电子纸显示技术_电子纸的概念!电子纸的显示原理

一、电子纸概念

电子纸又称数字纸，断电后仍能保持原图，具有一定的记忆能力，具备传统纸的大部分功能。

电子纸的基材主要是聚酯化合物，表面涂有电路。电子胶囊在电路中的移动距离由外加电场的变化来控制，实现文字和图像的变换。该电子纸具有低功耗、可折叠弯曲、画面显示精美、视角广、阳光下视觉效果好、无死角的功能。

二、电子纸应用

媒体

电子纸可以用作柔性显示器，特别是在家庭装修、剧院公告、商场标签、道路横幅、医疗电子标签等方面。可以弥补传统纸质展示的不足，避免阳光直射造成的褪色问题，也符合环保的要求。电子纸的显示内容可以远程控制，智能更新。该产品是数字信息技术和静态媒体技术的结合载体。

2016年，第一个由太阳能供电的电子纸质交通标志在悉尼诞生。它使用3G技术来更新其内容，并且仅在更新时消耗电力。

数字出版

随着互联网技术的快速发展，人们的阅读习惯从传统书籍向电子书转变，电子纸以其更轻便的特点挤入市场。电子纸可以为报业集团和消费者带来个性化服务，通过网上订购和云传输实现按需出版。

近年来，随着电子阅读的普及，国内外许多出版物已经停止发行纸质版本，转而提供电子阅读服务。无纸化办公和电子政务越来越受到企业的青睐。

消费电子产品

电子纸的超薄、超轻、柔软的特性可以让电子产品充满美感和视觉震撼。2005年，精工爱普生在“BaselWorld”上推出了电子表。该产品薄如纸，利用近场通信技术，可短距离智能控制。整块手表可以紧密贴在手腕的皮肤上，图案可以根据主人的喜好和选择而变化。

三、电子纸的显示原理

在具有电子纸特性的实用技术研究中，主要采用各种具有双稳态特性的反射式显示技术，常见的类型有电泳显示、旋转球显示、双稳态液晶、电润湿显示和快速响应电子粉末流体显示，其中电泳显示技术发展最快，由其开发的产品也已投放市场。

电子纸主要由表层、底层和中间层组成。中间层有成千上万的微小油墨颗粒。这些油墨颗粒分布在透明的基础溶液中，形成悬浮系统。每个油墨颗粒的直径约为100m，其表面容易吸附电荷。这些能感应电荷的粒子在外电场的作用下可以运动。

元太科技研发的微胶囊电子墨水技术的核心材料是电子墨水，主要由黑色染料和白色带电二氧化钛电泳粒子两部分组成。

电子粒子悬浮在颜料中，均匀排列，随机运动，被透明胶囊壳包裹在一起。在外电场的作用下，白色粒子可以诱导电荷向不同方向运动，使白色粒子聚集的一面显示白色，另一方面显示染料的颜色，即黑色。电子纸就是利用这个原理来实现文字和图像之间的颜色转换。

长期以来，电泳电子纸作为电子书广泛使用的显示技术，只能黑白显示。在世界范围内，彩色电子纸显示技术并没有走出实验室，也没有量产。

随着从黑白到彩色的进步，需要克服的技术难度呈几何级数增加，在材料组合、色彩控制、软硬件兼容等方面都需要很大的突破。

对于电子纸彩色显示技术，国内外许多创新课题都在紧锣密鼓地进行研发。广州奥一电子科技、三星、BOE专利布局较多，其次是天马微电子、元泰科技、泛达讯科技、大一科技。此外，韩国电子通信研究院、爱普生、国华光电也有一定的专利布局。

下面简单介绍一下相关创新主体实现电子纸彩色显示的方法。

A.广州奥一电子科技有限公司。

该微胶囊电泳电子纸彩色显示屏包括透明导电层、驱动基板和位于透明导电层和驱动基板之间的微胶囊电泳显示层。

微胶囊电泳电子纸彩色显示层包括多个由微胶囊形成的均匀规则排列的彩色像素显示单元；每个彩色像素显示单元由三个彩色基本像素显示单元组成，呈“”形排列；三种颜色的基本像素显示单元均包括彩色微胶囊，三种各自的彩色微胶囊依次包含红色、绿色和蓝色带电颜料颗粒和电泳液，通过驱动微胶囊电泳显示层实现不同的彩色显示。

B.BOE科技有限公司

电子纸包括显示层，显示层的子像素单元包括：

空腔结构、位于空腔结构中的电泳液以及分布在电泳液中的反射粒子。

对于反光颗粒：

红色子像素单元中的反射粒子一半为红色，另一半为黑色，红色区域带电；

绿色子像素单元中的反射粒子一半为绿色，另一半为黑色，绿色区域带电荷；

蓝色子像素单元中的反射粒子一半是蓝色，另一半是黑色，蓝色区域带电荷。

当显示时，因为一半的反射颗粒是红色(或绿色或蓝色)而一半是黑色，并且一半的红色(或绿色或蓝色)是带电的，所以当在像素电极和透明电极之间形成电场时，反射颗粒的红色(或绿色或蓝色)表面可以根据形成的电场的方向面向显示表面，从而可以反射照射到反射颗粒的外部光。

而且根据所形成电场的强度，反射粒子还可以移动到腔体结构的不同位置，从而反射不同强度的外界光，进而实现电子纸的彩色显示。

C.天马微电子技术有限公司。

该电子纸显示面板包括排列成矩阵的多个像素单元、相对设置的第一基板和第二基板以及位于第一基板上的第一阻挡层，其中，第一阻挡层中设置有第一和第二等离子体注入通道，第一和第二等离子体注入通道呈梳状，等离子体注入通道设置有梳柄和多个第二梳齿， 等离子体注入通道中设置有等离子体，使得第一等离子体注入通道对应的像素单元能够显示第一颜色，第二等离子体注入通道能够显示第二颜色，从而使得具有电子纸显示面板的电子纸显示装置能够进行彩色显示。

D.国华光电科技有限公司

基于油/水两相介质电润湿系统的新型反射式电润湿显示原理。

该显示装置的光学叠层结构由白色反射基板、疏水介电层、有色油墨和水组成。在无动力平衡状态下，有色墨水在疏水介质层和水之间形成连续的铺展膜，外加电场可以打破原有体系的能量平衡，水将取代墨水与介质层表面形成润湿接触。

即在光学上推动墨水收缩，露出白色背板，施加的电压决定了相应的静电力和毛细力的平衡位置，即实现了对显示灰度的控制，通过调节墨水的颜色，可以显示像素的期望颜色，从而获得多彩的显示效果，显示彩色图像和文章。

四、技术方案

主要有以下技术方案：电泳显示技术(EPD)、胆固醇液晶显示技术(Ch-LCD)、双稳态向列相液晶技术(Bi-TNLCD)、电润湿显示技术(EWD)、电流体动力显示技术(EFD)、干涉调制技术(iMod)。其中电泳显示技术最具代表性，已量产多年，技术成熟，成本低，性能高，最接近传统纸质形式。

1、微胶囊电泳显示器

电泳显示技术是类纸显示技术的早期发展。基本原理是通过外加电场来控制带电粒子在液体中的运动。当粒子移动到一定位置时，会呈现出不同的颜色显示效果。

微胶囊化电泳显示材料是涂布前的液体材料，形象地称为电子墨水的“水”。在这种液体材料中，悬浮着数百个人类头发直径大小的微胶囊，每个微胶囊由带正电的粒子和带负电的粒子组成。当微胶囊两端施加负电场时，带正电荷的白色粒子在电场作用下向电场负极移动，带负电荷的粒子向微胶囊底部移动被“隐藏”。此时表面会显示白色，否则会出现黑色，这样电子墨水就可以显示所需的图像和字符。

2、微胶囊电泳显示器

它的显示原理与微胶囊基本相同，不同的是含有带电粒子的溶液被封装在一个特殊的微型杯中，而不是胶囊。通过对分散体系施加并切换电场，带电粒子可以在微杯中产生电泳，实现图像显示。白色带电粒子和电介质液体封装在一个微杯中，微杯结构将电泳液分割成独立的小单元，有效防止了电泳液的泄漏和粒子的移动。微杯结构具有造型的任意性、结构的整体性和机械稳定性，在弯曲、卷曲和压缩下显示性能优异，侧面不需要使用密封剂，可以切割成任意需要的尺寸和形状，电泳显示时相邻区域的电泳液不会相互混合或相互干扰。此外，微杯结构使得带电粒子有更均匀的运动空间，微杯的高度也相对一致，因此更容易实现三个(或更多)粒子的控制和显示。目前已经有使用三色粒子(红、黑、白)的量产产品，全彩样机也已经展出。

3、胆固醇液晶显示器

这项技术的研发机构有美国肯特显示器、日本富士通、日本富士施乐和中国产业技术研究院。胆固醇液晶是一种特殊的螺旋排列液晶模式。这种特殊的排列结构是通过在向列相液晶中加入旋光器来实现的，利用胆固醇液晶分子在不同电位下的两种不同偏振光旋态来实现显示效果。胆固醇液晶是一种反射式显示器，利用外部光源显示图像，无需背光，具有双稳态特性，所以胆固醇液晶显示技术也非常节能。同时，该技术还可以通过添加不同旋转螺距的光剂来混合红、绿、蓝等颜色，以满足彩色显示的需要。它是由红、绿、蓝三层胆固醇液晶膜叠加而成，通过外界光线反射来显示颜色。这种技术的缺点是驱动电压高(30 ~ 45 V)，很难做出柔性产品。目前该技术在手写板产品中应用广泛，Boogie板较为常见。

4、电润湿显示器

电润湿显示技术是利用绝缘膜在电压控制下可以从疏水性变为亲水性的性质，通过控制每个面板下的电压来调节颜色。在面板下铺设反光膜，可作为类似电子墨水屏的反射显示屏，其反射率可高达50%以上(E-ink car

与电泳墨水屏不同，电润湿显示器的刷新率可以满足观看文章的要求。其亮度是LCD的三到四倍，但更节能，为产品提供更长的使用寿命。有三种产品：Liquavista Bright:黑白屏幕，高对比度，刷新速度足够看文章。类似于墨水屏，主要用于电子书。Liquavista Color:彩色屏幕，适合文章播放、阅读、杂志、查看图片等。LiquavistaVivid:黑白与彩屏结合，有黑白模式(更适合阅读)和彩色模式(更适合观看文章图片)。高亮度和高对比度。

5、电子纸生产中的印刷技术

在目前主流的电泳显示器生产中，涂布是非常重要的一道工序。曲线图94是微胶囊电泳显示器的结构图，其中电子墨水层位于前公共电极和底部像素电极之间。通常的制作方法是先在薄膜上涂布电子墨水，包括狭缝涂布、丝网涂布、喷墨印刷涂布、刮刀涂布、喷涂等。一般对涂布机的精度要求较高，要求涂布精度为/- 1um。

微胶囊电泳显示器结构图

为了控制生产成本，根据电泳显示材料的特性，目前微胶囊电泳显示膜采用卷对卷涂布法，可以快速生产出符合产品应用要求的显示材料。

此外，电子纸的很多支撑材料，比如保护膜，也采用了卷对卷印刷工艺。包括未来的柔性TFT基板，也有可能采用印刷工艺进行生产。

未来展望

目前，电子纸市场的定位是替代纸张和印刷品，不是与多媒体竞争，不是替代LCD等显示器，但未来的研究趋势势必会向降低成本、提高响应速度、全彩化、柔性化等多个方向发展。目前全球能量产电子纸的厂商只有两家：美国E-INK(1999年被* *元泰PVI E-INK(1999年合并，现更名为EIH)和广州奥一电子科技有限公司，两家都采用电泳显示技术。

a)降低成本

电泳显示技术，尤其是微胶囊显示技术，由于制造工艺简单，采用卷对卷涂布方式，与纸张生产类似，成品率有望逐年提高。随着产量和良率的同步提升，电子纸显示器的成本会逐年降低。和其他电子产品一样，电子纸显示器的价格趋势也必然会逐年降低。随着价格的不断下降，各种新兴应用将会出现。

b)提高响应速度

为了满足双稳态的性能要求，电子纸显示技术牺牲了响应速度，显示的更新时间长，高达几百毫秒，这对于文章应用来说是不够的。随着技术的发展，出现了响应越来越快的电子纸材料，目前可以做到几十毫秒，未来还有进一步改进的机会，满足客户需求。

c)全彩色

目前彩色电泳显示电子纸可以通过两种方式实现，一种是使用彩色滤光片和黑白电子纸，另一种是使用彩色粒子或染料，并已做出样品。因为依靠反射光来成像，所以电子纸屏幕看起来有点暗淡，和LCD屏幕的亮度和色彩准确度还有很大差距。因此，彩色化是电子纸技术的革命性突破。目前已经投入了大量的人力物力进行研发，相信在不久的将来就能看到彩色电子纸显示器。

d)灵活性

就像普通读者不指望书本能卷起来一样，使用柔性电纸书显示屏的主要目的不是为了卷起来，而是为了便携和耐冲击。柔性电子纸显示屏可以选择塑料基板作为背板。塑料基板的电子纸重量比玻璃材质减轻了80%左右，厚度仅为0.3 mm，符合轻薄、耐冲击的要求。然而，塑料基板需要克服的最大问题是h

从专利布局来看，很多创新主体都在积极布局彩色电子纸显示技术。随着彩色电子纸技术的成熟，实现彩色电子纸显示技术的成熟产业化指日可待。

彩色电子纸在断电情况下可连续显示半年。该屏幕的响应速度为0.1s，预计价格为同面积有机发光二极管显示屏的1/6。未来可广泛应用于电子课本、电子价格标签、室内外广告、智能穿戴、智能家居等领域，具有巨大的商业应用潜力。