电子纸技术概述

电子纸技术概述

电子纸技术诞生于20世纪70年代，但真正的繁荣却是35年后的今天。电子纸最初是为了取代传统纸张的大量消耗而发明出来，时至今日，电子纸的出现对于传统纸出版行业的冲击正在逐渐体现出来，目前全世界已经出现超过20种电子纸载体出现，仅2007年就有8种新的电子纸载体诞生，预计2008年这一数字将接近40种。表1是电子纸市场近年来的发展状况统计。但是，不要忘记，电子纸的本质首先是一种柔性显示器，在其轻薄柔软特性背后，涌现的是对传统平板显示产业更为彻底的冲击。

表1 2004-2010年电子纸市场规模（资料来源：富士chimera总研）

电子纸简介

电子纸的载体是一张特殊的薄胶片，通过在胶片上"涂"上的一层带电的物质（电子墨），根据内容的不同进行后台控制，通过相应的显示组合以达到内容显示的目的。电子纸的内核就是一个广义上的IC，整个阅读器则可看作是一个薄薄的内嵌式遥控显示板。电子墨水就是将带正、负电的诸多黑白粒子，密封于微胶囊内，因施加电场的不同，在监视器表面产生不同的聚集，呈现出黑或白的效果。商业化程度最好的非液晶电子纸技术是E-Ink的电子墨水技术（电泳式电子纸）。它的优点很多，最主要的是内容可重写，可以随意对文字或图像进行更新，从而实现大量内容的统一平台浏览。同时，非常适合肉眼阅读，由于对比度较高，所以文字、图像清晰，并且无论从哪个方向看都没有变化，阅读舒适轻松。省电也是电子纸的一大特性，文字刷新以后，会长期停留在屏幕上，阅读的时候电池可以取掉。换句话说，阅读的时候不耗电，只有在翻页刷新的时候才耗电，所以电池寿命会很长。因薄膜重量轻，电子纸还可以适度折叠、卷曲，重量轻，携带方便。

还有一种形态的电子纸是携带方便的薄膜显示板，即“纸型”柔性液晶显示器，该方式是利用施加电压后分子排列被改变的液晶的性质，通过调整透光率及改变光线的方向来表达反差。电子纸液晶显示器的制作思路是，将液晶板与写入图像的装置部分相分离以实现薄型化和轻量化，并能卷曲，做成像纸一样的东西。写入可利用施加光、热、表面电荷等各种方法来实现。相对其他以非液晶技术实现的电子纸，这类产品在成本上略显劣势。它的主要特征是视读状况比较好，即使长时间凝视也不会使眼睛感觉疲劳，可以在表面上进行光感的调整、加工。内装有CPU和半导体存储器，装置便于携带，使用简单，只需按钮便可读取电子文书或电子图书。而且期望与网络挂钩，做到随意存取。 电子纸集束而制成的电子笔记本能供数字数据的存取，并可以借助记录来存储信息，因为电子纸具有诸如上述的作用和利用价值，所以容易被使用者接受。

电子纸工作原理

目前，世界上主流的电子墨水技术有5种，它们分别是微胶囊电泳、双色拧转球（bichromal）、胆甾型液晶(ChLCD)、电湿技术和电致变色技术。其中，E-Ink公司的电泳技术比较成熟，应用相对广泛。

E-Ink的电子纸由电子墨水及两片基板所组成：第一部分是电子墨水，有时被称为“前基板（front plane）”；二是使电子墨水生成文本和图像所需要的电子设备组合，包括控制部分和显示部分，被称为“背基板（backplane）”。背基板上面涂有由无数微小的透明颗粒组成的电子墨水，颗粒直径只有人的头发丝的一半大小。电子墨水是一种加工成薄膜状的专用材料，与电子显示设备结合在一起使用，是化学、物理学和电子技术的综合应用。电子墨水由数百万个尺寸极小的微胶囊构成，直径与头发丝相当。每一个微胶囊中含有带正电荷的白色粒子和带负电荷的黑色粒子，它们悬浮在清洁的液体中。 如图1所示，电子墨水薄膜的顶部是一层透明材料，作为电极端使用；底部是电子墨水的另一个电极，微胶囊夹在这两个电极间。微胶囊受负电场作用时，白色颗粒带正电荷而移动到微胶囊顶部，相应位置显示为白色；黑色颗粒由于带负电荷而在电场力作用下到达微胶囊底部，使用者不能看到黑色。如果电场的作用方向相反，则显示效果也相反，即黑色显示，白色隐藏。可见，只要改变电场作用方向就能在显示黑色和白色间切换，白色部位对应于纸张的未着墨部分，而黑色则对应着纸张上的印刷图文部分。

图1 电泳电子墨水工作原理

当这种电子墨水被涂到纸、布或其他平面物体上后，人们只要适当地对它予以电击，就能使数以亿计的颗粒变幻颜色，从而根据人们的设定不断地改变所显现的图案和文字。只要调整颗粒内的染料和微型粒子的颜色，便能够使电子墨水展现色彩和图案来。该方式是利用在电压下能够改变黑白状态的微胶囊来实现图像显示的。微胶囊中带电的白色氧化钛颗粒和黑色碳粉粒子在电压下上下移动，从而绘制出黑白图像。其特点是在反差、明亮度视觉等方面较理想，耗电低，重量轻而容易使其薄型化，形状自由等。此外，有的产品是利用带电色粉的电泳现象，通过加大色粉的密集度来提高黑白反差的。

以电泳为基础的电子墨水在亮度和分辨率方面优于双色拧转球为基础的电子墨水，但两种技术都是单色性的。为了创造颜色电子墨水，E-Ink公司携手日本凸版印刷公司，生产彩色滤光片。电泳电子墨水另一个缺点是它的低刷新率，不适合展示动画或视频。因为在绘制一个新的文本或图像时，它需要一定的时间将粒子从一个微囊向对方移动，这就会创造了一个闪烁的画面，从而影响连续的显示效果。一个彻底解决这些问题的方案称为胆甾液晶（ChLCD），即“纸型”柔性液晶显示器。该技术基于液晶显示器（LCD）技术，工作时电流以螺旋形液晶分子方式可以快速从垂直到水平位置，从而实现快速显示。目前，包括IBM、飞利浦以及惠普和富士通在内的多家公司共同致力于基于此技术的设备开发。虽然其他潜在的技术也在开发先进的彩色电子纸，如光子晶体（P-ink），但许多分析家认为，ChLCD技术可能成为占主导地位的电子纸技术的下一个十年。一方面，有相当成熟的LCD产业作为技术支撑，另一方面，ChLCD技术满足电子纸最理想的功能需求，如弹性甚至可折叠性、大约0.8mm的超薄厚度、出色的显示亮度和对比度、双稳定性，维持图像不需要电源，只需很少能量就可以改变显示内容以及生动的色彩和体面的刷新率能显示动画和甚至可能是视频，如图2所示。

广阔的应用空间

E-Ink公司开发了RadioPaper技术，含义为无须导线就能使用，在任何时候、任何地点均能在各种通讯技术的支持下方便地实现信息交换和显示。其目前有两种电子油墨显示器结构，第一种称为复合结构，总厚度在0.9mm左右，部分地借用了液晶显示单元的结构形式，为第一代电子油墨显示屏所采用；第二种结构是形成可弯曲显示器或电子纸的基础，放弃了用玻璃作为后面板，厚度小于0.5mm。基于电子油墨成像技术的显示产品分成两个主要平台，其中高分辨率、主动型矩阵显示器适合于电子书等应用领域，对显示质量要求高；低、中等分辨率产品使用分组显示技术。初期电子油墨显示产品仅提供2位灰色显示能力，紧接着出现4位灰度显示设备。目前，E-Ink及其合作伙伴正致力于开发下一代电子油墨显示器产品，目标应用领域是电子纸产品，主导方向为可弯曲的彩色显示器和IC卡，并计划开发显示速度更快的视频显示器。

2007年，已经有超过20种电子报纸、电子书和电子播放器产品面世。不仅如此，电子纸作为一种新兴显示屏技术，还在其他领域获得意想不到的应用。日本精工钟表推出表盘使用电子纸的手表“精工SPECTRUM”。沿着手镯状的曲线，弯曲配置尺寸为25.6mm×78.5mm的电子纸。摩托罗拉则在其最新Razer系列的手机上实现了用电子纸代替显示屏，从而将手机的超薄特性发挥到了极致。在机场和其他公众场所，电子纸将很有可能取代传统的显示设备，成为公众信息和户外广告新的搭载平台。

由电子纸显示器近年来的商品化发展历程，可发现其已由个人应用产品(如电子书籍)扩展到商业应用产品(如电子纸广告广告牌)，再加上电子纸显示器相关厂商亦积极地朝向彩色化、大型化、可挠式基板等方向进行技术开发，并且也已获致突破性的进展。电子纸显示技术在商品化技术趋成熟以及厂商更多样化应用产品开发的推展下，电子纸显示器将可望由产品生命周期的导入期朝向成长期阶段迈进。

预计到2012年，就将出现具有即时通信功能、高存储容量、可随时更新的彩色动态“报纸”，其成本将控制在100美元左右，并且很有可能采用购买内容赠送播放器的方式。那时候，电子纸不仅给传统的出版业带来革命性冲击，更对传统的新闻内容服务产生根本改变！