黑白电子纸和彩色电子纸技术的详细发展历程

黑白电子纸和彩色电子纸技术的详细发展历程

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Electronic Paper(简称E-Paper)，也称数字纸(DigitalPaper)、类纸显示器(Paper-Like Display)，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”(Front Plane)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。

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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palo alto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