深層次解析電子墨水屏技術(shù)（電子墨水屏的工作原理與LCD液晶屏的區(qū)別）

閱讀電子書早已成為大家生活中一部分，方便輕巧的電子版書籍更便于攜帶，而電子閱讀器也不僅僅局限于電腦、手機(jī)等傳統(tǒng)設(shè)備，新興的電子書閱讀器漸漸為我們所接受。E-ink電子墨水技術(shù)就是現(xiàn)在最著名的產(chǎn)品之一，他的出現(xiàn)讓電子書閱讀器不再是液晶屏幕一家獨(dú)大。

提起E-ink電子墨水屏，大家第一時(shí)間反應(yīng)就是“哦，就是那個(gè)只能顯示黑白灰的屏幕是吧，亞馬遜kindle電子書就是用這個(gè)的”。

電子墨水屏憑借接近紙質(zhì)書的閱讀體驗(yàn)，以 Kindle 為代表的電子書成為不少閱讀愛好者出門必帶的數(shù)碼設(shè)備，以省電、護(hù)眼為噱頭的各種電子墨水屏設(shè)備也開始出現(xiàn)。發(fā)展了這么多年，電子墨水屏仿佛還是誕生初的樣子，從普通消費(fèi)者的角度看，它沒有成為主流，但也從未離去。

E-link技術(shù)的起源

電子墨水屏技術(shù)最早可以追溯到 1996 年，它基于美國(guó)麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室（MIT Media Lab）的一項(xiàng)研究，利用電泳技術(shù)（EPD）實(shí)現(xiàn)顯示，這類屏幕的顯示效果十分接近傳統(tǒng)紙張，因此也被成為“電子紙”。1997 年，麻省理工學(xué)院的教授 Joseph Jacobson 創(chuàng)立 E Ink 公司，開始推動(dòng)電子紙技術(shù)走向商業(yè)化，電子墨水技術(shù)成為電子紙的主流。

電子墨水與印刷使用的墨水很相似，都是用顏料所制，這也是為什么我們看到電子墨水屏和傳統(tǒng)紙張顯示效果相似的原因。電子墨水通常會(huì)制成薄膜，由大量微囊組成，這些微囊只有人類頭發(fā)的直徑大小。微囊中的黑白小球是帶不同電荷的色素顆粒，初始狀態(tài)下，色素顆粒懸浮在微囊中，當(dāng)施加一定方向的電場(chǎng)后，相應(yīng)的色素顆粒被推到頂部，微囊就會(huì)顯示不同的顏色，而不同顏色的微囊組成了各種文字和圖案。

電子墨水屏基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：

⒈上層；⒉透明電極層；⒊透明微膠囊；⒋帶正電荷的白色顏料；⒌帶負(fù)電荷的黑色顏料；⒍透明液體（油）；⒎電極像素層；⒏基板；⒐光線；⒑白色；⒒黑色

電子墨水屏是由許多電子墨水組成，電子墨水可以看成一個(gè)個(gè)膠囊的樣子（如上圖所示）。每一個(gè)膠囊（位置6）里面有液體電荷，其中正電荷染白色，負(fù)電荷染黑色。當(dāng)在一側(cè)（位置8）給予正負(fù)電壓，帶有電荷的液體就會(huì)被分別吸引和排斥。這樣，每一個(gè)像素點(diǎn)就可以顯示白色或者黑色了（注：彩色電子墨水的電子書并不是不能做，只是成本和技術(shù)還沒符合市場(chǎng)要求）。

因?yàn)殡娮幽乃⑿率遣贿B續(xù)的，每一次刷新完成就可以保持現(xiàn)在的圖形，即使拔掉電池也依舊保存。可能會(huì)有人問到，拔了電池吸引電子墨水的電壓就木有了，那么小球不就回復(fù)原狀或者進(jìn)入隨機(jī)的混沌狀態(tài)了嗎？答案是因?yàn)殡娮幽哂须p穩(wěn)態(tài)效應(yīng)（磁滯效應(yīng)）。

上圖中，橫軸是電子書提供的電壓大小，縱軸灰度（假定正為最白，負(fù)為最黑）。電壓加大的過程和減小的過程，給予同樣的電壓，電子墨水黑白程度是不同的。這樣的效應(yīng)就叫做雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)（磁滯效應(yīng)）。利用這樣的效應(yīng)，我們就可以給一個(gè)正電壓（從0到B點(diǎn)過程，走下面上升的路線），吸引負(fù)電荷，顯示正電荷白色給讀者，然后斷電（從B減少到0，走上面那條回來的路線）。白色得以保持。于是，電子墨水的電子書省電就在于如果不需要顯示有所變化，屏幕部分消耗電量為0。

注1：不變化屏幕電子書自己沒電是由于電路板的待機(jī)消耗以及電池自己的內(nèi)阻消耗；

注2：其他常見顯示器無論屏幕內(nèi)容是否變化，屏幕部分的耗電量都是持續(xù)的，變化不大。

為什么每一次變化（如：翻頁），或者每隔一段時(shí)間就需要有一個(gè)全部清場(chǎng)的動(dòng)作呢？我們剛假設(shè)電壓從0加大然后再減少到0，但是電子墨水的灰度從位置A變到了位置C。那么如果下一次變化，如果我減少電壓，也就是順著上面那條返回路徑繼續(xù)行走，就沒有問題。但是如果下一次刷新，我還需要這個(gè)像素顯示白色，那么這個(gè)在C點(diǎn)情況的墨水所遵循的路線就不是這個(gè)圖形了。電路所驅(qū)動(dòng)的電壓對(duì)應(yīng)的灰度將會(huì)不準(zhǔn)確。導(dǎo)致的結(jié)果就是黑色的墨水黑色程度不相同，白色的墨水有的沒有完全白下去。就會(huì)出現(xiàn)我們所說的鬼影，或者殘影。于是，為了避免殘影的出現(xiàn)，就全部加到最大或者最小電壓，把所有的墨水清零，從初始狀態(tài)從新開始調(diào)整，這樣所有的墨水小球就可以保持只有兩種顏色的均勻顯示了。

電子墨水屏的工作原理

“電子墨水的主要由大量細(xì)小微膠囊 ﹙microcapsules﹚組成，這些微膠囊約為人類頭發(fā)直徑大小。每個(gè)微膠囊中包含懸浮于澄清液體之中的帶正電荷的白粒子和帶負(fù)電荷的黑粒子。設(shè)置電場(chǎng)為正時(shí)，白粒子向微膠囊頂部移動(dòng)，因而呈現(xiàn)白色。同時(shí)，黑粒子被拉到微膠囊底部，從而隱藏。如施加相反的電場(chǎng)，黑粒子在膠囊頂部出現(xiàn)，因而呈現(xiàn)黑色?！?/p>

對(duì)肉眼看來電子墨水像一瓶普通墨水，但懸浮在電子墨水液體中有幾百萬個(gè)細(xì)小的微膠囊。每個(gè)膠囊內(nèi)部是染料和顏料芯片的混合物，這些細(xì)小的芯片可以受電荷作用。為了能看見電子墨水的微膠囊，可以把它想象成清晰的塑料水球。水球內(nèi)包含幾十個(gè)乒乓球，水球內(nèi)充入的不是空氣而是顏料水。如果從頂部看水球，我們可以看到許多白色乒乓球懸浮在液體中，于是水球看起來呈白色。從底部看水球，你只不過看到的是顏料水，于是水球看起來呈黑色。如果你把幾千個(gè)水球放到一個(gè)容器，并使這些乒乓球在水球的頂和底之間運(yùn)動(dòng)，你就能看到容器在改變顏色。這就是電子墨水工作的基本原理。事實(shí)上這些水球是100 微米寬的微膠囊。在1平方英寸，大約包含10萬個(gè)微膠囊。如果在一頁紙上打印電子墨水，則一個(gè)句子包含30多個(gè)微膠囊。

電子墨水是融合化學(xué)，物理和電子學(xué)的整體產(chǎn)生的一種新材料。制造微膠囊本身僅涉及較簡(jiǎn)單的化學(xué)，可以比作做沙拉菜！微膠囊制成后被稱為是一種膠質(zhì)材料。這材料是細(xì)小的固態(tài)顆粒，承擔(dān)液態(tài)的物理性質(zhì)。于是微膠囊象傳統(tǒng)墨水懸浮在液態(tài)“載媒體”，然而它將粘著到普通墨水可以用的任何表面。并且可以用現(xiàn)有的絲網(wǎng)印刷工藝打印。打印的微電子學(xué)技術(shù)改變了墨水顆粒的顏色并產(chǎn)生了字和圖。

電子墨水屏的特點(diǎn)

1、電子墨水屏有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：省電、護(hù)眼。

電子墨水屏可以在沒有電源的情況下持續(xù)顯示畫面，只有畫面變化時(shí)才需要消耗少量電源，比如 Kindle 在關(guān)機(jī)狀態(tài)下也可以顯示屏保，只有在翻頁時(shí)，屏幕才會(huì)刷新。這種特性極大地將降低了電源消耗，也是電子書續(xù)航長(zhǎng)的原因。

傳統(tǒng)的 LCD 屏顯示原理是利用背光發(fā)射，光線需要一直穿過顯示屏，直射眼睛。而電子墨水屏無需背光，它是利用環(huán)境光打在顯示屏上，再折射到眼睛。這種方式模擬了墨水和紙張的特性，環(huán)境光越強(qiáng)，顯示效果越清晰。由于沒有了閃爍，在長(zhǎng)時(shí)間閱讀時(shí)眼睛不容易感到疲勞。

電子墨水屏省電、護(hù)眼的特點(diǎn)讓其成為電子書閱讀器的首選，索尼和亞馬遜相繼推出配備電子墨水屏的閱讀器?，F(xiàn)在距離第一代 Kindle 發(fā)布已經(jīng)過去了 10 年，電子墨水屏也已經(jīng)有 20 年歷史，從誕生起不少人就對(duì)其抱有厚望，認(rèn)為電子書會(huì)革了紙質(zhì)書的命，但直到今天，電子書從未成為市場(chǎng)主流，電子墨水屏似乎也很少出現(xiàn)明顯的變化，技術(shù)好像一直沒有更大的進(jìn)步。

2、刷新率低，不適用于主流設(shè)備

電子墨水屏沒有獲得更多的市場(chǎng)份額，主要是受本身特性限制，其中最大的局限之一就是刷新率低。

相比主流的 LCD 顯示屏，電子墨水屏無需不斷刷新就可以顯示內(nèi)容，這降低了耗電，也減少了輻射，讓閱讀體驗(yàn)更接近紙張，不容易造成眼睛疲勞。但這樣的特性也讓電子墨水屏無法被主流電子設(shè)備采用。

不管是手機(jī)還是電腦，屏幕需要顯示的內(nèi)容都很豐富，同時(shí)還要進(jìn)行彈出菜單、窗口滾動(dòng)等操作，電子墨水屏極底的刷新率顯然無法滿足這樣的要求。和 LCD 顯示屏相比，電子墨水屏更適用于內(nèi)容簡(jiǎn)單、變化較少的文字顯示。

從誕生起就有的省電、護(hù)眼特性，讓電子墨水屏成為電子書閱讀器的標(biāo)配，但也引來應(yīng)用性單一的質(zhì)疑。

E-link墨水屏與LCD液晶屏的主要區(qū)別

原理不同

EInk是基于電泳技術(shù)的顯示技術(shù)。帶黑白兩種顏色的帶點(diǎn)粒子在液態(tài)膠囊中在電場(chǎng)的作用下，上下浮動(dòng)而形成畫面的過程。在形成畫面后，顏色粒子就停止運(yùn)動(dòng)，即使斷電畫面也不會(huì)消失。因此，在翻到某一頁時(shí)，屏幕是不會(huì)閃爍。

LCD液晶屏的工作原理簡(jiǎn)單描述就是通過電壓將每個(gè)固定好的獨(dú)立像素中的液晶分子進(jìn)行方位調(diào)整，達(dá)到顯示不同顏色與畫面的效果。由于液晶分子的是依靠電壓維持狀態(tài)，因此需要持續(xù)供電來維持顯示。因此，TFT始終處于閃爍狀態(tài)下，只是頻率高肉眼分辨不出來而已。

顯示機(jī)制不同

EInk是全反射式，也就是隨著環(huán)境光的變化顯示效果會(huì)不同。外界光源越好，顯示效果越好。因此在晴朗的戶外看EInk電子書與看紙質(zhì)書的體驗(yàn)幾乎一樣。

由于Eink依賴環(huán)境光，當(dāng)夜晚時(shí)環(huán)境光效果不佳，因此目前行業(yè)中通過增加導(dǎo)光板來解決夜晚閱讀體驗(yàn)的問題。

LCD液晶屏有背光，所以基本上受外接影響不大，除非極端情況(夏天戶外太陽光下)。因此在會(huì)有在戶外，手機(jī)屏幕亮度需要調(diào)亮來抵御環(huán)境光對(duì)屏幕顯示的遮蓋效果。

殘影問題

由于EInk原理中，黑白粒子的固定狀態(tài)特性，在閱讀翻頁時(shí)容易看到上頁黑色粒子殘留的印記，行業(yè)中俗稱“殘影”，因此屏幕商提供了一種恢復(fù)初始狀態(tài)的刷新方式，也就是大家常見到的“閃屏”問題。類似閱讀紙質(zhì)書籍中的翻書的過程。

由于LCD液晶屏本身一致在刷新，因此不會(huì)有類似過程。

節(jié)能功耗

由于EInk的特性，在閱讀過程中不需要耗電，只在翻頁一瞬間消耗極少電量，因此電子書產(chǎn)品一般的使用周期都在2周甚至一個(gè)月左右。

由于LCD液晶屏始終需要電壓來維持畫面，基本上屏幕占了主要的電量消耗。目前基本上智能手機(jī)的使用是一天一充或一天多充。

結(jié)論

因此，無論從原理還是實(shí)際使用感受上，EInk在閱讀文字與非彩色漫畫類內(nèi)容時(shí)，有著無可比擬的閱讀優(yōu)勢(shì)：

1、高度接近紙張的閱讀體驗(yàn)。

2、不傷眼睛，適合長(zhǎng)時(shí)間閱讀。

3、電池使用壽命長(zhǎng)，接近一個(gè)月。

但也有一些自身劣勢(shì)：

1、目前主要只有黑白產(chǎn)品，彩色只有三色（黑白紅）。

2受限于其原理性的問題，無法像TFT屏幕能快速響應(yīng)一些動(dòng)畫類需求。

3、刷新過程中會(huì)閃屏。

E-link技術(shù)應(yīng)用

從誕生起就有的省電、護(hù)眼特性，讓電子墨水屏成為電子書閱讀器的標(biāo)配，但也引來應(yīng)用性單一的質(zhì)疑，除了 Kindle，電子墨水屏好像并沒有其他更合適的應(yīng)用。

E Ink 官方在微博中不斷強(qiáng)調(diào)“不止 Kindle”，似乎也證明了這種焦慮。這些年來，電子墨水屏也開始在其他設(shè)備中出現(xiàn)，比如手機(jī)。

在 2014 年 APEC 峰會(huì)期間，俄羅斯總統(tǒng)普京將一臺(tái) YotaPhone 2 作為國(guó)禮，這臺(tái)手機(jī)也因此受到很多的關(guān)注。YotaPhone 最大的特點(diǎn)就是其背部搭載的電子墨水屏，獨(dú)特的雙面屏設(shè)計(jì)和「國(guó)禮」光環(huán)讓它成為當(dāng)年最“亮眼”的手機(jī)之一。近期，Yota 順勢(shì)推出第三代手機(jī) YOTA3，它配備了一塊 E Ink 電子墨水屏，可以在閱讀文字時(shí)起到省電、護(hù)眼的效果，這塊屏幕還能獨(dú)立運(yùn)行一些 App。

屏幕是手機(jī)的耗電大戶，Kindle 與紙質(zhì)書相近的閱讀體驗(yàn)也早就讓很多用戶眼饞，YotaPhone 的出現(xiàn)讓不少人看到新的商機(jī)，開始嘗試將電子墨水屏與手機(jī)結(jié)合。趁著 YotaPhone 的熱度，華為 P8 在發(fā)布時(shí)同步推出一款電子墨水屏手機(jī)殼。國(guó)外也出現(xiàn)了專做電子墨水屏手機(jī)殼配件的 InkCase。

不過電子墨水屏與手機(jī)的結(jié)合更像是在豐富市場(chǎng)話題，遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上技術(shù)創(chuàng)新。電子墨水屏只是作為補(bǔ)充，手機(jī)屏幕還是以實(shí)用性為主。

相比之下，電子墨水屏在手表上的嘗試更像是一場(chǎng)革新。手表的顯示屏小，成本可控，同時(shí)屏幕需要展示的內(nèi)容少，符合電子墨水屏的定位。在這一領(lǐng)域最亮眼的是 FES Watch。索尼在的 20 周年慶典上宣布，整體用柔性 E-ink 屏制成的 FES Watch 將在中國(guó)限量發(fā)售。它的表盤和表帶都由一整塊柔性 E Ink 屏幕制成，沒有斷點(diǎn)又非常有設(shè)計(jì)感。由于只能顯示黑白兩色，它只有顯示時(shí)間一個(gè)功能。由于 E Ink 屏幕的特殊性，F(xiàn)ES Watch 的待機(jī)時(shí)間理論上可以達(dá)到 2 年。

這些應(yīng)用雖然跳出了電子書閱讀器的限制，但仍然是對(duì)電子墨水屏原有特性的應(yīng)用。實(shí)際上，電子墨水屏也一直在嘗試新的技術(shù)，以突破本身的局限。

E-link技術(shù)的未來：取代紙、取代印刷

在剛過去的 2017 年智慧顯示與觸控展覽會(huì)上，E Ink 展出了彩色電子紙 ACeP。傳統(tǒng)的電子墨水屏只能顯示黑白兩色，而彩色電子紙則是將傳統(tǒng)的電泳式微囊技術(shù)延伸。黑白顆粒通過電場(chǎng)變化，呈現(xiàn)出灰階與黑白畫面，在此基礎(chǔ)上覆蓋彩色濾光片，將黑白粒子轉(zhuǎn)換成 RGB 彩色粒子，就可以呈現(xiàn)彩色畫面。E Ink 的彩色電子紙顯示屏除了提供 16 灰階的黑白顯示效果外，還提供 4096 種色彩。

除了突破顏色限制的彩色電子紙，E Ink 還展示了 84 英寸拼接電子紙展示板、可折疊電子紙、具備手寫功能的電子紙筆記本等技術(shù)應(yīng)用。

不管是彩色電子紙還是可折疊電子紙，E Ink 所做的嘗試都是在努力跳出傳統(tǒng)電子墨水屏的局限，但從一些實(shí)際應(yīng)用中我們也可以看到，電子墨水屏的使命并不是取代普通顯示屏，主流電子設(shè)備不是它的主戰(zhàn)場(chǎng)。關(guān)于電子墨水屏未來的應(yīng)用，應(yīng)該是在那些需要改變傳統(tǒng)顯示方式的地方，比如三色電子紙顯示屏替代零售商店的商品標(biāo)簽，可以動(dòng)態(tài)改變顯示內(nèi)容，幫助零售商及時(shí)改進(jìn)營(yíng)銷策略。這些以前用傳統(tǒng)紙張顯示，現(xiàn)在需要靈活顯示更多內(nèi)容的領(lǐng)域，才是電子墨水屏未來的發(fā)展方向。

Kindle 已經(jīng)誕生 10 年，電子墨水屏也出現(xiàn)了 20 年之久，對(duì)于一項(xiàng)已經(jīng)足夠「成熟」的技術(shù)來說，使命不再是尋找更多的應(yīng)用場(chǎng)景，而是利用技術(shù)創(chuàng)新來創(chuàng)造更多需求。