电润湿电子纸多级灰阶研究与设计

易子川， 曾 磊， 周 莹*, 王 利， 赖树发， 翟迪国， 李 楠， Nicolaas Frans de ROOIJ， 周国富

(1. 电子科技大学中山学院，中山 528402； 2. 华南师范大学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；3. 深圳市国华光电科技有限公司,深圳 518110； 4. 深圳市国华光电研究院，深圳 518110)

电润湿电子纸多级灰阶研究与设计

易子川1,3,4， 曾 磊2,3,4， 周 莹2,3,4*, 王 利2,3,4， 赖树发2,3,4， 翟迪国2,3,4， 李 楠3,4， Nicolaas Frans de ROOIJ3,4， 周国富2,3,4

(1. 电子科技大学中山学院，中山 528402； 2. 华南师范大学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；3. 深圳市国华光电科技有限公司,深圳 518110； 4. 深圳市国华光电研究院，深圳 518110)

电润湿电子纸具有功耗低、广视角、响应速度快等优点. 针对其存在的灰阶显示反射率低和显示不稳定的问题，提出一种基于脉冲宽度-振幅调制驱动波形设计方法和字符分解刷新方式的电润湿灰阶改进方案. 首先基于脉冲宽度-振幅调制设计驱动波形，并利用字符分解刷新方式扫描显示屏，然后测试每一个电压值下显示屏的开口率，得到电润湿的迟滞特性曲线，最后根据韦伯定律结合迟滞特性曲线来划分灰阶. 实验表明，该驱动方案得到了一个最大反射率70%、显示清晰的8级灰阶电润湿显示系统.

电润湿电子纸； 驱动波形； 灰阶； 迟滞特性； 字符分解

电润湿电子纸技术是一种无背光源的显示技术，其拥有功耗低、阅读视角广等特点[1]，其明显优势是响应速度快，能够实现视频播放. 目前，电润湿电子纸显示系统还没有产品化的系统方案，大多数驱动显示系统还停留在实验室验证阶段. 要实现电润湿显示，重要的是要满足其较高的驱动电压和较快的刷新速率[2-3].

目前，实现电润湿显示屏的多灰阶显示，主要通过脉冲振幅调制或脉冲宽度调制方法来设计驱动波形[4-5]，然后通过逐行逐列扫描方式来驱动电润湿显示屏，以期获得一定的灰阶[6]. 在成熟的电泳电子纸灰阶设计中，一般采用逐行逐列扫描的方式扫描像素格，要完成一帧的扫描，需要多次逐行扫描，这种方式的灰阶显示反射率低、显示不稳定[7]. 本文前期研究[8]采用电泳电子纸灰阶调节方法，设计电润湿电子纸的多级灰阶驱动系统，这一方案在多方面有重要参考价值，但驱动集成电路(IC)只能提供30 V的电压，不能使油墨达到最大开口率[9]，其仅仅实现了4级灰阶. DIJK等[10]分别采用脉冲宽度调制和振幅调制的方法实现了多级灰阶的视频播放，仅实现了4级灰阶的显示；CHIU等[11]在6输入高级视频图形阵列(Super Video Graphics Array，SVGA)电润湿实验屏上采用了脉冲灰阶调制方法，结合振幅灰阶调制方法实现了电润湿电子纸8级灰阶驱动系统，但其硬件开关是二元选择器，只能输出2种振幅，这并不能完全解决电润湿多灰阶显示问题.

针对以上问题，本文提出了一种脉冲宽度-振幅调制驱动波形设计方法，使用STM32主控IC加上SSD1629来驱动IC，再附加少许外围电路构成一整套硬件系统. 其中SSD1629可以输出4种幅值的电压，最大输出电压为40 V，而且在STM32控制芯片下可以实现脉冲加振幅组合型波形驱动信号. 为了使灰阶显示亮度明显、显示稳定，使用字符分解刷新方式扫描显示屏[12]，最后可以实现一个显示亮度清晰、区分明显的电润湿8级灰阶显示.

1 系统设计理论

1.1 电润湿显示理论

电润湿显示是指通过改变液滴与绝缘基板之间电压，来改变液滴在基板上的润湿性，即改变接触角，使液滴发生形变、位移的现象.

根据Lippmann-Young方程

(1)

其中，θV和θ0分别代表在施加电压后和未施加电压时液滴与固体表面的接触角，εd和ε0分别为相对介质常数和真空介质常数，d是固体介质层的厚度，σlg代表液滴与气体之间的表面张力，V代表外加电压. Lippmann-Young方程指出了液滴的三相接触角受外界施加电压和介质层的厚度、介电常数影响，且其随着外加电压绝对值的增大而减小.

在不加电压条件下，底板呈现疏水特性，油墨在基板上形成连续的铺展膜(图1A)，此时显示的是彩色油墨的颜色. 由式(1)可知，在施加电压后，油墨和基板的接触角减小，底板呈现亲水特性，水挤压油墨，油墨收缩(图1B)，此时显示部分彩色油墨的颜色和部分基板的颜色. 影响电润湿响应速度的因素是多方面的，油墨的厚度和疏水介电层的材料特性是主要影响因素[13]. 使用开口率来衡量水相平铺在底板的程度，同时使用灰阶来衡量显示的效果.

图1 电润湿显示原理

1.2 电润湿像素结构

本设计采用图2所示的电润湿像素结构，它主要由上、下基板和腔内极性和非极性液体组成. 其中上下基板是由2块透明玻璃构成，在上基板的内侧紧贴氧化铟锡导电膜(ITO)且该ITO作为公共电极. 在下基板上，ITO层紧贴透明玻璃层，该层ITO作为驱动电极. ITO层上方是一层疏水介电层. 疏水介电层[14]的疏水性和介电性能至关重要，其直接决定着系统内油墨运动的难易程度以及器件的可靠性. 在上下基板中间部分则填充了水和油墨2种液体. 像素格中的水则贯穿了整个像素格. 每个像素单元由像素墙隔开，像素墙的高度决定了油墨的高度. 像素结构的最外层则是一层密封隔板，主要起密封支撑保护作用.

图2 电润湿像素结构示意图

1.3 系统框架

根据电润湿电子纸显示驱动原理，为适配电润湿显示屏接近40 V驱动电压和较快速响应速度，硬件系统驱动模块采用晶门科技半导体公司设计的SSD1629驱动芯片. 控制模块则采用意法半导体公司推出的STM32单片机作为主控IC. 硬件系统主要包含了主控IC模块、驱动IC模块以及电源供电模块，2个SSD1629分别控制着电润湿电子纸显示屏(16×16)的行和列的波形输出，微控单元(MCU)则控制SSD1629的配置参数输出，配置参数主要为驱动周期、驱动电压、重复次数等，电源模块则分别给STM32主控IC模块和SSD1629模块供电. 图3为系统主体框架结构图.

图3 系统主体框架结构图

2 硬件设计

一个完整的电润湿显示系统应该包括性能良好的硬件部分去支撑软件部分的运行. 在硬件系统中，选用单片机STM32芯片作为主控芯片，同时选取SSD1629芯片作为驱动芯片. 此外，在电润湿显示系统中，需要提供电源模块为STM32控制模块和SSD1629驱动模块供电，图4为硬件设计实物图.

图4 硬件电路实物图

2.1 控制模块

在硬件系统中，选取由意法半导体公司推出的STM32系列单片机作为主控IC，STM32系列单片机具有高性能、低功耗、低成本的优势.本设计选取STM32F030F4P6型号单片机作为硬件系统的主控IC，在STM32主控芯片的外围电路中，包括时钟振荡器电路和复位电路，其中时钟振荡器电路产生8 Mhz的晶振驱动单片机工作，在电源电压出现供电异常或者需要人为复原初始状态时，使用复位电路进行复位. 图5为STM32主控芯片及外围电路图.

图5 STM32主控芯片及外围电路

2.2 驱动模块

驱动模块是硬件系统最为重要的一个模块. 为了适配电润湿显示屏接近40 V驱动电压和较快速响应速度，选取由晶门科技半导体公司设计的SSD1629 驱动芯片作为驱动系统的主要组成部分，硬件驱动模块主要由SSD1629驱动IC和部分外接电路组成. 其中SSD1629驱动IC可以实现3个等级的电压V0、V1、VSS输出，并且支持标准的SPI通信协议，所有端口都可以输出高阻状态. SSD1629芯片及外围电路如图6所示.

图6 SSD1629驱动芯片和外界电路

2.3 电源模块

对于完整的硬件系统来说，为整个硬件系统提供稳定可靠的电源供应模块是十分重要的问题，稳定可靠的电源模块是硬件系统平稳运行的前提和基础. 考虑到常用电源为5 V输出，而STM32单片机和SSD1629驱动IC均需要3.3 V恒流恒压供电，因此采用ME6208A降压型电压稳压器来实现3.3 V电压恒压输出. 为适配电脑端USB接口电源供电，系统采用了micro USB电源数据线作为电源供应器和硬件系统之间的电源连接线.

3 软件设计

软件系统主要为实现电润湿电子纸显示屏的驱动显示，主要要完成SSD1629参数配置、字符库设计、中断处理和通用异步收传输器(UART)通信数据处理4个模块的设计. 图7是软件设计的程序主体流程图，其中每一步的Y/N都表示有/没有的相对关系，它们并不存在阈值.

图7 程序主体流程图

3.1 软件系统总体框架设计

软件系统具体执行步骤(图7)如下：

第一步：系统初始化各个子模块，子模块主要有串行外设接口(SPI)通信接口、时钟、初始化波形等.

第二步：配置SSD1629波形参数，向SPI发送初始化指令，完成初始化数据的发送. 初始化数据包含有波形参数V0和V1的值、脉冲个数、周期等内容. 这些数据通过SPI接口向驱动 IC 发送.

第三步：设置中断并配置波形输出. 在中断时完成自定义波形输出. 这里的波形指的是下一个即将输出的波形，通过串口向驱动 IC 发送.

第四步：输出完返回标志位. 在波形输出完毕后返回状态标志位. 主要是数据成功与否的标志位. 如果不成功则将当前波形参数再一次通过串口接口向驱动 IC 发送.

第五步：判断异常. 这一步主要是判断系统在运行中是否出现异常情况. 如果系统在运行过程中出现了异常，则程序会将当前的所有输出关闭并重新从第二步开始执行，否则将重复三～四步操作.

3.2 刷新方式

在本系统中，采用字符分解方法来实现电润湿电子纸显示屏稳定显示，字符分解就是将要显示的字符拆解成横向、纵向显示，最后形成完整的字符显示. 即第一次进行向条扫描，第二次进行纵向扫描. 依次在选中的像素点上施加预定的波形，在没选中的像素点上施加低电压V1，使其点亮，使用2次即可完成扫描，继而得到对应的灰阶图像. 而按照逐行逐列的刷新扫描方法，扫描一个字符需要的次数比使用字符分解方法需要的扫描次数更多，显示的字符反射率也相应更低. 为了在16 px×16 px像素格的电润湿显示屏上显示字符“H”，使用逐行逐列扫描的方法，总共需要16次扫描，此时亮度是没有使用扫描方法时反射率的1/16，而采用字符分解方法，需要预先在字符库里将这些字符进行定义设计(图8设计了“H”字符，长6 px宽11px)，然后分别通过横向、纵向2次扫描，此时亮度是没有使用扫描方法时反射率的1/2，因而这种字符分解型刷新扫描方式在大大降低扫描次数后可以将字符稳定显示在电润湿电子纸显示屏上.

图8 显示“H”字符

3.3 灰阶调制和驱动波形设计

采用基于脉冲宽度和振幅相结合的波形设计方法进行灰阶调制，其中SSD1629驱动芯片可以实现V0、V1、VSS、HI-Z这4个状态的电压输出状态(V0输出区间为10～40 V，V1为V0的一半，VSS为接地电压，HI-Z为高阻状态)，因而可以提供多种振幅选择；在频率调节方面，SSD1629可以实现最小周期为0.062 5 ms半波形输出. 在SSD1629内部指令中，可以利用其提供的5个波形控制阶段分别实现波形重复次数和频率来达到振幅-脉冲驱动波形，因而可以通过频率调节来实现脉冲宽度调制. 基于SSD1629芯片，使用脉冲宽度和振幅相结合的方法，可以对电润湿电子纸的灰阶进行调制，通过实验可以得到8级灰阶.

为了得到8级灰阶，设计如图9的驱动波形. 为了驱动点亮1个像素点，需要在COM端(行)和SEG端(列)同时加电压，在波形设计中，将SEG端电压置为VSS,在第一个阶段，SSD1629能为T1A或T1B提供的最短时间为0.062 5 ms，提供最长的时间为320 ms，对应V0(10～40 V)、V1(V0的一半)、VSS(接地电压)和高阻4种输出状态，同时在阶段一可以设置周期的重复次数，同理阶段二、三、四可以按照同样的方式设置，使用这种方法在理论上可以实现几乎所有的灰阶值. 基于屏的非一致性和驱动方式的制约，在28 V时，油墨开口率可以达到50%. 在V0设定值为16 V时，油墨开口率可以达到25%.

图9 脉冲宽度-振幅结合驱动波形

Figure 9 Driving waveform with pulse width and amplitude modulation

4 结果与讨论

4.1 迟滞特性

电润湿电子纸迟滞特性描述的是在驱动过程中电压上升阶段所形成的油墨开口率与电压下降过程中油墨开口率不一致性. 上升过程和下降过程在相同的电压下，其开口率存在不一样的现象，通常把这种现象称之为油墨迟滞特性，也把在坐标轴上形成的曲线称之为迟滞特性曲线. 为验证电润湿电子纸油墨在驱动过程中存在迟滞现象，设计了具有上升和下降阶梯形状的驱动波形. 如图10所示，驱动波形的周期为1 s，其主要目的是为了能够让油墨在该段时间内达到应有的稳定值.

图10 迟滞特性驱动波形

将图10所设计的驱动波形施加在显示屏上后，在实验室显微镜下将电润湿电子纸油墨在显微镜镜头端呈现的运动情况传输到电脑端显示，然后抓取在每个电压下对应的电润湿显示屏开口率，最后将实验数据生成图表，得到电润湿开口率的迟滞特性曲线(图11).

图11 电润湿开口率的迟滞特性曲线

Figure 11 Hysteresis characteristic curve of electrowetting opening rate

4.2 灰阶划分

划分灰阶时通常需要以人的视觉感官刺激为切入点，但人对自然界的视觉刺激感知并不是线性的，而是呈现非线性的. 韦伯定律描述的就是这样的一种现象. 其公式如下：

Δ∅/∅=C，

(2)

其中，∅是原刺激量，Δ∅是此时的差别阈值，C为常数. 即当这种刺激以一定比例增大或者减少的时候，人们会感知到这些变化是均匀变化. 根据韦伯定律，在定义灰阶值时使用灰卡进行比对[15-16]. 通常采用定义纯白色卡反射率为100%，纯黑反射率0%. 使用标准的灰卡(中间灰)进行反射率测量时结果并不是50%，而是20%，刚好符合了韦伯定律：人的感知变化是呈非线性的. 其中Gamma曲线描述了反射率和人感知的灰阶对应曲线关系. 横坐标表示自然界线性增长加亮度，纵坐标表示人感受的均匀灰阶. 其中曲线的输出值=输入值γ，图12是γ分别为2.2和1/2.2时的曲线，当γ=1/2.2时，在物体反射率为20%时实际上就已经达到了人感知的中间灰阶，符合之前灰卡比对方法所描述的现象.

图12 Gamma校正曲线

以上理论数据同样适用于电润湿电子纸显示屏灰阶划分. 电润湿电子纸显示屏的反射率与油墨的开口率直接相关，在显微镜下可以观察到，当显示屏在40 V大电压驱动下，屏的开口率为70%左右，定义该开口率为显示屏的最大反射率，将反射率通过Gamma校正得到人所感知灰阶值.

图13是在16组实验数据得出的迟滞曲线中选择其中的2组具有明显非一致性的实验数据，其他组数据位于它们之间. 在一定的电压范围内，电润湿开口率和驱动电压呈线性关系. 而由Gamma校正曲线可知，其对应的人眼感知灰阶的变化不均匀. 将Gamma校正曲线输出进行8灰阶等分，其区间分别为0～0.125、0.125～0.250、0.250～0.375、0.375～0.500、0.500～0.625、0.625～0.75、0.750～0.875、0.875～1.000，其对应的开口率区间分别为0～1%、1%～5%、5%～12%、12%～22%、22%～36%、36%～53%、53%～75%、75%～100%. 然后通过迟滞曲线，得到驱动电压区间分别为0～10、10～11、11～12、12～14、14～18、18～26、26～40 V，最后一个区间在目前像素结构上较难实现. 由于不同屏的非一致性[17]，驱动电压的区间存在些许误差，不同显示屏需要在实验测试中校对.

图13 2组迟滞曲线

4.3 显示效果分析

实验使用16 px×16 px像素格的电润湿显示屏，将振幅-脉冲驱动波形的每个阶段重复40周期，且依据8级灰阶划分对应的驱动电压设计振幅-脉冲驱动波形. 在硬件系统上使用振幅-脉冲驱动波形驱动电润湿显示屏. 在显示屏可以看到反射率高、灰阶显示稳定的8级灰阶(图14).

图14 8级灰阶效果图

5 结论

本文首先分析了目前电润湿电子纸灰阶调制方法，分别对振幅调制、脉冲长度调制电润湿灰阶方法的不足和电泳逐行扫描电润湿显示效果不足进行了分析，提出了基于STM32主控芯片和SSD1629驱动芯片的电润湿多灰阶硬件设计，同时利用脉冲宽度-振幅调制驱动波形设计方法和字符分解刷新扫描方式完成电润湿多灰阶软件设计，然后测试每个电压下电润湿电子纸显示屏的开口率的多做实验数据，继而表征它们关系的电润湿迟滞特性曲线，进一步对实验数据使用韦伯定律结合电润湿迟滞特性曲线对显示屏进行8阶灰阶划分. 最后，实现了的电润湿8级灰阶的高反射率、高清晰显示. 而对于显示终端的功耗问题，可以设计一种低功耗的模数转换器以降低功耗[18]，如何有效降低电润显示器件的功耗有待进一步研究.

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Research and Design of Multi Level Gray Scale of Electrowetting Electronic Paper

YI Zichuan1,3,4, ZENG Lei2,3,4, ZHOU Ying2,3,4*, WANG Li2,3,4, LAI Shufa2,3,4, ZHAI Diguo2,3,4, Li Nan3,4, Nicolaas Frans de ROOIJ3,4， ZHOU Guofu2,3,4

(1. Zhongshan Institute,University of Electronic Science and Technology of China, Zhongshan 528402, China; 2. Institute of Electronic Paper Display, South China Academy of Advanced Optoelectronics, South China Normal University, Guangzhou 510006, China; 3. Shenzhen Guohua Optoelectronics Tech. Co., Ltd., Shenzhen 518110, China; 4. Shenzhen Guohua photoelectric Research Institute, Shenzhen 518110, China)

Electrowetting electronic paper (EWD) has the characteristics of low power consumption, wide angle of view, fast response speed and so on. However, the gray scale display reflectivity is low and display instability,soan improved scheme is proposed to display gray-scale in EWDs based on awaveform design method which includes pulse width and amplitude modulation. Firstly, the design of the driving waveform based on pulse width and amplitude modulation, and char breakup refresh mode is used to scan the EWD. Secondly, the screen opening rate is test at each voltage value point, and the electrowetting hysteresis curve is obtained at the same time, then, the gray scale is divided according to weber law combined with hysteresis curve. Experimental results show that a clear 8 level gray scale EWD system with a maximum reflectivity of 70% can be achieved by the proposed driving scheme.

electrowetting electronic paper; driving waveform; gray scale; hysteresis characteristics; chars disassembly

2017-04-21 《华南师范大学学报(自然科学版)》网址：http://journal.scnu.edu.cn/n

国家自然科学基金委员会-荷兰国家基金机构间合作重点项目(NSFC-NOW,51561135014)；国家高等学校学科创新引智计划111引智基地-光信息引智基地；电子科技大学中山学院高层次人才科研启动基金项目(416YKQ04)；教育部长江学者和创新团队发展计划项(IRT13064)；广东省引进第四批领军人才专项资金项目(Nicolaas Frans de ROOIJ,2014年)；广东省科技计划项目(2014A030308013,2014B090914004)；广东省引进第四批创新科研团队(2013C102)；广东省重大专项(2014B090914004,2016B090909001)；广东省产学研项目(2016B090918083)；深圳融资项目(GQYCZZ20150721150406)

*通讯作者:周莹,Email:zhouying@m.scnu.edu.cn.

TN27

A

1000-5463(2017)06-0017-07

【中文责编：谭春林 英文审校：肖菁】