電子書閱讀器顯示技術又一選擇：「膽固醇液晶」產品即將推出，目前的技術限制有哪些？ | T客邦

一種名為「膽固醇液晶」的新型顯示技術，近年來逐漸引起人們的注意。其具備與電子墨水（e-ink）相似的特點，如低能耗和不發光的字體，使長時間閱讀對眼睛更舒適，但不同於傳統電子墨水，膽固醇液晶能夠提供更豐富的色彩表現，使其在顯示彩色內容方面更具優勢，成為電子閱讀器和其他電子設備的理想螢幕選擇。膽固醇液晶發展多年，但一直沒有具體的突破，最主要是因為液晶的發展一直朝著「高螢幕更新頻率」和「高解析」的方向走，而這兩個方向都是膽固醇液晶的弱勢，所以在過去許多年的時間裡，膽固醇液晶一直找不到方向。但隨著 ESG 的議題、液晶螢幕的藍光危害，讓膽固醇液晶重新找到自己的定位，原來的劣勢反而變成了競爭的優勢。

另外，膽固醇液晶「反射式」和「雙穩態」的特性，讓它具有護眼和省電的優點，加上 1677 萬色的全彩表現，呈現照片和圖表更亮麗清晰；同時因為液晶可以讓光線穿過，因此在膽固醇液晶面板底部結合太陽能板，還可以讓膽固醇液晶在戶外及室內達到「自我供電」，甚至「不插電」的終極目標。

電子紙的主要特性

電子紙之所以被稱為電子「紙」的原因很簡單，相較於生活中隨處可見的電視、手機螢幕，電子紙的顯示原理其實更偏向於傳統的紙張。紙張本身不會發光，要閱讀紙張上的內容，需要有外部的光源；而讀者在閱讀紙本書時，書籍本身也不需要使用額外的能源，這正好與電子紙的「反射式」和「雙穩態」這兩種主要特性相互呼應。

目前電子紙的技術有很多種，像是電泳式、液晶型、微機電型…等，其中技術最成熟，商品化最成功的，就是元太科技的電泳式電子墨水技術，已被廣泛應用在各種電子書閱讀器上。隨著近年電子書閱讀器的推陳出新，大家對於電泳式電子墨水技術也逐漸熟悉，不過其實在液晶陣營中，也有一種同樣具備「反射式」和「雙穩態」特性的顯示技術：膽固醇液晶（ChLCD）。

▲ 提供更好的彩色書籍閱讀體驗，不僅是趨勢，也是眾多電子書閱讀器廠商正在努力的方向。

反射式較不傷眼

在「反射式」液晶顯示技術中，有一種是沒有背光模組設計，而是在液晶層的後面增加了反光板。當外部的光線照射到反光板後，會被反射回液晶層，然後通過液晶層再反射到人眼中，也稱為「全反射式 LCD」，因為不像其他背光式顯示器需持續供電給背光源，所以在電力消耗上會更省電，全反射式的螢幕在明亮的環境下也有很好的可視性，因此非常適合用於戶外應用。同時，因為反射式顯示器的光源來自環境光源，和背光式螢幕光源直射眼睛不同，長時間使用反射式螢幕較不易造成眼睛疲勞，也沒有藍光所造成視力疲勞、黃斑部病變等風險。

▲ 元太的 Kaleido 彩色電子紙，是以黑白電子墨水搭配 RGB 彩色濾光片，來呈現不同的顏色。

透過雙穩態進一步省電

雙穩態則是指顯示器，在不施加電壓的情況下，雙穩態顯示器的像素可以保持在兩種不同的狀態（例如，黑色和白色）的穩定性，而不需要外部電源來維持這些狀態。換句話說，雙穩態的顯示器只有在更新畫面時才需要消耗電力，由於不需要連續的電源來維持顯示，這種技術特別適合於需要長期電池壽命或低能耗的應用，比如電子標籤或電子書閱讀器。

雙穩態顯示器的技術原理主要就是「電泳式的電子墨水」和「膽固醇液晶」。總的來說，雙穩態顯示技術提供了一種節能、高效的方式來維持靜態圖像，特別適用於那些不需要頻繁刷新顯示的應用場景。而同時具有「反射式」和「雙穩態」特性的液晶，就只有膽固醇液晶。因此膽固醇液晶和電子墨水都能稱為「電子紙」。

▲ 以顯示技術的原理來說，膽固醇液晶與電子墨水完全是兩回事，但它們卻都具備反射式與雙穩態的特性。

什麼是膽固醇液晶？

全名 Cholesteric Liquid Crystal Display 的膽固醇液晶（ChLCD），並不是最近才出現的產物，它可以追溯到 19 世紀末期，伴隨液晶技術的早期研究而萌芽。但是，膽固醇液晶的具體發展，則一直到了 20 世紀晚期才正式啟動。相信許多人在初次看到這個名稱時，都會一頭霧水，膽固醇與液晶兩者之間看似毫不相關，但現代液晶顯示技術之能夠蓬勃發展，可說是拜膽固醇之賜。

膽固醇與液晶的關係

所謂的膽固醇，是一種對人體很重要的脂質類分子，由法國醫生 François Poulletier de la Salle 首次於人體的膽結石中發現，到了 1880 年代末期，奧地利植物學家兼化學家弗里德里希•萊尼澤（Friedrich Reinitzer）在從事膽固醇的相關研究時，意外發現苯甲酸膽固醇脂（一種苯甲酸與膽固醇形成的有機化合物）在加熱之後，會出現類似晶體特性的奇怪物理現象，因此聯繫到德國物理學家奧托•雷曼（Otto Lehmann），並確認這是一種介於液體和晶體的特殊相態，從而催生出「液晶」這個概念。在奧托的研究之下，發現其實還有許多的材料，也都具備液晶的特性。而此一發現也為未來液晶技術的發展奠定了基礎，不過可惜的是，當時研究者們雖發現了液晶的獨特性質，但在技術力的限制下，直至半個多世紀以後，才由美國無線電公司（RCA）造出世界上第一台液晶顯示器。

▲ 為了提供即時的資訊，許多公共看板已改用液晶或電子紙螢幕，不過市場仍在尋找更合適的替代方案。（圖片：Freepik.com）

▲ 在日間環境下，許多大型廣告看板由於並非反射式面板，必須提高亮度才能達到鮮明及清晰的色彩，但這也會提高能源成本，並加速設備的損耗。

液晶相態的差異

依據液晶相態的構成方式，大致可以可分為液向性液晶與熱向性液晶兩大類，膽固醇液晶便屬於熱向型液晶的其中之一，意謂可以透過溫度的變化來展現出不同的液晶相態，同屬熱向性液晶還有向列型和層列型液晶，這幾種液晶之間的區別，在於液晶分子的排列方式。

向列式液晶是最常見的液晶類型之一，廣泛用於液晶顯示器（LCDs）。在向列式液晶中，分子大致上採平行排列，但它們的末端沒有規律地排列。這種排列方式使得液晶在電場的作用下，能夠容易地重新排列，進而改變光的傳播方式，這是液晶顯示技術的核心。而層列型液晶是另一種液晶類型，在這種類型中，分子不僅平行排列，還按層次組織排列。這使得層列型液晶在某些應用中比向列型液晶更穩定。

膽固醇液晶的液晶分子排列則較為特殊，是由多層的向列式液晶堆疊而成，每一層的分子排列角度會規律性的進行旋轉，因此從側面看起來，就彷彿是一種螺旋狀的結構，至於「膽固醇液晶」命名的由來，其實是前述的奧托•雷曼於 1904 年創造的名稱，用以表明其材料是來自於膽固醇的衍生物，如果以材料學的角度來看，如今的膽固醇液晶已經與真正的膽固醇關係甚淺，因此它還有另一個更正式的名稱，叫做旋光向列型液晶（Chiral Nematic Liquid Crystal），只不過大家仍習慣稱之為「膽固醇液晶」。

▲ 奧托•雷曼因為首次提出「液晶」這個概念，並確認其物理特性，被譽為液晶之父。

▲ 我們常用的計算機或電子錶上的液晶螢幕，也屬於反射式液晶的一種，只是它並沒有雙穩態的特性。

▲ 在前兩年的南港智慧顯示展會上，早已有膽固醇液晶顯示器的身影，但後續的消息卻不多。

色彩方面擁有絕對優勢

現在膽固醇液晶的關鍵特性，在於它自身就具有顏色，在加入旋光劑使得液晶分子能夠進行 360 度旋轉，利用液晶分子縮放時調整旋距厚度和角度，就會反射出不同的顏色來。膽固醇液晶的色彩表現主要取決於「旋距」、「旋光率」和「液晶分子的排列狀態」。不同旋距的液晶分子會反射不同波長的光線，進而呈現不同的顏色，而不同旋光率的液晶分子會使偏振光發生不同的旋轉角度，進而影響反射的光線強度。

而液晶分子在不同排列狀態下也會呈現不同的反射特性。例如，平面狀態的液晶分子會反射所有波長的光線，呈現白色；傾斜狀態的液晶分子會反射特定波長的光線，呈現其他顏色。目前，膽固醇液晶的色彩表現已經可以達到 1,677 萬色，可與傳統液晶顯示器相媲美。

▲ 從膽固醇液晶的剖面圖，可以清楚看到它是一種多層的結構。

膽固醇液晶的解析度表現

一般的紙本書，印刷解析度大約是 300dpi，dpi 指的是每英吋的長度上有多少個墨點。而 ppi 是表示在每英吋的長度上有多少個像素。簡單的說，dpi 是用來衡量印表機或其他類似設備的解析度的，而 ppi 是用來衡量顯示器或其他類似設備的解析度。

目前電泳式電子紙的解析度，在黑白電子墨水上，已經可以達到 300ppi，等同紙張印刷品的呈現品質了，因此在黑白電子墨水閱讀器上閱讀書籍的體驗和閱讀紙本時的清晰程度幾乎一致。但是在彩色電子墨水的解析度表現上，因為技術原理的關係，Kaleido 1 彩色電子墨水推出時，雖然黑白表現可以達到 300ppi，但彩色表現只有 100ppi；到了第三代 Kaleido 推出時，彩色表現已經提升到 150ppi，整體細膩度提升了許多。元太旗下另一系列電子墨水 Gallery的解析度，目前第三代也已提升至 300ppi。至於目前的膽固醇液晶，其表現是 128ppi，還不及上述兩款。但就目前了解的訊息，已經有 200ppi 的膽固醇液晶原型機。

▲ 對比目前電泳式電子紙主流的 4096 色，色彩的呈現是膽固醇液晶的絕對優勢。

膽固醇液晶目前需要解決的問題

目前第一波將進入台灣市場的膽固醇液晶消費性產品，預計是由富動科技所推出的電子書閱讀器。但從上市前的測試機來看，似乎還有幾個問題尚待克服。

1. 面板解析度

膽固醇液晶現在的解析度只有 128ppi，所以對於小尺寸的裝置來說，因為顯示面積有限，再加上解析度不高，所以對於各種文字字型難有很好的表現，因此，圖畫形式的繪本可能會較為適合膽固醇液晶閱讀器。就目前的資料來看，雖然已經有解析度 200ppi 的原型機出現了，但 200ppi 對比黑白電子墨水的 300ppi 還是有落差，即使比 150ppi 彩色電子墨水要高，但差距也不明顯。因此平心而論，必須等到更大尺寸膽固醇液晶閱讀器出現後，才比較有看頭。

▲ 由於解析度的限制，目前膽固醇液晶在字體的表現上還有進步的空間。

2. 機身厚度

膽固醇液晶閱讀器的物理構造，是由 RGB 三片膽固醇液晶面板組合起來，先天上就是不可能和電子墨水的閱讀器競爭的。尤其在小尺寸的裝置上，使用者對於厚度將會特別有感，尺寸愈小，閱讀器的厚度劣勢愈明顯。此外，也因為外部的光線必須穿過三層面板再反射，因此會感覺畫面不夠銳利，有點霧霧的。

▲ 和不同品牌的電子墨水閱讀器相比，膽固醇液晶閱讀器都要厚上那麼一些些。

3. 翻頁速度

以目前被動式驅動技術來說，膽固醇液晶刷新一次螢幕，大約需要 1200 毫秒，如果再加上作業系統和其他元件的延遲，整體來說刷新一頁至少要 1800 毫秒到 2000 毫秒，也就是 1.8 秒到 2 秒之間。這個翻頁速度對於讀者來說，應該還是太慢了。目前透過各種技術手段，最快也只能縮短到 700 毫秒，也就是 0.7，不過在 0.7 秒的快刷狀態下，色彩表現也會下降。

不過據了解，目前主動式驅動的膽固醇液晶，已經可以把翻頁的速度加快到 60毫秒，也就是被動式的 1/20，以這個速度，不只是翻頁而已，甚至都可以播放每秒 24 格的影片，已經非常接近我們一般使用的液晶螢幕。但是，主動式驅動的膽固醇液晶，由於各種因素，目前還沒有量產的計畫，我們只能期待它早點推出。

▲ 膽固醇液晶刷新螢幕時，中間會有一條橫線掃過去，有點類似翻頁效果。

4. App 的支援

雖然膽固醇液晶也是液晶家族的一員，但因為驅動特性不同，因此現在許多應用市集裡的 App，並無法直接在膽固醇液晶閱讀器裝置上運行，可能會出現流暢性或畫面顯示方面的問題，都需要再進行調整修正以達最佳化，不過這也和當時電子墨水紙剛開始時的情況一樣，隨著時間以及裝置的普及，支援的 App也會慢慢增加。另外，因為我們現在見到的都是原型機，不管在軟、硬體上都不夠穩定，也許等到正式上市時，這些問題都已經被解決，就會提供給使用者更好的閱讀體驗。

膽固醇電子紙的相關應用

電子紙因為反射和省電的特性，我們最熟悉的應用就是電子書閱讀器。但事實上，像是戶外廣告、捷運海報，行動廣告、交通訊息、數位標牌、電子標籤等，都是電子紙可以應用的範圍。

適合戶內及室外場域

之前電子墨水因為顯色的能力有限，因此較多應用在許多單色或雙色的電子標籤上，像是智慧物流的集裝箱、貨架上的價格標牌等等。而膽固醇液晶由於具備了全彩的色彩能力，讓它可以應用的範圍更為廣泛，像是大眾運輸的電子紙顯示器，在太陽光下清晰可見，適合在戶外長時間以最低功耗顯示資訊，並透過遠端即時更新交通資訊、也可以使用太陽能自發電的環保顯示器在戶外做大型的廣告看板，即使在室內，也能用最省電的方式展示各種菜單。

▲ 由於膽固醇液晶可以讓光線通過，若搭配以薄膜鈣鈦礦為基礎的第三代太陽能電池，基本上就能達到供電自給。