電子紙：掀起紙與平板顯示的雙重革命

電子紙技術(shù)誕生于20世紀70年代，但真正的繁榮卻是35年后的今天。電子紙最初是為了取代傳統(tǒng)紙張的大量消耗而發(fā)明出來，時至今日，電子紙的出現(xiàn)對于傳統(tǒng)紙出版行業(yè)的沖擊正在逐漸體現(xiàn)出來，目前全世界已經(jīng)出現(xiàn)超過20種電子紙載體出現(xiàn)，僅2007年就有8種新的電子紙載體誕生，預計2008年這一數(shù)字將接近40種。表1是電子紙市場近年來的發(fā)展狀況統(tǒng)計。但是，不要忘記，電子紙的本質(zhì)首先是一種柔性顯示器，在其輕薄柔軟特性背后，涌現(xiàn)的是對傳統(tǒng)平板顯示產(chǎn)業(yè)更為徹底的沖擊。

表1 2004-2010年電子紙市場規(guī)模（資料來源：富士chimera總研）

電子紙簡介

電子紙的載體是一張?zhí)厥獾谋∧z片，通過在膠片上"涂"上的一層帶電的物質(zhì)（電子墨），根據(jù)內(nèi)容的不同進行后臺控制，通過相應的顯示組合以達到內(nèi)容顯示的目的。電子紙的內(nèi)核就是一個廣義上的IC，整個閱讀器則可看作是一個薄薄的內(nèi)嵌式遙控顯示板。電子墨水就是將帶正、負電的諸多黑白粒子，密封于微膠囊內(nèi)，因施加電場的不同，在監(jiān)視器表面產(chǎn)生不同的聚集，呈現(xiàn)出黑或白的效果。商業(yè)化程度最好的非液晶電子紙技術(shù)是E-Ink的電子墨水技術(shù)（電泳式電子紙）。它的優(yōu)點很多，最主要的是內(nèi)容可重寫，可以隨意對文字或圖像進行更新，從而實現(xiàn)大量內(nèi)容的統(tǒng)一平臺瀏覽。同時，非常適合肉眼閱讀，由于對比度較高，所以文字、圖像清晰，并且無論從哪個方向看都沒有變化，閱讀舒適輕松。省電也是電子紙的一大特性，文字刷新以后，會長期停留在屏幕上，閱讀的時候電池可以取掉。換句話說，閱讀的時候不耗電，只有在翻頁刷新的時候才耗電，所以電池壽命會很長。因薄膜重量輕，電子紙還可以適度折疊、卷曲，重量輕，攜帶方便。
還有一種形態(tài)的電子紙是攜帶方便的薄膜顯示板，即“紙型”柔性液晶顯示器，該方式是利用施加電壓后分子排列被改變的液晶的性質(zhì)，通過調(diào)整透光率及改變光線的方向來表達反差。電子紙液晶顯示器的制作思路是，將液晶板與寫入圖像的裝置部分相分離以實現(xiàn)薄型化和輕量化，并能卷曲，做成像紙一樣的東西。寫入可利用施加光、熱、表面電荷等各種方法來實現(xiàn)。相對其他以非液晶技術(shù)實現(xiàn)的電子紙，這類產(chǎn)品在成本上略顯劣勢。它的主要特征是視讀狀況比較好，即使長時間凝視也不會使眼睛感覺疲勞，可以在表面上進行光感的調(diào)整、加工。內(nèi)裝有CPU和半導體存儲器，裝置便于攜帶，使用簡單，只需按鈕便可讀取電子文書或電子圖書。而且期望與網(wǎng)絡掛鉤，做到隨意存取。 電子紙集束而制成的電子筆記本能供數(shù)字數(shù)據(jù)的存取，并可以借助記錄來存儲信息，因為電子紙具有諸如上述的作用和利用價值，所以容易被使用者接受。

電子紙工作原理

目前，世界上主流的電子墨水技術(shù)有5種，它們分別是微膠囊電泳、雙色擰轉(zhuǎn)球（bichromal）、膽甾型液晶(ChLCD)、電濕技術(shù)和電致變色技術(shù)。其中，E-Ink公司的電泳技術(shù)比較成熟，應用相對廣泛。
E-Ink的電子紙由電子墨水及兩片基板所組成：第一部分是電子墨水，有時被稱為“前基板（front plane）”；二是使電子墨水生成文本和圖像所需要的電子設備組合，包括控制部分和顯示部分，被稱為“背基板（backplane）”。背基板上面涂有由無數(shù)微小的透明顆粒組成的電子墨水，顆粒直徑只有人的頭發(fā)絲的一半大小。電子墨水是一種加工成薄膜狀的專用材料，與電子顯示設備結(jié)合在一起使用，是化學、物理學和電子技術(shù)的綜合應用。電子墨水由數(shù)百萬個尺寸極小的微膠囊構(gòu)成，直徑與頭發(fā)絲相當。每一個微膠囊中含有帶正電荷的白色粒子和帶負電荷的黑色粒子，它們懸浮在清潔的液體中。 如圖1所示，電子墨水薄膜的頂部是一層透明材料，作為電極端使用；底部是電子墨水的另一個電極，微膠囊夾在這兩個電極間。微膠囊受負電場作用時，白色顆粒帶正電荷而移動到微膠囊頂部，相應位置顯示為白色；黑色顆粒由于帶負電荷而在電場力作用下到達微膠囊底部，使用者不能看到黑色。如果電場的作用方向相反，則顯示效果也相反，即黑色顯示，白色隱藏?？梢?，只要改變電場作用方向就能在顯示黑色和白色間切換，白色部位對應于紙張的未著墨部分，而黑色則對應著紙張上的印刷圖文部分。


圖1 電泳電子墨水工作原理
當這種電子墨水被涂到紙、布或其他平面物體上后，人們只要適當?shù)貙λ枰噪姄?，就能使?shù)以億計的顆粒變幻顏色，從而根據(jù)人們的設定不斷地改變所顯現(xiàn)的圖案和文字。只要調(diào)整顆粒內(nèi)的染料和微型粒子的顏色，便能夠使電子墨水展現(xiàn)色彩和圖案來。該方式是利用在電壓下能夠改變黑白狀態(tài)的微膠囊來實現(xiàn)圖像顯示的。微膠囊中帶電的白色氧化鈦顆粒和黑色碳粉粒子在電壓下上下移動，從而繪制出黑白圖像。其特點是在反差、明亮度視覺等方面較理想，耗電低，重量輕而容易使其薄型化，形狀自由等。此外，有的產(chǎn)品是利用帶電色粉的電泳現(xiàn)象，通過加大色粉的密集度來提高黑白反差的。

以電泳為基礎的電子墨水在亮度和分辨率方面優(yōu)于雙色擰轉(zhuǎn)球為基礎的電子墨水，但兩種技術(shù)都是單色性的。為了創(chuàng)造顏色電子墨水，E-Ink公司攜手日本凸版印刷公司，生產(chǎn)彩色濾光片。電泳電子墨水另一個缺點是它的低刷新率，不適合展示動畫或視頻。因為在繪制一個新的文本或圖像時，它需要一定的時間將粒子從一個微囊向?qū)Ψ揭苿?，這就會創(chuàng)造了一個閃爍的畫面，從而影響連續(xù)的顯示效果。
一個徹底解決這些問題的方案稱為膽甾液晶（ChLCD），即“紙型”柔性液晶顯示器。該技術(shù)基于液晶顯示器（LCD）技術(shù)，工作時電流以螺旋形液晶分子方式可以快速從垂直到水平位置，從而實現(xiàn)快速顯示。目前，包括IBM、飛利浦以及惠普和富士通在內(nèi)的多家公司共同致力于基于此技術(shù)的設備開發(fā)。雖然其他潛在的技術(shù)也在開發(fā)先進的彩色電子紙，如光子晶體（P-ink），但許多分析家認為，ChLCD技術(shù)可能成為占主導地位的電子紙技術(shù)的下一個十年。一方面，有相當成熟的LCD產(chǎn)業(yè)作為技術(shù)支撐，另一方面，ChLCD技術(shù)滿足電子紙最理想的功能需求，如彈性甚至可折疊性、大約0.8mm的超薄厚度、出色的顯示亮度和對比度、雙穩(wěn)定性，維持圖像不需要電源，只需很少能量就可以改變顯示內(nèi)容以及生動的色彩和體面的刷新率能顯示動畫和甚至可能是視頻，如圖2所示。


圖2 一種典型的ChLCD電子報紙


廣闊的應用空間

E-Ink公司開發(fā)了RadioPaper技術(shù)，含義為無須導線就能使用，在任何時候、任何地點均能在各種通訊技術(shù)的支持下方便地實現(xiàn)信息交換和顯示。其目前有兩種電子油墨顯示器結(jié)構(gòu)，第一種稱為復合結(jié)構(gòu)，總厚度在0.9mm左右，部分地借用了液晶顯示單元的結(jié)構(gòu)形式，為第一代電子油墨顯示屏所采用；第二種結(jié)構(gòu)是形成可彎曲顯示器或電子紙的基礎，放棄了用玻璃作為后面板，厚度小于0.5mm?；陔娮佑湍上窦夹g(shù)的顯示產(chǎn)品分成兩個主要平臺，其中高分辨率、主動型矩陣顯示器適合于電子書等應用領域，對顯示質(zhì)量要求高；低、中等分辨率產(chǎn)品使用分組顯示技術(shù)。初期電子油墨顯示產(chǎn)品僅提供2位灰色顯示能力，緊接著出現(xiàn)4位灰度顯示設備。目前，E-Ink及其合作伙伴正致力于開發(fā)下一代電子油墨顯示器產(chǎn)品，目標應用領域是電子紙產(chǎn)品，主導方向為可彎曲的彩色顯示器和IC卡，并計劃開發(fā)顯示速度更快的視頻顯示器。

2007年，已經(jīng)有超過20種電子報紙、電子書和電子播放器產(chǎn)品面世。不僅如此，電子紙作為一種新興顯示屏技術(shù)，還在其他領域獲得意想不到的應用。日本精工鐘表推出表盤使用電子紙的手表“精工SPECTRUM”。沿著手鐲狀的曲線，彎曲配置尺寸為25.6mm×78.5mm的電子紙。摩托羅拉則在其最新Razer系列的手機上實現(xiàn)了用電子紙代替顯示屏，從而將手機的超薄特性發(fā)揮到了極致。在機場和其他公眾場所，電子紙將很有可能取代傳統(tǒng)的顯示設備，成為公眾信息和戶外廣告新的搭載平臺。

由電子紙顯示器近年來的商品化發(fā)展歷程，可發(fā)現(xiàn)其已由個人應用產(chǎn)品(如電子書籍)擴展到商業(yè)應用產(chǎn)品(如電子紙廣告廣告牌)，再加上電子紙顯示器相關(guān)廠商亦積極地朝向彩色化、大型化、可撓式基板等方向進行技術(shù)開發(fā)，并且也已獲致突破性的進展。電子紙顯示技術(shù)在商品化技術(shù)趨成熟以及廠商更多樣化應用產(chǎn)品開發(fā)的推展下，電子紙顯示器將可望由產(chǎn)品生命周期的導入期朝向成長期階段邁進。

預計到2012年，就將出現(xiàn)具有即時通信功能、高存儲容量、可隨時更新的彩色動態(tài)“報紙”，其成本將控制在100美元左右，并且很有可能采用購買內(nèi)容贈送播放器的方式。那時候，電子紙不僅給傳統(tǒng)的出版業(yè)帶來革命性沖擊，更對傳統(tǒng)的新聞內(nèi)容服務產(chǎn)生根本改變！