[科普中国]-电子纸

电子纸，也叫数码纸。它是一种超薄、超轻的显示屏，即理解为"像纸一样薄、柔软、可擦写的显示器"。形像地说，电子纸是一张薄胶片，而在胶片上"涂"上的一层带电的物质，则是电子墨。这也可看作是一个薄薄的内嵌式遥控显示板。

简介电子纸技术实际上是一类技术的统称，英文名称E-paper，多是采用电泳显示技术(electrophoresis Display, EPD)作为显示面板，其显示效果接近自然纸张效果，免于阅读疲劳。

一般把可以实现像纸一样阅读舒适、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），又可以像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。电子纸具有低功耗和可折叠弯曲功能，画面显示细腻和可视角度宽、相比其他显示技术，最大的优点是阳光下可视效果好，没有死角。1

功能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。1

技术途径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E Ink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。较成熟地掌握了这项技术的公司包括美国E Ink公司、SiPix公司、广州奥翼科技公司，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；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。1

电子墨水电子墨水（Electronic Ink)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。1

可读性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，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。1

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100 lux（室内昏暗的光线条件）、1000 lux（办公室内适中的光线）到50000 lux（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。

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E Ink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E Ink同报纸在可视角度的对比。这里我们必须提到由Louis Silverstein及其VCD Sciences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。

E Ink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1000 lux的测试成绩，在200 1ux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200 lux以上时，E Ink的性能是反射型STN LCD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E Ink的优势依然明显，它在这方面的性能同报纸最接近。1

技术优势轻、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TFT LCD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。

功耗低

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。

工艺简单

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）。1

电泳显示电泳显示（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。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。

技术优势何为电泳技术？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。2

技术难题响应速度慢

因为电泳技术依赖于粒子的运动，用于显示的开关时间非常长，长达几百毫秒，这个速度对视频应用是不够的。用于电泳显示的使开关时间达到几十毫秒的更快的材料正在开发之中。

转换速度慢

显示的双稳态、以及转换速度慢，也影响了其连续显示色彩的性能。一些电泳显示器在两种色彩之间切换，如果彩色显示还需要一个彩色滤光片。该技术的驱动器正因双稳定性问题而面临挑战，双稳定性对显示有利，但它也给带来了挑战，因为它需要采用一种独立的驱动器架构，从而导致显示器的成本上升。

制造工艺复杂

是制造工艺复杂，对材料要求高，成本较高。2

发展现状中国电泳显示研究起步晚，但进步很快，在材料研究及其应用基础研究方面有基础，并已有企业在积极开拓相关产品的研发。例如中山大学和广州奥示科技有限公司合作，研制出黑白、红绿蓝彩色三原色电子墨水，并研制出了柔性显示屏，制作出了彩色三原色的显示屏。国内与国外的技术差距主要在显示屏、材料和功能产品方面。中国企业从发展自主知识产权的平板显示屏制作技术和产品出发，利用自主开发的微胶囊电泳显示材料和超薄平板显示器件结构，开展电子墨水超薄平板显示器件产业化关键技术攻关，研制出了类纸式信息显示屏，实现电泳平板显示器件产品化。中国台湾工研院也已锁定 柔性显示为未来几年的发展重点，并且正与SiPix进行相关技术合作。

瞄准未来市场，研究未来产业发展，开发新技术，超前谋划，是当前中国显示产业持续发展的重中之重的工作。2

液晶显示胆固醇液晶显示（Cholesteric Liquid Crystal Display）是种非传统的显示技术，即使移除控制板的供电，影像仍会保留在显示器上。它的影像可媲美在纸上阅读，功能包括高对比、视角宽阔、高反映度及在日光下仍维持极高的可读性，此外产品还具有双稳态特征、能耗低的特质。

胆固醇液晶使用的材料结构类似于胆固醇分子，因此而得名。除了纯粹的胆固醇液晶，延伸材料还有添加旋光剂的向列型液晶，或是添加胆固醇液晶分子的向列型液晶，添加了材料的液晶具有不同的波长和光电特性。向列型液晶在添加了旋光剂之后，液晶材料就会产生螺旋结构。将胆固醇液晶至于两片水平的基板中，在不施加电场配向的情况下，胆固醇液晶会倾向成平面螺旋型排列，在符合特定光波长的反射情况下，即可反射出具有色彩的光线，或者是呈现透明状态。胆固醇液晶可以达到双稳态效应，方式有两种：一种是表面安定型（SurfaceStabilized Cholesteric Texture，SSCT）；另一种则是高分子安定型（polymerstabilized cholesteric Texture，PSCT），这两项技术都相当热门的胆固醇液晶显示技术之一。

胆固醇液晶显示器的工作原理是：在组成组件上，与一般被动驱动液晶一样包含了上下基板、间隙子以及黑色吸收材质，其中上下基板材质可为玻璃或塑料基板，除了包含被动驱动电极以及配向层以外，为了达到良好的反射效果，间隙子的大小约为螺距的6—8倍左右。2

研究历史发展简史电子纸和电子墨的研究开发，至今已走过了20多个年头。在20世纪70年代，日本松下公司首先发表了电泳显示技术，施乐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），极大地促进了该技术的发展。施乐、柯达、3M、东芝、摩托罗拉、佳能、爱普生、理光、IBM等国际著名公司都在涉足电子纸。

电子纸和电子墨的研究与发展，基本上可分为：

·1975年，施乐的PARC研究员Nick Sheridon率先提出电子纸和电子墨的概念。

·1996年4月，MIT的贝尔实验室成功制造出电子纸的原型。

·1997年4月，E-Ink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的用于户外广告的电子纸。

·2000年11月，美国E-Ink和朗讯科技公司(Lucent Technologies）正式宣布已开发成功第一张可卷曲的电子纸和电子墨。

·2001年5月，E-Ink与ToppanPrinting合作，宣布利用Toppan的滤镜技术，生产彩色电子纸。

·2001年6月，E-Ink再宣布推出"Ink-h-Motion"技术，电子纸上可显示活动影像。同时，美国的大型百货公司Macy宣布，店内的广告牌采用SmartPaper。

·2002年3月召开的东京的国际书展上，出现了第一张彩色电子纸。2

电子报纸也许你没有意识到，“电子纸”闯入人们的生活已经有很多年了。例如，手机SIM卡和地铁磁卡就是两种电子纸的具体表现——它们可以被记录入数据、可以被反复擦写和读取。就最基本的特性来说，它们与传统的纸张没有什么不同。事实上，电子纸的最初萌芽就是为了代替传统纸张的目的而来。

1999年左右，IBM在美国最大的报纸展览会中展出了一个“电子报纸”模型。技术上，它就是一个“电子矩阵”，与液晶的显示原理差别不大。在IBM的这个模型中，阅读夹板中间被嵌入了一个电子显示层，凭借预先输入的内容，用户可以通过这个电子显示层阅读各种文字和图片信息。

IBM的这项发明一下子招来了社会各界的关注，许多美国大报的编辑对其表示出了浓厚的兴趣。这其中，包括《纽约时报》和《华盛顿邮报》等，而“电子阅读”则被认为对报纸、书籍等出版行业具有“划时代”的意义，因为在节约印刷成本、可循环使用、缩短新闻发布时间方面，电子报纸具有革命性的改进——“你可以在世界任何地方阅读任何报纸或只阅读自己感兴趣的专题，而下载的内容会像电台和电视中播出的新闻一样保持新鲜”。作为IBM公司的策略设计经理和“电子报纸”模型的核心研发人员，Robert Steinbugler这样评价他的得意之作。为了表彰IBM提出的这个思想，《商业周刊》特地为它颁发了当年的设计金牌大奖。2

电子书虽然“电子报纸”具有诸多好处，但遗憾的是，由于受到当时网络条件的限制，IBM的这个“电子报纸”模型最终并没有真正进入商业操作。但是，这个设计思想被保留了下来。在这以后，以IBM、Eink、Philips、SiPix、Fujitsu、Siemens和Ntera为代表的公司都在专注于这个领域，希望待时机成熟，自己的产品能够在第一时间获得最多客户的认可，而抢得市场先机。对于这么多公司热衷于研究电子纸技术的行为，国际报业和传媒印刷组织Ifra的专家Harald·Ritter对此予以了高度肯定。

天道酬勤，孜孜不倦的努力终于结出了丰硕的成果。2004年，由Eink和Philips提供技术支持、由Sony生产的世界上“第一本”实际商用的电子书问世，这极大地轰动了整个IT业界。Sony的这本电子书被命名为LIBRIe，售价4万日元。其长190毫米、宽126毫米，最薄的地方只有9.5毫米厚，重量为190克，防反射显示屏达到4级灰度和800×600的分辨率标准，有10MB的存储空间（大约能显示最多1万页），2节AAA电池供电，同时支持Sony的记忆棒。为了使LIBRIe不至于成为“空中楼阁”，Sony特地为它开通了Timebook Town租赁服务。

LIBRIe的打响头炮使科学家意识到，电子纸产品的应用环境已经趋于成熟。于是在这之后，Sharp、Toshiba、Panasonic、Hitachi和Fujitsu等日本电子公司纷纷效仿。短短的一年里，电子书产品突然遍地开花。而在技术上，电子纸也一改以往对比度低、只能显示黑白文字等缺陷，利用电泳等技术，出现了能显示彩色漫画、耗电低、面积大、折叠以后不会使字体变形、像纸张一样柔软的产品。

作为一个例子，富士通推出的“全球首张”、具有图像记忆功能、可弯曲彩色电子纸是个典型的代表。这张“纸”的厚度只有0.8毫米，可以用于巨幅海报、火车站或建筑物上广告信息的发布以及小型数码（例如手机屏幕等）。而在7月底，Hitachi又紧接着发布了世界上最大的电子纸，其尺寸为27×20厘米，与15英寸CRT显示器的“可视面积”比较相当。据悉，Hitachi的这张“电子纸”将在2006年进入商用。2

进入生活使人们感到有点意外惊喜的是，电子纸的技术和应用一经突破，其势头就呈燎原之态——不仅在报纸、书籍、电脑和显示器这些理所当然的载体上可以看到它的身影，在一些人们原来不曾想到的地方，电子纸也堂而皇之地出现，并展示了它新鲜、实用、有趣的面貌。

由于电子纸实际上就是一种IC芯片，因此它可以被作为电子表的表芯。在瑞士召开的钟表珠宝展览会“BaselWorld 2005”上，精工EPSON就展出了这么一件令人惊羡的产品——整块手表就像一张薄纸，可以紧密地贴在手腕的皮肤上，并且可以变幻出漂亮的图案来。此外，由于电子纸的柔软性能越来越出色，因此欧盟一些国家的军队已经开始考虑用它来制作军事地图。与传统的纸质地图比较起来，电子地图不仅更结实耐用，而且电子的特性使它可以达到输入刷新、存储、记录、甚至多媒体的效果。

而在大炒的RFID应用中，电子纸也扮演了一个关键的角色。例如两者结合的电子门票的诞生，在曝光的几率就很高。近一两年来在日本召开的地球环境保护会议以及在中国北京举行的车展上，都可以见到用电子纸做成的RFID门票的身影。除此以外，电子纸与RFID的结合还体现在医疗中——作为一家已经开发出RFID彩票和RFID纸片计算机的瑞典公司，Cypak又在推出了电子病历卡以及与之配套的用电子纸包装的药片。通过在纸片上事先“印刷”服药时间、服药剂量等信息，埋藏于“纸片”中的蜂鸣器会定时提醒病人或者护士。2

技术应用基于电子纸技术的电子书阅读器(e-paper based e-book reader）是一种很轻巧的平板式阅读器，相当于一本薄薄的平装书，能储存约200本电子图书。它具有重量轻，大容量，电池使用时间长，大屏幕等特点，是办公无纸化的新选择。部分电子书阅读器具备调节字体大小的功能，并且能显示JPEG、GIF格式的黑白图像和Word文件、RSS新闻订阅。

电子纸显示屏通过反射环境光线达到可视效果，因此看上去更像普通纸张。这种显示屏的能效非常高，因为这种显示屏一旦开启，就不再需要电流来维持文字的显示，而只有翻页时才消耗能量。2

本词条内容贡献者为:

刘宝成 - 副教授 - 内蒙古民族大学