e-paper

两千多年前我们的祖先发明了造纸术，此后纸张就一直是人们用于记录、传播和交流信息最重要的一种媒介；但纸张上印刷的内容一旦成型便不能更改，而现代电子显示技术的发展让大家看到了电子显示介质在“信息可刷新特性”方面明显优于传统纸张的事实。其实早在30多年前就有科学家提出了“电子纸”的概念，时至今日，电子纸技术已有了长足的发展，并在很多领域开始得到应用。从目前的趋势来看，也许在不久的将来电子纸就会融入大家的工作、学习和生活当中……何为电子纸？电子纸的学名叫做ElectronicPaper(简称E-Paper)，也称数字纸(DigitalPaper)、类纸显示器(Paper-LikeDisplay)，是一种视觉效果与纸张相似的电子显示装置，具有易于阅读、便于携带和低功耗等特性。采用柔性基板材料制造出来的柔性电子纸，能够像纸张一样轻薄、可卷绕或折叠以便于携带。目前柔性电子纸可采用塑料、薄型金属和超薄玻璃基板等。柔性电子纸在整体结构上一般可分为“前板”(FrontPlane)和“后板”(BackPlane)两部分，前板主要指电子纸外层的显示介质部分，后板则主要是指电子纸的驱动电路部分。亚马逊Kindle电子书电子纸目前最主要的一种应用是电子书阅读器(E-BookReader)，这是一种以电子纸为核心部件的便携式电子设备，用于阅读电子图书报刊。电子纸还可广泛用于广告牌、信用卡、会员卡、钟表、电子标签、各种指示器、医疗器械以及数码相框、手机等便携式消费产品；此外，电子纸目前的市场定位虽不是要取代液晶显示器，但随着高亮度、高分辨率和高响应速度全彩色电子纸技术的发展，其应用将很有可能会扩展到电脑显示器、电视机等更庞大的应用领域。显然，巨大的商机正在推动着电子纸技术更快速的发展，电子纸技术的发展速度和应用范围也许比人们原来预想的要快得多和宽得多。电子纸的特性◇反射型显示材料与更高的易读性大家现在拿着的这本《微型计算机》，它能带来全然不同于液晶显示器的舒适的视觉感受，这是为什么呢？我们能够看到纸上的内容是因为它将环境光反射到我们的眼睛里：白色部分反射了大量的环境光；而黑色文字（油墨)则吸收了大量光线，使得文字部分反射光相对非文字部分大量减少，因此在我们眼睛里就形成了“白底黑字”的感觉。纸张的特点是通过反射环境光来显示内容且光反射高达65%，可获得较高的亮度、对比度和可视视角(接近180°)。深究下去就会发现，按照光产生的方式，电子显示介质可以分为两种类型，一种是依靠自身光源显像的“发散型”(例如LCD显示器)，另一种是利用环境光显像的“反射型”(电子纸)。而前面纸张的例子告诉我们，反射型电子显示材料要具有更高的阅读舒适性，而电子纸就是这样一种靠反射光来工作的显示材料。◇便携设备对功耗要求异常敏感现在人们越来越看重便携设备，但是由电池供电的各种便携设备都面临着续航能力的问题，所以要想在这个领域有所作为必然要满足两个条件：低电压与低功耗。也正因如此，电子纸一般都采用功耗非常低的“双稳态显示技术”。所谓的“双稳态显示器件(BistableDisplay)”，就是像素都具有“亮”与“暗”两种稳定显示状态，且在没有外加电压时能保持其显示内容不变。通俗来讲，就是双稳态显示可以在低耗电或“零功耗”的情况下保持或“记忆”显示内容，只在更新显示内容时加载瞬间的驱动电压。◇高亮度、彩色和动态显示亮度和对比度是决定电子纸易读性的关键因素，所以高亮度和高对比度毫无疑问将是电子纸技术发展的一个重点。彩色显示具有更丰富、更逼真的视觉效果，高品质的彩色电子纸无疑具有更强的竞争力和更大的市场需求，众多的厂商和研究机构目前都在争先恐后地努力跨越电子纸彩色化显示的技术难关。动态显示是电子纸获得更广泛应用的前提，所以各种新型电子纸技术都在尽力突破响应速度的瓶颈，以实现动态影像的显示。电子纸的前世今生最早的电子纸被称为“Gyricon”，诞生于1970年声名显赫的施乐paloalto研究中心(简称PARC)——这里可是激光打印机、面向对象编程技术、计算机图形界面等众多影响20世纪历史发展进程的重大技术的诞生地。在2000年新世纪到来的时候，PARC发布了Gyricon的样品，宣告这项新显示技术全面进入市场。Gyricon的核心部分是一片看上去与普通纸张类似的透明胶片，但是在胶片里面分布了高达百万计的直径在100微米左右大小的带电小球。每个小球的一面涂上了带负电黑色涂料，另一面涂上带正电的白色涂料。这些小球被密封在透明的充满润滑油的硅胶片中。在硅胶片的表面构造了类似液晶TFT一样的电路，能够按照需要在不同的位置施加正电压或者负电压。这样内部泡在润滑油中的带电小球就会在电场的作用下发生旋转，选择性的将黑色或者白色部分翻转出来，在宏观上形成需要显示的文字或者图案。Gyricon中小球在电场变化时发生旋转而当Gyricon断开电源，已经旋转到位的小球便保持之前的旋转排列方式，宏观上就将显示内容保存下来，像杂志一样长时间稳定显示。下图中就是Gyricon技术最早的验证模型：在一小片夹有带电双色小球的硅胶片下方安置一片透明的X形状的电极。当电极通电后，我们就看到了X的图案。最早的Gyricon实验样片Gyricon颠覆了电子显示领域几十年来的固有特点——自发光，在环境光线不足的条件下，Gyricon和一般报纸杂志一样不易观看；但是在明亮的环境中，Gyricon带来了报纸般的清晰、广视角的阅读体验，讨好阅读者的眼睛。由于仅在需要改变显示内容的时候才需要加电，Gyricon能够最大限度的做到省电。遗憾的是，施乐公司和PARC研究中心因为一段时间高层管理者的短视，始终将全部精力放在复印机的研发和推广上，其它在现在看来如日中天的技术渐渐被束之高阁。Gyricon也因为得不到有力的支持被长期放在公司的实验室里，直到上世纪末才重启开发进程，严重影响了Gyricon技术的发展，很多问题直到现在仍没有很好解决。◇显示画面不够细腻。Gyricon显示会受带电小球旋转的约束——如果胶片中小球排列太疏，那么最终画面连续性和对比度将会下降；而小球又不能排列太紧密，以免影响正常旋转。与此同时，如果小球尺寸太大，显示画面难免有颗粒感；而缩小小球尺寸又受到微细加工水平的限制，无法快速取得突破。◇响应时间太长。Gyricon变化颜色依靠加电使带电双色小球旋转，对比液晶材料使微小的液晶分子旋转需要几毫秒，而要靠电压转动100微米固态小球耗费时间更长——超过100毫秒，也就是说你看到Gyricon在切换时的渐变特征并不是什么“特效”，而是实实在在的“慢”。由于以上种种，Gyricon的市场推广并不成功。反倒是在Gyricon技术原理的启发下，又诞生了很多同类技术，在快速改进性能和降低成本后已经进入大众市场，这其中最有名的当属E-Ink公司的E-Ink(电子墨水)技术。异军突起的E-Ink电子墨水E-Ink技术和Gyricon最大的区别就是放弃了可旋转小球的设计理念，转而在硅胶片中内置了上百万的微型胶囊。每个微型胶囊中充满透明润滑液体，并包含了无数纳米级的黑白小颗粒；黑色的颗粒带负电，白色的颗粒带正电。当施加电场的时候，黑色的颗粒聚集到胶囊表面，而白色颗粒聚集到胶囊底部。这样整个胶片看上去也能呈现出文字或者图案来。由于胶囊不需考虑旋转和保证两个半球均匀上色的问题，E-Ink可以将微胶囊做得很紧密，并在胶囊内加入颜色性质稳定的双色球，以实现比Gyricon更强的反射亮度、更高的对比度。不光如此，E-Ink还能实现单个胶囊的多级灰度显示。如下图所示，每个胶囊使用两套不同的电极控制电路：左边胶囊的双电极极性相同，就能实现全白或者全黑；右边的胶囊双电极极性相反，巧妙的实现了灰色显示。这样单个胶囊就能实现全黑、全白、黑到白、白到黑四种显示灰度效果，使得图像更细腻平滑。电泳成像的E-Ink电子纸E-Ink集合了平板（薄膜）TFT、精密化学、纳米技术等等前沿科学于一身。而得益于现代纳米和平板显示技术的飞速发展，以上关键技术成本都得到有效控制，为E-Ink技术全面走向市场铺平了道路。因此目前市面上存在的掌上电子纸张产品多数都来自于E-Ink技术。将会在户外大面积显示领域无限风光的Gyricon电子纸Gyricon和E-Ink目前几乎统治了电子纸张的实际应用市场。Gyricon虽然在精细化显示方面存在明显不足，但是相对简单的结构使其在大面积显示和内容简单无需频繁变化的场合颇有作为，如体育场的比分牌和广告牌、超级市场的价格标签等。不过目前的E-Ink电子纸技术还在两大缺陷，即响应时间过慢和色彩单一：◇虽然E-Ink电泳的显示方式大幅提高了响应速度，最先进的Vizplex技术已经将响应时间降低到20ms等级。不过熟悉液晶显示响应速度的读者肯定明白这还远远不够。使用者仍然会明显感觉到内容切换时的迟滞。◇无论是Gyricon还是E-Ink，其基础显示原理只支持双色显示。对于彩色显示完全力不从心。黑白E-Ink技术的竞争对手——改良液晶屏别看电子纸张技术问世时间不长，其核心技术持有公司已经申请了数千专利，可谓进步神速。这众多专利一方面保护了这些公司早期的风险投入，另一方面也不可避免地形成了专利壁垒。因此细心的读者会发现在目前火热的电子纸张浪潮中居然缺少了我们熟悉的平板显示大鳄——三星、LG、友达光电等公司。但事实情况并非如此，目前电子纸张的市场前景还不明朗，传统的平板显示大厂并不想在一旁作壁上观。于是乎一项基于传统液晶技术，且也能达到电子纸张效果的“胆甾型液晶”电子纸张问世了。胆甾型液晶(改变液晶排列组合的方向便可达到不同的光学显示效果)胆甾型液晶（CholestericLiquidCrystalDisplay,ChLCD）原是液晶显示技术的一种。在对液晶分子作深入分析时，科学家发现ChLCD在不同的电场排列下会表现出不同的光特性，而且同样具有双稳态的特点——即加电前后液晶阵列保持稳定。如图所示，左边当ChLCD分子呈平行排列时就拥有了反射光线的能力，并能够按照此时的排列形式反射出不同颜色的光线。当液晶分子旋转至非平行角度时，光线就能径直通过，表现为此处显示黑色。因此在反射式电子设备发展得如火如荼的今天，ChLCD被老牌的液晶厂家当做抗衡E-Ink的武器拿了出来。ChLCD最大的优势在于能够最大限度地沿用目前已经相当成熟、应用广泛、具有极大产能的液晶生产线，这为ChLCD带来了区别于前两者的两大特点：◇具有快速响应能力。无论是Gyricon还是E-Ink，受显示原理限制，其最小响应时间（黑白切换）都在20ms以上，如果是灰度变化就更慢，只能适应文字和图片等静态内容的显示。而源于主流液晶技术的ChLCD也承袭了液晶的响应速度，目前样品阶段的灰度响应时间就已经达到20ms，基本具备了动态视频的播放功能。◇实现彩色对源于液晶显示的ChLCD来说并不困难，实现起来更是多种多样。一种方式是多层叠加。像前面提到的ChLCD在不同的排列形式下能发出不同颜色的光线，目前ChLCD技术已经能够产生蓝黑，红黑，橙黄等颜色搭配。那么将红绿蓝三层ChLCD叠加在一起就能实现多色显示。(详见后文介绍)实现电子纸彩色显示的有益尝试为了解决传统E-Ink电子纸只能显示黑白两种颜色的尴尬，E-Ink公司与专业的滤色片厂商Toppan公司合作开发了滤色片彩色E-Ink电子纸并展示过其试验样机。这种方案一经问世便受到一些后板厂商的青睐，例如HP采用可有效降低生产成本的“自对准压印光刻”(SAIL)工艺、三星采用新型“碳纳米管”(CNTs)电路后板、LGPhilips采用薄膜电路后板开发的滤色片彩色E-Ink电子纸，都已展示过样机。另外，Bridgestone也展示过滤色片型QR-LPD彩色电子纸。HP、LG-Philips展示的滤色片型彩色电子纸滤色片彩色电子纸在技术上很容易实现，但滤色片会降低光反射率或显示亮度，同时用多个色彩子像素组合成一个显示像素则降低了单位面积的像素数量或分辨率，这种方案是以降低亮度和分辨率为代价来实现彩色显示的，并且滤色片还增加了电子纸的厚度。因此，不少厂商和研