电子墨水公司如何开发出全彩电子纸？

编译 高斯寒

2008年10月，正好在假期购物季之前，脱口秀节目主持人奥普拉·温弗里（Oprah Winfrey）公布了备受外界期待的“最喜欢的物品”名单，亚马逊Kindle阅读器居于小装置类的首位。

在这一刻，电子纸（电子墨水屏）的概念进入主流视野。

然而，早在亚马逊Kindle阅读器让这种黑白二色、总像是开启着的反射式显示屏为人所知之前，它早已被人发明出来。电子墨水屏的故事开始于1997年的麻省理工学院媒体实验室，在教授约瑟夫·雅各布森（Joseph Jacobson）的启发下，两名学生阿尔伯特（J.D.Albert）和巴雷特·科米斯基（Barrett Comiskey）创造出电子墨水屏。

电子纸从一开始就被视为神奇无比。它对眼睛很友好，甚至在户外明亮的阳光下也能看清楚，而其他便携式显示屏会在阳光下变得无法辨识。电子纸使用数周才需要充电，而配备其他显示屏的手机基本撑不了一天。然而，电子纸的局限性也显而易见——图片只能以黑白两色显现。在一个很久没有见识过单色显示屏的世界里——早在20世纪60年代，黑白电视机就被彩电取代，而计算机显示器的转变出现在20世纪80年代后期——单色显示屏毋庸置疑既老套又有趣。

在电子墨水公司的Triton和Kaleido显示屏中，彩色滤光片将白色微粒反射的光变成红色、绿色和蓝色次像素。然而，这种方式降低了分辨率和亮度，限制了第一代彩色电子纸技术的普及

所以，从电子纸背后的基础技术“电子墨水”最初开发之时起，一个大问题就笼罩着电子纸，并且随着Kindle阅读器的发布而日益突显：我们到何时会看到这种神奇的显示屏呈现出鲜艳的色彩？研究人员并非没有尝试。全球各地大学、企业实验研究室和新创企业的电子墨水研究者多年来一直在追求实现彩色电子纸。他们研究出一些早期产品，目标定位于实体零售店铺的货架标签，也用于标志牌。但这些早期产品仅仅是给黑白显示屏增加一种颜色（红色或黄色），那可不是任何人认知中的全彩显示屏。在第一台Kindle阅读器问世十多年之后，在电子纸发明了二十多年之后，全彩电子纸依然没有进入消费市场。

电子纸从黑白到彩色的转变过程为何耗费了这么久的时间？多年来，科研人员尝试了多种方法，一些是来自更为传统的显示屏的技术，另一些是演变自原本的电子纸的独特设计。譬如，高通公司花费数十亿美元来研究一种受到蝴蝶翅膀启发的方法。总体而言，彩色电子纸的成功之路可能有些曲折，但依然是经典的技术胜利故事。

如今，电子墨水公司（E Ink）的全彩电子纸进入消费者的手中，出现在包括电子阅读器、智能手机和笔记设备在内的产品上。有十多家制造商在生产这些产品，包括国悦V5彩色墨水屏笔记本、海信A5C彩墨屏阅读手机、文石Boox Poke 2彩墨屏阅读器和PocketBook彩墨屏阅读器等。迄今公布的全彩电子纸产品中，除了电子墨水公司的技术，另外只有一种中国大连佳显公司推出的电浆显示屏（DES）。在本文写作之时，尚未有采用DES技术的设备送到消费者手中，然而已有若干记者收到样品，还有两个Kickstarter公司的募资活动的主打产品会用上DES显示屏。

彩色电子纸的挑战源自这项技术的性质。黑白电子墨水是化学、物理学和电子学的直接融合，完成了与传统的墨水和纸张几乎一样的事。电子墨水公司的产品由许多微胶囊构成，这些胶囊内有带负电的黑色微粒，带正电的白色微粒（同样的色素也被用于现今的印刷工业），漂浮在透明液体中。每个微胶囊差不多同一根头发丝一样粗细。

为了制造电子纸显示屏，研究人员首先制造出这种电子墨水，再用这种电子墨水覆盖在塑料基板上，达到大约25到100微米厚，具体要视打算用于哪类产品而定。接着把一卷卷覆层薄膜切割成想要的显示屏尺寸，再添加薄膜晶体管，在墨水层的上方和下方生成电极，再像做三明治一样将它夹在保护性薄片之间，如果有可能的话，会增加触控面板或前光。

为了产生图像，电子纸设备向顶层和底层电极施加不同电压，从而生成一个电场。顶层电压接近为零，底层电压在-15伏、0伏和15伏之间变换。每次显示屏上的图像需要变换时，特定顺序的电压被施加在底层电极上，驱动微粒从先前的位置移动到显示新图像的正确颜色所需的位置上。这种图像更动所用的时间通常不到半秒钟。

让白色微粒来到显示屏顶层，创造出“纸张”的外观。黑色微粒则创造出“墨水”的外观。但微粒不用位居最顶层或最底层。当我们停止生成电场后，微粒会在运动轨迹中停住。这意味着，我们能在显示屏顶层的附近生成黑色微粒和白色微粒的混合物——这就显现为灰度。

决定向每个电极施加多久的电场和多大电压的软件很复杂。具体的选择取决于之前在那个像素上展示的颜色。譬如说，假如一张图像中的一个黑色像素在下一张图像中仍然是黑色，就无需向那个像素施加电压。我们也必须小心处理颜色的转变。我们不希望之前的图像滞留，但我们也不想让颜色突然转变，导致显示屏闪烁。这些只是设计算法（被称为波形，我们用它来确定电压的顺序）时要考量的因素中的一部分而已。这部分的设计工作既是科学，也是一种艺术。

电子墨水公司的先进彩色电子纸（ACeP）使用四种不同的色素微粒，尺寸和电压都各有不同。系统施加不同的电场，将微粒推拉到每个梯形微杯的不同位置，产生企望的颜色

将色彩纳入方程式，使得波形大大地复杂化了。鉴于一个电场要么产生正电压，要么产生负电压，黑白两色是简单的二元对立。二元对立的方法无法适应全彩电子纸。我们需要一些全新的方法。

我们在21世纪初开始探究各种选择。我们于2010年在商业上推出的首批彩色电子纸产品中，有一种使用了彩色滤光片。彩色滤光片是印刷在一层玻璃上的方块阵列，那层玻璃放置在标准黑白墨水层的上方。当我们施加电压，让白色微粒移动到选定位置的表面，光会穿过上方的红色、绿色或蓝色滤光片，反射回观看者的眼中。这是一种显而易见的方法：人类所能看见的所有颜色都能通过红色、绿色和蓝色光的混合而产生。由于这个缘故，如今大多数的常见显示技术（譬如LCD和OLED）都使用RGB发光器或彩色滤光片。

我们将这款产品起名为“电子墨水Triton屏”。尽管当时推出了采用该技术的电子教科书，但这一尝试教给我们最主要的经验是，什么样的技术在消费市场中会行不通。对于习惯了平板电脑或纸本杂志的高分辨率的用户来说，这种显示屏的分辨率实在太低，颜色不够明亮。

颜色不够明亮的问题出在一项事实上：和采用背光的LCD或直接发光的OLED显示屏不一样，电子墨水公司的墨水屏是全反射屏。也就是说，来自外部光源的光线穿过透明保护层，击中墨水层，反射回到观看者的眼中。这种布置对于户外使用很适合，因为反射性显示屏会得到提升，而不是被明亮的日光照得黯淡。这种显示屏对于眼睛的舒适也有好处，因为它们不会将明亮的光线直接照向使用者的眼睛。但是在反射性显示屏系统中，墨水层和眼睛之间的每一层都吸收或散射掉若干光线。结果证明，增加彩色滤光层导致显示屏暗淡了好多。

另外，采用彩色滤光片来将单色像素分离为三个有色像素，拉低了整体分辨率。原本分辨率为每英寸（1英寸约合2.54厘米）300像素的显示屏在增加三色滤光片后，分辨率降低为每英寸100像素。对于用作指示牌的32英寸显示屏来说，不是大问题——像素尺寸可以做得更大，而硕大的字母也不需要高分辨率。但是对于手持设备上小小的字体和线条画来说，这是个真实的问题。

我们有研究者构思出这种滤光片显示屏，而公司实验室的其他科研人员着眼于一种不一样的、采用多色素、不依赖于彩色滤光片的方法。然而，那种方法需要更为复杂的化学和力学机制。

多色素电子纸与之前的单色电子纸有着共同的基础原理。然而，相对于单色电子纸只有两种微粒，多色素电子纸如今使用了三种或四种微粒，具体要依据一个特定应用所挑选的颜色来确定。

我们需要让这些微粒对于电场做出独特的反应，而不是简单地受到吸引或排斥。我们对墨水微粒做了一些设计，使得它们能更好地分类。我们让墨水微粒的尺寸不一——较大的微粒一般在液体中会移动得比较小的微粒慢。我们将对微粒施加的电压差异化，利用电压变化更具模拟性而非数字性的事实。也就是说，电压可以是非常强的正电压、些许的正电压、非常强的负电压或些许的负电压。而且在它们之间还存在许多阶度。

Spectra显示屏是电子墨水公司的第一种三色显示屏，允许零售商在电子货架标签中插入一块红色或黄色

电子墨水公司的Kaleido彩色墨水屏中包括了前光，将彩色滤光片的图案定为一系列短线条，借此改善明亮度、色饱和度和对比度

我们一旦将微粒分开，就得要施加波形。我们不单单是将一组微粒送入顶层，将另一组微粒送入底层，而是对它们既推又拉，生成图像。譬如说，我们可以将一种颜色的微粒推至顶层，再将它们稍稍拉回来，于是它们与其他微粒混合，生成特定的颜色。青色与黄色混合，生成绿色，而白色微粒提供反射背景。一种微粒更靠近表面，那个颜色在混合色中的色彩浓度也就更大。

我们也改变了色素容器的外形，从球形改为梯形，这使得我们能更好地控制微粒的垂直位置。我们称呼这些容器为微杯（microcups）。

对于三类微粒的系统（如今在市场上称为电子墨水Spectra屏，主要用于电子货架标签），我们在每个微杯中放入黑白红或黑白黄色素。2021年，我们为该系统添加了第四种色素微粒：我们的新一代产品使用黑色、白色、红色和黄色微粒。这样就能生成极其饱和的高对比色彩，然而，这四种颜色无法混合生成全彩图像。这项技术最早在2013年推出，用于零售业的电子货架标签。若干公司已经用电子墨水公司的显示屏制造出数百万个电子货架标签，运送到全球各地，用于百思买、梅西百货和沃尔玛超市。也有类似的电泳货架标签采用了中国东方科脉公司生产的显示屏，产品也早已上市。

电子墨水公司真正的全彩电子纸系统被称为先进彩色电子纸（ACeP），我们在这种电子纸中也用了四种色素微粒，但我们放弃了黑色微粒，依赖白色、青色、品红和黄色微粒，也就是喷墨打印机中使用的四种颜色。通过让微粒在不同层面中停下，我们能用这些微粒产生高达5万种色彩。最终得到的显示屏渲染的色彩像报纸、甚至是水彩绘画中的颜色。

电子墨水公司于2016年将先进彩色电子纸以“电子墨水Gallery”之名上市。这种显示屏因为低刷新率而又一次不适合消费用设备。另外，它是反射式显示屏，又没有背光，对于习惯了智能手机和平板电脑的明亮显示屏的消费者来说，它的色彩过于柔和了。目前，它主要是在亚洲用于零售业的标识。

我们意识到我们的彩墨显示屏依然没有击中消费者市场的最佳点，公司的研发团队回头再次审视起Triton屏，也就是使用RGB彩色滤光片的系统。什么样的系统行得通，什么样的系统行不通？我们进行的这些更改是否最终能带来一台消费者想要的彩色电子阅读器？

我们知道滤光片会削弱亮度。我们相当确信，通过让滤光片更靠近电子墨水层，能显著减少亮度的损失。

我们也想要提高显示屏的分辨率，这意味着采用更为精细的彩色滤光阵列。为了获得更加符合消费者习惯的分辨率，我们得要在每平方英寸（1平方英寸约合6.5平方厘米）中射出至少200个像素点。那是我们的第一批Triton显示屏所能达到的密度的大约两倍。

相较于用不同的电压来控制色素颗粒（正如我们开发ACeP时所做的事）的复杂程度，你也许会认为这件事很容易办到。但结果证明，这需要用一种在玻璃基板上印刷出彩色滤光片的新技术。

我们之前在玻璃上印刷上半透明的红色、绿色和蓝色墨水，制造出滤光片。但这种玻璃是叠加层。于是，我们决定直接在容纳顶层电极的那层塑料薄膜上印刷，在我们的显示屏模块临近封装制程的尾声后增加这个步骤。这项安排让滤光片尽可能接近电子墨水层。此举也允许我们提高分辨率，因为和使用额外一层面板时可以实现的精度相比，现在能更加精确地把滤光片与显示屏像素对准。

2021年上市的PocketBook墨水屏平板Inkpad 3 Pro采用了第二代电子墨水Kaleido Plus 彩墨屏

作为电子墨水公司制造工序的一部分，含有墨水的微胶囊覆盖在塑料薄膜上。这些薄膜在干燥、检验和重新卷好后，送到其他地方进一步加工

我们在德国公司“塑料逻辑”（Plastic Logic）中找到了我们需要的那类印刷机，该公司从早期时就是电子墨水公司的合作伙伴。然而，该印刷机的本意是用于研发实验室，而不是用于大量生产。必须对它所使用的工序进行改造，从而在不同的生产就绪的机器中运作。

我们也需要为彩色滤光片构思出新的印刷图案。也就是红色、蓝色和绿色滤光阵列的实际形状和排列方式。我们早先通过研发Triton显示屏的工作发现，将滤光阵列印刷成简单的方块网格不是最佳方案，因为在某些图像转变时能看见该图案。于是，搜寻最完美图案的工作继续进行。我们进行许多次迭代，考虑光线照在显示屏上的角度，因为这个角度能轻易改变观察者所看见的色彩。我们评估了网格、直线、长线条和许多其他图案，最终敲定采用一种短线条图案。

因为这是反射式显示屏，所以越多光线击中显示屏，也就越亮。研究团队决定为显示屏增加前光（这是Triton显示屏未采用的部分），努力确保光线以某个角度击中墨水层，使得反射率最大化。当然，采用前光会提高能耗，但在这个案例中是值得的。

结果，相较于Triton屏，电子墨水公司的全新彩墨屏技术“电子墨水Kaleido”拥有更加饱和的色彩和更好的对比度。终于有一种全彩电子墨水显示屏准备好用于消费产品。

第一批正式的Kaleido显示屏在2019年下半年下生产线。不久后，我们开始运送货物给顾客，你目前能在海信A5C彩墨屏阅读手机、科大讯飞C1阅读器和PocketBook彩墨屏阅读器等产品中见到这项技术，以上产品都上市于2020年。第二代Kaleido显示屏被称为Kaleido Plus，在2021年初开始运送给厂商，文石和PocketBook等公司推出的相关产品在不久后上市。第二代Kaleido显示屏改善了色彩饱和度，这多亏了印刷图案和前光光导方面的调整。

我们还有一些事要做。被反射回到用户眼中的入射光比率叫作光效率。公司目前产品的光效率很好，但可以做得更好。我们在继续研究薄膜层，谋求进一步减少亮度的损失。

我们继续完善印刷图案，在墨水层下方的电子器件中使用更密集的电路，并通过开关电压来移动带电粒子，努力改进分辨率。

我们也在继续研究无滤光片、多色素的电子墨水技术。我们预计会在不久后推出用于标志牌的新一代显示屏，它会拥有更鲜艳的色彩和更快的页面更新速度。

电子墨水公司的科研人员在21世纪初着手探索彩色电子墨水时，鉴于对电子纸技术的专长，他们以为只要过上几年，就能有所结果。毕竟，黑白电子纸仅仅用了十年，就从概念构思走到了商业化的这一步。事实证明，通往全彩电子书的道路漫长得多。但是，恰如《绿野仙踪》中的少女桃乐丝一样，我们最终还是成功到达了彩虹的彼端。

资料来源IEEESpectrum