像纸一样的显示器—电子纸

2006-4-27

电子纸是人们早在数十年前就梦想实现的技术。理想中的电子纸是一种超薄、超轻的显示屏，表面看起来与普通纸张十分相似，可以像纸张一样被折叠卷起，内容可以反复更新。目前，主流电子纸技术主要有双稳态胆甾醇液晶、电子墨水（微胶囊电泳）和反转球（Gyricon）技术。     电子纸显示原理     1．稳态胆甾醇液晶     双稳态胆甾醇液晶（Surface Stability Cholesteric Texture，SSCT）是目前惟一实现产品化的电子纸技术。SSCT技术的核心知识产权在美国ADS和Kent Display公司手中，其他公司如果使用SSCT技术都要先取得这两家或其中一家的授权。值得注意的是，2003年7月，Kent Display把其胆甾醇液晶显示技术授权给了柯达公司。     胆甾醇液晶在无电场时取向是平行的，它通过适应液晶的螺旋间距来选择色光进行反射;在弱电场情况下成为焦圆锥取向，通过透光来维持其状态；如果外加强电场时，就又返回到平行取向。利用这个电场的变化，就可以控制显示和非显示。它可显现600dpi的图像或8点大小的文字，进一步可制成A6规格的显示屏。同时，也可以将RGB三层重叠实现彩色显示。     胆甾醇液晶具有双稳态特性，即断电后仍保持图像不变。     胆甾醇液晶显示器的结构和显示原理与STN-LCD类似，制备工艺与STN-LCD也类似。SSCT采用的驱动波形与STN和TFT均不同，分为Erasing阶段和Addressing 阶段。     2．电子墨水（微胶囊电泳）     该项技术是有由美国MIT(http://www.media.mit.edu)和E-Ink公司(http://www.eink.com )共同研制开发的。     该技术的基本原理是：在透明的微胶囊内，放入兰色的液体和白色微粒子，通过外加电压使白色粒子产生电泳，从而显示由白色和蓝色形成的画面。在白色粒子中使用了氧化钛的微粒子，在蓝色的绝缘性液体中，带有电荷并稳定地分散在蓝色的绝缘性液体中。将此微胶囊用硅树脂作粘合剂涂到带有ITO电极的塑料基片上，再以离子流方式将负电子画面施于表面，白色粒子便移动到微胶囊的下部，因此，画面便显示出蓝色图像，之后，全面施加正电子，白色粒子便移动到微胶囊的上部，表面则变成白色，图像即被消掉。其中白色和蓝色都是可以替换成其他颜色的。     E-Ink开发的电子墨水（Electronic ink)是用直径30μm～300μm的球状透明光滑的微胶囊包覆电介质悬浮液，悬浮液中漂浮着白色带电光散射微粒，这些胶囊分布在聚氨酯胶粘剂中构成分散体系，涂布或者印刷在柔性导电高分子透明塑料电极上，构成原理型柔性电子纸显示器。     图1 旋转球方式示意图     3．旋转球方式（Gyricon）     该技术是美国Xerox公司和3M公司共同研究开发的，基本原理是：以每半个球分别涂成白与黑的球形微粒子，通过电场控制其方向，由白和黑两种颜色显示出图像。用硅树脂作为粘合剂将双色粒子涂在基片上，在粒子的周围形成空穴，以特定的液体充电，粒子表面的白侧为负，黑侧为正，在两色之间呈现出不同的电荷而形成偶极子。若以负电荷图像加在这张纸板的表面，粒子便会旋转，使黑半球朝上，如果以正电荷加在纸板表面，白半球便朝上，因而可以显示图像。     各种技术特点比较     从表1来看，电子纸技术的最大优点是省电、轻薄，像纸一样的易读性和可重复使用性;在相同的周围环境下，电子纸显示器通常能够提供比反射式LCD显示器更明亮的显示效果;其应用领域应该是画面不连续更新的显示装置，如广告牌、电子书、平面图等。但存在的共同缺点是响应速度低，对比度低，难以实现彩色化。因此，电子纸技术难以用做图像显示器。     除了上述几种主要技术外，电子纸技术还包括色粉显示板、双色显示液晶、电致发光等10多种新兴技术，由于目前都还处于研发初级阶段，在此就不赘述了。     电子纸研发及应用状况     图4 日本米士盾公司研制的超薄视屏QR-LPD     电子纸重量非常轻，厚度大约只有1mm，可弯曲，且非常容易做成大尺寸的产品。与传统纸张相比，电子纸最大的特点是可以轻松携带，随意存取，信息量大，且可反复使用。在电子纸上可以反复写入信息，一种方式是手写输入，另一种方式是通过网络下载刷新内容。与PDA相比，电子纸更轻便，可以随意折叠；与个人电脑相比，电子纸更便于携带，操作更加简单。电子纸可与互联网融合，人们只需要一张电子纸，无论在什么地方，都能像电脑上网那样，通过网络下载数据，查阅大量信息，享受阅读的快乐。另外，用电脑上网浏览新闻时，时间稍长眼睛就会疲劳，而电子纸则不会带来这种烦恼。     E-Ink公司在2000年11月发表了一片与Lucent合作开发的可弯曲电子纸显示产品原型，其驱动电路是整合在一片塑料板上，整个产品外型看来像鼠标垫一般薄，运用了有机半导体技术。     2001年2月，E-Ink与飞利浦达成了战略合作协议，并着手联合开发电子纸显示器，2001年6月，飞利浦公司初步制定出电子墨水显示器的技术规格，如表2所示。     在SID 2002展会上，E-Ink展示了5英寸大小的电子纸(见图2)，其像素数为320×234，显示色为4096，解像度为80ppi(今后将把精度提高到150ppi）。样品采用了日本凸版印刷公司（http://www.toppan.co.jp）的彩色滤光片技术、E-Ink的电子墨水技术、飞利浦的有源矩阵技术。这种电子纸计划2004年面向PDA、手机和电子读卡器等用途投产。     图2 E-Ink在SID2002上展示的5英寸电子纸     2003年，E-Ink和飞利浦在SID 2003展览会上展出了电子显示纸样品，像素密度达160ppi，大大超过了过去的样机。该样品是通过提高E-Ink的电子墨水技术、飞利浦的TFT底板以及元件电子技术而实现的，样机安装在飞利浦设计的双显示电子读卡器机壳中，计划2004年年内向市场大量供应此类产品。     日本凸版印刷公司2002年2月推出了电子显示纸样品，该样品可以显示单色文字和图形。该产品计划用于PDA上。美国Kent Display公司研制的全彩色胆甾醇液晶显示器，其对角线为160mm，反射型发光（见图3）。     图3 美国Kent Display公司研制的全彩色胆甾醇液晶显示器     在2004年平板显示器国际展上，日本米士盾(Bridgestone)公司展出了超薄视屏“Quick Response Liquid Power Display（QR-LPD）”，如图4所示。QR-LPD除具有超薄、像印刷品一样的可视性、关闭电源后仍保持显示状态的记忆特性外，由于无需背景灯，因此不需要一直通电，显示效果看起来清清楚楚。Bridgestone表示计划明年将该产品推向市场。表3为部分制造商电子纸开发和技术研究状况。     全球用纸量在近10年来激增，背后的因素当然是因为信息量的爆炸，除报纸以外，各式各样的杂志、宣传海报的印刷数量均有大幅增加。这将推动电子纸技术应用的发展，因为电子纸的应用将有助于节约用纸量。据估计，2005年电子纸张的实际市场规模约在10亿美元。     随着科学技术的不断完善，电子纸时代也将很快到来。随着越来越多先进电子纸技术的出现与初步应用，世界各国科学家投入研究已有近40年历史的电子纸领域将在近几年内逐步改变大家的生活。     图5 在IFA 2003展会上，飞利浦公司展示了与E-Ink合作开发的采用电子墨水技术的电子纸。     电子纸显示技术产业化前景     虽然双稳态胆甾醇液晶（SSCT）做电子书的显示器已经产品化，但要真正被用户接受，至少要解决显示质量问题，包括底色和字体颜色、响应速度和彩色化问题。其核心问题仍取决于液晶材料。如果产业化，只需要在STN-LCD线上简单改造即可，难度类似于生产STN-LCD，不过还存在知识产权问题。     图6 在SID 2004展会上，美国E-Ink公司演示了比2002年时响应速度提高10倍的电泳式面板，其分段显示切换、15V驱动时的响应时间为50ms，即使面板卷成团仍然可以驱动。两年前规格的面板在2004年投产并配备到索尼的电子书籍等产品中。改进后的面板将在2005～2006年投放市场。     在电子墨水方面，电子纸的制作并不复杂，将Electronic ink涂在塑料基板上的过程与制作一些高级底片的过程类似。将涂有Electronic ink的塑料薄板与TFT基板整合也可以利用现成的TFT-LCD生产设备，而且使用的材料组件更少、步骤更简化，一旦能够进入商业化大量生产阶段，应该比TFT-LCD的生产成本更低，良品率更高。另外，如果能够得到LCD厂家的积极配合及合作，会加快电子纸显示产业化的进程。     产业化方面有代表性的公司是美国的E-Ink公司和日本凸版印刷公司。E-Ink公司于2001年2月建成了开发电子纸晶体管的半导体工厂，工厂面积为9500平方英尺。在产业化合作方面，该公司和诸多厂商合作，力争早日实现产业化。2002年2月，日本凸版印刷公司与美国E-Ink公司合作，两公司将共同推进电子纸张的商用进程，日本凸版印刷公司向美国E-Ink公司的投资总额达3000万美元，2004年全面实现产业化。凸版印刷公布的计划在2003投产单色显示产品，此后实现彩色显示，并准备在2005年以后使用塑料底板实现可弯曲性，并计划下一步考虑支持动态图像显示。主要公司电子纸产业化进程如表4所示。     电子墨水显示技术是最有可能实现理想中的电子纸的技术，它可实现柔软化、超轻薄、省电、反射率高等，非常有发展潜力。不过目前电子墨水要产业化还存在很多难题。首先，它需要有源驱动，OTFT非常不成熟，只能先制作类似TFT-LCD的玻璃基板显示器；其次，它需要微胶囊技术，有一定难度，特别是我国国内不仅有知识产权问题，而且还没有掌握微胶囊技术；最后，它获得高阶的灰度显示仍有困难，不易实现彩色化。 （■ 刘渝 闫雯 计算机世界报 2005年04月18日 第14期 B9、B12）