科普成果 | 电子纸的前世今生——电子纸的今生
一、电子纸的现状
由于电子纸具有方便携带、适宜长时间阅读和信息即时更新，以及环保节能等多种优点，从其概念的提出到现在越来越引人注目。
过去30年里，电子纸是一个非常活跃的研究领域，各种不同的技术方法之间虽然存在着明显差异，但都具有相似的原理。它具有多层结构：由特殊材料制成的面层、底层以及中间层。中间层由无数个微小的油墨粒子所组成，直径大约100μm，这些能够感应电荷的微粒在通电情况下能够显示出不同的颜色。目前国际上研究电子纸显示器技术的种类繁多，其中较成熟的电子纸显示技术包括以下几大类：
1.E-Ink微胶囊技术。E-Ink微胶囊（Micro-capsules）式电泳技术，具体原理是将带电的白色氧化钛颗粒和黑色碳粉粒子封装在微胶囊中，并将微胶囊和电解液封装在两块间距为10mm-100mm的平行导电板之间，利用带电颗粒在电场作用下向着与其电性相反的电极移动的特性，绘制出黑白图像。
2.SiPix微杯技术。SiPix 电子纸技术，其原理是在尺寸相同的微杯中填充白色颗粒和着色液体，通过切换贴在微杯上的驱动电极的电荷正负来上下移动颗粒，使颗粒颜色和液体颜色交替显现。
3.Bridgestone电子液态粉末技术。Bridgestone的电子纸被称为快速响应电子粉流体显示器（Quick Response Liquid Powder Display，QR-LPD），采用独创的电子液态粉末（Electronic Liquid Powder，ELP）技术，将树脂经过纳米级粉碎处理后,形成带不同电荷的黑、白两色粉体，再将这两种粉体填充进使用空气介质的微杯封闭结构中，利用上下电极电场使黑**体在空气中发生电泳现象。
4.胆固醇液晶显示技术。彩色电子纸使用胆固醇液晶显示（Cholesteric Liquid Crystal Display，CLCD）技术，这是一种非传统显示技术，因使用的材料结构类似于胆固醇分子而得名。胆固醇液晶是一种呈螺旋状排列的特殊液晶模式，通过添加不同旋转螺距的旋光剂，能够调配出红、绿、蓝等颜色。该技术的原理是将胆固醇液晶放置在两片水平基板中，在不施加电场的情况下，胆固醇液晶会倾向成平面螺旋型排列，在符合特定光波长的反射情况下，即可反射出具有色彩的光线。
5.微机电**技术。微机电**（MEMS）技术，其工作原理是反射周围环境中的自然光，通过控制照射到显示屏中的光线，使其一个像素一个像素地反映出所需的颜色，实现彩色显示。
6.电湿润技术。电湿润（electro wetting）技术借助控制电压来控制被包围的液体的表层，通过液体张力的变化，导致像素的变化。
表1 不同类型电子纸技术特征比较
目前由E-Ink公司提供的微胶囊(Micro-capsules)式电泳技术是电子纸市场的主流技术。它的电子墨水与印刷使用的墨水很相似，都是用颜料所制，这也是为什么我们看到电子墨水屏和传统纸张显示效果相似的原因。电子墨水通常会制成薄膜，由大量微胶囊组成，这些微胶囊只有人类头发的直径大小，每个微胶囊中包含悬浮于澄清液体之中的带正电荷的白粒子和带负电荷的黑粒子。设置电场为正时，白粒子向微胶囊顶部移动，因而呈现白色。同时，黑粒子被拉到微胶囊底部，从而隐藏。如施加相反的电场，黑粒子在胶囊顶部出现，因而呈现黑色，从而显示出由黑色和白色所组成的文字和图像，电子墨水屏的结构如图1所示。
图1 电子墨水屏结构示意图
由E-Ink公司开发的微胶囊电泳油墨技术，通过对透明微胶囊中黑白粒子的精确定位，白色部位对应于纸张的未着墨部分，而黑色则对应着纸张上的印刷图文部分，使得由其形成的文字和图像具有较高的分辨率和解析度，其原理如图2所示。
图2 微胶囊颗粒的精确定位示意图
对肉眼看来电子墨水像一瓶普通墨水，但悬浮在电子墨水液体中有几百万个细小的微胶囊。每个胶囊内部是染料和颜料芯片的混合物，这些细小的芯片可以受电荷作用。通常在1平方英寸内大约包含了10万个微胶囊。如果在一页纸上打印电子墨水，则一个句子包含30多个微胶囊。
而彩色电子纸还另外加有三种薄层组成：即红色、蓝色和绿色薄层。薄层中没有任何彩色过滤器或偏振器，而产生的颜色却比普通液晶反射屏的颜色更加明亮。当电子屏幕被弯曲或用手指挤压时，电子纸屏幕上的颜色不会发生“游动”，并且这种屏幕不会发生闪烁。
二、电子纸的优缺点
1.电子纸的优点
电子纸有便于阅读、携带方便、信息存储量大、节约资源、传播速度快等诸多优点，也正是由于这些优点使电子纸渐渐融入人们的生活，具有广阔的发展前景。
（1）便于阅读，携带方便
电子纸可以像传统报纸那样随身携带，即时阅读，因为它质量轻，大小相当于一本书，而且部分电子纸具有像报纸那样的可绕性或是可以卷曲，在室内外均有较好的易读性，亮度和分辨率较高，同时电子纸全真模拟纸质图书，采用非背光**，相对于液晶显示屏，电子纸反射率高，视角广，视觉较舒适，并可调节字体大小，适合长时间阅读，对视力损害较低。
图3 电子纸既可弯曲又可折叠
（2）应用领域广
艺术领域。彩色电子纸可以很好地与背景装饰相结合，运用于建筑装饰装潢、电影特技影像效果的产生、艺术舞台的格局布景等，显示完美的艺术。例如在建筑装饰装潢方面，我们只需在建筑的表面贴上彩色电子纸，再将自己能想象到的装潢格局与风格直接输到彩色电子纸上就可以呈现，而且我们还可以根据自己不同时期的心情和喜好随时地更换；在电影特技方面，同样可以利用彩色电子纸进行动作、场景特效等方面的设计，使得拍摄更加方便；在艺术舞台格局布景上，有了彩色电子纸，我们不再需要更换整个舞台，也不需要每次都布置场景，只要在演出前输入所需要的场景，就可以在彩色电子纸上进行不同场景的更换。
教育领域。有了彩色电子纸，在以后的教学中，课本、作业本、老师的教程、学习资料等纸质材料都可用彩色电子纸代替，而且相比使用纸质材料，更加方便，学习效果会更好。在学习时，同学们只需要把每学期所学的书本内容输入到彩色电子纸中，就可以随时阅读，而且多门课程只需要带一个电子纸阅读器即可。学生完成的作业也只需通过电子纸传输到老师的电子纸中就可以供老师批阅，从而更加方便师生之间的交流。
图4 电子纸取代教学中的纸质材料
（3）可以反复擦写
与用过一次即行扔掉的书写、印刷纸品相比，具有很大的优越性，它可以随时抹去、再次（甚至几千上万次）进行重写或录入。
图5 电子纸可反复进行录入和重写
（4）信息存储量大
用户可根据自身喜好将喜欢的书下载于电子纸上，从而在不同的地方阅读这些下载的图书。薄薄的一页电子纸可容纳厚厚的几百本甚至上千本图书的内容，有着庞大的信息存储量。而纸质书储藏几十年之后纸张会泛黄，变得脆弱，这也是纸质书不利于存储的局限性。电子纸是电子产品，它不会随时间的流逝而泛黄，这也是其优点之一，即便于存储。
（5）节约资源，保护环境
电子纸是电子产品，可以减少消耗森林资源，同时电子纸的耗电量大约只有液晶显示器的十分之一甚至百分之一，既保护了环境又节约了资源。
（6）信息更新及时，传播速度快
电子时代信息更新的速度远远超出了人们的预测，图书的更新速度也应跟上时代的步伐。由于电子纸具有下载及在线预览等功能，具有信息更新及时、传播速度快等功能，是媒体技术的发展趋势。
（7）出版周期短，易于保护版权
相比纸质图书出版过程中需要的印刷、校准、装订等一系列繁琐过程，置于电子纸上的图书出版过程要短得多，只需要排版完成后发布消息即可。而水印、秘钥、底纹等防伪措施也使得版权的保护更为容易一些，保护了作者及出版商的权益。
2.电子纸的缺点
（1）响应速度慢
电子纸技术的一项**就是它的响应速度慢。在电泳显示技术中，电子纸的显示依赖于粒子的运动，因而用于显示的开关时间长达几百毫秒，这是人们所不能接受的，而且这个速度对**应用也是不够的。而响应速度慢也是电子纸技术受桎梏的一项重要原因，因而加快电子纸的响应速度迫在眉睫。突破这一瓶颈，电子纸技术会得到更为广泛的应用。
（2）高级彩色电子纸技术有待提高
尽管E-Ink公司推出了全新的“高级彩色电子纸”（Advanced Color ePaper/ACeP），但这项技术如今主要用于数字标牌等领域，还未能应用于电子书阅读器。在一个充满色彩的世界，电子纸彩色化是趋势也是必须， 如何实现电子纸彩色化是目前各电子纸技术厂商的共同课题，且彩色的呈现无论是对比度、辉度、饱和度都与TFT或OLED上有一定差距，彩色化是电子纸当前需加紧脚步努力研发的方向。
（3）制造工艺复杂
电子纸产品的制造工艺较复杂，对材料的要求高，成本较高，因而在售卖过程中其**也较高，因而在保证质量的同时降低生产成本从而降低销售**达到人们可接受的程度也是电子纸发展的一大课题。
（4）功能局限性
目前电子纸最致命的**是无法表达足够连贯的**画面，由于电子墨水屏的工作原理导致其刷新率极低，无法满足动态内容的展示，也不能实现录音、声频功能和**播放等功能。
从现代社会的经济、文化的发展水平和趋势而言，电子纸在宣传、信息、出版、广告、商签、物流等诸多领域方面的应用，能够逐步取代原来使用的纸张，不论对保护生态环境，或者是对发展低碳经济都具有极其重要的意义和作用。
但是怎样使电子纸能够真正的普及和“飞入寻常百姓家”，**因素始终是要迈过去的一道坎，**过于昂贵是很难被老百姓接受的。我们相信，随着技术和材料的快速发展，通过不断的知识理论和技术制造创新一定能够大幅度地降低电子纸的制造成本，使得电子纸的**能够更加的“接地气”，为人类的发展和进步带来更多更大的便利。
浙江省社科联社科普及课题成果
课题编号：19ZC15
课题名称：电子纸的前世今生
负 责 人：朱志伟
工作单位：义乌**职业技术学院
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