电子纸_电子纸的过去、现在和未来

　　摘要：电子纸显示技术已经在越来越多的产品和设备上得到应用。从这项技术的现状出发，分析了阻碍其发展的因素，并对其前景作出了展望。 　　关键词：电子纸；胆甾相液晶；柔性显示器;塑料基板
　　中图分类号：TN141文献标识码：B
　　
　　The Past, Present, and Future of Electronic Paper
　　Minoru Koshimizu
　　（Japan Business Machine and Information System Industries Association (JBMIA)，
　　The Corporate Technology Planning, R&D Management Group, Fuji Xerox Co., Ltd.,Japan）
　　Abstract: Electronic-paper display technology is finding its way into more products and applications.This article looks at the current state of the technology, what obstacles could prevent further adoption, and what the future holds.
　　Keywords:electronic paper; cholesteric liquid crystal; flexible display; plastic substrates
　　
　　在使用符号文字作为交流的工具之前，信息通过语言传递并存储在人类的记忆中。文字及其载体的出现，把人类从必须依赖记忆力贮存各种信息的境况中解放出来，引领人类走向更具创造性和智慧的生活。在很长一个历史阶段，人们发明了各种载体用于书写字符、描绘图像。直到公元2世纪，由中国人发明了世界上最早的纸。由于使用方便以及后来凸版印刷术的发明，在数世纪的人类历史里，纸成为传播信息的最佳媒介，并一直占据着统治地位。
　　过去20年里，诸如个人电脑和互联网等数字媒体平台的迅猛发展，使人们发现，通过计算器终端获得信息更具便捷性和互动性。由此导致了一场关于"无纸时代"已经到来的大讨论。但具有讽刺意味的是，这些所谓的数字媒体技术的应用，实际上却使用纸量增加了。通过数字媒体产生的海量信息最终将刺激印刷需求。作为最终用户，人们期待通过使用更加方便、价格更加低廉的媒介来获得信息，一个可能的解决方案就是发展并完善众所周知的电子纸显示技术。
　　
　　电子纸技术发展简史
　　
　　所谓"电子纸"，并不仅仅局限于某种单一的既成技术，更是一个囊括了各种显示技术在内的技术范畴。目前，这项技术的标准及规范尚未形成。粗略地讲，我们可以认为这项技术可以替代电子媒介或者纸，在信息传播领域发挥作用。电子纸的功能特性包含如下几个方面：对显示内容的可擦写能力、图形信息的记忆功能（消耗极少电量甚至不消耗电量即可保存图像）、显示的反射类型以及良好的柔软性等。
　　第一个电子纸模型是旋转球显示模型（通常被称作Gyricon模型），它是由施乐公司帕罗埃尔托研究中心的N. Sheridon于1970年代提出的。这种模型采用的媒介是一种含有许多粒球的人造橡胶薄片，粒球由具有不同显色性和不同电极性(正极和负极)的两半组成（图1）。
　　
　　在外加电场作用下，薄片中的粒球获得取向，其一个半球面向显示面，从而便可以在屏幕上显示出图像。基于此项技术，Sheridon提出了“电子纸”这个崭新的信息媒介概念，认为它可以取代传统的纸和印刷技术。
　　自从旋转球显示技术诞生以来，科研工作者又提出了多种基于电子纸概念的技术。这些技术可以被粗略地划分为三类：使用具有信息保存能力的液晶材料的技术；利用通过取向可以显色的带电粒子来实现显示的技术；利用可逆的显色/褪色反应原理来实现信息显示的技术。
　　
　　电子纸产品介绍
　　
　　当今市面上的电子纸产品可分为两种基本类型：一类用于面向个人用户的移动设备；而另一类的用户定位则是与前者完全不同――为某种特殊场合设计的广域信息系统。
　　电子书(E-book)便是采用了电子纸技术的第一类产品，它也是将该项技术引入移动设备的标志性产物。在2004年4月，索尼公司开始销售被称为LIBRIé的图书阅读器，并让消费者第一次感受到了电子纸产品的魅力。它的显示模块采用由E-Ink公司研发的微胶囊电泳型电子纸显示技术。这种显示技术通过使用电子墨水来成像。电子墨水中有很多个胶囊微粒，微胶囊里面充满了漂浮着白色及黑色带电颗粒的绝缘液体。不同于液晶类的传统显示技术，这种显示能像使用真正的墨水在纸上印刷一样，显示图像。通过评估，使用该技术的产品旨在设计出一种专门用来读书的设备。
　　LIBRIé 是 "终极书本"概念的首次实现。1997年，电子墨水的发明者之一，美国麻省理工传媒实验室的J. Jacobson 首次提出了这个概念，为了更有说服力，J. Jacobson还向我们展示了一个梦想：我们的读者使用一个基于电子墨水技术的简单设备，通过重复擦写就可以阅读全世界所有的书籍。目前LIBRIé的一种成熟产品已经打入了美国市场。该产品的最终客户主要是经常乘坐飞机的商务人士和城市上班族（图2）。
　　
　　2006年8月，荷兰iRex科技推出一款叫做iLiad的专门阅读设备，仍然采用了E-INK公司提供的显示模块。iLiad 的特色是拥有一块比LIBRIé稍大的8.1in的显示屏，并有一个内置的局域网接口。作为一个基本的设计功能，用户可以通过因特网，把所需的最新报纸信息下载到它上面来浏览。法国的报业公司Les Echos 在2007年9月就开始利用iLiad销售自己的电子报纸。一种类似的服务已经引入中国，并且正在计划进入日本市场。有了这种配备了手写输入机制的阅读设备，使用者就可以在各种商业场合阅读电子手册。
　　最新加入电子书生产行列的是Amazon公司，2007年11月它推出了一种新型的无线阅读设备Kindle。这款产品同样使用了电子墨水技术。
　　Kent显示技术公司，是涉足"广域信息系统"的先驱。该公司的胆甾相液晶数字信号技术，因为其产品出色的显色能力和可弯曲性，而具有很光明的前景。E-Ink和很快就消失的Gyricon的早期产品都曾涉及过这个领域。
　　今天，越来越多的先进系统被开发出来。日立于2006年发布的产品Albirey，集成了内容传送服务器和显示设备，它只有3.7 mm的厚度，重600g，一张A4纸大小的尺寸（210 × 297 mm）。Albirey具有内置的无线局域网接口，其显示技术基于Bridgestone开发的QR-LPD（quick-response liquid-powder display，快速响应液态-粉体显示）显示模块。这项技术通过电场的手段控制两种色球的位置来实现显示。富士通公司于2007年春发布了另一种叫做FLEPia的系统，它采用了独创的轻量级胆甾型液晶面板，其上覆盖有触摸板。该产品同样具有内置无线局域网模块，并带有立体声音效系统。所有这些产品都非常节能，并且可以做得比传统的显示产品更轻更薄，易于安装在任何地方。
　　
　　电子纸发展的阻力
　　
　　当前，绝大多数在市场上出售的电子纸产品的显示屏都使用一种刚性的基板。这使它与LCD等传统的显示器件很难区分。电子纸当前面临的挑战不仅仅是需要具有纸的外观，还要具备纸一样的轻薄度以及柔软度。
　　为什么电子纸需要具备和真正的纸一样的特性呢？答案在于它的功能优势（举个例子，比如真正的电子纸不会因为跌落而损坏），而且轻便的电子纸也易于运输。另外，还有一个原因：假设用户可以进行各种手工操作（比如浏览信息的同时，触摸和手握电子纸来翻阅处理多页的内容），那就更加有利于其对信息的理解和思考。虽然通过研究探测人类的思维生物学机理直接验证这个假设并非易事，但是一项基于可用性评估的研究，强调了电子纸具有上述纸的外观与特性的重要性。
　　富士施乐公司目前就在开发这样一种各方面都和真正的纸类似的电子纸――光学可寻址型电子纸。这种电子纸产品由于采用了轻薄的薄膜衬底，所以将具有柔性。显示介质不需要任何诸如驱动能或者驱动电路之类的额外的组件，而是通过一个外加的光学模式场和均匀作用在整个介质上的电压脉冲来获得图形信息即时显示的能力。
　　这种介质由一对塑质基底复合而成，每一个基底的内表面都有一个透明电极层。在基底之间有三层材料：含有胆甾型液晶材料（这种液晶材料具有很好的图像保持能力）的显示层、光吸收层以及有机光电导层。
　　图3所示的就是这种光学可寻址电子纸。显示屏上通过光发射原理显示的可视图文也显示在了这种电子纸上。用户可以在这种电子纸上直接复现显示在屏幕上的光学图案，从而不看屏幕就可以阅读显示在屏幕上的信息。用户也可以将它拿在手中观看，或者在用户之间传阅和共享。由此可见，电子纸可以让用户以更加自然、更加人性化的方式掌握各种信息资源。
　　
　　通过控制胆甾型液晶组件，可以让入射光中特定频率的光得到反射，而组合获得的红绿蓝三色光的层叠便可以实现宽色域显示。图4所示的就是该项技术最新的全色显示成果。
　　此外，具有良好柔软性，并可以像传统显示设备那样内部集成所有驱动元件电子纸产品也正在研制当中。普利斯通、富士通、爱普生、Plastic Logic（英国）和Polymer Vision（荷兰）都是涉足研制这种显示产品的主要制造商。普利斯通和富士通已经发布了基于无源矩阵驱动技术的产品原型。图5就是普利斯通公司的柔性全色显示电子纸样品。
　　其他公司发布的样品，都是采用结合了薄膜晶体管（TFT）的动态驱动技术和E-Ink公司开发的显示层技术的一种复合技术。
　　人们期待这些电子纸技术可以促进具有极好移动性和更大显示面积的个人信息终端的发展。人们也同样期待一种能轻易贴在墙壁上或者天花板上的数字广告媒介产品能够因此发展起来。
　　
　　结论及电子纸前景展望
　　
　　人们研发出了形形色色的电子纸技术，并已经把其中的一些做成了产品。从2003年开始至今，由日本机械与信息系统产业协会（the Japan Business Machine and Information System Industries Association，JBMIA）资助的电子纸协会一直持续进行着有关电子纸的研究。我们的工作内容包括产品市场竞争力评估、技术发展趋势调研和新兴媒体形式的发展方向预测。在第三届电子纸论坛上，我们倡导这样一个概念：电子纸是支持"反认知"的数字媒介。"反认知"这个词，听起来有点抽象，它代表一系列思维活动，人们在做出决策前，需要通过这些思维活动对大量的信息进行比较分析，因此对人的智力活动非常重要。
　　
　　在历史的长河中，笔和纸一直是人类认识活动最有效的辅助工具。而电子纸技术表现出的潜力，不仅继承了纸笔的所有特性，而且提供给用户一个新的沟通方式：我们可以用电子笔把信息输出给每一个人共享，而不用担心外部的各种制约。
　　有了易用性和直观性的潜力，电子纸作为一种新技术，呼之欲出。它将用其他显示技术目前无法企及的技术手段，改变我们工作、思考和彼此沟通的方式。
　　到了电子纸技术发展成熟时，因其交互式沟通服务和独立显示机制，它将在显示领域鹤立鸡群。电子纸具有非常光明的前景，在不久的未来将会得到蓬勃发展，这一切值得我们期待！
　　
　　参考文献
　　[1] F.Onabe, et al..Frontiers of Electronic Paper for Practical Applications[J].NTS, Inc. (2005).
　　[2] N. K.Sheridon, U.S.Patent No.4126854(1978).
　　[3] J. Jacobson, B. Comiskey, C. Turner, J. Albert, and P. Tsao. The Last Book[J]. IBM Systems Journal 1997,36, No.3: 457-463.
　　[4] S. Okano, M. Omodani, M. Nakata, and S. Maeda.Study of Readability as a Target of Electronic Paper: Effect of media Handling Styles on Reading Tasks[R]. IEICE Technical Report. Electronic Information Displays 104, 13-16 (2004).
　　[5] H. Harada, M. Gomyo, Y. Okano, T. Gan, T. Urano, Y. Yamaguchi, T. Uesaka, and H. Arisawa. Full Color A6-Size Photo-Addressable Elect－ronic Paper[J]. Proc. IDW 2007, 281-284.
　　(北京交通大学 张晓晋
　　译自《Information Display》01/08)