电子纸技术发展及技术原理

电子纸技术发展及技术原理小头爸爸（首都xx大学xx学院，北京100081）摘要：简述了电子纸的概念，阐明电子纸舒适节能的特点，回顾了电子纸的发展历程、研究现状和研究进展。综合分析和论述了主流的电子纸技术原理，液晶显示技术、电润湿技术和电泳技术及其子分支技术。介绍了电子纸在当前时期的一些应用和挑战，以及未来的发展方向如提高响应速度、彩色显示和降低成本。关键词：电子纸，液晶显示技术，电润湿技术，电泳技术Abstract：thispaperbrieflyintroducestheconceptofelectronicpaper,explainsthecomfortableandenergy-savingcharacteristicsofelectronicpaper,andreviewsthedevelopmentcourse,researchstatusandresearchprogressofelectronicpaper.Makeacomprehensiveanalysisanddiscussionofthemainstreamoftheelectronicpapertechnology,liquidcrystaldisplaytechnology,electrowettingtechnologyandelectrophoresistechnologyanditssubbranchtechnology.Thispaperintroducessomeapplicationsandchallengesofelectronicpaperinthecurrentperiod,aswellasthefuturedevelopmentdirection,suchasimprovingtheresponsespeed,colordisplayandreducingthecost.Keywords：electronicpaper；liquidcrystaldisplaytechnology；electrowettingtechnology；electrophoresistechnology引言随着电脑、互联网的飞速发展,我们走进了信息迅速膨胀的数字时代,然而电子媒体的出现不仅没有降低纸张的需求，反而呈现上升的趋势。这是因为传统纸张更适合人们的阅读习惯[1,2]。网上阅读拥有快捷、信息量大等显著的优势，但仍然存在很多致命的缺陷:不宜长时间阅读、不易携带、信息量混杂、缺乏可信度，而这也正是传统纸张不可替代的原因。电子纸，正是在这样的环境下应运而生,它结合了电脑和传统纸的优点，旨在给人们的阅读方式带来巨大的改变[2]。从其概念的提出到技术的逐步完善，如今电子纸不再是一个陌生的概念，电子报纸、电子杂志、电子书,数字出版离人们越来越近[3]，可以预计，在不久的将来，电子纸将给人们的学习、生活带来方便并且改变传统的阅读习惯。一、电子纸概念、特点和发展状况1.1电子纸概念电子纸，又称为数码纸，它是一种超轻超薄的显示屏，即理解为“像纸一样薄、柔软、可擦写的显示器”，由印有电极并可弯曲的底板和面板以及电子油墨组成[1]。也可以理解为电子纸就是一张印有电极的薄胶片,在胶片上涂一层带电的电子油墨，对它予以适当的电击，即可使数以亿计的油墨颗粒变幻出不同的颜色，从而能够根据人们的设定不断改变显示的图案和文字[4]。而传统意义上的纸，是由纤维和其他固体物质交织结合而成的、具有多孔性网状物性质的特殊薄张材料。因此，电子纸是突破了传统意义纸的概念，以数字化的形式重新诊释纸的功能。1.2电子纸特点[5]电子纸是一种拥有普通纸张作为信息记录材料优点的超薄显示器，它拥有以下特点[6]：（1）高分辨率，至少与传统纸张文字印刷分辨率相当。（2）一般靠反射光工作，拥有在强光源照射或昏暗环境条件下都适合肉眼阅读的高反射率，高对比度，类似纸白的背景色，接近或超过报纸水平。（3）可视角度要大，可视角度要远远大于其它显示器，发展目标是如纸张一样能全角度阅读。（4）低能耗，双稳态显示，施加电场的时候显示图像，撤掉电场，显示仍然保持，不需要额外能量维持静态画面，只有在显示画面发生变化的时候才需要能量消耗。（5）长使用寿命，显示信息可擦写。可根据需要重复多次更改显示信息，并配有信息输入设备。例如具有手写板功能，智能卡接口，无线信息下载功能等达到无限次使用要求。（6）轻便，像纸一样薄，厚度小于1mm，柔软，可折叠,易于随身携带，放置也不占空间，且非常容易做成大尺寸的产品。（7）低成本，环保无污染等。设计理念中，电子纸的实现有两种方式：一种是文字、图像可擦写的再写入纸。通过特殊的打印或扫描装置完成图文的擦写。另一种是便携式电子显示屏，可以弯曲折叠，低能耗，随身携带，无线网络下载数据。1.3电子纸发展历程、现状及研究进展1.3.1发展历程在20世纪70年代，日本松下公司首先开发了电泳显示技术，Xerox公司当时也已开始研究，然而最初研究出的普通电泳由于存在显示寿命短、不稳定、彩色化困难等诸多缺点，实验曾一度中断20世纪末，美国E-Ink公司(它是由朗讯公司、摩托罗拉公司以及数家风险投资公司为了开发电子纸于1997年成立的企业)利用电泳技术发明了电泳油墨(又称电子墨水)，极大地促进了电泳技术的发展。目前,Xeorx、柯达、东芝、摩托罗拉、佳能、爱普生、理光、BIM等国际著名公司都在涉足电子纸[1]。1975年,Xeorx公司率先提出电子纸和电子油墨的概念和构想，但没有得到重视。19%年,麻省理工学院的贝尔实验室采用电泳高分子胶囊技术成功研制出电子纸的原型。1997年4月,E-Ink公司成立，并全力研究把电子纸商品化。1999年5月,E-ink推出名为Immedia的户外广告电子纸。2000年,美国E-Ink公司和朗讯科技公司宣布成功研制出世界上第一张可卷曲的黑白“电子纸”。2001年5月,E-Ink与Toanprinting合作，利用Toppan的滤镜技术，生产彩色电子纸。2001年6月,E-Ink再次宣布推出“ink-in-Motoin”技术,电子纸上可显示动态影像，像纸一样轻和薄,且具有良好柔韧性。同时,美国的大型百货公司Macy宣布,店内的广告牌采用Smartpaper(由xerox公司研制推出)。2002年3月在日本东京召开的国际书展上,展出了第一张彩色电子纸。2006年由日本最新研制的电子纸厚度仅为0.lmm,可适度折叠、卷曲。2007年4月电子纸公司NemPotci宣布转让BINem技术给日本精工株式会社，允许Seiko大量生产该公司开发的黑白、灰度、全彩双稳态液晶显示器,Seiko具有先进的科学技术和雄厚的资本，因此这次合作给电子纸的市场化带来了根本性的改变。2007年10月26日，普利司通公司在日本横滨展示了新款彩色电子纸。这款彩色电子纸厚度只有0.29mm，其画面显示区的色彩指数可达4096色，即使弯曲也可以正常显示图像,可用于制作电子书籍和店铺广告普利司通公司计划在2009年实现这种电子纸的商品化[1]。1.3.2发展现状由于电子纸具有方便携带、适宜长时间阅读和信息即时更新，以及环保节能等多种优点，从其概念的提出到现在越来越引人注目。K.Kaldzsi等总结了电子纸的性质和技术，指出目前研究的主要领域是油墨胶囊的尺寸和几何形状、以及显示和分析性能。除了粒子尺寸小型化和相关研究技术的优化和综合，彩色电子纸显示的研究将至关重要,现在的电子纸仍不能达到液晶显示屏的色彩标准。Makotom等研究了影响电子纸可读性的因素,在一张页面上分别显示12/版面、整个版面和2个版面以及在2张页面上显示4个版面,同时显示版面的增加有助于提高阅读质量,而在电脑显示屏上通常不能显示整个版面,这很大程度上影响了阅读。因此,该研究有利于使人们进一步意识到电子纸相对于显示屏的易读性。Der-songLee等研究了字体大小和光线对电子纸可读性的影响,并与传统纸张进行比较：研究指出,目前商业电子纸的可读性可以与传统纸张相媲美,阅读速度受周围光线和字体大小的影响,相对于液晶显示器,需要较好的照明，此研究为生产市场化的电子纸产品提供了较好的参考。然而,由于技术仍然不够成熟和价格偏高,电子纸离普及还有一定差距。比如:不能显示色彩,开发的彩色品,亮度难以达到要求,希望通过开发出一种新颜料油墨粒子,达到彩色显示的要求；目前最致命的缺陷是无法表达足够连贯的视频画面,画面响应时间偏长;不能实现录音、声频功能和视频播放功能等[1,2]。1.3.3研究进展电子纸研究的核心技术是电子墨水显示材料及技术,电子墨水的研究进展在电子纸的发展上举足轻重[1]。目前世界上主要的电子墨水技术有:由E-ink公司和MIT(麻省理工学院)为代表的微胶囊电泳电子墨水技术Xerox公司开发的双色拧转球电子墨水技术、美国肯特公司的胆甾型液晶电子墨水技术、飞利浦公司的电湿电子墨水技术以及Ntear公司的纳米变色电子墨水技术等。电子墨水需要满足的主要性能有：关掉电源后仍能显示图像,从而降低能耗;能够彩色显示并能做到图文并茂；像普通的纸和笔一样,电子笔能够在电子纸上随意书写[2]。二、电子纸技术原理实现电子纸的技术途径有很多,大致可分为反射型液晶显示技术(LCD)、电润湿显示技术(EWD)以及电泳显示技术(EPD)。到目前为止,所有的电子纸技术均不成熟,具有不同的优点和缺点,正处于发展的过程中[7]。2.1液晶显示技术液晶是指在某一温度范围内,既具有类似液体一样的流动性和连续性又具有像晶体一样各项异性的物质。当电流通过液晶层，液晶分子将会以电流的流向方向进行排列，如果没有电流，它们将会彼此平行排列。即液晶层能够使光线发生扭转,液晶层的表现有些类似偏光器，除了某些从特定方向射入的光线之外,能够过滤掉所有其他光线。液晶技术用于电子纸的优点在于其成熟的制造工艺和较容易实现彩色,其缺点在于对比度低、可视角度范围小。2.1.1胆甾型液晶显示器(CH-LCD)图2.1胆甾型液晶显示器的工作原理胆甾型液晶是一种呈螺旋状排列的特殊液晶模式,由于该型液晶结构类似于胆固醇分子,因而得名。胆甾型液晶属于反射式显示器,利用外界环境光源来显示影像,无需背光源。CH-LCD可通过两种方式达到双稳态特性:一种是表面安定型:另一种则是高分子安定型。CH-LCD的工作原理如图2.1所示，a图表示的亮态,当一束非偏振光入射到右旋胆甾液晶层后,波长在反射带宽内的右旋圆偏振光被反射,而透过的左旋圆偏振光被吸收层吸收。b图表示CH-LCD在加电状态下,胆甾液晶层被驱动变为焦锥态。因此,入射光通过液晶层后可以被吸收层吸收而形成暗态。在强电场的部位,胆甾液晶分子采取垂直取向,即显示黑色状态;在较弱电场的部位，胆甾液晶分子则采取有一定角度的聚焦圆锥取向，从而显示一定的灰暗状态。图2.2为KentDisPlay公司于2008年SLD大会上展出的胆甾型液晶显示器。ab图2.2(a)13/13尺寸的单色胆甾液晶显示面板，底层为被动矩阵驱动的柔性印刷电路板(b)去除基板后的显示面板2.1.2双稳态扭曲向列型液晶显示器图2.3Nemoptie公司的Bi-TNLCD结构示意图双稳态特性的TNLEO技术主要是由Nemoptie和zBnnisplays公司研发,和传统的TNLCD显示器的主要区别在于通过专有的槽栅来锚定液晶分子。该技术不仅结合了既有的TNLCD的简单架构，而且能够在不耗电的状态下持续显示各种不同的影像,也同样省电。Bi-TNLCD的最主要的优势是简单的工艺流程和成本优势,并且在很多方面开拓了现存的技术，因此能够使产品体现出很多优势。Bi-TNLCD的显示原理如图2.3所示,底板间的液晶分子保持力不一致,当长时间施加某一额定电压时,液晶分子会相对于底板呈垂直竖立状态，在此状态下，若将电压值急速降至零，强保持力底板周围的液晶分子便会拉向倒下的方向,而弱保持力底板周围的液晶分子则呈反方向倒下,此外处于底板中间位置上的液晶分子则会产生扭曲角度。如果分两步进行缓慢解除加电状态操作,液晶分子便会因弹性能力减弱而