電子紙的概念!電子紙的顯示原理

一、電子紙的概念

電子紙也叫數(shù)碼紙，在失電后仍能保持原有畫(huà)面，具有一定的記憶能力，具備傳統(tǒng)紙張的大部分功能。

電子紙基材主要為聚酯類化合物，表面涂布電路，通過(guò)外加電場(chǎng)的變化來(lái)控制電路中電子膠囊的移動(dòng)距離，進(jìn)行文字圖像的變換，電子紙具有低功耗和可折疊彎曲功能，畫(huà)面顯示細(xì)膩和可視角度寬、在陽(yáng)光下可視效果好，沒(méi)有死角。

二、電子紙的應(yīng)用

傳媒

電子紙可用作柔性顯示，尤其是在家居裝飾、影院公告、商場(chǎng)標(biāo)簽、馬路橫幅、醫(yī)藥電子標(biāo)碼等方面，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)紙質(zhì)展示的不足，避免日光直射造成褪色的問(wèn)題，也很好地達(dá)到了綠色環(huán)保的要求，電子紙的展示內(nèi)容可遠(yuǎn)程遙控，智能更新，此款產(chǎn)品是數(shù)碼信息技術(shù)和靜態(tài)媒體技術(shù)的結(jié)合載體。

2016年，首個(gè)依靠太陽(yáng)能供電的電子紙交通標(biāo)志在悉尼誕生，其采用3G技術(shù)更新內(nèi)容，只有在更新時(shí)才耗電。

數(shù)字出版

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們的閱讀習(xí)慣己經(jīng)從傳統(tǒng)書(shū)轉(zhuǎn)向電子書(shū)籍，而電子紙則以其更加輕便的特點(diǎn)擠入市場(chǎng)，電子紙可為報(bào)業(yè)集團(tuán)和消費(fèi)者帶來(lái)個(gè)性化的服務(wù)，可以通過(guò)網(wǎng)上訂購(gòu)、云端傳送實(shí)現(xiàn)按需出版。

近年來(lái)，隨著電子閱讀的大眾化，國(guó)內(nèi)外眾多出版物已經(jīng)停止發(fā)行紙質(zhì)版，轉(zhuǎn)向提供電子化閱讀服務(wù)，無(wú)紙化辦公和電子政務(wù)越來(lái)越受到企業(yè)的青睞。

消費(fèi)電子產(chǎn)品

電子紙超薄、超輕、柔軟的特性可使電子產(chǎn)品富于美感和視覺(jué)震撼力，2005年，精工EPSON在“BaselWorld”上推出一款電子手表，該產(chǎn)品輕薄如紙，可利用近場(chǎng)通信技術(shù)短程智控，整塊表可以緊密地貼在手腕的皮膚上，可以根據(jù)主人的喜好和選擇變幻圖案。

三、電子紙的顯示原理

在具有電子紙?zhí)匦缘默F(xiàn)實(shí)技術(shù)研究上，以各種具有雙穩(wěn)態(tài)特性的反射式顯示技術(shù)為主，常見(jiàn)的類型包括電泳顯示、旋轉(zhuǎn)球顯示、雙穩(wěn)態(tài)液晶、電濕潤(rùn)顯示和快速應(yīng)答電子粉流體顯示等技術(shù)，其中電泳顯示技術(shù)發(fā)展最為迅速，并且由此開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品也已經(jīng)推向市場(chǎng)。

電子紙主要由面層、底層以及中間層構(gòu)成，中間層內(nèi)有數(shù)萬(wàn)個(gè)微小的油墨粒子，這些油墨粒子分布在透明的基液中形成懸浮體系，每一個(gè)油墨粒子直徑約為100μm，且表面易吸附電荷，這些能夠感應(yīng)電荷的微?？梢栽谕饧与妶?chǎng)的作用下運(yùn)動(dòng)。

元太科技開(kāi)發(fā)的微膠囊電子油墨技術(shù)的核心物質(zhì)是電子油墨，其主要由兩部分組成：黑色染料和白色帶電的二氧化鈦電泳顆粒。

電子顆粒懸浮在色料中，均勻排列并做隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，共同被透明的膠囊外殼包裹，在外加電場(chǎng)作用下，白色顆粒能夠感應(yīng)電荷向不同方向運(yùn)動(dòng)，白色顆粒聚集的一面就可以顯示出白色，相反一面顯示染料的顏色，即黑色，電子紙便利用這個(gè)原理實(shí)現(xiàn)文字和圖像的顏色轉(zhuǎn)換。

一直以來(lái)，電泳電子紙作為大量運(yùn)用于電子書(shū)的顯示技術(shù)，卻只能呈現(xiàn)黑白顯示。在全世界范圍內(nèi)，彩色電子紙顯示技術(shù)并未走出實(shí)驗(yàn)室，也未能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

從黑白到彩色的進(jìn)步，需要克服的技術(shù)難度呈幾何級(jí)增加，在材料的組合、顏色的控制和軟硬件的兼容等方面都需要很大的突破。

對(duì)于電子紙彩色顯示技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)外眾多創(chuàng)新主體都在緊鑼密鼓的進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，廣州奧翼電子科技、三星和京東方的專利布局?jǐn)?shù)量更多，緊隨其后的是天馬微電子、元太科技、凡達(dá)訊科技和達(dá)意科技。另外，韓國(guó)電子通信研究院，愛(ài)普生和國(guó)華光電也有一定量的專利布局。

下面介紹一下相關(guān)創(chuàng)新主體實(shí)現(xiàn)電子紙彩色顯示的方法。

A. 廣州奧翼電子科技有限公司

微膠囊電泳電子紙彩色顯示屏包括透明導(dǎo)電層、驅(qū)動(dòng)基板、設(shè)置于透明導(dǎo)電層與驅(qū)動(dòng)基板之間的微膠囊電泳顯示層。

微膠囊電泳電子紙彩色顯示層包含由微膠囊形成的若干個(gè)均勻、規(guī)則排列的彩色像素顯示單元；每個(gè)彩色像素顯示單元由三種顏色基本像素顯示單元成“︱︱︱”形排列設(shè)置構(gòu)成；三種顏色基本像素顯示單元各自包括顏色微膠囊，三個(gè)各自的顏色微膠囊中依次包含有紅色，綠色和藍(lán)色帶電顏料粒子以及電泳液，通過(guò)驅(qū)動(dòng)微膠囊電泳顯示層來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的顏色顯示。

B. 京東方科技有限公司

電子紙包括顯示層，顯示層的子像素單元包括：

空腔結(jié)構(gòu)、位于空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)的電泳液、以及分布于電泳液中的反光粒子。

對(duì)于反光粒子：

● 紅色子像素單元的反光粒子一半?yún)^(qū)域?yàn)榧t色，另一半?yún)^(qū)域?yàn)楹谏?，紅色區(qū)域?yàn)閹щ妳^(qū)域；

● 綠色子像素單元的反光粒子一半?yún)^(qū)域?yàn)榫G色，另一半?yún)^(qū)域?yàn)楹谏?，綠色區(qū)域?yàn)閹щ妳^(qū)域；

● 藍(lán)色子像素單元的反光粒子一半?yún)^(qū)域?yàn)樗{(lán)色，另一半?yún)^(qū)域?yàn)楹谏{(lán)色區(qū)域?yàn)閹щ妳^(qū)域。

在進(jìn)行顯示時(shí)，由于反光粒子一半為紅色(或綠色、藍(lán)色)，一半為黑色，且紅色(或綠色、藍(lán)色)的一半帶電，進(jìn)而在像素電極與透明電極之間形成電場(chǎng)時(shí)，可以根據(jù)形成的電場(chǎng)方向使反光粒子的紅色(或綠色、藍(lán)色)面朝向顯示的一面，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)照射到反光粒子的外界光進(jìn)行反射。

而且，根據(jù)形成的電場(chǎng)強(qiáng)度的大小，反光粒子還可以移動(dòng)到空腔結(jié)構(gòu)的不同位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界光不同強(qiáng)度的反射，進(jìn)而以實(shí)現(xiàn)使電子紙的彩色顯示。

C. 天馬微電子科技有限公司

電子紙顯示面板包括多個(gè)呈矩陣排列的像素單元、相對(duì)設(shè)置的第一基板和第二基板，以及位于第一基板上的第一壁壘層，第一壁壘層內(nèi)設(shè)置有第一和第二電漿注入通道，第一和第二電漿注入通道均為梳狀，電漿注入通道梳柄部和多個(gè)第二梳齒部，電漿注入通道內(nèi)設(shè)置有電漿，電漿包括不同色彩的彩色顯色粒子，使得與第一電漿注入通道對(duì)應(yīng)的像素單元能夠顯示第一色彩，與第二電漿注入通道能夠顯示第二色彩，進(jìn)而使得具有該電子紙顯示面板的電子紙顯示裝置能夠進(jìn)行彩色顯示。

D. 國(guó)華光電科技有限公司

一種全新的基于油/水兩相介電電潤(rùn)濕體系的反射式電潤(rùn)濕顯示原理。

該顯示器件的光學(xué)層疊結(jié)構(gòu)由白色反射基板、疏水介電層、彩色油墨和水組成，在未加電的平衡態(tài)，彩色油墨在疏水介電層與水之間形成連續(xù)鋪展膜，施加電場(chǎng)能打破原系統(tǒng)的能量平衡，水將取代油墨與介電層表面形成潤(rùn)濕接觸。

即光學(xué)上推動(dòng)油墨的收縮，露出白色背板，外加電壓大小決定了對(duì)應(yīng)的靜電力與毛細(xì)力的平衡位置，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)顯示灰度的控制，可通過(guò)油墨顏色調(diào)控來(lái)顯示像素預(yù)期的色彩，從而獲得多彩的顯示效果，可顯示彩色圖像和視頻。

四、技術(shù)方案

主要有以下幾種技術(shù)方案：電泳顯示技術(shù)(EPD)、膽固醇液晶顯示技術(shù)(Ch-LCD)、雙穩(wěn)態(tài)向列項(xiàng)液晶技術(shù)(Bi-TNLCD)、電潤(rùn)濕顯示技術(shù)(EWD)、電流體顯示技術(shù)(EFD)、干涉調(diào)制技術(shù)(iMod)。其中，電泳顯示技術(shù)最具代表性，已量產(chǎn)多年，工藝成熟、成本低、性能高，與傳統(tǒng)紙張形態(tài)最為接近。

1、微膠囊電泳顯示

電泳顯示技術(shù)，是類紙式顯示器較早發(fā)展的顯示技術(shù)，基本原理是利用外加電場(chǎng)控制液體內(nèi)部的帶電粒子的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)到某一位置時(shí)，呈現(xiàn)不同顏色的顯示效果。

微膠囊電泳顯示材料涂布前是一種液態(tài)材料，被形象地稱為電子墨“水”。在這種液態(tài)材料中懸浮著成百上千個(gè)與人類發(fā)絲直徑差不多大小的微囊體，每個(gè)微囊體由正電荷粒子和負(fù)電荷粒子組成。當(dāng)微囊體兩端被施加一個(gè)負(fù)電場(chǎng)的時(shí)候，帶有正電荷的白色粒子在電場(chǎng)的作用下移動(dòng)到電場(chǎng)負(fù)極，帶有負(fù)電荷的粒子移動(dòng)到微囊體的底部“隱藏”起來(lái)，這時(shí)表面會(huì)顯示白色，反之就顯現(xiàn)為黑色，使電子墨水顯示需要的圖像和文字。

2、微杯電泳顯示

其顯示原理與微膠囊式基本相同，不同之處在于將含帶電粒子的溶液封裝在特制的微型杯中，而不是膠囊里。通過(guò)對(duì)該分散體系施加和切換電場(chǎng)使帶電粒子在微型杯中產(chǎn)生電泳實(shí)現(xiàn)圖像顯示。將白色帶電粒子與電介質(zhì)液體封裝在微杯中，微杯結(jié)構(gòu)將電泳液分隔成細(xì)小的獨(dú)立單元，有效地預(yù)防了電泳液的外漏以及微粒的位移。微杯結(jié)構(gòu)具有造型上的任意性，結(jié)構(gòu)完整性和機(jī)械穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，在彎曲、卷曲、受壓的情況下顯示性能優(yōu)異，側(cè)面不需要使用密封膠，可備裁切成任意需要的尺寸和形狀，電泳顯示時(shí)鄰近區(qū)域的電泳液不會(huì)相互混合或者交叉干擾。另外微杯結(jié)構(gòu)使帶電粒子具有較均勻的運(yùn)動(dòng)空間，并且微杯的高度比較一致，比較容易實(shí)現(xiàn)三種（或者多種）粒子的控制顯示，目前已經(jīng)有采用三色粒子（紅，黑，白）的產(chǎn)品量產(chǎn)，并且全彩的原型機(jī)也已經(jīng)展出。

3、膽固醇液晶顯示

該技術(shù)的研發(fā)機(jī)構(gòu)包括美國(guó)Kent Display、日本富士通、日本富士施樂(lè)等公司以及中國(guó)***的工業(yè)技術(shù)研究院。膽固醇液晶為一種呈螺旋狀排列的特殊液晶模式，是通過(guò)在向列型液晶中加入旋光劑來(lái)達(dá)到特殊排列結(jié)構(gòu)，并利用膽固醇液晶分子在不同電位下呈現(xiàn)的“反射”與“透過(guò)”兩種不同偏極光旋轉(zhuǎn)狀態(tài)來(lái)達(dá)到顯示效果。膽固醇液晶屬于反射式顯示器，利用外界環(huán)境光源來(lái)顯示影像，無(wú)需背光源，同時(shí)具有雙穩(wěn)態(tài)特性，所以膽固醇液晶顯示技術(shù)同樣非常省電。同時(shí)，該技術(shù)可以通過(guò)添加不同旋轉(zhuǎn)螺距的旋光劑，調(diào)配出紅、綠、藍(lán)等顏色，以滿足彩色化顯示的需求。由紅、綠、藍(lán)三層膽固醇液晶薄膜堆疊而成，通過(guò)外界光反射，顯示彩色顏色。該技術(shù)的缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電壓較高（30 ~ 45 V），不易做出柔性產(chǎn)品。目前該技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用于手寫(xiě)板產(chǎn)品，比較常見(jiàn)的是Boogie Board。

4、電潤(rùn)濕顯示（E-WET）

電潤(rùn)濕顯示技術(shù)利用絕緣膜能夠在電壓控制下從疏水性轉(zhuǎn)為親水性的性質(zhì)，控制每一個(gè)面板下的電壓來(lái)調(diào)節(jié)顏色。在面板下鋪設(shè)反射膜能夠?qū)⑵渥鳛轭愃朴陔娮幽恋姆瓷湫惋@示屏，其反射率可高達(dá)50%以上（E-ink carta反射率為44%）。飛利浦于2002年發(fā)布了該技術(shù)的專利，由Liquavista公司進(jìn)行產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)。三星于2011年買(mǎi)下此公司，兩年后因?yàn)樾枨鬁p少以及成效不明顯，出售給亞馬遜。據(jù)消息透露，亞馬遜計(jì)劃運(yùn)用Liquavista技術(shù)推出彩色Kindle電子書(shū)，將產(chǎn)品市場(chǎng)化。

不同于電泳墨水屏，電潤(rùn)濕顯示的刷新速度可以達(dá)到觀看視頻的要求。其亮度為L(zhǎng)CD的三到四倍，卻更為節(jié)能，為產(chǎn)品提供更長(zhǎng)的使用時(shí)間。旗下產(chǎn)品有三種：Liquavista Bright：黑白屏幕，高對(duì)比度，刷新速度足以觀看視頻。類似墨水屏，主要用于電子書(shū)。Liquavista Color：彩色屏，適用于視頻播放，讀書(shū)，雜志，查看圖片等。LiquavistaVivid：結(jié)合黑白與彩色屏為一身，有黑白模式（更適合閱讀）與彩色模式（更適合視頻圖片觀看）。高亮度，高對(duì)比。

5、電子紙生產(chǎn)中的印刷技術(shù)

在目前主流的電泳顯示生產(chǎn)中，涂布是非常重要的工藝。圖表94是微膠囊的電泳顯示器的結(jié)構(gòu)圖，在該器件中，電子墨水層處于前公共電極和底部像素電極之間。通常的生產(chǎn)方式是先將電子墨水涂布到薄膜上，涂布方式包括：狹縫涂布，絲網(wǎng)涂布，噴墨打印涂布，刮刀涂布，噴涂等等。通常對(duì)涂布機(jī)的精度要求比較高，要求能夠做到+/- 1um的涂布精度。

微膠囊電泳顯示器結(jié)構(gòu)圖

為了控制生產(chǎn)成本，根據(jù)電泳顯示材料的特性，目前微膠囊電泳顯示薄膜采用卷對(duì)卷的涂布方式，可以快速生產(chǎn)出符合產(chǎn)品應(yīng)用需求的顯示材料。

另外，電子紙的很多配套材料，例如保護(hù)膜，也是采用卷對(duì)卷的印刷工藝。包括未來(lái)的柔性TFT襯底，也有可能采用印刷工藝進(jìn)行生產(chǎn)。

五、未來(lái)展望

現(xiàn)階段電子紙市場(chǎng)定位為代替紙張、印刷品，不與多媒體競(jìng)爭(zhēng)，并非取代LCD等顯示器，但未來(lái)的研究趨勢(shì)必然朝著降低成本、提升響應(yīng)速度、全彩色化、柔性等多個(gè)方向發(fā)展。目前全球能夠批量生產(chǎn)電子紙的廠商僅有美國(guó)E-INK（1999年被***元太PVI兼并，目前改名EIH）和廣州奧翼電子科技有限公司兩家，都是采用電泳顯示技術(shù)。

a ) 成本降低

電泳顯示技術(shù)尤其是微膠囊顯示技術(shù)由于制作工藝簡(jiǎn)單和卷到卷的涂布方式，類似于紙張生產(chǎn)，良率可望逐年提升。隨著產(chǎn)量和良率同步提高，必將使電子紙顯示器成本逐年降低。電子紙顯示器的價(jià)格走勢(shì)必將與其它電子產(chǎn)品一樣逐年降低，隨著價(jià)格的不斷下降，各種新興應(yīng)用將會(huì)出現(xiàn)。

b ) 提升響應(yīng)速度

為了滿足雙穩(wěn)態(tài)的性能需求，電子紙顯示技術(shù)犧牲了響應(yīng)速度，用于顯示的更新時(shí)間較長(zhǎng)，長(zhǎng)達(dá)幾百毫秒，這個(gè)速度對(duì)視頻應(yīng)用是不夠的。隨著技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越快響應(yīng)的電子紙材料已經(jīng)出現(xiàn)，目前已經(jīng)可以做到幾十毫秒，將來(lái)有機(jī)會(huì)進(jìn)一步提升，滿足客戶需求。

c ) 全彩色化

目前彩色電泳顯示電子紙可以通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)，一種采用彩色濾光片加黑白電子紙，另一種采用彩色粒子或染料，都已制作出樣品。由于依賴反射光來(lái)成像，電子紙屏看起來(lái)有些暗淡，與液晶屏的亮度和色彩準(zhǔn)確度相比還有差距。因此彩色化是電子紙技術(shù)革命性的突破，目前已經(jīng)投入大量的人力物力在研發(fā)，相信不久的將來(lái)就可以看到彩色的電子紙顯示器。

d ) 柔性化

正如一般的讀者并不期望把書(shū)卷起來(lái)，采用柔性電子紙顯示屏的主要目的不是為了可以卷起來(lái)，而是為了便攜和耐沖擊。柔性電子紙顯示屏可選擇塑料基板作為背板。采用塑料基板的電子紙重量較玻璃材質(zhì)減輕80%左右，厚度僅0.3 mm，十分符合輕薄、耐沖擊等需求。然而塑料基板需克服的最大難題則在于材料的耐熱及耐化性，需持續(xù)改良基板材料。

小 結(jié)

電子紙作為大量運(yùn)用于電子書(shū)的顯示技術(shù)，只能呈現(xiàn)黑白顯示，目前彩色電子紙顯示技術(shù)還未能實(shí)現(xiàn)成熟的產(chǎn)業(yè)化。

從專利布局角度看，眾多創(chuàng)新主體正積極進(jìn)行彩色電子紙顯示技術(shù)的布局，隨著彩色電子紙技術(shù)的研究日趨成熟，實(shí)現(xiàn)彩色電子紙顯示技術(shù)的成熟產(chǎn)業(yè)化指日可待。

彩色電子紙?jiān)谇袛?a target="_blank">電源的情況下，還可以持續(xù)顯示半年時(shí)間，屏幕的響應(yīng)速度為0.1s，其預(yù)計(jì)價(jià)格為同等面積OLED顯示屏的1/6，未來(lái)可大量應(yīng)用于電子教科書(shū)、電子價(jià)格標(biāo)簽、室內(nèi)外廣告、智能穿戴、智能家居等領(lǐng)域，商業(yè)應(yīng)用潛力巨大。