深度解讀E-link——電子墨水屏技術(shù)

閱讀電子書早已成為大家生活中一部分，方便輕巧的電子版書籍更便于攜帶，而電子閱讀器也不僅僅局限于電腦、手機(jī)等傳統(tǒng)設(shè)備，新興的電子書閱讀器漸漸為我們所接受。E-ink電子墨水技術(shù)就是現(xiàn)在最著名的產(chǎn)品之一，他的出現(xiàn)讓電子書閱讀器不再是液晶屏幕一家獨大。

提起E-ink電子墨水屏，大家第一時間反應(yīng)就是“哦，就是那個只能顯示黑白灰的屏幕是吧，亞馬遜kindle電子書就是用這個的”。

電子墨水屏憑借接近紙質(zhì)書的閱讀體驗，以 Kindle 為代表的電子書成為不少閱讀愛好者出門必帶的數(shù)碼設(shè)備，以省電、護(hù)眼為噱頭的各種電子墨水屏設(shè)備也開始出現(xiàn)。發(fā)展了這么多年，電子墨水屏仿佛還是誕生初的樣子，從普通消費(fèi)者的角度看，它沒有成為主流，但也從未離去。

E-link技術(shù)的起源

電子墨水屏技術(shù)最早可以追溯到 1996 年，它基于美國麻省理工學(xué)院媒體實驗室（MIT Media Lab）的一項研究，利用電泳技術(shù)（EPD）實現(xiàn)顯示，這類屏幕的顯示效果十分接近傳統(tǒng)紙張，因此也被成為“電子紙”。1997 年，麻省理工學(xué)院的教授 Joseph Jacobson 創(chuàng)立 E Ink 公司，開始推動電子紙技術(shù)走向商業(yè)化，電子墨水技術(shù)成為電子紙的主流。

電子墨水與印刷使用的墨水很相似，都是用顏料所制，這也是為什么我們看到電子墨水屏和傳統(tǒng)紙張顯示效果相似的原因。電子墨水通常會制成薄膜，由大量微囊組成，這些微囊只有人類頭發(fā)的直徑大小。微囊中的黑白小球是帶不同電荷的色素顆粒，初始狀態(tài)下，色素顆粒懸浮在微囊中，當(dāng)施加一定方向的電場后，相應(yīng)的色素顆粒被推到頂部，微囊就會顯示不同的顏色，而不同顏色的微囊組成了各種文字和圖案。

電子墨水屏基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：

⒈上層；⒉透明電極層；⒊透明微膠囊；⒋帶正電荷的白色顏料；⒌帶負(fù)電荷的黑色顏料；⒍透明液體（油）；⒎電極像素層；⒏基板；⒐光線；⒑白色；⒒黑色

電子墨水屏是由許多電子墨水組成，電子墨水可以看成一個個膠囊的樣子（如上圖所示）。每一個膠囊（位置6）里面有液體電荷，其中正電荷染白色，負(fù)電荷染黑色。當(dāng)在一側(cè)（位置8）給予正負(fù)電壓，帶有電荷的液體就會被分別吸引和排斥。這樣，每一個像素點就可以顯示白色或者黑色了（注：彩色電子墨水的電子書并不是不能做，只是成本和技術(shù)還沒符合市場要求）。

因為電子墨水的刷新是不連續(xù)的，每一次刷新完成就可以保持現(xiàn)在的圖形，即使拔掉電池也依舊保存?？赡軙腥藛柕剑瘟穗姵匚娮幽碾妷壕湍居辛?，那么小球不就回復(fù)原狀或者進(jìn)入隨機(jī)的混沌狀態(tài)了嗎？答案是因為電子墨水具有雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)（磁滯效應(yīng)）。

上圖中，橫軸是電子書提供的電壓大小，縱軸灰度（假定正為最白，負(fù)為最黑）。電壓加大的過程和減小的過程，給予同樣的電壓，電子墨水黑白程度是不同的。這樣的效應(yīng)就叫做雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)（磁滯效應(yīng)）。利用這樣的效應(yīng)，我們就可以給一個正電壓（從0到B點過程，走下面上升的路線），吸引負(fù)電荷，顯示正電荷白色給讀者，然后斷電（從B減少到0，走上面那條回來的路線）。白色得以保持。于是，電子墨水的電子書省電就在于如果不需要顯示有所變化，屏幕部分消耗電量為0。

注1：不變化屏幕電子書自己沒電是由于電路板的待機(jī)消耗以及電池自己的內(nèi)阻消耗；

注2：其他常見顯示器無論屏幕內(nèi)容是否變化，屏幕部分的耗電量都是持續(xù)的，變化不大。

為什么每一次變化（如：翻頁），或者每隔一段時間就需要有一個全部清場的動作呢？我們剛假設(shè)電壓從0加大然后再減少到0，但是電子墨水的灰度從位置A變到了位置C。那么如果下一次變化，如果我減少電壓，也就是順著上面那條返回路徑繼續(xù)行走，就沒有問題。但是如果下一次刷新，我還需要這個像素顯示白色，那么這個在C點情況的墨水所遵循的路線就不是這個圖形了。電路所驅(qū)動的電壓對應(yīng)的灰度將會不準(zhǔn)確。導(dǎo)致的結(jié)果就是黑色的墨水黑色程度不相同，白色的墨水有的沒有完全白下去。就會出現(xiàn)我們所說的鬼影，或者殘影。于是，為了避免殘影的出現(xiàn)，就全部加到最大或者最小電壓，把所有的墨水清零，從初始狀態(tài)從新開始調(diào)整，這樣所有的墨水小球就可以保持只有兩種顏色的均勻顯示了。

電子墨水屏的工作原理

“電子墨水的主要由大量細(xì)小微膠囊 ﹙microcapsules﹚組成，這些微膠囊約為人類頭發(fā)直徑大小。每個微膠囊中包含懸浮于澄清液體之中的帶正電荷的白粒子和帶負(fù)電荷的黑粒子。設(shè)置電場為正時，白粒子向微膠囊頂部移動，因而呈現(xiàn)白色。同時，黑粒子被拉到微膠囊底部，從而隱藏。如施加相反的電場，黑粒子在膠囊頂部出現(xiàn)，因而呈現(xiàn)黑色。”

對肉眼看來電子墨水像一瓶普通墨水，但懸浮在電子墨水液體中有幾百萬個細(xì)小的微膠囊。每個膠囊內(nèi)部是染料和顏料芯片的混合物，這些細(xì)小的芯片可以受電荷作用。為了能看見電子墨水的微膠囊，可以把它想象成清晰的塑料水球。水球內(nèi)包含幾十個乒乓球，水球內(nèi)充入的不是空氣而是顏料水。如果從頂部看水球，我們可以看到許多白色乒乓球懸浮在液體中，于是水球看起來呈白色。從底部看水球，你只不過看到的是顏料水，于是水球看起來呈黑色。如果你把幾千個水球放到一個容器，并使這些乒乓球在水球的頂和底之間運(yùn)動，你就能看到容器在改變顏色。這就是電子墨水工作的基本原理。事實上這些水球是100 微米寬的微膠囊。在1平方英寸，大約包含10萬個微膠囊。如果在一頁紙上打印電子墨水，則一個句子包含30多個微膠囊。

電子墨水是融合化學(xué)，物理和電子學(xué)的整體產(chǎn)生的一種新材料。制造微膠囊本身僅涉及較簡單的化學(xué)，可以比作做沙拉菜！微膠囊制成后被稱為是一種膠質(zhì)材料。這材料是細(xì)小的固態(tài)顆粒，承擔(dān)液態(tài)的物理性質(zhì)。于是微膠囊象傳統(tǒng)墨水懸浮在液態(tài)“載媒體”，然而它將粘著到普通墨水可以用的任何表面。并且可以用現(xiàn)有的絲網(wǎng)印刷工藝打印。打印的微電子學(xué)技術(shù)改變了墨水顆粒的顏色并產(chǎn)生了字和圖。

電子墨水屏的特點

1、電子墨水屏有兩個優(yōu)點：省電、護(hù)眼。

電子墨水屏可以在沒有電源的情況下持續(xù)顯示畫面，只有畫面變化時才需要消耗少量電源，比如 Kindle 在關(guān)機(jī)狀態(tài)下也可以顯示屏保，只有在翻頁時，屏幕才會刷新。這種特性極大地將降低了電源消耗，也是電子書續(xù)航長的原因。

傳統(tǒng)的 LCD 屏顯示原理是利用背光****，光線需要一直穿過顯示屏，直射眼睛。而電子墨水屏無需背光，它是利用環(huán)境光打在顯示屏上，再折射到眼睛。這種方式模擬了墨水和紙張的特性，環(huán)境光越強(qiáng)，顯示效果越清晰。由于沒有了閃爍，在長時間閱讀時眼睛不容易感到疲勞。

電子墨水屏省電、護(hù)眼的特點讓其成為電子書閱讀器的首選，索尼和亞馬遜相繼推出配備電子墨水屏的閱讀器?，F(xiàn)在距離第一代 Kindle 發(fā)布已經(jīng)過去了 10 年，電子墨水屏也已經(jīng)有 20 年歷史，從誕生起不少人就對其抱有厚望，認(rèn)為電子書會革了紙質(zhì)書的命，但直到今天，電子書從未成為市場主流，電子墨水屏似乎也很少出現(xiàn)明顯的變化，技術(shù)好像一直沒有更大的進(jìn)步。

2、刷新率低，不適用于主流設(shè)備

電子墨水屏沒有獲得更多的市場份額，主要是受本身特性限制，其中最大的局限之一就是刷新率低。

相比主流的 LCD 顯示屏，電子墨水屏無需不斷刷新就可以顯示內(nèi)容，這降低了耗電，也減少了輻射，讓閱讀體驗更接近紙張，不容易造成眼睛疲勞。但這樣的特性也讓電子墨水屏無法被主流電子設(shè)備采用。

不管是手機(jī)還是電腦，屏幕需要顯示的內(nèi)容都很豐富，同時還要進(jìn)行彈出菜單、窗口滾動等操作，電子墨水屏極底的刷新率顯然無法滿足這樣的要求。和 LCD 顯示屏相比，電子墨水屏更適用于內(nèi)容簡單、變化較少的文字顯示。

從誕生起就有的省電、護(hù)眼特性，讓電子墨水屏成為電子書閱讀器的標(biāo)配，但也引來應(yīng)用性單一的質(zhì)疑。

E-link墨水屏與LCD液晶屏的主要區(qū)別

原理不同

EInk是基于電泳技術(shù)的顯示技術(shù)。帶黑白兩種顏色的帶點粒子在液態(tài)膠囊中在電場的作用下，上下浮動而形成畫面的過程。在形成畫面后，顏色粒子就停止運(yùn)動，即使斷電畫面也不會消失。因此，在翻到某一頁時，屏幕是不會閃爍。

LCD液晶屏的工作原理簡單描述就是通過電壓將每個固定好的獨立像素中的液晶分子進(jìn)行方位調(diào)整，達(dá)到顯示不同顏色與畫面的效果。由于液晶分子的是依靠電壓維持狀態(tài)，因此需要持續(xù)供電來維持顯示。因此，TFT始終處于閃爍狀態(tài)下，只是頻率高肉眼分辨不出來而已。

顯示機(jī)制不同

EInk是全反射式，也就是隨著環(huán)境光的變化顯示效果會不同。外界光源越好，顯示效果越好。因此在晴朗的戶外看EInk電子書與看紙質(zhì)書的體驗幾乎一樣。

由于Eink依賴環(huán)境光，當(dāng)夜晚時環(huán)境光效果不佳，因此目前行業(yè)中通過增加導(dǎo)光板來解決夜晚閱讀體驗的問題。

LCD液晶屏有背光，所以基本上受外接影響不大，除非極端情況(夏天戶外太陽光下)。因此在會有在戶外，手機(jī)屏幕亮度需要調(diào)亮來抵御環(huán)境光對屏幕顯示的遮蓋效果。

殘影問題 

由于EInk原理中，黑白粒子的固定狀態(tài)特性，在閱讀翻頁時容易看到上頁黑色粒子殘留的印記，行業(yè)中俗稱“殘影”，因此屏幕商提供了一種恢復(fù)初始狀態(tài)的刷新方式，也就是大家常見到的“閃屏”問題。類似閱讀紙質(zhì)書籍中的翻書的過程。

由于LCD液晶屏本身一致在刷新，因此不會有類似過程。

節(jié)能功耗

由于EInk的特性，在閱讀過程中不需要耗電，只在翻頁一瞬間消耗極少電量，因此電子書產(chǎn)品一般的使用周期都在2周甚至一個月左右。

由于LCD液晶屏始終需要電壓來維持畫面，基本上屏幕占了主要的電量消耗。目前基本上智能手機(jī)的使用是一天一充或一天多充。

結(jié)論

因此，無論從原理還是實際使用感受上，EInk在閱讀文字與非彩色漫畫類內(nèi)容時，有著無可比擬的閱讀優(yōu)勢：

1、高度接近紙張的閱讀體驗。

2、不傷眼睛，適合長時間閱讀。

3、電池使用壽命長，接近一個月。

但也有一些自身劣勢：

1、目前主要只有黑白產(chǎn)品，彩色只有三色（黑白紅）。

2受限于其原理性的問題，無法像TFT屏幕能快速響應(yīng)一些動畫類需求。

3、刷新過程中會閃屏。

E-link技術(shù)應(yīng)用

從誕生起就有的省電、護(hù)眼特性，讓電子墨水屏成為電子書閱讀器的標(biāo)配，但也引來應(yīng)用性單一的質(zhì)疑，除了 Kindle，電子墨水屏好像并沒有其他更合適的應(yīng)用。

E Ink 官方在微博中不斷強(qiáng)調(diào)“不止 Kindle”，似乎也證明了這種焦慮。這些年來，電子墨水屏也開始在其他設(shè)備中出現(xiàn)，比如手機(jī)。

在 2014 年 APEC 峰會期間，俄羅斯總統(tǒng)普京將一臺 YotaPhone 2 作為國禮，這臺手機(jī)也因此受到很多的關(guān)注。YotaPhone 最大的特點就是其背部搭載的電子墨水屏，獨特的雙面屏設(shè)計和「國禮」光環(huán)讓它成為當(dāng)年最“亮眼”的手機(jī)之一。近期， Yota 順勢推出第三代手機(jī) YOTA3，它配備了一塊 E Ink 電子墨水屏，可以在閱讀文字時起到省電、護(hù)眼的效果，這塊屏幕還能獨立運(yùn)行一些 App。

屏幕是手機(jī)的耗電大戶，Kindle 與紙質(zhì)書相近的閱讀體驗也早就讓很多用戶眼饞，YotaPhone 的出現(xiàn)讓不少人看到新的商機(jī)，開始嘗試將電子墨水屏與手機(jī)結(jié)合。趁著 YotaPhone 的熱度，華為 P8 在發(fā)布時同步推出一款電子墨水屏手機(jī)殼。國外也出現(xiàn)了專做電子墨水屏手機(jī)殼配件的 InkCase。

不過電子墨水屏與手機(jī)的結(jié)合更像是在豐富市場話題，遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上技術(shù)創(chuàng)新。電子墨水屏只是作為補(bǔ)充，手機(jī)屏幕還是以實用性為主。

相比之下，電子墨水屏在手表上的嘗試更像是一場革新。手表的顯示屏小，成本可控，同時屏幕需要展示的內(nèi)容少，符合電子墨水屏的定位。在這一領(lǐng)域最亮眼的是 FES Watch。索尼在的 20 周年慶典上宣布，整體用柔性 E-ink 屏制成的 FES Watch 將在中國限量發(fā)售。它的表盤和表帶都由一整塊柔性 E Ink 屏幕制成，沒有斷點又非常有設(shè)計感。由于只能顯示黑白兩色，它只有顯示時間一個功能。由于 E Ink 屏幕的特殊性，FES Watch 的待機(jī)時間理論上可以達(dá)到 2 年。

這些應(yīng)用雖然跳出了電子書閱讀器的限制，但仍然是對電子墨水屏原有特性的應(yīng)用。實際上，電子墨水屏也一直在嘗試新的技術(shù)，以突破本身的局限。

E-link技術(shù)的未來：取代紙、取代印刷

在剛過去的 2017 年智慧顯示與觸控展覽會上，E Ink 展出了彩色電子紙 ACeP。傳統(tǒng)的電子墨水屏只能顯示黑白兩色，而彩色電子紙則是將傳統(tǒng)的電泳式微囊技術(shù)延伸。黑白顆粒通過電場變化，呈現(xiàn)出灰階與黑白畫面，在此基礎(chǔ)上覆蓋彩色濾光片，將黑白粒子轉(zhuǎn)換成 RGB 彩色粒子，就可以呈現(xiàn)彩色畫面。E Ink 的彩色電子紙顯示屏除了提供 16 灰階的黑白顯示效果外，還提供 4096 種色彩。

除了突破顏色限制的彩色電子紙，E Ink 還展示了 84 英寸拼接電子紙展示板、可折疊電子紙、具備手寫功能的電子紙筆記本等技術(shù)應(yīng)用。

不管是彩色電子紙還是可折疊電子紙，E Ink 所做的嘗試都是在努力跳出傳統(tǒng)電子墨水屏的局限，但從一些實際應(yīng)用中我們也可以看到，電子墨水屏的使命并不是取代普通顯示屏，主流電子設(shè)備不是它的主戰(zhàn)場。關(guān)于電子墨水屏未來的應(yīng)用，應(yīng)該是在那些需要改變傳統(tǒng)顯示方式的地方，比如三色電子紙顯示屏替代零售商店的商品標(biāo)簽，可以動態(tài)改變顯示內(nèi)容，幫助零售商及時改進(jìn)營銷策略。這些以前用傳統(tǒng)紙張顯示，現(xiàn)在需要靈活顯示更多內(nèi)容的領(lǐng)域，才是電子墨水屏未來的發(fā)展方向。

Kindle 已經(jīng)誕生 10 年，電子墨水屏也出現(xiàn)了 20 年之久，對于一項已經(jīng)足夠「成熟」的技術(shù)來說，使命不再是尋找更多的應(yīng)用場景，而是利用技術(shù)創(chuàng)新來創(chuàng)造更多需求。