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、商場標簽、馬路橫幅、醫(yī)藥電子標碼等方面，可彌補傳統(tǒng)紙質(zhì)展示的不足，避免日光直射造成褪色的問題，也很好地達到了綠色環(huán)保的要求，電子紙的展示內(nèi)容可遠程遙控，智能更新，此款產(chǎn)品是數(shù)碼信息技術和靜態(tài)媒體技術的結(jié)合載體。

2016年，首個依靠太陽能供電的電子紙交通標志在悉尼誕生，其采用3G技術更新內(nèi)容，只有在更新時才耗電。

數(shù)字出版

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的迅猛發(fā)展，人們的閱讀習慣己經(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擠入市場，電子紙可為報業(yè)集團和消費者帶來個性化的服務，可以通過網(wǎng)上訂購、云端傳送實現(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，無紙化辦公和電子政務越來越受到企業(yè)的青睞。

消費電子產(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)實技術研究上，以各種具有雙穩(wěn)態(tài)特性的反射式顯示技術為主，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答電子粉流體顯示等技術，其中電泳顯示技術發(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，這些能夠感應電荷的微粒可以在外加電場的作用下運動。

元太科技開發(fā)的微膠囊電子油墨技術的核心物質(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，均勻排列并做隨機運動，共同被透明的膠囊外殼包裹，在外加電場作用下，白色顆粒能夠感應電荷向不同方向運動，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用于電子書的顯示技術，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并未走出實驗室，也未能實現(xiàn)量產(chǎn)。

從黑白到彩色的進步，需要克服的技術難度呈幾何級增加，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，目前國內(nèi)外眾多創(chuàng)新主體都在緊鑼密鼓的進行研究開發(fā)，廣州奧翼電子科技、三星和京東方的專利布局數(shù)量更多，緊隨其后的是天馬微電子、元太科技、凡達訊科技和達意科技。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。

下面介紹一下相關創(chuàng)新主體實現(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電層、驅(qū)動基板、設置于透明導電層與驅(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；

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

在進行顯示時，由于反光粒子一半為紅色(或綠色、藍色)，一半為黑色，且紅色(或綠色、藍色)的一半帶電，進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、藍色)面朝向顯示的一面，進而實現(xiàn)對照射到反光粒子的外界光進行反射。

而且，根據(jù)形成的電場強度的大小，反光粒子還可以移動到空腔結(jié)構(gòu)的不同位置，實現(xiàn)對外界光不同強度的反射，進而以實現(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，進而使得具有該電子紙顯示面板的電子紙顯示裝置能夠進行彩色顯示。

該顯示器件的光學層疊結(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的靜電力與毛細力的平衡位置，即實現(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、技術方案

主要有以下幾種技術方案：電泳顯示技術(EPD)、膽固醇液晶顯示技術(Ch-LCD)、雙穩(wěn)態(tài)向列項液晶技術(Bi-TNLCD)、電潤濕顯示技術(EWD)、電流體顯示技術(EFD)、干涉調(diào)制技術(iMod)。其中，電泳顯示技術最具代表性，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，是類紙式顯示器較早發(fā)展的顯示技術，基本原理是利用外加電場控制液體內(nèi)部的帶電粒子的運動，當粒子運動到某一位置時，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電荷粒子組成。當微囊體兩端被施加一個負電場的時候，帶有正電荷的白色粒子在電場的作用下移動到電場負極，帶有負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)將電泳液分隔成細小的獨立單元，有效地預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)完整性和機械穩(wěn)定性的優(yōu)點，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動空間，并且微杯的高度比較一致，比較容易實現(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)，并且全彩的原型機也已經(jīng)展出。

3、膽固醇液晶顯示

該技術的研發(fā)機構(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同樣非常省電。同時，該技術可以通過添加不同旋轉(zhuǎn)螺距的旋光劑，調(diào)配出紅、綠、藍等顏色，以滿足彩色化顯示的需求。由紅、綠、藍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。該技術的缺點是驅(qū)動電壓較高（30 ~ 45 V），不易做出柔性產(chǎn)品。目前該技術大規(guī)模應用于手寫板產(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50%以上（E-ink carta反射率為44%）。飛利浦于2002年發(fā)布了該技術的專利，由Liquavista公司進行產(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，亞馬遜計劃運用Liquavista技術推出彩色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

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)品應用需求的顯示材料。

 

另外，電子紙的很多配套材料，例如保護膜，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。

 

a ) 成本降低

 

電泳顯示技術尤其是微膠囊顯示技術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，各種新興應用將會出現(xiàn)。

 

b ) 提升響應速度

 

為了滿足雙穩(wěn)態(tài)的性能需求，電子紙顯示技術犧牲了響應速度，用于顯示的更新時間較長，長達幾百毫秒，這個速度對視頻應用是不夠的。隨著技術的發(fā)展，越來越快響應的電子紙材料已經(jīng)出現(xiàn)，目前已經(jīng)可以做到幾十毫秒，將來有機會進一步提升，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確度相比還有差距。因此彩色化是電子紙技術革命性的突破，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)

 

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

 

從專利布局角度看，眾多創(chuàng)新主體正積極進行彩色電子紙顯示技術的布局，隨著彩色電子紙技術的研究日趨成熟，實現(xiàn)彩色電子紙顯示技術的成熟產(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，屏幕的響應速度為0.1s，其預計價格為同等面積OLED顯示屏的1/6，未來可大量應用于電子教科書、電子價格標簽、室內(nèi)外廣告、智能穿戴、智能家居等領域，商業(yè)應用潛力巨大。