电子纸技术的研究进展概述

孙少雪 杨春莉 赵育 刘琳琳

电子纸的概念出现在20世纪中期，但其并未得到良好科学研究和商业用途。当今社会人们注重环保，传统印刷纸张在印前、印刷、印后都会对环境造成破坏，电子纸既保留了传统印刷纸张的优良品质，又有超于纸张的优势和特征，其中最大的特点就是不会造成眼睛疲劳，其次是容易阅读、方便携带。

电子纸概述

电子纸内部有储存器和中央处理器，它们是一种显示设备，一部分是用于显示屏幕的前板，另一部分是用于驱动电路的后板，在保证响应时间快，机械性能好等条件下，电子纸的总体厚度最好不超过2mm，各个层板越薄越好。如图1所示的电子纸产品。电子纸的材料分类，包括由玻璃材料，塑料薄膜等制得的基板。

电子纸在当今的社会中得到了广泛应用，这与电子纸的许多优势密切相关，所以深受人们爱戴。但是电子纸的反射率是LCD的5倍;亮度对比度是LCD的3倍;精度可达300dpi，而大多数显示器材的清晰度为73～93dpi。电子纸的优缺点如表1所示。

电子纸的显示原理有微胶囊化电子墨水、旋转球显示、电化学反应显示、色粉显示、微杯型电泳显示、电致变色显示、电泳沉积显示、电润湿显示、胆固醇液晶显示、微机电系统显示等。

同时电子纸广泛应用于电子阅读、物价标牌、个人电子、产品传媒等，如：电子报纸、电子书、电子纸显示器、电脑、手表等。

电泳显示器（EPD）技术具有反射率高和对比度强的显示效果，电泳显示大多数为黑白显示，现如今电泳显示电子纸在电子纸市场中占比很高。

1.微胶囊化电子墨水电子纸

微胶囊化电子墨水电子纸的内部材料是指电泳颗粒、电泳液体或气体，也叫芯材;微胶囊的外侧是包裹致密的薄膜，也叫壁材。微胶囊壁材对内部的材料起到了关键性的保护作用，其一是起到了隔绝的作用，这样就实现了不与其他物质发生接触和化学反应，其二是可以防止内部材料受到影响而使其性质受损。

①微胶囊化电子墨水的显示原理

A.单颗粒微胶囊化电子墨水显示

单颗粒微胶囊化电子墨水显示的原理如图1所示，当施加一种电场时，在微囊的可见一侧可以看见带有正电的白色的TiO2电泳颗粒，从而显示白色。而当施加反向电场时，就把这些白色TiO2颗粒推送到微胶囊的另一侧，所以产生的白色效果被微胶囊电子墨水的深色电泳溶剂所覆盖，显示蓝色。

B.双颗粒微胶囊化电子墨水显示

带电和不带电的电泳颗粒的移动，此时的迁移是交叉变更，表现出不同的色彩和图案，其原理如图2所示。

②电泳颗粒的改性

微胶囊化电子墨水的电泳颗粒包括有机颜料颗粒和无机颜料颗粒。表面改性是指用表面添加剂与颗粒表面发生物理作用或化学反应，从而改变颗粒的表面状态，赋予其表面新的性能。

2.微杯型电泳显示电子纸

微杯电泳显示电子纸和E-Ink开发的一些微胶囊电子墨水电子纸技术，所有都是电泳显示技术，不同的是微杯电泳显示电子纸是将微胶囊转化为微杯，克服微胶囊的缺点的同时也实现了愈加简易的工艺流程。

①微杯型电泳显示电子纸的显示原理

A.微杯型电泳黑白显示原理

微杯型电泳显示电子纸显示原理如图3所示，原理图中有透明电极、黏结层、像素电极、带电颗粒、PET薄膜和绝缘流体。微杯结构显示液中有两种颗粒，白色颗粒和黑色颗粒，微杯结构的上面是公共电极，下面是像素电极，显示过程为带有正电荷的白色颗粒均匀的散开在黑色的背景液中。

B.微杯型电泳彩色显示原理

图4为微杯型电泳显示电子纸技术彩色化原理图，方法就是注入带有颜色的染液成分（比如绿、蓝、红三色溶液）。

②微杯型电泳显示电子纸的工艺流程

A.高速全自动压模制杯工艺

SiPix公司的高速全自动压模制杯过程大致有4个步骤：

a.涂布

b.微杯结构定型

c.注液和封装

d.合压

B.光蚀刻制杯工艺

光蚀刻制备微杯型电泳显示电子纸的基本流程如图5所示：

3.色粉显示方式电子纸

色粉显示方式电子纸显示其原理是色粉在电极之间的移动。在外加电场的情况下，透明的电极之间的两种不同颜色的粉末因注入了电荷而发生运动。在移动期间通过运动摩擦电泳颗粒以对另一电泳颗粒充电，从而起到调色剂的作用。色粉显示的优点就是在电场不变的情况下，可以保持很好的稳定性。

①色粉显示方式电子纸的显示原理

色粉显示的大致过程为：在两片电极之间，上下电极都为ITO电极，把上下电极通电后，在外加电场的控制作用下，如果上电极带有负电，则上电极就会排斥带有负电的白色色粉，此时显示的是黑色色粉。

②色粉显示方式的彩色化实现

色粉显示方式电子纸彩色化显示方式的原理是，在电极之间有3种不同颜色的色粉，分别是白色、黑色和黄色色粉，带有正电的色粉是黑色色粉和黄色色粉，但是这两种带电量不相等;自然白色色粉带有的是负电荷。彩色化显示过程为：与色粉黑白显示原理差不多，当上电极通有负电时，会排斥白色色粉，吸引黑色和黄色色粉，这时由于是两种颜色的混合，不再是单一一种颜色。

4.电泳显示方式电子纸的优缺点辨析

本节对于电泳显示方式电子纸的3个主要技术：微杯型电泳显示电子纸，微胶囊化电子墨水显示电子纸，色粉显示方式进行对比分析，得出了各自的优缺点，如表2所示。

结语

为了满足人类社会节能、低碳、绿色、环保、可持续发展的要求，更加推进了电子纸显示技术的发展。通过研究分析得出以下结论：

①微胶囊电子墨水显示方式电子纸的响应速度较慢，大量生产的电子纸响应时间大约需要100～400ms。

②比较电泳显示电子纸技术的优缺点：微胶囊化电子墨水电子纸的优势在于，电泳颗粒的扩散和聚集都是在固定微胶囊中，改善了电泳液稳定性问题。色粉显示的彩色化是电子纸技术的重大突破点和未来重点发展目标。而微杯型电泳显示电子纸克服了微胶囊化电子墨水的显示缺点，具有局部彩色化性能优异、分辨率高、耐磨较好等优点，但制作工艺复杂。

③对比3种电泳显示方式电子纸显示特点可以得出以下结论：色粉显示方式的驱动电压最大高達70V。3种电泳显示方式的成本都较高，具有双稳态性质且柔韧性良好。色粉显示方式的响应时间最快，仅需0.2ms;微胶囊和微杯的电泳显示方式的响应速度较慢，大约需要150～200ms。

④对比本文提到的3种电泳显示方式电子纸的原理得出结论：实质上都是用电泳颗粒的迁移来实现显示的，不同的是微胶囊化电子墨水电子纸实质上是在微胶囊里实现迁移过程，微杯型电泳显示电子纸是在微小的微室中实现移动过程，色粉显示方式电子纸不是在闭合的区域进行显示，而是在开放的电极之间完成显示。

责任编辑：王蕾 wl@cprint.cn