电子纸显示技术及应用

 程捷，何晨

 （中船重工第七一六研究所，江苏连云港2220061

摘要：电子纸除了具备跟传统纸张一样的易读性与可弯曲性外，更具有信息（文字）可重复写入、擦除的特点，这样的技术可能对人们的生活带来重大的影响，改变人们的阅读习惯。文中着重对当今发展相对较好的电子纸的相关技术与传统液晶技术进行了比较。

 关键词：电子纸；电子书；电子海图；TN;STN

 中图分类号：TN27文章编号：1006 - 2394( 2016) 03 - 0038 - 03

 0引言

 随着计算机及网络的迅速发展，曾经有人认为“无纸办公”的时代即将到来。然而事实显示，近几年来纸张的消耗量不减反增。为何个人电脑、笔记本电脑及PDA等电子设备日益完善的功能，搭配便利的网络信息传输、下载，仍然无法将人们的阅读界面由纸张转向电子界面呢？很重要的一个环节，是在于现有的电子界面——显示器，与人们习惯阅读的界面——纸张有相当的差异，因而不易被人们所接受。但现在这一状况正在发生改变。

1  电子纸技术发展

 由于现有显示技术与理想电子纸的特性，仍有相当大的落差存在。因此，各种以电子纸张为需求的显示技术纷纷被研究与提出。

 电子纸张通常需具有四个基本要求。首先是文字的辨识性，以白底黑字的现实形态而言，白色背景的白度越高，黑白对比越佳，显示就越清楚，希望做到与纸张印刷品类似的视觉感官。其次是具有文字讯息写入、拭去的功能，显示界面可重复使用，增加资源的使用效率。第三是关闭电源时能维持显示，因阅读大量文字时画面必须显示一段时间，如果此时不需施加电力，亦能保持画面稳定显示，则可不必内置电池，即便内置电池，亦可有效控制电源使用效率，延长待机时间。最后则是需有可弯曲的特性，增加耐冲击性，以提高使用的便利性。

 电子纸的相关技术发展，主要有两个方向：一是改进显示器的性能，朝着轻薄且具有可弯曲性的目标发展；另一个研究方向，则是整合印刷技术，配合可重复印刷、消去的特殊纸张设计，让纸张具有可多次重复使用的特性。但由于第二种技术形态，基本设计上是采用光、热或磁的方式，需搭配特定的印刷设备，进行信息的改写，并不如第一种方式可直接使用电气手段，在电子纸张上进行显示信息的写入与更新。因此，本文只针对第一种技术研究趋势进行探讨。

2  电子纸技术原理

 在具有电子纸特性的现实技术研究上，以各种具有双稳态特性的反射式显示技术为主。常见的类型包括电泳显示、旋转球显示、双稳态液晶，电湿润显示和快速应答电子粉流体显示等技术。其中电泳显示技术发展最为迅速，前景也最被看好，并且由此开发的产品也已经推向市场。

 电泳显示原理：主要是以外加电场驱动悬浮在溶液中的带电粒子，利用粒子存在位置的改变，来展现出粒子与溶液、背板或粒子与粒子之颜色对比，来做影像显示。这种显示概念应用早在1 970年代就有人提出，如美国专利所阐述，但实际上存在粒子沉降、侧向扩散

凝集及反应时间等问题，应用上并不被看好。1995年，美国史丹佛大学物理系博士后研究员J．Jacobson，将含有蓝色染液与白色粒子组成悬浮液，包裹在透明高分子构成的“高分子微胶囊”中；显示时，当带正电荷的白色二氧化钛粒子停留在微胶囊的观看面时，呈现的就是白色的页面；而当微胶囊下方的电极带负电荷时，就会将这些粒子拉到另一侧，在该点便产生一个油墨似的影像，直到相反的电压脉冲再将这些白色粒子送回去。由此，就可以产生蓝底白字的效果，如图1所示。将带电粒子悬浮液进行微粒包裹后，除了可改善沉降、侧向扩散凝集的问题外，在制造工艺上这些“高分子微胶囊”就像油墨一样，可使用印刷方式来进行图案化制造工艺，大幅提升制造的便利性。

 此技术后来衍生出“E-Ink”这家公司，并获得飞利浦、凸版印刷等知名厂商的青睐，给予资助及合作技术开发。根据该公司的技术发展里程规划，第一阶段以文字和段式显示功能为主，产品应用主要瞄准家用电器、标识及商业用途的广告板，并已于2002年推出。而2004年更与飞利浦及索尼公司合作，由索尼公司推出第一代电子纸显示器消费产品，名为“LIBRIe”的电子书，其画面尺寸为6英寸，分辨率达到SVGA( 800×600)。该公司预定在2005年中期推出彩色电子的原型，目前正积极改良彩色滤光片的性能，以提升对比和反射率。在可弯曲化方面，使用不锈钢的极薄材料进行背板开发，搭配用绝缘涂层技术，在其上制作出电路及有机薄膜晶体管结构，希望作为未来实现可携式电子纸的核心技术。此外，E-Ink公司亦与英国PlasticLogic公司共同开发采用树脂基板的可弯曲显示器，期待将E-Ink的电子纸技术和Plastic Logic的印刷式薄膜晶体管成型技术结合，并以应用在移动电话的显示屏为目标。

 同样，利用电泳显示原理作为现实电子纸技术的方式，较著名的还有SiPix公司的微杯阵列设计。其特色是利用微电子制造工艺在基材上制作出用填充电泳液的微杯结构，如图2所示，由此将电泳液独立区隔在小单元中，来预防电泳液的外漏与位移。

3 TN、STN型液晶显示器原理

 “扭曲向列型液晶显示器”，简称“TN型液晶显示器”，这种显示器的液晶组件构造如图3所示。

 向列型液晶夹在两片玻璃中间，这种玻璃的表面上先镀有一层透明而导电的薄膜以作电极之用，这种薄膜通常是一种铟( Indium)和锡(Tin)的氧化物(Ox-ide)，简称ITO。然后再在有ITO的玻璃上镀表面配向剂，以使液晶顺着一个特定且平行于玻璃表面之方向排列。图3a）中左边玻璃使液晶排成上下的方向，右边玻璃则使液晶排成垂直于图面的方向。此组件中液晶的自然状态具有从左到右的扭曲，这也是为什么被称为扭曲型液晶显示器的原因。利用电场可使液晶旋转的原理，在两电极上加上电压则会使得液晶偏振化方向转向与电场方向平行。因为液态晶的折射率随液晶的方向而改变，其结果是光经过TN型液晶盒以后其偏振性会发生变化，可以选择适当的厚度使光的偏振化方向刚好改变900，那么就可利用两个平行偏振片使得光完全不能通过。TN型液晶显示器工作原理如图4所示。

 若外加足够大的电压使得液晶方向转成与电场方向平行，光的偏振性就不会改变，因此光可顺利通过第二个偏光器。于是，可利用电的开关达到控制光的明暗，这样会形成透光时为白、不透光时为黑，字符就可以显示在屏幕上了。

 STN型的显示原理与TN相类似，不同的是TN扭转式向列场效应的液晶分子是将入射光旋转900，而STN超扭转式向列场效应是将入射光旋转180~ 2700。

 需要说明的是，单纯的TN液晶显示器本身只有明暗两种情形（或称黑白），并没有办法做到色彩的变化。而STN液晶显示器由于液晶材料的关系，以及光线的干涉现象，因此显示的色调都以淡绿色与橘色为主。但如果在传统单色STN液晶显示器加上一彩色滤光片，并将单色显示矩阵之任一像素分成三个子像素，分别通过彩色滤光片显示红、绿、蓝三原色，再经由三原色比例之调和，也可以显示出全彩模式的色彩。另外，TN型的液晶显示器如果显示屏幕做的越大，其屏幕对比度就会显得较差，不过藉由STN的改良技术，则可以弥补对比度不足的情况。

4  阅读特性差异对比

 人们所习惯的纸张界面，与现有之电子显示技术比较，主要有以下特性：

 1)高反射率(~ 650/0)；

 2)好的对比值(~20：1)；

 3)使用环境光源；

 4)几乎无视角限制；

 5)轻薄携带方便且可卷曲；

 6)不需要消耗电能。

 以目前普遍使用与各种可携式电子产品的液晶显示技术而言，性能上最接近的应为穿透反射式的TN与STN LCD，但相较之下，仍有下列缺陷有待改进，主要包括：

 1)需要搭载辅助背光源；

 2)使用环境光源时，对比较差；

 3)视角往往受到限制；

 4)由玻璃组成液晶槽，携带便利性与耐冲击性差：

 5)需使用电源。

 此外，液晶显示器制造工艺比较繁复，且通常需要许多光学膜（如偏光片）的配置，在生产成本降低上，存在一定的瓶颈。

5应用

 现在，已经有索尼等公司基于此电子纸技术开发出了电子书阅读器投放市场，国内也有STARebook公司基于同样技术的产品问世。索尼与全球第二大连锁书店Borders达成协议，将在美国销售索尼新推出的电子书阅读设备Sony Reader。

 这款Sony Reader又名PRS-500（图5），曾在今年年初的CES大会上展出，拥有6英寸分辨率为800×600的4阶灰度显示屏，可支持电子书以及文本文件的阅读。PRS-500的外形看起来类似于一台Tablet PC，尺寸大小为17.6 cm×12.4 cm×1.4 cm，质量为250 g。以64 MB闪存作为内置存储，支持扩展MS或SD存储卡，支持Adobe PDF文件和JPEG格式图片．并且还可播放MP3。据索尼称其电量足以阅读7500页书籍。

6结束语

 虽然目前类纸张显示技术实用的例子仍然有限，但因其拥有许多优点，潜在的应用相当广泛，具有无穷商机，吸引了许多厂商投入研究开发，技术亦不断推陈出新。不久的将来，跟“纸张”一样的显示器，将成为人们日常生活不可或缺的一部分。相信随着技术的进步和生产规模的扩大，成本将会进一步降低，应用也会进一步普及；并且随着技术及生产工艺的进步，更大幅的电子纸的产出也将会适合电子作战海图的应用。