電子紙技術(shù)的研究進展概述

孫少雪 楊春莉 趙育 劉琳琳

電子紙的概念出現(xiàn)在20世紀中期，但其并未得到良好科學(xué)研究和商業(yè)用途。當今社會人們注重環(huán)保，傳統(tǒng)印刷紙張在印前、印刷、印后都會對環(huán)境造成破壞，電子紙既保留了傳統(tǒng)印刷紙張的優(yōu)良品質(zhì)，又有超于紙張的優(yōu)勢和特征，其中最大的特點就是不會造成眼睛疲勞，其次是容易閱讀、方便攜帶。

電子紙概述

電子紙內(nèi)部有儲存器和中央處理器，它們是一種顯示設(shè)備，一部分是用于顯示屏幕的前板，另一部分是用于驅(qū)動電路的后板，在保證響應(yīng)時間快，機械性能好等條件下，電子紙的總體厚度最好不超過2mm，各個層板越薄越好。如圖1所示的電子紙產(chǎn)品。電子紙的材料分類，包括由玻璃材料，塑料薄膜等制得的基板。

電子紙在當今的社會中得到了廣泛應(yīng)用，這與電子紙的許多優(yōu)勢密切相關(guān)，所以深受人們愛戴。但是電子紙的反射率是LCD的5倍;亮度對比度是LCD的3倍;精度可達300dpi，而大多數(shù)顯示器材的清晰度為73～93dpi。電子紙的優(yōu)缺點如表1所示。

電子紙的顯示原理有微膠囊化電子墨水、旋轉(zhuǎn)球顯示、電化學(xué)反應(yīng)顯示、色粉顯示、微杯型電泳顯示、電致變色顯示、電泳沉積顯示、電潤濕顯示、膽固醇液晶顯示、微機電系統(tǒng)顯示等。

同時電子紙廣泛應(yīng)用于電子閱讀、物價標牌、個人電子、產(chǎn)品傳媒等，如：電子報紙、電子書、電子紙顯示器、電腦、手表等。

電泳顯示器（EPD）技術(shù)具有反射率高和對比度強的顯示效果，電泳顯示大多數(shù)為黑白顯示，現(xiàn)如今電泳顯示電子紙在電子紙市場中占比很高。

1.微膠囊化電子墨水電子紙

微膠囊化電子墨水電子紙的內(nèi)部材料是指電泳顆粒、電泳液體或氣體，也叫芯材;微膠囊的外側(cè)是包裹致密的薄膜，也叫壁材。微膠囊壁材對內(nèi)部的材料起到了關(guān)鍵性的保護作用，其一是起到了隔絕的作用，這樣就實現(xiàn)了不與其他物質(zhì)發(fā)生接觸和化學(xué)反應(yīng)，其二是可以防止內(nèi)部材料受到影響而使其性質(zhì)受損。

①微膠囊化電子墨水的顯示原理

A.單顆粒微膠囊化電子墨水顯示

單顆粒微膠囊化電子墨水顯示的原理如圖1所示，當施加一種電場時，在微囊的可見一側(cè)可以看見帶有正電的白色的TiO2電泳顆粒，從而顯示白色。而當施加反向電場時，就把這些白色TiO2顆粒推送到微膠囊的另一側(cè)，所以產(chǎn)生的白色效果被微膠囊電子墨水的深色電泳溶劑所覆蓋，顯示藍色。

B.雙顆粒微膠囊化電子墨水顯示

帶電和不帶電的電泳顆粒的移動，此時的遷移是交叉變更，表現(xiàn)出不同的色彩和圖案，其原理如圖2所示。

②電泳顆粒的改性

微膠囊化電子墨水的電泳顆粒包括有機顏料顆粒和無機顏料顆粒。表面改性是指用表面添加劑與顆粒表面發(fā)生物理作用或化學(xué)反應(yīng)，從而改變顆粒的表面狀態(tài)，賦予其表面新的性能。

2.微杯型電泳顯示電子紙

微杯電泳顯示電子紙和E-Ink開發(fā)的一些微膠囊電子墨水電子紙技術(shù)，所有都是電泳顯示技術(shù)，不同的是微杯電泳顯示電子紙是將微膠囊轉(zhuǎn)化為微杯，克服微膠囊的缺點的同時也實現(xiàn)了愈加簡易的工藝流程。

①微杯型電泳顯示電子紙的顯示原理

A.微杯型電泳黑白顯示原理

微杯型電泳顯示電子紙顯示原理如圖3所示，原理圖中有透明電極、黏結(jié)層、像素電極、帶電顆粒、PET薄膜和絕緣流體。微杯結(jié)構(gòu)顯示液中有兩種顆粒，白色顆粒和黑色顆粒，微杯結(jié)構(gòu)的上面是公共電極，下面是像素電極，顯示過程為帶有正電荷的白色顆粒均勻的散開在黑色的背景液中。

B.微杯型電泳彩色顯示原理

圖4為微杯型電泳顯示電子紙技術(shù)彩色化原理圖，方法就是注入帶有顏色的染液成分（比如綠、藍、紅三色溶液）。

②微杯型電泳顯示電子紙的工藝流程

A.高速全自動壓模制杯工藝

SiPix公司的高速全自動壓模制杯過程大致有4個步驟：

a.涂布

b.微杯結(jié)構(gòu)定型

c.注液和封裝

d.合壓

B.光蝕刻制杯工藝

光蝕刻制備微杯型電泳顯示電子紙的基本流程如圖5所示：

3.色粉顯示方式電子紙

色粉顯示方式電子紙顯示其原理是色粉在電極之間的移動。在外加電場的情況下，透明的電極之間的兩種不同顏色的粉末因注入了電荷而發(fā)生運動。在移動期間通過運動摩擦電泳顆粒以對另一電泳顆粒充電，從而起到調(diào)色劑的作用。色粉顯示的優(yōu)點就是在電場不變的情況下，可以保持很好的穩(wěn)定性。

①色粉顯示方式電子紙的顯示原理

色粉顯示的大致過程為：在兩片電極之間，上下電極都為ITO電極，把上下電極通電后，在外加電場的控制作用下，如果上電極帶有負電，則上電極就會排斥帶有負電的白色色粉，此時顯示的是黑色色粉。

②色粉顯示方式的彩色化實現(xiàn)

色粉顯示方式電子紙彩色化顯示方式的原理是，在電極之間有3種不同顏色的色粉，分別是白色、黑色和黃色色粉，帶有正電的色粉是黑色色粉和黃色色粉，但是這兩種帶電量不相等;自然白色色粉帶有的是負電荷。彩色化顯示過程為：與色粉黑白顯示原理差不多，當上電極通有負電時，會排斥白色色粉，吸引黑色和黃色色粉，這時由于是兩種顏色的混合，不再是單一一種顏色。

4.電泳顯示方式電子紙的優(yōu)缺點辨析

本節(jié)對于電泳顯示方式電子紙的3個主要技術(shù)：微杯型電泳顯示電子紙，微膠囊化電子墨水顯示電子紙，色粉顯示方式進行對比分析，得出了各自的優(yōu)缺點，如表2所示。

結(jié)語

為了滿足人類社會節(jié)能、低碳、綠色、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的要求，更加推進了電子紙顯示技術(shù)的發(fā)展。通過研究分析得出以下結(jié)論：

①微膠囊電子墨水顯示方式電子紙的響應(yīng)速度較慢，大量生產(chǎn)的電子紙響應(yīng)時間大約需要100～400ms。

②比較電泳顯示電子紙技術(shù)的優(yōu)缺點：微膠囊化電子墨水電子紙的優(yōu)勢在于，電泳顆粒的擴散和聚集都是在固定微膠囊中，改善了電泳液穩(wěn)定性問題。色粉顯示的彩色化是電子紙技術(shù)的重大突破點和未來重點發(fā)展目標。而微杯型電泳顯示電子紙克服了微膠囊化電子墨水的顯示缺點，具有局部彩色化性能優(yōu)異、分辨率高、耐磨較好等優(yōu)點，但制作工藝復(fù)雜。

③對比3種電泳顯示方式電子紙顯示特點可以得出以下結(jié)論：色粉顯示方式的驅(qū)動電壓最大高達70V。3種電泳顯示方式的成本都較高，具有雙穩(wěn)態(tài)性質(zhì)且柔韌性良好。色粉顯示方式的響應(yīng)時間最快，僅需0.2ms;微膠囊和微杯的電泳顯示方式的響應(yīng)速度較慢，大約需要150～200ms。

④對比本文提到的3種電泳顯示方式電子紙的原理得出結(jié)論：實質(zhì)上都是用電泳顆粒的遷移來實現(xiàn)顯示的，不同的是微膠囊化電子墨水電子紙實質(zhì)上是在微膠囊里實現(xiàn)遷移過程，微杯型電泳顯示電子紙是在微小的微室中實現(xiàn)移動過程，色粉顯示方式電子紙不是在閉合的區(qū)域進行顯示，而是在開放的電極之間完成顯示。

責任編輯：王蕾 wl@cprint.cn