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 程捷，何晨

 （中船重工第七一六研究所，江蘇連云港2220061

摘要：電子紙除了具備跟傳統(tǒng)紙張一樣的易讀性與可彎曲性外，更具有信息（文字）可重復(fù)寫(xiě)入、擦除的特點(diǎn)，這樣的技術(shù)可能對(duì)人們的生活帶來(lái)重大的影響，改變?nèi)藗兊拈喿x習(xí)慣。文中著重對(duì)當(dāng)今發(fā)展相對(duì)較好的電子紙的相關(guān)技術(shù)與傳統(tǒng)液晶技術(shù)進(jìn)行了比較。

 關(guān)鍵詞：電子紙；電子書(shū)；電子海圖；TN;STN

 中圖分類(lèi)號(hào)：TN27文章編號(hào)：1006 - 2394( 2016) 03 - 0038 - 03

 0引言

 隨著計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，曾經(jīng)有人認(rèn)為“無(wú)紙辦公”的時(shí)代即將到來(lái)。然而事實(shí)顯示，近幾年來(lái)紙張的消耗量不減反增。為何個(gè)人電腦、筆記本電腦及PDA等電子設(shè)備日益完善的功能，搭配便利的網(wǎng)絡(luò)信息傳輸、下載，仍然無(wú)法將人們的閱讀界面由紙張轉(zhuǎn)向電子界面呢？很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，是在于現(xiàn)有的電子界面——顯示器，與人們習(xí)慣閱讀的界面——紙張有相當(dāng)?shù)牟町�，因而不易被人們所接受。但現(xiàn)在這一狀況正在發(fā)生改變。

1  電子紙技術(shù)發(fā)展

 由于現(xiàn)有顯示技術(shù)與理想電子紙的特性，仍有相當(dāng)大的落差存在。因此，各種以電子紙張為需求的顯示技術(shù)紛紛被研究與提出。

 電子紙張通常需具有四個(gè)基本要求。首先是文字的辨識(shí)性，以白底黑字的現(xiàn)實(shí)形態(tài)而言，白色背景的白度越高，黑白對(duì)比越佳，顯示就越清楚，希望做到與紙張印刷品類(lèi)似的視覺(jué)感官。其次是具有文字訊息寫(xiě)入、拭去的功能，顯示界面可重復(fù)使用，增加資源的使用效率。第三是關(guān)閉電源時(shí)能維持顯示，因閱讀大量文字時(shí)畫(huà)面必須顯示一段時(shí)間，如果此時(shí)不需施加電力，亦能保持畫(huà)面穩(wěn)定顯示，則可不必內(nèi)置電池，即便內(nèi)置電池，亦可有效控制電源使用效率，延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間。最后則是需有可彎曲的特性，增加耐沖擊性，以提高使用的便利性。

 電子紙的相關(guān)技術(shù)發(fā)展，主要有兩個(gè)方向：一是改進(jìn)顯示器的性能，朝著輕薄且具有可彎曲性的目標(biāo)發(fā)展；另一個(gè)研究方向，則是整合印刷技術(shù)，配合可重復(fù)印刷、消去的特殊紙張?jiān)O(shè)計(jì)，讓紙張具有可多次重復(fù)使用的特性。但由于第二種技術(shù)形態(tài)，基本設(shè)計(jì)上是采用光、熱或磁的方式，需搭配特定的印刷設(shè)備，進(jìn)行信息的改寫(xiě)，并不如第一種方式可直接使用電氣手段，在電子紙張上進(jìn)行顯示信息的寫(xiě)入與更新。因此，本文只針對(duì)第一種技術(shù)研究趨勢(shì)進(jìn)行探討。

2  電子紙技術(shù)原理

 在具有電子紙?zhí)匦缘默F(xiàn)實(shí)技術(shù)研究上，以各種具有雙穩(wěn)態(tài)特性的反射式顯示技術(shù)為主。常見(jiàn)的類(lèi)型包括電泳顯示、旋轉(zhuǎn)球顯示、雙穩(wěn)態(tài)液晶，電濕潤(rùn)顯示和快速應(yīng)答電子粉流體顯示等技術(shù)。其中電泳顯示技術(shù)發(fā)展最為迅速，前景也最被看好，并且由此開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品也已經(jīng)推向市場(chǎng)。

 電泳顯示原理：主要是以外加電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)懸浮在溶液中的帶電粒子，利用粒子存在位置的改變，來(lái)展現(xiàn)出粒子與溶液、背板或粒子與粒子之顏色對(duì)比，來(lái)做影像顯示。這種顯示概念應(yīng)用早在1 970年代就有人提出，如美國(guó)專(zhuān)利所闡述，但實(shí)際上存在粒子沉降、側(cè)向擴(kuò)散

凝集及反應(yīng)時(shí)間等問(wèn)題，應(yīng)用上并不被看好。1995年，美國(guó)史丹佛大學(xué)物理系博士后研究員J．Jacobson，將含有藍(lán)色染液與白色粒子組成懸浮液，包裹在透明高分子構(gòu)成的“高分子微膠囊”中；顯示時(shí)，當(dāng)帶正電荷的白色二氧化鈦粒子停留在微膠囊的觀(guān)看面時(shí)，呈現(xiàn)的就是白色的頁(yè)面；而當(dāng)微膠囊下方的電極帶負(fù)電荷時(shí)，就會(huì)將這些粒子拉到另一側(cè)，在該點(diǎn)便產(chǎn)生一個(gè)油墨似的影像，直到相反的電壓脈沖再將這些白色粒子送回去。由此，就可以產(chǎn)生藍(lán)底白字的效果，如圖1所示。將帶電粒子懸浮液進(jìn)行微粒包裹后，除了可改善沉降、側(cè)向擴(kuò)散凝集的問(wèn)題外，在制造工藝上這些“高分子微膠囊”就像油墨一樣，可使用印刷方式來(lái)進(jìn)行圖案化制造工藝，大幅提升制造的便利性。

 此技術(shù)后來(lái)衍生出“E-Ink”這家公司，并獲得飛利浦、凸版印刷等知名廠(chǎng)商的青睞，給予資助及合作技術(shù)開(kāi)發(fā)。根據(jù)該公司的技術(shù)發(fā)展里程規(guī)劃，第一階段以文字和段式顯示功能為主，產(chǎn)品應(yīng)用主要瞄準(zhǔn)家用電器、標(biāo)識(shí)及商業(yè)用途的廣告板，并已于2002年推出。而2004年更與飛利浦及索尼公司合作，由索尼公司推出第一代電子紙顯示器消費(fèi)產(chǎn)品，名為“LIBRIe”的電子書(shū)，其畫(huà)面尺寸為6英寸，分辨率達(dá)到SVGA( 800×600)。該公司預(yù)定在2005年中期推出彩色電子的原型，目前正積極改良彩色濾光片的性能，以提升對(duì)比和反射率。在可彎曲化方面，使用不銹鋼的極薄材料進(jìn)行背板開(kāi)發(fā)，搭配用絕緣涂層技術(shù)，在其上制作出電路及有機(jī)薄膜晶體管結(jié)構(gòu)，希望作為未來(lái)實(shí)現(xiàn)可攜式電子紙的核心技術(shù)。此外，E-Ink公司亦與英國(guó)PlasticLogic公司共同開(kāi)發(fā)采用樹(shù)脂基板的可彎曲顯示器，期待將E-Ink的電子紙技術(shù)和Plastic Logic的印刷式薄膜晶體管成型技術(shù)結(jié)合，并以應(yīng)用在移動(dòng)電話(huà)的顯示屏為目標(biāo)。

 同樣，利用電泳顯示原理作為現(xiàn)實(shí)電子紙技術(shù)的方式，較著名的還有SiPix公司的微杯陣列設(shè)計(jì)。其特色是利用微電子制造工藝在基材上制作出用填充電泳液的微杯結(jié)構(gòu)，如圖2所示，由此將電泳液獨(dú)立區(qū)隔在小單元中，來(lái)預(yù)防電泳液的外漏與位移。

3 TN、STN型液晶顯示器原理

 “扭曲向列型液晶顯示器”，簡(jiǎn)稱(chēng)“TN型液晶顯示器”，這種顯示器的液晶組件構(gòu)造如圖3所示。

 向列型液晶夾在兩片玻璃中間，這種玻璃的表面上先鍍有一層透明而導(dǎo)電的薄膜以作電極之用，這種薄膜通常是一種銦( Indium)和錫(Tin)的氧化物(Ox-ide)，簡(jiǎn)稱(chēng)ITO。然后再在有ITO的玻璃上鍍表面配向劑，以使液晶順著一個(gè)特定且平行于玻璃表面之方向排列。圖3a）中左邊玻璃使液晶排成上下的方向，右邊玻璃則使液晶排成垂直于圖面的方向。此組件中液晶的自然狀態(tài)具有從左到右的扭曲，這也是為什么被稱(chēng)為扭曲型液晶顯示器的原因。利用電場(chǎng)可使液晶旋轉(zhuǎn)的原理，在兩電極上加上電壓則會(huì)使得液晶偏振化方向轉(zhuǎn)向與電場(chǎng)方向平行。因?yàn)橐簯B(tài)晶的折射率隨液晶的方向而改變，其結(jié)果是光經(jīng)過(guò)TN型液晶盒以后其偏振性會(huì)發(fā)生變化，可以選擇適當(dāng)?shù)暮穸仁构獾钠�振化方向剛好改�?00，那么就可利用兩個(gè)平行偏振片使得光完全不能通過(guò)。TN型液晶顯示器工作原理如圖4所示。

 若外加足夠大的電壓使得液晶方向轉(zhuǎn)成與電場(chǎng)方向平行，光的偏振性就不會(huì)改變，因此光可順利通過(guò)第二個(gè)偏光器。于是，可利用電的開(kāi)關(guān)達(dá)到控制光的明暗，這樣會(huì)形成透光時(shí)為白、不透光時(shí)為黑，字符就可以顯示在屏幕上了。

 STN型的顯示原理與TN相類(lèi)似，不同的是TN扭轉(zhuǎn)式向列場(chǎng)效應(yīng)的液晶分子是將入射光旋轉(zhuǎn)900，而STN超扭轉(zhuǎn)式向列場(chǎng)效應(yīng)是將入射光旋轉(zhuǎn)180~ 2700。

 需要說(shuō)明的是，單純的TN液晶顯示器本身只有明暗兩種情形（或稱(chēng)黑白），并沒(méi)有辦法做到色彩的變化。而STN液晶顯示器由于液晶材料的關(guān)系，以及光線(xiàn)的干涉現(xiàn)象，因此顯示的色調(diào)都以淡綠色與橘色為主。但如果在傳統(tǒng)單色STN液晶顯示器加上一彩色濾光片，并將單色顯示矩陣之任一像素分成三個(gè)子像素，分別通過(guò)彩色濾光片顯示紅、綠、藍(lán)三原色，再經(jīng)由三原色比例之調(diào)和，也可以顯示出全彩模式的色彩。另外，TN型的液晶顯示器如果顯示屏幕做的越大，其屏幕對(duì)比度就會(huì)顯得較差，不過(guò)藉由STN的改良技術(shù)，則可以彌補(bǔ)對(duì)比度不足的情況。

4  閱讀特性差異對(duì)比

 人們所習(xí)慣的紙張界面，與現(xiàn)有之電子顯示技術(shù)比較，主要有以下特性：

 1)高反射率(~ 650/0)；

 2)好的對(duì)比值(~20：1)；

 3)使用環(huán)境光源；

 4)幾乎無(wú)視角限制；

 5)輕薄攜帶方便且可卷曲；

 6)不需要消耗電能。

 以目前普遍使用與各種可攜式電子產(chǎn)品的液晶顯示技術(shù)而言，性能上最接近的應(yīng)為穿透反射式的TN與STN LCD，但相較之下，仍有下列缺陷有待改進(jìn)，主要包括：

 1)需要搭載輔助背光源；

 2)使用環(huán)境光源時(shí)，對(duì)比較差；

 3)視角往往受到限制；

 4)由玻璃組成液晶槽，攜帶便利性與耐沖擊性差：

 5)需使用電源。

 此外，液晶顯示器制造工藝比較繁復(fù)，且通常需要許多光學(xué)膜（如偏光片）的配置，在生產(chǎn)成本降低上，存在一定的瓶頸。

5應(yīng)用

 現(xiàn)在，已經(jīng)有索尼等公司基于此電子紙技術(shù)開(kāi)發(fā)出了電子書(shū)閱讀器投放市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)也有STARebook公司基于同樣技術(shù)的產(chǎn)品問(wèn)世。索尼與全球第二大連鎖書(shū)店Borders達(dá)成協(xié)議，將在美國(guó)銷(xiāo)售索尼新推出的電子書(shū)閱讀設(shè)備Sony Reader。

 這款Sony Reader又名PRS-500（圖5），曾在今年年初的CES大會(huì)上展出，擁有6英寸分辨率為800×600的4階灰度顯示屏，可支持電子書(shū)以及文本文件的閱讀。PRS-500的外形看起來(lái)類(lèi)似于一臺(tái)Tablet PC，尺寸大小為17.6 cm×12.4 cm×1.4 cm，質(zhì)量為250 g。以64 MB閃存作為內(nèi)置存儲(chǔ)，支持?jǐn)U展MS或SD存儲(chǔ)卡，支持Adobe PDF文件和JPEG格式圖片．并且還可播放MP3。據(jù)索尼稱(chēng)其電量足以閱讀7500頁(yè)書(shū)籍。

6結(jié)束語(yǔ)

 雖然目前類(lèi)紙張顯示技術(shù)實(shí)用的例子仍然有限，但因其擁有許多優(yōu)點(diǎn)，潛在的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，具有無(wú)窮商機(jī)，吸引了許多廠(chǎng)商投入研究開(kāi)發(fā)，技術(shù)亦不斷推陳出新。不久的將來(lái)，跟“紙張”一樣的顯示器，將成為人們?nèi)粘Ｉ�活不可或缺的一部分。相信隨著技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，成本將會(huì)進(jìn)一步降低，應(yīng)用也會(huì)進(jìn)一步普及；并且隨著技術(shù)及生產(chǎn)工藝的進(jìn)步，更大幅的電子紙的產(chǎn)出也將會(huì)適合電子作戰(zhàn)海圖的應(yīng)用。