電子紙

電子紙技術實際上是一類技術的統稱，英文名稱E-paper，多是採用電泳顯示技術(electrophoresis Display,EPD)作為顯示面板，其顯示效果接近自然紙張效果，免於閱讀疲勞。

一般把可以實現像紙一樣閱讀舒適、超薄輕便、可彎曲、超低耗電的顯示技術叫做電子紙技術；而電子紙即是這樣一種類似紙張的電子顯示器，其兼有紙的優點（如視覺感觀幾乎完全和紙一樣等），又可以像我們常見的液晶顯示器一樣不斷轉換刷新顯示內容，並且比液晶顯示器省電得多。電子紙顯示長期以來一直是停留在人們頭腦中的幻想，但是隨著上個世紀末以來顯示技術方面一系列突破性進展，革命性的電子紙顯示技術終於開始走向大眾走向實用。電子紙具有低功耗和可摺疊彎曲功能，畫面顯示細膩和可視角度寬、相比其他顯示技術，最大的優點是陽光下可視效果好，沒有死角。

電子紙的用途相當廣泛，第一代產品用於代替常規顯示設備，第二代產品包括移動通訊和PDA等手持設備顯示屏，計劃開發的下一代產品定位在超薄型顯示器，形成與印刷業有關的應用領域，例如攜帶型電子書、電子報紙和IC卡等，能提供與傳統書刊類似的閱讀功能和使用屬性。長期以來，紙張一直用作信息交換的主要媒介，但圖文內容一旦印在紙張上后就不能改變，成為油墨/紙張複製工藝的最大缺點，不能滿足現代社會信息快速更新對複製工藝的要求。因此，開發能動態改變的高解析度顯示技術成為人們追逐的目標，要求顯示材料很薄，可彎曲，表面結構與紙張類似，從而有條件成為新一代紙張。

實現電子紙技術的途徑主要包括有膽固醇液晶顯示技術、電泳顯示技術（EPD）以及電潤濕顯示技術等。

其中以電泳顯示技術為最有前途的技術途徑。這種技術最早為美國的E Ink公司所掌握，但實際上多家國際巨頭對這項技術有過貢獻，包括施樂、朗訊、飛利浦、愛普生等。較成熟地掌握了這項技術的公司包括美國E Ink公司、SiPix公司、廣州奧翼科技公司，以及愛普生、普利斯通等。這些公司都有自己的核心專利技術；廣州奧熠科技公司亦在積極地將電子紙技術推向市場。開展電子紙研究的國內機構還包括有中山大學、西北工業大學、浙江大學以及清華大學等。

電子墨水（Electronic Ink)其實是一種新型材料，它是化學、物理學和電子學多學科發展的產物，這種材料可被印刷到任何材料的表面來顯示文字或圖像信息。由於電子墨水是一種液態材料，所以被形象地稱為電子墨“水”。在這種液態材料中懸浮著成百上千個與人類髮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。只要採取一定的工藝就能將這種電子墨水印刷到玻璃、纖維甚至是紙介質的表面上，當然這些承載電子墨水的載體也需要經過特殊的處理，在其內針對每個像素構造一個簡單的像素控制電路，這樣才能使電子墨水顯示我們需要的圖像和文字。

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，與此同時，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。當相鄰的微囊體兩側被施加一個正電場時，黑色粒子會在電場的作用下移動到微囊體的頂部，這時表面就顯現為黑色。電子墨水技術可以讓任何錶面都成為顯示屏，它讓我們完全跳出了原有顯示設備的概念束縛，並慢慢滲透到我們生活空間的每一個角落。

但如果電子墨水僅具有可顯示這一特性還遠遠不夠，對於一款希望取代紙介質的電子顯示設備而言，它必須具有可讀性及便攜性。

LCD和CRT顯示器的解析度遠低於紙張的，長時間使用極易讓人疲勞，所以就信息的可讀性而言，電磁顯示設備根本無法代替紙介質的地位。而決定顯示設備可讀性的兩個要素是顯示亮度和對比度。顯示亮度是顯示屏表面傳遞到觀察者眼中的光通量。對於發散型顯示設備來說，亮度取決於產生的光線，而反射型顯示設備的亮度取決於周圍的照明情況和顯示設備自身的反射率，其中尤以產品的反射率最為關鍵。而對比度是屏幕的白色亮度與黑色亮度的比值，也正是我們眼睛能夠區別不同表面的原因之一。看來要想提高顯示設備的可讀性，就必須具有足夠的亮度和良好的對比度。

發散型顯示設備可以自己發光，所以即使在光線暗淡的條件下也可以正常使用。但是，隨著環境光強度的增加，這種顯示器的顯示效果就不那麼令人滿意了，因為較強的環境光提高了黑色素的亮度並降低了對比度，這也是我們無法在陽光直射的情況下看清顯示器上文字的原因。而反射型顯示器是通過反射環境光來顯示圖像的，圖像的亮度會根據環境光線的強度改變，而且對比度也會隨之變化，所以在強烈光線下反射型顯示器的優勢更明顯。

在實際應用中，環境光線的跨度相當大，亮度從100lux（室內昏暗的光線條件）、1000lux（辦公室內適中的光線）到50000lux（陽光直射的光線條件）。發散型顯示器要想在如此寬範圍下保持可讀性，就必須將背光光源調整得夠強才行，但是這就對電池提出了更為嚴格的要求，最終結果肯定會使設備造價提高，設備的便攜性能也大大降低。要知道鋰電池供電的筆記本顯示屏也不能在這樣寬範圍的環境光下工作，由此可見反射型顯示器的確更適合應用於攜帶型設備中。

此外，在實際應用中，觀察角度和是否有觸摸屏等因素都會影響顯示器的可讀性。表1顯示了不同顯示介質所具有的反射率和對比度。

表中數據都是在同樣條件下測試的，由此可以看出電子墨水的一大特點，就是它的反射率和對比度遠高於顯示器，反射率是LCD的6倍，對比度則是LCD的兩倍。就是與報紙相比，它的對比度也高了一倍，所以EInk顯示設備的可讀性遠遠高於電子顯示設備，基本達到了報紙的效果。

是不同反射介質在20—70度之間的反射率測試結果，20度的時候意味著光源在觀察者肩膀附近，這是最適合觀察的角度，45度基本同你乘坐飛機時的光源條件差不多，70度則一般代表光源條件不好的環境，比如你坐在沙發上，檯燈卻在距離你比較遠的桌子上。從測試結果可以看到E Ink非常明顯地超過了PDA和Ebook使用的LCD（當然距離報紙還有一定的差距）。

是E Ink同報紙在可視角度的對比。這裡我們必須提到由Louis Silverstein及其VCD Sciences團隊開發的TTV(Time-To-Visibility）模型，利用它可以測量不同介質、不同環境光線下人眼適應顯示文字及圖形的時間，時間越短表示這種介質在不同光線下的可讀性越好。這個模型綜合考慮了顯示屏的各種屬性，諸如顯示尺寸、解析度、對比度以及顯示屏發散出來的光強等，就是周圍照明環境和人眼的適應能力也被納入了考慮範圍。

E Ink顯示屏因為具有較高的反射率，所以它可以在不同光線條件下反射更多光到用戶眼中。是環境光線亮度低於1000lux的測試成績，在2001ux以下因為光線太暗淡，所有介質的TTV測試結果都不理想。當環境光線亮度在200 lux以上時，E Ink的性能是反射型STN LCD的10倍以上。在強光測試環境下，各種介質的TTV時間明顯延長，但是E Ink的優勢依然明顯，它在這方面的性能同報紙最接近。

輕、薄

電子墨水顯示設備的厚度通常都非常小，重量也相當輕，結構卻較普通的LCD更加堅固耐用，這些優點能不讓那些便攜設備廠商對它青睞有加嗎？傳統LCD設備限於結構方面的限制使它的厚度不可能太薄（如果液晶顯示屏兩層玻璃的厚度都為0.7mm，兩層基板的厚度加起來有0．5mm厚，那麼LCD顯示屏的厚度就不會低於2mm），重量也不可能太輕。而電子墨水顯示設備的硬體結構相當簡單，它的厚度可以做到1mm左右，顯示屏厚度還不到LCD的一半。此外，電子墨水的適用範圍相當廣泛，它不僅可以用於玻璃表面，還可以應用於塑料等材質表面，所以它不會像LCD顯示屏那樣脆弱。顯示了TFT LCD顯示屏、第一代電子墨水顯示屏和未來的電子墨水顯示屏的厚度對比。

功耗低

電子墨水的功耗相當低，甚至在電源供應短暫停止的情況下它還能顯示一幅圖畫。它的功耗非常低的原因在於它的反射率和對比度非常高，完全不需要採用背光方式來提高可讀性。

綜上所述，應用電子墨水技術的顯示設備將具有紙介質一樣的視覺特點，同時又具有低功耗和厚度薄重量輕等優點，使它成為攜帶型設備的新寵，特別適用於那些要求在各種光線下都有較好顯示效果的應用場合，這些都是透射型LCD和反射型LCD無法滿足的。

工藝簡單

電子墨水顯示設備可以沿用AMLCD的生產設備，且生產工藝更為簡單。只需將電子墨水塗到IT0塑料基片上，再利用疊片（Laminator）處理工藝附著在TFT底板上即可，這個過程同LCD生產過程中的偏振膜附著法是相同的，而且這個過程可以使用現有設備或者類似的設備進行生產。生產工藝的簡化意味著成品率的提高和產量的提高，再加上基板厚度減小也使成本大幅降低（當然還是比紙張的製造成本高）。

電泳顯示（Electrophoretic，E-Paper）技術由於結合了普通紙張和電子顯示器的優點，因而是最有可能實現電子紙張產業化的技術。它已從眾多顯示技術中脫穎而出，成為極具發展潛力的柔性電子顯示技術之一。據iSuppli預測，電泳顯示全球市場2006年僅僅900萬美元，但是預計到2013年將增加到2.47億美元，年均增長率高達60.5%。該增長的大部分市場在指示標和新穎的直接驅動顯示器，另外電子顯示卡、柔性電子閱讀器、電子紙張和數字簽字等產品也將獲得應用。

何為電泳技術？照字面意味著“在一定的電壓下可泳動”，其顯示的工作原理是靠浸在透明或彩色液體之中的電離子移動，即通過翻轉或流動的微粒子來使像素變亮或變暗，並可以被製作在玻璃、金屬或塑料襯底上。具體技術是將直徑約為1mm的二氧化鈦粒子被散布在碳氫油中，黑色染料、表面活性劑以及使粒子帶電的電荷控制劑也被加到碳氫油中；這種混合物被放置在兩塊間距為10—100mm的平行導電板之間，當對兩塊導電板加電壓時，這些粒子會以電泳的方式從所在的薄板遷移到帶有相反電荷的薄板上。當粒子位於顯示器的正面（顯示面）時，顯示屏為白色，這是因為光通過二氧化鈦粒子散射回閱讀者一方；當粒子位於顯示器背面時，顯示器為黑色，這是因為彩色染料吸收了入射光。如果將背面的電極分成多個微小的圖像元素（像素），通過對顯示器的每個區域加上適當的電壓來產生反射區和吸收區圖案，即可形成圖像。

電泳技術具有幾大優勢。一是能耗低。由於具有雙穩定性，在電源被關閉之後，仍然在顯示器上將圖像保留幾天或幾個月。二是電泳技術生產的顯示器屬於反射型，因此具有良好的日光可讀性，同樣也可以跟前面或側面的光線結合在一起，用於黑暗環境。三是具有低生產成本的潛力，因為該技術不需要嚴格的封裝，並且採用溶液處理技術如印刷是可行的。四是電泳顯示器以形狀因子靈活為特色，容許它們被製造在塑料、金屬或玻璃表面上，所以它是柔性顯示技術的最佳選擇。

響應速度慢

因為電泳技術依賴於粒子的運動，用於顯示的開關時間非常長，長達幾百毫秒，這個速度對視頻應用是不夠的。用於電泳顯示的使開關時間達到幾十毫秒的更快的材料正在開發之中。

轉換速度慢

顯示的雙穩態、以及轉換速度慢，也影響了其連續顯示色彩的性能。一些電泳顯示器在兩種色彩之間切換，如果彩色顯示還需要一個彩色濾光片。該技術的驅動器正因雙穩定性問題而面臨挑戰，雙穩定性對顯示有利，但它也給帶來了挑戰，因為它需要採用一種獨立的驅動器架構，從而導致顯示器的成本上升。

製造工藝複雜

是製造工藝複雜，對材料要求高，成本較高。

中國電泳顯示研究起步晚，但進步很快，在材料研究及其應用基礎研究方面有基礎，並已有企業在積極開拓相關產品的研發。例如中山大學和廣州奧示科技有限公司合作，研製出黑白、紅綠藍彩色三原色電子墨水，並研製出了柔性顯示屏，製作出了彩色三原色的顯示屏。國內與國外的技術差距主要在顯示屏、材料和功能產品方面。中國企業從發展自主知識產權的平板顯示屏製作技術和產品出發，利用自主開發的微膠囊電泳顯示材料和超薄平板顯示器件結構，開展電子墨水超薄平板顯示器件產業化關鍵技術攻關，研製出了類紙式信息顯示屏，實現電泳平板顯示器件產品化。中國台灣工研院也已鎖定　柔性顯示為未來幾年的發展重點，並且正與SiPix進行相關技術合作。

瞄準未來市場，研究未來產業發展，開發新技術，超前謀划，是當前中國顯示產業持續發展的重中之重的工作。

膽固醇液晶顯示（Cholesteric Liquid Crystal Display）是種非傳統的顯示技術，即使移除控制板的供電，影像仍會保留在顯示器上。它的影像可媲美在紙上閱讀，功能包括高對比、視角寬闊、高反映度及在日光下仍維持極高的可讀性，此外產品還具有雙穩態特徵、能耗低的特質。

膽固醇液晶使用的材料結構類似於膽固醇分子，因此而得名。除了純粹的膽固醇液晶，延伸材料還有添加旋光劑的向列型液晶，或是添加膽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長和光電特性。向列型液晶在添加了旋光劑之後，液晶材料就會產生螺旋結構。將膽固醇液晶至於兩片水平的基板中，在不施加電場配向的情況下，膽固醇液晶會傾向成平面螺旋型排列，在符合特定光波長的反射情況下，即可反射出具有色彩的光線，或者是呈現透明狀態。膽固醇液晶可以達到雙穩態效應，方式有兩種：一種是表面安定型（SurfaceStabilized Cholesteric Texture，SSCT）；另一種則是高分子安定型（polymerstabilized cholesteric Texture，PSCT），這兩項技術都相當熱門的膽固醇液晶顯示技術之一。

膽固醇液晶顯示器的工作原理是：在組成組件上，與一般被動驅動液晶一樣包含了上下基板、間隙子以及黑色吸收材質，其中上下基板材質可為玻璃或塑料基板，除了包含被動驅動電極以及配向層以外，為了達到良好的反射效果，間隙子的大小約為螺距的6—8倍左右。

電子紙和電子墨的研究開發，至今已走過了20多個年頭。在20世紀70年代，日本松下公司首先發表了電泳顯示技術，施樂公司當時也已開始研究，然而最初研究出的普通電泳由於存在顯示壽命短、不穩定、彩色化困難等諸多缺點，實驗曾一度中斷。20世紀末，美國E-Ink公司（它是由朗訊公司，摩托羅拉公司以及數家風險投資公司為了開發電子紙於1997年成立的企業）利用電泳技術發明了電泳油墨（又稱電子墨水），極大地促進了該技術的發展。施樂、柯達、3M、東芝、摩托羅拉、佳能、愛普生、理光、IBM等國際著名公司都在涉足電子紙。

電子紙和電子墨的研究與發展，基本上可分為：

·1975年，施樂的PARC研究員Nick Sheridon率先提出電子紙和電子墨的概念。

·1996年4月，MIT的貝爾實驗室成功製造出電子紙的原型。

·1997年4月，E-Ink成立，並全力研究把電子紙商品化。1999年5月，E-Ink推出名為Immedia的用於戶外廣告的電子紙。

·2000年11月，美國E-Ink和朗訊科技公司(Lucent Technologies）正式宣布已開發成功第一張可捲曲的電子紙和電子墨。

·2001年5月，E-Ink與ToppanPrinting合作，宣布利用Toppan的濾鏡技術，生產彩色電子紙。

·2001年6月，E-Ink再宣布推出"Ink-h-Motion"技術，電子紙上可顯示活動影像。同時，美國的大型百貨公司Macy宣布，店內的廣告牌採用SmartPaper。

·2002年3月召開的東京的國際書展上，出現了第一張彩色電子紙。

也許你沒有意識到，“電子紙”闖入人們的生活已經有很多年了。例如，手機SIM卡和地鐵磁卡就是兩種電子紙的具體表現——它們可以被記錄入數據、可以被反覆擦寫和讀取。就最基本的特性來說，它們與傳統的紙張沒有什麼不同。事實上，電子紙的最初萌芽就是為了代替傳統紙張的目的而來。

1999年左右，IBM在美國最大的報紙展覽會中展出了一個“電子報紙”模型。技術上，它就是一個“電子矩陣”，與液晶的顯示原理差別不大。在IBM的這個模型中，閱讀夾板中間被嵌入了一個電子顯示層，憑藉預先輸入的內容，用戶可以通過這個電子顯示層閱讀各種文字和圖片信息。

IBM的這項發明一下子招來了社會各界的關注，許多美國大報的編輯對其表示出了濃厚的興趣。這其中，包括《紐約時報》和《華盛頓郵報》等，而“電子閱讀”則被認為對報紙、書籍等出版行業具有“劃時代”的意義，因為在節約印刷成本、可循環使用、縮短新聞發布時間方面，電子報紙具有革命性的改進——“你可以在世界任何地方閱讀任何報紙或只閱讀自己感興趣的專題，而下載的內容會像電台和電視中播出的新聞一樣保持新鮮”。作為IBM公司的策略設計經理和“電子報紙”模型的核心研發人員，Robert Steinbugler這樣評價他的得意之作。為了表彰IBM提出的這個思想，《商業周刊》特地為它頒發了當年的設計金牌大獎。

雖然“電子報紙”具有諸多好處，但遺憾的是，由於受到當時網路條件的限制，IBM的這個“電子報紙”模型最終並沒有真正進入商業操作。但是，這個設計思想被保留了下來。在這以後，以IBM、Eink、Philips、SiPix、Fujitsu、Siemens和Ntera為代表的公司都在專註於這個領域，希望待時機成熟，自己的產品能夠在第一時間獲得最多客戶的認可，而搶得市場先機。對於這麼多公司熱衷於研究電子紙技術的行為，國際報業和傳媒印刷組織Ifra的專家Harald·Ritter對此予以了高度肯定。

天道酬勤，孜孜不倦的努力終於結出了豐碩的成果。2004年，由Eink和Philips提供技術支持、由Sony生產的世界上“第一本”實際商用的電子書問世，這極大地轟動了整個IT業界。Sony的這本電子書被命名為LIBRIe，售價4萬日元。其長190毫米、寬126毫米，最薄的地方只有9.5毫米厚，重量為190克，防反射顯示屏達到4級灰度和800×600的解析度標準，有10MB的存儲空間（大約能顯示最多1萬頁），2節AAA電池供電，同時支持Sony的記憶棒。為了使LIBRIe不至於成為“空中樓閣”，Sony特地為它開通了Timebook Town租賃服務。

LIBRIe的打響頭炮使科學家意識到，電子紙產品的應用環境已經趨於成熟。於是在這之後，Sharp、Toshiba、Panasonic、Hitachi和Fujitsu等日本電子公司紛紛效仿。短短的一年裡，電子書產品突然遍地開花。而在技術上，電子紙也一改以往對比度低、只能顯示黑白文字等缺陷，利用電泳等技術，出現了能顯示彩色漫畫、耗電低、面積大、摺疊以後不會使字體變形、像紙張一樣柔軟的產品。

作為一個例子，富士通推出的“全球首張”、具有圖像記憶功能、可彎曲彩色電子紙是個典型的代表。這張“紙”的厚度只有0.8毫米，可以用於巨幅海報、火車站或建築物上廣告信息的發布以及小型數碼（例如手機屏幕等）。而在7月底，Hitachi又緊接著發布了世界上最大的電子紙，其尺寸為27×20厘米，與15英寸CRT顯示器的“可視面積”比較相當。據悉，Hitachi的這張“電子紙”將在2006年進入商用。

使人們感到有點意外驚喜的是，電子紙的技術和應用一經突破，其勢頭就呈燎原之態——不僅在報紙、書籍、電腦和顯示器這些理所當然的載體上可以看到它的身影，在一些人們原來不曾想到的地方，電子紙也堂而皇之地出現，並展示了它新鮮、實用、有趣的面貌。

由於電子紙實際上就是一種IC晶元，因此它可以被作為電子錶的表芯。在瑞士召開的鐘錶珠寶展覽會“BaselWorld 2005”上，精工EPSON就展出了這麼一件令人驚羨的產品——整塊手錶就像一張薄紙，可以緊密地貼在手腕的皮膚上，並且可以變幻出漂亮的圖案來。此外，由於電子紙的柔軟性能越來越出色，因此歐盟一些國家的軍隊已經開始考慮用它來製作軍事地圖。與傳統的紙質地圖比較起來，電子地圖不僅更結實耐用，而且電子的特性使它可以達到輸入刷新、存儲、記錄、甚至多媒體的效果。

而在大炒的RFID應用中，電子紙也扮演了一個關鍵的角色。例如兩者結合的電子門票的誕生，在曝光的幾率就很高。近一兩年來在日本召開的地球環境保護會議以及在中國北京舉行的車展上，都可以見到用電子紙做成的RFID門票的身影。除此以外，電子紙與RFID的結合還體現在醫療中——作為一家已經開發出RFID彩票和RFID紙片計算機的瑞典公司，Cypak又在推出了電子病歷卡以及與之配套的用電子紙包裝的藥片。通過在紙片上事先“印刷”服藥時間、服藥劑量等信息，埋藏於“紙片”中的蜂鳴器會定時提醒病人或者護士。

基於電子紙技術的電子書閱讀器(e-paper based e-book reader）是一種很輕巧的平板式閱讀器，相當於一本薄薄的平裝書，能儲存約200本電子圖書。它具有重量輕，大容量，電池使用時間長，大屏幕等特點，是辦公無紙化的新選擇。部分電子書閱讀器具備調節字體大小的功能，並且能顯示JPEG、GIF格式的黑白圖像和Word文件、RSS新聞訂閱。

電子紙顯示屏通過反射環境光線達到可視效果，因此看上去更像普通紙張。這種顯示屏的能效非常高，因為這種顯示屏一旦開啟，就不再需要電流來維持文字的顯示，而只有翻頁時才消耗能量。