纳米电子墨水——下一代显示技术

既能改写信息，又便于文字阅读的媒体需求越来越大，这就是能够利用电子装置显示，而且又具有像纸张一样的高可视性的“电子纸张”。这是一项早在约30年前就已开始研究的“梦幻技术”

　　在方便使用的同时，用户还希望显示设备具有较大的显示面积，同时具有类似纸张的阅读性，超低的电量消耗，真正的超薄轻便设计。随着纳米技术的发展和应用，一种新颖的具有超薄化、超低功耗、长寿命、软屏化的显示技术——纳米电子墨水显示技术和显示器应运而生。

技术已成熟

　　电子墨水显示早在约30年前就已有研究，但达到能应用化程度则是近几年的事。这主要得益于纳米技术、微胶囊技术、微电子技术和材料改性等新材料技术及其器件集成技术的发展，近几年来，有关纳米电子墨水显示技术的各国公开报道的专利已有数百篇之多，技术发展十分迅速。

　　纳米电子墨水显示技术原理是把带电的纳米微粒子分散在悬浮液体中构成胶体，当对该分散体系施加电场时带电粒子就会在电场的作用下发生电泳，使得带有一定颜色和电荷(正或负)的粒子定向泳动，同时透过透明电极构成显示。

　　1995年，美国麻省理工学院媒体实验室的Jacobson J.提出了胶囊化电泳油墨（encapsulated electrophoretic ink）的设想并在技术上获得成功。这是纳米电子墨水显示技术的重大突破。

　　电子纸的关键技术之一是朗讯公司的贝尔研究所于两年前开发的塑料晶体管（或称有机晶体管），该产品是基于碳基化合物形成的晶体管，据悉不需要诸如非结晶体硅树脂之类的昂贵的生产工艺。关键技术之二是EInk公司所拥有的电子油墨技术，该电子油墨由几百万个含有浓染料和淡颜料微型密封容器构成，通过塑料晶体管的电场改变色彩，映出图像。

　　同样的电子纸，美国施乐公司也正在开发中，它采用名为 gyricon 的技术。gyricon电子纸具有满铺几百万个墨粉颗粒的穿透性塑料薄层，墨粉颗粒通过电压来显示黑白两色。

　　2002年1月，EInk公司宣布，开发成功了一种世界上最薄的、可刷新的、可携带的类纸式阵列式显示媒体——纳米电子墨水显示媒体。该显示器只有信用卡一半厚，其重量和厚度都不到传统LCD的二分之一。这种显示器具有良好的柔性，能以高分辨率显示彩色信息，特别适应移动显示和方便携带。该显示的核心技术就是电子油墨技术，其用于显示信息的基本单元就是电子油墨微胶囊。

　　2003年3月，日本千叶大学开发出厚度只有0.1毫米的电子纸(色粉显示板)，真正达到了纸的厚度范畴。之后，东芝公司也推出了自己的电子纸。

　　2003年，EInk公司、Philips公司和Sony公司共同宣布了第一个商业化电子纸显示模块，应用于Sony最新的e-Book阅读器中，显示分辨率达到了170ppi，可实现4级灰度。由于仅在电子纸中内容发生改变的时候才需要电能，因此用4节常规5号碱性电池就可以阅读10000页的文字内容。

　　日本Canon公司开发的“仿纸张显示器”电子纸技术只在单侧配置电极，让黑色粒子在平面上移动的方法，分辨率为200dpi，使用塑料底板时还可以弯曲，不过缺陷是断电后内容维持时间仅为几分钟。目前这种纳米电子墨水显示技术处于黑白显示的商业化初期，显示面积最大为B5--A4幅面。彩色显示正在开发之中，并已取得了一定的进展。

　　2004年3月24日飞利浦电子集团、索尼公司及E-Ink 公司宣布，包含有世界上第一个电子纸媒体显示器的索尼新电子书 LIBRI'e于四月底在日本上市。飞利浦的这款显示器使用E-Ink 革命性的电子墨水技术，该技术提供了一种具有与新闻纸相同的对比度、酷似纸张的阅读体验。

明年市场达100亿美元

　　由于纳米电子墨水显示器——“电子纸”诱人的商业前景，可以创造全新市场机会，世界各国的许多公司都投入巨大的人力物力对其进行研究开发，目前已经取得了很大的进展，也有多家公司开发出了初步的电子纸产品。

　　研究开发纳米电子墨水显示技术的主要公司有E INK、Philips、Sony、Canon、Xerox、Ricoh、Toshiba、Fuji-Xerox和大日本油墨等公司。业者预估，2005年电子纸张潜在市场规模具有100亿美元商机，不过因为相关技术不成熟，有待改善空间仍大，加上厂商生产成本下降速度以及产能是否能够配合等多项问题，预估2005年实际市场规模约在10亿美元左右。据《参考消息》报道，Philips、Sony公司已经开始建设年生产能力达到百万台电脑生产线，计划在2005年前后把能够显示复杂图案的电子纸正式投放市场，届时将有使用这种电子纸的图书、报刊问世。

中国技术的欠缺

　　目前，纳米电子墨水显示在国外研究较多，而我国在纳米电子墨水显示技术方面的研究很少。我国还未见有国家科技计划资助这一重大前沿技术的研究，也没有企业自主投资从事纳米电子墨水显示技术及器件开发的公开报道。只有少数单位开展了一些初步的材料探索工作，还没有开始进行显示器件的研究。如西北工业大学的电流变技术研究所对电子墨水的制备进行了一些研究，发表了数篇有关电子墨水制备的报道。

　　除此之外，国内还未见其他有关制备电子墨水的文章。在我国的专利中，相关的专利只有数十篇，绝大部分是和电子墨水材料的选择有关，涉及纳米电子墨水显示技术及器件开发的几乎没有。因此，国内在纳米电子墨水显示领域还处于近乎空白阶段。对于如此重大的技术革命，如果我们不尽快开展工业化研究工作，努力赶上，那将来国家层次的产业损失将是无法估量的。

　　我国在国家“863”、“973”计划和国家自然科学基金委纳米技术专项等的支持下，在制备电子墨水的关键技术方面——纳米颗粒和微胶囊的可控制备和工程化产业化生产方面已经积累了良好的工作基础，取得了一些有国际先进或领先水平的科技成果。在有机颜料的合成，纳米化技术，微胶囊的制备等方面也做了相当的前期工作，如分散液稳定性与颜料粒子表面型貌的关系，粒子表面改性技术，有机胶体溶液的制备和添加剂的作用，以及界面聚合法制备微胶囊技术等进行了工作，取得了令人满意的结果；在水性彩色油墨纳米粒子的制备和配方产品方面，进行了创新性的工作，拥有自主知识产权，其小试产品部分性能超过国际公司同类产品水平；在单分散球形SiO2纳米颗粒及其复合纳米颗粒制备方面具有特色和优势。因此，我国在纳米电子墨水显示所用的关键材料——纳米颗粒材料方面的制备和工程化方面已有很好的工作基础和特色，拥有自主知识产权。

　　如果我们抓住机遇，迎头赶上，将在未来的新型显示器市场占有一席之地。

技术优势明显

　　和现有的显示器相比，纳米电子墨水显示器具备许多独特的优点，具体如下：

类似纸张的易读性

　　纳米电子墨水显示器是反射式的，无论在明亮的日光下还是昏暗的环境中都能轻松阅读，事实上从各个角度看它都和真正的纸张相似，没有可视角度的问题。

　　为了定量说明电子墨水显示器的像纸一样的易读性，我们拿电子墨水显示器与商品化的反射型LCD及报纸作了对比。在模拟办公室照明环境下，手持式显示器的一般观察条件（即使用者可以决定直视位置）；反射率是从显示设备白色区域反射过来并进入人眼的光线与入射光线的比值，对比度是显示设备白色区域的反射率与黑色区域的反射率的比率——对比度使人眼可以很方便地区分白色区域和黑色区域。在阅读文字时，反射率和对比度是决定显示设备的阅读性的两个重要因素。电子墨水（通过触摸屏）的反射率是LCD的6倍多，对比度是LCD的2倍。

超低能耗

　　与平板显示相比，电子墨水显示器的电量消耗大大地减少。功耗极低的两个主要原因是：它是完全反射的，不需要大功率的背光源；它固有的双稳性，一旦写入图像，就不需要功率可维持很长时间。功耗是同类反射式显示器（LCD）的1/10到1/1000。                                                                             

便携性和超薄轻便性

　　电子墨水显示器模块比LCD模块更薄、更轻也更加坚固。这些优点与电子墨水显示器的超低功耗一起将直接导致更薄、更轻的智能手持设备设计，从而实现真正的便携特性。除了以上显著特点外，电子墨水还可以涂布在任何表面，制造轻便可以适度弯曲、折叠的显示载体。由它制造的电子书或电子报纸可以连接到互联网，有线或无线下载文本或图形信息，以及信息的更新可由遥控自动改变。此外,电子墨水工艺和大规模生产工艺兼容，制造低廉方便，易于大规模工业化生产且可循环利用，有利于环保。

发展趋势预测

　　由于纳米电子墨水显示技术还处于黑白显示的商业化初期，目前的主要任务是尽快完善黑白显示技术，开发市场。其技术发展趋势可总结为如下几个方面：

　　发展趋势一是静态显示向动态显示发展。目前开发的电子纸张大多只能显示单色静态图像，但有的制造商正开发能够进行显示彩色以及动态图像的产品。现有产品的响应时间大约为150～200ms，与LCD显示器的16ms相比慢很多。要想提高电子纸的动态显示效果，提高其响应时间是当务之急。

　　发展趋势二是单色显示向彩色显示发展。有可能采用的彩色技术是通过层叠彩色滤色器来实现，这在不久的将来就可以实现，如果能提高响应速度，则还能支持动态彩色图像显示，但以目前的技术水平实现起来还比较困难。

　　发展趋势三是硬质显示向柔性显示发展。

　　发展趋势四是从成本偏高向低生产成本发展。

应用前景广阔

　　纳米电子墨水显示技术应用于显示与展示方面，可以制作出轻便、灵巧、可适度弯曲折叠的显示屏。其图像稳定，耗电量极小，亮度高视角宽，使传统显示器无法解决的问题得到改善。在教学上使用“电笔”，就可以在电子纸上书写。当用电子纸做成教室内的“黑板”，再配上这种书写的“电笔”，则这块“黑板”就不仅可以随意书写，而且可随时显示诸如辞典、网络上的许多资料、信息等，且是图文并茂、生动活泼的动画图像。学生的书包也不用再鼓鼓的，只需装上一本电子教科书，随时下载信息，做笔记即可。

　　纳米电子墨水显示技术用于电子报纸，可以利用房内的灯光作为它的能源，接收多种新闻、信息等，并且可以随时随地更新这些内容，这将是一份永远不会过时的报纸。电子图书可以根据书脊中电子芯片发出的指令对每一页进行重新排版。

　　在其它方面，如用纳米电子墨水显示技术制备电子壁纸，这种壁纸可以根据人们的各种喜好、不同季节、不同时间、不同温度及各种活动内容，随时挑选设定并改变画面，使壁纸面貌常新。还可以在电子墨水微胶囊中放置香水，使散发的香味与壁纸所选图案所表达的意境一致。

　　我国关于纳米电子墨水显示技术的研究刚刚起步，与美、欧、日等国家还不能相提并论。但有许多专家、企业家和商人十分关注它的发展和应用。

　　纳米电子墨水显示的核心技术就是电子墨水技术。电子墨水是一种可以在基板上得到处理，以作为电子集成显示设备的新型专利材料，是结合化学、物理和电子学技术而开发出的一种新材料。电子墨水的主要成分是几百万个微米尺度的微胶囊，每一个微胶囊又包含了大量的微米或纳米尺度的电泳显色粒子。研究表明，显色粒子和电子墨水微胶囊的尺寸对纳米电子墨水显示器件的性能起着至关重要的作用，尺寸越小，纳米电子墨水显示器的分辨率越高、响应时间越短、对比度越大。