电子纸的现状与未来

郑春辉 郑淑荣

电子纸（electronic paper或E-paper）是“像纸张（或纸板）一样，具备记忆功能并采用反射式、可重复变更的显示器”。这种新的平面显示平台，由于外观上好像一种较薄的片状物，重量轻，可适度卷曲或折叠，用来展示电子形态的文字和图画，成为实用性强、新型的阅读工具或载体，因此被广泛地通称为电子纸。由于电子纸适合人眼的阅读,所以可以用作电子书、掌上阅读器等。它的出现可以在很大程度上改变人们的生活,尤其会对报刊图书出版、广告等行业产生重大影响。未来的某一天，人们订阅的报刊将只是一些涂有电子墨水的电子纸，报社、杂志社只要通过电脑或其他设备来传递无线电波即可使报纸日日翻新、杂志月月不同。

下面分别介绍一下传统纸、电子显示器和电子纸的优势与不足。

传统纸的优势与不足是：轻薄、价廉、使用方便、不用电源、利于阅读、易于长期保存(一般是100～150年，甚至长达1000年以上)、印刷或书写后固定、产生的废纸可回用再生，但难以满足信息化社会的需求，又因为是利用化学技术的制浆造纸过程，所以对树木和环境造成很严重的破坏。

电子显示器的优势与不足是：信息易编辑、适于高速处理、反复使用、容量度大，但需要使用电源、“视觉舒适度”欠佳，又由于液晶显示器（LCD）采用的是透射式显示，故需要背光，且信息储存寿命有限(一般是10～15年，需要重新复制保存)。

电子纸的优势是：①可以反复重写。与只能一次“书写”的传统纸相比，它可以随时抹去、再次（甚至几千上万次）重写或录入。②阅读状况佳。即使长时间凝视，眼睛也不会感觉疲劳，且文字、图像清晰，无论从哪个方向看都没有变化，阅读舒适。③对比度高。它靠环境反射光线来显示，不需要背光，环境光线越强对比度越高。反射率是LCD的6倍，对比度是LCD的2倍。④能耗低。电子纸具有双稳态特性（加载电场前后都稳定），有画面记忆功能，画面不变化则不耗电，其耗电量大约只有液晶显示器的十分之一甚至百分之一。⑤高分辨率。可以达到200dpi（每英寸显示的点数量）的分辨率，实验产品分辨率更高。⑥超轻薄外形。具有超薄、传统纸张一样的质感，不需要背光模组，所以厚度通常为0.5mm，而LCD至少需要约2mm的厚度。⑦方便携带。它能够制成类似书、刊、报的形式，“可分可合”。与计算机相连后可即时下载各种信息。⑧环保，节省纸张。不仅可以节约印刷、发行、运输等成本，还可以去掉印刷环节，达到低碳环保的目的。⑨具备低成本的潜力。不需要背光模组，不需要严格的封装，采用溶液处理技术印刷是可行的。⑩基板灵活。可以是玻璃，也可以是塑料、金属等物质的表面。视角广。由于是微球体结构，反射面广，视角可以达到180°，LCD需要附加特殊的调整才能达到120°。电池寿命长。比起TFTLCD（薄膜晶体管液晶显示器）更容易实现roll-to-roll(卷到卷)生产，而且装上软性基板就可变成可挠式显示器。数字媒体容量大、便于检索。电子纸的放大功能也使它更适合老年人和残疾人阅读。

电子纸的不足是：①量产产品响应速度慢，无法播放连续画面的节目。②目前只提供黑白屏幕，无法显示彩色内容。③成本高。其主要制程是比较难控制的化学工序，目前还需要靠大量出货来摸索提高生成率、降低成本的方法。④寿命较短。电子纸的使用寿命大约只有5～10年。⑤需要提供电源。

电子纸技术特征

目前国际上研究电子纸显示器技术的种类繁多，其中较成熟的电子纸显示技术可分为以下几大阵营：

电泳（EPD）。①E-Ink微胶囊。目前由E-Ink公司提供的微胶囊（Micro-capsules）式电泳技术是电子纸市场的主流技术。该技术的具体原理是将带电的白色氧化钛颗粒和黑色碳粉粒子封装在微胶囊中，并将微胶囊和电解液封装在两块间距为10—100mm的平行导电板之间，利用带电颗粒在电场作用下向着与其电性相反的电极移动的特性，绘制出黑白图像。② SiPix微杯。其原理是在尺寸相同的微杯中填充白色颗粒和着色液体，通过切换贴在微杯上的驱动电极的电荷正负来上下移动颗粒，使颗粒颜色和液体颜色交替显现。比起E-Ink的微胶囊技术，SiPix技术的反射率和对比度更高、价格更便宜，且能显示彩色内容。③电子粉流（QR-LPD）。普利司通采用独创的电子液态粉末（ELP）技术，将树脂经过纳米级粉碎处理后,形成带不同电荷的黑、白两色粉体，再将这两种粉体填充进使用空气介质的微杯封闭结构中，利用上下电极电场使黑白粉体在空气中发生电泳现象。由于QR-LPD电子纸屏幕需要使用高压驱动电子粉流体，因此耗电量比E-Ink的微胶囊技术和SiPix的微杯技术更大。

胆固醇液晶（CLCD）。胆固醇液晶是一种呈螺旋状排列的特殊液晶模式，通过添加不同旋转螺距的旋光剂，能够调配出红、绿、蓝等颜色。该技术的原理是将胆固醇液晶放置在两片水平基板中，在不施加电场的情况下，胆固醇液晶会倾向成平面螺旋型排列，在符合特定光波长的反射情况下，即可反射出具有色彩的光线。胆固醇液晶采用软性基板，安全性更高，同时也具有双稳态的特性和能耗低的优点，不过在手写识别和白色画面的表现上不及电泳。

微机电系统（MEMS）。工作原理是反射周围环境中的自然光，通过控制照射到显示屏中的光线，使其一个像素一个像素地反映出所需的颜色，实现彩色显示。采用微机电系统技术的Mirasol电子纸比电泳式电子纸色彩饱和度更高、反应速度更快，还比液晶屏幕更加省电。

电湿润（electrowetting）。该技术借助控制电压来控制被包围的液体的表层，通过液体张力的变化，导致像素的变化。采用电湿润技术制造的电子纸像素转换非常迅速，同时具有结构简单、省电、可用于柔性显示等特点，其亮度和对比度远超过现有的其他电子纸显示技术。

表1 电子纸技术特征比较

电子纸走近普通读者任重而道远。

虽然电子纸相较于传统纸、电子显示器而言优势明显，但要走近普通读者仍任重而道远。

首先，彩色显示解决方案尚未完全成熟。虽然采用双稳态向列液晶显示技术的电子纸依靠滤光片技术实现了彩色显示，不过这是以大大降低电子纸的分辨率和反射能力为代价的。而EPD电子纸虽然能够依靠改变内部颗粒的颜色实现彩色显示，但其电子墨水的涂抹与均匀分布仍是目前难以解决的问题。而目前电子纸虽然已经可以达到16灰阶显示，但是彩色显示的量产进度缓慢，而且与TFTLCD(薄膜晶体管液晶显示器)比较起来也不甚理想。电子纸固然可以有双稳态、能待机数周的优势，但其仅能以黑白灰阶显色，不利于多媒体视觉呈现，因此若是使用TFTLCD加上低功耗设计而使其使用时间突破12小时(可持续使用1天后充电)，那么更具价格与显示优势的TFTLCD将可能成为系统商的另一选择。

其次，反应速度慢、成本高昂。目前，量产的技术中除微机电技术的反应速度极快外，大部分都有更新速率慢的问题。转换一个画面往往需要秒级以上，这样肉眼就能看到其扫描更新的过程，因此不适用于显示动态影像的播放，会给使用者带来极大的不顺畅感。而且，除电泳技术、胆固醇液晶与微机电技术拥有量产经验外，其余电子纸技术都尚处于试产阶段，成本更加高昂。即使拥有量产能力的电子纸技术厂商，与主流显示技术相较起来量产规模仍很小。现在同尺寸的模块价格，可能是TFT（薄膜场效应晶体管）的数倍且不具有彩色效果，相较于黑白STN（超扭曲向列型）价差更大。而且目前电子纸阅读器的价格本来就偏高，若采用彩色电子纸技术，其价格将超出现有的单/双色电子纸产品一倍以上。因此，如何降低成本促进应用的普及，是电子纸发展的一大课题。

对于缺乏主流及一定出货量的消费性或信息类电子终端应用产品，如手机或电子书阅读器，TFTLCD都是电子纸最强劲的对手。省电固然是电子纸很好的卖点，但对消费性或信息类电子产品，这却并不是决定性因素，除非其显示、阅读质量与节能省电特色一样突出，不然很难在消费性或信息类电子终端产品竞争中取得较全面成功。以目前应用最广泛的电子书阅读器来说，出货量虽持续增长，但比起手机、显示器、笔记本电脑等，却有很大的差距，其未来可能会同MP3一样，从一个独立装置变成某个主流装置的一项特色而已，因此市场规模存在限制因素。

电子纸阅读器所支持的阅读格式也很有限。在表2中，N代表不支持，Y代表支持，？代表不清楚。表2里有很多阅读器格式，每个的特性都不一样，而这五个基本特性，却没有一种格式是完全支持的。

表2 阅读器文件格式特性

目前，全球电子纸行业已经形成欧美企业领军、日韩企业紧随其后的产业大军，而国内相关核心技术产品研发仍是空白。它们在不断进行技术突破的同时，加紧在技术专利权方面“跑马圈地”。以公认技术最领先的E-Ink公司为例，在2006年一年中，就已经在电子纸方面获得了26项新专利，是2005年的两倍，并有超过100项已提出申请尚未获批的专利。E-Ink公司在其他许多国家申请了相关的专利，并估计以后将加快获得专利的速度。与此同时，随着电子纸产业化进一步加快，其实现技术规范越来越符合大规模批量生产的要求，成本也越来越低，越来越多的企业开始加紧电子纸业务的战略布局。而反观国内，目前相关核心技术产品的研发仍然是空白的，对比近年来崛起的一系列IT（信息技术）产业核心技术专利受制于人的现状，前景堪忧。

目前，电子纸行业缺乏统一标准。在国际上，以PDF为核心的数字纸张技术在很多行业里已不只是简单的应用了，一部分行业正在建立自己的标准。比如在档案领域就有专门的委员会把很多公司组织起来，做了一个叫PDF/A的标准，它要求所有的字都能够嵌入，且没有外挂，也许这使档案不那么灵活，但却能够使档案在很多年后不依赖于其他工具就能够阅读和使用。相应的工程设计的标准也在制定中，一部分不仅成为北美的行业标准，而且还有一部分已提交给ISO（国际标准化组织），旨在形成国际标准。而国内，各厂商间的标准不统一，使不同数字纸张间的数据交换不能进行，不同的行业甚至同一行业的不同单位之间也是诸侯割据，导致国内的合作无法完成，与国际的合作也无法实现，严重影响了电子纸产业的发展。因此，为了支持我国和外国公司进行竞争，为了推动数字纸张在我国的普及应用，必须尽快制定我国的数字纸张标准，包括数字纸张格式标准、DRM标准等等。同时，还要从长远发展的角度来规划标准。

此外，法律与认证环节仍有待进一步完善。电子纸张的应用有两个前提，分别是法律与认证环节。一个电子文件、电子报表的严肃性与权威性，必须通过其法律地位来加以解决，随着《电子签名法》的出台，困扰电子政务、电子商务活动过程中的电子签名认可度问题得到了解决，电子签名与纸质文件也具有同样的法律效应，电子签名产品进入市场的障碍也清除了。现在面临的问题是政府和企业的接受度，目前，北京、上海等发达地区可以接受电子纸张，而信息化建设较差的地区还不能接受。另一方面就是电子纸张应用一定要建立在认证的基础上，而现实却是《电子签名法》只对电子认证服务管理做了框架性规定。电子认证服务管理具体主管部门尚不清楚，政府将如何对国内的70多家电子认证服务机构和已发的上百万张数字证书进行平稳过渡管理，如何规定电子认证服务的法律责任等并没有说明。《电子签名法》虽然对第三方认证机构的准入条件做了要求，但是实践中还需要相关法规和具体的实施细则，包括对认证机构的准入和具体办法，认证机构的管理评级审计等。

产业链尚未形成。新技术的产生只是产业发展的基础，而由此形成产业规模则需要庞大的产业链支撑。从某些方面来讲，现在国内国外的技术差距不是太大，甚至有些技术比国际上还领先。在发展的初始阶段，即产业还没有形成规模和气候的时候，需要政府出台相关的政策来扶持。另一方面，相关的核心企业和下游企业也应该组成企业联盟，共同推进产业的发展。目前，国内基本上是“封闭式”发展，没有联盟，就形不成合力，因此制约了产业的发展。北美厂商团结起来形成产业联盟，并通过联盟推动电子纸产业及技术的发展，如Open eBook Forum（开放eBook论坛），它不仅组织各种年会，进行年度市场数据分析，还成立多个工作组和特殊兴趣小组，来制定各种标准文档和技术白皮书。因此，国内厂商唯有联合，才能最终形成产业规模。

商业环境尚不成熟。电子纸的发展应该与网络挂钩，做到随意存取。对于电子纸的信息如何实现随时随地快速下载，便捷、迅速地提供读者需要的信息，在对相应成熟技术要求的同时，获得相关出版商、内容提供商的支持也是至关重要的。此外，电子纸的使用及其配套设施的可获得性和价格如何，普通消费者是否能够承受，还有待市场的进一步检验。如果电子纸遭到计算机病毒的破坏，不仅发挥不出优点，就连传统纸的阅读功能都可能被毁坏掉。传统书籍除了内容，还可以有漂亮的印刷、装帧和独特的风格和艺术观赏价值，而电子纸又会带来什么改变呢？

电子纸要想在更多产业上有所发展，重点还是要突破一系列关键技术，包括：①开发低成本、高分辨率、合适对比度的器件及其生产技术;②进一步提高彩色显示性能，加快转换速度;③有机EL（发光电子板）要突破基板的气密性和封装技术;④液晶显示要解决基板弯曲对液晶分子排列的影响;⑤开发适用于柔性基板的OTFT（有机薄膜晶体管）技术；⑥使用打印机和提高纸张打印技术，例如目前研究的在纸张上涂抹特殊的液体，从而使之成为能够多次改写的纸张；⑦提高能够复制发光画面信息的复制技术等。

电子纸的研发、应用和推广将掀起纸媒载体、信息技术和数字出版的新一轮革命。而面对国外产业大军对核心技术专利权的跑马圈地和发展的战略布局，国内相关核心技术产品的研发仍然是空白的困境，中国电子纸何去何从，值得政府、企业及业内有识之士的高度关注和深入思考。