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，通過外加電場的變化來控制電路中電子膠囊的移動距離，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，畫面顯示細(xì)膩和可視角度寬、在陽光下可視效果好，沒有死角。

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，首個依靠太陽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)書轉(zhuǎn)向電子書籍，而電子紙則以其更加輕便的特點(diǎn)擠入市場，電子紙可為報業(yè)集團(tuán)和消費(fèi)者帶來個性化的服務(wù)，可以通過網(wǎng)上訂購、云端傳送實(shí)現(xiàn)按需出版。

近年來，隨著電子閱讀的大眾化，國內(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)，無紙化辦公和電子政務(wù)越來越受到企業(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，并且由此開發(fā)的產(chǎn)品也已經(jīng)推向市場。

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)萬個微小的油墨粒子，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�？梢栽谕饧与妶龅淖饔孟逻\(yùn)動。

元太科技開發(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，共同被透明的膠囊外殼包裹，在外加電場作用下，白色顆粒能夠感應(yīng)電荷向不同方向運(yùn)動，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，電子紙便利用這個原理實(shí)現(xiàn)文字和圖像的顏色轉(zhuǎn)換。

一直以來，電泳電子紙作為大量運(yùn)用于電子書的顯示技術(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。

對于電子紙彩色顯示技術(shù)，目前國內(nèi)外眾多創(chuàng)新主體都在緊鑼密鼓的進(jìn)行研究開發(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，韓國電子通信研究院，愛普生和國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。

微膠囊電泳電子紙彩色顯示屏包括透明導(dǎo)電層、驅(qū)動基板、設(shè)置于透明導(dǎo)電層與驅(qū)動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均勻、規(guī)則排列的彩色像素顯示單元；每個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，通過驅(qū)動微膠囊電泳顯示層來實(shí)現(xiàn)不同的顏色顯示。

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。

對于反光粒子：

● 紅色子像素單元的反光粒子一半?yún)^(qū)域為紅色，另一半?yún)^(qū)域為黑色，紅色區(qū)域為帶電區(qū)域；

● 綠色子像素單元的反光粒子一半?yún)^(qū)域為綠色，另一半?yún)^(qū)域為黑色，綠色區(qū)域為帶電區(qū)域；

● 藍(lán)色子像素單元的反光粒子一半?yún)^(qū)域為藍(lán)色，另一半?yún)^(qū)域為黑色，藍(lán)色區(qū)域為帶電區(qū)域。

在進(jìn)行顯示時，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時，可以根據(jù)形成的電場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)形成的電場強(qiáng)度的大小，反光粒子還可以移動到空腔結(jié)構(gòu)的不同位置，實(shí)現(xiàn)對外界光不同強(qiáng)度的反射，進(jìn)而以實(shí)現(xiàn)使電子紙的彩色顯示。

電子紙顯示面板包括多個呈矩陣排列的像素單元、相對設(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。

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濕接觸。

即光學(xué)上推動油墨的收縮，露出白色背板，外加電壓大小決定了對應(yīng)的靜電力與毛細(xì)力的平衡位置，即實(shí)現(xiàn)了對顯示灰度的控制，可通過油墨顏色調(diào)控來顯示像素預(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)向列項液晶技術(shù)(Bi-TNLCD)、電潤濕顯示技術(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控制液體內(nèi)部的帶電粒子的運(yùn)動，當(dāng)粒子運(yùn)動到某一位置時，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與人類發(fā)絲直徑差不多大小的微囊體，每個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負(fù)電場的時候，帶有正電荷的白色粒子在電場的作用下移動到電場負(fù)極，帶有負(fù)電荷的粒子移動到微囊體的底部“隱藏”起來，這時表面會顯示白色，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。通過對該分散體系施加和切換電場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，電泳顯示時鄰近區(qū)域的電泳液不會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Kent Display、日本富士通、日本富士施樂等公司以及中國臺灣的工業(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，是通過在向列型液晶中加入旋光劑來達(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”兩種不同偏極光旋轉(zhuǎn)狀態(tài)來達(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)境光源來顯示影像，無需背光源，同時具有雙穩(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，該技術(shù)可以通過添加不同旋轉(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，通過外界光反射，顯示彩色顏色。該技術(shù)的缺點(diǎn)是驅(qū)動電壓較高（30 ~ 45 V），不易做出柔性產(chǎn)品。目前該技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用于手寫板產(chǎn)品，比較常見的是Boogie Board。

4、電潤濕顯示（E-WET）

電潤濕顯示技術(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)，控制每一個面板下的電壓來調(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�水屏的反射型顯示屏，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)開發(fā)。三星于2011年買下此公司，兩年后因為需求減少以及成效不明顯，出售給亞馬遜。據(jù)消息透露，亞馬遜計劃運(yùn)用Liquavista技術(shù)推出彩色Kindle電子書，將產(chǎn)品市場化。

不同于電泳墨水屏，電潤濕顯示的刷新速度可以達(dá)到觀看視頻的要求。其亮度為LCD的三到四倍，卻更為節(jié)能，為產(chǎn)品提供更長的使用時間。旗下產(chǎn)品有三種：Liquavista Bright：黑白屏幕，高對比度，刷新速度足以觀看視頻。類似墨水屏，主要用于電子書。Liquavista Color：彩色屏，適用于視頻播放，讀書，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。通常對涂布機(jī)的精度要求比較高，要求能夠做到+/- 1um的涂布精度。

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，也是采用卷對卷的印刷工藝。包括未來的柔性TFT襯底，也有可能采用印刷工藝進(jìn)行生產(chǎn)。

 

五、未來展望

 

現(xiàn)階段電子紙市場定位為代替紙張、印刷品，不與多媒體競爭，并非取代LCD等顯示器，但未來的研究趨勢必然朝著降低成本、提升響應(yīng)速度、全彩色化、柔性等多個方向發(fā)展。目前全球能夠批量生產(chǎn)電子紙的廠商僅有美國E-INK（1999年被臺灣元太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。電子紙顯示器的價格走勢必將與其它電子產(chǎn)品一樣逐年降低，隨著價格的不斷下降，各種新興應(yīng)用將會出現(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，用于顯示的更新時間較長，長達(dá)幾百毫秒，這個速度對視頻應(yīng)用是不夠的。隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越快響應(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，將來有機(jī)會進(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。由于依賴反射光來成像，電子紙屏看起來有些暗淡，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卷起來，采用柔性電子紙顯示屏的主要目的不是為了可以卷起來，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。

 

彩色電子紙在切斷電源的情況下，還可以持續(xù)顯示半年時間，屏幕的響應(yīng)速度為0.1s，其預(yù)計價格為同等面積OLED顯示屏的1/6，未來可大量應(yīng)用于電子教科書、電子價格標(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。