显示黑色灰阶，然后复位为白色状态.在驱动方案的第三个阶段，在最佳时机施加正电压驱动像素电极，可以得到新的图像灰阶.在DC平衡补偿阶段，必须根据下一个图像选择合适的时机施加负电压.根据上述原理，在本文中提出2种直流平衡补偿的方法.

3.1基于灰阶循环的驱动方案

第一种DC平衡驱动方案是基于灰阶循环的平衡方式.图像从一种特定的灰阶显示变化到另一种灰阶，并最终返回到该特定灰阶，这种变换就是一个灰阶循环.这里以一个4级灰阶的驱动方案为例（其它多级灰阶的驱动方案同样可以适用）.具体驱动波形过程如图3A所示，其中B代表黑色灰阶，DG代表深灰色灰阶，LG代表浅灰色灰阶，W代表白灰色灰阶.灰阶的变化过程是B→DG→LG→W→B，整个循环过程中，所施加正电压与负电压的时间相等.

每一级灰阶的变化过程中，直流都是不平衡的；但是在整个灰阶转换的循环中，单一灰阶变换中积累的静电荷就一定会被释放.如果所有的灰阶循环都实现DC平衡，显示薄膜就可以避免被静电破坏.该驱动波形用于驱动E-ink电泳显示屏显示4级灰阶的结果如图3B所示，这种驱动波形在保证器件显示效果的情况下，提高了器件的使用寿命.

图3　基于灰阶循环的平衡驱动波形设计及其电泳显示屏显示效果Figure 3　A DC balance driving scheme and the electrophoretic display effect based on a gray scale circulation

3.2基于单一灰阶变化的驱动方案

另外一种驱动方案是基于单一灰阶变化的直流平衡方式，其特点是在每个灰阶转换过程中都保持DC平衡，并且静电荷可被有效释放.该方法中，一定时间长度的正电压被用来写入新的显示灰阶，相同时间长度的负电压用作直流平衡补偿.激活粒子阶段的驱动波形占空比为50%且不会改变，所以它对直流是否平衡没有影响.图4A为该驱动波形方法的示例，其中4个灰阶变换的过程分别为:B→B、B→DG、B→LG和B→W.该驱动波形用于驱动E-ink电泳显示屏显示的4级灰阶实验结果如图4B所示.该灰阶转换方法用于驱动电泳显示屏，每次灰阶变化都能够有效释放静电，保障了显示器件的稳定性和寿命.

图4　基于单次灰阶转换的直流平衡驱动波形设计及其电泳显示屏显示效果Figure 4　DC balance driving waveform and the electrophoretic display effect based on the single gray scale conversion

4　结论

本文针对电泳显示系统的驱动性能进行描述和研究，提出了2种直流平衡的驱动方案.以商用E-ink电泳显示屏为研究对象，通过实验验证了这2种方法原理，结果显示这2种驱动波形都能驱动显示屏正确地显示4级灰阶图像.这两种驱动波形的设计基于增加直流平衡的原理，消除了直流残留对电泳显示屏的损害，提高显示屏的稳定性和寿命.

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［3］Burns S E，Reynolds K，Reeves W，et al.A scalable manufacturing process for flexible active-matrix e-paper displays［J］.Journal of the Society for Information Display，2005，13（7）:583-586.

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［5］Yi Z C，Bai P F，Zhou G F，et al.An electrophoretic display driving waveform based on improvement of activation pattern［J］.Journal of Central South University，2014，21（8）:3133-3137.

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［11］Kao W C，Chu M I，Ye J A，et al.Design of flexible electrophoretic display controller with reduced waveform lookup tables［C］∥IEEE International Conference on Consumer Electronics.Las Vegas NV，USA:2010:2-2.

［12］Kao W C，Chang W T，Ye J A.Driving waveform design based on response latency analysis of electrophoretic displays［J］.IEEE Journal of Display Technology，2012，8（10）:596-601.

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［15］周国富，易子川，王利，等.电泳电子纸驱动波形研究现状与前景［J］.华南师范大学学报:自然科学版，2013，45（6）:56-61. Zhou G F，Yi Z C，Wang L，et al.Present situation and prospect of the driving waveform for electrophoretic display［J］.Journal of South China Normal University:Natural Science Edition，2013，45（6）:56-61.

【中文责编：谭春林英文责编：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《华南师范大学学报（自然科学版）》网址:http://journal.scnu.edu.cn/n

教育部“长江学者和创新团队发展计划”项目（IRT13064）；广东省引进创新科研团队计划项目（2011D039，2013C102）；广东省自然科学基金项目（S2013010014418）

周国富，教授，国家“千人计划”入选者，Email:zhougf@scnu.edu.cn.