電子墨水公司如何開發(fā)出全彩電子紙？

編譯 高斯寒

2008年10月，正好在假期購物季之前，脫口秀節(jié)目主持人奧普拉·溫弗里（Oprah Winfrey）公布了備受外界期待的“最喜歡的物品”名單，亞馬遜Kindle閱讀器居于小裝置類的首位。

在這一刻，電子紙（電子墨水屏）的概念進入主流視野。

然而，早在亞馬遜Kindle閱讀器讓這種黑白二色、總像是開啟著的反射式顯示屏為人所知之前，它早已被人發(fā)明出來。電子墨水屏的故事開始于1997年的麻省理工學院媒體實驗室，在教授約瑟夫·雅各布森（Joseph Jacobson）的啟發(fā)下，兩名學生阿爾伯特（J.D.Albert）和巴雷特·科米斯基（Barrett Comiskey）創(chuàng)造出電子墨水屏。

電子紙從一開始就被視為神奇無比。它對眼睛很友好，甚至在戶外明亮的陽光下也能看清楚，而其他便攜式顯示屏會在陽光下變得無法辨識。電子紙使用數(shù)周才需要充電，而配備其他顯示屏的手機基本撐不了一天。然而，電子紙的局限性也顯而易見——圖片只能以黑白兩色顯現(xiàn)。在一個很久沒有見識過單色顯示屏的世界里——早在20世紀60年代，黑白電視機就被彩電取代，而計算機顯示器的轉變出現(xiàn)在20世紀80年代后期——單色顯示屏毋庸置疑既老套又有趣。

在電子墨水公司的Triton和Kaleido顯示屏中，彩色濾光片將白色微粒反射的光變成紅色、綠色和藍色次像素。然而，這種方式降低了分辨率和亮度，限制了第一代彩色電子紙技術的普及

所以，從電子紙背后的基礎技術“電子墨水”最初開發(fā)之時起，一個大問題就籠罩著電子紙，并且隨著Kindle閱讀器的發(fā)布而日益突顯：我們到何時會看到這種神奇的顯示屏呈現(xiàn)出鮮艷的色彩？研究人員并非沒有嘗試。全球各地大學、企業(yè)實驗研究室和新創(chuàng)企業(yè)的電子墨水研究者多年來一直在追求實現(xiàn)彩色電子紙。他們研究出一些早期產(chǎn)品，目標定位于實體零售店鋪的貨架標簽，也用于標志牌。但這些早期產(chǎn)品僅僅是給黑白顯示屏增加一種顏色（紅色或黃色），那可不是任何人認知中的全彩顯示屏。在第一臺Kindle閱讀器問世十多年之后，在電子紙發(fā)明了二十多年之后，全彩電子紙依然沒有進入消費市場。

電子紙從黑白到彩色的轉變過程為何耗費了這么久的時間？多年來，科研人員嘗試了多種方法，一些是來自更為傳統(tǒng)的顯示屏的技術，另一些是演變自原本的電子紙的獨特設計。譬如，高通公司花費數(shù)十億美元來研究一種受到蝴蝶翅膀啟發(fā)的方法?？傮w而言，彩色電子紙的成功之路可能有些曲折，但依然是經(jīng)典的技術勝利故事。

如今，電子墨水公司（E Ink）的全彩電子紙進入消費者的手中，出現(xiàn)在包括電子閱讀器、智能手機和筆記設備在內的產(chǎn)品上。有十多家制造商在生產(chǎn)這些產(chǎn)品，包括國悅V5彩色墨水屏筆記本、海信A5C彩墨屏閱讀手機、文石Boox Poke 2彩墨屏閱讀器和PocketBook彩墨屏閱讀器等。迄今公布的全彩電子紙產(chǎn)品中，除了電子墨水公司的技術，另外只有一種中國大連佳顯公司推出的電漿顯示屏（DES）。在本文寫作之時，尚未有采用DES技術的設備送到消費者手中，然而已有若干記者收到樣品，還有兩個Kickstarter公司的募資活動的主打產(chǎn)品會用上DES顯示屏。

彩色電子紙的挑戰(zhàn)源自這項技術的性質。黑白電子墨水是化學、物理學和電子學的直接融合，完成了與傳統(tǒng)的墨水和紙張幾乎一樣的事。電子墨水公司的產(chǎn)品由許多微膠囊構成，這些膠囊內有帶負電的黑色微粒，帶正電的白色微粒（同樣的色素也被用于現(xiàn)今的印刷工業(yè)），漂浮在透明液體中。每個微膠囊差不多同一根頭發(fā)絲一樣粗細。

為了制造電子紙顯示屏，研究人員首先制造出這種電子墨水，再用這種電子墨水覆蓋在塑料基板上，達到大約25到100微米厚，具體要視打算用于哪類產(chǎn)品而定。接著把一卷卷覆層薄膜切割成想要的顯示屏尺寸，再添加薄膜晶體管，在墨水層的上方和下方生成電極，再像做三明治一樣將它夾在保護性薄片之間，如果有可能的話，會增加觸控面板或前光。

為了產(chǎn)生圖像，電子紙設備向頂層和底層電極施加不同電壓，從而生成一個電場。頂層電壓接近為零，底層電壓在-15伏、0伏和15伏之間變換。每次顯示屏上的圖像需要變換時，特定順序的電壓被施加在底層電極上，驅動微粒從先前的位置移動到顯示新圖像的正確顏色所需的位置上。這種圖像更動所用的時間通常不到半秒鐘。

讓白色微粒來到顯示屏頂層，創(chuàng)造出“紙張”的外觀。黑色微粒則創(chuàng)造出“墨水”的外觀。但微粒不用位居最頂層或最底層。當我們停止生成電場后，微粒會在運動軌跡中停住。這意味著，我們能在顯示屏頂層的附近生成黑色微粒和白色微粒的混合物——這就顯現(xiàn)為灰度。

決定向每個電極施加多久的電場和多大電壓的軟件很復雜。具體的選擇取決于之前在那個像素上展示的顏色。譬如說，假如一張圖像中的一個黑色像素在下一張圖像中仍然是黑色，就無需向那個像素施加電壓。我們也必須小心處理顏色的轉變。我們不希望之前的圖像滯留，但我們也不想讓顏色突然轉變，導致顯示屏閃爍。這些只是設計算法（被稱為波形，我們用它來確定電壓的順序）時要考量的因素中的一部分而已。這部分的設計工作既是科學，也是一種藝術。

電子墨水公司的先進彩色電子紙（ACeP）使用四種不同的色素微粒，尺寸和電壓都各有不同。系統(tǒng)施加不同的電場，將微粒推拉到每個梯形微杯的不同位置，產(chǎn)生企望的顏色

將色彩納入方程式，使得波形大大地復雜化了。鑒于一個電場要么產(chǎn)生正電壓，要么產(chǎn)生負電壓，黑白兩色是簡單的二元對立。二元對立的方法無法適應全彩電子紙。我們需要一些全新的方法。

我們在21世紀初開始探究各種選擇。我們于2010年在商業(yè)上推出的首批彩色電子紙產(chǎn)品中，有一種使用了彩色濾光片。彩色濾光片是印刷在一層玻璃上的方塊陣列，那層玻璃放置在標準黑白墨水層的上方。當我們施加電壓，讓白色微粒移動到選定位置的表面，光會穿過上方的紅色、綠色或藍色濾光片，反射回觀看者的眼中。這是一種顯而易見的方法：人類所能看見的所有顏色都能通過紅色、綠色和藍色光的混合而產(chǎn)生。由于這個緣故，如今大多數(shù)的常見顯示技術（譬如LCD和OLED）都使用RGB發(fā)光器或彩色濾光片。

我們將這款產(chǎn)品起名為“電子墨水Triton屏”。盡管當時推出了采用該技術的電子教科書，但這一嘗試教給我們最主要的經(jīng)驗是，什么樣的技術在消費市場中會行不通。對于習慣了平板電腦或紙本雜志的高分辨率的用戶來說，這種顯示屏的分辨率實在太低，顏色不夠明亮。

顏色不夠明亮的問題出在一項事實上：和采用背光的LCD或直接發(fā)光的OLED顯示屏不一樣，電子墨水公司的墨水屏是全反射屏。也就是說，來自外部光源的光線穿過透明保護層，擊中墨水層，反射回到觀看者的眼中。這種布置對于戶外使用很適合，因為反射性顯示屏會得到提升，而不是被明亮的日光照得黯淡。這種顯示屏對于眼睛的舒適也有好處，因為它們不會將明亮的光線直接照向使用者的眼睛。但是在反射性顯示屏系統(tǒng)中，墨水層和眼睛之間的每一層都吸收或散射掉若干光線。結果證明，增加彩色濾光層導致顯示屏暗淡了好多。

另外，采用彩色濾光片來將單色像素分離為三個有色像素，拉低了整體分辨率。原本分辨率為每英寸（1英寸約合2.54厘米）300像素的顯示屏在增加三色濾光片后，分辨率降低為每英寸100像素。對于用作指示牌的32英寸顯示屏來說，不是大問題——像素尺寸可以做得更大，而碩大的字母也不需要高分辨率。但是對于手持設備上小小的字體和線條畫來說，這是個真實的問題。

我們有研究者構思出這種濾光片顯示屏，而公司實驗室的其他科研人員著眼于一種不一樣的、采用多色素、不依賴于彩色濾光片的方法。然而，那種方法需要更為復雜的化學和力學機制。

多色素電子紙與之前的單色電子紙有著共同的基礎原理。然而，相對于單色電子紙只有兩種微粒，多色素電子紙如今使用了三種或四種微粒，具體要依據(jù)一個特定應用所挑選的顏色來確定。

我們需要讓這些微粒對于電場做出獨特的反應，而不是簡單地受到吸引或排斥。我們對墨水微粒做了一些設計，使得它們能更好地分類。我們讓墨水微粒的尺寸不一——較大的微粒一般在液體中會移動得比較小的微粒慢。我們將對微粒施加的電壓差異化，利用電壓變化更具模擬性而非數(shù)字性的事實。也就是說，電壓可以是非常強的正電壓、些許的正電壓、非常強的負電壓或些許的負電壓。而且在它們之間還存在許多階度。

Spectra顯示屏是電子墨水公司的第一種三色顯示屏，允許零售商在電子貨架標簽中插入一塊紅色或黃色

電子墨水公司的Kaleido彩色墨水屏中包括了前光，將彩色濾光片的圖案定為一系列短線條，借此改善明亮度、色飽和度和對比度

我們一旦將微粒分開，就得要施加波形。我們不單單是將一組微粒送入頂層，將另一組微粒送入底層，而是對它們既推又拉，生成圖像。譬如說，我們可以將一種顏色的微粒推至頂層，再將它們稍稍拉回來，于是它們與其他微?；旌?，生成特定的顏色。青色與黃色混合，生成綠色，而白色微粒提供反射背景。一種微粒更靠近表面，那個顏色在混合色中的色彩濃度也就更大。

我們也改變了色素容器的外形，從球形改為梯形，這使得我們能更好地控制微粒的垂直位置。我們稱呼這些容器為微杯（microcups）。

對于三類微粒的系統(tǒng)（如今在市場上稱為電子墨水Spectra屏，主要用于電子貨架標簽），我們在每個微杯中放入黑白紅或黑白黃色素。2021年，我們?yōu)樵撓到y(tǒng)添加了第四種色素微粒：我們的新一代產(chǎn)品使用黑色、白色、紅色和黃色微粒。這樣就能生成極其飽和的高對比色彩，然而，這四種顏色無法混合生成全彩圖像。這項技術最早在2013年推出，用于零售業(yè)的電子貨架標簽。若干公司已經(jīng)用電子墨水公司的顯示屏制造出數(shù)百萬個電子貨架標簽，運送到全球各地，用于百思買、梅西百貨和沃爾瑪超市。也有類似的電泳貨架標簽采用了中國東方科脈公司生產(chǎn)的顯示屏，產(chǎn)品也早已上市。

電子墨水公司真正的全彩電子紙系統(tǒng)被稱為先進彩色電子紙（ACeP），我們在這種電子紙中也用了四種色素微粒，但我們放棄了黑色微粒，依賴白色、青色、品紅和黃色微粒，也就是噴墨打印機中使用的四種顏色。通過讓微粒在不同層面中停下，我們能用這些微粒產(chǎn)生高達5萬種色彩。最終得到的顯示屏渲染的色彩像報紙、甚至是水彩繪畫中的顏色。

電子墨水公司于2016年將先進彩色電子紙以“電子墨水Gallery”之名上市。這種顯示屏因為低刷新率而又一次不適合消費用設備。另外，它是反射式顯示屏，又沒有背光，對于習慣了智能手機和平板電腦的明亮顯示屏的消費者來說，它的色彩過于柔和了。目前，它主要是在亞洲用于零售業(yè)的標識。

我們意識到我們的彩墨顯示屏依然沒有擊中消費者市場的最佳點，公司的研發(fā)團隊回頭再次審視起Triton屏，也就是使用RGB彩色濾光片的系統(tǒng)。什么樣的系統(tǒng)行得通，什么樣的系統(tǒng)行不通？我們進行的這些更改是否最終能帶來一臺消費者想要的彩色電子閱讀器？

我們知道濾光片會削弱亮度。我們相當確信，通過讓濾光片更靠近電子墨水層，能顯著減少亮度的損失。

我們也想要提高顯示屏的分辨率，這意味著采用更為精細的彩色濾光陣列。為了獲得更加符合消費者習慣的分辨率，我們得要在每平方英寸（1平方英寸約合6.5平方厘米）中射出至少200個像素點。那是我們的第一批Triton顯示屏所能達到的密度的大約兩倍。

相較于用不同的電壓來控制色素顆粒（正如我們開發(fā)ACeP時所做的事）的復雜程度，你也許會認為這件事很容易辦到。但結果證明，這需要用一種在玻璃基板上印刷出彩色濾光片的新技術。

我們之前在玻璃上印刷上半透明的紅色、綠色和藍色墨水，制造出濾光片。但這種玻璃是疊加層。于是，我們決定直接在容納頂層電極的那層塑料薄膜上印刷，在我們的顯示屏模塊臨近封裝制程的尾聲后增加這個步驟。這項安排讓濾光片盡可能接近電子墨水層。此舉也允許我們提高分辨率，因為和使用額外一層面板時可以實現(xiàn)的精度相比，現(xiàn)在能更加精確地把濾光片與顯示屏像素對準。

2021年上市的PocketBook墨水屏平板Inkpad 3 Pro采用了第二代電子墨水Kaleido Plus 彩墨屏

作為電子墨水公司制造工序的一部分，含有墨水的微膠囊覆蓋在塑料薄膜上。這些薄膜在干燥、檢驗和重新卷好后，送到其他地方進一步加工

我們在德國公司“塑料邏輯”（Plastic Logic）中找到了我們需要的那類印刷機，該公司從早期時就是電子墨水公司的合作伙伴。然而，該印刷機的本意是用于研發(fā)實驗室，而不是用于大量生產(chǎn)。必須對它所使用的工序進行改造，從而在不同的生產(chǎn)就緒的機器中運作。

我們也需要為彩色濾光片構思出新的印刷圖案。也就是紅色、藍色和綠色濾光陣列的實際形狀和排列方式。我們早先通過研發(fā)Triton顯示屏的工作發(fā)現(xiàn)，將濾光陣列印刷成簡單的方塊網(wǎng)格不是最佳方案，因為在某些圖像轉變時能看見該圖案。于是，搜尋最完美圖案的工作繼續(xù)進行。我們進行許多次迭代，考慮光線照在顯示屏上的角度，因為這個角度能輕易改變觀察者所看見的色彩。我們評估了網(wǎng)格、直線、長線條和許多其他圖案，最終敲定采用一種短線條圖案。

因為這是反射式顯示屏，所以越多光線擊中顯示屏，也就越亮。研究團隊決定為顯示屏增加前光（這是Triton顯示屏未采用的部分），努力確保光線以某個角度擊中墨水層，使得反射率最大化。當然，采用前光會提高能耗，但在這個案例中是值得的。

結果，相較于Triton屏，電子墨水公司的全新彩墨屏技術“電子墨水Kaleido”擁有更加飽和的色彩和更好的對比度。終于有一種全彩電子墨水顯示屏準備好用于消費產(chǎn)品。

第一批正式的Kaleido顯示屏在2019年下半年下生產(chǎn)線。不久后，我們開始運送貨物給顧客，你目前能在海信A5C彩墨屏閱讀手機、科大訊飛C1閱讀器和PocketBook彩墨屏閱讀器等產(chǎn)品中見到這項技術，以上產(chǎn)品都上市于2020年。第二代Kaleido顯示屏被稱為Kaleido Plus，在2021年初開始運送給廠商，文石和PocketBook等公司推出的相關產(chǎn)品在不久后上市。第二代Kaleido顯示屏改善了色彩飽和度，這多虧了印刷圖案和前光光導方面的調整。

我們還有一些事要做。被反射回到用戶眼中的入射光比率叫作光效率。公司目前產(chǎn)品的光效率很好，但可以做得更好。我們在繼續(xù)研究薄膜層，謀求進一步減少亮度的損失。

我們繼續(xù)完善印刷圖案，在墨水層下方的電子器件中使用更密集的電路，并通過開關電壓來移動帶電粒子，努力改進分辨率。

我們也在繼續(xù)研究無濾光片、多色素的電子墨水技術。我們預計會在不久后推出用于標志牌的新一代顯示屏，它會擁有更鮮艷的色彩和更快的頁面更新速度。

電子墨水公司的科研人員在21世紀初著手探索彩色電子墨水時，鑒于對電子紙技術的專長，他們以為只要過上幾年，就能有所結果。畢竟，黑白電子紙僅僅用了十年，就從概念構思走到了商業(yè)化的這一步。事實證明，通往全彩電子書的道路漫長得多。但是，恰如《綠野仙蹤》中的少女桃樂絲一樣，我們最終還是成功到達了彩虹的彼端。

資料來源IEEESpectrum