电子纸

电子纸约2000年前，中国东汉人蔡伦发明了造纸术，从此世界文明发生了翻天覆地的变化，中国文明籍此曾领先世界1000余年。今天，电子纸技术又将给人们的生活带来一场怎样的变革呢？电子纸技术实际上是一类技术的的统称。一般把可以实现象纸一样阅读舒适、超薄轻便、可弯曲、超低耗电的显示技术叫做电子纸技术；而电子纸即是这样一种类似纸张的电子显示器，其兼有纸的优点（如视觉感观几乎完全和纸一样等），又可以象我们常见的液晶显示器一样不断转换刷新显示内容，并且比液晶显示器省电得多。电子纸显示长期以来一直是停留在人们头脑中的幻想，但是随着上个世纪末以来显示技术方面一系列突破性进展，革命性的电子纸显示技术终于开始走向大众走向实用。目前实现电子纸技术的途径主要包括有胆固醇液晶显示技术、电泳显示技术（EPD）以及电润湿显示技术等。其中以电泳显示技术为最有前途的技术途径。这种技术最早为美国的EInk公司所掌握，但实际上多家国际巨头对这项技术有过贡献，包括施乐、朗讯、飞利浦、爱普生等。就目前而言，较成熟地掌握了这项技术的公司包括美国EInk公司、SiPix公司、广州奥示科技公司，以及爱普生、普利斯通等。这些公司都有自己的核心专利技术；目前广州奥熠科技公司亦在积极地将电子纸技术推向市场。开展电子纸研究的国内机构还包括有中山大学、西北工业大学、浙江大学以及清华大学等。用途电子纸的用途相当广泛，第一代产品用于代替常规显示设备，第二代产品包括移动通讯和PDA等手持设备显示屏，计划开发的下一代产品定位在超薄型显示器，形成与印刷业有关的应用领域，例如便携式电子书、电子报纸和IC卡等，能提供与传统书刊类似的阅读功能和使用属性。长期以来，纸张一直用作信息交换的主要媒介，但图文内容一旦印在纸张上后就不能改变，成为油墨/纸张复制工艺的最大缺点，不能满足现代社会信息快速更新对复制工艺的要求。因此，开发能动态改变的高分辨率显示技术成为人们追逐的目标，要求显示材料很薄，可弯曲，表面结构与纸张类似，从而有条件成为新一代纸张。[编辑本段]电子墨水(E-ink)电子墨水(ElectronicInk)其实是一种新型材料，它是化学、物理学和电子学多学科发展的产物，这种材料可被印刷到任何材料的表面来显示文字或图像信息。由于电子墨水是一种液态材料，所以被形象地称为电子墨“水”。在这种液态材料中悬浮着成百上千个与人类发丝直径差不多大小的微囊体，每个微囊体由正电荷粒子和负电荷粒子组成。只要采取一定的工艺就能将这种电子墨水印刷到玻璃、纤维甚至是纸介质的表面上，当然这些承载电子墨水的载体也需要经过特殊的处理，在其内针对每个像素构造一个简单的像素控制电路，这样才能使电子墨水显示我们需要的图像和文字。当微囊体两端被施加一个负电场的时候，带有正电荷的白色粒子在电场的作用下移动到电场负极,与此同时，带有负电荷的粒子移动到微囊体的底部“隐藏”起来，这时表面会显示白色。当相邻的微囊体两侧被施加一个正电场时，黑色粒子会在电场的作用下移动到微囊体的顶部，这时表面就显现为黑色。电子墨水技术可以让任何表面都成为显示屏，它让我们完全跳出了原有显示设备的概念束缚，并慢慢渗透到我们生活空间的每一个角落。但如果电子墨水仅具有可显示这一特性还远远不够，对于一款希望取代纸介质的电子显示设备而言，它必须具有可读性及便携性。决定可读性的主要因素现在的LCD和CRT显示器的分辨率远低于纸张的，长时间使用极易让人疲劳，所以就信息的可读性而言，现在的电磁显示设备根本无法代替纸介质的地位。而决定显示设备可读性的两个要素是显示亮度和对比度。显示亮度是显示屏表面传递到观察者眼中的光通量。对于发散型显示设备来说，亮度取决于产生的光线，而反射型显示设备的亮度取决于周围的照明情况和显示设备自身的反射率，其中尤以产品的反射率最为关键。而对比度是屏幕的白色亮度与黑色亮度的比值，也正是我们眼睛能够区别不同表面的原因之一。看来要想提高显示设备的可读性，就必须具有足够的亮度和良好的对比度。反射型显示器更适于阅读发散型显示设备可以自己发光，所以即使在光线暗淡的条件下也可以正常使用。但是，随着环境光强度的增加，这种显示器的显示效果就不那么令人满意了，因为较强的环境光提高了黑色素的亮度并降低了对比度，这也是我们无法在阳光直射的情况下看清显示器上文字的原因。而反射型显示器是通过反射环境光来显示图像的，图像的亮度会根据环境光线的强度改变，而且对比度也会随之变化，所以在强烈光线下反射型显示器的优势更明显。在实际应用中，环境光线的跨度相当大，亮度从100lux(室内昏暗的光线条件)、1000lux(办公室内适中的光线)到50000lux(阳光直射的光线条件)。发散型显示器要想在如此宽范围下保持可读性，就必须将背光光源调整得够强才行，但是这就对电池提出了更为严格的要求，最终结果肯定会使设备造价提高，设备的便携性能也大大降低。要知道目前由锂电池供电的笔记本显示屏也不能在这样宽范围的环境光下工作，由此可见反射型显示器的确更适合应用于便携式设备中。(表1):显示技术属性反射率对比度反射型单色STNLCD(普通PDA,具有触摸屏)4.2%4.1反射型单色TNLCD(普通Ebook具有触摸屏)4.0%4.6Elnk具有触摸屏26.6%9.2Elnk无触摸屏38.1%10.0华尔街报61.3%5.3(表2):显示技术功耗(5英寸QVGA格式)功耗(8英寸SVGA格式)透射型彩色QMLCD(普通PDA)100mW3830mW反射型单色STNLCD(普通PDA)60mWn/a反射型彩色AMLCD(普通PDA)25mW600mW单色电子墨水(每10秒刷新一次)0.7mW7.1mW单色电子墨水(每60秒刷新一次)0.1mW1.2mW注意:AMLCD就是有源矩阵LCD,STNLCD是超扭曲向列LCD,我们平常使用的LCD显示器一般都是TFTLCD。（表3）：显示尺寸3-8英寸（对角线）分辨率125+ppi颜色黑白反射率2-4bit灰色40%对比度10:1可视角度无限制反应时间150ms此外，在实际应用中，观察角度和是否有触摸屏等因素都会影响显示器的可读性。表1显示了不同显示介质所具有的反射率和对比度。表中数据都是在同样条件下测试的，由此可以看出电子墨水的一大特点，就是它的反射率和对比度远高于目前的显示器，反射率是LCD的6倍，对比度则是LCD的两倍。就是与报纸相比，它的对比度也高了一倍，所以EInk显示设备的可读性远远高于目前的电子显示设备，基本达到了报纸的效果。是不同反射介质在20—70度之间的反射率测试结果，20度的时候意味着光源在观察者肩膀附近，这是最适合观察的角度，45度基本同你乘坐飞机时的光源条件差不多，70度则一般代表光源条件不好的环境，比如你坐在沙发上，台灯却在距离你比较远的桌子上。从测试结果可以看到EInk非常明显地超过了PDA和Ebook使用的LCD(当然距离报纸还有一定的差距)。是EInk同报纸在可视角度的对比。这里我们必须提到由LouisSilverstein及其VCDSciences团队开发的TTV(Time-To-Visibility)模型，利用它可以测量不同介质、不同环境光线下人眼适应显示文字及图形的时间，时间越短表示这种介质在不同光线下的可读性越好。这个模型综合考虑了显示屏的各种属性，诸如显示尺寸、分辨率、对比度以及显示屏发散出来的光强等，就是周围照明环境和人眼的适应能力也被纳入了考虑范围。EInk显示屏因为具有较高的反射率，所以它可以在不同光线条件下反射更多光到用户眼中。是环境光线亮度低于1000lux的测试成绩，在2001ux以下因为光线太暗淡，所有介质的TTV测试结果都不理想。当环境光线亮度在200lux以上时，EInk的性能是反射型STNLCD的10倍以上。在强光测试环境下，各种介质的TTV时间明显延长，但是EInk的优势依然明显，它在这方面的性能同报纸最接近。超轻、超薄电子墨水显示设备的厚度通常都非常小，重量也相当轻，结构却较普通的LCD更加坚固耐用，这些优点能不让那些便携设备厂商对它青睐有加吗?传统LCD设备限于结构方面的限制使它的厚度不可能太薄(如果液晶显示屏两层玻璃的厚度都为0.7mm，两层基板的厚度加起来有0．5mm厚，那么LCD显示屏的厚度就不会低于2mm)，重量也不可能太轻。而电子墨水显示设备的硬件结构相当简单，它的厚度可以做到1mm左右，显示屏厚度还不到LCD的一半。此外，电子墨水的适用范围相当广泛，它不仅可以用于玻璃表面，还可以应用于塑料等材质表面，所以它不会像LCD显示屏那样脆弱。显示了TFTLCD显示屏、第一代电子墨水显示屏和未来的电子墨水显示屏的厚度对比。低功耗电子墨水的功耗相当低，甚至在电源供应短暂停止的情况下它还能显示一幅图画。它的功耗非常低的原因在于它的反射率和对比度非常高，完全不需要采用背光方式来提高可读性。综上所述，应用电子墨水技术的显示设备将具有纸介质一样的视觉特点，同时又具有低功耗和厚度薄重量轻等优点，使它成为便携式设备的新宠，特别适用于那些要求在各种光线下都有较好显示效果的应用场合，这些都是透射型LCD和反射型LCD无法满足的。生产工艺简单现在的电子墨水显示设备可以沿用AMLCD的生产设备，且生产工艺更为简单。只需将电子墨水涂到IT0塑料基片上，再利用叠片(Laminator)处理工艺附着在TFT底板上即可，这个过程同LCD生产过程中的偏振膜附着法是相同的，而且这个过程可以使用现有设备或者类似的设备进行生产。生产工艺的简化意味着成品率的提高和产量的提高，再加上基板厚度减小也使成本大幅降低(当然还是比纸张的制造成本高)。[编辑本段]电泳显示技术(EPD)电泳显示（Electrophoretic，E-Paper）技术由于结合了普通纸张和电子显示器的优点，因而是最有可能实现电子纸张产业化的技术。目前它已从众多显示技术中脱颖而出，成为极具发展潜力的柔性电子显示技术之一。据iSuppli预测，电泳显示全球市场2006年仅仅900万美元，但是预计到2013年将增加到2.47亿美元，年均增长率高达60.5%。该增长的大部分市场在指示标和新颖的直接驱动显示器，另外电子显示卡、柔性电子阅读器、电子纸张和数字签字等产品也将获得应用。一、电泳技术及其优势何为电泳技术？照字面意味着“在一定的电压下可泳动”，其显示的工作原理是靠浸在透明或彩色液体之中的电离子移动，即通过翻转或流动的微粒子来使像素变亮或变暗，并可以被制作在玻璃、金属或塑料衬底上。具体技术是将直径约为1mm的二氧化钛粒子被散布在碳氢油中，黑色染料、表面活性剂以及使粒子带电的电荷控制剂也被加到碳氢油中；这种混合物被放置在两块间距为10—100mm的平行导电板之间，当对两块导电板加电压时，这些粒子会以电泳的方式从所在的薄板迁移到带有相反电荷的薄板上。当粒子位于显示器的正面(显示面)时，显示屏为白色，这是因为光通过二氧化钛粒子散射回阅读者一方；当粒子位于显示器背面时，显示器为黑色，这是因为彩色染料吸收了入射光。如果将背面的电极分成多个微小的图像元素(像素)，通过对显示器的每个区域加上适当的电压来产生反射区和吸收区图案，即可形成图像。电泳技术具有几大优势。一是能耗低。由于具有双稳定性，在电源被关闭之后，仍然在显示器上将图像保留几天或几个月。二是电泳技术生产的显示器属于反射型，因此具有良好的日光可读性，同样也可以跟前面或侧面的光线结合在一起，用于黑暗环境。三是具有低生产成本的潜力，因为该技术不需要严格的封装，并且采用溶液处理技术如印刷是可行的。四是电泳显示器以形状因子灵活为特色，容许它们被制造在塑料、金属或玻璃表面上，所以它是柔性显示技术的最佳选择。二、电泳技术研发与生产企业目前投入电泳技术开发的企业有美国E—Ink和SiPix公司、英国PlasticLogic、荷兰飞利浦旗下PolymerVision、日本Bridgestone、Hitachi、SeikoEpson、南韩三星电子与乐金飞利浦(LPL)等厂商。E－Ink公司在产品开发方面走在最前面。2004年E－Ink公司与索尼公司和