走进彩色电子纸的精彩世界

何路娟 田学军

一直以来，书籍作为信息传播的重要载体，在人类文化传承和历史遗产保护等方面发挥了巨大的作用。近年来，由于纸张原材料短缺，纸质书籍携带不方便、信息不可更新等缺点，以及人们对知识需求量的急剧加大和知识更新速度的加快，纸质书籍越来越不能满足人们的要求。而电子纸凭借材料节省、携带方便等优点逐渐走进人们的生活。相比黑白电子纸，彩色电子纸在应用上则有更广阔的前景。目前，彩色电子纸的彩色化显示和柔性基板技术已经得到解决，这将给使用者带来全新的阅读体验。在此，笔者将对电子纸的构成、彩色电子纸的显示原理和应用领域进行详细探讨。

电子纸的构成

电子纸是一种新型显示器，具有超薄、可弯曲折叠、可卷绕、携带方便、低能耗以及高对比度等特点。电子纸主要由两大部分构成：一是显示画面的显示介质部分；二是为电子纸提供电能的驱动电路部分。

其中，显示介质部分是由柔性基板材料制作的柔性电子纸，其基板材料类型有塑料、薄型玻璃和超薄玻璃基板等，这使得电子纸如纸张一样轻薄、耐用，显示效果接近纸张，阅读体验如同纸张一样舒适。另外，电子纸的显示介质部分是靠自身光源显像的，其可根据环境光的强弱自主地改变显示介质的对比度，使得人们即使长期观看电子纸，眼睛也无疲劳感。

驱动电路部分采用双稳态显示技术来达到持续的显示能力。双稳态显示技术采用了亮暗两种微粒，其随着电压的变化能够稳定地进行变化，从而形成信息，并且能使电子纸在没有加压的情况下保持所显示的内容不变。总的来讲，双稳态显示技术使得柔性电子纸具有画面记忆功能，使其只有在显示内容变化的情况下才需要电压，消耗电能。

彩色电子纸的呈色技术

目前，彩色电子纸的呈色技术主要有电泳显示技术、电润湿显示技术、胆固醇液晶显示技术、电子粉流体显示技术等。在此，本文重点分析电泳显示技术、电润湿显示技术和胆固醇液晶显示技术的呈色原理。

1.电泳显示技术

电泳显示技术即利用电泳原理实现光反射的双稳态显示成像技术，其采用了带电的胶体微粒子，在外加电场的作用下，胶体微粒子通过翻转或定向移动来呈现或明或暗的显示效果，其中目前常用的电泳显示技术为微胶囊电泳显示技术。

微胶囊电泳显示技术的微胶囊内含透明润滑液以及白色和黑色颗粒，其中白色和黑色颗粒分别带正电荷和负电荷，润滑液为清洁液体。无数个微胶囊体位于两电极板之间，当电极板被施加负电场，即正面极板带负电荷时，带正电荷的白色颗粒就会被吸附在微胶囊体顶部，带负电荷的黑色颗粒就会被吸附到微胶囊体底部，从而呈现白色。同理，当电极板被施加正电场时，带负电荷的黑色颗粒会被吸附到微胶囊体顶部，带正电荷的白色颗粒则会被吸附到微胶囊体底部，从而呈现黑色。由此可见，只需改变施加电场的正负极，就可随意改变电子纸显示的颜色，从而不断地变换显示内容。

微胶囊电泳显示技术低消耗、高亮度显示的特点使其在显示黑白两色方面相比其他显示技术有很大的优势，但其在彩色呈现方面面临极大的挑战。微胶囊电泳显示技术可通过添加彩色滤色片的方式来实现彩色显示，但这样会使得显示亮度和分辨率受到制约。

目前出现了能够很好实现电子纸彩色显示的横向电泳显示技术。图1为横向电泳显示技术呈色示意图。该技术实现方式为在内部遮蔽区设置两个电极，即集电极（C极）和门电极（G极），在可视区设置两个视电极（V1和V2极）。当门电极不加电压时，带正电荷的的颜料颗粒就可以在可视区和遮蔽区之间按照集电极和视电极的电压方向自由移动。当给两个视电极加正电压时，颜料颗粒就会移入视电极所在的可视区并且反射环境光，这样每个像素即可显示一个色点；反之加负电压时，颜料颗粒移入集电极所在的遮蔽区就不再反射环境光，由此通过控制每个像素点的可见与隐蔽来转换图像信息，实现彩色显示。

2.电润湿显示技术

电润湿显示技术是一种利用油与水界面固有的自然力及相关理论而开发出的技术。图2为电润湿显示技术呈色示意图。该技术采用了一种可以把水从表面排除、以油膜作为介质的高疏水材料，形成分离的油相和水相，抗水表面的润湿效果可以通过电压来改变（故名电润湿），令表面变得更亲水（润湿）。由于原先抗水的表面现在变得更吸水，油膜不得不改变其形式。这种界面属性控制是电润湿应用的基础。在形成显示时，电润湿原理可被用来建立一个像素调制器。当不同像素被独立激活以创建影像时，油被染上一种颜色，从而形成显示。在原则上可以给予像素任何想要的颜色，从而获得各种显示结果。

电润湿显示技术在实现彩色方面有着自己独特的方法，将油膜与像素点联系在一起，油膜的形式发生变化，导致像素点颜色的变化，从而实现色彩的改变。电润湿显示技术的另一种显示方法是依据电润湿对彩色光的反射特性，将蓝绿、紫红、黄三种基色电润湿显示层堆叠，根据色料减色法原理，分别反射基色光来实现彩色显示，这种方法较简单，在此不再赘述。

3.胆固醇液晶显示技术

胆固醇液晶显示技术是一种非传统的显示技术，即使移除控制板的供电，影像仍会保留在显示器上。其影像可媲美纸质阅读，具有高对比度、高反应度、高可读性以及双稳态特征和低能耗的特点。

胆固醇液晶显示技术有两种实现方法。一种是通过添加不同旋转螺距的旋光剂，使胆固醇分子在不同的电位下呈现“反射”和“透射”两种不同的偏极光旋转状态，从而实现不同的显示效果。另一种是采用色光加色法，通过设定红、绿、蓝三色反射层反射不同强度的光来实现不同颜色的呈现。该方法运用胆固醇液晶材料的光反射选择性，从上到下依次叠加蓝、绿、红反射层，各反射层分别反射其同色光。胆固醇液晶材料具有独特的光电效应，当各个像素点所加电压不同时，各反射层对光的反射率也不同，反射出界面的三种光的强度也不同。不同强度的三色光通过加色法叠加，就可以呈现出各种各样的颜色，这与印刷上通过色光加色法和色料减色法原理来实现彩色印刷的道理相同。图3所示为采用色光加色法的胆固醇液晶显示技术的呈色示意图。

彩色电子纸的应用领域

目前，彩色电子纸的应用比较单一，主要应用在电子阅读器上。随着彩色电子纸技术的不断进步，我们相信，其将在以下领域得到发展。

1.显示器领域

彩色电子纸是一种很好的显示载体，其与传统的显示器相比更加便捷、实用，未来我们用眼睛所看到的信息载体都将会被彩色电子纸所代替。例如如果用彩色电子纸来代替手机显示屏的话，我们的手机就可以有无限大的屏幕，而且不必担心手机经常没有电，也不必担心致使眼睛疲劳甚至是损害眼睛等问题。此外，采用彩色电子纸的屏幕可以无限放大、折叠，而且不会改变屏幕的清晰度，不用时就可以收起来。再如，我们在大街上看到的广告牌，如果使用彩色电子纸代替后，就不再需要更换广告纸，只需在更改信息时输入新的信息就可以刷新了，既方便又实用环保。

2.艺术领域

彩色电子纸可以很好地与背景装饰相结合，运用于建筑装饰装潢、电影特技影像效果的产生、艺术舞台的格局布景等，显示完美的艺术。例如在建筑装饰装潢方面，我们只需在建筑的表面贴上彩色电子纸，再将自己能想象到的装潢格局与风格直接输入到彩色电子纸上就可以呈现，而且我们还可以根据自己不同时期的心情和喜好随时地更换；在电影特技方面，同样可以利用彩色电子纸进行动作、场景特效等方面的设计，使得拍摄更加方便；在艺术舞台格局布景上，有了彩色电子纸，我们不再需要更换整个舞台，也不需要每次都布置场景，只要在演出前输入所需要的场景，就可以在彩色电子纸上进行不同场景的更换。

3.教育领域

有了彩色电子纸，在以后的教学中，课本、作业本、老师的教程、学习资料等纸质材料都可用彩色电子纸代替，而且相比使用纸质材料，更加方便，学习效果会更好。在学习时，同学们只需要把每学期所学的书本内容输入到彩色电子纸中，就可以随时阅读，而且多门课程只需要带一个电子纸阅读器即可。学生完成的作业也只需通过电子纸传输到老师的电子纸中就可以供老师批阅，从而更方便师生之间交流。

目前，彩色电子纸的发展蒸蒸日上，虽然在彩色显示方面的技术还有待研究与发展，但是我们相信在不久的将来，其将占领大量市场，成为我们日常生活的主流应用技术。