走進彩色電子紙的精彩世界

何路娟 田學(xué)軍

一直以來，書籍作為信息傳播的重要載體，在人類文化傳承和歷史遺產(chǎn)保護等方面發(fā)揮了巨大的作用。近年來，由于紙張原材料短缺，紙質(zhì)書籍?dāng)y帶不方便、信息不可更新等缺點，以及人們對知識需求量的急劇加大和知識更新速度的加快，紙質(zhì)書籍越來越不能滿足人們的要求。而電子紙憑借材料節(jié)省、攜帶方便等優(yōu)點逐漸走進人們的生活。相比黑白電子紙，彩色電子紙在應(yīng)用上則有更廣闊的前景。目前，彩色電子紙的彩色化顯示和柔性基板技術(shù)已經(jīng)得到解決，這將給使用者帶來全新的閱讀體驗。在此，筆者將對電子紙的構(gòu)成、彩色電子紙的顯示原理和應(yīng)用領(lǐng)域進行詳細(xì)探討。

電子紙的構(gòu)成

電子紙是一種新型顯示器，具有超薄、可彎曲折疊、可卷繞、攜帶方便、低能耗以及高對比度等特點。電子紙主要由兩大部分構(gòu)成：一是顯示畫面的顯示介質(zhì)部分；二是為電子紙?zhí)峁╇娔艿尿?qū)動電路部分。

其中，顯示介質(zhì)部分是由柔性基板材料制作的柔性電子紙，其基板材料類型有塑料、薄型玻璃和超薄玻璃基板等，這使得電子紙如紙張一樣輕薄、耐用，顯示效果接近紙張，閱讀體驗如同紙張一樣舒適。另外，電子紙的顯示介質(zhì)部分是靠自身光源顯像的，其可根據(jù)環(huán)境光的強弱自主地改變顯示介質(zhì)的對比度，使得人們即使長期觀看電子紙，眼睛也無疲勞感。

驅(qū)動電路部分采用雙穩(wěn)態(tài)顯示技術(shù)來達(dá)到持續(xù)的顯示能力。雙穩(wěn)態(tài)顯示技術(shù)采用了亮暗兩種微粒，其隨著電壓的變化能夠穩(wěn)定地進行變化，從而形成信息，并且能使電子紙在沒有加壓的情況下保持所顯示的內(nèi)容不變?？偟膩碇v，雙穩(wěn)態(tài)顯示技術(shù)使得柔性電子紙具有畫面記憶功能，使其只有在顯示內(nèi)容變化的情況下才需要電壓，消耗電能。

彩色電子紙的呈色技術(shù)

目前，彩色電子紙的呈色技術(shù)主要有電泳顯示技術(shù)、電潤濕顯示技術(shù)、膽固醇液晶顯示技術(shù)、電子粉流體顯示技術(shù)等。在此，本文重點分析電泳顯示技術(shù)、電潤濕顯示技術(shù)和膽固醇液晶顯示技術(shù)的呈色原理。

1.電泳顯示技術(shù)

電泳顯示技術(shù)即利用電泳原理實現(xiàn)光反射的雙穩(wěn)態(tài)顯示成像技術(shù)，其采用了帶電的膠體微粒子，在外加電場的作用下，膠體微粒子通過翻轉(zhuǎn)或定向移動來呈現(xiàn)或明或暗的顯示效果，其中目前常用的電泳顯示技術(shù)為微膠囊電泳顯示技術(shù)。

微膠囊電泳顯示技術(shù)的微膠囊內(nèi)含透明潤滑液以及白色和黑色顆粒，其中白色和黑色顆粒分別帶正電荷和負(fù)電荷，潤滑液為清潔液體。無數(shù)個微膠囊體位于兩電極板之間，當(dāng)電極板被施加負(fù)電場，即正面極板帶負(fù)電荷時，帶正電荷的白色顆粒就會被吸附在微膠囊體頂部，帶負(fù)電荷的黑色顆粒就會被吸附到微膠囊體底部，從而呈現(xiàn)白色。同理，當(dāng)電極板被施加正電場時，帶負(fù)電荷的黑色顆粒會被吸附到微膠囊體頂部，帶正電荷的白色顆粒則會被吸附到微膠囊體底部，從而呈現(xiàn)黑色。由此可見，只需改變施加電場的正負(fù)極，就可隨意改變電子紙顯示的顏色，從而不斷地變換顯示內(nèi)容。

微膠囊電泳顯示技術(shù)低消耗、高亮度顯示的特點使其在顯示黑白兩色方面相比其他顯示技術(shù)有很大的優(yōu)勢，但其在彩色呈現(xiàn)方面面臨極大的挑戰(zhàn)。微膠囊電泳顯示技術(shù)可通過添加彩色濾色片的方式來實現(xiàn)彩色顯示，但這樣會使得顯示亮度和分辨率受到制約。

目前出現(xiàn)了能夠很好實現(xiàn)電子紙彩色顯示的橫向電泳顯示技術(shù)。圖1為橫向電泳顯示技術(shù)呈色示意圖。該技術(shù)實現(xiàn)方式為在內(nèi)部遮蔽區(qū)設(shè)置兩個電極，即集電極（C極）和門電極（G極），在可視區(qū)設(shè)置兩個視電極（V1和V2極）。當(dāng)門電極不加電壓時，帶正電荷的的顏料顆粒就可以在可視區(qū)和遮蔽區(qū)之間按照集電極和視電極的電壓方向自由移動。當(dāng)給兩個視電極加正電壓時，顏料顆粒就會移入視電極所在的可視區(qū)并且反射環(huán)境光，這樣每個像素即可顯示一個色點；反之加負(fù)電壓時，顏料顆粒移入集電極所在的遮蔽區(qū)就不再反射環(huán)境光，由此通過控制每個像素點的可見與隱蔽來轉(zhuǎn)換圖像信息，實現(xiàn)彩色顯示。

2.電潤濕顯示技術(shù)

電潤濕顯示技術(shù)是一種利用油與水界面固有的自然力及相關(guān)理論而開發(fā)出的技術(shù)。圖2為電潤濕顯示技術(shù)呈色示意圖。該技術(shù)采用了一種可以把水從表面排除、以油膜作為介質(zhì)的高疏水材料，形成分離的油相和水相，抗水表面的潤濕效果可以通過電壓來改變（故名電潤濕），令表面變得更親水（潤濕）。由于原先抗水的表面現(xiàn)在變得更吸水，油膜不得不改變其形式。這種界面屬性控制是電潤濕應(yīng)用的基礎(chǔ)。在形成顯示時，電潤濕原理可被用來建立一個像素調(diào)制器。當(dāng)不同像素被獨立激活以創(chuàng)建影像時，油被染上一種顏色，從而形成顯示。在原則上可以給予像素任何想要的顏色，從而獲得各種顯示結(jié)果。

電潤濕顯示技術(shù)在實現(xiàn)彩色方面有著自己獨特的方法，將油膜與像素點聯(lián)系在一起，油膜的形式發(fā)生變化，導(dǎo)致像素點顏色的變化，從而實現(xiàn)色彩的改變。電潤濕顯示技術(shù)的另一種顯示方法是依據(jù)電潤濕對彩色光的反射特性，將藍(lán)綠、紫紅、黃三種基色電潤濕顯示層堆疊，根據(jù)色料減色法原理，分別反射基色光來實現(xiàn)彩色顯示，這種方法較簡單，在此不再贅述。

3.膽固醇液晶顯示技術(shù)

膽固醇液晶顯示技術(shù)是一種非傳統(tǒng)的顯示技術(shù)，即使移除控制板的供電，影像仍會保留在顯示器上。其影像可媲美紙質(zhì)閱讀，具有高對比度、高反應(yīng)度、高可讀性以及雙穩(wěn)態(tài)特征和低能耗的特點。

膽固醇液晶顯示技術(shù)有兩種實現(xiàn)方法。一種是通過添加不同旋轉(zhuǎn)螺距的旋光劑，使膽固醇分子在不同的電位下呈現(xiàn)“反射”和“透射”兩種不同的偏極光旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而實現(xiàn)不同的顯示效果。另一種是采用色光加色法，通過設(shè)定紅、綠、藍(lán)三色反射層反射不同強度的光來實現(xiàn)不同顏色的呈現(xiàn)。該方法運用膽固醇液晶材料的光反射選擇性，從上到下依次疊加藍(lán)、綠、紅反射層，各反射層分別反射其同色光。膽固醇液晶材料具有獨特的光電效應(yīng)，當(dāng)各個像素點所加電壓不同時，各反射層對光的反射率也不同，反射出界面的三種光的強度也不同。不同強度的三色光通過加色法疊加，就可以呈現(xiàn)出各種各樣的顏色，這與印刷上通過色光加色法和色料減色法原理來實現(xiàn)彩色印刷的道理相同。圖3所示為采用色光加色法的膽固醇液晶顯示技術(shù)的呈色示意圖。

彩色電子紙的應(yīng)用領(lǐng)域

目前，彩色電子紙的應(yīng)用比較單一，主要應(yīng)用在電子閱讀器上。隨著彩色電子紙技術(shù)的不斷進步，我們相信，其將在以下領(lǐng)域得到發(fā)展。

1.顯示器領(lǐng)域

彩色電子紙是一種很好的顯示載體，其與傳統(tǒng)的顯示器相比更加便捷、實用，未來我們用眼睛所看到的信息載體都將會被彩色電子紙所代替。例如如果用彩色電子紙來代替手機顯示屏的話，我們的手機就可以有無限大的屏幕，而且不必?fù)?dān)心手機經(jīng)常沒有電，也不必?fù)?dān)心致使眼睛疲勞甚至是損害眼睛等問題。此外，采用彩色電子紙的屏幕可以無限放大、折疊，而且不會改變屏幕的清晰度，不用時就可以收起來。再如，我們在大街上看到的廣告牌，如果使用彩色電子紙代替后，就不再需要更換廣告紙，只需在更改信息時輸入新的信息就可以刷新了，既方便又實用環(huán)保。

2.藝術(shù)領(lǐng)域

彩色電子紙可以很好地與背景裝飾相結(jié)合，運用于建筑裝飾裝潢、電影特技影像效果的產(chǎn)生、藝術(shù)舞臺的格局布景等，顯示完美的藝術(shù)。例如在建筑裝飾裝潢方面，我們只需在建筑的表面貼上彩色電子紙，再將自己能想象到的裝潢格局與風(fēng)格直接輸入到彩色電子紙上就可以呈現(xiàn)，而且我們還可以根據(jù)自己不同時期的心情和喜好隨時地更換；在電影特技方面，同樣可以利用彩色電子紙進行動作、場景特效等方面的設(shè)計，使得拍攝更加方便；在藝術(shù)舞臺格局布景上，有了彩色電子紙，我們不再需要更換整個舞臺，也不需要每次都布置場景，只要在演出前輸入所需要的場景，就可以在彩色電子紙上進行不同場景的更換。

3.教育領(lǐng)域

有了彩色電子紙，在以后的教學(xué)中，課本、作業(yè)本、老師的教程、學(xué)習(xí)資料等紙質(zhì)材料都可用彩色電子紙代替，而且相比使用紙質(zhì)材料，更加方便，學(xué)習(xí)效果會更好。在學(xué)習(xí)時，同學(xué)們只需要把每學(xué)期所學(xué)的書本內(nèi)容輸入到彩色電子紙中，就可以隨時閱讀，而且多門課程只需要帶一個電子紙閱讀器即可。學(xué)生完成的作業(yè)也只需通過電子紙傳輸?shù)嚼蠋煹碾娮蛹堉芯涂梢怨├蠋熍啠瑥亩奖銕熒g交流。

目前，彩色電子紙的發(fā)展蒸蒸日上，雖然在彩色顯示方面的技術(shù)還有待研究與發(fā)展，但是我們相信在不久的將來，其將占領(lǐng)大量市場，成為我們?nèi)粘Ｉ畹闹髁鲬?yīng)用技術(shù)。